專利名稱：用于控制均質充量壓燃發動機中的燃料噴射的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及內燃機的操作和控制，尤其涉及均質充量壓
燃("Hccr )發動機。
背景技術：
這一部分的內容僅僅是提供與本公開相關的背景技術，
并不構成現有技術。 已知的火花點燃式發動機將燃料/空氣混合物引入每個 汽缸中，所述燃料/空氣混合物在壓縮沖程中被壓縮，并通過火花塞點 燃。已知的壓燃式發動機在壓縮沖程的上止點("DTC")附近將加壓 燃料噴入燃燒汽缸，該燃料在噴射時點燃。汽油機和柴油機的燃燒都 涉及受流體力學控制的預混合或擴散火焰。構造為火花點燃的發動機可適于在預定速度/負載操作
條件下以均質充量壓燃("Hccr )模式操作，也稱為受控自燃燃燒。 所述受控自燃燃燒包括由氧化化學控制的分布式無焰自燃燃燒過程。
操作于HCCI模式的發動機在進氣門關閉時刻具有成分、溫度和殘留排 氣優選為均勻的進氣。受控自燃燃燒為發動機以淡燃料/空氣混合物 (即，稀薄燃料/空氣化學計量點)操作的分布式動態控制燃燒過程， 具有較低的峰值燃燒溫度，導致低NOx排放。均質燃料/空氣混合物使 形成煙塵排放的富油區域的出現最小化。 當發動機以HCCI模式操作時，發動機控制包括稀薄空氣 /燃料比操作，其中節氣門大開以使發動機泵送損失最小。當發動機以 火花點燃燃燒模式操作時，發動機控制包括化學計量的空氣/燃料比操 作，在從0%到100%的大開位置的位置范圍上控制節氣門，以控制進氣 流來獲得化學計量的空氣/燃料比。已知，由于多缸HCCI發動機中各 燃料噴射器的特性及其它因素的差異，各汽缸中的燃燒會顯著不同
發明內容
多缸內燃機可操作于受控自燃燃燒模式。操作包括監測發動機操作，并基于發動機進氣質量空氣流量和空氣/燃料比來總體使燃料供給適于所有的汽缸。各汽缸的燃料供給基于所有汽缸的燃燒參數的狀態而被單獨地調節。
參考附圖，現在借助于實例描述一個或多個實施例，其 圖1為根據本公開的發動機系統的示意圖； 圖2為根據本公開的數據圖； 圖3為才艮據本公開的流程圖；以及 圖4為根據本公開的數據圖。
具體實施例方式
現在參考附圖，其中其圖示僅用于示出特定示例性實施例的目的，而不是限制本公開，圖1示意性地示出了根據本公開的實施例構造的內燃機10及伴隨的控制模塊5 ("控制模塊")。發動機10有選擇地操作于受控自燃模式和火花點燃模式。發動機10包括多缸直噴四沖程內燃機，其具有可在汽缸15中可滑動地移動的往復式活塞14，所述汽缸15限定了可變容積的燃燒室16。每個活塞14都連接到旋轉曲軸12，線性往復活塞行程通過曲軸12轉變為旋轉運動。圖1中示出了汽缸15中的一個。 進氣系統將進氣引導到進氣歧管29,進氣歧管29將空氣引導并分配到各燃燒室16的進氣通道。進氣系統包括氣流管道系統及用于監測和控制氣流的裝置。所述裝置優選包括用于監測氣流量和進氣溫度的氣流量傳感器32。優選包括電子控制裝置的節氣門34響應于來自控制模塊5的控制信號("ETC")控制至發動機10的氣流。壓力傳感器36適于監測進氣歧管29中的歧管絕對壓力和大氣壓力。通過排氣再循環控制閥38 ( "EGR控制閥")控制，外部流動通道(未示出)從發動機排氣口將排氣再循環至進氣歧管29。控制模塊5通過控制EGR控制閥38的開度來控制到發動機進氣口的排氣質量流量。
從進氣通道進入燃燒室16的氣流由一個或多個進氣門20控制。離開燃燒室16到排氣歧管39的排氣流由一個或多個排氣門18控制，所述排氣歧管39包括多個排氣通道。進氣門20和排氣門18的打開和關閉優選通過雙凸輪軸(如所描述的)來控制，所述雙凸輪軸的旋轉與曲軸12的旋轉相關聯并隨其轉位。裝置22優選包括可控機構，該可控機構可操作以響應于來自控制模塊5的控制信號("INTAKE")而可變地控制各汽缸15的進氣門20的氣門升程("VLC")和凸輪相位("VCP")。裝置24優選包括可控機構，該可控機構可操作以響應于來自控制模塊5的控制信號("EXHAUST")而可變地控制各汽缸15的排氣門18的氣門升程("VLC，，)和凸輪相位("VCP")。裝置22和24均優選包括可控雙級氣門提升機構，該機構可操作以將氣門提升或開啟的量控制為兩個不連續階段之中的一個，例如，用于負載速度、低負載操作的低升程氣門開啟位置(約4-6 mm)及用于高速度和高負載操作的高升程氣門開啟位置(約8-10 mm)。裝置"和24包括分別控制進氣門20和排氣門18的開啟和關閉的定相(即，相對正時)的可變凸輪相位才幾構。所述可變凸輪相位機構相對于曲軸12和活塞14的位置改變氣門開啟時刻，這稱為定相。所述VCP系統優選具有約60。-90°的曲軸旋轉的定相權限范圍，因此允許控制模塊5相對于活塞14的位置提前或延遲進氣門20和排氣門18之一的開啟和關閉。定相權限范圍由裝置22和24來限定和限制。裝置22和24包括凸輪軸位置傳感器(未示出)，以確定進排氣凸輪軸(未示出)的旋轉位置。裝置22和24使用由控制模塊5控制的電液、液壓或電子控制力來致動。 發動機10包括燃料噴射系統，該系統包括多個高壓燃料噴射器28，每個噴射器都適于響應于來自控制模塊5的控制信號("INJ_PW")而將一定量的燃料直接噴入燃燒室16中。如這里所使用的，燃料供給指的是一定量的燃料注入其中一個燃燒室16中。燃料噴射器18被從燃料分布系統(未示出)供應加壓燃料。 發動機包括火花點火系統，火花能量通過該系統提供給火花塞26,以響應于來自控制模塊5的控制信號("IGN")點燃或輔助點燃各燃燒室16中的汽缸充氣。火花塞16增強了發動機10的各汽缸15在某些情況下的燃燒正時控制，例如，在冷起動或靠近低負載操
作極限期間。 發動機10配備有在發動機10正在進行操作期間用于監測發動機操作的各種感測裝置，包括可操作以監測曲軸旋轉位置(即，曲軸角和速度)的曲軸傳感器42、適于監測排氣供給流中空氣/燃料比的寬范圍空氣/燃料比傳感器40、以及適于實時監測缸內燃燒的燃燒傳感器30。燃燒傳感器30包括可操作以監測燃燒參數狀態的傳感器裝置，被描述為可操作以監測缸內燃燒壓力的汽缸壓力傳感器。燃燒傳感器30和曲軸傳感器42的輸出通過控制模塊5來監測，控制模塊5確定燃燒相位，即，各燃燒循環中對于各汽缸15的燃燒壓力相對于曲軸12的曲軸角的正時。燃燒傳感器30還可被控制模塊5監測，以確定各燃燒循環中各汽缸15的平均有效壓力(下文中稱為"IMEP，，)。可選地，可使用其它感測系統來監測可轉換為燃燒相位的實時缸內燃燒參數，例如，離子感測點火系統和非介入式釭內壓力監測系統。 在操作于受控自燃燃燒模式期間，發動機10在大范圍的發動機速度和負載上未節流地操作汽油或其它混合燃料。在未導致受控自燃燃燒模式操作的情形下，發動機1G通過受控節流操作而操作于火花點燃燃燒模式，以獲得滿足操作員扭矩需求的發動機功率。可廣泛使用的分級汽油及其輕乙醇混合燃料是優選燃料；但是，在本公開的實施中可使用其它可選的液體和氣體燃料，例如高乙醇混合物(例如，E80、 E85)、純乙醇(E99)、純甲醇(M100)、天然氣、氫氣、沼氣、各種重整油、合成氣及其它燃料。 控制模塊5優選包括通用數字計算機，所述通用數字計算機通常包括微處理器或中央處理單元、包括非易失性存儲器的存儲介質(包括只讀存儲器UOM)和電可編程只讀存儲器(EPROM)、隨機存取存儲器(RAM))、高速時鐘、模數轉換電路和數模轉換電路、輸入/輸出電路和裝置、以及適當的信號處理和緩存電路。控制模塊5具有一套控制算法，包括存儲在非易失性存儲器中的駐留程序指令和標定值，并被執行以提供各計算機各自的功能。在預定循環周期執行所述算法，使得每個循環周期至少執行一次所述算法。通過中央處理單元來執行算法，以監測前述感測裝置的輸入，并執行控制和診斷程序以使用預定標定值來控制致動器的操作。在正在運行的發動機和車輛操作期間，循環周期以有規則的間隔執行，例如每3. 125、6. 25、12. 5、25和100毫秒。可選地，可響應于事件的發生來執行算法。 圖2示意性地示出了基于發動機參數的狀態(在該實施例中，包括可從發動機參數(包括發動機燃料流和進氣歧管29的壓力)獲得的速度("RPM")和負載("LOAD"))在火花點燃和受控自燃燃燒模式中示例性發動機10的優選操作范圍。發動機燃燒模式優選包括噴射導向火花點燃("SI-SG")模式、單噴射受控自燃("HCCI-SI")模式和雙噴射受控自燃("HCCI-DI")模式、以及均質火花點燃("SI-H，，)模式。每個燃燒模式的優選速度和負載操作范圍基于發動機操作參數，包括燃燒穩定性、燃料消耗、排放、發動機扭矩輸出及其它參數。限定描述前述燃燒模式中操作的優選速度和負載操作范圍的界限優選事先標定，并存儲在控制模塊5中。 圖3示出了操作內燃機10的流程圖。發動機10操作在受控自燃燃燒模式(100)。監測發動機10的操作，包括發動機狀態，如進氣氣流量、排氣供給流中的空氣/燃料比、以及各汽缸15中的缸內燃*免(102) 。 4非出已燃氣體分凄丈(exhaust burned gas fraction)基于進氣氣流量和排氣供給流中的空氣/燃料比來確定U04)。基于優選的排出已燃氣體分量來總體地適應汽缸15的燃料供給(106)。計算汽缸與汽缸之間缸內燃燒參數狀態的不同(108)。基于計算的汽缸與汽缸之間缸內燃燒參數狀態的不同而單獨地適應各汽缸15的燃料供給(110)。控制模塊5基于上面參考圖2描述的發動機速度和負載操作條件控制處于受控自燃模式的發動機10的操作。所述受控自燃模式優選包括通過指令氣門34大開、并禁用火花點燃來操作發動機10。計算燃料噴射正時及燃料噴射量，并執行燃料噴射以在各燃燒室16中
產生均質燃料/空氣充量，獲得滿足發動機和操作員需求的發動機速度/負載操作點。該控制方法被歸納成存儲在控制模塊5中的可執行算法代碼。所述算法代碼優選包括兩部分，包括基于進氣氣流量和排氣供給流中的空氣/燃料比總體地適應所有汽缸15的燃料供給的算法，和可操作以基于汽缸15中的燃燒相位而單獨地適應各汽缸15的燃料供給的算法。
所述總體地適應所有汽缸15的燃料供給的算法包括監測氣流量傳感器32以確定進氣氣流量和監測寬范圍空氣/燃料比傳感器40以確定排氣供給流中的空氣/燃料比，控制模塊5從排氣供給流中的空氣/燃料比確定已燃氣體分數。所述總體地適應所有汽缸15的燃料供給的算法基于下面轉換為用來在控制模塊5中執行的機器碼的公式來執行。所述燃料供給或燃料流量通過基于噴射誤差來調節所有汽缸15的燃料噴射器28的噴射脈寬來進行適應，如所描述的。在未節流的操作條件下，進氣歧管29和排氣歧管39中的已燃氣體分數的動態模型如公式1所示
力nt —
氣t (1)
/ejc/i 二
(I -hX^ 厶,,+(1 + ^，,
附^
其中幾和h分別表示進氣歧管29和排氣歧管39中的已燃氣體分數，MAF表示通過節氣門34的氣流量，WEGR表示通過EGR控制閥38的EGR氣流量，W,表示通過燃料噴射器28供應進汽缸15的燃料或質量燃料流量，氣t為進氣歧管29的氣體量，m^為排氣歧管氣體量，^為燃料的化學計量空氣/燃料比。由于排氣歧管氣體量為已燃燃料及已燃和未燃空氣量的和，所以排氣歧管29中的已燃氣體分數可關聯到排氣歧管39中的空氣/燃料比，如公式2中所示<formula>formula see original document page 10</formula>
其中義為空氣燃料比，m。為已燃和未燃空氣的量，m,為排氣歧管39中已燃燃料的量。實際上，并不測量進氣已燃氣體分數，排氣已燃氣體分數可使用寬范圍空氣/燃料比傳感器40的空氣/燃料比測量來計算。并且，由于進氣已燃氣體分數只在瞬時期間影響排氣已燃氣體分數，所以在適應算法中只考慮排氣已燃氣體分數的動態特性，并假定穩態的進氣已燃氣體分數。在穩定狀態操作中，可如公式3中計算進氣已燃氣體分數
<formula>formula see original document page 10</formula> (3)產生的排氣歧管39和排氣供給流中的已燃氣體分數動態
特性如公式4中所描述
<formula>formula see original document page 10</formula>
<formula>formula see original document page 10</formula>
州^
至汽缸15的指令燃料供給和實際燃料供給之間的比率如公式5中所定義
<formula>formula see original document page 11</formula>其中『/為至所有汽缸15的指令燃料流量或指令燃料供給，『/為至所有汽缸15的實際燃料流量或實際燃料供給。V的時間導數在公式10中導出<formula>formula see original document page 11</formula>
由于—c,^^尸+『,<0， V"所以所述適應法貝寸(adaptionlaw)變為爿>式11:
色-丑i^《 (11)公式11用于獲得公式12中的結果
F = —c,-^e2^0 (12)
附w 在f-O中設定的最大恒量為{e=0， ^ = 0},因此，由于隨著時間而出現的至汽缸15的指令燃料供給與實際燃料供給之間的估計比值接近于至所有汽缸15的指令燃料供給與實際燃料供給之間的實際比值，所以公式11的適應法則導致所述誤差接近于零。這樣，所有汽缸15的燃料噴射器28的指令脈寬可總體地適應為獲得排氣歧管39和排氣供給流中優選的或期望的已燃氣體分數。 各燃料噴射器適應算法基于各燃燒循環期間通過監測燃燒傳感器30的輸出而確定的各汽缸15的燃燒參數的狀態。優選的燃燒參數包括燃燒相位或IMEP的狀態，每個狀態都可在當前運行的操作期間通過分析燃燒傳感器30的輸入來確定。由燃料軌壓力脈動、制造公差、噴射器污垢及其它因素引起的變化可導致各汽缸15的噴射流和噴射特性的不同。另外，噴射流和噴射特性中的不同可引起汽缸與汽缸之間在燃燒相位和IMEP方面的不同。例如，對于一個汽缸15，與其它汽缸15相比，由于其中更高的殘留氣體溫度，所以過量的燃料流入該特定汽缸15提前了其燃燒相位。另外，燃燒相位和IMEP中的不平衡可能由其它因素引起，包括汽缸15之間在缸內充氣量、溫度、EGR量和其它因素方面的差異。因此，可管理產生的導致汽缸與汽缸之間燃燒相位和IMEP的不平衡的差異，并可通過適應燃料噴射器28的燃料流，即，單獨地控制和調節燃料噴射器28的燃料流而使所述差異最小。于步驟108計算汽缸與汽缸之間燃燒參數狀態的不同，于步驟110基于計算的汽缸與汽缸之間燃燒參數狀態的不同來單獨地適應各汽缸15的燃料供給，如現在所述。各汽缸15的燃料流可如公式13中所示
『;= ,#7(1《"") (13)其中，"n，，為汽缸數，",和^分別為燃料噴射器增益和第i個汽缸的指令燃料供給。n個燃料噴射器28的噴射器增益a,…A基于在各汽缸15測量的燃燒參數狀態使用這里為燃燒相位而描述的如下第 一和第二控制規則來調節。 第二控制規則如下。當^<1時，至各汽缸15的平均燃料供給小于指令燃料供給，即『/<『/,因此各燃料噴射器適應算法基于在各汽缸15測量的燃燒相位調節燃料噴射器增益小于或等于一。另外，為了確保各噴射器增益是界定的，所述各燃料噴射器適應算法設計成使得對于其中一個汽缸i, ",.=1， W。各燃料噴射器增益的適應法則由公式16給出
否則，采用公式17
其中，7^max(7;i"rl,lS""!。燃料噴射器增益與適應算法要求的燃料增量大小直接相關，以實現汽缸i的燃燒相位Ti，朝向L收斂，并保持在穩定狀態",、1,。前述使用第一和第二控制規則給各汽缸15供給
一^(7;-rrf)，如果",>1， 7;>rrf (16)
=Hd) (17)例如IMEP。 燃料噴射器增益^優選存儲在非易失性存儲器的控制模塊5中，并在發動機IO操作期間隨時更新。控制模塊5基于如上面參考公式13所示的相應燃料噴射器增益a,.調節至各燃料噴射器28的控制信號，以控制當前發動機操作期間各汽缸15的燃料供給。 圖4示出了在可有選擇地操作于受控自燃模式的示例性四缸發動機IO上執行上述算法的實驗測試結果。用于平衡燃料噴射器28的燃燒參數為燃燒相位。發動機10以在1500 RPM的恒定發動機速度下的排氣再壓縮閥策略以未節流方式操作，期望燃料供給設定為9毫克/循環/汽缸。空氣/燃料比("A/F")通過使用進氣/排氣門正時的反饋控制器調節在18: 1。基于圖3的流程圖和上述用于操作內燃機10的公式而得到的控制算法在所示曲線的約9秒處激活。燃燒相位的具體狀態包括在燃料燃燒點50%處的曲軸角("CA50")、上止點后測量的角度("degATDC")。所示結果包括至汽缸的指令燃料供給與實際燃料供給之間的估計比值("S，，)、四個汽缸中每個汽缸的燃料噴射器增益("",.，，)和四個汽缸中每個汽缸的汽缸壓力("IMEP，，)。圖4的結果示出了至汽缸15的指令燃料供給與實際燃料供給之間的比值《在緩慢增大，表明汽缸15中噴射的平均燃料量小于實際指令的量。通過基于測量的燃燒相位的算法來緩慢地調節各噴射器增益％ 。從燃燒相位("CA50")曲線可看出燃燒相位之中改善的平衡。汽缸15的汽缸壓力可被平衡，如IMEP所示。 本公開描述了特定優選實施例及其修改。通過閱讀理解說明書可出現其它修改和變形。因此，本公開不限于作為實施該公開的最佳模式而公開的特定實施例，而是本公開包括落入所附權利要求范圍內的所有實施方式。
權利要求
1.用于控制以受控自燃燃燒模式操作的多缸內燃機的操作的方法，包括監測發動機操作；基于發動機進氣氣流量和空氣/燃料比來總體地適應所有汽缸的燃料供給；以及基于所有汽缸的燃燒參數的狀態來單獨地適應各汽缸的燃料供給。
2. 如權利要求l所述的方法，其中總體地適應所有汽缸的燃料供給 還包括基于所述發動機進氣氣流量和所述空氣/燃料比確定已燃氣體分 數；以及
3.如權利要求i戶;述的方法，其曰中單獨地適應各汽缸的燃料供給還包括確定汽缸與汽缸之間燃燒參數狀態的差異；以及有選擇地調節至少一個汽缸的燃料供給，以減小所述汽缸與汽缸之間燃燒參數狀態的差異。
4. 如權利要求3所述的方法，其中所述燃燒參數包括燃燒相位。
5. 如權利要求3所述的方法，其中所述燃燒參數包括平均有效汽缸 壓力。
6. 如權利要求l所述的方法，包括調節所有汽缸的燃料供給，以獲得優選的已燃氣體分數；以及 有選擇地調節至少 一個汽缸的燃料供給，以使汽缸與汽缸之間燃燒 參數狀態的差異最小。
7. 如權利要求l所述的方法，包括基于所述總體地適應所有汽缸的燃料供給來基本上獲得優選的已 燃氣體分數；以及基于所述單獨地適應至少一個汽缸的燃料供給來減小汽缸與汽缸 之間汽缸燃燒參數狀態的差異。
8. 如權利要求l所述的方法，包括基于發動機正在操作期間的所述進氣氣流量和所述空氣/燃料比來總體地適應所有汽缸的燃料供給。
9. 如權利要求l所述的方法，包括基于所有汽缸的燃燒相位的狀態來單獨地適應其中一個汽缸的燃 料供給。
10. 如權利要求l所述的方法，包括基于所有汽缸的平均有效壓力來有選擇地調節其中一個汽缸的燃 料供給。
11. 如權利要求l所述的方法，其中適應燃料供給包括調節汽缸的 燃料噴射器的脈寬。
12. 用于控制多缸內燃機的操作的方法，包括 將發動機操作在受控自燃模式中；監測發動機操作，包括發動機進氣氣流量、排氣供給流中的空氣/ 燃料比、和可與各汽缸中缸內燃燒相關聯的發動機狀態；控制所述發動機的排氣已燃氣體分數；以及通過有選擇地適應至少一個汽缸的燃料供給來減小汽缸與汽缸之 間所述發動機狀態的差異。
13. 如權利要求12所述的方法，包括基于所述發動機進氣氣流量和所述排氣供給流中的所述空氣/燃料 比來確定所述排氣已燃氣體分數；以及總體地調節所有汽缸的燃料供給，以獲得優選的已燃氣體分數。
14. 如權利要求12所述的方法，包括確定汽缸與汽缸之間可與各汽缸中缸內燃燒相關聯的所述發動機 狀態的差異；以及有選擇地調節至少 一個汽缸的燃料供給，以減小汽缸與汽缸之間所 述發動機狀態的差異。
15. 如權利要求12所述的方法，其中可與各汽缸中缸內燃燒相關聯 的所述發動機狀態包括燃燒相位。
16. 如權利要求12所述的方法，其中可與各汽缸中缸內燃燒相關聯 的所述發動機狀態包括平均有效壓力。
17. 制造產品，包括存儲介質，該存儲介質具有編碼在其中的機器 可執行程序，該程序可操作以控制處于受控自燃燃燒模式的多缸內燃 機，所述程序包括監測來自氣流量傳感器、排氣傳感器和缸內燃燒傳感器的信號輸入的代碼；基于所述缸內燃燒傳感器的信號輸入而確定可與各汽缸中缸內燃燒相關聯的發動機狀態的代碼；基于來自所述氣流量傳感器和寬范圍空氣/燃料比傳感器的信號輸 入而總體地適應所有汽缸的燃料供給的代碼；以及缸的i料;:合的代碼。';> 、 、 ；'_'' 、
18. 如權利要求17所述的產品，包括基于來自所述氣流量傳感器和所述寬范圍空氣/燃料比傳感器的信 號輸入而確定已燃氣體分數的代碼；以及碼。 ； 、'，"、、，乙，、'， "、，
19. 如權利要求17所述的產品，包括確定汽缸與汽缸之間可與缸內燃燒相關聯的所述發動機狀態的差 異的代碼；以及基于所述汽缸與汽缸之間可與缸內燃燒相關聯的所述發動機狀態 的差異而適應各汽缸之一 的燃料供給的代碼。
20. 如權利要求17所述的產品，包括在各燃燒循環期間監測來自所述缸內燃燒傳感器的信號輸入以確 定可與缸內燃燒相關聯的所述發動機狀態的代碼。
全文摘要
多缸內燃機可操作在受控自燃燃燒模式中。操作包括監測發動機操作、以及基于發動機進氣氣流量和空氣/燃料比而總體地適應所有汽缸的燃料供給。各汽缸的燃料供給單獨地基于所有汽缸的燃燒參數來適應。
文檔編號F02D41/06GK101627198SQ200880007296
公開日2010年1月13日 申請日期2008年2月27日 優先權日2007年3月6日
發明者C·-F·張, J·-M·康, J·-S·陳, T·擴, 張曼鋒 申請人:通用汽車環球科技運作公司