专利名称：用于在直喷式发动机模式转变期间稳定转矩的系统和方法
技术领域：
本公开涉及直喷式发动机，更具体地涉及用于使直喷式发动机在均质模式与分层 模式之间转变且改善转矩稳定性的发动机模式控制系统和方法。
背景技术：
这里提供的背景技术说明主要是为了描述本公开的环境。在本背景技术部分所描 述的当前署名的发明人的工作，以及在提交时可能不作为现有技术的说明的某些方面，既 不明示也不暗示地认为是与本公开相抵触的现有技术。可以两种发动机模式操作火花点火直喷式(SIDI)发动机均质(即，化学计量) 模式和分层(即，贫燃)模式。均质模式类似于传统的火花点燃模式。在发动机循环的进 气冲程期间将空气/燃料混合物引入燃烧室。对于汽油机而言，空气/燃料比近似为14. 7。 当进气门关闭时，气缸充量在成分、温度和残余水平方面均是近似均质的。在分层模式中，以稀空气/燃料混合物操作发动机，该混合物为贫化学计量比(例 如，空气/燃料比可以为约20-30)。在压缩冲程的后期将燃料喷射到火花塞附近的区域。 在分层模式期间以燃料更有效的方式操作发动机。当期望中等或高负载和高速时，以均质 模式操作发动机。当期望低负载和低速时，以分层模式操作发动机。当发动机在均质模式 与分层模式之间转变时会发生发动机转矩波动。
发明内容
用于内燃机的发动机模式控制系统包括转变控制模块和进气凸轮相位器控制模 块。该转变控制模块控制从第一发动机模式至第二发动机模式的转变并确定期望的空气质 量。在第一发动机模式中以第一空气/燃料比(AFR)操作发动机以及在第二发动机模式中 以第二 AFR操作发动机。所述期望的空气质量基于第二 AFR。进气凸轮相位器控制模块基 于转变期间的期望空气质量调节进气凸轮相位器。一种方法包括控制从第一发动机模式至第二发动机模式的转变，其中在第一发 动机模式中以第一空气/燃料比(AFR)操作发动机而在第二发动机模式中以第二 AFR操作 发动机；基于第二 AFR确定期望的空气质量；以及基于期望的空气质量调节进气凸轮相位
ο根据本公开，提供如下技术方案。技术方案1 一种用于内燃机的发动机模式控制模块，包括转变控制模块，其控制从第一发动机模式至第二发动机模式的转变并确定期望的 空气质量，其中在第一发动机模式中以第一空气/燃料比(AFR)操作所述发动机，以及在第 二发动机模式中以第二 AFR操作所述发动机，且所述期望的空气质量基于第二 AFR ；以及进气凸轮相位器控制模块，其在所述转变期间基于所述期望的空气质量调节所述 进气凸轮相位器。技术方案2 如技术方案1所述的发动机模式控制模块，还包括节气门控制模块，其在所述转变的第一阶段保持节流板处于第一位置，其中所述第一位置基于所述第一 AFR。技术方案3:如技术方案2所述的发动机模式控制模块，其中所述节气门控制模块 在所述转变的第二阶段控制所述节流板从所述第一位置至期望的节流位置，其中所述期望 的节流位置基于所述期望的空气质量而所述第二阶段发生在所述第一阶段之后。技术方案4:如技术方案3所述的发动机模式控制模块，其中当节流板从所述第一 位置移动至所述期望的节流位置时，实际的空气质量保持恒定。技术方案5:如技术方案3所述的发动机模式控制模块，其中当所述节流板从所述 第一位置移动至所述期望的节流位置时，所述进气凸轮相位器控制模块将所述进气凸轮相 位器调节至原始位置。技术方案6 如技术方案1所述的发动机模式控制模块，还包括燃料喷射控制模 块，其在所述转变期间在发动机循环中开始双喷射。技术方案7 如技术方案6所述的发动机模式控制模块，其中所述双喷射包括在进 气冲程中的第一喷射和在压缩冲程中的第二喷射。技术方案8 如技术方案1所述的发动机模式控制模块，还包括点火控制模块，其 调节点火正时以控制实际的AFR。技术方案9 如技术方案1所述的发动机模式控制模块，其中当所述发动机从均质 模式转变为分层模式时，在所述转变的第一阶段提前所述进气凸轮相位器。技术方案10 如技术方案9所述的发动机模式控制模块，还包括点火控制模块，其 延迟火花塞以在所述转变的所述第一阶段将实际AFR保持为化学计量比。技术方案11 如技术方案1所述的发动机模式控制模块，其中当所述发动机从分 层模式转变为均质模式时，所述进气凸轮相位器在所述转变的第一阶段被延迟。技术方案12 如技术方案11所述的发动机模式控制模块，其中所述点火正时被控 制以逐渐地增大实际AFR。技术方案13 —种方法，包括控制从第一发动机模式至第二发动机模式的转变，其中在所述第一模式中以第一 空气/燃料比(AFR)操作发动机而在所述第二发动机模式中以第二 AFR操作发动机；基于所述第二 AFR确定期望的空气质量；和基于期望的空气质量调节进气凸轮相位器。技术方案14 如技术方案13所述的方法，还包括在所述转变的第一阶段将节流板 保持在第一位置，其中所述第一位置基于所述第一 AFR。技术方案15 如技术方案14所述的方法，还包括在所述转变的第二阶段将所述节 流板从第一位置移动至期望的节流位置，其中所述期望的节流位置基于所述期望的空气质 量而所述第二阶段发生在所述第一阶段之后。技术方案16 如技术方案15所述的方法，其中在以所述第二 AFR操作所述发动机 之后，所述节流板移动至所述期望的节流位置。技术方案17 如技术方案16所述的方法，还包括基于实际的节流位置调节所述进 气凸轮相位器以保持所述期望的空气质量。技术方案18 如技术方案13所述的方法，还包括在所述转变期间在发动机循环中 开始双喷射。
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技术方案19 如技术方案13所述的方法，还包括当所述发动机从均质模式转变为 分层模式时提前进气凸轮相位器。技术方案20 如技术方案13所述的方法，还包括在所述转变期间延迟点火正时。通过下面提供的详细说明理解本公开的其他应用领域是显而易见的。应理解，所 述详细说明和具体示例，在示出本公开优选实施方式的同时，仅旨在说明的目的而不限制 本公开的方法。
通过详细的说明和附图将更充分地理解本公开，其中图1是发动机系统的功能框图，该发动机系统包括根据本公开教导的发动机模式 控制模块；图2是根据本公开教导的发动机模式控制模块的功能框图；和图3A和图3B是根据本公开教导的用于在均质模式和分层模式之间转变发动机的 方法的流程图。
具体实施例方式下面的说明本质上仅为示例性的且均不意图限制本公开、其应用或使用。为了清 楚起见，附图中使用相同的附图标记表示类似的元件。如这里使用，术语“模块”指的是专 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、专用或成 组)和存储器。组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他合适的部件。根据本公开的发动机模式控制模块允许在分层(贫燃)模式与均质(化学计量 比)模式之间进行平滑转变。发动机模式控制模块调节进气凸轮相位器位置和点火正时以 在转变的早期为期望的发动机模式实现期望的空气/燃料比(AFR)。节流位置在转变的早 期阶段保持不变。在实现期望的AFR之后在转变的后期阶段调节节流位置。发动机模式控 制模块允许在最小化转矩波动的情况下进行平滑且迅速的转变。参照图1，发动机系统10包括火花点火直喷式(SIDI)发动机12，其包括多个气缸 14。虽然示出了四个气缸14，但是该多个气缸14可包括任意数量的气缸14，例如2、5、6、8、 10和12个。该多个气缸14中的每个均包括进气门16，排气门18，燃料喷射器20和火花塞 22。气缸14限定燃烧室，该燃烧室经由相应的进气门16和排气门18与进气歧管24和排 气歧管26连通。进气歧管24与节气门体28连通，该节气门体28其中包括节流板30。通过节气门 体28将空气吸入进气歧管24和燃烧室。空气在气缸14内与燃料混合并燃烧以产生发动 机转矩。节流板30选择性地移动以调节通过节气门体28的气流。燃料喷射器20直接联接到燃烧室并可直接将液体燃料传送入燃烧室。通过喷射 系统34将燃料传送到燃料喷射器20，该喷射系统34可包括燃烧箱、燃料泵和燃料轨(均未 示出)。点火系统36激励点燃燃烧室内的空气/燃料混合物的火花塞22。进气凸轮轴40与进气门16和曲轴(未示出)通信并相对于曲轴的旋转调节进气 门16的正时。进气凸轮相位器42安装在进气凸轮轴40的一端且可通过延迟或提前进气 凸轮相位器42相对于进气凸轮轴40的角位置而选择性地改变进气门16的打开正时。
多个传感器与控制模块43通信并监测各种发动机操作状态。该多个传感器包括， 但不限于，节流位置传感器44、质量空气流量(MAF)传感器46、歧管空气压力(MAP)传感器 48、发动机速度传感器50、宽带氧传感器52和进气凸轮相位器位置传感器53。节流位置传 感器44设置于节气门体28处，以监测节流板30的节流位置。MAF传感器46设置于节气门 体28处以测量MAF。MAP传感器48设置于进气歧管24处以测量MAP。发动机速度传感器 50测量发动机速度(RPM)。宽带氧传感器52设置于排气歧管26的出口处以测量排气中的 氧浓度。基于排气中的氧浓度可确定燃烧室中空气/燃料混合物的空气/燃料比(AFR)。 进气凸轮相位器位置传感器53测量进气凸轮相位器42的角位置。控制模块43包括发动机模式控制模块54，该发动机模式控制模块基于请求的发 动机转矩在均质模式和分层模式之间转变发动机12。发动机模式控制模块54在发动机模 式转变期间调节凸轮相位器位置、点火正时、燃料喷射、和节流位置，以在最小化转矩波动 的情况下实现平滑和快速的转变。参照图2，发动机模式控制模块54包括发动机模式确定模块56，转变控制模块58， 燃料喷射控制模块60，点火控制模块62，进气凸轮相位器控制模块64和节气门控制模块 66。发动机模式确定模块56与发动机速度传感器50和MAP传感器48通信。基于发 动机速度和发动机负载可以确定请求的发动机转矩。来自MAP传感器48的信号提供关于 发动机负载的指示。发动机模式确定模块56基于请求的发动机转矩确定期望的发动机模 式。当期望中等或高的发动机速度和负载时，发动机模式确定模块56确定均质模式。当期 望低发动机速度和负载时，发动机模式确定模块56确定分层模式。例如，当发动机速度超 过阈值速度(仅作为示例，2000RPM)和/或当MAP超过阈值压力(仅作为示例，75_80KPa) 时，发动机模式确定模块56可确定均质模式。当以均质模式操作发动机12时，在发动机循环的进气冲程中将燃料喷入气缸14。 在进气冲程将空气吸入气缸14。因此，在气缸14中形成均质的空气/燃料混合物。均质模 式中的空气/燃料混合物的空气/燃料比(AFR)接近化学计量比，即对于汽油机而言近似 14.7。在燃烧冲程的早期点火。例如，点火正时发生在TDC之前相对于TDC约40度。当以分层模式操作发动机12时，在进气冲程将空气吸入气缸14。在压缩冲程的 后期喷射燃料。例如，在发动机压缩冲程期间(例如，在上止点(TDC)压缩之前相对于TDC 180度)喷射燃料。因此，将燃料直接喷射到火花塞22附近的区域，且在火花塞22附近形 成了分层的空气/燃料层。分层的空气/燃料层包含化学计量的混合物或稍浓于化学计量 的混合物。然而，整个燃烧中的整体AFR根据发动机负载为例如至少20至45。发动机负载 越大，AFR越低。点火正时可发生在TDC之前约50度至TDC之后约30度。在分层模式期 间改善了燃料经济性。转变控制模块58将期望的发动机模式与当前的发动机模式进行比较并确定是否 需要进行转变。当期望的发动机模式不同于当前的发动机模式时，可以开始转变。转变控 制模块58确定转变类型(即，从均质模式至分层模式或从分层模式至均质模式)。转变控 制模块58还基于请求的发动机转矩确定期望的AFR，基于期望的AFR确定期望的空气质量， 以及基于期望的空气质量确定期望的节流位置。期望的空气质量是期望的转矩、预计的残 留气体质量、预计的进气和排气位置以及当前的节流位置的函数。
转变控制模块58基于转变类型选择转变进程。通常，转变进程可包括第一阶段 (即，早期阶段)和在第一阶段之后发生的第二阶段(即，后期阶段)。在早期阶段，可调节 进气凸轮相位器42、点火正时、和AFR，以平滑且快速地使发动机转变为以期望的AFR运行， 该期望的AFR对应于期望的发动机模式。在发生于以期望的AFR操作发动机12之后的后 期阶段，调节节气门开度且进气凸轮相位器42返回与正常设置一致的原始位置。转变控制模块58根据选择的转变进程控制燃料喷射控制模块60、点火控制模块 62、进气凸轮相位器控制模块64、和节气门控制模块66。燃料喷射控制模块60、点火控制 模块62、进气凸轮相位器控制模块64、和节气门控制模块66根据转变进程分别调节喷射正 时、点火正时、进气凸轮相位器位置、和节流板。转变控制模块58与宽带氧传感器52、节流 位置传感器44和进气凸轮相位器位置传感器53通信。转变控制模块58监测AFR、节流位 置和进气凸轮相位器位置以确保AFR、节流位置和进气凸轮相位器位置根据转变进程而变 化。进气凸轮相位器控制模块64基于期望的空气质量确定期望的角位置。延迟或提 前进气凸轮相位器42的程度是期望的空气质量的函数。进气凸轮相位器控制模块64提前 或延迟进气凸轮相位器42以产生期望的空气质量。当发动机12从均质模式转变为分层模式时，期望的空气质量增大。因此，进气凸 轮相位器控制模块64提前进气凸轮相位器42的角位置以增大被吸入气缸14中的空气质 量。当发动机12从分层模式转变为均质模式时，期望的空气质量减小。进气凸轮相位器控 制模块64延迟进气凸轮相位器42以减小被吸入气缸14内的空气质量。点火控制模块62控制点火正时以根据转变进程逐渐地增大或减小AFR。由于增大 或减小的空气质量和/或增大的燃料喷射AFR在转变期间变化。点火控制模块62响应于 这些变化控制点火正时以根据转变进程调节AFR。仅作为示例，当发动机12从均质模式转变为分层模式时，AFR在转变早期阶段的 一部分中保持为化学计量比(即，14. 7)。因为进气凸轮相位器42被提前以增大空气质量， 点火控制模块64延迟点火正时以确保完全燃烧，从而减少转矩波动同时保持AFR为化学计量比。相反，当发动机12从分层模式转变为均质模式时，AFR在转变的早期阶段逐渐减 小。基于AFR延迟点火正时，以确保AFR根据转变进程逐渐减小。燃料喷射控制模块60在转变过程中控制燃料喷射。燃料喷射控制模块60在转变 过程中使燃料喷射的正时在早喷射和晚喷射之间切换。在均质模式中，燃料喷射发生在发 动机循环的进气冲程中。在分层模式中，燃料喷射发生在压缩冲程的后期。燃料喷射控制 模块60控制燃料喷射器20以基于转变类型使空气/燃料混合物变浓或变稀。为了使发动 机12从分层模式转变为均质模式，空气/燃料混合物可以变浓。燃料喷射控制模块60在 转变的早期阶段开始双燃料喷射以使空气/燃料混合物变浓。燃料喷射控制模块60可在进气冲程中开始第一喷射脉冲而在压缩冲程中保持第 二喷射脉冲(即，较晚的喷射脉冲)。双喷射事件使得空气/燃料混合物变浓同时将喷射事 件切换至进气冲程。在空气/燃料混合物变浓且AFR减小为中间值(例如，约20)之后，燃 料喷射控制模块60在进气冲程中保持第一喷射脉
类似地，为了使发动机12从均质模式转变为分层模式，燃料喷射控制模块60开始 双燃料喷射以使空气/燃料混合物变稀并逐渐地使燃料喷射切换为晚喷射。同时，提前点 火正时以逐渐地增大AFR。当AFR达到期望的AFR时，根据分层模式的喷射正时燃料喷射模 块60将燃料喷射切换为单次晚喷射。在空气/燃料混合物达到期望的AFR且点火正时已被切换至原始位置时，节气门 控制模块66在转变后期阶段使节流板30移动至期望的节流位置。通常，当在正常设置下 操作(即，没有延迟或提前进气凸轮相位器)发动机12时，节流板30允许期望的空气质量 流动通过处于期望节流位置的节气门主体28。但是，在发动机转变的早期阶段，节流位置保持不变且节流区域保持不变。通过调 节进气凸轮相位器位置来调节实际的空气质量。进气凸轮相位器与节流板30相比能更迅 速地调节气流，从而允许对请求的发动机转矩做出更迅速的响应。在转变的后期阶段，当空 气/燃料混合物达到期望的AFR且点火正时已切换至原始正常设置时，进气凸轮相位器42 可返回与正常设置一致的原始位置。在这种情况下，节气门控制模块66使节流板30移动 至期望的节流位置以产生期望的空气质量，同时允许进气凸轮相位器42返回依照原始设 置的原始位置。在节流板30移动至期望的节流位置且进气凸轮相位器42返回原始设置时， 转变完成。参照图3A和图3B，使发动机在不同的发动机模式之间转变的方法开始于步骤82。 在步骤84，转变控制模块58确定发动机12当前是否处于均质模式。在步骤86，当发动机 12当前处于均质模式时，转变控制模块58确定发动机12是否应该从均质模式转变为分层 模式。如果在步骤86期望进行从均质模式至分层模式的转变，则在步骤88，转变控制模块 58确定分层模式的期望空气质量。转变控制模块58选择转变进程。在步骤90，进气凸轮 相位器控制模块64提前进气凸轮相位器以实现期望的空气质量。在步骤92，点火控制模块62延迟点火正时以最小化转矩波动同时保持AFR恒定 (即，近似处于化学计量比)。如果需要另外地减小转矩，可以进一步延迟点火。在步骤94， 燃料喷射控制模块60开始双喷射模式以及点火控制模块62开始提前点火正时以逐渐地增 大AFR。尽管有双燃料喷射，点火正时被提前以使空气/燃料混合物变稀。转变控制模块58通过接收来自宽带氧传感器52的信号监测AFR。当AFR在步骤 96达到期望的AFR(例如在25-30的范围内)，方法80进行到步骤98。否则，方法80返回 步骤94，继续双燃料喷射和点火正时提前以增大AFR。当AFR在步骤96达到期望的AFR时， 在步骤98，燃料喷射控制模块60将燃料喷射从双喷射切换为单喷射。在步骤100，开始以 分层模式操作发动机12且空气/燃料混合物具有期望的AFR。之后，在步骤102，移动节流板以增大节流区域并延迟进气凸轮相位器以保持期望 的空气质量。根据基于当前节流位置和期望的空气质量的相位器偏置表延迟进气凸轮相位 器42。同时，节气门控制模块66使节流板30移动至期望的节流位置。转变控制模块58通过来自进气凸轮相位器位置传感器53的信号监测进气凸轮相 位器位置。当在步骤104将凸轮相位器位置移动至依照原始正常设置原始位置，在步骤106 转变完成。否则，继续对节流板和进气凸轮相位器进行调节直到进气凸轮相位器返回基于 正常设置的原始位置。在步骤108方法80结束。返回步骤84，当在步骤84转变控制模块58确定发动机12不处于均质模式时，在步骤120中转变控制模块58确定发动机12是否处于分层模式。如果发动机12不处于分 层模式，在步骤108方法80结束。当在步骤120，发动机12处于分层模式时，转变控制模 块58在步骤122确定发动机12是否应从分层模式向均质模式转变。当需要转变时，转变 控制模块58在步骤124确定期望的AFR、期望的空气质量和期望的节流位置。转变控制模块58选择转变进程以开始转变。燃料喷射控制模块60在步骤126根 据转变进程开始双喷射事件。类似于均质模式，在进气冲程中产生第一脉冲，以及类似于分 层模式，在压缩冲程中产生第二脉冲。在双喷射事件之后，在步骤128中，延迟进气凸轮相 位器42以实现期望的空气质量而不改变节流位置。燃烧室中的燃料空气混合物通过双喷 射模式而得以变浓。利用第一脉冲通过均质充量来实现所述变浓。当AFR根据转变进程达到中间值(例如，20)时，燃料喷射控制模块60在步骤132 中根据转变进程在进气冲程中开始单喷射。所述中间值在期望的AFR与当前的AFR之间。 AFR逐渐地变为化学计量比。在步骤134中，延迟火花点火以最小化转矩波动。当AFR达到 期望的AFR(即，化学计量比)时，在步骤136开始以均质模式操作发动机12。之后，在步骤138，通过调节进气凸轮相位器位置和节流位置保持期望的空气质 量。提前进气凸轮相位器42，同时调节节流位置以减小节流区域。当在步骤140，移动进气 凸轮相位器42以返回至依照正常设置的原始位置时，在步骤142完成从分层模式至均质模 式的转变。否则，方法返回步骤132，继续减小节流区域并提前进气凸轮相位器。在步骤108 方法80结束。现在本领域技术人员通过上面的说明能理解本公开的广义教导可以多种形式实 现。因此，虽然本公开包括特定实施例，但是本公开的真实范围并不受此限制，因为通过研 究附图、说明书和后附的权利要求其他修改型式对本领域技术人员而言是显而易见的。
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权利要求
一种用于内燃机的发动机模式控制模块，包括转变控制模块，其控制从第一发动机模式至第二发动机模式的转变并确定期望的空气质量，其中在第一发动机模式中以第一空气/燃料比即AFR操作所述发动机，以及在第二发动机模式中以第二AFR操作所述发动机，且所述期望的空气质量基于第二AFR；以及进气凸轮相位器控制模块，其在所述转变期间基于所述期望的空气质量调节所述进气凸轮相位器。
2.如权利要求1所述的发动机模式控制模块，还包括节气门控制模块，其在所述转变 的第一阶段保持节流板处于第一位置，其中所述第一位置基于所述第一 AFR。
3.如权利要求2所述的发动机模式控制模块，其中所述节气门控制模块在所述转变的 第二阶段控制所述节流板从所述第一位置至期望的节流位置，其中所述期望的节流位置基 于所述期望的空气质量而所述第二阶段发生在所述第一阶段之后。
4.如权利要求3所述的发动机模式控制模块，其中当节流板从所述第一位置移动至所 述期望的节流位置时，实际的空气质量保持恒定。
5.如权利要求3所述的发动机模式控制模块，其中当所述节流板从所述第一位置移动 至所述期望的节流位置时，所述进气凸轮相位器控制模块将所述进气凸轮相位器调节至原 始位置。
6.如权利要求1所述的发动机模式控制模块，还包括燃料喷射控制模块，其在所述转 变期间在发动机循环中开始双喷射。
7.如权利要求6所述的发动机模式控制模块，其中所述双喷射包括在进气冲程中的第 一喷射和在压缩冲程中的第二喷射。
8.如权利要求1所述的发动机模式控制模块，还包括点火控制模块，其调节点火正时 以控制实际的AFR。
9.如权利要求1所述的发动机模式控制模块，其中当所述发动机从均质模式转变为分 层模式时，在所述转变的第一阶段提前所述进气凸轮相位器。
10.一种方法，包括控制从第一发动机模式至第二发动机模式的转变，其中在所述第一模式中以第一空气 /燃料比即AFR操作发动机而在所述第二发动机模式中以第二 AFR操作发动机；基于所述第二 AFR确定期望的空气质量；和基于期望的空气质量调节进气凸轮相位器。
全文摘要
本发明涉及用于在直喷式发动机模式转变期间稳定转矩的系统和方法，提供一种用于内燃机的发动机模式控制系统，包括转变控制模块和进气凸轮相位器控制模块。转变控制模块控制从第一发动机模式至第二发动机模式的转变并确定期望的空气质量。在第一发动机模式中以第一空气/燃料比(AFR)操作发动机而在第二发动机模式中以第二AFR操作发动机。期望的空气质量基于第二AFR。进气凸轮相位器控制模块在转变期间基于期望的空气质量调节进气凸轮相位器。
文档编号F02D43/00GK101922372SQ20101020260
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月11日 优先权日2009年6月15日
发明者B·F·亨特, D·L·迪布尔, H·G·桑托索 申请人:通用汽车环球科技运作公司