预混合压缩点火型发动机和控制这种发动机的方法.pdf

一种预混合压缩点火型发动机在火花点火燃烧和压缩点火燃烧之间进行转换的同时被操作。这种发动机在压缩点火燃烧下的稳定操作期间具有负的交迭期。在同一气缸中，在火花点火燃烧下的稳定操作期间的排气门的气门闭合正时相对于其在转换之后的气门闭合正时有所延迟。在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后首先转换进气门的情况下，在从火花点火燃烧至压缩点火燃烧的转换期期间，进气门的气门开启正时相对于其在火花点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时处于提前的状态。

1.  一种控制预混合压缩点火型发动机的方法，所述发动机具有
至少一个气缸，
燃烧室，
进气门，和
排气门，且
其在火花点火燃烧与压缩点火燃烧之间进行转换的同时被操作，所述方法包括：
执行对所述进气门和所述排气门的开启/闭合控制，以设定负的交迭期，在所述负的交迭期中，相对于所述压缩点火燃烧下的稳定操作期间的压缩上死点，所述排气门更早闭合并且所述进气门更迟开启；
执行控制，以使得在从所述火花点火燃烧到所述压缩点火燃烧的转换之前所述排气门的气门闭合正时相对于同一气缸中在所述转换之后所述排气门的气门闭合正时有所延迟；且
执行控制，以便在从所述火花点火燃烧到所述压缩点火燃烧的转换开始之后首先转换所述进气门的情况下，使得所述进气门的气门开启正时相对于其在所述压缩点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时有所提前。

2.  根据权利要求1所述的控制预混合压缩点火型发动机的方法，其特征在于，所述预混合压缩点火型发动机还具有火花塞，所述方法还包括：
在从所述火花点火燃烧到所述压缩点火燃烧的转换开始之后首先转换所述进气门的情况下，在所述燃烧室中，至少在从所述火花点火燃烧到所述压缩点火燃烧的转换开始之后的第一燃烧循环期间通过所述火花塞执行点火。

3.  根据权利要求1所述的控制预混合压缩点火型发动机的方法，其特征在于，所述预混合压缩点火型发动机还具有火花塞，所述方法还包括：
在所述燃烧室中紧接从所述火花点火燃烧到所述压缩点火燃烧的转换开始之前的燃烧循环中，使得用于所述火花塞点火的正时相对于在所述压缩点火燃烧下的稳定操作期间的点火正时有所延迟。

4.  根据权利要求1所述的控制预混合压缩点火型发动机的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在从所述火花点火燃烧到所述压缩点火燃烧的转换开始之后首先转换所述进气门的情况下，在从所述火花点火燃烧到所述压缩点火燃烧的转换开始后的第一燃烧循环结束之后开始延迟所述进气门的气门开启正时，并且使所述气门开启正时延迟到在所述压缩点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时。

5.  根据权利要求1所述的控制预混合压缩点火型发动机的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在从所述火花点火燃烧到所述压缩点火燃烧的转换开始之后首先转换所述进气门的情况下，在紧接从所述火花点火燃烧到所述压缩点火燃烧的转换开始之前的燃烧循环中，使所述进气门的气门开启正时相对于其在所述火花点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时有所提前。

6.  一种由根据权利要求1至5的其中任一权利要求所述的控制预混合压缩点火型发动机的方法所控制的预混合压缩点火型发动机，所述发动机包括具有至少两种不同类型的气门正时的多个气缸，其中：
在所述两种类型的气门正时的其中一种气门正时的情况下，在从所述火花点火燃烧到所述压缩点火燃烧的转换开始之后首先转换所述排气门；且
在所述两种类型的气门正时的另一种气门正时的情况下，在从所述火花点火燃烧到所述压缩点火燃烧的转换开始之后首先转换所述进气门。

预混合压缩点火型发动机和控制这种发动机的方法
技术领域
本发明涉及在火花点火燃烧和压缩点火燃烧之间进行转换的同时被操作的预混合压缩点火型发动机，以及控制这种发动机的方法。

背景
在火花点火(有时称为SI)燃烧和压缩点火(有时称为HCCI或均匀充气压缩点火)燃烧之间进行转换的同时操作的预混合压缩点火型发动机受控制，例如受日本专利申请特许公开No.2000-220458或No.2004-293458中所公开的控制方法的控制。
在JP2000-220458中，发动机的点火正时被延迟，以便在从火花点火燃烧转换至压缩点火燃烧时，使压缩点火先于火花点火，从而使得到压缩点火燃烧的过渡变得可靠且平滑。因为点火正时因而是逐步延迟的，所以燃烧期间所产生的压力，即，输出(诸如扭矩)逐步下降。因此，扭矩的波动幅度(扭矩阶)可保持较小，并且可在较低输出下实现到压缩点火燃烧的转换。因此，这种控制方法使得可能在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换期期间，致使气缸内的温度降低并抑制由于预点火或爆震引起的燃烧噪声等。
本发明公开
有待本发明解决的问题
这里，在多气缸发动机的情况下，用于开启/闭合排气门和进气门的凸轮轴通用于所有气缸。因此，用于在火花点火燃烧和压缩点火燃烧之间转换的正时(即，用于在火花点火燃烧的凸轮和压缩点火燃烧的凸轮之间转换的正时)通常被指定为通用于所有气缸的正时。另一方面，在多气缸发动机的情况下，各个气缸中的排气门和进气门的气门正时彼此偏离，并因而不一致。
图7是显示了根据传统多气缸发动机中的两种模式(即模式1和模式2)的气门正时的图表。虽然在图7中只显示了两种模式，但是根据气缸的数量，模式的数量可变为三种或更多。
例如，当在某一气缸中从火花点火燃烧至压缩点火燃烧的转换点是与火花点火燃烧(其被限定为模式1，见图7)期间进气冲程结束之后的压缩冲程相对应的正时的情况下，压缩点火燃烧的气门正时的转换是在排气门下次开启时进行的(该转换由排气门完成，也就是说排气门首先发生转换)，所以在具有负的交迭期的气门正时下的操作在该气缸中转换之后没有问题地执行。在JP2000-220458中公开的控制方法在具有前述气门正时(根据模式1)的气缸中有效地工作。
同时，其它气缸可以另一气门正时操作。在上述通用转换点是与排气冲程相对应的正时(排气门开启时的正时)(其被限定为模式2，见图7)的情况下，到压缩点火燃烧的气门正时的转换是在进气门下次开启时进行的(该转换由进气门完成，也就是说，进气门首先发生转换)。在这种情况下，在转换点开启的排气门以火花点火燃烧的气门正时操作，即在正常气门正时(这样的燃烧循环中的气门正时：其中从火花点火燃烧转换至压缩点火燃烧之前的排气门的气门闭合正时(在火花点火燃烧下稳定操作期间)相对于转换之后(在压缩点火燃烧下稳定操作期间，参见图7(A))的排气门的气门闭合正时有所延迟)下操作。接下来开启的进气门以压缩点火燃烧的气门正时，即，具有负的交迭期(在稳定操作期间的气门正时)的气门正时(迟开正时)来操作。在具有根据这种模式的气门正时的气缸中，当发生从火花点火燃烧至压缩点火燃烧的转换时，排气门在靠近压缩上死点处闭合，并且进气门在之后开启。
如JP2004-293458中所公开的那样，在压缩点火型发动机中，当排气门以正常的气门正时(压缩上死点附近)闭合，并且进气门在之后开启(见JP2004-293458的图1(a))时，会产生″进气加热效应″。也就是说，当燃烧室中的压力变为负压时，开始吸入进气，使得进气很快地流入到燃烧室中，并由于绝热压缩效应而得到高效的加热(参见图7(B))。因而高效地执行了压缩点火燃烧。那些气门正时与上述″其它气缸″中的气门正时是相同的。因此，在其它具有符合前述模式2的气门正时的气缸的转换期期间也产生了进气加热效应。
当没有获得高温内部排气再循环(EGR)时，例如当发动机起动时，可利用这种进气加热效应。然而，进气加热效应的影响在正常操作期间太强，所以在各个具有这种气门正时的气缸中的转换期期间会发生异常燃烧，例如提前点火或爆震，使得转换如上所述由进气门完成。因此，在具有如上所述(根据模式2)的气门正时的各个气缸中，不能简单地通过在转换时延迟点火正时而轻易地抑制提前点火或爆震的发生，所以在JP2000-220458中所公开的前述控制方法不能有效地起作用。
因此本发明的一个目的是提供一种预混合压缩点火型发动机和控制这种发动机的方法，其使得可能在从火花点火燃烧至压缩点火燃烧的转换期期间抑制提前点火或爆震的发生，即使当这种转换是从进气门开始进行的。
用于解决问题的方法
为了实现根据本发明的上述目的，提供了一种控制预混合压缩点火型发动机的方法，该发动机包括至少一个气缸、燃烧室、进气门以及在火花点火燃烧和压缩点火燃烧之间转换的同时操作的排气门，该方法包括：执行进气门和排气门的开启/闭合控制，以设置这样的负的交迭期-其中相对于压缩点火燃烧的稳定操作期间的压缩上死点，排气门较早闭合且进气门较迟开启；执行控制以使得从火花点火燃烧转换至压缩点火燃烧之前的排气门的气门闭合正时相对于同一气缸中发生转换之后的排气门的气门闭合正时有所延迟；并且执行控制，以便在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后首先转换进气门的情况下，使进气门的气门开启正时相对于其在压缩点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时有所提前。
根据本发明的预混合压缩点火型发动机包括多个气缸，其具有至少两种不同类型的气门正时、燃烧室、进气门和排气门，其中：在这两种气门正时的其中一种气门正时的情况下，排气门在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后首先被转换；并且在这两种气门正时的另一气门正时的情况下，进气门在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后首先被转换。这种预混合压缩点火型发动机受到上述控制方法的控制。
在本发明中，负的交迭期指期间排气门和进气门两者都在排气上死点附近闭合时的时期。在这种情况下，排气门在到达排气上死点之前闭合。
受到前述控制预混合压缩点火型发动机的方法控制的预混合压缩点火型发动机具有多个带有至少两种不同类型的气门正时的气缸。对于这两种气门正时的其中一种气门正时，排气门在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后首先被转换。对于这两种气门正时的另一气门正时，进气门在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后首先被转换。在这种具有多个气缸的预混合压缩点火型发动机中，存在两种模式，即由排气门开始进行转换所依据的模式和由进气门开始进行转换所依据的模式。通过采用这种预混合压缩点火型发动机，可抑制在转换期期间发生提前点火或爆震。
图纸简要说明
图1是显示了根据本发明一个实施例的预混合压缩点火型发动机的单个气缸的整体构造的简图。
图2是显示了图1的预混合压缩点火型发动机中的点火正时和进气门的气门开启正时的图表。
图3是显示了根据图1的预混合压缩点火型发动机中的两种模式，即模式1和模式2的气门正时的图表。
图4是显示了在模式1的情况下，在图1的预混合压缩点火型发动机中紧接着转换开始之后的气门升程特性的示意图。
图5是显示了在模式2的情况下，在图1的预混合压缩点火型发动机中进行转换期间的气门升程特性的示意图。
图6是显示了图1的预混合压缩点火型发动机中的气缸内压力的曲线图。
图7是显示了根据传统多气缸发动机中的两种模式，即模式1和模式2的气门正时图表。
图8是显示了在模式2的情况下，在传统多气缸发动机中进行转换期间的气门升程特性的示意图。
图9是显示了传统多气缸发动机的气缸内压力的曲线图。
图10是显示了根据本发明一个实施例的预混合压缩点火型发动机中的可变气门正时机构的示意图。
图11是显示了根据本发明实施例的预混合压缩点火型发动机中的可变气门操作机构的构造的透视性示意图。
用于实现本发明的最佳模式
以下将参照图纸来描述本发明的优选实施例。在以下描述中，术语″转换点″指对应于从火花点火燃烧开始转换至压缩点火燃烧的时间。术语″转换的开始″指当发出这样的转换信号的时间：该转换信号用于进行从火花点火燃烧期间的气门升程控制到压缩点火燃烧期间的气门升程控制的转换。术语″转换期″指从转换开始的时刻至进入压缩点火燃烧下稳定操作状态时刻的时期。表述″在转换时″指转换点附近的时间段。术语″气门开启正时″指气门开始开启时的时间点。
(整体构造)
首先，将参照图1来描述根据本发明实施例的预混合压缩点火型发动机的整体构造。图1显示了根据本发明实施例的、包括一个气缸的预混合压缩点火型发动机的整体构造。
在本发明的这个实施例中，预混合压缩点火型发动机1具有四个串联布置的气缸。那些气缸根据排列顺序而分别被称为第一气缸、第二气缸、第三气缸和第四气缸。图1显示了那些气缸的其中一个气缸(第一气缸至第四气缸在构造上相同)。第一气缸至第四气缸具有不同的燃烧循环，并且第一气缸至第四气缸的气门正时彼此偏移90°的曲柄角。气缸数量也并不局限于四个。
如图1中所示，预混合压缩点火型发动机1具有燃烧室10、通向燃烧室10的进气口11p、进气门11v、排气门12v和排气口12p。预混合压缩点火型发动机1根据操作条件(负荷和发动机转速)而在火花点火燃烧和压缩点火燃烧之间恰当地转换。通过如上所述根据操作条件而在压缩点火燃烧和火花点火燃烧之间进行转换，可获得由压缩点火燃烧所产生的低燃料消耗和由火花点火燃烧所产生的高输出两者。
预混合压缩点火型发动机1具有混合部分4，进气口11p延伸越过该混合部分4。燃料通过燃料供应通道2p而被供应至混合部分4。之后在混合部分4中使燃料与空气相混合。虽然可使用气态燃料例如LPG、丁烷、或丙烷作为燃料，但是还可使用除上述气态燃料之外的燃料，例如汽油等作为燃料。具体地说，用作混合部分4的是混合器(在气态燃料的情况下)、汽化器等。
预混合压缩点火型发动机1构造有节流阀3和燃料阀2v。另外，预混合压缩点火型发动机1具有ECU5(电子控制单元)。燃料阀2v、节流阀3、进气门11v、火花塞(点火器)60c和排气门12v分别通过控制电缆5a至5e而电连接在ECU5上。ECU5对于第一气缸至第四气缸是通用的。ECU5设计成以便控制燃料阀2v、节流阀3、进气门11v、火花塞60c和排气门12v的操作。
ECU5(通过凸轮轴的控制)控制凸轮凸角11c和12c的操作，从而开启/闭合进气门11v和排气门12v。虽然图1中以简化方式显示，但在本发明的实施例中采用了将在后文描述的可变气门正时机构，从而可恰当地改变进气门11v的气门开启正时/闭合正时。在本发明的实施例中，如将在后文中所述，还采用了一种可变气门操作机构。更具体地说，各个凸轮凸角11c和12c构造有用于压缩点火燃烧的具备小升程量的低升程凸轮和用于火花点火燃烧的具备大升程量的高升程凸轮(图1中只显示了定位在前侧的一个)。根据操作状态在低升程凸轮和高升程凸轮之间进行转换，以改变各个进气门11v和排气门12v的气门升程量和气门开启正时/闭合正时(例如，采用JP H05-106411和JP H10-18826中所公开的技术)。
如图1中所示，节流阀3构造有轴3c和阀门部分3v。ECU5控制节流阀3，以调整阀门部分3v的开度。从而调整了通过进气口11p供给燃烧室10的进气量。提供了燃料阀2v，使得燃料供应通道2p延伸越过该燃料阀。ECU5控制燃料阀2v，以调整其开度。从而调整供给进气口11p的燃料量。
(可变气门正时机构的描述)
将参照图10的示意图来描述根据本发明实施例的可变气门正时机构的概况。在预混合压缩点火型发动机1的气缸头中，彼此相邻地提供了用于驱动排气门的排气侧凸轮轴57和用于驱动进气门的进气侧凸轮轴56。正时带(链条)68缠绕在设于排气侧凸轮轴57一端处的排气凸轮带轮66和设于曲轴22一端处的曲柄带轮63之间。另外，安装在排气侧凸轮轴57另一端处的传动齿轮49与安装在进气侧凸轮轴56端部处的从动齿轮48相啮合。这样，通过曲轴22的旋转，通过曲柄带轮63、正时带68和排气凸轮带轮66而旋转地驱动排气侧凸轮轴57，并且通过传动齿轮49和从动齿轮48而旋转地驱动进气侧凸轮轴56。
从动齿轮48装备有可变气门正时装置(VVT)，其设计成以便使从动齿轮48相对于传动齿轮49在轴向方向上移动。由于因VVT操作而引起的从动齿轮48在轴向方向上的移动，进气侧凸轮轴56的旋转相位发生移动，从而恰当地改变了各个气缸中的进气门11v的气门开启正时/闭合正时。应该注意这种构造是示意性地显示的，并且本发明应不局限于此。
由于前述可变气门正时机构的构造，用于执行气门正时的提前/延迟控制的进气侧凸轮轴56和排气侧凸轮轴57各自对于预混合压缩点火型发动机1的四个气缸均是通用的。因此，气门正时的提前/延迟控制会影响所有气缸。例如，当试图在气缸中的某一个中提前进气门的气门正时时，所有气缸中的进气门的气门正时都会被提前。凸轮轴56和57用于火花点火燃烧和压缩点火燃烧两者。因此，对于气缸中的某一个中的火花点火燃烧的提前/延迟会影响其它处于压缩点火燃烧下的气缸，反之亦然。
(可变气门操作机构的描述)
接下来，将参照图11来描述可变气门操作机构的构造。图11是显示了根据本发明实施例的可变气门操作机构的透视性示意图。虽然将参照图11描述用于进气门11v的凸轮11c，但用于排气门12v的凸轮12c也是以相同方式构造的。
可变气门操作机构110构造成容许进气门11v的气门开启正时/闭合正时或气门升程量在两级-即低升程(用于压缩点火燃烧)和高升程(用于火花点火燃烧)-之间进行恰当的转换。用于支承摇杆轴59的支承件(未显示)安装在气缸头上，并且低升程摇杆臂39r和高升程摇杆臂24r设置成彼此对齐，并且可摇摆地安装在用于各个气缸的摇杆轴59上。低升程摇杆臂39r通过具有小工作角度或小升程量的低升程凸轮凸角39的旋转而在图11的竖直方向上摇摆。当低升程摇杆臂39r摇摆时，进气门11v(或排气门12v)被开启/闭合。高升程摇杆臂24r通过带有大工作角度或大升程量的高升程凸轮24的旋转而在图11的竖直方向上摇摆。低升程摇杆臂39r可在恰当的时候与高升程摇杆臂24r联接或脱离。
更具体地说，在压缩点火燃烧期间，高升程摇杆臂24r脱离低升程摇杆臂39r。因此，在高升程摇杆臂24r通过高升程凸轮24的旋转而空转(其不影响进气门11v的升程)时，低升程摇杆臂39r通过低升程凸轮39的旋转而摇摆。结果，进气门11v根据对于低升程的气门正时和对于低升程的气门升程量而被开启/闭合。
在火花点火燃烧期间，高升程摇杆臂24r联接在低升程摇杆臂39r上。因此，高升程摇杆臂24r和低升程摇杆臂39r通过高升程凸轮24的旋转而一体地摇摆，从而进气门11v以对于高升程的气门正时和气门升程量开启/闭合。虽然图11中显示了具有两个低升程凸轮和单个高升程凸轮的可变气门操作机构，但是本发明并不局限于这种构造。
(火花点火燃烧和压缩点火燃烧期间的气门升程特性的描述)
图4是显示了在稳定操作期间气门升程特性(量和正时)的示意图。图4显示了在同一气缸中火花点火燃烧和压缩点火燃烧期间各个燃烧循环的周期性气门升程特性。参照图4，火花点火燃烧期间的各个气门升程特性由″SI_V″表示，且压缩点火燃烧期间的各个气门升程特性由″HCCI_V″表示。在图4中，横坐标轴代表曲柄角。假设一个周期(一个燃烧循环)包括四个冲程，即燃烧、排气、进气和压缩，则进气门11v和排气门12v在这个燃烧循环中以周期性的气门升程特性来操作。
如图4中所示，预混合压缩点火型发动机1具有用于火花点火燃烧(SI)和压缩点火燃烧(HCCI)的相应的气门升程量和气门正时。因而，在火花点火燃烧或压缩点火燃烧期间，排气门12v和进气门11v两者以气门升程特性(量和正时)(见图4)中预定的一种特性进行开启/闭合。在压缩点火燃烧下的稳定操作期间，预混合压缩点火型发动机1操作使得进气门11v和排气门12v具有负的交迭期。也就是说，存在期间排气门12v和进气门11v两者在排气上死点附近都闭合的时期，并且排气门12v在到达排气上死点之前闭合(见图4)。利用这种构造，预混合压缩点火型发动机1在内部EGR的辅助下执行压缩点火燃烧。通过如上所述设定负的交迭期和利用内部EGR，可实现在压缩点火燃烧期间改善可燃性。
另一方面，在预混合压缩点火型发动机1的同一气缸中，在火花点火燃烧下稳定操作的情况下的排气门12v气门闭合正时(参见图4(1))相对于在压缩点火燃烧下稳定操作情况下的排气门12v气门闭合正时有所延迟(参见图4(2))(参见图3(a)，其将在后文中进行描述)。也就是说，在相应的燃烧循环中，从火花点火燃烧转换至压缩点火燃烧之前的排气门12v的气门闭合正时相对于在转换之后排气门12v的气门闭合正时有所延迟。在火花点火燃烧下的稳定操作期间，排气门12v以正常气门正时操作(进气门11v也是如此)。表述″在相应的燃烧循环中″意味着用在压缩点火燃烧期间的周期性的气门升程特性和在火花点火燃烧期间的周期性的气门升程特性进行了比较，其如图4中所示的交迭方式显示(比较是在相同的燃烧循环中进行的)。
(各个气缸中的燃烧循环模式的描述)
预混合压缩点火型发动机1的第一气缸至第四气缸具有不同的气门正时(根据四个模式)。表述″不同的气门正时″意味着气门正时如上所述彼此偏移(各偏移90°)，但气门正时的周期(燃烧循环的周期)在气缸间仍保持不变。在这两种气门正时的其中一种气门正时(其被称为模式1)的情况下，排气门12v在从火花点火燃烧至压缩点火燃烧的转换开始之后首先被转换。在这两种气门正时中的另一种气门正时(其被称为模式2)的情况下，进气门11v在从火花点火燃烧至压缩点火燃烧的转换开始之后首先被转换(但排气门12v在转换点上已经开启)。在本发明的实施例中，分别将第三气缸设定成以根据模式1的气门正时操作，并且将第二气缸设定成以根据模式2的气门正时操作。作为一个示例，在解释图4压缩点火燃烧期间进气门11v的″气门开启正时″的时间时，进气门11v的气门开启正时对应于箭头(3)指示的时间点。
(根据模式1和模式2对气门正时的描述)
图3是显示了根据本发明实施例的预混合压缩点火型发动机1中的两种模式的气门正时的图表。图3的上部部分代表根据模式1的气门正时，且图3的下部部分代表根据模式2的气门正时。对于各个模式1和2，上部区域代表火花点火燃烧(SI)的气门正时，并且下部区域代表压缩点火燃烧(HCCI)的气门正时。如上所述，模式1表示第三气缸的气门正时，并且模式2表示第二气缸的气门正时。图3的代表曲柄角的横坐标轴对于模式1和模式2是通用的。也就是说，参照图3，″转换点″是对模式1和模式2通用的时间，并且代表由ECU5发出转换信号的时间。转换点代表用于″转换的开始″的正时。转换信号是用来在可变气门操作机构110控制下在各个凸轮11c和12c中进行从火花点火燃烧期间的气门升程控制至压缩点火燃烧期间的气门升程控制的转换的信号。在图3中，TDC和BDC分别代表上死点和下死点，并且压缩上死点对应于各个″燃烧″正时。图3的气门正时表示期间气门开启(操作或提升)的时期。在操作期间，在可变气门操作机构110控制下，由于火花点火燃烧和压缩点火燃烧之间的转换而使用用于火花点火燃烧的凸轮或用于压缩点火燃烧的凸轮。因此，在使用凸轮中的某些时不使用其它凸轮。图3的实线段表示利用处于使用中的凸轮的气门正时。图3的虚线表示利用未使用的凸轮的气门正时。参照图3，括入括弧内的词语″进气″和″排气″用于未使用的凸轮的气门正时。
在模式1的情况下，从火花点火燃烧至压缩点火燃烧的转换点是与火花点火燃烧下进气冲程结尾之后的压缩冲程相对应的正时。当排气门12v下一次开启时，就会进行对于压缩点火燃烧的气门正时和气门升程特性的转换(使得该转换从首先转换排气门12v时开始)。也就是说，在可变气门操作机构110的控制下开始转换之后，低升程凸轮(用于压缩点火燃烧)首先与用于排气的凸轮起作用。在根据模式1操作的第三气缸中，以具有负的交迭期的气门正时执行操作，而不会在转换开始之后发生问题(参见图3的模式1)。在本发明的实施例中，表述″首先转换″被解释为表示″由可变气门操作机构110转换凸轮″。然而，本发明不应局限于这种模式。也就是说，表述″首先转换″可表示″由可变气门正时机构改变用于开启/闭合气门的正时″。该表述也可承担前述两种含义。
参照图4，实线表示在模式1情况下紧接着转换开始之后第三气缸中的气门升程特性(量和正时)。如图4中所示，根据模式1，从排气门12v开始进行气门正时从火花点火燃烧至压缩点火燃烧的转换。因此，在紧接着转换开始之后，排气门12v和进气门11v在用于压缩点火燃烧的气门正时处开始开启/闭合(虽然严格地说，进气门的升程正时在紧接着转换开始之后相对于其在稳定操作期间的升程正时有所提前，如将在后文中所述，但在图4中没有显示这种提前)。
另一方面，在模式2的情况下，如图3中所示，上述转换点是与排气冲程相对应的正时，并且当进气门11v下一次开启时进行对用于压缩点火燃烧的气门正时和气门升程特性的转换(该转换由进气门11v开始进行，也就是说，首先转换进气门11v)。也就是说，在可变气门操作机构110的控制下开始转换之后，低升程凸轮(用于压缩点火燃烧)首先从用于进气的凸轮开始起作用。在进行转换(至低升程凸轮)之前，排气门12v由用于火花点火燃烧的凸轮开启/闭合，使得排气门12v在正常气门正时(参见图3的实线)下操作。之后，在紧接着转换(至低升程凸轮)之后，通过用于压缩点火燃烧的凸轮而开启/闭合进气门11v(参见图3的实线)。
图5是显示了在模式2的情况下进行转换时第二气缸中的气门升程特性(量和正时)的示意图。图5显示了在同一气缸中的燃烧循环中的气门升程特性，如图4中的情况。在模式2的情况下，从图5中应懂得，在转换至低升程凸轮之前，排气门12v依据用于火花点火燃烧的气门升程特性进行开启/闭合，并且在紧接着转换至低升程凸轮之后，进气门11v依据用于压缩点火燃烧的气门升程特性进行开启/闭合。
如图5中所示，在模式2的情况下，控制凸轮11c(可变气门正时机构)，使得在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换期期间，进气门11v的气门开启正时相对于其在压缩点火燃烧的稳定操作期间的气门开启正时(参见图5的长的虚线段)有所提前，如将在后文中详细描述。
(控制方法)
接下来将参照图2来描述一种控制预混合压缩点火型发动机1的方法。这里将按照由ECU5控制预混合压缩点火型发动机1的形式来描述控制预混合压缩点火型发动机1的方法。图2是显示了在模式2情况下预混合压缩点火型发动机1的点火正时和进气门11v的气门开启正时(IVO)的图表。图2的横坐标轴代表燃烧循环的数量。图2的上部部分显示了较提前的状态，而图2的下部部分显示了较延迟的状态。从图2中可读出关于点火正时和进气门11v的气门开启正时中的各个的提前量和延迟量(即，图2显示出关于点火正时和进气门11v的气门开启正时中的各个的提前量和延迟量是彼此独立地受控制的)。横坐标轴所代表的循环数量对于点火正时和气门开启正时是通用的。
在第一气缸至第四气缸中的至少一个气缸中通过可变气门操作机构110而在从火花点火燃烧开始转换到压缩点火燃烧之后进气门11v首先被转换的情况下(即至少其中一个气缸符合模式2)，ECU5执行以下所述的控制。在这种情况下，要求ECU5识别是否气缸中的至少一个具有根据模式2的气门正时。在这点上，例如，发动机的驱动器可利用输入装置等提前将气缸中的至少一个具有根据模式2的气门正时的信息传送至ECU5。或者，ECU5可基于由所安装的传感器等所检测的值来确定是否气缸中的至少一个具有根据模式2的气门正时。在本发明的实施例中，第二气缸具有根据模式2的气门正时，并且知道这一点的ECU5执行以下控制。
(关于进气门的气门开启正时的描述)
首先，将描述进气门11v的气门开启正时的控制。在火花点火燃烧下稳定操作期间，控制凸轮11c(可变气门正时机构)，使得在火花点火燃烧下的稳定操作期间，进气门11v的气门开启正时与所需要的气门开启正时(提前量)重合(参见图2的(1))。该控制甚至在没有任何气缸具有根据模式2的气门正时的情况下也以相同的方式执行。
这样，在紧接从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之前的燃烧循环中，控制凸轮11c(可变气门正时机构)而使得进气门11v的气门开启正时相对于其在火花点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时被提前(参见图2的(2)和(3))。因而，气门开启正时被暂时提前至转换开始之前的正时，因为后文所述的操作延迟(时间延迟)引起问题。
现在将描述由操作延迟造成的问题。当在转换点上从ECU5中发出转换信号(至可变气门操作机构110)时，在前述凸轮11c和12c中的各个凸轮中进行从高升程凸轮至低升程凸轮的转换。例如，在试图从火花点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时(由图2(1)指示的时间点)进行直接转换(在转换开始之前没有临时的提前)时，首先需要转换至在压缩点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时(由图2的(7)指示的时间点)(通过借助于可变气门操作机构110而进行从高升程凸轮至低升程凸轮的转换)，并且需要借助于可变气门正时机构将气门开启正时进一步提前至所需的提前的气门开启正时(由图2的(5)指示的时间点)。然而，由于可变气门正时机构等的操作延迟，使气门开启正时从图2(7)指示的时间点提前至图2(5)指示的时间点要花费较长的时间段，从而在这个时期产生了进气加热效应。因而，在一个燃烧循环中，进气门11v的气门开启正时在紧接转换开始之前被预先提前，从而在转换开始之后(通过可变气门操作机构110)直接获得了所需的提前状态。因此，如将在后文中所述的，可减少在紧接着转换开始之后产生的进气加热效应。
这里应该注意，在火花点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时(1)和在转换开始之前的最大提前量时的气门开启正时(3)之间的差等于在压缩点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时(7)和在转换开始之后的最大提前量时的气门开启正时(5)之间的差。通过这种方式，在紧接着转换开始之后，在可变气门正时机构的控制下可将气门开启正时直接切换到恰当地提前的状态(由可变气门操作机构110完成)。如将在后文中所述的，这也是由于从高升程凸轮至低升程凸轮的转换借助于可变气门操作机构110在极短的时间段内完成这一事实而引起的(参见图2的(4))。虽然在本发明的实施例中执行这种控制，但本发明不应局限于此。
在本发明的实施例中，在压缩点火燃烧期间控制进气门11v的气门开启正时，使其在具备负的交迭期的范围内被提前(通过可变气门正时机构的操作)。因此，进气门11v的气门开启正时最大被提前至上死点位置(排气上死点)(参见图2的″提前范围″)。
接下来，在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换期内控制凸轮11c(可变气门操作机构110和可变气门正时机构)，使得进气门11v的气门开启正时相对于其在压缩点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时有所提前(因为在第二气缸中从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后首先转换进气门11v)(参见与图2(7)对置的图2(5))。更具体地说，在转换点上从ECU5中发出转换信号，从而控制各个前述的凸轮11c和12c(可变气门操作机构110)，使得从高升程凸轮至低升程凸轮的转换得以进行(参见图2的(4))。
由于上述控制方法，即使在从火花点火燃烧至压缩点火燃烧的转换期内，在气缸的至少一个(本发明的实施例中的第二气缸)中从进气门11v开始进行转换的情况下，进气门11v的气门开启正时也被提前，从而可减少在紧接着转换开始之后产生的进气加热效应。结果，即使在从火花点火燃烧至压缩点火燃烧的转换从进气门11v(在模式2的情况下)开始的情况下，也可抑制转换期中提前点火或爆震的发生。
如上所述，在紧接到压缩点火燃烧的转换(由可变气门正时机构进行)之前的火花点火燃烧期间，进气门11v的气门开启正时相对于其在火花点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时有所提前，所以到相对于压缩点火燃烧下稳定操作期间的气门开启正时提前了预定量的气门开启正时的直接过渡是在紧接着转换之后进行的(由可变气门操作机构110来进行)。这里应该注意，从高升程凸轮至低升程凸轮的转换是由可变气门操作机构110在极短的时间段内完成的，而且在凸轮之间转换所需要的这个时期的长度在图2中是可忽略的。因此，如图2的(4)所示，气门开启正时基本竖直向下(朝向延迟)转变。因而，可有效地减少在紧接着转换开始之后产生的进气加热效应。
这样，ECU5控制凸轮11c(可变气门正时机构)，从而在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后，在第一燃烧循环结束之后，开始延迟进气门11v的气门开启正时，并使气门开启正时延迟至压缩点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时(参见图2的(5)，(6)和(7))。
本质上，在压缩点火燃烧期间，考虑到改善燃料消耗(以便减少由于内部EGR的倒吹而引起的泵损失)，需要将用于从上死点(TDC)闭合排气门的正时提前量设定为与用于开启进气门的正时延迟量大致相等。也就是说，从这个观点出发，使进气门11v的气门开启正时延迟并使期间气门开启正时提前的时期缩短将更好。另一方面，在预混合压缩点火型发动机1中，提前进气门11v的气门开启正时以抑制提前点火的发生。如果期间气门开启正时被提前的时期太长，则根据提前量会造成燃料消耗的劣化(由于泵损失的增加)。然而，如果期间气门开启正时被提前的时期太短，则不能足够地获得减少进气加热效应的作用。因而，虽然进气门11v的气门开启正时被提前了抑制提前点火发生所需要的最小时期，且之后尽可能快地延迟，从而在抑制提前点火发生的同时可以最大限度地减小燃料消耗的劣化，但本发明并不局限于这种控制。例如，气门开启正时的延迟可在转换开始之后的两个循环结束时开始，而非在转换开始之后的一个循环结束时开始。
之后完成到压缩点火燃烧的转换。在此之后，执行压缩点火燃烧(参见图2的(7))。如同在图2(1)中的情况下，这种控制即使在没有任何气缸具有根据模式2的气门正时的情况下也以相同的方式进行。
(点火正时的描述)
接下来将描述火花塞60c的点火正时的控制。首先，在火花点火燃烧下的稳定操作期间控制火花塞60c，使得点火正时符合在火花点火燃烧下的稳定操作期间所需要的正时(参见图2的(i))。该控制即使在没有任何气缸具有根据模式2的气门正时的情况下也以相同的方式执行。
这样，在燃烧室10中，在紧接从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之前的燃烧循环中，ECU5控制火花塞60c，使得用于火花塞60c点火的时间点相对于在压缩点火燃烧下的稳定操作期间的点火正时有所延迟(参见图2的(ii)和(iii))。因而，可抑制进气加热效应。同样，通过降低气缸内的温度可更强烈地抑制提前点火或爆震的发生。当通过进气门11v的气门开启正时的提前控制而充分地减少了进气加热效应时，可以不执行这种控制。
这样，在燃烧室10中，在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后的第一燃烧循环期间，控制火花塞60c，以执行点火(因为第二气缸具有根据模式2的气门正时)(参见图2的(iv))。各个凸轮已经在从高升程凸轮(用于火花点火燃烧)至低升程凸轮(用于压缩点火燃烧)的转换点上发生了转换，但实际上在转换开始之后的一个燃烧循环期间执行了火花点火燃烧(参见图2的时期(iv))。如上所述，在进气门11v的气门开启正时的提前控制下降低了进气加热效应。因此，如果减少进气加热效应的作用太强，在紧接着转换开始之后的第一燃烧循环中可能发生点火不良。然而，通过如上所述控制火花塞60c可抑制在紧接着转换开始之后点火不良的发生。也可不执行这种控制，并且可不仅在第一燃烧循环期间而且可在转换开始之后的前两个燃烧循环(或更多个燃烧循环)期间执行点火。
此后，火花塞60c不执行点火，并且完成到压缩点火燃烧的转换。
如上所述，预混合压缩点火型发动机1受前述控制预混合压缩点火型发动机的方法的控制。预混合压缩点火型发动机1具有多个气缸，其具有两种不同类型的气门正时(模式1和模式2)(具有至少包括这两种类型的气门正时的四种不同类型的气门正时)。在这两种气门正时的其中一种气门正时(模式1)中，排气门12v在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后首先被转换。在这两种气门正时的另一气门正时(模式2)中，进气门11v在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后首先被转换。如上所述，在具有带两种模式(即自排气门12v的转换和自进气门11v的转换)的多个气缸的预混合压缩点火型发动机1中，可通过如上所述控制点火正时来抑制在转换期期间提前点火或爆震的发生。该多个气缸可具有三种或更多种类型的气门正时。
在多气缸发动机的情况下，进气门11v通常在气缸其中之一中从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换开始之后首先发生转换(模式2)。然而，在进气门11v没有在任何一个气缸中于转换开始之后首先转换而只是从排气门12v进行转换的情况下，不会产生进气加热效应，从而不需要ECU5来执行上述的进气门11v的气门开启正时的提前控制。
(在执行传统控制的情况下的描述)
现在将描述在执行传统控制而非执行根据本发明实施例的进气门提前控制的情况下的多气缸发动机中的气门正时。同样在这个多气缸发动机中，气缸的气门正时如同在本发明实施例的情况下一样彼此不同。
在执行传统控制的情况下，图7显示了在多气缸发动机中根据两种类型的模式(模式1和模式2)的气门正时。图8中显示了在这种情况下根据模式2进行转换时的气门升程特性。如图8中所示，在模式2(从进气门转换)的情况下，在转换(在凸轮之间)之前，排气门以火花点火燃烧下的稳定操作期间的气门正时进行开启/闭合。也就是说，排气门以正常气门正时操作(参见图8的实线)。这样，在紧接着转换(在凸轮之间)之后，进气门在压缩点火燃烧下的稳定操作期间的气门正时处开启/闭合(参见图8的其它实线)。因而，进气门比火花点火燃烧期间更迟开启(参见图8的虚线)。因此，在其中那个具有根据模式2的气门正时的气缸中，在根据图8中所示的气门升程特性执行控制的情况下，在转换期期间会产生进气加热效应。
图9中显示了在执行传统控制的情况下，在具有根据上述模式2的气门正时的气缸中的气缸内压力。图9的横坐标轴代表曲柄角。0度的曲柄角对应于压缩上死点。如图9中所示，在压缩点火燃烧(HCCI)期间的第一循环中的气缸内压力比火花点火燃烧(SI)期间的气缸内压力更高。随着燃烧循环的次数从一增加至二、三和四时，气缸内压力变得更高。在邻近压缩上死点的峰值位置处的内部压力的增加是特别显著的。图9显示了进气加热效应的影响在从火花点火燃烧转换至压缩点火燃烧之后变得非常显著。这种现象造成提前点火或爆震的发生。
(关于执行根据本发明控制的情况的描述)
图3和图5各显示了在预混合压缩点火型发动机1中执行上述提前控制的情况下的气门正时。如图3和图5的各图中所示，在具有根据模式2的气门正时的第二气缸中，在从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换期期间，进气门11v的气门开启正时相对于在压缩点火燃烧下的稳定操作期间的气门开启正时(参见图3的虚线段和图5的虚线段)有所提前(参见图3的实线段和箭头(提前(1))以及图5的实线段和箭头(提前))。因而，可缩短从排气门12v以正常气门正时(邻近压缩上死点附近)闭合的时刻至进气门11v开启的时刻的时间段。因此，与不控制气门开启正时的情况(参见图7的(B))相比，可减少进气加热效应(参见图3的(C))。
如上所述，由可变气门正时机构进行的提前控制对所有气缸的气门正时都具有影响，并且对火花点火燃烧和压缩点火燃烧期间的气门正时都具有影响。如图2中所示，在转换期附近，执行进气门11v的气门开启正时的提前控制。因此，在图3中所示的进气门的气门正时中，除了那些由″提前(1)″，″提前(2)″和″提前(3)″指定的气门正时之外，还存在其它提前的气门正时(相对于稳定操作状态下的气门正时)。然而，图3是示意图，并因此不规定其它提前的气门正时。
图6显示了从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换期期间预混合压缩点火型发动机1的第二气缸中的气缸内压力。图6的横坐标轴代表曲柄角。0度的曲柄角对应于压缩上死点。如图6中所示，在火花点火(SI)燃烧期间的气缸内压力几乎等于在转换开始之后的第一燃烧循环(第一循环)期间的气缸内压力。这是因为在转换开始之后的第一燃烧循环期间仅仅执行了压缩点火燃烧，并且由火花塞60c执行点火(参见图2的(iv))。在到压缩点火燃烧(HCCI)的转换开始之后的第二循环或第三循环期间，气缸内压力比在火花点火燃烧期间的气缸内压力和在转换开始之后的第一循环期间的气缸内压力更高，但低于图9情况下的气缸内压力，在图9的情况下，进气门11v的气门开启正时不会受控制而提前。更具体地说，在图6中邻近压缩上死点的峰值位置，最大的气缸内压力等于或低于60[巴]，但在图9中等于大约90[巴]。图6和图9之间的比较证明气缸内压力比图9中的情况降低更大。前面的描述意味着从火花点火燃烧到压缩点火燃烧的转换之后减弱了进气加热效应的影响，并且通过使用根据本发明的预混合压缩点火型发动机1和控制该发动机的方法而抑制了提前点火或爆震的发生。
虽然上面已经描述了本发明的实施例，但是本发明并不局限于其前述实施例，而是可在经历了所附的权利要求所限定的范围内的各种修改之后来实现。
例如，如果在可变气门正时机构的操作中没有时间延迟，那么进气门11v的气门开启正时可几乎与转换同时被提前，而非在转换之前的循环期间被提前。
在火花点火燃烧和压缩点火燃烧之间进行转换时，还可专门改变用于开启/闭合气门的正时，而不用在凸轮之间进行转换。