CN102817736A - Hcci燃烧中的燃烧定相控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及HCCI燃烧中的燃烧定相控制方法，具体地，控制火花点火直喷式内燃发动机中的燃烧包括提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时。燃烧定相误差被监测并且与初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时中的每一个作比较。基于该比较确定调整的喷射燃料质量正时和调整的期望火花点火正时用于维持期望燃烧定相。

Description

HCCI燃烧中的燃烧定相控制方法
技术领域
本发明涉及均质充气压缩点火（HCCI）发动机的运转和控制。
背景技术
本节陈述只是提供与本发明相关的背景信息。因此，这些陈述不意图构成对现有技术的认可。
内燃发动机，特别是汽车内燃发动机，通常属于两类中的一种，火花点火发动机和压缩点火发动机。传统的火花点火发动机例如汽油发动机，一般通过引进燃料/空气混合物到燃烧气缸中而运行，燃料/空气混合物然后在压缩冲程中被压缩并且被火花塞点燃。传统的压缩点火发动机例如柴油发动机，一般通过在压缩冲程的上止点（TDC）附近引进或喷射增压燃料到燃烧气缸中而运行，增压燃料在喷射时点燃。传统的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火焰。每种发动机都具有优点和缺点。一般来说，汽油发动机产生较少的排放物但是效率较低，而，一般来说，柴油发动机效率更高但产生更多的排放物。
最近，已经提出用于内燃发动机的其它类型的燃烧方法。这些中的一种是本领域公知的均质充气压缩点火（HCCI）。HCCI燃烧包括由氧化化学而不是流体力学控制的分布式、无焰、自燃燃烧过程。在以HCCI燃烧模式运转的典型发动机中，气缸充气在进气门关闭时刻温度下的成分几乎是均质的。因为自燃是分布式动力学控制的（kinetically-controlled）燃烧过程，发动机以非常稀薄的燃料/空气混合物（即贫于燃料/空气化学计量点）运转并且具有较低的最高燃烧温度，因而形成极低的氮氧化物（NOx）排放。与用于柴油发动机中的分层燃料/空气燃烧混合物相比，用于自燃的燃料/空气混合物是相对均质的，因此，基本上消除了柴油发动机中的形成烟和微粒排放的高浓度区（rich zones）。因为这种非常稀薄的燃料/空气混合物，以自燃燃烧模式运转的发动机能够无节流地运转以获得像柴油发动机的燃料经济性。HCCI发动机还能够在有大量排气再循环（EGR）的情况下以化学计量进行运转。
没有对以自燃模式运转的发动机的燃烧开始的直接控制，因为，气缸充气的化学动力学决定燃烧的开始和进程。化学动力学对温度敏感，因而，受控制的自燃燃烧过程对温度敏感。影响燃烧开始和进展的一个变量是气缸结构的有效温度，即，气缸壁、气缸盖、气门和活塞冠的温度。另外，已知的是，火花助燃在某些运转范围中有助于燃烧。
较高负荷下以HCCI模式运转可能成问题，因为，燃烧室内存在的能量随着负荷增加而增大。该增大的能量（例如表现为正燃烧的空气燃料充气内更高的温度）增大了空气燃料充气在预期燃烧点之前燃烧的可能性，从而导致来自燃烧室的不希望有的压力波或鸣振（ringing）。
发明内容
控制火花点火直喷式内燃发动机中的燃烧包括提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时。监测燃烧定相误差并将其与初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时中的每个作比较。基于这个比较来确定调整的喷射燃料质量正时和调整的期望火花点火正时，用于维持期望燃烧定相。
本发明还涉及以下技术方案。
方案1. 一种用于控制火花点火直喷式内燃发动机中的燃烧的方法，包括：
提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时；
监测燃烧定相误差；
将所述燃烧定相误差与所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个进行比较；和
基于所述比较来确定调整的喷射燃料质量正时和调整的火花点火正时用于维持期望燃烧定相。
方案2. 如方案1所述的方法，其中，所述喷射燃料质量正时包括喷射结束时的曲柄转角位置，所述喷射燃料质量以单喷射输送。
方案3. 如方案1所述的方法，其中，提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时包括：
为所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个提供相应的上界，所述上界对应于具有为避免过多燃烧噪声而可接受的最提前正时的相应曲柄转角位置；和
为所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个提供相应的下界，所述下界对应于具有为避免燃烧稳定性恶化而可接受的最延迟正时的相应曲柄转角位置。
方案4. 如方案3所述的方法，其中，提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时进一步地包括：
基于吸入O2浓度误差调整所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界中的至少一个。
方案5. 如方案4所述的方法，其中，基于吸入O2浓度误差调整所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界中的至少一个包括：
当前一燃烧循环的监测的吸入O2浓度超过期望吸入O2浓度时，延迟所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界中的至少一个。
方案6. 如方案4所述的方法，其中，基于吸入O2浓度误差调整所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界中的至少一个包括：
当前一燃烧循环的监测的吸入O2浓度小于期望吸入O2浓度时，提前所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界中的至少一个。
方案7. 如方案1所述的方法，其中，将所述燃烧定相误差与所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个进行比较包括：
产生与监测的燃烧定相误差相关的有界控制信号，所述有界控制信号在一个范围内，该范围包括上界限制和下界限制，所述上界限制对应于比期望燃烧定相出现得更早的前一燃烧循环的监测的燃烧定相，所述下界限制对应于比期望燃烧定相出现得更晚的前一燃烧循环的监测的燃烧定相；
基于与所述燃烧定相误差相关的有界控制信号对所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界进行内插；和
基于所述内插确定所述调整的喷射燃料质量正时和所述调整的火花点火正时用于维持所述期望燃烧定相。
方案8. 如方案1所述的方法，其中，提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时包括：基于发动机转速和期望喷射燃料质量提供所述初始喷射燃料质量正时的上界和下界，其中，所述初始喷射燃料质量正时的所述上界和下界限定出避免过多燃烧噪声和燃烧稳定性恶化的范围。
方案9. 如方案1所述的方法，其中，提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时包括监测所述初始火花点火正时的预校准上界和下界，所述初始火花点火正时的预校准上界和下界是以下情况中的一种：取决于发动机转速和期望喷射燃料质量或者独立于发动机转速和期望喷射燃料质量，其中，所述初始火花点火正时的所述上界和下界在避免过多燃烧噪声和燃烧稳定性恶化的范围以内。
方案10. 一种用于控制火花点火直喷式内燃发动机中的燃烧的方法，包括：
提供具有相应的最提前和最延迟正时限制的初始燃烧开始正时，包括：
提供具有最提前和最延迟正时限制的初始喷射燃料质量正时；
提供具有最提前和最延迟正时限制的初始火花点火正时；
监测前一燃烧循环的燃烧定相和期望燃烧定相；
用所述燃烧定相误差对具有相应的最提前和最延迟正时限制的所述初始燃烧开始正时做内插以确定调整的燃烧开始正时；和
利用所述调整的燃烧开始正时来控制所述监测的燃烧定相朝着期望燃烧定相集中。
方案11. 如方案10所述的方法，所述最提前和最延迟正时限制随着发动机负荷的增大而越来越延迟。
方案12. 如方案10所述的方法，其中，提供具有相应的最提前和最延迟正时限制的初始燃烧开始正时进一步地包括：
基于前一燃烧循环的监测的吸入O2浓度与期望吸入O2浓度之间的偏差，至少调整所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的至少一个的相应的最延迟正时限制。
方案13. 如方案10所述的方法，其中，监测燃烧定相误差包括：产生有界控制信号，该有界控制信号基于所述燃烧定相误差并且由上界和下界限定，该下界对应于在与期望燃烧定相相比最延迟曲柄转角位置处的燃烧定相，该上界对应于在最提前曲柄转角位置处的燃烧定相。
方案14. 如方案10所述的方法，其中，对所述初始燃烧开始正时做内插包括：
把所述燃烧开始正时朝着根据所述燃烧定相误差而定的相应最延迟正时限制延迟，所述燃烧定相误差对应于前一燃烧循环的监测的燃烧定相与期望燃烧定相相比提前的量；
和
把所述燃烧开始正时朝着根据所述燃烧定相误差而定的相应最提前正时限制提前，所述燃烧定相误差对应于前一燃烧循环的监测的燃烧定相与期望燃烧定相相比延迟的量。
方案15. 如方案10所述的方法，其中，利用所述调整的燃烧开始正时来控制所述监测的燃烧定相朝着期望燃烧定相集中包括：
当火花点火直喷式内燃发动机以受控自燃模式运转时，主导地利用调整的喷射燃料质量正时来控制监测的燃烧定相朝着期望燃烧定相集中。
方案16. 如方案10所述的方法，其中，利用所述调整的燃烧开始正时来控制所述监测的燃烧定相朝着期望燃烧定相集中包括：
当火花点火直喷式内燃发动机以包括火花助燃在内的化学计量空气燃料比运转时，主导地利用调整的火花点火正时来控制监测的燃烧定相朝着期望燃烧定相集中。
方案17. 一种用于控制多缸火花点火直喷式内燃发动机的设备，包括：
用于控制进入发动机的吸入O2浓度的外部排气再循环阀；
控制模块：
提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时；
监测燃烧定相误差；
将所述燃烧定相误差与所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个进行比较；和
基于所述比较来确定调整的期望喷射燃料质量正时和调整的期望火花点火正时用于维持期望燃烧定相。
附图说明
现在将通过举例的方式参照附图描述一个或多个实施例。
图1是根据本发明的示例性发动机系统的示意图。
图2中的曲线图描述了根据本发明在高负荷均质充气压缩点火（HCCI）运转期间燃烧定相（以度计的上止点后CA50）101对鸣振指数（ringing index）103和指示平均有效压力（IMEP）102的变化系数（COV）的影响。
图3示出的曲线图描述了根据本发明在高负荷HCCI运转期间燃烧定相（以度计的上止点后CA50）301对净燃料比耗（NSFC）302的影响。
图4用曲线图描述了根据本发明的作为发动机负荷401和吸入氧浓度410和420的函数的可调整燃料喷射正时402的范围。
图5用曲线图描述了根据本发明的作为发动机负荷501以及吸入氧浓度510和520的函数的可调整火花正时502的范围。
图6示意地示出燃烧定相控制器600，其用于基于对喷射正时和火花正时的调整来维持多气缸发动机的每个气缸中的期望燃烧定相。
图7用曲线图描述了来自示例性发动机的实验数据和推导数据，描述了根据本发明的一些发动机事件702与喷射燃料质量701、功率（即IMEP（巴））703、空气燃料比705、吸入燃烧气体分数707、燃料喷射正时709、火花点火正时711、和CA50（即50%的燃料质量已燃烧时的曲柄转角）之间的关系。
具体实施方式
现在参照附图，其中，这些描述仅仅是为了说明某些示例性实施例而不是为了限制它们，图1示意性地示出按照本发明实施例构造的示例性内燃发动机10和伴随的控制模块5。发动机10选择性地以多个燃烧模式运转，包括受控自燃（HCCI）燃烧模式和均质火花点火（SI）燃烧模式。发动机10选择性地以化学计量空气/燃料比和起初贫于化学计量比的空气/燃料比运转。应当意识到，本发明中的理念能够应用到其它内燃发动机系统和燃烧循环。
在一个实施例中，发动机10能够联接到传动装置以传递牵引力到车辆传动系统。传动装置能够包括混合变速器，该混合变速器包含能工作以传递牵引力到传动系统的转矩机器。
示例性发动机10包括多气缸直喷式四冲程内燃发动机，其具有可滑动地在气缸15中移动的往复式活塞14，它限定出可变容积燃烧室16。每个活塞14连接到旋转的曲轴12，由此，直线往复运动转变为旋转运动。进气系统提供进气给进气歧管29，进气歧管29引导并分配空气进燃烧室16的进气通路（intake runner）。进气系统包括气流管道系统和用于监测并控制气流的装置。进气装置优选地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优选地包括电子控制装置，用于响应于来自控制模块5的控制信号（ETC）控制到发动机10的空气流量。进气歧管29中的压力传感器36构造成监测歧管绝对压力和大气压。外部流道从发动机排气将排气再循环到进气歧管29，具有称为外部排气再循环（EGR）阀38的流量控制阀。控制模块5可工作以通过控制EGR阀38的开度来控制到进气歧管29的排气的质量流量。因此，能够通过控制EGR阀38的开度来控制进入发动机的吸入氧（O2）浓度。在一个示例性实施例中，当EGR阀38关闭时，进气歧管29中的吸入O2浓度大致为21%。能够通过氧传感器8监测吸入O2浓度。
通过一个或多个进气门20控制从进气歧管29进入燃烧室16的空气流量。通过一个或多个排气门18控制从燃烧室16出来到排气歧管39的排气流量。发动机10装备有控制和调整进气门和排气门20和18的打开和关闭的系统。在一个实施例中，能够分别通过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来控制和调整进气门和排气门20和18的打开和关闭。进气和排气VCP/VLC装置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。把进气和排气凸轮轴21和23的旋转关联并标定（index）到曲轴12的旋转，由此，使进气门和排气门20和18的打开和关闭关联上曲轴12和活塞14的位置。
进气VCP/VLC装置22优选地包括这样的机构：该机构可工作以响应于来自控制模块5的控制信号（INTAKE）7切换和控制进气门20的气门升程并可变地调整和控制每个气缸15的进气凸轮轴21的定相。排气VCP/VLC装置24优选地包括这样的可控机构：该可控机构可工作以响应于来自控制模块5的控制信号（EXHAUST）11可变地切换和控制排气门18的气门升程并可变地调整和控制每个气缸15的排气凸轮轴23的定相。
进气和排气VCP/VLC装置22和24都优选地包括可控两级可变升程控制（VLC）机构，该机构分别可工作以将进气门和排气门20和18的气门升程或打开的幅度控制为两个离散级中的一个。这两个离散级优选地包括优选用于低速低负荷运转的低升程气门打开位置（在一个实施例中为约4-6毫米）和优选用于高速高负荷运转的高升程气门打开位置（在一个实施例中为约8-13毫米）。进气和排气VCP/VLC装置22和24都优选地包括可变凸轮定相（VCP）机构，分别用以控制和调整进气门20和排气门18的打开和关闭的定相（即相对正时）。调整定相指的是变换进气门和排气门20和18相对于相应气缸15中的曲轴12和活塞14的位置的打开时刻。进气和排气VCP/VLC装置22和24的VCP机构都优选地具有约60°至90°曲柄旋转的定相许可范围，由此对于每个气缸15允许控制模块5提前或延迟进气门和排气门20和18中的一个相对于活塞14的位置的打开和关闭。由进气和排气VCP/VLC装置22和24定义和限制该定相许可范围。进气和排气VCP/VLC装置22和24包括凸轮轴位置传感器，用以确定进气和排气凸轮轴21和23的旋转位置。使用由控制模块5控制的电液压控制力、液压控制力和电控制力中的一种来致动VCP/VLC装置22和24。
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料喷射器28，每个高压燃料喷射器构造成响应于来自控制模块5的信号17直接喷射一定质量的燃料到其中一个燃烧室16中。给燃料喷射器28供应来自燃料分配系统的增压燃料。
发动机10包括火花点火系统，通过该火花点火系统，能够响应于来自控制模块5的信号（IGN）9向火花塞26提供火花能量，用于点燃或辅助点燃每个燃烧室16中的气缸充气。
发动机10装备有各种传感装置用于监测发动机运转，包括具有输出RPM且可工作以监测曲轴旋转位置即曲柄转角和速度的曲柄传感器42、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，该排气传感器通常是空气/燃料比传感器。燃烧传感器30包括可工作以监测燃烧参数状态的传感器装置并且被描述为可工作以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的输出由控制模块5监测，控制模块5确定燃烧定相，即对于每个燃烧循环每个气缸15的燃烧压力相对于曲轴12的曲柄转角的正时。燃烧传感器30还可以由控制模块5监测以确定对于每个燃烧循环每个气缸15的指示平均有效压力（IMEP）。优选地，发动机10和控制模块5被机械化成监测和确定每个气缸点火事件期间每个发动机气缸15的IMEP的状态。可替代地，在本发明范围内，其它传感系统可用于监测其它燃烧参数的状态，例如离子传感点火系统和非侵入式气缸压力传感器。
控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器以及类似的术语表示以下构件中的一个或多个的任何合适的一种或者各种组合：专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序或者例行程序的中央处理单元(优选微处理器)及相关的内存和存储器(只读存储器、可编程只读存储器、随机存取存储器、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调理及缓冲电路、以及提供所述功能的其它合适构件。软件、固件、程序、指令、例行程序、代码、算法以及类似的术语表示包括校准和查找表在内的任何控制器可执行指令集。控制模块具有一组控制例行程序，通过执行这组例行程序而提供期望的功能。例行程序由例如中央处理单元所执行，例行程序可操作以监测来自各传感装置和其它联网控制模块的输入，并执行控制和诊断例行程序而控制各致动器的操作。在持续的发动机工作和车辆运行期间，可以以有规律的间隔(例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒)执行例行程序。可替代地，可响应于一个事件的发生而执行例行程序。
工作中，控制模块5监测来自前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员的输入信号（例如通过加速踏板和制动踏板）以确定转矩请求（To_req）。将意识到，转矩请求能够响应于操作员输入（例如通过加速踏板和制动踏板），或者，转矩请求能够响应于控制模块5监测的自动起动状态。控制模块5监测指示发动机转速和进气温度以及冷却剂温度及其它环境状态的传感器。
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从而形成气缸充气，包括控制节气门位置、控制火花点火正时、控制燃料喷射质量和正时、控制EGR阀位置开度以控制再循环排气的流量、以及控制进气和/或排气门正时和定相，这些都在如此装备的发动机上进行。在一个实施例中，气门正时和定相能够包括负气门重叠（NVO）和排气门再开升程（在排气再呼吸策略中）。控制模块5能够工作以在持续的车辆运行期间开启和关闭发动机10并且能够工作以通过对燃料和火花的控制以及气门停用来选择性地停用一部分燃烧室15或一部分进气门和排气门20和18。控制模块5能够基于来自排气传感器40的反馈控制空气/燃料比。
在发动机运转期间，节气门34优选地在受控自燃（HCCI）燃烧模式例如单喷射和双喷射受控自燃（HCCI）燃烧模式中是基本上大开的，并且发动机10被控制在贫空气/燃料比或化学计量空气/燃料比。基本上大开的节气门能够包括完全无节流或稍节流地工作以在进气歧管29中形成真空从而影响EGR流量。在一个实施例中，将缸内EGR质量控制为高稀释率（dilution rate）。进气门和排气门20和18处于低升程气门位置，并且，进气和排气提升正时是以NVO操作的。能够在发动机循环期间执行一个或多个燃料喷射事件，包括在压缩阶段期间的至少一个燃料喷射事件。
在发动机运转期间，在均质火花点火（SI）燃烧模式中，控制节气门34以调节空气流量。将发动机10控制为化学计量空气/燃料比，并且，进气门和排气门20和18处于高升程气门打开位置，并且，进气和排气提升正时以正气门重叠操作。优选地，在发动机循环的压缩阶段期间执行燃料喷射事件，优选为大致在TDC之前。当气缸内的空气充气大致为均质时，优选地在燃料喷射后预定时间使火花点火放电。
当发动机以包括高负荷运转期间的火花助燃在内的受控自燃（HCCI）模式运转时，每个气缸中的燃烧定相取决于每个气缸内的热环境。燃烧定相描述循环中燃烧的进展情况，由该循环的曲柄转角度量。一种评判燃烧定相的便利度量是CA50，即燃烧了空气燃料充气的50%时的曲柄转角。将意识到，燃烧循环的性能例如效率、燃烧噪声和燃烧稳定性受到该循环的CA50的影响。因此，在高负荷HCCI运转期间，维持最佳/期望燃烧定相是重要的。在气缸事件的特定喷射正时、火花正时和气门正时期间，由于不均匀的缸内状态（包括每个气缸中的喷射器与喷射器的差异、不均匀的缸内热状态和/或外部EGR百分比的不均匀分布），能够在每个气缸中产生不平衡燃烧定相。因此，喷射正时和火花正时的固定校准不是期望的，这归因于不均匀的缸内状态。
正如将变得显而易见的，能够通过基于燃烧定相误差与初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时中每一个的比较而调整喷射燃料质量正时和调整火花点火正时来实现维持期望燃烧定相。为给定发动机转速和期望喷射燃料质量维持期望燃烧定相能够维持可接受的燃烧性能。燃烧性能包括燃烧噪声、燃烧效率和燃烧稳定性。
当以单喷射输送喷射燃料质量时，本文论述的实施例在使发动机在整个运转范围上运转的情况下，采用用于调整燃烧开始正时（即调整的喷射燃料质量正时和调整的火花点火正时）的控制策略（即燃烧定相控制器）来控制监测的燃烧定相朝着期望燃烧定相集中。因此，该控制策略包括受控自燃（HCCI）模式，该模式包括高负荷运转期间的火花助燃、低负荷和中负荷自燃（HCCI）运转和化学计量运转。在受控自燃（HCCI）模式中，对喷射燃料质量正时的调整在控制燃烧定相中更占主导作用。在化学计量运转中，对初始火花点火正时的调整在控制燃烧定相中更占主导作用。
图2示出曲线图100，它描述了根据本发明在高负荷HCCI运转期间燃烧定相（以度计的上止点后CA50）对鸣振指数和指示平均有效压力（IMEP）的变化系数（COV）的影响。横轴101代表以度计的上止点后燃烧定相（即CA50）。纵轴102、103分别代表IMEP的COV和鸣振指数。型线52、54、56和58分别描述根据以度计的上止点后燃烧定相101而定的第一、第二、第三和第四气缸的鸣振指数。型线2、4、6和8分别描述根据以度计的上止点后燃烧定相101而定的第一、第二、第三和第四气缸的IMEP的COV。本发明不限于采用四个气缸的发动机并且能够采用任何数量的气缸。
图3示出曲线图300，它描述了根据本发明在高负荷HCCI运转期间燃烧定相（以度计的上止点后CA50）对净燃料比耗（NSFC）302的影响。横轴301代表以度计的上止点后燃烧定相（CA50）。纵轴302代表NSFC。型线310表示根据以度计的上止点后燃烧定相（即CA50）而定的NSFC。期望燃烧定相例如能够通过考虑图2和3示出的鸣振指数、排放指数、IMEP的COV、和NSFC而确定。
图4示出根据本发明示例性实施例的可调整燃料喷射正时的范围。曲线图400描述了初始喷射燃料质量正时相应的上界410和下界420。横轴401表示发动机负荷。纵轴402表示在上止点之前（bTDC）的喷射结束（EOI）时的喷射燃料质量正时。喷射燃料质量能够以单喷射输送。初始燃料喷射正时的上界或上限410包括实线型线414，实线型线414表示当监测的吸入O2浓度达到相应于该上界的期望吸入O2浓度时初始燃料喷射正时的上界410。确定该期望吸入O2浓度以实现期望的缸内充气成分，从而维持期望燃烧定相。虚线型线412表示当监测的吸入O2浓度小于期望吸入O2浓度时初始燃料喷射正时的上界。点线型线416表示当监测的吸入O2浓度大于或超过期望吸入O2浓度时初始燃料喷射正时的上界。同样地，初始燃料喷射正时的下界或下限420包括实线型线424，实线型线424表示当监测的吸入O2浓度达到相应于该下界的期望吸入O2浓度时初始燃料喷射正时的下界420。虚线型线422表示当监测的吸入O2浓度小于期望吸入O2浓度时的情况。点线型线426表示当监测的吸入O2浓度大于或超过期望吸入O2浓度时的情况。
下面参照图6进行更详细的论述，能够基于吸入O2浓度误差调整初始喷射燃料质量正时的上界或上限和下界或下限中的至少一个，该吸入O2浓度误差基于前一燃烧循环的监测的相应O2浓度与相应的期望吸入O2浓度之间的偏差。例如，当前一燃烧循环的监测的吸入O2浓度大于或超过期望吸入O2浓度时，能够延迟初始喷射燃料质量正时的上界或上限和下界或下限中的至少一个。类似地，当前一燃烧循环的监测的吸入O2浓度小于期望吸入O2浓度时，能够提前初始喷射燃料质量正时的上界或上限和下界或下限中的至少一个。
初始喷射燃料质量正时的上界或上限对应于相应的曲柄转角位置（例如bTDC），该位置具有为避免过多燃烧噪声而可接受的最提前的正时。提前的正时指的是在燃烧循环中较早出现的正时。初始喷射燃料质量正时的下界或下限对应于以下这样的曲柄转角位置（例如bTDC）：该位置具有为避免燃烧稳定性恶化而可接受的最延迟的正时。延迟的正时指的是在燃烧循环中较晚出现的正时。对曲线图400的分析显示出初始喷射燃料质量的上界410和下界420（即最提前和最延迟的正时界限）响应于负荷瞬态值（例如喷射燃料质量瞬态值）的增大而各自变得越来越延迟。初始喷射燃料质量正时的上界和下界分别限定出避免过多燃烧噪声和避免燃烧稳定性恶化的范围。
图5示出曲线图500，它示出了初始火花点火正时相应的上界510和下界520。横轴501表示发动机负荷。纵轴502表示火花点火正时（bTDC）。初始火花点火正时的上界或上限510包括实线型线514，实线型线514表示当监测的吸入O2浓度达到相应于该上界的期望吸入O2浓度时初始火花点火正时的上界510。确定该期望吸入O2浓度以实现期望的缸内充气成分，从而维持期望燃烧定相。虚线型线512表示当监测的吸入O2浓度小于期望吸入O2浓度时初始火花正时的上界。点线型线516表示当监测的吸入O2浓度大于或超过期望吸入O2浓度时初始火花正时的上界。同样地，初始火花点火正时的下界或下限520包括实线型线524，实线型线524表示当监测的吸入O2浓度达到相应于该下界的期望吸入O2浓度时初始火花点火正时的下界520。虚线型线522表示当监测的吸入O2浓度小于期望吸入O2浓度524时的情况。点线型线526表示当监测的吸入O2浓度大于或超过期望吸入O2浓度524时的情况。
下面参照图6进行更详细的论述，能够基于吸入O2浓度误差调整初始火花点火正时的上界或上限和下界或下限中的至少一个，该吸入O2浓度误差基于前一燃烧循环的监测的相应O2浓度与相应的期望吸入O2浓度之间的偏差。例如，当前一燃烧循环的监测的吸入O2浓度大于或超过期望吸入O2浓度时，能够延迟初始火花点火正时的上界或上限和下界或下限中的至少一个。类似地，当前一燃烧循环的监测的吸入O2浓度小于期望吸入O2浓度时，能够提前初始火花点火正时的上界或上限和下界或下限中的至少一个。
初始火花点火正时的上界或上限对应于相应的曲柄转角位置（例如bTDC），该位置具有为避免过多燃烧噪声而可接受的最提前的正时。提前的正时指的是在燃烧循环中较早出现的正时。初始喷射燃料质量正时的下界或下限对应于以下这样的曲柄转角位置（例如bTDC）：该位置具有为避免燃烧稳定性恶化而可接受的最延迟的正时。延迟的正时指的是在燃烧循环中较晚出现的正时。对曲线图500的分析显示出初始火花点火正时的上界510和下界520（即最提前和最延迟的正时界限）与发动机负荷瞬态值无关。喷射燃料质量正时的上界或上限和下界或下限能够进行预校准，其中初始火花点火正时的上界和下界分别限定出避免过多燃烧噪声和燃烧稳定性恶化的范围。
由EGR阀38控制吸入O2浓度。因此，吸入O2浓度与外部EGR百分比或浓度反向相关。如前所述，当EGR阀38关闭时，进气歧管29中的吸入O2浓度是或大约是21%。例如，当监测的吸入O2浓度小于期望吸入O2浓度时，监测的外部EGR百分比大于用于维持期望燃烧定相的期望外部EGR百分比。因此，当期望吸入O2浓度小于期望吸入O2浓度时，外部EGR百分比太高并且导致燃烧定相比期望燃烧定相延迟太多。延迟的燃烧定相指的是在燃烧循环中较晚出现的燃烧定相。同样地，当监测的吸入O2浓度大于或超过期望吸入O2浓度时，监测的外部EGR百分比小于用于维持期望燃烧定相的期望外部EGR百分比。因此，当期望吸入O2浓度大于期望吸入O2浓度时，外部EGR百分比太低并且导致燃烧定相比期望燃烧定相提前太多。提前的燃烧定相指的是在燃烧循环中较早出现的燃烧定相。
图6示意性地示出用于基于对燃烧开始参数的调整来维持多缸发动机的每个气缸中的期望燃烧定相的燃烧定相控制器600。确定期望燃烧定相以维持可接受的燃烧性能，包括燃烧噪声、燃烧效率和燃烧稳定性。燃烧开始参数能够包括喷射燃料质量正时（即喷射正时）和火花点火正时（即火花正时）。燃烧定相控制器600与控制模块5相关联并且包括喷射燃料质量正时控制器630和火花点火正时控制器632。喷射燃料质量正时控制器630确定调整的喷射燃料质量正时（即调整的喷射正时）624用于维持期望燃烧定相（即CA50）。火花正时控制器632确定调整的火花点火正时（即调整的火花正时）648用于维持期望燃烧定相。将意识到，能够彼此联系地使用调整的喷射和火花正时624、648来控制监测的燃烧定相朝着期望燃烧定相集中。当发动机以受控自燃模式运转时，调整的喷射正时624能够主导地用于控制监测的燃烧定相朝着期望燃烧定相集中。当发动机以包括火花助燃在内的化学计量空气燃料比运转时，调整的火花正时648能够主导地用于控制监测的燃烧定相朝着期望燃烧定相集中。全部运转状态下的喷射燃料质量能够以单喷射输送给每个气缸。将意识到，燃烧定相能够由CA50表征，CA50对应于50%的空气燃料充气已燃烧时的aTDC曲柄转角位置。在每个发动机循环期间，能够监测每个气缸的CA50。调节外部EGR阀38以控制进入发动机的吸入O2浓度。
喷射燃料质量正时控制器630包括相应的上限和下限正时单元608,610、修正单元616和喷射内插模块（IIM）622。发动机运转参数602输入给喷射正时模块（ITM）604，由喷射燃料质量正时控制器630确定和监测初始喷射燃料质量正时606。发动机运转参数602能够包括响应于转矩请求的期望发动机转速、期望喷射燃料质量和/或期望发动机负荷。如前所述，转矩请求能够响应于操作员输入（例如通过加速踏板和制动踏板），或者，转矩请求能够响应于控制模块5监测的自动起动状态。初始喷射燃料质量正时606分别输入上限和下限正时单元608、610中的每一个。基于上修正607和初始喷射燃料质量正时606，上限正时单元608输出初始喷射燃料质量正时606的上界限制618。同样地，基于下修正611和初始喷射燃料质量正时606，下限正时单元610输出初始喷射燃料质量正时606的下界限制613。上修正607和下修正611能够各自基于发动机运转参数602。上界限制618对应于以下这样的曲柄转角位置：该位置具有为避免过多燃烧噪声而可接受的最提前的正时。上界限制618能够称为最提前正时限制。下界限制613对应于以下这样的曲柄转角位置：该位置具有为避免燃烧稳定性恶化而可接受的最延迟的正时。下界或下限613能够称为最延迟正时限制。下界限制613输入修正单元616。利用基于吸入O2浓度误差的信号615，修正单元616能够调整下界限制613以输出初始喷射燃料质量606的调整的下界限制620。该吸入O2浓度误差基于前一燃烧循环的监测的吸入O2浓度与期望吸入O2浓度之间的偏差。确定该期望吸入O2浓度以实现期望的缸内充气成分，从而维持期望燃烧定相。因此，通过补偿吸入O2浓度误差，调整的下界限制620有助于迅速地实现期望燃烧定相。喷射燃料质量正时控制器630不限于调整下界限制613并且能够包括基于吸入O2浓度误差调整上界限制618的类似的修正单元。基于吸入O2浓度误差分别调整相应的上界或上限618和下界或下限613中的至少一个在上面参照图4进行了论述，本文将不再论述。上界限制618和调整的下界限制620输入IIM 622以与对应于燃烧定相误差634的有界控制信号638相比较并用其做内插，由此确定调整的喷射燃料质量正时624，该正时用于控制燃烧定相朝着期望燃烧定相集中。
火花点火正时控制器632包括修正单元617和火花内插模块（spark interpolation module, SIM）646。初始上界或上限火花点火正时642和初始下界或下限火花点火正时640分别输入火花点火正时控制器632并由其监测。初始上界或上限火花点火正时642和初始下界或下限火花点火正时640分别能够取决于发动机运转参数或者独立于发动机运转参数进行预校准，发动机运转参数包括期望发动机转速、期望喷射燃料质量和/或期望发动机负荷。初始上界或上限火花点火正时642和初始下界或下限火花点火正时640分别能够限定出避免过多燃烧噪声和燃烧稳定性恶化的范围。初始上界或上限642对应于以下这样的曲柄转角位置：该位置具有为避免过多燃烧噪声而可接受的最提前正时。初始上界或上限642能够称为最提前正时限制。初始下界限制640对应于以下这样的曲柄转角位置：该位置具有为避免燃烧稳定性恶化而可接受的最延迟正时。初始下界或下限640能够称为最延迟正时限制。在替代实施例中，初始上界限制642和初始下界限制640能够以与燃料喷射正时控制器630相似的方式分别基于发动机运转参数。初始下界限制640输入修正单元617。利用基于吸入O2浓度误差的信号615，修正单元617能够调整初始下界限制640以输出调整的下界限制644。火花点火正时控制器632不限于调整初始下界或下限640并且能够包括基于吸入O2浓度误差调整初始上界或上限642的类似的修正单元。基于吸入O2浓度误差分别调整相应的初始上界限制640和初始下界限制642中的至少一个在上面参照图5进行了论述，本文将不再论述。初始上界或上限642和调整的下界限制644输入SIM 646以与对应于燃烧定相误差634的有界控制信号638相比较并用其做内插，由此确定调整的火花点火正时648，该正时用于控制燃烧定相朝着期望燃烧定相集中。
预想的实施例包括将燃烧定相误差634与初始喷射燃料质量正时（即上界或上限618和调整的下界或下限620）和初始火花正时（例如上界或上限642和调整的下界或下限644）中的每一个进行比较并且基于该比较分别确定调整的喷射燃料质量和火花点火正时624、648，用于维持期望燃烧定相。具体地说，具有最提前和最延迟正时限制的初始燃烧开始正时是用有界控制信号638做内插的以确定调整的燃烧开始正时（即分别为调整的喷射燃料质量和调整的火花点火正时624、648），并且利用该调整的燃烧开始正时来控制监测的燃烧定相朝着期望燃烧定相集中，确定该期望燃烧定相用于维持可接受的燃烧性能，该燃烧性能包括燃烧噪声、燃烧效率和燃烧稳定性。
燃烧定相误差634基于前一燃烧循环的监测的燃烧定相与期望燃烧定相之间的偏差。燃烧定相误差634输入控制信号模块636并由其监测以产生有界控制信号。有界控制信号638被限制在一个范围内，该范围包括与比期望燃烧定相出现得更早的前一燃烧循环的监测的燃烧定相对应的上界限制和与比期望燃烧定相出现得更晚的前一燃烧循环的监测的燃烧定相对应的下界限制。换句话说，有界控制信号638是由上界和下界限定，其中，下界对应于在与期望燃烧定相相比的最延迟曲柄转角位置处的监测的燃烧定相，上界对应于在与期望燃烧定相相比的最提前曲柄转角位置处的监测的燃烧定相。在非限制性例子中，上界和下界分别为1和0。在IIM 622和SIM 646内，初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时中每一个的相应上界和下界是基于与燃烧定相误差634相关的有界控制信号638进行内插的。例如，把调整的燃烧开始正时624和648朝着根据燃烧定相误差（即有界控制信号）而定的相应最延迟正时限制延迟，其中燃烧定相误差对应于前一燃烧循环的监测的燃烧定相与期望燃烧定相相比提前的量。因此，基于朝着根据燃烧定相误差（例如有界控制信号）而定的相应最延迟正时限制延迟燃烧开始正时，延迟监测的燃烧定相以朝着期望燃烧定相集中。同样地，把调整的燃烧开始正时624和648朝着根据燃烧定相误差（即有界控制信号）而定的相应最提前正时限制提前，其中燃烧定相误差对应于前一燃烧循环的监测的燃烧定相与期望燃烧定相相比延迟的量。因此，基于朝着根据燃烧定相误差（例如有界控制信号）而定的相应最提前正时限制提前燃烧开始正时，提前监测的燃烧定相以朝着期望燃烧定相集中。
图7用曲线图描述了来自示例性发动机的实验和推导数据，绘出了根据本发明的喷射燃料质量701、IMEP 703、空气燃料比705、吸入燃烧气体分数707、燃料喷射正时（以度计的上止点之前喷射结束（EOI）曲柄转角位置）709、火花点火正时（以度计的上止点之前曲柄转角位置）711、和CA50（即以度计的上止点之后50%的燃料质量已燃烧时的曲柄转角位置）712的曲线。横轴表示针对曲线701、703、705、707、709、711和712的一些发动机事件。喷射燃料质量701曲线包括表征发动机事件期间的监测的喷射燃料质量的型线700。IMEP 703曲线包括表征发动机事件期间的监测的IMEP的型线702。空气燃料比705曲线包括表征监测的空气燃料比的型线704和表征期望空气燃料比的虚线706。吸入燃烧气体分数707包括表征监测的吸入燃烧气体分数的型线708和表征期望吸入燃烧气体分数的虚线710。燃料喷射正时709曲线包括表征按照利用图6的燃烧定相控制器600对燃料喷射正时进行的调整的型线713。火花点火正时711曲线包括表征按照利用图6的燃烧定相控制器600对火花点火正时进行的调整的型线714。CA50曲线712包括表征发动机事件期间的监测的CA50的型线716和表征发动机事件期间的期望CA50的虚线718。应当意识到，型线704、708和716展示了与相应虚线706、710和718的最小偏差或误差。
本公开已描述了某些优选实施例及其修改。其他人在阅读并理解本说明书之后可做进一步的修改和变更。因此，意图是本公开不局限于作为用于实施本公开而设想的最佳方式而公开的具体实施例，而是本公开将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于控制火花点火直喷式内燃发动机中的燃烧的方法，包括：
提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时；
监测燃烧定相误差；
将所述燃烧定相误差与所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个进行比较；和
基于所述比较来确定调整的喷射燃料质量正时和调整的火花点火正时用于维持期望燃烧定相。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述喷射燃料质量正时包括喷射结束时的曲柄转角位置，所述喷射燃料质量以单喷射输送。
3.如权利要求1所述的方法，其中，提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时包括：
为所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个提供相应的上界，所述上界对应于具有为避免过多燃烧噪声而可接受的最提前正时的相应曲柄转角位置；和
为所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个提供相应的下界，所述下界对应于具有为避免燃烧稳定性恶化而可接受的最延迟正时的相应曲柄转角位置。
4.如权利要求3所述的方法，其中，提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时进一步地包括：
基于吸入O2浓度误差调整所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界中的至少一个。
5.如权利要求4所述的方法，其中，基于吸入O2浓度误差调整所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界中的至少一个包括：
当前一燃烧循环的监测的吸入O2浓度超过期望吸入O2浓度时，延迟所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界中的至少一个。
6.如权利要求4所述的方法，其中，基于吸入O2浓度误差调整所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界中的至少一个包括：
当前一燃烧循环的监测的吸入O2浓度小于期望吸入O2浓度时，提前所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界中的至少一个。
7.如权利要求1所述的方法，其中，将所述燃烧定相误差与所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个进行比较包括：
产生与监测的燃烧定相误差相关的有界控制信号，所述有界控制信号在一个范围内，该范围包括上界限制和下界限制，所述上界限制对应于比期望燃烧定相出现得更早的前一燃烧循环的监测的燃烧定相，所述下界限制对应于比期望燃烧定相出现得更晚的前一燃烧循环的监测的燃烧定相；
基于与所述燃烧定相误差相关的有界控制信号对所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个的相应上界和下界进行内插；和
基于所述内插确定所述调整的喷射燃料质量正时和所述调整的火花点火正时用于维持所述期望燃烧定相。
8.如权利要求1所述的方法，其中，提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时包括：基于发动机转速和期望喷射燃料质量提供所述初始喷射燃料质量正时的上界和下界，其中，所述初始喷射燃料质量正时的所述上界和下界限定出避免过多燃烧噪声和燃烧稳定性恶化的范围。
9.一种用于控制火花点火直喷式内燃发动机中的燃烧的方法，包括：
提供具有相应的最提前和最延迟正时限制的初始燃烧开始正时，包括：
提供具有最提前和最延迟正时限制的初始喷射燃料质量正时；
提供具有最提前和最延迟正时限制的初始火花点火正时；
监测前一燃烧循环的燃烧定相和期望燃烧定相；
用所述燃烧定相误差对具有相应的最提前和最延迟正时限制的所述初始燃烧开始正时做内插以确定调整的燃烧开始正时；和
利用所述调整的燃烧开始正时来控制所述监测的燃烧定相朝着期望燃烧定相集中。
10.一种用于控制多缸火花点火直喷式内燃发动机的设备，包括：
用于控制进入发动机的吸入O2浓度的外部排气再循环阀；
控制模块：
提供初始喷射燃料质量正时和初始火花点火正时；
监测燃烧定相误差；
将所述燃烧定相误差与所述初始喷射燃料质量正时和所述初始火花点火正时中的每一个进行比较；和
基于所述比较来确定调整的期望喷射燃料质量正时和调整的期望火花点火正时用于维持期望燃烧定相。
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