CN101881206A - 用于热电发电机的废气旁路阀控制 - Google Patents

用于热电发电机的废气旁路阀控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于热电发电机的废气旁路阀控制。提供一种经由旁路阀来控制通过排气旁路和热电装置中至少一者的发动机排气流量的方法。所述方法包括：确定离开发动机的排气的质量流量；基于所述排气的质量流量确定期望的排气压力；将期望的排气压力与确定出的排气压力进行比较；以及基于所述比较确定旁路阀控制值，其中，所述旁路阀控制值用于控制所述旁路阀。

Description

用于热电发电机的废气旁路阀控制
政府权利
本发明是在美国能源部给予的美国政府合同DE-FC26-04NT 42278下由政府支持完成的。政府在本发明中具有特定的权利。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及用于控制废气旁路阀的方法和系统，更具体地说，涉及用于控制用于热电发电的废气旁路阀的方法和系统。
背景技术
车辆的电需求由于改进的性能、车载控制和舒适度(例如，稳定性控制、远程信息处理、导航系统、电子制动等)的需要而增加。传统的内燃发动机在能量利用方面效率差。在一些情况下，发动机的未使用的能量可以用于为车辆中的电负载供以动力。
在一个示例中，热电装置结合到车辆的排放系统中，以将废热转化为可用能量。然而，简单地将热电装置设置在车辆的排气流中会由于排气背压负荷的增大而对发动机效率和性能产生不利影响，并且由于高排气温度而可能潜在地给热电装置带来危险。
发明内容
提供了一种经由旁路阀控制通过排气旁路和热电装置中至少一者的发动机排气流量的方法。所述方法包括：确定离开发动机的排气的质量流量；基于所述排气的质量流量确定期望的排气压力；将期望的排气压力与确定出的排气压力进行比较；以及基于所述比较来确定旁路阀控制值，其中，所述旁路阀控制值用于控制所述旁路阀。
本发明提供如下方案：
方案1.一种经由旁路阀控制通过排气旁路和热电装置中至少一者的发动机排气流量的方法，包括：
确定离开发动机的排气的质量流量；
基于所述排气的质量流量确定期望的排气压力；
将期望的排气压力与确定出的排气压力进行比较；以及
基于所述比较确定旁路阀控制值，其中，所述旁路阀控制值用于控制所述旁路阀。
方案2.如方案1所述的方法，其特征在于，所述确定排气的质量流量基于测量到的进气空气流量、测量到的燃料流量、建模得到的进气空气流量、建模得到的燃料流量和测量到的排气流量中至少一者。
方案3.如方案1所述的方法，其特征在于，所述确定排气的质量流量还包括对于基于发动机速度的时滞调节所述排气的质量流量。
方案4.如方案1所述的方法，其特征在于，所述确定期望的排气压力还基于由所述排气的质量流量索引的一维查询图。
方案5.如方案1所述的方法，其特征在于，还包括基于发动机冷却剂温度和废气温度中至少一者限制所述控制值。
方案6.如方案1所述的方法，其特征在于，还包括基于第一位置处的排气压力相对于第二位置处的排气压力确定所确定出的排气压力。
方案7.如方案1所述的方法，其特征在于，所述比较还包括确定所述期望的排气压力和所述所确定出的排气压力之间的差值，并且其中，所述确定所述控制值是基于所述差值。
方案8.如方案7所述的方法，其特征在于，还包括将比例和积分增益应用于所述控制值。
方案9.一种发动机排气流量控制系统，包括：
排气传感器，所述排气传感器产生指示实际排气压力的信号；
控制模块，所述控制模块确定期望的排气压力，并基于所述期望的排气压力与所述实际排气压力的比较产生旁路控制阀信号；以及
旁路阀，所述旁路阀基于所述旁路控制阀信号选择性地控制通过排气旁路和热电装置中至少一者的排气流量。
方案10.如方案9所述的系统，其特征在于，所述控制模块确定排气的质量流量，并且还基于所述排气的质量流量确定所述期望的排气压力。
方案11.如方案10所述的系统，其特征在于，所述控制模块基于测量到的进气空气流量、测量到的燃料流量、建模得到的进气空气流量、建模得到的燃料流量和测量到的排气流量中至少一者确定所述排气的质量流量。
方案12.如方案9所述的系统，其特征在于，所述控制模块基于由排气的质量流量索引的一维查询图来确定所述期望的排气压力。
方案13.如方案9所述的系统，其特征在于，所述控制模块基于发动机冷却剂温度和废气温度中至少一者来限制旁路控制值。
方案14.如方案9所述的系统，其特征在于，所述控制模块基于第一位置处的排气压力相对于第二位置处的排气压力确定所确定出的排气压力。
方案15.如方案9所述的系统，其特征在于，所述控制模块还基于所述比较确定所述期望的排气压力和所述实际排气压力之间的差值，并且其中，所述确定所述控制值是基于所述差值。
方案16.如方案9所述的系统，其特征在于，所述控制模块将比例和积分增益应用于旁路控制值。
方案17.一种车辆，包括：
热电装置，所述热电装置从发动机选择性地接收排气；
旁路通道，所述旁路通道与所述热电装置并行设置，并从所述发动机选择性地接收排气；
旁路控制阀，所述旁路控制阀设置在所述热电装置和所述旁路通道之间，并选择性地控制排气从所述发动机到所述热电装置和所述旁路通道的流量；以及
控制模块，所述控制模块基于排气压力选择性地控制所述旁路阀。
方案18.如方案17所述的车辆，其特征在于，所述控制模块还基于发动机冷却剂温度控制所述旁路阀。
方案19.如方案17所述的车辆，其特征在于，所述控制模块还基于排气温度控制所述旁路阀。
方案20.如方案17所述的车辆，其特征在于，所述控制模块还基于期望的排气压力和测量到的排气压力的比较来控制所述旁路阀。
下面从结合附图而对用于实施本发明的最佳模式的详细描述中，本发明的以上特征和优点以及其它特征和优点将更加显而易见。
附图说明
其它目的、特征、优点和细节仅通过举例方式出现在实施例的以下详细描述中，详细描述参照附图，附图中：
图1是示出根据示例性实施例的包括旁路阀控制系统的车辆的功能框图；
图2是示出根据示例性实施例的图1中车辆的控制模块的数据流图示；以及
图3是示出根据示例性实施例的能够由图2的控制模块执行的旁路阀控制方法的流程图。
具体实施方式
下面的描述本质上仅是示例性的并且决不是要限制本发明、应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记指示相同或相应的部件和特征。如这里所使用的，术语模块指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件程序或固件程序的处理器(共用的、专用的、或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述功能的其他适合部件。
现在参照图1，车辆11的示例性发动机系统10包括发动机12，发动机12燃烧空气和燃料混合物以产生驱动扭矩。可以明白的是，废气旁路控制阀系统可应用于各种发动机系统，并不限于当前示例。
在图1所示的示例发动机系统10中，空气经节气门16被吸入到进气歧管14中。节气门16调节进入到进气歧管14中的质量空气流量。进气歧管14内的空气分配到气缸18中。虽然示出单个气缸18，但可以认识到，本发明的废气旁路阀控制系统可以被实施在具有多个气缸18包括但不限于2个、3个、4个、5个、6个、8个、10个和12个气缸的发动机12中。
燃料喷射器19喷射燃料，所述燃料在空气通过进气口被吸入到气缸18中时与空气混合。燃料喷射器19可以是与电子的或机械的燃料喷射系统20相关联的喷射器、化油器的喷嘴或端口或者用于将燃料与进气空气混合的另一系统。燃料喷射器19被控制以在每个气缸18内提供期望的空燃(A/F)比。
进气门22选择性地打开和关闭，从而能够使空气/燃料混合物进入气缸18中。进气门位置由进气凸轮轴24调节。活塞(未示出)在气缸18内压缩空气/燃料混合物。火花塞26启动空气/燃料混合物的燃烧，以在气缸18内驱动活塞。活塞继而驱动曲轴(未示出)产生驱动扭矩。当排气门28处于打开位置时，气缸18内的燃烧排气被驱使排出排气口。排气门位置由排气凸轮轴30调节。排气通过排气歧管31离开发动机12、在排放系统32中被处理、并被释放到大气中。
排放系统32包括热电装置例如热电发电机34、旁路36和旁路阀38。热电发电机34设置在发动机12和例如消声器(未示出)之间。热电发电机34接收来自发动机12的热废气，并将热气转换成电能。电能可以用于给车辆11的一个或多个电部件(未示出)供以动力。旁路36设置成从热电发电机34转移过量废气。旁路阀38选择性地控制成以使排气流经旁路36、热电发电机34或这两者。图1所示的排气旁路阀38设置在排放系统32中在排气歧管31和热电发电机34之间的位置中。替代实施例将排气旁路阀38设置在离开热电发电机34的排气管与排气旁路再接合的位置处，如图1的虚线37所示。
控制模块40基于由一个或多个系统传感器产生的一个或多个传感输入信号来控制发动机系统10和/或排放系统32的操作。例如，发动机速度传感器42基于发动机12的旋转速度产生发动机速度信号。发动机冷却剂温度传感器44基于存在于发动机12中的冷却剂流体的温度产生发动机冷却剂温度信号。排气压力传感器46a或传感器46a和46b基于排放系统32中的排气的一个测量压力或多个测量压力产生一个压力信号或多个压力信号。排气温度传感器48在发动机12和热电发电机34之间的适当位置处基于排气的测量温度产生排气温度信号。质量空气流量传感器50基于测量到的进入发动机12的空气的量产生质量空气流量信号。质量燃料流量传感器52基于进入发动机12的燃料的量产生质量燃料流量信号。可以认识到，可以基于其他传感器信号来对以上列出的传感器信号中的一个或多个进行建模或测量。
可以认识到，可以相对于大气压力或排放系统32内的压力对相关排气压力进行测量或建模。例如，排气离开排气门28时，可以立即测量相对于大气压力的排气压力。在另一示例中，相对于在热电发电机34的出口处例如离开热电发电机34的排气管与旁路36接合的位置处测量到的排气压力，恰在旁路阀38之前对排气压力进行测量或建模。
在各个实施例中，控制模块40接收以上信号，并选择性地控制旁路阀38，使得防止对热电发电机34和/或发动机12造成损害和/或使由高水平的背压导致的发动机低效率最小化。
现在参照图2，更详细地示出根据示例性实施例的控制模块40。在各个实施例中，控制模块40可以包括一个或多个子模块和数据库。可以认识到，图2所示的子模块可以组合和/或进一步划分，以类似地控制旁路阀38(图1)。在该示例中，控制模块40包括排气流量确定模块60、排气压力指令模块62、排气压力控制模块64和温度限制模块66。
排气流量确定模块60接收质量空气流量68、质量燃料流量70和发动机速度72作为输入。排气流量确定模块60通过例如计算质量空气流量68和质量燃料流量70的总和来确定排气流量74。然后，排气流量确定模块60对于基于发动机速度72的时滞调节排气流量74。
排气压力指令模块62接收排气流量74作为输入。排气压力指令模块62与存储在数据库78中的查询图76接口。在各个实施例中，查询图76是由排气流量74索引的一维查询图。基于查询图76和当前排气流量74，排气压力指令模块62确定被指令的期望排气压力(本文称之为指令排气压力80)。
排气压力控制模块64接收指令排气压力80和排气压力82作为输入。可以对排气压力82进行测量或建模，如上所述。排气压力控制模块64确定用于控制旁路阀38(图1)的控制值84。在各个实施例中，控制值84是范围从百分之零(例如，与迫使最大排气流量74通过热电发电机34的阀位置对应)到百分之百(例如，与迫使最大排气流量74通过旁路36的阀位置对应)的占空比。排气压力控制模块64通过将指令排气压力80与排气压力82进行比较以确定指令排气压力80和排气压力82之间的差值来确定控制值84。在各个实施例中，排气压力控制模块64将比例和积分增益应用于该差值，以确定控制值84。
温度限制模块66接收控制值84、测量到的或经建模得到的发动机冷却剂温度86和测量到的或经建模得到的排气温度88作为输入。当排放系统中的温度超过预定阈值，从而使热电发电机34的部件(图1)处于危险状态时，温度限制模块66将控制值限制为默认值(例如，百分之零)。例如，当发动机冷却剂温度86大于第一预定值时或者当排气温度88大于第二预定温度时，温度限制模块66产生将控制值84限制为默认值的控制信号90。否则，温度限制模块66基于由排气压力控制模块64所确定的控制值84产生控制信号90。
现在转到图3并继续参照图2，流程图示出根据本发明各个方面的可以由图2的控制模块40执行的旁路阀控制方法。可以认识到，根据本发明，该方法内的操作的顺序不限于在图2中所示出的执行顺序，而是可以在可应用时和根据本发明以一种或多种不同顺序执行。
在一个示例中，该方法可以开始于100。在110中确定排气流量74。在120中，应用基于发动机速度72的时滞来确定可被设置为离开发动机12一定距离的热电发电机34附近的排气流量74。在130中，基于查询图76确定指令排气压力80，并且例如基于第一位置处的排气压力相对于第二位置处的排气压力来确定排气压力82，如上所述。然后，在140中，确定指令排气压力80和排气压力82之间的差值。在150中，将比例和积分增益应用于差值，以确定控制值84。在160中，将控制值84限制在控制范围之间(例如，在零和百分之百占空比之间)。然后，在170至210中，基于高发动机冷却剂温度86或高排气温度88默认(预置)控制值84。在该实施例中，默认值对应于百分之百的旁路阀控制信号，从而迫使最大排气流量流经旁路36。
例如，在170中，如果排气温度88大于预定阈值，则将控制值84设为默认值，并在180中基于默认控制值产生控制信号90。然后，该方法可以在190中结束。
然而，在170中，如果排气温度88小于预定阈值，但是在200中发动机冷却剂温度86大于预定阈值，则将控制值84设为默认值，并在180中基于默认控制值产生控制信号90。然后，该方法可以在190中结束。
否则，在170中，如果排气温度88小于预定阈值，而且在200中发动机冷却剂温度86小于预定阈值，则在210中基于当前的控制值84产生控制信号90，并且该方法可以在190中结束。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种修改，并且等价物可以代替其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以做出许多修改，以使具体的情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不旨在局限于作为用于实施本发明所构思的最佳模式所公开的具体实施例，而是本发明将包括落在本申请的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种经由旁路阀控制通过排气旁路和热电装置中至少一者的发动机排气流量的方法，包括：
确定离开发动机的排气的质量流量；
基于所述排气的质量流量确定期望的排气压力；
将期望的排气压力与确定出的排气压力进行比较；以及
基于所述比较确定旁路阀控制值，其中，所述旁路阀控制值用于控制所述旁路阀。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定排气的质量流量基于测量到的进气空气流量、测量到的燃料流量、建模得到的进气空气流量、建模得到的燃料流量和测量到的排气流量中至少一者。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定排气的质量流量还包括对于基于发动机速度的时滞调节所述排气的质量流量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定期望的排气压力还基于由所述排气的质量流量索引的一维查询图。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括基于发动机冷却剂温度和废气温度中至少一者限制所述控制值。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括基于第一位置处的排气压力相对于第二位置处的排气压力确定所确定出的排气压力。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述比较还包括确定所述期望的排气压力和所述所确定出的排气压力之间的差值，并且其中，所述确定所述控制值是基于所述差值。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括将比例和积分增益应用于所述控制值。
9.一种发动机排气流量控制系统，包括：
排气传感器，所述排气传感器产生指示实际排气压力的信号；
控制模块，所述控制模块确定期望的排气压力，并基于所述期望的排气压力与所述实际排气压力的比较产生旁路控制阀信号；以及
旁路阀，所述旁路阀基于所述旁路控制阀信号选择性地控制通过排气旁路和热电装置中至少一者的排气流量。
10.一种车辆，包括：
热电装置，所述热电装置从发动机选择性地接收排气；
旁路通道，所述旁路通道与所述热电装置并行设置，并从所述发动机选择性地接收排气；
旁路控制阀，所述旁路控制阀设置在所述热电装置和所述旁路通道之间，并选择性地控制排气从所述发动机到所述热电装置和所述旁路通道的流量；以及
控制模块，所述控制模块基于排气压力选择性地控制所述旁路阀。
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