用于运行内燃机的装置及方法

专利名称：用于运行内燃机的装置及方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的运行和控制。
背景技术：
此部分的说明仅提供关于本发明的背景信息而不构成现有技术。已知的火花点火(Si)发动机将空气/燃料混合物引入各气缸，该混合物在压缩行 程中被压缩并由火花塞点燃。已知的压燃式发动机在压缩行程的上止点(TDC)附近将加压 燃料喷射到燃烧气缸中，其依靠喷射点火。对汽油发动机和燃油发动机的燃烧包括由流体 力学控制的预混合焰或扩散焰。SI发动机可以在许多不同的燃烧模式下运行，包括均质火花点火(SI-H)燃烧模 式和分层充量火花点火(SI-SI)燃烧模式。当在均质火花点火(SI-H)燃烧模式下运行时， 在TDC后，各气缸的发动机进气阀打开，而在TDC后，相应的排气阀关闭，从而产生正阀重叠 (PVO)期，在该周期中排气阀和进气阀都打开。SI发动机可被构造为以均质充量压燃(HCCI)燃烧模式(也可互换地被称为可 控的自动点火(HCCI)燃烧)在以预定的速度/负载运行条件下运行。可可控的自动点火 (HCCI)燃烧包括分布式的、无火焰的自动点火燃烧过程，该过程由氧化化学控制。在可控的 自动点火(HCCI)燃烧模式下的发动机运行具有优选地在组分、温度和进气阀关闭时间内 残余废气方面都是均质的气缸充量。可控的自动点火(HCCI)燃烧是分布式的动力可控的 燃烧过程，其中发动机在稀薄的空气/燃料混合物，即低含量的空气/燃料计量点下、较低 的最高燃烧温度的情况下运行，从而导致低氧化氮(NOx)排放。均质的空气/燃料混合物 使形成烟和颗粒排放的富带的形成最小化。可控的自动点火(HCCI)燃烧取决于以下因素气缸充量组分、温度以及在进气阀 关闭时的压力。向发动机的控制输入是相互配合的以利于有力的自燃燃烧。可控的自动点 火(HCCI)燃烧策略可以包括利用排气再压缩阀策略。排气再压缩阀策略包括相对于TDC 调整进气和排气阀的正时，以通过从前一发动机循环捕捉残气来控制气缸充量温度。在运 行时，在TDC前排气阀关闭，而在TDC后相应的进气阀打开以形成负阀重叠(NVO)期，在负 阀重叠期内排气和进气阀都被关闭，由此捕捉废气。进气阀和排气阀的打开时间优选地是 相对于TDC对称的。气缸充量组分和温度都受到排气阀关闭时间的影响。具体地，在越早 关闭排气阀的情况下，来自上一循环的越多的热殘气可以被保持，从而剩下越少的用于收 入新鲜空气量的空间，由此提高了气缸充量温度并降低了气缸氧气浓度。在相似速度/负载情况下的不同燃烧模式可以具有关于发动机稳定性、排放和燃 料经济性的性能差异。发动机运行可以包括转换到在特定情况下具有较佳性能的特定燃烧 模式。选择运行的优选燃烧模式可以基于该燃烧模式在特定发动机负载和速度下导致较 佳性能。当在速度和/或发动机负载方面的变化保证向不同燃烧模式转换时，将执行转换 策略，从而发动机将转换为不同的燃烧模式。与在各燃烧模式之间转换发动机运行相关的已知的挑战包括不完全燃烧、发动机不点火、扭矩扰动和增加的不希望的排放。

发明内容
火花点火直喷内燃机包括进气凸轮轴和排气凸轮轴以及进气阀和排气阀。控制发 动机的方法包括在进气凸轮轴上设置低升程进气凸角和高升程进气凸角。低升程进气凸角 和高升程进气凸角由预定进气凸角分离角分开。类似地，在排气凸轮轴上设置低升程排气 凸角和高升程排气凸角并且由预定排气凸角分离角分开。发动机以可控自动点火燃烧模式 在负阀重叠时使用低升程进气和排气凸角运行。仅通过在使用高升程进气和排气凸角和使 用低升程进气和排气凸角之间的转换来实现这些运行模式之间的转换。技术方案1 一种用于控制火花点火直喷内燃机的方法，火花点火直喷内燃机包 括进气凸轮轴和排气凸轮轴以及进气阀和排气阀，方法包括在进气凸轮轴上设置低升程进气凸角和高升程进气凸角，所述低升程进气凸角和 所述高升程进气凸角由预定进气凸角分离角分开；在排气凸轮轴上设置低升程排气凸角和高升程排气凸角，所述低升程排气凸角和 所述高升程排气凸角由预定排气凸角分离角分开；以可控自动点火燃烧模式在正阀重叠时使用高升程进气凸角和高升程排气凸角 运行发动机； 以可控自动点火燃烧模式在负阀重叠时使用低升程进气凸角和低升程排气凸角 运行发动机；以及仅通过在使用高升程进气和排气凸角以及低升程进气和排气凸角之间转换实现 在以可控自动点火燃烧模式在正阀重叠时和以可控自动点火燃烧模式在负阀重叠时运行 发动机之间转换。技术方案2 技术方案1的方法，其中，在使用高升程进气凸角和低升程进气凸角 之间的转换与使用高升程排气凸角和低升程排气凸角之间的转换同时实现。技术方案3 技术方案2的方法，进一步包括通过在中间以可控自动点火燃烧模式 在正阀重叠时使用高升程进气和排气凸角来实现从以可控自动点火燃烧模式在负阀重叠 时使用低升程进气和排气凸角运行发动机向以火花点火燃烧模式使用高升程进气和排气 凸角运行发动机转换。技术方案4:技术方案2的方法，进一步包括通过在中间以可控自动点火燃烧模式 在正阀重叠时使用高升程进气和排气凸角来实现从以火花点火燃烧模式使用高升程进气 和排气凸角运行发动机向以可控自动点火燃烧模式在负阀重叠时使用低升程进气和排气 凸角运行发动机转换。技术方案5 技术方案1的方法，其中以可控自动点火燃烧模式和可控自动点火燃 烧模式运行发动机之间的转换以预定的进气和排气凸轮轴相位实现。技术方案6 —种内燃机，包括由可移动活塞限定的可变容量燃烧室，活塞连接于 曲轴，曲轴旋转地连接于进气凸轮轴和排气凸轮轴以可操作地致动发动机进气阀和发动机 排气阀，包括进气凸轮轴和排气凸轮轴各包括高升程凸角和相应的低升程凸角，高升程凸角各 包括以预定角度旋转偏离于相应的低升程凸角的最高位置的最高位置；
进气可变阀升程控制装置和排气可变阀升程控制装置构造用于选择地接合进气凸轮轴和排气凸轮轴的高升程凸角和相应的低升程凸角之一，以控制相对于高升程阀打开 位置和低升程阀打开位置之一的进气和排气阀的阀升程量；发动机构造成当进气可变阀升程控制装置和排气可变阀升程控制装置以预定进 气和排气凸轮相位角将进气阀和排气阀调节到高升程阀打开位置时实现第一热力学状态， 并构造成当进气可变阀升程控制装置和排气可变阀升程控制装置以预定进气和排气凸轮 相位角将进气阀和排气阀调节到低升程阀打开位置时实现第一热力学状态。技术方案7 技术方案6的内燃机，进一步包括发动机构造成当进气可变阀升程 控制装置和排气可变阀升程控制装置以预定进气和排气凸轮相位角将进气阀和排气阀调 节到高升程阀打开位置时实现正阀重叠时的第一热力学状态。技术方案8 技术方案6的内燃机，进一步包括发动机构造成当进气可变阀升程 控制装置和排气可变阀升程控制装置以预定进气和排气凸轮相位角将进气阀和排气阀调 节到低升程阀打开位置时实现负阀重叠时的第一热力学状态。技术方案9 技术方案6的内燃机，进一步包括进气凸轮轴的高升程凸角的最高 位置相对于进气凸轮轴的低升程凸角的最高位置提前。技术方案10 技术方案9的内燃机，其中，进气凸轮轴的高升程凸角的最高位置提 前至少40度曲柄旋转角。技术方案11 技术方案6的内燃机，进一步包括排气凸轮轴的高升程凸角的最高 位置相对于排气凸轮轴的低升程凸角的最高位置延迟。技术方案12 技术方案11的内燃机，其中，排气凸轮轴的高升程凸角的最高位置 延迟至少40度曲柄旋转角。技术方案13 技术方案6的内燃机，进一步包括可变凸轮相位系统，构造成控制 进气阀和排气阀的相位。技术方案14:技术方案6的内燃机，进一步包括发动机构造成当进气可变阀升程 控制装置和排气可变阀升程控制装置以预定进气和排气凸轮相位角将进气阀和排气阀调 节到高升程阀打开位置时和当进气可变阀升程控制装置和排气可变阀升程控制装置以预 定进气和排气凸轮相位角将进气阀和排气阀调节到低升程阀打开位置时实现第一热力学 状态，第一热力学状态包括第一气缸充量稀薄度和燃烧充量点燃温度。技术方案15 技术方案13的内燃机，进一步包括发动机构造成当进气阀和排气 阀被调节到高升程阀打开位置以及进气阀和排气阀的相位被调节到预定进气和排气凸轮 相位角时实现第一热力学状态，并构造成当进气阀和排气阀被调节到低升程阀打开位置以 及进气阀和排气阀的相位被调节到预定进气和排气凸轮相位角时实现第一热力学状态。技术方案16 —种内燃机，包括燃烧室；连接于燃烧室的进气阀和排气阀；进气凸轮轴，具有由进气凸角分离角分开的高升程进气凸角和低升程进气凸角；排气凸轮轴，具有由排气凸角分离角分开的高升程排气凸角和低升程排气凸角；进气阀升程控制装置，用于将高升程进气凸角和低升程进气凸角之一连接于进气 阀；
排气阀升程控制装置，用于将高升程排气凸角和低升程排气凸角之一连接于排气 阀；进气凸轮轴相位装置，构造成控制进气凸轮轴相位；排气凸轮轴相位装置，构造成控制排气凸轮轴相位；以及所述进气凸角分离角和所述排气凸角分离角构造成当以预定进气和排气凸轮轴相位，进气阀升程控制装置将高升程进气凸角连接于 进气阀以及排气阀升程控制装置将高升程排气凸角连接于排气阀时，发动机以阀高升程正 阀重叠状态运行；当以预定进气和排气凸轮轴相位，进气阀升程控制装置将低升程进气凸角连接于 进气阀以及排气阀升程控制装置将低升程排气凸角连接于排气阀时，发动机以阀低升程负 阀重叠状态运行；以及 当进气和排气凸轮轴位于预定进气和排气凸轮相位时，在燃烧室内建立的对应于 阀高升程正阀重叠状态的热力学状态与在燃烧室内建立的对应于阀低升程负阀重叠状态 的热力学状态是基本等效的。技术方案17 技术方案16的内燃机，进一步包括控制模块，构造成当进气凸轮轴和排气凸轮轴位于预定进气和排气凸轮相位时， 在阀高升程正阀重叠状态和阀低升程负阀重叠状态之间转换运行发动机。


现在利用示例并参照附图来描述一个或多个实施例，其中图1为根据本发明的示例性的发动机系统的示意图；图2A和2B为本发明的示例性的凸轮轴的示意图；图3为根据本发明的进气阀和排气阀的正时的图解说明；图4和5为根据本发明的作为阀重叠的函数的燃烧参数的图解说明；以及图6是根据本发明的发动机运行参数的图解说明。
具体实施例方式现在参照附图，其中描述仅用于说明特定示例性实施例的目的，而不用于限定特 定示例性实施例的目的，图1为发动机10的实施例的示意图，用于说明此处所述的概念。示 例性的发动机10选择地以包括可控自动点火(HCCI)燃烧模式和均质火花点火(SI-H)燃 烧模式的多个燃烧模式运行。各燃烧模式可以与一个或多个燃料喷射策略相关，例如用于 可控自动点火燃烧模式的单个和/或多个喷射的燃料喷射策略。发动机10选择性地以化 学计量的空气/燃料比和基本不用化学计量的空气/燃料比运行。本发明可以被用于各种 内燃机系统和燃烧循环，并可以利用参照图1所述的控制模块5来控制。示例性发动机10包括多缸直喷四行程内燃机，其具有可在气缸15中可滑动地移 动的往复式活塞14，往复式活塞14限定了可变容积燃烧室16。各活塞14被连接于旋转式 凸轮轴12，由此线性往复运动被转换成旋转运动。进气系统向进气歧管29提供进口空气， 进气歧管29将空气引导并分配到燃烧室16的进气通道内。进气系统包括气流管道系统和 用于监控和调节气流的装置。进气装置优选包括气流量传感器32，用于监控气流量和进口空气温度。节流阀34优选包括用于响应于来自控制模块5的控制信号(ETC)调节向发动 机10的气流的电控装置。进气歧管29中的压力传感器36被构造成监控歧管绝对压力和大 气压。外部流道向进气歧管29再循环来自发动机排气的废气，外部流道具有流量控制阀， 在一实施例中其被称为废气再循环(EGR)阀38。控制模块5可运行，通过控制EGR阀38的 打开来调节向进气歧管29的废气流量。从进气歧管29到各燃烧室16的气流通过进气阀20来控制。离开各燃烧室16的 废气流通过排气歧管39的排气阀18来控制。发动机10配备有控制和调节进气阀20和排 气阀18打开和关闭的系统。在一个实施例中，进气阀20和排气阀18的打开和关闭可以分 别通过控制进气和排气的凸轮轴可变相位/可变升程控制(VCP/VLC)装置22和24来调节 和控制。进气凸轮轴21和排气凸轮轴23的旋转被连接并引到凸轮轴12的旋转，因此将进 气阀20和排气阀18的打开和关闭联系于凸轮轴12和活塞14的位置。下面将参照图2A 和2B描述进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。进气VCP/VLC装置22优选地包括一机构，该机构可操作地用于响应于来自控制模块5的控制信号(进气)，开关和控制进气阀20的阀升程并可变地调节和控制各气缸15的 进气凸轮轴21的相位。排气VCP/VLC装置24优选地包括可控机构，该机构可操作地用于 响应于来自控制模块5的控制信号(排气)可变地开关和控制排气阀18的阀升程并可变 地调节和控制各气缸15的排气凸轮轴23的相位。进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24优选地包括可控的两段式可变升程 控制(VLC)机构，该机构构造成控制进气阀20和排气阀18的阀升程量，或将进气阀20和 排气阀18打开到两个不连续状态中的一个状态。两个不连续状态优选地包括导致优选与 低速、低负载运行相关的低升程阀打开位置(在一实施例中大约4-6mm)的低升程状态，和 导致优选与高速和高负载运行相关的高升程阀打开位置(在一实施例中大约8-13mm)的高 升程状态。进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24优选地各包括凸轮轴可变相位 (VCP)机构，以相应地控制和调节进气阀20和排气阀18的打开和关闭的相位(即相对正 时)。调节相位指相对于相应的气缸15中的凸轮轴12和活塞14的位置转换进气阀20和 排气阀18的打开时间。进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24的VCP机构优选地 各具有凸轮轴12旋转大约60° -90°的相位权限范围，因此允许控制模块5相对于各气缸 15内的活塞14的位置提前或延迟进气阀20和排气阀18之一的打开和关闭。相位权限范 围由进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24确定和限制。进气VCP/VLC装置22和 排气VCP/VLC装置24包括凸轮轴位置传感器(未示出)，以确定进气凸轮轴21和排气凸轮 轴23的旋转位置。进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24利用电液、液压和电控力 之一来致动，并由控制模块5控制。发动机10包括燃料喷射系统，其包括多个高压燃料喷射器28，每个燃料喷射器28 构造成响应于来自控制模块5的信号直接将大量燃料喷射到燃烧室16中的一个内。燃料 喷射器28由配油系统(未示出)供给加压燃料。发动机10包括点火系统(未示出)，通过 点火系统，响应于来自控制模块5的信号(IGN)火花能量被提供给火花塞26以点燃或有助 于点燃各燃烧室16内的气缸充量。发动机10配备有用于监控发动机运行的各种传感装置，包括曲柄传感器42，其具 有输出RPM并可操作地监控曲柄轴旋转位置，即在一实施例中的曲柄角度和速度；构造成监控燃烧的燃烧传感器30 ；和构造成监控排气的排气传感器40，典型的是空气/燃料比传 感器。燃烧传感器30包括可操作地监控燃烧参数状态的传感器装置并被描述为可操作地 监控缸内燃烧压力的气缸压力传感器。燃烧传感器30和曲柄传感器42的输出由控制模块 5监控，控制模块5确定燃烧相位，即相对于每一燃烧循环的各气缸15的曲柄轴12的曲柄 角度的燃烧压力正时。燃烧传感器30还能被控制模块5监控以确定每一燃烧循环的各气 缸15的平均有效压力(IMEP)。优选地，使发动机10和控制模块5机械化以监控和确定每 个气缸点火事件期间各发动机气缸15的IMEP状态。在本发明的范围内，可选地，可使用其 他传感系统以监控其他燃烧参数，例如离子传感点火系统和非侵入式气缸压力传感器。 在可控自动点火(HCCI)燃烧模式下发动机运行期间，在发动机10被控制在低空 气/燃料比时，节流阀34优选地是基本全开的。基本全开的节流可以包括完全未节流地运 行，或稍微节流以在进气歧管29中形成真空从而影响EGR流。在一实施例中，缸内EGR量 被控制为高稀薄率，例如大于气缸充量的40%。在发动机循环期间可以执行一个或多个燃 料喷射事件，在压缩相位包括至少一次喷射。在均质火花点火(SI-H)燃烧模式下发动机运行期间，节流阀34被控制用于调节 气流。发动机10被控制成化学计量的空气/燃料比，并且进气阀20和排气阀18处于高升 程阀打开位置并且进气和排气升程正时在正阀重叠时运行。在发动机循环的压缩相位期间 执行燃料喷射事件，优选地，基本在TDC之前执行。优选地，当气缸内的空气充量基本均质 时，点火在燃料喷射之后的预定时间开始。控制模块5执行存储其中的算法代码以控制前述致动器形成气缸充量，包括将前 述致动器调节到节流位置、点火正时、燃料喷射量和正时、控制如此装配的发动机上的再循 环废气流的EGR阀位置和进气阀20和排气阀18的相位、升程和正时的最佳状态。控制模 块5可以运行以在车辆前进运行期间开启和关闭发动机10，并且可以运行以通过燃料、火 花和阀启动的控制而选择地停用部分燃烧室15或部分进气阀20和排气阀18。控制模块5 可以基于来自排气传感器40的反馈控制空气/燃料比。控制进气阀20和排气阀18的相位、升程和正时可以包括负阀重叠(NVO)和正阀 重叠(PVO)。在负阀重叠(NVO)期间，进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24被控 制到低升程状态，并且凸轮相位被控制为使排气阀18在TDC前关闭并使进气阀20在TDC 后随后打开，从而形成负阀重叠(NVO)期，在负阀重叠(NVO)期进气阀20和排气阀18都关 闭，由此将废气捕捉在燃烧室16中。在正阀重叠(PVO)期间，进气VCP/VLC装置22和排气 VCP/VLC装置24被控制到高升程状态，并且凸轮相位被控制为使排气阀18在TDC后关闭 并使进气阀20在TDC之前打开，从而形成正阀重叠(PVO)期，在正阀重叠(PVO)期进气阀 20和排气阀18都打开。在PVO期发动机运行期间残留废气被保留并被再捕捉到燃烧室16 中。图2A示出了示例性的进气凸轮轴21的示意侧视图，进气凸轮轴21包括加工到进 气凸轮轴21内的具有共同旋转轴21C的多组高升程凸角21A和相应的低升程凸角21B。各 组高升程凸角21A和相应的低升程凸角21B与发动机10的气缸15之一相关联。当每个气 缸15有多个进气阀20时，对于每个气缸15可以有多个高升程凸角21A和相应的低升程凸 角21B。示出(旋转)了围绕凸轮轴轴线21C的旋转方向。当进气凸轮轴21旋转时，高升 程凸角21A与相应的进气阀20相互作用，以在进气VCP/VLC装置22被调节到高升程状态时影响高升程阀打开位置。低升程凸角21B与相应的进气阀20相互作用，以在进气VCP/VLC 装置22被调节到低升程状态时影响低升程阀打开位置。在一个实施例中，进气VCP/VLC装 置22可以包括摇臂和随动件，摇臂和随动件通过液压致动销被选择地连接或分离。当被连 接时，摇臂和随动件一致地移动。当被分离时，摇臂和随动件被分离并独立移动。在这种示 例性的设置中，摇臂连接于进气阀，进气阀根据摇臂的运动被打开或关闭。随动件不连接于 进气阀并空转运行，除非通过销连接于摇臂。该凸角选择机构在汽油燃料发动机技术中是 公知的。用于接合和分离摇臂和从动件以选择地一致地或独立地运行的其它空转型机构也 是已知的。用于通过可选地应用的凸轮凸角选择地开启阀的其它机械是已知的。 在高升程凸角21A和相应的低升程凸角21B的最高或最大升程位置之间存在进气 凸角分离角或偏离角θ i。虽然在此处凸角分离角被描述为相对于凸角最高位置被测量，本 领域的技术人员可以理解凸角分离角还可以相对于阀打开和关闭角度或凸角中点(例如 在使用不对称凸轮的实施例中，其可以与凸角最高位置重合或不重合)被测量。在一个实 施例中，在高升程凸角21A和相应的低升程凸角21B的最高升程位置之间的进气凸角分离 角θ 是角旋转22°的凸轮角度，其对应于角旋转44°的曲柄角度(° CA)。在进气凸轮 轴21旋转期间，高升程凸角21A的最高位置旋转地偏离以提前于低升程凸角21B的最高位 置。进气VCP/VLC装置22的凸轮相位部分用于控制相对于相应的燃烧室16的相应活塞14 的TDC的进气阀20的最高位置的正时。因此，由高升程状态向低升程状态转换进气VCP/ VLC装置22延迟进气阀正时。图2B示出了示例性的排气凸轮轴23的侧视示意图，排气凸轮轴23包括多组加工 到排气凸轮轴23内并具有共同轴线23C的高升程凸角23A和相应的低升程凸角23B。每组 高升程凸角23A和相应的低升程凸角23B与发动机10的气缸15之一相关联。当每个气缸 15有多个排气阀18时，对于每个气缸15可以有多个高升程凸角23A和相应的低升程凸角 23B。示出了绕凸轮轴轴线23C的旋转方向(旋转)。当排气凸轮轴23旋转时，高升程凸 角23A与相应的排气阀18互相作用，以在排气VCP/VLC装置24被调节到高升程状态时影 响高升程阀打开位置。而且，低升程凸角23B与相应的排气阀18互相作用，以在排气VCP/ VLC装置24被调节到低升程状态时影响低升程阀打开位置。与关于进气凸轮轴21的上述 描述类似，排气VCP/VLC装置24可以包括空转类型的机构以接合或脱离摇臂和随动件，用 于根据一个或其他高升程和低升程凸角选择地操作排气阀。在高升程凸角23A和低升程凸角23B的最高位置之间存在排气凸角分离角或偏离 角ee。而且，与对于进气凸角一样，虽然在此处凸角分离角被描述为相对于凸角最高位置 被测量，但本领域的技术人员可以理解凸角分离角还可以相对于阀打开和关闭角度或凸角 中点(例如在使用不对称凸轮的实施例中，其可以与凸角最高位置重合或不重合)被测量。 在一个实施例中，在排气凸轮轴23上最高位置之间的排气旋转偏离角Θ e是角旋转22° 的凸轮角度，其对应于角旋转44°的曲柄角度(° CA)。在排气凸轮轴23旋转期间，高升 程凸角23A的最高位置旋转地偏离以跟随低升程凸角23B的最高位置。排气VCP/VLC装置 24的凸轮相位部分用于控制相对于相应的燃烧室16的活塞14的TDC的排气阀18的最高 位置。因此，将排气VCP/VLC装置24由高升程状态向低升程状态转换提前排气阀正时。在一实施例中，进气旋转偏离角θ i的数值等于排气旋转偏离角θ e的数值，虽然 可以理解进气旋转偏离角θ i和排气旋转偏离角θ e可以不同并取决于影响通过进气阀20和排气阀18的气流的因素，包括开口直径、升程量以及进气阀20和排气阀18的数量和配置。图3示出了以曲柄角度(° CA)和阀升程数值(阀升程/mm)表示的阀升程正时 表，包括作为正时的函数的进气阀20(IV)和排气阀IS(EV)的打开和相应的关闭的图解描 述。阀升程正时表用于参照图1描述的示例性的发动机10，其已装配了参照图2A和2B描 述的进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。示出了在进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置 24处于低升程状态和高升程状态时进气阀20和排气阀18的打开和关闭。以低升程状态和 高升程状态的最佳凸轮相位角来设定进气凸轮相位角和排气凸轮相位角。位置A描述了排 气阀18到达低升程阀打开位置的最大打开位置的曲柄角，而位置B描述了排气阀18到达 高升程阀打开位置的最大打开位置的曲柄角。位置A的曲柄角度与位置B的曲柄角度之差 等于排气凸角分离角或偏离角9e。因此，相对于相应的可移动活塞14的TDC位置，排气凸 轮轴23的高升程凸角23A的最高位置相对于低升程凸角23B的最高位置延迟。在一实施 例中，排气凸轮轴23的高升程凸角23A的最高位置延迟44° CA。位置C描述了进气阀20 到达高升程阀打开位置的最大打开位置的曲柄角，而位置D描述了进气阀20到达低升程阀 打开位置的最大打开位置的曲柄角。位置C的曲柄角度与位置D的曲柄角度之差等于进气 凸角分离角或偏离角9i。因此，相对于相应的可移动活塞14的TDC位置，进气凸轮轴21 的高升程凸角21A的最高位置相对于低升程凸角21B的最高位置提前。在一实施例中，进 气凸轮轴21的高升程凸角21A的最高位置提前44° CA。图3所述的低升程阀打开位置和 高升程阀打开位置的进气凸轮相位角和排气凸轮相位角包括用于将进气VCP/VLC装置22 和排气VCP/VLC装置24在低升程状态和高升程状态之间转换的最佳凸轮相位角。图4以重叠的经过的曲柄角度(° CA)图示出了针对根据本文上述实施例构造的示例性发动机，作为阀重叠的函数的点火时缸内气体温度。第一线(阀低升程)表示经过 的负阀重叠(NVO)，第二线(阀高升程)表示经过的正阀重叠(PVO)。第一线(阀低升程) 表示在进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24以低升程状态运行、NVO范围在0° CA 至150° CA之间的情况下，作为负阀重叠(NVO)的经过的曲柄角度的函数的点火时缸内气 体温度。第二线(阀高升程)表示在进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24以高升 程状态运行、PVO范围在-50° CA至+100° CA之间的情况下，作为正阀重叠(PVO)的经过 的曲柄角度的函数的点火时缸内气体温度。点E表示第一线(阀低升程)上的运行点并表 示在进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24以低升程状态运行的情况下，作为负阀 重叠(NVO)经过的曲柄角度的函数的点火时缸内气体温度。点F表示第二线(阀高升程) 上的运行点并表示在进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24以高升程状态运行的情 况下，作为正阀重叠(PVO)的经过的曲柄角度的函数的点火时缸内气体温度。点E和点F 描述了以相同的最佳凸轮相位角的发动机运行，进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置 24在低升程状态和高升程状态之间转换。图5以曲柄角度(° CA)图示出了针对根据本文上述实施例构造的示例性发动机， 作为阀重叠的函数的点火时缸内充量稀薄度(％ )。第一线(阀低升程)表示经过的负阀 重叠(NVO)，第二线(阀高升程)表示经过的正阀重叠(PVO)。第一线(阀低升程)表示作 为在进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24以低升程状态运行、NVO范围在0° CA 至150° CA之间的情况下，作为负阀重叠(NVO)的经过的曲柄角度的函数的点火时缸内充量稀薄度(％ )。第二线(阀高升程)表示在进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24 以高升程状态运行、PVO范围在-50° CA至+100° CA之间的情况下，作为正阀重叠(PVO) 的经过的曲柄角度的函数的点火时缸内充量稀薄度(％)。点E'表示第一线(阀低升程) 上的运行点并表示在进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24以低升程状态运行的情 况下，作为负阀重叠(NVO)经过的曲柄角度的函数的点火时缸内充量稀薄度(％)。点F' 表示第二线(阀高升程)上的运行点并表示在进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置 24以高升程状态运行的情况下，作为正阀重叠(PVO)的经过的曲柄角度的函数的点火时缸 内充量稀薄度(％)。点E'和点F'描述了以相同的最佳凸轮相位角的发动机运行，进气 阀20和排气阀18在高升程阀打开位置和低升程阀打开位置之间转换。点E'和点F'分 别对应于图4中的点E和点F。对应于所述点E、F、E'和F'中每个的最佳凸轮相位角度 是相等的。气缸充量的热力状态可以通过词语点火时的缸内气体温度和缸内充量稀薄度 (% )来描述。图4和图5描述了在进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24的特定凸 轮相位设置位置，当利用进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24以高升程状态在PVO 的情况下运行发动机10时，以及当利用进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24以低 升程状态在NVO的情况下运行发动机10时，如上构造的发动机10可以达到基本相似的气 缸充量的热力学状态。因此，高升程和低升程的进气和排气凸轮轮廓的组合、相应的进气和 排气凸角分离角和凸轮相位角可以被用于基本相等的点火时缸内温度和缸内充量稀薄度。 由于高升程和低升程的进气和排气凸轮具有固定的轮廓，并且进气和排气凸角分离角也是 固定的，因此基本相等的缸内温度和缸内充量稀薄度在由进气VCP/VLC装置22和排气VCP/ VLC装置24可建立的特定预定凸轮相位角内容易受到影响。因此，现在可以理解的是，当 发 动机以预定凸轮相位设置点运行时，只通过同时将进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装 置24在低升程状态和高升程状态之间转换，发动机10就可以在以在PVO时高升程阀打开 位置的情况下的可控的自动点火(HCCI)燃烧模式运行和以在NVO时低升程阀打开位置的 情况下的可控的自动点火(HCCI)燃烧模式运行之间转换。发动机10在不用依靠调节凸轮 相位角度或调节节流开口或调节其它具有伴随的正时延迟以及与之相关联的燃烧稳定性 风险的发动机致动器的情况下执行转换。这可以便于扩大可控的自动点火(HCCI)燃烧模 式的速度/负荷运行范围。图6示出了示例的发动机转换的发动机致动器和相应的发动机运行状态的状态， 所述转换是在以在NVO时低升程阀打开位置的情况下(HCCI-NVO)、在PVO时高升程阀打开 位置的情况下(HCCI-PVO)的可控的自动点火(HCCI)燃烧模式运行与均质火花点火(SI-H) 燃烧模式运行之间进行。发动机致动器的状态包括以低升程状态(LL)和高升程状态(HL) 之一运行的进气VLC装置22 (VLC-进气)和排气VLC装置24 (VLC-排气)，在最大值(高) 和最小值(低)之间的范围上的进气VCP装置22(VLC-进气)和排气VCP装置24的凸轮相 位(凸轮相位)，在PVO和NVO之间的范围上的阀重叠(阀重叠)，在完全打开的节流位置 (WOT)到关闭的节流位置(0)之间的范围上的节流阀34的角度(ETC)，以及从燃料喷射器 28喷射的燃料量(燃料量)。相应的发动机运行状态包括气缸充量稀薄度(稀薄度％ )，发 动机空气流量(MAF)以及从稀薄到化学计量到浓的空气/燃料比的范围上的发动机空气/ 燃料比(空气/燃料比)。在以在NVO时低升程阀打开位置的情况下(HCCI-NVO)和在PVO时高升程阀打开位置的情况下(HCCI-PVO)的可控的自动点火(HCCI)燃烧模式运行之间转 换中，同时进气VLC装置和排气VLC装置同时地在低升程状态(LL)和高升程状态(HL)之 间转换，并且进气VCP装置和排气VCP装置的凸轮相位角保持在最佳相位角，节流阀34角 度保持在W0T，以及喷射的燃料量保持恒定，气缸充量稀薄度(稀薄度％ )、发动机空气流量 (MAF)和空气/燃料不改变。当进气VLC装置和排气VLC装置转换时，阀重叠在NVO和PVO 之间转换。当发动机10以PVO时的高升程状态(HCCI-PVO)运行时，通过调节凸轮相位、喷 射正时和启动火花点燃其可转换到以均质火花点火(SI-H)燃烧模式运行。在随后转换到 以均质火花点火(SI-H)燃烧模式运行期间，根据发动机运行状态中的其他运行条件和变 化(如所示出的)，发动机致动器的状态可以改变。这包括以稀薄的化学计量的空气/燃料 比运行，或者可选地，转换到以化学计量运行。
本公开已描述了特定优选实施例及其变体。对于他人依靠阅读和理解本说明书可 以形成进一步的修改和改造。因此，本公开并不限于公开作为实现本公开的最佳形式的特 定实施例，用于，但本公开将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方式。
权利要求
一种用于控制火花点火直喷内燃机的方法，火花点火直喷内燃机包括进气凸轮轴和排气凸轮轴以及进气阀和排气阀，方法包括在进气凸轮轴上设置低升程进气凸角和高升程进气凸角，所述低升程进气凸角和所述高升程进气凸角由预定进气凸角分离角分开；在排气凸轮轴上设置低升程排气凸角和高升程排气凸角，所述低升程排气凸角和所述高升程排气凸角由预定排气凸角分离角分开；以可控自动点火燃烧模式在正阀重叠时使用高升程进气凸角和高升程排气凸角运行发动机；以可控自动点火燃烧模式在负阀重叠时使用低升程进气凸角和低升程排气凸角运行发动机；以及仅通过在使用高升程进气和排气凸角以及低升程进气和排气凸角之间转换实现在以可控自动点火燃烧模式在正阀重叠时和以可控自动点火燃烧模式在负阀重叠时运行发动机之间转换。
2.权利要求1的方法，其中，在使用高升程进气凸角和低升程进气凸角之间的转换与 使用高升程排气凸角和低升程排气凸角之间的转换同时实现。
3.权利要求2的方法，进一步包括通过在中间以可控自动点火燃烧模式在正阀重叠时 使用高升程进气和排气凸角来实现从以可控自动点火燃烧模式在负阀重叠时使用低升程 进气和排气凸角运行发动机向以火花点火燃烧模式使用高升程进气和排气凸角运行发动 机转换。
4.权利要求2的方法，进一步包括通过在中间以可控自动点火燃烧模式在正阀重叠时 使用高升程进气和排气凸角来实现从以火花点火燃烧模式使用高升程进气和排气凸角运 行发动机向以可控自动点火燃烧模式在负阀重叠时使用低升程进气和排气凸角运行发动 机转换。
5.权利要求1的方法，其中以可控自动点火燃烧模式和可控自动点火燃烧模式运行发 动机之间的转换以预定的进气和排气凸轮轴相位实现。
6.一种内燃机，包括由可移动活塞限定的可变容量燃烧室，活塞连接于曲轴，曲轴旋转 地连接于进气凸轮轴和排气凸轮轴以可操作地致动发动机进气阀和发动机排气阀，包括进气凸轮轴和排气凸轮轴各包括高升程凸角和相应的低升程凸角，高升程凸角各包括 以预定角度旋转偏离于相应的低升程凸角的最高位置的最高位置；进气可变阀升程控制装置和排气可变阀升程控制装置构造用于选择地接合进气凸轮 轴和排气凸轮轴的高升程凸角和相应的低升程凸角之一，以控制相对于高升程阀打开位置 和低升程阀打开位置之一的进气和排气阀的阀升程量；发动机构造成当进气可变阀升程控制装置和排气可变阀升程控制装置以预定进气和 排气凸轮相位角将进气阀和排气阀调节到高升程阀打开位置时实现第一热力学状态，并构 造成当进气可变阀升程控制装置和排气可变阀升程控制装置以预定进气和排气凸轮相位 角将进气阀和排气阀调节到低升程阀打开位置时实现第一热力学状态。
7.权利要求6的内燃机，进一步包括发动机构造成当进气可变阀升程控制装置和排 气可变阀升程控制装置以预定进气和排气凸轮相位角将进气阀和排气阀调节到高升程阀 打开位置时实现正阀重叠时的第一热力学状态。
8.权利要求6的内燃机，进一步包括发动机构造成当进气可变阀升程控制装置和排 气可变阀升程控制装置以预定进气和排气凸轮相位角将进气阀和排气阀调节到低升程阀 打开位置时实现负阀重叠时的第一热力学状态。
9.权利要求6的内燃机，进一步包括进气凸轮轴的高升程凸角的最高位置相对于进 气凸轮轴的低升程凸角的最高位置提前。
10.一种内燃机，包括 燃烧室；连接于燃烧室的进气阀和排气阀；进气凸轮轴，具有由进气凸角分离角分开的高升程进气凸角和低升程进气凸角； 排气凸轮轴，具有由排气凸角分离角分开的高升程排气凸角和低升程排气凸角； 进气阀升程控制装置，用于将高升程进气凸角和低升程进气凸角之一连接于进气阀； 排气阀升程控制装置，用于将高升程排气凸角和低升程排气凸角之一连接于排气阀； 进气凸轮轴相位装置，构造成控制进气凸轮轴相位； 排气凸轮轴相位装置，构造成控制排气凸轮轴相位；以及 所述进气凸角分离角和所述排气凸角分离角构造成当以预定进气和排气凸轮轴相位，进气阀升程控制装置将高升程进气凸角连接于进气 阀以及排气阀升程控制装置将高升程排气凸角连接于排气阀时，发动机以阀高升程正阀重 叠状态运行；当以预定进气和排气凸轮轴相位，进气阀升程控制装置将低升程进气凸角连接于进气 阀以及排气阀升程控制装置将低升程排气凸角连接于排气阀时，发动机以阀低升程负阀重 叠状态运行；以及当进气和排气凸轮轴位于预定进气和排气凸轮相位时，在燃烧室内建立的对应于阀高 升程正阀重叠状态的热力学状态与在燃烧室内建立的对应于阀低升程负阀重叠状态的热 力学状态是基本等效的。
全文摘要
用于运行内燃机的装置及方法。内燃机包括进气和排气凸轮轴，各包括由凸角分离角分开的高升程凸角和低升程凸角。发动机仅通过选择高升程凸角和低升程凸角相应的一个来在以实现在以可控自动点火燃烧模式在正阀重叠时和以可控自动点火燃烧模式在负阀重叠时运行发动机之间转换。
文档编号F02D13/02GK101871375SQ201010168150
公开日2010年10月27日 申请日期2010年4月26日 优先权日2009年4月24日
发明者H·允, N·维尔穆斯, P·M·纳特 申请人:通用汽车环球科技运作公司