均匀充气压缩点火发动机和控制均匀充气压缩点火发动机的方法

日期:2019-06-26 06:50:04

专利名称:均匀充气压缩点火发动机和控制均匀充气压缩点火发动机的方法
技术领域
本发明涉及一种发动机,更具体地,涉及一种可防止爆震和点火失败并可稳定地执行HCCI操作的均匀充气压缩点火(HCCI)发动机,以及一种控制该HCCI发动机的方法。
背景技术
传统的发动机可划分为两类,火花点火(SI)发动机和柴油机。通过使空燃混合物变稀可以提高SI发动机的热效率。但是,这对于浓度比有一限制,即在该浓度比下火花可以扩散。因此,SI发动机需要通过节流对空气的量进行调整。因此,SI发动机的热效率比柴油机的低。相反地,柴油机具有令人满意的热效率。但是,柴油机不能充分地混合燃料和空气。结果,由于高温下燃料的局部燃烧而导致趋向产生NOx,并且由于局部富油也趋向于产生烟灰。
与这些发动机相比,HCCI发动机预先混合空气和燃料。这样,局部高温燃烧或富油的可能性很低,并且产生的NOx和烟灰的量也很少。还有,在均匀充气压缩发动机中,化学变化引起点火。因而,对于点火浓度比的要求低于SI发动机。结果,HCCI发动机可以使空燃混合物有效地变稀,进而使热效率达到与柴油机相同的水平。由于这些优点,均匀充气压缩发动机极受重视。但是,在均匀充气压缩发动机中,多余的热量可能会导致意外燃烧,而且热量不足又会导致不点火。因此,相对于其他发动机,不点火、爆震、和提前点火更容易产生。这就需要限定HCCI发动机的可操作范围。
在HCCI发动机中,用于输出功率调整的混合物浓度比的急剧增加可能会破坏均匀充气压缩点火的稳定性。例如,浓度比的过分提高会过度地增加燃烧室的有效压力并导致爆震。相反地,浓度比的过分降低会过度地减少燃烧室的有效压力并导致混合物的不充分引燃。这样会降低热效率。因此,在控制传统的HCCI发动机时,很难在保持高效率的同时调整输出功率。为了解决这个问题,例如,公开号为2002-188488的日本专利提出了一种用于控制HCCI发动机的方法,该方法可提高发动机的输出功率。当增加混合物的浓度比并将该浓度比保持恒定之时,一旦探测到发动机内爆震的发生,就通过将新鲜空气的温度降低一预定量以提高发动机的输出功率。
公开号为2001-221075的日本专利公开了一种HCCI发动机,该HCCI发动机具有浓度比调整装置,可调整由燃料供应装置供给的燃料量以及调整预混合物的浓度比;一吸入气体温度调整装置,用于调整供给至燃烧室的吸入气体的温度;和一爆震探测装置。该HCCI发动机还包括一输出功率调整装置,该装置可根据爆震探测装置的探测结果,通过利用浓度比调整装置和吸入气体温度调整装置调整浓度比和吸入气体温度,从而调整输出功率。
上述两种现有技术给出了调整输出功率时探测爆震以及调整新鲜空气或吸入气体温度以防止爆震持续发生的实例。换句话说,这两种现有技术没有在爆震发生之前就实施控制。这样会以一种不希望的方式影响发动机的使用寿命。
还有,如果HCCI操作是在启动了与必要负荷相一致的稳定的HCCI的条件下执行的,该负荷或空燃比可能会因为这个或那个的原因而产生变化。在这样的状态下持续进行HCCI操作,会导致爆震或不点火。但是,这两种现有技术并没有考虑这种状态。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于控制HCCI发动机的方法,该方法可以在预定条件下的控制过程中,当发动机输出功率发生变化并且当由于这个或那个原因而产生的负荷或空燃比变化时,预防爆震和不点火现象的发生。
本发明的另一个目的是提供一种可执行上述方法的HCCI发动机。
本发明的一个方面是一种用于控制均匀充气压缩点火发动机的方法。该发动机包括保持一活塞的燃烧室,上述活塞压缩由燃料和含氧气体构成的混合物以引燃该压缩混合物。该活塞的往复运动转化为输出轴的旋转运动。一吸入气体温度调整器加热该被吸入的含氧气体和/或混合物。该方法包括探测空燃比或发动机负荷;判断空燃比或发动机负荷是否以这样的方式发生变化,即,根据第一图或第一关系公式判断是否存在爆震发生的可能性,其中,该第一图或第一关系公式根据空燃比或发动机负荷和吸入气体温度确定了第一范围,并且在该第一范围内可启动稳定的均匀充气压缩点火控制;当具有发生爆震的可能性时,根据第一图或第一关系公式控制吸入气体调整器以降低吸入气体温度;判断空燃比或发动机负荷是否通过这样一种方式变化,即,根据上述第一图或第一关系公式是否存在产生不点火的可能性;和当具有产生不点火的可能性时,根据该第一图或第一关系公式控制吸入气体温度调节器,以提高吸入气体温度。
本发明的另一个方面是一种均匀充气压缩点火发动机。该发动机包括保持一活塞的燃烧室,上述活塞压缩由燃料和含氧气体构成的混合物以引燃该压缩混合物。一确认单元测定空燃比或发动机负荷。一吸入气体温度调整器加热提高被吸入的含氧气体和/或混合物的温度。一存储装置存储第一表格或第一关系公式,其中,该第一表格或第一关系公式根据空燃比或发动机负荷和吸入气体温度定义了一第一范围,并且在该第一范围内启动了稳定的均匀充气压缩点火控制。一控制单元连接到确认装置、吸入气体温度调整器和存储装置,当与由确认装置测定出的空燃比或发动机负荷相对应的吸入气体温度高于第一范围的上限值时,控制吸入气体温度调整器以降低吸入气体的温度,并且,当吸入气体温度低于第一范围的下限值时,控制吸入气体温度调整器以提高吸入气体的温度。
通过下文的说明,并结合附图,以及根据本发明原理的实施例描述,将会更容易理解本发明的其他方面和优点。


本发明及其目的和优点,通过参照当前优选实施例的说明并结合附图,可得以最佳的理解。其中,图1是根据本发明优选实施例的HCCI发动机的示意图;图2是根据HCCI发动机转速和负荷确定的HCCI可操作范围图的示意图;图3是根据吸入气体温度和空燃比(A/F)确定的HCCI可操作范围图的示意图;图4是在HCCI操作过程中当吸入气体温度分别为140℃,160℃,和180℃时,根据HCCI发动机的冷却剂温度和空燃比确定的HCCI可操作范围图的示意图;以及图5是控制图1中的HCCI发动机的流程图。
具体实施例方式
根据本发明优选实施例的静态HCCI发动机10的优选实施例将结合图1至图5加以说明。图1是HCCI发动机10的结构示意图。图2是根据该HCCI发动机10的转速和负荷确定的HCCI可操作范围图的示意图。图3是根据吸入气体温度和空燃比(A/F)确定的HCCI可操作范围图的示意图。图4是HCCI操作过程中当吸入气体温度分别为140℃,160℃,和1 80℃时根据冷却剂温度和空燃比确定的HCCI可操作范围图的示意图。图5是HCCI发动机10的操控流程图。
如图1所示,HCCI发动机10包括发动机体11和电子控制该发动机10的控制器12。
发动机体11包括气缸体13,其内部具有多个气缸13a(图1中只标示出了其中一个),和气缸盖14。活塞15往复运动于各气缸13a中。各气缸13a的燃烧室16由活塞15和气缸盖14之间部分确定。在进气和压缩冲程之后,由燃烧室16中的空燃混合物燃烧产生的动力推动活塞15往复运动于气缸13a中。活塞15的往复运动经连杆17转化为作为输出轴的曲轴18的旋转运动,以形成发动机体11的输出。发动机体11是四冲程内燃机。
对于每个气缸13a,都具有安装于气缸盖14上的用于开闭进气口19的进气阀20,和用于开闭排气口21的排气阀22。可变阀驱动装置23和24分别改变进气阀20和排气阀22的打开和闭合正时。进气阀20和排气阀22通过可变阀驱动装置23和24独自打开和闭合。该可变阀驱动装置23和24由,例如,电磁驱动器或液压致动器构成。此外,作为点火装置的火花塞42布置在每个气缸13a的气缸盖14上。火花塞42具有暴露于相应燃烧室16的点火部分。
延伸至进气口19的进气通道25和从排气口21延伸的排气通道26连接到气缸盖14上。燃料喷嘴27布置在进气通道25内。该燃料喷嘴27通过管道28连接至燃料箱(未示出)。用于控制燃料供给量的电磁控制阀29布置在管道28上。在本实施例中,使用天然气作为燃料。此外,空气净化器30和节流阀31布置在燃料喷嘴27上游的进气通道25中。节流阀31由节流电机32(电动机)电子控制。节流阀31的开度调节可调整被吸入燃烧室16的吸入气体的流量。
作为加热装置加热吸入气体的热交换器33布置于进气通道25内。在本实施例中,热交换器33在排出气体和吸入气体之间交换热量。排气通道26分支为两条通道。其中一分支通道26a连接于热交换器33。流经分支通道26a的排出气体与吸入气体交换热量,并随后通过管道(未示出)排入大气。通过另一分支通道26b的排出气体被直接排入大气。一电磁三向阀34布置于排气通道26的分叉部分,可使流经分支通道26a的排出气体百分比在0至100%范围内调节。也就是说,该三向阀34可将排出气体的量调节至第一状态,即排气通道26的气体全部由分支通道26b排出,而不经过分支通道26a和热交换器33。该三向阀34也可将排出气体的量调节至第二状态,即所有排出气体流经分支通道26a被排放入大气。此外,该三向阀34可将流经分支通道26a的排出气体调节为第一状态和第二状态之间的任意量。该三向阀34可以是柱形阀。热交换器33和三向阀34构成吸入气体温度调节装置,可用于调节吸入气体的温度。
探测进气通道25内温度的温度传感器35,和探测吸入气体流量的气流计36布置在热交换器33和燃料喷嘴27之间的进气通道25内。
控制HCCI发动机10工作的控制器12控制可变阀驱动装置23和24、电磁控制阀29、节流电机32、三向阀34和火花塞42,以满足由输出设定装置37设定的发动机10的所需负荷和转速。
控制器12中整合一微型计算机38。该微型计算机38包括可用作储存装置的存储器39(ROM和RAM)。温度传感器35、气体流量计36、用于测定发动机体11中冷却剂温度的冷却剂温度传感器40、以及用于测定发动机转速或曲轴18的转速的速度传感器41,分别电连接至控制器12的输入区(输入界面)。可变阀驱动装置23和24、电磁控制阀29、节流阀32、以及三向阀34分别电连接至控制器12的输出区(输出界面)。
基于探测器35、40和41以及测量计36输出的探测信号,控制器12确定HCCI发动机10的工作状态,并控制可变阀驱动装置23和24、电磁控制阀29、节流阀32、三向阀34和火花塞42,以将发动机10调节至预定工作状态。控制器12根据气流计36的探测信号和电磁控制阀29的开度计算空燃比。气流计36和控制器12构成负荷对应数值确认装置,用于确认空燃比。
存储器39存储用于确定指令值(控制值)的图或公式。该指令值根据发动机10的工作状态控制HCCI发动机10。该发动机工作状态是由控制器12根据温度传感器35、气流计36、冷却剂温度传感器40和速度传感器41的探测信号确定的。图和公式包括用于确定,例如燃料喷射量、节流阀开度和点火正时的各种图和公式。
存储器39存储HCCI工作图M1、M2和M3(参照图2至图4)。参见图2,图M1给出了根据负荷和曲轴18转速的HCCI可操作范围。参见图3,图M2给出了根据进气温度和空燃比(A/F)的HCCI可操作范围。参见图4,图M3给出了进气温度为140℃,160℃,和180℃时根据冷却剂温度和空燃比的HCCI可操作范围。根据在预定温度下表示冷却剂温度与空燃比之间关系的图M3可知,当冷却剂温度低并且空燃比高时,趋向于产生不点火现象,当冷却剂温度高并且空燃比低时,趋向于产生爆震现象。除HCCI工作图之外,存储器39还存储火花点火工作图(未示出)。
每个目标转速提供一张图M2。也就是说,不同的目标转速对应着很多的图M2。图M2包括范围A1,它示出了启动HCCI的吸入气体温度和空燃比范围。范围A1边界的设置中考虑了一安全余量。该启动HCCI的范围通过实验确定,如图中的虚线所示。该范围大于图3中实线所示的范围A1。但是,后面将会加以说明,使用范围A1作为控制的根据,是因为它考虑了一安全余量。在本实施例中,安全余量被设置为虚线所示范围中的吸入气体温度的宽度W的10%。如果在该范围中对应最大A/F值的进气温度值是,例如,120℃至220℃,吸入气体温度的宽度W大约为100℃。于是,为上限和下限设置的安全余量为大约10℃。
根据图M1,控制器12判断HCCI的启动是否与必要负荷和旋转速度相一致。根据图M2,控制器12判断空燃比的变化是否会导致爆震,以及空燃比的变化是否会导致不点火。“变化导致爆震”是指空燃比的变化超出了图3中图M2的范围A1的上限(即,空燃比突然降低导致当前的吸入气体温度变得高于范围A1的上限)。“变化导致不点火”是指空燃比的变化超出了图3中图M2的范围A1的下限(即,空燃比突然提高导致当前吸入气体温度变得小于范围A1的下限)。
为了防止将空燃比设定为一趋向于产生爆震的值,控制器12确认空燃比并根据图M2控制吸入气体温度调节装置或热交换器33和三向阀34,以降低吸入气体温度。此外,为了防止将空燃比设定为一趋向于产生不点火的值,控制器12确认空燃比并控制吸入气体温度调节装置,以根据图M2提高吸入气体温度。
现在将说明HCCI发动机10的控制。
控制器12通过冷却剂温度传感器40和速度传感器41以及其他传感器的探测信号判断发动机体11的工作状态。此外,在由输出设定装置37设定的必要旋转速度和负荷都满足条件的情况下,控制器12判断是否可启动HCCI操作。然后,控制器12计算目标旋转速度和负荷以根据预定结果执行HCCI操作或火花点火操作。当执行HCCI操作时,控制器12控制电磁控制阀29、节流电机32和三向阀34以获得一种适合于实现目标转速和负荷的燃烧状态(即,空燃比和吸入气体的加热状态)。此外,当执行火花点火操作时,控制器12控制电磁控制阀29、节流电机32、三向阀34和火花塞42以获得一种适合于实现目标转速和负荷的燃烧状态(即,空燃比和吸入气体的加热状态)。当控制HCCI发动机10时,控制器12优先考虑HCCI操作。但是,当必要负荷和发动机转速并不在HCCI操作范围中时,控制器12执行火花点火操作。还有,直到HCCI发动机10变热之后,控制器12才执行火花点火操作。
根据图5中的流程图执行对HCCI发动机10的控制。首先,在S1步骤中,发动机10要经历一预热操作。控制器12向磁控制阀29和节流电机32发出指令信号,以基于储存在存储器39中的火花点火操作图(SI基本图)实现满足预热操作条件的空燃比。此外,控制器12向可变阀驱动装置23和24以及火花塞42发出指令信号,以便合理地设定用于执行火花点火的阀正时和点火正时,以满足预热条件。此外,控制器12向三向阀34发出指令信号以实现吸入气体的加热状态从而满足预热操作条件。
接下来,在步骤S2中,控制器12根据冷却剂温度传感器40的探测信号判断发动机10是否已经预热。也就是说,控制器12判断冷却剂温度传感器40探测出的温度是否高于或等于一指示发动机10已经预热的值。若预热已经完成,控制器12进入步骤S3,若预热尚未完成,则返回步骤S1。指示HCCI发动机10已经预热的冷却剂温度,是通过实验预先获得并存储在存储器39中的。
在步骤S3中,控制器12根据图M3判断是否当前冷却剂温度高于一对应必要转速和负荷的调节值。如果冷却剂温度高于该调节值,则控制器12进入步骤S4,或者,如果冷却剂温度低于或等于该调节值,则进入步骤S5。该调节值储存在存储器39中。此外,当调整使用热交换器33进行加热的条件时,该调节值是发动机体11的温度,在该温度下,可根据必要转速和负荷启动稳定HCCI操作。该调节值预先通过实验获得。
在步骤S4中,控制器12根据图2的图M1判断必要转速和负荷是否包含在HCCI可操作范围内。如果必要转速和负荷包含在HCCI可操作范围内,则控制器12进入步骤S6,或者,如果必要转速和负荷落在HCCI可操作范围之外,则进入步骤S5。在步骤S5中,控制器12向电磁控制阀29和节流电机32发出指令信号,以便根据必要转速和负荷合理地设定用于火花点火操作的空燃比。控制器12同样也向三向阀34发出指令信号以获得合适的吸入气体加热状态。接着,控制器12进入步骤S3。结果,HCCI发动机10执行火花点火操作以满足必要转速和负荷。
在步骤S6中。控制器12根据一张图确定目标吸入气体温度和空燃比。该目标吸入气体温度和空燃比用于根据必要转速和负荷来设定目标转速和负荷。接着,控制器12向三向阀34、电磁控制阀29和节流电机32发出指令信号,以设定已确定的目标吸入气体温度和空燃比。结果,HCCI发动机执行HCCI操作以满足必要转速和负荷。
在执行步骤S6之后,控制器12进入步骤S7。在步骤S7中,控制器12确认空燃比和吸入气体温度。此外,控制器12还要根据吸入气体温度和空燃比的图M2判断在目标转速下持续执行当前操作时是否存在发生爆震的可能性。更具体地,控制器12检查其所确认的空燃比和吸入气体温度在可稳定执行HCCI操作的范围A1中所处的位置。此外,控制器12判断当前位置与预先确定的位置之间是否发生了改变,以及判断该变化是否会带来产生爆震的可能性。若在步骤S7中判定具有产生爆震的可能性,则控制器12进入步骤S8,反之则进入步骤S9。
在步骤S9中,控制器12确认空燃比和吸入气体温度,并根据吸入气体温度和空燃比的图M2判断在目标转速下持续执行当前操作时是否存在发生不点火的可能性。更具体地,控制器12检查其所确认的空燃比和吸入气体温度在可稳定执行HCCI操作的范围A1中所处的位置。此外,控制器12判断当前位置与预先确定的位置之间是否发生了改变,以及判断该变化是否会带来产生不点火的可能性。若在步骤S9中判定具有产生不点火的可能性,则控制器12进入步骤S8,反之则进入步骤S3。
在步骤S8中,控制器12根据吸入气体温度和空燃比的图M2为目标转速调节吸入气体温度,以使可能导致爆震或不点火的改变不再持续。例如,当由步骤S7进入步骤S8时,控制器12在步骤S8中向三向阀34发出指令信号,以使可能导致爆震的改变不再持续,也就是,降低吸入气体温度。此外,当由步骤S9进入步骤S8时,控制器12在步骤S8中向三向阀34发出指令信号,以使可能导致不点火的变化不再持续,也就是,提高吸入气体温度。接着,在执行完步骤S8之后,控制器12进入步骤S3。
控制器12确认空燃比,启动稳定的HCCI操作,并且根据反应空燃比和吸入气体温度之间关系的图M2判断是否空燃比的变化会带来爆震产生的可能性。当空燃比的变化会带来产生爆震的可能性时,为了防止在目标转速下空燃比落在稳定操作范围之外,控制器12根据图M2控制吸入气体温度调节装置以使吸入气体温度降低。此外,当空燃比的变化会带来产生不点火的可能性时,为了防止在目标转速下空燃比落在稳定操作范围之外,控制器12根据图M2控制吸入气体温度调节装置以使吸入气体温度提高。
因此,当必要转速和负荷未改变并且HCCI操作也稳定的时候,控制器12重复步骤S3,S4,S6,S7,和S9。这样,在与必要转速和负荷相一致的预定吸入气体温度和空燃比条件下,HCCI操作持续执行。
与汽车发动机不同,在HCCI发动机10中必要转速和负荷并不频繁变化。但是,必要转速和负荷可能会发生重大变化。例如,在图3的图M2中的P1点反应了当前运行状态下吸入气体温度和空燃比之间的关系。当必要转速和负荷发生变化,并且相应的吸入气体温度和空燃比之间的关系如P2点所示时,控制器12在改变目标转速和负荷的同时持续进行控制,以使当前目标转速和负荷逐渐向P2点所示的转速和负荷靠近。还有P1点和P2点都位于范围A1边界附近的情况。在这种情况下,即使当同步改变吸入气体温度和空燃比以使吸入气体温度与空燃比之间的关系沿由P1点连接至P2点的直线移动,控制器12也会根据需要执行步骤S3至S9,继续执行稳定的HCCI操作,并将对应P1点的操作条件变为对应P2点的操作条件。
当改变操作条件时,若以步进方式改变吸入气体温度和空燃比之间的关系,则吸入气体温度和空燃比之一可能会改变至位于范围A1边界外的位置,而另一个则可能改变为位于范围A1之内的位置。
优选实施例中的HCCI发动机10具有如下所述的优点。
(1)HCCI发动机10包括用于确认空燃比的负荷对应数值确认装置,吸入气体温度调节装置,和储存图的存储器39。其中,该图指示了在可进行稳定HCCI操作情况下的空燃比与吸入气体温度之间的关系。负荷对应数值确认装置确认空燃比。为了防止将空燃比设定为一可导致爆震的值,控制器12根据图M2控制吸入气体温度调节装置以降低吸入气体温度。此外,为了防止将空燃比设定为一可导致不点火的值,控制器12根据图M2控制吸入气体温度调节装置以提高吸入气体温度。因此,在改变空燃比以改变输出时,防止了爆震和不点火的产生。此外,即使在预定条件下的工作过程中由于某个原因导致负荷或空燃比波动,也可防止产生爆震和不点火。
(2)图M2的设定为范围A1的边界考虑了一安全余量,其中,范围A1反映了在可执行HCCI操作情况下吸入气体温度与空燃比之间的关系。因此,当操作条件变化时,即使操作条件沿边界连续变化,也可稳定地执行HCCI操作。
(3)根据图M2中的吸入气体比率,该安全余量被设定为吸气温度范围的10%。这样可防止操作条件落入HCCI可操作范围之外。
(4)热交换器33在排出气体和吸入气体之间交换热量。因此,有效地利用了由HCCI发动机10工作产生的热量。这与使用其他加热装置相比减少了能量消耗。
(5)热交换器33不加热空燃混合物。在空气(含氧气体)与燃料混合之前,热交换器33加热该空气。空气的导热性能高于空燃混合物。因此,与使用热交换器执行换热以加热混合物相比,采用加热空气的方式可以使加热更有效率。
(6)每个燃烧室16具有执行火花点火操作的火花塞。因此,预热操作的执行更加平缓。此外,相对不能采用火花点火的HCCI发动机来说,采用火花塞点火的HCCI发动机10可以满足更高的转速和更高的负荷需求。
(7)除HCCI操作图之外,存储器39内还具有火花点火图。因此,当必要负荷和转速无法通过HCCI操作得以满足时,HCCI发动机10可以轻松地切换至火花点火操作以满足必要负荷和转速。
(8)可变阀驱动装置23和24由电磁驱动器或液压致动器构成。因此,排气阀22的打开正时可以自由改变。这为HCCI和火花点火提供了平稳和简化的控制。
在不背离本发明原理和范围的前提下,将本发明实施为很多具体形式,对于本领域的技术人员来说是显而易见的。特别是,应当认为本发明可以被实施为下列形式。
HCCI发动机10可以只执行HCCI,点火装置不是必需的。
在不具有点火装置的HCCI发动机10中,压缩后点火容易的燃料可以在预热操作过程中使用。在这样的情况下,预热操作之后,可将燃料切换至一种用于常规操作的燃料。
在具有点火装置(火花塞42)的HCCI发动机10中,可以只在预热操作过程中执行火花点火,待预热操作完成之后再执行HCCI操作。在这种情况下,若必要负荷和转速不在HCCI可操作范围内,最好使HCCI发动机10运行在这样一种状态下,即,在该状态下可获得与接近必要负荷和转速的一组负荷和转速相对应的一空燃比和吸入气体的加热后状态。
热交换器33可使用发动机体11的冷却剂作为一热源进行热交换,而不是使用排出气体作为热源进行热交换。但是,排出气体的温度比冷却剂的温度更高。因此,热交换器33使用排出气体作为热源可以获得更高的加热效率。此外,采用排出气体作为热源执行热交换的热交换器与采用发动机体11的冷却剂作为热源进行热交换的热交换器可以在HCCI发动机10中结合使用。热交换器也可以采用发动机润滑油作为热源。
除在混合前加热吸入气体之外,热交换器33也可以加热空气和燃料的混合物。可选择地,吸入气体和混合物两者都可被加热。
除采用排出气体或发动机体11的冷却剂作为热源的热交换器33之外,热交换器33也可以是一加热吸入气体的电加热器。可选地,热交换器33还可以额外包括一个这样的电加热器。当HCCI发动机10不具有点火装置,并且在预热过程中排出气体和冷却剂的温度很低时,该电加热器可以在短时间内将吸入气体加热至必要温度,并稳定预热操作。此外,在预热操作结束后,电加热器可以在短时间内有效地加热吸入气体。
除热交换器33以外,HCCI发动机10还可配备一冷却装置。该冷却装置可以是,例如,一个在吸入气体和冷却剂之间换热的热交换器,它与空冷之后的发动机冷却剂或将周围空气送入吸气通道的风扇不同。在调节吸入气体时,通过暂停使用热交换器33加热的方式使吸入气体温度降低。但是,冷却装置的使用可以在短时间内冷却吸入气体。
在图M2中,用于设定可执行HCCI操作的反映吸入气体温度和空燃比之间关系的范围A1的边界的安全余量,可不限定为范围A1中吸入气体温度的宽度W的10%,例如,可以是5%或大于10%。
控制器12可以使用一空燃比探测器(A/F传感器)测定空燃比,而不是采用气流计36和电磁阀29开度的探测信号来计算空燃比。该A/F传感器通过,例如,排出气体中的氧气浓度和预燃烧气体浓度来测定空燃比。
在图M1中,除直接显示负荷以外,其它与负荷相应的值,例如,指示的平均有效压力(IMEP),或用于设定必要负荷的设定装置操作量,都是可以采用的。
在图M2中,IMEP可作为反映发动机负荷的值取代空燃比,这样,稳定的HCCI范围就根据吸入气体温度与IMEP表示出来。
HCCI发动机10的燃料并不只限定为天然气,它可以是任意类型的燃料,例如汽油,丙烷气,甲醇,二甲基乙醚,氢气,和柴油燃料。
均匀充气压缩点火发动机10并不仅限于四冲程发动机,也可以是二冲程发动机。
空燃混合物并不一定要是气态,也可以是雾化燃料。
与燃料混合的含氧气体并不限于空气,可以是任何含有供燃料燃烧的氧的气体。例如,一种将氧气与空气混合以提高氧含量的气体也是可以使用的。
燃料并不一定要喷射入进气通道25并与吸入气体相混合以产生被吸入燃烧室16的空燃混合物。例如,在进气冲程内,燃料可以被喷射入燃烧室16。此外,燃料可以在汽化器或混合器中与吸入气体相混合。
HCCI发动机10并不一定要具有多个气缸,它可以只具有一个气缸。
每个可变阀驱动装置23和24可以是已知的通过凸轮或摇臂利用凸轮轴开关进气阀和排气阀的可变阀正时装置。可促进HCCI和火花点火平稳操作的HCCI发动机,并不必须具有可变阀驱动装置23和24。
可以在分支通道26a和26b上分别布置一由控制器12控制的流量调节阀,以取代三向阀34。
HCCI发动机10并不必须是固定的,它可以是汽车发动机。在这种情况下,发动机10必须可以在HCCI操作和火花点火操作之间切换。
可以使用一反映在HCCI可操作范围内的发动机转速与负荷之间关系的关系公式取代图M1。可以使用一反映在HCCI可操作范围内的吸入气体温度与空燃比之间关系的关系公式取代图M2。可以使用一反映在HCCI可操作范围内的根据冷却剂温度的吸入气体温度与空燃比之间关系的关系公式取代图M3。每个关系公式都储存在存储器39中。
应当认为这些例子和实施例是说明性质的,而非限制性的,并且本发明也不仅限于此处所给出的各个细节,而是可以根据所附的权利要求在其范围内进行变化或做等效变化。
权利要求
1.一种用于控制均匀充气压缩点火发动机(10)的方法,其中,该发动机包括保持一活塞(15)的燃烧室(16),该活塞压缩由燃料和含氧气体构成的混合物以引燃该压缩混合物,在燃烧室中,活塞的往复运动被转化为输出轴(18)的旋转运动,吸入气体温度调整器(33,34)加热被吸入的含氧气体和/或混合物,该方法的特征在于确定空燃比或发动机负荷;判断空燃比或发动机负荷是否以这样的方式发生变化,即,根据第一图(M2)或第一关系公式判断是否存在发生爆震的可能性,其中,该第一图(M2)或第一关系公式根据空燃比或发动机负荷和吸入气体温度确定了第一范围,在第一范围内可启动稳定的均匀充气压缩点火操作;当具有发生爆震的可能性时,根据第一图(M2)或第一关系公式控制吸入气体温度调整器以降低吸入气体温度;判断空燃比或发动机负荷是否通过这样一种方式变化,即,根据上述第一图或第一关系公式判断是否存在发生不点火的可能性;以及当具有发生不点火的可能性时,根据第一图(M2)或第一关系公式控制吸入气体温度调节器,以提高吸入气体温度。
2.如权利要求1所述的方法,其特征还在于根据确定第二范围的第二图(M3)或第二关系公式判断发动机的冷却剂温度是否高于第二范围内的一标准值,以及是否可启动均匀充气压缩点火操作,其中,在第二范围内可根据特定吸入气体温度下的冷却剂温度和空燃比启动稳定的均匀充气压缩点火操作。
3.如权利要求2所述的方法,还包括根据确定第三范围的第三图(M1)或第三关系公式判断必要发动机转速和发动机负荷是否位于第三范围内并可启动均匀充气压缩点火操作,其中,在第三范围内可根据发动机转速和发动机负荷启动稳定的均匀充气压缩点火操作。
4.如权利要求2或3所述的方法,其中均匀充气压缩点火发动机具有一布置在燃烧室内的点火装置(42),该方法的特征还在于当冷却剂温度低于标准值,无法启动均匀充气压缩点火操作时,使用点火装置(42)执行火花点火操作。
5.如权利要求1所述的方法,其中均匀充气压缩点火发动机具有一布置在燃烧室内的点火装置(42),该方法的特征还在于在发动机预热之前,使用点火装置执行火花点火操作;和使用确定第二范围的第二图(M1)或第二关系公式判断必要的发动机转速和发动机负荷是否位于第二范围之内以使启动稳定的均匀充气压缩点火操作成为可能,其中,在第二范围之内可根据发动机转速和发动机负荷启动稳定的均匀充气压缩点火操作。
6.一种均匀充气压缩点火发动机(10),包括保持一活塞(15)的燃烧室(16),其中该活塞压缩由燃料和含氧气体构成的混合物以引燃该压缩混合物,一用于测定空燃比或发动机负荷的确认单元(12,36),一用于加热吸入的含氧气体和/或混合物的吸入气体温度调整器(33,34),该发动机的特征在于一用于储存确定第一范围的第一图(M2)或第一关系公式的存储器(39),在第一范围内可根据空燃比或发动机负荷和吸入气体温度启动稳定的均匀充气压缩点火操作;和一控制单元(12),分别连接至确认单元(12,36)、吸入气体温度调整器(33,34)、和存储装置(39),当吸入气体温度高于第一范围上限值时,该控制单元控制吸入气体温度调整装置以降低吸入气体温度,当吸入气体温度低于第一范围下限值时,该控制单元控制吸入气体温度调整装置以提高吸入气体温度,其中,吸入气体温度是与由确认单元测定的空燃比或发动机负荷相对应的。
7.如权利要求6所述的均匀充气压缩点火发动机,其特征在于第一图的第一范围的边界在设定时考虑了一安全余量。
8.如权利要求7所述的均匀充气压缩点火发动机,其特征在于安全余量被设定为与空燃比或发动机负荷相对应的吸入气体温度范围的10%。
9.如权利要求6所述的均匀充气压缩点火发动机,其特征在于存储装置(39)存储确定了第二范围的第二图(M3)或第二关系公式,其中在第二范围内,根据特定吸入气体温度下的冷却剂温度和空燃比,可启动稳定的均匀充气压缩点火操作;以及控制单元(12)根据第二范围判断冷却剂温度是否高于一标准值,和是否可启动均匀充气压缩点火操作。
10.如权利要求9所述的均匀充气压缩点火发动机,其特征在于存储装置(39)存储确定了第三范围的第三图(M1)或第三关系公式,其中在第三范围内,根据发动机转速和发动机负荷,可启动稳定的均匀充气压缩点火操作;以及控制单元(12)判断必要的发动机转速和发动机负荷是否位于第三范围之内,和是否可启动均匀充气压缩点火操作。
11.如权利要求9或10所述的均匀充气压缩点火发动机,其特征还在于一布置在燃烧室内的点火装置(42),其中,当冷却剂温度低于标准值且无法启动均匀充气压缩点火操作时,控制单元(12)使用点火装置执行火花点火操作。
12.如权利要求6所述的均匀充气压缩点火发动机,其特征在于存储装置(39)储存确定第二范围的第二图(M1)或第二关系公式,其中,根据发动机转速和发动机负荷,在该第二范围中可启动稳定的均匀充气压缩点火操作,该发动机还包括一布置在燃烧室之内的点火装置(42),其中,控制单元在发动机预热之前使用该点火装置执行火花点火操作,并判断必要发动机转速和发动机负荷是否位于第二范围之内,以及是否在发动机预热之后启动均匀充气压缩点火操作。
13.如权利要求6所述的均匀充气压缩点火发动机,其特征在于该发动机(10)包括发动机冷却剂和发动机油,并且通过压缩点火产生排出气体,吸入气体温度调整器(33,34)包括一热交换器,其中,该热交换器在吸入气体与排出气体、发动机冷却剂和发动机油三者中的至少一种之间交换热量。
全文摘要
一种均匀充气压缩点火发动机,当其在预定条件下工作时,当由于某种原因造成输出功率变化,以及负载或空燃比变化时,可以防止爆震和不点火。一控制器根据一确定了一个范围的图判断空燃比的变化是否会带来产生爆震或不点火的可能性,其中,在该范围内,根据空燃比和吸入气体温度可启动均匀充气压缩点火操作。当空燃比指示可能会产生爆震或不点火时,控制器控制吸入气体温度调整器以根据上述的图调整吸入气体温度。
文档编号F02M31/08GK1690392SQ20051007833
公开日2005年11月2日 申请日期2005年4月15日 优先权日2004年4月16日
发明者葛山裕史, 青木茂 申请人:株式会社丰田自动织机


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