均质充量压燃式发动机的发动机空转预热

摘要

利用最小限定的燃料质量计划和喷射正时以及简单插值技术在发动机温度的预热区域内对均质充量压燃式发动机供给燃料。

说明书

技术领域

[0001]本发明总体上涉及内燃机控制系统，更具体地，涉及控制均质充量压燃式发动机的方法和设备。

背景技术

[0002]一种为受控自燃燃烧运行而开发的发动机系统包括设计成在奥托循环下运行的内燃机。该发动机(配备有直接的缸内燃料喷射)在一定的发动机运行条件下以受控自燃模式运行以实现提高的发动机燃料效率。在一定的运行条件期间，采用火花点火系统来补充自燃燃烧过程。这样的发动机被称为均质充量压燃式(HCCI)发动机。

[0003]在HCCI燃烧模式下运行的HCCI发动机在燃烧室中产生燃后气体、空气和燃料的充量混合物，且在压缩冲程期间，在充量混合物内从很多点火处同时开始自燃，结果导致稳定的动力输出、高的热效率和低排放。燃烧被高度稀化且均匀地分布在整个充量混合物中，结果导致低的燃后气体温度和显著低于火花点燃式发动机或者柴油发动机的NO_x排放的NO_x排放。

[0004]已经在采用常规压缩比的两冲程汽油发动机中证明了HCCI。相信在两冲程发动机燃烧室中从前一周期剩余的高比例燃后气体(即，残留量)，是造成提供促进高度稀化混合物中的自燃所需的高混合物温度的原因。

[0005]在具有传统气门机构的四冲程发动机中，残留量低，难以实现部分载荷下的HCCI。在低的部分载荷下引发HCCI的公知方法包括：1)加热吸入空气，2)可变压缩比，和3)将汽油和助燃剂混合以产生比汽油更易点燃的混合物。在所有上述方法中，能够实现HCCI的发动机速度和载荷范围相对狭窄。已经在采用一定的气门控制策略利用可变气门致动的四冲程汽油发动机中证明了拓展了范围的HCCI，其中气门控制策略实现了用于在高度稀化的混合物中进行HCCI所需的来自前一燃烧周期的高比例残留燃烧产物。采用这样的气门策略，使用常规的压缩比，极大扩展了能够实现HCCI的发动机速度和载荷范围。一种这样的气门策略包括通过在排气冲程期间早点关闭排气门以及短的气门升程来俘获和再压缩排气。可使用可变凸轮相位器和两级升程凸轮来执行这样的气门控制。

[0006]然而上述的HCCI发动机运行策略是在完全预热的发动机运行条件下基于大量的稳定状态测试的，冷起动和发动机预热操作提出了关于预热期间发动机运行温度所经历的多样性方面的另外的挑战，这表现在不期望的燃烧稳定性和排放。

发明内容

[0007]一种四冲程内燃机，包括：直接喷射燃料系统、火花点火系统、和由在汽缸内的在上止点和下止点之间往复运动的活塞所限定的可变容积燃烧室、进气和排气通道、以及在所述活塞的重复且顺次的排气、吸气、压缩和膨胀冲程期间受控的进气门和排气门。提供与在预先限定的发动机运行的预热温度区域内的多个不重叠温度区域中的每个区域相对应的燃料质量。在预先限定的发动机运行的预热温度区域内确定发动机温度。以及，在介于该多个不重叠温度区域中的两个相邻区域之间的温度区域内，基于与该两个相邻的不重叠温度区域相对应的燃料质量和发动机温度，对燃料质量进行插值。

附图说明

[0008]现在将以举例的方式参照附图描述一个或多个实施例，附图中：

[0009]图1是适用于根据本发明的HCCI和SI运行模式的示例性内燃机的示意图；

[0010]图2示出了根据本发明，用于发动机预热的低温子区域火花辅助HCCI控制策略；

[0011]图3示出了根据本发明，用于发动机预热的中温子区域火花辅助HCCI控制策略；

[0012]图4示出了根据本发明，用于发动机预热的高温子区域火花辅助HCCI控制策略；以及

[0013]图5示出了为了在根据本发明在发动机预热控制中使用的，与发动机运行温度相关联的示例性燃料质量输送计划。

具体实施方式

[0014]现在参照附图，其中所示出的仅仅出于说明某些示例性实施例的目的，而不是为了限制这些实施例的目的。图1示出了根据本发明一个实施例构造的控制系统25和内燃机10的示意图。所示实施例被应用为总控制方案的一部分，用以操作适于在受控自燃过程下运行的示例性多缸、火花点火、直接喷射、汽油、四冲程内燃机，其中受控自燃过程也被称为均质充量、压燃(HCCI)模式。

[0015]在执行气门和供给燃料控制以及获取本文所包含的各种数据时，利用了具有大致12至13的压缩比的自然吸气、四冲程、单缸、0.55升、受控自燃、汽油直接喷射供给燃料的内燃机。除非另有具体说明，假设所有这样的执行和获取是在如本领域普通技术人员所理解的标准条件下实施的。

[0016]示例性发动机10包括铸造金属的发动机汽缸体和发动机盖27，多个汽缸形成于发动机汽缸体中，示出了其中一个汽缸。每个汽缸包括封闭端汽缸，可动的往复运动活塞11插入在其中。在每个汽缸中形成有可变容积的燃烧室20，其由汽缸壁、可动活塞11和盖27限定。发动机汽缸体优选地包括发动机冷却剂流体经过的冷却剂通道29。可操作以监测冷却剂流体温度的冷却剂温度传感器37位于合适的位置，并向控制系统25提供表示在发动机控制中有用的发动机运行温度的参数信号输入。发动机优选地包括包含了外部排气再循环(EGR)阀和进气节流阀(未示出)的公知系统。

[0017]每个可动活塞11包括根据公知的活塞形成方法设计的装置，并且包括顶部和基本上与其运行所在的汽缸相符的本体。活塞具有在燃烧室中暴露的顶部或冠部区域。每个活塞通过销34和连杆33连接于曲轴35。曲轴35在接近发动机汽缸体底部的主要承载区域处可旋转地附接于发动机汽缸体，使得曲轴能够围绕垂直于由每个汽缸所限定的纵轴线的轴线旋转。曲柄传感器31放置在合适的位置，其可操作以生成可被控制器25利用来测量曲柄角度的信号，并且该信号还可被译读以提供可在各种控制方案中使用的曲轴旋转、速度和加速度的测量值。在发动机运行期间，由于连接到曲轴35和曲轴35的旋转、以及燃烧过程，所以每个活塞11在汽缸中以往复的方式上下运动。曲轴的旋转动作实现了在燃烧期间施加于每个活塞上的线性力向曲轴的角度转矩输出的转变，该转矩输出可被传递给另一个装置，例如车辆的传动系。

[0018]发动机盖27包括具有通向燃烧室20的一个或多个进气口17和一个或多个排气口19的铸造金属装置。进气口17向燃烧室20供应空气。燃后(燃烧过的)气体经由排气口19从燃烧室20流出。通过致动一个或多个进气门21来控制经过每个进气口的空气流。通过致动一个或多个排气门23来控制经过每个排气口的燃后气体流。

[0019]进气门21和排气门23每个都具有头部，该头部包含暴露于燃烧室的顶部。气门21、23中的每个都具有连接于气门致动装置的杆。标记为60的气门致动装置可操作以控制每个进气门21的打开和关闭，第二气门致动装置70可操作以控制每个排气门23的打开和关闭。气门致动装置60、70中的每个都包括信号连接于控制系统25并可操作以共同地或单独地控制每个气门的打开和关闭的正时、持续时间和幅度的装置。示例性发动机的一个实施例包括双顶置凸轮系统，其具有作为气门致动装置60、70的一部分的可变升程控制(VLC)装置和可变凸轮相位(VCP)装置。VCP装置可操作以控制每个进气门和每个排气门的打开和关闭相对于曲轴旋转位置的正时，并将每个气门打开一固定的曲柄角持续时间。VLC装置可操作以将气门升程的幅度控制到两个位置中的一个：一个位置是到3-5mm升程，打开持续时间为120-150度的曲柄角度，另一个位置是到9-12mm升程，打开持续时间为220-260度的曲柄角度。各个气门致动装置能起相同的作用以实现相同的效果。气门致动装置优选地由控制系统25根据预定的控制方案进行控制。也可以使用包括了例如完全柔性的电或电-液压装置的替代性可变气门致动装置，其具有这样的进一步益处：独立打开和关闭相位控制，以及在系统极限内的基本上无限的气门升程可变性。本文描述了用于控制气门的打开和关闭的控制方案的一个具体方面。

[0020]空气通过进气歧管通道50进入进气口17，进气歧管通道50接收经过了公知的空气计量装置和节流装置(未示出)的滤后空气。排气从排气口19进入排气歧管42，排气歧管42包括可操作以监测排气供给流的组成并确定与其相关联的参数的排气传感器40。排气传感器40可包括若干公知传感装置中的任何一种，该传感装置可操作以提供包括空气/燃料比在内的排气供给流的参数值或者排气组成(例如，NO_x、CO、HC及其它)的测量值。系统可包括用于监测燃烧压力的缸内传感器16、或非介入式压力传感器、或推断地确定的压力确定(例如通过曲轴加速度)。上述传感器和计量装置每个都提供作为控制系统25的参数输入的信号。控制系统可利用这些参数输入来确定燃烧性能测量值。

[0021]控制系统25优选地包括可操作以提供发动机10和其它系统的协调系统控制的总控制架构的子集。在总体运行中，控制系统25可操作以综合操作者输入、环境条件、发动机运行参数和燃烧性能测量值，并执行算法以控制各种致动器，从而实现包括诸如燃料经济性、排放、性能和驾驶性能这样的参数在内的控制参数的目标。控制系统25可操作地连接于多个装置，通过这些装置操作者控制或指引发动机的运行。当发动机被用在车辆中时，示例性操作者输入包括加速踏板、制动踏板、变速器档位选择器和车辆速度巡航控制。控制系统可通过局域网(LAN)总线(未示出)与其它控制器、传感器和致动器通信，局域网总线优选地允许在各种控制器之间进行控制参数和指令的结构化通信。

[0022]控制系统25可操作地连接于发动机10，并且用于从传感器获取参数数据以及通过合适的接口45控制发动机10的多种致动器。控制系统25基于操作者输入，接收发动机转矩指令并生成所期望的转矩输出。由控制系统25利用前述传感器感测的示例性发动机运行参数包括发动机冷却剂温度、曲轴旋转速度(rpm)和位置、歧管绝对压力、环境空气流量和温度、以及环境空气压力。燃烧性能测量值可包括测量的和推断的燃烧参数，这些燃烧参数中除了其它参数之外还包括空气/燃料比、峰值燃烧压力的位置。

[0023]由控制系统25控制的致动器包括：燃料喷射器12；VCP/VLC气门致动装置60、70；火花塞14，其可操作地连接于点火模块以控制火花停留(spark dwell)和正时；EGR阀(未示出)，以及电子节气门控制模块(未示出)。燃料喷射器12优选地可操作以将燃料直接喷射到每个燃烧室20中。通过控制系统25利用火花塞14在发动机速度和载荷运行范围的一些部分上提高对示例性发动机的点火正时控制。当示例性发动机在纯HCCI模式下运行时，该发动机不使用通电的火花塞。但是，已经证实在某些条件下，期望使用火花点火来补充HCCI模式，这些条件包括，例如在冷起动期间使用以防止结垢，以及根据在接近低载荷极限的低载荷运行条件下的本发明的某些方面。同样，已经证实，在HCCI模式中在高载荷运行极限下、以及在节流或未节流的火花点火运行中处于高速度/载荷运行条件下时，使用火花点火是优选的。

[0024]控制系统25优选地包括通用数字计算机，该计算机通常包括微处理器或中央处理单元、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、高速时钟、模数(A/D)和数模(D/A)转换电路、以及输入/输出电路和装置(I/O)和合适的信号调节及缓冲电路。每个控制器具有一套控制算法，包括存储在ROM中并执行以提供每台计算机相应功能的常驻程序指令和标定。

[0025]可在预设的循环期间执行用于发动机控制的算法。存储在非易失性存储器装置中的算法由中央处理单元执行，并且可操作以监测来自传感装置的输入，并执行控制和诊断例程以利用预设的标定来控制发动机的运行。可在正在进行的发动机运行期间以有规律的时间间隔，例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒，执行循环周期。替代地，可响应于事件的发生或中断请求而执行算法。

[0026]现在参照图2-图5，示出了根据本发明在实施发动机空转预热运行中采用的协调的气门、燃料供应和火花控制。图2-图4中的每幅图沿着水平轴示出了发动机曲柄角，其中参照了对应于活塞的排气冲程和吸气冲程(TDC吸气)之间的上止点(TDC)的零点。位于活塞的压缩冲程和膨胀冲程(TDC燃烧)之间的TDC发生在与TDC排气分开360度曲柄角度时。进气和排气门升程由竖直轴表示并且通常包括如所示的低和高的升程点，它们对应于由示例性硬件实施例的示例性两级升程凸轮实现的低和高升程凸轮的升程。图2-图4中的每幅图分别对应于在预先限定的发动机空转预热运行区域内的发动机运行的低温、中温和高温预热子区域。这样的发动机空转预热运行区域通常对应于从大约30摄氏度并低于大约80至90摄氏度的发动机运行温度，并且意在包括低温和高温子区域。中温子区域仅仅意在位于低温和高温子区域之间、中间或居间，而并非意在受限于任何严格的中间点、中值、平均值或其它对“中”的数学、代数、统计或几何定义。对低温、中温和高温区域的参照可以理解成指代本发明的发动机空转预热运行区域的低温、中温和高温预热子区域。在这样的发动机空转预热运行区域中，所有的图2-图4表示采用了分段喷射(splitinjection)的、在火花辅助HCCI模式下的发动机运行，将在下文更详细地讨论分段喷射。为了本发明的目的，将大约80至90摄氏度以上的发动机运行温度视为完全预热且有利于可替代的HCCI运行模式，这超出了本发明的范围。

[0027]利用基本上静态的NVO设置，在所有子区域内或所有子区域之间实施如图2-图4所示的依赖于温度的预热运行，其中基本上静态的NVO设置优选地介于大约180度至大约200度曲柄角度之间——在VCP的NVO极限处或接近该极限处。换言之，预热运行期间的载荷变化不显著地作用于或影响NVO。某些优先的喷射正时(包括分段喷射的总体燃烧周期区域布置，以及喷射正时的具体喷射结束(EOI)和趋势)，在下文有详细阐述。在图5中示出了温度和载荷(由总的燃料质量(mg/周期)表示)之间的关系，图5也表示出关于依靠完全混合的汽油燃料运行的示例性发动机的每缸总燃料质量输送计划的优选最小量，其中该完全混合的汽油燃料的研究法辛烷值(RON)等于91且马达法辛烷值(MON)等于83(即，通过普遍接受的(RON+MON)/2辛烷值得出辛烷值指数＝87)。而且，使用了基本上为800至1000rpm的发动机空转速度。为了本发明的目的，常规辛烷值燃料的意思是包括如上所述的辛烷值指数为大致87的燃料，而高辛烷值燃料或高级辛烷值燃料的意思是包括如上所述的辛烷值指数为大致91的燃料。本领域普通技术人员将认识到，虽然绝对燃料质量将根据诸如发动机排量、所使用燃料的能量含量、发动机空转速度设置、以及发动机输出轴负载(例如，变速器处于停车/空档或者变速器处于驱动档，其中传动系通过行车制动器应用而档接)这样的因素而变化，但是燃料质量输送计划的总体性质在标准化后的载荷项上将基本上相似。

[0028]在如图2所示的低温区域内，发动机采用分段喷射运行，其中第一次喷射EOI₁发生在NVO期间，第二次喷射EOI₂也发生在NVO期间。更具体地，EOI₁优选地发生在上止点燃烧前(bTDC燃烧)大约350度至大约360度曲柄角度，EOI₂优选地发生在bTDC燃烧大约270度至大约300度曲柄角度时。在低温区域运行期间，优选的火花释放范围是bTDC燃烧大约10度至大约0度曲柄角度。该火花释放晚于下面为其它区域给出的火花释放正时。作为一种将催化转化器和其它后处理装置带至工作温度的方法，延迟的火花释放正时将更多的能量以热的形式通过燃烧过程传递给排气流。从延迟的火花正时过渡到正常的火花正时的温度选择随着应用的不同而变化，本文中没有详细披露。在例如由冷却剂温度衡量的低于大约30摄氏度的选定低温区域，第一和第二次喷射的燃料质量比优选为大约1∶5。优选地，在较高或高级辛烷值燃料情形下燃料质量分数会偏移向第一次喷射，第一和第二次喷射的燃料质量比优选为大约1∶2。此外，已经证实，EOI₁和EOI₂正时都应该随着升高的运行温度而提前。

[0029]在如图3所示的中温区域内，发动机采用分段喷射运行，其中第一次喷射EOI₁发生在NVO期间，第二次喷射EOI₂也发生在NVO期间。更具体地，EOI₁优选地发生在bTDC燃烧大约360度至大约370度曲柄角度，EOI₂优选地发生在bTDC燃烧大约270度至大约300度曲柄角度。虽然所描述和示出的分段喷射对于中温区域是优选的，但也可以令人满意地采用总周期燃料质量的单次喷射——至少部分在NVO期间。在中温区域内的这样的单次喷射实施例中，优选地实施为在bTDC燃烧大约270度至大约330度曲柄角度的EOI。为了在中温区域中执行单次喷射，必须选择过渡性或阈值发动机运行温度以从分段喷射切换到单次喷射，并且必须选择另一个更高的发动机运行温度以根据如下所述向高温区域的过渡而切换回到分段喷射。这些阈值温度将随着发动机应用的不同而变化。在中温区域运行期间优选的火花释放范围是bTDC燃烧大约10度至大约60度曲柄角度。在例如由冷却剂温度衡量的大约50至60摄氏度的选定中温区域，第一和第二次喷射的燃料质量比优选为大约1∶7。优选地，在较高或高级辛烷值燃料情形下燃料质量分数偏移向第一次喷射，第一和第二次喷射的燃料质量比优选为大约2∶6。此外，已经证明，EOI₁和EOI₂正时都应该随着升高的运行温度而提前。

[0030]在如图4所示的高温区域内，发动机采用分段喷射运行。但是，与低温和中温区域相反的是，第一次喷射EOI₁发生在NVO期间，而第二次喷射EOI₂发生压缩阶段期间。更具体地，EOI₁优选地发生在bTDC燃烧大约370度至大约440度曲柄角度，EOI₂优选地发生在bTDC燃烧大约25度至大约50度曲柄角度。在高温区域运行期间优选的火花释放范围是bTDC燃烧大约10度至大约60度曲柄角度。在例如由冷却剂温度衡量的大约80至90摄氏度的选定高温区域，第一和第二次喷射的燃料质量比优选为大约1∶4.5。优选地，在较高或高级辛烷值燃料情形下燃料质量分数偏移向第一次喷射，第一和第二次喷射的燃料质量比优选为大约1.5∶4。此外，已经证明，EOI₁应该随着升高的运行温度而提前，而EOI₂正时应该随着升高的运行温度而延迟。

[0031]在预先限定的发动机空转预热运行区域内采用了所述发动机运行的低温、中温和高温区域的最小限定，则整个预热运行区域内由特定发动机参数所限定的运行可以用大致线性的插值法来令人满意地限定。如在图5的测试结果中所描绘的示例性最少燃料需求所示，可通过在相邻区域的燃料需求之间进行简单线性插值导出总的周期燃料需求。类似地，区域之间的区之间的燃料分开量可在所述区域中限定的已知数值之间进行插值获得。取决于相应的喷射结束的接近程度，相邻区域之间的EOI正时过渡在确定喷射正时结束时可类似地采用简单插值技术。例如，鉴于低温和中温区域的相应EOI₁和EOI₂正时在它们的曲柄角范围上基本相邻或甚至重叠，简单插值技术将提供与EOI₁和EOI₂正时的插值曲柄角相关的合理性控制结果。可以看出，这对于也在它们的曲柄角范围上基本相邻的中温和高温区域的EOI₁正时也是如此。但是，鉴于中温和高温区域的相应EOI₂正时在它们的曲柄角范围上不是基本相邻(例如，将近360度曲柄角度的分离)，所以简单插值技术将不能提供与EOI₂正时的插值曲柄角相关的合理性控制结果。但是，已经证明，在发动机的预热温度上有足够的重叠，在该重叠处，中温或高温控制都可令人满意地实现稳定的火花辅助HCCI燃烧。因此，在这个共同的预热温度空间内，根据诸如发动机运行温度的变化率和发动机排放折衷这样的因素，实现非插值控制过渡。例如，已经证明，在上升的运行温度期间根据在如图3的中温区域控制中所示的分段喷射而进行燃料供给(包括EOI₂正时的提前)，在提供令人满意的NO_x和烟雾排放的同时，将导致不断增加的碳氢化合物(HC)排放和不断降低的燃烧稳定性。但是，也已经证明，在升高的运行温度期间根据在如图4的高温区域控制中所示的分段喷射而进行燃料供给(包括EOI₂正时的延迟)，将提供相比较而言更低的HC排放，相比较而言稍微更高的NO_x和烟雾排放，还有提高的燃烧稳定性。因此，最终，非插值控制过渡将由排放和燃烧稳定性的折衷来确定。

[0032]本发明已经描述了某些优选实施例以及对它们的修改。在阅读和理解了说明书后可对其它实施例进行进一步的修改和改造。因此，本发明不局限于作为被认为是实施本发明的最佳方式而公开的特定实施例，而是将包括所有落入所附权利要求范围内的实施例。