用於受控自動點火四衝程內燃發動機的氮氧化物排放控制的製作方法

2023-06-16 12:21:51 3

專利名稱：用於受控自動點火四衝程內燃發動機的氮氧化物排放控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及四衝程內燃發動機的操作。
背景技術：
汽車工業正在不斷研究新的方法來改善內燃發動機的燃燒過 程，以提高燃料經濟性，使其達到或超過排放控制指標，以及滿足 或超越消費者與排氣排放、燃料經濟性、產品差異化有關的期望。
大多數現代的普通汽油內燃發動機試圖工作在大約這樣的化學
計量(stoichiometric)的條件下。也就是說，所提供的最佳空氣/燃料比 基本上是14.6比1 ，這樣可使輸送到發動機中的燃料和氧氣基本上全 部消耗掉。這樣的工作情況使得能夠用三效催化劑進行排氣後處理， 以淨化任何未消耗的燃料(碳氫化合物HC)和燃燒副產物如氮氧化 物(NOx)和一氧化^灰(CO)。大多數現代發動機是燃料噴射的， 包括節氣閥體噴射(TBI)或多點燃料噴射(MPFI),在多點燃料噴 射中，若千噴射器的每一個靠近多缸發動機中每個氣缸的進氣口而 布置。通過多點燃料噴射布置方式，可以實現較好的空氣/燃料比控 制；然而，象缸壁潮溼和進氣通路動態特性這樣的條件限制了這種 控制的實現精度。燃料輸送精度可以通過直接噴射(DI)得到改善。 所謂的線性含氧傳感器提供了較高程度的控制能力，而且當與直接 噴射結合在一起時能夠形成具有改進的缸至缸空氣/燃料比控制能力 的系統。然而，這樣的話，缸內燃燒動力學變得更加重要，而且燃 燒質量在排放控制中起到越來越重要的作用。於是，發動機製造商 已經專心於這樣的事情，例如噴射器噴射型式、進氣渦流、活塞幾 何形狀等，以實現改進了的缸內空氣/燃料配合比和均勻性。
雖然化學計量的汽油四沖程發動機和三效催化劑系統有可能達
到超低的排放指標，但是，這類系統的效率落後於所謂的貧燃(lean-burn)系統。貧燃系統通過燃燒控制還有希望達到氮氧化物的排放指 標，燃燒控制包括高排氣稀釋以及新出現的氮氧化物後處理技術。 然而，貧燃系統仍然面對著其它的障礙，比如燃燒質量和燃燒穩定 性，尤其是在部分負荷工作點和高的排放排氣稀釋時。另外，新興 的氮氧化物後處理技術可要求定期的還原劑輸送(例如燃料)，以 便使後處理裝置再生，從而有損於貧燃發動機操作期間所提供的淨 燃料消耗的好處。
從根本上講，貧燃發動機包括所有工作時空氣超過所供應燃料 燃燒所需空氣量的內燃發動機。有各種燃料供給和點火方法來區分 貧燃技術。火花點火系統(SI)通過在燃燒室中提供放電作用來起動 燃燒。壓縮點火系統(CI)通過燃燒室狀態，包括空氣/燃料比、溫 度和壓力等的組合，來起動燃燒。供給燃料的方法可以包括節氣閥 體噴射(TBI)、多點燃料噴射(MPFI)和直接噴射(DI)。均勻 燃燒系統的特徵是十分穩定，而且空氣/燃料混合物中燃料的氣化和 分布十分充分，它可以通過進氣循環初期的多點燃一+噴射或直4秦噴 射來實現。分層燃燒系統的特徵是，空氣/燃料混合物中燃料的氣化 和分布不太充分，而且一般來說對應於壓縮循環末期的燃料直接噴 射。
已知的汽油直接噴射發動機可以選擇性地工作在均勻火花點火 (homogeneous spark ignition)或分層火花點火(stratified spark ignition)
模式下。均勻火花點火模式通常被選擇用於較高負荷狀態，而分層 火花點火模式通常被選擇用於較低負荷狀態。
某些直接噴射式的壓縮點火發動機採用基本上均勻的預熱空氣 燃料混合物，並在發動機壓縮衝程中形成可引起點火的壓力和溫度 條件，而不需要額外的火花能量。這一過程有時被稱作受控自動點 火。受控自動點火是一種可預見的過程，因此與火花點火式發動機
有時所發生的不希望有的預點火情況不同。受控自動點火還不同於 柴油發動機中所熟悉的壓縮點火，在壓縮點火中，燃料基本上在剛 噴射到高預壓縮的高溫充氣空氣中時就產生點火，而在受控自動點 火過程中，預熱的空氣和燃料在燃燒前的進氣過程混合到一起，而 且其壓縮型式大體上與普通的火花點火四沖程發動機系統相一致。
已經提出能夠自動點火的四衝程內燃發動機，其通過控制與燃 燒室相連的進氣閥和排氣閥的運動，來確保空氣/燃料充填物與燃燒 後的氣體混合，以產生適合於自動點火的狀態，而不需要對吸入的 空氣或氣缸充填物進行外部預熱，也不需要有高壓縮型式。關於這 一點，已經提出了某些發動機，其中的凸輪驅動排氣閥在四衝程循 環中要比火花點火四衝程發動機的普通排氣閥遲關閉很多時間，從 而使開啟的排氣閥與開啟的進氣閥大大重疊，於是，先前排出的燃 燒後氣體在進氣循環的初期被4由回到燃燒室中。已經提出了某些別 的發動機，其中的排氣閥在排氣循環中很早就被關閉，從而截留燃 燒後的氣體以用於在後續進氣循環中與燃料及空氣混合。在這兩類 發動機中，排氣閥和進氣閥在每個四衝程循環中只被打開一次。已 經提出了某些別的發動機，其中液壓控制的排氣閥在每個四沖程循 環中被打開兩次， 一 次是要在排氣循環中將燃燒後的氣體從燃燒室 排出到排氣通道中，另 一 次是要在進氣循環的後期將燃燒後的氣體 從排氣通道抽回到燃燒室中。這些發動機不同地可採用節氣閥體燃 料噴射、進氣點燃料噴射或燃燒室直接燃料噴射。
儘管這類貧燃發動機系統看起來似乎十分優越，但就燃燒質量、 燃燒穩定性和氮氧化物排放而言，仍然存在某些不足之處，尤其是 在部分負荷工作點和高排氣稀釋時。這樣的不足之處會導致一些不 希望有的折衷，包括在部分負荷工作點時實際上可以減少多少燃料 供給，同時仍然能夠保持可以接受的燃燒質量和穩定特性以及對淨 燃料消耗的限制。
發明概述
本發明是一種在受控自動點火模式下工作的四沖程內燃發動機 的控制方法。該發動機包括由活塞在氣缸內在上止點和下止點之間 往復運動所限定的體積可變的燃燒室、進氣通道和排氣通道、燃料 傳輸系統，以及在所述活塞的重複的順序的排氣、進氣、壓縮和膨 脹沖程中受到控制的進氣閥和排氣閥。可變閥系統和燃料傳輸系統 相互協作式地工作，以便利用具有化學計量的或貧的空氣/燃料比的 缸內燃料填充，來執行受控的自動點火。提供了發動機氮氧化物排 放的測量值，並且當該測量值超越了預定的閾值時，缸內燃料填充 就從化學計量的或貧的空氣/燃料比中的正在實施的 一個空氣/燃料比 轉換至化學計量的或貧的空氣/燃料比中的未實施的那一個空氣/燃料 比。
更具體而言，可通過將燃料供給率與氮氧化物排放測量結果相 關聯起來的查閱表，通過氮氧化物傳感器，或者通過將發動機爆震 與氮氧化物排放測量結果關聯起來的查閱表，來提供氮氧化物排放 的測量。
用於實現受控自動點火缸內狀態的可變閥系統控制例如可包 括，在進氣沖程的至少一部分期間，在燃燒室內建立低於大氣壓的 壓力狀態。這種閥控制還優選與排氣重新循環進入燃燒室內相關聯， 例如通過內部或者外部機構，包括通過排氣閥提前關閉而將排氣截
留(trapping)在燃燒室內，通過排氣閥或者進氣閥將排氣再吸入(re-breathing),或者通過或者通過外部排氣再循環機構。作為備選，用 於實現受控自動點火缸內狀態的可變閥系統控制例如還可包括，在 燃燒室內截留並且重新壓縮燃燒後氣體的一部分。
燃料轉換控制可通過本文所述的可選的氮氧化物排放測量和閥
控制方案的各種組合來實施。
附圖簡介
現在將參考附圖並藉助於實例來描述本發明，在這些附圖中


圖1是根據本發明的單缸、直噴式的四衝程內燃發動機的示意
圖2示出了傳統的火花點火內燃發動機中對應於相關排氣閥和進 氣閥相位的閥升程與曲柄角之間的關係曲線；
相位和升程與曲柄角的關係曲線，以及為實現所要求的缸內狀態而 與圖1中帶有全柔性閥促動的單缸發動機的發動機負荷對應的優選趨 勢;
圖4示出了根據本發明的不同氣缸壓力與曲柄角的關係曲線以及 為實現所要求的缸內狀態而與發動機負荷對應的優選趨勢；
圖5示出了根據本發明的排氣再吸入方面的部分負荷工作區域以 及與之對應的示例性燃料噴射正時時間表；
圖6示出了根據本發明的通過相位受控閥促動、燃料噴射方式以 及燃燒模式所實現的示例性閥正時與發動機工作的部分負荷區域之 間的關係；
圖7示出了根據本發明的排氣截留/再吸入方面的不同排氣閥和 進氣閥相位和升程與曲柄角的關係曲線，以及為實現所要求的缸內 狀態而與圖1中帶有相位受控閥促動的單缸發動機的發動機負荷對應 的優選趨勢；
圖8示例性地示出了根據本發明的排氣截留/再吸入方面的部分 負荷區域以及與之對應的示例性燃料噴射正時時間表；
圖9示出了根據本發明的通過相位受控閥促動、燃料噴射方式以 及燃燒模式所實現的閥正時與發動機工作的部分負荷區域的關係；
圖10進行比較地示出了針對根據本發明的排氣再吸入、重新壓 縮和燃料供給控制的不同組合的，空氣/燃料比與氣缸淨平均有效壓 力之間的示例性關係曲線；
圖11進行比較地示出了針對根據本發明的圖10所示排氣再吸
入、重新壓縮和燃料供給控制的各種示例性組合的，所得到的氮氧
化物排放與氣缸淨平均有效壓力之間的關係曲線；
圖12進行比較地示出了針對根據本發明的圖10所示排氣再吸 入、重新壓縮和燃料供給控制的各種示例性組合的，所得到的發動 機爆震與氣缸淨平均有效壓力之間的關係曲線；
圖13是框圖，示意性地顯示了根據本發明一個實施例的空氣/燃 料比轉換的確定；
圖14是框圖，示意性地顯示了根據本發明一個備選實施例的空 氣/燃料比轉換的確定；和
圖15是框圖，示意性地顯示了根據本發明另一備選實施例的空 ^/燃料比轉換的確定。
優選實施例的描述
首先參考圖1，圖中示意性地示出了適合於實施本發明的示例性 單缸四衝程內燃發動機系統(發動機)10。應當認識到，本發明同 樣適用於多缸四衝程內燃發動才幾。所示示例性發動機10#1設計成可 通過燃料噴射器41進行燃料向燃燒室直接噴射(直接噴射)。包括 進氣點燃料噴射或節氣閥體燃料噴射的可選的燃料供給方案，也可 以用於本發明的某些方面；然而，優選的方法是直接噴射。類似地，
市售各種等級的汽油及其輕乙醇混合物是優選的燃料，其它可供選 擇的液體和氣體燃料如高乙醇混合物(比如E80、 E85)、純淨乙醇 (E99)、純淨曱醇(M100)、天然氣、氫氣、沼氣、各種重整油、 合成氣等，也可以用來實施本發明。
就這種基本發動機而言，活塞11可在氣缸13內移動，而在其中 形成體積可變的燃燒室15。活塞11通過連杆33連接在曲軸35上， 並且往復地驅動曲軸35或由曲軸35往復地驅動。發動機10還包含 用單個進氣閥21和單個排氣閥23表示的閥組件16，不過具有多個 進氣閥和排氣閥的變型同樣適用於本發明。閥組件16還包括可採取
任何一種形式的閥促動機構25，包括電控液壓或電子機械促動(亦 稱全柔性閥促動，FFVA)形式的閥促動機構，以及多輪廓凸輪(亦 稱多葉凸輪、多步凸輪)和選擇機構、凸輪相位器以及其它機械可 變閥促動技術，它們可單獨實施或以組合方式實施。進氣通道17將 空氣輸送到燃燒室15中。進氣過程中空氣到燃燒室15內的流動是由 進氣閥21控制的。燃燒後的氣體通過排氣通道19從燃燒室15排出， 其在排氣過程中的流動由排氣閥23控制。
發動機控制是由基於計算機的控制器27提供的，它可以具有傳 統的硬體配置形式和其它組合方式，包括具有集成或分布式體系結 構的動力傳動系控制器、發動機控制器以及數位訊號處理器。 一般 來說，控制器27包括至少一個微處理器、只讀存儲器、隨機存取存 儲器、包含才莫/數和^/模轉換器以及動力驅動電路的各種輸入/輸出裝 置。控制器27還專門包括用於閥促動機構25和燃料噴射器41的控 制器。控制器27包括，從若干個傳感源來監測若千個與發動機有關 的輸入信號，包括發動機冷卻液溫度、外部空氣溫度、歧管空氣溫 度、駕駛員扭矩請求、環境壓力、節氣應用中的歧管壓力、比如用 於閥組件和發動機曲軸的位移量和位置傳感器，而且還包括，產生 用於各種促動器的控制命令以及進行一般的診斷功能。雖然所示出 和介紹的控制器27是整體式的，但是，與閥促動機構25和燃料噴射 器41相連的控制和動力電子裝置也可以作為分布式智能促動配置的 一部分，其中與相應子系統有關的某些監測和控制功能是由與這些 相應閥和燃料控制子系統相連的可編程分布式控制器來實施的。
在已經介紹了適合於實施本發明的狀態和某些應用硬體之後， 現在將參考圖2-15。在圖2中，繪出了現有或傳統的火花點火內燃 發動機完整的四衝程燃燒循環以及進氣閥和排氣閥的閥升程。在這 一附圖和後面的附圖中，排氣閥進程(EV)用細線示出，而進氣閥 進程(IV)用粗線示出。水平軸上繪出了曲軸旋轉兩圈，即整720 度，從對應於上止點(TDC)燃燒的0度(即膨脹衝程開始(壓縮衝
程結束)時的活塞位置)開始，並終止於壓縮沖程結束(膨脹沖程
開始)時對應於同一上止點位置的720度。按照慣例以及如下所述， 從0至720度的曲軸的角位置指的是在上止點後(ATDC)燃燒的曲 軸旋轉度數。在附圖頂部的雙端箭頭內用"膨脹、排氣、進氣和壓 縮"標出了依次重複的循環。這些循環中的每一個對應於在相應上 止點和下止點之間的活塞運動，並覆蓋曲軸旋轉的整180度或完整四 衝程循環的四分之一。
在本發明的示例性說明書中，使用了四衝程、單缸、0.55公升、 受控自動點火、汽油直接噴射燃料的內燃發動機來實施閥和燃料控 制，並從中獲得各種數據。所屬領域的普通技術人員應當認識到， 除非專門說明，否則，所有這些實施例和獲得的數據都被認為是在 標準條件下進行的。
根據本發明的某些閥控制方面，當發動機部分負荷工作時，在 燃燒室內建立起低壓結果，這優選是通過FFVA或者相位受控閥促 動控制進氣閥和排氣閥的其中一個或多個地開啟和關閉來實現的。 在這裡所使用的"部分負荷工作"對應於這樣的發動機負荷，其低 於大約450千帕淨平均有效壓力的中間負荷。在這裡所使用的"低部 分負荷"對應於這樣的發動機負荷，其低於大約125千帕淨平均有效 壓力。在這裡所使用的"中等部分負荷"對應於從大約125至大約200 千帕的淨平均有效壓力的發動機負荷。而且，在這裡所使用的"高
動機負荷。
圖3和6示出了本發明的一種相位閥促動拓樸實施例，以實現其 燃燒後氣體再吸入的方面。其中，大家所熟知的液壓控制閥提升機 構連同凸輪相位器機構，提供了進氣閥相位移和排氣閥再吸入現象 提升，以實現根據本發明所要求的燃燒室狀態。圖中所示示例性進 氣閥進程的進氣持續期間基本上為165度，根據其不同的相移位置， 從較為提前的相位到較為延遲的相位分別標以71、 73、 75和77。
相對於排氣過程結束時的排氣閥關閉，通過進氣閥的相位移來
控制進氣閥的打開，從而在燃燒室內形成低壓。在圖3所示實例中， 假定從180至360度的排氣沖程中，至少有一部分時間排氣閥是打開 的，以便產生排氣過程。在排氣過程中排氣閥的實際開啟和關閉角 度將隨著這樣一些因素如發動機轉速或負荷、排氣通路的幾何形狀 以及其它所要求的發動機調整特性而變化。在本實例中，排氣閥關 閉被認為基本上對應於上止點燃燒後380度或排氣衝程上止點TDC 後20度。優選的是，排氣閥的關閉在排氣衝程上止點前大約20度至 排氣衝程上止點後20度內發生。 一般認為，排氣從燃燒室的最大排 放將有助於使殘留氣缸壓力減到最小，而這種狀態一般來說適合於 實現較深和較長持續時間的低壓現象。根據某些狀態下的氣體動力 學，如果排氣閥在排氣衝程上止點後的某個角度保持開啟，將產生 最大排放。更為優選的是，排氣閥關閉接著大致在排氣沖程上止點 至排氣衝程上止點後20度內發生，尤其是在發動機負荷最低時，此 時，根據本發明，較低的缸內壓力狀態是比較理想的。
與進氣沖程中在燃燒室內建立低壓現象的目的 一致，還可以要 求排氣過程的排氣閥關閉在排氣衝程上止點前的絕對相位不大於排 氣衝程上止點後的進氣閥打開相位，或者說，存在最小的閥重疊。 一般來說，為了在燃燒室內建立起所要求的低壓狀態，如上所述， 要求在排氣閥關閉和進氣閥打開之間圍繞排氣沖程上止點存在一定 程度的不對稱性。如果排氣過程的排氣閥關閉在排氣衝程上止點前 發生，那麼優選在上止點後允許至少有類似的角度，以便使燃燒室 中的壓力能夠在進氣閥開始打開之前減輕。優選的是，在低部分負 荷工作點時，在排氣衝程上止點後大約30至大約90度，排氣閥關閉 之後，在進氣過程中，進氣閥打開。
在此之前介紹的進氣閥和排氣閥相位調整的這些特徵基本上如 圖3中所示的示例性曲線所述。排氣曲線69代表排氣過程中的排氣 閥曲線，其中閥的關閉發生在排氣衝程上止點後大約20度。為了便
於說明，假定就排氣過程的排氣閥關閉相位而言排氣過程基本上是 靜態的，不過就象前面所介紹的那樣，應當認識到，排氣閥曲線的
相位移屬於本發明範圍之內，以實現各種結果和目的。進氣曲線77 對應於進氣閥在排氣沖程上止點後大約40度打開並且在進氣衝程下 止點後大約25度關閉，以實現一級缸內真空。進氣曲線75、 73和71 分別對應於進氣閥在排氣衝程上止點後大約20度、在排氣沖程上止 點以及在排氣衝程上止點前30度提前打開。對於曲線75、 73和71 的相應的進氣閥關閉分別出現在進氣衝程下止點後大約5度、進氣衝 程下止點前15度和進氣衝程下止點前45度處。與在逐漸變小的發動 機負荷下實現減小的氣缸壓力相一致的是，相位曲線的趨勢順應於 圖中所示的變小負荷的箭頭。
如果在附圖中繪出這種進氣曲線的一個連續統，其中進氣閥打 開界限處於較少延遲和更多延遲的相位角，那麼，在燃燒室內就可 以得到變化的真空度及其持續時間。當然，除了象所介紹的那樣僅 僅通過閥打開的相位移在燃燒室內所能實現的各種低壓力分布曲線 之外，還可以通過更加複雜和獨立的排氣和進氣曲線的變化來實現 更多的壓力分布曲線，這些變化除了正時之外，還包括閥升程的變 化。關於改變真空水平的其它細節在共同轉讓並且共同未決的美國 專利申請序列號No.l0/611,845(代理人檔案號GP國303270); 10/611,366(代理人檔案號GP-303271); 10/899，442,(代理人檔案號 GP-303776); 10/899，443(代理人檔案號GP誦303692);以及10/899,456(代 理人檔案號GP-304128)中的另外的細節中進行了闡述，這些專利申 請的內容通過引用而結合於本文中。
為了在燃燒室內建立低壓現象，可進行進氣閥和排氣閥的相位 受控閥促動，用以在燃燒室內形成壓力水平的下降和持續，而這在 已知的傳統四衝程工作過程中是不存在的。現在進一步參考圖4，圖 中示出了對應於上面參考圖3所介紹的取決於負荷的進氣閥曲線趨勢 的壓力分布曲線。其中，曲線用數字61概括表示而且只示出了完整 四衝程過程中排氣沖程和進氣沖程的360度曲軸旋轉角，如附圖頂部 標有"排氣和進氣，，的雙端箭頭所示。氣缸壓力在沿縱軸的線性刻 度上示出，環境壓力被專門標出，並被認為大體上是一個標準大氣 壓或大約101千帕。區域63概括表示根據本發明建立的低壓現象或 次大氣壓力狀態。中等深且持續時間較長的低壓基本上可達到環境 壓力或大氣壓力以下60千帕，換句話說，比環境壓力或大氣壓力低 大約60%,或是環境壓力或大氣壓力的大約40%。圖4中所示的特 定曲線當然是示例性的，藉助於更加複雜和獨立的排氣曲線和進氣 曲線的變化，可以形成其它類似的曲線和分布，這些變化除了正時 之外還包括閥升程的變化。舉例來說，相對於圖3中所示的特定曲線 77，在進氣過程中進氣閥打開的進一步延遲將實現更深的低壓，而 在進氣過程中進氣閥打開的進一步提前將實現較'淺的低壓。例如， 較淺且持續時間有限的低壓基本上可達到環境壓力或大氣壓力以下 42千帕，換句話說，比環境壓力或大氣壓力低大約42%,或是環境 壓力或大氣壓力的大約58%。又比如，較深且持續時間較長的低壓 基本上可達到環境壓力或大氣壓力以下75千帕，換句話說，比環境 壓力或大氣壓力低75%大約，或是環境壓力或大氣壓力的大約25%。 如前面參考圖3所介紹的，較低的缸內壓力優選在較低的發動機負荷 時實現。也就是說，較深的真空度是在較低的發動機負荷時達到的。 圖4中的負荷減小箭頭示出了隨發動機負荷減小而變化的進氣壓力曲 線所需的受控趨勢。
再循環廢氣優選被引入燃燒室中，用以與空氣和燃料混合。目 前，再次參考圖3中所示的閥進程，排氣再吸入排氣閥的促動實現了 再吸入先前通過排氣閥排出到排氣通道中的燃燒後的氣體。閥升程 的變化可以使該排氣再吸入實施中的氣體組分混合物和溫度發生變 化。在圖3中用標號79來表示一種示例性的再吸入進程。
現在將介紹以上述方式工作的發動機的優選燃料供給方法。對 於直接噴射而言，可以選擇液態和氣態噴射。而且，還應當認識到，
可以採用空氣輔助和其它類型的輸送方法。此外，可採用的點火系 統類型是可以變化的(一般來說依據發動機負荷和爆震方面的考慮 因素)，而且包括這樣一些非限制性的實例，如火花點火、壓縮點 火和受控自動點火。
根據本發明的燃料供給控制方面，示出了在發動機的部分負荷
工作區域內的兩個常見的負荷區域。參見圖5,低部分負荷區域標為 L-PL，而中等/高部分負荷區域被標為I/H-PL。這些區域中繪出了完 整的四衝程燃燒循環，其中底部表示上止點燃燒後的曲柄角，而頂 部表示相應的依次重複的燃燒循環區域。 一般來說，在低部分負荷 區域中使全部燃料供給產生分段噴射，而在中等/高部分負荷區域中 使全部燃料供給產生單次噴射。在附圖中示出了過渡區域62，它可 以與相鄰的 一 個或兩個部分負荷區域重疊，從而使部分負荷區域有
效地擴展，以進行相應的燃料控制。
對於分段噴射，循環所需的全部燃料供給量被分成兩個噴射過 程。其中一個噴射過程在進氣循環的初期進行，而另一個噴射過程 在壓縮循環的末期進行。 一般來說，第一次燃料供給過程噴射了大 約百分之10至百分之50的循環所需全部燃料量。 一般來說，通過這 第一部分燃料形成的氣缸充填對於燃燒室內的自動點火是不夠的。 循環所需燃料量的其餘部分是在第二次燃料供給過程中噴射的。此 第二部分燃料在活塞的壓縮衝程中使氣缸充填增加至足以引起自動 點火。
笫二次燃料噴射的滲透和擴散因較高的缸內充填溫度和密度而 受到抑制。於是在燃燒室中形成局部的富混合物區。空氣、再吸入 的燃燒後氣體以及來自第 一次燃料噴射的燃料所形成的混合物與通 過第二次燃料噴射形成的局部富混合物共同起作用，以實現較低壓 縮比下的汽油自動點火，而不需要火花的任何幫助，相比而言柴油 自動點火中所使用的壓縮比較高。
在高部分負荷工作區域(H-PL)中，進行單次燃油噴射。對於單次噴射，循環所需的全部燃並牛供給量被合併到在進氣循環初期所 進行的一次噴射過程中。
圖5還示出了與噴射正時有關的某些優先選擇。由標有56和57
的實線所限界的範圍分別對應於低部分負荷工作區域中在進氣循環 和壓縮循環內進行的第 一次燃^"供給過程和第二次燃料供給過程的 優選角度範圍。第一部分燃料優選在上止點燃燒後大約360至大約400 度噴射。當發動機負荷增大時第一次噴射的噴射正時也優選以連續 的方式延遲，如附圖中所示。而第二部分燃料在上止點燃燒後大約640 至大約700度(在上止點燃燒前20至80度)噴射。這一噴射正時是 為確保無煙工作而選定的，並受噴射器噴射錐角以及所噴射燃料量 的影響。當發動機負荷增大時第二次噴射的噴射正時也優選以連續 的方式提前。可以使用其它的分段噴射角度範圍，但卻不能得到象 優選範圍那樣大的好處。
由標有58的實線所限界的範圍對應於中等/高部分負荷工作區域 中在進氣循環內進行的進氣循環燃料供給過程的優選角度範圍。這 一燃料優選在上止點燃燒後大約390至大約450度噴射。當發動機負 荷增大時，這種單次噴射的噴射正時也優選以連續的方式延遲，如 附圖中所示。可以使用其它的單次噴射角度範圍，但卻不能得到象 優選範圍那樣大的好處。
在負荷變化時從一種噴射方式到另一種噴射方式的轉換是由發 動機特性和排放來調節的。舉例來說，在低部分負荷工作時，包含 進氣衝程初期第一次噴射和壓縮沖程中第二次噴射的分段噴射是能 夠產生穩定的受控自動點火燃燒的唯 一 噴射方式。當發動機負荷增 大時第二次噴射的噴射正時連續提前，以促進燃料在燃燒室內的擴 散，並使局部混合物的空氣/燃料比保持在可接受的範圍內，以避免 氮氧化物和煙霧排放達到不可"l秦受的程度。然而，即使噴射正時提 前，在中等部分負荷工作時所形成的氮氧化物(NOx)仍然可上升到 不可接受的水平。因此，如圖6中所示，在大約90至大約130千帕淨平均有效壓力(NMEP)時，噴射方式從分段噴射轉換到單次噴射。 實驗證明，這兩種分段噴射方式在中等部分負荷的發動機工作中產 生類似的發動機特性。在進氣衝程中進行單次燃料噴射比進行分段 噴射所排放的氮氧化物要少很多。然而，在進氣沖程中進行單次燃 料噴射比進行分段噴射所排放的碳氫化合物(HC)更多，因為逃過 燃燒的在縫隙中截留的燃料增加了。因此，轉換發生時的確切負荷 將通過對NOx-HC排放的權衡來確定。
圖6示例性地示出了根據本發明的利用相位受控閥促動系統工作 的四衝程內燃發動機中排氣閥和進氣閥隨發動機負荷而變的閥打開 和關閉的正時。其中使用了以下標記進氣閥打開(IVO);進氣閥 關閉(IVC);排氣閥打開-排氣(EVOe);排氣閥關閉-排氣(EVCe); 排氣閥打開-再吸入(EVOr);和排氣閥關閉-再吸入(EVCr)。圖6
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而變的各種燃燒才莫式。具體地i兌，當低於大約420千帕淨平均有^tS 力時，發動機在具有貧空氣/燃料混合物的受控自動點火燃燒模式 (CAI-L)下工作。在這種燃燒對莫式中，氮氧化物排^:指數隨著發動 機負荷增大而提高。在大約420千帕淨平均有效壓力時，氮氧化物排 放指數為大約1克/千克燃料。在大約420和大約500千帕淨平均有 效壓力之間，發動機在具有化學計量的空氣/燃料比的受控自動點火 燃燒模式(CAI-S)下工作，以允許使用傳統的三效催化劑後處理進 行氮氧化物控制。在大約500和大約600千帕淨平均有效壓力之間， 發動機在具有化學計量的空氣/燃料混合物的火花點火的非節氣燃燒 模式(NT-S)下工作，並利用進氣閥的提前關閉來進行負荷控制。 超過大約600千帕淨平均有效壓力時，發動機在傳統的具有化學計量 的空氣/燃料混合物的火花點火的節氣燃燒模式(T-S)下工作，直至 達到滿負荷。
在之前結合於本文中的共同轉讓和共同未決的美國專利申請序 列號No.l0/899,442(代理人檔案號GP-303776)和10/899，456(代理人檔案號GP-304128)中，公開了有關用於受控自動點火的燃燒氣體截留 和再循環閥控制和燃料控制的更多細節，包括備選的FFVA實施方案。
根據本發明的某些備選的閥控制方面，在發動機的部分負荷工 作期間，在燃燒室內建立了高壓事件，這優選通過FFVA或相位受
排氣閥關閉的提前就產生了負的閥重疊，在此期間，排氣閥和進氣 閥均關閉。排氣閥的提前關閉還實現了燃燒後氣體的內部再循環， 這是通過在燃燒室內保留或截留 一部分燃燒後氣體來實現的。所述 被截留的排氣然後在排氣循環期間在活塞沖程的剩餘時段被重新壓縮。
圖7和9顯示了用於實現本發明的燃燒後氣體保留和壓縮方面的 相位閥控制促動。其中，大家所熟知的液壓控制閥提升機構連同凸 輪相位器機構使進氣閥和排氣閥產生相位移，以實現根據本發明所 要求的燃燒室狀態。進氣閥進程的示例性持續期間基本上為125度， 如包括進氣進程74的每條獨立曲線所示，當發動機負荷減小時，其 對應曲線從更加提前的相位變為更加延遲的相位。類似地，排氣閥 進程的示例性持續期間基本上為125度，如包括排氣進程72的每條 獨立曲線所示，當發動機負荷減小時，其對應曲線從更加延遲的相 位變為更加提前的相位。
在圖7所示實例中，假定從180至360度的排氣衝程中至少有一 部分時間排氣閥是打開的，而產生排氣過程。在排氣過程中排氣閥 的實際開啟和關閉角度將隨著這樣一些因素如發動機轉速或負荷、 排氣通路的幾何形狀以及其它所要求的發動機調整特性而變化。在 本實例中，可以看到，排氣閥的關閉正時隨發動機負荷的變化而變 化，如圖中央的負荷減小箭頭所示。在部分負荷工作時，發動機負 荷越低，排氣閥關閉正時提前得越多(而且開啟正時也由於相位器 的作用而提前越多)。因此， 一般來說，負荷減小將導致燃燒後氣
體的截留增加以及較高的壓縮溫度和壓力。通過閥控制實現的較高 壓力和溫度，就提供了有助於噴射到其中的燃料進行局部重整的缸 內環境，這種重整以及隨後重整產物在燃燒室內的散布，使得能夠 實現受控自動點火。發動機工作負荷減小時，截留的燃燒後氣體的 增加以及壓力和溫度的所需的升高趨勢，可在發動機工作的整個部 分負荷區域上形成最佳的自動點火燃燒相位。還可以實現大致對稱
但相位方向相反的進氣閥開啟正時，例如包括進氣進程74的每條獨 立曲線所示。因此，就實現了燃燒室內高壓的減輕，並使所儲存的 壓縮氣體能量回到活塞和發動機曲軸。因此，通過對排氣閥提升機 構的相位控制，可在發動機工作負荷減小時，實現所要求的截留燃 燒後氣體的增加以及壓力和溫度的升高。還可以實現大致對稱但相 位方向相反的進氣閥正時，如包括進氣進程74的每條獨立曲線所示， 從而提供上面所介紹的壓力減輕的優點。
為在燃燒室內形成截留的燃燒後氣體和壓力狀態，對進氣閥和 排氣閥進行相位受控閥促動，以建立隨發動機負荷而變的缸內氣體 壓力和溫度趨勢，而這在已知的傳統四衝程工作過程中是不存在的。
於直接噴射而言，可以選擇液態和氣態噴射。而且，還應當認識到 可以採用空氣輔助和其它類型的輸送方法。此外，可採用的點火系 統類型是可以變化的(一般來說依據發動機負荷和爆震方面的考慮 因素)，而且包括這樣一些非限制性的實例，例如火花點火SI、壓 縮點火CI和受控自動點火。
根據本發明的燃料供給控制方面，示出了在發動機的部分負荷 工作區域內的三個常見的負荷區域。參見圖8,低部分負荷區域標為 L-PL,中等部分負荷區^t或標為I-PL，而高部分負荷區域標為H-PL。 這些區域中繪出了完整的四衝程燃燒循環，其中，底部表示上止點 燃燒後的曲柄角，而頂部表示相應的順序地依次重複的燃燒循環區 域。 一般來說，在低部分負荷區域和中等部分負荷區域中，使全部
燃料供給產生分段噴射(split-injection)，而在高部分負荷區域中使全 部燃料供給產生單次噴射。在附圖中示出了過渡區域42和54，它們 可以分別與相鄰的 一個或兩個部分負荷區域重疊，從而使部分負荷 區域有效地擴展以進行相應的燃料控制。
對於分段噴射，循環所需的全部燃料量被分成兩個噴射過程。 在低部分負荷工作區域(L-PL)，其中一次噴射過程是在排氣循環 的末期進行的，而另一次噴射過程是在壓縮循環的末期進行的。一 般來說，第一次燃料供給過程噴射了大約百分之IO至百分之50的循 環所需全部燃料量。 一般來說，通過這第一部分燃料形成的氣缸充 填對於燃燒室內的自動點火是不夠的。循環所需燃料量的其餘部分 是在第二次燃料供給過程中噴射的。此第二部分燃料在活塞的壓縮 沖程中使氣缸充填增加，而足以引起在低部分負荷的自動點火。
第二次燃料噴射的滲透和擴散因較高的缸內充填溫度和密度而 受到抑制。於是在燃燒室中形成局部的富混合物區。空氣、截留的 燃燒後氣體以及來自第 一次燃料噴射的燃料所形成的混合物與通過 第二次燃料噴射形成的局部富混合物共同起作用，以實現較低壓縮 比下的汽油自動點火，而不需要火花的任何幫助，相比而言，柴油 自動點火中所使用的壓縮比較高。
在中等部分負荷工作區域(I-PL)中，其中一次噴射過程類似地 也在排氣循環的末期進行。然而，另一次噴射過程卻在進氣循環的 初期進行。 一般來說，第一次燃料供給過程噴射大約百分之10至百 分之50的循環所需全部燃料量。通常，通過這第一部分燃料形成的 氣缸充填對於燃燒室內的自動點火是不夠的，但卻提供了燃料的原 始充填以及對於自動點火來說是關鍵的重整產物。循環所需燃料量 的其餘部分是在第二次燃料供給過程中噴射的。此第二部分燃料在 活塞的進氣沖程中使氣缸充填增加，而足以引起在中等部分負荷的 自動點火。
第二次燃料噴射的滲透和擴散起初因較高的缸內充填溫度、密度以及第一次噴射的燃料而受到抑制。然而，缸內壓力的減輕以及 隨後在進氣循環中新鮮空氣的攝入和湍流使得氣缸混合物能夠充分 擴散而變得均勻。由空氣、保留的燃燒後氣體以及燃料所形成的這 種均勻混合物共同起作用，以實現較低壓縮比下的汽油自動點火， 而不需要火花的任何幫助，相比而言在柴油自動點火中所使用的壓
縮比4交高。
在高部分負荷工作區域(H-PL)中，進行單次燃油噴射。對於 單次噴射，循環所需的總燃料供給量被合併到在負的閥重疊時所進 行的一次噴射過程中。
圖8還示出了與噴射正時有關的某些優先選擇。由標有44和46
的實線所構成的範圍分別對應於低部分負荷工作區域中在排氣循環 和壓縮循環內進行的第 一次燃料供給過程和第二次燃料供給過程的 優選角度範圍。第一部分燃料優選在上止點燃燒後大約300至大約350 度進行噴射。當發動機負荷增大時第一次噴射的噴射正時也優選以 連續的方式延遲，如附圖中所示。而第二部分燃料在上止點燃燒後 大約640至大約695度(在上止點燃燒前25至80度)進行噴射。這 一噴射正時是為確保無煙工作而選定的，並受噴射器噴射錐角以及 所噴射燃料量的影響。當發動機負荷增大時，第二次噴射的噴射正 時也優選以連續的方式提前。可以使用其它的分段噴射角度範圍， 但卻不能得到象該優選範圍那樣大的好處。
由標有47和48的實線所限界的範圍分別對應於中等部分負荷工 作區域中在排氣循環和進氣循環內進行的第一次燃料供給過程和第 二次燃料供給過程的優選角度範圍。第一部分燃料優選在上止點燃 燒後大約300至大約360度進行噴射。當發動機負荷增大時，第一次 噴射的噴射正時也優選以連續的方式延遲，如附圖中所示。這一噴 射正時是為確保無煙工作(比如避免燃料噴射到上升的活塞上)、 提供足夠的燃料量和充分的重整駐留時間而選定的，並受噴射器噴 射錐角以及所噴射燃料量的影響。第二部分燃料在笫一次噴射結束之後大約30至大約60度進行噴射。當發動機負荷增大時，第二次噴 射的噴射正時也優選以連續的方式延遲。這兩次噴射都是在排氣閥 和進氣閥的負重疊區內實現的。可以使用其它的分段噴射角度範圍， 但卻不能得到象該優選範圍那樣大的好處。
由標有49的實線所限界的範圍對應於高部分負荷工作區域中燃 料輸送的優選角度範圍。這一燃料優選在上止點燃燒後大約340至大 約490度進行噴射。當發動機負荷增大時，這種單次噴射的噴射正時 也優選以連續的方式延遲，如附圖中所示。可以使用其它的單次噴 射角度範圍，但卻不能得到象該優選範圍那樣大的好處。
在負荷變化時從一種噴射方式到另一種噴射方式的轉換是由發 動機特性和排放來調節的。舉例來說，在低部分負荷工作時，包含 負的閥重疊期間的第 一次噴射和壓縮衝程中第二次噴射的分段噴射 是能夠產生穩定的受控自動點火燃燒的唯一噴射方式。當發動機負 荷增大時，第二次噴射的噴射正時連續提前，以促進燃料在燃燒室 內的擴散，並使局部混合物的空氣/燃料比保持在可接受的範圍內， 以避免氮氧化物和煙霧排放達到不可接受的程度。然而，即使噴射 正時提前，在中等部分負荷工作時所形成的氮氧化物(NOx)仍然可 以上升到不可接受的水平。因此，噴射方式從具有壓縮循環時進行 第二次噴射的分段噴射轉換到進氣循環時進行第二次噴射的分段噴 射，其如圖9所示具有大約130至大約200千帕的NMEP。實驗證明， 這兩種分段噴射方式在中等部分負荷的發動機工作中，會產生類似 的發動機特性。在進氣衝程中進行第二次噴射的分段噴射比在壓縮 沖程中進行第二次噴射的分段噴射所排放的氮氧化物可以少很多。 然而，在進氣衝程中進行第二次噴射的分段噴射比在壓縮衝程中進 行第二次噴射的分段噴射所排放的碳氫化合物(HC)要更多，因為
逃過燃燒的在縫隙中截留的燃料增加。因此，低部分負荷分段噴射 和中等部分負荷分段噴射發生轉換時的確切負荷將通過對氮氧化物 -碳氫化合物排放進行權衡來確定。類似的考慮因素可作為用以確 定從中等部分負荷分段噴射方式到高部分負荷單次噴射方式轉換的 依據(比如對氮氧化物-碳氫化合物排放的權衡)。
圖9示例性地示出了根據本發明利用2步/相位器可變閥促動硬 件來實現排氣重新壓縮工作的四衝程內燃發動機中排氣閥和進氣閥 隨發動機負荷而變的閥打開和關閉正時。其中使用了以下標記進 氣閥打開(IVO);進氣閥關閉(IVC);排氣閥打開(EVO);排 氣閥關閉(EVC)。圖9中還示出了取決於負荷的噴射方式以及根據 本發明的隨發動機負荷而變的各種燃燒模式。具體地說，當低於大 約320千帕淨平均有效壓力時，發動機工作在具有貧空氣/燃料混合 物的受控自動點火燃燒模式(CAI-L)。在這種燃燒模式中，氮氧化 物排放指數隨著發動機負荷增大而提高。在大約320千帕淨平均有效 壓力時，氮氧化物排放指數為大約1克/千克燃料。在大約320和大 約420千帕淨平均有效壓力之間，發動機在具有化學計量的空氣/燃 料比的受控自動點火燃燒模式(CAI-S)下工作，以允許使用傳統的 三效催化劑後處理進行氮氧化物的控制。在大約420和大約620千帕 淨平均有效壓力之間，發動機在具有化學計量的空氣/燃料混合物的 火花點火的非節氣燃燒模式(NT-S)下工作，並利用進氣閥的提前 關閉來進行負荷控制。超過大約620千帕淨平均有效壓力時，發動機 在傳統的具有化學計量的空氣/燃料混合物的火花點火的節氣燃燒才莫 式(T-S)下工作，直至達到滿負荷。
關於用於受控自動點火的燃燒氣體截留和再循環閥控制和燃料 控制(包括備選的FFVA實施方案)的更多細節，在共同轉讓並且 共同未決的美國專利申請序列號No.l0/899,457(代理人檔案號GP-303777)和之前結合於本文中的共同轉讓並且共同未決的美國專利申 請序列號No.l0/899，456(代理人檔案號GP-304128)中進行了闡述，這 些專利申請的內容通過引用而結合於本文中。
上述排氣再循環是就基於燃燒後氣體的基於排氣閥的再吸入和 採用多步升程和凸輪相位器閥促動進行的燃燒後氣體的截留/重新壓 縮的非限制性實例而言。用於這種再吸入和/或截留/重新壓縮的備選
閥促動實施方案，例如FFVA，在前面所引用的共同轉讓和共同未決 的美國專利申請序列號10/899,457(代理人檔案號GP國303777); 10/611,845(代理人檔案號GP-303270); 10/611，366(代理人檔案號GP誦 303271); 10/899,442(代理人檔案號GP-303776); 10/899,443(代理人 檔案號GP-303692);和10/899，456(代理人檔案號GP-304128)中被公 開,這些備選的閥促動實施方案同樣適用於實現所需的燃燒室狀態。 根據用於排氣再循環的一種備選的再吸入實施方式，進氣閥在排氣 過程的至少一部分中是打開的，以排出燃燒後的氣體到進氣通道17 中，以便在隨後的再循環或再吸入過程中，通過進氣閥將它們吸回 到燃燒室中。再吸入進氣閥促動類似地可以通過FFVA、多步提升和 凸輪相位器實施例來實現。在前面所引用的共同轉讓和共同未決的 美國專利申請序列號10/899，443(代理人檔案號GP-303692)中，公開 了這種基於進氣閥的排氣再吸入以及建立燃燒室低壓的更多細節。 而且，可以釆用排氣外部再循環設備。舉例來說,傳統的排氣再循 環閥可提供足夠的燃燒後氣體給發動機進氣通道，在進氣通道中存 在足夠的進氣真空以進行強制吸入。或者，如果進氣通道中沒有足 夠的真空(比如對於受控自動點火系統中非常典型的非節氣工作方 式而言)，排氣再循環泵可以提供正壓力，用於將燃燒後氣體輸送 至進氣通道。
參見圖10，示出了根據本發明的用於排氣再吸入、重新壓縮方 案、分段噴射和單次噴射方案，貧的和化學計量的空氣/燃料比方案 的不同組合的，示例性的空氣-燃料進程。關於再吸入的方案大致對 應於圖3-6中的以上相關描述。關於重新壓縮的方案大致對應於圖7-9中的以上相關描述。圖10的空氣-燃料進程大致對應於採用如上所 述的示例性單缸發動機在至少大約75千帕淨平均有效壓力以下，在 採用再吸入或者重新壓縮的方案中，用於執行穩定的部分負荷工作 時，利用實驗確定的數據。穩定的部分負荷通過一般可接受的度量
標準來測得，例如作為指示標誌的所示平均有效壓力的變化係數
(IMEP之COV) 5%或更小。更低的穩定的部分負荷工作可通過本 文出於說明目的而具體描述的備選閥控制來實現，低負荷極限對於 本發明的實施或理解並不是特別關鍵的。從圖10來看，可以看到， 對於再吸入的閥控制方案，貧的空氣/燃料比在大約425千帕淨平均 有效壓力的最低部分負荷時執ft，之後執行大致化學計量的空氣/燃 料比。類似地，可以觀察到，對於重新吸入的閥控制方案，貧的空 氣/燃料比在大約320千帕淨平均有效壓力的最低部分負荷時執行， 之後執行大致化學計量的空氣/燃料比。選擇用於轉換的發動機負荷 大致對應於氮氧化物的排放目標，參見圖11如下更全面地所述。在 根據本發明的 一 個空氣/燃料比轉換的實施例中，將不同發動機工作 參數如燃料供給率或節氣要求與對應於氮氧化物排放目標的發動機 負荷相關聯起來並且加以利用，參見圖13如下更詳細地所述。儘管 這種實施例比較直接，但是，這並不要求大範圍的發動機測試繪圖 以便校準，而這種測試會隨著發動機工作壽命的增加而變得不太準 確。因此，這種發動機闡述校準數據表實施例可另外地受益於在整 個發動機壽命期間對校準數據的自適應調整。
如上所述，在一些低部分負荷極限以上，易於保持燃燒穩定性。 貧的/化學計量的空氣/燃料比轉換遠遠在這種低負荷極限以上，並且 不會受到燃燒穩定性考慮的有效影響。然而，優選的空氣/燃料比轉 換基本上相關於排放目標的考慮，尤其是在發動機的高部分負荷工 作時氮氧化物排放的增加。因此，另外參考圖11，其中，以克/千克 燃料(g/kg)為單位測得的標準化的氮氧化物排放(氮氧化物排放指數) 相對於所測量的以千帕為單位的淨平均有效壓力的發動機負荷而繪 出圖。對於備選的控制實施方案，貧的/化學計量的空氣/燃料比之間 的轉換直接相關聯於氮氧化物排放指數。可以隨意選擇任何氮氧化 物排放指數值，以用於轉換；然而，大約1克/千克燃料的氮氧化物 排放指數值是優選的值，在該值以下，氮氧化物排放目前被視為是
可接受的，高於該值，氮氧化物排放目前被視為是不可接受的。因 此，對氮氧化物排放的直接測量提供了更精確和可重複的轉換控制， 它可自適應於發動機工作壽命期間可能出現的排放變化。因此，對 氮氧化物排放的直接測量可在本發明的另 一 空氣/燃料比轉換實施方
案中進行和採用，如下參考圖14進一步詳細描述。儘管直接的氮氧 化物檢測技術一般是可得到的(例如厚膜氧化鋯基傳感器)，但是， 這種排氣成分檢測目前具有有限的生產突破和商業實踐。
另 一備選的空氣/燃料比轉換控制實施方案釆用了在更廣泛和更 常用的檢測技術與氮氧化物排放之間實現關聯。例如，常用的以電 壓(V)為單位測得的爆震傳感器輸出(振鳴強度)相對於所測量的 以千帕為單位的淨平均有效壓力的發動機負荷而繪出圖。通過實驗 確定，在爆震強度和氮氧化物排放之間存在關聯性。因此，可以在 根據本發明的另 一 空氣/燃料比轉換實施方案中，實現並且利用爆震 強度和氮氧化物排放之間的關聯，如下參考圖15進一步詳細描述。 這種實施方案是有益的，因為爆震檢測一般是所熟知的，並且具有 較好的生產突破和商業實踐。另外，這種關聯不要求大範圍的發動 機測試繪圖，並且其精確度在發動機工作壽命期間也不要求自適應 的措施。因此，查閱表可提供與氮氧化物排放之間足夠關聯的數據 測繪爆震強度，以便用於空^/燃料比轉換的另一實施方案。
在圖13-15的示意圖中，顯示了如上所述的空氣/燃料比轉換的 各種備選實施例。圖13顯示了基於查閱表的方法，其中，燃料供給 率用於從中確定氮氧化物排放指數。燃料供給率可從例如燃料脈衝 寬度信號等控制參數中測得，或者從所要求的節氣或其它負荷指示 措施中確定。通過將另外的參數111例如發動機轉速與氮氧化物排放 數據相關聯起來，在更大校準數據組下，就可以提高精度。在確定 所使用的燃料供給模式(即，是貧的空氣/燃料比還是化學計量的空 氣/燃料比)時，模式確定邏輯塊依賴於查閱表中提供的氮氧化物排 放指數值。模式確定邏輯還受到其它參數113如發動機轉速的進一步影響，並且也通過其來確定。優選的是，模式確定邏輯和所使用的
燃料供給^莫式轉換採用了例行程序滯後(routine hysteresis )，以便 實現模式轉換的穩定性。
圖14顯示了基於直接氮氧化物檢測的方案，其中，通過設置在 排氣氣流中的排氣成分傳感器，來測定氮氧化物排放指數。在確定 所使用的燃料供給模式(即，是貧的空氣/燃料比還是化學計量的空 氣/燃料比)時，模式確定邏輯塊依賴於該傳感器中提供的氮氧化物 排放指數值。才莫式確定邏輯還受到其它參數113如發動^L轉速的進一 步影響，並且也通過其來確定。優選的是，模式確定邏輯和所使用 的燃料供給模式轉換採用了例行程序滯後，以便實現模式轉換的穩 定性。
圖15顯示了基於間接氮氧化物檢測的方案，其中，通過基於查 閱表來測定氮氧化物排放指數，該查閱表將爆震傳感器輸出與氮氧 化物排放指數相關聯起來。通過將另外的參數111例如發動機轉速與 氮氧化物排放數據相關聯起來，在更大校準數據組下，就可以提高 精度。在確定所使用的燃料供給^^莫式(即，是貧的空氣/燃料比還是 化學計量的空氣/燃料比)時，模式確定邏輯塊依賴於該查閱表中提 供的氮氧化物排放指數值。模式確定邏輯還受到其它參數113如發動 機轉速的進一步影響，並且也通過其來確定。優選的是，模式確定 邏輯和所使用的燃料供給模式轉換採用了例行程序滯後，以便實現
模式轉換的穩定性。
在這裡，已經參考某些優選實施例和變型對本發明作了介紹。 在不脫離本發明範圍的情況下，可以實施其它可供選擇的實施例、 變型和實施方案，本發明的範圍只由所附權利要求來限定。
權利要求
1.一種控制在受控自動點火模式下工作的四衝程內燃發動機的方法，所述發動機包含由活塞在氣缸內在上止點和下止點之間往復運動所限定的體積可變的燃燒室、進氣通道和排氣通道、燃料傳輸系統，以及在所述活塞的重複的順序的排氣、進氣、壓縮和膨脹衝程中受到控制的進氣閥和排氣閥，所述方法包括操作可變閥系統，以便控制所述進氣閥和排氣閥來實現有助於受控自動點火的缸內狀態；操作所述燃料傳輸系統，以便在有助於受控自動點火的化學計量的空氣/燃料比和貧的空氣/燃料比的其中之一下，進行缸內燃料填充；提供發動機氮氧化物排放的測量；並且當發動機氮氧化物排放超越了預定的閾值時，將缸內燃料填充從所述化學計量的空氣/燃料比和貧的空氣/燃料比中正在實施的其中一個空氣/燃料比轉換至所述化學計量的空氣/燃料比和貧的空氣/燃料比中未實施的那一個空氣/燃料比。
2. 根據權利要求1所述的控制四衝程內燃發動機的方法，其特徵 在於，操作所述可變閥系統以便控制所述進氣閥和排氣閥來實現有 助於受控自動點火的缸內狀態，這包括提供排氣過程，在該排氣過程中，所迷排氣閥打開而用於將燃 燒後的氣體從所述燃燒室中排出；在所述排氣過程之後，在用於在所述燃燒室內建立低於大氣壓 的壓力狀態所執行的所述活塞的所述進氣衝程的至少 一部分期間， 提供所述排氣閥和進氣閥的同時關閉時期；和提供進氣過程，在所述進氣過程中，所述進氣閥打開而用於將 新鮮空氣吸入到所述燃燒室中。
3. 根據權利要求2所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特徵 在於，所述方法還包括，在進氣衝程期間在所述燃燒室內建立再循 環的排氣。
4. 根據權利要求3所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特徵 在於，建立再循環的排氣包括內部排氣再循環。
5. 根據權利要求4所述的操作四沖程內燃發動機的方法，其特徵 在於，內部排氣再循環包括，通過排氣閥的提前關閉，將排氣截留 在所述燃燒室內。
6. 根據權利要求4所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特徵 在於，內部排氣再循環包括，在所述進氣衝程期間，通過打開的所 述排氣閥將排氣再吸入到所述燃燒室中，所述排氣是在所述排氣沖 程期間通過打開的所述排氣閥排到所述排氣通道中的。
7. 根據權利要求4所述的4喿作四衝程內燃發動機的方法，其特徵 在於，內部排氣再循環包括，在所述進氣衝程期間，通過打開的所 述進氣閥將排氣再吸入到所述燃燒室中，所述排氣在所述排氣沖程 期間通過打開的所述進氣閥排到所述進氣通道中的。
8. 根據權利要求3所述的:^乘作四衝程內燃發動機的方法，其特徵 在於，建立再循環的排氣包括外部排氣再循環。
9. 根據權利要求1所述的控制四衝程內燃發動機的方法，其特徵 在於，操作所述可變閥系統，以便控制所述進氣閥和排氣閥來實現 有助於受控自動點火的缸內狀態包括提供排氣過程，在該排氣過程中，所迷排氣閥在所迷排氣沖程 的至少一部分期間打開，用於將燃燒後的氣體從所述燃燒室內排出；在發動機的部分負荷工作期間，在所述排氣過程之後，在包括 於所迷燃燒室內將一部分燃燒後的氣體截留並壓縮的所述排氣沖程 末期在內的期間，提供所述排氣閥和進氣閥的同時關閉；和提供進氣過程，在所述進氣過程中，所述進氣閥在所述進氣衝 程的至少 一部分期間打開，用於將新鮮空氣吸入到所述燃燒室中。
10. 根據權利要求1所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特徵在於，對氮氧化物排放的測量通過將燃料供給率與氮氧化物排放 的測量相關聯起來的查閱表來提供。
11. 根據權利要求1所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，對氮氧化物排放的測量通過氮氧化物傳感器來^是供。
12. 根據權利要求1所述的操作四衝程內燃發動機的方法,其特 徵在於，對氮氧化物排放的測量通過將發動機爆震與氮氧化物排放 的測量相關聯起來的查閱表來提供。
13. 根據權利要求10所述的控制四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，操作所述可變閥系統以便控制所述進氣閥和排氣閥來實現 有助於受控自動點火的缸內狀態，這包括提供排氣過程，在該排氣過程中，所述排氣閥打開而用於將燃 燒後的氣體從所述燃燒室中排出；在所述排氣過程之後，在用於在所述燃燒室內建立低於大氣壓 的壓力狀態所執行的所迷活塞的所述進氣衝程的至少一部分期間， 提供所述排氣閥和進氣閥的同時關閉時期；和提供進氣過程，在所述進氣過程中，所述進氣閥打開而用於將 新鮮空氣吸入到所述燃燒室中。
14. 根據權利要求13所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，還包括在進氣衝程期間在所述燃燒室內建立再循環的排氣。
15. 根據權利要求14所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，建立再循環的排氣包括內部排氣再循環。
16. 根據權利要求15所述的操作四沖程內燃發動機的方法，其特 徵在於，內部排氣再循環包括，通過排氣閥的提前關閉，將排氣截 留在所述燃燒室內。
17. 根據權利要求15所述的操作四沖程內燃發動機的方法，其特 徵在於，內部排氣再循環包括，在所述進氣衝程期間，通過打開的 所述排氣閥將排氣再吸入到所述燃燒室中，所述排氣是在所述排氣 衝程期間通過打開的所迷排氣閥排到所述排氣通道中的。
18. 根據權利要求15所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，內部排氣再循環包括，在所述進氣沖程期間，通過打開的 所述進氣閥將排氣再吸入到所述燃燒室中，所述排氣在所述排氣衝 程期間通過打開的所述進氣閥排到所述進氣通道中的。
19. 根據權利要求14所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，建立再循環的排氣包括外部排氣再循環。
20. 根據權利要求10所述的控制四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，操作所述可變閥系統以便控制所述進氣閥和排氣閥來實現 有助於受控自動點火的缸內狀態，這包括提供排氣過程，在該排氣過程中，所述排氣閥在所述排氣衝程 的至少一部分期間打開，用於將燃燒後的氣體從所述燃燒室內排出；在發動機的部分負荷工作期間，在所述排氣過程之後，在包括 於所述燃燒室內將一部分燃燒後的氣體截留並壓縮的所述排氣沖程 末期在內的期間，提供所述排氣閥和進氣閥的同時關閉；和提供進氣過程，在所述進氣過程中，所述進氣閥在所述進氣衝 程的至少 一部分期間打開，用於將新鮮空氣吸入到所述燃燒室中。
21. 根據權利要求11所述的控制四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，操作所述可變閥系統以便控制所述進氣閥和排氣閥來實現 有助於受控自動點火的缸內狀態，這包括提供排氣過程，在該排氣過程中，所述排氣閥打開而用於將燃 燒後的氣體從所述燃燒室中排出；在所述排氣過程之後，在用於在所述燃燒室內建立低於大氣壓 的壓力狀態所執行的所述活塞的所述進氣衝程的至少一部分期間， 才是供所述排氣閥和進氣閥的同時關閉時期；和提供進氣過程，在所述進氣過程中，所述進氣閥打開而用於將 新鮮空氣吸入到所述燃燒室中。
22. 根據權利要求21所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，還包括，在進氣衝程期間在析述燃燒室內建立再循環的排
23. 根據權利要求22所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，建立再循環的排氣包括內部排氣再循環。
24. 根椐權利要求23所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，內部排氣再循環包括，通過排氣閥的提前關閉，將排氣截 留在所述燃燒室內。
25. 根據權利要求23所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，內部排氣再循環包括，在所述進氣沖程期間，通過打開的 所述排氣閥將排氣再吸入到所述燃燒室中，所述排氣是在所述排氣 沖程期間通過打開的所述排氣閥排到所述排氣通道中的。
26. 根據權利要求23所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，內部排氣再循環包括，在所述進氣衝程期間，通過打開的 所述進氣閥將排氣再吸入到所述燃燒室中，所述排氣在所述排氣衝 程期間通過打開的所述進氣閥排到所述進氣通道中的。
27. 根據權利要求22所述的操作四沖程內燃發動機的方法，其特 徵在於，建立再循環的排氣包括外部排氣再循環。
28. 根據權利要求11所述的控制四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，操作所述可變閥系統以便控制所述進氣閥和排氣閥來實現 有助於受控自動點火的缸內狀態，這包括提供排氣過程，在該排氣過程中，所述排氣閥在所述排氣沖程 的至少一部分期間打開，用於將燃燒後的氣體從所述燃燒室內排出；在發動機的部分負荷工作期間，在所述排氣過程之後，在包括 於所述燃燒室內將一部分燃燒後的氣體截留並壓縮的所述排氣沖程 末期在內的期間，提供所述排氣閥和進氣閥的同時關閉；和提供進氣過程，在所述進氣過程中，所述進氣閥在所述進氣衝 程的至少一部分期間打開，用於將新鮮空氣吸入到所述燃燒室中。
29. 根據權利要求12所述的控制四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，操作所述可變閥系統以便控制所述進氣閥和排氣閥來實現有助於受控自動點火的缸內狀態，這包括提供排氣過程，在該排氣過程中，所述排氣閥打開而用於將燃 燒後的氣體從所述燃燒室中排出；在所述排氣過程之後，在用於在所述燃燒室內建立低於大氣壓 的壓力狀態所執行的所述活塞的所述進氣衝程的至少一部分期間，提供所述排氣閥和進氣閥的同時關閉時期；和提供進氣過程，在所述進氣過程中，所述進氣閥打開而用於將 新鮮空氣吸入到所述燃燒室中。
30. 根據權利要求29所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，還包括，在進氣衝程期間在所述燃燒室內建立再循環的排 氣。
31. 根據權利要求30所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，建立再循環的排氣包括內部排氣再循環。
32. 根據權利要求31所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，內部排氣再循環包括，通過排氣閥的提前關閉，將排氣截 留在所述燃燒室內。
33. 根據權利要求31所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，內部排氣再循環包括，在所述進氣衝程期間，通過打開的 所述排氣閥將排氣再吸入到所述燃燒室中，所述排氣是在所述排氣 衝程期間通過打開的所述排氣閥排到所述排氣通道中的。
34. 根據權利要求31所述的操作四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，內部排氣再循環包括，在所述進氣沖程期間，通過打開的 所述進氣閥將排氣再吸入到所述燃燒室中，所述排氣在所述排氣衝 程期間通過打開的所述進氣閥排到所述進氣通道中的。
35. 根據權利要求30所述的操作四沖程內燃發動機的方法，其特 徵在於，建立再循環的排氣包括外部排氣再循環。
36. 根據權利要求12所述的控制四衝程內燃發動機的方法，其特 徵在於，操作所述可變閥系統以便控制所述進氣閥和排氣閥來實現 有助於受控自動點火的缸內狀態，這包括提供排氣過程，在該排氣過程中，所述排氣閥在所述排氣衝程 的至少 一部分期間打開，用於將燃燒後的氣體從所述燃燒室內排出；在發動機的部分負荷工作期間，在所述排氣過程之後，在包括 於所述燃燒室內將一部分燃燒後的氣體截留並壓縮的所述排氣衝程 末期在內的期間，提供所述排氣閥和進氣閥的同時關閉；和提供進氣過程，在所述進氣過程中，所述進氣閥在所述進氣衝 程的至少一部分期間打開，用於將新鮮空氣吸入到所述燃燒室中。
全文摘要
一種通過有助於受控自動點火以及有助於在化學計量的空氣/燃料比或者貧的空氣/燃料比下實現缸內燃料填充的任何閥控制方案，而在受控自動點火模式下工作的四衝程內燃發動機。提供了發動機氮氧化物排放的測量，當發動機氮氧化物排放超越了預定的閾值時，缸內燃料填充就從化學計量的或貧的空氣/燃料比中的正在實施的一個空氣/燃料比，轉換至所述化學計量的或貧的空氣/燃料比中的未實施的那一個空氣/燃料比。
文檔編號F01L1/34GK101198771SQ200580031683
公開日2008年6月11日 申請日期2005年6月30日 優先權日2004年7月26日
發明者B·L·布朗, J·A·恩, P·M·納特, 姜俊模, 張振芳, 郭棠煒 申請人:通用汽車公司