CN101970846A - 用于监测内燃发动机中egr阀的方法和设备 - Google Patents

Abstract

内燃发动机选择性地操作在火花点火燃烧模式和受控自动点火燃烧模式中。可操作以控制到进气歧管的排气流量的EGR阀被监测，包括命令EGR阀到关闭位置，并且监测内燃发动机的操作。基于发动机的操作来估计由新鲜空气充量所致的进气歧管压力。测量进气歧管压力，并将估计的进气歧管压力和测量的进气歧管压力进行比较。

Description

用于监测内燃发动机中EGR阀的方法和设备

技术领域

本公开涉及内燃发动机的操作和控制，并且更具体地，涉及均质充量压缩点火(‘HCCI’)发动机。

背景技术

本节中的陈述仅仅提供了与本公开有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

已知的火花点火发动机将燃料/空气混合物引入到每个气缸中，其中所述燃料/空气混合物在压缩冲程中被压缩并且由火花塞点燃。已知的压缩点火发动机在压缩冲程的上止点(TDC)附近将加压的燃料喷射到燃烧气缸中，该燃料在喷射后点燃。火花点火发动机和压缩点火发动机两者的燃烧都涉及通过流体力学来控制的预混合或扩散的火焰。

在预定速度/负载操作条件下，配置成火花点火燃烧的发动机可以适于以均质充量压缩点火(以下称为‘HCCI’)燃烧模式操作，也称为受控自动点火燃烧模式。HCCI燃烧模式包括通过氧化化学过程来控制的分布的、无焰的、自动点火的燃烧过程。以HCCI模式操作的发动机具有在成分、温度、以及在进气阀关闭时间的残余排出气体方面优选均质的进气。受控自动点火燃烧是一种分布动力学受控燃烧过程，其中发动机以稀的燃料/空气混合物(也就是说，燃料/空气化学计量点的贫侧)进行操作，具有相对低的峰值燃烧温度，导致低的NOx排放物。均质燃料/空气混合物使得形成烟和颗粒排放物的高浓度区的发生最小化。

当发动机以HCCI燃烧模式操作时，发动机控制包括贫的空气/燃料比操作，其中节气门完全打开以便最小化发动机泵送损耗。通过控制发动机进气阀和排气阀的打开和关闭(包括控制其打开和关闭的定相和升程)能够控制进入到发动机中的空气流量。当发动机以火花点火燃烧模式操作时，发动机控制可以包括化学计量的空气/燃料比的操作，其中节气阀被控制在从0％到100％的全开位置的位置范围上以便控制进气流量，从而获得化学计量的空气/燃料比。

发明内容

内燃发动机包括进气歧管、可操作以控制进气阀及排气阀的打开和关闭的装置、以及可操作以控制到进气歧管的排气流量的排气再循环(EGR)阀。排气再循环阀是这样被监测的，即：将EGR阀命令到闭合位置，监测内燃发动机的操作，基于内燃发动机的操作来估计由于新鲜空气充量所致的局部进气歧管压力，测量进气歧管压力，以及将由于新鲜空气充量所致的局部进气歧管压力的估计值和所测量的进气歧管压力进行比较。

附图说明

现在参考附图并且通过示例来对一个或多个实施例进行描述，附图中：

图1是根据本公开的发动机系统的示意图；

图2是根据本公开的数据图表；以及

图3是根据本公开的控制方案的示意性框图。

具体实施方式

现在参考附图，其中所图示的内容仅仅是为了对某些示例性实施例进行说明的目的，并非为了限制这些实施例的目的，图1示意性地示出了根据本公开的实施例构造的内燃发动机10和所附控制模块5(‘控制模块’)。发动机10可选择性操作在受控自动点火燃烧模式和火花点火燃烧模式中。发动机10包括多缸直喷式四冲程内燃发动机，其具有可在气缸15内滑动地运动的往复式活塞14，活塞14和气缸15限定了可变容积的燃烧室16。每个活塞14连接到旋转的曲轴12，通过曲轴12将线性往复的活塞行程转换为旋转运动。在图1中示出了单独一个气缸15。

进气系统将进气引导到进气歧管29，进气歧管29将空气引导并分配到至每个燃烧室16的进气通道中。进气系统包括空气流管道系统和用于监测和控制空气流量的装置。该装置优选包括空气质量流量传感器32，用于监测空气质量流量和进气温度。节气阀34(优选包括电子控制的装置)响应于来自控制模块5的控制信号(‘ETC’)来控制到发动机10的空气流量。歧管压力传感器36监测进气歧管29中的歧管绝对压力和大气压。具有流量控制阀38的外部流通道37可以使残余的排出气体从排气歧管39再循环到进气歧管29。流量控制阀38在下文被称作EGR阀38(用于‘排气再循环’)。控制模块5优选通过控制EGR阀38的开度的大小来控制到进气歧管29的再循环排气的质量流量。

通过一个或多个进气阀20来控制从进气歧管29到燃烧室16中的空气流量。通过一个或多个排气阀18来控制流出燃烧室16以及到排气歧管39的排气流量。优选采用双凸轮轴(如所示)来控制进气阀20及排气阀18的打开和关闭，该双凸轮轴的转动与曲轴12的转动相联系并以曲轴12的转动来进行分度(index)。VCP/VLC装置22优选包括可控的机构，该可控的机构可操作以响应于来自控制模块5的控制信号(‘进气’)可变地控制每个气缸15的进气阀20的阀升程(‘VLC’)和凸轮定相(‘VCP’)。VCP/VLC装置24优选包括可控的机构，该可控的机构可操作以响应于来自控制模块5的控制信号(‘排气’)可变地控制每个气缸15的排气阀18的阀升程(‘VLC’)和定相(‘VCP’)。VCP/VLC装置22和24中的每一个均优选包括可控制的两级阀升程机构，其可操作以将进气阀20及排气阀18的阀升程或开度的大小控制到两个离散级中的一个。该两个离散级优选包括用于低速、低负载操作的低升程阀打开位置(大约4-6mm)，和用于高速和高负载操作的高升程阀打开位置(大约8-10mm)。VCP/VLC装置22和24优选包括可变凸轮定相机构，以分别地控制进气阀20和排气阀18的打开和关闭的定相(即，相对正时)。定相指的是相对于曲轴12以及在各自气缸15中的活塞的位置来切换进气阀20及排气阀18的打开时间。VCP/VLC装置22和24的可变凸轮定相系统优选具有大约曲柄转动的大约60°-90°的定相许可范围，因而允许控制模块5使得进气阀20及排气阀18中的一个的打开和关闭能够相对于每个气缸15的活塞14的位置超前或延迟。通过VCP/VLC装置22和24来限定和限制定相许可的范围。VCP/VLC装置22和24包括凸轮轴位置传感器(未示出)，以确定进气凸轮轴和排气凸轮轴(未示出)的转动位置。VCP/VLC装置22和24使用电动液压的、液力的、以及电气控制的力中的一种来致动，并且通过控制模块5控制。

发动机10包括燃料喷射系统，该燃料喷射系统包括多个高压燃料喷射器28，每一个燃料喷射器28均适于响应来自控制模块5的控制信号(‘INJ PW’)直接喷射一定质量的燃料到燃烧室16中。如在本文所用，添加燃料指的是进入燃烧室16中的一个的质量燃料流量。燃料喷射器28被供给来自燃料分配系统(未示出)的加压燃料。

发动机10包括火花点火系统，通过该火花点火系统将火花能量提供到火花塞26，用于响应来自控制模块5的控制信号(‘IGN’)点燃或帮助点燃每个燃烧室16中的气缸充气。火花塞26在某些情况下加强发动机10的每个气缸中的燃烧正时控制，例如，在冷起动期间以及在接近低负载操作限制时。

发动机10装备了各种用于监测发动机操作的传感装置，包括：可操作以监测曲轴旋转位置(也就是说，曲柄角度和速度)的曲柄传感器42，适合于监测排气供给流中的空气/燃料比的宽范围空气/燃料比传感器40，以及适合于在发动机10正在进行的操作中实时监测气缸中的燃烧的燃烧传感器30。燃烧传感器30包括可操作以监测燃烧参数状态的传感器装置，以及被描述为可操作以监测气缸内燃烧压力的气缸压力传感器。通过控制模块5来监测燃烧传感器30和曲柄传感器42的输出，控制模块5确定燃烧定相，即，相对于每个燃烧周期的每个气缸15的曲轴12的曲柄角度的燃烧压力正时。燃烧传感器30还可以通过控制模块5来加以监测，以便确定每个燃烧周期的每个气缸15的平均有效压力(以下称为‘IMEP’)。可替代地，其它传感系统也可用于监测能够被转换为燃烧定相的实时气缸内燃烧参数，例如，离子感测点火系统和非侵入式气缸压力监测系统。

在以受控自动点火燃烧模式进行操作期间，发动机10在发动机速度和负载的扩展范围上以完全打开的节气门以汽油或其它燃料混合物进行操作。在不利于受控自动点火燃烧模式操作的情况下，发动机10以具有受控的节气门操作的火花点火燃烧模式操作，从而实现满足操作者扭矩请求的发动机功率。各种可用等级的汽油及轻乙醇混合物是优选的燃料；然而，替代性液体和气体燃料(例如，高等乙醇混合物(例如，E80、E85)，纯乙醇(E99)，纯甲醇(M 100)，天然气，氢，生物气体，各种重整油，合成气，等等)也可以被用于本公开的实施。

控制模块5优选包括：通用数字计算机，其通常包括微处理器或中央处理单元；存储介质，其包括非易失性存储器，包括只读存储器(ROM)和电可编程序只读存储器(EPROM)，以及随机存取存储器(RAM)；高速时钟；模数转换电路以及数模转换电路；输入/输出电路和装置；以及适当的信号调节和缓冲电路。控制模块5具有一组控制算法，包括存储在非易失性存储器以及被执行提供每个计算机的相应功能的常驻程序指令和校准。算法在预置循环周期期间执行，从而使得每个算法每一循环周期执行至少一次。利用预置的校准，通过中央处理单元执行算法以监测来自上述的传感装置的输入，以及执行控制和诊断程序以控制致动器的操作。每隔一定间隔执行循环周期，例如在正在进行的发动机和车辆操作期间每隔3.125、6.25、12.5、25以及100毫秒。可替代地，算法可以响应于事件的发生而被执行。

图2示意性示出了在火花点火和受控自动点火燃烧模式中的示例性发动机10的优选操作范围，其基于发动机参数的状态，在本实施例中包括能够由包括燃料流量和进气歧管压力的发动机参数导出的速度(‘RPM’)和负载(‘LOAD’)。发动机燃烧模式优选包括喷射引导的火花点火(‘SI-SG’)燃烧模式，单喷射受控自动点火(′HCCI-SI′)燃烧模式，和双喷射受控自动点火(‘HCCI-DI’)燃烧模式，以及均质火花点火(‘SI-H’)燃烧模式。关于每一燃烧模式的优选速度和负载操作范围基于发动机操作参数，包括燃烧稳定性、燃料消耗、排放物、发动机扭矩输出等等。限定该优选速度和负载操作范围以描述上述燃烧模式中的操作的边界优选被预先校准并保存在控制模块5中。

发动机10被控制为以优选的空气燃料比进行操作，以达到最佳性能，并且进气流量被控制以实现优选的空气燃料比。这包括基于在选择的燃烧模式中的发动机操作来估计气缸空气充量。节气阀34和VCP/VLC装置22和24基于该估计的气缸空气充量被控制以实现进气流率，包括在火花点火和受控自动点火燃烧模式间的转换期间。通过调整节气阀34以及控制VCP/VLC装置22和24以控制进气阀20及排气阀18的打开正时和轮廓来控制空气流量。在两种燃烧模式中的操作需要就进气阀20及排气阀18的阀正时和轮廓对VCP/VLC装置22和24进行不同的设定，以及就节气门位置对节气阀34进行不同的设定。作为示例，节气阀34在自动点火燃烧模式中优选是全开的，其中发动机10被控制在贫空气燃料比，然而在火花点火燃烧模式中节气阀34被控制以调节空气流量并且发动机10被控制为化学计量的空气燃料比。

图3示出了用于操作参考图1和图2描述的发动机10的控制策略，该控制策略在控制模块5中执行。该控制策略包括监测来自空气质量流量传感器32、曲柄传感器42、歧管压力传感器36、和VCP/VLC装置22及24的输入信号。当EGR阀38被命令到闭合位置时，监测发动机10的操作。基于发动机10的操作来估计进气歧管压力，该进气歧管压力同时使用歧管压力传感器36来测量。将估计的进气歧管压力与测量的进气歧管压力进行比较。当估计的进气歧管压力和测量的进气歧管压力之间的差超过预先校准的阈值时，控制模块5检测到EGR阀38中的故障。

控制模块5的控制策略包括气缸空气充量估计器(‘CAC_M’)310，其估计进入气缸15的空气流量。气缸空气充量估计器310包括VLC/VCP装置22和24对进气流量的操作效果。进气歧管29中由于新鲜空气充量所致的局部压力能够通过以下等式(1)来进行建模：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}p=\frac{\mathrm{RT}}{V}(\mathrm{MAF}-\mathrm{CAC}(\mathrm{CylVol}.N.p))---\left(1\right)$

其中，T是在空气质量流量传感器32处测量的进气歧管温度，R是气体常数，V是进气歧管29的容积，MAF是由空气质量流量传感器32测量的通过节气阀34进入的空气质量流量，以及CAC是气缸空气充量，其包括进入气缸15的空气质量流量。气缸空气充量是气缸容积(CylVol)、发动机速度(N)、以及进气歧管中由于新鲜空气充量所致的局部压力p的函数。气缸容积(即，容积排量)能够基于进气阀20及排气阀18的正时和轮廓来确定，并且近似等于V_IVC-V_EVC，其中V_IVC和V_EVC分别表示在进气阀20和排气阀18关闭时的气缸容积。基于来自曲柄传感器42和凸轮轴位置传感器(未示出)的输入能够计算出进气阀20和排气阀18关闭时的气缸容积，其中曲柄传感器42和凸轮轴位置传感器是VCP/VLC装置22和24的元件。使用已知的滑动等式(slider equations)来计算气缸容积(305)。

通过空气质量流量传感器32来测量通过节气阀34进入的空气质量流量。空气质量流量传感器32的动力学可以通过等式2中的一阶微分方程来近似：

$\mathrm{\τ}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{MAF}}_m+{\mathrm{MAF}}_m=\mathrm{MAF}---\left(2\right)$

其中τ是空气质量流量传感器32的时间常数，MAF_m是从空气质量流量传感器32测量的空气质量流量。

合并等式(1)和(2)，并引入新的参数x，得到等式3：

$x=p-\frac{\mathrm{RT}}{V}\mathrm{\τ}{\mathrm{MAF}}_m---\left(3\right)$

基于上述等式，可以导出下面的等式4：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}x=\frac{\mathrm{RT}}{V}({\mathrm{MAF}}_m-\mathrm{CAC}(\mathrm{CylVol},N,x+\frac{\mathrm{RT}}{V}\mathrm{\τ}{\mathrm{MAF}}_m))---\left(4\right)$

优选使用气缸空气充量估计器310来确定气缸空气充量。气缸空气充量估计器310近似估计等式(4)中所用的气缸空气充量，并且在以下等式(5)、(6)、和(7)中估计进入气缸的空气流量：

其中，

是x的估计，CAC_EsT包括对进入气缸15的气缸空气充量的估计，CAC_M是进入气缸15的质量空气流量的模型，

是进气歧管29中由于新鲜空气充量所致的局部压力的估计值(315)。在稳态操作中，估计的气缸空气充量CAC_EsT(或CAC_M)等于气缸空气充量或等于测量的质量空气流量。EGR阀38的操作被监测，包括监测以确定故障的存在。这包括当EGR阀38被命令到关闭位置时，基于发动机10的操作来估计进气歧管压力。歧管压力传感器36直接监测进气歧管压力。将估计的进气歧管压力与测量的进气歧管压力进行比较。

当EGR阀38被命令成关闭(320)时，EGR阀38中的故障导致了进气歧管29中由于新鲜空气充量所致的局部压力的估计值和进气歧管29中的实际压力p之间的误差或差异。当EGR阀38关闭时，由歧管压力传感器36测量的进气歧管压力基本上等于进气歧管29中由于新鲜空气充量所致的实际局部压力p。作为示例，由于通过EGR阀38的外部EGR流所致的局部压力可以由以下等式(8)近似：

${\hat{p}}_{\mathrm{EGR}}\≈p_{\mathrm{int}}-\hat{p}---\left(8\right)$

其中，p_int表示采用歧管压力传感器36测得的进气歧管压力，

表示进气歧管29中由于新鲜空气充量所致的局部压力的估计值，

是进气歧管29中由于EGR充量所致的局部压力的估计值(325)。这样，当EGR阀38关闭时，将进气歧管29中由于EGR充量所致的局部压力的估计值和预定阈值比较(330)。当进气歧管29中由于EGR充量所致的局部压力的估计值的绝对值大于阈值且EGR阀被命令成关闭时，确定EGR阀38中存在故障。

本公开已经描述了某些优选实施例和对其的修改。在阅读和理解本说明书后，本领域技术人员可能想到更多的修改和变化。因此，本公开并不意在被限制于作为实现本公开的最佳方式的(一个或多个)特定实施例，而是，本公开将包括落入所附权利要求范围中的全部实施例。

Claims (18)

1.一种用于监测EGR阀的方法，所述EGR阀可操作以控制到内燃发动机的进气歧管的排气的流量，所述内燃发动机包括可操作以控制进气阀和排气阀的打开和关闭的装置，所述方法包括：

命令所述EGR阀到关闭位置；

监测所述内燃发动机的操作；

基于所述内燃发动机的操作来估计由于新鲜空气充量所致的局部进气歧管压力；

测量所述进气歧管压力；以及

将所述由于新鲜空气充量所致的局部进气歧管压力的估计值和测量的进气歧管压力进行比较。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述的由于新鲜空气充量所致的局部进气歧管压力的估计值和所述测量的进气歧管压力之间的差来确定EGR局部进气歧管压力。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括当EGR局部进气歧管压力超过阈值时检测所述EGR阀中的故障。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

监测所述进气阀和排气阀的关闭；

基于所述进气阀和排气阀的关闭来确定气缸的容积排量；以及

基于所述气缸的容积排量来估计所述由于新鲜空气充量所致的局部进气歧管压力。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括：

监测进气质量空气流量；以及

基于所述气缸的容积排量和所述进气质量空气流量来估计所述由于新鲜空气充量所致的局部进气歧管压力。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括内燃发动机，所述内燃发动机包括可操作以控制所述进气阀和排气阀的打开和关闭的定相和升程中的一个的装置。

7.一种用于监测内燃发动机的EGR阀的方法，所述内燃发动机包括可操作以控制进气阀和排气阀的打开和关闭的装置，所述方法包括：

命令所述EGR阀到预定位置；

监测所述发动机的操作；

确定由于通过所述EGR阀的流所致的EGR局部进气歧管压力；以及

当由于通过所述EGR阀的流所致的EGR局部进气歧管压力超过阈值时检测故障。

8.如权利要求7所述的方法，包括：

监测所述进气阀和排气阀的关闭；

基于所述进气阀和排气阀的关闭来确定气缸的容积排量；

基于所述气缸的容积排量估计由于通过所述EGR阀的流所致的局部进气歧管压力；

监测进气歧管压力；以及

基于所述监测的进气歧管压力和所述估计的局部进气歧管压力之间的差来确定EGR局部进气歧管压力。

9.如权利要求7所述的方法，进一步包括命令所述EGR阀到关闭位置，并且当由于通过所述EGR阀的流所致的EGR局部进气歧管压力超过阈值时检测所述EGR阀和外部流通道中的一个的故障。

10.如权利要求7所述的方法，进一步包括命令所述EGR阀到打开位置，并且当由于通过所述EGR阀的流所致的EGR局部进气歧管压力超过阈值时检测外部流通道中的故障。

11.一种用于检测流量控制阀中的故障的方法，所述流量控制阀可操作以使排气外部再循环到内燃发动机的进气歧管，所述方法包括：

使所述内燃发动机装备可操作以控制进气阀和排气阀的打开和关闭的装置；

命令所述流量控制阀到关闭位置；

监测所述内燃发动机的操作；

基于所述内燃发动机的操作来估计由于新鲜空气充量所致的进气歧管压力；

测量所述进气歧管压力；以及

将所述由于新鲜空气充量所致的进气歧管压力的估计值和所述测量的进气歧管压力进行比较。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括基于所述由于新鲜空气充量所致的进气歧管压力的估计值和所述测量的进气歧管压力之间的差来确定再循环的排气的局部进气歧管压力。

13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

监测所述进气阀和排气阀的关闭；

基于所述进气阀和排气阀的关闭来确定气缸的容积排量；以及

基于所述气缸的容积排量来估计所述由于新鲜空气充量所致的进气歧管压力。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：

监测进气质量空气流量；以及

基于所述气缸的容积排量和所述进气质量空气流量来估计所述由于新鲜空气充量所致的进气歧管压力。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包括当所述估计的进气歧管压力和所述测量的进气歧管压力之间的差超过阈值时检测所述流量控制阀中的故障。

16.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

监测所述进气阀和排气阀的关闭；

基于所述进气阀和排气阀的关闭来确定气缸的容积排量；以及

基于所述气缸的容积排量来估计所述由于新鲜空气充量所致的进气歧管压力。

17.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

监测进气质量空气流量；以及

基于所述气缸的容积排量和所述进气质量空气流量来估计所述由于新鲜空气充量所致的进气歧管压力。

18.如权利要求11所述的方法，进一步包括当所述估计的进气歧管压力和所述测量的进气歧管压力之间的差超过阈值时检测所述流量控制阀中的故障。

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