均質充氣壓縮點火發動機的發動機預熱的製作方法
2023-10-17 19:08:59 4
專利名稱：均質充氣壓縮點火發動機的發動機預熱的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及內燃機控制系統。發明背景本部分中的陳述僅僅提供與本發明相關的背景信息，不能構成現有 技術。被研製出來用於受控的自燃燃燒操作的一種發動機系統包括被設 計成在奧託循環下運^亍的內燃機。配備有直接缸內燃料噴射的發動才幾在 特定的發動機運行條件下在受控的自燃模式中運行以獲得改進的發動 機燃料效率。火花點火系統用來在特定的運行條件期間補充自燃燃燒過程。這種發動機被稱為均質充氣壓縮點火(在下文中稱為"Hccr)發動機。在HCCI燃燒模式中運行的HCCI發動機在燃燒室中形成被燃燒的 氣體、空氣和燃料的充氣混合物，並且在壓縮衝程期間從充氣混合物內 的許多點火位置同時開始自燃，導致合適的動力輸出、高的熱效率和低 的排放。燃燒被高度稀釋並且均勻地分布在整個充氣混合物中，導致低 的燃燒廢氣溫度和典型地比傳統火花點火發動機或傳統柴油機的NOx 排放低得多的NOx排放。HCCI在利用常規壓縮比的兩沖程汽油機中已經得到證實。相信在 兩沖程發動機燃燒室內從前一個循環剩餘的燃燒廢氣(即殘留含量)的 高比例是在高度稀釋的混合物中提供促進自燃所需的高混合氣溫度的 原因。在具有傳統氣門裝置的四沖程發動機中，殘留含量4氐，部分負荷時 的HCCI難以實現。在低負荷和部分負荷時引起HCCI的已知方法包括 1)進氣加熱，2)可變壓縮比，和3)使汽油與引燃促進劑混合以產生 比汽油更易燃的混合物。在所有上述方法中，能實現HCCI的發動機轉 速和負荷的範圍相對狹窄。在使用具有某些氣門控制策略的可變氣門致 動的四衝程汽油;f幾中已經i正實了 HCCI的範圍擴大，所述氣門控制策田各 實現了從前 一 個燃燒循環殘留的燃燒產物的高比例，所述高比例是在高度稀釋的混合物中實現HCCI所需的。通過這種氣門策略，利用傳統的壓縮比大大擴大了能實現HCCI的發動機轉速和負荷的範圍。 一個這種氣門策略包括在排氣沖程期間通過及早關閉排氣門來捕獲和再壓縮廢 氣以及低的氣門升程。能利用可變凸輪相位器和兩步式升程凸輪來實施 這種氣門控制。上述HCCI發動機運行策略是基於充分預熱的發動4幾運行條件下的 大範圍穩定狀態測試，然而冷起動和發動機預熱運行會造成一些另外的 難題。HCCI模式中的運行，包括燃料空氣混合物的受控的自燃，高度 取決於在規定曲軸位置實現特定的充氣壓力和溫度。冷發動機條件不利 地影響充氣自燃的能力，抑制HCCI運行。雖然通過釆用專門設計的燃 燒室，申請人成功地證實了對冷起動(環境溫度)運行的改進，其中所 述燃燒室包括活塞碗和部件(例如，噴油嘴和火花塞)布置，但在維持 穩固的HCCI發動機運行和廢氣後處理系統的管理時從環境溫度向充分 預熱運行的過渡正在遭受挑戰。發明內容一種運行四衝程內燃機的方法，所述內燃機包括由在氣缸內在上止 點和下止點之間往復運動的活塞所限定的容積可變的燃燒室，進氣和排 氣通道，和在活塞的重複的、順序的排氣、進氣、壓縮和膨脹衝程過程 中受控的進氣和排氣門，直接噴射式燃料系統和火花點火系統，該方法 包括，在發動機在預定發動機溫度範圍內的冷起動條件下開動的過程中 和在那之後的一段持續時間直到預定發動機溫度為止，4吏發動機在火花 輔助起動模式中運行，火花輔助起動模式包括控制進氣和排氣門以在 大約180至大約200曲柄角度的範圍內實現部分升程的、負的氣門重疊 (negative valve overlap),控制燃料系統以在負氣門重疊過程中供應第 一次燃料噴射，並在活塞的壓縮衝程過程中供應第二次燃料噴射，和控 制火花點火系統以實現火花輔助點火。
現在將參考附圖描述作為例子的 一個或多個實施例，其中 圖1是根據本發明的適合於HCCI和SI運行模式的示例性內燃機的 示意圖；圖2A和2B表示根據本發明第一示例性方法在實現火花輔助起動和 預熱運行模式中採用的協同的氣門、加燃料和火花控制； 圖2A是HCCI運行中火花輔助起動模式的圖解； 圖2B是HCCI運行中預熱模式的圖解；圖3A和3B表示根據本發明第二示例性方法在實現冷起動和預熱運 行模式中採用的協同的氣門、加燃料和火花控制； 圖3A是SI運行中冷起動模式的圖解； 圖3B是HCCI運行中預熱模式的圖解；和圖4A-4C表示才艮據本發明第三示例性方法在實現曲柄和點火起動 和預熱運行模式中採用的協同的氣門、加燃料和火花控制，其中曲柄和 點火起動和預熱運行模式包括居間的催化劑加熱模式；圖4A是SI運行中的曲柄和點火起動模式的圖解；圖4B是SI運行中催化劑加熱模式的圖解；和圖4C是HCCI運行中預熱模式的圖解。
具體實施方式
現在參考附圖，其中所示的內容僅僅是為了說明某些示範性實施例 而非為了限制本發明，圖1表示根據本發明一實施例構造的內燃機10 和控制系統25的示意圖。所示的實施例作為整個控制才莫式的一部分適 用於操作示例性的多缸式、火花點火、直接噴射式、汽油、四衝程內燃機，該內燃機適合於在受控的自燃過程下運行，其也被稱為均質充氣、 壓縮點火("HCCI ")模式。示例性的發動機10包括金屬鑄造的發動機氣缸體和發動機氣缸 蓋27,發動機氣缸體具有多個形成於其中的氣缸，氣缸中的一個^L示出。 每個氣缸都包括端部封閉的氣缸，氣缸具有插入其中的可移動的、往復 運動的活塞ll。容積可變的燃燒室20形成在每個氣缸中，並且由氣缸壁、可移動的活塞1l和氣缸蓋27限定。發動坤;u氣缸體優選地包括冷卻劑通道29,發動機冷卻劑流體通過冷卻劑通道29。可操作以監視冷卻 劑流體溫度的冷卻劑溫度傳感器37位於合適的位置，並且向控制系統 25提供參數信號輸入，控制系統25可用來控制發動機。發動機優選地 包括已知的系統，這些系統包括外部的廢氣再循環("EGR")閥和進 氣節氣門(未示出)。每個可移動的活塞11都包括根據已知活塞形成方法設計的部件， 並且包括頂部和主體，主體基本上與活塞運行於其中的氣缸一致。活塞具有暴露在燃燒室中的頂部或冠部區域。每個活塞通過銷34和連杆33 連接到曲軸35,曲軸35在發動機氣缸體底部附近的主支承區域處可旋 轉地安裝到發動機氣缸體，以使得曲軸能繞一軸線旋轉，該軸線垂直於 由每個氣缸限定的縱向軸線。曲柄傳感器31位於合適的位置中，可操 作以產生可由控制器25用來測量曲柄角的信號，並且該信號是可轉化 的以提供可在不同控制模式中使用的曲軸旋轉、轉速和加速度的測量結 果。在發動才幾的運行過程中，由於連接到曲軸35和曲軸35的旋摔爭以及 燃燒過程，每個活塞11都在氣缸中以往復運動的方式上下移動。曲軸 的旋轉動作使得在燃燒過程中施加在每個活塞上的線性力轉變成從曲 軸的角扭矩輸出，該角扭矩輸出能被傳遞給另一個器件，例如車輛動力 傳動系統。發動機氣缸蓋27包括金屬鑄造的器件，該器件具有通向燃燒室20 的一個或多個進氣口 17和一個或多個排氣口 19。進氣口 17將空氣供應 到燃燒室20,燃燒過的(燒過的)氣體通過排氣口 19從燃燒室20流出。 通過致動一個或多個進氣門21來控制通過每個進氣口的空氣的流動， 通過致動一個或多個排氣門23來控制通過每個排氣口的燃燒過的氣體 的5危動。進氣和排氣門21、 23各自具有頭部，頭部包括暴露於燃燒室的頂 部。氣門21、 23的每一個都具有連接到氣門致動器件的杆部。由60表 示的氣門致動器件可操作以控制每個進氣門21的打開和關閉，第二氣 門致動器件70可操作以控制每個排氣門23的打開和關閉。氣門致動器 件60、 70的每一個都包括信號地連接到控制系統25的器件，該器件可 操作以 一致地或單獨地控制每個氣門的打開和關閉的正時、持續時間和 大小。示例性發動機的第一實施例包括具有可變升程控制("VLC") 和可變凸輪定相("VCP，，)的雙頂置凸輪系統。VCP器件可操作以控 制每個進氣門和每個排氣門相對於曲軸旋轉位置的的打開和關閉的正 時並將每個氣門打開一固定的曲柄角持續時間。示例性的VCP器件包 括眾所周知的凸輪相位器。示例性的VLC器件可操作以將氣門升程的 大小控制到兩個位置之一 一個位置為3-5mm升程，對應120-150 曲柄角度的打開持續時間，另一個位置為9- 12mm升程，對應220 -260ii曲柄角度的打開持續時間。示例性的VLC器件包括眾所周知的兩步式
升程凸輪。單獨的氣門致動器件能起相同的功能達到相同的效果。氣門
致動器件優選地由控制系統25按照預定的控制模式控制。也可以使用 可選的可變氣門致動器件，其例如包括充分靈活的電氣或電動液壓器 件，可選的可變氣門致動器件具有更多的好處，即獨立的打開和關閉相 位控制以及在系統的限制內基本上無限的氣門升程可變性。在此描述控 制氣門的打開和關閉的控制模式的具體方面。
空氣通過進氣歧管流道50進入進氣口 17,進氣歧管流道50接收通 過已知的空氣計量器件和節氣門器件(未示出)的已過濾空氣。廢氣從 排氣口 19流到包括廢氣傳感器40的排氣歧管42,廢氣傳感器40可搡 作以監視廢氣供應流的成分，並確定與其相關的參數。廢氣傳感器40 可包括幾種已知的檢測器件中的任一個，所述已知的檢測器件可操作以 提供用於廢氣供應流的參數值，包括空/燃比，或廢氣成分的測量結果， 例如NOx、 CO、 HC和其他成分。系統可以包括用於監碎見燃燒壓力的缸 內傳感器16,或非侵入式壓力傳感器或根據推理確定的壓力確定(例如， 通過曲軸加速度)。上述傳感器和計量器件各自向控制系統25提供信 號作為參數輸入，控制系統能利用這些參數輸入來確定燃燒性能測量結 果。
控制系統25優選地包括總控制體系結構的一個子集，總控制體系 結構可操作以提供發動機10和其他系統的協同系統控制。在整個操作 中，控制系統25可操作以綜合搡作者輸入、環境條件、發動機運行參 數和燃燒性能測量結果，並執行算法以控制不同的致動器實現控制參數 的目標，包括這些參數如燃料經濟性、排放、性能和駕駛性。控制系統 25可操作地連接到多個器件，通過所述器件，操作者典型地控制或指揮 發動機的運行。當發動積^皮用於車輛中時，示例性的才喿作者輸入包括加 速踏板、制動踏板、變速器擋位選擇器和車速巡航控制。控制系統可以 通過區域網("LAN")總線(未示出)與其他控制器、傳感器和致動 器通信，區域網總線優選地允許控制參數和指令在不同控制器之間的結 構化通信。
控制系統25可操作地連接到發動機10,並且起作用以從傳感器獲 得參數數據，並通過合適的接口 45控制發動機10的各種致動器。基於 操作者輸入，控制系統25接收發動機扭矩指令，並產生所需的扭矩輸出。控制系統25利用上述傳感器檢測的示例性發動機運行參數包括發
動機冷卻劑溫度、曲軸旋轉速度("RPM")和位置、歧管絕對壓力、
環境氣流和溫度、和環境氣壓。燃燒性能測量結果典型地包括測量的和 推斷的燃燒參數，其中包括空/燃比、最大燃燒壓力的位置。
控制系統25控制的致動器包括燃料噴射器12; VCP/VLC氣門致 動器件60、 70;火花塞14，其可操作地連接到用於控制點火觸點閉合 角和正時的點火模塊；廢氣再循環(EGR)閥(未示出)，和電子節氣 門控制模塊(未示出)。燃料噴射器12優選地可操作以將燃料直接噴 射到每個燃燒室20中。示例性的直接噴射燃料噴射器的具體細節是已 知的，在此不再詳述。控制系統25利用火花塞14在發動機轉速和負荷 運行範圍的各個部分上提高示例性發動機的點火正時控制。當示例性的 發動機在純粹的HCCI才莫式中運行時，發動機不使用通電的火花塞。然 而，已經證明希望在某些條件下，例如包括在冷起動過程中，利用火花 點火補充HCCI模式以防止結垢，並根據本發明的某些方面，在低負荷 極限附近的低負荷運行條件處，希望利用火花點火。同樣，已經i正明， 在HCCI模式中的高負荷運行極限時，和在用節氣門調節的或不用節氣 門調節的火花點火操作下在高速/負荷運行條件，最好採用火花點火。
控制系統25優選地包括通用數字計算機，其一般包括微處理器或 中央處理器、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、電子 可編程只讀存儲器(EPROM)、高速時鐘、模數轉換(A/D)和數模轉 換(D/A)電路、和輸入/輸出電路和器件(I/O)和合適的信號調節和緩 衝電路。每個控制器都具有一套控制算法，控制算法包括存儲在ROM 中的常駐程序指令和標定，其被執行以提供每個計算^/L各自的功能。
用於發動機控制的算法典型地在預定循環期間被執行以使得每個 算法在每個循環中被執行至少 一 次。存儲在固定存儲器器件中的算法由 中央處理器執行並且可操作以監視來自檢測器件的輸入，並利用預定標 定執行控制和診斷程序以控制發動機的運行。在正在進行的發動機運行 過程中，典型地以規則間隔，例如每3.125、 6.25、 12.5、 25和100毫秒， 執行循環。作為選擇，可以響應事件的發生或中斷請求執行算法。
如上所述，由於具有多個好處，如有效的燃燒、燃料經濟性和排放， 所以當運行條件允許HCCI模式時，在HCCI模式中運行相對於在SI模 式中運行是優選的。然而，與冷起動相關的冷發動機條件和由此引起的充氣的低溫妨礙了正常HCCI運行所要求的受控的自燃。為了補償冷發
動機條件，披露了許多方法。所描述的方法利用測量結果以有助於比正 常充氣更冷的燃燒，監視發動機溫度，例如通過發動機冷卻劑的溫度來
監視發動機溫度，並在發動機溫度達到表明正常的HCCI模式可能發生 的閾值時自動過渡到正常的HCCI模式。在此披露的各種方法可以孤立 地或作為整個車輛冷起動策略的一部分使用，^使用的方法取決於起動時 的測量溫度。這種冷起動策略可基於起動循環的預期困難選擇所使用的 方法對於較容易的起動，採用更有燃料效率的和排放友好的發動機設 定，且對於較困難的起動，採用更有效的或更大消耗動力的發動機設定。
第一種方法與正常的HCCI模式相似地操作，其在整個預熱期間在 HCCI運行的極限處運行，具有大至最大的NVO和兩倍的噴射以便給予 燃燒充氣儘可能多的熱量。然而，不同地，第一種方法還增加了火花輔 助以便即使充氣太冷而不能經歷穩定的自燃，也能確保燃燒。該第一種 方法在接近但未處於正常HCCI運行中的條件內是最有用的，其在穩定 燃燒過程的同時保持了 一些正常HCCI運行的好處。
第二種方法比第一種更積極地起作用，在預熱期間的剩餘時間轉換
成火花輔助的HCCI模式之前，其暫時利用SI模式進行起動操作。在該 方法中用於起動的SI模式獲得了在本領域中與標準的點火相關的穩定 性優點，同時保持了與HCCI模式相關的比較有燃料效率的氣門正時和 升程設定。當在SW莫式中的運行繼續時，發動機溫度經過某一臨界水平， 在該臨界水平之上，冷HCCI或火花輔助的HCCI可能發生。然後，第 二種方法在預熱期間的整個剩餘時間過渡到火花輔助的HCCI。在冷發 動機條件下，當充氣太冷而不能接近HCCI運行直到經過了 Sl運^f亍的一 些時間，該第二種方法是有用的；然而，在該方法中採用的低氣門操作 減輕了對發動機特性如燃料經濟性和排放的衝擊，轉換到高氣門SI模式 將會招致所述衝擊。
第三種方法比第一、二種方法中的任一個更積極地起作用，其利用 全開氣門"曲柄和點火，，SI模式起動發動機，過渡到SI催化劑加熱才莫 式。該全開氣門SI模式完全利用發動機的能力在正常燃燒條件下起動以 便克服最冷的起動條件。在該全開SI才莫式中沒有實現與HCCI運^f亍相關 的好處。 一旦實現了發動機起動，第三種方法就將全開氣門SI才莫式稍微 減輕成SI催化劑加熱模式以便使廢氣系統中的廢氣處理器件達到運行溫度。最後，在使發動機和廢氣處理器件超過臨界溫度之後，第三種方 法在預熱期間的剩餘時間過渡到與第一 、二種方法的冷HCCI才莫式相似
的冷HCCI模式。本公開不應局限於在此描述的具體方法可以想到對 於整個方法的許多改變。通過在此的公開，不同的方法、它們的實現和 好處將變得顯而易見。
現在參考圖2A和2B,給出了根據本發明第一示例性方法在實現冷 起動和預熱運行模式中採用的協同的氣門、加燃料和火花控制的圖解。 圖2A和2B中的每一個都沿著橫軸表示發動機曲柄角，其中在零點處的 坐標對應於活塞的排氣和進氣衝程之間的上止點(TDC)。進氣和排氣 門升程由縱軸代表並且一般地包括如所示的低和高升程點，其對應於低 和高升程凸輪的升程，能通過示例性硬體實施例中的示例性兩步式升程 凸輪來實現低和高升程凸輪的升程。
在圖2A中示出了在火花輔助的HCCI模式或火花輔助冷起動模式 中的起動發動機操作，其使用低升程凸輪，其中在發動機開動過程中進 行分段式噴射，並且這種操作在整個預熱期間持續，當發動機溫度超過 一預定閾值時過渡到傳統的HCCI運行，所述預定閾值表明有助於這種 HCCI運行的發動機條件。圖2B表示從火花輔助的HCCI模式中的冷起 動運行向火花輔助的HCCI模式中的預熱運行的過渡。在某些實施例中， 在由圖2A和2B代表的運行的這兩個階段中的發動機設定可以是同樣 的，或者就較長的NVO (例如，與用於預熱運4亍的180曲柄角度相比， 用於起動運行的大約200曲柄角度)、第一次噴射與第二次噴射的較高 的質量比(與預熱運行中大約20%相比，高達50% )、和對於噴射和 點火正時的小的調節而言，與預熱運行中的發動機設定相比，冷起動運
以從冷起動運行中的幾乎化學計量的燃料空氣比過渡到預熱運行中的 稀燃料空氣比。這些過渡適於發動機溫度，例如通過冷卻劑溫度測量的 發動機溫度，並且可以以分步的方式發生或可以隨發動機溫度的變化而 逐漸地逐步採用。在冷起動和預熱運行過程中，如圖2A和2B中分別所 示，發動機在化學計量空/燃比至稀空/燃比的情況下運行，如在上文中 關於低升程凸輪所描述地具有減小的升程和持續時間的氣門動作，最大 達到在VCP的NVO才及限處或附近的大NVO,並且進4亍分l炎式噴射， 第一次噴射(I])發生在NVO期間，第二次噴射(12)發生在壓縮衝程末期。在火花輔助的HCCI冷起動和預熱運行過程中NVO的優選範圍 是大約180至大約200曲柄角度。在火花輔助的HCCI冷起動和預熱運 行過程中第一部分燃料供應的優選範圍是大約-40至大約20曲柄角 度，在火花輔助的HCCI冷起動和預熱運行過程中第二部分燃料供應的 優選範圍是大約300至大約350曲柄角度。在火花輔助的HCCI冷起動和 預熱運行過程中火花供應的優選範圍是大約300至大約350曲柄角度。
現在參考圖3A和3B,給出了根據本發明第二示例性方法在實現冷 起動和預熱運行^t式中採用的另 一個協同的氣門、加燃料和火花控制的 圖解。圖3A和3B中的每一個都沿著橫軸表示發動機曲柄角，其中在零 點處的坐標對應於活塞的排氣和進氣衝程之間的上止點(TDC)。進氣 和排氣門升程由縱軸代表並且一般地包括如所示的低和高升程點，其對 應於低和高升程凸輪的升程，能通過示例性硬體實施例的示例性兩步式 升程凸輪來實現低和高升程凸輪的升程。
在圖3A中示出了在SI模式或冷起動模式中的起動發動機操作，其 使用低升程凸輪，其中進行分段式噴射和催化劑預熱，分段式噴射具有 用於發動機的幾乎化學計量的空/燃比。在發動機溫度，例如通過冷卻劑 溫度測量的發動機溫度，達到預定臨界溫度例如50攝氏度之後，圖3B 中示出了向冷HCCI模式(預熱運行)的轉換。在預熱運行之後，控制 當發動才幾溫度超過一預定閾值時向傳統HCCI運行的過渡，所述預定閾 值表明有助於這種HCCI運行的發動機條件。在SI模式過程中，發動機 在幾乎化學計量的空/燃比的情況下運行，適度地達到最小的NVO,並 且進行分段式噴射，第一次噴射(IJ發生在NVO期間，第二次噴射(12) 發生在壓縮衝程末期。在冷HCCI模式(預熱運行)過程中，發動機在 化學計量空/燃比至稀空/燃比的情況下運行，具有減小的升程和持續時
間的氣門動作，最大達到大NVO,並且進行分段式噴射，第一次噴射發 生在NVO期間，第二次噴射發生在壓縮衝程末期。在SI模式冷起動運 行過程中NVO的優選範圍是大約0至大約60曲柄角度，在預熱運行過 程中是大約180至大約200曲柄角度。在SI模式冷起動運行過程中第一 部分燃料供應的優選範圍是大約0至大約60曲柄角度，在SI模式冷起 動運行過程中第二部分燃料供應的優選範圍是大約300至大約350曲柄 角度。在預熱運行過程中第一部分燃料供應的優選範圍是大約-40至大 約20曲柄角度，在預熱運行過程中第二部分燃料供應的優選範圍是大
16約300至大約350曲柄角度。在SI模式冷起動運行過程中火花供應的優 選範圍是大約310至大約360曲柄角度，在預熱運行過程中火花供應的 優選範圍是大約300至大約350曲柄角度。
現在參考圖4A-4C,給出了根據本發明第三示例性方法在實現冷 起動和預熱運行模式中採用的又一個協同的氣門、加燃料和火花控制的 圖解，其中冷起動和預熱運行模式包括居間的廢氣處理器件加熱才莫式。 圖4A、 4B和4C中的每一個都沿著橫軸表示發動機曲柄角，其中在零 點處的坐標對應於活塞的排氣和進氣衝程之間的上止點(TDC)。進氣 和排氣門升程由縱軸代表並且一般地包括如所示的低和高升程點，其對 應於低和高升程凸輪的升程，能通過示例性硬體實施例的示例性兩步式 升程凸輪來實現低和高升程凸輪的升程。
在圖4A中示出了在SI模式中的起動發動機操作，其使用高升程凸 輪，具有分段式噴射或曲柄和點火起動模式，其針對在發動機開動過程 中在發動才幾起動以前的一個至幾個發動機循環。隨後，在圖4B中示出 了催化劑加熱模式，其使用高升程凸輪。然後，在圖4C中示出了向冷 HCCI模式(預熱運行)的轉換，其在催化劑和發動機達到各自的閾溫 度之後使用低升程凸輪。在預熱運行之後，控制當發動機溫度超過一預 定閾值時向傳統HCCI運行的過渡，所述預定閾值表明有助於這種HCCI 運行的發動機條件，所述發動機溫度例如通過冷卻劑溫度測量。在起動 發動機運行的過程中，在壓縮衝程期間，發動機在幾乎化學計量的空/ 燃比、完全的升程和持續時間的氣門動作、最小氣門重疊和單次的或分 段式噴射的情況下運行。隨後，發動機運行過渡到催化劑加熱才莫式，在 該模式下空/燃比接近化學計量空/燃比，保持完全的升程和持續時間的 氣門動作，引入適度的NVO水平以將廢氣排放減到最小，噴射被分開 在進氣衝程(h )和壓縮衝程(12 )並且點火正時一皮延遲，優選地在TDC 燃燒(360度)之後。作為通過廢氣使更多的燃燒熱量離開燃燒室的一 種方法，將點火正時調節到TDC之後的某個點在本領域中是已知的。 廢氣中的這個額外的熱量起加快廢氣處理器件的加熱的作用。 一旦催化 劑和發動機分別達到臨界溫度，發動機就過渡到冷HCCI模式(預熱運 行)，並在化學計量空/燃比至稀空/燃比的情況下運行，具有減小的升 程和持續時間的氣門動作，最大達到大NVO,並且進行分段式噴射，第 一次噴射(h)發生在NVO期間，第二次噴射(12)發生在壓縮沖程末期。在SI沖莫式冷起動運行過程中NVO的優選範圍是大約-40至大約0 曲柄角度，在催化劑加熱運行過程中是大約0至大約40曲柄角度，在 預熱運行過程中是大約180至大約200曲柄角度。在冷起動運行過程中 實施分段式噴射的場合，在SI模式冷起動運行過程中第 一部分燃料供應 的優選範圍是大約200至大約240曲柄角度，在SI模式冷起動運行過程 中第二部分燃料供應的優選範圍是大約270至大約300曲柄角度。否則， 在冷起動運行過程中實施單次噴射的場合，在SI模式冷起動運行過程中 燃料供應的優選範圍是大約240至大約300曲柄角度。在催化劑加熱運 行過程中第 一部分燃料供應的優選範圍是大約70至大約110曲柄角度， 在催化劑加熱運行過程中第二部分燃料供應的優選範圍是大約300至大 約350曲柄角度。在預熱運行過程中第一部分燃料供應的優選範圍是大 約-40至大約20曲柄角度，在預熱運行過程中第二部分燃料供應的優 選範圍是大約300至大約350曲柄角度。在實施分段式噴射的場合，在 SI模式冷起動運行過程中火花供應的優選範圍是大約310至大約0曲柄 角度，在實施單次噴射的場合，在SI模式冷起動運行過程中火花供應的 優選範圍是大約310至大約0曲柄角度。在催化劑加熱運行過程中火花 供應的優選範圍是大約360至大約-330曲柄角度，在預熱運行過程中 火花供應的優選範圍是大約300至大約350曲柄角度。
式使用。發動機設計和標定是非常複雜的並且根據應用的不同可能極大 地改變。例如，因為必須處置特定車輛中的發動才幾構形，所以一種應用 能忽略第二種方法如果起動溫度低於正常的HCCI運行但高於閾溫度， 則使用第一種方法；如果起動溫度低於閾溫度，則使用第三種方法。能 想到許多執行策略，這些方法的使用不應局限於在此描述的實施例和組 合。不同方法之間的選擇可以適於單個參數，如發動機溫度，例如通過 冷卻劑溫度測量的發動機溫度，或者選擇可以是涉及冷發動機條件中的 耐久性HCCI燃燒的許多變量的函數，如發動機溫度、燃料品級、和維 護歷史，如自最近換油以來的時間。
本發明已經描述了某些優選實施例及其變型，在閱讀並理解了說明 書的基礎上其他人可以想到另外的變型和變化。因而，本發明不局限於 作為打算實現本發明的最佳模式披露的特定實施例(多個)，而是本發
明將包括落入所附權利要求的範圍內的全部實施例。
權利要求
1.一種運行四衝程內燃機的方法，所述內燃機包括由在氣缸內在上止點和下止點之間往復運動的活塞所限定的容積可變的燃燒室，進氣通道和排氣通道，和在所述活塞的重複的、順序的排氣、進氣、壓縮和膨脹衝程過程中受控的進氣門和排氣門，直接噴射式燃料系統和火花點火系統，該方法包括在預定發動機溫度範圍內的冷起動條件下發動機開動的過程中和在那之後的一段持續時間直到預定發動機溫度為止，使所述發動機在火花輔助起動模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約180至大約200曲柄角度的範圍內實現部分升程的、負的氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述負的氣門重疊期間供應第一次燃料噴射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和控制所述火花點火系統以實現火花點火。
2. 如權利要求1所述的方法，其中所述使所述發動機在所述火花輔 助起動才莫式中運行充分地使所述發動機變暖以使得隨後的發動機運行 能在沒有火花輔助的情況下實現均質充氣壓縮點火運行。
3. 如權利要求l所述的方法，還包括在比所述預定發動機溫度範圍更冷的第二預定發動機溫度範圍內 的冷起動條件下發動機開動的過程中，使所述發動機在冷起動才莫式中運 行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約0至大約60曲柄角度的範圍內 實現部分升程的、負的氣門重疊；控制所述燃料系統以在所述負的氣門重疊期間供應第 一次燃料噴 射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和控制所述火花點火系統以實現火花點火；和在使發動機在所述冷起動^^莫式中運行之後，使所述發動機在第一預 熱模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約180至大約200曲柄角度的範圍 內實現部分升程的、負的氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述負的氣門重疊期間供應第 一次燃料噴 射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和控制所述火花點火系統以實現火花點火。
4. 如權利要求3所述的方法，其中所述使所述發動機在所述第一預 熱模式中運行充分地使所述發動機變暖以使得隨後的發動機運行能在沒有火花輔助的情況下實現均質充氣壓縮點火運行。
5. 如權利要求3所述的方法，還包括在比所述第二預定發動機溫度範圍更冷的第三預定發動機溫度範 圍內的冷起動條件下發動機開動的過程中，使所述發動機在曲柄和點火 起動^^莫式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以實現不大於大約40曲柄角度的完全升 程的、最小氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應分段式 燃料噴射和單次燃料噴射中的一個；和控制所述火花點火系統以實現火花點火；在使所述發動機在所述曲柄和點火起動才莫式中運行之後，使所述發動機在催化劑加熱^t式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約0至大約40曲柄角度的範圍中 實現完全升程的、負的氣門重疊；控制所述燃料系統以在所述活塞的所述進氣衝程期間供應第 一次 燃料噴射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和，控制所述火花點火系統以實現延遲的火花點火；和，在使所述發動機在所述催化劑加熱才莫式中運行之後，使所述發動機 在第二預熱模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約180至大約200曲柄角度的範圍 內實現部分升程的、負的氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述負的氣門重疊期間供應第 一次燃料噴 射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和控制所述火花點火系統以實現火花點火。
6. 如權利要求5所述的方法，其中所述使所述發動機在所述第二預 熱模式中運行充分地使所述發動機變暖以使得隨後的發動機運行能在 沒有火花輔助的情況下實現均質充氣壓縮點火運行。
7. 如權利要求5所述的方法，其中所述控制所述火花點火系統實現 延遲的火花點火實現了上止點之後的點火。
8. 如權利要求l所述的方法，還包括在比所述預定發動機溫度範圍更冷的第二預定發動機溫度範圍內 的冷起動條件下發動機開動的過程中，使所述發動機在曲柄和點火起動模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以實現不大於大約40曲柄角度的完全升 程的、最小氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述活塞的所述壓縮沖程期間供應分段式 燃料噴射和單次燃料噴射中的一個；和，控制所述火花點火系統以實現火花點火；在使所述發動機在所述曲柄和點火起動^t式中運行之後，使所述發 動機在催化劑加熱才莫式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約0至大約40曲柄角度的範圍內 實現完全升程的、負的氣門重疊；控制所述燃料系統以在所述活塞的所述進氣衝程期間供應第 一次 燃料噴射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和，控制所述火花點火系統以實現延遲的火花點火；和在使所述發動機在所述催化劑加熱才莫式中運行之後，使所述發動機 在預熱模式中運行，包括-.控制所述進氣門和排氣門以在大約180至大約200曲柄角度的範圍 中實現部分升程的、負的氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述負的氣門重疊期間供應第 一次燃料噴 射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和控制所述火花點火系統以實現火花點火。
9. 如權利要求8所述的方法，其中所述使所述發動機在所述預熱模 式中運行充分地使所述發動機變暖以使得隨後的發動機運行能在沒有 火花輔助的情況下實現均質充氣壓縮點火運行。
10. 如權利要求8所述的方法，其中所述控制所述火花點火系統實 現延遲的火花點火實現了上止點之後的點火。
11. 一種運行四沖程內燃機的方法，所述內燃機包括由在氣缸內在 上止點和下止點之間往復運動的活塞所限定的容積可變的燃燒室，進氣通道和排氣通道，和在所述活塞的重複的、順序的排氣、進氣、壓縮和 膨脹沖程過程中受控的進氣門和排氣門，直接噴射式燃料系統和火花點火系統，該方法包4舌在預定發動機溫度範圍內的冷起動條件下發動機開動的過程中，使所述發動機在冷起動模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約0至大約60曲柄角度的範圍中 實現部分升程的、負的氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述負的氣門重疊期間供應第 一次燃料噴 射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和控制所述火花點火系統以實現火花點火；和在使所述發動機在所述冷起動才莫式中運行之後，使所述發動機在第 一預熱模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約180至大約200曲柄角度的範圍 中實現部分升程的、負的氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述負的氣門重疊期間供應第 一 次燃料噴 射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和控制所述火花點火系統以實現火花點火。
12. 如權利要求11所述的方法，其中所述使所述發動機在所述第一 預熱才莫式中運行充分地使所述發動機變暖以使得隨後的發動機運行能 在沒有火花輔助的情況下實現均質充氣壓縮點火運行。
13. 如權利要求11所述的方法，還包括在比所述預定發動機溫度範圍更冷的第二預定發動機溫度範圍內 的冷起動條件下發動機開動的過程中，使所述發動機在曲柄和點火起動模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以實現不大於大約40曲柄角度的完全升 程的、最小氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述活塞的所述壓縮沖程期間供應分段式 燃料噴射和單次燃料噴射中的一個；和，控制所述火花點火系統以實現火花點火；在使所述發動機在所述曲柄和點火起動才莫式中運行之後，使所述發 動機在催化劑加熱模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約0至大約40曲柄角度的範圍中 實現完全升程的、負的氣門重疊；控制所述燃料系統以在所述活塞的所述進氣衝程期間供應第 一次燃料噴射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和，控制所述火花點火系統以實現延遲的火花點火；和，在使所述發動機在所述催化劑加熱^t式中運行之後，使所述發動機 在第二預熱模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約180至大約200曲柄角度的範圍 中實現部分升程的、負的氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述負的氣門重疊期間供應第 一次燃料噴 射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和控制所述火花點火系統以實現火花點火。
14. 如權利要求13所述的方法，其中所述使所述發動機在所述第二 預熱才莫式中運行充分地使所述發動機變暖以使得隨後的發動機運行能 在沒有火花輔助的情況下實現均質充氣壓縮點火運行。
15. 如權利要求13所述的方法，其中所述控制所述火花點火系統實 現延遲的火花點火實現了上止點之後的點火。
16. —種運行四衝程內燃機的方法，所述內燃機包括由在氣缸內在 上止點和下止點之間往復運動的活塞所限定的容積可變的燃燒室，進氣 通道和排氣通道，和在所述活塞的重複的、順序的排氣、進氣、壓縮和 膨脹衝程過程中受控的進氣門和排氣門，直接噴射式燃料系統和火花點 火系鄉克，該方法包4舌起動模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以實現不大於大約40曲柄角度的完全升 程的、最小氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述活塞的所述壓縮沖程期間供應分段式 燃料噴射和單次燃料噴射中的一個；和，控制所述火花點火系統以實現火花點火；在使所述發動機在所述曲柄和點火起動模式中運行之後，使所述發 動機在催化劑加熱模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約0至大約40曲柄角度的範圍中 實現完全升程的、負的氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述活塞的所述進氣衝程期間供應第 一次 燃料噴射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和控制所述火花點火系統以實現延遲的火花點火；和在使所述發動機在所述催化劑加熱才莫式中運行之後，使所述發動機在預熱模式中運行，包括控制所述進氣門和排氣門以在大約180至大約200曲柄角度的範圍 中實現部分升程的、負的氣門重疊，控制所述燃料系統以在所述負的氣門重疊期間供應第 一 次燃料噴 射，並在所述活塞的所述壓縮衝程期間供應第二次燃料噴射；和控制所述火花點火系統以實現火花點火。
17. 如權利要求16所述的方法，其中所述使所述發動機在所述預熱 模式中運行充分地使所述發動機變暖以使得隨後的發動機運行能在沒 有火花輔助的情況下實現均質充氣壓縮點火運行。
18. 如權利要求16所述的方法，其中所述控制所述火花點火系統實 現延遲的火花點火實現了上止點之後的點火。
全文摘要
通過發動機氣門、燃料噴射和點火正時的協同控制來改進HCCI發動機的冷起動和預熱運行。
文檔編號F02D15/00GK101568708SQ200780045188
公開日2009年10月28日 申請日期2007年11月28日 優先權日2006年12月7日
發明者P·M·納特, T·-W·括 申請人:通用汽車環球科技運作公司