CN101131128A - 柴油机燃烧模式切换控制策略和模型 - Google Patents

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Abstract

提供了一种柴油机的燃烧模式切换控制系统。该系统包括：切换确定模块，该模块基于发动机速度以及燃料量与扭矩中至少之一，发出在预混合压缩点火(PCI)模式和柴油机燃烧模式中至少一个之间切换的切换请求；转换模块，该模块基于所述切换请求来指令所述PCI模式和所述柴油机燃烧模式中至少之一；控制模块，该模块基于所述指令控制目标气流量、所需燃料量和所需喷射正时中至少之一。

Description

柴油机燃烧模式切换控制策略和模型
技术领域
本发明涉及控制柴油机燃料喷射的方法和系统。
背景技术
本部分的描述仅仅提供与本发明相关的背景信息，可能不构成现有技术。
通常，具有两种主要形式的往复活塞式或回转式内燃机：柴油机和火花点燃式发动机。尽管这些发动机类型具有相似的结构和机械工艺，但是每种发动机都具有不同的运行特性。例如，为了开始燃烧，火花点燃式发动机向发动机气缸供应空气/燃料混合物，同时控制点火正时。相反，柴油机在气缸中压缩空气，同时控制燃料喷射正时，以便开始燃烧。
柴油机优于预混合增压火花点燃式发动机的主要优点之一是更高的热效率。这一般是由于柴油机提供的更高的压缩比和更稀薄的燃烧操作。柴油机的更高热效率的一个折衷是更加难以获得与火花点燃式发动机相同的排气管NOx排放水平，或者成本更高。这是由柴油机的稀空气/燃料控制性质决定的。
预混合压缩点火(PCI)为先进的柴油机燃烧技术，其具有更大的降低柴油机排放的潜力。通过PCI，在燃烧冲程中，燃料喷射到气缸的燃烧室中大大早于柴油机燃烧应当喷射的时间。在活塞达到压缩上止点(TDC)之前很多就供应所需的燃料量。在活塞达到压缩TDC之前，提前喷射的燃料与空气充分混合。因此，该技术在点火之前提供了稀薄并且混合良好状态的空气/燃料混合物。
但是，PCI燃烧仅限于低负载运行情形。因此，在其它运行条件期间，需要柴油机燃烧。因为PCI燃烧和柴油机燃烧对于废气再循环(EGR)百分比、空气/燃料比和燃料喷射正时具有不同的需求，所以涉及到如何在这两个燃烧模式之间平顺切换的问题。缺乏有效的燃烧模式切换控制会导致过多的烟尘、NOx和燃烧噪声。
发明内容
因此，提供了一种柴油机的燃烧模式切换控制系统，包括切换确定模块，该模块基于发动机速度以及燃料量与扭矩中至少之一，发出在预混合压缩点火(PCI)模式和柴油机燃烧模式中至少一个之间切换的切换请求。转换模块基于所述切换请求来指令所述PCI模式和所述柴油机燃烧模式中至少之一。控制模块基于所述指令控制目标气流量、所需燃料量和所需喷射正时中至少之一。
在其它方面，提供了一种在柴油机的预混合压缩点火模式(PCI)与柴油机燃烧模式之间切换的方法。该方法包括：基于发动机速度以及燃料量与扭矩中至少之一，发出在预混合压缩点火(PCI)模式和柴油机燃烧模式中至少一个之间切换的切换请求；基于所述切换请求来指令所述PCI模式和所述柴油机燃烧模式中至少之一；基于所述指令的模式控制目标气流量、所需燃料量和所需喷射正时中至少之一。
根据本文所提供的描述，适用性的其它方面也是显而易见的。应当理解，其描述和具体实例仅仅是示意性目的，而不是限制本公开的范围。
附图说明
本文所示的附图仅仅是示意性目的，并不是以任何方式限制本发明的范围。
图1为柴油机的功能框图；
图2为柴油机气缸的横截面图；
图3为柴油机燃烧模式切换控制系统的数据流表；
图4为示出模式转换的图表；
图5为示出协调燃烧模式切换的状态转换图；
图6示出了废气再循环控制模型；
图7示出了扭矩控制模型。
具体实施方式
实际上，下面的描述仅仅是示意性的，而不是限制本发明及其应用或使用。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的零件和特征。如本文所使用的，术语模块指的是特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或硬件程序的处理器(共享、专用或群组的)和存储器、组合逻辑电路或提供所述功能的其它合适部件。
现在参考图1，示意性地示出了典型的柴油机系统10。应当理解，实质上柴油机系统10仅仅是示意性的，本文所述的柴油机燃烧模式切换控制策略可使用在各种柴油机系统中。柴油机系统10包括柴油机12、进气歧管14、共轨燃料喷射系统16和排气系统18。典型的发动机12包括六个气缸20，这六个气缸20布置在相邻的V型气缸组22、24中。尽管图1示出了六个气缸(N＝6)，但是应当理解，发动机12可包括更多或更少的气缸20。例如，使用具有2、4、5、8、10、12和16个气缸的发动机。
空气吸入进气歧管14内，分配进气缸20中，并在气缸20中压缩。图2更加详细地示出了气缸20。燃料由共轨喷射系统16(图1)喷入气缸20的进气口31和/或直接到气缸20中。压缩空气的热量点燃空气/燃料混合物。进气门32有选择地打开和关闭，以使空气能够进入气缸20中。进气门位置由进气凸轮轴(未示出)调节。燃料喷射器33将燃料喷射到气缸20内。控制燃料喷射器33，以在气缸20内按照由柴油机燃烧模式切换控制策略确定的时间和量提供所需空气燃料(A/F)比。在气缸20的进气口处或附近可设置另外的燃料喷射器34，以虚影显示，该燃料喷射器可根据柴油机燃烧模式切换控制策略类似地控制。
活塞35在气缸20内压缩A/F混合物。热空气的压缩点燃了气缸20中的燃料，驱动活塞35。然后活塞35驱动曲轴(未示出)以产生驱动扭矩。当排气门37处于打开位置时，气缸20中的燃烧废气被排出排气口36。排气门位置由排气凸轮轴(未示出)调节。尽管只示出了一个进气门32和一个排气门37，但是应当理解，发动机12可每个气缸20包括多个进气门32和多个排气门37。
再参考图1，废气从气缸20排入排气系统18。排气系统18包括排气歧管28、30，排气管道27、29，催化剂38和柴油机微粒过滤器(DPF)40。第一和第二气缸组22、34确定了第一和第二废气部分。排气歧管28、30将废气部分从相应的气缸组22、24引导入排气管道27、29。在一些情形中，柴油机系统10包括向气缸20泵送另外的空气以便与从进气歧管14吸入的燃料和空气一起燃烧的涡轮26。废气被引入涡轮26以驱动涡轮26。混合废气流从涡轮26流过催化剂38和DPF 40。当混合废气流流向大气时，DPF 40从该混合废气流过滤掉微粒。
在一些情形中，柴油机系统可包括废气再循环(EGR)系统(未示出)。EGR系统包括调节流回进气歧管14的废气的EGR阀(未示出)。循环回进气歧管14的废气量有助于降低歧管14内的空气温度，并影响发动机扭矩输出。
控制器42根据本公开的柴油机燃烧模式切换控制策略调节柴油机系统10的运行。更具体地，控制器42确定是否需要PCI与传统的柴油机燃烧之间的切换，从而控制发动机在燃烧模式之间切换。控制器42与进气歧管增压压力(增压)传感器44、质量气流(MAF)传感器45、发动机速度传感器46和进气歧管温度传感器47通信。增压传感器44产生表明进气歧管14中空气压力的信号。MAF传感器45基于进入发动机12的空气流产生MAF信号。发动机速度传感器46产生表明发动机速度(RPM)的信号。进气歧管温度传感器47基于进气歧管14中的空气温度产生温度信号。废气压力传感器48基于从涡轮26流出的废气压力产生废气压力信号。
现在参考图3，数据流图表示出了可嵌在控制器42内的柴油机燃烧模式切换控制系统49的实施例。根据本公开的柴油机燃烧模式切换控制系统49的各种实施例可包括任意数量的嵌在控制器42内的子模块。所示子模块可组合在一起和/或进一步划分开，以类似地控制燃烧模式。在各种实施例中，图3的控制器42包括切换确定模块50、转换模块52、空气/EGR估计模块54和空气/燃料控制模块56。
切换确定模块50接收输入的发动机运行参数，例如发动机速度58和实际燃料量57(由控制器42内的其它子模块确定)。切换确定模块50基于运行参数确定是否需要PCI模式与柴油机燃烧模式之间的转换。如果需要转换，那么切换确定模块50向转换模块52输出切换请求60。空气/EGR估计模块54接收输入的发动机运行参数，例如发动机速度58、实际燃料量57、质量气流70、进气歧管内的增压压力72、进气歧管内的温度74和废气压力76。空气/EGR估计模块54确定是否满足PCI或柴油机燃烧的空气/EGR需求。空气/EGR估计模块向转换模块52输出空气/EGR条件78。
转换模块52接收切换请求60和空气/EGR条件78作为输入。转换模块52基于空气(如果切换至柴油机燃烧)或EGR(如果切换至PCI)的条件协调何时以及怎样在燃烧模式之间转换。一旦转换模块52确定了要转换至的适当模式，那么就向空气/燃料控制模块56输出所需的模式80。空气/燃料控制模块56接收模式80和发动机运行参数作为输入，例如发动机速度58、实际燃料量57、质量气流70、实际喷射正时82和所需扭矩84。空气/燃料控制模块56确定怎样控制在PCI模式和柴油机燃烧模式之间的切换和运行。更具体地，空气/燃料控制模块56控制空气目标56、燃料喷射量88和所需正时90。下面对柴油机燃烧模式切换控制系统49的细节进行更加详细的描述。
现在参考图4，对图3的切换确定模块50进行更加详细的描述。切换确定模块50确定是否需要在PCI模式与柴油机燃烧模式之间进行切换。其策略设计成优化以下目标，即使两个燃烧模式之间的切换最少、以及使PCI燃烧时间最长以利用低排放水平的PCI燃烧。
图4示出了标记为A-E的五个发动机运行点转换状况。发动机的运行情形分为三个燃烧模式：柴油机燃烧模式100、PCI模式102和滞后或转换模式104。切换请求60基于沿着y轴106所示的燃料量和沿着x轴108所示的发动机速度来确定。在其他实施例中，基于扭矩和发动机速度确定切换请求60。确定切换请求60的策略基于下面所述的转换状况。
状况A示出了当燃烧模式保持在PCI与柴油机模式之间的滞后区域(未发生切换)时的燃料和速度需求。状况B示出了当燃烧模式从柴油机燃烧模式100切换为PCI模式102并保持在PCI模式102中一段时间时的燃料和速度需求。状况C示出了当燃烧模式从PCI模式102切换为柴油机燃烧模式100并保持在柴油机燃烧模式100中一段时间时的燃料和速度需求。
状况D示出了当燃烧模式从柴油机燃烧模式100切换为PCI模式102，然后只保持PCI模式102一小段时间之后就切换回柴油机燃烧模式时的燃料和速度需求。当确定为该状况时，其切换实际上限制为保留在柴油机燃烧模式100内一定的延时时间(未发生实际切换)。在该状况期间，切换请求60恰当地设定为反映该限制。这防止了仅短时间段内至PCI燃烧的不必要的来回切换。
状况E示出了当燃烧模式从PCI模式102切换为柴油机燃烧模式100，然后只保持柴油机燃烧模式100一小段时间之后就切换回PCI模式102时的燃料和速度需求。在这种情形下必须发生切换。这是由于PCI燃烧只可运行在低负载运行条件下。
现在参考图5，现在对图3的转换模块52进行更加详细的描述。因为PCI与柴油机燃烧的运行条件需求有很大的不同，所以在发出模式切换请求60之后，无法立刻从一个模式切换到另一个模式。因此，当向转换模块52提交模式切换请求60时，转换模块52会在恰当的时刻和恰当的情形之下协调燃烧模式切换。转换模块52包括执行该功能的燃烧模式切换协调子系统(CMSCS)。
如图5的状态图中所示，当CMSCS接收到切换为不同燃烧模式的切换请求60时，其模式将首先设定为转换模式。转换模式可为柴油机燃烧至PCI转换模式110和PCI至柴油机燃烧转换模式112中至少一个。例如，如果初始模式为柴油机燃烧模式100，那么在接收到切换为PCI模式102的切换请求60之后，CMSCS将把其模式切换为柴油机燃烧至PCI转换模式110。当处于该模式中时，CMSCS会检查从图3的空气/EGR估计模块54接收到的空气/EGR条件。如果空气/EGR条件表明EGR充足，那么CMSCS将把模式切换为PCI模式102。否则，如果在空气/EGR条件78表明EGR已准备好之前接收到切换回柴油机燃烧模式100的切换请求，那么CMSCS将模式切换回柴油机燃烧模式100。该策略保证了只有当达到适当的条件(例如空气和EGR百分比)时，才进入所需的燃烧模式。
类似地，如果初始模式为PCI模式102，那么在接收到切换为柴油机燃烧模式100的切换请求60之后，CMSCS将把其模式切换为PCI至柴油机燃烧转换模式112。当处于该模式中时，CMSCS会检查从图3的空气/EGR估计模块54接收到的空气/EGR条件。如果空气/EGR条件表明空气/EGR充足，那么CMSCS将把模式切换为柴油机燃烧模式100。否则，如果在空气/EGR条件78表明空气/EGR已准备好之前接收到切换回PCI模式102的切换请求，那么CMSCS将模式切换回PCI模式102。
现在参考图6，对图3的空气/EGR估计模块54进行更加详细的描述。该子系统包括实时预估计子模块120和目标比较子模块122。估计子模块120基于各种测量参数，例如发动机速度、质量气流量、燃料量、增压压力、进气温度和排气压力，估计进气歧管中的EGR百分比和氧气百分比。目标比较子模块122计算目标值，并将估计的EGR和氧气百分比与目标值进行比较，以确定是否满足PCI或柴油机燃烧的空气/EGR需求。空气/EGR条件基于上述需求是否满足来设定。该空气/EGR条件输出到图3的转换模块52，以确定发动机所需的适当燃烧模式。
现在参考图7，对图3的空气/燃料控制模块56进行更加详细的描述。该子系统控制气缸的空气和燃料，以在燃烧模式切换期间获得平顺的转换。空气/燃料控制模块56基于由图3的转换模块52确定的模式来确定质量气流量、燃料喷射量和燃料喷射正时的目标值。在PCI模式和柴油机燃烧模式期间，质量气流量、燃料喷射量和燃料喷射正时基于发动机速度和燃料量(或扭矩)来确定。在典型的实施例中，对于各模式使用不同的质量气流量、燃料喷射量和燃料喷射正时查寻表。该查寻表可为以发动机速度和燃料量(或扭矩)为索引的二维表格。
在转换模式期间，基于发动机速度和燃料量(或扭矩)确定质量气流量目标和所需的燃料喷射正时。在典型实施例中，对于各转换模式使用不同的质量气流量和燃料喷射正时查寻表。该查寻表可为以发动机速度和燃料量(或扭矩)为索引的二维表格。但是，在转换模式期间，采用图7中所示的扭矩控制子系统来调整燃料喷射量，使得保持所需的扭矩，并获得燃烧模式之间的平顺转换。
在图7中，扭矩估计子模块124基于燃烧模式、燃料量、质量气流量、喷射正时和发动机速度确定估计的扭矩。在126处从确定的所需扭矩减去估计的扭矩。反转扭矩子模块128基于扭矩差和其它发动机运行参数，例如发动机速度、估计的扭矩和燃烧模式来确定燃料调节值。然后在130处将燃料调节值加到实际燃料量，并输出为所需的燃料量。然后使用所需的燃料量控制气缸的燃料。
本领域的技术人员从前面的描述应当理解，本发明广泛的教导可以多种形式执行。因此，尽管根据其特定实施例描述了本发明，但是由于通过对附图、说明书和所附权利要求的研究，其它修改对于技术人员也是显而易见的，所以本发明的实际范围不应当这样限制。

Claims (21)

1.一种柴油机的燃烧模式切换控制系统，包括：
切换确定模块，该模块基于燃料量与扭矩中至少之一以及发动机速度，发出在预混合压缩点火(PCI)模式和柴油机燃烧模式中至少一个之间切换的切换请求；
转换模块，该模块基于所述切换请求来指令所述PCI模式和所述柴油机燃烧模式中该至少之一；和
控制模块，该模块基于所述指令控制目标气流量、所需燃料量和所需喷射正时中至少之一。
2.如权利要求1所述的系统，还包括空气估计模块，该模块确定流入发动机的空气的当前状态，其中所述转换模块基于所述状态指令所述PCI模式和所述柴油机燃烧模式中该至少之一。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述空气估计模块基于从废气再循环(EGR)流出的空气百分比是否足以允许发生切换来确定气流的当前状态。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述空气估计模块基于燃料量、扭矩、发动机速度、质量气流量、进气歧管中的增压压力、进气歧管中的温度和排气压力中至少一个来确定气流的当前状态。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述转换模块在接收到所述切换请求之后，指令柴油机燃烧至PCI转换模式和PCI至柴油机燃烧转换模式中至少之一，并且直到至少有一个状态表示气流足以适应所述切换请求和接收到表示切换回前一模式的后续切换请求。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述控制模块基于所述模式、发动机速度、以及实际燃料喷射量和扭矩中至少之一来控制目标气流量、所需燃料喷射量和所需燃料喷射正时。
7.如权利要求6所述的系统，其中在所述PCI模式和所述柴油机燃烧模式期间，所述控制模块对于各所述PCI模式和所述柴油机燃烧模式基于不同的目标气流量、所需燃料喷射量和所需燃料喷射正时查寻表来控制目标气流量、所需燃料喷射量和所需燃料喷射正时，其中所述查寻表通过实际燃料喷射量和扭矩中至少之一以及发动机速度来索引。
8.如权利要求5所述的系统，其中在柴油机燃烧至PCI转换模式和PCI至柴油机燃烧转换模式期间，所述控制模块对于各柴油机燃烧至PCI转换模式和PCI至柴油机燃烧转换模式基于不同的目标气流量和燃料喷射正时查寻表来控制目标气流量和燃料喷射正时，其中所述查寻表通过实际燃料喷射量和扭矩中至少之一以及发动机速度来索引。
9.如权利要求5所述的系统，其中在柴油机燃烧至PCI转换模式和PCI至柴油机燃烧转换模式期间，所述控制模块基于所需扭矩、实际燃料量、发动机速度、质量气流量和喷射正时来控制所需的燃料量。
10.如权利要求5所述的系统，其中在柴油机燃烧至PCI转换模式和PCI至柴油机燃烧转换模式期间，所述控制模块对于各柴油机燃烧至PCI转换模式和PCI至柴油机燃烧转换模式基于不同的目标气流量、所需燃料喷射量和所需燃料喷射正时查寻表中至少之一来控制目标气流量、所需燃料喷射量和所需燃料喷射正时，其中所述查寻表通过实际燃料喷射量和扭矩中至少之一以及发动机速度来索引。
11.如权利要求5所述的系统，其中在柴油机燃烧至PCI转换模式和PCI至柴油机燃烧转换模式期间，所述控制模块基于所需扭矩、实际燃料量、发动机速度、质量气流量和喷射正时来控制目标气流量、所需燃料喷射量和所需燃料喷射正时。
12.一种在柴油机的预混合压缩点火(PCI)模式与柴油机燃烧模式之间切换的方法，包括：
基于燃料量与扭矩中至少之一以及发动机速度，发出在预混合压缩点火(PCI)模式和柴油机燃烧模式中至少一个之间切换的切换请求；
基于所述切换请求来指令所述PCI模式和所述柴油机燃烧模式中至少之一；和
基于所述指令的模式控制目标气流量、所需燃料量和所需喷射正时中至少之一。
13.如权利要求12所述的方法，还包括基于发动机的气流运行情形确定气流状态，其中基于所述气流状态指令所述PCI模式和所述柴油机燃烧模式中该至少之一。
14.如权利要求13所述的方法，包括在发出所述切换请求之后，指令柴油机燃烧至PCI转换模式和PCI至柴油机燃烧转换模式中至少之一。
15.如权利要求12所述的方法，包括：
基于所述模式、发动机速度、以及实际燃料量和扭矩中至少之一来确定所述目标气流量；和
基于所述模式、发动机速度、以及实际燃料量和扭矩中至少之一来确定所需燃料喷射正时。
16.如权利要求14所述的方法，包括当所述模式指令为所述柴油机燃烧至PCI转换模式和所述PCI至柴油机燃烧转换模式时，基于所需的扭矩、发动机速度、质量气流量、喷射正时、以及实际燃料量和扭矩中至少之一来确定所需的燃料量。
17.如权利要求14所述的方法，包括在所述柴油机燃烧至PCI转换模式和所述PCI至柴油机燃烧转换模式期间确定所需燃料量，其中所述确定包括：
基于当前燃烧模式、实际燃料量、质量气流量、喷射正时和发动机速度估计扭矩值；
确定估计的扭矩与所需扭矩之间的差；
基于所述差和发动机运行参数确定燃料调节值；以及
将所述燃料调节值加到所述实际燃料量，以获得所需燃料量。
18.如权利要求13所述的方法，所述确定气流状态还基于发动机速度、燃料量、扭矩、质量气流量、发动机进气歧管中增压压力、进气歧管中温度和排气压力中至少之一。
19.如权利要求13所述的方法，所述确定气流状态包括：
估计废气再循环(EGR)流入柴油机进气歧管内的百分比；
估计所述进气歧管内的氧气百分比；
计算所述进气歧管的目标废气再循环水平；
计算所述进气歧管的目标氧气水平；以及
基于估计的EGR百分比与目标EGR的比较和估计的氧气百分比与目标氧气的比较来设定所述气流状态。
20.如权利要求12所述的方法，包括：
基于所述模式、发动机速度、以及实际燃料量和扭矩中至少之一来确定所述目标气流量；和
基于所述模式、发动机速度、以及实际燃料量和扭矩中至少之一来确定所需燃料量。
21.如权利要求12所述的方法，包括：
基于所述模式、发动机速度、以及实际燃料量和扭矩中至少之一来确定所需燃料量；
基于所述模式、发动机速度、以及实际燃料量和扭矩中至少之一来确定所需燃料喷射正时。
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