CN101287897A - 用于具有受控自动点火燃烧的直接喷射发动机的负荷瞬态控制方法 - Google Patents

用于具有受控自动点火燃烧的直接喷射发动机的负荷瞬态控制方法 Download PDF

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Abstract

一种直接喷射受控自动点火发动机是在稳态下、在均相充填压缩点火(HCCI)的负荷范围内、以燃料空气稀释混合物被运行的，该燃料空气稀释混合物处于对于每一速度和负荷而言的发动机控制输入的预定状态下，该发动机控制输入至少包括加燃料质量流率、喷射定时(FI)、火花定时(SI)以及通过负的阀重叠(NVO)而获得的排气再压缩。在负荷变化速率低于预定阈值期间，使得SI、FI和NVO变化速率与加燃料质量流率的当前变化同步。对于高于阈值的快速负荷升高而言，通过在加料中足够地提高剩余气体的百分比或者足够地降低新鲜空气质量的百分比而暂时浓缩气缸的加料，以便在负荷变化期间保持自动点火温度。这可以通过延迟预定数量的速度依赖性发动机周期的NVO动作而完成。在非常低的负荷时，稳定的燃料速率降低可以要求包括在再点火期间以逐步变化的方式进行减速燃料切断的备选方法。

Description

用于具有受控自动点火燃烧的直接喷射发动机的负荷瞬态控制方法
技术领域
本发明涉及受控自动点火内燃机。更详细地讲，本发明牵涉到该种发动机内负荷转换的稳定性。
发明背景
为了改良汽油内燃机的热效率，熟知使用空气或者再循环废气的稀释燃烧可以获得升高的热效率和低的氮氧化物(NOx)排放量。然而，由于缓慢燃烧会导致灭火(misfire)和燃烧不稳定，因此存在着发动机可以用稀释的混合物进行操作的限度。已知扩大稀释限度的方法包括：1)通过强化点火和燃料制品改良混合物的可燃性；2)通过引入电荷运动和紊流加强火焰速度；和3)在受控自动点火燃烧状态下操作发动机。
受控自动点火过程有时也称为均相充填压缩点火(HCCI)过程。在此过程中产生燃烧气体、空气和燃料的混合物，并且在压缩期间在混合物的多个点火位置同时自动点火，从而产生非常稳定的功率输出和高热效率。因为在整个充填过程中燃烧得到了高度稀释和均匀分布，所以燃烧气体温度和因此产生的NOx排放量都远低于基于蔓延焰锋的常规火花点火发动机和基于附加扩散焰的柴油发动机。在电火花点火和柴油(diesel)发动机中，在混合物中燃烧的气体温度是高度地不均匀的，非常高的局部温度产生了高的NOx排放量。
在应用常规压缩比的双冲程汽油发动机中，在受控自动点火燃烧状态下运行的发动机已经被成功地进行了演示。可以确信，从先前周期中剩余的高比例燃烧气体即双冲程发动机燃烧室内的剩余量，用于提供促进高稀释混合物自动点火所必需的高混合温度。在具有常规阀机构的四冲程发动机中，剩余量较低，在部分负荷时受控自动点火难以实现。在部分负荷时诱导受控自动点火的已知方法包括：1)进入的空气加热；2)可变压缩比；和3)将汽油同自动点火范围较汽油更宽的燃料相混合。在所有上述方法中，可以获得的受控自动点火燃烧的发动机速度和负荷的范围相对较窄。
在应用可调节阀门驱动的四冲程汽油发动机中，已演示了在受控自动点火燃烧状态下运行的发动机以便满足用于在高稀释混合物中自动点火的必要条件。包括分流喷射(split injection)和单次喷射的各种加燃料控制已被建议结合阀门控制策略使用以便在各种发动机负荷状态下保持稳定的自动点火燃烧。
在共同转让的美国专利申请号10/899457中公开了一种用于稳定的、扩大受控自动点火的示范性燃料喷射和阀策略。其中在低负荷运行期间，在负的阀重叠期间内发生固定量燃料的第一次喷射，紧接着在随后的压缩冲程发生第二次燃料喷射。用于第一次喷射的喷射定时延迟了，而用于第二次喷射的喷射定时随着发动机负荷的增长而以连续的方式提前。在中等部分负荷运行期间，在负的阀重叠期间内的燃料第一次喷射支持自动点火，并且在随后的进气冲程期间直接紧跟着燃料的第二次喷射。该两种喷射的最佳分离是在30至60度的曲柄角(crank angle)附近。两种喷射的喷射定时随着发动机负荷的增长都以连续的方式延迟。而在高的部分负荷期间，在进气冲程期间的单次燃料喷射支持自动点火。喷射定时随着发动机负荷的增长而延迟。
虽然上文概述的提前已成功地演示了在稳态条件下的受控自动点火能力，但是快速的负荷变化或者瞬态可能导入不合需要的燃烧结果。
发明概述
在受控自动点火发动机中，燃烧定相(combustion phasing)受到加料温度的强烈影响，举例来说，高的进料温度提前了燃烧定相且可导致爆震(knocking)，而低的进料温度延迟了燃烧定相且可导致部分燃烧或灭火。本发明提供了一种用于在快速负荷瞬态期间自低的部分负荷到高的部分负荷(反之亦然)时稳健的自动点火燃烧控制的系统和方法。根据本发明通过采用喷射和阀策略的各种组合，在负荷瞬态期间保持了稳定的受控自动点火燃烧。
在低的负荷时，通过使用用于控制燃烧温度的排气再压缩，压缩机非节流地以贫燃料的(lean)燃料/空气比以及受控自动点火的方式运行。在高的部分负荷时，要求化学计量操作用于控制NOx的排放量，因此节流操作和废气再循环(EGR)同外部排气再循环添加在一起以便控制燃烧温度。自查找表获取的稳态燃烧条件用于各种负荷和各种速度下的稳态操作。
在HCCI运行中，自低的部分负荷到高的部分负荷以及返回到低的负荷的快速负荷变化可以通过将燃料喷射定时(FI)、火花定时(SI)以及负的阀重叠(NVO)与当前的加燃料质量流率同步而得以实现且无过剩的燃烧定相变化。然而，对于负荷增长来讲，超出预定阈值的快速负荷变化要求NVO的降低应延迟多个速度依赖性发动机周期以便在气缸内保持足够的气体温度从而避免灭火。
在较高负荷的化学计量运行中，节流阀位置和外部EGR增添到NVO以便控制燃烧温度。必要的时候在快速的负荷变化期间，要求较高百分比的剩余废气和/或较低百分比的新鲜空气质量保持足够的自动点火温度。这可以通过节流阀、EGR以及NVO调节而得以实现。
提供了前馈控制，包括火花定时、燃料喷射定时和阀定时的发动机的控制输入相应于当前的加燃料速率通过前馈控制而被设置成等同于稳态输入。预先校准的稳态输入储存在查找表中，而发动机的输入基于当前的加燃料速率通过在查找表内增添稳态输入值而得以确定。
根据下文中对本发明某些特定实施例的说明并结合附图，将会更全面地理解本发明的这些和其它的特征和优点。
附图简要说明
图1为根据本发明能够操作的单气缸汽油直接喷射四冲程内燃机的示意图；
图2为用于四冲程内燃机排气阀和进气阀定相的阀升程对比曲柄角的曲线图，四冲程内燃机根据采用具有双凸轮定相的两步可调节阀门驱动的示范的受控自动点火控制在不同负荷时运行；
图3A为具有示范的受控自动点火喷射策略的典型的进气阀过程和排气阀过程对比曲柄角的曲线图，示范的受控自动点火喷射策略分别用于低的部分负荷、中等部分负荷以及高的部分负荷的发动机运行；
图3B为示范的受控自动点火排气再压缩阀策略的典型的气缸内压力记录对比曲柄角的曲线图；
图4为排气阀和进气阀、燃料喷射和运行模式的示范的全部运行策略对比发动机负荷的曲线图，以便单气缸四冲程内燃机根据采用两步双凸轮定相可调节阀门驱动系统的示范的受控自动点火控制而运行；
图5为示范的控制器的简图，根据本发明在各种负荷瞬态期间通过控制器保持了稳健的受控自动点火燃烧；
图6为具有7毫克/秒的加燃料速率和35度/秒的相位器变化速率在自5至12毫克/周期的快速改变的负荷瞬态期间的所测量的指示平均有效压力(IMEP)对比发动机周期的曲线图；
图7为在室温吸入的空气、油和冷却液温度下用于8.5至14毫克/周期的负荷瞬态测试的阀升程曲线的曲线图；
图8为具有14毫克/秒的加燃料速率和70度/秒的相位器变化速率在室温负荷瞬态测试期间的所测量的IMEP对比发动机周期的曲线图；
图9为具有提前的、正常的以及延后的NVO定时的逐步负荷瞬态测试中所喷射的燃料质量/周期对比发动机周期的曲线图；
图10为在图9的负荷瞬态测试期间NVO位置对比发动机周期的曲线图；
图11为在图9的负荷瞬态期间所测量的IMEP对比发动机周期的曲线图；
图12为图9的负荷瞬态测试期间所测量的空气燃料比对比发动机周期的曲线图；
图13为用来模拟减速燃料切断(DFCO)和再点火的燃料喷射进程对比操作状态的曲线图；
图14为用于图13的DFCO和再点火测试的阀升程曲线对比曲柄角的曲线图；和
图15为在图13的DFCO和再点火期间所测量的IMEP对比发动机周期的曲线图。
优选实施例的说明
为了简单起见，以下说明中将本发明应用至单缸直接喷射汽油四冲程内燃机中，但是应当理解，本发明同样适用于多气缸直接喷射四冲程内燃机。本文中具体实施的0.55升(liter)单气缸四冲程内燃机应用在各种控制执行和各种数据获取中。除非其它特别地论述到，所有的这些执行和获取都假定以本领域普通技术人员所能理解的标准条件实施。虽然本发明所描述的是将其应用至两气门发动机(一个进气阀和一个排气阀)，但是应当理解本发明同样适用于多气门发动机。而且，尽管本发明适用于使用充分灵活的电动液压系统或者使用电动机械系统的任一可调节阀门驱动(VVA)策略，但下文中用来举例说明我们控制策略的示例为基于两步双凸轮定相的VVA系统。
首先详细参照附图中的图1，标号10总体上表示示范的单气缸直接喷射四冲程内燃机的图示。在图中，活塞11在气缸12中可以移动，并且与气缸12一起限定了可变容积的燃烧室13。入口通道14向燃烧室13供给空气。进入燃烧室13的空气流量通过进气阀15进行控制。燃烧气体可以从燃烧室13中通过排气通道16流动，并且由排气阀门17所控制。
示范的发动机10具有带有电子控制器18的液压控制阀门串(valve train)，所述电子控制器18为可编程的并且液压控制入口阀15和排气阀17的开启和闭合。电子控制器18考虑通过两个位置传感器19和20确定的进气阀15和排气阀17的位置，控制进气阀15和排气阀17的移动。控制器18还将涉及发动机的角度位置，如由连接到发动机曲轴22上的转动传感器21所示。曲轴22通过连接杆23连接到气缸12内往复运动的活塞11上。通过电子控制器18控制的汽油直接喷射器24用于将燃料直接喷射到燃烧室13内。归因于控制器18的各种功能可以同样地由适用于各种任务的多个分离的但却协同作用的控制器来相当好地实现。
也通过电子控制器18进行控制的火化塞25用来增强一定状态(例如冷起动期间和处于低负荷操作限度附近)下的点火定时控制。依赖于受控自动点火燃烧状态下高的部分负荷操作限度附近以及具有节流或非节流SI操作的高的速度/负荷操作状态时的火花塞点火，也已证明为优选的。
图2举例说明了进气阀15和排气阀17的控制运动，其中示出了作为四冲程内燃机排气阀17和进气阀15的曲柄角功能的阀升程曲线图，该四冲程内燃机通过示范的受控自动点火(HCCI燃烧)控制进行操作。
实线17示出了排气阀的运动，而虚线15表示进气阀。排气阀17在排气/进气上止点(TDC 360度)之前以可调角度首先关闭，随后进气阀15在TDC之后优选地以相同角度开启。两个阀都关闭的过渡期称为负的阀重叠(NVO)。紧靠在一起直至向远处分离的成对的排气/进气阀曲线17、15表示NVO随着发动机负荷(NMEP，净平均有效压力)自350kPa、285kPa、215kPa至144kPa的依序降低而升高。通过使用双凸轮定相系统或者通过可产生该种阀曲线图的任何其它装置，都可实现这种阀运动。
利用本策略，负的阀重叠(NVO)随着对进气和排气升程曲线的同时定相而变化。试验已经确定，为了在整个负荷范围内保持最佳自动点火燃烧，负的阀重叠期间需要随着发动机负荷的降低而线性升高，在图2中举例说明了这种关系。
图3A示出了分别为低负荷、中等负荷以及高的部分负荷的发动机工作时的示范性喷射策略。图3A也示出了示范的进气阀过程和排气阀过程，且在图3B中根据这种示范性阀过程示出了气缸内的压力记录。
以低的部分负荷运行期间，如隔开的条状物27、28所示在单个发动机周期内两次驱动燃料喷射器。在大约300和350度ATDC燃烧之间的第一喷射27，在负的阀重叠期间内将固定量的汽油或等同燃料喷洒到封闭在气缸内的高温高压废气内。随着发动机负荷的增加，用于第一喷射的喷射定时连续地延迟。燃料部分地氧化且转变成更为活性的化学物质并释放出能量。更为活性的化学物质和能量的数量随着第一次喷射以及负的阀重叠(NVO)期间内喷射的燃料的量和定时而改变。
如图3B所示，封闭气体在排气阀关闭后，首先在大约300和360度ATDC之间的NVO期间至排气冲程结尾时压缩。然后在进气阀和排气阀都关闭的进气冲程的早期，压缩后的燃料和废气混合物膨胀。气缸压力下降到环境压力附近，此时进气阀开启将新鲜空气导入燃烧室中。在压缩冲程期间，在28处再次驱动燃料喷射器以便将汽油第二次喷射到60和20度BTDC燃烧之间的燃烧室内。喷射定时选成确保无烟运行且受到喷射器喷洒锥角的影响或者喷射的燃料量的影响。
随着发动机负荷的增加，用于第二次喷射的喷射定时以连续的方式提前。由于较高的气缸内加料温度和密度，抑制了燃料喷洒的渗入和扩散。在燃烧室内形成了局部可燃成分高的混合物区域。通过第一次喷射后的汽油重整形成的物质结合第二次燃料喷射形成的局部可燃成分高的混合物共同作用以便在无任何火花帮助下，对比柴油发动机中使用的相对高的压缩比以相对低的压缩比实现汽油的自动点火。
在中等部分负荷的运行期间，如邻近的条状物29、30所示在单个发动机周期内也两次驱动燃料喷射器。第一次喷射29将汽油喷洒到在大约300和360度的ATDC燃烧之间的燃烧室内，这与在低部分负荷使用时的运行相似。然而，第二次喷射30在第一次喷射结尾后大约30至60度开始。两次喷射都在负的阀重叠期间及随后的进气冲程内完成。随着发动机负荷的增加，两次喷射的喷射定时都以连续的方式延迟。采用分流喷射的目的是为了控制汽油重整以及随后的自动点火过程。对于低部分负荷运行和中等部分负荷运行来讲，1至3毫克的燃料对第一次喷射29是足够的。剩余的燃料在第二次喷射30期间内喷射。
在高的部分负荷的运行期间，如条状物31所示在单个发动机周期内仅有一次驱动燃料喷射器。喷射定时取决于发动机负荷而在340和490度的ATDC燃烧之间变化。喷射定时随着发动机负荷的增加而延迟。
负荷变化期内一种喷射策略到另一种喷射策略的转换，被调节成有益于发动机性能和排放量。例如在低部分负荷的运行期间，分流喷射(其具有负的阀重叠期间内的第一次喷射27以及压缩冲程期间内的第二次喷射28)为仅有的已证明能够产生稳定的受控自动点火燃烧的喷射策略。随着发动机负荷的增加，连续地提前第二次喷射28的喷射定时以便促进气缸容量内燃料的扩散以及便于局部混合物的空气/燃料比保持在可接受范围内从而避免过多地排出NOx和烟雾。
然而，即使采用提前的喷射定时，氮氧化物(NOx)在中等部分负荷的运行期间内仍能上升到不可接受的水平。因此对于中等部分负荷，第二次燃料喷射30的喷射定时如图3A所示从压缩冲程转换到进气冲程。试验已经确定，两种策略都会导致类似的发动机性能。虽然NOx排放量可随着进气冲程期间内的第二次燃料喷射30而大大降低，但由于封闭在缝隙内避免燃烧的燃料的增加而增加了碳氢化合物(HC)排放量。转换发生处的确切负荷将通过权衡排放量而予以确定。
图4示出了作为发动机负荷功能的示范的开启阀定时和关闭阀定时，其用于以恒定速度运行的单气缸四冲程内燃机的排气阀和进气阀。阀控制通过利用两步双凸轮定相VVA系统例证了排气再压缩。实线33示出了负荷范围(NMEP)内排气阀的开启而虚线34示出了排气阀的关闭。实线35示出了进气阀的开启而虚线36示出了进气阀的关闭。图4也示出了喷射策略(分流的对比单次的)和以示范的恒定速度作为发动机负荷功能的各种燃烧模式。
具体地讲，发动机以具有低于320千帕(kPa)的净平均有效压力(NMEP)的贫燃料的空气/燃料混合物(HCCI/贫燃料)的受控自动点火燃烧模式运行。在该燃烧模式期间，NOx排放量指数随着发动机负荷的增加而提高。在320kPa NMEP时，NOx排放量指数大约为1克/千克燃料。因此在320和400kPa的NMEP之间，发动机以具有化学计量的(stoichiometric)空气/燃料比(HCCI/化学计量)的受控自动点火燃烧模式运行，以便允许用于NOx控制的常规后处理装置。分流喷射可以在该模式的较高负荷部分使用，以便限制气缸压力升高的最大速率。
在400和600kPa的NMEP之间，发动机以火花点火的非节流化学计量模式(所示的SI-NTLC/化学计量)运行，该模式具有通过VVA策略例如进气阀提前关闭或者进气阀延后关闭进行控制的负荷。超出600kPa的NMEP时，发动机以具有化学计量空气/燃料混合物的常规火花点火的节流燃烧模式(SI-节流/化学计量)运行直至满载。为了限制气缸压力升高的最大速率，可在较后的两种模式的任一种中采用分流喷射。
在受控自动点火发动机中，燃烧定相受到加料温度的强烈影响，举例来说，较高的进料温度提前了燃烧定相且可导致爆震，而较低的进料温度延迟了燃烧定相且可导致部分燃烧或灭火。根据本发明通过采用喷射和阀策略的各种组合，保持了从低到高的部分负荷瞬态期间(反之亦然)内稳定的受控自动点火燃烧。
图5根据本发明示出了发动机控制器40的示意图，通过发动机控制器40实现了负荷瞬态期间稳健的受控自动点火燃烧。控制器40包括与代表性的汽油直接喷射发动机46的关联部件相连接的前馈控制42和反馈控制44。
前馈控制42实现快速的系统响应。基于所希望的负荷和发动机操作模式状态，自查找表57中计算出所需的燃料喷射定时(FI)和脉冲宽度(燃烧速率)48、阀门驱动(包括负的阀重叠(NVO))50、火花定时(SI)52、节流阀位置54和EGR阀位置56以便控制燃烧定相。此外，取决于当前的发动机操作状态和驱动器的负荷要求，可变速率限制器58、60、62、64、66被用来补偿系统内的不同动态特性例如空气和燃料动态特性，如同稍后将要详细论述的那样。
如同随后将要示出的那样，在剧烈的负荷瞬态期间仅仅利用具有校准的查找表的前馈控制42保持了稳健的受控自动点火燃烧。尽管在此没有强调，但反馈控制被用来进一步增强整个的系统稳健性。
在具有均相充填压缩点火(HCCI)发动机运行的快速负荷瞬态期间的前馈控制42的惯常运行中，将至少包括点火定时(SI)、燃料喷射定时(FI)和阀定时(以及在使用阀定时处的节流阀位置和EGR阀位置)的给发动机的输入，相应于当前的质量流动加燃料速率(加燃料速率)设置成等同于(即，同步于)稳态输入。预先校准的稳态输入存储在查找表42内，且通过在查找表内增添稳态输入值来确定发动机输入。
图6示出了在加燃料速率自5毫克/周期至12毫克/周期的重复变化的负荷瞬态中应用的本前馈控制的测试结果，反之亦然。测试期间加燃料的变化速率设为7毫克/秒、凸轮相位器响应为35度/秒而进气歧管温度调成90摄氏度。图中示出了前馈控制在快速负荷瞬态期间实现无灭火的受控自动点火(CAI)燃烧。
根据本发明，上述示例示出了在充分加热后的发动机运行状态下，CAI燃烧在负荷瞬态期间十分稳健。图7示出了在室温吸入的空气、油和冷却液环境下用于在8.5和14毫克/周期之间的负荷瞬态测试的排气阀和进气阀的升程曲线。图8示出了该室温负荷瞬态期间内所测量的IMEP。加燃料的速率变化设为14毫克/周期而凸轮相位器响应设为70度/秒。清楚地示范了平滑的负荷转换。
因此已示范出在加燃料的变化速率直到大约14毫克/秒的负荷瞬态期间内，前馈控制能够保持CAI燃烧。然而对于逐步的加燃料速率变化(例如加燃料速率变化到大于约14毫克/秒)来讲，前馈方法需要稍微的修改，因为在逐步的加燃料瞬态期间为稳定燃烧所需的加料温度变化的梯度大大高于由初始测试所证明的梯度并且需要更加精确的控制。应当理解，基本上为14毫克/秒的示范的负荷转换加燃料速率变化仅仅是示范性的并且涉及一种特定的发动机。因此，实际的加燃料速率阈值将根据实际应用的发动机而改变，例如根据气缸数量、位移、车辆重量以及传输。
为了有效地解释逐步的变化瞬时，提出了如下示例。首先，假定稳态中稳定燃烧的两种运行状态S1(低负荷)和S2(高负荷)。同样假定发动机在S1状态下运行。由于S1时的加燃料速率较低，故封闭在气缸内的剩余气体的稳态温度低于S2时的温度。因此，如果在一个发动机周期内加燃料速率和所有的其它相应输入在S1变化到S2，则在紧接着的下一个周期内封闭的剩余气体的温度将低于S2所需的温度，这是因为剩余气体来自发动机以S1运行的上一周期。结果，气缸加料的整个温度将低于所需温度，从而导致了延迟的燃烧定相(或者甚至部分燃烧或者灭火)。一种提高气缸加料温度的方式为封闭更多的剩余质量，或者等同地在紧接的下一周期封闭较少的新鲜空气质量，从而导致了为S2所需的可燃成分更高的空气燃料比。
类似的想法能够应用到自S2到S1的转换。假定发动机以S2的运行状态运行，如果在一个发动机周期内加燃料速率和所有其它相应输入自S2变化到S1，封闭在紧接的下一个发动机周期的剩余气体的温度将高于为S1所需的温度，并导致了提前的燃烧定相(或者甚至爆震)。通过封闭较少的剩余质量或者等同地在紧接的下一个周期内封闭角度的新鲜空气质量能够降低气缸加料温度，从而导致了为S1所需的更贫燃料的空气燃料比。
通过配备有可调节阀门驱动(VVA)的单个气缸发动机的测试确认了修改的有效，该可调节阀门驱动能够仿真凸轮相位器。首次测试中，负的阀重叠(NVO)同加燃料速率变化相比被故意地延迟或提前一个或两个发动机周期，以便在瞬态期间导入空气燃料比的不同变化。在排气端口的出口平面使用具有0.15秒响应时间的快速响应氧气(O2)传感器对空气燃料比进行测量。在一个发动机周期内加燃料速率自7毫克/秒变化到12毫克/秒(反之亦然)。发动机被充分地加热，且在测试中发动机速度保持在1000转/分钟。
图9至图12图示了测试结果。相对于加燃料变化定时的四种不同的NVO定时设置使用在四次分隔开的运转中，通过标号70(一个周期提前)、72(无延迟)、74(一个周期延迟)和76(两个周期延迟)示出了该四次分隔开的运转的重要处。燃料增长步幅的定时在周期51时设置，但燃料减少步幅的定时为变化的且不重要。图9示出了在一个周期内直接出现的所有的加燃料速率变化。图10示出了以有序的周期开始并在负荷瞬态时平滑运行的NVO变化。
图11示出了所测量的指示平均有效压力(IMEP)变化。负荷增长在具有NVO的一个周期延迟74或者两个周期延迟76处最为稳定。但是负荷减少在无延迟72或者一个周期延迟70处最为稳定。图12示出了所测量的其稳定性结果类似于IMEP的稳定性结果的空气燃料比变化。自图中，看到燃烧仅当空气燃料比在尖端在内(tip-in)(加燃料速率提高)期间可燃成分稍微高而在尖端在外(tip-out)(加燃料速率降低)期间可燃成分稍微低时才能够保持稳定，如同早前论述中所料想的那样。
概括地讲，对于快速的加燃料速率变化例如步幅变化，使用修改方法的令人满意的负荷瞬时需要在尖端在内期间延迟一个或多个速度依赖性发动机周期的NVO。然而在尖端在外期间不需要延迟NVO。
本发明优选地采用可变速率限制器用以控制向发动机输入的变化速率(例如燃料喷射量以及凸轮相位等)以便在尖端在内期间获得可燃成分较高的空气燃料混合物，但当所要求的燃料变化速率快于约14毫克/秒左右时会在尖端在外期间获得较贫燃料的空气燃料混合物。空气燃料比偏离瞬时期间内空气燃料比设定点的幅度根据驱动器的负荷要求以及运行状态而被预先校准。
如果所要求的燃料变化速率慢于约14毫克/秒左右，加燃料速率的变化以及凸轮相位器的位置(NVO设定)被简单地同步以便实现平滑的空气燃料比转换，这是因为空气燃料比偏离对燃烧的影响是微不足道的。
一种特定的负荷瞬时的不同示例包括减速燃料切断(DFCO)和再点火。发动机以6毫克/周期的加燃料速率(负荷)运行25秒。然后切断燃料。在停留大约5秒后，发动机以接近其低的负荷运行限度的5毫克/秒步幅的燃料变化而停止工作。在停止工作期间改变燃料速率变化的所有尝试都导致了灭火或者部分燃烧。通过利用由恰好早于进气冲程的第一喷射以及迟于压缩进程的第二喷射组成的分流燃料喷射策略，测试了再点火期间逐步的燃料变化。
图13示出了燃料喷射进程以及相应发动机运行状态。注意到为了演示测试的可重复性采取了背对背的(back-to-back)测量。图14示出了用于DFCO和再点火测试的阀升程曲线图。注意到阀升程曲线图在测试期间保持相同。图15示出了在DFCO和再点火测试期间的测得的IMEP。图中清晰地示出了成功的无部分燃烧或灭火的再点火。但是，在再点火之后立即观测到稍大的IMEP波动。
应当理解，本发明的广泛概念并不局限于使用在本申请中所提到的示范性前馈/反馈控制系统。本发明也不局限于采用基于本文所论述的查找表的控制。此外，对于可在整个操作范围内的多个运行模式中运行的发动机来讲，在一种运行模式中使用的一些发动机控制输入或许在另一种模式中是不起作用的。
虽然本发明已经通过引用某些优选实施例进行了描述，但是应当理解，可以在本发明所述概念精神和范围内进行多种改变。因此，本发明并不意图限制于所述公开的实施例，而是应当具有以下权利要求语言所允许的全部范围。

Claims (20)

1.一种用于直接喷射受控自动点火的贫燃发动机在负荷瞬态运行期间的控制的方法，所述方法包括：
在稳态下、在均相充填压缩点火(HCCI)的负荷范围内、以燃料空气稀释混合物运行所述发动机，所述燃料空气稀释混合物处于对于每一速度和负荷而言的加燃料质量流率、喷射定时(FI)、火花定时(SI)以及排气再压缩的预定状态下，所述排气再压缩通过在每个气缸内处于排气阀关闭和进气阀开启之间的负的阀重叠(NVO)而获得；以及下述中的至少一个：
a)通过使得包括喷射定时、火花定时和负的阀重叠中的至少两个的给所述发动机的输入与当前的加燃料质量流率同步，而在自较低负荷的稳态到所期望的较高负荷的稳态的快速负荷升高的期间控制所述发动机；和
b)通过使得包括喷射定时、火花定时和负的阀重叠中的至少两个的给所述发动机的输入与当前的加燃料质量流率同步，而在自较高负荷的稳态到所期望的较低负荷的稳态的快速负荷降低的期间控制所述发动机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在快速负荷升高和快速负荷降低中的至少一个的期间使得喷射定时、火花定时和负的阀重叠都与当前的加燃料质量流率同步。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在快速负荷升高期间使得喷射定时、火花定时和负的阀重叠都与当前的加燃料质量流率同步。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在快速负荷降低期间使得喷射定时、火花定时和负的阀重叠都与当前的加燃料质量流率同步。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，需求超过了预定阈值的快速加燃料速率变化，所述方法还包括：
在快速负荷升高期间控制所述发动机，以便在所述快速负荷升高期间，与所述快速负荷变化完成后所述发动机所需的稳健稳态运行相比，通过在每一次气缸加料中提供1)较高百分比的剩余气体，和2)较低百分比的新鲜空气质量中的至少一个而浓缩所述气缸的空气燃料混合物，用以在所述加燃料质量流率的升高期间在所述气缸内提供足以自动点燃所述混合物的温度，从而在随后的发动机周期期间导致升高的气缸混合物温度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过延迟多个速度依赖性发动机周期所需求的负的阀重叠的变化，而提供了所述较高百分比的剩余气体。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用包括具有双凸轮定相的两步阀门驱动的可调节阀门驱动引导稳态的均相充填压缩点火发动机运行。
8.一种用于直接喷射受控自动点火发动机在负荷瞬态运行期间处于化学计量运行下的控制的方法，所述方法包括：
在稳态下、在均相充填压缩点火(HCCI)的负荷范围内、以燃料空气稀释混合物运行所述发动机，所述燃料空气稀释混合物处于对于每一速度和负荷而言的加燃料质量流率、喷射定时(FI)、火花定时(SI)、节流阀位置、废气再循环(EGR)阀设置以及排气再压缩的预定状态下，所述排气再压缩通过在每个气缸内处于排气阀关闭和进气阀开启之间的负的阀重叠(NVO)而获得；以及下述中的至少一个：
a)通过使得包括喷射定时、火花定时、节流阀位置、废气再循环阀设置和负的阀重叠中的至少三个的给所述发动机的输入与当前的加燃料质量流率同步，而在自较低负荷的稳态到所期望的较高负荷的稳态的快速负荷升高的期间控制所述发动机；和
b)通过使得包括喷射定时、火花定时、节流阀位置、废气再循环阀设置和负的阀重叠中的至少三个的给所述发动机的输入与当前的加燃料质量流率同步，而在自较高负荷的稳态到所期望的较低负荷的稳态的快速负荷降低的期间控制所述发动机。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在快速负荷升高和快速负荷降低中的至少一个的期间使得喷射定时、火花定时、节流阀位置、废气再循环阀设置和负的阀重叠都与当前的加燃料质量流率同步。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在快速负荷升高期间使得喷射定时、火花定时、节流阀位置、废气再循环阀设置和负的阀重叠都与当前的加燃料质量流率同步。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在快速负荷降低期间使得喷射定时、火花定时、节流阀位置、废气再循环阀设置和负的阀重叠都与当前的加燃料质量流率同步。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，需求超过了预定阈值的快速加燃料速率变化，所述方法还包括：
在快速负荷升高期间控制所述发动机，以便在所述快速负荷升高期间，与所述快速负荷变化完成后所述发动机所需的稳健稳态运行相比，通过在每一次气缸加料中提供1)较高百分比的剩余气体，和2)较低百分比的新鲜空气质量中的至少一个而浓缩所述气缸的空气燃料混合物，用以在所述加燃料质量流率的升高期间在所述气缸内提供足以自动点燃所述混合物的温度，从而在随后的发动机周期期间导致升高的气缸混合物温度。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过延迟多个速度依赖性发动机周期所需求的负的阀重叠、节流阀位置和废气再循环阀设置中的至少一个中的变化，而提供了所述较高百分比的剩余气体。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，利用包括具有双凸轮定相的两步阀门驱动的可调节阀门驱动引导稳态的均相充填压缩点火发动机运行。
15.一种用于直接喷射受控自动点火发动机在负荷瞬态运行期间的控制的方法，所述方法包括：
在稳态下、在均相充填压缩点火(HCCI)的负荷范围内、以燃料空气稀释混合物运行所述发动机，所述燃料空气稀释混合物处于对于每一速度和负荷而言的加燃料质量流率、喷射定时(FI)、火花定时(SI)、节流阀位置、废气再循环(EGR)阀设置以及排气再压缩的预定状态下，所述排气再压缩通过在每个气缸内处于排气阀关闭和进气阀开启之间的负的阀重叠(NVO)而获得；以及下述中的至少一个：
a)通过将包括喷射定时、火花定时、节流阀位置、废气再循环阀设置和负的阀重叠中的至少三个的给所述发动机的受控输入与当前的加燃料质量流率同步，而在自较低负荷的稳态到所期望的较高负荷的稳态的快速负荷升高的期间控制所述发动机；和
b)通过将包括喷射定时、火花定时、节流阀位置、废气再循环阀设置和负的阀重叠中的至少三个的给所述发动机的输入与当前的加燃料质量流率同步，而在自较高负荷的稳态到所期望的较低负荷的稳态的快速负荷降低的期间控制所述发动机。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述发动机以贫燃料的空气燃料比运行，且在快速负荷升高和快速负荷降低中的至少一个的期间使得喷射定时、火花定时和负的阀重叠都与当前的加燃料质量流率同步。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，利用包括具有双凸轮定相的两步阀门驱动的可调节阀门驱动引导均相充填压缩点火发动机的运行。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，需求超过了预定阈值的快速加燃料速率变化，所述方法还包括：
在快速负荷升高期间控制所述发动机，以便在所述快速负荷升高期间，与所述快速负荷变化完成后所述发动机所需的稳健稳态运行相比，通过在每一次气缸加料中提供1)较高百分比的剩余气体，和2)较低百分比的新鲜空气质量中的至少一个而浓缩所述气缸的空气燃料混合物，用以在所述加燃料质量流率的升高期间在所述气缸内提供足以自动点燃所述混合物的剩余排气温度，从而在随后的发动机周期期间导致升高的排气温度。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述发动机以化学计量的空气燃料比运行，且在快速负荷升高和快速负荷降低中的至少一个的期间使得至少喷射定时和火花定时都与当前的加燃料质量流率同步。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，需求超过了预定阈值的快速加燃料速率变化，所述方法还包括：
在快速负荷升高期间控制所述发动机，以便在所述快速负荷升高期间，与所述快速负荷变化完成后所述发动机所需的稳健稳态运行相比，通过在每一次气缸加料中提供1)较高百分比的剩余气体，和2)较低百分比的新鲜空气质量中的至少一个而浓缩气缸的空气燃料混合物，用以在所述加燃料质量流率的升高期间在所述气缸内提供足以自动点燃所述混合物的温度，从而在随后的发动机周期期间导致升高的气缸混合物温度。
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