CN101297109B - 用于直接喷射控制式自动点火内燃机的燃烧控制方法 - Google Patents

用于直接喷射控制式自动点火内燃机的燃烧控制方法 Download PDF

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Abstract

提供了动力系及其控制方法，其中控制在装备有气缸内燃料喷射和火花点火装置的控制式自动点火内燃机的燃烧室中可燃混合气充量的点火。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，和点火可燃混合气充量。火花放电等离子体通道移向可燃混合气充量并被其携带，有效的使控制式自动点火燃烧的阶段提前。

Description

用于直接喷射控制式自动点火内燃机的燃烧控制方法
技术领域
本发明一般涉及内燃机控制系统，更确切地说，涉及控制直接喷射控制式自动点火内燃机中燃烧的方法。
发明背景
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.6971365B1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5deg 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。

Claims (18)

1.用于控制控制式自动点火内燃机的燃烧室中点火的方法，上述内燃机装备有气缸内燃料喷射和火花点火装置，方法包括：
在火花点火装置的阴极电极和阳极电极之间产生火花放电等离子体通道；
产生可燃混合气充量；和
将火花放电等离子体通道朝可燃混合气充量方向移动，以便使可燃混合气充量的自动点火的阶段提前；
其中产生可燃混合气充量还包括在燃烧室中产生可燃混合气充量的运动，以便携带火花放电等离子体通道。
2.如权利要求1所述的方法，其中在燃烧室中产生可燃混合气充量的运动还包括设计燃烧室和活塞顶以便在其中产生运动。
3.如权利要求2所述的方法，其中在燃烧室中产生可燃混合气充量的运动还包括控制打开和关闭进气阀和排气阀通向燃烧室的幅度和正时的其中之一。
4.如权利要求1所述的方法，其中在燃烧室中产生可燃混合气充量的运动还包括在燃烧室中产生燃料喷雾引发的充量运动。
5.如权利要求4所述的方法，其中在燃烧室中产生燃料喷雾引发的充量运动包括控制气缸内燃料喷射的正时和定目标的其中之一。
6.如权利要求1所述的方法，其中控制式自动点火内燃机包括均质充气压缩点火发动机。
7.如权利要求1所述的方法，其中控制式自动点火内燃机包括分层充气发动机。
8.如权利要求1所述的方法，其中在可燃混合气充量中移动火花放电等离子体通道以使可燃混合气充量的自动点火的阶段提前包括将一部分火花放电等离子体通道移动一侧向距离为距火花点火装置其中一个电极的中心线至少2毫米。
9.动力系，包括：
内燃机，包括燃烧室，该燃烧室具有气缸内燃料喷射器和火花点火装置，并用控制式自动点火燃烧方式工作；和
控制组件，适合于执行计算机程序，以便产生可燃混合气充量和控制其点火，所述控制组件用于：
i）控制火花点火装置以便在火花点火装置的阴极电极和阳极电极之间产生火花放电等离子体通道；和
ii）启动气缸内燃料喷射器以便在燃烧室中产生可燃混合气充量，使火花放电等离子体通道朝可燃混合气充量方向移动，以便可燃混合气充量的自动点火阶段提前。
10.如权利要求9所述的动力系，其中控制组件选择性地操作，以便控制发动机来调节燃烧室的进气阀和排气阀的打开的幅度和正时的其中之一。
11.如权利要求9所述的动力系，其中具有气缸内燃料喷射器和火花点火装置的燃烧室还包括活塞顶，所述燃烧室和活塞顶被设计成在燃烧室中产生可燃混合气充量的运动，以便携带火花放电等离子体通道。
12.如权利要求9所述的动力系，其中所述控制组件启动气缸内燃料喷射器以便在燃烧室中产生可燃混合气充量还包括控制正时以便启动气缸内燃料喷射。
13.如权利要求9所述的动力系，其中所述气缸内燃料喷射器被定目标成在燃烧室中产生可燃混合气充量，以便使火花放电等离子体通道在可燃混合气充量中移动，使控制式自动点火燃烧的阶段提前。
14.如权利要求9所述的动力系，其中所述控制组件启动气缸内燃料喷射器以便在燃烧室内产生可燃混合气充量使火花放电等离子体通道朝燃烧混合气充量方向移动还包括选择性地启动气缸内燃料喷射器，以便携带一部分火花放电等离子体通道一侧向距离，所述侧向距离距火花点火装置的电极的中心线为至少2毫米。
15.如权利要求9所述的动力系，其中控制式自动点火内燃机包括均质充气压缩点火发动机。
16.如权利要求9所述的动力系，其中控制式自动点火内燃机包括分层充气发动机。
17.控制装备有气缸内燃料喷射和火花点火装置的控制式自动点火内燃机的燃烧室中燃烧阶段的方法，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；
选择性地控制燃料喷射，以便在燃烧室中产生可燃混合气充量；
将火花放电等离子体通道引向可燃混合气充量，以便使控制式自动点火燃烧的阶段提前；和
在燃烧室中产生可燃混合气充量的运动，以便携带火花放电等离子体通道。
18.控制均质充气直接喷射控制式自动点火内燃机中燃烧的方法，包括：
在火花塞的电极之间产生火花放电等离子体通道；和
通过控制气缸内燃烧混合气充量的运动控制火花放电等离子体通道朝可燃混合气充量方向移动，包括：控制从气缸内燃料喷射器的燃料喷射的正时和定目标。
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