[发明专利]用于控制在SI和HCCI燃烧模式之间的转换的系统和方法

说明书

在一个实施例中，发动机系统包括：汽缸；进入阀，其配置为控制气体流入所述汽缸；排出阀，其配置为控制气体流出所述汽缸；节流阀，其配置为控制燃料流入所述汽缸；存储器，其存储有程序指令；以及处理器，其可操作地连接至所述进入阀、所述排出阀、所述节流阀和所述存储器，并且配置为执行所述程序指令以：根据HCCI阀门升程轮廓和SI阀门打开/关闭轮廓来控制所述进入阀和所述排出阀，并且，在根据所述HCCI阀门升程轮廓和所述SI阀门打开/关闭轮廓来控制所述进入阀和所述排出阀的同时，在所述汽缸中启动第一火花。

本申请要求2013年2月21日提交的美国临时专利第61/767,687号的权益，其全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本公开涉及一种用于在内燃发动机（ICE）上的火花点火（spark ignited，SI）燃烧和均质充量压燃（homogeneous charge compression ignition，HCCI）燃烧之间转换的控制系统。

背景技术

均质充量压燃（HCCI）是一种用于活塞发动机的先进燃烧构思，这种构思提供了明显优于当前技术的效率和排放效益。已经对HCCI燃烧工艺研究了超过二十年，并且HCCI燃烧工艺已经表现出有望作为可提高当前技术的效率和排放能力的汽车发动机的潜在技术。

在HCCI中，对空气、燃料、以及热排气的均匀混合物进行压缩，直到发生自动点火。因此，燃烧不是由火花发起的。相反，在汽缸内建立精确条件，从而使得简单地通过压缩汽缸内的气体来发起点火。HCCI由此高度依赖于缸内温度和气体的组成。为了向HCCI点火提供所需的温度，通常将来自前一个燃烧循环的大量热排气俘获在汽缸内，以使能该自动点火；然而，也已经测试了用于发起HCCI的其他方法，包括增大压缩比和加热进气。

合并HCCI的显著效益是HCCI发动机可以完全非节流地运行，大大减少了通常在火花点火（SI）发动机中的泵送损失，从而提升了效率。另外，由于高度稀释的反应混合物和缺少火焰，所以最高燃烧温度低得多，这大大减少了No_x的排放。

然而，由于负载的限制，所以提供仅仅依靠HCCI的系统是有问题的。自动点火伴有非常高的压力上升速率，导致在较高负载下的振铃（ringing）现象，这在结构上对于发动机是不希望的。因此，HCCI中的最大功率输出具有上限。在低负载端，更难保持HCCI模式，这是因为无法达到自动点火所需的温度。HCCI模式在较低的速度下也是不可能的，因为发起自动点火的物种的化学分解在较低速度下的速率是非常缓慢的。这会导致不稳定的操作或者失火。

因此，仅仅存在一个有限的在HCCI模式下有效并且稳定地运行发动机的操作区域。因此，已经试图通过将HCCI模式与常规的SI模式相结合来在汽车发动机中合并HCCI模式。通过这些方法，在冷启动周期期间并且在通过低速和低负载使发动机斜升的同时，使用SI模式。在中等负载到中高负载的区域中，可以在HCCI模式下操作发动机，使效率最大化并且使排放最小化。当功率需求超过HCCI模式的负载上限值时，可以将该模式切换回SI模式。

然而，从一个模式平稳地转换至另一个模式面临另外的挑战。例如，由于SI操作条件和HCCI操作条件之间的显著差异，在模式切换期间保持所需的扭矩可能面临挑战。因此，在生产发动机上实施HCCI需要先进的控制算法。由于缺少直接点火触发器（诸如，火花）和由在HCCI模式下俘获的排气引入的循环到循环动态，该控制算法是复杂的。在该文献中已经展示了用于稳态和瞬态控制HCCI的多种建模和控制方法。