專利名稱：均質充氣壓縮點火和火花點火燃燒模式之間過渡的控制方案的制作方法
技術領域：
本發明涉及能以兩個分立燃燒模式操作的發動機。
背景技術：
該部分的內容僅提供與本發明有關的背景信息，且可能不構成現有技術。已知的火花點火(Si)發動機將空氣/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。已知的壓縮點火發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，加壓燃料在噴射后被點火。汽油發動機和柴油發動機兩者的燃燒均包括由流體力學控制的預混合或擴散火焰。SI發動機能夠以多種不同的燃燒模式操作，包括均質SI燃燒模式和分層充氣SI 燃燒模式。SI發動機能夠被設置用于在預定速度/負載操作條件下以均質充氣壓縮點火 (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燃燒模式操作的發動機在進氣閥關閉時間時具有在組分、溫度以及殘余排氣方面優選是均質的氣缸充氣。HCCI燃燒是一種分布式動力受控燃燒過程，其中發動機用稀釋的空氣/燃料混合物(即，稀于化學計量比空氣/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。均質空氣/燃料混合物使得形成煙霧和顆粒排放物的濃區域的出現最小化。在發動機操作中，發動機空氣流通過選擇性地調節節氣門閥的位置、以及控制進氣閥和排氣閥的開啟和關閉來控制。在如此配備的發動機系統上，進氣閥和排氣閥的開啟和關閉可以使用可變閥致動系統來調節，所述可變閥致動系統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曲線的多級凸輪凸角。與連續的節氣門位置變化不同，多級閥升程機構的閥位置的變化是離散變化。當發動機以HCCI燃燒模式操作時，發動機以稀或化學計量比空氣/燃料比操作來操作，其中，節氣門寬開啟以使得發動機泵送損失最小化。當發動機以SI燃燒模式操作時， 發動機以化學計量比空氣/燃料比操作，其中，節氣門閥在從寬開啟位置的0%至100%的位置范圍內控制，以控制進氣空氣流從而實現化學計量比空氣/燃料比。在配置成以SI和HCCI燃燒模式操作的發動機中，燃燒模式之間的過渡會是復雜的。發動機控制模塊必須協調多個裝置的致動，以便為不同模式提供期望空氣/燃料比。在 HCCI燃燒模式和SI燃燒模式之間過渡期間，幾乎瞬時地發生閥升程曲線切換，同時對凸輪移相器和歧管壓力的調節具有較慢動態特性。可能發生不完全燃燒和不點火，直到實現期望空氣/燃料比，從而導致扭矩擾動。
發明內容
一種直接噴射內燃機，包括進氣凸輪軸，所述進氣凸輪軸具有低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪；可變升程控制器，用于用借助于低升程進氣凸輪以低升程進氣閥曲線和借助于高升程進氣凸輪以高升程進氣閥曲線中的一種來選擇性地操作進氣閥；可變凸輪相位控制器，能在進氣凸輪軸上操作，用于同時控制低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪的相位；點火火花控制器；燃料噴射控制器；排氣再循環控制器；以及進氣節氣門控制器。一種操作發動機的方法包括在發動機負載和凸輪軸定相的預定范圍內以如下方式中的一種操作發動機a)包括低升程進氣閥曲線的均質充氣壓縮點火(HCCI)燃燒模式，和b)包括高升程進氣閥曲線的火花點火(Si)燃燒模式，其中，低升程進氣閥曲線和高升程進氣閥曲線排他地通過燃料和火花控制在相應HCCI燃燒模式和SI燃燒模式中實現有益于穩定燃燒的相應進氣空氣流量。所述方法還包括排他地通過對可變升程控制器、點火火花控制器和燃料噴射控制器進行調節而在HCCI和SI燃燒模式之間過渡。方案1. 一種操作直接噴射內燃機的方法，所述內燃機包括進氣凸輪軸，所述進氣凸輪軸具有低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪；可變升程控制器，用于用借助于低升程進氣凸輪以低升程進氣閥曲線和借助于高升程進氣凸輪以高升程進氣閥曲線中的一種來選擇性地操作進氣閥；可變凸輪相位控制器，能在進氣凸輪軸上操作，用于同時控制低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪的相位；點火火花控制器；燃料噴射控制器；排氣再循環控制器；以及進氣節氣門控制器，所述方法包括
在發動機負載和凸輪軸定相的預定范圍內以如下方式中的一種操作發動機
a)包括低升程進氣閥曲線的均質充氣壓縮點火(HCCI)燃燒模式，和
b)包括高升程進氣閥曲線的火花點火(SI)燃燒模式，
其中，低升程進氣閥曲線和高升程進氣閥曲線排他地通過燃料和火花控制在相應HCCI 燃燒模式和SI燃燒模式中實現有益于穩定燃燒的相應進氣空氣流量；
排他地通過對所述可變升程控制器、所述點火火花控制器和所述燃料噴射控制器進行調節而在HCCI和SI燃燒模式之間過渡。方案2.根據方案1所述的方法，其中，在所述過渡之后，調節所述可變凸輪相位控制器、所述排氣再循環控制器、所述進氣節氣門控制器中的至少一個。方案3. —種操作直接噴射內燃機的方法，所述內燃機包括進氣凸輪軸，所述進氣凸輪軸具有低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪；可變升程控制器，用于用借助于低升程進氣凸輪以低升程進氣閥曲線和借助于高升程進氣凸輪以高升程進氣閥曲線中的一種來選擇性地操作進氣閥；可變凸輪相位控制器，能在進氣凸輪軸上操作，用于同時控制低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪的相位；點火火花控制器；燃料噴射控制器；排氣再循環控制器；以及進氣節氣門控制器，所述過渡控制包括
以第一燃燒模式中的一種操作發動機，所述第一燃燒模式包括如下中的一種
a)包括低升程進氣閥曲線的均質充氣壓縮點火(HCCI)燃燒模式，和
b)包括高升程進氣閥曲線的火花點火(Si)燃燒模式，
當發動機處于發動機負載和凸輪軸定相的預定范圍時，排他地通過對所述可變升程控制器、所述點火火花控制器和所述燃料噴射控制器進行調節，從第一燃燒模式過渡至包括所述HCCI和SI燃燒模式中的另一種的第二燃燒模式，其中，相應低升程進氣閥曲線和高升程進氣閥曲線排他地通過燃料和火花控制在相應HCCI燃燒模式和SI燃燒模式中實現有益于穩定燃燒的相應進氣空氣流量。方案4.根據方案3所述的方法，其中，第一燃燒模式包括HCCI燃燒模式，其中，在對所述可變升程控制器進行調節時可變凸輪相位控制器設置建立低升程閥曲線的負閥重疊，第二燃燒模式包括SI燃燒模式，其中，在對所述可變升程控制器進行調節時可變凸輪相位控制器設置建立高升程進氣閥曲線的延遲進氣閥開啟。方案5.根據方案4所述的方法，還包括在對所述可變升程控制器進行調節時增加燃料質量，且充分地設置火花定時以在對所述可變升程控制器進行調節內保持發動機負載連續性。方案6.根據方案5所述的方法，其中，充分地設置火花定時以在對所述可變升程控制器進行調節內保持發動機負載連續性，包括設置相對于SI燃燒模式平均最佳扭矩設置提前的火花定時。方案7.根據方案1所述的方法，其中，第一燃燒模式包括SI燃燒模式，其中，在對所述可變升程控制器進行調節時可變凸輪相位控制器設置建立高升程進氣閥曲線的延遲進氣閥開啟，第二燃燒模式包括HCCI燃燒模式，其中，在對所述可變升程控制器進行調節時可變凸輪相位控制器設置建立低升程閥曲線的負閥重疊。方案8.根據方案7所述的方法，還包括在對所述可變升程控制器進行調節時減少燃料質量，且充分地設置火花定時以在對所述可變升程控制器進行調節內保持發動機負載連續性。方案9. 一種用于控制直接噴射內燃機的設備，包括
進氣凸輪軸，所述進氣凸輪軸具有低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪； 可變升程控制器，用于用借助于低升程進氣凸輪以低升程進氣閥曲線和借助于高升程進氣凸輪以高升程進氣閥曲線中的一種來選擇性地操作進氣閥；
可變凸輪相位控制器，能在進氣凸輪軸上操作，用于同時控制低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪的相位； 點火火花控制器； 燃料噴射控制器； 排氣再循環控制器； 進氣節氣門控制器；以及
燃燒模式過渡控制器，所述燃燒模式過渡控制器在發動機負載和凸輪軸定相的預定范圍內以如下方式中的一種操作發動機
a)包括低升程進氣閥曲線的均質充氣壓縮點火(HCCI)燃燒模式，和
b)包括高升程進氣閥曲線的火花點火(Si)燃燒模式，
其中，低升程進氣閥曲線和高升程進氣閥曲線排他地通過燃料和火花控制在相應HCCI 燃燒模式和SI燃燒模式中實現有益于穩定燃燒的相應進氣空氣流量；以及
排他地通過對所述可變升程控制器、所述點火火花控制器和所述燃料噴射控制器進行調節而在HCCI和SI燃燒模式之間過渡。方案10.根據方案9所述的設備，其中，在HCCI和SI燃燒模式之間過渡包括從 HCCI燃燒模式過渡至SI燃燒模式，對所述燃料質量進行調節包括在對所述可變升程控制器進行調節時增加燃料質量，對所述火花定時進行調節足以在對所述可變升程控制器進行調節內保持發動機負載連續性。方案11.根據方案10所述的方法，對所述火花定時進行調節足以在對所述可變升程控制器進行調節內保持發動機負載連續性，包括設置相對于SI燃燒模式平均最佳扭矩設置提前的火花定時。方案12.根據方案9所述的方法，其中，在HCCI和SI燃燒模式之間過渡包括從 SI燃燒模式過渡至HCCI燃燒模式，對所述燃料質量進行調節包括在對所述可變升程控制器進行調節時減少燃料質量，對所述火花定時進行調節足以在對所述可變升程控制器進行調節內保持發動機負載連續性。
現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是根據本發明的內燃機的示意性截面圖和附屬控制模塊的示意圖； 圖2是根據本發明的發動機負載和進氣凸輪位置之間的關系的曲線圖，指示在HCCI和 SI燃燒模式之間切換的目標切換負載；
圖3是根據本發明的示例性低升程和高升程凸輪凸角曲線的閥升程相對于曲軸角度的曲線圖4是根據本發明的在包括在HCCI和SI燃燒模式之間過渡的持續進行的發動機操作期間的發動機參數的曲線圖；和
圖5是根據本發明的從SI燃燒模式過渡至HCCI燃燒模式的示例性發動機的曲線圖， 示出了在指定數量的循環內的發動機負載和燃燒定相。
具體實施例方式現在參考附圖，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是根據本發明實施例構造的內燃機10的截面圖和附屬控制模塊5的示意圖。發動機10能選擇性地以多種燃燒模式操作，包括HCCI燃燒模式和均質火花點火(Si)燃燒模式。發動機10能選擇性地以化學計量比空氣/燃料比和以根本上稀于化學計量比的空氣 /燃料比操作。本發明可以適用于各種內燃機系統和燃燒循環。示例性發動機10包括具有可在氣缸15內滑動運動的往復活塞14的多缸直接噴射四沖程內燃機，氣缸15限定可變容積燃燒室16。每個活塞14連接到旋轉曲軸12，借此將線性往復運動轉化成旋轉運動。空氣進氣系統提供進氣空氣給進氣歧管四，進氣歧管四引導并分配空氣進入至燃燒室16的進氣流道。空氣進氣系統包括用以監測和控制空氣流的空氣流管道系統和裝置。空氣進氣裝置優選地包括用以監測空氣質量流量和進氣空氣溫度的空氣質量流量傳感器32。節氣門閥34優選地包括電控裝置，用于響應來自控制模塊5 的控制信號155而控制至發動機10的空氣流。進氣歧管四中的壓力傳感器36配置成監測歧管絕對壓力和大氣壓力。外部流動通道使來自于排氣歧管39的排氣再循環至進氣歧管四，外部流動通道具有稱為排氣再循環(EGR)閥38的流量控制閥。控制模塊5可操作通過經由控制信號170控制EGR閥38的開度來控制至進氣歧管四的排氣質量流量。通過一個或多個進氣閥20控制從進氣歧管四進入燃燒室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。發動機10配備有控制和調節進氣閥20和排氣閥18的開啟和關閉的系統。在一個實施例中，進氣閥20和排氣閥18 的開啟和關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進行控制和調節。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的旋轉與曲軸12的旋轉相關聯且由曲軸12的旋轉標引，因此將進氣閥20和排氣閥18的開啟和關閉與曲軸12和活塞14的位置相關聯。進氣VCP/VLC裝置22優選地包括可操作分別響應來自控制模塊5的控制信號160 和162針對每個氣缸15切換和控制進氣閥20的閥升程曲線(VLC)并且可變地調節和控制進氣凸輪軸21的定相(VCP)的機構。排氣VCP/VLC裝置24優選地包括可操作分別響應來自控制模塊5的控制信號164和166針對每個氣缸15可變地切換和控制排氣閥18的閥升程(VLC)并且可變地調節和控制排氣凸輪軸23的定相(VCP)的可控機構。進氣和排氣VCP/VLC裝置22和24每個優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。兩個離散梯級作為凸輪凸角過渡發生，且優選地包括優選用于低速度、低負載操作的低升程閥曲線(在一個實施例中大約4-6 mm峰值升程)，以及優選用于高速度、高負載操作的高升程閥曲線(在一個實施例中大約8-13 mm峰值升程)。進氣和排氣VCP/VLC裝置22和24均優選地包括可變凸輪定相(VCP)機構，用來相對于高升程閥曲線的有效低升程控制和調節凸輪軸定相(即，相對定時)和從而進氣閥20和排氣閥18的開啟和關閉定時或定相。調節定相是指相對于曲軸12和活塞14在相應氣缸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機構均優選地具有大約60° -90°曲軸旋轉的定相權限范圍，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閉。定相權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旋轉位置的凸輪軸位置傳感器。VCP/VLC裝置22和24使用由控制模塊5控制的電動液壓、液壓和電控力中的一種來致動。發動機10包括燃料噴射系統，所述燃料噴射系統包括多個高壓燃料噴射器28，每個高壓燃料噴射器28均配置成響應來自控制模塊5的控制信號180將一定質量的燃料直接噴射到燃燒室16中的一個內。燃料噴射器28從燃料分配系統供應加壓燃料。發動機10包括火花點火系統，火花能量可以通過火花點火系統提供給火花塞26， 用于響應于來自控制模塊5的控制信號175點火或輔助點火每個燃燒室16中的氣缸充氣。發動機10配備有用以監測發動機操作的各種傳感裝置，包括具有輸出RPM且可操作監測曲軸旋轉位置(即曲軸角度和速度)的曲軸傳感器42、在一個實施例中配置成監測燃燒的燃燒傳感器30、以及配置成監測排氣的排氣傳感器40 (通常是空氣/燃料比傳感器)。 燃燒傳感器30具有可操作監測燃燒參數的傳感器裝置并被描述為可操作監測缸內燃燒壓力的氣缸壓力傳感器。燃燒傳感器30和曲軸傳感器42的輸出由控制模塊5監測，以確定燃燒定相，即對于每個燃燒循環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。然而，燃燒定相還可以由本領域技術人員可以知道的類似方法確定。燃燒傳感器30還可以由控制模塊5監測以確定對于每個燃燒循環而言每個氣缸15的平均有效壓力(IMEP)。優選地，發動機10和控制模塊5被機械設計成在每個氣缸點火事件期間監測和確定每個發動機氣缸15的IMEP。替代地，其它傳感系統可以用于監測本發明范圍內的其它燃燒參數， 例如離子傳感點火系統、排氣比例以及非侵入式氣缸壓力傳感器。控制模塊、模塊、控制器、處理器或類似術語指的是一個或多個專用集成電路 (ASIC)、電子電路、執行一個或更多軟件或固件程序的中央處理單元(優選為處理器)和相關存儲器和存儲裝置(只讀、可編程只讀、隨機存取、硬盤驅動器等)、組合邏輯電路、輸入/ 輸出電路和裝置、適當的信號調節和緩沖電路、以及提供所述功能的其他合適部件的任何合適一種或各種組合。控制模塊具有一組控制算法，包括儲存在存儲器中并被執行用來提供需要功能的常駐軟件程序指令和標定值。算法優選地在預設循環周期期間執行。算法例如通過中央處理單元執行，并可以操作用來監測來自傳感裝置和其它聯網控制模塊的輸入且執行控制和診斷例程來控制致動器的操作。循環周期能以規則的時間間隔執行，例如在持續發動機和車輛操作期間每3. 125,6. 25、12. 5、25和100毫秒。替代地，算法可以響應事件的發生而執行。操作中，控制模塊5監測來自于前述傳感器的輸入。控制模塊5配置成從操作者接收輸入信號(例如，經由加速踏板和制動踏板)以確定操作者扭矩請求。控制模塊5監測指示發動機速度和進氣空氣溫度以及冷卻劑溫度和其它環境狀況的傳感器。控制模塊5執行存儲在其中的算法代碼，以控制前述致動器來形成氣缸充氣，包括控制節氣門位置、火花點火定時、燃料噴射質量和定時、控制再循環排氣流量的EGR閥位置、和進氣和/或排氣閥定時和曲線。獨立的進氣和排氣閥定時可以提供各種程度的負閥重疊(NVO)和正閥重疊(PV0)，以及各種程度的提前和延遲開啟和關閉。獨立的進氣和排氣閥曲線控制可以提供用于選擇性地設置進氣和排氣閥升程(例如，高升程或低升程)。在持續車輛操作期間，控制模塊5可以操作以打開和關閉發動機10，且可以操作通過控制燃料和火花以及閥停用而選擇性地停用燃燒室15中的一部分或者進氣和排氣閥20和18中的一部分。控制模塊5可以基于來自于排氣傳感器40的反饋控制空氣/燃料比。在以HCCI燃燒模式的發動機操作期間，節氣門閥34優選大致寬開啟，其中，發動機10被控制在稀或化學計量比空氣/燃料比。進氣和排氣閥20和18以低升程閥曲線操作，且凸輪軸相位被控制為以NVO相位設置操作。燃料定相還可以由燃料噴射定時和火花定時控制。大致寬開啟節氣門可以包括完全未節流地操作或稍微節流地操作以在進氣歧管 29中形成真空，以便實現EGR流。EGR流控制空氣流中可用的氧量。在一個實施例中，缸內 EGR質量被控制為高稀釋速率，例如大于40%的氣缸空氣充氣。在發動機循環期間可以執行一個或多個燃料噴射事件，包括在壓縮階段期間至少一次噴射。在以SI燃燒模式的發動機操作期間，節氣門閥34被控制以調節歧管空氣壓力。 EGR閥38被控制以調節空氣流中的氧量。發動機10被控制在化學計量比空氣/燃料比， 進氣和排氣閥20和18以高升程閥曲線操作，且凸輪軸相位被控制為以PVO相位設置操作。 可以使用延遲進氣閥關閉(LIVC)，其中，LIVC與高進氣歧管壓力一起使用。本文使用的措辭“LIVC”應當理解為與相對于標稱進氣閥定時或定相延遲的進氣閥定時或定相(例如，在標稱之后20曲軸角度)相對應。本文使用的措辭“標稱進氣閥定時或定相”應當理解為與 TDC之前的常規SI燃燒模式進氣閥開啟相對應，例如TDC之前20曲軸角度。燃燒定相可以通過火花定時控制。進氣空氣流量主要通過進氣凸輪定相控制。優選地，在發動機循環的壓縮階段期間執行燃料噴射事件，優選大致在TDC之前。在氣缸內的空氣充氣大致均質時， 火花點火優選在燃料噴射之后預定時間放電。控制模塊5將發動機操作過渡至與發動機10相關的優選燃燒模式，以增加燃料效率和發動機穩定性，和/或減少排放。發動機參數(例如，速度和負載)中的一個的變化可以實現發動機操作區域的變化。控制模塊5命令與發動機操作區域的變化有關的優選燃燒模式的變化。在燃燒模式過渡期間，發動機10被控制以優選空氣/燃料比操作，且控制進氣空氣流以實現優選空氣/燃料比。這包括基于所選擇燃燒模式的發動機操作估計氣缸空氣充氣。示例性優選空氣/燃料比可以是化學計量比空氣/燃料比。節氣門閥34以及進氣和排氣VCP/VLC裝置22、24基于估計氣缸空氣充氣來控制以實現進氣空氣流率，包括在SI和 HCCI燃燒模式之間過渡期間。空氣流通過調節節氣門閥34以及進氣和排氣VCP/VLC裝置 22和24來控制以控制進氣和排氣閥20和18的定時(相位)和曲線(升程)。兩種燃燒模式的操作需要進氣和排氣VCP/VLC裝置22和24 (在進氣和排氣閥20和18的閥定時和曲線方面)以及節氣門閥34 (針對節氣門位置)的不同設置。控制模塊5使用發動機參數的多個期望設置作為控制致動器的輸入，從而實現發動機參數的變化。示例性期望發動機參數包括期望進氣氧氣(02)、期望空氣/燃料比 (AFR)、燃料質量、進氣歧管空氣壓力(MAP)、燃燒定相(CA50)和進氣空氣流量(MAF)。期望 02的控制通過控制EGR閥38位置進行，可變地稀釋進氣空氣流。如果EGR閥38變得更開， 更多EGR氣體能夠進入進氣空氣流，從而限制可用于燃燒的02量。期望AFR通過改變空氣流量(MAF)控制，其通過調節閥定時控制，對于HCCI燃燒可以以NVO操作且對于SI燃燒以LIVC操作。通過將進氣閥20在進氣沖程期間在較長時間段內保持在開啟位置，更多空氣可用于燃燒充氣。燃料質量參數然后可以被確定以實現期望AFR。期望MAP通過操作節氣門閥34控制。開啟節氣門閥34增加進氣歧管內的空氣壓力量，其中，寬開啟節氣門(WOT)是最多開啟位置。減少節氣門閥34的開度減少進氣歧管壓力。期望CA50在HCCI燃燒模式時通過噴射定時和火花定時控制，且在SI燃燒模式時通過火花定時控制。控制CA50允許基于當前操作狀況實現合適發動機負載。某些發動機致動器已知具有快速動態響應(稱為快速發動機致動器)，且可以在單個發動機循環或氣缸事件內調節至新指令輸出。快速發動機致動器包括例如燃料噴射器 28、提供點火能量給火花塞26的火花點火系統、以及進氣和排氣VCP/VLC裝置22、24的VLC 部分。其它發動機致動器響應于控制信號相對較慢實現發動機操作的變化(稱為緩慢發動機致動器)，且由于部件慣性、機械響應時間和空氣流滯后，花費多個發動機循環或氣缸事件來調節至新指令輸出。緩慢發動機致動器包括例如EGR閥位置、節氣門位置、和由VCP/ VLC裝置22、24的VCP部分控制的閥定相。圖2是發動機負載90 (向右增加)和進氣凸輪位置95 (朝上提前)之間的示例性關系的曲線圖，指示在HCCI和SI燃燒模式之間切換的目標切換窗100。進氣凸輪位置線 105表明，進氣凸輪位置95隨著發動機負載90增加而提前。目標切換窗100劃分HCCI燃燒模式范圍Iio和SI燃燒模式范圍115。在HCCI燃燒和SI燃燒模式兩者中被控制的主要發動機操作參數是AFR、CA50、MAP和02。AFR與針對兩種燃燒模式由閥定時控制的MAF相對應。目標切換窗100是發動機負載的預定范圍，其中，緩慢發動機致動器在HCCI和SI燃燒模式兩者中均具有類似設置。將認識到，當緩慢發動機致動器中的全部或部分在HCCI和 SI燃燒模式兩者中均具有類似設置時，目標切換窗100可以由控制模塊5確定。當發動機10以HCCI燃燒模式操作時，可以命令NV0。隨著發動機負載增加，NVO 通過提前進氣閥定時且優選對稱地延遲排氣閥定時而減少。在SI燃燒模式中，LIVC方案隨著負載增加提前進氣閥定時。由于NVO和LIVC方案兩者均使用關于緩慢發動機致動器的類似設置，因而對于兩個燃燒模式存在類似致動器控制設置窗(由目標切換窗100表示)。 換句話說，在發動機負載區域內低升程閥曲線和高升程閥曲線分別在相應HCCI和SI燃燒模式內提供有益于穩定燃燒的進氣空氣流量，可排他地通過燃料和火花控制保持。穩定燃燒可以例如通過IMEP的可接受變異系數(COV)來確定，例如IMEP的COV為5%或更低。本領域技術人員可以確定高升程和低升程閥曲線的凸輪軸相位關系或配準，以提供HCCI和 SI燃燒模式過渡優選的可接受燃燒穩定性和發動機負載區域對應性。在低升程和高升程凸輪凸角靜態對齊的情況下，凸輪凸角過渡(即，在高升程和低升程曲線之間)可通過進氣和排氣VCP/VLC裝置22、24的VLC部分執行。由于操作在緩慢發動機致動器響應方面類似， 因而HCCI和SI燃燒模式之間過渡可以在不用調節緩慢發動機致動器或者在其微小調節的情況下進行。因而，燃燒模式之間的切換可以簡單地通過快速發動機致動器在單個發動機循環或氣缸事件內完成，包括可變升程控制器、燃料控制器和火花控制器。類似地，當發動機使用LIVC方案以SI燃燒操作時，可以識別目標切換窗100。一旦已經達到目標切換窗100，凸輪凸角過渡可在低升程和高升程凸輪凸角適當對齊的情況下通過進氣和排氣VCP/VLC裝置22、24的VLC部分執行。由于操作在緩慢發動機致動器響應方面類似，因而HCCI和SI燃燒模式之間過渡可以在不用調節緩慢發動機致動器或者在其微小調節的情況下進行。因而，切換燃燒模式的控制可以在單個發動機循環或氣缸事件內完成，且允許在單個循環內在燃燒模式之間過渡。圖3示出了示例性低升程和高升程凸輪凸角曲線的閥升程(mm)132相對于曲軸角度(CAD)134。示例性低升程和高升程凸輪凸角曲線包括分別處于低升程和高升程曲線的排氣凸輪曲線130和135、以及分別處于低升程和高升程曲線的進氣凸輪曲線140和145。低升程模式的排氣凸輪曲線130在點136處開始開啟，在點138處達到最大升程，且在點139 處完全關閉。高升程模式的排氣凸輪曲線135在點136’處開始開啟，在點138’處達到最大升程，且在點139’處完全關閉。低升程凸輪曲線的進氣凸輪曲線140在點142處開始開啟，在點144處達到最大升程，且在點146處完全關閉。高升程凸輪曲線的進氣凸輪曲線 145在點142’處開始開啟，在點144’處達到最大升程，且在點146’處完全關閉。將理解， 示例性凸輪曲線是能夠使用的許多組合中的一種且不意味著包括潛在凸輪曲線組合。圖4以圖形示出了在包括在HCCI燃燒模式185和SI燃燒模式190之間過渡的持續進行的發動機操作期間的發動機參數的設置。發動機參數包括AFR 150(包括稀操作151、 化學計量比操作152、濃操作153)、在完全關閉156至WOT 158之間年的節氣門位置155、處于低升程曲線162和高升程曲線164中的一種的閥升程曲線160、凸輪定相(VCP)165 (NV0 166至PVO 168)、以SI燃燒172和HCCI燃燒174操作的EGR控制170、以SI燃燒176和 HCCI燃燒178中的一種操作的火花定時175、以SI燃燒模式設置182和HCCI燃燒模式設置184中的一種操作的燃料噴射定時180。發動機10最初以HCCI燃燒模式185操作。在HCCI燃燒模式185期間，控制模塊5確定表示已經達到HCCI-SI目標切換窗195的發動機操作條件。控制模塊5在HCCI-SI 目標切換窗195期間命令燃燒模式的變化。與命令變化同時，快速發動機致動器(即，燃料噴射器28、火花點火系統、以及進氣和排氣VCP/VLC裝置22、24的VLC部分)切換至與SI 燃燒模式相關的噴射定時180、火花定時175和閥升程曲線160的控制設置。這包括進氣和排氣VCP/VLC裝置22、24將進氣和排氣閥20、18從低升程閥曲線162切換至高升程閥曲線 164。與閥升程曲線160的變化同時，燃料噴射定時180和相關火花定時175分別調節至與 SI燃燒模式相對應的設置184和178。將理解的是，進氣和排氣閥20、18從低升程閥曲線 162切換至高升程閥曲線164將增加進氣空氣流量。為了在切換時保持示例性化學計量比空氣/燃料比，給發動機供應燃料的SI燃燒模式設置184與增加燃料質量相對應。增加燃料質量需要在切換內和增加燃料質量的情況下有效地保持穩定發動機負載的火花定時的 SI燃燒模式設置178。優選地，在過渡時SI燃燒模式設置178提前(相對應平均最佳扭矩 (MBT) SI設置)以使得燃燒定相充分地提前，以在進氣和排氣閥曲線切換內保持發動機負載連續性。一旦快速發動機致動器已經過渡，控制模塊5就以SI燃燒模式控制發動機10。 快速發動機致動器的過渡優選在一個發動機循環內進行。在過渡期間，緩慢發動機致動器 (即，EGR閥位置170、凸輪定相165和節氣門位置155)保持在與HCCI燃燒模式的先前操作相對應的操作設置。在使用快速發動機致動器完成從HCCI燃燒模式185過渡至SI燃燒模式190時， 控制模塊5開始控制緩慢發動機致動器至與SI燃燒模式操作相關的操作設置。控制模塊 5命令進氣和排氣VCP/VLC裝置22、24調節凸輪定相PVO 168，從而修改進氣空氣流量，這可以根據使用的發動機燃料供應和LIVC方案影響AFR。如果使用的LIVC方案不考慮合適的AFR，節氣門開度可以從WOT 158減少至以SI燃燒模式操作期望的預定角度。EGR 170 從HCCI燃燒模式所需的進氣氧氣水平切換至以SI燃燒模式操作期望的進氣氧氣水平。可選地，緩慢發動機致動器在過渡之前和過渡之后可以化學計量比HCCI燃燒模式操作。在發動機10以SI燃燒模式190操作期間，控制模塊5確定表示已經達到SI-HCCI 目標切換窗200的發動機操作條件。控制模塊5在SI-HCCI目標切換窗200期間命令燃燒模式的變化。快速發動機致動器(即，燃料噴射器28、火花點火系統、以及進氣和排氣VCP/ VLC裝置22、24的VLC部分)切換至與HCCI燃燒模式相關的噴射定時180、火花定時175和閥升程曲線160的控制設置。進氣和排氣VCP/VLC系統22、24將閥升程曲線160從高升程閥曲線164切換至低升程閥曲線162。與閥升程的變化同時，燃料噴射定時180和相關火花定時175分別調節至與HCCI燃燒相對應的設置182和176。將理解的是，進氣和排氣閥 20、18從高升程閥曲線164切換至低升程閥曲線162將減少進氣空氣流量。為了在切換時保持示例性化學計量比空氣/燃料比，給發動機供應燃料的HCCI燃燒模式設置182與減少燃料質量相對應。減少燃料質量需要在切換內和增加燃料質量的情況下有效地保持穩定發動機負載的火花定時的HCCI燃燒模式設置176。優選地，在過渡時SI燃燒模式設置176提供足以在進氣和排氣閥曲線切換內保持發動機負載連續性的燃燒定相，其中，總是需要火花。一旦快速發動機致動器已經過渡，控制模塊5就以HCCI燃燒模式185控制發動機10。 快速發動機致動器的過渡優選在一個發動機循環內進行。在過渡期間，緩慢發動機致動器 (即，與EGR閥位置170、凸輪定相165和節氣門位置155有關的致動器)被控制在與SI燃燒模式190的先前操作相關的操作設置。
在使用快速發動機致動器從SI燃燒模式190過渡至HCCI燃燒模式185后，控制模塊5控制緩慢發動機致動器以HCCI燃燒模式設置操作。控制模塊5命令進氣和排氣VCP/ VLC系統22、24調節凸輪定相165NV0 166，從而根據發動機燃料供應改變AFR。如果由于先前發動機燃料供應節氣門位置155不處于WOT 158，那么節氣門位置155開始從SI操作角度增加至WOT 158。EGR閥位置170從SI燃燒172所需的進氣氧氣水平切換至以HCCI燃燒操作期望的進氣氧氣水平。可選地，緩慢發動機致動器在過渡之前和過渡之后可以化學計量比HCCI燃燒模式操作。圖5是僅使用本文所示控制方案中的快速發動機致動器從SI燃燒模式190過渡至HCCI燃燒模式185的示例性發動機的操作的曲線圖，示出了在多個循環220內的發動機負載(NMEP 205)和燃燒定相(CA50 210)。示例性曲線圖在大約1000 RPM、化學計量比AFR 且在上止點之前大約260度(bTDC)噴射結束的發動機操作期間獲取。發動機10在SI燃燒模式190操作且在線215過渡至HCCI燃燒模式185。在SI控制預期的操作帶寬內發生燃燒定相。發動機負載也處于可接受操作帶寬內。與閥升程曲線160和火花定時175相關的快速發動機致動器變化至與以HCCI燃燒模式185操作相關的操作設置。與EGR 170、凸輪定相165和節氣門位置155相關的緩慢發動機致動器保持不變。線215的右側示出了在發動機致動器如上所述控制時的HCCI燃燒模式185操作。CA50 210比在SI燃燒模式190 操作期間變化更大。然而，由NMEP 205表示的發動機負載被控制在較窄帶寬內。因而，發動機10能夠通過僅僅操作快速發動機致動器而以SI模式190和HCCI模式185兩者控制。替代實施例可包括具有可控多級閥開啟控制的其它內燃機，包括采用僅用于進氣閥或排氣閥的多級閥開啟和/或可變凸輪定相的內燃機。本發明已經描述了某些優選實施例及其變型。在閱讀和理解該說明書之后，本領域技術人員可以想到其它的變型和改變。因此，本發明并不意在限于作為設想用于實現該發明的最佳模式公開的具體實施例，而本發明將包括落入所附權利要求范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種操作直接噴射內燃機的方法，所述內燃機包括進氣凸輪軸，所述進氣凸輪軸具有低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪；可變升程控制器，用于用借助于低升程進氣凸輪以低升程進氣閥曲線和借助于高升程進氣凸輪以高升程進氣閥曲線中的一種來選擇性地操作進氣閥；可變凸輪相位控制器，能在進氣凸輪軸上操作，用于同時控制低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪的相位；點火火花控制器；燃料噴射控制器；排氣再循環控制器；以及進氣節氣門控制器，所述方法包括在發動機負載和凸輪軸定相的預定范圍內以如下方式中的一種操作發動機a)包括低升程進氣閥曲線的均質充氣壓縮點火(HCCI)燃燒模式，和b)包括高升程進氣閥曲線的火花點火(SI)燃燒模式，其中，低升程進氣閥曲線和高升程進氣閥曲線排他地通過燃料和火花控制在相應HCCI 燃燒模式和SI燃燒模式中實現有益于穩定燃燒的相應進氣空氣流量；排他地通過對所述可變升程控制器、所述點火火花控制器和所述燃料噴射控制器進行調節而在HCCI和SI燃燒模式之間過渡。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述過渡之后，調節所述可變凸輪相位控制器、所述排氣再循環控制器、所述進氣節氣門控制器中的至少一個。
3.一種操作直接噴射內燃機的方法，所述內燃機包括進氣凸輪軸，所述進氣凸輪軸具有低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪；可變升程控制器，用于用借助于低升程進氣凸輪以低升程進氣閥曲線和借助于高升程進氣凸輪以高升程進氣閥曲線中的一種來選擇性地操作進氣閥；可變凸輪相位控制器，能在進氣凸輪軸上操作，用于同時控制低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪的相位；點火火花控制器；燃料噴射控制器；排氣再循環控制器；以及進氣節氣門控制器，所述過渡控制包括以第一燃燒模式中的一種操作發動機，所述第一燃燒模式包括如下中的一種a)包括低升程進氣閥曲線的均質充氣壓縮點火(HCCI)燃燒模式，和b)包括高升程進氣閥曲線的火花點火(Si)燃燒模式，當發動機處于發動機負載和凸輪軸定相的預定范圍時，排他地通過對所述可變升程控制器、所述點火火花控制器和所述燃料噴射控制器進行調節，從第一燃燒模式過渡至包括所述HCCI和SI燃燒模式中的另一種的第二燃燒模式，其中，相應低升程進氣閥曲線和高升程進氣閥曲線排他地通過燃料和火花控制在相應HCCI燃燒模式和SI燃燒模式中實現有益于穩定燃燒的相應進氣空氣流量。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，第一燃燒模式包括HCCI燃燒模式，其中，在對所述可變升程控制器進行調節時可變凸輪相位控制器設置建立低升程閥曲線的負閥重疊，第二燃燒模式包括SI燃燒模式，其中，在對所述可變升程控制器進行調節時可變凸輪相位控制器設置建立高升程進氣閥曲線的延遲進氣閥開啟。
5.根據權利要求4所述的方法，還包括在對所述可變升程控制器進行調節時增加燃料質量，且充分地設置火花定時以在對所述可變升程控制器進行調節內保持發動機負載連續性。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，充分地設置火花定時以在對所述可變升程控制器進行調節內保持發動機負載連續性，包括設置相對于SI燃燒模式平均最佳扭矩設置提前的火花定時。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，第一燃燒模式包括SI燃燒模式，其中，在對所述可變升程控制器進行調節時可變凸輪相位控制器設置建立高升程進氣閥曲線的延遲進氣閥開啟，第二燃燒模式包括HCCI燃燒模式，其中，在對所述可變升程控制器進行調節時可變凸輪相位控制器設置建立低升程閥曲線的負閥重疊。
8.根據權利要求7所述的方法，還包括在對所述可變升程控制器進行調節時減少燃料質量，且充分地設置火花定時以在對所述可變升程控制器進行調節內保持發動機負載連續性。
9.一種用于控制直接噴射內燃機的設備，包括進氣凸輪軸，所述進氣凸輪軸具有低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪； 可變升程控制器，用于用借助于低升程進氣凸輪以低升程進氣閥曲線和借助于高升程進氣凸輪以高升程進氣閥曲線中的一種來選擇性地操作進氣閥；可變凸輪相位控制器，能在進氣凸輪軸上操作，用于同時控制低升程進氣凸輪和高升程進氣凸輪的相位； 點火火花控制器； 燃料噴射控制器； 排氣再循環控制器； 進氣節氣門控制器；以及燃燒模式過渡控制器，所述燃燒模式過渡控制器在發動機負載和凸輪軸定相的預定范圍內以如下方式中的一種操作發動機a)包括低升程進氣閥曲線的均質充氣壓縮點火(HCCI)燃燒模式，和b)包括高升程進氣閥曲線的火花點火(Si)燃燒模式，其中，低升程進氣閥曲線和高升程進氣閥曲線排他地通過燃料和火花控制在相應HCCI 燃燒模式和SI燃燒模式中實現有益于穩定燃燒的相應進氣空氣流量；以及排他地通過對所述可變升程控制器、所述點火火花控制器和所述燃料噴射控制器進行調節而在HCCI和SI燃燒模式之間過渡。
10.根據權利要求9所述的設備，其中，在HCCI和SI燃燒模式之間過渡包括從HCCI燃燒模式過渡至SI燃燒模式，對所述燃料質量進行調節包括在對所述可變升程控制器進行調節時增加燃料質量，對所述火花定時進行調節足以在對所述可變升程控制器進行調節內保持發動機負載連續性。
全文摘要
一種操作發動機的方法包括在發動機負載和凸輪軸定相的預定范圍內以如下方式中的一種操作發動機a)包括低升程進氣閥曲線的均質充氣壓縮點火(HCCI)燃燒模式，和b)包括高升程進氣閥曲線的火花點火(SI)燃燒模式，其中，低升程進氣閥曲線和高升程進氣閥曲線排他地通過燃料和火花控制在相應HCCI燃燒模式和SI燃燒模式中實現有益于穩定燃燒的相應進氣空氣流量。所述方法還包括排他地通過對可變升程控制器、點火火花控制器和燃料噴射控制器進行調節而在HCCI和SI燃燒模式之間過渡。
文檔編號F02D43/00GK102261288SQ20111013508
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月24日 優先權日2010年5月24日
發明者允 H., 維爾穆特 N., M. 納特 P. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司