在常规内燃机中控制燃烧的一种方法是用火花点火引向火焰传播， 所述火花点火涉及均匀充气火花点火(SI)。众所周知，在常规均质充 气火花点火(SI)发动机中，点火过程的周期易变性强烈受火花放电期 间气缸内充气运动影响。例如，说已证明，更好的点火特性通过使早期 焰心远离每个火花电极对流以使火花能损失最小产生。尤其是，已经使 用气缸内充气运动，比如旋转和翻滚的成分与燃烧室设计结合，以便操 纵火花放电等离子体通道远离火花塞电极。这种作用改善了在均质充气 和分层充气火花点火汽油发动机二者中化学计算量混合物和稀空气/燃 料混合物二者的可燃性。
火花点火用于直接喷射控制式自动点火内燃机中的燃烧阶段控制 的重要性也已得到证明。在2005.12.6颁给Najt等人的标题为“自动点 火汽油发动机燃烧室及方法”的美国专利No.6971365 B1中描述了利用 火花点火来控制在轻载荷和怠速下工作的直接喷射汽油自动点火内燃 机中的燃烧阶段，并能用常规压缩比进行冷起动。在2006.2.7颁给Kuo 等人申请的标题为“用于自动点火燃烧的中载荷工作的方法”的美国专 利No.6994072B2中描述了利用燃烧喷射和火花点火战略来扩大汽油直 接喷射控制式自动点火内燃机的中载荷工作范围。对最佳发动机运行来 说，有许多几何形状上受约束的设计限制，所述这些设计限制影响将火 花放电等离子体通道定位在燃料-空气混合物处的可点火区的能力；这些 包括火花塞、燃料喷射器、燃烧室几何形状、和活塞-碗(bowl)之间 的相对位置。
需要有一种动力系控制系统，所述动力系控制系统包括均质充气或 者分层充气的控制式自动电火内燃机，其中可燃混合气充量在燃烧室中 的点火受到控制。
发明提要
本发明包括动力系及其控制方法，其中在装备有气缸内燃料喷射和 火花点火装置的均质充气或分层充气的控制制式自动点火内燃机的燃 烧室中可燃混合气充量的点火受到控制。方法包括在火花点火装置的电 极之间产生火花放电等离子体通道，以便在燃烧室中产生化学反应。火 花放电等离子体通道引向可燃混合气充量，因此使控制式自动点火燃烧 的阶段提前。
本发明的潜在好处包括：1)改善了在多缸发动机中速度和载荷瞬 变期间各个气缸的燃烧控制和2)减轻了对燃烧室设计的几何形状约束。 本发明适用于用单组分或多组分燃料工作的控制式自动点火内燃机。
对该领域的技术人员来说，本发明的这些和另一些情况在阅读并理 解下面本发明的详细说明时，将变得显而易见。
附图简介
本发明在某些部件及部件的安排中可以采取实际形式，本发明的实 施例下面作详细说明并在附图中示出，附图包括：
图1，2和3A-3D是按照本发明所述的内燃机的示意图；和
图4，5和6是按照本发明所述的数据曲线。
实施例详细说明
现在参见附图，其中绘图仅是用于举例说明本发明的目的，而不是 用于限制本发明的目的，图1示出一动力系，所述动力系包括内燃机10 和控制系统5，该控制系统5已按照本发明的实施例制造。发动机10优 选的是包括汽油直接燃料喷射，火花点火式，四冲程内燃机，所述内燃 机可在控制式点火过程中，亦即均质充气压缩点火(“HCCI”)发动机 中工作。应该理解，本文所说明的发明可适用于其它发动机配置，比如 发动机配置成用分层充气方式工作。
示例性的发动机包括多个可变体积燃烧室20，每个燃烧室20都由 发动机组25中所形成的闭合端部式气缸限定。可动活塞11与气缸的壁 一起，限定可变体积燃烧室20。可旋转的曲轴35通过连杆连接到每个 活塞11上，所述活塞11在进行运转期间于气缸中作往复运动。气缸盖 27在其远离曲轴35的端部处密封式固定到发动机组25上，并与气缸壁 和活塞11一起形成燃烧室20。气缸盖27提供一种结构，所述结构用于 进气口17、排气口19、一个或多个进气阀21、一个或多个排气阀23、 缸内燃料喷射器12、和火花塞14。燃料喷射器12包括一已知装置，所 述已知装置流体式连接到加压的燃料供应系统上以便接收燃料，上述已 知装置工作以便在发动机的正在运行期间定期将加压的燃料直接喷射 或喷雾到燃烧室20中。燃料喷射器12和本文所述其它执行机构的启动 用电子发动机控制器(“ECM”)控制，所述“ECM”是控制系统5 的一个元件。火花塞14包括一已知装置，所述已知装置工作以便将燃 烧室20中所形成的空气/燃料混合物点火。火花塞包括阳极电极15和阴 极电极16，其中在所述阳极和阴极电极15和16之间形成火花塞间隙。 将必要的点火能输送到火花塞14的阴极电极16，用于在合适时间里从 由ECM所控制的点火组件跨过火花塞间隙放电。进气口17将空气引到 燃烧室。空气流入燃烧室20由一个或多个进气阀21控制，所述进气阀 21操作式由阀驱动装置如凸轮轴(未示出)控制。燃烧过的(废)气体 从燃烧室20通过排气口19流出，同时燃烧过的气体穿过排气口的流动 由一个或多个排气阀23控制，所述排气阀23操作式由阀驱动装置如第 二凸轮轴(未示出)控制。对控制阀的打开和关闭的控制方案的具体细 节未详细论述，但应该理解，各种不同的阀控制机构和方案如可变凸轮 阶段和可变阀驱动，全都属于本发明的范围内。发动机和燃烧控制的另 一些一般已知情况本文未详细论述。
如上所述，ECM优选的是整个控制系统5的一个元件，所述控制 系统5包括分布式控制组件结构体系，该控制组件结构体系工作以便提 供协调的动力系统控制。ECM将相关的信息和来自一些检测装置，包 括曲柄传感器31和排气传感器40的输入合成，并执行一些算法，以便 控制各种执行机构比如燃料喷射器12和点火组件的操作以便达到控制 目标，其中包括如燃料经济、排放、性能、驱动能力、和硬件的保护等 这样的参数。ECM优选的是通用数字计算机，所述通用数字计算机一 般包括微处理器或中央处理单元、存储媒体包括只读存储器(ROM)， 随机存取存储器(RAM)、电可擦可编程只读存储器(EPROM)、高 速时钟、模拟/数字(A/D)和数字/模拟(D/A)电路、和输入/输出电路 及装置(I/O)及合适的信号波形加工器和缓冲电路。将一组包括常驻程 序指令和校准的控制算法存储在ROM中，并执行以便提供相应的功能。 各算法通常是在预定的环路周期期间执行，以便每种算法对每个环路周 期至少执行一次。存储在非易失性存储设备中的算法是通过中央处理单 元执行，并可操纵以便监测来自检测装置的输入及执行控制和诊断程 序，以便用预定的校准控制相应装置的操作。各环路周期通常是以规则 的时间间隔，例如在正进行的发动机和车辆运行期间每3.125，6.25， 12.5，25和100毫秒的间隔执行。可供选择地，各算法可以随着事件的 发生执行。
现在参见图2和3A-3D，本发明包括用于控制上述发动机10的燃 烧室20中可燃混合气充量60的点火的方法。方法优选的是包括至少一 个在ECM中执行的算法，上述方法包括在火花点火装置的各电极之间 产生火花放电等离子体通道50、和在燃烧室20中通过驱动燃料喷射器 12产生可燃混合气充量60。在阴极电极16和阳极电极15之间所形成 的火花放电等离子体通道50包括高温离子化气柱。火花放电等离子体 通道有效的移动并进入可燃混合气充量，以便相对于曲柄角的旋转，使 可燃混合气充量控制式自动点火的阶段提前。可燃混合气充量60包括 空气、燃料和在四冲程发动机的压缩阶段期间燃烧室中所捕获的残留气 体的混合物。在燃烧室中产生可燃混合气充量包括相对于活塞位置选择 性地控制燃料喷射正时(timing)，以便在燃烧室中产生燃料喷雾所引 发的充量的运动进入火花放电等离子体通道，其中包括控制气缸内燃料 喷射的正时和定目标。它还包括进气阀和排气阀通向燃烧室的和开口的 大小正时，以便控制气缸内充量的运动。
气缸内充量的运动本文定义为包括气缸内充量的气缸内气体的速 度和动量。气缸内充量的成分包在在吸气冲程期间所吸入的新鲜吸入空 气、任何残留的气体分数、和直接喷射的燃料。残留气体定义为从前一 个发动机周期所截留的气体，或者在吸气冲程期间由于阀重叠或外部废 气再循环所吸入的气体。气缸内充量的运动的速度和动量优选的是可参 照流动控制参数进行控制，所述参数包括：穿过进气阀所吸入的新鲜进 气、残留气流、喷射的燃料、及形状和包括活塞顶的燃烧室形状的设计， 及在进气冲程和压缩冲程期间这些参数的相互作用。
气缸内充量的运动的速度和动量、及相关的流量控制参数影响各种 燃烧室设计和工作因素。这些因素包括燃烧室和每个活塞顶处任何碗状 物(bowl)的几何设计和形状、燃料喷射器在燃烧室中的布局；进气阀 和排气阀的数量和位置、火花塞的位置；及进气阀和排气阀打开和关闭 的正时和幅度。燃烧阶段本文中定义为在曲柄角度数下可燃气充量的 50％质量燃烧(“ca50”)时的时间，通常是在上死点之后(“aTDC”)。
现在参见图3A-3D，图3A-3D示出图2的燃料喷射系统的进一步详 细情况，它们分别用四个示意图示出，所述四个示意图示出按照参照图 1所述的发动机制造的示例性气缸内拍摄到的图像。图像用照像设备拍 摄，和拍摄技术操作成目视记录在单发动机循环期间气缸内事件。为了 更充分理解，火花塞阴极电极和阳极电极的位置已经放大，和X标度增 加，以便有助于线性测量。X-标度包括一与火花塞阴极电极16所形成 的中心线并行的零点，以便证实燃烧室20内所关心的活动。记录通过 采用直接燃料喷射的气缸内充量的运动火花塞放电等离子体通道的运 动和进入，并作为沿着X轴线远离火花塞阴极电极16的线性偏差测量。 在图3A中，火花等离子体通道50在阴极电极16的中心的左侧开始， 并定为负方向。在图3B中，在喷射器喷雾作用期间所喷射的燃料变得 可见，示出为可燃混合气充量60，并开始使火花等离子体通道50朝正 X方向移动。火花通道的运动并因此携带物(entrainment)通过图3C 继续，并可以看出火花等离子体通道50到喷射作用结束时完全排出火 花塞间隙，如图3D中所示。所喷射的燃料由于蒸发而在图3D中消失， 同时留下燃料-空气混合物，火花等离子体通道50已引入上述燃料一空 气混合物。
现在参见图4和5，图4和5示出两条曲线，所述两条曲线示出利 用直接燃料喷射由气缸充量的运动所引起的火花通道携带物(在图3中 示出)对控制式自动电火燃烧阶段的影响。图4所示的曲线示出在50％ 质量燃烧(ca50)时，曲柄角随与电极的中心最大等离子体偏移差(以 毫米计)变化的情况，上述曲柄角用上死点中心之后的度数(deg aTDC) 度量。自动点火燃烧阶段定义为在50％质量已燃烧(ca50)时的曲柄角。 以“X”示出的数据是喷雾所经历的一点儿携带物的那些周期，因此最 大偏差Xmax距电极的中心为小于+2mm。以“.”表示的数据是携带物具 有最大偏差Xmax的那些周期，所述最大偏差距电极的中心大于+2mm。 图5包括一从图4所描述的两种情况在达到50％质量燃烧时每个曲柄角 的周期数的曲线；亦即，很差携带的周期(Xmax＜2mm)和高度携带的 周期(Xmax＞2mm)。尤其是，具有等离子体通道携带物小于+2mm的周 期具有一低的提前阶段的可能性。带有Xmax＞+2mm的等离子体通道具 有很高的在5 deg aTDC之前使自动点火燃烧阶段提前到50％质量燃烧 (ca50)时曲柄角的可能性。图4和5表明，对于提前的自动点火燃烧 阶段来说，通过燃料喷雾的等离子体通道携带物是必要但不是充分的条 件。
现在参见图6，图6示出500次发动机循环的曲线，所述曲线显示 点火的气缸(亦即喷射燃料)和有发动机的气缸(亦即没有燃料喷射) 发生与电极的中心最大偏差的频率。图6所示的结果证明，由直接燃料 喷射所产生的缸内充量的运动增加了火花放电等离子体通道50朝正X 方向移动和携带的可能性。尤其是，在每个火花放电期间等离子通道偏 差(在X方向上)的最大值已经从500次发动机循环的拍摄图像计算出 来。在图6中用虚线示出的结果证明，在没有燃料喷射的机动发动机中， 火花等离子体通道50具有几乎相等的朝正和负两个方向移动的可能性。 产生这种结果是由于不同流量控制参数所产生的气缸内充量的运动，上 述参数包括通过进气口17所吸入的新鲜进气、残留的气流、燃烧室20， 其中包括气缸盖27和活塞顶11的形状、及在吸气和压缩冲程期间这些 流动控制参数的相互作用。流动控制参数和燃料的直接喷射操纵成控制 气缸内充气运动的速度和动量。相反，在图6中用实线所示出的结果证 明，在用燃料直接喷射和自动点火燃烧的发动机运行期间，等离子体通 道优选的是由燃料喷射雾朝正X方向携带。
总之，本发明的实施例的生存能力其中显然通过优选燃料喷射正时 和定目标二者得到证明，火花放电等离子体通道通过气缸内充量的运动 携带，所述充量的运动主要由燃料喷雾引发。本发明的效率在图4-6中 已经证明，其中证明，由直接燃料喷射所产生的气缸内充量的运动使燃 烧阶段朝控制式自动点火燃烧发动机方向提前。
本发明提供一种方法，以便用气缸内流动操纵火花放电等离子体通 道，用于直接喷射控制式自动点火燃烧发动机中的燃烧控制。尤其是， 它给方法提供控制自动点火燃烧阶段。燃烧阶段此处定义为在50％质量 燃烧(ca50)时曲柄角度的正时。本发明的潜在好处包括：1)改善了 多缸发动机中速度和载荷瞬变期间单个气缸燃烧控制和2)对更好的燃 烧系统设计稍微减轻了几何形状约束。本发明适用于用任何单组分或多 组分燃料工作的控制式自动点火燃烧发动机。本发明的好处包括改善了 在速度和载荷瞬变状态期间各个气缸燃烧控制，和更坚固的与几何形状 有关的燃烧系统设计。
本发明已具体参照一些优选实施例及其修改进行了说明。这可以包 括各种不同的发动机配置，所述发动机配置包括自由活塞线性交流发电 机、或二冲程曲柄-滑动器发动机。另一些修改和改变可以在阅读和理解 说明书时发生。打算包括所有这些修改和改变，因为它们都在本发明的 范围。