专利名称：在hcci发动机中使用标准化瞬态热释放的燃烧平衡控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及下述技术方案。I. 一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃机的燃烧的方法，包括
提供燃烧控制参数；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；
基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压 力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的燃烧参数；
基于所提供的燃烧控制参数和每个气缸的所计算的燃烧参数来确定目标燃烧参数； 将每个气缸的所计算燃烧参数与目标燃烧参数相比较；
基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数；和
基于调节后的所提供的燃烧控制参数来控制该发动机。2.如技术方案I所述的方法，其中所计算的燃烧参数与气缸充气的瞬态热释放相关。3.如技术方案I所述的方法，其中计算所述燃烧参数进一步基于气缸充气的比热比。4.如技术方案I所述的方法，其中所提供的燃烧控制参数包括未修正的燃烧控制参数。5.如技术方案I所述的方法，其中基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数包括
监测扭矩请求；
基于扭矩请求确定未修正的燃烧控制参数；
基于每个气缸的所计算的燃烧参数与目标燃烧参数的比较确定对未修正的燃烧控制参数的调节；
将对该未修正的燃烧控制参数的调节与该未修正的燃烧控制参数进行比较；和 基于该比较产生在紧接的后续发动机循环期间的每个相应气缸的补偿燃烧控制参数。6.如技术方案5所述的方法，其中监测该扭矩请求包括监测加速踏板和制动踏 板中的至少一者。7. 一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃机的燃烧的方法，包括
响应于扭矩请求提供燃烧控制参数；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；
基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的瞬态热释放；
基于所提供的燃烧控制参数和每个气缸的瞬态热释放来确定目标热释放；
基于该瞬态热释放与目标热释放之间的差调节该燃烧控制参数；和 基于调节后的燃烧控制参数来控制该发动机。8.如技术方案7所述的方法，其中计算瞬态热释放进一步基于气缸充气的比热比。 9.如技术方案7所述的方法，其中该燃烧控制参数包括燃料喷射正时。10.如技术方案7所述的方法，其中该燃烧控制参数包括燃料喷射质量。11.如技术方案9所述的方法，其中调节燃烧控制参数包括以如下方式之一调节燃料喷射正时a)在压缩冲程中较早传送燃料质量的单次喷射以增大在紧接的后续发动机循环中的热释放，实现该目标热释放；和b)在压缩冲程中较迟传送燃料质量的单次喷射以减小在紧接的后续发动机循环中的热释放，实现该目标热释放。12.如技术方案7所述的方法，其中调节该燃烧控制参数包括
在压缩冲程中较早传送总燃料质量的主要部分的第一喷射；和 在压缩冲程的上止点附近传送总燃料质量的其余部分的第二喷射。13.如技术方案12所述的方法，还包括提供总燃料质量的其余部分的第二喷射的火花点火。14. 一种用于控制多缸火花点火直喷内燃机的装置，包括
监测缸内压力的压力传感器；
监测曲轴角度的曲轴传感器；
控制模块
提供燃烧控制参数；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；
基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的燃烧参数；
基于所提供的燃烧控制参数和每个气缸的所计算的燃烧参数来确定目标燃烧参数； 将每个气缸的所计算燃烧参数与目标燃烧参数相比较；
基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数；和基于调节后的所提供的燃烧控制参数来控制该发动机。15.如技术方案14所述的装置，其中所计算的燃烧参数与气缸充气的瞬态热释放相关。16.如技术方案14所述的装置，其中计算所述燃烧参数进一步基于气缸充气的比热比。17.如技术方案14所述的装置，其中所提供的燃烧控制参数包括未修正的燃烧控制参数。18.如技术方案14所述的装置，其中基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数包括
监测扭矩请求；
基于扭矩请求确定未修正的燃烧控制参数；
基于每个气缸的所计算的燃烧参数与目标燃烧参数的比较确定对未修正的燃烧控制参数的调节；
将对该未修正的燃烧控制参数的调节与该未修正的燃烧控制参数进行比较；和 基于该比较产生在紧接的后续发动机循环期间的每个相应气缸的补偿燃烧控制参数。19.如技术方案18所述的装置，其中监测该扭矩请求包括监测加速踏板和制动踏板中的至少一者。
参见附图，通过举例方式，一个或多个实施例现在将得到描述，其中
图I是根据本发明的示例发动机系统的示意 图2图形示出根据本发明基于恒定容积理想燃烧循环模型的作为曲轴角函数的示例性内燃机缸内温度的近似；
图3描绘了根据本发明的来自示例性发动机的实验和导出数据，描述CA50 (即，50%燃料质量燃烧的曲轴角位置)和从实验数据计算的燃烧参数；
图4示意性图示了根据本发明的燃烧平衡系统；和 图5示意性图示了根据本发明的图4的燃烧参数平衡单元58。
具体实施例方式现在参见附图，其中描述的目的仅仅为了说明某些示例性实施例，而不是为了限制本发明，图I示意性图示根据本发明实施例构造的内燃机10和伴随的发动机控制模块5。发动机10可选择地运行在多个燃烧模式下，包括受控自动点火(HCCI)燃烧模式、均质火花点火(SI-H)燃烧模式和分层充气火花点火(SI-SC)燃烧模式。发动机10可选择地运行在化学当量空燃比和基本上贫于化学当量的空燃比下。应当认识到本发明可应用于不同的内燃机系统和燃烧循环。在一个实施例中，发动机10可以联接到变速器装置，以便将牵引动力传输到车辆的传动系。变速器可以包括混合动力变速器，该混合动力变速器包括可操作以将牵引动力传送到传动系的扭矩机。示例性发动机10包括多缸直接喷射四冲程内燃发动机，其具有可在气缸15内滑动地运动的往复式活塞14，活塞14和气缸15限定了可变容积的燃烧室16。每个活塞14连接到旋转的曲轴12，通过曲轴12将线性往复运动转换为旋转运动。进气系统提供到进气歧管29的进气，进气歧管29将空气引导并分配到燃烧室16的进气支管中。进气系统包括气流管道系统和用于监测和控制该气流的装置。空气进气装置优选包括用于监测质量空气流量和进气温度的质量空气流量传感器32。节气门34优选包括电子控制的装置，响应于来自控制模块5的控制信号3来控制到发动机10的气流。进气歧管29中的歧管绝对压力(MAP)传感器36构造成监测歧管绝对压力和大气压。外部流动通道将来自发动机排气的排气再循环到进气歧管29，外部流动通道具有被称为排气再循环(EGR)阀38的流量控制阀。控制模块5可操作以控制排气再循环阀38的开度来控制到进气歧管29的排气的质量流量。通过一个或多个进气门20来控制从进气歧管29到燃烧室16里的空气流量。通过一个或多个排气门18来控制流出燃烧室16到排气歧管39的排气流。发动机10装备了控制和调整进气门20及排气门18的打开和关闭的系统。在一个实施例中，进气门20及排、气门18的打开和关闭可以通过分别控制进气和排气的可变凸轮定相/可变升程控制(VCP/VLC)装置22和24来控制和调整。进气和排气VCP/VLC装置22和24被配置成分别控制和操作进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。进气和排气凸轮轴21和23的旋转被联系到曲轴12的旋转，并和曲轴12的旋转挂钩，从而将进气门20及排气门18的打开和关闭联系到曲轴12和活塞14的位置。进气VCP/VLC装置22优选包括可操作为响应于来自控制模块5的控制信号7而为每个气缸15切换和控制进气门20的气门升程以及可变地调整和控制进气凸轮轴21的定相的机构。排气VCP/VLC装置24优选包括可操作为响应于来自控制模块5的控制信号11而为每个气缸15可变地切换和控制排气门18的气门升程以及可变地调整和控制排气凸轮轴23的定相的可控制的机构。进气以及排气VCP/VLC装置22和和24都优选包括可控制的两级可变升程控制(VLC)机构，其可操作以分别将进气门及排气门20和18的气门升程的大小或开度控制到两个离散级中的一个。该两个离散级优选包括优选用于低速、低负载操作的低升程气门打开位置(在一个实施例中为大约4-6 mm)，和优选用于高速和高负载操作的高升程气门打开位置(在一个实施例中为大约8-13 _)。进气和排气VCP/VLC装置22和24都优选包括可变凸轮定相(VCP)机构，以便分别控制和调整进气门20和排气门18的打开和关闭的定相(即，相对正时)。调整该定相指的是相对于各气缸15中的曲轴12以及活塞14的位置来改变进气门20及排气门18的打开时间。进气和排气VCP/VLC装置22和24的VCP机构优选具有曲轴转动的大约60° -90°的定相许可范围，因而允许控制模块5使得进气门20及排气门18中的一个的打开和关闭相对于每个气缸15的活塞14的位置超前或延迟。定相许可的范围通过进气和排气VCP/VLC装置22和24来限定和限制。进气和排气VCP/VLC装置22和24包括凸轮轴位置传感器(未示出)，以便确定进气和排气凸轮轴21和23的旋转位置。VCP/VLC装置22和24使用电动液压的、液力的、以及电气控制的力中的一种来致动，并且通过控制模块5控制。发动机10包括燃料喷射系统，其包括多个高压燃料喷射器28，每个燃料喷射器28都配置成响应于来自控制模块5的信号17将一定质量的燃料直接喷射到燃烧室16中的一个中。燃料喷射器28由燃料分配系统供给加压燃料。发动机10包括火花点火系统，可以响应于来自控制模块5的信号9通过该火花点火系统将火花能量提供到火花塞26，用于点燃或帮助点燃每一燃烧室16中的气缸充气。发动机10装备了用于监测发动机操作的各种传感装置，包括具有输出的每分钟转数(RPM)和可操作以监测曲轴旋转位置(也就是说，曲轴角度和速度)的曲轴传感器42，在一个实施例中还包括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，通常为空气/燃料比传感器。燃烧传感器30包括可操作以监测燃烧参数状态的传感器装置，并且被描述为可操作以监测气缸内燃烧压力的气缸压力传感器。通过控制模块5来监测燃烧传感器30和曲轴传感器42的输出，控制模块5关于每个燃烧循环为每个气缸15确定燃烧定相，也就是说，燃烧压力相对于曲轴12的曲轴角度的正时。燃烧传感器30还可以通过控制模块5监测，以关于每个燃烧循环为每个气缸15确定平均有效压力(IMEP)。优选地，发动机10和控制模块5被加工成监测和确定每个气缸点火事件期间发动机气缸15中每一个的IMEP状态。可替代地，在本发明范围内也可使用其它传感系统来监测其它燃烧 参数的状态，例如离子感测点火系统和非侵入式气缸压力传感器。控制模块、模块、控制器、处理器和类似术语是指以下部件的任何适合的或各种组合一个或多个专用集成电路(ASIC)、执行一个或多个软件或固件程序的中央处理单元(优选为微处理器)和相关的存储器和存储介质(只读、可编程序只读、随机访问、硬驱动等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调节和缓存电路、以及提供所述功能的其他适当部件。控制模块5具有一组控制算法，其包括保存在非易失性存储器中并且被执行以提供期望功能的常驻程序指令和校准程序。算法优选在预置的循环周期期间执行。例如通过中央处理单元来执行算法，所述算法可操作以监测来自上述的传感装置和其他联网控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程以控制对致动器的操作。可以每隔一定间隔执行循环周期，例如在正在进行的发动机和车辆操作期间每隔3. 125,6. 25、12. 5、25以及100毫秒。可替代地，算法可以响应于事件的发生而被执行。在操作中，控制模块5监测来自上述传感器的输入以确定发动机参数的状态。控制模块5配置成接收来自操作者(例如，经由节气门踏板和制动器踏板)的输入信号以确定操作者扭矩请求(To_req)。应当认识到,该扭矩请求可以响应于操作者输入(例如,经由节气门踏板和制动器踏板)，或者该扭矩请求可以响应于由控制模块监测的自动起动条件。控制模块5监测指示发动机速度和进气温度以及冷却液温度及其它周围情况的传感器。控制模块5执行存储在其中的算法代码，以便控制上述致动器从而形成气缸充气，包括控制节气门位置、火花点火正时、燃料喷射质量和正时、控制再循环排气的流量的EGR阀位置、以及在如所述装备的发动机上的进气和/或排气门正时和定相。在一个实施例中，气门正时和定相可以包括NVO和排气门再打开的升程(在排气再吸入策略中)。控制模块5可以操作以便在正在进行的车辆操作期间打开和关闭发动机10，并且可以操作以便通过对燃料、火花以及气门停用的控制来选择性地停用一部分燃烧室16或一部分进气门及排气门20和18。控制模块5可以基于来自排气传感器40的反馈来控制空燃比。在发动机操作期间，节气门34在受控自动点火(HCCI)燃烧模式(例如单喷射和双喷射的受控自动点火(HCCI)燃烧模式)中优选基本上全开，其中以稀的空燃比来控制发动机10。基本上全开的节气门可以包括完全未节流或轻微节流的操作，以便在进气歧管29中产生真空，从而影响EGR流动。在一个实施例中，缸内EGR质量被控制到高稀释率，例如大于气缸空气充气的40%。进气门及排气门20和18处于低升程气门位置中，并且以NVO进行进气和排气升程正时操作。一个或多个燃料喷射事件可以在发动机循环期间执行，其中在压缩阶段中包括至少一次喷射。在发动机以均质火花点火(SI-H)燃烧模式的操作期间，节气门34被控制以便调节空气流量。发 动机10被控制到化学当量的空燃比，并且进气门及排气门20和18处于高升程气门打开位置，并且以正气门重叠进行进气和排气升程正时操作。优选地，在发动机循环的压缩阶段期间执行燃料喷射事件，优选基本上在TDC之前。当气缸内的空气充量基本上均质时，优选在燃料喷射后预定时间时进行火花点火。分层充气火花点火(SI-SC)燃烧模式包括基本上稀于化学当量值来操作。燃料喷射正时优选在时间上接近火花点火正时，以便防止空气/燃料混合物均质化变成均匀分布的混合物。所喷射的燃料被喷射在燃烧室16中，其中在火花点火的时候在火花塞周围具有富燃层，而在更远处具有更贫燃的空燃比区域。第一燃料喷射事件可以在火花事件开始时或者恰好在其之前结束。现在参考图2，基于恒定容积理想燃烧循环模型，图示示例性发动机的缸内温度的近似的曲线图被描述为曲轴角度的函数。横坐标表示曲轴角度201、0，并且纵轴表示温度202。虚线Z表示通过燃烧循环的监测温度。相关温度和其他参数包括以下
Tivc :在进气门关闭时的温度，位于点203 ；
Tsoc :在燃烧开始时的温度，位于点205 ；
Teoc :在燃烧结束时的温度，表示在点207 ；
Pivc :在进气门关闭时的压力，位于点203 ；
Pi :进气歧管压力，利用MAP传感器36可测量，并且基本等于PIVC，位于点203 ；
Psoc :在燃烧开始时的压力，位于点205 ；
Pmax :峰值气缸压力，利用燃烧压力传感器30可测量并且位于点207 ；
Vivc :在进气门关闭时的气缸容积，在曲线上位于点203，并且使用已知的轨迹条等式和来自曲轴和凸轮轴位置传感器的输入确定；
在曲线上位于点207的峰值压力位置处的气缸容积，，并且使用已知的轨迹条等式和来自曲轴和凸轮轴位置传感器的输入确定；
0XVC :在进气门关闭时的曲轴角度，由从点203竖直延伸到横坐标轴线的虚线表示；
9 LPP :在峰值压力位置处的曲轴角度，由从点207通过点205竖直延伸到横坐标轴线的虚线表示，并且使用曲轴位置传感器42结合气缸压力传感器30可测量；
Qlhv :燃料的低热值； mf :燃料质量；
R :气体常数；
Y:比热比(热容比)；和 Cv :在恒定容积的比热。特定的参数如下计算或估计
权利要求
1.一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃机的燃烧的方法，包括 提供燃烧控制参数； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积； 基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的燃烧参数； 基于所提供的燃烧控制参数和每个气缸的所计算的燃烧参数来确定目标燃烧参数； 将每个气缸的所计算燃烧参数与目标燃烧参数相比较； 基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数；和 基于调节后的所提供的燃烧控制参数来控制该发动机。
2.如权利要求I所述的方法，其中所计算的燃烧参数与气缸充气的瞬态热释放相关。
3.如权利要求I所述的方法，其中计算所述燃烧参数进一步基于气缸充气的比热比。
4.如权利要求I所述的方法，其中所提供的燃烧控制参数包括未修正的燃烧控制参数。
5.如权利要求I所述的方法，其中基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数包括 监测扭矩请求； 基于扭矩请求确定未修正的燃烧控制参数； 基于每个气缸的所计算的燃烧参数与目标燃烧参数的比较确定对未修正的燃烧控制参数的调节； 将对该未修正的燃烧控制参数的调节与该未修正的燃烧控制参数进行比较；和 基于该比较产生在紧接的后续发动机循环期间的每个相应气缸的补偿燃烧控制参数。
6.如权利要求5所述的方法，其中监测该扭矩请求包括监测加速踏板和制动踏板中的至少一者。
7.一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃机的燃烧的方法，包括 响应于扭矩请求提供燃烧控制参数； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积； 基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的瞬态热释放； 基于所提供的燃烧控制参数和每个气缸的瞬态热释放来确定目标热释放； 基于该瞬态热释放与目标热释放之间的差调节该燃烧控制参数；和 基于调节后的燃烧控制参数来控制该发动机。
8.如权利要求7所述的方法，其中计算瞬态热释放进一步基于气缸充气的比热比。
9.如权利要求7所述的方法，其中该燃烧控制参数包括燃料喷射正时。
10.一种用于控制多缸火花点火直喷内燃机的装置，包括 监测缸内压力的压力传感器； 监测曲轴角度的曲轴传感器； 控制模块 提供燃烧控制参数； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力； 确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积； 基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的燃烧参数； 基于所提供的燃烧控制参数和每个气缸的所计算的燃烧参数来确定目标燃烧参数； 将每个气缸的所计算燃烧参数与目标燃烧参数相比较； 基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数；和 基于调节后的所提供的燃烧控制参数来控制该发动机。
全文摘要
本申请涉及在HCCI发动机中使用标准化瞬态热释放的燃烧平衡控制。一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃机的燃烧的方法，包括提供燃烧控制参数；确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；确定每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；计算每个气缸的燃烧参数；确定目标燃烧参数；将所计算燃烧参数与目标燃烧参数相比较；基于该比较对燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数；和基于调节后的所提供的燃烧控制参数来控制该发动机。
文档编号F02D43/00GK102720596SQ201110336818
公开日2012年10月10日 申请日期2011年10月31日 优先权日2010年10月29日
发明者C-F.常, H.允, J-M.康 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司