Hcci模式切换控制系统和方法

专利名称：Hcci模式切换控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及发动机控制系统，并且尤其涉及用于在火花点火和均质充气压缩点火 两种模式下工作的发动机的发动机控制系统。
背景技术：
此处的背景技术描述是为了大概介绍本发明的背景。当前提及的发明人的工 作——以在此背景技术部分中所描述的为限——以及在提交时否则可能不构成现有技术 的该描述的各方面，既不明示地也不默示地被承认为是针对本发明的现有技术。发动机可以在火花点火(Si)模式和均质充气压缩点火(HCCI)模式下工作。HCCI 模式涉及将燃料和氧化剂的混合物压缩到自燃点。可以根据发动机转速和负载选择这些模 式中的一个。在HCCI模式中，每次在多个位置发生点火，这使得燃料/空气混合物几乎同 时燃烧。HCCI模式在接近理想奥托循环的情况下执行，提供提高的工作效率并且与SI模 式相比产生更低的排放水平。然而，因为没有直接的燃烧启动器，故点火过程趋于更难以控 制。取决于发动机转速和发动机负载，HCCI模式可以具有各种子模式。当发动机的工 作在这些HCCI子模式之间变化时，由于由进气门/排气门正时设置和燃料重整量所引起的 缸内新鲜空气的突变，发动机可能断火。断火会增大排放量并且降低发动机的操纵性。

发明内容
根据本发明的发动机控制系统使发动机在低负载HCCI模式与较高负载HCCI模式 之间转换之后工作在分层充气模式下以减少由此转换所引起的断火。在本发明的一个方面，一种发动机控制方法包括命令发动机控制从第一 HCCI模 式到第二 HCCI模式；响应于命令发动机控制从第一 HCCI模式变到第二 HCC I模式而进入 分层充气工作；中断分层充气工作；以及在中断之后使发动机工作在第二 HCCI模式下。在本发明的另一方面，一种发动机控制系统包括转换模块，该转换模块命令发动 机控制从第一 HCCI模式到第二 HCCI模式。该控制系统还包括燃料输送模块，在命令发动 机控制从第一 HCCI模式到第二 HCCI模式之后，该燃料输送模块使发动机工作在分层充气 工作模式下，并且在此之后中断分层充气工作。本发明还涉及以下技术方案方案1. 一种发动机控制方法，包括命令发动机控制从第一均质充气压缩点火模式到第二均质充气压缩点火模式；作为对命令将发动机控制从所述第一均质充气压缩点火模式变到所述第二均质充气压缩点火模式的响应，进入分层充气工作；中断所述分层充气工作；以及在中断所述分层充气工作之后，使所述发动机工作在所述第二均质充气压缩点火 模式下。方案2.如方案1所述的方法，其中，命令发动机控制从第一均质充气压缩点火模 式到第二均质充气压缩点火模式包括响应于发动机负载的增大，命令发动机控制从所述 第一均质充气压缩点火模式到所述第二均质充气压缩点火模式。方案3.如方案1所述的方法，其中，所述第一均质充气压缩点火模式包括低负载 均质充气压缩点火模式。方案4.如方案1所述的方法，其中，所述第二均质充气压缩点火模式包括高于所 述低负载的第二负载。方案5.如方案1所述的方法，其中，所述第一均质充气压缩点火模式对应于第一 燃料喷射量和第一发动机转速范围。方案6.如方案1所述的方法，其中，所述第二均质充气压缩点火模式对应于第二 燃料喷射量和所述第一发动机转速范围。方案7.如方案1所述的方法，还包括，在所述第一均质充气压缩点火模式中，在点 火事件之前的第一预定时间喷射燃料，并且其中，进入分层充气工作包括在比所述点火事 件之前的所述第一预定时间更小的第二预定时间喷射燃料。方案8.如方案1所述的方法，其中，中断包括在预定时间之后中断分层充气工作。方案9.如方案1所述的方法，其中，中断包括直到凸轮正时达到期望阈值才中断 分层充气工作。方案10.如方案1所述的方法，还包括响应于发动机负载的增大，把发动机控制 从第二均质充气压缩点火模式变成第三均质充气压缩点火模式。方案11. 一种发动机控制系统，包括转换模块，其命令发动机控制从第一均质充气压缩点火模式到第二均质充气压缩 点火模式；以及燃料输送模块，在命令发动机控制从所述第一均质充气压缩点火模式到所述第二 均质充气压缩点火模式之后，所述燃料输送模块使发动机工作在分层充气工作模式下，并 且在此之后中断所述分层充气工作。方案12.如方案11所述的控制系统，其中，所述转换模块响应于发动机负载的增 大，命令发动机控制从所述第一均质充气压缩点火模式到所述第二均质充气压缩点火模 式。方案13.如方案11所述的控制系统，还包括混合模式均质充气压缩点火模块，其 在低发动机负载下使发动机工作在所述第一均质充气压缩点火模式下。方案14.如方案11所述的控制系统，还包括稀薄或化学计量均质充气压缩点火模 块，其在高于所述第一发动机负载的发动机负载下在所述第一模式之后使发动机工作在所 述第二均质充气压缩点火模式下。方案15.如方案11所述的控制系统，其中，所述第一均质充气压缩点火模式对应于第一燃料喷射量和第一发动机转速范围。方案16.如方案11所述的控制系统，其中，所述第二均质充气压缩点火模式对应 于第二燃料喷射量和所述第一发动机转速范围。方案17.如方案11所述的控制系统，还包括，在所述第一均质充气压缩点火模式 中，在点火事件之前的第一预定时间控制喷射的燃料输送模块，并且其中，在所述分层充气 工作模式中，所述燃料输送模块在比所述点火事件之前的所述第一预定时间更小的第二预 定时间喷射燃料。方案18.如方案11所述的控制系统，其中，所述转换模块在预定时间之后中断分
层充气工作。方案19.如方案11所述的控制系统，其中，直到凸轮正时达到期望阈值所述转换 模块才中断分层充气工作。方案20.如方案11所述的控制系统，其中，均质充气压缩点火模式控制模块响应 于发动机负载的增大，把发动机控制从所述第二均质充气压缩点火模式变成第三均质充气 压缩点火模式。从本文提供的描述中将更明显地看出本发明的更多适用领域。应当理解，本描述 和特定例子仅用于说明之目的，而不意图限制本发明的范围。


通过详细描述和附图将更充分地理解本发明，在附图中图1A是根据本发明的发动机控制系统的功能框图，所述发动机控制系统在SI和 HCCI燃烧模式下工作；图1B是示例性气门升程调整系统的功能框图；图1C是示例性发动机控制模块的功能框图；图1D是图1C的HCC I模式控制模块294 (b)的图解框图；图2是燃料与以RMP为单位的发动机转速的关系图，示出了各种HCCI模式和火 花-喷身寸模式(spark-injected mode)；图3A是燃料与发动机事件的关系图，针对的是不包含本发明的转换控制的发动 机；图3B是喷射正时和点火正时与发动机事件的关系图，针对的是不具有本发明的 转换控制的发动机；图3C是空气燃料比与发动机事件的关系图，针对的是不具有本发明的转换控制 的发动机；图3D是指示平均有效压力(IMEP)与发动机事件的关系图，针对的是不具有本发 明的转换控制的发动机；图4A是燃料与发动机事件的关系图，针对的是具有本发明的转换控制的发动机；图4B是空气燃料比与发动机事件的关系图，针对的是具有本发明的转换控制的 发动机；图4C是IMEP与发动机事件的关系图，针对的是具有本发明的转换控制的发动机； 以及
图5是根据本发明的发动机控制方法的图示。
具体实施例方式下列描述本质上仅仅是示例性的，并且决不意图限制本发明、其应用或用途。为了 清楚起见，附图中将使用相同的附图标记表示相似的元件。本文所用的措词"A、B*C* 的至少一个"应当解释成意味着使用非排他逻辑"或"的逻辑(A或B或C)。应当理解，方 法内的步骤可以以不同顺序执行，只要不改变本发明的原理。本文所用的术语"模块"是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种 软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或其 它的提供所述功能的适当部件。根据本发明的发动机控制系统使汽油发动机工作在SI模式和HCCI模式下。HCCI 模式降低燃料消耗，但只在有限的发动机转矩和转速范围内可用。只举例来说，发动机控制 系统可使发动机在低负载至中等负载以及低发动机转速至中等发动机转速时以HCCI模式 工作。发动机控制系统可使发动机在其它负载和发动机转速时以SI模式工作。HCCI工作范 围可以分成各种子模式或HCCI工作区，并且可由校准表中的工作映射(operating maps) 来定义。发动机可以是直喷式汽油发动机，并且在转换期间可以选择性地工作在分层工作 模式下。为了在分层工作模式下工作，燃料喷射器正好在点火事件之前喷射总共所需燃料 的一部分。这个方法在火花塞附近提供化学计量充气(即使整体环境可能是稀薄的)，从而 促使空气燃料混合物顺利地点火且快速、平稳地燃烧。这些HCCI模式之间的转换应当对驾驶员来说显得完全连续(seamless)，应当最 大限度地降低发动机排放，并且应当最小化燃料消耗损失。本发明描述了用于在这些HCCI工作模式之间转换的控制系统和方法。只举例来 说，本发明描述了采用分层充气和相对于点火正时的燃料喷射正时的HCCI模式转换。现在参照图1A，给出了示例性发动机系统100的功能框图。发动机系统100包括 根据驾驶员输入模块104来燃烧空气/燃料混合物从而给车辆产生驱动转矩的发动机102。 发动机可以是直接点火式发动机。空气经由节气门112吸入到进气歧管110中。发动机控 制模块(ECM) 114命令节气门致动器模块116调节节气门112的开度从而控制吸入进气歧 管110中的空气量。来自进气歧管110的空气被吸入到发动机102的气缸中。虽然发动机102可以具 有多个气缸，但为了说明的目的，示出了单个代表性的气缸118。只是举例来说，发动机102 可以具有2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。来自进气歧管110的空气经由进气门122被吸入到气缸118中。ECM114控制由 燃料喷射系统124喷射的燃料量。燃料喷射系统124可以在中央位置将燃料喷入进气歧管 110，或者可以在多个位置将燃料喷入进气歧管110，例如在每个气缸的进气门附近。可替代 地，燃料喷射系统124可以将燃料直接喷入气缸。所喷射的燃料与空气混合并且在气缸118中形成空气/燃料混合物。气缸118内 的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。基于来自ECM114的信号，点火致动器模块126 给气缸118中的火花塞128通电，这会点燃空气/燃料混合物。可以相对于活塞处于其最高位置(称作上止点(TDC))之时刻来指定点火正时。
空气/燃料混合物的燃烧向下驱动活塞，由此驱动旋转曲轴(未示出)。然后活塞 开始再次向上运动，并且通过排气门130排出燃烧副产物。燃烧副产物经由排气系统134 从车辆排出。进气门122可以由进气凸轮轴140控制，而排气门130可以由排气凸轮轴142控 制。在不同的实施例中，多个进气凸轮轴可以控制每个气缸的多个进气门和/或可以控制 多列气缸的进气门。类似地，多个排气凸轮轴可以控制每个气缸的多个排气门和/或可以 控制多列气缸的排气门。升程致动器模块120可以在它们的排气门和/或进气门上的高升 程和低升程之间切换。通过进气凸轮相位器148可以使进气门122的打开时间相对于活塞TDC发生改 变。通过排气凸轮相位器150可以使排气门130的打开时间相对于活塞TDC发生改变。相 位器致动器模块158根据来自ECM114的信号来控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位 器150。另外，升程致动器模块控制升程量，该升程量可以用液压方式或使用其它方法来调
iF. ο发动机系统100可以包括废气再循环(EGR)阀170，其选择性地将废气再引导回 进气歧管110。发动机系统100可以使用RPM传感器180来测量以每分钟转数(RPM)表示 的曲轴转速。可以使用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182来测量发动机冷却剂的温度。 ECT传感器182可以安置在发动机102内或冷却剂循环的其它位置，比如安置在散热器(未 示出)处。可以使用歧管绝对压力(MAP)传感器184来测量进气歧管110内的压力。在不同 的实施例中，可以测量发动机真空，其中，发动机真空是环境空气压力与进气歧管110内压 力的差值。可以使用质量空气流量(MAF)传感器186来测量流入进气歧管110的空气质量。ECM114可以根据MAF传感器186产生的MAF信号来计算测定的每缸空气(APC)。 ECM114可以根据发动机工作条件、驾驶员输入或其它参数来估计期望的APC。节气门致动器模块116可以使用一个或多个节气门位置传感器(TPS) 190来监控 节气门112的位置。可以使用进气温度(IAT)传感器192来测量吸入发动机系统100的空 气的环境温度。ECM114可以使用来自传感器的信号为发动机系统100做出控制决策。为了抽象地称呼发动机102的不同控制机构，能改变发动机参数的各个系统都可 称为致动器。例如，节气门致动器模块116可以改变节气门112的叶片位置，由此改变节气 门112的开口面积。因此节气门致动器模块116可以被称作致动器，并且节气门开口面积 可以被称作致动器位置。类似地，点火致动器模块126可以被称作致动器，而相应的致动器位置是点火提 前量或延迟量。其它致动器包括废气再循环阀170、相位器致动器模块158、燃料喷射系统 124、以及升程致动器模块120。关于这些致动器的术语"致动器位置"可以分别对应于歧 管绝对压力、废气再循环阀开度、进气和排气凸轮相位器角度、以及空气/燃料比。现在参照图1B，示出了气门升程控制回路250的功能框图。气门升程控制回路250 包括进气门/排气门组件252，该组件经由油泵256接收来自油箱254的油。在被气门组件 252接收之前，油通过滤油器258进行过滤。控制模块控制气门组件252的进气门260和排 气门262的升程操作。
气门组件252包括进气门260和排气门262，它们具有打开状态和闭合状态并且由 一个或多个凸轮轴264致动。可以包括专用进气凸轮轴和专用排气凸轮轴。在另一种实施 例中，进气门260和排气门262共用公共凸轮轴。当处于打开状态时，进气门260和排气门 262可以在不同的升程状态下工作。气门组件252还包括气门升程状态调整装置270。升程状态调整装置270可以包 括油压控制阀272和气门升程控制阀，如电磁阀274。可以包括其它升程状态调整装置276， 例如提升销、杠杆、摇臂、弹簧、锁定机构、挺杆等等。气门升程控制回路250可以包括油温传感器280和/或油压传感器282。控制模 块根据从温度传感器280和压力传感282接收到的温度信号和压力信号来给油压控制阀 272信号。现在参照图1C，发动机控制模块114可以包括具有MAP控制模式(MM)的MAP控 制模块290。MM可设置成SI模式和HCCI模式。发动机控制模块114包括具有燃料输送模 式(FM)的燃料输送模块292。燃料输送模块292可以在SI模式与各种HCCI模式之间切换 FM。燃料输送模块292可以确定燃料输送的方式、正时和/或量。发动机控制模块114包括具有燃烧模式(CM)的燃烧控制模块294。燃烧模块294 可以在SI模式、HCCI模式和预HCCI模式之间切换CM，并且可包括SI控制模块294 (a)和 HCCI控制模块294(b)。发动机控制模块114包括具有火花输送模式(SM)的火花输送模块296。火花输送 模块296可以在SI模式、带有延迟的SI模式、分层模式以及HCCI模式之间切换SM。火花 输送模块296可以确定点火的正时和持续时间。发动机控制模块114包括具有燃料计算模式(FC)的燃料计算模块297。燃料计算 模块297可以在空气主导模式与燃料主导模式之间切换FC。在空气主导模式中，根据空气 控制燃料。在燃料主导模式中，根据测得或输送的燃料控制空气。发动机控制模块114包括具有相位器控制模式(PM)的相位器控制模块298。相位 器控制模块298可以在SI模式与HCCI模式之间切换PM。相位器控制模块298可以确定凸 轮相位。发动机控制模块114包括具有升程控制模式(LM)的升程控制模块299。升程控制 模块299可以在高气门升程模式和低气门升程模式之间切换LM。 现在参照图1D，更详细地示出了 HCC I模式控制模块294 (b)。HCCI模式控制模块 294(b)控制在HCCI控制范围内的各种模式。HCCI模式控制模块可以包括混合模式HCCI 控制模块310、稀薄HCCI模块312、和化学计量HCCI控制模块314。混合模式HCCI控制模 块310用来控制HCCI混合模式，该HCCI混合模式在低负载工作条件下使用。低负载工作 条件需要相当大的燃料重整，这对应于再压缩循环期间的提前喷射。在混合模式中，排气门 提前关闭，燃料喷射被提供给关闭的气缸以增加该气缸内所包含的热量。来自燃料的能量 被转化以提高该气缸内的温度。稀薄HCCI模块312控制在HCCI模式下进入气缸的燃料喷 射。在HCCI模式中，以单次或多次喷射来喷射燃料从而提供自燃或火花增强的燃烧。化学计量HCCI控制模块314把空气燃料比控制成化学计量水平。化学计量HCCI 控制模块用在比稀薄HCCI模式和混合模式HCCI控制的负载更高的负载时。转换控制模块316与混合模式HCCI控制模块、稀薄HCCI模块和化学计量HCC I
8控制模块通讯。转换控制模块316控制混合模式与其它模式之间的转换。如下所述，在主 点火事件之前，转换控制模块316可以生成分层燃料喷射以启动火花塞周围的燃烧。这防 止了由影响缸内充气的致动器设置的突变所引起的、以及因为与混合模式HCCI模式相比 用于稀薄HCCI模式的燃料重整量减少而引起的断火。现在参照图2，示出了各种HCCI模式的图示。火花喷射模式410使用处于高升程 的气门。HCCI模式420使用处于低升程的气门。HCCI工作区420具有混合模式HCCI区域422、稀薄或化学计量HCCI区域426和 重叠区域424。当命令从混合模式HCCI 422改变到稀薄或化学计量HCCI模式426时，启 用重叠区域424。重叠区域424对应于主点火事件之前的分层燃料喷射。在重叠区域424 中，在更接近点火事件时喷射燃料。这允许发生分层燃料供送。根据各种条件和发动机构造，可以改变每个HCCI模式区域的参数。现在参照图3A-3D，图3A示出了在常规控制策略中从低燃料供应水平下的混合模 式到较高燃料供应水平下的HCCI模式的燃料喷射量。如图3B所示，喷射正时和点火正时 也发生了变化。图3C示出了各个气缸的空气燃料比。如图所示，对于不同气缸，空气燃料比 变化很大，这对应于不可预测的工作，如图3D中用指示平均有效压力(IMEP)曲线示出的。 在图3D中，发动机事件范围内的断火次数相当大。在低负载与高负载HCCI燃烧条件之间 的过渡期间，由致动器设置的突变和燃料重整量的突变引起发动机断火。现在参照图4A-4C，图4A示出了带有转换控制的控制策略中的燃料喷射量。用与 图2相同的附图标记来表示混合模式HCCI 422和稀薄或化学计量HCCI模式426。在时刻 450，发出从混合模式HCCI到稀薄或化学计量HCCI的模式改变命令。在该命令之后，正好 在火花点火事件之前喷射一小部分燃料以允许在由转换控制模块限定的时长428内进行 分层燃料供送。在时刻452，发出命令以使控制在HCCI模式426与HCCI混合模式422之间 改变。如图4B所示，各个气缸之间的空气燃料比保持相等。在图4C中，IMEP示出，在各 个气缸之间的均勻工作中，没有发生断火。现在参照图5，本发明适用于在第一 HCCI模式与第二 HCCI模式之间的转换。在下 面的例子中，使用了混合模式HCCI与稀薄或化学计量HCCI模式之间的转换。在步骤510， 发动机在混合模式HCCI下工作。在步骤512，在混合模式下，在点火事件之前的第一预定时 间把一部分燃料喷入气缸。在步骤514，发动机负载增大。该负载可由于来自车辆驾驶员的 转矩请求而增大。在步骤516，由控制生成命令来把发动机工作变成稀薄或化学计量HCCI 模式。在步骤518，进入如图2的424所示的分层HCCI模式。分层HCCI模式在点火事件之 前的第二预定时间把一部分燃料喷入气缸，该第二预定时间小于步骤512中点火事件之前 的第一预定时间。在步骤522，如果不要结束分层模式，则步骤520就继续在点火事件之前的该预 定时间向气缸喷射燃料来执行分层模式。在从命令从混合模式HCCI变成稀薄或化学计量 HCCI模式时开始的预定时间之后，在步骤522可以结束分层模式。还可以监控其它条件，所 述条件包括凸轮正时。因此，当凸轮正时达到期望值时，可以在步骤522停止分层HCCI模 式。在从低负载向高负载过渡时进入HCCI分层模式，所述过渡是由在喷射正时改变且燃料 重整量急剧变化时突然增大的空气流量所引起的。在没有转换控制的情况下，这将导致立刻断火，因为凸轮正时不能足够快地改变以补偿突然的空气流量增加。因此，当命令从混合 模式HCCI转换到HCCI模式时，稍后在点火正时事件附近喷射一小部分燃料。一旦凸轮正 时达到期望值或者已经经过了预定时间量，步骤524就使该发动机工作在HCCI模式下。
现在，本领域技术人员可以从上面的描述认识到本发明的宽泛教导可以以多种形 式实施。因此，尽管结合特定例子对本发明进行了说明，但是本发明的真实范围不会由此受 到限制，因为本领域技术人员在研究了附图、说明书和所附权利要求书之后，其它修改将变 得显而易见。
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权利要求
一种发动机控制方法，包括命令发动机控制从第一均质充气压缩点火模式到第二均质充气压缩点火模式；作为对命令将发动机控制从所述第一均质充气压缩点火模式变到所述第二均质充气压缩点火模式的响应，进入分层充气工作；中断所述分层充气工作；以及在中断所述分层充气工作之后，使所述发动机工作在所述第二均质充气压缩点火模式下。
2.如权利要求1所述的方法，其中，命令发动机控制从第一均质充气压缩点火模式到 第二均质充气压缩点火模式包括响应于发动机负载的增大，命令发动机控制从所述第一 均质充气压缩点火模式到所述第二均质充气压缩点火模式。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一均质充气压缩点火模式包括低负载均质 充气压缩点火模式。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二均质充气压缩点火模式包括高于所述低 负载的第二负载。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一均质充气压缩点火模式对应于第一燃料 喷射量和第一发动机转速范围。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二均质充气压缩点火模式对应于第二燃料 喷射量和所述第一发动机转速范围。
7.如权利要求1所述的方法，还包括，在所述第一均质充气压缩点火模式中，在点火事 件之前的第一预定时间喷射燃料，并且其中，进入分层充气工作包括在比所述点火事件之 前的所述第一预定时间更小的第二预定时间喷射燃料。
8.如权利要求1所述的方法，其中，中断包括在预定时间之后中断分层充气工作。
9.如权利要求1所述的方法，其中，中断包括直到凸轮正时达到期望阈值才中断分层 充气工作。
10.一种发动机控制系统，包括转换模块，其命令发动机控制从第一均质充气压缩点火模式到第二均质充气压缩点火 模式；以及燃料输送模块，在命令发动机控制从所述第一均质充气压缩点火模式到所述第二均质 充气压缩点火模式之后，所述燃料输送模块使发动机工作在分层充气工作模式下，并且在 此之后中断所述分层充气工作。
全文摘要
本发明涉及HCCI模式切换控制系统和方法。具体地，提供了一种操作发动机的控制系统和的方法，包括转换模块，该转换模块命令发动机控制从第一均质充气压缩点火(HCCI)模式到第二HCCI模式。该控制系统还包括燃料输送模块，在命令发动机控制从第一HCCI模式到第二HCCI模式之后，该燃料输送模块使发动机工作在分层充气工作模式下，并且在此之后中断分层充气工作。
文档编号F02D43/00GK101876284SQ20101017148
公开日2010年11月3日 申请日期2010年4月28日 优先权日2009年4月28日
发明者J·-M·康, P·卡法尼克, V·拉马潘 申请人:通用汽车环球科技运作公司