專利名稱：用于具有受控自動點火燃燒的直接噴射發(fā)動機的負荷瞬態(tài)控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及受控自動點火內燃機。更詳細地講，本發(fā)明牽涉到 該種發(fā)動機內負荷轉換的穩(wěn)定性。
背景技術：
為了改良汽油內燃機的熱效率，熟知使用空氣或者再循環(huán)廢氣
的稀釋燃燒可以獲得升高的熱效率和低的氮氧化物(NOx)排放量。然 而，由于緩慢燃燒會導致滅火(misfire)和燃燒不穩(wěn)定，因此存在著發(fā) 動機可以用稀釋的混合物進行操作的限度。已知擴大稀釋限度的方 法包括l)通過強化點火和燃料制品改良混合物的可燃性；2)通過引 入電荷運動和紊流加強火焰速度；和3)在受控自動點火燃燒狀態(tài)下 操作發(fā)動機。
受控自動點火過程有時也稱為均相充填壓縮點火(HCCI)過程。 在此過程中產(chǎn)生燃燒氣體、空氣和燃料的混合物，并且在壓縮期間 在混合物的多個點火位置同時自動點火，從而產(chǎn)生非常穩(wěn)定的功率 輸出和高熱效率。因為在整個充填過程中燃燒得到了高度稀釋和均 勻分布，所以燃燒氣體溫度和因此產(chǎn)生的NOx排放量都遠低于基于 蔓延焰鋒的常規(guī)火花點火發(fā)動機和基于附加擴散焰的柴油發(fā)動機。 在電火花點火和柴油(diesel)發(fā)動機中，在混合物中燃燒的氣體溫度 是高度地不均勻的，非常高的局部溫度產(chǎn)生了高的NOx排放量。
在應用常規(guī)壓縮比的雙沖程汽油發(fā)動機中，在受控自動點火燃 燒狀態(tài)下運行的發(fā)動機已經(jīng);故成功地進行了演示?？梢源_信，乂人先 前周期中剩余的高比例燃燒氣體即雙沖程發(fā)動機燃燒室內的剩余 量，用于提供促進高稀釋混合物自動點火所必需的高混合溫度。在具有常規(guī)閥機構的四沖程發(fā)動機中，剩余量較低，在部分負荷時受 控自動點火難以實現(xiàn)。在部分負荷時誘導受控自動點火的已知方法
包括l)進入的空氣加熱；2)可變壓縮比；和3)將汽油同自動點火范 圍較汽油更寬的燃料相混合。在所有上述方法中，可以獲得的受控 自動點火燃燒的發(fā)動機速度和負荷的范圍相對較窄。
在應用可調節(jié)閥門驅動的四沖程汽油發(fā)動機中，已演示了在受 控自動點火燃燒狀態(tài)下運行的發(fā)動機以便滿足用于在高稀釋混合物 中自動點火的必要條件。包括分流噴射(split mjection)和單次噴射的 各種加燃料控制已被建議結合閥門控制策略使用以便在各種發(fā)動機 負荷狀態(tài)下保持穩(wěn)定的自動點火燃燒。
在共同轉讓的美國專利申請?zhí)?0/899457中公開了一種用于穩(wěn)定 的、擴大受控自動點火的示范性燃料噴射和閥策略。其中在低負荷 運行期間，在負的閥重疊期間內發(fā)生固定量燃料的第一次噴射，緊 接著在隨后的壓縮沖程發(fā)生第二次燃料噴射。用于第一次噴射的噴 射定時延遲了 ，而用于第二次噴射的噴射定時隨著發(fā)動機負荷的增 長而以連續(xù)的方式提前。在中等部分負荷運行期間，在負的閥重疊 期間內的燃料第一次噴射支持自動點火，并且在隨后的進氣沖程期 間直接緊跟著燃料的第二次噴射。該兩種噴射的最佳分離是在30至 60度的曲柄角(crank angle)附近。兩種噴射的噴射定時隨著發(fā)動機負 荷的增長都以連續(xù)的方式延遲。而在高的部分負荷期間，在進氣沖 程期間的單次燃料噴射支持自動點火。噴射定時隨著發(fā)動機負荷的 增長而延遲。
雖然上文概述的提前已成功地演示了在穩(wěn)態(tài)條件下的受控自動 點火能力，但是快速的負荷變化或者瞬態(tài)可能導入不合需要的燃燒 結果。
發(fā)明概述
在受控自動點火發(fā)動機中，燃燒定相(combustion phasing)受到加料溫度的強烈影響，舉例來說，高的進料溫度提前了燃燒定相且可
導致爆震(knocking),而低的進料溫度延遲了燃燒定相且可導致部分 燃燒或滅火。本發(fā)明提供了一種用于在快速負荷瞬態(tài)期間自低的部 分負荷到高的部分負荷(反之亦然)時穩(wěn)健的自動點火燃燒控制的系統(tǒng) 和方法。根據(jù)本發(fā)明通過采用噴射和閥策略的各種組合，在負荷瞬 態(tài)期間保持了穩(wěn)定的受控自動點火燃燒。
在低的負荷時，通過使用用于控制燃燒溫度的排氣再壓縮，壓 縮機非節(jié)流地以貧燃料的(lean)燃料/空氣比以及受控自動點火的方式 運行。在高的部分負荷時，要求化學計量操作用于控制NOx的排放 量，因此節(jié)流操作和廢氣再循環(huán)(EGR)同外部排氣再循環(huán)添加在一起 以便控制燃燒溫度。自查找表獲取的穩(wěn)態(tài)燃燒條件用于各種負荷和 各種速度下的穩(wěn)態(tài)操作。
在HCCI運行中，自低的部分負荷到高的部分負荷以及返回到低
以及負的閥重疊(NV0)與當前的加燃料質量流率同步而得以實現(xiàn)且無 過剩的燃燒定相變化。然而，對于負荷增長來講，超出預定閾值的 快速負荷變化要求NVO的降低應延遲多個速度依賴性發(fā)動機周期以 便在氣缸內保持足夠的氣體溫度從而避免滅火。
在較高負荷的化學計量運行中，節(jié)流閥位置和外部EGR增添到 NVO以便控制燃燒溫度。必要的時候在快速的負荷變化期間，要求 較高百分比的剩余廢氣和/或較低百分比的新鮮空氣質量保持足夠的 自動點火溫度。這可以通過節(jié)流閥、EGR以及NVO調節(jié)而得以實現(xiàn)。
提供了前饋控制，包括火花定時、燃料噴射定時和閥定時的發(fā) 動機的控制輸入相應于當前的加燃料速率通過前々貴控制而被設置成 等同于穩(wěn)態(tài)輸入。預先校準的穩(wěn)態(tài)輸入儲存在查找表中，而發(fā)動機 的輸入基于當前的加燃料速率通過在查找表內增添穩(wěn)態(tài)輸入值而得 以確定。
根據(jù)下文中對本發(fā)明某些特定實施例的說明并結合附圖，將會更全面地理解本發(fā)明的這些和其它的特征和優(yōu)點。 附圖簡要說明


圖1為根據(jù)本發(fā)明能夠操作的單氣缸汽油直接噴射四沖程內燃
機的示意圖2為用于四沖程內燃機排氣閥和進氣閥定相的閥升程對比曲 柄角的曲線圖，四沖程內燃機根據(jù)采用具有雙凸輪定相的兩步可調 節(jié)閥門驅動的示范的受控自動點火控制在不同負荷時運行；
圖3A為具有示范的受控自動點火噴射策略的典型的進氣閥過程 和排氣閥過程對比曲柄角的曲線圖，示范的受控自動點火噴射策略 分別用于低的部分負荷、中等部分負荷以及高的部分負荷的發(fā)動機 運行；
圖3B為示范的受控自動點火排氣再壓縮閥策略的典型的氣缸內 壓力i己錄對比曲柄角的曲線圖4為排氣閥和進氣閥、燃料噴射和運行模式的示范的全部運 行策略對比發(fā)動機負荷的曲線圖，以便單氣缸四沖程內燃機根據(jù)采 用兩步雙凸輪定相可調節(jié)閥門驅動系統(tǒng)的示范的受控自動點火控制 而運行；
圖5為示范的控制器的簡圖，根據(jù)本發(fā)明在各種負荷瞬態(tài)期間 通過控制器保持了穩(wěn)健的受控自動點火燃燒；
圖6為具有7毫克/秒的加燃料速率和35度/秒的相位器變化速 率在自5至12毫克/周期的快速改變的負荷瞬態(tài)期間的所測量的指示 平均有效壓力(IMEP)對比發(fā)動機周期的曲線圖7為在室溫吸入的空氣、油和冷卻液溫度下用于8.5至14毫 克/周期的負荷瞬態(tài)測試的閥升程曲線的曲線圖8為具有14毫克/秒的加燃料速率和70度/秒的相位器變化速 率在室溫負荷瞬態(tài)測試期間的所測量的IMEP對比發(fā)動機周期的曲線 圖；圖9為具有提前的、正常的以及延后的NVO定時的逐步負荷瞬 態(tài)測試中所噴射的燃料質量/周期對比發(fā)動機周期的曲線圖10為在圖9的負荷瞬態(tài)測試期間NVO位置對比發(fā)動機周期 的曲線圖11為在圖9的負荷瞬態(tài)期間所測量的IMEP對比發(fā)動機周期 的曲線圖12為圖9的負荷瞬態(tài)測試期間所測量的空氣燃料比對比發(fā)動 機周期的曲線圖13為用來模擬減速燃料切斷(DFCO)和再點火的燃料噴射進程 對比操作狀態(tài)的曲線圖14為用于圖13的DFCO和再點火測試的閥升程曲線對比曲 柄角的曲線圖；和
圖15為在圖13的DFCO和再點火期間所測量的IMEP對比發(fā) 動機周期的曲線圖。
優(yōu)選實施例的說明
為了簡單起見，以下說明中將本發(fā)明應用至單缸直接噴射汽油 四沖程內燃機中，但是應當理解，本發(fā)明同樣適用于多氣缸直接噴 射四沖程內燃機。本文中具體實施的0.55升(liter)單氣缸四沖程內燃 機應用在各種控制執(zhí)行和各種數(shù)據(jù)獲取中。除非其它特別地論述到， 所有的這些執(zhí)行和獲取都假定以本領域普通技術人員所能理解的標 準條件實施。雖然本發(fā)明所描述的是將其應用至兩氣門發(fā)動機(一個 進氣閥和一個排氣閥)，但是應當理解本發(fā)明同樣適用于多氣門發(fā)動 機。而且，盡管本發(fā)明適用于使用充分靈活的電動液壓系統(tǒng)或者4吏 用電動機械系統(tǒng)的任一可調節(jié)閥門驅動(VVA)策略，但下文中用來舉 例說明我們控制策略的示例為基于兩步雙凸輪定相的VVA系統(tǒng)。
首先詳細參照附圖中的圖1,標號10總體上表示示范的單氣缸 直接噴射四沖程內燃機的圖示。在圖中，活塞11在氣缸12中可以移動，并且與氣缸12—起限定了可變容積的燃燒室13。入口通道14 向燃燒室13供給空氣。進入燃燒室13的空氣流量通過進氣閥15進 行控制。燃燒氣體可以從燃燒室13中通過排氣通道16流動，并且 由排氣閥門17所控制。
示范的發(fā)動機10具有帶有電子控制器18的液壓控制閥門串 (valve tram),所述電子控制器18為可編程的并且液壓控制入口閥15 和排氣閥17的開啟和閉合。電子控制器18考慮通過兩個位置傳感 器19和20確定的進氣閥15和排氣閥17的位置，控制進氣閥15和 排氣閥17的移動?？刂破?8還將涉及發(fā)動機的角度位置，如由連 接到發(fā)動機曲軸22上的轉動傳感器21所示。曲軸22通過連接桿23 連接到氣缸12內往復運動的活塞11上。通過電子控制器18控制的 汽油直接噴射器24用于將燃料直接噴射到燃燒室13內。歸因于控 制器18的各種功能可以同樣地由適用于各種任務的多個分離的但卻 協(xié)同作用的控制器來相當好地實現(xiàn)。
也通過電子控制器18進行控制的火化塞25用來增強一定狀態(tài)(例 如冷起動期間和處于低負荷操作限度附近)下的點火定時控制。依賴 于受控自動點火燃燒狀態(tài)下高的部分負荷操作限度附近以及具有節(jié) 流或非節(jié)流SI操作的高的速度/負荷操作狀態(tài)時的火花塞點火，也已 證明為優(yōu)選的。
圖2舉例說明了進氣閥15和排氣閥17的控制運動，其中示出 了作為四沖程內燃機排氣閥17和進氣閥15的曲柄角功能的閥升程 曲線圖，該四沖程內燃機通過示范的受控自動點火(HCCI燃燒)控制 進行操作。
實線17示出了排氣閥的運動，而虛線15表示進氣閥。排氣閥17 在排氣/進氣上止點(TDC 360度)之前以可調角度首先關閉，隨后進氣 閥15在TDC之后優(yōu)選地以相同角度開啟。兩個閥都關閉的過渡期 稱為負的閥重疊(NVO)。緊靠在一起直至向遠處分離的成對的排氣/ 進氣閥曲線17、 15表示NVO隨著發(fā)動機負荷(NMEP,凈平均有效壓力)自350 kPa、 285 kPa、 215 kPa至144 kPa的依序降低而升高。 通過使用雙凸輪定相系統(tǒng)或者通過可產(chǎn)生該種閥曲線圖的任何其它 裝置，都可實現(xiàn)這種閥運動。
利用本策略，負的閥重疊(NVO)隨著對進氣和排氣升程曲線的同 時定相而變化。試驗已經(jīng)確定，為了在整個負荷范圍內保持最佳自 動點火燃燒，負的閥重疊期間需要隨著發(fā)動機負荷的降低而線性升 高，在圖2中舉例說明了這種關系。
圖3A示出了分別為低負荷、中等負荷以及高的部分負荷的發(fā)動 機工作時的示范性噴射策略。圖3A也示出了示范的進氣閥過程和排 氣閥過程，且在圖3B中根據(jù)這種示范性閥過程示出了氣缸內的壓力 記錄。
以低的部分負荷運行期間，如隔開的條狀物27、 28所示在單個 發(fā)動機周期內兩次驅動燃料噴射器。在大約300和350度ATDC燃 燒之間的第一噴射27,在負的閥重疊期間內將固定量的汽油或等同 燃料噴灑到封閉在氣缸內的高溫高壓廢氣內。隨著發(fā)動機負荷的增 加，用于第一噴射的噴射定時連續(xù)地延遲。燃料部分地氧化且轉變 成更為活性的化學物質并釋放出能量。更為活性的化學物質和能量 的數(shù)量隨著第 一次噴射以及負的閥重疊(NVO)期間內噴射的燃料的量 和定時而改變。
如圖3B所示，封閉氣體在排氣閥關閉后，首先在大約300和360 度ATDC之間的NVO期間至排氣沖程結尾時壓縮。然后在進氣閥和 排氣閥都關閉的進氣沖程的早期，壓縮后的燃料和廢氣混合物膨脹。 氣缸壓力下降到環(huán)境壓力附近，此時進氣閥開啟將新鮮空氣導入燃 燒室中。在壓縮沖程期間，在28處再次驅動燃料噴射器以便將汽油 第二次噴射到60和20度BTDC燃燒之間的燃燒室內。噴射定時選 成確保無煙運行且受到噴射器噴灑錐角的影響或者噴射的燃料量的 影響。
隨著發(fā)動機負荷的增加，用于第二次噴射的噴射定時以連續(xù)的方式提前。由于較高的氣缸內加料溫度和密度，抑制了燃料噴灑的 滲入和擴散。在燃燒室內形成了局部可燃成分高的混合物區(qū)域。通 過第一次噴射后的汽油重整形成的物質結合第二次燃料噴射形成的 局部可燃成分高的混合物共同作用以便在無任何火花幫助下，對比 柴油發(fā)動機中使用的相對高的壓縮比以相對低的壓縮比實現(xiàn)汽油的 自動點火。
在中等部分負荷的運行期間，如鄰近的條狀物29、 30所示在單 個發(fā)動機周期內也兩次驅動燃料噴射器。第一次噴射29將汽油噴灑 到在大約300和360度的ATDC燃燒之間的燃燒室內，這與在低部 分負荷使用時的運行相似。然而，第二次噴射30在第一次噴射結尾 后大約30至60度開始。兩次噴射都在負的閥重疊期間及隨后的進 氣沖程內完成。隨著發(fā)動機負荷的增加，兩次噴射的噴射定時都以 連續(xù)的方式延遲。采用分流噴射的目的是為了控制汽油重整以及隨 后的自動點火過程。對于低部分負荷運行和中等部分負荷運行來講， 1至3毫克的燃料對第一次噴射29是足夠的。剩余的燃料在第二次 噴射30期間內噴射。
在高的部分負荷的運行期間，如條狀物31所示在單個發(fā)動機周 期內僅有一次驅動燃料噴射器。噴射定時取決于發(fā)動機負荷而在340 和490度的ATDC燃燒之間變化。噴射定時隨著發(fā)動機負荷的增加 而延遲。
負荷變化期內 一種噴射策略到另 一種噴射策略的轉換，被調節(jié) 成有益于發(fā)動機性能和排放量。例如在低部分負荷的運行期間，分 流噴射(其具有負的閥重疊期間內的第一次噴射27以及壓縮沖程期間 內的第二次噴射28)為僅有的已證明能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的受控自動點火燃 燒的噴射策略。隨著發(fā)動機負荷的增加，連續(xù)地提前第二次噴射28 的噴射定時以便促進氣缸容量內燃料的擴散以及便于局部混合物的 空氣/燃料比保持在可接受范圍內從而避免過多地排出NOx和煙霧。
然而，即使采用提前的噴射定時，氮氧化物(NOx)在中等部分負荷的運行期間內仍能上升到不可接受的水平。因此對于中等部分負
荷，第二次燃料噴射30的噴射定時如圖3A所示從壓縮沖程轉換到 進氣沖程。試驗已經(jīng)確定，兩種策略都會導致類似的發(fā)動機性能。 雖然NOx排放量可隨著進氣沖程期間內的第二次燃料噴射30而大大 降低，但由于封閉在縫隙內避免燃燒的燃料的增加而增加了碳氫化 合物(HC)排放量。轉換發(fā)生處的確切負荷將通過權衡排放量而予以 確定。
圖4示出了作為發(fā)動機負荷功能的示范的開啟閥定時和關閉閥 定時，其用于以恒定速度運行的單氣缸四沖程內燃機的排氣網(wǎng)和進 氣閥。閥控制通過利用兩步雙凸輪定相VVA系統(tǒng)例證了排氣再壓縮。 實線33示出了負荷范圍(NMEP)內排氣閥的開啟而虛線34示出了排 氣閥的關閉。實線35示出了進氣閥的開啟而虛線36示出了進氣閥 的關閉。圖4也示出了噴射策略(分流的對比單次的)和以示范的恒定 速度作為發(fā)動機負荷功能的各種燃燒模式。
具體地講，發(fā)動機以具有低于320千帕(kPa)的凈平均有效壓力 (NMEP)的貧燃料的空氣/燃料混合物(HCCI/貧燃料)的受控自動點火 燃燒模式運行。在該燃燒模式期間，NOx排放量指數(shù)隨著發(fā)動機負 荷的增加而提高。在320 kPa NMEP時，NOx排放量指數(shù)大約為1 克/千克燃料。因此在320和400 kPa的NMEP之間，發(fā)動機以具有 化學計量的(stoichiometric)空氣/燃料比(HCCI/化學計量)的受控自動 點火燃燒模式運行，以便允許用于NOx控制的常規(guī)后處理裝置。分 流噴射可以在該模式的較高負荷部分使用，以便限制氣缸壓力升高 的最大速率。
在400和600kPa的NMEP之間，發(fā)動機以火花點火的非節(jié)流化 學計量模式(所示的SI-NTLC/化學計量)運行，該模式具有通過VVA 策略例如進氣閥提前關閉或者進氣閥延后關閉進行控制的負荷。超 出600 kPa的NMEP時，發(fā)動機以具有化學計量空氣/燃料混合物的 常規(guī)火花點火的節(jié)流燃燒模式(SI-節(jié)流/化學計量)運行直至滿載。為了限制氣缸壓力升高的最大速率，可在較后的兩種模式的任一種中 采用分流噴射。
在受控自動點火發(fā)動機中，燃燒定相受到加料溫度的強烈影響， 舉例來說，較高的進料溫度提前了燃燒定相且可導致爆震，而較低
通過采用噴射和閥策略的各種組合，保持了從低到高的部分負荷瞬 態(tài)期間(反之亦然)內穩(wěn)定的受控自動點火燃燒。
圖5根據(jù)本發(fā)明示出了發(fā)動機控制器40的示意圖，通過發(fā)動機 控制器40實現(xiàn)了負荷瞬態(tài)期間穩(wěn)健的受控自動點火燃燒?？刂破?0 包括與代表性的汽油直接噴射發(fā)動機46的關聯(lián)部件相連接的前饋控 制42和反饋控制44。
前饋控制42實現(xiàn)快速的系統(tǒng)響應。基于所希望的負荷和發(fā)動機 操作模式狀態(tài)，自查找表57中計算出所需的燃料噴射定時(FI)和脈 沖寬度(燃燒速率)48、閥門驅動(包括負的閥重疊(NVO)) 50、火花定 時(SI) 52、節(jié)流閥位置54和EGR閥位置56以便控制燃燒定相。此 外，取決于當前的發(fā)動機操作狀態(tài)和驅動器的負荷要求，可變速率 限制器58、 60、 62、 64、 66被用來補償系統(tǒng)內的不同動態(tài)特性例如 空氣和燃料動態(tài)特性，如同稍后將要詳細論述的那樣。
如同隨后將要示出的那樣，在劇烈的負荷瞬態(tài)期間僅僅利用具 有校準的查找表的前饋控制42保持了穩(wěn)健的受控自動點火燃燒。盡 管在此沒有強調，但反饋控制被用來進一步增強整個的系統(tǒng)穩(wěn)健性。
在具有均相充填壓縮點火(HCCI)發(fā)動機運行的快速負荷瞬態(tài)期 間的前饋控制42的慣常運行中，將至少包括點火定時(SI)、燃料噴 射定時(FI)和閥定時(以及在使用閥定時處的節(jié)流閥位置和EGR閥位 置)的給發(fā)動機的輸入，相應于當前的質量流動加燃料速率(加燃料速 率)設置成等同于(即，同步于)穩(wěn)態(tài)輸入。預先校準的穩(wěn)態(tài)輸入存儲 在查找表42內，且通過在查找表內增添穩(wěn)態(tài)輸入值來確定發(fā)動機輸 入。圖6示出了在加燃料速率自5毫克/周期至12毫克/周期的重復
變化的負荷瞬態(tài)中應用的本前饋控制的測試結果，反之亦然。測試
期間加燃料的變化速率設為7毫克/秒、凸輪相位器響應為35度/秒 而進氣歧管溫度調成90攝氏度。圖中示出了前饋控制在快速負荷瞬 態(tài)期間實現(xiàn)無滅火的受控自動點火(CAI)燃燒。
根據(jù)本發(fā)明，上述示例示出了在充分加熱后的發(fā)動機運行狀態(tài) 下，CAI燃燒在負荷瞬態(tài)期間十分穩(wěn)健。圖7示出了在室溫吸入的 空氣、油和冷卻液環(huán)境下用于在8.5和14毫克/周期之間的負荷瞬態(tài) 測試的排氣閥和進氣閥的升程曲線。圖8示出了該室溫負荷瞬態(tài)期 間內所測量的IMEP。加燃料的速率變化設為14毫克/周期而凸輪相 位器響應設為70度/秒。清楚地示范了平滑的負荷轉換。
因此已示范出在加燃料的變化速率直到大約14毫克/秒的負荷瞬 態(tài)期間內，前饋控制能夠保持CAI燃燒。然而對于逐步的加燃料速 率變化(例如加燃料速率變化到大于約14毫克/秒)來講，前饋方法需 要稍微的修改，因為在逐步的加燃料瞬態(tài)期間為穩(wěn)定燃燒所需的加 料溫度變化的梯度大大高于由初始測試所證明的梯度并且需要更加 精確的控制。應當理解，基本上為14毫克/秒的示范的負荷轉換加燃 料速率變化僅僅是示范性的并且涉及一種特定的發(fā)動機。因此，實 際的加燃料速率閾值將根據(jù)實際應用的發(fā)動機而改變，例如根據(jù)氣 缸數(shù)量、位移、車輛重量以及傳輸。
為了有效地解釋逐步的變化瞬時，提出了如下示例。首先，假 定穩(wěn)態(tài)中穩(wěn)定燃燒的兩種運行狀態(tài)Sl (j氐負荷)和S2 (高負荷)。同樣 假定發(fā)動機在Sl狀態(tài)下運行。由于Sl時的加燃料速率較低，故封 閉在氣缸內的剩余氣體的穩(wěn)態(tài)溫度低于S2時的溫度。因此，如果在 一個發(fā)動機周期內加燃料速率和所有的其它相應輸入在Sl變化到 S2,則在緊接著的下一個周期內封閉的剩余氣體的溫度將低于S2所 需的溫度，這是因為剩余氣體來自發(fā)動機以Sl運行的上一周期。結 果，氣缸加料的整個溫度將低于所需溫度，從而導致了延遲的燃燒定相(或者甚至部分燃燒或者滅火)。 一種提高氣缸加料溫度的方式為 封閉更多的剩余質量，或者等同地在緊接的下 一周期封閉較少的新 鮮空氣質量，從而導致了為S2所需的可燃成分更高的空氣燃料比。類似的想法能夠應用到自S2到Sl的轉換。假定發(fā)動機以S2的 運行狀態(tài)運行，如果在一個發(fā)動機周期內加燃料速率和所有其它相 應輸入自S2變化到S1，封閉在緊接的下一個發(fā)動機周期的剩余氣體 的溫度將高于為Sl所需的溫度，并導致了提前的燃燒定相(或者甚至 爆震)。通過封閉較少的剩余質量或者等同地在緊接的下一個周期內 封閉角度的新鮮空氣質量能夠降低氣缸加料溫度，從而導致了為Sl 所需的更貧燃料的空氣燃料比。了修改的有效，該可調節(jié)閥門驅動能夠仿真凸輪相位器。首次測試 中，負的閥重疊(NVO)同加燃料速率變化相比被故意地延遲或提前一 個或兩個發(fā)動機周期，以便在瞬態(tài)期間導入空氣燃料比的不同變化。 在排氣端口的出口平面使用具有0.15秒響應時間的快速響應氧氣(02) 傳感器對空氣燃料比進行測量。在一個發(fā)動機周期內加燃料速率自7 毫克/秒變化到12毫克/秒(反之亦然)。發(fā)動機被充分地加熱，且在測 試中發(fā)動機速度保持在1000轉/分鐘。圖9至圖12圖示了測試結果。相對于加燃料變化定時的四種不 同的NVO定時設置使用在四次分隔開的運轉中，通過標號70 (—個 周期提前)、72 (無延遲)、74 (—個周期延遲)和76 (兩個周期延遲)示 出了該四次分隔開的運轉的重要處。燃料增長步幅的定時在周期51 時設置，但燃料減少步幅的定時為變化的且不重要。圖9示出了在 一個周期內直接出現(xiàn)的所有的加燃料速率變化。圖IO示出了以有序 的周期開始并在負荷瞬態(tài)時平滑運行的N V O變化。圖11示出了所測量的指示平均有效壓力(IMEP)變化。負荷增長 在具有NVO的一個周期延遲74或者兩個周期延遲76處最為穩(wěn)定。 但是負荷減少在無延遲72或者一個周期延遲70處最為穩(wěn)定。圖12示出了所測量的其穩(wěn)定性結果類似于IMEP的穩(wěn)定性結果的空氣燃料比變化。自圖中，看到燃燒僅當空氣燃料比在尖端在內(tip-in)(加燃 料速率提高)期間可燃成分稍微高而在尖端在外(tip-out)(加燃料速率 降低)期間可燃成分稍微低時才能夠保持穩(wěn)定，如同早前論述中所料 想的那樣。概括地講，對于快速的加燃料速率變化例如步幅變化，使用修 改方法的令人滿意的負荷瞬時需要在尖端在內期間延遲一個或多個 速度依賴性發(fā)動機周期的NVO。然而在尖端在外期間不需要延遲 NVO。本發(fā)明優(yōu)選地采用可變速率限制器用以控制向發(fā)動機輸入的變 化速率(例如燃料噴射量以及凸輪相位等)以便在尖端在內期間獲得可 燃成分較高的空氣燃料混合物，但當所要求的燃料變化速率快于約14 毫克/秒左右時會在尖端在外期間獲得較貧燃料的空氣燃料混合物。 空氣燃料比偏離瞬時期間內空氣燃料比設定點的幅度根據(jù)驅動器的 負荷要求以及運行狀態(tài)而被預先校準。如果所要求的燃料變化速率慢于約14毫克/秒左右，加燃料速率 的變化以及凸輪相位器的位置(NVO設定)被簡單地同步以便實現(xiàn)平 滑的空氣燃料比轉換，這是因為空氣燃料比偏離對燃燒的影響是微 不足道的。一種特定的負荷瞬時的不同示例包括減速燃料切斷(DFCO)和再 點火。發(fā)動機以6毫克/周期的加燃料速率(負荷)運行25秒。然后切 斷燃料。在停留大約5秒后，發(fā)動機以接近其低的負荷運行限度的5 毫克/秒步幅的燃料變化而停止工作。在停止工作期間改變燃料速率 變化的所有嘗試都導致了滅火或者部分燃燒。通過利用由恰好早于 進氣沖程的第一噴射以及遲于壓縮進程的第二噴射組成的分流燃料 噴射策略，測試了再點火期間逐步的燃料變化。了演示測試的可重復性采取了背對背的(back-to-back)測量。圖14示出了用于DFCO和再點火測試的閥升程曲線圖。注意到閥升程曲線 圖在測試期間保持相同。圖15示出了在DFCO和再點火測試期間的 測得的IMEP。圖中清晰地示出了成功的無部分燃燒或滅火的再點 火。但是，在再點火之后立即觀測到稍大的IMEP波動。應當理解，本發(fā)明的廣泛概念并不局限于使用在本申請中所提 到的示范性前饋/反饋控制系統(tǒng)。本發(fā)明也不局限于釆用基于本文所 論述的查找表的控制。此外，對于可在整個操作范圍內的多個運行 模式中運行的發(fā)動機來講，在一種運行模式中使用的一些發(fā)動機控 制輸入或許在另 一種模式中是不起作用的。當理解，可以在本發(fā)明所述概念精神和范圍內進行多種改變。因此， 本發(fā)明并不意圖限制于所述公開的實施例，而是應當具有以下權利 要求語言所允許的全部范圍。
權利要求
1.一種用于直接噴射受控自動點火的貧燃發(fā)動機在負荷瞬態(tài)運行期間的控制的方法，所述方法包括在穩(wěn)態(tài)下、在均相充填壓縮點火(HCCI)的負荷范圍內、以燃料空氣稀釋混合物運行所述發(fā)動機，所述燃料空氣稀釋混合物處于對于每一速度和負荷而言的加燃料質量流率、噴射定時(FI)、火花定時(SI)以及排氣再壓縮的預定狀態(tài)下，所述排氣再壓縮通過在每個氣缸內處于排氣閥關閉和進氣閥開啟之間的負的閥重疊(NVO)而獲得；以及下述中的至少一個a)通過使得包括噴射定時、火花定時和負的閥重疊中的至少兩個的給所述發(fā)動機的輸入與當前的加燃料質量流率同步，而在自較低負荷的穩(wěn)態(tài)到所期望的較高負荷的穩(wěn)態(tài)的快速負荷升高的期間控制所述發(fā)動機；和b)通過使得包括噴射定時、火花定時和負的閥重疊中的至少兩個的給所述發(fā)動機的輸入與當前的加燃料質量流率同步，而在自較高負荷的穩(wěn)態(tài)到所期望的較低負荷的穩(wěn)態(tài)的快速負荷降低的期間控制所述發(fā)動機。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在快速負荷升高 和快速負荷降低中的至少 一個的期間使得噴射定時、火花定時和負 的閥重疊都與當前的加燃料質量流率同步。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在快速負荷升高 期間使得噴射定時、火花定時和負的閥重疊都與當前的加燃料質量 流率同步。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在快速負荷降低 期間使得噴射定時、火花定時和負的閥重疊都與當前的加燃料質量 流率同步。
5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，需求超過了預定閾值的快速加燃料速率變化，所述方法還包括在快速負荷升高期間控制所述發(fā)動機，以便在所述快速負荷升 高期間，與所述快速負荷變化完成后所述發(fā)動機所需的穩(wěn)健穩(wěn)態(tài)運行相比，通過在每一次氣缸加料中提供l)較高百分比的剩余氣體， 和2)較低百分比的新鮮空氣質量中的至少 一個而濃縮所述氣缸的空 氣燃料混合物，用以在所述加燃料質量流率的升高期間在所述氣缸 內提供足以自動點燃所述混合物的溫度，從而在隨后的發(fā)動機周期 期間導致升高的氣缸混合物溫度。
6. 根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，通過延遲多個速 度依賴性發(fā)動機周期所需求的負的閥重疊的變化，而提供了所述較 高百分比的剩余氣體。
7. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，利用包括具有雙縮點火發(fā)動々幾運4亍。
8. —種用于直接噴射受控自動點火發(fā)動機在負荷瞬態(tài)運行期間 處于化學計量運行下的控制的方法，所述方法包括在穩(wěn)態(tài)下、在均相充填壓縮點火(HCCI)的負荷范圍內、以燃料 空氣稀釋混合物運行所述發(fā)動機，所述燃料空氣稀釋混合物處于對 于每一速度和負荷而言的加燃料質量流率、噴射定時(FI)、火花定時 (SI)、節(jié)流閥位置、廢氣再循環(huán)(EGR)閥設置以及排氣再壓縮的預定 狀態(tài)下，所述排氣再壓縮通過在每個氣缸內處于排氣閥關閉和進氣 閥開啟之間的負的閥重疊(NVO)而獲得；以及下述中的至少 一 個a)通過使得包括噴射定時、火花定時、節(jié)流閥位置、廢氣再循環(huán) 閥設置和負的閥重疊中的至少三個的給所述發(fā)動機的輸入與當前的 加燃料質量流率同步，而在自較低負荷的穩(wěn)態(tài)到所期望的較高負荷 的穩(wěn)態(tài)的快速負荷升高的期間控制所述發(fā)動機；和b)通過使得包括噴射定時、火花定時、節(jié)流閥位置、廢氣再循環(huán) 閥設置和負的閥重疊中的至少三個的給所述發(fā)動機的輸入與當前的 加燃料質量流率同步，而在自較高負荷的穩(wěn)態(tài)到所期望的較低負荷 的穩(wěn)態(tài)的快速負荷降低的期間控制所述發(fā)動機。
9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，在快速負荷升高 和快速負荷降低中的至少一個的期間使得噴射定時、火花定時、節(jié) 流閥位置、廢氣再循環(huán)閥設置和負的閥重疊都與當前的加燃料質量 流率同步。
10. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，在快速負荷升 高期間使得噴射定時、火花定時、節(jié)流閥位置、廢氣再循環(huán)閥設置 和負的閥重疊都與當前的加燃料質量流率同步。
11. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，在快速負荷降 低期間使得噴射定時、火花定時、節(jié)流閥位置、廢氣再循環(huán)閥設置 和負的閥重疊都與當前的加燃料質量流率同步。
12. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，需求超過了預 定閾值的快速加燃料速率變化，所述方法還包括在快速負荷升高期間控制所述發(fā)動機，以便在所述快速負荷升 高期間，與所述快速負荷變化完成后所述發(fā)動機所需的穩(wěn)健穩(wěn)態(tài)運 行相比，通過在每一次氣缸加料中提供l)較高百分比的剩余氣體， 和2)較低百分比的新鮮空氣質量中的至少一個而濃縮所述氣缸的空 氣燃料混合物，用以在所述加燃料質量流率的升高期間在所述氣缸 內提供足以自動點燃所述混合物的溫度，從而在隨后的發(fā)動機周期 期間導致升高的氣缸混合物溫度。
13. 根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于，通過延遲多個 速度依賴性發(fā)動機周期所需求的負的閥重疊、節(jié)流閥位置和廢氣再 循環(huán)閥設置中的至少一個中的變化，而提供了所述較高百分比的剩 余氣體。
14. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，利用包括具有壓縮點火發(fā)動一幾運4亍。
15. —種用于直接噴射受控自動點火發(fā)動機在負荷瞬態(tài)運行期 間的控制的方法，所述方法包括在穩(wěn)態(tài)下、在均相充填壓縮點火(HCCI)的負荷范圍內、以燃料 空氣稀釋混合物運行所述發(fā)動機，所述燃料空氣稀釋混合物處于對 于每一速度和負荷而言的加燃料質量流率、噴射定時(FI)、火花定時 (SI)、節(jié)流閥位置、廢氣再循環(huán)(EGR)閥設置以及排氣再壓縮的預定 狀態(tài)下，所述排氣再壓縮通過在每個氣缸內處于排氣閥關閉和進氣 閥開啟之間的負的閥重疊(N VO)而獲得；以及下述中的至少 一 個a) 通過將包括噴射定時、火花定時、節(jié)流閥位置、廢氣再循環(huán)閥 設置和負的閥重疊中的至少三個的給所述發(fā)動機的受控輸入與當前 的加燃料質量流率同步，而在自較低負荷的穩(wěn)態(tài)到所期望的較高負 荷的穩(wěn)態(tài)的快速負荷升高的期間控制所述發(fā)動機；和b) 通過將包括噴射定時、火花定時、節(jié)流閥位置、廢氣再循環(huán)閥 設置和負的閥重疊中的至少三個的給所述發(fā)動機的輸入與當前的加 燃料質量流率同步，而在自較高負荷的穩(wěn)態(tài)到所期望的較低負荷的 穩(wěn)態(tài)的快速負荷降低的期間控制所述發(fā)動機。
16. 根據(jù)權利要求15所述的方法，其特征在于，所述發(fā)動機以 貧燃料的空氣燃料比運行，且在快速負荷升高和快速負荷降低中的 至少一個的期間使得噴射定時、火花定時和負的閥重疊都與當前的 加燃料質量流率同步。
17. 根據(jù)權利要求15所述的方法，其特征在于，利用包括具有火發(fā)動一幾的運4亍。
18. 根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，需求超過了預 定閾值的快速加燃料速率變化，所述方法還包括在快速負荷升高期間控制所述發(fā)動機，以便在所述快速負荷升 高期間，與所述快速負荷變化完成后所述發(fā)動機所需的穩(wěn)健穩(wěn)態(tài)運 行相比，通過在每一次氣缸加料中提供l)較高百分比的剩余氣體， 和2)較低百分比的新鮮空氣質量中的至少一個而濃縮所述氣缸的空 氣燃料混合物，用以在所述加燃料質量流率的升高期間在所述氣缸 內提供足以自動點燃所述混合物的剩余排氣溫度，從而在隨后的發(fā) 動機周期期間導致升高的排氣溫度。
19. 根據(jù)權利要求15所述的方法，其特征在于，所述發(fā)動機以 化學計量的空氣燃料比運行，且在快速負荷升高和快速負荷降低中 的至少一個的期間使得至少噴射定時和火花定時都與當前的加燃料 質量流率同步。
20. 根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，需求超過了預 定閾值的快速加燃料速率變化，所述方法還包括在快速負荷升高期間控制所述發(fā)動機，以便在所述快速負荷升 高期間，與所述快速負荷變化完成后所述發(fā)動機所需的穩(wěn)健穩(wěn)態(tài)運 行相比，通過在每一次氣缸加料中提供l)較高百分比的剩余氣體， 和2)較低百分比的新鮮空氣質量中的至少 一個而濃縮氣缸的空氣燃 料混合物，用以在所述加燃料質量流率的升高期間在所述氣缸內揭_ 供足以自動點燃所述混合物的溫度，從而在隨后的發(fā)動機周期期間 導致升高的氣缸混合物溫度。
全文摘要
一種直接噴射受控自動點火發(fā)動機是在穩(wěn)態(tài)下、在均相充填壓縮點火(HCCI)的負荷范圍內、以燃料空氣稀釋混合物被運行的，該燃料空氣稀釋混合物處于對于每一速度和負荷而言的發(fā)動機控制輸入的預定狀態(tài)下，該發(fā)動機控制輸入至少包括加燃料質量流率、噴射定時(FI)、火花定時(SI)以及通過負的閥重疊(NVO)而獲得的排氣再壓縮。在負荷變化速率低于預定閾值期間，使得SI、FI和NVO變化速率與加燃料質量流率的當前變化同步。對于高于閾值的快速負荷升高而言，通過在加料中足夠地提高剩余氣體的百分比或者足夠地降低新鮮空氣質量的百分比而暫時濃縮氣缸的加料，以便在負荷變化期間保持自動點火溫度。這可以通過延遲預定數(shù)量的速度依賴性發(fā)動機周期的NVO動作而完成。在非常低的負荷時，穩(wěn)定的燃料速率降低可以要求包括在再點火期間以逐步變化的方式進行減速燃料切斷的備選方法。
文檔編號F02B5/00GK101287897SQ200680006833
公開日2008年10月15日 申請日期2006年3月2日 優(yōu)先權日2005年3月3日
發(fā)明者B·L·布朗, C·-F·常, J·A·恩, J·-M·康, M·-F·常, P·M·納特, T·-W·霩, Z·孫 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司