專利名稱：均質(zhì)充氣壓燃發(fā)動機(jī)的低負(fù)荷操作擴(kuò)展的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
—種正被開發(fā)用于受控自動點火燃燒操作的發(fā)動機(jī)系統(tǒng) 包括設(shè)計成在奧托循環(huán)(Otto cycle)下操作的內(nèi)燃機(jī)。這種裝備有缸 內(nèi)燃料直噴的發(fā)動機(jī)在特定發(fā)動機(jī)操作條件下以受控自動點火燃燒模 式操作，從而獲得改善的發(fā)動機(jī)燃料效率。在特定操作條件期間，采 用火花點火系統(tǒng)來補(bǔ)充(supplement)自動點火燃燒過程。這種發(fā)動機(jī) 被稱作為均質(zhì)充氣壓燃(以下用"HCCI"表示)發(fā)動機(jī)。 HCCI已經(jīng)在二沖程汽油發(fā)動機(jī)中使用常規(guī)的壓縮比來 展示。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，在二沖程發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)從先前周期剩余的高燃燒 氣體比例(即，殘余含量)是提供高的混合物溫度的原因，該高的混 合物溫度對于促使高度稀釋的混合物的自動點火是必要的。 在帶有傳統(tǒng)氣門裝置的四沖程發(fā)動機(jī)中，殘余含量是低 的并且在部分負(fù)荷時難以獲得HCCI。在低和部分負(fù)荷時引起HCCI的 已知方法包括l)進(jìn)氣空氣加熱；2)可變壓縮比；和3)將汽油與點 火促進(jìn)劑混合以產(chǎn)生比汽油更容易點火的混合物。在所有上述方法中， HCCI能夠獲得的發(fā)動機(jī)速度和負(fù)荷的范圍相對窄。已經(jīng)在四沖程汽油 發(fā)動機(jī)中使用帶有某種氣門控制策略的可變氣門致動來展示擴(kuò)展范圍 的HCCI,所述氣門控制策略實現(xiàn)來自先前燃燒周期的高殘余燃燒產(chǎn)物 比例，這種高殘余燃燒產(chǎn)物比例對于高度稀釋混合物的HCCI來說是必要的。利用這種氣門策略，使用常規(guī)的壓縮比顯著地擴(kuò)展HCCI能夠?qū)?br> 現(xiàn)的發(fā)動機(jī)速度和負(fù)荷范圍。 一種這樣的氣門策略包括在排氣沖程期 間借助于提前關(guān)閉排氣氣門而捕獲并且再壓縮廢氣。這樣的氣門控制
可以使用可變凸輪移相器來實施；然而，凸輪移相器權(quán)限(authority) 的確具有調(diào)節(jié)限制。 —種用于擴(kuò)展四沖程均質(zhì)充氣壓燃內(nèi)燃機(jī)的低負(fù)荷操作 的方法包括應(yīng)用氣門致動裝置控制進(jìn)氣氣門和排氣氣門以產(chǎn)生負(fù)氣 門重疊，從而捕獲并再壓縮燃燒室內(nèi)的燃燒氣體。應(yīng)用對于更接近發(fā) 動機(jī)的中負(fù)荷操作的操作來說更短的負(fù)氣門重疊和在發(fā)動機(jī)負(fù)荷降低 時愈加長的負(fù)氣門重疊。燃料的 一部分噴射到再壓縮的燃燒氣體內(nèi)， 該燃料部分是在燃燒周期噴射進(jìn)燃燒室中的燃料總量的一部分。在負(fù) 氣門重疊期間利用熱源將燃料的至少 一部分點火。


圖3A是根據(jù)本發(fā)明的包括負(fù)氣門重疊、加注燃料和點火 的已知方法的示范性圖示；和 圖3B是根據(jù)本發(fā)明的負(fù)氣門重疊、加注燃料和點火的示 范性圖示。
具體實施例方式
示范性發(fā)動機(jī)10包括金屬鑄造的發(fā)動機(jī)缸體和發(fā)動機(jī) 汽缸蓋27,發(fā)動機(jī)缸體帶有在其中形成的多個汽缸，示出了多個汽缸 中的一個。每一汽缸包括端部封閉的汽缸，具有在其中插入的可活動 的、往復(fù)活塞ll?？勺?nèi)莘e的燃燒室20在每一汽缸中形成，并且由汽 缸壁、可活動活塞11和汽缸蓋27限定。發(fā)動才幾缸體優(yōu)選包括發(fā)動枳^ 冷卻劑流體經(jīng)過的冷卻劑通道29。可操作以監(jiān)測冷卻劑流體溫度的冷 卻劑溫度傳感器37位于適當(dāng)位置處，并且提供輸入到控制系統(tǒng)25的 可用于控制發(fā)動機(jī)的參數(shù)信號。發(fā)動機(jī)優(yōu)選包括已知系統(tǒng)，這些已知 系統(tǒng)包括外部廢氣再循環(huán)(EGR)閥和進(jìn)氣空氣節(jié)氣門閥(未示出)。 發(fā)動機(jī)汽缸蓋27包含具有一個或多個進(jìn)氣端口 17以及 一個或多個排氣端口 19的金屬鑄造裝置，進(jìn)氣端口 17和排氣端口 19 流向燃燒室20。進(jìn)氣端口 17供應(yīng)空氣到燃燒室20。燃燒后的(燃燒) 氣體從燃燒室20流經(jīng)排氣端口 19。通過每一進(jìn)氣端口的空氣流借助于 對一個或多個進(jìn)氣氣門21的致動而控制。燃燒氣體的流動通過每一排 氣端口由對一個或多個排氣氣門23的致動而控制。 空氣通過進(jìn)氣歧管流道(ru皿er ) 50進(jìn)入到進(jìn)氣端口 17, 進(jìn)氣歧管流道50接收經(jīng)過已知的空氣計量裝置和節(jié)氣門裝置的過濾空 氣(未示出)。廢氣從排氣端口 19流向包括廢氣傳感器40的排氣歧 管42，廢氣傳感器40可操作以監(jiān)測廢氣流的成分并且確定與其相關(guān)的 參數(shù)。廢氣傳感器40可包含幾種已知感測裝置的任一種，所述感測裝 置可操作以提供廢氣流的參數(shù)值，包括空燃比或廢氣成分(例如，NOx, CO, HC和其他成分)的測量值。系統(tǒng)可包括用于監(jiān)測燃燒壓力的缸 內(nèi)傳感器16或非侵入式壓力傳感器或推斷確定的壓力測定(例如，通 過曲軸加速度)。前述傳感器和計量裝置中的每一個都將信號作為參 數(shù)輸入提供給控制系統(tǒng)25。這些參數(shù)輸入可以由控制系統(tǒng)使用從而確 定燃燒性能測量值。 控制系統(tǒng)25優(yōu)選地包含總體控制體系結(jié)構(gòu)的子組，所述 總體控制體系結(jié)構(gòu)可操作提供對發(fā)動機(jī)10和其他系統(tǒng)的協(xié)調(diào)系統(tǒng)控 制。在總體操作中，控制系統(tǒng)25可操作以綜合操作員輸入、環(huán)境條件、 發(fā)動機(jī)操作參數(shù)和燃燒性能測量值，并且執(zhí)行算法去控制各種致動器 從而獲得控制參數(shù)(包括這樣的參數(shù)，如燃料經(jīng)濟(jì)性、排放物、性能 和駕駛性能)的目標(biāo)值。控制系統(tǒng)25可操作地連接到多個裝置，通過 這些裝置操作員通?？刂苹蛞龑?dǎo)發(fā)動機(jī)的操作。在發(fā)動機(jī)應(yīng)用在機(jī)動 車中時，示范性的操作員輸入包括加速器踏板、制動踏板、變速器檔 位選擇器和機(jī)動車速度巡航控制?？刂葡到y(tǒng)可通過局域網(wǎng)(LAN)總 線(未示出)與其他控制器、傳感器和致動器通信，局域網(wǎng)(LAN) 總線優(yōu)選地允許各種控制器之間的控制參數(shù)和指令的結(jié)構(gòu)化通信。由控制系統(tǒng)25控制的致動器包括燃料噴射器12; VCP/VLC氣門致動裝置60、 70;可操作地連接到點火模塊用于控制火花保持(spark dwell)和定時的火花塞14;廢氣再循環(huán)(EGR)閥(未 示出)和電子節(jié)氣門控制模塊(未示出)。燃料噴射器12優(yōu)選地可操 作以將燃料直接噴射進(jìn)每一燃燒室20中。示范性的直噴燃料噴射器的 特定細(xì)節(jié)是已知的，在此不再描述?？刂葡到y(tǒng)25應(yīng)用火花塞14從而 在發(fā)動機(jī)速度與負(fù)荷操作范圍的部分上提高對示范性發(fā)動機(jī)的點火定 時控制。在示范性發(fā)動機(jī)操作在純HCCI模式下時，發(fā)動機(jī)不使用被激 勵的火花塞。然而已經(jīng)證實，希望在某些條件下應(yīng)用火花點火來補(bǔ)充 HCCI模式，這些條件例如包括，在冷啟動期間(以防止堵塞)，以及
已經(jīng)證實在HCCI模式中在高負(fù)荷操作限制時以及在限流或無限流的 火花點火操作下的高速/負(fù)荷操作條件時優(yōu)選地使用火花點火。 控制系統(tǒng)25可操作地連接到發(fā)動才幾10,并且用以獲取來 自傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)和經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕涌?45來控制發(fā)動機(jī)10的各種致 動器?？刂葡到y(tǒng)25執(zhí)行存儲在其中的算法代碼以控制前述致動器到特 定控制狀態(tài)從而控制發(fā)動機(jī)操作，包括節(jié)氣門位置(ETC);火花定 時和保持(IGN);燃料噴射質(zhì)量和定時(Inj—pw);進(jìn)氣和/或排氣氣 門開啟的定相、升程和持續(xù)時間(VCP/VLC);和控制再循環(huán)廢氣流 量的EGR閥位置(EGR)。進(jìn)氣和/或排氣氣門開啟的定相、升程和持 續(xù)時間包括排氣氣門再次開啟的負(fù)氣門重疊和升程(在排氣再換氣策 略中)?？刂颇K適于監(jiān)測來自操作員的輸入信號(例如，加速器踏 板位置和制動踏板位置)從而確定操作員扭矩請求(To一req),且適于 監(jiān)測來自傳感器(包括表示發(fā)動機(jī)速度(RPM)、發(fā)動機(jī)負(fù)荷(使用 MAF、 MAP或Inj_pw)、冷卻劑溫度(冷卻劑)、進(jìn)氣空氣溫度(Tin) 和其他環(huán)境條件的傳感器)的發(fā)動機(jī)操作狀態(tài)，從而確定主要與發(fā)動 機(jī)速度和負(fù)荷有關(guān)的發(fā)動機(jī)操作點。 現(xiàn)在參考圖2A,示出了帶有可變氣門致動系統(tǒng)的示范性 雙頂置凸輪發(fā)動機(jī)在各種發(fā)動機(jī)速度下的燃燒模式與負(fù)荷條件的示范 性映射，所述可變氣門致動系統(tǒng)具有雙凸輪移相器和2級提升器系統(tǒng)。 在HCCI模式下，示范性發(fā)動機(jī)可操作在發(fā)動機(jī)速度(RPM)和由燃 料量(mg/周期)表示的負(fù)荷的范圍上。線IIO描述在HCCI模式下操 作發(fā)動機(jī)的上限。線IIO之下是各種HCCI操作的子區(qū)域，包括當(dāng)量和 貧HCCI (lean HCCI)模式。根據(jù)加注燃料策略，貧HCCI模式被進(jìn)一 步細(xì)分(線120),加注燃料策略大體建立在高部分負(fù)荷時的單獨噴射 和低于高部分負(fù)荷時的分離或雙噴射。線130描述了在沒有外部點火 源的情況下以純HCCI;溪式操作發(fā)動機(jī)的下限。已知的在線130下方區(qū) 域操作發(fā)動機(jī)的策略包括當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)點火模式和在活塞的壓縮與膨脹沖 程之間轉(zhuǎn)換附近使用火花輔助的混合HCCI^t式。然而，應(yīng)當(dāng)知道，火 花輔助HCCI模式失去了由純HCCI操作獲得的很多優(yōu)點。 此外，將熱源增加給在負(fù)氣門重疊期間存在的燃料減少 了4吏用主動氣門定相(aggressive valve phasing )的需要。因為熱源存 在以保證噴射到燃燒氣體的燃料將部分地燃燒，所以，對于給定的發(fā) 動機(jī)負(fù)荷來說在較小的負(fù)氣門重疊下可獲得實現(xiàn)燃燒氣體中部分燃燒 所需的條件。 本發(fā)明已經(jīng)描述了某些優(yōu)選實施例和這些優(yōu)先實施例的 修改。在閱讀并理解詳細(xì)說明的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到進(jìn)一步修改和改變。因此，意圖是本發(fā)明不被限制為作為實施本發(fā)明而 構(gòu)思的最佳模式所公開的具體實施例，而是本發(fā)明包括落入所附權(quán)利 要求范圍內(nèi)的全部實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于擴(kuò)展四沖程均質(zhì)充氣壓燃內(nèi)燃機(jī)的低負(fù)荷操作的方法，所述四沖程均質(zhì)充氣壓燃內(nèi)燃機(jī)包括由在上止點和下止點之間在汽缸內(nèi)往復(fù)運動的活塞所限定的可變?nèi)莘e燃燒室，進(jìn)氣和排氣通道，以及在所述活塞的重復(fù)和按順序的排氣、進(jìn)氣、壓縮和膨脹沖程期間被控制的進(jìn)氣和排氣氣門，所述方法包括應(yīng)用氣門致動裝置來控制所述進(jìn)氣氣門和所述排氣氣門以產(chǎn)生負(fù)氣門重疊，從而捕獲并再壓縮所述燃燒室內(nèi)的燃燒氣體，對于更接近所述發(fā)動機(jī)的中負(fù)荷操作的操作來說所述應(yīng)用實現(xiàn)更短的負(fù)氣門重疊，并且在發(fā)動機(jī)負(fù)荷降低時所述應(yīng)用實現(xiàn)愈加長的負(fù)氣門重疊；在所述負(fù)氣門重疊期間將燃料的部分噴射進(jìn)所述再壓縮的燃燒氣體，所述燃料的部分是在燃燒周期噴射進(jìn)所述燃燒室中的燃料的總量的一部分；以及在所述負(fù)氣門重疊期間，利用熱源將燃料的所述部分中的至少一部分點火。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述應(yīng)用包括調(diào)節(jié)所述排氣氣 門的相位。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述應(yīng)用包括調(diào)節(jié)所述進(jìn)氣氣 門的相位。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述應(yīng)用包括調(diào)節(jié)所述排氣氣 門和所述進(jìn)氣氣門的相位。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述調(diào)節(jié)所述排氣氣門和所述 進(jìn)氣氣門的相位作為協(xié)調(diào)變化而執(zhí)行，其中， 一個氣門相位的任何變 化由另 一個氣門相位的大體相同且相反的變化所匹配。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述噴射和點火形成分層、噴 霧引導(dǎo)的燃燒。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述點火利用火花塞實現(xiàn)。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述點火利用預(yù)熱塞實現(xiàn)。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述點火利用所述燃燒室內(nèi)的 熱點實現(xiàn)。
10. —種用于在低負(fù)荷均質(zhì)充氣壓燃操作下操作內(nèi)燃機(jī)的設(shè)備，包 括由在上止點和下止點之間在汽缸內(nèi)往復(fù)運動的活塞所限定的可變?nèi)莘e燃燒室；進(jìn)氣氣門和排氣氣門；用于改變所述進(jìn)氣和排氣氣門的定相的氣門致動裝置，其中，所 述進(jìn)氣氣門和排氣氣門在所述活塞的重復(fù)和按順序的排氣、進(jìn)氣、壓 縮和膨脹沖程期間受到所述氣門致動裝置的控制，所述排氣氣門在所 述進(jìn)氣氣門開啟之前關(guān)閉以產(chǎn)生負(fù)氣門重疊，對于較高的低負(fù)荷操作 所述負(fù)氣門重疊更短，對于較低的低負(fù)荷操作所述負(fù)氣門重疊更長；在所述負(fù)氣門重疊期間將燃料噴射進(jìn)所述燃燒室中的燃料噴射 器；和定位為在所述負(fù)氣門重疊期間點火的熱源。
11. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述熱源是火花塞。
12. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述熱源是預(yù)熱塞。
13. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述熱源是所述燃燒室內(nèi)的熱 點。
14. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述熱點是通過試驗識別的在 低負(fù)荷操作期間 一 直呈現(xiàn)高溫的所述燃燒室的 一 部分。
15. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述熱點是形成為遠(yuǎn)離所述燃 燒室內(nèi)的冷卻特征的所述燃燒室的 一部分，使得所述部分在低負(fù)荷操 作期間呈現(xiàn)高溫。
16. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，為了調(diào)節(jié)所述負(fù)氣門重疊，所 述氣門致動裝置調(diào)節(jié)所述進(jìn)氣氣門和所述排氣氣門中的至少一個的相 位通過多個相位。
17. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，為了調(diào)節(jié)所述負(fù)氣門重疊，所 述氣門致動裝置調(diào)節(jié)所述進(jìn)氣氣門和所述排氣氣門中的至少一個的相 位通過連續(xù)的相^f立范圍。
18. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述氣門致動裝置使用機(jī)械致 動來調(diào)節(jié)所述進(jìn)氣氣門和所述排氣氣門中的至少一個的相位。
19. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述氣門致動裝置使用電氣致 動來調(diào)節(jié)所述進(jìn)氣氣門和所述排氣氣門中的至少一個的相位控制。
20. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述氣門致動裝置使用電動液 壓致動來調(diào)節(jié)所述進(jìn)氣氣門和所述排氣氣門中的至少一個的相位控 制。
全文摘要
一種擴(kuò)展均質(zhì)充氣壓燃發(fā)動機(jī)的低負(fù)荷操作的方法，所述方法包括應(yīng)用氣門致動裝置產(chǎn)生負(fù)氣門重疊，從而捕獲并再壓縮燃燒室內(nèi)的燃燒氣體，在發(fā)動機(jī)負(fù)荷降低時所述裝置實現(xiàn)愈加長的負(fù)氣門重疊；在所述負(fù)氣門重疊期間將燃料的一部分噴射進(jìn)再壓縮的燃燒氣體；并且在所述負(fù)氣門重疊期間，利用熱源將燃料點火。
文檔編號F02B17/00GK101558220SQ200780042721
公開日2009年10月14日 申請日期2007年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月16日
發(fā)明者B·L·布朗, D·R·薩瑟蘭, T·-W·郭 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司