CN102062003A - 用于操作柴油发动机系统的方法 - Google Patents

Abstract

用于操作柴油发动机系统的方法，其中柴油发动机系统包括柴油发动机(1)，用于输送新鲜引入空气到柴油发动机(1)的进气管路(2)，用于从柴油发动机(1)排出废气的排气管路(3)，位于排气管路(3)内的柴油机微粒过滤器DPF(31)，和用于传送回废气到柴油发动机(1)的废气再循环EGR系统(50，60)，所述EGR系统包括长的EGR路线LRE(60)，其从排气管路(3)下游的DPF(31)获得废气；该方法包括步骤：设置代表流入到LRE(60)中的烟灰量的烟灰阈值(Sth)，确定流入到LRE(60)中的实际烟灰量(Saa)，如果所述实际烟灰量(Saa)超过所述烟灰阈值(Sth)，那么执行LRE保护程序。

Description

用于操作柴油发动机系统的方法

技术领域

本发明通常涉及用于操作柴油发动机系统的方法，特别是涡轮增压的柴油发动机系统。

背景技术

涡轮增压的柴油发动机系统通常包括具有进气歧管和排气歧管的柴油发动机，用于输送来自环境的新鲜空气到进气歧管中的进气管路，用于从排气歧管中释放废气到环境中的排气管路，和涡轮增压器，该涡轮增压器包括位于进气管路中用于压缩在其内流动的气流的压缩机，和位于排气管路内用于驱动所述压缩机的涡轮。

进气管路包括中间冷却器，也表示成增压空气冷却器(Charge AirCooler，即CAC)，其位于涡轮增压器的压缩机的下游，用于在气流到达进气歧管之前冷却气流。

排气管路包括柴油氧化催化剂(DOC)，其位于涡轮增压器的涡轮的下游，用于分解包含在废气中的残余的碳氢化合物(HC)和碳的氧化物(CO)，和柴油机微粒过滤器(DPF)，其位于DOC的下游，用于从废气中捕获和移去柴油机微粒物质(烟灰)。

为了减少污染排放，大部分涡轮增压的柴油发动机系统实际上包括废气再循环(EGR)系统，其提供用于将适当量的废气传送回并与吸入到柴油发动机中的新鲜引入空气相混合。

这种量的废气对减少在柴油发动机内在燃烧过程中产生的氮氧化物(NO_x)的量有影响。

传统的EGR系统包括用于流动连接排气歧管与进气歧管的EGR管道，位于EGR管道内的EGR冷却器，和用于调节通过EGR管道的废气流动速率的阀装置。

因为EGR管道直接连接排气歧管与进气歧管，所以其定义了传送回高温废气的短路线EGR(SRE)。

改进的EGR系统还包括用于流动连接排气管路下游的DPF到进气管路上游的涡轮增压器压缩机的附加的EGR管道，位于附加EGR管道内的附加的EGR冷却器，和用于调节通过附加EGR管道的废气流动速率的附加阀装置。

事实上，这些改进的EGR系统提供有长路线EGR(LRE)，其包括上面提到的附加的EGR管道和在附加的EGR管道和柴油发动机之间的进气管路的部分。

与SRE传送回的废气相比，LRE具有能传送回更低温度废气的功能。

根据这个设计，这些改进的EGR系统被设置用于传送回废气部分通过SRE和部分通过LRE，因此维持在进气歧管中引入空气的温度在任何发动机操作条件下处于最佳中间值。

废气总量和来自LRE的废气比率是由电控单元(ECU)从经验确定的数据集或图中确定的，该数据集或图使EGR的总量和LRE比率与多个发动机操作参数(如发动机速度、发动机载荷和发动机冷却剂温度)相关联。

LRE的效率通常与其单个部件的效率密切相关，该单个部件包括附加的冷却器、附加的阀装置、涡轮增压器的压缩机和增压空气冷却器。

已经发现每个LRE部件的效率通常或多或少快速下降，这依赖于几个条件，如部件老化、部件受到的热应力和流动通过部件的废气的成分。

当设计LRE部件时这些条件被考虑，以便实现在整个LRE寿命过程中，其全局效率期望保持在最小允许值之上。

因为LRE被设置用于获得在DPF下游的废气，其部件通常考虑通过其中的废气包含只是最少量的烟灰的条件而设计。

然而，在DPF过滤性能损失的情况下，例如由于在真实的发动机寿命过程中可能破裂，偶然损坏或破坏，将可能发生出乎意料高的烟灰量包含在DPF下游的废气中，并因此包含在LRE中。

包含在废气中的烟灰通常是热的和潮湿的，所以其易于粘到LRE管道的内壁和LRE部件的机械元件，因此在期望寿命结束前减少其效率到最小允许值之下。

例如，在热交换器(如LRE冷却器或CAC)内的烟灰结垢引起冷却效率和渗透性的早期损失，增加了污染的排放和恶化柴油发动机性能。

关于这个问题，只有以LRE部件效率监控为基础的诊断方法实际上被提出，该方法能探测出LRE部件开始烟灰结垢，但是其不能阻止它。

发明内容

本发明的目的是提供一种策略，用于保护LRE部件防止过度烟灰污染，以便阻止或者至少确实减少上面提到的问题。

本发明实施例的目的是通过在本发明的主要方面中记载的发明特征来获得。本发明的其它方面记载了本发明的更优的和/或特殊的优点。

本发明提供用于操作柴油发动机系统的一种方法，其中该柴油发动机系统通常包括柴油发动机、用于输送新鲜引入空气到柴油发动机中的进气管路、用于从柴油发动机中排出废气的排气管路、位于排气管路中的柴油机微粒过滤器(DPF)、和用于传送回废气到柴油发动机中的废气再循环(EGR)系统，其中EGR系统通常包括长路线EGR(LRE)，其从DPF下游的排气管路中获得废气。

根据本发明，本操作方法包括步骤：

设定烟灰阈值，其代表能够流入LRE的烟灰最大允许量，

确定流入LRE(60)中的烟灰的实际量(Saa)，

如果所述烟灰的实际量(Saa)超过所述烟灰阈值(Sth)时，执行LRE保护程序。

所述保护程序通常提供用于降低进入LRE中的烟灰量，因此减少早期LRE效率损失的风险。

根据本发明的一方面，流入LRE中的烟灰的实际量的确定包括步骤：

确定进入DPF中的烟灰量，

确定DPF过滤效率，

以进入DPF中的所述确定的烟灰量和所述DPF过滤效率为函数，计算流入LRE中的烟灰量。

进入DPF中的烟灰量可以借助于柴油发动机排出烟灰模型来估计。

DPF过滤效率可以以进入DPF中的烟灰量为函数来确定。

根据本发明的实施例，DPF过滤效率的确定包括步骤：

确定由DPF捕获的烟灰量，

以所述捕获的烟灰量和进入到DPF中的烟灰量为函数，计算DPF过滤效率。

在这种情况下，由DPF所捕获的烟灰量可借助于DPF烟灰加载模型来估计。

根据本发明的另一实施例，DPF过滤效率的确定包括步骤：

确定排出DPF的烟灰量，

以所述排出DPF的烟灰量和进入到DPF中的烟灰量为函数，计算DPF过滤效率。

在这种情况下，排出DPF的烟灰量可借助于位于DPF本身的下游排气管路内的烟灰传感器来测量。

根据本发明的另一方面，LRE保护程序通常提供用于调节至少一个燃烧管理参数，其影响在柴油发动机内的烟灰产生，以便降低自身的烟灰产生。

这个燃烧管理参数可以是例如由EGR系统(包括SRE和LRE)传送回的废气的全部量，或者相对于全部量的由LRE传送回的废气量。

事实上，当柴油发动机系统正常工作时，这些燃烧管理参数通常根据各自设定点调节，该设定点是由ECU以一个或者多个发动机操作参数(如发动机速度、发动机载荷、进气质量流量和发动机冷却液温度)为函数确定的。

在这个竞争中，LRE保护程序更好的提供用于确定将被应用到所述设定点的修正系数，以便减少烟灰产生。

修正系数可以以在烟灰计算量和烟灰阈值之间的差值为函数，并且最终也以一个或者多个发动机操作参数(如发动机速度、发动机载荷、进气质量流量和发动机冷却液温度)为函数进行确定。

根据本发明的方法可以以包含程序代码以执行本发明方法的所有步骤的计算机程序的形式来实现，和以包含用于执行计算机程序的装置的计算机程序产品的形式来实现。

根据本发明的更优实施例，该计算机程序产品包括，以用于内燃机的控制装置为基础的微处理器，如发动机的ECU，程序被储存在其中，以便控制装置以与本方法相同的方式定义本发明。在这种情况下，当控制装置执行计算机程序时，根据本发明的方法的所有步骤被执行。

根据本发明的方法也可以电磁信号的形式来实现，所述信号被调制以执行数据位序列，其代表计算机程序去执行本发明的方法的所有步骤。

图的简要描述

本发明现在将借助于实例参考附图进行描述，其中：

图1示意地说明涡轮增压的柴油发动机系统；

图2是说明根据本发明的操作方法的流程图。

更优实施例的描述

本发明参考车辆的涡轮增压的柴油发动机系统在下文中被披露。

涡轮增压的柴油发动机系统包括具有进气歧管10和排气歧管11的柴油发动机1，用于输送来自环境的新鲜空气到进气歧管10的进气管路2，用于从排气歧管11中释放废气到环境中的排气管路3，和涡轮增压器4，其包括位于进气管路2中用于压缩在其中流动的气流的压缩机40，和位于排气管路3中用于驱动所述压缩机40的涡轮41。

涡轮增压的柴油发动机系统还包括中间冷却器20，也表示成增压空气冷却器(CAC)，其位于进气管路2中涡轮增压器4的压缩机40的下游，用于在气流到达进气歧管10之前冷却气流，和阀21，其位于进气管路中在CAC20和进气歧管10之间。

涡轮增压的柴油发动机系统还包括柴油氧化催化剂(DOC)30，其位于排气管路3中涡轮增压器4的涡轮41的下游，用于分解包含在废气中的残余的碳氢化合物(HC)和碳的氧化物(CO)，和柴油机微粒过滤器(DPF)31，其位于排气管路3中DOC30的下游，用于从废气中捕获和移去柴油机微粒物质(烟灰)。

为了减少污染排放，涡轮增压的柴油发动机系统包括废气再循环(EGR)系统，用于传送回和输送废气到柴油发动机1中。

EGR系统包括用于流动连接排气歧管11和进气歧管10的第一EGR管道50，用于冷却废气的第一EGR冷却器51，和用于确定废气通过第一EGR管道51的流动速率的第一电控阀52。

因为第一EGR管道51直接连接排气歧管11和进气歧管10，所以其定义了传送回高温废气的短路线EGR(SRE)。

EGR系统还包括第二EGR管道60，其流动连接排气管路3的分支点32和进气管路2的引导点22，和位于第二EGR管道60中的第二EGR冷却器61。

分支点32位于DPF31的下游，而引导点22位于空气过滤器23的下游和涡轮增压器4的压缩机40的上游。

废气通过第二EGR管道60的流动速率是通过第二电控三通阀62来确定的，该三通阀位于引导点22。

事实上，EGR系统提供有长路线EGR(LRE)，其包含第二EGR管道60，该管道包括第二EGR冷却器61，和在引导点22与柴油发动机1之间的进气管路2的部分，该部分包括第二阀62，涡轮增压器4的压缩机40，CAC20，和阀21。

与流动通过第一EGR管道50的废气相比，沿长路线EGR流动，废气变得相当冷，因此以较低温度到达进气歧管10。

涡轮增压的柴油发动机系统通过基于微处理器的控制器(ECU)来操作，该控制器提供用于产生和应用控制信号到阀52和62，以便部分通过SRE和部分通过LRE传送回废气，因此维持在进气歧管10中的引入空气的温度在任何发动机操作条件下处于最佳中间值。

事实上，ECU设置用于：确定将输送到进气歧管10中的EGR总量的设定点，确定LRE比率的设定点，控制阀52和62。

这些设定点是由ECU从经验确定的数据集或图中确定的，该数据集或图分别使EGR的总量和LRE比率与多个发动机操作参数(如发动机速度、发动机载荷、进气质量流量和发动机冷却剂温度)相互关联。

根据本发明，ECU也提供用于在DPF31过滤性能损失的情况下保护LRE线路和其部件(主要是第二冷却器61、压缩机40和CAC20)防止过度烟灰污染。

由ECU执行的保护策略在图2中示意地说明。

这个策略提供用于设置烟灰阈值Sth，其代表能流入到LRE中的烟灰的最大允许量。

烟灰量被规定为烟灰质量流量，其能以例如每秒、每分钟、每小时、或者安装有柴油发动机系统的车辆行驶每公里的烟灰的毫克为单位来表达。

烟灰阈值Sth可以借助于经验校准行为来确定，该经验校准行为在与真实系统具有相同特征的实验柴油发动机系统上执行。

所述校准行为规定设置最小允许的LRE寿命。

最小允许的LRE寿命最好与整个车辆寿命相一致，其对于污染排放通常固定在至少160000公里。

校准行为还规定设置LRE效率参数的最小允许值。

因为LRE效率通常与每个LRE部件的效率相关联，所以LRE效率参数可以被选择为对烟灰污染最敏感的LRE部件的效率。

例如，LRE效率参数可以是第二EGR冷却器61的冷却效率、压缩机40的机械效率、或者CAC20的冷却效率，这依赖于所述部件中的哪一个由于烟灰结垢表现出更快的性能损失。

事实上，已发现最敏感的部件可能是LRE冷却器61，所以后者的冷却效率可以作为LRE效率参数被有效使用。

最后，校准行为规定经验地确定流入LRE中的烟灰的最大量，对其所选择的LRE效率参数保持在预定的最小允许值之上，直到预定LRE寿命结束。

作为结果的烟灰的最大量然后被假定作为烟灰阈值Sth，并且被储存在柴油发动机系统的存储器模块中。

在真实的柴油发动机系统运行过程中，保护策略还提供用于监测实际流入LRE中的烟灰量Saa。

为了确定烟灰量Saa，该策略规定确定进入到DPF31中的烟灰量DPFin和DPF过滤效率DPFeff。

DPFin可以借助于已知柴油发动机排出烟灰模型来估计。

根据当前实例，DPFeff可以用两种不同方式来确定。

第一种方式规定确定由DPF31捕获的烟灰量DPFtrap，并计算DPF过滤效率DPFeff作为在烟灰捕获量DPFtrap和进入DPF31中的烟灰总量DPFin之间的比率，根据方程式：

$\left(1\right),\mathrm{DPFeff}=\frac{\mathrm{DPFtrap}}{\mathrm{DPFin}};$

其中烟灰量DPFtrap可借助于已知DPF烟灰加载模型，使用跨DPF31的压力下降来估计。

第二种方式规定确定退出DPF31的烟灰量DPFout，并计算DPF过滤效率DPFeff作为整体效率与在退出烟灰量DPFout和进入DPF31的烟灰的总量DPFin之间的比率的差值，根据方程式：

$\left(2\right),\mathrm{DPFeff}=1-\frac{\mathrm{DPFout}}{\mathrm{DPFin}};$

其中从DPF31退出的烟灰量DPFout可借助于已知的烟灰传感器33来估计，该传感器位于排气管路3中DPF31的下游。

DPF过滤效率DPFeff和进入DPF31的烟灰量DPFin然后被发送到计算模块CM，其以进入DPF中的所述烟灰量DPFin和所述DPF过滤效率DPFeff为函数，计算流入到LRE中的烟灰量Saa。

事实上，烟灰量Saa可根据方程式进行计算：

$\left(3\right),\mathrm{Saa}=\mathrm{DPFin}\·(1-\mathrm{DPFeff})\·\frac{M_{\mathrm{LRE}}}{M_{\mathrm{LRE}}+M_{\mathrm{out}}};$

其中M_LRE是传送到第二EGR管道60中的废气流量，M_out是由排气管路3中排出进入环境中的废气流量。

M_LRE和M_out可借助于流量传感器(未显示)来测量，该传感器分别位于第二EGR管道60和排气管路3中分支点32的下游。

烟灰量Saa被发送到加法器A1，其计算在储存的烟灰阈值Sth和所述烟灰量Saa之间的差值E。

差值E然后被提供给控制器G，其响应上述差值E的要求，提供用于选择性执行LRE保护程序。

特别是，如果实际烟灰量Saa没有超过烟灰阈值Sth，那么意味着LRE没有表明早期效率损失的风险。

在这种情况下，差值E不是负数，控制器G保持不活动，所以柴油发动机系统继续正常操作。

如果相反地，烟灰实际量Saa超过烟灰阈值Sth，那么意味着LRE有表明效率损失比期望的更快的风险。

在这种情况下，差值E是负数，控制器G启动LRE保护程序。

LRE保护程序通常规定调节至少一个燃烧管理参数，其影响在柴油发动机1内的烟灰产生，因此降低了自身的烟灰产生。

在当前的实例中，控制器G被设置用于减少由EGR系统(包括LRE和SRE)传送回的废气总量，和/或用于减少由LRE传送回的废气的比率。

实际上，已知全部的EGR量的减少和/或LRE比率的减少对限制在柴油发动机1内的烟灰产生有影响，这因此导致进入LRE中的烟灰降低。

如前面所述，全部的EGR量和LRE比率通常根据各自设定点(EGRsp和LREsp)来调节，这些值是由ECU以一个或多个发动机操作参数(如发动机速度、发动机载荷、进气质量流量和发动机冷却剂温度)为函数确定的。

在这个竞争中，控制器G规定确定修正系数Cegr和/或修正系数Clre，以分别应用到所述设置值EGRsp和LREsp，以便降低烟灰产生。

修正系数Cegr和/或Clre与差值E的模数成比例地被被确定，并可以最终以一个或多个发动机操作参数(如发动机速度、发动机载荷、进气质量流量和发动机冷却剂温度)为函数进行调整。

事实上，修正系数Cegr和Clre是从经验确定的数据集或图(M1和M2)中确定的，其分别使修正系数Cegr和Clre与差值E的模数和与一个或多个所述发动机操作参数相关联。

更详细的是，全部的EGR量的修正系数Cegr被发送到加法器A2，其计算在正常设定点EGRsp和所述修正系数Cegr之间的差值，以便提供更低的设定点EGRsp^*用于操作柴油发动机系统。

与此类似，LRE比率的修正系数Clre被发送到加法器A3，其计算在正常设定点LREsp和所述修正系数Clre之间的差值，以便提供更低的设定点LREsp^*用于操作柴油发动机系统。

在控制器G只规定调节LRE比率的情况下，ECU必须调节SRE比率，以便获得未改变的全部的EGR量的设定点EGRsp。

如果随后的DPF输出烟灰估计值Saa没有超过烟灰阈值Sth，加法器A1将返回非负差值E，控制器G将不激活保护程序，通过给修正系数Cegr和/或Clre设定零，由此ECU将正常操作柴油发动机系统。

虽然本发明相对于特定更优实施例和特殊应用被描述，但可以理解的是上文中提出的是借助于但不局限于实例被描述。那些本领域技术人员将识别对特定实施例的各种修改是在附加权利要求书的范围内。因此，目的是本发明不局限于所公布的实施例，而是其具有在所附权利要求书中的语言所允许的完整范围。

Claims (15)

1.一种用于操作柴油发动机系统的方法，其中所述柴油发动机系统包括柴油发动机(1)，用于输送新鲜引入空气到所述柴油发动机(1)的进气管路(2)，用于从所述柴油发动机(1)排出废气的排气管路(3)，位于所述排气管路(3)内的柴油机微粒过滤器DPF(31)，和用于传送废气回到所述柴油发动机(1)的废气再循环EGR系统(50，60)，所述EGR系统包括长的EGR路线LRE(60)，其从所述DPF(31)下游的所述排气管路(3)获得废气，

其特征在于，所述方法包括步骤：

设置代表流入到所述LRE(60)中的烟灰量的烟灰阈值(Sth)，

确定流入到所述LRE(60)中的烟灰实际量(Saa)，和

如果所述烟灰实际量(Saa)超过所述烟灰阈值(Sth)，那么执行LRE保护程序。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，流入到所述LRE(60)中的实际烟灰量(Saa)的所述确定包括步骤：

确定进入到所述DPF(31)中的烟灰量(DPFin)，

确定DPF过滤效率(DPFeff)，和

以进入到所述DPF(31)中的确定的烟灰量(DPFin)和所述DPF过滤效率(DPFeff)为函数，计算流入到所述LRE(60)中的烟灰量(Saa)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进入到所述DPF(31)中的烟灰量(DPFin)是借助于发动机排出烟灰模型来估计。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述DPF过滤效率(DPFeff)是以进入到所述DPF(31)的烟灰量为函数确定的。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述DPF过滤效率(DPFeff)的确定包括步骤：

确定由所述DPF(31)捕获的烟灰量，

以所述捕获的烟灰量和进入到所述DPF(31)中的烟灰量(DPFin)为函数，计算所述DPF过滤效率(DPFeff)。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，由所述DPF(31)捕获的烟灰量是借助于DPF烟灰加载模型来估计。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述DPF过滤效率(DPFeff)的确定包括步骤：

确定排出所述DPF(31)的烟灰量，

以排出所述DPF(31)的烟灰量和进入到所述DPF(31)中的烟灰量(DPFin)为函数，计算所述DPF过滤效率(DPFeff)。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，排出所述DPF(31)的烟灰量是借助于烟灰传感器(33)来测量。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LRE保护程序能调节至少一个燃烧管理参数，其影响在所述柴油发动机(1)内的烟灰产生，以由此减少烟灰产生。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述LRE保护程序规定确定应用到所述燃烧管理参数的设定点(EGRsp，LREsp)的修正系数(Cegr，Clre)。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃烧管理参数是由所述EGR系统(50，60)传送回的废气总量，和/或由所述长的EGR路线(60)传送回的所述废气量。

12.一种计算机程序，包括用于执行如任一前面所述权利要求所述方法的计算机代码。

13.一种计算机程序产品，包括如权利要求12所述的计算机程序。

14.如权利要求13所述的计算机程序产品，其包括所述计算机程序被储存在其中的控制装置。

15.一种电磁信号，被调制作为用于代表如权利要求12所述计算机程序的数据位序列的载体。

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