用于控制在si和hcci燃燒模式之間的轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[00011本申請(qǐng)要求2013年2月21日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利第61/767,726號(hào)的權(quán)益，其全部 內(nèi)容以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開(kāi)涉及一種用于在內(nèi)燃機(jī)(ICE)上的火花點(diǎn)火(spark ignited，SI)燃燒和均 質(zhì)充量壓燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)燃燒之間的轉(zhuǎn)換的控制 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003] 均質(zhì)充量壓燃(HCCI)是一種用于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)燃燒構(gòu)思，這種構(gòu)思提供了明 顯優(yōu)于當(dāng)前技術(shù)的效率和排放效益。已經(jīng)對(duì)HCCI燃燒工藝研究了超過(guò)二十年，并且HCCI燃 燒工藝已經(jīng)表現(xiàn)出有望作為可提高當(dāng)前技術(shù)的效率和排放能力的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的潛在技術(shù)。
[0004] 在HCCI中，對(duì)空氣、燃料、以及熱排氣的均勻混合物進(jìn)行壓縮，直到發(fā)生自動(dòng)點(diǎn)火。 因此，燃燒不是由火花發(fā)起的。相反，在汽缸內(nèi)建立精確條件，從而使得簡(jiǎn)單地通過(guò)壓縮汽 缸內(nèi)的氣體來(lái)發(fā)起點(diǎn)火。HCCI由此高度依賴(lài)于缸內(nèi)溫度和氣體的組成。為了向HCCI點(diǎn)火提 供所需的溫度，通常將來(lái)自前一個(gè)燃燒循環(huán)的大量熱排氣俘獲在汽缸內(nèi)，以使能該自動(dòng)點(diǎn) 火;然而，也已經(jīng)測(cè)試了用于發(fā)起HCCI的其他方法，包括增大壓縮比和加熱進(jìn)氣。
[0005] 合并HCCI的顯著效益是HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)可以完全非節(jié)流地運(yùn)行，大大減少了通常在火 花點(diǎn)火(SI)發(fā)動(dòng)機(jī)中的栗送損失，從而提升了效率。另外，由于高度稀釋的反應(yīng)混合物和缺 少火焰，所以最高燃燒溫度低得多，這大大減少了NOx的排放。
[0006] 然而，由于負(fù)載的限制，所以提供僅僅依靠 HCCI的系統(tǒng)是有問(wèn)題的。自動(dòng)點(diǎn)火伴有 非常高的壓力上升速率，導(dǎo)致在較高負(fù)載下的振鈴(ringing)現(xiàn)象，這在結(jié)構(gòu)上對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī) 是不希望的。因此，HCCI中的最大功率輸出具有上限。在低負(fù)載端，更難保持HCCI模式，這是 因?yàn)闊o(wú)法達(dá)到自動(dòng)點(diǎn)火所需的溫度。HCCI模式在較低的速度下也是不可能的，因?yàn)榘l(fā)起自 動(dòng)點(diǎn)火的物種的化學(xué)分解在較低速度下的速率是非常緩慢的。這會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的操作或者 失火。
[0007] 因此，僅僅存在一個(gè)有限的在HCCI模式下有效并且穩(wěn)定地運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的操作區(qū) 域。因此，已經(jīng)試圖通過(guò)將HCCI模式與常規(guī)的SI模式相結(jié)合來(lái)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中合并HCCI模 式。通過(guò)這些方法，在冷啟動(dòng)周期期間并且在通過(guò)低速和低負(fù)載使發(fā)動(dòng)機(jī)斜升的同時(shí)，使用 SI模式。在中等負(fù)載到中高負(fù)載的區(qū)域中，可以在HCCI模式下操作發(fā)動(dòng)機(jī)，使效率最大化并 且使排放最小化。當(dāng)功率需求超過(guò)HCCI模式的負(fù)載上限值時(shí)，可以將該模式切換回SI模式。
[0008] 然而，從一個(gè)模式平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換至另一個(gè)模式面臨另外的挑戰(zhàn)。例如，由于SI操作條 件和HCCI操作條件之間的顯著差異，在模式切換期間保持所需的扭矩可能面臨挑戰(zhàn)。因此， 在生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)施HCCI需要先進(jìn)的控制算法。由于缺少直接點(diǎn)火觸發(fā)器(諸如，火花)和 由在HCCI模式下俘獲的排氣引入的循環(huán)到循環(huán)動(dòng)態(tài)，該控制算法是復(fù)雜的。在該文獻(xiàn)中已 經(jīng)展示了用于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)控制HCCI的多種建模和控制方法。
[0009] 從前面的論述中可見(jiàn)，HCCI和傳統(tǒng)SI模式之間的轉(zhuǎn)換均必須在低負(fù)載/速度下以 及在操作范圍的中高負(fù)載/速度端進(jìn)行。這在圖1中進(jìn)行了示意性地示出。在圖1中，用面積 10指示了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載/發(fā)動(dòng)機(jī)速度的區(qū)域，在該區(qū)域中，HCCI模式是有利的。面積12標(biāo)識(shí)了 SI模式的允許操作區(qū)域。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)沿著線(xiàn)14從低速/低負(fù)載條件轉(zhuǎn)換至高速高負(fù)載條 件時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)最適宜在位置16處從SI模式轉(zhuǎn)換至HCCI模式并且在位置18處再次從HCCI模式 轉(zhuǎn)換至SI模式。相似地，在發(fā)動(dòng)機(jī)沿著線(xiàn)20從高速/高負(fù)載條件轉(zhuǎn)換至低速/低負(fù)載條件時(shí)， 發(fā)動(dòng)機(jī)最適宜在位置22處從SI模式轉(zhuǎn)換至HCCI模式并且在位置24處再次從HCCI模式轉(zhuǎn)換 至SI模式。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)所需的模式切換，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)通?？梢杂猛耆嵝缘目勺冮y致動(dòng)系統(tǒng)來(lái) 實(shí)施，也可以用雙凸輪相位器來(lái)實(shí)施。前者僅僅適用于研究之目的，并且在生產(chǎn)設(shè)置上實(shí)施 是不可行的。用于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的雙凸輪相位器通常設(shè)計(jì)有兩組閥門(mén)輪廓，一組用于SI模式， 另一組用于HCCI模式。
[0011]圖2圖示了 SI和HCCI閥門(mén)升程和打開(kāi)/關(guān)閉輪廓的典型示例。線(xiàn)30標(biāo)識(shí)了在SI模式 下離開(kāi)閥（exhaust valve)相對(duì)于曲軸角度(CAD)的閥門(mén)升程位置，并且線(xiàn)32標(biāo)識(shí)了在SI模 式下進(jìn)給閥（intake valve)相對(duì)于CAD的閥門(mén)升程位置。線(xiàn)34標(biāo)識(shí)了在HCCI模式下離開(kāi)閥 相對(duì)于CAD的閥門(mén)升程位置，并且線(xiàn)36標(biāo)識(shí)了在HCCI模式下進(jìn)給閥相對(duì)于CAD的閥門(mén)升程位 置。本文中，線(xiàn)30、32、34和36的最大高度指"閥門(mén)升程輪廓"，在線(xiàn)偏離并且回到0 mm的CAD 指閥門(mén)"打開(kāi)/關(guān)閉"或者"定時(shí)(timing)"輪廓。
[0012] 圖2示出了在SI模式下理想的是具有高閥門(mén)升程(升程輪廓)和長(zhǎng)打開(kāi)閥門(mén)持續(xù)時(shí) 間（打開(kāi)/關(guān)閉輪廓），而在HCCI模式下優(yōu)選的是具有低閥門(mén)升程和短打開(kāi)閥門(mén)持續(xù)時(shí)間（以 實(shí)現(xiàn)俘獲排氣）。因此，從SI到HCCI的轉(zhuǎn)換也涉及從SI閥門(mén)輪廓(升程和定時(shí)輪廓)轉(zhuǎn)換至 HCCI閥門(mén)輪廓，這可以引入顯著的動(dòng)態(tài)。
[0013] 在該文獻(xiàn)中已經(jīng)呈現(xiàn)了在這兩種模式之間切換的不同方法，包括：?jiǎn)尾角袚Q和分 多個(gè)循環(huán)更具逐步發(fā)生的轉(zhuǎn)換。在該文獻(xiàn)中也已經(jīng)呈現(xiàn)了一些控制方法:其中一節(jié)示出了 從具有進(jìn)給閥早關(guān)閉的SI切換到HCCI的控制方法，其中，在切換期間，控制燃料量和閥門(mén)定 時(shí)；另一節(jié)展示了一種在從SI到HCCI的多循環(huán)轉(zhuǎn)換期間控制負(fù)載和空氣燃料率的方法。然 而，所有這些方法都引起了不希望的動(dòng)態(tài)。
[00M]因此，需要一種在展示出提高了動(dòng)態(tài)的同時(shí)提供在SI和HCCI模式之間的轉(zhuǎn)換的控 制系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括:第一汽缸;第一進(jìn)入閥（inlet valve)，其配置 為控制氣體流入第一汽缸;第一排出閥(outlet valve)，其配置為控制氣體流出第一汽缸； 第一節(jié)流閥，其配置為控制燃料流入第一汽缸;存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)有程序指令；以及處理器，其 可操作地連接至所述第一進(jìn)入閥、所述第一排出閥、所述第一節(jié)流閥和所述存儲(chǔ)器，并且配 置為執(zhí)行所述程序指令以根據(jù)火花點(diǎn)火(SI)閥門(mén)升程輪廓控制所述第一進(jìn)入閥和所述第 一排出閥，在根據(jù)SI閥門(mén)升程輪廓控制所述第一進(jìn)入閥和所述第一排出閥的同時(shí)在所述第 一汽缸中啟動(dòng)第一火花，根據(jù)均質(zhì)充量壓燃(HCCI)閥門(mén)升程輪廓控制所述第一進(jìn)入閥和所 述第一排出閥，在根據(jù)HCCI閥門(mén)升程輪廓控制所述第一進(jìn)入閥和所述第一排出閥的同時(shí)在 所述第一汽缸中啟動(dòng)第二火花，并且在啟動(dòng)所述第二火花之后，在在HCCI閥門(mén)升程輪廓中 控制第一進(jìn)入閥和第一排出閥的同時(shí)，在HCCI SOI模式下控制第一節(jié)流閥的開(kāi)始噴射 (SOI)定時(shí)。
[0016] 在另一實(shí)施例中，控制發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的方法包括為第一汽缸提供第一進(jìn)入閥、第一 排出閥和第一節(jié)流閥；根據(jù)火花點(diǎn)火(SI)閥門(mén)升程輪廓控制第一進(jìn)入閥和第一排出閥；在 根據(jù)SI閥門(mén)升程輪廓控制第一進(jìn)入閥和第一排出閥的同時(shí)，在第一汽缸中啟動(dòng)第一火花； 根據(jù)均質(zhì)充量壓燃(HCCI)閥門(mén)升程輪廓控制第一進(jìn)入閥和第一排出閥；在根據(jù)HCCI閥門(mén)升 程輪廓控制第一進(jìn)入閥和第一排出閥的同時(shí)，在第一汽缸中啟動(dòng)第二火花；以及在啟動(dòng)第 二火花之后，在在HCCI閥門(mén)升程輪廓中控制第一進(jìn)入閥和第一排出閥的同時(shí)，在HCCI SOI 模式下控制第一節(jié)流閥的開(kāi)始噴射(SO I)定時(shí)。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1描繪了 SI和HCCI操作規(guī)程以及在它們之間的轉(zhuǎn)換的示意圖； 圖2描繪了在SI和HCCI操作模式下的示例性閥門(mén)輪廓的圖表； 圖3描繪了根據(jù)本公開(kāi)的原理的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)； 圖4描繪了由執(zhí)行存儲(chǔ)在圖3的存儲(chǔ)器中的程序指令所提供的控制結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖5描繪了由圖4的控制結(jié)構(gòu)控制的SI至HCCI的轉(zhuǎn)換策略； 圖6描繪了由圖4的控制結(jié)構(gòu)控制的HCCI至SI的轉(zhuǎn)換策略； 圖7描繪了在SI操作模式下操作的圖4的控制結(jié)構(gòu)； 圖8描繪了在轉(zhuǎn)換操作模式下操作的圖4的控制結(jié)構(gòu)； 圖9描繪了在HCCI操作模式下操作的圖4的控制結(jié)構(gòu)； 圖IOA和圖IOB描繪了由圖4的控制結(jié)構(gòu)提供的過(guò)程； 圖11描繪了通過(guò)使用開(kāi)環(huán)控制器從SI模式轉(zhuǎn)換到HCCI模式引起的CA5q和NMEP; 圖12描繪了表示從內(nèi)部EGR分?jǐn)?shù)和A(Iambda)角度的從SI至HCCI模式之間的轉(zhuǎn)換的圖 解； 圖13描繪了表示在從SI模式轉(zhuǎn)換至HCCI模式期間的汽缸壓力的圖表； 圖14描繪了表示用于控制在操作模式之間的切換的非線(xiàn)性模型的圖解； 圖15描繪了在示例性SI至HCCI的切換期間用于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制器的開(kāi)環(huán)輸入的圖表； 圖16描繪了在圖15的示例性SI至HCCI的切換期間用于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制器的輸出的圖 表； 圖17描繪了用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的HCCI操作的前四個(gè)循環(huán)的汽缸壓力； 圖18描繪了用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的HCCI操作的前四個(gè)循環(huán)的汽缸壓力；以及 圖19描繪了在另一示例性SI至HCCI的切換期間用于閉環(huán)和開(kāi)環(huán)控制的輸出的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 為了