CN101372921A - 基于吸入二氧化碳浓度的柴油机瞬态燃烧控制 - Google Patents

基于吸入二氧化碳浓度的柴油机瞬态燃烧控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于吸入二氧化碳浓度的柴油机瞬态燃烧控制。其中发动机控制模块包括用来确定目标吸入CO2浓度的目标吸入二氧化碳(CO2)模块。用来估算实际吸入CO2浓度的吸入CO2估算模块。该发动机控制模块基于目标吸入CO2浓度和实际吸入CO2浓度调整燃油喷射。

Description

基于吸入二氧化碳浓度的柴油机瞬态燃烧控制
参考文献
本申请请求于2007年8月21日提交的美国临时申请No.60/956982的利益，上述申请所公开的内容在此以引用的方式与本申请合并。
技术领域
本发明涉及发动机控制系统，尤其涉及柴油发动机瞬态工况下的控制。
背景技术
废气再循环(EGR)是一种用于减少柴油机氮氧化物(NOx)排放的技术。EGR技术引入发动机排出中的一部分废气重新进入发动机气缸。通过EGR引入的二氧化碳(CO2)在燃烧气体中作为稀释剂和吸收热量的成分，以降低燃烧温度以及氮氧化物的排放。燃烧气体中较高的CO2浓度导致较低的NOx排放以及较高的碳氢化合物(HC)排放。因此，燃烧气体中的CO2浓度是影响柴油机排放的一个因素。
喷油定时是影响柴油机排放水平的另一个因素。喷油定时提前通常会导致缸内温度和压力提高，以及引起较低的HC排放和较高的NOx排放。喷油定时滞后会导致燃料的不完全燃烧，因此引起HC排放的升高和NOx排放的降低。最佳的喷油定时基于燃烧气体的条件而确定(例如：CO2浓度)。喷油定时和燃烧气体条件不匹配通常导致恶劣的排放。
柴油机燃烧控制基准需考虑CO2浓度以及喷油定时两方面因素。对每个发动机运转点(发动机转速相比负荷)，通过确定发动机目标吸入质量空气流动(MAF)来确定目标燃烧气体条件(如CO2浓度)。喷油定时在最优排放质量的目标燃烧气体条件下校准。在发动机稳态运转过程中，通过达到目标MAF来提供目标燃烧气体条件。在发动机瞬态运转过程中，即使发动机达到了目标MAF，实际燃烧气体条件也经常偏离目标条件。在柴油机瞬态运转过程中，由于采用了稳态运转条件下喷油定时基准来实现发动机控制，就产生了燃油喷射定时和燃烧气体条件不匹配的问题，上述不匹配导致了高的NOx和HC排放水平。
发明内容
一种发动机控制模块，包括确定目标吸入CO2浓度的目标吸入二氧化碳(CO2)模块。估算实际吸入CO2浓度的吸入CO2估算模块。发动机控制模块基于目标吸入CO2浓度和实际吸入CO2浓度来调整燃油喷射。
附图说明
在此描述的附图内容仅作为举例说明，对本发明公开的内容不构成任何限定。
图1是本发明的柴油机系统的原理框图。
图2是本发明的柴油机控制模块的原理框图。
图3是本发明的吸入CO2判断模块的原理框图。
图4是实现本发明的柴油机瞬态燃烧控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
接下来的描述本质上只是示范性的，并不用来限制当前的公开、申请以及用途。应当理解为在所有的附图中，相同的附图标记表示了类似的或相同的零件和特征。在此所用的术语模块，是指专用集成电路(ASIC)、电子回路、处理器(共用，专用，或者集群)以及执行一个或多个软件或硬件程序的存储器、复合逻辑回路、和/或其它能够提供上述功能的合适的元件。
典型的，柴油机燃烧控制是基于稳态运转条件的。这样基于稳态运转条件来进行控制的结果就是在瞬态运转过程中会造成排放物中氮氧化物(NOx)和碳氢化合物(HC)的含量很高。本申请公开的瞬态燃烧控制系统通过调整燃油喷射定时来补偿瞬态运转。调整喷油定时的结果是降低了NOx和HC的排放。
参照附图1，一种柴油发动机系统20，包括一个通过燃烧空气/燃油的混合物来产生驱动力矩的发动机22。空气通过入口26被吸入吸入歧管24，一个节流阀(未示出)用来调节进入吸入歧管24中的空气流量，吸入歧管24中的空气被分配到气缸28。虽然图1描述了八个气缸，但应该能够领会该发动机22可以包括更多或者更少的气缸28。例如，具有4、5、6、10、12和16个气缸。
发动机系统20包括一个发动机控制模块32，该模块与发动机系统20中的元件进行通讯，例如在此讨论的发动机22和联结的传感器以及控制器。该发动机控制模块32实现本申请中的瞬态燃烧控制系统。
空气经过吸入口26时通过一个吸入质量空气流动传感器34，例如是一个普通质量空气流动计。传感器34产生一个指示通过传感器34空气比率的吸入质量空气流动(MAF)信号。歧管压力传感器36位于吸入口26和发动机22之间的吸入歧管24中，该吸入歧管压力传感器36产生吸入歧管绝对空气压力(MAP)信号。吸入歧管空气温度传感器38同样位于吸入歧管24中，它产生基于吸入温度的歧管空气温度(MAT)信号。
发动机曲轴(未示出)以发动机的转速或者与发动机转速成一定比例的速度旋转，曲轴传感器40感应曲轴位置并产生曲轴位置(CSP)信号。该CSP信号与曲轴转速和气缸行程有关。该曲轴传感器40可以为普通的可变磁阻传感器。熟练技术人员都可以意识到还可以采用其它合适的方法来感测发动机转速和气缸行程。
发动机控制模块32电子控制喷油器42将燃油喷入气缸28。吸入阀44选择性的开启和关闭，以控制空气进入气缸28。吸入阀44有选择地打开和关闭以使空气进入气缸28。凸轮轴(未示出)控制吸入阀的位置。活塞(未示出)压缩气缸28内的空气/燃油混合物。在做功冲程中，活塞驱动曲轴来产生驱动力矩。在排出阀48打开时，气缸28内的燃烧废气通过排出歧管46强制排出。凸轮轴(未示出)控制排出阀位置。排出歧管空气压力传感器50产生排出歧管内空气压力(EMP)信号。排出歧管空气温度传感器51产生排出歧管内空气温度(EMT)信号。
排出的废气通过催化转化器52和柴油微粒过滤器(DPF)54进行处理。废气再循环(EGR)系统包括EGR阀58和EGR管线60，通过这些来将排出引入吸入歧管24。EGR阀可以安装在吸入歧管24内，EGR管线60从排出歧管46延伸至EGR阀58，构成排出歧管46及EGR阀58之间的连接。发动机控制模块32对EGR阀58的位置进行电子控制。EGR阀位置传感器59产生EGR阀位置(EGRP)信号。
发动机22具有一个涡轮增压器62。该涡轮增压器62与排出歧管46和吸入歧管24连通。涡轮增压器62加大进入吸入歧管24的空气流量。增加的空气流量引起吸入歧管内的空气压力升高(即增压压力)。
参照附图2，发动机控制模块32包括稳态喷油定时模块72、目标吸入二氧化碳(CO2)模块74、吸入CO2判断模块76、喷油定时补偿模块78、以及喷油定时控制模块80。该发动机控制模块32从柴油机系统接收输入信号，此信号包括但不仅限于前文所述MAF、MAP、MAT、CSP、EMP、EGRP和EMT信号(在下文中称为“发动机系统信号”)。发动机控制模块32处理发动机系统信号以及定时产生发动机控制指令，并输出到柴油发动机系统20。发动机控制指令包括用来控制喷油器42和EGR阀58的信号。
发动机控制模块32基于相应于稳态发动机运转点(例如发动机转速相比负荷)的稳态燃烧气体条件(例如CO2浓度)来确定稳态基准。稳态燃烧气体条件基于一个目标MAF信号产生。发动机稳态运转点从发动机信号(例如CSP、MAF和MAP信号)确定。稳态喷油定时模块72确定基于稳态基准的基础喷油定时。在发动机在稳态情况下运行时，基础喷油定时是经过计算得出的喷油器定时。目标吸入CO2模块74基于稳态基准确定目标吸入CO2浓度。目标吸入CO2浓度是发动机在稳态情况下运转时吸入歧管24内的吸入CO2浓度。
在瞬态运转情况下，实际吸入CO2浓度可能与目标吸入CO2浓度不同，吸入CO2判断模块76确定估算的吸入CO2浓度。吸入CO2浓度的估算值是吸入歧管中实时的实际CO2浓度值。吸入CO2浓度的估算值可以基于发动机控制指令(例如燃油喷射以及EGR阀信号)、发动机系统信号(例如MAF、MAP、MAT、EMP、EMT和EGRP信号)、和/或模型产生。
喷油定时补偿模块78基于发动机瞬态运转条件下CO2浓度变化来确定补偿喷油定时。发动机控制模块32计算目标吸入CO2浓度和CO2浓度估算值之间的偏差，以确定CO2浓度变化，如图中标记82所示。补偿喷油定时模块因CO2浓度变化而对喷油定时进行补偿，以致实际燃油喷射定时更加精确地与实际CO2浓度相匹配。
喷油定时模块80根据校正的喷油定时控制喷油器42。发动机控制模块32基于基础喷油定时和补偿喷油定时来确定校正的燃油喷射时间，如图中标记84所示。校正的喷油定时可以为上述基础喷油定时和补偿喷油定时的和。喷油定时模块80基于校正喷油定时来控制喷油器42将燃料油喷入气缸28.
参照附图3，一个示范的吸入CO2浓度估算模块76包括EGR百分比估算模块90、排出CO2浓度估算模块92、以及吸入歧管CO2浓度模块94。EGR百分比估算模块90可以基于发动机系统信号(例如MAP、EMP、EMT和EGRP信号)和发动机指令(如EGR阀信号)来确定引入燃烧气体的EGR的百分比。排出CO2浓度判断模块92可以通过喷油定时和燃烧比率来确定排出CO2浓度。燃烧比率是指消耗的燃油和空气的比率。燃烧比率可以通过发动机系统信号和模型来确定。燃烧比率模型可以包括在选定的运转条件下基于发动机参数的功能。进一步说，排出CO2浓度估算模块92可以根据先前估算的吸入CO2浓度值来估算排出CO2浓度。吸入歧管CO2浓度模块94通过EGR百分比、排出CO2浓度以及发动机系统信号(如MAF、MAP和MAT信号)来确定吸入CO2浓度估算值。吸入CO2浓度估算值指示出吸入歧管24中实时的实际CO2浓度值。
参照附图4，柴油发动机瞬态燃烧控制方法100起始于步骤101。在步骤102中，基础喷油定时基于稳态基准被确定。在步骤104中，目标吸入CO2浓度基于稳态基准被确定。在步骤108中，确定引入燃烧空气的EGR的百分比。在步骤110中，确定排出CO2浓度。在步骤112中，估算吸入歧管中吸入的CO2浓度。在步骤114中，确定CO2浓度变化量。在步骤116中，确定补偿喷油定时。在步骤118中，基于补偿喷油定时和基础喷油定时来确定校正的喷油定时。在步骤120中，基于校正的喷油定时进行喷油。所述柴油机瞬态燃烧控制方法100终结于步骤122。
本领域熟练技术人员从前面的描述可以认识到，本申请公开的内容可以以多种方式实现。所以，虽然上述内容只公开了部分特例，但本申请真正的范围不应当受此限定，本领域熟练从业者通过研究说明书，说明书附图和权利要求书所做出的显而易见的变化都落入本发明的保护范围。

Claims (26)

1.一种发动机控制模块，包括：
用来确定目标吸入CO2浓度的目标吸入二氧化碳(CO2)模块；以及
用来判断实际吸入CO2浓度的吸入CO2估算模块；
所述发动机控制模块基于所述目标吸入CO2浓度和所述实际吸入CO2浓度来调整燃油喷射。
2.如权利要求1所述的发动机控制模块，其特征在于，所述发动机控制模块基于所述目标吸入CO2浓度和所述实际吸入CO2浓度确定CO2浓度变化，并基于所述CO2浓度变化来调整所述燃油喷射。
3.如权利要求1所述的发动机控制模块，其特征在于，所述目标吸入CO2浓度基于稳态基准数据。
4.如权利要求1所述的发动机控制模块，其特征在于，所述吸入CO2估算模块包括确定引入燃烧气体的EGR百分比的废气再循环(EGR)百分比估算模块。
5.如权利要求4所述的发动机控制模块，其特征在于，所述吸入CO2估算模块还包括确定排出CO2浓度的排出CO2浓度估算模块。
6.如权利要求5所述的发动机控制模块，其特征在于，所述吸入CO2估算模块还包括基于所述排出CO2浓度以及所述引入燃烧气体中的EGR百分比来确定所述实际吸入CO2浓度的吸入歧管CO2浓度模块。
7.如权利要求5所述的发动机控制模块，其特征在于，所述排出CO2浓度估算模块基于所述实际吸入CO2浓度来确定所述排出CO2浓度。
8.如权利要求4所述的发动机控制模块，其特征在于，所述EGR百分比估算模块判断所述EGR的百分比，该判断过程基于如下中的至少一个：吸入歧管绝对空气压力(MAP)信号、排出歧管空气压力(EMP)信号、排出歧管空气温度(EMT)信号、以及EGR阀的位置信号。
9.如权利要求5所述的发动机控制模块，其特征在于，所述排出CO2浓度估算模块基于喷油定时以及燃烧率中的至少一个来确定所述排出CO2浓度。
10.如权利要求1所述的发动机控制模块，其特征在于，所述吸入歧管CO2浓度模块确定所述实际吸入CO2浓度，该确定基于如下中的至少一个：质量空气流动信号、MAP信号以及吸入歧管空气温度(MAT)信号。
11.如权利要求3所述的发动机控制模块，其特征在于，还包括基于所述稳态基准数据来确定基础喷油定时的稳态喷油定时模块。
12.如权利要求11所述的发动机控制模块，其特征在于，还包括基于所述目标吸入CO2浓度以及所述实时吸入CO2浓度来确定补偿喷油定时的喷油定时补偿模块。
13.如权利要求12所述的发动机控制模块，其特征在于，还包括基于基础喷油定时和补偿喷油定时而控制喷油器的喷油定时控制模块。
14.一种发动机控制方法，包括：
确定目标吸入CO2浓度；
估算实际吸入CO2浓度；以及
基于所述目标吸入CO2浓度和所述实际吸入CO2浓度调整燃油喷射。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：
基于所述目标吸入CO2浓度和所述实际吸入CO2浓度来确定CO2浓度变化；以及
基于所述CO2浓度变化来调整所述燃油喷射。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述目标吸入CO2浓度是基于稳态基准数据来确定。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括确定引入燃烧空气的EGR的百分比。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括确定排出CO2浓度。
19.如权利要求18所述的方法，还包括基于所述排出CO2浓度和所述引入燃烧空气的EGR的百分比来确定所述实际吸入CO2浓度。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括基于所述实际吸入CO2浓度来确定所述排出CO2浓度。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括确定所述EGR的百分比，该确定过程基于如下中的至少一个：吸入歧管绝对空气压力(MAP)信号、排出歧管空气压力(EMP)信号、排出歧管空气温度(EMT)信号以及EGR阀的位置信号。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括基于喷油定时以及燃烧率中的至少一个确定所述排出CO2浓度。
23.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括确定所述实际吸入CO2浓度，该确定过程基于如下中的至少一个：质量空气流动信号、MAP信号以及吸入歧管空气温度(MAT)信号。
24.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括基于稳态基准数据来确定基础喷油定时。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括基于所述目标吸入CO2浓度和所述实时吸入CO2浓度来确定补偿喷油定时。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括基于基础喷油定时和补偿喷油定时来控制喷油器工作。
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