专利名称：均质充量压缩点燃发动机和该发动机的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种均质充量压缩点燃发动机(HCCI发动机)。在本发明 的HCCI发动机中，燃烧模式可在均质充量压缩燃烧(HCCI燃烧)与火 花点火燃烧(SI燃烧)之间切换。
背景技术：
近年来，均质充量压缩点燃(HCCI)发动机已被引起注意，并且 已对这种发动机进行各种研究。可从HCCI发动机获得良好的燃料经济 性和热效率以及低排放。在某些类型的HCCI发动机中，燃料在进气行 程期间直接喷射到燃烧室内。亦即，只有空气被从进气通道吸入燃烧室 并且燃料在燃烧室中第一时间与空气混合。然而，在大多数HCCI发动 机中，燃料在进气通道与空气混合以便产生混合气。该混合气从进气通 道供应至燃烧室。
随着活塞在发动机的压缩行程时上升，容纳在燃烧室内部的混合气 的温度增加并且压力升高，使得混合气自发点燃。要将HCCI发动机投 入实际使用需克服的一个障碍是允许均质充量压缩点燃(HCCI)燃烧 被稳定控制的发动机运转范围仍然狭窄。为了克服该障碍，倾向于在固 定式发动机中执行HCCI燃烧，固定式发动机中通常使用的运转范围比 较狭窄，例如用于GHP (燃气热泵)的燃气发动机。
在HCCI发动机的实际运转中，经常使用发动机低转速范围、中转 速范围、低负荷范围和中负荷范围。已提出根据发动机的运行状态在 HCCI燃烧范围与火花点火(SI)燃烧范围之间切换燃烧模式。火花点 火(SI)燃烧在高转速范围、极低的负荷范围和高负荷范围中执行。
日本特开专利公报No.2007-16685爿>开了一种控制方法，其中该方 法从火花点火燃烧切换至HCCI燃烧，在使空燃比更稀的同时增加内部 EGR量。当从火花点火燃烧切换至HCCI燃烧时，至发动机的进气量 在燃烧模式仍处于火花点火燃烧时增加，从而使空燃比更稀。在使空燃 比变稀的同时，内部EGR量增加。其后，火花点火燃烧经由分层燃烧切换至HCCI燃烧。
根据上述公报的控制方法，当燃烧模式仍处于火花点火燃烧时，亦 即，当仍然难以执行HCCI燃烧时，产生内部EGR气体。由于内部EGR 气体具有高温，所以火花点火燃烧和HCCI燃烧可被同时执行。这会导 致显著的扭矩波动。
进一步地，在该公报的控制方法中，当从火花点火燃烧切换至HCCI 燃烧时暂时执行分层进气燃烧。在已使空燃比更稀以提高火花点火燃烧 的可燃性的状态下分层进气燃烧有效地增加了节气门开度。然而，分层 进气燃烧需要直接将燃料喷射到燃烧室内的"缸内喷射器"。亦即，缸 内直接喷射系统需要包括喷射高压燃料的缸内喷射器。上述公报因而具 有制造成本和动力损失方面的缺点。进一步地，过渡执行分层进气燃烧 消除了 HCCI燃烧的部分优点，即燃料经济性的提高和排放的降低。
发明内容
本发明的一个目标是当燃烧模式从火花点火燃烧切换至HCCI燃烧 时抑制HCCI发动机的扭矩发生急剧变化。
根据本发明的一方面，提供一种均质充量压缩点燃发动机(HCCI )。 所述HCCI发动机能够在HCCI燃烧与火花点火燃烧之间切换燃烧模 式。所述HCCI发动机包括燃烧室和在所述燃烧室中往复运动的活塞。 所述活塞限定所述燃烧室的排气上止点。所述HCCI发动机包括进气门 和排气门。进气可变气门机构改变进气升程量，所述进气升程量是进气 门的升程量。所述进气升程量在所述火花点火燃烧中设定为笫一进气升 程量并在所述HCCI燃烧中设定为第二进气升程量。所述进气可变气门 机构能够控制进气开启正时，所述进气开启正时是所述进气门的开启正 时。排气可变气门机构改变排气升程量，所述排气升程量是排气门的升 程量。所述排气升程量在所述火花点火燃烧中设定为笫一排气升程量并 在所述HCCI燃烧中设定为笫二排气升程量。所述排气可变气门机构能 够控制排气关闭正时，所述排气关闭正时是排气门的关闭正时。设定要 在所述HCCI燃烧中使用的参考排气关闭正时。控制器控制所述进气可 变气门机构和所述排气可变气门机构。所述控制器通过设定在其中所述 进气门和所述排气门都闭合的负气门重叠时间段来设定内部EGR量， 使得并不是所有已燃烧的气体都从燃烧室排出，所述内部EGR量包括在所述HCCI燃烧时残留在燃烧室中的已燃烧的气体的量。当燃烧模式 从所述火花点火燃烧切换至所述HCCI燃烧时，所述控制器执行下列操 作a)、 b)和c):
a) :将所述进气升程量从所述第一进气升程量切换至所述笫二进气 升程量，使得所述进气开启正时相对于所述排气上止点延迟；
b) :在操作a)之后将所述排气升程量从所述第一排气升程量切换 至所述第二排气升程量；以及
c) :相对于所述参考排气关闭正时延迟排气关闭正时，使得产生所 述内部EGR量。
根据以下结合附图的说明，可以理解本发明的其他方面和优点，其 中附图通过举例的方式图示了本发明的原理。
本发明被认为具有新颖性的特征具体在所附的权利要求书中阐述. 通过参考以下当前优选实施方式及附图的说明可最好地理解本发明及 其目的和特征，其中
图l是根据本发明一个实施方式的HCCI发动机的结构图2是示出发动机负荷与发动机速度之间的关系并示出图1的 HCCI发动机在HCCI燃烧和火花点火燃烧中的运转范围的图表；
图3是示出当图1的HCCI发动机从火花点火燃烧切换至HCCI燃 烧时的(a)最大进气升程量、(b)节气门开度、(c)燃料供应量、(d) 最大排气升程量、(e)内部EGR气体量和(f)扭矩波动的正时图4A是示出在图3中的时间点t0时在火花点火燃烧中的进气升程 量和排气升程量的正时图4B是示出其中在时间点tl时进气升程量从图4A所示的状态减 少的状态的正时图5A是示出其中在时间点t3时排气升程量从图4B所示的状态减 少的状态的正时图；图5B是示出在时间t4时的HCCI燃烧的正时图，其中排气关闭正 时ETcls已经从图5A所示的状态提前；
图6是示出根据第二对比示例的缸内压力P的图表；以及
图7是示出本示例(实线，填充圆形)、第一对比示例(虚线，三 角形)和第二对比示例(交替长短虚线，填充菱形)的IMEP (指示平 均有效压力)的图表。
具体实施例方式
图l至图7示出本发明的一个实施方式。图l示出根据一个实施方 式的HCCI发动机1。
如图1所示，HCCI发动机1具有燃烧室10、进气通道llp、进气 门llv、排气门12v、排气通道12p和活塞20。进气通道llp与燃烧室 10连接。HCCI发动机1的运转状态根据所述发动机的诸如发动机负荷 和转数之类的运转状态在HCCI燃烧与火花点火燃烧之间切换。ECU (电子控制单元)5是切换HCCI发动机1的运转状态的控制器。由此， 燃烧模式按需在降低燃料消耗的HCCI燃烧与增加输出动力的火花点 火燃烧之间切换。
在进气通道llp上设置有混合部4。燃料从燃料箱(未示出)经燃 料供应通道2p供应至混合部4，使得空气和燃料在混合部4中混合。 可使用汽油或诸如城市煤气或LPG之类的气体燃料作为所述燃料。混 合部4是化油器。如果使用所述气体作为燃料，则混合部4可以是混合 器。
在混合部4与燃烧室10之间的进气通道llp上设置有节气门3。在 燃料供应通道2p上设置有燃料阀2v。燃料阀2v的功能是作为燃料供 应装置。ECU5控制燃料阀2v、节气门3、进气门llv、火花塞60c和 排气门12v的运转。火花塞60c是在火花点火燃烧时使用的点火部。火 花塞60c可在燃烧模式从HCCI燃烧切换至火花点火燃烧时使用以使燃 烧稳定。ECU5经控制电缆5a至5e分别控制燃料阀2v、节气门3、进 气门llv、火花塞60c和排气门12v。
ECU 5控制燃料阀2v的开度以便控制至进气通道llp的燃料供应量F。
节气门3具有轴3c、叶片3v和步进马达(未示出)。叶片3v绕轴 3c旋转。ECU5控制所述步进马达以控制叶片3v的开度，亦即，节气 门开度TA。由此，控制了从进气通道llp至燃烧室10的进气供应量。 在本实施方式中，至燃烧室10的进气是指在混合部4中产生的混合气。
ECU 5控制进气可变气门机构lla和排气可变气门机构12a。进气
转条件改变诸如进气门llv和排气门12v的升程量和气门开启/关闭正时 之类的气门特性的可变气门机构。
进气可变气门机构lla经由进气凸轮llc控制进气门llv的升程量 和开启/关闭正时。在该实施方式中，进气门llv的升程量代表进气门特 性。最大进气升程量IL代表进气门llv的最大升程量。进气开启正时 ITopn代表进气门llv的开启正时。用于执行HCCI燃烧的进气开启正 时ITopn作为参考进气开启正时ITopnO。亦即，参考进气开启正时 ITopnO代表对应于HCCI燃烧中的发动机负荷和发动机速度的进气开 启正时1Topn。
排气可变气门机构12a经由排气凸轮12c控制排气门12v的升程量 和开启/关闭正时。在该实施方式中，排气门12v的升程量代表排气门 特性。最大排气升程量EL代表排气门12v的最大升程量。排气关闭正 时ETcls代表排气门12v的关闭正时。用于执行HCCI燃烧的排气关闭 正时ETcls作为参考排气关闭正时ETclsO。亦即，参考排气关闭正时 ETclsO代表对应于HCCI燃烧中的发动机负荷和发动机速度的排气关 闭正时ETcls。
如日本特开专利公报No.5-106411和No.10-18826所披露的那样， 进气凸轮llc在进气低升程凸轮与进气高升程凸轮之间切换。ECU 5在 设定第一进气升程量IL1时使用所述进气高升程凸轮并在设定第二进 气升程量IL2时使用所述进气低升程凸轮。最大进气升程量在火花点火 燃烧中设定为第 一进气升程量ILl,并在HCCI燃烧中设定为第二进气 升程量IL2。第一进气升程量IL1大于第二进气升程量IL2。 ECU5根 据HCCI发动机1的运转状态在所述进气低升程凸轮与所述进气高升程 凸轮之间切换进气凸轮llc。由此，最大进气升程量IL改变。类似地，排气凸轮12c在排气低升程凸轮与排气高升程凸轮之间切 换。ECU 5在设定第一排气升程量EL1时使用所述排气高升程凸轮并 在设定第二排气升程量EL2使用所述排气低升程凸轮。最大排气升程 量在火花点火燃烧中设定为第一排气升程量EL1并在HCCI燃烧中设 定为第二排气升程量EL2。第一排气升程量EL1大于第二排气升程量 EL2。
进气凸轮llc设置在进气凸轮轴(未示出)上。燃烧室10中产生的
凸轮llc。在所述进气凸轮轴(未示出)的端部上设置有进气凸轮齿轮。 所述进气凸轮齿轮将所述曲轴的驱动力传输至所述进气凸轮轴。ECU 5
差。类似地，排气凸轮12c设置在排气凸一轮轴(未示出)上。同样，燃 烧室10中产生的动力被传输至所述排气凸轮轴以便旋转排气凸轮12c。 在所述排气凸轮轴(未示出)的端部上设置有排气凸轮齿轮.所述排气 凸轮齿轮将所述曲轴的驱动力传输至所述排气凸轮轴。ECU5根据公知 的方法控制所述排气凸轮齿轮与所述排气凸轮轴之间的相位差。
ECU 5控制进气可变气门机构lla和排气可变气门机构12a以{更在 HCCI燃烧时提供负气门重叠时间段。由此，产生内部EGR气体并且 执行HCCI燃烧。负气门重叠时间段是在该时间段期间排气门12v和进 气门llv在活塞位于排气上止点TDC附近时都闭合的时间段。排气上 止点TDC是发动机的排气行程结束时的上止点.在HCCI燃烧期间， ECU 5将排气关闭正时ETcls设定为相对排气上止点TDC提前。由于 一部分已燃烧的气体残留在燃烧室10中，所以产生内部EGR气体。内 部EGR量Qegr代表残留在燃烧室10中而没有从其排出的已燃烧的气 体和暂时从燃烧室10排出并且然后在排气门12v随后开启时从排气通 道12p经排气门12v返回至燃烧室10的已燃烧的气体的总和。亦即， 内部EGR量Qegr包括残留在燃烧室10中直到下一个燃烧循环为止的 已燃烧的气体的量。内部EGR气体在燃烧室10中延续到下一个燃烧循 环为止。具有高温的内部EGR气体与新供应至燃烧室10的混合气混合。 这增加了燃烧室10中的温度。因此，提高了所述混合气在HCCI燃烧 时的可燃性.ECU 5控制所述负气门重叠时间段的长度以便在一定程度 上控制HCCI燃烧的点燃正时。燃烧室10的温度代表HCCI发动机1 的釭内温度。图2示出HCCI发动机1的HCCI燃烧和火花点火燃烧的各自运转 范围。图2所示的图表具有代表发动机负荷的竖直轴和代表发动机转速 的水平轴。火花点火燃烧范围包围HCCI燃烧范围。图2所示的箭头代 表各种从火花点火燃烧至HCCI燃烧的各种切换方式。图3至5B所示 的切换方式是图2所示的各种燃烧模式切换方式的示例。
图3至5B示出根据本实施方式从HCCI燃烧至火花点火燃烧的切 换方式。
图3中的竖直轴示出
(a) 最大进气升程量IL;
(b) 进气门开度TA;
(c) 燃料供应量F;
(d) 最大排气升程量EL;
(e) 燃烧室10中的内部EGR量Qegr;以及
(f) HCCI发动机的扭矩T。
图3中的水平轴代表燃烧循环的数目。图3示出
(A) 火花点火燃烧(SI燃烧)的稳定运转时间段；
(B) 从火花点火燃烧至HCCI燃烧的切换时间段；以及 (C ) HCCI燃烧的稳定运转时间段。
ECU5控制最大进气升程量IL、节气门开度TA、燃料供应量F和 最大排气升程量EL，从而控制内部EGR量Qegr和扭矩T。
图4A、 4B、 5A和5B示出当燃烧模式从火花点火燃烧切换至HCCI 燃烧时的进气升程量和排气升程量。图4A示出在火花点火燃烧的稳定 运转时的第一进气升程量和第一排气升程量。亦即，图4A示出在图3 中的时间点t0处进气门llv的进气凸轮轮廓和排气门12v的排气凸轮 轮廓。图5B示出在HCCI燃烧的稳定运转时的第二进气升程量和第二 排气升程量。亦即，图5B示出在图3中的时间点t4处进气门llv的进 气凸轮轮廓和排气门12v的排气凸轮轮廓。图4A至5B中的水平轴示 出曲轴转角。图4A至5B中的竖直轴示出进气升程量和排气升程量。
如图3(b)所示，节气门开度TA在火花点火燃烧时的时间点t0处设定为第一节气门开度TA1，并且在HCCI燃烧时的时间点t4处设 定为第二节气门开度TA2。第一节气门开度TA1小于笫二节气门开度 TA2。
在本实施方式中，第二节气门开度TA2设定为节气门3的完全开启 状态。在进气通道llp中在相对于节气门3的上游部分与下游部分之间 产生压差。在进气通道llp中相对于节气门3的下游部分处产生进气负 压。大气压力处于进气通道llp中相对于节气门3的上游部分中。第二 节气门开度TA2优选地设定为节气门3的完全开启状态以便通过设定 更接近大气压力的进气负压来减少泵气损失。第一节气门开度TA1是 火花点火燃烧必需的节气门开度，依赖于HCCI发动机1的运转范围。
如图3 (c)所示，燃料供应量F在火花点火燃烧时的时间点tO处 设定为第一燃料供应量Fl，并在HCCI燃烧时的时间点t4处设定为第 二燃料供应量F2。第一燃料供应量Fl大于第二燃料供应量F2。第二 燃料供应量F2设定为HCCI燃烧所必需的量，依赖于HCCI发动机1 的运转范围。
如图3 (e)所示，内部EGR量Qegr在火花点火燃烧中的时间点 t0处设定为零，并在HCCI燃烧中的时间点t4处设定为参考内部EGR 量Qegr0。参考内部EGR量QegrO是HCCI燃烧所必需的内部EGR 量，依赖于HCCI发动机1的运转范围。
图4A中的实线代表第一进气升程量IL1和第一排气升程量ELl。 图4A中的虚线示出第二进气升程量IL2和第二排气升程量EL2。亦即， 在图4A至5B中，虚线代表对比示例。
如图3 (a)所示，ECU5在时间点tl处将最大进气升程量IL从第 一进气升程量IL1切换至第二进气升程量IL2。图4B示出紧接着进气 门llv切换之后或者紧接着时间点tl之后的状态。换言之，图4B示出 紧接着所述最大进气升程量IL从用虚线代表的第一进气升程量IL1切 换至用实线代表的第二进气升程量IL2之后的状态。进气可变气门机构 11a将进气凸轮11c从所述进气低升程凸轮切换至所述进气高升程凸轮 以便切换最大进气升程量IL。因此，最大进气升程量IL减小，并且进 气门的气门开启持续时间减少。所述进气门的气门开启持续时间的减少 改变了进气门开启/关闭正时。换言之，进气开启正时ITopn延迟。ECU5将最大进气升程量IL从第一进气升程量IL1切换至第二进气升程量 IL2，使得进气开启正时ITopn相对于排气上止点TDC延迟。
如图3 (d)所示，ECU 5在时间点t3处将最大排气升程量EL从 第一排气升程量EL1切换至第二排气升程量EL2。亦即，先于在时间 点t3处从第一排气升程量EL1切换至第二排气升程量EL2， ECU 5在 时间点tl处从第一进气升程量IL1切换至第二进气升程量IL2。
在本实施方式中，ECU 5在时间点tl处将进气开启正时ITopn设 定为参考进气开启正时ITopnO。亦即，进气开启正时ITopn紧接着在 第 一进气升程量IL1切换至第二进气升程量IL2之后设定为参考进气开 启正时ITopnO。
如图4B所示，当从第一进气升程量IL1切换至第二进气升程量IL2 时，ECU 5相对于排气上止点TDC延迟进气开启正时ITopn。由此， 在燃烧室10的内部处于负压的同时开始进气。这导致进气喷入燃烧室 10内。相应地，增强了燃烧室IO的绝热压缩作用，使得燃烧室10的温 度得以有效升高。进气开启正时ITopn相对于排气上止点TDC的延迟 称为进气门llv的延迟开启。因而以可靠的方式执行HCCI燃烧，并且 不再需要火花塞60c的火花点火。ECU 5在从第一进气升程量IL1切换 至第二进气升程量IL2的同时停止火花塞60c的火花点火。亦即，ECU 5在切换进气门llv的同时将燃烧模式从火花点火燃烧切换至HCCI燃 烧。
由于进气开启正时ITopn相对于排气上止点TDC的延迟，所以绝 热压缩作用^吏得能够实现HCCI燃烧。因而ECU 5开始在HCCI燃烧 中产生内部EGR量Qegr。由此，防止ECU 5开始在其中例如HCCI 燃烧困难的状态下产生内部EGR量Qegr。亦即，ECU5可防止其中同 时执行火花点火燃烧和HCCI燃烧的状态的出现。因此，如图3(f)中 的实线所示，防止HCCI发动机1的扭矩T突然变化。
图3(f)中的虚线代表第一对比示例的扭矩曲线。第一对比示例是 指其中同时执行从第一进气升程量IL1切换至第二进气升程量IL2和从 第一排气升程量EL1切换至第二排气升程量EL2的情况。亦即，在第 一对比示例中，当从火花点火燃烧切换至HCCI燃烧时，在从第一排气 升程量EL1切换至第二排气升程量EL2的同时开始产生内部EGR量。亦即，在第一对比示例中，内部EGR量Qegr在第一进气门开度TA1 时产生。在第一对比示例中，扭矩由于进气量关于内部EGR量Qegr 小而突然变化。亦即，在第一对比示例中，扭矩T如图3 (f)中的虚线 所示暂时地并且显著地减少。
在从时间点t2至时间点t4的时间段，ECU5如图3 (b)所示地将 节气门开度从第一节气门开度TA1增加至第二节气门开度TA2，并同 时如图3 (c)所示地将燃料供应量F从第一燃料供应量F1减少至第二 燃料供应量F2。
亦即，ECU 5在时间点tl处从第一进气升程量IL1切换至笫二进 气升程量IL2，从而将燃烧模式从火花点火燃烧切换至HCCI燃烧。其 后，在时间点t2及时间点t2之后，ECU 5控制节气门开度TA和燃料 供应量F。在时间点t3处，ECU 5从第一排气升程量EL1切换至第二 排气升程量EL2，使得排气关闭正时ETcls相对于参考排气关闭正时 ETclsO延迟。由此，建立了负重叠。
图6示出第二对比示例。第二对比示例中，在燃烧循环中，第一进 气升程量IL1在时间点tl切换至第二进气升程量IL2。在下一个燃烧循 环中，排气关闭正时ETcls切换至参考排气关闭正时ETclsO。图6的竖 直轴代表缸内压力P，或者在这种负重叠建立时燃烧室中的压力。图6 的水平轴代表曲轴转角。所述曲轴转角的零度代表排气上止点TDC。 在第二对比示例中，可发生提前点燃。
图6示出最终火花点火燃烧循环、第一HCCI循环、第二HCCI循 环、第三HCCI循环和第四HCCI循环中的各自缸内压力P。最终火花 点火燃烧循环是指当火花点火燃烧切换至HCCI燃烧时火花点火的最 终燃烧循环。第一 HCCI循环是指紧随所述最终火花点火燃烧循环的燃 烧循环。亦即，第一HCCI循环是指在第一进气升程量IL1切换至笫二 进气升程量IL2之后HCCI燃烧的第一燃烧循环。第二 HCCI循环是指 紧随第一HCCI燃烧循环的燃烧循环。在第二对比示例中，排气关闭正 时ETcls在第二 HCCI循环期间切换至参考排气关闭正时ETclsO。亦即， 参考内部EGR量QegrO在第二HCCI循环期间设定。
如图6所示，在第二对比示例中排气上止点TDC附近的缸内压力P 经过最终火花点火燃烧循环、第一HCCI循环、第二HCCI循环、第三HCCI循环和第四HCCI循环连续增加。这是因为，由于在将进气门开 度TA维持在第一进气门开度TA1的情况下执行第一至第四HCCI循 环，所以进气量变得不足。这降低了扭矩。亦即，在图6所示的笫二对 比示例中，其温度已通过归因于HCCI燃烧的绝热压缩作用增加的内部 EGR气体在紧接着第一进气升程量IL1切换至第二进气升程量IL2之 后的燃烧循环中产生。因而，如图6中的虚线限定的区域AA所示，燃 烧室10中的温度在第二至第四HCCI循环中在排气上止点TDC的附近 过度增加。这增加了提前点燃和爆燃的概率。
为了解决图6所示的问题，本实施方式的ECU5在从第一进气升程 量IL1切换至第二进气升程量IL2之后从第一排气升程量EL1切换至 第二排气升程量EL2，从而相对于参考排气关闭正时ETclsO延迟了排 气关闭正时ETcls。由此，以可靠的方式控制了内部EGR量Qegr。因 而，根据本实施方式，防止了燃烧室10中的温度在紧接着第一进气升 程量IL1切换至第二进气升程量IL2之后过度增加。进一步地，防止了 燃料供应量F不足。
在从时间点t2至时间点t4的时间段，ECU5如图3(b)所示将进 气门开度从第一节气门开度TA1增加至第二进气门开度TA2，并且同 时如图3 (c)所示将燃料供应量F从第一燃料供应量F1减少至第二燃 料供应量F2。由此，燃烧室10中的燃料逐渐变稀。因此，在抑制燃烧 室10中过度升温的同时，发动机1变化至HCCI燃烧的稳定运转。进 一步抑制了在火花点火燃烧切换至HCCI燃烧的时间段中的扭矩波动。
如图3 (d)所示，ECU 5在时间点t3处将最大排气升程量EL从 第一排气升程量EL1切换至第二排气升程量EL2。在本实施方式中， ECU 5如图5A所示地从第一排气升程量EL1切换至第二排气升程量 EL2，使得排气关闭正时ETcls相对于参考排气关闭正时ETclsO延迟。 由此，在燃烧室10中产生内部EGR量Qegr。因而，紧接着时间点t3 之后出现在燃烧室10中的内部EGR量Qegr小于参考内部EGR量 Qegr0。这抑制了燃烧室10中过度升温。
图5A中的长短交替的虚线代表参考排气关闭正时ETclsO。参考排 气关闭正时ETclsO相对于排气上止点TDC提前。与第二排气升程量 EL2对应的排气关闭正时ETcls相对于排气上止点TDC提前。因此，"从 第一排气升程量EL1切换至第二排气升程量EL2使得排气关闭正时ETcls相对于参考排气关闭正时ETclsO延迟，，是指从第一排气升程量 EL1切换至第二排气升程量EL2从而使得排气关闭正时ETcls处于参考 排气关闭正时ETclsO与排气上止点TDC之间。
在从时间点t3至时间点t4的时间段中，ECU 5如图5A中的箭头 所示地将排气关闭正时ETcls提前至参考排气关闭正时ETclsO。亦即， 排气关闭正时ETcls远离排气上止点TDC,并且更接近参考排气关闭正 时ETclsO。因此，如图3(e)所示，内部EGR量Qegr在从时间点t3 至时间点t4的时间段内显著增加。
在提前排气关闭正时ETcls之后，ECU5如图3(b)所示地增加进 气门开度TA并减少燃料供应量F。图5B示出参考排气关闭正时ETclsO 。 内部EGR量Qegr逐渐增加至参考内部EGR量QegrO。因而，在抑制 了扭矩波动的同时，可将燃烧模式从火花点火燃烧切换至HCCI燃烧。
图7是示出该示例、第一对比示例和第二对比示例的实验结果的 IMEP (指示平均有效压力)的图表。IMEP (指示平均有效压力)是假 设在HCCI发动机1的膨胀行程中在活塞20从上止点TDC移动至下止 点的时间段内产生恒定气体压力的情况下通过平均不断变化的气体压 力而获得的值。图7中的水平轴代表燃烧循环的数量。在图7中，将第 一 HCCI循环设定为第零燃烧循环。
在图7中，通过连接填充圆形( )形成的实线代表该示例。通过 连接填充三角形(▲)形成的虚线代表第一对比示例。通过连接填充菱 形( )形成的长短交替的虚线代表笫二对比示例。第一对比示例是指 其中在第一 HCCI循环中同时执行从第 一进气升程量IL1切换至第二进 气升程量IL2以及从第一排气升程量EL1切换至第二排气升程量EL2 的情况。第二对比示例是指这样的情况其中，在第一HCCI循环中， 第一进气升程量IL1切换至第二进气升程量IL2，并且在第二 HCCI循 环中，笫一排气升程量EL1切换至第二排气升程量EL2使得排气关闭 正时ETcls变成参考排气关闭正时ETclsO。
如图7所示，本示例的IMEP是平坦的。然而，第 一对比示例的IMEP 在第一 HCCI循环中显著下降。第二对比示例的IMEP在笫二 HCCI 循环中显著下降。因此，与第一和第二对比示例相比，本示例明显抑制 了扭矩的突然变化。本实施方式具有下列优点。
(1) 在从第一排气升程量EL1切换至第二排气升程量EL2之前， ECU 5在时间点tl处将第一进气升程量IL1切换至笫二进气升程量 IL2,使得进气开启正时ITopn相对于排气上止点TDC延迟。因此，当 燃烧模式从火花点火燃烧切换至HCCI燃烧时，HCCI发动机1的进气 行程由缸内压力P变成负压开始。这导致进气喷入燃烧室10内.相应 地，燃烧室10的绝热压缩作用允许燃烧室10的温度有效升高。由此， 以可靠的方式执行了 HCCI燃烧。
此外，在时间点t3处，ECU 5将第一排气升程量EL1切换至第二 排气升程量EL2,使得排气关闭正时ETds相对于参考排气关闭正时 ETclsO延迟。因此，紧接着第一排气升程量EL1切换至第二排气升程 量EL2之后，燃烧室10中的内部EGR量Qegr小于参考内部EGR量 Qegr0。可防止同时执行火花点火燃烧和HCCI燃烧的状态的出现。因 而可防止诸如提前点燃之类的异常燃烧，并抑制扭矩的突然变化。本发 明不需要在火花点火燃烧与HCCI燃烧之间的分层进气燃烧。这消除了 诸如缸内喷射系统之类复杂且昂贵的机构的必要性。最大化了 HCCI燃 烧的优点，亦即燃料经济性提高和排放降低。
(2) 在从时间点tl至时间点t3的时间段内，ECU5控制节气门开 度TA和燃料供应量F。亦即，ECU5在从时间点tl时从第一进气升程 量IL1切换至第二进气升程量IL2至时间点t3时从第 一排气升程量EL1 切换至第二排气升程量EL2的时间段内控制进气门开度TA和燃料供应 量F。
因此，在从时间点tl至时间点t3的时间段内，通过控制节气门开 度TA控制进入燃烧室10内的进气量。同样，通过控制燃料供应量F 控制HCCI发动机1的燃烧状态。因而可以在防止提前点燃和意外猝熄 的同时将火花点火燃烧变化至HCCI燃烧.由此，进一步抑制在切换时 间段的扭矩波动。
(3 )在从时间点tl至时间点t3的时间段内，ECU 5减少燃料供应 量F，同时增加节气门开度TA。可靠地防止了提前点燃和意外猝熄， 并且进一步抑制了扭矩波动。(4 )在时间点t3处从第一排气升程量EL1切换至第二排气升程量 EL2之后，ECU 5将排气关闭正时ETcls提前至参考排气关闭正时 ETclsO。因而可逐渐增加内部EGR量Qegr。因而，在进一步抑制扭矩 波动的同时，可将燃烧模式从火花点火燃烧切换至HCCI燃烧。
(5 )进气可变气门机构lla将进气凸轮llc从进气高升程凸轮切换 至进气低升程凸轮.排气可变气门机构12a将排气凸轮12c从排气高升 程凸轮切换至排气低升程凸轮。因此，与诸如电磁驱动类型之类的复杂 的可变气门致动机构不一样的是，进气可变气门机构lla和排气可变气 门机构12a都具有筒单的结构。
优选实施方式可进行如下修改。
如图4B中的长短交替的虚线所示，紧接着在时间点tl处从第一进 气升程量IL1切换至第二进气升程量IL2之后，进气开启正时ITopn可 相对于参考进气开启正时ITopnO提前。亦即，在从时间点tl至时间点 t3的时间段内，ECU5可在控制进气门开度TA和燃料供应量F的同时 将进气开启正时ITopn相对于参考进气开启正时ITopnO提前。在这种 情况下，由于进气开启正时ITopn相对于排气上止点TDC延迟，所以 "相对于参考进气开启正时ITopnO提前进气开启正时ITopn，，是指进 气开启正时ITopn从参考进气开启正时ITopnO朝向排气上止点TDC变 化。
ECU 5基于HCCI发动机1在火花点火燃烧中的运转状态判断是否 提前进气开启正时ITopn。亦即，如果预测HCCI发动机1中的燃烧在 第二进气升程量IL2时变强烈，则提前进气开启正时ITopn。由此，在 HCCI发动机1的进气行程中，从进气通道llp流入燃烧室10的进气 流速降低。燃烧室10的绝热压缩作用被抑制，使得燃烧室10中的温度 不会过度增加。由此，很容易地防止提前点燃。在从时间点t3至时间 点t4的时间段内，ECU 5在将排气关闭正时ETcls提前至参考排气关 闭正时ETclsO的同时将进气开启正时ITopn延迟至参考进气开启正时 ITopnO。
可由电磁驱动机构切换诸如进气门llv的气门升程量和气门开启/ 关闭正时之类的进气门特性。类似地，可由电磁驱动机构切换诸如排气 门12v的气门升程量和气门开启/关闭正时之类的排气门特性。第二进气门开度TA2可小于节气门3的完全开启状态。
进气可变气门机构lla可以独立地具有用于改变最大进气升程量IL 的机构和用于改变气门开启/关闭正时的机构.类似地，排气可变气门 机构12a可以独立地具有用于改变最大排气升程量EL的机构和用于改 变气门开启/关闭正时的机构。
当火花点火燃烧切换至HCCI燃烧时，火花塞60c可以辅助地执行 火花点火，以使HCCI发动机1的燃烧稳定。ECU 5能够独立于进气可 变气门机构lla和排气可变气门机构12a的运转控制火花点火。
权利要求
1. 一种均质充量压缩点燃(HCCI)发动机(1)，其中所述HCCI发动机(1)允许在HCCI燃烧与火花点火燃烧之间切换燃烧模式，所述HCCI发动机(1)包括燃烧室(10)；在所述燃烧室(10)中往复运动的活塞(20)，所述活塞(20)限定所述燃烧室(10)的排气上止点(TDC)；进气门(11v)；排气门(12v)；用于改变进气升程量(IL)的进气可变气门机构(11a)，所述进气升程量(IL)是所述进气门(11v)的升程量，其中所述进气升程量(IL)在所述火花点火燃烧中设定为第一进气升程量(IL1)并且在所述HCCI燃烧中设定为第二进气升程量(IL2)，所述进气可变气门机构(11a)能够控制进气开启正时(ITopn)，所述进气开启正时(ITopn)是所述进气门(11v)的开启正时；用于改变排气升程量(EL)的排气可变气门机构(12a)，所述排气升程量(EL)是所述排气门(12v)的升程量，其中所述排气升程量(EL)在所述火花点火燃烧中设定为第一排气升程量(EL1)并且在所述HCCI燃烧中设定为第二排气升程量(EL2)，所述排气可变气门机构(12a)能够控制排气关闭正时(ETcls)，所述排气关闭正时(ETcls)是所述排气门(12v)的关闭正时，并且设定在所述HCCI燃烧中使用的参考排气关闭正时(ETcls0)；控制器(5)，所述控制器(5)用于控制所述进气可变气门机构(11a)和所述排气可变气门机构(12a)，其中，所述HCCI发动机(1)的特征在于，所述控制器(5)通过设定其中所述进气门(11v)和所述排气门(12v)都闭合的负气门重叠时间段来设定内部EGR量(Qegr)，使得并不是所有已燃烧的气体都从所述燃烧室(10)排出，所述内部EGR量(Qegr)包括在所述HCCI燃烧时残留在所述燃烧室(10)中的已燃烧的气体的量，当将所述燃烧模式从所述火花点火燃烧切换至所述HCCI燃烧时，所述控制器(5)执行下列操作a)、b)和c)a)将所述进气升程量从所述第一进气升程量(IL1)切换(t1)至所述第二进气升程量(IL2)，使得所述进气开启正时(ITopn)相对于所述排气上止点(TDC)延迟；b)在操作a)之后将所述排气升程量从所述第一排气升程量(EL1)切换(t3)至所述第二排气升程量(EL2)；以及c)相对于所述参考排气关闭正时(ETcls0)延迟(t3)所述排气关闭正时(ETcls)，使得产生所述内部EGR量(Qegr)。
2. 如权利要求1所述的HCCI发动机(1 )，其特征在于，进一步 包括节气门(3)，其中所述节气门(3)的开度(TA)被控制，以便控 制至所述燃烧室(10)的进气量，其中，所述控制器(5)能够控制燃料供应量(F)，所述燃料供应 量(F)是供应至所述燃烧室(10)的燃料量，并且所述控制器(5)在所述第一进气升程量(IL1)切换至所述第二进 气升程量(IL1) (tl)之后并在所述第一排气升程量(EL1)切换至所 述第二排气升程量(EL2 ) (t3 )之前的时间段(tl至t3 )内控制所述 节气门开度(TA)和所述燃料供应量(F)。
3. 如权利要求2所述的HCCI发动机(1 )，其特征在于，进一步 包括与所述燃烧室(10)连通的进气通道(llp )，所述燃料供应量(F) 供应至所述进气通道(llp)，其中，所述控制器(5)在增加所述节气门开度(TA)的同时减少 所述燃料供应量(F),从而将所述燃料供应量(F)设定为所述HCCI 燃烧必需的量.
4. 如权利要求2所述的HCCI发动机(1 )，其特征在于，所述控 制器(5)在控制所述进气门开度(F)和所述燃料供应量(F)的同时 提前所述进气开启正时(ITopn)。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的HCCI发动机(1 )，其特征 在于，所述控制器(5)在将所述第一排气升程量(EL1)切换至所述 第二排气升程量(EL2 )之后将所述排气关闭正时(ETcls )提前至所述 参考排气关闭正时(ETclsO)。
6. 如权利要求1至4中任一项所述的HCCI发动机(1 )，其特征 在于，所述进气可变气门机构(lla)具有致动所述进气门(llv)的进 气低升程凸轮和进气高升程凸轮，其中，所述排气可变气门机构(12a)具有致动所述排气门(12v) 的排气低升程凸轮和排气高升程凸轮，所述进气可变气门机构(lla)通过将所述进气低升程凸轮切换至 所述进气高升程凸轮来切换所述进气升程量(IL),并且所述排气可变气门机构(12a)通过将所述排气低升程凸轮切换至 所述排高升程凸轮来切换所述排气升程量(EL)。
7. —种用于控制均质充量压缩点燃(HCCI)发动机(1)的方法， 其中所述HCCI发动机(1)允许在HCCI燃烧与火花点火燃烧之间切 换燃烧模式，所述HCCI发动机(l)包括燃烧室(10);在所述燃烧室(10)中往复运动的活塞(20)，所述活塞(20)限 定所述燃烧室(10)的排气上止点(TDC); 进气门(llv); 排气门(12v);用于改变进气升程量(IL)的进气可变气门机构(11a),所述进气 升程量(IL)是所述进气门(llv)的升程量，其中所述进气升程量(IL) 在所述火花点火燃烧中设定为第 一进气升程量(IL1)并且在所述HCCI 燃烧中设定为第二进气升程量(IL2)，所述进气可变气门机构(11a) 能够控制进气开启正时(ITopn)，所述进气开启正时(ITopn)是所述 进气门(llv)的开启正时；以及用于改变排气升程量(EL)的排气可变气门机构(12a)，所述排 气升程量(EL)是所述排气门(12v)的升程量，其中所述排气升程量 (EL )在所述火花点火燃烧中设定为第一排气升程量(ELI )并且在所 述HCCI燃烧中设定为第二排气升程量(EL2),所述排气可变气门机 构(12a)能够控制排气关闭正时(ETcls)，所述排气关闭正时(ETcls) 是所述排气门(12v)的关闭正时，并且设定在所述HCCI燃烧中使用 的参考排气关闭正时；所述方法的特征在于包括通过设定在其中所迷进气门(llv)和所述排气门(12v)都闭合的 负气门重叠时间段来产生内部EGR量(Qegr)，使得并不是所有已燃 烧的气体都从所述燃烧室(10)排出，所述内部EGR量(Qegr)包括 在所述HCCI燃烧时间残留在所述燃烧室(10 )中的已燃烧的气体的量，当将所述燃烧模式从所述火花点火燃烧切换至所述HCCI燃烧时，执行下列操作a)、 b)和c):a):将所述进气升程量从所迷第一进气升程量(IL1)切换(tl) 至所述第二进气升程量(IL2)，使得所述进气开启正时(ITopn)相对 于所述排气上止点(TDC )延迟；b ):在操作a )之后将所述排气升程量从所述第一排气升程量(ELI) 切换(t3)至所述第二排气升程量(EL2);以及c):相对于所述参考排气关闭正时(ETclsO)延迟(《)所述排气 关闭正时(ETds)，使得产生所述内部EGR量(Qegr)。
全文摘要
本发明涉及一种均质充量压缩点燃发动机和该发动机的控制方法。控制器(5)设定在其中进气门(11v)和排气门(12v)都闭合的负气门重叠时间段，使得并不是所有已燃烧的气体都从燃烧室(10)排出，当将燃烧模式从火花点火燃烧切换至HCCI燃烧时，控制器(5)执行下列操作a)、b)和c)a)将进气升程量从第一进气升程量(IL1)切换(t1)至第二进气升程量(IL2)，使得进气开启正时(ITopn)相对于排气上止点(TDC)延迟；b)在操作a)之后将排气升程量从第一排气升程量(EL1)切换(t3)至第二排气升程量(EL2)；以及c)相对于参考排气关闭正时(ETcls0)延迟(t3)排气关闭正时(ETcls)，使得产生内部EGR量(Qegr)。
文档编号F02D43/00GK101413449SQ20081017112
公开日2009年4月22日 申请日期2008年10月15日 优先权日2007年10月15日
发明者葛山裕史 申请人:株式会社丰田自动织机