CN101532445A - Hcci/si燃烧转换控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及HCCI/SI燃烧转换控制系统和方法。本发明的用于操作发动机的控制系统和方法包括在火花点火模式中控制发动机的火花点火(SI)控制模块，在火花点火模式之后在HCCI模式中控制发动机的预－均质充气压缩(HCCI)模块，和在预－HCCI模式之后在HCCI模式中控制发动机的HCCI模块。SI模块在HCCI模式之后在SI模式中控制发动机。

Description

HCCI/SI燃烧转换控制系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年3月13日申请的美国临时申请61/036280的权益，上述申请所披露的内容在此全部并入作为参考。
技术领域
本发明涉及发动机控制系统，更特别地涉及用于既在火花点火又在均质充气压缩点火(HCCI)模式中运行的发动机的发动机控制系统。
背景技术
这里提供的背景描述是为了一般地介绍本发明的背景，在本背景部分中描述的目前署名的发明者的工作，以及在申请时可能没有被另外构成现有技术的描述的多个方面，既不被清楚地也不被隐含地承认为本发明的现有技术。
发动机可以在火花点火(SI)模式和均质充气压缩点火(HCCI)模式中运行，HCCI模式涉及将燃料和氧化剂的混合物压缩到自燃点，可以基于发动机转速和负荷选择所述模式之一。在HCCI模式中，点火每次发生在几个位置，这使燃料/空气混合物几乎同时燃烧。HCCI模式接近理想的奥托循环进行，提供了改进的运行效率，并且与SI模式相比产生较低的排放水平。然而，由于没有直接的燃烧引发器，所以点火过程趋向于更难以控制。
为了调节HCCI模式期间的运行，控制系统可以改变诱发燃烧的条件。例如，控制系统可以调节压缩比、诱发气体温度、诱发气体压力、或保留的或再次引入的排气的数量。几种方法用来执行所述调节，从而扩大了HCCI运行区域。
一种控制方法采用可变的气门正时来调节压缩比。例如，能通过调节进气门关闭时间来控制压缩比。能通过气门重开启和/或气门重叠来控制留在燃烧室中的废气数量。
另一种方法使用“2步式”进气门升程方法，其包括在高升程状态和低升程状态之间转换进气门模式。在高升程状态期间，进气门被提升到高水平以允许适量的空气进入相应的气缸。在低升程状态期间，进气门被提升到具有较短持续时间的低水平，相对于高升程状态，其允许较少量的空气进入相应的气缸。
在没有补偿的情况下，2步式气门升程方法趋向于在SI和HCCI模式之间具有突然的且非均匀的转变，换句话说，在转变期间可能有讨厌的转矩扰动。
发明内容
根据本发明的发动机控制系统使汽油机在SI模式和HCCI模式中运行。HCCI模式减少燃料消耗但仅仅可在发动机转矩和转速的有限范围上利用。
在本发明的一个方面中，一种控制发动机的方法包括将发动机控制从火花点火(SI)模式改变成预-均质充气压缩(HCCI)模式，将发动机控制从预-HCCI模式改变成HCCI模式和将发动机控制从HCCI模式改变成SI模式。
在本发明的另一个方面中，一种用于发动机的控制系统包括在火花点火模式中控制发动机的火花点火(SI)控制模块，在火花点火模式之后在HCCI模式中控制发动机的预-均质充气压缩(HCCI)模块，和在预-HCCI模式之后在HCCI模式中控制发动机的HCCI模块。SI模块在HCCI模式之后在SI模式中控制发动机。
根据这里提供的描述，应用的其他范围将变得显而易见。应该懂得，所述描述和具体实施例仅仅为了说明的目的而非用来限制本发明的范围。
附图说明
根据详细描述和附图，本发明将被更充分地理解，其中：
图1A是根据本发明的在SI和HCCI燃烧模式中运行的发动机控制系统的功能框图；
图1B是示范性的气门升程调节系统的功能框图；
图1C是示范性的发动机控制模块的功能框图；
图2表示用于从SI模式转变到预-HCCI模式的方法的步骤；
图3表示用于从预-HCCI模式转变到HCCI模式的方法的步骤；和
图4表示用于从HCCI模式转变到SI模式的方法的步骤。
具体实施方式
下面的描述实质上仅仅是示范性的，决不是用来限制本发明、其应用或用途。为了清楚，相同的附图标记将在附图中用来表示相似的元件。当用在这里时，短语A、B和C中的至少一个应该被解释成意指一种逻辑(A或B或C)，其利用非排他的逻辑“或”。应该懂得，在不改变本发明的原理的情况下，可以以不同顺序执行方法内的步骤。
当用在这里时，术语模块是指执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共用的、专用的或群组的)和存储器，组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其他合适部件。
根据本发明的发动机控制系统使汽油机在SI模式和HCCI模式中运行。HCCI模式减少燃料消耗但仅仅可在发动机转矩和转速的有限范围上使用。仅仅举例，发动机控制系统可以使发动机在HCCI模式中以低至中负荷和低至中发动机转速运行，发动机控制系统可以使发动机在SI模式中以其他负荷和发动机转速运行。HCCI运行区可以在标定表中由运行图确定。
发动机可以是直接喷射式汽油机并且可以在转变期间选择地在分层运行模式中运行。为了在分层运行模式中运行，燃料喷射器将燃料喷射到气缸的一区域中，常常是喷射到主缸的顶部或周边的小的“副缸”。这个方法在容易点火并且迅速和平稳地燃烧的那个区域中提供了浓的充气。燃烧过程进入非常稀的区域(常常只有空气)，在那里火焰前峰迅速冷却并且氮氧化物(NOX)没有多少机会形成。稀的充气中额外的氧也与一氧化碳(CO)化合形成二氧化碳(CO2)。
SI模式和HCCI模式之间的转变应该对于驾驶员似乎是无缝的，将发动机排放减到最少并将燃料消耗损失减到最少。
在HCCI运行期间，进气歧管压力可以接近大气压。向HCCI转变和从HCCI转变出来涉及对进气歧管压力和气门升程的改变。这些改变趋向于引起供应到气缸的空气充量的突然改变，结果，如果没有合适的管理，将出现不希望的发动机转矩的改变。
本发明描述了用于在SI模式与HCCI之间和在HCCI与SI模式之间转变的控制系统和方法。仅仅举例，本发明描述了在转变期间采用体积匹配以便转矩平滑的SI至HCCI模式转变，所述体积匹配利用了凸轮移相器、点火延迟和/或稀混合气运行。可以从任何运行模式立即执行HCCI-SI转变，其中在转变期间选择点火延迟和/或稀混合气运行以便转矩平滑。可以在转变期间执行气门升程、MAP、燃料、点火和移相器控制模式的协调转换。本发明还描述了加燃料和点火与预期凸轮升程的基于事件的协调。转变转换持续时间限制用来防止转变状态中的闭塞。
现在参考图1A，提供了示范性的发动机系统100的功能框图。发动机系统100包括发动机102，其基于驾驶员输入模块104燃烧空气/燃料混合物以产生车辆的驱动转矩。发动机可以是直接点火发动机，空气通过节气门112被吸入进气歧管110。发动机控制模块(ECM)114命令节气门致动器模块116调节节气门112的开度以控制被吸入进气歧管110的空气量。
来自进气歧管110的空气被吸入发动机102的气缸中。尽管发动机102可以包括多个气缸，但为了说明的目的，示出了单个有代表性的气缸118。仅仅举例，发动机102可以包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。
来自进气歧管110的空气通过进气门122被吸入气缸118。ECM114控制燃料喷射系统124喷射的燃料量，燃料喷射系统124可以在中央位置将燃料喷射到进气歧管110中，或可以在多个位置如在每个气缸的进气门附近将燃料喷射到进气歧管110中。作为选择，燃料喷射系统124可以将燃料直接喷射到气缸中。
喷射的燃料与空气混合并在气缸118中形成空气/燃料混合物，气缸118内的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。基于来自ECM114的信号，点火致动器模块126给气缸118中的火花塞128通电，火花塞128点燃空气/燃料混合物。可以相对于活塞处于其最高位置的时间指定点火的正时，该最高位置被称为上止点(TDC)。
空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞向下，从而驱动旋转的曲轴(未示出)。然后，活塞开始再次向上移动并通过排气门130排出燃烧的副产物，燃烧的副产物经由排气系统134从车辆排出。
可以通过进气凸轮轴140控制进气门122，同时可以通过排气凸轮轴142控制排气门130。在不同的实施例中，多个进气凸轮轴可以控制每个气缸的多个进气门和/或可以控制多个气缸组的多个进气门。相似地，多个排气凸轮轴可以控制每个气缸的多个排气门和/或可以控制多个气缸组的多个排气门。升程致动器模块120可以使它们的排气和/或进气门在高和低升程之间转换。
可以通过进气凸轮移相器148相对于活塞TDC改变进气门122打开的时间，可以通过排气凸轮移相器150相对于活塞TDC改变排气门130打开的时间。移相器致动器模块158基于来自ECM114的信号控制进气凸轮移相器148和排气凸轮移相器150。另外，升程致动器模块控制升程量，可以液压地或利用其他方法调节升程量。
发动机系统100可以包括废气再循环(EGR)阀170，其选择地使废气改变方向回到进气歧管110。发动机系统100可以利用RPM传感器180以转数/分(RPM)为单位测量曲轴的转速。可以利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可以位于发动机102内或冷却剂循环的其他位置，例如散热器(未示出)。
可以利用歧管绝对压力(MAP)传感器184测量进气歧管110内的压力。在不同的实施例中，可以测量发动机真空度，发动机真空度是环境空气压力和进气歧管110内的压力之间的差。可以利用空气质量流量(MAF)传感器186测量流入进气歧管110中的空气的质量。
ECM114可以基于由MAF传感器186产生的MAF信号计算测量的每个气缸的空气(APC)，ECM114可以基于发动机运行条件、操作者输入或其他参数估计所需的APC。
节气门致动器模块116可以利用一个或多个节气门位置传感器(TPS)190监视节气门112的位置。可以利用进气温度(IAT)传感器192测量被吸入发动机系统100内的空气的环境温度，ECM114可以利用来自传感器的信号作出发动机系统100的控制决定。
为了抽象地称呼发动机102的各种控制机构，可以将改变发动机参数的每个系统都称为致动器。例如，节气门致动器模块116能改变节气门112的叶片位置，从而改变节气门112的打开面积。因而，可将节气门致动器模块116称为致动器，可将节气门打开面积称为致动器位置。
相似地，可将点火致动器模块126称为致动器，而相应的致动器位置是点火提前或延迟的量。其他致动器包括EGR阀170、移相器致动器模块158、燃料喷射系统124和升程致动器模块120。关于这些致动器的术语致动器位置可以分别对应于歧管绝对压力、EGR阀开度、进气和排气凸轮移相器角度和空燃比。
现在参考图1B，示出了气门升程控制回路250的功能框图。气门升程控制回路250包括进气/排气门组件252，其经由油泵256从油箱254接收油。在油被气门组件252接收之前通过滤油器258过滤油。控制模块控制气门组件252的进气和排气门260、262的升程操作。
气门组件252包括具有打开和关闭状态的进气和排气门260、262，通过一个或多个凸轮轴264致动进气和排气门260、262。可以包括专用进气凸轮轴和专用排气凸轮轴。在另一个实施例中，进气和排气门260、262共用公共的凸轮轴。当处于打开状态中时，进气和排气门260、262可以在不同的升程状态中操作。
气门组件252还包括气门升程状态调节装置270。升程状态调节装置270可以包括油压控制阀272和气门升程控制阀，如电磁线圈274。可以包括其他升程状态调节装置276，如升程销、杆、摇臂、弹簧、锁定机构、气门挺杆等等。
气门升程控制回路250可以包括油温传感器280和/或油压传感器282，控制模块基于从温度和压力传感器280、282收到的温度和压力信号给油压控制阀272发信号。
现在参考图1C，发动机控制模块114可以包括具有MAP控制模式(MM)的MAP控制模块290。MM可以被设定成SI和HCCI模式。发动机控制模块114包括具有燃料供应模式(FM)的燃料供应模块292，燃料供应模块292可以在SI、分层和HCCI模式之间转换FM，燃料供应模块292可以确定燃料供应的方式、定时和/或数量。
发动机控制模块114包括具有燃烧模式(CM)的燃烧控制模块294，燃烧模块294可以在SI、HCCI和预-HCCI模式之间转换CM并且包括SI控制模块294(a)、预-HCCI控制模块294(b)和HCCI控制模块294(c)。
发动机控制模块114包括具有火花供应模式(SM)的火花供应模块296，火花供应模块296可以在SI、具有延迟的SI、分层和HCCI模式之间转换SM，火花供应模块296可以确定点火的正时和持续时间。
发动机控制模块114包括具有燃料计算模式(FC)的燃料计算模块297。燃料计算模块297可以在空气主导和燃料主导模式之间转换FC。在空气主导模式中，基于空气控制燃料。在燃料主导模式中，基于测量的或供应的燃料控制空气。
发动机控制模块114包括具有移相器控制模式(PM)的移相器控制模块298，移相器控制模块298可以在SI和HCCI模式之间转换PM，移相器控制模块298可以确定凸轮相位调整。
发动机控制模块144包括具有升程控制模式(LM)的升程控制模块299，升程控制模块299可以在高和低气门升程模式之间转换LM。
现在参考图2和3，当从SI模式转变到HCCI模式时，控制系统首先从SI模式转变到预-HCCI模式(图2)，然后从预-HCCI模式转变到HCCI模式(图3)。
在图2中，示出了从SI模式向预-HCCI模式的转变。在步骤400中，控制开始从SI模式向预-HCCI模式的转变。在步骤404中，控制确定是否能实现体积匹配。如果步骤404为真，则控制继续进行步骤408并设定map控制模式(MM)等于体积匹配模式和移相器控制模式(PM)等于体积匹配模式。当能实现体积匹配时，当进气和/或排气门的升程状态转换时，例如从高升程状态转换成低升程状态时，用凸轮移相器来匹配空气充量。这个转变改变了空气充量，空气充量可能被用凸轮移相器位置部分地补偿，这将转矩扰动减到最小。
在步骤412中，控制确定体积匹配是否发生或预定计时器周期是否到了。如果步骤412为真，控制继续进行步骤414并设定燃烧模式(CM)等于预-HCCI模式。在步骤416中，将发动机运行模式设定成等于预-HCCI模式。
如果步骤404为假，不能实现体积匹配，则控制继续进行步骤420并将map控制模式(MM)设定成从所需的SI MAP转变到所需的HCCIMAP。所需的MAP(MAP_des)被设定成等于MAP_HCCI。在图2中，MM＝SI-HCCI是指将MAP从SI MAP值转变到HCCI MAP值。作为选择，可以使用SI值和HCCI值之间的单独标定。可以利用查找表存取这些值。
在步骤422中，控制将MAP与第一MAP阈值(MAPTH_1)进行比较。如果MAP不大于MAPTH_1，则控制继续进行步骤426并将移相器控制模式(PM)设定成SI模式。如果步骤422为真，则控制将移相器控制模式(PM)设定成从SI模式转变到HCCI模式。控制从步骤426和428继续进行步骤430。
在步骤430中，控制确定在预定超时出现之前MAP是否大于第二MAP阈值MAPTH_2。如果步骤430为真，则控制继续进行步骤414。如果步骤430或412为假，则控制继续进行步骤434。在步骤434中，控制确定是否能实现分层燃料以及每个气缸的空气(APC)/Fstrat是否大于最小阈值。换句话说，以分层燃料除APC(或空燃(A/F)比)大于最小阈值。
如果步骤434为假，则在步骤438中，控制将燃料供应模式(FM)设定成SI模式，将火花供应模式(SM)设定成具有延迟的SI模式，和将燃料计算模式(FC)设定成空气主导模式。换句话说，此时在点火延迟的情况下控制转矩。
如果步骤434为真，则在步骤440中，控制将燃料供应模式(FM)设定成分层的，将火花供应模式(SM)设定成分层的，和将燃料计算模式(FC)设定成燃料主导模式。控制从步骤438和440继续进行步骤444，在步骤444，控制将燃烧模式(CM)设定成从SI模式转变到HCCI模式。
现在参考图3，示出了用于从预-HCCI模式转变到HCCI模式的方法。当需要从预-HCCI模式转变到HCCI模式时，控制从步骤450开始。这发生在发动机运行模式转变到预-HCCI模式的任何时候。在步骤454中，控制设定MAP_des等于MAP_HCCI，并且控制通过使LM＝低升程来命令低升程。
在步骤456中，控制确定进气和/或排气门是否已经实现低升程状态。如果步骤456为真，则控制确定分层燃料选择是否能在低升程状态中进行和发动机事件的预定数量或极限是否出现(例如燃烧事件)。如果步骤460为假，则控制将燃料供应模式(FM)、火花供应模式(SM)、移相器控制模式(PM)、map控制模式(MM)和燃烧模式(CM)设定成HCCI模式并将燃料计算模式(FC)设定成燃料主导模式。控制继续进行步骤466并设定发动机运行模式等于HCCI模式。
如果步骤460为真，则控制将燃料供应模式(FM)和火花供应模式(SM)设定成分层模式并将燃料计算模式(FC)设定成燃料主导模式。控制从步骤470继续进行步骤472，在步骤472，控制设定燃烧模式(CM)等于预-HCCI模式。控制从步骤472返回进行步骤456。
如果步骤456为假，则控制继续进行步骤474，确定分层燃料是否处于高升程状态中并确定发动机事件的预定数量(或极限)是否出现(例如燃烧事件)。如果步骤474为假，则控制继续进行步骤478并设定与SI模式相等的燃料供应模式(FM)、与具有延迟的SI模式相等的火花供应模式(SM)和与空气主导模式相等的燃料计算模式(FC)。如果步骤474为真，则控制设定与分层模式相等的燃料供应模式(FM)和火花供应模式(SM)并将燃料计算模式(FC)设定成燃料主导模式。控制从步骤478和474继续进行步骤472。
现在参考图4，示出了一种用于从HCCI模式转变到SI模式的方法。当在步骤500中要求从HCCI模式转变到SI模式时，控制继续进行步骤504并通过使LM＝高升程来命令高升程状态。控制将map控制模式(MM)和燃烧模式(CM)设定成从HCCI模式转变到SI模式。
在步骤508中，控制确定是否已经实现高升程状态。如果步骤508为假，则控制继续进行步骤512并确定用于低升程的分层燃料是否为真。如果步骤512为真，则控制设定燃料供应模式(FM)和火花供应模式(SM)等于分层模式。如果步骤512为假，则控制将燃料供应模式(FM)和火花供应模式(SM)设定成HCCI模式。控制从步骤516和520继续进行步骤518并将燃料计算模式(FC)设定成燃料主导模式和将移相器控制模式(PM)设定成从HCCI模式转变到SI模式。控制继续进行步骤508。
如果步骤508为真，则控制设定MAP_des＝MAP_SI并将移相器控制模式(PM)设定成SI模式。在步骤530中，控制确定MAP阈值是否被满足或预定超时是否出现。如果步骤530为假，则控制继续进行步骤534并确定用于高升程状态的分层燃料是否为真和APC/Fstrat是否大于最小阈值。
如果步骤534为真，则控制继续进行步骤538，将燃料供应模式(FM)和火花供应模式(SM)设定成分层模式并将燃料计算模式(FC)设定成燃料主导模式。控制继续进行步骤508。如果步骤534为假，则控制将燃料供应模式(FM)设定成SI模式，将火花供应模式(SM)设定成具有延迟的SI模式，并将燃料计算模式(FC)设定成空气主导模式。控制继续进行步骤508。
如果步骤530为真，则控制继续到步骤540，关掉map控制模式(MM)并将燃烧模式(CM)设定成SI模式和将燃料计算模式设定成空气主导模式。在步骤544中，控制设定发动机运行模式等于SI。
现在本领域技术人员能从前述描述懂得，本发明的广泛教导能以各种形式实现。因而，尽管本发明被结合其特定实施例描述，但本发明的真实范围不应该被如此限制，因为对于本领域技术人员来说，依据对附图、说明书和所附权利要求的研究，其他变型将变得显而易见。

Claims (20)

1.一种控制发动机的方法，包括：
将发动机控制从火花点火即SI模式改变成预-均质充气压缩即HCCI模式；
将发动机控制从所述预-HCCI模式改变成HCCI模式；和
将发动机控制从所述HCCI模式改变成所述SI模式。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于将发动机控制从火花点火即SI模式改变成预-均质充气压缩即HCCI模式包括利用体积匹配或歧管绝对压力映射将发动机控制从所述火花点火即SI模式改变成所述预-均质充气压缩即HCCI模式。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于体积匹配包括进入用于体积匹配的MAP控制模式和凸轮移相器控制模式。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于将燃烧模式设定成预-HCCI模式。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于歧管绝对压力映射包括响应歧管绝对压力与一阈值的比较结果，将移相器控制模式设定成所述SI模式或SI-HCCI模式。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于将发动机控制从所述预-HCCI模式改变成HCCI模式包括将歧管绝对压力设定成HCCI歧管压力。
7.如权利要求6所述的方法，当低升程被实现且分层燃料处于低升程状态中时，进入所述HCCI模式。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于进入所述HCCI模式包括进入燃料主导模式和HCCI燃料供应模式、HCCI火花供应模式、HCCI移相器控制模式、HCCI歧管绝对压力控制模式和HCCI燃烧模式。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于将发动机控制从所述HCCI模式改变成所述SI模式包括将map控制模式和燃烧模式改变成HCCI-SI模式。
10.如权利要求9所述的方法，还包括当高升程被实现时进入所述SI模式。
11.如权利要求10所述的方法，还包括进入与所述SI模式相对应的移相器控制模式。
12.如权利要求9所述的方法，还包括当歧管绝对压力与SI歧管绝对压力相对应时关掉map控制模式。
13.如权利要求12所述的方法，还包括将燃烧模式设定成所述SI模式。
14.如权利要求8所述的方法，当高升程没有实现时进入与燃料主导模式相对应的燃料计算模式和与HCCI-SI模式相对应的移相器控制模式。
15.一种用于发动机的控制系统，包括：
火花点火即SI控制模块，该模块在SI模式中控制所述发动机；
预-均质充气压缩即HCCI模块，该模块在所述火花点火模式之后在HCCI模式中控制所述发动机；
在预-HCCI模式之后在HCCI模式中控制所述发动机的HCCI模块；和
所述SI模块在HCCI模式之后在所述SI模式中控制所述发动机。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述火花点火控制模块利用体积匹配或歧管绝对压力映射将发动机控制从所述火花点火模式改变成所述预-HCCI模块中的所述HCCI模式。
17.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述预-HCCI模块将歧管绝对压力设定成HCCI歧管压力。
18.如权利要求15所述的系统，其特征在于当低升程被实现且分层燃料处于低升程状态中时，所述HCCI模块控制所述发动机。
19.如权利要求15所述的系统，其特征在于当将歧管绝对压力控制模式和燃烧模式改变成HCCI-SI模式时，所述HCCI控制模块将发动机控制从所述HCCI模式改变成所述SI控制模块的所述SI模式。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于当高升程被实现时，所述SI控制模块进入所述SI模式。
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