CN101818696A - 调节内燃发动机排气再循环率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及调节内燃发动机排气再循环率的方法，该内燃发动机具有至少一个连接至新鲜空气供应部分和排气再循环装置的进气歧管并具有至少一个连接至排气系统的排气歧管，包含用于调节排气再循环率的控制系统。本发明的方法包含下列步骤：测量新鲜空气/排气混合物中残余气体成分(F_MAN)，从测量的残余气体成分(F_MAN)根据算法确定新鲜空气质量流量(W_AIR)，并以闭合调节回路控制进气歧管中新鲜空气/排气混合物的残余气体成分(F_MAN)。本发明以增加新鲜空气/排气混合物准备的精确性和可靠性并同时降低内燃发动机生产成本的方式改进对内燃发动机排气再循环率的受控调节。

Description

调节内燃发动机排气再循环率的方法

【技术领域】

本发明涉及调节内燃发动机排气再循环率的方法、涉及内燃发动机、并涉及具有内燃发动机的车辆。

【背景技术】

众所周知，随着车辆数量的增长，管理内燃发动机废气排放的规则不断得到加强，例如欧洲的EURO 6标准，或美国的Tier 2标准或Bin 5标准。一些制造商倾向于使用多种点火策略例如均质充气压缩点火(Homogeneous ChargeCompression Ignition，HCCI)或者主动后处理设备例如NOx(氮氧化物)分离器或选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)催化转化器。然而，这些技术需要可观的材料费用支出和开发费用支出，其增加了系统的复杂性并为消费者导致了高昂后续费用例如更高的燃料消耗和技术支持成本。

一种已知的减少内燃发动机排放的策略为通过排气再循环改进排气的净化。排气仍然含有相对较大量的氧，并因此被部分混合至供应的新鲜空气，结果可从大气中吸取较少的新鲜空气。出于该目的，排气直接从排气歧管下游抽出，或首先通过包含催化过滤器或微粒过滤器的排气净化系统净化并随后通过设置用于该目的的供应管道被部分抽出并混合至进气歧管中的新鲜空气供应。

在已知方法中，设计空气准备结构使得压缩压力、排气再循环质量流量和空气质量流量被确定。排气再循环通常表示为进气歧管中再循环排气或残余气体的百分比。

带有排气再循环的内燃发动机排气系统的已知控制器使用空气质量传感器或所谓的质量空气流量(MAF)传感器来确定空气质量流量，并根据模型计算估算再循环排气的残余气体成分。结果，无法以受控方式(例如以闭合调节回路)调节新鲜空气/排气混合物中再循环排气的残余气体成分。然而，如果要在维持低NOx排放的同时确保内燃发动机的稳定燃烧运转，对残余气体成分的精确调节非常重要。这种以闭合调节回路对新鲜空气/排气混合物中再循环排气的残余气体成分的调节可通过附加的残余气体成分传感器执行，但这增加了费用支出并因此增加了生产成本。此处，作为残余气体成分传感器，能够使用NOx传感器、氧浓度传感器或COx传感器。

【发明内容】

本发明基于以增加新鲜空气/排气混合物准备的精确性和可靠性并同时降低内燃发动机生产成本的方式以实现改进对内燃发动机排气再循环率的受控调节的目的。

通过一种用于调节内燃发动机的排气再循环率(r_MAN)的方法、一种具有连接至新鲜空气供应部分和排气再循环装置的进气歧管并具有连接至排气系统的排气歧管的内燃发动机、和具有这种内燃发动机的车辆实现了根据本发明的目的。

一种根据本发明调节内燃发动机排气再循环率的方法，该内燃发动机具有连接至新鲜空气供应部分和排气再循环装置的至少一个进气歧管并具有连接至排气系统的至少一个排气歧管，其包含用于调节排气再循环率的控制系统，所述方法包括下列步骤，其确保：

-测量进气歧管中新鲜空气/排气混合物的至少一种残余气体成分，

-根据算法从测量的残余气体成分确定新鲜空气质量流量，

-以闭合调节回路控制进气歧管中新鲜空气/排气混合物的残余气体成分。

此处，排气再循环率为新鲜空气质量流量与其中存在有残余气体成分的再循环排气的质量流量的比率。相反，残余气体成分代表了系统中各个位置处总体质量流量中残余气体的成分(例如NOx、COx或氧O₂)。

如果通过至少一个NOx传感器、氧浓度传感器、或COx浓度传感器来执行对进气歧管中新鲜空气/排气混合物的残余气体成分的测量则也较为有利。

根据本发明方法的另一优选改进，用于测量新鲜空气/排气混合物的残余气体成分的设备包含至少一个设置用于测量进气歧管和/或新鲜空气供应部分和/或排气再循环装置中温度的温度传感器。

另外，用于测量新鲜空气/排气混合物的残余气体成分的设备优选地包含至少一个设置用于测量进气歧管中压力的压力传感器。

如果使用可激活新鲜空气节气门控制新鲜空气供应和/或使用可激活残余气体节气门控制排气再循环率，则通过根据本发明的改进可获得特别广泛的优点。

在其它优选改进中，根据本发明用于从测量的进气歧管中新鲜空气/排气混合物的残余气体成分确定新鲜空气质量流量的算法考虑了内燃发动机的至少一个发动机控制模型参数。所述参数可为例如计算的新鲜空气和排气部分的成分的温度值或体积。

附加地或替代地，用于从测量的进气歧管中新鲜空气/排气混合物的残余气体成分确定新鲜空气质量流量的算法可考虑内燃发动机辅助传感器的至少一个参数。

优选地根据下列数学关系式执行根据测量的残余气体成分的对新鲜空气质量流量的确定：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{F_{\mathrm{MAN}}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{MAN}}}{{\mathrm{PV}}_{\mathrm{MAN}}}(F_{\mathrm{EGR}}-F_{\mathrm{MAN}})-W_{\mathrm{AIR}}{F}_{\mathrm{MAN}})\\ W_{\mathrm{EGR}}=W_{\mathrm{EGR}}-W_{\mathrm{AIR}}+\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dT}}\frac{V}{R\stackrel{\‾}{T}}\end{array}\right.$

其得出：

$W_{\mathrm{AIR}}=(W_{\mathrm{AP}}+\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\frac{V}{R\stackrel{\‾}{T}})(1-\frac{F_{\mathrm{MAN}}}{F_{\mathrm{EGR}}})-\frac{{\mathrm{PV}}_{\mathrm{MAN}}}{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{MAN}}}\frac{\frac{F_{\mathrm{MAN}}}{\mathrm{dt}}}{F_{\mathrm{EGR}}}$

其中缩写定义如下：

F_MAN 进气歧管中残余气体成分

F_EGR 排气再循环系统中的残余气体成分

F_EXH 排气净化措施之前或之后的排气部分中的残余气体成分

P    压力

R    气体常数

T    温度

T    平均温度

T_EGR 排气再循环装置中的温度

T_MAN 进气歧管中的温度

T_IS  进气系统中的温度

V    总容积

V_EGR 排气再循环装置的容积

V_IS  新鲜空气供应部分的容积

V_MAV 进气歧管的容积

W_AIR 新鲜空气质量流量

W_AP  新鲜空气/排气混合物质量流量

W_EGR 排气质量流量

且总容积由下组成：

V＝V_EGR+V_IS+V_MAN

根据第二个方面，根据本发明的目的通过具有连接至新鲜空气供应部分和排气再循环装置的进气歧管并具有连接至排气系统的排气歧管的内燃发动机得以实现，其包含用于调节排气再循环率的控制系统，其中设有用于执行根据一种优选改进的上述方法的设备。

此处，用于执行该方法的设备包含用于测量进气歧管中新鲜空气/排气混合物的残余气体成分的设备和用于根据测量的残余气体成分确定新鲜空气质量流量的设备。

用于测量新鲜空气/排气混合物的至少一种残余气体成分的设备优选地具有至少一种NOx传感器、氧浓度传感器或COx浓度传感器。

在根据本发明的内燃发动机的另一优选改进中，用于测量新鲜空气/排气混合物的残余气体成分的设备包含至少一个设置用于测量进气歧管和/或新鲜空气供应部分和/或排气再循环装置中的温度的温度传感器。

根据本发明的另一优选改进，用于测量新鲜空气/排气混合物的残余气体成分的设备包含至少一个设置用于测量进气歧管中压力的压力传感器。此处，测量的压力用于计算和/或确定残余气体成分。

还优选地设置至少一个可激活新鲜空气节气门用于控制新鲜空气供应和/或设置至少一个可激活残余气体节气门用于控制排气再循环率。对应的节气门设置在相应的供应部分中。

根据另一个方面，还通过具有根据一种上述优选改进的内燃发动机的车辆实现了根据本发明的目的。

本发明适合用在具有所谓高压排气再循环装置的排气再循环系统和具有低压排气再循环的排气再循环系统中。当然，本发明也可用在安装有高压排气再循环装置和低压排气再循环装置的排气再循环系统中。

从附属权利要求中指出的其它特征可获得本发明的其它优选改进。另外，可参考附图从下列对示例性实施例的描述获得本发明的其它特征、特性和优点。

【附图说明】

图1显示了根据本发明带有排气再循环装置的内燃发动机的示意图。

图2显示了根据本发明用于调节排气再循环率的方法的流程图。

图3显示了用于控制根据本发明带有排气再循环装置的内燃发动机的逻辑电路的示意图。

附图标记

1      压缩机

2      新鲜空气供应管道

3      新鲜空气部分

4      新鲜空气系统

5      FMAN传感器，残余气体传感器

6      进气歧管

7      涡轮

8      EGR系统，排气再循环系统

9      排气再循环装置

10         排气再循环供应管道

11..15     逻辑块

16         逻辑电路

17         输出

S1..S10    方法的步骤

EGR        再循环的排气

F_MAN       进气歧管中残余气体成分

F_EGR       排气再循环系统中的残余气体成分

F_EXF       排气净化措施之前或之后的排气部分中的残余气体成分

MAF传感器  空气质量传感器

FMAN传感器 残余气体成分传感器

P          压力

R          气体常数

r_MAN       排气再循环率

T          温度

T          平均温度

T_EGR       排气再循环装置中的温度

T_MAN       进气歧管中的温度

T_IS        进气系统中的温度

T_EXH       汽缸出口下游的排气温度

V          总容积

V_EGR       排气再循环装置的容积

V_IS        新鲜空气供应部分的容积

V_MAN       进气歧管的容积

W_AIR       新鲜空气质量流量

W_AP        新鲜空气/排气混合物质量流量

W_EGR       排气质量流量

【具体实施方式】

下面将在相关附图的基础上根据示例性实施例解释本发明。

图1显示了根据本发明带有排气再循环装置9的内燃发动机的示意图。

新鲜空气部分3具有压缩机1、新鲜空气供应管道2和新鲜空气系统4，而新鲜空气系统4表示为例如进气系统的容积V_IS，在该体积V_IS时进气系统中的新鲜空气处于温度T_IS。新鲜空气部分3连接至进气歧管6。根据本发明，新鲜空气供应部分3中没有空气质量传感器用于测量新鲜空气质量流量W_AIR。

通过排气再循环供应管道10，排气再循环装置9也连接至进气歧管6，这样新鲜空气与再循环排气彼此混合。在任何情况下例如由控制器通过一个可控节流阀(未图示)实现新鲜空气与再循环排气的混合，并根据调整参数的函数调节排气再循环率r_MAN。

排气再循环装置9具有EGR系统或排气再循环系统8和排气再循环供应管道10。类似于新鲜空气系统4，以排气再循环系统的特征体积V_EGR表示EGR系统8，在该体积V_EGR时排气再循环系统中的排气处于温度T_EGR。另外，在排气系统中象征性说明了涡轮7，该涡轮7由流出的排气驱动，并通过轴(未显示)驱动压缩机1。

根据本发明，F_MAN传感器或残余气体传感器5设置在进气歧管6中，通过该残余气体传感器5测量进气歧管中的残余气体成分F_MAN。所述传感器能测量氧含量、NOx或COx含量、或其组合。同样，体积V_MAN分配给进气歧管6，在该体积下的温度是T_MAN。测量的进气歧管中残余气体成分F_MAN被考虑作为确定所有控制所需变量的决定性参数值。

在各个情况下各个温度T_MAN、T_IS和T_EGR均通过一个温度传感器(未显示)测量和/或从发动机控制模型部分确定。为了进行计算，例如从上面的三个温度得到平均温度T。根据本发明，所述平均温度相关于总体积V。

V＝V_EGR+V_IS+V_MAN

在进气歧管6中形成的新鲜空气/排气混合物以新鲜空气/排气混合物质量流量W_AP流入内燃发动机汽缸。内燃发动机释放的排气穿过排气系统(未显示)的排气净化措施，或者甚至在所述排气净化措施的上游流出，并以排气质量流量W_EGR且排气部分中残余气体成分为F_EXH引入排气再循环系统8。

控制器(未显示)根据测量的进气歧管中残余气体成分F_MAN和以及可能的测量的至少一个相关体积内的温度的函数控制新鲜空气部分的节流阀和排气再循环部的节流阀。一种优选的计算方法使用下列数学关系：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{F_{\mathrm{MAN}}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{MAN}}}{{\mathrm{PV}}_{\mathrm{MAN}}}(F_{\mathrm{EGR}}-F_{\mathrm{MAN}})-W_{\mathrm{AIR}}{F}_{\mathrm{MAN}})\\ W_{\mathrm{EGR}}=W_{\mathrm{EGR}}-W_{\mathrm{AIR}}+\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dT}}\frac{V}{R\stackrel{\‾}{T}}\end{array}\right.$

其获得所寻求的新鲜空气质量流量如下：

$W_{\mathrm{AIR}}=(W_{\mathrm{AP}}+\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\frac{V}{R\stackrel{\‾}{T}})(1-\frac{F_{\mathrm{MAN}}}{F_{\mathrm{EGR}}})-\frac{{\mathrm{PV}}_{\mathrm{MAN}}}{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{MAN}}}\frac{\frac{F_{\mathrm{MAN}}}{\mathrm{dt}}}{F_{\mathrm{EGR}}}$

结果，确定了所述新鲜空气质量流量而无须新鲜空气部分中的空气质量传感器，且另外以闭合调节回路执行了进气歧管中残余气体成分F_MAN的控制。

图2显示了根据本发明在优选改进中用于调节排气再循环率r_MAN的方法的流程图。

在步骤S1，测量发动机状态参数，并在S2使用所述参数例如用于在线校准FMAN传感器。在步骤S3进行对残余气体成分F_MAN的测量，在步骤S5还进行例如进气歧管中的压力测量。在步骤S4，准备测量的值并传递至其它步骤。

在步骤S6进行对排气部分中残余气体成分F_EXH的确定。并行地，在步骤S7进行对FMAN传感器信号的求导，其结果在步骤S10中使用。

在步骤S9考虑到了由于排气沿排气再循环部的传播而在EGR系统中发生的减速，且其结果也用在步骤S10中。

与之并行的，将在步骤S5中测量的进气歧管中的压力提供至步骤S8，在该处对测量的压力信号求导。与上述信号类似，同样地将所述求导的结果提供给步骤S10。

最终，在步骤S10进行新鲜空气质量流量W_AIR的计算。可例如关于图1所说明的那样执行该计算。

图3显示了用于控制根据本发明带有排气再循环装置的内燃发动机的逻辑电路16的示意图。所述电路为通过“The MathWorks”公司的知名编程工具SIMULINK产生的常见功能性电路，并由定义的逻辑模块构造而成，这些逻辑模块的功能根据SIMULINK编程工具的文档已经足够为公众所知，因此不需要详细解释。

逻辑块11用于确定排气净化措施之前或之后的排气部分中的残余气体成分F_EXF和汽缸出口下游的排气温度T_EXH。

如关于图2在步骤S7中所述，在逻辑块12中执行对F_MAN传感器信号的求导。

如关于图2在步骤S8中所述，在逻辑块13中执行对压力传感器信号的求导。

逻辑块14构成时间延迟，且如图2中所说明在步骤S9中，逻辑块15确定EGR系统中的流量减速。

在输出17处提供了所寻求的确定的新鲜空气质量流量W_AIR的信号。

Claims (15)

1.一种用于调节内燃发动机的排气再循环率(r_MAN)的方法，所述发动机具有至少一个连接至新鲜空气供应部分(3)和排气再循环装置(9)的进气歧管并具有至少一个连接至排气系统的排气歧管，包含用于调节排气再循环率(r_MAN)的控制系统，其特征在于，

测量所述进气歧管中新鲜空气/排气混合物中的至少一种残余气体成分(F_MAN)，

从测量的残余气体成分(F_MAN)根据算法确定新鲜空气质量流量(W_AIR)，以及

以闭合调节回路控制所述进气歧管中新鲜空气/排气混合物的残余气体成分(F_MAN)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过NOx传感器、氧浓度传感器或COx浓度传感器中的至少一种执行对所述进气歧管中新鲜空气/排气混合物的残余气体成分(F_MAN)的测量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于测量所述新鲜空气/排气混合物的残余气体成分(F_MAN)的设备包含至少一个设置用于测量所述进气歧管和/或所述新鲜空气供应部分和/或所述排气再循环装置中的温度的温度传感器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于测量所述新鲜空气/排气混合物的残余气体成分(F_MAN)的设备包含至少一个设置用于测量所述进气歧管中的压力的压力传感器。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可激活新鲜空气节气门用于控制新鲜空气供应，和/或可激活残余气体节气门用于控制所述排气再循环率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用于从测量的所述进气歧管中新鲜空气/排气混合物的残余气体成分(F_MAN)确定所述新鲜空气质量流量(W_AIR)的算法考虑了所述内燃发动机的发动机控制模型的至少一个参数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用于从测量的所述进气歧管中新鲜空气/排气混合物的残余气体成分(F_MAN)确定所述新鲜空气质量流量(W_AIR)的算法考虑了所述内燃发动机的辅助传感器的至少一个参数。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据下列数学关系式从所述测量的残余气体成分(F_MAN)确定所述新鲜空气质量流量(W_AIR)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{F_{\mathrm{MAX}}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{MAX}}}{{\mathrm{PV}}_{\mathrm{MAX}}}(F_{\mathrm{EGR}}-F_{\mathrm{MAX}})-W_{\mathrm{AIR}}{F}_{\mathrm{MAX}}\\ W_{\mathrm{EGR}}=W_{\mathrm{EGR}}-W_{\mathrm{AIR}}+\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dT}}\frac{V}{R\stackrel{\‾}{T}}\end{array}\right.$

其得出：

$W_{\mathrm{AIR}}=(W_{\mathrm{AP}}+\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\frac{V}{R\stackrel{\‾}{T}})(1-\frac{F_{\mathrm{MAN}}}{F_{\mathrm{EGR}}})-\frac{{\mathrm{PV}}_{\mathrm{MAN}}}{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{MAN}}}\frac{\frac{F_{\mathrm{MAN}}}{\mathrm{dt}}}{F_{\mathrm{EGR}}}$

其中缩写定义如下：

F_MAN 进气歧管中残余气体成分

F_EGR 排气再循环系统中的残余气体成分

F_EXH 排气净化措施之前或之后的排气部分中的残余气体成分

P    压力

R    气体常数

T    温度

T    平均温度

T_EGR 排气再循环装置中的温度

T_MAN 进气歧管中的温度

T_IS  进气系统中的温度

V    总容积

V_EGR 排气再循环装置的容积

V_IS  新鲜空气供应部分的容积

V_MAN 进气歧管的容积

W_AIR 新鲜空气质量流量

W_AP  新鲜空气/排气混合物质量流量

W_EGR 排气质量流量

且总容积由下组成：

V＝V_EGR+V_IS+V_MAN

9.一种具有连接至新鲜空气供应部分(3)和排气再循环装置(9)的进气歧管(6)并具有连接至排气系统的排气歧管的内燃发动机，包含用于调节排气再循环率(r_MAN)的控制系统，其特征在于，设有用于执行如上述权利要求中任一项所述的方法的设备。

10.根据权利要求9中所述的内燃发动机，其特征在于，所述用于执行所述方法的设备包含用于测量所述进气歧管中所述新鲜空气/排气混合物的残余气体成分(F_MAN)的设备和用于从所述测量的残余气体成分(F_MAN)确定所述新鲜空气质量流量(F_AIR)的设备。

11.根据权利要求10所述的内燃发动机，其特征在于，所述用于测量所述新鲜空气/排气混合物的残余气体成分(F_MAN)的设备具有至少一个NOx传感器、氧浓度传感器或COx浓度传感器。

12.根据权利要求10所述的内燃发动机，其特征在于，所述用于测量所述新鲜空气/排气混合物的残余气体成分(F_MAN)的设备包含至少一个设置用于测量所述进气歧管中压力的压力传感器。

13.根据权利要求10所述的内燃发动机，其特征在于，所述用于测量所述新鲜空气/排气混合物的残余气体成分(F_MAN)的设备包含至少一个设置用于测量所述进气歧管中温度(T_MAN)和/或所述新鲜空气供应部分中温度(T_IS)和/或所述排气再循环装置中的温度(T_EGR)的温度传感器。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的内燃发动机，其特征在于，至少一个可激活新鲜空气节气门用于控制新鲜空气供应，和/或至少一个可激活残余气体节气门用于控制所述排气再循环率(r_MAN)。

15.具有根据权利要求9至14中任一项所述的内燃发动机的车辆。

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