CN113614350A - 燃烧式发动机中的自动点火控制 - Google Patents

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Abstract

一种控制内燃机中的燃烧的方法，包括在气缸的燃烧阶段期间，在点燃气缸中的空气/燃料充量后，测量发动机气缸内燃烧的参数，并基于所测量的参数计算气缸中燃烧的放热。基于所计算的放热来识别空气/燃料充量的自动点火事件，并且至少部分地基于所识别的自动点火事件，控制气缸中用于气缸的下一燃烧阶段的点火正时或为气缸的下一燃烧阶段供应到气缸的排气的量中的至少一者，以引起下一燃烧阶段中的空气/燃料充量的自动点火事件，以朝向指定的曲柄角切换。

Description

燃烧式发动机中的自动点火控制
优先权声明
本申请要求于2019年4月5日提交的美国专利申请第16/376,909号的优先权，该专利申请的全部内容以参见的方式纳入本文。
背景技术
在预混气体燃料发动机中，尾气自动点火(EGAI)通常是发动机爆震的原因和先兆。从历史上看，发动机爆震是一种破坏性事件，不受控制的冲击波横跨发动机气缸反弹。冲击波使边界层刮落或塌缩，该边界层热保护气缸壁、活塞、气缸盖和气门免受燃烧事件的高温影响。通常通过降低压缩比、延迟点火正时和/或将排气再循环(EGR)或过量空气引入燃烧室来防止这种尾气的自动点火。
发明内容
在一些方面，一种控制内燃机中的燃烧的方法包括：在气缸的燃烧阶段期间并且在点燃气缸中的空气/燃料充量后，测量气缸内燃烧的参数；基于所测量的参数计算气缸中燃烧的放热；基于所计算的放热识别空气/燃料充量的自动点火事件；以及至少部分地基于所识别的自动点火事件，控制发动机的操作，以引起下一燃烧阶段中的空气/燃料充量的自动点火事件，以朝向指定的曲柄角切换。
这个和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。识别自动点火事件可以包括：识别放热中的表示空气/燃料充量的一部分的自动点火的拐点。控制发动机的操作可以包括：控制用于气缸的下一燃烧阶段的气缸中的点火正时或控制用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的特性中的至少一者。该方法可以包括：确定所识别的自动点火事件发生在指定的曲柄角窗口内或在指定的曲柄角之后，并且控制气缸中的点火正时可以包括：使气缸的下一燃烧阶段中的点火正时提前，以将自动点火事件更早地朝向指定的曲柄角切换。该方法可以包括：确定所识别的自动点火事件在燃烧阶段中比指定的曲柄角更早发生，并且控制气缸中的点火正时可以包括使气缸的下一燃烧阶段中的点火正时延迟，以将自动点火事件更晚地朝向指定的曲柄角切换。控制供应到气缸的排气的特性可以包括：控制供应到气缸的排气的量或排气的温度中的至少一者。该方法可以包括：确定气缸中的燃烧具有大于指定的燃烧持续时间的燃烧持续时间；并且控制供应到气缸的排气的量可以包括：在气缸的下一燃烧阶段中减少供应到气缸的排气的量，以将燃烧持续时间朝向指定的燃烧持续时间减少。该方法可以包括：确定气缸中的燃烧具有小于指定的燃烧持续时间的燃烧持续时间，并且控制供应到气缸的排气的量可以包括：在气缸的下一燃烧阶段中增加供应到气缸的排气的量，以将燃烧持续时间朝向指定的燃烧持续时间增加。控制供应到气缸的排气的温度可以包括：用冷却器旁路控制排气的温度。该方法可以包括：确定气缸中的燃烧具有大于指定的燃烧持续时间的燃烧持续时间，并且控制发动机的操作可以包括：用附加燃料补充空气/燃料充量或在气缸的下一燃烧阶段调节提供到气缸的附加燃料的量，以将燃烧持续时间朝向指定的燃烧持续时间减少。附加的燃料可以包括氢气、柴油、汽油或丙烷。控制发动机的操作可以包括：至少部分地基于气缸中的燃烧或所识别的自动点火事件中的至少一者，控制用于气缸的下一燃烧阶段的到气缸的微先导燃料喷射的正时。计算气缸中燃烧的放热可以包括：计算放热率或放热积分中的至少一者。测量燃烧参数可以包括：对发动机的气缸的缸内压力传感器进行采样，并且计算燃烧的放热可以包括：在气缸的下一燃烧阶段之前，基于来自缸内压力传感器的样本来计算气缸中燃烧的放热率。控制发动机的操作可以包括控制以下中的至少一者：用于气缸的下一燃烧阶段的气缸中的点火正时、用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的量、用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的温度、在气缸的下一燃烧阶段中提供到气缸中的空气/燃料充量的附加燃料的量、或空气/燃料进气歧管的温度。控制空气/燃料进气歧管的温度可以包括：用中间冷却器控制空气/燃料进气歧管的温度。
某些方面涵盖一种用于控制内燃机中的点火的发动机控制系统，该控制系统包括：处理器和非暂态计算机可读介质，该非暂态计算机可读介质联接到该处理器并存储可操作以使得该处理器执行操作的指令。操作包括：(a)在点燃气缸中的空气/燃料充量之后，在气缸的燃烧阶段期间接收发动机气缸的燃烧参数；(b)基于所测量的参数确定气缸中燃烧的放热；(c)基于所计算的放热识别空气/燃料充量的自动点火事件；以及(d)至少部分基于识别的自动点火事件，控制发动机的操作，以引起下一燃烧阶段中的空气/燃料充量的自动点火事件，以朝向指定的曲柄角切换。
这些和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。发动机控制系统可以包括压力传感器，该压力传感器配置成测量发动机气缸中的压力。操作(a)可以包括：对缸内压力传感器进行采样，并且操作(b)可以包括：基于缸内压力传感器的输出来计算燃烧指标，燃烧指标包括气缸中燃烧的放热率。操作(c)可以包括：识别放热中的拐点，该拐点表示未通过与传播的火焰前沿接触而点燃的空气/燃料充量部分的点火，并识别对应于拐点的气缸中活塞的曲柄角。操作(d)的发动机操作的控制可以包括：控制用于气缸的下一燃烧阶段的气缸中的点火正时或控制用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的特性中的至少一者。操作(d)可以包括：当自动点火事件发生在指定的曲柄角之后时，使点火正时提前；并且当自动点火事件发生在指定的曲柄角之前时，使点火正时延迟。操作(d)可以包括：通过控制微先导燃料喷射到气缸中的正时来控制点火正时。控制供应到气缸的排气的特性可以包括：控制供应到气缸的排气的量或排气的温度中的至少一者。控制供应到气缸的排气的温度可以包括：用冷却器旁路控制排气的温度。操作(d)的发动机操作的控制可以包括：控制以下中的至少一者：用于气缸的下一燃烧阶段的气缸中的点火正时、用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的量、用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的温度、在气缸的下一燃烧阶段中提供到气缸的空气/燃料充量的附加燃料的量、或空气/燃料进气歧管的温度。控制空气/燃料进气歧管的温度可以包括：用中间冷却器控制空气/燃料进气歧管的温度。操作可以包括：(e)确定气缸中的燃烧包括大于目标燃烧持续时间的燃烧阶段的燃烧持续时间；以及(f)基于燃烧持续时间大于目标燃烧持续时间，控制用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的富集燃料。操作(f)可以包括：控制供应到气缸的氢气。操作可以包括：对发动机的每个气缸重复操作(a)－(d)。
一些方面涵盖一种控制发动机的方法，该方法包括：在气缸中的空气/燃料充量燃烧期间测量发动机的气缸中的缸内压力；基于缸内压力测量值确定除了通过传播的火焰前沿点燃空气/燃料充量之外空气/燃料充量的自动点火，以及控制点火正时、排气再循环或供应到气缸的辅助燃料中的至少一者，以朝向指定的正时改变自动点火的正时。
这个和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。指定的正时可以包括燃烧持续时间。指定的正时可以包括被选择以使得由于空气/燃料充量的燃烧而导致气缸中的放热具有一个峰值的正时。
在第一方面中，一种控制内燃机中的燃烧的方法包括：在气缸的燃烧阶段期间，在点燃气缸中的空气/燃料充量后，测量发动机的气缸内燃烧的参数；基于所测量的参数计算气缸中燃烧的放热；基于所计算的放热识别空气/燃料充量的自动点火事件；以及至少部分地基于所识别的自动点火事件，控制发动机的操作，以引起下一燃烧阶段中的空气/燃料充量的自动点火事件，以朝向指定的曲柄角切换。
在根据第一方面的第二方面中，识别自动点火事件包括：识别放热中的拐点，该拐点表示空气/燃料充量的一部分的自动点火。
在根据第一方面或第二方面的第三方面中，控制发动机的操作包括：控制用于气缸的下一燃烧阶段的气缸中的点火正时中或控制用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的特性的至少一个。
在根据第三方面的第四方面中，该方法包括：确定所识别的自动点火事件发生在指定的曲柄角之后；并且其中，控制气缸中的点火正时包括：在气缸的下一燃烧阶段中的使点火正时提前，以使自动点火事件更早地朝向指定的曲柄角切换。
在根据第三方面的第五方面中，该方法包括：确定所识别的自动点火事件在燃烧阶段中比指定的曲柄角更早发生；并且其中，控制气缸中的点火正时包括在气缸的下一燃烧阶段中的使点火正时延迟，以使自动点火事件更晚地朝向指定的曲柄角切换。
在根据第三方面的第六方面中，控制供应到气缸的排气的特性包括：控制供应到气缸的排气的量或排气的温度中的至少一者。
在根据第六方面的第七方面中，该方法包括：确定气缸中的燃烧具有大于指定的燃烧持续时间的燃烧持续时间；并且其中，控制供应到气缸的排气的量包括：在气缸的下一燃烧阶段中减少供应到气缸的排气的量，以使燃烧持续时间朝向指定的燃烧持续时间减少。
在根据第六方面的第八方面中，该方法包括：确定气缸中的燃烧具有小于指定的燃烧持续时间的燃烧持续时间；并且其中，控制供应到气缸的排气的量包括：在气缸的下一燃烧阶段中增加供应到气缸的排气的量，以使燃烧持续时间朝向指定的燃烧持续时间增加。
在根据第六方面至第八方面中的任一方面的第九方面中，控制供应到气缸的排气的温度包括：利用冷却器旁路控制排气的温度。
在根据第一方面至第九方面中的任一方面的第十方面中，该方法包括：确定气缸中的燃烧具有大于指定的燃烧持续时间的燃烧持续时间；并且控制发动机的操作包括：用附加的燃料补充空气/燃料充量或调节在气缸的下一燃烧阶段中提供到气缸的附加燃料的量，以使燃烧持续时间朝向指定的燃烧持续时间减少。
在根据第十方面的第十一方面中，附加燃料包括氢气、柴油、汽油或丙烷。
在根据第一方面至第十一方面中的任一方面的第十二方面中，控制发动机的操作包括：至少部分地基于气缸中的燃烧或所识别的自动点火事件中的至少一者，控制用于气缸的下一燃烧阶段的到气缸的微先导燃料喷射的正时。
在根据第一方面至第十二方面中的任一方面的第十三方面中，计算气缸中燃烧的放热包括：计算放热率或放热积分中的至少一者。
在根据第一方面至第十三方面中的任一方面的第十四方面中，测量燃烧参数包括：对发动机气缸的缸内压力传感器进行采样；并且计算燃烧的放热包括：在气缸的下一燃烧阶段之前，基于来自缸内压力传感器的采样，计算气缸中燃烧的放热率。
在根据第一方面的第十五方面中，控制发动机的操作包括控制以下中的至少一者：用于气缸的下一燃烧阶段的气缸中的点火正时、用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的量、用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的温度、在气缸的下一燃烧阶段中提供到气缸中的空气/燃料充量的附加燃料的量、或空气/燃料进气歧管的温度。
在根据第十五方面的第十六方面中，控制空气/燃料进气歧管的温度包括：用中间冷却器控制空气/燃料进气歧管的温度。
在第十七方面中，提供了一种用于控制内燃机中的点火的发动机控制系统。该控制系统包括：处理器和非暂态计算机可读介质，该非暂态计算机可读介质联接到处理器并存储可操作以使该处理器执行操作的指令，这些操作包括：
(a)在点燃气缸中的空气/燃料充量之后，在气缸的燃烧阶段期间接收发动机气缸的燃烧参数；
(b)基于所测量的参数确定气缸中燃烧的放热；
(c)基于所计算的放热识别空气/燃料充量的自动点火事件；以及
(d)至少部分地基于所识别的自动点火事件，控制发动机的操作，以引起下一燃烧阶段中的空气/燃料充量的自动点火事件，以朝向指定的曲柄角切换。
在根据第十七方面的第十八方面中，发动机控制系统包括压力传感器，该压力传感器配置成测量发动机的气缸中的压力。
在根据第十八方面的第十九方面中，操作(a)包括：对缸内压力传感器进行采样，并且其中，操作(b)包括：基于缸内压力传感器的输出计算燃烧指标，燃烧指标包括气缸中燃烧的放热率。
在根据第十七方面至第十九方面中的任一方面的第二十方面中，操作(c)包括：识别放热中的拐点，该拐点表示未通过与传播的火焰前沿接触而点燃的空气/燃料充量部分的点火，并识别对应于拐点的气缸中活塞的曲柄角。
在根据第十七方面至第二十方面中的任一方面的第二十一方面中，操作(d)的发动机的操作的控制包括：控制用于气缸的下一燃烧阶段的气缸中的点火正时或控制用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的特性中的至少一者。
在根据第二十一方面的第二十二方面中，操作(d)包括：当自动点火事件发生在指定的曲柄角之后时，使点火正时提前；当自动点火事件发生在指定的曲柄角之前时，使点火正时延迟。
在根据第二十一方面的第二十三方面中，操作(d)包括：通过控制微先导燃料喷射到气缸中的正时来控制点火正时。
在根据第二十一方面至第二十三方面中的任一方面的第二十四方面中，控制供应到气缸的排气的特性包括：控制供应到气缸的排气的量或温度中的至少一者。
在根据第二十四方面的第二十五方面中，控制供应到气缸的排气的温度包括：利用冷却器旁路控制排气的温度。
在根据第十七方面的第二十六方面中，操作(d)的发动机操作的控制包括控制以下中的至少一者：用于气缸的下一燃烧阶段的气缸中的点火正时、用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的量、用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的温度、在气缸的下一燃烧阶段中提供到气缸的空气/燃料充量的附加燃料的量、或空气/燃料进气歧管的温度。
在根据第二十六方面的第二十七方面中，控制空气/燃料进气歧管的温度包括：用中间冷却器控制空气/燃料进气歧管的温度。
在根据第十七方面至第二十七方面中的任一方面的第二十八方面中，该操作包括：
(e)确定气缸中的燃烧包括大于目标燃烧持续时间的燃烧阶段的燃烧持续时间；以及
(f)基于燃烧持续时间大于目标燃烧持续时间，控制用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的富集燃料。
在根据第二十八方面的第二十九方面中，操作(f)包括：控制供应到气缸的氢气。
在根据第十七方面至第二十九方面中的任一方面的第三十方面中，该操作包括：对于发动机的每个气缸重复操作(a)－(d)。
在第三十一方面中，一种控制发动机的方法包括：在气缸中的空气/燃料充量燃烧期间测量发动机的气缸中的缸内压力；基于缸内压力测量值确定除了通过传播的火焰前沿点燃空气/燃料充量之外空气/燃料充量的自动点火；以及控制点火正时、排气再循环或供应到气缸的辅助燃料中的至少一者，以朝向指定的正时改变自动点火的正时。
在根据第三十一方面的第三十二方面中，指定的正时包括燃烧持续时间。
在根据第三十一方面的第三十三方面中，指定的正时包括被选择以使得由于空气/燃料充量的燃烧而导致气缸中的放热具有一个峰值的正时。
附图说明
图1是具有发动机控制系统的发动机系统的示意图。
图2是发动机控制系统的示意图。
图3和图4是例如发动机气缸中的燃烧循环的曲线图，示出了放热与曲柄角的关系。
图5是例如发动机气缸中的燃烧循环图，示出了气缸压力与曲柄角、气缸压力与气缸体积、放热与曲柄角以及气缸压力与曲柄角的关系。
图6是具有处理器和存储器的示例控制系统的框图。
图7是描述控制内燃机中的点火的示例性方法的流程图。
图8是描述控制发动机的示例性方法的流程图。
在各个附图中，相似的附图标记指示相似的元件。
具体实施方式
本文中的概念涵盖控制发动机中的燃烧，并且尤其是控制空气/燃料混合物的燃烧，否则该燃烧可能表现为发动机爆震。尾气自动点火(EGAI)是发动机气缸中的空气/燃料混合物自动点火的结果，它没有被火焰中心点燃，或者是被火花塞或其他点火器引发的传播的火焰前沿点燃。这些自动点火事件通常可以表现为爆震并且通常在发动机气缸的周边区域处发生。在一些常规的发动机系统中，发动机控制系统向发动机气缸供应排气以抑制自动点火事件，从而避免发动机爆震。然而，在抑制自动点火事件方面中，常规发动机系统实施的控制策略使用基于加速度计的爆震传感器，该传感器仅收集可检测的发动机爆震(即可听见的)，并通过延迟正时来采用较大的裕度，从而使燃烧定相“远离爆震”，并因此导致低效率，包括效率较低的燃烧定相。
本公开描述了使用实时燃烧反馈和控制点火正时、排气再循环(EGR)率或量、进气歧管温度、EGR温度、燃料(例如，氢气、丙烷、汽油、柴油或其他)成分或富集度、或这些的组合，连同其他参数的控制，来控制空气/燃料混合物的自动点火和燃烧，这些混合物不会因与诸如尾气之类的传播的火焰前沿接触而点燃，以便例如在发动机气缸中产生更完整的燃烧事件。例如，本公开不是简单地向气缸添加大量排气(这会降低燃烧效率)以试图抑制自动点火，而是描述了基于气缸中的先前(紧接在前)的燃烧事件的燃烧指标调节点火正时、向气缸供应排气和/或向气缸供应燃料，以使这些自动点火事件定相，从而同时或以受控、分组的方式同时燃烧。并且，在一些示例中，自动点火事件被定相以与传播的火焰前沿一起燃烧，这在气缸中产生更短的燃烧持续时间和更完全的燃烧，而没有发动机爆震的可能性或发动机爆震的可能性低。控制空气/燃料充量的这些部分的自动点火可以减轻不受控制的(因此重度的)爆震造成的损坏，实现空气/燃料充量部分的自动点火而没有发动机爆震，缩短燃烧循环的燃烧持续时间，燃烧其他不良燃烧物质(比如未燃烧的碳氢化合物(UHC)、甲烷、一氧化碳(CO)或其他气体)，并有助于提高效率。
在没有循环到循环控制的情况下，EGAI很可能以“不受控制的”进展从无爆震快速发展到轻度爆震，再到重度爆震。此处提出的是通过自动点火来维持稳定的操作点，但低于不受控的失控重度爆震和提前点火的阈值。简而言之，在没有EGAI与重度破坏性爆震之间存在可操作的窗口，我们建议在那里操作(例如，这类似于飞行不稳定的飞行器，通过使用快速控制调节来保持其稳定，如果稳定性控制关闭，它肯定会坠毁)。
在一些示例中，来自燃烧循环的测得的放热率可以指示空气/燃料混合物的自动点火事件的存在和正时，该自动点火事件在通过与传播的火焰前沿接触而被点燃之前被点燃。调节供应到气缸的排气的点火正时或量或温度，可以将一部分空气/燃料混合物的自动点火正时调节到燃烧期间的特定阶段，其对发动机功率输出是有益的(或至少是良性的)，和/或可以在燃烧事件期间调节气缸中空气/燃料充量的燃烧持续时间(或燃烧率)。调节点火正时和/或排气再循环量和/或温度可以通过以下方式来促进气缸中更完全的燃烧事件：通过使自动点火的发生定相，以更好地与火焰前沿的进展对准，和/或通过使自动点火的发生定相，以便同时在合并爆发中一起点燃(例如，在指定的曲柄角达到峰值或在指定的曲柄角范围内燃烧)。在某些情况下，可以添加与主空气/燃料混合物中的燃料相同或不同的附加燃料，以影响自动点火发生的定相和燃烧持续时间。例如，可以将氢气添加到气缸中。在微先导点燃发动机中，可以控制微先导燃料正时来影响自动点火发生的定相和燃烧持续时间。此外，在某些情况下，可以控制附加参数以影响自动点火事件的定相和燃烧持续时间。这些附加参数可以包括：(a)更具反应性的燃料、比如氢气、柴油燃料、甚至发动机油或汽油的熏蒸(fumigation)，(b)先导柴油的早期喷射(接近进气门盖件)，随后可以进行第二喷射以点燃充量(因此，当传播的火焰的压力和温度的组合提供了导致增强的EGAI高于没有种子颗粒会发生的情况时，早期喷射的燃料包相对预先混合并准备好“进行(go off)”)，(c)调节气缸最小容积，并因此调节压缩比，(d)使用可变气门正时的有效压缩比的度，或这些的组合。
在一些情况下，高频缸内传感器测量发动机气缸的压力、温度和其他参数，并由伴随的控制器或发动机控制单元(ECU)处理。控制器/ECU包括嵌入式处理器，在某些情况下，能够以分辨率精细到0.25度的曲柄处理高速气缸数据，并能够产生用于监测燃烧的综合诊断套件，以及实时滤波和平均化燃烧诊断，即与发动机操作同时进行，并且足够通用以在用于控制发动机的控制回路中使用。在一些情况下，“实时”操作使得控制器/ECU能够足够快速地处理缸内传感器数据，以控制同一个气缸的紧随其后的燃烧循环。由控制器/ECU计算的实时燃烧指标可以包括一个或多个气缸内的压力和/或温度的以曲柄角或时间表示的位置。在一些示例中，控制器/ECU可以在发动机气缸中的下一燃烧循环之前计算发动机气缸中燃烧阶段的绝热放热率。绝放热率可以逐个气缸计算，同时还可以计算分别在CA10、CA50(也称为燃烧中心(CoC))、CA90和CAX燃烧期间每循环燃烧的质量分数10％、50％、90％或其他百分比的曲柄角或时间的位置、每循环燃烧的持续时间以及从压力信号和/或温度信号得出的其他燃烧诊断指标，比如IMEP(指示平均有效压力)、多变系数(K，表示气缸的压缩质量)和/或燃烧稳定性(IMEP的COV)。
控制器/ECU可以进一步识别放热率中放热峰的数量和位置，以及表示尾气自动点火的放热率的拐点，这是气缸中的空气/燃料充量的一部分，该部分在与火花点火(或其他主要点火源)产生的火焰中心的传播的火焰前沿接触而被点燃之前自动点燃。然后控制器/ECU可以调节燃烧参数以控制拐点的正时、由于自动点火引起的放热率的一个或多个峰值的正时和持续时间、或放热的其他方面。受控参数包括气缸中的火花(或其他点火源)的正时、供应到气缸的排气的量、供应到气缸的排气的温度、供应到气缸的附加燃料的量、和/或进气充量的温度(例如，经由CAC旁路)。也可以调节其他参数来控制气缸中的燃烧。可以选择自动点火事件的调节的正时，使得尾气的自动点火是良性的(即，不会引起发动机爆震或实质性发动机爆震)，并且在某些情况下，甚至通过使自动点火放热率的峰值定相为与火花点火燃烧的放热率峰值一致或基本一致，对燃烧做出有益贡献。这种自动点火事件正时的益处包括：快速燃烧气缸/活塞/缸盖壁表面附近的否则难以燃烧的气体，并且在这些位置，由于活塞膨胀，甚至由于未燃烧的气体隐藏在顶部活塞环上方的缝隙区域后返回到燃烧室，大量湍流和温度下降。这种难以燃烧的气体的快速燃烧导致燃烧持续时间缩短(这可以对效率有益)，使CA50/COC提前，并通过燃烧原本未燃烧而排放的气体提高燃烧效率，从而有益于同时提高效率并减少排放。
在一些情况下，自动点火事件可以被控制为在气缸中活塞的TDC上或之后一起在合并爆发中或同时地同步发生(与在多个离散且间隔开的时间点或曲柄角位置发生的若干自动点火事件相反)。控制自动点火事件在该合并爆发中发生，并与传播的火焰前沿的放热率同相，可以增加气缸中燃烧阶段的燃烧的空气/燃料混合物的总质量分数，同时也缩短由于与火焰中心的传播的火焰前沿接触而未燃烧的空气/燃料混合物部分的同时燃烧导致的燃烧持续时间。
在一些情况下，发动机系统可以包括嵌入式实时燃烧诊断和控制(RT-CDC)处理器，该处理器结合、连接到(例如，作为伴随控制器)或集成到ECU并与高频缸内传感器连通。RT-CDC使用缸内测量值(例如，压力、温度或其他)来确定燃烧指标，并且可以输出来自发动机的燃烧循环的燃烧参数。燃烧参数可以包括放热(包括总量和速率)，其可用于确定未被点火器产生的火焰中心的传播的火焰前沿燃烧的空气/燃料充量部分的自动点火特性，并提供对火花正时和/或供应到气缸的排气的调节，和/或在随后的燃烧阶段添加燃料，以控制(并理想地优化)气缸中的自动点火事件。基本的发动机控制(比如对燃料、点火和/或EGR的控制)由ECU使用来自排气中的氧传感器的输入或者带有节气门位置传感器的MAF或MAP来执行，和/或基本发动机控制使用来自RT-CDC的燃烧指标来执行。由该算法执行的控制(例如，调节点火正时、EGR和/或燃料富集度)在该基本发动机控制之上进行调节。调节量(例如，点火正时、EGR和/或燃料富集度)也受基本发动机控制的约束。例如，可以调节EGR以控制自动点火，但仅限于发动机将NOx产物保持在指定量以下的程度。
参照图1，示出了具有可与本公开的各方面一起使用的发动机控制系统的示例发动机系统100。发动机系统100包括发动机控制单元(ECU)102、空气/燃料模块104、点火模块106(例如，火花模块)和发动机101(此处示出为往复式发动机)。例如，图1示出了内燃机100。为了本公开的目的，发动机系统100将被描述为气体燃料驱动的往复式活塞发动机。在某些情况下，发动机101以天然气燃料操作。发动机101可以是任何其他类型的内燃机，无论是燃料类型(气体、液体(例如，汽油、柴油和/或其他)、同相或混合相多燃料、和/或其他构造)还是发动机的物理构造(往复式、汪克尔(Wankel)旋转式和/或其他构造)。虽然发动机控制单元102、空气/燃料模块104和点火模块106被分开示出，但是模块102、104、106可以组合成单个模块或者是具有其他输入和输出的发动机控制器的部分。
往复式发动机101包括发动机气缸108、活塞110、进气门112和排气门114。发动机101包括发动机缸体，发动机缸体包括一个或多个气缸108(图1中仅示出一个)。发动机100包括由气缸108、活塞110和缸盖130形成的燃烧室160。点火器120(例如火花塞、激光、热表面点火器、微波点火器、直接燃料喷射器和/或其他类型的点火源——每个都有或没有预燃室)定位在缸盖130内，这使得点火装置能够接近可燃混合物。点火器120的点火位置122定位在燃烧室160内。在火花塞的情况下，点火位置122是火花隙，即，两个或多个电极之间具有小空间的布置。当向其中一个电极施加电流时，会产生电弧，该电弧桥接各电极之间的小空间(即火花隙)。每个气缸108内的活塞110在上止点(TDC)位置与下止点(BDC)位置之间运动。发动机101包括连接到每个活塞110的曲轴140，使得活塞110在每个气缸108内的TDC与BDC位置之间运动并使曲轴140旋转。TDC位置是具有最小容积的燃烧室160的活塞110的位置(即，活塞110最靠近点火器120和燃烧室160的顶部)，而BDC位置是具有最大容积的燃烧室160的活塞110的位置(即，活塞110最远离点火器120和燃烧室160的顶部)。
气缸盖130限定进气通道131和排气通道132。进气通道131将来自进气歧管116的空气或空气和燃料混合物引导到燃烧室160中。排气通道132将排气从燃烧室160引导到排气歧管118中。进气歧管116通过进气通道131和进气门112与气缸108连通。排气歧管118经由排气门114和排气通道132接纳来自气缸108的排气。对于每个气缸，经由气门致动组件控制进气门112和排气门114，该组件可以是电子、机械(例如，经由凸轮轴)、液压或气动控制的，或者以其他方式控制。在一些情况下，进气歧管116包括热交换器或中间冷却器，以控制通过进气歧管并进入进气通道131朝向燃烧室160的进入空气或空气/燃料的温度。热交换器允许空气横穿热交换器的翅片或其他结构来加热或冷却流动通过进气歧管116的空气。进气歧管116可以包括气门，该气门选择性地使空气充量流动通过热交换器或不通过热交换器，以便控制来自进气歧管116的空气充量的温度。在某些情况下，排气歧管118包括称为旁路充量冷却器的热交换器，其控制排气歧管118中的排气的温度。在一些示例中，热交换器在排气与冷却器流体(比环境空气、发动机冷却剂或其他冷却器流体)之间交换热量。排气歧管118可以包括气门，该气门选择性地使充量气体通过旁路冷却器或不通过旁路冷却器，以控制排气充量的温度。
在某些情况下，发动机101是四冲程发动机。活塞110在每个气缸108内的TDC与BDC位置之间的运动限定了进气冲程、压缩冲程、燃烧或动力冲程以及排气冲程。进气冲程是活塞110远离点火器120的运动，其中，进气门112打开并且空气或燃料/空气混合物经由进气通道131被吸入燃烧室160中。压缩冲程是活塞110朝向点火器120的运动，其中，空气或空气/燃料混合物在燃烧室160中并且进气门112和排气门114都闭合，从而使活塞110的运动能够压缩燃烧室160中的燃料/空气混合物。燃烧或动力冲程是活塞110离开点火器120的运动，其在压缩冲程之后在点火器120在点火位置122处点燃燃烧室中压缩的燃料/空气混合物时发生。被点燃的燃料/空气混合物燃烧并迅速提高燃烧室160中的压力，对活塞110远离点火器120的运动施加膨胀力。排气冲程是活塞110朝向点火器120的运动，其在燃烧冲程之后并且其中排气阀114打开，以允许活塞110经由排气通道132将燃烧气体排出到排气歧管118。
发动机100包括燃料供给装置124，比如燃料喷射器、气体混合器或其他燃料供给装置，以将燃料引导到进气歧管116、进气通道131中或直接导入燃烧室160中。在图1的示例发动机系统100中，燃料供给装置124联接到进气通道131并向进气通道131提供燃料。在一些情况下，发动机100是双燃料发动机，具有进入燃烧室160的两个燃料源(直接或间接)。例如，双燃料发动机可以包括向气缸中的空气/燃料充量提供第二燃料的第二燃料供给装置。第二燃料供给装置能够连接到空气/燃料模块104、ECU102或两者并由其控制，以选择性地向气缸提供富氢溶液(或其他燃料富集物)。在一些情况下，节气门126设置在进气通道131中以至少部分地控制通过进气通道131的空气或空气/燃料混合物的流速。
在一些情况下，发动机系统100可以包括不具有活塞/气缸的另一种类型的内燃发动机101，例如汪克尔发动机(即，燃烧室中的转子)。在一些情况下，发动机101在每个燃烧室160中包括两个或更多个点火器120。
在发动机系统100的操作期间，即，在燃烧室160中的燃烧事件期间，空气/燃料模块104在进入燃烧室160之前向进气歧管中的进入空气流供应燃料。点火模块106、或火花模块通过调节在点火位置122处产生点火事件的正时来控制燃烧室160中的空气/燃料混合物的点火，其在活塞110的每个连续压缩冲程与燃烧冲程之间的系列点火事件期间，启动燃料/空气混合物在燃烧室160内的燃烧。在每个点火事件期间，点火模块106控制点火正时并向点火器120的初级点火线圈提供电力。空气/燃料模块104控制燃料喷射装置124，并且能够控制节气门126以将空气和燃料以目标比率递送到发动机气缸108的燃烧室160。空气/燃料模块104接收来自发动机控制模块102的反馈并调节空气/燃料比。点火模块106例如通过控制电联接到点火器120并从电源供应电流的点火线圈的操作来控制点火器120。除了下面公开的本系统的方面之外，ECU 102还基于发动机速度和负载来调节点火模块106的操作。
在一些情况下，ECU 102包括作为由ECU 102的一个或多个处理器执行的集成软件算法的点火模块106和空气/燃料模块104，从而响应于从可以位于整个发动机101的一个或多个传感器(未示出)接收到的输入，作为单个硬件模块操作发动机系统100。在一些情况下，ECU 102包括与燃料/空气模块104和点火模块106的所描述的操作相对应的单独的软件算法。在一些情况下，ECU 102包括辅助实现或控制燃料/空气模块104和点火模块106的所描述的功能的单独硬件模块。例如，ECU 102的点火模块106可包括专用集成电路(ASIC)以调节传递到点火器120的点火线圈的电流。存在多个传感器系统来监测发动机101的操作参数，其可包括例如曲轴传感器、发动机速度传感器、发动机负载传感器、进气歧管压力传感器、缸内压力传感器等。通常，这些传感器响应于发动机操纵参数产生信号。
例如，曲柄角传感器171读取并生成指示曲轴140的角位置的信号。在示例性实施例中，高速压力传感器172在发动机100的操作期间测量缸内压力。传感器171、172能够直接连接到ECU 102以促进感测，或者在一些情况下，与实时燃烧诊断和控制(RT-CDC)单元联接，该单元配置成从一个或多个传感器获取高速数据，并且将低速数据输出提供到ECU102。在一些情况下，本文描述的点火控制是独立的点火控制系统，其提供ECU 102和点火模块106的操作。其他传感器也可以包括在发动机系统100中，并且本文描述的系统可以包括不止一个这样的传感器以促进感测上述发动机操作参数中的一个或多个或全部。
图2是图1的发动机系统100的发动机控制系统200的示意图。图2示出了发动机控制系统200内的ECU 102，其构造成利用单独的、伴随的RT-CDC 211来控制发动机101。在其他情况下，RT-CDC 211的功能可以由ECU 102执行。如上所述，高速压力数据272由一个或多个压力传感器172产生，每个压力传感器172安装成直接通向发动机101的燃烧室160。压力信号272以高曲轴同步率捕获，例如是0.25°的分辨率或是发动机101的每个循环2880个样本。虽然在一些情况下，曲柄角传感器171可以是高分辨率传感器，但在其他情况下，可以从较低分辨率的曲柄位置信号生成合成曲柄角信号。例如，使用典型的曲柄角传感器(或曲柄角编码器)通过感测盘上的齿边缘的通过来产生曲柄角信号215，将该盘安装成随曲柄旋转，曲柄位置的分辨率基于齿的数量。典型的60-2齿轮具有6°的分辨率。然而，在一些情况下，使用插值来确定边缘之间空间中的曲柄角。因此，边缘之间的间距使用先前观察到的齿周期除以实现期望的角度采样分辨率所需的边缘数量。考虑即使在平均发动机速度恒定的情况下也可以看到的曲柄齿之间的微小变化，编码器系统在每个边缘上重新同步。
在一些情况下，实时燃烧诊断和控制(RT-CDC)211模块中的燃烧诊断例程使用得到的高分辨率压力信号272来为每个气缸每个循环基础产生燃烧诊断218，例如，IMEP、Pmax、CA50、CAX、燃烧质量和燃烧强度，如下文更详细讨论的。燃烧诊断218的指标随后被ECU 102用作用于通过调整发动机控制致动器设置219(例如，火花正时、EGR等)来调节燃烧性能特征的反馈信号。
RT-CDC 211与一个或多个处理器一起操作以确定燃烧指标，并且如果未包括在ECU 102中，则与ECU 102连通，该ECU 102与用于发动机控制的一个或多个处理器一起操作。RT-CDC 211接收来自曲柄角传感器171、压力传感器172、温度传感器(未示出)和/或连接到发动机101的其他传感器的输入。对于每个气缸，RT-CDC 211根据来自传感器171和172的输入数据来计算燃烧指标。在RT-CDC 211中，对于每个气缸，一个或多个处理器可以限定所有常数，包括经由发动机几何形状限定的矢量，然后捕获缸内测量值(例如，压力、温度、曲柄角)，在某些情况下，以采样率窗口限定的指定采样率捕获。接下来，根据对应的曲柄角将原始压力数据解析为向量，并使用预定的向量和压力向量来计算燃烧指标。最后，计算放热率和燃烧持续时间(即10％、50％和90％燃烧)。
RT-CDC 211存储每个气缸燃烧指标的结果，并使用实时放热计算来操作双燃料发动机以满足控制尾气自动点火事件的目标燃烧(即，空气/燃料混合物的部分未通过与火焰中心的传播的火焰前沿接触而被点燃)。例如，可以经由实时放热计算确定点火正时，并且通过ECU 102调节点火正时、排气再循环率和/或其他参数以实现发动机气缸的下一燃烧循环的定相目标。在一些示例中，目标曲柄角(CAX2，其中指定了X2)，其中，目标曲柄角对应于释放目标燃烧热能百分比的曲柄角，并且经由实时放热计算确定，并且ECU 102调节发动机控制参数以满足设定点。在一些情况下，ECU 102通过调节点火正时和/或排气燃料再循环率来满足设定点。
可选地，并且如下面更详细地讨论的，RT-CDC 211(或具有RT-CDC 211功能的ECU102)可以采用高效处理方法，该方法对于每个气缸每个循环能够处理超过十五个燃烧指标，同时配装在具有最大可允许处理器和内存的标准汽车生产ECU中。特别是，基于气缸在燃烧循环中的位置，以不同的分辨率对来自气缸压力传感器的压力读数的矢量进行采样。因此，仅在最关键的时间期间以最高分辨率对矢量进行采样，从而减少了处理的数据总量。此外，可以从所有气缸的相同存储器中收集和处理数据。
在一些情况下，燃烧定相指标、例如放热的形心(CA50，从高速处理每个循环的放热率导出的指标)的同时控制在致动燃烧触发定相(例如，点火提前或柴油开始喷射)的同时进行，同时控制燃烧能量指标(例如，IMEP)。这种同时控制通过燃料的致动来实现，无论是在柴油构造中的缸内，还是在例如天然气或汽油的端口内喷射的缸外。
在一些情况下，从压力信号导出的压缩和膨胀多变系数的实时处理用于高质量的放热率计算。放热率计算包括经由计算机动压力曲线来诊断压缩曲线质量。机动压力是未燃烧时气缸中的压力。放热率可以经由与预期压缩曲线的偏差来诊断气缸和压力传感器质量的变化，并指示发动机气缸中的自动点火。在一些情况下，随时间记录多变常数以确定由于环和/或气门密封性引起的压力传感器或气缸压缩质量的漂移率。
使用缸内压力的示例燃气发动机控制
当今典型的燃气发动机，例如天然气发动机，以固定的火花正时连同用于空气/燃料比(AFR)控制的工厂校准一起操作。这种典型构造可提供良好的爆震裕度并满足投入操作的点火发动机的排放标准。然而，对于一些发动机，点火正时和AFR设置为使得燃烧的中央或CA50(50％燃料燃烧的时间)保持在上止点(ATDC)后15°到20°之间的相对延迟位置。这些设置被认为是保守的，并且设置为使得最坏的预期燃气质量不会导致损坏发动机的爆震。在这种类型的校准中，提供的爆震传感器仅在极端条件下使用；否则，爆震信号相对较低。这种构造的结果是，在满足NOx排放标准的同时，以“良好燃料”(即，由于高甲烷值(MN)具有低爆震倾向)运行的发动机在它们操作的大部分或全部时间期间以低于最佳的燃料消耗运行。例如，这种潜在燃料经济性的损失可以高达1－4％。
相反，一些发动机使用更激进的策略，其中爆震传感器更有意地用于燃烧定相控制。假设将燃烧定相提前到轻微爆震给出最佳燃油效率的点。这对于J型间隙火花塞来说尤其如此，因为它具有较高的循环－循环变化。在这些系统中，如果燃料质量随着MN的下降而变化，则有时间在控制器中记录爆震，并且可以实现适当的点火正时或AFR稀薄以适应。该策略取决于爆震传感器的工作情况。此外，当采用诸如预燃室火花塞和燃料馈送预燃室之类的更好的点火方法时，其中循环至循环的变化更小并且燃烧速度更快，“轻度爆震”的条件将是过度提前燃烧，并且将是低效率的。
此外，在上述两种构造中没有方法将气缸压力保持在机械极限以下或将压力上升速率保持在机械极限以下。此外，当燃料质量或AFR在相反的方向上发展时，即导致燃烧不良和失火，通常检测现有发动机的唯一方法是监测气缸排气端口温度。然而，这会导致模糊的监测条件，因为高温表明燃烧晚，而极低的温度表明失火。失火也由瞬时轴速度变化指示，其能够用于确认作为失火诊断的低温读数。
上述系统的一个问题可能是将发动机保持在爆震极限以下以一致和有效燃烧，尤其是当燃料质量改变时，当大气条件改变时，以及其他发动机参数在燃烧循环之间变化时。下面详述的系统通过以下方面来解决该问题：使用实时缸内燃烧指标来计算发动机每个循环的放热率和总放热，确定自动点火事件的正时和位置，并调节点火正时、燃烧定相、空气质量(EGR)、空气/燃料充量的氢气富集度和/或燃烧持续时间，以允许受控的自动点火事件同时保持在破坏性爆震极限以下。
控制自动点火事件
在一些情况下，燃烧反馈系统(例如，RT-CDC 211和ECU 102)提供对发动机充量条件(比如，MAT、MAP、EGR率和火花正时)的识别和控制，这能够提供非常可重复的燃烧事件，具有非常好的循环到循环的一致性(即IMEP的低COV)。在一些示例中，气缸压力测量值、放热率或其他测量值可以在多个(例如，连续的)燃烧循环的彼此之上被追踪，以确定循环之间的一致性或缺乏一致性。燃烧循环可由诸如预燃室之类的“低COV点火器”点燃。通过一致的燃烧，尾气自动点火事件在单个放热轨迹上以及具有此类功能的诸如RT-CDC 211或ECU102之类的燃烧反馈系统的多循环平均值上都是可见的，从而能够通过监测先前循环或其平均值来控制下一循环。在一些情况下，测得的放热率可以分为经由传播火焰(即，来自主火焰中心的传播的火焰前沿)燃烧的空气/燃料充量部分和经由自动点火事件(而不是通过传播的火焰)燃烧的空气/燃料充量部分。根据测量的放热，可以识别燃烧阶段的一个或多个自动点火事件，并且可以调节用于下一循环的燃烧阶段的气缸中的火花正时、供应/再循环到气缸的排气的量(或速率)、供应/再循环到气缸的排气的温度、进气歧管温度、或燃料(如氢气)的富集量(或速率)或供应到气缸的空气/燃料充量的微型先导喷射量中的至少一个，以控制下一燃烧循环中的自动点火事件。
例如，图3是示出示例正常燃烧和示例尾气自动点火(EGAI)燃烧的气缸的放热与曲柄角关系的图表300。特别地，图3示出了用于正常(火焰前沿点火的)燃烧312和EGAI 314的示例放热率与曲柄角的关系的第一曲线310，以及用于正常燃烧322和EGAI 324的示例总放热与曲柄角的关系的第二曲线320。第二曲线320是第一曲线310的放热率的积分。在第一曲线310和第二曲线320中，曲柄角的范围从20度BTDC到80度ATDC。如第一曲线310所示，在大约80－90％的燃料在传播火焰中燃烧的点处，在大约30度ATDC开始的曲柄角位置处，尾气自动点火的放热率与正常燃烧放热率偏离。这种偏离在曲线314的第二个峰值中清楚地示出。参照第二曲线320的积分曲线322和324，总曲线彼此偏离的点大约在总放热曲线324的拐点处，其中从大约20ATDC开始，斜率是“向上凹的”，与322的向下凹的斜率相反。这意味着对于正常燃烧312的放热率，速率从初始增加到大约15ATDC的峰值，此时燃烧速率降低，这是由于活塞膨胀，这降低了气缸中的温度和湍流水平，并且由于可燃气体向外移动到活塞和气缸套温度较低的周缘。另一方面，第二曲线314示出了尾气的并发、受控和巩固的自动点火，导致在15ATDC的峰值之后放热率的这种单调下降的变化。该尾气燃烧率与尾气的自动点火事件相关。如果难以燃烧的气体(即不通过与传播的火焰前沿接触而被点燃的尾气)确实同时熄灭，则被认为是有益的。结果是更短、更完整的总燃烧事件，这有利于更高的效率和更低的排放。
为了控制这种自动点火事件，RT-CDC 211(或具有RT-CDC功能的ECU 102)可以提供实时燃烧反馈以监测Xb燃烧部分的位置(其中X是指定的燃烧百分比)，其中一示例是75％的燃烧(即75b)。在一些情况下，可以在快速回路上调节火花正时以将Xb位置保持在目标设定点。在某些情况下，可以在较慢的回路上调节EGR率以保持快速参数的“中间范围”(即，调节EGR率以将点火提前量保持在指定的设定点)。替代地或附加地，EGR率可在控制回路中使用以调节放热率或燃烧持续时间的总宽度。在一些情况下，通过固定或缓慢变化的火花正时，EGR率可用于将Xb点控制到特定曲柄角。例如，EGR的增加会使燃烧减速，以用于更慢的燃烧和更长的燃烧持续时间，而EGR的减少会使燃烧加速，以用于更快的燃烧和更短的燃烧持续时间。在某些情况下，可以应用和调节氢富集度或其他燃料富集度，例如，使其增加以使燃烧加速，以用于更快的燃烧和更短的燃烧持续时间，或使其减少以使燃烧减速，以用于更慢的燃烧和更长的燃烧持续时间。在一些示例中，可以控制EGR温度、进气歧管温度或两者，以使得较高的充量温度使燃烧提前并燃烧更快，而较低的充量温度使燃烧延迟并燃烧更慢。例如，自动点火事件的控制可以包括调节EGR温度(经由受控的EGR冷却器旁路率)，使得较高的EGR温度将导致更短的燃烧持续时间和更早的EGAI事件的定相，较低的EGR温度将导致更长的燃烧时间和更晚的EGAI定相。
激进控制的EGAI
图4是气缸的放热与曲柄角关系的图表400，示出了当应用本文的概念时的示例正常燃烧和示例尾气自动点火燃烧。图表400类似于图3的图表300，除了以下之外：点火正时、EGR和/或其他参数已被控制以使EGAI燃烧提前并产生更高的放热率、更高的标准化燃烧率和更短的燃烧持续时间。图标400包括第一放热率曲线410和总放热率的第二曲线420，第一放热率曲线410示出了用于正常燃烧412和具有尾气自动点火414的燃烧的放热率与曲柄角的关系，总放热率的第二曲线420示出了正常燃烧422和具有尾气自动点火424的燃烧的综合放热。图表400表示示例激进自动点火事件，其中50％或更多的空气/燃料混合物在自动点火事件中燃烧(积分曲线420上的0.5)。值得注意的是，EGAI燃烧已经串联且一起提前发生，与火焰前沿点燃的点火的放热同时发生，而不是在燃烧阶段的后期和分开发生，如图3所示。换言之，已根据本文的概念控制点火正时、EGR和/或其他参数，以将EGAI放热整合到火焰前沿点燃放热，从而开始建立EGAI放热率的增加，然后火焰前沿点燃放热率开始下降或已经大幅下降。所得的放热率只有一个峰值，而不是图3中所示的两个峰值。第一放热率曲线410示出了大约15度曲柄角ATDC处的燃烧曲线414的拐点，其中放热率转变为上凹，表示尾气自动点火对气缸中的放热率的影响。总放热曲线410具有连续上凹的性质，没有图3的瞬时凸曲率。在一些示例中，如果在放热率曲线414中实现真正的三角形(图4中未示出)，则总放热曲线414将一致地向上凹直到接近最大总放热，因为三角形的积分是一条总是向上凹的抛物线。此外，自动点火事件曲线414的同时燃烧产生燃烧持续时间的缩短(与正常燃烧曲线412相比)。
在图4所示的激进情况下，超过50％的放热发生在EGAI事件中，示出为近“三角形”形状的放热率，其中EGAI放热率(HRR)实际上大于来自气缸燃烧的主要传播的火焰前沿的HRR。燃烧的基本原理是，传播的火焰产生绝热地压缩尾气的压力波，这将低温化学反应加速到其中反应性自由基(例如H2O2)积聚然后在“OH支化”片段(episode)中塌缩的点，这产生高浓度反应性自由基，其然后强烈触发未燃烧的燃料燃烧。
发动机上的实验
发动机上的实验证实了根据本文概念的控制的可行性。图5示出了气缸压力与曲柄角关系的第一曲线500和气缸中放热与曲柄角关系的第二曲线520。所示出的非常类似于之前描述的理论分析(例如，在图3和图4中)，其中不是钟形放热率(其特征是燃烧的第二半部比燃烧的中心慢)，对于EGAI，燃烧的第二半部实际是燃烧的最快的部分这意味着尾气的燃烧速度快于传播的火焰。结果是燃烧持续时间显著更短，未燃烧的碳氢化合物和CO更少，但没有增加NOx(这是由第一半部的燃烧率驱动的)。在一些例子中，放热率的低的周期到周期变化在若干连续的燃烧阶段上看起来很相似，这使得能够监测放热率和相应的放热参数，并将它们放入燃烧控制的控制回路。
控制EGAI
通过燃烧反馈来控制EGAI是可能的。例如，RT-CDC 211(或具有RT-CDC功能的ECU102)使用指定参数CAX2，其中X2是指定值，来限定放热率中拐点的位置。例如，X2位置可以基于特定发动机、操作参数(例如，燃料类型、环境和/或其他参数)、目标发动机性能和/或其他因素来计算和/或实验确定。在一些情况下，使用CA80，它反映了释放80％燃烧热能时的曲柄角。查看图5的曲线，很明显，该CA80点与EGAI放热爆发重合。RT-CDC可以使用火花正时将CAX2的位置控制为指定值。大约18度的ATDC是EGAI爆发的良好的示例位置。巧合的是，18度的CAX2也为CA50提供了大约12.5度的ATDC的良好整体燃烧定相，这是良好的操作点(在8度的ATDC到13度的ATDC的CA50之间最佳)，并且燃烧持续时间非常短，CA90-CA10＝燃烧＝15.0度。前向燃烧定相和短的燃烧持续时间有助于提高整体效率。使其他未燃烧的碳氢化合物(UHC)燃烧也有助于提高效率。
燃烧持续时间的EGR控制
在一些情况下，附加于或代替控制火花正时，控制EGAI可包括控制EGR(例如，速率、量、温度和/或正时)，以控制燃烧持续时间。在本公开中，控制回路可以接收输入到RT-CDC的目标燃烧持续时间，并且调节EGR率或量以维持目标燃烧持续时间。例如，如果燃烧持续时间太长，则降低EGR率以加速燃烧，而如果燃烧持续时间太短，则增加EGR率以使燃烧延迟。
在一些实施方式中，发动机系统可以包括来自外部燃料源的附加燃料供应，例如氢富集物、柴油富集物、汽油富集物或丙烷富集物。由于燃料在供应到气缸时具有与排气相反的效果，因此对发动机气缸的氢气供应的控制会影响燃烧持续时间，例如，如果燃烧速率太慢(低于阈值设定点)，则增加氢气富集度能够使燃烧加速并减少燃烧持续时间。反之亦然，其中氢气富集度的减少可以减缓燃烧并增加燃烧阶段的燃烧持续时间。
在一些示例中，通过RT-CDC计算放热(速率和总量)，并且根据计算的放热识别自动点火事件。取决于放热百分比、燃烧持续时间或其他值处的曲柄角的指定值，RT-CDC的控制回路可以调节紧随其后或稍后燃烧循环的发动机参数以控制EGAI(即控制EGAI的位置和部分)，从而朝向一个或多个指定值调节放热。例如，可以确定所识别的一个或多个自动点火事件在燃烧循环中开始于燃烧阶段期间的指定的曲柄角之后，因此，气缸中的火花正时可以在下一个循环的燃烧阶段中提前，以将自动点火事件朝向指定的曲柄角向前切换。在另一示例中，可以确定所识别的一个或多个自动点火事件在燃烧循环中开始于燃烧阶段期间的指定的曲柄角之前，因此，气缸中的火花正时可以在下一个循环的燃烧阶段中延迟，以将自动点火事件朝向指定的曲柄角向后切换。在某些示例中，可以确定所识别的一个或多个自动点火事件包括大于目标燃烧持续时间的燃烧阶段的燃烧持续时间，因此，在下一循环的燃烧阶段中减少供应到气缸的排气的量，以将下一循环中的燃烧持续时间朝向目标燃烧持续时间减少。在另一示例中，可以确定所识别的一个或多个自动点火事件包括小于目标燃烧持续时间的燃烧阶段的燃烧持续时间，因此供应到气缸的排气的量、温度或量和温度两者在下一循环的燃烧阶段增加，以将下一循环中的燃烧持续时间朝向目标燃烧持续时间增加。在一些示例中，调节气缸中的火花正时包括使下一循环的燃烧阶段中的火花正时提前，以相对于曲柄角位置使自动点火事件向前切换，和/或调节供应到气缸的排气的量、温度或量和温度两者包括减少供应到气缸的排气的量以相对于曲柄角位置使自动点火事件向前切换。在某些情况下，可以确定所识别的一个或多个自动点火事件包括大于目标燃烧持续时间的燃烧阶段的燃烧持续时间，因此，富集燃料(例如，氢气、柴油、汽油、丙烷、和/或其他)在下一循环的燃烧阶段被供应到气缸以减少燃烧持续时间，并在下一循环的燃烧阶段接近目标燃烧持续时间。
在一些情况下，RT-CDC执行多参数控制，例如，其中点火正时和热/化学特性(例如，EGR率、EGR温度、氢气添加、进气歧管温度、诸如丙烷之类的另一种反应燃料的添加、或这些的组合)以实现目标燃烧持续时间并对其进行定位，使得CAx％点(例如CA75)在目标位置处。在一些示例中，如果燃烧持续时间较慢但期望保持相同的CA75，那么火花点火应该提前。在一些实施方式中，期望使用两个致动器路径(例如，点火正时和热/化学调节)来协调多参数控制。
图6是示例控制器600的框图。示例控制器600可以用作图1的ECU102或图2的发动机控制系统200。控制系统600包括处理器610、存储器620、存储装置630和一个或多个输入/输出接口装置640(示出了一个)。部件610、620、630和640中的每一个可以例如使用系统总线650互连。
处理器610能够处理用于在控制器600内执行的指令。在此使用的术语“执行”是指其中程序代码使处理器完成一个或多个处理器指令的技术。在一些实施方式中，处理器610是单线程处理器。在一些实施方式中，处理器610是多线程处理器。处理器610能够处理存储在存储器620或存储装置630上的指令。
存储器620在控制器600内存储信息。在一些实施方式中，存储器620是计算机可读介质。在一些实施方式中，存储器620是易失性存储器单元。在一些实施方式中，存储器620是非易失性存储器单元。
存储装置630能够为控制器600提供大容量存储。在一些实施方式中，存储装置630是非暂态计算机可读介质。在各种不同的实施方式中，存储装置630可以包括例如硬盘装置、光盘装置、固态驱动器、闪存驱动器、磁带或一些其他大容量存储装置。在一些示例中，存储装置可以存储长期数据，比如本申请中描述的存储在存储装置上的数据。输入/输出接口装置640为控制器600提供输入/输出操作。在一些实施方式中，输入/输出接口装置640可以包括以下中的一个或多个：例如以太网接口的网络接口装置、例如RS-232接口的串行通信装置和/或无线接口装置，例如802.11接口、无线调制解调器等。输入/输出接口装置640允许控制器600进行通信，例如，使用数据总线传输和接收数据，比如发动机传感器数据。
程序模块/软件可以通过指令来实现，在执行指令时，使一个或多个处理装置完成上述过程和功能，例如，基于缸内压力、温度和/或其他测量参数的高速采样，实时计算发动机气缸的燃烧循环的传热率和总传热。这样的指令可以包括例如解释的指令，比如脚本指令、或可执行代码、或存储在计算机可读介质中的其他指令。
在一些示例中，控制器600包含在单个集成电路封装内。这种类型的控制器600，其中处理器610和一个或多个其他部件都包含在单个集成电路封装内和/或制造为单个集成电路，有时被称为微控制器。在一些实施方式中，集成电路封装包括对应于输入/输出端口的引脚，例如，其能够用于将信号连通到输入/输出接口装置640中的一个或多个并且连通来自输入/输出接口装置640中的一个或多个的信号。
尽管已经在图6中描述了示例处理系统，上述主题和功能操作的实现但是也可以在其他类型的数字电子电路中实现，或者在软件、固件或硬件中实现，包括在本说明书中公开的结构及其结构等效物，或者它们中的一个或多个的组合。本说明书中描述的主题的实施方式，比如存储、维护和显示制品，可以实施为一个或多个程序，即编码在有形程序载体上的程序指令的一个或多个模块，例如计算机可读程序，用于由处理系统执行或控制处理系统的操作。计算机可读介质可以是机器可读的存储装置、机器可读存储基材、存储器装置或者它们中的一个或多个的组合。
术语“控制器”可以涵盖用于处理数据的所有设备、装置和机器，例如包括可编程处理器、计算机(例如，发动机控制器)或多个处理器或计算机。除了硬件之外，处理系统还可以包括为所讨论的程序创建执行环境的代码，例如构成处理器固件的代码、协议栈、数据库管理系统、操作系统、或它们中的一个或多个的组合。
程序(也称为软件、软件应用、脚本、可执行逻辑或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，或者声明性或过程性语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或用于在计算环境中使用的其他单元。程序不一定对应文件系统中的文件。程序可以存储在保持其他程序或数据的文件的一部分中(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)、专用于所讨论的程序的单个文件中或多个协调文件中(例如、存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)。程序可以部署为在一台计算机/控制器或多台互连的计算机/控制器上执行。
适用于存储程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性或易失性存储器、介质和存储器装置，作为示例，包括半导体存储器装置，例如EPROM、EEPROM和闪存装置；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘或磁带；磁光盘；以及CD-ROM、DVD-ROM和蓝光光盘。处理器和存储器可由专用逻辑电路补充或合并到专用逻辑电路中。
首字母缩略词/缩略语：
ATDC＝上止点后
BTDC＝上止点前
CA50＝50％质量部分燃烧的位置(曲柄角度ATDC)
CAN＝控制器局域网
COV＝变化系数
ECU＝发动机控制单元
EGR＝排气再循环
EGRT＝排气温度(后EGR冷却器)
EGAI＝尾气自动点火
HCCI＝均质充量压缩点火
IMEP＝指示平均有效压力(巴)
IVC＝进气门闭合角
LTC＝低温度燃烧
MAP＝歧管绝对压力(巴)
MAT＝歧管绝对温度(K)
NOx＝氮氧化物
PCCI＝预混充量压缩点火
Ploc＝峰值压力的位置(曲柄角度ATDC)
Pmax＝最大气缸压力(巴)
R&D＝研究和开发
RCCI＝反应性控制的压缩点火
RPR＝压力上升率(巴/曲柄角度)
RT-CDC＝实时燃烧诊断和控制
SOC＝燃烧开始(曲轴角度ATDC)
SI＝火花点火
图7是描述控制内燃机中的点火的示例方法700的流程图，该方法例如由图2的发动机控制系统200执行并且控制图1和2的示例发动机101。在702处，在点燃气缸中的空气/燃料充量之后的气缸的燃烧阶段期间测量发动机气缸中的燃烧参数。在704处，例如在下一循环的燃烧阶段之前，基于测量的参数计算气缸中燃烧的放热。在706处，基于计算出的放热识别空气/燃料充量的一个或多个自动点火事件。在708处，至少部分地基于所识别的一个或多个自动点火事件，控制发动机的操作以引起下一燃烧阶段中的空气/燃料充量的自动点火事件朝向指定的曲柄角切换。在一些情况下，控制发动机的操作包括：控制用于气缸的下一燃烧阶段的气缸中的点火正时或控制用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的特性中的至少一个。排气的特性可以包括排气的量或温度。在一些示例中，控制发动机的操作包括控制以下中的至少一个：用于气缸的下一燃烧阶段的气缸中的点火正时、用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的量、用于气缸的下一燃烧阶段的供应到气缸的排气的温度、在气缸的下一燃烧阶段中提供到气缸的空气/燃料充量的附加燃料的量、或空气/燃料进气歧管的温度。
图8是描述控制发动机的示例方法800的流程图，该方法例如由图2的发动机控制系统200执行并且控制图1和2的示例发动机101。在802处，在气缸中的空气/燃料充量的燃烧期间测量发动机气缸中的缸内压力。在804处，基于缸内压力测量值，确定空气/燃料充量的自动点火，由传播的火焰前沿引起的空气/燃料充量的点火除外。在806处，控制点火正时、排气再循环或供应到气缸的辅助燃料中的至少一个以将自动点火的正时朝向指定的正时改变。
在一些情况下，方法700或800可以包括：经由EGR气门或EGR抽吸装置和气门控制EGR流速、经由EGR冷却器旁路控制EGR温度、经由增压空气冷却器旁路(例如，中间冷却器)控制进气歧管温度(即，MAT)、或这些的组合。
已描述了多个实施例。然而，应该理解，可进行各种修改。因此，其他实施例包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (33)

1.一种控制内燃机中的燃烧的方法，所述方法包括：
在点燃发动机的气缸中的空气/燃料充量之后，在所述气缸的燃烧阶段期间测量所述气缸中的燃烧参数；
基于所测量的参数计算所述气缸中燃烧的放热；
基于所计算的放热识别所述空气/燃料充量的自动点火事件；以及
至少部分地基于所识别的自动点火事件，控制所述发动机的操作，以引起下一燃烧阶段中的所述空气/燃料充量的自动点火事件，以朝向指定的曲柄角切换。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，识别所述自动点火事件包括：识别所述放热中的拐点，所述拐点表示所述空气/燃料充量的一部分的自动点火。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，控制所述发动机的操作包括：控制用于所述气缸的下一燃烧阶段的所述气缸中的点火正时中的至少一个或控制用于所述气缸的下一燃烧阶段的供应到所述气缸的排气的特性。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，包括：确定所识别的自动点火事件发生在指定的曲柄角之后；并且
其中，控制所述气缸中的点火正时包括：在所述气缸的下一燃烧阶段中使所述点火正时提前，以使所述自动点火事件更早地朝向所述指定的曲柄角切换。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，包括：确定所识别的自动点火事件在燃烧阶段中比指定的曲柄角更早发生；并且
其中，控制所述气缸中的点火正时包括：在所述气缸的下一燃烧阶段中使所述点火正时延迟，以使所述自动点火事件更晚地朝向所述指定的曲柄角切换。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，控制供应到所述气缸的排气的特性包括：控制供应到所述气缸的排气的量或所述排气的温度中的至少一者。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，包括：确定所述气缸中的燃烧具有大于指定的燃烧持续时间的燃烧持续时间；并且
其中，控制供应到所述气缸的排气的量包括：在所述气缸的下一燃烧阶段中减少供应到所述气缸的排气的量，以使燃烧持续时间朝向所述指定的燃烧持续时间减少。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，包括：确定所述气缸中的燃烧具有小于指定的燃烧持续时间的燃烧持续时间；并且
其中，控制供应到所述气缸的排气的量包括：在所述气缸的下一燃烧阶段中增加供应到所述气缸的排气的量，以使燃烧持续时间朝向所述指定的燃烧持续时间增加。
9.根据权利要求6至8中任一权利要求所述的方法，其特征在于，控制供应到所述气缸的排气的温度包括：利用冷却器旁路控制所述排气的温度。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，包括：确定所述气缸中的燃烧具有大于指定的燃烧持续时间的燃烧持续时间；并且
控制所述发动机的操作包括：用附加的燃料补充所述空气/燃料充量或调节在所述气缸的下一燃烧阶段中提供到所述气缸的附加燃料的量，以使所述燃烧持续时间朝向所述指定的燃烧持续时间减少。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述附加燃料包括氢气、柴油、汽油或丙烷。
12.根据权利要求1至11中任一权利要求所述的方法，其特征在于，控制所述发动机的操作包括：至少部分地基于所述气缸中的燃烧或所识别的自动点火事件中的至少一者，控制用于所述气缸的下一燃烧阶段的到所述气缸的微先导燃料喷射的正时。
13.根据权利要求1至12中任一权利要求所述的方法，其特征在于，计算所述气缸中燃烧的放热包括：计算放热率或放热积分中的至少一者。
14.根据权利要求1至13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，测量燃烧参数包括：对所述发动机的所述气缸的缸内压力传感器进行采样；并且
其中，计算燃烧的放热包括：在所述气缸的下一燃烧阶段之前，基于来自所述缸内压力传感器的采样，计算所述气缸中燃烧的放热率。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述发动机的操作包括控制以下中的至少一者：用于所述气缸的下一燃烧阶段的所述气缸中的点火正时、用于所述气缸的下一燃烧阶段的供应到所述气缸的排气的量、用于所述气缸的下一燃烧阶段的供应到所述气缸的排气的温度、在所述气缸的下一燃烧阶段中提供到所述气缸中的所述空气/燃料充量的附加燃料的量、或空气/燃料进气歧管的温度。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，控制空气/燃料进气歧管的温度包括：用中间冷却器控制所述空气/燃料进气歧管的温度。
17.一种用于控制内燃机中点火的发动机控制系统，所述控制系统包括：
处理器；以及
非暂态计算机可读介质，所述非暂态计算机可读介质联接到所述处理器并存储可操作以使所述处理器执行操作的指令，所述操作包括：
(a)在点燃所述发动机的气缸中的空气/燃料充量之后，在所述气缸的燃烧阶段期间接收所述气缸的燃烧参数；
(b)基于所测量的参数确定所述气缸中燃烧的放热；
(c)基于所计算的放热识别所述空气/燃料充量的自动点火事件；以及
(d)至少部分地基于所识别的自动点火事件，控制所述发动机的操作，以引起下一燃烧阶段中的所述空气/燃料充量的自动点火事件，以朝向指定的曲柄角切换。
18.根据权利要求17所述的发动机控制系统，其特征在于，所述发动机控制系统包括压力传感器，所述压力传感器配置成测量所述发动机的所述气缸中的压力。
19.根据权利要求18所述的发动机控制系统，其特征在于，操作(a)包括：对缸内压力传感器进行采样，并且其中，操作(b)包括：基于所述缸内压力传感器的输出计算燃烧指标，所述燃烧指标包括所述气缸中燃烧的放热率。
20.根据权利要求17至19中任一权利要求所述的发动机控制系统，其特征在于，操作(c)包括：识别所述放热中的拐点，所述拐点表示未通过与传播的火焰前沿接触而点燃的所述空气/燃料充量部分的点火，并识别对应于所述拐点的所述气缸中活塞的曲柄角。
21.根据权利要求17至20中任一权利要求所述的发动机控制系统，其特征在于，操作(d)的对所述发动机的所述操作的控制包括：控制用于所述气缸的下一燃烧阶段的所述气缸中的点火正时中的至少一个或控制用于所述气缸的下一燃烧阶段的供应到所述气缸的排气的特性。
22.根据权利要求21所述的发动机控制系统，其特征在于，操作(d)包括：当所述自动点火事件发生在所述指定的曲柄角之后时，使所述点火正时提前；当所述自动点火事件发生在所述指定曲柄角之前时，使所述点火正时延迟。
23.根据权利要求21所述的发动机控制系统，其特征在于，操作(d)包括：通过控制微先导燃料喷射到所述气缸中的正时来控制点火正时。
24.根据权利要求21至23中任一权利要求所述的发动机控制系统，其特征在于，控制供应到所述气缸的排气的特性包括：控制供应到所述气缸的排气的量或排气的温度中的至少一者。
25.根据权利要求24所述的发动机控制系统，其特征在于，控制供应到所述气缸的排气的温度包括：利用冷却器旁路控制所述排气的温度。
26.根据权利要求17所述的发动机控制系统，其特征在于，操作(d)的对所述发动机的所述操作的控制包括控制以下中的至少一者：用于所述气缸的下一燃烧阶段的所述气缸中的点火正时、用于所述气缸的下一燃烧阶段的供应到所述气缸的排气的量、用于所述气缸的下一燃烧阶段的供应到所述气缸的排气的温度、在所述气缸的下一燃烧阶段中提供到所述气缸的所述空气/燃料充量的附加燃料的量、或空气/燃料进气歧管的温度。
27.根据权利要求26所述的发动机控制系统，其特征在于，控制空气/燃料进气歧管的温度包括：用中间冷却器控制所述空气/燃料进气歧管的所述温度。
28.根据权利要求17至27中任一权利要求所述的发动机控制系统，其特征在于，所述操作包括：
(e)确定所述气缸中的燃烧包括大于目标燃烧持续时间的燃烧阶段的燃烧持续时间；以及
(f)基于所述燃烧持续时间大于所述目标燃烧持续时间，控制用于所述气缸的下一燃烧阶段的供应到所述气缸的富集燃料。
29.根据权利要求28所述的发动机控制系统，其特征在于，操作(f)包括：控制供应到所述气缸的氢气。
30.根据权利要求17至29中任一权利要求所述的发动机控制系统，其特征在于，所述操作包括：对于所述发动机的每个气缸重复操作(a)－(d)。
31.一种控制发动机的方法，包括：
在所述发动机的气缸中的空气/燃料充量的燃烧期间，测量所述气缸中的缸内压力；
基于缸内压力测量值，确定由传播的火焰前沿引起的所述空气/燃料充量的点火之外的所述空气/燃料充量的自动点火；以及
控制点火正时、排气再循环或供应到所述气缸的辅助燃料中的至少一者以将所述自动点火的正时朝向指定的正时改变。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述指定的正时包括燃烧持续时间。
33.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述指定的正时包括被选择以使得由于所述空气/燃料充量的燃烧而导致所述气缸中的放热具有一个峰值的正时。
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