CN101427258A - 均质充量压燃发动机操作 - Google Patents
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Abstract
通过按照表示发动机操作的平衡设定点的校准数据集控制多个发动机操作参数,来操作均质充量压燃发动机,该校准数据集的特征在于燃烧相位对汽缸充气温度偏差具有相对最小的敏感度。
Description
技术领域
本发明涉及均质充量压燃(HCCI)发动机。
背景技术
在均质充量压燃(HCCI)发动机中,燃烧是无焰的,并且自发地在整个汽缸容积内发生。随着汽缸充气(cylinder charge)被压缩且其温度上升,经均匀混合的汽缸充气将自动点火。自动点火燃烧的点火正时(ignition timing)很大程度上取决于最初的汽缸充气条件,例如温度、压力和成份。因此,为了保证稳健的HCCI燃烧,协调发动机的输入,例如燃料质量(fuel mass)、喷射正时(timing)和阀动(valve motion)就显得尤为重要。根据阀动,HCCI发动机中有两种主要的操作策略——排气再压缩(exhaust recompression)策略和排气再呼吸(exhaust re-breathing)策略。
在排气再压缩策略中,通过在排气冲程早期关闭排气阀来阻陷来自之前的发动机循环中的热排气气体,同时用与排气阀关闭正时相对称的延迟正时来打开进气阀,来控制汽缸充气温度。在这一阀策略中,汽缸充气成份和温度取决于在排气冲程期间多早关闭排气阀。例如,若在排气冲程期间较早地关闭排气阀,来自之前发动机循环的大多数热排气气体将被阻陷在汽缸中,使得汽缸中用于新鲜空气的体积较少,从而增加了汽缸的温度,同时降低了汽缸中氧含量。在排气再压缩策略中,排气阀关闭正时(相应地,进气阀打开正时)典型地通过阀重叠(valve overlap)来量化,所述阀重叠是负数。该负阀重叠(NVO)被定义为排气阀关闭和进气阀打开之间的曲柄角的持续时间。因此,该最初的汽缸充气条件很大程度上取决于进气和排气阀正时。
相反地,在排气再呼吸策略中,通过在进气冲程期间再次打开排气阀以将热排气气体再次吸入汽缸中,来控制汽缸充气温度。在这一阀策略中,汽缸充气成份和温度取决于在进气冲程期间再次打开的排气阀的升程(lift)。与排气再压缩策略类似,如果在进气冲程期间排气阀再次打开得更高,更多的来自先前发动机循环的热排气气体将被再次吸入汽缸中,使得用于新鲜空气的汽缸容积变小,结果增加了汽缸温度,同时降低了汽缸中氧含量。在这种情况下,最初的汽缸充气条件很大程度上取决于第二次打开排气阀的升程和/或持续时间。
不论是排气再压缩策略还是再呼吸策略,需要HCCI发动机的输入(例如阀正时、EGR阀打开、喷射正时等)的迅速改变,从而维持充足的热能以在负载/速度瞬变期间成功地进行自动点火燃烧。因此,精确快速的致动器控制对于设定点(set-point)之间的成功过渡是必要的,同时还要求那些设定点对于在瞬变操作(transient operation)期间不可避免引入的干扰是稳健的。另外,HCCI对下列操作因素较为敏感,这些操作因素例如环境温度、发动机冷却剂的温度、海拔、湿度等,这些都使得实现稳健且稳定的控制更富挑战性。
发明内容
通过使用描述HCCI发动机的燃烧特性的发动机模型,本发明为HCCI发动机提供了稳健的操作设定点。本发明中使用的模型由两个子模型组成:气体交换过程模型(GEM)和HCCI燃烧过程模型(CM)。
一种用于操作均质充量压燃发动机的方法包括提供校准(calibration)数据集,该数据集位于表示多个发动机操作参数中的发动机操作的平衡设定点的数据空间中。这些设定点的特征在于,燃烧相位对汽缸充气温度偏差具有相对最小的敏感度。该发动机操作参数按照所述校准数据集进行控制,并且可以包括例如发动机阀型线(valve profile)参数、发动机加燃料(fueling)参数和发动机排气气体再循环参数。此外,该发动机操作参数可包括发动机火花参数和进气节气门(intake air throttle)参数。
附图说明
对于特定部件和部件配置,本发明的实施例可以采取物理的形式,它们的优选实施例会被详细描述,并在构成详细描述一部分的附图中被示出,在附图中:
图1所示为能够根据本发明操作的示例性的单汽缸汽油直接喷射四冲程内燃机的示意图;
图2所示为根据本发明的示例性控制器的概略图,在各种稳态和瞬变操作期间,利用该控制器可以维持稳健的受控自动点火燃烧;
图3所示为对应于根据本发明的气体交换模型的进气阀关闭时的气缸充气温度相对于排气温度的特性曲线的数据曲线图;
图4所示为显示本发明模型中的平均能量释放率(AERR)与实验数据的一致性的数据曲线图;
图5所示为对应于依据本发明的HCCI燃烧过程模型的进气阀关闭时的汽缸充气温度相对于排气温度的特性曲线的数据曲线图;
图6所示为对于两个示例性空气/燃料比率,对应于根据本发明的气体交换模型和HCCI燃烧过程模型的进气阀关闭时的汽缸充气温度相对于排气温度的覆盖曲线的数据曲线图;
图7所示为进气阀关闭时的汽缸充气温度相对于排气气体温度的热平衡曲线的数据曲线图,该热平衡曲线对应于根据本发明而得到的对于0%和4%EGR在预定加燃料速率时的气体交换模型和HCCI燃烧过程模型;
图8所示为对于不具备外部EGR的发动机操作,在不同稳态发动机负载和其之间的过渡的期望的燃烧相位的各种数据曲线图;和
图9所示为对于具备外部EGR的发动机操作,在不同稳态发动机负载和其之间的过渡的期望的燃烧相位的各种数据曲线图。
具体实施方式
首先具体参照图1,数字标号10一般指示例性的单汽缸直接喷射四冲程内燃机的示意表示。在该图中,活塞11在汽缸12中是可移动的,并且与汽缸12定义了容积可变的燃烧腔13。进气通道14将空气提供至燃烧腔13。进入燃烧腔13的空气流由进气阀15控制。燃烧后的气体可以经由排气通道16从燃烧腔13流出,该排气通道16受排气阀17控制。
示例性的发动机10具有液压控制的带电子控制器18的气阀机件,其中该电子控制器18是可编程的并且液压地控制进气阀15和排气阀17的打开和关闭。电子控制器18将顾及由两个位置换能器19和20所测得的进气阀15和排气阀17的位置,控制进气阀15和排气阀17的运动。这种液压控制的阀系统通常被认为是就建立在升程(lift)、持续时间和相位中所需的阀型线而论是完全灵活的。同样已知的是包括例如多步骤凸轮和独立进气/排气移相器的可替代的气阀机件结构被用于实现有益于HCCI操作的汽缸内(in-cylinder)条件。控制器18还将参照发动机的角位置,如由连接至发动机曲轴22的旋转传感器21所指示的。类似地,在发动机控制中可以采用各种其它传感器,如本领域技术人员已知的,包括的非穷举示例如发动机排气温度、排气组分传感器、质量空气流量、歧管/环境压力和温度。曲轴22通过连接杆23连接至在汽缸12内往复运动的活塞11。由电子控制器18控制的汽油直接喷射器24被用于将燃料直接喷射到燃烧腔13中。可以非常均衡地由多个分离而相互协同的控制器来执行可归属为控制器18的各种功能,其中这些控制器适用于各种任务。
同样由电子控制器18控制的火花塞25被用于加强在某些条件下(例如,在冷启动期间和在接近低负载操作极限的情形下)发动机的点火正时控制。并且,在带有节流(throttled)或非节流(non-throttled)SI操作的受控自动点火燃烧和高速/负载操作条件下,依靠在高的部分负载操作极限(part-load operationlimit)附近的火花点火被证明是更为可取的。
该发动机被设计为用燃料喷射汽油或类似混合物运行,对在扩展范围的发动机速度和负载下的HCCI燃烧不进行节流,这可能包括发动机起动。然而,在不益于HCCI操作和获得最大发动机功率的情况下,火花点火和节气门受控操作可以与传统的或改良的控制方法一起使用。适用的加燃料策略可包括直接汽缸喷射、进气道燃料喷射或节流体燃料喷射。广泛可用的各种型号的汽油和其的轻乙醇混合物(light ethanol blend)是优选燃料;然而,可替代的液体和气体燃料也可以被用于本发明的实施,例如更高的乙醇混合物(例如,E80,E85)、纯(neat)乙醇(E99)、纯甲醇(M100)、天然气、氢气、沼气、各种重整油、合成气等。
下述的控制系统和方法尤其涉及用可包括火花点火备份(spark ignitionbackup)的HCCI燃烧操作的发动机。该燃烧控制系统包括一个或多个计算机或控制器,所述计算机或控制器适于反复执行根据本发明的燃烧控制方法中的一系列步骤或功能。
图2显示了发动机控制器40的示意图,利用该控制器可以在稳态和瞬变操作期间实现稳健的受控自动点火燃烧。控制器40包括前馈控制42和反馈控制44,它们与典型的汽油直接喷射发动机46的相关组件相连接。
该前馈控制42实现快速系统响应。基于期望的负载和发动机操作模式条件,从查找表57中计算所需的燃料喷射正时(FI)和脉冲宽度(加燃料速率)48、阀致动(包括负阀重叠(NVO))50、火花正时(sparktiming,SI)52、节气门位置54及EGR阀位置56以控制燃烧相位。同时,根据当前的发动机操作条件和驾驶者的负载需求,可变速率限制器58、60、62、64、66用于补偿该系统中的不同动态(dynamics),例如,空气和燃料动态。
在剧烈的负载瞬变期间,仅仅使用带有校准的查找表的前馈控制42来维持稳健受控的自动点火燃烧。虽然这里没有强调,反馈控制用于进一步加强整个系统的稳健性。
在HCCI(均质充量压燃)发动机操作的快速负载瞬变期间的前馈控制42的一般操作中,到发动机的输入被设置为等于(例如,与其同步)对应当前的加燃料速率的稳态输入,所述输入至少包括火花正时(SI)、燃料喷射正时(FI)和阀正时(以及某处用到的节气门位置和EGR阀位置)。预校准的稳态输入被储存在查找表57中,并且通过在查找表中内插稳态输入的值来确定发动机输入。
示例性HCCI控制的进一步细节在2006年3月2日提交的共同受让的美国专利申请NO.11/366,217(代理人案号GP306189)中可以找到,其内容在此引入以供参考。
该前馈控制器42是基于广泛的校准而设计的,以确保在稳态操作条件下实现成功的HCCI燃烧。尽管如此,仅仅使用前馈控制,燃烧相位将受到干扰和/或环境变化的影响。干扰包括例如发动机速度和负载的显著或快速变化,这是在车辆发动机操作中必然会出现。本发明提供了一种系统性的方法或指导方针来有效地校准该设定点,并且减少对用于稳健瞬态性能的反馈控制的依赖。
假设HCCI发动机在具有恒定加燃料速率(fueling rate)和恒定进气歧管温度的非节流条件下,以恒定的发动机速度运转。此外,为了简化建模而使用下述假设。
(A.1)进气歧管和排气歧管压力是恒定的。
(A.2)IVC(进气阀关闭)时的压力等于进气歧管压力。
(A.3)EVC(排气阀关闭)和IVO(进气阀打开)被固定在进气TDC前后的对称正时。
(A.4)一旦确定了阀动(无论来自排气再压缩策略或排气再呼吸策略),通过阀动阻陷在汽缸中的排气气体和进气充气的局部压力将保持恒定。
(A.5)每单位质量的比热,Cp,Cv,并从而γ=Cp/Cv在整个发动机循环中保持恒定。
(A.6)汽缸中喷射的燃料质量(fuel mass)充分燃烧,即燃烧效率为100%。
气体交换过程模型关注于气体交换过程之后的汽缸充气温度。一旦给定了该排气气体温度Texh和阀型线(即来自排气再压缩策略或排气再呼吸策略的进气和排气阀的升程、持续时间和相位的组合),就可以基于(A.2)、(A.4)、能量守恒和理想气体定律,依照下面的关系式对下次燃烧循环的IVC时的汽缸充气温度(Tivc)进行代数建模:
pi=pip+pep (2)
其中,Tint为进气温度,pi为进气歧管压力,pip为进气充气的分压,pep为阻陷在汽缸中的排气气体的分压。
假定只要根据(A.4)确定了阀动,pep和pip保持恒定。图3显示了来自气体交换过程模型的典型曲线,其示出了给定确定的阀型线排气气体温度(Texh)和下一个发动机循环中在IVC时的汽缸充气温度(Tivc)之间的关系。燃烧排气气体温度(Texh)和在IVC时的气缸充气温度(Tivc)的相关性用实曲线GEM表示。可以看出,Tivc随着排气气体温度的升高而单调升高,并且其上界符合下述关系式:
HCCI燃烧所释放的能量主要取决于汽缸充气的温度和氧气浓度。平均能量释放率(AERR)被定义为燃料质量(fuel mass)的平均燃烧率,并且可以按照下述关系式来表示:
其中,a、b、c为调整参数,Vc为汽缸的余隙容积,R为气体常量,¢为供应的燃料/空气当量比,E为批量燃烧(bulk combustion)过程中的活化能,DR为给气比(delivery ratio),TAVE为燃烧期间的平均燃烧温度。给气比被定义为吸入的新鲜空气质量与在进气歧管压力和温度下填充满汽缸工纵积(displacement volume)的空气质量的比率。假定HCCI燃烧在燃烧TDC开始,此时在自燃发生前汽缸的温度和压力达到它们的最大值,并且平均燃烧温度(TAVE)近似地符合如下关系式:
其中,TTDC和TEOC分别为燃烧TDC时的温度和燃烧结束时的温度。TTDC和TEOC可以按照如下关系式从有限压力发动机循环(limited-pressureengine cycle)中得出:
TTDC=TIVCrγ-1,
其中, ,VIVC为IVC时的汽缸容积,VEOC为燃烧结束时的汽缸容积,mf为给定的燃料质量,QLHV为燃料的低热值。由于假定了燃烧从燃烧TDC时开始,β成比例于燃烧持续时间。在排气阀打开时的排出气体(blow-downgas)温度Tbd,可以根据下面的关系式从有限压力发动机循环中得出:
考虑到传递到汽缸壁的热量,排气气体温度按照如下关系式进行建模:
Texh=αTbd+(1-α)Tw (8)
其中,Tw为汽缸壁温度,α为作为操作条件的函数的可校准参数,所述操作条件例如发动机速度、充气温度等。
基于从单汽缸HCCI发动机收集的实验数据对AERR模型进行调整。在实验期间,发动机速度和加燃料速率分别在1000到2000rpm和7到18mg/循环之间变化,并且空气-燃料比率在理想配比(stoichiometry)至30:1之间变化。在燃烧结束时,可按照如下关系式来确定AERR:
其中,θEOC为燃烧TDC之后,燃烧结束时的曲柄角度。图4显示了从关系式(4)计算出的AERR和基于对实验数据的热量释放分析而使用关系式(9)计算出的AERR。图4显示出根据模型所预测的AERR与从实验数据中得到的AERR在合理的精度范围内是吻合的。一旦AERR模型被调整,给定操作条件,燃烧结束可以通过使关系式(4)和关系式(9)相等,并且可以通过数值求解该方程而得到。
图5显示了HCCI燃烧过程模型的典型结果,其说明了在固定阀型线和气体交换过程的情况下在IVC时的气缸充气温度(Tivc)和HCCI燃烧之后排气气体温度(Texh)之间的关系。虚曲线说明了在恒定的β或其等同值、恒定的燃烧持续时间的情况下在IVC时的汽缸充气温度和HCCI燃烧之后的排气气体温度之间的关系。因此,该虚曲线为恒定燃烧持续时间的曲线。
通过检查对应于气体交换过程和燃烧过程模型的那些平衡点周围的燃烧相位的敏感度,可以对HCCI燃烧的特性进行研究。图6显示了当加燃料速率固定在11mg/循环且不带有外部EGR,进气温度为90摄氏度,发动机速度等于1000rpm并且空气-燃料比率分别等于20:1和26:1时,使分别从气体交换过程模型和燃烧过程模型计算得出的Tivc和Texh相关的温度曲线GEM、CM,。
热平衡点可以在来自气体交换过程和燃烧过程模型的两条相应曲线GEM和CM的交点得到。可以按照图6中所显示的那些曲线来建立排气气体温度轨迹,从而检查平衡点的稳定性。例如图6中示出空气-燃料比率等于20:1时得到的平衡点趋于稳定,而在空气-燃料比率等于26:1时的平衡点可能趋于稳定,也可能为一稳定有限循环的中心。还可以看到,当β增加时,燃烧持续时间变得对Tivc极为敏感,这说明燃烧持续时间对于Tivc的敏感度与燃烧持续多长时间密切相关。基于这一观察,通过检查处在各种操作条件下的模型的那些热平衡点的β值的敏感度,可以研究HCCI发动机的自动点火燃烧的敏感度。
从而,图7显示了从在1000rpm时加燃料速率等于11mg/循环,恒定进气温度为90摄氏度,无外部EGR(曲线601)和具有4%外部EGR(曲线603)的情形下的模型中获得的热平衡曲线。该图还显示了在不考虑外部EGR的情况下,当阀型线固定在两个设置(对应于GEM1和GEM2)中的任意一个,从而使得进气充气的分压分别保持48.3kPa和31.6kPa不变时的平衡点。图7显示了燃烧持续时间和燃烧相位(例如,CA50)一般将随着外部EGR的增加而增加(即增加β)。在另一方面,图7还显示了在特定操作条件下,外部EGR可以降低对Tivc的燃烧敏感度。例如,从图7中可以看出,不具有外部EGR且进气分压等于48.3kPa(标记为A)的燃烧持续时间与具有4%外部EGR且进气分压等于40.6kPa(标记为B)的燃烧持续时间相同(即β=1.48)。尽管如此,在具有外部EGR时,燃烧持续时间对于Tivc的敏感度将显著降低,并且该操作条件(标记为B)被认为是对于给定的燃烧持续时间β=1.48,用于稳健的负载瞬变性能的优选设定点。因此,对于给定燃烧持续时间或相位的优选控制设定点是那些相对于汽缸充气温度Tivc的变化显现、导致或允许最小燃烧持续时间或相位变化的点。
为了验证模型的预测,使用多汽缸HCCI发动机进行两个负载瞬变实验。在实验期间,发动机按照排气再压缩策略以2000rpm的发动机速度运转,并且加燃料速率从7mg/循环变为11mg/循环。实验中的发动机按照未节流的HCCI燃烧进行操作,并且包括以预定的外部EGR值、内部EGR设置、以及进气和排气气体的已燃烧气体分量设定点(burned gas fraction set point)操作该发动机。以闭环控制实现对外部EGR和内部EGR设置的反复调整,以使得排气和进气气体已燃气体分量移向它们的设定点。由曲柄角(CA50)中的燃料燃烧点的50%所指示的燃烧相位的期望值分别被设置为,在燃料为7mg/循环时是7度ATDC,并且在燃料为11mg/循环时是9度ATDC。在第一个实验中,空气-燃料比率的期望值分别在燃料为7mg/循环时被设置为18.5,在燃料为11mg/循环时设置为16,以使得不论在燃料为7mg/循环还是11mg/循环时,在不具有稳态的外部EGR的情况下都能够实现所期望的燃烧相位。实验结果显示在图8中。
图8显示了尽管在排气(tip-out)期间燃烧被成功维持,但在进气(tip-in)期间会出现不点火/部分燃烧。这意味着在所选择的设定点的燃烧对于瞬变期间的干扰不稳健,即使在稳态下燃烧非常稳定。在第二个实验中,空气-燃料比率的期望值分别在燃料为7mg/循环时被设置为16,在燃料为11mg/循环时被设置为15,以使得不论在燃料为7mg/循环还是11mg/循环时,在具有稳态的外部EGR的情况下实现所期望的燃烧相位(分别为7度ATDC和9度ATDC)。该实验结果显示在图9中,由图中可见,无论在进气(tip-in)还是排气(tip-out)期间,都没有发生不点火/部分燃烧。这就意味着,在所选择的设定点的燃烧对于瞬变期间的干扰是稳健的,这与第一个实验相反。
虽然本发明通过参照特定的优选实施例来进行描述,但本领域技术人员应该理解,在所描述的本发明构思的精神和范围内,可以做出多种改变。相应地,本发明并不试图局限于所公开的实施例,而应由随后所附的权利要求书的表述所允许的全部范围来限定。
Claims (11)
1、一种用于操作均质充量压燃发动机的方法,包括;
提供校准数据集,该数据集位于表示在多个发动机操作参数中的发动机操作的平衡设定点的数据空间中,在这些平衡设定点处燃烧相位对汽缸充气温度偏差具有相对最小的敏感度;并且
按照所述校准数据集控制发动机操作参数。
2、如权利要求1所述的用于操作均质充量压燃发动机的方法,其中所述多个发动机操作参数包括发动机阀型线参数、发动机加燃料参数和发动机排气气体再循环参数中的至少一个。
3、如权利要求2所述的用于操作均质充量压燃发动机的方法,其中所述多个发动机操作参数进一步包括发动机火花参数和进气节气门参数中的至少一个。
4、一种用于操作均质充量压燃发动机的方法,包括;
为汽缸气体交换过程和汽缸燃烧过程的每一个提供燃烧排气气体温度和汽缸充气温度的多个平衡数据集,每一数据集对应于一组相应的预定发动机操作条件;以及
基于来自该多个平衡数据集的平衡数据来选择发动机操作设定点,所述操作设定点呈现出燃烧持续时间对汽缸充气温度偏差的最小敏感度。
5、如权利要求4所述的用于操作均质充量压燃发动机的方法,其中汽缸充气温度包括进气阀关闭时的汽缸充气温度。
6、如权利要求4所述的用于操作均质充量压燃发动机的方法,包括对应于预定的进气和排气阀型线的所述汽缸气体交换过程。
7、如权利要求4所述的用于操作均质充量压燃发动机的方法,包括对应于预定的燃料供应的所述汽缸燃烧过程。
8、一种用于操作均质充量压燃发动机的方法,包括:
提供对应于汽缸气体交换的燃烧排气气体和汽缸充气的第一相关温度数据;
提供对应于汽缸燃烧的燃烧排气气体和汽缸充气的第二相关温度数据;
建立对应于所述第一和第二温度数据之间的平衡的平衡温度数据;
在恒定燃烧持续时间提供燃烧排气气体和汽缸充气的第三相关温度数据;以及
基于该平衡温度数据和该第三相关温度数据,选择发动机操作设定点。
9.如权利要求8所述的用于操作均质充量压燃发动机的方法,其中基于该平衡温度数据和该第三相关温度数据,选择发动机操作设定点包括:
选择发动机操作设定点为呈现出燃烧持续时间对汽缸充气温度的最小敏感度的平衡数据的子集。
10.如权利要求8所述的用于操作均质充量压燃发动机的方法,包括与预定的进气和排气阀型线相对应的第一相关温度数据。
11.如权利要求8所述的用于操作均质充量压燃发动机的方法,包括与预定的燃料供应相对应的第二相关温度数据。
12.如权利要求8所述的用于操作均质充量压燃发动机的方法,其中汽缸充气的温度数据基本上与进气阀关闭相对应。
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