柴油機燃燒模式切換控制策略和模型的製作方法

2023-09-21 13:26:20

專利名稱：柴油機燃燒模式切換控制策略和模型的製作方法
技術領域：
本發明涉及控制柴油機燃料噴射的方法和系統。
技術背景本部分的描述僅僅提供與本發明相關的背景信息，可能不構成現有 技術。通常，具有兩種主要形式的往復活塞式或迴轉式內燃機柴油機和 火花點燃式發動機。儘管這些發動機類型具有相似的結構和機械工藝， 但是每種發動機都具有不同的運行特性。例如，為了開始燃燒，火花點 燃式發動機向發動機氣缸供應空氣/燃料混合物，同時控制點火正時。相 反，柴油機在氣缸中壓縮空氣，同時控制燃料噴射正時，以便開始燃燒。柴油機優於預混合增壓火花點燃式發動機的主要優點之一是更高 的熱效率。這 一 般是由於柴油機提供的更高的壓縮比和更稀薄的燃燒操 作。柴油機的更高熱效率的一個折衷是更加難以獲得與火花點燃式發動 機相同的排氣管NOx排放水平，或者成本更高。這是由柴油機的稀空氣 /燃料控制性質決定的。預混合壓縮點火(PCI)為先進的柴油機燃燒技術，其具有更大的 降低柴油機排放的潛力。通過PCI,在燃燒衝程中，燃料噴射到氣缸的 燃燒室中大大早於柴油機燃燒應當噴射的時間。在活塞達到壓縮上止點 (TDC)之前很多就供應所需的燃料量。在活塞達到壓縮TDC之前，提 前噴射的燃料與空氣充分混合。因此，該技術在點火之前提供了稀薄並 且混合良好狀態的空氣/燃料混合物。但是，PCI燃燒僅限於低負載運行情形。因此，在其它運行條件期 間，需要柴油機燃燒。因為PCI燃燒和柴油機燃燒對於廢氣再循環 (EGR)百分比、空氣/燃料比和燃料噴射正時具有不同的需求，所以涉 及到如何在這兩個燃燒模式之間平順切換的問題。缺乏有效的燃燒模式 切換控制會導致過多的煙塵、NOx和燃燒噪聲。
發明內容
因此，提供了一種柴油機的燃燒模式切換控制系統，包括切換確定 模塊，該模塊基於發動機速度以及燃料量與扭矩中至少之一，發出在預混合壓縮點火(PCI)模式和柴油機燃燒模式中至少一個之間切換的切 換請求。轉換模塊基於所述切換請求來指令所述PCI模式和所述柴油機燃燒模式中至少之一。控制模塊基於所述指令控制目標氣流量、所需燃 料量和所需噴射正時中至少之一。在其它方面，提供了一種在柴油機的預混合壓縮點火模式(PCI) 與柴油機燃燒模式之間切換的方法。該方法包括基於發動機速度以及 燃料量與扭矩中至少之一，發出在預混合壓縮點火(PCI)模式和柴油 機燃燒模式中至少一個之間切換的切換請求；基於所述切換請求來指令 所述PCI模式和所述柴油機燃燒模式中至少之一 ；基於所述指令的模式 控制目標氣流量、所需燃料量和所需噴射正時中至少之一。根據本文所提供的描述，適用性的其它方面也是顯而易見的。應當 理解，其描述和具體實例僅僅是示意性目的，而不是限制本公開的範圍。


本文所示的附圖僅僅是示意性目的，並不是以任何方式限制本發明 的範圍。圖l為柴油機的功能框圖；圖2為柴油機氣缸的橫截面圖；圖3為柴油機燃燒模式切換控制系統的數據流表；圖4為示出模式轉換的圖表；圖5為示出協調燃燒模式切換的狀態轉換圖；圖6示出了廢氣再循環控制模型；圖7示出了扭矩控制模型。
具體實施方式
實際上，下面的描述僅僅是示意性的，而不是限制本發明及其應用 或使用。應當理解，在所有附圖中，相應的附圖標記表示相同或相應的 零件和特徵。如本文所使用的，術語模塊指的是特定用途集成電路 (ASIC)、電子電路、執行一種或多種軟體或硬體程序的處理器(共享、
專用或群組的)和存儲器、組合邏輯電路或提供所述功能的其它合適部 件。現在參考圖l,示意性地示出了典型的柴油機系統IO。應當理解， 實質上柴油機系統10僅僅是示意性的，本文所述的柴油機燃燒模式切換 控制策略可使用在各種柴油機系統中。柴油機系統10包括柴油機12、進 氣歧管14、共軌燃料噴射系統16和排氣系統18。典型的發動機12包括六 個氣缸20，這六個氣缸20布置在相鄰的V型氣缸組22、 24中。儘管圖l 示出了六個氣缸(N = 6),但是應當理解，發動機12可包括更多或更少 的氣缸20。例如，使用具有2、 4、 5、 8、 10、 12和16個氣缸的發動機。空氣吸入進氣歧管14內，分配進氣缸20中，並在氣缸20中壓縮。圖 2更加詳細地示出了氣缸20。燃料由共軌噴射系統16 (圖l)噴入氣缸20 的進氣口 31和/或直接到氣缸20中。壓縮空氣的熱量點燃空氣/燃料混合 物。進氣門32有選擇地打開和關閉，以使空氣能夠進入氣缸20中。進氣 門位置由進氣凸輪軸(未示出)調節。燃料噴射器33將燃料噴射到氣缸 20內。控制燃料噴射器33,以在氣缸20內按照由柴油機燃燒模式切換控 制策略確定的時間和量提供所需空氣燃料(A/F)比。在氣缸20的進氣 口處或附近可設置另外的燃料噴射器34,以虛影顯示，該燃料噴射器可 根據柴油機燃燒模式切換控制策略類似地控制。活塞35在氣缸20內壓縮A/F混合物。熱空氣的壓縮點燃了氣缸20中 的燃料，驅動活塞35。然後活塞35驅動曲軸(未示出)以產生驅動扭矩。 當排氣門37處於打開位置時，氣缸20中的燃燒廢氣被排出排氣口36。排 氣門位置由排氣凸輪軸(未示出)調節。儘管只示出了一個進氣門32和 一個排氣門37，但是應當理解，發動機12可每個氣缸20包括多個進氣門 32和多個排氣門37。再參考圖l,廢氣從氣缸20排入排氣系統18。排氣系統18包括排氣 歧管28、 30，排氣管道27、 29，催化劑38和柴油機微粒過濾器(DPF) 40。第一和第二氣缸組22、 34確定了第一和第二廢氣部分。排氣歧管28、 30將廢氣部分從相應的氣缸組22、 24引導入排氣管道27、 29。在一些情 形中，柴油機系統10包括向氣缸20泵送另外的空氣以便與從進氣歧管14 吸入的燃料和空氣一起燃燒的渦輪26 。廢氣被引入渦輪26以驅動渦輪 26。混合廢氣流從渦輪26流過催化劑38和DPF40。當混合廢氣流流向大 氣時，DPF40從該混合廢氣流過濾掉微粒。在一些情形中，柴油機系統可包括廢氣再循環(EGR)系統(未示 出)。EGR系統包括調節流回進氣歧管14的廢氣的EGR閥(未示出)。 循環回進氣歧管14的廢氣量有助於降低歧管14內的空氣溫度，並影響發 動枳4醜矩輸出。控制器42根據本公開的柴油機燃燒模式切換控制策略調節柴油機 系統10的運行。更具體地，控制器42確定是否需要PCI與傳統的柴油機 燃燒之間的切換，從而控制發動機在燃燒模式之間切換。控制器42與進 氣歧管增壓壓力(增壓)傳感器44、質量氣流(MAF)傳感器45、發動 機速度傳感器46和進氣歧管溫度傳感器47通信。增壓傳感器44產生表明 進氣歧管14中空氣壓力的信號。MAF傳感器45基於進入發動機12的空氣 流產生MAF信號。發動機速度傳感器46產生表明發動機速度(RPM)的 信號。進氣歧管溫度傳感器47基於進氣歧管14中的空氣溫度產生溫度信 號。廢氣壓力傳感器48基於從渦輪26流出的廢氣壓力產生廢氣壓力信 號。現在參考圖3，數據流圖表示出了可嵌在控制器42內的柴油機燃燒 模式切換控制系統49的實施例。根據本公開的柴油機燃燒模式切換控制 系統49的各種實施例可包括任意數量的嵌在控制器42內的子才莫塊。所示 子模塊可組合在一起和/或進一步劃分開，以類似地控制燃燒模式。在各 種實施例中，圖3的控制器42包括切換確定模塊50、轉換模塊52、空氣 /EGR估計模塊54和空氣/燃料控制模塊56。切換確定模塊50接收輸入的發動機運行參數，例如發動機速度58和 實際燃料量57 (由控制器42內的其它子模塊確定)。切換確定模塊50基 於運行參數確定是否需要PCI模式與柴油機燃燒模式之間的轉換。如果 需要轉換，那麼切換確定模塊50向轉換模塊52輸出切換請求60。空氣 /EGR估計衝莫塊54接收輸入的發動機運行參數，例如發動機速度58、實際 燃料量57、質量氣流70、進氣歧管內的增壓壓力72、進氣歧管內的溫度 74和廢氣壓力76。空氣/EGR估計模塊54確定是否滿足PCI或柴油機燃燒 的空氣/EGR需求。空氣/EGR估計模塊向轉換模塊52輸出空氣/EGR條件 78。轉換模塊52接收切換請求60和空氣/EGR條件78作為輸入。轉換模塊 52基於空氣(如果切換至柴油機燃燒)或EGR (如果切換至PCI)的條 件協調何時以及怎樣在燃燒模式之間轉換。 一旦轉換模塊52確定了要轉
換至的適當模式，那麼就向空氣/燃料控制模塊56輸出所需的模式80。空 氣/燃料控制模塊56接收模式80和發動機運行參數作為輸入，例如發動機 速度58、實際燃料量57、質量氣流70、實際噴射正時82和所需扭矩84。 空氣/燃料控制模塊56確定怎樣控制在PCI模式和柴油機燃燒模式之間的 切換和運行。更具體地，空氣/燃料控制模塊56控制空氣目標56、燃料噴 射量88和所需正時90。下面對柴油機燃燒模式切換控制系統49的細節進 ^亍更力。"^細的描述。現在參考圖4，對圖3的切換確定模塊50進行更加詳細的描述。切換 確定模塊50確定是否需要在PCI模式與柴油機燃燒模式之間進行切換。 其策略設計成優化以下目標，即使兩個燃燒模式之間的切換最少、以及 使PCI燃燒時間最長以利用低排放水平的PCI燃燒。圖4示出了標記為A-E的五個發動機運行點轉換狀況。發動機的運行 情形分為三個燃燒模式柴油機燃燒模式IOO、 PCI模式102和滯後或轉 換模式104。切換請求60基於沿著y軸106所示的燃料量和沿著x軸108所 示的發動機速度來確定。在其他實施例中，基於扭矩和發動機速度確定 切換請求60。確定切換請求60的策略基於下面所述的轉換狀況。狀況A示出了當燃燒模式保持在PCI與柴油機模式之間的滯後區域 (未發生切換)時的燃料和速度需求。狀況B示出了當燃燒模式從柴油 機燃燒模式100切換為PCI模式102並保持在PCI模式102中一段時間時的 燃料和速度需求。狀況C示出了當燃燒模式從PCI模式102切換為柴油機 燃燒模式100並保持在柴油機燃燒模式100中一段時間時的燃料和速度 需求。狀況D示出了當燃燒模式從柴油機燃燒模式100切換為PCI模式 102 ，然後只保持PCI模式102—小段時間之後就切換回柴油機燃燒模式 時的燃料和速度需求。當確定為該狀況時，其切換實際上限制為保留在 柴油機燃燒模式100內一定的延時時間(未發生實際切換)。在該狀況 期間，切換請求60恰當地設定為反映該限制。這防止了僅短時間段內至 PCI燃燒的不必要的來回切換。狀況E示出了當燃燒模式從PCI模式102切換為柴油機燃燒模式 100,然後只保持柴油機燃燒模式100 —小段時間之後就切換回PCI模式 102時的燃料和速度需求。在這種情形下必須發生切換。這是由於PCI燃 燒只可運行在低負載運行條件下。 對圖3的轉換;漢塊52進行更加詳細的描述。因為 PCI與柴油機燃燒的運行條件需求有很大的不同，所以在發出模式切換 請求60之後，無法立刻從一個模式切換到另一個模式。因此，當向轉換 模塊52提交模式切換請求60時，轉換模塊52會在恰當的時刻和恰當的情 形之下協調燃燒模式切換。轉換模塊52包括執行該功能的燃燒模式切換 協調子系統(CMSCS)。如圖5的狀態圖中所示，當CMSCS接收到切換為不同燃燒模式的切 換請求60時，其模式將首先設定為轉換模式。轉換模式可為柴油機燃燒 至PCI轉換模式11 O和PCI至柴油機燃燒轉換模式112中至少 一個。例如， 如果初始模式為柴油機燃燒模式IOO，那麼在接收到切換為PCI模式102 的切換請求60之後，CMSCS將把其模式切換為柴油機燃燒至PCI轉換模 式IIO。當處於該模式中時，CMSCS會檢查從圖3的空氣/EGR估計模塊 54接收到的空氣/EGR條件。如果空氣/EGR條件表明EGR充足，那麼 CMSCS將把模式切換為PCI模式102。否則，如果在空氣/EGR條件78表 明EGR已準備好之前接收到切換回柴油機燃燒模式1 OO的切換請求，那 麼CMSCS將模式切換回柴油機燃燒模式IOO。該策略保證了只有當達到 適當的條件(例如空氣和EGR百分比)時，才進入所需的燃燒模式。類似地，如果初始模式為PCI模式102，那麼在接收到切換為柴油機 燃燒模式100的切換請求60之後，CMSCS將把其模式切換為PCI至柴油機 燃燒轉換模式112。當處於該模式中時，CMSCS會檢查從圖3的空氣/EGR 估計模塊54接收到的空氣/EGR條件。如果空氣/EGR條件表明空氣/EGR 充足，那麼CMSCS將把模式切換為柴油機燃燒模式IOO。否則，如果在 空氣/EGR條件78表明空氣/EGR已準備好之前接收到切換回PCI模式102 的切換請求，那麼CMSCS將模式切換回PCI模式102。現在參考圖6,對圖3的空氣/EGR估計模塊54進行更加詳細的描述。 該子系統包括實時預估計子模塊120和目標比較子模塊122。估計子模塊 120基於各種測量參數，例如發動機速度、質量氣流量、燃料量、增壓 壓力、進氣溫度和排氣壓力，估計進氣歧管中的EGR百分比和氧氣百分 比。目標比較子模塊122計算目標值，並將估計的EGR和氧氣百分比與 目標值進行比較，以確定是否滿足PCI或柴油機燃燒的空氣/EGR需求。 空氣/EGR條件基於上迷需求是否滿足來設定。該空氣/EGR條件輸出到 圖3的轉換模塊52,以確定發動機所需的適當燃燒模式。
現在參考圖7 ，對圖3的空氣/燃料控制模塊56進行更加詳細的描述。 該子系統控制氣缸的空氣和燃料，以在燃燒模式切換期間獲得平順的轉 換。空氣/燃料控制模塊56基於由圖3的轉換模塊52確定的模式來確定質 量氣流量、燃料噴射量和燃料噴射正時的目標值。在PCI模式和柴油機 燃燒模式期間，質量氣流量、燃料噴射量和燃料噴射正時基於發動機速 度和燃料量(或扭矩)來確定。在典型的實施例中，對於各模式使用不 同的質量氣流量、燃料噴射量和燃料噴射正時查尋表。該查尋表可為以 發動機速度和燃料量(或扭矩)為索引的二維表格。在轉換模式期間，基於發動機速度和燃料量(或扭矩)確定質量氣 流量目標和所需的燃料噴射正時。在典型實施例中，對於各轉換模式使 用不同的質量氣流量和燃料噴射正時查尋表。該查尋表可為以發動機速 度和燃料量(或扭矩)為索引的二維表格。但是，在轉換模式期間，採 用圖7中所示的扭矩控制子系統來調整燃料噴射量，使得保持所需的扭 矩，並獲得燃燒才莫式之間的平順轉換。在圖7中，扭矩估計子模塊124基於燃燒模式、燃料量、質量氣流量、 噴射正時和發動才幾速度確定估計的扭矩。在126處從確定的所需扭矩減 去估計的扭矩。反轉扭矩子模塊128基於扭矩差和其它發動機運行參 數，例如發動機速度、估計的扭矩和燃燒模式來確定燃料調節值。然後 在130處將燃料調節值加到實際燃料量，並輸出為所需的燃料量。然後 使用所需的燃料量控制氣缸的燃料。本領域的技術人員從前面的描述應當理解，本發明廣泛的教導可以 多種形式執行。因此，儘管根據其特定實施例描述了本發明，但是由於 通過對附圖、說明書和所附權利要求的研究，其它修改對於技術人員也 是顯而易見的，所以本發明的實際範圍不應當這樣限制。
權利要求
1.一種柴油機的燃燒模式切換控制系統，包括切換確定模塊，該模塊基於燃料量與扭矩中至少之一以及發動機速度，發出在預混合壓縮點火(PCI)模式和柴油機燃燒模式中至少一個之間切換的切換請求；轉換模塊，該模塊基於所述切換請求來指令所述PCI模式和所述柴油機燃燒模式中該至少之一；和控制模塊，該模塊基於所述指令控制目標氣流量、所需燃料量和所需噴射正時中至少之一。
2. 如權利要求l所述的系統，還包括空氣估計模塊，該模塊確定流 入發動機的空氣的當前狀態，其中所述轉換模塊基於所述狀態指令所述 PCI模式和所述柴油機燃燒模式中該至少之一。
3. 如權利要求2所述的系統，其中所述空氣估計模塊基於從廢氣再 循環(EGR)流出的空氣百分比是否足以允許發生切換來確定氣流的當 前狀態。
4. 如權利要求2所述的系統，其中所述空氣估計模塊基於燃料量、 扭矩、發動機速度、質量氣流量、進氣歧管中的增壓壓力、進氣歧管中 的溫度和排氣壓力中至少 一 個來確定氣流的當前狀態。
5. 如權利要求2所述的系統，其中所述轉換模塊在接收到所述切換 請求之後，指令柴油機燃燒至PCI轉換模式和PCI至柴油機燃燒轉換^t式 中至少之一，並且直到至少有一個狀態表示氣流足以適應所述切換請求 和接收到表示切換回前 一 模式的後續切換請求。
6. 如權利要求l所述的系統，其中所述控制模塊基於所述模式、發 動機速度、以及實際燃料噴射量和扭矩中至少之一來控制目標氣流量、 所需燃料噴射量和所需燃料噴射正時。
7. 如權利要求6所述的系統，其中在所述PCI模式和所述柴油機燃燒 模式期間，所述控制模塊對於各所述PCI模式和所述柴油機燃燒模式基 於不同的目標氣流量、所需燃料噴射量和所需燃料噴射正時查尋表來控 制目標氣流量、所需燃料噴射量和所需燃料噴射正時，其中所述查尋表 通過實際燃料噴射量和扭矩中至少之一以及發動機速度來索引。
8. 如權利要求5所述的系統，其中在柴油機燃燒至PCI轉換模式和 PCI至柴油機燃燒轉換模式期間，所述控制模塊對於各柴油機燃燒至PCI 轉換模式和PCI至柴油機燃燒轉換模式基於不同的目標氣流量和燃料噴射正時查尋表來控制目標氣流量和燃料噴射正時，其中所述查尋表通過 實際燃料噴射量和扭矩中至少之一以及發動機速度來索引。
9. 如權利要求5所述的系統，其中在柴油機燃燒至PCI轉換模式和 PCI至柴油機燃燒轉換模式期間，所述控制模塊基於所需扭矩、實際燃 料量、發動機速度、質量氣流量和噴射正時來控制所需的燃料量。
10. 如權利要求5所述的系統，其中在柴油機燃燒至PCI轉換模式和 PCI至柴油機燃燒轉換模式期間，所述控制模塊對於各柴油機燃燒至PCI 轉換模式和PCI至柴油機燃燒轉換模式基於不同的目標氣流量、所需燃 料噴射量和所需燃料噴射正時查尋表中至少之一來控制目標氣流量、所 需燃料噴射量和所需燃料噴射正時，其中所述查尋表通過實際燃料噴射 量和扭矩中至少之一以及發動機速度來索引。
11. 如權利要求5所述的系統，其中在柴油機燃燒至PCI轉換模式和 PCI至柴油機燃燒轉換模式期間，所述控制模塊基於所需扭矩、實際燃 料量、發動機速度、質量氣流量和噴射正時來控制目標氣流量、所需燃料噴射量和所需燃料噴射正時。
12. —種在柴油機的預混合壓縮點火(PCI)模式與柴油機燃燒模式之間切換的方法，包括基於燃料量與扭矩中至少之一 以及發動機速度，發出在預混合壓縮 點火(PCI)模式和柴油機燃燒模式中至少一個之間切換的切換請求；基於所述切換請求來指令所述PCI模式和所述柴油機燃燒模式中至 少之一；和基於所述指令的模式控制目標氣流量、所需燃料量和所需噴射正時 中至少之一。
13. 如權利要求12所述的方法，還包括基於發動機的氣流運行情形 確定氣流狀態，其中基於所述氣流狀態指令所述PCI模式和所述柴油機 燃燒模式中該至少之一。
14. 如權利要求13所述的方法，包括在發出所述切換請求之後，指 令柴油機燃燒至PCI轉換模式和PCI至柴油機燃燒轉換模式中至少之
15. 如權利要求12所述的方法，包括基於所述模式、發動機速度、以及實際燃料量和扭矩中至少之一來 確定所述目標氣流量；和基於所述模式、發動機速度、以及實際燃料量和扭矩中至少之一來 確定所需燃料噴射正時。
16. 如權利要求14所述的方法，包括當所述^^莫式指令為所述柴油機 燃燒至PCI轉換;漢式和所述PCI至柴油機燃燒轉換;溪式時，基於所需的扭 矩、發動機速度、質量氣流量、噴射正時、以及實際燃料量和扭矩中至 少之一 來確定所需的燃料量。
17. 如權利要求14所述的方法，包括在所述柴油機燃燒至PCI轉換模 式和所述PCI至柴油機燃燒轉換模式期間確定所需燃料量，其中所述確 定包括基於當前燃燒模式、實際燃料量、質量氣流量、噴射正時和發動機 速度估計扭矩值；確定估計的扭矩與所需扭矩之間的差；基於所述差和發動機運行參數確定燃料調節值；以及將所述燃料調節值加到所述實際燃料量，以獲得所需燃料量。
18. 如權利要求13所述的方法，所述確定氣流狀態還基於發動機速 度、燃料量、扭矩、質量氣流量、發動機進氣歧管中增壓壓力、進氣歧 管中溫度和排氣壓力中至少之一 。
19. 如權利要求13所述的方法，所述確定氣流狀態包括 估計廢氣再循環(EGR)流入柴油機進氣歧管內的百分比； 估計所述進氣歧管內的氧氣百分比； 計算所述進氣歧管的目標廢氣再循環水平； 計算所述進氣歧管的目標氧氣水平；以及基於估計的EGR百分比與目標EGR的比較和估計的氧氣百分比與 目標氧氣的比較來設定所述氣流狀態。
20. 如權利要求12所述的方法，包括基於所述模式、發動機速度、以及實際燃料量和扭矩中至少之一來 確定所述目標氣流量；和基於所述模式、發動機速度、以及實際燃料量和扭矩中至少之一來 確定所需燃料量。
21. 如權利要求12所述的方法，包括基於所述模式、發動機速度、以及實際燃料量和扭矩中至少之一來確定所需燃料量；基於所述模式、發動機速度、以及實際燃料量和扭矩中至少之一來 確定所需燃料噴射正時。
全文摘要
提供了一種柴油機的燃燒模式切換控制系統。該系統包括切換確定模塊，該模塊基於發動機速度以及燃料量與扭矩中至少之一，發出在預混合壓縮點火(PCI)模式和柴油機燃燒模式中至少一個之間切換的切換請求；轉換模塊，該模塊基於所述切換請求來指令所述PCI模式和所述柴油機燃燒模式中至少之一；控制模塊，該模塊基於所述指令控制目標氣流量、所需燃料量和所需噴射正時中至少之一。
文檔編號F02D43/00GK101131128SQ20071014684
公開日2008年2月27日 申請日期2007年8月24日 優先權日2006年8月24日
發明者C·H·福爾克茨, Q·陳 申請人:通用汽車環球科技運作公司