CN1766297A

CN1766297A - 发动机

Info

Publication number: CN1766297A
Application number: CN 200510107838
Authority: CN
Inventors: A·凯恩斯; H·布拉克希尔
Original assignee: Mahle Powertrain Ltd
Current assignee: Mahle Powertrain Ltd
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2006-05-03
Also published as: GB0421682D0

Abstract

一种内燃机，包括：发动机管理单元、具有进气口和排气口的燃烧室、将汽油或类似汽油的燃料供应到发动机的燃料供给机构、配气机构以及外部再循环系统，该配气机构允许将空气引入到燃烧室的进气口并将废气从燃烧室的排气口释放，排气口的废气经由该外部再循环系统可被传至所述进气口，其中，所述发动机管理单元可操作地控制配气机构将废气保留在和/或重新吸入燃烧室内部以使得发动机以受控自燃燃烧模式运行，并且控制外部循环系统以受控自燃燃烧模式将废气供应到进气口，使得在燃烧室中发生自燃。

Description

发动机

技术领域

本发明涉及内燃机的控制，尤其是以受控自燃模式操作的燃式发动机(combustion engine)。

背景技术

传统上，内燃机使用“火花点火”(“SI”)来点燃使用电火花的发动机汽缸中的燃料/空气混合物。正如Allen J.和Law D.在美国汽车工程师学会(SAE)论文No.2002-01-0422“由调节阀驱动的受控自燃；操作的速度载荷图和关键范围(Variable Valve actuatedcontrolled Auto-Ignition；Speed Load Maps and Strategic Regimesof Operation)”中描述的，还有一个已知的操作方式被称作受控自燃(“CAI”)。在CAI方式中，燃烧产生的热废气或被保留在发动机汽缸中或者从排气歧管被再吸入，即所谓的废气再循环(“EGR”)，例如通过控制汽缸阀使得排气门早关闭或在发动机循环的吸入行程中重新打开以增加收集的燃烧过的气体。燃料、空气和燃烧过的气体的混合物在压缩作用下自燃。与SI操作相比，已经显示出，CAI操作提供了更高的燃料经济性并减少了污染物形成。

然而，仅仅在发动机的某些工况范围(operating regimes)下可利用CAI。在这些状况之外，伴随有害的发动机噪音并能最终导致发动机损害的不充分燃烧气体温度或发动机爆震的发生和增加将变得不能被接受，并且需要向火花点燃操作转变。

发明内容

本发明的目的在于减少或者克服上述问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种内燃机，包括：发动机管理单元、具有进气口和排气口的燃烧室、将汽油或类似汽油的燃料供应到发动机的燃料供给机构、配气机构(valve train mechanism)以及外部再循环系统，该配气机构允许将空气引入到燃烧室的进气口并将废气从燃烧室的排气口释放，排气口的废气由该外部再循环系统可被传至所述进气口，其中：所述发动机管理单元可操作地控制配气机构以将废气保留在和/或重新吸入燃烧室内部，以使得发动机以受控自燃燃烧模式运行，并且控制外部循环系统以受控自燃燃烧模式将废气供应到进气口。

“类似汽油的燃料”指的是例如酒精或生物燃料这样的燃料。

出乎意料之外，已经发现，同时使用内部和外部EGR显著增加了能通过稳态和瞬态状况两种状况使用受控自燃的操作工况范围，压缩率比均质充料压缩点火(‘HCCI’)所需的低，并且不用对进口空气进行HCCI所需的加热。

控制配气机构在燃烧室内供应废气可包括：控制配气机构在燃烧室之内保留废气或从排气歧管再吸入废气。

所述发动机可包括至少一个对发动机运转参数作出响应的传感器，所述发动机管理单元可操作地接收来自传感器的输出并根据该输出控制配气机构和外部再循环系统。

所述发动机可包括一个或多个可操作地探测一个或多个发动机运转参数的传感器，所述运转参数选自：进口空气质量流、排气成分、曲轴位置、凸轮轴位置、废气温度、进气压力、进气温度。

所述发动机管理单元可包括存储的受控数据，所述存储的受控数据指示保留在燃烧室并通过外部再循环系统供应的废气量，所述废气量作为发动机转速和发动机载荷的函数。

被保留在和/或被再吸入燃烧室内并通过外部再循环系统供应的废气量还可以是发动机运转参数的函数。

所述燃料供给机构是可控制的，使得空气/燃料比λ在0.8到2.5的范围内。

所述空气/燃料比λ可以在1到1.6的范围内。

所述发动机还可包括例如直接或间接注入的燃料供给机构，发动机管理单元可操作地控制燃料供给机构。

所述发动机还可包括节气门以控制进口空气质量流，所述发动机管理单元可操作地控制节气门，使得进气歧管之内的空气压力为环境压力或接近环境压力。

所述发动机还可包括火花塞，当发动机以火花燃烧模式操作时，所述发动机管理单元可操作地操作火花塞以在燃烧室内发生引燃。

所述发动机管理单元能可操作地检测出从火花点火模式到受控自燃模式的转变或与此相反的转变是所需的，并且能可操作地控制配气机构、控制进口空气质量流的节气门、外部再循环系统和燃料供给机构以发生所述转变。

保留在和/或再吸入燃烧室中的废气比例在20％到99％的范围内，更优选地在30％到80％的范围内。

通过外部再循环系统供应到燃烧室内的废气比例可以为最高达约15％。

“比例”指的是吸入并供应给燃烧室的由废气构成的气体、空气和燃料混合的比例。

附图说明

结合附图，通过实施例对本发明进行描述，其中：

图1是实施本发明的发动机部分的示意图。

图2是本发明的工况范围图的示意图。

图3是图1的电子控制单元的操作示意图。

图4是载荷与发动机转速的关系图，显示了先前已知的CAI工况范围，并显示了先前工况之外的图1所示发动机的CAI工况范围。

图5a是内部EGR与排气凸轮位置的关系图。

图5b是外部EGR与排气凸轮位置的关系图。

图6a是载荷与排气凸轮位置的关系图。

图6b是载荷标准偏差与排气凸轮位置的关系图。

图6c是峰值爆震压力与排气凸轮位置的关系图。

图7是在图4所示的CAI工况范围内相对空气/燃料比的图表。

图8是显示在图4所示CAI工况范围内的涡流阀(swirl valve)位置的图表。

图9是显示在图4所示CAI工况范围内燃料注入开始时机的图表。

图10是显示在图4所示CAI工况范围内外部EGR百分比的图表。

图11是显示在图4所示CAI工况范围内峰值爆震压力的图表。

图12是在图4所示CAI工况范围内载荷标准偏差的图表。

具体实施方式

现在参考图1，图1中显示的是实施本发明的内燃机的一部分。本发明包括具有电子控制单元(ECU)11的发动机管理系统和一个或多个汽缸，为了清楚表达，只用标号12显示了一个汽缸。按常规方式，活塞13在气缸12内部可移动并通过连杆(con rod)14驱动曲轴。空气通过进气节气门15和在16处总体示出的歧管供应给汽缸12。视使用的是间接注入还是直接注入而定，燃料可被引入进气歧管16或汽缸12内的空气中。优选地，ECU11可操作地控制燃料供应以提供发动机操作状态所需的空气/燃料比λ。燃烧产生的废气从汽缸通过出口17释放。新鲜进料，即空气或燃料/空气混合物通过进气口18进入汽缸12并由19处示意的配气机构控制，且通过由在22处总体标出的配气机构控制的排气口20释放到出口。发动机可具有多个带有相应配气机构19、22的进气口18和排气口19。

发动机10还包括外部再循环系统23，该外部再循环系统23包括通道24以管道输送从出口17、经由阀25到进气歧管16的废气。正如这个实施例中，阀25优选地临近进气歧管16放置，以通过最小化在阀25和进气歧管16之间的气量来提高响应度。在该实施例中，管道24包括一根25mm的管子，大约200mm长。阀25的壳体允许发动机冷却液流过气体通道。气体流过阀之后，通过25mm直径、大约330mm长并与进气歧管16相连接的通道。涡流控制阀27被显示设置在进气歧管16中，受电子控制单元(ECI)11的控制，以控制引入汽缸12的燃料/空气混合物的涡流。

为了提供点火燃烧操作，汽缸12还设置有一个或多个由电子控制单元11控制的火花塞26。

为了允许电子控制单元11测量发动机10的运转参数从而控制发动机10，可设置适合的传感器。在这个实施例中，设置了进气压力传感器31和进气温度传感器32、排气温度传感器33、检测废气34中氧气的λ(lambda)传感器34以及35处所示的曲柄位置传感器。还可设置检测其它参数例如进口空气质量流、凸轮轴位置、火焰电离或汽缸压力的传感器。具体地说，由于CAI操作依赖于环境条件，可以采用以一个或多个被检测参数为基础的适当反馈。实施例参数和一些可使用的传感器的可能类型显示于表1中。

可用多种方法控制阀25，例如使用步进电机的方法，使得可精确得知阀位置。如图1中所示，每个传感器都通过适当的控制线路与电子控制单元11连接。

为了使电子控制单元11控制发动机10的操作，电子控制单元11中设置了工况范围图40。图40示意性地显示于图2中，实际上作为几组参数值V1，V2，V3...的发动机转速和载荷的函数，是用于受控自燃模式和火花点火模式的工况范围的n维图。图2中，可使用受控自燃模式的范围总体在41处显示，可以火花点火方式操作发动机的范围在42处显示。在CAI范围41的边界处，以所谓的火花助燃CAI模式操作也是适合的，其中燃料、空气和废气均以类似方法供应以在CAI模式下操作，但设置火花以点火燃烧而不是仅依赖自燃。在这种描述中，术语“火花燃烧模式”旨在指火花点火和火花助燃CAI两种。

参数	传感器
参数	传感器	进口空气质量流	热充填空气计量表(Hot file airmass meter)
燃料	λ传感器	进口空气质量流	热充填空气计量表(Hot file airmass meter)
燃料	λ传感器	曲轴位置	电感传感器
凸轮轴位置	霍耳效应	曲轴位置	电感传感器
凸轮轴位置	霍耳效应	废气温度	热电偶
进气歧管压力	压电	废气温度	热电偶
进气歧管压力	压电	进气歧管温度	热电偶
外部EGR	步进电机位置	进气歧管温度	热电偶

表1：参数和适合的传感器

当在范围41中以CAI模式运转时，电子控制单元11可操作地控制进气节气门15，使得发动机10在进气歧管16中的空气压力和温度作用下运行，该空气压力和温度为环境压力和温度或与之接近。有利地，无需对进口空气进行加热，就能操作发动机。控制进气门19和排气门22，使得在两气门之间的开启没有交迭并将废气保留在汽缸内，这就是所谓的内部废气再循环(内部EGR)。在本实施例中，气门升程为4.5mm、及160°的曲柄角宽，以考虑充足的夹气和配气机构负载约束。在进气门凸轮轴上可用35°c.a.的可变气门正时(variable valvetimes)，在排气门凸轮轴上可用55°c.a.的可变气门正时。在本实施例中，将进气凸轮正时(timing)设置为140°c.a.TDC。在合适时，内部EGR也可从出口17再吸入。压缩率优选地在大约8到14的范围，在该实施例中为11.2∶1，但也可具有现代点火发动机中已发现的那些所有合适的一般几何压缩率。

外部废气再循环或外部EGR使废气通过外部循环系统23和控制阀25。使废气通过外部循环系统23到进气歧管16的作用就是冷却再循环废气，具体地说，正如本实施例中允许发动机冷却液流经气体通道一样。通过变化经由内部和外部废气再循环的再循环废气比例并结合对涡流控制阀27的控制，可适当地控制空气/燃料比λ、燃料喷射的时机、和发动机的操作。特别地，由于外部EGR的增加减少了放热率，因此，可通过稀释汽缸12内部保留的燃料/空气或再吸入废气混合物来抑制爆震。这种稀释机理被认为减少了发动机10内部爆震的发作与密度。根据图30并且响应从各种传感器接收到的发动机参数值，可通过电子控制单元11控制所述比例。表2中显示提供外部EGR的实施例方法。可通过变化再循环到汽缸12的废气的比例来控制发动机载荷和/或发动机转速。

方法	优点	缺点
方法	优点	缺点	进气歧管节流	附加成本可忽略。发动机泵送损失最小	进气歧管压力的瞬时小变化对CAI燃烧影响很大(需要连续反馈)
排气背压(经由排气系统)	附加成本可忽略。由于对进气状况的影响更小，所以比进气节气门更容易实施	不充足的低速EEGR流会要求背压小量增加，会引起发动机泵送损失增加	进气歧管节流	附加成本可忽略。发动机泵送损失最小	进气歧管压力的瞬时小变化对CAI燃烧影响很大(需要连续反馈)
排气背压(经由排气系统)	附加成本可忽略。由于对进气状况的影响更小，所以比进气节气门更容易实施	不充足的低速EEGR流会要求背压小量增加，会引起发动机泵送损失增加	排气背压(附加阀或限制)	当不需要EEGR时，可减少泵送损失	在CAI过程中，发动机泵送损失增加。边际间接成本赤字
EEGR管道工程管组	附加成本最小	流动增加有限	排气背压(附加阀或限制)	当不需要EEGR时，可减少泵送损失	在CAI过程中，发动机泵送损失增加。边际间接成本赤字

中的文丘里管
中的文丘里管			EEGR泵(机械的或电的)	对EEGR流的控制优良	方案成本相对高

表2：提供外部EGR的实施例方法

为了允许发动机在火花点火工况范围中运作良好，发动机管理单元需要能检测并管理例如图2中所显示的从P₁到P₂这样的转变。图3中所显示的简要方法中，在步骤50，所述发动机控制单元11接收关于发动机运转参数的信息，包括来自传感器的发动机参数加上来自车辆驱动器的任何可能需求或者载荷的测量变化。在步骤51，电子控制单元11检测是否需要模式转变，如果不需要，则电子控制单元11在步骤52根据检测到的参数控制发动机的废气再循环和其他方面。如果需要转变，即需要操作模式之间的变化或响应于参数对变化进行预测，则在步骤52进行转变步骤。该转变步骤可包括改变进气门19和排气门22的相对开闭时机和/或升程和/或开闭的时间段，使得气门的开闭可进行火花燃烧操作，例如变化时机和/或增加持续时间和/或增加升程。另外，EGR的比例和数量被减少，尤其是外部EGR的减少提高了对汽缸12内部温度的控制以防止爆震。理想地，该转变应在几个热机循环中发生，以避免发动机扭矩的有害波动。EGR质量应当随着入口空气和/或燃料质量的变化而同时变化，以避免发动机运行进入爆震区域。在转变中，可如上所描述地使用火花助燃CAI。已经发现，在从火花点火到CAI的转变处，使用外部EGR能减少PK Max值(PK最大值)大约3巴到大约1.5巴，并且外部EGR从SI操作的大约10％变化到CAI操作的大约20％。

发动机所允许的操作范围的增加显示于图4中，图4显示了发动机转速与载荷的关系。区域60显示在低载荷下使用由稀燃(lean burn)控制的自燃。阴影线区域61显示单独使用内部EGR实现化学计量操作。在区域62，这是联合使用IEGR(内部废气再循环)和EEGR(外部废气再循环)提供的受控自燃的操作区域。虚线轮廓63显示其中会发生受控自燃的已知工况范围。显然，通过提供结合的内部和外部EGR，在受控自燃状态下发动机的可利用载荷会增加。在该实施例中，可利用载荷的最大增加在点P₃处。在点P₃的实施例中，在上止中心点吸入(top dead center breathing)之前，以如图5a和5b的图表中对应于排气凸轮位置角度示出的比例分别提供内部和外部EGR，发动机能以1500rpm(转/分)的转速运行，该转速提供大约45％的可用发动机载荷增量。参照图表6a、6b和6c说明对比发动机操作特性，所述图表显示分别作为排气凸轮位置的函数的载荷、载荷标准偏差和峰值爆震压力。在上止中心点吸入(最大开启位置)之前，从145°到175°的数据点显示了内部和外部EGR的结果，从170°到大约185°范围内的数据点仅显示了内部EGR的结果。如图6a所示，使用内部和外部EGR产生的载荷(以总平均有效压力标出)比单独使用内部EGR产生的载荷大。如图6b所示，使用内部和外部EGR的载荷的变化在超过300个热机循环中处于0.2的标准偏差范围内，该偏差代表一个可被普遍接受的波动。图6c显示了峰值爆震压力。根据在公开试验槽中的可听噪音，认为1巴的峰值爆震压力是可接受的。在峰值爆震压力差不多为4巴和4巴以上时，发动机会出现损伤。如从图6c中可以看出，仅在内部EGR情况下的峰值爆震压力达到不可被接受的压力，而峰值爆震压力在使用内部和外部EGR的整个工况范围中从头到尾都保持得比较低。这种爆震的抑制使得有效载荷如图4中所示增加。

图7到10显示对图4中所示的总体运行率范围内的多种发动机参数的控制。工况范围内的相对空气/燃料状况显示于图7中。如所显示的，可以在相对大的范围内在λ＝1.4的条件下以稳定方式运行发动机。在更低的速度处，混合物增加到λ＝1.3或者甚至到1.0以维持可被接受的燃烧稳定性；而载荷更小，使得在λ＝1.6时运行发动机是可能的，考虑最大化燃料经济性并减少NOx的排放，λ＝1.6是优选的。一般，λ可在0.8到2.5的范围内。

图8中显示的是涡流阀运行。通常，在图4的示图的区域60中，在稀燃(lean)条件下，局部打开阀是有益的。随着载荷增加，闭合阀可提供更大的涡流并改善气体混合。图9显示贯穿图4所显示的工况范围的燃料注入的时机，其贯穿CAI图被优化以实现NOx的最小排放、最低的峰值爆震压力阀以及燃烧稳定性的提高。外部EGR的值，即吸入并供应给由以1500rpm的发动机转速下的外部EGR供给的废气构成的燃烧室的气体、空气和燃料混合物的比例被显示在图10中，如以上图4中点P₃的实施例所示，在低速且高载荷时，需要最高达10％的外部EGR。在速度更高处，需要更高比例的外部EGR，例如2000rpm时为15％。内部EGR的值，即吸入并供应给由通过内部EGR供应的废气构成的燃烧室的气体、空气和燃料混合物的比例，可以在20％到99％的范围内，更优选的是在至少30％到小于80％的范围内。在图5a的实施例中，内部EGR在33％到49％之间变化。

得到的峰值爆震压力和载荷的变化显示于图9和图10中。通常，虽然中速且高载，最大爆震压力在如图4中显示的CAI操作的整个范围内都可被接受，但是抑制爆震所需的外部EGR的量导致发生不稳定燃烧，发动机载荷的标准偏差接近标准偏差0.2的可接受限度。

因此，可将本发明便宜且相对容易地应用于使用所有适合燃料的任何适合的内燃机，所述适合燃料为汽油或例如生物燃料和酒精这样的类似汽油的燃料，并且本发明对减少燃料消耗和污染生成有作用。

当将术语“包括”和“包含”使用于说明书和权利要求书中时，该术语及其变形指的是包括特定特征、步骤或者整体。该术语不得解释为排除其他特征、步骤或零件的存在。

根据需要，在前面的描述、下面的权利要求、或者附图中以具体形式表现的、或以根据用于执行所公开功能的装置、或以用于获得所公开结果的方法或工艺的形式披露的特征可以被单独或者以任意方式组合，来以多种方式实现本发明。

Claims

1.一种内燃机，包括：

发动机管理单元，

具有进气口和排气口的燃烧室，

将汽油或类似汽油的燃料供应到发动机的燃料供给机构，

配气机构，该配气机构允许将空气引入到燃烧室的进气口并将废气从燃烧室的排气口释放，以及

外部再循环系统，排气口的废气由此可被传至所述进气口，其中：

所述发动机管理单元能可操作地进行：

控制配气机构将废气保留在和/或重新吸入燃烧室内部，以使得发动机以受控自燃燃烧模式运行，并且

控制外部循环系统以受控自燃燃烧模式将废气供应到进气口，使得在燃烧室中发生自燃。

2.根据权利要求1的内燃机，包括至少一个响应于发动机运转参数的传感器，所述发动机管理单元可操作地接收来自传感器的输出并根据输出控制配气机构和外部再循环系统。

3.根据权利要求2的内燃机，包括一个或多个可操作地探测一个或多个发动机运转参数的传感器，所述运转参数选自：

进口空气质量流、排气成分、曲轴位置、凸轮轴位置、废气温度、进气压力、进气温度。

4.根据前述权利要求中任一项的内燃机，其特征在于，所述发动机管理单元包括存储的受控数据，所述存储的受控数据指示出将被/或已被吸入燃烧室并通过外部再循环系统供应的废气量，所述废气量作为发动机转速和发动机载荷的函数。

5.根据从属于权利要求2或权利要求3的权利要求4的内燃机，其特征在于，要被保留在和/或再吸入燃烧室内部并通过外部再循环系统供应的废气量还是发动机运转参数的函数。

6.根据前述权利要求中任一项的内燃机，其特征在于，所述发动机管理单元可操作地控制燃料供给机构。

7.根据权利要求6的内燃机，其特征在于，所述燃料供给机构是可控制的，使得空气/燃料比λ在0.8到2.5的范围内。

8.根据权利要求7的内燃机，其特征在于，空气/燃料比λ在1到1.6的范围内。

9.根据前述权利要求中任一项的内燃机，其特征在于，所述进口空气温度为环境温度或接近环境温度。

10.根据前述权利要求中任一项的内燃机，所述发动机还包括节气门以控制进口空气质量流，所述发动机管理单元可操作地控制节气门，使得进气歧管之内的空气压力为环境压力或接近环境压力。

11.根据前述权利要求中任一项的内燃机，还包括火花塞，当发动机以火花燃烧模式操作时，所述发动机管理单元可操作地操作火花塞以在燃烧室内发生引燃。

12.根据权利要求11的内燃机，其特征在于，发动机管理单元可操作地检测出需要从火花燃烧模式到受控自燃模式的转变、或者需要从受控自燃模式到火花燃烧模式的转变，并且能可操作地控制配气机构、控制进口空气质量流的节气门、外部再循环系统和燃料供给机构以发生所述转变。

13.根据前述权利要求中任一项的内燃机，其特征在于，保留在和/或再吸入燃烧室内的废气比例在20％到99％的范围内，更优选地在30％到80％的范围内。

14.根据前述权利要求中任一项的内燃机，其特征在于，通过外部再循环系统供应到燃烧室内的废气比例最高达约10％。

15.一种结合附图并如附图所示大体上如上文所描述的内燃机。

16.在此和/或附图中描述的任何新颖特征或特征的新颖组合。