CN102787917A - 用于控制均质充量压燃式发动机中的进气门正时的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制均质充量压燃式发动机中的进气门正时的系统和方法，具体地，一种用于均质充量压燃式（HCCI）发动机的控制系统包括第一模块和第二模块。第一模块基于基本进气门打开（IVO）正时和IVO正时调节来确定调节的IVO正时，其中，IVO正时调节基于多个操作参数中的一个或多个。第二模块基于调节的IVO正时来控制HCCI发动机的进气门。

Description

用于控制均质充量压燃式发动机中的进气门正时的系统和方法
技术领域
本发明涉及内燃发动机，且更具体地，涉及用于控制均质充量压燃式（HCCI）发动机中的进气门正时的系统和方法。
背景技术
这里提供的背景技术描述用于总体上介绍本发明的背景。当前所署名发明人的在本背景技术部分中所描述的程度上的工作，以及本描述的在申请时可能不构成现有技术的各方面，既非明示也非默示地被承认为与本发明相抵触的现有技术。
内燃发动机通过可由节气门调节的进气系统将空气吸入到进气歧管中。进气歧管中的空气被分配到多个气缸，并与来自多个燃料喷射器的燃料组合，从而产生空气/燃料（A/F）混合物。A/F混合物在气缸内燃烧，从而驱动使曲轴可旋转地转动的活塞并产生驱动扭矩。
均质充量压燃式（HCCI）发动机可以多个模式操作。在第一燃烧模式下，HCCI发动机使用活塞压缩A/F混合物，直到A/F混合物自点燃为止。可选地，在第二模式（也称作混合模式）下，HCCI发动机可以使用活塞压缩A/F混合物，并可以提供火花以使压缩的A/F混合物燃烧。
发明内容
一种用于均质充量压燃式（HCCI）发动机的控制系统包括第一模块和第二模块。所述第一模块基于基本IVO正时和IVO正时调节来确定调节的进气门打开（IVO）正时，其中，所述IVO正时调节基于多个操作参数中的一个或多个。所述第二模块基于所述调节的IVO正时来控制所述HCCI发动机的进气门。
一种用于控制均质充量压燃式（HCCI）发动机的方法包括：基于基本IVO正时和IVO正时调节来确定调节的进气门打开（IVO）正时，其中，所述IVO正时调节基于多个操作参数中的一个或多个；以及基于所述调节的IVO正时来控制所述HCCI发动机的进气门。
本发明还提供如下方案：
1、一种用于均质充量压燃式（HCCI）发动机的控制系统，所述控制系统包括：
第一模块，所述第一模块基于基本进气门打开（IVO）正时和IVO正时调节来确定调节的IVO正时，其中，所述IVO正时调节基于多个操作参数中的一个或多个；以及
第二模块，所述第二模块基于所述调节的IVO正时来控制所述HCCI发动机的进气门。
2、根据方案1所述的控制系统，其特征在于，所述IVO正时调节相对于所述基本IVO正时被延迟或提前，以使所产生的循环的泵送平均有效压力（PMEP）损失最小化。
3、根据方案1所述的控制系统，其特征在于，其还包括第三模块，所述第三模块基于进入所述HCCI发动机的期望的质量空气流量（MAF）来确定期望的负气门重叠（NVO）。
4、根据方案3所述的控制系统，其特征在于，其还包括第四模块，所述第四模块基于所述期望的NVO来确定所述基本IVO正时。
5、根据方案4所述的控制系统，其特征在于，所述第四模块确定所述基本IVO正时，以使所述基本IVO正时关于所述期望的NVO的中点与基本排气门关闭（EVC）对称。
6、根据方案4所述的控制系统，其特征在于，其还包括第五模块，所述第五模块基于所述多个操作参数中的所述一个或多个以及来自质量空气流量（MAF）传感器和位于所述HCCI发动机的排气系统中的氧传感器中至少之一的反馈来确定所述IVO正时调节。
7、根据方案4所述的控制系统，其特征在于，所述多个操作参数包括每循环火花量、空气充量损失和空气充量冷却。
8、根据方案7所述的控制系统，其特征在于，当所述每循环火花量增加时，所述IVO正时调节相对于所述基本IVO正时延迟所述调节的IVO正时。
9、根据方案7所述的控制系统，其特征在于，当空气充量损失增加或空气充量温度降低时，所述IVO正时调节相对于所述基本IVO正时提前所述调节的IVO正时。
10、根据方案9所述的控制系统，其特征在于，所述空气充量冷却还基于燃料喷射正时、每循环燃料喷射量、燃料类型、空气/燃料（A/F）比、汽化效率和到气缸壁的热传递中至少之一，并且其中，所述汽化效率和到气缸壁的热传递的幅值是发动机速度、发动机负荷和发动机磨损中至少之一的函数。
11、一种用于控制均质充量压燃式（HCCI）发动机的方法，所述方法包括：
基于基本进气门打开（IVO）正时和IVO正时调节来确定调节的IVO正时，其中，所述IVO正时调节基于多个操作参数中的一个或多个；以及
基于所述调节的IVO正时来控制所述HCCI发动机的进气门。
12、根据方案11所述的方法，其特征在于，所述IVO正时调节相对于所述基本IVO正时被延迟或提前，以使所产生的循环的泵送平均有效压力（PMEP）损失最小化。
13、根据方案11所述的方法，其特征在于，其还包括：基于进入所述HCCI发动机的期望的质量空气流量（MAF）来确定期望的负气门重叠（NVO）。
14、根据方案13所述的方法，其特征在于，其还包括：基于所述期望的NVO来确定所述基本IVO正时。
15、根据方案14所述的方法，其特征在于，其还包括：确定所述基本IVO正时，以使所述基本IVO正时关于所述期望的NVO的中点与基本排气门关闭（EVC）对称。
16、根据方案14所述的方法，其特征在于，其还包括：基于所述多个操作参数中的所述一个或多个以及来自质量空气流量（MAF）传感器和位于所述HCCI发动机的排气系统中的氧传感器中至少之一的反馈来确定所述IVO正时调节。
17、根据方案14所述的方法，其特征在于，所述多个操作参数包括每循环火花量、空气充量损失和空气充量冷却。
18、根据方案17所述的方法，其特征在于，当所述每循环火花量增加时，所述IVO正时调节相对于所述基本IVO正时延迟所述调节的IVO正时。
19、根据方案17所述的方法，其特征在于，当空气充量损失增加或空气充量温度降低时，所述IVO正时调节相对于所述基本IVO正时提前所述调节的IVO正时。
20、根据方案19所述的方法，其特征在于，所述空气充量冷却还基于燃料喷射正时、每循环燃料喷射量、燃料类型、空气/燃料（A/F）比、汽化效率和到气缸壁的热传递中至少之一，并且其中，所述汽化效率和到气缸壁的热传递的幅值是发动机速度、发动机负荷和发动机磨损中至少之一的函数。
本发明进一步的适用范围将通过下文提供的详细描述而变得显而易见。应当理解的是，该详细描述和具体示例仅用于说明目的，而并非旨在限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图将会更全面地理解本发明，附图中：
图1是根据本发明的一个实施方案的示例发动机系统的功能框图；
图2是根据本发明的一个实施方案的示例控制模块的功能框图；以及
图3是示出根据本发明的一个实施方案的控制均质充量压燃式（HCCI）发动机中的进气门正时的示例方法的流程图。
具体实施方式
下面的描述本质上仅是示例性的并且决不是要限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同的附图标记标识相似的元件。如这里所使用的，短语A、B和C中至少之一应当被解释为是指使用非排他逻辑或的逻辑（A或B或C）。应当理解的是，在不改变本发明的原理的情况下，可以以不同的顺序执行方法内的步骤。
如这里所使用的，术语模块可以指或包括：专用集成电路（ASIC）；电子电路；组合逻辑电路；场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器（共享的、专用的、或成组的）；提供所描述功能的其它适合部件；或上述的一些或全部的组合，例如以芯片上系统的形式，或者可以是上述的一部分。术语模块可以包括存储由处理器执行的代码的存储器（共享的、专用的、或成组的）。
如上面所使用的，术语代码可以包括软件、固件和/或微代码，并可以指程序、例程、函数、类和/或对象。如上面所使用的，术语共享意味着来自多个模块的一些或全部代码可以使用单个（共享的）处理器来执行。另外，来自多个模块的一些或全部代码可以由单个（共享的）存储器存储。如上面所使用的，术语成组意味着来自单个模块的一些或全部代码可以使用一组处理器来执行。另外，来自单个模块的一些或全部代码可以使用一组存储器存储。
这里描述的装置和方法可以由通过一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序来执行。计算机程序包括存储在非瞬时的有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括存储的数据。非瞬时的有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器、磁存储器和光存储器。
均质充量压燃式（HCCI）发动机通过控制负气门重叠（NVO）来实现必要的临界压力和温度以便燃烧。NVO表示在排气门关闭（EVC）和进气门打开（IVO）之间的凸轮轴或曲轴度。NVO基于请求的空气流来确定，并且可以关于气体交换的上止点（TDC）对称。EVC本质上确定留在气缸中的捕获的“内部的”残留物的量（即，排气门在TDC之前关闭，从而阻碍剩余的燃烧气体被排出）。留在气缸中的该捕获的残留物在活塞到达TDC之前被再次压缩，且通过活塞的向下移动而膨胀，直到IVO为止。
为了使泵送损失最优化，捕获的残留物在该过程期间本质上是源（spring）。如果IVO过早，则并非储存在“源”中的全部能量在膨胀期间被提取。燃烧的气体由此被迫回到进气歧管中，并且泵送损失增大。然而，如果IVO过晚，则由于气缸中的压力远低于IVO时的进气歧管压力，所以泵送损失增大。在该压缩和膨胀过程期间改变源的有效能量的因素改变了获得最小泵送损失时的IVO。通常，如果能量被去除，则最适宜的IVO较早，如果增加了能量，则最适宜的IVO较晚。例如，增加能量的因素包括但不限于利用在充量中存在的燃料的火花事件（混合模式）。另外，例如，去除能量的因素包括但不限于由于经过活塞环的泄漏导致的充量损失、到气缸衬套的热传递和/或由于提早的燃料喷射导致的充量冷却。
在再压缩阶段增加火花事件和喷射事件会导致正的泵送平均有效压力（PMEP）。正的PMEP会导致指令的IVO正时相对于EVC正时不同于对称的IVO正时。相反，由控制系统指令的预定的IVO正时会早于或晚于对称的IVO正时。如上所述，比期望的IVO正时更早会使空气从气缸逃逸，而比期望的IVO正时更晚会阻碍期望量的空气进入气缸。早或晚的IVO正时会增大泵送损失，由此降低了燃料经济性和/或性能。
因此，提出了用于对HCCI发动机中的进气门正时的改进控制的系统和方法。该系统和方法可以基于发动机的气缸的PMEP来确定IVO正时调节。具体地说，该系统和方法可以基于影响燃烧能量的多个操作参数中的一个或多个来确定IVO正时调节。例如，多个操作参数可以包括每循环火花数量、空气充量损失、空气充量冷却。每循环火花数量可以提高燃烧能量，而空气充量损失和空气充量冷却会减少燃料能量。
空气充量损失可由于从气缸进入曲轴箱的经过活塞环的泄漏。空气充量冷却可由于因供料事件导致的温度降低。具体地说，空气充量冷却可以基于燃料喷射正时、每循环燃料喷射量、空气/燃料（A/F）比、汽化效率和/或热传递（例如，到气缸壁）。此外，汽化效率和热传递可以作为诸如发动机速度、发动机负荷和/或发动机磨损的其它操作参数的函数而改变。
该系统和方法可随后基于调节的IVO正时来控制HCCI发动机的进气门。调节的IVO正时可基于基本IVO正时和IVO正时调节。例如，基本IVO正时可以关于气体交换TDC与EVC正时对称。期望的NVO（以凸轮轴或曲轴度表示）是TDC之前的EVC与TDC之后的IVO之和。期望的NVO可基于驾驶员输入，例如期望的/请求的质量空气流量（MAF）。另外，在一些实施方案中，进入HCCI发动机的MAF和/或由HCCI发动机产生的废气中的氧水平可以用作为反馈，以进一步提高进气门正时控制（即，对IVO正时的更快的和/或更准确的调节）。
现在参照图1，发动机系统10包括发动机12。发动机12可以是HCCI发动机。发动机12通过可由节气门18调节的进气系统16将空气吸入到进气歧管14中。例如，节气门18可以使用电子节气门控制（ETC）来电控制。MAF传感器20可以测量进入进气歧管14的MAF速率。例如，测量的MAF速率可以指示发动机负荷。进气歧管14中的空气分别通过多个进气门24分配到多个气缸22。
空气分别与来自多个燃料喷射器26的燃料组合，从而产生A/F混合物。例如，燃料喷射器26可以被配置为用于单点喷射（SPI）。A/F混合物被气缸22内的活塞（未示出）压缩。A/F混合物可以由于压缩或者由于压缩和来自火花塞28的火花而点燃。在HCCI模式下，当压缩的A/F混合物的温度和/或压力超过临界阈值时，A/F混合物可以自点燃。另一方面，在混合模式下，A/F混合物的温度和/或压力可以在EVC之后在再压缩阶段增大，然后通过来自火花塞28的火花而点燃。
A/F混合物的燃烧驱动使曲轴30可旋转地转动的活塞（未示出），并产生驱动扭矩。发动机速度传感器32测量曲轴30的转动速度（例如，每分钟转数或RPM）。曲轴30可以容纳在曲轴箱（未示出）中。可使用流量模型来估计或可使用窜漏或曲轴箱压力传感器34来间接地测量经过气缸22中的活塞进入曲轴箱（未示出）的窜漏气体的体积。例如，可使用测量的窜漏来确定气缸22内的空气充量损失。驱动扭矩可经由变速器（未示出）传递到车辆的驱动系36。例如，传感器可以测量驱动系36的转动速度，测量的转动速度指示车辆速度。
在燃烧期间产生的废气可以分别通过多个排气门38从气缸22排出，并进入排气歧管40。氧传感器42测量废气中的氧的量。废气可以在被释放到大气中之前由排气处理系统44处理。例如，排气处理系统44可以包括但不限于氧催化剂（OC）、氧化氮（NOx）吸附剂/吸收剂、选择性催化还原（SCR）催化剂、颗粒物（PM）过滤器和三效催化转化器中至少之一。驾驶员输入46表示来自车辆的驾驶员的输入。例如，驾驶员输入46可以是加速器（例如，踏板）的位置。
控制模块50控制发动机系统10的操作。控制模块50可以接收来自节气门18、MAF传感器20、进气门24、燃料喷射器26、火花塞28、发动机速度传感器32、流量模型、窜漏或曲轴箱压力传感器34、驱动系36、排气门38、氧传感器42、排气处理系统44和/或驾驶员输入46的信号。控制模块50可以控制节气门18、进气门24、燃料喷射器26、火花塞28、排气门38和/或排气处理系统44。控制模块50还可以执行本发明的系统或方法。
现在参照图2，示出了控制模块50的示例。控制模块50可以包括调节的IVO正时模块60和气门控制模块64。控制模块50还可以包括期望的NVO模块68、基本IVO正时模块72和调节确定模块76。调节的IVO正时模块60还可以称作第一模块。气门控制模块64还可以称作第二模块。期望的NVO模块68还可以称作第三模块。基本IVO正时模块72还可以称作第四模块。调节确定模块76还可以称作第五模块。
调节的IVO正时模块60确定调节的IVO正时。调节的IVO正时模块60可以基于基本IVO正时和IVO正时调节来确定调节的IVO正时。例如，基本IVO正时可以关于期望的NVO的中点（即，TDC气体交换的点）与基本EVC正时对称。气门控制模块64可以基于调节的IVO正时来控制进气门24。调节的IVO正时可以提高燃料经济性和/或性能。
期望的NVO模块68基于驾驶员输入46确定期望的NVO。驾驶员输入46可以包括期望的MAF。例如，驾驶员输入46可基于加速器（例如，踏板）的位置。基本IVO正时模块72基于期望的NVO确定基本IVO正时。如上所述，基本IVO正时模块72可确定基本IVO正时，从而关于期望的NVO的中点或TDC气体交换的点与基本EVC正时对称。
调节确定模块76确定IVO正时调节。IVO正时调节可基于HCCI发动机12的气缸22的PMEP。然而，气缸22的PMEP可能是未知的。相反，在每个气缸22中实施压力传感器会增加成本。因此，调节确定模块76可基于影响燃烧能量的多个操作参数中的一个或多个来确定IVO正时调节。例如，多个操作参数可以包括每循环火花量、空气充量损失和空气充量冷却。每循环火花量可以增大燃烧能量，而空气充量损失和空气充量冷却会降低燃烧能量。
空气充量会由于供料而冷却。具体地说，空气充量温度可基于燃料喷射正时、每循环燃料喷射量、燃料类型、A/F比、汽化效率和/或热传递而降低。汽化效率可以表示在发动机循环期间燃烧的A/F混合物的百分比。热传递可以表示由于热传递到气缸壁而导致的空气充量温度的降低。汽化效率、热传递和充量损失校正可以是诸如发动机速度、发动机负荷和/或发动机磨损的其它操作参数的函数。
在一些实施方案中，燃料喷射正时和A/F比可以是预定的。另一方面，每循环的燃烧喷射量和/或火花量可根据HCCI发动机12的操作模式而改变。空气充量损失、发动机速度和发动机负荷可以通过流量模型来估计，或者可以分别通过窜漏或曲轴箱压力传感器34、发动机速度传感器32和MAF传感器20来间接地测量。另外，热传递可基于诸如进气空气温度（IAT）、发动机冷却剂温度（ECT）和/或废气温度（EGT）的各种温度。
具体地说，当以下参数增大时，IVO正时调节可以使调节的IVO正时提前：（i）由于窜漏导致的空气充量损失，和/或（ii）由于燃料喷射导致的空气充量冷却，该燃料喷射还基于燃料喷射正时、每循环燃料喷射量、燃料类型、A/F比、汽化效率和/或热传递。汽化效率和热传递可以是发动机速度、发动机负荷、发动机磨损等的函数。另外，当以下参数增大时，IVO正时调节可以延迟调节的IVO正时：在混合模式燃烧期间每循环的火花事件量。换言之，根据实施方案，IVO正时调节可以是（i）正的量，因此根据参数被加入到基本IVO正时或从基本IVO正时减去，或者（ii）加入到基本IVO正时的正的或负的量。
现在参照图3，用于控制HCCI发动机中的进气门正时的示例方法开始于100。在100，控制模块50基于驾驶员输入46（例如，期望的MAF）来确定期望的NVO。在104，控制模块50将基本IVO正时确定为关于期望的NVO的中点与基本EVC正时对称。在108，控制模块50基于多个操作参数中的一个或多个来确定IVO正时调节。在112，控制模块50基于基本IVO正时和IVO正时调节来确定调节的IVO正时。在116，控制模块50基于调节的IVO正时来控制发动机的进气门。然后，控制可以返回到100。
本发明的广义教导可以以各种形式实施。因此，虽然本发明包括具体示例，但是，本发明的真正范围不应局限于此，因为在研究附图、说明书和以下权利要求书的基础上其他修改对于本领域技术人员来说将变得显而易见。

Claims (10)

1. 一种用于均质充量压燃式（HCCI）发动机的控制系统，所述控制系统包括：
第一模块，所述第一模块基于基本进气门打开（IVO）正时和IVO正时调节来确定调节的IVO正时，其中，所述IVO正时调节基于多个操作参数中的一个或多个；以及
第二模块，所述第二模块基于所述调节的IVO正时来控制所述HCCI发动机的进气门。
2. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述IVO正时调节相对于所述基本IVO正时被延迟或提前，以使所产生的循环的泵送平均有效压力（PMEP）损失最小化。
3. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，其还包括第三模块，所述第三模块基于进入所述HCCI发动机的期望的质量空气流量（MAF）来确定期望的负气门重叠（NVO）。
4. 根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，其还包括第四模块，所述第四模块基于所述期望的NVO来确定所述基本IVO正时。
5. 根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述第四模块确定所述基本IVO正时，以使所述基本IVO正时关于所述期望的NVO的中点与基本排气门关闭（EVC）对称。
6. 根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，其还包括第五模块，所述第五模块基于所述多个操作参数中的所述一个或多个以及来自质量空气流量（MAF）传感器和位于所述HCCI发动机的排气系统中的氧传感器中至少之一的反馈来确定所述IVO正时调节。
7. 根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述多个操作参数包括每循环火花量、空气充量损失和空气充量冷却。
8. 根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，当所述每循环火花量增加时，所述IVO正时调节相对于所述基本IVO正时延迟所述调节的IVO正时。
9. 根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，当空气充量损失增加或空气充量温度降低时，所述IVO正时调节相对于所述基本IVO正时提前所述调节的IVO正时。
10. 一种用于控制均质充量压燃式（HCCI）发动机的方法，所述方法包括：
基于基本进气门打开（IVO）正时和IVO正时调节来确定调节的IVO正时，其中，所述IVO正时调节基于多个操作参数中的一个或多个；以及
基于所述调节的IVO正时来控制所述HCCI发动机的进气门。
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