CN102465780A - 车辆中的涡轮出口温度的基于能量的闭环控制 - Google Patents

Abstract

车辆包括发动机和排气系统，该排气系统点燃来自燃料喷射器的燃料以净化排气。空气压缩机将压缩的进气空气传递给发动机，涡轮给压缩机提供能量。控制器使用来自不同传感器的温度和质量流动速率值计算发动机热效率值。控制器使用热效率值维持涡轮下游的排气温度。控制系统包括传感器和主机，其使用热效率值可操作用于将排气温度维持在阈值之上。用于维持排气温度的方法包括测量空气进气系统的入口和出口温度、测量压缩的进气空气的质量流动速率、和使用主机使用热效率值去维持气体温度。

Description

车辆中的涡轮出口温度的基于能量的闭环控制

技术领域

本发明涉及在车辆中涡轮出口温度的控制，该车辆使用涡轮去驱动空气进气组件中的空气压缩机。

背景技术

微粒过滤器用于车辆排气系统中以有效的捕捉在燃料燃烧过程中产生的烟灰、灰尘、金属和其它悬浮物质的微粒。然而，随时间推移累积的微粒物质增加了跨过滤器的压力差。为了延长过滤器的有用的操作寿命和为了进一步优化发动机性能，一些微粒过滤器可以使用热量来选择性的再生。排气温度被暂时性提高，通过喷射并在校准的起燃温度之上点燃过滤器上游的燃料。这个过程经常称为后碳氢化合物喷射或HCI。

除了微粒过滤器，在HCI过程中可以使用各种催化剂以进一步净化排气。例如，钯、铂或另外适合的催化剂可以经过简单的放热氧化过程连同再生加热一起工作以分解在过滤器中所累积的物质。另外，车辆可以使用排气再循环(EGR)阀来引导部分排气返回到发动机缸内以进一步减少车辆排放。

在涡轮增压的空气进气压缩器系统中，可变几何涡轮增压器、涡轮、或其它适合的装置通过由发动机所释放的排气来驱动。涡轮旋转以驱动涡轮压缩器，其将压缩的进气空气提供给发动机以增强发动机功率。全部的车辆排放性能因此极大的依赖于在燃烧的不同阶段的排气和进气的温度和质量流动和排气清洁过程。

发明内容

此处包括控制器的车辆被公开，该控制器在上面提到的涡轮出口处自动维持预定的温度，以因此控制车辆排放和微粒过滤器再生。控制器在闭环控制下操作，使用相对于空气进气组件的涡轮和涡轮驱动的压缩机所测量的值。控制器使用这些值来计算发动机热效率值，并调整进入发动机的空气质量和/或燃料喷射进排气流中的燃料速率。以这种方式，控制器维持期望的涡轮出口温度。

特别是，车辆包括内燃发动机、排气系统、涡轮、涡轮驱动的空气压缩机、传感器和控制器。空气压缩机可操作用于压缩进气空气和用于将所压缩的进气空气输送到发动机。涡轮将来自发动机的排气转换成足够用于给空气压缩机提供动力的机械能。

传感器包括用于测量进入空气压缩机的进气空气温度的第一传感器，用于测量排出涡轮的排气温度的第二传感器，和测量进入发动机的压缩的进气空气的质量流动速率的第三传感器。控制器以来自各种传感器的温度和质量流动速率值为函数计算发动机热效率值。控制器使用发动机热效率值去执行控制行动，并因此将涡轮下游的排气流的温度维持高于校准的阈值温度。

控制器使用发动机热效率值计算要求的调整参数，即不形成扭矩的燃料进入喷射器中的喷射速率的改变和/或进入发动机的压缩的进气空气的质量流动速率的改变。

此处也公开了用于所述车辆上的控制系统。控制系统包括第一温度传感器、第二温度传感器和质量流动传感器。主机以入口温度、出口温度和压缩的进气空气的质量流动速率为函数计算发动机热效率值。此后，主机使用发动机热效率值将涡轮出口处的排气温度维持高于校准的阈值温度。

用于维持上面所述车辆中的排气温度的方法包括分别测量涡轮和空气压缩机的入口和出口的温度，并测量从压缩机进入发动机的压缩的进气空气质量流动速率。本方法还包括使用主机以入口温度、出口温度和质量流动速率为函数去计算发动机热效率值。主机之后使用发动机热效率值将涡轮出口处的排气温度自动维持高于校准的阈值温度。

当结合附图考虑时，本发明上面的特征和优点及其它特征和优点从下面用于执行本发明的最佳模式的详细描述中是很明显的。

附图说明

图1是具有内燃发动机和适合于维持期望的涡轮出口温度的控制器的车辆的示意图；

图2是描述在图1所示车辆中用于维持期望的涡轮出口温度方法的流程图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的参考序号指示相同的组件，图1中所示的车辆10具有发动机控制模块或其它适合的控制器50。控制器50可以作为主机来体现，其执行在计算机可读介质上编程或记录的算法100，以便在排气系统20中维持期望的温度。算法100将在下面参考图2来解释。

车辆10包括内燃发动机12。发动机12可以体现为多缸的扭矩产生装置，其以压燃式配置来操作，尽管其它发动机设计也可以使用。由发动机12产生的扭矩通过变速器传递到驱动轮，为了简化，驱动轮和变速器从图1中被省略。发动机12从油箱17抽出柴油、汽油或者其它适合的燃料16。排气流18作为在发动机12内发生的燃烧过程的副产品被产生。排气18通过排气系统20，在这里其作为净化的排气118经过尾管25被最终释放到周围的大气中。

排气系统20包括空气进气歧管14、排气歧管15、进气空气压缩机组件22和排气后处理系统40。进气空气，其在图1中由箭头11代表，经过空气进气组件22被吸入到发动机12中。排气系统20作为整体由控制器50监控，并被配置为在其作为净化的排气118被最终释放到大气中之前清洁或净化排气18。

所以，后处理40可以包括一个或多个氧化催化剂30、微粒过滤器32和选择性催化还原(SCR)装置34。系统40还包括一组燃料喷射器43，其与油箱17保持流体连通以接收燃料16，在过滤器再生过程中喷射器提供进入排气18中的不产生扭矩燃料的后碳氢化合物喷射(HCI)。在系统40内的各种装置的顺序可以不同于图1所示和上面描述的顺序。

微粒过滤器32可以由陶瓷、金属网、颗粒状氧化铝或任何其它温度和应用都适合的材料构成的适合的基质构成。这一点在技术上是可以理解的，SCR装置如SCR装置34使用活性催化剂将氮氧化物(NOx)气体转化成水和氮。SCR装置34可以设置成陶瓷砖或蜂巢结构、盘形或任何其它适合的催化剂设计。

仍参考图1，空气进气压缩机组件22包括空气压缩机36、用于冷却压缩空气的后冷却器37和涡轮38，根据一个可能实施例的如上所述的可变位置的涡轮增压器(VGT)装置。控制器50可以选择性调整这个VGT的角度位置，如通过调整其叶片的位置。涡轮38由排气18驱动，由此旋转压缩机输入元件39以因此提供能量给或驱动空气压缩机36。车辆10也可以包括排气再循环或EGR阀41，其同样可以根据需要来控制以便根据需要选择性引导部分排气18返回到进气歧管14中。

物理传感器包括位于空气进气压缩机组件22的出口侧的质量流动传感器42，和一对温度传感器44和46。温度传感器44被设置以便当排气18进入涡轮18时测量其温度。温度传感器46当排气18排出涡轮38时测量其温度。当进气空气进入空气压缩机36时，使用一组其它传感器48去测量歧管压力、空气温度、和进气空气(箭头11)的质量流。进入涡轮38的温度的检测或模型值可以被控制器50使用，如用于保护涡轮。然而，对于当前的控制系统，空气进气压缩机组件的入口和出口温度形成了如下面所述的边界条件。

质量流动传感器42产生质量流动速率信号21，温度传感器44产生温度信号19，温度传感器46产生信号23。信号19、21和23传输给控制器50，用于经过一组控制和反馈信号60调节实际的涡轮出口温度。控制器50使用信号19、21和23，也有来自如所需要的传感器48组的一组信号27，来计算用于发动机12的发动机热效率值。控制器50也使用发动机热效率值去执行一个或多个控制活动，因此将涡轮38的出口温度维持在高于校准的阈值。这个阈值应该足够超过如上面所述的校准的起燃温度，否则其用现代的稀燃发动机将很难实现。

在一个实施例中，涡轮38可以设置成涡轮增压器装置，其具有多个叶片，每个带有可变几何或如图1中箭头28所指的涡轮角度。控制器50使用信号60可以控制叶片角度，以因此引导作用于涡轮叶片上的排气18成指定角度，例如通过给移动叶片的促动器提供能量，这一点在技术上是很好理解的。在低的发动机速度时，例如叶片可以被至少部分地关闭以降低延迟。在较高发动机速度时叶片可以完全打开。涡轮38因此将排气18转换成适合驱动空气压缩机36的机械能，并帮助调节被压缩的和被提供给发动机12的空气(箭头11)的体积和速率。

控制器50可以设置成发动机控制模块或主机，其程序带有或可以使用算法100。控制器50可以设置成数字计算机，其作为车辆控制器，和/或作为比例积分微分(PID)控制器装置，该控制器装置具有微处理器或中央处理器单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可擦除只读存储器(EEPROM)、高速时钟、模数转换(A/D)和/或数模(D/A)转换电路、和任何所需要的输入/输出电路和相关的装置、以及任何所需要的信号调节和/或信号缓冲电路。可以使用标准的PID控制器，其具有以排气流量和温度、和/或速度和载荷为函数确定的收益，以便用期望的反应时间控制期望的温度。

在微粒过滤器32的再生过程中，在氧化催化剂30中的温度通过控制器50而被维持在校准的起燃温度之上。控制器50也在微粒过滤器32中维持期望的温度。这样做是为了确保在后HCI处理过程中提供的开环燃料供应的精度。排气18的校准的或期望的温度和其它值如较低的加热值(LHV)可以被储存用于由控制器50在查阅表80中参考。另外，SCR装置34的传统效率非常依赖于在氧化催化剂30和SCR装置中的温度。可以要求升温和/或温度维持模式的执行以预热SCR装置34和/或氧化催化剂30，以便获得所期望的温度用于再生微粒过滤器32。

氧化催化剂30中的期望温度可以通过限制进气空气11和通过较早的附加的碳氢化合物的后喷射进排气18中来实现。由于特定发动机组件的零件与零件的不同(也就是质量空气流量传感器42)，因此在期望的温度对实际的温度中看到不同是常见的。在部分载荷条件下，可以发生减少到低于起燃温度，其迫使较晚的后喷射或HCI过程的中断，因此延长了再生时间并减少了总燃料节约。在这种情况下SCR装置34的转换可受到限制。

因此，图1中所示的控制器50适合于执行图2的算法100，以便为围绕温度传感器46的测量的闭环系统提供解决方案。该解决方案调整流入发动机12的进气空气，和/或调整在较早的后喷射/HCI过程中使用的燃料的体积和速率，以便获得和维持期望的涡轮出口温度。如果温度传感器46位于远离涡轮出口的一相当大距离，那么来自查阅表80的信息可以用于确定排出涡轮38的排气18的期望温度。

参考图2，算法100以步骤102开始。特定的操作条件可以存在于稀燃内燃发动机中，如图1所示的发动机12，其可以导致相对低的排气温度。这可以引起一些车辆在特定车辆驱动循环过程中在校准的催化剂起燃温度之下连续运行。控制器50通过执行算法100解决这个问题，其最终导致通过控制器来调整空气质量流和/或较早的HCI速率或体积。算法100可以用于控制在车辆10中任意点处的排气温度，如在SCR装置34的入口处。

以步骤102开始，控制器50计算发动机12的热效率，如下：

$\mathrm{\ηth}=1-\frac{\left({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{gas},\mathrm{out}}\right)\left(T_{\mathrm{gas},\mathrm{out}}\right)\left({\mathrm{cp}}_{\mathrm{gas},\mathrm{out}}\right)}{\left({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{gas},\mathrm{in}}\right)\left(T_{\mathrm{gas},\mathrm{in}}\right)\left({\mathrm{cp}}_{\mathrm{gas},\mathrm{in}}\right)+\left({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{fuel}}\right)\left({\mathrm{LHV}}_{\mathrm{fuel}}\right)}$

在这个方程中，代表下标所示的流体如排气18的，分别在空气压缩机36和涡轮38的入口和出口

或燃料16的

的质量流动速率。LHV是如上面所述的燃料16的较低加热值。

在步骤104，用来自步骤102的计算的发动机热效率值(ηth)描述当前操作点，控制器50用T_{gas，out，des}，即来自涡轮38的校准的或期望的出口温度，替代用于T_gas，out的值，即涡轮出口温度。之后控制器50求出进气空气质量流量

(即进入压缩机36内的)，其现在变成期望的空气质量流量

以便获得排出涡轮38的期望的温度。其是：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{gas},\mathrm{in},\mathrm{des}}=\left[\frac{\frac{\left({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{gas},\mathrm{out}}\right)\left(T_{\mathrm{gas},\mathrm{out},\mathrm{des}}\right)\left({\mathrm{cp}}_{\mathrm{gas},\mathrm{out}}\right)}{1-\mathrm{\ηth}}-\left({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{fuel}}\right)\left({\mathrm{LHV}}_{\mathrm{fuel}}\right)}{\left(T_{\mathrm{gas},\mathrm{in}}\right)\left({\mathrm{cp}}_{\mathrm{gas},\mathrm{in}}\right)}\right]$

对空气质量设定点的期望的调整然后等于：

这种设定点此处称为所要求的调整参数。

在步骤106，控制器50也可以以完全相同的方式求出

以确定附加的较早的后喷射量的总量以获得期望的温度。

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{fuel},\mathrm{des}}=\left[\frac{\frac{\left({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{gas},\mathrm{out}}\right)\left(T_{\mathrm{gas},\mathrm{out},\mathrm{des}}\right)\left({\mathrm{cp}}_{\mathrm{gas},\mathrm{out}}\right)}{1-\mathrm{\ηth}}-\left({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{gas},\mathrm{in}}\right)\left(T_{\mathrm{gas},\mathrm{in}}\right)\left({\mathrm{cp}}_{\mathrm{gas},\mathrm{in}}\right)}{\left({\mathrm{LHV}}_{\mathrm{fuel}}\right)}\right]$

在步骤108，控制器50使用在前面步骤中计算的值执行适合的控制活动。例如，控制器50可以调整进入图1所示的空气压缩机36的空气质量流量(箭头11)，和来自相同图的喷射器43的后喷射量，以便获得出自涡轮38的期望的温度，而不使用校准的映射图。方法和/或量的确定可以事先在校准过程中确定。例如，对进入排气18的燃料16的后喷射量调整只能在对空气量的最大允许调整首先完成之后发生，或者在两者之间进行分割。

虽然用于执行本发明的最佳模式被详细描述，但是那些熟悉本发明涉及领域的技术人员将能识别用于执行本发明的各种替代设计和实施例是在所附权利要求书范围内的。

Claims (10)

1.一种车辆，包括：

内燃发动机；

排气系统，其具有适合于将燃料喷射至来自所述发动机的排气流中的一组燃料喷射器，其中所述排气系统在所述燃料被喷射进所述排气中后可操作用于选择性点燃所述燃料以因此净化所述排气；

空气压缩机，其可操作用于压缩进气空气，和用于将该压缩的进气空气传送到所述发动机；

涡轮，其适用于将来自于所述发动机的所述排气转化成用于给所述空气压缩机提供能量的机械能；

第一传感器，其适用于测量进入所述空气压缩机的所述进气空气的入口温度；

第二传感器，其适用于测量排出所述涡轮的所述排气的出口温度；

第三传感器，其测量进入所述发动机的所述压缩的进气空气的质量流动速率；和

控制器，其可操作用于以所述入口温度、所述出口温度和所述质量流动速率为函数计算发动机热效率值；

其中所述控制器使用所述发动机热效率值将所述涡轮下游的所述排气的温度维持在校准的阈值温度之上。

2.权利要求1所述的车辆，其中所述控制器使用所述发动机热效率值来计算以下至少之一：所述燃料喷射器将所述燃料喷射进入所述排气的速率中的改变、进入所述发动机的所述压缩的进气空气的所述质量流动速率中的改变。

3.权利要求1所述的车辆，其中所述控制器以所述燃料的较低加热值为函数计算所述发动机热效率值。

4.权利要求1所述的车辆，其中所述校准的阈值温度超过用于点燃所述燃料的校准的起燃温度。

5.一种用于具有内燃发动机的车辆上的控制系统，所述控制系统包括：

第一温度传感器，其适合于测量进入所述车辆的空气压缩机的进气空气的入口温度，其中所述空气压缩机在空气压缩机进气组件内由涡轮提供能量以因此产生压缩的进气空气；

第二温度传感器，其适合于测量排出所述涡轮的排气的出口温度；

质量流动传感器，其被设置为测量从所述空气压缩机进入所述发动机的所述压缩的进气空气的质量流动速率；

主机，其可操作用于以所述入口温度、所述出口温度和所述质量流动速率为函数计算发动机热效率值；

其中所述主机使用所述发动机热效率值将排出所述涡轮的所述排气的温度维持在校准的阈值温度以上。

6.权利要求5所述的控制系统，其中所述主机使用所述发动机热效率值来计算以下至少之一：所述燃料喷射器将所述燃料喷射进入所述排气的速率中的改变、从所述空气压缩机进入所述发动机的所述压缩的进气空气的所述质量流动速率中的改变。

7.权利要求5所述的控制系统，其中所述涡轮是可变几何涡轮(VGT)，并且其中所述主机部分上通过改变所述VGT的角度设定来维持所述排气的温度。

8.一种用于维持车辆中排气温度的方法，该车辆具有发动机、给空气压缩机提供能量的涡轮、和具有适合于将燃料喷射进排气流中的燃料喷射器的排气系统，其中所述排气系统可操作以通过选择性点燃在所述排气中的所述燃料用于净化所述排气，所述方法包括：

测量进入所述空气压缩机的进气空气的入口温度和排出所述涡轮的所述排气的出口温度；

测量从所述空气压缩机进入所述发动机的压缩的进气空气的质量流动速率；

使用主机以所述入口温度、所述出口温度和所述压缩空气的所述质量流动速率为函数计算发动机热效率值；和

使用所述发动机热效率值将所述涡轮的所述出口处的所述排气的温度自动维持在校准的阈值温度之上。

9.权利要求8所述的方法，其中使用所述发动机热效率值自动维持所述排气的温度包括：

计算要求的改变参数，包括在所述燃料喷射器将所述燃料喷射进入所述排气的速率中的改变和进入所述发动机的所述压缩空气的所述质量流动速率中的改变中的至少其中一个；

使用所述要求的改变参数执行控制活动以因此影响由所述要求的改变参数所指示的改变。

10.权利要求9所述的方法，其中所述主机以所述燃料的较低加热值为函数计算所述发动机热效率值。

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