CN101392697B - 使用海拔补偿估算内燃机残余废气系数的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用海拔补偿估算内燃机残余废气系数的系统和方法。一种发动机控制系统包括第一因数计算模块，第一因数计算模块根据进气凸轮位置(ICAM)、排气凸轮位置(ECAM)、发动机速度(RPM)和第一标定因数计算第一因数。第二因数计算模块根据ICAM、ECAM、RPM和第二标定因数计算第二因数。残余废气系数(RGF)估算模块根据第二因数和针对海拔进行调节的第一因数估算RGF值。一种方法包括：根据进气凸轮位置(ICAM)、排气凸轮位置(ECAM)、发动机速度(RPM)和第一标定因数计算第一因数；根据ICAM、ECAM、RPM和第二标定因数计算第二因数；和根据第二因数和针对海拔进行调节的第一因数估算残余废气系数(RGF)值。根据RGF值调节至少一个发动机操作参数。

Description

使用海拔补偿估算内燃机残余废气系数的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年9月17日提交的美国临时专利申请No.60/972,930的权益。上述申请的内容作为参考全文引入。

技术领域

本发明涉及内燃机的发动机控制系统，更具体地涉及估算残余废气的发动机控制系统。

背景技术

该部分的内容仅提供与本披露有关的背景信息，且可能不构成现有技术。

残余废气是在火花点火式汽油内燃机中燃烧事件之后剩留在汽缸中的燃烧后空气/燃料混合物。残余废气的数量对排放、性能、燃烧稳定性和容积效率具有显著的影响。

残余废气通过影响装料质量、稀释、温度和火焰速度而影响火花点火式发动机的燃烧过程。这些影响对于优化发动机怠速稳定性、燃料经济性和NOx排放来说是重要的。当前的残余废气估算策略不准确且不能针对不同的海拔进行调节。

发明内容

一种发动机控制系统，其包括第一因数计算模块，所述第一因数计算模块根据进气凸轮位置(ICAM)、排气凸轮位置(ECAM)、发动机速度(RPM)和第一标定因数计算第一因数。第二因数计算模块根据ICAM、ECAM、RPM和第二标定因数计算第二因数。残余废气系数(RGF)估算模块根据针对海拔进行调节的所述第一因数和所述第二因数估算RGF值。发动机操作模块根据所述RGF值调节至少一个发动机操作参数。

一种方法，包括：根据进气凸轮位置(I CAM)、排气凸轮位置(ECAM)、发动机速度(RPM)和第一标定因数计算第一因数；根据ICAM、ECAM、RPM和第二标定因数计算第二因数；和根据针对海拔进行调节的所述第一因数和所述第二因数估算残余废气系数(RGF)值。根据所述RGF值调节至少一个发动机操作参数。

进一步的应用范围从在此提供的说明显而易见。应当理解，说明和具体示例仅用于图示说明的目的，而不限定本披露的范围。

附图说明

在此所述的附图仅用于图示说明的目的，而决不限定本披露的范围。

图1是根据本披露、计算残余废气系数(RGF)的发动机控制系统的功能方块图；

图2A示出了示范性的RGF估算模块；

图2B示出了计算RGF和使用RGF控制发动机操作的示范性方法的步骤；

图3是基于示范性发动机和操作点的进气和排气凸轮位置的实际RGF的曲线图；

图4是对图3的示范性发动机和操作点用本披露建模的RGF的曲线图；

图5是示范性发动机和操作点的实际RGF和用本披露建模的RGF之间的误差的曲线图；

图6是对示范性发动机和操作点用MIT模型建模的RGF的曲线图；

图7是实际RGF和用本披露建模的RGF之间的误差的曲线图；

图8是实际RGF和根据本披露建模的RGF之间的误差的直方图；和

图9-12示出了带有或没有气压校正因数的两种压力的RGF误差。

具体实施方式

以下说明本质上仅为示范性的且不打算限定本披露、应用或使用。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件或特征。

如在此使用的，术语“模块”指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的处理器(共用、专用、或群组)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它合适部件。

RGF用方程以歧管压力、发动机速度、大气压力、进气凸轮位置、和排气凸轮位置描述。本披露提供用于计算RGF的改进模型。本披露相对于其它模型往往具有较低的误差。

残余废气系数(RGF)可以使用以下方程表示。

$\mathrm{RGF}=\frac{{A(\mathrm{ICAM},\mathrm{ECAM},\mathrm{RPM})P}_{\mathrm{baro}}}{\mathrm{MAP}}+B(\mathrm{ICAM},\mathrm{ECAM},\mathrm{RPM})$

A(ICAM，ECAM，RPM)＝a₀+a₁ICAM+a₂ECAM+a₃RPM+a₄ICAM*ECAM+a₅ICAM*RPM+a₆ECAM*RPM+a₇ICAM²+a₈ECAM²+a₉RPM²

B(ICAM，ECAM，RPM)＝b₀+b₁ICAM+b₂ECAM+b₃RPM+b₄ICAM*ECAM+b₅ICAM*RPM+b₆ECAM*RPM+b₇ICAM²+b₈ECAM²+b₉RPM²

RGF是两个方程(A和B)的总和。这两个方程都是发动机速度(RPM)、进气凸轮位置(ICAM)和排气凸轮位置(ECAM)的函数。方程A乘以大气压(P_baro)和歧管压力(MAP)之间的比，以补偿海拔的变化。方程B与方程A相加获得RGF。

第一和第二方程都包含标定参数。这些标定参数是方程A中的“a”值和方程B中的“b”值。模型可借助于用1维气体动力学程序确定实际残余废气系数且确定使实际和建模后的RGF之间的误差最小的标定系数而被标定。

用于计算残余废气系数的方法(称为MIT方法)由以下方程描述。

$x_r=C_1{\left(\frac{p_e}{p_i}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{2\mathrm{\γ}}}\left(\frac{\mathrm{OF}}{N}\right)\sqrt{\frac{p_e-p_i}{{\mathrm{\ρ}}_a}}+C_2{\left(\frac{p_e}{p_i}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}}}\frac{\mathrm{\Φ}}{r_c}$

其中，每个变量在SAE931025中定义，S AE931025在此作为参考引入。该文件描述了使用基于发动机常数(如气门重叠度)和两个经验导出的常数的静态公式估算残余废气。实践中，该模型不具有足够的准确性。

现在参见图1，示出了带有进气和排气凸轮相位器的示范性发动机系统10。发动机系统10包括发动机12，发动机12燃烧空气和燃料混合物产生驱动转矩。空气通过节气门16抽吸到进气歧管14中。节气门16调整进入进气歧管14的空气质量流量。进气歧管14内的空气配送到汽缸18中。虽然图示了单个汽缸18，但是发动机系统10可以用于具有多个汽缸的发动机中，包括但不限于：2、3、4、5、6、8、10和12个汽缸。

燃料喷射器(未示出)喷射燃料，当空气通过进气端口抽吸到汽缸18中时，所述燃料与空气结合。燃料喷射器可以为与电子或机械燃料喷射系统20关联的喷射器。燃料喷射器被控制，以在每个汽缸18内提供希望的空气-燃料(A/F)比。

进气阀22选择性地打开和关闭，以使得燃料/空气混合物能够进入汽缸18。进气阀位置用进气凸轮轴24调节。活塞(未示出)压缩汽缸18中的燃料/空气混合物。火花塞26启动燃料/空气混合物的燃烧，从而驱动汽缸18中的活塞。活塞驱动曲轴(未示出)以产生驱动转矩。当排气阀28处于打开位置时，汽缸18内的燃烧排气被挤出排气端口。排气阀位置用排气凸轮轴30调节。排气在排气系统内处理且释放给大气。虽然示出了单个进气和排气阀22、28，但应当理解，发动机12每个汽缸18可以包括多个进气和排气阀22、28。

发动机系统10还包括进气凸轮相位器32和排气凸轮相位器34，进气凸轮相位器32和排气凸轮相位器34分别调节进气和排气凸轮轴24、30的旋转定时和/或升程。更具体而言，进气和排气凸轮轴24、30的定时可以相对于彼此或相对于汽缸18内的活塞位置或曲轴位置延迟或提前。由此，进气和排气阀22、28的位置可以相对于彼此或相对于汽缸18内的活塞位置调节。通过调节进气阀22和排气阀28的位置，可以调节吸取到汽缸18中的空气/燃料混合物的数量。此外，可以调节通过排气阀28排出的排气的数量。

控制模块40基于加速器踏板(未示出)的位置和由节气门位置传感器(TPS)42产生的节气门位置信号产生节气门控制信号。节气门致动器基于所述节气门控制信号调节节气门位置。节气门致动器可以包括马达或步进马达，步进马达提供对节气门位置的有限和/或粗调控制。控制模块40也调节燃料喷射系统20和凸轮轴相位器32、34，如下文更详细地讨论的。

可以估算或感测大气压P_baro。如果感测到，大气压传感器43可用于输出大气压信号P_baro。大气压传感器43可布置在任何适当的位置。例如，大气压传感器43可布置在节气门上游的进气空气系统中。在车辆海拔变化操作期间，大气压传感器43可产生大气压信号P_baro。

进气空气温度(IAT)传感器44响应于进气空气流的温度，且产生进气空气温度信号。空气质量流量(MAF)传感器46响应于进气空气质量流量且产生MAF信号。歧管绝对压力(MAP)传感器48响应于进气歧管14内的压力且产生MAP信号。发动机冷却剂温度传感器50响应于冷却剂温度且产生发动机温度信号。发动机速度传感器52响应于发动机102的旋转速度且产生发动机速度信号。传感器产生的每个信号由控制模块40接收。

控制模块40可控制火花塞点火的定时和/或能量。定时可以相对于汽缸18内的活塞位置或相对于进气阀22和/或排气阀28的位置提前或延迟。发动机系统10本质上仅为示范性的。例如，发动机系统10可包括其它的传感器、使用涡轮增压器或增压器强制进气、和/或其它变型。

现在参见图2A，示出了示范性的RGF估算模块100。RGF估算模块100可包括第一(或A)因数产生模块104、第二(或B)因数产生模块108和RGF计算模块112。第一因数产生模块104基于RPM、ICAM、ECAM和第一标定因数产生因数A。第二因数产生模块108基于RPM、ICAM、ECAM和第二标定因数产生因数B。RGF计算模块112基于P_baro、MAP和因数A和B计算RGF。控制模块40可使用RGF估算值修正另一控制值和/或调节在此所述的发动机操作参数。例如，控制模块40可包括发动机操作模块116，发动机操作模块116基于RGF估算值调节发动机操作参数，如燃料、节气门和/或发动机速度。

现在参见图2B，示出了根据本披露计算残余废气系数(RGF)的内燃机的发动机控制模块使用的处理步骤。控制程序以步骤200开始。在步骤204中，控制程序计算方程A或A(ICAM、ECAM、RPM)。在步骤208中，控制程序计算方程B或B(ICAM、ECAM、RPM)。在步骤212中，根据方程A和B的计算RGF。方程A和B两者都是发动机速度(RPM)、进气凸轮位置(ICAM)和排气凸轮位置(ECAM)的函数。方程A乘以大气压(P_baro)和歧管压力(MAP)之间的比，以补偿海拔的变化。方程B与调整后的方程A相加获得RGF。在步骤220，RGF用于计算发动机操作值或基于RGF调节发动机操作参数。例如，RGF可用于计算装料质量、稀释度、温度和火焰速度中的至少一个和/或调节发动机怠速速度、燃料和节气门中的至少一个。

现在参见图3-5，示出了基于进气和排气凸轮位置的示范性内燃机的实际RGF。在图4中，示出了在图3的操作点处用本披露建模的RGF。在图5中，示出了实际RGF和用本披露建模的RGF之间的误差。误差在整个凸轮位置范围内可预期小于3％。

现在参见图6，示出了在相同的操作点处用MIT模型建模的RGF。该图示出了对在4000RPM和61kPa的歧管压力时示范性内燃机而言基于进气和排气凸轮位置用MIT模型建模的RGF。

现在参见图7，示出了实际RGF和用本披露建模的RGF之间的误差。误差在一些凸轮位置组合时可预期高达7％。

现在参见图8，示出了实际RGF和根据本披露建模的RGF之间的误差的直方图。选择模型的系数以使得实际容积效率和建模后的容积效率之间的差最小。

本披露的一个益处在于能够随海拔变化准确地预测RGF。图8示出了在99kPa的大气压时用本披露计算的RGF的误差在发动机速度、载荷、进气凸轮位置和排气凸轮位置尺度中的整个发动机操作范围内的分布。

现在参见图9-12，示出了用本披露计算的RGF在发动机操作范围内但在不同大气压时的误差分布。在图9中，示出了对80kPa没有气压校正因数的RGF误差。在图10中，示出了对80kPa带有气压校正因数的RGF误差。在80kPa的大气压时没有校正的误差大且向一侧偏斜。

在图11中，示出了对60kPa没有气压校正因数的RGF误差。在图12中，示出了对60kPa带有气压校正因数的RGF误差。图11和12以60kPa的大气压示出了相同的情况。

RGF通过影响装料质量、稀释度、温度和火焰速度而影响火花点火式发动机的燃烧过程。这些影响对于优化发动机怠速稳定性、燃料经济性和NOx排放来说是重要的。因而，本披露的控制模块可使用改进的RGF来计算装料质量、稀释度、温度和火焰速度中的至少一个，以改进发动机怠速稳定性、燃料经济性和NOx排放中的至少一个。

Claims (16)

1.一种发动机控制系统，包括：

第一因数计算模块，所述第一因数计算模块根据进气凸轮位置ICAM、排气凸轮位置ECAM、发动机速度RPM和第一标定因数计算第一因数；

第二因数计算模块，所述第二因数计算模块根据进气凸轮位置ICAM、排气凸轮位置ECAM、发动机速度RPM和第二标定因数计算第二因数；

残余废气系数RGF估算模块，所述残余废气系数RGF估算模块根据所述第二因数和针对海拔进行调节的所述第一因数估算残余废气系数RGF值；和

发动机操作模块，所述发动机操作模块根据所述残余废气系数RGF值调节至少一个发动机操作参数。

2.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其特征在于，所述第一因数计算模块根据以下方程计算所述第一因数：

A(ICAM，ECAM，RPM)＝a₀+a₁ICAM+a₂ECAM+a₃RPM+a₄ICAM*ECAM+a₅ICAM*RPM

+a₆ECAM*RPM+a₇ICAM²+a₈ECAM²+a₉RPM²

其中，a₀，a₁，...a₉是所述第一标定因数。

3.根据权利要求2所述的发动机控制系统，其特征在于，所述第二因数计算模块根据以下方程计算所述第二因数：

B(ICAM，ECAM，RPM)＝b₀+b₁ICAM+b₂ECAM+b₃RPM+b₄ICAM*ECAM+b₅ICAM*RPM

+b₆ECAM*RPM+b₇ICAM²+b₈ECAM²+b₉RPM²

其中，b₀，b₁，...b₉是所述第二标定因数。

4.根据权利要求3所述的发动机控制系统，其特征在于，所述残余废气系数RGF估算模块根据以下方程估算所述残余废气系数RGF值：

$\mathrm{RGF}=\frac{A(\mathrm{ICAM},\mathrm{ECAM},\mathrm{RPM})P_{\mathrm{baro}}}{\mathrm{MAP}}+B(\mathrm{ICAM},\mathrm{ECAM},\mathrm{RPM})$

其中，P_baro是大气压，MAP是歧管绝对压力。

5.根据权利要求4所述的发动机控制系统，其特征在于，P_baro是估算的。

6.根据权利要求4所述的发动机控制系统，其特征在于，P_baro在操作期间周期性地感测。

7.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其特征在于，所述发动机操作模块基于所述残余废气系数RGF值计算装料质量、稀释度、温度和火焰速度中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其特征在于，所述发动机操作模块基于所述残余废气系数RGF值调节发动机怠速速度、燃料和/或节气门中的至少一个。

9.一种发动机控制方法，包括：

根据进气凸轮位置ICAM、排气凸轮位置ECAM、发动机速度RPM和第一标定因数计算第一因数；

根据进气凸轮位置ICAM、排气凸轮位置ECAM、发动机速度RPM和第二标定因数计算第二因数；

根据所述第二因数和针对海拔进行调节的所述第一因数估算残余废气系数RGF值；和

根据所述残余废气系数RGF值调节至少一个发动机操作参数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一因数基于：

A(ICAM，ECAM，RPM)＝a₀+a₁ICAM+a₂ECAM+a₃RPM+a₄ICAM*ECAM+a₅ICAM*RPM

+a₆ECAM*RPM+a₇ICAM²+a₈ECAM²+a₉RPM²

其中，a₀，a₁，...a₉是所述第一标定因数。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二因数基于：

B(ICAM，ECAM，RPM)＝b₀+b₁ICAM+b₂ECAM+b₃RPM+b₄ICAM*ECAM+b₅ICAM*RPM

+b₆ECAM*RPM+b₇ICAM²+b₈ECAM²+b₉RPM²

其中，b₀，b₁，...b₉是所述第二标定因数。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述残余废气系数RGF值基于：

其中，P_baro是大气压，MAP是歧管绝对压力。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于还包括估算P_baro。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于还包括在操作期间周期性地感测P_baro。

15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述残余废气系数RGF值调节至少一个发动机操作参数包括基于所述残余废气系数RGF值计算装料质量、稀释度、温度和火焰速度中的至少一个。

16.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述残余废气系数RGF值调节至少一个发动机操作参数包括基于所述残余废气系数RGF值调节发动机怠速速度、燃料和/或节气门中的至少一个。

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