CN101555839A - 用于估算内燃机中氧浓度的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于估算内燃机内氧气浓度的方法，其中所述内燃机包括进气歧管、排气歧管、废气再循环系统、节流阀、空气质量传感器、多个气缸，其中空气质量传感器用于测量经过节流阀进入进气歧管的新鲜空气流量。根据本发明的方法包括步骤：估算进入气缸的总气流量，计算EGR废气流量，计算流过排气歧管内气体的空气分数，基于排气歧管内的空气分数、进入气缸的总气流量、EGR废气流量以及新鲜空气流量计算进入气缸的空气质量，基于新鲜空气流量、EGR废气流量和进入气缸的总气流量计算进气歧管内的总质量，基于进入气缸的空气质量和进气歧管内的总质量计算进气歧管内的空气分数，以及基于进气歧管内的空气分数计算进气歧管内的氧气质量浓度。

Description

用于估算内燃机中氧浓度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于估算内燃机内氧气浓度的方法，其中所述内燃机包括进气歧管、排气歧管、废气再循环(EGR)系统、节流阀、空气质量传感器、多个气缸，其中空气质量传感器用于测量经过节流阀进入进气歧管的新鲜空气流量内燃机进气歧管内氧浓度水平的估算。

背景技术

现有技术中，用于内燃机的氧气控制系统和方法是大家所熟知的，例如美国专利7,117,078。

通常，内燃机中具有废气再循环(EGR)系统，空气质量传感器(或气流计)，压力传感器以及一个或多个温度传感器。

EGR系统包括一个能够调节从排气歧管流向进气歧管的废气流的可控EGR阀。再循环废气能够在排气管路的任何点获得，例如涡轮机的下游或者后处理点的下游，并且气体可以被再次导入进气管路的任何一点，例如一个或多个压缩机上游或者中间冷却器的上游。

空气质量传感器能够测量经过节流阀进入进气歧管的新鲜空气流。

压力传感器能够测量废气的压力并被布置在进气歧管内新鲜空气和再循环废气流之间混合点的下游。

如上所述，也可能仅存在一个或多个温度传感器，如果只有一个传感器(硬件结构1-HW1)，它被布置在进气歧管内新鲜空气和再循环废气流混合点的下游；如果有两个传感器(硬件结构2-HW2)，它们会被布置在节流阀和EGR阀附近。

普通发动机布置有电子控制单元，其用于估算喷入气缸内的燃料流量(软件结构1-SW1)，以及经过EGR阀的废气流量(软件结构2-SW2)。

已知的氧气控制系统采取流体动力学稳态条件计算进气氧气浓度；这种途径的主要缺点在于在瞬时工作状态下，氧气浓度追踪不精确。

发明内容

基于上述内容，本发明的目的在于提供一种改进的能在稳态和瞬态条件下估算内燃机进气氧气浓度的方法。

根据本发明的方法来实现这个目的以及其它目的，该方法的主要特征在于：

-估算进入气缸的总气流量；

-计算EGR废气流量；

-计算排气歧管内流动的废气的空气分数；

-以排气歧管内的空气分数、进入气缸的总气流量、EGR废气流量

以及新鲜空气流量为基础，计算进入气缸的空气质量；

-以新鲜空气流量、EGR废气流量和进入气缸的总气流量为基础，计算进气歧管内的总质量；

-以进入气缸的空气质量和进气歧管内的总质量为基础，计算进气歧管内的空气分数；以及

-以进气歧管内的空气分数为基础计算进气歧管内的氧气质量浓度。

附图说明

参考相应的附图，仅仅通过提供的非限定性实例的下述说明，本发明的进一步特点和优点将会容易明白。其中：

图1是根据本发明的方法执行的运行框图；以及

图2是利用图1中的一个块执行的运行框图。

具体实施方式

简单地说，本发明的方法以利用总质量和空气质量守恒方程的微分式以及观测器途径为基础，其中，观测器途径以布置在进气歧管内的有效传感器为基础。本发明既可用于柴油发动机，也可用于汽油发动机。

图1示出了根据本发明的方法执行的运行框图。

在下面的说明书中，考虑了两种布局：第一种布局仅有一个温度传感器；第二种布局有两个温度传感器。

图1中，第一块1执行EGR废气流量估算，这依靠于软件结构SW1或者SW2。

在第一结构SW1中，不能得到EGR废气流量的外部输入量。因此，第一块1根据下面的方程估算出一个EGR废气流量(由燃烧后的残余空气和燃气组成)：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}={\stackrel{\·}{m}}_o-{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{thr}}+P(p_{\mathrm{im}\_\mathrm{sens}}-p_{\mathrm{im}})---\left(1\right)$

其中，是经过节流阀的新鲜空气流量，其通过传感器测得或来自一模型，

是估算的进入气缸的总气流量(由燃烧后的残余空气、燃气以及新鲜空气组成)，其通过发动机的电子控制单元提供，p_{im_sens}是通过一传感器测得的进气歧管内的压力，p_im是进气歧管内的估算压力(如下面所公开的那样计算)以及P是预先确定的比例系数。m_o和m_thr的差是稳态项，p_{im_sens}和p_im的差是误差反馈，其用于计算相应的闭环修正量。

在第二结构SW2中，通过发动机电子控制单元提供了一个理论的EGR废气流量

这种情况下，就有可能修正EGR废气流量的估算(如果认为下面公开的速度密度模型比理论的EGR废气流量

估算更精确)或理论的发动机流量(如果认为理论的EGR废气流量

估算比速度密度模型更精确)。

在第二结构SW2中，可选择地执行下面的两个方程：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egrTH}}+P.I.(p_{\mathrm{im}\_\mathrm{sens}}-p_{\mathrm{im}})---\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{m}}_o={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{oTH}}+P.I.(p_{\mathrm{im}\_\mathrm{sens}}-p_{\mathrm{im}})---\left(3\right)$

其中，

是进入气缸的理论总气流量，如下面公开的那样计算该理论的总气流量，以及P.I.是一个预先确定的比例-积分控制器。

这两个不同的方程可以选择地或联合地生效。

块1的输出量为EGR废气流量

和估算的总气流量

在第一结构SW1中，EGR废气流量

是根据方程(1)计算的，并且估算的总气流量

是进入气缸的理论总气流量

在第二结构SW2中，当使用方程(2)时，估算的总气流量是理论的总气流量

当使用方程(3)时，EGR废气流量

是理论的EGR废气流量

将块1的输出输入到氧气估算块2，其中氧气估算块2计算进气歧管内的氧气量。

氧气估算块2独立于硬件和软件结构且在图2中表示。

图2中，第三块3根据下面的方程计算排气歧管空气分数f_{air_em}：

$f_{\mathrm{air}\_\mathrm{em}}=\frac{f_{\mathrm{air}\_\mathrm{im}}{\stackrel{\·}{m}}_o-{(A/F)}_{\mathrm{st}}{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{fuel}}}{{\stackrel{\·}{m}}_o+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{fuel}}}---\left(4\right)$

其中，f_{air_im}是进气歧管空气分数(表示燃烧后的残余空气与新鲜空气的百分比)，如下面公开的那样计算该分数，(A/F)_st是理想配比的空燃比，且

是预先确定的被引入到气缸内的燃料质量，该预先确定的值通过电子控制单元提供。因此，作为燃烧后的残余空气质量(通过引入到气缸中的空气

减去在燃烧中燃烧了的空气给出，其中燃烧假定为完全燃烧，燃烧了的空气等于

与引入到气缸内的总质量(通过进气冲程中收集的总气流量

加上喷入的燃料质量

给出)的比，排气歧管空气分数f_{air_em}被计算出来。

将排气空气分数f_{air_em}输入到块4，为了获得进入气缸的估算空气质量m_{im_air}(由燃烧后的残余空气和新鲜空气组成)，在块4中执行空气质量守恒方程：

$\frac{{\mathrm{dm}}_{\mathrm{im}\_\mathrm{air}}}{\mathrm{dt}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{thr}}+f_{\mathrm{air}\_\mathrm{em}}{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}-f_{\mathrm{air}\_\mathrm{im}}{\stackrel{\·}{m}}_o---\left(5\right)$

将估算的空气质量m_{im_air}输入到块5，并在其中被用来根据下面的方程计算进气歧管空气分数f_{air_im}：

$f_{\mathrm{air}\_\mathrm{im}}=\frac{m_{\mathrm{im}\_\mathrm{air}}}{m_{\mathrm{im}}}---\left(6\right)$

其中，m_im是进气歧管内的总质量(由燃烧后的残余空气、燃气和新鲜空气组成)，如下面公开的那样计算该进气歧管内的总质量。

将块5的输出返回到块3和块4以关闭循环从而执行上面公开的计算。

在质量守恒块6中，根据下面的方程计算进气歧管内的总质量m_im：

$\frac{{\mathrm{dm}}_{\mathrm{im}}}{\mathrm{dt}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{thr}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}-{\stackrel{\·}{m}}_o---\left(7\right)$

假定进气和排气混合物仅仅由氧气和氮气组成，进气氧气体积浓度可以用进气歧管空气分数f_{air_im}表示，或者直接用氧气质量浓度[Q₂]_{m_im}表示。

这样，在连接到块5的变换块7中，根据下面的方程可能获得进气歧管空气分数f_{air_im}和氧气质量浓度[Q₂]_{m_im}之间的物理关系：

[Q₂]_{m_im}＝[Q₂]_{m_air}f_{air_im}          (8)

${\left[O_2\right]}_{v\_\mathrm{im}}=\frac{(M_{N2}/M_{O2}){\left[O_2\right]}_{m\_\mathrm{im}}}{1+(M_{N2}/M_{O2}-1){\left[O_2\right]}_{m\_\mathrm{im}}}---\left(9\right)$

其中，[O₂]_{m_air}是纯净空气中的氧气质量浓度，[O₂]_{v_im}是氧气体积浓度，以及M_N2和M_O2是氮气和氧气分子量。

现在回到图1，进气歧管内的总质量m_im输入到块8，在块8中，通过理想气体定律得到进气歧管内的估算压力p_im：

$p_{\mathrm{im}}=\frac{R_{\mathrm{im}}{m}_{\mathrm{im}}{T}_{\mathrm{im}}}{V_{\mathrm{im}}}---\left(10\right)$

其中，V_im是进气歧管的几何体积(预先确定的值)，R_im是气体的常量R，以及T_im是进气歧管的温度，如下面公开的那样计算该温度。

在块9中，依靠硬件结构HW1和HW2计算出温度T_im。块9接收来自块2的进气歧管内的总质量m_im的值。

在第一结构HW1中，使用了下面的方程：

$T_{\mathrm{im}\_\mathrm{ideal}}=\frac{p_{\mathrm{im}\_\mathrm{sens}}{V}_{\mathrm{im}}}{R_{\mathrm{im}}{m}_{\mathrm{im}}}---\left(11\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{im}\_\mathrm{obs}}=(L.P.F)T_{\mathrm{im}}\\ T_{\mathrm{im}}=T_{\mathrm{im}\_\mathrm{ideal}}+P..I.(T_{\mathrm{im}\_\mathrm{sens}}-T_{\mathrm{im}\_\mathrm{obs}})\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，L.P.F是一个预先确定的低通滤波器，T_{im_sens}是温度传感器测得的温度，T_{im_obs}是考虑到传感器时间常数而由低通滤波器模型生成的观测温度值。

通过将测得值T_{im_sens}和观测值T_{im_obs}进行比较，并用比例-积分闭环修正量修正它，温度观测器被用于加速进气歧管温度传感器缓慢的动态特性。

在第二结构HW2中，两个温度传感器分别测量流过节流阀的气体温度T_thr以及流过EGR阀的气体温度T_egr。这种情况下，有2个备选方案。

依照下面的方程，第一备选方案使用微分形式：

$\frac{{\mathrm{dp}}_{\mathrm{im}}}{\mathrm{dt}}=\frac{R_{\mathrm{im}}}{c_{v_{\mathrm{im}}}{V}_{\mathrm{im}}}[{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{thr}}{T}_{\mathrm{thr}}{c}_{p_{\mathrm{thr}}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}{T}_{\mathrm{egr}}{c}_{p_{\mathrm{egr}}}-{\stackrel{\·}{m}}_o{T}_{\mathrm{im}}{c}_{p_{\mathrm{im}}}]---\left(13\right)$

$T_{\mathrm{im}}=\frac{p_{\mathrm{im}}{V}_{\mathrm{im}}}{R_{\mathrm{im}}{m}_{\mathrm{im}}}---\left(14\right)$

其中，

是进气歧管内的气体的等容比热，

是进气歧管内的气体的等压比热，

是EGR气流的等压比热，是节流空气流的等压比热。

依照下面的方程，第二备选方案使用稳态形式：

$T_{\mathrm{im}}=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{thr}}{T}_{\mathrm{thr}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}{T}_{\mathrm{egr}}}{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{thr}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}}---\left(15\right)$

将温度T_im与估算压力p_im一起输入到速度-密度模型块10，在那里，从进气歧管密度开始，根据下面的方程计算出进入气缸内的理论的总气流量

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{oTH}}=\frac{p_{\mathrm{im}}}{R_{\mathrm{im}}{T}_{\mathrm{im}}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{vol}}{V}_d\frac{N_{\mathrm{eng}}}{120}---\left(16\right)$

其中，η_vol是发动机的容积效率，N_eng发动机速度(rpm)，V_d是发动机排量。为了保证进气歧管内热-动力状态估算之间的物理相干性，利用温度和压力估算来计算进气密度。

理论的总气流量

和估算压力p_im输送回块1以关闭循环。

明显地，发明原理相同，相对于那些纯粹作为非限制的例子的说明和解释，在不超出本发明附加权利要求所限定的本发明的保护范围内，产品的具体实施和细节能相当大地作出改变。

Claims (16)

1.一种用于估算内燃机内氧气浓度的方法，其中所述内燃机包括进气歧管、排气歧管、废气再循环(EGR)系统、节流阀、空气质量传感器、多个气缸，其中空气质量传感器用于测量经过节流阀进入进气歧管的新鲜空气流量

所述方法的特征在于：

-估算进入气缸的总气流量

-计算EGR废气流量

-计算排气歧管内流动的废气的空气分数(f_{_air_em})；

-以排气歧管内的空气分数(f_{_air_em})、进入气缸的总气流量

EGR废气流量

以及新鲜空气流量为基础，计算进入气缸的空气质量(m_{im_air})；

-以新鲜空气流量

EGR废气流量

和进入气缸的总气流量为基础，计算进气歧管内的总质量(m_im)；

-以进入气缸的空气质量(m_{im_air})和进气歧管内的总质量(m_im)为基础，计算进气歧管内的空气分数(f_{air_im})；以及

-以进气歧管内的空气分数(f_{air_im})为基础计算进气歧管内的氧气质量浓度([O₂]_{m_im})。

2、根据权利要求1所述的方法，其中进入气缸的总气流量

和EGR废气流量

的计算这样执行：

-确定进气歧管内的估算压力(p_im)和测得压力(p_{im_sens})以及

-估算进入气缸的理论总气流量

3、根据权利要求1所述的方法，其中进入气缸的总气流量

和EGR废气流量

的计算这样执行：

-确定进气歧管内的估算压力(p_im)和测得压力(p_{im_sens})；

-估算理论的EGR废气流量

以及

-估算进入气缸的理论总气流量

4、根据权利要求2或3所述的方法，还包括确定进气歧管内的估算温度(T_im)的步骤，并且其中依照下面的方程计算进气歧管内的估算压力(p_im)：

$p_{\mathrm{im}}=\frac{R_{\mathrm{im}}{m}_{\mathrm{im}}{T}_{\mathrm{im}}}{V_{\mathrm{im}}}---\left(10\right)$

其中，V_im是代表进气歧管的几何体积的常量，R_im是气体的常量R。

5、根据权利要求4所述的方法，还包括测量进气歧管内的温度(T_{im_sens})的步骤，并且其中依照下面的方程来计算进气歧管内的估算温度(T_im)：

$T_{\mathrm{im}\_\mathrm{ideal}}=\frac{p_{\mathrm{im}\_\mathrm{sens}}{V}_{\mathrm{im}}}{R_{\mathrm{im}}{m}_{\mathrm{im}}}$

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{im}\_\mathrm{obs}}=(L.P.F)T_{\mathrm{im}}\\ T_{\mathrm{im}}=T_{\mathrm{im}\_\mathrm{ideal}}+P..I.(T_{\mathrm{im}\_\mathrm{sens}}-T_{\mathrm{im}\_\mathrm{obs}})\end{array}\right.$

其中，V_im是代表进气歧管的几何体积的常量，R_im是气体的常量R，L.P.F是预先确定的低通滤波器，T_{im_obs}是考虑到传感器时间常数而由低通滤波器模型生成的观测温度值。

6、根据权利要求4所述的方法，还包括一个步骤，在该步骤中，测量流过节流阀的气体温度(T_thr)和流过EGR系统的EGR阀的气体温度(T_egr)，其中依照下面的方程计算进气歧管的估算温度(T_im)：

$\frac{{\mathrm{dp}}_{\mathrm{im}}}{\mathrm{dt}}=\frac{R_{\mathrm{im}}}{c_{v_{\mathrm{im}}}{V}_{\mathrm{im}}}[{\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{thr}}{T}_{\mathrm{thr}}{c}_{p_{\mathrm{thr}}}+{\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{egr}}{T}_{\mathrm{egr}}{c}_{p_{\mathrm{egr}}}-{\stackrel{.}{m}}_o{T}_{\mathrm{im}}{c}_{p_{\mathrm{im}}}]$

其中，

是气体的等容比热，

是等压比热，V_im是代表进气歧管的几何体积的常量，R_im是气体的常量R，

是EGR气流的等压比热，

是节流空气流的等压比热。

7、根据权利要求4所述的方法，还包括一个步骤，在该步骤中，测量流过节流阀的气体温度(T_thr)和流过EGR系统的EGR阀的气体温度(T_egr)，其中依照下面的方程计算进气歧管的估算温度(T_im)：

$T_{\mathrm{im}}=\frac{{\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{thr}}{T}_{\mathrm{thr}}+{\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{egr}}{T}_{\mathrm{egr}}}{{\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{thr}}+{\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{egr}}}$

8、根据权利要求2-7任一项所述的方法，其中依照下面的方程计算进入气缸的理论的总气流量

${\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{oTH}}=\frac{p_{\mathrm{im}}}{R_{\mathrm{im}}{T}_{\mathrm{im}}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{vol}}{V}_d\frac{N_{\mathrm{eng}}}{120}$

其中，η_vol是发动机的容积效率，N_eng发动机速度(rpm)，V_d是发动机排量。

9、根据权利要求2-8任一项所述的方法，其中依照下面的方程计算EGR废气流量

${\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{egr}}={\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{oTH}}-{\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{thr}}+P(p_{\mathrm{im}\_\mathrm{sens}}-p_{\mathrm{im}})$

其中P是预先确定的比例系数。

10、根据权利要求3-8任一项所述的方法，其中依照下面的方程计算EGR废气流量

${\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{egr}}={\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{egrTH}}+P.I.(p_{\mathrm{im}\_\mathrm{sens}}-p_{\mathrm{im}})$

其中P.I.是预先确定的比例-积分调节器。

11、根据权利要求2-10任一项所述的方法，其中依照下面的方程计算进入气缸的总气流量

${\stackrel{.}{m}}_o={\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{oTH}}+P.I.(p_{\mathrm{im}\_\mathrm{sens}}-p_{\mathrm{im}})$

其中P.I.是预先确定的比例-积分调节器。

12、根据前面任一项权利要求所述的方法，其中依照下面的方程计算在排气歧管内流动的废气的空气分数(f_{air_em})：

$f_{\mathrm{air}\_\mathrm{em}}=\frac{f_{\mathrm{air}\_\mathrm{im}}{\stackrel{.}{m}}_o-{(A/F)}_{\mathrm{st}}{\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{fuel}}}{{\stackrel{.}{m}}_o+{\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{fuel}}}$

其中(A/F)_st是理想配比的空燃比，以及m_fuel是预先确定的被引入到气缸内的燃料质量。

13、根据前面任一项权利要求所述的方法，其中依照下面的方程计算进入气缸的空气质量(m_{im_air})：

$\frac{{\mathrm{dm}}_{\mathrm{im}\_\mathrm{air}}}{\mathrm{dt}}={\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{thr}}+f_{\mathrm{air}\_\mathrm{em}}{\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{egr}}-f_{\mathrm{air}\_\mathrm{im}}{\stackrel{.}{m}}_o$

14、根据前面任一项权利要求所述的方法，其中依照下面的方程计算总质量(m_im)：

$\frac{{\mathrm{dm}}_{\mathrm{im}}}{\mathrm{dt}}={\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{thr}}+{\stackrel{.}{m}}_{\mathrm{egr}}-{\stackrel{.}{m}}_o$

15、根据前面任一项权利要求所述的方法，其中依照下面的方程计算进气歧管内的空气分数(f_{air_im})：

$f_{\mathrm{air}\_\mathrm{im}}=\frac{m_{\mathrm{im}\_\mathrm{air}}}{m_{\mathrm{im}}}$

16、根据前面任一项权利要求所述的方法，其中依照下面的方程计算进气歧管内的氧气质量浓度([O₂]_{m_im})：

[O₂]_{m_im}＝[O₂]_{m_air}f_{air_im}

${\left[O_2\right]}_{v\_\mathrm{im}}=\frac{(M_{N2}/M_{O2})[O_2{]}_{m\_\mathrm{im}}}{1+(M_{N2}/M_{O2}-1)[O_2{]}_{m\_\mathrm{im}}}$

其中，[O₂]_{m_air}是纯净空气中的氧气质量浓度，[O₂]_{v_im}是氧气体积浓度，以及M_N2和M_O2是氮气和氧气分子量。

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