专利名称：均质充气压燃式发动机及运行均质充气压燃发动机的方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃发动机，尤其涉及一种均质充气压燃式(HCCI)发动机以及一种用于运行该发动机的方法，该均质充气压燃式发动机可作为专用发电机的固定发动机。
背景技术：
传统的发动机分为两种类型，火花点火式(SI)发动机和柴油机。通过使空气燃料混合物变得稀薄来提高SI发动机的热效率。但是，这对于浓度比有一限制，即在该浓度比下火花可以传播。因此，SI发动机需要通过节气门来调节空气量。因而，SI发动机的热效率要劣于柴油机。相反的，柴油机具有满意的热效率。但是，柴油机不能有效的混合燃料和空气。因此，在高温处燃料的局部燃烧使得NOx易于产生，并且局部高浓度区使得煤烟易于产生。
与这些发动机相比，均质充气压燃式(HCCI)发动机预先混合空气和燃料。因此，局部高温燃烧或者高浓度的可能性很小，并且NOx和煤烟的产生量是微小的。进一步，在HCCI发动机中，化学变化导致点火。因此，对浓度比的依赖性小于SI发动机。因此，HCCI发动机能够使空气燃料混合器变得显著稀薄，从而获得与柴油机相同的热效率水平。由于具有这些优点，HCCI发动机吸引了很多关注。但是，在HCCI发动机中，过热会导致爆燃，并且不充分的热量会导致失火。因此，相比较其它发动机而言，失火，爆震和预先点火更加易于发生。这些会使均质充气压燃式发动机的运行范围变窄。
日本专利公开No.2000-64863描述了一四冲程发动机，该发动机具有较低的NOx排放物并且能减少从排放气体中排出的碳氢(HC)量。该发动机具有一可变阀门执行机构，该机构可根据发动机负荷的低还是高有选择性地转换进气阀和排气阀的阀门正时。当发动机负荷较低时，一旦负荷下降时，设置阀门正时使得在排气冲程阶段活塞到达上止点之前排气阀提前关闭。当发动机负荷较高时，设置阀门正时使得活塞接近上止点时排气阀关闭。进一步，当发动机负荷较高时，活塞处在压缩上止点附近时，设置在燃烧室中的点火器点燃并且燃烧燃料。当发动机负荷较低时，不是采用点火器点燃燃料，而是发动机实施均质充气压燃(HCCI)。也就是说，在HCCI阶段时，可变阀门调节机构调节排气阀关闭正时以实施内部废气再循环(EGR)。
日本专利公开No.2000-192846描述了用于一种发动机的燃烧控制器，该控制器可优化控制缸内压力和缸内温度，这些都是在采用HCCI情况下的燃烧控制参数。为了稳定HCCI，燃烧控制器包括一个用于计算缸内目标压力和缸内目标温度的装置，该装置使得HCCI能产生所需的扭矩。该燃烧控制器还包括一个用于控制燃烧参数的装置，该燃烧参数是从计算的缸内目标压力和缸内目标温度而获得的。该燃烧参数控制装置包括一个装置，该装置用于至少改变缸内压力和缸内温度之一以满足缸内目标压力以及缸内目标温度。该燃烧参数控制装置还包括一个装置，该装置用于计算用于缸内目标压力以及缸内目标温度的目标空燃比，并且控制空燃比以满足目标空燃比。
当根据相应于所需发动机负荷和速度的进气量和喷油量实施HCCI运行时，由于过渡状态或者设备的损坏导致空燃比偏离目标值。当空燃比持续偏离时，空燃比可能会进入爆震或者失火发生的范围内。空燃比的偏离可以通过调节喷油量以及节气门阀的开度来调正。但是，为了防止出错，例如防止通常的过调发生，喷射量必须在较小量范围内频繁的改变。这样增加了将空燃比收敛到目标值的时间。进一步，例如，采用很难精确控制燃料供给量的发动机，例如，采用混合器供给气体燃料到进气通道的燃气发动机，将空燃比收敛到目标值需要更长的时间。在具有较窄的稳定运行范围的发动机中，例如HCCI发动机，如上所述，需要许多的时间以收敛空燃比，空燃比也易于进入爆震或者失火发生的范围内。
日本专利公开No.2000-64863的发动机采用内部EGR来提高预混合物的温度以及便于点燃。更特别的，日本专利公开No.2000-64863的发动机，当在较低负荷范围内的负荷减少时增加排气阀关闭正时的提前量，从而增加内部EGR量，并且当负荷在较低负荷范围内增加时减少排气阀关闭正时的提前量，从而减少内部EGR量。但是，该申请没有教导怎样处理空燃比与目标值的偏离。
日本专利公开No.2000-192846解释了空燃比对HCCI具有较强的影响，以及对空燃比限制量影响的因素除了缸内压力外还包括缸内温度，其中在空燃比限制量这点上爆震发生。该申请的燃烧控制器计算相应于缸内目标压力和缸内目标温度的目标空燃比，从而控制空燃比并使之满足目标空燃比。但是，该申请没有教导怎样处理空燃比与目标值的偏离。
正常情况下，一空燃比传感器安装在发动机的排气通道中，以监控燃烧状态和执行反馈控制。当空燃比偏离目标值时，提供有这种空燃比传感器的发动机能够使偏离的空燃比返回到目标值。但是，空燃比传感器的采用不能解决将空燃比收敛至目标值所需的长时间问题。
可采用爆震传感器使得在检测到爆震时改变空燃比，从而能够防止爆震的持续。但是，除了比较昂贵外，在HCCI时，用于检测爆震的爆震传感器的可靠性较低。
发明内容
本发明提供一种运行HCCI发动机的方法，该方法能够防止爆震和失火的发生，甚至当由于过渡状态或者设备磨损引起空燃比偏离目标值时也能防止。
本发明进一步提供一种执行该运行方法的HCC的发动机。
本发明的一个方面是运行均质充气压燃式发动机的一个方法，该发动机包括一燃烧室，该燃烧室保留有一活塞，该活塞压缩燃料和含氧气体的混合物以点燃该压缩混合物，同时实施内部废气再循环。该方法包括确定空燃比和内部废气再循环量，采用表示空燃比和内部废气再循环量的关系的第一图或者第一关系式以确定由于空燃比的改变是否会发生失火或者爆震的可能，其中能够进行稳定的均质充气压燃运行，并且当存在空燃比的改变会导致失火或者爆震时，基于第一图或者第一关系式调节内部废气再循环量。
本发明的另一方面是一均质充气压燃式发动机，该发动机包括一燃烧室，该燃烧室保留有一活塞，该活塞压缩燃料和含氧气体的混合物以点燃该压缩混合物。一进气阀将混合物或者含氧气体吸到燃烧室中。一排气阀用于从燃烧室中排出已燃气体。一可变阀门执行机构用于打开和关闭进气阀和排气阀中的至少一个，从而实施内部废气再循环。一空燃比确定装置用于确定空燃比。一内部废气再循环量确定装置确定废气再循环的量。一存储设备用于存储表示空燃比和内部废气再循环量的关系的第一图或者第一关系式，其中能够实施稳定的均质充气压燃运行。第一图包括内部废气再循环量的上限和下限，从而定义一个范围，在该范围内能够实施稳定的均质充气压燃运行。一确定装置，该装置通过确定是否空燃比相应于目标运行条件改变，使得其大于内部废气再循环量的上限，来确定是否存在失火发生的可能性。该确定装置进一步通过确定是否空燃比相应于目标运行条件改变，使得其小于内部废气再循环量的下限，来确定是否存在爆震发生的可能性。一控制装置用于控制可变阀门执行机构，从而当存在失火发生的可能性时，减少内部废气再循环量，当存在爆震发生的可能性时，增加内部废气再循环量。
通过下面的描述，以及结合附图，阐述本发明原理的例子，本发明的其它方面和优点将变得显而易见。
结合附图以及参见现有优选实施例的下面描述，结合其目的和优点，本发明可更好的理解。
图1表示根据本发明优选实施例的HCCI发动机的示意图。
图2表示相关于发动机速度和负荷定义HCCI运行范围的图。
图3表示相关于EVC和空燃比定义HCCI运行范围的图。
图4表示在HCCI动行范围内相关于发动机速度和负荷定义EVC的图。
图5表示在HCCI运行范围内相关于发动机速度和负荷定义空燃比的图。
图6(a)和(b)表示进气阀和排气阀的开闭正时的图。
图7表示图1的HCCI发动机的运行控制的流程图。
具体实施例方式
根据本发明优选实施例的固定HCCI发动机10将参见附图1至7进行描述。图1表示HCCI发动机10的示意图。
HCCI发动机10包括发动机体11以及电控HCCI发动机10的控制器12。
发动机体11包括缸体13，其包括许多气缸13a(在图1中仅表示出一个)和气缸盖14。活塞15在每个气缸13a内往复运动。燃烧室16定义在活塞15和气缸盖之间的每个气缸13a中。在进气和压缩冲程后，通过在燃烧室16中的空燃混合物的燃烧产生的动力推动活塞15在气缸13a中进行复运动。活塞15的往复运动通过连杆17转换为作为输出轴的曲轴18的转动，从而产生发动机体11的输出。发动机体11为四冲程内燃机。
用于开闭进气口19的进气阀20和开闭排气口21的排气阀22提供给每个气缸13a。可变阀门执行机构23和24分别改变进气阀20和排气阀22的开闭正时。进气阀20和排气阀22通过可变阀门执行机构23和24独立打开和关闭。可变阀门执行机构23和24由诸如电磁驱动器或者液压执行器形成。用于每个燃烧室16且作为点火器的火花塞42安装在气缸盖14中。火花塞42具有暴露在相应燃烧室16中的点火部分。
延伸到进气口19的进气通道25和延伸到排气口21的排气通道26与气缸盖14相连。一混合器27设置在进气通道25中。混合器27通过管路28连接到燃料箱(未示出)中。混合器27包括一由电动机31操作的阀门32。阀门32的开度的调节可调节流入燃烧室16的进气的流量。用于控制燃料供给量的调节器29设置在管路28中。在本实施例中，天然气作为燃料。进一步，空气滤清器30设置在混合器27上游的进气通道25中。检测进气通道25温度的温度传感器35以及检测进气流速的空气流量计36设置在混合器27和空气滤清器30之间的进气通道25中。
空燃比传感器(A/F传感器)33设置在排气通道中。空燃比传感器33优选从排气中的氧气浓度以及未燃气体浓度中检测到空燃比。
控制HCCI发动机运行的控制器12控制可变阀门执行机构23和24，调节器29，电动机31以及火花塞42，从而通过一输出设定装置设置的所需的负荷和速度来运行发动机10。
控制器12包含一微处理器38。微处理器38包括一作为存储设备的存储器39(ROM和RAM)。空燃比传感器33，温度传感器35，空气流量计36，用于检测气缸体11中的冷却剂温度的冷却剂温度传感器40，用于检测发动机速度或者曲轴18的转速的速度传感器41，每个都与控制器12的输入部分(输入接口)电气相连。可变阀门执行机构23和24，调节器29，电动机31以及火花塞42与控制器12的输出部分(输出接口)电气相连。
基于从空燃比传感器33，温度传感器35，空气流量计36，冷却剂温度传感器40以及速度传感器41输出的检测信号，控制器12确定HCCI发动机10的运行状态并且控制可变阀门执行机构23和24，调节器29，电动机31和火花塞42，从而调节发动机10到一预先确定的运行状态。控制器12基于空气流量计36和空燃比传感器33的检测信号计算空燃比。也就是说，空气流量计36和空燃比传感器33和控制器12形成一用以确定空燃比的系统。
存储器39存储图表，公式等，以确定命令值(控制值)，用于控制基于发动机10运行状态的HCCI发动机10，该运行状态是由空燃比传感器33，温度传感器35，空气流量计36，冷却剂温度传感器40以及速度传感器41的检测信号所确定的。这些图表和公式包括用于确定，例如，供给到混合器27的燃料的量，阀门32的开度和点火正时图表和公式。
存储器39存储HCCI运行状态图M1，M2，M3和M4(参见图2至图5)。参见图2，图M1表示相关于负荷和曲轴18转速(即发动机速度)的HCCI的运行范围。参见图3，图M2表示相关于排气阀闭合(EVC)正时和空燃比(A/F)的HCCI的运行范围。换句话说，图M2表示相关于空燃比和内部EGR量的HCCI能够运行的范围。参见图4，图M3定义了在HCCI运行范围内相关于发动机速度和负荷确定的EVC。参见图5，图M4定义了在HCCI运行范围内相关于发动机速度和负荷确定的空燃比。除了HCCI运行图，存储器39存储了用于火花点火运行的图(未示出)。这些图都预先通过试验获得。
图M2包括一范围A1，该范围是根据发动机目标速度设置的。区域A1表示了在HCCI能够实施的状态中，空燃比和排气阀22关闭(EVC)正时之间的关系。范围A1的边界的设定考虑了安全界限。在图3的图M2中，范围A1的上边界线L1根据能实现稳定HCCI的内部EGR量的上限来划定。范围A1的下边界线L2根据能实现稳定HCCI的内部EGR量的下限来划定。
基于图M1，控制器1 2确定相应于所需负荷和速度HCCI是否能运行。控制器1 2在能够实施HCCI运行时实施HCCI的运行，在HCCI运行不能实施时进行火花点火运行。基于图M2，控制器12确定当前空燃比与相应于目标运行情况下的目标空燃比之间的偏差是否需要内部EGR量的调整，从而防止爆震或失火的发生。在本实施例中，控制器12确定空燃比是否在向导致爆震的方式改变，以及是否是向导致失火的方式改变。短语“向导致爆震的方式改变”是指在当前运行情况持续时，空燃比改变使得其超过图3中的图M2中的范围A1的上边界线L1。短语“向导致失火的方式改变”是指在当前运行情况持续时，空燃比改变使得其低于图3中的图M2中的范围A1的下边界线L2。
当空燃比的偏差改变并且超过定义范围A1的内部EGR量的上限时，其中在范围A1内HCCI实现稳定运行，控制器12控制可变阀门执行机构23和24，从而基于图M2减少内部EGR量。进一步，当空燃比的偏差改变并且低于定义范围A1的内部EGR量的下限时，控制器12控制可变阀门执行机构23和24，从而基于图M2增加内部EGR量。控制器12的功能是作为一控制可变阀门执行机构23和24的装置，在当空燃比的偏差改变并且超过定义范围A1的内部EGR量的上限时，使内部EGR量减少，以及在当空燃比的偏差改变并且低于定义范围A1的内部EGR量的下限时，使内部EGR量增加。
图6(a)和6(b)为表示可变阀门执行机构23和24的阀门正时的一个例子的图。在该实施例中，内部EGR通过在排气冲程中排气阀22的关闭来实现，从而使得一些已燃气体保留在燃烧室中。如图6(a)和6(b)所示，进气阀20在活塞15通过上止点(TDC)并向下止点(BDC)移动时打开。进气阀20在活塞15通过下止点(BDC)并向上止点(TDC)移动时关闭。进一步，排气阀22在活塞15接近下止点(BDC)时打开，在活塞通过下止点(BDC)并向上止点(TDC)移动时关闭。控制器12基于排气阀22的阀门关闭正时计算内部EGR量。控制器12作为一确定内部EGR量的装置。
控制器12基于图M2控制排气阀22关闭(EVC)的正时，从而防止空燃比变成一个值，在该值的情况下爆震或失火会发生。当空燃比向导致失火的方向改变时，控制器12延迟EVC以减少内部EGR量。当空燃比向导致爆震的方向改变时，控制器12提前EVC以减少内部EGR量。
现在将描述HCCI发动机10的运行情况。
控制器12从冷却剂传感器40和速度传感器41检测到的信号中确定发动机体11的运行状态。然后控制器12确定由输出设定装置37设置的所需的发动机速度和负荷是否满足。基于上述决定，控制器12实施HCCI运行或者火花点火运行。当实施HCCI运行时，控制器12控制调节器29，电动机31以及可变阀门执行机构24，以获得与所需发动机速度和负荷相应的合适燃烧状态(即合适空燃比和内部EGR量)。进一步，当实施火花点火运行时，控制器12控制调节器29，电动机31以及可变阀门执行机构24，以获得一种与所需发动机速度和负荷相应的燃烧状态(即合适空燃比和点火正时)。当运行HCCI发动机10时，控制器12优先实施HCCI运行。但是，当所需发动机速度和负荷不在HCCI运行范围内时，控制器12实施火花点火运行。而且，控制器12实施火花点火运行直到HCCI发动机10变暖。
HCCI发动机10的运行是根据图7中的流程图来实施的。首先，在步骤S1，发动机10进行一暖机过程。控制器12提供命令信号给调节器29和电动机31，以获得一空燃比，该空燃比能满足基于火花点火运行图(SI基本图)的暖机运行条件，该图储存在存储器39中。而且，控制器12提供一命令信号给可变阀门执行机构23和24以及火花塞42，使得内部EGR量和点火正时可恰当设置，用于实施火花点火以满足暖机条件。
然后，在步骤S2中，控制器12基于冷却剂温度传感器40检测到的信号来确定发动机10是否变暖。也就是说，控制器12确定冷却剂温度传感器40检测到的温度是否大于或者等于指示发动机10变暖的值。如果暖机完成时，控制器12进行步骤S3，如果暖机没完成，则返回到步骤S1。指示HCCI发动机10是否变暖的冷却剂温度是预先通过试验获得的。
在步骤S3中，控制器12确定当前冷却剂温度是否大于相应于所需转速和负荷的调节值。如果冷却剂温度大于调节值，则控制器12进行到步骤S4，如果冷却剂温度小于或者等于调节值，则进行到步骤S5。存储在存储器39中的调节值为发动机体11的温度，当调节空燃比和内部EGR量时，该值能相应于所需发动机速度和负荷进行稳定的HCCI运行。进一步，调节值是预先通过试验获得的。
在步骤S4中，控制器12从图2的图M1中确定所需的发动机速度和负荷是否包含在HCCI运行范围内。如果所需发动机速度和负荷包含在HCCI运行范围内时，控制器1 2进行到步骤S6，如果所需发动机速度和负荷超出HCCI运行范围时，控制器12进行到步骤S5。在步骤S5中，控制器12提供命令信号给调节器29和电动机31，以便在当前冷却剂温度下，能够设置相应于所需发动机速度和负荷的火花点火运行的合适的空燃比。控制器12也提供一命令信号给可变阀门执行机构23和24，从而获得合适的内部EGR量。然后控制器12进行步骤S3。因此，HCCI发动机10实施火花点火运行以满足所需的发动机速度和负荷。
在步骤S6中，控制器12确定相应于图M3中的所需发动机速度和负荷的排气阀22关闭(EVC)正时，该图M3作为HCCI的基本图。进一步，控制器12确定相应于图M4中的所需发动机速度和负荷的空燃比，该图M4也作为HCCI的基本图。然后，控制器12提供命令信号给可变阀门执行机构23和24，调节器29以及电动机31，以相应地设置阀门关闭正时和空燃比。因此，HCCI发动机实施HCCI运行，以满足所需转速和负荷。
如图4的图M3所示，在更低的发动机速度和更低的负荷时，阀门关闭正时更加提前。如图5的图M4所示，在更高的发动机速度和更高的负荷时，空燃比设置得更富油。这是因为在高速时排气阀22打开持续时间缩短。如果关闭阀门正时与在低速时的正时相同时，剩余气体变得过多并且导致空气的量变得不充分。因此，阀门关闭正时在高速时被延迟，从而减少了EGR量。进一步，为了在高速时增加内部EGR温度和能够点火，空燃比被调节到与更高速时的更富油状态相对应。
执行步骤S6后，控制器12进行步骤S7。在步骤S7中，控制器12识别空燃比以及进气温度。进一步，控制器12确定空燃比和内部EGR量。进一步，控制器12确定是否需要调节排气阀22的关闭正时，从而基于在所需发动机速度的EVC和空燃比的图M2防止爆震或者失火。更特殊的，控制器12检测确定的空燃比和内部EGR量是否在范围A1内，在该范围内HCCI能稳定运行。进一步，控制器12确定当前位置是否由前面确定位置改变。控制器12也确定由于这些改变爆震或者失火的发生是否可能。控制器12作为一种装置，用于从空燃比的图M2中确定空燃比与相应于目标运行情况下的值的偏差是否需要调节内部EGR量，以防止爆震或者失火的产生。在步骤S7中确定没有需要去调节排气阀22的关闭正时，控制器12进行步骤S3，当确定需要进行调节时进行步骤S8。
在步骤S8中，调节器12调节排气阀22的关闭正时。更特殊的，当空燃比以导致失火的方式改变时，控制器12提供一命令信号给可变阀门执行机构24，基于在所需发动机速度下的EVC和空燃比的图M2延迟EVC。进一步，当空燃比以导致爆震的方式改变时，控制器12提供一命令信号给可变阀门执行机构24，基于在所需发动机速度下的EVC和空燃比的图M2提前EVC。当这样执行时，控制器12基于图M3和M4获得适合当前空燃比的EVC，并且提供一命令信号给可变阀门执行机构24以实现该EVC。相应的，当空燃比以导致失火的方式改变时，控制内部EGR量使其下降。当空燃比以导致爆震的方式改变时，控制内部EGR量使其增加。执行步骤S8之后，控制器12进行步骤S3。在步骤S8中，控制器12作为一控制可变阀门执行机构的装置，使得当空然比的偏差以空燃比将会大于内部EGR定义范围的上限的方式改变时，内部EGR量下降，其中该定义范围是HCCI稳定运行的范围。控制器12也可作为一控制可变阀门执行机构的装置，使得当空燃比的偏差以空燃比将会小于内部EGR定义范围的下限的方式改变时，内部EGR量增加。
因此，当所需发动机速度和负荷不改变并且HCCI运行稳定时，控制器12重复步骤S3，S4，S6和S7。这样能使HCCI持续运行在相应于所需发动机速度和负荷的预定EVC和空燃比的情况下。当存在空燃比偏离目标值可能性并且导致爆震或者失火时，重复步骤S3，S4，S6，S7和S8。
与汽车发动机不同，在HCCI发动机10中，所需发动机速度和负荷改变不是很频繁。但是，存在一些所需发动机速度和负荷显著改变的情况。在这样的情况下，当前运行状态下的目标空燃比相应于改变的运行条件变化到一新的目标空燃比。在这样的状态下，当空燃比变得偏离目标值并且爆震和失火可能发生时，调节器29和阀门32的开度的调节将不会容易地使空燃比收敛到目标值。这样可能会导致爆震或者失火。
这是因为是采用负压供给燃料(天然气)和空气到燃烧室16。因此，负压的改变能使燃料和空气的供给改变。进一步，燃料供给系统包括混合器27和调节器29。但是，很难用混合器27控制气体燃料供给量。进一步，当调节器29是低灵敏度或者当发生磨损时，空燃比很难轻易收敛到目标值。这种倾向在过渡状态中特别强烈，例如，当目标空燃比剧烈变化时。但是，当通过变化EVC以调节EGR量从而改变空燃比时，空燃比收敛的这种延迟将不会发生。因此，由于空燃比偏离导致的爆震或者失火会被抑制。
除了压缩空燃混合物的温度外，空燃比也影响爆震和失火。如果在高温下混合物的空燃比与在低温下混合物的空燃比相同时，对于在高温下被压缩的混合物，爆震倾向于更容易发生。在这种情况下，失火不会发生。因此，压缩混合物的低温对防止爆震是有效的，压缩混合物的高温对防止失火是有效的。但是，由于内部EGR气体不能燃烧，过多量的EGR会导致缺氧进而导致失火。另外，内部EGR气体的比热大于空气和燃料的比热。因此，当内部EGR量增加时，很难升高依靠于环境的压缩混合物的温度。
当空燃比偏离目标值时，需要实施一个另外的用于修正空燃比的过程。为了修正空燃比，例如，当偏差是由于与空燃比调节相关的设备磨损造成的时，如调节器29，考虑到磨损，用于控制燃料供给装置(调节器29)的图被修正或者增加一修正期限。
本实施例的HCCI发动机10具有下述优点。
(1)HCCI发动机10包括用于确定空燃比的装置，可变阀门执行机构23和24，存储图M2的存储器39，该图表示了空燃比和EVC的关系，在该图中能实施稳定的HCCI运行。控制器12确定空燃比和内部EGR量，并且控制可变阀门执行机构23和24，以基于图M2调节内部EGR量。因此，当在相应于所需发动机速度和负荷的目标空燃比情况下实施HCCI运行时，爆震和失火被抑制，即使空燃比是由于过渡状态或者设备磨损而偏离目标值时。也就是说，不采用具有较低可靠性的爆震传感器能够实施稳定的HCCI运行。
(2)HCCI发动机10的每个燃烧室16包括火花塞42以进行火花点火运行，一直到发动机10变暖。然后，当所需发动机的速度和负荷在HCCI运行范围内时，实施HCCI发动机运行。因此，HCCI发动机10从其开始起动就运行在一稳定的状态下，甚至起动是在一相对冷的环境下。与不能运行火花点火的HCCI发动机相比，HCCI发动机10可用于满足更高的发动机速度和更高的负荷。
(3)除了HCCI运行图外，存储器39中还包括一火花点火图。因此，当不能通过HCCI运行来满足所需发动机速度和负荷时，HCCI发动机10能很容易的切换至火花点火运行，从而满足所需的发动机速度和负荷。
(4)图M2是考虑到用于范围A1的边界的安全界限而设定的，该图表示了实施HCCI运行的EVC和空燃比之间的关系。因此，当空燃比偏离目标值时，运行条件仍保持在HCCI运行范围内。
(5)内部EGR是通过在排气冲程中关闭排气阀22来实施的，从而使得一些已燃气体保留在燃烧室16中。这样使得排气阀22的开闭正时变得便利，这是与在进气冲程中临时开闭排气阀22相比较而言的，后者用以通过排气阀22在排气口21处回收排气并使其进入到燃烧室16中，从而将排气与新鲜的空燃混合物混合。
(6)可变阀门执行机构23和24是由电磁驱动器或者液压执行器形成。因此，排气阀22的关闭正时可容易改变。这样便利了HCCI和火花点火的控制。
(7)控制器12基于空气流量计36和空燃比传感器33测得的信号计算和确定空燃比。因此，甚至当采用混合器27的空燃比控制很难高精确度地实施时，空燃比可正确的确定。
本发明可以体现在许多不超出本发明精神或者范围的其它的具体的形式，这些对本领域技术人员是显然的。特别的，应该理解本发明可体现在下面的形式中。
可通过采用第一技术来实施内部EGR，该第一技术是在进气冲程中打开排气阀，从而从排气口21中回收一些排气到燃烧室16中，从而将排气与新鲜的空燃混合物混合。进一步，在第一技术中，采用了一个与燃烧室16和排气口21相连的排气引导通道以及关闭和打开排气引导通道的一阀门，从而在排气口21中回收一些排气到燃烧室，以混合返回的排气与新鲜的空燃混合物。另外，可采用用于内部EGR的第二技术。在第二技术中，当从排气冲程转换到进气冲程时，在活塞15到达上止点前，进气阀20打开，这时排气阀22仍然打开。这样返回一些已燃气体到进气口19中。返回的已燃气体在进气冲程时与新鲜的空燃混合物一起吸入到燃烧室16中。采用的这些图依靠内部EGR技术进行稍微的修改。例如，采用第一技术，内部EGR量由在进气冲程中排气导向通道中的阀的打开的时间来确定。采用第二技术，EGR量由在排气冲程中进气阀20打开的时间来确定。因此，图M2的垂直轴表示EGR量而不是EVC，并且控制器12计算排气阀22或者进气阀20的开闭正时以获得相应的EGR量。
基于一关系式，可确定空燃比是否从相应于目标运行条件下的值向将会导致爆震或者失火的方向变化，该公式表示在稳定的HCCI动行条件下，空燃比和内部EGR的关系，并且空燃比由空燃比决定装置所确定。
当调节内部EGR量以防止由于空燃比改变导致的爆震或者失火时，内部EGR以较小的量频繁的调节。
HCCI发动机10没有必要提供点火器，并且可以仅仅实施HCCI。
在未提供点火器的HCCI发动机10中，压缩后易于点火的燃料可以用在暖机运行期间。在这种情况下，暖机运行之后，将所述燃料切换到一种用于正常运行的燃料。
HCCI发动机10可提供电子加热器，该加热器可加热含氧气体或者空燃混合物。在这种情况下，在暖机运行期间，电子加热器加热含氧气体或者空燃混合物，暖机运行期间中排气或者冷却剂的温度较低。这样在较短时间内，通过电子加热器加热含氧气体或者空燃混合物到一必要温度并且稳定暖机运行。进一步，在暖机运行后实施HCCI运行时，当需要在较短时间内加热含氧气体或者空燃混合物时，电子加热器可有效的使用。
当HCCI发动机10提供有点火器(火花塞42)时，在暖机期间仅仅实施火花点火，在暖机运行完成后仅仅实施HCCI运行。在这样的情况下，优选HCCI发动机10运行，以获得能与相应的发动机速度和负荷接近的空燃比和内部EGR量。
当确定HCCI发动机10的运行状态时，不是实施图7所示的流程图的步骤S3，控制器12可确定发动机油的温度是否超出了相应于所需发动机速度和负荷的调节值。可选择的，控制器12可确定冷却剂温度和发动机油的温度是否均超出了相应于所需发动机速度和负荷的调节值。
在图M1中，不是直接地表示负荷，可以采用相应于负荷的其它值，例如指示平均有效压力(IMEP)，或者采用用于设置所需负荷的设定装置的运行值。
在图M2中，不是表示EVC和空燃比(A/F)之间的关系，图M2可表示在稳定的HCCI运行中(范围A1)内部EGR量和空燃比的关系。
HCCI发动机10的燃料不限于天然气，可以是任意类型的燃料，例如汽油，丙烷气体，甲醇，二甲醚，氢气和柴油。
当蒸发液体燃料(例如液化气体)或者增加气体燃料的压力时，燃料喷嘴可以被用在混合器27处，从而从燃料喷嘴中供给燃料到进气通道25中。在这种情况下，用于控制含氧气体的流速的流速控制装置(例如，节气门)设置在进气通道25中的燃料喷嘴的上游。
当采用燃料喷嘴时，控制器12不能采用空燃比传感器33来计算空燃比。控制器12基于电磁控制阀的开度以及空气流量计的检测信号来计算空燃比，该电磁控制阀控制供给到燃料喷射阀的燃料量。
HCCI发动机10不限于四冲程发动机，可为二冲程发动机。
空燃混合物的燃料不限于气体，可为雾化燃料。
与燃料混合的含氧气体不限于空气，可以为任意含氧的气体，该气体中包含了用于燃烧燃料所需的氧气。例如，可采用通过混合氧气和空气以增加氧浓度的气体。
燃料不限于被喷射到进气通道25中，并且与含氧气体混合以形成空燃混合物进入到燃烧室16中。例如，燃料可以在进气冲程中喷入到燃烧室16中。另外，燃料可以在化油器中与进气进行混合。
HCCI发动机10可以不具有多缸，可以仅仅具有一个气缸。
每个可变阀门执行机构23和24可为公知的可变阀门正时机构，该机构可采用凸轮轴，依靠凸轮或者摇臂打开或者关闭进气阀或者排气阀。
HCCI发动机10可以不是固定的，可以作为汽车发动机。在这样的情况下，发动机10必须能在HCCI运行和火花点火运行之间可以切换。
可采用在HCCI运行范围内表示发动机速度和负荷之间关系的关系式来代替图M1。可采用在HCCI运行范围内表示内部EGR量和空燃比之间关系的关系式来代替图M2。可采用在HCCI运行范围内表示EVC相关于发动机速度和负荷的关系式来代替图M3。可采用在HCCI运行范围内表示空燃比相关于发动机速度和EVC的关系式来代替图M4。每个关系式都存储在存储器39中。
现有的例子和实施例被认为是解释性、而非限制性的，本发明不局限于在这里给出的详细内容，而是可以在所附权利要求的范围和等效情况内进行变型。
权利要求
1.一种用于运行均质充气压燃式发动机(10)的方法，该发动机包括一燃烧室(16)，该燃烧室保留有一活塞(15)，该活塞压缩燃料和含氧气体的混合物以点燃该压缩混合物，同时实施内部废气再循环，该方法包含确定空燃比和内部废气再循环量；采用其中能进行稳定的均质充气压燃运行、表示空燃比和内部废气再循环量的关系的第一图(M2)或者第一关系式，来确定由于空燃比的改变是否导致发生失火或者爆震的可能；和当存在空燃比的改变会导致失火或者爆震的可能时，基于第一图(M2)或者第一关系式调节内部废气再循环量。
2.根据权利要求1的方法，其中第一图(M2)包括内部废气再循环量的上限和下限，从而定义一个能够进行稳定均质充气压燃的范围，所述的确定是否存在失火或者爆震的可能性的步骤包括通过确定是否空燃比相应于目标运行条件改变，使得其大于内部废气再循环量的上限，来确定是否存在失火发生的可能性；和通过确定是否空燃比相应于目标运行条件改变，使得其小于内部废气再循环量的下限，来确定是否存在爆震发生的可能性。
3.根据权利要求2的方法，其中所述的调节内部废气再循环量的步骤包括当由于空燃比改变而存在失火发生的可能性时，减少内部废气再循环量；并且当由于空燃比改变而存在爆震发生的可能性时，增加内部废气再循环量。
4.根据权利要求1的方法，进一步包含采用其中能够实施稳定均质充气压燃运行、表示发动机速度和负荷关系的第二图(M1)或者第二关系式，来确定均质充气压燃运行是否能够实施。
5.根据权利要求1的方法，其中均质充气压燃式发动机包括一设置在燃烧室中的点火器(42)，该方法进一步包含比较均质充气压燃式发动机的冷却剂温度与一调节值，从而确定是否能够实施均质充气压燃；并且当不实施均质充气压燃运行时，采用点火器实施火花点火运行。
6.根据权利要求1的方法，其中均质充气压燃式发动机包括一设置在燃烧室中的点火器(42)，该方法进一步包含采用点火器实施火花点火运行直到发动机变暖；并且采用其中能实施稳定的均质充气压燃运行、表示发动机速度和负荷关系的第二图(M1)或者第二关系式，来确定在发动机变暖后，均质充气压燃运行是否能够实施。
7.一种均质充气压燃式发动机(10)，其中包含一燃烧室(16)，该燃烧室保留有一活塞(15)，该活塞压缩燃料和含氧气体的混合物以点燃该压缩混合物；一用于吸入混合物或者含氧气体到燃烧室的进气阀(20)；一用于从燃烧室中排出已燃气体的排气阀(22)；一用于打开和关闭进气阀和排气阀中的至少一个的可变阀门执行机构(23，24)，以实施内部废气再循环；一用于确定空燃比的空燃比确定装置(33)；一用于确定废气再循环量的内部废气再循环量确定装置(12)；一用于存储表示空燃比和内部废气再循环量的关系的第一图或者第一关系式的存储设备(39)，其中能够实施稳定的均质充气压燃运行，第一图包括内部废气再循环量的上限和下限，从而定义一个范围，在该范围内能够实施稳定的均质充气压燃运行；一确定装置(12)，该装置通过确定是否空燃比相应于目标运行条件改变，使得其大于内部废气再循环量的上限，来确定是否存在失火发生的可能性，该确定装置还通过确定是否空燃比相应于目标运行条件改变，使得其小于内部废气再循环量的下限，来确定是否存在爆震发生的可能性；和一用于控制可变阀门机构的控制装置(12)，从而当存在失火发生的可能性时，减少内部废气再循环量，当存在爆震发生的可能性时，增加内部废气再循环量。
8.根据权利要求7的均质充气压燃式发动机，其中控制装置(12)控制可变阀门执行机构，使得延迟排气阀关闭正时以减少内部废气再循环量，控制可变阀门执行机构，使得提前排气阀关闭正时以增加内部废气再循环量。
9.根据权利要求7的均质充气压燃式发动机，其中可变阀门执行机构关闭排气阀，使得在排气冲程期间，保留一些已燃气体在燃烧室中。
10.根据权利要求7的均质充气压燃式发动机，其中内部废气再循环量包括上限和下限，这样的设置考虑到了安全界限。
11.根据权利要求7的均质充气压燃式发动机，其中存储设备(39)存储了表示发动机速度和负荷的关系的第二图(M1)或者第二关系式，其中能够实施稳定的均质充气压燃运行；并且确定装置采用第二图(M1)或者第二关系式来确定是否能够实施均质充气压燃运行。
12.根据权利要求7的均质充气压燃式发动机，进一步包含一设置在燃烧室中的点火器(42)，其中控制装置比较均质充气压燃式发动机的冷却剂温度与一调节值，从而确定是否能够实施均质充气压燃，并且当不能实施均质充气压燃运行时，采用点火器实施火花点火运行。
13.根据权利要求7的均质充气压燃式发动机，其中存储设备(39)存储了表示发动机速度和负荷关系的第二图(M1)或者第二关系式，其中能够实施稳定的均质充气压燃运行，该均质充气压燃式发动机进一步包含一设置在燃烧室中的点火器(42)，其中控制装置采用点火器实施火花点火运行直到发动机变暖，并且在发动机变暖后，采用第二图(M1)或者第二关系式来确定是否能够实施均质充气压燃运行。
全文摘要
一均质充气压燃式发动机，该发动机用于防止爆震或者失火，即使在空燃比偏离目标值时。基于表示空燃比和排气阀关闭(EVC)正时关系的图，控制器确定由于空燃比改变而发生的失火的可能性，这时能够实施稳定的均质充气压燃运行。当存在失火发生的可能性时，控制器延迟EVC。当由于空燃比改变而使爆震可能发生时，控制器根据一图来使EVC提前。
文档编号G06F7/00GK1690391SQ200510076229
公开日2005年11月2日 申请日期2005年4月27日 优先权日2004年4月27日
发明者葛山裕史, 青木茂 申请人:株式会社丰田自动织机