CN102953796A - 用于防止发动机中的随机提前点火的控制系统和方法 - Google Patents

用于防止发动机中的随机提前点火的控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于防止发动机中的随机提前点火的控制系统和方法，具体地，一种用于发动机的控制系统包括火花模块和燃料模块。火花模块对于N个连续气缸点火事件将气缸的火花正时提前通过火花限度的R度数，并对于所述N个连续气缸点火事件之后的M个连续气缸点火事件延迟所述气缸的火花正时通过火花限度。燃料模块对于所述M个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸。根据所述系统，R是大于零的实数，N和M是大于零的整数，并且所述火花限度是用于限制火花提前的量以防止火花爆燃的控制值。还提供了一种用于控制发动机的方法。

Description

用于防止发动机中的随机提前点火的控制系统和方法
技术领域
本发明涉及用于车辆的发动机控制系统和方法，且更具体地涉及用于防止随机提前点火的发动机控制系统和方法。
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。
车辆包括产生用于推动车辆的驱动扭矩的动力系。通常，动力系包括内燃发动机。往复式发动机通过燃烧气缸中的空气和燃料（A/F）混合物或燃料-空气充量而产生扭矩，从而在上止点（TDC）位置和下止点（BDC）位置之间驱动活塞。活塞在TDC和BDC之间往复运动驱动曲轴的旋转，从而产生驱动扭矩。在TDC位置，燃烧室的体积处于其最小体积。在BDC位置，燃烧室的体积处于其最大体积。
燃烧在由气缸和活塞限定的燃烧室中发生。在火花点火式（SI）发动机中，由放电或向燃料-空气充量供给能量的火花引发燃烧。一旦被引发，则燃烧沿着火焰前缘继续一段时间，在此时间段期间，活塞被驱动朝向BDC位置。通常，控制燃烧正时，并且火焰前缘以预期的且受控的方式增强，并消耗燃料-空气充量中的几乎全部燃料。燃烧正时可以通过控制可相对于TDC位置指定的火花正时来控制。火花提前通常是指在TDC位置之前发生的火花正时。火花延迟通常是指在TDC位置之后发生的火花正时。
异常燃烧是通常用于指下述过程的术语，即，火焰前缘会在火花点火之前或之后通过热燃烧室表面开始的燃烧过程，或者燃料-空气充量的一部分或全部会以异常高的速率消耗的过程。异常燃烧现象包括部分燃烧、不发火、爆燃和提前点火。爆燃是通常用于指下述异常燃烧过程的术语，在此异常燃烧过程期间，正在传播的火焰前缘外面的尾气的一部分自发地点燃。在正在传播的火焰前缘前面的包括燃料、空气和剩余气体混合物的自发点燃导致局部压力的快速增大和显著振幅的压力波跨燃烧室的传播。爆燃还用于指由压力波产生的能听到的噪声。
提前点火是通常指下述异常燃烧过程的术语，在此异常燃烧过程期间，燃料-空气充量由除了火花塞提供的放电之外的源点火。如果在火花点火之后发生点燃，则通常称作后点火。在点燃之后，湍流火焰在每个点燃位置处扩展，并以与在火花点火之后发生的方式类似的方式传播。
一种提前点火称作表面点火，其通常指下述异常燃烧过程，在此异常燃烧过程中，燃烧室壁上的热场在正常火焰前缘到达之前点燃燃料-空气充量。热场可以由过热阀或火花塞、燃烧室沉积物或除了火花之外的其它能量源产生。表面点火通常与可称作在连续的发动机循环期间提前逐渐地发生提前点火的“失控（run away）”现象相关联。
另一种提前点火称作随机提前点火。随机提前点火也可称作低速提前点火，因为它通常在相对低的发动机速度下发生。随机提前点火通常与诸如涡轮增压或增压式发动机的增压发动机相关联。随机提前点火通常比其它异常燃烧过程更随机地发生，并且不展现出表面点火的典型失控现象特性。
已经开发出控制系统来控制发动机中的燃烧。在一些传统的燃烧控制系统中，将火花正时保持在火花限度或阈值以下以防止爆燃的发生，和/或在校正动作期间延迟火花正时，以消除或减小爆燃发生的强度。然而，这些燃烧控制系统不能防止或减少提前点火的发生。
发明内容
在一方面，本发明提供了一种用于发动机的控制系统，包括火花模块和燃料模块。所述火花模块对于N个连续气缸点火事件将气缸的火花正时提前通过火花限度的R度数，并对于所述N个连续气缸点火事件之后的M个连续气缸点火事件延迟所述气缸的火花正时通过所述火花限度。所述燃料模块对于所述M个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸。根据所述系统，R是大于零的实数，N和M是大于零的整数，并且所述火花限度是用于限制火花提前的量以防止火花爆燃的控制值。在各个特征中，所述燃料-空气充量的燃料-空气当量比大于1.0且小于1.5。在其它特征中，N是大于零且小于3的整数，M是大于零且小于20的整数。在其它特征中，所述发动机是涡轮增压发动机和增压机式发动机中的一种。
在其它特征中，所述控制系统还包括开始模块。所述开始模块确定发动机速度何时处于预定的范围内。在相关的特征中，当所述发动机速度在所述预定的范围内时，所述火花模块对于所述N个连续气缸点火事件中的第一个点火事件提前火花正时。在其它特征中，所述开始模块确定何时满足下述标准中的至少一个：（i）发动机扭矩在预定的第一范围内；以及（ii）增压压力在预定的第二范围内。在相关的特征中，当满足所述标准中的所述至少一个时，所述火花模块对于所述N个连续气缸点火事件中的第一个点火事件提前火花正时。
在各种其它特征中，所述控制系统还包括检测模块，所述检测模块检测何时在所述气缸中发生随机提前点火事件。在相关的特征中，当检测到所述随机提前点火事件时，所述燃料模块对于P个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸，P是大于零的整数。
在各种其它特征中，在所述N个连续气缸点火事件之后，在所述气缸的下一个气缸点火事件开始所述M个连续气缸点火事件。在其它特征中，对于多个剩余的气缸中的每个，所述火花模块对于另外的N个连续气缸点火事件一次一个气缸地将火花正时提前通过所述火花限度的R度数。在相关的特征中，对于所述多个剩余的气缸中的每个，所述燃料模块对于所述N个连续气缸点火事件之后的另外的M个连续气缸点火事件一次一个气缸地供给另外的富燃料-空气充量。
在另一方面，本发明提供了一种用于控制发动机的方法。所述方法包括：（a）对于N个连续气缸点火事件将气缸的火花正时提前通过火花限度的R度数；（b）对于所述N个连续气缸点火事件之后的M个连续气缸点火事件延迟所述气缸的火花正时通过所述火花限度；以及（c）对于所述M个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸。根据所述方法，R是大于零的实数，N和M是大于零的整数，并且所述火花限度是用于限制火花提前的量以防止火花爆燃的控制值。在各个特征中，所述燃料-空气充量的燃料-空气当量比大于1.0且小于1.5。在其它特征中，N是大于零且小于3的整数，M是大于零且小于20的整数。在其它特征中，所述发动机是涡轮增压发动机和增压机式发动机中的一种。
在其它特征中，所述方法还包括：（a）确定发动机速度何时处于预定的范围内；以及（b）当所述发动机速度在所述预定的范围内时，对于所述N个连续气缸点火事件中的第一个点火事件提前所述气缸的火花正时。在其它特征中，所述方法还包括：（a）确定何时满足下述标准中的至少一个：（i）发动机扭矩在预定的第一范围内；以及（ii）增压压力在预定的第二范围内；以及（b）当满足所述标准中的所述至少一个时，对于所述N个连续气缸点火事件中的第一个点火事件提前所述气缸的火花正时。在其它特征中，所述方法还包括：（a）检测何时在所述气缸中发生随机提前点火事件；以及（b）当检测到所述随机提前点火事件时，对于P个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸，P是大于零的整数。
在各种其它特征中，在所述N个连续气缸点火事件之后，所述气缸的下一个气缸点火事件开始所述M个连续气缸点火事件。在其它特征中，所述方法还包括：（a）对于多个剩余气缸中的每个，对于另外的N个连续气缸点火事件一次一个气缸地将火花正时提前通过所述火花限度的R度数；以及（b）对于所述多个剩余气缸中的每个，对于所述N个连续气缸点火事件之后的另外的M个连续气缸点火事件一次一个气缸地供给另外的富燃料-空气充量。
本发明提供如下方案：
1、一种用于发动机的控制系统，其包括：
火花模块，所述火花模块对于N个连续气缸点火事件将气缸的火花正时提前通过火花限度的R度数，并对于所述N个连续气缸点火事件之后的M个连续气缸点火事件延迟所述气缸的火花正时通过所述火花限度；以及
燃料模块，所述燃料模块对于所述M个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸，
其中，R是大于零的实数，N和M是大于零的整数，并且所述火花限度是用于限制火花提前的量以防止火花爆燃的控制值。
2、根据方案1所述的控制系统，其特征在于，其还包括开始模块，所述开始模块确定发动机速度何时处于预定的范围内，其中，当所述发动机速度在所述预定的范围内时，所述火花模块对于所述N个连续气缸点火事件中的第一个点火事件提前火花正时。
3、根据方案1所述的控制系统，其特征在于，其还包括：
开始模块，所述开始模块确定何时满足下述标准中的至少一个：
     （i）发动机扭矩在预定的第一范围内；以及
     （ii）增压压力在预定的第二范围内，
其中，当满足所述标准中的所述至少一个时，所述火花模块对于所述N个连续气缸点火事件中的第一个点火事件提前火花正时。
4、根据方案1所述的控制系统，其特征在于，其还包括检测模块，所述检测模块检测何时在所述气缸中发生随机提前点火（SPI）事件，其中，当检测到所述SPI事件时，所述燃料模块对于P个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸，P是大于零的整数。
5、根据方案1所述的控制系统，其特征在于，在所述N个连续气缸点火事件之后，在所述气缸的下一个气缸点火事件开始所述M个连续气缸点火事件。
6、根据方案1所述的控制系统，其特征在于，对于多个剩余的气缸中的每个，一次一个气缸：
所述火花模块对于另外的N个连续气缸点火事件将火花正时提前通过所述火花限度的R度数；以及
所述燃料模块对于所述N个连续气缸点火事件之后的另外的M个连续气缸点火事件供给另外的富燃料-空气充量。
7、根据方案1所述的控制系统，其特征在于，所述燃料-空气充量的燃料-空气当量比大于1.0且小于1.5。
8、根据方案1所述的控制系统，其特征在于，N是大于零且小于3的整数。
9、根据方案1所述的控制系统，其特征在于，M是大于零且小于20的整数。
10、根据方案1所述的控制系统，其特征在于，所述发动机是涡轮增压发动机和增压机式发动机中的一种。
11、一种用于控制发动机的方法，其包括：
对于N个连续气缸点火事件将气缸的火花正时提前通过火花限度的R度数；
对于所述N个连续气缸点火事件之后的M个连续气缸点火事件延迟所述气缸的火花正时通过所述火花限度；以及
对于所述M个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸，
其中，R是大于零的实数，N和M是大于零的整数，并且所述火花限度是用于限制火花提前的量以防止火花爆燃的控制值。
12、根据方案11所述的方法，其特征在于，其还包括：
确定发动机速度何时处于预定的范围内；以及
当所述发动机速度在所述预定的范围内时，对于所述N个连续气缸点火事件中的第一个点火事件提前所述气缸的火花正时。
13、根据方案11所述的方法，其特征在于，其还包括：
确定何时满足下述标准中的至少一个：
     （i）发动机扭矩在预定的第一范围内；以及
     （ii）增压压力在预定的第二范围内；以及
当满足所述标准中的所述至少一个时，对于所述N个连续气缸点火事件中的第一个点火事件提前所述气缸的火花正时。
14、根据方案11所述的方法，其特征在于，其还包括：
检测何时在所述气缸中发生随机提前点火（SPI）事件；以及
当检测到所述SPI事件时，对于P个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸，P是大于零的整数。
15、根据方案11所述的方法，其特征在于，在所述N个连续气缸点火事件之后，在所述气缸的下一个气缸点火事件开始所述M个连续气缸点火事件。
16、根据方案11所述的方法，其特征在于，其还包括：
对于多个剩余气缸中的每个，对于另外的N个连续气缸点火事件一次一个气缸地将火花正时提前通过所述火花限度的R度数；以及
对于所述多个剩余气缸中的每个，对于所述N个连续气缸点火事件之后的另外的M个连续气缸点火事件一次一个气缸地供给另外的富燃料-空气充量。
17、根据方案11所述的方法，其特征在于，所述燃料-空气充量的燃料-空气当量比大于1.0且小于1.5。
18、根据方案11所述的方法，其特征在于，N是大于零且小于3的整数。
19、根据方案11所述的方法，其特征在于，M是大于零且小于20的整数。
20、根据方案11所述的方法，其特征在于，所述发动机是涡轮增压发动机和增压机式发动机中的一种。
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是示出根据本发明的用于车辆的示例性车辆系统的功能框图；
图2是示出根据本发明的示例性发动机系统和发动机控制系统的功能框图；
图3是示出根据本发明的示例性提前点火模块的功能框图；以及
图4-5是示出根据本发明的用于控制发动机中的随机提前点火的示例性方法的流程图。
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中的至少一个应当被解释为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（共用的、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（共用的、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，术语共用意味着来自多个模块的一些或全部代码可以使用单个（共用的）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（共用的）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或一组执行引擎来执行。例如，处理器的多个芯和/或多个线程可以被视为执行引擎。在各种实施方式中，执行引擎可以跨处理器、跨多个处理器以及跨多个位置的处理器例如并行处理布置的多个服务器而成组。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。
提前点火现象可以是确定性的或非确定性的（即，随机的）。确定性的提前点火在本领域中被一些人称作典型的热场提前点火，并通常是指燃烧以与给定的开始条件或初始状态基本上相同的方式进行的提前点火事件。换句话说，确定性的提前点火通常是指非随机的提前点火。相反，随机提前点火（SPI）通常是指燃烧基于至少一个随机元素以不同方式进行的提前点火事件。
对SPI事件的观察表明SPI作为随机的、非失控的提前点火事件发生。对SPI事件的观察还表明SPI会在实现20巴或更高的制动平均有效压力的增压发动机诸如涡轮增压发动机和增压机式（supercharged）发动机中更频繁地发生。SPI主要是低速现象，并且通常在产生峰值扭矩的最低速度范围内例如在大约1500和2000转每分钟之间的发动机速度下发生。然而，SPI还会在较高的发动机速度下以减少的频率发生。
通常，SPI在数以千计的发动机循环中以大约一个事件的非常低的频率（即，万分之几）发生。然而，SPI事件会是相对严重的，特别是在增压发动机中。例如，SPI会导致峰值气缸压力达到标称峰值压力（例如，200巴或更高）以及发动机部件通常被设计为忍受的压力的两倍或更多倍。过度的峰值压力会由于若干因素而发生。例如，在高增压的操作条件下，与自然进气的发动机条件相比，在气缸中存在更多可用的能量。基本燃烧定相在高增压的操作条件下进一步延迟，并且SPI循环的过度提前的定相会导致过度的峰值气缸压力。由于相对较少的SPI事件而会发生发动机损坏，典型地是活塞损坏。
SPI会由于包括气缸温度、气缸压力、燃料-空气当量比和燃料-空气充量化学的各种操作参数之间的相互作用而最终发生。然而，还未很好地认识到精确的相互作用。在一种理论中，液态燃料撞击燃烧室的壁，并与存在于壁上的润滑油混合，从而产生燃料-油混合物。燃料-油混合物在燃烧室壁上以及在诸如活塞顶面裂缝、盖衬垫裂缝和/或类似裂缝的裂缝中累积。当累积达到阈值水平时，一部分混合物会到达燃烧气体，并变成提前点火事件的源。提前点火事件会导致提前的燃烧定相，这导致高峰值气缸压力，且频繁的高幅值爆燃。另外，空气流会将燃料-油混合物从裂缝的相对冷的燃烧室壁移动或传递到燃烧室的中心附近的相对较热的壁，从而产生会发生表面点火的气体热场。随后，当传递现象和温度分布现象超过阈值水平时，会发生SPI事件。
传递现象和温度分布现象的可变性会导致SPI的偶发的或随机的性质。观察还进一步显示出，对于最初SPI事件的若干次点火事件，许多燃料-油混合物滴和/或驱逐的烟灰沉积物会留在室中，并可变成另外的提前点火事件的源。此现象可以解释在一串交替的循环行为中发生的SPI事件的趋势。
本发明提供了可以减少发动机中的SPI的发生的控制系统和方法。该控制系统选择性地执行预防性的SPI过程，以防止会另外地周期性地发生的SPI。该控制系统还可以在检测到SPI事件时选择性地执行反应性的SPI过程，以防止会因检测到的SPI事件而另外地发生的其它SPI事件。在SPI将通常发生的且可以以受控的方式引发火花爆燃的发动机操作条件下周期性地执行预防性的SPI过程。在预防性的SPI过程的第一时段期间，火花模块将越过火花阈值的火花正时提前预定数量的连续气缸点火事件。在第一时段结束时，燃料模块在接下来的预定数量的连续气缸点火事件内将富A/F混合物供给到气缸。通过提前火花正时，火花模块引起火花爆燃，其将存在于气缸中的任何燃料-油沉积物和/或烟尘沉积物在它们累积之前驱离阈值水平。通过随后供给用于一个或多个气缸点火事件的富集的燃料-空气充量，燃料模块抑制任何剩余的被驱离的燃料-油沉积物的SPI，直到它们从燃烧室清除为止。观察表明，富集可以减小因充量温度从提高的蒸发热的降低而发生SPI的概率。
具体参照图1，功能框图示出了根据本发明的用于车辆的示例性车辆系统10。车辆系统10包括驱动车辆的一个或多个车轮14的动力系12。动力系12包括发动机系统16、变速器系统18和驱动系20。发动机系统16产生传递到变速器系统18的驱动扭矩。变速器系统18接收由发动机系统16输出的驱动扭矩，并以多种齿轮比中的一种将驱动扭矩传递到驱动系20。驱动系20将变速器系统18结合到从动轮14。本发明不限于传统的动力系或混合动力系。本发明还不限于特定布局的动力系或特定类型的驱动系。例如，动力系12可以具有前轮驱动布局、后轮驱动布局或全轮驱动布局。本发明还不限于特定类型的变速器系统。例如，变速器系统18可以包括自动变速器或手动变速器或者连续可变驱动比变速器（CVT）。
具体参照图2，功能框图示出了根据本发明的发动机控制系统30中的发动机系统16的示例性实施方案。发动机系统16包括产生用于推动车辆的驱动扭矩的内燃发动机（ICE）32。在各种实施方案中，发动机系统16可以是包括电马达34的混合动力发动机系统，电马达34产生单独使用的或与ICE 32产生的扭矩组合使用的驱动扭矩，以推动车辆。ICE 32是往复式火花点火式（SI）发动机，其燃烧一个或多个气缸内的燃料-空气充量。本发明不限于具体构造的SI发动机。例如，ICE 32可以具有V型构造或直列式构造。ICE 32可以是自然吸气式发动机或增压发动机。出于示例性目的，将ICE 32呈现为直列式构造的包括四个气缸40的增压发动机。活塞42在气缸40内往复运动，并驱动曲轴44的旋转。尽管呈现出四个气缸40，但应当明白的是，ICE 32可以具有更少个或额外的气缸。
ICE 32包括进气系统50、燃料系统52、点火系统54、气门机构56和排气系统58。进气系统50控制进入ICE 32的空气的质量空气流量（MAF），并向气缸40分配空气。进气系统50可以包括空气过滤器60、压缩机62、充量空气冷却器或中冷器64、节气门66和进气歧管68。空气过滤器60过滤进气空气。压缩机62接收过滤的空气，并压缩过滤的空气，从而将压缩的空气充量提供到中冷器64。在各种实施方案中，压缩机62可以是增压机或涡轮增压机的一部分。例如，作为增压机式压缩机，压缩机62可以通过曲轴44经由带或链驱动来驱动。
出于示例性目的，压缩机62被呈现为增压机式压缩机，并由设置在排气系统58内的涡轮70旋转地驱动。涡轮70由排气流旋转地驱动。提供到涡轮的排气流可以由废气门（未示出）来控制。以这种方式，废气门可以控制由压缩机62提供的增压量或增压压力。空气的压缩产生热，其使压缩空气充量的温度升高到进气空气的温度以上。压缩空气充量还可以从其它热源例如排气接收热。中冷器64冷却压缩空气充量，并将冷却的压缩空气充量提供到节气门66。节气门66控制冷却的压缩空气充量到进气歧管68的流率。进气歧管68将空气分配到气缸40。
燃料系统52将燃料供给到ICE 32。燃料系统52可以包括燃料箱组件（未示出），后者在压力下将燃料供给到一个或多个燃料喷射器，一个或多个燃料喷射器控制供给到ICE 32的燃料的量。在各种实施方案例如中心点喷射和多点喷射的实施方案中，燃料喷射器可以将燃料喷射到位于气缸40的上游的进气系统50。在替代的直喷式实施方案中，燃料喷射器可以将燃料直接喷射到气缸40中。出于示例性目的，将ICE 32呈现为具有包括在每个气缸40内延伸的燃料喷射器72的直喷式系统。
点火系统54供给火花形式的能量，此能量发起气缸40内的燃烧。点火系统54包括在气缸40内延伸的供给火花的一个或多个火花塞74。气门机构56控制进入气缸40的空气和离开气缸40的排气的流量。气门机构56包括进气门76和排气门78。可以为每个气缸40提供一个或多个进气门76和排气门78。
进气门76可在关闭位置和打开位置之间移动。在关闭位置，进气门76关闭通向进气系统50的气缸40，由此抑制流体连通。在打开位置，进气门76打开通向进气系统50的气缸40，由此能够进行流体连通。排气门78可在关闭位置和打开位置之间移动。在关闭位置，排气门78关闭通向排气系统58的气缸40，由此抑制流体连通。在打开位置，排气门78打开通向排气系统58的气缸40，由此能够进行流体连通。
在ICE 32的运行期间，进气空气由于活塞42经进气系统50被吸入到气缸40中，并与燃料喷射器72供给的燃料混合，从而产生燃料-空气充量。进入ICE 32的空气可以以下面的顺序遇到进气系统50的部件：首先，空气过滤器60；第二，压缩机62；第三，中冷器64；第四，节气门66；以及第五，进气歧管68。燃料-空气充量由活塞42压缩，随后被火花塞74提供的火花点燃。A/F混合物的燃烧驱动活塞42，其继而驱动曲轴44，由此产生驱动扭矩。燃烧产生的排气由于活塞42被迫离开气缸40而进入排气系统58。排气系统58接收来自气缸40的排气，并在将排气排出到环境中之前处理排气。
根据本发明，发动机控制系统30包括驾驶员界面装置80和感测或测量各种发动机运行参数的传感器。出于示例性目的，传感器包括MAF传感器82、歧管绝对压力（MAP）传感器84、曲轴位置（CP）传感器86和氧（O2）传感器88。发动机控制系统30还包括发动机控制模块（ECM）90。在各种混合动力实施方案中，发动机控制系统30还可以包括与ECM 90协作控制电马达34的操作的混合动力控制模块92。
驾驶员界面装置80包括由车辆的驾驶员操纵的各种装置。例如，驾驶员界面装置80可以包括由驾驶员操纵的用于传送期望的驱动扭矩的加速器踏板和由驾驶员操纵的用于传送变速器系统18的期望范围或齿轮比的变速器范围选择器或螺旋档位开关（tap gear switch）。驾驶员界面装置80还可以包括制动器踏板、方向盘、切换装置等。驾驶员界面装置80接收驾驶员输入94，并基于驾驶员输入94生成驾驶员信号96。
MAF传感器82感测进入ICE 32的进气空气的MAF，并可以设置在空气过滤器60和压缩机62之间的进气系统50中。MAF传感器82生成指示感测的MAF的MAF信号100。MAP传感器84在进气歧管68内延伸，并感测进气歧管68内的空气的压力。MAP传感器84生成指示感测的MAP的MAP信号102。CP传感器86感测曲轴44的旋转位置或曲轴位置，并生成指示感测的曲轴位置的曲轴位置（CP）信号104。O2传感器88在排气系统58内延伸，并感测排气内的氧含量。O2传感器生成指示感测的氧含量的O2信号106。
ECM 90通过控制包括但不限于发动机MAF率、燃料速率（即，燃料供给速率）、燃料空气当量比、火花正时和增压压力的各种发动机运行操作来控制ICE 32的操作。ECM 90基于各种输入、驾驶员信号96、传感器信号和其它车辆系统信号98来控制操作。ECM 90通过基于输出到ICE 32的各个部件的各个输入生成控制信号108来控制各种发动机运行参数。例如，MAF可以通过输出到节气门66的节气门控制信号和输出到涡轮70的废气门控制信号来控制。燃料供给可以通过输出到燃料系统52的燃料控制信号来控制，且更具体地通过输出到燃料喷射器72的喷射器信号来控制。火花正时可以通过输出到点火系统54的火花控制信号来控制，且更具体地通过输出到火花塞74的火花控制信号来控制。控制信号108可以是例如与时钟信号或曲轴位置同步的定时控制信号。
根据本发明，ECM 90包括执行ICE 32的控制的提前点火模块109。更具体地，根据本发明，提前点火模块109选择性地执行预防性SPI过程和反应性SPI过程。具体参照图3，功能框图示出了根据本发明的提前点火模块109的示例性实施方案。提前点火模块109包括速度确定模块110、扭矩估计模块112、计数器模块114、火花限度模块116和增压估计模块118。提前点火模块109还包括SPI检测模块120、SPI过程开始模块122、火花模块124和燃料模块126。
速度确定模块110周期性地确定ICE 32的旋转速度或发动机速度，并输出指示当前发动机速度的发动机速度信号130。速度确定模块110接收CP信号104，并基于接收的信号确定当前发动机速度。
扭矩估计模块112周期性地估计ICE 32的扭矩输出或发动机扭矩，并输出指示当前发动机扭矩的发动机扭矩信号132。基于包括但不限于发动机速度、MAF、燃料-空气当量比、进气门和排气门正时以及火花正时的一个或多个发动机运行参数，可根据各种方法来确定发动机扭矩。根据当前示例，扭矩估计模块112基于MAF确定当前发动机扭矩。因此，扭矩估计模块112接收MAF信号100，并基于接收的信号确定当前发动机扭矩。
计数器模块114周期性地确定自最后的SPI过程结束后发动机操作的时段，并输出指示所确定的时段的计数器信号134。此时段可以通过多个发动机循环或曲轴的旋转来测量。根据当前示例，发动机循环可以曲轴44的每两次旋转或每曲轴旋转的七百二十（720）度而完成。替代地或另外地，此时段可以通过多个发动机点火事件来测量。如这里使用的，术语气缸点火事件通常指在活塞的单个燃烧冲程期间发生的燃烧事件。气缸点火事件的数量可以在逐个气缸的基础上（即，单独地对于每个气缸40）来确定，以说明气缸40之间的差异。例如，在通过在一个或多个发动机循环期间停止供给燃料来停用一个或多个气缸以提高燃料效率的发动机控制系统中，气缸点火事件的数量可以依据气缸而改变。气缸点火事件的数量可基于一个或多个选定气缸的气缸点火事件的数量。例如，可以选择单个代表性的气缸。替代地，可以选择用于V型发动机中的每个组的代表性气缸。
根据当前示例，计数器模块114通过计算曲轴44的旋转数量来确定自最后的SPI过程结束后发动机循环的数量。计数器模块114接收来自CP传感器86的CP信号104和来自SPI过程开始模块122的计数器重设信号136。当SPI过程已经结束时，计数器重设信号136通知计数器模块114。在各种实施方案中，当SPI过程开始时，计数器重设信号136也可以通知计数器模块114。计数器重设信号136可以在逐个气缸的基础上提供信息。计数器模块114基于接收的信号确定或计算自最后的SPI过程已经结束后发动机循环的数量。计数器模块114以计数器信号134的方式输出自最后的SPI过程后的当前发动机循环计数。
在各种实施方案中，计数器模块114可以仅计算特定发动机速度和负载范围内的发动机循环的数量。替代地或另外地，计数器模块可以从计数中排除在其它发动机速度和负荷范围内发生的发动机循环的数量。计数器模块114还可以采用加权滤波器，其强调在SPI非常可能发生的发动机速度和负载范围内发生的发动机循环的数量。加权滤波器可以抑制在SPI不太可能发生的发动机速度和负载范围内的发动机循环的其它计数。
火花限度模块116周期性地确定火花爆燃限度，并输出指示当前火花爆燃限度的火花限度信号138。通常，火花爆燃限度是火花提前的阈值量，超出此阈值量，在当前的发动机运行条件下可能发生火花爆燃。通常，控制火花提前的量以不超过火花爆燃限度。以这种方式，可以避免火花爆燃的发生。通常，火花爆燃的发生依赖于发动机设计以及对尾气温度、气缸压力和在到达尾气的火焰前缘之前在高尾气温度和气缸压力下度过的时段产生影响的运行条件。基于包括但不限于发动机速度、发动机扭矩、发动机温度以及进气门和排气门定相的一个或多个发动机运行参数，可根据各种方法来确定火花爆燃限度。在闭环系统中，爆燃传感器可以检测是否正在发生火花爆燃，并可以基于来自爆燃传感器的反馈和火花爆燃限度来调节火花正时。根据当前示例，火花限度模块116基于发动机速度和发动机扭矩确定火花爆燃限度。火花限度模块116接收发动机速度信号130和发动机扭矩信号132，并基于接收的信号确定当前火花爆燃限度。
增压估计模块118确定由压缩机62提供的增压量或增压压力，并输出指示当前增压压力的增压压力信号140。通常，增压压力是由压缩机62提供的压力增加的量的测量，或由压缩机62提供的压缩空气充量的压力和对于ICE 32可用的空气的环境压力之间的差。基于包括但不限于MAP、发动机速度、排气流率和废气门位置的一个或多个发动机运行参数，可根据各种方法来确定增压压力。根据当前示例，增压估计模块118基于MAP确定增压压力。增压估计模块118接收MAP信号102，并基于接收的信号确定当前MAP。
SPI检测模块120检测SPI事件，并输出指示何时检测到SPI事件的SPI检测信号142。SPI检测模块120还确定已经发生SPI事件的气缸，并以SPI检测信号142的方式输出气缸的身份。可根据各种方法检测SPI事件。根据一种方法，可通过监测发动机速度和/或排气氧含量的扰动或不规则变化来检测SPI事件。根据当前示例，SPI检测模块120基于发动机速度和氧含量来检测SPI事件。SPI检测模块120接收CP信号104和O2信号106，并基于接收的信号输出SPI检测信号142。
SPI过程开始模块122基于各种输入选择性地开始根据本发明的预防性SPI过程和反应性SPI过程中之一。SPI过程开始模块122通过以SPI过程请求信号144的方式输出SPI过程请求来开始SPI过程。SPI过程请求指定执行哪个SPI过程，即，是预防性SPI过程还是反应性SPI过程。
当已经检测到SPI事件时，SPI过程开始模块122输出反应性SPI过程请求。当自最后的SPI过程被执行后的时段大于预定的SPI控制时段并且预定的使能标准得到满足时，SPI过程开始模块122输出预防性SPI过程请求。通常，SPI控制时段是确保会在燃烧室壁和裂缝上累积的燃料-油混合物不会达到SPI可能发生的水平的时段。SPI控制时段考虑到由计数器模块114采用的特定计数方法，并且可以是发动机循环计数被产生时的发动机速度和负载范围和/或采用的加权的函数。可以基于发动机测试在发动机开发或校准阶段期间确定适当的SPI控制时段。SPI控制时段可以在发动机循环或气缸点火事件中。仅举例，适当的SPI控制时段可以是大约一千（1000）次发动机循环。根据当前示例，SPI控制时段是与发动机循环的数量对应的预定计数值。
通常，使能标准指定一个或多个发动机运行条件，在该条件下通常将发生SPI，并且火花爆燃可通过提前火花正时以受控的方式开始。可以基于发动机测试在发动机开发或校准阶段期间预先确定使能标准。根据当前示例，使能标准包括预定的发动机速度范围和增压压力阈值。增压压力阈值可以是包括但不限于发动机速度的一个或多个发动机运行参数的函数。根据当前示例，增压压力阈值是发动机速度的预定的线性函数。同时，发动机速度范围和增压压力阈值限定通常将发生SPI的发动机运行区域。该发动机运行区域通常将小于可引发火花爆燃的发动机运行区域。当发动机速度在发动机速度范围内且增压压力大于增压压力阈值时，满足使能标准。代替或额外于增压压力阈值，使能标准可以指定预定的发动机扭矩阈值或范围。在这种情况下，当发动机扭矩大于发动机扭矩阈值或在发动机扭矩范围内时，满足使能标准。发动机扭矩阈值或范围可以是一个或多个发动机运行参数的函数。
根据当前示例，SPI过程开始模块122接收发动机速度信号130、计数器信号134、增压压力信号140和SPI检测信号142，并基于接收的信号输出SPI过程请求信号144。SPI过程开始模块122监测SPI检测信号142，并当检测到SPI事件时输出反应性SPI过程请求。SPI过程开始模块122监测计数器信号134，并确定当前发动机循环计数何时大于计数值。SPI过程开始模块122还监测发动机速度信号130和增压压力信号140。SPI过程开始模块122周期性地基于当前发动机速度确定增压压力阈值。增压压力阈值可根据存储在存储器和/或存储器表中的等式来确定。SPI过程开始模块122确定何时当前发动机速度在发动机速度范围内且当前增压压力大于当前增压压力阈值。当满足使能条件时，SPI过程开始模块122输出预防性SPI过程请求。
火花模块124通过将火花控制信号146输出到点火系统54来控制火花正时。燃料模块126通过将燃料控制信号148输出到燃料系统52来控制燃料供给，且更具体地控制燃料-空气当量比。火花模块124与燃料模块126通信，同时火花模块124和燃料模块126在每个气缸40中选择性地执行预防性SPI过程和反应性SPI过程。SPI过程可以同时在一个或多个气缸40中执行，并可以以每次一个气缸（即，逐个气缸）、以气缸对、逐个组、或气缸40的其它合适组合来执行。SPI过程可以根据点火顺序、预定的顺序、随着SPI过程在每个气缸中完成（即，在轮流（旋转）的基础上）或其它适当的顺序来执行。在气缸40中执行SPI过程的数量和顺序可以是预定的，以避免不良的发动机振动和噪声或者发动机性能的不良降低。
根据当前示例，在轮流的基础上逐个气缸地执行预防性SPI过程。每个预防性SPI过程在接收到相应的SPI过程请求之后以将要点火的下一个气缸开始，且在SPI过程对于在前的气缸结束之后以将要点火的接下来的剩余气缸继续进行。火花模块124接收SPI过程请求信号144和火花限度信号138。响应于预防性SPI请求，火花模块124在第一气缸中开始预防性SPI过程的第一时段，第一气缸是在接收到请求之后将要点火的下一个气缸。火花模块124对于预定数量（N）的连续气缸点火事件将第一气缸中的火花正时提前通过当前火花限度的预定数量（R）度数。数量R可以是大于零的实数，通常，将是足以引起火花爆燃的度数。仅举例，R可以在大约0度和10度之间，更具体地在大约2度和10度之间，包括所有子范围。数量N可以是大于零的整数，通常，将是足以驱逐气缸内的任何燃料-油沉积物的气缸点火事件的数量。仅举例，N可以在大约1和3之间，包括所有子范围。更具体地，N可以等于1。
在第一时段结束或第N气缸点火事件结束时，燃料模块126在第一气缸中开始预防性SPI过程的第二时段。燃料模块126对于第一气缸的接下来的M个连续气缸点火事件中的每个，将富燃料-空气充量供给到第一气缸，M是大于0的整数。在M个连续气缸点火事件中的每个期间，火花模块124使第一气缸的火花正时延迟通过当前火花限度，以去除被加入以引起火花爆燃的额外的火花提前。可以供给富燃料-空气充量，以具有预定的燃料-空气当量比。替代地，可以供给富燃料-空气充量，以具有这样的燃料-空气当量比，即，其是比在第一时段期间供给到第一气缸的最后的燃料-空气充量的燃料-空气当量比大的预定控制量。通常，富燃料-空气充量将具有提供足够的冷却的当量比，以抑制任何驱逐的燃料-油沉积物的提前点火，同时避免其它不良的作用，例如不良的量的排气烟气。另外，富燃料-空气充量在其它时段期间将具有比标称燃料-空气当量比大的当量比，其可以在大约一点零（1.0）和一点二（1.2）之间。仅举例，第二时段期间的燃料-空气当量比可以在大约一点零（1.0）和一点五（1.5）之间，更具体地，在大约一点二（1.2）和一点四（1.4）之间，包括所有子范围。如这里使用的，燃料当量比是燃料空气比与化学计量的燃料空气比的比。因此，富燃料混合物具有大于1的燃料-空气当量比，而贫燃料混合物具有小于1的燃料-空气当量比。通常，数量M将是在第二时段期间足以使任何驱逐的燃料-油沉积物从气缸清除的适当数量的气缸点火事件。仅举例，数量M可以在1个和20个气缸点火事件之间，更具体地，可以在2个和10个气缸点火事件之间，包括所有子范围。
第一气缸的预防性SPI过程在第二时段的结束或第M气缸点火事件的结束时结束。在对第一气缸执行预防性SPI过程之后，预防性SPI过程以与上面对于第一气缸描述的方式基本相同的方式顺序地对剩余的气缸完成。第二时段期间的诸如数量R度数、数量N和M个连续气缸点火事件以及燃料-空气当量比的各种控制参数可以在气缸之间改变。例如，控制参数可以基于每当执行过程时的运行条件而改变。在各种实施方案中，可以在剩余气缸的预防性SPI过程之间调度延迟，以控制对发动机噪声、振动和扭矩输出的影响。例如，在例如在当前示例中SPI控制时段是一千次循环且发动机为四缸发动机的情况下，可以对不同的气缸每二百五十（250）次循环执行预防性SPI过程。
响应于反应性SPI请求，燃料模块126在检测到SPI事件的气缸中开始反应性SPI过程。燃料模块126对于接下来的P个连续气缸点火事件向该气缸供给富燃料-空气充量，P是大于零的整数。可以供给富燃料-空气充量，以具有预定的当量比。替代地，可以供给富燃料-空气充量，以具有这样的燃料-空气当量比，即，其是比供给到第一气缸的最后的燃料-空气充量的燃料-空气当量比大的预定控制量。通常，富燃料-空气充量将具有提供足够冷却的当量比，以抑制在检测到的SPI事件期间驱逐的任何燃料-油沉积物的提前点火，同时避免任何其它不良的影响。因此，反应性SPI过程期间的燃料-空气当量比可以与预防性SPI过程期间的燃料-空气当量比基本上类似。类似地，数量P可以与数量M基本上类似。
具体参照图4-5，流程图示出了根据本发明的用于控制发动机且更具体地控制发动机中的SPI的示例性方法200。方法200可以在发动机的操作期间以周期方式执行。方法200可以在发动机控制系统例如用于控制发动机例如ICE 32中的SPI的发动机控制系统30中的一个或多个模块中执行。因此，将参照上面描述的发动机控制系统30来描述方法200。以这种方式，可以更充分地描述并理解发动机控制系统30且更具体地讲提前点火模块109的操作。
在202指示方法200的开始。控制在204继续进行，在204，计数器模块114周期性地确定当前发动机循环计数。控制在206继续进行，在206，SPI检测模块120周期性地检测是否已经发生SPI事件。如果未检测到SPI事件，则控制在208继续进行。如果检测到SPI事件，则SPI过程开始模块122输出请求，以执行反应性SPI过程，并且控制在228（图5）继续进行，如在226指示的。在208，SPI过程开始模块122确定当前发动机循环计数是否大于预定的SPI控制时段。如果是，则控制在210-214继续进行，在210-214，SPI过程开始模块122确定是否满足SPI使能标准，否则控制环返回，如所示。
在210，SPI过程开始模块122确定当前发动机速度是否在预定的发动机速度范围内。如果是，则控制在212继续进行，否则，控制环返回，如所示。在212，SPI过程开始模块基于当前发动机速度确定增压压力阈值。在214，SPI过程开始模块122确定当前增压压力是否大于增压压力阈值。如果是，则SPI过程开始模块输出请求，以执行预防性SPI过程，并且控制在216继续进行，否则控制环返回，如图所示。
在216，火花模块124响应于在214作出的预防性SPI过程请求将将要点火的下一个气缸作为将要开始预防性SPI过程的下一个气缸。控制在218继续进行，在218，火花模块124将在216确定的气缸中的火花正时提前通过对于预定数量的N个连续气缸点火事件的当前火花限度的预定数量R度数。在220，燃料模块126对于在第N气缸点火事件之后的接下来的M个连续气缸点火事件，将富燃料-空气充量供给到在216确定的气缸。在222，火花模块124确定对于全部气缸40是否已经完成预防性SPI过程。如果是，则控制返回在202开始。用224指示返回至开始。
现在参照图5，当在206检测到SPI事件时，控制在228继续进行。在228，SPI检测模块120识别SPI事件被检测出的气缸。控制在230继续进行，在230，燃料模块126将富燃料-空气充量供给到在228识别出的气缸以用于接下来的P个连续气缸点火事件。在第P气缸点火事件之后，控制返回以在202开始。在232指示返回开始。
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、说明书和下面的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是显而易见的。

Claims (10)

1. 一种用于发动机的控制系统，其包括：
火花模块，所述火花模块对于N个连续气缸点火事件将气缸的火花正时提前通过火花限度的R度数，并对于所述N个连续气缸点火事件之后的M个连续气缸点火事件延迟所述气缸的火花正时通过所述火花限度；以及
燃料模块，所述燃料模块对于所述M个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸，
其中，R是大于零的实数，N和M是大于零的整数，并且所述火花限度是用于限制火花提前的量以防止火花爆燃的控制值。
2. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，其还包括开始模块，所述开始模块确定发动机速度何时处于预定的范围内，其中，当所述发动机速度在所述预定的范围内时，所述火花模块对于所述N个连续气缸点火事件中的第一个点火事件提前火花正时。
3. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，其还包括：
开始模块，所述开始模块确定何时满足下述标准中的至少一个：
     （i）发动机扭矩在预定的第一范围内；以及
     （ii）增压压力在预定的第二范围内，
其中，当满足所述标准中的所述至少一个时，所述火花模块对于所述N个连续气缸点火事件中的第一个点火事件提前火花正时。
4. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，其还包括检测模块，所述检测模块检测何时在所述气缸中发生随机提前点火（SPI）事件，其中，当检测到所述SPI事件时，所述燃料模块对于P个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸，P是大于零的整数。
5. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，在所述N个连续气缸点火事件之后，在所述气缸的下一个气缸点火事件开始所述M个连续气缸点火事件。
6. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，对于多个剩余的气缸中的每个，一次一个气缸：
所述火花模块对于另外的N个连续气缸点火事件将火花正时提前通过所述火花限度的R度数；以及
所述燃料模块对于所述N个连续气缸点火事件之后的另外的M个连续气缸点火事件供给另外的富燃料-空气充量。
7. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述燃料-空气充量的燃料-空气当量比大于1.0且小于1.5。
8. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，N是大于零且小于3的整数。
9. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，M是大于零且小于20的整数。
10. 一种用于控制发动机的方法，其包括：
对于N个连续气缸点火事件将气缸的火花正时提前通过火花限度的R度数；
对于所述N个连续气缸点火事件之后的M个连续气缸点火事件延迟所述气缸的火花正时通过所述火花限度；以及
对于所述M个连续气缸点火事件将富燃料-空气充量供给到所述气缸，
其中，R是大于零的实数，N和M是大于零的整数，并且所述火花限度是用于限制火花提前的量以防止火花爆燃的控制值。
CN201210301930.1A 2011-08-23 2012-08-23 用于防止发动机中的随机提前点火的控制系统和方法 Active CN102953796B (zh)

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