專利名稱：在均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中在低載操作條件下利用排氣再壓縮控制燃料重整的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及均質(zhì)充量壓燃("Hccr)式發(fā)動(dòng)機(jī)的操作和控制。
背景技術(shù)：
這部分的陳述僅提供與本公開有關(guān)的背景信息，有可能并不構(gòu)成 現(xiàn)有技術(shù)。
公知的火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料/空氣混合物引入各氣缸，在壓縮 沖程壓縮燃料/空氣混合物并由火花塞將其點(diǎn)燃。公知的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)
在壓縮沖程的上止點(diǎn)(以下稱為"TDC")附近將加壓燃料噴射到燃燒 缸，燃料在噴射時(shí)被點(diǎn)燃。汽油機(jī)和柴油機(jī)的燃燒涉及受流體力學(xué)控 制的預(yù)混焰或擴(kuò)散焰。
構(gòu)造用于火花點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)可適于在預(yù)定速度/負(fù)載操作條件下以
均質(zhì)充量壓燃(以下稱為"Hccr)模式操作，也稱為受控自點(diǎn)火燃燒。 受控自點(diǎn)火燃燒包括受氧化化學(xué)控制的分布式無焰自點(diǎn)火燃燒過程。
以HCCI模式操作的發(fā)動(dòng)機(jī)具有組份、溫度以及進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)的殘余排
氣優(yōu)選為均質(zhì)的吸入充量。受控自點(diǎn)火燃燒是分布式動(dòng)態(tài)可控的燃燒 過程，其中發(fā)動(dòng)機(jī)以稀薄燃料/空氣混合物(即，貧燃料/空氣化學(xué)計(jì)量
點(diǎn))操作，峰值燃燒溫度相對較低，從而引起低NOx排放。均質(zhì)燃料 /空氣混合物使形成煙霧和顆粒排放的富區(qū)的產(chǎn)生最少。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以HCCI模式操作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制包括貧空氣/燃料比操 作，其中節(jié)氣門大開以最小化發(fā)動(dòng)機(jī)泵送損失。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以火花點(diǎn)火
燃燒模式操作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制包括化學(xué)計(jì)量空氣/燃料比操作，其中節(jié) 氣門在從0%至100%的大開位置的位置范圍內(nèi)受控制以控制進(jìn)氣流從 而實(shí)現(xiàn)化學(xué)計(jì)量空氣/燃料比。公知在多氣缸HCC發(fā)動(dòng)機(jī)中，各氣缸中 的燃燒因各個(gè)燃料噴射器特性以及其它因素的差異而顯著變化。
公知發(fā)動(dòng)機(jī)氣門控制策略包括排氣再壓縮策略，以通過截獲來自 前一燃燒周期的熱殘余氣體而控制氣缸充量溫度。這可包括排氣門的 提前關(guān)閉正時(shí)以及相應(yīng)地進(jìn)氣門的延遲開啟正時(shí)，其優(yōu)選關(guān)于進(jìn)氣沖程的TDC與排氣門關(guān)閉正時(shí)對稱，從而形成負(fù)氣門重疊(以下稱為"NVO")時(shí)期。NVO時(shí)期定義為排氣門關(guān)閉和進(jìn)氣門開啟之間的曲柄角持續(xù)時(shí)間。氣缸充量的組份和溫度受排氣門關(guān)閉正時(shí)的影響。具體地說，來自前 一 燃燒周期的較大量的熱殘余氣體可由于排氣門的提前關(guān)閉而被保留，從而減少進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣量，導(dǎo)致氣缸充量溫度的升高以及氣缸充量氧氣濃度的降低。
例如，在低燃料加注速率下r不j^^在^Nv:時(shí)期，氣虹充量《溫度
可能阻止實(shí)現(xiàn)氣缸充量的穩(wěn)定自動(dòng)點(diǎn)火燃燒。已知的是，通過將燃料預(yù)噴射到燃燒室中而提高氣缸充量的溫度，優(yōu)選在NVO時(shí)期期間。在再壓縮期間預(yù)噴射的燃料的 一部分因壓力和溫度而進(jìn)行重整，釋放熱能并提高氣缸充量溫度，從而在壓縮沖程期間實(shí)現(xiàn)后繼主燃料加注產(chǎn)生的氣缸充量的自動(dòng)點(diǎn)火燃燒。已知的是自熱燃料重整的量是基于預(yù)噴射的燃料加注的量和正時(shí)的，且燃料重整隨著預(yù)噴射的燃料加注的正時(shí)越早和/或預(yù)噴射的燃料加注的燃料量越大而增加。已知的是燃料重整的量大于穩(wěn)定燃燒所需時(shí)可增大制動(dòng)燃料消耗率，而燃料重整的量小于穩(wěn)定燃燒所需時(shí)可增大燃燒不穩(wěn)定性。燃料重整可因噴射正時(shí)、捕獲的排氣溫度和壓力以及其它因素而異。

發(fā)明內(nèi)容
以受控自點(diǎn)火燃燒模式操作的直噴式火花點(diǎn)火多缸內(nèi)燃機(jī)包括直接燃料噴射系統(tǒng)、火花點(diǎn)火系統(tǒng)以及可控發(fā)動(dòng)機(jī)氣門系統(tǒng)。測量排氣供應(yīng)流的空氣/燃料比和進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量?；谶M(jìn)氣質(zhì)量空氣流量和發(fā)動(dòng)機(jī)燃料加注計(jì)算實(shí)際的空氣/燃料比?；跍y量到的質(zhì)量空氣流量調(diào)節(jié)排氣門關(guān)閉和進(jìn)氣門開啟之間的負(fù)氣門重疊時(shí)期的大小，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)選進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量。在負(fù)氣門重疊時(shí)期期間，基于測量的空氣/燃料比調(diào)節(jié)預(yù)噴射燃料加注正時(shí)。


以下參照附圖通過示例描述 一 個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，在附圖中圖1是根據(jù)本公開的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本公開的曲線圖；圖3是根據(jù)本公開的控制方案的示意框圖；以及 圖4是根據(jù)本公開的數(shù)據(jù)曲線。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖，其中這些圖僅用于說明某些示例性實(shí)施方式的目 的，并不用于對其進(jìn)行限制，圖1示意性示出示例性內(nèi)燃機(jī)IO以及伴 隨的控制模塊("CONTROL MODULE" ) 5，它們#^據(jù)本公開的實(shí)施方 式而構(gòu)造。發(fā)動(dòng)機(jī)IO選擇地以受控自點(diǎn)火模式和火花點(diǎn)火模式操作。 發(fā)動(dòng)機(jī)10包括多缸直噴式四沖程內(nèi)燃機(jī)，其具有可在氣缸15內(nèi)滑動(dòng) 運(yùn)動(dòng)的往復(fù)活塞14，其限定變?nèi)萘咳紵?6。各活塞14連接至旋轉(zhuǎn) 曲軸12,通過旋轉(zhuǎn)曲軸12將線性往復(fù)活塞行程轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在圖 1中示出了氣缸15中的單個(gè)氣缸。
進(jìn)氣系統(tǒng)將進(jìn)氣輸送到進(jìn)氣歧管29,進(jìn)氣歧管29將空氣引導(dǎo)并分 配到至每一燃燒室16的進(jìn)氣通道。進(jìn)氣系統(tǒng)包括氣流管道以及用于監(jiān) 測并控制氣流的裝置。這些裝置優(yōu)選包括用于監(jiān)測空氣質(zhì)量流量以及 進(jìn)氣溫度的空氣質(zhì)量流量傳感器32。優(yōu)選包括電子控制裝置的節(jié)氣門 34響應(yīng)于來自控制模塊5的控制信號("ETC")控制至發(fā)動(dòng)機(jī)10的氣 流。壓力傳感器36適于監(jiān)測進(jìn)氣歧管29中的歧管絕對壓力。外流道 (未示出)受排氣再循環(huán)(以下稱為"EGR，，)控制閥38的控制使來 自排氣歧管39的排氣再循環(huán)至進(jìn)氣歧管29?？刂颇K5通過控制EGR 控制閥38的開度而控制至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的排氣質(zhì)量流。
一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣門20控制從進(jìn)氣通道進(jìn)入燃燒室16的氣流。一 個(gè)或多個(gè)排氣門18控制從燃燒室16流出至排氣歧管39的排氣流。進(jìn) 氣門20和排氣門18的開啟和關(guān)閉優(yōu)選由雙凸輪軸(如所示)控制， 該凸輪軸的旋轉(zhuǎn)與曲柄軸12的旋轉(zhuǎn)相聯(lián)并隨其轉(zhuǎn)位。裝置22優(yōu)選包 括可控機(jī)構(gòu)，其操作成響應(yīng)于來自控制模塊5的控制信號("INTAKE") 可變地控制各氣缸15的進(jìn)氣門20的氣門升程("VLC，，)以及凸4侖相 位("VCP")。裝置24優(yōu)選包括可控機(jī)構(gòu)，其操作成響應(yīng)于來自控制 模塊5的控制信號("EXHAUST")可變地控制各氣缸15的排氣門18 的氣門升程("VLC")和凸輪相位("VCP")。裝置22和24均優(yōu)選包 括可控兩級(two-step)氣門升程機(jī)構(gòu)，其操作成將氣門升程或開度大 小控制成兩個(gè)離散階段中的一個(gè)，例如用于低速、低負(fù)載操作的低升程氣門開啟位置(約4-6mm)以及用于高速、高負(fù)載操作的高升程氣門開啟位置(約8-10mm)。裝置22和24包括可變凸輪相位機(jī)構(gòu)，以分別控制進(jìn)氣門20和排氣門18的開啟和關(guān)閉相位(即，相對正時(shí))。可變凸輪相位機(jī)構(gòu)相對于曲軸12和活塞14的位置改變氣門開啟.時(shí)刻，這稱為定相。優(yōu)選的VCP系統(tǒng)可具有約60°-90°的曲柄旋轉(zhuǎn)的定相權(quán)限范圍，因此允許控制模塊5相對于活塞14的位置提前或延遲進(jìn)氣門20和排氣門18之一的開啟和關(guān)閉。定相權(quán)限范圍由裝置22和24來限定和限制。裝置22和24包括凸輪軸位置傳感器(未示出)，以確定進(jìn)排氣凸輪軸(未示出)的旋轉(zhuǎn)位置。裝置22和24使用由控制模塊5控制的電液、液壓或電子控制力來致動(dòng)。裝置22和24以及進(jìn)氣門20和排氣門18是可控發(fā)動(dòng)機(jī)氣門系統(tǒng)中所包含的元件。
可通過對進(jìn)氣門20或排氣門18或者對二者的相位和/或升程量進(jìn)行控制而對裝置22和24進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)負(fù)氣門重疊時(shí)期。通過使排氣門18的相位提前并相應(yīng)地延遲進(jìn)氣門20的相位而實(shí)現(xiàn)負(fù)氣門重疊時(shí)期。在排氣沖程結(jié)束且下一進(jìn)氣沖程開始時(shí)形成負(fù)氣門重疊時(shí)期，在該時(shí)期期間氣缸15的進(jìn)氣門20和排氣門18都關(guān)閉。在各負(fù)氣門重疊時(shí)期，燃料被預(yù)噴射到燃燒室16中以進(jìn)行重整。可通過調(diào)節(jié)預(yù)噴射燃料加注的正時(shí)和量控制預(yù)噴射的燃料的重整部分?？赏ㄟ^使預(yù)噴射燃料加注的曲柄角正時(shí)提前和/或增大預(yù)噴射燃料加注量而增大燃料重整。類似地，可通過延遲預(yù)噴射燃料加注的曲柄角正時(shí)和/或通過減小預(yù)噴射燃料加注量而減小燃料重整。
燃料噴射系統(tǒng)包括多個(gè)高壓燃料噴射器28,這些噴射器響應(yīng)于來自控制模塊5的一個(gè)或多個(gè)控制信號("INJ_PW")將一定量的燃料直接噴射到各燃燒室16中。燃料噴射器28供應(yīng)有來自燃料分配系統(tǒng)(未示出)的加壓燃料?？稍诟魅紵芷诘膶Ω鳉飧?5的單個(gè)燃料加注事件期間噴射燃料。在以受控自點(diǎn)火模式操作期間，對于各燃燒周期各氣缸15可存在多個(gè)燃料加注事件，包括燃燒周期的負(fù)氣門重疊時(shí)期期間的預(yù)噴射燃料加注以及優(yōu)選在壓縮沖程期間發(fā)起的主燃料加注。來自控制模塊5的控制信號由用于燃料噴射啟動(dòng)的曲柄角正時(shí)以及噴射脈沖寬度持續(xù)時(shí)間構(gòu)成。根據(jù)限定氣缸15中的活塞14的位置的曲柄角限定各燃料噴射事件的啟動(dòng)正時(shí)，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間限定為將預(yù)定燃料量從燃料噴射器28噴射到氣缸15中。
8火花點(diǎn)火系統(tǒng)向火花塞26提供火花能量，用于響應(yīng)于來自控制模 塊5的控制信號("IGN")點(diǎn)燃或輔助點(diǎn)燃各燃燒室16中的氣缸充量。 火花塞26在某些條件下，例如在冷啟動(dòng)以及接近低負(fù)載操作極限期間， 促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)10的各氣缸15中的燃燒相位控制。
在發(fā)動(dòng)機(jī)IO正在操作期間，感測裝置監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)操作，其包括操 作成監(jiān)測曲軸旋轉(zhuǎn)位置(即，曲柄角)和速度的曲柄傳感器42、適于 監(jiān)測排氣供應(yīng)流中的空氣/燃料比的寬范圍空氣/燃料比傳感器40、以及 適于實(shí)時(shí)監(jiān)測氣缸內(nèi)燃燒的燃燒傳感器30。燃燒傳感器30包括操作成 監(jiān)測燃燒參數(shù)狀態(tài)的傳感器裝置，并示出為操作成監(jiān)測氣缸內(nèi)燃燒壓 力的氣缸壓力傳感器。燃燒傳感器30和曲柄傳感器42的輸出由控制 模塊5監(jiān)測，該控制模塊5確定燃燒相位，即相對于各燃燒周期各氣 缸15的曲軸12的曲柄角和活塞14的位置的燃燒壓力正時(shí)。燃燒傳感 器30也可由控制模塊5監(jiān)測以針對各燃燒周期確定各氣缸15的平均 有效壓力(以下稱為"IMEP")。另選的是，可使用其它感測系統(tǒng)監(jiān)測 可轉(zhuǎn)換成燃燒相位的實(shí)時(shí)氣缸內(nèi)燃燒參數(shù)，例如離子傳感點(diǎn)火系統(tǒng)以 及非侵入式氣缸壓力監(jiān)測系統(tǒng)。
在以受控自點(diǎn)火燃燒模式操作期間，發(fā)動(dòng)機(jī)IO在擴(kuò)展范圍的發(fā)動(dòng) 機(jī)速度和負(fù)載上未節(jié)流地(un-throttled)操作汽油或類似的混合燃料。 在未導(dǎo)致受控自點(diǎn)火燃燒模式操作的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)IO通過受控節(jié)流 操作而操作于火花點(diǎn)火燃燒模式，以獲得滿足操作員扭矩需求的發(fā)動(dòng) 機(jī)功率?？蓮V泛獲得的分級汽油及其輕乙醇混合燃料是優(yōu)選燃料；但
醇混合物(IE80、 E85)、純乙醇(E99)、純甲醇(MIOO)、天然氣、 氬氣、沼氣、各種重整油、合成氣及其它燃料。
控制模塊5優(yōu)選包括通用數(shù)字計(jì)算機(jī)，所述通用數(shù)字計(jì)算機(jī)通常 包括微處理器或中央處理單元、包括非易失性存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)(包 括只讀存儲(chǔ)器(ROM)和電可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)、隨機(jī)存取 存儲(chǔ)器(RAM))、高速時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、輸入/輸 出電路和裝置、以及適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)和緩存電路。控制模塊5具有一 套控制算法，包括存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中的駐留程序指令和標(biāo)定值， 并被執(zhí)行以提供各計(jì)算機(jī)相應(yīng)的功能。在預(yù)定循環(huán)周期執(zhí)行所述算法， 使得每個(gè)循環(huán)周期至少執(zhí)行一次各算法。通過中央處理單元來執(zhí)行算法，以監(jiān)測前述感測裝置的輸入，并執(zhí)行控制和診斷程序以使用預(yù)定標(biāo)定值來控制致動(dòng)器的操作。在正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛操作期間，
循環(huán)周期以有規(guī)則的間隔執(zhí)行，例如每3.125、 6.25、 12.5、 25和100毫秒。可選地，可響應(yīng)于事件的發(fā)生來執(zhí)行算法。
圖2示意性地示出了基于發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的狀態(tài)(在該實(shí)施方式中，包括可從發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)(包括發(fā)動(dòng)機(jī)燃料流和進(jìn)氣歧管29的壓力)獲得的速度("RPM")和負(fù)載("LOAD")),在火花點(diǎn)火和受控自點(diǎn)火燃燒模式中示例性發(fā)動(dòng)機(jī)IO的優(yōu)選操作范圍。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模式優(yōu)選包括噴射引導(dǎo)火花點(diǎn)火("SI-SG")模式、單噴射受控自點(diǎn)火("HCCI-Sr)模式和雙噴射受控自點(diǎn)火("HCCI-DI")模式、以及均質(zhì)火花點(diǎn)火
("SI-H")模式。每一燃燒模式的優(yōu)選速度和負(fù)載操作范圍基于發(fā)動(dòng)機(jī)操作參數(shù)，包括燃燒穩(wěn)定性、燃料消耗、排放、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出及其它參數(shù)。限定描述前述燃燒模式中操作的優(yōu)選速度和負(fù)載操作范圍的界限優(yōu)選是事先標(biāo)定的，并存儲(chǔ)在控制模塊5中。
圖3示出了控制模塊5中執(zhí)行的控制方案，用于以受控自點(diǎn)火燃燒模式操作內(nèi)燃機(jī)10。監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件、外界條件以及操作員扭矩請求?？刂颇K5基于操作員扭矩請求，發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件和外界條件確定優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)，以發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載的形式描述?？刂颇K5基于發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件以及外界條件確定總?cè)剂霞幼⒘俊?yōu)選空氣/燃料比設(shè)定點(diǎn)("AFR—PRF")以及優(yōu)選的質(zhì)量空氣流量設(shè)定點(diǎn)
("MAF一PRF")，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件、外界條件以及優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)被輸入前饋控制器110,其確定控制狀態(tài)，包括火花點(diǎn)火正時(shí)("IGN，，)、預(yù)噴射燃料加注正時(shí)("INJ—1—CA")和預(yù)噴射燃料加注脈寬("INJ—1—PW")、主燃料加注正時(shí)("INJ—2—CA，，)和主燃料加注脈寬("INJ—2—PW")、以及任何后繼燃料噴射事件(未示出)，它們被輸出至發(fā)動(dòng)機(jī)10以在各燃燒周期期間實(shí)現(xiàn)其控制。前饋控制器110還確定進(jìn)氣門20和排氣門18的優(yōu)選負(fù)氣門重疊時(shí)期
("NVO")以及裝置22和24的相應(yīng)控制狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)該優(yōu)選負(fù)氣門重疊時(shí)期?？刂破渌l(fā)動(dòng)機(jī)操作狀態(tài)，包括例如EGR流。
控制模塊5監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)10的操作，包括利用空氣質(zhì)量流量傳感器32測量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量("MAF")以及利用寬范圍空氣/燃料比傳感器40測量排氣空氣/燃料比("AFR，，)。計(jì)算實(shí)際的空氣/燃料比，包括由進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量除以總發(fā)動(dòng)機(jī)燃料加注構(gòu)成的數(shù)學(xué)比。確定 優(yōu)選的空氣/燃料比設(shè)定點(diǎn)與測量的排氣空氣/燃料比之差，確定優(yōu)選的 質(zhì)量空氣流量設(shè)定點(diǎn)與測量的質(zhì)量空氣流量之差，并輸入反饋控制器
120。反饋控制器120確定負(fù)氣門重疊時(shí)期的調(diào)節(jié)("NVO—ADJ")以 及預(yù)噴射燃料加注的曲柄角正時(shí)的調(diào)節(jié)("CA一ADJ"),它們與負(fù)氣門 重疊時(shí)期("NVO")以及預(yù)噴射燃料加注的曲柄角正時(shí)("INJ—1—CA，，) 相結(jié)合，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)10的操作。優(yōu)選的是，該控制方案在控制模塊 5中作為一個(gè)或多個(gè)算法執(zhí)行。
示例性寬范圍空氣/燃料比傳感器40產(chǎn)生具有可用于控制發(fā)動(dòng)機(jī) 10的特征的輸出信號。寬范圍空氣/燃料比傳感器40的輸出信號包括 泵送電流Ip,其如下表述為等式1中的兩個(gè)電流分量之和
iP = IPl+ipr; [i]
其中Iw包括與排氣中的氧氣的局部壓力相對應(yīng)的正電流，Ipr包括 與排氣中的氫氣和一氧化碳的局部壓力相對應(yīng)的負(fù)電流。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)10 在不進(jìn)行燃料重整的燃燒模式下或負(fù)氣門重疊時(shí)期操作時(shí)，在貧排氣 環(huán)境中可忽略負(fù)電流Ipr，因?yàn)榕艢夤?yīng)流中的氫氣和一氧化碳的濃度 不顯著。類似地，在富排氣環(huán)境中泵送電流Ip近似等于負(fù)電流Ipr，因 為排氣供應(yīng)流中的氧氣濃度可忽略。電流Ipl和Ipr與排氣供應(yīng)流中的氧 氣量成正比，并與排氣供應(yīng)流中可燃?xì)怏w的完全燃燒反應(yīng)所需的氧氣 量成正比，如等式2中的以下公式所示
co+、 =co2
2 2 2
2 [2]
因而，泵送電流Ip對應(yīng)于不進(jìn)行燃料重整的排氣供應(yīng)流中的實(shí)際 空氣/燃料比。然而，在氧氣濃度改變的情況下正電流I^的變化率與在
可燃?xì)怏w改變的情況下負(fù)電流Ipr的變化率并不相同。在化學(xué)計(jì)量空氣/ 燃料比或其附近，正電流Ip,的敏感度大約比負(fù)電流Ipr的敏感度小四倍。 這是由于氫氣、 一 氧化碳和氧氣在寬范圍空氣/燃料比傳感器40中的擴(kuò) 散速率不同。例如， 一氧化碳分子的質(zhì)量與氧氣分子的質(zhì)量類似，即
11二者以大致相同的速率擴(kuò)散通過寬范圍空氣/燃料比傳感器40的多孔
層，而氫氣由于分子質(zhì)量更小而以比氧氣更快的速率擴(kuò)散。因而，貧排氣供應(yīng)流中存在一氧化碳和氫氣之類的可燃?xì)怏w，則由于多孔層中
一氧化碳和氫氣濃度而需要過量的氧氣來補(bǔ)償負(fù)電流Ipr，從而致使產(chǎn)生比不具有可燃?xì)怏w時(shí)所產(chǎn)生的更低的泵送電流Ip。貧排氣供應(yīng)流限定為由于更高的氫氣擴(kuò)散速率而具有比完成等式2中可燃?xì)怏w的燃燒
反應(yīng)所必需的更多的氧氣量。因而，來自寬范圍空氣/燃料比傳感器40
的測量到的空氣/燃料比低于排氣供應(yīng)流中的實(shí)際空氣/燃料比，并且空氣燃料比誤差的大小，即測量空氣/燃料比與實(shí)際空氣/燃料比之差，與
一氧化碳和氫氣濃度成比例。在操作中，發(fā)動(dòng)機(jī)10由控制模塊5通過算法編碼的執(zhí)行來控制，以基于從寬范圍空氣/燃料比傳感器40輸出的測量的空氣/燃料比來控制燃料重整。
由于來自隨燃料重整而來的主燃燒事件的高溫，噴射燃料的重整產(chǎn)生氫氣和二氧化碳的顯著缸內(nèi)濃度，如以下在等式3中所述
CnHm+x02+(2n-2x)H20 H n CO,十(2n - 2x+丘)H2
_ 2 [3]
其中，n、 m和x由噴射燃料的分子結(jié)構(gòu)和氧氣濃度限定。圖4示出通過操作根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)10構(gòu)造的發(fā)動(dòng)機(jī)以及上述控制系統(tǒng)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)10操作，且預(yù)噴射燃料加注的曲柄角正時(shí)在在發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄角的范圍上變化。結(jié)果示出從寬范圍空氣/燃料比傳感器40輸出的測量空氣/燃料比("A/F (M)，，)與從排放實(shí)驗(yàn)臺(tái)(emissionbench)測得的基于碳的空氣/燃料比("A/F ( A )")之差，并且燃燒相位由已燃50%燃料量的曲柄角位置("CA50 (deg aTDC )，，)指示，在按照上止點(diǎn)之前的曲柄角度測量的預(yù)噴射燃料加注正時(shí)("Inj. Timingdeg bTDC")的范圍上繪出。從排放實(shí)驗(yàn)臺(tái)測得的基于碳的空氣/燃料比("A/F (A)，，)代表實(shí)際空氣/燃料比，以上描述為通過進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量除以由控制模塊5確定的總發(fā)動(dòng)機(jī)燃料加注而計(jì)算出的數(shù)學(xué)比。結(jié)果揭示出隨著預(yù)噴射燃料加注正時(shí)被滯后或延遲，燃燒相位提前并且由于燃料重整量增大，空氣/燃料比之差("A/F( A ) - A/F( M )，，)變大。因而，可基于測量的空氣/燃料比與實(shí)際空氣/燃料比之差確定燃料重整量。
因此，可通過控制從寬范圍空氣/燃料比傳感器40輸出的測量的空 氣/燃料比并控制實(shí)際空氣/燃料比而控制燃料重整量。可通過控制至發(fā)
動(dòng)機(jī)的總?cè)剂霞幼⒉⒖刂七M(jìn)氣門20和排氣門18的開啟和關(guān)閉正時(shí)以
控制流入發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量空氣流量而控制實(shí)際空氣/燃料比。
圖3中示出的控制方案表明在空氣質(zhì)量流量傳感器32處測得質(zhì)量 空氣流量，并控制噴射至各燃燒室16中的由預(yù)噴射燃料加注和主噴射 燃料加注構(gòu)成的總?cè)剂狭?。該控制方案操作成控制NVO以控制空氣流， 從而獲得針對總?cè)剂狭康膬?yōu)選實(shí)際空氣/燃料比。同時(shí)，基于寬范圍空 氣/燃料比傳感器40輸出的信號將測量的空氣/燃料比控制成優(yōu)選的測 量空氣/燃料比，優(yōu)選通過控制燃料噴射器28以調(diào)節(jié)預(yù)噴射燃料加注正 時(shí)從而調(diào)節(jié)燃料重整進(jìn)行。優(yōu)選的測量空氣/燃料比低于優(yōu)選的實(shí)際空 氣/燃料比。實(shí)際空氣/燃料比與進(jìn)氣流成比例。測量空氣/燃料比與燃料 重整的實(shí)際量成反比。因而，獨(dú)立控制實(shí)際空氣/燃料比和測量空氣/ 燃料比。利用確定負(fù)氣門重疊時(shí)期的調(diào)節(jié)("NVO—ADJ")以及預(yù)噴射 曲柄角("CA_ADJ")的調(diào)節(jié)的多輸入、多輸出控制技術(shù)設(shè)計(jì)反饋控制 器120。
控制模塊5基于參照圖2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載操作條件控制 處于受控自點(diǎn)火模式的內(nèi)燃機(jī)10的操作。受控自點(diǎn)火模式優(yōu)選包括在 指令節(jié)氣門34大開的情況下操作發(fā)動(dòng)機(jī)10。計(jì)算并執(zhí)行燃料噴射正時(shí) 和燃料噴射量，以在各燃燒室16中產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)速度/負(fù)載操作點(diǎn)的 均質(zhì)燃料/空氣充量，從而滿足發(fā)動(dòng)機(jī)和操作員請求。該控制方法被歸 納成存儲(chǔ)在控制模塊5中的可執(zhí)行算法編碼。
本公開描述了某些優(yōu)選實(shí)施方式及其變型。通過閱讀并理解說明 書，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)想到進(jìn)一步變型及變更。因此，本公開理應(yīng)不 局限于作為實(shí)施本公開而更構(gòu)想的最佳模式而公開的具體實(shí)施方式
， 而是本公開包括落于所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種用于操作內(nèi)燃機(jī)的方法，該內(nèi)燃機(jī)包括直接燃料噴射系統(tǒng)、火花點(diǎn)火系統(tǒng)以及可控發(fā)動(dòng)機(jī)氣門系統(tǒng)，該方法包括使所述發(fā)動(dòng)機(jī)操作在受控自點(diǎn)火模式中；測量排氣供應(yīng)流中的空氣/燃料比；測量進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量；基于測量的進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量和發(fā)動(dòng)機(jī)燃料加注確定實(shí)際的空氣/燃料比；基于所述測量的進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量調(diào)節(jié)排氣門關(guān)閉與進(jìn)氣門開啟之間的負(fù)氣門重疊時(shí)期的大??；以及在所述負(fù)氣門重疊時(shí)期期間基于所述測量的空氣/燃料比控制預(yù)噴射燃料加注正時(shí)。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括 確定優(yōu)選的發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)；基于所述優(yōu)選的發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)確定優(yōu)選的進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量；以及基于所述優(yōu)選的進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量與所述測量的進(jìn)氣質(zhì)量空氣流 量之差調(diào)節(jié)排氣門關(guān)閉與進(jìn)氣門開啟之間的所述負(fù)氣門重疊時(shí)期的大 小。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，包括增大排氣門關(guān)閉與進(jìn)氣門開啟 之間的所述負(fù)氣門重疊時(shí)期以減小所述測量的進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，包括減小排氣門關(guān)閉與進(jìn)氣門開啟 之間的所述負(fù)氣門重疊時(shí)期以增大所述測量的進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中使所述發(fā)動(dòng)機(jī)操作在受控自點(diǎn) 火模式中包括將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣節(jié)氣門控制至基本大開位置，以及控制包 括所述預(yù)噴射燃^十加注和主燃對牛加注在內(nèi)的發(fā)動(dòng)才幾燃料加注的噴射正 時(shí)。
6. 如^f又利要求5所述的方法，包括計(jì)算所述發(fā)動(dòng)機(jī)燃料加注的實(shí)際空氣/燃料比； 確定燃料重整量；以及在所述負(fù)氣門重疊時(shí)期期間基于燃料重整量和所述實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)空 氣/燃料比控制所述預(yù)噴射燃料加注正時(shí)。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，包括基于所述實(shí)際空氣/燃料比與 所述測量空氣/燃料比之差確定所述燃料重整量。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，包括在所述負(fù)氣門重疊時(shí)期期間使 所述預(yù)噴射燃料加注正時(shí)提前，以增大所述燃料重整量。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，包括在所述負(fù)氣門重疊時(shí)期期間使 所述預(yù)噴射燃料加注正時(shí)延遲，以減小所述燃料重整量。
10. 如權(quán)利要求3所述的方法，包括同時(shí)相等地使排氣門關(guān)閉提前 和使進(jìn)氣門開啟延遲，以增大所述負(fù)氣門重疊時(shí)期的大小。
11. 如權(quán)利要求3所述的方法，包括同時(shí)相等地使排氣門關(guān)閉延遲 并使進(jìn)氣門開啟提前，以減小所述負(fù)氣門重疊時(shí)期的大小。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，包括基于所述測量的空氣/燃料比 和所述測量的質(zhì)量空氣流量調(diào)節(jié)所述負(fù)氣門重疊時(shí)期的大小并在所述 負(fù)氣門重疊時(shí)期期間控制所述預(yù)噴射燃料加注正時(shí)。
13. —種用于操作處于受控自點(diǎn)火燃燒模式的內(nèi)燃機(jī)的方法，該方 法包括確定優(yōu)選的發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)；基于所述優(yōu)選的發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)確定燃料加注速率、優(yōu)選的空氣/燃 料比和優(yōu)選的質(zhì)量空氣流量；測量排氣供應(yīng)流的空氣/燃料比； 測量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的質(zhì)量空氣流量；基于所述測量的質(zhì)量空氣流量和所述燃料加注速率確定實(shí)際的空 氣/燃料比；基于所述優(yōu)選的空氣/燃料比控制發(fā)動(dòng)機(jī)氣門正時(shí)，以獲得優(yōu)選的 負(fù)氣門重疊時(shí)期；以及在所述負(fù)氣門重疊時(shí)期控制預(yù)噴射燃料加注正時(shí)以實(shí)現(xiàn)優(yōu)選的燃 料重整量。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，包括基于所述實(shí)際的空氣/燃料比 與所述測量的空氣/燃料比之差確定所述燃料重整量。
15. 如4又利要求14所述的方法，還包括基于所述實(shí)際的空氣/燃料比與所述測量的空氣/燃料比之差確定 所述燃料重整量；以及通過使所述預(yù)噴射燃料加注正時(shí)提前以增大所述燃料重整量而增大所述實(shí)際的空氣/燃料比與所述測量的空氣/燃料比之差。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包括通過使所述預(yù)噴射燃料加 注正時(shí)延遲以減小所述燃料重整量而減小所述實(shí)際的空氣/燃料比與所 述測量的空氣/燃料比之差。
17. —種用于控制在受控自點(diǎn)火燃燒模式中操作的直噴火花點(diǎn)火 式內(nèi)燃機(jī)中的燃料重整的方法，該方法包括基于操作員扭矩請求確定優(yōu)選的發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)； 基于所述優(yōu)選的發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)確定燃料加注速率、優(yōu)選的空氣/燃 料比以及優(yōu)選的質(zhì)量空氣流量；測量排氣供應(yīng)流的空氣/燃料比； 測量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的質(zhì)量空氣流量；基于所述測量的質(zhì)量空氣流量和所述燃料加注速率確定實(shí)際的空 氣/燃料比；以及在負(fù)氣門重疊時(shí)期期間基于所述實(shí)際的空氣/燃料比與所述測量的 空氣/燃料比之差控制預(yù)噴射燃料加注正時(shí)。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，還包括在所述負(fù)氣門重疊時(shí)期期 間使所述預(yù)噴射燃料加注正時(shí)提前，以增大燃料重整量。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，還包括在所述負(fù)氣門重疊時(shí)期期 間使所述預(yù)噴射燃料加注正時(shí)延遲，以減小燃料重整量。
20. 如權(quán)利要求17所述的方法，還包括基于所述優(yōu)選的空氣/燃料 比控制發(fā)動(dòng)機(jī)氣門正時(shí)，以獲得優(yōu)選的負(fù)氣門重疊時(shí)期。
全文摘要
在受控自點(diǎn)火燃燒模式中操作的直噴式火花點(diǎn)火多缸內(nèi)燃機(jī)包括直接燃料噴射系統(tǒng)、火花點(diǎn)火系統(tǒng)以及可控發(fā)動(dòng)機(jī)氣門系統(tǒng)。測量排氣供應(yīng)流中的空氣/燃料比以及進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量，基于進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量和發(fā)動(dòng)機(jī)燃料加注計(jì)算實(shí)際空氣/燃料比?；跍y量的質(zhì)量空氣流量調(diào)節(jié)排氣門關(guān)閉和進(jìn)氣門開啟之間的負(fù)氣門重疊時(shí)期的大小。在所述負(fù)氣門重疊時(shí)期期間基于測量空氣/燃料比調(diào)節(jié)預(yù)噴射燃料加注正時(shí)。
文檔編號F02D41/32GK101646854SQ200880010065
公開日2010年2月10日 申請日期2008年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日
發(fā)明者C·-F·張, J·康, T·擴(kuò) 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司