专利名称：Hcci/si双模式均质压燃发动机的控制系统和方法
技术领域：
本发明属于燃烧发动机可燃混合气或其组分供给的电气控制技术领域，特别涉及一种HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制系统和控制方法。
背景技术：
均质充量压燃着火(HCCI)燃烧是一种日趋成熟的燃烧方式，它综合了汽油机和柴油机的优点。目前，国内外主要使用直接进气加热、高压缩比、使用更容易自燃着火的燃料、EGR或内部残余废气来实现HCCI燃烧，而内部废气再循环策略被认为是四冲程汽油机上实现HCCI燃烧的最为可行的方法。内部废气再循环控制汽油机HCCI燃烧过程的基本思想是通过改变气门定时捕捉一部分热残余废气在缸内，用其加热进气，完成压缩自燃着火。
和火花点燃式(SI)与压燃式(CI)的燃烧相比，SI发动机是靠火花塞点火控制燃烧相位，CI发动机是靠喷油来控制着火时刻，而HCCI发动机缺乏直接控制着火相位的控制参数。因此它对初始条件比较敏感。一旦初始条件形成，已经没有其它方式能够影响其着火时刻，因而基于内部废气再循环的HCCI燃烧主要是通过进排气门的型线来控制发动机的负荷和着火相位，其对发动机及其控制系统和方法提出了更高的要求。没有对进排气门型线和空燃比的精确控制，可能会存在失火、高的爆发压力和高压升率等现象，高的爆发压力和高压升率将可能损坏发动机并带来较高的NOx排放。同时HCCI由于其范围较窄，不能在发动机的全工况下运行，因此还必须让发动机(双模式均质压燃发动机)处于HCCI/SI双模式下运行，即在低、中和巡航模式下使用HCCI模式，冷启动、怠速和高负荷下使用SI模式。因此在发动机的整个工况中，需要精确地控制进排气的型线、点火提前角及空燃比等。2001年，美国能源部提出HCCI燃烧模式仍然存在9大难点，其中就明确指出控制系统和控制方法等问题尚待解决。
目前，国内外主要采用集中控制方法、并以PC机作为控制单元，所采用的控制算法过于复杂，在实时性和有效性方面，离实用化的存在一定的距离。双模式均质压燃发动机控制又较为复杂，是一个多输入多输出的系统，并且它具有过程的耦合特性，即每个控制量都会影响所有的被控量。在这种情况下一般都采用诸如解耦控制的多变量控制策略和模型预测控制，但这些控制策略都必须首先弄清楚控制回路间之间的关联和复杂的计算量。双模式均质压燃发动机及其燃烧过程是一个非常复杂的系统及其过程，很难建立输入及其输出之间的传递函数，即使能利用发动机的工作过程建立模型，使用模型预测控制等控制单元，必将导致控制运算过于复杂，由于双模式均质压燃发动机在实际的车辆上应用，必须保证控制的实时性，因而目前国内外采用计算机作为控制单元机控制方法，在解决目前HCCI实用化还存在着火时刻控制问题、变工况运行控制问题、控制系统等问题还存在一定的距离，还停留在实验室研究阶段。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制系统及控制方法。用于解决双模式均质压燃发动机的实用化过程中的控制系统及控制方法问题，实现对HCCI/SI双模式均质压燃发动机在整个轿车运行工况中的实时、可靠控制。
本发明所述一种HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制系统，包括燃烧信息采集分析单元3，用于采集HCCI/SI双模式均质压燃发动机的缸压和离子电流信号，计算实时燃烧信息反馈，发动机管理单元1根据扭矩需求、发动机工况和实时燃烧信息计算出进排气门升程、相位及点火提前角、喷油脉宽等参数，并通过CAN总线分别发送给全可变气门控制单元4和喷油点火控制单元5，同时发动机管理单元1还向PC机2上传控制参数；全可变气门控制单元4，接受模式发动机管理单元1发送的进排气门升程、相位值，完成对HCCI/SI双模式均质压燃发动机6的进排气门升程、相位闭环控制，并上传发动机实际的进排气门升程、相位给发动机管理单元1；喷油点火控制单元5，接受发动机管理单元1发送的点火提前角、喷油脉宽值，完成对HCCI/SI双模式均质压燃发动机6的闭环控制，并上传发动机实际的进气压力、温度等参数给发动机管理单元1；发动机管理单元1，通过CAN总线接受发动机燃烧信息及状态参数，进行闭环反馈控制，把计算后的控制参数通过CAN总线发送给其它二个控制单元，完成进排气相位、升程、点火时刻和喷油量的控制，实现HCCI/SI双模式均质压燃发动机在整个发动机运行工况中快速、精确、稳定控制；同时发动机管理单元同时向PC机2传送发动机的状态参数及其控制状态。
上述发动机管理单元1中包括负荷控制模块8，根据发动机的转速、驾驶员7扭矩需求和燃烧信息采集分析单元3反馈的实际IMEP来决定发动机的工作模式，在不同的燃烧模式下采用不同的负荷控制策略，并计算出此时发动机的进排气门参数；CA50优化规律模块9，根据不同的发动机的转速和负荷优化出HCCI发动机17此时的最佳CA50值；负荷参数估计模块10，为了使燃烧相位快速、准确控制，根据发动机当前的工作状态在线优化燃烧相位控制参数；燃烧相位控制模块11，根据不同的发动机工作模式和CA50值计算出HCCI发动机17的控制参数；全可变气门控制单元4中包括进排气门升程和相位控制模块15；喷油点火控制单元5中包括进气量预测及喷油量计算14和空燃比控制模块16。
上述HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制系统是一种基于单片机和CAN总线的HCCI/SI双模式均质压燃发动机分布式控制系统，将复杂的控制任务分配到每个控制单元中。
一种HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制方法，其特征在于采用了分层闭环管理的策略，把整个HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制分为负荷控制、燃烧相位控制和机构控制三个层次，三个层次均采用相应的闭环控制；以发动机的负荷控制为主线，通过控制燃烧相位确保HCCI燃烧的稳定性，优化发动机的燃油经济性，最后通过机构的控制完成对整个HCCI发动机的管理。
上述HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制方法，包括如下步骤(1)负荷控制发动机管理单元1中的负荷控制模块8根据发动机的转速、驾驶员7扭矩需求和燃烧信息采集分析单元3反馈的实际IMEP来决定发动机的工作模式，在不同的燃烧模式下采用不同的负荷控制策略，并计算出此时发动机的进排气门参数；(2)燃烧相位控制
根据发动机的IMEP和转速，CA50优化规律模块9优化出发动机的最佳的CA50的最佳值，同时为了燃烧相位控制的快速、稳定，根据发动机的负荷参数估计模块10在线调整燃烧相位CA50的控制器参数；根据燃烧信息采集分析单元3反馈的实际的CA50值通过燃烧相位控制模块11完成对CA50的闭环控制；(3)机构控制最后，由负荷控制模块8和燃烧相位控制模块11计算出的进排气门升程、相位及空燃比、点火提前角等参数通过CAN总线分别发送给喷油点火控制单元5和全可变气门控制单元4中机构控制层的进气量预测及喷油量计算14、空燃比控制模块16完成和气门升程和相位闭环控制模块15等来执行；完成对HCCI/SI双模式均质压燃发动机的闭环反馈控制。
本发明以发动机的负荷控制为主线，通过控制燃烧相位确保HCCI燃烧的稳定性，优化发动机的燃油经济性，最后通过机构的控制完成对整个双模式均质压燃发动机的管理。这种思想实现了对每个回路进行单独控制，简化其耦合关系。这种分层闭环控制的思想，不仅结构清晰，易于实现，而且尤其利于提高控制系统的鲁棒性。
图1为HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制系统框图；图2为HCCI/SI双模式均质压燃发动机闭环反馈分层控制方法；图3为HCCI/SI双模式均质压燃发动机运行工况图；具体实施方式
以下参照附图1-图3并通过具体实施例对本发明作进一步的说明。均质压燃着火，是一种明显区别于火花点火，以火焰传播燃烧的新型燃烧方式。本发明所应用的发动机利用全可变气门机构，通过对气门升程和定时的综合控制，实现负气门重叠角，得到一定量的高温残余废气。足够多的高温残余废气，在进气过程中，与新鲜混合气混合，并对其加热。当活塞压缩到上止点附近的某个时刻，可燃混合气达到自燃温度，多个点同时着火，同步燃烧放热做功。因而进气门关闭时刻及缸内混合气状态直接影响了HCCI燃烧着火时刻。因而需要对进排气门升程、相位、喷油脉宽、点火提前角和节气门开度等实现实时精确的控制。
本发明控制系统属于分布式控制系统，控制器之间通过CAN总线连接起来进行数据通信，把复杂的控制任务分配到每个控制单元中。喷油点火控制单元5负责采集发动机基本的运行状态参数(λ、节气门位置、进气温度、压力、流量)和负责发动机的点火、喷油、节气门控制和空燃比闭环控制。全可变气门控制单元4负责执行进排气门升程和相位控制指令，并对进排气升程和相位机构实行闭环控制。完成对进排气升程和相位的可靠、精确控制。燃烧信息采集分析单元3负责采集发动机气缸压力信号或离子电流信号，计算出燃烧的特征值，给控制算法提供燃烧信息闭环反馈信号。进行闭环反馈控制，把计算后的控制参数通过CAN总线发送给其它二个控制单元，完成进排气相位、升程、点火时刻和喷油量的控制，实现双模式均质压燃发动机在整个发动机运行工况中快速、稳定运行。同时HCCI/SI模式发动机管理单元同时向PC机2传送发动机的状态参数及其控制状态。
对于怠速和低负荷工况(图3中I区)，由于稳定压燃着火条件很难建立，需要发动机按照常规的火花点火燃烧方式运行，利用进气门升程控制发动机的进气量，当驾驶员7踩油门踏板使发动机的运行工况由图三中A点向B点移动时，这时，固定排气门不动，负荷控制模块8根据扭矩需求和当前的发动机IMEP通过闭环反馈算法计算出进气门开启和关闭时刻。进而CA50优化规律模型9根据当前的发动机工况可以计算出一个最佳的CA50角度，燃烧相位控制模块11再根据CA50的优化角度和当前的CA50值通过闭环控制算法计算出点火提前角。计算的进排气门参数及点火提前角等结果送入参数优化模块12，再由进排气门升程和相位控制模块15进行发动机进排气门升程和相位的闭环控制，同时由当前的发动机状态和进排气门参数通过进气量预测及喷油量计算模块14可以计算出发动机每循环的喷油量，通过空燃比控制算法16实现了对空燃比的闭环控制，通过喷油点火控制单元5完成对点火时刻的精确控制。完成对双模式均质压燃发动机17的闭环反馈控制。
当发动机的运行工况进入图3所示B点区域(图3中II区)时，发动机过渡到HCCI燃烧运行工况运行，利用排气门的关闭时刻控制发动机缸内残余废气来控制发动机的负荷。此时负荷控制模块8根据扭矩需求和燃烧信息采集分析单元3反馈的发动机IMEP通过闭环反馈算法计算出排气门的关闭时刻。进而CA50优化规律模型9根据当前的HCCI燃烧工况可以计算出一个最佳的CA50角度，燃烧相位控制模块11再根据CA50的优化角度和燃烧信息采集分析单元3反馈的CA50值通过闭环控制算法计算出进气门的开启和关闭时刻。计算的进排气门参数及点火提前角等结果送入模块12，再由模块15进行发动机进排气门升程和相位的闭环控制，同时由当前的发动机状态和进排气门参数通过进气量预测及喷油量计算模块14可以计算出发动机每循环的喷油量，通过空燃比控制算法16实现了对空燃比的闭环控制，完成对双模式均质压燃发动机17的闭环反馈控制。
当驾驶员7继续踩油门踏板，发动机需要在高负荷状态下(图3中的D点)运转时，由于HCCI燃烧本身特点的限制，容易发生剧烈燃烧，使发动机工作粗暴，为了避免上述情况的发生，发动机需要重新转换到传统火花点火方式下运行。这时，控制系统又需要按照SI燃烧的方式来控制发动机，通过调整进气门升程和相位来控制SI燃烧的负荷，调整点火提前角来控制着火时刻。
权利要求
1.一种HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制系统，包括燃烧信息采集分析单元(3)，用于采集HCCI/SI双模式均质压燃发动机的缸压和离子电流信号，计算实时燃烧信息反馈，发动机管理单元(1)根据扭矩需求、发动机工况和实时燃烧信息计算出进排气门升程、相位及点火提前角、喷油脉宽等参数，并通过CAN总线分别发送给全可变气门控制单元(4)和喷油点火控制单元(5)，同时发动机管理单元(1)还向PC机(2)上传控制参数；全可变气门控制单元(4)，接受模式发动机管理单元(1)发送的进排气门升程、相位值，完成对HCCI/SI双模式均质压燃发动机(6)的进排气门升程、相位闭环控制，并上传发动机实际的进排气门升程、相位给发动机管理单元(1)；喷油点火控制单元(5)，接受发动机管理单元(1)发送的点火提前角、喷油脉宽值，完成对HCCI/SI双模式均质压燃发动机(6)的闭环控制，并上传发动机实际的进气压力、温度等参数给发动机管理单元(1)；发动机管理单元(1)，通过CAN总线接受发动机燃烧信息及状态参数，进行闭环反馈控制，把计算后的控制参数通过CAN总线发送给其它二个控制单元，完成进排气相位、升程、点火时刻和喷油量的控制，实现HCCI/SI双模式均质压燃发动机在整个发动机运行工况中快速、精确、稳定控制；同时发动机管理单元同时向PC机(2)传送发动机的状态参数及其控制状态。
2.根据权利要求1所述一种HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制系统，其特征在于，发动机管理单元(1)中包括负荷控制模块(8)，根据发动机的转速、驾驶员(7)扭矩需求和燃烧信息采集分析单元(3)反馈的实际IMEP来决定发动机的工作模式，在不同的燃烧模式下采用不同的负荷控制策略，并计算出此时发动机的进排气门参数；CA50优化规律模块(9)，根据不同的发动机的转速和负荷优化出HCCI发动机(17)此时的最佳CA50值；负荷参数估计模块(10)，为了使燃烧相位快速、准确控制，根据发动机当前的工作状态在线优化燃烧相位控制参数；燃烧相位控制模块(11)，根据不同的发动机工作模式和CA50值计算出HCCI发动机(17)的控制参数；全可变气门控制单元(4)中包括进排气门升程和相位控制模块(15)；喷油点火控制单元(5)中包括进气量预测及喷油量计算(14)和空燃比控制模块(16)。
3.根据权利要求1或2所述的一种HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制系统，其特征在于它是一种基于单片机和CAN总线的HCCI/SI双模式均质压燃发动机分布式控制系统，将复杂的控制任务分配到每个控制单元中。
4.一种HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制方法，其特征在于采用了分层闭环管理的策略，把整个HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制分为负荷控制、燃烧相位控制和机构控制三个层次，三个层次均采用相应的闭环控制；以发动机的负荷控制为主线，通过控制燃烧相位确保HCCI燃烧的稳定性，优化发动机的燃油经济性，最后通过机构的控制完成对整个HCCI发动机的管理。
5.根据权利要求3所述一种用于HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制方法，其特征在于，包括如下步骤(1)负荷控制发动机管理单元(1)中的负荷控制模块(8)根据发动机的转速、驾驶员(7)扭矩需求和燃烧信息采集分析单元(3)反馈的实际IMEP来决定发动机的工作模式，在不同的燃烧模式下采用不同的负荷控制策略，并计算出此时发动机的进排气门参数；(2)燃烧相位控制根据发动机的IMEP和转速，CA50优化规律模块(9)优化出发动机的最佳的CA50的最佳值，同时为了燃烧相位控制的快速、稳定，根据发动机的负荷参数估计模块(10)在线调整燃烧相位CA50的控制器参数；根据燃烧信息采集分析单元(3)反馈的实际的CA50值通过燃烧相位控制模块(11)完成对CA50的闭环控制；(3)机构控制最后，由负荷控制模块(8)和燃烧相位控制模块(11)计算出的进排气门升程、相位及空燃比、点火提前角等参数通过CAN总线分别发送给喷油点火控制单元(5)和全可变气门控制单元(4)中机构控制层的进气量预测及喷油量计算(14)、空燃比控制模块(16)完成和气门升程和相位闭环控制模块(15)等来执行；完成对HCCI/SI双模式均质压燃发动机的闭环反馈控制。
全文摘要
本发明涉及HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制系统及控制方法。采用基于单片机和CAN总线的HCCI/SI双模式均质压燃发动机分布式控制系统包括发动机管理单元、喷油点火控制单元、气门机构控制单元和燃烧信息采集分析单元。HCCI/SI双模式均质压燃发动机控制方法，采用了分层闭环管理的策略，把整个发动机控制分为负荷控制、燃烧相位控制和机构控制三个层次，三个层次均采用相应的闭环控制。本发明以发动机的负荷控制为主线，通过控制燃烧相位确保HCCI燃烧的稳定性，本发明对每个回路进行单独控制，简化其耦合关系。这种分层闭环控制的思想，不仅结构清晰，易于实现，而且尤其利于提高控制系统的鲁棒性。
文档编号F02D43/00GK101070791SQ200710057618
公开日2007年11月14日 申请日期2007年6月13日 优先权日2007年6月13日
发明者谢辉, 赵华, 周能辉, 张岩 申请人:天津大学