CN101532446A - 燃料经济性及无缝转变的hcci燃烧模变状态控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料经济性及无缝转变的HCCI燃烧模变状态控制。本发明的用于控制发动机的方法和系统包括使发动机在火花点火模式中在高升程气门状态中运行的火花点火(SI)控制模块和当满足均质充气压缩点火(HCCI)模式条件时进入匹配状态的预－HCCI控制模块。当满足匹配条件时，预－HCCI控制模块进入预－均质充气压缩点火模式并执行点火延迟、分层运行或稀混合气运行并命令一低升程气门状态。系统还包括HCCI控制模块，其在处于低升程气门状态中时进入HCCI模式。

Description

燃料经济性及无缝转变的HCCI燃烧模变状态控制

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年3月18日申请的美国临时申请61/036295的权益，上述申请所披露的内容在此全部并入作为参考。

技术领域

本发明涉及发动机控制系统，更特别地涉及用于既在火花点火又在均质充气压缩点火(HCCI)模式中运行的发动机的发动机控制系统。

背景技术

这里提供的背景描述是为了一般地介绍本发明的背景，在本背景部分中描述的目前署名的发明者的工作，以及在申请时可能没有被另外构成现有技术的描述的多个方面，既不被清楚地也不被隐含地承认为本发明的现有技术。

发动机可以在火花点火(SI)模式和均质充气压缩点火(HCCI)模式中运行。HCCI模式涉及将燃料和氧化剂的混合物压缩到自燃点。可以基于发动机转速和负荷选择所述模式之一。在HCCI模式中，点火每次发生在几个位置，这使燃料/空气混合物几乎同时燃烧。HCCI模式接近理想的奥托循环进行，提供了改进的运行效率，并且与SI模式相比产生较低的排放水平。然而，由于没有直接的燃烧引发器，所以点火过程趋向于更难以控制。

为了调节HCCI模式期间的运行，控制系统可以改变诱发燃烧的条件。例如，控制系统可以调节压缩比、诱发气体温度、诱发气体压力、或保留的或再次引入的排气的数量。几种方法用来执行所述调节，从而扩大了HCCI运行区域。

一种控制方法采用可变的气门正时来调节压缩比。例如，能通过调节进气门关闭时间来控制压缩比。能通过气门重开启和/或气门重叠来控制留在燃烧室中的废气量。

另一种方法使用“2步式”进气门升程方法，其包括在高升程状态和低升程状态之间转换进气门模式。在高升程状态期间，进气门被提升到高水平以允许适量的空气进入相应的气缸。在低升程状态期间，进气门被提升到具有较短持续时间的低水平，相对于高升程状态，其允许较少量的空气进入相应的气缸。

在没有补偿的情况下，2步式气门升程方法趋向于在SI和HCCI模式之间具有突然的且非均匀的转变，换句话说，在转变期间可能有讨厌的转矩扰动。

发明内容

根据本发明的发动机控制系统使汽油机在SI模式和HCCI模式中运行，HCCI模式减少燃料消耗但仅仅可在发动机转矩和转速的有限范围上利用。

在本发明的一个方面中，一种方法包括使发动机在高升程气门状态中在火花点火(SI)模式下运行，当满足均质充气压缩点火(HCCI)模式条件时，进入匹配状态，当满足匹配条件时，进入预-均质充气压缩点火模式并在高升程气门状态中执行点火延迟、分层运行或稀混合气运行，当处于高升程气门状态中和预-HCCI模式中时，命令具有分层运行或稀混合气运行的HCCI低升程气门状态，之后，进入低升程气门状态和HCCI模式。

在本发明的另一个方面中，一种用于控制发动机的系统包括使发动机在高升程气门状态中在火花点火模式下运行的火花点火(SI)控制模块和当满足均质充气压缩点火(HCCI)模式条件时进入匹配状态的预-HCCI控制模块。当满足匹配条件时，预-HCCI控制模块进入预-均质充气压缩点火模式并执行点火延迟、分层运行或稀混合气运行并命令低升程气门状态。系统还包括HCCI控制模块，其在低升程气门状态中进入HCCI模式。

根据这里提供的描述，应用的其他范围将变得显而易见。应该懂得，所述描述和具体实施例仅仅为了说明的目的而非用来限制本发明的范围。

附图说明

根据详细描述和附图，本发明将被更充分地理解，其中：

图1A是根据本发明的在SI和HCCI燃烧模式中运行的发动机控制系统的功能框图；

图1B是示范性的气门升程调节系统的功能框图；

图1C是示范性的发动机控制模块的功能框图；

图2是HCCI状态流程图，其描绘了具有体积匹配的进入和退出转变的第一控制系统和方法；

图3是HCCI状态流程图，其描绘了具有体积匹配的进入和快速退出的第二控制系统和方法；和

图4是HCCI状态流程图，其描绘了在没有体积匹配的情况下具有快速转变的第三控制系统和方法。

具体实施方式

下面的描述实质上仅仅是示范性的，决不是用来限制本发明、其应用或用途。为了清楚，相同的附图标记将在附图中用来表示相似的元件。当用在这里时，短语A、B和C中的至少一个应该被解释成意指一种逻辑(A或B或C)，其利用非排他的逻辑“或”。应该懂得，在不改变本发明的原理的情况下，可以以不同顺序执行方法内的步骤。

当用在这里时，术语模块是指执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共用的、专用的或群组的)和存储器，组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其他合适部件。

根据本发明的发动机控制系统使汽油机在SI模式和HCCI模式中运行，HCCI模式减少燃料消耗但仅仅可在发动机转矩和转速的有限范围上使用。仅仅举例，发动机控制系统可以使发动机在HCCI模式中以低至中负荷和低至中发动机转速运行，发动机控制系统可以使发动机在SI模式中以其他负荷和发动机转速运行。HCCI运行区可以在标定表中由运行图确定。

发动机可以是直接喷射式汽油机并且可以在转变期间选择地在分层运行模式中运行。为了在分层运行模式中运行，燃料喷射器将燃料喷射到气缸的一区域中，常常是喷射到主缸的顶部或周边的小的“副缸”。这个方法在容易点火并且迅速和平稳地燃烧的那个区域中提供了浓的充气。燃烧过程进入非常稀的区域(常常只有空气)，在那里火焰前峰迅速冷却并且氮氧化物(NO_X)没有多少机会形成。稀的充气中额外的氧也与一氧化碳(CO)化合形成二氧化碳(CO₂)。

SI模式和HCCI模式之间的转变应该对于驾驶员似乎是无缝的(完全连续的)(seamless)，将发动机排放减到最少并将燃料消耗损失减到最少。

在HCCI运行期间，进气歧管压力可以接近大气压。进入和退出HCCI的转变涉及对进气歧管压力和气门升程的改变。这些改变趋向于引起供应到气缸的空气充量的突然改变，结果，如果没有合适的管理，将出现不希望的发动机转矩的改变。

本发明阐明了三个可选的燃烧模式状态流控制系统和方法以使HCCI燃烧的时间达到最大、将转变期间的损失减到最小和将转变期间的转矩扰动减到最小。

第一控制系统和方法(HCCI转变状态流-具有体积匹配的进入&退出转变)涉及体积匹配以在转变期间通过歧管绝对压力(MAP)和凸轮移相器控制空气充量。将通过点火延迟或稀混合气运行使转矩平滑的应用减到最小。

第二控制系统和方法(HCCI转变状态流-具有体积匹配的进入和快速退出)利用体积匹配以进入HCCI并且利用快速、同步的转变以从HCCI退出。利用点火延迟和/或稀混合气运行使转矩平滑。该方法将提供回到SI燃烧的更快的转变，但可能趋向于比第一控制系统和方法低效。

第三控制系统和方法(HCCI转变状态流-快速转变，w/o体积匹配)。转变是基于快速的节气门和凸轮相位调整，其利用了点火延迟和/或稀混合气运行。第三控制系统和方法趋向于比第一或第二控制系统和方法低效，但趋向于提供更快的转变。

对于所有转变，预-HCCI状态可以用来协调向低升程凸轮轮廓的转换并协调进入HCCI的转变。

现在参考图1A，提供了示范性的发动机系统100的功能框图。发动机系统100包括发动机102，其基于驾驶员输入模块104燃烧空气/燃料混合物以产生车辆的驱动转矩。发动机可以是直接点火发动机，空气通过节气门112被吸入进气歧管110。发动机控制模块(ECM)114命令节气门致动器模块116调节节气门112的开度以控制被吸入进气歧管110的空气量。

来自进气歧管110的空气被吸入发动机102的气缸中。尽管发动机102可以包括多个气缸，但为了说明的目的，示出了单个有代表性的气缸118。仅仅举例，发动机102可以包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。

来自进气歧管110的空气通过进气门122被吸入气缸118。ECM114控制燃料喷射系统124喷射的燃料量，燃料喷射系统124可以在中央位置将燃料喷射到进气歧管110中，或可以在多个位置如在每个气缸的进气门附近将燃料喷射到进气歧管110中。作为选择，燃料喷射系统124可以将燃料直接喷射到气缸中。

喷射的燃料与空气混合并在气缸118中形成空气/燃料混合物，气缸118内的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。基于来自ECM114的信号，点火致动器模块126给气缸118中的火花塞128通电，火花塞128点燃空气/燃料混合物。可以相对于活塞处于其最高位置的时间指定点火的正时，该最高位置被称为上止点(TDC)。

空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞向下，从而驱动旋转的曲轴(未示出)。然后，活塞开始再次向上移动并通过排气门130排出燃烧的副产物，燃烧的副产物经由排气系统134从车辆排出。

可以通过进气凸轮轴140控制进气门122，同时可以通过排气凸轮轴142控制排气门130。在不同的实施例中，多个进气凸轮轴可以控制每个气缸的多个进气门和/或可以控制多个气缸组的多个进气门。相似地，多个排气凸轮轴可以控制每个气缸的多个排气门和/或可以控制多个气缸组的多个排气门。

可以通过进气凸轮移相器148相对于活塞TDC改变进气门122打开的时间，可以通过排气凸轮移相器150相对于活塞TDC改变排气门130打开的时间。移相器致动器模块158基于来自ECM114的信号控制进气凸轮移相器148和排气凸轮移相器150，升程致动器模块120液压地或利用其他方法调节气门升程量。

发动机系统100可以包括废气再循环(EGR)阀170，其选择地使废气改变方向回到进气歧管110。发动机系统100可以利用RPM传感器180以转数/分(RPM)为单位测量曲轴的转速。可以利用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182测量发动机冷却剂的温度，ECT传感器182可以位于发动机102内或冷却剂循环的其他位置，例如散热器(未示出)。

可以利用歧管绝对压力(MAP)传感器184测量进气歧管110内的压力。在不同的实施例中，可以测量发动机真空度，发动机真空度是环境空气压力和进气歧管110内的压力之间的差。可以利用空气质量流量(MAF)传感器186测量流入进气歧管110中的空气的质量。

ECM114可以基于由MAF传感器186产生的MAF信号计算测量的每个气缸的空气(APC)，ECM114可以基于发动机运行条件、操作者输入或其他参数估计所需的APC。节气门致动器模块116可以利用一个或多个节气门位置传感器(TPS)190监视节气门112的位置。可以利用进气温度(IAT)传感器192测量被吸入发动机系统100内的空气的环境温度，ECM114可以利用来自传感器的信号作出发动机系统100的控制决定。

为了抽象地称呼发动机102的各种控制机构，可以将改变发动机参数的每个系统都称为致动器。例如，节气门致动器模块116能改变节气门112的叶片位置，从而改变节气门112的打开面积。因而，可将节气门致动器模块116称为致动器，可将节气门打开面积称为致动器位置。

相似地，可将点火致动器模块126称为致动器，而相应的致动器位置是点火提前或延迟的量。其他致动器包括EGR阀170、移相器致动器模块158和燃料喷射系统124，关于这些致动器的术语致动器位置可以分别对应于EGR阀开度、进气和排气凸轮移相器角度、空燃比。

现在参考图1B，示出了气门升程控制回路250的功能框图。气门升程控制回路250包括进气/排气门组件252，其经由油泵256从油箱254接收油，在油被气门组件252接收之前通过滤油器258过滤油。控制模块控制气门组件252的进气和排气门260、262的升程操作。

气门组件252包括具有打开和关闭状态的进气和排气门260、262，通过一个或多个凸轮轴264致动进气和排气门260、262。可以包括专用进气凸轮轴和专用排气凸轮轴。在另一个实施例中，进气和排气门260、262共用公共的凸轮轴。当处于打开状态中时，进气和排气门260、262可以在不同的升程状态中操作。

气门组件252还包括气门升程状态调节装置270。升程状态调节装置270可以包括油压控制阀272和气门升程控制阀，如电磁线圈274。可以包括其他升程状态调节装置276，如升程销、杆、摇臂、弹簧、锁定机构、气门挺杆等等。

气门升程控制回路250可以包括油温传感器280和/或油压传感器282，控制模块基于从温度和压力传感器280、282收到的温度和压力信号给油压控制阀272发信号。

现在参考图1C，发动机控制模块114可以包括具有MAP控制模式(MM)的MAP控制模块290。MM可以被设定成SI和HCCI模式。发动机控制模块114包括具有燃料供应模式(FM)的燃料供应模块292，燃料供应模块292可以在SI、分层和HCCI模式之间转换FM，燃料供应模块292可以确定燃料供应的方式、定时和/或数量。

发动机控制模块114包括具有燃烧模式(CM)的燃烧控制模块294，燃烧模块294可以在SI、HCCI和预-HCCI模式之间转换CM并且包括SI控制模块294(a)、预-HCCI控制模块294(b)和HCCI控制模块294(c)。

发动机控制模块114包括具有火花供应模式(SM)的火花供应模块296，火花供应模块296可以在SI、具有延迟的SI、分层和HCCI模式之间转换SM，火花供应模块296可以确定点火的正时和持续时间。

发动机控制模块114包括具有燃料计算模式(FC)的燃料计算模块297，燃料计算模块297可以在空气主导和燃料主导模式之间转换FC。在空气主导模式中，基于空气控制燃料。在燃料主导模式中，基于测量的或供应的燃料控制空气。

发动机控制模块114包括具有移相器控制模式(PM)的移相器控制模块298，移相器控制模块298可以在SI和HCCI模式之间转换PM，移相器控制模块298可以确定凸轮相位调整。

发动机控制模块114包括具有升程控制模式(LM)的升程控制模块299，升程控制模块299可以在高和低气门升程模式之间转换LM。

现在参考图2，第一控制系统和方法(HCCI转变状态流-利用体积匹配进入&退出转变)涉及体积匹配以在SI至HCCI和HCCI至SI转变期间通过MAP和凸轮移相器控制空气充量。将通过点火延迟和/或稀混合气运行使转矩平滑的应用减到最小。

控制在状态300中开始，在状态300，发动机在SI模式中运行，同时进气和/或排气门处于高升程状态中。当满足HCCI条件时(条件305)，控制转变到状态310。在状态310中，为了转矩平滑，可以利用用于进入HCCI模式的具有预定体积的体积匹配、和协调的移相器与节气门。该预定体积相应于通过气门开度允许被吸入气缸的空气量。体积可以改变并依赖发动机的特性。为了转矩平滑，也可以执行具有点火延迟和/或分层运行的化学计量(即理想配比)法。进气和/或排气门处于高升程状态中。

如果体积与预定体积相匹配或预定超时出现(条件315)，则控制转变到状态320。在状态320中，发动机处于预-HCCI模式中。可以使用点火延迟和/或分层运行。命令进气和/或排气门处于低升程状态。

当低升程被实现且预-HCCI条件被完成时(条件325)，控制转变到状态330。在状态330中，在进气和/或排气门处于低升程状态中的情况下，发动机在HCCI模式中运行。当满足条件335、340和346时，控制也可以分别从状态310、320和330转变到状态345。条件335、340和346与HCCI条件没有被满足相对应。

在状态345中，控制利用体积匹配、协调移相器和节气门，体积匹配用来匹配与离开HCCI模式相对应的预定体积，从而使转矩平滑。进气和/或排气门处于低升程状态中。如果体积被匹配或预定超时出现(条件350)，则控制转变到状态355。在状态355中，控制从HCCI转变到SI，MAP和移相器被调节到SI设定点，可以采用具有点火延迟和/或分层运行的化学计量法。另外，命令进气和/或排气门处于高升程状态。当气门处于高升程状态中且MAP被满足或预定超时出现时(条件360)，控制从状态355转变到状态300。

现在参考图3，第二控制系统和方法(HCCI转变状态流-体积匹配的进入并且快速退出)利用体积匹配以进入HCCI并且利用快速、同步的转变以从HCCI退出。利用点火延迟和/或稀混合气运行使转矩平滑。该方法受益于更快的HCCI至SI转变，并且可能趋向于比第一控制系统和方法低效。

控制从状态400开始，在状态400，发动机在SI模式中运行，同时进气和/或排气门处于高升程状态中。当满足HCCI条件时(条件405)，控制转变到状态410。在状态410中，可以执行体积匹配、协调移相器和节气门、具有点火延迟和/或分层运行的化学计量法。进气和/或排气门处于高升程状态中。当体积被匹配或预定超时出现时(条件415)，控制转变到状态420。在状态420中，选择预-HCCI模式。可以利用点火延迟和/或分层运行。命令进气和/或排气门处于低升程状态。

当低升程状态被实现且预-HCCI被完成时(条件425)，控制转变到状态430。在状态430中，在进气和/或排气门处于低升程状态中的情况下，发动机在HCCI模式中运行。当满足条件450、440和435时，控制也可以分别从状态410、420和430转变到状态445。条件450、440和435与HCCI条件没有被满足相对应。

在状态445中，控制从HCCI转变到SI，在没有延迟的情况下命令高升程状态，将MAP设定到SI设定点，将移相器设定到HCCI-SI设定点和/或可以采用具有点火延迟和/或分层运行的化学计量法。当满足高升程状态和MAP或高升程状态和预定超时出现时(条件410)，控制继续进行状态400。

现在参考图4，第三控制系统和方法(HCCI转变状态流-快速转变，w/o体积匹配)。转变是基于快速的节气门和凸轮相位调整，其利用了点火延迟和/或稀混合气运行。第三控制系统和方法趋向于比第一或第二控制系统和方法低效，但趋向于提供更快的转变。

控制在状态500中开始，在状态500，发动机在SI模式中运行，同时进气和/或排气门处于高升程状态中。当满足HCCI条件时(条件505)，控制转变到状态510。在状态510中，执行MAP匹配，点火基于具有延迟的SI和/或执行稀混合气平滑。将MAP设定到HCCI设定点并将移相器设定到SI-HCCI设定点。设定点在发动机标定的过程中根据实验确定。进气和/或排气门保持在高升程状态中。

当满足MAP和移相器设定点或预定超时出现时(条件515)，控制继续进行状态520。在状态520中，发动机处于预-HCCI模式中。可以采用点火延迟或稀混合气平稳。命令进气和/或排气门处于低升程状态。当低升程状态和预-HCCI被完成时(条件525)，控制转变到状态530。在状态530中，发动机在HCCI模式中运行，并且进气和/或排气门处于低升程状态中。当满足条件560、555和535时，控制也可以分别从状态510、520和530转变到状态545。条件560、555和535与HCCI条件没有被满足相对应。

在状态545中，控制从HCCI转变到SI，在没有延迟的情况下命令进气和/或排气门处于高升程状态。可以采用具有点火延迟的SI和/或稀混合气平滑。将MAP设定到SI设定点，将移相器设定到HCCI-SI设定点。可以采用具有点火延迟和/或分层运行的化学计量法。当满足高升程状态和MAP或高升程状态和预定超时出现时(条件565)，控制转变到状态500。

现在本领域技术人员能从前述描述懂得，本发明的广泛教导能以各种形式实现。因而，尽管本发明被结合其特定实施例描述，但本发明的真实范围不应该被如此限制，因为对于本领域技术人员来说，依据对附图、说明书和所附权利要求的研究，其他变型将变得显而易见。

Claims (20)

1.一种控制发动机的方法，包括：

使发动机在高升程气门状态中在火花点火即SI模式下运行；

当满足均质充气压缩点火即HCCI模式条件时，进入匹配状态；

当满足匹配条件时，进入预-均质充气压缩点火模式并在所述高升程气门状态中执行点火延迟、分层运行或稀混合气运行；

当处于所述高升程气门状态中和预-HCCI模式中时，命令低升程气门状态；和

之后，进入所述低升程气门状态和所述HCCI模式。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于进入匹配状态包括进入体积匹配状态，并且所述匹配条件是体积。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于进入体积匹配状态包括通过协调凸轮移相器和节气门以及采取具有点火延迟或分层运行的化学计量法实现的转矩平滑。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于进入体积匹配状态包括通过在保持高升程气门状态时协调凸轮移相器和节气门以及采取具有点火延迟或分层运行的化学计量法实现的转矩平滑。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于进入匹配状态包括命令歧管绝对压力匹配状态，并且所述匹配条件是歧管绝对压力。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于命令歧管绝对压力匹配状态包括通过控制基于具有延迟的SI的点火或稀混合气平滑、将歧管绝对压力控制到HCCI设定点和将移相器控制到SI-HCCI设定点实现的转矩平滑。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于命令歧管绝对压力匹配状态包括通过在保持高升程气门状态时控制基于具有延迟的SI的点火或稀混合气平滑、将歧管绝对压力控制到HCCI设定点和将移相器控制到SI-HCCI设定点实现的转矩平滑。

8.如权利要求1所述的方法，还包括当不满足HCCI条件时，在低升程气门条件中利用体积匹配和协调凸轮移相器与节气门使转矩平滑。

9.如权利要求1所述的方法，还包括当不满足HCCI条件时，在没有延迟的情况下命令高升程气门状态。

10.如权利要求9所述的方法，还包括当不满足HCCI条件时，将歧管绝对压力控制到SI设定点，将凸轮移相器控制到HCCI-SI设定点，和控制具有点火延迟或分层运行或两者的化学计量法。

11.如权利要求10所述的方法，还包括当不满足HCCI条件时，将点火控制成SI点火延迟或稀混合气平滑。

12.如权利要求10所述的方法，当所述高升程状态被实现且所述MAP被满足时，进入高升程气门状态和SI模式。

13.一种用于控制发动机的系统，包括：

使所述发动机在高升程气门状态中在火花点火模式下运行的火花点火即SI控制模块；

预-均质充气压缩点火即HCCI控制模块，所述预-HCCI控制模块当满足HCCI模式条件时进入匹配状态；当满足匹配条件时，进入预-均质充气压缩点火模式并执行点火延迟、分层运行或稀混合气运行并命令低升程气门状态；

HCCI控制模块，其在处于低升程气门状态中时进入HCCI模式。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述匹配状态包括体积匹配状态。

15.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述预-HCCI控制模块通过在保持高升程气门状态时协调凸轮移相器和节气门以及采取具有点火延迟或分层运行的化学计量法来使转矩平滑。

16.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述匹配状态包括歧管绝对压力匹配状态。

17.如权利要求16所述的系统，其特征在于预-HCCI控制模块通过控制基于具有延迟的SI的点火或稀混合气平滑、将所述歧管绝对压力控制到HCCI设定点和将移相器控制到SI-HCCI设定点来实现转矩平滑。

18.如权利要求16所述的系统，其特征在于预-HCCI控制模块通过在保持高升程气门状态时控制基于具有延迟的SI的点火或稀混合气平滑、将所述歧管绝对压力控制到HCCI设定点和将移相器控制到SI-HCCI设定点来实现转矩平滑。

19.如权利要求13所述的系统，其特征在于当不满足HCCI条件时，所述HCCI控制模块在低升程气门状态中利用体积匹配和协调凸轮移相器与节气门来命令转矩平滑。

20.如权利要求13所述的系统，其特征在于当不满足HCCI条件时，所述HCCI控制模块在没有延迟的情况下命令高升程气门状态。

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