技术领域
[0001] 本
发明涉及一种可运转在均质充气燃烧模式的内燃
发动机以及用于控制这种发动机的方法。
背景技术
[0002] 为了改善
汽油内燃发动机的热效率，已知稀燃通过减少
泵气损失和增加
比热比提供增强的热效率。一般来说，已知稀燃可以提供低
燃料消耗和低NOx排放。发动机可以稀薄空气/燃料混合物运转，然而有所限制，因为燃速慢会导致失火和燃烧不
稳定性。用于扩大所述稀燃限制的已知的方法包括通过提高燃料准备改善混合物的可燃性(例如使用雾化的或
汽化的燃料)以及通过将充气运动和
湍流引入空气/燃料混合物来增加火焰速度。
[0003] 另一个以非常稀薄或稀释的空气/燃料混合物运转发动机的方法为通过自动点火或均质充气压缩点火(HCCI)燃烧。HCCI模式为基本上均质充气的燃料和空气被
活塞压缩并且自动点火的发动机运转状态。
[0004] 在HCCI模式，当在稀薄空气/燃料混合物均质充气为低期间满足特定条件时，可发生均质充气压缩点火，其中大量燃烧发生同时始于充气中的多个点火
位置。通过压缩增加
温度直到整个充气同时起反应。尽管对于理想的HCCI燃烧不是必要的，但火花可用于扩大运转范围并稳定该燃烧。
[0005] 此外，在HCCI模式下没有像在SI(火花点火)模式下的移动的火焰前锋。由于同时在几个地方发生点火并使得充气同时燃烧意味着增加了放热率。
[0006] 没有单个火焰前锋减小了温度并增加了放热率，由此增加燃烧的热效率。此外，由于没有火焰前锋，该混合物可为极其稀薄和稀释能增加泵效率和热效率。
[0007] 由于在分
层压缩点火(CI)模式下的
柴油发动机也通过自动点火来点火，所谓的HCCI模式就是所说的使得SI发动机像更有效率的柴油发动机一样工作的尝试。相较于HCCI模式，CI模式具有基本上分层的充气，其点火发生在被喷射以开始燃烧的未混合燃料的边界处。由于该发动机至少在HCCI模式下的进气相位时喷射该燃料(其早于在CI模式下)，该燃料和空气会有更多的时间混合并且从而在点火时该充气会(更)均质。
[0008] 此外，HCCI模式还是为了达到SI模式类似的排放与CI模式的效率的尝试。一个理由是在HCCI模式下，该发动机可在均质稀薄和/稀释运转下工作。燃料和空气的均质稀薄充气会导致更清洁的燃烧和更低的排放。在SI模式下的传播火焰和在CI模式下的分层充气导致在充气中非常高的非均质废气温度，导致了非常高的局部温度值。其例如会产生高的NOx排放。在HCCI下来自多个点火处的均匀地分布于全部充气的均质燃烧导致更低的温度值以及例如极其低的NOx排放。
[0009] 在HCCI燃烧模式中的运转范围的一些部分中，其相较于SI和CI模式具有高一
氧化
碳(CO)和HC(碳化氢)排放的缺点。其他的缺点在于高的峰值压
力和有限的功率范围。
[0010] HCCI模式的又一个缺点为难以控制自动点火的正时。需要将与自动点火正时相关的峰值压力的位置(正时)控制在压缩冲程的活塞
上止点(TDC)之后的大约4-8度发生。这是为了优化燃料消耗和排放，并避免
爆震燃烧或部分燃烧/失火。同时，如果该控制起作用NOx的排放将会降得很低。
[0011] 在SI模式火花控制点火正时，而在CI模式喷射进压缩空气中的燃料引发点火。在HCCI模式，只要满足特定条件，例如当温度足够高时，燃料和空气的混合物会自动点燃。没有像启动燃烧的火花或燃料喷射的引发物。
[0012] 所使用的一个主要控制参数是用于控制气
门的正时，即所谓的
可变气门正时(VVT)。在VVT下，可在运转时改变进气门和/或排气门的正时。可以不同方式实现气门控制，例如使用独立控制的气门或
控制凸轮轴
角度，即所谓的可变凸轮正时。
[0013] 例如，VVT可通过改变
气门重叠控制在
燃烧室内捕捉到的残留物的量。据认为从前次燃烧残留的高比例的废气能提供热的充气温度，并激活必要的燃料自由基用于在非常稀薄的空气/燃料混合物下促进HCCI。在
四冲程发动机中，由于残留物含量较低，达到HCCI会更加困难，但是可通过加热进气至高温度或通过极大地增加压缩比来促进。也可通过保留一部分热排气或残留物，例如通过前述控制进气门和排气门的正时或通过再循环排气达成这种效果。
[0014] 美国
专利US 2002/0134333中公开了用于增加燃烧室内的废气比例的VVT系统的一个例子。该文件公开了通过负进气压力将在发动机1的排气管道中的排气再循环至进气系统的EGR通道。采用了开启和关闭进气门的进气凸轮，这样可调节进气凸轮的相位角。该进气凸轮的相位角是依照排气再循环的流速的增加或减小来调节的。在同时控制所有汽缸的气门而非个别地控制。
[0015] 欧洲专利EP 1435442中公开了用于增加燃烧室内的废气比例的VVT系统的另一个例子。在压缩点火模式中，在活塞的
排气冲程期间排气门(EV)适于在TDC之前关闭(EVC)，而在相同冲程期间进气门(IV)在TDC之后开启(IVO)。这被称为负气门重叠(NVO)并且在气体交换阶段发生。因此，残留排气保持在燃烧室内，其增加了燃烧室内的热量并且因此在压缩冲程中引发自动点火。
[0016] 欧洲专利EP 1435442也描述了使用至少一个预喷射(其在NVO期间在TDC之前喷射)和进一步使用至少一个在NVO期间在TDC之后但在压缩冲程的TDC之前的主喷射。来自预喷射的燃料会在残留排气中反应，形成自由基、中间物或燃烧产物。该反应可能为放热的，由此加热残留物导致自动点火温度更早的正时。
[0017] 为了控制这些喷射，欧洲专利EP 1435442描述了使用至少一个
传感器测量发动机运转参数，所述传感器包括燃烧室
压力传感器、进气
歧管压力传感器、排气道内的λ探测器以及用于进气、发动机冷却剂和发动机机油的温度传感器。通过测量燃烧室内的峰值压力和/或压力变化探测爆震。
控制器评估来自传感器的指示爆震和燃烧稳定性的
信号。如果在燃烧期间所过滤的峰值压力超过期望的压力
水平则爆震信号被认为高。当变动系数(COV)信号为高时，其通过峰值压力位置变化指示。
[0018] 控制HCCI内燃发动机的燃烧相位的能力是至关重要的。需要将峰值压力位置(正时)(约50％的燃烧角)控制在例如TDC之后的4-8度。这是为了避免长期运行中会损害发动机的爆震噪音。这也为了避免燃烧不稳定或高平均指示有效压力(IMEP)的变动系数(COV)。如果控制起作用，也会极大地降低NOx排放。
发明内容
[0019] 因此，本发明的目的在于提供一种运转在HCCI下的发动机的改进的自动点火控制。
[0020] 通过具有至少第一汽缸的内燃发动机实现该目的。该发动机包括至少一个燃料喷射器，通过该燃料喷射器将燃料引入至第一汽缸的燃烧室；至少控制喷射至第一汽缸的燃料量的燃料喷射控制器；以及位于第一汽缸内的活塞，该活塞的压缩导致空气和燃料混合物被点燃。该发动机进一步包括至少一个允许空气进入第一汽缸的进气门、至少一个用于将排气从第一汽缸排出的排气门以及至少一个用于测量第一汽缸的发动机运转参数的传感器。
[0021] 气门运转控制器适合在第一汽缸内的活塞的排气冲程期间在上止点之前关闭排气门，并在第一汽缸内的排气冲程的上止点与压缩冲程的上止点之间开启进气门。该燃料喷射控制器适合至少控制燃料喷射量，以在第一汽缸的活塞排气冲程的上止点之前在第一汽缸内执行至少一个第一燃料喷射，并在第一汽缸的排气冲程的上止点与压缩冲程的上止点之间在第一汽缸内执行至少一个第二燃料喷射。为了解决上述提到的问题，该发动机的显著特征在于气门运转控制器适合在第一喷射的
基础上确定第一汽缸的气门的开启和关闭。
[0022] 也可通过用于运转具有至少第一汽缸的内燃发动机的方法实现该目的。该发动机包括至少一个燃料喷射器，通过该燃料喷射器将燃料引入至第一汽缸的燃烧室；至少控制喷射至第一汽缸的燃料量的燃料喷射控制器；以及位于第一汽缸内的活塞，该活塞的压缩导致空气和燃料混合物被点燃。该发动机进一步包括至少一个允许空气进入第一汽缸的进气门、至少一个用于将排气从第一汽缸排出的排气门以及至少一个用于测量第一汽缸的发动机运转参数的传感器。
[0023] 气门运转控制器执行这些步骤：在第一汽缸内的活塞的排气冲程期间在上止点之前关闭排气门并在第一汽缸内的排气冲程的上止点与压缩冲程的上止点之间开启进气门。燃料喷射控制器执行这些步骤：至少控制燃料喷射量以在第一汽缸的活塞排气冲程的上止点之前在第一汽缸内执行至少一个第一燃料喷射以及在第一汽缸的排气冲程的上止点与压缩冲程的上止点之间在第一汽缸内执行至少一个第二燃料喷射。为了解决上述提到的问题，该方法的显著特征在于气门运转控制器在第一喷射的基础上确定第一汽缸的气门的开启和关闭。
[0024] 最终，可通过用于运转具有至少第一汽缸的内燃发动机的包括表示计算机可执行指令的存储数据的计算机可读存储装置实现该目的。该发动机包括至少一个燃料喷射器，通过该燃料喷射器将燃料引入至第一汽缸的燃烧室、至少控制喷射至第一汽缸的燃料量的燃料喷射控制器以及位于第一汽缸内的活塞，该活塞的压缩导致空气和燃料混合物被点燃。该发动机进一步包括至少一个允许空气进入第一汽缸的进气门、至少一个用于将排气从第一汽缸排出的排气门以及至少一个用于测量第一汽缸的发动机运转参数的传感器。
[0025] 所述计算机可读存储装置包括在所述第一汽缸内的活塞的排气冲程期间在上止点之前关闭所述排气门并在所述第一汽缸内的排气冲程的上止点与压缩冲程的上止点之间开启所述进气门的指令。所述计算机可读存储装置进一步包括用于至少控制燃料喷射量以在所述第一汽缸的活塞排气冲程的上止点之前在所述第一汽缸内执行至少一个第一燃料喷射以及在所述第一汽缸的排气冲程的上止点与所述压缩冲程的上止点之间在所述第一汽缸内执行至少一个第二燃料喷射的指令。为了解决上述提到的问题，该计算机可读存储装置的显著特征在于进一步包括在第一喷射的基础上确定第一汽缸的气门的开启和关闭的指令。
[0026] 本发明的优点在于可将预喷射(快速控制单个汽缸)和VCT(同时慢速控制所有汽缸)的优点结合在一起以便实现在HCCI模式下的自动点火的自动控制。恰当的正时会进一步减少燃料消耗。
[0027] 下文中将参照
附图详细地描述本发明。这些附图仅用于说明性目的，不以任何方式限制本发明的范围。
附图说明
[0028] 图1显示了依照本发明的内燃发动机的示意图。
[0029] 图2显示了说明HCCI和SI模式的相对于
曲轴角的汽缸压力变化的图示。
[0030] 图3显示了在燃料喷射控制器和气门运转控制器之间的配合的示意图。
[0031] 图4显示了示为用于多于一个汽缸的燃料喷射控制器和气门运转控制器之间的配合的示意图。
[0032] 具体实施方式
[0033] 现将参考
实施例描述本发明。所描述的本实施例包括可运转在均质充气燃烧模式的内燃发动机。依照本实施例的发动机适合执行特定步骤并且因此提供了运转在HCCI下的发动机的改进的自动点火控制。本领域技术人员应该明白的是包括在本发明中的方法和计算机可读存储装置能够控制由所述发动机执行的步骤。
[0034] 图1显示了依照本发明的内燃发动机的示意图。该发动机为四冲程发动机并带有至少第一汽缸3。发动机包括至少一个燃料喷射器2，燃料通
过喷射器2被直接引入至第一汽缸的燃烧室。每个汽缸有一个喷射器。
[0035] 发动机进一步包括至少控制喷射进第一汽缸3内的燃料量的燃料喷射控制器4和位于第一汽缸内的活塞5，活塞5的压缩导致空气和燃料混合物被点燃。控制器4也可控制其他参数，例如燃料喷射正时。这意味着发动机运转在基于其中至少燃料浓度、压力和温度，混合物被点燃的压缩点火模式。
[0036] 发动机进一步包括至少一个允许空气进入第一汽缸3的进气门6和至少一个用于将排气排出第一汽缸的排气门7。发动机进一步包括至少一个用于测量第一汽缸的发动机运转参数的传感器。发动机内的传感器数目对于本发明不是至关重要的。然而，如将描述的，如果使用测量汽缸内压力的压力传感器11较为有益。通过连接至
进气歧管的进气道9将空气供应至第一汽缸3中，而通过排气道10将排气排出。在HCCI模式，有个选择是由火花单元13控制的
火花塞8辅助自动点火。
[0037] 依照本发明的发动机进一步包括气门运转控制器12，参见图2，在第一汽缸3的活塞5的排气冲程期间，气门运转控制器12适于在上止点(TDC-在曲轴角为360度的上止点)之前关闭排气门7(EVC，排气门关闭)。此外，在第一汽缸中的排气冲程的上止点和压缩冲程的上止点(在曲轴角为0度的TDC)之间时开启进气门6(IVO，进气门开启)。
[0038] 气门运转控制器12通过气门
驱动器17和18控制进气门6和排气门7。驱动器可为电动的、机械运转的或液力运转的。在本
说明书的后面将描述气门6和7的控制。
[0039] 参考图2，燃料喷射控制器4适于至少控制燃料喷射量PFO以在第一汽缸3内的活塞排气冲程的上止点(在曲轴角为360度的TDC)之前在第一汽缸3内执行至少一个第一燃料喷射PI，并且在第一汽缸的排气冲程的上止点与压缩冲程的上止点(在曲轴角为0度的TDC)之间在第一汽缸内执行至少一个第二燃料喷射MI。
[0040] 如上提及的，控制HCCI内燃发动机的燃烧相位的能力是至关重要的。取决于例如每个曲轴角的压力上升值、NOx排放和/或IMEP COV，需要将峰值压力的位置(正时)(大约50％的燃烧角)控制在活塞TDC(压缩)之后大约4-8度。这是为了避免长期运行中会损害发动机的爆震噪音。这也是为了避免燃烧不稳定性或高IMEP COV。
[0041] 参考图2，用于控制燃烧相位的一个主要控制参数为通过VVT[以可变凸轮正时(VCT)的形式]控制气门6和7的EVC、IVO、IVC、EVO(排气门/进气门开启/关闭)。另一个主要控制参数为燃料预喷射(PI)的引入。VCT通过
凸轮轴控制气门，一个轴用于进气门，一个轴用于排气门。这意味着同时控制所有汽缸的所有进气门并且同时控制所有汽缸的所有排气门。
[0042] 问题是这两个参数在与燃烧互相作用方面区别很大。参考图2，燃料预喷射PI为汽缸单个控制的和快速的，如果改变则会影响到汽缸3的下个燃烧，但是控制宽度受到限制。另一方面，可变凸轮正时EVC、IVO、IVC、EVO在一对循环区域同时控制所有汽缸但是为慢速的。
[0043] 本发明的目的在于通过使用由气门运转控制器12和燃料喷射控制器4共同控制的这两个参数解决控制自动点火的问题。因此，参考图2，本发明的显著特征在于气门运转控制器12适合根据第一喷射PI确定第一汽缸3的气门的IVO、EVO开启和IVC、EVC关闭。
[0044] 这意味着气门运转控制器12适合收集关于第一喷射参数PI的信息(至少为数量)作为输入数据用于气门6和7的控制。将在下面描述该收集的进一步细节。
[0045] 参考图2，根据第一喷射PI确定气门6和7的开启IVO、EVO和关闭IVC、EVC是一种控制气门和第一喷射使其协作以避免振动的方法。好处在于可以结合预喷射(快速控制单个的汽缸)和VCT(在同时慢速控制所有汽缸)的优点以达到更有效率地自动控制HCCI模式的自动点火。
[0046] 在依照本发明的内燃发动机中，燃料被直接喷射进汽缸。
[0047] 现在描述第一(预)喷射PI的控制。参考图1和3，依照本发明的第一实施例的燃料喷射控制器4适合根据第一汽缸中峰值压力的正时的设定点值SP-LPP和该汽缸中实际峰值压力正时值LPP之间的比较14在第一喷射PI期间至少确定喷射至第一汽缸3的燃料量。设定点值为燃料喷射控制器打算达到的目标值。峰值压力的位置是由燃烧导致的从而在空气/燃料混合物被点燃后达到的汽缸压力最大的位置。这与
质量分数燃烧值存在100％的关联性。
[0048] 当自动点火发生时需要将峰值压力的正时控制在压缩冲程(在曲轴角为0处)上止点(TDC)之后大约4-8度。这会避免爆震噪音并避免燃烧不稳定或高IMEP COV(变动系数)。
[0049] 该设定点值SP-LPP取决于发动机运转图解/图，其进而取决于发动机的运转状况。燃料喷射控制器4将因此适合输入当前设定点峰值压力正时值，读取实际峰值压力正时值LPP，并且如果该第一汽缸内的实际峰值压力不同于第一汽缸内的设定点正时值，燃料喷射控制器会至少改变在该第一喷射PI期间喷射进该第一汽缸的燃料预输出(PFO，Pilot Fuel Output)量。
[0050] 参考图1和3，燃料喷射控制器4适合在峰值压力的正时值LPP和SP-LPP的比较14后，在第一汽缸内的后续排气冲程至少确定第一汽缸3内第一喷射PI的PFO量。这意味着该控制为单独汽缸的和快速的。如果第一汽缸内的峰值压力的实际正时值LPP改变了，该燃料喷射控制器4会至少改变在点火之后的第一排气相位和/或后续排气相位的第一(预)喷射PI的PFO量。
[0051] 燃料喷射控制器4将每个汽缸的峰值压力的正时值LPP单独地与SP-LPP作比较。在每个燃烧冲程执行该比较。控制器知道实际峰值压力正时值LPP大约在每个燃烧的TDC之后的40-50度。度数本质地取决于发动机的转数等。需要用些时间以让控制器4执行比较并发送出用于该汽缸的下个燃烧的PFO的控制信息。这会不时地变化。因此，如果控制器是快速的，其改变用于该点火之后的第一个排气相位的第一(预)喷射PI的
控制信号。
其也可以改变用于后续排气相位的控制信号。
[0052] 有许多方法可以探测峰值压力位置。在本发明中，设置压力传感器11探测第一汽缸3中的压力并且将实际的峰值压力正时值LPP传送至燃料喷射控制器4。也有许多其他的方法探测峰值压力位置，并且本领域技术人员应该明白的是这些方法没有一个被排除在本发明之外。
[0053] 本发明的范围为这样，参考图2，气门运转控制器12适合在第一喷射PI的基础上确定第一汽缸3的气门的开启IVO、EVO和关闭IVC、EVC。参考图2，因此，气门运转控制器12适合至少在当第一喷射期间喷射至该第一汽缸的燃料量的设定点值SP-PFO与当第一喷射PI期间喷射至第一汽缸的燃料的实际量PFO之间的比较15的基础上确定第一汽缸3的气门6和7的开启IVO、EVO和关闭IVC、EVC。
[0054] 这意味着气门运转控制器12会确保其取决于第一(预)燃料喷射PI，而非观察例如爆震、温度或压力的其他参数。气门控制因此间接取决于峰值压力位置LPP。气门运转控制器分别确定用于第一汽缸的进气门的输出IVO/IVC和用于第一汽缸的排气门的输出EVO/EVC上的开启IVO、EVO和关闭IVC、EVC的设定点。
[0055] 参考图3，燃料喷射控制器和气门运转控制以级联连接，首先为燃料喷射控制4，之后为气门运转控制器12。这使得气门运转控制器能够在第一汽缸预喷射期间至少从燃料喷射控制器收集关于喷射的燃料的实际量PFO，并将其与燃料量的设定点值SP-PFO比较15。
[0056] 发动机使用比例积分微分(PID，Proportional Integrate Derivate)控制器作为气门运转控制器12，与预喷射控制器4共同给出用于每个样本的新的气门控制输出值。PID为广泛使用在内燃发动机的一般的控制环路反馈机构。PID控制器试图校正在测量的过程变量和计算出的所需的设定点之间的误差并随后输出可相应调节过程的校正措施。
[0057] 由于气门运转控制器12以来自喷射的浮动平均值的输入控制，其会在大多数情况下较燃料喷射控制器4慢。另一个差别在于，由于VCT气门运转控制器在同时控制所有汽缸的气门正时，相对照于燃料喷射控制器的控制为单个的汽缸。
[0058] 气门运转控制器12适合在第一喷射PI的比较15之后的活塞的至少两转之内确定气门6和7。这意味着气门6和7的控制不像燃料喷射控制那样即时。理由是如果例如使用VCT，该系统需要一些时间以改变凸轮轴的角度。其他类型的VVT也需要一些时间以作出这个改变。相对照的是，燃料喷射器可迅速地对改变的状况作出反应。
[0059] VVT系统可以为VCT(可变凸轮轴正时)，这意味着气门运转控制器适合通过进气门凸轮轴控制发动机进气门的开启和关闭以及通过排气门凸轮轴控制发动机排气门的开启和关闭。进气门和排气门的控制为彼此独立。
[0060] 图4显示了用于多于一个汽缸的在燃料喷射控制器和气门运转控制器之间的配合的示意图。因此，图4与图3相当，主要区别在于图4显示了对多于一个汽缸的喷射和气门的控制。参考图1和4，燃料喷射控制器24适合在各个汽缸内的峰值压力的正时设定点值SP-LPP1、SP-LPP2、SP-LPPN和在该汽缸内的实际峰值压力正时值LPP(LPP1、LPP2、LPPN)之间的比较16的基础上至少确定在第一喷射PI期间喷射至各个汽缸(一个、两个至N个汽缸)的燃料量PFO1、PFO2、PFON。依照图3描述燃料喷射控制器24的运转。
[0061] 其也依照图3描述，燃料喷射控制器24至少适合用于在峰值压力的正时值LPP和SP-LPP的比较14之后确定在第一汽缸的后续排气冲程喷射至第一汽缸3的第一喷射PI的PFO量。
[0062] 本发明的范围在于气门运转控制器20适合在第一喷射PI的基础上确定汽缸3的气门的开启IVO、EVO和关闭IVC、EVC。图4显示了用于所有汽缸的单个气门运转控制器。这是当使用VCT时通过进气门凸轮轴和排气门凸轮轴控制气门的例子。控制器从而通过控制凸轮轴以控制气门。如图4中所示，气门运转控制器20适合至少在汽缸内的第一喷射期间喷射的燃料量的设定点值SP-PFO与第一喷射PI期间喷射至汽缸内的燃料的实际的PFO量的平均值之间的比较19的基础上确定所有汽缸1-N的气门6和7的开启IVO、EVO和关闭IVC、EVC，参见图2。
[0063] 如图4所示，在来自所有汽缸的实际值PFO1、PFO2...PFON的基础上计算28喷射的实际燃料量的移动平均值PFO。气门运转控制器分别确定用于汽缸的进气门的输出IVO/IVC和汽缸的排气门的输出EVO/EVC的开启IVO、EVO和关闭IVC、EVC的设定点。
[0064] 本领域技术人员应该明白的是，在不脱离本发明范围下，可对上面描述的实施例作出多种
修改。例如，峰值压力的位置用作为例子。可用其他的方法指示燃烧相位，例如质量分数燃烧位置(CAn，其中n＝[1∶99])、压力上升/曲轴角位置、转速/曲轴角的改变等。因此，有其他方法用于控制燃料喷射量。
