CN102027220B - 一种用于操作火花点火直喷内燃发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操作火花点火直喷内燃发动机的方法，包括：在第一燃烧模式操作所述发动机；确定操作员扭矩需求；启动转换，使所述发动机从操作在所述第一燃烧模式转换到操作在第二燃烧模式，所述转换包括使所述发动机操作在中间的燃烧模式；确定与将所述发动机操作在所述第二燃烧模式以获得所述操作员扭矩需求相关联的优选燃料质量；将所述发动机从操作在所述中间燃烧模式转换到操作在所述第二燃烧模式，并且当所述第二燃烧模式的允许燃料质量范围与所述优选燃料质量一致时，调节所述喷射的燃料质量以对应所述优选的燃料质量。

Description

一种用于操作火花点火直喷内燃发动机的方法
技术领域
本公开涉及能够操作在火花点火和受控自动点火(HCCI)燃烧模式下的内燃发动机的操作和控制。 
背景技术
这部分的叙述仅仅是提供与本公开有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。 
已知的火花点火(SI)发动机将空气/燃料混合物引入各气缸，该混合物在压缩冲程中被压缩，并由火花塞点燃。已知的压缩点火发动机在压缩冲程的上止点(TDC)附近将加压的燃料喷射进入燃烧气缸，燃料在喷射之后被点燃。汽油发动机和柴油发动机的燃烧都涉及由流体力学控制的预混合或扩散的火焰。 
SI发动机能够在各种不同的燃烧模式下操作，包括均质SI燃烧模式和分层充气SI燃烧模式。在预定的速度/负荷操作条件下，SI发动机可以构造成在均质充气压缩点火燃烧模式，也称为受控自动点火燃烧模式下操作。受控自动点火燃烧包括受到氧化化学控制的分布式的、无焰的、自动点火燃烧过程。操作在受控自动点火(HCCI)燃烧模式的发动机在进气阀关闭时间具有优选在成分、温度和残余排气方面是均一的气缸充气。受控自动点火燃烧是分布式动力学受控的燃烧过程，发动机操作在稀空气/燃料混合物下，即空气/燃料化学计量点的贫侧，因此产生相对低的峰值燃烧温度，导致较低的NOx排放。均质空气/燃料混合物将会使产生烟雾和颗粒排放物的浓区的发生机会最小。 
在分层充气SI燃烧模式中，发动机操作在贫燃的空气/燃料比下，其中喷射的燃料在燃烧室中分层，其中浓层靠近火花塞尖端，而较贫燃的空气/燃料比区域则在离开该火花塞尖端的远端。燃料喷射正时优选在时间上接近火花正时，以防止空气/燃料混合物均质成为均匀分散的混合物。燃料喷射脉冲宽度在火花事件开始时或基本上在其开始之前结束。在点火后，浓层快速且高效地燃烧。当燃烧过程进行到较贫燃的区域时，火焰前锋快速冷却，降低整体燃烧温度并降低NOx的形成。 
已知的受控自动点火燃烧策略可包括使用排气再压缩阀策略。排气再压缩阀策略包括通过调整阀关闭正时来从前一个发动机循环捕获热残余气体而控制气缸充气温度。在排气再压缩策略中，排气阀在TDC之前关闭，进气阀在TDC之后打开，从而形成负气门重叠(NVO)时间段，在该时间段中，排气阀和进气阀都关闭，从而捕获排气。进气阀和排气阀的打开正时优选相对于TDC是对称的。气缸充气成分和温度都强烈地受到排气阀关闭正时的影响。具体地说，排气阀的较早关闭，会从前一个循环保留更多的热残余气体，而给进入的新鲜气流留下更少的空间，从而升高了气缸充气温度并降低了气缸氧气浓度。 
在发动机操作中，可以通过选择性地调节节气阀的位置以及调节进气阀和排气阀的打开和关闭来控制发动机气流。在如此配备的发动机系统中，进气阀和排气阀的打开和关闭是通过使用可变的阀致动系统来实现的，该可变的阀致动系统包括可变的凸轮定相和可选的多级阀升程，例如，提供两个或多个阀升程轮廓的多级凸轮凸角。多级阀升程机构中的阀升程的切换是离散的变化。 
当发动机操作在受控自动点火(HCCI)燃烧模式下时，发动机控制包括贫燃的空气/燃料比操作，其中节气门全开以最小化发动机泵送损失。当发动机操作在SI燃烧模式下时，发动机控制优选地包括化学计量空气/燃料比操作，其中节流阀被控制在从0％至100％全开的位置范围内，以控制进入的空气流。 
在构造成操作在SI和受控自动点火(HCCI)燃烧模式下的发动机中，燃烧模式之间的转换可能是复杂的。发动机控制模块必须协调多个设备的致动，以为不同的模式提供所需的空气/燃料比，从而维持燃烧稳定性。在受控自动点火(HCCI)燃烧模式和SI燃烧模式的转换期间，切换发动机阀升程几乎是瞬间发生的，而调节可变的凸轮相位器和节气门将会引入响应时间，从而导致较慢的动态特性。 
发明内容
一种用于操作火花点火直喷式内燃发动机的方法，所述内燃发动机包括具有进气阀和排气阀的可控的阀机构并构造成可操作在多个燃烧模式中，所述方法包括：以第一燃烧模式操作发动机；确定操作员扭矩需求；启动转换，使发动机从操作在第一燃烧模式转换到操作在第二燃烧模式，其中所述转换包括使发动机操作在中间燃烧模式；确定与将发动机操作在所述第二燃烧模式以获得所述操作员扭矩需求相关联的优选燃料质量。该方法还包括将发动机从操作在所述第一燃烧模式转换到操作在所述中间燃烧模式，并且当所述中间燃烧模式的允许燃料质量范围与所述优选燃料质量一致时，调节所喷射的燃料质量以对应所述优选的燃料质量。该方法还包括将发动机从操作在所述中间燃烧模式转换到操作在所述第二燃烧模式，并且当所述第二燃烧模式的允许燃料质量范围与所述优选燃料质量一致时，调节所喷射的燃料质量以对应所述优选的燃料质量。 
附图说明
下面将参考附图以示例的方式来描述一个或多个实施例，其中： 
图1是根据本公开的示例性发动机系统的示意图； 
图2根据本公开，图示出各种燃烧模式的示例性速度和负荷操作区域； 
图3是根据本公开的控制方案。 
图4A和图4B是根据本公开的控制方案。 
图5根据本公开，图示出了在燃烧模式转换期间的致动器命令和相应的发动机参数的状态； 
图6根据本公开，图示出了关于多个燃烧模式的示例性可允许燃料质量范围；以及 
图7根据本公开，图示出了在燃烧模式转换期间的燃料质量与时间的关系。 
具体实施方式
现在参考附图，其中的图示仅是为了说明某些示例性实施例，而不是为了对其进行限制，图1示意性地示出了根据本公开的实施例构造的内燃发动机10和相应的控制模块5。发动机10可选择地操作在 多个燃烧模式，包括受控自动点火(HCCI)燃烧模式，均质火花点火(SI-H)燃烧模式，和分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式。发动机10可选择地以化学计量空气/燃料比操作，和以主要在化学计量的贫燃侧的空气/燃料比操作。本公开可以应用于各种内燃发动机系统和燃烧循环。 
在一个实施例中，发动机10可以联接到变速器设备(未示出)以将牵引力传递到车辆的传动系(未示出)。变速器可包括混合动力变速器，其包括操作为将牵引力传递到传动系的扭矩机。 
示例性发动机10包括多缸直喷四冲程内燃发动机，其具有在气缸15内可滑动地移动的往复活塞14，往复活塞14限定了可变容积的燃烧室16。各活塞14连接到旋转的曲轴12，通过该曲轴12将直线的往复运动转换为旋转运动。进气系统为进气歧管29提供进气，进气歧管29将空气引导并分配到燃烧室16的进气支管。进气系统包括用于监测和控制气流的气流管道和设备。进气设备优选地包括空气质量流量传感器32，用于监测空气质量流量和进气温度。节气阀34优选地包括电子受控的设备，用于响应于来自控制模块5的控制信号(ETC)而控制进入发动机10的气流。进气歧管29中的压力传感器36构造成监测岐管绝对压力和大气压力。外部流动通道将来自发动机排放的排气再循环到进气歧管29，其具有称为排气再循环(EGR)阀38的流量控制阀。控制模块5操作为通过控制EGR阀38的开度来控制进入进气歧管29的排气的质量流量。 
从进气歧管29进入燃烧室16的气流受到一个或多个进气阀20的控制。从燃烧室16流出的排气由一个或多个排气阀18控制，以进入排气岐管39。发动机10配备有控制和调节进气阀20和排气阀18的打开和关闭的系统。在一个实施例中，进气阀20和排气阀18的打开和关闭能够通过分别控制进气和排气可变凸轮定相/可变升程控制(VCP/VLC)设备22和24来控制和调节。进气和排气VCP/VLC设备22和24构造成分别控制和操作进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。进气凸轮轴21和排气凸轮轴23的旋转被关联和对应到曲轴12的旋转，因此将进气阀20和排气阀18的打开和关闭与曲轴12和活塞14的位置相关联。 
进气VCP/VLC设备22优选包括操作为响应于来自控制模块5的 控制信号(INTAKE)以切换和控制进气阀20的阀升程以及可变地调节和控制各气缸15的进气凸轮轴21的定相的机构。排放VCP/VLC设备24优选包括操作为响应于来自控制模块5的控制信号(EXHAUST)可变地切换和控制排气阀18的阀升程以及可变地调节和控制各气缸15的排气凸轮轴23的定相的可控机构。 
进气和排气VCP/VLC设备22和24各优选包括可控两级可变升程控制(VLC)机构，其操作为将进气阀20和排气阀18的阀升程或开度的大小分别控制到两个离散的级之一。两个离散的级优选包括优选用于低速低负荷操作的低升程阀打开位置(在一个实施例中为约4-6mm)，以及优选用于高速高负荷操作的高升程阀打开位置(在一个实施例中为约8-13mm)。进气和排气VCP/VLC设备22和24各优选地包括可变凸轮定相(VCP)机构，以分别控制和调节进气阀20和排气阀18的打开和关闭的定相(即，相对正时)。调节定相指的是相对于相应气缸中15中的曲轴12和活塞14的位置来改变进气阀20和排气阀18的打开时间。进气和排气VCP/VLC设备22和24的VCP机构各优选具有约60°至90°曲柄旋转的定相许可范围，从而允许控制模块5相对于各气缸15的活塞14的位置而使进气阀20和排气阀18中的一个的打开和关闭超前或延迟。相位许可的范围由进气和排气VCP/VLC设备22和24来限定和限制。进气和排气VCP/VLC设备22和24包括凸轮轴位置传感器(未示出)，以便确定进气和排气凸轮轴21和23的旋转位置。VCP/VLC设备22和24由控制模块5控制的电动液压、液压和电控制力中的一个来致动。 
发动机10包括燃料喷射系统，该燃料喷射系统包括多个高压燃烧喷射器28，每个高压燃料喷射器均配置成响应于来自控制模块5的信号而将一定量的燃料直接喷射进入燃烧室16中的一个。燃料喷射器28由燃料分配系统(未示出)提供加压的燃料。 
发动机10包括火花点火系统(未示出)，利用该火花点火系统，响应于来自控制模块5的信号(IGN)，将火花能量提供给火花塞26，用于点燃或者辅助点燃各个燃烧室16中的气缸充气。 
发动机10配备有用于监测发动机操作的各种检测设备，包括具有输出RPM和操作为监测曲轴旋转位置(即曲柄角度和速度)的曲柄传感器42，在一个实施例中包括构造成监测燃烧的燃烧传感器30， 以及构造成监测排气的排气传感器40，以及典型地包括空气/燃料比传感器。燃烧传感器30包括操作为监测燃烧参数的状态的传感器设备，并被示出为操作来监测缸内燃烧压力的气缸压力传感器。燃烧传感器30和曲柄传感器42的输出被控制模块5监测，该控制模块5确定燃烧定相，即，对于各燃烧循环，燃烧压力相对于各气缸15的曲轴12的曲柄角的正时。燃烧传感器30还可以由控制模块5监测，以确定各燃烧循环的各气缸15的平均有效压力(IMEP)。优选地，发动机10和控制模块5被制造为在各气缸点火事件期间监测和确定各个发动机气缸15的IMEP的状态。或者，在本公开的范围内，可以使用其它检测系统来监测其它燃烧参数的状态，例如，离子检测点火系统和非介入式气缸压力传感器。 
控制模块5优选是通用数字计算机，包括微处理器或中央处理单元，包括包含只读存储器和电可编程只读存储器的非易失性存储器，随机读取存储器的存储介质，高速时钟，模数转换和数模转换电路，以及输入/输出电路和设备，以及适当的信号调节和缓存电路。控制模块具有一组控制算法，包括存储在非易失性存储器中并被执行以提供所需功能的常驻程序指令和校准。算法优选地在预设的循环期间执行。算法由中央处理单元执行并操作为监测来自前述检测设备的输入，并执行控制和诊断例程以使用预设的校准来控制致动器的操作。循环可以以规则的间隔来执行，例如，在工作的发动机和车辆操作期间以3.125毫秒，6.25毫秒，12.5毫秒，25毫秒和100毫秒的间隔。或者，算法可以响应于事件的发生而执行。 
在操作中，控制模块5监测来自前述传感器的输入而确定发动机参数的状态。控制模块5被构造为接收来自操作员的输入信号(例如，通过节气门踏板和制动踏板，未示出)，以确定操作员扭矩要求，控制模块5监测指示了发动机速度和进气温度，冷却剂温度和其它环境状况的传感器。 
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形成气缸充气，包括在如此配备的发动机上控制节气门位置、火花点火正时、燃料喷射质量和正时、控制再循环的排气的流量的EGR阀位置、进气阀和/或排气阀正时和定相。在一个实施例中，阀正时和定相可包括NVO和排气阀再打开的升程(在排气再换气策略中)。控制模块5可 操作为在工作的车辆操作中打开和关闭发动机10，并且可操作为通过控制燃料和火花以及控制阀的停用来选择性地使燃烧室15的一部分或进气阀20和排气阀18的一部分停用。控制模块5可基于来自排气传感器40的反馈而控制空气/燃料比。 
在发动机操作期间，节气阀34在受控自动点火(HCCI)燃烧模式(例如，单和双喷射受控自动点火(HCCI)燃烧模式)中优选地是基本全开的，发动机10被控制为贫燃的空气/燃料比。基本全开的节气门可包括操作为完全不节流或仅稍微节流，以在进气歧管29中造成真空，从而实现EGR流动。在一个实施例中，缸内EGR质量被控制为高稀释率，例如，大于气缸空气充气的40％。进气阀20和排气阀18是低升程阀位置，并且进气和排气升程定时以NVO操作。在发动机循环期间可以执行一个或多个燃料喷射事件，其包括在压缩阶段期间的至少一个喷射。 
在发动机操作在均质火花点火(SI-H)燃烧模式期间，节气阀34被控制，以便调节发动机的空气流量。发动机10被控制到化学计量空气/燃料比，并且进气阀20和排气阀18是高升程的阀打开位置，并且进气和排气凸轮定相以正气门重叠操作。优选地，在各发动机循环的压缩阶段期间执行燃料喷射事件，优选基本上在TDC之前。当气缸内的充气基本上均质时，在燃料喷射之后，火花点火优选地在相对于TDC的预定的正时放电以获得平均最佳扭矩。 
分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式包括基本在化学计量的贫燃侧的操作。燃料喷射定时优选在时间上接近火花点火定时以防止空气/燃料混合物均质成为均匀散布的混合物。所喷射的燃料被喷射到燃烧室15中，其中浓层在火花塞附近，较贫燃的空气/燃料比区域在火花点火的时刻处于更远处。 
图2示意性地示出了优选的燃烧模式，包括与指定的发动机操作区域相关联的火花点火和受控自动点火(HCCI)燃烧模式。发动机操作区域由发动机参数的状态限定，并与其对应，在本实施例中发动机参数包括发动机速度和负荷。发动机负荷可以从包括燃料流量和进气歧管压力的发动机参数推导得到。燃烧模式优选包括均质火花点火(SI-H)燃烧模式，第一受控自动点火(HCCI)燃烧模式(HCCI-1)、第二受控自动点火(HCCI)燃烧模式(HCCI-2)和第三受控自动点 火(HCCI)燃烧模式(HCCI-3)。第一、第二和第三受控自动点火(HCCI)燃烧模式的区别在于燃料喷射策略。优选地，各燃烧模式与燃料喷射策略相关联，例如，第一受控自动点火(HCCI)燃烧模式可与单喷射燃料喷射策略相关联。与发动机操作区域相关联的优选燃烧模式基于具体的硬件应用和发动机操作参数来预先确定，发动机操作参数包括燃烧稳定性、燃料消耗、排放、发动机扭矩输出以及其它。在一个实施例中，限定优选的燃烧模式的发动机操作区域的边界优选地被预先校准并存储在控制模块5中。控制模块5将发动机操作转换为与发动机10相关联的优选的燃烧模式，从而提高燃料效率和发动机稳定性，和/或降低排放。发动机参数(例如，速度和负荷)中的一个的改变能够影响到发动机操作区域的改变。控制模块5命令与发动机操作区域的改变相关联的优选燃烧模式的改变。 
在燃烧模式转换期间，发动机10被控制为在优选的空气/燃料比操作，并且进气气流被控制为获得优选的空气/燃料比。这包括基于在选定的燃烧模式下的发动机操作来估计气缸充气。基于所估计的气缸充气，节气阀34和进气及排气VCP/VLC设备22和24被控制以获得进气气流，包括在火花点火和受控自动点火(HCCI)燃烧模式之间的转换期间。通过调节节气阀34和进气及排气VCP/VLC设备22和24以控制进气阀20和排气阀18的打开正时和轮廓而控制气流。在两个燃烧模式下操作要求进气和排气VCP/VLC设备22和24在进气阀20和排气阀18的阀正时和轮廓以及节气阀34的节气门位置方面有不同的设置。 
在从受控自动点火(HCCI)燃烧模式转换为均质火花点火(SI-H)燃烧模式的过程中，发动机10转换为以化学计量的空气/燃料比操作，气流被控制以获得化学计量的空气/燃料比。控制模块5命令节气门34启动预先确定的关闭轨迹，并命令进气和排气VCP/VLC系统22和24调节进气和排气凸轮相位器来调节进气阀20和排气阀18的打开和关闭正时，从而降低岐管压力。进气和排气VCP/VLC系统22和24将进气阀20和排气阀18从低升程阀位置切换到高升程阀位置，从而增加气流。所喷射的燃料质量对应于发动机负荷。 
在从均质火花点火(SI-H)燃烧模式转换为受控自动点火(HCCI)燃烧模式的过程中，发动机10转换为在贫燃的空气/燃料比操作，并 且气流被控制以获得贫燃的空气/燃料比。控制模块5命令节气门34启动预先确定的打开轨迹，从而提高岐管压力。由于升高的岐管压力，气流随后增加，直到进气和排气VCP/VLC系统22和24的VLC部分将进气阀20和排气阀18从高升程阀位置切换到低升程阀位置。所喷射的燃料质量对应于发动机负荷。 
图3示出了在均质火花点火(SI-H)燃烧模式和受控自动点火(HCCI)燃烧模式之间的优选燃烧模式的转换的控制流图。发动机10根据预先确定的顺序在均质火花点火(SI-H)燃烧模式和受控自动点火(HCCI)燃烧模式之间转换。对于从均质火花点火(SI-H)燃烧模式转换到受控自动点火(HCCI)燃烧模式，发动机10根据第一预先确定的顺序转换。第一预先确定的顺序包括在中间的分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式操作发动机10。另外，第一预先确定的顺序可以包括在均质火花点火(SI-H)燃烧模式中延迟火花正时以获得不变的扭矩输出，即，延迟火花的火花点火燃烧模式(SI w/Spk Rt)。对于从受控自动点火(HCCI)燃烧模式转换为均质火花点火(SI-H)燃烧模式，发动机10根据第二预先确定的顺序转换。第二预先确定的顺序包括在中间的分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式下操作发动机10。另外，第二预先确定的顺序可以包括在延迟火花的火花点火燃烧模式(SI w/Spk Rt)操作发动机10。 
控制模块5将发动机操作转换为与发动机相关联的优选的燃烧模式，以提高燃料效率和发动机稳定性，和/或降低排放。发动机参数(例如，速度和负荷)中的一个的改变能够影响到发动机操作区域的改变。控制模块5命令与发动机操作区域的改变相关联的优选燃烧模式的改变。在均质火花点火(SI-H)燃烧模式和自动点火燃烧模式之间的各种转换都包括在分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式下的中间操作。 
图4A和图4B是显示了在燃烧模式之间进行发动机操作转换的第一和第二控制方案100和200的控制流图。例如，由于操作员扭矩需求的变化所导致的发动机操作区域的变化能够启动一个转换，从在第一燃烧模式操作发动机10转换到在第二燃烧模式操作发动机10。各转换均包括在中间燃烧模式操作。发动机操作包括确定与在第二燃烧模式操作发动机相关联的优选燃料质量，以获得操作员扭矩需求。在操作中，在与在第二燃烧模式操作相关联的进气和排气VCP/VLC设 备22和24中命令该转换，从而影响进气气流。在第一燃烧模式操作并且对应于操作在第一燃烧模式所允许的燃料质量范围的同时，调节喷射的燃料质量来维持燃烧稳定性。图6描述了对于各燃烧模式所允许的燃料质量范围。 
发动机10转换到操作在中间燃烧模式(即分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式)包括当优选的燃料质量处于操作在当前发生的进气气流下的中间燃烧模式的允许的燃料质量范围内时，调节喷射的燃料以对应优选的燃料质量。在与在第二燃烧模式操作相关联的进气和排气VCP/VLC设备22和24中继续命令该转换，从而继续影响进气气流。在中间燃烧模式下操作并且对应于操作在中间燃烧模式所允许的燃料质量范围的同时，调节喷射的燃料质量来维持燃烧稳定性。 
发动机10转换到操作在第二燃烧模式包括当优选的燃料质量处于操作在当前发生的进气气流下的第二燃烧模式的允许的燃料质量范围内时，调节喷射的燃料质量以对应优选的燃料质量。在与在第二燃烧模式操作相关联的进气和排气VCP/VLC设备22和24中继续命令该转换，从而继续影响进气气流。在第二燃烧模式操作并且对应于操作在中间燃烧模式所允许的燃料质量范围的同时，调节喷射的燃料质量来维持燃烧稳定性。可以调节火花点火正时以降低发动机扭矩输出。 
应该意识到，所执行的功能可以在一个或多个设备中组合，例如，以软件、硬件、专用集成电路和/或存储在存储设备中并在控制模块5中执行的一个或多个控制算法和相关联的校准来实现。 
图4A示出了第一控制方案100，其说明了从受控自动点火(HCCI)燃烧模式到均质火花点火(SI-H)燃烧模式的转换。第一控制方案100监测操作员输入和发动机操作状态(102)。监测发动机状态包括监测包括发动机速度和负荷的发动机操作点。或者，可以监测所需的发动机速度和负荷。如上所述，操作员输入可包括，例如，加速踏板，以确定操作员扭矩需求。发动机10操作在当前选择的燃烧模式，例如，受控自动点火(HCCI)燃烧模式104。 
与优选的操作区域相关联的优选燃烧模式基于所监测的发动机速度和负荷，或备选地，所需的发动机速度和负荷来确定(106)。第一控制方案100基于与优选的操作区域和当前操作区域相关联的优选 燃烧模式来确定是否将发动机操作从受控自动点火(HCCI)燃烧模式转换到均质火花点火(SI-H)燃烧模式(108)。如果当前操作区域对应于优选操作区域，即当前操作区域和优选操作区域都对应相同的燃烧模式，则不启动燃烧模式转换。如果当前操作区域不对应优选操作区域，则启动燃烧模式转换。在转换期间，控制模块5协调多个设备的致动，包括给节气门34、进气和排气VCP/VLC设备22和24发送信号以调节进气和排气凸轮相位器以及进气阀20和排气阀18。阀升程切换几乎瞬间发生，而进气和排放凸轮相位器以及岐管中的压力具有较慢的动态特性。 
图4B示出了第二控制方案200，其说明了从均质火花点火(SI-H)燃烧模式到受控自动点火(HCCI)燃烧模式的转换。第二控制方案200监测操作员输入和发动机操作状态(202)。监测发动机状态包括监测包括发动机速度和负荷的发动机操作点。或者，可以监测所需的发动机速度和负荷。如上所述，操作员输入可包括，例如，加速踏板，以确定操作员扭矩需求。发动机10操作在当前选择的燃烧模式，例如，均质火花点火(SI-H)燃烧模式204。 
与优选的操作区域相关联的优选燃烧模式基于所监测的发动机速度和负荷，或备选地，所需的发动机速度和负荷来确定(206)。第二控制方案200基于与优选的操作区域和当前操作区域相关联的优选燃烧模式来确定是否将发动机操作从均质火花点火(SI-H)燃烧模式转换到受控自动点火(HCCI)燃烧模式(208)。如果当前操作区域对应于优选操作区域，即当前选定的操作区域和优选操作区域都对应相同的燃烧模式，则不启动燃烧模式转换。如果当前操作区域不对应优选操作区域，则启动燃烧模式转换。在转换期间，控制模块5协调多个设备的致动，包括给节气门34、进气和排气VCP/VLC系统22和24发送信号以调节进气和排气凸轮相位器以及进气阀20和排气阀18。阀升程切换几乎瞬间发生，而进气和排气凸轮相位器以及岐管中的压力具有较慢的动态特性。 
图5图示出在燃烧模式转换期间的发动机操作状态、发动机致动命令和发动机致动位置。如图5所示，在从均质火花点火(SI-H)燃烧模式到受控自动点火(HCCI)燃烧模式的转换过程中，气流暂时增加。所增加的气流是由增加的歧管压力造成的。之后，当进气和排气 VCP/VLC系统22和24将进气阀20和排气阀18从高升程阀位置切换到低升程阀位置时，气流降低。相似地，在从受控自动点火(HCCI)燃烧模式到均质火花点火(SI-H)燃烧模式的转换过程中，进气和排气VCP/VLC系统22和24将进气阀20和排气阀18从低升程阀位置切换到高升程阀位置，从而暂时地增加了气流。在从受控自动点火(HCCI)燃烧模式到均质火花点火(SI-H)燃烧模式的转换和从均质火花点火(SI-H)燃烧模式转换到受控自动点火(HCCI)燃烧模式的过程中，气流都暂时地增加。在这些气流暂时增加的时间段内，发动机10优选地操作在中间的分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式下。 
图6示出了多个燃烧模式的示例性允许燃料质量范围，多个燃烧模式包括均质火花点火(SI-H)燃烧模式(SI燃料)、受控自动点火(HCCI)燃烧模式(HCCI燃料)和分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式(分层燃料)。各燃烧模式与优选的空气/燃料比范围相关联。因此，对于各优选的空气/燃料比范围，允许的燃料质量范围基于监测的质量空气流量来确定。优选地，控制模块监测允许的燃料质量范围，例如，受控自动点火(HCCI)燃烧模式的受控自动点火燃料范围，分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式的分层充气火花点火燃料范围，和均质火花点火(SI-H)燃烧模式的火花点火燃料范围。在一个实施例中，各优选的燃料范围是最小燃料质量和最大燃料质量之间的燃料质量范围。 
如以上所述，在燃烧模式转换期间，气流暂时地波动。优选地，允许的燃料质量范围随波动的气流而同时波动，例如，增加的气流会增加允许的燃料质量范围。允许的燃料质量范围优选地基于来自质量空气流量传感器32的传感器数据而确定。可以对特定的硬件应用确定一组传感器输出和相关的燃料添加范围，并存储在控制模块5的存储器设备中。当控制模块5在发动机操作期间接收到传感器输出时，可以确定传感器输出，并为多个燃烧模式中的每一个确定所对应的允许燃料质量范围。如图6所示，当控制模块5确定已经发生气流改变时，相应的燃烧模式的燃料添加范围发生变化。 
图7图示了在燃烧模式从均质火花点火(SI-H)燃烧模式(区域I)经过中间的分层充气火花点火燃烧模式(区域II)转换到受控自动点火(HCCI)燃烧模式(区域III)的过程中，燃料质量与时间的关 系。图7示出了燃烧模式转换中的优选燃料质量和实际燃料质量。第一和第二控制方案100和200确定了在燃烧模式转换期间对发动机10提供燃料的优选燃料质量。优选燃料质量是与在优选燃烧模式下操作发动机10以获得操作员扭矩需求相关联的各发动机循环期间所喷射的燃料的所需量。优选燃料质量优选地是在燃烧模式转换期间的固定量的喷射燃料质量，但也可以如本文所述那样地波动。 
图4A示出了如之前所述的那样使用第二预先确定顺序的燃烧模式转换。发动机10最初操作在受控自动点火(HCCI)燃烧模式(104)。控制模块5确定优选的燃烧模式(106)并且确定是否命令燃烧模式转换(108)。当命令转换到在均质火花点火(SI-H)燃烧模式操作时，控制模块5开始关闭节气门34并命令调节进气和排气VCP/VLC系统22和24以便调节进气和排气凸轮相位器，以对应于在均质火花点火(SI-H)燃烧模式操作，导致歧管压力下降以及质量空气流量增加(109)。控制模块5基于操作员扭矩需求来确定优选的燃料质量(110)。控制模块5控制发动机处于受控自动点火(HCCI)燃烧模式(112)，响应于进气气流而为发动机10提供燃料，该进气气流随着对进气和排气VCP/VLC系统22和24的调节而改变(114)。 
控制模块5监测分层充气火花点火和受控自动点火(HCCI)燃烧模式的进气质量空气流量、优选燃料质量和允许的燃料质量范围。当气流质量上升时，分层充气火花点火和均质火花点火(SI-H)燃烧模式的允许燃料质量范围增加。控制模块5基于分层充气火花点火的优选燃料质量和允许的燃料质量范围来确定是否将发动机操作转换为分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式(116)。当分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式的允许燃料质量范围与优选燃料质量一致时，控制模块5停止将发动机操作在受控自动点火(HCCI)燃烧模式，开始将发动机操作在分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式(118)。否则，发动机继续操作在受控自动点火燃烧模式(HCCI)。 
在从受控自动点火燃烧模式(HCCI)转换为分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式(118)的过程中，控制模块5命令进气和排气VCP/VLC系统22和24，以在分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式中的操作期间将进气阀20和排气阀18从低升程阀位置切换到高升程阀位置，从而调节了质量空气流量。控制模块5操作在分层充气火花 点火(SC-SI)燃烧模式，并对应于质量空气流量的改变而调节实际喷射的燃料质量(120)。控制模块5基于均质火花点火(SI-H)燃烧模式的优选燃料质量和允许的燃料质量范围来确定是否将发动机操作转换为均质火花点火(SI-H)燃烧模式(122)。当均质火花点火(SI-H)燃烧模式的允许燃料质量范围与优选燃料质量一致时，控制模块5停止将发动机操作在分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式，开始将发动机10操作在均质火花点火(SI-H)燃烧模式(132)。然而，如果在发动机10操作在分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式时，分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式的允许燃料质量范围降低到小于优选燃料质量(124)，则控制模块5可以使用火花延迟而转换到操作在均质火花点火(SI-H)燃烧模式(126)。否则，发动机继续操作在分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式(118)。 
在使用火花延迟从分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式转换到均质火花点火(SI-H)燃烧模式过程中，控制模块5基于优选燃料质量对发动机10提供燃料(128)。控制模块5继续调节进气和排气VCP/VLC系统22和24，并且当进气的质量空气流量调节到允许发动机操作在优选燃料质量时，即，当均质火花点火(SI-H)燃烧模式的允许燃料质量范围与优选燃料质量一致时，停止火花延迟(130)。 
图4B示出了如之前所述的使用第一预先确定顺序的燃烧模式转换。发动机10最初操作在均质火花点火(SI-H)燃烧模式(204)。控制模块5确定优选的燃烧模式(206)并且确定是否命令燃烧模式转换(208)。当命令转换到在受控自动点火(HCCI)燃烧模式操作时，控制模块5开始打开节气门34并命令调节VCP/VLC系统22和24以便调节进气和排气凸轮相位器，以对应于在受控自动点火(HCCI)燃烧模式操作，导致歧管压力上升以及质量空气流量增加(209)。控制模块5基于操作员扭矩需求来确定优选的燃料质量(210)。控制模块5控制发动机10处于均质火花点火(SI-H)燃烧模式(212)，响应于进气气流而为发动机10提供燃料，该进气气流随着对进气和排气VCP/VLC系统22和24的调节而改变(214)。 
控制模块5监测均质火花点火(SI-H)燃烧模式和分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式的进气质量空气流量、优选燃料质量和允许的燃料质量范围。当质量空气流量上升时，均质火花点火和分层充气 火花点火(SC-SI)燃烧模式的允许燃料质量范围增加。控制模块5基于分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式的优选燃料质量和允许的燃料质量范围来确定是否将发动机操作转换为分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式(216)。当分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式的允许燃料质量范围与优选燃料质量一致时，控制模块5停止将发动机操作在均质火花点火(SI-H)燃烧模式，开始将发动机操作在分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式(226)。控制模块5基于优选燃料质量对发动机10提供燃料(228)。 
然而，如果在发动机10操作在均质火花点火(SI-H)燃烧模式时，均质火花点火(SI-H)燃烧模式的允许燃料质量范围变得大于优选燃料质量(218)，则控制模块5可以延迟火花正时，使用火花延迟来操作在均质火花点火(SI-H)燃烧模式(220)。控制模块5基于均质火花点火(SI-H)燃烧模式的优选燃料质量和允许燃料质量范围对发动机10提供燃料(222)。控制模块5继续监测允许的分层充气火花点火(SC-SI)的燃料范围，并且当分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式的允许的燃料质量范围与优选燃料质量一致时，停止火花点火的延迟，并开始使发动机操作在分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式(224)。 
控制模块5命令进气和排气VCP/VLC系统22和24在分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式中的操作期间将进气阀20和排气阀18从高升程阀位置切换到低升程阀位置，从而调节了质量空气流量。控制模块5操作在分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式，并对应于质量空气流量的改变而调节实际喷射的燃料质量。控制模块5基于受控自动点火燃料范围的优选燃料质量和允许的燃料质量范围来确定是否将发动机操作转换为受控自动点火(HCCI)燃烧模式(230)。当进气的质量空气流量调节为允许发动机以优选燃料质量操作时，即，当受控自动点火(HCCI)燃烧模式的允许燃料质量范围与优选燃料质量一致时，控制模块5停止将发动机操作在分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式，开始将发动机10操作在受控自动点火(HCCI)燃烧模式(232)。 
再次参考图7，在对于第一和第二预先确定的顺序中的任一个的燃烧模式转换期间，喷射到发动机10中的实际燃料质量基于当前燃 烧模式的对应于质量空气流量的优选燃料质量和允许的燃料质量范围来确定。在当前的燃烧模式的优选燃料范围与优选的燃料质量一致时，实际燃料质量被调节到优选燃料质量。当优选燃料质量小于当前燃烧模式的优选燃料范围时，对应于当前燃烧模式的优选燃料范围的最小燃料质量的燃料质量作为实际燃料质量。当优选燃料质量大于当前燃烧模式的优选燃料范围时，对应于当前燃烧模式的优选燃料范围的最大燃料质量的燃料质量作为实际燃料质量。再说一次，喷射到发动机10中的实际燃料质量不是在当前燃烧模式的优选燃料范围之外的燃料质量。 
如图7所示，在操作在均质火花点火(SI-H)燃烧模式(区域I)期间喷射到发动机10中的实际燃料在均质火花点火(SI-H)燃烧模式的优选燃料范围提高之后而增加。在发动机操作转换到分层充气火花点火(SC-SI)燃烧模式(区域II)之后，喷射的实际燃料等于分层充气火花点火燃料范围的最小燃料质量。在发动机操作转换到受控自动点火(HCCI)燃烧模式(区域III)之后，当受控自动点火(HCCI)燃烧模式的允许燃料范围与优选燃料质量一致时，喷射的实际燃料等于优选燃料质量。 
可替代的实施例包括具有可控阀开度控制的内燃发动机，包括那些采用了仅用于进气阀或排气阀的多级阀开度和/或可变凸轮定相，或连续可变的阀升程、相位和持续时间控制。 
本公开描述了某些优选实施例及其变型。阅读并理解了本说明书的其他人能够想到其它的变型和变化。因此，本公开不限于以实现本公开的最佳方式而公开的特定实施例，而是将包括落在权利要求范围内的所有实施例。 

Claims (20)

1.一种用于操作火花点火直喷内燃发动机的方法，所述内燃发动机包括具有进气阀和排气阀的可控阀机构并构造成可操作在多个燃烧模式中，所述方法包括：
在第一燃烧模式操作所述发动机；
确定操作员扭矩需求；
启动转换，使所述发动机从操作在所述第一燃烧模式转换到操作在第二燃烧模式，所述转换包括使所述发动机操作在中间的燃烧模式；
确定与将所述发动机操作在所述第二燃烧模式以获得所述操作员扭矩需求相关联的优选燃料质量；
将所述发动机从操作在所述第一燃烧模式转换到操作在所述中间燃烧模式，并且当所述优选燃料质量处于所述中间燃烧模式的允许燃料质量范围内时，调节喷射的燃料质量以对应所述优选的燃料质量；以及
将所述发动机从操作在所述中间燃烧模式转换到操作在所述第二燃烧模式，并且当所述优选燃料质量处于所述第二燃烧模式的允许燃料质量范围内时，调节所述喷射的燃料质量以对应所述优选的燃料质量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在操作于所述第一燃烧模式期间，调节所述进气阀和排气阀的打开和关闭；以及
在操作于所述第一燃烧模式期间，对应于与所调节的所述进气阀和排气阀的打开和关闭相关联的气流的改变而调节喷射的燃料质量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在操作于所述中间燃烧模式期间，调节所述进气阀和排气阀的打开和关闭；以及
在操作于所述中间燃烧模式期间，对应于与所调节的所述发动机的打开和关闭相关联的气流的改变而调节喷射的燃料质量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述发动机操作在所述第一燃烧模式时，基于与所述第一燃烧模式相关联的优选燃料质量和允许燃料质量范围来调节喷射的燃料质量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一燃烧模式的所述允许燃料质量范围是介于最小燃料质量和最大燃料质量之间的范围，并且其中，当操作在所述第一燃烧模式并且所述优选燃料质量处于所述第一燃烧模式的允许燃料质量范围内时，所述喷射的燃料质量是所述优选燃料质量，并且其中，当操作在所述第一燃烧模式并且所述优选燃料质量小于所述允许燃料质量范围时，所述喷射的燃料质量是所述最小燃料质量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当操作在所述第一燃烧模式并且所述优选燃料质量大于所述第一燃烧模式的所述允许燃料质量范围时，所述喷射的燃料质量是所述最大燃料质量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述发动机操作在所述中间燃烧模式时，基于所述中间燃烧模式的允许燃料质量范围来调节所述喷射的燃料质量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述中间燃烧模式的所述允许燃料质量范围是介于最小燃料质量和最大燃料质量之间的范围，并且其中，当操作在所述中间燃烧模式并且所述优选燃料质量处于所述中间燃烧模式的允许燃料质量范围内时，所述喷射的燃料质量是所述优选燃料质量，并且其中，当操作在所述中间燃烧模式并且所述优选燃料质量小于所述中间燃烧模式的所述允许燃料质量范围时，所述喷射的燃料质量是所述最小燃料质量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当操作在所述中间燃烧模式并且所述优选燃料质量大于所述中间燃烧模式的所述允许燃料质量范围时，所述喷射的燃料质量是所述最大燃料质量。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述中间燃烧模式的预先确定的空气/燃料比范围和所监测的进气气流来确定所述中间燃烧模式的所述允许燃料质量范围，并且其中，基于所述第二燃烧模式的预先确定的空气/燃料比范围和所监测的进气气流来确定所述第二燃烧模式的所述允许燃料质量范围。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一燃烧模式是均质火花点火燃烧模式，并且所述第二燃烧模式是受控自动点火燃烧模式。
12.一种用于操作火花点火直喷内燃发动机的方法，所述内燃发动机包括具有进气阀和排气阀的可控阀机构并构造成可操作在多个燃烧模式中，所述方法包括：
在第一燃烧模式操作所述发动机；
确定操作员扭矩需求；
监测进气气流；
启动转换，使所述发动机从操作在所述第一燃烧模式转换到操作在第二燃烧模式，所述转换包括调节所述进气阀和排气阀的打开和关闭；
确定与将所述发动机操作在所述第二燃烧模式以获得所述操作员扭矩需求相关联的优选燃料质量；
将所述发动机从操作在所述第一燃烧模式转换到操作在中间燃烧模式，并且当所述优选燃料质量处于所述中间燃烧模式的在所述监测的进气气流下的允许燃料质量范围内时，调节喷射的燃料质量以对应所述优选的燃料质量；以及
将所述发动机从操作在所述中间燃烧模式转换到操作在所述第二燃烧模式，并且当所述优选燃料质量处于所述第二燃烧模式的在所述监测的进气气流下的允许燃料质量范围内时，调节喷射的燃料质量以对应所述优选的燃料质量。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
在操作于所述第一燃烧模式期间，调节所述进气阀和排气阀的打开和关闭；以及
在操作于所述第一燃烧模式期间，对应于与所调节的所述进气阀和排气阀的打开和关闭相关联的气流的改变而调节喷射的燃料质量。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
在操作于所述中间燃烧模式期间，调节所述进气阀和排气阀的打开和关闭；以及
在操作于所述中间燃烧模式期间，对应于与所调节的所述进气阀和排气阀的打开和关闭相关联的气流的改变而调节喷射的燃料质量。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，当所述发动机操作在所述第一燃烧模式时，基于与所述第一燃烧模式相关联的优选燃料质量和允许燃料质量范围来调节喷射的燃料质量，并且其中，当所述发动机操作在所述中间燃烧模式时，基于所述中间燃烧模式的允许燃料质量范围来调节所述喷射的燃料质量。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一燃烧模式的所述允许燃料质量范围是介于最小燃料质量和最大燃料质量之间的范围，并且其中，当操作在所述第一燃烧模式并且所述优选燃料质量处于所述第一燃烧模式的允许燃料质量范围内时，所述喷射的燃料质量是所述优选燃料质量，并且其中，当操作在所述第一燃烧模式并且所述优选燃料质量小于所述允许燃料质量范围时，所述喷射的燃料质量是所述最小燃料质量。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述中间燃烧模式的所述允许燃料质量范围是介于最小燃料质量和最大燃料质量之间的范围，并且其中，当操作在所述中间燃烧模式并且所述优选燃料质量处于所述中间燃烧模式的允许燃料质量范围内时，所述喷射的燃料质量是所述优选燃料质量，并且其中，当操作在所述中间燃烧模式并且所述优选燃料质量小于所述中间燃烧模式的所述允许燃料质量范围时，所述喷射的燃料质量是所述最小燃料质量。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一燃烧模式是受控自动点火燃烧模式，并且所述第二燃烧模式是均质火花点火燃烧模式。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
监测发动机操作点；以及
其中，基于所述发动机操作点而启动转换。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，当所述发动机操作点对应于与所述均质火花点火燃烧模式相关联的预先确定的发动机操作区域时，启动转换，使发动机从操作在所述受控自动点火燃烧模式转换到操作在所述均质火花点火燃烧模式。
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