CN101903636B - 用于监控内燃机中的再循环废气的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于在持续工作期间控制内燃机中的EGR气流的方法包括：确定发动机工作点；以及基于所述发动机工作点确定用于气缸充量的优选EGR分数。基于所述用于气缸充量的优选EGR分数确定用于控制流向发动机进气歧管的外部EGR气体流率的前向馈送命令。确定进气歧管中的EGR比率。并且基于估计出的进气歧管中的EGR比率以及用于控制外部EGR气体流率的前向馈送命令而控制外部EGR气体流率。

Description

用于监控内燃机中的再循环废气的方法和装置

技术领域

本发明属于内燃机技术领域。

背景技术

内燃机将废气再循环至发动机进气系统以降低峰值燃烧温度，从而管控发动机的排放。已知的系统使用位于燃烧室内的废气流动控制系统以及被称为废气再循环(“EGR”)系统的外部再循环系统来实现此种再循环。EGR气体流率、发动机进气特性以及发动机进气中的压力和温度动态性能影响气缸充量和进气中的EGR气体和新鲜空气的质量比，从而影响燃烧温度、发动机动力和发动机排放。对EGR气体和新鲜空气的影响在高EGR稀释程度(诸如能够在火花点火直喷发动机的稀薄怠速工作期间出现)下增大。

发明内容

一种用于在持续工作期间控制内燃机中的EGR气流的方法包括：确定发动机工作点；以及基于所述发动机工作点确定用于气缸充量的优选EGR分数。基于所述用于气缸充量的优选EGR分数确定用于控制流向发动机进气歧管的外部EGR气体流率的前向馈送命令。确定所述进气歧管中的EGR比率。并且基于估计出的进气歧管中的EGR比率以及用于控制所述外部EGR气体流率的前向馈送命令而控制外部EGR气体流率。

附图说明

现在将结合附图以示例的方式描述一个或多个实施例，在所述附图中：

图1是根据本发明的发动机的示意图；以及

图2是根据本发明的算法流程的示意图。

具体实施方式

现在参见所述附图，在所述附图中示出的内容仅仅是为了说明某些示例实施例的目的，而不是为了限制所述实施例，图1示意性示出内燃机10以及根据本发明的一个实施例构造的附带的控制模块5。用于说明本发明的示例发动机10包括多缸火花点火、直喷、四冲程内燃机——其能够在包括进气、压缩、做功和排气冲程的重复燃烧循环中工作。本发明能够应用于各种不同的内燃机系统和燃烧循环。

发动机10包括多个气缸，所述气缸具有能够在其内可滑动地运动的往复式活塞14，并且限定可变容积燃烧室16。每个活塞14连接至旋转曲轴12，旋转曲轴12将线性往复运动转化成旋转运动。曲轴传感器42监测曲轴旋转位置和速度。一个或多个进气门20控制从进气通道29至每个燃烧室16内的空气流量。一个或多个排气门18控制从每个燃烧室16通过排气通道39至排气歧管的废气流量。进气和排气门20和18的打开和关闭优选地由双凸轮轴(如图所示)控制，所述双凸轮轴的旋转与曲轴12的旋转相关联并且相对应。废气传感器50监测废气(包括例如与发动机排气的空/燃比或废气的组成相关的参数状态)。

进气系统包括用于控制和监测通向进气通道29的气流的气流管路和设备。在此实施例中，进气系统将进气流导通至进气歧管30，进气歧管30将进气引导和分配至通过进气门20通向燃烧室16的进气通道29。用于控制和监测进气歧管30内的空气流的设备优选地包括空气质量流量传感器32、节气门34、压力传感器36和温度传感器33。空气质量流量传感器32监测空气质量流量和进气温度。节气门34优选地包括电控设备——其响应于来自控制模块5的控制信号(“ETC”)来控制通向发动机10的空气流。压力传感器36监测进气歧管绝对压力以及大气压力。温度传感器33适于监测进气歧管空气温度。

外部流动通道40将废气从排气通道39再循环至进气系统的进气歧管30——其具有包括废气再循环(“EGR”)阀38的空气流动控制阀。第二温度传感器35适于监测再循环气体的温度，优选的是EGR阀38处或附近的温度。EGR阀38优选地包括可控的可变流量阀，该可控的可变流量阀由操作性地连接至控制模块5的脉宽调制螺线管控制。控制模块5产生脉宽控制信号(“EGR_PW”)以通过EGR阀38控制再循环废气或外部EGR气体的流动。EGR阀38优选地产生由控制模块5监测的与工作关联的输出信号。通过EGR阀38通向进气歧管30的外部EGR气体流率能够基于EGR阀38处的压降、外部EGR气体的温度以及EGR阀38的有效打开面积来确定。控制模块5包括由用于控制EGR阀38的脉宽控制信号组成的预先确定的校准值和EGR阀38的有效打开面积的相应测量值。在工作中，控制模块5通过控制发送给EGR阀38的脉宽控制信号而控制有效打开面积。这样，控制模块5通过控制发送给EGR阀38的脉宽控制信号而控制外部EGR气体流率。例如，0％的脉宽控制信号导致EGR阀38关闭，即没有流量；100％的脉宽控制信号导致EGR阀38大开，对于EGR阀38处的压降导致最大的外部EGR气体流率。结合图2来描述系统操作，通过所述系统操作控制模块5确定脉宽控制信号以控制外部EGR气体流率。

燃料喷射系统包括多个燃料喷射器28，每个燃料喷射器适于响应于来自控制模块5的控制信号(“INJ_PW”)将一定质量的燃料直接喷射至一个燃烧室16内。燃料喷射器28被供以来自燃料分配系统(未示出)的加压燃料。替代地，每个燃料喷射器28能够被定位成将燃料喷射至燃烧室16上游的进气通道29内，在进气门20打开时，燃料和空气流入燃烧室16。在每个气缸事件期间在每个燃烧室16内形成的气缸充量由喷射的一定量燃料、进气、EGR气体和残留在燃烧室16内的任何残留气体组成。包括点火模块(未示出)和火花塞24的火花点火系统在燃烧室16内产生火花能量，用于响应于从控制模块5输出的点火信号(“IGN”)对每个气缸充量进行点火或辅助点火。

控制模块5通过加速器踏板传感器52基于操作者对加速器踏板的输入(“APP”)来确定发动机动力输出(包括发动机扭矩和速度)的操作者扭矩请求。

控制模块5包括通用数字计算机——其包括微处理器或中央处理单元、存储介质(包括包含只读存储器(ROM)和电可编程只读存储器(EPROM)的非易失存储器、随机存取存储器(RAM))、高速时钟、模数(A/D)和数模(D/A)转换电路、以及输入/输出电路和设备(I/O)以及适当的信号调制和缓冲电路。控制模块5具有一套控制算法，该套控制算法包括存储在非易失性存储器内并且被执行以提供用于控制发动机10的相应功能的常驻程序指令和校准值。这些算法通常在预先设定的循环期间被执行，使得每个算法在每个循环中至少被执行一次。算法由中央处理单元执行，并且能够用于监测来自前述传感设备的输入以及使用预先设定的校准值来执行控制和诊断程序，以控制致动器的工作。在持续的发动机和车辆工作期间，循环通常以规则的间隔(例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒)被执行。替代地，算法可以响应于事件的发生而执行。

在工作中，控制模块5监测来自各传感器的输入，以确定发动机参数的状态。控制模块5执行存储在其内的算法代码，以控制前述致动器来形成气缸充量，包括控制节气门位置、火花点火正时、燃料喷射质量和正时、EGR阀位置，从而控制那样配置的发动机的再循环废气的流量、进气门和/或排气门的正时和相位。

图2示意性示出在图1所示的示例发动机10上执行以控制外部EGR气体流率的系统操作。控制模块5基于操作者扭矩请求和其它扭矩请求(例如当发动机10是混合动力系的一部分时来自混合控制模块的发动机附件控制和动力需求)来确定发动机工作点(由工作速度和扭矩输出组成)。操作者扭矩请求基于对加速器踏板52的操作者输入(“APP”)而确定。发动机控制器确定用于各种发动机致动器的命令，以控制发动机工作从而获得发动机工作点[205]。这包括通过控制信号INJ_PW控制来自燃料喷射器28的燃料质量，通过控制信号ETC控制用于节气门34的节气门位置，以及通过控制信号IGN控制火花塞24的火花点火正时。用于气缸充量的所要求的EGR分数基于所述发动机工作(包括发动机工作点)确定。优选地，所要求的EGR分数设定为发动机10在不产生过大的燃烧不稳定性的情况下能够承受的最大EGR分数。用于气缸充量的所要求的EGR分数采用已知公式被转化成进气歧管30内的所要求的EGR比率[210]。控制模块5执行计算以计算出EGR阀38的有效打开面积，以便控制EGR气体流率从而获得进气歧管30内的所要求的EGR比率[220]。EGR阀38的有效打开面积基于EGR气体温度(“T_egr”)、废气压力(“废气压力”)、进气歧管压力(“p_m”)、和所要求的EGR比率(“所要求的R_EGR”)确定[220]。基于EGR阀38的预先确定的校准值，这被转化成控制EGR阀38的前向馈送EGR命令(“EGR_OL”)[230]。控制EGR阀38的前向馈送命令基于进气歧管30中的所要求的EGR比率的确定，并且不用于代替为EGR阀38提供位置或其它反馈的反馈传感器。

控制模块5执行算法代码以便在持续发动机工作期间基于进气歧管空气温度(“T_m”)、空气质量流率

进气温度(“T_a”)和进气歧管压力(“p_m”)的输入来估计进气歧管30中的EGR比率[240]。这些输入通过监测来自本文所述的发动机传感器的信号输出而获得。进气歧管30中的EGR比率通过执行由下文所述的等式所组成的算法代码而确定。EGR比率用于控制EGR阀38的工作，从而控制流入进气歧管30和每个燃烧室16以形成每个气缸充量的外部EGR气体流率。

进气歧管30中的EGR比率能够如等式1中所示地计算：

$R_{\mathrm{EGR}}=\frac{m_{c,\mathrm{EGR}}}{m_{c,\mathrm{air}}}---\left[1\right]$

其中：m_c，EGR是再循环废气的质量；

m_c，air是新鲜空气的质量。

进入每个燃烧室16的总充量质量包括再循环废气的质量和新鲜空气的质量的和——它们一起构成气缸充量的气体部分。基于理想气体定律来模型化进气歧管30中的压力动态，以便如等式2中所示地对EGR比率进行建模：

p_m＝R_a*T_m*m_m/V_m      [2]

其中：p_m表示进气歧管压力，

R_a表示空气的气体常数，

T_m表示进气歧管温度，

m_m表示进气歧管30中的气体质量，以及

V_m表示进气歧管容积。

将偏微分分析应用于等式2以得到更完整的理解，包括确定进气歧管30内的空气分压的时间变化率(time-rate change)，即

在动态发动机工作期间进气歧管内的空气分压的时间变化率如等式3所示地确定：

${\stackrel{\·}{p}}_{m,a}=\frac{\mathrm{\κR}}{V_m}({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{th}}{T}_a-{\stackrel{\·}{m}}_{m,a}{T}_m)=\frac{\mathrm{\κR}}{V_m}({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{th}}{T}_a-\frac{\mathrm{\η}(p_m,\mathrm{\ω})V_d}{R}\mathrm{\ω})---\left[3\right]$

其中：T_m是温度传感器33处的进气歧管空气温度；

p_m是在压力传感器36处的进气歧管压力，

V_m是进气歧管30的容积，

是空气质量流量传感器32处的空气质量流率，

T_a是空气质量流量传感器32处的进气温度，

是流入燃烧室16的空气部分质量流率，

K是等熵指数，

η是容积有效系数，

ω是发动机角速度——由曲轴传感器42测量，

V_d是发动机容积排量，

R是通用气体常数，以及

P_m，a是进气歧管30内的空气分压。

在动态发动机工作期间进气空气温度的时间变化率能够如等式4所示地确定：

${\stackrel{\·}{T}}_m=\frac{R_a{T}_m}{p_m{V}_m}(-{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{th}}{T}_m(1-\frac{T_a}{T_{\mathrm{egr}}})+{\stackrel{\·}{m}}_c{T}_m(1-\frac{T_m}{T_{\mathrm{egr}}}))+\frac{T_m}{p_m}(1-\frac{T_m}{{\mathrm{\κT}}_{\mathrm{egr}}}){\stackrel{\·}{p}}_m---\left[4\right]$

其中：R_a是空气的气体常数；

T_egr是传感器35处的EGR气体的温度，以及

是流入燃烧室16内的质量流率。

进气歧管压力能够基于动态发动机工作期间空气分压的时间变化率而确定。进气歧管温度能够基于动态发动机工作期间进气歧管温度的时间变化率而确定。进气歧管30中的估计出的EGR比率(估计出的R_EGR)基于空气分压和进气歧管空气温度确定，如等式5所示：

$R_{\mathrm{EGR}}=\frac{p_m}{p_{m,n}}\frac{T_a}{T_m}-1---\left[5\right]$

在发动机10的持续工作期间的—个循环期间，所述等式被还原成用于在控制模块5中执行的机器代码。这样，在持续发动机工作期间，测量进气歧管压力、进气温度、进气歧管空气温度、EGR气体温度和进气温度的状态。进气歧管空气温度和进气歧管中的空气分压的时间变化率通过执行等式3和4以步进的方式确定。通过执行等式5，并基于进气歧管中的空气分压和进气歧管空气温度进行确定，进气歧管30中的估计出的EGR比率能够被转化成每个气缸充量的EGR分数。

估计出的EGR比率和所要求的EGR比率被积分并过滤，以确定EGR校正值(“EGR_CORR”)[250]，EGR校正值被添加至前向馈送EGR命令-EGR_OL[260]。将前向馈送EGR命令和EGR校正值[260]相加以确定控制EGR阀38的最终命令(“EGR_PW”)，从而控制EGR气体流率以便针对每个气缸充量获得所要求的EGR分数。

结合图2描述的系统操作在持续的发动机工作期间规则地且周期性地被执行，从而实现对每个气缸充量的EGR比率的确定，以便控制每个气缸充量的EGR分数。用于估计EGR比率的算法优选地在EGR阀38根据命令打开时被持续执行，以便为前向馈送EGR控制方案提供主动补偿。

本发明已经描述了一些优选实施例及其改型。在阅读并理解说明书的基础上，其他人可以想到进一步的改型及替代。因此，本发明并非意在限于作为实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (14)

1.一种用于在持续工作期间控制内燃发动机中的EGR气流的方法，包括：

确定发动机工作点；

基于所述发动机工作点确定用于气缸充量的优选EGR分数；

基于所述用于气缸充量的优选EGR分数确定用于控制流向发动机进气歧管的外部EGR气体流率的前向馈送命令；

基于对进气歧管空气温度的变化的估计而确定进气歧管空气温度；基于进气歧管压力、进气空气温度、进气歧管空气温度以及进气歧管中的空气分压估计进气歧管中的EGR比率；以及

基于估计出的进气歧管中的EGR比率以及用于控制外部EGR气体流率的前向馈送命令而控制外部EGR气体流率。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于空气质量流率、EGR气体温度以及进气空气温度而估计进气歧管空气温度的变化。

3.如权利要求2所述的方法，包括监测来自传感器的信号输入以提供进气歧管空气温度、空气质量流率、进气空气温度、进气歧管压力、以及EGR气体温度。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述发动机工作点包括发动机怠速状态下的发动机速度和负载工作点。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于估计出的进气歧管中的EGR比率而调节用于控制外部EGR气体流率的前向馈送命令。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括基于估计出的进气歧管中的EGR此率而调节用于控制外部EGR气体流率的前向馈送命令，以便获得用于气缸充量的优选EGR分数。

7.一种用于控制火花点火直喷内燃发动机的方法，包括：

确定发动机工作点；

监测进气歧管中的空气温度、EGR气体温度、进气空气的质量流率、进气歧管压力、以及进气空气温度；

针对所述发动机工作点确定用于气缸充量的优选EGR分数；

估计进气歧管中的空气分压以及进气歧管中的空气温度，其中估计进气歧管中的空气温度包括基于进气空气的质量流率、EGR气体温度、进气空气温度以及进气歧管压力来估计进气歧管中空气温度的变化；

基于估计出的进气歧管中的空气分压以及估计出的进气歧管中的空气温度估计进气歧管中的EGR比率；以及

基于估计出的进气歧管中的EGR比率而控制EGR阀的操作。

8.如权利要求7所述的方法，其中估计进气歧管中的空气温度的变化进一步包括：

将用于计算进气歧管中的空气温度的时间变化率的数学等式还原成可执行的机器代码；

监测来自传感器的输入，所述传感器适于监测进气歧管中的空气温度、EGR气体温度、进气空气的质量流率、进气歧管压力和进气空气温度；以及

周期性地执行所述机器代码。

9.如权利要求7所述的方法，其中估计进气歧管中的空气分压是基于进气空气的质量流率和温度、进气歧管中的空气温度以及进气歧管压力进行的。

10.如权利要求7所述的方法，其中基于估计出的进气歧管中的EGR比率而控制EGR阀的操作包括基于估计出的进气歧管中的EGR比率来控制外部EGR气体流率。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括基于估计出的进气歧管中的EGR比率而调节用于控制外部EGR气体流率的前向馈送命令，以便获得用于气缸充量的优选EGR分数。

12.一种用于在持续工作期间控制流向内燃发动机的进气歧管的外部EGR气体流率的方法，包括：

测量进气歧管中的空气温度、进气空气温度、进气歧管压力、和进气空气的质量流率；

估计持续工作期间进气歧管中的空气分压以及进气歧管中的空气温度；

基于进气歧管中的空气温度、进气空气温度、进气歧管压力以及进气歧管中的空气分压来估计进气歧管中的EGR比率；以及

基于估计出的进气歧管中的EGR比率来控制EGR阀的操作，进一步包括：

确定发动机工作点；

基于所述发动机工作点确定用于气缸充量的优选EGR分数；

基于用于气缸充量的优选EGR分数来确定用于控制EGR阀的操作的前向馈送命令，所述EGR阀用于控制外部EGR气体流率；以及

基于估计出的进气歧管中的EGR比率而调节用于控制所述EGR阀的操作的前向馈送命令。

13.如权利要求12所述的方法，其中估计进气歧管中的空气温度包括基于气缸质量流率、EGR气体温度、进气空气的质量流率以及进气空气温度来估计进气歧管中的空气温度。

14.如权利要求13所述的方法，其中基于估计出的进气歧管中的EGR比率而调节用于控制所述EGR阀的操作的前向馈送命令包括控制所述EGR阀的操作以获得用于气缸充量的优选EGR分数。

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