使用汽油类燃料的控温燃烧发动机的操作方法技术

本发明专利技术提供了具有控制系统的多缸均质充量压燃（ＨＣＣＩ）型发动机，也称作预混合充量压燃（ＰＣＣＩ）发动机，设计所述控制系统在发动机从一个速度／负荷工作点转变到另一个速度／负荷工作点期间维持稳定、高效、低排放的ＨＣＣＩ燃烧。通过下面优选的方法，调节燃烧事件中影响曲柄角位置的规定的“发动机工作参数”（即，充气进口温度、进气压力（增压）、充气氧气浓度、发动机冷却和发动机压缩比），配合燃料量的调节来获得本发明专利技术的ＨＣＣＩ燃烧控制：（１）对于每个汽缸的每个周期，确定现有的“燃烧参数”值，如压力上升的最大速率（ＭＲＰＲ）；（２）调节发动机的发动机工作参数以实现所述燃烧参数值的变化；（３）此后，响应调节后的发动机操作条件的效果，对每个汽缸调节发动机“控制参数”（例如命令的燃料量）以维持燃烧参数值的所需目标；及（４）对每个“异常”（偏离）汽缸单独调节冷却、加热和／或燃料命令，以实现均匀的燃烧。还提出了使ＨＣＣＩ燃烧稳定性最大化的优选的控制策略，如平均检测到的燃烧参数值和／或忽略在规定不工作区内的燃烧参数值，从而忽略在稳定的ＨＣＣＩ工作点处燃烧参数值的各周期间的随机变化。使这种发动机燃烧可变性最小的其它方法包括增加进气压力（增压）并控制燃烧室冷却，并且另外进行说明。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在使用汽油类燃料的多缸控温燃烧发动机，特别是在均质充量压燃(HCCI)型发动机，也称作预混合充量压燃(PCCI)发动机中控制燃烧的方法。
技术介绍
许多现有技术文献认识到几个参数影响HCCI发动机中燃烧的引发。举例来说参阅授予Flynn等的美国专利第6,286,482号和Aceves，HCCI CombustionAnalysis and Experiments，SAE2001-01-2077。这种认识到的参数包括燃料类型、压缩比、进口充气温度、充气中的氧气浓度、当量比(equivalence rate)、充气密度和增压(boost)压力。但是，现有技术中缺乏在发动机转速(engine’sspeed)和负荷运行的全程内控制HCCI发动机中燃烧引发为最优时间(例如由曲柄角位置确定)的实际方法。另外，现有技术还缺乏成功地从一个速度/负荷工作点转变到另一个速度/负荷工作点快速转变(即控制瞬态发动机操作)的实际方法。另外，现有技术还缺乏在发动机瞬变期间在多缸发动机中调节(平衡)汽缸到汽缸的燃烧(需要非常快的调节，例如在一次发动机循环内或者在高发动机转速下小于1/30秒)的实际方法。本专利技术提供了消除了现有技术的这些和其它特点的具备HCCI燃烧的发动机的操作方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种HCCI发动机，其具有在发动机从一个速度/负荷工作点转变到另一个速度/负荷工作点期间维持稳定、高效、低排放HCCI燃烧的控制系统。本专利技术还在优选的多缸发动机实施方案中提供单独汽缸的燃烧控制。如关于本专利技术的控温燃烧发动机主申请中所述，对于各种发动机转速和负荷工作点燃烧事件中影响曲柄角位置的关键参数(本文中通常称作“发动机工作参数”)包括充气进口温度(T1)、进气压力(增压)、充气氧气浓度、发动机冷却和发动机压缩比。在本专利技术中，根据燃料量的调节而调节这些“发动机工作参数”，使HCCI发动机在本文中将要说明的速度和负荷条件之间转变。对于本申请，“发动机工作参数”不同于发动机“燃烧参数”(即定时、持续时间或燃烧率的特征)或者发动机“控制参数”(即控制发动机操作的优势或主要决定因素)。如本专利技术的目的所定义，在下面的表1中总结了样品的各种参数。在本专利技术优选的实施方案中，HCCI发动机如下操作(1)通过对每个汽缸的每次循环确定现有的“燃烧参数”值，例如压力上升的最大速率(MRPR)来确定快速燃烧的开始，并且对于每个速度/负荷发动机工作点，对每个汽缸调节发动机“控制参数”(例如命令的燃料量)以维持目标燃烧参数值(例如MRPR)。(2)比较每个单独汽缸与其它汽缸的命令燃料量(即发动机控制参数)并且调节单独“异常”(“outlier”)(偏离)汽缸的发动机工作参数(例如冷却/加热)，或者使用其它装置来实现汽缸到汽缸可接受的均匀的燃烧和命令的燃料量。通过调节汽缸中(到单独汽缸)的冷却剂流可以实现单独汽缸的温度调节。优选的调节通过单独汽缸的热EGR流速控制而调节进口充气温度(发动机工作参数)来实现。(3)通过首先调节发动机的至少一个工作参数(例如进气温度、进气压力、进气氧气浓度或许是压缩比)代替现有技术中“首先”增加或降低燃料量来实现速度/负荷命令的改变。然后，燃料量“跟随”或响应调节的发动机工作条件的影响，以维持目标燃烧参数值(例如MRPR)。因此，与现有技术的HCCI方法不同，本专利技术响应源于发动机工作参数变化的改变的燃烧事件特征来控制并调节燃料量。相比而言，现有技术的HCCI方法改变发动机速或燃料量(即负荷)，然后调节/控制发动机工作条件。总之，本专利技术的HCCI发动机通过调节某些发动机工作参数(例如进气温度、进气氧气浓度、进气增压、发动机冷却等)来控制负荷(并且对速度变化作出反应)。燃料调节遵循发动机的改变的工作条件以在给定的速度下提供所需的发动机负荷，并且在汽缸到汽缸的基础上通过控制器调节燃料以实现并维持从存储的发动机地图获得的目标发动机燃烧参数(例如峰值汽缸压力的位置、汽缸压力上升的最大速率等)，从而实现燃烧事件的最优位置(和特性)。在优选的实施方案中，在闭环燃料控制下维持每个单独汽缸以实现并维持目标发动机燃烧参数。因此，在优选的实施方案中，燃料控制是主要的发动机燃烧控制参数。表1在本专利技术说明书中使用的“参数”发动机工作参数-影响燃烧事件特性(例如曲柄角位置)和在本专利技术方法中首先改变以引起发动机负荷改变(并且对速度变化作出反应)的参数。发动机工作参数包括-进口充气温度-进口充气氧气浓度-进口充气压力(增压水平)-发动机冷却-发动机压缩比发动机燃烧参数-表征燃烧事件定时、速率或持续时间的参数。发动机燃烧参数包括-燃烧压力上升的最大速率(MRPR)-燃烧事件的曲柄角位置-峰值燃烧压力的位置-快速燃烧的开始发动机控制参数-当一个或多个发动机工作参数改变时控制来维持目标燃烧参数值的参数，其作为优选的参数包括-燃料消耗率(fuel rate)附图说明图1是本专利技术HCCI内燃机系统的优选实施方案的示意图。图2是本专利技术方法优选步骤的流程图。图3是表示根据本专利技术在给定的速度/负荷条件下对于稳定的HCCI燃烧样品发动机工作参数值的图。图4表示在结合本专利技术优选控制策略使用的发动机控制参数和燃烧参数之间的控制响应。图5是表示在根据本专利技术操作的HCCI发动机下样品逐个周期(cycle-by-cycle)燃烧参数变化的图。图6表示了当结合本专利技术可选的优选控制策略考虑并使用时，发动机控制参数和燃烧参数之间的控制响应。图7a表示了反映HCCI发动机中爆震的压力记录图。图7b表示了反映HCCI发动机中接近失火的压力记录图。具体实施例方式图1表示了根据本专利技术用于多缸发动机22的HCCI燃烧系统的优选实施方案。进气在端口11处进入进气系统并且流过可选的阀12。排气可能在端口13处与进气混合(形成充气混合物)，排气管线15中的EGR控制阀12’产生排气背压(exhaust back pressure)，迫使排气通过端口16流过可选的冷却器17(具有可选的冷凝水回流管线18)并且流过可选的开关控制阀14到达端口13。(可以代替使用可选的“高压”EGR系统，其将连接在涡轮机/马达27前的排气线与压缩机19后的进气线)。然后可以由涡轮机/马达27和/或可选的马达28驱动，充气流过可选的压缩机19。压缩机19和马达27及28可以是单个单元或者是串联或并联的多个单元，这将在本领域中是公知的。继续看图1，一部分或者所有充气可以流过排气-充气热交换器20’以加热充气，并且一部分或者所有充气可以绕过热交换器20’，这种流动受旁通阀61’控制。热交换器20’可以位于排气系统的任何地方，但是优选在涡轮机/马达27后面，或者在发动机“冷却剂”系统内。然后，一部分或者所有充气可以优选地流过热交换器20(以冷却充气)，或者流过旁路，这由旁通阀61控制。然后，充气进入进气歧管21和发动机22。单独端口燃料喷射器53位于进气歧管21的单独汽缸进气流道中以允许单独汽缸的燃料控制。可选地，或者另外，可以使用直接汽缸燃料喷射器23来向每个汽缸供应燃料。可以使用单独端口热EGR阀62控制热的排气从端口62’处排气流到每个汽缸的进气流道以允许单独汽缸的热EGR流动。通过传统的进气阀(未显示)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可按均质充量压燃模式操作的内燃机，其包括：具有多个在其中形成的燃烧汽缸的发动机体；在每个燃烧汽缸中形成的用于燃料和充气混合物燃烧的燃烧室；用来确定所述燃烧的一个或多个燃烧参数的燃烧参数确定装置；用来调节一个或多个发动机工作参数，从而对于随后的燃烧事件改变一个或多个燃烧参数值的发动机工作控制装置；及燃烧控制参数控制装置，被编程为响应所述燃烧参数值的变化，或者响应所述发动机工作参数的调节而调节燃烧控制参数值，并且，在通过发动机工作控制装置调节一个或多个发动机工作参数的同时限制或抵消所述燃烧参数值的变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-12-11 10/733,6961.一种可按均质充量压燃模式操作的内燃机，其包括具有多个在其中形成的燃烧汽缸的发动机体；在每个燃烧汽缸中形成的用于燃料和充气混合物燃烧的燃烧室；用来确定所述燃烧的一个或多个燃烧参数的燃烧参数确定装置；用来调节一个或多个发动机工作参数，从而对于随后的燃烧事件改变一个或多个燃烧参数值的发动机工作控制装置；及燃烧控制参数控制装置，被编程为响应所述燃烧参数值的变化，或者响应所述发动机工作参数的调节而调节燃烧控制参数值，并且，在通过发动机工作控制装置调节一个或多个发动机工作参数的同时限制或抵消所述燃烧参数值的变化。2.根据权利要求1的内燃机，其中所述燃烧控制参数是燃料量。3.根据权利要求1的内燃机，其中所述燃烧控制参数是进口充气温度。4.根据权利要求1的内燃机，其中所述燃烧控制参数是进口充气氧气浓度。5.根据权利要求1的内燃机，其中所述进口充气氧气浓度是由发动机工作控制装置调节的发动机工作参数之一。6.根据权利要求1的内燃机，另外包括用来再循环热的高压排气以增加用于燃烧的充气的进气温度的装置。7.根据权利要求1的内燃机，其中所述发动机工作控制装置对于每个燃烧汽缸单独调节一个或多个发动机工作参数。8.根据权利要求7的内燃机，其中对于每个燃烧汽缸单独确定并调节充气的进气温度。9.根据权利要求7的内燃机，其中对于每个燃烧汽缸单独确定并调节充气的进气压力。10.根据权利要求7的内燃机，其中对于每个燃烧汽缸单独确定并调节充气的氧气浓度。11.根据权利要求7的内燃机，其中对于每个燃烧汽缸单独确定并调节室壁的温度。12.根据权利要求11的内燃机，另外包括用于每个燃烧汽缸的单独汽缸冷却的装置。13.根据权利要求1的内燃机，其中所述燃烧控制参数控制装置被另外编程以响应所述确定的燃烧参数的平均值控制燃烧控制参数，从而降低发动机燃烧可变性的影响。14.根据权利要求13的内燃机，其中被平均以给出所确定的燃烧参数的所述平均值的事件数量是发动机转速、负荷或瞬间条件的函数。15.根据权利要求13的内燃机，其中如果所述平均值落在规定的不工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：小查尔斯L格雷，
申请(专利权)人：美国环境保护署，
类型：发明
国别省市：US[美国]