[發明專利]用于具有受控自動點火燃燒的直接噴射發動機的負荷瞬態控制方法

無效

• 申請號: 200680006833.2
• 申請日: 2006-03-02
• 公開（公告）號: CN101287897A
• 公開（公告）日: 2008-10-15
• 發明（設計）人: J·－M·康;C·－F·常;Z·孫;T·－W·霩;J·A·恩;B·L·布朗;P·M·納特;M·－F·常
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: F02B5/00
• 分類號: F02B5/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 曾祥夌;劉華聯

技術領域

本發明涉及受控自動點火內燃機。更詳細地講，本發明牽涉到該種發動機內負荷轉換的穩定性。

發明背景

為了改良汽油內燃機的熱效率，熟知使用空氣或者再循環廢氣的稀釋燃燒可以獲得升高的熱效率和低的氮氧化物(NOx)排放量。然而，由于緩慢燃燒會導致滅火(misfire)和燃燒不穩定，因此存在著發動機可以用稀釋的混合物進行操作的限度。已知擴大稀釋限度的方法包括：1)通過強化點火和燃料制品改良混合物的可燃性；2)通過引入電荷運動和紊流加強火焰速度；和3)在受控自動點火燃燒狀態下操作發動機。

受控自動點火過程有時也稱為均相充填壓縮點火(HCCI)過程。在此過程中產生燃燒氣體、空氣和燃料的混合物，并且在壓縮期間在混合物的多個點火位置同時自動點火，從而產生非常穩定的功率輸出和高熱效率。因為在整個充填過程中燃燒得到了高度稀釋和均勻分布，所以燃燒氣體溫度和因此產生的NOx排放量都遠低于基于蔓延焰鋒的常規火花點火發動機和基于附加擴散焰的柴油發動機。在電火花點火和柴油(diesel)發動機中，在混合物中燃燒的氣體溫度是高度地不均勻的，非常高的局部溫度產生了高的NOx排放量。

在應用常規壓縮比的雙沖程汽油發動機中，在受控自動點火燃燒狀態下運行的發動機已經被成功地進行了演示。可以確信，從先前周期中剩余的高比例燃燒氣體即雙沖程發動機燃燒室內的剩余量，用于提供促進高稀釋混合物自動點火所必需的高混合溫度。在具有常規閥機構的四沖程發動機中，剩余量較低，在部分負荷時受控自動點火難以實現。在部分負荷時誘導受控自動點火的已知方法包括：1)進入的空氣加熱；2)可變壓縮比；和3)將汽油同自動點火范圍較汽油更寬的燃料相混合。在所有上述方法中，可以獲得的受控自動點火燃燒的發動機速度和負荷的范圍相對較窄。

在應用可調節閥門驅動的四沖程汽油發動機中，已演示了在受控自動點火燃燒狀態下運行的發動機以便滿足用于在高稀釋混合物中自動點火的必要條件。包括分流噴射(split?injection)和單次噴射的各種加燃料控制已被建議結合閥門控制策略使用以便在各種發動機負荷狀態下保持穩定的自動點火燃燒。

在共同轉讓的美國專利申請號10/899457中公開了一種用于穩定的、擴大受控自動點火的示范性燃料噴射和閥策略。其中在低負荷運行期間，在負的閥重疊期間內發生固定量燃料的第一次噴射，緊接著在隨后的壓縮沖程發生第二次燃料噴射。用于第一次噴射的噴射定時延遲了，而用于第二次噴射的噴射定時隨著發動機負荷的增長而以連續的方式提前。在中等部分負荷運行期間，在負的閥重疊期間內的燃料第一次噴射支持自動點火，并且在隨后的進氣沖程期間直接緊跟著燃料的第二次噴射。該兩種噴射的最佳分離是在30至60度的曲柄角(crank?angle)附近。兩種噴射的噴射定時隨著發動機負荷的增長都以連續的方式延遲。而在高的部分負荷期間，在進氣沖程期間的單次燃料噴射支持自動點火。噴射定時隨著發動機負荷的增長而延遲。

雖然上文概述的提前已成功地演示了在穩態條件下的受控自動點火能力，但是快速的負荷變化或者瞬態可能導入不合需要的燃燒結果。

發明概述

在受控自動點火發動機中，燃燒定相(combustion?phasing)受到加料溫度的強烈影響，舉例來說，高的進料溫度提前了燃燒定相且可導致爆震(knocking)，而低的進料溫度延遲了燃燒定相且可導致部分燃燒或滅火。本發明提供了一種用于在快速負荷瞬態期間自低的部分負荷到高的部分負荷(反之亦然)時穩健的自動點火燃燒控制的系統和方法。根據本發明通過采用噴射和閥策略的各種組合，在負荷瞬態期間保持了穩定的受控自動點火燃燒。

在低的負荷時，通過使用用于控制燃燒溫度的排氣再壓縮，壓縮機非節流地以貧燃料的(lean)燃料/空氣比以及受控自動點火的方式運行。在高的部分負荷時，要求化學計量操作用于控制NOx的排放量，因此節流操作和廢氣再循環(EGR)同外部排氣再循環添加在一起以便控制燃燒溫度。自查找表獲取的穩態燃燒條件用于各種負荷和各種速度下的穩態操作。

在HCCI運行中，自低的部分負荷到高的部分負荷以及返回到低的負荷的快速負荷變化可以通過將燃料噴射定時(FI)、火花定時(SI)以及負的閥重疊(NVO)與當前的加燃料質量流率同步而得以實現且無過剩的燃燒定相變化。然而，對于負荷增長來講，超出預定閾值的快速負荷變化要求NVO的降低應延遲多個速度依賴性發動機周期以便在氣缸內保持足夠的氣體溫度從而避免滅火。