通过燃料压力变化的轻负载和怠速hcci燃烧控制的改善的利记博彩app

专利名称：通过燃料压力变化的轻负载和怠速hcci燃烧控制的改善的利记博彩app
技术领域：
本公开涉及火花点燃直喷(SIDI)均质充量压燃(HCCI)式内燃机。
背景技术：
这一部分的内容仅仅是提供与本公开相关的背景技术，并不构成现有技术。内燃机，尤其是汽车内燃机，通常落入两种之一——火花点燃式发动机和压燃式 发动机。传统的火花点燃式发动机(例如汽油机)已知通过将燃料/空气混合物引入燃烧 汽缸来发挥作用，然后燃料/空气混合物在压缩冲程中被压缩并由火花塞点燃。传统的压 燃式发动机(例如，柴油机)通常通过在压缩冲程的上止点(TDC)附近将增压燃料引入或 喷入燃烧汽缸中、在喷射时点燃来发挥作用。传统汽油机和柴油机的燃烧都包括由液体机 械控制的预混合或扩散火焰。每种发动机都具有优点和缺点。通常，汽油机产生的排放更 少但是效率较低，而通常柴油机效率更高但产生的排放更多。近来，内燃机引入了其它种燃烧方法。这些燃烧概念之一在本领域中已知为HCCI 燃烧。HCCI燃烧(也称为受控自点燃燃烧)包括由氧化化学控制而不是液体机械控制的分 布无火焰的自点燃燃烧过程。在操作于HCCI燃烧模式的发动机中，进气充量在进气门关闭 时在成分、温度和残留水平中几乎是均勻的。因为受控自点燃是分布动态受控燃烧过程，所 以发动机在非常稀的燃料/空气混合物操作(即，稀燃料/空气化学计量点)，并具有较低 的峰值燃烧温度，因此形成极低的NOx排放。与柴油机使用的分层燃料/空气燃烧混合物 相比，受控自点燃的燃料/空气混合物相对均质，所以基本消除了柴油机中形成烟和微粒 排放的浓区域。因此这种非常稀的燃料/空气混合物，所以操作于受控自点燃燃烧模式的 发动机可无节流地操作，以获得类似于柴油机的燃料经济性。在HCCI发动机中，汽缸充量的燃烧是无火焰的，并在整个燃烧室容积中自然地发 生。随着汽缸充量被压缩和其温度升高，均勻混合的汽缸充量自点燃。HCCI发动机中的燃烧过程强烈依赖于进气门关闭时的参数，例如汽缸充量成分、 温度和压力。这些参数受预期燃烧时在燃烧室内产生残留能量的当前和之前发动机操作状 态的影响。发动机操作状态通过发动机速度和发动机负载来频繁地估计。因为HCCI燃烧 对缸内条件特别敏感，所以发动机仔细地协调发动机的控制输入，例如燃料量和喷射正时 以及进气/排气门升程曲线，以确保充沛的自点燃燃烧。通常，为了最佳燃料经济性，HCCI发动机未节流并以稀空气-燃料混合物操作。另 外，在使用废气再压缩阀策略的HCCI发动机中，汽缸充量温度通过改变排气门关闭正时而 从前一循环捕集不同量的热残留气体来控制。优选与排气门关闭正时关于TDC进气对应延 迟进气门的打开正时。汽缸充量成分和温度都强烈受排气门关闭正时影响。特别地，通过 更早地关闭排气门，可从前一循环保留更多的残留气体，给进入的新鲜空气量留下更少的 空间。其实际效果是更高的汽缸充量温度和更低的汽缸氧气浓度。在废气再压缩策略中， 排气门关闭正时和进气门打开正时通过负气门重叠(NVO)来测量，该NVO定义为排气门关 闭与进气门打开之间曲轴角的持续时间。
除了气门控制策略外，为了稳定燃烧必须具有适当的燃料喷射策略。例如，在低 燃料供给率(例如，在示例性0. 55公开的燃烧室中，IOOOrpm时，燃料供给率< 7毫克/循 环)时，不管允许的最高NVO值，汽缸充量可能不足以稳定自点燃燃烧，导致部分燃烧或不 发火。提高充量温度的一种方式是在NVO再压缩期间活塞接近TDC进气时预先喷射小量燃 料。由于再压缩期间的高压和高温，一部分预先喷射的燃料重整，并释放热量，提高汽缸充 量温度，对后续主燃料喷射产生的汽缸充量的自点燃燃烧足够了。这种自热燃料重整的量 是基于预先喷射量和正时，通常预先喷射正时越早和预先喷射燃料量越大，燃料重整就越
^^ ο过多的燃料重整降低了整体燃料经济性，燃料重整不足导致燃烧不稳定。因此，重 整的精确估计有益于对重整过程的有效控制。已知一种使用宽域型废气氧(UEGO)传感器 的独特特征来估计燃料重整量的方法。还已知一种通过如下操作间接控制HCCI发动机中 燃料重整量的方法监测发动机操作状况，包括进气气流量和排气空气/燃料比；控制负气 门重叠，以控制进气流，从而为给定燃料供给率获得期望实际空气-燃料比；和调节预喷射 燃料正时，以将测量的空气-燃料比控制为小于期望实际空气-燃料比的期望第二空气/ 燃料比。控制燃料重整量的另一方法包括在当前燃烧循环期间测量缸内压力；基于缸内 压力估计当前循环中的重整燃料量；利用估计的当前循环重整燃料量来计划下一循环中需 要的重整；和基于下一循环中需要的计划重整实施下一循环的控制。在中间发动机速度和负载时，已经发现气门外形(profile)和正时(例如，废气再 循环和废气再呼吸)以及燃料供给策略的组合给汽缸充量有效提供足够加热，使得压缩冲 程期间的自点燃产生具有低噪声的稳定燃烧。将发动机有效操作于自点燃燃烧模式的一个 主要问题是，恰当地控制燃烧过程，使得在整个操作条件范围上获得产生低排放、最佳热释 放率和低噪声的充沛且稳定的燃烧。能够操作在受控自点燃燃烧模式的火花点燃式直喷发动机在操作于自点燃燃烧 模式与传统火花点燃燃烧模式之间转变，其中自点燃燃烧模式在部分负载和较低发动机速 度条件下，传统火花点燃燃烧模式在高负载和高速度条件下。在正在进行的发动机操作期 间需要在两个燃烧模式之间平顺地转变，以保持连续的发动机输出扭矩，并防止转变期间 的所有发动机不发火或局部燃烧。这两种燃烧模式需要不同的发动机操作，以保护充沛的 燃烧。发动机操作的一方面包括节气门的控制。当发动机操作于自点燃燃烧模式中时，发 动机控制包括节气门大开以最小化发动机泵气损失的稀空气/燃料比操作。相反，当发动 机操作于火花点燃燃烧模式时，发动机操作包括化学计量比空气/燃料比操作，节气门控 制在从大开位置的0%到100%的位置范围上，以控制进气流获得化学计量比。在发动机操作中，通过有选择地调节节气门的位置以及调节进气门和排气门的打 开和关闭来控制发动机空气流。调节进气和排气门的打开及后续关闭主要采取如下形式 气门打开(及后续关闭)相对于活塞和位置的阶段；和气门打开升程的大小。在这样配备 的发动机系统上，使用可变气门致动(VVA)系统实现进气门和排气门的打开和关闭，所述 VVA系统可包括凸轮轴阶段和可选的多级气门升程，例如提供两个或多个气门升程轮廓的 多级凸轮凸起。与连续可变气门位置相反，多级气门升程机构的气门轮廓变化是离散的变 化，并不是连续的。当可选多级气门升程之间的转变无法有效控制时，发动机空气流中会出 现不利的分布，导致不良燃烧，包括不发火和部分燃烧。
当发动机操作于使能发动机速度和负载的HCCI范围内时，HCCI燃烧包括稀分布 无焰的自点燃燃烧，导致潜在的益处，如上所述。但是，在故障的发动机控制策略下无法实 现HCCI燃烧的操作，而控制策略的范围可实现具有不同操作结果的HCCI燃烧。并且，除了 上述控制和燃料喷射策略之外，已知其它技术有益于发动机操作，并将操作范围延伸至较 低负载和温度，包括燃烧室设计、及不同的气门控制和点火策略。尽管这些不同技术延伸了 HCCI发动机的操作极限，但是所有都具有较低的操作性极限，其中燃烧循环过冷无法获得 自点燃。另外，每个控制策略都具有优选的操作范围，并且与其它气门控制和燃料喷射策略 相比，每个都具有正面和负面。一种操作在满足特定发动机操作范围的特别控制策略可产 生过多的NOx排放，或导致在其它特定发动机操作范围内的不稳定燃烧。操作于发动机速 度和负载范围内、并且最优化参数(例如，燃料消耗、排放降低、和燃烧稳定性)的发动机可 依赖于发动机操作状况和平衡优先权在控制策略之间转换。燃烧室中的空气燃料充量的HCCI模式和相关自点燃基于室内的条件。低负载发 动机操作中的HCCI模式中的发动机稳定性会难以保持。在低负载下改善发动机稳定性的 方法将是有益的。

发明内容
一种控制火花点燃直喷均质充量压燃式内燃机的方法，该内燃机在低负载下以引 导喷洒火花点燃分层燃烧操作，该操作包括选择性地利用燃料喷射系统中降低的燃料压力 来增加燃烧稳定性，所述方法包括监测发动机速度；监测发动机负载；基于发动机速度和 发动机负载确定期望燃料压力；以及利用期望燃料压力控制喷入发动机的燃料喷射。所述 期望燃料压力基于发动机在较低燃料压力和较低煤烟排放情况下比发动机在较高燃料压 力情况下提高的稳定性而被校准至所述速度和负载。


现在参考附图，借助于例子描述一个或多个实施例描述一个或多个实施例，其 中图1示意性地救出了示例性内燃机和根据本公开实施例构造的控制系统；图2以曲线示出了与根据本公开的燃烧模式相关的示例性速度/负载；图3A和IBB示出了根据本公开的用于控制在引导喷洒火花点燃燃烧模式与均质充 量压燃燃烧模式之间转变的方法；图4示出了根据本公开的四冲程内燃机中的示例性发动机循环，包括延迟喷射事 件、点火事件的细节及与燃烧模式相关的多个负载的气门升程；图5以曲线示出了根据本公开的重整期间燃烧的燃料量与燃烧稳定性之间的相 互关系；图6以曲线示出了根据本公开的重整期间燃烧的燃料量与燃烧过程中产生的NOx 排放之间的相互关系；图7以曲线示出了根据本公开的重整期间燃烧的燃料量与用来触发自点燃的主 燃烧期间对引起火花的压缩的需求之间的相互关系；图8以曲线示出了根据本公开的发生自点燃前燃烧的燃料量与燃烧过程中产生的NOx排放之间的相互关系；图9以曲线示出了根据本公开的发生自点燃前燃烧的燃料量与燃烧稳定性之间 的相互关系；图10示出了根据本公开的操作在示例性多次喷射多点燃燃烧模式下的四冲程内 燃机中的示例性发动机循环；图11示出了根据本公开的可在发动机循环内控制多个喷射事件的示例性过程；图12以曲线示出了根据本公开的喷射正时与火花正时间的分隔与燃烧稳定性之 间的相互关系；图13以曲线示出了根据本公开的第一脉冲燃料喷射正时与重整期间燃烧的燃料 量之间观测的关系，允许为期望的燃料重整量而调节第一喷射的燃料喷射正时；图14以曲线示出了根据本公开的再压缩期间重整的燃料量与汽缸压力之间的相 互关系，提供了通过监测汽缸压力测量来监测重整过程的方法；图15以曲线示出了根据本公开的第二脉冲燃料喷射正时与燃料效率和燃烧阶段 之间的相互关系；图16和17以曲线示出了根据本公开的三个示例性多次喷射多点燃燃烧模式的应 用和产生的示例性测试结果对NOx排放与燃烧稳定性的详细影响；图16示出了对于一定范围的发动机速度和负载而有关NOx排放的示例性测试数 据，所述范围具有定义为第一、第二和第三多次喷射多点燃燃烧模式的区域；图17示出了对于一定范围的发动机速度和负载而有关通过IMEP的标准偏差测量 的燃烧稳定性的示例性测试数据，所述范围具有定义为第一、第二和第三多次喷射多点燃 燃烧模式的区域；图18以曲线示出了根据本公开的利用不同喷射压力在低发动机负载和低发动机 速度时通过连续燃烧循环测量的示例性缸内压力；图19以曲线示出了根据本公开的利用不同喷射压力在低发动机负载和低专机速 度时通过连续燃烧循环测量的示例性PMEP ；图20和21以曲线示出了根据本公开的操作在靠近HCCI操作范围高端的速度和 低负载下的发动机的示例性数据；图20以曲线示出了利用不同喷射压力在低发动机速度时通过连续燃烧循环测量 的示例性缸内压力；图21以曲线示出了利用不同喷射压力在低发动机负载时通过连续燃烧循环测量 的示例性PEMP ；图22以曲线示出了根据本公开的示例性测试结果，描述了在冷起动条件下的发 动机，并示出了改变燃料喷射压力的NOx排放和燃烧稳定性；图23以曲线示出了根据本公开的示例性喷射压力策略，其中喷射压力被调节通 过一定范围的发动机速度和发动机负载；
具体实施例方式现在参考附图，其中其图示仅是示出特定示例性实施例的目的，而不是限制为这 些实施例的目的，图1示意性地示出了内燃机10和根据本公开实施例构造的控制系统25。发动机有选择地操作在多个燃烧模式中，下面参考图2描述。所述实施例用作整个控制策 略的一部分，以操作适于在受控自点燃过程(也称为均质充量压燃(HCCI)模式)下操作的 示例性多缸火花点燃直喷汽油式四冲程内燃机。但是，如本领域普通技术人员所清楚的和 如上所述的，许多不同结构的发动机实施例都可得益于本公开的方法，本公开不欲限制为 这里所描述的示例性实施例。在本公开的示例性公开中，利用具有基本上12到13的压缩比的自然吸气四冲程 单缸0. 55公升的受控自点燃汽油直喷供油式内燃机来执行这里描述的气门和燃料供给控 制以及各种数据的获取。除非以其它方式具体地描述，否则所有这种执行和获取都假定为 在本领域普通技术人员所理解的标准条件下实施。示例性发动机10包括金属铸造的发动机组，该发动机组具有形成在其中的多个 汽缸(示出了一个)和汽缸盖27。每个汽缸都包括末端封闭的汽缸，汽缸具有插在其中的 可往复移动的活塞11。每个汽缸中都形成有可变容积的燃烧室20，该燃烧室由汽缸壁、可 动活塞11和汽缸盖27形成。发动机组优选包括冷却剂通道四，发动机冷却剂液体流动通 过该冷却剂通道。可操作以监测冷却剂液体的温度冷却剂温度传感器37位于适当的位置， 并向可用来控制发动机的控制系统25提供信号输入。发动机优选包括已知的系统，包括外 部废气再循环(EGR)阀和进气节流阀(未示出)。每个可动活塞11都包括根据已知活塞形成方法设计的装置，并包括顶部和与其 操作的汽缸基本上一致的主体。活塞具有暴露于燃烧室的顶部或冠部区域。每个活塞都 通过销34和连杆33连接至曲轴35。曲轴35在靠近发动机组询问部分的主支承区域可旋 转地连接至发动机组，使得曲轴能够绕着垂直于由各汽缸限定的纵向轴线的轴线旋转。曲 轴传感器31位于适当的位置，可操作以产生可被控制器25用来测量曲轴角的信号，并且该 信号可被发送以提供可用在各种控制策略中的曲轴角度、速度和加速度的测量。在发动机 操作期间，由于连接至曲轴35和曲轴35的旋转、燃烧过程，各活塞11在汽缸中往复上下运 动。曲轴的旋转动作实施了燃烧期间作用在各活塞上的线性力向从曲轴输出的角向扭矩的 转变，所述角向扭矩可被传递至另一装置，例如车辆传动系。发动机盖27包括金属铸造装置，其具有通向燃烧室20的一个或多个进气口 17和 一个或多个排气口 19。进气品17将空气供给到燃烧室20。燃烧(点燃)后的气体通过排 气口 19从燃烧室流出。通过各进气口的空气流由一个或多个进气门21的致动来控制。通 过各排气口的燃烧气体流由一个或多个排气门23的致动来控制。进气和排气门21、23每个都具有气门头部分，该气门头部分包括暴露于燃烧室的 顶部部分。每个气门21、23都具有连接至气门致动装置的气门杆。标记为60的气门致动 装置可操作，以控制各进气门21的打开和关闭，第二气门致动装置70可操作以控制各排气 门23的打开和关闭。每个气门致动装置60、70都包括信号地连接至控制系统25且可操作 以一致地或单独地控制各汽缸的打开和关闭的正时、持续时间和大小的装置。示例性发动 机的第一实施例包括具有可变升程控制(VLC)和可变凸轮阶段(VCP)的双顶置凸轮系统。 VCP装置可操作以控制各进气门和各排气门的打开或关闭相对于曲轴旋转位置的正时，并 打开各气门固定的曲轴角度持续时间。示例性VLC装置可操作，以将气门升程的大小控制 为以下两个位置之一一个位置是3-5mm的升程，打开持续时间为120-150曲轴角度，另一 个位置是9-12mm的升程，打开持续时间为220160曲轴角度。各气门致动装置可实现相同的功能，达到相同的效果。气门致动装置优选由控制系统25根据预定策略来控制。还可使 用包括例如全柔性电动或电动-液压装置的可选可变气门致动装置，该装置进一步具有自 主打开和关闭阶段控制以及在系统极限内基本上无穷的气门升程可变性的效果。空气通过进气歧管通路50进入进气口 17，该进气歧管通路50接收通过已知的空 气计量装置和节流装置(未示出)的过滤空气。废气从排气口 19通向排气歧管42，该排 气歧管42包括废气传感器40，该传感器可操作以监测废气供给流的成分，并确定与其相关 的参数。废气传感器40可包括可操作以为废气供给流提供包括空气/燃料比或废气成分 (例如，N0x、C0、HC及其它)的值的几种已知感测装置中的任意一种。系统可包括用于监 测燃烧压力的缸内传感器16、或非插入式压力传感器或推断的压力确定(例如，通过曲轴 加速度)。前述传感器和计量装置各提供信号作为控制系统25的输入。这些输入可被控制 系统用于确定燃烧性能测量。控制系统25优选包括整体控制结构的一个子结构，该子结构可操作以提供发动 机10和其它系统的协调系统控制。在整体操作中，控制系统25可操作以综合操作员输入、 环境条件、发动机操作参数和燃烧性能测量，并执行算法以控制各种致动器达到控制效果 的目标，例如燃料经济性、排放、性能和操作性能。控制系统25可操作地边境至多个装置， 操作员通常通过这多个装置控制或指引发动机的操作。当在车辆中使用发动机时，典型的 操作员输入包括驾驶器踏板、制动踏板、变速器档位选择器和车速巡航控制。控制系统可通 过局域网络(LAN)总线(未示出)与其它控制器、传感器和致动器通信，该总线优选允许控 制各种控制器之间的控制参数和指令的结构性通信。控制系统25可操作地连接至10，用于从传感器获取数据，并通过适当的接口 45控 制发动机10的多个致动器。控制系统25接收发动机扭矩指令，并基于操作员输入产生期 望的扭矩输出。由使用前述传感器的控制系统25感测的典型发动机操作参数包括通过例 如监测发动机冷却剂温度方法标引的发动机温度、油温、或金属温度；曲轴旋转速度(RPM) 和位置；歧管绝对压力；大气流量和温度；和大气压力。燃烧性能测量可包括测量的和推断 的燃烧参数，包括空气/燃料比、峰值燃烧压力位置等。由控制系统25控制的致动器包括燃料喷射器12 ；VCP/VLC阀致动装置60、70 ；可 操作地连接至点火模块以控制火花停留和正时的火花塞14 ；EGR阀(未示出)和电子节流 控制模块(未示出)。燃料喷射器12优选可操作以将燃料直接喷入各燃烧室20。典型的 直喷燃料喷射器的具体细节是已知的，这里不再详细描述。火花塞14由控制系统25利用， 以提高典型发动机横贯发动机速度和负载操作范围的部分的点火正时控制。当所述典型发 动机操作在纯HCCI模式时，发动机不利用通电的火花塞。但是，已经证实，在某些条件下， 期望使用火花点燃补充HCCI模式，包括例如在冷起动期间为防止污损，和根据本公开的某 些方面，在靠近低负载极限的低负载操作情形时。并且，已经在HCCI模式的高负载操作极 限时、以及在未节流或未节流火花点燃操作下的高速度/负载操作时，优选使用火花点燃。控制系统25优选包括通用数字计算机，该通用数字计算机通常包括处理器或中 央处理单元、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程吟诗存储器(EPR0M)、高 速时钟、模数和数模电路、输入/输出电路和装置(I/O)以及适当的信号处理和缓冲电路。 控制系统25具有一组控制算法，包括存储在ROM中的常驻程序指令和标准。发动机控制算法通常在预定循环期间执行，使得各算法在每个循环执行至少一次。存储在非易失性存储器装置中的算法由控制系统执行，并且可操作以监测感测装置的 输入，执行控制和诊断程序以使用预定标准控制发动机的操作。循环通常以规则的间隔执 行，例如在正在运行的发动机操作期间每3. 125,6. 25、12. 5、25和100毫秒。可选地，可响 应于事件或中断请求的发生来执行算法。发动机设计成在扩大的发动机速度和负载范围上使用受控自点燃燃烧在汽油或 类似的混合燃料上未节流地操作。但是，在不利于自点燃操作和获得最大发动机功率的条 件下，火花点燃和受控节流操作可与传统或修改的控制方法一起使用，以满足操作员扭矩 需求。燃料供给优选包括燃料直接喷射进各燃烧室。可广泛应用的汽油及其轻质酒精混合 物是优选的燃烧；但是，根据本公开，可使用可选的液体和气态燃料，例如更高酒精混合物 (例如，E80、E85)、纯酒精(E99)、纯甲醇(M100)、天然气、氢气、沼气、各种重整油、合成气及 其它。如前所述，图2以曲线示出了与燃烧模式相关的示例性速度/负载。根据本公开， 速度和负载可得自发动机操作参数，例如从曲轴传感器和从发动机燃料流或压力。发动机 燃烧模式包括引导喷洒火花点燃(SI-SG)模式、单喷射自点燃(HCCI-SI)模式、双喷射自 点燃(HCCI-DI)模式和均质火花点燃(SI-H)模式。各燃烧优选速度和负载操作范围是基 于发动机操作参数，包括燃烧稳定性、燃料消耗、排放、发动机扭矩输入及其它。限定优选速 度和负载操作范围以描绘燃烧模式的边界通常在预生产发动机标准和研发期间确定，并在 发动机控制模块中执行。例如，如上所述，在特定发动机速度和负载下，因为燃烧室内不具 有充足的热量以可靠地产生自点燃，所以不期望在单喷射HCCI燃烧模式中的操作。类似 地，在特定发动机速度和负载下，因为燃烧室中存在过多的热量，导致燃烧问题，例如燃烧 声响，所以无法在HCCI模式中操作。已知通过双喷射HCCI燃烧模式或引导喷洒火花点燃 (SI-SG)模式会获得在低发动机速度和负载下的操作，其中双喷射HCCI燃烧模式具有如上 所述再压缩和重整而扩充自点燃的优点，引导喷洒分层SI燃烧模式利用火花点燃燃烧室 内的充量浓度，而与HCCI模式中的操作相比导致无效率。因此，发动机可操作为在一定发 动机速度和负载范围内具有已知的发动机燃烧模式的优点。图3A和;3B示出了根据本公开的描述用于控制SI-SG(SG)燃烧模式与HCCI燃烧 模式之间的转变的方法的流程图。由于燃烧室中需要的重整更少，所以操作于SI-SG燃烧 模式是指令的NVO比操作于HCCI燃烧模式是的少。在HCCI与SI-SG燃烧模式之间的转变 中，具有时间延迟，有限的时间周期，在此期间，VCP装置移至期望位置。根据图3A中所示的示例性方法，描述过程100，其中当发动机操作于SG燃烧模式 (102)，并且控制模块指令变化至HCCI燃烧模式(104)时，控制模块在指令操作于HCCI燃 烧模式之前指令VCP装置变至期望NVO (106)。这包括在指令操作于HCCI模式之前监测NVO 和将其与阈值(优选为指令的重叠)比较(110)。该操作是为了保持变至HCCI期间的燃烧 稳定性，因为SI-SG模式或的燃烧在负气门重叠范围内更加稳定和充沛，可在负气门重叠 指令HCCI操作。进一步根据图；3他所示的示例性方法描述过程150。其中，当发动机在HCCI燃烧模 式中(152)，并且控制模块指令变为SI-SG燃烧模式(154)时，控制模块在指令变为SI-SG 燃烧模式的操作之前指令VCP朝着期望NVO变化(156)。在该转变中，测量的NVO与阈值 NVO作比较(158)。阈值NVO包括这样的NV0，在该NVO时，HCCI燃烧模式或SI-SG燃烧模式中的操作对于发动机系统是可行的。当测量的NVO低于阈值NVO时，发动机操作被指令 从HCCI燃烧模式到SI-SG燃烧模式(160)。使用该策略，燃烧将在转变期间继续，并且所述 转变对车辆操作员是透明的。如上所述，SI-SG和HCCI-DI燃烧模式用于将发动机操作在这样的发动机速度和 负载，在该发动机速度和负载下典型的HCCI-SI模式是可能的。但是，已知SI-SG燃烧模式 中的操作不包括稀自点燃HCCI燃烧模式中许多明显的益处。另外，试验显示出在特定发动 机条件下操作于某些已知HCCI燃烧模式下的益处和缺点。这里详细描述示例性试验的结 果和益处与缺点之间的平衡。如图4所示，四冲程内燃机中的发动机循环由四个阶段组成⑴膨胀；(2)排气 ⑶进气；和⑷压缩。在NVO期间，当排气门关闭时，再循环阶段开始，直到活塞在TDC为 止。在活塞从TDC收回之后，再压缩结束，燃烧室开始膨胀。图4还以曲线示出了不同发动机负载的气门和燃料供给策略。通过将燃料空气混 合物压缩至自点燃点，没有火花地发生上述已知HCCI燃烧。但是，图4表明了另外的策略， 从而在汽缸条件过冷而无法支撑稳定自点燃的情形下(例如，低负载操作)，使用火花塞、 电热塞或其它点火源来辅助燃烧。本公开提出了一种与监测和控制燃烧性能相连的多次喷射与多火花策略的组合， 以进一步扩展受控自点燃燃烧的低负载操作极限。在高部分负载期间，充沛的自点燃仅需 一个喷射。对于气体温度和压力高的中间部分负载，利用具有大NVO的分段喷射，其中在再 压缩阶段期间喷射每循环需要的总燃料的一部分。喷射的燃料通过部分氧化或重整反应产 生额外的热量，用于改善自点燃。对于较低负载和因而较低的汽缸温度，在重整期间重整一部分燃料可能不足以触 发自点燃。在该操作范围内(例如，靠近怠速操作)，在压缩冲程后期而不是在进气冲程喷 射主要部分燃料量。燃料的这一分层部分被火花点燃，并压缩剩余的燃料-空气混合物，以 进一步达到自点燃。在各汽缸每发动机循环两次喷射的策略中，在燃烧稳定性与NOx排放之间有个平 衡。图5以曲线示出了根据本公开的重整期间燃烧的燃料质量和燃烧稳定性之间的反向关 系。IMEP(或指的是平均有效压力)是每个燃烧循环汽缸做功的测量。IMEP的C0V(IMEP 变化的测量值)为燃烧稳定性的指标，IMEP的COV的较高值表示燃烧过程中的更大不稳定 性。如数据所示，燃烧循环的再压缩/负气门重叠部分重整的更大燃料量导致循环的更大 不稳定性。图6以曲线示出了根据本公开的重整期间燃烧的燃料量与减小的NOx排放之间 的关系。当再压缩期间重整更多的燃料，NOx排放期望地降低；然而，IMEP的GOV不期望地 更高。SI-SG模式的操作中，利用火花产生燃烧室内的压缩波以便于燃烧，这包括与 HCCI-DI模式中重整燃料的反向关系。图9以曲线示出了根据本公开的燃烧稳定性和SI-SG 相关的火焰传播之间的关系的示例性数据。火焰质量分率燃烧(火焰MFB)描述在某些参 考点或参考曲轴角度燃烧循环内地燃烧传播。SI-SG模式中火花点燃的更积极正时(在燃 烧循环早期启动)导致火焰质量分率燃烧的更高值。在图9的示例性数据中，增加的火焰 质量分率燃烧导致较低的IMEP的C0V，描述了期望增加的稳定性。图8以曲线示出了根据 本公开的NOx排放和SI-SG模式相关的火焰传播之间的反向关系的示例性数据。增加的火焰质量分率燃烧导致更高的NOx排放。图8和9描述了与上述稳定性和与HCCI-DI模式中 重整相关的NOx排放相关的平衡相比，燃烧稳定性和与SI-SG模式相关的NOx排放之间的 反向平衡。如图2所示，本文所述方法的低负载操作要求要不在SI-SG模式操作，利用火花产 生燃烧室内的压缩波以便于燃烧，要不在HCCI-DI模式操作，利用燃料重整增加燃烧室内 存在的热量以触发自点燃。图7以曲线示出了根据本公开的示例性数据，该数据指示在补 充方案结合以产生稳定燃烧时由火花启动的重整和提前燃烧正时。通过双喷射的重整能够 用于结合混合模式中的SI-SG模式以选择性地根据期望稳定性和NOx目标操作。在触发自 点燃的主燃烧期间，越多的重整，导致对引起火焰的压缩的需求越低，允许SI-SG模式中较 不积极、较晚正时的火花点燃。公开了一种方法，其从燃料重整和火焰传播燃烧受益，并且 得到了更好的自点燃缸内条件，其中模式之间的平衡被保持平衡并且利用重整和火焰传播 操作燃烧循环。选择重整燃料量的优选方法包括在再压缩期间喷射的燃料量和为了重整喷 射的燃料量被减小到需要达到期望点的最小值。一种用于喷射为达到期望发动机功输出所 需的燃料余量的方法在图10中通过曲线示出。燃料能够在进气冲程期间或压缩冲程早期 被引入一个或多个喷射脉冲以用于主燃烧事件中的燃烧，并且主燃烧事件产生的功能够以 本领域已知的方法估计。这种喷射策略不同于分层燃烧SIDI发动机的多次喷射策略，其中所有的燃料都 在压缩冲程后期喷射，并通过单一火花放电点燃。在对发动机排放和燃烧稳定性具有更少 限制或用于具有控制器处理限制的HCCI发动机中，喷射燃料的问题可以三个或更多的等 喷射量或者三个或更多的等喷射脉宽引起，同时仍有提高燃烧稳定性和降低NOx排放的 优点。在怠速和低负载情形下，每个操作情形都固定的标准不仅耗时，而且由于自点燃 过程未主动控制情形(例如，燃料成分、受热历程或燃烧室沉积物等)的影响，HCCI燃烧过 程不充沛。使用所述的多次喷射策略，公开了从怠速到道路负载的速度/负载范围的典型控 制策略。图11示出了根据本公开的用于选择发动机操作参数的三次喷射策略。描述了控 制程序200。监测有关发动机速度和期望发动机负载的输入，根据本文描述的方法选择三个 喷射事件，平衡稳定性与NOx排放，并输送所需的输出功002)。基于期望发动机输出功确 定燃料喷射脉宽。然后，为了期望空气-燃料比调节NVO(204)。基于所需燃烧稳定性选择 火焰传播SI-SG事件(E0I_3)的喷射正时。基于步骤206中的喷射正时，并基于本文所公 开的期望燃料质量燃烧分率选择SI-SG火焰传播事件的火花正时。另外，在步骤208中，基 于预期NOx排放、稳定性、燃料消耗以及步骤206中的喷射和火花的选择选择燃料重整事件 (E0I_1)的喷射正时。在步骤208中可额外利用火花，以帮助重整过程的开始。最后，基于 步骤206和208中选择的喷射和火花正时，并基于所需输出功和产生的输出效率，选择主燃 烧事件(EOIJ)的喷射正时(210)。这样，可选择多个喷射和火花正时，并对其进行平衡，以 根据本文所述的参数控制燃烧循环。如根据图11所描述的，为用在燃烧循环中而选择火花正时。喷射正时和相关火 花正时的选择对燃烧循环的操作很重要。图12以曲线示出了根据本公开的表示火花传播 SI-SG事件的喷射正时及相关火花正时与产生的燃烧稳定性之间分开的示例性数据。示例性数据中的燃烧稳定性是根据IMEP的标准偏差来描述，较高的值表示较低的燃烧稳定性。 示出了 4个数据组，表示喷射事件结束与相关火花正时之间分隔的曲轴角度。依赖于根据 本文所述方法选择的喷射正时，可基于表示火花正时对燃烧稳定性的影响的查寻表或类似 方法选择与喷射正时选择相关的不同火花正时。应当清楚，图12的数据是特定发动机结构 的示例性数据，对于不同发动机结构，通过足以估计燃烧循环操作任意方法可产生、预测或 模拟类似的数据。图13以曲线示出了根据本公开的表示燃烧循环再压缩期间重整的燃料量与相应 燃料喷射正时之间的关系。该关系允许利用第一喷射的燃料喷射正时来控制期望的燃料重 整量。可选地，监测再压缩期间重整的燃料量。图14以曲线示出了根据本公开的测量的投 票内压力与再压缩期间重整的燃料量之间的示例性关系。对于重整燃料量的调整或反馈控 制，可使用任何这种示例性方法来监测和估计重整的效果。—但设定与重整和火花传播相关的喷射，那么就必须选择燃料喷射以输送必定由 主燃料事件提供的所需输出功。燃料效率和燃烧阶段对控制主燃烧事件很重要。图15以 曲线示出了根据本公开的喷射正时与主燃烧事件的效率和正时之间的示例性相互关系。这 种确定喷射正时对燃烧特性效果的标准曲线是本领域内公知的，对于不同特定发动机结构 会有所不同。如上所述，多次喷射多点燃燃烧模式允许经由无助于HCCI-SI的操作范围的期望 发动机操作，并避免已知每汽缸每发动机循环两次喷射的策略的缺点。通过利用与SI-SG 和HCCI燃烧模式相关的多次喷射和多次点燃，并在这些模式中选择特定的策略，可管理对 于特定参数已知存在的不同效果和缺点，以控制燃烧。因此，公开了一种控制包括至少三个 喷射事件的多次喷射多燃烧模式的示例性方法，其中所述多次喷射多点燃燃烧模式内的三 个不同模式基于发动机速度和负载来确认和选择。在本公开的一个示例性实施例中，为了去除这种控制策略中的一定复杂性，使用 具有等脉宽的多次喷射多点燃策略。在第一多次喷射多点燃燃烧模式中，在包括燃烧循环变冷时的怠速的低速和低负 载时，利用上面参考图10描述的三个喷射事件、多点燃燃烧模式，该模式为自点燃与引导 喷洒分层燃烧的组合。为期望的燃料重整量而调整再压缩中的喷射和点火正时。调节主压 缩中燃料和点火的正时，以在通过充沛的引导喷洒分层燃烧中获得期望的燃烧稳定性。达 到期望发动机功输出所需其余燃料在进气冲程期间引入，以获得最佳燃料效率，并达到期 望燃烧阶段。在第二多次喷射多点燃燃烧模式中，当发动机速度和负载提高时，由于增大了引 导喷洒分层燃烧的不利效果，所以增大了 NOx和煤烟的形成。在中速和中负载范围，可执行 宽分隔三喷射策略。调节再压缩期间的喷射正时和点火正时，以获得期望重整量。通过重 整提高进气门关闭时的温度，这提高了 HCCI燃烧的充沛度。调节主燃烧期间的喷射和点火 正时，以尽可能多地减少引导喷洒分层燃烧，同时保持燃烧稳定性。达到期望发动机功输出 所需的其余燃料可在进气冲程中引入，以辅助HCCI燃烧的开始。在第三多次喷射多点燃燃烧模式中，当发动机速度和负载进一步升高时，即使小 比例的引导喷洒分层燃烧也可产生大量的NOx排放。此外，过多的重整会损害燃烧稳定性 和发动机效率。在高速和高负载时，使用紧密分隔三次喷射策略。考虑效率和燃烧阶段来选择所有三次喷射和点火正时。其分隔优选基于NOx排放、燃烧稳定性和煤烟排放来确定。图16和17以曲线示出了根据本公开的本文所述三次喷射多点燃燃烧模式的应 用，及产生的测试结果对NOx排放和燃烧稳定性的细节影响。描述三个模式操作的区域的 边界仅仅是示例性的。特定发动机中的这些区域可根据试验、经验、预测、建模或者足以精 确反映发动机操作的其它技术来发展，对于每个汽缸和不同发动机设定、条件或操作范围， 可由相同的发动机使用多个区域限定。图16更特别地示出了对于一定范围的发动机速度 和负载的恒定NOx排放的试验数据线，具有限定为如上所述的第一、第二和第三多次喷射 多点燃燃烧模式的区域。图17更特别地示出了对于一定范围的发动机速度和负载通过 IMEP标准偏差测量的恒定燃烧稳定性试验数据线，具有如上所述的第一、第二和第三多次 喷射多点燃燃烧模式的区域。图16和17中的数据示出了一定发动机操作范围内的区域选 择以及可分析和校准的生成发动机性能参数。如上所述，尤其是参考图3所述的，发动机性能折衷是在SI-SG与HCCI模式之间 的固有转换。可将参考图3描述的方法学应用于上述方法，以在三个操作模式之间转换，从 而降低从转换产生的对发动机操作和车辆操纵性的不利影响。如上所述，HCCI操作了有关燃料效率和低NOx排放的益处。但是，如上所述，HCCI 燃烧及相关自点燃在低发动机负载和速度具有限制，其中燃烧室缺少能量或热量导致压缩 的空气燃料充量未达到阈值自点燃条件。上述通过SI-SG模式的火焰传播在燃烧室内提供 了压力波，提高了燃烧室中的可变能量，有助于充量的点燃。轻载HCCI燃烧的稳定性，特 别是与上述混合模式相关的燃烧稳定性与SI-SG燃烧的充沛度紧密相关。应当清楚，燃料 的喷射形状的特定结构、至相应火花源的燃料喷射方向、以及火花至喷射的正时对产生有 效火焰锋以实现SI-SG的期望气焰是很重要的。这些因素组合以在火花塞附件提供空气燃 料混合物，优选是在化学计量AFR的局部附近，有县里于在燃烧室内产生最优的压力锋。试 验表明，除了这些参数，执行为将燃料喷入燃烧室的燃料压力在低负载时对燃烧稳定性有 影响。通过利用火焰传播，可提高HCCI模式中低负载操作的稳定性。这种操作可称为HCCI 火焰传播辅助模式。图18以曲线示出了根据本公开的在利用不同喷射压力的低发动机负载和发动机 速度时通过连续燃烧循环测量的示例性缸内压力。曲线表明在850rpm、85kPa NMEP获得的 高喷射压力与低喷射压力之间通过300个循环的IMEP变化的结果。利用的高压力包括燃 料喷射系统可以以正常发动机操作而操作的燃料压力。利用的低压力包括低于正常操作燃 料压力的燃料压力，并且在正常发动机操作下，由于在正常发动机速度和负载时从燃烧过 程产生过多的煤烟，所以通常在某些示例性结构中通常避免这种低压力。数据表明，具有低 压力燃料喷射的燃烧产生的缸内压力通常具有较低的变化，IMEP值以比高压力燃料喷射的 燃烧产生的压力更低的偏差集中在稳定值附近。更低的缸内压力变化对应于更高的燃烧稳 定性。另外，在低喷射压力显然有更稳定的PMEP，导致更一致的重整燃料量。图19以曲 线示出了根据本公开的在利用不同喷射压力的低发动机负载和低发动机速度时通过连续 燃烧循环测量的示例性PMEP。作为燃烧循环中汽缸执行的泵送功的量度的PMEP可用作作 用在循环充量上的动力量度。充量上更一致的压力和动力导致燃烧循环的更一致的重整。 数据表明，低压燃料喷射的燃烧产生的PMEP —般具有较低的变化，具有以比高压力燃料喷射的燃烧产生的压力更低的偏差集中在稳定值附近的值。低喷射压力的另一益处是进一步扩展了轻载HCCI燃烧的极限。由于低发动机速 度和负载时的低喷射压力而改善的燃烧稳定性继续在更高的发动机速度和低发动机负载 上展现。图20和21以曲线示出了根据本公开的操作于接近HCCI操作范围高端的速度和 低负载的发动机的示例性数据。图20和21的示例性数据是在1000rpm、35kPa NEMP的测 试期间收集的。图20以曲线示出了在利用不同喷射压力的低发动机速度通过连续燃烧循 环测量的示例性缸内压力。图21以曲线示出了在利用不同喷射压力的低发动机负载通过 连续燃烧循环测量的示例性PMEP。图20和21中IMEP和PMEP的检测示出了两个指示中较 低的可变性，表示都改善了燃烧稳定性和改善了重整中的稳定性，如上面参考图18和19所 述。低喷射压力的另一益处是进一步扩展了冷发动机条件期间轻载HCCI燃烧的极 限。图22以曲线示出了根据本公开的示例性测试结果，描述了冷起动条件下的发动机，并 示出了改变燃料喷射压力的NOx排放和燃烧稳定性。用于产生所述示例性数据的测试条件 包括800RPM的发动机速度、120kPa NMEP和25°C的冷却剂温度。数据表明，在燃料压力范 围内NOx排放保持相对不变，IMEP的标准偏差随着燃料喷射压力降低而降低，表明在更低 的燃料喷射压力时改善了燃烧稳定性。这样，可利用调节燃料喷射压力来提高热起动期间 低负载时的燃烧稳定性。如上所述，已知低喷射压力会增大煤烟排放。当发动机负载增大时，在低喷射压力 下会获得高煤烟排放。通过将低喷射压力策略限制为仅有限的区域可避免煤烟排放的增 多，其中在例如怠速情形或操作在轻载时可执行稀操作。公开了一种基于发动机负载和发 动机速度调节燃料喷射压力的方法，使得能够在低发动机负载和适当发动机速度时使用低 燃料喷射压力，在煤烟排放有问题的操作范围内使用高燃料喷射压力。可利用低燃料压力来提高燃烧和重整稳定性的发动机负载和速度可为固定的区 域，其中低压操作基于发动机和相应煤烟排放的测试、预测或建模预测操作而被使能或禁 用。在该二元控制方法中，用于喷射的期望燃料压力被调节为高或低压力，根据发动机操作 和标准选择特定的高压力和低压力。在可选方案中，可基于环境温度、燃料类型或影响燃烧 和产生的稳定性的任何其它可确定的因素来调节二元压力设定或压力操作的操作范围。另 外，可基于发动机操作和煤烟排放选择多个燃料压力，每个燃料压力都指定为操作的发动 机速度和负载操作范围。多个燃料压力可包括高压力、低压力和中间压力或多个中间压 力。另外，期望燃料压力可为依赖于发动机速度和负载在高值与低值之间成比例的低燃料 压力范围。图23以曲线示出了根据本公开的示例性喷射压力策略，其中喷射压力被调节为 通过一定范围的发动机速度和发动机负载。发动机负载表示为每燃烧循环燃烧的燃料量。 曲线图上的数据线示出了对发动机速度和发动机负载指令的期望燃料压力。燃料压力操作 在限定的低发动机速度和低发动机负载范围内的低压力。发动机速度和负载增大时，期望 的喷射压力也增大，从而避免了在较高负载产生煤烟。该曲线可通过查寻表、编程逻辑嵌在 控制棋坛中，或在足以预测发动机操作的车载模块中。如上所述，燃料压力和特定操作范围 可依赖于特定发动机结构而变化。值和范围可通过试验地、经验地、预测地、通过建模或足 以精确预定发动机操作的其它技术来发展，对于各汽缸和对于不同发动机设定、条件或操 作范围，大量标准曲线可被相同发动机使用。
本公开已经描述了特定优选实施例及其修改。通过阅读和理解说明书可出现其它 修改和变形。因此，本公开不限于作为实施本公开的最佳模式而公幵的特定实施例，本公开 包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。
权利要求
1.一种控制火花点燃直喷、可均质充量压燃式内燃机的方法，该内燃机在低负载下以 引导喷洒火花点燃分层燃烧操作，该操作包括选择性地利用燃料喷射系统中降低的燃料压 力来增加燃烧稳定性，所述方法包括监测发动机速度；监测发动机负载；基于发动机速度和发动机负载确定期望燃料压力；以及利用期望燃料压力控制喷入发动机的燃料喷射；其中，所述期望燃料压力基于发动机在较低燃料压力和较低煤烟排放情况下比发动机 在较高燃料压力情况下提高的稳定性而相对于所述速度和负载校准。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述期望燃料压力进一步根据高燃料压力和低燃料 压力校准。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述期望燃料压力进一步被校准至高燃料压力和低 燃料压力之间选择的中间值。
4 如权利要求2所述的方法，其中所述期望燃料压力进一步被校准至高燃料压力和低 燃料压力之间选择的多个中间值。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述期望燃料压力进一步被校准至可调值，该可调 值设为高燃料压力，低燃料压力，或高燃料压力和低燃料压力之间的值。
6.如权利要求1所述的方法，其中基于发动机速度和发动机负载确定期望燃料压力包 括当发动机速度在低速范围内并且当发动机负载在低负载范围内时，将期望燃料压力设为 低燃料压力范围。
7.如权利要求6所述的方法，低速范围和低负载范围包括发动机怠速设定。
8.如权利要求6所述的方法，其中基于发动机速度和发动机负载确定期望燃料压力还 包括当发动机负载在低负载范围内时并且当发动机速度和发动机负载包括均质充量压燃 式范围时，将期望燃料压力设为低燃料压力范围。
9.如权利要求1所述的方法，其中基于发动机速度和发动机负载确定期望燃料压力还 基于燃料类型。
10.如权利要求1所述的方法，其中基于发动机速度和发动机负载确定期望燃料压力 还基于环境温度。
11.一种控制火花点燃直喷内燃机的方法，该内燃机于低负载下在均质充量压燃模式 中利用多次喷射火焰传播来扩展操作，所述方法包括监测发动机速度；监测发动机负载；基于指示发动机处于均质充量压燃低稳定性操作区域的监测的速度和监测的负载，选 择性地在均质充量压燃火焰传播辅助模式中操作发动机，均质充量压燃火焰传播辅助模式 包括确定期望燃料压力，所述期望燃料压力基于发动机在较低燃料压力和较低煤烟排放情 况下比发动机在较高燃料压力情况下提高的稳定性而相对于监测的速度和监测的负载校 准；以及利用期望燃料压力控制喷入发动机的燃料喷射。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述期望燃料压力进一步根据高燃料压力和低燃 料压力校准。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述期望燃料压力进一步根据可调值被校准，该 可调值等于高燃料压力，低燃料压力，或高燃料压力和低燃料压力之间的值。
14.如权利要求11所述的方法，其中指示发动机处于均质充量压燃低稳定性操作区域 包括确定发动机处于怠速条件。
15.一种控制火花点燃直喷、可均质充量压燃式内燃机的设备，该内燃机在低负载下操 作，该操作包括选择性地利用燃料喷射系统中降低的燃料压力来增加燃烧稳定性，所述设 备包括发动机，所述发动机在均质充量压燃火焰传播辅助模式中操作；燃料喷射系统，所述燃料喷射系统以可变燃料压力将燃料提供给发动机；控制器，所述控制器监测发动机速度，监测发动机负载，基于发动机在较低燃料压力和 较低煤烟排放情况下比发动机在较高燃料压力情况下提高的稳定性而命令期望燃料压力 而相对于所述速度和负载校准。
16.如权利要求15所述的设备，其中控制器命令期望燃料压力包括控制器命令较高燃 料压力、正常燃料压力和较低燃料压力。
17.如权利要求15所述的设备，其中控制器命令期望燃料压力包括控制器命令可调燃 料压力，该可调燃料压力在包括较高燃料压力、正常燃料压力和较低燃料压力的范围内。
全文摘要
一种控制火花点燃直喷均质充量压燃式内燃机的方法，该内燃机在低负载下以引导喷洒火花点燃分层燃烧操作，所述方法包括监测发动机速度；监测发动机负载；基于发动机速度和发动机负载确定期望燃料压力；以及利用期望燃料压力控制喷入发动机的燃料喷射，其中所述期望燃料压力基于发动机在较低燃料压力和较低煤烟排放情况下比发动机在较高燃料压力情况下提高的稳定性而被校准至所述速度和负载。
文档编号F02D41/04GK102084108SQ200980125699
公开日2011年6月1日 申请日期2009年4月29日 优先权日2008年5月2日
发明者B·L·布朗, H·允, J-M·康, N·维尔穆思, P·M·纳特 申请人:通用汽车环球科技运作公司