[0002] 本申请要求2009年11月12日在韩国知识产权局提交的韩国
专利申请第10-2009-0109303号的优先权和权益，上述申请的全部内容以引用的方式结合于此。
技术领域
[0003] 本
发明涉及一种
汽油发动机。更加特别地，本发明涉及一种使用低
十六烷值燃料(例如汽油)的压燃汽油发动机。
背景技术
[0004] 一般而言，装备有螺线管类型的向内喷射器以及用于使得内部ERG最大化的两级可变
气门升程的汽油
直接喷射式发动机适用于汽油受控自动点火(CAI)发动机，以产生自燃(self-ignition)，在再压缩过程中一次喷射燃料或者在再压缩过程和进气过程中两次喷射燃料。
[0005] 在两次喷射中，与单次喷射比较，燃料效率显著地提高了，并且燃烧压
力上升率(dp/dθ)根据负载条件而变低；然而，燃烧压力上升率(dp/dθ)相对较大，为4巴/度或更大，与预定负载没有区别。
[0006] 燃烧压力上升率(dp/dθ)代表了燃烧压力的快速上升，并且用作指示燃烧噪音的指标
[0007] 燃烧压力上升率的增大显著地增加了驾驶员感觉到的噪音
水平，并且导致了发动机耐久性的问题。
[0008] 作为参考，与压燃
柴油发动机比较，就燃烧噪音水平而言，普通柴油发动机的燃烧压力上升率(dp/dθ)为大约2-3巴/度，当需要最大输出时为大约4-5巴/度。因此，能够看出，当前的汽油CAI发动机的燃烧压力上升率(dp/dθ)的水平是非常高的。
[0009] 用于实现汽油CAI的燃料喷射方法分为MPI类型和直接喷射类型，MPI类型将燃料喷射至进气端口，直接喷射类型将燃料直接喷射进入
气缸。
[0010] MPI类型应用于发展的早期，但是近来，能够以各种各样的方式喷射燃料的直接喷射类型得到了发展。
[0011] 用于直接喷射类型的喷射器是螺线管类型的向内喷射器，在其结构中，在燃料喷射过程中喷射器针
阀在喷射器中向上移动，燃料通过贯穿喷射器形成的孔喷射。
[0012] 喷射器布置于进气端口之下
燃烧室的中心，这就是中心喷射类型。
[0013] 中心喷射类型具有如下优点：使得在再压缩过程中喷射的燃料对
活塞上部的冲击最小化。
[0014] 然而，由于螺线管类型的喷射器的喷射率较小，为14-15g/sec，当需要在较短时间内多次喷射燃料时多次喷射的次数受到限制，特别地，其可能会产生诸如焦化的问题。
[0015] 由于汽油CAI发动机基本上使用自燃以进行燃烧，从而燃烧在燃烧室中在若干
位置同时产生。
[0016] 在这种情况下，未燃烧的燃料产生油烟，喷射器的喷射孔被油烟堵塞。这种现象称为焦化。
[0017] 焦化导致喷射量和喷射器形状的错误改变，其结果是，燃烧变得不稳定，发动机出现故障。
[0018] 因此，由于存在上述问题，通过对喷射时间的选择进行限制而产生燃烧的压缩过程喷射是不可能进行的，超过两次的多重喷射也是难以进行的。
[0019] 公开于本背景技术部分的上述信息仅仅用于加深对本发明的背景技术的理解，因此其可能包含这种信息：该信息并不形成本国本领域普通技术人员已知的
现有技术。
发明内容
[0020] 本发明致力于提供一种压燃汽油发动机，其具有如下优点：通过使用多级喷射和多重点火而实现稳定压燃并且减小燃烧噪音。
[0021] 本发明的示例性实施方案提供了一种压燃(compression ignition)汽油发动机，包括：燃烧控制设备，所述燃烧控制设备具有喷射器，所述喷射器将燃料直接喷射进入燃烧室；进气门和排气门；以及改变气门正时的可变气门设备，其中所述压燃汽油发动机包括：至少两个进气门和两个排气门；
火花塞，所述火花塞位于所述燃烧室的中心部分；以及喷射器，所述喷射器位于所述火花塞附近朝向所述燃烧室的中心部分，其中，所述排气门是对称的气门升程，其中在低升程中两个排气门的升程和打开部分是相同的，所述进气门是不对称的气门升程，其中在低升程中两个进气门的升程和开度是不同的。
[0022] 此外，在用布置于所述燃烧室中火花塞所产生的火花的爆炸冲程的点火中，进气门在火花点火模式中移动通过相同的气门升程，并且在自燃模式中一个进气门移动比另一个进气门通过小的气门升程，其中爆炸冲程的自燃是在所述燃烧室中进行的。
[0023] 此外，在自燃模式中，进气门的任一个的升程开始时间都迟于另一个进气门的升程开始时间，而这些进气门的关闭时间都是相同的。
[0024] 此外，在自燃模式中，进气门的任一个的升程最大时间和另一个进气门的升程最大时间都是相同的。
[0025] 此外，排气门在火花点火模式中具有比在自燃模式中小的升程量。
[0026] 此外，在自燃模式中排气门的关闭时间早于火花点火模式。
[0027] 此外，压燃汽油发动机具有一个部分(负遮盖部分)，在该部分中在预定时间后进气门打开，而排气门在自燃模式中关闭。
[0028] 此外，根据操作区域，在负
气门重叠(NVO)、进气和压缩过程中，燃料从喷射器多次分离地喷射，至少一次或多次。
[0029] 此外，通过使用多重点火的点火辅助类型，通过控制由于较早的火焰蔓延而自燃的时间以及对燃烧压力上升率进行限制，火花塞减小了燃烧噪音。
[0030] 此外，喷射器是向外的类型，其中的针阀在外面移动。
[0031] 此外，通过将连续
可变气门正时(CVVT)应用于进气门和排气门，气门正时得到控制，从而对内部EGR率进行调节。
[0032] 此外，为了中心直接喷射，活塞具有半圆形或平坦的凹槽，在中心部分具有预定的倾斜。
[0033] 如上文所述，通过使用多重喷射，特别是在压缩过程中喷射燃料的多重喷射，以降低空气燃料混合物的稳定和压力，根据本发明的压燃汽油发动机可以对过度的自燃和燃烧噪音的快速增大进行抑制，从而减小燃烧噪音。
[0034] 此外，通过火花辅助(其使用单次点火或多重点火以消除由于自燃的过度抑制所导致的不稳定燃烧)，通过在较早的状态引入火焰蔓延以使得燃烧稳定，可以减少燃料消耗和排放，以及降低燃烧压力上升率并减小燃烧噪音。
[0035] 此外，通过使用向外类型的高流动率喷射器，可以防止在压缩过程中产生的焦化。
[0036] 此外，通过使用汽油发动机的点火，可以对自燃进行适当控制。
附图说明
[0037] 图1是显示了根据本发明的示例性压燃汽油发动机的剖视图；
[0038] 图2是显示了根据本发明的示例性压燃汽油发动机的单次喷射结果的曲线图；
[0039] 图3是根据本发明的示例性压燃汽油发动机的两次喷射的喷射时间的曲线图；
[0040] 图4是根据本发明的示例性压燃汽油发动机的三次喷射中的喷射时间的曲线图；
[0041] 图5是根据本发明的示例性压燃汽油发动机的四次到五次喷射中的喷射时间的曲线图；以及
[0042] 图6是根据本发明的示例性压燃汽油发动机的多重点火的曲线图。
具体实施方式
[0043] 现在将详细地参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的实例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当理解的是，本
说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但
覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附
权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、
修改形式、等同形式及其它实施方案。
[0044] 如图1中所示，根据本发明的各个实施方案的压燃汽油发动机包括：燃烧室10、至少一对进气端口20、在进气端口20的下游位于燃烧室10入口的进气门30、活塞40、形成于活塞40的顶部上中心部分的腔42、布置于气缸的中心部分并沿每个气缸的轴向方向上直接喷射燃料的喷射器60、火花塞70、控制燃烧的
电子控制单元(称为ECU)、至少一对排气端口80以及在排气端口80的上游布置于燃烧室10的出口的排气门90。
[0045] 在这种构造中，分别提供了两个进气门30和两个排气门90。例如，进气门30和排气门90在图1中清楚地显示，而进气门30’和排气门90’与其邻近但在图中大部分被遮挡。可以认识到，两个进气门可以彼此相同，或者相对彼此修改，排气门也是这种情况。
[0046] ECU通过使用冷却剂
温度传感器或油温传感器来检查是否达到可以进行压燃燃烧的条件，并且基于通过
曲柄角度传感器(未示出)检测到的发动机旋转
信号以及通过
加速器开度传感器(未示出)检测到的加速器开度信号而确定执行压燃燃烧类型和火花点火燃烧类型中的任一种类型中的操作。
[0047] 喷射器60形成有通过燃烧室10的顶部中心部分突出的喷射孔62，在活塞40的顶部上压制的腔42考虑到喷射器60的喷射方向而形成。腔或凹进的凹槽可以是如图1中所示的半圆形，或者可以是如图1中虚线所示的平坦的凹槽。
[0048] 在这种构造中，可以进一步包括
爆震传感器(未示出)或冷却剂温度传感器(未示出)。
[0049] 在选择喷射时间方面，与从侧面喷射燃料的方法比较，由于火花塞和喷射器位于燃烧室的中心部分(这是一种中心直接喷射发动机)，可以使得活塞的湿壁最小化。
[0050] 此外，喷射器60是向外类型的高流动率喷射器(27-32g/sec)，其中针阀64从内向外移动，如图1中的箭头“P”所示，从而可以防止焦化。
[0051] 此外，进气门和排气门装备有具有
摇臂类型或直接作用类型的两级可变结构的气门机构(valve train)，以保证充分的EGR率。
[0052] 此外，进一步包括了一种可变机构，以改变气门的升程量和升程正时。
[0053] 可变构件(两级可变机构)以不同的方式控制进气门和排气门的升程和打开部分。
[0054] 也就是说，可变机构由ECU控制，ECU的部件能够通过微型计算机的程序来实现。
[0055] 此外，在本发明的各个实施方案中，在气缸中产生的燃料和气体的气体混合物自燃的，并且在发动机的转速低于预定值的时候通过火花塞70点火。
[0056] 更具体地说，通过ECU选择性地执行火花点火模式、自燃模式或火花辅助自燃模式。
[0057] 也就是说，在火花点火模式中通过操作火花塞产生的火花进行燃烧，在自燃模式或火花辅助自燃模式中通过气缸内的压力和温度通过气体混合物的自燃来执行燃烧(膨胀)冲程；然而，在可能产生过度燃烧压力的部分，通过在压缩过程中喷射燃料以减少过度燃烧压力的增加从而降低燃烧室中的温度和压力并且防止自燃，其中通过操作单个或多个火花塞以消除由于防止过度自燃而产生的不稳定燃烧，从而使得燃烧得到稳定。
[0058] 参考图2，火花点火模式表示为火花点火(SI)模式，自燃模式表示为均质充气压燃(HCCI)模式或火花辅助自燃模式。
[0059] 此外，为了准确地控制内部EGR率，通过能够调节进气门和排气门正时的CVVT来对气门正时进行调节。如图2至图5所示，在NVO、进气和压缩过程中通过多级喷射而将燃料多次(三次或四次)喷射而防止过度自燃，从而降低了压燃和压缩噪音。此外，在燃烧的第一个半程中由于火焰的形成而产生的自燃通过在压缩过程中执行多重燃烧而受到抑制，在燃烧的后一半程中通过引入自燃而引入了稳定的自燃(self-ignition)。
[0060] 图2是显示了根据本发明的各个实施方案的压燃(compressionignition)汽油发动机的单次喷射的结果的图。
[0061] 单次喷射是产生汽油的自燃的最基本的喷射条件，其中在负重叠(under-lap)部分中喷射在再压缩过程附近完成，该负重叠部分是从排气门关闭时在进气门打开之前的部分。
[0062] 在单次喷射中，喷射时间根据进气TDC标准设置在BTDC70°和ATDC60°之间。
[0063] 图3显示了两次喷射中的喷射时间，其中第一喷射根据进气TDC标准设置在BTDC70°和ATDC60°之间，第二喷射根据压缩TDC标准设置在BTDC60°和BTDC20°之间。
[0064] 根据压缩TDC标准，第二喷射具有大约BTDC30°的最大燃烧噪音减小水平，但这个值根据发动机负载会变为提前的角度或者延迟的角度，通过在针对第一和第二喷射分配燃料时增加用于第二喷射的燃料量而减小了燃烧噪音。
[0065] 图4显示了三次喷射中的喷射时间，其中第一喷射根据进气TDC标准设置在BTDC70°和ATDC20°之间，第二喷射根据进气TDC标准设置在ATDC20°之间并且在第三喷射的起始点之前0.5ms，第三喷射设置在BTDC50°-BTDC20°之间。
[0066] 第三喷射时间设置为接近压缩TDC以抑制自燃。当第二喷射的量在整体燃料喷射量上增加的时候，燃料效率得到改进，但是燃烧压力上升率(dp/dθ)也增大。
[0067] 图5是四次到五次喷射中的喷射时间的曲线图。
[0068] 四次喷射是通过在三次喷射上增加单次喷射实现的，在排气门关闭之后直到压缩TDC之前，喷射时间才是可能的。
[0069] 该喷射执行为接近压缩TDC以抑制自燃，该喷射时间设置为接近进气TDC以改进自燃。
[0070] 类似于四次喷射，五次喷射是通过在三次喷射上增加两次喷射而执行的，以调节燃烧压力上升率(dp/dθ)，在排气门关闭之后直到压缩TDC之前才可能进行。
[0071] 优选地，在接近压缩TDC时执行喷射，以降低燃烧压力上升率(dp/dθ)。
[0072] 在多重喷射中，喷射时间和喷射量是考虑到喷射的响应以及ECU的计算能力而确定的。
[0073] 另一方面，参考图2至图5描述排气门90的操作，在自燃模式中排气门90的升程量小于火花点火模式中的升程量，在自燃模式中排气门90的关闭时间快于火花点火模式中的关闭时间。
[0074] 也就是说，排气门90在自燃模式中打开一点并且较早关闭。
[0075] 描述进气门30的操作，在自燃模式中进气门30的升程量小于在火花点火模式中的升程量。
[0076] 也就是说，进气门30分为第一进气门和第二进气门，在火花点火模式中第一进气门和第二进气门的升程量是相同的。
[0077] 然而，在自燃模式中，第二进气门的升程量小于第一进气门的升程量。此外，第二进气门的打开时间迟于第一进气门的打开时间。也就是说，第二进气门比第一进气门开得晚并且开得少。
[0078] 如上文所述，通过以不同的方式控制第一进气门和第二进气门的升程量和打开时间，改进了气缸内部的流动率，产生了均匀气体混合物，从而可以改进自燃的
稳定性。
[0079] 此外，在自燃模式中在排气门关闭时以及在第二进气门关闭时之间产生了负重叠部分，其中负重叠部分意味着此时至少任意一个排气门和至少任意一个进气门已经同时关闭。
[0080] 在汽油发动机中，燃烧室内部的温度和压力应该增加至产生自燃，出于这个目的，通常使用早期关闭排气门的负重叠(例如，负气门重叠)，以使得内部EGR率最大化。在这种情况下，虽然在低负载下可以通过保证充分的EGR率来产生稳定的自燃，但是当负载增加时过高的内部EGR率产生自燃，燃烧压力迅速增大，从而使得燃烧噪音迅速增大，发动机的耐久性也会受到影响。
[0081] 此外，以不同的方式控制第一进气门和第二进气门的升程量和打开/关闭时间称为不对称的气门升程。
[0082] 在本发明的各个实施方案中，将自燃模式与火花点火模式区别开来的参考值可以是发动机的转速和负载条件以及冷却剂温度条件。
[0083] 例如，在冷却剂温度的预定水平下总是执行火花点火模式并且在冷却剂温度的预定水平之上能够执行自燃模式，但是即使是在这种情况下，只要发动机的转速和负载条件在预定值的范围内就能够执行自燃模式
[0084] 此外，如图6中所示，通过使用多次点火(2-5次点火)而不是单次点火，从而能够产生稳定的燃烧，这是基本情况。
[0085] 与单次点火比较，多次点火需要在较短时间内多次点火，从而导致传递至气体混合物的燃烧
能量根据每次点火的时期和数量有所不同。也就是说，在单次点火中，点火是通过以下方式实现的：执行预定延迟时间的充电以将点火能量供给至IG线圈，然后放电至火花塞，所供给的能量称为点火能量。
[0086] 多次点火通过在第一点火的过程中削减点火而在IG线圈中执行重新充电，然后通过执行重新充电至火花塞而产生点火。
[0087] 在这种情况下，点火削减时期能够受到ECU的控制，在普通IG线圈中充
电能量随着点火次数的增加而减少，从而与单次点火比较，虽然在第四次或更多次中几乎不产生点火，点火能量还是显著增加。
[0088] 为了消除普通IG线圈中的
缺陷，通过改进IG线圈的响应以缩短充电时间，即使点火次数增加，也可以通过火花塞而维持传递至气体混合物的点火能量。
[0089] 即使在这种情况下，总的点火次数也不应该超过六次。
[0090] 这是因为，最小充电时间需要IG线圈的特征，并且实际点火时间根据压缩TDC存在于BTDC60°和BTDC20°之间，从而在点火时间延迟时，点火持续到TDC之后，其不会有助于燃烧。
[0091] 为了便于在所附权利要求中解释和精确定义，术语“之上”、“上”和“内部”等等用于参考在图中所示的示例性实施方案的特征的位置来描述这些特征。
[0092] 前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其各种选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等同形式所限定。
