CN100529351C - 一种操作四冲程内燃发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

在不牺牲燃烧稳定性的情况下，通过负的阀重叠控制而用于在可引入燃料的燃烧室内保留并压缩燃烧后的气体，这样来降低受控自动点火四冲程内燃发动机的部分负荷工作点。随着发动机负荷增大，燃烧室的压力和温度增加。在低的和中等的部分负荷工作过程中，实施不同的分段喷射燃料控制，而在高的部分负荷工作过程中，实施单次喷射燃料控制。分段喷射的特征是贫燃料/空气比，而单次喷射的特征是贫的燃料/空气比或化学计量的燃料/空气比。因此通过扩大了的发动机负荷范围，就能够实现受控自动点火，同时保持可以接受的燃烧稳定性和排放。

Description

一种操作四冲程内燃发动机的方法
技术领域
本发明涉及四冲程内燃发动机的操作。
背景技术
汽车工业正在不断研究新的方法来改善内燃发动机的燃烧过程，以提高燃料经济性，使其达到或超过排放控制指标，以及满足或超越消费者与排气排放、燃料经济性、产品差异化有关的期望。
大多数现代的普通内燃发动机试图工作在大约这样的化学计量(stoichiometric)的条件下。也就是说，所提供的最佳空气/燃料比基本上是14.6比1，这样可使输送到发动机中的燃料和氧气基本上全部消耗掉。这样的工作情况使得能够用三效催化剂进行排气后处理，以净化任何未消耗的燃料(碳氢化合物HC)和燃烧副产物如氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。大多数现代发动机是燃料喷射的，包括节气阀体喷射(TBI)或多点燃料喷射(MPFI)，在多点燃料喷射中，若干喷射器的每一个靠近多缸发动机中每个气缸的进气口而布置。通过多点燃料喷射布置方式，可以实现较好的空气/燃料比控制；然而，象缸壁潮湿和进气通路动态特性这样的条件限制了这种控制的实现精度。燃料输送精度可以通过直接喷射(DI)得到改善。所谓的线性含氧传感器提供了较高程度的控制能力，而且当与直接喷射结合在一起时能够形成具有改进的缸至缸空气/燃料比控制能力的系统。然而，这样的话，缸内燃烧动力学变得更加重要，而且燃烧质量在排放控制中起到越来越重要的作用。于是，发动机制造商已经专心于这样的事情，例如喷射器喷射型式、进气涡流、活塞几何形状等，以实现改进了的缸内空气/燃料配合比和均匀性。
虽然化学计量的汽油四冲程发动机和三效催化剂系统有可能达到超低的排放指标，但是，这类系统的效率落后于所谓的贫燃系统。贫燃系统通过燃烧控制还有希望达到氮氧化物的排放指标，燃烧控制包括高排气稀释以及新出现的氮氧化物后处理技术。然而，贫燃系统仍然面对着其它的障碍，比如燃烧质量和燃烧稳定性，尤其是在部分负荷工作点和高排气稀释时。
从根本上讲，贫燃发动机包括所有工作时空气超过所供应燃料燃烧所需空气量的内燃发动机。有各种燃料供给和点火方法来区分贫燃技术。火花点火系统(SI)通过在燃烧室中提供放电作用来起动燃烧。压缩点火系统(CI)通过燃烧室状态，包括空气/燃料比、温度和压力等的组合，来起动燃烧。供给燃料的方法可以包括节气阀体喷射(TBI)、多点燃料喷射(MPFI)和直接喷射(DI)。均匀燃烧系统的特征是十分稳定，而且空气/燃料混合物中燃料的气化和分布十分充分，它可以通过进气循环初期的多点燃料喷射或直接喷射来实现。分层燃烧系统的特征是，空气/燃料混合物中燃料的气化和分布不太充分，而且一般来说对应于压缩循环末期的燃料直接喷射。
已知的汽油直接喷射发动机可以选择性地工作在均匀火花点火(homogeneous spark ignition)或分层火花点火(stratified spark ignition)模式下。均匀火花点火模式通常被选择用于较高负荷状态，而分层火花点火模式通常被选择用于较低负荷状态。
某些直接喷射式的压缩点火发动机采用基本上均匀的预热空气燃料混合物，并在发动机压缩循环中形成可引起点火的压力和温度条件，而不需要额外的火花能量。这一过程有时被称作受控自动点火。受控自动点火是一种可预见的过程，因此与火花点火式发动机有时所发生的不希望有的预点火情况不同。受控自动点火还不同于柴油发动机中所熟悉的压缩点火，在压缩点火中，燃料基本上在刚喷射到高预压缩的高温充气空气中时就产生点火，而在受控自动点火过程中，预热的空气和燃料在燃烧前的进气过程混合到一起，而且其压缩型式大体上与普通的火花点火四冲程发动机系统相一致。
已经提出能够自动点火的四冲程内燃发动机，其通过控制与燃烧室相连的进气阀和排气阀的运动，来确保空气/燃料充填物与燃烧后的气体混合，以产生适合于自动点火的状态，而不需要对吸入的空气或气缸充填物进行外部预热，也不需要有高压缩型式。关于这一点，已经提出了某些发动机，其中的凸轮驱动排气阀在四冲程循环中要比火花点火四冲程发动机的普通排气阀迟关闭很多时间，从而使开启的排气阀与开启的进气阀大大重叠，于是，先前排出的燃烧后气体在进气循环的初期被抽回到燃烧室中。已经提出了某些别的发动机，其中的排气阀在排气循环中很早就被关闭，从而截留燃烧后的气体以用于在后续进气循环中与燃料及空气混合。在这两类发动机中，排气阀和进气阀在每个四冲程循环中只被打开一次。已经提出了某些别的发动机，其中液压控制的排气阀在每个四冲程循环中被打开两次，一次是要在排气循环中将燃烧后的气体从燃烧室排出到排气通道中，另一次是要在进气循环的后期将燃烧后的气体从排气通道抽回到燃烧室中。这些发动机不同地可采用节气阀体燃料喷射、进气点燃料喷射或燃烧室直接燃料喷射。
尽管这类贫燃发动机系统看起来似乎十分优越，但就燃烧质量和燃烧稳定性而言仍然存在某些不足之处，尤其是在部分负荷工作点和高排气稀释时。这样的不足之处会导致一些不希望有的折衷，包括在部分负荷工作点时实际上可以减少多少燃料供给却仍然能够保持可以接受的燃烧质量和稳定特性。
发明内容
可以认识到，在各种内燃发动机中燃烧室内的空气/燃料充填物一般来说优选是均匀的，这些内燃发动机包括采用节气阀体喷射TBI、多点燃料喷射MPFI、直接喷射DI、火花点火SI、压缩点火CI、受控自动点火、化学计量、贫燃等方案及其组合方式和变型的发动机。贫燃的四冲程内燃发动机一般来说能够合乎我们的需要。而且，这种发动机在部分负荷工作点表现出高的燃烧稳定性。此外，这种发动机能够将贫燃操作延伸到迄今未达到的部分负荷工作点区域中。
本发明提供了这样一些以及其它的优选方面，而使在低发动机负荷下工作的四冲程内燃发动机具有扩展的能力，同时还能保持或改善燃烧质量、燃烧稳定性以及发动机的对外排放。
根据本发明的一个方面，在部分负荷工作期间，负的排气阀和进气阀重叠受到控制，以便在进气冲程中进气阀打开之前，截留(trap)并压缩燃烧室内的燃烧后的气体，以便在更低的发动机负荷下实现更高的燃烧室压力。根据本发明的另一方面，在部分负荷发动机工作的中间部分采用分段喷射(split-injection)方案，从而使燃料的第一部分在排气循环后期注入到燃烧室内的被截留且被压缩的燃烧后的气体中，并且用于该循环的整个燃料充填量的其余燃料在进气循环早期被注入。根据本发明的其它燃料控制方面，低部分负荷下的燃料供给通过分段喷射来实现，在分段喷射中，使燃料的第一部分在排气循环后期注入到燃烧室内的被截留且被压缩的燃烧后的气体中，并且用于该循环的整个燃料充填量的其余燃料在压缩循环后期被注入。并且，高部分负荷下的燃料供给在负的阀重叠期间通过单次喷射来实现。最佳的燃料供给通过燃料喷射正时来实现，因此，燃料喷射作为发动机负荷的函数而提前或延迟。用于实现排放目标的另外的优化方案丰富了在较高负荷工作区域的燃料填充方式。
附图说明
现在将参考附图并借助于实例来描述本发明，在这些附图中：
图1是根据本发明的单缸、直喷式的四冲程内燃发动机的示意图；
图2示出了传统的火花点火内燃发动机中对应于相关排气阀和进气阀相位的阀升程与曲柄角的关系曲线；
图3示出了根据本发明的不同排气阀和进气阀相位和升程与曲柄角的关系曲线，以及为实现所要求的缸内状态而与图1中带有全柔性阀促动的单缸发动机的发动机负荷相对应的优选对应性；
图4示出了根据本发明的排气截留/重新压缩方面的部分负荷工作区域以及与之对应的示例性燃料喷射正时时间表；
图5示例性地示出了根据本发明的通过全柔性阀促动、燃料喷射方式以及燃烧模式所实现的阀正时与发动机工作的部分负荷区域之间的关系；
图6示出了燃烧稳定性与气缸净平均有效压力的示例性关系曲线，以说明根据本发明的全柔性阀促动和燃料供给控制方面的部分负荷稳定性优点；
图7示出了净燃料比耗与气缸净平均有效压力的关系曲线，以说明根据本发明的全柔性阀促动和燃料供给控制方面的部分负荷燃料消耗优点；
图8示出了根据本发明的不同排气阀和进气阀相位和升程与曲柄角的关系曲线，以及为实现所需的缸内状态而与图1中带有相位受控阀促动的单缸发动机的发动机负荷相对应的优选对应性；
图9示出了根据本发明的通过相位受控阀促动、燃料喷射方式以及燃烧模式所实现的阀正时与发动机工作的部分负荷区域的关系；
图10示出了燃烧稳定性与气缸净平均有效压力的示例性关系曲线，以说明根据本发明的相位受控阀促动和燃料供给控制方面的部分负荷稳定性优点；
图11示出了净燃料比耗与气缸净平均有效压力的关系曲线，以说明根据本发明的相位受控阀促动和燃料供给控制方面的部分负荷燃料消耗优点。
具体实施方式
首先参考图1，图中示意性地示出了适合于实施本发明的示例性单缸四冲程内燃发动机系统(发动机)10。应当认识到，本发明同样适用于多缸四冲程内燃发动机。所示示例性发动机10被设计成可通过燃料喷射器41进行燃料向燃烧室直接喷射(直接喷射)。包括进气点燃料喷射或节气阀体燃料喷射的可选的燃料供给方案，也可以用于本发明的某些方面；然而，优选的方法是直接喷射。类似地，市售各种等级的汽油及其轻乙醇混合物是优选的燃料，其它可供选择的液体和气体燃料如高乙醇混合物(比如E80、E85)、纯净乙醇(E99)、纯净甲醇(M100)、天然气、氢气、沼气、各种重整油、合成气等，也可以用来实施本发明。
就这种基本发动机而言，活塞11可在气缸13内移动，而在其中形成体积可变的燃烧室15。活塞11通过连杆33连接在曲轴35上，并且往复地驱动曲轴35或由曲轴35往复地驱动。发动机10还包含用单个进气阀21和单个排气阀23表示的阀组件16，不过具有多个进气阀和排气阀的变型同样适用于本发明。阀组件16还包括可采取任何一种形式的阀促动机构25，包括优选的电控液压或电子机械促动(亦称全柔性阀促动，FFVA)形式。其它可供选择的适用于本发明实施例的阀促动机构包括多轮廓凸轮(亦称多叶凸轮、多步凸轮)和选择机构、凸轮相位器以及其它机械可变阀促动技术，它们可单独实施或以组合方式实施。进气通道17将空气输送到燃烧室15中。进气过程中空气到燃烧室15内的流动是由进气阀21控制的。燃烧后的气体通过排气通道19从燃烧室15排出，其在排气过程中的流动由排气阀23控制。
发动机控制是由基于计算机的控制器27提供的，它可以具有传统的硬件配置形式和其它组合方式，包括具有集成或分布式体系结构的动力传动系控制器、发动机控制器以及数字信号处理器。一般来说，控制器27包括至少一个微处理器、只读存储器、随机存取存储器、包含模/数和数/模转换器以及动力驱动电路的各种输入/输出装置。控制器27还专门包括用于阀促动机构25和燃料喷射器41的控制器。控制器27包括，从若干个传感源来监测若干个与发动机有关的输入信号，包括发动机冷却液温度、外部空气温度、歧管空气温度、驾驶员扭矩请求、环境压力、节气应用中的歧管压力、比如用于阀组件和发动机曲轴的位移量和位置传感器，而且还包括，产生用于各种促动器的控制命令以及进行一般的诊断功能。虽然所示出和介绍的控制器27是整体式的，但是，与阀促动机构25和燃料喷射器41相连的控制和动力电子装置也可以作为分布式智能促动配置的一部分，其中与相应子系统有关的某些监测和控制功能是由与这些相应阀和燃料控制子系统相连的可编程分布式控制器来实施的。
在已经介绍了适合于实施本发明的状态和某些应用硬件之后，现在将参考图2-12。在图2中，绘出了现有或传统的火花点火内燃发动机完整的四冲程燃烧循环以及进气阀和排气阀的阀升程。在这一附图和后面的附图中，排气阀进程(EV)用细线示出，而进气阀进程(IV)用粗线示出。水平轴上绘出了曲轴旋转两圈，即整720度，从对应于上止点(TDC)燃烧的0度(即膨胀冲程开始(压缩冲程结束)时的活塞位置)开始，并终止于压缩冲程结束(膨胀冲程开始)时对应于同一上止点位置的720度。按照惯例以及如下所述，从0至720度的曲轴的角位置指的是在上止点后(ATDC)燃烧的曲轴旋转度数。在附图顶部的双端箭头内用“膨胀、排气、进气和压缩”标出了依次重复的循环。这些循环中的每一个对应于在相应上止点和下止点之间的活塞运动，并覆盖曲轴旋转的整180度或完整四冲程循环的四分之一。
在本发明的示例性说明书中，使用了四冲程、单缸、0.55公升、受控自动点火、汽油直接喷射燃料的内燃发动机来实施阀和燃料控制，并从中获得各种数据。所属领域的普通技术人员应当认识到，除非专门说明，否则，所有这些实施例和获得的数据都被认为是在标准条件下进行的。
根据本发明的某些阀控制方面，当发动机部分负荷工作时，在燃烧室内建立起高压结果，这优选是通过FFVA使排气阀提前关闭来实现的，而且优选还使进气阀延迟打开。排气阀的提前关闭产生负的阀重叠，在此期间排气阀和进气阀都是关闭的。排气阀的提前关闭还会由于使一部分燃烧后的气体留在燃烧室内，而影响燃烧后气体的内部再循环。这些被截留的排气接着在排气循环中由剩余的活塞行程来重新压缩。在这里所使用的“部分负荷工作”对应于这样的发动机负荷，其低于大约450千帕净平均有效压力的中间负荷。在这里所使用的“低部分负荷”对应于这样的发动机负荷，其低于大约125千帕净平均有效压力。在这里所使用的“中等部分负荷”对应于从大约125至大约200千帕的净平均有效压力的发动机负荷。而且，在这里所使用的“高部分负荷”对应于从大约200至大约450千帕的净平均有效压力的发动机负荷。在图3所示实例中，假定从180至360度的排气冲程中，至少有一部分时间排气阀是打开的，以便产生排气过程。在排气过程中排气阀的实际开启和关闭角度将随着这样一些因素如发动机转速或负荷、排气通路的几何形状以及其它所要求的发动机调整特性而变化。在本实例中，排气阀打开被认为正好大体上对应于刚好上止点燃烧120度之后，如构成排气进程43的每条独立曲线所示。然而，可以看到，排气阀的关闭正时随发动机负荷的变化而变化，如图中央的负荷减小箭头所示。在部分负荷工作时，发动机负荷越低，排气阀关闭正时越被提前。因此，一般来说，负荷减小将导致燃烧后气体截留增加以及较高的压缩。通过阀控制实现的较高压力和温度，就提供了有助于喷射到其中的燃料进行局部重整的缸内状态，这种重整以及随后重整产物在燃烧室内的散布，使得能够实现受控自动点火。发动机工作负荷减小时，截留燃烧后气体的增加以及压力和温度的升高，可在发动机工作的整个部分负荷区域上形成最佳的自动点火燃烧相位。还可以实现大致对称但相位方向相反的进气阀开启正时，例如构成进气进程45的每条独立曲线所示。从而实现燃烧室内高压的松弛，并使所储存的压缩气体能量回到活塞和发动机曲轴。
为在燃烧室内形成截留的燃烧后气体和压力状态，对进气阀和排气阀进行FFVA控制，以建立随发动机负荷而变的缸内气体压力和温度趋势，而这在已知的传统四冲程工作过程中是不存在的。
现在将介绍以上述方式工作的发动机的优选燃料供给方法。对于直接喷射而言，可以选择液态和气态喷射。而且，还应当认识到可以采用空气辅助和其它类型的输送方法。此外，可采用的点火系统类型是可以变化的(一般来说依据发动机负荷和爆震方面的考虑因素)，而且包括这样一些非限制性的实例，例如火花点火SI、压缩点火CI和受控自动点火。
根据本发明的燃料供给控制方面，示出了在发动机的部分负荷工作区域内的三个常见的负荷区域。参见图4，低部分负荷区域标为L-PL，中等部分负荷区域标为I-PL，而高部分负荷区域标为H-PL。这些区域中绘出了完整的四冲程燃烧循环，其中，底部表示上止点燃烧后的曲柄角，而顶部表示相应的依次重复的燃烧循环区域。一般来说，在低部分负荷区域和中等部分负荷区域中，使全部燃料供给产生分段喷射，而在高部分负荷区域中使全部燃料供给产生单次喷射。在附图中示出了过渡区域42和54，它们可以分别与相邻的一个或两个部分负荷区域重叠，从而使部分负荷区域有效地扩展以进行相应的燃料控制。
对于分段喷射，循环所需的全部燃料量被分成两个喷射过程。在低部分负荷工作区域，其中一次喷射过程是在排气循环的末期进行的，而另一次喷射过程是在压缩循环的末期进行的。一般来说，第一次燃料供给过程喷射了大约百分之10至百分之50的循环所需全部燃料量。一般来说，通过这第一部分燃料形成的气缸充填对于燃烧室内的自动点火是不够的。循环所需燃料量的其余部分是在第二次燃料供给过程中喷射的。此第二部分燃料在活塞的压缩冲程中使气缸充填增加，而足以引起在低部分负荷的自动点火。
第二次燃料喷射的渗透和扩散因较高的缸内充填温度和密度而受到抑制。于是在燃烧室中形成局部的富混合物区。空气、截留的燃烧后气体以及来自第一次燃料喷射的燃料所形成的混合物与通过第二次燃料喷射形成的局部富混合物共同起作用，以实现较低压缩比下的汽油自动点火，而不需要火花的任何帮助，相比而言，柴油自动点火中所使用的压缩比较高。
在中等部分负荷工作区域中，其中一次喷射过程类似地也在排气循环的末期进行。然而，另一次喷射过程却在进气循环的初期进行。一般来说，第一次燃料供给过程喷射大约百分之10至百分之50的循环所需全部燃料量。通常，通过这第一部分燃料形成的气缸充填对于燃烧室内的自动点火是不够的，但却提供了燃料的原始充填以及对于自动点火来说是关键的重整产物。循环所需燃料量的其余部分是在第二次燃料供给过程中喷射的。此第二部分燃料在活塞的进气冲程中使气缸充填增加，而足以引起在中等部分负荷的自动点火。
第二次燃料喷射的渗透和扩散起初因较高的缸内充填温度、密度以及第一次喷射的燃料而受到抑制。然而，缸内压力的减轻以及随后新鲜空气的摄入和湍流使得气缸混合物能够充分扩散而变得均匀。由空气、保留的燃烧后气体以及燃料所形成的这种均匀混合物共同起作用，以实现较低压缩比下的汽油自动点火，而不需要火花的任何帮助，相比而言在柴油自动点火中所使用的压缩比较高。
当用这样一些常用的标准如燃烧稳定性来评定时，低部分负荷和中等部分负荷分段喷射方式所需的总燃料供给量(即组合在一起的第一和第二部分燃料)比类似的按传统方式工作的内燃发动机少很多，如后面参考图6和7所述。
对于单次喷射，循环所需的总燃料供给量被合并到在进气循环早期所进行的一次喷射过程中。
图4还示出了与喷射正时有关的某些优先选择。由标有44和46的实线所构成的范围分别对应于低部分负荷工作区域中在排气循环和压缩循环内进行的第一次燃料供给过程和第二次燃料供给过程的优选角度范围。第一部分燃料优选在上止点燃烧后大约300至大约350度进行喷射。当发动机负荷增大时第一次喷射的喷射正时也优选以连续的方式延迟，如附图中所示。而第二部分燃料在上止点燃烧后大约640至大约695度(在上止点燃烧前25至80度)进行喷射。这一喷射正时是为确保无烟工作而选定的，并受喷射器喷射锥角以及所喷射燃料量的影响。当发动机负荷增大时，第二次喷射的喷射正时也优选以连续的方式提前。可以使用其它的分段喷射角度范围，但却不能得到象该优选范围那样大的好处。
由标有47和48的实线所限界的范围分别对应于中等部分负荷工作区域中在排气循环和进气循环内进行的第一次燃料供给过程和第二次燃料供给过程的优选角度范围。第一部分燃料优选在上止点燃烧后大约300至大约360度进行喷射。当发动机负荷增大时，第一次喷射的喷射正时也优选以连续的方式延迟，如附图中所示。这一喷射正时是为确保无烟工作(比如避免燃料喷射到上升的活塞上)、提供足够的燃料量和充分的重整驻留时间而选定的，并受喷射器喷射锥角以及所喷射燃料量的影响。第二部分燃料在第一次喷射结束之后大约30至大约60度进行喷射。当发动机负荷增大时，第二次喷射的喷射正时也优选以连续的方式延迟。这两次喷射都是在排气阀和进气阀的负重叠区内实现的。可以使用其它的分段喷射角度范围，但却不能得到象该优选范围那样大的好处。
由标有49的实线所限界的范围对应于高部分负荷工作区域中燃料输送的优选角度范围。这一燃料优选在上止点燃烧后大约340至大约490度进行喷射。当发动机负荷增大时，这种单次喷射的喷射正时也优选以连续的方式延迟，如附图中所示。可以使用其它的单次喷射角度范围，但却不能得到象该优选范围那样大的好处。
在负荷变化时从一种喷射方式到另一种喷射方式的转换是由发动机特性和排放调节的。举例来说，在低部分负荷工作时，包含负的阀重叠期间的第一次喷射和压缩冲程中第二次喷射的分段喷射是能够产生稳定的受控自动点火燃烧的唯一喷射方式。当发动机负荷增大时，第二次喷射的喷射正时连续提前，以促进燃料在燃烧室内的扩散，并使局部混合物的空气/燃料比保持在可接受的范围内，以避免氮氧化物和烟雾排放达到不可接受的程度。然而，即使喷射正时提前，在中等部分负荷工作时所形成的氮氧化物(NOx)仍然可以上升到不可接受的水平。因此，喷射方式从压缩循环时进行第二次喷射的分段喷射转换到进气循环时进行第二次喷射的分段喷射。实验证明，这两种分段喷射方式在中等部分负荷的发动机工作中，会产生类似的发动机特性。在进气冲程中进行第二次喷射的分段喷射比在压缩冲程中进行第二次喷射的分段喷射所排放的氮氧化物可以少很多。然而，在进气冲程中进行第二次喷射的分段喷射比在压缩冲程中进行第二次喷射的分段喷射所排放的碳氢化合物(HC)要更多，因为逃过燃烧的在缝隙中截留的燃料增加。因此，低部分负荷分段喷射和中等部分负荷分段喷射发生转换时的确切负荷将通过对氮氧化物-碳氢化合物排放进行权衡来确定。类似的考虑因素可作为用以确定从中等部分负荷分段喷射方式到高部分负荷单次喷射方式转换的依据(比如对氮氧化物-碳氢化合物排放的权衡)。
图5示例性地示出了根据本发明的利用FFVA系统工作的四冲程内燃发动机中排气阀和进气阀随发动机负荷而变的阀打开和关闭正时。其中使用了以下标记：进气阀打开(IVO)；进气阀关闭(IVC)；排气阀打开(EVO)；排气阀关闭(EVC)。图5中还示出了取决于负荷的喷射方式以及根据本发明的随发动机负荷而变的各种燃烧模式。具体地说，当低于大约400千帕净平均有效压力时，发动机工作在具有贫空气/燃料混合物的受控自动点火燃烧模式(CAI-L)。在这种燃烧模式中，氮氧化物排放指数随着发动机负荷增大而提高。在大约400千帕净平均有效压力时，氮氧化物排放指数为大约1克/千克燃料。在大约400和大约480千帕净平均有效压力之间，发动机在具有化学计量的空气/燃料比的受控自动点火燃烧模式(CAI-S)下工作，以允许使用传统的三效催化剂后处理进行氮氧化物的控制。在大约480和大约620千帕净平均有效压力之间，发动机在具有化学计量的空气/燃料混合物的火花点火的非节气燃烧模式(NT-S)下工作，并利用进气阀的提前关闭来进行负荷控制。超过大约620千帕净平均有效压力时，发动机在传统的具有化学计量的空气/燃料混合物的火花点火的节气燃烧模式(T-S)下工作，直至达到满负荷。
图6和7示出了利用FFVA系统在受控自动点火燃烧模式下工作以实现上述气缸状态的单缸直喷式汽油四冲程内燃发动机中所测得的随发动机负荷(NMEP)而变的燃烧稳定性(IMEP之COV)和净燃料比耗(NSFC)。
在不使用本发明的阀和燃料控制的情况下，示例性的(以及最典型的)四冲程直喷式自动点火汽油发动机的低部分负荷极限为大约240千帕净平均有效压力(NMEP)，其一般接受的平均有效指示压力的偏离系数(IMEP之COV)为5％。从图6中可以看出，通过本发明的FFVA阀与燃料供给方面的组合，对于受控自动点火燃烧，在其中IMEP之COV小于5％的大约70千帕净平均有效压力以下的整个部分负荷范围内，都可以获得最佳的燃烧相位。图7示出了在执行本发明的FFVA阀和燃料供给方面时所得到的净燃料比耗。
图8-11示出了本发明的一种可供选择的阀拓扑实施例，以实现其燃烧后气体的滞留和压缩方面。其中，大家所熟知的2步液压控制阀提升机构连同凸轮相位器机构一起，使进气阀和排气阀产生相位移，以实现根据本发明所要求的燃烧室状态。进气阀进程的示例性持续期间基本上为165度，如构成进气进程74的每条独立曲线所示，当发动机负荷减小时，其对应曲线从更加提前的相位变为更加延迟的相位。类似地，排气阀进程的示例性持续期间基本上为165度，如构成排气进程72的每条独立曲线所示，当发动机负荷减小时，其对应曲线从更加延迟的相位变为更加提前的相位。
可以看到，排气阀的关闭正时随发动机负荷的变化而变化，如图中央的负荷减小箭头所示。在部分负荷工作时，发动机负荷越低，排气阀关闭正时提前得越多(而且开启正时也由于相位器的作用而提前得越多)。因此，一般来说，负荷减小将导致燃烧后气体的截留增加以及更高的压缩温度和压力。这导致所要求的缸内状态与关于FFVA实施例所介绍的相同。因此，通过对排气阀提升机构的相位控制，可在发动机工作负荷减小时，实现所要求的截留燃烧后气体的增加以及压力和温度的升高。还可以实现大致对称但相位方向相反的进气阀正时，如构成进气进程74的每条独立曲线所示，从而提供上面关于FFVA实施所介绍的压力减轻的优点。
前面详细介绍的燃料供给方案同样能够适用于刚刚所介绍的可选的重新压缩阀控制实施例。在这里所有需要考虑的因素，例如负荷区域、分段喷射和单次喷射、正时、提前、延迟、转换、排放、贫燃料比以及化学计量的燃料比，都与前面所介绍的一样适用。
图9示例性地示出了根据本发明的利用2步/相位器可变阀促动硬件工作的四冲程内燃发动机中，排气阀和进气阀随发动机负荷而变的阀打开和关闭正时。其中的标注方法沿用前面参考图5所介绍的那些。图9中还示出了根据本发明的取决于负荷的喷射方式以及随发动机负荷而变的各种燃烧模式。
图10和11示出了采用了2步/相位器硬件的在受控自动点火燃烧模式下工作的工作的单缸直喷式汽油四冲程内燃发动机中所测得的随发动机负荷(NMEP)而变的燃烧稳定性(IMEP之COV)和净燃料比耗(NSFC)。
从图10中可以看出，通过本发明的2步/相位器阀与燃料供给方面的组合，对于受控自动点火燃烧，在其中IMEP之COV小于5％的大约70千帕净平均有效压力以下的整个部分负荷范围内，都可以获得最佳的燃烧相位。图11示出了在实施本发明的2步/相位器阀和燃料供给方面时所得到的净燃料比耗。
在这里，已经参考某些优选实施例和变型对本发明作了介绍。在不脱离本发明范围的情况下，可以实施其它可供选择的实施例和变型，本发明的范围只由所附权利要求来限定。

Claims (75)

1.一种操作四冲程内燃发动机的方法，所述发动机包含由活塞在气缸内在上止点和下止点之间往复运动所限定的体积可变的燃烧室、进气通道和排气通道、以及在所述活塞的重复的顺序的排气、进气、压缩和膨胀冲程中受到控制的进气阀和排气阀，所述方法包括：
提供排气过程，在该排气过程中，所述排气阀在所述排气冲程的至少一部分期间打开，用于将燃烧后的气体从所述燃烧室内排出；
在发动机的部分负荷工作期间，在所述排气过程之后，在包括所述排气冲程末期在内的期间，提供所述排气阀和进气阀的同时关闭，以在所述燃烧室内将一部分燃烧后的气体截留并压缩，其特征在于，在较低的发动机负荷下具有较高的燃烧室压力；和
提供进气过程，在所述进气过程中，所述进气阀在所述进气冲程的至少一部分期间打开，用于将新鲜空气吸入到所述燃烧室中。
2.根据权利要求1所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在发动机的低部分负荷工作期间，在所述排气冲程期间起动第一次燃料喷射到所述燃烧室中，并在所述压缩冲程期间起动第二次燃料喷射到所述燃烧室中。
3.根据权利要求2所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟。
4.根据权利要求2所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第二次燃料喷射被提前。
5.根据权利要求2所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟并且所述第二次燃料喷射被提前。
6.根据权利要求2所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在发动机的中等部分负荷工作期间，在所述排气冲程期间起动第三次燃料喷射到所述燃烧室中，并在所述进气冲程期间起动第四次燃料喷射到所述燃烧室中。
7.根据权利要求6所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟。
8.根据权利要求6所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第二次燃料喷射被提前。
9.根据权利要求6所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃油喷射被延迟并且所述第二次燃油喷射被提前。
10.根据权利要求6所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
11.根据权利要求6所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第四次燃料喷射被延迟。
12.根据权利要求6所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃油喷射和第四次燃油喷射被延迟。
13.根据权利要求10所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟。
14.根据权利要求11所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟。
15.根据权利要求12所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟。
16.根据权利要求10所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第二次燃料喷射被提前。
17.根据权利要求11所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第二次燃料喷射被提前。
18.根据权利要求12所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第二次燃料喷射被提前。
19.根据权利要求10所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟并且所述第二次燃料喷射被提前。
20.根据权利要求11所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟并且所述第二次燃料喷射被提前。
21.根据权利要求12所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟并且所述第二次燃料喷射被提前。
22.根据权利要求2所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在发动机的高部分负荷工作期间，在所述排气冲程和所述进气冲程的其中之一期间，起动第三次燃料喷射到所述燃烧室中。
23.根据权利要求22所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟。
24.根据权利要求22所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第二次燃料喷射被提前。
25.根据权利要求22所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟并且所述第二次燃料喷射被提前。
26.根据权利要求22所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
27.根据权利要求23所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
28.根据权利要求24所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
29.根据权利要求25所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
30.根据权利要求1所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在发动机的中等部分负荷工作期间，在所述排气冲程期间起动第一次燃料喷射到所述燃烧室中，并在所述进气冲程期间起动第二次燃料喷射到所述燃烧室中。
31.根据权利要求30所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟。
32.根据权利要求30所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第二次燃料喷射被延迟。
33.根据权利要求30所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射和所述第二次燃料喷射都被延迟。
34.根据权利要求30所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在发动机的高部分负荷工作期间，在所述排气冲程和所述进气冲程的其中之一期间起动第三次燃料喷射到所述燃烧室中。
35.根据权利要求34所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟。
36.根据权利要求34所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第二次燃料喷射被延迟。
37.根据权利要求34所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，所述第一次燃料喷射和所述第二次燃料喷射都被延迟。
38.根据权利要求34所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
39.根据权利要求35所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
40.根据权利要求36所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
41.根据权利要求37所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
42.根据权利要求34所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在发动机的低部分负荷工作期间，在所述排气冲程期间起动第四次燃料喷射到所述燃烧室中，并在所述压缩冲程期间起动第五次燃料喷射到所述燃烧室中。
43.根据权利要求42所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第一次燃料喷射被延迟。
44.根据权利要求42所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第二次燃料喷射被延迟。
45.根据权利要求42所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，所述第一次燃料喷射和所述第二次燃料喷射都被延迟。
46.根据权利要求43所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
47.根据权利要求44所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
48.根据权利要求45所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
49.根据权利要求43所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第四次燃料喷射被延迟。
50.根据权利要求44所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第四次燃料喷射被延迟。
51.根据权利要求45所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第四次燃料喷射被延迟。
52.根据权利要求43所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第五次燃料喷射被提前。
53.根据权利要求44所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第五次燃料喷射被提前。
54.根据权利要求45所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第五次燃料喷射被提前。
55.根据权利要求43所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第四次燃料喷射被延迟并且所述第五次燃料喷射被提前。
56.根据权利要求44所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第四次燃料喷射被延迟并且所述第五次燃料喷射被提前。
57.根据权利要求45所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第四次燃料喷射被延迟并且所述第五次燃料喷射被提前。
58.根据权利要求49所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
59.根据权利要求50所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
60.根据权利要求51所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
61.根据权利要求52所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
62.根据权利要求53所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
63.根据权利要求54所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
64.根据权利要求55所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
65.根据权利要求56所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
66.根据权利要求57所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
67.根据权利要求42所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第三次燃料喷射被延迟。
68.根据权利要求67所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第四次燃料喷射被延迟。
69.根据权利要求67所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第五次燃料喷射被提前。
70.根据权利要求67所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第四次燃料喷射被延迟并且所述第五次燃料喷射被提前。
71.根据权利要求42所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第四次燃料喷射被延迟。
72.根据权利要求42所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第五次燃料喷射被提前。
73.根据权利要求42所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述第四次燃料喷射被延迟并且所述第五次燃料喷射被提前。
74.根据权利要求1所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在发动机的高部分负荷工作期间，在所述排气冲程和所述进气冲程的其中一个期间，起动燃料喷射到所述燃烧室中。
75.根据权利要求74所述的操作四冲程内燃发动机的方法，其特征在于，当发动机负荷增大时，所述燃料喷射被延迟。
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