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】
[00011本申请要求2013年2月21日提交的美国临时专利第61/767,726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机(ICE)上的火花点火(spark ignited，SI)燃烧和均 质充量压燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)燃烧之间的转换的控制 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0 mm的CAD 指阀门"打开/关闭"或者"定时(timing)"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。
[00M]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:第一汽缸;第一进入阀（inlet valve)，其配置 为控制气体流入第一汽缸;第一排出阀(outlet valve)，其配置为控制气体流出第一汽缸； 第一节流阀，其配置为控制燃料流入第一汽缸;存储器，其存储有程序指令；以及处理器，其 可操作地连接至所述第一进入阀、所述第一排出阀、所述第一节流阀和所述存储器，并且配 置为执行所述程序指令以根据火花点火(SI)阀门升程轮廓控制所述第一进入阀和所述第 一排出阀，在根据SI阀门升程轮廓控制所述第一进入阀和所述第一排出阀的同时在所述第 一汽缸中启动第一火花，根据均质充量压燃(HCCI)阀门升程轮廓控制所述第一进入阀和所 述第一排出阀，在根据HCCI阀门升程轮廓控制所述第一进入阀和所述第一排出阀的同时在 所述第一汽缸中启动第二火花，并且在启动所述第二火花之后，在在HCCI阀门升程轮廓中 控制第一进入阀和第一排出阀的同时，在HCCI SOI模式下控制第一节流阀的开始喷射 (SOI)定时。
[0016] 在另一实施例中，控制发动机系统的方法包括为第一汽缸提供第一进入阀、第一 排出阀和第一节流阀；根据火花点火(SI)阀门升程轮廓控制第一进入阀和第一排出阀；在 根据SI阀门升程轮廓控制第一进入阀和第一排出阀的同时，在第一汽缸中启动第一火花； 根据均质充量压燃(HCCI)阀门升程轮廓控制第一进入阀和第一排出阀；在根据HCCI阀门升 程轮廓控制第一进入阀和第一排出阀的同时，在第一汽缸中启动第二火花；以及在启动第 二火花之后，在在HCCI阀门升程轮廓中控制第一进入阀和第一排出阀的同时，在HCCI SOI 模式下控制第一节流阀的开始喷射(SO I)定时。
【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描绘了由执行存储在图3的存储器中的程序指令所提供的控制结构的示意图； 图5描绘了由图4的控制结构控制的SI至HCCI的转换策略； 图6描绘了由图4的控制结构控制的HCCI至SI的转换策略； 图7描绘了在SI操作模式下操作的图4的控制结构； 图8描绘了在转换操作模式下操作的图4的控制结构； 图9描绘了在HCCI操作模式下操作的图4的控制结构； 图IOA和图IOB描绘了由图4的控制结构提供的过程； 图11描绘了通过使用开环控制器从SI模式转换到HCCI模式引起的CA5q和NMEP; 图12描绘了表示从内部EGR分数和A(Iambda)角度的从SI至HCCI模式之间的转换的图 解； 图13描绘了表示在从SI模式转换至HCCI模式期间的汽缸压力的图表； 图14描绘了表示用于控制在操作模式之间的切换的非线性模型的图解； 图15描绘了在示例性SI至HCCI的切换期间用于开环和闭环控制器的开环输入的图表； 图16描绘了在图15的示例性SI至HCCI的切换期间用于开环和闭环控制器的输出的图 表； 图17描绘了用于开环控制系统的HCCI操作的前四个循环的汽缸压力； 图18描绘了用于闭环控制系统的HCCI操作的前四个循环的汽缸压力；以及 图19描绘了在另一示例性SI至HCCI的切换期间用于闭环和开环控制的输出的图表。
【具体实施方式】
[0018] 为了