CN101988432A - 内燃发动机的自适应排气再循环控制 - Google Patents

内燃发动机的自适应排气再循环控制 Download PDF

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Abstract

一种用于控制具有EGR阀的内燃发动机的系统和方法，通过使用存储映射表来确定基本阀位置，以输送目标流量并且响应穿过孔的EGR流量的压力差来调整所述基本阀位置，以将阀移动到不同于基本位置的位置，最终提供目标流量。

Description

内燃发动机的自适应排气再循环控制
技术领域
本公开涉及内燃发动机排气再循环(EGR)的自适应控制。
背景技术
排气再循环(EGR)是在各种类型内燃发动机中使用的已知技术，用于减小燃烧过程中NOx的产生。为了控制EGR流量，外部EGR系统一般使用线性螺线管或者DC电机来改变EGR阀的位置，其通过位置传感器提供的反馈进行闭环控制。为了向发动机进气系统提供期望的EGR质量流率，阀的位置随着对应的位置传感器的电压在车辆系统运行期间的发动机速度/负载或者扭矩的范围内改变，其中位置传感器电压被存储在查找表或映射表中。然而，随着实际运行期间内EGR流量的降低(由于在EGR阀、EGR冷却器和/或相关管路中堆积的沉积物而造成的)，先前存储的表示位置传感器电压和EGR质量流率之间关系的映射表或者查找表变得不准确。虽然已经研究出测量或估计实际EGR流量的多种策略，但是很多都需要额外的传感器，这增加了成本和复杂性并且由于EGR通道内恶劣的运行环境，可能对可靠性和持久性带来挑战。此外，很多EGR控制策略难于结合或者改装到现有系统中。
发明内容
用于控制具有EGR阀的内燃发动机的系统和方法，其包括使用存储的映射表确定基本阀位置来输送目标流量并且响应穿过孔的EGR流量的压力差来调整基本阀位置，以将阀移动到不同于基本阀位置的位置，从而提供目标流量。
在一个实施例中，实际EGR流量基于穿过锋利边缘的孔的压力差被测量或者估计，所述孔可以被定位在所述EGR阀的上游或下游。在一个实施例中，所述EGR阀的垫圈为EGR流量提供了锋利边缘的孔。在紧接所述孔的上游和下游的压力差可以通过使用专门的压力差传感器被确定，或者通过使用已有的传感器确定，例如发动机背压(EBP)传感器和歧管绝对压力(MAP)传感器。
在其他实施例中，一种系统和方法利用当前发动机速度和负载根据存储的表格确定期望的EGR质量流量。所期望的EGR质量流量被用来基于先前确定的EGR质量流量和压力差之间的关系来确定目标EGR阀的位置。当环境和发动机运行条件适当时，自适应或者校正阀位置被确定并且用来调整目标EGR阀位置，从而提供所期望的EGR质量流量。
一个实施例包括EGR流量诊断监测器，其将EGR流量的降低与预定或自适应阈值相比较，以触发诊断或者补救控制动作。
根据另一方面，提供了一种系统。所述系统包括具有进气歧管和排气歧管以及联接在二者之间的排气再循环通道的柴油燃料发动机；定位在排气再循环通道内的EGR阀；定位在排气再循环通道内的流量限制孔；定位在EGR阀上游的排气背压传感器；与进气歧管联接的MAP传感器；以及与EGR阀、排气背压传感器和MAP传感器通讯的控制器，所述控制器使用存储的映射表确定基本阀位置来输送针对当前运行条件的目标EGR质量流量，并且响应穿过孔的压力差来调整基本阀位置，以将EGR阀移动到不同于基本阀位置的位置，从而提供所述目标流量。
根据本发明的一个实施例，其中所述当前运行条件包括发动机扭矩。根据本发明的一个实施例，其中所述控制器基于排气背压和歧管绝对压力之间的差确定压力差。根据本发明的一个实施例，其中所述孔包括EGR阀的垫圈。根据本发明的一个实施例，其中所述孔被定位在所述EGR阀的上游。根据本发明的一个实施例，系统还包括压力差传感器，其用于测量紧接所述孔的上游和下游的压力。
根据另一方面，提供了计算机可读存储介质。计算机可读存储介质包括表示可由发动机控制器执行用来控制内燃发动机中的EGR流量的指令的存储数据。所述计算机可读存储介质包括使用存储映射表确定基本EGR阀位置来基于当前运行条件输送目标EGR流量的指令；和响应穿过孔的EGR流量的压力差来调整基本阀位置，以将阀移动到不同于基本位置的位置，从而提供所述目标EGR流量的指令。
根据本发明的一个实施例，所述计算机可读存储介质还包括：基于所述孔两端的压力差确定实际EGR质量流量的指令；确定所述实际EGR质量流量和目标EGR质量流量之间的差的指令；基于所述差确定EGR基本阀位置的调整的指令。根据本发明的一个实施例，所述计算机可读存储介质还包括在所述差超过相应阈值时产生诊断代码的指令。本公开的实施例提供了多种优点。例如，根据本公开的EGR流量控制可以主要以控制逻辑或软件方式实现，其中具有的孔由EGR阀垫圈提供，所述EGR阀垫圈可被应用于现有系统。本公开的实施例可被用来提供EGR流量诊断目的的流量监测器，以检测流量降低并且减少与位置传感器范围之外相关的诊断代码的出现。
当结合附图时，以上优点和其他优点以及与本公开有关的特征将通过以下优选实施例的细节说明变得明显。
附图说明
图1是图示出根据本公开的一个实施例的用于控制EGR的系统或方法的操作方框图。
图2是图示出在本公开多种实施例中使用的EGR质量流量、EGR阀位置电压和压力差值之间关系的曲线图。
图3是根据本公开的实施例的EGR流量控制系统或方法的控制图解。
图4和图5图示出可替代压力传感器的定位；和
图6是图示出根据本公开的实施例的控制EGR流量的系统或方法的控制逻辑的流程图。
具体实施方式
如本领域技术人员将理解，参考任一附图说明和描述的各种特征可与一个或者多个其他附图中说明的特征相组合，以产生未明确说明或描述的实施例。所说明的特征组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教示一致的特征的各种组合和修改对于特别的应用或实施来说是需要的。
如图1中所说明的，内燃发动机10包括多个燃烧室30并且由电子发动机控制器12控制。在所说明的实施例中，发动机10是压缩点火直喷内燃发动机。本领域技术人员将认知到，本公开的EGR控制独立于具体的发动机技术并且可用于各种其他类型的发动机中，包括例如火花点火直喷或者气口喷射发动机。
燃烧室30包括燃烧室壁32，活塞36位于其中并且连接至曲轴40。燃烧室或气缸30分别经由进气阀52a和52b(未示出)以及排气阀54a和54b(未示出)与进气歧管44和排气歧管48连通。燃料喷射器66A直接联接至燃烧室30，用于向其直接输送液体燃料，所述输送的液体燃料与经由常规电子驱动器68从控制器12接收的信号fpw的脉宽成比例。燃料通过高压燃料系统(未示出)被输送至燃料喷射器66A，所述高压燃料系统包括公知的燃料箱、燃料泵和燃料轨道。
进气歧管44经由节气门阀或节气门板62与节气门体58连通。在这个具体示例中，节气门板62联接至电机94，从而节气门板62的位置经由电机94由控制器12控制。这种配置通常称作电子节气门控制(ETC)，其还被用来控制新鲜空气流和EGR流量，如在本文中说明的。
排气后处理装置可包括定位在颗粒过滤器72上游的氮氧化物(NOx)催化剂70。如公知的，当发动机10运行在稀薄化学计量时NOx催化剂70减少NOx。
控制器12是常规微型计算机，其具有微处理器单元102、输入/输出端口104、用于存储表示代码或可执行指令及校准值的数据的计算机可读或电子存储介质76。计算机可读存储介质76可包括例如作用为只读存储器(ROM)106、随机存取存储器(RAM)108和磨损修正系数存储器(keep alive memory即KAM)110的存储装置，其经由常规数据总线与微处理器单元(CPU)102相连。控制器12从联接至发动机10的传感器接收各种信号，其中各种信号可以包括：来自联接至节气门体58的空气质量流量传感器120的空气质量流量(MAF)；来自联接至冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却温度(ECT)；来自联接至曲轴40的霍尔效应传感器118的分布型点火拾波器(PIP：profile ignition pickup)信号；来自节气门位置传感器120的节气门位置(TP)；以及来自传感器122的歧管绝对压力(MAP)。发动机速度信号RPM可由控制器12从信号PIP以常规方式产生，并且来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP提供进气歧管中的真空或压力的指示。传感器118还可以用作发动机速度传感器并且在曲轴每次旋转时产生预定数量的等间隔脉冲。
排气和/或排放控制系统可以包括提供对应信号的各种传感器，例如由温度传感器124提供的催化剂温度Tcat和由温度传感器126提供的温度Ttrp。
继续参考图1，发动机10的凸轮轴130联接至摇臂132和134，用以致动进气阀52a、52b和排气阀54a、54b。凸轮轴130直接联接至壳体136。壳体136形成具有多个齿形138的带齿的轮。壳体136液压联接至内部轴(未示出)，其又经由正时链(未示出)直接连接至凸轮轴130。因此，壳体136和凸轮轴130以大致等同于内部凸轮轴的速度旋转。内部凸轮轴以与曲轴40成恒定速度比的速度旋转。然而，通过操纵液压联接，凸轮轴130相对于曲轴40的相对位置能够通过提前腔室142和推迟腔室144中的液压而改变。通过允许高压液压流体进入提前腔室142，凸轮轴130和曲轴40之间的相对关系被提前。因此，进气阀52a、52b和排气阀54a、54b在比相对曲轴40正常时刻更早的时刻打开和关闭。相似地，通过允许高压液压流体进入推迟腔室144，凸轮轴130和曲轴40之间的相对关系被推迟。因此，进气阀52a、52b和排气阀54a、54b在比相对曲轴40正常时刻更晚的时刻打开和关闭。
与壳体136和凸轮轴130联接的齿138允许经由凸轮正时传感器150提供信号VCT至控制器12，以测量相对凸轮位置。齿1、2、3和4用于凸轮正时的测量，并且它们是等间隔的(例如，在V-8双排式发动机中，彼此间隔90度)，而齿5优选地用于气缸识别。此外，控制器12发出控制信号(LACT、RACT)至常规螺线管阀(未示出)，以控制液压流体的流动进入提前腔室142或者推迟腔室144，或者均不进入。
相对凸轮正时可以通过使用公知技术来确定。通常，PIP信号的上升沿和从壳体136的多个齿138中的一个齿接收信号之间的时间或者旋转角度给出了相对凸轮正时的度量。对于具有双气缸组和带五齿的轮的V-8发动机的具体示例，对于具体组的凸轮正时的测量每转收到四次，其中额外的信号用于气缸的识别。
传感器160提供排气中氧浓度以及NOx浓度的指示。信号162向控制器12提供氧浓度的电压指示，而信号164提供NOx浓度的电压指示。
发动机10包括具有排气通道170的排气再循环系统，排气通道170允许排气从排气歧管48流至进气歧管44。在一些应用中，排气通道170可以包括EGR催化剂和/或颗粒过滤器180和EGR冷却器182。EGR阀172也被设置在排气通道170内，并且可以由例如线性螺线管阀或者DC电机实现。阀172从控制器12接收命令信号(EGR_COM)，并且可以包括一体阀位置传感器184，用来为闭环控制提供反馈信号。较大的最小限制的锋利边缘的孔186被提供在EGR阀172的下游并且在此实施例中由EGR阀垫圈实现。EGR阀的具体类型可以通过应用和实现方式改变，并且可以包括例如电磁螺线管阀、真空致动的螺线管阀或者步进电机致动阀。此外，所述阀的开口可以是多种类型的，例如锋利边缘的孔类型、旋转阀门类型或者各种其他类型。
排气压力(或者背压)传感器178位于阀172的上游。传感器178提供排气压力的指示至控制器12并且可以用于控制EGR阀172的运行，如在本文中所说明的。
一般来讲，本公开提供EGR阀172的自适应控制，用来基于当前发动机和/或环境运行条件输送期望的或者目标EGR质量流量穿过通道170至进气歧管44。自适应控制补偿EGR阀位置和给定压力差的EGR流量之间关系的变化，该变化可以是由于EGR阀和/或通道内产生的碳烟的积聚或者其他堆积物造成的。实际EGR流量的估计基于孔186的上游和下游压力被确定，孔186优选地是大直径的锋利边缘孔，从而防止明显的流量限制同时提供对于EGR流量测量的稳定参考。在一个示例中，EGR流量由(如分别由传感器178和122确定的)排气压力和进气歧管压力之间差值的函数确定。在可替代实施例中，EGR流量基于歧管压力和穿过孔186的压力差值的乘积被估计。此外，歧管压力和排气压力的其中之一或者二者的估计可以基于发动机运行情况而确定。例如，进气歧管压力可以基于节气门位置和发动机速度被确定。可替换地，排气压力可被确定为发动机空气流量的函数。此外，各种其他运行参数可以被包括以改进压力的估计，例如，空流温度、排气温度和各种其他参数。
图4和图5分别图示了EGR通道170’和170”的可替代实施例。如在图4中示出的，排气压力传感器178’位于EGR催化剂180的上游。在图5的实施例中，压力差值传感器190测量紧接孔186上游和下游的压力，从而排气压力传感器178不用于EGR流量控制。图5同样图示位于EGR阀172上游的流量限制装置或孔186’的可选定位。
图2是图示出EGR质量流量、压力差和EGR阀位置电压之间关系的曲线图。在图2的实施例中，压力差基于排气背压和歧管绝对压力(MAP)以及与MAP相乘的差值确定。由线200表示的关系是在研制期间通过在整个速度/负载或扭矩范围中映射或者记录EGR阀位置(电压)凭经验确定的，以向发动机进气系统提供校准的EGR质量流率。随着EGR流量降低(由于在EGR阀和/或通道内堆积的沉积物而造成的)，具体阀位置的实际EGR质量流量是减小的，如由线202表示的。本公开通过将EGR阀位置电压修改一定量204来提供EGR阀位置的自适应控制，以对沉积物的堆积进行补偿并且达到进入进气歧管的期望的EGR质量流量。根据所使用的具体的传感器和传感器位置，以及EGR阀的具体类型，所图示的关系的值可以改变。然而，曲线200、202的大致形状是相似的。
图3是图示根据本公开用于控制EGR的系统或方法运行的控制方框图。查找表或者相似装置302被用来基于至少一个发动机和/或环境运行条件来确定期望的EGR质量流量(EM)304。在所示的实施例中，查找表302被用来基于当前发动机速度和负载确定期望的EGR质量流量。然后，期望的EGR质量流量(EM)与差值压力(或delta压力)一起使用，以从查找表306中确定目标或者映射的EGR阀位置308。映射的或者目标EGR阀位置(电压)由自适应阀位置校正310在方块312处调整，以提供期望的EGR阀位置(电压)314。期望的/目标EGR阀位置被提供给反馈控制器316，其实现了闭环反馈控制用以移动EGR阀至期望的阀位置314。
在所图示的实施例中，控制器316使用了比例-积分-微分(PID)控制320以产生阀致动器命令322，其中实际阀位置由位置传感器324确定并且在318处作为反馈使用。结果命令信号326用来驱动EGR阀至期望的阀位置。虽然所示的实施例使用基于EGR流量误差的PID控制器，但是可以使用各种其他控制结构，例如比例控制器或者比例积分控制器或者包括组合在控制动作中的反馈和前馈的各种其他控制器。
仅当发动机和/或环境运行参数在适于自适应学习的相关范围内时，即当满足预定进入条件时，自适应控制330才运行。例如，进入条件可以包括发动机速度、负载和温度条件，诸如仅在高负载、中等发动机速度运行期间，和在获得预定温度之后的预定时间内的高EGR质量流量运行期间。进入条件一般根据具体的应用和实施方式选择，以提供代表性稳定运行条件，其中实际EGR质量流量的确定是更准确的并且可包括多种其他条件。
当满足进入条件时，新的自适应阀位置校正值310可以被确定。在随后的运行期间，不论是否满足自适应学习进入条件，先前确定的自适应阀位置校正值310可以用来调整当前运行条件的映射阀位置308。
在自适应学习模式期间，通过测量或基于穿过孔的压力差或流量限制186使用查找表332进行估计，来确定实际EGR质量流量334。如前面说明的，实际值将根据具体实现方式而改变。对于具有位于EGR阀172上游的孔186的实施例，实际EGR质量流量(EM)334可以根据下式确定：EM＝K*sqrt(排气背压-MAP)，其中K是经验确定的常数，其基于孔和EGR阀排出系数、EGR通道管路几何形状、气体常数和温度确定。对于具有位于EGR阀172下游的孔186的实施例，实际EGR质量流量(EM)334可以根据下式确定：EM＝K*sqrt(排气背压-MAP)*MAP，其中K是不同的经验确定常数，其基于先前说明的相同的参数确定。因此，实际EGR质量流量可以基于进气歧管压力(下游压力)和排气压力(上游压力)而被确定。
在336处比较实际EGR质量流量(EM)334与希望的EGR质量流量。其差值与压力delta或者压力差一起被用来获取查找表318并且确定或修改阀位置调整或校正310的值。
在一个实施例中，EGR流量监测器通过比较给定高流速/负载或扭矩运行点的初始校准压力差(EGR质量流量)与同一运行点的当前值来确定降低因子。例如，降低因子可以基于在336处确定的差值，和/或基于对应阀门位置校正310来确定。降低因子可以与预定阈值相比较，并且当超过阈值时触发诊断代码。在一个实施例中，阈值表示NOx增加1.5倍。
图6图示了根据本公开的实施例的EGR质量流量控制和诊断的系统或方法的运行。图6的图提供具有EGR系统的内燃发动机的代表性控制策略，所述EGR系统具有根据本公开的最小流量限制装置或孔。在图6中所示的控制策略和/或逻辑通常作为由软件和/或硬件实现的代码被存储在控制器12中。代码可以通过使用多种公知策略中的一种来处理，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等策略。因此，所说明的各种步骤或功能可以以所说明的顺序实施、并行实施或者在一些情况下被省略。虽然未被明确说明，但是本领域的技术人员将认知到：所说明的步骤或功能中的一个或多个可以根据所使用的具体处理策略被重复实施。类似地，该处理的顺序并不是实现本文所述的特征和优点所必需的，只不过被提供用以便于阐述和说明。优选地，通过图6中简化的流程图表示的控制逻辑或代码主要以软件形式实现，其中指令由基于微处理器的车辆、发动机和/或传动系控制器，例如控制器12(图1)来执行。当然，控制逻辑可以根据具体的应用通过软件、硬件或者软硬件的组合形式来实现。当实现为软件时，控制逻辑优选地被提供在一个或多个计算机可读存储介质中，所述存储介质具有表示由计算机执行以控制发动机的代码或指令的存储数据。计算机可读存储介质可以包括一个或多个公知的物理装置，其利用电、磁、光和/或混合存储来保持可执行指令和相关校准信息、运行变量等。
期望的EGR质量流量基于发动机和/或环境运行参数，例如速度/负载、扭矩和/或温度而被确定，如在400处表示的。期望的EGR质量流量用于通过使用存储的映射表或查找表来确定基本或者映射的EGR阀位置，以输送当前运行条件下的期望或目标EGR流量，如在402处表示的。然后，基本阀位置通过先前确定的自适应调整或校正值来调整，如在404表示的。然后，得到的EGR期望的阀位置(电压)由位置反馈控制器使用，以移动EGR阀至不同于初始确定的基本位置的新位置，从而提供目标EGR质量流量，如在406处表示的。本领域的技术人员将认识到：一般不命令EGR阀移动至基本位置。因为，基本位置表示在命令阀移动之前由自适应校正值调整的初始确定。然后，通过使用反馈位置控制器来控制阀，以提供目标EGR质量流量，如在406方块处表示的。
同样如在图6中图示的，在408处自适应模式进入条件被测试。如果满足进入条件，那么阀位置校正值可在自适应学习模式中被确定或更新。在自适应学习模式中，在410处实际EGR质量流量基于穿过所述孔的压力差值被确定，如先前描述的。在412处实际EGR质量流量和目标EGR质量流量之间的差值被确定。所述差值可以被转换为对应的EGR阀位置校正值(电压)并且被存储在存储器中，从而该差值对于随后的基本EGR阀位置调整是可用的，如在414处表示的。
EGR流量监测器422可确定降低因子，如在416处表示的，并且在418处将所述降低因子与对应阈值相比较。当降低因子超过阈值时，如在420处表示的，可以触发诊断代码。诊断代码可以存储在存储器中，用来提醒操作者和/或用来实施相关的可替代或补救控制策略。本领域的技术人员将理解EGR监测器功能422可以独立于是否满足进入条件(在408处判定的)而运行，图6的图示仅为了提供便利。此外，事实上，EGR流量监测器422可在自适应学习模式期间中止并且根据具体应用和实现方式，可在之后中止一段时间。
如以上所述的实施例说明的，本公开提供具有多种优点的EGR流量控制。根据本公开的EGR流量控制可以主要以控制逻辑或软件形式实现，其中孔由应用在现有系统的EGR阀垫圈提供。根据本公开的EGR流量动监测器检测流量降低，并且减少与位置传感器范围之外相关的诊断代码的发生。
虽然已经图示并且说明一个或者多个实施例，但并不打算让这些实施例图示和说明在权利要求范围内的所有可能的实施例。此外，说明书中的文字是描述性的文字而不是限制的，并且可以作出各种变化而不偏离本公开的精神和范围。虽然不同的实施例已经被描述为提供多个优点或者比其他实施例或现有实现方式在一个或者更多个期望特征方面是优选的，但是作为本领域的技术人员应该明白，可以牺牲一个或者更多个特征或特性以便实现所期望的整体系统属性，这依赖于具体的应用以及实现方式。这些属性包括但不限于：成本、强度、耐久性、寿命周期成本、可销售性、外观、封装、大小、适用性、重量、可制造性、易组装性等等。所说明的比其他实施例或者现有技术实现方式在一个或者更多个特征方面具有较不理想特征的实施例，没有落在本公开范围之外并且对于具体的应用而言可能是理想的。

Claims (10)

1.一种用于控制具有排气再循环阀的内燃发动机的方法，所述方法包括：
使用存储映射表确定基本阀位置，以输送针对当前运行条件的目标排气再循环流量；并且
响应穿过孔的排气再循环流量的压力差来调整所述基本阀位置，以将所述阀移动到不同于所述基本位置的位置，从而提供目标流量。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述当前运行条件包括发动机速度和负载。
3.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：基于排气背压和歧管绝对压力之间的差值确定压力差。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述孔包括排气再循环阀垫圈。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述孔包括锋利边缘的孔。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述排气再循环流量是排气再循环质量流量，所述方法进一步包括：
基于穿过所述孔的所述压力差确定实际排气再循环质量流量；
确定所述实际排气再循环质量流量和所述目标排气再循环质量流量之间的差值；并且
基于所述差值确定排气再循环基本阀位置调整。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述孔被定位在所述排气再循环阀的上游并且所述实际排气再循环质量流量根据下式确定：
质量流量＝K*sqrt(排气背压-MAP)，其中K是经验确定的常数，MAP表示当前歧管绝对压力。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述孔被定位在所述排气再循环阀的下游并且所述实际排气再循环质量流量根据下式确定：
质量流量＝K*sqrt(排气背压-MAP)*MAP，其中K是经验确定的常数，MAP表示当前歧管绝对压力。
9.如权利要求6所述的方法，其包括：
当所述差值超过对应阈值时产生诊断代码，其中所述阈值是基于排气再循环质量流量和在燃烧期间产生的NOx之间的关系确定的。
10.一种系统，所述系统包括：
具有进气歧管和排气歧管以及联接在二者之间的排气再循环通道的柴油燃料发动机；
定位在所述排气再循环通道内的排气再循环阀；
定位在所述排气再循环通道内的流量限制孔；
定位在所述排气再循环阀上游的排气背压传感器；
与所述进气歧管联接的MAP传感器；以及
与所述排气再循环阀、所述排气背压传感器和所述MAP传感器通讯的控制器，所述控制器使用存储的映射表确定基本阀位置来输送针对当前运行条件的目标排气再循环质量流量，并且响应穿过所述孔的压力差来调整基本阀位置，以将所述排气再循环阀移动到不同于所述基本阀位置的位置，从而提供所述目标流量。
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