CN101779029B - 多模式2冲程/4冲程内燃发动机 - Google Patents

Abstract

在一种多模式2冲程/4冲程内燃发动机运行中，通过将发动机冲程从4冲程运行切换到2冲程运行以使得燃烧频率被翻倍，甚至在每一循环的输出功相同时也实现发动机功率的翻倍。为了满足极高功率的要求，发动机在预设的功率水平和曲柄速度需求下运行在从2冲程HCCI运行过渡来的4冲程增压式SI运行中。通过将多冲程(2冲程HCCI和4冲程HCCI)和多模式运行(2冲程HCCI和4冲程增压式SI)结合，实现了全负载范围和高的总效率以及最小化的NOx排放。

Description

多模式2冲程/4冲程内燃发动机

对相关申请的交叉引用

本申请要求2007年8月14日提交的、题为“MULTI-MODE2-STROKE/4-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE(多模式2冲程/4冲程内燃发动机)”的美国申请No.11/893,298的优先权，并且通过整体引用该申请将其结合于本文中。

技术领域

本发明涉及一种多模式的、2冲程/4冲程内燃发动机运行，其使得效率和功率最大化，同时排放最小化。

背景技术

在美国的客运车辆中广泛运用的火花点火(SI)发动机特别是在由于节流而引起的部分负载的情况下相对压燃(CI)发动机或柴油发动机来说经受低的效率。然而，CI发动机由于其燃烧性质而表现出高的颗粒和NOx排放特征。近来，引入了均值充量压燃(HCCI)发动机，其具有相对CI发动机来说更高的效率以及最小的颗粒和NOx排放特征，并且具有使用汽油燃料以及柴油燃料的通用性。

在HCCI发动机中，火花塞或高压喷射器并不被用于发起燃料的着火；替代地，通过在压缩冲程开始时提供提高的初始温度实现燃料(汽油或柴油)和空气的混合物在压缩冲程的末尾处的自燃。所述提高的温度主要通过两种方式实现：加热进气空气或使用来自前一循环的废气。在后一种系统中，可以通过改变气门正时重新引入或捕捉来自前一循环的热废气。

在HCCI发动机中捕捉的废气的量通常大约为气缸内部总气体质量的50％。尽管所述废气提高了燃烧前混合物的温度，但由于稀释效应其实际上降低了燃烧后的最高温度。结果，相对气体温度成指数比例的NOx排放低于传统SI或CI发动机中的NOx排放大约两个数量级。由于进气总管的去节流(dethrottling)和接近于理想奥拓循环的燃烧形状，还可以实现相对CI发动机更高的效率。

然而，有限的输出功是HCCI运行中的主要挑战之一，所述局限性由气缸中混合物的高稀释引起。热废气的所述稀释不仅被要求提高混合物温度以实现自燃，而且被要求限制压力升高的高速率，否则所述压力升高的高速率会对发动机构件有害。在这种情况下，气缸的几乎一半被废气填充，这导致产生相对于同样的发动机容积的SI中输出功的一半的输出功。

为了克服所述负载局限性，现有技术使用HCCI/SI或增压式HCCI的混合形式。在混合形式的方式中，当要求SI具有糟糕效率的低负载时，从SI到HCCI的模式切换发生(参见例如美国专利No.6,390,054 B1和No.6,742,494 B2)。然而，在这种情况下，在中到高负载范围内失去了HCCI运行的排放和效率的优势，并且在现有的研究和工业中，在模式切换中HCCI的瞬态燃烧控制不是一个小问题。其次，增压式HCCI可以提供更高的功率，但由于来自迅速燃烧速率的高速率的压力升高导致燃烧变得噪音过大而且有害，因此其也是有局限性的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种在不牺牲效率和排放优势的情况下实现HCCI运行的宽负载范围的内燃发动机。

本发明的另一个目的是提供一种以平滑过渡实现极高负载范围且保持高效率的内燃发动机。

根据本发明，相对于传统SI/CI发动机来说，通过将发动机冲程从4冲程(“4S”)切换到2冲程(“2S”)，以使得燃烧频率翻倍，因此甚至在每循环的相同输出功下，发动机也可以使功率翻倍，从而HCCI的固有负载局限性被克服。尽管本发明的冲程切换产生与4S HCCI到4S SI的模式切换所产生的大致类似的功率范围，但其区别在于排放和效率。甚至在2S运行中，HCCI运行也是固有地清洁和高效的燃烧。此外，相同的燃烧策略之间的冲程切换比不同策略之间的模式切换简单和平滑得多。因此，所述冲程切换优于模式切换。

为了运行在2S HCCI模式下，要求如下：第一是例如为电动液压气门系统(EHVS)的灵活的气门系统或凸轮移相器以在不同的气门曲线下运行，以用于在2S到4S HCCI之间的冲程切换。第二，机械增压器或涡轮和机械增压器的组合以对进气总管增压以使得2S运行能够实现快速气体交换。值得注意的是，在2S HCCI中，因为废气的大部分被用于下一循环，因此不需要完整的扫气，这使得系统和控制器比4S/2S SI的混合形式更简单，例如，如美国专利No.5,007,382中可看出的那样，所述混合形式具有用于2S运行的额外的进气系统。在本发明中，可能需要进气门中微小的改动以增强用于快速气体交换过程的流动运动。最后，需要直喷系统以精确地控制HCCI燃烧并防止2S运行中进气充气的短路。

为了满足极高功率的要求，在本发明中发动机在预设的功率水平和曲柄速度需求下运行在从2S HCCI过渡来的4S增压式SI上。具有灵活的气门系统、机械增压器或与涡轮增压器组合的机械增压器、以及直喷系统允许在从2S HCCI到4S增压式SI的平滑过渡上的完全可控性。在本发明中4S增压式SI产生比2S HCCI运行高出达40-80％的更多的功率。总之，相对于传统的SI或SI/HCCI策略，通过将多冲程(2冲程HCCI和4冲程HCCI)和多模式运行(2冲程HCCI和4冲程增压式SI)结合，可以实现全负载范围和高的总效率以及最小化的NOx排放。

附图说明

图1a示出了针对传统多模式运行的发动机输出相对发动机速度的曲线图。

图1b示出了针对根据本发明的多模式/多冲程运行的发动机输出相对发动机速度的曲线图。

图2示出了用于实施根据本发明的运行的发动机系统的示例实施方式。

图3a、3b和3c分别示出了针对4S HCCI、2S HCCI和4S SI的气门正时图表。

图4示出了针对4S SI、4S HCCI和2S HCCI的功率、效率、氮氧化物排放、以及一氧化碳排放特征。

图5示出了根据4S HCCI和2S HCCI运行的实验数据的压力曲线和计算的热释放速率。

具体实施方式

图1a和1b示出了在输出功率相对发动机速度方面模式切换和模式/冲程切换之间发动机运行策略的比较。图1a表示传统的4S SI/HCCI多模式策略。在低功率输出时，传统的SI发动机主要由于进气节流而经受较低的效率。典型的HCCI发动机使用节气门全开，并且通过改变被称为残余分数(RF)的废气和新鲜充量之间的比例控制输出功率。与几乎恒定容积的燃烧过程结合的去节流导致低功率下HCCI运行的高效率。除了所述效率的优势以外，HCCI发动机还如上所提及的那样根据稀释效应使NOx排放最小化。为此，多模式发动机运行于低功率输出区域中的4S HCCI中。另一方面，在高功率极限处，HCCI运行中的RF应该降低以提供足够的新鲜充量，这由于废气的较低稀释导致热释放的高速率和高的最高压力和温度，这对发动机非常有害。因此，随着功率要求提高，从4S HCCI到4S SI的模式切换发生以满足功率需求。在高功率输出时，SI运行通过降低节流水平而弥补了效率，但仍然牺牲了HCCI优于SI的效率和排放优势。在高的发动机速度下，由于升高的被捕捉的气体的温度因此4S HCCI运行受到限制，因此在燃烧过程中经受迅速的热释放。甚至在低功率输出时，这设定了4S HCCI的更高的发动机极限而发动机运行于4S SI中。因此，进气节流是不可避免的，并且多模式发动机在该运行区域中经受低的效率。

图1b示出了结合多模式和多冲程运行策略的本发明的运行策略。在低功率输出和低到中的发动机速度时，出于与传统的多模式相同的原因，发动机运行于4S HCCI中。当需要中间或高的功率时，发动机被切换到2SHCCI而不是4S SI。运行于2S HCCI中具有优于使用4S SI的两个优点。第一，在2S HCCI中使燃烧频率翻倍的同时产生与4S SI相当的功率输出，HCCI运行的高效率和低NOx排放的优势得以保留。第二，所述冲程切换能够比模式切换更平滑地实现。废气的温度范围在4S HCCI和2S HCCI中类似，但典型地4S SI具有高出200-300度的废气温度。考虑到HCCI的相位调整敏感于被捕捉的气体的温度，冲程切换实现比模式切换更平滑的过渡运行。此外，2S HCCI可以以适中的热释放速率覆盖高的发动机速度范围。在2S运行中，由于被缩短的气体交换过程和压缩冲程，混合物没有足够的时间完全混合，因此均匀程度更低的混合物导致比在4S HCCI中更慢的热释放，并且使得2S HCCI成为可行的方案以运行于更高的速度下。此外，对于极高的功率和发动机速度需求，发动机可以切换到4S增压式SI运行，以使得输出功率的更高的极限可以在整个2S HCCI运行上延续。由于灵活的气门正时和进气增压系统，所述模式切换还是方便可行的。因此，根据本发明，HCCI的效率和排放优势可以在多模式策略的典型运行范围中使用，并且4S增压式SI运行将运行范围扩展到更高的功率和速度区域。

图2示出了根据本发明的示例发动机系统的框图。用于多模式/多冲程运行的启动技术包括可变气门驱动，例如EHVS(或凸轮移相器)3、EHVS控制器4、液压供给源13、直接喷射器9、以及机械增压器10、压缩机11和涡轮12的组合。此外，电子控制单元(ECU)5监测功率需求和发动机速度，并且根据预设运行图表从4S HCCI、2S HCCI和4S增压式SI中确定最佳燃烧策略。用于冲程/模式切换的发动机速度和活塞位置的信息从与曲轴连接的增量式编码器6传输。缸内压力曲线通过压力传感装置或离子传感器7测量并由ECU 5监测。根据所述压力信号，ECU 5定位当前运行状态的燃烧定相，并且通过改变气门正时或燃料喷射正时执行燃烧正时的反馈控制。λ传感器14中的测量值提供点火失败的信息，并且图2中未示出的进气和冷却剂温度传感器被用于提供反馈信号以抑制来自真实环境运行的干扰。

图3a、3b和3c示出了用于不同燃烧策略的气门正时图表，即排气门和进气门正时图表。在图3a、3b和3c中，SOI表示喷射开始，BDC表示下止点，而TDC表示上止点。燃烧TDC被明确地标示为“TDC”和“燃烧”，而进气TDC被简单地标示为“TDC”。在图3a、3b和3c中的每一个中，示出了两次发动机旋转，即720度曲柄转角(CAD)运行。

图3a示出了用于4S HCCI的气门正时。为了捕捉一定量的废气，排气门在TDC之前关闭，而进气门在TDC之前开启。不存在气门重叠，称为负气门重叠(NVO)。如图3a中以横向箭头所示的那样，排气门关闭正时(EVC)和进气门开启正时(IVO)被对称地调节以改变下一循环中的RF：较早的EVC、较高的RF。燃料在IVO之后喷射，但是这可以灵活地改变以满足功率输出和燃烧相位调整的要求。在压缩冲程的末尾处，燃烧相位调整在TDC附近发生，如红色所示。图3a中示出的气门正时和喷射策略表示4S HCCI的一个示例实施方式。利用例如为延迟进气门关闭的其它气门策略、例如为多重喷射策略的其它喷射策略的其它实施方式是可行的。

图3b示出了用于2S HCCI运行的气门正时。应该注意的是，每一次旋转有一次燃烧事件，这是4S运行中的频率的两倍。排气门在膨胀冲程过程中开启并在BDC之后关闭。进气门在EVO之后开启并在压缩冲程的中间关闭。因此，在2S HCCI运行中存在气门重叠，并且这就是扫气发生的时间。气门重叠的量被用于控制功率输出：在较大的气门重叠处，由于较高的扫气和功率输出将增大因此气流增大。由于HCCI运行需要气缸内部大量的燃烧废气，因此不需要发生完整的扫气，因为完整的扫气始终是2S运行的一个问题，因此这使得系统更简单。

高效的扫气和压缩冲程过程中进气的传送需要进气增压系统。IVC被优化以使得对进气增压压力的需要最小化，因此使得总系统效率在给定条件下最大化。例如，提早的IVC导致糟糕的充气效率而延迟的IVC将混合物气体的逆流引入进气总管中，这导致下一循环中混合物成分的不确定性。用于2S HCCI运行的燃料在EVC之后被直接喷射进气缸中，以防止燃料逃逸到排气口中。喷射正时和持续时间应该被优化以确保发生最优的燃烧相位调整。还可以通过控制其它气门正时而优化效率、排放和功率。

图3c示出了用于4S增压式SI的气门正时。尽管其具有包括气体交换过程中的气门重叠、进气冲程过程中的喷射、以及TDC之前的火花点火的与4S DISI(直喷火花点火)的典型气门正时的一些相似性，但是其不同在于进气具有提高功率输出的增压压力，并且IVC、火花正时、以及喷射正时应该被调节以防止在具有比典型DISI发动机高的增压压力和压缩比时发生爆震。

为了根据功率和速度的需求切换冲程/模式，以上提及的气门正时以及火花点火、进气的增压和喷射正时都被改变为预设配置。所述切换应该在燃烧上止点(TDC)处发生，因为这允许发动机做好准备用于下一循环中不同的冲程/模式运行。各种模式中运行的细节说明如下。

在4S HCCI运行中，废气在NVO过程中被捕捉并且与新鲜空气和燃料混合。被捕捉的气体提升初始混合物的温度，因此所述混合物将在压缩冲程的末尾处点燃。为了改变功率输出，RF通过调节NOV的持续时间而改变，而燃烧相位调整通过喷射正时被控制。在所述运行中机械增压器和涡轮增压器以及火花点火系统被关闭。

当燃烧模式被切换到2S HCCI时，机械增压器和涡轮增压器被启动。所述机械增压和涡轮增压组合被配置为优化发动机的总效率。例如，在废气中没有足够能量可用的低发动机速度下，主要是机械增压器运行，而在高速度下，机械增压器和涡轮增压器都被启动以使进气增压。机械增压器和涡轮增压器之间的运行的精确平衡取决于发动机运行状态。可以结合中冷器以提高增压系统的效率。发动机功率输出通过气门重叠的持续时间、即扫气的时长而被控制。由于被缩短的气体交换过程，2S HCCI可能更敏感于周期性变化，这需要对燃烧事件进行反馈控制。所述燃烧控制通过两种因素实现：确定有效压缩比的IVC、以及影响混合物均匀性的喷射正时。

在4S增压式SI运行中，机械增压器和涡轮增压器充分运行以实现高的发动机功率输出。由于涡轮增压器在2S HCCI运行中已经被开启，因此在2S HCCI和4S之间的过渡中涡轮迟滞被最小化。由于用于HCCI运行的高几何压缩比，典型的4S SI运行经受爆震的高可能性。为了解决这一问题，采用降低有效压缩比的延迟IVC、或者由燃料直喷实现的分层和更稀薄的燃烧。

图4示出了在实验室中单缸发动机上多冲程运行中的性能比较。几何压缩比为13，而发动机固定运行于1000PRM。标记为SI-EHVS的数据来自相同发动机配置中4S SI的典型运行，并且因此用于参照。如在“净指示功率”比较的图表中所示出的那样，4S SI的功率输出从如4S HCCI一样低到如2S HCCI一样高。对于HCCI运行，燃烧过程中最高压力的角度被调节为燃烧TDC之后10度曲柄转角左右，以使输出功最大化。

在图4中，非常清楚地示出的是，传统4S HCCI具有相对于4S SI的更高的效率和更低得多的NOx排放，然而功率输出范围特别是在上限处相当有限。2S HCCI通过在保持高效率和低NOx排放的同时使燃烧频率翻倍，从而弥补了功率局限性。因此，相对于4S SI，2S HCCI运行可以以高效率和低排放达到功率输出要求。在图4所反映的特定实验中，HCCI运行中的一氧化碳排放也比在4S SI中的更低。

在图5中，示出了压力曲线和计算的热释放速率。所选择的数据点对应于来自2S HCCI和4S HCCI模式的大约4巴的IMEP(指示平均有效压力)。清楚的是，4S HCCI具有快得多的热释放速率和更高的最高压力。图5中的数据点仅表示一个特定示例，然而在未在此示出的其它实验数据中观察到类似的燃烧特征。这与上述陈述密切相关，所述陈述为2S HCCI由于被缩短的气体交换周期而具有更不均匀的混合物的，这导致更慢的热释放速率。所述较慢的热释放速率能够实现高的发动机速度运行，而在所述高的发动机速度运行下4S HCCI经受高的热释放速率。

尽管在以上已经结合示例实施方式和示例方法描述了本发明，但本发明并不局限于所述示例实施方式和方法，而应该是修改、变化、和/或替换都包含在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种运行包括具有活塞的发动机气缸的内燃发动机的方法，所述方法包括：

提供用于具有上边界的第一特征发动机运行区域的四冲程发动机循环、均值充量压燃发动机运行，所述上边界通过第一功率输出阈值和第一发动机速度阈值限定；

提供用于具有上边界的第二特征发动机运行区域的二冲程发动机循环、均值充量压燃发动机运行，所述上边界通过第二功率输出阈值和第二发动机速度阈值限定，其中所述第二功率输出阈值大于所述第一功率输出阈值，并且其中所述第二发动机速度阈值大于所述第一发动机速度阈值；以及

提供用于具有上边界的第三特征发动机运行区域的四冲程发动机循环、增压式火花点火发动机运行，所述上边界通过第三功率输出阈值和第三发动机速度阈值限定，其中所述第三功率输出阈值大于所述第二功率输出阈值，并且其中所述第三发动机速度阈值大于所述第二发动机速度阈值；

其中所述第一特征发动机运行区域、第二特征发动机运行区域和第三特征发动机运行区域依次毗邻。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内燃发动机具有带有配气系统的标准四冲程设计，所述配气系统具有被配置为独立于所述气缸中的活塞的位置而执行正时和行进曲线的完全可变气门。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于发动机的负载要求和当前状态，确定待执行的所述完全可变气门的正时和行进曲线。

4.一种用于实施包括具有活塞的发动机气缸的内燃发动机的多冲程、多模式运行的系统，所述系统包括：

被配置为实施用于内燃发动机的三个不同的发动机运行模式的电子控制器；

与所述电子控制器联接、并且响应于由所述电子控制器传输的信号从而以完全可变的方式启动所述气缸的进气门和排气门的可变配气系统；以及

与所述气缸联接并且由所述电子控制器控制、以提供压力增压的充气到气缸、从而能够在活塞不运动的情况下引入充气的涡轮增压器；

其中用于具有上边界的第一特征发动机运行区域的四冲程发动机循环、均值充量压燃发动机运行被实施，所述上边界通过第一功率输出阈值和第一发动机速度阈值限定；

其中用于具有上边界的第二特征发动机运行区域的二冲程发动机循环、均值充量压燃发动机运行被实施，所述上边界通过第二功率输出阈值和第二发动机速度阈值限定，其中所述第二功率输出阈值大于所述第一功率输出阈值，并且其中所述第二发动机速度阈值大于所述第一发动机速度阈值；

其中用于具有上边界的第三特征发动机运行区域的四冲程发动机循环、增压式火花点火发动机运行被实施，所述上边界通过第三功率输出阈值和第三发动机速度阈值限定，其中所述第三功率输出阈值大于所述第二功率输出阈值，并且其中所述第三发动机速度阈值大于所述第二发动机速度阈值；

其中所述第一特征发动机运行区域、第二特征发动机运行区域和第三特征发动机运行区域依次毗邻。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述发动机具有标准四冲程设计，并且其中所述可变配气系统具有被配置为独立于所述气缸中的活塞的位置而执行正时和行进曲线的完全可变气门。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电子控制器基于发动机的负载要求和当前状态，确定待执行的所述完全可变气门的正时和行进曲线。

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