柴油机中基于模型的自点火优化的控制器的制作方法

专利名称：柴油机中基于模型的自点火优化的控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及柴油机，该柴油机不时地通过诸如HCCI、 CAI、 DCCS或HPCS 的交替的柴油燃烧(ADC)过程运行，以在发动机气缸中压縮空气一燃料混合物 时造成混合物的自点火。
背景技术：
HCCI (均质装料压縮点火)是一种已被认识的过程，在发动机循环的压縮冲 程中，该过程以在发动机气缸内形成基本上均质的空气一燃料装料方式来对柴油机 加燃料。在需要的用于装料的燃料喷射到气缸内而形成大致均质的空气一燃料混合 物后，通过活塞向上冲程增加装料的压縮造成足够的高温而在上死点(TDC)附近 或上死点上使装料自点火。当处于混合物内不同位置的蒸发燃料基本上同时自发地 燃烧时，就会发生自点火。HCCI特征之一是相对贫瘠或稀释的混合物可以燃烧，并保持燃烧温度相对较 低。通过避免形成相当高的燃烧温度，HCCI可显著地减少NOx的产生，这是发动 机废气中不理想的成分。HCCI另一特征在于，基本上均质的空气一燃料装料的自点火产生了更加完全 的燃烧并在发动机废气中造成相对少的烟灰。因此，HCCI在减少尾管排放方面的潜在益处是颇为显著的，从而在发动机研 究和设计界内HCCI是许多科技人员和工程师主动研究和开发的课题。对于压縮点火发动机来说，HCCI被认为是几种交替燃烧过程之一。可以被认 为是交替燃烧过程的其它过程包括控制的自点火(CAI)、稀释控制的燃烧系统 (DCCS)以及高度预混合燃烧系统(HPCS)。交替的燃烧系统或过程不管可能称作什么名称，其共同的特征在于，燃料远在 到达TDC之前就喷射到气缸内以形成逐渐压縮的空气一燃料装料，直到在上死点 (TDC)附近或上死点上发生自点火为止。如果这样的交替过程在对于任何特定发动机的发动机运行全部范围上不合适，那么，发动机可以传统柴油机的方式加燃料，其中，增压空气被压縮到这样的程度， 即， 一旦燃料喷射入气缸内，它就致使燃料立即点火，通常在压縮为最大的上死点(TDC)附近或上死点上。提供过程受控的燃料喷射系统，该系统能够精确地控制燃料喷射，其在发动机 运行的全部范围内的发动机循环过程中，允许在不同的喷射压力、不同时间和不同 时间长度内喷射燃料，这样，柴油机变为能够由交替燃烧过程和/或传统柴油燃烧 方式运行。可变阀致动系统的出现允许以各种方式使发动机阀的定时被处理器精确 地控制。如下面描述将要解释的，本发明利用如此的处理器控制的燃料和阀致动系统的 能力，以便当压縮点火发动机在交替柴油燃烧模式中运行时更好地控制自点火。因为根据影响发动机运行的输入到车辆和发动机的各种输入，对机动车提供动 力的柴油机在不同速度和载荷下行驶，所以，对加燃料的要求随着速度和载荷的变 化而变化。相关的处理系统处理表示诸如发动机速度和发动机载荷之类参数的数 据，以对特定的运行状态设定要求的发动机加燃料而形成控制数据。 一种控制算法 寻求确保燃料喷射系统这样的操作，该操作将在发动机速度和发动机载荷各种组合 的每种组合下提供要求的加燃料。根据不同的发动机速度一载荷条件，可变阀致动系统也可以不同方式加以控 制，以提供适合于这些条件的多种组合中的每个组合为有效的压縮比。控制算法寻 求确保理想有效的压縮比，该压縮比结合由燃料控制算法确定的加燃料来致使缸内 混合物在发动机内的要求时间发生自点火，以在特定的发动机速度下产生要求的转 矩。即使对加燃料和缸阀定时有良好的控制，也可能在发动机中存在各种扰动，它 们在自点火和生成转矩时产生缸与缸的变化和/或循环与循环的变化。过早自点火 可造成某些不理想的后果，诸如可能有害的发动机爆燃。过迟的自点火可导致功率 损失。在特定发动机设计中这些扰动可以是固有的， 一般地因为每个气缸在发动机 中处于不同位置，因此可在与其它气缸相差小但仍然显著的温差之下运行，和/或 可能在与其它气缸不同的离增压空气进入进气歧管之处的距离之处运行。发明内容当柴油机在交替燃烧过程中运行时，管理好空气和燃料对于发动机循环过程中 在理想时间进行自点火是重要的。有了处理器控制的可变阀致动系统，可以多种方式操作发动机阀来管理流入气缸内的气流，以便在每一气缸内压縮的混合物中达到 理想的增压空气量。同样地，通过处理器控制的加燃料系统也可很好地控制混合物 中的燃料量。当发动机运行状态改变时，燃料和空气可以适合于变化状态的各种方 式变化。HCCI、 DCCS、 HPCS和其它替代的内燃过程已经在理论上和实验上公开了， 包括NOx和烟灰的发动机排放水平有可能显著地降低。可以用来有效地达到这些 降低的多种因素中，有效的压縮比是其中一个因素。 一般认为工业界对于有效压縮 比的可接受的定义是压縮冲程结束时的缸内压力对有效进气冲程结束时的缸内压 力之比。控制允许进入气缸内的增压空气量将可控制有效的压縮比。本发明使用可变阀致动和燃料控制策略来达到发动机循环过程中在合适时间 将会自点火的空气一燃料混合物，以在发动机运行的速度下提供要求的转矩。这些变化包括进气歧管温度和排气再循环。本发明寻求控制某些变量(控制变量)以便使自点火的特征变化达到最小(例 如，特定气缸内循环与循环的自点火定时的变化，或气缸与气缸的变化)，当燃料 在压縮冲程中相对早地引入到气缸内，而自点火显著地延迟以允许燃料和增压空气 在自点火实际发生之前更好地混合时，趋于发生这些变化。某些变量(扰动变量和操纵变量)影响自点火。影响自点火的一个变量是正在 压縮的空气一燃料混合物的温度。合适地控制该温度可避免过早地自点火，过早自 点火会造成严重爆燃并导致发动机损坏。现有技术控制混合物温度的某些努力在 于(a)优化活塞几何形状来提高混合物的均质性，(b)限制有效压缩比(在柴油 或高十六碳烯燃料的情况下，需要降低压縮比，因为这些燃料比汽油燃料容易点 火)，以限制缸内温度上升，(c)优化燃料喷射策略(例如，顺序地和相对地贡献 多个喷射)，(d)优化排气再循环(EGR)量和EGR温度，以及(e)优化阀定时 顺序。本发明提供一种控制策略，其以减弱影响自点火过程的多个干扰源(扰动变量) 的方式来补偿控制变量。而现有技术采取添加一定的硬件或进行修改以图将干扰影 响减到最小，本发明实施基于模型的方法，其预防由发动机中所见的通常的扰动所 造成的发动机无法点火。由于抑制了无法点火，本发明提供耐用的自点火过程。扰动可以各种方式引起，例如源自各个气缸不均匀冷却，由于不相同的气流 型式通过进气系统到各自的气缸引起的在各个气缸处空气充入量的变化，不一致的点火次序，以及不等的EGR气体分布。本发明的策略提供对每一气缸喷射器的控制和可变阀定时机构，在该定时机构中阀的定时可在每个气缸处进行调整。这里所 述的公开实施例控制作为操纵变量的个别气缸的加燃料和进气阀的关闭，同时考虑 到如所述的扰动变量那样的扰动的存在，以得到控制空气和燃料管理系统的值，它 们会在发动机循环的合适时间造成自点火以产生要求的转矩。可以认为本发明不仅可减少发动机的排放，而且可有利于改进机动车辆中发动 机特性的其它方面。此外，本发明在已经有电子的发动机控制系统和可变阀致动系 统的生产车辆中以成本经济的方式实施，因为本发明以控制的策略实施。在各种专利和技术文献中揭示的各种机构可用来改变发动机有效的压縮比。实例公开在共同拥有的美国专利Nos.6,044,815和6,263,842中。它们包括液压辅助的 发动机阀致动器，其可改变个别阀并控制个别气缸以便更好地进行燃烧控制，它们 用来补偿由发动机内不同的气缸位置引起的不同装料温度。本发明涉及改进在柴油机内使用的交替燃烧过程的发动机、系统和方法，其目 的包括进一步减少产生发动机废气中的不理想成分，尤其是，烟灰和NOx。本发 明具体为空气和燃料管理的策略。空气管理策略使用可变阀致动来控制进气阀的关 闭。通过在发动机控制系统的相关处理系统内的合适编程来实施这些策略。本发明的一个一般的方面涉及一种运行压縮点火发动机的方法，该发动机具有 基于处理器的发动机控制系统，系统控制对发动机加燃料的加燃料系统和可变阀致 动系统，该致动系统控制那些打开和关闭通向个别发动机气缸的进气系统的进气阀 的操作。该方法包括处理某些数据，以形成对发动机气缸加燃料的加燃料数据和操作气 缸进气阀的进气阀操作数据。进气阀操作数据通过在控制系统内执行一算法来形 成，该控制系统控制气缸的ECR，以在压縮冲程过程中不到上死点之前在规定温 度范围的气缸温度下致使气缸内的燃料开始发生自点火。气缸根据加燃料数据进行 加燃料。根据进气阀操作数据控制可变阀致动系统，以允许空气从进气系统通过进气阀 进入气缸内，通过的空气量在压縮冲程过程中不到上死点之前在规定温度范围的气 缸温度下致使气缸内的燃料开始发生自点火。另一个一般方面涉及一种压縮点火发动机，发动机包括多个其中发生燃烧以 运行发动机的气缸；对气缸加燃料的加燃料系统；将增压空气引入到气缸内的进气 系统，该迸气系统包括控制那些打开和关闭通向个别发动机气缸的进气阀操作的可 变阀致动系统；以及基于处理器的发动机控制系统，该发动机控制系统控制加燃料系统和和可变阀致动系统。控制系统的处理部分处理某些数据来形成对发动机气缸加燃料的加燃料数据 和操作气缸进气阀的进气阀操作数据。进气阀操作数据通过在控制系统内执行一算法来形成，该控制系统控制气缸的ECR，以在压縮冲程过程中不到上死点之前在规定温度范围的气缸温度下致使气缸 内的燃料开始发生自点火。该方法和该发动机的更具体的方面在于，进气阀就在压縮冲程之前的进气冲程 开始之时或接近开始之时开始打开，并在进气冲程结束之前关闭。关闭的发生远在 进气冲程结束之前，以在进气冲程的其余部分足以造成缸内温度一定的降低时允许 气缸内空气膨胀。从以下对显示实施本发明目前构思的最佳模式的本发明的优选实施例的描述 中，将会看到本发明上述和其它进一步的特征和优点。本说明书包括附图，现简要 地描述如下。


图1是与本发明原理相关的发动机和相关装置的示意图。 图2是总的示意图，示出与根据本发明的图1发动机的运行相关的某些输入变 量和某些输出变量。图3是示意图，示出在图1发动机中实施本发明原理的详图。图4包括两个对理解本发明原理有用的图表。图5包括两个实施本发明原理相关的方程。图6包括涉及本发明原理的另外的方程和图表。
具体实施方式
图1示出实施本发明原理的示范内燃机10。该发动机IO包括让用于燃烧的增 压空气通过其而进入发动机的进气系统12，以及让燃烧生成的废气通过其排出发 动机外的排气系统14。发动机10以压縮点火原理运行，并通过涡轮增压器16进 行涡轮增压，该涡轮增压器具有位于排气系统14内的涡轮机16T和位于进气系统 12内的压縮机16C。当发动机用作为诸如卡车那样机动车的原动力时，发动机IO 可通过传动系统18连接到推动车辆的从动轮上。发动机10包括多个形成燃烧腔的气缸20(或者成直列构造或者成V形构造)，作为燃料管理系统23的元件的燃料喷射器22将燃料喷射到燃烧腔内，以与已经通 过进气系统12进入的增压空气混合。在气缸20内作往复运动的活塞连接到发动机 曲轴上。当发动机循环从其压缩阶段到其动力阶段时，每一气缸20内的空气一燃料混 合物在相应活塞产生的压力下燃烧，由此驱动发动机曲轴，发动机曲轴又通过传动 系统18将转矩提供到驱动车辆的轮子上。燃烧生成的气体通过排气系统14排出。发动机10具有与气缸16相关联的进气阀24和排气阀26。可变阀致动机构28 是空气管理系统的部分，该空气管理系统至少打开和关闭进气阀并还可打开和关闭 排气阀。每一气缸具有至少一个进气阀和至少一个排气阀。发动机10还包括发动机控制单元(ECU) 30，该控制单元30包括一个或多个 处理器，处理器处理各种数据以为控制发动机运行的各个方面形成数据。ECU30 通过与燃料系统23和可变阀致动系统28两者的合适接口起作用，来控制由每一燃 料喷射器喷射的燃料定时和燃料量以及控制至少进气阀的关闭。一有代表性的可变阀致动系统包括多个装置，它们允许对每一特定气缸调整基 本的阀运行曲线，以补偿由于气缸在发动机内特定的位置引起的诸如温度那样某些 变量中缸与缸的变化。由C. Vafidis著作的论文"The Application of an Electro-Hydraulic VVA System on a Passenger Car C.R. Diesel Engine (电气一f夜压白勺 VVA系统在客车C.R.柴油机上的应用)"(ATA 20A2011)描述了这样一种系统。 该论文于2000年10月12-13日在意大利切尔沃港(Porto Cervo)召开的有关未来 客车柴油机技术的ATA (AssociaciniTecnicaDeAutomobile)大会上提交发表。在发动机循环过程中，对气缸控制喷射入到气缸内的燃料量和允许进入到气缸 内的增压空气量两者，就可控制生成的空气一燃料混合物中空气和燃料之间的比 例。喷射到气缸内的柴油燃料量是由ECU30执行的计算所确定的燃料，ECU30处理与确定如此燃料量相关的数据并致使燃料喷射器操作，从而喷射器喷射出计算量 的燃料。允许进入到气缸内的增压空气量由ECU30执行的计算确定，ECU30处理 与确定如此空气量相关的数据，并在压縮冲程过程中在合适的时间致使进气阔或气 缸的阀关闭。在任何点火发生之前，尽可能早地形成空气一燃料混合物以允许燃料与空气进 行混合。施加在混合物上的压力不断提高最终导致在发动机上死点(TDC)附近或 上死点上自点火。通过合适地控制燃料和空气的比例以使发动机在理想的速度和转 矩下运行，自点火就可在合适时间发生而使发动机产生理想的运行。为了控制尾管的排放，发动机10运行而通过排气系统14内的EGR回路32 再循环控制量的废气。EGR回路32具有用于来自发动机排气歧管38的发动机废 气的入口、用于冷却热废气的EGR冷却器34、以及EGR阀36，该EGR阀36在 打开时使冷却的废气通过一出口开口到进气系统12内。废气可以流过回路32的程 度根据阀36允许打开多大而定，其处于EGR30的控制之下，EGR30处理确定设 定阀打开量的参数EGRP值时有用的数据。因此，使阀36打开，通过夹带从进气 系统12内的中间冷却器40流到发动机进气歧管42的增压空气，将一定量的废气 添加到气缸内的空气一燃料混合物中。相应的压力传感器44与每个气缸20相关联，用来测量缸内压力并将对应的数 据信号提供到ECU30。图2示出与根据本发明原理的发动机'10的运行相关的某些输入变量和某些输 出变量。输入变量归结成扰动变量和操纵变量。输出变量是控制变量。操纵变量是发动机加燃料量mf和进气阀关闭1VC。扰动变量是进气歧管温度 和废气再循环。控制变量是发动机转矩TQI和发动机循环中的自点火定时e。ECU30包括用于基本燃料和空气管理策略的算法，以控制相应的燃料管理和 空气管理。燃料通过对喷射入到气缸内燃料量的控制进行管理，通过控制与燃料喷 射器22运行相关的参数来控制燃料量，诸如喷射压力和喷射器打开时间之类的参 数。空气通过发动机循环中进气阀或气缸阀操作而关闭的时间进行管理。因此，参 数mf是这样一变量，其代表发动机循环中应喷射入到气缸内以形成空气一燃料混 合物的目标燃料量，而参数IVC是代表该气缸进气阀关闭的变量。当发动机速度 和载荷变化时，操纵参数变化致使发动机以这样方式运行，即，对要求速度下的载 荷提供合适的转矩。发动机控制策略的有识人士将会理解到其它的因素(这里没有 具体讨论过)需要加以处理，该处理确定发动机加燃料量mf和进气阀关闭IVC的 实际数据值。如果与气缸相关的变量在气缸与气缸之间是一致的，则每一气缸将以完全相同 的方式用燃料和空气进行装料。在实际的发动机中，通常并不是这种情形。像在进 气歧管温度和EGR那样的变量中气缸与气缸的变化很有可能存在。本发明将这些 变化考虑为扰动变量。如果增压空气在特定入口位置处进入进气歧管42，则进入某一特定气缸的实 际增压空气量可能在一定程度上取决于其进气阀离增压空气入口位置的距离。这种 情况对于再循环的废气也是如此。本发明的前提是建立实际发动机的模型来确定相关的气缸与气缸和/或循环与循环的变化。该模型50大致地图示在图2中。模型在发动机控制策略中如何实施图示在图3中。模型50与自点火预测控制器52相联系。它们包括由ECU30实施的处理所重 复执行的算法，这些算法联合地形成控制发动机的加燃料和进气阀关闭的虚拟控制器。模型50处理某些输入数据的特定一组值，用来预测自点火的启动并在发动机 循环中根据预测算法模型来生成转矩。特定的输入数据包括发动机速度N、要求的 转矩TQDES、废气再循环EGR、以及进气歧管温度IMT。该处理形成预测的自点 火启动的数据值6M和生成发动机转矩的数据值TQ;u。处理的另一结果形成控制燃料管理系统的数据值和控制空气管理系统的数据 值，它们将产生预测的自点火启动和生成转矩。这两种数据值是IVC5和Mfff。对于转矩TQw和e^的数据值是对应于代数和函数54、 56的输入，它们分别 计算TQ^和正在产生的实际转矩TQ之间的差值，以及e^和自点火发生的实际时 间e^之间的差值。这些差值事实上是误差信号，它们用于燃料和空气管理系统的 闭合回路控制中。控制变量探测器58分辨发动机转矩和自点火发生时的曲轴角度以提供TQ和 6。每个压力传感器44测量对应气缸20中的压力，而压力数据的处理可包括压力 对燃烧循环的积分以求出转矩，并用瞬时压力上升来指示自点火的开始。或者，包 括分析模型(基于初始温度和混合物状态的简化的热动力学和化学模型可给出最佳 的估计)的虚拟仪器可借助于爆燃传感器来提供信息。在图3中，"设备"的各种含义意指有关发动机(设备)如何运行的数据、从 传感器获得的数据或以某种方式从其它数据推断出的数据。所获得的或推断出的数 据是对控制自点火重要的数据，例如，进气歧管温度IMT和EGR量。后者可通过 各种方法获得，例如，通过在进气和排气中的氧气采样、热膜风速计、文丘里型测 量计等。附图标记60表示那些提供代表测得的进气歧管温度和EGR量数据的源头。 这两个数据项是对相应求和函数62、 64的输入。在图3中，对于变量IMT和EGR的扰动一起用系统扰动66来表示。如前面 所讨论的，如此的扰动是气缸与气缸的变化和/或循环与循环的变化的结果。预测控制器52包含储存数据或图谱，它们形成转矩的目标或要求值和对操纵 变量的自点火定时之间的关系，操纵变量在这里用进气阀关闭和燃料供应来代表。 此外，控制器包括基于PID控制器的纠正算法，该PID控制器被包括在对转矩和自点火定时实施闭环工作循环控制的算法内。算法将纠正值引入到加燃料和阀定时中，以反映转矩和自点火定时的变化，这将参照图4、 5和6作详细的解释。根据图6的数学关系式90，转矩的变化ATQ与阀定时S。vc的变化以及加燃 料SMf的变化相关。因为阀定时的变化对转矩的影响显著地小于加燃料变化对转矩 的影响，所以，可认为转矩的变化ATQ大致地正比于加燃料5Mf的变化，图6中 已用图示94绘出。根据图6的数学关系式92，自点火定时的变化Ae^与阀定时S《IVC:的变化以及 加燃料SMf的变化相关。图6中的图示96、 98分别表明，阀定时5;[vc的正向变化 将造成自点火定时Ae^的正向变化，但加燃料SMf的正向变化将造成自点火定时 A0^的负向变化。本发明人根据从发动机试验中收集到的经验相关关系推导出这些关系式，这些 关系式阐明了同时管理燃料和空气来优化交替的柴油燃烧过程的本发明人策略的 基础。利用在控制器中实施的这些函数关系式，加燃料和进气阀关闭可连续地在工 作循环中得到控制，以增加或减小对转矩和自点火定时的贡献，从而将这两个控制 变量相对于其理想值的误差减到最小。控制器52对空气和燃料的PID控制处理了转矩误差和自点火定时误差的数据 值，以对加燃料和进气阀定时的相应工作循环控制形成对应的纠正值。图5示出加燃料纠正值与转矩误差和自点火定时误差相关的数学关系式80。 STQ,dty代表转矩中的正向误差(产生不足的转矩)，而SeA,，dty代表自点火定时的正向 误差(自点火发生得过早)。(XTQ和(XeM是相关因子，它们分别使对应的误差值(工作循环中测量)与加燃料纠正值相关。gTQ和g0A,是增益因子，当一特定发动机模型的经验试验揭示出，在某一运行条件下，转矩误差的贡献胜于自点火定时误差是 合适的或反之亦然时，增益因子提供对这两项中每项相对贡献的调整。正向的转矩 误差意味着需要更多的转矩，因此，加燃料的需要被提高。这就是等号后的第一项 是正的原因。然而，因为自点火定时中的正向误差意味着自点火的发生过早，所以， 加燃料应当减小以作出纠正，这就是等号后的第二项是负的原因。图5还示出进气阀定时的纠正值与转矩误差和自点火定时误差相关的数学关 系式82。 PTQ和P^是相关因子，它们分别使对应的误差值(工作循环中测量)与 定时纠正值相关。hTQ和h,是增益因子，当一特定发动机模型的经验试验揭示出， 在某一运行条件下，转矩误差的贡献胜于自点火定时误差是合适的或反之亦然时，增益因子提供对这两项中每项相对贡献的调整。正向的转矩误差(表明需要更多的 动力)要求进气阀关闭定时前提以作出纠正，这反映在等号后的第一项是正的。这 结合加燃料的增加而发生，其借助于基于转矩的加燃料纠正分量来实现。自点火定 时中的正向误差意味着自点火的发生过早，所以，也要求进气阀关闭定时前提以作 出纠正，这反映在等号后的第一项也是正的。这结合加燃料的减小而发生，其借助 于基于自点火定时的加燃料纠正分量来实现，联合的效应产生沿合适方向的纠正， 因为有效的压缩比和由此的缸内温度两者都降低。负的转矩误差和负的自点火定时误差产生与因为正的转矩误差和正的自点火 定时误差而作出纠正值的相反方向的纠正值。图4中的图70绘出了控制器策略在自点火定时上的总的效果。令e^代表策 略实施之前的自点火定时，诸如由探测器58所测量的，令eA1,des代表更靠近发动机上死点(TDC)的理想的定时，诸如由模型50提供的。自点火定时误差是差值， 在此实例中是正值。当策略开始实施时，自点火定时接近要求的定时。策略用来调 整进气阀关闭和加燃料的定时以寻求零误差，同时，自点火定时趋于朝向要求的或 目标的定时会聚，误差可以不完全是零。误差所保持的范围在一定程度上将依赖于 特定发动机的运行条件。图4中的图72绘出了控制器策略在进气阀关闭定时上的总的效果。令^代表 策略实施之前的进气阀关闭时间，诸如以任何合适方式所测量的。令；代表进气阀 关闭定时的目标时间，其在发动机循环中较早。定时误差是差值，在此实例中是正 值。当策略开始实施时，进气阀关闭定时接近要求的定时。策略用来调整进气阀关 闭和加燃料的定时以寻求零误差，同时，进气阀关闭定时趋于朝向要求的或目标的 定时会聚，误差可以不完全是零。误差所保持的范围在一定程度上将依赖于特定发 动机的运行条件。合起来说，自点火定时和进气阀关闭定时受到控制而对两者基本 上提供优化的解决方案，即使保持误差时也是如此。通过在发动机循环中的理想时间发生自点火，生成的燃烧温度以多种方式控 制，其可避免促使尾管排放中形成NOx的较高温度。本发明提供控制算法来使得 自点火过程更加耐用。变化缸与缸基础上的进气阀关闭可变化缸与缸基础上的有效压縮比。如果在发 动机开发过程中绘制特定气缸(通过模型或实际的试验)来确立实际的进气歧管温 度如何偏离用作为对预测器50的输入的IMT的总体值(如此的总体值例如可从特 定位置的温度传感器获得)，这样的偏离被用来调整或补偿管理特定气缸的加燃料和进气阀关闭的总体IMT数据值。同样地，如果在发动机开发过程中绘制特定气 缸(通过模型或实际的试验)来确立实际的EGR如何偏离用作为对预测器50的输 入的EGR的总体值，这样的偏离被用来补偿管理特定气缸的加燃料和进气阀关闭 的总体EGR数据值。因此，补偿量通过求和函数62、 64加入到总体值中，该总和被用作控制器52 的输入。在不存在任何补偿量的情况下，总体值是控制器52的输入。尽管已经说明了本发明目前优选的实施例，但应该认识到，本发明的原理适用 于所有落入附后权利要求书范围之内的实施例。
权利要求
1.一种多缸柴油机(10)，所述柴油机不时地通过交替的柴油燃烧(ADC)过程运行，所述交替的柴油燃烧过程在发动机上死点(TDC)之前致使柴油燃料喷射到气缸中，并与增压空气混合而形成空气—燃料混合物，当循环接近TDC时，所述混合物被压缩而自点火，所述发动机(10)包括燃料管理系统(23)，所述燃料管理系统在发动机循环中控制形成在气缸(20)内的空气—燃料混合物中的燃料；空气管理系统(12)，所述空气管理系统在发动机循环中控制每个空气—燃料混合物中的增压空气；基于处理器的发动机控制系统(30)，所述发动机控制系统通过虚拟控制器来控制所述燃料管理系统(23)和所述空气管理系统(12)，A)所述控制器根据预测器算法模型(50)处理对于某些输入数据N、TQDES、EGR、IMT的特定组的值，用来在发动机循环中预测自点火时间θAI和生成的转矩TQAI，以根据某些输入数据的特定组值形成对于所预测的自点火时间θAI的数据值以及对于所生成的发动机转矩TQAI的数据值，并还根据某些输入数据的特定组值形成对于控制所述燃料管理系统的数据值IVCff以及对于控制所述空气管理系统的数据值Mfff，它们将产生所预测的自点火时间θAI和所生成的转矩TQAI，以及B)所述控制器根据控制算法(52)处理由所述预测器算法(50)形成的数据值以及对于至少某些输入数据的数据值，所述控制算法(52)补偿对于控制对应管理系统的对应数据值的任何扰动δIMT、δEGR，所述扰动δIMT、δEGR被引入到对于由所述控制算法(52)处理的至少某些输入数据的任何数据值内，由此，造成对应的管理系统被对应补偿数据值IVC、Mf所控制，在存在任何这样扰动的情况下，所述补偿数据值产生预测的自点火时间θAI和生成的转矩TQAI。
2. 如权利要求1所述的发动机(10)，其特征在于，所述发动机(10)运行 而在所述空气一燃料混合物被压縮时包括一定量的再循环废气EGR，用于预测发 动机循环中自点火时间9;u和生成的转矩TQAI的所述某些输入数据包括代表总体 发动机进气歧管温度IMT的数据，以及代表总体再循环废气EGR的数据。
3. 如权利要求2所述的发动机(10)，其特征在于，所述发动机控制系统(30) 通过所述虚拟控制器控制多个气缸(20)中的每个气缸的空气一燃料混合物，所述控制器形成用来控制每个气缸内的空气一燃料混合物的对应补偿数据值IVC、 Mf， 在影响气缸(20)的进气歧管温度内存在不同扰动5IMT以及在影响气缸的再循环废气中存在不同扰动犯GR的情况下，所述补偿数据值产生预测的自点火时间eAI和生成的转矩TQAI，所述扰动5IMT由每个气缸(20)处的进气歧管温度IMT对 总体进气歧管温度IMT数据的预定关系式所确定，所述扰动5EGR由每个气缸(20) 内的再循环废气EGR对总体再循环废气EGR数据的预定关系式所确定。
4. 如权利要求1所述的发动机(IO)，其特征在于，所述发动机控制系统(30) 通过所述虚拟控制器控制多个气缸(20)中的每个气缸的空气一燃料混合物，所述 控制器形成用来控制每个气缸(20)内的空气一燃料混合物的对应补偿的数据值 IVC、 Mf，在影响个别气缸(20)的变量中存在不同扰动5IMT、 SEGR的情况下， 所述补偿数据值产生预测的自点火时间e^和生成的转矩TQAp所述扰动由每个气 缸(20)处的变量EGR、 IMT对变量的总体值的预定关系式所确定。
5. 如权利要求4所述的发动机(10)，其特征在于，包括与发动机(10)相 关联的传感器(60)，所述传感器提供对所述变量确定所述总体值的数据。
6. 如权利要求l所述的发动机(10)，其特征在于，包括反馈源(58)，所述 反馈源提供对于气缸内自点火的实际时间e的数据值、以及对于实际生成转矩TQI 的数据值，根据对于某些输入数据的特定组值，用控制算法处理所述实际数据值与 所述预测的自点火时间eAI的数据值和生成的转矩TQ^的数据值，以形成对应的 误差数据值，所述误差数据值在对应管理系统的闭路控制中被所述控制算法所处 理。
7. —种运行多缸柴油机(10)的方法，所述柴油机不时地通过交替的柴油燃 烧(ADC)过程运行，所述交替的柴油燃烧过程在发动机上死点(TDC)之前致 使柴油燃料喷射到气缸中，并与增压空气混合而形成空气一燃料混合物，当循环接 近TDC时，所述混合物被压缩而自点火，所述方法包括在发动机循环中控制燃料管理系统(23)喷射的燃料量以及空气管理系统 (12)允许进入到发动机气缸(20)内的增压空气量，以通过以下方式形成空气一 燃料混合物A)根据处理系统中的虚拟控制器内的预测器算法模型，处理对于某 些输入数据的特定组的值，用来在发动机循环中预测空气一燃料混合物的自点火时 间eM和生成的转矩T(Xu，以根据某些输入数据的特定组值形成对于预测的自点火 时间e^的数据值以及对于生成的发动机转矩T(^y的数据值，并还根据某些输入 数据的特定组值形成对于控制所述燃料管理系统的数据值以及对于控制所述空气管理系统的数据值，它们将产生预测的自点火时间e^和生成的转矩TQ^，以及B) 根据所述虚拟控制器中的控制算法，处理在由所述预测器算法形成的数据值以及对 于至少某些输入数据的数据值，所述控制算法补偿对于控制对应管理系统的对应数 据值的任何扰动5IMT、 5EGR，所述扰动SIMT、 5EGR被引入到对于由所述控制 算法处理的至少某些输入数据的任何数据值内，以及由此C)造成对应的管理系统 被对应补偿数据值IVC、 Mf所控制，在存在任何这样扰动SIMT、 SEGR的情况下，所述补偿数据值致使在预测时间e^产生自点火并形成生成的转矩TQA1。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，发动机(10)运行而在所述空气 一燃料混合物被压縮时包括一定量的再循环废气EGR，处理用于预测发动机循环 中自点火时间6;u和生成的转矩TQ;u的所述某些输入数据包括处理代表总体发 动机进气歧管温度IMT的数据，以及代表总体再循环废气EGR的数据。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括通过所述虚拟控制器来控制 多个气缸(20)中的每个气缸的空气一燃料混合物，所述控制器形成用来控制每个 气缸(20)内的空气一燃料混合物的对应补偿的数据值IVC、 Mf，在影响个别气 缸的进气歧管温度内存在不同扰动5IMT以及在影响个别气缸的再循环废气EGR中存在不同扰动SEGR的情况下，所述补偿数据值产生预测的自点火时间e^和生成的转矩TQ^，所述扰动5IMT由每个气缸(20)处的进气歧管温度IMT对总体 进气歧管温度IMT数据的预定关系式所确定，所述扰动SEGR由每个气缸(20) 内的再循环废气对总体再循环废气EGR数据的预定关系式所确定。
10. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括将扰动5IMT、 5EGR引入到 对于被所述控制算法处理的至少某些输入数据的数据值之一中，该数据值作为这样 一数据值，其与某一特定气缸(20)处的某一变量对于不是在该特定气缸(20)处 测得的对于变量5IMT、 5EGR的数据值的预定关系式相关。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括通过与所述发动机相关的 传感器(60)测量用于变量的数据值SIMT、 5EGR。
12. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括根据对某些输入数据的特定 组的值，处理对于预测自点火时间eAI的数据值和对于生成的发动机转矩TQa,的 数据值，以及对于气缸内的自点火的实际时间e和对于实际生成的转矩TQI的数 据值，以形成对应的误差数据值，并在对应管理系统的闭路控制中处理所述误差数 据值。
13. —种多缸柴油机(10)，所述柴油机不时地通过交替的柴油燃烧(ADC)过程运行，所述交替的柴油燃烧过程在发动机上死点(TDC)之前致使柴油燃料喷 射到气缸(20)中，并与增压空气混合而形成空气一燃料混合物，当循环接近TDC 时，所述混合物被压縮而自点火，所述发动机(10)包括燃料管理系统(23 )，所述燃料管理系统在发动机循环中控制形成在气缸(20) 内的空气 一 燃料混合物中的燃料；空气管理系统(12)，所述空气管理系统在发动机循环中控制每个空气一燃 料混合物中的增压空气；基于处理器的发动机控制系统(30)，所述发动机控制系统通过虚拟控制器 来控制所述燃料管理系统(23)和所述空气管理系统(12)，所述控制器执行控制 算法来对所述燃料管理系统(23)形成一数据值以控制形成混合物中的燃料，并对 所述空气管理系统(12)形成一数据值以控制所形成的混合物中的增压空气，其中， 所述算法包括以下步骤根据一种数学函数处理代表要求的转矩TQ^和实际转矩 TQI之间差值的所述转矩误差数据，该函数使对于所述燃料管理系统的数据值的调 整与至少转矩误差数据相关；以及处理代表要求的自点火定时eA1和实际自点火定时e之间差值的自点火定时误差；所述算法还包括以下步骤根据一种数学函数处 理所述转矩误差数据和所述自点火定时误差数据，该函数使对于所述空气管理系统 的数据值的调整与转矩误差数据和自点火定时误差数据相关。
14. 如权利要求13所述的发动机(10)，其特征在于，所述空气管理系统包括 可变阀定时系统(28)，所述可变阀定时系统用于控制所述气缸(20)处的进气阀(24)操作的定时，并且用于所述空气管理系统(12)以控制形成在混合物中的增 压空气的数据值控制进气阀关闭的定时。
15. 如权利要求13所述的发动机(10)，其特征在于，所述发动机控制系统(30) 还包括预测器算法，所述预测器算法执行步骤来形成对于自点火定时eAI的预测数 据值以及对于生成的转矩TQ^的预测数据，并在执行所述控制算法时，所述虚拟控制器使用对于自点火定时eA1的预测数据值作为对于理想自点火定时的数据值，使用对于生成转矩TQAI的预测数据值作为对于理想发动机转矩的数据值。
16. 如权利要求15所述的发动机(10)，其特征在于，所述预测器算法还执行 步骤来形成对于控制所述燃料管理系统(23)的数据值以及对于控制所述空气管理 系统(12)的数据值，根据对于由所述预测器算法处理的某些输入数据的一组特定 数据值，产生预测的自点火定时e^和生成的转矩TQ^，所述控制算法处理由所述 预测器算法形成的控制所述燃料和空气管理系统(23、 12)的数据值，以及对于由所述预测器算法处理的至少某些输入数据的特定数据值，以补偿由所述预测器算法形成的控制所述燃料和空气管理系统的数据值的任何扰动5IMT、 SEGR，扰动 5IMT、 5EGR被引入到对于由控制算法处理的至少某些一定的输入数据的任何数 据值，因此，致使对应的管理系统被对应的补偿数据值IVC、 Mf控制，以在存在 任何如此扰动5IMT、犯GR的情况下，产生预测的自点火时间e^和生成的转矩 TQA1。
17. 如权利要求16所述的发动机(10)，其特征在于，所述发动机控制系统(30) 通过所述虚拟控制器来控制多个气缸(20)中每个气缸内的空气一燃料混合物，对 于控制每一气缸(20)内的空气一燃料混合物，所述虚拟控制器形成对应的补偿数 据值IVC、 Mf，在影响气缸(20)的变量中存在不同扰动5IMT、 5EGR的情形下， 所述补偿数据值产生预测的自点火定时e^和生成的转矩TQAI，该扰动由每个气缸(20)处的变量IMT、 EGR与该变量的总体值之间的预定关系式确定。
18. —种运行多缸柴油机(10)的方法，所述柴油机不时地通过交替的柴油燃 烧(ADC)过程运行，所述交替的柴油燃烧过程在发动机上死点(TDC)之前致 使柴油燃料喷射到气缸中，并与增压空气混合而形成空气一燃料混合物，当循环接 近TDC时，所述混合物被压縮而自点火，所述方法包括通过执行控制算法的虚拟控制器来控制所述燃料管理系统(23)和所述空气管 理系统(12)，所述控制算法形成对于所述燃料管理系统的数据值以控制所形成的 混合物中的燃料，形成对于所述空气管理系统的数据值以控制所形成的混合物中增 压空气，其中，根据对应的数学函数，来计算代表所要求的转矩TQ^和实际转矩TQI之间差值的所述转矩误差数据值，以及计算代表所要求的自点火定时ew和实 际自点火定时e之间差值的所述自点火定时误差数据值，所述数学函数分别使对 于所述燃料管理系统(23)的数据值的调整至少与转矩误差数据相关，并使对于所 述空气管理系统(12)的数据值的调整与转矩误差数据和自点火定时误差数据相关。
19. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，包括使用对所述空气管理系统 (12)的数据值来控制所形成的混合物中的增压空气以控制进气阀关闭的定时，通过控制所述气缸(20)处的进气阀(24)操作的定时，控制所述空气管理系统(12)。
20. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括执行预测器算法的步骤， 以形成对于自点火定时eA1的预测数据值和对于生成的转矩TQ^的预测数据值， 在所述控制算法执行过程中，使用对于自点火定时eAI的预测数据值作为对于理想 自点火定时的数据值，以及使用对于生成的发动机转矩的预测数据值作为对于理想发动机转矩TQ41的数据值。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括预测器算法执行步骤来 形成对于控制所述燃料管理系统(23)的数据值以及对于控制所述空气管理系统(12)的数据值，根据对于执行所述预测器算法过程中处理的某些输入数据的一组 特定数据值，产生预测的自点火定时eA,和生成的转矩TQ^，所述控制算法的执行 步骤处理由所述预测器算法形成的控制所述燃料和空气管理系统(23、 12)的数据 值，以及对于由所述预测器算法处理的至少某些输入数据的特定数据值，以补偿由 所述预测器算法形成的控制所述燃料和空气管理系统的数据值的任何扰动5IMT、 SEGR，扰动5IMT、 5EGR被引入到对于由所述控制算法处理的至少某些一定的输 入数据的任何数据值，因此，致使对应的管理系统被对应的补偿数据值IVC、 Mf 控制，以在存在任何如此扰动5IMT、 5EGR的情况下，产生预测的自点火时间9A, 和生成的转矩TQAI。
22. 如权利要求21所述的方法，其特征在于，包括通过控制每一气缸内的空 气一燃料混合物的对应补偿数据值IVC、 Mf来控制多个气缸(20)中的每个气缸 内的空气一燃料混合物，在影响气缸(20)的变量IMT、EGR中存在不同扰动5IMT、 5EGR的情况下，所述补偿数据值产生预测的自点火定时e^和生成的转矩TQAI， 该扰动由每个气缸(20)处的变量对与总体变量值的预定关系式所确定。
全文摘要
一种柴油机(10)通过交替的柴油燃烧运行。通过根据预测器算法模型(50)处理某些输入数据的一组特定值来控制燃料和增压空气混合物的形成，以便形成预测的自点火时间θ_AI和生成的转矩TQ_AI的数据值，并还形成控制燃料和空气的数据值，其将产生预测的自点火时间θ_AI和生成的转矩TQ_AI。由预测器算法形成的数据值和对于至少某些输入数据的数据值根据控制算法(52)进行处理，其补偿对由控制算法处理的至少某些输入数据引入到任何数据值内的任何扰动δIMT、δEGR。这致使系统被补偿的数据值IVC、M_f控制，其在存在任何如此的扰动δIMT、δEGR的情形下产生预测的自点火时间θ_AI和生成的转矩TQ_AI。
文档编号F02D41/14GK101278116SQ200680036463
公开日2008年10月1日 申请日期2006年9月7日 优先权日2005年9月29日
发明者W·德奥捷达 申请人:万国引擎知识产权有限责任公司