CN102003323A - 均质充气压缩点火发动机的控制策略 - Google Patents

均质充气压缩点火发动机的控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明涉及均质充气压缩点火发动机的控制策略。一种响应于低负载需求操作多缸火花点火直接喷射内燃机的方法，包括：在低负载操作期间在每个燃烧循环期间监测与每个气缸的燃烧相关的发动机状态；基于所监测的与相应气缸的燃烧相关的发动机状态来确定每个气缸的燃烧稳定性指数；以及基于针对相应气缸确定的燃烧稳定性指数来相对于每个气缸的燃料喷射事件的结束独立地调节火花放电的开始。

Description

均质充气压缩点火发动机的控制策略
相关申请的交叉引用
本申请是2009年2月11日提交的申请No.12/369,086的部分继续，申请No.12/369,086要求于2008年2月15日提交的美国临时申请No.61/029,038的权益，上述两个申请的公开内容在此作为参考全文引入。
技术领域
本发明涉及均质充气压缩点火(HCCI)发动机的操作和控制。
背景技术
该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成现有技术。
已知的火花点火(SI)发动机将空气/燃料混合物引入每个气缸中，空气/燃料混合物在压缩冲程中被压缩并由火花塞点火。已知的压缩点火发动机在压缩冲程的上止点(TDC)附近将加压燃料喷入燃烧气缸内，加压燃料在喷射后被点火。汽油发动机和柴油发动机两者的燃烧均包括由流体力学控制的预混合或扩散火焰。
SI发动机能够以多种不同的燃烧模式操作，包括均质充气SI燃烧模式和分层充气SI燃烧模式。SI发动机能够被设置用于在预定速度/负载操作条件下以均质充气压缩点火(HCCI)燃烧模式操作，也可互换地称为受控自动点火(HCCI)燃烧。受控自动点火(HCCI)燃烧是由氧化化学作用控制的分布式、无火焰、自动点火燃烧过程。以受控自动点火(HCCI)燃烧模式操作的发动机在进气阀关闭时间时具有在组分、温度以及残余排气方面优选是均质的气缸充气。受控自动点火(HCCI)燃烧是一种分布式动态受控燃烧过程，其中发动机用稀薄的空气/燃料混合物(即，稀于空气/燃料化学计量比点)操作，具有相对低的峰值燃烧温度，从而得到低氮氧化物(NOX)排放。均质空气/燃料混合物使得形成烟雾和颗粒排放物的浓区域的出现最小化。
受控自动点火(HCCI)燃烧在很大程度上取决于诸如在进气阀关闭时气缸充气组分、温度和压力的因素。因此，发动机的控制输入必须被仔细协调以确保自动点火燃烧。受控自动点火(HCCI)燃烧策略可以包括使用排气再压缩阀策略。排气再压缩阀策略包括通过调节阀关闭定时截留来自前一发动机循环的热残余气体来控制气缸充气温度。在排气再压缩策略中，排气阀在上止点(TDC)之前关闭且进气阀在TDC之后开启，从而形成负阀重叠(NVO)时段，在NVO时段中，排气阀和进气阀均关闭，从而截留排气。进气阀和排气阀的开启定时优选地相对于TDC进气对称。气缸充气组分和温度均在很大程度上受到排气阀关闭定时的影响。具体地，排气阀关闭越早，能够保留的来自于前一循环的热残余气体越多，留下的用于进来的新鲜空气质量的空间越少，从而增加气缸充气温度并降低气缸氧气浓度。在排气再压缩策略中，排气阀关闭定时和进气阀开启定时由NVO时段度量。
在发动机操作中，发动机空气流通过选择性地调节进气空气节气门阀的位置和调节进气阀和排气阀的开启和关闭来控制。在一个已知***中，进气阀和排气阀的开启和关闭可以使用可变阀致动***来完成，所述可变阀致动***包括可变凸轮定相和可选择多级阀升程，例如提供两个或更多阀升程位置的多级凸轮凸角。多级阀升程机构的阀位置的变化可以是离散变化。在其它已知***中，阀位置的变化可以是连续可变的。
当发动机以受控自动点火(HCCI)燃烧模式操作时，发动机控制包括稀或化学计量比空气/燃料比操作，其中，节气门宽开启以使得发动机泵送损失最小化。当发动机以SI燃烧模式操作时，发动机控制以化学计量比空气/燃料比操作，其中，节气门阀在从宽开启位置的0％至100％的位置范围内控制，以控制进气空气流从而实现化学计量比空气/燃料比。
由于与不完全燃烧和燃烧稳定性有关的问题，发动机能够以受控自动点火(HCCI)燃烧模式操作的发动机速度/负载操作范围可能被限制。已知发动机***在低速/低负载操作条件(包括关闭节气门/怠速条件和冷发动机操作)下会限制或禁止以受控自动点火(HCCI)燃烧模式的发动机操作，以使得不完全燃烧和燃烧不稳定最小化。
发明内容
一种响应于低负载需求操作多缸火花点火直接喷射内燃机的方法，包括：在低负载操作期间在每个燃烧循环期间监测与每个气缸的燃烧相关的发动机状态；基于所监测的与相应气缸的燃烧相关的发动机状态来确定每个气缸的燃烧稳定性指数；以及基于针对相应气缸确定的燃烧稳定性指数来相对于每个气缸的燃料喷射事件的结束独立地调节火花放电的开始。
方案1.一种响应于低负载需求操作多缸火花点火直接喷射内燃机的方法，包括：
在低负载操作期间在每个燃烧循环期间监测与每个气缸的燃烧相关的发动机状态；
基于所监测的与相应气缸的燃烧相关的发动机状态来确定每个气缸的燃烧稳定性指数；以及
基于针对相应气缸确定的燃烧稳定性指数来相对于每个气缸的燃料喷射事件的结束独立地调节火花放电的开始。
方案2.根据方案1所述的方法，其中，基于针对相应气缸确定的燃烧稳定性指数来相对于每个气缸的燃料喷射事件的结束独立地调节火花放电的开始，包括：
相对于燃料喷射事件的结束识别实现相应气缸的最小燃烧稳定性指数的火花放电的优选开始。
方案3.根据方案2所述的方法，其中，相对于燃料喷射事件的结束识别实现相应气缸的最小燃烧稳定性指数的火花放电的优选开始包括相对于气缸的燃料喷射事件的结束将火花放电的开始从相对于燃料喷射事件结束的标称火花定时选择性地调节。
方案4.根据方案3所述的方法，其中，相对于燃料喷射事件的结束选择性地调节火花放电的开始包括对火花放电的开始引入扰动。
方案5.根据方案1所述的方法，还包括以混合模式燃烧模式操作多缸火花点火直接喷射内燃机。
方案6.一种操作多缸火花点火直接喷射内燃机的方法，包括：
以混合燃烧模式操作发动机，包括在每个燃烧循环期间在每个气缸中执行相应的第一、第二和第三燃料喷射事件；
在每个燃烧循环期间确定与每个气缸的燃烧相关的发动机状态；
基于相应气缸的发动机状态来确定每个气缸的燃烧稳定性指数；以及
在每个燃烧循环期间在每个气缸的相应第三喷射事件之后开始实现相应气缸的燃烧稳定性指数的最小状态的火花放电。
方案7.根据方案6所述的方法，其中，在每个燃烧循环期间在每个气缸的相应第三喷射事件之后开始实现相应气缸的燃烧稳定性指数的最小状态的火花放电包括：
在低负载操作期间从相对于每个气缸中相应第三燃料喷射事件的标称火花定时调节火花放电的开始。
方案8.根据方案7所述的方法，其中，在低负载操作期间从相对于每个气缸中相应第三燃料喷射事件的标称火花定时调节火花放电的开始包括对火花放电的开始引入扰动。
方案9.一种操作多缸火花点火直接喷射内燃机的方法，所述内燃机配置成在低负载下控制进气阀和排气阀，所述方法包括：
控制进气阀和排气阀以实现负阀重叠时段；
在每个气缸的负阀重叠时段的再压缩阶段期间执行相应第一燃料喷射事件并进行相应第一火花放电；
在每个气缸的发动机循环的进气阶段期间执行相应第二燃料喷射事件；
在每个气缸的发动机循环的压缩阶段期间执行相应第三燃料喷射事件；
确定每个气缸的相应燃烧稳定性指数；以及
在相应第三喷射事件结束之后开始相应第二火花放电，所述第二火花放电有效地最小化相应气缸的相应燃烧稳定性指数。
方案10.根据方案9所述的方法，其中，每个相应燃烧稳定性指数基于每个相应气缸的燃烧定相和净平均有效压力中的一个来确定。
方案11.根据方案9所述的方法，其中，每个相应燃烧稳定性指数基于多个燃烧循环内每个相应气缸的平均燃烧定相来确定。
附图说明
现在将参考附图通过例子描述一个或更多的实施例，在附图中：
图1是根据本发明的示例性发动机***的示意图；
图2以图形示出了根据本发明的各种燃烧模式的示例性速度和负载操作区域；
图3以图形示出了根据本发明的致动器指令和发动机参数的对应状态；
图4和5是示出了根据本发明的发动机操作的数据图；和
图6和7示意性地示出了根据本发明的发动机操作控制方案。
具体实施方式
现在参考附图，其中附图的目的只是为了说明某些示例性实施例并不是为了限制于此，图1示意地显示了根据本发明实施例构造的内燃机10和附属控制模块5。示例性发动机10是具有可在气缸15内滑动运动的往复活塞14的多缸直接喷射四冲程内燃机，气缸15限定可变容积燃烧室16。每个活塞14连接到旋转曲轴12，借此将线性往复活塞移动转化成旋转运动。图1中示出了气缸15中的单个气缸。
空气进气***提供进气空气给进气歧管29，进气歧管29引导并分配空气进入至每个燃烧室16的进气通道。空气进气***包括用以监测和控制空气流的空气流管道***和装置。所述装置优选地包括用以监测空气质量流量和进气空气温度的空气质量流量传感器32。节气门阀34优选地包括电控装置，响应来自控制模块5的控制信号(ETC)而控制进入发动机10的空气流。岐管压力传感器36监测进气歧管29中的歧管绝对压力和大气压力。外部流动通道使残余排气从排气歧管39再循环至进气歧管29，外部流动通道具有称为排气再循环(EGR)阀38的流量控制阀。控制模块5优选地通过控制EGR阀38的开启幅度来控制再循环至进气歧管29的排气质量流量。
通过一个或多个进气阀20控制从进气歧管29进入燃烧室16的空气流。通过一个或多个排气阀18控制离开燃烧室16至排气歧管39的排气流。发动机10配备有控制进气阀20和排气阀18的开启和关闭的***。在一个实施例中，进气阀20和排气阀18的开启和关闭可以分别使用可操作地连接到进气和排气可变凸轮定相/可变升程控制(VCP/VLC)装置22和24的进气凸轮轴21和排气凸轮轴23进行控制。进气凸轮轴21和排气凸轮轴23的旋转与曲轴12的旋转相关联且由曲轴12的旋转标引，因此将进气阀20和排气阀18的开启和关闭与曲轴12和活塞14的位置相关联。
进气VCP/VLC装置22优选地包括可操作响应来自控制模块5的控制信号(INTAKE)针对每个气缸15可变地控制进气阀20的阀升程(VLC)并且可变地控制凸轮定相(VCP)的可控机构。排气VCP/VLC装置24优选地包括可操作响应来自控制模块5的控制信号(EXHAUST)针对每个气缸15可变地控制排气阀18的阀升程(VLC)并且可变地控制定相(VCP)的可控机构。VCP/VLC装置22和24每个优选地包括可操作将进气和排气阀20和18的阀升程或开启的幅度控制为两个离散梯级中的一个的可控两级可变升程机构。两个离散梯级优选地包括用于低速度和低负载操作的低升程阀开启位置(在一个实施中大约4-6mm)，以及用于高速度和高负载操作的高升程阀开启位置(在一个实施中大约8-13mm)。VCP/VLC装置22和24优选地包括可变凸轮定相机构，用来分别控制进气阀20和排气阀18开启和关闭的定相(即，相对定时)。定相是指相对于曲轴12和活塞14在相应气缸15中的位置来切换进气和排气阀20和18的开启时间。VCP/VLC装置22和24的可变凸轮定相***优选地具有大约60°-90°曲轴旋转的定相权限范围，因此允许控制模块5相对于每个气缸15的活塞14的位置提前或延迟进气和排气阀20和18中的一个的开启和关闭。定相权限范围是由VCP/VLC装置22和24定义和限制的。VCP/VLC装置22和24包括确定进气和排气凸轮轴21和23旋转位置的凸轮轴位置传感器。VCP/VLC装置22和24使用由控制模块5控制的电动液压、液压和电控力中的一种来致动。
发动机10包括燃料喷射***，所述燃料喷射***包括多个高压燃料喷射器28，每个高压燃料喷射器28均适合于响应来自控制模块5的控制信号(JNJ PW)将一定质量的燃料直接喷射到燃烧室16中。如本文使用的，燃料供应指的是进入一个燃烧室16的燃料质量流量。燃料喷射器28从燃料分配***供应加压燃料。
发动机10包括火花点火***，火花点火***包括火花塞26，火花塞26响应于来自控制模块5的控制信号(IGN)提供火花放电，以点火或辅助点火每个燃烧室16中的气缸充气。火花塞26在某些条件(例如，在冷启动期间和低负载操作极限值附近)增强对发动机10的每个气缸15中的燃烧定时的控制。
发动机10配备有用以监测发动机操作的各种传感装置，包括配置成监测曲轴旋转位置(即曲轴角度和速度)的曲轴传感器42、配置成监测排气供应流中的空气/燃料比的宽范围空气/燃料比传感器40、以及适合于在发动机10的持续操作期间实时监测缸内燃烧的燃烧传感器30。燃烧传感器30是可操作监测燃烧参数状态的装置并被描述为可操作监测缸内燃烧压力的气缸压力传感器。控制模块5确定与从燃烧传感器30和曲轴传感器42输出的监测信号相关的发动机状态。发动机状态优选包括燃烧定相，即对于每个燃烧循环而言相对于每个气缸15的曲轴12的曲轴角度的燃烧压力定时。与燃烧定相相关的一个发动机状态可以基于对于每个燃烧循环而言相对于一个气缸15的曲轴12的曲轴角度的燃烧压力定时，且包括与50％燃料燃烧点相关的发动机曲轴角度，表示为CA50。从燃烧传感器30输出的信号也可以由控制模块5监测以确定对于每个燃烧循环而言每个气缸15的平均有效压力(IMEP)，据此可以确定每个气缸的表示燃烧稳定性或者替代地燃烧变化性的参数。燃烧稳定性或者燃烧变化性的指数是气缸压力的变化系数(IMEP的COV)。燃烧稳定性或者燃烧变化性的替代性指数是IMEP的标准偏差(IMEP的Stdv.)。替代地，其它传感***可以用来实时监测可以转换为燃烧定相和燃烧稳定性的缸内燃烧参数，例如离子传感点火***以及非侵入式气缸压力监测***。
各种可用级别的汽油及其轻乙醇混合物是优选燃料；然而，在本发明的实施方式中可以使用替代液体和气体燃料，例如，较高乙醇混合物(例如，E80、E85)、纯乙醇(E99)、纯甲醇(M100)、天然气、氢气、沼气、各种重整物、合成气等。
控制模块5优选地为通用数字计算机，包括微处理器或中央处理单元、存储介质(包括具有只读存储器和电可编程只读存储器的非易失性存储器、随机存取存储器)、高速时钟、模拟-数字和数字-模拟电路、输入/输出电路和装置以及适当的信号调节和缓冲电路。控制模块5具有一套控制算法，包括储存在非易失性存储器中并被执行用来提供需要功能的常驻程序指令和标定值。算法优选地在预设循环周期期间执行。使用预设的标定值，算法通过中央处理单元执行并可以操作用来监测来自上述感应装置的输入以及执行控制和诊断例程来控制致动器的操作。循环周期能以规则的时间间隔执行，例如在持续发动机和车辆操作期间每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。可替代地，算法可以响应事件的发生而执行。
图2以图形示出了基于发动机操作点来操作发动机10的优选燃烧模式，发动机操作点在一定范围的发动机速度(rpm)和负载(在该实施例中以燃料(mg)表示)内显示。发动机10以对应于发动机速度/负载操作点的火花点火(SI)燃烧模式、受控自动点火(HCCI)燃烧模式和混合(混合模式HCCI)燃烧模式中的一种操作。在受控自动点火(HCCI)燃烧模式和混合(混合模式HCCI)燃烧模式的操作范围中可以有重叠(OVERLAP)。每种燃烧模式与优选速度和负载操作范围相关联。每种燃烧模式的优选速度和负载操作范围可以基于发动机操作参数来确定，包括燃烧稳定性、燃料消耗、排放、发动机扭矩输出等。限定优选速度和负载操作范围以界定在前述燃烧模式下操作的边界优选预先标定且存储在控制模块5中。
发动机10被控制以优选空气/燃料比操作以实现与发动机操作参数(包括燃烧稳定性、燃料消耗、排放和发动机扭矩输出)中的一个或多个相关的优选性能，进气空气流被控制以实现优选空气/燃料比。这包括基于在选定燃烧模式下的发动机操作估计气缸空气充气。节气门阀34和VCP/VLC装置22和24基于所估计气缸空气充气来控制以实现进气空气流率，包括在燃烧模式之间过渡期间。空气流通过调节节气门阀34和控制VCP/VLC装置22和24来控制，以控制进气阀20和排气阀18的开启定时和曲线。在每种燃烧模式下的操作可能需要VCP/VLC装置22和24在进气阀20和排气阀18的阀升程、持续时间和定相以及节气门阀34的开启角度方面的不同设置。
受控自动点火(HCCI)燃烧模式包括在节气门阀34大致宽开启的情况下操作发动机10，其中，发动机10的燃料供应被控制以实现稀空气/燃料比且足以满足输出扭矩请求。VCP/VLC装置22和24优选被控制在低升程阀开启位置和在排气阀18关闭和进气阀20开启之间实现预定持续时间的负阀重叠(NVO)时段的定相，从而引起再压缩时段。在再压缩时段期间，高温残余燃烧产物的高比例从前一燃烧循环保留且提供用于在高度稀释的混合物中自动点火燃烧充气的条件。优选地，存在单次燃料喷射事件，定时为在进气冲程期间和压缩冲程早期发生。
火花点火(SI)燃烧模式包括在节气门阀34被控制以调节进气空气流的情况下操作发动机10，其中，发动机10的燃料供应被控制以实现化学计量比空气/燃料比且足以满足输出扭矩请求。VCP/VLC装置22和24优选被控制在高升程阀开启位置和在排气阀18关闭和进气阀20开启之间实现正阀重叠的定相，从而保留来自于火花点火(SI)燃烧模式的前一燃烧循环的小部分残余燃烧产物。在不利于受控自动点火(HCCI)燃烧模式操作的条件下，发动机10在受控节气门操作的情况下以火花点火(SI)燃烧模式操作，以实现满足输出扭矩请求的发动机功率。
混合(混合模式HCCI)燃烧模式包括在节气门阀34宽开启的情况下操作发动机10。与参考受控自动点火(HCCI)燃烧模式所述的类似，VCP/VLC装置22和24优选被控制在低升程阀开启位置和在排气阀18关闭和进气阀20开启之间实现预定持续时间的负阀重叠(NVO)时段的定相，从而引起排气再压缩时段。对于每个燃烧循环，混合(混合模式HCCI)燃烧模式优选包括每个气缸多个燃料喷射事件和在所述燃料喷射事件中的一个或多个期间或紧接之后的多个火花事件。这包括将每个循环所需的总燃料质量分成至少三个燃料喷射事件。
图3以图形示出了在混合(混合模式HCCI)燃烧模式下的示例性发动机10的操作，描绘为根据一个气缸的发动机曲轴角度而变。示出了重复发生的膨胀、排气、进气和压缩燃烧循环。排气阀18(EV)和进气阀20(IV)的开启和关闭被示出，且包括负阀重叠时段(NVO)，从而得到排气再压缩时段。
第一燃料喷射事件(INJ1)优选在排气再压缩时段期间发生，如图所示。相应第一火花放电(IGN1)在第一燃料喷射事件结束紧接之后开始以实现燃料重整。
第二燃料喷射事件(INJ2)优选在进气冲程结束期间和压缩冲程开始时发生。第二燃料喷射事件包括每个循环所需的总燃料质量的主要燃料质量部分以实现所需发动机做功输出。第二燃料喷射事件可以包括单个燃料喷射事件或多个燃料喷射事件，如图所示。
第三燃料喷射事件(INJ3)优选在压缩冲程后期发生，如图所示。相应第二火花放电(IGN2)在第三燃料喷射事件结束紧接之后开始以实现火焰传播燃料喷射事件，从而实现喷雾引导燃烧，即，改进在第二燃料喷射事件期间喷射的主要燃料质量部分的自动点火的缸内条件。
示出了第三燃料喷射事件的结束点(EOI3)和第二火花放电的开始点(Spk2)。在第三燃料喷射事件的结束点(EOI3)和第二火花放电的开始点(Spk2)之间优选存在延迟时段(ΔCA)，以经过的曲轴角度度量。优选地，第一和第三燃料喷射事件中的每个期间喷射的燃料质量是足以实现本文所述目的的最小燃料质量。优选地，在混合(混合模式HCCI)燃烧模式下操作期间，没有与第二燃料喷射事件相关的火花放电。
多个燃料喷射事件允许分离燃料喷射策略，其中，第一燃料喷射事件使得每个循环所需的总燃料质量的第一部分在进气阀20和排气阀18均关闭且气体温度和气缸压力高时在排气再压缩时段期间喷射。所喷射燃料经过部分氧化，即重整反应，以产生用于在做功冲程中发生的受控自动点火(HCCI)的额外热量。在排气再压缩时段期间导致低缸内温度和燃料重整的低发动机负载条件可能不足以触发燃烧充气的自动点火。在该操作范围中，即在发动机怠速操作时和附近，第三喷射事件在燃烧循环的压缩冲程后期喷射一定质量的燃料，称为火焰传播燃料喷射事件。火焰传播燃料喷射事件是燃烧室16中的分层喷雾引导的燃料喷射事件，由第二火花放电(IGN2)点火，从而传播燃烧波，压缩燃烧室16中的剩余燃料空气混合物以实现其中的燃烧充气的自动点火。在重整期间燃烧的燃料质量大致对应于燃烧稳定性(IMEP的COV)和NOX排放。已经发现，在再压缩时段期间重整的燃料质量增加时，NOX排放减少且燃烧稳定性(IMEP的COV)增加。
图4以图形示出了根据本文所述的***构建的示例性发动机的各个气缸的燃烧稳定性(IMEP的Stdv.(bar))，燃烧稳定性(IMEP的Stdv.(bar))根据第三燃料喷射事件的结束点(EOI3)和第二火花放电的开始点(Spk2)之间的延迟时段(ΔCA)而变，延迟时段(ΔCA)以TDC前的曲轴角度度数为单位。结果表明包括第二和第三燃料喷射事件的结束点的定时(EOI2和EOI3)的多个发动机操作条件。在压缩冲程期间发生的燃料喷射和火花放电的定时被调节以实现所需燃烧稳定性，且在NVO时段期间的燃料喷射和火花放电的定时被调节用于所需燃料重整量。达到所需发动机做功输出所需的燃料的其余部分可以在第二燃料喷射事件(INJ2)期间引入，包括在进气冲程期间或压缩冲程早期的一个或多个喷射脉冲，以实现最佳燃料效率。
结果表明，燃烧稳定性受到第三燃料喷射事件的结束点(EOI3)和第二火花放电的开始点(Spk2)之间的延迟时段(ΔCA)的影响。这些结果表明，存在优选延迟时段(ΔCAPRF)，包括实现与发动机操作条件相关的最小燃烧稳定性(IMEP的COV)的延迟时段。本领域技术人员将理解，优选延迟时段(ΔCAPRF)可以受到发动机操作条件、与燃料喷射器28相对于火花塞28的取向有关的燃烧室设计因素、以及与老化和燃料属性相关的不可控使用因素的影响。使用因素包括例如燃料组分、喷射器特性(包括老化)、热历史或者影响自动点火和火花传播过程的燃烧室沉积物。
图5示出了与各个发动机气缸(气缸#)相关的燃烧稳定性(IMEP的Stdv.(kPa))的试验结果，与对于气缸1、2、3和4使用延迟时段(ΔCA)的固定标定值操作示例性多缸发动机相关。结果显示了对于在第三燃料喷射事件的结束点(EOI3)和第二火花放电的开始点(Spk2)之间的两个曲轴角度的延迟时段(ΔCA＝2)和在第三燃料喷射事件的结束点(EOI3)和第二火花放电的开始点(Spk2)之间的三个曲轴角度的延迟时段(ΔCA＝3)的燃烧稳定性(IMEP的Stdv.(kPa))。具体结果包括在配置成以混合模式燃烧模式操作的示例性四缸发动机中在800rpm的发动机条件下操作时控制延迟时段(ΔCA)，其中，喷射5mg燃料质量。结果表明，在两个曲轴角度的延迟时段(ΔCA＝2)时，气缸#2具有比其它三个气缸显著更差的燃烧稳定性(IMEP的Stdv.(kPa))。在三个曲轴角度的延迟时段(ΔCA＝3)时，与在两个曲轴角度的延迟时段(ΔCA＝2)的情况下操作相比，气缸#2的燃烧稳定性显著改进，同时其它三个气缸的燃烧稳定性稍微恶化。因而，优选延迟时段可以是依发动机内的气缸而定，每个独立气缸j具有相关优选延迟时段ΔCAPRF(j)。
图6和7示出了对于本文所述的多缸发动机10的n个独立气缸中的每个而言用于确定和保持在优选延迟时段ΔCAPRF(j)下的操作的控制方案600的要素。控制方案600参考以下操作条件描述，包括在响应于扭矩输出的低需求的混合燃烧模式下的低速低负载发动机操作(605、610)。监测燃烧，如本文所述，在一个实施例中包括确定在每个燃烧循环内每个气缸j(j＝1-n)的燃烧定相(CA50)和平均有效压力(IMEP)(615)。针对每个气缸j可以确定燃烧稳定性指数CS(j)。在一个实施例中，燃烧稳定性指数CS(j)是燃烧定相(CA50)的算术平均，或者替代地是气缸压力的变化系数(IMEP的COV)(620)。
每个气缸j的实现燃烧稳定性的最小变化性的在第三燃料喷射事件的结束点(EOI3)和第二火花放电的开始(Spk2)之间的延迟时段ΔCA[min_var(CS(j))]被确定且优选与每个气缸j的燃烧稳定性指数CS(j)相关。延迟时段ΔCA[min_var(CS(j))]优选使用反馈控制方案来确定。示例性反馈控制方案参考图7描述。
在以混合(混合模式HCCI)燃烧模式操作发动机10期间的燃烧稳定性与燃烧定时相关，即，延迟燃烧定时导致较差的燃烧稳定性，且随着燃烧定时提前，燃烧稳定性改进。控制方案600在低燃烧稳定性的情况下实时确定实现每个气缸的最提前燃烧定时的最佳火花定时。针对气缸j控制发动机操作的优选延迟时段是实现气缸j的燃烧稳定性的最小变化性的延迟时段，即ΔCA[min_var(CS(j))](630)。
图7示意性地示出了根据本文所述的发动机10的配置成以受控自动点火(HCCI)燃烧和混合(混合模式HCCI)燃烧模式操作的多缸发动机的单个气缸j的示例性反馈控制方案625的细节。应当理解的是，存在多个反馈控制方案625，每个针对示例性多缸发动机10中的一个气缸j(j＝1-n)来执行。每个反馈控制方案625被执行以确定每个气缸j的实现燃烧稳定性的最小变化性且与气缸j的燃烧稳定性指数CS(j)相关的在第三燃料喷射事件的结束点(EOI3)和第二火花放电的开始点(Spk2)之间的延迟时段ΔCA[min_var(CS(j))]。为了便于描述，反馈控制方案625显示为包括分立元件。应当认识到，由这些元件执行的功能可以在一个或多个装置中组合，例如，在软件、硬件和/或专用集成电路中实施，包括在控制模块5中执行的一个或多个算法。
反馈控制方案625包括每个独立气缸j的极值搜索或自稳定控制算法650，所述控制算法650被执行以识别独立气缸j的优选间隔，即在第三燃料喷射事件的结束点(EOI3)和第二火花放电的开始点(Spk2)之间的延迟时段ΔCA[min_var(CS(j))]。在一个实施例中，通过改变第二火花放电的开始点(Spk2)并监测相关燃烧稳定性指数CS(j)(即，燃烧定相CA50)，自稳定控制算法650旨在定期地使燃烧扰动。基于在燃烧扰动时获得的梯度，自稳定控制算法650缓慢地调节第二火花放电的开始点(Spk2)，直到气缸j的燃烧稳定性指数CS(j)达到局部最小值，例如参考图4所示的ΔCAPRF。由于在示例性HCCI发动机中当燃烧定相CA50提前时显示周期变化性减少，因而在多个燃烧循环内的燃烧稳定性指数CS(j)(包括燃烧定相CA50的平均值)可以是周期变化性的可靠指示。因而，当燃烧定相CA50的平均值达到最小值时，燃烧的周期变化性也最小化，从而改进选定独立气缸j的燃烧稳定性。
存在标称延迟时段ΔCANOM(j)，标称延迟时段ΔCANOM(j)优选被预先确定且对于每个气缸而言具有相同状态或值。标称延迟时段ΔCANOM(j)通过依气缸调节的延迟时段ΔCAADJ(j)独立调节，延迟时段ΔCAADJ(j)使用自稳定控制算法650被确定以实现气缸j的优选延迟时段ΔCA[min_var(CS(j))]且据此控制发动机10。
自稳定控制算法650监测每个气缸j的发动机操作，例如燃烧定相(CA50)，并据此计算相关燃烧稳定性指数CS(j)。燃烧稳定性指数CS(j)取倒数(-1)且输入给反馈控制回路，反馈控制回路包括信号处理算法660。
信号处理算法660包括周期函数发生器(a sin(wt))670，周期函数发生器(a sin(wt))670在火花放电定时中缓慢地和定期地引入扰动。燃烧稳定性指数CS(j)经过高通滤波器，高通滤波器的输出与周期函数发生器(a sin(wt))670组合，优选使用乘法函数。乘法函数的信号输出经过低通滤波器和积分器函数(k/S)，且然后使用求和函数与周期函数发生器(a sin(wt))670再次组合或分开，以确定调节延迟时段ΔCAADJ(j)，调节延迟时段ΔCAADJ(j)从自稳定控制算法650输出且与标称延迟时段ΔCANOM(j)组合以确定气缸j的优选延迟时段ΔCA[min_var(CS(j))]，用于以混合(混合模式HCCI)燃烧模式操作发动机10。
本发明已经描述了某些优选实施例及其变型。在阅读和理解该说明书之后，本领域技术人员可以想到其它的变型和改变。因此，本发明并不意在限于作为用于实现该发明所构想的最佳模式公开的具体实施例，而本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种响应于低负载需求操作多缸火花点火直接喷射内燃机的方法，包括：
在低负载操作期间在每个燃烧循环期间监测与每个气缸的燃烧相关的发动机状态；
基于所监测的与相应气缸的燃烧相关的发动机状态来确定每个气缸的燃烧稳定性指数；以及
基于针对相应气缸确定的燃烧稳定性指数来相对于每个气缸的燃料喷射事件的结束独立地调节火花放电的开始。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于针对相应气缸确定的燃烧稳定性指数来相对于每个气缸的燃料喷射事件的结束独立地调节火花放电的开始，包括：
相对于燃料喷射事件的结束识别实现相应气缸的最小燃烧稳定性指数的火花放电的优选开始。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，相对于燃料喷射事件的结束识别实现相应气缸的最小燃烧稳定性指数的火花放电的优选开始包括相对于气缸的燃料喷射事件的结束将火花放电的开始从相对于燃料喷射事件结束的标称火花定时选择性地调节。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，相对于燃料喷射事件的结束选择性地调节火花放电的开始包括对火花放电的开始引入扰动。
5.一种操作多缸火花点火直接喷射内燃机的方法，包括：
以混合燃烧模式操作发动机，包括在每个燃烧循环期间在每个气缸中执行相应的第一、第二和第三燃料喷射事件；
在每个燃烧循环期间确定与每个气缸的燃烧相关的发动机状态；
基于相应气缸的发动机状态来确定每个气缸的燃烧稳定性指数；以及
在每个燃烧循环期间在每个气缸的相应第三喷射事件之后开始实现相应气缸的燃烧稳定性指数的最小状态的火花放电。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在每个燃烧循环期间在每个气缸的相应第三喷射事件之后开始实现相应气缸的燃烧稳定性指数的最小状态的火花放电包括：
在低负载操作期间从相对于每个气缸中相应第三燃料喷射事件的标称火花定时调节火花放电的开始。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在低负载操作期间从相对于每个气缸中相应第三燃料喷射事件的标称火花定时调节火花放电的开始包括对火花放电的开始引入扰动。
8.一种操作多缸火花点火直接喷射内燃机的方法，所述内燃机配置成在低负载下控制进气阀和排气阀，所述方法包括：
控制进气阀和排气阀以实现负阀重叠时段；
在每个气缸的负阀重叠时段的再压缩阶段期间执行相应第一燃料喷射事件并进行相应第一火花放电；
在每个气缸的发动机循环的进气阶段期间执行相应第二燃料喷射事件；
在每个气缸的发动机循环的压缩阶段期间执行相应第三燃料喷射事件；
确定每个气缸的相应燃烧稳定性指数；以及
在相应第三喷射事件结束之后开始相应第二火花放电，所述第二火花放电有效地最小化相应气缸的相应燃烧稳定性指数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，每个相应燃烧稳定性指数基于每个相应气缸的燃烧定相和净平均有效压力中的一个来确定。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，每个相应燃烧稳定性指数基于多个燃烧循环内每个相应气缸的平均燃烧定相来确定。
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