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控制以 压缩点火燃烧模式操作的 内燃机操作的方法和设备

阅读：94发布：2020-09-23

专利汇可以提供控制以压缩点火燃烧模式操作的内燃机操作的方法和设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且内燃发动机配置为以采用进气阀延迟关闭的均质充气压缩点火燃烧模式和火花点火燃烧模式操作。用于操作内燃发动机的方法包括确定从前一发动机循环再引入燃烧室中的残余气体量，以及基于从前一发动机循环再引入到燃烧室中的残余气体量确定捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量。基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量控制用于当前发动机循环的对气缸的燃料供给。，下面是控制以压缩点火燃烧模式操作的内燃机操作的方法和设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于在以均质充气燃烧模式操作和以采用进气阀延迟关闭的火花点燃燃烧模式操作之间的转变过程中操作内燃发动机的方法，所述方法包括：
确定从前一发动机循环再引入到燃烧室中的残余气体量；
基于从前一发动机循环再引入到燃烧室中的残余气体量，确定捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量；和
通过控制器，基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量，控制用于当前发动机循环的对气缸的发动机燃料供给。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，以采用进气阀延迟关闭的火花点燃燃烧模式操作内燃发动机包括在进气阀于下止点(BDC)之后关闭的情况下操作内燃发动机，并且其中，确定从前一发动机循环再引入到燃烧室中的残余气体量包括：确定在进气阀于BDC之后关闭的情况下被推回到燃烧室的进气端口中的残余气体量，和确定来自前一发动机循环的被捕集在燃烧室中的残余气体量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定在进气阀于BDC之后关闭的情况下被推回到燃烧室的进气端口中的残余气体量和确定来自前一发动机循环的被捕集在燃烧室中的残余气体的量包括：
当排气阀和进气阀不重叠时，确定在排气阀关闭时的气缸容积；和
根据以下公式确定在连续的发动机循环上被推回到进气端口中的残余气体体积：
其中
VEVC是排气阀关闭时的气缸容积，
Vres是被推回到进气端口中的残余气体体积，
k表示当前发动机循环，
k+1表示下一发动机循环，
Vc是余隙容积，
Vd是气缸排量，并且
VIVC是进气阀关闭时的气缸容积。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量，并且
其中基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量控制对气缸的发动机燃料供给包括：基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量和在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量控制用于当前发动机循环的对气缸的发动机燃料供给。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量包括根据以下公式确定在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量：
其中
mf是喷射到气缸中的燃料质量，
是被推回到进气端口中的燃料量，
Vc是余隙容积，
Vd是气缸排量，
VIVC是进气阀关闭时的气缸容积，
k表示当前发动机循环，并且
k+1表示下一发动机循环。
6.一种用于在以均质充气燃烧模式操作和以采用进气阀延迟关闭的火花点燃燃烧模式操作之间的转变过程中操作内燃发动机的方法，所述方法包括：
确定从前一发动机循环再引入到燃烧室中的残余气体量；
确定在前一发动机循环过程中推回到进气端口中的燃料量；和
通过控制器，基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量和在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量，控制用于当前发动机循环的对气缸的发动机燃料供给。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量包括根据以下公式确定在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量：
其中
mf是喷射到气缸中的燃料质量，
是被推回到进气端口中的燃料量，
Vc是余隙容积，
Vd是气缸排量，
VIVC是进气阀关闭时的气缸容积，
k表示当前发动机循环，并且
k+1表示下一发动机循环。
8.一种多气缸直喷四冲程内燃发动机，包括：
进气阀，操作地连接到进气凸轮轴，用于控制进入每一个燃烧室中的空气流；
排气阀，操作地连接到排气凸轮轴，用于控制来自每一个燃烧室的排气流；
进气可变凸轮相位调整和可变升程控制装置；
排气可变凸轮相位调整和可变升程控制装置；
所述发动机，配置为以进气阀延迟关闭(LIVC)模式操作，包括以高升程进气阀曲线控制所述进气可变凸轮相位调整和可变升程控制装置，并且切换为使得，在下止点之后当发动机以火花点燃燃烧模式操作时，进气阀关闭；和
控制器，在以均质充气燃烧模式操作发动机和以采用进气阀延迟关闭的火花点燃燃烧模式操作发动机之间的转变过程中执行一控制例程，方法包括：
确定从前一发动机循环再引入到每一个燃烧室中的残余气体量；
基于从前一发动机循环再引入到每一个燃烧室中的残余气体量，确定捕集在每一个燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量；和
基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量，控制用于当前发动机循环的对气缸的发动机燃料供给。
9.根据权利要求8所述的发动机，其中，控制器确定从前一发动机循环再引入到燃烧室的残余气体量包括：控制器确定在进气阀于下止点(BDC)之后关闭的情况下被推回到燃烧室的进气端口中的残余气体量，以及确定从前一发动机循环捕集到燃烧室中的残余气体量。
10.根据权利要求9所述的发动机，其中，控制器确定在进气阀于BDC之后关闭的情况下推回到燃烧室的进气端口中的残余气体量以及确定从前一发动机循环捕集到燃烧室中的残余气体量包括：
当排气阀和进气阀不重叠时，确定在排气阀关闭时的气缸容积；和
根据以下公式确定在连续的发动机循环上推回到进气端口中的残余气体体积：
其中
VEVC是排气阀关闭时的气缸容积，
Vres是推回到进气端口中的残余气体体积，
k表示当前发动机循环，
k+1表示下一发动机循环，
Vc是余隙容积，
Vd是气缸排量，并且
VIVC是进气阀关闭时的气缸容积。

说明书全文

控制以压缩点火燃烧模式操作的 内燃机操作的方法和设备

技术领域

[0001] 本发明涉及配置为以均质充气(charge)压缩点火(HCCI)燃烧模式操作的内燃发动机。

背景技术

[0002] 本部分中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

[0003] 已知的火花点燃(SI)发动机将空气-燃料混合物引入每一个气缸中，空气-燃料混合物在压缩冲程中被压缩并且由火花塞点燃。已知的压缩-点燃(CI)发动机在压缩冲程的上止点(TDC)附近将加压燃料喷射到燃烧气缸中，该加压燃料在喷射时点燃。SI发动机和CI发动机二者的燃烧都涉及由流体力学控制的预混或扩散火焰。

[0004] SI发动机可以不同的燃烧模式操作，包括均质SI燃烧模式和分层充气SI燃烧模式。SI发动机可配置为在预定速度/载荷操作条件下以均质充气压缩点燃(HCCI)燃烧模式操作，也被称为受控自动点燃燃烧。HCCI燃烧为分布式无焰动态受控自动点燃燃烧过程，其中发动机在稀释的空气-燃料混合物下操作，即稀的化学当量空气/燃料点，具有相对低的燃烧峰值温度，导致低NOx排放。以HCCI燃烧模式操作的发动机具有在进气阀关闭时间在组分、温度和残余排气方面优选均质的气缸充气。均质空气-燃料混合物将形成颗粒物质的气缸内富燃烧区的发生最小化。

[0005] 发动机气流可通过选择地调整节气阀的位置和进气阀与排气阀的开闭来控制。在这样配备的发动机系统上，进气阀和排气阀的开闭可能使用可变阀促动系统调整，可变阀促动系统包括可变凸轮相位和可选择的多级阀升程，例如多级凸轮瓣，其提供两个或多个阀升程位置。与节气阀位置改变相反，多级阀升程机构的阀位置中的改变是离散级的改变。

[0006] 当发动机以HCCI燃烧模式操作时，发动机在稀或化学当量空气/燃料比率操作下操作，其中节气阀打开较宽，以最小化发动机泵气损失。当发动机以SI燃烧模式操作时，发动机在化学当量空气/燃料比下或附近操作，其中节气阀在从0％到100％的宽打开位置的位置范围上被控制，以控制进气空气流，从而实现化学当量空气/燃料比。

[0007] 在以HCCI燃烧模式的发动机操作过程中，燃烧受点火之前的压缩前或过程中气缸充气气体温度以及气缸充气的混合物组分影响。已知的以自动点火燃烧模式操作的发动机使用校准表计入环境和发动机操作条件中的变化，作为总发动机控制方案的一部分。已知的HCCI发动机控制方案包括使用输入参数进行控制发动机参数的校准，输入参数包括例如发动机负荷、发动机速度和发动机冷却剂温度。气缸充气气体温度可通过经由发动机阀重叠控制热气体残余以及经由排气再循环控制冷气体残余来影响。气缸充气气体温度、压力、组分可受发动机环境因素影响，发动机环境因素包括例如空气温度、湿度、高度和燃料参数，例如RVP、含能量和品质。

[0008] 在以HCCI燃烧模式的发动机操作过程中的燃烧可具有燃烧热释放方面的特性，这可包括相对于活塞位置的燃烧正时。燃烧正时可借助质量燃烧分数来描述，其表示气缸充气的质量分数的一部分被燃烧时所处的活塞位置。感兴趣的质量燃烧分数包括CA50点(以相对于TDC的曲柄角的形式)，在该点处，积聚的热释放达到气缸充气的总热释放的50％。

[0009] 空气流控制策略根据所选的燃烧模式改变，需要系统中低速和高速促动器的位置改变。配备有凸轮相位器和可变阀升程系统(例如两级阀外形切换器)的HCCI发动机，在SI模式中通过高升程阀外形操作，并且在HCCI模式中通过低升程阀外形操作。这在低和部分负荷条件下显著降低泵气损失。由于发动机在HCCI模式中以宽打开阀位置操作，因此气缸充入空气经由凸轮相位通过改变进气和排气阀正时并且由此调整进气阀关闭(IVC)处的有效气缸容积来控制，而在SI模式中气缸充入空气主要使用节气阀来改变进气歧管压力而控制。与以SI模式和HCCI模式操作相关联的阀外形和正时以及进气歧管压力对于恒定的发动机负荷非常不同，提高了可注意到的扭矩偏差以及相关联的驾驶性惩罚的可能性，缺乏适当的发动机控制策略来缓解这样的扭矩偏差。

发明内容

[0010] 内燃发动机配置为以均质充气压缩点火燃烧模式和采用进气阀延迟关闭的火花点火燃烧模式操作。用于操作内燃发动机的方法包括确定从前一发动机循环再引入燃烧室中的残余气体量，以及基于从前一发动机循环再引入到燃烧室中的残余气体量确定捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量。基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量控制用于当前发动机循环的对气缸的燃料供给。

[0011] 根据本发明的一个方面，一种用于在以均质充气燃烧模式操作和以采用进气阀延迟关闭的火花点燃燃烧模式操作之间的转变过程中操作内燃发动机的方法，所述方法包括：

[0012] 确定从前一发动机循环再引入到燃烧室中的残余气体量；

[0013] 基于从前一发动机循环再引入到燃烧室中的残余气体量，确定捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量；和

[0014] 通过控制器，基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量，控制用于当前发动机循环的对气缸的发动机燃料供给。

[0015] 优选地，其中，以采用进气阀延迟关闭的火花点燃燃烧模式操作内燃发动机包括在进气阀于下止点(BDC)之后关闭的情况下操作内燃发动机，并且其中，确定从前一发动机循环再引入到燃烧室中的残余气体量包括：确定在进气阀于BDC之后关闭的情况下被推回到燃烧室的进气端口中的残余气体量，和确定来自前一发动机循环的被捕集在燃烧室中的残余气体量。

[0016] 优选地，其中，确定在进气阀于BDC之后关闭的情况下被推回到燃烧室的进气端口中的残余气体量和确定来自前一发动机循环的被捕集在燃烧室中的残余气体的量包括：

[0017] 当排气阀和进气阀不重叠时，确定在排气阀关闭时的气缸容积；和[0018] 根据以下公式确定在连续的发动机循环上被推回到进气端口中的残余气体体积：

[0019]

[0020] 其中

[0021] VEVC是排气阀关闭时的气缸容积，

[0022] Vres是被推回到进气端口中的残余气体体积，

[0023] k表示当前发动机循环，

[0024] k+1表示下一发动机循环，

[0025] Vc是余隙容积，

[0026] Vd是气缸排量，并且

[0027] VIVC是进气阀关闭时的气缸容积。

[0028] 优选地，方法进一步包括确定在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量，并且

[0029] 其中基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量控制对气缸的发动机燃料供给包括：基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量和在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量控制用于当前发动机循环的对气缸的发动机燃料供给。

[0030] 优选地，其中，确定前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量包括根据以下公式确定在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量：

[0031]

[0032] 其中

[0033] mf是喷射到气缸中的燃料质量，

[0034] 是被推回到进气端口中的燃料量，

[0035] Vc是余隙容积，

[0036] Vd是气缸排量，

[0037] VIVC是进气阀关闭时的气缸容积，

[0038] k表示当前发动机循环，并且

[0039] k+1表示下一发动机循环。

[0040] 根据本发明的另一个方面，一种用于在以均质充气燃烧模式操作和以采用进气阀延迟关闭的火花点燃燃烧模式操作之间的转变过程中操作内燃发动机的方法，所述方法包括：

[0041] 确定从前一发动机循环再引入到燃烧室中的残余气体量；

[0042] 确定在前一发动机循环过程中推回到进气端口中的燃料量；和

[0043] 通过控制器，基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量和在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量，控制用于当前发动机循环的对气缸的发动机燃料供给。

[0044] 优选地，其中，确定前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量包括根据以下公式确定在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量：

[0045]

[0046] 其中

[0047] mf是喷射到气缸中的燃料质量，

[0048] 是被推回到进气端口中的燃料量，

[0049] Vc是余隙容积，

[0050] Vd是气缸排量，

[0051] VIVC是进气阀关闭时的气缸容积，

[0052] k表示当前发动机循环，并且

[0053] k+1表示下一发动机循环。

[0054] 根据本发明的另一方面，一种多气缸直喷四冲程内燃发动机，包括：

[0055] 进气阀，操作地连接到进气凸轮轴，用于控制进入每一个燃烧室中的空气流；

[0056] 排气阀，操作地连接到排气凸轮轴，用于控制来自每一个燃烧室的排气流；

[0057] 进气可变凸轮相位调整和可变升程控制装置；

[0058] 排气可变凸轮相位调整和可变升程控制装置；

[0059] 所述发动机，配置为以进气阀延迟关闭(LIVC)模式操作，包括以高升程进气阀曲线控制所述进气可变凸轮相位调整和可变升程控制装置，并且切换为使得，在下止点之后当发动机以火花点燃燃烧模式操作时，进气阀关闭；和

[0060] 控制器，在以均质充气燃烧模式操作发动机和以采用进气阀延迟关闭的火花点燃燃烧模式操作发动机之间的转变过程中执行一控制例程，方法包括：

[0061] 确定从前一发动机循环再引入到每一个燃烧室中的残余气体量；

[0062] 基于从前一发动机循环再引入到每一个燃烧室中的残余气体量，确定捕集在每一个燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量；和

[0063] 基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量，控制用于当前发动机循环的对气缸的发动机燃料供给。

[0064] 优选地，其中，控制器确定从前一发动机循环再引入到燃烧室的残余气体量包括：控制器确定在进气阀于下止点(BDC)之后关闭的情况下被推回到燃烧室的进气端口中的残余气体量，以及确定从前一发动机循环捕集到燃烧室中的残余气体量。

[0065] 优选地，其中，控制器确定在进气阀于BDC之后关闭的情况下推回到燃烧室的进气端口中的残余气体量以及确定从前一发动机循环捕集到燃烧室中的残余气体量包括：

[0066] 当排气阀和进气阀不重叠时，确定在排气阀关闭时的气缸容积；和[0067] 根据以下公式确定在连续的发动机循环上推回到进气端口中的残余气体体积：

[0068]

[0069] 其中

[0070] VEVC是排气阀关闭时的气缸容积，

[0071] Vres是推回到进气端口中的残余气体体积，

[0072] k表示当前发动机循环，

[0073] k+1表示下一发动机循环，

[0074] Vc是余隙容积，

[0075] Vd是气缸排量，并且

[0076] VIVC是进气阀关闭时的气缸容积。

[0077] 优选地，进一步包括确定在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量，并且

[0078] 其中基于捕集在燃烧室中的用于当前发动机循环的新鲜空气量控制对气缸的发动机燃料供给包括：控制器基于捕集在燃烧室中用于当前发动机循环的新鲜空气量和在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量控制用于当前发动机循环的对气缸的发动机燃料供给。

[0079] 优选地，其中，控制器确定在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量包括：控制器根据以下公式确定在前一发动机循环过程中被推回到进气端口中的燃料量：

[0080]

[0081] 其中

[0082] mf是喷射到气缸中的燃料质量，

[0083] 是推回到进气端口中的燃料量，

[0084] Vc是余隙容积，

[0085] Vd是气缸排量，

[0086] VIVC是进气阀关闭时的气缸容积，

[0087] k表示当前发动机循环，并且

[0088] k+1表示下一发动机循环。

[0089] 在结合附图理解时，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点从下面实现所附权利要求中限定的本发明的一些最佳模式和其他实施例的详细描述非常显而易见。

附图说明

[0090] 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：

[0091] 图1示意性地示出根据本发明的配置为以受控自动点燃(HCCI)燃烧模式操作的火花点火内燃发动机以及附随的控制器的剖视图；

[0092] 图2通过图表显示了根据本发明的用于图1中描述的发动机的实施例的阀外形，包括SI燃烧模式中的高升程排气阀外形、在发动机以延迟进气阀关闭(LIVC)模式操作的情况下的在SI燃烧模式中的高升程进气阀外形、在HCCI燃烧模式中的低升程排气阀外形和在HCCI燃烧模式中的低升程进气阀外形；

[0093] 图3示意性地示出根据本发明的用于包括进气阀和排气阀的发动机的单气缸的剖视图，并且表明在发动机以LIVC模式操作的情况下当在SI燃烧模式中排气和进气阀二者都关闭时残余气体的一部分被推回到进气阀的上游，并且残余气体的一部分被捕集在气缸中；

[0094] 图4示意性地显示了根据本发明的估计再引入残余气体并且基于其确定发动机燃料供给的前馈动态控制例程的实施例；

[0095] 图5以图表显示了根据本发明与参照图1描述的发动机实施例的操作相关的实验结果，所述操作在从HCCI到SI燃烧模式的模式转变过程中，采用控制器执行参照图4描述的前馈动态控制例程的实施例；和

[0096] 图6以图表显示了根据本发明与参照图1描述的发动机实施例的操作相关的实验结果，所述操作在从SI到HCCI燃烧模式的模式转变过程中，采用控制器执行参照图4描述的前馈动态控制例程的实施例。

具体实施方式

[0097] 现在参照附图，其中，描述仅出于示出一些示例性实施例的目的，不用于限制一些示例性实施例，图1示意性地示出已经根据本发明的一个实施例构造的具有附随控制器5的内燃发动机10的剖视图。发动机10以多个可选燃烧模式中的一个操作，所述多个可选燃烧模式包括均质充气压缩点燃(HCCI)燃烧模式和火花点燃(SI)燃烧模式。发动机10配置为在化学当量空气/燃料比下以及为基本上贫化学当量(Primarily lean of stoichiometry)的空气/燃料比下操作。本发明可适用于多种内燃发动机系统和燃烧循环。

[0098] 示例性发动机10包括多气缸直喷四冲程内燃发动机，具有在气缸15中可滑动地移动的往复活塞14，其限定可变容积燃烧室16。每一个活塞14连接到旋转曲柄12，通过旋转曲柄12，线性往复运动被转换为旋转运动。空气进气系统提供进气空气到进气歧管29，进气歧管29将空气引导并且分配在燃烧室16的进气流道中。空气进气系统具有空气流管道系统以及用于监视和控制空气流的装置。空气进气装置优选地包括质量空气流传感器32，用于监视质量空气流(MAF)33和进气温度(IAT)35。节气阀34优选地包括电子控制装置，其用于响应于来自控制器5的控制信号(ETC)120控制到发动机10的空气流。进气歧管29中的压力传感器36配置为监视歧管绝对压力(MAP)37和大气压力。外部流动通道将排气从发动机排气端再循环到进气歧管29，具有被称为排气再循环(EGR)阀38的流动控制阀。控制器5通过经由EGR命令(EGR)139控制EGR阀38的打开来控制到进气歧管29的排气质量流。

[0099] 从进气歧管29进入燃烧室16的空气流通过与进气凸轮轴21相互作用的一个或多个进气阀20控制，进气凸轮轴21旋转地联接到曲柄轴12。从燃烧室16流出到排气歧管39的排气流通过与排气凸轮轴23相互作用的一个或多个排气阀18控制，排气凸轮轴23旋转地联接到曲柄轴12。发动机10配备有用于控制和调整进气和排气阀20和18的打开和关闭的系统。在一个实施例中，进气和排气阀20和18的打开和关闭可分别通过控制进气和排气可变凸轮相位/可变升程控制(VCP/VLC)装置22和24而被控制和调整。进气和排气VCP/VLC装置22和24配置为分别控制和操作进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。进气和排气凸轮轴21和23的旋转与曲柄轴12的旋转联合，并且关于曲柄轴12的旋转分度，因而将进气和排气阀20和18的打开和关闭与曲柄轴12和活塞14的位置联合。

[0100] 进气VCP/VLC装置22优选地包括可操作以响应于控制信号(iVLC)125切换和控制进气阀20的阀升程并且响应于控制信号(iVCP)126可变地调整和控制用于每一个气缸15的进气凸轮轴21的相位的机构。排气VCP/VLC装置24优选地包括可操作以响应于控制信号(eVLC)123可变地切换和控制排气阀18的阀升程并且响应于控制信号(eVCP)124可变地调整和控制用于每一个气缸15的排气凸轮轴23的相位的可控机构。

[0101] 进气和排气VCP/VLC装置22和24每一个优选地包括可控两级VLC机构，其可操作以分别控制进气和排气阀20和18的阀升程或打开的大小，至两个离散级之一。两个离散级优选地包括优选地用于低速、低负荷操作的低升程阀打开位置(在一个实施例中约4-6mm)，和优选地用于高速和高负荷操作的高升程阀打开位置(在一个实施例中约8-13mm)。进气和排气VCP/VLC装置22和24每一个优选地包括可变凸轮相位机构，以分别控制和调整进气阀20和排气阀18的打开和关闭相位(即相对正时)。调整相位指在相应的气缸15中相对于曲柄轴12和活塞14的位置变化进气和排气阀20和18的打开时间(opening times)。进气和排气VCP/VLC装置22和24的VCP机构每一个优选地具有约
60°-90°的曲柄旋转相位许可范围，因而允许控制器5将进气和排气阀20和18中的一个的打开和关闭相对于用于每一个气缸15的活塞14的位置提前或推迟。相位许可范围由进气和排气VCP/VLC装置22和24限定和限制。进气和排气VCP/VLC装置22和24包括凸轮轴位置传感器，以确定进气和排气凸轮轴21和23的旋转位置。VCP/VLC装置22和24使用电动-液压、液压和电控制力之一响应于相应的控制信号VLC 123,eVCP 124,iVLC 125和iVCP 126而被促动。

[0102] 发动机10采用包括多个高压燃料喷射器28的直喷燃料喷射系统，所述多个高压燃料喷射器28配置为响应于来自控制器5的喷射器脉宽命令(INJ_PW)112直接喷射燃料质量到燃烧室16中的一个中。燃料喷射器28从燃料分配系统被供给加压燃料。发动机10采用火花点燃系统，通过该火花点燃系统，火花能量可被提供给活塞塞26，用于响应于来自控制器5的火花命令(IGN)118点燃或辅助点燃燃烧室16的每一个中的气缸充气。

[0103] 发动机10配备有多个感测装置，用于监视发动机操作，包括曲柄传感器42，具有指示曲柄轴旋转位置，即曲柄角和速度(RPM)43的输出。温度传感器44配置为监视冷却剂温度45。气缸内燃烧传感器30配置为监视燃烧，并且在一个实施例中是可操作来监视气缸内燃烧压力31的气缸压力传感器。排气传感器40配置为监视排气参数41，例如空气/燃料比(AFR)。燃烧压力31和RPM 43通过控制器5而被监视，以确定燃烧正时，即针对每一个燃烧循环的每一个气缸15确定相对于曲柄轴12的曲柄角的燃烧压力正时。应意识到，燃烧正时可通过其他方法确定。燃烧压力31可由控制器5监视，以确定用于每一个燃烧循环的用于每一个气缸15的平均有效指示压力(IMEP)。优选地，发动机10和控制器5配置为监视和确定每一个气缸引燃事件过程中用于每一个发动机气缸15的IMEP状态。替代地，其他感测系统可被用于监视本发明范围内其他燃烧参数的状态，例如离子感测点燃系统，EGR分数和非侵入式气缸压力传感器。

[0104] 术语控制器、控制模块、模块、控制、控制单元、处理器和类似术语指以下中的任一个或不同的组合：专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如微处理器)和存储器和存储装置形式的相关联的非瞬时性存储器部件xxx(只读、可编程只读、随机访问、硬驱动等)。非瞬时性存储器部件xxx能够存储一个或多个软件或固件程序或例程形式的机械可读取指令、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、信号调制和缓冲电路和可由一个或多个处理器访问以提供所描述的功能性的其他部件。输入/输出电路和装置包括模拟/数字转换器和监视来自传感器的输入的相关的装置，该输入在现有取样频率下或响应于触发事件而被监视。软件、固件、程序、指令、控制例程、编码、算法和类似术语意指包括校准和查找表的任何控制器可执行指令集。每一个控制器执行控制例程以提供期望的功能，包括监视来自感测装置和其他联网控制器的输入和执行控制和诊断例程以控制促动器的操作。在持续操作中，例程可以规则间隔执行，例如每100微秒或3.125,6.25,12.5,25和100毫秒。替代地，例程可响应于触发事件的发生来执行。控制器之间和控制器、促动器和/或传感器之间的通信可使用直接有线链路、联网通信总线链路、无线链路或任何其他适当通信链路实现。通信包括以任何适当形式交换数据信号，包括例如经由导电介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光波导的光信号等。数据信号可包括代表来自传感器的输入的信号、代表促动器命令的信号和控制器之间的通信信号。术语“模型”指基于处理器或处理器可执行的编码以及相关联的校准，其模拟装置或物理过程的物理存在。如本文所用，术语“动态”和“动态地”描述实时执行的步骤或过程，并且特征为在例程的执行过程中或例程执行的迭代之间监视或以其他方式确定参数的状态，并且规则地或周期地更新参数的状态。

[0105] 在以火花点燃燃烧(SI)模式的发动机操作过程中，节气阀34可被控制为调节空气流。发动机10可被通过进气和排气阀20和18在高升程阀打开位置中并且进气和排气升程正时以正阀重叠操作来控制到化学当量空气/燃料比。优选地，燃料喷射事件在发动机循环的进气或压缩阶段中执行，优选地基本上在TDC之前。火花点燃优选地在燃料喷射之后在气缸内的充入空气基本上均质时的预定正时下放电。

[0106] 控制器5响应于操作者扭矩请求，将发动机操作转变到与以HCCI燃烧模式或SI燃烧模式操作发动机相关联的优选燃烧模式，以提高燃料效率和发动机稳定性，和/或降低排放。发动机参数之一中的改变，例如速度或负荷，可能影响优选的燃烧模式的改变。

[0107] 当发动机10以HCCI燃烧模式操作时，燃烧和燃烧正时可被以在气缸事件过程中燃烧热释放的情况描述，例如在气缸事件过程中燃烧热释放的大小和正时。燃烧热释放的大小和正时可由气缸压力、质量燃烧分数或其他参数表示。

[0108] 图2通过图表显示了用于图1中描述的发动机10的实施例的阀外形，包括与以SI燃烧模式操作相关联的高升程排气阀外形202，与在发动机10以进气阀关闭延迟(LIVC)模式操作的情况下以SI燃烧模式操作相关联的高升程进气阀外形204，与以HCCI燃烧模式212的操作相关联的低升程排气阀外形212和与以HCCI燃烧模式214操作相关联的低升程进气阀外形214，全部以垂直轴201上的阀升程相对于水平轴205上的与气缸上止点(TDC)和气缸下止点(BDC)相关的阀正时的情况显示。还显示了在LIVC操作下以SI燃烧模式的进气阀关闭(IVC)。LIVC模式包括匹配进气和排气两级阀外形，其中高升程进气阀外形切换大于传统SI发动机的高升程进气阀外形，以在发动机以SI模式操作时，使进气阀20比下止点(BDC)关闭得晚得多。因此，在以SI模式操作过程中，进气阀20打开，同时活塞14仍朝向TDC移动，因而允许气缸组成物大量回流到进气端口中。与以LIVC模式操作相关联的阀正时可被用于调整发动机推回和气缸内捕集的充气含量，由此降低或消除对发动机节气阀调节的需要。显著的进气回流由进气阀20仍打开时活塞14的向上运动造成。

[0109] 当发动机10以SI燃烧模式通过高升程进气阀外形操作时，进气回流不仅包括空气，而且包括来自前一发动机循环的残余排气质量的一部分和喷射到气缸15中的燃料质量的一部分。由活塞14推到进气端口的质量在下一个发动机进气循环过程中被再引入，并且因此气缸气体体积的一部分总是被再引入的质量占据，除了在转变到SI模式之后的第一循环之外。

[0110] 图3示意性地示出用于示例性发动机310的单个气缸，包括进气阀320和排气阀318，其中，发动机310是参照图1描述的发动机10的实施例。图3显示出当排气阀320和进气阀318二者在发动机以LIVC模式操作的情况下在SI燃烧模式中都关闭时，排气的第一部分323被推回到进气阀320的上游进入进气流道322中，并且排气的第二部分325被捕集在发动机气缸316中。因而气缸容积的一部分可在转变到HCCI模式之后的第一循环中被再引入质量占据。要求保持跟踪被推回到进气端口322中并且在随后的发动机循环上被再引入到气缸316中的残余气体体积以准确估计被捕集在气缸316中用于当前发动机循环的新鲜空气的体积量。这是在SI模式和HCCI模式之间燃烧模式中的转变过程中精确计量燃料来实现命令的空气/燃料比所必须的。

[0111] 图4示意性地显示了估计再引入残余气体并且基于其确定发动机燃料供给的前馈动态控制例程400的实施例。包括方程的前馈动态控制例程400可被简化为可执行算法编码，该编码被安装在控制器中并且在控制器中执行，所述控制器例如为控制器5，以控制参照1描述的内燃发动机10的实施例的操作。当通过高升程进气阀外形以SI燃烧模式操作发动机时残留在进气端口中的残余气体可采用以下假设来动态动态地模拟：i)所有残余气体被燃烧，和ii)残余气体和气缸壁之间的热传递充分小。当在宽打开节气阀条件下操作发动机时，在BDC处由残余气体占据的气缸容积约为在排气阀关闭时几何气缸容积VEVC(假设排气阀和进气阀没有重叠)和在前一发动机循环处被推入进气端口中的残余气体体积Vres的和。当进气阀在BDC之后关闭时，在连续发动机循环上推入进气端口中的残余气体体积可表达为

[0112]

[0113] 其中Vres为进气端口中的残余气体体积，k为发动机循环，Vd为气缸排量，Vc为余隙容积，即在TDC处形成在气缸中的最小容积，VIVC为在进气阀关闭时的气缸容积。术语k表示当前发动机循环，并且术语k+1表示下一发动机循环。

[0114] 在每一个燃烧模式中并且在模式转换过程中燃料喷射控制被执行以实现期望的空气-燃料混合物。在LIVC情况下SI模式中，喷射在气缸中的燃料质量的一部分被推入进气端口，并且再引入到下一发动机循环中。因而，燃料控制器计算和跟踪气缸中的燃料质量，以实现期望的空气-燃料混合物，即化学当量空气-燃料混合物。为了模拟推在进气端口中的燃料质量的动态，进行了以下假设：i)空气燃料混合物是均质的，并且ii)燃料喷射在活塞到达BDC之前完成。当进气阀在BDC之后关闭时，燃料质量被推入到进气端口，于是其可被表达为如下：

[0115]

[0116] 其中，mf是喷射到气缸中的燃料质量，术语k表示当前发动机循环，并且术语k+1表示下一发动机循环。

[0117] 在SI模式中，化学当量空气-燃料混合物在回流发生之前在BDC处被期望，以使化学当量气缸充气在进气阀关闭时被确保。

[0118] 实现期望空气-燃料混合物的燃料质量可然后被计算如下：

[0119]

[0120] 其中MAP是进气歧管压力，R是理想气体常数，Tin是进气温度，并且λs是期望的空气/燃料比。术语k表示当前发动机循环。

[0121] 前馈动态控制例程400被简化为可执行编码，并且以如下操作。在每一个气缸事件过程中，进气和排气阀正时(402)和在排气阀关闭时的几何气缸容积(406)被基于进气和排气阀正时(402)确定，并且在BDC处的气缸容积(404)被确定。进气和排气阀正时(402)被采用以确定回流体积相对于BDC处的气缸的比(408)。

[0122] 在排气阀关闭时捕集在当前气缸事件中的残余气体体积(406)被加(411)到在之前的气缸事件处被推入到进气端口中的残余气体体积(其已经被通过将在之前气缸事件中BDC处的残余气体体积乘以有效回流体积相对于BDC处的气缸容积的比进行计算(413)并且存储在存储装置(415)中)。该值被从BDC处的气缸容积(404)和当前气缸事件中排气阀关闭时捕集的残余气体体积(406)之间的差减去(417)，以确定在BDC处由新鲜空气填充的气缸容积(412)。该在BDC处由新鲜进气充气填充的气缸容积与进气参数结合，进气参数包括压力和温度，以确定BDC出气缸中新鲜空气质量(421)，其与期望的空气/燃料比(423)结合以确定初始燃料命令424。在之前气缸事件中已经被推入进气端口中的当前燃料量，其当前存储在存储装置(427)中，被从初始燃料命令424减去(429)，以确定最终质量燃料命令430，其对应于使用EQ.3计算的燃料命令。初始燃料命令424被乘以有效回流体积相对于BDC处的气缸容积的比(408)(425)，以确定在当前循环下将被推入到进气端口中的燃料量(426)，其对应于采用EQ.2计算的结果。这对于下一个气缸事件经受延迟(427)。

[0123] 因而，燃料控制策略被开发以通过特定设计的凸轮在模式转换过程中管理燃料喷射，该特定设计的凸轮匹配了高升程和低升程阀外形，以使阀外形切换之前和之后的气缸充入空气偏差可被最小化。

[0124] 图5显示了与参照图1描述的发动机10的实施例的操作相关的实验结果，所述操作在从HCCI燃烧模式到SI燃烧模式的模式转换过程中，采用控制器执行参照图4描述的前馈动态控制例程400的实施例，包括排气的空气/燃料比520，气缸充入空气(g/event)530，扭矩或NMEP(bar)540，负荷或MAP(kPa)550和燃料质量(mf,mg)560，全部关于发动机事件510显示。标绘的数据包括期望空气/燃料比522，实际空气/燃料比524，期望的气缸充入空气532和实际的气缸充入空气534。初始地，发动机10以HCCI燃烧模式操作，并且被命令转换为SI燃烧模式，该SI燃烧模式开始于时间点512处。这样，控制例程400在进气阀20和排气阀18从低升程外形转换到高升程外形的期间执行发动机燃料供给(562)的短期增大。在转换过程中，气缸充入空气530、NMEP 540和MAP 550不受影响。

[0125] 图6显示了与参照图1描述的发动机10的实施例的操作相关的实验数据，所述操作在从HCCI燃烧模式到SI燃烧模式的模式转变过程中，采用参照图4描述的前馈动态控制例程400的实施例，包括排气的空气/燃料比620，气缸充入空气(g/event)630，扭矩或NMEP(bar)640，负荷或MAP(kPa)650和燃料质量(mf,mg)660，全部关于发动机事件610显示。标绘的数据包括期望空气/燃料比622，实际空气/燃料比624，期望的气缸充入空气632和实际的气缸充入空气634。初始地，发动机10以SI燃烧模式操作，并且被命令转换为HCCI燃烧模式，该HCCI燃烧模式开始于时间点612处。这样，控制例程400在进气阀20和排气阀18从高升程外形转换到低升程外形的期间执行发动机燃料供给(662)中的短期减小。该结果表明前馈动态控制例程400在进气和排气阀外形切换到低升程外形之后无空隙地成功地实现模式转换和HCCI燃烧。气缸充入空气和空气/燃料比在模式转换过程中显示了主要由于低速凸轮相位器和容积效率的不确定性造成的与期望值的略微的偏差。但是，该偏差通过控制器执行根据本文描述的概念的发动机控制被迅速补偿，该发动机控制包括估计再引入残余气体和基于其确定发动机燃料供给的前馈动态模型400。

[0126] 详细的描述和图或附图是对本发明的支持和描述，但是本发明的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了实现本发明的一些最佳模式和其他实施例，但是存在多种可替代设计和实施例来实践所附权利要求中限定的本发明。

[0127] 交叉引用

[0128] 本申请要求2014年6月13日提交的美国临时申请No.62/011,895的权益，该申请在此以引用的方式以其全文并入本文中。

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