CN102720596B - 在hcci发动机中使用标准化瞬态热释放的燃烧平衡控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃机的燃烧的方法，包括：提供燃烧控制参数；确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；确定每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；计算每个气缸的燃烧参数；确定目标燃烧参数；将所计算燃烧参数与目标燃烧参数相比较；基于该比较对燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数；和基于调节后的所提供的燃烧控制参数来控制该发动机。

Description

在HCCI发动机中使用标准化瞬态热释放的燃烧平衡控制
技术领域
本发明涉及均质充气压缩点火（HCCI）发动机的操作和控制。
背景技术
在本节中的描述仅仅提供与本发明相关的背景信息，而可以不构成现有技术。
内燃发动机，尤其是机动车内燃发动机，通常均为两个类比之一：火花点火和压缩点火。火花点火发动机，例如汽油机，将空气/燃料混合物引入燃烧气缸中，其在压缩冲程中被压缩并且由火花塞点燃。压缩点火发动机，例如柴油机，在压缩冲程的上止点（TDC）附近将加压的燃料喷射到燃烧气缸中，这些燃料在喷射时点燃。汽油机和柴油机两者的燃烧均涉及由流体力学控制的预混或者扩散的火焰。每种类型的发动机均具有优点和缺点。通常，汽油机产生较少排放物，但是效率较低。通常，柴油机效率更高，但是产生更多排放物。
其他类型的燃烧技术已经被引入用于内燃发动机。一种这样的技术在该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作用所控制的分布式无焰的自动点火燃烧过程，而不由流体力学控制。在运行于受控自动点火燃烧过程中的典型发动机中，进气充气在进气门关闭时在成分、温度以及剩余水平方面是接近均质的。因为受控自动点火是一种分布式动力受控的燃烧过程，发动机运行在非常稀薄的空气/燃料混合物（也就是稀于空气/燃料化学当量点）下，而且具有相对低的峰值燃烧温度，从而产生特别低的NOx排放。与柴油机中使用的分层燃料/空气燃烧混合物相比，用于受控自动点火的燃料/空气混合物相对均质，并且因此在柴油机中形成烟和微粒排放物的浓区域基本上被消除。因为此非常稀的燃料/空气混合物，在受控自动点火模式中运行的发动机可以无节流操作，以实现与柴油类似的燃料经济性。
在中等发动机速度和负载操作中，在进气冲程期间气门正时策略和排气再吸入（使用排气以加热进入燃烧空间的气缸充气以促进自动点火）的结合已经被发现非常有效地提供足够热给气缸充气使得在压缩冲程期间的自动点火导致稳定的燃烧，并具有低噪音。但是，这种方法在怠速速度和负载条件处或附近并不能令人满意地工作。当怠速速度和负载从中等速度和负载条件接近时，排气温度降低。在接近怠速速度和负载处在再吸入的排气中没有足够热能来产生可靠的自动点火。结果，当在HCCI模式中运行时，在怠速条件下，燃烧过程的循环间变动过高而不能允许稳定燃烧。结果，有效操作HCCI发动机的一个主要问题在于正确控制燃烧过程使得稳健和稳定的燃烧导致低排放、最优热释放速率和低噪音能够在一定范围的运行条件上实现。HCCI燃烧的优点已经知道许多年。但是，产品实现的主要阻碍是直接控制HCCI燃烧过程的挑战。
HCCI发动机能够在处于部分负载和较低发动机速度条件下运行于自动点火燃烧模式和处于高负载和高速度条件下运行于传统火花点火燃烧模式之间切换。这两种燃烧模式要求不同的发动机操作以维持稳健的燃烧。例如，在自动点火燃烧模式中，发动机操作于稀空气-燃料比，同时节气门全开以最小化发动机泵气损失。相反，在火花点火燃烧模式中，节气门被控制以限制进气气流泵气发动机操作在化学当量空气-燃料比。
在典型的HCCI发动机中，发动机气流通过调节进气节气门位置来控制，或者使用可变气门致动（VVA）系统调节进气门和排气门的打开和关闭来控制，该可变气门致动系统包括可选的多级气门升程，例如多级凸轮凸角（其提供两个或更多气门升程轮廓）。需要在进行的发动机操作期间在两个燃烧模式之间具有平稳切换，以防止在切换期间发动机熄火或者部分燃烧。
在HCCI发动机中的燃烧过程强烈依赖于诸如在进气门关闭时的气缸充气成分、温度和压力的因素。因此，到发动机的控制输入，例如燃料质量和喷射正时以及进气门/排气门轮廓，必须仔细协调以确保稳健的自动点火燃烧。通常而言，为了最佳燃料经济性，HCCI发动机操作于未节流并且具有稀空气-燃料混合物。此外，在使用排气再压缩阀策略的HCCI发动机中，气缸充气温度通过改变排气门关闭正时来捕获不同量的来自于先前循环的热残留气体来控制。典型地，HCCI发动机配备有一个或多个气缸压力传感器和气缸压力处理单元，气缸压力处理单元采样来自于传感器的气缸压力，并计算燃烧参数，例如CA50（50%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地调节多个输入，例如进气门和排气门正时、节气门位置、EGR阀开度、喷射正时等，来维持由CA50指示的期望燃烧相位。因此，气缸压力处理单元通常采样昂贵、高性能的数字信号处理（DSP）芯片，以实时地处理大量的气缸压力采样以产生燃烧参数。
在具有多个气缸的HCCI发动机中，由于每个气缸的进气和热边界条件的差别，每个气缸的燃烧正时可能很大地变化。已知对于单缸发动机，调节负气门重叠（NVO）和燃烧控制参数（例如喷射质量和正时、分段燃料喷射、火花正时、节气门和EGR阀位置），燃烧相位控制和稳健的HCCI燃烧可以使用全灵活性气门致动（FFVA）系统或简化的机械两级（具有相等凸轮相位）来实现。但是，对于多缸发动机，节气门和EGR阀位置对于所有气缸的燃烧相位具有广泛的影响，因此，这样的燃烧控制参数不能用于单个燃烧相位控制。类似地，仅配备有传统机械凸轮相位系统的多缸发动机导致相同NVO应用于全部气缸，并且单个气缸NVO控制用于燃烧相位的能力是不可行的。
发明内容
一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃发动机的燃烧的方法，包括：提供燃烧控制参数；确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的燃烧参数；基于所提供的燃烧控制参数和每个气缸的所计算的燃烧参数来确定目标燃烧参数；将每个气缸的所计算燃烧参数与目标燃烧参数相比较；基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数；和基于调节后的所提供的燃烧控制参数来控制该发动机。
本发明涉及下述技术方案。
1. 一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃发动机的燃烧的方法，包括：
提供燃烧控制参数；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；
基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的燃烧参数；
基于所提供的燃烧控制参数和每个气缸的所计算的燃烧参数来确定目标燃烧参数；
将每个气缸的所计算燃烧参数与目标燃烧参数相比较；
基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数；和
基于调节后的所提供的燃烧控制参数来控制该发动机。
2. 如技术方案1所述的方法，其中所计算的燃烧参数与气缸充气的瞬态热释放相关。
3. 如技术方案1所述的方法，其中计算所述燃烧参数进一步基于气缸充气的比热比。
4. 如技术方案1所述的方法，其中所提供的燃烧控制参数包括未修正的燃烧控制参数。
5. 如技术方案1所述的方法，其中基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数包括：
监测扭矩请求；
基于扭矩请求确定未修正的燃烧控制参数；
基于每个气缸的所计算的燃烧参数与目标燃烧参数的比较确定对未修正的燃烧控制参数的调节；
将对该未修正的燃烧控制参数的调节与该未修正的燃烧控制参数进行比较；和
基于该比较产生在紧接的后续发动机循环期间的每个相应气缸的补偿燃烧控制参数。
6. 如技术方案5所述的方法，其中监测该扭矩请求包括监测加速踏板和制动踏板中的至少一者。
7. 一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃发动机的燃烧的方法，包括：
响应于扭矩请求提供燃烧控制参数；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；
基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的瞬态热释放；
基于所提供的燃烧控制参数和每个气缸的瞬态热释放来确定目标热释放；
基于该瞬态热释放与目标热释放之间的差调节该燃烧控制参数；和
基于调节后的燃烧控制参数来控制该发动机。
8. 如技术方案7所述的方法，其中计算瞬态热释放进一步基于气缸充气的比热比。
9. 如技术方案7所述的方法，其中该燃烧控制参数包括燃料喷射正时。
10. 如技术方案7所述的方法，其中该燃烧控制参数包括燃料喷射质量。
11. 如技术方案9所述的方法，其中调节燃烧控制参数包括以如下方式之一调节燃料喷射正时：a）在压缩冲程中较早传送燃料质量的单次喷射以增大在紧接的后续发动机循环中的热释放，实现该目标热释放；和b）在压缩冲程中较迟传送燃料质量的单次喷射以减小在紧接的后续发动机循环中的热释放，实现该目标热释放。
12. 如技术方案7所述的方法，其中调节该燃烧控制参数包括：
在压缩冲程中较早传送总燃料质量的主要部分的第一喷射；和
在压缩冲程的上止点附近传送总燃料质量的其余部分的第二喷射。
13. 如技术方案12所述的方法，还包括提供总燃料质量的其余部分的第二喷射的火花点火。
14. 一种用于控制多缸火花点火直喷内燃发动机的装置，包括：
监测缸内压力的压力传感器；
监测曲轴角度的曲轴传感器；
控制模块：
提供燃烧控制参数；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；
基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的燃烧参数；
基于所提供的燃烧控制参数和每个气缸的所计算的燃烧参数来确定目标燃烧参数；
将每个气缸的所计算燃烧参数与目标燃烧参数相比较；
基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数；和
基于调节后的所提供的燃烧控制参数来控制该发动机。
15. 如技术方案14所述的装置，其中所计算的燃烧参数与气缸充气的瞬态热释放相关。
16. 如技术方案14所述的装置，其中计算所述燃烧参数进一步基于气缸充气的比热比。
17. 如技术方案14所述的装置，其中所提供的燃烧控制参数包括未修正的燃烧控制参数。
18. 如技术方案14所述的装置，其中基于该比较对每个气缸的所提供的燃烧控制参数进行调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数包括：
监测扭矩请求；
基于扭矩请求确定未修正的燃烧控制参数；
基于每个气缸的所计算的燃烧参数与目标燃烧参数的比较确定对未修正的燃烧控制参数的调节；
将对该未修正的燃烧控制参数的调节与该未修正的燃烧控制参数进行比较；和
基于该比较产生在紧接的后续发动机循环期间的每个相应气缸的补偿燃烧控制参数。
19. 如技术方案18所述的装置，其中监测该扭矩请求包括监测加速踏板和制动踏板中的至少一者。
附图说明
参见附图，通过举例方式，一个或多个实施例现在将得到描述，其中：
图1是根据本发明的示例发动机系统的示意图；
图2图形示出根据本发明基于恒定容积理想燃烧循环模型的作为曲轴角函数的示例性内燃发动机缸内温度的近似；
图3描绘了根据本发明的来自示例性发动机的实验和导出数据，描述CA50（即，50%燃料质量燃烧的曲轴角位置）和从实验数据计算的燃烧参数；
图4示意性图示了根据本发明的燃烧平衡系统；和
图5示意性图示了根据本发明的图4的燃烧参数平衡单元58。
具体实施方式
现在参见附图，其中描述的目的仅仅为了说明某些示例性实施例，而不是为了限制本发明，图1示意性图示根据本发明实施例构造的内燃发动机10和伴随的发动机控制模块5。发动机10可选择地运行在多个燃烧模式下，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（SI-SC）燃烧模式。发动机10可选择地运行在化学当量空燃比和基本上贫于化学当量的空燃比下。应当认识到本发明可应用于不同的内燃发动机系统和燃烧循环。
在一个实施例中，发动机10可以联接到变速器装置，以便将牵引动力传输到车辆的传动系。变速器可以包括混合动力变速器，该混合动力变速器包括可操作以将牵引动力传送到传动系的扭矩机。
示例性发动机10包括多缸直接喷射四冲程内燃发动机，其具有可在气缸15内滑动地运动的往复式活塞14，活塞14和气缸15限定了可变容积的燃烧室16。每个活塞14连接到旋转的曲轴12，通过曲轴12将线性往复运动转换为旋转运动。进气系统提供到进气歧管29的进气，进气歧管29将空气引导并分配到燃烧室16的进气支管中。进气系统包括气流管道系统和用于监测和控制该气流的装置。空气进气装置优选包括用于监测质量空气流量和进气温度的质量空气流量传感器32。节气门34优选包括电子控制的装置，响应于来自控制模块5的控制信号3来控制到发动机10的气流。进气歧管29中的歧管绝对压力（MAP）传感器36构造成监测歧管绝对压力和大气压。外部流动通道将来自发动机排气的排气再循环到进气歧管29，外部流动通道具有被称为排气再循环（EGR）阀38的流量控制阀。控制模块5可操作以控制排气再循环阀38的开度来控制到进气歧管29的排气的质量流量。
通过一个或多个进气门20来控制从进气歧管29到燃烧室16里的空气流量。通过一个或多个排气门18来控制流出燃烧室16到排气歧管39的排气流。发动机10装备了控制和调整进气门20及排气门18的打开和关闭的系统。在一个实施例中，进气门20及排气门18的打开和关闭可以通过分别控制进气和排气的可变凸轮定相/可变升程控制（VCP/VLC）装置22和24来控制和调整。进气和排气VCP/VLC装置22和24被配置成分别控制和操作进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。进气和排气凸轮轴21和23的旋转被联系到曲轴12的旋转，并和曲轴12的旋转挂钩，从而将进气门20及排气门18的打开和关闭联系到曲轴12和活塞14的位置。
进气VCP/VLC装置22优选包括可操作为响应于来自控制模块5的控制信号7而为每个气缸15切换和控制进气门20的气门升程以及可变地调整和控制进气凸轮轴21的定相的机构。排气VCP/VLC装置24优选包括可操作为响应于来自控制模块5的控制信号11而为每个气缸15可变地切换和控制排气门18的气门升程以及可变地调整和控制排气凸轮轴23的定相的可控制的机构。
进气以及排气VCP/VLC装置22和和24都优选包括可控制的两级可变升程控制（VLC）机构，其可操作以分别将进气门及排气门20和18的气门升程的大小或开度控制到两个离散级中的一个。该两个离散级优选包括优选用于低速、低负载操作的低升程气门打开位置(在一个实施例中为大约4-6 mm），和优选用于高速和高负载操作的高升程气门打开位置（在一个实施例中为大约8-13 mm）。进气和排气VCP/VLC装置22和24都优选包括可变凸轮定相（VCP）机构，以便分别控制和调整进气门20和排气门18的打开和关闭的定相（即，相对正时）。调整该定相指的是相对于各气缸15中的曲轴12以及活塞14的位置来改变进气门20及排气门18的打开时间。进气和排气VCP/VLC装置22和24的VCP机构优选具有曲轴转动的大约60°-90°的定相许可范围，因而允许控制模块5使得进气门20及排气门18中的一个的打开和关闭相对于每个气缸15的活塞14的位置超前或延迟。定相许可的范围通过进气和排气VCP/VLC装置22和24来限定和限制。进气和排气VCP/VLC装置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装置22和24使用电动液压的、液力的、以及电气控制的力中的一种来致动，并且通过控制模块5控制。
发动机10包括燃料喷射系统，其包括多个高压燃料喷射器28，每个燃料喷射器28都配置成响应于来自控制模块5的信号17将一定质量的燃料直接喷射到燃烧室16中的一个中。燃料喷射器28由燃料分配系统供给加压燃料。
发动机10包括火花点火系统,可以响应于来自控制模块5的信号9通过该火花点火系统将火花能量提供到火花塞26，用于点燃或帮助点燃每一燃烧室16中的气缸充气。
发动机10装备了用于监测发动机操作的各种传感装置，包括具有输出的每分钟转数（RPM）和可操作以监测曲轴旋转位置（也就是说，曲轴角度和速度）的曲轴传感器42，在一个实施例中还包括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包括可操作以监测燃烧参数状态的传感器装置，并且被描述为可操作以监测气缸内燃烧压力的气缸压力传感器。通过控制模块5来监测燃烧传感器30和曲轴传感器42的输出，控制模块5关于每个燃烧循环为每个气缸15确定燃烧定相，也就是说，燃烧压力相对于曲轴12的曲轴角度的正时。燃烧传感器30还可以通过控制模块5监测，以关于每个燃烧循环为每个气缸15确定平均有效压力（IMEP）。优选地，发动机10和控制模块5被加工成监测和确定每个气缸点火事件期间发动机气缸15中每一个的IMEP状态。可替代地，在本发明范围内也可使用其它传感系统来监测其它燃烧参数的状态，例如离子感测点火系统和非侵入式气缸压力传感器。
控制模块、模块、控制器、处理器和类似术语是指以下部件的任何适合的或各种组合：一个或多个专用集成电路（ASIC）、执行一个或多个软件或固件程序的中央处理单元（优选为微处理器）和相关的存储器和存储介质（只读、可编程序只读、随机访问、硬驱动等）、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调节和缓存电路、以及提供所述功能的其他适当部件。控制模块5具有一组控制算法，其包括保存在非易失性存储器中并且被执行以提供期望功能的常驻程序指令和校准程序。算法优选在预置的循环周期期间执行。例如通过中央处理单元来执行算法，所述算法可操作以监测来自上述的传感装置和其他联网控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程以控制对致动器的操作。可以每隔一定间隔执行循环周期，例如在正在进行的发动机和车辆操作期间每隔3.125、6.25、12.5、25以及100毫秒。可替代地，算法可以响应于事件的发生而被执行。
在操作中，控制模块5监测来自上述传感器的输入以确定发动机参数的状态。控制模块5配置成接收来自操作者（例如，经由节气门踏板和制动器踏板）的输入信号以确定操作者扭矩请求（To_req）。应当认识到，该扭矩请求可以响应于操作者输入（例如，经由节气门踏板和制动器踏板），或者该扭矩请求可以响应于由控制模块监测的自动起动条件。控制模块5监测指示发动机速度和进气温度以及冷却液温度及其它周围情况的传感器。
控制模块5执行存储在其中的算法代码，以便控制上述致动器从而形成气缸充气，包括控制节气门位置、火花点火正时、燃料喷射质量和正时、控制再循环排气的流量的EGR阀位置、以及在如所述装备的发动机上的进气和/或排气门正时和定相。在一个实施例中，气门正时和定相可以包括NVO和排气门再打开的升程（在排气再吸入策略中）。控制模块5可以操作以便在正在进行的车辆操作期间打开和关闭发动机10，并且可以操作以便通过对燃料、火花以及气门停用的控制来选择性地停用一部分燃烧室16或一部分进气门及排气门20和18。控制模块5可以基于来自排气传感器40的反馈来控制空燃比。
在发动机操作期间，节气门34在受控自动点火（HCCI）燃烧模式（例如单喷射和双喷射的受控自动点火（HCCI）燃烧模式）中优选基本上全开，其中以稀的空燃比来控制发动机10。基本上全开的节气门可以包括完全未节流或轻微节流的操作，以便在进气歧管29中产生真空，从而影响EGR流动。在一个实施例中，缸内EGR质量被控制到高稀释率，例如大于气缸空气充气的40%。进气门及排气门20和18处于低升程气门位置中，并且以NVO进行进气和排气升程正时操作。一个或多个燃料喷射事件可以在发动机循环期间执行，其中在压缩阶段中包括至少一次喷射。
在发动机以均质火花点火（SI-H）燃烧模式的操作期间，节气门34被控制以便调节空气流量。发动机10被控制到化学当量的空燃比，并且进气门及排气门20和18处于高升程气门打开位置，并且以正气门重叠进行进气和排气升程正时操作。优选地，在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。当气缸内的空气充量基本上均质时，优选在燃料喷射后预定时间时进行火花点火。
分层充气火花点火（SI-SC）燃烧模式包括基本上稀于化学当量值来操作。燃料喷射正时优选在时间上接近火花点火正时，以便防止空气/燃料混合物均质化变成均匀分布的混合物。所喷射的燃料被喷射在燃烧室16中，其中在火花点火的时候在火花塞周围具有富燃层，而在更远处具有更贫燃的空燃比区域。第一燃料喷射事件可以在火花事件开始时或者恰好在其之前结束。
现在参考图2，基于恒定容积理想燃烧循环模型，图示示例性发动机的缸内温度的近似的曲线图被描述为曲轴角度的函数。横坐标表示曲轴角度201、θ，并且纵轴表示温度202。虚线Z表示通过燃烧循环的监测温度。相关温度和其他参数包括以下：
TIVC：在进气门关闭时的温度，位于点203；
TSOC：在燃烧开始时的温度，位于点205；
TEOC：在燃烧结束时的温度，表示在点207；
PIVC：在进气门关闭时的压力，位于点203；
Pi：进气歧管压力，利用MAP传感器36可测量，并且基本等于PIVC，位于点203；
PSOC：在燃烧开始时的压力，位于点205；
Pmax：峰值气缸压力，利用燃烧压力传感器30可测量并且位于点207；
VIVC：在进气门关闭时的气缸容积，在曲线上位于点203，并且使用已知的轨迹条等式和来自曲轴和凸轮轴位置传感器的输入确定；
VLPP：在曲线上位于点207的峰值压力位置处的气缸容积，，并且使用已知的轨迹条等式和来自曲轴和凸轮轴位置传感器的输入确定;
θIVC：在进气门关闭时的曲轴角度，由从点203竖直延伸到横坐标轴线的虚线表示；
θLPP：在峰值压力位置处的曲轴角度，由从点207通过点205竖直延伸到横坐标轴线的虚线表示，并且使用曲轴位置传感器42结合气缸压力传感器30可测量；
QLHV：燃料的低热值；
mf：燃料质量；
R：气体常数；
γ：比热比（热容比）；和
Cv：在恒定容积的比热。
特定的参数如下计算或估计：
，位于点205；
，位于点205的容积比；
，位于点207；和
，位于点207。
温度包括从已知恒定容积理想燃烧循环模型计算的发动机循环上的近似气缸充气温度。该模型采用瞬态燃烧，并且适合于描述自动点火燃烧，其通常具有比传统火花点火燃烧更快速的燃料燃烧速率。燃烧参数δ包括由于燃烧的瞬态热释放，由进气门关闭时的温度TIVC标准化。
燃烧参数δ通过在控制模块5中执行包括一个或多个算法的代码确定，优选在每个发动机循环期间。燃烧参数δ计算相对简单，因此不要求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Pmax和相应的峰值气缸压力的曲轴旋转位置θLPP使用燃烧压力传感器30和曲轴传感器42测量。进气门关闭θIVC如上所述使用来自进气凸轮装置22的反馈确定。
一旦进气门关闭，气缸中捕获的空气质量保持为相同直到排气门打开。因此，人们可以使用如等式1的理想气体定律导出关系，假定PIVC接近等于Pi：
    （1）
包括标准化的瞬态热释放的燃烧参数δ使用如下等式（2）计算。
    （2）
此处，比热比γ假定为在整个发动机循环上为常数。如等式2所示，一旦峰值气缸压力Pmax、在进气门关闭时的压力PIVC、峰值气缸压力的位置的θLPP、相关气缸容积VLPP、进气门关闭的位置θIVC、和相关气缸容积VIVC被检测或确定，燃烧参数δ通过实时地执行控制策略容易地计算。
图3图示了从示例性发动机的实验和导出数据，描述了由纵轴303表示的CA50（即50%燃料质量燃烧的上止点后曲轴角度位置）、由纵坐标301表示的以RMP测量的发动机速度、和从实验数据计算并由纵坐标57表示的燃烧参数δ。横坐标307表示以秒计数的时间。示例性发动机以固定的燃料供应速率7mg/循环操作，发动机速度在2000rmp和3000rpm之间变化。结果表明CA50参数的状态随发动机速度的增大而提前。应该认识到由CA50参数指示的燃烧相位的提前是由增大的随发动机速度而增大的每次燃料供应速率引起的，由此增大气缸壁温度和结果增大燃料燃烧速率。燃烧相位的响应反映在燃烧参数δ中；即，随着燃烧相位提前，燃烧参数δ增大，因为瞬态热释放由于快速燃烧的燃料而增大。这表明标准化的瞬态热释放，即燃烧参数δ与燃烧相位具有强相关性，并且因此可用于控制在自动点火模式中操作的发动机的燃烧相位，例如HCCI燃烧控制。
根据本发明，描述了对燃烧参数δ进行实时计算的系统构架，可能不会引起对控制模块的中央处理单元（CPU）的过大负载。参考图1描述系统构架的两个实施例。分别从气缸压力传感器30和曲轴传感器42输出的信号13和8作为输入。模拟峰值检测器电路捕获从气缸压力传感器30输入的模拟信号的最大值（Pmax）。使用模拟电路来检测峰值压力值是有利的，因为CPU和其模拟/数字转换器（ADC）不担负以高曲轴角度解析度采集和存储气缸压力信号。但是，为了计算燃烧参数δ，需要峰值压力的位置。全通滤波器和模拟比较器电路（例如双输入比较器）被用来通知CPU和外围装置关于峰值压力的曲轴位置，外围装置负责发动机位置确定。全通滤波器的功能是延迟峰值气缸压力测量值而不使其失真。模拟比较器连续监测压力信号以确定何时其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，并且比较器锁定其数字输出。在比较器的输出处锁定的信号触发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，外围设备捕获发动机位置并将其存储作为峰值压力的位置的值（LPP）。当CPU软件中的相关任务计算标准化瞬态热释放时，其读取LPP参数并且指令ADC外围设备在模拟峰值检测器电路的输出处将模拟信号转换为数字信号。因为VIVC和PIVC分别可以被容易地计算和测量，一旦峰值压力转换完成，软件执行算法形式的等式2。为了检测下一个循环的LLP和Pmax，软件复位模拟峰值检测器电路。此外，软件可以使用曲轴测量值补偿由于比较器和/或数字滤波器中的已知延迟引起的引入到LPP中的误差。
现在参考图4，根据本发明的示例性实施例示出了燃烧平衡系统400。将清楚的是，燃烧平衡系统400提供每个气缸中的燃烧参数δ的在线估计，其中燃烧参数δ被用于在燃烧循环期间的实时燃烧平衡控制和诊断。如上所述，燃烧参数δ包括由于燃烧事件引起的瞬态热释放。燃烧平衡系统400包括平衡模块405、发动机10、燃烧传感器30、缸内压力处理单元54和燃烧参数平衡单元58。还应认识到，平衡模块405可以结合到控制模块5中。
参考图1和4，平衡模块405控制上述致动器以形成补偿的燃烧控制参数61给发动机10。如将要详细参考图5讨论的那样，补偿的燃烧控制参数61基于未修正的燃烧控制参数和对燃烧控制参数的调节。补偿的燃烧控制参数61可以包括对发动机10的适当发动机速度和负载有效的燃料喷射正时、分段燃料喷射事件、和喷射燃料质量，同时保持每个相应气缸中的目标燃烧参数δ水平，用于在燃烧循环期间的实时燃烧平衡控制和诊断。在本发明的示例性实施例中，峰值气缸压力Pmax52由燃烧传感器30测量。此后，Pmax52由平衡模块405监测，其中Pmax52由缸内压力处理单元54关联其他参数处理，以计算每个气缸的燃烧参数δ72。用于关联Pmax52以计算燃烧参数δ72的其他参数包括进气歧管压力Pi、在进气门关闭时的气缸容积VIVC和在峰值压力位置处的气缸容积VLPP。如上所述燃烧参数δ72可以利用等式2计算。此后，用于每个气缸的燃烧参数δ72被输入到燃烧参数平衡单元58，其中燃烧参数平衡单元58包括气缸平衡策略以平衡每个相应气缸中的燃烧参数δ72用于紧随其后的发动机循环的燃烧。特别地，每个相应气缸的燃烧参数δ72通过调节未修正的燃烧控制参数以产生补偿的燃烧控制参数61以被输入发动机10用于下一发动机循环的燃烧，而由燃烧参数平衡单元58内的气缸平衡策略所平衡。每个相应气缸的燃烧参数δ72的平衡可以根据在燃烧循环期间将在每个气缸中被维持的目标燃烧参数来平衡。如上所述，补偿的燃烧控制参数61可以包括燃料喷射正时、分段燃料喷射事件和喷射的燃料质量。应当认识到，可以在单个的基础上对每个气缸中的未修正燃烧控制参数进行调节，用于随后的发动机循环以由此实时平衡多缸发动机10中的燃烧参数δ（即瞬态热释放）。
现在参考图5，根据本发明进一步详细讨论图4的燃烧参数平衡单元58，包括气缸平衡策略101以在单个的基础上调节相应气缸中的未修正燃烧控制参数75，以由此平衡多缸发动机10的每个相应气缸中的燃烧参数δ57。平衡单元58包括目标燃烧参数单元60、第一差分单元65和气缸平衡策略101，其中气缸平衡策略101还包括平衡参数反馈单元69、标定单元73和第二差分单元81。由缸内压力处理单元54计算的燃烧参数δ57被输入到目标燃烧参数单元60和第一差分单元65。如上所述，燃烧参数δ57可以对应于燃烧循环的瞬态热释放。目标燃烧参数单元60基于每个气缸中的未修正燃烧控制参数75和燃烧参数δ57确定用于燃烧的依赖于操作点的燃烧参数目标。由目标燃烧参数单元60产生的目标燃烧参数63被输入到第一差分单元65并与燃烧参数δ57比较。目标燃烧参数63可以包括对发动机10的适当发动机速度和负载有效的理想燃烧参数，用于提供稳健的自动点火、提供足以使得后续发动机循环的自动点火的残热或者当利用火花时维持由火焰传播引起的期望NOx排放水平。基于燃烧参数δ57和目标燃烧参数63之间的比较，比较的燃烧参数67被输入到气缸平衡策略101的平衡燃烧参数反馈单元69。基于比较的燃烧参数67和饱和反馈79，平衡燃烧参数反馈单元69产生对燃烧控制参数77的调节。对于每个气缸，对燃烧控制参数77的调节在第二差分单元81中从未修正燃烧控制参数75减去。
包括期望发动机速度和期望燃料喷射策略的期望发动机输入71被输入到气缸平衡策略101的标定单元73。应认识到，期望发动机输入可以基于扭矩请求，该扭矩请求可以包括操作者对致动器的输入，包括加速踏板和制动踏板，如上所述。标定单元73包括产生未修正燃烧控制参数75的标定表。如上所述，燃烧控制参数可以包括燃料喷射正时、分段燃料喷射事件和喷射燃料质量，其中标定单元73内的标定表可以利用已知方法基于期望发动机操作计算未修正的燃烧控制参数75。如上所述，未修正的燃烧控制参数75在第二差分单元81中减去对燃烧控制参数77的调节。基于对燃烧控制参数77的调节与未修正的燃烧控制参数75之间的差，用于每个相应气缸的补偿燃烧控制参数61被产生并由此在紧接的后续发动机循环期间输入到多缸发动机10。
燃烧控制参数响应于操作者输入产生，以实现各种性能目标。但是，气缸之间的条件由于每个气缸的空气和EGR不良分布而变动，导致每个气缸中不同的燃烧，即使每个气缸的未修正燃烧控制参数75相同。利用燃烧参数δ57，基于每个气缸的缸内峰值压力测量值，通过提供对燃烧控制参数77的调节导致补偿的燃烧控制参数61在单个的基础上被输入到每个气缸，可以实现燃烧循环期间的实时燃烧平衡和诊断，其中补偿的燃烧控制参数61在紧接的后续燃烧循环期间实时地提供每个气缸中的稳定和平衡的燃烧。
如上所述，在具有多个气缸的HCCI发动机中，每个气缸的燃烧正时可能由于每个气缸的进气和热边界条件的差而严重不同。诸如NVO、节气门和EGR阀位置的控制参数对全部气缸的燃烧相位具有全局影响，因此，这些燃烧控制参数不能用于个别燃烧相位控制。示例性的燃烧控制平衡系统400允许诸如燃料喷射正时、分段燃料喷射事件和喷射燃料质量的燃烧控制参数在每个相应气缸中被调节和补偿以平衡单个瞬态热释放（即燃烧参数δ）。
应认识到，燃料喷射策略能够在单个（气缸）的基础上稳定并提供气缸中稳健的燃烧。当发动机在低负载和低发动机速度下操作时，气缸充气的温度可以通过预先喷射燃料到燃烧室中（优选地在NVO时间段期间）而增大。特别地，在相应气缸中可以利用分段燃料喷射事件以在每个相应气缸中实现目标燃烧参数。当发动机操作在自动点火（HCCI）中时，分段燃料喷射事件包括在压缩冲程中较早传送第一喷射（固定燃料质量的第一部分），和在压缩冲程的上止点附近传送第二喷射（固定燃料质量的其余少数部分）。固定燃料质量的第一部分由于再压缩的压力和温度重整，并导致释放热能和增大气缸充气温度。具有增大温度的气缸充气将来自压缩冲程的上止点附近的第二喷射的固定燃料质量的其余少数部分自动点火。将认识到，固定燃料质量包括足以提供残热的燃料质量，该残热足以在紧接的后续发动机信号期间产生燃烧参数，以基本实现目标燃烧参数。
当分层充气火花点火（SI-SC）燃烧被利用时，分段燃料喷射包括包括在压缩冲程中较早传送第一喷射（固定燃料质量的第一部分），和在压缩冲程的上止点附近传送第二喷射（固定燃料质量的其余少数部分）。固定燃料质量的第一部分由于再压缩的压力和温度重整，并导致释放热能和增大气缸充气温度。第二喷射在火花塞点火之前和一致地传送，以启动火焰传播。
对燃烧控制参数77的调节导致补偿的燃烧控制参数61能够进一步包括调节各个气缸的燃料喷射正时，以控制相应气缸内的燃料重整，以基本实现目标燃烧参数63。调节各个气缸的燃料喷射正时可以包括在压缩冲程中较早传送单次燃料质量的喷射，以增大紧接的后续发动机循环中的燃烧参数，以实现目标燃烧参数，或在压缩冲程中较迟地传送单次燃料质量的喷射，以减小紧接的后续发动机循环中的燃烧参数，以实现目标燃烧参数。燃料质量在单次喷射事件之后随后自动点火。
对燃烧控制参数77的调节导致补偿的燃烧控制参数61能够进一步包括在单个的基础上调节各个气缸的喷射燃料质量。燃料质量的量被选择为当在相应气缸中燃烧时足以基本实现目标燃烧参数的燃料质量。
操作在HCCI燃烧模式的发动机基于发动机速度和负载来调度，其中补偿的燃烧控制参数61根据发动机在操作的发动机速度和负载而变化。因此，缸内燃烧压力将根据发动机速度和负载改变。利用缸内压力处理单元54来估计燃烧参数δ57允许基于来自每个循环的每个相应气缸中的测量缸内压力轨迹线，实时在线估计每个燃烧循环的每个相应气缸中的燃烧参数δ57，其中燃烧参数δ57被用于燃烧循环期间的实时燃烧平衡控制和诊断。
本发明已经描述了一些优选实施例和修改。在别人阅读和理解说明书后，可想到进一步的修改和变更。因此，本发明的意图不限于在用于实施本发明构思的，作为最佳方式的具体实施例，但本发明将包括落入附加的权利要求范围内的所有实施例。

Claims (17)

1.一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃发动机的燃烧的方法，包括：
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；
基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的瞬态燃烧参数；
提供未修正的燃烧控制参数，所述未修正的燃烧控制参数在每个气缸内相同；
基于所提供的未修正的燃烧控制参数和每个气缸的所计算的瞬态燃烧参数来确定要在每个相应气缸内实现的目标燃烧参数；
将每个气缸的在当前发动机循环期间所计算的瞬态燃烧参数与目标燃烧参数相比较；
基于该比较对每个气缸的所提供的未修正的燃烧控制参数进行单独调节以在紧接的后续发动机循环期间在所有气缸上平衡所计算的瞬态燃烧参数；和
基于单独调节后的所提供的燃烧控制参数来在紧接的后续发动机循环期间控制该发动机。
2.如权利要求1所述的方法，其中所计算的瞬态燃烧参数与气缸充气的瞬态热释放相关。
3.如权利要求1所述的方法，其中计算所述瞬态燃烧参数进一步基于气缸充气的比热比。
4.如权利要求1所述的方法，其中基于该比较对每个气缸的所提供的未修正的燃烧控制参数进行单独调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数包括：
监测扭矩请求；
基于扭矩请求确定未修正的燃烧控制参数；
基于每个气缸的所计算的瞬态燃烧参数与目标燃烧参数的比较单独确定对每个相应气缸的未修正的燃烧控制参数的相应调节；
将对每个相应气缸的所述未修正的燃烧控制参数的相应调节与所述未修正的燃烧控制参数进行比较；和
基于该比较产生在紧接的后续发动机循环期间的每个相应气缸的补偿燃烧控制参数。
5.如权利要求4所述的方法，其中监测该扭矩请求包括监测加速踏板和制动踏板中的至少一者。
6.一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃发动机的燃烧的方法，包括：
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；
基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的瞬态热释放；
响应于扭矩请求提供未修正的燃烧控制参数，所述未修正的燃烧控制参数在每个气缸内相同；
基于所提供的未修正的燃烧控制参数和每个气缸的瞬态热释放来确定要在每个相应气缸内实现的目标热释放；
基于该瞬态热释放与目标热释放之间的差单独调节每个相应气缸的所述未修正的燃烧控制参数；和
基于单独调节后的燃烧控制参数来控制该发动机。
7.如权利要求6所述的方法，其中计算瞬态热释放进一步基于气缸充气的比热比。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述未修正的燃烧控制参数包括燃料喷射正时。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述未修正的燃烧控制参数包括燃料喷射质量。
10.如权利要求8所述的方法，其中单独调节每个相应气缸的未修正的燃烧控制参数包括以如下方式之一调节燃料喷射正时：a）在压缩冲程中较早传送燃料质量的单次喷射以增大在紧接的后续发动机循环中的热释放，实现该目标热释放；和b）在压缩冲程中较迟传送燃料质量的单次喷射以减小在紧接的后续发动机循环中的热释放，实现该目标热释放。
11.如权利要求6所述的方法，其中单独调节未修正的燃烧控制参数包括：
在压缩冲程中较早传送总燃料质量的主要部分的第一喷射；和
在压缩冲程的上止点附近传送总燃料质量的其余部分的第二喷射。
12.如权利要求11所述的方法，还包括提供总燃料质量的其余部分的第二喷射的火花点火。
13.一种用于控制在受控自动点火模式中操作的多缸内燃发动机的燃烧的装置，包括：
监测缸内压力的压力传感器；
监测曲轴角度的曲轴传感器；
控制模块：
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的相应峰值气缸压力和该峰值气缸压力的相应曲轴角度位置；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在相应进气门关闭处的相应气缸压力；
确定在每个燃烧循环期间每个气缸的在该相应进气门关闭处的相应气缸容积；
基于该相应峰值气缸压力、在相应进气门关闭处的相应气缸压力、该相应峰值气缸压力的相应曲轴角度位置、在该峰值气缸压力的该相应曲轴角度位置处的相应气缸容积和在该相应进气门关闭处的相应气缸容积来计算每个气缸的瞬态燃烧参数；
提供未修正的燃烧控制参数，所述未修正的燃烧控制参数在每个气缸内相同；
基于所提供的未修正的燃烧控制参数和每个气缸的所计算的瞬态燃烧参数来确定要在每个相应气缸内实现的目标燃烧参数；
将每个气缸的在当前发动机循环期间所计算的瞬态燃烧参数与目标燃烧参数相比较；
基于该比较对每个气缸的所提供的未修正的燃烧控制参数进行单独调节以在紧接的后续发动机循环期间在所有气缸上平衡所计算的瞬态燃烧参数；和
基于单独调节后的所提供的燃烧控制参数来在紧接的后续发动机循环期间控制该发动机。
14.如权利要求13所述的装置，其中所计算的瞬态燃烧参数与气缸充气的瞬态热释放相关。
15.如权利要求13所述的装置，其中计算所述瞬态燃烧参数进一步基于气缸充气的比热比。
16.如权利要求13所述的装置，其中基于该比较对每个气缸的所提供的未修正的燃烧控制参数进行单独调节以在所有气缸上平衡所述燃烧参数包括：
监测扭矩请求；
基于扭矩请求确定未修正的燃烧控制参数；
基于每个气缸的所计算的瞬态燃烧参数与目标燃烧参数的比较单独确定对每个相应气缸的未修正的燃烧控制参数的相应调节；
将每个相应气缸的所述未修正的燃烧控制参数的调节与该未修正的燃烧控制参数进行比较；和
基于该比较产生在紧接的后续发动机循环期间的每个相应气缸的补偿燃烧控制参数。
17.如权利要求16所述的装置，其中监测该扭矩请求包括监测加速踏板和制动踏板中的至少一者。
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