CN102102590B

CN102102590B - Hcci发动机中的egr控制

Info

Publication number: CN102102590B
Application number: CN201010593925.3A
Authority: CN
Inventors: J-M.康; H.允
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: US8210158B2; DE102010054599A1; DE102010054599B4; US20110146637A1; CN102102590A

Abstract

本发明涉及HCCI发动机中的EGR控制。内燃机在HCCI操作期间以非节流状况操作，同时确定优选燃烧定相。EGR质量流率被指令对应于优选燃烧定相。EGR阀被控制以实现所指令的EGR质量流率。当所指令的质量流率超过EGR阀的控制权限时，节气门阀的位置被控制以实现所指令的EGR质量流率。

Description

HCCI发动机中的EGR控制

技术领域

本发明涉及均质充气压缩点火（HCCI）火花点火发动机。

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。

火花点火（SI）发动机可被设置用于在预定速度/负载操作条件下以均质充气压缩点火（HCCI）燃烧模式操作，也可互换地称为受控自动点火（HCCI）燃烧。受控自动点火（HCCI）燃烧包括由氧化化学作用控制的分布式、无火焰、自动点火燃烧过程。

受控自动点火（HCCI）燃烧是一种分布式动力学控制的燃烧过程，其中发动机用稀薄的空气/燃料混合物（即，稀于空气/燃料化学计量比点）操作，具有相对低的峰值燃烧温度，从而得到低氮氧化物（NO_X）排放。均质空气/燃料混合物使得形成烟雾和颗粒排放物的浓区域的出现最小化。

在HCCI发动机中，自动点火燃烧的定相很大程度上取决于进气门关闭时的气缸充气温度、组分、和气缸压力。因此，发动机的控制输入必须被仔细协调以确保这些关键气缸变量处于能够稳固地实现自动点火燃烧的范围内，该控制输入例如为燃料量、燃料喷射正时、火花正时、EGR阀开启位置、以及进气门和排气门曲线。在这些输入之中，发动机可用的EGR量由EGR阀的开启位置控制，并且可按照EGR质量流率来考虑。EGR阀的控制权限涉及通过调节EGR阀的开启位置来调节EGR质量流率的能力。本领域技术人员能够理解的是，EGR阀可具有能够被控制在0%至100%之间的开启位置，而EGR质量流率可针对在例如0%至30%之间的EGR阀开启位置被调节，这取决于发动机操作状况。将EGR阀开启位置增加到高于控制权限阈值不会导致在发动机操作状况下的附加EGR质量流率，因为例如在本示例中，当EGR阀开启超过30%之后，EGR阀的有效面积将不会大量增加。EGR阀的控制权限可基于各个反馈参数由发动机控制模块确定，该反馈参数例如为进气歧管压力、绝对压力、燃烧定相、温度、以及其它发动机参数。

可用于发动机的EGR质量流率由与进气歧管内压力和EGR阀开度有关的数量限制，例如当进气歧管压力高时，在EGR阀达到完全开启位置之前可限制最大EGR质量流率。此限制约束可使用的发动机范围，因为大量的EGR在高负载和高速时是必要的，以便减缓气缸压力升高，藉此降低燃烧噪音并且实现较高的最大燃料速率。

发明内容

发动机包括EGR阀、节气门阀以及燃烧定相控制器，所述燃烧定相控制器在HCCI燃烧模式下的操作期间控制燃烧。一种用于控制内燃机操作的方法包括在HCCI燃烧模式模式将发动机以非节流条件操作；确定优选燃烧定相；指令对应于优选燃烧定相的EGR质量流率；控制EGR阀至相应预定位置，以实现所指令的EGR质量流率；以及在所指令的EGR质量流率超过EGR阀的控制权限阈值时控制节气门阀至相应预定位置，以实现所指令的EGR质量流率。

本发明涉及下述技术方案。

1. 一种用于控制可操作在HCCI燃烧模式中的内燃机的操作的方法，所述发动机包括EGR阀、节气门阀、和燃烧定相控制器，所述燃烧定相控制器控制在以HCCI燃烧模式操作期间的燃烧，所述方法包括：

在HCCI燃烧模式中以非节流状况操作发动机；

确定优选燃烧定相；

指令对应于优选燃烧定相的EGR质量流率；

控制EGR阀至相应预定位置，以实现所指令的EGR质量流率；以及

当所指令的EGR质量流率超过EGR阀的控制权限阈值时，控制节气门阀至相应预定位置，以实现所指令的EGR质量流率。

2. 根据方案1所述的方法，其中，确定优选燃烧定相包括响应于操作者扭矩请求确定与在HCCI燃烧模式中以非节流状况操作发动机相关的优选燃烧定相。

3. 根据方案2所述的方法，其中，确定优选燃烧定相包括监测气缸压力和曲轴角。

4. 根据方案1所述的方法，其中，EGR阀的控制权限阈值根据一个或多个发动机操作状况而确定。

5. 根据方案1所述的方法，其中，通过将EGR阀的控制权限阈值与EGR阀的操作进行比较来确定节气门阀的预定位置。

6. 根据方案1所述的方法，其中，控制节气门阀至预定位置包括控制节气门阀至逐渐关闭的位置，以降低进气歧管压力。

7. 根据方案6所述的方法，其中，控制节气门阀基于进气歧管压力与进气歧管压力阈值的比较。

8. 根据方案7所述的方法，其中，进气歧管压力阈值包括最小压力，在低于所述最小压力时节气门阀将不被进一步调节。

9. 一种控制内燃机的操作的方法，所述内燃机能在HCCI燃烧模式中非节流地操作并且具有燃烧定相控制器，所述方法包括：

监测HCCI燃烧模式中的气缸燃烧定相；

调节EGR阀位置，以实现优选燃烧定相；以及

仅当EGR阀位置超过控制权限阈值时，调节节气门阀位置以实现优选燃烧定相。

10. 根据方案9所述的方法，其中，监测气缸燃烧定相包括监测气缸压力和曲轴角。

11. 根据方案9所述的方法，其中，调节EGR阀位置改变可用于HCCI燃烧的EGR质量的数量。

12. 根据方案9所述的方法，其中，控制权限阈值根据一个或多个发动机操作状况而确定。

13. 根据方案9所述的方法，其中，调节节气门阀位置基于进气歧管压力与预定最小压力阈值的比较。

14. 根据方案9所述的方法，其中，当EGR阀退回至低于控制权限阈值时，节气门阀位置被控制至基本全开度位置。

15. 一种控制包括可控EGR阀和可控节气门阀的内燃机的控制方法，所述发动机以HCCI燃烧模式操作，所述方法包括：

开环控制，所述开环控制方法提供EGR阀和节气门阀位置设定；和

闭环控制，所述闭环控制方法提供优选燃烧定相、实际燃烧定相、以及基于实际燃烧定相和期望燃烧定相之间的差异的EGR阀和节气门阀位置设定的调节。

16. 根据方案15所述的控制方法，其中，当EGR阀位置设定超过控制权限阈值时，确定对节气门阀位置设定的调节。

17. 根据方案16所述的控制方法，其中，节气门阀位置设定被限制在对应于预定最小歧管压力的最小开度。

18. 根据方案16所述的控制方法，其中，控制权限阈值对应于得到的EGR质量流量不再修整燃烧定相的EGR阀位置设定。

附图说明

现在将参考附图通过例子描述一个或更多的实施例，在附图中：

图1是根据本发明的内燃机的详细示意图，示出了包括燃烧定相控制器的伴随控制模块；

图2示意性地示出了根据本发明的用于在HCCI燃烧模式期间控制EGR质量流率的发动机控制方案，以实现对应于操作者扭矩请求的优选燃烧定相；

图3图示描述了根据本发明的用于将示例性发动机以HCCI燃烧模式操作的致动器指令的基于时间的示例；以及

图4图示描述了根据本发明的与以HCCI燃烧模式操作的示例性发动机相关的实际数据，所述示例性发动机使用发动机控制方案用于控制EGR质量流率以实现优选燃烧定相。

具体实施方式

现参考附图，其中附图的目的只是为了说明某些示例性实施例并不是为了限制于此，图1是示出了伴随控制模块5的内燃机10的详细示意图，所述控制模块包括已经根据本发明的实施例构建的燃烧定相控制器110（图2）。发动机10可选择性地以多种燃烧模式操作，包括受控自动点火（HCCI）燃烧模式、均质火花点火燃烧模式、以及中间分层充气火花点火燃烧模式。发动机10可选择性地以化学计量比空气/燃料比操作以及以主要稀于化学计量比的空气/燃料比操作。优选地，发动机采用主要稀于化学计量比的空气/燃料比以HCCI模式运行，并且监测燃烧定相。本发明可应用到可采用燃烧定相控制器110的各种内燃机系统和燃烧循环中。

在一个实施例中，发动机10可联接到变速器装置，以将牵引动力传输给车辆的传动系。变速器可包括具有扭矩机器的混合动力变速器，该扭矩机器可操作将牵引动力传输给传动系。

示例性发动机10包括多气缸、直喷式四冲程内燃机，具有可在气缸15内可滑动地移动的往复活塞14，从而限定可变容积燃烧室16。每个活塞14连接到旋转的曲轴12，线性往复运动通过该曲轴转换为旋转运动。空气进气系统将进气空气提供给进气岐管29，该进气歧管将空气引导并分配到燃烧室16的进气流道中。空气进气系统包括用于监测并控制空气流的空气流通风管和装置。空气进气装置优选地包括用于监测空气质量流量和进气空气温度的空气质量流量传感器32。节气门阀34优选地包括电子控制装置，其用来响应于来自于控制模块5或燃烧定相控制器110的控制信号（ETC）控制至发动机10的空气流。进气歧管29中的压力传感器36配置成监测岐管绝对压力（MAP）和大气压力从而获得压差，并且在全开度节气门（WOT）状况期间，MAP和大气压力大致相同。外部EGR系统包括用于将排气从发动机排出到进气歧管29的排气再循环的外部流动通道，具有称为排气再循环（EGR）阀38的流量控制阀。控制模块5和燃烧定相控制器110通过响应于控制信号EGR控制EGR阀38的开度而可操作控制至进气歧管29的再循环排气的质量流率。

从进气歧管29进入到燃烧室16中的空气流由一个或多个进气门20控制。从燃烧室16流出的排气由一个或多个排气门18控制到排气岐管39。发动机10配备有控制并调节进气门20和排气门18的开度和关闭的系统。在一个实施例中，进气门20和排气门18的开度和关闭可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）装置22和24来控制并调节。进气和排气VCP/VLC装置22和24配置成分别控制并操作进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。进气凸轮轴21和排气凸轮轴23的旋转与曲轴12的旋转相关并且标引为该曲轴12的旋转，从而将进气门20和排气门18的开度和关闭与曲轴12和活塞14的位置相关联。

发动机10包括燃料喷射系统，包括多个高压燃料喷射器28，每个高压燃料喷射器均配置成响应于来自控制模块5的信号将一定量的燃料直接喷射到一个燃烧室16中。燃料喷射器28从燃料分配系统供应加压燃料。

发动机10包括火花点火系统，响应于来自控制模块5的信号（IGN），火花点火系统可将火花能量提供给火花塞26，以点火或辅助点火每个燃烧室16中的气缸充气。

发动机10配备有用以监测发动机操作的各种传感装置，包括具有输出RPM并且可操作监测曲轴旋转位置（即曲轴角度和速度）的曲轴传感器42、在一个实施例中配置成监测燃烧的燃烧传感器30、以及配置成监测排气的排气传感器40（通常为空气/燃料比传感器）。燃烧传感器30包括可操作监测燃烧参数状态的传感器装置并被描述为可操作监测缸内燃烧压力的气缸压力传感器。控制模块5监测燃烧传感器30和曲轴传感器42的输出，该控制模块确定燃烧定相，即对于每个燃烧循环而言相对于每个气缸15的曲轴12的曲轴角度的燃烧压力正时；或者如本领域技术人员可能已知的类似方法确定燃烧定相。燃烧传感器30还可由控制模块5监测，以确定对于每个燃烧循环而言每个气缸15的平均有效压力（IMEP）。优选地，发动机10和控制模块5均设计为在每个气缸点火事件期间针对每个发动机气缸15监测并确定IMEP的状态。替代性地，其它传感系统可以用来监测本发明范围内的其它燃烧参数的状态，例如离子传感点火系统以及非侵入式气缸压力传感器。

控制模块、控制器和类似术语意味着一种或多种专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的中央处理单元（优选为微处理器）和相关记忆和存储设备（只读、可编程只读、随机读取、硬盘驱动器等）、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、合适的信号调节和缓冲电路、以及提供所述功能的其他合适部件的任何合适组合。控制模块具有一组控制算法，包括存储在存储器中并被执行以提供期望功能的驻留软件程序指令和标定值。该算法优选地在预设循环期间被执行。算法例如通过中央处理单元被执行，并且可操作以监测来自于感测装置和其它联网控制模块的输入，以及执行控制和诊断例程从而控制致动器的操作。循环周期能以定期的时间间隔执行，例如在运行的发动机和车辆操作期间每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。可替代地，算法可以响应事件的发生而执行。

在操作中，控制模块5监测来自于前述传感器的输入以确定发动机参数状态。控制模块5配置成接收来自于操作者的输入信号（例如，经由加速器踏板和制动器踏板，未示出），以确定操作者扭矩请求。控制模块5监测指示发动机速度和进气空气温度、以及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来形成气缸充气，包括控制配备在发动机上的节气门位置、EGR阀38的开度位置以控制再循环排气流、以及进气和/或排气门定相。控制模块5可操作以在运行的车辆操作期间将发动机10接通和断开，并且可操作通过控制燃料和火花以及气门停用来选择性地停用燃烧室15的一部分或进气门20和排气门18的一部分。控制模块5可基于来自于排气传感器40的反馈控制空气/燃料比。

本发明尤其涉及在HCCI燃烧模式下的发动机的非节流操作，此操作可包括火花点火备用。在HCCI燃烧模式操作期间，节气门阀34优选地在受控自动点火燃烧模式中基本全开度，发动机10优选地控制在稀或化学计量比空气/燃料比。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%。进气门20和排气门18处于低升程气门位置，进气和排气升程正时以负气门重叠（NVO）状况操作。一个或多个燃料喷射事件可在发动机循环期间被执行，包括在压缩阶段期间的至少一次喷射。

图2参考图1的发动机进行描述，示意性地示出了用于在HCCI燃烧模式期间控制EGR质量流率的发动机控制方案100，以实现对应于操作者扭矩请求的优选燃烧定相。燃烧定相可从曲轴传感器42的输入相对于每个气缸中的燃烧传感器30来确定，或者通过本领域技术人员已知的其它方法来确定。燃烧定相控制器110监测实际燃烧定相CP（act）和优选燃烧定相CP（req），以确定发动机操作的调节从而实现优选燃烧定相CP（req）。燃烧定相控制器110指令初始EGR质量流率EGR（req i）和进气歧管压力MAP（req f），以实现优选燃烧定相，该进气歧管压力通过控制节气门阀34来实现。所指令的初始EGR质量流率EGR（req i）可超过EGR阀38的控制权限阈值EGR（max），在该EGR（max）点EGR阀38的控制权限被超过并且EGR阀38由于进气歧管压力而不能够实现进一步增加进气歧管29中的EGR质量流率。控制权限阈值EGR（max）变化，并且与各种发动机操作状况和环境状况（例如，环境压力、湿度、温度）相关联，且控制权限阈值EGR（max）可根据这种操作状况和环境状况中的一个或多个而被确定。

如果燃烧定相控制器110指令小于控制权限阈值EGR（max）的初始EGR质量流率EGR（req i），那么燃烧定相控制器110发送控制信号EGR（req f）以调节EGR阀38，从而实现期望燃烧定相。在EGR阀38达到控制权限阈值、即EGR（req i）大于EGR（max）之后，用于增加EGR质量流率的任何附加请求被转换为进气歧管压力增益信号MAP（gain）。MAP（gain）信号用于修整预定初始进气歧管压力信号MAP（req i），以产生最终进气歧管压力信号输出MAP（req f）。MAP（req f）信号与进气歧管压力最小阈值MAP（min）进行比较。MAP（min）信号是可代表发动机效率降低和相关燃料经济性降低的预定点，在该点处不再可能进行HCCI燃烧，或者是或者先前确定的其它点。假定MAP（req f）信号大于MAP（min）信号，那么MAP（req f）控制信号被发送以调节节气门阀34。由于HCCI燃烧模式以节气门阀34的基本全开度节气门（WOT）位置操作，起始进气歧管压力稍微小于环境压力。进气歧管压力可通过关闭节气门阀34调节，藉此降低进气歧管压力并且允许附加EGR质量流量进入到进气歧管29中，进而扩展在HCCI模式中发动机10的可用发动机速度和负载操作范围。

图3图示描述了所公开的用于将示例性发动机以HCCI燃烧模式操作的致动器指令的基于时间的示例。处于HCCI燃烧模式的发动机操作显示为在用线A表示的时间的左侧。发动机利用基本处于全开度节气门（WOT）的节气门阀34操作，从而使得起始进气歧管压力稍微小于环境压力；同时EGR阀38被控制成低于控制权限阈值。

附加量的请求扭矩在时间Ti被启动，这使得在时间A优选EGR质量流量达到最大流量。在时间A和B之间，发动机的速度和/或负载超过EGR阀38的控制权限阈值，即EGR阀38达到其最大有效面积且因此在当前进气歧管压力下不再可实现优选EGR质量流量。当参数MAP（min）与MAP（req i）进行比较后，燃烧定相控制器110识别高扭矩请求状况。然后，节气门阀34可从非节流位置被调节，藉此降低进气歧管29中的压力并使得附加EGR质量流入到进气歧管29中。当发动机负载和/或速度返回至EGR阀38调节可有效地控制进入进气歧管中的EGR质量流量的范围之后，仅用EGR阀38的控制重新开始并且节气门阀34返回至非节流位置。可从时间B右侧的图示中看到返回至仅用EGR阀38的控制。

图4图示描述了与以HCCI燃烧模式操作的示例性发动机相关的实际数据，所述示例性发动机使用前述发动机控制方案100，用于控制EGR质量流率以实现优选燃烧定相。数据参数包括表示发动机负载的发动机燃料流量（mg）、燃烧定相（degATDC，上止点后度数）、EGR阀位置（百分比开度）、以及进气歧管压力（kPa），每个参数在运行的发动机操作期间根据发动机事件而绘制。开始时，发动机10以低负载稳态操作，其中燃料以10 mg被供给、燃烧定相在大约9 degATDC、EGR阀位置在大约11%、进气歧管压力在大约96 kPa。燃料参数被操纵到大约15 mg，以模拟增加的负载状况。燃烧定相控制器110确定与增加负载状况有关的期望燃烧定相曲线（CP（req）），CP（req）被设定在大约12 degATDC，如在燃烧定相曲线中的虚线所指示的。发动机控制方案100将EGR阀位置开启达到大约28%的控制权限阈值（（EGR（max）），藉此将在当前操作状况期间能够实现的最大量EGR质量引入到进气歧管29中。当在未实现期望燃烧定相曲线（CP（req））的前提下达到控制权限阈值（（EGR（max））时，发动机控制方案100调节节气门阀34以操纵进气歧管压力，使得附加EGR质量被引入到进气歧管29中以实现期望定相曲线。对于该示例性发动机操作，为了实现期望定相曲线，进气歧管压力被调节至大约94 kPa。当燃料参数返回至低负载稳态水平（即，10 mg）时，其余参数也返回至其先前的状态。由调节节气门本体34引起的调节进气歧管压力的能力扩展了发动机10能够以HCCI燃烧模式操作的速度和负载操作范围。

本发明已经描述了某些优选实施例及其变型。在阅读和理解该说明书之后，本领域技术人员可以想到其它的变型和改变。因此，本发明并不意在限于作为用于实现该发明所构想的最佳模式公开的具体实施例，而本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims

1.一种用于控制可操作在HCCI燃烧模式中的内燃发动机的操作的方法，所述内燃发动机包括EGR阀、节气门阀、和燃烧定相控制器，所述燃烧定相控制器控制在以HCCI燃烧模式操作期间的燃烧，所述方法包括：

在HCCI燃烧模式中以非节流状况操作发动机；

确定优选燃烧定相；

指令对应于优选燃烧定相的EGR质量流率；

当所指令的EGR质量流率超过EGR阀的控制权限阈值时，控制节气门阀至相应预定位置，以实现所指令的EGR质量流率，在所述控制权限阈值处，EGR质量流率不能得到进一步增加。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定优选燃烧定相包括响应于操作者扭矩请求确定与在HCCI燃烧模式中以非节流状况操作发动机相关的优选燃烧定相。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定优选燃烧定相包括监测气缸压力和曲轴角。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，EGR阀的控制权限阈值根据一个或多个发动机操作状况而确定。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将EGR阀的控制权限阈值与EGR阀的操作进行比较来确定节气门阀的预定位置。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，控制节气门阀至预定位置包括控制节气门阀至逐渐关闭的位置，以降低进气歧管压力。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，控制节气门阀基于进气歧管压力与进气歧管压力阈值的比较。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，进气歧管压力阈值包括最小压力，在低于所述最小压力时节气门阀将不被进一步调节。

9.一种控制内燃发动机的操作的方法，所述内燃发动机能在HCCI燃烧模式中非节流地操作并且具有燃烧定相控制器，所述方法包括：

监测HCCI燃烧模式中的气缸燃烧定相；

调节EGR阀位置，以实现优选燃烧定相；以及

仅当EGR阀位置超过控制权限阈值时，调节节气门阀位置以实现优选燃烧定相，在所述控制权限阈值处，EGR质量流率不能得到进一步增加。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，监测气缸燃烧定相包括监测气缸压力和曲轴角。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，调节EGR阀位置改变可用于HCCI燃烧的EGR质量的数量。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，控制权限阈值根据一个或多个发动机操作状况而确定。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，调节节气门阀位置基于进气歧管压力与预定最小压力阈值的比较。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，当EGR阀退回至低于控制权限阈值时，节气门阀位置被控制至基本全开度位置。

15.一种控制包括可控EGR阀和可控节气门阀的内燃发动机的控制方法，所述内燃发动机以HCCI燃烧模式操作，所述方法包括：

闭环控制，所述闭环控制方法提供优选燃烧定相、实际燃烧定相、以及基于实际燃烧定相和期望燃烧定相之间的差异的EGR阀和节气门阀位置设定的调节；

其中，当EGR阀位置设定超过控制权限阈值时，确定对节气门阀位置设定的调节，在所述控制权限阈值处，EGR质量流率不能得到进一步增加。

16.根据权利要求15所述的控制方法，其中，节气门阀位置设定被限制在对应于预定最小歧管压力的最小开度。

17.根据权利要求15所述的控制方法，其中，控制权限阈值对应于得到的EGR质量流量不再修整燃烧定相的EGR阀位置设定。