CN102877958B - 用于发动机以均质充气压燃点火和火花点火操作的方法和装置 - Google Patents

用于发动机以均质充气压燃点火和火花点火操作的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于发动机以均质充气压燃点火和火花点火操作的方法和装置。一种用于控制内燃发动机的方法包括控制发动机处于均质充气压燃点火模式，并且根据发动机运行的工作范围用高升程曲线或低升程曲线操作进气门和排气门两者，或者用低升程曲线操作排气门且用高升程曲线操作进气门。

Description

用于发动机以均质充气压燃点火和火花点火操作的方法和装置
技术领域
本公开涉及内燃发动机控制。
背景技术
本部分内的陈述仅仅是提供与本公开相关的背景信息。因此，这样的陈述并不意味着构成对现有技术的承认。
已知的火花点火(SI)发动机将空气/燃料混合物引入每一个气缸内，空气/燃料混合物在压缩冲程被压缩并且由火花塞点燃。已知的压燃点火发动机在压缩冲程的上止点(TDC)附近将加压燃料喷入燃烧气缸内，燃料在喷射后就被点燃。用于汽油发动机和柴油发动机的燃烧都涉及通过流体力学控制的预混火焰或扩散火焰。
SI发动机能够以各种不同的燃烧模式操作，包括均质SI燃烧模式和分层充气SI燃烧模式。SI发动机能够被设置为在预定速度/负荷运行状态下以均质充气压燃点火(HCCI)燃烧模式操作，也被称为受控的自动点火燃烧。HCCI燃烧模式包括通过氧化化学控制的分布式无焰自动点火燃烧过程。以HCCI燃烧模式运行的发动机具有在进气门关闭时刻在组成、温度和残余废气方面优选为均质的气缸充气。HCCI燃烧是一种分布式动态受控的燃烧过程，其中发动机用稀释的空气/燃料混合物也就是在化学当量比空气/燃料点的贫侧运行，具有相对较低的峰值燃烧温度，从而得到低水平的NOx排放。均质空气/燃料混合物使形成烟雾和颗粒排放物的富燃区域的出现最小化。
发动机空气流量通过选择性地调节节气门的位置以及控制进气门和排气门的打开和关闭来进行控制。在这样装备的发动机系统中，进气门和排气门的打开和关闭可以利用可变气门致动系统进行调节，其中包括可变的凸轮相位和可选择的多级气门升程例如提供两个或多个气门升程位置的多级凸轮凸角。与节气门位置的改变相比，多级气门升程机构中气门位置的改变是离散而非连续的改变。
当发动机以HCCI燃烧模式运行时，发动机以稀燃或化学当量的空燃比操作运行，其中节气门全开以最小化发动机的泵送损失。当发动机以SI燃烧模式运行时，发动机以化学当量的空燃比运行，其中在从全开位置的0%到100%的位置范围上控制节气门以控制进气流量从而实现化学当量的空燃比。
在被设置用于以SI和HCCI燃烧模式运行的发动机中，燃烧模式之间的转换可能会很复杂。发动机控制模块必须为了提供用于不同模式的期望空燃比而协调多种设备的致动。在HCCI燃烧模式和SI燃烧模式之间的转换期间，气门升程切换近乎于瞬间进行，而对凸轮相位器和歧管内压力的调节则具有较慢的动力学。直至达到期望空燃比之前，都可能会发生不完全的燃烧和失火，从而导致转矩的扰动。
发明内容
一种用于控制内燃发动机的方法包括控制处于均质充气压燃点火模式的发动机。当发动机在低工作范围内运行时，用低升程气门策略来控制发动机；当发动机在高工作范围内运行时，用高升程气门策略来控制发动机；并且当发动机在低工作范围和高工作范围之间的中间工作范围内运行时，用混合升程气门策略来控制发动机。低升程气门策略包括用于排气门和进气门的低升程曲线以及进气门和排气门的负交叠。高升程气门策略包括用于排气门和进气门的高升程曲线以及进气门和排气门的正交叠。混合升程气门策略包括用于排气门的低升程曲线和用于进气门的高升程曲线。
本发明还公开了如下方案：
方案1.一种用于控制内燃发动机的方法，包括：
当发动机在低工作范围内运行时，用低升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，低升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，
用于进气门的低升程曲线，以及
进气门和排气门的负交叠；
当发动机在高工作范围内运行时，用高升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，高升程气门策略包括：
用于排气门的高升程曲线，
用于进气门的高升程曲线，以及
进气门和排气门的正交叠；并且
当发动机在所述低工作范围和所述高工作范围之间的中间工作范围内运行时，用混合升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，混合升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，以及
用于进气门的高升程曲线。
方案2.如方案1所述的方法，进一步包括确定发动机在所述低、高和中间工作范围之一内运行，这包括：
确定发动机负荷；
将发动机负荷与界定出低工作范围和中间工作范围之间边界的第一预定负荷相比较；
将发动机负荷与界定出中间工作范围和高工作范围之间边界的第二预定负荷相比较；
根据比较确定发动机在所述低、高和中间工作范围中的哪一个工作范围内运行。
方案3.如方案1所述的方法，进一步包括：
当发动机超出高工作范围运行时，用所述高升程气门策略来控制所述发动机处于火花点火模式。
方案4.如方案1所述的方法，其中所述工作范围由发动机转速和发动机负荷的工作点界定。
方案5.如方案2所述的方法，进一步包括：
确定发动机转速；
其中所述第一和第二预定负荷是所述发动机转速的函数。
方案6.如方案1所述的方法，其中混合升程气门策略进一步包括负气门交叠。
方案7.如方案1所述的方法，其中混合升程气门策略进一步包括正气门交叠。
方案8.如方案1所述的方法，其中混合升程气门策略根据发动机转速和发动机负荷而进一步包括正气门交叠和负气门交叠之一。
方案9.一种用于控制内燃发动机的方法，包括：
确定发动机负荷；
确定发动机转速；
根据所述发动机负荷和发动机转速确定发动机在低工作范围、高工作范围以及基于发动机转速和发动机负荷而介于所述低和高工作范围之间的中间工作范围之一内运行；
当发动机在低工作范围内运行时，用低升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，低升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，
用于进气门的低升程曲线，以及
进气门和排气门的负交叠；
当发动机在高工作范围内运行时，用高升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，高升程气门策略包括：
用于排气门的高升程曲线，
用于进气门的高升程曲线，以及
进气门和排气门的正交叠；并且
当发动机在中间工作范围内运行时，用混合升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，混合升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，以及
用于进气门的高升程曲线。
方案10.如方案9所述的方法，进一步包括：
当发动机超出所述高工作范围运行时，用所述高升程气门策略来控制所述发动机处于火花点火模式。
方案11.如方案9所述的方法，其中混合升程气门策略进一步包括负气门交叠。
方案12.如方案9所述的方法，其中混合升程气门策略进一步包括正气门交叠。
方案13.如方案9所述的方法，其中混合升程气门策略进一步包括根据所述发动机转速和发动机负荷选择的正气门交叠和负气门交叠之一。
方案14.一种内燃发动机，包括：
可变升程排气门，可选择性地以高升程排气门曲线和低升程排气门曲线操作；
可变升程进气门，可选择性地以高升程进气门曲线和低升程进气门曲线操作；
控制模块：
确定发动机在低工作范围、高工作范围以及介于所述低工作范围和所述高工作范围之间的中间工作范围之一内运行；
当发动机在低工作范围内运行时，用低升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，低升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，
用于进气门的低升程曲线，以及
进气门和排气门的负交叠；
当发动机在高工作范围内运行时，用高升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，高升程气门策略包括：
用于排气门的高升程曲线，
用于进气门的高升程曲线，以及
进气门和排气门的正交叠；并且
当发动机在中间工作范围内运行时，用混合升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，混合升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，以及
用于进气门的高升程曲线。
方案15.如方案14所述的内燃发动机，其中确定发动机在低工作范围、高工作范围和中间工作范围之一内运行包括：
确定发动机负荷；
将发动机负荷与界定出低工作范围和中间工作范围之间边界的第一预定负荷相比较；
将发动机负荷与界定出中间工作范围和高工作范围之间边界的第二预定负荷相比较；和
根据比较确定发动机在所述低、高和中间工作范围中的哪一个工作范围内运行。
方案16.如方案14所述的内燃发动机，其中确定发动机在低工作范围、高工作范围和中间工作范围之一内运行包括：
确定发动机负荷；
确定发动机转速；
根据所述发动机负荷和发动机转速确定发动机在所述低、高和中间工作范围中的哪一个工作范围内运行。
方案17.如方案14所述的内燃发动机，其中所述控制模块进一步包括：
当发动机超出所述高工作范围运行时，用所述高升程气门策略来控制所述发动机处于火花点火模式。
方案18.如方案14所述的内燃发动机，其中混合升程气门策略进一步包括负气门交叠。
方案19.如方案14所述的内燃发动机，其中混合升程气门策略进一步包括正气门交叠。
方案20.如方案14所述的内燃发动机，其中混合升程气门策略进一步包括根据发动机转速和发动机负荷选择的正气门交叠和负气门交叠之一。
附图说明
现参照附图介绍作为示例的一个或多个实施例，在附图中：
图1是根据本公开的内燃发动机的截面图以及附属控制模块的示意图；
图2-1,2-2和2-3分别示出了根据本公开的在低、中和高工作范围期间以HCCI燃烧运行的示范性排气门和进气门正时方案；
图3示出了根据本公开的在低、中和高工作范围内运行示范性发动机时相对于NMEP绘制的净燃料消耗率比油耗；
图4示出了根据本公开的在低、中和高工作范围内运行示范性发动机时针对NMEP绘制的振鸣指数；
图5示出了根据本公开的在低、中和高工作范围内运行示范性发动机时针对NMEP绘制的用于进气门打开和排气门关闭的气门正时；以及
图6示出了根据本公开的一种过程，通过该过程即可确定工作范围并用该工作范围在以HCCI燃烧运行时来控制气门升程设定。
具体实施方式
现参照附图，其中的图示内容仅仅是为了介绍某些示范性实施例而并不是为了加以限制，图1是根据本公开实施例构建的内燃发动机10的截面图以及附属控制模块5的示意图。发动机10选择性地在多种燃烧模式中运行，包括HCCI燃烧模式和均质火花点火(SI)燃烧模式。发动机10选择性地以化学当量空燃比和主要为稀燃化学当量比的空燃比运行。本公开可以应用于各种内燃发动机系统和燃烧循环。
示范性的发动机10包括多气缸直接喷射式四冲程内燃发动机，具有可以在气缸15内滑行移动的往复式活塞14。活塞14可以在上止点(TDC)最高位置和下止点(BDC)最低位置之间滑动，活塞界定出可变容量燃烧室16。每一个活塞14都被连接至旋转曲轴12，由此将线性往复运动转化为旋转运动。进气系统向进气歧管29提供进气，进气歧管29将空气引导和分配到燃烧室16的进气分支管内。进气系统具有用于监测和控制空气流量的气流管路系统和设备。进气设备优选地包括用于监测空气质量流量和进气温度的空气质量流量传感器32。节气门34优选地包括用于响应来自控制模块5的控制信号155以控制送往发动机10的空气流量的电子受控设备。进气歧管29内的压力传感器36被设置用于监测歧管绝对压力和大气压力。外部流动管道将来自排气歧管39的废气再循环至进气歧管29，具有被称为废气再循环(EGR)阀38的流量控制阀。控制模块5可操作以用于通过用控制信号168控制EGR阀38的开度来控制送往进气歧管29的废气质量流量。
从进气歧管29进入燃烧室16内的空气流量由一个或多个进气门20控制。离开燃烧室16的排气流量由一个或多个排气门18控制流到排气歧管39。发动机10装有用于控制和调节进气门20和排气门18打开和关闭的系统。在一个实施例中，进气门20和排气门18的打开和关闭可以通过分别控制进气和排气可变凸轮相位/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分别被设置用于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的旋转被与曲轴12的旋转关联和分度，由此将进气门20和排气门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优选地包括可操作以用于分别响应来自控制模块5的控制信号160和162以针对每一个气缸15切换和控制进气门20的气门升程(VLC)以及可变地调节和控制进气凸轮轴21相位(VCP)的机构。在一个实施例中，VLC包括两级气门升程控制。排气VCP/VLC设备24优选地包括可操作用于分别响应来自控制模块5的控制信号164和166以针对每一个气缸15可变地切换和控制排气门18的气门升程(VLC)以及可变地调节和控制排气凸轮轴23相位(VCP)的可控机构。
进气和排气VCP/VLC设备22和24每一个都优选地包括可控的两级VLC机构，其可操作用于将进气门20和排气门18的最大气门升程或开度分别控制为两个离散级别中的一级。两个离散级别对应于具有优选用于低速、低负荷运行的最大气门开放位置(在一个实施例中约为4-6mm)的低升程曲线以及具有优选用于高速和高负荷运行的最大气门开放位置(在一个实施例中约为8-13mm)的高升程曲线。进气和排气VCP/VLC设备22和24优选地均包括可变凸轮相位(VCP)机构以分别控制和调节进气门20和排气门18的打开和关闭的相位(也就是相对正时)。调节相位是指相对于曲轴12和相应气缸15中活塞14的位置改变进气门20和排气门18的打开/关闭时刻。进气和排气VCP/VLC设备22和24的VCP机构优选地均具有约60°-90°曲柄旋转的相位管理范围，由此允许控制模块5针对每一个气缸15提前或延迟进气门20和排气门18之一相对于活塞14位置的打开和关闭。相位管理范围由进气和排气VCP/VLC设备22和24界定和限制。进气和排气VCP/VLC设备22和24包括凸轮轴位置传感器以确定进气凸轮轴21和排气凸轮轴23的旋转位置。利用由控制模块5控制的电动液压、液压和电控作用力中的一种来致动VCP/VLC设备22和24。
发动机10具有燃料喷射系统，包括多个高压燃料喷射器28，每一个高压燃料喷射器28都设置用于响应来自控制模块5的控制信号186将一定质量的燃料直接喷射到其中一个燃烧室16内。从燃料分配系统向燃料喷射器28提供加压燃料。发动机10包括火花点火系统，通过该系统向火花塞26提供火花能量，以响应来自控制模块5的信号176点燃或帮助点燃每一个燃烧室16内的气缸充气。
发动机10配备有用于监测发动机操作的各种感测设备，包括：具有输出RPM并且可操作用于监测曲轴旋转位置即曲柄转角和转速的曲柄传感器42，在一个实施例中被设置用于监测燃烧的燃烧传感器30，以及被设置用于监测废气的废气传感器40，通常是空燃比传感器。燃烧传感器30具有可操作用于监测燃烧参数状态的传感器设备并被描述为可操作用于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监测以确定燃烧相位也就是用于每一个气缸15的每一个燃烧循环的相对于曲轴12的曲轴转角而言的燃烧压力正时。但是，燃烧相位也可以通过例如本领域技术人员可能已知的类似方法确定。燃烧传感器30还可由控制模块5监测以确定用于每一个气缸15的每一个燃烧循环的平均有效压力(IMEP)。优选地，发动机10和控制模块5被自动化以在每一次气缸点火事件期间监测和确定用于每一个发动机气缸15的IMEP状态。可选地，在本公开范围内可以将其他感测系统用于监测其他燃烧参数的状态，例如离子感测点火系统、废气组分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、处理器和类似术语是指一种或多种专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序或例程的中央处理器(优选为微处理器)和相关联的内存和存储器(只读、可编程只读、随机存取、硬盘等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、合适的信号调制和缓冲电路以及提供所述功能的其他部件的任何一种组合或各种不同的组合。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语是指包括标定和查询表在内的任何控制器可执行的指令集合。控制模块具有被执行以提供所需功能的控制例程集合。例程例如由中央处理单元执行并且可操作用于监测来自感测设备和其他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。例程可以按规则的时间间隔执行，例如在发动机运行和车辆操作期间每隔3.125、6.25、12.5、25和100毫秒就执行。
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被设置用于(例如通过加速踏板和制动踏板)接收来自于操作者的输入信号以确定操作者转矩请求。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和其他环境条件的传感器。
控制模块5执行存储在其中的例程以控制前述致动器从而形成气缸充气，包括在如此装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、用于控制再循环废气流量的EGR阀位置以及进气门排气门的正时和相位。在一个实施例中，气门正时和相位(在排气再吸气策略中)可以包括排气门再打开的负气门交叠(NVO)和升程。在另一个实施例中，控制模块5可以用正气门交叠(PVO)策略和进气门延迟关闭策略(LIVC)来操作气门正时和相位。控制模块5可操作用于在正在进行的车辆操作期间打开和关闭发动机10，并且可操作用于通过对燃料、火花以及气门停用的控制来选择性地停用一部分燃烧室15或者停用一部分进气门20和排气门18。控制模块5可以根据来自废气传感器40的反馈来控制空燃比。
在燃烧模式转换期间，发动机10被控制为以优选的空燃比操作，并且控制进气流量以获得优选的空燃比。这包括基于以选定燃烧模式的发动机操作来估计气缸空气充气。示范性的优选空燃比可以是化学当量的空燃比。根据估计的气缸空气充气控制节气门34以及进气和排气VCP/VLC设备22和24以获得进气流速，包括在SI和HCCI燃烧模式之间转换期间。通过调节节气门34以及进气和排气VCP/VLC设备22和24的位置以控制进气门20和排气门18的打开正时和曲线从而控制空气流量。两种燃烧模式中的操作需要在进气门20和排气门18的气门正时和曲线方面对进气和排气VCP/VLC设备22和24进行不同设置，以及在节气门位置方面对节气门34进行不同设置。
控制模块5将一系列用于控制与发动机参数相关联的致动器的状态的期望发动机参数转换为输出。示范性的期望发动机参数包括：期望进气氧气(O2)、期望空燃比(AFR)、燃料质量、进气歧管空气压力(MAP)、燃烧相位(CA50)和进气流量(MAF)。期望O2的控制通过控制EGR阀38的位置也就是进气空气流量来进行。如果EGR阀38打开得越多，就有越多的EGR气体能够进入进气空气流量内以限制可用于燃烧的氧气量。
期望AFR通过修改MAF来控制，MAF可以通过调节能够对HCCI燃烧以NVO操作并且对SI燃烧以LIVC操作的气门正时进行控制。通过在进气冲程期间保持进气门20打开更长的时段，即可有更多的空气用于燃烧充气。燃料质量参数可以随后确定以获得期望AFR。MAP通过操作节气门34来控制。打开节气门34以增大进气歧管内空气压力的数值，其中全开节气门(WOT)是开度最大的位置。减小节气门34的开度以降低进气歧管压力。期望的CA50在HCCI燃烧模式时通过喷射正时和火花正时进行控制，而在SI燃烧模式时通过火花正时进行控制。控制CA50允许根据当前的工作状态获得合适的发动机负荷。
某些发动机致动器已知具有快速动态响应(被称为快速发动机致动器)，并且能够在单个发动机循环或气缸事件内调节为新的指令输出。快速发动机致动器包括例如燃料喷射器28、为火花塞26提供点火能量的火花点火系统以及进气和排气VCP/VLC设备22,24的VLC部分。其他的发动机致动器在响应控制信号影响改变发动机操作方面相对较慢(被称为慢速发动机致动器)，并且由于部件的惯性、机械响应时间和空气流量延迟而需要用多个发动机循环或气缸事件来调节为新的指令输出。慢速发动机致动器包括例如EGR阀位置、节气门位置和通过进气和排气VCP/VLC设备22,24控制的气门相位。中间气门工作模式或中间工作范围可以被用于平滑在HCCI燃烧期间到SI燃烧的转换，允许减慢发动机致动器对SI燃烧的新工作状态做出反应的时间。
在发动机以SI燃烧模式运行期间，控制节气门34以调节歧管的空气压力。控制EGR阀38以调节气流内的氧气量。发动机10被控制为化学当量的空燃比，并且进气门20和排气门18都以高升程曲线(也就是高升程气门策略)和正气门交叠操作。可以使用LIVC气门控制方案，其中LIVC以高进气歧管压力操作。燃烧相位可以进一步通过火花正时控制。空气流量主要通过进气凸轮相位控制。优选地，燃料喷射事件在发动机循环的压缩阶段期间执行，优选地基本上在TDC之前。火花点火优选地在燃料喷射之后气缸内容物基本为均质时的预定时刻释放。
在发动机以HCCI燃烧模式运行期间，节气门34基本为全开，并且发动机10被控制为稀燃或化学当量的空燃比。进气门20和排气门18都以低升程曲线(也就是低升程气门策略)操作并且进气和排气升程正时都以NVO操作。燃烧相位可以进一步通过燃料喷射正时和火花正时控制。基本全开的节气门可以包括完全无节流或略有节流地操作以在进气歧管29内形成真空从而形成EGR流量。EGR流量控制在进气气流内可用的氧气量。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%。一个或多个燃料喷射事件可以发动机循环中被执行，包括在压缩阶段期间的至少一次喷射。
以HCCI模式运行，其中燃烧基于将充气压缩至在整个燃烧室内基本均匀燃烧点而发生，该运行高度依赖于燃烧室内的状态。如果在燃烧室内存在热量或压力不足，那么充气可能就无法点燃或者可能失火，导致不稳定的燃烧或者燃烧效率的下降。如果在燃烧室内存在热量或压力过高，那么充气可能会在打算的燃烧开始之前就燃烧，导致气缸内的无序燃烧或振鸣。
可以为了控制燃烧室内存在的热量和压力而调节气门升程。在低发动机负荷和转速下或者在低工作范围内的发动机工作点，此时燃烧室内存在较低的热量和压力，因此可以对排气门和进气门使用低升程曲线。这样的操作减少了吸入气缸内的低温进气并且增加了使用NVO以在TDC附近压缩充气的可能，由此降低了失火的可能并且增加了低工作范围(也就是较低的发动机负荷和转速)内的燃烧稳定性。在较高的发动机负荷和转速下或者在高工作范围内的发动机工作点，用低升程曲线操作排气门和进气门可能会导致燃烧室内存在过高的热量或压力以及气缸内的相应振鸣。可以通过用高升程曲线操作排气门和进气门来实现将发动机在HCCI模式中的操作扩展至该高工作范围(也就是较高的发动机负荷和转速)。通过用高升程曲线操作排气门和进气门，减小NVO或形成PVO，减小TDC时的压缩，并且将附加的低温进气引入气缸内。
以低升程曲线操作排气门和进气门的HCCI燃烧操作上限可以接近于或者低于以高升程曲线操作排气门和进气门的HCCI燃烧操作下限。因此，在低升程和高升程气门策略之间转换时(也就是在低速和高工作范围之间或中间的间隙内)的HCCI模式操作可能就会包括振鸣或不稳定的燃烧。而且，从用于排气门和进气门的一种曲线向用于排气门和进气门的另一种曲线转换需要调节多种发动机工作参数。这些发动机工作参数可能需要多于单个燃烧循环方来改变，导致在转换中发动机操作的可察觉的中断。
排气门和进气门均以低升程曲线操作的HCCI模式操作可以通过延迟燃烧例如通过延迟起动燃料喷射来扩展。但是，延迟燃烧已知会降低燃烧效率，导致燃料效率的下降。
一种在采用排气门和进气门均为低升程曲线的低升程气门策略的低工作范围内HCCI模式燃烧操作和采用排气门和进气门均为高升程曲线的高升程气门策略的高工作范围内HCCI模式燃烧操作之间转换的方法包括在采用排气门为低升程曲线和进气门为高升程曲线的混合升程气门策略的中间工作范围内操作。通过用这种方式控制排气门和进气门，在其中采用低升程曲线的低工作范围和其中采用高升程曲线的高工作范围之间的中间工作范围的性质即可填补高工作范围和低工作范围之间的间隙。以低升程曲线操作气门造成的振鸣以及以高升程曲线操作气门造成的不稳定燃烧都可以避免，并且也可以避免与延迟燃烧相关联的效率下降。而且，通过转换气门以使排气门用低升程曲线操作并且进气门用高升程曲线操作，应该意识到对于转换至低工作范围或高工作范围都有利，原因在于只需要转换排气门和进气门中的一个，因此降低了转换对发动机可察觉操作的影响。
控制模块5将发动机操作转换为与发动机10相关联的优选燃烧模式以提高燃料效率和燃烧稳定性，减少振鸣或降低排放。发动机工作点的变化能够改变发动机工作点的当前工作范围。控制模块5命令改变发动机的操作包括根据发动机工作点的当前工作范围改变气门升程设定。
图2-1,2-2和2-3分别示出了在低工作范围、中间工作范围和高工作范围期间以HCCI燃烧运行的示范性排气门和进气门升程曲线。相同的附图标记在各个附图中表示相同的内容。图2-1分别示出了发动机工作点处于低工作范围内的示范性低升程排气门和进气门的曲线106和108。水平轴表示经过一个燃烧循环的曲柄角度。上部的曲线110表示活塞运动，其中局部最小值表示活塞到达TDC。下部的曲线表示如下进一步介绍的气门升程。在低工作范围内工作表示排气门和进气门均处于低升程曲线的低升程气门策略下的HCCI燃烧操作。四冲程内部燃烧的四个冲程被用相对于活塞行程极端位置也就是上止点(BDC)和下止点(TDC)的活塞行程区域表示。BDC在直线100处示出，其中BDC100左侧的区域表示做功冲程，而BDC100右侧的区域表示排气冲程。排气冲程之后的TDC在直线102处示出，并且TDC100右侧的区域表示进气冲程。进气冲程之后的BDC在直线104处示出，并且BDC104右侧的区域表示压缩冲程。
示范性的排气门行程106首先打开并增加至预定升程114，然后在排气冲程期间也就是在BDC100右侧和TDC102之前关闭。示范性的进气门行程108首先打开，增加至预定升程120，然后在进气冲程期间也就是在BDC104左侧关闭。气门升程的大小分别由用于排气门行程106和进气门行程108的点114和120表示。每一次气门打开的持续时间由用于相应排气门行程106和进气门行程108的开启点和关闭点之间的距离表示。排气门关闭和进气门打开之间的关系指明了气门的交叠状况，在此情况下是NVO。应该理解由于VCP/VLC系统的VCP部分，因此NVO的大小可以根据发动机工作参数进行调节并且可以变为比该静态参考图中所表示的更大或更小。
图2-2分别示出了发动机工作点处于中间工作范围内的示范性排气门曲线106和进气门低升程和高升程曲线108和130。水平轴表示经过一个燃烧循环的曲柄角度。上部的曲线110表示活塞运动，其中局部最小值表示活塞到达TDC。下部的曲线表示如下进一步介绍的气门升程。在中间工作范围内工作表示在排气门为低升程曲线和进气门为高升程曲线的混合升程气门策略下的HCCI燃烧模式操作。四冲程内部燃烧过程的四个冲程如上所述被示出为在直线100处为做功冲程和排气冲程之间的BDC，在直线102处为排气冲程和进气冲程之间的TDC，以及在直线104处为进气冲程和压缩冲程之间的BDC。
排气门低升程曲线由线106表示，包括预定升程114；并且示范性的进气门高升程曲线用线130表示，包括预定升程126。作为参考，进气门低升程曲线由虚线108表示，包括预定升程120，示出了从图2-1所述的气门操作改变的气门升程。进气门改变为高升程曲线形成了更长的气门开放时段，由此影响交叠状态。在图2-2的示范性气门升程曲线中，形成了小的PVO状态。气门交叠状态可以基于本领域技术人员已知的考虑因素根据用于排气门或进气门的变化曲线来进行调节。
图2-3分别示出了发动机工作点处于高工作范围内的示范性排气门和进气门的曲线140和130。水平轴表示经过一个燃烧循环的曲柄角度。上部的曲线110表示活塞运动，其中局部最小值表示活塞到达TDC。下部的曲线表示如下进一步介绍的气门升程。在高工作范围内工作表示在排气门和进气门均为高升程曲线的高升程气门策略下的HCCI燃烧模式操作。四冲程内部燃烧过程的四个冲程如上所述被示出为在直线100处为做功冲程和排气冲程之间的BDC，在直线102处为排气冲程和进气冲程之间的TDC，以及在直线104处为进气冲程和压缩冲程之间的BDC。
进气门高升程曲线由线130表示并且包括预定升程126。排气门高升程曲线由线140表示并且包括预定升程134。作为参考，排气门低升程曲线由虚线106表示，包括预定升程114，示出了从图2-2所述的气门操作改变的气门升程。较大数量PVO的形成产生与在高工作范围内HCCI燃烧相关联的PVO燃烧模式。
当确定工作点高于界定出在此以上HCCI燃烧就不再有利的发动机工作点极限的高工作范围阈值时，控制模块5即可命令从高工作范围中的HCCI燃烧转换为SI燃烧。HCCI燃烧和SI燃烧之间的转换可以由于两种模式都使用高升程的排气门和进气门曲线而能在被实现的同时减少对发动机操作的破坏。
HCCI燃烧操作基于稳定性或效率的降低以及振鸣或可闻燃烧噪音而受限。分别界定出低工作范围、中间工作范围和高工作范围之间边界的第一和第二阈值能够根据发动机操作例如可闻燃烧噪音和效率来选择或标定。
发动机在低、中间和高工作范围中的操作可以通过监测作为监测发动机转速和监测发动机负荷的发动机工作点并且将该工作点与界定各种工作范围的阈值相比较来确定。界定出低和中间工作范围之间边界的第一阈值可以被绘制为通过发动机转速和发动机负荷的坐标轴确定的二维空间内的边界。类似地，界定出中间和高工作范围之间边界的第二阈值可以被绘制为相同的二维空间内的边界。但是，为了便于实施，监测发动机的工作点可以被简化为监测发动机在指定发动机转速范围内或具有与选择的标定速度基本相等的发动机转速时的发动机负荷，并且将发动机负荷与界定出低和中间工作范围之间边界的第一阈值以及界定出中间和高工作范围之间边界的第二阈值相比较以将发动机的工作范围确定为低、中间或高。另外，高工作范围阈值负荷可以被用于从HCCI模式转换为SI模式。根据不同的发动机转速范围可以采用多个阈值，例如通过查询表获得。通过用这种方式基于负荷来简化对工作范围的确定，阈值与监测负荷值的比较就能够更加快速地执行并且对控制模块的计算负荷更小。
低、中间和高工作范围可以通过由以kPa为单位的净平均有效压力(NMEP)测量的发动机负荷确定。在一种示范性发动机结构中，根据对示范性结构的测试和平衡，低工作范围是从0kPa延伸至约450kPa的工作负荷范围，其中第一阈值负荷为450kPa，中间工作范围是从约450kPa延伸至600kPa的工作负荷范围，其中第二阈值负荷为600kPa，并且高工作范围是从约600kPa延伸至1000kPa的工作负荷范围。高于1000kPaNMEP，其为用于示范性发动机的高工作范围阈值负荷，发动机的操作就转换为SI燃烧模式。应该意识到这些数值可以针对不同的发动机结构、燃料类型和工作范围而改变，并且具体数值可以根据本文中公开的方法通过标定确定。
图3是当示范性发动机在低工作范围170、高工作范围172和中间工作范围174内运行时垂直轴173上以g/kW-小时为单位的净燃料消耗率比油耗(NSFC)相对于水平轴175上的NMEP绘制的图形数据。NSFC是用于表达燃烧效率的燃料消耗度量，数值越低就表示效率越高。由于每一台特定发动机都具有其自身的NSFC特性，因此具体的NSFC标称值并不重要，但是每一张图示出的趋势都代表了可实现的操作特性。每一个范围170,172和174都在特定的负荷范围内表现出较低的NSFC。比较低工作范围170和高工作范围172，172在最低负荷值处的值以及工作范围170在该负荷值处的落后效率之间的间隙是很明显的。在接近于工作范围172最低负荷值的负荷值处工作范围174的取值示出了中间工作范围174内的操作填补低工作范围170和高工作范围172之间间隙的能力。通过根据负荷在低工作范围170、高工作范围172和中间工作范围174之间切换，就能够保持沿优化的最低NFSC、最高效的曲线值操作。
图4是当示范性发动机在低工作范围180、高工作范围182和中间工作范围184内运行时垂直轴183上以MW/m2为单位的振鸣指数(RI)相对于水平轴185上的NMEP绘制的图形数据。RI是用于每一个工作范围180,182和184的在不同负荷值下的可闻燃烧噪音水平指示。由于每一台特定发动机都具有其自身的RI特性，因此具体的RI标称值并不重要，但是每一张图示出的趋势都代表了可实现的操作特性。低工作范围180内的燃烧被示出为从低负荷值和对应的低RI值开始。RI在负荷范围上增大至峰值随后减小，同时通常都返回到比中间工作范围184和高工作范围182更高的RI值。中间工作范围184在低工作范围180的峰值RI之前开始并且延伸到高工作范围182内，同时保持相对稳定的RI水平。高工作范围182可以在中速工作范围期间开始并且延伸至过程的终点，其中RI保持在窄带内，直到RI水平变得不稳定为止。
通过图示的数据点基于实现较低的燃烧噪音水平来选择使用的工作范围，在中间工作范围的最低可用负荷值处从低工作范围180切换至中间工作范围184实现了燃烧噪音的明显下降。综合图3和4的数据，体现为第一、第二和第三工作范围阈值的低、中间和高工作范围能够被标定以用于可能实现的最高效率并降低燃烧噪音。可选地，发动机的操作可以映射在一定范围的发动机负荷和转速值上提供低、中间和高工作范围的二维标定映射表以用于随发动机负荷和转速一起使用。
图5是当示范性发动机以低工作范围的HCCI操作194、中间工作范围的HCCI操作196和高工作范围的HCCI操作198运行时垂直轴193上的气门正时(上止点后的角度)相对于水平轴195上的NMEP绘制的用于进气门打开状态192和排气门关闭状态190的图形数据。NVO在排气门关闭190出现于进气门打开192之前时存在，例如在低工作范围的HCCI操作194期间。PVO在进气门打开192出现于排气门关闭190之前时存在，例如在中间工作范围的HCCI操作196和高工作范围的HCCI操作198期间。由于每一台特定发动机都具有其自身的排气门关闭190和进气门打开192特性，因此具体的关闭和打开点并不重要，但是每一张图示出的发动机运行趋势都代表了操作特性。发生低工作范围的HCCI操作194，并且NVO随着负荷的增加而减小。PVO通常在中间工作范围的HCCI操作196期间随着进气门打开192随时间保持相对稳定并且排气门关闭190变得更迟而增加。发生高工作范围的HCCI操作198，其中PVO通常在高工作范围的HCCI操作198开始时最大并且随着负荷增加而减小。
发动机以低工作范围的HCCI操作194开始运行。控制模块监测发动机工作参数以确定当前发动机工作状态例如负荷范围、转速水平和燃烧噪音水平。来自操作者的转矩请求能够增加或减少对发动机的负荷要求。
在从低负荷通过增加负荷值进行的示范性转换中，监测发动机的工作范围。控制模块确定已经超出低工作范围的HCCI操作194的运行范围，例如负荷范围超过第一阈值负荷，然后命令VCP/VLC系统以中间工作范围的HCCI操作196运行。进气门开始以高升程曲线操作，修改低升程曲线上的升程和持续时间。排气门关闭190也可以通过VCP/VLC系统进行调节以用于最优燃烧。中间工作范围的HCCI操作196以少量的PVO操作。切换到中间工作范围的HCCI操作196导致以PVO操作，与继续以低升程曲线194的操作相比减小RI并且减小NSFC。随着负荷增加，控制模块增加PVO的量并且RI和NSFC继续减小。应该理解尽管参照中间工作范围介绍了PVO操作，但是控制器可以根据发动机转速、发动机负荷和凸轮凸角曲线来选择气门交叠状态。
控制模块确定已经超出中间工作范围的HCCI操作196的运行范围，例如负荷范围超过第二阈值负荷，然后命令VCP/VLC系统以高工作范围的HCCI操作198运行。排气门被转换为以高升程曲线操作，修改低升程曲线上的升程和持续时间。进气门打开192也可以通过VCP/VLC系统中的VCP部分进行调节以用于最优燃烧。高工作范围的HCCI操作198以比中间工作范围的HCCI操作196更大量的PVO操作。
控制模块确定高工作范围的HCCI操作198的运行范围已经超出用于高工作范围的预定最大值，例如负荷超过高工作范围阈值负荷，然后命令VCP/VLC系统在表示以SI燃烧操作的更高工作范围内运行。从进气门和排气门处于高升程曲线的高工作范围操作转换至进气门和排气门处于高升程曲线的SI操作即可实现在工作策略之间相对平滑的转换。
上述方法根据用于示范性两级气门升程控制的高升程曲线和低升程曲线进行阐述。但是应该意识到所述方法可以根据对本领域技术人员显而易见的变形与其他结构的VLC一起使用并且无需受限于两级结构。
图6示出了一种非限制性的示范过程，通过该过程即可在以HCCI燃烧运行时确定工作范围并且用于控制气门升程曲线。表1被提供作为图6的图解，其中数字标记的块和对应功能被列举如下。
表1
块 说明
402 以HCCI燃烧模式运行
404 根据发动机的工作点确定工作范围
406 工作范围是低、中间还是高？
408 在低位置操作排气门和进气门
410 调节用于气门策略的燃烧参数
412 在低位置操作排气门并在高位置操作进气门
414 调节用于气门策略的燃烧参数
416 在高位置操作排气门和进气门
418 调节用于气门策略的燃烧参数
420 继续以HCCI燃烧模式运行发动机吗？
411 结束
过程400通过以HCCI燃烧模式运行发动机而开始于块402。在块404，根据发动机的工作点确定发动机的工作范围。在块406，工作范围被用于选择为表示低工作范围的箭头440、表示中间工作范围的箭头442和表示高工作范围的箭头444中的一个。在块408，排气门和进气门均被设定在低位置，并且在块410设定对应的燃烧参数例如空气、EGR和燃料。在块412，排气门被设定在低位置并且进气门被设定在高位置，然后在块414设定对应的燃烧参数例如空气、EGR和燃料。在块416，排气门和进气门均被设定在高速位置，并且在块418设定对应的燃烧参数例如空气、EGR和燃料。在块420，如果发动机继续以HCCI模式运行，那么就选择箭头446并且过程返回到块404。如果发动机并未要继续以HCCI模式运行，那么就选择箭头446。块422结束该过程。
本发明公开了允许上述操作的单凸轮轮廓。但是，可以用类似方式使用若干其他的凸轮轮廓，其可以扩展一个或多个工作范围或者可以修改气门升程，例如中间工作范围可以在部分或整个中间工作范围的运行期间以NVO操作而并不背离本公开的范围。应该意识到尽管负荷被公开为用于确定发动机工作范围的值，但是也可以使用其他度量例如发动机转速与发动机负荷的组合或其他决定发动机工作点的值而并不背离本发明的范围。而且，负荷工作范围可以根据具体发动机结构的操作负荷范围例如凸轮曲线和运行范围预先确定，并且也可以通过一系列查询表确定。
本公开介绍了某些优选实施例及其变形。本领域技术人员在阅读和理解说明书后可以得到进一步的变形和修改。因此，本公开不应局限于作为设想用于实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例，相反本公开应该包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (19)

1.一种用于控制内燃发动机的方法，包括：
当发动机在低工作范围内运行时，用低升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，低升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，
用于进气门的低升程曲线，以及
进气门和排气门的负交叠；
当发动机在高工作范围内运行时，用高升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，高升程气门策略包括：
用于排气门的高升程曲线，
用于进气门的高升程曲线，以及
进气门和排气门的正交叠；并且
当发动机在所述低工作范围和所述高工作范围之间的中间工作范围内运行时，用混合升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，混合升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，以及
用于进气门的高升程曲线；
其中所述工作范围由发动机转速和发动机负荷的工作点界定。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括确定发动机在所述低、高和中间工作范围之一内运行，这包括：
确定发动机负荷；
将发动机负荷与界定出低工作范围和中间工作范围之间边界的第一预定负荷相比较；
将发动机负荷与界定出中间工作范围和高工作范围之间边界的第二预定负荷相比较；
根据比较确定发动机在所述低、高和中间工作范围中的哪一个工作范围内运行。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
当发动机超出高工作范围运行时，用所述高升程气门策略来控制所述发动机处于火花点火模式。
4.如权利要求2所述的方法，进一步包括：
确定发动机转速；
其中所述第一和第二预定负荷是所述发动机转速的函数。
5.如权利要求1所述的方法，其中混合升程气门策略进一步包括负气门交叠。
6.如权利要求1所述的方法，其中混合升程气门策略进一步包括正气门交叠。
7.如权利要求1所述的方法，其中混合升程气门策略根据发动机转速和发动机负荷而进一步包括正气门交叠和负气门交叠之一。
8.一种用于控制内燃发动机的方法，包括：
确定发动机负荷；
确定发动机转速；
根据所述发动机负荷和发动机转速确定发动机在低工作范围、高工作范围以及基于发动机转速和发动机负荷而介于所述低和高工作范围之间的中间工作范围之一内运行；
当发动机在低工作范围内运行时，用低升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，低升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，
用于进气门的低升程曲线，以及
进气门和排气门的负交叠；
当发动机在高工作范围内运行时，用高升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，高升程气门策略包括：
用于排气门的高升程曲线，
用于进气门的高升程曲线，以及
进气门和排气门的正交叠；并且
当发动机在中间工作范围内运行时，用混合升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，混合升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，以及
用于进气门的高升程曲线。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
当发动机超出所述高工作范围运行时，用所述高升程气门策略来控制所述发动机处于火花点火模式。
10.如权利要求8所述的方法，其中混合升程气门策略进一步包括负气门交叠。
11.如权利要求8所述的方法，其中混合升程气门策略进一步包括正气门交叠。
12.如权利要求8所述的方法，其中混合升程气门策略进一步包括根据所述发动机转速和发动机负荷选择的正气门交叠和负气门交叠之一。
13.一种内燃发动机，包括：
可变升程排气门，可选择性地以高升程排气门曲线和低升程排气门曲线操作；
可变升程进气门，可选择性地以高升程进气门曲线和低升程进气门曲线操作；
控制模块：
确定发动机在低工作范围、高工作范围以及介于所述低工作范围和所述高工作范围之间的中间工作范围之一内运行，其中所述工作范围由发动机转速和发动机负荷的工作点界定；
当发动机在低工作范围内运行时，用低升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，低升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，
用于进气门的低升程曲线，以及
进气门和排气门的负交叠；
当发动机在高工作范围内运行时，用高升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，高升程气门策略包括：
用于排气门的高升程曲线，
用于进气门的高升程曲线，以及
进气门和排气门的正交叠；并且
当发动机在中间工作范围内运行时，用混合升程气门策略来控制所述发动机处于均质充气压燃点火模式，混合升程气门策略包括：
用于排气门的低升程曲线，以及
用于进气门的高升程曲线。
14.如权利要求13所述的内燃发动机，其中确定发动机在低工作范围、高工作范围和中间工作范围之一内运行包括：
确定发动机负荷；
将发动机负荷与界定出低工作范围和中间工作范围之间边界的第一预定负荷相比较；
将发动机负荷与界定出中间工作范围和高工作范围之间边界的第二预定负荷相比较；和
根据比较确定发动机在所述低、高和中间工作范围中的哪一个工作范围内运行。
15.如权利要求13所述的内燃发动机，其中确定发动机在低工作范围、高工作范围和中间工作范围之一内运行包括：
确定发动机负荷；
确定发动机转速；
根据所述发动机负荷和发动机转速确定发动机在所述低、高和中间工作范围中的哪一个工作范围内运行。
16.如权利要求13所述的内燃发动机，其中所述控制模块进一步包括：
当发动机超出所述高工作范围运行时，用所述高升程气门策略来控制所述发动机处于火花点火模式。
17.如权利要求13所述的内燃发动机，其中混合升程气门策略进一步包括负气门交叠。
18.如权利要求13所述的内燃发动机，其中混合升程气门策略进一步包括正气门交叠。
19.如权利要求13所述的内燃发动机，其中混合升程气门策略进一步包括根据发动机转速和发动机负荷选择的正气门交叠和负气门交叠之一。
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