專利名稱：均質(zhì)充氣壓縮點火發(fā)動機的控制策略的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及均質(zhì)充氣壓縮點火(HCCI)發(fā)動機的操作和控制。
背景技術(shù)：
該部分的內(nèi)容僅提供與本發(fā)明有關(guān)的背景信息，且可能不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。已知的火花點火(Si)發(fā)動機將空氣/燃料混合物引入每個氣缸中，空氣/燃料混 合物在壓縮沖程中被壓縮并由火花塞點火。已知的壓縮點火發(fā)動機在壓縮沖程的上止點 (TDC)附近將加壓燃料噴入燃燒氣缸內(nèi)，加壓燃料在噴射后被點火。汽油發(fā)動機和柴油發(fā)動 機兩者的燃燒均包括由流體力學控制的預混合或擴散火焰。SI發(fā)動機能夠以多種不同的燃燒模式操作，包括均質(zhì)充氣SI燃燒模式和分層充 氣SI燃燒模式。SI發(fā)動機能夠被設(shè)置用于在預定速度/負載操作條件下以均質(zhì)充氣壓 縮點火(HCCI)燃燒模式操作，也可互換地稱為受控自動點火(HCCI)燃燒。受控自動點火 (HCCI)燃燒是由氧化化學作用控制的分布式、無火焰、自動點火燃燒過程。以受控自動點火 (HCCI)燃燒模式操作的發(fā)動機在進氣閥關(guān)閉時間時具有在組分、溫度以及殘余排氣方面優(yōu) 選是均質(zhì)的氣缸充氣。受控自動點火(HCCI)燃燒是一種分布式動態(tài)受控燃燒過程，其中發(fā) 動機用稀薄的空氣/燃料混合物(即，稀于空氣/燃料化學計量比點)操作，具有相對低的 峰值燃燒溫度，從而得到低氮氧化物(NOx)排放。均質(zhì)空氣/燃料混合物使得形成煙霧和 顆粒排放物的濃區(qū)域的出現(xiàn)最小化。受控自動點火(HCCI)燃燒在很大程度上取決于諸如在進氣閥關(guān)閉時氣缸充氣組 分、溫度和壓力的因素。因此，發(fā)動機的控制輸入必須被仔細協(xié)調(diào)以確保自動點火燃燒。受 控自動點火(HCCI)燃燒策略可以包括使用排氣再壓縮閥策略。排氣再壓縮閥策略包括通 過調(diào)節(jié)閥關(guān)閉定時截留來自前一發(fā)動機循環(huán)的熱殘余氣體來控制氣缸充氣溫度。在排氣再 壓縮策略中，排氣閥在上止點(TDC)之前關(guān)閉且進氣閥在TDC之后開啟，從而形成負閥重疊 (NVO)時段，在NVO時段中，排氣閥和進氣閥均關(guān)閉，從而截留排氣。進氣閥和排氣閥的開啟 定時優(yōu)選地相對于TDC進氣對稱。氣缸充氣組分和溫度均在很大程度上受到排氣閥關(guān)閉定 時的影響。具體地，排氣閥關(guān)閉越早，能夠保留的來自于前一循環(huán)的熱殘余氣體越多，留下 的用于進來的新鮮空氣質(zhì)量的空間越少，從而增加氣缸充氣溫度并降低氣缸氧氣濃度。在 排氣再壓縮策略中，排氣閥關(guān)閉定時和進氣閥開啟定時由NVO時段度量。在發(fā)動機操作中，發(fā)動機空氣流通過選擇性地調(diào)節(jié)進氣空氣節(jié)氣門閥的位置和調(diào) 節(jié)進氣閥和排氣閥的開啟和關(guān)閉來控制。在一個已知系統(tǒng)中，進氣閥和排氣閥的開啟和關(guān) 閉可以使用可變閥致動系統(tǒng)來完成，所述可變閥致動系統(tǒng)包括可變凸輪定相和可選擇多級閥升程，例如提供兩個或更多閥升程位置的多級凸輪凸角。多級閥升程機構(gòu)的閥位置的變 化可以是離散變化。在其它已知系統(tǒng)中，閥位置的變化可以是連續(xù)可變的。當發(fā)動機以受控自動點火(HCCI)燃燒模式操作時，發(fā)動機控制包括稀或化學計 量比空氣/燃料比操作，其中，節(jié)氣門寬開啟以使得發(fā)動機泵送損失最小化。當發(fā)動機以SI 燃燒模式操作時，發(fā)動機控制以化學計量比空氣/燃料比操作，其中，節(jié)氣門閥在從寬開啟 位置的0%至100%的位置范圍內(nèi)控制，以控制進氣空氣流從而實現(xiàn)化學計量比空氣/燃料 比。由于與不完全燃燒和燃燒穩(wěn)定性有關(guān)的問題，發(fā)動機能夠以受控自動點火(HCCI) 燃燒模式操作的發(fā)動機速度/負載操作范圍可能被限制。已知發(fā)動機系統(tǒng)在低速/低負載 操作條件(包括關(guān)閉節(jié)氣門/怠速條件和冷發(fā)動機操作)下會限制或禁止以受控自動點火 (HCCI)燃燒模式的發(fā)動機操作，以使得不完全燃燒和燃燒不穩(wěn)定最小化。

發(fā)明內(nèi)容
一種響應(yīng)于低負載需求操作多缸火花點火直接噴射內(nèi)燃機的方法，包括在低負 載操作期間在每個燃燒循環(huán)期間監(jiān)測與每個氣缸的燃燒相關(guān)的發(fā)動機狀態(tài)；基于所監(jiān)測的 與相應(yīng)氣缸的燃燒相關(guān)的發(fā)動機狀態(tài)來確定每個氣缸的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)；以及基于針對相 應(yīng)氣缸確定的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)來相對于每個氣缸的燃料噴射事件的結(jié)束獨立地調(diào)節(jié)火花 放電的開始。方案1. 一種響應(yīng)于低負載需求操作多缸火花點火直接噴射內(nèi)燃機的方法，包括在低負載操作期間在每個燃燒循環(huán)期間監(jiān)測與每個氣缸的燃燒相關(guān)的發(fā)動機狀 態(tài)；基于所監(jiān)測的與相應(yīng)氣缸的燃燒相關(guān)的發(fā)動機狀態(tài)來確定每個氣缸的燃燒穩(wěn)定 性指數(shù)；以及基于針對相應(yīng)氣缸確定的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)來相對于每個氣缸的燃料噴射事件的 結(jié)束獨立地調(diào)節(jié)火花放電的開始。方案2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，基于針對相應(yīng)氣缸確定的燃燒穩(wěn)定性指數(shù) 來相對于每個氣缸的燃料噴射事件的結(jié)束獨立地調(diào)節(jié)火花放電的開始，包括相對于燃料噴射事件的結(jié)束識別實現(xiàn)相應(yīng)氣缸的最小燃燒穩(wěn)定性指數(shù)的火花放 電的優(yōu)選開始。方案3.根據(jù)方案2所述的方法，其中，相對于燃料噴射事件的結(jié)束識別實現(xiàn)相應(yīng) 氣缸的最小燃燒穩(wěn)定性指數(shù)的火花放電的優(yōu)選開始包括相對于氣缸的燃料噴射事件的結(jié) 束將火花放電的開始從相對于燃料噴射事件結(jié)束的標稱火花定時選擇性地調(diào)節(jié)。方案4.根據(jù)方案3所述的方法，其中，相對于燃料噴射事件的結(jié)束選擇性地調(diào)節(jié) 火花放電的開始包括對火花放電的開始引入擾動。方案5.根據(jù)方案1所述的方法，還包括以混合模式燃燒模式操作多缸火花點火直 接噴射內(nèi)燃機。方案6. —種操作多缸火花點火直接噴射內(nèi)燃機的方法，包括以混合燃燒模式操作發(fā)動機，包括在每個燃燒循環(huán)期間在每個氣缸中執(zhí)行相應(yīng)的 第一、第二和第三燃料噴射事件；
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在每個燃燒循環(huán)期間確定與每個氣缸的燃燒相關(guān)的發(fā)動機狀態(tài)；基于相應(yīng)氣缸的發(fā)動機狀態(tài)來確定每個氣缸的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)；以及在每個燃燒循環(huán)期間在每個氣缸的相應(yīng)第三噴射事件之后開始實現(xiàn)相應(yīng)氣缸的 燃燒穩(wěn)定性指數(shù)的最小狀態(tài)的火花放電。方案7.根據(jù)方案6所述的方法，其中，在每個燃燒循環(huán)期間在每個氣缸的相應(yīng)第 三噴射事件之后開始實現(xiàn)相應(yīng)氣缸的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)的最小狀態(tài)的火花放電包括在低負載操作期間從相對于每個氣缸中相應(yīng)第三燃料噴射事件的標稱火花定時 調(diào)節(jié)火花放電的開始。方案8.根據(jù)方案7所述的方法，其中，在低負載操作期間從相對于每個氣缸中相 應(yīng)第三燃料噴射事件的標稱火花定時調(diào)節(jié)火花放電的開始包括對火花放電的開始引入擾動。方案9. 一種操作多缸火花點火直接噴射內(nèi)燃機的方法，所述內(nèi)燃機配置成在低 負載下控制進氣閥和排氣閥，所述方法包括控制進氣閥和排氣閥以實現(xiàn)負閥重疊時段；在每個氣缸的負閥重疊時段的再壓縮階段期間執(zhí)行相應(yīng)第一燃料噴射事件并進 行相應(yīng)第一火花放電；在每個氣缸的發(fā)動機循環(huán)的進氣階段期間執(zhí)行相應(yīng)第二燃料噴射事件；在每個氣缸的發(fā)動機循環(huán)的壓縮階段期間執(zhí)行相應(yīng)第三燃料噴射事件；確定每個氣缸的相應(yīng)燃燒穩(wěn)定性指數(shù)；以及在相應(yīng)第三噴射事件結(jié)束之后開始相應(yīng)第二火花放電，所述第二火花放電有效地 最小化相應(yīng)氣缸的相應(yīng)燃燒穩(wěn)定性指數(shù)。方案10.根據(jù)方案9所述的方法，其中，每個相應(yīng)燃燒穩(wěn)定性指數(shù)基于每個相應(yīng)氣 缸的燃燒定相和凈平均有效壓力中的一個來確定。方案11.根據(jù)方案9所述的方法，其中，每個相應(yīng)燃燒穩(wěn)定性指數(shù)基于多個燃燒循 環(huán)內(nèi)每個相應(yīng)氣缸的平均燃燒定相來確定。


現(xiàn)在將參考附圖通過例子描述一個或更多的實施例，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性發(fā)動機系統(tǒng)的示意圖；圖2以圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的各種燃燒模式的示例性速度和負載操作區(qū)域；圖3以圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器指令和發(fā)動機參數(shù)的對應(yīng)狀態(tài)；圖4和5是示出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機操作的數(shù)據(jù)圖；和圖6和7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機操作控制方案。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖，其中附圖的目的只是為了說明某些示例性實施例并不是為了限制 于此，圖1示意地顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例構(gòu)造的內(nèi)燃機10和附屬控制模塊5。示例性發(fā) 動機10是具有可在氣缸15內(nèi)滑動運動的往復活塞14的多缸直接噴射四沖程內(nèi)燃機，氣缸 15限定可變?nèi)莘e燃燒室16。每個活塞14連接到旋轉(zhuǎn)曲軸12，借此將線性往復活塞移動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運動。圖1中示出了氣缸15中的單個氣缸?？諝膺M氣系統(tǒng)提供進氣空氣給進氣歧管29，進氣歧管29引導并分配空氣進入至 每個燃燒室16的進氣通道?？諝膺M氣系統(tǒng)包括用以監(jiān)測和控制空氣流的空氣流管道系統(tǒng) 和裝置。所述裝置優(yōu)選地包括用以監(jiān)測空氣質(zhì)量流量和進氣空氣溫度的空氣質(zhì)量流量傳感 器32。節(jié)氣門閥34優(yōu)選地包括電控裝置，響應(yīng)來自控制模塊5的控制信號(ETC)而控制進 入發(fā)動機10的空氣流。岐管壓力傳感器36監(jiān)測進氣歧管29中的歧管絕對壓力和大氣壓 力。外部流動通道使殘余排氣從排氣歧管39再循環(huán)至進氣歧管29，外部流動通道具有稱為 排氣再循環(huán)(EGR)閥38的流量控制閥。控制模塊5優(yōu)選地通過控制EGR閥38的開啟幅度 來控制再循環(huán)至進氣歧管29的排氣質(zhì)量流量。通過一個或多個進氣閥20控制從進氣歧管29進入燃燒室16的空氣流。通過一個 或多個排氣閥18控制離開燃燒室16至排氣歧管39的排氣流。發(fā)動機10配備有控制進氣 閥20和排氣閥18的開啟和關(guān)閉的系統(tǒng)。在一個實施例中，進氣閥20和排氣閥18的開啟 和關(guān)閉可以分別使用可操作地連接到進氣和排氣可變凸輪定相/可變升程控制(VCP/VLC) 裝置22和24的進氣凸輪軸21和排氣凸輪軸23進行控制。進氣凸輪軸21和排氣凸輪軸 23的旋轉(zhuǎn)與曲軸12的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)且由曲軸12的旋轉(zhuǎn)標引，因此將進氣閥20和排氣閥18 的開啟和關(guān)閉與曲軸12和活塞14的位置相關(guān)聯(lián)。進氣VCP/VLC裝置22優(yōu)選地包括可操作響應(yīng)來自控制模塊5的控制信號 (INTAKE)針對每個氣缸15可變地控制進氣閥20的閥升程(VLC)并且可變地控制凸輪定相 (VCP)的可控機構(gòu)。排氣VCP/VLC裝置24優(yōu)選地包括可操作響應(yīng)來自控制模塊5的控制 信號(EXHAUST)針對每個氣缸15可變地控制排氣閥18的閥升程(VLC)并且可變地控制定 相(VCP)的可控機構(gòu)。VCP/VLC裝置22和24每個優(yōu)選地包括可操作將進氣和排氣閥20和 18的閥升程或開啟的幅度控制為兩個離散梯級中的一個的可控兩級可變升程機構(gòu)。兩個 離散梯級優(yōu)選地包括用于低速度和低負載操作的低升程閥開啟位置(在一個實施中大約 4-6mm)，以及用于高速度和高負載操作的高升程閥開啟位置(在一個實施中大約8_13mm)。 VCP/VLC裝置22和24優(yōu)選地包括可變凸輪定相機構(gòu)，用來分別控制進氣閥20和排氣閥18 開啟和關(guān)閉的定相(即，相對定時)。定相是指相對于曲軸12和活塞14在相應(yīng)氣缸15中 的位置來切換進氣和排氣閥20和18的開啟時間。VCP/VLC裝置22和24的可變凸輪定相 系統(tǒng)優(yōu)選地具有大約60° -90°曲軸旋轉(zhuǎn)的定相權(quán)限范圍，因此允許控制模塊5相對于每 個氣缸15的活塞14的位置提前或延遲進氣和排氣閥20和18中的一個的開啟和關(guān)閉。定 相權(quán)限范圍是由VCP/VLC裝置22和24定義和限制的。VCP/VLC裝置22和24包括確定進 氣和排氣凸輪軸21和23旋轉(zhuǎn)位置的凸輪軸位置傳感器。VCP/VLC裝置22和24使用由控 制模塊5控制的電動液壓、液壓和電控力中的一種來致動。發(fā)動機10包括燃料噴射系統(tǒng)，所述燃料噴射系統(tǒng)包括多個高壓燃料噴射器28，每 個高壓燃料噴射器28均適合于響應(yīng)來自控制模塊5的控制信號(JNJ Pff)將一定質(zhì)量的燃 料直接噴射到燃燒室16中。如本文使用的，燃料供應(yīng)指的是進入一個燃燒室16的燃料質(zhì) 量流量。燃料噴射器28從燃料分配系統(tǒng)供應(yīng)加壓燃料。發(fā)動機10包括火花點火系統(tǒng)，火花點火系統(tǒng)包括火花塞26，火花塞26響應(yīng)于來自 控制模塊5的控制信號(IGN)提供火花放電，以點火或輔助點火每個燃燒室16中的氣缸充 氣?；鸹ㄈ?6在某些條件(例如，在冷啟動期間和低負載操作極限值附近)增強對發(fā)動機10的每個氣缸15中的燃燒定時的控制。發(fā)動機10配備有用以監(jiān)測發(fā)動機操作的各種傳感裝置，包括配置成監(jiān)測曲軸旋 轉(zhuǎn)位置(即曲軸角度和速度)的曲軸傳感器42、配置成監(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、以及適合于在發(fā)動機10的持續(xù)操作期間實時監(jiān)測缸內(nèi)燃 燒的燃燒傳感器30。燃燒傳感器30是可操作監(jiān)測燃燒參數(shù)狀態(tài)的裝置并被描述為可操作 監(jiān)測缸內(nèi)燃燒壓力的氣缸壓力傳感器?？刂颇K5確定與從燃燒傳感器30和曲軸傳感器 42輸出的監(jiān)測信號相關(guān)的發(fā)動機狀態(tài)。發(fā)動機狀態(tài)優(yōu)選包括燃燒定相，即對于每個燃燒循 環(huán)而言相對于每個氣缸15的曲軸12的曲軸角度的燃燒壓力定時。與燃燒定相相關(guān)的一個 發(fā)動機狀態(tài)可以基于對于每個燃燒循環(huán)而言相對于一個氣缸15的曲軸12的曲軸角度的燃 燒壓力定時，且包括與50%燃料燃燒點相關(guān)的發(fā)動機曲軸角度，表示為CA50。從燃燒傳感 器30輸出的信號也可以由控制模塊5監(jiān)測以確定對于每個燃燒循環(huán)而言每個氣缸15的平 均有效壓力(IMEP)，據(jù)此可以確定每個氣缸的表示燃燒穩(wěn)定性或者替代地燃燒變化性的參 數(shù)。燃燒穩(wěn)定性或者燃燒變化性的指數(shù)是氣缸壓力的變化系數(shù)(IMEP的C0V)。燃燒穩(wěn)定性 或者燃燒變化性的替代性指數(shù)是IMEP的標準偏差(IMEP的Stdv.)。替代地，其它傳感系統(tǒng) 可以用來實時監(jiān)測可以轉(zhuǎn)換為燃燒定相和燃燒穩(wěn)定性的缸內(nèi)燃燒參數(shù)，例如離子傳感點火 系統(tǒng)以及非侵入式氣缸壓力監(jiān)測系統(tǒng)。各種可用級別的汽油及其輕乙醇混合物是優(yōu)選燃料；然而，在本發(fā)明的實施方式 中可以使用替代液體和氣體燃料，例如，較高乙醇混合物(例如，E80、E85)、純乙醇(E99)、 純甲醇(M100)、天然氣、氫氣、沼氣、各種重整物、合成氣等?？刂颇K5優(yōu)選地為通用數(shù)字計算機，包括微處理器或中央處理單元、存儲介質(zhì) (包括具有只讀存儲器和電可編程只讀存儲器的非易失性存儲器、隨機存取存儲器)、高速 時鐘、模擬_數(shù)字和數(shù)字_模擬電路、輸入/輸出電路和裝置以及適當?shù)男盘栒{(diào)節(jié)和緩沖電 路?？刂颇K5具有一套控制算法，包括儲存在非易失性存儲器中并被執(zhí)行用來提供需要 功能的常駐程序指令和標定值。算法優(yōu)選地在預設(shè)循環(huán)周期期間執(zhí)行。使用預設(shè)的標定 值，算法通過中央處理單元執(zhí)行并可以操作用來監(jiān)測來自上述感應(yīng)裝置的輸入以及執(zhí)行控 制和診斷例程來控制致動器的操作。循環(huán)周期能以規(guī)則的時間間隔執(zhí)行，例如在持續(xù)發(fā)動 機和車輛操作期間每3. 125,6. 25、12. 5、25和100毫秒?？商娲?，算法可以響應(yīng)事件的發(fā) 生而執(zhí)行。圖2以圖形示出了基于發(fā)動機操作點來操作發(fā)動機10的優(yōu)選燃燒模式，發(fā)動機操 作點在一定范圍的發(fā)動機速度(rpm)和負載(在該實施例中以燃料(mg)表示)內(nèi)顯示。 發(fā)動機10以對應(yīng)于發(fā)動機速度/負載操作點的火花點火(Si)燃燒模式、受控自動點火 (HCCI)燃燒模式和混合(混合模式HCCI)燃燒模式中的一種操作。在受控自動點火(HCCI) 燃燒模式和混合(混合模式HCCI)燃燒模式的操作范圍中可以有重疊(OVERLAP)。每種燃 燒模式與優(yōu)選速度和負載操作范圍相關(guān)聯(lián)。每種燃燒模式的優(yōu)選速度和負載操作范圍可以 基于發(fā)動機操作參數(shù)來確定，包括燃燒穩(wěn)定性、燃料消耗、排放、發(fā)動機扭矩輸出等。限定優(yōu) 選速度和負載操作范圍以界定在前述燃燒模式下操作的邊界優(yōu)選預先標定且存儲在控制 模塊5中。發(fā)動機10被控制以優(yōu)選空氣/燃料比操作以實現(xiàn)與發(fā)動機操作參數(shù)(包括燃燒 穩(wěn)定性、燃料消耗、排放和發(fā)動機扭矩輸出)中的一個或多個相關(guān)的優(yōu)選性能，進氣空氣流被控制以實現(xiàn)優(yōu)選空氣/燃料比。這包括基于在選定燃燒模式下的發(fā)動機操作估計氣缸空 氣充氣。節(jié)氣門閥34和VCP/VLC裝置22和24基于所估計氣缸空氣充氣來控制以實現(xiàn)進 氣空氣流率，包括在燃燒模式之間過渡期間?？諝饬魍ㄟ^調(diào)節(jié)節(jié)氣門閥34和控制VCP/VLC 裝置22和24來控制，以控制進氣閥20和排氣閥18的開啟定時和曲線。在每種燃燒模式 下的操作可能需要VCP/VLC裝置22和24在進氣閥20和排氣閥18的閥升程、持續(xù)時間和 定相以及節(jié)氣門閥34的開啟角度方面的不同設(shè)置。受控自動點火(HCCI)燃燒模式包括在節(jié)氣門閥34大致寬開啟的情況下操作發(fā)動 機10，其中，發(fā)動機10的燃料供應(yīng)被控制以實現(xiàn)稀空氣/燃料比且足以滿足輸出扭矩請求。 VCP/VLC裝置22和24優(yōu)選被控制在低升程閥開啟位置和在排氣閥18關(guān)閉和進氣閥20開 啟之間實現(xiàn)預定持續(xù)時間的負閥重疊(NVO)時段的定相，從而引起再壓縮時段。在再壓縮 時段期間，高溫殘余燃燒產(chǎn)物的高比例從前一燃燒循環(huán)保留且提供用于在高度稀釋的混合 物中自動點火燃燒充氣的條件。優(yōu)選地，存在單次燃料噴射事件，定時為在進氣沖程期間和 壓縮沖程早期發(fā)生?；鸹c火(Si)燃燒模式包括在節(jié)氣門閥34被控制以調(diào)節(jié)進氣空氣流的情況下操 作發(fā)動機10，其中，發(fā)動機10的燃料供應(yīng)被控制以實現(xiàn)化學計量比空氣/燃料比且足以滿 足輸出扭矩請求。VCP/VLC裝置22和24優(yōu)選被控制在高升程閥開啟位置和在排氣閥18關(guān) 閉和進氣閥20開啟之間實現(xiàn)正閥重疊的定相，從而保留來自于火花點火(Si)燃燒模式的 前一燃燒循環(huán)的小部分殘余燃燒產(chǎn)物。在不利于受控自動點火(HCCI)燃燒模式操作的條 件下，發(fā)動機10在受控節(jié)氣門操作的情況下以火花點火(Si)燃燒模式操作，以實現(xiàn)滿足輸 出扭矩請求的發(fā)動機功率?；旌?混合模式HCCI)燃燒模式包括在節(jié)氣門閥34寬開啟的情況下操作發(fā)動機 10。與參考受控自動點火(HCCI)燃燒模式所述的類似，VCP/VLC裝置22和24優(yōu)選被控制 在低升程閥開啟位置和在排氣閥18關(guān)閉和進氣閥20開啟之間實現(xiàn)預定持續(xù)時間的負閥 重疊(NVO)時段的定相，從而引起排氣再壓縮時段。對于每個燃燒循環(huán)，混合(混合模式 HCCI)燃燒模式優(yōu)選包括每個氣缸多個燃料噴射事件和在所述燃料噴射事件中的一個或多 個期間或緊接之后的多個火花事件。這包括將每個循環(huán)所需的總?cè)剂腺|(zhì)量分成至少三個燃 料噴射事件。圖3以圖形示出了在混合(混合模式HCCI)燃燒模式下的示例性發(fā)動機10的操 作，描繪為根據(jù)一個氣缸的發(fā)動機曲軸角度而變。示出了重復發(fā)生的膨脹、排氣、進氣和壓 縮燃燒循環(huán)。排氣閥IS(EV)和進氣閥20(IV)的開啟和關(guān)閉被示出，且包括負閥重疊時段 (NVO)，從而得到排氣再壓縮時段。第一燃料噴射事件(INJl)優(yōu)選在排氣再壓縮時段期間發(fā)生，如圖所示。相應(yīng)第一 火花放電(IGNl)在第一燃料噴射事件結(jié)束緊接之后開始以實現(xiàn)燃料重整。第二燃料噴射事件(INJ2)優(yōu)選在進氣沖程結(jié)束期間和壓縮沖程開始時發(fā)生。第 二燃料噴射事件包括每個循環(huán)所需的總?cè)剂腺|(zhì)量的主要燃料質(zhì)量部分以實現(xiàn)所需發(fā)動機 做功輸出。第二燃料噴射事件可以包括單個燃料噴射事件或多個燃料噴射事件，如圖所示。第三燃料噴射事件(INJ3)優(yōu)選在壓縮沖程后期發(fā)生，如圖所示。相應(yīng)第二火花放 電(IGN2)在第三燃料噴射事件結(jié)束緊接之后開始以實現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ト剂蠂娚涫录?，從而?現(xiàn)噴霧引導燃燒，即，改進在第二燃料噴射事件期間噴射的主要燃料質(zhì)量部分的自動點火的缸內(nèi)條件。示出了第三燃料噴射事件的結(jié)束點(E0I3)和第二火花放電的開始點(Spk2)。在 第三燃料噴射事件的結(jié)束點(E0I3)和第二火花放電的開始點(Spk2)之間優(yōu)選存在延遲時 段(△ CA)，以經(jīng)過的曲軸角度度量。優(yōu)選地，第一和第三燃料噴射事件中的每個期間噴射的 燃料質(zhì)量是足以實現(xiàn)本文所述目的的最小燃料質(zhì)量。優(yōu)選地，在混合(混合模式HCCI)燃 燒模式下操作期間，沒有與第二燃料噴射事件相關(guān)的火花放電。多個燃料噴射事件允許分離燃料噴射策略，其中，第一燃料噴射事件使得每個循 環(huán)所需的總?cè)剂腺|(zhì)量的第一部分在進氣閥20和排氣閥18均關(guān)閉且氣體溫度和氣缸壓力高 時在排氣再壓縮時段期間噴射。所噴射燃料經(jīng)過部分氧化，即重整反應(yīng)，以產(chǎn)生用于在做功 沖程中發(fā)生的受控自動點火(HCCI)的額外熱量。在排氣再壓縮時段期間導致低缸內(nèi)溫度 和燃料重整的低發(fā)動機負載條件可能不足以觸發(fā)燃燒充氣的自動點火。在該操作范圍中， 即在發(fā)動機怠速操作時和附近，第三噴射事件在燃燒循環(huán)的壓縮沖程后期噴射一定質(zhì)量的 燃料，稱為火焰?zhèn)鞑ト剂蠂娚涫录??；鹧鎮(zhèn)鞑ト剂蠂娚涫录侨紵?6中的分層噴霧引導 的燃料噴射事件，由第二火花放電(IGN2)點火，從而傳播燃燒波，壓縮燃燒室16中的剩余 燃料空氣混合物以實現(xiàn)其中的燃燒充氣的自動點火。在重整期間燃燒的燃料質(zhì)量大致對應(yīng) 于燃燒穩(wěn)定性(IMEP的C0V)和NOx排放。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在再壓縮時段期間重整的燃料質(zhì)量增 加時，NOx排放減少且燃燒穩(wěn)定性(IMEP的C0V)增加。圖4以圖形示出了根據(jù)本文所述的系統(tǒng)構(gòu)建的示例性發(fā)動機的各個氣缸的燃燒 穩(wěn)定性(IMEP的Stdv. (bar))，燃燒穩(wěn)定性(IMEP的Stdv. (bar))根據(jù)第三燃料噴射事件 的結(jié)束點(E0I3)和第二火花放電的開始點(Spk2)之間的延遲時段(ACA)而變，延遲時段 (ACA)以TDC前的曲軸角度度數(shù)為單位。結(jié)果表明包括第二和第三燃料噴射事件的結(jié)束點 的定時(E0I2和E0I3)的多個發(fā)動機操作條件。在壓縮沖程期間發(fā)生的燃料噴射和火花放 電的定時被調(diào)節(jié)以實現(xiàn)所需燃燒穩(wěn)定性，且在NVO時段期間的燃料噴射和火花放電的定時 被調(diào)節(jié)用于所需燃料重整量。達到所需發(fā)動機做功輸出所需的燃料的其余部分可以在第二 燃料噴射事件(INJ2)期間引入，包括在進氣沖程期間或壓縮沖程早期的一個或多個噴射 脈沖，以實現(xiàn)最佳燃料效率。結(jié)果表明，燃燒穩(wěn)定性受到第三燃料噴射事件的結(jié)束點(E0I3)和第二火花放 電的開始點(Spk2)之間的延遲時段(ACA)的影響。這些結(jié)果表明，存在優(yōu)選延遲時段 (ACApkf),包括實現(xiàn)與發(fā)動機操作條件相關(guān)的最小燃燒穩(wěn)定性(IMEP的C0V)的延遲時段。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，優(yōu)選延遲時段(ACApkf)可以受到發(fā)動機操作條件、與燃料噴射器 28相對于火花塞28的取向有關(guān)的燃燒室設(shè)計因素、以及與老化和燃料屬性相關(guān)的不可控 使用因素的影響。使用因素包括例如燃料組分、噴射器特性(包括老化)、熱歷史或者影響 自動點火和火花傳播過程的燃燒室沉積物。圖5示出了與各個發(fā)動機氣缸(氣缸#)相關(guān)的燃燒穩(wěn)定性(IMEP的Stdv. (kPa)) 的試驗結(jié)果，與對于氣缸1、2、3和4使用延遲時段(ACA)的固定標定值操作示例性多缸發(fā) 動機相關(guān)。結(jié)果顯示了對于在第三燃料噴射事件的結(jié)束點(E0I3)和第二火花放電的開始 點(Spk2)之間的兩個曲軸角度的延遲時段(ACA = 2)和在第三燃料噴射事件的結(jié)束點 (E0I3)和第二火花放電的開始點(Spk2)之間的三個曲軸角度的延遲時段(ACA = 3)的燃 燒穩(wěn)定性(IMEP的Stdv. (kPa))。具體結(jié)果包括在配置成以混合模式燃燒模式操作的示例性四缸發(fā)動機中在SOOrpm的發(fā)動機條件下操作時控制延遲時段(Δ CA)，其中，噴射5mg燃 料質(zhì)量。結(jié)果表明，在兩個曲軸角度的延遲時段(ACA = 2)時，氣缸#2具有比其它三個氣 缸顯著更差的燃燒穩(wěn)定性(IMEP的Stdv. (kPa))。在三個曲軸角度的延遲時段(Δ CA = 3) 時，與在兩個曲軸角度的延遲時段(ACA = 2)的情況下操作相比，氣缸#2的燃燒穩(wěn)定性顯 著改進，同時其它三個氣缸的燃燒穩(wěn)定性稍微惡化。因而，優(yōu)選延遲時段可以是依發(fā)動機內(nèi) 的氣缸而定，每個獨立氣缸j具有相關(guān)優(yōu)選延遲時段ACAPKF(j)。圖6和7示出了對于本文所述的多缸發(fā)動機10的η個獨立氣缸中的每個而言用 于確定和保持在優(yōu)選延遲時段ACAPKF(j)下的操作的控制方案600的要素?？刂品桨?00 參考以下操作條件描述，包括在響應(yīng)于扭矩輸出的低需求的混合燃燒模式下的低速低負載 發(fā)動機操作(605、610)。監(jiān)測燃燒，如本文所述，在一個實施例中包括確定在每個燃燒循環(huán) 內(nèi)每個氣缸j(j = 1-n)的燃燒定相(CA50)和平均有效壓力(IMEP) (615)。針對每個氣缸 j可以確定燃燒穩(wěn)定性指數(shù)CS (j)。在一個實施例中，燃燒穩(wěn)定性指數(shù)CS (j)是燃燒定相 (CA50)的算術(shù)平均，或者替代地是氣缸壓力的變化系數(shù)(IMEP的C0V) (620)。每個氣缸j的實現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性的最小變化性的在第三燃料噴射事件的結(jié)束點 (E0I3)和第二火花放電的開始(Spk2)之間的延遲時段ACA[min_var(CS(j))]被確定且優(yōu) 選與每個氣缸j的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)CS(j)相關(guān)。延遲時段ACA[min_var(CS(j))]優(yōu)選使 用反饋控制方案來確定。示例性反饋控制方案參考圖7描述。在以混合(混合模式HCCI)燃燒模式操作發(fā)動機10期間的燃燒穩(wěn)定性與燃燒定 時相關(guān)，即，延遲燃燒定時導致較差的燃燒穩(wěn)定性，且隨著燃燒定時提前，燃燒穩(wěn)定性改進。 控制方案600在低燃燒穩(wěn)定性的情況下實時確定實現(xiàn)每個氣缸的最提前燃燒定時的最佳 火花定時。針對氣缸j控制發(fā)動機操作的優(yōu)選延遲時段是實現(xiàn)氣缸j的燃燒穩(wěn)定性的最小 變化性的延遲時段，即ACA[min_var(CS(j))] (630)。圖7示意性地示出了根據(jù)本文所述的發(fā)動機10的配置成以受控自動點火(HCCI) 燃燒和混合(混合模式HCCI)燃燒模式操作的多缸發(fā)動機的單個氣缸j的示例性反饋控 制方案625的細節(jié)。應(yīng)當理解的是，存在多個反饋控制方案625，每個針對示例性多缸發(fā)動 機10中的一個氣缸j (j = 1-n)來執(zhí)行。每個反饋控制方案625被執(zhí)行以確定每個氣缸j 的實現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性的最小變化性且與氣缸j的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)CS(j)相關(guān)的在第三燃料 噴射事件的結(jié)束點(E0I3)和第二火花放電的開始點(Spk2)之間的延遲時段ACAQiiiru var (CS(J))J0為了便于描述，反饋控制方案625顯示為包括分立元件。應(yīng)當認識到，由這 些元件執(zhí)行的功能可以在一個或多個裝置中組合，例如，在軟件、硬件和/或?qū)Ｓ眉呻娐?中實施，包括在控制模塊5中執(zhí)行的一個或多個算法。 反饋控制方案625包括每個獨立氣缸j的極值搜索或自穩(wěn)定控制算法650，所述控 制算法650被執(zhí)行以識別獨立氣缸j的優(yōu)選間隔，即在第三燃料噴射事件的結(jié)束點(E0I3) 和第二火花放電的開始點(Spk2)之間的延遲時段ACA[min_var(CS(j))]。在一個實施例 中，通過改變第二火花放電的開始點(Spk2)并監(jiān)測相關(guān)燃燒穩(wěn)定性指數(shù)CS(j)(即，燃燒定 相CA50)，自穩(wěn)定控制算法650旨在定期地使燃燒擾動?；谠谌紵龜_動時獲得的梯度，自 穩(wěn)定控制算法650緩慢地調(diào)節(jié)第二火花放電的開始點(Spk2)，直到氣缸j的燃燒穩(wěn)定性指 數(shù)CS(j)達到局部最小值，例如參考圖4所示的ACApkf。由于在示例性HCCI發(fā)動機中當燃 燒定相CA50提前時顯示周期變化性減少，因而在多個燃燒循環(huán)內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)CS (j)
11(包括燃燒定相CA50的平均值)可以是周期變化性的可靠指示。因而，當燃燒定相CA50的 平均值達到最小值時，燃燒的周期變化性也最小化，從而改進選定獨立氣缸j的燃燒穩(wěn)定 性。存在標稱延遲時段Δ CAm(j)，標稱延遲時段ACAM(j)優(yōu)選被預先確定且對于 每個氣缸而言具有相同狀態(tài)或值。標稱延遲時段ACAm(J)通過依氣缸調(diào)節(jié)的延遲時段 ACAadj(J)獨立調(diào)節(jié)，延遲時段ACAAW(j)使用自穩(wěn)定控制算法650被確定以實現(xiàn)氣缸j的 優(yōu)選延遲時段ACA[min_var(CS(j))]且據(jù)此控制發(fā)動機10。自穩(wěn)定控制算法650監(jiān)測每個氣缸j的發(fā)動機操作，例如燃燒定相(CA50)，并據(jù)此 計算相關(guān)燃燒穩(wěn)定性指數(shù)CS (j)。燃燒穩(wěn)定性指數(shù)CS (j)取倒數(shù)(-1)且輸入給反饋控制回 路，反饋控制回路包括信號處理算法660。信號處理算法660包括周期函數(shù)發(fā)生器(a Sin(wt))670，周期函數(shù)發(fā)生器(a sin(wt))670在火花放電定時中緩慢地和定期地引入擾動。燃燒穩(wěn)定性指數(shù)CS(j)經(jīng)過高 通濾波器，高通濾波器的輸出與周期函數(shù)發(fā)生器(a sin(wt))670組合，優(yōu)選使用乘法函數(shù)。 乘法函數(shù)的信號輸出經(jīng)過低通濾波器和積分器函數(shù)(k/S)，且然后使用求和函數(shù)與周期函 數(shù)發(fā)生器(a sin (wt)) 670再次組合或分開，以確定調(diào)節(jié)延遲時段△ CAaw(j)，調(diào)節(jié)延遲時段 ACAadj(J)從自穩(wěn)定控制算法650輸出且與標稱延遲時段ACA^G)組合以確定氣缸j的 優(yōu)選延遲時段ACA[min_var(CS(j))]，用于以混合(混合模式HCCI)燃燒模式操作發(fā)動機 10。本發(fā)明已經(jīng)描述了某些優(yōu)選實施例及其變型。在閱讀和理解該說明書之后，本領(lǐng) 域技術(shù)人員可以想到其它的變型和改變。因此，本發(fā)明并不意在限于作為用于實現(xiàn)該發(fā)明 所構(gòu)想的最佳模式公開的具體實施例，而本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實 施例。
權(quán)利要求
1.一種響應(yīng)于低負載需求操作多缸火花點火直接噴射內(nèi)燃機的方法，包括 在低負載操作期間在每個燃燒循環(huán)期間監(jiān)測與每個氣缸的燃燒相關(guān)的發(fā)動機狀態(tài)； 基于所監(jiān)測的與相應(yīng)氣缸的燃燒相關(guān)的發(fā)動機狀態(tài)來確定每個氣缸的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)；以及基于針對相應(yīng)氣缸確定的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)來相對于每個氣缸的燃料噴射事件的結(jié)束 獨立地調(diào)節(jié)火花放電的開始。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，基于針對相應(yīng)氣缸確定的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)來相 對于每個氣缸的燃料噴射事件的結(jié)束獨立地調(diào)節(jié)火花放電的開始，包括相對于燃料噴射事件的結(jié)束識別實現(xiàn)相應(yīng)氣缸的最小燃燒穩(wěn)定性指數(shù)的火花放電的 優(yōu)選開始。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，相對于燃料噴射事件的結(jié)束識別實現(xiàn)相應(yīng)氣缸 的最小燃燒穩(wěn)定性指數(shù)的火花放電的優(yōu)選開始包括相對于氣缸的燃料噴射事件的結(jié)束將 火花放電的開始從相對于燃料噴射事件結(jié)束的標稱火花定時選擇性地調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，相對于燃料噴射事件的結(jié)束選擇性地調(diào)節(jié)火花 放電的開始包括對火花放電的開始引入擾動。
5.一種操作多缸火花點火直接噴射內(nèi)燃機的方法，包括以混合燃燒模式操作發(fā)動機，包括在每個燃燒循環(huán)期間在每個氣缸中執(zhí)行相應(yīng)的第 一、第二和第三燃料噴射事件；在每個燃燒循環(huán)期間確定與每個氣缸的燃燒相關(guān)的發(fā)動機狀態(tài)； 基于相應(yīng)氣缸的發(fā)動機狀態(tài)來確定每個氣缸的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)；以及 在每個燃燒循環(huán)期間在每個氣缸的相應(yīng)第三噴射事件之后開始實現(xiàn)相應(yīng)氣缸的燃燒 穩(wěn)定性指數(shù)的最小狀態(tài)的火花放電。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，在每個燃燒循環(huán)期間在每個氣缸的相應(yīng)第三噴 射事件之后開始實現(xiàn)相應(yīng)氣缸的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)的最小狀態(tài)的火花放電包括在低負載操作期間從相對于每個氣缸中相應(yīng)第三燃料噴射事件的標稱火花定時調(diào)節(jié) 火花放電的開始。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，在低負載操作期間從相對于每個氣缸中相應(yīng)第 三燃料噴射事件的標稱火花定時調(diào)節(jié)火花放電的開始包括對火花放電的開始引入擾動。
8.一種操作多缸火花點火直接噴射內(nèi)燃機的方法，所述內(nèi)燃機配置成在低負載下控制 進氣閥和排氣閥，所述方法包括控制進氣閥和排氣閥以實現(xiàn)負閥重疊時段；在每個氣缸的負閥重疊時段的再壓縮階段期間執(zhí)行相應(yīng)第一燃料噴射事件并進行相 應(yīng)第一火花放電；在每個氣缸的發(fā)動機循環(huán)的進氣階段期間執(zhí)行相應(yīng)第二燃料噴射事件； 在每個氣缸的發(fā)動機循環(huán)的壓縮階段期間執(zhí)行相應(yīng)第三燃料噴射事件； 確定每個氣缸的相應(yīng)燃燒穩(wěn)定性指數(shù)；以及在相應(yīng)第三噴射事件結(jié)束之后開始相應(yīng)第二火花放電，所述第二火花放電有效地最小 化相應(yīng)氣缸的相應(yīng)燃燒穩(wěn)定性指數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，每個相應(yīng)燃燒穩(wěn)定性指數(shù)基于每個相應(yīng)氣缸的燃燒定相和凈平均有效壓力中的一個來確定。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，每個相應(yīng)燃燒穩(wěn)定性指數(shù)基于多個燃燒循環(huán)內(nèi) 每個相應(yīng)氣缸的平均燃燒定相來確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及均質(zhì)充氣壓縮點火發(fā)動機的控制策略。一種響應(yīng)于低負載需求操作多缸火花點火直接噴射內(nèi)燃機的方法，包括在低負載操作期間在每個燃燒循環(huán)期間監(jiān)測與每個氣缸的燃燒相關(guān)的發(fā)動機狀態(tài)；基于所監(jiān)測的與相應(yīng)氣缸的燃燒相關(guān)的發(fā)動機狀態(tài)來確定每個氣缸的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)；以及基于針對相應(yīng)氣缸確定的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)來相對于每個氣缸的燃料噴射事件的結(jié)束獨立地調(diào)節(jié)火花放電的開始。
文檔編號F02D43/00GK102003323SQ20101027139
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者H·允, J-M·康 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司