调整喷射和火花正时扩展hcci运转高负载极限的方法

专利名称：调整喷射和火花正时扩展hcci运转高负载极限的方法
技术领域：
本发明涉及内燃机，以及更特别地涉及控制其运转。
背景技术：
本段中的陈述仅仅提供涉及本公开的背景信息，并且可能不构成现有技术。内燃机，特别是汽车内燃机，通常属于两个范畴之一火花点火发动机和压燃式发 动机。传统火花点火发动机，如汽油发动机，通常通过把燃料/空气混合物引入燃烧气缸来 起作用；所述混合物然后在压缩冲程中被压缩，并且由火花塞点火。传统压燃式发动机，如 柴油发动机，通常通过在接近压缩冲程的上止点(TDC)把加压燃料引入或喷入燃烧气缸来 起作用；所述燃料在喷射时点火。这两种传统汽油发动机和柴油发动机的燃烧涉及由流体 力学控制的预混或扩散火焰。每种发动机都具有优点和缺点。一般地，汽油发动机产生较 少排放但效率较低；而一般地，柴油发动机效率较高但产生较多排放。近来，其他类型的燃烧方法被引入内燃机。本领域中已知的这些燃烧概念中的一 种是均质压燃(HCCI)。HCCI燃烧模式包含分散的、无焰的、自动点火燃烧过程，该过程由氧 化化学控制而不是由流体力学控制。在运转于HCCI燃烧模式中的典型发动机中，在进气门 关闭时间时气缸装料在成分、温度和残留水平上几乎是均勻的。运转在HCCI燃烧模式中的 典型发动机能够进一步使用分层进气燃料喷射来控制和修改燃烧过程而进行运转，包括使 用分层进气燃烧来触发HCCI燃烧。因为自动点火是分布式动力学控制的燃烧过程，所以发 动机运转在非常稀的燃料/空气混合物(即，贫燃料/空气化学计量点)，以及具有相对低 的峰值燃烧温度，因此形成极低的氮氧化物(NOx)排放。与柴油发动机使用的分层燃料/空 气燃烧混合物相比，用于自动点火的燃料/空气混合物相对均勻；以及，因此在柴油发动机 中形成烟雾和颗粒排放的富集区大体上被消除了。因为非常稀的燃料/空气混合物，运转 在自动点火燃烧模式中的发动机能够非节流地运转来实现类似于柴油燃料的经济性。HCCI 发动机能够运转在具有大量排气再循环(EGR)的化学计量来实现有效燃烧。处于中等发动机速度和载荷，气门外形(valve profile)、正时(例如，排气再压 缩和排气再吸气)和燃料供应策略的组合已经被发现在提供足够热量到气缸装料方面是 有效的，因此在压缩冲程过程中的自动点火导致具有低噪音的稳定燃烧。在发动机有效运 转于自动点火燃烧模式中的主要问题之一是合适地控制燃烧过程，从而导致低排放、优化 热释放率和低噪音的稳健(鲁棒)和稳定的燃烧能够在一定运转条件范围内实现。自动点 火燃烧的好处已被知晓多年。然而，产品应用的首要障碍是不能控制自动点火燃烧过程， 即，燃烧定相和燃烧率。延迟定相或非常慢的燃烧将导致部分烧伤以及甚至可能的失火。太 早定相或太快的燃烧将会导致爆震。不存在用于使发动机运转于自动点火模式中的燃烧开始的直接控制，因为气缸装 料的化学动力学决定了燃烧的开始和过程。化学动力学对温度是敏感的，因此受控自动点 火燃烧过程对温度是敏感的。影响燃烧开始和过程的重要变量是气缸结构的有效温度，即 气缸壁、气缸盖、气门和活塞头部的温度。另外，已知火花助燃点火在特定运转范围中促进
4燃烧。在较高载荷的HCCI模式中运转是有问题的，因为存在于燃烧室中的能量随增加 的载荷而增加。该增加的能量(例如燃烧的空气燃料装料的较高温度所具有的)增加空 气燃料装料在预期的燃烧点之前燃烧的可能性，导致来自燃烧室的不良压力波动或鸣响 (ringing)。

发明内容
一种用于控制能够在均质压燃模式中(包括通过减少发动机中鸣响的发生来在 均质压燃模式中较以高载荷进行的扩展运转)运转的内燃发动机的方法，包括使发动机 运转于均质压燃模式中，所述模式包括火花助燃点火；监测发动机载荷；监测发动机速度； 以及，基于发动机载荷和发动机速度确定何时发动机处在高鸣响范围中。当发动机载荷处 在高鸣响范围时，使发动机运转在减弱鸣响模式，包括根据校准的最大燃烧室冷却燃料喷 射正时来调节燃料喷射正时；确定优选的燃烧定相值；以及基于调节的燃料喷射正时和优 选的燃烧定相值来调节火花正时。根据如上所述的方法，其中在减弱鸣响模式中运转发动机进一步包含基于调节 的燃料喷射正时确定预测的空气燃料装料密度的增加；以及，根据预测的空气燃料装料密 度的增加来增加排气再循环百分比。根据如上所述的方法，其中在减弱鸣响模式中运转发动机进一步包含基于发动 机载荷和发动机速度预测自动点火正时；以及，在预测的自动点火正时前利用火花正时，其 中选择火花正时来在预测的自动点火正时之前燃烧空气燃料装料的一部分。根据如上所述的方法，其中在减弱鸣响模式中运转发动机进一步包含根据气缸 特定校准的最大燃烧室冷却燃料喷射正时，对发动机的各个气缸调节气缸特定燃料喷射正 时；以及，基于气缸特定燃料喷射正时和优选的燃烧定相值，对发动机的各个气缸调节气缸 特定火花正时。根据如上所述的方法，其中校准的最大燃烧室冷却燃料喷射正时包含当发动机 载荷处在中等范围时，与进气门开度相关的所选正时；以及，当发动机载荷处在高范围时， 与进气门峰值开度相关的所选正时。根据如上所述的方法，进一步包含监测预测的自动点火正时；以及，其中调节火 花正时进一步基于在预测的自动点火正时之前移动火花正时。一种控制能运转在均质压燃模式中的内燃发动机的方法，所述模式包括在高鸣 响范围中的运转，所述方法包含监测发动机速度；监测发动机载荷；监测优选的燃烧定相 值；基于发动机速度和发动机载荷确定预指定负气门重叠；基于发动机载荷确定最大燃烧 室冷却燃料喷射正时；基于最大燃烧室冷却燃料喷射正时确定期望的排气再循环百分比； 基于平衡优选的燃烧定相值和最大燃烧室冷却燃料喷射正时来确定期望的火花正时；以 及，基于期望的火花正时运转发动机。根据如上所述的方法，其中优选的燃烧定相值基于在发动机速度和发动机载荷下 最大化预测的燃烧效率。一种内燃发动机系统，包含内燃发动机，设置成选择性运转在均质压燃模式中； 控制模块，设置成监测发动机运转状态以及控制发动机运转；以及，发动机控制子系统，设置成基于监测的发动机运转状态控制发动机运转，包括在包含火花助燃点火的均质压燃 模式中运转发动机；监测发动机载荷；监测发动机速度；基于发动机载荷和发动机速度确 定发动机将处在高鸣响范围中，以及，当发动机载荷处在高鸣响范围中时，在减弱鸣响模式 中运转发动机，包含根据校准的最大燃烧室冷却燃料喷射正时来调节燃料喷射正时；确 定优选的燃烧定相值；以及，基于调节的燃料喷射正时和优选的燃烧定相值来调节火花正 时。根据如上所述的系统，其中在减弱鸣响模式中运转发动机进一步包含基于调节 的燃料喷射正时确定预测的空气燃料装料密度的增加；以及，基于预测的空气燃料装料密 度的增加来增加排气再循环百分比。根据如上所述的系统，其中在减弱鸣响模式中运转发动机进一步包含基于发动 机载荷和发动机速度预测自动点火正时；以及，在所述预测的自动点火正时前利用火花正 时，其中在预测的自动点火正时之前选择火花正时来燃烧空气燃料装料的一部分。根据如上所述的系统，其中在减弱鸣响模式中运转发动机进一步包含根据气缸 特定校准的最大燃烧室冷却燃料喷射正时，对发动机的各个气缸调节气缸特定燃料喷射正 时；以及，基于气缸特定燃料喷射正时和优选的燃烧定相值，对发动机的各个气缸调节气缸 特定火花正时。根据如上所述的系统，其中校准的最大燃烧室冷却燃料喷射正时包含当发动机 载荷处在中等范围时，与进气门开度相关的所选正时；以及，当发动机载荷处在高范围时， 与进气门峰值开度相关的所选正时。根据如上所述的系统，其中基于监测的发动机运转状态被设置成控制发动机运转 的发动机控制子系统进一步包含监测预测的自动点火正时；以及，其中调节火花正时进 一步基于在预测的自动点火正时之前移动火花正时。


一个或多个实施例将通过例子和参考附图的方式来描述，其中图1示意地描绘根据本公开的示范发动机系统；图2图解地描绘根据本公开的根据发动机速度和发动机载荷优选的发动机运转 的不同模式；图3图解地描绘根据本公开的具有不同喷射正时和EGR百分比的用于HCCI运转 中的发动机的示范测试数据；图4图解地描绘根据本公开的调节喷射正时以适应缸内温度的示范效果；图5图解地描绘根据本公开的，用于对应上面所测试的示范发动机的测试，基于 鸣响系数(指标)或鸣响发生指示来调节燃料喷射正时的示范效果；图6图解地描绘根据本公开的基于燃烧热释放率调节燃料喷射正时的示范效果；图7图解地描绘根据本公开的在燃烧定相时的火花正时的示范效果；图8图解地示出根据本公开的在鸣响时不同火花正时和燃料喷射正时的示范效 果；图9图解地描绘根据本公开的导致相同CA50值的三个不同示范控制配置；图10图解地描绘根据本公开的在点火正时值范围中的四个气缸的示范运转；
图11图解地描绘根据本公开的用于图10的四个气缸各自的测试结果所得到的燃 烧定相；图12示意性地描绘根据本公开的利用火花正时控制的用于独立CA50控制的示范 系统；图13描绘根据本公开的用于应用在此所描述方法的示范过程；以及图14图解地描绘图示出根据本公开的在HCCI模式中的改进运转的测试结果，该 运转通过燃烧室冷却和在此所描述的相关方法实现。
具体实施例方式现在参照附图，其中所示出的仅仅是为了图示出特定示范实施例的目的，而不是 为了限制实施例的目的；图1描绘内燃发动机10以及附带的控制模块5的示意图，所述模 块5根据本发明的实施例构造。示范发动机10包含多气缸直接喷射四冲程内燃发动机，该内燃发动机具有在气 缸中可滑动移动的往复活塞14，所述气缸限定可变体积的燃烧室16。各个活塞连接转动曲 轴12(CS)，所述活塞的线性往复运动通过该曲轴转化成转动运动。存在提供进气空气到进 气歧管的进气系统，该进气歧管将空气导向以及分配进入进气滑管29再到各个燃烧室16。 进气系统包含气流管道，以及用于监测和控制气流的装置。所述装置优选地包括用于监测 空气质量流量(MAF)和进气空气温度(Tin)的空气质量流量传感器32。节气门阀34(优选 地是电控装置)响应来自控制模块的控制信号(ETC)控制到发动机的气流。在歧管中的压 力传感器36适于监测歧管绝对压力(MAP)和大气压(BARO)。外部流动通道(包括流量控 制阀(排气再循环(EGR)阀38))将来自发动机排气装置的排气再循环到进气歧管。通过 控制EGR阀的打开，控制模块5被用来控制到发动机空气进气口的排气质量流量。如在此 所使用的，术语“气缸结构”参照形成各个燃烧室的发动机部件和元件，即气缸壁、活塞和包 括进气门和排气门的盖。从进气滑管29进入各个燃烧室16的气流由一个或多个进气门20控制。从各个 燃烧室通过排气滑管39到排气歧管的燃烧的气体流由一个或多个排气门18控制。进气 和排气门的打开以及关闭优选地由双凸轮轴(如所描绘的)控制，凸轮轴的转动联接到曲 轴12的转动并且由曲轴12的转动指示(标引)。发动机装备有控制进气和排气门开启的 定相、升程以及持续时间的装置，优选地使用可变升程控制(VLC)和可变凸轮定相(VCP)系 统。可变气门升程系统包含用于控制气门升程或开度到两个不同步骤之一的装置；所述步 骤例如是用于低速低载荷运转的低升程气门开度(大约3-6mm)，以及用于高速高载荷运 转的高升程气门开度(大约8-lOmm)。或者，连续可变升程机构能够被用来提供附加的控制 灵活性。VCP系统可被用来相对于曲轴和活塞位置变换气门打开和关闭的时间(即定相) 超过由两步VLC升程所实现的时间。存在用于发动机进气的VCP/VLC系统22和用于发动 机排气的VCP/VLC系统24。VCP/VLC系统22、24由控制模块5控制，以及提供信号反馈到 控制模块，包含进气凸轮轴和排气凸轮轴的凸轮轴转动位置。当发动机运转于带排气再压 缩阀策略的自动点火模式中时，低升程操作通常被使用；而当发动机运转在火花点火燃烧 模式中时，高升程操作通常被使用。VCP/VLC系统具有有限的授权范围，在所述范围内进气和排气门的打开和关闭能
7够被控制。通常的VCP系统具有30° -90°的凸轮轴转动的定相授权范围，因此允许控制 系统提前或延迟发动机气门的打开和关闭。定相授权范围由VCP硬件和致动VCP的控制系 统确定和限制。VCP/VLC系统使用由控制模块5控制的电液压、液压、和电控制力中的一种
致动，。发动机包括燃料喷射系统，包含多个高压燃料喷射器28，各个喷射器适于响应来 自控制模块的发动机控制信号(INJ_PW)，直接地喷射一定质量的燃料进入燃烧室之一。从 燃料分配系统(没有示出)供应加压燃料到燃料喷射器28。发动机包括火花点火系统，通过该系统火花能量被提供给火花塞26用于响应来 自控制模块的发动机控制信号(IGN)在各个燃烧室中点燃或协助点燃气缸装料。火花塞26 提高在特定条件下(例如，在冷启动过程中、在接近低负载运转极限时、以及在普通SI发动 机燃烧运转过程中)的发动机的点火正时控制。发动机装备有用于监测发动机运转状态的不同传感装置，包括具有输出RPM的 曲轴转动速度传感器42;具有输出(COMBUSTION)的用于监测燃烧的传感器30 ；具有输出 (EXH)的用于监测排气的传感器40 (通常是宽范围空气/燃料比传感器)；以及具有输出 (COOLANT)的冷却剂传感器35。燃烧传感器包含用于监测燃烧参数的传感器装置，并且被 描绘成监测缸内燃烧压力的气缸压力传感器。应该理解的是被用来监测气缸压力或另一种 可以转换成燃烧定相的燃烧参数的其他传感系统都包括在本发明的范围中，例如，离子感 应点火系统。发动机被设计成借助在发动机速度和载荷的扩展范围内的自动点火燃烧(“HCCI 燃烧”)无节流地靠汽油或类似混合燃料运转。在对HCCI燃烧模式运转无益以及达到最 大发动机功率来实现操作员转矩请求(To_req)的条件下，借助传统的或修改的控制方法， 使发动机运转在带受控节流运转的火花点火燃烧模式中。等级广泛有效的汽油及其轻质 乙醇混合物是优选的燃料；然而，替代液体和气体燃料，例如较高比例乙醇混合物(如E80、 E85)、纯乙醇(E99)、纯甲醇(M100)、丁醇汽油混合物、纯丁醇、天然气、氢气、沼气、各种重 整油、合成气以及其他燃料可以被用在本发明的应用中。控制模块5优选地是通用数子计算机，其通常包含微处理器或中央处理单元；存 储介质，其包含非易失性存储器(包括只读存储器(ROM)和可电编程只读存储器(EPROM))、 随机存取存储器(RAM)；高速时钟；模数(A/D)和数模(D/A)电路；以及输入/输出电路和 装置(1/0)；以及适当的信号调节和缓冲电路。控制模块具有成组的控制算法，包含存储在 非易失性存储器中并且被执行来提供预期功能的驻留程序指令和校准。算法通常在预设循 环过程中被执行，使得各个算法在每个循环中被执行至少一次。算法由中央处理单元执行， 并且可用来监测来自前面提到传感装置的输入，以及执行控制和诊断例程来使用预设校准 控制致动器的运转。循环通常以规则时间间隔执行，例如在正在进行的发动机和车辆运转 过程中每隔3. 125、6.25、12.5、25和100毫秒。或者，算法可以响应事件的发生(例如特定 曲柄角位置)而被执行。控制模块5执行储存于其中的算法代码来控制前面提到的致动器到特定控制状 态来控制发动机运转，包括节气门位置(ETC)；火花正时和时延(IGN)；燃料喷射质量和正 时(INJ_PW)；进气和/或排气门开启的定相、升程和持续时间(VCP/VLC)；以及，控制再循 环排气流的EGR阀位置(EGR)。进气和/或排气门开启的定相、升程和持续时间包括负气门重叠(排气再压缩策略中的NV0)以及排气门再打开的升程(在排气再吸气策略中)。控 制模块适于监测来自操作员(例如，加速器踏板位置和刹车踏板位置)的输入信号来确定 操作员转矩请求(To_req)；以及适于监测来自传感器的发动机运转状态，包括指示发动机 速度(RPM)、发动机载荷(使用MAF、MAP或INJ_PW)、冷却剂温度(COOLANT)、进气空气温度 (Tin)和其他环境条件的发动机运转状态，从而确定主要与发动机速度和载荷相关的发动机 运转点。如将在下面描述的，控制模块5运转以从存储在存储器中的预先确定的查询表 和方程来确定不同发动机致动器的控制状态，包括发动机气门致动定相、升程、持续时间 (VCP/VLC进气，VCP/VLC排气)；包括每循环多次喷射的燃料喷射正时和脉宽(INJ_PW)；火 花正时和时延(IGN) ；EGR阀位置(EGR)；以及节气门位置(ETC)。控制模块被用来监测用于 计算发动机功率的转矩或载荷以及发动机速度。控制模块进一步监测发动机运转状态来补偿瞬态发动机运转对气缸结构的有效 温度的影响。监测发动机运转状态的目的是为了确定与在瞬态发动机运转过程中气缸结构 的稳态温度和气缸结构的有效温度之间的差异相关联的参数，该参数影响自动点火燃烧正 时和燃烧率。控制模块监测发动机运转状态来确定和量化合计或累计发动机功率，S卩，包含近 来发动机运转和功率输出的发动机功率历史。如本领域的一般技术人员所已知，当前发动 机功率和发动机功率历史之间的不同与在当前速度和载荷运转条件下气缸结构的稳态温 度与在瞬态发动机运转过程中气缸结构的有效温度之间的差异相关。发动机功率历史的状态优选地由正在进行地监测与发动机功率相关的一个或多 个发动机运转状态，以及累计监测的状态来确定。在一个实施例中，累计监测的状态包含将 状态输入到使用用于求平均值的已经过时间周期的移动平均方程。用于求平均值的已经 过时间周期基于气缸结构的热容量确定，通常呈热传递时间常数的形式。在另一个实施例 中，累计监测的状态包含将状态输入到使用用于求平均值的已过时间周期的加权移动平均 方程，并给予最近监测的状态以优先加权。可用作发动机功率历史的替代的一个被监测的 发动机状态包含发动机燃料流量，基于INJ_PW命令和发动机速度来计算瞬时喷射器流量 (INJ_FL0)，从该喷射器流量能够确定平均燃料流量(INJ_AVG)。还包括监测和确定瞬态发 动机运转过程中气缸结构的有效温度和发动机功率历史的状态的其他方法，只要这些方法 落在本发明的范围内即可。参照图2，基于发动机运转状态，示范发动机可选择地在多个燃烧模式的一个中运 转，在该实施例中所述模式包含速度(RPM)和发动机载荷，其可从发动机运转参数例如以 毫克为单位的喷射器燃料流量(INJ_PW)或空气质量流量(MAF)或歧管压力(MAP)推导出 来。发动机燃烧模式包含喷雾引导火花点火(SI-SG)模式、单喷射自动点火(HCCI-SI)模 式、双喷射自动点火(HCCI-DI)模式以及均质火花点火(SI-H)模式。用于各个燃烧模式 的优选的速度和载荷运转范围基于优化的发动机运转参数，包括燃烧稳定性、燃料消耗、排 放、发动机转矩输出和其他参数。限定优选速度和载荷运转范围来划定燃烧模式的边界通 常在试制发动机校准和开发过程中确定，并且在发动机控制模块中执行。在运转中，控制系 统监测发动机速度(RPM)和发动机载荷，以及基于所述发动机速度和发动机载荷命令发动 机的运转进入发动机燃烧模式之一，如参考图2所描绘的。因此在低速度/载荷条件下，命
9令SI-SG燃烧；而在中等速度/载荷运转条件下，命令自动点火燃烧。HCCI发动机运转的一个已知限制是依赖于在燃烧室内创造自动点火的缸内条件。 鸣响或燃烧噪音(其特征是来自燃烧室的振荡产生的压力波动)是燃烧室内存在过多能量 的标志。室中的这种能量导致空气燃料装料在预期的燃烧开始之前达到自动点火点，导致 非预期的燃烧。鸣响限制HCCI燃烧的高载荷。公开了扩展HCCI运转高载荷极限的控制策略，使用喷射正时来控制缸内条件以 便减少燃烧噪音。测试示出减少鸣响的一种方法包括正时燃料喷射，由此喷射正时的结束与燃烧循 环的进气周期相协调。选择该协调来最大化到喷射燃料的热传递，以便减少存留在燃烧室 中能够导致自动点火的能量，以及如下面描述的，以便能够增加燃烧室中的EGR%。在进气 过程中存在的喷射燃料(接触燃烧室内的高温表面以及与在进气过程中被拉入燃烧室的 空气相互作用)部分地或全部地蒸发。本领域的技术人员应该理解液体的蒸发包括从周围 进入蒸发液体的热流而不增加蒸发液体的温度。从燃烧室环境到蒸发燃料的这种热传递降 低燃烧室内的总体温度。不同喷射正时导致喷射燃料和在进气周期中被抽入燃烧室中的空气之间的不同 相互作用。太早喷射导致喷射燃料大量聚集在燃烧室的壁上以及未能显著地与进气空气流 相互作用。太晚喷射使燃料和空气没有时间相互作用以实现所要求的热传递。另外，发动机 载荷对相互作用有影响。能够在具体发动机配置中利用测试来测试所得到的热传递温度， 以及最大化根据给定发动机载荷的喷射正时而定的热传递。图4图解地描绘根据本公开的调节喷射正时以适应缸内温度的示范效果。图表描 述从三个不同喷射结束(EOI)正时得到的数据250度bTDC，300度bTDC，以及350度bTDC。 测试中利用的燃烧循环包括在大约280度bTDC打开进气门，以及包括在高速和中等载荷下 测试。从数据中显而易见，结束在350度bTDC或在进气门打开前70度曲柄角的喷射事件 在降低缸内温度方面是最低效的。另外的数据曲线对应比进气门打开提前20度曲柄角和 落后30度曲柄角结束的喷射事件。通过正时燃料喷射事件使得在接近进气门打开的时间 喷射雾化的液体燃料，数据示出燃烧室增加的冷却。该较低温度减少存在于燃烧室内可用 于创造自动点火的能量，因此，减少了鸣响的发生。示范发动机配置的测试示出在高发动机速度和中等发动机载荷下的上述结果。所 利用发动机的进一步测试示出随着发动机载荷以及因而喷射进入发动机的燃料的体积持 续增加，燃烧室的最大冷却对应增加延迟的燃料喷射正时。在中等载荷下，发生在接近进气 门开启的燃料喷射具有燃烧室的最大冷却；而在高载荷下，发生在接近进气门峰值开度的 燃料喷射具有燃烧室的最大冷却。该关系能够依赖于具体发动机配置、燃烧室、以及，特别 的，所导致的喷射燃料和进气空气流之间的相互作用而改变。能够进行在不同载荷下调节 喷射正时和监测所得到的缸内温度的具体发动机的测试来图示出针对该发动机的对应关 系。降低燃烧室温度是避免空气燃料装料自动点火的一种途径。然而，鸣响的风险没 有被限制到在燃烧开始之前可确定的条件下。通过火花点火或自动点火，燃烧一旦开始就 是消耗时间来燃烧或烧掉室内所有装料的过程。鸣响能够在燃烧开始之后在还没有被燃烧 的装料部分中发生。预期的燃烧过程自身能够增进鸣响的发生。室内的燃烧创造室内的压
10力波动。产生于由预期燃烧事件创造的压力波动在装料的部分中升高的压力能够将存在于 装料之中的能量增加到燃烧点，由此导致鸣响。减少预期燃烧过程对还没有燃烧的剩余装 料的作用的一种方法是增加燃烧发生的时间跨度。通过延长燃烧时间，所导致的压力波动 的效果被减少，由此减少鸣响的发生。本领域的技术人员应当理解喷射燃料蒸发所导致的较低装料温度导致较大装料 密度。装料的较大密度允许在燃烧过程中将附加材料带入燃烧室，例如，通过提高EGR%。 由于EGR而存在于燃烧室中的排气是惰性物质。图3图解地描绘出根据本公开的具有不同 喷射正时和EGR百分比的处于HCCI运转下的发动机的示范测试数据。测试结果对应图4 所描述的测试。该示范性关系示出具有增强燃烧室冷却的喷射正时(250度bTDC和300度 bTDC的Ε0Ι)允许将增加的外部残余物带入气缸内。该增加的EGR1^af加了装料稀释度，减 慢化学反应速率以及扩展燃烧过程的持续时间，由此减慢燃烧过程并且进一步减少鸣响的 发生。图6图解地描绘根据本公开的基于燃烧热释放率调节燃料喷射正时的示范效果。 测试结果收集于利用固定火花正时的示范系统中。热释放率(HRR)是能量怎样在燃烧过程 中根据曲柄角度数被释放的描述。较高HRR值对应在燃烧室中创造较高能量条件的燃烧事 件。例如，在短时间周期内发生的稳健燃烧事件包括与关联于更渐进燃烧事件的较小波动 或一系列波动不同的冲击压力波动。如上所述，允许较大EGR%的增加的密度稀释燃烧装 料，以及增加燃烧事件的持续时间。从图6的结果显而易见，通过控制燃烧过程来控制能量 释放率导致燃烧室中能量的更受控释放。图5图解地描绘根据本公开的，用于对应上面所测试的示范发动机的测试、基于 鸣响系数或鸣响发生指示调节燃料喷射正时的示范效果。如上所述，与进气周期校准地相 协调的喷射正时使燃烧室冷却，以及允许导致扩展燃烧过程的持续时间的较大EGR%。所描 绘的结果示出在对应所选燃料喷射正时的给定测试结果中鸣响发生的显著减少。为了利用较大EGR%的空气燃料装料增加的密度对延长或增加预期燃烧事件的持 续时间从而减少鸣响是有效的。然而，本领域的技术人员应理解调节燃料喷射正时影响燃 烧的其他性质，例如，燃烧定相。燃烧定相描述在由循环的曲柄角所测量的循环中的燃烧进 程。喷射正时对燃烧定相的效果依赖于燃烧室内的所导致的条件。例如，较早喷射能够导 致燃烧较早开始，由此提前燃烧定相；或较早喷射使得较大够延迟或延长燃烧，由 此延迟燃烧定相。一种判断燃烧定相的方便度量是CA50或处于该CA50时50%的空气燃 料装料被燃烧的曲柄角。应当理解燃烧循环的性质，例如效率，受循环的CA50的影响。然 而，其他因素例如火花正时影响CA50。公开了一种当调节火花正时来保持优选燃烧正时时 应用调节的喷射正时来减少鸣响的方法。图7图解地描绘根据本公开的火花正时对燃烧定相的示范效果。六个不同火花正 时的曲线被描绘。在图7中显而易见，较早火花正时导致HRR曲线在燃烧循环中较早达到 峰值。这样，能够利用火花正时来调节所导致的燃烧定相。HCCI燃烧的火花助燃点火包括利用火花在空气燃料装料的燃烧室中创造燃烧，所 述装料还没有处于有利于自动点火的能量水平。由火花诱导的燃烧在燃烧室中创造能量释 放，包括压力波动。该能量释放传播到燃烧室的剩余部分，以及促进剩余部分的空气燃料装 料实现自动点火。当HCCI模式理想地运转而没有火花点火时，在其中火花助燃HCCI运转是有用的环境是已知的。例如，在冷启动或低速以及低载荷条件下，火花助燃HCCI利用来 自火花点火的能量释放来促进区域内的装料的自动点火，在所述区域中自动点火可能是不 稳定或不可能的。在使HCCI运转在较高载荷的当前环境中，火花助燃点火能够被用来在自 动点火被期望开始之前开始装料的燃烧，由此允许通过点火正时调节来对燃烧定相进行控 制。测试示出，当根据喷射正时、所得到的CA50以及其它相关参数的这种选择是可能时，提 前的火花正时的选择能够促进在自动点火开始之前20%的空气燃料装料的燃烧。根据最大装料或燃烧室冷却所选取的燃料喷射正时能够被用来降低燃烧室内的 温度，并且另外提供较大及，能够调节火花正时来补偿优选的燃烧定相。图9图解 地描绘根据本公开的导致相同CA50值的三个不同示范控制配置。三个曲线图被描绘，画出 HRR对应燃烧的质量分数或被燃烧的空气燃料装料百分比的曲线，表示出第一控制配置， 包含在350度bTDC的喷射结束、25度bTDC的火花正时以及11%的EGR% ；第二控制配置， 包含300度bTDC的喷射结束、40度bTDC的火花正时以及13%的EGR% ；以及，第三控制配 置，包含250度bTDC的喷射结束、50度bTDC的火花正时以及14%的EGR%。所有三条曲 线描述了具有8度aTDC的CA50的燃烧循环。从曲线中显而易见，所导致的燃烧HRR能够 通过调节燃料喷射正时被降低，以及燃烧定相能够通过调节火花正时被保持在优选的CA50 值处。根据上述方法，在控制所导致的燃烧定相时，火花正时能够被调节来实现调节的 燃料喷射正时。另外，测试示出在自动点火开始之前被正时的火花助燃点火能够进一步辅 助延长燃烧的持续时间，以及通过在自动点火之前燃烧部分空气燃料装料来导致热释放。 因为空气燃料装料的点火在火花助燃点火和导致的HCCI燃烧之间展开，由燃烧创造的压 力波动在大小上比关联于单个自动点火事件的冲击的爆发的热释放小。这样，利用火花助 燃HCCI运转(包括被设置成在预期自动点火开始之前启动燃烧的提前火花正时)能够被 用来减少鸣响的发生。调节燃料喷射正时和火花正时能够对鸣响的发生具有协同效应。图8图解地示出 根据本公开的不同火花正时和燃料喷射正时对鸣响的示范效果。三个喷射正时被描绘，以 及展示基于所导致燃烧定相值的鸣响效果。从数据中显而易见，鸣响能够通过喷射正时的 选择被减少；以及对于各个所选的喷射正时，鸣响能够通过调节所导致的燃烧定相被减少， 例如通过火花正时的调节。这种校准数据的使用能够被用来选择运转点，例如，最小化鸣响 对CA50以及所导致的性质(如效率)的效果，例如，通过基于其他条件的平衡来选择期望 的火花正时。在这种平衡中，发动机然后根据期望的火花正时运转，其他因素如喷射正时和 所导致的CA50根据平衡来改变。应该理解所描绘的测试结果对所测试的发动机配置是特 定的，以及被校准的具体发动机配置的测试必须被用来预测相似的行为。发动机经常使用多个气缸。每个气缸由于不同的运转条件而能够不同地运转，例 如，不同的气缸具有非统一的EGR分布或在不同热环境中导致的不同热传递性质。图10图 解地描绘根据本公开的在火花正时值范围中的四个气缸的示范运转。从测试数据中显而易 见，相同发动机的不同气缸对于相同火花正时具有不同的鸣响性质。图11图解地描述根据 本公开的针对图10的四个气缸各自测试结果所得到的燃烧定相。图11中描绘的结果强化 不同气缸中的不同条件导致不同气缸的所导致运转(包括鸣响性质)不同的原理。具有延 迟CA50的气缸显示出最小的鸣响。描述气缸的气缸特定状态的量化的类似结果(例如，通
12过来自优选的CA50的CA50变化)能够与例如包含在图8中的信息相结合来调节气缸性质， 如火花正时和燃料喷射正时，来使气缸接近期望的运转。通过采用对每个气缸的单独控制 策略，对每个气缸的预测的CA50性质能够使用单独火花正时控制(例如，通过控制各个气 缸到优选的CA50)来平衡；以及，平均鸣响系数能够被进一步减少。图12示意性地描绘根据本公开的利用火花正时控制的用于独立CA50控制的示范 系统。公开的系统利用反馈控制器来协调优选的CA50，优选的CA50值包括期望的喷射正时 和火花正时以便促进高速和中到高载荷下的HCCI运转，借助来自各个单独气缸的正时来 得到补偿运转中的气缸与气缸不同所需的火花和喷射正时。根据当前所选的运转模式，与 来自各个气缸的单独计算的CA50有关的输入与优选的CA50相比较，建立气缸特定CA50变 化。该气缸特定CA50变化描述该气缸的导致CA50变化和导致鸣响性质的运转条件中的净 变化。校准的信息，如图8中描绘的数据，能够被反馈控制器利用来确定气缸特定火花和喷 射正时校正以便以所有气缸中的低鸣响来维持运转。这些气缸特定火花和喷射正时校正然 后与对应期望发动机运转的校准火花和喷射正时合并来形成到发动机的气缸特定火花和 喷射正时命令。这样，在发动机运转中气缸与气缸的不同能够根据这里描述的方法被校正 来减少鸣响。图13描绘根据本公开的应用在此描述的方法的示范过程。当监测发动机速度和 发动机载荷的控制系统确定发动机能够在对应高发动机速度和载荷的高鸣响范围(例如 可通过发动机校准或建模来确定)中运转于HCCI模式时，过程300能够被用来减少对应的 鸣响。过程300描述了减少鸣响模式，以及包含监测发动机速度和发动机载荷的步骤305 和310 ；根据本领域已知的方法，基于监测的发动机速度和载荷确定预先指定或校准的NVO 的步骤320 ；根据这里公开的方法应用用于最大装料或燃烧室冷却的校准喷射正时的步骤 330 ；确定用于化学计量燃烧的EGR%的步骤340 ；基于前面步骤确定的度量和预测的所得 燃烧效率确定目标或优选的CA50的步骤350 ；以及通过反馈控制确定火花正时以便实现优 选的CA50的步骤360。所导致的在发动机中在HCCI模式中以高载荷运转的增量在发动机和发动机之间 不同，并且依赖于选择运转参数如优选的CA50所利用的因素。然而，在示范性测试配置中， 发动机具有HCCI能够运转的2000rpm下的，从原先最大的458kPa NMEP到53IkPaNMEP的 73kPa NMEP的增大的范围。图14图解地描绘出根据本公开的图示出在HCCI模式中的改进 运转的测试结果，该运转通过燃烧室冷却和在此描述的相关方法实现。先前HCCI载荷极限 展示了示范的高鸣响范围，其中没有当前公开的方法、HCCI模式中的鸣响限制了运转。在 图中显而易见，改进的HCCI载荷极限针对每个发动机速度被改进，由此实现发动机运转的 较大范围中与燃料效率和HCCI相关的优点。本公开已经描述了特定优选实施例及其变型。通过阅读和理解说明书，进一步的 变型和替代是显而易见的。因此，本公开不受限于作为设想用于实施本公开的最佳模式所 公开的具体实施例，而是本公开将会包括落入所附权利要求范围的所有实施例。
权利要求
一种控制能够运转在均质压燃模式中的内燃发动机的方法，所述模式包括通过减少发动机内的鸣响的发生在均质压燃模式中以高载荷进行的扩展运转，所述方法包含在包括火花助燃点火的均质压燃模式中运转发动机；监测发动机载荷；监测发动机速度；基于发动机载荷和发动机速度确定何时发动机处于高鸣响范围内；以及当发动机载荷处于高鸣响范围时，在减弱鸣响模式中运转发动机，包含根据校准的最大燃烧室冷却燃料喷射正时来调节燃料喷射正时，确定优选的燃烧定相值，以及基于调节的燃料喷射正时和优选的燃烧定相值来调节火花正时。
2.如权利要求1所述的方法，其中在减弱鸣响模式中运转发动机进一步包含 基于调节的燃料喷射正时确定预测的空气燃料装料密度的增加；以及根据预测的空气燃料装料密度的增加来增加排气再循环百分比。
3.如权利要求1所述的方法，其中在减弱鸣响模式中运转发动机进一步包含 基于发动机载荷和发动机速度预测自动点火正时；以及在预测的自动点火正时前利用火花正时，其中选择火花正时来在预测的自动点火正时 之前燃烧空气燃料装料的一部分。
4.如权利要求1所述的方法，其中在减弱鸣响模式中运转发动机进一步包含根据气缸特定校准的最大燃烧室冷却燃料喷射正时，对发动机的各个气缸调节气缸特 定燃料喷射正时；以及基于气缸特定燃料喷射正时和优选的燃烧定相值，对发动机的各个气缸调节气缸特定 火花正时。
5.如权利要求1所述的方法，其中校准的最大燃烧室冷却燃料喷射正时包含 当发动机载荷处在中等范围时，与进气门开度相关的所选正时；以及当发动机载荷处在高范围时，与进气门峰值开度相关的所选正时。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包含 监测预测的自动点火正时；以及其中，调节火花正时进一步基于在预测的自动点火正时之前移动火花正时。
7.—种控制能运转在均质压燃模式中的内燃发动机的方法，所述模式包括在高鸣响范 围中的运转，所述方法包含监测发动机速度； 监测发动机载荷； 监测优选的燃烧定相值；基于发动机速度和发动机载荷确定预指定负气门重叠； 基于发动机载荷确定最大燃烧室冷却燃料喷射正时； 基于最大燃烧室冷却燃料喷射正时确定期望的排气再循环百分比； 基于平衡优选的燃烧定相值和最大燃烧室冷却燃料喷射正时来确定期望的火花正时；以及基于期望的火花正时运转发动机。
8.如权利要求7所述的方法，其中优选的燃烧定相值基于在发动机速度和发动机载荷 下最大化预测的燃烧效率。
9.一种内燃发动机系统，包含内燃发动机，设置成选择性运转在均质压燃模式中；控制模块，设置成监测发动机运转状态以及控制发动机运转；以及发动机控制子系统，设置成基于监测的发动机运转状态控制发动机运转，包括在包含火花助燃点火的均质压燃模式中运转发动机；监测发动机载荷；监测发动机速度；基于发动机载荷和发动机速度确定发动机将处在高鸣响范围中，以及 当发动机载荷处在高鸣响范围中时，在减弱鸣响模式中运转发动机，包含 根据校准的最大燃烧室冷却燃料喷射正时来调节燃料喷射正时； 确定优选的燃烧定相值；以及基于调节的燃料喷射正时和优选的燃烧定相值来调节火花正时。
10.如权利要求9所述的系统，其中在减弱鸣响模式中运转发动机进一步包含 基于调节的燃料喷射正时确定预测的空气燃料装料密度的增加；以及基于预测的空气燃料装料密度的增加来增加排气再循环百分比。
全文摘要
本发明涉及调整喷射和火花正时扩展HCCI运转高负载极限的方法。一种用于运转内燃机的方法，该内燃机包括在高载荷下以均质压燃模式的扩展运转，所述方法包括在包括火花助燃点火的均质压燃模式中运转发动机；监测发动机载荷；监测发动机速度；基于发动机载荷和发动机速度确定发动机将处在高鸣响范围中；以及当发动机载荷处在高鸣响范围中时，在减弱鸣响模式中运转发动机。减弱鸣响模式包括根据校准的最大燃烧室冷却燃料喷射正时来调节燃料喷射正时；确定优选的燃烧定相值；以及基于调节的燃料喷射正时和优选的燃烧定相值来调节点火正时。
文档编号F02D43/00GK101915175SQ20101012403
公开日2010年12月15日 申请日期2010年3月2日 优先权日2009年3月2日
发明者G·格雷威尔特, H·允, J·-M·康, N·维尔穆斯, P·M·纳特 申请人:通用汽车环球科技运作公司