[0001] 本
申请要求2013年2月21日提交的美国临时
专利第61/767,687号的权益，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0002] 本公开涉及一种用于在内燃
发动机（ICE）上的火花点火（spark ignited，SI）燃烧和均质充量压燃（homogeneous charge compression ignition，HCCI）燃烧之间转换的控制系统。
背景技术
[0003] 均质充量压燃（HCCI）是一种用于
活塞发动机的先进燃烧构思，这种构思提供了明显优于当前技术的效率和排放效益。已经对HCCI燃烧工艺研究了超过二十年，并且HCCI燃烧工艺已经表现出有望作为可提高当前技术的效率和排放能
力的
汽车发动机的潜在技术。
[0004] 在HCCI中，对空气、
燃料、以及热排气的均匀混合物进行压缩，直到发生自动点火。因此，燃烧不是由火花发起的。相反，在汽缸内建立精确条件，从而使得简单地通过压缩汽缸内的气体来发起点火。HCCI由此高度依赖于缸内
温度和气体的组成。为了向HCCI点火提供所需的温度，通常将来自前一个燃烧循环的大量热排气俘获在汽缸内，以使能该自动点火；然而，也已经测试了用于发起HCCI的其他方法，包括增大压缩比和加热进气。
[0005] 合并HCCI的显著效益是HCCI发动机可以完全非节流地运行，大大减少了通常在火花点火（SI）发动机中的
泵送损失，从而提升了效率。另外，由于高度稀释的反应混合物和缺少火焰，所以最高燃烧温度低得多，这大大减少了Nox的排放。
[0006] 然而，由于负载的限制，所以提供仅仅依靠HCCI的系统是有问题的。自动点火伴有非常高的压力上升速率，导致在较高负载下的振铃（ringing）现象，这在结构上对于发动机是不希望的。因此，HCCI中的最大功率输出具有上限。在低负载端，更难保持HCCI模式，这是因为无法达到自动点火所需的温度。HCCI模式在较低的速度下也是不可能的，因为发起自动点火的物种的化学分解在较低速度下的速率是非常缓慢的。这会导致不稳定的操作或者失火。
[0007] 因此，仅仅存在一个有限的在HCCI模式下有效并且稳定地运行发动机的操作区域。因此，已经试图通过将HCCI模式与常规的SI模式相结合来在汽车发动机中合并HCCI模式。通过这些方法，在
冷启动周期期间并且在通过低速和低负载使发动机斜升的同时，使用SI模式。在中等负载到中高负载的区域中，可以在HCCI模式下操作发动机，使效率最大化并且使排放最小化。当功率需求超过HCCI模式的负载上限值时，可以将该模式切换回SI模式。
[0008] 然而，从一个模式平稳地转换至另一个模式面临另外的挑战。例如，由于SI操作条件和HCCI操作条件之间的显著差异，在模式切换期间保持所需的
扭矩可能面临挑战。因此，在生产发动机上实施HCCI需要先进的控制
算法。由于缺少直接点火触发器（诸如，火花）和由在HCCI模式下俘获的排气引入的循环到循环动态，该控制算法是复杂的。在该文献中已经展示了用于稳态和瞬态控制HCCI的多种建模和控制方法。
[0009] 从前面的论述中可见，HCCI和传统SI模式之间的转换均必须在低负载/速度下以及在操作范围的中高负载/速度端进行。这在图1中进行了示意性地示出。在图1中，用面积10指示了发动机负载/发动机速度的区域，在该区域中，HCCI模式是有利的。面积12标识了SI模式的允许操作区域。因此，在发动机沿着线14从低速/低负载条件转换至高速高负载条件时，发动机最适宜在
位置16处从SI模式转换至HCCI模式并且在位置18处再次从HCCI模式转换至SI模式。相似地，在发动机沿着线20从高速/高负载条件转换至低速/低负载条件时，发动机最适宜在位置22处从SI模式转换至HCCI模式并且在位置24处再次从HCCI模式转换至SI模式。
[0010] 为了实现所需的模式切换，HCCI发动机通常可以用完全柔性的可变
阀致动系统来实施，也可以用双
凸轮相位器来实施。前者仅仅适用于研究之目的，并且在生产设置上实施是不可行的。用于HCCI发动机的双凸轮相位器通常设计有两组阀
门轮廓，一组用于SI模式，另一组用于HCCI模式。
[0011] 图2图示了SI和HCCI阀门升程和打开/关闭轮廓的典型示例。线30标识了在SI模式下离开阀（exhaust valve）相对于
曲轴角度（CAD）的阀门升程位置，并且线32标识了在SI模式下进给阀（intake valve）相对于CAD的阀门升程位置。线34标识了在HCCI模式下离开阀相对于CAD的阀门升程位置，并且线36标识了在HCCI模式下进给阀相对于CAD的阀门升程位置。本文中，线30、32、34和36的最大高度指“阀门升程轮廓”，在线偏离并且回到0 mm的CAD指阀门“打开/关闭”或者“定时”轮廓。
[0012] 图2示出了在SI模式下理想的是具有高阀门升程（升程轮廓）和长打开阀门持续时间（打开/关闭轮廓），而在HCCI模式下优选的是具有低阀门升程和短打开阀门持续时间（以实现俘获排气）。因此，从SI到HCCI的转换也涉及从SI阀门轮廓（升程和定时轮廓）转换至HCCI阀门轮廓，这可以引入显著的动态。
[0013] 在该文献中已经呈现了在这两种模式之间切换的不同方法，包括：单步切换和分多个循环更具逐步发生的转换。在该文献中也已经呈现了一些控制方法：其中一节示出了从具有进给阀早关闭的SI切换到HCCI的控制方法，其中，在切换期间，控制燃料量和阀门定时；另一节展示了一种在从SI到HCCI的多循环转换期间控制负载和空气燃料率的方法。然而，所有这些方法都引起了不希望的动态。
[0014] 因此，需要一种在展示出提高了动态的同时提供在SI和HCCI模式之间的转换的控制系统。
发明内容
[0015] 在一个
实施例中，发动机系统包括：汽缸；进入阀（inlet valve），其配置为控制气体流入汽缸；排出阀（outlet valve），其配置为控制气体流出汽缸；
节流阀，其配置为控制燃料流入汽缸；
存储器，其包括存储在其中的程序指令；以及处理器，其可操作地连接至进入阀、排出阀、节流阀和存储器，并且配置为执行程序指令以：根据均质充量压燃（HCCI）阀门升程轮廓和火花点火（SI）阀门打开/关闭轮廓来控制进入阀和排出阀，并且，在根据HCCI 阀门升程轮廓和SI阀门打开/关闭轮廓来控制进入阀和排出阀的同时，在汽缸中启动第一火花。
[0016] 在另一实施例中，一种控制具有汽缸、配置为控制气体流入汽缸的进入阀、以及控制气体流出汽缸的排出阀的发动机系统的方法包括根据均质充量压燃（HCCI）阀门升程轮廓和火花点火（SI）阀门打开/关闭轮廓控制进入阀和排出阀，以及在根据HCCI阀门升程轮廓和SI阀门打开/关闭轮廓控制进入阀和排出阀的同时在汽缸中启动第一火花。
附图说明
[0017] 图1描绘了SI和HCCI操作规程以及在它们之间的转换的示意图；
[0018] 图2描绘了在SI和HCCI操作模式下的示例性阀门轮廓的图表；
[0019] 图3描绘了根据本公开的原理的发动机系统；
[0020] 图4描绘了由图3的系统控制的SI至HCCI的转换策略；
[0021] 图5描绘了由图3的系统控制的HCCI至SI的转换策略；
[0022] 图6描绘了示出了从内部排气残留（EGR）分数和λ（lambda）角度的从SI至HCCI模式的转换的图解；
[0023] 图7描绘了在从SI模式至HCCI模式的转换期间根据曲轴角度（CAD）的进给阀打开时间、点火结束和火花启动定时以及节流位置；
[0024] 图8 描绘了当基于正常HCCI循环控制点火结束时在SI模式操作和HCCI操作的前四个循环期间汽缸压力对于CAD关于上死点（TDC）的图表；
[0025] 图9描绘了当将点火结束控制为相较于正常HCCI循环延迟时在SI模式操作和HCCI操作的前四个循环期间的汽缸压力的图表；
[0026] 图10描绘了离开阀和进给阀，该图是在从SI模式转换至HCCI模式期间根据CAD的汽缸压力的图表；
[0027] 图11描绘了在从SI模式转换至HCCI模式期间在进给阀关闭时EGR的
质量和EGR的温度；
[0028] 图12描绘了在从SI模式转换至HCCI模式期间保持的λ以及在进给阀处的压力；
[0029] 图13描绘了在从SI模式转换至HCCI模式期间在进给阀关闭时的工作输出、CA50、EGR的质量和EGR的温度；
[0030] 图14描绘了在从SI模式转换至火花辅助压燃（SACI）模式再至HCCI模式期间在进给阀关闭时的工作输出、CA50、EGR的质量和EGR的温度；以及
[0031] 图15描绘了示出了在从SI模式转换至SACI模式再至HCCI模式期间在最后的SI循环和三个SACI循环期间从汽缸释放出来的热量的图表。
具体实施方式
[0032] 为了方便理解本公开的原理，现在将参考在附图中图示并且在下文中书面描述的实施例。要理解，此处不旨在对本公开的范围进行限制。还要理解，本公开包括对图示的实施例的任何更改和
修改，并且包括本公开的原理的进一步应用，这对于本公开所属领域的技术人员来说是容易想到的。
[0033] 图3描绘了发动机系统100，其包括发动机102。发动机包括至少一个汽缸104。只示出了一个汽缸104和相关联的部件，在一些实施例中，将多个汽缸104合并在一起。与汽缸104相关联的是发动机进给阀106、发动机离开阀108、以及
火花塞110。节流阀112控制燃料流入汽缸104中。
[0034] 发动机系统100进一步包括存储器114和处理器116。将在下面进一步详细论述的各种程序指令被编程到存储器114中。处理器116可操作以执行编程到存储器114中的程序指令。处理器116可操作地连接至发动机进给阀106、发动机离开阀108、火花塞110和节流阀112。处理器116也可操作地连接至其他
传感器和
控制器，这些传感器和控制器中的一些将在下面进一步详细论述。
[0035] 处理器116执行存储在存储器114内的程序指令，以基于涉及利用与HCCI模式相同的低升程阀门轮廓操作的SI模式的方法提供控制策略，因此，将燃烧模式切换动态与从通常在SI中使用的高升程、长持续时间轮廓切换至HCCI使用的低升程、短持续时间轮廓的动态解耦，如以上参照图2所描述的。
[0036] 图4描绘了当沿着图1的线14进行时的通用控制过程，处理器116首先将发动机进给阀106和发动机离开阀108控制在高阀门升程SI模式136下。当需要转换时，处理器116将发动机进给阀106和发动机离开阀108控制在低阀门升程SI模式138下。一旦满足HCCI的条件，处理器116将发动机进给阀106和发动机离开阀108控制在低阀门升程HCCI模式140下。
[0037] 图5描绘了当沿着图1的线20进行时的通用控制过程，处理器116首先将发动机进给阀106和发动机离开阀108控制在低阀门升程HCCI模式142下。当需要转换时，处理器116将发动机进给阀106和发动机离开阀108控制在低阀门升程SI模式144下。然后，控制器116将发动机进给阀106和发动机离开阀108控制在高阀门升程SI模式146下。
[0038] 在图4的转换中或者在图5的转换中，一旦已经建立了阀门升程，则必须修改节流位置和阀门定时（打开/关闭）。出于解释之目的，下面将详细论述从SI模式到HCCI模式的转换；然而，相同的原理也适用于从HCCI到SI模式的转换。
[0039] 因此，为了从SI模式转换至HCCI模式，必须将节流阀112从节流位置移动至完全打开的位置，并且在防止不希望的扭矩调节的同时，还必须修改在图2中描绘的在SI模式和HCCI模式之间的阀106/108的打开和关闭的定时。
[0040] 通过执行存储在存储器114中的程序指令，处理器116由此控制在图6中示意性示出的转换。在图6中，处理器116首先将发动机102控制SI模式下。如上所述，在SI模式下，λ表示实际空气燃料比和化学计量空气燃料比之比以及内部排气再循环（EGR）的分数或者俘获的排气质量，通常以化学计量（λ=1）方式运行并且具有低内部EGR。通常，使节流阀部分关闭（以保持化学计量），尤其是处于低速，并且使高升程凸轮操作进给阀和离开阀（以使流量最大化），来控制SI模式。
[0041] 相反，HCCI模式通常贫油运行（λ＞1）并且具有高内部EGR。由此，使节流阀112完全打开（从而使泵送损失最小化）并且使低升程凸轮操作阀106/108（以能够充分俘获汽缸104中的残留物），来控制HCCI模式。
[0042] 为了从由图6中的操作参数线150指示的SI模式实现转换，在发动机进给阀106和发动机离开阀108的打开/关闭定时从SI定时变化至HCCI定时的同时，处理器116控制节流阀112打开。另外，将在SI模式下由火花塞110的启动控制的燃烧定时延迟，从而降低效率。在图7中描绘了这些过程。在图7中，线170指示打开进入阀106的定时，并且线174指示结束燃料喷射（EOI）定时。另外，线176指示节流阀112的位置，并且线178指示启动火花塞110的定时。
[0043] 在HCCI发起之后（在循环7处），继续延迟图7中的EOI（线174），直到循环10为止。该延迟用于减少振铃。举例来说，图8描绘了在燃料喷射定时方面无延迟的汽缸104中的压力。在图8中，线180表示由SI模式控制引起的压力，线182是用于第一HCCI循环的压力，线184是用于第二HCCI循环的压力，线186是用于第三HCCI循环的压力，以及线188是用于第四HCCI循环的压力。图8指示了可发生振铃，该振铃可引起驾驶者的注意。由于在SI模式下的最后一个燃烧循环产生了温度相对较高的残留排气，并且不同的残余成分具有比HCCI操作的稳定状态更高的Nox，所以发生了振铃。残留的成分通过Nox易于提高混合物的
反应性。
[0044] 图9描绘了在燃料喷射定时方面有延迟的汽缸104中的压力。在图9中，线190表示由SI模式控制引起的压力，线192是用于第一HCCI循环的压力，线194是用于第二HCCI循环的压力，线196是用于第三HCCI循环的压力，以及线198是用于第四HCCI循环的压力。由此，通过延迟EOI，抵消了由最后一个SI循环的条件引起的反应性的提高。由此，图9指示在HCCI操作模式的前几个循环中的延迟EOI显著地减少了振铃。
[0045] 图10中描绘了阀106/108关闭的定时。在图10中，离开阀108（EVC）的关闭由线200描绘，阀106（IVC）的关闭的定时由线202描绘。在区域204（SI模式）中，离开阀108在大约318 CAD处关闭，而进给阀106在大约510 CAD处关闭。在转换区域206中，关闭轮廓变化到区域208的HCCI轮廓。离开阀108的关闭由此从大约318 CAD变为大约268 CAD，而进入阀106的关闭从大约510 CAD变为大约570 CAD。
[0046] 图10中描绘的变化时间受发动机上使用的特定系统的制约。由此，与合并有
致动器（诸如，火花或者喷射）相比，合并有凸轮相位器和致动器动态的系统在逐个循环的
基础上较为缓慢。
[0047] 由于修改了阀门升程，被俘获的残留物的量增加。图10的阀门变化由此实现了俘获的残留物的量、进气压力、以及混合物温度的平稳转换，导致了
压缩点火的平稳且鲁棒的转换。图11中描绘了这些增加。在图11中，俘获的残留物的质量由线210指示，而气体的温度由线212指示。
[0048] 因为汽缸104中气体的质量不断增加，特别是在图11中的循环4和循环10之间，燃料质量不变，所以，必须增加进气管压力，以维持引入的空气质量相同。在图12中描绘了该增加，在该图中，线214指示在进给阀106处的压力，并且线216是λ。将短阀门持续时间和升程合并到多汽缸实施例中会导致在气体交换期间，特别是在排气过程期间，汽缸之间的交互解耦。俘获的残留气体的量由此变得不依赖于汽缸
点火顺序和在每个汽缸中使用的燃烧模式。因此，俘获的排气的量仅仅根据排出阀关闭定时。
[0049] 因此，由处理器116控制的过程在阀门升程和持续时间方面控制SI和HCCI模式之间的阀门轮廓，以使在燃烧模式切换期间的气体交换动态问题最小化。首先，使用SI燃烧策略，从在SI模式下正常使用的高阀门升程完成切换到低阀门升程。在燃烧控制方面，由于火花塞的启动控制了燃烧定相，所以可以轻易做到这点。由此，不需要精确了解气体交换动态。
[0050] 减低的阀门升程和降低的气体交换降低了汽缸内的燃烧效率，导致了更高的燃料损耗，而不会引起发动机输出的随后修改，因此需要打开节流阀112。因此，在打开节流阀112至最终HCCI操作所需的位置的同时，并且在通过将阀106/108控制到HCCI模式所需的设置点来增加图6中的操作参数线150的区域152中的内部EGR的比率的同时，来维持化学计量。由此，节流阀112用于在转换期间控制发动机102的输出。
[0051] 一旦EGR已经上升至图6的操作参数线150的区域154，则EGR足以实现自动点火。处理器116由此发起至HCCI的模式切换，并且使火花塞110失效。在HCCI模式下，由于提高了HCCI模式的效率，所以可以减少提供至汽缸104中的燃料。
[0052] 因此，通过合并低阀门升程SI模式138/144，通过将阀门-切换动态与燃烧模式切换动态解耦，来实现两种燃烧模式之间的平稳转换。该解耦通过将阀门升程轮廓切换归为在纯SI燃烧期间发生，简化了控制问题。
[0053] 上述过程是以针对负载4（NMEP）转速为2000 rpm的单个汽缸发动机为例进行展示的。在图13中呈现了结果，在图13中，首先将发动机102控制在SI模式下，然后在循环7中将发动机102转换至HCCI模式。图13包括示出了工作输出的线220，该工作输出表示为示范发动机的净平均有效压力（NMEP），而线222示出了示范发动机的模型的工作输出。线220和线222示出了系统100的试验结果和建模之间的良好相关性。线220指示在从SI模式至HCCI模式的切换期间系统100的输出相对恒定。
[0054] 图13进一步包括示出了示范发动机的“CA50”的线224，“CA50”定义为已经释放出燃烧产生的
能量的50%的曲轴角，而线226示出了系统的模型的CA50。线224反映了始于循环2的燃烧定时的延迟，该延迟导致了后来的CA50。延迟的CA50继续，直到发起HCCI模式，此时，将CA50快速驱动趋于0。线224和线226示出了系统的试验结果和建模之间的良好相关性。
[0055] 图13中的线228描绘了建模的残余气体的量，而线230描绘了当进给阀关闭时汽缸中的气体的建模温度。线228和线230指示了：在系统的阀门打开/关闭轮廓从低升程的SI模式向低升程的HCCI模式变化时，汽缸104中的气体的量和该气体的温度增加。
[0056] 由此，图13指示使燃烧定相平稳地进入HCCI模式下，而不会引起过早定相或者失火。另外，发动机负载在切换期间保持相对恒定。
[0057] 虽然上述论述已经将重点放在从SI模式直接转换至HCCI模式的实施例，但是上面描述的策略可进一步适用于处理器116执行存储器114中的程序指令以提供火花辅助压燃（SACI）的转换。通过将几个SACI循环合并在SI模式和HCCI模式之间，提高了高度依赖于负载、速度和环境条件的系统的鲁棒性。
[0058] 图14描绘了在针对负载4（NMEP）转速为2000 rpm的单个汽缸发动机上的SI模式至HCCI模式的转换中包括SACI的结果。在图14中，首先将示范发动机控制在SI模式下，然后在循环6中将示范发动机转换至SACI模式。在循环9中，产生至HCCI模式的转换。
[0059] 图14包括示出了示范发动机的工作输出的线240和示出了系统的模型的工作输出的线242。线240和线242示出了系统的试验结果和建模之间的良好相关性。线240指示在从SI模式到SACI模式再到HCCI模式的切换期间，系统的工作输出相对恒定。
[0060] 图14进一步包括示出了示范发动机的CA50的线244和示出了系统的模型的CA50的线246。线244反映了始于燃烧定时的延迟，该延迟在循环4之后变化，导致了后来的CA50。不同于在图13中的HCCI模式下展现的驱动趋于0的情况（见线224），SACI模式开始驱动趋于0。由此，CA50在进入HCCI模式后立即相对稳定。线244和线246示出了系统的试验结果和建模之间的良好相关性。
[0061] 图14中的线248描绘了建模的残余气体的量，而线250描绘了当进给阀关闭时汽缸中的气体的建模温度。线248和线250指示了：随着系统的阀门打开/关闭轮廓从低升程的SI模式向低升程的HCCI模式变化时，汽缸104中的气体的量和该气体的温度增加。图15中描绘了
散热轮廓，在图15中，线252描绘了最后一个SI燃烧循环（循环6），线254描绘了第一SACI循环（循环7），线256描绘了第二SACI循环（循环8），以及线258描绘了第三SACI循环（循环9）。图15表示了SACI循环是由预混燃烧和压缩点火组成的混合燃烧规程。
[0062] 因此，该混合燃烧规程（SACI）可以实现高稀释
水平和早期火花定时。该方法逐渐增加残留物的量，并且逐渐增加混合物温度。因此，实现了散热中的压缩点火的比例的逐渐增加，直至产生纯HCCI燃烧。
[0063] 上面描述的过程促进了从SI到HCCI的转换。在一些实施例中，从SI模式转换至SACI模式后，该过程终止，并且该系统不包括HCCI模式。
[0064] 虽然结合附图和上述说明对本发明进行了详细图示和描述，但是该详细图示和描述是说明性的，而不是对特征的限制。仅仅提出了优选的实施例，并且，落入本发明精神内的所有改变、修改和进一步应用都要求得到保护。
