CN101680380B - 用于控制柴油发动机中的涡轮出口温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种用于控制内燃发动机的排气温度的方法和系统。所述方法和系统包括确定所述内燃发动机内的可接受充气流的范围以满足所需的排气温度。所述方法和系统进一步包括将所述充气流控制到落入所述范围内。本发明揭示了利用所述充气流作为杠杆来控制涡轮出口温度的控制策略。所述策略利用气缸出口温度虚拟传感器以及新的涡轮出口温度虚拟传感器的反演,以在给出当前涡轮入口和出口压力、SOI、充气压力、充气温度、加油和发动机速度的情况下,确定为实现所述所需的涡轮出口温度而需要的充气流。

Description

用于控制柴油发动机中的涡轮出口温度的方法
技术领域
本发明通常涉及柴油发动机且更具体来说涉及控制柴油发动机的涡轮出口温度以使排放物降到最低。
背景技术
当燃烧发生于具有过量氧的环境中时,峰值燃烧温度增加,从而导致形成有害排放物,例如氮的氧化物(NOx)。当所述燃烧事件期间或之后温度为高时,此问题因使用可操作以增加新鲜空气流的质量且因此增加存在于燃烧室中的氧和氮的浓度的涡轮增压器机械而加重。
一种用于降低有害排放物(例如NOx)的已知技术涉及将化学惰性气体引入到新鲜流动空气串流中以供随后燃烧。因此,通过降低待燃烧的所得充气的氧浓度,燃油燃烧得较慢且可使峰值燃烧温度相应地降低,由此使NOx的产生下降。在内燃发动机环境中,此类化学惰性气体易于以排气的形式大量存在。一种用于实现上述结果的已知方法是通过使用所谓的排气再循环(EGR)系统以可控方式将排气引入到进气歧管,所述废气再循环(EGR)系统可操作以可控方式将来自排气歧管的排气引入(即,再循环)到流向进气歧管的新鲜空气串流中。通过使用机载微处理器,通常根据由若干发动机工作传感器供应的信息来完成对EGR阀门的控制。
尽管上述类型的EGR系统通常在降低由燃烧过程所致的有害排放物方面有效,但由此所付出的是以所得发动机效率损失形式的代价。在典型的发动机控制策略中,NOx产生水平与发动机操作效率之间存在折衷,且与管理所述折衷相关联的困难已经因政府颁发的排放物标准的越来越严格的要求而十分恼人。
为了实现在各种负载条件下将NOx排放物的产生限制到可接受的低水平同时最大化发动机操作效率的两个截然相反的目标,必须致力于以高准确度来确定构成燃烧充气的空气、燃油和废气的正确比例。因此,为此目的,优选地必须以低成本获得若干与EGR系统相关的操作参数的准确实时值。然后,必须开发控制策略以使用所述信息来准确地控制发动机、EGR系统和/或涡轮增压器。因此,本发明针对用于控制发动机操作以将发动机的排气温度维持在所需的操作限制内的技术。
发明内容
本发明揭示一种用于控制内燃发动机的排气温度的方法和系统。所述方法和系统包括确定所述内燃发动机内的可接受充气流的范围以满足所需的排气温度。所述方法和系统进一步包括将所述充气流控制到落入所述范围内。
本发明揭示利用所述充气流作为杠杆来控制涡轮出口温度的控制策略。所述策略利用气缸出口温度虚拟传感器以及新的涡轮出口温度虚拟传感器的反演,以在给出当前涡轮入口和出口压力、SOI、充气压力、充气温度、加油和发动机速度的情况下,确定为实现所述所需的涡轮出口温度需要的充气流。
附图说明
图1图解说明重载排气温度分布图。
图2图解说明用来将涡轮效率(ct)与通常测量的参数联系起来的图表。
图3图解说明根据方程式1的涡轮出口虚拟传感器的平均误差曲线。
图4图解说明根据本发明的用于控制发动机排气温度的系统的一个优选实施例。
图5是流程图,其图解说明用以控制排放物的适当排气温度(ETE)的软件算法的一个优选实施例。
图6图解说明后置EGR混合器进气节流阀。
图7图解说明后置充气空气冷却器进气节流阀。
图8图解说明后置涡轮排气节流阀。
图9图解说明排气歧管节流阀。
图10图解说明带有可变几何形状涡轮的废气门。
具体实施方式
本发明通常涉及柴油发动机且更具体来说涉及柴油发动机的涡轮出口温度以使排放物降到最低。呈现以下说明旨在使所属领域的技术人员能够制作及使用本发明,且以专利申请案及其要求的上下文提供所述说明。所属领域的技术人员将易于了解对本文所述的优选实施例和一般原理及特征的各种修改。因此,并不打算将本发明限定于所示的实施例,而是赋予其与本文所述的原理及特征相一致的最广泛范围。
建议的重载发动机具有可变几何形状和/或废气门控涡轮发动机架构,所述重载发动机需要坚固耐用的过滤器后处理系统以降低系统外微粒水平来满足法律规定的要求。所述坚固耐用过的滤器需要周期性地再生以使过滤器介质上存储的积碳氧化。所述再生事件需要发动机能够提供足够高的涡轮出口排气温度以允许发生积碳的氧化。可能需要约为300摄氏度{572 F)或更高的涡轮出口温度持续延长的周期以促进此再生。图1图解说明重载发动机的排气温度分布图。如所看到的那样,在重载发动机的大多数操作空间内,涡轮出口温度将大于再生所需的最小温度。然而,存在一其中需要热控制策略以提升涡轮出口温度来促进后处理产生的区域。
基本上,一部分的燃油能量被用来加热排气。对于固定的膨胀比(固定的阀门定时)来说,可通过经由喷射定时和压力、进气条件来操控燃烧过程的总热效率,经由EGR来操控惰性气体的浓度以及经由燃油量和/或充气质量来操控当量比而改变所述部分。为了增加排气温度,必须增加消耗的燃油和/或变更转移到排气的能量的部分。根据本发明的方法和系统针对将排气温度调整到重型发动机架构中的一合适点处以允许排放物的最小化。
根据本发明的方法和系统的优点在于一个发动机控制器中有两个虚拟传感器:一个虚拟传感器用于涡轮出口温度,且第二个虚拟传感器用于涡轮入口温度,以允许将温度驱动到所述合适点。于2003年4月22日颁布的名称为“用于控制发动机排气温度的系统(System for Controlling Engine Exhaust Temperature)”的美国专利6,550,464中揭示了可用于促进排气温度的调整的涡轮入口温度虚拟传感器,且所述专利受让于本申请案的受让人。涡轮出口虚拟传感器是涡轮入口虚拟传感器的延伸。已知可从涡轮入口温度、涡轮入口压力、涡轮出口压力加上质量流速率来估计涡轮出口温度。同样,已经确定出口温度是通过以下方程式与涡轮入口温度相关的。
T out = T in ( 1 - η t × ( 1 - 1 P r 0.252 ) ) × F c
其中Tout=涡轮出口温度、Tin=涡轮入口温度、ηt=涡轮操作效率、Pr=涡轮入口压力/涡轮出口压力、0.252=(γ~1)/γ,其中γ~1.337且Fc=校正最终输出的斜度的校正系数。
显然可通过图2中所示的绘图的二阶多项式拟合(强制通过0,0)来找出涡轮效率(r|T)其中:
m=总质量流,空气加上燃油
如上定义所有其它参数
所述二阶多项式拟合将产生方程式2中所示形式的ηt的相关
ηt=a×x2+b×x+c
(注意c=0)
其中:
x=来自图2中的横坐标的质量值。
如方程式1中定义所有其它参数。
关于ηt,其现在是容易测量的参数的函数,另一选择是,为了对所述算法产生最小影响,可将ηt固定为一表示涡轮效率的常数。可将方程式2回代到方程式1中以根据“标准”输入产生涡轮出口温度。实际上,可通过改变参数Fc证明所述线是正确的。在所述证明之后,将平均误差曲线显示于图3中。
因此,基于所示的涡轮出口温度要求,针对涡轮入口温度反演及求解涡轮出口虚拟传感器。一旦知道了所需的涡轮入口温度,便利用美国专利第6,550,464中所述的涡轮入口虚拟传感器来提供用于控制排气发动机温度的数据。
为了更详细地描述所述特征及其操作,现在结合附图参考以下说明。现在参考图4,图中显示根据本发明的用于控制发动机排气温度的系统10的一个优选实施例。系统10包含内燃发动机12,所述内燃发动机具有与其耦合的进气歧管14。进气歧管温度传感器16设置于歧管14内,或以其它方式设置成与歧管14流体连通。传感器16优选地是已知结构的温度传感器,其可操作以传感进气歧管14内的温度且产生与所述温度相对应的进气歧管温度(IMT)信号。歧管14可视需要包含进气歧管压力传感器18,所述进气歧管压力传感器设置于歧管14内或另外以流体连通方式设置于歧管内,其中传感器16优选地是已知结构且可操作以传感歧管14内的压力并产生与所述压力相对应的进气歧管压力(IMP)信号。
发动机12包含发动机速度传感器26,其可操作以传感发动机12的旋转速度且产生与所述速度相对应的发动机速度(ESP)信号。优选地,传感器26是已知的结构且在一个实施例中,传感器26为霍尔效应传感器,其可操作以传感形成齿轮或音调轮一部分的若干齿的通过。另一选择是,传感器26可以是可变磁阻传感器或者其它已知的速度传感器,并且在任何情况下,传感器26均可操作以产生能指示发动机旋转速度的发动机速度信号。
发动机12进一步包含燃油系统40,所述燃油可响应于一个或一个以上最终燃油命令(FFC)以向发动机12供应燃油。燃油系统40优选地是已知结构的电子控制燃油系统,其中所述燃油系统的操作通常在此项技术中是已知的。
系统10的中心是控制电路20,优选地,所述控制电力是基于微处理器的且通常可操作以控制和管理发动机12的整体操作。控制电路20包含存储器单元22以及若干输入和输出,所述输入和输出用于介接耦合到发动机12的各种传感器和系统,例如刚刚在上文中描述的那些传感器和系统。在一个实施例中,控制电路20可以是已知的控制单元(有时称为电子或发动机控制模块(ECM)、电子或发动机控制单元(ECU)或诸如此类),或者另一选择是可以是能够如将在下文详细描述的那样操作的任何控制电路。在任何情况下,控制电路20包含默认加油块34,其用于经由信号路径28接收来自发动机速度传感器26的发动机速度信号(ESP),以及若干额外输入信号36。块34响应于信号路径28上的ESP信号以及一个或一个以上额外信号36而根据此项技术中众所周知的技术来计算默认加油命令(DFC)。所述默认加油命令DFC可以是在任何数目(M)的信号路径42上产生的用于控制燃油系统40的无限制FFC,其中M可以是任一正整数。然而,当涉及本发明时,另一选择是或另外,默认加油确定块34可包含设计用于实现某些发动机操作目标的一个或一个以上燃油限制算法,其中块34产生的默认加油命令DFC表示已由一个或一个以上所述燃油限制算法限制的无限制加油命令。
根据本发明,控制电路20进一步包含排气温度加油控制器,所述控制器用于使块24经由信号路径28接收来自发动机速度传感器26的发动机速度信号(ESP)、经由信号路径30接收来自进气歧管温度传感器16的进气歧管温度信号(IMT)、视需要经由信号路径32接收来自进气歧管压力传感器18的进气歧管压力信号(IMP)、以及接收来自默认加油确定块34的默认加油命令(DFC)。在一般意义上,默认加油命令(DPC)通常包含与喷射起动(SOI)相关的定时信息和与质量燃油流(FF)相关的燃油数量信息,正如所述术语为所属领域的技术人员理解的一样。在一个优选实施例中,默认加油确定块34经配置以向排气温度加油控制器块24供应默认加油命令(DFC),且块24可操作以便以此项技术中已知的方式从DFC确定SOI和FF的值。另一选择是,默认加油确定块34可经配置以直接向排气温度加油控制器块24供应SOI和/或FF值,其中块24可操作以便以将在下文更全面描述的方式处理所述值中的一者或两者。
除了默认加油确定块34供应的加油信息、发动机速度信号(ESP)、进气歧管温度信号(IMT)、以及视需要进气歧管压力信号(IMP)外,排气温度加油控制器块24还经配置以接收质量充气流值(ECF)。在一个优选实施例中,所述质量充气流值(ECF)是由已知的软件算法供应的,所述已知软件算法可操作以基于某些发动机操作参数值来计算充气流估计值,但本发明预期进气歧管14的另一选择是可包含以幻影显示的已知结构的质量空气流传感器(MAF)44,其向块24供应充气流值。
再参考图1,根据本发明的一个方面,排气温度加油控制器块24优选地包含用于估计发动机排气温度(ETE)的模型,其中所述发动机排气温度估计值优选地是至少ESP、IMT、ECF和DFC(或SOI和FF)值且视需要IMP值的函数。尽管优选地以存储于块24或存储器单元22内的方程式的形式提供发动机排气温度模型,但本发明预期另一选择是可以一个或一个以上图形表示、表和/或类似物的形式提供所述模型。在任何情况下,排气温度加油控制器块24优选地可操作以计算基于模型的发动机排气温度估计值(ETE),供根据本发明的其它方面使用,和/或由控制电路20内的其它算法和/或控制策略使用。
根据本发明的一个方面,排气温度加油控制器块24进一步可操作以根据发动机排气温度估计模型来计算发动机排气温度-控制加油命令值(FCETL)。根据将在下文更详细描述的本发明的排气温度估计模型,排气温度-控制加油命令FCETL优选地是块24根据所施加的最大排气温度限制(TEL)加以限制的默认加油命令(DFC)的函数。任何情况下,默认加油确定块34产生的默认加油命令(DFC)和发动机排气温度-控制加油命令FCETL两者均被提供到MIN块38,MIN块38可操作以产生所述两个命令的最小值作为信号路径42上的最终加油命令。
现在参考图5,图中显示图解说明用于根据本发明控制排放物的适当排气温度(ETE)的软件算法300的一个优选实施例的流程图。算法300优选地存储于控制器块24内,且可由控制电路20执行以产生排气温度估计(ETE)。算法300开始于步骤302处,且在步骤304处,控制电路20可操作以确定发动机速度(ESP)、进气歧管温度(IMT)和模型常数的当前值。在本发明的第一实施例中,块24可操作以根据模型来估计发动机排气温度(ETE):
ETE=IMT+A+(B*SOI)+C/(ECF/FF)+(D*SOI)/ESP+E/[(ESP*ECF)/FF](3)
其中在步骤304处确定的模型常数对应于方程式(3)中的常数A、B、C、D和E。在本发明的第二实施例中,控制电路20可进一步在步骤304处操作以确定进气歧管压力(IMP)的当前值。在此第二实施例中,块24可操作以根据模型来估计发动机排气温度(ETE):
ETE=IMT+[(A*ESP)+(B*IMP)+(C*SOI)+D)][(LHV*FF)/ECF](4)
其中在步骤304处确定的模型常数对应于方程式(4)中的常数A、B、C和D。在此实施例中,方程式(4)包含燃油的额外低热值(LHV)常数,所述低热值常数是取决于发动机12所用燃油类型的已知常数。无论是使用方程式(3)还是方程式(4),方程式(3)的模型常数A-E或方程式(4)的模型常数A-D优选地是通过一个或一个以上已知的数据拟合技术而获得的,所述数据拟合技术可操作以优化可用性能数据与相应模型之间的拟合。
在任何情况下,算法300从步骤304前进到步骤306,在步骤306中控制电路20可在上述实施例的每一者中操作以确定质量充气流值(ECF)。在一个优选实施例中,根据已知的充气流估计算法(例如关于图2所述的算法)获得ECF。另一选择是,可从实际传感器(例如图1中以幻影显示的任选质量空气流传感器44)获得ECF。在以上任一情况下,算法300从步骤306前进到步骤308,在步骤308中控制电路20可在方程式(1)和(2)中图解说明的模型实施例的每一者中操作以确定默认加油命令(DFC)。在一个优选实施例中,DFC由默认加油确定块34提供,且因此块24可操作以根据众所周知的技术来从所述DFC确定喷射起动(SOI)和质量燃油流(FF)的值。另一选择是,默认加油确定块34可操作以直接向块24提供SOI和FF的值。在以上任一情况下,算法执行从步骤308前进到步骤310,其中块24可操作以根据方程式(1)或方程式(2)来计算发动机排气温度(ETE)的估计值。此后,算法执行优选地循环返回到步骤304以连续确定ETE,但另一选择是其可从步骤310返回到另一个调用例程。
根据本发明,排气温度估计方程式(1)是基于统计灵敏性方法的,且被认可为许多应用提供充分准确的结果。根据本发明,排气温度估计方程式(2)是基于假定一部分的燃油能量被转移到发动机排气的模型。试验数据指示与方程式(1)表示的模型相比,方程式(2)表示的发动机排气温度估计模型更为准确,对不确定性较不灵敏,且对退化效应较不灵敏。一旦所述估计值已知,如先前所述,方程式1和2便可利用所述估计值来提供可接受温度范围。
如之前所提及,虚拟传感器的输入是充气与燃油比、发动机速度、充气温度、充气压力和SOI。已确定的是修改涡轮入口温度的最大效应是充气与燃油比。由于所得扭矩改变而修改燃油流是不合需要的。因此假定其它输入固定在其当前值处,便可针对实现所需的涡轮入口温度而需要的充气流来反演及求解此虚拟传感器。
一旦确定了满足所述目标涡轮出口温度的可接受充气流的范围,便将先前已基于其它系统要求确定的现有充气流限制到落入此范围内。为维持NOx同时实现目标涡轮出口温度值,EGR部分保持不从先前确定的在既定操作条件下给出NOx目标的所需值改变。视需要,如果空气处置系统不能实现目标EGR部分值,那么可在燃烧循环中延迟或向后移动主加油事件的喷射起动,以补偿并降低NOx。
在某些情况下,可能需要涡轮出口温度限制以用于下游装置保护。在此情况下,可利用类似方法。将涡轮出口虚拟传感器反演以求解对应涡轮入口温度限制。然后,将此限制与涡轮的物理温度限制比较。使用两个温度中的较小者来通过反演涡轮入口虚拟传感器来计算对应加油限制。
一旦确定了合适的出口温度,便可采用多种方法来提供热管理。下文中将论述所述方法的每一者的实施例。
进气节流方法
后置EGR混合器进气节流阀
图6是包含后置EGR混合器进气节流阀406的发动机系统400的方框图。发动机系统400包含发动机402和后处理系统406。在此实施例中,利用在EGR混合器43后面的全授权比例式进气节流阀406来控制到发动机块401的充气流,且因此控制涡轮出口温度以从后处理系统404中移除积碳。
后置充气空气冷却器(CAC)进气节流阀
图7是包含后置CAC进气节流阀502的发动机400′的方框图。在此实施例中,在充气空气冷却器500后面的全授权比例式进气节流阀406降低充气流且因此降低涡轮出口温度。
排气节流方法
后置涡轮比例式排气节流阀
图8是包含后置涡轮排气节流阀606的发动机400″的方框图。在此实施例中,在涡轮后面利用全授权比例式进气节流阀406来调整充气流且因此调整涡轮出口温度。
后置排气歧管节流阀
图9是包含排气歧管节流阀706的发动机400′″的方框图。
此系统利用排气歧管与涡轮之间的排气节流阀706来控制充气流且因此控制涡轮出口温度,以允许从后处理系统404中移除积碳。
图10是包含带有可变几何形状涡轮806的废气门的发动机400″″的方框图。
在此实施例中,全授权废气门致动器806能够调制充气流,而与此同时旁通直接围绕在涡轮周围的较热排气,以提升排气温度且调整排气歧管压力。
因此,所述方法可单独使用或结合前述虚拟温度传感器一起使用,以基于所需的排气温度的范围提供热管理。通过将充气流调整到适当程度,便可向后处理系统提供允许烧掉过滤器介质上存储的积碳的温度范围。在进行上述操作中,可使所述后处理系统周期性地再生,以允许其将系统外微粒水平降低到满足法律规定的要求。
尽管已根据所示的实施例描述了本发明,但所属技术领域的技术人员将容易地认识到所述实施例可有许多变化形式且所述变化形式均在本发明的精神及范围内。因此,所属技术领域的技术人员可在不违背随附权利要求书的精神及范围的情况下对本发明做许多修改。

Claims (22)

1.一种用于控制内燃发动机的涡轮出口温度的方法,其包括:
设定所需的涡轮出口温度;
响应于所述所需的涡轮出口温度计算所需的涡轮入口温度;
响应于所述所需的涡轮入口温度来确定所述内燃发动机内的可接受充气流的范围;及
将所述充气流控制到落入所述可接受充气流的范围内。
2.如权利要求1所述的方法,其中使用方程式(1)来计算所述所需的涡轮入口温度:
T out = T in × ( 1 - η t × ( 1 - 1 P r 0.252 ) ) × F c , 其中Tout=涡轮出口温度、Tin=涡轮入口温度、ηt=涡轮操作效率、Pr=涡轮入口压力/涡轮出口压力、及Fc=校正系数。
3.如权利要求2所述的方法,其中限制所述可接受充气流的范围以便限制所需的排气温度。
4.如权利要求1所述的方法,其中控制所述充气流包括改变充气与燃油比。
5.如权利要求4所述的方法,其中通过进气节流方法改变所述充气与燃油比。
6.如权利要求5所述的方法,其中所述进气节流方法包括后置排气再循环(EGR)混合器进气节流阀和后置充气空气冷却器进气节流阀中的任一者或其任一组合。
7.如权利要求4所述的方法,其中通过排气节流方法改变所述充气与燃油比。
8.如权利要求7所述的方法,其中所述排气节流方法包括后置排气歧管节流阀和带有可变几何形状涡轮的废气门致动器中的任一者或其任一组合。
9.如权利要求4所述的方法,其中通过进气节流方法和排气节流方法的任一组合来改变所述充气与燃油比。
10.如权利要求9所述的方法,其中所述进气节流方法包括后置排气再循环(EGR)混合器进气节流阀和后置充气空气冷却器进气节流阀中的任一者或其任一组合。
11.如权利要求10所述的方法,其中所述排气节流方法包括后置排气歧管节流阀和带有可变几何形状涡轮的废气门致动器中的任一者或其任一组合。
12.一种内燃发动机系统,其包括:
内燃发动机;及
耦合到涡轮增压器的后处理系统;及
用于控制所述内燃发动机的涡轮出口温度的机构,所述机构进一步包括
设定所需的涡轮出口温度;
响应于所述所需的涡轮出口温度计算所需的涡轮入口温度;
响应于所述所需的涡轮入口温度来确定所述内燃发动机内的可接受充气流的范围;及
将所述充气流控制到落入所述可接受充气流的范围内。
13.如权利要求12所述的内燃发动机系统,其中使用方程式(1)来计算所述所需的涡轮入口温度:
T out = T in × ( 1 - η t × ( 1 - 1 P r 0.252 ) ) × F c , 其中Tout=涡轮出口温度、Tin=涡轮入口温度、ηt=涡轮操作效率、Pr=涡轮入口压力/涡轮出口压力、及Fc=校正系数。
14.如权利要求13所述的内燃发动机系统,其中控制所述充气流包括改变充气与燃油比。
15.如权利要求14所述的内燃发动机系统,其中所述可接受充气流的范围经限制以便限制所需的排气温度。
16.如权利要求15所述的内燃发动机系统,其中所述充气与燃油比是通过进气节流方法改变的。
17.如权利要求16所述的内燃发动机系统,其中所述进气节流方法包括后置排气再循环(EGR)混合器进气节流阀和后置充气空气冷却器进气节流阀中的任一者或其任一组合。
18.如权利要求15所述的内燃发动机系统,其中所述充气与燃油比是通过排气节流方法改变的。
19.如权利要求18所述的内燃发动机系统,其中所述排气节流方法包括后置排气歧管节流阀和带有可变几何形状涡轮的废气门致动器中的任一者或其任一组合。
20.如权利要求15所述的内燃发动机系统,其中所述充气与燃油比是通过进气节流方法和排气节流方法的任一组合充气的。
21.如权利要求20所述的内燃发动机系统,其中所述进气节流方法包括后置排气再循环(EGR)混合器进气节流阀和后置充气空气冷却器进气节流阀中的任一者或其任一组合。
22.如权利要求21所述的内燃发动机系统,其中所述排气节流方法包括后置排气歧管节流阀和带有可变几何形状涡轮的废气门致动器中的任一者或其任一组合。
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