专利名称：均质充气压缩点火和火花点火燃烧模式之间过渡的控制方案的制作方法
技术领域：
本发明涉及能以两个分立燃烧模式操作的发动机。
背景技术：
该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成现有技术。已知的火花点火(Si)发动机将空气/燃料混合物引入每个气缸中，空气/燃料混合物在压缩冲程中被压缩并由火花塞点火。已知的压缩点火发动机在压缩冲程的上止点 (TDC)附近将加压燃料喷入燃烧气缸内，加压燃料在喷射后被点火。汽油发动机和柴油发动机两者的燃烧均包括由流体力学控制的预混合或扩散火焰。SI发动机能够以多种不同的燃烧模式操作，包括均质SI燃烧模式和分层充气SI 燃烧模式。SI发动机能够被设置用于在预定速度/负载操作条件下以均质充气压缩点火 (HCCI)燃烧模式操作，也称为受控自动点火燃烧。HCCI燃烧模式包括由氧化化学作用控制的分布式、无火焰、自动点火燃烧过程。以HCCI燃烧模式操作的发动机在进气阀关闭时间时具有在组分、温度以及残余排气方面优选是均质的气缸充气。HCCI燃烧是一种分布式动力受控燃烧过程，其中发动机用稀释的空气/燃料混合物(即，稀于化学计量比空气/燃料点)操作，具有相对低的峰值燃烧温度，从而得到低NOx排放。均质空气/燃料混合物使得形成烟雾和颗粒排放物的浓区域的出现最小化。在发动机操作中，发动机空气流通过选择性地调节节气门阀的位置、以及控制进气阀和排气阀的开启和关闭来控制。在如此配备的发动机系统上，进气阀和排气阀的开启和关闭可以使用可变阀致动系统来调节，所述可变阀致动系统包括可变凸轮定相和可选择多级阀升程，例如提供两个或更多阀升程曲线的多级凸轮凸角。与连续的节气门位置变化不同，多级阀升程机构的阀位置的变化是离散变化。当发动机以HCCI燃烧模式操作时，发动机以稀或化学计量比空气/燃料比操作来操作，其中，节气门宽开启以使得发动机泵送损失最小化。当发动机以SI燃烧模式操作时， 发动机以化学计量比空气/燃料比操作，其中，节气门阀在从宽开启位置的0%至100%的位置范围内控制，以控制进气空气流从而实现化学计量比空气/燃料比。在配置成以SI和HCCI燃烧模式操作的发动机中，燃烧模式之间的过渡会是复杂的。发动机控制模块必须协调多个装置的致动，以便为不同模式提供期望空气/燃料比。在 HCCI燃烧模式和SI燃烧模式之间过渡期间，几乎瞬时地发生阀升程曲线切换，同时对凸轮移相器和歧管压力的调节具有较慢动态特性。可能发生不完全燃烧和不点火，直到实现期望空气/燃料比，从而导致扭矩扰动。
发明内容
一种直接喷射内燃机，包括进气凸轮轴，所述进气凸轮轴具有低升程进气凸轮和高升程进气凸轮；可变升程控制器，用于用借助于低升程进气凸轮以低升程进气阀曲线和借助于高升程进气凸轮以高升程进气阀曲线中的一种来选择性地操作进气阀；可变凸轮相位控制器，能在进气凸轮轴上操作，用于同时控制低升程进气凸轮和高升程进气凸轮的相位；点火火花控制器；燃料喷射控制器；排气再循环控制器；以及进气节气门控制器。一种操作发动机的方法包括在发动机负载和凸轮轴定相的预定范围内以如下方式中的一种操作发动机a)包括低升程进气阀曲线的均质充气压缩点火(HCCI)燃烧模式，和b)包括高升程进气阀曲线的火花点火(Si)燃烧模式，其中，低升程进气阀曲线和高升程进气阀曲线排他地通过燃料和火花控制在相应HCCI燃烧模式和SI燃烧模式中实现有益于稳定燃烧的相应进气空气流量。所述方法还包括排他地通过对可变升程控制器、点火火花控制器和燃料喷射控制器进行调节而在HCCI和SI燃烧模式之间过渡。方案1. 一种操作直接喷射内燃机的方法，所述内燃机包括进气凸轮轴，所述进气凸轮轴具有低升程进气凸轮和高升程进气凸轮；可变升程控制器，用于用借助于低升程进气凸轮以低升程进气阀曲线和借助于高升程进气凸轮以高升程进气阀曲线中的一种来选择性地操作进气阀；可变凸轮相位控制器，能在进气凸轮轴上操作，用于同时控制低升程进气凸轮和高升程进气凸轮的相位；点火火花控制器；燃料喷射控制器；排气再循环控制器；以及进气节气门控制器，所述方法包括
在发动机负载和凸轮轴定相的预定范围内以如下方式中的一种操作发动机
a)包括低升程进气阀曲线的均质充气压缩点火(HCCI)燃烧模式，和
b)包括高升程进气阀曲线的火花点火(SI)燃烧模式，
其中，低升程进气阀曲线和高升程进气阀曲线排他地通过燃料和火花控制在相应HCCI 燃烧模式和SI燃烧模式中实现有益于稳定燃烧的相应进气空气流量；
排他地通过对所述可变升程控制器、所述点火火花控制器和所述燃料喷射控制器进行调节而在HCCI和SI燃烧模式之间过渡。方案2.根据方案1所述的方法，其中，在所述过渡之后，调节所述可变凸轮相位控制器、所述排气再循环控制器、所述进气节气门控制器中的至少一个。方案3. —种操作直接喷射内燃机的方法，所述内燃机包括进气凸轮轴，所述进气凸轮轴具有低升程进气凸轮和高升程进气凸轮；可变升程控制器，用于用借助于低升程进气凸轮以低升程进气阀曲线和借助于高升程进气凸轮以高升程进气阀曲线中的一种来选择性地操作进气阀；可变凸轮相位控制器，能在进气凸轮轴上操作，用于同时控制低升程进气凸轮和高升程进气凸轮的相位；点火火花控制器；燃料喷射控制器；排气再循环控制器；以及进气节气门控制器，所述过渡控制包括
以第一燃烧模式中的一种操作发动机，所述第一燃烧模式包括如下中的一种
a)包括低升程进气阀曲线的均质充气压缩点火(HCCI)燃烧模式，和
b)包括高升程进气阀曲线的火花点火(Si)燃烧模式，
当发动机处于发动机负载和凸轮轴定相的预定范围时，排他地通过对所述可变升程控制器、所述点火火花控制器和所述燃料喷射控制器进行调节，从第一燃烧模式过渡至包括所述HCCI和SI燃烧模式中的另一种的第二燃烧模式，其中，相应低升程进气阀曲线和高升程进气阀曲线排他地通过燃料和火花控制在相应HCCI燃烧模式和SI燃烧模式中实现有益于稳定燃烧的相应进气空气流量。方案4.根据方案3所述的方法，其中，第一燃烧模式包括HCCI燃烧模式，其中，在对所述可变升程控制器进行调节时可变凸轮相位控制器设置建立低升程阀曲线的负阀重叠，第二燃烧模式包括SI燃烧模式，其中，在对所述可变升程控制器进行调节时可变凸轮相位控制器设置建立高升程进气阀曲线的延迟进气阀开启。方案5.根据方案4所述的方法，还包括在对所述可变升程控制器进行调节时增加燃料质量，且充分地设置火花定时以在对所述可变升程控制器进行调节内保持发动机负载连续性。方案6.根据方案5所述的方法，其中，充分地设置火花定时以在对所述可变升程控制器进行调节内保持发动机负载连续性，包括设置相对于SI燃烧模式平均最佳扭矩设置提前的火花定时。方案7.根据方案1所述的方法，其中，第一燃烧模式包括SI燃烧模式，其中，在对所述可变升程控制器进行调节时可变凸轮相位控制器设置建立高升程进气阀曲线的延迟进气阀开启，第二燃烧模式包括HCCI燃烧模式，其中，在对所述可变升程控制器进行调节时可变凸轮相位控制器设置建立低升程阀曲线的负阀重叠。方案8.根据方案7所述的方法，还包括在对所述可变升程控制器进行调节时减少燃料质量，且充分地设置火花定时以在对所述可变升程控制器进行调节内保持发动机负载连续性。方案9. 一种用于控制直接喷射内燃机的设备，包括
进气凸轮轴，所述进气凸轮轴具有低升程进气凸轮和高升程进气凸轮； 可变升程控制器，用于用借助于低升程进气凸轮以低升程进气阀曲线和借助于高升程进气凸轮以高升程进气阀曲线中的一种来选择性地操作进气阀；
可变凸轮相位控制器，能在进气凸轮轴上操作，用于同时控制低升程进气凸轮和高升程进气凸轮的相位； 点火火花控制器； 燃料喷射控制器； 排气再循环控制器； 进气节气门控制器；以及
燃烧模式过渡控制器，所述燃烧模式过渡控制器在发动机负载和凸轮轴定相的预定范围内以如下方式中的一种操作发动机
a)包括低升程进气阀曲线的均质充气压缩点火(HCCI)燃烧模式，和
b)包括高升程进气阀曲线的火花点火(Si)燃烧模式，
其中，低升程进气阀曲线和高升程进气阀曲线排他地通过燃料和火花控制在相应HCCI 燃烧模式和SI燃烧模式中实现有益于稳定燃烧的相应进气空气流量；以及
排他地通过对所述可变升程控制器、所述点火火花控制器和所述燃料喷射控制器进行调节而在HCCI和SI燃烧模式之间过渡。方案10.根据方案9所述的设备，其中，在HCCI和SI燃烧模式之间过渡包括从 HCCI燃烧模式过渡至SI燃烧模式，对所述燃料质量进行调节包括在对所述可变升程控制器进行调节时增加燃料质量，对所述火花定时进行调节足以在对所述可变升程控制器进行调节内保持发动机负载连续性。方案11.根据方案10所述的方法，对所述火花定时进行调节足以在对所述可变升程控制器进行调节内保持发动机负载连续性，包括设置相对于SI燃烧模式平均最佳扭矩设置提前的火花定时。方案12.根据方案9所述的方法，其中，在HCCI和SI燃烧模式之间过渡包括从 SI燃烧模式过渡至HCCI燃烧模式，对所述燃料质量进行调节包括在对所述可变升程控制器进行调节时减少燃料质量，对所述火花定时进行调节足以在对所述可变升程控制器进行调节内保持发动机负载连续性。
现在将参考附图通过例子描述一个或更多的实施例，在附图中
图1是根据本发明的内燃机的示意性截面图和附属控制模块的示意图； 图2是根据本发明的发动机负载和进气凸轮位置之间的关系的曲线图，指示在HCCI和 SI燃烧模式之间切换的目标切换负载；
图3是根据本发明的示例性低升程和高升程凸轮凸角曲线的阀升程相对于曲轴角度的曲线图4是根据本发明的在包括在HCCI和SI燃烧模式之间过渡的持续进行的发动机操作期间的发动机参数的曲线图；和
图5是根据本发明的从SI燃烧模式过渡至HCCI燃烧模式的示例性发动机的曲线图， 示出了在指定数量的循环内的发动机负载和燃烧定相。
具体实施例方式现在参考附图，其中附图的目的只是为了说明某些示例性实施例并不是为了限制于此，图1是根据本发明实施例构造的内燃机10的截面图和附属控制模块5的示意图。发动机10能选择性地以多种燃烧模式操作，包括HCCI燃烧模式和均质火花点火(Si)燃烧模式。发动机10能选择性地以化学计量比空气/燃料比和以根本上稀于化学计量比的空气 /燃料比操作。本发明可以适用于各种内燃机系统和燃烧循环。示例性发动机10包括具有可在气缸15内滑动运动的往复活塞14的多缸直接喷射四冲程内燃机，气缸15限定可变容积燃烧室16。每个活塞14连接到旋转曲轴12，借此将线性往复运动转化成旋转运动。空气进气系统提供进气空气给进气歧管四，进气歧管四引导并分配空气进入至燃烧室16的进气流道。空气进气系统包括用以监测和控制空气流的空气流管道系统和装置。空气进气装置优选地包括用以监测空气质量流量和进气空气温度的空气质量流量传感器32。节气门阀34优选地包括电控装置，用于响应来自控制模块5 的控制信号155而控制至发动机10的空气流。进气歧管四中的压力传感器36配置成监测歧管绝对压力和大气压力。外部流动通道使来自于排气歧管39的排气再循环至进气歧管四，外部流动通道具有称为排气再循环(EGR)阀38的流量控制阀。控制模块5可操作通过经由控制信号170控制EGR阀38的开度来控制至进气歧管四的排气质量流量。通过一个或多个进气阀20控制从进气歧管四进入燃烧室16的空气流。通过一个或多个排气阀18控制离开燃烧室16至排气歧管39的排气流。发动机10配备有控制和调节进气阀20和排气阀18的开启和关闭的系统。在一个实施例中，进气阀20和排气阀18 的开启和关闭可以分别通过控制进气和排气可变凸轮定相/可变升程控制(VCP/ VLC)装置22和24进行控制和调节。进气和排气VCP/VLC装置22和24配置成分别控制和操作进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。进气凸轮轴21和排气凸轮轴23的旋转与曲轴12的旋转相关联且由曲轴12的旋转标引，因此将进气阀20和排气阀18的开启和关闭与曲轴12和活塞14的位置相关联。进气VCP/VLC装置22优选地包括可操作分别响应来自控制模块5的控制信号160 和162针对每个气缸15切换和控制进气阀20的阀升程曲线(VLC)并且可变地调节和控制进气凸轮轴21的定相(VCP)的机构。排气VCP/VLC装置24优选地包括可操作分别响应来自控制模块5的控制信号164和166针对每个气缸15可变地切换和控制排气阀18的阀升程(VLC)并且可变地调节和控制排气凸轮轴23的定相(VCP)的可控机构。进气和排气VCP/VLC装置22和24每个优选地包括可操作将进气和排气阀20和 18的阀升程的幅度或开度分别控制为两个离散梯级中的一个的可控两级VLC机构。两个离散梯级作为凸轮凸角过渡发生，且优选地包括优选用于低速度、低负载操作的低升程阀曲线(在一个实施例中大约4-6 mm峰值升程)，以及优选用于高速度、高负载操作的高升程阀曲线(在一个实施例中大约8-13 mm峰值升程)。进气和排气VCP/VLC装置22和24均优选地包括可变凸轮定相(VCP)机构，用来相对于高升程阀曲线的有效低升程控制和调节凸轮轴定相(即，相对定时)和从而进气阀20和排气阀18的开启和关闭定时或定相。调节定相是指相对于曲轴12和活塞14在相应气缸15中的位置来切换进气和排气阀20和18的开启时间。进气和排气VCP/VLC装置22和24的VCP机构均优选地具有大约60° -90°曲轴旋转的定相权限范围，因此允许控制模块5相对于每个气缸15的活塞14的位置提前或延迟进气和排气阀20和18中的一个的开启和关闭。定相权限范围是由进气和排气VCP/VLC 装置22和24定义和限制的。进气和排气VCP/VLC装置22和24包括确定进气和排气凸轮轴21和23旋转位置的凸轮轴位置传感器。VCP/VLC装置22和24使用由控制模块5控制的电动液压、液压和电控力中的一种来致动。发动机10包括燃料喷射系统，所述燃料喷射系统包括多个高压燃料喷射器28，每个高压燃料喷射器28均配置成响应来自控制模块5的控制信号180将一定质量的燃料直接喷射到燃烧室16中的一个内。燃料喷射器28从燃料分配系统供应加压燃料。发动机10包括火花点火系统，火花能量可以通过火花点火系统提供给火花塞26， 用于响应于来自控制模块5的控制信号175点火或辅助点火每个燃烧室16中的气缸充气。发动机10配备有用以监测发动机操作的各种传感装置，包括具有输出RPM且可操作监测曲轴旋转位置(即曲轴角度和速度)的曲轴传感器42、在一个实施例中配置成监测燃烧的燃烧传感器30、以及配置成监测排气的排气传感器40 (通常是空气/燃料比传感器)。 燃烧传感器30具有可操作监测燃烧参数的传感器装置并被描述为可操作监测缸内燃烧压力的气缸压力传感器。燃烧传感器30和曲轴传感器42的输出由控制模块5监测，以确定燃烧定相，即对于每个燃烧循环而言相对于每个气缸15的曲轴12的曲轴角度的燃烧压力定时。然而，燃烧定相还可以由本领域技术人员可以知道的类似方法确定。燃烧传感器30还可以由控制模块5监测以确定对于每个燃烧循环而言每个气缸15的平均有效压力(IMEP)。优选地，发动机10和控制模块5被机械设计成在每个气缸点火事件期间监测和确定每个发动机气缸15的IMEP。替代地，其它传感系统可以用于监测本发明范围内的其它燃烧参数， 例如离子传感点火系统、排气比例以及非侵入式气缸压力传感器。控制模块、模块、控制器、处理器或类似术语指的是一个或多个专用集成电路 (ASIC)、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的中央处理单元(优选为处理器)和相关存储器和存储装置(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/ 输出电路和装置、适当的信号调节和缓冲电路、以及提供所述功能的其他合适部件的任何合适一种或各种组合。控制模块具有一组控制算法，包括储存在存储器中并被执行用来提供需要功能的常驻软件程序指令和标定值。算法优选地在预设循环周期期间执行。算法例如通过中央处理单元执行，并可以操作用来监测来自传感装置和其它联网控制模块的输入且执行控制和诊断例程来控制致动器的操作。循环周期能以规则的时间间隔执行，例如在持续发动机和车辆操作期间每3. 125,6. 25、12. 5、25和100毫秒。替代地，算法可以响应事件的发生而执行。操作中，控制模块5监测来自于前述传感器的输入。控制模块5配置成从操作者接收输入信号(例如，经由加速踏板和制动踏板)以确定操作者扭矩请求。控制模块5监测指示发动机速度和进气空气温度以及冷却剂温度和其它环境状况的传感器。控制模块5执行存储在其中的算法代码，以控制前述致动器来形成气缸充气，包括控制节气门位置、火花点火定时、燃料喷射质量和定时、控制再循环排气流量的EGR阀位置、和进气和/或排气阀定时和曲线。独立的进气和排气阀定时可以提供各种程度的负阀重叠(NVO)和正阀重叠(PV0)，以及各种程度的提前和延迟开启和关闭。独立的进气和排气阀曲线控制可以提供用于选择性地设置进气和排气阀升程(例如，高升程或低升程)。在持续车辆操作期间，控制模块5可以操作以打开和关闭发动机10，且可以操作通过控制燃料和火花以及阀停用而选择性地停用燃烧室15中的一部分或者进气和排气阀20和18中的一部分。控制模块5可以基于来自于排气传感器40的反馈控制空气/燃料比。在以HCCI燃烧模式的发动机操作期间，节气门阀34优选大致宽开启，其中，发动机10被控制在稀或化学计量比空气/燃料比。进气和排气阀20和18以低升程阀曲线操作，且凸轮轴相位被控制为以NVO相位设置操作。燃料定相还可以由燃料喷射定时和火花定时控制。大致宽开启节气门可以包括完全未节流地操作或稍微节流地操作以在进气歧管 29中形成真空，以便实现EGR流。EGR流控制空气流中可用的氧量。在一个实施例中，缸内 EGR质量被控制为高稀释速率，例如大于40%的气缸空气充气。在发动机循环期间可以执行一个或多个燃料喷射事件，包括在压缩阶段期间至少一次喷射。在以SI燃烧模式的发动机操作期间，节气门阀34被控制以调节歧管空气压力。 EGR阀38被控制以调节空气流中的氧量。发动机10被控制在化学计量比空气/燃料比， 进气和排气阀20和18以高升程阀曲线操作，且凸轮轴相位被控制为以PVO相位设置操作。 可以使用延迟进气阀关闭(LIVC)，其中，LIVC与高进气歧管压力一起使用。本文使用的措辞“LIVC”应当理解为与相对于标称进气阀定时或定相延迟的进气阀定时或定相(例如，在标称之后20曲轴角度)相对应。本文使用的措辞“标称进气阀定时或定相”应当理解为与 TDC之前的常规SI燃烧模式进气阀开启相对应，例如TDC之前20曲轴角度。燃烧定相可以通过火花定时控制。进气空气流量主要通过进气凸轮定相控制。优选地，在发动机循环的压缩阶段期间执行燃料喷射事件，优选大致在TDC之前。在气缸内的空气充气大致均质时， 火花点火优选在燃料喷射之后预定时间放电。控制模块5将发动机操作过渡至与发动机10相关的优选燃烧模式，以增加燃料效率和发动机稳定性，和/或减少排放。发动机参数(例如，速度和负载)中的一个的变化可以实现发动机操作区域的变化。控制模块5命令与发动机操作区域的变化有关的优选燃烧模式的变化。在燃烧模式过渡期间，发动机10被控制以优选空气/燃料比操作，且控制进气空气流以实现优选空气/燃料比。这包括基于所选择燃烧模式的发动机操作估计气缸空气充气。示例性优选空气/燃料比可以是化学计量比空气/燃料比。节气门阀34以及进气和排气VCP/VLC装置22、24基于估计气缸空气充气来控制以实现进气空气流率，包括在SI和 HCCI燃烧模式之间过渡期间。空气流通过调节节气门阀34以及进气和排气VCP/VLC装置 22和24来控制以控制进气和排气阀20和18的定时(相位)和曲线(升程)。两种燃烧模式的操作需要进气和排气VCP/VLC装置22和24 (在进气和排气阀20和18的阀定时和曲线方面)以及节气门阀34 (针对节气门位置)的不同设置。控制模块5使用发动机参数的多个期望设置作为控制致动器的输入，从而实现发动机参数的变化。示例性期望发动机参数包括期望进气氧气(02)、期望空气/燃料比 (AFR)、燃料质量、进气歧管空气压力(MAP)、燃烧定相(CA50)和进气空气流量(MAF)。期望 02的控制通过控制EGR阀38位置进行，可变地稀释进气空气流。如果EGR阀38变得更开， 更多EGR气体能够进入进气空气流，从而限制可用于燃烧的02量。期望AFR通过改变空气流量(MAF)控制，其通过调节阀定时控制，对于HCCI燃烧可以以NVO操作且对于SI燃烧以LIVC操作。通过将进气阀20在进气冲程期间在较长时间段内保持在开启位置，更多空气可用于燃烧充气。燃料质量参数然后可以被确定以实现期望AFR。期望MAP通过操作节气门阀34控制。开启节气门阀34增加进气歧管内的空气压力量，其中，宽开启节气门(WOT)是最多开启位置。减少节气门阀34的开度减少进气歧管压力。期望CA50在HCCI燃烧模式时通过喷射定时和火花定时控制，且在SI燃烧模式时通过火花定时控制。控制CA50允许基于当前操作状况实现合适发动机负载。某些发动机致动器已知具有快速动态响应(称为快速发动机致动器)，且可以在单个发动机循环或气缸事件内调节至新指令输出。快速发动机致动器包括例如燃料喷射器 28、提供点火能量给火花塞26的火花点火系统、以及进气和排气VCP/VLC装置22、24的VLC 部分。其它发动机致动器响应于控制信号相对较慢实现发动机操作的变化(称为缓慢发动机致动器)，且由于部件惯性、机械响应时间和空气流滞后，花费多个发动机循环或气缸事件来调节至新指令输出。缓慢发动机致动器包括例如EGR阀位置、节气门位置、和由VCP/ VLC装置22、24的VCP部分控制的阀定相。图2是发动机负载90 (向右增加)和进气凸轮位置95 (朝上提前)之间的示例性关系的曲线图，指示在HCCI和SI燃烧模式之间切换的目标切换窗100。进气凸轮位置线 105表明，进气凸轮位置95随着发动机负载90增加而提前。目标切换窗100划分HCCI燃烧模式范围Iio和SI燃烧模式范围115。在HCCI燃烧和SI燃烧模式两者中被控制的主要发动机操作参数是AFR、CA50、MAP和02。AFR与针对两种燃烧模式由阀定时控制的MAF相对应。目标切换窗100是发动机负载的预定范围，其中，缓慢发动机致动器在HCCI和SI燃烧模式两者中均具有类似设置。将认识到，当缓慢发动机致动器中的全部或部分在HCCI和 SI燃烧模式两者中均具有类似设置时，目标切换窗100可以由控制模块5确定。当发动机10以HCCI燃烧模式操作时，可以命令NV0。随着发动机负载增加，NVO 通过提前进气阀定时且优选对称地延迟排气阀定时而减少。在SI燃烧模式中，LIVC方案随着负载增加提前进气阀定时。由于NVO和LIVC方案两者均使用关于缓慢发动机致动器的类似设置，因而对于两个燃烧模式存在类似致动器控制设置窗(由目标切换窗100表示)。 换句话说，在发动机负载区域内低升程阀曲线和高升程阀曲线分别在相应HCCI和SI燃烧模式内提供有益于稳定燃烧的进气空气流量，可排他地通过燃料和火花控制保持。稳定燃烧可以例如通过IMEP的可接受变异系数(COV)来确定，例如IMEP的COV为5%或更低。本领域技术人员可以确定高升程和低升程阀曲线的凸轮轴相位关系或配准，以提供HCCI和 SI燃烧模式过渡优选的可接受燃烧稳定性和发动机负载区域对应性。在低升程和高升程凸轮凸角静态对齐的情况下，凸轮凸角过渡(即，在高升程和低升程曲线之间)可通过进气和排气VCP/VLC装置22、24的VLC部分执行。由于操作在缓慢发动机致动器响应方面类似， 因而HCCI和SI燃烧模式之间过渡可以在不用调节缓慢发动机致动器或者在其微小调节的情况下进行。因而，燃烧模式之间的切换可以简单地通过快速发动机致动器在单个发动机循环或气缸事件内完成，包括可变升程控制器、燃料控制器和火花控制器。类似地，当发动机使用LIVC方案以SI燃烧操作时，可以识别目标切换窗100。一旦已经达到目标切换窗100，凸轮凸角过渡可在低升程和高升程凸轮凸角适当对齐的情况下通过进气和排气VCP/VLC装置22、24的VLC部分执行。由于操作在缓慢发动机致动器响应方面类似，因而HCCI和SI燃烧模式之间过渡可以在不用调节缓慢发动机致动器或者在其微小调节的情况下进行。因而，切换燃烧模式的控制可以在单个发动机循环或气缸事件内完成，且允许在单个循环内在燃烧模式之间过渡。图3示出了示例性低升程和高升程凸轮凸角曲线的阀升程(mm)132相对于曲轴角度(CAD)134。示例性低升程和高升程凸轮凸角曲线包括分别处于低升程和高升程曲线的排气凸轮曲线130和135、以及分别处于低升程和高升程曲线的进气凸轮曲线140和145。低升程模式的排气凸轮曲线130在点136处开始开启，在点138处达到最大升程，且在点139 处完全关闭。高升程模式的排气凸轮曲线135在点136’处开始开启，在点138’处达到最大升程，且在点139’处完全关闭。低升程凸轮曲线的进气凸轮曲线140在点142处开始开启，在点144处达到最大升程，且在点146处完全关闭。高升程凸轮曲线的进气凸轮曲线 145在点142’处开始开启，在点144’处达到最大升程，且在点146’处完全关闭。将理解， 示例性凸轮曲线是能够使用的许多组合中的一种且不意味着包括潜在凸轮曲线组合。图4以图形示出了在包括在HCCI燃烧模式185和SI燃烧模式190之间过渡的持续进行的发动机操作期间的发动机参数的设置。发动机参数包括AFR 150(包括稀操作151、 化学计量比操作152、浓操作153)、在完全关闭156至WOT 158之间年的节气门位置155、处于低升程曲线162和高升程曲线164中的一种的阀升程曲线160、凸轮定相(VCP)165 (NV0 166至PVO 168)、以SI燃烧172和HCCI燃烧174操作的EGR控制170、以SI燃烧176和 HCCI燃烧178中的一种操作的火花定时175、以SI燃烧模式设置182和HCCI燃烧模式设置184中的一种操作的燃料喷射定时180。发动机10最初以HCCI燃烧模式185操作。在HCCI燃烧模式185期间，控制模块5确定表示已经达到HCCI-SI目标切换窗195的发动机操作条件。控制模块5在HCCI-SI 目标切换窗195期间命令燃烧模式的变化。与命令变化同时，快速发动机致动器(即，燃料喷射器28、火花点火系统、以及进气和排气VCP/VLC装置22、24的VLC部分)切换至与SI 燃烧模式相关的喷射定时180、火花定时175和阀升程曲线160的控制设置。这包括进气和排气VCP/VLC装置22、24将进气和排气阀20、18从低升程阀曲线162切换至高升程阀曲线 164。与阀升程曲线160的变化同时，燃料喷射定时180和相关火花定时175分别调节至与 SI燃烧模式相对应的设置184和178。将理解的是，进气和排气阀20、18从低升程阀曲线 162切换至高升程阀曲线164将增加进气空气流量。为了在切换时保持示例性化学计量比空气/燃料比，给发动机供应燃料的SI燃烧模式设置184与增加燃料质量相对应。增加燃料质量需要在切换内和增加燃料质量的情况下有效地保持稳定发动机负载的火花定时的 SI燃烧模式设置178。优选地，在过渡时SI燃烧模式设置178提前(相对应平均最佳扭矩 (MBT) SI设置)以使得燃烧定相充分地提前，以在进气和排气阀曲线切换内保持发动机负载连续性。一旦快速发动机致动器已经过渡，控制模块5就以SI燃烧模式控制发动机10。 快速发动机致动器的过渡优选在一个发动机循环内进行。在过渡期间，缓慢发动机致动器 (即，EGR阀位置170、凸轮定相165和节气门位置155)保持在与HCCI燃烧模式的先前操作相对应的操作设置。在使用快速发动机致动器完成从HCCI燃烧模式185过渡至SI燃烧模式190时， 控制模块5开始控制缓慢发动机致动器至与SI燃烧模式操作相关的操作设置。控制模块 5命令进气和排气VCP/VLC装置22、24调节凸轮定相PVO 168，从而修改进气空气流量，这可以根据使用的发动机燃料供应和LIVC方案影响AFR。如果使用的LIVC方案不考虑合适的AFR，节气门开度可以从WOT 158减少至以SI燃烧模式操作期望的预定角度。EGR 170 从HCCI燃烧模式所需的进气氧气水平切换至以SI燃烧模式操作期望的进气氧气水平。可选地，缓慢发动机致动器在过渡之前和过渡之后可以化学计量比HCCI燃烧模式操作。在发动机10以SI燃烧模式190操作期间，控制模块5确定表示已经达到SI-HCCI 目标切换窗200的发动机操作条件。控制模块5在SI-HCCI目标切换窗200期间命令燃烧模式的变化。快速发动机致动器(即，燃料喷射器28、火花点火系统、以及进气和排气VCP/ VLC装置22、24的VLC部分)切换至与HCCI燃烧模式相关的喷射定时180、火花定时175和阀升程曲线160的控制设置。进气和排气VCP/VLC系统22、24将阀升程曲线160从高升程阀曲线164切换至低升程阀曲线162。与阀升程的变化同时，燃料喷射定时180和相关火花定时175分别调节至与HCCI燃烧相对应的设置182和176。将理解的是，进气和排气阀 20、18从高升程阀曲线164切换至低升程阀曲线162将减少进气空气流量。为了在切换时保持示例性化学计量比空气/燃料比，给发动机供应燃料的HCCI燃烧模式设置182与减少燃料质量相对应。减少燃料质量需要在切换内和增加燃料质量的情况下有效地保持稳定发动机负载的火花定时的HCCI燃烧模式设置176。优选地，在过渡时SI燃烧模式设置176提供足以在进气和排气阀曲线切换内保持发动机负载连续性的燃烧定相，其中，总是需要火花。一旦快速发动机致动器已经过渡，控制模块5就以HCCI燃烧模式185控制发动机10。 快速发动机致动器的过渡优选在一个发动机循环内进行。在过渡期间，缓慢发动机致动器 (即，与EGR阀位置170、凸轮定相165和节气门位置155有关的致动器)被控制在与SI燃烧模式190的先前操作相关的操作设置。
在使用快速发动机致动器从SI燃烧模式190过渡至HCCI燃烧模式185后，控制模块5控制缓慢发动机致动器以HCCI燃烧模式设置操作。控制模块5命令进气和排气VCP/ VLC系统22、24调节凸轮定相165NV0 166，从而根据发动机燃料供应改变AFR。如果由于先前发动机燃料供应节气门位置155不处于WOT 158，那么节气门位置155开始从SI操作角度增加至WOT 158。EGR阀位置170从SI燃烧172所需的进气氧气水平切换至以HCCI燃烧操作期望的进气氧气水平。可选地，缓慢发动机致动器在过渡之前和过渡之后可以化学计量比HCCI燃烧模式操作。图5是仅使用本文所示控制方案中的快速发动机致动器从SI燃烧模式190过渡至HCCI燃烧模式185的示例性发动机的操作的曲线图，示出了在多个循环220内的发动机负载(NMEP 205)和燃烧定相(CA50 210)。示例性曲线图在大约1000 RPM、化学计量比AFR 且在上止点之前大约260度(bTDC)喷射结束的发动机操作期间获取。发动机10在SI燃烧模式190操作且在线215过渡至HCCI燃烧模式185。在SI控制预期的操作带宽内发生燃烧定相。发动机负载也处于可接受操作带宽内。与阀升程曲线160和火花定时175相关的快速发动机致动器变化至与以HCCI燃烧模式185操作相关的操作设置。与EGR 170、凸轮定相165和节气门位置155相关的缓慢发动机致动器保持不变。线215的右侧示出了在发动机致动器如上所述控制时的HCCI燃烧模式185操作。CA50 210比在SI燃烧模式190 操作期间变化更大。然而，由NMEP 205表示的发动机负载被控制在较窄带宽内。因而，发动机10能够通过仅仅操作快速发动机致动器而以SI模式190和HCCI模式185两者控制。替代实施例可包括具有可控多级阀开启控制的其它内燃机，包括采用仅用于进气阀或排气阀的多级阀开启和/或可变凸轮定相的内燃机。本发明已经描述了某些优选实施例及其变型。在阅读和理解该说明书之后，本领域技术人员可以想到其它的变型和改变。因此，本发明并不意在限于作为设想用于实现该发明的最佳模式公开的具体实施例，而本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种操作直接喷射内燃机的方法，所述内燃机包括进气凸轮轴，所述进气凸轮轴具有低升程进气凸轮和高升程进气凸轮；可变升程控制器，用于用借助于低升程进气凸轮以低升程进气阀曲线和借助于高升程进气凸轮以高升程进气阀曲线中的一种来选择性地操作进气阀；可变凸轮相位控制器，能在进气凸轮轴上操作，用于同时控制低升程进气凸轮和高升程进气凸轮的相位；点火火花控制器；燃料喷射控制器；排气再循环控制器；以及进气节气门控制器，所述方法包括在发动机负载和凸轮轴定相的预定范围内以如下方式中的一种操作发动机a)包括低升程进气阀曲线的均质充气压缩点火(HCCI)燃烧模式，和b)包括高升程进气阀曲线的火花点火(SI)燃烧模式，其中，低升程进气阀曲线和高升程进气阀曲线排他地通过燃料和火花控制在相应HCCI 燃烧模式和SI燃烧模式中实现有益于稳定燃烧的相应进气空气流量；排他地通过对所述可变升程控制器、所述点火火花控制器和所述燃料喷射控制器进行调节而在HCCI和SI燃烧模式之间过渡。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述过渡之后，调节所述可变凸轮相位控制器、所述排气再循环控制器、所述进气节气门控制器中的至少一个。
3.一种操作直接喷射内燃机的方法，所述内燃机包括进气凸轮轴，所述进气凸轮轴具有低升程进气凸轮和高升程进气凸轮；可变升程控制器，用于用借助于低升程进气凸轮以低升程进气阀曲线和借助于高升程进气凸轮以高升程进气阀曲线中的一种来选择性地操作进气阀；可变凸轮相位控制器，能在进气凸轮轴上操作，用于同时控制低升程进气凸轮和高升程进气凸轮的相位；点火火花控制器；燃料喷射控制器；排气再循环控制器；以及进气节气门控制器，所述过渡控制包括以第一燃烧模式中的一种操作发动机，所述第一燃烧模式包括如下中的一种a)包括低升程进气阀曲线的均质充气压缩点火(HCCI)燃烧模式，和b)包括高升程进气阀曲线的火花点火(Si)燃烧模式，当发动机处于发动机负载和凸轮轴定相的预定范围时，排他地通过对所述可变升程控制器、所述点火火花控制器和所述燃料喷射控制器进行调节，从第一燃烧模式过渡至包括所述HCCI和SI燃烧模式中的另一种的第二燃烧模式，其中，相应低升程进气阀曲线和高升程进气阀曲线排他地通过燃料和火花控制在相应HCCI燃烧模式和SI燃烧模式中实现有益于稳定燃烧的相应进气空气流量。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，第一燃烧模式包括HCCI燃烧模式，其中，在对所述可变升程控制器进行调节时可变凸轮相位控制器设置建立低升程阀曲线的负阀重叠，第二燃烧模式包括SI燃烧模式，其中，在对所述可变升程控制器进行调节时可变凸轮相位控制器设置建立高升程进气阀曲线的延迟进气阀开启。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括在对所述可变升程控制器进行调节时增加燃料质量，且充分地设置火花定时以在对所述可变升程控制器进行调节内保持发动机负载连续性。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，充分地设置火花定时以在对所述可变升程控制器进行调节内保持发动机负载连续性，包括设置相对于SI燃烧模式平均最佳扭矩设置提前的火花定时。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，第一燃烧模式包括SI燃烧模式，其中，在对所述可变升程控制器进行调节时可变凸轮相位控制器设置建立高升程进气阀曲线的延迟进气阀开启，第二燃烧模式包括HCCI燃烧模式，其中，在对所述可变升程控制器进行调节时可变凸轮相位控制器设置建立低升程阀曲线的负阀重叠。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在对所述可变升程控制器进行调节时减少燃料质量，且充分地设置火花定时以在对所述可变升程控制器进行调节内保持发动机负载连续性。
9.一种用于控制直接喷射内燃机的设备，包括进气凸轮轴，所述进气凸轮轴具有低升程进气凸轮和高升程进气凸轮； 可变升程控制器，用于用借助于低升程进气凸轮以低升程进气阀曲线和借助于高升程进气凸轮以高升程进气阀曲线中的一种来选择性地操作进气阀；可变凸轮相位控制器，能在进气凸轮轴上操作，用于同时控制低升程进气凸轮和高升程进气凸轮的相位； 点火火花控制器； 燃料喷射控制器； 排气再循环控制器； 进气节气门控制器；以及燃烧模式过渡控制器，所述燃烧模式过渡控制器在发动机负载和凸轮轴定相的预定范围内以如下方式中的一种操作发动机a)包括低升程进气阀曲线的均质充气压缩点火(HCCI)燃烧模式，和b)包括高升程进气阀曲线的火花点火(Si)燃烧模式，其中，低升程进气阀曲线和高升程进气阀曲线排他地通过燃料和火花控制在相应HCCI 燃烧模式和SI燃烧模式中实现有益于稳定燃烧的相应进气空气流量；以及排他地通过对所述可变升程控制器、所述点火火花控制器和所述燃料喷射控制器进行调节而在HCCI和SI燃烧模式之间过渡。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，在HCCI和SI燃烧模式之间过渡包括从HCCI燃烧模式过渡至SI燃烧模式，对所述燃料质量进行调节包括在对所述可变升程控制器进行调节时增加燃料质量，对所述火花定时进行调节足以在对所述可变升程控制器进行调节内保持发动机负载连续性。
全文摘要
一种操作发动机的方法包括在发动机负载和凸轮轴定相的预定范围内以如下方式中的一种操作发动机a)包括低升程进气阀曲线的均质充气压缩点火(HCCI)燃烧模式，和b)包括高升程进气阀曲线的火花点火(SI)燃烧模式，其中，低升程进气阀曲线和高升程进气阀曲线排他地通过燃料和火花控制在相应HCCI燃烧模式和SI燃烧模式中实现有益于稳定燃烧的相应进气空气流量。所述方法还包括排他地通过对可变升程控制器、点火火花控制器和燃料喷射控制器进行调节而在HCCI和SI燃烧模式之间过渡。
文档编号F02D43/00GK102261288SQ20111013508
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者允 H., 维尔穆特 N., M. 纳特 P. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司