專利名稱：以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及配置成以均質(zhì)充氣壓縮點火(HCCI)燃燒模式操作的內(nèi)燃機。
背景技術(shù)：
該部分的內(nèi)容僅提供與本發(fā)明有關(guān)的背景信息，且可能不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。已知的火花點火(Si)發(fā)動機將空氣/燃料混合物引入每個氣缸中，空氣/燃料混合物在壓縮沖程中被壓縮并由火花塞點火。已知的壓縮點火(Cl)發(fā)動機在壓縮沖程的上止點(TDC)附近將加壓燃料噴入燃燒氣缸內(nèi)，加壓燃料在噴射后被點火。SI發(fā)動機和CI發(fā)動機兩者的燃燒均包括由流體力學(xué)控制的預(yù)混合或擴散火焰。SI發(fā)動機能夠以多種不同的燃燒模式操作，包括均質(zhì)SI燃燒模式和分層充氣SI 燃燒模式。SI發(fā)動機可被設(shè)置用于在預(yù)定速度/負載操作條件下以均質(zhì)充氣壓縮點火 (HCCI)燃燒模式操作，也稱為受控自動點火燃燒。HCCI燃燒模式包括由氧化化學(xué)作用控制的分布式、無火焰、自動點火燃燒過程。以HCCI燃燒模式操作的發(fā)動機在進氣閥關(guān)閉時間時具有在組分、溫度以及殘余排氣方面優(yōu)選是均質(zhì)的氣缸充氣。HCCI燃燒是一種分布式動力受控燃燒過程，其中發(fā)動機用稀釋的空氣/燃料混合物(即，稀于化學(xué)計量比空氣/燃料點)操作，具有相對低的峰值燃燒溫度，從而得到低NOx排放。均質(zhì)空氣/燃料混合物使得形成煙霧和顆粒排放物的濃缸內(nèi)燃燒區(qū)域的出現(xiàn)最小化。發(fā)動機空氣流可以通過選擇性地調(diào)節(jié)節(jié)氣門閥的位置、以及開啟和關(guān)閉進氣閥和排氣閥來控制。在如此配備的發(fā)動機系統(tǒng)上，進氣閥和排氣閥的開啟和關(guān)閉可以使用可變閥致動系統(tǒng)來調(diào)節(jié)，所述可變閥致動系統(tǒng)包括可變凸輪定相和可選擇多級閥升程，例如提供兩個或更多閥升程位置的多級凸輪凸角。與節(jié)氣門位置變化不同，多級閥升程機構(gòu)的閥位置的變化是離散梯級變化。當(dāng)發(fā)動機以HCCI燃燒模式操作時，發(fā)動機以稀或化學(xué)計量比空氣/燃料比操作來操作，其中，節(jié)氣門寬開啟以使得發(fā)動機泵送損失最小化。當(dāng)發(fā)動機以SI燃燒模式操作時， 發(fā)動機以化學(xué)計量比空氣/燃料比操作，其中，節(jié)氣門閥在從寬開啟位置的0%至100%的位置范圍內(nèi)控制，以控制進氣空氣流從而實現(xiàn)化學(xué)計量比空氣/燃料比。在HCCI燃燒模式的發(fā)動機操作期間，燃燒受到在壓縮之前和在點火之前壓縮期間的氣缸充氣溫度以及受到氣缸充氣的混合物組分影響。在自動點火燃燒模式操作的已知發(fā)動機使用標(biāo)定表作為總體發(fā)動機控制方案的一部分而考慮環(huán)境和發(fā)動機操作狀況的變化。已知HCCI發(fā)動機控制方案包括用于使用輸入?yún)?shù)控制發(fā)動機參數(shù)的標(biāo)定值，包括例如發(fā)動機負載、發(fā)動機速度和發(fā)動機冷卻劑溫度。氣缸充氣溫度可以通過經(jīng)由發(fā)動機閥重疊來控制熱氣體殘余物和經(jīng)由排氣再循環(huán)率來控制冷氣體殘余物而影響。氣缸充氣溫度可以受到發(fā)動機環(huán)境因素的影響，包括例如空氣溫度、濕度、海拔、和燃料參數(shù)(例如，RVP、能量含量和質(zhì)量)。在HCCI燃燒模式的發(fā)動機操作期間，燃燒可以根據(jù)燃燒放熱來表征，可包括相對于活塞位置的燃燒定時，即燃燒定相。燃燒定相可根據(jù)燃燒質(zhì)量比例描述，其表示在燃燒氣缸充氣的一部分時的活塞曲軸角位置。感興趣的燃燒質(zhì)量比例包括CA50點，優(yōu)選相對于 TDC的曲軸角，此時，燃燒充氣的累計放熱達到總放熱的50%。已知控制系統(tǒng)使用反饋控制算法來控制燃燒定相，以補償環(huán)境和大氣參數(shù)對燃燒定時和空氣/燃料比的多種影響。

發(fā)明內(nèi)容
一種操作內(nèi)燃機的方法，包括確定持續(xù)發(fā)動機操作期間的實際燃燒放熱；計算與和持續(xù)發(fā)動機操作期間的實際燃燒放熱有關(guān)的發(fā)動機操作相對應(yīng)的預(yù)期燃燒放熱；確定實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差；以及響應(yīng)于實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機，以在每個燃燒循環(huán)期間實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。方案1. 一種操作內(nèi)燃機的方法，所述方法包括 確定持續(xù)發(fā)動機操作期間的實際燃燒放熱；
計算與和持續(xù)發(fā)動機操作期間的實際燃燒放熱有關(guān)的發(fā)動機操作相對應(yīng)的預(yù)期燃燒放熱；
確定實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差；以及
響應(yīng)于實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機以在每個燃燒循環(huán)期間實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。方案2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，確定實際燃燒放熱包括確定與每個燃燒循環(huán)期間測量的缸內(nèi)燃燒壓力相關(guān)的每個氣缸的燃燒放熱。方案3.根據(jù)方案2所述的方法，其中，確定每個氣缸的燃燒放熱包括確定與每個燃燒循環(huán)期間的缸內(nèi)燃燒壓力相對應(yīng)的平均能量釋放速率。方案4.根據(jù)方案1所述的方法，其中，計算預(yù)期燃燒放熱包括針對與持續(xù)發(fā)動機操作相對應(yīng)的發(fā)動機操作點計算與燃料/空氣當(dāng)量比、容積效率和進氣閥關(guān)閉時的氣體溫度相對應(yīng)的平均能量釋放速率。方案5.根據(jù)方案4所述的方法，其中，計算平均能量釋放速率包括執(zhí)行燃燒過程模型以針對與持續(xù)發(fā)動機操作相對應(yīng)的發(fā)動機操作點計算平均能量釋放速率。方案6.根據(jù)方案1所述的方法，其中，以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機包括
確定與實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差相對應(yīng)的燃燒放熱偏差； 確定與燃燒放熱偏差相關(guān)的發(fā)動機冷卻劑溫度偏差；以及
響應(yīng)于發(fā)動機冷卻劑溫度偏差以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機，以在每個燃燒循環(huán)期間實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。方案7.根據(jù)方案1所述的方法，還包括
確定與實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差相對應(yīng)的燃燒室沉積物數(shù)量；以及其中，響應(yīng)于實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機以在每個燃燒循環(huán)期間實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相包括響應(yīng)于與實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差相對應(yīng)的燃燒室沉積物數(shù)量以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機以在每個燃燒循環(huán)期間實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。方案8. —種操作內(nèi)燃機的方法，所述方法包括 確定與發(fā)動機操作點處的實際燃燒放熱相對應(yīng)的第一參數(shù)；
確定與預(yù)期燃燒放熱相對應(yīng)的第二參數(shù)，所述預(yù)期燃燒放熱與發(fā)動機操作點處的發(fā)動機操作參數(shù)相關(guān)；
確定與第一和第二參數(shù)之間的差相對應(yīng)的燃燒室沉積物數(shù)量；以及響應(yīng)于燃燒室沉積物數(shù)量以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機以在發(fā)動機操作點實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。方案9.根據(jù)方案8所述的方法，其中，確定第一參數(shù)包括確定與發(fā)動機操作點測量的缸內(nèi)燃燒壓力相關(guān)的每個氣缸的燃燒放熱。方案10.根據(jù)方案9所述的方法，其中，確定每個氣缸的燃燒放熱包括確定與每個燃燒循環(huán)期間的缸內(nèi)燃燒壓力相對應(yīng)的平均能量釋放速率。方案11.根據(jù)方案8所述的方法，其中，確定第二參數(shù)包括針對發(fā)動機操作點計算與燃料/空氣當(dāng)量比、容積效率和進氣閥關(guān)閉時的氣體溫度相對應(yīng)的平均能量釋放速率。方案12.根據(jù)方案11所述的方法，其中，計算平均能量釋放速率包括執(zhí)行燃燒過程模型以針對發(fā)動機操作點計算平均能量釋放速率。方案13.根據(jù)方案8所述的方法，其中，以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機包括
確定與實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差相對應(yīng)的燃燒放熱偏差； 確定與燃燒放熱偏差相關(guān)的發(fā)動機冷卻劑溫度偏差；以及
響應(yīng)于發(fā)動機冷卻劑溫度偏差以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機，以在發(fā)動機操作點實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。方案14. 一種操作內(nèi)燃機的方法，所述方法包括 確定發(fā)動機操作點處的發(fā)動機操作的實際燃燒放熱；
確定預(yù)期燃燒放熱，所述預(yù)期燃燒放熱與發(fā)動機操作點的發(fā)動機操作參數(shù)相關(guān)； 確定對與實際和預(yù)期燃燒放熱之間的差相對應(yīng)的綜合熱狀態(tài)參數(shù)的調(diào)節(jié)；以及響應(yīng)于調(diào)節(jié)后的綜合熱狀態(tài)參數(shù)以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機。


現(xiàn)在將參考附圖通過例子描述一個或更多的實施例，在附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的配置成以受控自動點火(HCCI)燃燒模式操作的火花點火內(nèi)燃機和附屬控制模塊的示意圖2以圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的針對以HCCI燃燒模式操作的示例性內(nèi)燃機的各個持續(xù)時間的發(fā)動機操作而言相對于TDC周圍的活塞位置繪制的燃燒放熱率；
圖3以圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的針對以HCCI燃燒模式操作的示例性內(nèi)燃機的冷卻劑溫度范圍而言相對于TDC周圍的活塞位置繪制的燃燒放熱率；
圖4以圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的針對以HCCI燃燒模式操作的示例性內(nèi)燃機的發(fā)動機操作狀態(tài)而言相對于燃燒定相(即，CA50燃燒質(zhì)量比例點)繪制的峰值氣缸壓力與指示平均有效壓力(IMEP)的比率；
圖5以圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的針對以HCCI燃燒模式操作的示例性內(nèi)燃機的冷卻劑溫度狀態(tài)而言相對于燃燒定相(即，CA50燃燒質(zhì)量比例點)繪制的峰值氣缸壓力與指示平均有效壓力(IMEP)的比率；
圖6以圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的測量平均能量釋放速率相對于燃燒室沉積物的厚度； 圖7以圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的以HCCI燃燒模式操作的示例性發(fā)動機系統(tǒng)的測量平均能量釋放速率相對于冷卻劑溫度；
圖8以圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的測量平均能量釋放速率與計算或預(yù)期平均能量釋放速率之間的對應(yīng)性；
圖9以圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的以HCCI燃燒模式操作的示例性發(fā)動機的熱狀態(tài)參數(shù) (例如，冷卻劑溫度)和測量平均能量釋放速率之間的關(guān)系；和
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的用于操作配置成以HCCI燃燒模式操作的內(nèi)燃機的控制方案。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖，其中附圖的目的只是為了說明某些示例性實施例并不是為了限制于此，圖1是具有根據(jù)本發(fā)明實施例構(gòu)造的附屬控制模塊5的內(nèi)燃機10的示意圖。發(fā)動機 10配置成以多種燃燒模式操作，包括均質(zhì)充氣壓縮點火(HCCI)燃燒模式和火花點火(Si) 燃燒模式。發(fā)動機10以化學(xué)計量比空氣/燃料比和以根本上稀于化學(xué)計量比的空氣/燃料比操作。本發(fā)明可以適用于各種內(nèi)燃機系統(tǒng)和燃燒循環(huán)。示例性發(fā)動機10包括具有可在氣缸15內(nèi)滑動運動的往復(fù)活塞14的多缸直接噴射四沖程內(nèi)燃機，氣缸15限定可變?nèi)莘e燃燒室16。每個活塞14連接到旋轉(zhuǎn)曲軸12，借此將線性往復(fù)運動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運動?？諝膺M氣系統(tǒng)提供進氣空氣給進氣歧管29，進氣歧管29 引導(dǎo)并分配空氣進入至燃燒室16的進氣流道?？諝膺M氣系統(tǒng)包括用以監(jiān)測和控制空氣流的空氣流管道系統(tǒng)和裝置?？諝膺M氣裝置優(yōu)選地包括用以監(jiān)測空氣質(zhì)量流量(MAF)33和進氣空氣溫度(IAT) 35的空氣質(zhì)量流量傳感器32。節(jié)氣門閥34優(yōu)選地包括電控裝置，用于響應(yīng)來自控制模塊5的控制信號120而控制至發(fā)動機10的空氣流。進氣歧管29中的壓力傳感器36配置成監(jiān)測歧管絕對壓力(MAP) 37和大氣壓力。外部流動通道使來自于發(fā)動機排氣的排氣再循環(huán)至進氣歧管29，外部流動通道具有稱為排氣再循環(huán)(EGR)閥38的流量控制閥?？刂颇K5通過經(jīng)由控制信號44控制EGR閥38的開度來控制至進氣歧管29的排氣質(zhì)量流量。通過一個或多個進氣閥20控制從進氣歧管29進入燃燒室16的空氣流。通過一個或多個排氣閥18控制離開燃燒室16至排氣歧管39的排氣流。發(fā)動機10配備有控制和調(diào)節(jié)進氣閥20和排氣閥18的開啟和關(guān)閉的系統(tǒng)。在一個實施例中，進氣閥20和排氣閥18 的開啟和關(guān)閉可以分別通過控制進氣和排氣可變凸輪定相/可變升程控制(VCP/ VLC)裝置22和24進行控制和調(diào)節(jié)。進氣和排氣VCP/VLC裝置22和24配置成分別控制和操作進氣凸輪軸21和排氣凸輪軸23。進氣凸輪軸21和排氣凸輪軸23的旋轉(zhuǎn)與曲軸12的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)且由曲軸12的旋轉(zhuǎn)標(biāo)引，因此將進氣閥20和排氣閥18的開啟和關(guān)閉與曲軸12和活塞14的位置相關(guān)聯(lián)。進氣VCP/VLC裝置22優(yōu)選地包括可操作響應(yīng)于控制信號125切換和控制進氣閥 20的閥升程(VLC)并且響應(yīng)于控制信號126針對每個氣缸15可變地調(diào)節(jié)和控制進氣凸輪軸21的定相(VCP)的機構(gòu)。排氣VCP/VLC裝置24優(yōu)選地包括可操作響應(yīng)于控制信號123 可變地切換和控制排氣閥18的閥升程(VLC)并且響應(yīng)于控制信號124針對每個氣缸15可變地調(diào)節(jié)和控制排氣凸輪軸23的定相(VCP)的可控機構(gòu)。進氣和排氣VCP/VLC裝置22和24每個優(yōu)選地包括可操作將進氣和排氣閥20和 18的閥升程的幅度或開度分別控制為兩個離散梯級中的一個的可控兩級VLC機構(gòu)。兩個離散梯級優(yōu)選地包括優(yōu)選用于低速度、低負載操作的低升程閥開啟位置(在一個實施例中大約4-6 mm),以及優(yōu)選用于高速度和高負載操作的高升程閥開啟位置(在一個實施例中大約 8-13 mm)。進氣和排氣VCP/VLC裝置22和24均優(yōu)選地包括可變凸輪定相(VCP)機構(gòu)，用來分別控制和調(diào)節(jié)進氣閥20和排氣閥18開啟和關(guān)閉的定相(即，相對定時)。調(diào)節(jié)定相是指相對于曲軸12和活塞14在相應(yīng)氣缸15中的位置來切換進氣和排氣閥20和18的開啟時間。進氣和排氣VCP/VLC裝置22和24的VCP機構(gòu)均優(yōu)選地具有大約60° -90°曲軸旋轉(zhuǎn)的定相權(quán)限范圍，因此允許控制模塊5相對于每個氣缸15的活塞14的位置提前或延遲進氣和排氣閥20和18中的一個的開啟和關(guān)閉。定相權(quán)限范圍是由進氣和排氣VCP/VLC裝置22和24定義和限制的。進氣和排氣VCP/VLC裝置22和24包括確定進氣和排氣凸輪軸 21和23旋轉(zhuǎn)位置的凸輪軸位置傳感器。VCP/VLC裝置22和24響應(yīng)于相應(yīng)控制信號123、 124,125和126使用電動液壓、液壓和電控力中的一種來致動。發(fā)動機10采用直接噴射燃料噴射系統(tǒng)，所述燃料噴射系統(tǒng)包括多個高壓燃料噴射器28，高壓燃料噴射器28均配置成響應(yīng)來自控制模塊5的控制信號(INJ_PW) 112將一定質(zhì)量的燃料直接噴射到燃燒室16中的一個內(nèi)。應(yīng)當(dāng)理解的是，控制信號INJ_PW 112包括脈寬持續(xù)時間、經(jīng)過時間、和相對于TDC的噴射定時。燃料噴射器28從燃料分配系統(tǒng)供應(yīng)加壓燃料。發(fā)動機10包括火花點火系統(tǒng)，火花能量可以通過火花點火系統(tǒng)提供給火花塞26， 用于響應(yīng)于來自控制模塊5的控制信號(IGN)IlS點火或輔助點火每個燃燒室16中的氣缸充氣。發(fā)動機10配備有用以監(jiān)測發(fā)動機操作的各種傳感裝置，包括具有輸出RPM 43的曲軸傳感器42，輸出RPM 43表示曲軸旋轉(zhuǎn)位置，即曲軸角和速度。溫度傳感器44配置成監(jiān)測冷卻劑溫度45。缸內(nèi)燃燒傳感器30配置成監(jiān)測燃燒31。缸內(nèi)燃燒傳感器30配置成監(jiān)測燃燒，且在一個實施例中包括可操作監(jiān)測缸內(nèi)燃燒壓力31的氣缸壓力傳感器。排氣傳感器40配置成監(jiān)測排氣參數(shù)41，例如，空氣/燃料比(AFR)。燃燒壓力31和RPM 43由控制模塊5監(jiān)測以確定燃燒定相，即對于每個燃燒循環(huán)而言相對于每個氣缸15的曲軸12的曲軸角度的燃燒壓力定時。 應(yīng)當(dāng)理解的是，燃燒定相可以由其它方法確定。燃燒壓力31可以由控制模塊5監(jiān)測以確定對于每個燃燒循環(huán)而言每個氣缸15的指示平均有效壓力(IMEP)。 優(yōu)選地，發(fā)動機10和控制模塊5配置成在每個氣缸點火事件期間監(jiān)測和確定每個發(fā)動機氣缸15的IMEP的狀態(tài)?？刂颇K、模塊、控制裝置、控制器、控制單元、處理器或類似術(shù)語指的是專用集成電路(ASIC)、電子電路、執(zhí)行一個或更多軟件或固件程序的中央處理單元(優(yōu)選為處理器)和相關(guān)存儲器和存儲裝置(只讀、可編程只讀、隨機存取、硬盤驅(qū)動器等)、組合邏輯電路、輸入/輸出電路和裝置、適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)和緩沖電路、以及提供所述功能的其他合適部件中的一個或多個的任何合適一種或各種組合?？刂颇K具有一組控制算法，包括儲存在存儲器中并被執(zhí)行用來提供需要功能的常駐軟件程序指令和標(biāo)定值。算法優(yōu)選地在預(yù)設(shè)循環(huán)周期期間執(zhí)行。算法例如通過中央處理單元執(zhí)行，并可以操作用來監(jiān)測來自傳感裝置和其它聯(lián)網(wǎng)控制模塊的輸入且執(zhí)行控制和診斷例程來控制致動器的操作。循環(huán)周期能以規(guī)則的時間間隔執(zhí)行，例如在持續(xù)發(fā)動機和車輛操作期間每3. 125,6. 25,12. 5、25和100毫秒。替代地，算法可以響應(yīng)事件的發(fā)生而執(zhí)行。操作中，控制模塊5監(jiān)測來自于前述傳感器的輸入以確定發(fā)動機參數(shù)的狀態(tài)?？刂颇K5配置成從操作者接收輸入信號(例如，經(jīng)由加速踏板和制動踏板)以確定操作者扭矩請求，根據(jù)操作者扭矩請求獲取發(fā)動機扭矩指令。操作中，控制模塊5監(jiān)測來自于前述傳感器的輸入以確定發(fā)動機參數(shù)的狀態(tài)。控制模塊5配置成從操作者接收輸入信號(例如，經(jīng)由加速踏板和制動踏板)以確定操作者扭矩請求，根據(jù)操作者扭矩請求獲取發(fā)動機扭矩指令。確定有效溫度Teff包括根據(jù)其對燃燒定相的影響(例如，在每個氣缸事件期間燃燒放熱的數(shù)量和定時)來確定和匯總發(fā)動機環(huán)境因素。示例性發(fā)動機環(huán)境因素可包括冷卻劑溫度、發(fā)動機負載歷史、環(huán)境空氣濕度、海拔、燃料質(zhì)量和燃燒室沉積物。發(fā)動機環(huán)境因素的影響可與氣缸壓力和燃燒定相相關(guān)，其可以根據(jù)發(fā)動機曲軸角、氣缸壓力、與發(fā)動機操作相關(guān)或者以其它方式從發(fā)動機操作確定的燃燒定時和估計值的測量值確定。有效溫度Teff優(yōu)選用于使用單組標(biāo)定表在前饋方法中調(diào)節(jié)發(fā)動機致動器的控制狀態(tài)，其中，每個標(biāo)定表優(yōu)選設(shè)置為與發(fā)動機速度和負載相對應(yīng)的二維陣列。這避免了使用復(fù)雜標(biāo)定表和需要多項反饋燃燒控制。每個參數(shù)對有效溫度Teff的貢獻被確定且標(biāo)定基于有效溫度Teff，而不是所述參數(shù)中的單獨一個，例如冷卻劑溫度。單個綜合熱狀態(tài)參數(shù)(S卩，有效溫度Teff)是影響缸內(nèi)溫度的發(fā)動機環(huán)境因素的匯總。有效溫度Teff的單個狀態(tài)可以使用可在持續(xù)發(fā)動機操作期間執(zhí)行的方程匯總。示例性方程如下。Teff-Tc ~l· Tl0Ad + Tint ~l· Thum ~l· Talt ~l· Tfuel ~l· Tdep [1] 匯總以確定有效溫度Teff的發(fā)動機環(huán)境因素包括以下。Tc冷卻劑溫度，
Tload與發(fā)動機負載和發(fā)動機負載歷史相對應(yīng)的溫度偏差項，
Tint與進氣空氣溫度相對應(yīng)的溫度偏差項，
Thih與環(huán)境濕度相對應(yīng)的溫度偏差項，
Talt與海拔相對應(yīng)的溫度偏差項，
Tfuel與燃料質(zhì)量相對應(yīng)的溫度偏差項，以及
Tdep與燃燒室沉積物相對應(yīng)的溫度偏差項。應(yīng)當(dāng)理解的是，有效溫度Teff的值可以相反通過將溫度偏差項相乘來確定。包括冷卻劑溫度、發(fā)動機負載、環(huán)境空氣濕度、海拔、燃料質(zhì)量和燃燒室沉積物的各種發(fā)動機環(huán)境因素的貢獻可以在標(biāo)定產(chǎn)生實踐期間確定。在發(fā)動機操作期間響應(yīng)于發(fā)動機扭矩指令的燃燒放熱受到單個綜合熱狀態(tài)參數(shù)(即，有效溫度Teff)的影響。在持續(xù)發(fā)動機操作期間，有效溫度Teff通過測量或以其它方式確定每個發(fā)動機環(huán)境因素的當(dāng)前操作狀態(tài)且將它們組合(例如，如上文參考方程1所示)來重復(fù)地確定?？梢源_定響應(yīng)于發(fā)動機扭矩指令的優(yōu)選燃燒定相。發(fā)動機控制方案(例如，參考圖10所述)被執(zhí)行以確定發(fā)動機控制參數(shù)的狀態(tài)。發(fā)動機控制參數(shù)在以HCCI燃燒模式操作期間控制內(nèi)燃機10的實施例的操作，以在發(fā)動機操作點實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相，同時考慮由單個綜合熱狀態(tài)參數(shù)表示的發(fā)動機環(huán)境因素。圖2以圖形示出了針對以HCCI燃燒模式操作的示例性內(nèi)燃機的1小時操作731、 10小時操作733、20小時操作735、30小時操作737、和40小時操作739的發(fā)動機操作持續(xù)時間而言相對于TDC周圍的活塞位置310 (CA deg aTDC)繪制的燃燒放熱率320 (J/CA)。 結(jié)果表明，隨著操作小時數(shù)增加，燃燒放熱率變化，包括燃燒定相提前(朝TDC移動)和峰值燃燒放熱率增加。燃燒放熱率隨著操作時間的變化與燃燒室沉積物相關(guān)的變化相對應(yīng)，從而影響氣缸充氣溫度。結(jié)果表明，在以HCCI燃燒模式操作期間，發(fā)動機控制方案需要考慮燃燒室沉積物的影響以優(yōu)化發(fā)動機性能。圖3以圖形示出了針對以HCCI燃燒模式操作的示例性內(nèi)燃機的冷卻劑溫度范圍 (包括80°C 341、85°C 343,90°C 345、和95°C 347)而言相對于TDC周圍的活塞位置310 (CA deg aTDC)繪制的燃燒放熱率320 (J/CA)，指示了隨著冷卻劑溫度增加，燃燒定相提前 (即，朝TDC移動)和峰值放熱增加。圖2和3所示的結(jié)果表明，燃燒室沉積物以與冷卻劑溫度相同的方式但是不必以相同大小影響燃燒放熱率。圖4以圖形示出了針對以HCCI燃燒模式操作的示例性內(nèi)燃機的1小時操作835、 20小時操作831、和40小時操作839的發(fā)動機操作狀態(tài)而言相對于燃燒定相(即，CA50燃燒質(zhì)量比例510 (CA deg aTDC))繪制的峰值氣缸壓力相對于指示平均有效壓力的比率520 (壓力/壓力)。結(jié)果表明隨著操作小時數(shù)增加，燃燒定相提前(即，朝TDC移動)和峰值氣缸壓力相對于指示平均有效壓力的比率增加。如前文參考圖2所述，結(jié)果可能與燃燒室沉積物相關(guān)。圖5以圖形示出了針對以HCCI燃燒模式操作的示例性內(nèi)燃機的冷卻劑溫度狀態(tài) (包括80°C 541、85°C 543,90°C 545、和95°C 547)而言相對于燃燒定相(S卩，CA50燃燒質(zhì)量比例510 (CA deg aTDC))繪制的峰值氣缸壓力與IMEP的比率520，指示了隨著冷卻劑溫度增加，燃燒定相提前(即，朝TDC移動)和峰值氣缸壓力相對于IMEP的比率增加。圖4和5的結(jié)果表明，與40小時發(fā)動機操作有關(guān)的燃燒室沉積物對燃燒放熱率的影響與16°C冷卻劑溫度變化相等。發(fā)動機操作的小時數(shù)可以直接測量，以提供與燃燒室沉積物有關(guān)的溫度偏差項的大小(即，Tdep的狀態(tài))。燃燒室沉積物的數(shù)量可以通過將實際燃燒放熱參數(shù)與預(yù)期燃燒放熱參數(shù)進行比較來確定，其中，實際和預(yù)期燃燒放熱參數(shù)描述燃燒放熱且與燃燒放熱的數(shù)量和定時相關(guān)。 在一個實施例中，預(yù)期燃燒放熱參數(shù)可以計算為平均能量釋放速率(預(yù)期AERR)，其定義為在氣缸的燃燒循環(huán)期間燃料質(zhì)量的平均燃燒速率。燃燒過程模型可以用于使用發(fā)動機操作參數(shù)(包括燃料/空氣當(dāng)量比、容積效率和進氣閥關(guān)閉時的氣體溫度，其全部都可以在持續(xù)發(fā)動機操作期間確定)來確定發(fā)動機速度/負載操作點的預(yù)期AERR。燃燒過程模型是已知的。確定預(yù)期AERR的一個示例性燃燒過程模型在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No. 7，409，285中描述。
示例性發(fā)動機10的實際燃燒放熱參數(shù)可以使用測量氣缸燃燒壓力31來確定。一個示例性燃燒放熱參數(shù)是與監(jiān)測氣缸壓力相關(guān)的測量平均能量釋放速率(測量AERR)，且是在氣缸的每個燃燒循環(huán)期間燃燒放熱的數(shù)量和定時的度量，由測量氣缸壓力表示。圖6以圖形示出了數(shù)據(jù)612，表示以HCCI燃燒模式操作的示例性發(fā)動機系統(tǒng)的相對于燃燒室沉積物的厚度610繪制的根據(jù)測量AERR 620的燃燒放熱。數(shù)據(jù)612表明，測量 AERR隨著燃燒室沉積物的厚度的增加而增加。數(shù)據(jù)612包括數(shù)據(jù)點614，具有燃燒室沉積物的選定厚度615和相應(yīng)測量AERR 625。結(jié)果表明，在測量AERR大于燃燒室沉積物的已知數(shù)量的預(yù)期值時，燃燒室沉積物的數(shù)量大于預(yù)期。在測量AERR小于燃燒室沉積物的已知數(shù)量的預(yù)期值時，燃燒室沉積物的數(shù)量小于預(yù)期。圖7以圖形示出了數(shù)據(jù)622，表示以HCCI燃燒模式操作的示例性發(fā)動機系統(tǒng)的相對于冷卻劑溫度630繪制的測量AERR 620。參考圖6和7所示的數(shù)據(jù)表明，燃燒室沉積物的數(shù)量以與冷卻劑溫度相同的方式但是不必以相同大小影響測量AERR。圖8以圖形示出了測量AERR 620 (χ軸)和預(yù)期AERR 640 (y軸)，且描繪了多個數(shù)據(jù)點，表示多個發(fā)動機操作點的測量AERR和相應(yīng)預(yù)期AERR，包括相關(guān)線624。預(yù)期AERR 640如本文所述使用燃燒過程模型確定。測量AERR使用用燃燒室沉積物的已知狀態(tài)獲取的試驗數(shù)據(jù)確定，且與多個發(fā)動機操作點的相應(yīng)預(yù)期AERR進行比較。因而，對于燃燒室沉積物的已知狀態(tài)，預(yù)期AERR和測量AERR之間的偏差可以用于表征燃燒室沉積物相對于已知狀態(tài)的狀態(tài)。在測量AERR大于預(yù)期AERR且已經(jīng)考慮其它環(huán)境參數(shù)時，燃燒室沉積物的實際數(shù)量大于產(chǎn)生模型的燃燒室沉積物的數(shù)量，反之亦然。測量AERR的偏差和燃燒室沉積物的數(shù)量之間的函數(shù)關(guān)系可以使用試驗在具有燃燒室沉積物的各種已知狀態(tài)的示例性發(fā)動機上確定。表示實際燃燒放熱參數(shù)的測量AERR可以使用測量氣缸燃燒壓力31確定。測量AERR與預(yù)期AERR進行比較以確定AERR偏差，其與燃燒室沉積物的數(shù)量相關(guān)。以HCCI燃燒模式操作示例性發(fā)動機10的實施例可以適合于使用AERR偏差和熱狀態(tài)參數(shù)(例如，冷卻劑溫度)之間的函數(shù)關(guān)系對燃燒室沉積物的變化狀態(tài)作出響應(yīng)。圖9以圖形示出了以HCCI燃燒模式操作的示例性發(fā)動機的熱狀態(tài)參數(shù)630 (例如，冷卻劑溫度)和測量AERR 620之間的關(guān)系。所述關(guān)系可以用于確定冷卻劑溫度645的偏差，其與AERR偏差625相關(guān)。圖6和9所示的結(jié)果表明，燃燒室沉積物可以使用與燃燒性能和燃燒定相有關(guān)的監(jiān)測參數(shù)與熱狀態(tài)參數(shù)630 (例如，冷卻劑溫度)相關(guān)。以相同的方式，AERR偏差可以直接與冷卻劑溫度的偏差相關(guān)，而不用確定沉積物覆蓋數(shù)量作為中間步驟。因而，燃燒室沉積物的變化能夠以與冷卻劑溫度變化相同的方式影響發(fā)動機操作?？梢圆捎冒l(fā)動機控制方案以使用參考方程1所述的有效溫度Teff用于發(fā)動機標(biāo)定和控制，包括表征燃燒室沉積物且作為響應(yīng)調(diào)節(jié)發(fā)動機操作，如本文所述。圖10示意性地示出了用于以HCCI燃燒模式控制和操作內(nèi)燃機10的示例性實施例的發(fā)動機控制方案200，包括補償影響燃燒放熱的燃燒室沉積物的變化，其可以由測量 AERR和相應(yīng)預(yù)期AERR表示。補償影響燃燒放熱的燃燒室沉積物的變化包括響應(yīng)于燃燒室沉積物的變化調(diào)節(jié)有效溫度Teff以及響應(yīng)于有效溫度Teff控制各種發(fā)動機致動器。發(fā)動機控制方案200在持續(xù)發(fā)動機操作期間重復(fù)地執(zhí)行以便以HCCI燃燒模式控制發(fā)動機操作。發(fā)動機控制方案200優(yōu)選包括算法代碼和標(biāo)定表，其存儲在發(fā)動機控制模塊5的其中一個存儲器裝置內(nèi)，用于在其中執(zhí)行。發(fā)動機控制方案200監(jiān)測多個操作者輸入(包括，例如，操作者扭矩請求)、環(huán)境狀況(包括例如進氣空氣溫度35、濕度、海拔)、發(fā)動機參數(shù) (包括例如RPM 43、MAP 37、MAF 33、IAT 35和INJ_PW 112)、以及燃燒參數(shù)(包括例如燃燒壓力31和AFR 41)。發(fā)動機控制方案200執(zhí)行算法以在以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作期間響應(yīng)于發(fā)動機扭矩指令確定各種致動器的優(yōu)選控制狀態(tài)，且實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。監(jiān)測燃燒參數(shù)(包括燃燒壓力31和AFR 41)用于計算燃燒定相和燃燒放熱。燃燒定相優(yōu)選為 CA50燃燒質(zhì)量比例點。監(jiān)測前述操作者輸入、環(huán)境狀況、發(fā)動機參數(shù)和燃燒參數(shù)。氣缸壓力31用于在實時確定燃燒放熱參數(shù)(例如，測量AERR 211) (210)。預(yù)測燃燒放熱參數(shù)(例如，預(yù)期AERR 213)被確定，且與用于確定發(fā)動機操作參數(shù) 212 (包括燃料/空氣當(dāng)量比、容積效率和進氣閥關(guān)閉時的氣體溫度，如前文所述)的發(fā)動機負載、進氣空氣溫度、EGR質(zhì)量流率、燃料質(zhì)量和其它參數(shù)的當(dāng)前發(fā)動機參數(shù)相對應(yīng)?？梢源_定預(yù)期AERR 213和測量AERR 211之間的差，其為前述AERR偏差215。AERR 偏差和冷卻劑溫度的偏差之間的標(biāo)定關(guān)系214 (例如，參考圖9所述)用于確定與和AERR偏差215相關(guān)的燃燒室沉積物相對應(yīng)的溫度偏差項Tdep 217。溫度偏差項Tdep 217與其它溫度偏差項結(jié)合以確定有效溫度Teff 219，其全部參考方程1描述(220)。有效溫度Teff 219 優(yōu)選考慮影響HCCI發(fā)動機操作的發(fā)動機環(huán)境因素，包括前述燃燒定時和燃燒放熱。發(fā)動機標(biāo)定方案230確定與發(fā)動機速度43和發(fā)動機扭矩指令(例如，可以由燃料 INJ_Pff 112的指令噴射質(zhì)量表示)相對應(yīng)的發(fā)動機操作點。發(fā)動機標(biāo)定方案230確定優(yōu)選燃燒定相221，其考慮由有效溫度Teff 219表示的發(fā)動機環(huán)境因素。燃燒控制器240通過響應(yīng)于由INJ_PW 112表示的發(fā)動機扭矩指令確定各種發(fā)動機致動器的優(yōu)選指令而控制發(fā)動機10的操作，其在發(fā)動機操作點實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相221。燃燒控制器240包括一個或多個控制方案，其響應(yīng)于來自于標(biāo)定方案230的輸入以及來自于以HCCI燃燒模式操作發(fā)動機10的反饋產(chǎn)生各種發(fā)動機致動器的優(yōu)選指令。發(fā)動機反饋包括與燃燒性能有關(guān)的監(jiān)測發(fā)動機參數(shù)(包括燃燒壓力31和發(fā)動機空氣/燃料比41)。各種發(fā)動機致動器的優(yōu)選指令包括EGR 44、ETC 120、INJ_PW 112、進氣VCP/VLC 125/126以及排氣VCP/VLC 123/124。優(yōu)選發(fā)動機操作參數(shù)包括例如RPM 43、MAP 37、MAF 33和INJ_PW 112以及有效溫度TEFF。發(fā)動機操作點基于發(fā)動機操作狀態(tài)(包括速度和負載) 和有效溫度Teff確定。每個發(fā)動機致動器的具體前饋控制狀態(tài)可基于發(fā)動機操作狀態(tài)和發(fā)動機功率歷史來確定。每個發(fā)動機致動器的控制狀態(tài)包括致動器合適指令信號，以控制致動器的操作以便實現(xiàn)由發(fā)動機操作點以及與燃燒性能有關(guān)的監(jiān)測發(fā)動機參數(shù)(包括燃燒壓力31和AFR 41)規(guī)定的目標(biāo)發(fā)動機操作。發(fā)動機致動器的前饋控制狀態(tài)可服從速率限制器。反饋控制方案可用于監(jiān)測前述發(fā)動機操作狀態(tài)以及監(jiān)測發(fā)動機參數(shù)，以使用已知反饋控制策略確定對 EGR 44、ETC 120、INJ_PW 112、進氣 VCP/VLC 125/126 以及排氣 VCP/VLC 123/124的致動器指令的調(diào)節(jié)。發(fā)動機10使用利用反饋控制方案調(diào)節(jié)的發(fā)動機致動器的前饋控制狀態(tài)來控制，以實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相，同時考慮單個綜合熱狀態(tài)參數(shù)的發(fā)動機環(huán)境因
ο本發(fā)明已經(jīng)描述了某些優(yōu)選實施例及其變型。在閱讀和理解該說明書之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其它的變型和改變。因此，本發(fā)明并不意在限于作為設(shè)想用于實現(xiàn)該發(fā)明的最佳模式公開的具體實施例，而本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施例。
權(quán)利要求
1.一種操作內(nèi)燃機的方法，所述方法包括確定持續(xù)發(fā)動機操作期間的實際燃燒放熱；計算與和持續(xù)發(fā)動機操作期間的實際燃燒放熱有關(guān)的發(fā)動機操作相對應(yīng)的預(yù)期燃燒放熱；確定實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差；以及響應(yīng)于實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機以在每個燃燒循環(huán)期間實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定實際燃燒放熱包括確定與每個燃燒循環(huán)期間測量的缸內(nèi)燃燒壓力相關(guān)的每個氣缸的燃燒放熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，確定每個氣缸的燃燒放熱包括確定與每個燃燒循環(huán)期間的缸內(nèi)燃燒壓力相對應(yīng)的平均能量釋放速率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，計算預(yù)期燃燒放熱包括針對與持續(xù)發(fā)動機操作相對應(yīng)的發(fā)動機操作點計算與燃料/空氣當(dāng)量比、容積效率和進氣閥關(guān)閉時的氣體溫度相對應(yīng)的平均能量釋放速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，計算平均能量釋放速率包括執(zhí)行燃燒過程模型以針對與持續(xù)發(fā)動機操作相對應(yīng)的發(fā)動機操作點計算平均能量釋放速率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機包括確定與實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差相對應(yīng)的燃燒放熱偏差；確定與燃燒放熱偏差相關(guān)的發(fā)動機冷卻劑溫度偏差；以及響應(yīng)于發(fā)動機冷卻劑溫度偏差以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機，以在每個燃燒循環(huán)期間實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定與實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差相對應(yīng)的燃燒室沉積物數(shù)量；以及其中，響應(yīng)于實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機以在每個燃燒循環(huán)期間實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相包括響應(yīng)于與實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差相對應(yīng)的燃燒室沉積物數(shù)量以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機以在每個燃燒循環(huán)期間實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。
8.一種操作內(nèi)燃機的方法，所述方法包括確定與發(fā)動機操作點處的實際燃燒放熱相對應(yīng)的第一參數(shù)；確定與預(yù)期燃燒放熱相對應(yīng)的第二參數(shù)，所述預(yù)期燃燒放熱與發(fā)動機操作點處的發(fā)動機操作參數(shù)相關(guān)；確定與第一和第二參數(shù)之間的差相對應(yīng)的燃燒室沉積物數(shù)量；以及響應(yīng)于燃燒室沉積物數(shù)量以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機以在發(fā)動機操作點實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，確定第一參數(shù)包括確定與發(fā)動機操作點測量的缸內(nèi)燃燒壓力相關(guān)的每個氣缸的燃燒放熱。
10.一種操作內(nèi)燃機的方法，所述方法包括確定發(fā)動機操作點處的發(fā)動機操作的實際燃燒放熱；確定預(yù)期燃燒放熱，所述預(yù)期燃燒放熱與發(fā)動機操作點的發(fā)動機操作參數(shù)相關(guān)；確定對與實際和預(yù)期燃燒放熱之間的差相對應(yīng)的綜合熱狀態(tài)參數(shù)的調(diào)節(jié)；以及響應(yīng)于調(diào)節(jié)后的綜合熱狀態(tài)參數(shù)以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機。
全文摘要
一種操作內(nèi)燃機的方法，包括確定持續(xù)發(fā)動機操作期間的實際燃燒放熱；計算與和持續(xù)發(fā)動機操作期間的實際燃燒放熱有關(guān)的發(fā)動機操作相對應(yīng)的預(yù)期燃燒放熱；確定實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差；以及響應(yīng)于實際燃燒放熱和預(yù)期燃燒放熱之間的差以均質(zhì)充氣壓縮點火燃燒模式操作內(nèi)燃機，以在每個燃燒循環(huán)期間實現(xiàn)優(yōu)選燃燒定相。
文檔編號F02B17/00GK102287259SQ20111013506
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者允 H., 康 J-M., 維爾穆特 N., A. 古拉爾普 O., M. 納特 P. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司