高效内燃机和运行使用低排放的全时低温部分预混合压缩点火的方法

专利名称：高效内燃机和运行使用低排放的全时低温部分预混合压缩点火的方法
高效内燃机和运行使用低排放的全时低温部分预混合压缩点火的方法相关申请的交互参照本申请要求对2010年10月26日提交的美国临时专利申请N0.61/406，689的优先权益，本文以参见方式引入其全部内容。有关联邦政府赞助的研究或开发的i兑明本发明是在政府支持下进行的，按照由能源部签署的合同N0.DE-EE0003258执行。政府对于本发明具有一定的权利。
背景技术：
近期对于CAFE、CO2 排放的规定(Tier2Bin5/Bin2and Euro6),以及包括 NOx、CO、HC和颗粒物质(PM)的限制的排放，正在要求先进内燃(IC)机要大大地改善其燃烧过程。尽管柴油机已经非常有效，但在美国柴油机仍受到挑战，要求其以合理的成本满足未来排放标准。在美国，汽油机为消费者首选，但汽油机的效率相当低下。均质充量压缩点火(HCCI)式汽油机是双模式发动机，其在非常有限的低负载运行范围下利用HCCI模式。HCCI包括早期注入和燃料的混合，使得其后混合物的压缩，造成在接近上死点处或在上死点之后自动点火。HCCI在实际车辆应用中非常难于控制，并且其存在失火和高燃烧噪声之缺点。这要求包括有缸压监测的先进燃烧反馈控制。尽管在HCCI模式时效率较高和排放较低，但驱动循环时的纯效率只比用可变阀致动的配量SI发动机高几个百分比。目前HCCI的研发包括⑶i (gasoline direct injection汽油直喷)、废气再循环以及润轮增压达到扩展加载范围；然而，因为HCCI发动机需要双模式运行，所以它们受与传统汽油机相关的低压缩比的限制。HCCI发动机将有可能继续遇到技术上的挑战。需要有新技术来大大地提高汽油机的效率，同时保持低排放和低成本。

发明内容
汽油直接注入压缩点火(汽油缸内直喷压缩燃烧)(⑶Cl)是克服了其它汽油机的许多功能性限制的新的压缩系统。GDCI提供了使用无铅普通汽油的传统柴油机的高效率。与柴油燃料相比，汽油具有高得多的挥发性和较长的点火延迟，它们都是部分预混合压缩点火燃烧过程的关键实现因素。重要的结果是，汽油可在压缩行程上以像GDi那样的燃料压力(100至500巴)延迟注入，以达到足够的预混合加载。⑶Cl发动机概念的特征在于，中央安装的喷射器、高压缩比(CR)以及超高效率的贫混合气。燃料在压缩行程上以高的缸压和温度延迟喷射到中央安装的活塞碗内。在进气行程期间，没有注入燃料。燃料和空气快速地混合，并在受控的热释放过程中进行压缩点火。与HCCI发动机相反，混合气故意进行分层。因为燃料延迟注入到中央安装的活塞碗内，所以，没有燃料进入活塞的第一道环槽脊，使得非常高的燃烧效率成为可能。又因为延迟注入的缘故，所以缸内不存在残余废气，这就使得传统的燃烧爆音不可能出现。传统的SI预点火也是不可能的。⑶Cl利用低温燃烧(LTC)来同时降低Nox和PM的排放。冷却的废气再循环(EGR)稀释了混合气，增加了点火延迟时间，并对低燃烧噪音减缓热释放率。由于加载温度低，所以可减小循环期间的传热，以达到高的循环效率。根据本发明的一个实施例，提供了用于控制汽油喷式内燃机的发动机控制系统。该发动机包括至少一个燃油直接注入的气缸。发动机还包括活塞，活塞可在气缸内往复地移动并连接到曲柄上。气缸的孔壁表面、活塞的顶表面和发动机气缸盖的底表面，形成了容积可变的燃烧腔室。气缸盖包括进气阀和排气阀，进气阀控制与空气进口的连通，而排气阀控制与排气出口的连通。该发动机控制系统包括用于控制可变阀致动系统的装置，以便根据曲柄的角度位置可变地致动进气阀和排气阀，从而控制进气阀关闭时间和排气再吸入。发动机控制系统还包括以下装置:用于控制废气再循环(EGR)装置的装置，以将废气再次引入到燃烧室内；控制进气压力增压装置的装置，以及使用燃料喷射的装置，其能够在每个燃烧循环中多次喷射以控制加载的分层。该方法还包括控制废气再吸入、EGR、每次燃烧循环的燃料注入次数、燃料喷射定时，以及根据发动机速度和负载进行增压，增压方式足以在基本上发动机的全部速度和加载运行范围上，能使燃烧室内的空气-燃料混合气自动地点火。如本文中所采用的，术语“自动点火”是指空气-燃料混合气的燃烧是自发地起动的，无需外部的激发(例如，火花塞的活化)来起动燃烧。在本发明的另一实施例中，提供了用于控制汽油直喷式内燃机的发动机控制器。该发动机包括至少一个燃油直接注入的气缸。发动机还包括活塞，活塞可在气缸内往复地移动并连接到曲柄上。气缸的孔壁表面、活塞的顶表面和发动机气缸盖的底表面，形成了容积可变的燃烧腔室。气缸盖包括进气阀和排气阀，进气阀控制与空气进口的连通，而排气阀控制与排气出口的连通。该发动机控制器包括输入部、输出部和处理器。输入部构造成接收表示发动机特征的信号。输出部构造成输出对运行发动机控制装置有效的发动机控制信号，并控制发动机控制参数。处理器构造成基于输入信号来确定发动机控制所需的状态。处理器构造成选择合适水平的以下动作:废气再吸入、EGR、每次燃烧循环的燃料注入次数、燃料喷射定时，以及增压，处理器并构造成变化发动机控制信号，变化方式足以在基本上发动机的全部速度和加载运行范围上，能使燃烧室内的空气-燃料混合气保持自动点火。在本发明的还有另一实施例中，提供了用于操作汽油直喷式内燃机的方法。该发动机包括至少一个燃油直接注入的气缸。发动机还包括活塞，活塞可在气缸内往复地移动并连接到曲柄上。气缸的孔壁表面、活塞的顶表面和发动机气缸盖的底表面，形成了容积可变的燃烧腔室。气缸盖包括进气阀和排气阀，进气阀控制与空气进口的连通，而排气阀控制与排气出口的连通。该方法包括使用可变阀致动系统，以便根据曲柄的角度位置可变地致动进气阀和排气阀，从而控制进气阀关闭时间和排气再吸入。该方法还包括:采用废气再循环(EGR)装置，以将废气再次引入到燃烧室内；采用带有进气压力增压控制装置的进气压力增压装置；以及采用燃料喷射的装置，使其能够在每个燃烧循环中多次喷射以控制加载的分层。该方法还包括控制废气再吸入、EGR、每次燃烧循环的燃料注入次数、燃料喷射定时，以及根据发动机速度和负载进行增压，增压方式足以在基本上发动机的全部速度和加载运行范围上，能使燃烧室内的空气-燃料混合气保持自动点火。


图1是根据一个实施例的发动机控制系统的单元框图2是显示与燃料喷射相关的参数的图表；图3A、3B和3C是不同曲柄角度处由于燃料喷射在燃烧室内造成的当量比的模拟结果图；图4是显示与燃料喷射和燃烧之间的时间关系有关的参数图表；图5是显示与实施例有关的阀提升曲线的图表；以及图6是对用速度、负载和/或温度来描述的发动机运行区域的描述。
具体实施例方式根据发动机控制系统的一个实施例，图1示出了发动机控制系统10，该系统用来控制在发动机运行条件下运行的内燃机12。内燃机12显示为具有含有活塞66的单气缸64，其中，活塞66以上的区域形成了燃烧室28 ;然而，应该认识到该系统10可适用于具有多个气缸和燃烧室的发动机。发动机控制系统10可通过个别地控制多个燃烧室中的每个燃烧室来控制具有多个燃烧室的发动机，或者，可根据来自传感器的代表着每个燃烧室内典型或平均状态的信号来控制如此的发动机。系统10可包括有齿的曲柄轮14和靠近曲柄轮14定位的曲柄传感器16，这样，曲柄传感器16可探测到曲柄轮齿的转动，并输出表示曲柄角度和曲柄速度的曲柄信号。发动机控制系统10还可包括诸如发动机控制模块(ECM)那样的控制器20，其构造成根据曲柄信号18来确定曲柄角度和曲柄速度。控制器20可包括处理器22或为本技术领域内技术人员明白的其它控制电路。控制器20或处理器22可包括存储器，包括用于储存一个或多个程序、阈值和捕捉到的数据的非易失性存储器，比如可电子地擦去的可编程的只读存储器(EEPR0M)。一个或多个程序可由处理器22执行，以实施确定先前发动机控制参数和编制未来发动机控制信号的各种步骤，使得未来发动机控制参数对应于所要求的发动机控制参数。图1示出作为控制器20 —部分的处理器22以及其它功能性单元框。然而，应该认识到，并不要求将处理器22以及其它功能性单元组装在单个外壳之内，它们可以分布在发动机12各处。继续参照图1，发动机控制系统10可包括燃烧相探测装置24，该装置构造成输出燃烧相信号26，燃烧相信号表明发生在燃烧室28内燃烧事件的燃烧相特征。监视燃烧事件进程的一种方法是，确定该燃烧事件的放热率或积聚的热释放量，这将在下面参照图4进行讨论。然而，因为测量的次数和复杂性的缘故，发动机在野外使用过程中，比如当发动机在行驶在像公共车道那样不能控制环境中的车辆中运行时，确定热量的释放可能就不适合控制发动机。适用于现场使用的燃烧相探测装置可提供表示燃烧相特征的信号，燃烧相特征可与诸如放热那样的实验室类型的测量相关联。示范的燃烧相探测装置24包括但不限于:离子传感器，该种传感器构造成探测燃烧室28内燃烧产物的离子化水平；或压力传感器，该种传感器构造成探测燃烧室28内的压力。其它可用来指明燃烧过程某些方面的装置是燃烧爆震传感器。燃烧相探测装置24可以是示范传感器中的任何一种，或是两个或更多个传感器的组合，它们排列起来提供表明燃烧相特征的信号。燃烧相探测装置24可以结合到其它装置内，比如，将离子传感器或压力传感器纳入到火花塞或电热塞内。发动机控制系统10包括一个或多个发动机控制装置，它们响应于发动机控制信号进行操作以控制发动机控制参数，其中，当自动点火发生时，发动机控制参数受到影响。发动机控制装置的一个实例便是燃油喷射器30，其适于响应于由处理器22输出的喷射信号36，根据由喷射驱动器34输出的喷射器控制信号32来分配燃料。燃料喷射曲线可包括多个喷射事件。燃料喷射曲线的可控方面可包括:燃料喷射器30多快或多慢地打开和/或关闭；当燃料喷射器30打开时由燃料喷射器30分配的燃料68的分配率；或者达到燃烧事件所要的分配的燃料喷射器个数。改变燃料喷射曲线的这些方面中的一个或多个方面便可有效地控制自动点火。示范的发动机控制系统10包括废气再循环(EGR)阀42。尽管未明确地示出，但熟悉发动机控制技术的技术人员会理解到，EGR阀会调节与供应给发动机的新鲜空气相混合的发动机废气比率或废气量，以稀释被接纳到燃烧室28内的空气混合气中氧和/或氮的百分比含量。控制器20可包括EGR驱动器44，其输出EGR控制信号46以控制EGR阀42的位置。EGR驱动器例如可以脉宽方式调制电压，产生对控制EGR阀有效的EGR控制信号46，以调节发动机12接受的废气流量。再参照图1，发动机控制系统10可包括其它发动机控制装置。例如，发动机控制系统10可包括进气增压装置50，比如涡轮增压器或机械增压器。进气增压装置50从增压控制单元54接受增压器控制信号52，增压控制单元54可通过控制废气压力减压阀或旁通阀的位置来控制增压压力，或通过控制可变几何形的涡轮增压器中叶轮的位置来控制增压压力。发动机控制系统10还可包括中间冷却器流动控制阀56，该控制阀调节通过中间冷却器的发动机冷却剂的流动，以在环境空气温度较低时加热发动机吸入的空气，由此控制发动机12所吸入的空气温度。发动机控制系统10还可包括阀控制单元58，其可直接控制发动机进气阀62A和排气阀62B的致动，或可控制致动进气阀62A和/或排气阀62B的凸轮(未示出)的状态。为了基本上在发动机整个的负载-速度范围上实现空气-燃料混合气的自动点火，同时达到可接受的燃料燃烧、噪音和排放结果，业已发现，使用延迟喷射、分层混合、低温燃烧工艺都是有利的措施。燃料喷射的方法对于该工艺的成功是非常重要的。燃料喷射器30在压缩冲程上，使用多个截然不同的喷射事件，以100至500巴范围内的压力延迟喷射燃料68，以在燃烧室28内产生某种状态的有控制的空气-燃料混合气分层。燃烧室28内分层的状态控制着自动点火发生的时间和其进行的速率。根据发动机速度和负载，可采用单次喷射、双次喷射、三次喷射、四次喷射或五次喷射策略。每次喷射量和时间是重要的，必须进行优化以求最佳结果。燃料在压缩冲程上延迟喷射，并一般地在以下范围之内:上死点之前的100度曲柄角至上死点之后的10度曲柄角。如果燃料喷射得太早，那么，会出现缸壁64和/或活塞66潮湿的现象，可造成高排放后果。再次参照图1，燃烧室28部分地由活塞66的顶表面74形成。活塞66构造成形成碗形物72，其对称地位于中心安装的燃料喷射器30的下方。喷射器构造成在喷溅角度70上喷射燃料68。发动机12还可装备有定位在外围的点火源(比如火花塞76)，以帮助发动机初次的启动。图2示出典型的喷射事件的图表，该图对使用五次喷射作为燃烧事件的条件，定义了喷射量和喷射时间。在图2中，表示为事件1、2、3、4和5的喷射事件对应于喷射器驱动信号36。喷射事件I具有相对于活塞上死点时曲柄位置的喷射起始时间S0I1，上死点在X轴上表示为TDC。喷射事件I具有指令的脉宽PWl，其确定为可提供燃料量Ql。同样地，喷射事件2可描述为喷射起始时间S0I2、脉宽PW2、燃料量Q2 ;喷射事件3可描述为喷射起始时间S0I3、脉宽PW3、燃料量Q3 ;喷射事件4可描述为喷射起始时间S0I4、脉宽PW4、燃料量Q4 ;喷射事件5可描述为喷射起始时间S0I5、脉宽PW5、燃料量Q5。系统的当量比Φ定义为燃料-空气比对计量的燃料-空气比两者之比。值Φ >I表明富空气-燃料混合气(燃料过多)，而值Φ < I表明贫空气-燃料混合气(空气过多)。图3A、3B和3C示出在不同曲柄角处不同的燃料喷射造成的燃烧室28内Φ的模拟分布结果。在各种情形中，燃烧室28部分地由缸壁64和活塞顶表面74形成，碗形物72就形成在该顶表面内。因为燃烧室和燃料喷射喷溅型式呈对称性，所以只要模型出一部分的燃烧室就足够了，各个图3A、3B和3C的左侧处的线78表示气缸/活塞/燃料喷射器结构的对称轴。从图3A所示的状态到图3B所示的状态，燃烧室的尺寸减小，这表明图3A代表着压缩冲程中的曲柄角早于图3B所示的曲柄角。同样地，图3C表示压缩冲程中的状态迟于图3B所示的状态。图3A、3B和3C另外还包括等值线302、304、306和308。每个等值线302、304、306和308表明常量当量比Φ的高度，等值线302对应于Φ=2.0 ;等值线304对应于Φ=1.5 ；等值线306对应于Φ=1.0 ;以及等值线308对应于Φ=0.5。为清晰起见，从图3C中略去表示Φ=1.5的等值线304，但应该认识到Φ=1.5的高度存在于图3C中所示的等值线302(Φ=2.0)和等值线306 (Φ=1.0)之间。应该认识到，燃料68在燃烧室28内的分布将至少受以下因素影响:喷射压力、喷射时燃烧室28内的压力和温度(其是喷射时曲柄角的函数)，以及燃料的喷射量。通过对每个喷射事件控制喷射的起始时间(SOI)和燃料喷射量(Q)，便可控制燃烧室28内燃料68的故意的分层。通过控制燃烧室28内燃料68的分层，可消除可燃的空气-燃料混合气超越受控燃烧火焰前缘的边界，由此，防止产生燃烧爆震。这与HCCI形成对照，在HCCI中燃烧室内空气-燃料混合气的均匀特性允许存在燃烧爆震的可能性。图4示出示范燃烧事件期间围绕发动机控制系统10发生的数据图表。内燃事件的喷射器控制信号32可由喷射器电流来表明。如图4所示，根据喷射器控制信号32的方面，可对主脉冲定义燃料喷射的起始(SOI)和/或燃料喷射的结束(Ε0Ι)。图4还示出示范的正则化积聚放热38曲线，表示燃烧事件的燃烧相特征。一般地说，在燃烧开始之前，比如在如图4中所示的实例中，在上死点之后的大约8度前，积聚的放热值约为零(0)，这因为没有在燃烧的加载的空气/燃料。在所有加载的空气/燃料已燃烧之后，例如，在如图4中所示的实例中，在上死点之后的12度之后，燃烧事件一般地已经完成，于是，正则化积聚放热38具有大约为1.0的值。业已观察到，诸如燃烧室离子传感器或燃烧室压力传感器之类的某些装置提供了燃烧相信号26，该信号表示或对应于状态或相。这样，控制器20或处理器22可构造成接收燃烧相信号26。控制器20或处理器22可分析燃烧相信号26，以确定时间或曲柄角，其对应于某些燃烧相特征何时出现。燃烧相特征的非限制性实例便是表明燃烧起始(SOC)之时。例如，SOC可以是这样的时间:根据放热数据的燃烧过程已经消耗掉燃烧室内加载的空气/燃料的百分之十(10%)的时间。该SOC—般地对应于约为0.1的正则化积聚放热。如果燃烧相探测装置24是离子传感器的话，那么，燃烧相信号26可与阈值相比较以指明何时发生S0C。在一个实施例中，可使用离子流所表示的离子化水平超过阈值的时间或曲柄角来表示SOC已经发生。替代地，如果燃烧相探测装置24是压力传感器的话，那么，燃烧相信号26可与阈值相比较，可使用压力超过阈值的时间或曲柄角来表示SOC已经发生。如果使用来自于一个以上装置的信号，那么，控制器20或处理器22可组合或比较个别的信号，来确定何时SOC或其它的燃烧相信特征已经出现。不管怎样，已经看到燃烧相信号26可与燃烧相特征相关联，诸如是积聚放热38，这样，通过监视燃烧相信号26便可跟踪燃烧事件的相。喷射结束和燃烧开始之间的时间或曲柄角可如图4所示那样定义为点火闭合角。对于给定的燃料，该点火闭合角取决于压力-温度-时程、局部的空气-燃料比以及局部的燃烧过的气体的稀释(EGR加上残余)。当燃料在压缩冲程上提早喷射(例如，在上死点之前大约120至90度曲柄角)时，气体温度相对较低，燃料有时间与空气混合成为贫状态。因为该早喷射的燃料既贫又低温，所以它具有相当长的点火延迟。替代地，当燃料在压缩冲程上延迟喷射(例如，在上死点之前大约10至30度曲柄角)时，气体温度和压力都会很高。这产生了短得多的点火延迟和较少的混合时间。如此延迟喷射的燃料促使自动点火有较大的分层和具有较高空气-燃料比的局部区域。根据喷射时间与喷射量，不管是早喷射燃料还是延迟喷射燃料都可首先自动点火。如果来自一次喷射的燃料与来自较早喷射的燃料混合，那么，这些多次的喷射将会彼此作用。根据喷射时间与喷射量，早、中或晚喷射的燃料可在循环之内不同时间自动点火，导致分布的放热曲线。这对于安静和清洁低温燃烧是关键的。控制好燃料喷射和缸内状态，使自动点火不太早发生。这可防止循环中在不理想的时间发生的所谓燃料“预燃烧”。诸如柴油机中从先导喷射中释放的热量那样的预燃烧会造成负功和降低效率。为了达到低NOx和PM排放和最小燃耗和低燃烧噪音，在速度-负载-温度图上，与发动机其它运行参数相协调地，可变地控制喷射事件(例如，图2中的事件1-5)的喷射起始点(SOI)和喷射量(Q)。对于部分加载状态，一般地这样来选择SOI和Q:起始燃烧发生在上死点之前的5度曲柄角至上死点之后的5度曲柄角的范围内；以及点火闭合角处于预定值(在5至35度曲柄角的名义范围内)。燃烧起始点和点火闭合角根据详细标定和优化过程予以确定。为了达到低NOx和PM排放，⑶Cl内的燃料-空气的燃烧必须在限制范围的温度-Φ条件范围内在全部的燃烧室内发生。在达到自动点火温度之前燃料必须充分地混合，以使燃烧过程受燃料反应性而不是扩散或混合控制。合适的燃烧温度-Φ条件能使温度足够低以避免NOx形成，并能使Φ足够贫以避免PM排放，这两者不能避免扩散控制的燃
Jyti ο理想的混合气燃烧温度-Φ的较低的峰值温度，能使燃烧室表面的热量损失较低，并使废气温度较低，这将使GDCI中的热效率较高和燃耗最低。当点火闭合角足够长时，GDCI中便达到低的燃烧噪音，发生在燃烧室内的自动点火定相成燃料不会同时全点火。合适的燃料自动点火特性和Φ混合气分层，能在中等的曲柄角期间而不是瞬间地发生分段的点火，并导致较低的峰值放热率以及较低的峰值压力上升速率，这是燃烧噪音的根源。典型的“汽油”包括碳氢化合物的混合物，该混合物在大气压下约在25°C至225°C范围内沸腾，其包括主要含量为链烷烃、环烷烃、烯烃的混合物，以及芳香剂和较少量或微量的添加剂。普通无铅汽油(R0N91)具有相当高的辛烷值。对于压缩点火系统，这对低负载、低环境温度的运行条件或在冷启动期间和早升温期间来说，就转化为长的点火闭合角。自动点火可能不发生，或可能太弱或太晚发生(即，在膨胀冲程上)。对于这些特殊的状态，需要附加的混合热量。从较高的压缩比得到的混合物的压缩加热是有帮助的。较高的压缩比在接近上死点时显著地增加混合物的温度。在接近下死点时使用进气阀关闭(IVC)也有助于使体积效率和有效压缩比最大化，并提供进一步混合物加热(“BDC凸轮”)。然而，为确保自动点火强有力，燃烧起始点、点火闭合角以及50%已燃质量分数(CA50)的曲柄角都在合适的范围之内，则会需要更多的混合热量。压缩结束时的混合物温度需要与燃料喷射过程协调地调节，以达到目标的起始燃烧、点火暂停和CA50。如果可获得足够的热量，则在冷启动过程中在第一燃烧事件之后，刚好几个循环就可实现很强的压缩点火，用诸如火花塞76那样的辅助点火源，可能要来最先启动冷发动机。也可采用诸如电热塞那样的其它启动辅助装置，而不会脱离本发明的范围。来自内燃机的热废气(残余物)是很大的混合物加热源，使用可变的气阀机构可在宽的范围上非常快地加以控制。相对于其它的加热方法，残余气体是首选的方法，其它加热方法诸如是吸入空气加热器，或高压环路(HPL) EGR等，但它们的响应相对地低下。一般地说，公知有三种可变阀策略来控制DOHC发动机中的残余气体，其包括:O正气门重叠(PV0)，其造成进气端口中热的残余气体回流和再次引入，2)负气门重叠(NV0)，其通过早的排气阀关闭将废气驻留在缸内，以及3)在进气冲程期间，通过二次排气事件使来自排气端口的热废气再呼吸(RB )。由于较高压缩比的发动机其阀与活塞的间隙很有限，所以，PVO不是首选的。NVO可有效地捕捉住热废气，但具有与气体再压缩和传热相关的损失。NVO还需要对进气阀和排气阀进行可变的控制，连续可变的系统是既复杂又费钱的。使来自废气端口的热废气再呼吸是首选的策略。可在进气冲程期间用二次排气事件来实施。可考虑“早”二次阀提升事件和“晚”二次阀提升事件。一般地说，由于在中间冲程时活塞速度高和对阀打开/关闭时间的灵敏度高，所以，“中间冲程”的二次时间不是首选的。可使用连续可变的阀致动，或离散的2步骤或3步骤可变排气阀致动机构，来实现再呼吸。这让进气阀机构可提供其他可变阀致动功能，诸如是晚进气阀关闭。对于2步骤的废气再呼吸，可采用两个排气阀的独立控制来控制3种水平的残余气体(一种低的排气提升；一种高的排气提升，两个阀都打开)。对于有效的催化剂运行，在冷启动和加温期间，为提高和保持废气温度，再呼吸也是很重要的。根据催化剂的类型，各种废气在各种不同的温度下开始发生转换(例如，对于SCR催化剂为200°C)。通过使来自排气端口的热废气再呼吸，便可减少吸入空气流和提高废气温度。这样，在加温过程中可控制再呼吸以促进自动点火，并还可大大地加速催化剂的活性。还可在对催化剂维护加热的暖车怠速和轻载下控制再呼吸。在此情形中，如果催化剂温度下落或冷却到某个阈值之下，那么，可提高再呼吸以使催化剂温度始终得以保持。在维护加热模式中期待对喷射特征作某些调整。
对于减速的情况，在此期间，燃料截断，由发动机空气来冷却催化剂需要尽可能减小。可在高水平上使用再呼吸，以减小通过发动机和催化剂的空气流量。催化剂冷却可以显著地减小。可能需要某些油门调节。对于高负载的情况，为低的NOx排放，要求热的残余物量较低。这可以使用高的几何压缩比来实现，对此，气缸间隙量很小。当再呼吸量为零时，对于16.2的几何压缩比，测得残余气体质量约为2%。图示以上所述阀策略的阀提升曲线显示在图5中，实线表示排气阀曲线，虚线表示进气阀曲线。图5中的水平轴线代表曲柄位置(用曲柄角度表示)。在图5中，从O度至180度的曲柄角代表作功冲程，O度代表上死点活塞位置，而180度代表下死点活塞位置。从180度至360度的曲柄角代表排气冲程，360度代表上死点活塞位置。从360度至540度的曲柄角代表进气冲程，活塞下死点在540度的曲柄角。从540度至720度的曲柄角代表压缩冲程，活塞上死点在720度的曲柄角。图5的曲线400表示排气凸轮的提升曲线。提升曲线400a代表排气阀曲线，其在进气冲程期间没有再呼吸提升。图中示出在进气冲程的后面部分期间，实现残余气体再呼吸的多个“延迟”二次排气曲线400b、400c和400d。排气阀曲线400b将提供相当低的废气再呼吸量，而曲线400c提供比曲线400b多的再呼吸量，曲线400d提供比曲线400c多的再呼吸量。“提早”二次排气曲线同样可行，但未予示出。图5中的迹线410示出包括负气门重叠(NVO)的排气阀曲线。如迹线410所示，通过排气阀早关闭，即，活塞在排气冲程上到达上死点之前，负气门重叠将废气驻留在缸内。图5中的迹线412示出正气门重叠进气阀曲线，包括排气阀打开时的二次进气事件。该阀状态可导致废气回流到进气端口内，并将燃烧过的残余气体再次引入到燃烧内。对于中间-至-高负载的运行，气缸压力和温度增加。这趋于促使提早自动点火，并可导致较高的NOx排放和较高的燃烧噪音。在压缩过程中降低气缸压力和温度的有效策略是减小发动机的有效压缩比(ECR)。有效压缩比定义为:进气阀和排气阀关闭时燃烧室体积除以活塞上死点位置时的燃烧室间隙体积之比。通过使用“延迟进气阀关闭”(LIVC)，可减小有效压缩比。图5中的曲线402、404和406代表针对LIVC的进气阀曲线。在图5中，曲线402代表LIVC度数小的进气阀曲线，曲线404代表LIVC度数中等的进气阀曲线，以及曲线406代表LIVC度数高的进气阀曲线。“BDC进气凸轮”在靠近下死点时提供有效的进气关闭，该凸轮在发动机低速时为GDCI燃烧提供最大的体积效率和最大的驻留空气。这在轻载时提供最高的压缩压力和温度。BDC进气凸轮曲线在图5中显示为曲线408。当发动机速度和负载增加时，IVC的时间通常延迟。在高负载时，IVC可显著地延迟。当与冷却的EGR相组合时，可实现低的NOx排放水平。图6示出⑶Cl发动机冷和热运行的近似运行区域。图6中所示的运行区域联合地代表发动机全部的负载-速度运行范围。运行区域502代表冷启动和发动机加温期间所用的区域。在区域502中，大量的残余物被再呼吸，从而大大提高的混合物温度。例如，通过使用具有图5中曲线400d所代表的提升曲线的排气阀，便可实现该水平的再呼吸。对于最大有效压缩比来说，EGR很低或为零，进气阀关闭有效地处于下死点处。诸如曲线408所示的进气阀提升曲线可适合于运行区域502。图6中的运行区域504代表低负载区域。在区域504，中等排气再呼吸连同中等EGR是首选的。例如，通过使用具有图5中曲线400c所代表的提升曲线的排气阀，便可实现该水平的再呼吸。诸如图5中曲线408 (BDC凸轮)和402 (小的LIVC)所示的进气阀提升曲线可适合于运行区域504。双喷射策略连同低的进气压力增加时首选的。再呼吸可用于催化剂维护加热中。图6中的运行区域506代表中等负载区域。在运行区域506，废气再呼吸为最小。例如，通过使用具有图5中曲线400a所代表的提升曲线的排气阀，便可实现该水平的再呼吸。EGR可以增加，或当量比可以减小，进气阀关闭中等地延迟。诸如图5中曲线402所示的进气阀提升曲线可适合于在运行区域506中提供阀关闭的某些延迟。具有低至中等进气压力增压的三次喷射或四次喷射策略可以是首选的。图6中的运行区域508代表高负载区域。在区域508，废气再呼吸为最小。例如，通过使用具有图5中曲线400a所代表的提升曲线的排气阀，便可实现该水平的再呼吸。EGR很高，具有高的进气增压和最大的进气阀关闭延迟。诸如图5中曲线406所示的进气阀提升曲线可适合于在运行区域508中提供阀关闭的高水平延迟。三次喷射、四次喷射或五次喷射策略是首选的。图6中所示运行区域502、504、506和508并不必要代表其间不同边界的不同区域，在运行区域之间的边界的各侧上对应于发动机控制变量的不同水平。例如，GDCI系统的运行不局限于图5中所示独特的阀提升曲线。当发动机负载从区域504所示的低负载增加到区域506所示的中等负载时，通过使用曲线402和曲线404之间的一个或多个中间进气阀提升曲线，便可将进气阀提升从图5中曲线402所示的曲线修改为图5中曲线404所示的曲线。尽管借助于本发明优选实施例描述了本发明，但并不意图局限于此，相反，只是要将本发明限制到以下权利要求书所阐述的范围之内。
权利要求
1.一种系统(10)，所述系统(10)包括汽油直喷式内燃机(12)，该内燃机(12)具有至少一个带有燃料直接注入的气缸(64)并还包含活塞(66),所述活塞(66)在气缸(64)内往复地移动并连接到曲柄上；气缸(64)的孔壁表面、活塞(66)的顶表面(74)和发动机气缸盖的底表面形成了容积可变的燃烧室(28);所述气缸盖包括进气阀(62A)和排气阀(62B)，进气阀控制与空气进口的连通，而排气阀控制与排气出口的连通； 用于控制发动机(12)的有效压缩比的装置； 用于控制燃烧室(28)内残余燃烧过的气体量的装置； 可变阀致动系统(58)，所述可变阀致动系统(58)根据曲柄角度位置可变地致动进气阀和排气阀(62A、62B)，所述致动系统(58)能够操作进气阀和排气阀(62A、62B)，以控制进气阀的关闭时间和废气的再吸入； 带有废气再循环控制装置(44)的废气再循环装置(42)，用以将废气再引入到燃烧室(28)内； 带有进气压力增压控制装置(54)的进气压力增压装置(50)； 燃料喷射装置(30)，所述燃料喷射装置能够在每个燃烧循环中多次注入，并能够在燃烧室内三维地分布燃料，以按照发动机速度和负载达到所要求的加载分层；以及 控制装置(20、22)， 所述控制装置根据发动机速度和负载控制有效的压缩比、燃烧室内残余的燃烧过的气体量、废气再循环、每个燃烧循环的燃料喷射次数、燃料喷射的定时和增压压力，该控制方式足以能使空气和燃料混合气实现汽油直接喷射压缩点火(GDCI)燃烧，在发动机(12)的基本上全部的速度和负载运行范围(502、504、506、508)上，空气燃料混合气的(RON+MON) /2的值介于约75和约100之间。
2.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，发动机(12)具有大于12的几何压缩比。
3.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，控制发动机(12)有效压缩比的装置包括可变阀致动系统(58)，所述可变阀致动系统构造成根据曲柄的角度位置可变地致动进气阀(62A)，以控制进气阀的关闭时间。
4.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，控制燃烧室(28)内残余燃烧过的气体量的装置包括可变阀致动系统(58)，所述可变阀致动系统构造成根据曲柄的角度位置可变地致动排气阀(62B)，以控制废气的再呼吸。
5.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，控制燃烧室(28)内残余燃烧过的气体量的装置包括可变阀致动系统(58)，所述可变阀致动系统构造成根据曲柄的角度位置可变地致动进气阀(62A)和排气阀(62B)，以控制负气门重叠。
6.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，控制燃烧室(28)内残余燃烧过的气体量的装置包括可变阀致动系统(58)，所述可变阀致动系统构造成根据曲柄的角度位置可变地致动进气阀(62A)和排气阀(62B)，以控制具有二次进气事件的废气回流。
7.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，活塞(66)的顶表面(74)形成碗形物(72);燃料喷射装置(30)对称地位于该碗形物(72)上方；并且燃料喷射装置(30)构造成以介于60和140度之间的燃料喷溅角度(70)分配燃料(68)。
8.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，燃料喷射装置(30)构造成以介于100和500巴之间的喷射压力喷射燃料。
9.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，发动机(12)还包括启动辅助装置(24)，以在冷发动机时起动燃烧。
10.一种用于操作汽油直喷式内燃机(12)的方法，该发动机具有至少一个燃料直接注入的气缸(64)，发动机还包含活塞(66)，活塞在气缸(64)内往复地移动并连接到曲柄上；气缸(64)的孔壁表面、活塞(66)的顶表面(74)和发动机气缸盖的底表面,形成了容积可变的燃烧室；所述气缸盖包括进气阀(62A)和排气阀(62B)，进气阀(62A)控制与空气入口的连通，而排气阀(62B)控制与排气出口的连通，该方法包括: 控制发动机(12)的有效压缩比； 控制燃烧室(28)内残余燃烧过的气体量； 使用带有废气再循环控制装置(44)的废气再循环装置(42)，以将废气再次引入燃烧室(28)内； 使用带有进气压力增压控制装置(54)的进气压力增压装置(50)； 使用燃料喷射装置(30)，该燃料喷射装置能够在每个燃烧循环中多次喷射； 在燃烧室内三维地分布燃料； 根据发动机的速度和负载控制加载的分层；以及 根据发动机速度和加载控制废气的再呼吸、废气再循环、每个燃烧循环的燃料喷射次数、燃料喷射的定时以及增压压力，控制方式足以能使空气和燃料混合气实现汽油直接喷射压缩点火(⑶Cl)燃烧，在发动机(12)的基本上全部的速度和负载运行范围(502、504、506、508)上，空气燃料混合气的(`RON+MON) /2的值介于约75和约100之间。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，控制发动机(12)有效压缩比的步骤包括根据曲柄的角度位置可变地致动进气阀(62A)，以控制进气阀的关闭时间。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，控制燃烧室(28)内残余燃烧过的气体量的步骤包括根据曲柄的角度位置可变地致动排气阀(62B)，以控制废气的再呼吸。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，控制燃烧室(28)内残余燃烧过的气体量的步骤包括根据曲柄的角度位置可变地致动进气阀(62A)和排气阀(62B)，以控制负气门重叠。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，控制燃烧室(28)内残余燃烧过的气体量的步骤包括根据曲柄的角度位置可变地致动进气阀(62A)和排气阀(62B)，以控制具有二次进气事件的废气回流。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，控制燃烧室(28)内残余燃烧过的气体量的步骤包括在发动机负载增加时减少燃烧室内残余燃烧过的气体量。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，当发动机负载增加时，废气再循环也增加。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，当发动机负载增加时，增加每个燃烧循环中的燃料喷射次数。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，控制发动机(12)有效压缩比的步骤包括随着发动机负载增加而减小有效压缩比。
19.如权利要求10所述的方法，其特征在于，当发动机负载增加时，增加进气增压。
20.如权利要求10所述的方法，其特征在于，当发动机在低温和低负载下运行时，将燃烧室内残余的燃烧过的气体控制在高的水平，不提供废气再循环，基本上在活塞到达进气冲程的下死点时关闭进气阀，并且不提供进气增压。
21.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在上死点之前，燃料的喷射不早于90度曲柄角，而在上死点之后，燃料的喷射不晚于10度曲柄角。
22.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在每个燃烧事件中，燃料以多个喷射事件进行喷射，其中，控制每次喷射的时间和燃料量，以使燃烧起始介于上死点之前的10度曲柄角和上死点之后的15度曲柄角之间`。
全文摘要
本文披露了控制内燃机中燃烧过程的发动机系统和方法。燃烧过程基于使用诸如汽油那样的高辛烷燃料使分层的空气-燃料混合气压缩点火。可在给定的燃烧循环中使用多次燃烧喷射。控制燃料喷射定时、EGR、废气再呼吸、进气阀后关闭以及进气增压，以便基本上在发动机的全部速度和负载运行范围上能够自动点火，同时，提供减少的排放、低噪音和低燃耗。
文档编号F02M25/07GK103201478SQ201180051380
公开日2013年7月10日 申请日期2011年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者M·C·塞尔诺, K·S·霍耶, J·F·辛纳蒙 申请人:德尔福技术有限公司