本申请涉及具有可控自动点火燃烧的内燃机的控制操作。

这一部分所做的陈述只是提供与本发明公开内容相关的背景技术信息，可 能并不构成现有技术。
公知的火花点火式(以下称作SI)发动机引导空气/燃料混合物进入每个气 缸，所述混合物在压缩冲程被压缩并且由火花塞点燃。公知的压燃发动机在靠 近压缩冲程的上死点(以下称作TDC)处喷射被压缩的燃料进入燃烧气缸，喷 射时即进行点火。汽油机和柴油机的燃烧都包括由流体力学控制的预混合或者 扩散火焰。
SI发动机能够以各种的不同燃烧模式运行，包括均质SI(以下称作SI-H) 燃烧模式或者分层进气SI(以下称作SI-SC)燃烧模式。在SI-H燃烧模式中， 火花点火正时时气缸充气(cylinder charge)在组分、温度和残余排气方面是均 匀的。燃料质量在火花正时时围绕气缸腔室均匀分布，其发生在压缩冲程的结 束点附近。空燃比优选为化学当量比。在SI-SC燃烧模式中，空燃比可以比化 学当量比更稀薄。燃料质量在气缸腔室中分层，围绕火花塞为富集层，而之外 为较稀薄的空气/燃料区域。燃料正时可以接近火花正时以阻止空气燃料混合物 均质化而成为均匀分布混合物。当点火动作开始或者大约在此之前，燃料脉冲 宽度能够终止。点火时，富集层迅速并有效地燃烧。当燃烧过程进入稀薄区域 时，火焰前缘迅速冷却从而降低NOx排放。
SI发动机能够适于在预定速度/负载运行条件下运行于均质充气压缩点火 (以下称作HCCI)燃烧模式中，也称为可控自动点火燃烧。可控自动点火燃烧 包括分布式的、无火焰的自动点火燃烧过程，其由氧化化学进行控制。以HCCI 燃烧模式运行的发动机具有气缸充气，优选为在进气门关闭时气缸充气在组分、 温度和残余排气方面是均匀的。可控自动点火燃烧是一种分布式动能控制燃烧 过程，该发动机以稀释的空气/燃料混合物运行，即比化学当量空燃比更稀薄， 其具有相对低的峰值燃烧温度，导致低NOx排放。均匀空气/燃料混合物使得形 成烟尘与颗粒排放的富集区域产生的可能性最小化。
在设有多个燃烧模式的发动机中，在不同的燃烧模式中切换可以是有益的。 在类似的速度/负载情况下不同燃烧模式能够在发动机稳定性、排放以及节约燃 料方面具有不同的性能。因此，优选在特定情况下切换到一种具有最好性能的 特定模式。从中选择一种燃烧模式操作能够以在特别发动机负载和速度方面执 行较好的燃烧模式为基础。当在速度和/或发动机负载方面的改变需要不同的燃 烧模式的切换时，将采用切换策略，并且发动机将切换到不同的燃烧模式。
随着燃烧模式数量的增加，在燃烧模式之间的切换以及协调切换可能变得 复杂。发动机控制模式必须能够以多种燃烧模式操作发动机，并且连续地在它 们之间切换。没有切换策略，可能发生重大的瞬态响应，导致不完全燃烧和不 发火，导致转矩扰动和/或不理想的排放。

一种内燃机包括可控节气门控制设备和可控发动机气门。一种控制该内燃 机的方法，包括：监控发动机运行和排气供应流(feedstream)，以监控的发动 机运行为基础，估算气缸充气温度。以监控的排气供应流为基础，确定气缸充 气的氧浓度，确定优选的气缸充气的氧浓度和优选的气缸充气温度。以优选的 气缸充气的氧浓度、优选的气缸充气温度、气缸充气的氧浓度、以及估算的气 缸充气温度为基础，控制发动机气门。
附图说明
通过示例以及结合附图，现在将描述一个或者多个实施例，其中：
图1是本发明公开的发动机系统的示意图；
图2是本发明公开的数据曲线图；
图3是本发明公开的控制模式的示意性框图；
图4A和4B是本发明公开的数据曲线图。

现在参看附图，其中的描述只是出于阐述本发明实施例的目的，而不是用 来进行限制的，图1示意性地示出了根据本发明实施例而构造的内燃机10、附 加的控制模块5、以及排气后处理系统70。发动机10可选择地运行于多个燃烧 模式中，这些模式包括可控自动点火燃烧模式，均质火花点火燃烧模式，以及 分层进气火花点火燃烧模式。发动机10可选择地运行于化学当量空燃比以及比 化学当量比更稀薄的空燃比。本发明可以应用到不同的内燃机系统和燃烧循环 中。
例举的发动机10包括多缸直喷四冲程内燃机，其具有在气缸15内可滑动 移动的往复式活塞14，气缸15限定了可变容积的燃烧室16。每个活塞14连接 到旋转曲轴12上，通过曲轴将它们的线性往复运动转换为旋转运动。空气进气 系统提供进气到进气歧管29，该进气歧管引导并且分配空气进入进气导管到每 个燃烧室16。空气进气系统包括空气流动管道系统，以及用于监控和控制空气 流量的设备。空气进气设备优选包括空气质量流量传感器32，用于监控空气质 量流量和进气温度。节气门34优选包括电子控制设备，其响应于来自于控制模 块5的控制信号(ETC)而对发动机10的空气流量进行控制。歧管中的压力传 感器36适于监控歧管绝对压力和大气压力。外流通道使排气从发动机排气再循 环到进气歧管，且具有流量控制阀，称作排气再循环(EGR)阀38。控制模块 5通过控制EGR阀38的打开可操作控制进入进气歧管29的排气的质量流量。
由一个或者多个进气门20对从进气歧管29进入每个燃烧室16的空气流量 进行控制。由一个或者多个排气门18对从每个燃烧室16到排气歧管39的经过 燃烧的气体流量进行控制。进气门和排气门20、18的打开和关闭优选地由双凸 轮轴(如图所示)控制，双凸轮轴的旋转由曲轴12的旋转连接和标引。发动机 10装有用于控制进气门和排气门气门升程的设备，称为可变升程控制(以下称 作VLC)设备。可变升程控制设备可操作以控制气门升程或开度到两个不同级 中的一个，例如用于低速低负载发动机运行的低升程气门开度(大约4-6mm)， 和用于高速高负载发动机运行的高升程气门开度(大约8-10mm)。发动机还设 有用于控制进气门和排气门20、18的打开和关闭的相位(也就是相对的正时) 的设备，称为可变凸轮相位调整(以后称作VCP)，以超出两级VLC升程影响 之外进一步控制相位调整。VCP/VLC系统22用于进气门20而VCP/VLC系统 24用于发动机排气门18。VCP/VLC系统22和24都由控制模块5控制，并且 提供反馈信号给控制模块5，例如通过进气凸轮轴(未示出)和排气凸轮轴(未 示出)的凸轮轴旋转位置传感器。
进气和排气VCP/VLC系统22和24具有可以控制进气门和排气门18、20 的打开和关闭的有限权限范围气门气门。VCP系统具有大约60°-90°的凸轮 轴旋转相位权限范围，因此允许控制模块5提前或延迟进气门和排气门20、18 之一的打开和关闭。由VCP的硬件和驱动VCP的控制系统限定和有限相位权 限范围。通过使用由控制模块5控制的电动液压、液压以及电控制力中的一个， 可以驱动进气和排气VCP/VLC系统22和24。
发动机10包括燃料喷射系统，其包括多个高压燃料喷射器28，它们响应 于来自控制模块5的信号，每一个喷射器都直接喷射燃料质量到燃烧室16内。 燃料喷射器28提供来自于燃料分配系统(未示出)的压缩燃料。
发动机10包括火花点火系统，通过火花点火系统响应于来自控制模块5 的信号(IGN)而提供火花能量到火花塞26，用于在每个燃烧室16中对气缸充 气进行点火或辅助点火。
发动机10设有各种传感设备以监控发动机运行，包括监控曲轴旋转位置， 即曲柄角度和速度。传感设备包括曲轴旋转速度传感器(曲柄传感器)42、适 于监控燃烧的燃烧传感器30和适于监控排气的排气传感器40，在该实施例中优 选为宽范围的空气/燃料比率传感器。燃烧传感器30包括用于监控燃烧参数状态 的传感器设备，并作为用于监控气缸内燃烧压力的气缸压力传感器来进行说明。 燃烧传感器30和曲柄传感器42的输出由控制模块5监控，控制模块5确定燃 烧相位，即每个燃烧循环中燃烧压力相对于每个气缸15的曲轴12曲柄角的正 时。燃烧传感器30也可以由控制模块5监控，以确定每个燃烧循环中每个气缸 15的平均有效压力(以下称作IMEP)。优选地，发动机10和控制模块15被机 械化设置以监控和确定每个气缸点火期间每个发动机气缸15的IMEP状态。可 替换地，其它的传感系统可以用来监控本发明范围内的其它燃烧参数的状态， 例如，离子传感点火系统，非侵入式气缸压力传感器。
控制模块5执行存储于其中的算法代码，以便控制前述的执行器以控制发 动机操作，包括节气门位置、火花正时、燃料喷射质量和正时、进气和/或排气 门正时和相位调整、以及控制再循环排气流量的EGR阀位置。气门正时和相位 调整包括排气再呼吸(re-breathing)策略中的NVO以及排气门再开启的升程。 控制模块5适于接收来自操作者的输入信号，例如节气门踏板位置和刹车踏板 位置以确定操作者转矩要求，并且接收来自于传感器的信号，这些传感器指示 发动机速度和进气温度、冷却剂温度以及其它环境条件。
控制模块5优选为通用数字计算机，通常包括微处理器或者中央处理单元、 具有包括只读存储器和电可编程序只读存储器的固定存储器的存储介质、随机 存取存储器、高速时钟、模拟数字转换和数字模拟转换电路、以及输入/输出电 路和设备与适当信号调节和缓冲电路。控制模块具有一组控制算法，包括存储 在固定存储器中的常驻程序指令和标定。优选在预定循环期间执行所述算法。 算法由中央处理单元执行，并且可操作以监控来自于前述传感设备的输入，并 利用预定标定而执行控制和诊断程序来控制执行器的运行。可以按有规律的间 隔执行循环，例如在发动机和车辆运行期间的每3.125，6.25，12.5，25和100 毫秒。可替换地，可以响应于事件发生而执行算法。
运行期间，控制模块5监控来自于前述传感器的输入从而确定发动机参数 状态。控制模块5执行储存于其中的算法代码从而控制前述执行器以形成气缸 充气，包括控制节气门位置、火花点火正时、燃料喷射质量和正时、控制再循 环排气流量的EGR阀位置、以及安装在发动机上的进气和/或排气门正时和相 位。在车辆运行期间，控制模块5能够操作打开和关闭发动机10，并且能够操 作通过控制燃料、火花、气门停用而可选择地停用部分燃烧室16或部分气门。
基于发动机参数的状态，图2示意性地描述了采用火花点火和可控自动点 火燃烧模式的发动机10的优选运行范围，该实施例中，所述参数具有可从包括 燃料流量和进气歧管压力的发动机参数而推导出的速度(RPM)和负载 (LOAD)。发动机燃烧模式优选包括喷雾引导火花点火(SI-SG)燃烧模式， 单喷射可控自动点火(HCCI-SI)燃烧模式，双喷射可控自动点火(HCCI-DI) 燃烧模式，以及均质火花点火(SI-H)燃烧模式。每个燃烧模式优选的速度和 负载运行范围可以在发动机运行参数的基础上确定，该发动机运行参数包括燃 烧稳定性、燃料消耗、排放、发动机转矩输出以及其它。在前述燃烧模式中限 定优选速度和负载运行范围来对运行进行描绘的边界，优选地预标定和存储在 控制模块5中。
发动机10被控制以优选的空气燃料比率运行，并且进气流量被控制以获得 优选的空气燃料比率。这包括在选择的燃烧模式中以发动机运行为基础估算气 缸充气。节气门34和VCP/VLC设备22与24可以被控制以基于估算的气缸充 气而获得进气流量，包括在火花点火和可控自动点火燃烧模式之间的切换期间。 通过调节控制VCP/VLC设备22与24的节气门34来控制进气门和排气门20 与18的打开正时和曲线，从而以控制空气流量。在两个燃烧模式中运行要求在 气门正时、相位调整、进气门和排气门20与18的升程曲线以及节气门34的开 度方面对于VCP/VLC设备22与24采用不同设置。通过示例，在自动点火燃烧 模式中，发动机10运行于稀薄空燃比时节气门34优选被控制到全开位置，然 而在火花点火燃烧模式中，节气门34优选被控制以调节空气流量，并且发动机 10被控制到化学当量空气燃料比率。
在示例的发动机10中，可以通过使用VCP/VLC设备22与24控制进气门 和排气门20与18的打开和关闭从而改变内部EGR的量来控制每个气缸充气的 氧浓度和温度。一旦固定了气门动作，那么进气充气和保留在气缸15内的排气 的分压力即保持常量。
排气再压缩策略方面，在TDC之前关闭排气门18并且在TDC之后打开进 气门20以产生负压气门重叠时期(EVC-IVO)，在其中排气门和进气门都关闭， 从而以截留住排气。在一个实施例中，在膨胀冲程期间下死点之前，排气门18 打开大约10-15度，并且在排气冲程期间上死点之前关闭90-45度的范围。优选 地，在进气冲程期间在上死点之后，进气门20打开45-90度的范围，在压缩冲 程期间在下死点之后关闭大约30度。
在排气再呼吸策略方面，在四冲程发动机循环期间对于两个单独的周期， 排气门18被打开。排气冲程期间的第一周期，排气门18打开以允许燃烧的气 体从燃烧室16中排出。进气冲程期间的第二周期，排气门18再打开以允许先 前从燃烧室16中排出已燃烧气体被抽回到燃烧室16中。
设有排气再压缩或者排气再呼吸策略的发动机优选包括电控液压或者电动 机械动作，即完全可伸缩气门的动作。可替换地，多剖面凸轮(即多凸角、多 级)和选择机构、凸轮移相器和其它的机械可变气门动作技术能够被单独地或 者结合地使用。
图3示出了运行图1描述的示例发动机10的控制模式的示意性框图，使用 选择气门策略，即，排气再压缩策略或者排气再呼吸策略。监控发动机10和排 气系统的运行状态，包括发动机速度、进气质量流量、进气温度、以及排气供 应流的温度，且在进气门关闭时可以确定气缸容积(300)。以从曲柄传感器42 测量的活塞位置为基础确定进气门关闭时的气缸容积。
对于燃烧循环确定进气门关闭时的温度(TIVC)(305)。优选地，以进气充 气的分压力pip(301)和燃烧室中存留的排气的分压力pep(303)为基础确定进 气门关闭时的温度TIVC。当发动机10非节流运行时，由空气质量流量传感器32 测量的进气质量流量近似等于通过进气门的从进气歧管29到气缸15的空气质 量流量。因此，进气充气的分压力pip和燃烧室16中存留的排气的分压力pep大 约为：
$p_{\mathrm{ip}}\approx \mathrm{MAF}\frac{30}{\mathrm{RPM}}\frac{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{int}}}{V}$
pep≈pi-pip    [1]
其中MAF是测得的进气质量流量，R是气体常数，V是进气门关闭时的气缸容 积，RPM是发动机速度，pi是进气歧管压力，以及Tint是进气温度。
一旦确定进气充气的分压力和存留的排气的分压力，就能够估算下一燃烧 循环的进气门关闭时的气缸充气温度TIVC(305)。在进气充气的分压力pip、存 留的排气的分压力pep、和排气温度Texh的基础上能够确定下一燃烧循环的进气 门关闭时的气缸充气温度TIVC。在排气传感器40监控的温度的基础上确定排气 温度Texh。进气门关闭时的气缸充气温度TIVC优选为：
$T_{\mathrm{IVC}}=\frac{m_{\mathrm{int}}{T}_{\mathrm{int}}+m_{\mathrm{exh}}{T}_{\mathrm{exh}}}{m_{\mathrm{int}}+m_{\mathrm{exh}}}=\frac{p_i{T}_{\mathrm{int}}{T}_{\mathrm{exh}}}{p_{\mathrm{ip}}{T}_{\mathrm{exh}}+p_{\mathrm{ep}}{T}_{\mathrm{int}}}$
pi＝pip+pep    [2]
其中mint是燃烧室16中的进气充气质量，mexh是燃烧室16中存留的排气质量， Tint是进气温度，pi是进气歧管压力，pip是进气充气的分压力，以及pep是燃烧室 16中存留的排气的分压力。只要进气门和排气门20、18的气门动作被固定，排 气的分压力pep和进气充气的分压力pip都保持常量。
控制策略还包括确定排气歧管39中的燃烧或未燃烧的空气质量(308)。排 气歧管39中的空气质量可以在排气供应流的排气空气燃料比率的基础上确定。 使用排气传感器40能够测量排气空气/燃料比率(300)。包括排气供应流的燃烧 或者未燃烧空气的总空气质量能够被下式表示，假设燃烧室16中喷射的燃料完 全燃烧：
ma＝λmf    [3]
其中，λ是排气供应流的空气燃料比率，ma是排气歧管39中的燃烧和未燃烧空 气的总质量，mf是排气歧管39中的燃烧燃料的质量。
一旦确定空气质量，离开排气门进入排气供应流的排气的燃烧气体分数(百 分率)fexh就能够被确定(310)。在监控的排气供应流的排气空气/燃料比率、排 气歧管39中的燃烧和未燃烧空气的总质量的基础上，能够计算排气的燃烧气体 分数fexh。
由于总排气质量是燃烧燃料、燃烧或者未燃烧空气的总和，排气歧管中的 燃烧气体分数fexh能够用下列方程确定：
$f_{\mathrm{exh}}=\frac{(1+{\lambda }_s)m_f}{m_f+m_a}=\frac{(1+{\lambda }_s)m_f}{m_f+\lambda m_f}=\frac{1+{\lambda }_s}{1+\lambda }---\left[4\right]$
其中λs是化学当量空气燃料比率。
一旦确定排气的燃烧气体分数fexh，就能够确定气缸充气的燃烧气体分数fcyl (313)。将气缸充气的燃烧气体分数fcyl定义为燃烧的燃料质量(通过之前的燃 烧过程)和气缸充气的总质量之间的比率。假设没有外部EGR，即，通过进气 门的进气只由新鲜空气组成。优选使用下列方程计算气缸充气的燃烧气体分数 fcyl：
$f_{\mathrm{cyl}}=\frac{m_{\mathrm{iEGR}}}{m_{\mathrm{cyl}}}{f}_{\mathrm{exh}}=\frac{P_{\mathrm{ep}}}{P_i}{f}_{\mathrm{exh}}---\left[5\right]$
其中fcyl是气缸充气的燃烧气体分数，fexh是离开排气门18的排气的燃烧气体分 数，miEGR是燃烧室16中存留的排气的质量，mcyl是气缸充气的质量。
一旦确定气缸充气的燃烧气体分数fcyl，就能够确定气缸充气的氧浓度 (315)。气缸充气的氧浓度能够以气缸充气的燃烧气体分数fcyl为基础而进行估 计。联合方程[1]、[4]和[5]，表明了能够使用几个测量变量计算气缸充气的燃烧 气体分数fcyl和排气的燃烧气体分数fexh。气缸充气的氧浓度能够以干空气的成 份(O2摩尔数∶N2摩尔数＝1∶3.8)为基础计算，并且优选使用下列方程计算：
$O_2(\%\mathrm{volume})=(1-f_{\mathrm{cyl}})\times \frac{1}{1+3.8}\times 100---\left[6\right]$
一旦确定进气门关闭时的温度TIVC和气缸充气的氧浓度，就能够确定进气 门关闭时的温度TIVC和氧浓度的加权计量值(320)。控制进气门和排气门20、 18的正时、相位调整、以及升程，这些都不能独立地控制气缸充气的氧浓度和 温度。因此，使用加权计量值作为一个控制变量以单独的控制VLC/VCP设备 22、24，从而控制进气门和排气门20、18的打开和关闭。加权计量值为：
$y=w_1(O_2-O_2^d)+w_2({\hat{T}}_{\mathrm{IVC}}-T_{\mathrm{IVC}}^d),w_1,w_2\in R---\left[7\right]$
其中O2d是气缸充气的理想的氧浓度，TIVCd是气缸充气的理想的温度，是由 方程[2]估算的进气温度，w1和w2优选为特殊应用而确定的预定加权系数。
单输入单输出(SISO)控制器能够用来控制打开和关闭发动机气门，包括 本实施例中基于所确定的加权计量值而使用VCP/VLC系统22、24对发动机气 门的正时、相位调整、以及升程进行控制(325)。SISO控制器输出发动机气门 的位置，并且控制模块5控制发动机气门。
图4A描述了从以排气再压缩策略运行的单缸HCCI发动机得到的实验数 据，示出了利用这里描述的系统的发动机的运行。图4B描述了从以排气再呼吸 策略运行的单缸HCCI发动机得到的实验数据，示出了发动机的运行。在非节 流条件下从HCCI发动机运行获得实验数据，该发动机运行在1000rpm的排气 再压缩和再呼吸策略的下，没有外部EGR，具有进气门和排气门的固定的打开 和关闭，并具有恒定的进气温度。燃料供应速度(“燃料”)增加并且随后降低， 导致排气温度(“排气温度”)增加并且随后降低。使用设置在排气口的热电偶 测量排气温度。
图4A和4B的结果证明了，当燃料供应速度改变时，排气温度改变，而测 量的进气质量流量(“空气质量流量”)维持在定值，因此影响由峰值气缸压力 位置(“峰值压力位置”)显示的燃烧正时。由于在试验期间进气温度维持常量， 即使排气温度改变，进气充气的分压力保持常量。这示出了燃烧室16中存留的 排气的分压力保持常量。而且，这两个分压力的总和是总气缸充气压力，并且 大约等于进气门关闭时的压力，其大概是在非节流运行条件下的环境压力。
上面的公开已经描述了某些优选实施例和修改。在阅读和理解说明书后， 可以做出其它的修改和替换。因此，上面的公开不应被作为实施本公开的最佳 模式而公开的特定实施例所限制，但是上面的公开将包括落入到附加的权利要 求的范围之内的所有实施例。