专利名称：用于均质充量压缩点火(hcci)发动机的控制系统和方法
技术领域：
本公开涉及用于均质充量压缩点火(HCCI)发动机的控制系统和方法。
背景技术：
此处提供的背景技术的描述的目的是总体地给出本公开的背景。当前署名的发明人的工作，在该背景技术部分所描述的程度，以及在提交时可能不构成现有技术的本发明的方面并非明示或暗示地接受为本公开的现有技术。均质充量压缩点火(HCCI)发动机将火花点火(SI)发动机和分层充量压缩点火(SCCI)发动机的方面结合在一起以获得类似于SI发动机的排放和类似于SCCI发动机的燃料效率。在SI发动机中，空气和燃料混合在一起，并且火花点燃空气燃料混合物。在SCCI 发动机中，空气和燃料混合在一起，并且由于压缩而在空气/燃料混合的边界发生燃烧。在HCCI发动机中，每次在多个位置发生点火，这使得空气/燃料混合物的燃烧比SI或SCCI发动机更快。已经开发了动力系控制系统和方法在扭矩域控制动力系构件(诸如发动机和电动马达)，以协调各构件的扭矩输出。这些控制系统和方法可以估计由SI或SCCI发动机产生的扭矩。然而，这些控制系统和方法不估计由HCCI发动机产生的扭矩。
发明内容
—种系统，其包括质量确定模块和扭矩估计模块。质量确定模块确定对于气缸中的燃烧事件而喷射到均质充量压缩点火(HCCI)发动机的气缸中的燃料质量。扭矩估计模块基于燃料质量来估计HCCI发动机的扭矩输出。此外，本发明还涉及以下技术方案。I. 一种系统，包括
质量确定模块，所述质量确定模块确定对于气缸中的燃烧事件而喷射到均质充量压缩点火(HCCI)发动机的气缸中的燃料质量；以及
扭矩估计模块，所述扭矩估计模块基于所述燃料质量来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。2.如技术方案I所述的系统，还包括确定所述HCCI发动机的发动机速度的速度确定模块，其中，所述扭矩估计模块基于所述发动机速度来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。3.如技术方案2所述的系统，还包括确定通过排气再循环阀的质量流率的流量确定模块，其中，所述扭矩估计模块基于所述质量流率来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。4.如技术方案2所述的系统,还包括重叠确定模块,所述重叠确定模块基于排气阀关闭时的第一曲柄角和进气阀打开时的第二曲柄角之间的差来确定阀重叠，其中，所述扭矩估计模块基于所述阀重叠来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。
5.如技术方案2所述的系统，其中，所述质量确定模块基于期望的扭矩请求和所述发动机速度来确定所述燃料质量。6.如技术方案2所述的系统，还包括确定所述HCCI发动机的空气/燃料比的空气/燃料比确定模块，其中，所述扭矩估计模块基于所述空气/燃料比来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。7.如技术方案6所述的系统，还包括确定燃料喷射开始或停止时的喷射角的喷射确定模块，其中，所述扭矩估计模块选择性地基于所述喷射角来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。8.如技术方案7所述的系统，其中，当所述空气/燃料比为稀的时，所述扭矩估计模块基于所述喷射角来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。9.如技术方案6所述的系统,还包括确定所述HCCI发动机的火花提前量的火花 确定模块，其中，所述扭矩估计模块选择性地基于所述火花提前量来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。10.如技术方案9所述的系统，其中，当所述空气/燃料比为化学计量比时，所述扭矩估计模块基于所述火花提前量来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。11. 一种方法，包括
确定对于气缸中的燃烧事件而喷射到均质充量压缩点火(HCCI)发动机的气缸中的燃料质量；以及
基于所述燃料质量来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。12.如技术方案11所述的方法，还包括
确定所述HCCI发动机的发动机速度；以及
基于所述发动机速度来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。13.如技术方案12所述的方法，还包括
确定通过排气再循环阀的质量流率；以及
基于所述质量流率来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。14.如技术方案12所述的方法，还包括
基于排气阀关闭时的第一曲柄角和进气阀打开时的第二曲柄角之间的差确定阀重叠；
以及
基于所述阀重叠来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。15.如技术方案12所述的方法，还包括基于期望的扭矩请求和所述发动机速度来确定所述燃料质量。16.如技术方案12所述的方法，还包括
确定所述HCCI发动机的空气/燃料比；以及
基于所述空气/燃料比来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。17.如技术方案16所述的方法，还包括
确定燃料喷射开始或停止时的喷射角；以及
选择性地基于所述喷射角来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。18.如技术方案17所述的方法，还包括当所述空气/燃料比为稀的时基于所述喷射角来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。
19.如技术方案16所述的方法，还包括
确定所述HCCI发动机的火花提前量；以及
选择性地基于所述火花提前量来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。20.如技术方案19所述的方法，还包括当所述空气/燃料比为化学计量比时基于所述火花提前量来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。本公开的可应用的其它领域将从以下提供的详细说明变得清楚。应该理解，详细说明和具体示例仅是用于说明的目的，并且不限定本公开的范围。
从详细说明及附图，本公开将被更完全地理解，附图中图I是根据本发明原理的示例动力系系统的功能框 图2是根据本发明原理的示例动力系控制系统的功能框 图3是示出根据本发明原理的示例动力系控制方法的流程图；以及 图4和图5是示出根据本发明原理的示例估计的发动机扭矩的图。
具体实施例方式以下描述在本质上仅仅是说明性的，并且绝不意图限制本公开，其应用或用途。为了清楚，在附图中使用相同的标号来表示相似的元件。如本文所用，短语A，B和C中的至少一个应被理解为表示逻辑(A或B或C)，使用的是非排他的逻辑或。应该懂得，方法中的步骤可以以不同的顺序执行，而不改变本公开的原理。如本文所用，术语模块可以指一部分为或包括专用集成电路(ASIC);电路；组合逻辑电路；场可编程门阵列(FPGA);执行代码的处理器(共享的、专用的或成组的)；提供所需功能的其它合适的构件；或者以上所述的一些的组合，诸如片上系统。术语模块可包括存储由处理器执行的代码的存储器(共享的、专用的或成组的)。术语代码，如以上用，可包括软件、固件和/或微代码，并且可以指程序、例程、函数、类和/或对象。术语共享的，如上所用，指的是来自多个模块的一些或所有代码可以利用单个(共享的)处理器来执行。另外，来自多个模块的一些或所有代码可以由单个(共享的)存储器来存储。术语成组的，如上所用，指的是来自单个模块的一些或所有代码可以利用一组处理器来执行。另外，来自单个模块的一些或所有代码可以利用一组存储器来存储。本文所述的装置和方法可以由一个或多个处理器所执行的一个或多个计算机程序来实施。计算机程序包括存储在非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括存储的数据。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器、磁存储装置和光学存储装置。均质充量压缩点火(HCCI)发动机中的燃烧与火花点火(SI)发动机或分层充量压缩点火(SCCI)发动机中的燃烧不同。HCCI发动机可以利用对于每个气缸燃烧事件的多个燃料喷射脉冲来操作，并且HCCI发动机中的燃烧持续时间比SI发动机短。由于HCCI发动机与SI或SCCI发动机不同地操作，必须使用不同的模型来估计HCCI发动机的扭矩输出。根据本发明原理的控制系统和方法基于对HCCI发动机的每个气缸燃烧事件所喷射的燃料质量来估计HCCI发动机的扭矩输出。可以基于发动机速度、通过排气再循环阀的质量流率、进气歧管中的氧水平、阀重叠、和/或空气/燃料比来估计扭矩输出。阀重叠是排气阀关闭时的第一曲柄角和进气阀打开时的第二曲柄角之间的差。当空气/燃料比是稀的时，可以基于燃料喷射开始或停止时的角度来估计扭矩输出，并且当空气/燃料比是化学计量比时，可以基于火花提前量来估计扭矩输出。根据本发明原理的控制系统和方法可以利用扭矩估计模型来估计HCCI发动机的扭矩输出。扭矩估计模型可以包括等式和/或查询表，该等式和/或查询表可用于基于一个或多个上述因素来确定扭矩输出。扭矩估计模型可以被求逆以获得质量确定模型，质量确定模型可用于基于一个或多个上述因素和期望的扭矩请求来确定燃料质量。现在参照图1，给出了示例动力系系统100的功能框图。动力系系统100包括发动机102，发动机102基于来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入燃烧空气/燃料混合物，从而产生用于车辆的驱动扭矩。空气经进气系统108被吸入发动机102。仅举例，进气系统108可以包括进气歧管110和节气门阀112。仅作为示例，节气门阀112可包括具有可旋转叶片的蝶形阀。发动机控制模块(ECM) 114控制节气门致动器模块116，节气门致动器模块 116调节节气门阀112的开度以控制吸入进气岐管110的空气的量。来自进气歧管110的空气被吸入发动机102的气缸内。虽然发动机102可包括多个气缸，为了说明的目的，仅示出了单一的代表性气缸118。仅作为示例，发动机102可包括
2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。ECMl 14可命令气缸致动器模块120选择性地停用一些气缸，这可在一定的发动机操作条件下改善燃料经济性。发动机102可利用四冲程循环来操作。下面描述的四个冲程被称为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴(未不出)的每一次旋转期间，在气缸118内发生所述四个冲程中的两个。因此，对于气缸118来说为了经历全部四个冲程，两次曲轴旋转是必要的。在进气冲程期间，来自进气歧管110的空气通过进气阀122被吸入到气缸118中。ECMl 14控制燃料致动器模块124，该燃料致动器模块124可调节燃料的喷射以实现期望的空气/燃料比和/或期望的扭矩。在中心位置处或在多个位置处，例如靠近每个气缸的进气阀122，可将燃料喷入进气歧管110中。在各种实施方式(未示出)中，可将燃料直接喷入气缸中或喷入与气缸相关联的混合室中。燃料致动器模块124可停止向停用的气缸喷射燃料。所喷射的燃料与空气相混合并且在气缸118内产生空气/燃料混合物。在压缩冲程期间，气缸118内的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。发动机102可以是均质充量压缩点火(HCCI)发动机，并且在气缸118内的压缩可以点燃空气/燃料混合物。或者，基于来自ECM114的信号，火花致动器模块126可以对气缸118中的火花塞128供能，火花塞128点燃空气/燃料混合物。可相对于活塞处于其最高位置(称为上止点，TDC)的时间来规定火花的正时。火花致动器模块126可由指示在TDC之前或之后多远来产生火花的正时信号来控制。因为活塞位置与曲轴旋转直接相关，所以火花致动器模块126的操作可以用曲轴角同步。在各种实施方式中，火花致动器模块126可停止向停用的气缸供应火花。产生火花可被称为点火事件。火花致动器模块126能够为每次点火事件改变火花正时。火花致动器模块126甚至能够当火花正时信号在上一次点火事件和下一次点火事件之间改变时改变下一点火事件的火花正时。在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞向下，由此驱动曲轴。燃烧冲程可被限定为在活塞到达TDC与活塞返回到下止点(BDC)的时刻之间的时间。在排气冲程期间，活塞开始从BDC向上运动并且经排气阀130排出燃烧的副产物。燃烧副产物经由排气系统134从车辆排出。可以使用排气氧(E02)传感器135来测量排气系统134中的氧水平。进气阀122可由进气凸轮轴140控制，而排气阀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(包括进气凸轮轴140)可控制气缸118的多个进气阀(包括进气阀122)和/或可控制多个气缸(包括气缸118)组的进气阀(包括进气阀122)。类似地，多个排气凸轮轴(包括排气凸轮轴142)可控制气缸118的多个排气阀和/或可控制多组气缸(包括气缸118)的排气阀(包括排气阀130)。
气缸致动器模块120可通过禁止进气阀122和/或排气阀130的打开来停用气缸118。在各种其它实施方式中，进气阀122和/或排气阀130可由凸轮轴以外的装置例如电磁致动器来控制。进气阀122的打开时间可相对于活塞TDC通过进气凸轮相位器148改变。排气阀130的打开时间可相对于活塞TDC通过排气凸轮相位器150改变。阀致动器模块158可基于来自ECM114的信号控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。当实施时，可变阀升程(未示出)也可由阀致动器模块158控制。动力系系统100可包括增压装置，该增压装置向进气歧管110提供加压空气。例如，图I示出包括热涡轮机160-1的涡轮增压器，热涡轮机160-1由流过排气系统134的热排气驱动。涡轮增压器还包括由涡轮机160-1驱动的将导引到节气门阀112的空气进行压缩的冷空气压缩机160-2。在各种实施方式中，由曲轴驱动的增压器(未示出)可压缩来自节气门阀112的空气并将压缩空气传送到进气歧管110。废气门162可允许排气绕过涡轮机160-1，从而减小涡轮增压器的增压(进气空气压缩的量)。ECM114可通过增压致动器模块164控制涡轮增压器。增压致动器模块164可以通过控制废气门162的位置调节涡轮增压器的增压。在各种实施方式中，可通过增压致动器模块164控制多个涡轮增压器。涡轮增压器可具有可由增压致动器模块164控制的可变几何结构。中冷器(未不出)可耗散包含在压缩空气充量中的一些热量，该热量在空气被压缩时产生。压缩空气充量还可具有从排气系统134的构件吸收的热。虽然为了说明目的而分开示出，但是涡轮机160-1和压缩机160-2可彼此附接，从而使进气空气与热排气紧密接近。动力系系统100可包括排气再循环(EGR)阀170，其选择性地将排气再引导回进气岐管110。EGR阀170可定位在涡轮增压器的涡轮机160-1的上游。EGR阀170可由EGR致动器模块172控制。进入EGR阀170的排气的压力可以利用上游排气压力(UEP)传感器174来测量，离开EGR阀170的排气的压力可以利用下游排气压力(DEP)传感器176来测量。动力系系统100可以使用曲轴位置传感器(CPS) 180测量曲轴的位置。曲轴位置可以称为曲柄角。可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可位于发动机102内或者位于冷却剂所循环的其它位置，例如散热器(未示出)。可使用歧管绝对压力(MAP)传感器184测量进气歧管110内的压力。在各种实施方式中，可测量发动机真空度，发动机真空度是环境空气压力和进气岐管110内的压力之间的差。可使用进气氧(102)传感器185测量进气歧管内的氧水平。可使用质量空气流量(MAF)传感器186测量流入进气歧管110的空气的质量流率。在各种实施方式中，MAF传感器186可位于壳体内，该壳体还包括节气门阀112。节气门致动器模块116可使用一个或多个节气门位置传感器(TPS) 190来监测节气门阀112的位置。可使用进气空气温度(IAT)传感器192测量被吸入发动机102的空气的环境温度。ECM114可使用来自这些传感器的信号来做出用于动力系系统100的控制决策。ECMl 14可与变速器控制模块194通信以协调在变速器(未示出)内的换档。例如，ECMl 14可在换档过程中降低发动机扭矩。ECM114可与混合动力控制模块196通信以协调、发动机102和电动马达198的操作。电动马达198也可充当发电机，并且可用于产生电能以供车辆电力系统使用和/或储存在电池中。在各种实施方式中，ECMl 14、变速器控制模块194以及混合动力控制模块196的各种功能可集成到一个或多个模块中。每个改变发动机参数的系统均可称为接收致动器值的致动器。例如，节气门致动器模块116可称为致动器，而节气门开度面积可称为致动器值。在图I的示例中，节气门致动器模块116通过调节节气门阀112的叶片的角度来获得节气门开度面积。类似地，火花致动器模块126可称为致动器，而对应的致动器值可以是相对于气缸TDC的火花提前量。其它致动器可包括气缸致动器模块120、燃料致动器模块124、阀致动器模块158、增压致动器模块164和EGR致动器模块172。对于这些致动器，致动器值可分别对应激活的气缸的数量、给燃料速率、进气和排气凸轮相位器角度、增压压力，以及EGR阀开度面积。ECM114可控制致动器值以使发动机102产生期望的发动机输出扭矩。ECMl 14根据本公开的原理估计发动机102的扭矩输出。ECM114可以利用将发动机操作条件与估计的扭矩联系起来的扭矩估计模型来估计发动机102的扭矩输出。扭矩估计模型可以特定于HCCI发动机。ECM114可以基于扭矩估计模型或将发动机操作条件与估计的质量联系起来的质量确定模型的逆来确定为每个气缸燃烧事件所喷射的燃料质量。现在参见图2，ECMl 14包括质量确定模块202和扭矩估计模块204。扭矩估计模块204基于发动机操作条件来估计发动机102的扭矩输出。扭矩估计模块204可以利用将发动机操作条件与估计的扭矩联系起来的扭矩估计模型(诸如等式和/或查询表)来估计扭矩输出。例如，可以限定诸如这样的扭矩关系
(I)
Ts =/(Ngr Nm m f, 9spark, SOI, EGRrAFR)
其中，估计的扭矩(Te)是发动机速度(Ng)、负阀重叠(NVO)、燃料质量(mf)、火花提前量(espaA)、喷射开始时的曲柄角(SOI)、通过EGR阀170的质量流率(EGR)、和空气/燃料比(AFR)的函数。对于不同的发动机操作条件(诸如不同的空气/燃料比和/或不同的燃料喷射模式)，扭矩估计模块204可以使用不同的扭矩估计模型。ECM114可以调整发动机102的空气/燃料比，和/或在各种燃料喷射模式之间切换以最大化燃料效率，同时满足驾驶员扭矩请求。所选的燃料喷射模式可以影响每个气缸燃烧事件所喷射的燃料脉冲的数量、燃料喷射正时、和/或燃料喷射量。在燃料喷射模式之间切换HCCI发动机的操作的进一步讨论可见于共同受让的题目为“HCCI Mode Switching Control System and Method”的美国专利申请 12/634082。 对于不同的发动机操作条件，扭矩估计模块204可以使用不同的扭矩估计模型，以最小化存储器使用。例如，如果扭矩估计模型利用单个查询表来表示，则每个喷射模式可以指数地增加所需的存储器位置的数目。相对比地，如果扭矩估计模型利用多个等式和/或多个查询表来表示，则存储器位置的数目可以降低。对于六个不同的燃料喷射模式，扭矩估计模块204可以使用六个扭矩估计模型，扭矩估计模块204可以使用查询表来确定包括在六个等式中的一个或多个变量。当ECMl 14对于每个气缸燃烧事件命令单个喷射脉冲，并且ECMl 14调节空气/燃料比为化学计量比，则扭矩估计模块204可以使用以下扭矩关系
(2)
5 =崎十摩g (mj-)十a.2 _ S (，)+ 兩 * / (-SPif2》+ ■ F4(SPK) + 0 (m, *SPK)
&PK~ ) + Gij mFj * EClP ) 4-+ GJa *m SQR},
其中，a，￠, y, s和e是发动机速度和空气/燃料比或负阀重叠的函数，并且a，￠, Y , S和e可以使用查询表来确定。当ECMl 14对于每个气缸燃烧事件命令单个喷射脉冲，并且ECMl 14调节空气/燃料比为稀的，则扭矩估计模块204可以使用以下扭矩关系
(3)
=( |) + < f) + ^ (SOI2) + 爲 ^P4(SOl) + 馬*F3(Wf *50/)
+爲*SOI2) + mPj(EOM2) + ^ mF^(SOR) + 爲 mF9(pnj *￡GR)
当ECM114切换到对于每个气缸燃烧事件包括多个喷射脉冲的喷射模式时，ECMl 14可以调节喷射正时和/或喷射量以造成重整。重整是放热反应，不像压缩点火事件，并且由火花启动。ECM114可以使用用于重整的初始喷射脉冲来加热气缸壁，使得接下来的喷射脉冲导致压缩点火。ECM114可以在第一曲柄角喷射第一量的燃料以造成重整，并且在第二曲柄角喷射第二量的燃料以造成燃烧。第二量可以大于第一量，并且第二曲柄角可以大于第一曲柄角。当ECM114对于每个气缸燃烧事件命令带有重整的双喷射脉冲时，扭矩估计模块204可以使用以下扭矩关系
(4)
t€ = r0 +>i *F,(.* rr)+,r2 + hr4(^f y<
P6 (mf ^SOil2) + n (SOR2 ) + *Fs (BGS) +y9 *i| (mf EGR)十巧 0 窜巧 0 ( f)
+)\I I ) + Tl2 ^(*^ ) + h3 m^Vi (mf *沒)h) + l4 **^4(mf mHi").
当ECMl 14对于每个气缸燃烧事件命令不带有重整的双喷射脉冲时，扭矩估计模块204可以使用以下扭矩关系
权利要求
1.一种系统，包括 质量确定模块，所述质量确定模块确定对于气缸中的燃烧事件而喷射到均质充量压缩点火(HCCI)发动机的气缸中的燃料质量；以及 扭矩估计模块，所述扭矩估计模块基于所述燃料质量来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。
2.如权利要求I所述的系统，还包括确定所述HCCI发动机的发动机速度的速度确定模块，其中，所述扭矩估计模块基于所述发动机速度来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。
3.如权利要求2所述的系统，还包括确定通过排气再循环阀的质量流率的流量确定模块，其中，所述扭矩估计模块基于所述质量流率来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。
4.如权利要求2所述的系统，还包括重叠确定模块，所述重叠确定模块基于排气阀关 闭时的第一曲柄角和进气阀打开时的第二曲柄角之间的差来确定阀重叠，其中，所述扭矩估计模块基于所述阀重叠来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。
5.如权利要求2所述的系统，其中，所述质量确定模块基于期望的扭矩请求和所述发动机速度来确定所述燃料质量。
6.如权利要求2所述的系统，还包括确定所述HCCI发动机的空气/燃料比的空气/燃料比确定模块，其中，所述扭矩估计模块基于所述空气/燃料比来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。
7.如权利要求6所述的系统，还包括确定燃料喷射开始或停止时的喷射角的喷射确定模块，其中，所述扭矩估计模块选择性地基于所述喷射角来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。
8.如权利要求7所述的系统，其中，当所述空气/燃料比为稀的时，所述扭矩估计模块基于所述喷射角来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。
9.如权利要求6所述的系统，还包括确定所述HCCI发动机的火花提前量的火花确定模块，其中，所述扭矩估计模块选择性地基于所述火花提前量来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。
10.一种方法，包括 确定对于气缸中的燃烧事件而喷射到均质充量压缩点火(HCCI)发动机的气缸中的燃料质量；以及 基于所述燃料质量来估计所述HCCI发动机的扭矩输出。
全文摘要
本发明提供一种用于HCCI发动机的控制系统，其包括质量确定模块和扭矩估计模块。质量确定模块确定对于气缸中的燃烧事件而喷射到均质充量压缩点火(HCCI)发动机的气缸中的燃料质量。扭矩估计模块基于燃料质量来估计HCCI发动机的扭矩输出。
文档编号F02D43/00GK102733978SQ201210104028
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月11日 优先权日2011年4月11日
发明者G.P.马修斯 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司