[发明专利]用于具有受控自动点火燃烧的直接喷射发动机的负荷瞬态控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及受控自动点火内燃机。更详细地讲，本发明牵涉到该种发动机内负荷转换的稳定性。

发明背景

为了改良汽油内燃机的热效率，熟知使用空气或者再循环废气的稀释燃烧可以获得升高的热效率和低的氮氧化物(NOx)排放量。然而，由于缓慢燃烧会导致灭火(misfire)和燃烧不稳定，因此存在着发动机可以用稀释的混合物进行操作的限度。已知扩大稀释限度的方法包括：1)通过强化点火和燃料制品改良混合物的可燃性；2)通过引入电荷运动和紊流加强火焰速度；和3)在受控自动点火燃烧状态下操作发动机。

受控自动点火过程有时也称为均相充填压缩点火(HCCI)过程。在此过程中产生燃烧气体、空气和燃料的混合物，并且在压缩期间在混合物的多个点火位置同时自动点火，从而产生非常稳定的功率输出和高热效率。因为在整个充填过程中燃烧得到了高度稀释和均匀分布，所以燃烧气体温度和因此产生的NOx排放量都远低于基于蔓延焰锋的常规火花点火发动机和基于附加扩散焰的柴油发动机。在电火花点火和柴油(diesel)发动机中，在混合物中燃烧的气体温度是高度地不均匀的，非常高的局部温度产生了高的NOx排放量。

在应用常规压缩比的双冲程汽油发动机中，在受控自动点火燃烧状态下运行的发动机已经被成功地进行了演示。可以确信，从先前周期中剩余的高比例燃烧气体即双冲程发动机燃烧室内的剩余量，用于提供促进高稀释混合物自动点火所必需的高混合温度。在具有常规阀机构的四冲程发动机中，剩余量较低，在部分负荷时受控自动点火难以实现。在部分负荷时诱导受控自动点火的已知方法包括：1)进入的空气加热；2)可变压缩比；和3)将汽油同自动点火范围较汽油更宽的燃料相混合。在所有上述方法中，可以获得的受控自动点火燃烧的发动机速度和负荷的范围相对较窄。

在应用可调节阀门驱动的四冲程汽油发动机中，已演示了在受控自动点火燃烧状态下运行的发动机以便满足用于在高稀释混合物中自动点火的必要条件。包括分流喷射(split injection)和单次喷射的各种加燃料控制已被建议结合阀门控制策略使用以便在各种发动机负荷状态下保持稳定的自动点火燃烧。

在共同转让的美国专利申请号10/899457中公开了一种用于稳定的、扩大受控自动点火的示范性燃料喷射和阀策略。其中在低负荷运行期间，在负的阀重叠期间内发生固定量燃料的第一次喷射，紧接着在随后的压缩冲程发生第二次燃料喷射。用于第一次喷射的喷射定时延迟了，而用于第二次喷射的喷射定时随着发动机负荷的增长而以连续的方式提前。在中等部分负荷运行期间，在负的阀重叠期间内的燃料第一次喷射支持自动点火，并且在随后的进气冲程期间直接紧跟着燃料的第二次喷射。该两种喷射的最佳分离是在30至60度的曲柄角(crank angle)附近。两种喷射的喷射定时随着发动机负荷的增长都以连续的方式延迟。而在高的部分负荷期间，在进气冲程期间的单次燃料喷射支持自动点火。喷射定时随着发动机负荷的增长而延迟。

虽然上文概述的提前已成功地演示了在稳态条件下的受控自动点火能力，但是快速的负荷变化或者瞬态可能导入不合需要的燃烧结果。

发明概述

在受控自动点火发动机中，燃烧定相(combustion phasing)受到加料温度的强烈影响，举例来说，高的进料温度提前了燃烧定相且可导致爆震(knocking)，而低的进料温度延迟了燃烧定相且可导致部分燃烧或灭火。本发明提供了一种用于在快速负荷瞬态期间自低的部分负荷到高的部分负荷(反之亦然)时稳健的自动点火燃烧控制的系统和方法。根据本发明通过采用喷射和阀策略的各种组合，在负荷瞬态期间保持了稳定的受控自动点火燃烧。

在低的负荷时，通过使用用于控制燃烧温度的排气再压缩，压缩机非节流地以贫燃料的(lean)燃料/空气比以及受控自动点火的方式运行。在高的部分负荷时，要求化学计量操作用于控制NOx的排放量，因此节流操作和废气再循环(EGR)同外部排气再循环添加在一起以便控制燃烧温度。自查找表获取的稳态燃烧条件用于各种负荷和各种速度下的稳态操作。

在HCCI运行中，自低的部分负荷到高的部分负荷以及返回到低的负荷的快速负荷变化可以通过将燃料喷射定时(FI)、火花定时(SI)以及负的阀重叠(NVO)与当前的加燃料质量流率同步而得以实现且无过剩的燃烧定相变化。然而，对于负荷增长来讲，超出预定阈值的快速负荷变化要求NVO的降低应延迟多个速度依赖性发动机周期以便在气缸内保持足够的气体温度从而避免灭火。