用于控制在si和hcci燃烧模式之间的转换的系统和方法
【专利说明】用于控制在SI和HCCI燃烧模式之间的转换的系统和方法
[0001 ]本申请要求2013年2月21日提交的美国临时专利第61/767,687号的权益，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0002]本公开涉及一种用于在内燃发动机(ICE)上的火花点火(sparkignited，SI)燃烧和均质充量压燃(homogeneous charge compress1n ignit1n，HCCI)燃烧之间转换的控制系统。
【背景技术】
[0003]均质充量压燃(HCCI)是一种用于活塞发动机的先进燃烧构思，这种构思提供了明显优于当前技术的效率和排放效益。已经对HCCI燃烧工艺研究了超过二十年，并且HCCI燃烧工艺已经表现出有望作为可提高当前技术的效率和排放能力的汽车发动机的潜在技术。
[0004]在HCCI中，对空气、燃料、以及热排气的均匀混合物进行压缩，直到发生自动点火。因此，燃烧不是由火花发起的。相反，在汽缸内建立精确条件，从而使得简单地通过压缩汽缸内的气体来发起点火。HCCI由此高度依赖于缸内温度和气体的组成。为了向HCCI点火提供所需的温度，通常将来自前一个燃烧循环的大量热排气俘获在汽缸内，以使能该自动点火;然而，也已经测试了用于发起HCCI的其他方法，包括增大压缩比和加热进气。
[0005]合并HCCI的显著效益是HCCI发动机可以完全非节流地运行，大大减少了通常在火花点火(SI)发动机中的栗送损失，从而提升了效率。另外，由于高度稀释的反应混合物和缺少火焰，所以最高燃烧温度低得多，这大大减少了Nox的排放。
[0006]然而，由于负载的限制，所以提供仅仅依靠HCCI的系统是有问题的。自动点火伴有非常高的压力上升速率，导致在较高负载下的振铃(ringing)现象，这在结构上对于发动机是不希望的。因此，HCCI中的最大功率输出具有上限。在低负载端，更难保持HCCI模式，这是因为无法达到自动点火所需的温度。HCCI模式在较低的速度下也是不可能的，因为发起自动点火的物种的化学分解在较低速度下的速率是非常缓慢的。这会导致不稳定的操作或者失火。
[0007]因此，仅仅存在一个有限的在HCCI模式下有效并且稳定地运行发动机的操作区域。因此，已经试图通过将HCCI模式与常规的SI模式相结合来在汽车发动机中合并HCCI模式。通过这些方法，在冷启动周期期间并且在通过低速和低负载使发动机斜升的同时，使用SI模式。在中等负载到中高负载的区域中，可以在HCCI模式下操作发动机，使效率最大化并且使排放最小化。当功率需求超过HCCI模式的负载上限值时，可以将该模式切换回SI模式。
[0008]然而，从一个模式平稳地转换至另一个模式面临另外的挑战。例如，由于SI操作条件和HCCI操作条件之间的显著差异，在模式切换期间保持所需的扭矩可能面临挑战。因此，在生产发动机上实施HCCI需要先进的控制算法。由于缺少直接点火触发器(诸如，火花)和由在HCCI模式下俘获的排气引入的循环到循环动态，该控制算法是复杂的。在该文献中已经展示了用于稳态和瞬态控制HCCI的多种建模和控制方法。
[0009]从前面的论述中可见，HCCI和传统SI模式之间的转换均必须在低负载/速度下以及在操作范围的中高负载/速度端进行。这在图1中进行了示意性地示出。在图1中，用面积10指示了发动机负载/发动机速度的区域，在该区域中，HCCI模式是有利的。面积12标识了SI模式的允许操作区域。因此，在发动机沿着线14从低速/低负载条件转换至高速高负载条件时，发动机最适宜在位置16处从SI模式转换至HCCI模式并且在位置18处再次从HCCI模式转换至SI模式。相似地，在发动机沿着线20从高速/高负载条件转换至低速/低负载条件时，发动机最适宜在位置22处从SI模式转换至HCCI模式并且在位置24处再次从HCCI模式转换至SI模式。
[0010]为了实现所需的模式切换，HCCI发动机通常可以用完全柔性的可变阀致动系统来实施，也可以用双凸轮相位器来实施。前者仅仅适用于研究之目的，并且在生产设置上实施是不可行的。用于HCCI发动机的双凸轮相位器通常设计有两组阀门轮廓，一组用于SI模式，另一组用于HCCI模式。
[0011]图2图示了SI和HCCI阀门升程和打开/关闭轮廓的典型示例。线30标识了在SI模式下离开阀(exhaust valve)相对于曲轴角度(CAD)的阀门升程位置，并且线32标识了在SI模式下进给阀(intake valve)相对于CAD的阀门升程位置。线34标识了在HCCI模式下离开阀相对于CAD的阀门升程位置，并且线36标识了在HCCI模式下进给阀相对于CAD的阀门升程位置。本文中，线30、32、34和36的最大高度指“阀门升程轮廓”，在线偏离并且回到O mm的CAD指阀门“打开/关闭”或者“定时”轮廓。
[0012]图2示出了在SI模式下理想的是具有高阀门升程(升程轮廓)和长打开阀门持续时间(打开/关闭轮廓)，而在HCCI模式下优选的是具有低阀门升程和短打开阀门持续时间(以实现俘获排气)。因此，从SI到HCCI的转换也涉及从SI阀门轮廓(升程和定时轮廓)转换至HCCI阀门轮廓，这可以引入显著的动态。
[0013]在该文献中已经呈现了在这两种模式之间切换的不同方法，包括:单步切换和分多个循环更具逐步发生的转换。在该文献中也已经呈现了一些控制方法:其中一节示出了从具有进给阀早关闭的SI切换到HCCI的控制方法，其中，在切换期间，控制燃料量和阀门定时；另一节展示了一种在从SI到HCCI的多循环转换期间控制负载和空气燃料率的方法。然而，所有这些方法都引起了不希望的动态。
[0014]因此，需要一种在展示出提高了动态的同时提供在SI和HCCI模式之间的转换的控制系统。
【发明内容】
[0015]在一个实施例中，发动机系统包括:汽缸;进入阀(inletvalve)，其配置为控制气体流入汽缸;排出阀(outlet valve)，其配置为控制气体流出汽缸;节流阀，其配置为控制燃料流入汽缸;存储器，其包括存储在其中的程序指令；以及处理器，其可操作地连接至进入阀、排出阀、节流阀和存储器，并且配置为执行程序指令以:根据均质充量压燃(HCCI)阀门升程轮廓和火花点火(SI)阀门打开/关闭轮廓来控制进入阀和排出阀，并且，在根据HCCI阀门升程轮廓和SI阀门打开/关闭轮廓来控制进入阀和排出阀的同时，在汽缸中启动第一火花。
[0016]在另一实施例中，一种控制具有汽缸、配置为控制气体流入汽缸的进入阀、以及控制气体流出汽缸的排出阀的发动机系统的方法包括根据均质充量压燃(H C CI)阀门升程轮廓和火花点火(SI)阀门打开/关闭轮廓控制进入阀和排出阀，以及在根据HCCI阀门升程轮廓和SI阀门打开/关闭轮廓控制进入阀和排出阀的同时在汽缸中启动第一火花。
【附图说明】
[0017]图1描绘了SI和HCCI操作规程以及在它们之间的转换的示意图；
图2描绘了在SI和HCCI操作模式下的示例性阀门轮廓的图表；
图3描绘了根据本公开的原理的发动机系统；
图4描绘了由图3的系统控制的SI至HCCI的转换策略；
图5描绘了由图3的系统控制的HCCI至SI的转换策略；
图6描绘了示出了从内部排气残留(EGR)分数和A(Iambda)角度的从SI至HCCI模式的转换的图解；
图7描绘了在从SI模式至HCCI模式的转换期间根据曲轴角度(CAD)的进给阀打开时间、点火结束和火花启动定时以及节流位置；
图8描绘了当基于正常HCCI循环控制点火结束时在SI模式操作和HCCI操作的前四个循环期间汽缸压力对于CAD关于上死点(TDC)的图表；
图9描绘了当将点火结束控制为相较于正常HCCI循环延迟时在SI模式操作和HCCI操作的前四个循环期间的汽缸压力的图表；
图10描绘了离开阀和进给阀，该图是在从SI模式转换至HCCI模式期间根据CAD的汽缸压力的图表；
图11描绘了在从SI模式转换至HCCI模式期间在进给阀关闭时EGR的质量和EGR的温度； 图12描绘了在从SI模式转换至HCCI模式期间保持的λ以及在进给阀处的压力；
图13描绘了在从SI模式转换至HCCI模式期间在进给阀关闭时的工作输出、CA50、EGR的质量和EGR的温度；
图14描绘了在从SI模式转换至火花辅助压燃(SACI)模式再至HCCI模式期间在进给阀关闭时的工作输出、CA5q、EGR的质量和EGR的温度;以及
图15描绘了示出了在从SI模式转换至SACI模式再至HCCI模式期间在最后的SI循环和三个SACI循环期间从汽缸释放出来的热量的图表。
【具体实施方式】
[0018]为了方便理解本公开的原理，现在将参考在附图中图示并且在下文中书面描述的实施例。要理解，此处不旨在对本公开的范围进行限制。还要理解，本公开包括对图示的实施例的任何更改和修改，并且包括本公开的原理的进一步应用，这对于本公开所属领域的技术人员来说是容易想到的。
[0019]图3描绘了发动机系统100，其包括发动机102。发动机包括至少一个汽缸104。只示出了一个汽缸1