具有多个后处理系统的动态充量压缩点火发动机的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年7月3日提交的标题为动态充量压缩点火发动机(dynamicchargecompressionignitionengine)的美国专利申请号62/528,352的优先权，该申请出于所有目的通过援引并入本文。

本发明总体上涉及动态点火水平调制发动机操作，其中一些点火时机利用稀薄燃烧、低温汽油燃烧，而其他点火时机利用标准化学计量的火花点火燃烧。本发明还涉及使用两个后处理系统，一个后处理系统针对稀薄燃烧操作进行优化，而另一个针对化学计量操作进行优化。

背景技术：

本申请与2017年4月11日提交的美国申请号15/485,000有关。申请号15/485,000是2016年9月23日提交的美国申请号15/274,029(现在的美国专利号9,689,328)的继续申请，该美国申请是2016年6月13日提交的美国申请号15/180,332(现在的美国专利号9,476,373)的分案。美国申请号15/180,332是2015年10月21日提交的美国申请号14/919,011(现在是美国专利号9,399,964)的分案，该美国申请要求以下美国临时专利申请号的优先权：2014年11月10日提交的标题为“多级动态跳过点火(multileveldynamicskipfire)”的美国临时专利申请号62/077,439；2015年2月17日提交的标题为“多级动态跳过点火(multileveldynamicskipfire)”的美国临时专利申请号62/117,426；以及2015年2月26提交的标题为“使用多级跳过点火(usingmulti-levelskipfire)”的美国临时专利申请号62/121,374。所有这些相关申请都出于所有目的以其全文并入本文。

现今运行的大多数车辆(以及许多其他装置)是由内燃(ic)发动机提供动力的。内燃发动机典型地具有在气缸内往复运动的往复活塞。燃烧在气缸内发生并且产生的扭矩由活塞通过连接杆传递到曲轴。对于四冲程发动机而言，空气以及在一些情况下的燃料通过进气门引入到气缸，并且排气燃烧气体通过排气门排出。在典型的发动机操作中，气缸条件以循环方式改变，从而以重复模式按顺序遇到进气、压缩、膨胀和排气冲程。每个重复模式可以被称为气缸的工作循环。与不同发动机气缸相关联的工作循环在时间上交错，使得与不同气缸相关联的膨胀冲程大致等间隔，从而实现最平顺的发动机操作。在膨胀冲程中发生的燃烧产生期望的扭矩以及各种排气气体。

可以通过响应于所需的扭矩而改变发动机的排量来实质性地改善内燃发动机的燃料效率。最大排量允许在需要时提供最大扭矩，而在不需要最大扭矩时使用较小的排量能够大幅减少泵气损失并提高热效率。现今实施可变排量发动机的最常见方法是基本上同时停用一组气缸。在此方法中，当希望跳过燃烧事件时，与所停用的气缸相关联的进气门和排气门保持关闭并且没有燃料喷射。例如，八缸可变排量发动机可以停用这些气缸中的一半(即，4个气缸)，从而使得仅使用剩余的4个气缸进行操作。现今可获得的可商购的可变排量发动机典型地仅支持两种或至多三种排量。

改变发动机的有效排量的另一种发动机控制方法被称为“跳过点火式”发动机控制。通常，跳过点火式发动机控制设想在所选点火时机过程中选择性地跳过某些气缸的点火。因此，特定气缸可以在一个发动机循环期间被点火或启用、然后可以在下一个发动机循环期间被跳过或不启用，并且然后在下一个发动机循环期间被选择性地跳过或点火。跳过点火式发动机工作区别于传统的可变排量发动机控制，其中指定的一组气缸基本上同时停用并且只要发动机保持在相同的可变排量模式下就保持停用。因此，在可变排量模式下的工作期间，对于每个发动机循环而言特定气缸点火的次序总是相同(只要发动机保持在相同的排量模式下)，而在跳过点火式工作期间通常不是这样。例如，在1/3的点火分数下工作的八气缸跳过点火式控制的发动机将在相继的发动机循环上遵循不同点火和跳过气缸的模式。

通常，跳过点火式发动机操作有助于比使用传统的可变排量方法可能实现的更精细地控制有效发动机排量。例如，对四缸发动机中的每隔两个气缸进行点火将提供最大发动机排量的1/3的有效排量，这是通过简单地停用一组气缸所不能获得的分数排量。在概念上，使用跳过点火式控制几乎可以获得任何有效排量，但在实践中大多数实现方式将操作限制于可用点火分数、序列或模式的集合。本申请人已经提交了描述跳过点火式控制的多种不同方法的多份专利。举例来说，美国专利号8,099,224；8,464,690；8,651,091；8,839,766；8,869,773；9,020,735；9,086,020；9,120,478；9,175,613；9,200,575；9,200,587；9,291,106；9,399,964等描述了使得在动态跳过点火式(dsf)操作模式下操作各种各样的内燃发动机可行的各种发动机控制器。这些专利中的每一项都通过援引并入本文。这些专利中的许多专利涉及dsf控制，在dsf控制中，实时作出关于在特定工作循环期间是跳过特定气缸还是对其进行点火的点火决策——通常刚好在工作循环开始前不久并且通常是在逐单缸点火时机的基础上。

在一些被称为多级动态跳过点火(mdsf)的应用中，被点火的单独工作循环可以有目的地以不同的气缸输出水平运行，也就是说，有目的地使用不同的空气充量和相应燃料供给水平。举例来说，美国专利号9,399,964描述了一些这样的方法。在动态跳过点火中使用的单缸控制概念也可以应用于动态多充量水平发动机操作，其中所有气缸都被点火，但是单独的工作循环有目的地以不同的气缸输出水平运行。动态跳过点火和动态多充量水平发动机操作可以共同地被认为是不同类型的动态点火水平调制发动机操作，其中每个工作循环的输出(例如，跳过/点火、高/低、跳过/高/低等)是在发动机的操作期间典型地单缸逐工作循环地(逐点火时机地)动态确定的。应了解，动态点火水平发动机操作不同于传统的可变排量，在传统的可变排量中，当发动机进入排量降低的操作状态时，限定的一组气缸以大致相同的方式操作，直到发动机转变到不同的操作状态。

内燃发动机典型地以重复的工作循环序列操作以产生发动机扭矩。工作循环可以通过所使用的热力学循环来表征。热力学循环可以在压力-体积图上描绘并且可以采取多种形式。一些示例性热力学循环包括奥托循环、米勒循环、阿特金森循环和狄塞尔循环。除了所使用的热力学循环之外，工作循环还可以以其他方式来表征，例如，通过工作室内温度、燃料/空气化学计量比或者燃烧引发方法。一些工作循环使用电火花引发燃烧，并且被称为火花点火(si)工作循环。这些si工作循环可以包括米勒或阿特金森循环、以及稀薄燃烧si或者使用火花点火的任何类型的工作循环。一些工作循环在压缩冲程期间使用捕集在工作室中的气体的自加热来引发燃烧。一些工作循环燃烧空气和燃料的异质混合物，而其他工作循环利用均质充量。一些工作循环具有相等的膨胀和压缩比，而其他工作循环具有物理上不同的膨胀和压缩比，或者通过经由提前或延迟进气门关闭而改变引入的空气充量来有效地实现不同的比率。许多不同的工作循环具有各种属性，诸如燃料效率和操作负载范围。不同的工作循环还可能产生不同的燃烧温度、在其排气流中产生不同水平和类型的有害排放物、并且以不同的空燃比操作。

尽管在引用的现有技术中描述的发动机运行良好，但是仍在继续努力以进一步改善在动态点火水平调制控制下运行的发动机中的燃料经济性。本申请描述了能够改善多种多样的应用中发动机性能的额外的特征和增强。

技术实现要素：

本发明涉及动态点火水平调制控制，该动态点火水平调制控制包括动态跳过点火、多级动态跳过点火和动态多充量水平发动机。在一方面，描述了一种用于控制发动机的方法。跳过所选择的工作循环并且使得所选择的启用工作循环点火，以便递送所需的发动机输出。一个或多个工作室能够例如针对相同的凸轮相位器设置和/或map(进气歧管绝对压力)设置生成多个可能水平的扭矩输出。针对被点火的工作室中的每一者选择特定水平的扭矩输出(例如，高或低扭矩输出)。低扭矩水平输出利用低温汽油燃烧(ltgc)工作循环。ltgc可以是均质充量压缩点火(hcci)工作循环、部分预混合压缩点火(ppci)工作循环或者一些其他类型的ltgc工作循环。多个不同实施例涉及帮助实施上述方法的发动机控制器、软件、以及系统。

在一些实施例中，ltgc工作循环是均质充量压缩点火(hcci)工作循环。hcci操作可以通过工作室中捕集的气体的再压缩和再膨胀或者通过在进气冲程期间将排气气体引入工作室中而产生。hcci工作循环在时间上与跳过的和/或一些其他类型的工作循环交错，以便递送所请求的发动机扭矩。

在其他实施例中，高扭矩水平点火和低扭矩水平点火均利用ltgc工作循环。中间扭矩输出水平可以通过使低扭矩输出点火和高扭矩输出点火在时间上交错以便递送所请求的扭矩而获得。

动态点火水平调制控制可以以多种多样的方式进行。在一些实施例中，例如逐点火时机地作出关于每个工作循环是点火还是跳过的决定、和/或作出关于对于被点火的工作室是否选择特定水平的扭矩输出的决定。

在又一个实施例中，两个后处理系统可以与能够以化学计量模式和稀薄燃烧模式两者操作的内燃发动机一起使用。一个后处理系统用于化学计量工作循环，而另一个用于稀薄燃烧工作循环。

上文描述的各种方面和特征可以单独地实施或以任何组合实施。

附图说明

参考结合附图进行的以下说明可以最佳地理解本发明及其优点，在附图中：

图1示出了叠加在用于自然吸气式节气门控制的火花点火(si)操作的发动机的操作区域上的hcci操作的发动机的操作区域。

图2示出了在hcci操作中使用再压缩来运行si和hcci工作循环所需的代表性进气门和排气门升程曲线。

图3示出了通过“再吸入”排气获得的hcci工作循环的气门升程曲线。

图4示出了用于si和hcci发动机操作的在它们相应的操作范围内的代表性燃料消耗率。

图5示出了根据本发明的非排他性实施例的使用动态充量压缩点火(dcci)的扩展的低负载、高效率操作区域。

图6示出了根据本发明的非排他性实施例的低负载dcci操作的效率益处。

图7示出了根据本发明的非排他性实施例的通过dcci操作实现的扩展的中高负载操作范围。

图8示出了根据本发明的非排他性实施例的与在发动机的满负载范围上的dcci操作相关联的燃料节省。

图9示出了两个不同的高效率、低温汽油燃烧(ltgc)区域的操作范围。

图10示出了低负载和高负载ltgc工作循环的燃料消耗率。

图11示出了根据本发明的非排他性实施例的用于在满负载范围上操作的dcci。

图12示出了根据本发明的非排他性实施例的在满负载范围上的dcci燃料消耗益处。

图13是展示了根据本发明的利用均质稀薄燃烧和动态跳过点火式发动机控制两者来操作内燃发动机的燃料效率益处的曲线图。

图14是展示了根据本发明的非排他性实施例的利用内燃发动机的动态跳过点火式控制从均质稀薄燃烧产生的改善的排气温度控制的条形图。

图15示出了内燃发动机和两个后处理系统。

图16示出了列出根据本发明的非排他性实施例的用于以化学计量模式和稀薄燃烧模式两者操作发动机的多个实施例的表。

图17展示了根据本发明的内燃发动机的气缸以及第一和第二后处理系统。

图18展示了根据本发明的内燃发动机的气缸以及第一和第二后处理系统的另一实施例。

图19展示了根据本发明的非排他性实施例的用于以化学计量模式或稀薄燃烧模式控制内燃发动机的操作的流程图。

在附图中，相同的附图标记有时用于指定相同的结构元件。还应了解，附图中的描绘是图解的而不是按比例的。

具体实施方式

本发明涉及用于操作内燃发动机的方法和系统，其中动态点火水平调制控制的发动机中的一些点火时机利用了低温汽油燃烧(ltgc)。其他点火时机可能会被跳过或者利用一些其他类型的燃烧，诸如火花点火。在发动机操作期间通常逐点火时机地动态确定任何特定点火时机的性质。利用ltgc的点火在燃烧中产生很少(如果有的话)氮氧化物(nox)，并且因此不需要后处理系统来将其从燃烧排气流中移除。一种类型的ltgc是均质充量压缩点火(hcci)，其中均质燃料空气混合物自动点火。典型地，hcci使用稀薄空燃比。其他类型的ltgc包括汽油直接压缩点火(gdci)、火花辅助压缩点火(saci)和部分预混合压缩点火(ppci)。在gdci和ppci中，燃料在被喷射到通过对引入的空气充量的压缩而引起的热空气充量中时自动点火。在saci中，使用火花来控制点火正时，而不依靠自动点火。在ppci中，使用分层充量来管理燃料燃烧率。

以ltgc工作循环操作发动机通常是有利的。例如，由于至少两个原因，在hcci模式下操作是有利的。首先，对于给定的气缸负载，hcci比火花点火(si)燃烧更具燃料效率。对于轻气缸负载(诸如1至4巴制动平均有效压力(bmep)的气缸负载)，hcci的燃料效率提高在10％至18％的范围内。燃料消耗改善归因于大量自动点火和无节流操作导致的快速放热。hcci的第二个有利特征在于，它产生非常低水平的有害排放。hcci典型地利用极稀薄或稀释的燃料空气混合物，并且所产生的燃烧导致低燃烧温度以及完全或几乎完全的燃料氧化。即使稀薄操作，排气nox水平仍轻松地满足认证标准而无需昂贵的排气后处理系统。hcci还可以通过基于凸轮致动的进气门和排气门的可变气门致动来相对便宜地实施和控制，并且必然需要高压燃料喷射器或特殊的点火系统。

不幸的是，hcci以其最简单和最有效的形式受到重负载下的高压力升高率和燃烧噪声以及轻负载下的接近稀薄可燃性极限的燃烧稳定性的限制。对于重负载，在不使用稀薄燃烧后处理系统的情况下，nox排放也可能超过规定水平。典型的hcci操作区域110在800rpm与4000rpm的发动机速度之间通常被限制到1巴至4巴的bmep范围，如图1所示。此范围仅是代表性的，并且hcci可以根据发动机设计细节而在此范围之外操作。hcci操作区域对于低发动机负载而言受燃烧稳定性的限制，并且在高发动机负载下受压力上升率、燃烧噪声的限制。已经展开了广泛的研究工作来尝试扩大这个区域，包括进气增压、多个喷射策略、火花协助和双燃料操作等。然而，这些概念通常需要专门的新硬件和复杂的校准，从而可能使该技术变得过分昂贵。

图1中还示出了用于自然吸气式节气门控制的火花点火燃烧发动机的操作区域120，该区域既覆盖hcci操作区域110，又延伸至更高和更低的发动机负载。si操作的期望属性是其较大的操作范围，这满足典型的机动车辆操作中遇到的变化的扭矩和速度要求。si操作的不期望方面包括需要三元催化剂(twc)后处理系统以减少有害气体排放，以及与hcci操作相比，效率相对较低。本发明提供了混合模式操作，从而在一些情况下，逐工作循环地动态混合si(或一些其他类型的工作循环)和hcci(或一些其他类型的ltgc工作循环)操作，以便在比单独使用hcci可以实现的更大操作范围上，以高燃料效率提供所请求的发动机输出扭矩。

图2示出了用于si和hcci操作的代表性进气门和排气门升程曲线。在图2中，通过对捕集的排气气体进行再压缩和再膨胀来维持hcci操作。气门升程曲线202和204分别展示了与si工作循环相关联的排气门曲线和进气门曲线。气门升程曲线212和214分别展示了与hcci工作循环相关联的排气门曲线和进气门曲线。在si工作循环中，气门具有比在hcci工作循环中更高的升程曲线并且保持打开更长时间。在si工作循环中，进气门和排气门两者典型地在对应于气缸(或更一般地工作室)中的活塞的上止点(tdc)位置的0度曲柄转角处打开。相反，在利用再压缩和再膨胀的hcci过程中，排气门很早关闭以保留大量的热残留物，这有助于促进hcci燃烧的自动点火。进气门打开较晚，从而与si操作中的正气门重叠相比，导致hcci操作中的负气门重叠。在排气门和进气门都关闭的时间间隔期间，将捕集的排气气体再压缩并且然后再膨胀，从而充当气体弹簧。再压缩和再膨胀区域通常可以关于tdc对称，以使泵气损失最小。在si和hcci操作的一些实施例中，进气门和排气门正时可以被独立地控制，即，进气门和排气门打开和关闭的相位可以使用凸轮相位器来独立地调节。工作室可以通过使用不同的凸轮轮廓而在si与hcci操作之间切换，从而产生用于两种类型的工作循环的不同的非零气门升程曲线。应当理解，由于在以hcci操作时在排气冲程和进气冲程的部分期间气缸中的排气气体截留，与si和hcci工作循环相关联的空气充量通常是不同的。

图3示出了被称为“再吸入”的另一hcci控制策略。与火花点火操作相关联的气门曲线202和204如图2所示。在利用再吸入的hcci中，排气门在排气冲程中排气，就像在si操作过程中一样，曲线202。在随后的进气冲程期间，排气门按照曲线312再次打开。在进气冲程期间再次打开排气门会将热排气气体引入气缸中，这有助于促进hcci燃烧的自动点火。如同在利用再压缩的hcci中一样，进气门正时和排气门正时两者都可以独立定相，以提供对流入和流出气缸的气体的精确控制。与si和利用再吸入的hcci相关联的空气充量通常是不同的，因为在hcci操作期间的进气冲程期间，排气气体引入到气缸中。本发明可以使用利用再压缩的hcci或利用再吸入的hcci，或者可以在这两种控制策略下操作。

对于上述两种类型的hcci或类似的ltgc操作策略，可以通过采用气缸充量的高水平残留稀释和/或使用将排气气体引入向发动机气缸供应空气的进气歧管中的外部排气气体再循环系统来最小化或消除排气流中的过量氧。也就是说，可以控制气缸充量的组成，使得排气气体具有很少或没有残留氧。当hcci以这种方式操作时，可以使用三元催化剂来减少可能与hcci点火交错的si点火所产生的排气流中的有害排放物。

图4示出了si和hcci操作在它们相应的操作范围内的代表性燃料消耗率。曲线402描绘了si操作在其整个负载范围上的燃料消耗率。曲线404描绘了hcci操作在典型负载范围上的燃料消耗率。在此操作范围内，hcci操作的燃料效率益处由区域406表示。在现有技术的双模式si-hcci发动机中，发动机在处于该操作范围时以hcci模式操作，并且在发动机负载高于或低于hcci范围时以si模式操作。在低负载和高负载hcci极限下，发动机操作模式在si与hcci操作之间存在离散切换。尽管这些现有技术双模式操作发动机稍微改进了燃料效率，但是燃料效率收益受到相对窄的hcci操作窗口限制。为了清楚起见，si负载曲线402未延伸到零负载，其中按照定义，燃料消耗率渐近地接近无穷大；然而，实际上，si发动机可以通过对进气的重度节流而在零负载和低负载条件下稳定操作。

如通过援引并入本文的申请人的美国专利号9,399,964所述，动态跳过点火式(dsf)控制的扩展是多级动态跳过点火式(mdsf)控制。通常，多级动态跳过点火考虑使用一种或多种中间(较低)点火状态，使得不同的散布点火工作循环可以产生不同的扭矩输出。例如，在一些实施例中，中间点火的输出可以是完全点火充量的大约60％至80％。在一些特定的mdsf系统中，可以在三种不同状态下执行点火时机：高充量点火、低充量点火或跳过，从而与不具有多个离散点火水平的标准dsf相比，提供对发动机扭矩波形的更好控制。

使用mdsf或更广泛地动态点火水平调制的一个潜在优势是获得更好燃料效率的潜力。然而，为了实现效率收益，较低或中间输出工作循环应当比较高输出工作循环更有效地操作。在美国专利号9,399,964中描述的一些实施例中，具有较高效率的工作循环包括阿特金森循环或米勒过度膨胀循环。例如，与进气冲程相比，可以采用提前进气门关闭(eivc)和延迟进气门关闭(livc)策略来实现有效更长的膨胀冲程。与si工作循环相比，对于给定的气缸充量大小，这增加提取工作，并且将效率提高5％以上。基于联邦测试协议(ftp)行驶周期，与标准dsf相比，mdsf的估计燃料经济性增益提高了好几个百分点。

动态充量压缩点火(dcci)是mdsf的扩展。在dcci中，至少一个mdsf点火水平以低温汽油燃烧工作循环(诸如hcci)操作。hcci是低水平或部分充量的理想候选，因为它自然地限于较低负载。由于hcci工作循环的效率显著更高，因此dcci的潜在燃料经济性增益很显著。图5示出了使用低负载动态充量压缩点火(dcci)的扩展的低负载高效率操作区域。通过使用dcci，hcci操作可以扩展到包括零负载的区域520中，而无需特殊的控制策略来维持燃烧稳定性。可以通过发动机控制器指定与跳过的点火时机混合的hcci点火的点火密度来获得所请求的发动机扭矩，以便递送所请求的扭矩。hcci点火可以使用σ-δ控制器或一些其他控制策略均匀地分配，如并入的美国专利号9,399,964和一些其他先前引用的本申请人的先前专利中所描述。跳过的工作循环可能会停用气缸，使得没有空气被泵送通过气缸，或者在仍泵送空气的同时仅仅跳过为气缸提供燃料。后一种策略不需要气门停用硬件，并且因此实施成本可以较低。由于工作循环被跳过或使用低温燃烧，因此在一些实施例中可能不需要特殊的后处理。发动机控制器可以改变与hcci点火相关联的充量和点火密度，以便使燃料效率最大化并且获得可接受的声振粗糙度(nvh)性能。

可以通过dcci操作启用的操作点是发动机空转，这通常发生在接近800rpm的发动机转速下并且不需要输出发动机扭矩。在不使用特殊且潜在的低效燃烧控制策略的情况下，以hcci模式运行所有气缸产生比空转所需的更多的扭矩。使用dcci允许一些气缸在有效的hcci工况下操作，而其他气缸则被跳过，使得整体发动机扭矩与空转要求匹配。

图6示出了低负载dcci操作的效率益处。区域406与图4所示的相同，展示了双模式si/hcci操作的益处。通过使用dcci，获得了额外的燃料经济性，如由位于hcci与dcci曲线之间的区域604所表示。虽然图6中未示出，但区域604延伸至零负载，并且在低于纯hcci操作负载范围的负载范围内提供超过si操作的燃料节省。在这个实施例中，对于大于高负载hcci边界的负载，发动机控制可以对所有气缸恢复si操作。在低负载dcci下操作产生很少或不产生有害排放物，并且因此，在以此模式操作时不需要后处理系统。当一些或所有气缸以si模式操作时，传统的三元催化剂可以清除排气气体，这可以针对高于hcci负载范围的负载发生。当转变到si操作时，可能需要通过以富空/燃比运行或者将碳氢化合物注入催化剂中来重新平衡三元催化剂中的氧化/还原平衡。

图7示出了通过包括中-高负载区域702的全dcci实现的扩展的高效率操作范围。在这个中-高负载区域702中，全dcci将在si工作循环、hcci工作循环以及可能跳过的工作循环之间切换。si工作循环将可能产生高nox排放，并且在此操作区域中将需要后处理。可能需要能够移除稀薄排气流中的nox的特殊后处理系统。在其他实施例中，hcci工作循环可以在接近化学计量空/燃比的高稀释水平下操作，并且因此可以使用标准的三元催化剂。

图8示出了与在中-高负载区域702中操作dcci相关联的燃料消耗率益处。在位于si曲线与dcci曲线之间的高于hcci操作极限的负载区域中的区域804表示与该操作模式相关联的燃料经济性增益。在该实施例中，dcci混合了标准si、hcci以及潜在的气缸跳过，以提供高效操作的扩展区域和平滑的si-hcci模式转变。对于处于和小于hcci负载范围的负载，在低负载区域中的操作可以如先前相对于图5和图6所描述。也可以通过混合si、hcci和跳过的工作循环来获得该区域中的负载。如果与仅hcci操作相比，所得的点火模式以可接受的nvh提供改进的燃料效率，则这可以是有利的。

建模表明，通过使用米勒或阿特金森循环作为相对于在代表性驾驶循环下操作的2.0升4缸发动机的标准dsf的低水平点火，全dcci可能使mdsf的燃料效率益处翻倍。全dcci可以在相对窄的操作范围(图1中所示的基本范围110)或者更小的范围上使用hcci，其中hcci在发动机硬件变化最小的情况下稳健地操作。它的实施成本可以大幅低于目前正在研究的其他高级燃烧策略。如果运行混合模式hcci/si(其中组合的排气流将可能燃料稀薄的)，那么用传统的三元催化剂进行后处理可能是个挑战。一些实施例可以利用nox捕集器或选择性催化剂还原来还原富氧排气中的nox排放物。在其他实施例中，hcci可以通过适当的排气气体稀释而在更有限的范围内操作，使得排气流中的过量氧水平被最小化。在任一情况下，dcci系统都提供成本有效的途径来改善燃料经济性。

图9示出了两个不同的ltgc操作区域的操作范围。中-低负载区域ltgc#1被表示为区域910。中-高负载区域ltgc#2被表示为区域920。hcci是ltgc的子集，并且可以对应于ltgc#1、区域910。其他类型的低温汽油燃烧工作循环可以在中-高负载区域920中操作。这些循环包括但不限于火花辅助压缩点火(saci)、部分预混合压缩点火(ppci)和增压hcci。如果循环被增压，即进气歧管中的空气压力高于大气压，则可以使用涡轮增压器或机械增压器来实现空气压力增压。ltgc#1和ltgc#2两者分别仅在某些受约束的操作范围(区域910和920)中可行，并且因此将不提供机动车辆操作所需的全动态覆盖。通过在两个区域之间混合点火，可以覆盖中间负载区域930。通过将来自区域910并且可能是区域920的点火与跳过混合，可以覆盖低负载区域940。

图10示出了ltgc#1和ltgc#2工作循环的代表性燃料消耗率。曲线1010可以是hcci操作的燃料消耗率对负载。曲线1020是在比曲线1010更高的气缸负载下工作的某种形式的ltcg工作循环的燃料消耗率。与si工作循环操作相比，这两个工作循环都可以提供显著的益处，诸如改善的燃料经济性和更低的nox排放。存在其中每个工作循环都无法覆盖的区域。

通过混合ltgc#1、ltgc#2和跳过的工作循环，可以获得在整个发动机负载范围上的完整覆盖，如图11所示。图11示出了用于将高效率ltgc#1区域扩展到零负载并且还用于桥接图10所示的两个ltgc操作策略之间的间隙的dcci。每个气缸可能基于所需的扭矩水平而在ltgc#1、ltgc#2以及跳过之间切换。

图12示出了dcci的燃料消耗移除，其包括扩展的低负载范围和最初不存在覆盖的桥接间隙。通过在ltgc#1、ltgc#2以及跳过之间切换，与仅使用ltgc#1相比，可以桥接覆盖间隙并提供甚至更大的燃料消耗量降低。

适用于确定在dcci操作期间将哪些工作循环跳过、以高输出水平点火以及以较低或中间水平点火的动态点火水平调制控制器在美国专利号9,689,328；9,476,373；8,099,224(每个专利都通过援引并入本文)以及其他本申请人的专利和专利申请中描述。

在一些优选实施例中，逐点火时机地做出点火水平决定，尽管不要求这样。在一些实施例中，例如，针对下一个确定的工作循环来确定随后当前期望的有效点火分数和确定合适的点火水平(例如，高、低、跳过等)是逐点火时机地进行的。逐点火时机地控制的优点是使得发动机对改变的输入和/或条件非常具有响应性。尽管逐点火时机地确定点火序列非常有效，但应当理解，点火决定可以是更缓慢地被更新的，而同时仍提供良好的控制(例如，可以曲轴每一转、每两个或更多个点火时机等地执行点火分数/序列确定)。

本发明的各种实现方式非常适用于结合动态点火水平调制操作，在该操作中累加器或其他机构跟踪已经请求但并未递送的、或已经递送但并未请求的点火部分，使得可以逐点火时机地作出点火决定。然而，所描述的技术同样非常适用于几乎任何点火水平调制应用，包括使用固定点火模式或点火序列的操作。还可以结合可变冲程发动机控制使用类似技术，在该可变冲程发动机控制中，改变每个工作循环中的冲程数量以有效改变发动机的排量。

所描述的方法特别适用于动态点火水平调制发动机操作，其中一些点火时机利用低温燃烧。低温燃烧具有比许多其他类型的工作循环更有效的优势。它还具有产生几乎完全的燃料氧化和几乎不产生nox的优势，使得在一些情况下不需要后处理系统。

模拟测试结果

在具有动态跳过点火(dsf)的稀薄燃烧模式下运行内燃发动机的模拟测试结果证明了许多协同益处。

一个这种益处在于，与原本仅通过稀薄燃烧可能实现的相比，稀薄燃烧的可用操作范围通过dsf而扩展到较低扭矩水平。通过比较图1与图5中描绘的发动机图，突出了这个益处。

在图1中，稀薄燃烧(例如，基本hcci)操作模式被限制到较宽的发动机转速范围上的窄扭矩(发动机负载)带宽110。如果要求的扭矩高于或低于此范围，则需要标准si燃烧。

相反，通过dsf，发动机可以在低扭矩要求下以稀薄燃烧模式操作。图5示出了在低扭矩负载下的代替标准si燃烧的扩展稀薄燃烧(例如，低负载dcci)区域。当dsf和稀薄燃烧相结合时，可以在比先前可能的更低标准扭矩值下使用大于1.0的空-燃比。因此，在低扭矩条件下实现了改进的燃料消耗。

参考图13，示出了曲线图1300，该曲线图进一步展示了使用稀薄燃烧和dsf两者来操作内燃发动机的协同益处。在此曲线图中，沿纵轴提供了净燃料消耗率(nsfc)值，而沿横轴提供了标准化扭矩值(nmep)。曲线图1300具有四个曲线。曲线1310代表在所有气缸上操作的化学计量地加燃料的发动机的基线操作。扭矩生成由节气门控制，该节气门可以降低向发动机中馈送空气的进气歧管中的空气压力，从而减少引入的空气充量。曲线1312代表利用动态跳过点火式控制的化学计量燃烧。在此，扭矩控制主要通过改变发动机的气缸的点火密度来实现。曲线1314代表所有发动机气缸上的均质稀薄燃烧。该曲线在低扭矩和高扭矩区域中与曲线1310重合。出现重叠是因为在低扭矩下，燃烧需要是化学计量的以便维持燃烧稳定性。在高扭矩下，需要化学计量燃烧以产生必要的动力。在介于大约3巴与14巴nmep之间的中间区域中，与化学计量操作相比，利用均质稀薄燃烧的操作提供显著的燃料节省。曲线1316代表利用动态跳过点火控制的均质稀薄燃烧。除了低于大约5巴nmep的低扭矩外，该曲线与曲线1314重叠。在此，通过跳过点火时机来实现低扭矩，因此可以在点火气缸上维持燃烧稳定性。

区域1302展示了与具有化学计量燃烧的所有气缸操作相比，通过化学计量燃烧和dsf控制获得的改进的燃料效率。区域1304展示了与所有气缸化学计量燃烧相比，通过所有气缸均质稀薄燃烧获得的改进的燃料效率。区域1306展示了与化学计量相比，通过具有均质稀薄燃烧的dsf控制获得的改进的燃料效率。将dsf控制与均质稀薄燃烧相结合最大化低扭矩输出的燃料经济性。

将dsf控制与均质稀薄燃烧相结合的另一个优势在于可以提高并更好地控制发动机排气温度。参考图14，示出了图表1400，该图表示出展示改进的排气温度控制的测试结果。沿着横轴，以摄氏度(c)提供如由排气温度表测量到的上游twc温度。纵轴提供了消耗的空气-燃料质量值的范围。

在图表1400中，中间阴影条1402提供在所有气缸均质稀薄燃烧操作(在图中表示为稀薄)中处于各种消耗的空气-燃料质量值的排气温度。

浅色阴影条1404提供均质稀薄燃烧与dsf控制(在图中表示为λdsf)的处于各种消耗的空气-燃料质量值的排气温度。

提供深色阴影条1406，其中条1402、1404重叠。当浅色阴影条1404高于对应的深色阴影条1406时，深色阴影条的高度等于中等阴影条1402(即，λdsf的上游twc温度大于所有气缸稀薄燃烧)。当中等阴影条1402高于深色阴影条1406时，深色阴影条1406的高度等于浅色阴影条1404(例如，所有气缸稀薄燃烧的上游twc温度大于λdsf)。

因此，图表1400示出了λdsf的排气温度分布比所有气缸操作更窄且更高，这通常提高后处理系统的效率，从而减少有害排放。

用于不同燃烧模式的多个后处理系统

上文提到的各种发动机操作模式具有优点和缺点。例如：

(1)节气门控制的火花点火或“si”燃烧发动机可以在广泛范围的高扭矩和发动机转速要求下操作。这些发动机可以是自然吸气式的，或者可以通过高于大气压的引入空气进行增压。si型燃烧发动机可以以化学计量的空/燃比在此广泛范围内操作。如果以化学计量的空/燃比操作，则可以使用三元催化转化器类型的后处理系统。对于稀薄空气/燃料化学计量，通常需要其他类型的后处理系统。三元催化转化器后处理的限制在于，它们通常需要化学计量的空/燃比，并且因此限于与si发动机一起使用。

(2)对于低负载dcci操作(例如，图5)，几乎没有产生有害排放物，并且因此，可以不需要后处理系统。然而，在扩展的高负载dcci操作(例如，图7)下，潜在地产生高水平的nox，从而需要能够减少nox排放的后处理系统。

(3)低扭矩负载下的hcci提供了高燃料效率和低水平的有害进气的益处。然而，在较高的扭矩负载下，nox排放变得过多，从而需要能够减少nox排放的后处理系统。

在能够以多种模式操作的内燃发动机的情况下，单个后处理系统可能不够。使用两个后处理系统将是有利的，一个用于si化学计量操作并且另一个用于稀薄燃烧操作。

参考图15，示出了内燃发动机2000、具有第一后处理系统2002的第一排气系统2020以及具有第二后处理系统2004的第二排气系统2022。内燃发动机2000包括四(4)个气缸2006。在各种实施例中，四个气缸2006中的每一者可以被配置成用于(a)仅在化学计量模式下、(b)仅在稀薄燃烧模式下、或者(c)选择性地在化学计量和稀薄燃烧两个模式下操作。

取决于气缸的配置，它向第一排气系统2020、第二排气系统2022或者第一排气系统2020和第二排气系统2022两者排气。在排气分别通过第一后处理系统2002或第二后处理系统2004之后，两个排气系统2020、2020的输出排放到大气。两个排气系统2020和2022的输出可以在到达大气之前结合，或者可以单独排放到大气，如图15所示。

化学计量模式可以包括传统的火花点火(si)操作，并且在某些操作条件下，还包括ltgc操作。在ltgc的情况下，可以通过将诸如由排气气体再循环(egr)生成的大量氧耗尽排气或残留气体而不是空气带入气缸中来实现化学计量操作。因此，对于twc后处理系统，o2水平保持足够低，从而使可能在化学计量模式下实现ltgc。此外，奥托、米勒和阿特金森各自是通常但不排他地使用化学计量si燃烧的热力学循环的实例。

稀薄燃烧模式可以包括hcci操作、ltgc操作、gdci操作、saci操作、ppci操作和迪塞尔操作。在稀薄燃烧迪塞尔操作的情况下，某些气缸可以在预混合和/或部分预混合的燃烧中操作，从而在较低负载下实现更清洁且更高效的操作。此外，米勒和阿特金森循环的稀薄燃烧变化也被认为是稀薄燃烧操作模式的实例。

如上所述，在某些负载和速度范围内，发动机的一些气缸可以在化学计量模式下操作，而其他气缸在稀薄燃烧模式下操作。在其他情况下，一些气缸也可以被跳过。

参考图16，展示了表1600，该表示出以化学计量(“s”)模式和稀薄燃烧(“l”)模式的各种组合来操作四缸内燃发动机2000的各种非排他性实施例。在左列中将每个实施例指定为a到e。在每个实施例的行内，提供四个气缸(cyl1、cyl2、cyl3和cyl4)中的每个气缸的“s”或“l”操作模式。

例如：

在实施例a的情况下，四个气缸cyl1、cyl2、cyl3和cyl4被指定为分别在l、s、s和l模式下操作；

在实施例b的情况下，四个气缸cyl1、cyl2、cyl3和cyl4被指定为分别在s、s+l、s+l和s模式下操作；

在实施例c的情况下，四个气缸cyl1、cyl2、cyl3和cyl4被指定为分别在s+l、s+l、s+l和s+l模式下操作；

在实施例d的情况下，四个气缸cyl1、cyl2、cyl3和cyl4被指定为分别在s+l、s、s和s+l模式下操作；并且

在实施例e的情况下，四个气缸cyl1、cyl2、cyl3和cyl4被指定为分别在l+s、l、l和l+s模式下操作。

在一些实施例中，气缸被组织成两组；一组仅用于化学计量操作，并且另一组仅用于稀薄燃烧操作(例如，实施例a)。

在其他实施例中，所有气缸都可以在化学计量和稀薄燃烧两种模式下操作(例如，实施例c)。

在另外的其他实施例中，气缸被组织成在特定模式(稀薄燃烧或化学计量)操作的一组气缸以及能够在两种模式下操作的另一组(例如，实施例b、d和e)。

应当理解，图16中提供的实施例仅是说明性的，并且绝不应认为是限制性的。相反，不论气缸的数量如何，内燃发动机都可以使用化学计量和稀薄燃烧操作的任何可能的组合。例如，对于具有1个、2个、4个、6个、8个、12个或更多个气缸的内燃发动机，一个或多个气缸可以被配置成用于(a)仅在化学计量模式下、(b)仅在稀薄燃烧模式下或(c)在这两种模式下操作。因此，可能的组合的数量太多，无法在这里详尽地列出。

参考图17，示出了图1700，该图展示了选择性地联接内燃发动机2000的代表性气缸2006的排气的发动机控制器2102。类似于图16的许多实施例，一个气缸2006能够在化学计量模式或稀薄燃烧模式下操作。气缸2006包括两个排气门2104a和2104b。第一排气门2104a在打开时提供通向第一排气系统2020的通道，该通道将排气气体引导通过第一后处理系统2002。第二排气门2104b在打开时提供通向第二排气系统2022的通道，该通道将排气气体引导通过第二后处理系统2004。

在所示的非排他性实施例中，第一后处理系统2002被配置成用于第一操作模式。第二后处理系统2004被配置成用于第二操作模式。例如，第一后处理系统2002可以针对化学计量操作进行优化，而第二后处理系统2004可以针对稀薄燃烧操作进行优化。在其他实施例中，第一后处理系统2002可以被配置成用于化学计量操作，并且第二后处理系统2004被配置成用于化学计量操作和稀薄燃烧操作两者。

在内燃发动机2000的操作期间，发动机控制器2102控制每个气缸2006的两个排气门2104a和2104b。当气缸的工作循环是化学计量的时，发动机控制器2102打开其排气门2104a，同时关闭排气门2104b。因此，燃烧气体和任何燃烧微粒被提供通向第一后处理系统2002的路径并且通过该第一后处理系统排出。替代性地，当气缸2006的工作循环是稀薄燃烧时，发动机控制器2102打开排气门2104b，同时关闭排气门2104a。因此，燃烧气体和任何燃烧微粒经过第二后处理系统2004并且通过该第二后处理系统排出。

应当理解，图17示出了能够向两个排气系统中排气的所有气缸，但是这不是必须的。在内燃发动机2000的一些实施例中，某些气缸可以仅能够在化学计量或稀薄燃烧模式下操作，并且因此仅排放到用于该燃烧模式的适当排气系统中。在这些情况下，仅需要单个排气门；然而，提供排放到公共后处理系统中的两个排气门仍然可以是有利的。

参考图18，图1800示出了具有两个不同的后处理系统的发动机的实施例的附加细节。在该实施例中，第一后处理系统2002可以被配置成用于具有来自标称化学计量燃烧的排气产物的操作，而第二后处理系统2004标称地用于化学计量燃烧和稀薄燃烧两者。

如果气缸2006在化学计量燃烧模式下操作，则燃烧排气产物经由排气门2104a和第一排气系统2020排放到第一后处理系统2002中。第一后处理系统2002包括可选的起燃催化系统2110、twc2106、以及可选的微粒过滤器2112。

如果气缸2006在稀薄燃烧燃烧模式下操作，则燃烧排气产物经由排气门2104b和第二排气系统2022排放到第二后处理系统2004中。第二后处理系统2004可以被配置成用于稀薄燃烧和化学计量燃烧两者，包括：(a)可选的起燃催化转化器系统2110、(b)twc2106、(c)氧化催化剂2114、(d)nox捕集器和/或选择性催化还原(scr)系统、(e)微粒过滤器、或者(a)至(e)的任何组合。并非所有元素(a)至(e)在后处理系统中都是必需的。例如，如果第二后处理系统仅接受来自ltgc的燃烧排气气体，则将产生很少的nox，并且可能不需要nox捕集器和scr。实际上，在一些情况下，第二排气系统2022中可能不需要后处理元件。应当理解，第一后处理系统和第二后处理系统中的各种元件的尺寸和组成可以不同。例如，twc2106在第一后处理系统和第二后处理系统中可以具有不同的尺寸。

可以在紧靠内燃发动机2000的其他后处理系统元件的上游提供可选的起燃催化转化器2110。由于起燃催化转化器2110紧靠发动机2000，因此其在冷起动之后迅速加热。因此，起燃催化转化器2110能够在冷起动之后比其他后处理元件更快地将有害排气气体转换成更良性的气体。然而，起燃催化转化器2110典型地较小，并且转换能力不足以持续操作。因此，一旦发动机和排气系统加热，其他后处理元件便处理大部分的排气气体转换。

提供了可选的微粒过滤器2112以移除作为燃料燃烧的副产物产生的有害微粒，诸如烟灰。在各种实施例中，微粒过滤器可以是壁流式过滤器、碳化硅过滤器、陶瓷纤维过滤器、金属纤维通流式过滤器、纸过滤器、或者适用于移除微粒的任何其他类型的过滤器。

在稀薄燃烧操作模式下，所产生的气缸排气将包含相对高水平的氧气(o2)。用于化学计量操作的传统的twc在存在高水平的氧气的情况下无法非常良好地将氮氧化物转换成氮气，因为它们会迅速变得氧饱和，并且将不再还原nox。因此，在第二后处理系统2004中使用nox捕集器或scr以便降低nox水平。

尽管图18示出了被配置成用于化学计量燃烧的第一后处理系统2002以及被配置成用于化学计量燃烧和稀薄燃烧两者的第二后处理系统2004，但是应当理解，其他配置也是可能的。例如，第二后处理系统2004可以被配置成仅用于稀薄燃烧。在这种情况下，可以移除twc2106。

参考图19，展示了流程图1900，该流程图展示了由发动机控制器2102实现的用于操作具有两个后处理系统的内燃发动机的步骤。

在步骤1902中，发动机控制器2102按照内燃发动机2000的点火顺序选择下一个气缸。

在决定步骤1904中，发动机控制器2102在该下一个气缸的下一个工作循环开始之前决定是否对该气缸进行点火。可以逐点火时机地做出决定，尽管不要求这样。

在跳过决定的情况下，流程图返回到开始，并且在步骤1902中选择点火顺序中的下一个气缸。

如果决定对所选气缸进行点火，则在决定步骤1906中，选择化学计量或稀薄燃烧操作。在做出此决定时，发动机控制器2102可以使用广泛范围的因素，诸如当前发动机负载或扭矩、发动机转速等。另外，如果一些气缸不能在所有模式下操作，诸如表1600中的情况a、b、d和e(参见图16)，那么所做出的决定必须与所选的工作循环模式兼容，即化学计量燃烧或稀薄燃烧。

如果步骤1906中的决定是化学计量点火，则流程图1900前进到步骤1908。在步骤1908和1910中，发动机控制器2102以化学计量模式操作气缸，并且在工作循环的排气冲程期间打开排气门2104a，而另一个排气门2104b关闭。因此，排气通过第一后处理系统2002(参见图18)。

替代性地，如果步骤1906中的决定是稀薄燃烧，则流程图1900前进到步骤1912。在步骤1912和1914中，发动机控制器2102以稀薄燃烧模式操作气缸，并且在工作循环的排气冲程期间打开排气门2104b，而另一个气门2104a关闭。因此，排气通过第二后处理系统2004，如图18的实施例所描绘。

还应当理解，可以使用存储在合适的计算机可读介质中的可执行计算机代码来实现本文描述的任何控制操作。这些操作是在处理器执行计算机代码时实行的。该计算机代码可以被结合在执行动态点火水平调制发动机操作的发动机控制器中。主要在适用于机动车辆中的汽油动力四冲程活塞发动机的背景下描述了本发明。然而，应当理解，所描述的方法和设备非常适合用于多种多样的内燃发动机中。这些内燃发动机包括用于几乎任何类型的车辆—包括汽车、卡车、船、飞机、摩托车、轻便摩托车等的发动机；以及涉及对工作室的点火并且利用内燃发动机的几乎任何其他应用。所描述的各种方法适用于在多种多样不同的热力学循环下操作的发动机，包括几乎任何类型的奥托循环发动机、米勒循环发动机、阿特金森循环发动机、迪塞尔循环发动机、汪克尔发动机以及其他类型的旋转发动机、混合动力、径向发动机等。还相信所描述的方法将适用于新开发的内燃发动机，无论它们是利用当前已知的还是后来开发的热力循环进行操作。

上述实施例中的一些预期在跳过的工作循环期间停用工作室。在多个不同的实现方式中，停用工作室涉及防止在一个或多个所选被跳过的工作循环过程中将空气泵送穿过被跳过的工作室。可以用各种各样的方式来跳过或停用工作室。在各种方式中，在工作室中形成低压弹簧，即，排气气体在先前工作循环中从工作室中释放之后，在随后的工作循环期间进气门或排气门都未打开，从而在工作室中形成低压真空。在另外的其他实施例中，在被跳过的工作室中形成高压弹簧，即，防止空气和/或排气气体逸出工作室。该工作室可以用任何合适的方式被停用，使得该工作室在其动力冲程过程中贡献一点净动力或不贡献净动力。

虽然仅详细描述了本发明的几个实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明可以以许多其他形式实施。例如，本文描述的控制策略可以利用不依赖于凸轮轴进行气门事件正时的完全柔性配气机构来实施。尽管本发明总体上已经被描述为使用一个进气门和排气门来控制气缸的吸入和排气，但气缸可以具有多个进气门和/或排气门并且控制策略可以共同地控制它们的运动。虽然本发明通常已被描述为使用汽油作为燃料，但是具有汽油型燃烧品质的许多其他类型的燃料可以单独使用、作为混合物使用、或者在具有用于不同类型工作循环的不同燃料的双燃料系统中使用。此类燃料包括但不限于氢气、乙醇、丙醇、其他醇、合成燃料和天然气。因此，本发明实施例应当被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于在此给出的细节。