Hcci和si燃烧之间的控制转换的制作方法

专利名称：Hcci和si燃烧之间的控制转换的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及内燃机控制系统，并且更具体地涉及用于控制均质 充量压燃发动机操作的方法和装置。
背景技术：
本部分内的说明仅提供与本公开相关的背景技术信息，并且可能并 不构成现有技术。
内燃机，特别是机动车内燃机，基本上都会落入两类即火花点火式 发动机和压缩点火式发动机中的一类。传统的火花点火式发动机，例如
汽油发动机，通常通过将空气/燃料混合物引入燃烧气缸，然后将其在 压缩冲程时压缩并用火花塞点火来进行工作。传统的压缩点火式发动 机，例如柴油发动机，通常通过在压缩沖程的上止点(TDC)附近将加 压燃料引入或喷入燃烧气缸，以在喷射时点火来进行工作。对于传统的 汽油发动机和柴油发动机来说燃烧都包括由流体力学控制的预混火焰 或扩散火焰。每种类型的发动机都有优点和缺点。通常汽油发动机产生 的排放较少但是效率较低，而柴油发动机通常效率较高但是产生的排放 较多。
最近，已经提出了用于内燃机的其他类型的燃烧方法。 一种这样的 发动机系统包括设计用于在特定的发动机操作条件下以受控的自动点 火模式操作的内燃机以实现发动机燃效的改进，也被称为均质充量压燃 (HCCI)燃烧模式。火花点火系统在特定的操作条件期间被用于辅助自 动点火燃烧过程。
典型的HCCI发动机是在受控的自动点火燃烧模式下还是在火花点 火模式下操作要取决于发动机的转速和负荷。HCCI燃烧模式包括由氧化 反应而不是流体力学控制的分布式，无火焰，自动点火燃烧过程。气缸 进气的点燃是通过在特定的发动机操作条件下压缩气缸进气而导致的。 在典型的HCCI燃烧模式下的发动机操作中，气缸进气在成分，温度，和在进气气门关闭正时处的残留量等方面都几乎是均质的。典型的HCCI 燃烧模式下的发动机操作可以进一步使用分层进气的燃料喷射操作以 控制和调整燃烧过程，包括使用分层进气燃烧来触发HCCI燃烧。因为 自动点火是一种分布式动态控制的燃烧过程，发动机在很稀的空气/燃 料混合下(也就是贫的空气/燃料化学计量点)操作并具有相对低的最 大燃烧温度，所以形成了非常低的N0x排放。用于自动点火的空气/燃 料混合物与柴油机中使用的分层空气/燃料燃烧混合物相比是相对均质 的，并因此基本消除了柴油机中形成烟尘和颗粒排放物的富油区。因为 这种很稀的空气/燃料混合物，所以在自动点火燃烧模式下操作的发动 机能够非节流地操作以实现类似于柴油的燃料经济性。而且，HCCI发动 机能够在具有大量EGR的化学计量比下操作以实现有效燃烧。在中等发 动机转速和负荷下，已经发现发动机气门特性和正时的结合(例如排气 再压缩和排气再呼吸)以及供油策略对于给气缸进气提供足够的热能是 有效的以使压缩沖程期间的自动点火带来低噪音的稳定燃烧。在自动点 火燃烧模式下有效操作发动机的主要问题之一是准确地控制燃烧过程 以使得导致低排放，最优的放热速率，和低噪音的鲁棒和稳定的燃烧在 一定范围的操作条件内是可实现的。自动点火燃烧的优点多年来早已被 公知。
因为气缸进气的化学动力学决定了燃烧的启动和过程，所以对于在 自动点火模式下操作的发动机没有启动燃烧的直接控制手段。在高于某 些限制的发动机操作条件下，HCCI发动机在化学计量关系上转换为火花 点火燃烧，以实现稳定燃烧，管理排放，和满足操作者的转矩请求。典 型的HCCI发动机在HCCI燃烧模式和火花点火(SI )燃烧模式之间根据 预先校准和预定的操作条件进行转换。通常，SI模式包括在化学计量空 燃比下非节流地操作。
根据发动机硬件，特别是由凸轮轴形状决定的升程和气门开启持续 时间，在HCCI和SI之间转换时的发动机操作速度有可能是有限的。作 为示例，当凸轮提供4毫米的最大升程和120度CA的开启持续时间时， HCCI和SI操作之间的转换已被证实无法在发动才;L转速超过2000rpm的 情况下实现。
对于HCCI发动机来说具有能有效地在HCCI燃烧模式和火花点火燃 烧模式之间转换的控制系统是有利的。而且，在较高的发动机操作速度下需要有效地在SI和HCCI操作之间转换。以下介绍的本发明包括用于 操作发动机在HCCI和SI燃烧模式的转换期间控制并保持有效燃烧的方 法和控制方案。

发明内容
本发明包括用于操作多气缸直接喷射式发动机的方法。发动机选择 性地在受控的自动点火燃烧模式和火花点火燃烧模式中的一种模式下 操作。监测发动机操作和操作者的转矩请求。当监测到的发动机操作高 于预定的阈值时，对部分气缸的燃料输送被选择性地无效而来自未被停 用气缸的转矩输出被选择性地增加以达到操作者的转矩请求。该方法包 括确定发动机的负荷需求超过了处于化学计量的HCCI模式下的发动机 的操作能力的发动机操作点。发动机被选择性地在非节流的火花点火模
的转矩输出被选择性地增加。


本发明可以采用经过详细介绍和在附图中示出的实施例中的某些 部件和部件设置的实体形式，附图构成实施例的一部分，在附图中 图l是根据本发明的内燃机的示意图；和 图2是根据本发明的数据图。
具体实施例方式
现参照附图，其中附图仅仅是为了图解本发明的目的而不是为了限 制本发明的目的，图1A和图IB示意性地示出了示范性实施例。
现参照附图，其中的内容仅仅是为了图解本发明的目的而不是为了 限制本发明的目的，图1示出了内燃机IO和根据本发明的实施例构造 的附加控制模块5。
示范性的发动机10包括多气缸直接喷射式四冲程内燃机，具有可 在气缸内滑动移动的界定出可变容积燃烧室16的往复活塞14。每个活 塞都被连接至旋转曲轴12 (，CS，)，通过曲轴将它们的往复动作转化为 旋转动作。有一个进气系统将进气提供给进气歧管，进气歧管将空气引 导和分配到进气管29内以送至每个燃烧室16。进气系统包括气流管道 以及用于监测和控制气流的装置。该装置优选地包括用于监测空气流量 (，MAF，)和进气温度(，TIN，)的空气流量传感器32。设有节气门34， 优选地是响应来自控制模块的控制信号(，ETC，)来控制发动机进气量的电控装置。在歧管内设有适用于监测歧管绝对压力(，MAP，)和大气压力 (，BAR0，)的压力传感器36。设有用于将废气从发动机排气側再循环至 进气歧管的外部气流管路，具有流量控制阀，被称作废气再循环(，EGR，) 阀38。控制模块5可用于通过控制EGR阀的开度来控制送到发动机进气 側的废气流量。如本文中所用，术语"气缸结构，，指的是构成每个燃烧 室也就是构成气缸壁，活塞，气缸盖，包括进气和排气气门的发动机部 件和元件。
通过一个或多个进气气门20控制空气从进气管29流入每个燃烧室 16。通过一个或多个排气气门18控制燃烧气体从每个燃烧室通过排气 管39流入排气歧管。进气和排气气门的打开和关闭优选地用双凸轮轴 控制(如图所示)，其旋转被用曲轴12的旋转相关联和表示。发动机装 有用于控制相位，升程和进气与排气气门开启持续时间的装置，优选地 使用可变升程控制(，VLC，)和可变凸轮相位(，VCP，)系统。可变气门 升程系统包括可用于控制气门升程，或开度，到两个离散阶段中的一个 阶段的装置，这两个离散阶段包括低转速，低负荷操作下对应120-150 曲轴转角的开启持续时间的低升程气门开度(大约3-6mm)和高转速， 高负荷操作下对应220-260曲轴转角的开启持续时间的高升程气门开度 (大约8-10mm)。
VCP系统可用于相对于曲轴和活塞位置也就是相位来切换气门打开 和关闭正时，除此之外它还被参照图1所示的两步式VLC升程所影响。 在本实施例中，设有用于发动机进气的VCP/VLC系统22和用于发动机 排气的VCP/VLC系统24。 VCP/VLC系统22， 24由控制模块5控制，并 向控制模块提供由用于进气凸轮轴和排气凸轮轴的凸轮轴旋转位置构 成的反馈信号。当具有排气再压缩阀策略的发动机在自动点火模式下操 作时通常使用低升程操作，而当发动机在火花点火燃烧模式下操作时通 常使用高升程操作。
如本领域普通技术人员所公知的，VCP/VLC系统具有有限的有效范 围，在该范围内进气和排气气门的打开和关闭才是可控的。典型的VCP 系统具有凸轮轴旋转30° -90°的相位有效范围，因此允许控制模块提 前或延后打开和关闭发动机气门。相位有效范围由VCP的硬件和致动 VCP的控制系统所确定和限制。VCP/VLC系统使用电子-液压，液压，和 电子控制作用力中的一种致动，由控制模块5控制。
8发动机包括燃料喷射系统，包括多个高压燃料喷射器，每个都适用
于响应来自控制模块的发动机控制信号(，INJ—PW，)直接喷射大量燃料 到其中一个燃烧室内。从燃料分配系统(未示出)向燃料喷射器28供 应加压燃料。
发动机包括火花点火系统，通过该系统响应来自控制模块的发动机 控制信号(，IGN，)将火花能量提供给火化塞26，用于点燃或帮助点燃 在每个燃烧室内的气缸进气。火化塞26在某些操作条件下(例如，在 HCCI或SI操作的冷启动期间，低负荷HCCI操作限制附近，和在正常的 SI发动机燃烧操作期间)增强了气缸进气的火花正时控制。在高负荷操 作限制时的火花点火被控制在HCCI模式下，而在高转速/负荷操作条件 时则被控制在节流和非节流火花点火操作下。
发动机装有用于监测发动机操作状态的各种检测装置，包括具有输 出RPM的曲轴转速传感器42，适用于监测燃烧具有输出燃烧的传感器 30，和适用于监测排气具有输出EXH的传感器40，通常为大量程的空燃 比传感器，和具有输出冷却剂的冷却剂传感器35。燃烧传感器包括可用 于监测燃烧参数的传感器装置，如图所示为适用于监测气缸内燃烧压力 的气缸压力传感器。应该理解其他的用于监测气缸压力或另一种可转化 为燃烧相位的燃烧参数的检测系统也被包括在本发明的范围之内，例如 离子检测点火系统。
在发动机转速和负荷的扩展范围上发动机被设计为用自动点火燃 烧(，HCCI燃烧，)来非节流操作汽油或类似燃料混合物。在不利于自动 点火燃烧的条件下，发动机用通过传统或改进的控制方法进行的受控节 流操作在火花点火燃烧模式下操作并获得最大发动机功率以满足操作 者的转矩请求(To-req)。可广泛应用的各种等级的汽油及其和少量乙 醇的混合物是优选燃料，但是，可选的流体和气体燃料例如更高浓度的 乙醇混合物(例如E80，E85)，纯乙醇(E99),纯曱醇(MIOO)， 丁醇汽 油混合物，纯丁醇，天然气，氢气，沼气，各种重整油，合成气，等等 都可以在本发明的实施例中使用。
控制模块5优选地是多用途数字计算机，通常包括微处理器或中央 处理器，由包括只读存储器(ROM)和电可编程只读存储器(EPR0M)的 永久性存储器和随机存取存储器(RAM)构成的存储介质，高速时钟， 模数转换(A/D)和数模转换(D/A)电路，以及输入/输出电路和装置(I/O)与适当的信号调制和緩冲电路。控制模块具有一组控制算法，
包括存储在永久性存储器内并执行用于提供每台计算机各自功能的驻 留程序指令和校准表。算法通常在预设的周期循环内执行以使得每个算 法在每个周期循环内都被执行至少一次。算法由中央处理器执行并可用
于监测来自前述检测装置的输入和执行控制与诊断程序以利用预设的 校准表来控制致动器的操作。周期循环通常以固定的间隔执行，例如在
正在进行的发动机和才几动车操作期间每3. 125， 6.25， 12. 5， 25和100 毫秒执行一次。可选地，算法可以响应事件例如特定地曲轴转角位置的 出现而被执行。
控制模块5执行存储在其中的算法代码以根据预定的查询表和存储 在存储器内的公式将前述致动器控制到特定的控制状态。这包括以下控 制节气门位置(ETC);火花正时和延时(IGN);燃料喷射量和正时， 包括每个循环中的多次喷射(INJ-PW);相位；进气和/或排气气门的升 程和开启持续时间(VCP/VLC进气，VCP/VLC排气)；和用于控制废气再 循环的EGR阀位(EGR)。相位，进气和/或排气气门的升程和开启持续 时间包括负气门重叠(在排气再压缩策略中的NVO)和排气阀再打开的 升程(在排气再呼吸策略中)。控制模块适用于监测来自操作者的输入 信号(例如加速踏板位置和刹车踏板位置)以确定操作者的转矩请求 (To—req)，并适用于监测来自传感器的发动机操作状态，包括指示发 动机转速(RPM)，发动机负荷(使用MAF，MAP或INJ_PW)，燃烧，冷却 剂温度(COOLANT),进气温度(TIN)和其他环境条件的那些参数以确定 发动机操作点，主要和发动机转速与负荷有关。控制模块可用于监测转 矩或负荷以及发动机转速并由此计算出发动机功率。
控制模块5优选地包括可用于选择性地使所有气缸中的部分气缸停 用的气缸停用系统。在本发明中，气缸停用是通过选择性地禁止从单个 燃料喷射器输送燃料，包括禁止V型发动机中的一側气缸而实现的。气 缸停用模式可以进一步包括禁止打开进气和/或排气气门同时使燃料停 止流向特定气缸。控制系统通过在气缸停用模式被激活的时间段期间增 加来自有效气缸的转矩输出来满足发动机转矩指令，也就是操作者的转 矩请求。
现参照图2，示出了对于示范性发动机10表示各种条件下发动机操 作区域的数据图，该发动机10装有具有双凸轮相位器和两步式提升系统的可变气门制动系统。示范性发动机在HCCI模式下在以每分钟转数 (，rpm，)表示的发动机转速和以用千帕为单位的净平均有效压力(，醒EP (kPa)，)表示的负荷的一定范围内操作。线A表示低速/低负荷操作 条件，包括用于在稀燃HCCI模式下操作发动机的下限。在线A以下， 发动机操作包括化学计量下的传统火花点火操作，或者具有停用气缸的 稀燃HCCI操作。用于以此操作的一种示范性系统已经在授予Sloane等 人，发明名称为"在低速和低负荷下操作HCCI发动机的方法"的被共 同转让的申请US6662785B1中进行了介绍，在此以参见的方式引入其内 容。线B表示用于在稀燃HCCI模式下给所有气缸提供燃料时操作发动 机的上限。线C表示用于在化学计量HCCI模式下给所有气缸提供燃料 时时操作发动机的上限。线D表示用于在非节流化学计量的火花点火模 式(，SI-NTLC，)下给所有气缸提供燃料时操作发动机的下限。SI-NTLC 模式包括通过控制凸轮相位器来操作以调节气门打开/关闭正时使得不 需要在进气系统中节流即可控制引入空气量。这与直接的气缸内燃料喷 射相结合，给出了一种类似于柴油机中使用的负荷控制机构。线D通常 根据通过指示平均有效压力的波动系数(，C0V-IMEP，)测得的发动机燃 烧稳定性来确定。在SI-NTLC模式下操作发动机有上限，超过该上限则 发动机优选地应在节流的化学计量SI模式(未示出)下操作。由字母F 表示的阴影区域由发动机无论是在HCCI模式还是在SI (，火花点火，) 模式下都无法在全部气缸上稳定地低排放操作的区域构成。
在操作中，HCCI燃烧模式和SI燃烧模式之间的转换按如下所述进 行管理，特别是在区域F内。当在由字母F表示的区域内操作时，发动 机被选择性地在火花点火燃烧模式下操作。因此VLC/VCP系统被控制到 高升程发动机气门操作同时选择气缸失效。发动机被控制为化学计量空 燃比操作同时选择气缸失效。节气门继续被控制在全开位置同时选择气 缸失效。点火控制，包括火花正时，能量，和延时都根据预定的控制方 案进行控制。
用于在HCCI和SI燃烧模式之间转换的具体的优选发动机操作条件 取决于用于发动机进气和排气凸轮轴的具体的气门升程和持续时间特 性。如区域F所示，发动机转速高于2000rpm时在HCCI模式能达到的 最高负荷和SI操作能达到的最低负荷之间存在间隙。HCCI模式下可达 到的最高负荷由响声也就是燃烧产生的噪音限制。用SI操作可达到的最低负荷由燃烧稳定性，通常由测得的C0V-IMEP的3%限制。HCCI的响 声限制是由于低升程气门操作时无法引入足够的进气稀释造成的。SI 限制是由于高升程气门操作时过多的充气稀释造成的。
因此，当示范性系统在化学计量HCCI模式下操作且发动机的负荷 需求超过发动机在化学计量HCCI模式下(图2中的线C)的能力时，系 统确定发动机是否能够在SI模式下操作并使所有气缸操作，如图2中 的线D所示。当发动机转速/负荷操作点排除这样的操作，也就是落入 区域F时，控制模块在SI模式下操作发动机并开始使气缸停用以通过 切断其燃料来无效一个或多个气缸。其余的有效气缸被在更高的发动机 输出转矩(增加的丽EP)下操作以满足所需的发动机负荷需求和操作者 的转矩请求同时保持每个致动气缸的燃烧稳定性在燃烧稳定性的上限 之下，也就是说C0V-IMEP<3%。当发动机转速/负荷操作点落在区域F 之外时，或者在F之上或者在F之下，控制模块停止气缸停用模式，给 所有气缸提供燃料，并根据预定的控制方案和校准表来控制节气门和 VLC/VCP装置22， 24。
在一个可选实施例中，组装了一种三步式气门致动系统，包括VLC 系统22，24，其中有针对进气和排气气门升程特性具有3-5mm最大升程 和120-150度持续时间的第一低升程阶段；针对进气和排气气门升程特 性具有6-8mm最大升程和150-180度持续时间的第二中升程阶段；和针 对进气和排气气门升程特性具有9-12mm最大升程和220-260度持续时 间的第三高升程阶段。在本实施例中，当发动机在HCCI模式和SI模式 之间的间隙也就是区域F操作时，使用三步式气门致动机构，其中中间 升程和持续时间阶段被用于扩展高负荷HCCI和低负荷SI的操作限制。 这种三步式气门致动系统被单独使用或与气缸停用结合使用。这样的示 范性系统增加了在HCCI模式下操作的上限且降低了在SI模式下操作的 下限，有效地减小或限制了图2中用字母F表示的区域。
已经用对示范性实施例及其修改的详细说明介绍了本发明。在阅读 和理解说明书后其他人也可能会得到进一步的修改和变形。本发明应该 包括所有这样的修改和变形，只要它们落入本发明的范围之内即可。
权利要求
1、一种用于操作多气缸直接喷射式发动机的方法，包括使发动机选择性地在受控的自动点火燃烧模式和火花点火燃烧模式中的一种模式下操作；监测发动机操作和操作者的转矩请求；和当监测到的发动机操作高于预定的第一阈值时，选择性地停止对部分气缸的燃料输送并选择性地增加来自未被停用气缸的转矩输出以达到操作者的转矩请求。
2、 如权利要求1所述的方法，其中监测的发动机操作包括发动机 转速，并且预定的第一阈值基于操作者的转矩请求。
3、 如权利要求l所述的方法，进一步包括使发动机选择性地在低升程和高升程发动机气门操作中的一种方 式下运转；和在选择性地停止对部分气缸的燃料输送的同时将发动机控制到高升程发动机气门操作。
4、 如权利要求3所述的方法，进一步包括使发动机选择性地在贫化学计量空燃比和基本为化学计量空燃比 中的一种空燃比下运转；和在选择性地停止对部分气缸的燃料输送的同时将发动机控制到基 本为化学计量空燃比。
5、 如权利要求l所述的方法，进一步包括使发动机选择性地在贫化学计量空燃比和基本为化学计量空燃比 中的一种空燃比下运转；和在选择性地停止对部分气缸的燃料输送的同时将发动机控制到基 本为化学计量空燃比。
6、 如权利要求l所述的方法，进一步包括在选择性地停止对部分气缸的燃料输送的同时控制节气门打开到 全开位置。
7、 如权利要求l所述的方法，进一步包括在选择性地停止对部分气缸的燃料输送的同时基于发动机操作来 控制点火的火花正时和延时。
8、 如权利要求l所述的方法，进一步包括当操作者的转矩请求超过第二预定阈值时选择性地能够给所有气 缸输送燃料。
9、 一种用于将发动机操作在受控的自动点火燃烧模式和火花点火 燃烧模式之间转换的方法，包括使发动机选择性地在低升程和高升程发动机气门操作中的一种方 式下运转；监测发动机转速和发动机负荷； 确定发动机转速高于预定阈值；当发动机负荷处于预定范围内时，选择性地停止对部分气缸的燃料矩请求并在高升程发动机气门操作下操作发动机。
10、 如权利要求9所述的方法，其中用于发动机负荷的预定范围是基于发动机转速的。
11、 如权利要求IO所述的方法，进一步包括 使发动机选择性地在贫化学计量空燃比和基本为化学计量空燃比中的一种空燃比下运转；和本为化学计量空燃比。
12、 如权利要求9所述的方法，进一步包括 在选择性地停止对部分气缸的燃料输送的同时控制节气门打开到全开位置。
13、 如权利要求12所述的方法，进一步包括 在选择性地停止对部分气缸的燃料输送的同时基于发动机操作来控制点火的火花正时和延时。
14、 如权利要求9所述的方法，进一步包括在选择性地停止对部分气缸的燃料输送的同时基于发动机操作来 控制点火的火花正时和延时。
15、 如权利要求9所述的方法，进一步包括当发动机负荷处于预定阈值以外时选择性地能够给所有气缸输送燃料。
16、 如权利要求9所述的方法，进一步包括使发动机选择性地在低升程，中升程和高升程发动机气门操作中的 一种方式下运转；和选择性地停止对部分气缸的燃料输送并在中升程和高升程发动机 气门操作中的一种方式下操作发动机和基于操作者的转矩请求选择性 地增加来自未被停用气缸的转矩输出。
17、 一种内燃机，包括多气缸直接喷射式发动机，适用于在贫化学计量空燃比和基本为化 学计量空燃比中的一种空燃比下运转，包括选择性地在低气门升程和 高气门升程中的一种方式下操作的可变气门升程控制装置；控制模块，适用于监测来自多个检测装置的输入和基于预定的控制 方案控制多个致动器以及适用于在正在进行的操作期间切断对部分气 缸的燃料输送；控制方案，包括在其中编码的计算机程序，可在控制模块内执行以 用于控制发动机操作，该程序包括用于监测发动机操作和操作者的转矩请求的代码； 用于确定发动机转速是否高于预定阈值的代码； 用于在发动机转速高于预定阈值时基于发动机操作实现火花点火 燃烧模式和受控的自动点火燃烧模式之间转换的代码； 其中该转换包括 用于控制空燃比基本上至化学计量空燃比的代码； 用于命令可变气门升程至高气门升程开度的代码； 用于通过在正在进行的操作期间切断燃料输送来使部分气缸停 用的代码；用于增加对未被停用气缸的燃料输送以满足操作者的转矩请求 的代码；用于控制火花正时和延时的代码；和 用于控制节气门到全开位置的代码。
全文摘要
描述一种方法，用于在受控的自动点火和火花点火燃烧模式中的一种模式下操作多气缸直接喷射式发动机。监测发动机操作和操作者的转矩请求。当监测到的发动机操作高于预定阈值时，对部分气缸的燃料输送被选择性地无效而来自未被停用气缸的转矩输出被选择性地增加以达到操作者的转矩请求。确定发动机的负荷需求超过了处于化学计量的HCCI模式下的发动机的操作能力的发动机操作点。发动机被选择性地在非节流的火花点火模式下操作并有至少一个气缸未被提供燃料而来自其余气缸的转矩输出被选择性地增加。
文档编号F02B1/12GK101454552SQ200780019228
公开日2009年6月10日 申请日期2007年5月17日 优先权日2006年5月25日
发明者J·A·恩格, N·维尔马斯, P·M·纳特, T·-W·扩 申请人:通用汽车环球科技运作公司