技术领域
[0001] 本
发明涉及均质充气
压缩点火发动机，该发动机在火花点火燃烧和均质充气压缩点火燃烧之间切换其燃烧模式。
背景技术
[0002] 日本特开平
专利公布No.2003-193872公开了均质充气压缩点火发动机(HCCI发动机)的一种实例，该发动机在火花点火燃烧(SI燃烧)和均质充气压缩点火燃烧(HCCI燃烧)之间切换其燃烧模式。该HCCI发动机具有可变压缩比装置，并在HCCI燃烧时运行于高压缩比，而在SI燃烧时运行于低压缩比。在从高压缩比的HCCI燃烧至低压缩比的SI燃烧的切换期间，该HCCI发动机通过延迟进气
阀的关闭正时而降低有效压缩比。这样，HCCI燃烧模式快速结束并平缓切换到SI燃烧模式。
[0003] 在日本特开平专利公布No.2003-193872里描述的可变压缩比装置从均质充气压缩点火燃烧切换其燃烧模式到火花点火燃烧平缓。然而，该装置以复杂的方式构造，这极大地增加了制造该装置的成本。同样，该装置的重量也是极为不利的。
[0004] 在SI燃烧的稳定运行时缸内气体
温度比在HCCI燃烧的稳定运行时缸内气体温度高。因此，在SI燃烧时每个
气缸的壁表面温度相对高。这可能使得从SI燃烧到HCCI燃烧的切换期间提前点火和/或
爆震。相比之下，在HCCI燃烧时每个气缸的壁表面温度相对低。因此，在从HCCI燃烧到SI燃烧的切换期间可能发生不点火。这些由在燃烧模式切换时高或低的缸内气体温度产生的问题并未在日本特开平专利公布No.2003-193872的技术里解决。
发明内容
[0005] 因此，本发明的一个目的是提供均质充气压缩点火发动机，该均质充气压缩点火发动机抑制在从火花点火燃烧到均质充气压缩点火燃烧的切换期间的提前点火和爆震，以及在从均质充气压缩点火燃烧至火花点火燃烧的切换期间的不点火。
[0006] 为了实现前述目的，根据本发明的一个方面，提供了具有
燃烧室的均质充气压缩点火发动机。该发动机能够在火花点火燃烧和均质充气压缩点火燃烧之间切换燃烧模式。该发动机包括多个进气端口、进气端口打开/关闭机构和控制部分。该进气端口与燃烧室连通。该进气端口包括为
涡流端口(swirl port)的至少一个第一端口和为非专用涡流端口的至少一个第二端口。该进气端口打开/关闭机构选择性地打开和关闭至少第二端口。该控制部分控制该进气端口打开/关闭机构。在第一切换期间，或在火花点火燃烧切换到均质充气压缩点火燃烧的切换期间，控制部分控制进气端口打开/关闭机构关闭第二端口，以便仅仅通过第一端口提供进气空气给燃烧室。在第二切换期间，或在均质充气压缩点火燃烧切换到火花点火燃烧的切换期间，控制部分控制进气端口打开/关闭机构打开第二端口，以便进气空气至少通过第二端口提供。
附图说明
[0007] 图1是主要示出了根据本发明的
实施例的均质充气压缩点火发动机的一个气缸的示意性平面图；
[0008] 图2是描述了处于仅使用涡流端口的状态的图1所示的发动机的示意性平面图；
[0009] 图3是描述了处于仅使用
滚流端口(tumble port)的状态的图1所示的发动机的示意性平面图；
[0010] 图4是示意性地示出了图2所示的发动机的左视图；
[0011] 图5是示意性地示出了图3所示的发动机的右视图；
[0012] 图6是表示图1所示的发动机燃烧室内的温度在第一切换期间之前、之中和之后的
波动图；
[0013] 图7是表示图1所示的发动机燃烧室内的温度在第二切换期间之前、之中和之后的波动图；和
[0014] 图8是表示图1所示的发动机燃烧室内的空气-
燃料比在第二切换期间之前、之中和之后的波动图。
具体实施方式
[0015] 参考附图，现描述本发明的优选实施例。
[0016] 根据本发明的一个实施例，均质充气压缩点火发动机(HCCI发动机)1的构造总体上将参考图1进行阐述。该图仅仅示意性地示出了HCCI发动机1。例如，在下文将描述的
火花塞2p和进气及排气阀10v、30v均被略去。
[0017] HCCI发动机1在需要时依照运行条件(发动机负载和发动机速度)在火花点火燃烧(SI燃烧)和均质充气压缩点火燃烧(HCCI燃烧)之间切换燃烧模式。这允许HCCI发动机1在HCCI燃烧时以低燃料消耗运行，而在SI燃烧时以高输出运行。
[0018] 如图1所示，HCCI发动机1具有多个气缸(仅图示一个)。每个气缸具有燃烧室3，与燃烧室3连通的两个进气端口10p、11p，同样与燃烧室3连通的两个排气端口30p、31p和节气
门13。尽管在本实施例中每个气缸具有两个进气端口，进气端口数可为任何其他合适的值，只要该数为多个即可。也就是说，气缸可包括三个或更多的进气端口。进气空气通过进气端口10p、11p并通过相应的开口10a、11a到达燃烧室3。排出气体从燃烧室3排放并通过相应的开口30a、31a到达排气端口30p、31p。两个进气端口10p、11p被设置作为从公共上游进气端口50p分开的分支。两个排气端口30p、31p被合并成公共下游排气端口
40p。用作进气空气量调整机构的节气门13设置在上游进气端口50p内并调整供给到燃烧室3的进气空气量。虽然在本实施例中进气空气量调整机构用节气门13实施，但是该机构可
修改为其他任何合适部件。HCCI发动机1具有用作控制部分的
电子控制单元(ECU)90。
ECU90控制节气门13及进气阀和排气阀10v、30v的运行。
[0019] 接着参考图2和图3，将详细地阐述进气端口10p、11p的构造。在本实施例中，进气端口10p是涡流端口(第一端口)，进气端口11p是滚流端口(第二端口)。本实施例的每个气缸包括一个涡流端口10p和一个滚流端口11p。在每个气缸中设置的涡流端口10p或滚流端口11p的数量可能多于两个，只要每个气缸具有至少一个涡流端口10p和至少一个滚流端口11p即可。也就是说，例如，每个气缸具有两个涡流端口和一个滚流端口或一个涡流端口和两个滚流端口。进气端口打开/关闭阀(进气端口打开/关闭机构)12设置在涡流端口10p和滚流端口11p之间的分
支点。进气空气通过两个进气端口10p、11p的路径通过控制进气端口打开/关闭阀12来切换。具体地，该路径在包括进气端口10p、11p中仅一个的路径和包括进气端口10p、11p两者的路径之间切换。
[0020] 进气端口的切换将在下文描述。
[0021] 进气端口打开/关闭阀12具有旋
转轴12c和阀12v，所述阀12v配合轴12c的旋转而旋转。进气端口打开/关闭阀12由ECU90控制以选择性地打开和关闭涡流端口10p和滚流端口11p，如图1-3所描述的。在图1所描述的状态，阀12v位于中间
位置。在这种状态下，进气空气通过涡流端口10p和滚流端口11p两者并到达燃烧室3。在图2所描述的状态，阀12v以封闭滚流端口11p(以形成封闭滚流端口11p的盖)的方式设置。在这种状态下，进气空气在到达燃烧室3之前仅流动通过涡流端口10p。在图3所描述的状态，阀12v以阻挡涡流端口10p(以形成封闭涡流端口10p的盖)的方式设置。在这种状态下，进气空气在被引入燃烧室3之前只流动通过滚流端口11p。通过依照HCCI发动机1的运行状态由ECU90控制而按需要选择如图1-3所描述的这些状态中的任何一个。
[0022] 可替换地，进气端口打开/关闭阀12可由选择性地打开和关闭至少该滚流端口11p的进气端口打开/关闭机构替代。该进气端口打开/关闭机构可由例如与进气端口
10p、11p相应的两个盖部分形成。在这种情况下，盖部分由ECU90控制使得进气端口10p、
11p中的相应一个选择性地打开和关闭。
[0023] 参考图2和4，涡流端口10p将在下文更具体地阐述。如图4所示，HCCI发动机1具有选择性地打开和关闭涡流端口10p的进气阀10v、选择性地打开和关闭排气端口30p的排气阀30v和用于SI燃烧的火花塞2p。图4示出了进气阀10v被打开和排气阀30v被关闭的状态。
[0024] 涡流端口10p定形为使得在燃烧室3内产生涡流流动。具体地，涡流端口10p在燃烧室3壁表面的切向方向(例如，在图2描述了燃烧室3壁表面C点处的切向方向)提供进气空气(新鲜空气)。与滚流端口11p相比，这允许涡流端口10p主动产生强涡流流动，这将在下文描述。涡流流动是与垂直于气缸轴线方向的平面基本上平行地移动的
旋涡并沿着燃烧室3的壁表面(孔壁)流动，如图2和4所示。在图2中，涡流流动在燃烧室3内沿着由虚线表示的路径10L移动。与进气空气不移动的情形相比，这增加了燃烧室3的冷却效率(热交换效率)。路径10L仅是一个实例，且涡流流动的流动路径不限于所示路径10L。
[0025] 虽然产生了滚流流动，进气空气由孔壁表面、
活塞的顶表面和气缸盖的下表面冷却。然而，由于相对大量的
冷却液在冷却孔壁表面的冷却液通道内流动且涡流流动以大的
接触面积接触孔壁表面，因而与滚流流动相比，涡流流动有效地冷却了进气空气。
[0026] 接下来参考图3和5更具体地阐述滚流端口11p。如图5所示，HCCI发动机1具有选择性地打开和关闭滚流端口11p的进气阀11v和选择性地打开和关闭排气端口31p的排气阀31v。图5示出了进气阀11v被打开和排气阀31v被关闭的状态。
[0027] 滚流端口11p在与燃烧室3的壁表面交叉的方向和活塞20的冲程方向提供进气空气(新鲜空气)给燃烧室3。这产生了在燃烧室3内的滚流流动。滚流流动是与活塞20的冲程方向基本上平行地行进的旋涡(立轴旋涡)。参考图3和5，滚流流动并不沿着燃烧室3的壁表面(孔壁)流动。为了形成滚流流动，进气空气从滚流端口11p直线地送向燃烧室3径向中心的邻近。这防止进气空气在燃烧室3内以扩散的方式移动，因而在一定范围包含进气空气。
[0028] 如前文所述构造的HCCI发动机1的运行将在下文参考图6-8进行阐述。图6-8每幅图的横坐标轴表示燃烧循环数量。
[0029] 在SI燃烧和HCCI燃烧的稳定运行中，ECU90控制进气端口打开/关闭阀12使得涡流端口10p和滚流端口11p两者均用作进气端口(见图1)。
[0030] 在本实施例中，从SI燃烧至HCCI燃烧的切换期间被称为第一切换期间(见图6)。在第一切换期间，ECU90控制进气端口打开/关闭阀12使得滚流端口11p关闭并仅通过涡流端口10p提供进气空气给燃烧室3(见图2和图4)。
[0031] 如图6清楚地看出，在SI燃烧的稳定运行时燃烧室3内的温度(SI需要的温度)比HCCI燃烧的稳定运行的温度(HCCI需要的温度)更高。在图6，虚线曲线示出了在第一切换期间在涡流端口10p和滚流端口11p两者均用作进气端口时燃烧室3内的温度(如图1所示的状态)。如虚线曲线所示，在第一切换期间燃烧室3内的温度并不快速下降。这可能导致提前点火和/或爆震，因而妨碍从SI燃烧到HCCI燃烧的平缓切换。为了避免这样，在本实施例中，在第一切换期间HCCI发动机1仅使用涡流端口10p作为进气端口(见图2和图4)以有效地冷却燃烧室3的内部。因此，如图6中实线曲线所示，燃烧室3内的温度快速下降到HCCI需要的温度。这抑制了提前点火和爆震并允许燃烧模式从SI燃烧到HCCI燃烧的平缓切换。
[0032] 更具体地，与仅仅使用涡流端口10p的情形相比，如果已经通过上游进气端口50p的进气空气流动通过涡流端口10p和滚流端口11p，送至滚流端口11p的进气空气降低了在燃烧室3内的冷却效率。因此，燃烧室3通过只使用涡流端口10p有效地冷却。
[0033] 在该第一切换期间，ECU90控制该进气端口打开/关闭阀12使得滚流端口11p保持关闭状态直到燃烧室3内的温度达到HCCI需要的温度。也就是说，进气端口打开/关闭阀12被控制使得滚流端口11p保持在关闭状态直到燃烧模式的切换完成。因此，燃烧模式从SI燃烧到HCCI燃烧的切换被可靠地和平缓地实施。
[0034] 如已经描述过的那样，在本实施例中，这两个进气端口与燃烧室3连通。然而，例如两个涡流端口和一个滚流端口可与燃烧室3连通。在这种情形下，在SI燃烧的稳定运行时所有三个端口均被使用，而在第一切换期间一个或两个涡流端口被使用。也就是说，在第一切换期间使用的涡流端口数可为任何合适的数，只要滚流端口在该期间保持关闭即可。
[0035] 在本实施例中，从HCCI燃烧到SI燃烧的切换期间被称为第二切换期间(见图7和图8)。在该第二切换期间，ECU90控制进气端口打开/关闭阀12使得从滚流端口11p供给进气空气给燃烧室3(见图3和图5)。在该第二切换期间，与仅使用涡流端口10p的情形相比，如果至少使用滚流端口11p，燃烧室3的内部通过引入新鲜空气被防止过度冷却。
[0036] 此外，在该第二切换期间，ECU90控制进气端口打开/关闭阀12使得进气空气量降至低于在该第二切换期间之前的值。具体地，进气端口打开/关闭阀12运行使得在第二切换期间保持打开的进气端口数(仅为滚流端口11p或一个进气端口)变得比第二切换期间之前保持打开的进气端口数(涡流端口10p和滚流端口11p，或两个进气端口)更少。这在第二切换期间减少了进气空气量。
[0037] 同样，在第二切换期间，ECU90控制节气门13使得进气空气量降至低于第二切换期间之前的值。
[0038] 在本实施例中，ECU90在第二切换期间以前述的方式运行。然而，如果设置三个或更多的进气端口，ECU90可以与前述的方式不同的方式运行。例如，如果每个气缸具有两个涡流端口和一个滚流端口，在第二切换期间之前所有这三个端口均被使用且在第二切换期间仅滚流端口或滚流端口和一个涡流端口(一共两个端口)被使用。也就是说，ECU90可以任何其他合适的方式运行，只要在HCCI燃烧的稳定运行使用三个进气端口且在从HCCI燃烧到SI燃烧的切换期间使用一个或两个进气端口即可。此外，在第二切换期间，进气端口打开/关闭阀12以进气空气至少从滚流端口供给的方式运行。
[0039] 如图7描述的那样，在SI燃烧的稳定运行时燃烧室3内的温度(SI需要的温度)比在HCCI燃烧的稳定运行时燃烧室3内的温度(HCCI需要的温度)更高。在图7中，虚线曲线示出了在第二切换期间在进气端口打开/关闭阀12运行以从涡流端口10p供给进气空气(如图1或图2描述的状态)的时候燃烧室3内的温度。如虚线所示，在第二切换期间燃烧室3内的温度并不快速上升。这可能导致不点火和妨碍从HCCI燃烧模式到SI燃烧模式的平缓切换。为了解决这个问题，本实施例的HCCI发动机1操作进气端口打开/关闭阀12以在第二切换期间仅通过滚流端口11p供给进气空气(见图3和图5)。图7实线曲线示出了在这种情形下燃烧室3的温度。由于燃烧室3内部的冷却与使用涡流端口10p的情形相比是无效的，燃烧室3内的温度快速上升至SI需要的温度。这抑制了不点火并允许从HCCI燃烧模式到SI燃烧模式的平缓切换。
[0040] 此外，参考图8，在SI燃烧的稳定运行时燃烧室3内的空气-燃料比比在HCCI燃烧的稳定运行时燃烧室3内的空气-燃料比更低。在图8中，虚线曲线示出了在第二切换期间当进气空气从涡流端口10p和滚流端口11p供给至燃烧室3且进气空气量仅仅通过节气门13的控制而改变(如图1描述的状态)的时候燃烧室3内的空气-燃料比。如虚线所示，空气-燃料比在第二切换期间并不快速下降。空气-燃料比的这种延迟下降归因于节气门13的延迟运行，且可能导致增加的
扭矩和/或由于贫空气-燃料混合物引起的不点火。为了解决这个问题，在第二切换期间，本实施例中HCCI发动机1的节气门13被控制使得进气空气量降至低于HCCI燃烧的稳定运行时的值。同样，进气端口打开/关闭阀12被控制以只通过滚流端口11p(见图3和图5)供给进气空气。因此，与在第二切换期间之前使用的进气端口数(涡流端口10p和滚流端口11p)相比，在第二切换期间使用的进气端口数减少。这补偿了节气门13的运行延迟。因而，如图7中实线曲线所示，供给至燃烧室3的进气空气量快速下降且第三燃烧室3内的空气-燃料比快速下降至SI燃烧稳定运行时的空气-燃料比。这抑制了在第二切换期间扭矩的增加和不点火。
[0041] 此外，在第二切换期间，ECU90以这样的方式控制进气端口打开/关闭阀12和节气门13：保持在涡流端口10p打开程度降低和节气门13打开尺寸减小的状态直到进气空气量达到与SI燃烧的稳定运行相对应的量。也就是说，进气端口打开/关闭阀12和节气门13运行以使涡流端口10p持续地保持在降低的打开程度的状态且节气门保持在降低
水平的打开尺寸直到燃烧模式的切换完成。因而，HCCI燃烧模式可靠地和平缓地切换到SI燃烧模式。
[0042] 本实施例具有以下优点。
[0043] 在本实施例中，在第一切换期间仅发生由冷新鲜空气产生的涡流流动，因此有效地带来燃烧室3内部的冷却(热交换)。这防止了提前点火和爆震，且将SI燃烧模式平缓切换到HCCI燃烧模式。比较而言，在第二切换期间滚流端口11p被可靠地使用。与仅仅使用涡流端口10p的期间相比，这防止了燃烧室3的内部被过度冷却(燃烧被保持而不变缓)。因此HCCI燃烧模式平缓切换到SI燃烧模式。也就是说，本实施例中HCCI发动机1抑制了在第一切换期间的提前点火和爆震和在第二切换期间的不点火，虽然其构造简单。
[0044] 在第一切换期间，ECU90以这样的方式操作进气端口打开/关闭阀12：滚流端口11p保持在关闭状态直到燃烧室3内的温度达到与于HCCI燃烧的稳定运行相对应的温度。
也就是说，在第一切换期间，进气端口打开/关闭阀12被控制使得滚流端口11p保持在关闭状态直到燃烧模式的切换完成。因此，SI燃烧模式可靠地和平缓地切换到HCCI燃烧模式。
[0045] HCCI发动机1具有节气门13，所述节气门13调整吸入到燃烧室3内的进气空气量。ECU90控制节气门13使得在第二切换期间进气空气量降至低于第二切换期间之前的值。通过调整节气门13，在第二切换期间被送至燃烧室3的进气空气量减少。
[0046] 在第二切换期间，ECU90控制进气端口打开/关闭阀12和节气门13直到进气空气量变为与SI燃烧的稳定运行相对应的值。换句话说，在第二切换期间，进气端口打开/关闭阀12和节气门13被持续控制直到燃烧模式的切换完成。因而HCCI燃烧模式可靠地和平缓地切换到SI燃烧模式。
[0047] 节气门13被用作进气空气调整机构。因而供给燃烧室3的进气空气量通过该简单结构降低。
[0048] 在第二切换期间，ECU90控制进气端口打开/关闭阀12使得进气空气量降至低于第二切换期间之前的值。为了确保在HCCI燃烧时希望的燃料消耗和热效率，空气-燃料比与相应于SI燃烧的值相比增加，或换句话说，燃烧室3内部处于贫状态。在HCCI燃烧的稳定运行时的空气-燃料混合物比在SI燃烧的稳定运行时的空气-燃料混合物更贫。因此，与在SI燃烧的稳定运行时的值相比，为了切换HCCI燃烧到SI燃烧，燃烧室3内的空气-燃料比必须通过例如减少进气空气量来降低。在本实施例中，在第二切换期间进气空气量减少以快速降低空气-燃料比。因而HCCI燃烧模式平缓切换到SI燃烧模式。
[0049] 具体地，ECU90通过以如下方式控制进气端口打开/关闭阀12而减少进气空气量：在第二切换期间打开的进气端口数降至低于在第二切换期间之前打开的进气端口数。为了在发动机操作模式之间平缓切换而不使用在日本特开平专利公布No.2003-193872里公开的可变压缩比装置，例如可只对节气门13的打开尺寸进行调整。然而，节气门13的运行延迟(响应延迟)使得仅仅通过调整节气门13的打开尺寸难以快速降低空气-燃料比。在本实施例中，进气空气量通过减少在第二切换期间使用的进气端口数而快速降低。因而，通过快速降低空气-燃料比，HCCI燃烧模式平缓切换到SI燃烧模式。因此，通过简单的构造，在第一切换期间的提前点火和爆震及在第二切换期间的扭矩增加和不点火被抑制。
[0050] 第一端口是涡流端口10p，其定形为使得在燃烧室3内产生涡流流动。因此涡流流动被可靠地产生。
[0051] 第二端口是滚流端口11p，其沿着活塞的冲程方向供给进气空气。这通过简单构造可靠地防止了在第二切换期间燃烧室3内部的过度冷却。
[0052] 本发明不局限于前述的实施例，在不脱离
权利要求的范围的情况下可以不同形式修改。
[0053] “第一端口”是主动供给强涡流流动到燃烧室3的进气端口。在所述的实施例中，第一端口是定形为使得在燃烧室3内产生涡流流动的方式的涡流端口10p。然而，第一端口可为沿着燃烧室3的壁表面方向从在燃烧室3的壁表面附近限定的开口供给进气空气的进气端口。“第二端口”是非专用涡流端口，其不产生涡流流动，或产生低水平涡流流动但不主动产生强涡流流动，或可产生除涡流流动之外的进气空气流动。“低水平涡流流动”是指包含少量涡流成分的进气空气流动。在所述的实施例中，第二端口是滚流端口11p。然而，第二端口可为设置在不主动产生涡流流动的位置的直口。这种简单构造抑制在第二切换期间燃烧室3内部的过度冷却。
