用于控制以hcci燃烧模式操作的内燃机的操作的方法和设备的制造方法

用于控制以hcci燃烧模式操作的内燃机的操作的方法和设备的制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于控制以HCCI燃烧模式操作的内燃机的操作的方法和设备。具体地，提供了一种用于操作内燃发动机的方法，包括：确定与发动机环境因素相对应的第一综合热态参数，所述发动机环境因素在以均质充量压缩点火燃烧模式进行的发动机操作期间影响燃烧参数。对应于燃烧参数的监测状态与燃烧参数的估计状态之间的差来确定第一综合热态参数中的差异。响应于第一综合热态参数中的差异来校正该综合热态参数。响应于校正的第一综合热态参数来控制内燃发动机的操作。
【专利说明】
用于控制从HCCI燃烧模式操作的内燃机的操作的方法和设备
技术领域
[0001] 本发明设及一种内燃发动机，所述内燃发动机构造成W均质充量压缩点火化CCI) 燃烧模式操作。
【背景技术】
[0002] 在该部分中的声明仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
[0003] 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，所述空气/燃料混 合物在压缩冲程中被压缩，并被火花塞点燃。已知的压缩点火(Cl)发动机在接近压缩冲程 的上止点(TDC)时将加压燃料喷射到燃烧气缸中，所述加压燃料在喷射时点燃。关于SI发动 机和CI发动机的燃烧设及由流体力学控制的预混火焰或扩散火焰。
[0004] SI发动机可W不同的燃烧模式操作，包括均质火花点火燃烧模式和分层充量火花 点火燃烧模式。SI发动机可构造成:在预定的速度/负载操作条件下，W还称为受控自动点 火燃烧的均质充量压缩点火化CCI)燃烧模式操作。HCCI燃烧是分布的、无焰且动力学受控 的自动点火燃烧过程，其中发动机W稀的空气/燃料混合物（即，化学计量比的空气/燃料点 的稀燃侧)操作，具有相对低的峰值燃烧溫度，导致了低的NOx排放。WHCCI燃烧模式操作的 发动机具有在进气阀关闭时间时，在成分、溫度和剩余排气方面优选为均质的气缸充量。均 质的空气/燃料混合物使得形成烟和颗粒排放的富燃的缸内燃烧区的出现最少。
[0005] 发动机气流可通过选择性地调节节气口阀的位置W及进气阀和排气阀的打开和 关闭来控制。在如此装备的发动机系统上，可利用可变的阀致动系统来调节进气阀和排气 阀的打开和关闭，所述可变的阀致动系统包括可变的凸轮定相和可选择的多级阀升程，例 如提供了两个或更多个阀升程位置的多级凸轮凸角。与节气口位置的变化形成对比的是， 多级阀升程机构的阀位置的变化是离散的级变化。
[0006] 当发动机W肥CI燃烧模式操作时，发动机在节气口全开W使发动机累送损失最小 的情况下W贫燃的或化学计量比的空气/燃料比操作来操作。当发动机WSI燃烧模式操作 时，在从0%的位置至100%的全开位置的位置范围内控制节气口阀W控制进气气流从而获得 化学计量比的空气/燃料比的情况下，发动机W化学计量比的空气/燃料比或者在化学计量 比的空气/燃料比附近进行操作。
[0007] 在处于HCCI燃烧模式中的发动机操作期间的燃烧受到点火前的压缩之前W及该 压缩期间的气缸充量的气体溫度的影响，并且受到气缸充量的混合物成分的影响。W自动 点火燃烧模式操作的已知发动机利用作为总体发动机控制方案的一部分的校准表来考虑 周围环境和发动机操作条件的变化。已知的HCCI发动机控制方案包括利用输入参数来控制 发动机参数的校准，所述输入参数例如包括发动机负载、发动机转速和发动机冷却剂溫度。 气缸充量的气体溫度可W通过W下来受到影响:经由发动机阀重叠控制热气体残余，W及 经由排气再循环控制冷气体残余。气缸充量的气体溫度、压力、成分可受发动机环境因素的 影响，包括例如:空气溫度，湿度，海拔，W及例如雷德蒸气压(RVP)、能含量和品质之类的燃 料参数。
[0008] 在处于HCCI燃烧模式中的发动机操作期间的燃烧可依据燃烧放热来表征，所述燃 烧放热可包括相对于活塞位置的燃烧正时。燃烧正时可依据燃烧质量分数来描述，所述燃 烧质量分数指示了在气缸充量的质量分数的一部分被燃烧时的活塞位置。所关屯、的燃烧质 量分数包括累积放热达到了气缸充量的总放热的50%时的CA50点（W相对于TDC的曲柄角表 示）。已知的控制系统利用反馈控制算法控制燃烧正时，W补偿环境和周围参数对燃烧正时 和空气/燃料比的多种影响。替代性地，可将复杂的多维校准表用于考虑所有的发动机环境 因素。

【发明内容】

[0009] -种用于操作内燃发动机的方法，包括:确定与发动机环境因素相对应的第一综 合热态参数，所述发动机环境因素在W均质充量压缩点火燃烧模式进行的发动机操作期间 影响燃烧参数。对应于燃烧参数的监测状态与燃烧参数的估计状态之间的差来确定第一综 合热态参数中的差异。响应于第一综合热态参数中的差异来校正该第一综合热态参数。响 应于校正的第一综合热态参数来控制内燃发动机的操作。
[0010] 本发明还包括W下方案： 1. 一种用于操作内燃发动机的方法，包括： 确定与发动机环境因素相对应的第一综合热态参数，所述发动机环境因素在W均质充 量压缩点火燃烧模式进行的发动机操作期间影响燃烧参数； 对应于所述燃烧参数的监测状态与所述燃烧参数的估计状态之间的差来确定所述第 一综合热态参数中的差异； 响应于所述第一综合热态参数中的差异来校正所述第一综合热态参数;W及 响应于所述校正的第一综合热态参数来控制所述内燃发动机的操作。
[0011] 2.根据方案1所述的方法，其中，确定所述第一综合热态参数包括根据W下关系 计算所述第一综合热态参数：
其中，Teff表示所述综合热态参数， fi(Ti)表示影响所述燃烧参数的一系列发动机环境因素， n表示所述发动机环境因素的数量， ao表示偏项，W及 ai表示多个加权项，其中，所述加权项中的每个加权项与所述发动机环境因素中的一 个发动机环境因素对所述燃烧参数的影响相对应。
[0012] 3.根据方案1所述的方法，其中，校正所述第一综合热态参数包括： 根据W下关系计算所沐笛一結合抵杰象擲.
其中，Teff表不所述综合热态参数， fi(Ti)表示影响所述燃烧参数的一系列发动机环境因素， n表示所述发动机环境因素的数量， 曰〇表不偏项，W及 ai表示多个加权项，其中，所述加权项中的每个加权项与所述发动机环境因素中的一 个发动机环境因素对所述燃烧参数的影响相对应;W及 响应于所述燃烧参数的监测状态与所述燃烧参数的估计状态之间的差来更新所述加 权项。
[OOU] 4.根据方案1所述的方法，其中： 所述燃烧参数包括燃烧正时； 所述燃烧正时的监测状态与监测的缸内燃烧压力对应；W及 所述燃烧正时的估计状态与监测的发动机状态和发动机控制参数对应。
[0014] 5.根据方案1所述的方法，其中，确定所述第一综合热态参数包括:相对于所述发 动机环境因素的对燃烧放热的单独的影响来总计所述发动机环境因素。
[0015] 6.根据方案5所述的方法，其中，相对于所述发动机环境因素的对燃烧放热的单 独的影响来总计所述发动机环境因素包括:所述发动机环境因素相对于它们对燃烧正时的 影响进行的总计。
[0016] 7.根据方案5所述的方法，其中，所述发动机环境因素与冷却剂溫度、发动机负载 和发动机负载历史、进气溫度、周围湿度、海拔、燃料品质和燃烧室积垢相对应。
[0017] 8.根据方案1所述的方法，其中，响应于所述校正的第一综合热态参数来控制所 述内燃发动机的操作，实现所述燃烧参数的优选状态。
[0018] 9.根据方案8所述的方法，其中，响应于所述校正的第一综合热态参数来控制所 述内燃发动机的操作包括:执行前馈发动机控制方案，W便确定与所述校正的第一综合热 态参数相关联的发动机控制参数的状态，从而实现所述燃烧参数的优选状态。
[0019] 10.根据方案8所述的方法，其中，响应于所述校正的第一综合热态参数来控制所 述内燃发动机的操作包括:执行反馈发动机控制方案，W便确定与所述校正的第一综合热 态参数相关联的发动机控制参数的状态，从而实现所述燃烧参数的优选状态。
[0020] 11. -种用于操作内燃发动机的方法，其中，控制模块执行W下步骤： 确定基于监测的燃烧参数与估计的燃烧参数之间的差调节的第一综合热态参数;W及 响应于所述调节的第一综合热态参数，控制处于均质充量压缩点火燃烧模式中的所述 内燃发动机的操作。
[0021 ] 12.根据方案11所述的方法，其中，确定所述第一综合热态参数包括： 根据W下关系计算所述第一综合热态参数： 其中，了￡。。表示所述综台。、:化、25"-7乂，
fi(Ti)表示影响所述燃烧参数的一系列发动机环境因素， n表示所述发动机环境因素的数量， ao表示偏项，W及 ai表示多个加权项，其中，所述加权项中的每个加权项与所述发动机环境因素中的一 个发动机环境因素对所述燃烧参数的影响相对应;W及 响应于所述燃烧参数的监测状态与所述燃烧参数的估计状态之间的差来调节所述加 权项。
[0022] 13.根据方案11所述的方法，其中： 所述燃烧参数包括燃烧正时； 所述监测的燃烧正时与监测的缸内燃烧压力对应；W及 所述估计的燃烧正时与监测的发动机状态和发动机控制参数对应。
[0023] 14. -种用于操作内燃发动机的方法，包括： 确定与影响燃烧参数的发动机环境因素相对应的校正的第一综合热态参数;W及 响应于所述校正的第一综合热态参数来控制所述内燃发动机的操作。
[0024] 15.根据方案14所述的方法，其中，确定所述校正的第一综合热态参数包括： 根据W下关系计算所沐笛一短会执杰泉掀.
其中，Teff表示所述综合热态参数， fi(Ti)表示影响所述燃烧参数的一系列发动机环境因素， n表示所述发动机环境因素的数量， ao表示偏项，W及 ai表示多个加权项，其中，所述加权项中的每个加权项与所述发动机环境因素中的一 个发动机环境因素对所述燃烧参数的影响相对应;W及 响应于所述燃烧参数的监测状态与所述燃烧参数的估计状态之间的差来更新所述加 权项。
【附图说明】
[0025] 现在将作为示例参考附图来描述一个或多个实施例，附图中： 图1图示了根据本发明的、构造成W受控自动点火化CCI)燃烧模式操作的火花点火内 燃发动机和附随的控制模块； 图2和图3图示了根据本发明的、构造成利用单个综合热态参数作为控制参数从而W HCCI燃烧模式来操作内燃发动机的控制方案的元件； 图4图示了根据本发明的、包括了用于WHCCI燃烧模式控制和操作示例性发动机的前 馈控制方案和反馈控制方案的发动机燃烧控制器； 图5图示了根据本发明的，对于WHCCI燃烧模式操作的示例性内燃发动机而言，并且对 于一定范围的进气溫度而言，相对于在TDC周围的活塞位置绘制的燃烧放热的速率； 图6图示了根据本发明的，对于WHCCI燃烧模式操作的示例性内燃发动机而言，并且对 于一定范围的冷却剂溫度而言，相对于在TDC周围的活塞位置绘制的燃烧放热的速率； 图7图示了根据本发明的，对于WHCCI燃烧模式操作的示例性内燃发动机而言，并且对 于进气溫度状态而言，相对于燃烧正时（即，CA50的燃烧质量分数点）绘制的峰值气缸压力 相对于指示平均有效压力（IMEP)的比率；W及 图8图形地描绘了根据本发明的，对于WHCCI燃烧模式操作的示例性内燃发动机而言， 并且对于冷却剂溫度状态而言，相对于燃烧正时（即，CA50的燃烧质量分数点）绘制的峰值 气缸压力相对于指示平均有效压力（IMEP)的比率。
【具体实施方式】
[0026] 现在参考附图，其中的描绘内容仅为了图示某些示例性实施例，而不是为了限制 运些示例性实施例，图1是根据本发明的实施例构造的具有附随的控制模块5的内燃发动机 10的示意图。发动机10 W多种可选择的燃烧模式中的一种操作，包括均质充量压缩点火 化CCI)燃烧模式和火花点火(SI)燃烧模式。发动机10构造成W化学计量比的空气/燃料比 操作，W及W主要在化学计量比稀燃侧的空气/燃料比操作。本发明可适用于各种内燃发动 机系统和燃烧循环。
[0027] 示例性发动机10包括多缸直喷四冲程内燃发动机，所述多缸直喷四冲程内燃发动 机具有在气缸15中可滑动地移动且限定了可变容积燃烧室16的往复运动的活塞14。每个活 塞14连接至旋转的曲轴12,直线的往复运动通过所述旋转的曲轴12转换成旋转运动。进气 系统将进入空气提供至进气歧管29,所述进气歧管29将空气引导并分配到燃烧室16的进气 通道中。进气系统具有用于监测和控制气流的气流管道系统和装置。进气装置优选地包括： 用于监测空气质量流量(MAF) 33和进气溫度（IAT) 35的空气质量流量传感器32。节气口阀34 优选包括电子控制装置，所述电子控制装置用于响应于来自控制模块5的控制信号化TC) 120来控制到发动机10的气流。进气歧管29中的压力传感器36构造成监测歧管绝对压力 (MAP) 37和大气压。具有被称为排气再循环化GR)阀38的流量控制阀的外部流道将来自发动 机排气的排气再循环至进气歧管29。控制模块5通过经邮GR命令化GRH39控审化GR阀38的 开度来控制到进气歧管29的排气的质量流量。
[0028] 从进气歧管29进入燃烧室16的气流受一个或多个进气阀20控制。自燃烧室16排出 的排气流由一个或多个排气阀18控制W排到排气歧管39。发动机10配备有控制和调节进气 阀20和排气阀18的打开和关闭的系统。在一个实施例中，进气阀20和排气阀18的打开和关 闭可通过相应地控制进气可变凸轮定相/可变升程控制(VCP/VLC)装置22和排气可变凸轮 定相/可变升程控制(VCP/VLC)装置24来控制和调节。进气VCP ALC装置22和排气VCP ALC装 置24构造成分别控制和操作进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。进气及排气凸轮轴21和23的旋 转与曲轴12的旋转相联系并且被标记至曲轴12的旋转，因而使进气阀20和排气阀18的打开 和关闭与曲轴12和活塞14的位置相联系。
[0029] 进气VCP/VLC装置22优选包括运样的机构，所述机构进行操作，W响应于控制信号 (iVLC)125切换和控制进气阀20的阀升程，并且响应于控制信号（iVCP)126为每个气缸15可 变地调节和控制进气凸轮轴21的定相。排气VCP ALC装置24优选地包括运样的可控机构，所 述可控机构进行操作，W响应于控制信号(eVLC) 123可变地切换和控制排气阀18的阀升程， 并且响应于控制信号(eVCP)124为每个气缸15可变地调节和控制排气凸轮轴23的定相。
[0030] 进气VCP ALC装置22和排气VCP ALC装置24各自优选地包括可控的二级化C机构， 所述可控的二级VLC机构进行操作，W将进气阀20和排气阀18的阀升程的大小或开度分别 控制到两个离散级中的一个级。该两个离散级优选地包括:优选地用于低速低负载操作的 低升程阀打开位置(在一个实施例中，大约4-6mm);和优选地用于高速和高负载操作的高升 程阀打开位置(在一个实施例中，大约8-13mm)。进气VCPALC装置22和排气VCPALC装置24 分别优选地包括可变凸轮定相(VCP)机构，W分别控制和调节进气阀20和排气阀18的打开 和关闭的定相（即，相对正时）。调节定相指的是:相对于曲轴12的位置和相应气缸15中的活 塞14的位置，使进气阀20和排气阀18的打开时间改变。进气VCP ALC装置22和排气VCP ALC 装置24的VCP机构分别优选地具有大约60 °-90°的曲柄旋转量的定相权限范围，因而允许控 制模块5使进气阀20和排气阀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 提前或延迟。定相权限范围由进气VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24限定和限制。进气 VCP/VLC装置22和排气VCP/VLC装置24包括凸轮轴位置传感器，W确定进气凸轮轴21和排气 凸轮轴23的旋转位置。响应于相应的控制信号eVLC 123、eVCP 124、iVLC 125和iVCP 126， 利用电动液压、液压和电控力中的一种来致动VCP/VLC装置22和24。
[0031] 发动机10包括直喷式燃料喷射系统，其包括构造成响应于来自控制模块5的喷射 器脉宽命令(INJ_PW)112将一定质量的燃料直接喷射到燃烧室16中的一个燃烧室内的多个 高压燃料喷射器28。从燃料分配系统给燃料喷射器28提供加压燃料。发动机10采用火花点 火系统，通过所述火花点火系统，可W响应于来自控制模块5的火花命令(IGN)IlS将火花能 量提供至火花塞26,用于点燃或帮助点燃燃烧室16中的每个燃烧室内的气缸充量。
[0032] 发动机10配备有用于监测发动机操作的各种感测装置(或传感装置），包括具有指 示曲轴旋转位置（即，曲柄角和速度(RPMM3)的输出的曲柄传感器42。溫度传感器44构造成 监测冷却剂溫度45。缸内燃烧传感器30构造成监测燃烧，并且在一个实施例中是可操作W 监测缸内燃烧压力31的气缸压力传感器。排气传感器40构造成监测排气参数41，例如，空 气/燃料比(AFR)。燃烧压力31和RPM 43由控制模块5监测，W确定燃烧正时，即：对于每个燃 烧循环且对于每个气缸15而言，燃烧压力相对于曲轴12的曲柄角的正时。应意识到的是，燃 烧正时可通过其他方法确定。燃烧压力31可由控制模块5监测，W便对于每个燃烧循环为每 个气缸15确定指示平均有效压力（IMEP)。优选地，发动机10和控制模块5构造成:在每个气 缸着火事件期间，为发动机气缸15中的每个发动机气缸监测和确定IMEP的状态。替代性地， 可将其他感测系统用于监测本发明的范围内的其他燃烧参数的状态，例如离子传感点火系 统、EGR分数(EGR打actions)和非侵入式气缸压力传感器。
[0033] 控制模块、模块、控制机构、控制器、控制单元、处理器和类似的术语指的是W下各 项中的任意一项或者运些项中的一个或多个的各种组合，所述各项为：专用集成电路 (ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序或例程的中央处理单元(优选为微处理 器)和相关联的内存和储存器（只读的、可编程只读的、随机存取的、硬盘，等等）、组合逻辑 电路、输入/输出电路和装置、合适的信号调节和缓冲线路、W及提供了所描述的功能性的 其它部件。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似的术语指的是包括了校准和查找 表的任何控制器可执行的指令集。控制模块具有被执行W提供期望功能的一组控制例程。 运些例程例如通过中央处理单元执行，并且可操作W监测来自感测装置及其他联网控制模 块的输入，W及执行控制和诊断例程W便控制致动器的操作。可在进行的发动机和车辆操 作期间W定期的间隔(例如，每隔3.125、6.25、12.5、25和100毫秒)来执行运些例程。替代性 地，例程可响应于事件的发生而执行。
[0034] 在操作中，控制模块5监测来自前述传感器的输入，W确定发动机参数的状态。控 制模块5构造成从操作者(例如，经由加速器踏板和制动踏板)接收输入信号，W确定操作者 扭矩请求，从所述操作者扭矩请求获得发动机扭矩命令。控制模块5执行存储在其中的算法 代码W控制前述致动器来形成气缸充量，包括控制:节气口位置;火花点火正时;燃料喷射 质量和正时;EGR阀位置，W控制再循环的排气的流量；W及进气阀和/或排气阀的正时和定 相。阀的正时和定相可包括负阀重叠(NVO)及排气阀再打开的升程(在排气再吸气策略中）， W及可包括正阀重叠(PV0)。控制模块5构造成执行发动机燃料切断(FCO)事件。当操作者将 他们的脚从加速器踏板移开时，可执行发动机FCO，导致车辆滑行。响应地，发动机仍可继续 旋转，但发动机的燃料供给被切断，W降低燃料消耗。当操作者随后将压力施加到加速器踏 板时，发动机的燃料供给恢复，并且发动机着火并产生扭矩。控制模块5可在进行的车辆操 作期间采用自动起动和自动停止控制方案来控制发动机10，从而可W进行操作，W便通过 对燃料、火花及阀停用的控制来选择性地停用燃烧室15的一部分或者进气阀20和排气阀18 的一部分。控制模块5可基于来自排气传感器40的反馈来控制空气/燃料比。
[0035] 在处于火花点火燃烧(SI)模式中的发动机操作期间，控制节气口阀34W调整空气 流量。在进气阀20和排气阀18处于高升程的阀打开位置并且进气和排气升程正时W正阀重 叠操作的情况下，发动机10被控制成化学计量比的空气/燃料比。优选地，在发动机循环的 进气或压缩阶段期间，优选大致在TDC之前，执行燃料喷射事件。当气缸内的空气充量大致 均质时，优选在燃料喷射之后的预定时间释放火花点火。
[0036] 控制模块5将发动机操作转换至与通过HCCI燃烧模式或SI燃烧模式来操作发动机 10相关联的优选燃烧模式，W提高燃料效率和发动机稳定性，和/或响应于操作者扭矩请求 来降低排放。例如速度和负载之类的发动机参数中的一个发动机参数的变化可W导致发动 机操作区的变化。控制模块5命令与发动机操作区的变化相关的优选燃烧模式的变化。
[0037] 当发动机10WHCCI燃烧模式操作时，可W在气缸事件期间的燃烧放热的背景下描 述燃烧和燃烧正时，例如，在气缸事件期间的燃烧放热的大小和正时。燃烧放热的大小和正 时由气缸压力、燃烧质量分数或其他参数指示。
[0038] 当发动机10WHCCI燃烧模式操作时，存在与操作者扭矩请求和当前发动机操作点 对应的优选燃烧正时，所述当前发动机操作点被限定为发动机转速/负载点。优选的燃烧正 时受燃烧溫度的影响。在此称为有效溫度Teff的单个综合热态参数用于考虑在WHCCI燃烧 模式进行的操作期间影响燃烧溫度并从而影响燃烧正时的多个发动机环境因素。有效溫度 Teff优选取代发动机燃烧控制方案中的冷却剂溫度。当WHCCI燃烧模式操作时，通过影响气 缸充量的溫度、压力和成分从而影响由CA50燃烧质量分数点所指示的燃烧正时，发动机环 境因素影响发动机10的操作。有效溫度Teff提供了运样的单个参数，所述单个参数考虑了发 动机环境因素，并因而降低了 HCCI发动机校准和控制方案的复杂性。
[0039] 通过相对于发动机环境因素对燃烧正时的影响来总计发动机环境因素，例如在每 个气缸事件期间的燃烧放热的大小和正时，从而确定有效溫度Teff。示例性发动机环境因素 可包括冷却剂溫度、发动机负载历史、周围空气湿度、海拔、燃料品质和燃烧室积垢。发动机 环境因素的影响可W与气缸压力和燃烧正时相关联，所述气缸压力和燃烧正时可W从发动 机曲柄角、气缸压力、燃烧正时的测量W及与发动机操作相关联的估计或者W另外的方式 从发动机操作确定的估计来确定。
[0040] 通过相对于发动机环境因素对燃烧正时的单独影响来总计发动机环境因素，从而 确定有效溫度初始状态Teff-INIT的方程可表示如下：
[1] 其中fi(Ti)是一系列发动机环境因素，包括算术地组合W确定初始有效溫度Teff-INIT的 元素。因此，初始有效溫度Teff-init是对WHCCI燃烧模式操作发动机时影响燃烧正时的发动 机环境因素的总计，并且可用于发动机控制方案。方程1的实施例阐述如下。
[2] 总计的发动机环境因素可包括如下因素： Ti=Tg,其为冷却剂溫度； Ts=Tload，其为与发动机负载和发动机负载历史对应的溫度偏项； Ts=Tint，其为与进气溫度对应的溫度偏项； Ta=Thlm，其为与周围湿度对应的溫度偏项； Ts=Talt，其为与海拔对应的溫度偏项； Ts=Tfuel,其为与燃料品质对应的溫度偏项；W及 Tt=Tdep，其为与燃烧室积垢对应的溫度偏项。
[0041] 可无限制地结合影响燃烧正时的其他发动机环境因素。应意识到的是，溫度偏项 优选地用于调节冷却剂溫度项，因而相对于冷却剂溫度项补偿对燃烧正时的任何影响。有 效溫度Teff的值可替代地通过使与发动机环境因素对应的项相乘来确定。在一个实施例中， 对应于燃料品质Tfuel的溫度偏项与发动机燃料的比热容量相关联，所述比热容量可在进行 的发动机操作期间被监测或W另外的方式确定。
[0042] 单独的发动机中的实际燃烧正时可受到与部件制造、老化、劣化及其他使用条件 和因素相关的变化的影响。运样的变化本质上可W是随机的，并且在进行的使用期间不容 易补偿。因此，如下展开方程1，W便对响应于改变的条件而实时更新的单个综合热态参数
目(64女成亦於T义化、吃旨^I㈱4?戈TP口Tf:
[3] 其中'1化)是一系列发动机环境因素，11是'1(1'1)中的参数的数量，并且曰日是偏项。^11项 是分别与n个参数中的一个参数的贡献对应的乘法加权因数。ao项和ai项可基于一系列发动 机环境因素F(Ti)的预定贡献中的误差来确定，所述误差表示为与测量的燃烧变量之间的 偏差。在一个实施例中，测量的燃烧变量是可用于确定燃烧正时的燃烧压力31。其他测量的 燃烧变量可用于相似的效果。
[0043] 利用方程3确定的有效溫度Teff优选地用于:利用单组校准表W前馈方法调节发动 机致动器的控制状态，其中所述校准表中的每个校准表都优选地布置成与发动机转速和负 载对应的二维阵列。运避免了对复杂校准表的使用和对多项反馈燃烧控制的需求。确定每 个参数对有效溫度Teff的贡献，并且基于有效溫度Teff进行校准，而不是基于运些参数中的 单个参数，例如冷却剂溫度。在此描述了采用有效溫度Teff的示例性控制方案，并且所述示 例性控制方案包括关于发动机控制参数的优选状态，例如关于发动机负载、发动机转速和 有效溫度Teff的组合的目标燃烧正时。
[0044] 在进行的发动机操作期间，通过为发动机环境因素中的每个发动机环境因素测量 或W另外的方式确定当前的操作状态，并且如参考W上方程3所示地组合它们，反复地确定 有效溫度Teff的状态。能实时地执行优化和学习算法，W响应于燃烧正时的偏差在宽的操作 条件的范围上确定加权因数日1的状态。加权因数日1用于校正发动机环境因素fi(Ti)的阵列 中的第i个参数的贡献，并且改善发动机的前馈控制，W响应于操作者扭矩请求实现优选的 燃烧正时。
[0045] 图2示意性地示出了构造成对发动机10的实施例进行操作的控制方案200,所述发 动机10采用了参考方程3描述的有效溫度作为控制参数WHCCI燃烧模式操作。在WHCCI燃 烧模式进行的发动机10的操作期间，监测发动机操作参数，优选地包括燃烧压力31、冷却剂 溫度45、RPM43、MAP37、IAT35、MAF33，W及包括与燃烧性能相关联的监测的发动机状 态，包括缸内燃烧压力31和AFR 41。还监测INJ_PW命令112和EGR命令139。燃烧正时计算元 件220计算燃烧正时参数141，所述燃烧正时参数141在此被描述成利用缸内燃烧压力31得 到的指示的CA50燃烧质量分数点。应意识到的是，控制方案200可采用其他的燃烧正时参 数，W达到相似的结果。燃烧正时预测算法260采用合适的发动机操作模拟器(或仿真器）， W利用前述发动机操作参数(包括燃烧压力31、冷却剂溫度45、RPM 43、MAP 37、IAT 35、MAF 33、AFR 41、INJ_PW命令112和EGR命令139)来估计或W另外的方式确定燃烧参数241。估计 的燃烧参数241可W是CA50燃烧质量分数点，或者是可利用前述发动机操作参数计算的另 一合适的燃烧参数。
[0046] 控制元件250采用了指示的CA50燃烧质量分数点141与估计的CA50燃烧质量分数 点241之间的差243来确定有效溫度差（A Teff)253。运可W包括:确定与指示的CA50燃烧质 量分数点141对应的第一有效溫度;确定与估计的CA50燃烧质量分数点241对应的第二有效 溫度；W及，计算所述第一有效溫度与所述第二有效溫度之间的差，W确定A Teff 253。在获 得相似结果的情况下，可W使用确定A Teff 253的其他方法。
[0047] 冷却剂溫度45、RPM 43、MAP 37、IAT 35、MAF 33和INJ_PW命令 112W及EGR命令 139 用于确定与W下各项相关的状态:冷却剂溫度、发动机负载和发动机负载历史、周围空气溫 度、周围空气湿度、海拔、燃料品质、燃烧积垢及其他发动机相关的环境因素。用于确定有效 溫度的发动机相关的环境因素优选地包括了参考方程2阐述的前述因素，包括Tc、Tl日ad、Tint、 Thum、Talt、Tfu化和Tdep。控制元件275将冷却剂溫度45、RPM 43、MAP 37、IAT 35、MAF 3：3和IN_ JPW命令112^及￡63命令139转化成包括了朽、化日4。、1'1糾、扣咖^411^。11化和1。￡。的发动机操作 因素fi(Ti) 271的阵列。
[0048] 可在校准的开发训练期间确定包括了参考方程2阐述的前述偏移因素的各发动机 环境因素的贡献，包括Tc、Tl日40、1'1仰、扣面、14^、1。11化和1〇￡。。不例性校准开发训练包括运样的 过程，其中将发动机环境因素中除一个W外的全部发动机环境因素都设定并控制成标称状 态。将发动机环境因素中未被设定的被选择的一个发动机环境因素控制成运样的多种状态 中的一种状态，所述多种状态选自最小状态与最大状态之间的状态范围，并且例如通过确 定在多种状态中的每种状态处的CA50燃烧质量分数点来确定燃烧放热的大小和正时。通过 与利用了方程3确定的操作点的燃烧放热的优选大小和正时比较，确定对燃烧放热的影响。 所述对燃烧放热的影响用于计算与发动机环境因素中所选择的一个发动机环境因素相关 联的溫度偏项。该过程优选地在发动机转速和负载操作条件的一定范围内重复。由此，可W 为发动机环境因素中所选择的一个发动机环境因素开发出与发动机转速和负载对应的校 准。重复校准开发训练，从而通过W下方式来为发动机环境因素中的每一个开发与初始有 效溫度Teffjnit相关联的校准，所述方式为:利用处于已知状态的全部发动机环境因素中除 一个发动机环境因素之外的组合，W及在期望的操作范围中在多个离散的级上系统地控制 运些发动机环境因素中被选择的一个发动机环境因素。该动作允许对发动机环境因素中的 每个发动机环境因素执行直接的校准过程。在操作中，在每个操作点与发动机环境因素的 已知状态对应的初始有效溫度Teff-INIT可W基于所述校准来确定。
[0049] 包括Tc、Tl日AD、Tint、Thum、Talt、Tfuel和Tdep的发动机环境因素 fi(Ti) 271的阵列被输入 至学习控制器270。图3示意性地示出了学习控制器270的实施例的细节，其包括学习算法 280、用于计算前馈有效溫度(Teff-ffd) 251的前馈算法290、W及差值元件284。学习控制器 270优选实时执行，W便在宽的操作条件范围内确定加权因数曰1的状态。加权因数曰1用于校 正发动机环境因素 fi(Ti)的阵列中的第i个参数的贡献，并基于燃烧正时的偏差来改善前馈 控制。
[0050] 前馈算法290利用参考方程3描述的自适应策略来计算前馈有效溫度（Teff-ffd) 251，为了便于说明在运里再次示出方程3。
[3] 其中，方程3采用了发动机环境因素 fi(Ti) 271的阵列和来自学习算法280的加权项曰1 285的阵列，W计算Teff-ffd 251。学习算法280采用发动机环境因素 fi(Ti) 271的阵列和有效 溫度误差项（Teff-ERR) 295, W便为来自学习算法280的加权项ai 285确定状态。加权项ai 285中的每个加权项是与来自发动机环境因素 fi(Ti) 271的阵列的i个参数中的一个参数对 燃烧正时的贡献相对应的乘法加权因数。学习算法280采用了卡尔曼滤波器、递归最小平方 近似或Kaczmarz投影算法中的一种，W便利用与有效溫度误差项(Teff-ERR) 295相关联的误 差统计W及利用发动机环境因素 fi(Ti) 271的阵列来确定和更新加权项曰1 285中的每个加 权项。有效溫度误差项（Teff-ERR ) 29 5是前馈有效溫度（Teff-ffd ) 2 51与校正的有效溫度 (Teff-C日RR) 255之间的差。
[0051 ]再次参考图2,校正的有效溫度（Teff-CORR) 255是前馈有效溫度(Teff-ffd) 251与有 效溫度差（ATeff) 253的算术和（254)。校正的有效溫度(Teff-C日RR) 255在发动机校准方案 225中与操作者扭矩请求210和RPM 43-起使用，W确定例如包括优选的空气/燃料比和优 选的EGR质量分数之类的优选的发动机操作参数228。
[0052] 优选的发动机操作参数228作为输入被提供至燃烧控制器230。燃烧控制器230执 行算法，W响应于操作者扭矩请求为各致动器确定优选的控制状态，从而实现发动机操作 的目标。用于各发动机控制致动器的优选的控制状态或命令优选包括INJ_PW 112、IGN 118、ETC 120、EGR 139、eVLC 123、eVCP 124、iVLC 125和iVCP 126。
[0053] 图4示意性地示出了发动机燃烧控制器230,所述发动机燃烧控制器230包括前馈 控制方案55和反馈控制方案65,用来响应于从发动机校准方案225输出的优选发动机操作 参数228WHCCI燃烧模式控制和操作示例性发动机10。发动机燃烧控制器230优选地包括存 储在发动机控制模块5的存储装置中的一个存储装置中的算法代码和校准表，用于在其中 执行。发动机燃烧控制器230使用了例如包括优选的空气/燃料比和优选的EGR质量分数之 类的优选发动机操作参数228，W便为各致动器确定优选的控制状态，从而满足操作者扭矩 请求并实现发动机操作的目标。与燃烧性能相关联的监测的发动机状态(包括燃烧压力31) 优选地可译成运样的燃烧参数，所述燃烧参数是在WHCCI燃烧模式进行的发动机操作期间 发生的燃烧正时和燃烧持续时间的测量结果。燃烧正时优选是CA50燃烧质量分数点。燃烧 持续时间被限定为在10%与90%的燃烧质量分数点之间的W曲柄角度数为单位的曲柄角间 隔。前馈控制方案55和反馈控制方案65优选地作为进行的发动机控制的一部分执行，W响 应于操作者输入和周围条件的变化实现对操作条件的变化的快速有效的系统响应。
[0054] 前馈控制方案55包括:控制模型60,其包括预校准的查找表和算法；W及多个速率 限制器68。控制模型60的预校准的查找表和算法包括存储在存储装置中的机器可检索的阵 列W及机器可执行的算法，W响应于优选的发动机操作参数228为发动机控制致动器中的 每个发动机控制致动器确定命令。用于发动机控制致动器中的每个发动机控制致动器的命 令被用来控制发动机10的操作，W在考虑了发动机环境因素的同时实现优选的燃烧正时。 发动机控制致动器命令包括ETC 120、EGR 139、IGN 118、INJ_PW 112、eWX 123、eVCP 124、 i化C 125和iVCP 126。优选的监测发动机操作状态例如包括RPM 43、MAP 37、IAT 35、MAF 33、冷却剂45、INJ_PW112和有效溫度Teff 119。关于发动机控制致动器中的每个发动机控 制致动器的控制状态包括合适致动器的命令信号，W控制致动器的操作，从而实现由与EGR 质量分数和AFR 41相关的发动机操作点和监测的发动机状态所指示的目标发动机操作。 EGR质量分数可W被测量，或者与监测的发动机状态相关联。用于发动机控制致动器的前馈 控制状态经受多个前馈速率限制器68中的一个前馈速率限制器。反馈控制方案65监测与 EGR质量分数和AFR 41相关的前述发动机操作状态和监测的发动机状态，W便利用已知的 反馈控制策略为ETC 120、EGR 139、IGN 118、INJ_PW 112、eWX 123、eVCP 124、iVLC 125 和 iVCP 126的发动机控制致动器命令来确定调节。利用反馈控制方案65调节关于发动机控制 致动器的限速前馈控制状态，并由此控制发动机10。
[0055] 图5图形地描绘了对于WHCCI燃烧模式操作的示例性内燃发动机而言、并且对于 包括了75°C 331、85°C 333、95°C 335、105°C 337和 115°C 339的一定范围的进气溫度而 言，相对于在TDC 310周围（TDC周围的CA度数(CA deg aTDC))的活塞位置绘制的燃烧放热 的速率320(J/CA)，W指示随着进气溫度的提高的燃烧正时的提前（即，朝TDC的移动)和峰 值放热的提高。
[0056] 图6图形地描绘了对于WHCCI燃烧模式操作的示例性内燃发动机而言、并且对于 包括了80°C 341、85°C 343、90°C 345和95°C 347的一定范围的冷却剂溫度而言，相对于在 TDC 310周围（TDC周围的CA度数(CA deg aTDC))的活塞位置绘制的燃烧放热的速率320 (J/CA)，W指示随着冷却剂溫度的提高的燃烧正时的提前（即，朝TDC的移动)和峰值放热的 提局。
[0057] 图7图形地描绘了对于WHCCI燃烧模式操作的示例性内燃发动机而言、并且对于 包括了75°C 531、85°C 533、95°C 535、105°C 537和115°C 539的进气溫度状态而言，相对 于燃烧正时（即CA50燃烧质量分数510(TDC周围的CA度数(CA deg aTDC)))绘制的峰值气 缸压力相对于IMEP 520的比率，W指示随着进气溫度的提高的燃烧正时的提前（即，朝TDC 的移动)和相对于IMEP的峰值气缸压力的提高。数据表明，进气溫度对有效溫度Teff的贡献 可通过评估燃烧性能和燃烧正时的输出参数与进气溫度的输入参数之间的关系来确定。
[0058] 图8图形地描绘了对于WHCCI燃烧模式操作的示例性内燃发动机而言、并且对于 包括了80°C 541、85°C 543、90°C 545和95°C 547的冷却剂溫度状态而言，相对于燃烧正时 (即CA50燃烧质量分数510(TDC周围的CA度数(CA deg aTDC)))绘制的峰值气缸压力相对 于IMEP 520的比率，W指示随着冷却剂溫度的提高的燃烧正时的提前（即，朝TDC的移动)和 峰值气缸压力相对于IMEP的比率的提高。冷却剂溫度对有效溫度Teff的贡献可通过评估燃 烧性能和燃烧正时的输出参数与发动机冷却剂溫度的输入参数之间的关系来确定。
[0059] 在图5、6、7和8中描绘的结果表明，进气溫度W与冷却剂溫度相同的方式、但未必 W相同的大小来影响燃烧正时。在一个实施例中，进气溫度的变化对放热速率具有为冷却 剂溫度的变化的影响的0.89倍的影响。可直接测量进气溫度，W提供与进气溫度Tint相关联 的溫度偏项的大小。
[0060] 应意识到的是，可开发类似的评估，W确定各发动机环境因素对有效溫度Teff的贡 献。
[0061] 对于校准表的开发W及查询而言，有效溫度Teff考虑了发动机环境因素或发动机 环境因素的任何子集，包括冷却剂溫度、发动机负载、进气溫度、周围湿度、发动机海拔、燃 料溫度和燃烧室积垢。有效溫度Teff可用于前馈控制方案，W避免临界的发动机操作或发动 机不发火事件，包括在燃烧模式转换期间。
[0062] 本发明已描述了某些优选的实施例W及对所述某些优选实施例的修改。本领域的 技术人员在阅读和理解了本说明书时可想到更多的变型和变更。因此，本发明不应局限于 作为设想用于实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明应包括属于所附权 利要求的范围内的所有实施例。
【主权项】
1. 一种用于操作内燃发动机的方法，包括： 确定与发动机环境因素相对应的第一综合热态参数，所述发动机环境因素在以均质充 量压缩点火燃烧模式进行的发动机操作期间影响燃烧参数； 对应于所述燃烧参数的监测状态与所述燃烧参数的估计状态之间的差来确定所述第 一综合热态参数中的差异； 响应于所述第一综合热态参数中的差异来校正所述第一综合热态参数；以及 响应于所述校正的第一综合热态参数来控制所述内燃发动机的操作。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述第一综合热态参数包括根据以下关系计 算所述第一综合热态参数：其中，Teff表示所述综合热态参数， fdTO表示影响所述燃烧参数的一系列发动机环境因素， η表示所述发动机环境因素的数量， a〇表不偏项，以及 ai表示多个加权项，其中，所述加权项中的每个加权项与所述发动机环境因素中的一个 发动机环境因素对所述燃烧参数的影响相对应。3. 根据权利要求1所述的方法，其中，校正所述第一综合热态参数包括： 根据以下关系计算所述第一综合热态参数：其中，Teff表示所述综合热态参数， fdTO表示影响所述燃烧参数的一系列发动机环境因素， η表示所述发动机环境因素的数量， a〇表不偏项，以及 ai表示多个加权项，其中，所述加权项中的每个加权项与所述发动机环境因素中的一个 发动机环境因素对所述燃烧参数的影响相对应;以及 响应于所述燃烧参数的监测状态与所述燃烧参数的估计状态之间的差来更新所述加 权项。4. 根据权利要求1所述的方法，其中： 所述燃烧参数包括燃烧正时； 所述燃烧正时的监测状态与监测的缸内燃烧压力对应；以及 所述燃烧正时的估计状态与监测的发动机状态和发动机控制参数对应。5. 根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述第一综合热态参数包括:相对于所述发 动机环境因素的对燃烧放热的单独的影响来总计所述发动机环境因素。6. 根据权利要求5所述的方法，其中，相对于所述发动机环境因素的对燃烧放热的单独 的影响来总计所述发动机环境因素包括:所述发动机环境因素相对于它们对燃烧正时的影 响进行的总计。7. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述发动机环境因素与冷却剂温度、发动机负载 和发动机负载历史、进气温度、周围湿度、海拔、燃料品质和燃烧室积垢相对应。8. 根据权利要求1所述的方法，其中，响应于所述校正的第一综合热态参数来控制所述 内燃发动机的操作，实现所述燃烧参数的优选状态。9. 一种用于操作内燃发动机的方法，其中，控制模块执行以下步骤： 确定基于监测的燃烧参数与估计的燃烧参数之间的差调节的第一综合热态参数；以及 响应于所述调节的第一综合热态参数，控制处于均质充量压缩点火燃烧模式中的所述 内燃发动机的操作。10. -种用于操作内燃发动机的方法，包括： 确定与影响燃烧参数的发动机环境因素相对应的校正的第一综合热态参数；以及 响应于所述校正的第一综合热态参数来控制所述内燃发动机的操作。
【文档编号】F02D41/00GK105822443SQ201310018754
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2013年1月18日
【发明人】J-M.康, J-S.陈, C-F.常
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司