用于燃料经济性和无缝转换的hcci燃烧模式状态控制的制作方法

专利名称：用于燃料经济性和无缝转换的hcci燃烧模式状态控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机控制系统，且更具体地涉及用于在火花点燃和均质充量压燃 (HCCI)模式中运行的发动机的发动机控制系统。
背景技术：
这里提供的背景技术用于总体上介绍本发明的背景的目的。当前所署名发明人的 工作(在本背景技术部分中所描述的程度上)和本描述中否则不足以作为申请时的现有技 术的各方面，既非明示地也非默示地被承认为与本发明相抵触的现有技术。
发动机可以以火花点燃(SI)模式和均质充量压燃(HCCI)模式运行。HCCI模式 涉及将燃料和氧化剂的混合物压縮到自燃点。可以基于发动机速度和负荷选择模式之一。 在HCCI模式中，点燃每次在数个位置发生，这使得燃料/空气混合物几乎同时燃烧。HCCI 模式接近于理想的Otto循环工作，与SI模式相比提供改进的运行效率(运行更稀薄)，且 生成更低的排放水平。然而，因为没有直接的燃烧的起燃剂，所以点燃过程趋向于更难于控 制。 为调整HCCI模式期间的运行，控制系统可以改变导致燃烧的条件。例如，控制系 统可以调整压縮比，所导致的气体温度，所导致的气体压力或所保留或再次引入的废气量。 数个解决方案已用于进行调整，且因此扩展HCCI运行区域。 —个控制方法使用可变气门正时以调整压縮比。例如，压縮比能够通过调整进气 门何时关闭来控制。保留在燃烧室内的废气的量能够通过气门再次开启和/或气门重叠控 制。 另一个解决方法使用"两步"进气门升程方法，该方法包括在高升程状态和低升程 状态之间切换进气门模式。在高升程状态期间，进气门被提升到高水平，以允许大量空气进 入相应的气缸。在低升程状态期间，进气门被提升到低水平，这允许使与高升程状态相比较 小量的空气进入相应的气缸。 两步气门升程方法具有在SI模式和HCCI模式之间的步骤变化，且这导致在转换 期间不希望的转矩扰动。

发明内容
根据本发明的发动机控制系统在SI模式和HCCI模式中运行发动机。HCCI模式降 低燃料消耗但仅在有限的发动机转矩和速度范围内可利用。 在本发明的一个方面中，一种方法包括确定第一均质充量压燃(HCCI)运行边 界，确定来自操作者输入的第一燃料率，响应于测量到的质量空气流量、凸轮位置和第一 HCCI运行边界将第一 HCCI运行边界修改为修改的边界，和当第二燃料率请求处于修改的 边界外侧时使发动机运行在火花点燃模式中。 在本发明的另一个方面中，一种方法包括确定发动机的质量空气流量，确定发 动机速度，响应于发动机速度确定第一均质充量压燃(HCCI)燃料供给率边界，确定凸轮位
4置，当凸轮位置对应于饱和位置时基于质量空气流量将第一 HCCI燃料供给率边界修改为 第二修改的最大燃料供给率，以及当希望的燃料请求超过第二最大HCCI燃料供给率时进 入火花点燃模式。 在本发明的另一个方面中，一种用于控制发动机的系统包括确定第一均质充量 压燃(HCCI)运行边界的HCCI运行区边界模块和确定来自操作者输入的第一燃料率的燃料 率模块。系统还包括响应于测量到的质量空气流量、凸轮位置和第一HCCI运行边界将第一 HCCI运行边界修改为修改的边界的切换模块。系统还包括在第二燃料率请求处于修改的边 界外侧时使发动机运行在火花点燃模式中的燃烧控制模块。 进一步的可应用范围将从在此提供的描述中变得显见。应理解的是描述和特定的 例子仅意图于图示目的且不意图于限制本公开的范围。


将从详细描述和附图中更完整地理解本公开，其中 图1A是根据本公开的在SI和HCCI燃烧模式中运行的发动机控制系统的功能性 方框图； 图IB是示例的气门升程调整系统的功能性方框图；
图1C是示例的发动机控制模块的功能性方框图； 图2A是图示出凸轮饱和和空气/燃料控制的凸轮位置与时间关系的曲线图；
图2B是图示出浓空气/燃料比和希望的比值的空气/燃料比与时间关系的曲线 图；和 图3是根据本公开的用于控制发动机的方法的HCCI状态流程图。
具体实施例方式
下面的描述在本质上仅是示范性的且不意图于限制本公开、其应用或使用。为清 晰性目的，相同的附图标号将在附图中用于指示类似的元件。如在此所使用，短语A、B和C 中的至少一个应解释为意味着使用非排他性的逻辑"或"的逻辑(A或B或C)。应理解的是 在不改变本公开的原理时，方法中的步骤可以以不同的次序执行。 如在此所使用，术语模块指执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路 (ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或成组的)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控制系统使汽油发动机运行在SI模式和HCCI模式中。HCCI 模式降低燃料消耗但仅在有限的发动机转矩和速度范围内可利用。仅作为例子，发动机控 制系统可以在低负荷到中等负荷以及低到中等发动机速度下使发动机运行在HCCI模式 中。发动机控制系统在其他的负荷和发动机速度下可以使发动机运行在SI模式中。HCCI 运行区可以通过标定表内的运行图来限定。 发动机可以是直接喷射汽油发动机，且可以在转换期间选择地在分层运行模式中 运行。为在分层运行模式中运行，燃料喷射器将燃料喷射到气缸的一个区域内，所述区域经 常是主气缸顶部或边缘的小的"子气缸"。此解决方法在此区域内提供浓的充气，该浓的充 气容易点燃且快速并平稳地燃烧。燃烧过程行进到非常稀薄的区域(经常只有空气)，在此处火焰前锋迅速冷却且形成氮氧化物(N0X)的机会很少。在稀薄充气内额外的氧还与一氧化碳(CO)结合以形成二氧化碳(C02)。 SI模式和HCCI模式之间的转换对于驾驶员应是无缝的，应最小化发动机排放且最小化燃料消耗损失。 在HCCI运行期间，进气歧管压力可以接近大气压力。进出HCCI的转换涉及改变进气歧管压力和气门升程。这些改变趋向于导致供给到气缸的空气进气的突变。因此，如果不适当地管理，则将出现不希望的发动机转矩变化。 现在参考图1A，示出示例的发动机系统100的功能性方框图。发动机系统100包括发动机102，该发动机102燃烧空气/燃料混合物，以基于驾驶员输入模块104提供用于车辆的驱动转矩。发动机可以是直接喷射发动机。空气通过节气门112被吸入到进气歧管110内。发动机控制模块(ECM)114指令节气门促动器模块116以调节节气门112的开启，并且指令相位器促动器模块158以调节进气门122和排气门130的开启和关闭时间且控制吸入到进气歧管110内的空气的量。 来自进气歧管110的空气被吸入到发动机102的气缸内。虽然发动机102可以包括多个气缸，但为图示目的，示出单个代表性气缸118。仅作为例子，发动机102可以包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。 来自进气歧管110的空气通过进气门122被吸入到气缸118内。ECM114控制由燃料喷射系统124喷射的燃料的量。燃料喷射系统124可以在中央位置处将燃料喷射到进气歧管110内，或可以在多个位置处，例如在靠近气缸中的每一个的进气门的位置处将燃料喷射到进气歧管110内。替代地，燃料喷射系统124可以将燃料直接喷射到气缸内。气缸内的燃料喷射位置可以是中央的(中央喷射)或偏到侧面(侧喷射)。
所喷射的燃料与空气在气缸118内混合且产生空气/燃料混合物。气缸118内的活塞(未示出)将空气/燃料混合物压縮。基于来自ECM 114的信号，火花促动器模块126给气缸118内的火花塞128通电，该火花塞128将空气/燃料混合物点燃。火花正时可以相对于活塞处于其最上部的被称为上止点(TDC)的位置的时间来指定。
空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞向下，因此驱动旋转的曲轴(未示出)。活塞然后开始再次向上移动且将燃烧的副产物通过排气门130排出。燃烧副产物经过排气系统134从车辆排出。 进气门122可以通过进气凸轮轴140控制，而排气门130可以通过排气凸轮轴142控制。在多种实施方式中，多个进气凸轮轴可以控制每个气缸的多个进气门，和/或可以控制多排气缸的进气门。类似地，多个排气凸轮轴可以控制每个气缸的多个排气门，和/或可以控制多排气缸的排气门。气缸促动器模块120可以通过切断燃料和火花使得气缸停止工作，和/或通过使气缸的排气门和/或进气门停止工作而使得气缸停止工作。
进气门122开启的时间可以通过进气凸轮轴相位器148相对于活塞TDC改变。排气门130开启的时间可以通过排气凸轮轴相位器150相对于活塞TDC改变。相位器促动器模块158基于来自ECM 114的信号控制进气凸轮轴相位器148和排气凸轮轴相位器150。另外，进气门和排气门的升程量可以液压地或使用其他方法调整。气门的升程状态通过ECM114控制。 发动机系统100可以包括废气再循环(EGR)阀170，所述EGR阀170选择地将排气再次引导回到进气歧管110。发动机系统100可以使用RPM传感器180来以每分钟转数(RPM)为单位测量曲轴速度。可以使用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182测量发动机冷却剂的温度。ECT传感器182可以位于发动机102内，或处于冷却剂被循环的其它位置处，例如散热器(未示出)处。 可以使用歧管绝对压力(MAP)传感器184测量进气歧管110内的压力。在多种实施方式中，可以测量发动机真空度，其中发动机真空度是环境空气压力和进气歧管110内的压力之间的差异。流入到进气歧管110内的空气的质量可以使用质量空气流量(MAF)传感器186测量。 ECM 114可以基于由MAF传感器186生成的MAF信号计算测量到的每气缸空气量(APC) 。 ECM 114可以基于发动机运行条件、操作者输入或其他参数估计希望的APC。节气门促动器模块116可以使用一个或多个节气门位置传感器(TPS)190监测节气门112的位置。可以使用进气温度(IAT)传感器192测量吸入到发动机系统100内的空气的环境温度。在一些情形中，该IAT传感器192可以集成到MAF传感器186内。ECM114可以使用来自传感器的信号来作出对于发动机系统100的控制决定。为理论上地指出发动机102的多种控制机制，改变发动机参数的每个系统可以称为促动器。例如，节气门促动器模块116可以改变节气门112的叶板位置，且因此改变节气门112的开启面积。节气门促动器模块116因此可以称为促动器，且节气门开启面积可以称为促动器位置。 类似地，火花促动器模块126可以称为促动器，而相应的促动器位置是火花提前量或延迟量。其他促动器可以包括增压促动器模块162、EGR阀170、相位器促动器模块158、燃料喷射系统124和气缸促动器模块120。相对于这些促动器，术语促动器位置可以分别对应于增压压力、EGR阀开启、进气凸轮轴和排气凸轮轴的相位器角度、空气/燃料比和工作的气缸的数量。 现在参考图1B，示出气门升程控制电路250的功能性方框图。气门升程控制电路250包括经过机油泵256从机油存储器254接收机油的进气门/排气门组件252。机油在被气门组件152接收前通过机油过滤器258过滤。控制模块控制气门组件252的进气门260和排气门262的升程操作。 气门组件252包括进气门260和排气门262，所述进气门260和排气门262具有开启和关闭状态且通过一个或多个凸轮轴264促动。可以包括专用的进气凸轮轴和专用的排气凸轮轴。在另一个实施例中，进气门260、排气门262共享共用的凸轮轴。当在开启状态时，进气门260、排气门262可以以多种升程状态运行。 气门组件252还包括气门升程状态调整装置270。升程状态调整装置270可以包括机油压力控制阀272和气门升程控制阀，例如电磁阀274。可以包括例如升程销、杆、摇臂、弹簧、锁定机构、梃杆等的其他升程状态调整装置275。 气门升程控制电路250可以包括机油温度传感器280和/或机油压力传感器282。控制模块基于从温度传感器280和压力传感器282接收到的温度和压力信号向机油压力控制阀272发信号。 现在参考图1C，发动机控制模块114可以包括MAF控制模块290，该MAF控制模块290接收来自质量空气流量传感器的信号且生成测量到的质量空气流量信号。在算术块292中，来自MAF控制模块290的测量到的质量空气流量信号除以化学计量比的空气流量比以得到最大燃料供给。当然，可以使用乘以化学计量比的倒数的乘法器块。汽油发动机的化学计量比典型地为14.7。当然，考虑例如E85的其他燃料。最大燃料供给率信号被提供给切换模块294。切换模块294的另一个输入是相位器控制模块296。相位器控制模块296提供指示凸轮是否处于饱和位置的信号。相位器控制模块296还可以控制相位器在SI模式和HCCI模式之间转换。相位器控制模块296可以确定凸轮定相。
发动机速度模块298可以生成发动机速度信号，该信号被提供给HCCI运行区模块300。 HCCI运行区模块300响应于来自发动机速度模块298的发动机速度信号确定最大HCCI燃料供给信号。最大HCCI燃料供给率信号对应于HCCI运行区的最大燃料供给率。在HCCI运行区的最大边界处，对于三元催化剂，希望的空燃比是化学计量比以最小化N(^排放。最大HCCI燃料供给率信号被提供到切换模块294。 切换模块294接收计算到的最大燃料供给率和最大HCCI燃料供给率和对应于凸轮是否在对应于饱和的位置处运行的信号。当负气门重叠(NVO)是最小NVO时，进气门和排气门且因此相应的凸轮位置机械地饱和。NVO被定义为排气门关闭和进气门开启之间的曲轴角度的持续时期。当实现最小负气门重叠时，也实现HCCI发动机的最大空气流量条件。当气门正时机械地饱和时，希望的空气流量达到限制值，且因此可能导致浓空气燃料混合物。由于不能控制空气流量，在HCCI运行区的最大边界附近可能发生不稳定的HCCI燃烧。本公开检测这些情况，且通过基于进气凸轮和排气凸轮位置和测量到的空气流量限制HCCI运行区的最大边界避免这些情况。当计算出的最大燃料供给率小于预定的HCCI运行区的最大燃料供给率时，切换模块294修改最大HCCI燃料供给率。这在发动机气门如上所述机械地饱和时发生。维持希望的APC所要求的发动机气门的开启和关闭时间，能够取决于例如环境压力和进气歧管温度的环境而改变。 修改后的最大HCCI燃料供给率信号被提供给比较器310，该比较器310将修改后的最大HCCI燃料供给率与由驾驶员生成的希望的燃料率信号进行比较。希望的燃料率可以通过将信号提供到燃料率模块311的踏板位置传感器(未示出)获得。将来自驾驶员的希望的燃料信号和修改后的最大燃料率进行比较。当来自驾驶员的希望的燃料率处于修改后的最大HCCI燃料信号之外时，则请求火花喷射模式。如果来自驾驶员的希望的燃料率在修改后的最大HCCI燃料供给率内，则维持HCCI模式。HCCI模式和SI模式通过燃烧控制模块312、火花控制模块314和燃料输送模块316控制。燃烧控制模块312在SI和HCCI控制之间转换。火花控制模块314也可以在HCCI模式和SI模式之间转换。火花控制模块314可以确定火花的正时和持续时间。燃料输送模块316也可以在SI模式和HCCI模式之间转换。燃料输送模块316可以确定燃料输送的方式、正时和/或量。 现在参考图2A，图中示出进气凸轮和排气凸轮的曲线，所述曲线图示出从SI到HCCI的燃烧模式转换350和凸轮饱和位置(NVO) 352。如在图2B中可见，希望的空燃比在从SI到HCCI的燃烧模式过渡期间被超过，并且在图2A的凸轮饱和时间352之后减小到HCCI模式中的浓空燃比。这是因为HCCI模式，与常规发动机不同，充入到气缸内的进气被进气门和排气门正时控制，因为发动机在接近环境大气压条件的歧管绝对压力下运行。给定外部EGR率、进气歧管温度和环境压力，进气门正时和排气门正时确定进入到气缸的空气质量。通过限制修改后的最大HCCI燃料率的边界，防止由于浓空燃比导致的不稳定HCCI条件。
现在参考图3，操作发动机的方法包括在步骤410中确定空气流量。空气流量可以是来自质量空气流量传感器的测量到的质量空气流量。在步骤412中，通过将测量到的空气流量与化学计量比的空气流量比的倒数相乘来确定计算的最大燃料供给率。即，测量到的质量空气流量除以化学计量比的空气流量比。在步骤414中确定凸轮位置。更具体地，确定凸轮位置何时饱和得到确定。当负气门重叠机械饱和时(即，NVO =最小NVO)，则实现HCCI发动机的最大空气流量条件。在步骤416中确定发动机速度。在步骤418中，发动机速度用于确定预定的HCCI运行区的最大燃料供给率。 在步骤420中，将计算的最大燃料供给率与在步骤418中计算的预定的HCCI运行区的最大燃料供给率进行比较。当计算的最大燃料供给率小于预定的HCCI燃料供给区的最大燃料供给率时，步骤422限制HCCI运行区到修改的HCCI最大燃料供给率。在步骤420中，当最大燃料供给率不小于预定的HCCI运行区的最大燃料供给率时，发动机在HCCI运行区内运行，且因此步骤424维持在HCCI运行区内运行。 在步骤422和424之后，将希望的燃料率与HCCI运行区进行比较。当希望的燃料率超过HCCI运行区的边界时，在步骤430中请求用于发动机的火花点燃模式。S卩，进行从HCCI运行区到SI模式的改变或转换。步骤426可以使用修改的最大HCCI燃料率或如果修改的最大HCCI燃料率未被确定则使用HCCI燃料率。 参考回到步骤426，如果希望的燃料率不大于HCCI运行区或处于其范围外，则在步骤428中维持在HCCI模式中运行。 通过提供修改的最大HCCI燃料率，提供稳健和稳定的HCCI发动机运行，同时避免
由于缺火或局部燃烧导致的排放峰值。使用本发明，驾驶性也得以改进。 本领域一般技术人员现在能够从前述描述认识到本发明的广泛教示能够以多种
形式实施。因此，虽然本发明已结合其特定的例子描述，但本发明的真实范围不应限制于
此，因为在阅读附图、说明书和所附的权利要求时，其他修改对于本领域一般技术人员将变
得显见。
权利要求
一种方法，包括确定第一均质充量压燃(HCCI)运行边界；确定来自操作者输入的第一燃料率；响应于测量到的质量空气流量、凸轮位置和第一HCCI运行边界将第一HCCI运行边界修改为修改的边界；和当第二燃料率请求处于修改的边界之外时使发动机运行在火花点燃模式中。
2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括当第二燃料率请求处在修改的边界内时使发动机运行在HCCI模式中。
3. 根据权利要求l所述的方法，其中确定第一HCCI运行边界包括响应于发动机速度确定HCCI运行边界。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述修改包括响应于相对凸轮位置将第一 HCCI运行边界修改为修改的边界。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述修改包括响应于对应于最小负气门重叠的相对凸轮位置将第一 HCCI运行边界修改为修改的边界。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述修改包括响应于计算的最大燃料供给率将第一 HCCI运行边界修改为修改的边界，所述计算的最大燃料供给率根据测量到的质量空气流量确定。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述修改包括响应于对应于机械饱和的相对凸轮位置将第一 HCCI运行边界修改为修改的边界。
8. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过将测量到的质量空气流量除以化学计量比确定最大燃料供给率，且所述修改包括响应于最大燃料供给率将第一HCCI运行边界修改为修改的边界。
9. 一种控制发动机的方法，包括确定发动机的质量空气流量；确定发动机速度；响应于发动机速度确定第一均质充量压燃(HCCI)燃料供给率边界；确定凸轮位置；当凸轮位置对应于饱和位置时，基于质量空气流量将第一 HCCI燃料供给率边界修改为第二修改的最大燃料供给率；禾口当希望的燃料请求超过第二最大HCCI燃料供给率时进入火花点燃模式。
10. 根据权利要求9所述的方法，进一步包括当第二燃料率请求处在修改的边界内时使发动机运行在HCCI模式中。
11. 根据权利要求9所述的方法，其中进一步包括从质量空气流量确定计算的燃料供给率，且其中将希望的第一 HCCI燃料供给率边界修改为第二修改的最大燃料供给率包括基于计算的燃料供给率将希望的第一 HCCI燃料供给率边界修改为第二修改的最大燃料供给率。
12. —种系统，包括确定第一均质充量压燃(HCCI)运行边界的HCCI运行区边界模块；确定来自操作者输入的第一燃料率的燃料率模块；响应于测量到的质量空气流量、凸轮位置和第一 HCCI运行边界将第一 HCCI运行边界 修改为修改的边界的切换模块；以及当第二燃料率请求处于修改的边界之外时使发动机运行在火花点燃模式中的燃烧控 制模块。
13. 根据权利要求12所述的系统，其中当第二燃料率请求处在修改的边界内时燃烧控 制模块使发动机运行在HCCI模式中。
14. 根据权利要求12所述的系统，其中HCCI运行区边界模块响应于发动机速度确定 HCCI运行边界。
15. 根据权利要求12所述的系统，其中切换模块响应于相对凸轮位置将第一HCCI运行边界修改为修改的边界。
16. 根据权利要求12所述的系统，其中切换模块响应于对应于最小负气门重叠的相对 凸轮位置将第一 HCCI运行边界修改为修改的边界。
17. 根据权利要求12所述的系统，其中切换模块响应于测量到的质量空气流量将第一 HCCI运行边界修改为修改的边界。
18. 根据权利要求12所述的系统，其中切换模块响应于对应于机械饱和的相对凸轮位 置将第一 HCCI运行边界修改为修改的边界。
19. 根据权利要求12所述的系统，其中切换模块响应于最大燃料供给率将第一HCCI运 行边界修改为修改的边界，所述最大燃料供给率基于将测量到的质量空气流量除以化学计 量比确定。
20. 根据权利要求12所述的系统，其中发动机包括直接喷射发动机。
全文摘要
本发明涉及用于燃料经济性和无缝转换的HCCI燃烧模式状态控制。一种用于控制发动机的方法和系统，包括确定第一均质充量压燃(HCCI)运行边界的HCCI运行区边界模块和确定来自操作者输入的第一燃料率的燃料率模块。系统还包括响应于测量到的质量空气流量、凸轮位置和第一HCCI运行边界将第一HCCI运行边界修改为修改的边界的切换模块。系统还包括当第二燃料率请求处于修改的边界外侧时使发动机运行在火花点燃模式中的燃烧控制模块。
文档编号F02D43/00GK101776022SQ20091026374
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者J·-M·康, V·拉马潘 申请人:通用汽车环球科技运作公司