用于在燃料切断事件后操作均质充量压燃式发动机的控制 策略 相关申请的交叉引用
本申请要求 2009 年 5 月 19 日提交的美国临时申请 61/179404 的权益， 在此通过 引用将其并入本文。
技术领域
本发明涉及均质充量压燃 (HCCI) 式发动机的操作和控制。背景技术 本节内容仅提供与本发明相关的背景信息， 并且可能不构成现有技术。
已知的火花点火 (SI) 式发动机将空气 / 燃料混合物引入各汽缸中， 该空气 / 燃料 混合物在压缩冲程中被压缩并被火花塞点燃。已知的压燃式发动机在压缩冲程的上止点 (TDC) 附近将加压燃料喷入燃烧汽缸中并在刚一喷射后就将其点燃。SI 式发动机和压燃式 发动机两者的燃烧涉及受流体力学控制的预混合或扩散的火焰。
SI 式发动机能够以多种燃烧模式操作， 包括均质 SI 燃烧模式和分层充气 SI 燃烧 模式。SI 式发动机能被构造成在预定的速度 / 载荷操作条件下以均质充量压燃 (HCCI) 燃 烧模式操作， 均质充量压燃 (HCCI) 燃烧也可互换地称为受控自动点火燃烧。受控自动点火 (HCCI) 燃烧包括分散的、 无火焰的、 自动点火的燃烧过程， 该过程受氧化化学性质控制。以 受控自动点火 (HCCI) 燃烧模式操作的发动机具有汽缸充量， 该充量优选在成分、 温度、 以 及在进气门关闭时刻的剩余排气方面是均匀的。在发动机以稀的空气 / 燃料混合物 ( 也就 是稀的空气燃料化学当量点 ) 进行操作时， 受控自动点火 (HCCI) 燃烧是分散的动力学受控 的燃烧过程， 具有相对低的峰值燃烧温度， 从而导致较低的氮氧化物 (NOX) 排放。均匀的空 气 / 燃料混合物最小化了会形成烟尘和颗粒物排放的高浓度区域的产生。
受控自动点火 (HCCI) 燃烧取决于下列因素 ： 例如汽缸充量的成分、 温度、 以及进 气门关闭时的压力。因此， 给发动机的控制输入必须小心协调， 以确保自动点火燃烧。受控 自动点火 (HCCI) 燃烧策略可以包括利用排气再压缩阀门策略。排气再压缩阀门策略包括 ： 通过对阀门的关闭正时进行调节从而经由从前一发动机循环所捕获的热的剩余气体来控 制汽缸充量的温度。在排气再压缩策略中， 在 TDC 之前关闭排气门并在 TDC 之后打开进气 门从而形成负阀门重叠 (NVO) 时段， 在该时段内进气门和排气门都关闭， 因此捕获了排气。 进气门和排气门的开启正时优选相对于 TDC- 进气是对称的。汽缸充量的成分和温度都强 烈地受到排气门关闭正时的影响。特别是， 越早关闭排气门就能保留来自前一发动机循环 的更多的热剩余气体， 从而留下了更少的空间用于引入新鲜空气质量， 因此增加了汽缸充 量温度并降低了汽缸的氧浓度。在排气再压缩策略下， 通过 NVO 时段来测量排气门关闭正 时和进气门开启正时。
通过选择性调节节气门位置以及调节进气门和排气门的开启和关闭来控制发动 机气流。在如此配置的发动机系统上， 进气门和排气门的开启和关闭正时是利用可变阀门
致动系统来实现的， 所述可变阀门致动系统包括可变的凸轮定相和可选的多级阀门升程， 例如提供两个或多个阀门升程位置的多级凸轮凸角。与节气门位置改变不同的是， 多级阀 门升程机构的阀门升程位置的改变是离散的改变， 不是连续的改变。
当发动机以受控自动点火 (HCCI) 燃烧模式操作时， 发动机控制包括稀的或化学 当量的空气 / 燃料比操作， 其中节气门完全打开以最小化发动机泵送损失。当发动机以 SI 燃烧模式操作时， 发动机控制包括化学当量的空气 / 燃料比操作， 其中节气门被在 0％到 100％全部打开位置的范围内进行控制， 以便控制进气气流从而达到化学当量的空气 / 燃 料比。
一种已知的燃料控制策略包括 ： 在行进车辆的操作期间， 当操作者释放加速器踏 板时切断给所有发动机汽缸的燃料供给， 这被称为燃料切断 (FCO) 事件。当随后操作者轻 触加速器踏板时， 发动机被再次供给燃料和重新着火。使以受控自动点火 (HCCI) 模式操作 的发动机重新着火利用了来自前一燃烧循环的余热， 以便引发自动点火的燃烧。 但是， 由于 不能利用来自前一燃烧循环的余热， 所以当以受控自动点火 (HCCI) 模式操作时， 在燃料切 断事件后使发动机重新着火可能会导致不稳定的燃烧。
一种在任意的发动机载荷情况下在受控自动点火 (HCCI) 模式中引发重新着火的 方法包括 ： 恰在火花点火正时之前将总的发动机燃料质量的一小部分喷向火花塞附近， 以 便在总体上稀薄的燃烧充量混合物内引发火焰传播。 这种重新着火的方法可能由于在喷射 大量燃料时的大量火焰燃烧的缘故从而导致在持续的一些发动机循环期间生成过多的 NOX 排放物。 发明内容 一种多缸火花点火直喷式内燃发动机在燃料切断事件后的重新着火， 在该燃料切 断事件中给所有汽缸的燃料均被切断。使该发动机重新着火包括 ： 在重新着火发动机循环 期间专门以预定的固定燃料质量来选择性地使各独立汽缸着火， 直到所有汽缸都已经至少 着火一次， 随后各独立汽缸的后续着火便不再受限于所述预定的固定燃料质量。
本发明还提供了以下方案 ：
方案 1 ： 用于控制多缸火花点火直喷式内燃发动机的方法， 包括 ：
在给所有汽缸的燃料都被切断的燃料切断事件之后， 使所述发动机重新着火包 括： 在重新着火发动机循环期间专门以预定的固定燃料质量来选择性地使各独立汽缸着 火， 直到所有汽缸都已经着火至少一次时为止， 随后各独立汽缸的后续着火不再被限制于 所述预定的固定燃料质量。
方案 2 ： 如方案 1 所述的方法， 其中， 在重新着火发动机循环期间专门以预定的固 定燃料质量来选择性地使各独立汽缸着火， 直到所有汽缸都已经着火至少一次， 包括 ： 在任 意给定的发动机循环中使少于所有汽缸的汽缸着火。
方案 3 ： 如方案 1 所述的方法， 其中， 在重新着火发动机循环期间专门以预定的固 定燃料质量来选择性地使各独立汽缸着火， 直到所有汽缸都已经着火至少一次， 包括 ： 在第 一个完整的重新着火发动机循环中使少于所有汽缸的汽缸着火， 和在后续的完整的重新着 火发动机循环中使越来越多数量的汽缸着火。
方案 4 ： 如方案 1 所述的方法， 其中， 使用双喷射将所述预定的固定燃料质量输送
给各个汽缸， 所述双喷射包括 ： 在压缩冲程初期对所述固定燃料质量的大部分进行的第一 次喷射， 以及在所述压缩冲程的上止点附近对所述固定燃料质量的剩余少量部分进行的第 二次喷射。
方案 5 ： 如方案 4 所述的方法， 其中， 所述固定燃料质量的大部分和所述固定燃料 质量的剩余少量部分包括从大约 2 ∶ 1 到大约 5 ∶ 1 的燃料质量比。
方案 6 ： 如方案 1 所述的方法， 其中， 在所述燃料切断事件后每个汽缸的第一次着 火包括 ：
使用双喷射将所述固定燃料质量输送给所述各个汽缸， 所述双喷射包括 ： 在压缩 冲程初期对所述固定燃料质量的第一部分进行的第一次喷射， 以及在所述压缩冲程的上止 点附近对所述固定燃料质量的剩余少量部分进行的第二次喷射 ； 以及
在所述第二次喷射之后火花点燃所述固定燃料质量的剩余少量部分。
方案 7 ： 如方案 6 所述的方法， 其中， 在所述各汽缸的所述第一次着火之后并且直 到所有汽缸都已经着火至少一次时， 每个汽缸的着火包括 ：
使用双喷射将所述固定燃料质量输送给所述各个汽缸， 所述双喷射包括 ： 在压缩 冲程初期对所述固定燃料质量的第一部分进行的第一次喷射， 以及在所述压缩冲程的上止 点附近对所述固定燃料质量的剩余少量部分进行的第二次喷射 ； 以及 在所述第二次喷射之后火花点燃所述固定燃料质量的剩余少量部分。
方案 8 ： 如方案 6 所述的方法， 其中， 在所述各汽缸的所述第一次着火之后并且直 到所有汽缸都已经着火至少一次时， 每个汽缸的着火包括 ：
使用在压缩冲程初期对所述固定燃料质量进行的单喷射将所述固定燃料质最输 送给所述各个汽缸 ； 以及
自动点燃所述固定燃料质量。
方案 9 ： 用于控制多缸火花点火直喷式内燃发动机的方法， 包括 ：
确定每缸的重新着火燃料质量 ；
提供期望的燃料斜坡变化， 所述燃料斜坡变化包括在接连的发动机循环中越来越 多的每循环燃料质量 ； 以及
在给所有汽缸的燃料都被切断的燃料切断事件之后， 使所述发动机重新着火包 括： 在每个后续的发动机循环期间燃烧专门以所述每缸的重新着火燃料质量喷射到所述汽 缸中被选定的汽缸内的燃料， 使得在每个接连的发动机循环期间所燃烧的净燃料根据所述 期望的燃料斜坡变化来增加。
10 ： 如权利要求 9 所述的方法， 其中， 所述每缸的重新着火燃料质量包括这样的燃 料质量， 即： 在一个发动机循环期间， 所述每缸的重新着火燃料质量在各汽缸内燃烧时足以 提供在后续紧接的发动机循环期间适于所述各汽缸内的受控自动点火的余热。
方案 11 ： 如方案 9 所述的方法， 其中， 所述每缸的重新着火燃料质量包括这样的燃 料质量， 即： 在每一发动机循环期间， 所述每缸的重新着火燃料质量在各汽缸内燃烧时足以 维持期望的 NOX 排放水平， 其中所述 NOX 排放由火焰传播引发。
方案 12 ： 如方案 9 所述的方法， 其中， 提供在接连的发动机循环中包含所述越来越 多的每循环燃料质量的所述期望的燃料斜坡变化包括 ： 确定直到每个汽缸都燃烧专门以所 述每缸的重新着火燃料质量喷入到每个相应汽缸内的燃料时的发动机循环的规定数量。
方案 13 ： 如方案 12 所述的方法， 其中， 在所述燃料切断事件后的第一次重新着火 发动机循环包括 ： 燃烧被喷射到所述被选定数量的汽缸内的燃料， 其中所述被选定的汽缸 的数量少于所述总的汽缸数量， 并且所述燃料是专门以所述每缸的重新着火燃料质量来喷 射的。
方案 14 ： 如方案 13 所述的方法， 进一步包括在后续的发动机循环期间逐步增加汽 缸中被选定的汽缸的数量。
方案 15 ： 如方案 9 所述的方法， 其中， 提供在接连的发动机循环中包含所述越来越 多的每循环燃料质量的所述期望的燃料斜坡变化包括 ： 一旦每个汽缸已经重新着火至少一 次， 则根据所述期望的燃料斜坡变化增加被喷射到每个汽缸中的所述每缸的重新着火燃料 质量。
方案 16 ： 如方案 9 所述的方法， 其中， 提供在接连的发动机循环中包含所述越来越 多的每循环燃料质量的所述期望的燃料斜坡变化包括 ：
确定与零转矩发动机输出相关的总的每循环燃料质量 ； 以及
确定发动机循环的规定数量以达到与所述零转矩发动机输出相关的所述总的每 循环燃料质量， 其中， 在每个接连的发动机循环中所述每循环燃料质量增加， 以便在所述规 定数量的发动机循环处达到与零转矩发动机输出相关的所述总的每循环燃料质量。 方案 17 ： 如方案 9 所述的方法， 其中， 专门以所述每缸的重新着火燃料质量来使发 动机重新着火继续进行， 直到每个汽缸都已经以所述每缸的重新着火燃料质量经历了至少 一次燃烧事件， 此后可以以每缸燃料质量而不是专门地以所述重新着火燃料质量来实现汽 缸内的后续燃烧。
附图说明 仅作为示例， 将结合附图来说明一个或多个实施例， 附图中 ：
图 1 是根据本发明的示例性发动机系统的示意图 ；
图 2 曲线示出了在燃料切断期间以及在其之后并且使用了根据本发明的第一和 第二燃料斜坡变化斜率时， 发动机输出转矩随时间的变化 ；
图 3 根据本发明， 曲线示出了在与燃料切断事件后引起发动机重新着火相关联的 瞬时发动机转矩操作期间用于四缸发动机的第一和第二燃料斜坡变化斜率 ； 以及
图 4 曲线示出了用于根据本发明示例性 HCCI 发动机的、 在与燃料切断事件后引起 发动机重新着火相关联的瞬时发动机转矩操作期间作为所经历过的发动机循环数目的函 数的发动机转矩输出。
具体实施方式
现在参考附图， 其中的描绘仅仅是用于对某些示例性实施例进行说明的目的， 而 不是用于对示例性实施例进行限制的目的， 图 1 示意性示出了根据本发明的一个实施例构 造的示例性内燃发动机 10 和所附控制模块 5。发动机 10 可以选择性地以多种燃烧模式操 作， 包括受控自动点火 (HCCI) 燃烧模式、 均质火花点火 (SI-H) 燃烧模式、 和分层充气火花 点火 (SI-SC) 燃烧模式。发动机 10 可选择性地以化学当量空气 / 燃料比和以大大稀于化 学当量的空气 / 燃料比来进行操作。要认识到的是， 本发明中的概念也可以应用到其他内燃发动机系统和燃烧循环。
在一个实施例中， 发动机 10 可以耦接到变速器装置， 以便将牵引动力传递给车辆 的动力传动系统。变速器可包括混合动力变速器， 其中混合动力变速器包括可操作以把牵 引动力传递给动力传动系统的转矩机械。
示例性的发动机 10 包括多缸直喷式四冲程内燃发动机， 其具有多个往复运动的 活塞 14， 各个活塞 14 可分别在各个汽缸 15 内滑动从而限定出体积可变的燃烧室 16。每个 活塞 14 均连接到旋转的曲轴 12， 通过曲轴 12 将线性的往复运动转换为旋转运动。进气系 统为进气歧管 29 提供进气， 进气歧管 29 将空气引导并分配进入燃烧室 16 的进气流道中。 进气系统包括气流管道系统和用于监测及控制气流的装置。 进气装置优选包括用来监测质 量空气流量和进气温度的质量型空气流量传感器 32。节气门 34 优选包括用来响应于来自 控制模块 5 的控制信号 (ETC) 来控制到发动机 10 的气流的电控装置。进气歧管 29 内的压 力传感器 36 被构造成监测歧管绝对压力和大气压。一个外部流动通道将排气从发动机排 气装置再循环到进气歧管 29， 其具有被称之为排气再循环 (EGR) 阀 38 的流量控制阀。 控制 模块 5 可操作以便通过控制 EGR 阀 38 的开度来控制进入进气歧管 29 的排气的质量流量。
通过一个或多个进气门 20 来控制从进气歧管 29 进入燃烧室 16 的气流。通过一 个或多个排气门 18 来控制从燃烧室 16 排向排气歧管 39 的排气流。发动机 10 装备有控 制和调节进气门 20 和排气门 18 的开启和关闭的系统。在一个实施例中， 通过分别控制进 气可变凸轮定相 / 可变升程控制 (VCP/VLC) 装置 22 和排气可变凸轮定相 / 可变升程控制 (VCP/VLC) 装置 24 来控制和调节进气门 20 和排气门 18 的开启和关闭。进气 VCP/VLC 装置 22 和排气 VCP/VLC 装置 24 分别被构造成用于控制和操作进气凸轮轴 21 和排气凸轮轴 23。 进气凸轮轴 21 和排气凸轮轴 23 的旋转被联接到曲轴 12 的旋转并以曲轴 12 的旋转来分度 (indexed)， 因此， 将进气门 20 和排气门 18 的开启和关闭与曲轴 12 和活塞 14 的位置联接 起来。
进气 VCP/VLC 装置 22 优选包括这样的机构， 该机构可操作以响应于来自控制模块 5 的控制信号 (INTAKE) 为每个汽缸 15 切换和控制一个或多个进气门 20 的阀门升程以及可 变地调节和控制进气凸轮轴 21 的定相。排气 VCP/VLC 装置 24 优选包括这样的可控机构， 该机构可操作以响应于来自控制模块 5 的控制信号 (EXHAUST) 为每个汽缸 15 可变地切换 和控制一个或多个排气门 18 的阀门升程以及可变地调节和控制排气凸轮轴 23 的定相。
进气 VCP/VLC 装置 22 和排气 VCP/VLC 装置 24 均优选包括可控的二级可变升程控 制 (VLC) 机构， 该机构可操作以分别将一个或多个进气门 20 和一个或多个排气门 18 的阀 门升程的幅度或开度控制到两个离散级中的一个。 该两个离散级优选包括 ： 优选用于低速、 低载荷操作的低升程阀门开启位置 ( 在一个实施例中大约为 4 ～ 6 毫米 ) ； 以及， 优选用于 高速、 高载荷操作的高升程阀门开启位置 ( 在一个实施例中大约为 8 ～ 13 毫米 )。 进气 VCP/ VLC 装置 22 和排气 VCP/VLC 装置 24 均优选包括用于分别控制和调节一个或多个进气门 20 和一个或多个排气门 18 的开启和关闭的定相 ( 也就是相对正时 ) 的可变凸轮定相 (VCP) 机构。调节所述定相指的是改变一个或多个进气门 20 和一个或多个排气门 18 相对于各汽 缸 15 内曲轴 12 和活塞 14 的位置的开启时间。进气 VCP/VLC 装置 22 和排气 VCP/VLC 装置 24 的 VCP 机构均优选具有大约 60 度～ 90 度曲柄旋转的定相许可 (phasing authority) 范 围， 由此允许控制模块 5 相对于各汽缸 15 内活塞 14 的位置提前或延迟一个或多个进气门20 和一个或多个排气门 18 中的一个的开启和关闭。定相许可的范围由进气 VCP/VLC 装置 22 和排气 VCP/VLC 装置 24 来限定和限制。进气 VCP/VLC 装置 22 和排气 VCP/VLC 装置 24 包括用于确定进气凸轮轴 21 和排气凸轮轴 23 的旋转位置的凸轮轴位置传感器。通过控 制模块 5 控制， 采用电动液压、 液压或电控制力中的一种来对进气 VCP/VLC 装置 22 和排气 VCP/VLC 装置 24 加以致动。
发动机 10 包括燃料喷射系统， 该燃料喷射系统包括多个高压燃料喷射器 28， 每个 燃料喷射器 28 被构造成响应于来自控制模块 5 的信号将一定质量的燃料直接喷入燃烧室 16 中时一个内。从燃料分配系统向燃料喷射器 28 供给加压的燃料。
发动机 10 包括火花点火系统， 通过该系统将火花能量提供给火花塞 26 以便响应 来自控制模块 5 的信号 (IGN) 点燃或者帮助点燃每个燃烧室 16 中的汽缸允量。
发动机 10 装备有各种传感装置用于监测发动机的操作， 这些传感装置包括 ： 具有 输出的 RPM 信号并且可操作以监测曲轴旋转位置 ( 也就是曲柄角度 ) 和速度的曲柄传感器 42 ； 在一个实施例中被构造成监测燃烧的燃烧传感器 30 ； 以及， 被构造成监测排气的排气 传感器 40， 通常为空气 / 燃料比传感器。 燃烧传感器 30 包括可操作以监测燃烧参数状态的 传感器装置， 并且燃烧传感器 30 被描述成可操作以监测缸内燃烧压力的汽缸压力传感器。 燃烧传感器 30 和曲柄传感器 42 的输出信号被控制模块 5 监测， 控制模块 5 确定燃烧定相， 也就是对于每个燃烧循环以及每个汽缸 15 来说燃烧压力相对于曲轴 12 的曲柄角度的正 时。燃烧传感器 30 还能被控制模块 5 监测， 从而为每个燃烧循环和每个汽缸 15 确定平均 有效压力 (IMEP)。优选地， 发动机 10 和控制模块 5 被机械化， 以便在每个汽缸点火事件期 间为每个发动机汽缸 15 监测和确定 IMEP 的状态。替代性地， 在本发明范围内， 可以使用其 他传感系统来监测其他燃烧参数的状态， 例如， 离子 - 感测点火系统和非侵入式汽缸压力 传感器。
控制模块、 模块、 控制器、 控制单元、 处理器和类似术语意指下列中的任何适当的 一个或下列中的各种组合 ： 一个或多个专用集成电路 (ASIC)， 一个或多个电子电路， 执行 一个或多个软件或固件程序的一个或多个中央处理单元 ( 优选为一个或多个微处理器 ) 以及相关的内存和存储器 ( 只读、 可编程只读、 随机存取、 硬盘等 )， 一个或多个组合逻辑电 路， 一个或多个输入 / 输出电路和装置， 适当的信号调节和缓冲电路， 以及其他能提供所述 功能的合适部件。控制模块 5 具有一组控制算法， 包括存储在内存中并且被执行以提供所 需的功能的常驻软件程序指令和校准。优选在预设的循环周期内执行算法。可以通过例如 中央处理单元来执行算法， 并且该算法可操作以监测来自传感装置和其他联网控制模块的 输入， 并且执行控制和诊断例程从而控制致动器的操作。可以定期的间隔 ( 例如， 在运行的 发动机和车辆操作期间以每 3.125 毫秒、 6.25 毫秒、 12.5 毫秒、 25 毫秒和 100 毫秒 ) 来执行 该循环周期。替代性地， 可响应事件的发生来执行算法。
操作中， 控制模块 5 监测来自前述传感器的输入， 从而确定发动机参数的状态。控 制模块 5 被构造成接收来自操作者的输入信号 ( 例如， 通过加速器踏板和刹车踏板 )， 从而 确定转矩需求 (To_req)。 要认识到的是， 转矩需求能够响应操作者的输入 ( 例如， 通过加速 器踏板和刹车踏板 )， 或者转矩需求也能响应于由控制模块 5 监测的自动起动条件。 控制模 块 5 对指示了发动机速度和进气温度、 冷却剂温度和其他环境条件的传感器进行监测。
控制模块 5 执行存储在其内的算法代码以控制前述的致动器从而形成汽缸充量，这包括控制节气门位置、 火花点火正时、 燃料喷射质量和正时、 控制 EGR 阀位置以便控制再 循环排气的流量， 以及如此配置的发动机上的进气门和 / 或排气门的正时和定相。在一个 实施例中， 阀的正时和定相可以包括 NVO 和排气门再打开 ( 在排气再充气策略中 ) 升程。 控 制模块 5 能够操作以在行进车辆的操作期间起动或关停发动机 10， 并且能够操作以便选择 性地通过燃料、 火花、 以及阀停用的控制来选择性停用燃烧室 15 的一部分或进气门 20 和排 气门 18 的一部分。控制模块 5 能基于来自排气传感器 40 的反馈来控制空气 / 燃料比。
在发动机操作期间， 在受控自动点火 (HCCI) 燃烧模式 ( 例如， 单喷射和双喷射的 受控自动点火 (HCCI) 模式 ) 中节气门 34 优选基本完全打开， 其中发动机 10 被控制在稀的 空气 / 燃料比。基本完全打开的节气门可以包括完全不节流或是略微节流的操作， 以在进 气歧管 29 内形成真空从而实现 EGR 流。在一个实施例中， 汽缸内的 EGR 质量被控制到较高 的稀释率。进气门 20 和排气门 18 位于低升程阀门位置中， 并且进气升程正时和排气升程 正时都以 NVO 操作。在压缩阶段中并且在包括至少一个燃料喷射事件的发动机循环期间， 能够执行一个或多个燃料喷射事件。
在发动机以均质火花点火 (SI-H) 燃烧模式操作期间， 控制节流阀 34 以调节气流。 发动机 10 被控制至化学当量空气 / 燃料比， 进气门 20 和排气门 18 都位于高升程的阀门开 启位置中， 且进气升程正时和排气升程正时采用正的阀门重叠进行操作。 优选地， 在发动机 循环的压缩阶段期间执行燃料喷射事件， 并且优选基本在 TDC 之前执行。当汽缸内的空气 充量基本上均匀时， 优选在燃料喷射之后的预定时刻执行火花点火。 分层充气火花点火燃烧模式包括以基本稀的化学当量来进行操作。 燃料喷射正时 优选在时间上接近火花点火正时， 以便防止空气 / 燃料混合物由均质化变为均匀分散的混 合物。在火花点火的时刻， 喷射的燃料质量被喷入燃烧室 15 内， 其中富燃层围绕在火花塞 周围， 而更外和更远处则是较稀的空气 / 燃料比的区域。可以在火花事件开始的时候或者 恰恰在火花事件之前结束第一燃料喷射事件。
在行进车辆的操作期间， 控制模块 5 在燃料切断事件后引发发动机的重新着火。 瞬时发动机转矩包括在引发发动机重新着火和达到转矩需求之间所生成的发动机转矩。
在燃料切断事件之后， 每个汽缸的重新着火事件包括 ： 在火花塞放电时刻之前以 及同时将重新着火燃料质量喷射在火花塞附近， 以便引发用于每个汽缸的重新着火事件的 火焰传播， 从而达到稳定可靠的燃烧。 重新着火燃料质量包括这样的燃料质量 ： 在一个发动 机循环期间， 这样的燃料质量在各汽缸内燃烧时足以提供在后续紧接的发动机循环期间适 于各汽缸内受控自动点火的余热。 另外， 重新着火燃料质量被选定成使得 ： 在每一个发动机 循环期间， 当该重新着火燃料质量在各汽缸内燃烧时该燃料质量足够小， 以便将由火焰传 播所引发的 NOX 排放水平维持在期望的排放水平。当在燃料切断事件之后引发了发动机的 重新着火时， 规定数量的汽缸中的每一个在每个发动机循环期间均利用重新着火燃料质量 被着火， 其中每个接连的发动机循环都沿循了实现瞬时转矩的第一燃料斜坡变化斜率， 直 到每个汽缸都着火时为止。 要理解的是， 重新着火燃料质量是预定的固定燃料质量， 并且一 旦每一个汽缸都利用了重新着火燃料质量着火， 则用于每个汽缸的总的每循环燃料质量可 以增加， 以便实现零转矩发动机输出。因此， 重新着火燃料质量被利用， 直到每个汽缸都已 经历了至少一次燃烧事件时为止， 之后可以以每汽缸燃料质量而不是重新着火燃料质量来 实现汽缸内的后续燃烧。在实现零转矩发动机输出的第一燃料斜坡变化斜率之后， 所有的
汽缸都沿循第二燃料斜坡变化斜率来着火， 直到达到转矩需求时为止。
以受控自动点火 ( 也就是 HCCI) 模式操作的发动机需要余热来用于进行燃烧。应 当认识到， 在燃料切断事件之后， 可能不能获得足够的余热以便用于进行稳定可靠的受控 自动点火 (HCCI)。 由于与受控自动点火相关联的基本完全开启的节气门和低的燃料供给速 率， 所以在 SI 模式下可能难以使发动机重新着火。因此， 当发动机的重新着火被引发时， 可 以在燃料切断事件之后的每个汽缸的第一次着火期间利用双燃料喷射事件。同样地， 也可 以在各汽缸的第一次着火之后再额外利用双燃料喷射事件以便使每个汽缸着火， 直到所有 汽缸都已经被着火至少一次时为止。双燃料喷射包括使用双喷射将重新着火燃料质量 ( 也 就是固定的燃料质量 ) 输送到各汽缸， 其中该双喷射包括在压缩冲程的初期对重新着火燃 料质量的第一部分进行的第一次喷射， 以及在压缩冲程中的上止点附近对重新着火燃料质 量的剩余少量部分进行的第二次喷射。在第二次喷射之后， 重新着火燃料质量的剩余少量 部分被火花点燃从而引发火焰传播。要理解的是， 重新着火燃料质量的大部分和其剩余的 少量部分可以包括从大约 2 ∶ 1 到大约 5 ∶ 1 的燃料质量比。在每个汽缸的第一次着火之 后， 可能会存在足以适于在各汽缸内进行受控自动点火的余热， 其中可以将在压缩冲程初 期把重新着火燃料质量输送至各汽缸的单燃料喷射事件用于自动点燃的重新着火燃料质 量。 图 2 用曲线示出了在位于点 1 和点 2 之间的燃料切断事件 (FCO) 期间和其后发动 机输出转矩随时间的变化情况， 其中发动机的重新着火在点 A 处被引发。在点 A 处引发发 动机的重新着火可以响应于输入到加速器踏板的操作者转矩需求而发生。替代性地， 引发 发动机的重新着火也可以响应于来自控制系统且独立于任何操作者转矩需求的自动起动 指令而发生。不管怎样， 发动机都响应转矩需求来生成转矩。在 FCO 期间， 发动机转矩为负 的， 表明在动力传动系上存在净拖拽 (net drag)。 在 A 点引发重新着火后， 发动机转矩在点 2 和 3 之间响应于一个或多汽缸的重新着火而增大。
与燃料切断事件之后引发发动机的重新着火相关的瞬时发动机转矩操作包括利 用前述的两种燃料斜坡变化斜率之一来为发动机 10 供给燃料。该两种燃料斜坡变化斜率 包括 ： 第一燃料斜坡变化斜率， 其在点 3 和 4 之间用虚线 B 表示， 用来达到零转矩的发动机 输出 ( 零转矩燃料斜坡变化斜率 ) ； 第二燃料斜坡变化斜率， 其在点 4 和 5 之间， 在燃料斜 坡变化斜率 B 后， 由虚线 C 表示 ( 重新着火之后的燃料斜坡变化斜率 )， 以便用来在点 5 处 达到转矩需求。第一燃料斜坡变化斜率 B 和第二燃料斜坡变化斜率 C 分别为发动机具体校 准参数， 这些参数与车辆驾驶性能状态相关联。 要理解的是， 下面详述的加入了第一燃料斜 坡变化斜率 B 和第二燃料斜坡变化斜率 C 的实施例使用了四缸发动机 ( 其中， 第一燃料斜 坡变化斜率 B 和第二燃料斜坡变化斜率 C 都与在位于点 1 和点 2 之间的燃料切断事件后在 点 A 处引发发动机的重新着火相关 )， 然而， 在此详述的这些方法和设备也能等同地应用于 其他发动机构造。
图 3 分别示出了在瞬时发动机转矩操作期间用于示例性 2.2L 四缸四冲程 HCCI 发 动机的示例性第一燃料斜坡变化斜率 B 和第二燃料斜坡变化斜率 C， 所述瞬时发动机转矩 操作与燃料切断事件后在点 A 处引发的发动机重新着火相关。线 Z 描绘了用于第一燃料斜 坡变化斜率 B 的第一种情况， 该第一种情况用于引发发动机重新着火， 并随后在六个发动 机循环内达到与零转矩发动机输出相关的总的发动机燃料质量。在一个实施例中， 如图所
示， 与引发发动机重新着火相关的重新着火燃料质量包括每发动机循环 24 毫克燃料或每 汽缸事件 6 毫克燃料。类似地， 与零转矩发动机输出相关的总的发动机燃料包括每发动机 循环 36 毫克燃料或每汽缸事件 9 毫克燃料。第一斜坡变化斜率 B 既包括为发动机供给燃 料以引发发动机的重新着火， 又包括为发动机供给燃料以达到零转矩发动机输出。发动机 操作包括 ： 在第一发动机循环期间使得四个汽缸中的一个重新着火并且使用每发动机循环 6 毫克燃料 ； 在第二发动机循环期间使得四个汽缸中的两个着火并且使用每发动机循环 12 毫克燃料 ( 也就是， 每汽缸事件 6 毫克燃料 ) ； 在第三发动机循环期间使四个汽缸中的三个 着火并且使用每发动机循环 18 毫克燃料 ( 也就是， 每汽缸事件 6 毫克燃料 ) ； 以及， 在第四 发动机循环期间使得四个汽缸中的全部四个汽缸着火并且使用每发动机循环 24 毫克燃料 ( 也就是， 每汽缸事件 6 毫克燃料 )。要认识到的是， 每汽缸事件使用的重新着火燃料质量 保持不变， 直到每个汽缸都被着火。 因此， 发动机的重新着火包括在每个接连的发动机循环 期间燃烧被专门以重新着火燃料质量喷射在这些汽缸中被选定的汽缸内的燃料， 使得在每 个后续的发动机循环期间所燃烧的净燃料是根据第一燃料斜坡变化斜率 B 来增加。一旦每 个汽缸都已经被着火至少一次， 则每发动机循环和每汽缸事件的燃料都增加， 直到达到零 转矩燃料质量时为止， 在一个实施例中， 对于示例性的四缸发动机而言该零转矩燃料质量 包括每发动机循环 36 毫克燃料或每汽缸事件 9 毫克燃料。当达到了零转矩燃料质量时， 在 全部汽缸都着火的情况下来实施第二燃料斜坡变化斜率 C， 以达到转矩需求 (To_req) 和相 关的燃料需求， 包括每发动机循环 52 毫克燃料或每汽缸事件 13 毫克燃料。要认识到的是， 相关的燃料需求对应于与达到转矩需求相关的总的发动机燃料质量。要理解的是， 总的发 动机燃料质量和单缸发动机燃料质量以及发动机循环次数都是说明性质的， 而不是将其限 定为在此公开的示例性 2.2L 四缸四冲程 HCCI 发动机。因而， 总的发动机燃料质量和单缸 发动机燃料质量以及发动机循环次数都可以根据其他发动机构造来进行调整。
线 Y 描绘了第一燃料斜坡变化斜率 B 的第二种情况， 该第二种情况包括 ： 引发发动 机的重新着火并随后在四个发动机循环内达到与零转矩发动机输出相关的总发动机燃料 质量。 在一个实施例中， 如图所示， 与引发发动机重新着火相关的重新着火燃料质量包括每 发动机循环 24 毫克燃料或每汽缸事件 6 毫克燃料。类似地， 与零转矩发动机输出相关的总 的发动机燃料质量包括每发动机循环 36 毫克燃料或每汽缸事件 9 毫克燃料。这包括 ： 在第 一发动机循环期间使四个汽缸中的两个着火并且使用每发动机循环 12 毫克燃料 ( 每汽缸 事件 6 毫克燃料 ) ； 在第二发动机循环期间使四个汽缸中的三个着火并且使用每发动机循 环 18 毫克燃料 ( 每汽缸事件 6 毫克燃料 ) ； 在第三发动机循环期间使四个汽缸中的全部四 个汽缸着火并且使用每发动机循环 24 毫克燃料 ( 每汽缸事件 6 毫克燃料 )。要认识到的 是， 每汽缸事件的重新着火燃料质量保持不变， 直到每个汽缸都着火时为止。因此， 使发动 机重新着火包括 ： 在每个接连的发动机循环期间燃烧专门以重新着火燃料质量喷射在这些 汽缸中选定的汽缸内的燃料， 使得在每个接连的发动机循环期间所燃烧的净燃料是根据第 一燃料斜坡变化斜率 B 来增加。在第四发动机循环中， 在每个汽缸都着火后， 喷入到已着火 的四个汽缸的各汽缸中的燃料质量被增加成使用每发动机循环 36 毫克燃料 ( 每汽缸事件 9 毫克燃料 )。当达到了与零发动机转矩输出相关的总的发动机燃料质量时， 在所有汽缸都 着火的情况下来实施第二燃料斜坡变化斜率 C， 以达到转矩需求 (To_req) 和相关的燃料需 求， 包括每发动机循环 52 毫克燃料或每汽缸事件 13 毫克燃料。相关的燃料需求对应于与达到转矩需求相关联的总的发动机燃料质量。要理解的是， 总的发动机燃料质量和单缸发 动机燃料质量以及发动机循环次数都仅是说明性质的， 而不是将其限定为在此公开的示例 性 2.2L 四缸四冲程 HCCI 发动机。因此， 总的发动机燃料质量和单缸发动机燃料质量以及 发动机循环次数都可以根据其他发动机构造来进行调整。
线 X 描绘了第一燃料斜坡变化斜率 B 的第三种情况， 该第三种情况包括 ： 在各汽缸 中引发重新着火， 并随后在两个发动机循环内达到与零转矩发动机输出相关的总的发动机 燃料质量。 在一个实施例中， 如图所示， 与引发发动机重新着火相关的重新着火燃料质量包 括每发动机循环 24 毫克燃料或每汽缸事件 6 毫克燃料。类似地， 与零发动机转矩输出相关 的总的发动机燃料质量包括每发动机循环 36 毫克燃料或每汽缸事件 9 毫克燃料。这包括 ： 在第一发动机循环期间使四个汽缸中的三个着火并且使用每发动机循环 18 毫克燃料 ( 每 汽缸事件 6 毫克燃料 ) ； 在第二发动机循环期间使得四个汽缸中的全部四个汽缸都着火并 且使用每发动机循环 24 毫克燃料 ( 每汽缸事件 6 毫克燃料 )。要认识到的是， 每汽缸事件 的重新着火燃料质量保持不变， 直到每个汽缸都着火时为止。 在第三发动机循环中， 在每个 汽缸都着火以后， 在所有汽缸都着火的情况下使每发动机循环的燃料增加， 以达到转矩需 求 (To_req) 和相关的燃料需求， 包括每发动机循环 52 毫克燃料或每汽缸事件 13 毫克燃 料， 而同时沿循第二燃料斜坡变化斜率 3 维持瞬时转矩。如线 X 所示， 第一燃料斜坡变化斜 率 B 基本与第二燃料斜坡变化斜率 C 具有相同的斜率， 其中， 四个汽缸中的三个汽缸在第一 发动机循环期间被着火以保持所需的瞬时转矩并沿循第一燃料斜坡变化斜率 B。相关的燃 料需求对应于与达到转矩需求相关的总的发动机燃料质量。要理解的是， 总的发动机燃料 质量和单缸发动机燃料质量以及发动机循环次数都仅是说明性质的， 而不是将其限定为在 此公开的示例性 2.2L 四缸四冲程 HCCI 发动机。因此， 总的发动机燃料质量和单缸发动机 燃料质量以及发动机循环次数都可以根据其他发动机结构来进行调整。
如线 X、 Y 和 Z 描绘的那样， 第一燃料斜坡变化斜率 B 的斜率能根据发动机达到期 望转矩需求所需要的快慢来进行改变。例如， 响应于操作者输给加速器踏板的表明了操作 者需要快速加速的转矩需求， 可选择在线 X 中所描绘的第一燃料斜坡变化斜率 B。然而， 响 应于来自控制系统且独立于任何操作者转矩需求的自动启动指令， 可选择在线 Z 中所描绘 的第一燃料斜坡变化斜率 B， 其具有比线 X 中所描绘的第一燃料斜坡变化斜率 B 更小的斜 率。
图 4 示出了示例性的 HCCI 发动机进行如上所述进行操作时的实验数据， 其包括在 瞬时发动机转矩操作期间作为发动机循环的函数的发动机转矩输出 ( 平均有效压力 ( 千 帕 ))， 所述瞬时发动机转矩操作与燃料切断事件后的引发发动机重新着火相关联， 并且与 和零发动机转矩输出相关的总的发动机燃料质量 ( 每发动机循环 36 毫克燃料或每汽缸事 件 9 毫克燃料 ) 以及达到转矩需求所需要的总的发动机燃料质量 ( 每发动机循环 64 毫克 燃料或每汽缸事件 16 毫克燃料 ) 相关联。
本发明已经描述了某些优选实施例和对其进行的改变。 本领域技术人员在阅读和 理解说明书的基础上可以获得更多的改进和变化。因此， 本发明不局限于作为能实现本发 明的最优模式所公开的特定实施例， 而是包括了落在所附权利要求范围内的所有实施例。