CN101622437A - 用于估计内燃机的排气温度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种在发动机进行操作期间估计内燃机的排气温度的方法和制造物品。这包括确定燃烧充气的多个参数状态。据此估计燃烧充气的放热，以及基于所估计的放热来估计排气温度。燃烧充气的示例性参数包括发动机转速、空气质量流率、发动机燃料供应和燃料喷射定时、以及再循环废气比例。

Description

用于估计内燃机的排气温度的方法和设备

技术领域

[0001]本发明总体上涉及内燃机，且更具体地涉及确定内燃机的排气温度。

背景技术

[0002]该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成现有技术。

[0003]现代内燃机配有精密的系统用以在进行操作期间监测并控制发动机性能的各个方面，从而满足操作者对性能的需求(包括转矩和燃料经济性)以及符合与排放、安全及燃料经济性有关的政府规定。这种系统包括被连接到一个或多个控制模块的感测装置和执行器，控制模块执行计算机程序以在进行操作期间监测并控制发动机操作。

[0004]排气温度是发动机系统设计者所用的重要参数。作为需要准确确定排气温度的例证，排放要求已导致实施与后处理系统相结合的废气再循环(EGR)系统以减少发动机排放。废气再循环的控制要求准确确定EGR质量流量。这种方法包括根据气流方程计算经过孔口的EGR流量以及确定充气空气质量流量和新鲜空气质量流量之间的差。这种计算把发动机排气压力用作输入变量之一。一些发动机制造商采用了排气压力传感器以确定排气压力，而其它制造商已经考虑排气压力估计。EGR流量的典型计算如方程1：

[0005] ${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}=C*A*\frac{P_{\mathrm{ex}}}{\sqrt{R*T_{\mathrm{egr}}}}f\left(\frac{P_{\mathrm{im}}}{P_{\mathrm{ex}}}\right)---\left(1\right)$

[0006]其中，P_ex包括排气压力，P_im包括进气歧管压力，T_egr是从EGR冷却器排出的EGR气体温度；C是排放系数，A包括阀影响的面积。通过估计确定排气压力P_ex需要排气温度输入的一些知识以进行估计。

[0007]此外，柴油发动机的诊断调节需要在EGR气体冷却器使得发动机排放增加时检测EGR气体冷却器的结垢或堵塞。为了监测EGR冷却器的结垢，通常需要知道进出EGR冷却器的EGR气体温度。进入EGR冷却器的EGR气体温度是排气温度。

[0008]排气温度监测能够用于提供其它操作。这些包括用于保护排气部件(包括用于涡轮增压系统的涡轮)的反馈控制系统。排气温度监测也能够用于管理在车辆上使用的各种排放装置的排气供应流温度。

[0009]可能优选的是，估算排气温度以降低系统成本，包括传感器和线束的成本。此外，需要采用物理传感器来测量排气温度的系统以监测传感器的操作故障，从而进一步增加了系统的复杂性。

[0010]确定和估计排气温度的当前算法模型包括非线性模型，这需要大量的计算资源且影响车载控制模块的处理量。此外，常规燃烧系统的经验模型不易于适合于与采用预混合充气点火(PCI)燃烧的系统一起运行，所述系统具有高的EGR流率。

[0011]因而，需要估计内燃机的排气温度，从而解决上述问题。

发明内容

[0012]根据本发明的一个实施例，提供一种在发动机进行操作期间估计内燃机的排气温度的方法和制造物品。这包括确定进气燃烧充气的多个参数状态。据此估计燃烧充气的放热，基于所估计的放热来估计排气温度。燃烧充气的示例性参数包括发动机转速、空气质量流率、发动机燃料供应和燃料喷射定时、和再循环废气比例。

[0013]本领域技术人员在阅读和理解实施例的以下详细说明之后将清楚本发明的这些和其它方面。

附图说明

[0014]本发明可以在某些部件和部件设置中采用物理形式，本发明的优选实施例被详细描述且在形成本发明一部分的附图中示出，且在附图中：

[0015]图1是依照本发明的示例性发动机系统的示意图；

[0016]图2是依照本发明的算法流程的图形图；

[0017]图3-8是依照本发明的图形数据图；

[0018]图9是依照本发明的神经网络的图形图；和

[0019]图10-12是依照本发明的图形数据图。

具体实施方式

[0020]现在参照附图，其中这些图示仅仅用来说明本发明而不是要限制本发明。图1描绘了发动机10和依照本发明的实施例构造的发动机控制模块(ECM)5。示例性发动机10包括多缸内燃机，其被机械设计成以压缩点火配置来操作，但是本发明不必受限于压缩点火式发动机配置。可变排量燃烧室在发动机盖和附连到曲轴的往复活塞之间的气缸中形成。发动机系统部件包括包含可变几何涡轮装置(VGT)和空气压缩机(COMP)的进气压缩装置40、充气空气冷却器42、废气再循环(EGR)阀32和冷却器52、进气歧管50、排气歧管及下流管60以及排气后处理系统70(比如包含氧化催化剂和柴油机微粒过滤器)。感测装置被安装在发动机上以监测物理特性并产生可与发动机和环境参数相关的信号。这些感测装置优选包含：环境空气压力传感器12、环境或进气空气温度传感器14以及空气质量流量传感器16(所有这些传感器可以被分开配置或被配置成单个整体装置)；进气歧管空气温度传感器18和进气歧管压力传感器20。有VGT位置传感器28和EGR阀位置传感器30。发动机转速传感器22监测发动机的旋转速度(转每分，RPM)。压力传感器26监测沿排气后处理系统70的压降，这优选包括监测进入排气系统的、进气压缩装置40的VGT的压力输出。每个感测装置被信号地连接到ECM 5以提供信号信息，该信号信息被ECM变换成表示相应监测参数的状态的信息。要理解，这种配置是说明性的，不是限制性的，包括在功能等效装置内可替换的各种感测装置和算法，且仍然落入本发明的范围之内。而且，进气压缩装置40可以包括在本发明的范围之内的涡轮增压器和增压器装置。

[0021]这些传感器是可操作的以提供发动机和系统操作参数的状态，在此表示如下：

新鲜空气质量流量传感器16

T_im进气歧管温度传感器18

P_im  进气歧管压力传感器20

T_am环境温度传感器14

P_am  环境温度传感器12

VGT_p  VGT位置传感器28

EGV_p  EGR阀位置传感器30

RPM  发动机转速传感器22，和

ΔP   排气后处理Δ压力传感器26。

[0022]ECM 5是总体车辆控制系统的元件，优选包括可操作以提供协调的系统控制的分布式控制模块结构。ECM是可操作的以综合来自前述感测装置的有关信息和输入，并执行算法以控制各个执行器来实现控制目标，包括诸如燃料经济性、排放、性能、驾驶性能、诊断和硬件保护之类的参数。ECM 5优选为通用数字计算机，其通常包含微处理器或中央处理单元、存储介质(包含只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)，即非易失性存储器)、高速时钟、模数(A/D)及数模(D/A)电路、以及输入/输出电路及装置(I/O)和适当的信号调节缓冲电路。包含常驻程序指令和标定的一组控制算法被存储在ROM中且被执行以提供相应功能。算法一般在预置循环周期期间被执行以使得每个算法在每个循环周期至少执行一次。利用预定的标定，存储在非易失性存储器装置中的算法由中央处理单元之一执行且可操作以监测来自感测装置的输入并执行控制及诊断例程来控制相应装置的操作。在进行发动机和车辆操作期间，循环周期一般以规则间隔(例如每3.125、6.25、12.5、25和1O0毫秒)被执行。替代地，算法可响应于事件的发生来执行。

[0023]现在参考图2，本发明包含一种优选作为ECM 5中的一个或多个算法执行的方法80，用以估计本文所说明描述的示例性发动机10的排气系统60中的排气温度。排气温度对于控制方案和系统来说是感兴趣的，所述控制方案和系统监测进入冷却器52上游的EGR系统、进入进气压缩装置40、和进入排气后处理系统70的排气供应流的温度。

[0024]操作中，系统确定影响燃烧充气的各种发动机参数的操作状态(步骤82)，所述参数包括发动机转速(RPM)、每次喷射事件的指令燃料质量(F_cmd)(mg)、开始燃料喷射的定时(SOI)、指令或估计EGR流量、通常用曲轴位置描述的进气门关闭定时(IVC)、和空气质量流量

计算充气质量流量

这包括进入发动机的总充气的质量流量(步骤84)，如下方程6所述。由此，能够确定氧气的进气充气质量流量(O2％进气或(步骤86)，如下方程7所述。确定燃料/O2质量比(FO2R)(步骤88)，如下方程3所述。能够基于上述参数的状态和进气温度T_im来确定排气温度T_ex，如方程2所示：

[0025]T_ex＝T_im+g(F_cmd，FO2R，EGR，SOI，RPM，IVC)    (2)

[0026]排气温度T_ex通过多种方法之一来估计，包括执行从进气气体的温度导出的方程和经验导出的参数状态的非线性回归，和可选地通过执行神经网络模型(步骤90)。现在更详细地描述所述方法。

[0027]本文所述的排气温度估计算法依赖于影响排气温度且通常可使用现有传感器和车载算法获得的发动机操作参数的输入状态。通过发动机的燃烧气体温度的增加能够基于燃料/空气当量比

(即燃料/空气比)针对EGR稀释度和与充气点火模式(例如，预混合充气点火模式)有关的其它因素进行调节。在本发明中，每个燃烧室中的燃料质量(被认为是释放影响排气温度的能量或热的主要因素)从每个燃烧充气的发动机燃料供应指令F_cmd(例如，燃料流量/喷射冲程，mg/str)计算。现在参考图3，提供了描述在燃烧期间燃烧的燃料质量和从进气充气到排气充气的温度增加之间的典型关系的曲线图。结果表明，发动机燃料供应指令的增加导致进气空气-排气空气温度之间的差(Texh-Tin)增加，从而增加排气温度。

[0028]现在参考图4，提供了描述在燃料/O2质量比(FO2R)和从进气充气到排气的温度增加(Texh-Tin)之间的典型关系的曲线图。结果表明，每单位氧气进气充气质量流量的燃料质量流量的增加导致进气空气-排气空气温度之间的差(Texh-Tin)增加，从而增加排气温度。因而，进气空气-排气空气温度差(Texh-Tin)和从而排气温度均随着燃料/氧质量比(FO2R)的增加而增加。

[0029]燃料/O2质量比在方程3中限定，如下：

[0030] $\mathrm{FO}2R=\frac{{\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{mass}}}{{\stackrel{\·}{O}}_{2\mathrm{mass}}}---\left(3\right)$

[0031]其中，燃料质量流率和氧气进气充气质量流量如方程4和5所示那样计算：

[0032] ${\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{mass}}=\mathrm{\α}*F_{\mathrm{cmd}}*\mathrm{RPM};$ 和(4)

[0033] ${\stackrel{\·}{O}}_{2\mathrm{mass}}=O{2\%}_{\mathrm{intake}}*{\stackrel{\·}{M}}_c---\left(5\right)$

[0034]充气质量流率参考方程6限定：

[0035] ${\stackrel{\·}{M}}_c={\stackrel{\·}{M}}_u/(1-\mathrm{EGR});---\left(6\right)$

[0036]其中，EGR包括对于给定充气而言流入发动机进气的再循环废气的测量(百分比)。

[0037]因而，氧气进气充气质量流量如方程7所示那样确定：

[0038] ${\stackrel{\·}{O}}_{2\mathrm{mass}}=0.23*{\stackrel{\·}{M}}_c*(1-\mathrm{EGR}*\frac{a+b*\mathrm{\φ}}{\mathrm{\λ}+c+d*\mathrm{\φ}})---\left(7\right)$

[0039]其中，a，b，c和d是经验获得的常数，且

包括燃料质量流率(gm/sec)，且φ包括燃料/空气当量比。参数λ，即标准化空气/燃料比，能够如方程8所述那样确定，其中标量14.57表示燃料的标称当量比：

[0040] $\mathrm{\λ}=\frac{1}{\mathrm{\φ}}=\frac{{\stackrel{\·}{M}}_a}{14.57*{\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{mass}}}=\frac{A}{14.57*F}---\left(8\right)$

[0041]影响操作的另一因素包括再循环废气(EGR)的质量流率，作为燃烧充气的百分比。当EGR质量流率增加时，排气温度降低，因为引入燃烧室的惰性气体质量增加。该影响参考图5示出，图5显示了随着每单位充气的EGR率或质量增加，进气空气-排气空气温度之间的差(Texh-Tin)减小。

[0042]影响操作的另一因素是燃料喷射定时，通常由关于上止点(TDC)测量的相对于活塞位置的开始喷射(SOI)定时来控制。已知延迟SOI定时会延迟燃烧放热，从而导致每个排气冲程中的温度增加。该影响参考图6示出，图6显示了在-5°TDC至+5°TDC的范围内随着SOI定时延迟，进气空气-排气空气温度之间的差(Texh-Tin)减小。

[0043]影响操作的另一因素包括发动机转速。当发动机转速增加时，每个活塞和气缸壁之间的摩擦增加，从而增加排气温度。发动机转速影响从燃烧充气到气缸壁的热传递，但是包括这里要建模的较次要的因素。排气压力对排气温度具有微小的影响。然而，当使用可变气门机构系统时，相对于活塞位置的进气门关闭(IVC)影响排气温度，其中，随着进气门关闭延迟，由于进气的较少压缩，排气温度降低。

[0044]再次阐述方程2，提供了使用前述状态参数来估计排气温度的总体算法，如方程9所示：

[0045]T_ex＝T_im+f(FO 2R，F_cmd，EGR，SOI，RPM，IVC)  (9)

[0046]方程9的实质能够重述为非线性回归排气温度模型，如方程10所示：

[0047] $T_{\mathrm{ex}}=T_{\mathrm{im}}+c_1+c_2*\frac{{\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{mass}}}{O2}+c_3*E{\mathrm{GR}}^2+c_4*\frac{\mathrm{SOI}}{\mathrm{rpm}}+p_1\left(F_{\mathrm{cmd}}\right)---\left(10\right)$

[0048]其中，常数c₁，c₂，c₃和c₄能够通过在试制标定动作期间收集的实际数据的最小二乘回归分析获得。因素

包括燃料供应指令的多项式，通常是三阶多项式，且能够建模为预先标定的数列。现在参考图7，示出了根据方程10执行的示例性发动机模型的执行结果，在进行发动机操作期间发生的一系列试验操作点将实际(测量)排气温度与估计排气温度进行比较。

[0049]可选地，使用前述发动机参数的操作状态来估计排气温度的算法能够重述为如方程11所示：

$T_{\mathrm{ex}}=T_{\mathrm{im}}+c_1+c_2*\frac{{\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{mass}}}{O2}+g_1(\mathrm{rpm},\mathrm{EGR})+g_2(\mathrm{rpm},\mathrm{SOI})+p_1\left(F_{\mathrm{cmd}}\right)+P_2\left(\mathrm{VVT}\right)---\left(11\right)$

[0050]其中，常数c₁和c₂能够通过在试制标定动作期间收集的实际数据的最小二乘回归分析获得。因素g₁(rpm，EGR)和g₂(rpm，SOI)包括通常作为以表式数列形式存储在控制模块的非易失性存储器中的二维标定执行的预定标定值，因素g₁基于发动机转速和EGR质量确定，因素g₂基于发动机转速和开始喷射定时。因素p₁(Fcmd)包括由燃料供应指令获得的多项式方程，通常是三阶多项式，且能够建模为预先标定的数列。函数p₂(VVT)包括通过确定进气门关闭(IVC)定时对排气温度的影响获得的多项式方程，能够建模为在控制模块中以表式数列形式执行的预先标定的关系。使用以数列执行的预先标定的关系来确定排气温度减小了控制模块的计算负载。这种查询表需要具体发动机试制标定动作来产生准确的信息。现在参考图8，示出了执行根据方程11的模型的结果，在示例性发动机的一定时间段内的一系列试验操作点将实际(测量)排气温度与估计排气温度进行比较。

[0051]可选地，神经网络能够开发并用于估计排气温度。现在参考图9，示出了已经根据本发明的一个实施例构造的多层神经网络(NN)。神经网络是已知的算法执行结构且在本文不详细描述。NN的输入包括如下发动机参数状态：发动机转速(RPM)、EGR质量流量、燃料指令F_cmd、燃料/O2质量比FO2R、和进气门关闭定时(IVC)，以及燃料喷射定时(SOI)。NN的第一层包括5个神经元，NN的第二层包括3个神经元。第一层神经元中的每个包括权重因素L1w11-L1w55、具有偏差b₁₁-b₁₅之一的求和函数、和双曲正切(tan-sig)函数N₁₁-N₁₅之一，如图10所示。第二层元素中的每个包括权重因素L2w11-L2w53、具有偏差b₂₁-b₂₃之一的求和函数、和双曲正切(tan-sig)函数N₂₁-N₂₃之一。NN的神经元的权重(w)和偏差(b)通过已知的反向传播算法进行训练，最终估计的排气温度确定为如方程12所述：

[0052]T_ex＝T_im+f₂(L2W*f₁(L1W*u+b₁)+b₂)   (12)

[0053]其中权重因素L2W包括3×5常数数列，权重因素L1W包括5×5常数数列，偏差为b₁＝[b₁₁，b₁₂，b₁₃，b₁₄，b₁₅]以及b₂＝[b₂₁，b₂₂，b₂₃]。

[0054]输入矢量u包括上文已经描述的参数状态，且在方程13中定义如下：

[0055]u＝[FO2R F_cmd EGR SOI RPM IVC]^T    (13)

[0056]现在参考图11和12，示出了为确定代表性发动机的排气温度而训练的NN的结果。结果示出了实际温度和在一定温度范围内训练NN模型和校验NN模型的动作期间的估计温度。结果表明，温度估计器有效地跟踪了在大范围温度内的实际温度和温度变化(对于示例性系统在+/-4.5％的范围内)。

[0057]本发明具体参照实施例及其修改进行了描述。其他人在阅读和理解本说明书之后可容易想到进一步的修改和替换。旨在包含所有这种修改和替换，因为它们属于本发明的范围之内。

Claims (20)

1.一种在发动机操作期间确定内燃机的排气温度的方法，包括：

确定燃烧充气的多个参数状态；

据此估计燃烧充气的放热；和

基于所估计的燃烧充气的放热来估计排气温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，燃烧充气的参数包括发动机转速、空气质量流率、发动机燃料供应和燃料喷射定时、以及再循环废气比例。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，燃烧充气的参数还包括进气门关闭定时。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，燃烧充气的参数还包括发动机的进气空气的温度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，估计燃烧充气的放热包括基于燃烧充气的参数状态来回归非线性温度方程。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，估计燃烧充气的放热包括基于所述多个参数状态执行神经网络模型以确定燃烧充气的温度增加。

7.一种制造物品，包括含有机器可执行程序的存储介质，所述程序可操作确定内燃机的排气温度，所述程序包括：

在发动机进行操作期间确定燃烧充气的多个参数状态的代码；

据此估计燃烧充气的放热的代码；和

基于所估计的放热来估计排气温度的代码。

8.根据权利要求7所述的物品，其中，燃烧充气的参数包括发动机转速、空气质量流率、发动机燃料供应和燃料喷射定时、以及再循环废气比例。

9.根据权利要求8所述的物品，其中，燃烧充气的参数还包括进气门关闭定时。

10.根据权利要求9所述的物品，其中，燃烧充气的参数还包括发动机的进气空气的温度。

11.根据权利要求7所述的物品，其中，估计燃烧充气的放热的代码包括可操作以燃烧充气的参数状态作为输入来回归非线性温度模型的代码。

12.根据权利要求11所述的物品，还包括以表的形式存储的预定标定值，以基于所述参数状态之一来确定燃烧充气温度增加。

13.根据权利要求7所述的物品，其中，估计燃烧充气的放热的代码包括适合于基于所述参数状态来确定燃烧充气的温度增加的可执行神经网络模型。

14.根据权利要求7所述的物品，还包括在其中编码的机器可执行代码以在进行操作期间每秒至少一次确定内燃机的排气温度。

15.根据权利要求7所述的物品，其中，所述内燃机包括压缩点火发动机。

16.一种在发动机操作期间确定压缩点火内燃机的瞬时排气温度的方法，所述内燃机机械设计成用于废气再循环且以预混合燃烧充气点火模式操作，所述方法包括：

确定燃烧充气的多个参数状态；

根据燃烧充气的参数状态来估计燃烧充气的放热；和

基于所估计的放热和发动机的进气空气温度来估计排气温度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，燃烧充气的参数包括再循环废气比例。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，燃烧充气的参数还包括进气门关闭定时。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，燃烧充气的参数还包括发动机转速、空气质量流率、发动机燃料供应和燃料喷射定时、以及发动机的进气空气温度。

20.根据权利要求18所述的方法，包括用于执行所述方法的装置。

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