专利名称：火花点火燃烧和均质压缩点火转换间的点火正时和控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机控制系统，并且尤其涉及用于在火花点火 和均质充气压缩点火两种模式下运转的发动机的发动机控制系统。
背景技术：
此处的背景资料描述是为了大概介绍本发明的背景。目前署 名的发明人的工作，就在该背景章节所描述的程度，还有那些在申请 时不能称作现有技术的方面而言，这些都不能明显地或隐含地认作相 对于本发明的现有技术。发动机可以在火花点火(SI)模式和均质充气压缩点火(HCCI) 模式下运转。HCCI模式指的是将燃料和氧化剂的混合物压缩到自燃 点。可以根据发动机转速和负荷选择HCCI和SI模式。在HCCI模式 中， 一次在多个位置发生点火，这就使得燃料/空气混合物几乎同时燃 烧。HCCI模式执行近似理想的奥托循环(OTTO cycle),提供改 善的运转效率(更贫油地运转并且由于更少的进气节流带来更低的泵 送损耗)，并且与火花点火式(SI)发动机中的贫油运转相比产生更低 的排放水平。然而，因为没有对燃烧的直接引燃器，点火过程就会更 只,以4空制。为了调整在HCCI模式期间的运转，控制系统可以改变引发 燃烧的条件。例如，控制系统可以调整有效压缩比、引发的气体温度、 引发的气体压力、或者残留或再引进的排气量。已经使用了多种方法 来执行这种调整并且因此通过提供对燃烧室内的温度-压力-时间历程 的精密控制来扩大HCCI运转范围。
—种控制方法采用可变气门正时来调整有效压缩比。例如，
通过调整进气门打开和关闭的时间来控制压缩比。通过气门的再打开 和/或气门重叠来控制残留在燃烧室中的排气量。另一种方法被称作"2步式"进排气门提升方法，其包括在高 升程状态和低升程状态之间切换进气门模式和排气门模式。在高升程 状态期间，进气门和排气门被提升至高水平以允许一定量空气进入相 应的气缸。在低升程状态期间，气门被切换至低水平，这允许与高升 程状态相比减少量的空气进入相应的气缸。这种2步式方法易于在SI和HCCI模式之间有不协调和不均 匀的转换。换句话说，在转换期间可能有不希望有的转矩扰动。
发明内容
在一些实施例，用于发动机的控制系统包括每气缸空气 (APC)产生模块，该模块产生测定的和期望的APC值。燃烧转换模 块选择性地将发动机从火花点火(SI)燃烧转换到均质充气压缩点火 (HCCI)燃烧以及从HCCI燃烧转换到SI燃烧。点火控制模块根据测 定APC值与期望APC值的比值选择性地在转换期间延迟点火。在其它特征中，当测定的APC值大于期望的APC值时，延 迟点火正时。在其它特征中，升程调整模块在HCCI燃烧期间采用第一进 排气升程状态并且在SI燃烧期间采用第二进排气升程状态。当从HCCI 燃烧转换到SI燃烧时，升程调整模块切换到第二进排气升程状态，然 后点火控制模块延迟点火。节气门控制模块将发动机的节气门控制成 以需求为基础的节气门位置。当从SI燃烧转换到HCCI燃烧时，节气 门控制模块将发动机的节气门控制成转换位置，点火控制模块延迟点 火并且升程调整模块切换到第一进排气升程状态。在一些实施例，用于发动机的控制系统包括发动机转矩表示 值(ETRV)产生模块，该模块产生测定的和期望的ETRV值。燃烧转换 模块选择性地将发动机从火花点火(SI)燃烧转换到均质充气压缩点火 (HCCI)燃烧以及从HCCI燃烧转换到SI燃烧。点火控制^f莫块根据测 定的ETRV值与期望的ETRV值的比值选择性地在转换期间延迟点火。在其它特征中，当测定的ETRV值大于期望的ETRV值时，点火控制模块延迟点火。升程调整模块在HCCI燃烧期间采用第一进排
气提升状态并且在SI燃烧期间采用第二进排气提升状态。当从HCCI 燃烧转换到SI燃烧时，升程调整模块切换到第二进排气升程状态，并
且点火控制模块延迟点火。点火控制模块在转换期间调节(blend)点火以保持期望转矩 直到点火可以回到平均最佳转矩(MBT)值，并且还包括节气门控制 模块，该节气门控制模块将发动机的节气门控制成以需求为基础的节 气门位置。在其它特征中，当从SI燃烧转换到HCCI燃烧时，节气门控 制模块将发动机的节气门控制成转换位置，点火控制模块延迟点火并 且升程调整模块切换到第一进排气升程状态。在其它特征中，测定的和期望的ETRV值分别包括测定的和 期望的净平均有效压力(NMEP)。测定的和期望的ETRV值分别包括 测定的和期望的指示平均有效压力(IMEP)。从本文提供的详细描述中将更明显地看出本发明的更广的 适用范围。应当理解，本描述和特定例子只是起到举例的作用，而不 意图限制本发明的范围。
通过详细说明和附图将更完整地理解本发明，其中
图1A是本发明的发动机控制系统的原理框图，该系统在SI 和HCCI燃烧模式下运转；图1B是示例性气门升程控制系统的原理框图；
图2和图3是示例性点火延迟计算模块的原理框图；和
图4示出了用于操作发动机控制系统的方法的步骤。
具体实施例方式下列描述本质上仅仅是示例性的，并且决不意图限制本发 明、其应用或用途。为了清楚起见，附图中将使用相同的附图标记表 示相似的元件。本文所用的措词"A、 B和C中的至少一个"应当解释成 意味着使用非排他逻辑"或"的逻辑(A或B或C)。应当理解，方法中 的步骤可以以不同顺序执行，只要不改变本发明的原理。
本文所用的术语"模块"是指专用集成电路(ASIC)、电子电 路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成 组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或其它提供所述功能的适当部件。本发明的发动机控制系统使发动机运转在火花点火(SI)模 式或均质充气压缩点火(HCCI)模式下。发动机控制系统使发动机在 低至中等负荷以及低至中等发动机转速时以HCCI模式运转。发动机控 制系统使发动机在其它(较高)负荷和发动机转速时以SI模式运转。 HCCI运转区可以由标定表中的运转映射定义。根据驾驶员请求转矩，将需要在SI和HCCI之间以及在HCCI 和SI之间的模式转换。模式转换应当最小化在模式转换期间的车辆驾 驶性能的恶化。另外，应当最小化对车辆排放物的影响。模式转换包括进气门升程变化和排气门升程变化。换句话 说，发动机控制系统从高升程切换到低升程轮廓，反之亦然。不可能 完全去除在气门升程变化期间的气缸充气步骤。因此，本发明设法最 小化在大的瞬时气缸充气变化时期内的转矩增大。在转换到HCCI运转之前以及从HCCI运转转换出来之后的 SI模式运转期间，可以使用瞬态点火控制。HCCI运转是接近未节流的 (或处于大开度节气门)并且在进气门和排气门的低升程状态下运转。 因此，发动机控制系统要么在转换到HCCI运转时迅速增大进气歧管压 力(MAP)，要么在转换到SI运转时迅速降低进气歧管压力(MAP)。 在高MAP和由此产生的过多空气流量期间内，延迟点火正时以便最小 化不希望有的转矩增大。发动机控制系统通过延迟点火来管理SI和HCCI模式之间的 转换。点火延迟量可以以测定的和期望的每气缸空气(APC)的比值 或测定的和期望的发动机转矩表示值(ETRV)的比值为基础。当测定 的ETRV值大于期望的ETRV值时，延迟点火正时。当测定的APC值 大于期望的APC值时，延迟点火正时。只举例来说，ETRV可以以指示平均有效压力(IMEP)、净 平均有效压力(NMEP)、测定的发动机转矩和/或任何其它适当的发动 机转矩表示值为基础。现在参照图1A，示出了示例性发动机系统IOO的原理框图。 发动机系统100包括根据驾驶员输入模块104燃烧空气/燃料混合物从而给车辆产生驱动转矩的发动机102。将空气经由节气门112吸入进气 歧管110中。发动机控制模块(ECM) 114控制节气门致动器模块116 以调节节气门112的开度从而控制吸入进气歧管110中的空气量。将空气从进气歧管IIO吸入发动机102的气缸中。虽然发动 机102可以具有多个气缸，但为了图解，示出了单个代表性的气缸118。 只举例来说，发动机102可以具有2、 3、 4、 5、 6、 8、 10和/或12个 气缸。将空气从进气歧管IIO经由进气门122吸入气缸118中。ECM 114控制由燃料喷射系统124喷射的燃料量。燃料喷射系统124可以在 中央位置将燃料喷入进气歧管110，或者可以在多个位置将燃料喷入进 气歧管110,例如每个气缸的进气门附近。替换性地，燃料喷射系统 124可以将燃料直接喷入气缸。已喷射的燃料与空气混合，从而在气缸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ECM 114的信号，点火致动器模块126给气缸118中的火花塞128 通电，这点燃了空气/燃料混合物。点火正时相对于活塞处于称作上止 点(TDC)的其最高位置的时间是给定的。空气/燃料混合物的燃烧向下驱动活塞，由此驱动旋转的曲轴 (未示出)。然后活塞又开始向上移动并且将燃烧副产物经由排气门 130排出。燃烧副产物经由排气系统134从车辆排出。进气门122可以由进气凸轮轴140控制，而排气门130可以 由排气凸轮轴142控制。在不同的实施例中，多个进气凸轮轴可控制 每个气缸的多个进气门和/或可控制多列气缸的进气门。同样地，多个 排气凸轮轴可控制每个气缸的多个排气门和/或可控制多列气缸的排气 门。气缸致动器模块120可以通过切断燃料和点火和/或使气缸的排气 门和/或进气门失效来使它们保持关闭而停用气缸，这阻止空气流进入 气缸或从气缸出来。可以通过进气凸轮相位器148使进气门122的打开时间相对 于活塞TDC发生改变。可以通过排气凸轮相位器150使排气门130的 打开时间相对于活塞TDC发生改变。相位器致动器模块158根据来自 ECM 114的信号来控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。另 外，可以用液压或使用其它方法来调整气门升程量。升程状态模块159在高和低升程状态之间控制进气门和/或排气门的升程状态。发动机系统IOO可以具有排气再循环(EGR)阀170,其选 择性地使排气改流回进气歧管110。发动机系统IOO可以使用RPM传 感器180测量以每分钟转数(RPM)表示的曲轴转速。可以使用发动 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可以安置在发动才几102内或冷却剂循环的其它位置，比如散 热器(未示出)。可以使用进气歧管绝对压力(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，其中， 发动机真空是环境压力与进气歧管110内压力的差值。可以使用空气 质量流量(MAF)传感器186测量流入进气歧管IIO的空气质量。ECM 114可以根据MAF传感器186产生的MAF信号计算 测定的每气缸空气(APC)。 ECM 114可以根据发动机运转工况、操作 员输入或其它参数估计期望的APC。 ECM 114可以使用气缸压力传感 器或转矩传感器199测量气缸的ETRV。ECM 114可以根据发动机运转 工况、操作员输入或其它参数产生期望的ETRV。还可以根据模型产生 测定的和/或期望的APC和/或ETRV。节气门致动器模块]16可以使用 一个或多个节气门位置传感 器(TPS) 190监控节气门112的位置。可以使用进气温度(IAT)传 感器192测量吸入发动机系统100的空气的环境温度。ECM 114可以 使用来自传感器的信号为发动机系统10 0做出控制决策。为了从理论上提到发动机102的不同控制机构，改变发动机 参数的各个系统都可称为致动器。例如，节气门致动器模块116可以 改变节气门板的位置，由此改变节气门112的开口面积。节气门致动 器模块116因此可以被称作致动器，并且节气门开口面积可以被称作 致动器位置。同样地，点火致动器模块126可以被称作致动器，而相应的 致动器位置是点火提前量。其它致动器包括排气再循环阀170、相位器 致动器模块158、燃料喷射系统124以及气缸致动器模块120。这些致 动器所涉及的术语"致动器位置"分别对应于增压压力、排气再循环阀开 度、进气和排气凸轮相位角、空气/燃料比以及起动的气缸数。测定的APC值可以是以由MAF传感器产生的MAF值为基础。MAF值可以换算成气缸空气流量。ETRV是对燃烧所产生的有效
矩传感器199直接测量。替换性地，可以对APC和ETRV建模。现在参照图IB,示出了示例性气门升程控制回路250的原 理框图。可以使用任何气门升程控制系统。气门升程控制回路250包 括进气/排气门组件252,该組件经由油泵256接收来自油箱254的油。 在被气门组件252接收之前，油通过滤油器258进行过滤。控制模块 控制气门组件252的进气门和排气门的提升操作。气门组件252包括进气门和排气门。可以包括专用进气凸轮 轴和专用排气凸轮轴。在另一种实施例中，进气门和排气门共用一根 公共凸轮轴。当处于打开状态时，进气门和排气门可以以不同的升程 状态运转。气门组件252还包括气门升程状态调整装置270。升程状态 调整装置270可以包括油压控制阀272和气门升程控制阀，如螺线管 274。可以包括其它升程状态调整装置276,例如提升销、杠杆、摇臂、 弹簧、锁定机构、梃杆等等。气门升程控制回if各250可以包括油温传感器280和/或油压传 感器282。控制模块根据从温度和压力传感器280、 282接收到的温度 和压力信号来给油压控制阀272信号。现在参照图2和图3,点火调整模块298可以包括SI点火提 前模块300,该SI点火提前模块产生火花点火(SI)点火值并且输出 该SI点火值给加法模块304。在图2中，比值产生模块308分别根据
测定的和期望的每气缸空气APCmeas和APCdes—81产生比值。在图3中，
比值产生模块308'分别根据测定的和期望的ETRV (ETRV，as和 ETRVdes—s])产生比值。加法模块314产生在定值如1与比值产生模块308的输出之 间的差值(代表转矩损耗值)。限制模块318将加法模块314的输出限 制在第一和第二值(代表限制转矩损耗值)之间。只举例来说，限制 模块318可以将加法;漠块314的转矩损耗值限制在0和0.75(或0%和 75% )之间。点火延迟查询表322根据限制转矩损耗值产生点火延迟值。 可以用加法模块304从由SI点火提前模块300产生的SI点火值中减去 点火延迟值。
现在参照图4,在步骤350处开始控制。在步骤354处，控 制根据当前发动机运转参数如发动机转速、负荷等等选择HCCI模式或 SI模式。在步骤358处，控制确定是否需要从HCCI转换到SI。如果 步骤358为真，控制就在步骤362处将进气和排气升程轮廓切换成高 升程轮廓，这增大空气充量。在步骤363处，控制将节气门控制回或 调节回以需求为基础的节气门位置。因此，转矩输出增大。在步骤364处，控制根据以APC为基础的比值或以ETRV 为基础的比值选择性地延迟点火。当测定的ETRV值大于期望的ETRV 值时，延迟点火正时。当测定的APC值大于期望的APC值时，延迟点 火正时。在步骤368处，控制将点火调节回期望的、最优或平均最佳 转矩(MBT)值。控制从步骤368继续到步骤354。如果步骤358为假，控制就确定是否需要从SI模式转换到 HCCI沖莫式。如果步骤380为真，就在步骤384处控制节气门。在开启 时，转矩将随着空气充量的增大而增大。因此，转矩输出就增大。在 步骤386处，控制根据以APC为基础的比值或以ETRV为基础的比值 延迟点火以保持期望的转矩。在步骤388处，控制切换到进气和排气 低升程轮廓。控制从步骤388继续到步骤354。现在，本领域技术人员可以从上面的描述认识到本发明的宽 泛教导可以以多种形式实施。因此，尽管结合特定例子对本发明进行 了说明，但是本发明的真实范围不会由此受到限制，因为本领域技术 人员在研究附图、说明书和所附权利要求书的基础上，将很明显得到 其它改型。
权利要求
1. 一种用于发动机的控制系统，包括每气缸空气产生模块，其产生测定的和期望的每气缸空气值；燃烧转换模块，其选择性地将发动机从火花点火燃烧转换到均质充气压缩点火燃烧以及从均质充气压缩点火燃烧转换到火花点火燃烧；点火控制模块，其根据所述测定的每气缸空气值和所述期望的每气缸空气值的比值选择性地在所述转换期间延迟点火。
2. 如权利要求1所述的控制系统，其中，当所述测定的每气缸空气值大于所述期望的每气缸空气值时，所述点火控制模块延迟所述点火。
3. 如权利要求1所述的控制系统，还包括升程调整模块，其在所述均质充气压缩点火燃烧期间采用第一进排气升程状态并且在所述火花点火燃烧期间采用第二进排气升程状态。
4. 如权利要求3所述的控制系统，其中，当从所述均质充气压缩点火燃烧转换到所述火花点火燃烧时，所述升程调整模块切换到所述第二进排气升程状态，并且所述点火控制模块延迟所述点火。
5. 如权利要求4所述的控制系统，其中，所述点火控制模块在所述转换期间调节所述点火直到回到平均最佳转矩值，并且还包括节气门控制模块，该节气门控制模块将所述发动机的节气门控制成以需求为基础的节气门位置。
6. 如权利要求1所述的控制系统，还包括节气门控制模块，其中当从所述火花点火燃烧转换到所述均质充气压缩点火燃烧时，所述节气门控制模块将所述发动机的节气门控制成转换位置，所述点火控制模块延迟所述点火并且所述升程调整模块切换到所述第一进排气升程状态。
7. —种用于发动机的控制系统，包括发动机转矩表示值产生模块，其产生测定的和期望的发动机转矩表示值；燃烧转换模块，其选择性地将发动机从火花点火燃烧转换到均质充气压缩点火燃烧以及从均质充气压缩点火燃烧转换到火花点火燃烧；点火控制模块，其根据所述测定的发动机转矩表示值和所述期望的
8. 如权利要求7所述的控制系统，其中，当所述测定的发动机转矩表示值大于所述期望的发动机转矩表示值时，所述点火控制模块延迟所述点火。
9. 如权利要求7所述的控制系统，还包括升程调整模块，其在所述均质充气压缩点火燃烧期间采用第一进排气升程状态并且在所述火花点火燃烧期间采用笫二进排气升程状态。
10. 如权利要求9所述的控制系统，其中，当从所述均质充气压缩点火燃烧转换到所述火花点火燃烧时，所述升程调整模块切换到所述第二进排气升程状态，并且所述点火控制模块延迟所述点火。
11. 如权利要求IO所述的控制系统，其中，所述点火控制模块在所述转换期间调节所述点火直到回到平均最佳转矩值，并且还包括节气门控制模块，该节气门控制模块将所述发动机的节气门控制成以需求为基础的节气门位置。 '
12. 如权利要求7所述的控制系统，还包括节气门控制模块，其中当从所述火花点火燃烧转换到所述均质充气压缩点火燃烧时，所述节气门控制模块将所述发动机的节气门控制成转换位置，所述点火控制模块延迟所述点火并且所述升程调整模块切换到所述第一进排气升程状态》
13. 如权利要求7所述的控制系统，其中，所述测定的和期望的发动机转矩表示值分别以测定的和期望的指示平均有效压力为基础。
14. 如权利要求7所述的控制系统，其中，所述测定的和期望的发动机转矩表示值分别以测定的和期望的净平均有效压力为基础。
15. —种用于控制发动机的方法，包括产生测定的和期望的发动机转矩表示值；选择性地将所述发动机从火花点火燃烧转换到均质充气压缩点火燃烧以及从均质充气压缩点火燃烧转换到火花点火燃烧；以及根据所述测定的发动机转矩表示值和所述期望的发动机转矩表示值的比值选择性地在所述转换期间延迟点火。
16. 如权利要求15所述的方法，还包括，当所述测定的发动机转矩表示值大于所述期望的发动机转矩表示值时，延迟所述点火。
17. 如权利要求15所述的方法，还包括，在所述均质充气压缩点火燃烧期间采用第一进排气升程状态并且在所述火花点火燃烧期间采用第二进排气升程状态。
18. 如权利要求17所述的方法，还包括 切换到所述第二进排气升程状态；以及当从所述均质充气压缩点火燃烧转换到所述火花点火燃烧时延迟 所述点火。
19. 如权利要求18所述的方法，还包括在所述转换期间调节所述点火直到回到平均最佳转矩值；以及 将所述发动机的节气门控制成以需求为基础的节气门位置。
20. 如权利要求16所述的方法，还包括 将所述发动机的节气门控制成转换位置； 延迟所述点火；以及当从所述火花点火燃烧转换到所述均质充气压缩点火燃烧时切换 到所述第 一 进排气升程状态。
21. 如权利要求15所述的方法，其中，所述测定的和期望的发动 机转矩表示值分別以测定的和期望的指示平均有效压力为基础。
22. 如权利要求15所述的方法，其中，所述测定的和期望的发动 机转矩表示值分别以测定的和期望的净平均有效压力为基础。
23. —种用于控制发动机的方法，包括 产生测定的和期望的每气缸空气值；选择性地将所述发动机从火花点火燃烧转换到均质充气压缩点火 燃烧以及从均质充气压缩点火燃烧转换到火花点火燃烧；以及根据所述测定的每气缸空气值和所述期望的每气缸空气值的比值 选择性地在所述转换期间延迟点火。
24. 如权利要求23所述的方法，还包括，当所述测定的每气缸空气值大于所述期望的每气缸空气值时，延迟所述点火。
25. 如权利要求23所述的方法，还包括，在所述均质充气压缩点 火燃烧期间采用第 一 进排气升程状态并且在所述火花点火燃烧期间采 用第二进排气升程状态。
26. 如权利要求23所述的方法，还包括 切换到所述第二进排气升程状态；以及当从所述均质充气压缩点火燃烧转换到所述火花点火燃烧时延迟 所述点火。
27. 如权利要求26所述的方法，还包括在所述转换期间调节所述点火直到回到平均最佳转矩值；以及 将所述发动机的节气门控制成以需求为基础的节气门位置。
28. 如权利要求24所述的方法，还包括 将所述发动机的节气门控制成转换位置； 延迟所述点火；以及当从所述火花点火燃烧转换到所述均质充气压缩点火燃烧时切换 到所述第 一进排气升程状态。
全文摘要
本发明涉及火花点火燃烧和均质压缩点火转换间的点火正时和控制。一种用于发动机的控制系统包括每气缸空气(APC)产生模块，该模块产生测定的和期望的APC值。燃烧转换模块选择性地将发动机从火花点火(SI)燃烧转换到均质充气压缩点火(HCCI)燃烧以及从HCCI燃烧转换到SI燃烧。点火控制模块根据测定的APC值和期望的APC值的比值选择性地在转换期间延迟点火。替换性地，点火延迟以测定的和期望的发动机转矩表示值(ETRV)为基础。
文档编号F02P5/15GK101532459SQ20091012628
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者A·B·雷尔, H·允, J·-M·康, M·A·威尔斯, P·卡法尼克, V·拉马潘 申请人:通用汽车环球科技运作公司