CN101922374A - 控制发动机hcci与si模式间过渡切换的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制发动机HCCI与SI模式间过渡切换的系统和方法。具体地，提供了一种用于操作发动机的控制系统和方法，其包括均质充气压缩点火(HCCI)模式控制模块，该模块使发动机在HCCI模式下工作。该控制系统还包括差值模块，该模块确定期望转矩量与火花点火(SI)阈值之间的实际差值。当该实际差值在阈值带以上时，SI模式控制模块使发动机在SI状态下工作。当该实际差值在转矩阈值带范围之内时，HCCI模式控制模块使发动机在HCCI模式下工作预定时间。当该实际差值在转矩阈值带以下时，HCCI模式控制模块使发动机在HCCI模式下工作。

Description

控制发动机HCCI与SI模式间过渡切换的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年4月30日提交的美国临时申请No.61/174,211的权益。将上述申请的公开内容通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明涉及发动机控制系统，并且尤其涉及用于在火花点火和均质充气压缩点火(HCCI)两种模式下工作的发动机的发动机控制系统。
背景技术
此处的背景技术描述是为了大概介绍本发明的背景。当前提及的发明人的工作——以在此背景技术部分中所描述的为限——以及在提交时否则可能不构成现有技术的该描述的各方面，既不明示地也不默示地被承认为是针对本发明的现有技术。
发动机可以在火花点火(SI)模式和均质充气压缩点火(HCCI)模式下工作。HCCI模式涉及将燃料和氧化剂的混合物压缩到自燃点。可以根据发动机转速和负载选择这些模式中的一个。在HCCI模式中，每次在多个位置发生点火，这使得燃料/空气混合物几乎同时燃烧。HCCI模式在接近理想奥托循环的情况下执行，提供提高的工作效率并且与SI模式相比产生更低的排放水平。然而，因为没有直接的燃烧启动器，故点火过程趋于更难以控制。
在某些驾驶操纵下，根据驾驶员请求的转矩，有可能离开HCCI区域一段非常短的间隔时间然后再进入HCCI工作。这种在SI与HCCI之间的频繁的模式转换会损害燃料效率和排放。
发明内容
根据本发明的发动机控制系统通过在某个转矩带中延迟从HCCI模式到SI模式的转换改善了操纵性能并且最少化了不必要的模式转换。结果是，由于在HCCI模式下更长时间的工作，所以改善了排放和效率。
在本发明的一个方面，一种控制发动机的方法，包括：使发动机工作在均质充气压缩点火(HCCI)模式下；确定火花点火(SI)转矩阈值与期望转矩量之间的差值；当这个差值在转矩阈值带以上时，使发动机工作在SI状态下；以及当这个差值在转矩阈值带范围之内时，使发动机在HCCI模式下工作预定时间。
在本发明的另一方面，一种用于操作发动机的控制系统和方法，包括HCCI模式控制模块，该模块使发动机在均质充气压缩点火(HCCI)模式下工作。该控制系统还包括差值模块，该模块确定火花点火(SI)转矩阈值与驾驶员期望转矩量之间的实际差值。当该实际差值在阈值带以上时，SI模式控制模块使发动机在SI状态下工作。当该实际差值在阈值带之内时，HCCI模式控制模块使发动机在HCCI模式下工作预定时间。
本发明还涉及以下技术方案：
方案1.一种控制发动机的方法，包括：
使所述发动机工作在均质充气压缩点火模式下；
确定火花点火转矩阈值与期望转矩量之间的实际差值；
当所述实际差值在转矩阈值带以上时，使所述发动机工作在火花点火状态下；以及
当所述实际差值在所述转矩阈值带之内时，使所述发动机在所述均质充气压缩点火模式下工作预定时间。
方案2.如方案1所述的方法，还包括：当所述实际差值在所述转矩阈值带之内持续了第一时间段时，启动计数器。
方案3.如方案1所述的方法，还包括：用最新值更新所述实际差值并且忽略在先值。
方案4.如方案3所述的方法，其中，在所述预定时间期间，所述实际差值在所述阈值带以上，则使所述发动机工作在火花点火状态下。
方案5.如方案3所述的方法，其中，在所述预定时间期间，所述实际差值在所述阈值带以下，则使所述发动机工作在均质充气压缩点火状态下。
方案6.如方案3所述的方法，还包括：当在所述预定时间期间所述实际差值在所述转矩阈值带以上或以下时，重置计数器。
方案7.如方案3所述的方法，还包括：当在所述预定时间期间所述实际差值在所述转矩阈值带之内时，使计数器递增。
方案8.如方案3所述的方法，其中，当所述实际差值在所述阈值带之内时，使所述发动机在所述均质充气压缩点火模式下工作预定时间。
方案9.如方案1所述的方法，其中，确定火花点火转矩阈值与期望转矩之间的实际差值包括：确定期望燃料量与火花点火燃料阈值之间的实际差值。
方案10.如方案1所述的方法，还包括：响应于踏板位置确定期望转矩或期望燃料。
方案11.如方案1所述的方法，还包括：响应于踏板位置和附加负载确定期望转矩或期望燃料。
方案12.如方案1所述的方法，其中，所述均质充气压缩点火模式对应于作为发动机转速的函数的期望燃料量或期望转矩量。
方案13.如方案1所述的方法，还包括：响应于车速或发动机转速之一来确定所述阈值带。
方案14.一种用于控制发动机的控制模块，包括：
均质充气压缩点火模式控制模块，其使所述发动机在均质充气压缩点火模式下工作；
差值模块，其确定火花点火转矩阈值与期望转矩量之间的实际差值；
火花点火模式控制模块，当所述实际差值在阈值带以上时，其使所述发动机在火花点火状态下工作；以及
均质充气压缩点火模式控制模块，当所述实际差值在所述阈值带之内时，其使所述发动机在所述均质充气压缩点火模式下工作预定时间。
方案15.如方案14所述的控制模块，还包括转矩带比较模块，其将所述阈值带与所述实际差值进行比较。
方案16.如方案14所述的控制模块，其中，所述差值模块用最新值更新所述实际差值并且忽略在先值。
方案17.如方案14所述的控制模块，其中，当所述实际差值在所述阈值带之内时，在所述预定时间之后，所述火花点火控制模块使所述发动机在火花点火状态下工作。
方案18.如方案14所述的控制模块，其中，所述均质充气压缩点火控制模块使所述发动机在所述均质充气压缩点火模式下工作预定时间或者直至所述实际差值在所述阈值带之外。
方案19.如方案14所述的控制模块，其中，当所述实际差值在所述阈值带以下时，所述均质充气压缩点火控制模块使所述发动机在所述均质充气压缩点火状态下工作。
方案20.如方案14所述的控制模块，其中，所述差值模块确定期望燃料量与火花点火燃料阈值之间的实际差值。
方案21.如方案14所述的控制模块，其中，所述期望转矩或期望燃料基于踏板位置。
方案22.如方案14所述的控制模块，其中，所述期望转矩或期望燃料基于踏板位置和附加负载。
方案23.如方案14所述的控制模块，其中，所述阈值带基于车速或发动机转速之一。
从本文提供的详细描述中，本发明更多的适用范围将变得明显。应当理解，描述和特定例子只是用于例示说明的目的，而不意图限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图将更充分地理解本发明，在附图中：
图1A是根据本发明的发动机控制系统的功能框图，所述发动机控制系统在SI和HCCI燃烧模式下工作；
图1B是示例性气门升程调整系统的功能框图；
图1C是示例性发动机控制模块的功能框图；
图1D是图1C的HCCI转换控制模块的图解框图；
图2是根据本发明的控制发动机的方法的图；以及
图3是负载与发动机转速的关系图，其中示出了HCCI区域、SI区域、和HCCI区域与SI区域之间的转矩带。
具体实施方式
下列描述本质上仅仅是示例性的，并且决不意图限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，附图中将使用相同的附图标记表示相似的元件。本文所用的措词″A、B和C中的至少一个″应当解释成意味着使用非排他逻辑″或″的逻辑(A或B或C)。应当理解，方法内的步骤可以以不同顺序执行，只要不改变本发明的原理。
本文所用的术语″模块″是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或其它的提供所述功能的适当部件。
根据本发明的发动机控制系统使汽油发动机工作在SI模式和HCCI模式下。HCCI模式降低燃料消耗，但只在有限的发动机转矩和转速范围内可用。只举例来说，发动机控制系统可使发动机在低负载至中等负载以及低发动机转速至中等发动机转速时以HCCI模式工作。发动机控制系统可使发动机在其它负载和发动机转速时以SI模式工作。
发动机可以是直喷式汽油发动机，并且在转换期间可以选择性地工作在分层工作模式下。为了在分层工作模式下工作，燃料喷射器正好在点火事件之前在气缸上止点(TDC)附近喷射总燃料的一部分。该方法在那个区域中提供了化学计量的充气，该充气易于点火，并且快速、平稳地燃烧。
HCCI模式与SI模式之间的转换应当：对驾驶员来说显得完全连续(seamless)、最小化发动机排放、并且最小化燃料消耗损失。本发明降低了在HCCI模式和SI模式之间不必要的过渡切换。
在HCCI工作期间，进气歧管压力可能接近大气压。转换成HCCI和从HCCI转换出都涉及改变进气歧管压力和气门升程。这些变化倾向于引起供给气缸的空气充量的突变。因此，如果没有适当地控制，就将在发动机转矩中发生不期望的变化。
现在参照图1A，给出了示例性发动机系统100的功能框图。发动机系统100包括根据驾驶员输入模块104来燃烧空气/燃料混合物从而给车辆产生驱动转矩的发动机102。发动机可以是直接点火式发动机。空气经由节气门112吸入到进气歧管110中。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的开度从而控制吸入进气歧管110中的空气量。
来自进气歧管110的空气被吸入到发动机102的气缸中。虽然发动机102可以具有多个气缸，但为了说明的目的，示出了单个代表性的气缸118。只是举例来说，发动机102可以具有2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。
来自进气歧管110的空气经由进气门122被吸入到气缸118中。ECM114控制由燃料喷射系统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入进气歧管110，或者可以在多个位置将燃料喷入进气歧管110，例如在每个气缸的进气门附近。可替代地，燃料喷射系统124可以将燃料直接喷入气缸。
所喷射的燃料与空气混合并且在气缸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ECM 114的信号，点火致动器模块126给气缸118中的火花塞128通电，这会点燃空气/燃料混合物。可以相对于活塞处于其最高位置(称作上止点(TDC))之时刻来指定点火正时。
空气/燃料混合物的燃烧向下驱动活塞，由此驱动旋转曲轴(未示出)。然后活塞开始再次向上运动，并且通过排气门130排出燃烧副产物。燃烧副产物经由排气系统134从车辆排出。
进气门122可以由进气凸轮轴140控制，而排气门130可以由排气凸轮轴142控制。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/或可以控制多列气缸的进气门。类似地，多个排气凸轮轴可以控制每个气缸的多个排气门和/或可以控制多列气缸的排气门。升程致动器模块120可以在它们的排气门和/或进气门上的高升程和低升程之间切换。
通过进气凸轮相位器148可以使进气门122的打开时间相对于活塞TDC发生改变。通过排气凸轮相位器150可以使排气门130的打开时间相对于活塞TDC发生改变。相位器致动器模块158根据来自ECM 114的信号来控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。另外，升程致动器模块120控制升程量，该升程量可以用液压方式或使用其它方法来调整。
发动机系统100可以包括废气再循环(EGR)阀170，其选择性地将废气再引导回进气歧管110。发动机系统100可以使用RPM传感器180来测量以每分钟转数(RPM)表示的曲轴转速。可以使用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182来测量发动机冷却剂的温度。ECT传感器182可以安置在发动机102内或冷却剂循环的其它位置，比如安置在散热器(未示出)处。
可以使用歧管绝对压力(MAP)传感器184来测量进气歧管110内的压力。在不同的实施例中，可以测量发动机真空，其中，发动机真空是环境空气压力与进气歧管110内压力的差值。可以使用质量空气流量(MAF)传感器186来测量流入进气歧管110的空气质量。
ECM 114可以根据MAF传感器186产生的MAF信号来计算测定的每缸空气(APC)。ECM 114可以根据发动机工作条件、驾驶员输入或其它参数来估计期望的APC。
节气门致动器模块116可以使用一个或多个节气门位置传感器(TPS)190来监控节气门112的位置。可以使用进气温度(IAT)传感器192来测量吸入发动机系统100的空气的环境温度。ECM 114可以使用来自传感器的信号为发动机系统100做出控制决策。
为了抽象地称呼发动机102的不同控制机构，能改变发动机参数的各个系统都可称为致动器。例如，节气门致动器模块116可以改变节气门112的叶片位置，由此改变节气门112的开口面积。因此节气门致动器模块116可以被称作致动器，并且节气门开口面积可以被称作致动器位置。
类似地，点火致动器模块126可以被称作致动器，而相应的致动器位置是点火提前量或延迟量。其它致动器包括废气再循环阀170、相位器致动器模块158、燃料喷射系统124、以及升程致动器模块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、废气再循环阀开度、进气和排气凸轮相位器角度、以及空气/燃料比。
现在参照图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包括进气门/排气门组件252，该组件经由油泵256接收来自油箱254的油。在被气门组件252接收之前，油通过滤油器258进行过滤。控制模块控制气门组件252的进气门260和排气门262的升程操作。
气门组件252包括进气门260和排气门262，它们具有打开状态和闭合状态并且由一个或多个凸轮轴264致动。可以包括专用进气凸轮轴和专用排气凸轮轴。在另一种实施例中，进气门260和排气门262共用公共凸轮轴。当处于打开状态时，进气门260和排气门262可以在不同的升程状态下工作。
气门组件252还包括气门升程状态调整装置270。升程状态调整装置270可以包括油压控制阀272和气门升程控制阀，如电磁阀274。可以包括其它升程状态调整装置276，例如提升销、杠杆、摇臂、弹簧、锁定机构、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。控制模块根据从温度传感器280和压力传感282接收到的温度信号和压力信号来给油压控制阀272信号。
现在参照图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可设置成SI模式和HCCI模式。发动机控制模块114包括具有燃料输送模式(FM)的燃料输送模块292。燃料输送模块292可以在SI模式与各种HCCI模式之间切换FM。燃料输送模块292可以确定燃料输送的方式、正时和/或量。
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模式、HCCI模式和转换模式之间切换CM，并且可以包括SI控制模块294(a)、HCCI控制模块294(b)和转换控制模块294(c)。
发动机控制模块114包括具有火花输送模式(SM)的火花输送模块296。火花输送模块296可以在SI模式、带有延迟的SI模式、分层模式以及HCC I模式之间切换SM。火花输送模块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可以在空气主导模式与燃料主导模式之间切换FC。在空气主导模式中，根据空气控制燃料。在燃料主导模式中，根据测得或输送的燃料控制空气。
发动机控制模块114包括具有相位器控制模式(PM)的相位器控制模块298。相位器控制模块298可以在SI模式与HCCI模式之间切换PM。相位器控制模块298可以确定凸轮定相。
发动机控制模块114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可以在高气门升程模式和低气门升程模式之间切换LM。
现在参照图1D，其中更详细地示出了燃烧控制模块294的转换控制模块294(c)。转换控制模块294(c)包括高转矩阈值确定模块310。高转矩阈值确定模块310可以生成与HCCI模式和SI模式之间的转换相对应的高转矩阈值。可以根据许多因素设定高转矩阈值，这些因素包括发动机和车辆的各种工作条件。可以对高SI燃料阈值进行校准。
期望转矩模块312确定期望转矩。可以由加速踏板和其它负载(例如，空调负载等)所引起的各种其它补偿因素来确定期望转矩。
来自高转矩阈值确定模块310的高转矩阈值和期望转矩被用于差值模块314。因此，在差值模块314中确定高转矩阈值确定模块与期望转矩之间的差值。
转矩带确定模块316使用发动机或车辆速度来确定转矩阈值带。来自转矩带确定模块316的转矩阈值带和来自差值模块314的转矩差值被提供给转矩带比较模块318。转矩带比较模块318将转矩差值与转矩阈值带作比较，从而确定该差值是否在转矩阈值带范围之内。当差值大于转矩带时，控制可以被切换到框294(a)的SI控制模式中。当差值在转矩阈值带范围之内时，可以在HCCI模式控制294(b)中维持HCCI模式。当差值在转矩阈值带范围之内时，延迟计数器模块320可以提供用于系统从HCCI模式控制切换到SI模式的延迟。
延迟计数器模块320可以不断地监控差值模块中变化的差值，并且当该差值在转矩带之外时，延迟计数器模块320可以促使进入适当的SI模式或HCCI模式。然而，延迟计数器模块320将控制维持在HCCl模式中，直到计数器模块中的计数器超过阈值并且在计数器届满之前没有检测到大于转矩带的转矩差值时。当延迟计数器届满时，命令SI模式并且使发动机以SI模式工作。如果延迟计数器检测到转矩差值在转矩带之外，则启动适当的SI模式或HCCI控制模式。
现在参照图2，其中陈述了根据本发明的用于控制发动机的方法。在车辆以HCCI模式工作时运行该算法。在步骤510，确定期望转矩。可以由加速踏板和其它补偿因素(例如，发动机上的其它负载)来获得该期望转矩。应当注意到，在现在的例子中，期望转矩用作阈值和期望值。然而，期望转矩可以由燃料量代替。燃料量直接与转矩期望量有关，因为转矩是通过向发动机提供燃料来获得的。
在步骤512，确定HCCl高阈值转矩。HCCI高阈值转矩可以是固定的或者可以根据各种车辆工作条件进行调整。高HCCI转矩阈值还可以是可校准的数。在步骤514，将期望转矩与HCCI高阈值转矩进行比较。如果期望转矩不大于HCCl高阈值转矩，则维持HCCI工作，如步骤516所示。
如果期望转矩大于HCCI高阈值转矩，则在步骤518根据车辆速度或发动机转速确定转矩带。该转矩带可以修正HCCI工作范围。在步骤520，把期望转矩510与HCCI高转矩阈值512之间的差值与转矩带518进行比较。
如果期望转矩510与HCCI高转矩阈值512之间的差值超出转矩带518，则在步骤522进入SI模式。当该差值在转矩带518以上时，很明显，驾驶员的意图是要给车辆提供更大的转矩，因此立即进入SI模式。
当期望转矩510与HCCI高转矩阈值512之间的差值在转矩带518之内时，则在步骤524延迟从HCCI工作退出至SI模式。
倒计时或正计时延时器可用于实现所述延迟。如果完全使用，则延时器提供将发动机工作从HCCI工作变到SI工作的延迟。这允许，当加速踏板抖动而没有明显意图要从发动机提供更多转矩量时，发动机能够更长时间地以HCCI模式工作。延时器还可以是基于气缸事件的延迟，并且可以实现如前所述的必要延迟。
可能的是，在延迟时段期间，期望转矩可能降低到低于HCCI高阈值转矩的数值，因此重置延迟计数器并允许HCCI工作。还可能的是，在延迟时段期间，期望转矩510与HCCI高转矩阈值512之间的差值可能超出转矩带518，从而在步骤522立即进入SI模式并重置延迟计数器。
现在参照图3，其示出了转矩或负载与发动机转速的关系图，其中具有HCCI区域610和SI区域612。转矩带616在HCCI高负载限值614以上，该限值限定了转矩带616的下限。转矩带的上限是线620。当转矩/负载、和/或发动机转速如箭头618所示那样增大时，HCCI区域在上述条件下被维持在转矩带内。提供转矩带来防止HCCI区域610与SI区域612之间的快速来回切换。转矩带616防止短暂的、不必要的转换，并且暂时性地使HCCI工作得以保持更长时间，因此在该区域改善了排放和燃料经济性。
现在，本领域技术人员可以从上面的描述认识到发明的宽泛教导可以以多种形式实施。因此，尽管结合特定例子对本发明进行了说明，但是本发明的真实范围不会由此受到限制，因为本领域技术人员在研究附图、说明书和下列权利要求书的基础上，其它修改将变得显而易见。

Claims (10)

1.一种控制发动机的方法，包括：
使所述发动机工作在均质充气压缩点火模式下；
确定火花点火转矩阈值与期望转矩量之间的实际差值；
当所述实际差值在转矩阈值带以上时，使所述发动机工作在火花点火状态下；以及
当所述实际差值在所述转矩阈值带之内时，使所述发动机在所述均质充气压缩点火模式下工作预定时间。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：当所述实际差值在所述转矩阈值带之内持续了第一时间段时，启动计数器。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：用最新值更新所述实际差值并且忽略在先值。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在所述预定时间期间，所述实际差值在所述阈值带以上，则使所述发动机工作在火花点火状态下。
5.如权利要求3所述的方法，其中，在所述预定时间期间，所述实际差值在所述阈值带以下，则使所述发动机工作在均质充气压缩点火状态下。
6.如权利要求3所述的方法，还包括：当在所述预定时间期间所述实际差值在所述转矩阈值带以上或以下时，重置计数器。
7.如权利要求3所述的方法，还包括：当在所述预定时间期间所述实际差值在所述转矩阈值带之内时，使计数器递增。
8.如权利要求3所述的方法，其中，当所述实际差值在所述阈值带之内时，使所述发动机在所述均质充气压缩点火模式下工作预定时间。
9.如权利要求1所述的方法，其中，确定火花点火转矩阈值与期望转矩之间的实际差值包括：确定期望燃料量与火花点火燃料阈值之间的实际差值。
10.一种用于控制发动机的控制模块，包括：
均质充气压缩点火模式控制模块，其使所述发动机在均质充气压缩点火模式下工作；
差值模块，其确定火花点火转矩阈值与期望转矩量之间的实际差值；
火花点火模式控制模块，当所述实际差值在阈值带以上时，其使所述发动机在火花点火状态下工作；以及
均质充气压缩点火模式控制模块，当所述实际差值在所述阈值带之内时，其使所述发动机在所述均质充气压缩点火模式下工作预定时间。
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