CN102032066B - 利用当量比补偿因子操作发动机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用当量比补偿因子操作发动机的方法和装置。具体而言，控制内燃发动机的操作的控制系统和方法包括确定发动机负荷的负荷确定模块，确定当量比的当量比模块，基于发动机负荷、当量比和发动机速度产生校正因子的校正因子模块和基于校正因子调节发动机的操作的发动机操作模块。

Description

利用当量比补偿因子操作发动机的方法和装置
技术领域
本公开涉及发动机控制系统，更具体地涉及用于发动机的基于扭矩的控制系统和方法。
背景技术
此处提供的背景技术的描述的目的是总体地给出本公开的背景。当前署名的发明人的工作，在该背景技术部分所描述的程度，以及在提交时可能不构成现有技术的本发明的方面并非明示或暗示地接受为本公开的现有技术。
内燃发动机在气缸内燃烧空气和燃料混合物，以驱动活塞并产生驱动扭矩。进入发动机的空气流量通过节气门来调节。更具体地说，节气门调节节气门的面积，其增加或减小进入发动机的空气流量。当节气门面积增加时，进入发动机的空气流量增加。燃料控制系统调整燃料喷射的速率来为气缸提供所需的空气/燃料混合物。如能够理解的，增加进入气缸的空气和燃料会增加发动机的扭矩输出。
发动机控制系统已经发展为精确地控制发动机速度输出以获得所需的发动机速度。已经发现燃料气化的冷却效应能够降低充气温度并提高体积效率(VE)。VE量化了燃烧室在给定的进气条件(诸如进气压力和温度)下获得新鲜空气的效率。由于燃料气化的冷却效应，尤其在高负荷条件下，歧管绝对压力(MAP)传感器不能够精确地指示空气的歧管局部压力。因为冷却效应发生在MAP传感器的下游，MAP传感器不能提供精确的读数。因此，基于MAP的扭矩可能被误计算。
发明内容
因此，本公开提供用于补偿空气质量确定以补偿进气系统中的燃料气化的冷却效应的方法和系统。
在本公开的一个方面，一种方法包括确定发动机负荷，确定当量比，基于发动机负荷、当量比和发动机速度产生校正因子，以及基于校正因子控制发动机的操作。
在本公开的另一方面，控制内燃发动机的操作的控制模块和方法包括确定发动机负荷的负荷确定模块，确定当量比的当量比模块，基于发动机负荷、当量比和发动机速度产生校正因子的校正因子模块和基于校正因子调节发动机的操作的发动机操作模块。
此外，本发明还包括以下技术方案。
技术方案1.一种用于调节内燃发动机的操作的方法，所述方法包括：
确定发动机负荷；
确定当量比；
基于所述发动机负荷、所述当量比和发动机速度产生校正因子；和
基于所述校正因子控制所述发动机的操作。
技术方案2.如技术方案1所述的方法，其特征在于，确定发动机负荷包括基于所述发动机的歧管绝对压力(MAP)确定所述发动机负荷。
技术方案3.如技术方案1所述的方法，其特征在于，确定发动机负荷包括基于所述发动机的节气门位置确定所述发动机负荷。
技术方案4.如技术方案1所述的方法，其特征在于，确定当量比包括基于空气/燃料传感器信号或lambda(λ)传感器信号确定所述当量比。
技术方案5.如技术方案1所述的方法，其特征在于，还包括基于所述校正因子估计每缸空气量(APC)，并且其中，控制所述发动机的操作包括基于所述APC控制所述发动机的操作。
技术方案6.如技术方案5所述的方法，其特征在于，估计APC包括响应于MAP和体积效率确定所述APC。
技术方案7.如技术方案1所述的方法，其特征在于，还包括基于所述校正因子估计APC和基于所述校正因子估计基于MAP的扭矩，并且其中，控制所述发动机的操作包括基于所述APC和所述基于MAP的扭矩来控制所述发动机的操作。
技术方案8.如技术方案1所述的方法，其特征在于，还包括基于所述校正因子估计基于MAP的扭矩，并且其中，控制所述发动机的操作包括基于所述基于MAP的扭矩控制所述发动机的操作。
技术方案9.如技术方案8所述的方法，其特征在于，基于所述校正因子估计基于MAP的扭矩包括基于所述校正因子和所述进气温度和发动机速度来估计所述基于MAP的扭矩。
技术方案10.如技术方案1所述的方法，其特征在于，控制所述发动机的操作包括基于所述校正因子控制所述发动机的操作来克服燃料气化的冷却效应。
技术方案11.如技术方案1所述的方法，其特征在于，控制所述发动机的操作包括基于所述校正因子控制所述发动机的操作来克服由于燃料气化的冷却效应造成的体积效率的改变。
技术方案12.一种用于控制内燃发动机的操作的控制系统，所述系统包括：
确定发动机负荷的负荷确定模块；
确定当量比的当量比模块；
基于所述发动机负荷、所述当量比和发动机速度产生校正因子的校正因子模块；和
基于所述校正因子调节所述发动机的操作的发动机操作模块。
技术方案13.如技术方案12所述的控制系统，其特征在于，所述发动机负荷基于所述发动机的歧管绝对压力(MAP)。
技术方案14.如技术方案12所述的控制系统，其特征在于，所述发动机负荷基于所述发动机的节气门位置。
技术方案15.如技术方案12所述的控制系统，其特征在于，所述当量比基于空气/燃料传感器信号或lambda(λ)传感器信号。
技术方案16.如技术方案12所述的控制系统，其特征在于，还包括基于所述校正因子估计每缸空气量(APC)的APC估计模块，并且，所述发动机操作模块基于所述APC操作所述发动机。
技术方案17.如技术方案16所述的控制系统，其特征在于，所述APC基于MAP和体积效率。
技术方案18.如技术方案12所述的控制系统，其特征在于，还包括基于所述校正因子估计基于MAP的扭矩的基于MAP的扭矩模型模块，并且还包括基于所述校正因子估计APC的APC估计模块，并且其中，所述发动机操作模块基于所述APC和所述基于MAP的扭矩来操作所述发动机。
技术方案19.如技术方案12所述的控制系统，其特征在于，还包括基于所述校正因子来估计基于MAP的扭矩的基于MAP的扭矩模型模块，并且其中，所述发动机操作模块基于所述基于MAP的扭矩来控制所述发动机。
技术方案20.如技术方案12所述的控制系统，其特征在于，所述发动机操作模块基于所述校正因子控制所述发动机的操作来克服燃料气化的冷却效应。
申请的其它内容将从本文提供的说明书中变得清楚。应该理解，说明书和具体实例仅是用于说明的目的，并且不限定本公开的范围。
附图说明
从详细说明及附图，本公开将被更充分地理解，附图中：
图1是根据本公开的示例性发动机系统的示意图；
图2是图1的控制模块的详细框图；
图3是说明本公开的步骤的流程图；以及
图4是说明空气/燃料比和每缸空气量的图。
具体实施方式
以下描述在本质上仅仅是示例性的，并且绝不意图限制本公开，其应用或用途。为了清楚，在附图中使用相同的标号来表示相似的元件。如本文所用，短语A，B和C中的“至少一个”应被理解为表示逻辑(A或B或C)，使用的是非排他的逻辑或。应该懂得，方法中的步骤可以以不同的顺序执行，而不改变本公开的原理。
如本文所用，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/或提供所需功能的其它合适的构件。
现在参考图1，发动机系统10包括燃烧空气和燃料的混合物以产生驱动扭矩的发动机12。空气通过节气门16被吸入进气歧管14。节气门16调节进入进气歧管14的质量空气流量(MAF)。进气歧管14中的空气被分配到气缸18中。尽管示出了单个气缸18，但应该懂得本发明的协调扭矩控制系统能够在具有多个气缸的发动机中实施，包括但不限于2，3，4，5，6，8，10和12个气缸。
燃料喷射器(未示出)喷射与空气混合的燃料，当空气通过进气端口被吸入气缸18时与燃料混合(燃料也能够直接喷射进入气缸)。燃料喷射器可以是与电子或机械的燃料喷射系统20关联的喷射器，汽化器或另一个用于将燃料与进入的空气混合的系统的喷口或端口。燃料喷射器被控制为提供各气缸18内的所需的空气-燃料(A/F)比。
进气阀22选择性地打开和关闭以使空气/燃料混合物进入气缸18。进气阀位置由进气凸轮轴24调节。活塞(未示出)压缩气缸18内的空气/燃料混合物。火花塞26开始空气/燃料混合物的燃烧，该燃烧驱动气缸18内的活塞。而活塞驱动曲轴(未示出)以产生驱动扭矩。当排放阀28处于打开位置时，气缸18内的燃烧排气被强制排出排放端口。排放阀位置由排放凸轮轴30调节。排气在排放系统中被处理并被释放到大气中。尽管示出了单个的进气阀22和排放阀28，但应该懂得，发动机12在每个气缸18中可包括多个进气阀22和排放阀28。
发动机10可包括进气凸轮相位器32和排放凸轮相位器34，其分别调节进气凸轮轴24和排放凸轮轴30的旋转正时。更具体地，进气凸轮轴24和排放凸轮轴30的各自的正时或相位角可相对于彼此或相对于活塞在气缸18内的位置或曲轴位置而延迟或超前。以这种方式，进气阀22和排放阀28的位置能够相对于彼此或相对于活塞在气缸18内的位置来调节。通过调节进气阀22和排放阀28的位置，能够调节吸入气缸18的空气/燃料混合物的量，并从而能够调节发动机扭矩。
发动机系统10可包括排气再循环(EGR)系统36。EGR系统36包括EGR阀38，阀38调节流回到进气歧管14中的排气流量。EGR系统通常被实现为调节排放。然而，循环回到进气歧管14中的排气的质量也会影响发动机扭矩输出。
控制模块40基于本公开的基于扭矩的发动机控制来操作发动机。更具体地，控制模块40基于所需的发动机速度(RPMDES)而产生节气门控制信号和火花超前控制信号。节气门位置信号由节气门位置传感器(TPS)42产生。操作员输入43，诸如加速踏板，产生操作员输入信号。控制模块40命令节气门16到达稳态位置以获得所需的节气门面积(ATHRDES)以及命令火花正时以获得所需的火花正时(SDES)。节气门促动器(未示出)基于节气门控制信号来调整节气门位置。
进气温度(IAT)传感器44响应于进气空气流的温度并产生IAT信号。MAF传感器46响应于进气空气流的质量并产生MAF信号。歧管绝对压力(MAP)传感器48响应于进气歧管14内的压力并产生MAP信号。发动机冷却剂温度传感器50响应于冷却剂温度并产生发动机温度信号。发动机速度传感器52响应于发动机12的旋转速度(即，RPM)并产生发动机速度信号。由这些传感器所产生的各个信号被控制模块40所接收。
发动机系统10还可包括由发动机12或发动机排放驱动的涡轮增压器或增压器54。涡轮增压器54压缩从进气吸入的空气。更具体地，空气被吸入涡轮增压器54的中间室。中间室中的空气被吸入压缩机(未示出)并在压缩机中被压缩。经压缩的空气进入进气歧管。
可以在排放流中提供空气/燃料传感器或lambda(λ)传感器60。空气/燃料传感器或λ传感器提供发动机的空气/燃料比的指示。
现在参考图2，更详细地说明了控制器40。控制器40可包括当量比模块110。当量比模块110可从图1所示的空气/燃料比或λ传感器60接收空气/燃料比信号或λ信号。当量比模块110产生当量比信号。当量比是测量的燃料对氧化剂的比除以化学计量比的燃料对氧化剂的比。当量比也可以是λ分之一。其中，λ是空气/燃料比除以化学计量比的空气/燃料比。
校正因子模块112可从当量比信号模块110接收当量比信号。校正因子模块112可从曲轴传感器信号或其它发动机速度传感器信号接收RPM信号114。
校正因子模块112还可从负荷确定模块116接收负荷信号。发动机负荷可使用MAP或TPS信号来确定。当然，MAP和节气门位置都可用于负荷的确定。
校正因子模块112基于当量比、发动机速度和负荷产生校正因子，其中，发动机负荷基于MAP或TPS信号。可以实验地确定当量比、发动机速度和发动机负荷的相互关系，以便确定充气补偿因子。如下所述，补偿的量可以随着发动机负荷的增加而增加。校正因子模块112可存储基于发动机负荷、发动机速度和当量比的查询表或校正因子图表。
来自校正因子模块112的校正因子可用于在发动机操作模块118来调节发动机的操作。发动机操作模块118可响应于校正因子来控制发动机的功能。
发动机操作模块118可包括基于MAP的每缸空气量(APC)模块120或基于MAP的扭矩模块122。基于MAP的APC和基于MAF的APC都可被使用，因为在某些情况下(诸如瞬态或进气反转模式)MAF的测量值可能不精确。发动机控制可以选择性地使用两种APC确定。在下面的实例中，使用基于MAP的APC。
APC估计模块120可基于校正因子来产生估计的APC估计值。APC(mcyl)可以是MAP x Vcyl x VE/R x ChgTemp x校正因子的函数，其中，MAP是歧管绝对压力，Vcyl是气缸的体积，VE是由作为负荷和发动机速度的函数而确定的体积效率，R是普适常数，ChgTemp是充气温度，校正因子是在校正因子模块112中确定的校正因子。
校正因子模块112还可将校正因子提供给基于MAP的扭矩模型模块122。基于MAP的扭矩模型模块120可基于MAP产生扭矩。如上所述，MAP信号可能不补偿燃料气化，因此，在某些发动机操作条件(诸如在高负荷下)下可能提供不正确的读数。可使用进气充气温度来确定气动扭矩。气动扭矩通常在用于测功计操作的标准温度和压力下校准。气动扭矩可以是RPM、凸轮相位器位置和火花正时的函数。校正因子可乘以气动扭矩模型来提供校正的MAP扭矩确定。
现在参照图3，示出了基于校正因子操作发动机的方法。在步骤210，确定发动机速度。如上所述，发动机速度可从曲轴传感器来确定。在步骤212，确定发动机负荷。发动机负荷可使用MAP或TPS信号来确定。在步骤214，可确定空气/燃料比或λ。在步骤216，可使用空气/燃料比或λ来确定当量比。在步骤218，可确定基于空气/燃料比或λ、发动机负荷和发动机速度的校正因子。在步骤220，使用校正因子来操作发动机。在步骤222中提供发动机操作的示例，其基于校正因子产生改进的APC估计值。在另一个实例中，在步骤224，可使用校正因子来校正基于MAP的扭矩。
现在参照图4，图中以圆圈示出了在不同的RPM下从贫侧改变到浓侧(比率从高到低)的空气/燃料比。以正方形示出了利用MAP计算出的APC。以三角形示出了从基于排放的台架分析计算出的另一个APC。基于排放的台架分析对于基于测量的燃料供应和λ读数来识别消耗的空气是相当的精确的。当然，在实际中，基于排放台架的实验室方法不能够被利用，因为燃烧的燃料不能被计量或测量。因此，确定校正因子，以便将来自MAP传感器的APC测量值提高到基于三角形所表示的大小。因此，校正因子可以补偿基于MAP确定的不精确或不能基于MAP来确定的情况。各发动机类型可被校准以确定不同的校正因子。
本领域技术人员现在能够从之前的说明意识到本公开的广泛的教导能够以多种形式来实现。因此，尽管本公开结合具体的实例进行说明，但本公开的真实范围不应受到此限制，因为在研究了附图、说明书和权利要求后，本领域技术人员将清楚其它的改型。

Claims (14)

1.一种用于调节内燃发动机的操作的方法，所述方法包括：
确定发动机负荷；
确定当量比；
基于所述发动机负荷、所述当量比和发动机速度产生校正因子；
基于所述校正因子估计每缸空气量(APC)，
基于所述校正因子估计基于歧管绝对压力(MAP)的扭矩，
基于所述每缸空气量(APC)和所述基于歧管绝对压力(MAP)的扭矩来控制所述发动机的操作。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定发动机负荷包括基于所述发动机的歧管绝对压力(MAP)确定所述发动机负荷。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定发动机负荷包括基于所述发动机的节气门位置确定所述发动机负荷。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定当量比包括基于空气／燃料传感器信号或lambda(λ)传感器信号确定所述当量比。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，估计每缸空气量(APC)包括响应于歧管绝对压力(MAP)和体积效率确定所述每缸空气量(APC)。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述校正因子估计基于歧管绝对压力(MAP)的扭矩包括基于所述校正因子、进气温度和发动机速度来估计所述基于歧管绝对压力(MAP)的扭矩。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述发动机的操作包括基于所述校正因子控制所述发动机的操作来克服燃料气化的冷却效应。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述发动机的操作包括基于所述校正因子控制所述发动机的操作来克服由于燃料气化的冷却效应造成的体积效率的改变。
9.一种用于控制内燃发动机的操作的控制系统，所述系统包括：
确定发动机负荷的负荷确定模块；
确定当量比的当量比模块；
基于所述发动机负荷、所述当量比和发动机速度产生校正因子的校正因子模块；
基于所述校正因子估计基于歧管绝对压力(MAP)的扭矩的基于歧管绝对压力(MAP)的扭矩模型模块，
基于所述校正因子估计每缸空气量(APC)的每缸空气量(APC)估计模块，
基于所述每缸空气量(APC)和所述基于歧管绝对压力(MAP)的扭矩来操作所述发动机的发动机操作模块。
10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述发动机负荷基于所述发动机的歧管绝对压力(MAP)。
11.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述发动机负荷基于所述发动机的节气门位置。
12.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述当量比基于空气／燃料传感器信号或lambda(λ)传感器信号。
13.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述每缸空气量(APC)基于歧管绝对压力(MAP)和体积效率。
14.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述发动机操作模块基于所述校正因子控制所述发动机的操作来克服燃料气化的冷却效应。
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