CN1934340B - 运行压缩点火发动机的方法和压缩点火发动机 - Google Patents

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Abstract

一种压缩点火发动机(20)，具有一用于处理数据的控制系统(26)、一个或多个燃烧室(22)和用于喷射燃料进入燃烧室的燃料喷射器(24)。控制系统(26)使用某些数据的处理的结果控制加燃料，诸如发动机速度和发动机负荷，来选择两种加燃料模式(HCCI，HCCI-CD)中的一种用于运行发动机(20)。当处理的结果选择HCCI模式时，发动机(20)加燃料来在燃烧室(22)中引起均质装料压缩点火(HCCI)燃烧。当处理的结果选择HCCI-CD模式时，发动机(20)加燃料来在每个燃烧室(22)中产生基本均质的可燃混合物的装料，该装料压缩至自燃，在自燃之后，更多的燃料被喷射来以一种传统的柴油燃烧的方式提供额外的燃烧。

Description

运行压缩点火发动机的方法和压缩点火发动机
技术领域
本发明总地涉及内燃机，尤其涉及用于以一种方式可选择地利用均质装料压缩点火(HCCI)的控制策略，该方式在发动机运行的不同模式期间以不同方式利用了HCCI的品质。
背景技术
HCCI是用于以一种方式给柴油发动机加燃料的一种已知的处理方法，在发动机循环的压缩上行冲程期间，该方式在发动机汽缸内部生成了基本均质的空气燃料装料。在所需的量的用于装料的燃料已经被喷射入汽缸来生成基本均质的空气燃料混合物之后，通过上行冲程活塞的、装料的增长的压缩生成了足够大的压力来引起装料的自燃。换句话说，柴油发动机的运行的HCCI模式可以被说成，包括1)在压缩上行冲程期间的合适时刻，喷射所需的量的燃料进入汽缸，从而喷射的燃料以一种方式，在在前的进气下行冲程和压缩上行冲程的早期部分期间，与进入汽缸的增压空气混合，该方式在汽缸内形成了基本均质的混合物，然后2)增长地压缩混合物到自燃点或上死点(TDC)。在混合物中的不同位置，自燃可能以基本同时发生的汽态燃料的自燃的形式存在。自燃后没有额外的燃料被喷射。
HCCI的一个特征是，在保持燃烧温度相对低的情况下，相对贫乏的或者稀释的混合物能够燃烧。通过避免相对高的燃烧温度的产生，HCCI能够导致NOx生成量的显著减少，NOx是发动机废气中不想要的成分。
HCCI的另一个特征是，基本均质的空气燃料装料的自燃产生了更完全的燃烧，因此在发动机废气中只有相对较少的煤烟。
HCCI对于减少排气管排放物的潜在益处因此是相当显著的，因而HCCI是科学家和工程师们的一个活跃的研究和发展的课题。
HCCI的一个方面似乎施加了限制到某种程度，它能够提供彻底地减少煤烟和NOx的排气管排放物到这一程度。在较高的发动机速度和较大的发动机负荷的情况下，燃烧率是很难控制的。因此，已知的发动机控制策略可能将HCCI仅仅用于相对较低的速度和较小的发动机负荷。在较高的速度和/或较大的负荷的情况下，发动机供以燃料，从而燃料通过传统的柴油机(CD)燃烧方式燃烧。
柴油发动机的性质和燃料喷射系统的工业效用允许燃料作为在发动机循环期间的一系列的独立喷射被喷射，该燃料喷射系统非常精确地控制了燃料喷射。因此，已知的柴油发动机中的加燃料系统能够用来控制燃料的喷射，适合于CD燃烧和HCCI燃烧。
在发动机循环期间的CD燃料喷射有时通过其特定的加燃料脉冲来描述，例如引燃喷射脉冲、主喷射脉冲和延迟喷射脉冲。任何特定的燃料喷射过程通常总是包括至少一个主喷射脉冲，可选择一个或多个引燃和/或延迟喷射脉冲。
同时燃料喷射系统允许喷射压力、喷射速率和喷射时刻可以被很高精度地控制，从而燃料可以在发动机循环期间以精确的量、在精确的时刻喷射入汽缸。这就是已知的燃料喷射和关联的处理系统能够处理CD和HCCI燃烧的原因。
正如下面的描述中会说明的，本发明利用了燃料喷射和处理系统的能力的优势，以不同的、取决于发动机运行的某个方面的方式来控制燃料喷射。通过在任何给定发动机中的关联的处理系统，任何特定的燃料喷射系统会被怎样精确地控制，将取决于发动机、燃料喷射系统和处理系统的特征。
因为驱动机动车辆的柴油发动机在不同的速度和负荷下运行，该不同的速度和负荷取决于车辆和发动机的不同输入，该不同输入影响了发动机运行、随速度改变的加燃料需求和负荷变化。关联的处理系统处理可用诸如发动机速度和发动机负荷的参量指示的数据来生成控制数据，用于设置所需的发动机加燃料量适合于特定的运行条件，这些特定的运行条件将确保燃料喷射系统的合适的控制，该燃料喷射系统应用于发动机速度和发动机负荷的不同的组合。
发明内容
本发明涉及发动机、系统和方法，用于在柴油发动机中提高HCCI燃烧的使用，其目的在于减少发动机废气中不想要的成分，尤其是煤烟和NOx，并提高热效率。本发明以燃料喷射控制策略来实施，该策略规划在一关联的处理系统中。
本发明的一个总的方面涉及运行压缩点火发动机的方法，其通过处理某些数据来选择用于运行发动机的多个加燃料模式中的一个。当处理的结果选择了第一加燃料模式时，发动机在一发动机循环期间加燃料，以在一个或多个燃烧室中产生基本均质的空气-燃料装料。压缩该装料至自燃，在自燃后没有更多的燃料被引入。当处理的结果选择了第二加燃料模式，发动机在一发动机循环期间加燃料，以在一个或多个燃烧室中产生基本均质的空气-燃料装料。压缩该装料至自燃，在自燃后更多的燃料被引入一个或多个燃烧室来提供额外的燃烧。
本发明的另一总的方面涉及一种压缩点火发动机，该压缩点火发动机具有一用于处理数据的控制系统、一个或多个燃烧室和一用于引导燃料进入一个或多个燃烧室的加燃料系统。控制系统控制了加燃料系统，通过控制系统使用某些数据的处理的结果，来选择用于运行发动机的多个加燃料模式中的一个。当处理的结果选择了第一加燃料模式，发动机在一发动机循环期间加燃料，来在一个或多个燃烧室中产生基本均质的空气燃料装料。压缩该装料至自燃，在自燃后没有更多的燃料被引入。当处理的结果选择了第二加燃料模式，发动机在一发动机循环期间加燃料，来在一个或多个燃烧室中产生基本均质的空气燃料装料。该装料通过自燃被压缩至燃烧，在自燃后更多的燃料被引入来提供额外的燃烧。
本发明的另一个总的方面涉及运行压缩点火发动机的方法，通过在一发动机循环期间实施一连串的步骤。这些步骤包括：a)在循环的压缩阶段期间，喷射柴油燃料进入燃烧室，来产生基本均质的可燃混合物的装料；b)压缩装料至装料会自燃的压力；以及c)在装料自燃之后，喷射更多的柴油燃料进入燃烧室，来提供额外的燃烧。
本发明的另一个总的方面涉及一种压缩点火发动机，该压缩点火发动机具有一用于处理数据的控制系统、一燃烧室和一用于喷射柴油燃料进入燃烧室的加燃料系统。在每个连续的发动机循环的压缩阶段期间，控制系统控制了加燃料系统的喷射柴油燃料进入燃烧室a)以产生基本均质的可燃混合物的装料，并压缩装料至装料会自燃的压力，以及b)然后喷射更多的柴油燃料进入燃烧室，来提供额外的燃烧。
在本发明的一公开的实施例中，处理的某些数据包括发动机速度数据和发动机负荷数据。在另一实施例中，发动机速度数据的处理是不必要的。
前述的以及本发明的进一步的特征和优点，会在本发明的目前的较佳的实施例的下面的公开中看到，该实施例描述了用于实现本发明的目前预期的最好模式。这些说明包括了附图，现在简要地作如下描述。
附图说明
图1A是已知的加燃料策略的典型的曲线图，该加燃料策略包括用于某些速度—负荷条件的HCCI燃烧和用于其它速度-负荷条件的CD燃烧。
图1B是根据本发明的原理的加燃料策略的典型的曲线图，该加燃料策略包括用于某些速度-负荷条件的HCCI燃烧模式和用于其它速度-负荷条件的HCCI-CD燃烧模式。
图2是与本发明的原理相应的一示范的柴油发动机的总的示意图。
图3是一流程图，显示了本发明的策略的一个实施例。
图4是一典型的曲线图，显示了本发明的策略的HCCI-CD加燃料方式。
图5是另一根据本发明的原理的加燃料策略的典型的曲线图，该加燃料策略包括用于某些速度-负荷条件的HCCI燃烧和用于其它速度-负荷条件的HCCI-CD燃烧。
具体实施方式
图1A是一曲线图，其竖轴代表了发动机负荷，其横轴代表了发动机速度。在曲线图的原点，发动机负荷为零，且发动机速度为零。实线10和12分别划定了以I.HCCI和II.CD标示的两个区域。
区域I覆盖了一范围，该范围包围了相对较小的发动机负荷和相对较低的发动机速度的不同组合。区域II覆盖了一范围，该范围包围了相对较大的发动机负荷和相对较高的发动机速度的不同组合。当压缩点火发动机以落入区域I的速度和负荷运行时，燃料以一种产生HCCI燃烧的方式喷射入发动机汽缸。当压缩点火发动机以落入区域II的速度和负荷运行时，燃料以一种产生CD燃烧的方式喷射入发动机汽缸。
图1B是类似于图1A的第二张曲线图，其竖轴代表了发动机负荷，其横轴代表了发动机速度。在曲线图的原点，发动机负荷为零，且发动机速度为零。实线14和16分别划定了以I.HCCI和II.HCCI-CD标示的两个区域。
图1B的区域I通过虚线18划分成两个子区域。虚线18的左边的子区域覆盖了与图1A的区域I完全相同的范围，该范围包围了与图1A完全相同的、相对较大的发动机负荷和相对较高的发动机速度的不同组合。虚线18的右边的子区域延伸HCCI燃烧到更高的发动机速度但更小的发动机负荷的组合。图1B的区域I是一以曲线图的原点为界的内区域，而区域II是一以区域I为界的外区域。
当发动机以落入图1B的区域I的任一子区域的速度和负荷运行时，燃料以一种产生HCCI燃烧(HCCI模式)的方式喷射入发动机汽缸。而当发动机以落入区域II的速度和负荷运行时，燃料以一种产生HCCI-CD燃烧(HCCI-CD模式)的方式喷射入发动机汽缸。
图2示意地显示了根据本发明的策略运行的、一示范的柴油发动机20的部分，用于驱动机动车辆。发动机20包括汽缸22，活塞在汽缸中作往复运动。每个活塞通过相应的连杆连接到曲轴的各自的曲柄。当各自的进气阀门打开时，进入空气通过进入系统运送到每个汽缸。
发动机具有一加燃料系统，该加燃料系统包括用于汽缸22的燃料喷射器24。发动机也具有一基于处理机的发动机控制单元(ECU)26，该发动机控制单元处理来自不同来源的数据以产生不同的控制数据，用于控制发动机运行的不同方面。由控制系统26处理的数据可以来源于诸如不同的传感器28的外部的来源和/或产生于内部。处理的数据的例子可以包括发动机速度、进气歧管压力、排气歧管压力、燃料喷射压力、加燃料的量和时刻、质量气流和加速器踏板位置。
通过控制加燃料系统的运行，包括控制燃料喷射器24的运行，ECU26控制燃料喷射进入汽缸。在ECU26中实施的处理系统能够足够快地处理数据以实时计算时刻和持续时间，该时刻和持续时间为装置动作来设置每次燃料喷射入汽缸的时刻和量的时刻和持续时间。使用了这样的控制能力来实现本发明策略。
不管用于发动机速度和发动机负荷的数据值如何发展，本发明的一个实施例使用了即时的发动机速度和即时的发动机负荷，来选择用于发动机的特定的加燃料模式，或用于产生HCCI燃烧(图1B的区域I)的HCCI模式，或用于产生HCCI-CD燃烧(图1B的区域II)的HCCI-CD模式，然后来运行加燃料系统从而根据所选择的加燃料模式的策略给发动机加燃料。另一个实施例仅仅使用了发动机负荷。
图3显示了一流程图30，用于如同通过ECU26的处理系统所实施的发明策略。该流程图代表了在用于汽缸的发动机循环期间的策略的重复。参考标号32代表重复的开始。步骤34确定发动机速度是否高于所选的最高速度限制，HCCI燃烧不被允许高于该最高速度限制。该最高限制对应于图1B中的点MSL。
假如步骤34确定发动机速度高于速度MSL，那么流程图30显示了燃料会被喷射产生HCCI-CD燃烧，参考标号36。图4显示了用于HCCI-CD燃烧的加燃料的例子。可以认为具有两种阶段：HCCI阶段和CD阶段。
HCCI阶段可以具有一个或多个不连续的喷射。不管不连续喷射的数量如何，在汽缸中往复运动的活塞的压缩上行冲程期间，HCCI阶段总是会引导燃料进入汽缸。燃料与装料空气混合，在紧接着的在前的进气下行冲程和压缩上行冲程的早期部分期间，该装料空气进入汽缸，而合成的空气-燃料混合物是基本均质的。HCCI阶段加燃料在任何燃烧发生之前结束。当装料被充分地压缩至自燃，HCCI燃烧开始。
CD阶段也可以具有一个或多个不连续的喷射，但是不管其特定的数量如何，CD阶段总是导致更多的燃料在HCCI燃烧开始之后被引导入汽缸。额外的燃料的引入与传统的柴油机喷射类似并提供了更多的燃烧，从而增强了更多能量的释放，用于在图1B的区域II所包围的更高速度和更大负荷的范围运行发动机。
在图3中，流程图30显示了HCCI-CD模式的第一步骤38来包括HCCI阶段的开始。步骤40确定HCCI阶段何时完成。下一个步骤42是CD阶段的开始。步骤44确定CD阶段何时完成，在该步骤之后，重复如同通过参考标号46所指示的结束。
当步骤34确定发动机速度不高于MSL，对于特定的即时的发动机速度，步骤48确定发动机负荷是否大于由线14限定的负荷。假如是，则加燃料根据HCCI-CD模式实施。假如否，则加燃料根据HCCI模式实施，见参考标号50。
第一步骤52代表HCCI模式的开始。步骤54确定HCCI模式何时完成，在该步骤之后，重复如同通过参考标号46所指示的结束。
在图5所示的例子中，HCCI模式可能以任何发动机速度存在，但仅仅以某些发动机负荷存在。因此，发动机负荷通过其自身确定了选择HCCI模式还是HCCI-CD模式。在那样的情况下，流程图30的步骤34会是不必要的。在开始(参考标号32)之后，流程图直接走到步骤48来确定发动机负荷。
选择模式的另一种方式是通过使用处理系统中的一个或多个图来限定区域I和II，以及通过比较用于即时的发动机速度和发动机负荷的、对于图的数据值。
图4显示了HCCI阶段和CD阶段之间出现明显的暂停。CD阶段的持续时间可能短于、等于、或长于HCCI阶段的持续时间，取决于发动机速度，如同在曲轴角度中测量的。两个阶段之间的暂停也可能不同，取决于发动机负荷。HCCI阶段期间的燃料喷射的量可以小于、等于、或大于CD阶段期间的燃料喷射的量。同样地，HCCI阶段期间的燃料喷射压力可以小于、等于、或大于CD阶段期间的燃料喷射压力。
本发明具有下面的优点：
1)它可以同时减少NOx和煤烟。
2)它具有高的热效率。
3)它可以覆盖发动机的整个运行范围。
4)它可以使用在重型的、中型的和轻型的柴油发动机中。
5)本发明可以在处理机中单独实施，假如该处理机具有足够的能力，以及这使得本发明相当节省成本。
尽管本发明目前的较佳的实施例已被显示和描述，应该意识到的是，本发明的原理应用于落入下面的权利要求的范围的所有实施例。

Claims (14)

1.一种运行压缩点火发动机的方法，包括处理某些数据来选择用于运行所述发动机的多个加燃料模式中的一个，
a)当处理的结果选择了第一加燃料模式时，在一发动机循环期间给所述发动机加燃料，以在一个或多个燃烧室中产生基本均质的空气—燃料装料，压缩所述装料至自燃，在自燃后不引入额外的燃料，以及
b)当处理的结果选择了第二加燃料模式时，在一发动机循环期间给所述发动机加燃料，以在一个或多个燃烧室中产生基本均质的空气—燃料装料，压缩所述装料至自燃，在自燃后引入更多的燃料以提供额外的燃烧。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处理某些数据来选择用于运行所述发动机的多个加燃料模式中的一个的步骤包括：
处理指示发动机负荷的数据。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，处理某些数据来选择用于运行所述发动机的多个加燃料模式中的一个的步骤包括：
处理指示发动机速度的数据。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在发动机速度和发动机负荷的曲线图中，该曲线图的原点对应于零速度和零负荷，所述步骤a)发生在发动机速度和负荷在所述图的以所述原点为界的第一区域内的情况下，以及所述步骤b)发生在发动机速度和负荷在以所述第一区域为界的第二区域内的情况下。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)包括在给所述发动机加燃料以产生基本均质的空气—燃料装料的所述步骤和在所述装料自燃之后引入更多的燃料的所述步骤之间提供一暂停的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述装料自燃之后引入更多的燃料的所述步骤包括喷射更多的柴油燃料来通过传统的柴油燃烧引起额外的燃烧。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二加燃料模式中，给所述发动机加燃料来产生基本均质的空气—燃料装料的所述步骤和引入更多的燃料的所述步骤都包括：通过一燃料喷射系统喷射燃料，产生基本均质的空气—燃料装料的喷射压力小于、等于或大于引入更多燃料的喷射压力。
8.一种压缩点火发动机，包括：
一控制系统，用于处理数据；
一燃烧室；以及
一加燃料系统，用于喷射柴油燃料进入所述燃烧室；
其中，所述控制系统使用由所述控制系统处理的某些数据的结果来控制所述加燃料系统，以选择用于运行所述发动机的多个加燃料模式中的一个，a)当处理的结果选择了第一加燃料模式时，在一发动机循环期间给所述发动机加燃料，以在一个或多个燃烧室中产生基本均质的空气—燃料装料，压缩所述装料至自燃，在自燃后不引入额外的燃料，以及b)当处理的结果选择了第二加燃料模式时，在一发动机循环期间给所述发动机加燃料，以在一个或多个燃烧室中产生基本均质的空气—燃料装料，压缩所述装料至自燃，在自燃后引入更多的燃料以提供额外的燃烧。
9.如权利要求8所述的发动机，其特征在于，所述某些数据包括指示发动机负荷的数据。
10.如权利要求9所述的发动机，其特征在于，所述某些数据包括指示发动机速度的数据。
11.如权利要求8所述的发动机，其特征在于，在发动机速度和发动机负荷的曲线图中，该曲线图的原点对应于零速度和零负荷，所述第一加燃料模式发生在发动机速度和负荷在所述图的以所述原点为界的第一区域内的情况下，以及所述第二加燃料模式发生在发动机速度和负荷在以所述第一区域为界的第二区域内的情况下。
12.如权利要求8所述的发动机，其特征在于，在所述第二加燃料模式中，所述控制系统，在所述一个或多个燃烧室中产生基本均质的可燃混合物的装料和喷射更多的燃料进入所述一个或多个燃烧室之间，提供一暂停。
13.如权利要求8所述的发动机，其特征在于，在所述第二加燃料模式中，在自燃之前和之后，当通过燃料喷射引入燃料时，自燃之前的喷射压力小于、等于或大于自燃之后的喷射压力。
14.如权利要求8所述的发动机，其特征在于，所述更多柴油燃料的喷射通过传统的柴油燃烧引起额外的燃烧。
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