[发明专利]在燃料直喷发动机受控自动点火与火花点火模式之间转换的方法

说明书

技术领域

本发明涉及汽油直喷发动机中受控自动点火与火花点火火焰传播燃烧之间稳固转换的方法。

背景技术

为提高汽油内燃机的热效率，已知可使用空气或者再循环的废气稀释燃烧来提高热效率、降低NOx排放。但是，因为由于燃烧缓慢而引起的不发火和燃烧不稳定性，存在发动机可使用稀薄混合物操作的限制。扩充稀薄限制的已知方法包括：1)通过提高点火和燃料准备来提高混合物不稳定性；2)通过引入充气动作和湍流，提高火焰速度；以及3)在受控自动点火燃烧的情形下操作发动机。

受控自动点火过程有时称为均质充气压缩点火(HCCI)过程。在该过程中，压缩期间，产生燃烧气体(空气与燃料)混合物，同时从混合物中的许多点火点自动点火，产生非常稳定的功率输出和高的热效率。由于其燃烧非常稀薄，在整个充气中均匀分配，所以燃烧气体温度基本低于基于传递火焰峰的传统火花点火式发动机和基于所附扩散火焰的柴油机的燃烧气体温度，从而NOx排放也低。在火花点火式发动机和柴油机中，混合物中的燃烧气体温度极度不均匀，会有非常高的局部温度，从而产生高NOx排放。

在使用传统压缩比的两冲程汽油机中，已经成功证明了在受控自动点火燃烧情形下的发动机操作。通常认为，提供在高稀薄混合物中促进自动点火所必需的高混合物温度的原因是，从前一循环留下的高比例燃烧气体，即高比例残留量。在具有传统气门装置的四冲程发动机中，残留量低，在部分负载情况下难以获得受控自动点火。在部分负载情况下引起受控自动点火的已知方法包括：1)加热进气；2)可变压缩比；以及3)将汽油与比汽油具有更宽自动点火范围的燃料混合。在上面所有的方法中，可获得受控自动点火的发动机速度与负载范围比较窄。

在使用可变气门致动以在高度稀薄混合物中获得自动点火必要条件的四冲程发动机中，已经证明了在受控自动点火燃烧情形下的发动机操作。已经提出将包括分散喷射(split injection)和单喷射(singleinjection)的各种燃料供给控制与气门控制策略结合，以在各种发动机负载条件下都保持稳定的自动点火燃烧。

在共同转让的美国专利申请No.10/899,457中，公开了一种用于稳定、扩展受控自动点火的典型燃料喷射和气门策略。其中，在低部分负载操作期间，在负气门重叠(negative valve overlap)时间段期间的固定燃料量的第一喷射之后，为随后压缩冲程期间的第二燃料喷射。随着发动机负载的增加，第一喷射的喷射正时以连续的方式延迟，第二喷射的喷射正时以连续的方式提前。在中度负载操作期间，由进气冲程期间的第二燃料喷射紧随在其后的负气门重叠时间段期间的第一喷射支持自动点火。两个喷射的最佳分度为约30至60度曲轴角。随着发动机负载的增加，两个喷射的喷射正时都以连续的方式延迟。并且，在高部分负载操作期间，仅进气冲程期间的燃料喷射就支持了自动点火。随着发动机负载的增加，喷射正时延迟。

为了最佳燃料经济性，稀空气燃料比操作是从低负载至高负载的最佳模式。但是，随着发动机负载或燃料供给率增加，发动机的NOx排放也增加。超过一定的发动机负载，NOx的排放水平会超过限制值。如果传统的三路后处理装置与稀空燃比发动机操作一起使用，那么就会大大地降低NOx后处理转换效率。因此，随着负载增加，在某些点需要从稀空燃比转换为化学当量空燃比发动机操作，使得可使用传统三路后处理装置来有效地控制NOx排放。

通过利用具有多重喷射能力的燃料喷射器和火花塞，能够进一步扩充汽油直喷受控自动点火燃烧发动机的中负载操作限制，其中汽油直喷受控自动点火燃烧发动机能够使用传统的三路后处理系统作为排放控制装置。第一燃料喷射发生在进气冲程早期，以在接近压缩冲程结束时，在整个燃烧室形成稀空气燃料混合物。第二燃料喷射发生在进气冲程后期，或者发生在压缩冲程，以在火花塞附近产生具有可燃混合物的分层空气燃料混合物。火花塞用于点火可燃混合物，火花塞正时会极大地影响燃烧相位。火花点火式燃烧作为燃烧源，引起周围的稀混合物的自动点火，以在燃烧冲程的TDC之后的目标曲轴角燃烧。这样，实现了由两个分散但相关的过程组成的混合模式燃烧过程。另外，发动机运行在具有外部EGR稀释(external EGR dilution)的化学当量空燃比，所以传统的后处理装置足以控制发动机排放。外部EGR稀释还作为自动点火燃烧相位期间的有效燃烧率控制参数。通过可接受的压力升高最大速率或压力波动幅度，汽油直喷受控自动点火燃烧发动机的高负载限制扩大了超过10％。