用于控制 HCCI 燃烧发动机中催化剂温度的系统和方法 技术领域 本发明涉及发动机控制系统， 更具体地涉及用于控制排气催化剂温度的发动机控 制系统， 该排气催化剂用于在火花点火和均质充量压缩点火 (HCCI) 两种模式下工作的发 动机。
背景技术 本节所提供的背景技术描述目的在于从总体上呈现本发明的背景。 发明人的一部 分工作在背景技术部分中被描述， 这部分内容以及在提交申请时该描述中不另构成现有技 术的方面， 既不明确也不暗示地被承认是破坏本发明的现有技术。
发动机可在火花点火 (SI) 模式以及均质充量压缩点火 (HCCI) 模式下工作。HCCI 模式涉及将燃料和氧化剂的混合物压缩到自燃点。 可基于发动机速度和负载来选择其中一 种模式。在 HCCI 模式中， 点燃同时在几个位置处发生， 这使得燃料 / 空气混合物几乎同时 燃烧。 HCCI 模式的执行效果接近于理想的奥托循环， 与 SI 模式相比提供了改进的工作效率 并且产生更低的排放水平。 然而， 由于不存在燃烧的直接引发器， 所以点燃过程趋向于更难 于控制。
为了对 HCCI 模式期间的工作进行调节， 控制系统可改变引起燃烧的条件。例如， 控制系统可调节压缩比、 所引起的气体温度、 所引起的气体压力、 或者保留的或重新引入的 排气量。已经采用了一些措施来实施调节， 从而扩展了 HCCI 工作区域。
一种控制措施采用了可变气门正时来调节压缩比。 例如， 当进气门关闭时， 可通过 调节来控制压缩比。保留在燃烧室内的排气量可通过气门重打开和 / 或气门重叠而得到控 制。
在发动机工作于 HCCI 模式期间， 排气温度低于运行在火花喷射模式下的排气温 度。时间一长， HCCI 模式中较低的排气温度会降低催化剂效率。当催化剂温度下降到低于 预定温度时， 催化剂效率可下降到低于临界阈值。当温度或催化剂效率下降到低于预定阈 值时， 车辆排放的排气量增加。
发明内容 根据本发明的发动机控制系统使汽油发动机以 SI 模式和 HCCI 模式工作。 HCCI 模 式在有限的工作范围内工作。 然而， 如果排气效率或温度下降到低于阈值， 则在一个或多个 汽缸中采用 SI 模式以提高排气的温度， 从而提高催化剂的温度和效率。
在本发明的一个方面中， 一种控制发动机的方法包括 ： 使发动机以均质充量压缩 点火 (HCCI) 模式工作 ； 监视所述发动机的工况 ； 响应于所述发动机的所述工况产生催化剂 的第一预测状况 ； 将所述第一预测状况与第一阈值进行比较 ； 并且响应于所述比较使所述 发动机以火花喷射模式工作。
在本发明的另一个方面中， 一种用于控制发动机的系统包括 ： 均质充量压缩点火 (HCCI) 模式控制模块， 其使发动机以 HCCI 模式工作 ； 和状况监视器模块， 其监视所述发动
机的工况。控制模块还包括状况预测器模块， 其响应于所述发动机的所述工况产生催化剂 的第一预测状况。比较模块将所述第一预测状况与第一阈值进行比较。火花喷射模式控制 模块响应于该比较使所述发动机以火花喷射模式工作。
本发明还提供了以下方案 ：
方案 1. 一种控制发动机的方法， 包括 ：
使发动机以均质充量压缩点火模式工作 ；
监视所述发动机的工况 ；
响应于所述发动机的所述工况产生催化剂的第一预测状况 ；
将所述第一预测状况与第一阈值进行比较 ； 和
响应于比较使所述发动机以火花喷射模式工作。
方案 2. 如方案 1 所述的方法， 其特征在于， 进一步包括响应于所述发动机的所述 工况产生所述催化剂的第二预测状况 ；
将所述第二预测状况与第二阈值进行比较 ；
响应于将所述第二预测状况与所述第二阈值进行比较使所述发动机以所述均质 充量压缩点火模式工作。 方案 3. 如方案 2 所述的方法， 其特征在于， 将所述第二预测状况与第二阈值进行 比较包括将所述第二预测状况与等于所述第一阈值的所述第二阈值进行比较。
方案 4. 如方案 2 所述的方法， 其特征在于， 将所述预测状况与第二阈值进行比较 包括将所述预测状况与不同于所述第一阈值的第二阈值进行比较。
方案 5. 如方案 2 所述的方法， 其特征在于， 响应于将所述第二预测状况与所述第 二阈值进行比较使所述发动机以均质充量压缩点火模式工作包括当所述第二预测状况大 于所述第二阈值时使所述发动机以所述均质充量压缩点火模式工作。
方案 6. 如方案 5 所述的方法， 其特征在于， 第二预测状况包括催化剂效率和催化 剂温度中的一个。
方案 7. 如方案 1 所述的方法， 其特征在于， 产生第一预测状况包括产生催化剂温 度。
方案 8. 如方案 1 所述的方法， 其特征在于， 产生第一预测状况包括产生催化剂效 率。
方案 9. 如方案 1 所述的方法， 其特征在于， 响应于所述发动机的所述工况产生催 化剂的第一预测状况包括响应于所述发动机的所述工况以及催化剂模型产生所述催化剂 的所述第一预测状况。
方案 10. 如方案 1 所述的方法， 其特征在于， 响应于比较使所述发动机以火花喷射 模式工作包括当所述第一预测状况低于所述第一阈值时使所述发动机以火花点火模式工 作。
方案 11. 如方案 1 所述的方法， 其特征在于， 响应于比较使所述发动机以火花喷射 模式工作包括使第一汽缸以所述火花喷射模式工作， 并且使不同于所述第一汽缸的多个汽 缸以所述均质充量压缩点火模式工作。
方案 12. 如方案 1 所述的方法， 其特征在于， 响应于比较使所述发动机以火花喷射 模式工作包括使第一多个汽缸以所述火花喷射模式工作， 并且使不同于所述第一多个汽缸
的第二多个汽缸以所述均质充量压缩点火模式工作。
方案 13. 如方案 12 所述的方法， 其特征在于， 进一步包括利用所述第一多个汽缸 和所述第二多个汽缸形成第一型式， 而后利用所述第一多个汽缸和第二多个汽缸形成第二 型式， 所述第一型式不同于所述第二型式。
方案 14. 一种控制模块， 包括 ：
均质充量压缩点火模式控制模块， 其使发动机以均质充量压缩点火模式工作 ；
状况监视器模块， 其监视所述发动机的工况 ；
状况预测器模块， 其响应于所述发动机的所述工况产生催化剂的第一预测状况 ；
比较模块， 其将所述第一预测状况与第一阈值进行比较 ； 和
火花喷射模式控制模块， 其响应于比较使所述发动机以火花喷射模式工作。
方案 15. 如方案 14 所述的控制模块， 其特征在于， 所述状况预测器模块响应于所 述发动机的所述工况产生所述催化剂的第二预测状况， 其中， 所述比较模块将所述第二预 测状况与第二阈值进行比较， 并且其中， 所述均质充量压缩点火模式控制模块响应于将所 述第二预测状况与所述第二阈值进行比较来使所述发动机以所述均质充量压缩点火模式 工作。
方案 16. 如方案 15 所述的控制模块， 其特征在于， 所述第二预测状况包括催化剂 效率和催化剂温度中的一个。
方案 17. 如方案 15 所述的控制模块， 其特征在于， 当所述第二预测状况大于所述 第二阈值时， 所述均质充量压缩点火模式控制模块使所述发动机以所述均质充量压缩点火 模式工作。
方案 18. 如方案 14 所述的控制模块， 其特征在于， 所述火花点火模式控制模块响 应于比较来使所述发动机的第一汽缸以所述火花喷射模式工作， 并且所述均质充量压缩点 火模式控制模块使不同于所述第一汽缸的多个汽缸以所述均质充量压缩点火模式工作。
方案 19. 如方案 14 所述的控制模块， 其特征在于， 所述火花点火模式控制模块响 应于比较来使所述发动机的第一多个汽缸以所述火花喷射模式工作， 并且所述均质充量压 缩点火模式控制模块使不同于所述第一汽缸的第二多个汽缸以所述均质充量压缩点火模 式工作。
方案 20. 如方案 14 所述的控制模块， 其特征在于， 当所述第一预测状况低于所述 第一阈值时， 所述火花喷射模式控制模块使所述发动机以火花点火模式工作。
通过本文提供的描述将明了进一步的应用领域。应当理解的是， 这些描述和特定 示例仅仅用于说明的目的， 而并不旨在限制本发明的范围。 附图说明
根据详细描述和附图， 本发明将得到更加全面的理解， 附图中 ：
图 1A 是根据本发明在 SI 和 HCCI 燃烧模式下工作的发动机控制系统的功能框图 ；
图 1B 是示例性气门升程调节系统的功能框图 ；
图 1C 是示例性发动机控制模块的功能框图 ；
图 2 是根据本发明在 HCCI 模式和 SI 模式之间切换的方法的流程图 ； 以及
图 3 是在 HCCI 模式之后控制 SI 模式工作的流程图。具体实施方式
下面的描述本质上仅仅是示例性的， 并不试图以任何方式限制本发明、 其应用或 用途。为了清楚起见， 在附图中将使用相同附图标记来表示相似元件。如本文所使用的， 短 语 “A、 B 和 C 中的至少一个” 应当解释为是指使用了非排他性逻辑 “或” 的逻辑 (A 或者 B 或 者 C)。应当理解的是， 在不改变本发明原理的情况下， 方法内的步骤可按照不同顺序执行。
如本文所使用的， 术语 “模块” 指专用集成电路 (ASIC)、 电子电路、 执行一个或多个 软件或固件程序的处理器 ( 共用处理器、 专用处理器、 或组处理器 ) 和存储器、 组合逻辑电 路、 和 / 或提供所述功能的其他适合部件。
根据本发明的发动机控制系统使汽油发动机在 SI 模式和 HCCI 模式下工作。HCCI 模式降低了燃料消耗但仅在有限范围的发动机扭矩和速度下是可用的。仅作为示例， 发动 机控制系统可在低负载至中等负载以及低发动机速度至中等发动机速度的情况下使发动 机工作在 HCCI 模式。发动机控制系统可在其他负载和发动机速度情况下使发动机工作在 SI 模式。HCCI 工作区可由校准表中的工作映射 (operatingmap) 限定。
对于驾驶者而言， 在 SI 模式和 HCCI 模式之间的转变应当显得是无缝的， 应当使发 动机排放最小化， 且应当使燃料消耗的损耗最小化。 本发明监视催化剂的状态 ( 例如， 催化剂温度或催化剂效率 ) 以确定何时从 HCCI 模式切换回 SI 模式， 以使催化剂效率得到提高。本发明使用催化剂温度模型来确定催化剂 温度或效率。
现在参见图 1A， 其中给出了示例性发动机系统 100 的功能框图。发动机系统 100 包括发动机 102， 其基于驾驶者输入模块 104 使空气 / 燃料混合物燃烧以产生用于车辆的驱 动扭矩。发动机可以是直接点火发动机。空气通过节气门 112 被吸入进气歧管 110。发动 机控制模块 (ECM)114 命令节气门致动器模块 116 调节节气门 112 的开度以控制被吸入进 气歧管 110 的空气量。
来自进气歧管 110 的空气被吸入发动机 102 的汽缸。尽管发动机 102 可包括多个 汽缸， 但为了例示的目的， 仅示出了单一的代表性汽缸 118。 仅作为示例， 发动机 102 可包括 2、 3、 4、 5、 6、 8、 10 和 / 或 12 个汽缸。
来自进气歧管 110 的空气通过进气门 122 被吸入汽缸 118。ECM114 控制燃料喷 射系统 124 所喷射的燃料量。燃料喷射系统 124 可在中心位置处将燃料喷入进气歧管 110 中， 或者可在多个位置处将燃料喷入进气歧管 110 中， 这些位置例如是每个汽缸的进气门 附近。替代性地， 燃料喷射系统 124 可将燃料直接喷入汽缸。
所喷射的燃料与空气混合， 并且在汽缸 118 内形成空气 / 燃料混合物。汽缸 118 内的活塞 ( 未示出 ) 对空气 / 燃料混合物进行压缩。基于来自 ECM 114 的信号， 火花致动 器模块 126 对汽缸 118 内的火花塞 128 供能， 这点燃空气 / 燃料混合物。火花的正时可相 对于活塞处于其最高位置 ( 称为上止点 (TDC)) 的时刻而指定。
空气 / 燃料混合物的燃烧驱动活塞向下， 由此驱动旋转的曲轴 ( 未示出 )。然后， 活塞开始再次向上运动并且将燃烧副产物通过排气门 130 排出。燃烧副产物经由排气系统 134 从车辆排出。
进气门 122 可由进气凸轮轴 140 控制， 而排气门 130 可由排气凸轮轴 142 控制。 在 各种实施方式中， 多个进气凸轮轴可控制每个汽缸的多个进气门和 / 或可控制多排汽缸的
进气门。类似地， 多个排气凸轮轴可控制每个汽缸的多个排气门和 / 或可控制多排汽缸的 排气门。
进气门 122 打开的时刻可由进气凸轮相位器 148 相对于活塞 TDC 进行改变。排气 门 130 打开的时刻可由排气凸轮相位器 150 相对于活塞 TDC 进行改变。相位器致动器模块 158 基于来自 ECM 114 的信号控制进气凸轮相位器 148 和排气凸轮相位器 150。升程致动 器模块 120 通过液压方式或者利用其他方法来调节气门升程量。
发动机系统 100 可包括排气再循环 (EGR) 阀 170， 其将排气选择性地重引导回进 气歧管 110。发动机系统 100 可利用 RPM 传感器 180 以每分钟转数 (RPM) 为单位测量曲轴 速度。可利用发动机冷却剂温度 (ECT) 传感器 182 测量发动机冷却剂的温度。ECT 传感器 182 可位于发动机 102 内或者位于冷却剂流通的其他位置， 例如散热器 ( 未示出 ) 处。
可利用歧管绝对压力 (MAP) 传感器 184 测量进气歧管 110 内的压力。在各种实施 方式中， 可测量发动机真空， 发动机真空是环境空气压力和进气歧管 110 内的压力之差。可 利用质量空气流量 (MAF) 传感器 186 测量流入进气歧管 110 中的空气质量。
ECM 114 可基于 MAF 传感器 186 产生的 MAF 信号来计算测量的每汽缸空气 (APC)。 ECM 114 可基于发动机工况、 操作者输入、 或其他参数来估计期望的 APC。节气门致动器模 块 116 可利用一个或多个节气门位置传感器 (TPS)190 监视节气门 112 的位置。可利用进 气空气温度 (IAT) 传感器 192 测量被吸入发动机系统 100 的空气的环境温度。ECM 114 可 使用来自传感器的信号来作出用于发动机系统 100 的控制决定。 为了抽象地指代发动机 102 的各种控制机构， 改变发动机参数的每个系统均可被 称为是致动器。例如， 节气门致动器模块 116 可改变节气门 112 的叶片位置， 并从而改变节 气门 112 的打开面积。因此， 节气门致动器模块 116 可被称为是致动器， 而节气门打开面积 可被称为是致动器位置。
类似地， 火花致动器模块 126 可被称为是致动器， 而对应的致动器位置则是火花 提前或延迟量。其他致动器包括 EGR 阀 170、 相位器致动器模块 158 和燃料喷射系统 124。 关于这些致动器的术语 “致动器位置” 可分别对应于 EGR 阀开度、 进气和排气凸轮相位器 角、 以及空气 / 燃料比。
现在参见图 1B， 示出了气门升程控制回路 250 的功能框图。 气门升程控制回路 250 包括进气门 / 排气门组件 252， 其经由油泵 256 从储油器 254 接收油。油在被气门组件 252 接收之前通过油过滤器 258 过滤。控制模块对气门组件 252 的进气门 260 和排气门 262 的 升程操作进行控制。
气门组件 252 包括进气门 260 和排气门 262， 进气门 260 和排气门 262 具有打开和 关闭状态并且经由一个或多个凸轮轴 264 被致动。可包括专用进气凸轮轴和专用排气凸轮 轴。在另一个实施例中， 进气门 260 和排气门 262 共享共用的凸轮轴。当处于打开状态时， 进气门 260 和排气门 262 可在各种升程状态下工作。
气门组件 252 还包括气门升程状态调节装置 270。升程状态调节装置 270 可包括 油压控制阀 272 和诸如螺线管 274 这样的气门升程控制阀。也可包括其他升程状态调节装 置 276， 例如升程销、 杆、 摇杆、 弹簧、 锁定机构、 挺杆等。
气门升程控制回路 250 可包括油温传感器 280 和 / 或油压传感器 282。控制模块 基于接收自温度和压力传感器 280、 282 的温度和压力信号向油压控制阀 272 发送信号。
现在参见图 1C， 发动机控制模块 114 可包括具有 MAP 控制模式 (MM) 的映射控制模 块 290。MM 可被设置为 SI 和 HCCI 模式。发动机控制模块 114 包括具有燃料输送模式 (FM) 的燃料输送模块 292。燃料输送模块 292 可在 SI、 分层燃烧和 HCCI 模式之间切换 FM。燃料 输送模块 292 可确定燃料输送的方式、 正时和 / 或量。
发动机控制模块 114 包括具有燃烧模式 (CM) 的燃烧控制模块 294。燃烧模块 294 可在 SI、 HCCI 和预 HCCI 模式之间切换 CM， 并且包括 SI 控制模块 294(a) 和 HCCI 控制模块 294(b)。
发动机控制模块 114 包括具有火花输送模式 (SM) 的火花输送模块 296。火花输 送模块 296 可在 SI、 具有延迟的 SI、 分层燃烧和 HCCI 模式之间切换 SM。火花输送模块 296 可确定火花的正时和持续时间。
发动机控制模块 114 包括具有燃料计算模式 (FC) 的燃料计算模块 297。 燃料计算 模块 297 可在空气主导模式和燃料主导模式之间切换 FC。在空气主导模式中， 基于测得的 或估计的汽缸空气充量或流量来控制燃料。在燃料主导模式中， 基于测得的或输送的燃料 来控制空气。
发动机控制模块 114 包括具有相位器控制模式 (PM) 的相位器控制模块 298。 相位 器控制模块 298 可在 SI 和 HCCI 模式之间切换 PM。相位器控制模块 298 可确定凸轮定相。 发动机控制模块 114 包括具有升程控制模式 (LM) 的升程控制模块 299。 升程控制 模块 299 可在高和低气门升程模式之间切换 LM。本发明不限于高或低升程模式。
发动机控制模块 114 可包括状况监视器模块 302。状况监视器模块可监视车辆的 各种状况， 包括燃料供应、 温度和空气状况。 例如， 状况监视器模块可监视歧管绝对压力、 来 自燃料输送的燃料等。
状况预测器模块 304 基于来自状况监视器模块 302 的状况预测汽缸内的状况。状 况预测器模块响应于发动机的工况产生催化剂的预测状况。 催化剂的预测状况可对应于催 化剂温度或催化剂效率。状况预测器模块 304 可在 HCCI 模式和 SI 模式下工作。
比较模块 306 产生催化剂与阈值的比较。可在比较模块 306 中比较各种阈值。例 如， 可以对以 HCCI 模式工作的催化剂的第一预测状况进行比较， 以确定催化剂温度或效率 是否已经下降到需要以 SI 模式工作来提高催化剂温度的地步。类似地， 当紧接着 HCCI 模 式而工作在 SI 模式时， 可在催化剂效率上升到超过预定温度或效率时将催化剂状况与阈 值进行比较以切换回 HCCI 模式。
模式控制模块 308 基于比较模块 306 内执行的比较来控制发动机模式。模式控制 模块 308 可将发动机工作从 SI 模式改变到 HCCI 模式。
现在参见图 2， 示出了基于监视催化剂状况而在 HCCI 模式和 SI 模式之间进行切换 的方法。在步骤 410 中， 产生催化剂温度模型。催化剂温度模型可用于基于车辆工况来预 测催化剂状况。催化剂温度模型可基于催化剂和发动机工况在发动机开发期间产生。各种 条件都可能会影响催化剂， 包括提供给发动机的火花和燃料。催化剂模型将有可能在各种 发动机和催化剂组合之间变化。催化剂温度模型也可在车辆的各种工况上变化。负载和发 动机速度也将影响催化剂模型。
在步骤 411 中， 如果 HCCI 模式不是所期望的， 则再次执行步骤 410。当 HCCI 模式 是所期望的， 则执行步骤 412。
在步骤 412 中， 确定发动机是否在以全汽缸 HCCI 模式工作。本发明可适用于以 HCCI 模式工作的发动机， 以确定是否切换到 SI 模式。在步骤 412 中， 当发动机在步骤 432 中是以 HCCI 模式工作时， 步骤 414 监视发动机的工况。可监视负载、 发动机速度、 扭矩以及 其他状况。在步骤 416 中， 在工况和步骤 410 的模型之间执行比较。在步骤 418 中， 确定催 化剂的第一预测状况。 如上所述， 第一预测状况可对应于催化剂温度、 催化剂效率或其他催 化剂状况。
在该示例中， 第一预测状况被确定并与第一阈值比较。当第一状况不小于第一阈 值时， 再次执行步骤 410。当第一预测状况小于第一阈值时， 执行步骤 422。在步骤 420 中 执行的比较指示了催化剂未以期望效率工作， 而在高于期望效率时催化剂的输出才是可接 受的。在步骤 422， 发动机切换到 SI 模式以提高催化剂温度。当在步骤 412 中并非全部汽 缸均处于 HCCI 模式时， 也执行步骤 422。在步骤 424 中， 监视车辆的工况。应当注意到， 步 骤 414 和 424 均对应于监视发动机的工况。对正在进行监视的发动机状况可以继续加以监 视。
在步骤 426 中， 将工况与模型进行比较。在步骤 428 中， 确定催化剂的第二预测状 况。在步骤 430 中， 将第二预测状况与第二阈值进行比较。第二阈值对应于当催化剂效率 或温度已经上升到足以产生可接受的排气温度时切换回 HCCI 模式的水平。在步骤 430 中， 当第二预测状况不大于第二阈值时， 再次执行步骤 410、 4111 和 422， 并且发动机继续以 SI 模式工作。通过再次执行步骤 422， 发动机继续以 SI 模式工作。
在步骤 432， 使发动机以 HCCI 模式工作以提高车辆的燃料效率。 系统可从步骤 412 连续地执行该过程。
现在参见图 3， 更详细示出了图 2 的步骤 422。在步骤 422 中， 发动机以 SI 模式工 作。在步骤 510 中， 从 HCCI 模式进入 SI 模式。该 SI 模式是在 HCCI 模式之后而不是车辆 正常工况下执行的 SI 模式。在步骤 412 中， 发动机可使用预定数量的汽缸工作在 SI 模式 中， 同时使其他汽缸保持工作在 HCCI 模式。也就是， 一个或多个汽缸可按照 SI 模式工作， 而其他汽缸可按照 HCCI 模式工作。例如， 一个或两个汽缸可按照 SI 模式工作， 而剩余汽缸 可按照 HCCI 模式工作。
在步骤 514， 可以改变采用 SI 模式的汽缸的工作型式 (pattern)， 而同时维持其他 汽缸处于 HCCI 模式中。在步骤 514 中， 可改变或轮换处于 SI 模式下的汽缸的工作型式， 使 得催化剂效率或催化剂温度被提高到某个温度。该型式可改变， 从而以 SI 模式使用各种数 量的汽缸， 而剩余的汽缸则以 HCCI 模式工作。可取决于催化剂效率来执行汽缸的各种型式 和数量。随着催化剂效率的提高， 以 HCCI 模式工作的汽缸的数量可能会减少， 直到 HCCI 模 式完全可用时为止。
本领域技术人员从前面的描述能够意识到， 本发明的广泛教导可按照多种形式实 施。 因此， 尽管结合本发明的具体示例对本发明进行了描述， 但本发明的真实范围却不应当 限于这些具体示例， 因为本领域技术人员在研究了附图、 说明书和所附权利要求后将会明 白其他的修改。