專利名稱：Hcci發(fā)動機燃燒控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及均質充氣壓縮點燃(HCCI)火花點火式發(fā)動機，更具體地，涉及在這種發(fā)動機中的燃燒控制。
背景技術：
在HCCI發(fā)動機中，自動點火燃燒相位很強地依靠氣缸充氣溫度、組分和進氣門關閉時氣缸壓力。因而，諸如燃料量、燃料噴射正時、點火正時、EGR閥開度和進氣和排氣門輪廓的到發(fā)動機的輸入必須仔細地協(xié)調以確保那些關鍵氣缸變量在能夠穩(wěn)固地實現(xiàn)自動點火燃燒的范圍內。在這些輸入中，對氣缸變量有重要影響的最有效輸入是進氣和排氣門輪廓，有兩個與這些輪廓相關的主要氣門策略排氣再壓縮和排氣再換氣。
在排氣再壓縮策略中，通過在排氣沖程期間提前關閉排氣門而俘獲來自前次發(fā)動機循環(huán)的排氣同時以與排氣門關閉時間對稱的延遲時間開啟進氣門而控制氣缸充氣溫度。在此氣門策略中，氣缸充氣組分和溫度取決于在排氣沖程期間排氣門提前關閉的程度。例如，如果在排氣沖程中排氣門更提前關閉，則來自前次發(fā)動機循環(huán)的更多熱排氣會俘獲在氣缸中，留下較少的氣缸容積用于新鮮空氣質量，由此增加氣缸溫度，同時減少氣缸氧水平。在排氣再壓縮策略中，排氣門關閉正時(由此，進氣門開啟正時)通常由氣門重疊度量化，該氣門重疊度具有負值。負氣門重疊度(NVO)定義為排氣門關閉和進氣門開啟之間的曲軸角度范圍。
在排氣再換氣策略中，氣缸充氣溫度通過在進氣沖程期間再開啟排氣門而將熱排氣再引入到氣缸中來控制。在這個氣門策略中，氣缸充氣組分和溫度取決于在進氣沖程期間排氣門再開啟的升程。類似于排氣再壓縮策略，如果在進氣沖程中排氣門再開啟更高，則來自前次發(fā)動機循環(huán)的更多熱排氣將再引入到氣缸中，留下較少氣缸容積用于新鮮空氣質量，結果這將增加氣缸溫度，同時減少了氣缸的氧水平。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種方法，通過此方法HCCI燃燒相位能夠結合外部EGR使用排氣燃燒再壓縮策略或者排氣再換氣策略而被控制。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，內燃機在無節(jié)氣門下以均質充氣壓縮點燃而運行。以預定的外部EGR和內部EGR設置運行發(fā)動機。為進氣和排氣提供所期望的已燃氣體百分率。重復地確定進氣和排氣的當前已燃氣體百分率值，并且計算與相應的所期望的燃燒百分率設定點的差值。重復調節(jié)外部EGR和內部EGR設置，以將進氣和排氣的已燃氣體百分率值向其相應的設定點移動。當發(fā)動機在排氣再壓縮模式下運行時對內部EGR設置的調節(jié)針對負氣門重疊度設置進行。當發(fā)動機再排氣再換氣模式下運行時對內部EGR設置的調節(jié)針對排氣門升程再開啟設置進行。該方法還包括提供所期望的氣缸燃燒相位設定點。重復確定當前燃燒相位值，并且計算與期望氣缸燃燒相位設定點的差值。并且重復調節(jié)進氣的期望的已燃氣體百分率設定點，以減少當前燃燒相位值和期望的氣缸燃燒相位設定點之間的差值。燃燒相位設定點可以針對氣缸中的峰值壓力的位置或者為每個氣缸循環(huán)所供應燃料的一半燃燒的位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于內燃機在無節(jié)氣門下以HCCI燃燒運行的控制包括提供外部EGR和內部EGR設置的開環(huán)控制。該控制中還包括閉環(huán)控制，其提供進氣和排氣的期望的已燃氣體百分率設定點，和基于進氣和排氣的實際已燃氣體百分率與期望的已燃氣體百分率設定點之間的差值對外部EGR和內部EGR設置的調節(jié)。當發(fā)動機在排氣再壓縮模式下運行時，對內部EGR設置的調節(jié)針對負氣門重疊度設置進行。當發(fā)動機在排氣再換氣模式下運行時，對內部EGR設置的調節(jié)是針對排氣門升程再開啟設置進行。閉環(huán)控制還可以提供所期望的氣缸燃燒相位設定點，和基于實際燃燒相位和期望的氣缸燃燒相位設定點之間的差值針對進氣的期望的已燃氣體百分率設定點的調節(jié)。燃燒相位設定點可針對氣缸中的峰值壓力的位置或者針對為每個氣缸循環(huán)所供應燃料的一半燃燒的位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，內燃機在無節(jié)氣門下以均質充氣壓縮點燃運行。以預定的外部EGR設置運行發(fā)動機，并且提供進氣的所期望的已燃氣體百分率設定點。重復確定進氣的已燃氣體百分率值，并且計算與相應的進氣的期望已燃氣體百分率設定點的差值。重復調節(jié)外部EGR設置以將進氣的已燃氣體百分率值向進氣的期望已燃氣體百分率設定點移動。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，內燃機在無節(jié)氣門下以均質充氣壓縮點燃運行。以預定的內部EGR設置運行發(fā)動機，并且提供排氣的所期望的已燃氣體百分率設定點。重復確定排氣的已燃氣體百分率值，并且計算與相應的排氣的期望已燃氣體百分率設定點的差值。重復調節(jié)內部EGR設置以將排氣的已燃氣體百分率值向排氣的期望已燃氣體百分率設定點移動。當發(fā)動機在排氣再壓縮模式下運行時，對內部EGR設置的調節(jié)針對負氣門重疊度設置進行。當發(fā)動機在排氣再換氣模式下運行時，對內部EGR設置的調節(jié)針對排氣門升程再開啟設置進行。
結合附圖，從下面本發(fā)明的具體實施例的描述中，將更加充分理解本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點。


單個附圖1是具有根據(jù)本發(fā)明運行的控制系統(tǒng)的HCCI發(fā)動機的示意表示。
具體實施例方式
現(xiàn)在詳細地參照附圖，數(shù)字10一般表示示出能夠進行均質充氣壓縮點燃(HCCI)運行的發(fā)動機12和燃燒控制系統(tǒng)14，和用于控制發(fā)動機中燃燒的方法的框圖。
發(fā)動機12可以包括各種未示出的特征或者裝置，包括與進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)連接的產生動力的燃燒室(可以在具有往復運動活塞的氣缸中)、具有某形式的可變氣門正時以用于控制進入燃燒室的流體和從燃燒室排出的排氣流的進氣門和排氣門、和連接在進氣和排氣系統(tǒng)之間包括EGR閥的外部排氣再循環(huán)系統(tǒng)、以及用于將燃料供應到燃燒室并且點燃或者輔助點燃燃燒室中的可燃混合氣的燃料噴射和火花點火系統(tǒng)。
發(fā)動機12設計成以所噴射的汽油或者類似的混合物為燃料運行，無節(jié)氣門而在發(fā)動機速度和負荷的擴展的范圍上(若可行的話可以包括發(fā)動機起動)進行HCCI燃燒。然而，在沒有進行HCCI操作并且為獲得最大發(fā)動機功率的條件下火花點火和節(jié)氣門控制運行可以利用傳統(tǒng)的或者改進的控制方法進行?？蓱玫娜剂瞎呗钥梢园ㄖ苯託飧讎娚?、進氣口燃料噴射或者節(jié)氣門體燃料噴射。廣泛可用等級的汽油和輕乙醇混合物是優(yōu)選的燃料；然而，諸如更高的乙醇混合物(例如，E80、E85)、純乙醇(E99)、純甲醇(M100)、天然氣、氫氣、生物氣體、各種重整油、合成氣等的其它液體和氣體燃料也可以用來實現(xiàn)本發(fā)明。
所述的控制系統(tǒng)14和方法尤其與具有HCCI燃燒的發(fā)動機的無節(jié)氣門運行有關，其可包括備用的火花點火。燃燒控制系統(tǒng)14包括適于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的燃燒控制方法中重復的系列步驟或者功能的一個或者多個計算機或者控制器。主控制器包括前饋控制器16和反饋控制器18。
前饋控制器16產生到發(fā)動機的適合輸入，諸如點火正時、噴射正時、負氣門重疊度(在排氣再壓縮策略中的NVO)或者排氣門再開啟的升程(在排氣再換氣策略中)。附圖中的示例性前饋控制器16適于從表示所期望的發(fā)動機輸出的操作者控制(例如，節(jié)氣門踏板位置)，和從表示發(fā)動機RPM、進氣溫度、冷卻劑溫度和環(huán)境狀況的傳感器接收輸入信號。控制器16用于從查找表確定點火正時(當需要時)、EGR閥設定點、氣門正時和/或者升程設定點及燃料噴射正時的即時設置，并且計算進氣和排氣系統(tǒng)中已燃氣體的百分率。
前饋控制器基于廣泛的校準而設計以確保在穩(wěn)態(tài)工況下進行成功的HCCI燃燒。然而，僅僅利用前饋控制，燃燒相位會受到干擾和/或者環(huán)境變化的影響。干擾包括例如發(fā)動機速度和負荷的顯著或者快速變化，這些在車輛發(fā)動機運行中是必然發(fā)生的。
方框18表示反饋控制器，這是本發(fā)明的主題，并且其通過調節(jié)進氣和排氣系統(tǒng)中已燃氣體的百分率而在干擾和/或者環(huán)境變化條件下獲得穩(wěn)固的HCCI燃燒。方框20表示產生在進氣和排氣系統(tǒng)中已燃氣體百分率的預定設定點(在穩(wěn)態(tài)中所期望的值)的查找表，該查找表用于方框18中的反饋控制器并取決于發(fā)動機負荷和速度等。在方框22，進氣和排氣歧管中的已燃氣體百分率從所測量/估計的排氣空燃比(AF)和進氣氧百分比計算。
反饋控制器18從發(fā)動機傳感器接收和/或估算表示進氣或者系統(tǒng)中空燃比(AF)和氧百分比(O2百分比)的信號，并且計算如在方框22中表示的進氣和排氣已燃氣體百分率。
在本發(fā)明中，假定HCCI發(fā)動機12在無節(jié)氣門條件下以稀薄空燃混合氣運行。在假定以下事實即進氣門關閉時的氣缸壓力幾乎等于進氣歧管壓力和無節(jié)氣門工況下進氣歧管壓力幾乎等于環(huán)境壓力的情況下，氣缸溫度和氣缸中的氧水平(即，氧組分或者百分比)變成所要控制的最重要的變量。
由于氣缸溫度和氧水平不是以傳統(tǒng)的方式測量，需要尋找可測量的或者能夠以用于實時控制的合理精確度進行估計的備選變量。這樣的備選變量可以是在進氣和排氣歧管兩者中的已燃氣體百分率，其被定義分別為在進氣和排氣歧管中已燃氣體的質量百分比。
例如，一旦給定穩(wěn)態(tài)溫度和在進氣和排氣歧管中的已燃氣體百分率，穩(wěn)態(tài)氣缸溫度和氧水平基于能量平衡唯一確定。而且，由于HCCI燃燒(相位)是漸進地穩(wěn)定(在HCCI燃燒能夠穩(wěn)固地得到維持的工況下)，可知如果進氣和排氣歧管中的已燃氣體百分率通過控制EGR閥開度和進氣和用于負氣門重疊度(排氣再壓縮的NVO)排氣門正時或者排氣門再開啟的升程(排氣再換氣)而在穩(wěn)態(tài)值下被調節(jié)，則氣缸溫度和氧水平會收斂到這樣的穩(wěn)態(tài)值，該穩(wěn)態(tài)值由進氣和排氣歧管中的穩(wěn)態(tài)已燃氣體百分率唯一確定。
調節(jié)已燃氣體百分率為設定點的快速控制器能夠基于已燃氣體百分率的動態(tài)模型和各種控制設計技術而設計。所獲得的控制器由附圖中的反饋控制器18舉例說明。如果進氣歧管中的已燃氣體百分率沒有測量，則其能夠基于質量空氣流量和空燃比測量值來估算。進氣和排氣歧管處的所期望的燃燒氣體百分率以實驗的方式確定以獲得所期望的穩(wěn)態(tài)燃燒相位，并且存儲在如在圖中的方框20中所示的查找表中。
在工作中，反饋控制器18將進氣和排氣歧管中的所計算的已燃氣體百分率與在查找表20中發(fā)現(xiàn)的所期望的設定點進行比較。接著，調節(jié)EGR閥位置和(排氣再換氣)氣門升程或者(排氣再壓縮)負氣門重疊度(NVO)的讀數(shù)，使得氣門位置改變以接近所期望的進氣和排氣已燃氣體百分率。因而，在穩(wěn)態(tài)下并存在諸如速度和負荷變化的“干擾”以及在發(fā)動機運行期間偏離周圍狀況的HCCI運行期間，確保了穩(wěn)定的燃燒。
如果需要，該方法可以進一步修改成包括對諸如峰值壓力(LPP)的位置或者為每個氣缸循環(huán)所供應燃料的一半燃燒的位置的燃燒相位值的調節(jié)。該運行可包括以用于氣缸燃燒相位的預定設定點值運行發(fā)動機；重復確定當前燃燒相位值，并且從相應的設置計算差；重復地將調節(jié)施加到用于進氣歧管已燃氣體百分率的設定點值，以減少當前燃燒相位與相應設置的差；并且重復將調節(jié)施加到外部EGR和內部EGR設置以將進氣和排氣歧管已燃氣體百分率向其已調節(jié)設定點移動。
盡管本發(fā)明已經參照某些優(yōu)選實施例描述，應該了解到在所描述的本發(fā)明概念的精神和范圍內可以進行許多變化。因而，其意圖在于本發(fā)明不限于公開的實施例，而是其具有由所附權利要求的表述允許的全部范圍。
權利要求
1.一種控制內燃機在無節(jié)氣門下以HCCI燃燒運行的方法，所述方法包括以預定的外部EGR和內部EGR設置運行所述發(fā)動機；提供進氣和排氣的所期望的已燃氣體百分率設定點；重復地確定進氣和排氣的當前已燃氣體百分率值，并且計算與相應的所期望的燃燒百分率設定點的差值；和重復地對所述外部EGR和內部EGR設置進行調節(jié)，以將所述進氣和排氣的所述已燃氣體百分率值向其相應的設定點移動。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述進氣和排氣的當前已燃氣體百分率值從所選擇的發(fā)動機運行值確定。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，響應于基于進氣的所述當前已燃氣體百分率值和進氣的所述期望的已燃氣體百分率設定點之間差值的反饋，進行對所述外部EGR設置的所述調節(jié)。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，響應于基于排氣的所述當前已燃氣體百分率值和排氣的所述期望的已燃氣體百分率設定點之間差值的反饋，進行對所述內部EGR設置的所述調節(jié)。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，所述發(fā)動機在排氣再壓縮模式下運行，并且對所述內部EGR設置的所述調節(jié)針對負氣門重疊度設置進行。
6.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，所述發(fā)動機在排氣再換氣模式下運行，并且對所述內部EGR設置的所述調節(jié)針對排氣門升程再開啟設置進行。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括提供所期望的氣缸燃燒相位設定點；重復確定當前燃燒相位值，并且計算與所述期望的氣缸燃燒相位設定點的差值；和重復對進氣的所述期望的已燃氣體百分率設定點進行調節(jié)，以減少當前燃燒相位值和所述期望的氣缸燃燒相位設定點之間的差值。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，確定的燃燒相位值是氣缸中峰值壓力(LPP)的位置。
9.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，確定的燃燒相位值是為每個氣缸循環(huán)所供應燃料的一半燃燒的位置。
10.一種用于內燃機在無節(jié)氣門下以HCCI燃燒運行的控制，所述方法包括開環(huán)控制，提供外部EGR和內部EGR設置；和閉環(huán)控制，提供進氣和排氣的期望的已燃氣體百分率設定點，和基于進氣和排氣的實際已燃氣體百分率與所述期望的已燃氣體百分率設定點之間的差值對外部EGR和內部EGR設置的調節(jié)。
11.根據(jù)權利要求10所述的控制，其中，所述發(fā)動機在排氣再壓縮模式下運行，并且對所述內部EGR設置的所述調節(jié)針對負氣門重疊度設置進行。
12.根據(jù)權利要求10所述的控制，其中，所述發(fā)動機在排氣再換氣模式下運行，并且對所述內部EGR設置的所述調節(jié)針對排氣門升程再開啟設置進行。
13.根據(jù)權利要求10所述的控制，進一步包括所述閉環(huán)控制提供所期望的氣缸燃燒相位設定點，和基于實際燃燒相位與所述期望的氣缸燃燒相位設定點之間的差值對進氣的所述期望的已燃氣體百分率設定點的調節(jié)。
14.根據(jù)權利要求13所述的控制，其中，氣缸燃燒相位是針對所述氣缸中的峰值壓力(LPP)的位置。
15.根據(jù)權利要求13所述的控制，其中，氣缸燃燒相位是針對為每個氣缸循環(huán)所供應燃料的一半燃燒的位置。
16.一種控制內燃機在無節(jié)氣門下以HCCI燃燒運行的方法，所述方法包括以預定的外部EGR設置運行所述發(fā)動機；提供進氣的所期望的已燃氣體百分率設定點；重復地確定所述進氣的已燃氣體百分率值，并且計算與相應的進氣的期望已燃氣體百分率設定點的差值；和重復地對所述外部EGR設置進行調節(jié)以將進氣的所述已燃氣體百分率值向進氣的所述期望已燃氣體百分率設定點移動。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，進一步包括以預定的內部EGR設置運行所述發(fā)動機；提供排氣的所期望的已燃氣體百分率設定點；重復地確定排氣的已燃氣體百分率值，并且計算與排氣的所述期望的已燃氣體百分率設定點的差值；和重復地對所述外部EGR設置進行調節(jié)以將排氣的所述已燃氣體百分率值向排氣的所述期望已燃氣體百分率設定點移動。
18.一種控制內燃機在無節(jié)氣門下以HCCI燃燒運行的方法，所述方法包括以預定的內部EGR設置運行所述發(fā)動機；提供排氣的所期望的已燃氣體百分率設定點；重復地確定排氣的已燃氣體百分率值，并且計算與排氣的所述期望的已燃氣體百分率設定點的差值；和重復地對所述內部EGR設置進行調節(jié)以將排氣的所述已燃氣體百分率值向排氣的所述期望已燃氣體百分率設定點移動。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，所述發(fā)動機在排氣再壓縮模式下運行，并且對所述內部EGR設置的所述調節(jié)針對負氣門重疊度設置進行。
20.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，所述發(fā)動機在排氣再換氣模式下運行，并且對所述內部EGR設置的所述調節(jié)針對排氣門升程再開啟設置進行。
全文摘要
控制汽油發(fā)動機在無節(jié)氣門下以均質充氣壓縮點燃(HCCI)燃燒而運行的示例性方法包括使發(fā)動機以外部EGR和內部EGR設置的預定值及進氣和排氣的已燃氣體百分率設定點運行。對外部EGR和內部EGR設置進行相關調節(jié)以將排氣和進氣已燃氣體百分率向其狀態(tài)設定點移動。實際工況中的干擾效果由此被最小化。
文檔編號F02B47/08GK1989333SQ200580024483
公開日2007年6月27日 申請日期2005年7月14日 優(yōu)先權日2004年7月21日
發(fā)明者J·-M·姜 申請人:通用汽車公司