CN101454551A - 均质充量压燃发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种使适于在受控的自动点火模式下操作的多气缸、火花点火、直接喷射、四冲程内燃发动机选择性地在化学计量空燃比和贫化学计量空燃比下操作的方法。该方法包括调节发动机气门致动系统以控制发动机气门打开和关闭，并监测发动机操作条件和外界大气压力。发动机被非节流操作且发动机气门致动系统被控制为在发动机操作条件处于预定范围内时实现负气门重叠时段。在负气门重叠时段期间喷射大量燃料。负气门重叠时段的时长随环境压力的降低而缩短且随环境压力的升高而延长。

Description

均质充量压燃发动机
技术领域
本发明主要涉及内燃发动机控制系统，并且更具体地涉及用于控制均质充量压燃发动机操作的方法和装置。
背景技术
本部分内的说明仅提供与本公开相关的背景技术信息，并且可能并不构成现有技术。
内燃发动机，特别是机动车内燃发动机，基本上都会落入两类即火花点火式发动机和压缩点火式发动机中的一类。传统的火花点火式发动机，例如汽油发动机，通常通过将空气/燃料混合物引入燃烧气缸，然后将其在压缩冲程中压缩并用火花塞点火来进行工作。传统的压缩点火式发动机，例如柴油发动机，通常通过在压缩冲程的上止点(TDC)附近将加压燃料引入或喷入燃烧气缸，在喷射时将其点燃来进行工作。对于传统的汽油发动机和柴油发动机来说燃烧都包括由流体力学控制的预混火焰或扩散火焰。每种类型的发动机都有优点和缺点。通常，汽油发动机产生的排放较少但是效率较低，而柴油发动机通常效率较高但是产生的排放较多。
最近，已经提出了用于内燃发动机的其他类型的燃烧方法。一种这样的发动机系统包括设计用于在特定的发动机操作条件下以受控的自动点火模式操作的内燃发动机以实现发动机燃效的改进，也被称为均质充量压燃(HCCI)燃烧模式。火花点火系统在特定的操作条件期间被用于辅助自动点火燃烧过程。
典型的HCCI发动机是在受控的自动点火燃烧模式下还是在火花点火模式下操作要取决于发动机的转速和负荷。HCCI燃烧模式包括由氧化反应而不是流体力学控制的分布式，无火焰，自动点火燃烧过程。气缸进气的点燃是通过在特定的发动机操作条件下压缩气缸进气而导致的。在典型的HCCI燃烧模式下的发动机操作中，气缸进气在成分，温度，和在进气气门关闭正时处的残留量等方面几乎是均质的。HCCI燃烧模式下典型的发动机操作可以进一步使用分层进气的燃料喷射操作以控制和修正燃烧过程，包括使用分层进气燃烧来触发HCCI燃烧。因为自动点火是一种分布式动态控制的燃烧过程，发动机在很稀的空气/燃料混合下(也就是贫空气/燃料化学计量点)操作并具有相对低的最大燃烧温度，因此形成了非常低的NOx排放。用于自动点火的空气/燃料混合物与柴油发动机中使用的分层空气/燃料燃烧混合物相比是相对均质的，并因此基本消除了柴油发动机中形成烟尘和颗粒排放物的富油区。因为这种很稀的空气/燃料混合物，所以在自动点火燃烧模式下操作的发动机能够非节流地操作以实现类似于柴油的燃料经济性。而且，HCCI发动机能够在具有大量EGR的化学计量空燃比下操作以实现有效燃烧。在中等发动机转速和负荷下，已经发现发动机气门特性和正时的结合(例如排气再压缩和排气再呼吸)以及供油策略可以有效地给气缸进气提供足够的热能以使压缩冲程期间的自动点火带来低噪音的稳定燃烧。在自动点火燃烧模式下有效操作发动机的主要问题之一就是要准确地控制燃烧过程以使得产生低排放，最优放热速率，和低噪音结果的鲁棒和稳定的燃烧在操作条件的一定范围内是可实现的。
因为气缸进气的化学动力学决定了燃烧的启动和过程，所以对于在自动点火模式下操作的发动机没有启动燃烧的直接控制手段。在高于某些限制的发动机操作条件下，HCCI发动机转换为在化学计量空燃比下的火花点火燃烧，以实现稳定燃烧，管理排放，和满足操作人员的转矩请求。典型的HCCI发动机根据预先校准和预定的操作条件在HCCI燃烧模式和火花点火(SI)燃烧模式之间进行转换。通常，SI模式包括在化学计量空燃比下的非节流操作。
当在海平面高度操作时，具有两步升程，双可变凸轮相位器气门致动系统的HCCI发动机对非节流的低负荷和中等负荷HCCI操作使用低升程气门开度，而在高负荷时使用高升程气门开度进行操作，类似于传统的火花点火式发动机。对HCCI模式下的发动机的燃烧正时控制通常包括使用负气门重叠(NVO)，在每个发动机循环期间都包括一个用曲轴转角表示的时段，其中排气气门在进气气门打开之前关闭，以重整部分燃料而促进自动点火燃烧。
使用燃料喷射正时包括在NVO时段期间和在进气和压缩冲程期间燃料喷射的数量和正时来控制燃烧正时。NVO时段的持续时间也可以被用于控制燃烧正时。火花助燃可以进一步控制燃烧正时。两种HCCI操作范围被使用：在低负荷下的贫空燃比非节流操作，其中NOx排放在1.0g/kg燃料以下；和在高负荷下具有外部废气再循环(EGR)以允许用三元化学计量催化转化器来降低NOx并控制发动机燃烧噪音的非节流化学计量空燃比操作。
在贫空燃比HCCI操作模式下，燃烧分别通过延长或缩短NVO而被提前或延迟。如果在由NVO提供的燃烧提前之外还需要进一步的燃烧提前，那么就增加在负气门重叠时段期间的燃料喷射量，并调节该燃料喷射正时和在压缩冲程期间的燃料喷射。燃烧噪音通常在这种操作形式下不是问题，因此外部EGR通常不需要控制噪音。
在非节流化学计量空燃比HCCI操作模式下，必须同时实现满意的点火正时和可以接受的发动机噪音。在提高燃料注入速率时，必须向每一个气缸内引入足够量的空气用于化学计量空燃比。另外，稀释量也必须足够以将发动机噪音保持在可接受的水平。由于低升程气门开度的传输限制，因此存在最大燃料注入速率，高于该速率则无法保证将用于提供化学计量空燃比的足够空气和/或用于保持可接受的发动机噪音的足够的外部EGR引入发动机气缸内。这就确定了用于发动机HCCI操作的负荷上限。
环境温度上升时，进气和排气压力下降，导致燃烧正时提前。因为在HCCI燃烧模式下操作的发动机并不依赖火花点火或燃料喷射正时来直接控制燃烧过程或点火正时，所以通常HCCI发动机需要独特的控制策略。特别地，对于使用受控的自动点火过程，能够适应因高度或其他气压条件的变化导致的环境压力变化的内燃发动机来说具有控制系统是有利的。本文中就介绍了这样的一种控制系统。
发明内容
根据本发明，提供了一种使适于在受控的自动点火模式下操作的多气缸、火花点火、直接喷射、四冲程内燃发动机选择性地在化学计量空燃比和贫化学计量空燃比下操作的方法。该方法包括调节发动机气门致动系统以控制发动机气门打开和关闭，并监测发动机操作条件和外界大气压力。发动机被非节流操作且发动机气门致动系统被控制为在发动机操作条件处于预定范围内时实现负气门重叠时段。在负气门重叠时段期间喷射大量燃料。负气门重叠时段的时长随环境压力的降低而缩短且负气门重叠时段的时长随环境压力的升高而延长。
附图说明
本发明可以采用将要在下文中详细介绍和在相关附图中示出的优选实施例中的某些部件和部件设置的实体形式，附图包括：
图1是根据本发明的内燃发动机的示意图；
图2是根据本发明的发动机控制子系统的示意方块图；
图3A和图3B是根据本发明的数据图。
具体实施方式
现参照附图，其中附图仅仅是为了图解本发明的目的而不是为了限制本发明的目的，图1示出了内燃发动机10和根据本发明的实施例构造的附加控制模块5的示意图。
示范性的发动机10包括多气缸直接喷射式四冲程内燃发动机，具有可在气缸内滑动移动的界定出可变容积燃烧室16的往复活塞14。每个活塞都被连接至旋转曲轴12(’CS’)，通过曲轴将它们的往复动作转化为旋转动作。有一个进气系统将进气提供给进气歧管，进气歧管将空气引导和分配到进气管29内以送至每个燃烧室16。进气系统包括气流管道以及用于监测和控制气流的装置。该装置优选地包括用于监测空气流量(’MAF’)和进气温度(’TIN’)的空气流量传感器32。设有节气门34，优选地是响应来自控制模块的控制信号(’ETC’)来控制发动机进气量的电控装置。在歧管内设有适用于监测歧管绝对压力(’MAP’)和大气压力(，BARO’)的压力传感器36。设有用于将废气从发动机排气侧再循环至进气歧管的外部气流管路，具有流量控制阀，被称作废气再循环(’EGR’)阀38。控制模块5用于通过控制EGR阀的开度来控制送到发动机进气侧的废气流量。如本文中所用，术语“气缸结构”指的是构成每个燃烧室也就是构成气缸壁，活塞，气缸盖，包括进气和排气气门的发动机部件和元件。
通过一个或多个进气气门20控制空气从进气管29流入每个燃烧室16。通过一个或多个排气气门18控制燃烧气体从每个燃烧室通过排气管39流入排气歧管。进气和排气气门的打开和关闭优选地用双凸轮轴控制(如图所示)，双凸轮轴的旋转与曲轴12的旋转相关并由曲轴12的旋转表示。发动机装有用于控制相位，升程和进气与排气气门开启持续时间的装置，优选地使用可变升程控制(’VLC’)和可变凸轮相位(’VCP’)系统。可变气门升程系统包括用于将气门升程或开度控制到两个离散阶段中的一个阶段的装置，这两个离散阶段包括低转速，低负荷操作下对应120-150曲轴转角的开启持续时间的低升程气门开度(大约3-6mm)和高转速，高负荷操作下对应220-260曲轴转角的开启持续时间的高升程气门开度(大约8-10mm)。
VCP系统可用于相对于曲轴和活塞位置也就是相位来切换气门打开和关闭正时，除此之外它还被参照图1所示的两步式VLC升程所影响。设有用于发动机进气的VCP/VLC系统22和用于发动机排气的VCP/VLC系统24。VCP/VLC系统22，24由控制模块5控制，并向控制模块提供由用于进气凸轮轴和排气凸轮轴的凸轮轴旋转位置构成的反馈信号。当发动机在自动点火模式下用排气再压缩气门策略操作时通常使用低升程操作，而当发动机在火花点火燃烧模式下操作时通常使用高升程操作。
如本领域普通技术人员所公知的，VCP/VLC系统具有有限的有效范围，在该范围内进气和排气气门的打开和关闭才是可控的。典型的VCP系统具有凸轮轴旋转30°-90°的相位有效范围，因此允许控制模块提前或延迟打开和关闭发动机气门。相位有效范围由VCP的硬件和致动VCP的控制系统所确定和限制。VCP/VLC系统使用电子-液压，液压，和电子控制作用力中的一种致动，由控制模块5控制。
发动机包括燃料喷射系统，包括多个高压燃料喷射器28，每个都适用于响应来自控制模块的发动机控制信号(’INJ_PW’)直接喷射大量燃料到其中一个燃烧室内。从燃料分配系统(未示出)向燃料喷射器28供应加压燃料。
发动机包括火花点火系统，通过该系统响应来自控制模块的发动机控制信号(’IGN’)将火花能量提供给火化塞26，用于点燃或帮助点燃在每个燃烧室内的气缸进气。火化塞26在某些操作条件下(例如，在HCCI或SI操作的冷启动期间，低负荷HCCI操作界限附近，和在正常的SI发动机燃烧操作期间)增强了气缸进气的点火正时控制。
发动机优选地装有用于监测发动机操作条件的各种测量装置，包括具有输出RPM的曲轴转速传感器42，适用于监测燃烧具有输出COMBUSTION的传感器30，和适用于监测排气具有输出EXH的传感器40，通常为大量程的空燃比传感器，和具有输出COOLANT的冷却剂传感器35。在这样配备的系统中，燃烧传感器包括用于监测燃烧参数的传感器装置，如图所示为适用于监测气缸内燃烧压力的气缸压力传感器。应该理解其他的用于监测气缸压力或另一种可转化为燃烧相位的燃烧参数的检测系统也被包括在本发明的范围之内，例如离子检测点火系统。应该理解在本发明的范围内也可以使用其他的用于确定燃烧参数的方法。
发动机被设计为在发动机转速和负荷的扩展范围上用自动点火燃烧(’HCCI燃烧’)来非节流操作汽油或类似燃料混合物。在不利于自动点火燃烧的条件下，发动机用通过传统或改进的控制方法进行的受控节流操作在火花点火燃烧模式下操作并获得最大发动机功率以满足操作人员的转矩请求(To_req)。可广泛应用的各种等级的汽油及其和少量乙醇的混合物是优选燃料，但是，可选的流体和气体燃料例如更高浓度的乙醇混合物(例如E80，E85)，纯乙醇(E99)，纯甲醇(M100)，丁醇汽油混合物，纯丁醇，天然气，氢气，沼气，各种重整油，合成气，以及其他可以在本发明的实施例中使用的燃料。
控制模块5优选地是多用途数字计算机，通常包括微处理器或中央处理器，由包括只读存储器(ROM)和电可编程只读存储器(EPROM)的永久性存储器和随机存取存储器(RAM)构成的存储介质，高速时钟，模数转换(A/D)和数模转换(D/A)电路，以及输入/输出电路和装置(I/O)与适当的信号调制和缓冲电路。控制模块具有一组控制算法，包括存储在永久性存储器内并执行用于提供每台计算机各自功能的驻留程序指令和校准表。算法通常在预设的周期循环内执行以使得每个算法在每个周期循环内都被执行至少一次。算法由中央处理器执行并可用于监测来自前述测量装置的输入和执行控制与诊断程序以利用预设的校准表来控制致动器的操作。周期循环通常以固定的间隔执行，例如在进行发动机和机动车操作期间每3.125，6.25，12.5，25和100毫秒执行一次。可选地，算法可以响应事件例如特定地曲轴转角位置的出现而被执行。
控制模块5执行存储在其中的算法代码以根据预定的查询表和存储在存储器内的公式将前述致动器控制到特定的控制状态。这包括以下控制：节气门位置(ETC)；火花正时和延时(IGN)；燃料喷射量和正时，包括每个循环中的多次喷射(INJ_PW)；相位；进气和/或排气气门的升程和开启持续时间(VCP/VLC进气，VCP/VLC排气)；和用于控制废气再循环的EGR阀位(EGR)。相位，进气和/或排气气门的升程和开启持续时间包括在排气再压缩策略中的NVO，和在排气再呼吸策略中的排气阀再打开的升程。控制模块适用于监测来自操作人员的输入信号(例如加速踏板位置和刹车踏板位置)以确定操作人员的转矩请求(To_req)，并适用于监测来自传感器的发动机操作条件，包括指示发动机转速(RPM)，发动机负荷(使用MAF，MAP或INJ_PW)，燃烧，冷却剂温度(COOLANT)，进气温度(TIN)和其他环境条件的那些参数以确定发动机操作点，主要和发动机转速与负荷有关。
控制模块用于根据预定的查询表和存储在存储器内的公式来确定各种发动机致动器的控制状态，包括发动机气门致动相位，升程，持续时间(VCP/VLC进气，VCP/VLC排气)，每个循环包括多次喷射的燃料喷射正时和脉冲宽度(INJ_PW)，火花正时和延时，EGR阀位(EGR)，和节气门位置(ETC)，如下所述。控制模块操作用于监测转矩或负荷以及发动机转速并由此计算出发动机功率。
现参照图2，示出了控制和操作根据本发明的自动点火燃烧模式下的发动机的细节。发动机控制子系统优选地由存储在发动机控制模块5的存储器装置内以在其中被执行的算法代码和校准表构成。发动机控制子系统综合操作人员的输入，环境条件，发动机操作条件，和燃烧性能的测量值，并执行算法以确定各个致动器的优选控制状态来满足操作人员的转矩请求和达到发动机操作的目标。燃烧性能测量值(，COMBUSTION’)优选地可以转化为点火正时和在受控的自动点火燃烧期间进行的燃烧持续时间的测量值。受控的自动点火燃烧的点火正时被定义为上止点之后的按度数测量的曲轴转角位置(’deg a TDC’)，在此燃烧10％或50％质量比率的燃烧室进气(分别表示为’CA10’和’CA50’)。燃烧的燃烧持续时间被定义为在燃烧10％质量比率和90％质量比率之间的用曲轴转角角度(’CAD’)表示的曲轴转角间隔。
发动机控制子系统包括前馈控制电路55和优选地包括反馈控制电路65。发动机控制子系统优选地被作为正在进行中的发动机控制的一部分执行以实现对操作条件改变的快速和有效的系统响应，通常是响应操作人员输入和环境条件的改变。
前馈控制电路55包括两个主要部件：控制模块60，包括预校准的查询表和算法，以及多个限幅器。控制模块的预校准查询表和算法包括存储在存储器装置内的机器可查询数组和机器可执行算法，用于根据发动机操作条件，例如发动机转速，负荷，进气温度，冷却剂温度，排气，气缸结构的有效温度等，针对每个发动机控制致动器确定控制状态。根据发动机转速和负荷确定发动机操作点。
每个致动器的具体控制状态是根据发动机操作条件和发动机动力历史数据确定的。每个发动机控制致动器的控制状态包括致动器专用控制信号，用于控制致动器的操作。如图所示，来自查询表的输出经过多个前馈限幅器中的一个限幅器被送出。
总体上，本发明包括用于操作自动点火燃烧模式下的发动机在化学计量空燃比或贫化学计量空燃比下工作的方法。它包括监测发动机操作条件，特别是转速和负荷，以及环境压力，通常使用来自传感器36的BARO输出。当发动机操作条件处于预定范围内时，发动机在负气门重叠时段被非节流操作。在负气门重叠时段期间喷入大量燃料。负气门重叠时段的时长随环境压力的降低而缩短，和随环境压力的升高而延长。当发动机操作条件包括高负荷和发动机位于由上限负荷范围限定的高海拔时，发动机优选地在受控的自动点火模式下以化学计量空燃比操作。
用于在海平面高度操作具有两步式气门升程，双凸轮相位器气门致动系统的示范性HCCI发动机的方法包括在自动点火操作模式下使用低升程气门开度，而在操作处于火花点火模式的发动机时的高发动机负荷下使用高升程气门开度。对自动点火模式下的发动机的燃烧正时控制包括控制NVO时段。燃烧正时通过控制NVO和燃料喷射被控制，包括控制在每个NVO时段期间和在每个进气与每个压缩冲程期间的燃料喷射量和喷射正时。选择性地使用火花辅助点火以控制燃烧正时。
优选地使用两种自动点火燃烧操作模式，包括贫空燃比操作模式(贫空燃比HCCI)和化学计量空燃比操作模式(化学计量空燃比HCCI)。贫空燃比HCCI操作模式包括非节流地和在贫化学计量空燃比下操作发动机，通常是在较低的发动机负荷时，并且优选地其中NOx排放在1.0g/kg燃料以下。化学计量空燃比HCCI操作模式非节流地和在化学计量空燃比下操作发动机，通常是在较高的发动机负荷下。外部废气再循环(EGR)控制被用于该模式以在三元化学计量催化转化器内实现Nox的降低，和控制发动机燃烧噪音。
在贫空燃比HCCI操作模式中，燃烧分别通过延长或缩短NVO的时长而被提前或延迟。在由NVO提供的燃烧提前之外还需要进一步的燃烧提前的操作条件下，增加在负气门重叠时段期间的燃料喷射量，并调节燃料喷射正时和在压缩冲程期间的燃料喷射。燃烧噪音通常在这种操作形式下不是问题，因此外部EGR通常不需要控制噪音。
在化学计量空燃比HCCI操作模式下的操作根据满意的点火正时和可以接受的发动机噪音而受到限制。在操作中，为了增加发动机负荷而提高燃料注入速率。在燃料注入速率提高时，必须向发动机气缸内引入对应量的空气以保持化学计量空燃比。另外，排气稀释量也必须足够以将发动机噪音保持在可接受的水平。对于HCCI操作也就是在化学计量空燃比HCCI操作模式中的上限，是由低升程气门升程的流动限制确定的。在需要的燃料流量大于被化学计量空燃比划分的进气气门的最大流通能力时，就没有足够的气流来保持用于可接受的发动机噪音水平的化学计量空燃比和足够的EGR。在此情况下，HCCI操作是不连续的并且发动机在火花点火模式下操作，用火花正时和延时控制气缸进气的点火。现已介绍了用于在高海拔或低气压下运行示范性HCCI发动机的方法。燃烧正时随着海拔高度的增加和进气与排气压力的降低而提前。
现参照图3A和图3B，示出了用于在特定条件下操作示范性发动机的发动机气门和燃料喷射的时序图。坐标轴表示曲轴转角并标有上止点(，TDC’)压缩，下止点(’BDC’)和TDC-排气的具体位置。示作“排气”的区域表示排气气门18打开期间的持续时段，而示作“进气”的区域包括进气气门20打开期间的持续时段。之间的示作’NVO’的区域表示负气门重叠的持续时段。现参照图3A，时序图示出了用NVO操作位于海平面高度，贫空燃比HCCI操作模式下并处于轻负荷的特定条件下的示范性发动机。在NVO时段期间来自燃料喷射器28的燃料注入被表示为EOI_1，示作Y毫克(mg)的质量流量。在进气和压缩时段来自燃料喷射器28的燃料注入被表示为EOI_2，示作Z毫克(mg)的质量流量。因海拔增加或气压降低而导致的燃烧正时提前在贫空燃比HCCI操作模式中通过缩短NVO时段和/或减少在NVO时段期间的燃料喷射量(EOI_1)来补偿，这影响了重整燃料的质量。在大气压力降低时缩短NVO时段将燃烧正时保持在最优水平。因气压升高导致的燃烧正时延迟优选地在贫空燃比HCCI操作模式中通过延长NVO时段和/或在NVO时段期间喷射更多燃料来补偿以将燃烧正时保持在其最优水平。
现参照图3B，时序图示出了用NVO操作位于海平面高度，化学计量空燃比HCCI操作模式下并处于高负荷的特定条件下的示范性发动机。在NVO时段期间来自燃料喷射器28的燃料注入被表示为EOI_1，示作Y毫克(mg)的质量流量。在进气和压缩时段来自燃料喷射器28的燃料注入被表示为EOI_2，示作Z毫克(mg)的质量流量。
因海拔增加或气压降低而导致的燃烧正时提前在化学计量空燃比HCCI操作模式中通过缩短NVO时段和/或调节在NVO时段期间的燃料喷射量(EOI_1)来补偿，这影响了重整燃料的质量。但是，在大气压力降低时有必要继续同时允许足够的空气量和足够的进气稀释量，包括外部和内部EGR，进入每一个发动机气缸。气流和EGR的需求可能会迫使NVO缩短，从而导致将点火正时延迟到比因气压降低而恢复最优燃烧正时所需延迟更大的程度。控制系统通过调节重整燃料量和/或火花辅助燃烧的操作来恢复最优点火正时。在NVO时段期间的燃料喷射量随海拔或气压的变化进行调节。喷射的重整燃料量和NVO时段改变的具体数值取决于特定应用并且优选地在发动机试生产研发工作期间确定。
化学计量空燃比HCCI操作模式的负荷上限随着海拔的增加或气压的降低而降低。在此情况下，为了保持化学计量空燃比并且同时保持足够的进气稀释以达到可接受的发动机噪音，喷入发动机气缸的最大燃料量必需减少。
现在详细介绍对于操作条件通常是发动机负荷的最大发动机操作范围的策略，在该范围内发动机在化学计量空燃比HCCI操作模式下，和在通常的低发动机负荷下被有效地操作。在化学计量HCCI操作中的最大发动机操作负荷附近，发动机被非节流运行，也就是节气门全开。在此情况下，需要同时满足满意的点火正时和可接受的发动机噪音。在提高燃料注入速率时，必须向发动机气缸内引入足够量的空气以保持化学计量空燃比。另外，稀释量也必须足够以将发动机噪音保持在可接受的水平。由于进气系统的传输限制，因此存在最大燃料注入速率，高于该速率则无法保证将用于保持化学计量空燃比的足够空气量和/或用于保持可接受的发动机噪音的足够的外部EGR量引入发动机气缸内。这就确定了用于发动机HCCI操作的负荷上限。在海平面高度，该负荷上限对应最大燃料注入速率。
当海拔高度增加且进气和排气压力相应降低时，燃烧正时提前。但是，在海拔高度增加时有必要继续同时允许足够的空气量和足够的进气稀释量，包括外部和内部EGR，进入每一个发动机气缸。空气和EGR的需求迫使NVO缩短，可能会将点火正时延迟到比因海拔增加而恢复最优燃烧正时所需延迟更大的程度。为了恢复最优点火正时，需要足够的重整燃料量和/或火花辅助燃烧。海拔高度降低时，采取相反的措施。
操作策略考虑到了在相同的燃料注入速率下随着海拔高度的增加噪音和Nox也会增加。为了保持和在海平面高度时相同的噪音水平，用于HCCI操作的最大燃料注入速率随着海拔高度的增加而降低。
在低负荷时，燃烧也会随着气压的降低而提前。提前的燃烧正时通过缩短NVO和/或降低在负气门重叠时段期间的燃料喷射量(重整燃料)来补偿。这可以在发动机操作的海拔高度增加时将燃烧正时恢复为最优水平。在海拔高度降低时，燃烧倾向于延迟，因此更长的NVO和/或在负气门重叠时段期间更多的燃料喷射会将燃烧正时恢复到其最优水平。
为了理解本发明的概念，利用公知的发动机数学模型，对各种操作条件进行了一系列发动机模型计算以示范在海平面高度和在高海拔高度对上述示范性发动机的操作要求。现参照表1和表2，根据本发明的介绍，给出了在海平面高度和在高海拔高度的低负荷条件下操作发动机的结果。表1示出了在低海拔和高海拔的相同燃料注入条件下的操作结果，而表2示出了在低海拔和高海拔高度，在主要的二次喷射期间减少燃料注入的操作结果。这证明了在低负荷的贫空燃比HCCI操作中，燃料进气的可燃性随着海拔的增加而改善。而且，需要缩短NVO的时长和降低重整燃料量以保持最优的燃烧正时。
表1
表2
Figure A200780019190D00162
现参照表3和表4，根据本发明，给出了在海平面高度和在高海拔高度的高负荷条件下操作发动机的模型计算结果，通常在海平面大约为4.5bar NMEP。操作条件用于在化学计量空燃比模式操作，也就是大约1.0的当量比，以及在上止点前(’deg bTDC’)440度终止喷射的第一重整喷射，和包括在330deg bTDC终止的第二喷射以及在270deg bTDC终止的第三喷射的分流燃料喷射。表3示出了在低海拔和高海拔的相同燃料注入条件下的操作结果，而表4示出了在低海拔和高海拔高度，在主要的二次喷射(13mg燃料)期间减少燃料注入的操作结果。这证明了在高负荷的化学计量空燃比HCCI操作中，需要减少燃料注入以保持最优操作。
表3
Figure A200780019190D00171
表4
Figure A200780019190D00181
现参照表5，给出了在更高海拔高度没有重整燃料时操作发动机的模型计算结果。这些结果，与表5中的结果相结合，证明了强调噪音约束和实现可燃性的操作条件的必要性。操作条件包括缩短NVO，增加重整燃料或火花辅助点火以允许足够的稀释和燃烧进气的可燃性。
表5
Figure A200780019190D00182
在一个可选实施例中，另一种气门致动系统被用于该发动机以扩展HCCI操作的负荷上限。可选的气门致动系统包括用于提供三步升程能力的可变升程控制装置和双凸轮相位器系统。该三步式气门致动系统在所有海拔高度和大气压力下都有效。第一低升程(3-5mm)阶段和短持续时间NVO结合使用，并优选地在贫空燃比，非节流操作期间使用。第二中升程(6-8mm)优选地在发动机负荷增加时使用以提供更高的排气和进气气门升程和持续时间，并允许更大量的空气和外部EGR进入发动机。第三高升程在以传统的火花点火模式操作发动机时使用。在海平面高度，因为和两步式系统的升程的较低步骤相比有更多的空气和稀释气体进入燃烧室，所以HCCI模式下第二气门升程允许更高的最大燃料注入速率。随着海拔高度的增加或大气压力的降低，最大燃料注入速率也由于和上述两步式系统相同的原因而被降低，但是在给定高度的最大燃料注入速率要高于两步式系统。
已经具体参照示范性实施例及其修改对本发明进行了介绍。在阅读和理解说明书后其他人也可以进行进一步的修改和变形。本发明应该包括所有这样的修改和变形，只要它们落入本发明的范围之内即可。

Claims (20)

1、一种使适于在受控的自动点火模式下操作的多气缸、火花点火、直接喷射、四冲程内燃发动机选择性地在化学计量空燃比和贫化学计量空燃比下操作的方法，所述方法包括：
调节发动机气门致动系统以控制发动机气门打开和关闭；
监测发动机操作条件；
监测外界大气压力；
非节流操作所述发动机和控制所述发动机气门致动系统以在所述发动机操作条件处于预定范围内时实现负气门重叠时段；
在所述负气门重叠时段期间喷射大量燃料；且随环境压力的降低而选择性地缩短所述负气门重叠时段的时长和随环境压力的升高而选择性地延长所述负气门重叠时段的时长。
2、如权利要求1所述的方法，包括当所述发动机操作条件包含高负荷和所述发动机在降低的外界大气压力下操作时，在受控的自动点火模式下以化学计量空燃比操作所述发动机。
3、如权利要求2所述的方法，进一步包括随着外界大气压力的降低而减小用于非节流操作所述发动机的发动机操作条件的预定范围和在所述负气门重叠时段内控制所述可变气门致动系统。
4、如权利要求3所述的方法，其中所述发动机操作条件包括发动机负荷。
5、如权利要求3所述的方法，进一步包括随着外界大气压力的降低而保持废气再循环流量。
6、如权利要求5所述的方法，其中所述发动机操作条件的预定范围的确定是基于：在受控的自动点火模式下以化学计量空燃比操作所述发动机和在跨越一定范围的外界大气压力的高发动机负荷操作条件下保持废气再循环流量。
7、如权利要求1所述的方法，其中调节所述发动机气门致动系统以控制发动机气门打开和关闭包括调节所述发动机气门致动系统以选择性地控制进气和排气气门的升程，开启正时，和开启持续时间。
8、如权利要求1所述的方法，包括：在所述发动机操作条件包括低负荷时，在受控的自动点火模式下以贫化学计量空燃比操作所述发动机。
9、如权利要求8所述的方法，进一步包括随着外界大气压力的降低而减小用于非节流操作所述发动机的发动机操作条件的预定范围和在所述负气门重叠时段内控制所述可变气门致动系统。
10、如权利要求1所述的方法，进一步包括随着外界大气压力的降低而在负气门重叠时段期间减少燃料喷射量。
11、如权利要求1所述的方法，进一步包括：
用受控的火花点火辅助燃烧；和
通过调节火花点火正时来调节燃烧正时。
12、如权利要求11所述的方法，进一步包括：在所述发动机操作条件在预定范围之外时，非节流操作所述发动机和在化学计量空燃比下操作所述发动机。
13、如权利要求1所述的方法，其中监测外界大气压力包括用车载传感器监测大气压力。
14、一种使多气缸、火花点火、直接喷射、四冲程内燃发动机选择性地在受控的自动点火模式和火花点火模式中的一种模式下操作的方法，包括：
监测发动机操作条件和发动机负荷；
监测外界大气压力；
当所述发动机操作条件和发动机负荷在预定范围内时，在受控的自动点火模式下操作所述发动机；
随外界大气压力的降低而减小用于在受控的自动点火模式下操作所述发动机的所述预定范围；和
随外界大气压力的升高而增大用于在受控的自动点火模式下操作所述发动机的所述预定范围。
15、如权利要求14所述的方法，其中在受控的自动点火模式下操作所述发动机包括：
为所述发动机配备在负气门重叠条件下选择性可控的可变气门致动系统；
在所述负气门重叠条件下控制所述可变气门致动系统；
用受控的火花点火辅助燃烧；
在所述负气门重叠条件期间喷射燃料；和
在非节流状态下操作所述发动机。
16、如权利要求15所述的方法，进一步包括随着外界大气压力的降低而在负气门重叠时段期间以贫化学计量空燃比操作所述发动机和选择性地减少燃料喷射量。
17、如权利要求16所述的方法，包括随着外界大气压力的降低而在负气门重叠时段期间减小用于所述发动机操作条件的预定范围和用于非节流操作所述发动机的发动机负荷并控制所述可变气门致动系统。
18、如权利要求17所述的方法，进一步包括随着外界大气压力的降低而在负气门重叠时段期间以化学计量空燃比操作所述发动机和保持废气再循环量。
19、一种用于在受控的自动点火燃烧模式下操作内燃发动机的方法，所述内燃发动机包括火花点火、直接喷射、四冲程内燃发动机，配备有用于控制气门升程，气门开启正时，和气门开启持续时间和选择性地用于实现负气门重叠的气门致动系统，所述方法包括：
随着大气压力的降低而选择性地缩短负气门重叠的时长；
在贫空燃比的自动点火燃烧操作模式下随着所述大气压力的降低而选择性地在所述负气门重叠期间减少燃料喷射量；和
在化学计量空燃比的自动点火燃烧操作模式下随着所述大气压力的降低而选择性地在所述负气门重叠期间调节燃料喷射量。
20、如权利要求19所述的方法，包括：
建立用于对预定的大气压力在受控的自动点火燃烧模式下操作发动机的发动机操作条件的预定范围；和
根据所述大气压力的改变来调节用于在受控的自动点火燃烧模式下操作所述发动机的预定范围。
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