CN101743389B - 受控自动点火(cai)燃烧过程的控制 - Google Patents

受控自动点火(cai)燃烧过程的控制 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种用于控制内燃机中的受控自动点火操作的方法。该方法包括在燃烧循环中的适当时间响应测得条件将空气喷射到燃烧气缸中。空气的喷射用于改变CAI阶段，因此提供将CAI操作进一步扩展到车辆速度/负荷范围中的能力。

Description

受控自动点火(CAI)燃烧过程的控制
技术领域
本发明涉及内燃机中的受控自动点火(CAI)燃烧过程的控制。
背景技术
考虑到石油储量减少、地理政治不确定性和对燃烧化石燃料的环境影响的关注增加，人们充分认识到需要提高燃料使用的效率。该需要相对于内燃机特别明显，从而预计在接下来的数十年中内燃机为世界上的多数运输需要提供动力。
另外，污染物例如未燃碳氢化合物、一氧化碳和氧化氮(NOx)的日益严格排放要求需要内燃机在减少这些污染物的形成的条件下燃烧燃料。
因此需要对燃烧过程进行良好的控制。
进行了许多研究以理解和控制用于内燃机中的两个基本燃烧过程，即火花点火(SI)和压缩点火(CI)。在SI发动机中，火花点火气缸内的压缩空气/燃料混合物。实际点火耗费一段时间，原因是火焰前沿从火花向前移动。在CI点火中，燃料在它被喷射到气缸中时点火。再次地，点火发生一段时间，等于完成燃料的喷射花费的时间。在SI和CI两种发动机中，气缸内和活塞上的压力和温度相对于在点火时期发生的变化形成梯度。
长期以来人们认识到可以从备选的燃烧过程，即受控自动点火或均质充量压缩点火(HCCI)获得更大的理论燃料效率和/或发动机排放的减小。在CAI燃烧过程中，燃料被引入气缸中并且然后被压缩到一点，在这一点它的温度引起自点火。点火典型地在多个部位引起，原因是温度和压力在很大程度上是均匀的。CAI燃烧的通常区别在于显著低于SI或CI燃烧的燃烧温度，并且因此典型地导致显著更低的NOx排放。此外，与CI燃烧过程相比，CAI燃烧过程具有更低的颗粒物质排放，因此减小了这样的CI发动机的废气后处理系统的成本和复杂性。
已知CAI燃烧的使用有限制。其中主要是在高发动机负荷或速度期间过高的放热率和气缸压力上升，这可以导致不良发动机爆震。这些因素导致CAI燃烧可以使用的速度和/或负荷的有效上限。所以CAI燃烧通常更适合于在较低速度和/或负荷下的发动机操作。
CAI燃烧的使用在速度和负荷的有效下限之下，特别是在怠速时也会出问题。在怠速或接近怠速时难以获得足够的热来导致CAI条件所需的温度上升。这可以导致气缸内的不点火。
已知的CAI燃烧过程因此在它们的操作范围中受到限制。在许多发动机应用中该有限范围是不够的，并且因此发动机必须被配置为在它的范围的一部分中在CAI模式下操作并且在该范围之外在SI或CI模式下操作。
CAI燃烧可以在其中操作的有限范围大大减小了它的商业生存能力。此外，具有不同效率和排放特性的两种燃烧模式之间的平稳过渡的需要提出了相当大的挑战。这些问题的解决在很大程度上取决于CAI燃烧过程可以被控制的程度。
在图1b中显示了CAI燃烧的操作的典型范围的例子。
由于CAI燃烧由温度启动，因此与SI和CI燃烧过程所需的温度相比，重要的是在燃烧之前升高气缸内的温度，也就是充量的温度。这典型地通过两种手段中的一个进行：加热进入空气和废气的再使用或保留。
由于许多原因，对于包括能量要求、有效控制的复杂性和高压缩比的需要，进入空气的加热通常不是优选的。因此对于当前应用来说废气的再使用或保留是优选的。在CI燃烧发动机中，废气典型地通过经由适当的阀再循环到进气系统中被再使用。在SI燃烧发动机中，废气的一部分典型地保留在气缸中用于加热目的，这通过进气和排气阀事件的定时或曲线被控制。
以该方式使用废气在燃烧的CAI和非CAI模式之间的过渡期间特别提出了挑战。如上所述，模式之间的基本差异之一是废气的温度。当这些气体被再使用或保留以提供增加的充气温度时，对此进行控制以产生期望的气缸内温度会是很复杂的。此外，将显而易见需要来自废气的热典型地表示发动机不能在CAI燃烧模式下开始。
如果CAI燃烧不稳定和控制不好则会出现许多问题。这些包括不点火的风险、排放的增加、效率的减小、不可接受的燃烧噪声级和对发动机的潜在损害。可以通过在燃烧过程期间精确控制阶段(也就是点火的定时)和相关放热率获得CAI燃烧的稳定性。这些参数的有效控制有助于在接近最佳位置操作CAI燃烧过程，最大化有效CAI燃烧操作范围，并且有助于提供不同燃烧模式之间的有效过渡。在最佳位置的操作可以涉及燃烧噪声、燃料消耗和/或发动机废气排放的最小化。
CAI燃烧操作的关键决定因素是温度、压力、反应物的浓度、反应物的运动和反应物的性质。在这些当中，温度是最难控制的参数。在SI燃烧中，可以通过火花的定时实现控制。在CI燃烧中，通过喷射事件的定时和分配实现控制。这些选择并不提供CAI燃烧的充分控制。此外，由于温度和压力可能在不同气缸之间和不同循环之间显著不同，因此优选的是在每个气缸内在每个循环的基础上精确测量这些参数并且控制它们。
人们试图通过发动机管理系统架构、燃烧感测和发动机控制单元硬件和软件的发展实现CAI燃烧的控制。这些领域的发展导致确定每个气缸中的逐次循环条件和因此分析CAI燃烧事件的性质(特别是相位和速率)的能力增强。即使如此，实现该事件的有效控制的能力受到在单个气缸和每个循环的基础上改变气缸内温度、压力、组成和运动的能力限制。
可以实现诸如进入空气温度、压缩比和冷却剂温度这样的参数的调节以便改变平均性能。然而通常不能在每个气缸或每个循环的基础上改变这些参数。
可以通过改变被保留或再使用的废气量改变气缸内的温度。废气保留的调节需要可变阀定时，这显著增加了发动机设计的复杂性。废气再使用的调节类似地需要复杂的端口布置。
发明内容
本发明寻求提供一种控制CAI燃烧的手段，其至少在一些情况下比上述手段更有效。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制气缸内的CAI燃烧的方法，所述方法包括在点火之前响应测得操作参数将空气喷射到气缸中以改变气缸内的条件。典型地，经改变的条件包括温度和/或压力和气缸内的燃料/空气混合物的运动。因此可以控制自动点火的速率和阶段和因此控制放热率。
根据本发明的第二方面，提供了一种利用废气保留增强气缸内的CAI燃烧的稳定性的方法，所述方法包括根据发动机速度和/或负荷改变燃料和/或空气喷射到气缸中的定时。
所述方法可以被运用以通过导致燃料比当发动机在低负荷下时更早地喷射到气缸中增强在发动机怠速或接近发动机怠速时CAI燃烧的稳定性。
所述方法可以被运用以通过喷射附加空气来延迟燃烧增强低负荷下CAI燃烧的稳定性。
在本发明的一个实施例中，使用空气辅助直接燃料喷射系统喷射空气。在它的最简单形式中，这通过增加通过直接喷射系统喷射空气的持续时间实现而不用增加喷射的燃料量。
其他方法包括在每个循环期间使用空气或空气-燃料混合物的多个脉冲。这可以通过在主要空气脉冲之前或之后加入空气脉冲或空气-燃料脉冲实现。在低速度和负荷条件期间，例如可以在接近发动机压缩冲程完成时执行附加空气-燃料喷射事件。附加燃料可以由火花点火以便充分地增加气缸内的温度和压力，从而导致早先供应的燃料的自动点火。可以预期这将增强燃烧率和阶段。
在本发明的另一个实施例中，气缸可以包括独立于燃料喷射系统的专用空气喷射器，所述空气喷射器位于最佳位置以用于实现CAI燃烧过程的控制。该位置可以提供对气缸内的混合物的温度、混合和/或运动的更大程度的控制或影响。
测得操作参数可以包括发动机速度、发动机振动、发动机扭矩、气缸内离子化和/或气缸内压力。在可以有效进行这样的测量的情况下，参数还可以包括燃烧室气体温度测量。
优选地，对于每个气缸独立地进行空气喷射的适当定时的计算。在本发明的最优选方面中，对每个连续气缸循环进行相关确定。
应当理解本发明的方法的使用并不一定显著改变气缸中的空气量。通常，过量喷射空气小于通过进气门进入的空气的5％。典型地，它大约为2％-3％。
可以通过在循环中的适当时间包含或排除火花，或通过输送的燃料量的变化实现CAI燃烧过程的进一步控制。这可以通过燃料喷射器脉冲的数量变化、持续时间和定时实现。空气喷射脉冲、燃料喷射脉冲和/或点火事件的相关定时可以提供用于控制的特殊机构。
附图说明
将参考示出本发明的方法的结果的附图方便地进一步描述本发明。其他实施例是可能的，并且因此附图的特殊性不应当被理解为代替本发明的先前描述的一般性。在图中：
图1a是根据本发明的控制系统的示意图；
图1b是关于发动机速度和负荷的CAI燃烧的操作范围的示意图；
图2是示出根据本发明的方法的空气脉冲持续时间对指示比燃料消耗的影响的图形，显示用于三个不同喷射定时；
图3是示出根据本发明的方法的空气脉冲持续时间对燃烧阶段的影响的图形，显示用于三个不同喷射定时；
图4是示出根据本发明的方法的空气脉冲持续时间对燃烧率的影响的图形，显示用于三个不同喷射定时；
图5是示出根据本发明的方法的空气脉冲持续时间对指示比燃料消耗的影响的图形，显示用于三个空气脉冲压力；
图6是示出根据本发明的方法的空气脉冲持续时间对燃烧阶段的影响的图形，显示用于三个不同空气脉冲压力；
图7是示出根据本发明的方法的空气脉冲持续时间对燃烧率的影响的图形，显示用于三个不同空气脉冲压力；
图8是示出喷射定时对指示比燃料消耗的影响的图形；
图9是示出喷射定时对燃烧阶段的影响的图形；
图10是示出喷射定时对燃烧率的影响的图形；
图11是示出根据本发明的方法引入第二空气喷射脉冲对质量分数燃烧(MFB)曲线的影响的图形；
图12是示出第二空气脉冲对燃烧阶段的影响的图形；以及
图13是示出在不同发动机负荷下不同喷射定时的使用的图形。
具体实施方式
图1a显示了实现本发明的方法的控制系统，该控制系统包括用于控制发动机12的电子发动机控制单元10。主要地，控制系统体现为闭环结构，其中控制单元10接收来自适当换能器14的发动机输出信号，并且对该信号处理以及将指令提供给包括空气喷射器的发动机致动器16以改变发动机12内的燃烧过程。
控制单元10首先确阶段关气缸的当前燃烧模式。然后它确定该模式是否合适。
确定气缸要工作的燃烧模式之后，控制单元10确定在空气喷射中显著的相关事件的定时和持续时间以获得预期结果。这些定时被提供给致动器16。实现它的一个方法是在由换能器14提供的信息的基础上进行燃烧状态的确定。该测得或实际燃烧状态可以与受到合适燃烧模式的确定所影响的预期燃烧状态比较。控制单元10然后将计算所需事件以使燃烧状态接近它的预期状态，并且相应地将指令提供给致动器16。
在控制系统的一个实施例中，控制单元10可以根据发动机扭矩确定目标状态。在该实施例中，当发动机扭矩增加并且燃烧率增加超出最佳范围时，可以实现空气喷射器参数的调节以减小燃烧率。
从图2-13将显而易见，由空气脉冲持续时间的增加所获得的附加空气的喷射对发动机气缸的输出具有显著影响。
图2-4分析了在2000rpm下工作和输送3bar的指示平均有效指示压力(IMEP)的单个气缸中的CAI燃烧过程的性能，其中具有理想的空气燃料比并且空气辅助直接燃料喷射系统在650kPa的空气压力下操作。每个图显示了在三个不同喷射定时的过程的性能，即空气辅助直接燃料喷射分别在210°BTDC，290°BTDC和310°BTDC开始(空气启动或‘SOA’)。应当注意2000rpm对应于每毫秒12°曲轴转角的增加。测得结果在2毫秒的空气喷射持续时间(ECU ADUR)开始，由此在此期间差不多循环所需的整个燃料负载量被供给到气缸中。
从图2可以看出对于在290°和310°的SOA的两种情况，用大约4毫秒的空气喷射时间实现燃料消耗的最大效率(净指示的燃料消耗率或N.ISFC)。在210°的SOA的情况下，活塞开始它的压缩冲程3毫秒，并且结果明显地不同。
从图3可以看出通过增加进气可以改变燃料以质量计燃烧50％(CA50)时的曲轴转角所表达的燃烧阶段以获得预期结果。
图4示出了附加空气喷射可以快速地减小CAI的燃烧率，并且因此气缸内的压力上升。这明显是预期的结果，并且表明该技术的使用可以将CAI燃烧的有用范围扩大到更高的速度和负荷条件。
图5-7示处了类似于图2-4的结果，但是仅仅考虑在290°的SOA的情况，并且显示在450kPa，650kPa和800kPa之间的变化空气辅助燃料喷射器操作空气压力的影响。因此650kPa线与图2-4的290°线相同。每毫秒喷射的空气量与空气压力成比例。
图5示出了取决于相关压力可以用更长的空气喷射事件获得更大的燃料效率。
图6和7显示了燃烧阶段和燃烧率紧密相关，并且除了喷射的持续时间以外取决于喷射的空气量。
图8-10考虑对于以650kPa的空气压力和4毫秒的空气持续时间工作的空气辅助直接燃料喷射系统喷射定时的变化的影响。这些结果指示可以获得最佳SOA(在该情况下为290°)。
图11和12示出了在燃烧冲程期间引入附加空气脉冲的影响。将观察到第二空气脉冲的引入和持续时间的随后增加减小了最大压力上升率并且延迟了燃烧阶段。
图13示出了在发动机负荷的范围上使用本发明的使用的例子。图13绘制了相对于从100kPa到700kPa以上的范围的IMEP的阶段(CA50)和压力上升，发动机速度保持在2000rpm。可以看出当负荷增加时通过在多个不同喷射模式之间移动获得可接受的结果。在图中，喷射模式A对应于在排气口的闭合与进气口的打开之间的期间空气和燃料在循环早期的单一喷射(在450和400度BTDC之间的SOA)。喷射模式B对应于在进气冲程期间在循环稍后期发生的空气和燃料的单一喷射(在330和210度BTDC之间的SOA)。喷射模式C将进一步的空气喷射加入模式C，空气的喷射发生在压缩冲程期间(在105和60度BTDC之间的SOA)。在模式D中，在每个上述三个时间进行空气和燃料或单独空气的喷射。
因此将看出在适当条件下附加空气喷射的使用可以提供对CAI燃烧过程的一定程度的控制并且因此有助于在最佳条件下操作CAI燃烧过程。另外，该方法可以增强可以有效使用CAI燃烧的范围并且允许燃烧模式之间的更好过渡。这又可以在燃料效率、减小排放和减小燃烧噪声方面提供显著优点。
技术人员将显而易见的修改和变化被视为在本发明的范围内。

Claims (25)

1.一种用于控制气缸内的受控自动点火燃烧的方法，所述方法包括在点火之前响应于测量到的工作参数将空气喷射到气缸中以改变气缸内的状态。
2.如权利要求1所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，被改变的所述状态包括温度和/或压力以及气缸内的燃料/空气混合物的运动。
3.如权利要求1或2所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，使用空气辅助燃料喷射器喷射所述空气。
4.如权利要求3所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，通过增加空气喷射的持续时间以不增加喷射的燃料量的方式喷射所述空气。
5.如权利要求3所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，在每个循环期间，所述方法利用空气或空气-燃料混合物的多个脉冲。
6.如权利要求5所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，在主空气脉冲之前或之后加入空气脉冲或空气-燃料脉冲。
7.如权利要求5所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，在低速度和负荷状态期间，当接近发动机压缩冲程完成时执行附加空气-燃料喷射事件。
8.如权利要求7所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，附加的燃料由火花点火。
9.如权利要求1所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，测量到的操作参数包括发动机速度、发动机振动、发动机扭矩、气缸内离子化和/或气缸内压力。
10.如权利要求1所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，附加的喷射空气小于通过进气门的吸入空气的5％。
11.如权利要求10所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，附加的喷射空气为通过进气门的吸入空气的约2％-3％。
12.如权利要求1所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，对于每个气缸独立地进行空气喷射的适当定时的计算。
13.如权利要求12所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，对于每个连续气缸循环进行空气喷射的适当定时的计算。
14.如权利要求1所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，所述方法包括根据发动机速度和/或负荷改变燃料和/或将空气喷射到气缸中的定时。
15.如权利要求14所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，通过使燃料比当发动机在低负荷下时更早地喷射到气缸中来在发动机怠速或接近发动机怠速时增强受控自动点火燃烧的稳定性。
16.如权利要求14或15所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，用于通过喷射附加的空气以延迟燃烧来增强低负荷下的受控自动点火燃烧的稳定性。
17.如权利要求14或15所述的用于控制受控自动点火燃烧的方法，其中，空气和燃料被喷射。
18.一种布置成用于受控自动点火燃烧的气缸，所述气缸包括点火装置、空气进入口、燃料喷射器和空气喷射器。
19.如权利要求18所述的气缸，其中，燃料喷射器和空气喷射器都被包括在空气辅助燃料喷射器中。
20.如权利要求18所述的气缸，其中，空气喷射器与燃料喷射系统是分离的。
21.一种用于控制气缸内的受控自动点火燃烧的方法，所述方法包括在进气冲程期间向气缸供给吸入空气，以及在点火之前响应于测量到的工作参数将所述吸入空气之外的附加空气喷射到气缸中以便改变气缸中的状态。
22.如权利要求21所述的方法，其中，喷射的所述附加空气小于所述吸入空气的5％。
23.如权利要求22所述的方法，其中，喷射的所述附加空气为所述吸入空气的2-3％。
24.一种用于控制气缸内的受控自动点火燃烧的方法，该方法包括通过进气门将吸入空气供应到气缸中，以及在点火之前响应于测量到的工作参数通过空气喷射器将空气喷射到气缸中以改变气缸中的状态。
25.一种用于控制气缸内的受控自动点火燃烧的方法，该方法包括在点火之前响应于测量到的工作参数将压力为约650kPa的空气喷射到气缸中以改变气缸中的状态。
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