CN101035975A - 中等负荷自动点燃燃烧的操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种使四冲程直喷式受控自动点燃燃烧汽油发动机扩展其中等载荷范围的方法。该发动机包括至少一个气缸，气缸内含有一个可往复移动地与曲柄连接的活塞，形成一个体积可变的燃烧室。该燃烧室包括一个控制与空气进气道连通的进气阀和一个控制与废气出通道连通的排气阀。有一系统被用来可变地驱动进气阀和排气阀。该阀门驱动系统可使用废气再压缩或废气再吸阀门对策来操作进气阀和排气阀。设有一个与燃烧室连通的存储室以便用来暂时持有残余的燃后气体。在燃烧室和废气出通道的残余燃后气体进入到该存储室内散发其热能，然后被引回到燃烧室内。

Description

中等负荷自动点燃燃烧的操作方法
技术领域
本发明涉及一种用于直喷式受控自动点燃燃烧汽油发动机的扩展其中等载荷范围的方法，尤其涉及一种通道节流阀的使用，用作外部废气再循环(EGR)的替代方案来消耗为受控自动点燃燃烧和充量稀释所需的与内部残余气体相关的某些热能。
背景技术
为了改进汽油内燃机的热效率，已知可用空气或EGR进行稀释燃烧来得到提高的热效率和低的NOx排放物。但由于缓慢燃烧而造成的熄火和燃烧不稳定，发动机能用稀释混合燃料来运转的范围是有限度的。已知用来扩展稀释限度的方法包括：1)通过增强点燃和燃料制备来改进混合燃料的点燃能力；2)引入充量的运动和扰动来提高火焰的速率；及3)在受控自动点燃燃烧的条件下运转发动机。
受控自动点燃燃烧过程有时被称为均匀充量压缩点燃(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)过程。在这过程中，燃后气体、空气和燃料被造成混合物，而在压缩时混合物内的许多发火点同时开始自动点燃，造成非常稳定的功率输出和高的热效率。燃烧被高度稀释并均匀分布到整个充量内。因此燃后气体的温度和从而产生的NOx排放物比传统的以传布火焰前沿为基础的火花点燃发动机和以辅助的扩散火焰(attached diffusion flame)为基础的柴油发动机都要低得多。在火花点燃发动机和柴油发动机中，在混合燃料内燃后气体的温度是高度不均匀的，具有很高的局部温度，由此造成高的NOx排放。
在使用传统压缩比的两冲程汽油发动机中，使用受控自动点燃燃烧运转发动机曾成功地被证实。人们确信，这是由于从上一循环留下来的大部分燃后气体，即在两冲程发动机燃烧室内的残留物提供高的混合燃料温度所致，而这是在高度稀释的混合燃料内促进自动点燃所必需的。在具有传统阀门设施的四冲程发动机中，由于残留物含量低，在部分载荷下的受控自动点燃燃烧就难以实现。在低载荷和部分载荷下引发自动点燃燃烧的方法包括：1)将吸入空气加热；2)采用可变的压缩比；及3)在汽油中掺入点燃促进剂以便创造一个比汽油更易点燃的混合燃料。在所有上述方法中，能够做到受控自动点燃燃烧的发动机的转速和载荷的范围是比较窄的。
在四冲程汽油发动机中使用可变的阀门驱动和非传统的阀门设施曾被证实可使发动机在受控自动点燃燃烧的状态下运转。下面是一种这样的非传统阀门对策的说明。采用这种阀门对策，来自上一燃烧循环的残余燃烧产物被高比例地保留下来以便为在高度稀释的混合燃料内进行自动点燃提供必要的条件。这样，发动机能够使用传统的压缩比进行受控自动点燃燃烧的转速和载荷的范围便可大为扩展。
曾公开四冲程内燃机一种运转方法，其中燃烧至少部分是由自动点燃燃烧过程完成。预先混合的燃料/空气装入物和燃后气体的流动由液压控制的阀门设施调节为的是在燃烧室内产生适合自动点燃燃烧操作的条件。使用的阀门设施包括一个控制预先混合的燃料/空气混合物从进入通道流动到燃烧室内的进气阀和一个控制排出的燃后气体从燃烧室流动到排出通道的排气阀。在同一四冲程循环内的两个分开的周期内该排气阀被开启。第一周期的开启是让燃后气体得以从燃烧室排出。第二周期的开启是让以前从燃烧室排出的燃后气体被引回到燃烧室内。在每一个四冲程循环内排气阀的两次开启给燃烧室内的自动点燃创造必要的条件。这种方法一般被称为废气再吸阀门对策。
曾公开四冲程内燃机的一种运转方法，其中燃烧至少部分是由自动点燃过程完成的。空气和燃后气体的流动由液压控制的阀门设施调节如上所述，但燃料由汽油喷射器直接排出到燃烧室内。据说该汽油喷射器是在单个发动机循环内进行进气冲程或随后的压缩冲程时喷射燃料的。
一般地说，HCCI的发动机运转在发动机低载荷时受到燃烧稳定性的限制，而在中载荷界限上受到气缸内压力增长或压力振荡幅度的限制。压力增长或压力振荡的幅度过大会在燃烧时产生被称为振铃的噪声。实验曾经发现，不论是在内部或外部再循环的燃后气体都能有效地控制燃烧速率从而控制压力增长。本发明说明一种在中等载荷范围内调节内部再循环燃后气体或内部残余气体的热能的方法，作为HCCI发动机控制燃烧用的外部EGR的替代。
本发明的综述
本发明提供一种方法用来扩展直喷式受控自动点燃燃烧汽油发动机的中等载荷范围。更具体点说，通道节流阀被用来作为外部废气再循环(EGR)的替代，以便消耗为受控自动点燃燃烧和充量稀释所需的与内部残余气体相关的某些热能。该通道内节流阀是用一个流量控制阀设置在发动机每个气缸有两个进气阀时的进气道中的一个分支内。当前在分层充量、汽油直接喷射、电火花点燃的发动机内使用的涡流控制阀这里被使用作为例子来证实其效果。
本发明对所有阀门对策都能适用。但为了举例的目的，这里只将使用上述废气再吸阀门对策得到的结果列出。由于控制引入到气缸内的燃料和空气质量的比例，在气缸内产生一个总体稀薄的燃料空气混合物。采用这种方法，使用传统的压缩比，中等载荷的运转限度可达450kPa NMEP，这个数值是用压力增长或超过预定阈值的压力振荡幅度来确定的。
实验发现，在进气道的一个分支内的流量控制阀的设定或通道节流阀的开启度数对受控自动点燃燃烧发动机的燃烧速率有很大影响。具体地说，随着流量控制阀设定的从开启到关闭的减少，燃烧速率峰值减少而燃烧持续时间增加。实验还证实，观察到的燃烧速率的随着通道节流阀的减少并不象原来猜测的那样是由于气缸内的混合运动即混合过程改变所致。事实上燃烧速率的峰值和燃烧的持续时间都与没有通道节流阀时和当连接到无效的节流通道的进气阀时一样。
一维气体动力模型分析显示，在流量控制阀关闭的情况下，在气缸内再循环的全部燃后气体中大部分是从较冷的节流进气道(气体温度440°K)吸引过来的，并不完全是从较热的排气道(气体温度约740°K)再吸过来的。这样便在进气阀关闭时(IVC)造成较低的混合物温度，所以使HCCI燃烧延迟和放慢。使用通道节流阀对再循环燃后气体进行热控制的效果随通道节流阀的设定而变。当流量控制阀被完全关闭时作用最强。
采用本发明，直喷式受控自动点燃燃烧汽油发动机的中等载荷范围由于关闭流量控制阀可被扩展，这一点得益于再循环的燃后气体携带的热将最大程度地消耗在节流进气道。具体地说，中等载荷范围在使用传统压缩比时将被以大于5％的比率增加到约475kPa NMEP，这个压力增长或压力振荡的幅度是可以接受的。
本发明的这些和那些特点和优点在阅读下面对本发明的某些具体的实施例结合附图所作的说明后当可更充分地了解。
附图的简要说明
图1A为按照本发明的单气缸直喷式四冲程汽油内燃机的略图；
图1B为示出图1A中发动机的阀门布置的顶视略图；
图2为随着曲柄角而变的阀门升程变化的曲线图，试验在一四冲程受控自动点燃燃烧发动机的排气阀和进气阀上进行，通过机械凸轮驱动的阀门系统执行废热再吸的阀门对策；
图3为随着流量控制阀的设定而变的热量释放率的变化曲线图，使用废气再吸阀门对策，发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20空气和燃料充分预先混合；
图4A示出通过关闭流量控制阀达到的进气道无效的进气配置；
图4B示出通过拆下连接到SCV通道的进气阀的指形随动件达到的进气阀无效的进气配置；
图5为图4中所示两种进气配置连同SCV开启的场合当发动机的燃料为充分预先混合和直接喷射时热量释放率变化的曲线图，发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20。
图6为图4中所示两种进气配置当发动的燃料为充分预先混合和直接喷射时的气体交换周期测量所得气缸压力变化的曲线图(图中右边为左边一部分区段的放大)，发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20。
图7为连同阀门升程位置一起考查的这三种进气配置当燃料为充分预先混合和直接喷射时、在气体交换周期测量所得(通过试验)和计算所得(通过1D即一维模型)气缸压力变化的曲线图，发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20。
图8为连同阀门升程位置一起考查的这三种进气配置的SCV通道和直的进气道内相关进气阀上游2cm处、在气体交换周期由一维模型算出的气体速度变化的曲线图，发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20。
图9为连同阀门升程位置一起考查的这三种进气配置的SCV通道和直的进气道内相关进气阀上游2cm处、在气体交换周期由一维模型算出的残余气体流率变化的曲线图，发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20。
图10为连同阀门升程位置一起考查的这三种进气配置的SCV通道和直的进气道相关进气阀上游2cm处、在气体交换周期由一维模型算出的残余气体质量份额变化的曲线图，发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20。
图11为连同阀门升程位置一起考查的这三种进气配置的SCV通道和直的进气道相关进气阀上游2cm处、在气体交换周期由一维模型算出的气体温度变化的曲线图，发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20。
图12示出测量所得燃烧功效随着SCV两种设定(36度及20度)的燃料供给率而变的情况，其时发动机的运转条件为2000rpm、和A/F＝20，燃料直接喷射。
图13示出热量释放率随着流量控制阀设定和燃料供给率而变的情况，其时发动机的运转条件为2000rpm、A/F＝20，燃料直接喷射。
优选实施例说明
为了简单起见，下面的说明将以本发明用于一台单气缸直喷式四冲程汽油内燃机为例，但应知道本发明也可用于多气缸四冲程内燃机上。
图1A为一单气缸直喷式四冲程内燃机10的略图。其中，活塞12可在气缸14内移动，并与气缸14形成一体积可变的燃烧室16。有一进气道18将空气供到燃烧室16内。空气的流到燃烧室16内由进气阀20控制。燃后气体可从燃烧室16通过排气道22流出。燃后气体的通过排气道22的流出由排气阀24控制。
如图1A所示本发明的发动机有一用机械凸轮驱动的阀门系统26控制进气阀20和排气阀24的开启和关闭。该阀门系列26受发动机10运转相位的限制，该相位由一旋转传感器28测知。该旋转传感器28被连接到内燃机10的曲轴30上，而该曲轴30被连杆32连接到在气缸14内往复移动的活塞12上。
有一由电子控制器控制的汽油直接喷射器34被用来将燃料直接喷射到燃烧室16内。本发明对喷射器喷嘴的位置并不敏感。有一个也是由电子控制器控制的火花塞36被用来增强发动机对其载荷范围的点火定时控制。虽然上述简单发动机在受控自动点燃燃烧的条件下运转时并不需要火花塞36，但曾经证明使用火花塞来补充自动点燃过程是合适的，特别是在起动的时候。而且，曾经证明最好只是在部分载荷/低速的运转条件下依靠自动点火，在高载荷/高速的运转条件下还要使用电火花点火。
按照本发明的方法，图1A还包括一个流量控制阀38，它被定位在每个气缸设计有两个进气阀时的进气道18的一个分支内(见图1B)。以前在分层充量、汽油直接喷射、火花点火的发动机内用来控制气缸内空气运动的现成的涡流控制阀例如就可充当这个流量控制阀来证实本发明的效果。例如关闭这个流量控制阀38可在进气道18的流量控制阀38和进气阀20之间提供一个存储室。
按照废气再吸阀门对策对进气阀20和排气阀24的移动的控制在图2中示出，这是在一四冲程的受控自动点燃燃烧发动机10上进行的，使用的是一个机械凸轮驱动的阀门系统。在该图中，排气阀24在曲轴30旋转720度即一个发动机循环时被开启两次。在第一开启周期，燃后气体被迫从燃烧室16流向排气道22。在第二开启周期，在空气或燃料空气装入物从进气道18被引入到燃烧室16内的同时，以前排出的燃后气体又从排气道22被引回到燃烧室16内。这样，燃后气体和空气或燃料/空气装入物的混合即可完成，从而为自动点火创造合适的条件。
燃后气体、空气及预先混合或直接喷射的燃料的混合物的自动点火发生在压缩冲程内所说混合物被压缩以后。该混合物的燃烧使气体随后在膨胀冲程内膨胀，四冲程循环于是重新开始。具体地说，在考查的发动机的运转条件下，排气阀24在一发动机循环中第一次被开启是在膨胀冲程结束的下死点之前约60度时。然后在接近排气冲程终端时第一次被关闭。进气阀20在排气冲程结束之前被开启，而排气阀24在排气冲程结束之后约30度时重新被开启。排气阀24在接近进气冲程终端时再被关闭，而进气阀20在进气冲程终端之后约60度时被关闭。
图3示出热量释放率随着流量控制阀设定而变的情况，使用的是废气再吸阀门对策，发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20，充分预先混合。从图可见，热量释放率对流量控制阀设定是敏感的。具体地说，当流量控制阀38被关闭时，点火的开始时间会较为延迟而燃烧的持续时间有大的增加。
当流量控制阀被关闭时为什么会导致较晚的和较慢的燃烧，曾有两种假说被提出：1)当流量控制阀38被关闭时由于装入物运动的强烈，热量损失增加；及2)在压缩冲程中装入物存储在SCV的通道内，随后在下一循环的进气冲程中重新引入到气缸内。
为了处理上述问题，检验这两假说是否合理，我们考查了两种硬件配置。图4A所示通过无效配置是将流量控制阀38关闭来完成的；而图4B所示阀门无效配置则是将控制与SCV通道连通的进气阀的指形随动件拿掉来完成的。
图5示出图4A和4B两种进气配置和SCV开启的进气配置在热量释放率上的变化，发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20，燃料有充分预先混合和直接喷射两种情况。从图5可明确下列几点：1)流量控制阀38开启(SCV 90)时和一个进气阀20无效时的燃烧速率相同。这个发现使第一假说失去立足之地、不用继续考虑，因为就这两种配置而论，气缸内装入物的运动是有很大差异的；通道无效(SCV 20)和一个进气阀20无效的燃烧速率截然不同，这一点指向在SCV通道内装入物有存储现象。为了充分弄明白进气道内装入物的存储现象，我们使用一个一维，气体动力的发动机循环模拟程序来计算发动机气缸的流入和流出。
图6示出在气体交换周期、图4A和4B两种进气配置在测量所得气缸压力上的变化。发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20，燃料有充分预先混合(FP)和直接喷射(DI)两种情况。测量所得数据被用来作为一维气体动力模型的验证。
图7示出连同阀门升程变化一起考查的三种进气配置在气体交换周期的测量所得(通过试验)和计算所得(通过一维模型)的气缸压力的变化。发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20，燃料包括充分预先混合和直接喷射。从图上可以看到通过一维气体动力模型计算所得和测量所得气缸压力非常接近，因此这个模型是有效的。
图8示出连同阀门升程位置一起考查的这三种进气配置的SCV通道和直的进气道内相关进气阀20上游2cm处、在气体交换周期由一维模型算出的气体速度的变化，发动机的运转条件为2000rpm、11mg/循环、和A/F＝20。
图9示出连同阀门升程位置一起考查的这三种进气配置的SCV通道和直的进气道内相关进气阀20上游2cm处、在气体交换周期由一维模型算出的残余气体流率的变化，发动机的运转条件为2000RPM、11mg/循环、和A/F＝20。
图10示出连同阀门升程位置一起考查的这三种进气配置的SCV通道和直的进气道内相关进气阀20上游2cm处、在气体交换周期由一维模型算出的残余气体质量份额的变化，发动机的运转条件为2000RPM、11mg/循环、和A/F＝20。
图11示出连同阀门升程位置一起考查的这三种进气配置的SCV通道和直的进气道内相关进气阀20上游2cm处、在气体交换周期由一维模型算出的气体温度的变化，发动机的运转条件为2000RPM、11mg/循环、和A/F＝20。
图8到11的图中显示下列各点：1)被截获在SCV通道内的充量的平均残余气体质量份额约为38％(图10中左图)。2)在进气阀开启后，这个被截获的充量从SCV通道流出到燃烧室内(图9中左图)。3)这个被截充量的温度在390和440°K之间(图11中左图)。这个温度比在排气道内的气体温度(见图11注)约低300°K。4)当在390度左右上死点后的燃烧中排气阀24重新被开启时，SCV通道从气缸14和排气道被重新装入较热的气体。与SCV开启而一个进气阀被无效的情况相比，残余气体在SCV通道内的这个存储和排出会在进气阀关闭时造成气缸内平均充量温度的总体降低。这样便造成图3中SCV关闭时点火定时的延迟。
图12示出测得的燃烧功效随着两个SCV设定(36度和20度)的燃料供给率而变的情况。其时发动机的运转条件为2000rpm、A/F＝20，燃料直接喷射。当SCV被设定为36度时，峰值压力和最大压力升高率都随着燃料供给率的增加而增加(图12中上面两图)。在燃料供给率为13.75mg/循环时，这相当于一个450kPa NMEP的载荷，其时最大压力升高率达到50bar/msec的限度。将SCV阀关闭，峰值压力和最大压力升高率都将大为减少。峰值压力的曲柄角位置也将被推迟。这样就可在再度超过最大压力升高率限度之前将0.65mg的燃料(约抵25kPa NMEP的载荷)添加到发动机10中，从而中等载荷的运转限度可扩展约5％。
图13示出热量释放率随着流量控制阀和燃料供给率而变的情况，其时发动机的运转条件为2000rpm、和A/F＝20，燃料直接喷射。该图还阐明流量控制阀设定和燃料供给率对受控自动点燃燃烧率的影响。
本发明可同样好地应用于其他发动机转速和阀门对策，但通道节流阀对残余气体的热量抛出，从而对HCCI燃烧的效果可能会有变化。具体地说，本发明在发动机转速较低时应该较为有效，因为有较长的时间可用来散发热。另外，任何倾向使用SCV通道来存储和释放残余气体的阀门对策都能从本发明获益扩展其中等载荷的范围。
本发明能被延伸到包括在进气道和排气道内进行主动的热控制。例如可以设计气缸头内的冷却剂通道以便控制SCV和排气道的壁温。这样将有助于为HCCI燃烧调节再循环燃后气体的温度，特别是在中等载荷的范围内。
本发明可同样好地应用于预先混合的和直接喷射的受控自动点燃燃烧发动机内，这点已在上面的实施例中指出。
虽然在上面的实施例中，进气阀20和排气阀24是用机械方式驱动，但它们也能用电动液压或使用电磁力的电动方式驱动。
虽然本发明已就某些较优实施例说明，但应知道在所说创新概念的精神和范围内是能作出繁多的改变的。因此本发明不应限于公开的实施例而应拥有权利要求书所许可的全部范围。

Claims (7)

1.一种使四冲程直喷式受控自动点燃燃烧汽油发动机扩展其中等负荷范围的方法，该发动机具有至少一个直接喷射燃料的气缸，并包含一个与一曲柄连接而往复移动并限定一可变容积燃烧室的活塞，该燃烧室包括一个控制与空气进气道连通的进气阀和一个控制与废气排出通道连通的排气阀，所说方法包括：
利用一个可变的阀门驱动系统来可变地驱动该进气阀与排气阀，所说阀门驱动系统能够利用一废气再压缩阀门对策和废气再吸阀门对策来操作该进气阀和排气阀；及
提供一个与所说燃烧室连通的存储室以便临时存储残余燃后气体；
藉此在燃烧室和废气出通道的残余燃后气体可进入到该存储室内而后在被引回到该燃烧室内之前在其内丧失热能。
2.权利要求1的方法，其特征在于，所说存储室为所说空气进气道的一部分。
3.权利要求1的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在发动机燃烧循环期间在该存储室内进行残余燃后气体的存储和排出。
4.权利要求1的方法，其特征在于，包括如下面步骤：
为存储室和排气道提供有效的热控制。
5.一种使四冲程直喷式受控自动点燃燃烧汽油发动机扩展其中等负荷范围的方法，该发动机具有至少一个直接喷射燃料的气缸，并包含一个与一曲柄连接而往复移动并限定一可变容积燃烧室的活塞，该燃烧室包括两个控制与具有两个进气道空气进气道连通的进气阀，每一进气阀控制与这些进气通道之一的连通，该燃烧室还包括一个控制与废气出通道连通的排气阀，所说方法包括如下步骤：
利用一个可变的阀门驱动系统来可变地驱动该进气阀和排气阀，所说阀门驱动系统能够利用废气再压缩阀门对策和废气再吸阀门对策来操作该进气阀和排气阀；及
在每个气缸的吸入空气的一个进气道内设置一个流量控制阀；并
将该流量控制阀调节到完全关闭位置；
藉此形成一个由该流量控制阀、进气道和进气阀限定的存储室，所说存储室用作在该燃烧室和废气排出通道的残余燃后气体的一个临时冷却室。
6.权利要求5的方法，其特征在于，包括如下步骤：
控制该存储室室壁的温度。
7.权利要求5的方法，其特征在于，包括如下步骤：
控制该废气排出通道壁的温度。
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