CN102192019A - 用于发动机管理系统的燃烧温度估计系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于发动机管理系统的燃烧温度估计系统和方法。火焰温度估计器包括估计绝热火焰温度的绝热火焰温度模块。温度降低模块基于发动机的空气-燃料比来估计绝热火焰温度的温度降低。燃烧温度趋势模块基于所述温度降低和所述绝热火焰温度而生成燃烧温度趋势。

Description

用于发动机管理系统的燃烧温度估计系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年3月2日提交的美国临时申请No.61/156,649的权益。上述申请的公开内容作为参考全部引入本文。

技术领域

本发明涉及发动机管理系统，且更具体地涉及用于发动机管理系统的燃烧温度估计系统和方法，该发动机管理系统估计发动机排出的氮氧化物(NO_X)水平。

背景技术

在此提供的背景说明是为了总体上介绍本发明背景的目的。当前所署名发明人的工作(在背景技术部分描述的程度上)和本描述中否则不足以作为申请时的现有技术的各方面，既不明显地也非隐含地被承认为与本发明相抵触的现有技术。

发动机管理系统可需要生成用于后处理控制系统的发动机排出NO_X估计值或测量值。仅举例来说，后处理控制系统可采用该NO_X估计值或测量值用于贫NO_X捕集器(LNT)填充估计、在选择性催化还原(SCR)中的还原剂计量策略等。

一些发动机管理系统采用设置在排气流中的NO_X传感器来直接测量NO_X水平。然而，NO_X传感器是昂贵的且趋于在车辆的寿命中失效，这可增加保修成本。其它发动机管理系统采用模型来生成NO_X估计值而不是采用NO_X传感器来直接测量NO_X水平。仅举例来说，该模型可采用基于发动机速度、负载和/或其它变量来输出NO_X估计值的映射图或图表。虽然这种方法更为便宜，但是该方法比采用NO_X传感器来直接测量NO_X水平的发动机管理系统精确性更差。

发明内容

火焰温度估计器包括估计绝热火焰温度的绝热火焰温度模块。温度降低模块基于发动机的空气-燃料比来估计绝热火焰温度的温度降低。燃烧温度趋势模块基于温度降低和绝热火焰温度来生成燃烧温度趋势。

在其它特征中，绝热火焰温度模块基于燃烧室压力和块体温度(bulk temperature)来估计绝热火焰温度。燃烧温度趋势模块采用多方变换(polytropic transform)来计算燃烧温度趋势。燃烧温度趋势模块计算燃烧温度趋势。

在另外的特征中，燃烧温度趋势模块还基于如下等式来计算燃烧温度趋势：

T_{comb_tmp}(k)＝T_{comb_tmp}(k-1)+k_filt1＊(T_bulk(k)-T_{comb_tmp}(k-1))；和

T_comb(k)＝T_comb(k-1)+k_filt2＊(T_{bulk_tmp}(k)-T_comb(k-1))

其中k_filt1和k_filt2是滤波器常数，T_{comb_tmp}(k₀)是在燃烧时间k₀时的绝热火焰温度，且在燃烧时间k₀时T_comb(k₀)＝T_bulk(k₀)。

在其它特征中，标定模块标定温度降低与空气燃料比之间的关系。空气燃料比包括当前空气燃料比除以化学计量空气燃料比的比率。NO_X估计系统基于绝热火焰温度、温度降低和燃烧温度趋势中的至少一个来计算NO_X估计值。NO_X估计值独立于发动机排出的NO_X水平的直接测量值而生成。

提供一种火焰温度估计器，包括：

绝热火焰温度模块，所述绝热火焰温度模块估计绝热火焰温度；

温度降低模块，所述温度降低模块基于发动机的空气-燃料比来估计绝热火焰温度的温度降低；和

燃烧温度趋势模块，所述燃烧温度趋势模块基于所述温度降低和所述绝热火焰温度来生成燃烧温度趋势。

根据上述的火焰温度估计器，所述绝热火焰温度模块基于燃烧室压力和块体温度来估计所述绝热火焰温度。

根据上述的火焰温度估计器，所述燃烧温度趋势模块采用多方变换来计算所述燃烧温度趋势。

根据上述的火焰温度估计器，所述燃烧温度趋势模块计算所述燃烧温度趋势。

根据上述的火焰温度估计器，所述燃烧温度趋势模块还基于如下等式来计算所述燃烧温度趋势：

T_{comb_tmp}(k)＝T_{comb_tmp}(k-1)+k_filt1＊(T_bulk(k)-T_{comb_tmp}(k-1))；和

T_comb(k)＝T_comb(k-1)+k_filt2＊(T_{bulk_tmp}(k)-T_comb(k-1))

其中，k_filt1和k_filt2是滤波器常数，T_{comb_tmp}(k₀)是在燃烧时间k₀时的绝热火焰温度，且在燃烧时间k₀时T_comb(k₀)＝T_bulk(k₀)。

根据上述的火焰温度估计器，还包括标定模块，所述标定模块标定所述温度降低与所述空气-燃料比之间的关系。

根据上述的火焰温度估计器，所述空气-燃料比包括当前空气-燃料比除以化学计量空气-燃料比的比率。

一种氮氧化物(NO_X)估计系统，包括根据上述的火焰温度估计器，其中，所述NO_X估计系统基于所述绝热火焰温度、所述温度降低以及所述燃烧温度趋势中的至少一个来计算NO_X估计值。

根据上述的NO_X估计系统，所述NO_X估计值独立于发动机排出的NO_X水平的直接测量值而生成。

一种用于估计火焰温度的方法，包括：

估计绝热火焰温度；

基于发动机的空气-燃料比来估计所述绝热火焰温度的温度降低；以及

基于所述温度降低和所述绝热火焰温度而生成燃烧温度趋势。

根据上述的方法，还包括基于燃烧室压力和块体温度来估计所述绝热火焰温度。

根据上述的方法，还包括采用多方变换来计算所述燃烧温度趋势。

根据上述的方法，还包括采用级联式滤波器来计算所述燃烧温度趋势。

根据上述的方法，还包括进一步基于如下等式来计算所述燃烧温度趋势：

T_{comb_tmp}(k)＝T_{comb_tmp}(k-1)+k_filt1＊(T_bulk(k)-T_{comb_tmp}(k-1))；和

T_comb(k)＝T_comb(k-1)+k_filt2＊(T_{bulk_tmp}(k)-T_comb(k-1))

其中，k_filt1和k_filt2是滤波器常数，T_{comb_tmp}(k₀)是在燃烧时间k₀时的绝热火焰温度，且在燃烧时间k₀时T_comb(k₀)＝T_bulk(k₀)。

根据上述的方法，还包括标定所述温度降低与所述空气-燃料比之间的关系。

根据上述的方法，所述空气-燃料比包括当前空气-燃料比除以化学计量空气-燃料比的比率。

根据上述的方法，还包括基于所述绝热火焰温度、所述温度降低以及所述燃烧温度趋势中的至少一个来计算NO_X估计值。

本发明的进一步应用领域从后文所提供的详细说明将显而易见。应当理解的是，详细说明和具体示例仅旨在用于描述目的且不旨在限定本发明的范围。

附图说明

从详细说明和附图将能更全面地理解本发明，在附图中：

图1是包括NO_X估计模块的示例性发动机管理系统的功能性框图；

图2是更详细示出的示例性NO_X估计模块的功能性框图；

图3是NO_X估计模块的火焰温度模块的功能性框图；

图4是描述了随角度而变的燃烧温度的曲线图；

图5是随λ而变的燃烧温度降低(ΔT)的曲线图；

图6是描述了用于NO_X估计模块的温度降低(或ΔT)的标定的功能性框图；

图7和8描述了采用级联式滤波器的燃烧温度发展趋势的计算；以及

图9描述了用于生成NO_X估计值的方法的步骤。

具体实施方式

后述说明本质上仅为示例性的，且绝不以任何方式限定本发明、其应用或使用。为了清楚起见，在附图中相同的附图标记将用于表示类似的元件。如在本文中所使用的，短语A、B和C中的至少一个应当理解为表示采用非排他性逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解的是，方法中的步骤可采用不同的顺序执行而不改变本发明的原理。

如在本文中所使用的，术语“模块”是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或者组)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它合适部件。

现参考图1，示出了示例性发动机系统。虽然示出的是柴油发动机系统10，但是本发明的教导可应用于其它类型的发动机中。柴油发动机系统10包括柴油发动机12、进气歧管14、排气歧管16、排气再循环(EGR)系统17以及排气系统18。

空气被抽吸通过节气门20进入进气歧管14中并被分配至气缸21。燃料通过共轨喷射系统(未示出)喷射到气缸中。空气在气缸21中被压缩且压缩空气的热量将空气/燃料混合物点火。空气/燃料混合物的燃烧生成燃烧力，以驱动在气缸21中的活塞(未示出)。活塞旋转地驱动曲轴(未示出)。排气从气缸21排出通过排气歧管16进入到排气系统18中。压力传感器23可用来分别监视每个气缸21的燃烧室中的压力。

排气系统18包括选择性催化还原(SCR)单元24和柴油颗粒过滤器(DPF)26。SCR单元24通过排气管道28与排气歧管16连通。

SCR单元24通过SCR过程从排气中去除NO_X。定量系统32将还原剂(例如，仅举例来说，尿素)喷射到SCR单元24上游的排气。用于有效SCR过程所要喷射的还原剂的量取决于排气中NO_X排放物的浓度。

DPF26配置在SCR单元24的下游，以从排气中去除柴油颗粒物质和/或碳烟。虽然DPF26设置在SCR单元24的下游，但是SCR单元24和DPF26的设置可颠倒。

EGR系统17包括与排气管路28连通的EGR管道34、EGR阀36以及EGR冷却器38。EGR阀36控制被再循环到进气歧管14中的排气的量。EGR冷却器38可用来冷却再循环的排气。

当排气离开排气歧管16时，排气的一部分途经EGR阀36到达进气歧管14。排气的其余部分被导向SCR单元24和DPF26。再循环的排气在进气歧管14中与由节气门20引入的空气相混合。进气空气的量由EGR流率、增压水平、和/或进气节气门20控制。再循环排气的量由EGR阀28控制。

控制模块40与多个传感器通信并监视和控制发动机操作。传感器包括但不局限于进气歧管绝对压力(MAP)传感器42、发动机速度传感器44、空气质量流量(MAF)传感器46、进气空气温度(IAT)传感器48以及大气压力传感器49。在一些实施方式中，在预制造车辆的标定期间，在排气中可配备NO_X传感器50以测量发动机排出的NO_X。

MAP传感器42测量进气歧管压力。发动机速度传感器44测量发动机速度(RPM)。MAF传感器46测量通过进气歧管14的MAF。IAT传感器48测量IAT。大气压力传感器49测量大气压力。在预制造车辆的标定期间，NO_X传感器50测量SCR下游排气中的NO_X。在正常操作期间，控制模块40包括NO_X估计模块54，NO_X估计模块54基于基于多个感测和/或计算的发动机参数来估计发动机排出NO_X，而不采用专用NO_X传感器。

现参考图2-4，NO_X估计模块54示出为包括放热模块100、多区域燃烧模块104、火焰温度模块108以及NO_X预测模块112。NO_X估计模块54将燃烧室分成多个区域、计算每个区域中的温度并然后估计每个区域中的NO_X。

对于每个燃烧区域，由火焰温度模块108计算理论绝热火焰温度。在第一步(在图4中标记为步骤1)，火焰温度模块108采用由燃烧室压力和块体温度标引的热力学图表来估计绝热火焰温度。在第二步(在图4中标记为步骤2)，计算温度降低(或ΔT)以便得到更逼真的燃烧温度。在第三步(在图4中标记为步骤3)，采用多方关系式来计算燃烧温度发展趋势或采用级联式滤波器来近似燃烧温度发展趋势。

在图3中，火焰温度模块108包括绝热火焰温度模块120、温度降低模块124以及燃烧温度趋势模型128。绝热火焰温度模块120估计绝热火焰温度，如本文所述。温度降低模块124计算温度降低，如本文所述。燃烧温度趋势模型128计算燃烧温度趋势，如本文所述。标定模块132可用来标定温度降低与空气-燃料比或λ之间的关系。

现参考图5，温度降低ΔT基于空气/燃料比(或λ)来计算。λ是当前空气/燃料比与化学计量比之间的比率。例如，可使用图表。替代性地，可使用基于λ的其它标定技术、方程和/或物理模型。图表的标定可通过使最终模型估计误差(即，所估计的NO_X与测得的NO_X之间的误差)最小化来进行。根据实验，温度降低趋于具有类似于在图5中所示形状的形状。

根据本发明的发动机排出NO_X模型的仅发动机特有标定与随λ而变的温度降低相关。一旦被标定，图表、模型或关系对于不同类型的发动机也可有效。图表可采用离线标定方法来标定。温度降低图表也可采用在线方法来标定。在线标定方法包括使用用于开发的车队、安装测量发动机排出NO_X的仪表装置传感器并允许标定。

在线标定也可在正常车辆使用期间(即，在制造中)通过当操作状况允许后处理下游传感器测量发动机排放物时允许周期性标定特征而执行。仅举例来说，当LNT操作于低捕集效率状况时或当SCR在没有还原剂的情况下操作时，这可能发生。

现参考图6，在线标定方法基于NO_X估计误差的计算以及要应用于温度降低的校正因子的连续计算。校正因子或温度降低ΔT可包括积分项，以便确保在短期稳态工况期间该方法的收敛性。

仅举例来说，NO_X估计模块54接收模型输入并生成NO_X估计值

求和模块132生成测量NO_X信号

与NO_X估计值

之间的差值err_N。积分模块140将积分项应用于差值err_N以生成校正因子或温度降低ΔT。NO_X估计模块54接收模型输入并进一步基于校正因子或温度降低ΔT来生成NO_X估计值

返回到图3，燃烧温度趋势模块128生成燃烧温度趋势。根据本发明的另一方法与步骤(3)(或者步骤(2)和步骤(3)两者一起)相关。燃烧温度趋势模块128可采用多方变换以预测在燃烧期间温度的性能。然而，多方变换趋于具有高的计算负荷。

现参考图7和8，不是采用多方变换，燃烧温度趋势模块128可采用两个低通滤波器的级联。该方法在几乎无准确度损失的情况下减少了计算负荷。更具体地，在燃烧时间k₀：

T_{comb_tmp}(k₀)＝绝热火焰温度

T_comb(k₀)＝T_bulk(k₀)

对于下一个计算时间k：

T_{comb_tmp}(k)＝T_{comb_tmp}(k-1)+k_filt1＊(T_bulk(k)-T_{comb_tmp}(k-1))

T_comb(k)＝T_comb(k-1)+k_filt2＊(T_{bulk_tmp}(k)-T_comb(k-1))

其中k_filt1和k_filt2是滤波器常数。

根据本发明的NO_X估计模块54对传感器老化和在发动机标定中的变化是稳固的。另一优势是相对容易的标定程序。其它常规方法往往具有多个标定参数，例如每个发动机操作点一个标定参数，这对于实施而言是困难且昂贵的。

自动标定程序可嵌入估计模型中，以允许在最初开发阶段期间或在客户使用期间直接在制造车辆上进行模型标定。

现参考图9，示出了由NO_X估计系统执行的方法的步骤。控制始于步骤150。在步骤154，基于燃烧室压力和块体温度来计算绝热火焰温度。在步骤158，基于λ来计算温度降低ΔT。在步骤162，可计算燃烧温度发展趋势。

本领域技术人员现将从前述说明能够理解，本发明的广泛教导能够以多种形式来实施。因此，虽然本发明包括具体的示例，但是本发明的实质范围不应被如此限定，因为在研究附图、说明书和所附权利要求书之后，其它变型对于本领域技术人员来说将显而易见。

Claims (10)

1.一种火焰温度估计器，包括：

绝热火焰温度模块，所述绝热火焰温度模块估计绝热火焰温度；

温度降低模块，所述温度降低模块基于发动机的空气-燃料比来估计绝热火焰温度的温度降低；和

燃烧温度趋势模块，所述燃烧温度趋势模块基于所述温度降低和所述绝热火焰温度来生成燃烧温度趋势。

2.根据权利要求1所述的火焰温度估计器，其中，所述绝热火焰温度模块基于燃烧室压力和块体温度来估计所述绝热火焰温度。

3.根据权利要求1所述的火焰温度估计器，其中，所述燃烧温度趋势模块采用多方变换来计算所述燃烧温度趋势。

4.根据权利要求1所述的火焰温度估计器，其中，所述燃烧温度趋势模块计算所述燃烧温度趋势。

5.根据权利要求1所述的火焰温度估计器，其中，所述燃烧温度趋势模块还基于如下等式来计算所述燃烧温度趋势：

T_{comb_tmp}(k)＝T_{comb_cmp}(k-1)+k_filt1＊(T_bulk(k)-T_{comb_tmp}(k-1)；和

T_comb(k)＝T_comb(k-1)+k_filt2＊(T_{bulk_tmp}(k)-T_comb(k-1))

其中，k_filt1和k_filt2是滤波器常数，T_{comb_tmp}(k_o)是在燃烧时间k₀时的绝热火焰温度，且在燃烧时间k₀时T_comb(k₀)＝T_bulk(k_o)。

6.根据权利要求1所述的火焰温度估计器，还包括标定模块，所述标定模块标定所述温度降低与所述空气-燃料比之间的关系。

7.根据权利要求1所述的火焰温度估计器，其中，所述空气-燃料比包括当前空气-燃料比除以化学计量空气-燃料比的比率。

8.一种氮氧化物(NO_X)估计系统，包括根据权利要求1所述的火焰温度估计器，其中，所述NO_X估计系统基于所述绝热火焰温度、所述温度降低以及所述燃烧温度趋势中的至少一个来计算NO_X估计值。

9.根据权利要求8所述的NO_X估计系统，其中，所述NO_X估计值独立于发动机排出的NO_X水平的直接测量值而生成。

10.一种用于估计火焰温度的方法，包括：

估计绝热火焰温度；

基于发动机的空气-燃料比来估计所述绝热火焰温度的温度降低；以及

基于所述温度降低和所述绝热火焰温度而生成燃烧温度趋势。

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