CN101688489B - 用于确定内燃机的燃烧参数的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供用于确定内燃机的燃烧参数的方法。所述方法包括：监测燃烧循环期间的气缸压力和曲轴角；以及确定峰值气缸压力、所述峰值气缸压力的曲轴角位置、和进气阀关闭时的气缸压力。基于峰值气缸压力、在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸压力、峰值气缸压力的曲轴角位置、在峰值气缸压力的位置时的气缸容积以及在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸容积来计算燃烧参数。燃烧参数与燃烧循环的气缸充气的瞬时放热相关联。

Description

用于确定内燃机的燃烧参数的方法和设备

技术领域

本发明涉及发动机的操作和控制，包括均质充气压缩点火(HCCI)发动机。

背景技术

该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成现有技术。

内燃机，尤其是机动车内燃机，通常落入以下两类之一，即火花点火发动机和压缩点火发动机。传统的火花点火发动机，例如，汽油发动机，通常通过将燃料/空气混合物引入燃烧气缸中来运行，所述燃料/空气混合物然后在压缩冲程中被压缩且由火花塞点火。传统的压缩点火发动机，例如柴油发动机，通常通过在压缩冲程的上止点(TDC)附近将增压燃料引导到或者喷射到燃烧气缸中来运行，所述燃料/空气混合物在喷射时点火。传统的汽油发动机和柴油发动机两者的燃烧都包括由流体力学控制的预混合或扩散火焰。每种发动机都具有优势和缺陷。总体来说，汽油发动机产生较少的排放但是效率较低，而总体来说，柴油发动机效率较高但产生较多的排放。

更近以来，内燃机已经引入其它类型的燃烧方法。这些燃烧构思中的一种在本领域中称为均质充气压缩点火(HCCI)。HCCI燃烧模式包括由氧化化学而不是流体力学控制的分布式无焰自动点火燃烧过程。在以受控自动点火燃烧模式操作的典型发动机中，进气充气的组分、温度和在进气阀关闭时间时的残余水平是几乎均质的。由于受控自动点火是分布式动力学控制燃烧过程，因此发动机是以非常稀的燃料/空气混合物(即，比燃料/空气当量点稀)操作且具有相对低的峰值燃烧温度，从而形成非常少的NO_X排放。与柴油发动机中所使用的分层燃料/空气燃烧混合物相比，受控自动点火的燃料/空气混合物是相对均质的，因而基本上消除在柴油发动机中形成烟和微粒排放物的浓区域。由于该非常稀的燃料/空气混合物，以受控自动点火模式操作的发动机能够以不限流的方式操作，以实现类似柴油燃料的经济性。

在中等发动机速度和负载操作时，已经发现，在进气冲程期间阀定时方案和排气再换气(使用排气来加热进入燃烧空间的气缸充气以促进自动点火)相结合对于提供足够的热量给气缸充气是非常有效的，使得在压缩冲程期间的自动点火引起具有低噪音的稳定燃烧。然而，该方法在怠速速度和负载状况处或附近不能令人满意地工作。当从中等速度和负载状况趋近于怠速速度和负载时，排气温度降低。在怠速速度和负载附近时，在再换气排气中没有足够的能量来产生可靠的自动点火。因而，在以HCCI模式操作时，在怠速状况，燃烧过程的不同循环的变化过高，而不允许稳定燃烧。从而，有效地操作HCCI发动机的主要问题之一是适当地控制燃烧过程，使得能够在操作状况范围内实现导致低排放、最佳放热速率和低噪音的稳固且稳定的燃烧。多年来已经知道HCCI燃烧的益处。然而，产品实施的主要障碍是不能控制HCCI燃烧过程。

HCCI发动机能够在部分负载和较低发动机速度状况时以自动点火燃烧模式操作和在高负载和高速状况时以常规火花点火燃烧模式操作之间进行过渡。这两种燃烧模式需要不同的发动机操作来保持稳固燃烧。例如，在自动点火燃烧模式中，发动机在节气门全开的情况下以稀燃料空气比操作以使得发动机泵送损失最小化。相比而言，在火花点火燃烧模式中，节气门被控制成限制进气空气流且发动机以当量燃料空气比操作。

在典型HCCI发动机中，发动机空气流通过使用可变阀致动(VVA)系统调整进气节气门位置或者调整进气阀和排气阀的开启和关闭来控制，所述VVA系统包括选择性多级阀升程，例如提供两个或更多阀升程曲线的多级凸轮凸角。需要在持续进行的发动机操作期间在这两种燃烧模式之间平滑过渡，以防止在过渡期间的发动机不点火或者部分燃烧。

HCCI发动机的燃烧过程很大程度上取决于如下因素：在进气阀关闭时的气缸充气成分、温度和压力。因此，发动机的控制输入(例如燃料质量和喷射定时以及进气/排气阀曲线)必须被小心地协调以确保稳固的自动点火燃烧。总体来说，为了最佳燃料经济性，HCCI发动机以未限流的方式且使用稀空气燃料混合物操作。此外，在使用排气再压缩阀方案的HCCI发动机中，气缸充气温度通过借助于改变排气阀关闭定时而从先前循环捕获不同量的热残余气体来控制。通常，HCCI发动机配备有一个或更多气缸压力传感器和气缸压力处理单元，所述气缸压力处理单元从传感器取样气缸压力并计算燃烧参数，例如CA50(50％的燃料质量燃烧的位置)、IMEP和NMEP等。HCCI燃烧控制的目标是通过实时调整多个输入(例如进气和排气阀定时、节气门位置、EGR阀开度、喷射定时等)来保持期望燃烧定相(由CA50表示)。因而，所述气缸压力处理单元通常采用昂贵的高性能DSP(数字信号处理)芯片来处理大量的气缸压力样本，从而实时产生燃烧参数。

在本发明中，提供用于基于内燃机的瞬时放热来确定燃烧参数的方法和控制方案，其降低对DSP芯片和其它密集数据处理成本的需要。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供用于确定内燃机的燃烧参数的方法。所述方法包括：监测燃烧循环期间的气缸压力和曲轴角；和确定峰值气缸压力和所述峰值气缸压力的曲轴角位置。确定在所述峰值气缸压力的曲轴角位置时和在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸容积。基于峰值气缸压力、在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸压力、峰值气缸压力的曲轴角位置、在峰值气缸压力的位置时的气缸容积以及在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸容积来计算燃烧参数。所计算的燃烧参数与燃烧循环的气缸充气的瞬时放热相关联。

本发明的这些和其它方面在下文参考附图和实施例的说明进行描述。

附图说明

本发明可以在某些部件和部件设置中采用物理形式，本发明的实施例被详细描述且在形成本发明一部分的附图中示出，且在附图中：

图1是根据本发明的发动机系统的示意图；和

图2和3是根据本发明的数据曲线图。

具体实施方式

现在参考附图，其中所示的内容仅仅是为了说明本发明，而非为了限制本发明，图1示出了根据本发明的实施方式构造的内燃机10和附随控制模块5的示意图。发动机选择性地以受控自动点火模式和常规火花点火模式操作。

示例性发动机10包括具有往复活塞14的多缸直接喷射四冲程内燃机，活塞14可在气缸中滑动移动，气缸限定可变容积燃烧室16。每个活塞连接到旋转曲轴12(CS)，活塞的线性往复运动通过旋转曲轴12转换成旋转运动。空气进气系统提供进气空气给进气歧管，进气歧管将空气引导并分配到进气流道29中，到达每个燃烧室16。空气进气系统包括用于监测和控制空气流量的空气流管道和装置。所述装置优选包括用于监测空气质量流量(MAF)和进气空气温度(T_IN)的空气质量流量传感器32。节气门阀34，优选为电子控制装置，响应于来自于控制模块的控制信号(ETC)控制发动机的空气流量。在歧管中有压力传感器36，压力传感器36适合于监测歧管绝对压力(MAP)和大气压力(BARO)。有用于将排气从发动机排气再循环到进气歧管的外部流动通道，外部流动通道具有流量控制阀，称为排气再循环(EGR)阀38。控制模块5可操作通过控制EGR阀的开度来控制至发动机空气进气的排气的质量流量。

从进气流道29进入每个燃烧室16的空气流由一个或多个进气阀20控制。从每个燃烧室经由排气流道39到排气歧管的燃烧气体的流量由一个或多个排气阀18控制。进气阀和排气阀的开启和关闭优选用双凸轮轴(如图所示)控制，双凸轮轴的旋转由曲轴12的旋转来关联和标引。发动机配备有用于控制进气阀和排气阀的阀升程的装置，称为可变升程控制器(VLC)。可变阀升程系统包括可操作将阀升程或开度控制为两个不同级(例如，用于负载速度(load speed)、低负载操作的低升程阀开度(约4-6mm)和用于高速、高负载操作的高升程阀开度(约8-10mm))之一的装置。发动机还配备有用于控制进气阀和排气阀的开启和关闭的定相(即，相对定时)的装置，称为可变凸轮定相(VCP)，以控制超过由两级VLC升程所实现的定相。有用于发动机进气的VCP/VLC系统22和用于发动机排气的VCP/VLC系统24。VCP/VLC系统22、24由控制模块控制，且提供信号反馈给控制模块，所述信号反馈包括进气凸轮轴和排气凸轮轴的凸轮轴旋转位置。当发动机用排气再压缩阀方案运行于自动点火模式时，通常使用低升程操作，且当发动机运行于火花点火燃烧模式时，通常使用高升程操作。如技术人员已知的那样，VCP/VLC系统具有有限的权限范围，在此权限范围内，进气和排气阀的开启和关闭能得到控制。可变凸轮定相系统可操作改变相对于曲轴和活塞位置的阀开启时间，称为定相。典型的VCP系统具有30°-50°的凸轮轴旋转的定相权限的范围，因此允许控制系统提前或延迟开启和关闭发动机阀。定相权限的范围受到VCP的硬件和致动VCP的控制系统的限定和限制。定相权限的范围由VCP的硬件和致动VCP的控制系统限定和限制。VCP/VLC系统使用由控制模块5控制的电动-液压、液压和电控力中的一种来致动。

发动机包括燃料喷射系统，燃料喷射系统包括多个高压燃料喷射器28，每个燃料喷射器28适合于响应于来自于控制模块的信号(INJ_PW)将一定质量的燃料直接喷射进燃烧室之一中。从燃料分配系统(未示出)供应增压燃料给燃料喷射器28。

发动机包括火花点火系统，火花能量响应于来自于控制模块的信号(IGN)通过火花点火系统提供给火花塞26，以点火或者辅助点火每个燃烧室中的气缸充气。火花塞26在某些状况下(例如，在冷启动和接近低负载操作极限期间)增强发动机的点火定时控制。

发动机配备有各种传感装置以监测发动机操作，传感装置包括具有输出RPM的曲轴旋转速度传感器42和用于进气和排气凸轮轴的凸轮轴旋转速度传感器。有适合于监测缸内压力30且具有输出COMBUSTION的燃烧传感器30、和适用于监测排气的具有输出EXH的传感器40(通常是宽范围的空气/燃料比传感器)。燃烧传感器30包括适合于监测缸内燃烧压力的压力传感装置。

发动机设计成在发动机速度和负载的扩展范围内用自动点火燃烧(HCCI燃烧)基于汽油或类似燃料混合物以不限流的方式操作。在不利于HCCI燃烧模式操作的状况下，发动机借助于常规或改进控制方法以受控节气门操作运行于火花点火燃烧模式，以获得满足操作者扭矩请求的最大发动机功率。燃料供应优选包括将燃料喷射引导到每个燃烧室中。可广泛获得的类别的汽油及其轻乙醇混合物是优选燃料；然而，在本发明的实施方式中可使用替代液体和气体燃料，例如较高乙醇的混合物(例如，E80、E85)、纯乙醇(E99)、纯甲醇(M100)、天然气、氢气、沼气、各种重整物、合成气等。

控制模块优选地是通用数字计算机，通用数字计算机大体包括微处理器或中央处理单元、存储介质(包括非易失性存储器和随机存取存储器(RAM)，非易失性存储器包括只读存储器(ROM)和电可编程只读存储器(EPROM))、高速时钟、模数(D/A)和数模(A/D)电路、输入/输出电路和装置(I/O)以及合适的信号调节和缓冲电路。控制模块具有一组机器可读取代码形式的控制算法，所述控制算法包括存储在非易失性存储器中并被执行以提供每个计算机的各自功能的常驻程序指令和标定值。所述算法通常在预定循环期间被执行使得每个算法在每个循环中至少被执行一次。算法由中央处理单元执行，且可操作监测来自前述传感装置的输入并且执行控制和诊断程序从而用预定标定值控制致动器的操作。在持续进行的发动机和车辆操作期间，循环通常以固定间隔例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒被执行。替代性地，算法可响应于事件的发生而被执行。

控制模块5执行存储在其中的算法代码，以控制前述致动器来控制发动机操作，包括节气门位置、火花正时、燃料喷射质量和定时、进气和/或排气阀升程、定时和定相、和控制再循环排气流量的EGR阀位置。阀升程、定时和定相包括两级阀升程和负阀重叠(NVO)。控制模块5适于接收来自操作员的输入信号(例如，节气门踏板位置和制动踏板位置)从而确定操作员扭矩请求(T_{O_REQ})，且适于接收来自传感器的输入信号(表示发动机速度(RPM)、进气空气温度(T_IN)、冷却剂温度和其他环境条件)。控制模块5操作以根据存储器中的查询表确定火花正时(在需要时)、EGR阀位置、进气阀和排气阀定时和两级升程过渡设定点、以及燃料喷射定时的瞬时控制设置，并计算进气和排气系统中的燃烧气体比例。

现在参考图2，示出了示例内燃机的缸内温度基于等体积理想燃烧循环模型被近似为曲轴角θ的函数。相关温度和其它参数包括：

T_IVC：在进气阀关闭时的温度；

T_SOC：在燃烧开始时的温度；

T_EOC：在燃烧结束时的温度；

p_IVC：在进气阀关闭时的压力；

p_i：进气歧管压力；可用MAP传感器测量；

p_SOC：在燃烧开始时的压力；

p_max：峰值气缸压力，可用燃烧压力传感器测量；

V_IVC：在进气阀关闭时的气缸容积，使用已知slider等式和来自于曲轴和凸轮轴位置传感器的输入确定；以及

V_LPP：在峰值压力的位置处的气缸容积，使用已知slider等式和来自于曲轴和凸轮轴位置传感器的输入确定；

θ_IVC：在进气阀关闭时的曲轴角；以及

θ_LPP：在峰值压力的位置处的曲轴角，可使用曲轴位置传感器结合气缸压力传感器测量；

Q_LHV：燃料的低热值；

m_f：燃料质量；

R：气体常数；

γ：比热比；以及

C_v：等体积时的比热；

具体参数如下计算或估计：

T_SOC＝T_IVC*r^γ-1；

r＝V_IVC/V_LPP；

T_EOC＝(r^γ-1+δ)*T_IVC＝T_SOC+δT_IVC；

δ＝(Q_LHV*R*m_f)/C_v*p_IVC*V_IVC，即：

δ＝(T_EOC-T_SOC)/T_IVC.

温度包括在发动机循环内从已知等体积理想燃烧循环模型计算的近似气缸充气温度。模式呈现瞬时燃烧且适合于描述自动点火燃烧，通常具有比常规火花点火燃烧更快的燃料燃烧速率。燃烧参数δ包括由于燃烧引起的瞬时放热，由在进气阀关闭时的温度T_IVC标准化。

燃烧参数δ通过优选在每个发动机循环期间执行控制模块中的代码(包括一个或多个算法)来确定。燃烧参数计算相对简单，因而不需要昂贵的信号处理和数据分析硬件来监测气缸压力。峰值气缸压力和峰值气缸压力的对应曲轴旋转位置使用燃烧压力传感器30和曲轴传感器42来测量。如上所述，使用来自于进气凸轮位置传感器的反馈来确定进气阀关闭。

一旦进气阀关闭，气缸中捕获的空气质量就保持相同，直到排气阀开启为止。因而，可以使用以下等式1所述的理想气体定律来导出关系式： $\frac{p_{\mathrm{SOC}}}{T_{\mathrm{SOC}}}=\frac{p_i{r}^{\mathrm{\γ}}}{T_{\mathrm{IVC}}{r}^{\mathrm{\γ}-1}}=\frac{p_{\max }}{T_{\mathrm{EOC}}}=\frac{p_{\max }}{T_{\mathrm{IVC}}(r^{\mathrm{\γ}-1}+\mathrm{\δ})}.---\left[1\right]$

包括标准化的瞬时放热的燃烧参数δ使用以下等式2来计算： $\mathrm{\δ}=\frac{p_{\max }}{r{p}_i}-r^{\mathrm{\γ}-1}=\frac{V_{\mathrm{LPP}}{p}_{\max }}{V_{\mathrm{IVC}}{p}_i}-{\left(\frac{V_{\mathrm{IVC}}}{V_{\mathrm{LPP}}}\right)}^{\mathrm{\γ}-1}.---\left[2\right]$

在此，假定比热比γ在整个发动机循环内是常数。如等式2所示，一旦检测或确定峰值气缸压力p_max、在进气阀关闭时的气缸压力p_IVC、峰值气缸压力的位置和相关气缸容积V_LPP、以及与进气阀关闭相关的气缸容积V_IVC，就通过实时执行算法来容易地计算燃烧参数δ。

现在参考图3，提供了从示例性发动机获得的试验数据，示出了CA50(即，50％的燃料质量燃烧的曲轴角位置)和从试验数据计算的燃烧参数δ。示例性发动机以7mg/cycle的固定燃料供应速率操作，发动机速度在2000rpm和3000rpm之间变化。结果表明，在发动机速度增加时，CA50参数状态提前。可以推测，由CA50参数状态表示的燃烧定相的提前是由于每次燃料供应速率随发动机速度增加而增加，从而增加气缸壁温度，因而增加燃料燃烧速率。燃烧定相的响应反映在燃烧参数δ中；即，当燃烧定相提前时，因为瞬时放热由于快速燃烧燃料而增加，因而燃烧参数δ增加。这表明：标准化瞬时放热(即燃烧参数δ)与燃烧定相有强的相关性，因而可用于控制以自动点火模式(例如，HCCI燃烧控制)操作的发动机的燃烧定相。

在本发明中，描述了在使得不导致控制模块的中央处理单元(CPU)过载的情况下实时计算参数(δ)可行的系统结构。参考图2示出系统结构的两个实施例。从气缸压力传感器(COMBUSTION)和曲轴传感器CS_RPM输出的信号包括输入。有模拟峰值检测器电路，包括获得从气缸压力传感器输入的模拟信号的最大值(P_max)的模拟电路。使用模拟电路来检测峰值压力值的优势在于在以高曲轴角分辨率收集和存储气缸压力信号时不会加重CPU及其模拟/数字转换器(ADC)的负担。然而，为了计算参数(δ)，需要峰值压力的位置。使用全通滤波器和模拟比较器电路(显示为双输入比较器)来通知CPU和负责发动机位置确定(CS_RPM)的外围设备关于峰值压力的曲轴位置。全通滤波器的功能是使得峰值气缸压力测量延迟而不使之失真。模拟比较器电路连续地监测压力信号，以确定其何时小于通过全通滤波器延迟的压力信号的最大值。当延迟的最大气缸压力信号大于气缸压力信号时，检测到压力信号的最大值且比较器触发其数字输出。在比较器的输出端处的触发信号触发CPU中负责发动机位置确定的外围设备。在接收到触发信号时，外围设备获得发动机位置并将其存储为峰值压力的位置值(LPP)。当CPU软件中的相关任务计算标准化瞬时放热时，它读取LPP参数并命令ADC外围设备将模拟峰值检测器电路输出端处的模拟信号转换成数字信号。由于V_IVC和P_IVC也可以容易地被分别计算和测量，因此一旦完成峰值压力转换，软件就执行算法形式的等式1。为了检测下一循环的LPP和p_max，软件重新设定模拟峰值检测器电路。此外，软件能够使用曲轴(CS_RPM)测量来补偿由于比较器和/或数字滤波器中的已知延迟引起的引入LPP的误差。

虽然本发明已经参考某些实施例描述，但是应当理解的是在所述的发明构思的精神和范围内可以作出变化。因此，本发明并不打算限制为所公开的实施例，本发明将具有由所附权利要求的语言所允许的全部范围。

Claims (13)

1.一种用于确定内燃机的燃烧参数的方法，包括：

监测燃烧循环期间的气缸压力和曲轴角；

确定峰值气缸压力和所述峰值气缸压力的曲轴角位置；

确定在所述峰值气缸压力的曲轴角位置时的气缸容积；

确定在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸压力；

确定在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸容积；和

基于峰值气缸压力、在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸压力、峰值气缸压力的曲轴角位置、在峰值气缸压力的位置时的气缸容积以及在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸容积来计算燃烧参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所计算的燃烧参数与燃烧循环的气缸充气的瞬时放热相关联。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括基于燃烧循环的气缸充气的比热比来计算燃烧参数。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括在持续进行的发动机操作期间计算每个燃烧循环的燃烧参数。

5.一种用于在内燃机操作期间监测燃烧定相的方法，包括：

监测燃烧循环期间的气缸压力和曲轴角；

确定峰值气缸压力和所述峰值气缸压力的曲轴角位置；

确定在所述峰值气缸压力的曲轴角位置时的气缸容积；

确定在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸压力；

确定在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸容积；和

基于峰值气缸压力、在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸压力、峰值气缸压力的曲轴角位置、在峰值气缸压力的位置时的气缸容积以及在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸容积来计算能与曲轴角相关联的燃烧参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所计算的燃烧参数与燃烧循环的气缸充气的瞬时放热相关联。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括基于燃烧循环的气缸充气的比热比来计算燃烧参数。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述燃烧参数在每个发动机循环计算一次。

9.一种用于在以自动点火燃烧模式操作的内燃机操作期间监测燃烧定相的方法，包括：

以自动点火燃烧模式操作所述内燃机；

监测每个燃烧循环期间的气缸压力和曲轴角；

确定峰值气缸压力和所述峰值气缸压力的曲轴角位置；

确定在所述峰值气缸压力的曲轴角位置时的气缸容积；

确定在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸压力；

确定在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸容积；和

基于峰值气缸压力、在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸压力、峰值气缸压力的曲轴角位置、在峰值气缸压力的位置时的气缸容积以及在燃烧循环的进气阀关闭时的气缸容积来计算燃烧参数。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括基于燃烧循环的气缸充气的比热比来计算燃烧参数，所计算的燃烧参数能与燃烧循环的气缸充气的瞬时放热相关联。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所计算的燃烧参数能与曲轴角相关联。

12.根据权利要求9所述的方法，燃烧参数在每个发动机循环计算一次。

13.根据权利要求9所述的方法，包括控制模块，所述控制模块适合于执行在其中存储的机器可读取代码以便以自动点火燃烧模式操作内燃机，且适合于在以自动点火燃烧模式操作期间监测内燃机的燃烧定相。

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