CN102135045A - 柴油发动机中的适应性进气氧气估计 - Google Patents

柴油发动机中的适应性进气氧气估计 Download PDF

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Abstract

本发明涉及柴油发动机中的适应性进气氧气估计。用于估计使用排气再循环的柴油发动机的进气歧管中的氧气浓度的方法包括监测发动机操作、监测排气再循环阀、以及监测排气空气燃料比。当发动机操作在稳态且排气再循环阀处于关闭位置时，用于发动机的容积效率被更新。确定基于更新容积效率由进气歧管中的排气再循环引起的局部压力，且确定基于由进气歧管中的排气再循环引起的局部压力的进气歧管中的估计氧气浓度。发动机的操作基于进气歧管中的估计氧气浓度被控制。

Description

柴油发动机中的适应性进气氧气估计
技术领域
本发明涉及柴油发动机的控制。
背景技术
该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成现有技术。
一般而言，进气歧管中的氧气浓度是用于柴油和稀燃发动机的燃烧性能和排放的重要变量。对于具有外部EGR机构的稀燃发动机，EGR流量也将未使用氧气（或，新鲜空气充气）通过EGR阀带回到进气歧管中，因为在燃烧期间并不是气缸中所有的氧气都被使用。空气质量流量（MAF）传感器可提供用于控制缸内EGR量的反馈信号。控制新鲜空气流量是控制缸内EGR量的间接方式。然而，这种技术并未考虑通过EGR阀进入到进气歧管中的未使用氧气的变化性以及从节气门的动态氧气贡献，且EGR在发动机瞬态期间在混合点（进气歧管）将不同，这将对于瞬态EGR控制具有不利影响。类似地，单独使用估计EGR流率来控制缸内EGR量在瞬态期间不会有效，因为通过节气门和通过EGR阀的流量的动态响应将不同。在另一方面，进气歧管中的氧气浓度捕获不同流量的结束效应，且因此与缸内EGR量和NOX排放直接相关。由此，发动机控制器需要进气歧管中氧气浓度的准确估计，以稳固地控制缸内混合物并且继而控制燃烧。
发明内容
一种用于估计使用排气再循环的柴油发动机的进气歧管中的氧气浓度的方法包括监测发动机操作、监测排气再循环阀、以及监测排气空气燃料比。当排气再循环阀处于关闭位置情况下发动机操作在稳态时，用于发动机的容积效率被更新。基于更新容积效率，确定由进气歧管中的排气再循环引起的局部压力，且基于由进气歧管中的排气再循环和排气空气燃料比引起的局部压力，确定进气歧管中的估计氧气浓度。发动机的操作基于进气歧管中的估计氧气浓度被控制。
本发明涉及下述技术方案。
1. 一种用于估计使用排气再循环的柴油发动机的进气歧管中的氧气浓度的方法，所述方法包括：
监测发动机操作；
监测排气再循环阀；
监测排气空气燃料比；
当在排气再循环阀处于关闭位置情况下发动机操作处于稳态时，更新用于发动机的容积效率；
基于更新容积效率确定进气歧管内由于排气再循环引起的局部压力；
基于进气歧管内由于排气再循环引起的局部压力和排气空气燃料比确定进气歧管内的估计氧气浓度；以及
基于进气歧管内的估计氧气浓度控制发动机的操作。
2. 根据方案1所述的方法，其中，更新发动机的容积效率包括：
监测通过进气歧管上游的节气门装置的空气质量流量；
使得进入发动机中的空气质量流量与通过节气门装置的空气质量流量相等；以及
基于进入到发动机中的空气质量流量确定更新的容积效率。
3. 根据方案2所述的方法，其中，监测发动机操作包括：
基于通过节气门装置的空气质量流量确定发动机操作在稳态。
4. 根据方案1所述的方法，其中，基于进气歧管内由于排气再循环引起的局部压力和排气空气燃料比确定进气歧管内的估计氧气浓度包括：
监测进气歧管压力；
基于进气歧管内由于排气再循环引起的局部压力和进气歧管压力确定排气再循环流量；以及
基于排气再循环流量和排气空气燃料比确定进气歧管内的估计氧气浓度。
5. 根据方案1所述的方法，还包括将用于发动机的更新容积效率存储为用于随后使用的查询值。
6. 一种操作使用排气再循环的涡轮充气柴油发动机的方法，所述方法包括：
监测进气歧管内的期望氧气浓度；
确定进气歧管内的估计氧气浓度，包括：
监测进入到进气歧管中的空气质量流量；
基于空气质量流量确定发动机处于稳态；
监测排气再循环阀设置；
当发动机处于稳态且排气再循环阀设置关闭时，调节容积效率；
监测发动机的排气系统中的空气燃料比；
基于容积效率确定排气再循环流量；和
基于排气再循环流量和空气燃料比确定进气歧管内的估计氧气浓度；以及
基于期望氧气浓度与估计氧气浓度的比较控制发动机的操作。
7. 根据方案6所述的方法，其中，基于容积效率确定排气再循环流量包括：基于容积效率确定由排气再循环流量引起的进气歧管中的局部压力。
8. 根据方案7所述的方法，其中，确定由排气再循环流量引起的进气歧管内的局部压力包括：
监测进气歧管压力；
基于进气歧管压力和容积效率确定由流入到进气歧管中的进气空气引起的进气歧管内的局部压力；以及
通过从进气歧管压力减去由流入到进气歧管中的进气空气引起的进气歧管中的局部压力，计算由排气再循环流量引起的进气歧管中的局部压力。
9. 一种用于估计使用排气再循环的涡轮充气柴油发动机的进气歧管中的氧气浓度的系统，所述系统包括：
进气歧管，所述进气歧管接收进气空气流量和排气再循环流量并且提供进入到发动机中的空气质量流量；
空气质量流量传感器，所述空气质量流量传感器位于进气歧管上游的进气空气流中；
进气歧管压力传感器；
位于发动机的排气系统中的空气燃料比传感器；
排气再循环阀；
进气氧气估计器模块，其：
当排气再循环阀关闭且发动机处于稳态时，基于来自于空气流量传感器的数据和来自于压力传感器的数据来调节容积效率；
基于容积效率确定排气再循环流量的流率；以及
基于来自于空气质量流量传感器的数据、排气再循环流的流率、以及来自于空气燃料比传感器的数据确定进气歧管中的估计氧气浓度；以及
控制模块，所述控制模块基于进气歧管中的氧气浓度调节发动机的操作。
10. 根据方案9所述的系统，还包括模块，所述模块输出进气歧管中的期望氧气浓度；以及
其中，基于进气歧管中的氧气浓度调节发动机操作的控制模块基于进气歧管中的期望氧气浓度和进气歧管中的估计氧气浓度应用反馈控制。
11. 根据方案10所述的系统，其中，反馈控制进一步基于期望增压需求。
12. 根据方案9所述的系统，其中，基于进气歧管中的氧气浓度调节发动机操作的控制模块基于进气歧管中的氧气浓度调节涡轮控制。
13. 根据方案9所述的系统，其中，基于进气歧管中的氧气浓度调节发动机操作的控制模块基于进气歧管中的氧气浓度调节排气再循环阀控制。
14. 根据方案9所述的系统，其中，基于进气歧管中的氧气浓度调节发动机操作的控制模块基于进气歧管中的氧气浓度调节涡轮控制和排气再循环阀控制。
附图说明
现将通过示例的方式参考附图描述一个或多个实施例，在附图中：
图1是根据本发明的内燃机的截面图；和
图2描述了根据本发明的示例性进气歧管中EGR流量与其它流量的关系；
图3示意性地描述了根据本发明的示例性发动机配置，所述示例性发动机配置能够采用本文所描述的方法；
图4示意性地描述了根据本发明的示例性信息流，所述示例性信息流实现本文所述的方法；
图5描述了根据本发明的在宽时间标度上的示例性实验测试结果；以及
图6描述了根据本发明的图5中的在较窄时间标度上的更多细节。
具体实施方式
现参考附图，其中附图仅为了描述一些示例性实施例且不旨在对其进行限制，图1是描述了根据本发明实施例构造的示例性内燃机10、控制模块5和排气后处理系统15的示意图。示例性发动机包括多缸直喷式压缩点火内燃机，其包括附连到曲轴24并且可在气缸20内移动的往复活塞22，该气缸20限定可变容积燃烧室34。曲轴24可操作地附连到车辆变速器和传动系，以响应于操作者扭矩请求（TO_REQ）向其输送牵引扭矩。发动机优选地采用四冲程操作，其中每个发动机燃烧循环包括划分为四个180度阶段（进气-压缩-膨胀-排气）的曲轴24的720度角旋转，所述阶段描述活塞22在发动机气缸20中的往复运动。多齿目标轮子26附连到曲轴并且随其旋转。发动机包括监测发动机操作的感测装置以及控制发动机操作的致动器。感测装置和致动器信号地或操作性地连接到控制模块5。
发动机优选地包括直喷式四冲程内燃机，其包括由在气缸内的上止点与下止点之间往复的活塞限定的可变容积燃烧室、以及包括进气阀和排气阀的气缸盖。活塞在反复的循环中往复运动，每个循环包括进气、压缩、膨胀和排气冲程。
发动机优选地具有主要以稀于化学当量比的空气/燃料操作方案。本领域技术人员将理解的是，本发明的方面适用于主要以稀于化学当量比操作的其它发动机配置，例如，稀燃火花点火发动机。在压缩点火发动机的正常操作期间，当燃料充气被喷射到燃烧室中以与进气空气形成气缸充气时，在每个发动机循环期间出现燃烧事件。随后，该充气通过在压缩冲程期间的压缩作用而燃烧。
发动机适于在宽范围的温度、气缸充气（空气、燃料和EGR）以及喷射事件下操作。本文所述的方法尤其适于与以稀于化学当量比操作的直喷式压缩点火发动机进行操作，以确定与在持续进行的操作期间每个燃烧室中热量释放相关的参数。该方法还适用于其它发动机配置，包括火花点火发动机，包括适于使用均质充气压缩点火（HCCI）策略的火花点火发动机。该方法适用于采用每发动机循环每气缸的多脉冲燃料喷射事件的系统，例如，采用用于燃料重整的先导喷射、用于发动机动力的主喷射事件、以及合适时用于后处理管理的后燃烧燃料喷射事件（它们每个都影响气缸压力）的系统。
感测装置安装到发动机上或发动机附近，以监测物理参数并且产生与发动机和环境参数相关的信号。感测装置包括曲轴旋转传感器，包括用于监测通过多齿目标轮子26齿部上的感测边缘的曲轴速度（RPM）的曲轴传感器44。曲轴传感器是已知的，并且可包括例如霍尔效应传感器、电感性传感器或磁阻传感器。曲轴传感器44的信号输出（RPM）被输入到控制模块5。存在燃烧压力传感器30，包括适于监测缸内压力（COMB_PR）的压力感测装置。燃烧压力传感器30优选地包括非侵入式装置，包括具有环形截面的力传感器，所述力传感器适于在电热塞28的开口处安装到气缸盖中。燃烧压力传感器30安装成结合电热塞38，其中燃烧压力机械地传输通过电热塞到达传感器30。传感器30的感测元件的输出信号COMB_PR与气缸压力成比例。传感器30的感测元件包括压电陶瓷或适用于此的其它装置。其它感测装置优选地包括歧管压力传感器，用于监测歧管压力（MAP）和环境大气压力（BARO）；空气质量流量传感器，用于监测进气空气质量流量（MAF）和进气空气温度（TIN）；以及冷却剂传感器35，用于监测冷却剂温度（COOLANT）。该系统可包括用于监测一个或多个排气参数（例如，温度、空气/燃料比和组分等等）的状态的排气传感器。本领域技术人员将理解的是，存在用于控制和诊断的其它感测装置和方法。在其它装置中，以操作者扭矩请求（TO_REQ）形式的操作者输入通常通过节气门踏板和制动器踏板获得。发动机优选地配置有用于监测操作和系统控制的其它传感器。每个感测装置信号地连接到控制模块5，以提供信号信息，通过控制模块传输该表示相应监测参数的信息。应当理解的是，该配置是描述性而不是限制性的，包括可由功能上等同的装置和算法替换的各种感测装置。
致动器被安装到发动机上并且响应于操作者输入由控制模块5控制，以实现各种性能目标。致动器包括电子控制节气门装置和多个燃料喷射器12，该电子控制节气门装置根据指令输入（ETC）控制节气门开度，所述燃料喷射器用于响应于指令输入（INJ_PW）将燃料直接喷射到每个燃烧室中，它们均响应于操作者扭矩请求（TO_REQ）被控制。存在排气再循环阀32和冷却器，其响应于来自控制模块的控制信号（EGR）控制至发动机进气口的外部再循环排气流。电热塞28包括已知装置，其安装到每个燃烧室中并且适于结合燃烧压力传感器30使用。
燃料喷射器12是燃料喷射系统的元件，其包括多个高压燃料喷射器装置，每个高压燃料喷射器装置适于响应于来自控制模块的指令信号INJ_PW直接喷射燃料充气（包括一定质量的燃料）到一个燃烧室中。每个燃料喷射器12从燃料分配系统供应加压燃料，并且具有包括最小脉宽和相关最小可控燃料流率以及最大燃料流率的操作特征。
发动机可配备有可控气门机构，所述气门机构可操作以调节每个气缸的进气气门和排气气门的开启和关闭，包括气门正时、定相（即，相对于曲轴角和活塞位置的正时）、和气门开启的升程幅值中的任何一个或多个。一个示例性系统包括可变凸轮定相，其适用于压缩点火发动机、火花点火发动机以及均质充气压缩点火发动机。
控制模块、模块、控制器、处理器和类似术语是指一个或多个专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的中央处理单元（优选地，微处理器）和相关记忆和存储设备（只读、可编程只读、随机读取、硬盘驱动器等）、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、合适的信号调节和缓冲电路、以及提供所述功能的其他合适部件的任何合适一种或各种组合。控制模块具有一组控制算法，包括存储在存储器中并被执行以提供期望功能的驻留软件程序指令和标定值。该算法优选地在预设循环期间被执行。算法例如通过中央处理单元被执行，并且可操作以监视来自于感测装置和其它联网控制模块的输入，以及执行控制和诊断例程从而控制致动器的操作。在持续进行的发动机和车辆操作期间，循环通常以规则间隔例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒被执行。替代性地，算法可响应于事件的发生而被执行。
控制模块5执行存储在其中的算法代码，以控制前述致动器来控制发动机操作，包括节气门位置、燃料喷射质量和正时、控制再循环排气流的EGR阀位置、电热塞操作、以及如此配备的系统上的进气气门和/或排气气门正时、定相、和升程的控制。控制模块配置成接收来自于操作者的输入信号（例如，节气门踏板位置和制动器踏板位置）以确定操作者扭矩请求TO_REQ；以及接收来自于传感器的表示发动机速度（RPM）和进气空气温度（Tin）、冷却剂温度和其它环境状况的输入信号。
为了准确地估计进气歧管中的氧气浓度，需要EGR流量的准确估计。图2描述了根据本发明的在示例性进气歧管中的EGR流量与其它流量的关系。进入发动机的气缸充气流量（                                               
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE002
）或空气质量流量是通过节气门装置的空气质量流量（
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE004
）和EGR流量（
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE006
）的求和。
Figure 468762DEST_PATH_IMAGE002
的值不是直接计算得到的，而是基于作为例如根据进气歧管中的压力和温度的精确读数的查询值可用的标定结果估计该。在另一示例性方法中，当EGR阀关闭并且是进入进气歧管中的唯一流量时，排气系统中的A/F传感器可用于估计
Figure 623165DEST_PATH_IMAGE002
。在稳定状态且EGR阀关闭时，假定A/F等于
Figure 437538DEST_PATH_IMAGE004
除以燃料流率。当EGR阀未关闭时，仅是进入进气歧管中的流量的一部分，且因此，A/F传感器不能直接提供在稳态中关于EGR流量或气缸充气流量的信息。由于
Figure 589350DEST_PATH_IMAGE002
等于
Figure 788250DEST_PATH_IMAGE004
加上
Figure 519446DEST_PATH_IMAGE006
，因此，在基于
Figure 512810DEST_PATH_IMAGE004
的气缸充气流量模型中的误差总是等于在稳态下EGR流量模型中的误差。在瞬态状况时， 
Figure 267139DEST_PATH_IMAGE006
可被观测到但是也难以与其它瞬态响应隔离。基于这些计算的氧气浓度方法取决于气缸充气流量模型或EGR流量模型。本领域技术人员将理解的是，通过开环或闭环计算的基于进气歧管流量的任何这种模型将是渐近稳定的。
提供一种示例性方法，以使用MAF传感器和MAP传感器来估计柴油发动机中的EGR流量，用于进气氧气浓度的改进估计。不同于常规基于表格的O2估计方法，本发明方法采用动态观测器以跟踪动态效应，从而使得本方法更适合于瞬态发动机控制。由于其基于模型的性质，本方法在便于标定方面也更为有效。
假定的是，分别使用MAF传感器和MAP传感器来测量空气质量流量和进气歧管压力（增压压力），且通过例如位于发动机排气系统中的宽范围空气燃料比传感器（A/F传感器）来测量排气空气燃料比。然而应当理解的是，在本文所描述的方法中可类似地使用量化进气空气流量和排气中的空气/燃料比的等同方法。估计进气歧管中的氧气浓度的方法包括三个部分：1）容积效率的适应性校正；2）基于由EGR引起的估计局部进气压力的EGR流量估计；以及3）使用EGR流量估计和测量排气空气燃料比的进气氧气浓度估计。
容积效率是抽吸到气缸中的空气容积与活塞在气缸内排量的比值。关于容积效率的适应性校正，启用气缸空气充气估计器的方法是本领域已知的。一个已知实施例可稍微一般化，以包括可能凸轮移相器在空气流上的作用。假定EGR阀关闭，由新鲜空气充气引起的进气歧管的局部压力p可建模为由下述方程表述：
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE008
其中，T是进气歧管温度；R是气体常数；V是进气歧管的容积；MAF是通过节气门本体进入的空气质量流量；n是气缸数量；η是容积效率；以及Wc是进入气缸中的理论质量流量，其是在进气气门和排气气门关闭时的气缸容积（VIVC和VEVC）、发动机速度（N）、以及进气歧管和排气歧管压力（pint和pexh）的函数。通过本领域已知的方法再设定方程1和2，将理解的是，在EGR阀关闭且系统处于稳态时，可求解η，以提供用于该发动机的更新容积效率。
在柴油发动机中，通过进气歧管进入到发动机的空气流通过调节EGR阀和增压压力来控制。进入进气歧管中的空气质量流量可由位于进气歧管上游的MAF传感器测量。传感器动态性能大致通过一阶微分方程表述为下述方程：
其中，τ是传感器的时间常数，MAFm是由传感器测得的空气质量流量。为了消除上述方程的导数，新参数x被引入，用下述方程表述。
结合方程3和4产生下述方程。
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE014
容积效率不能精确地获得，因此模型可用于估计进入气缸的空气流，表述为下述方程：
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE018
是x的估计值；CACEST是进入气缸中的新鲜空气流的估计值；
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE020
是由新鲜空气充气引起的进气歧管中的局部压力p的估计值；以及
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE022
是近似容积效率。在EGR阀关闭的稳态下，CACEST总是等于MAF，而
Figure 205750DEST_PATH_IMAGE020
取决于近似容积效率的准确性可不等于p。基于
Figure 791452DEST_PATH_IMAGE020
和p之间的误差而与EGR阀是否关闭无关（因为进气歧管压力pint等于p），通过选择性地调节或更新容积效率可改进空气流估计的准确性。根据下述方程，假定pexh是已知的，可从误差动态值来获得容积效率的适应性规律：
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE024
项e可表述为
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE026
。假定η随时间缓慢地变化，即
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE028
，并且下述Lyapunov函数被选择用于适应性规律：
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE030
V的时间导数由以下方程给出。
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE032
由于
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE034
，可应用下述适应性规律。
该方程得到
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE038
。然而，由于最大不变集
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE040
是
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE042
，在方程12中给出的适应性规律实现当t→∞时
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE044
。一旦
Figure 712190DEST_PATH_IMAGE022
在给定操作状况下收敛到η，那么的值可存储到查询表中，用于再访问该操作状况的情形。
一旦估计η，那么可基于由EGR引起的进气歧管的局部压力来估计EGR流量，其中通过
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE046
来近似，其中
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE048
表示进气歧管压力。假定使用适应性算法来调节
Figure 693101DEST_PATH_IMAGE022
且
Figure 90584DEST_PATH_IMAGE022
近似等于η。由EGR引起的局部进气压力pEGR可根据下述方程建模。
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE050
由于WEGR或EGR流量未被精确地获知，因此可使用模型来近似pEGR，产生下述方程：
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE054
是pEGR的估计值，且
Figure 2011100278738100002DEST_PATH_IMAGE056
是EGR流量的估计值。假定
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，因此，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，且未知WEGR被认为是系统的干扰。于是，EGR流量估计器可用于寻找
Figure 947069DEST_PATH_IMAGE056
的控制规律，该
Figure 25884DEST_PATH_IMAGE056
通过未知干扰WEGR来实现
Figure DEST_PATH_IMAGE062
。基于假定，根据下述方程可近似误差动态值。
Figure DEST_PATH_IMAGE066
项ep可表述为
Figure DEST_PATH_IMAGE068
。这种控制规律可通过为误差动态值增量积分器来设计，如下述方程所述。
Figure DEST_PATH_IMAGE070
所设计的控制规律
Figure DEST_PATH_IMAGE072
可补偿未知干扰WEGR并且实现
Figure 648495DEST_PATH_IMAGE062
。
一旦估计出进气歧管内的局部压力和得到的流量，可使用本领域已知的估计EGR流量和方法来确定进气氧气浓度估计。在进气歧管和排气歧管中的燃烧后气体分数的动态值可表述为下述方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE074
其中，fint和fexh分别是进气歧管和排气歧管中的燃烧后气体百分比；Wf是燃料质量流率；λs是化学计量比空气燃料比；且mint和mexh分别是进气歧管和排气歧管的质量，其基于理想空气定律来计算。在稀燃烧发动机中，排气歧管中的燃烧后气体百分比可从在排气管处的空气燃料比测量值λexh来直接计算如下：
为了设计估计器，可根据下述方程来改变坐标：
Figure DEST_PATH_IMAGE078
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
可定义为。因此，可根据下述方程来设计降阶Luenberger观测器。
Figure DEST_PATH_IMAGE084
用于方程20的项可如下定义。
Figure DEST_PATH_IMAGE086
观测器增益L被选择为-1，以消除Wf中的不确定性，同时保证F具有稳定特征值。得到的一阶估计器可用下述方程来表述。
Figure DEST_PATH_IMAGE088
基于干燥空气的组分（一摩尔O2比一摩尔N2 = 1：3.8），根据下述方程从进气歧管中的估计燃烧后气体百分比可得到进气氧气浓度。
Figure DEST_PATH_IMAGE090
图3示意性地描述了根据本发明的示例性发动机配置，其能够采用本文所描述的方法。发动机配置100包括发动机10、氧气需求模块110、增压需求模块120、氧气估计模块125、前馈控制器130、反馈控制器140、涡轮控制器150以及EGR阀控制器160。氧气需求模块110输入燃料流数据和发动机RPM数据并且输出用于发动机操作的氧气需求或基于当前状况的期望氧气浓度。该输出与来自于氧气估计模块125的氧气估计值相加，以描述调节氧气需求。图3的示例性过程描述了氧气浓度根据来自于氧气需求模块110和氧气估计模块125的输入基于在模块130和140中的计算。然而，应当理解的是，基于来自于模块125的EGR%或MAF信号，可执行类似的计算，从而量化得到的EGR流量和得到的进气歧管内的状况，且本发明并不旨在受限于本文所实施的具体示例性实施例。增压需求模块120与模块110类似地输入燃料流数据和发动机RPM数据，以确定来自于涡轮增压器的所需增压或基于当前状况的期望增压。该输出与MAP传感器反馈相加以描述调节增压需求。前馈控制器130输入氧气和增压需求，并且使用预测方法来产生控制信号。类似地，反馈控制器140输入调节氧和调节增压需求，并且使用反馈或闭环反馈控制方法来产生控制信号。来自于前馈控制器130和反馈控制器140中每个的控制信号相加并且用作控制器150和EGR阀控制器160的输入。在排气系统中，氧气估计模块125施用本发明所描述的方法并且提供氧气估计，用于上述用途。
图4示意性地描述了根据本发明的用于完成本文所描述方法的示例性信息流。信息流200包括进气氧气估计器210和流量估计模块220。进气氧气估计器210使用本领域已知的方法来估计进气歧管中的氧气浓度，例如基于进入和离开歧管的流量的准确估计值、以及用于量化源自于稀发动机操作的EGR流量中的氧气含量的燃料质量和A/F项来描述图3中模块125的输出。流量估计模块220包括适应性容积效率模块230、由新鲜空气引起的局部压力模块240、以及EGR流量估计模块250，并且向进气氧气估计器210提供流量项。
Figure 669410DEST_PATH_IMAGE004
可由本领域已知的方法测量并且是流量估计模块220的输入。如上所述，容积效率用于确定进入发动机的气缸或多个气缸中的流量。适应性容积效率模块230输入
Figure 620048DEST_PATH_IMAGE004
、EGR%、歧管压力以及进气歧管内的局部压力估计值，并且施用本文所描述的方法来输出
Figure 502553DEST_PATH_IMAGE002
。将
Figure 920284DEST_PATH_IMAGE002
和歧管压力用作输入，由新鲜空气引起的局部压力模块240使用本领域已知的方法来确定
Figure 862832DEST_PATH_IMAGE002
中
Figure 300767DEST_PATH_IMAGE004
的比例。本领域技术人员将理解，模块240的输出用于描述由EGR引起的估计局部进气压力。该比例连同
Figure 783701DEST_PATH_IMAGE002
和歧管压力一起用作EGR流量估计模块250的输入，以便产生
Figure 256270DEST_PATH_IMAGE006
。流量估计模块的输出包括、
Figure 357267DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 581575DEST_PATH_IMAGE002
，进气氧气估计器例如在根据本文所述方法构造的进气歧管模型中使用这些输入，以输出氧气浓度估计值。
实验数据可用于验证上述方法。图5和6以图形描述了根据本发明的示例性实验测试结果，描述根据本文所述方法实现的结果。所描述的结果源自位于车辆中的示例性4.9升V6柴油发动机的操作。氧气传感器、热电偶以及压力传感器被实施以实验性地测量或验证进气歧管的状态。实验结果在图5中以宽时间标度示出。图6以较窄时间标度描述了图5的较详细数据。图5示出了，与基准估计相比，当通过所公开的方法校正容积效率时，估计进气氧浓度紧密地跟随测量进气氧气浓度。在由本文所述方法中收集到的数据的示例性实验数据中的平均估计误差（Averaged Error）计算为3.7%，其由下述方程确定。
图6示出了从550至750秒放大的实验数据。参考图5和6的进气氧气估计结果以及将该结果与在进气歧管中实验测量的氧气水平进行比较，显而易见的是，本文所述方法提供进气氧气水平的准确估计。
本发明已经描述了一些优选实施例及其变型。技术人员在阅读并理解说明书之后可想到进一步的修改和变换。因此，本发明并不旨在局限于作为实施本发明所构想的最佳模式而公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (10)

1. 一种用于估计使用排气再循环的柴油发动机的进气歧管中的氧气浓度的方法，所述方法包括：
监测发动机操作；
监测排气再循环阀；
监测排气空气燃料比；
当在排气再循环阀处于关闭位置情况下发动机操作处于稳态时，更新用于发动机的容积效率；
基于更新容积效率确定进气歧管内由于排气再循环引起的局部压力；
基于进气歧管内由于排气再循环引起的局部压力和排气空气燃料比确定进气歧管内的估计氧气浓度；以及
基于进气歧管内的估计氧气浓度控制发动机的操作。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，更新发动机的容积效率包括：
监测通过进气歧管上游的节气门装置的空气质量流量；
使得进入发动机中的空气质量流量与通过节气门装置的空气质量流量相等；以及
基于进入到发动机中的空气质量流量确定更新的容积效率。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，监测发动机操作包括：
基于通过节气门装置的空气质量流量确定发动机操作在稳态。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，基于进气歧管内由于排气再循环引起的局部压力和排气空气燃料比确定进气歧管内的估计氧气浓度包括：
监测进气歧管压力；
基于进气歧管内由于排气再循环引起的局部压力和进气歧管压力确定排气再循环流量；以及
基于排气再循环流量和排气空气燃料比确定进气歧管内的估计氧气浓度。
5. 根据权利要求1所述的方法，还包括将用于发动机的更新容积效率存储为用于随后使用的查询值。
6. 一种操作使用排气再循环的涡轮充气柴油发动机的方法，所述方法包括：
监测进气歧管内的期望氧气浓度；
确定进气歧管内的估计氧气浓度，包括：
监测进入到进气歧管中的空气质量流量；
基于空气质量流量确定发动机处于稳态；
监测排气再循环阀设置；
当发动机处于稳态且排气再循环阀设置关闭时，调节容积效率；
监测发动机的排气系统中的空气燃料比；
基于容积效率确定排气再循环流量；和
基于排气再循环流量和空气燃料比确定进气歧管内的估计氧气浓度；以及
基于期望氧气浓度与估计氧气浓度的比较控制发动机的操作。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，基于容积效率确定排气再循环流量包括：基于容积效率确定由排气再循环流量引起的进气歧管中的局部压力。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，确定由排气再循环流量引起的进气歧管内的局部压力包括：
监测进气歧管压力；
基于进气歧管压力和容积效率确定由流入到进气歧管中的进气空气引起的进气歧管内的局部压力；以及
通过从进气歧管压力减去由流入到进气歧管中的进气空气引起的进气歧管中的局部压力，计算由排气再循环流量引起的进气歧管中的局部压力。
9. 一种用于估计使用排气再循环的涡轮充气柴油发动机的进气歧管中的氧气浓度的系统，所述系统包括：
进气歧管，所述进气歧管接收进气空气流量和排气再循环流量并且提供进入到发动机中的空气质量流量；
空气质量流量传感器，所述空气质量流量传感器位于进气歧管上游的进气空气流中；
进气歧管压力传感器；
位于发动机的排气系统中的空气燃料比传感器；
排气再循环阀；
进气氧气估计器模块，其：
当排气再循环阀关闭且发动机处于稳态时，基于来自于空气流量传感器的数据和来自于压力传感器的数据来调节容积效率；
基于容积效率确定排气再循环流量的流率；以及
基于来自于空气质量流量传感器的数据、排气再循环流的流率、以及来自于空气燃料比传感器的数据确定进气歧管中的估计氧气浓度；以及
控制模块，所述控制模块基于进气歧管中的氧气浓度调节发动机的操作。
10. 根据权利要求9所述的系统，还包括模块，所述模块输出进气歧管中的期望氧气浓度；以及
其中，基于进气歧管中的氧气浓度调节发动机操作的控制模块基于进气歧管中的期望氧气浓度和进气歧管中的估计氧气浓度应用反馈控制。
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