专利名称：均质充气压燃式发动机系统中用于废气再循环控制的系统和方法
技术领域：
本发明涉及内燃发动机，更具体地涉及在均质充气压燃式(HCCI)发动机系统中用 于控制废气再循环(EGR)的系统和方法。
背景技术：
这里提供的背景技术描述用于总体上介绍本发明的背景。在本背景技术部分中所 描述的程度上，当前署名的发明人的作品和本描述中在申请时不构成现有技术的各方面， 既非明示也非默示地被认为是本发明的现有技术。均质充气压燃式(HCCI)发动机燃烧气缸内的空气/燃料(A/F)混合物以产生驱 动扭矩。例如，在HCCI燃烧模式下，当被活塞压缩(S卩，压缩点火)时，A/F混合物可被自动 地点燃。可选地，例如，在火花点火式(Si)燃烧模式下，在活塞压缩A/F混合物之后，气缸 内的A/F混合物可被火花塞点燃。此外，在燃烧模式之间存在转变状态(例如，从SI转变到 HCCDo与SI燃烧模式相比，HCCI燃烧模式可提高发动机效率和/或燃料经济性。然而， 为了减少燃烧噪声并保护发动机免受由于与HCCI相关联的过度压力增加而导致的损坏， HCCI燃烧模式会受限于预定的HCCI运行区域。因此，压力传感器可以在一个或多个气缸中 执行，并可以用于监测气缸压力，特别是在HCCI燃烧模式期间。然而，HCCI燃烧模式还会需要对A/F比、燃料喷射正时和其它发动机运行参数的 精确控制，以防止燃料效率减小和/或排放物增加。更具体地说，在燃烧期间较低的峰值温 度(与SI燃烧模式相比)会导致燃料的不完全燃烧，并因此导致减小的燃料效率。此外，与 在SI燃烧模式下相比，由于在HCCI燃烧模式下使用的A/F混合物更贫，所以在HCCI燃烧 模式期间氧化氮(NOx)排放物会更多。
发明内容
一种用于均质充气压燃式(HCCI)发动机的发动机控制系统包括位置确定模块、位 置校正模块和阀控制模块。所述位置确定模块基于期望的废气再循环(EGR)流、进气歧管 压力、排气歧管压力和废气温度的预定函数来确定EGR阀的初始位置。所述位置校正模块 基于所述HCCI发动机的气缸内的压力来确定所述EGR阀的位置校正。所述阀控制模块在 从火花点火式(Si)燃烧到HCCI燃烧的转变期间指令所述EGR阀至所述初始位置，并且在 所述转变之后的预定时段内指令所述EGR阀至最终位置，其中，所述最终位置包括所述初 始位置和所述位置校正的总和。—种方法包括基于期望的废气再循环(EGR)流、进气歧管压力、排气歧管压力和 废气温度的预定函数来确定EGR阀的初始位置；基于均质充气压燃式(HCCI)发动机的气缸 内的压力来确定所述EGR阀的位置校正；在从火花点火式(Si)燃烧到HCCI燃烧的转变期 间指令所述EGR阀至所述初始位置；以及在所述转变之后的预定时段内指令所述EGR阀至最终位置，其中，所述最终位置包括所述初始位置和所述位置校正的总和。本发明进一步的适用范围将通过下文提供的详细描述而变得显而易见。应当理解 的是，该详细描述和具体示例仅用于说明目的，而并非旨在限制本发明的范围。本发明还提供如下方案
1. 一种用于均质充气压燃式(HCCI)发动机的发动机控制系统，其包括 位置确定模块，所述位置确定模块基于期望的废气再循环(EGR)流量、进气歧管压力、 排气歧管压力和废气温度的预定函数确定EGR阀的初始位置；
位置校正模块，所述位置校正模块基于所述HCCI发动机的气缸内的压力确定所述EGR 阀的位置校正；以及
阀控制模块，所述阀控制模块在从火花点火式(Si)燃烧到HCCI燃烧的转变期间指令 所述EGR阀至所述初始位置，并且在所述转变之后的预定时段内指令所述EGR阀至最终位 置，其中，所述最终位置包括所述初始位置和所述位置校正的总和。2.如方案1所述的发动机控制系统，其中，当所述HCCI发动机的燃烧定相提前至 大于第一预定阈值时，所述最终位置大于所述初始位置。3.如方案1所述的发动机控制系统，其中，当所述HCCI发动机的燃烧定相延迟至 小于第二预定阈值时，所述最终位置小于所述初始位置。4.如方案1所述的发动机控制系统，其中，所述HCCI发动机包括根据气缸中的空 气/燃料(A/F)混合物的一半已经燃烧(CA50)时的燃烧定相。5.如方案1所述的发动机控制系统，其中，所述预定函数是使用测力计来校准 的。6.如方案1所述的发动机控制系统，其中，所述预定函数基于所述EGR阀的流特性。7.如方案1所述的发动机控制系统，其中，所述预定函数针对由所述HCCI发动机 输出的燃料效率、发动机稳定性、燃烧噪声和排放物中的至少一个而被最优化。8.如方案1所述的发动机控制系统，其中，所述进气歧管压力指示来自所述EGR 阀的下游的压力，其中，所述进气歧管压力使用进气歧管绝对压力(MAP)传感器来测量，其 中，所述排气歧管压力指示来自所述EGR阀的上游的压力，其中，所述排气歧管压力是使用 排气歧管背压(EBP)传感器测量的压力和使用预定的排气压力模型估计的压力中之一。9.如方案1所述的发动机控制系统，其中，所述排气温度使用废气温度(EGT)传 感器测量的温度和使用预定的温度模型估计的温度中之一。10.如方案1所述的发动机控制系统，还包括
压力传感器，所述压力传感器测量所述HCCI发动机的所述气缸内部的压力。11. 一种方法，其包括
基于期望的废气再循环(EGR)流量、进气歧管压力、排气歧管压力和废气温度的预定函 数来确定EGR阀的初始位置；
基于均质充气压燃式(HCCI)发动机的气缸内的压力来确定所述EGR阀的位置校正； 在从火花点火式(Si)燃烧到HCCI燃烧的转变期间指令所述EGR阀至所述初始位置；
以及
在所述转变之后的预定时段内指令所述EGR阀至最终位置，其中，所述最终位置包括所述初始位置和所述位置校正的总和。12.如方案11所述的方法，其中，当所述HCCI发动机的燃烧定相提前至大于第一 预定阈值时，所述最终位置大于所述初始位置。13.如方案11所述的方法，其中，当所述HCCI发动机的燃烧定相延迟至小于第二 预定阈值时，所述最终位置小于所述初始位置。14.如方案11所述的方法，其中，所述HCCI发动机包括根据气缸中的空气/燃料 (A/F)混合物的一半已经燃烧(CA50)时的燃烧定相。15.如方案11所述的方法，还包括 使用测力计来校准所述预定函数。16.如方案11所述的方法，其中，所述预定函数基于所述EGR阀的流特性。17.如方案11所述的方法，还包括
针对由所述HCCI发动机输出的燃料效率、发动机稳定性、燃烧噪声和排放物中的至少 一个将所述预定函数最优化。18.如方案11所述的方法，还包括
使用进气歧管绝对压力(MAP)传感器来测量所述进气歧管压力，其中，所述进气歧管压 力指示来自所述EGR阀的下游的压力；以及
使用排气歧管背压(EBP)传感器来测量所述排气歧管压力和使用预定排气压力模型估 计所述排气歧管压力中之一，其中，所述排气歧管压力指示来自所述EGR阀的上游的压力。19.如方案11所述的方法，还包括
使用废气温度(EGT)传感器测量所述废气温度和使用预定的温度模型估计所述废气温 度中之一。20.如方案11所述的方法，还包括
使用压力传感器测量所述HCCI发动机的所述气缸内部的压力。
通过详细描述和附图将会更全面地理解本发明，附图中
图1是根据本发明的示例性均质充气压燃式(HCCI)发动机系统的功能框图； 图2是根据本发明的示例性控制模块的功能框图；以及
图3是根据本发明的用于控制HCCI发动机的废气再循环(EGR)系统的方法的流程图。
具体实施例方式下面的描述本质上仅是示例性的并且决不是要限制本发明、其应用或用途。为了 清楚的目的，在附图中将使用相同的附图标记标识相似的元件。如这里所使用的，短语A、B 和C中的至少一个应当被解释为使用非排他逻辑或的逻辑(A或B或C)。应当理解的是，在 不改变本发明的原理的情况下，可以以不同的顺序执行方法内的步骤。如这里所使用的，术语模块指专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共用的、专 用的、或成组的)和执行一个或多个软件程序或固件程序的存储器、组合逻辑电路、和/或提 供所描述功能的其他适合组件。废气再循环(EGR)系统可以实现在均质充气压燃式(HCCI)发动机中，以提高燃料效率、减少HCCI燃烧噪声和/或减少排放物。典型的发动机控制系统致动EGR系统的阀 (EGR阀)，以控制再循环回至进气歧管的废气的量(即，百分比)。然而，典型的HCCI发动机 控制系统基于来自HCCI发动机的气缸中的压力传感器的闭环反馈来致动EGR阀。更具体 地说，当燃烧热释放速率大于期望的阈值时，发动机控制系统可以致动EGR阀，以提高EGR 的量并使燃烧速率减速。然而，在从火花点火式(Si)燃烧模式到HCCI燃烧模式的转变期间，由于在一部分 排气流回到气缸的相应进气门的方向上涉及的“输送延迟”，所以EGR流可能不能用于HCCI 燃烧事件。换言之，SI燃烧模式可将EGR阀保持在接近关闭的位置范围(例如，5%至15%)， 而HCCI燃烧模式会需要更大量的EGR(例如，多达50%)。因此，在从SI燃烧模式到HCCI燃 烧模式的转变期间，由于“输送延迟”，燃料效率会降低，排放物会增加，和/或燃烧噪声会 增加。因此，提出了补偿燃烧模式转变(S卩，SI到HCCI转变)期间的“输送延迟”的系统 和方法。更具体地说，所提出的系统和方法在燃烧模式转变期间基于开环控制(即，无反馈) 指令EGR阀至初始位置。然后，所提出的系统和方法可以在燃烧模式转变之后基于闭环控 制(即，来自气缸压力传感器的反馈)调节EGR阀的位置。在燃烧模式转变期间EGR阀的较 早打开会使得燃料效率提高、燃烧噪声降低和/或排放物减少。另外地或可选地，该系统和 方法可以在HCCI燃烧模式下运行的情况下在各种发动机速度和/或发动机负荷之间转变 期间前馈EGR阀位置并可以反馈EGR阀位置校正(与上述类似)。现在参照图1，示出HCCI发动机系统100的示例性实施方案。HCCI发动机系统 100包括HCCI发动机102、空气入口 104、节气门106、节气门位置传感器(TPS)传感器108、 质量空气流量(MAF)传感器110、进气歧管112和进气歧管绝对压力(MAP)传感器114。空气通过由节气门106调节的空气入口 104被吸入到HCCI发动机102进入进气 歧管112中。TPS传感器108可以基于节气门106的相对位置产生TPS信号。MAF传感器 110可以基于进入HCCI发动机102的质量空气流量产生MAF信号。例如，发动机负荷可以 基于来自MAF传感器110的信号来确定。MAP传感器114可以基于进气歧管112内部的压 力产生MAP信号。HCCI发动机系统100还包括燃料系统116、多个气缸118、凸轮轴120、点火系统 122、多个火花塞124、多个气缸压力传感器126、曲轴1 和曲轴传感器130。进气歧管112内部的空气可以分配到多个气缸118。尽管示出四个气缸118，但是 可以认识到，HCCI发动机102可以包括其它数量的气缸。凸轮轴120致动进气门(未示出)， 进气门选择性地打开和关闭，从而能使来自进气歧管112的空气进入气缸118。尽管示出一 个凸轮轴120，但是可以认识到，可以实施一个以上的凸轮轴120 (例如，双顶置凸轮轴)。燃料系统116可以在中央位置处(S卩，中央口喷射或CPI)将燃料喷射到进气歧管 112中，或者可以在多个位置处(即，多点喷射或MPI)将燃料喷射到进气歧管112中。可选 地，燃料系统116可以将燃料直接喷射到气缸118中(即，直接燃料喷射)。空气与喷射的燃 料混合，从而在气缸118中形成A/F混合物。气缸压力传感器1 测量气缸118内部的压 力。仅举例而言，当一个或多个气缸118中的压力大于预定阈值时，HCCI发动机102可以 从HCCI燃烧模式切换到SI燃烧模式。气缸118内的活塞(未示出)压缩A/F混合物。在低至中等发动机负荷和低至中等发动机速度下，HCCI发动机系统100在HCCI燃烧模式下运行，A/F混合物在被压缩时自动 地点燃(即，压缩点火)。否则，HCCI发动机系统100在SI燃烧模式下运行，点火系统122可 以点燃A/F混合物，或者可以在HCCI运行期间通过火花塞IM提供火花援助。A/F混合物 的燃烧向下驱动活塞，由此旋转地驱动曲轴128，从而产生驱动扭矩。曲轴传感器130可以 基于曲轴128的旋转速度(例如，以每分钟转数或RPM计)产生发动机速度信号。HCCI发动机系统100还包括排气歧管132、排气出口 134、排气歧管背压(EBP)传 感器136、废气温度(EGT)传感器138、废气再循环(EGR)线路140、EGR阀142和EGR阀位 置传感器144。如上所述，凸轮轴120还致动排气门(未示出)，排气门选择性地打开和关闭，从而 能够使来自气缸118的燃烧排气进入排气歧管132。然后，废气可通过排气出口 134被迫从 发动机系统排出。EBP传感器136可以测量排气歧管132中的废气的压力。EGT传感器138 可以测量排气歧管132中的废气的温度(并因此测量通过EGR系统140、142再循环的废气 的温度)。可选地，可以认识到，废气的温度可以基于各种发动机运行参数来建模。EGR线路140和EGR阀142还可以将废气引入到进气歧管112中。更具体地说， EGR线路140从排气歧管132延伸到EGR阀142，EGR阀142可以安装在进气歧管112上(如 图所示)。因此，EGR阀142可以选择性地打开和关闭，从而能够使废气进入进气歧管112。 例如，废气的再循环可以降低峰值燃烧温度，因此可以减少排放物、降低燃烧噪声和/或提 高HCCI发动机102的效率。EGR位置传感器144产生指示EGR阀的位置(例如，0%至100% EGR)的信号。控制模块150基于驾驶员输入和各种发动机运行参数来控制HCCI发动机系统100 的操作。更具体地说，控制模块150可以从驾驶员输入模块160接收驾驶员输入。仅举例 而言，驾驶员输入模块160可以是加速器踏板，驾驶员输入可以对应于加速器踏板的位置 (即，压下)。控制模块150控制HCCI发动机102、节气门106 (例如，经由电子节气门控制或 ETC)、燃料系统116、点火系统122、火花塞IM和EGR阀142，并与它们连通。控制模块150 还接收来自TPS传感器108、MAF传感器110、MAP传感器114、气缸压力传感器126、曲轴传 感器130、EBP传感器136、EGT传感器138和EGR位置传感器144的信号。现在参照图2，更详细地示出了控制模块150。控制模块150可以包括位置确定模 块180、位置校正模块182和阀控制模块184。位置确定模块180可以接收来自MAP传感器114、EBP传感器136、EGT传感器138 和EGR阀位置传感器144的信号。位置确定模块180可以基于EGR流模型来确定EGR阀 142的初始位置，EGR流模型是MAP、EBP、EGT和期望的EGR流量的函数。然而，EGR流模型 可以基于EGR阀142的物理流动特性。位置确定模块182可以包括查询表183，查询表183 将期望的EGR流量与各种发动机操作点相关联。仅举例而言，可以使用测力计来校准查询 表 183。因此，位置确定模块180可以基于开环控制(S卩，无反馈)来确定EGR阀142的初始 位置。更具体地说，位置确定模块180可以确定EGR阀142的初始位置，从而可以使得最佳 量的废气再循环。换言之，在新的燃烧模式(即，转变时段之后的燃烧模式)下运行时，最佳 量的EGR可以对应于燃料效率的提高、燃烧噪声的降低和/或排放物的减少。仅举例而言，当EBP由于废气流的增加而增大时，EGR阀开度可以减小以维持期望的EGR流。可选地，仅 举例而言，当MAP由于进气流的增加而增大时，EGR阀开度可以增大以维持期望的EGR流。 类似地，仅举例而言，当EGT由于废气的热膨胀(即，较少的废气流动)而增大时，EGR阀开度 可以增大以维持期望的EGR流。位置校正模块182可以从HCCI发动机102的气缸118中的压力传感器126接收 信号。位置校正模块182确定EGR阀142的位置校正(量)。换言之，位置校正模块182可 以基于闭环控制(即，来自压力传感器126的反馈)来确定EGR阀142的位置的变化量。仅 举例而言，当(基于气缸压力所校准的)燃烧定相比预定阈值早时，可以增大EGR阀142的位 置(即，打开地更多)，以延迟燃烧。阀控制模块184分别从位置确定模块180和位置校正模块182接收初始位置和位 置校正。阀控制模块184首先在转变时段期间指令EGR阀142至(由位置确定模块180所 确定的)初始位置。然而，在该转变时段之后，阀控制模块184可以随后基于EGR阀142的 (由位置校正模块182所确定的)位置校正来指令EGR阀142至最终位置。例如，最终位置 可以包括初始位置和位置校正的总和。换言之，阀控制模块184可以基于闭环控制(S卩，来 自压力传感器126的反馈)来调节EGR阀142。因此，阀控制模块184可以使EGR阀的位置 最优化，因此可以提高燃料效率、降低燃烧噪声和/或减少HCCI发动机102的排放物。现在参照图3，一种用于控制EGR系统的方法在步骤202中开始。在步骤202中， 控制模块150确定HCCI发动机102是否正在运行。如果是，则控制可以前进至步骤204。 如果否，则控制可以返回到步骤202。在步骤204中，控制模块将EGR阀142的校正后的位 置初始化为零。在步骤206中，控制模块150确定HCCI发动机102是否正在HCCI燃烧下运行或 者正在转变到HCCI燃烧。仅举例而言，当车辆运行条件(即，发动机RPM)在预定义的HCCI 运行区内时，HCCI发动机102可以从SI燃烧模式转变到HCCI燃烧模式。如果是，则控制 可以前进至步骤208。如果否，则控制可以返回到步骤204。在步骤208中，控制模块150可以确定EGR阀142的初始位置。例如，EGR阀142 的初始位置可以基于开环控制。在步骤210中，控制模块150可以指令EGR阀142至与初 始位置和校正后的位置的总和对应的位置。在步骤212中，控制模块150可以确定EGR阀142的校正后的位置。例如，EGR阀 142的校正后的位置可以基于使用来自压力传感器1 的反馈的闭环控制。然后，控制可以 返回步骤206。本发明的广义教导可以以各种形式实施。因此，虽然本发明包括具体示例，但本发 明的真正范围不应局限于此，因为在研究附图、说明书和所附权利要求书的基础上其他修 改对于本领域技术人员来说将变得显而易见。
权利要求
1.一种用于均质充气压燃式(HCCI)发动机的发动机控制系统，其包括位置确定模块，所述位置确定模块基于期望的废气再循环(EGR)流量、进气歧管压力、 排气歧管压力和废气温度的预定函数确定EGR阀的初始位置；位置校正模块，所述位置校正模块基于所述HCCI发动机的气缸内的压力确定所述EGR 阀的位置校正；以及阀控制模块，所述阀控制模块在从火花点火式(Si)燃烧到HCCI燃烧的转变期间指令 所述EGR阀至所述初始位置，并且在所述转变之后的预定时段内指令所述EGR阀至最终位 置，其中，所述最终位置包括所述初始位置和所述位置校正的总和。
2.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中，当所述HCCI发动机的燃烧定相提前至 大于第一预定阈值时，所述最终位置大于所述初始位置。
3.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中，当所述HCCI发动机的燃烧定相延迟至 小于第二预定阈值时，所述最终位置小于所述初始位置。
4.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述HCCI发动机包括根据气缸中的空 气/燃料(A/F)混合物的一半已经燃烧(CA50)时的燃烧定相。
5.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述预定函数是使用测力计来校准的。
6.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述预定函数基于所述EGR阀的流特性。
7.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述预定函数针对由所述HCCI发动机 输出的燃料效率、发动机稳定性、燃烧噪声和排放物中的至少一个而被最优化。
8.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述进气歧管压力指示来自所述EGR 阀的下游的压力，其中，所述进气歧管压力使用进气歧管绝对压力(MAP)传感器来测量，其 中，所述排气歧管压力指示来自所述EGR阀的上游的压力，其中，所述排气歧管压力是使用 排气歧管背压(EBP)传感器测量的压力和使用预定的排气压力模型估计的压力中之一。
9.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述排气温度使用废气温度(EGT)传感 器测量的温度和使用预定的温度模型估计的温度中之一。
10.一种方法，其包括基于期望的废气再循环(EGR)流量、进气歧管压力、排气歧管压力和废气温度的预定函 数来确定EGR阀的初始位置；基于均质充气压燃式(HCCI)发动机的气缸内的压力来确定所述EGR阀的位置校正； 在从火花点火式(Si)燃烧到HCCI燃烧的转变期间指令所述EGR阀至所述初始位置；以及在所述转变之后的预定时段内指令所述EGR阀至最终位置，其中，所述最终位置包括 所述初始位置和所述位置校正的总和。
全文摘要
本发明涉及均质充气压燃式发动机系统中用于废气再循环控制的系统和方法，具体地，一种用于均质充气压燃式(HCCI)发动机的发动机控制系统包括位置确定模块、位置校正模块和阀控制模块。所述位置确定模块基于期望的废气再循环(EGR)流量、进气歧管压力、排气歧管压力和废气温度的预定函数来确定EGR阀的初始位置。所述位置校正模块基于所述HCCI发动机的气缸内的压力来确定所述EGR阀的位置校正。所述阀控制模块在从火花点火式(SI)燃烧到HCCI燃烧的转变期间指令所述EGR阀至所述初始位置，并且在所述转变之后的预定时段内指令所述EGR阀至最终位置，其中，所述最终位置包括所述初始位置和所述位置校正的总和。
文档编号F02M25/07GK102121423SQ201010572208
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月3日 优先权日2009年12月3日
发明者A·B·雷尔, V·拉马潘 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司