专利名称：用于控制hcci燃烧发动机中催化剂温度的系统和方法
技术领域：
本发明涉及发动机控制系统，更具体地涉及用于控制排气催化剂温度的发动机控 制系统，该排气催化剂用于在火花点火和均质充量压缩点火(HCCI)两种模式下工作的发 动机。
背景技术：
本节所提供的背景技术描述目的在于从总体上呈现本发明的背景。发明人的一部 分工作在背景技术部分中被描述，这部分内容以及在提交申请时该描述中不另构成现有技 术的方面，既不明确也不暗示地被承认是破坏本发明的现有技术。发动机可在火花点火(Si)模式以及均质充量压缩点火(HCCI)模式下工作。HCCI 模式涉及将燃料和氧化剂的混合物压缩到自燃点。可基于发动机速度和负载来选择其中一 种模式。在HCCI模式中，点燃同时在几个位置处发生，这使得燃料/空气混合物几乎同时 燃烧。HCCI模式的执行效果接近于理想的奥托循环，与SI模式相比提供了改进的工作效率 并且产生更低的排放水平。然而，由于不存在燃烧的直接引发器，所以点燃过程趋向于更难 于控制。为了对HCCI模式期间的工作进行调节，控制系统可改变引起燃烧的条件。例如， 控制系统可调节压缩比、所引起的气体温度、所引起的气体压力、或者保留的或重新引入的 排气量。已经采用了一些措施来实施调节，从而扩展了 HCCI工作区域。一种控制措施采用了可变气门正时来调节压缩比。例如，当进气门关闭时，可通过 调节来控制压缩比。保留在燃烧室内的排气量可通过气门重打开和/或气门重叠而得到控 制。在发动机工作于HCCI模式期间，排气温度低于运行在火花喷射模式下的排气温 度。时间一长，HCCI模式中较低的排气温度会降低催化剂效率。当催化剂温度下降到低于 预定温度时，催化剂效率可下降到低于临界阈值。当温度或催化剂效率下降到低于预定阈 值时，车辆排放的排气量增加。
发明内容
根据本发明的发动机控制系统使汽油发动机以SI模式和HCCI模式工作。HCCI模 式在有限的工作范围内工作。然而，如果排气效率或温度下降到低于阈值，则在一个或多个 汽缸中采用SI模式以提高排气的温度，从而提高催化剂的温度和效率。在本发明的一个方面中，一种控制发动机的方法包括使发动机以均质充量压缩 点火(HCCI)模式工作；监视所述发动机的工况；响应于所述发动机的所述工况产生催化剂 的第一预测状况；将所述第一预测状况与第一阈值进行比较；并且响应于所述比较使所述 发动机以火花喷射模式工作。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均质充量压缩点火 (HCCI)模式控制模块，其使发动机以HCCI模式工作；和状况监视器模块，其监视所述发动
3机的工况。控制模块还包括状况预测器模块，其响应于所述发动机的所述工况产生催化剂 的第一预测状况。比较模块将所述第一预测状况与第一阈值进行比较。火花喷射模式控制 模块响应于该比较使所述发动机以火花喷射模式工作。本发明还提供了以下方案方案1. 一种控制发动机的方法，包括使发动机以均质充量压缩点火模式工作；监视所述发动机的工况；响应于所述发动机的所述工况产生催化剂的第一预测状况；将所述第一预测状况与第一阈值进行比较；和响应于比较使所述发动机以火花喷射模式工作。方案2.如方案1所述的方法，其特征在于，进一步包括响应于所述发动机的所述 工况产生所述催化剂的第二预测状况；将所述第二预测状况与第二阈值进行比较；响应于将所述第二预测状况与所述第二阈值进行比较使所述发动机以所述均质 充量压缩点火模式工作。方案3.如方案2所述的方法，其特征在于，将所述第二预测状况与第二阈值进行 比较包括将所述第二预测状况与等于所述第一阈值的所述第二阈值进行比较。方案4.如方案2所述的方法，其特征在于，将所述预测状况与第二阈值进行比较 包括将所述预测状况与不同于所述第一阈值的第二阈值进行比较。方案5.如方案2所述的方法，其特征在于，响应于将所述第二预测状况与所述第 二阈值进行比较使所述发动机以均质充量压缩点火模式工作包括当所述第二预测状况大 于所述第二阈值时使所述发动机以所述均质充量压缩点火模式工作。方案6.如方案5所述的方法，其特征在于，第二预测状况包括催化剂效率和催化 剂温度中的一个。方案7.如方案1所述的方法，其特征在于，产生第一预测状况包括产生催化剂温度。方案8.如方案1所述的方法，其特征在于，产生第一预测状况包括产生催化剂效率。方案9.如方案1所述的方法，其特征在于，响应于所述发动机的所述工况产生催 化剂的第一预测状况包括响应于所述发动机的所述工况以及催化剂模型产生所述催化剂 的所述第一预测状况。方案10.如方案1所述的方法，其特征在于，响应于比较使所述发动机以火花喷射 模式工作包括当所述第一预测状况低于所述第一阈值时使所述发动机以火花点火模式工作。方案11.如方案1所述的方法，其特征在于，响应于比较使所述发动机以火花喷射 模式工作包括使第一汽缸以所述火花喷射模式工作，并且使不同于所述第一汽缸的多个汽 缸以所述均质充量压缩点火模式工作。方案12.如方案1所述的方法，其特征在于，响应于比较使所述发动机以火花喷射 模式工作包括使第一多个汽缸以所述火花喷射模式工作，并且使不同于所述第一多个汽缸的第二多个汽缸以所述均质充量压缩点火模式工作。方案13.如方案12所述的方法，其特征在于，进一步包括利用所述第一多个汽缸 和所述第二多个汽缸形成第一型式，而后利用所述第一多个汽缸和第二多个汽缸形成第二 型式，所述第一型式不同于所述第二型式。方案14. 一种控制模块，包括均质充量压缩点火模式控制模块，其使发动机以均质充量压缩点火模式工作；状况监视器模块，其监视所述发动机的工况；状况预测器模块，其响应于所述发动机的所述工况产生催化剂的第一预测状况；比较模块，其将所述第一预测状况与第一阈值进行比较；和火花喷射模式控制模块，其响应于比较使所述发动机以火花喷射模式工作。方案15.如方案14所述的控制模块，其特征在于，所述状况预测器模块响应于所 述发动机的所述工况产生所述催化剂的第二预测状况，其中，所述比较模块将所述第二预 测状况与第二阈值进行比较，并且其中，所述均质充量压缩点火模式控制模块响应于将所 述第二预测状况与所述第二阈值进行比较来使所述发动机以所述均质充量压缩点火模式 工作。方案16.如方案15所述的控制模块，其特征在于，所述第二预测状况包括催化剂 效率和催化剂温度中的一个。方案17.如方案15所述的控制模块，其特征在于，当所述第二预测状况大于所述 第二阈值时，所述均质充量压缩点火模式控制模块使所述发动机以所述均质充量压缩点火 模式工作。方案18.如方案14所述的控制模块，其特征在于，所述火花点火模式控制模块响 应于比较来使所述发动机的第一汽缸以所述火花喷射模式工作，并且所述均质充量压缩点 火模式控制模块使不同于所述第一汽缸的多个汽缸以所述均质充量压缩点火模式工作。方案19.如方案14所述的控制模块，其特征在于，所述火花点火模式控制模块响 应于比较来使所述发动机的第一多个汽缸以所述火花喷射模式工作，并且所述均质充量压 缩点火模式控制模块使不同于所述第一汽缸的第二多个汽缸以所述均质充量压缩点火模 式工作。方案20.如方案14所述的控制模块，其特征在于，当所述第一预测状况低于所述 第一阈值时，所述火花喷射模式控制模块使所述发动机以火花点火模式工作。通过本文提供的描述将明了进一步的应用领域。应当理解的是，这些描述和特定 示例仅仅用于说明的目的，而并不旨在限制本发明的范围。
根据详细描述和附图，本发明将得到更加全面的理解，附图中图IA是根据本发明在SI和HCCI燃烧模式下工作的发动机控制系统的功能框图；图IB是示例性气门升程调节系统的功能框图；图IC是示例性发动机控制模块的功能框图；图2是根据本发明在HCCI模式和SI模式之间切换的方法的流程图；以及图3是在HCCI模式之后控制SI模式工作的流程图。
具体实施例方式下面的描述本质上仅仅是示例性的，并不试图以任何方式限制本发明、其应用或 用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同附图标记来表示相似元件。如本文所使用的，短 语“A、B和C中的至少一个”应当解释为是指使用了非排他性逻辑“或”的逻辑(A或者B或 者C)。应当理解的是，在不改变本发明原理的情况下，方法内的步骤可按照不同顺序执行。如本文所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个 软件或固件程序的处理器(共用处理器、专用处理器、或组处理器)和存储器、组合逻辑电 路、和/或提供所述功能的其他适合部件。根据本发明的发动机控制系统使汽油发动机在SI模式和HCCI模式下工作。HCCI 模式降低了燃料消耗但仅在有限范围的发动机扭矩和速度下是可用的。仅作为示例，发动 机控制系统可在低负载至中等负载以及低发动机速度至中等发动机速度的情况下使发动 机工作在HCCI模式。发动机控制系统可在其他负载和发动机速度情况下使发动机工作在 SI模式。HCCI工作区可由校准表中的工作映射(operatingmap)限定。对于驾驶者而言，在SI模式和HCCI模式之间的转变应当显得是无缝的，应当使发 动机排放最小化，且应当使燃料消耗的损耗最小化。本发明监视催化剂的状态(例如，催化剂温度或催化剂效率)以确定何时从HCCI 模式切换回SI模式，以使催化剂效率得到提高。本发明使用催化剂温度模型来确定催化剂 温度或效率。现在参见图1A，其中给出了示例性发动机系统100的功能框图。发动机系统100 包括发动机102，其基于驾驶者输入模块104使空气/燃料混合物燃烧以产生用于车辆的驱 动扭矩。发动机可以是直接点火发动机。空气通过节气门112被吸入进气歧管110。发动 机控制模块(ECM) 114命令节气门致动器模块116调节节气门112的开度以控制被吸入进 气歧管110的空气量。来自进气歧管110的空气被吸入发动机102的汽缸。尽管发动机102可包括多个 汽缸，但为了例示的目的，仅示出了单一的代表性汽缸118。仅作为示例，发动机102可包括 2、3、4、5、6、8、10 和 / 或 12 个汽缸。来自进气歧管110的空气通过进气门122被吸入汽缸118。ECM114控制燃料喷 射系统124所喷射的燃料量。燃料喷射系统124可在中心位置处将燃料喷入进气歧管110 中，或者可在多个位置处将燃料喷入进气歧管110中，这些位置例如是每个汽缸的进气门 附近。替代性地，燃料喷射系统124可将燃料直接喷入汽缸。所喷射的燃料与空气混合，并且在汽缸118内形成空气/燃料混合物。汽缸118 内的活塞(未示出)对空气/燃料混合物进行压缩。基于来自ECM 114的信号，火花致动 器模块126对汽缸118内的火花塞128供能，这点燃空气/燃料混合物。火花的正时可相 对于活塞处于其最高位置(称为上止点(TDC))的时刻而指定。空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞向下，由此驱动旋转的曲轴(未示出)。然后， 活塞开始再次向上运动并且将燃烧副产物通过排气门130排出。燃烧副产物经由排气系统 134从车辆排出。进气门122可由进气凸轮轴140控制，而排气门130可由排气凸轮轴142控制。在 各种实施方式中，多个进气凸轮轴可控制每个汽缸的多个进气门和/或可控制多排汽缸的进气门。类似地，多个排气凸轮轴可控制每个汽缸的多个排气门和/或可控制多排汽缸的 排气门。进气门122打开的时刻可由进气凸轮相位器148相对于活塞TDC进行改变。排气 门130打开的时刻可由排气凸轮相位器150相对于活塞TDC进行改变。相位器致动器模块 158基于来自ECM 114的信号控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。升程致动 器模块120通过液压方式或者利用其他方法来调节气门升程量。发动机系统100可包括排气再循环(EGR)阀170，其将排气选择性地重引导回进 气歧管110。发动机系统100可利用RPM传感器180以每分钟转数(RPM)为单位测量曲轴 速度。可利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可位于发动机102内或者位于冷却剂流通的其他位置，例如散热器(未示出)处。可利用歧管绝对压力(MAP)传感器184测量进气歧管110内的压力。在各种实施 方式中，可测量发动机真空，发动机真空是环境空气压力和进气歧管110内的压力之差。可 利用质量空气流量(MAF)传感器186测量流入进气歧管110中的空气质量。ECM 114可基于MAF传感器186产生的MAF信号来计算测量的每汽缸空气(APC)。 ECM 114可基于发动机工况、操作者输入、或其他参数来估计期望的APC。节气门致动器模 块116可利用一个或多个节气门位置传感器(TPS) 190监视节气门112的位置。可利用进 气空气温度(IAT)传感器192测量被吸入发动机系统100的空气的环境温度。ECM 114可 使用来自传感器的信号来作出用于发动机系统100的控制决定。为了抽象地指代发动机102的各种控制机构，改变发动机参数的每个系统均可被 称为是致动器。例如，节气门致动器模块116可改变节气门112的叶片位置，并从而改变节 气门112的打开面积。因此，节气门致动器模块116可被称为是致动器，而节气门打开面积 可被称为是致动器位置。类似地，火花致动器模块126可被称为是致动器，而对应的致动器位置则是火花 提前或延迟量。其他致动器包括EGR阀170、相位器致动器模块158和燃料喷射系统124。 关于这些致动器的术语“致动器位置”可分别对应于EGR阀开度、进气和排气凸轮相位器 角、以及空气/燃料比。现在参见图1B，示出了气门升程控制回路250的功能框图。气门升程控制回路250 包括进气门/排气门组件252，其经由油泵256从储油器254接收油。油在被气门组件252 接收之前通过油过滤器258过滤。控制模块对气门组件252的进气门260和排气门262的 升程操作进行控制。气门组件252包括进气门260和排气门262，进气门260和排气门262具有打开和 关闭状态并且经由一个或多个凸轮轴264被致动。可包括专用进气凸轮轴和专用排气凸轮 轴。在另一个实施例中，进气门260和排气门262共享共用的凸轮轴。当处于打开状态时， 进气门260和排气门262可在各种升程状态下工作。气门组件252还包括气门升程状态调节装置270。升程状态调节装置270可包括 油压控制阀272和诸如螺线管274这样的气门升程控制阀。也可包括其他升程状态调节装 置276，例如升程销、杆、摇杆、弹簧、锁定机构、挺杆等。气门升程控制回路250可包括油温传感器280和/或油压传感器282。控制模块 基于接收自温度和压力传感器280、282的温度和压力信号向油压控制阀272发送信号。
现在参见图1C，发动机控制模块114可包括具有MAP控制模式(MM)的映射控制模 块290。MM可被设置为SI和HCCI模式。发动机控制模块114包括具有燃料输送模式(FM) 的燃料输送模块292。燃料输送模块292可在Si、分层燃烧和HCCI模式之间切换FM。燃料 输送模块292可确定燃料输送的方式、正时和/或量。发动机控制模块114包括具有燃烧模式(CM)的燃烧控制模块294。燃烧模块294 可在SI、HCCI和预HCCI模式之间切换CM，并且包括SI控制模块294(a)和HCCI控制模块 294(b)。发动机控制模块114包括具有火花输送模式(SM)的火花输送模块296。火花输 送模块296可在Si、具有延迟的Si、分层燃烧和HCCI模式之间切换SM。火花输送模块296 可确定火花的正时和持续时间。发动机控制模块114包括具有燃料计算模式(FC)的燃料计算模块297。燃料计算 模块297可在空气主导模式和燃料主导模式之间切换FC。在空气主导模式中，基于测得的 或估计的汽缸空气充量或流量来控制燃料。在燃料主导模式中，基于测得的或输送的燃料 来控制空气。发动机控制模块114包括具有相位器控制模式(PM)的相位器控制模块298。相位 器控制模块298可在SI和HCCI模式之间切换PM。相位器控制模块298可确定凸轮定相。发动机控制模块114包括具有升程控制模式(LM)的升程控制模块299。升程控制 模块299可在高和低气门升程模式之间切换LM。本发明不限于高或低升程模式。发动机控制模块114可包括状况监视器模块302。状况监视器模块可监视车辆的 各种状况，包括燃料供应、温度和空气状况。例如，状况监视器模块可监视歧管绝对压力、来 自燃料输送的燃料等。状况预测器模块304基于来自状况监视器模块302的状况预测汽缸内的状况。状 况预测器模块响应于发动机的工况产生催化剂的预测状况。催化剂的预测状况可对应于催 化剂温度或催化剂效率。状况预测器模块304可在HCCI模式和SI模式下工作。比较模块306产生催化剂与阈值的比较。可在比较模块306中比较各种阈值。例 如，可以对以HCCI模式工作的催化剂的第一预测状况进行比较，以确定催化剂温度或效率 是否已经下降到需要以SI模式工作来提高催化剂温度的地步。类似地，当紧接着HCCI模 式而工作在SI模式时，可在催化剂效率上升到超过预定温度或效率时将催化剂状况与阈 值进行比较以切换回HCCI模式。模式控制模块308基于比较模块306内执行的比较来控制发动机模式。模式控制 模块308可将发动机工作从SI模式改变到HCCI模式。现在参见图2，示出了基于监视催化剂状况而在HCCI模式和SI模式之间进行切换 的方法。在步骤410中，产生催化剂温度模型。催化剂温度模型可用于基于车辆工况来预 测催化剂状况。催化剂温度模型可基于催化剂和发动机工况在发动机开发期间产生。各种 条件都可能会影响催化剂，包括提供给发动机的火花和燃料。催化剂模型将有可能在各种 发动机和催化剂组合之间变化。催化剂温度模型也可在车辆的各种工况上变化。负载和发 动机速度也将影响催化剂模型。在步骤411中，如果HCCI模式不是所期望的，则再次执行步骤410。当HCCI模式 是所期望的，则执行步骤412。
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在步骤412中，确定发动机是否在以全汽缸HCCI模式工作。本发明可适用于以 HCCI模式工作的发动机，以确定是否切换到SI模式。在步骤412中，当发动机在步骤432 中是以HCCI模式工作时，步骤414监视发动机的工况。可监视负载、发动机速度、扭矩以及 其他状况。在步骤416中，在工况和步骤410的模型之间执行比较。在步骤418中，确定催 化剂的第一预测状况。如上所述，第一预测状况可对应于催化剂温度、催化剂效率或其他催 化剂状况。在该示例中，第一预测状况被确定并与第一阈值比较。当第一状况不小于第一阈 值时，再次执行步骤410。当第一预测状况小于第一阈值时，执行步骤422。在步骤420中 执行的比较指示了催化剂未以期望效率工作，而在高于期望效率时催化剂的输出才是可接 受的。在步骤422，发动机切换到SI模式以提高催化剂温度。当在步骤412中并非全部汽 缸均处于HCCI模式时，也执行步骤422。在步骤424中，监视车辆的工况。应当注意到，步 骤414和424均对应于监视发动机的工况。对正在进行监视的发动机状况可以继续加以监 视。在步骤426中，将工况与模型进行比较。在步骤428中，确定催化剂的第二预测状 况。在步骤430中，将第二预测状况与第二阈值进行比较。第二阈值对应于当催化剂效率 或温度已经上升到足以产生可接受的排气温度时切换回HCCI模式的水平。在步骤430中， 当第二预测状况不大于第二阈值时，再次执行步骤410、4111和422，并且发动机继续以SI 模式工作。通过再次执行步骤422，发动机继续以SI模式工作。在步骤432，使发动机以HCCI模式工作以提高车辆的燃料效率。系统可从步骤412 连续地执行该过程。现在参见图3，更详细示出了图2的步骤422。在步骤422中，发动机以SI模式工 作。在步骤510中，从HCCI模式进入SI模式。该SI模式是在HCCI模式之后而不是车辆 正常工况下执行的SI模式。在步骤412中，发动机可使用预定数量的汽缸工作在SI模式 中，同时使其他汽缸保持工作在HCCI模式。也就是，一个或多个汽缸可按照SI模式工作， 而其他汽缸可按照HCCI模式工作。例如，一个或两个汽缸可按照SI模式工作，而剩余汽缸 可按照HCCI模式工作。在步骤514，可以改变采用SI模式的汽缸的工作型式(pattern)，而同时维持其他 汽缸处于HCCI模式中。在步骤514中，可改变或轮换处于SI模式下的汽缸的工作型式，使 得催化剂效率或催化剂温度被提高到某个温度。该型式可改变，从而以SI模式使用各种数 量的汽缸，而剩余的汽缸则以HCCI模式工作。可取决于催化剂效率来执行汽缸的各种型式 和数量。随着催化剂效率的提高，以HCCI模式工作的汽缸的数量可能会减少，直到HCCI模 式完全可用时为止。本领域技术人员从前面的描述能够意识到，本发明的广泛教导可按照多种形式实 施。因此，尽管结合本发明的具体示例对本发明进行了描述，但本发明的真实范围却不应当 限于这些具体示例，因为本领域技术人员在研究了附图、说明书和所附权利要求后将会明 白其他的修改。
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权利要求
一种控制发动机的方法，包括使发动机以均质充量压缩点火模式工作；监视所述发动机的工况；响应于所述发动机的所述工况产生催化剂的第一预测状况；将所述第一预测状况与第一阈值进行比较；和响应于比较使所述发动机以火花喷射模式工作。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括响应于所述发动机的所述工况 产生所述催化剂的第二预测状况；将所述第二预测状况与第二阈值进行比较；响应于将所述第二预测状况与所述第二阈值进行比较使所述发动机以所述均质充量 压缩点火模式工作。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述第二预测状况与第二阈值进行比较 包括将所述第二预测状况与等于所述第一阈值的所述第二阈值进行比较。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述预测状况与第二阈值进行比较包括 将所述预测状况与不同于所述第一阈值的第二阈值进行比较。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，响应于将所述第二预测状况与所述第二阈 值进行比较使所述发动机以均质充量压缩点火模式工作包括当所述第二预测状况大于所 述第二阈值时使所述发动机以所述均质充量压缩点火模式工作。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第二预测状况包括催化剂效率和催化剂温 度中的一个。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，产生第一预测状况包括产生催化剂温度。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，产生第一预测状况包括产生催化剂效率。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，响应于所述发动机的所述工况产生催化剂 的第一预测状况包括响应于所述发动机的所述工况以及催化剂模型产生所述催化剂的所 述第一预测状况。
10.一种控制模块，包括均质充量压缩点火模式控制模块，其使发动机以均质充量压缩点火模式工作；状况监视器模块，其监视所述发动机的工况；状况预测器模块，其响应于所述发动机的所述工况产生催化剂的第一预测状况；比较模块，其将所述第一预测状况与第一阈值进行比较；和火花喷射模式控制模块，其响应于比较使所述发动机以火花喷射模式工作。
全文摘要
本发明涉及用于控制HCCI燃烧发动机中催化剂温度的系统和方法。具体地，提供了一种用于控制发动机的方法和系统，包括均质充量压缩点火HCCI模式控制模块，其使发动机以均质充量压缩点火HCCI模式工作；和状况监视器模块，其监视所述发动机的工况。控制模块还包括状况预测器模块，其响应于所述发动机的所述工况产生催化剂的第一预测状况。比较模块将所述第一预测状况与第一阈值进行比较。火花喷射模式控制模块响应于比较使所述发动机以火花喷射模式工作。
文档编号F02D43/00GK101963107SQ20101023661
公开日2011年2月2日 申请日期2010年7月23日 优先权日2009年7月23日
发明者A·B·雷尔, J·T·施巴塔, V·拉马潘 申请人:通用汽车环球科技运作公司