均质充气压缩点火发动机的发动机预热的制作方法

专利名称：均质充气压缩点火发动机的发动机预热的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及内燃机控制系统。发明背景本部分中的陈述仅仅提供与本发明相关的背景信息，不能构成现有 技术。被研制出来用于受控的自燃燃烧操作的一种发动机系统包括被设 计成在奥托循环下运^亍的内燃机。配备有直接缸内燃料喷射的发动才几在 特定的发动机运行条件下在受控的自燃模式中运行以获得改进的发动 机燃料效率。火花点火系统用来在特定的运行条件期间补充自燃燃烧过程。这种发动机被称为均质充气压缩点火(在下文中称为"Hccr)发动机。在HCCI燃烧模式中运行的HCCI发动机在燃烧室中形成被燃烧的 气体、空气和燃料的充气混合物，并且在压缩冲程期间从充气混合物内 的许多点火位置同时开始自燃，导致合适的动力输出、高的热效率和低 的排放。燃烧被高度稀释并且均匀地分布在整个充气混合物中，导致低 的燃烧废气温度和典型地比传统火花点火发动机或传统柴油机的NOx 排放低得多的NOx排放。HCCI在利用常规压缩比的两沖程汽油机中已经得到证实。相信在 两沖程发动机燃烧室内从前一个循环剩余的燃烧废气(即残留含量)的 高比例是在高度稀释的混合物中提供促进自燃所需的高混合气温度的 原因。在具有传统气门装置的四沖程发动机中，残留含量4氐，部分负荷时 的HCCI难以实现。在低负荷和部分负荷时引起HCCI的已知方法包括 1)进气加热，2)可变压缩比，和3)使汽油与引燃促进剂混合以产生 比汽油更易燃的混合物。在所有上述方法中，能实现HCCI的发动机转 速和负荷的范围相对狭窄。在使用具有某些气门控制策略的可变气门致 动的四冲程汽油;f几中已经i正实了 HCCI的范围扩大，所述气门控制策田各 实现了从前 一 个燃烧循环残留的燃烧产物的高比例，所述高比例是在高度稀释的混合物中实现HCCI所需的。通过这种气门策略，利用传统的压缩比大大扩大了能实现HCCI的发动机转速和负荷的范围。 一个这种气门策略包括在排气沖程期间通过及早关闭排气门来捕获和再压缩废 气以及低的气门升程。能利用可变凸轮相位器和两步式升程凸轮来实施 这种气门控制。上述HCCI发动机运行策略是基于充分预热的发动4几运行条件下的 大范围稳定状态测试，然而冷起动和发动机预热运行会造成一些另外的 难题。HCCI模式中的运行，包括燃料空气混合物的受控的自燃，高度 取决于在规定曲轴位置实现特定的充气压力和温度。冷发动机条件不利 地影响充气自燃的能力，抑制HCCI运行。虽然通过釆用专门设计的燃 烧室，申请人成功地证实了对冷起动(环境温度)运行的改进，其中所 述燃烧室包括活塞碗和部件(例如，喷油嘴和火花塞)布置，但在维持 稳固的HCCI发动机运行和废气后处理系统的管理时从环境温度向充分 预热运行的过渡正在遭受挑战。发明内容一种运行四冲程内燃机的方法，所述内燃机包括由在气缸内在上止 点和下止点之间往复运动的活塞所限定的容积可变的燃烧室，进气和排 气通道，和在活塞的重复的、顺序的排气、进气、压缩和膨胀冲程过程 中受控的进气和排气门，直接喷射式燃料系统和火花点火系统，该方法 包括，在发动机在预定发动机温度范围内的冷起动条件下开动的过程中 和在那之后的一段持续时间直到预定发动机温度为止，4吏发动机在火花 辅助起动模式中运行，火花辅助起动模式包括控制进气和排气门以在 大约180至大约200曲柄角度的范围内实现部分升程的、负的气门重叠 (negative valve overlap),控制燃料系统以在负气门重叠过程中供应第 一次燃料喷射，并在活塞的压缩冲程过程中供应第二次燃料喷射，和控 制火花点火系统以实现火花辅助点火。


现在将参考附图描述作为例子的 一个或多个实施例，其中 图1是根据本发明的适合于HCCI和SI运行模式的示例性内燃机的 示意图；图2A和2B表示根据本发明第一示例性方法在实现火花辅助起动和 预热运行模式中采用的协同的气门、加燃料和火花控制； 图2A是HCCI运行中火花辅助起动模式的图解； 图2B是HCCI运行中预热模式的图解；图3A和3B表示根据本发明第二示例性方法在实现冷起动和预热运 行模式中采用的协同的气门、加燃料和火花控制； 图3A是SI运行中冷起动模式的图解； 图3B是HCCI运行中预热模式的图解；和图4A-4C表示才艮据本发明第三示例性方法在实现曲柄和点火起动 和预热运行模式中采用的协同的气门、加燃料和火花控制，其中曲柄和 点火起动和预热运行模式包括居间的催化剂加热模式；图4A是SI运行中的曲柄和点火起动模式的图解；图4B是SI运行中催化剂加热模式的图解；和图4C是HCCI运行中预热模式的图解。
具体实施方式
现在参考附图，其中所示的内容仅仅是为了说明某些示范性实施例 而非为了限制本发明，图1表示根据本发明一实施例构造的内燃机10 和控制系统25的示意图。所示的实施例作为整个控制才莫式的一部分适 用于操作示例性的多缸式、火花点火、直接喷射式、汽油、四冲程内燃机，该内燃机适合于在受控的自燃过程下运行，其也被称为均质充气、 压缩点火("HCCI ")模式。示例性的发动机10包括金属铸造的发动机气缸体和发动机气缸 盖27,发动机气缸体具有多个形成于其中的气缸，气缸中的一个^L示出。 每个气缸都包括端部封闭的气缸，气缸具有插入其中的可移动的、往复 运动的活塞ll。容积可变的燃烧室20形成在每个气缸中，并且由气缸壁、可移动的活塞1l和气缸盖27限定。发动坤;u气缸体优选地包括冷却剂通道29,发动机冷却剂流体通过冷却剂通道29。可操作以监视冷却 剂流体温度的冷却剂温度传感器37位于合适的位置，并且向控制系统 25提供参数信号输入，控制系统25可用来控制发动机。发动机优选地 包括已知的系统，这些系统包括外部的废气再循环("EGR")阀和进 气节气门(未示出)。每个可移动的活塞11都包括根据已知活塞形成方法设计的部件， 并且包括顶部和主体，主体基本上与活塞运行于其中的气缸一致。活塞具有暴露在燃烧室中的顶部或冠部区域。每个活塞通过销34和连杆33 连接到曲轴35,曲轴35在发动机气缸体底部附近的主支承区域处可旋 转地安装到发动机气缸体，以使得曲轴能绕一轴线旋转，该轴线垂直于 由每个气缸限定的纵向轴线。曲柄传感器31位于合适的位置中，可操 作以产生可由控制器25用来测量曲柄角的信号，并且该信号是可转化 的以提供可在不同控制模式中使用的曲轴旋转、转速和加速度的测量结 果。在发动才几的运行过程中，由于连接到曲轴35和曲轴35的旋摔争以及 燃烧过程，每个活塞11都在气缸中以往复运动的方式上下移动。曲轴 的旋转动作使得在燃烧过程中施加在每个活塞上的线性力转变成从曲 轴的角扭矩输出，该角扭矩输出能被传递给另一个器件，例如车辆动力 传动系统。发动机气缸盖27包括金属铸造的器件，该器件具有通向燃烧室20 的一个或多个进气口 17和一个或多个排气口 19。进气口 17将空气供应 到燃烧室20,燃烧过的(烧过的)气体通过排气口 19从燃烧室20流出。 通过致动一个或多个进气门21来控制通过每个进气口的空气的流动， 通过致动一个或多个排气门23来控制通过每个排气口的燃烧过的气体 的5危动。进气和排气门21、 23各自具有头部，头部包括暴露于燃烧室的顶 部。气门21、 23的每一个都具有连接到气门致动器件的杆部。由60表 示的气门致动器件可操作以控制每个进气门21的打开和关闭，第二气 门致动器件70可操作以控制每个排气门23的打开和关闭。气门致动器 件60、 70的每一个都包括信号地连接到控制系统25的器件，该器件可 操作以 一致地或单独地控制每个气门的打开和关闭的正时、持续时间和 大小。示例性发动机的第一实施例包括具有可变升程控制("VLC") 和可变凸轮定相("VCP，，)的双顶置凸轮系统。VCP器件可操作以控 制每个进气门和每个排气门相对于曲轴旋转位置的的打开和关闭的正 时并将每个气门打开一固定的曲柄角持续时间。示例性的VCP器件包 括众所周知的凸轮相位器。示例性的VLC器件可操作以将气门升程的 大小控制到两个位置之一 一个位置为3-5mm升程，对应120-150 曲柄角度的打开持续时间，另一个位置为9- 12mm升程，对应220 -260ii曲柄角度的打开持续时间。示例性的VLC器件包括众所周知的两步式
升程凸轮。单独的气门致动器件能起相同的功能达到相同的效果。气门
致动器件优选地由控制系统25按照预定的控制模式控制。也可以使用 可选的可变气门致动器件，其例如包括充分灵活的电气或电动液压器 件，可选的可变气门致动器件具有更多的好处，即独立的打开和关闭相 位控制以及在系统的限制内基本上无限的气门升程可变性。在此描述控 制气门的打开和关闭的控制模式的具体方面。
空气通过进气歧管流道50进入进气口 17,进气歧管流道50接收通 过已知的空气计量器件和节气门器件(未示出)的已过滤空气。废气从 排气口 19流到包括废气传感器40的排气歧管42,废气传感器40可搡 作以监视废气供应流的成分，并确定与其相关的参数。废气传感器40 可包括几种已知的检测器件中的任一个，所述已知的检测器件可操作以 提供用于废气供应流的参数值，包括空/燃比，或废气成分的测量结果， 例如NOx、 CO、 HC和其他成分。系统可以包括用于监碎见燃烧压力的缸 内传感器16,或非侵入式压力传感器或根据推理确定的压力确定(例如， 通过曲轴加速度)。上述传感器和计量器件各自向控制系统25提供信 号作为参数输入，控制系统能利用这些参数输入来确定燃烧性能测量结 果。
控制系统25优选地包括总控制体系结构的一个子集，总控制体系 结构可操作以提供发动机10和其他系统的协同系统控制。在整个操作 中，控制系统25可操作以综合搡作者输入、环境条件、发动机运行参 数和燃烧性能测量结果，并执行算法以控制不同的致动器实现控制参数 的目标，包括这些参数如燃料经济性、排放、性能和驾驶性。控制系统 25可操作地连接到多个器件，通过所述器件，操作者典型地控制或指挥 发动机的运行。当发动积^皮用于车辆中时，示例性的才喿作者输入包括加 速踏板、制动踏板、变速器挡位选择器和车速巡航控制。控制系统可以 通过局域网("LAN")总线(未示出)与其他控制器、传感器和致动 器通信，局域网总线优选地允许控制参数和指令在不同控制器之间的结 构化通信。
控制系统25可操作地连接到发动机10,并且起作用以从传感器获 得参数数据，并通过合适的接口 45控制发动机10的各种致动器。基于 操作者输入，控制系统25接收发动机扭矩指令，并产生所需的扭矩输出。控制系统25利用上述传感器检测的示例性发动机运行参数包括发
动机冷却剂温度、曲轴旋转速度("RPM")和位置、歧管绝对压力、
环境气流和温度、和环境气压。燃烧性能测量结果典型地包括测量的和 推断的燃烧参数，其中包括空/燃比、最大燃烧压力的位置。
控制系统25控制的致动器包括燃料喷射器12; VCP/VLC气门致 动器件60、 70;火花塞14，其可操作地连接到用于控制点火触点闭合 角和正时的点火模块；废气再循环(EGR)阀(未示出)，和电子节气 门控制模块(未示出)。燃料喷射器12优选地可操作以将燃料直接喷 射到每个燃烧室20中。示例性的直接喷射燃料喷射器的具体细节是已 知的，在此不再详述。控制系统25利用火花塞14在发动机转速和负荷 运行范围的各个部分上提高示例性发动机的点火正时控制。当示例性的 发动机在纯粹的HCCI才莫式中运行时，发动机不使用通电的火花塞。然 而，已经证明希望在某些条件下，例如包括在冷起动过程中，利用火花 点火补充HCCI模式以防止结垢，并根据本发明的某些方面，在低负荷 极限附近的低负荷运行条件处，希望利用火花点火。同样，已经i正明， 在HCCI模式中的高负荷运行极限时，和在用节气门调节的或不用节气 门调节的火花点火操作下在高速/负荷运行条件，最好采用火花点火。
控制系统25优选地包括通用数字计算机，其一般包括微处理器或 中央处理器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电子 可编程只读存储器(EPROM)、高速时钟、模数转换(A/D)和数模转 换(D/A)电路、和输入/输出电路和器件(I/O)和合适的信号调节和緩 冲电路。每个控制器都具有一套控制算法，控制算法包括存储在ROM 中的常驻程序指令和标定，其被执行以提供每个计算^/L各自的功能。
用于发动机控制的算法典型地在预定循环期间被执行以使得每个 算法在每个循环中被执行至少 一 次。存储在固定存储器器件中的算法由 中央处理器执行并且可操作以监视来自检测器件的输入，并利用预定标 定执行控制和诊断程序以控制发动机的运行。在正在进行的发动机运行 过程中，典型地以规则间隔，例如每3.125、 6.25、 12.5、 25和100毫秒， 执行循环。作为选择，可以响应事件的发生或中断请求执行算法。
如上所述，由于具有多个好处，如有效的燃烧、燃料经济性和排放， 所以当运行条件允许HCCI模式时，在HCCI模式中运行相对于在SI模 式中运行是优选的。然而，与冷起动相关的冷发动机条件和由此引起的充气的低温妨碍了正常HCCI运行所要求的受控的自燃。为了补偿冷发
动机条件，披露了许多方法。所描述的方法利用测量结果以有助于比正 常充气更冷的燃烧，监视发动机温度，例如通过发动机冷却剂的温度来
监视发动机温度，并在发动机温度达到表明正常的HCCI模式可能发生 的阈值时自动过渡到正常的HCCI模式。在此披露的各种方法可以孤立 地或作为整个车辆冷起动策略的一部分使用，^使用的方法取决于起动时 的测量温度。这种冷起动策略可基于起动循环的预期困难选择所使用的 方法对于较容易的起动，采用更有燃料效率的和排放友好的发动机设 定，且对于较困难的起动，采用更有效的或更大消耗动力的发动机设定。
第一种方法与正常的HCCI模式相似地操作，其在整个预热期间在 HCCI运行的极限处运行，具有大至最大的NVO和两倍的喷射以便给予 燃烧充气尽可能多的热量。然而，不同地，第一种方法还增加了火花辅 助以便即使充气太冷而不能经历稳定的自燃，也能确保燃烧。该第一种 方法在接近但未处于正常HCCI运行中的条件内是最有用的，其在稳定 燃烧过程的同时保持了 一些正常HCCI运行的好处。
第二种方法比第一种更积极地起作用，在预热期间的剩余时间转换
成火花辅助的HCCI模式之前，其暂时利用SI模式进行起动操作。在该 方法中用于起动的SI模式获得了在本领域中与标准的点火相关的稳定 性优点，同时保持了与HCCI模式相关的比较有燃料效率的气门正时和 升程设定。当在SW莫式中的运行继续时，发动机温度经过某一临界水平， 在该临界水平之上，冷HCCI或火花辅助的HCCI可能发生。然后，第 二种方法在预热期间的整个剩余时间过渡到火花辅助的HCCI。在冷发 动机条件下，当充气太冷而不能接近HCCI运行直到经过了 Sl运^f亍的一 些时间，该第二种方法是有用的；然而，在该方法中采用的低气门操作 减轻了对发动机特性如燃料经济性和排放的冲击，转换到高气门SI模式 将会招致所述冲击。
第三种方法比第一、二种方法中的任一个更积极地起作用，其利用 全开气门"曲柄和点火，，SI模式起动发动机，过渡到SI催化剂加热才莫 式。该全开气门SI模式完全利用发动机的能力在正常燃烧条件下起动以 便克服最冷的起动条件。在该全开SI才莫式中没有实现与HCCI运^f亍相关 的好处。 一旦实现了发动机起动，第三种方法就将全开气门SI才莫式稍微 减轻成SI催化剂加热模式以便使废气系统中的废气处理器件达到运行温度。最后，在使发动机和废气处理器件超过临界温度之后，第三种方 法在预热期间的剩余时间过渡到与第一 、二种方法的冷HCCI才莫式相似
的冷HCCI模式。本公开不应局限于在此描述的具体方法可以想到对 于整个方法的许多改变。通过在此的公开，不同的方法、它们的实现和 好处将变得显而易见。
现在参考图2A和2B,给出了根据本发明第一示例性方法在实现冷 起动和预热运行模式中采用的协同的气门、加燃料和火花控制的图解。 图2A和2B中的每一个都沿着横轴表示发动机曲柄角，其中在零点处的 坐标对应于活塞的排气和进气冲程之间的上止点(TDC)。进气和排气 门升程由纵轴代表并且一般地包括如所示的低和高升程点，其对应于低 和高升程凸轮的升程，能通过示例性硬件实施例中的示例性两步式升程 凸轮来实现低和高升程凸轮的升程。
在图2A中示出了在火花辅助的HCCI模式或火花辅助冷起动模式 中的起动发动机操作，其使用低升程凸轮，其中在发动机开动过程中进 行分段式喷射，并且这种操作在整个预热期间持续，当发动机温度超过 一预定阈值时过渡到传统的HCCI运行，所述预定阈值表明有助于这种 HCCI运行的发动机条件。图2B表示从火花辅助的HCCI模式中的冷起 动运行向火花辅助的HCCI模式中的预热运行的过渡。在某些实施例中， 在由图2A和2B代表的运行的这两个阶段中的发动机设定可以是同样 的，或者就较长的NVO (例如，与用于预热运4亍的180曲柄角度相比， 用于起动运行的大约200曲柄角度)、第一次喷射与第二次喷射的较高 的质量比(与预热运行中大约20%相比，高达50% )、和对于喷射和 点火正时的小的调节而言，与预热运行中的发动机设定相比，冷起动运
以从冷起动运行中的几乎化学计量的燃料空气比过渡到预热运行中的 稀燃料空气比。这些过渡适于发动机温度，例如通过冷却剂温度测量的 发动机温度，并且可以以分步的方式发生或可以随发动机温度的变化而 逐渐地逐步采用。在冷起动和预热运行过程中，如图2A和2B中分别所 示，发动机在化学计量空/燃比至稀空/燃比的情况下运行，如在上文中 关于低升程凸轮所描述地具有减小的升程和持续时间的气门动作，最大 达到在VCP的NVO才及限处或附近的大NVO,并且进4亍分l炎式喷射， 第一次喷射(I])发生在NVO期间，第二次喷射(12)发生在压缩冲程末期。在火花辅助的HCCI冷起动和预热运行过程中NVO的优选范围 是大约180至大约200曲柄角度。在火花辅助的HCCI冷起动和预热运 行过程中第一部分燃料供应的优选范围是大约-40至大约20曲柄角 度，在火花辅助的HCCI冷起动和预热运行过程中第二部分燃料供应的 优选范围是大约300至大约350曲柄角度。在火花辅助的HCCI冷起动和 预热运行过程中火花供应的优选范围是大约300至大约350曲柄角度。
现在参考图3A和3B,给出了根据本发明第二示例性方法在实现冷 起动和预热运行^t式中采用的另 一个协同的气门、加燃料和火花控制的 图解。图3A和3B中的每一个都沿着横轴表示发动机曲柄角，其中在零 点处的坐标对应于活塞的排气和进气冲程之间的上止点(TDC)。进气 和排气门升程由纵轴代表并且一般地包括如所示的低和高升程点，其对 应于低和高升程凸轮的升程，能通过示例性硬件实施例的示例性两步式 升程凸轮来实现低和高升程凸轮的升程。
在图3A中示出了在SI模式或冷起动模式中的起动发动机操作，其 使用低升程凸轮，其中进行分段式喷射和催化剂预热，分段式喷射具有 用于发动机的几乎化学计量的空/燃比。在发动机温度，例如通过冷却剂 温度测量的发动机温度，达到预定临界温度例如50摄氏度之后，图3B 中示出了向冷HCCI模式(预热运行)的转换。在预热运行之后，控制 当发动才几温度超过一预定阈值时向传统HCCI运行的过渡，所述预定阈 值表明有助于这种HCCI运行的发动机条件。在SI模式过程中，发动机 在几乎化学计量的空/燃比的情况下运行，适度地达到最小的NVO,并 且进行分段式喷射，第一次喷射(IJ发生在NVO期间，第二次喷射(12) 发生在压缩冲程末期。在冷HCCI模式(预热运行)过程中，发动机在 化学计量空/燃比至稀空/燃比的情况下运行，具有减小的升程和持续时
间的气门动作，最大达到大NVO,并且进行分段式喷射，第一次喷射发 生在NVO期间，第二次喷射发生在压缩冲程末期。在SI模式冷起动运 行过程中NVO的优选范围是大约0至大约60曲柄角度，在预热运行过 程中是大约180至大约200曲柄角度。在SI模式冷起动运行过程中第一 部分燃料供应的优选范围是大约0至大约60曲柄角度，在SI模式冷起 动运行过程中第二部分燃料供应的优选范围是大约300至大约350曲柄 角度。在预热运行过程中第一部分燃料供应的优选范围是大约-40至大 约20曲柄角度，在预热运行过程中第二部分燃料供应的优选范围是大
16约300至大约350曲柄角度。在SI模式冷起动运行过程中火花供应的优 选范围是大约310至大约360曲柄角度，在预热运行过程中火花供应的 优选范围是大约300至大约350曲柄角度。
现在参考图4A-4C,给出了根据本发明第三示例性方法在实现冷 起动和预热运行模式中采用的又一个协同的气门、加燃料和火花控制的 图解，其中冷起动和预热运行模式包括居间的废气处理器件加热才莫式。 图4A、 4B和4C中的每一个都沿着横轴表示发动机曲柄角，其中在零 点处的坐标对应于活塞的排气和进气冲程之间的上止点(TDC)。进气 和排气门升程由纵轴代表并且一般地包括如所示的低和高升程点，其对 应于低和高升程凸轮的升程，能通过示例性硬件实施例的示例性两步式 升程凸轮来实现低和高升程凸轮的升程。
在图4A中示出了在SI模式中的起动发动机操作，其使用高升程凸 轮，具有分段式喷射或曲柄和点火起动模式，其针对在发动机开动过程 中在发动才几起动以前的一个至几个发动机循环。随后，在图4B中示出 了催化剂加热模式，其使用高升程凸轮。然后，在图4C中示出了向冷 HCCI模式(预热运行)的转换，其在催化剂和发动机达到各自的阈温 度之后使用低升程凸轮。在预热运行之后，控制当发动机温度超过一预 定阈值时向传统HCCI运行的过渡，所述预定阈值表明有助于这种HCCI 运行的发动机条件，所述发动机温度例如通过冷却剂温度测量。在起动 发动机运行的过程中，在压缩冲程期间，发动机在几乎化学计量的空/ 燃比、完全的升程和持续时间的气门动作、最小气门重叠和单次的或分 段式喷射的情况下运行。随后，发动机运行过渡到催化剂加热才莫式，在 该模式下空/燃比接近化学计量空/燃比，保持完全的升程和持续时间的 气门动作，引入适度的NVO水平以将废气排放减到最小，喷射被分开 在进气冲程(h )和压缩冲程(12 )并且点火正时一皮延迟，优选地在TDC 燃烧(360度)之后。作为通过废气使更多的燃烧热量离开燃烧室的一 种方法，将点火正时调节到TDC之后的某个点在本领域中是已知的。 废气中的这个额外的热量起加快废气处理器件的加热的作用。 一旦催化 剂和发动机分别达到临界温度，发动机就过渡到冷HCCI模式(预热运 行)，并在化学计量空/燃比至稀空/燃比的情况下运行，具有减小的升 程和持续时间的气门动作，最大达到大NVO,并且进行分段式喷射，第 一次喷射(h)发生在NVO期间，第二次喷射(12)发生在压缩沖程末期。在SI沖莫式冷起动运行过程中NVO的优选范围是大约-40至大约0 曲柄角度，在催化剂加热运行过程中是大约0至大约40曲柄角度，在 预热运行过程中是大约180至大约200曲柄角度。在冷起动运行过程中 实施分段式喷射的场合，在SI模式冷起动运行过程中第 一部分燃料供应 的优选范围是大约200至大约240曲柄角度，在SI模式冷起动运行过程 中第二部分燃料供应的优选范围是大约270至大约300曲柄角度。否则， 在冷起动运行过程中实施单次喷射的场合，在SI模式冷起动运行过程中 燃料供应的优选范围是大约240至大约300曲柄角度。在催化剂加热运 行过程中第 一部分燃料供应的优选范围是大约70至大约110曲柄角度， 在催化剂加热运行过程中第二部分燃料供应的优选范围是大约300至大 约350曲柄角度。在预热运行过程中第一部分燃料供应的优选范围是大 约-40至大约20曲柄角度，在预热运行过程中第二部分燃料供应的优 选范围是大约300至大约350曲柄角度。在实施分段式喷射的场合，在 SI模式冷起动运行过程中火花供应的优选范围是大约310至大约0曲柄 角度，在实施单次喷射的场合，在SI模式冷起动运行过程中火花供应的 优选范围是大约310至大约0曲柄角度。在催化剂加热运行过程中火花 供应的优选范围是大约360至大约-330曲柄角度，在预热运行过程中 火花供应的优选范围是大约300至大约350曲柄角度。
式使用。发动机设计和标定是非常复杂的并且根据应用的不同可能极大 地改变。例如，因为必须处置特定车辆中的发动才几构形，所以一种应用 能忽略第二种方法如果起动温度低于正常的HCCI运行但高于阈温度， 则使用第一种方法；如果起动温度低于阈温度，则使用第三种方法。能 想到许多执行策略，这些方法的使用不应局限于在此描述的实施例和组 合。不同方法之间的选择可以适于单个参数，如发动机温度，例如通过 冷却剂温度测量的发动机温度，或者选择可以是涉及冷发动机条件中的 耐久性HCCI燃烧的许多变量的函数，如发动机温度、燃料品级、和维 护历史，如自最近换油以来的时间。
本发明已经描述了某些优选实施例及其变型，在阅读并理解了说明 书的基础上其他人可以想到另外的变型和变化。因而，本发明不局限于 作为打算实现本发明的最佳模式披露的特定实施例(多个)，而是本发
明将包括落入所附权利要求的范围内的全部实施例。
权利要求
1.一种运行四冲程内燃机的方法，所述内燃机包括由在气缸内在上止点和下止点之间往复运动的活塞所限定的容积可变的燃烧室，进气通道和排气通道，和在所述活塞的重复的、顺序的排气、进气、压缩和膨胀冲程过程中受控的进气门和排气门，直接喷射式燃料系统和火花点火系统，该方法包括在预定发动机温度范围内的冷起动条件下发动机开动的过程中和在那之后的一段持续时间直到预定发动机温度为止，使所述发动机在火花辅助起动模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以在大约180至大约200曲柄角度的范围内实现部分升程的、负的气门重叠，控制所述燃料系统以在所述负的气门重叠期间供应第一次燃料喷射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和控制所述火花点火系统以实现火花点火。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述使所述发动机在所述火花辅 助起动才莫式中运行充分地使所述发动机变暖以使得随后的发动机运行 能在没有火花辅助的情况下实现均质充气压缩点火运行。
3. 如权利要求l所述的方法，还包括在比所述预定发动机温度范围更冷的第二预定发动机温度范围内 的冷起动条件下发动机开动的过程中，使所述发动机在冷起动才莫式中运 行，包括控制所述进气门和排气门以在大约0至大约60曲柄角度的范围内 实现部分升程的、负的气门重叠；控制所述燃料系统以在所述负的气门重叠期间供应第 一次燃料喷 射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和控制所述火花点火系统以实现火花点火；和在使发动机在所述冷起动^^莫式中运行之后，使所述发动机在第一预 热模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以在大约180至大约200曲柄角度的范围 内实现部分升程的、负的气门重叠，控制所述燃料系统以在所述负的气门重叠期间供应第 一次燃料喷 射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和控制所述火花点火系统以实现火花点火。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述使所述发动机在所述第一预 热模式中运行充分地使所述发动机变暖以使得随后的发动机运行能在没有火花辅助的情况下实现均质充气压缩点火运行。
5. 如权利要求3所述的方法，还包括在比所述第二预定发动机温度范围更冷的第三预定发动机温度范 围内的冷起动条件下发动机开动的过程中，使所述发动机在曲柄和点火 起动^^莫式中运行，包括控制所述进气门和排气门以实现不大于大约40曲柄角度的完全升 程的、最小气门重叠，控制所述燃料系统以在所述活塞的所述压缩冲程期间供应分段式 燃料喷射和单次燃料喷射中的一个；和控制所述火花点火系统以实现火花点火；在使所述发动机在所述曲柄和点火起动才莫式中运行之后，使所述发动机在催化剂加热^t式中运行，包括控制所述进气门和排气门以在大约0至大约40曲柄角度的范围中 实现完全升程的、负的气门重叠；控制所述燃料系统以在所述活塞的所述进气冲程期间供应第 一次 燃料喷射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和，控制所述火花点火系统以实现延迟的火花点火；和，在使所述发动机在所述催化剂加热才莫式中运行之后，使所述发动机 在第二预热模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以在大约180至大约200曲柄角度的范围 内实现部分升程的、负的气门重叠，控制所述燃料系统以在所述负的气门重叠期间供应第 一次燃料喷 射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和控制所述火花点火系统以实现火花点火。
6. 如权利要求5所述的方法，其中所述使所述发动机在所述第二预 热模式中运行充分地使所述发动机变暖以使得随后的发动机运行能在 没有火花辅助的情况下实现均质充气压缩点火运行。
7. 如权利要求5所述的方法，其中所述控制所述火花点火系统实现 延迟的火花点火实现了上止点之后的点火。
8. 如权利要求l所述的方法，还包括在比所述预定发动机温度范围更冷的第二预定发动机温度范围内 的冷起动条件下发动机开动的过程中，使所述发动机在曲柄和点火起动模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以实现不大于大约40曲柄角度的完全升 程的、最小气门重叠，控制所述燃料系统以在所述活塞的所述压缩沖程期间供应分段式 燃料喷射和单次燃料喷射中的一个；和，控制所述火花点火系统以实现火花点火；在使所述发动机在所述曲柄和点火起动^t式中运行之后，使所述发 动机在催化剂加热才莫式中运行，包括控制所述进气门和排气门以在大约0至大约40曲柄角度的范围内 实现完全升程的、负的气门重叠；控制所述燃料系统以在所述活塞的所述进气冲程期间供应第 一次 燃料喷射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和，控制所述火花点火系统以实现延迟的火花点火；和在使所述发动机在所述催化剂加热才莫式中运行之后，使所述发动机 在预热模式中运行，包括-.控制所述进气门和排气门以在大约180至大约200曲柄角度的范围 中实现部分升程的、负的气门重叠，控制所述燃料系统以在所述负的气门重叠期间供应第 一次燃料喷 射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和控制所述火花点火系统以实现火花点火。
9. 如权利要求8所述的方法，其中所述使所述发动机在所述预热模 式中运行充分地使所述发动机变暖以使得随后的发动机运行能在没有 火花辅助的情况下实现均质充气压缩点火运行。
10. 如权利要求8所述的方法，其中所述控制所述火花点火系统实 现延迟的火花点火实现了上止点之后的点火。
11. 一种运行四沖程内燃机的方法，所述内燃机包括由在气缸内在 上止点和下止点之间往复运动的活塞所限定的容积可变的燃烧室，进气通道和排气通道，和在所述活塞的重复的、顺序的排气、进气、压缩和 膨胀沖程过程中受控的进气门和排气门，直接喷射式燃料系统和火花点火系统，该方法包4舌在预定发动机温度范围内的冷起动条件下发动机开动的过程中，使所述发动机在冷起动模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以在大约0至大约60曲柄角度的范围中 实现部分升程的、负的气门重叠，控制所述燃料系统以在所述负的气门重叠期间供应第 一次燃料喷 射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和控制所述火花点火系统以实现火花点火；和在使所述发动机在所述冷起动才莫式中运行之后，使所述发动机在第 一预热模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以在大约180至大约200曲柄角度的范围 中实现部分升程的、负的气门重叠，控制所述燃料系统以在所述负的气门重叠期间供应第 一 次燃料喷 射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和控制所述火花点火系统以实现火花点火。
12. 如权利要求11所述的方法，其中所述使所述发动机在所述第一 预热才莫式中运行充分地使所述发动机变暖以使得随后的发动机运行能 在没有火花辅助的情况下实现均质充气压缩点火运行。
13. 如权利要求11所述的方法，还包括在比所述预定发动机温度范围更冷的第二预定发动机温度范围内 的冷起动条件下发动机开动的过程中，使所述发动机在曲柄和点火起动模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以实现不大于大约40曲柄角度的完全升 程的、最小气门重叠，控制所述燃料系统以在所述活塞的所述压缩沖程期间供应分段式 燃料喷射和单次燃料喷射中的一个；和，控制所述火花点火系统以实现火花点火；在使所述发动机在所述曲柄和点火起动才莫式中运行之后，使所述发 动机在催化剂加热模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以在大约0至大约40曲柄角度的范围中 实现完全升程的、负的气门重叠；控制所述燃料系统以在所述活塞的所述进气冲程期间供应第 一次燃料喷射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和，控制所述火花点火系统以实现延迟的火花点火；和，在使所述发动机在所述催化剂加热^t式中运行之后，使所述发动机 在第二预热模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以在大约180至大约200曲柄角度的范围 中实现部分升程的、负的气门重叠，控制所述燃料系统以在所述负的气门重叠期间供应第 一次燃料喷 射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和控制所述火花点火系统以实现火花点火。
14. 如权利要求13所述的方法，其中所述使所述发动机在所述第二 预热才莫式中运行充分地使所述发动机变暖以使得随后的发动机运行能 在没有火花辅助的情况下实现均质充气压缩点火运行。
15. 如权利要求13所述的方法，其中所述控制所述火花点火系统实 现延迟的火花点火实现了上止点之后的点火。
16. —种运行四冲程内燃机的方法，所述内燃机包括由在气缸内在 上止点和下止点之间往复运动的活塞所限定的容积可变的燃烧室，进气 通道和排气通道，和在所述活塞的重复的、顺序的排气、进气、压缩和 膨胀冲程过程中受控的进气门和排气门，直接喷射式燃料系统和火花点 火系乡克，该方法包4舌起动模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以实现不大于大约40曲柄角度的完全升 程的、最小气门重叠，控制所述燃料系统以在所述活塞的所述压缩沖程期间供应分段式 燃料喷射和单次燃料喷射中的一个；和，控制所述火花点火系统以实现火花点火；在使所述发动机在所述曲柄和点火起动模式中运行之后，使所述发 动机在催化剂加热模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以在大约0至大约40曲柄角度的范围中 实现完全升程的、负的气门重叠，控制所述燃料系统以在所述活塞的所述进气冲程期间供应第 一次 燃料喷射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和控制所述火花点火系统以实现延迟的火花点火；和在使所述发动机在所述催化剂加热才莫式中运行之后，使所述发动机在预热模式中运行，包括控制所述进气门和排气门以在大约180至大约200曲柄角度的范围 中实现部分升程的、负的气门重叠，控制所述燃料系统以在所述负的气门重叠期间供应第 一 次燃料喷 射，并在所述活塞的所述压缩冲程期间供应第二次燃料喷射；和控制所述火花点火系统以实现火花点火。
17. 如权利要求16所述的方法，其中所述使所述发动机在所述预热 模式中运行充分地使所述发动机变暖以使得随后的发动机运行能在没 有火花辅助的情况下实现均质充气压缩点火运行。
18. 如权利要求16所述的方法，其中所述控制所述火花点火系统实 现延迟的火花点火实现了上止点之后的点火。
全文摘要
通过发动机气门、燃料喷射和点火正时的协同控制来改进HCCI发动机的冷起动和预热运行。
文档编号F02D15/00GK101568708SQ200780045188
公开日2009年10月28日 申请日期2007年11月28日 优先权日2006年12月7日
发明者P·M·纳特, T·-W·括 申请人:通用汽车环球科技运作公司