CN103511081B - 用于充量流温度估计的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及充量流温度估计。用于充量流温度估计的发动机空气系统包括构造成提供第一温度信号的充量空气冷却器出口温度传感器，构造成提供第二温度信号的废气再循环出口温度传感器，和构造成接收第一温度信号和第二温度信号的控制模块。控制模块包括构造成基于第一温度信号乘以估计新鲜空气分数和第二温度信号乘以废气再循环分数的组合确定在进气歧管温度感测位置处的估计充量流温度的充量流温度估计模块。

Description

用于充量流温度估计的系统和方法
技术领域
本发明的示例性实施例涉及内燃发动机的充量流温度估计，并且更具体地，涉及使用在不同位置处的温度传感器的充量流温度估计。
背景技术
在内燃发动机的燃烧中，空气/燃料混合物通过进气门被传递到气缸并且在那里被压缩和燃烧。燃烧后，活塞迫使气缸内的废气进入废气系统。为了高效地控制内燃发动机，数个传感器通常提供反馈以控制发动机系统致动器。发动机控制模块接收输入，例如发动机速度、流速、压力和温度，这些来自数个传感器并且响应于这些输入控制提供给发动机的燃料的量以及空气进气和排气系统致动器。准确的输入改善了发动机控制模块减少排放并改善发动机的燃料经济性的能力。
发动机控制系统的复杂性通常在发动机系统设计者试图改善耐久性、功率、燃料经济性，并减少燃烧噪音同时还要符合政府执行的排放标准时增加。在额外的传感器被包含在发动机系统内时，该系统的成本和重量都增加。因此，想望的是，基于可获得的输入和系统参数消除和综合一个或多个传感器，使得控制算法能使用综合的传感器输入操作同时消除了与一个或多个物理传感器相关联的系统成本、重量、和维护要求。
发明内容
在一个本发明的示例性实施例中，用于充量流温度估计的发动机空气系统包括构造成提供第一温度信号的充量空气冷却器出口温度传感器，构造成提供第二温度信号的废气再循环出口温度传感器，和构造成接收第一温度信号和第二温度信号的控制模块。控制模块包括构造成基于第一温度信号乘以估计新鲜空气分数和第二温度信号乘以废气再循环分数的组合确定在进气歧管温度感测位置处的估计充量流温度的充量流温度估计模块。
在另一实施例中，提供了用于确定在发动机空气系统中的估计充量流温度的方法。该方法包括从充量空气冷却器出口温度传感器接收第一温度信号。该方法还包括从废气再循环出口温度传感器接收第二温度信号。该方法还包括基于第一温度信号乘以估计新鲜空气分数和第二温度信号乘以废气再循环分数的组合确定在进气歧管温度感测位置处的估计充量流温度。估计充量流温度被提供以供发动机空气系统的控制模块使用。
通过参照附图阅读下面对本发明的详细描述，会很容易理解本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点。
本申请还提供了如下方案：
方案1.一种用于充量流温度估计的发动机空气系统，包括：
充量空气冷却器出口温度传感器，其构造成提供第一温度信号；
废气再循环出口温度传感器，其构造成提供第二温度信号；以及
控制模块，其构造成接收第一温度信号和第二温度信号，控制模块包括充量流温度估计模块，其构造成基于第一温度信号乘以估计新鲜空气分数和第二温度信号乘以废气再循环分数的组合确定在进气歧管温度感测位置处的估计充量流温度。
方案2.如方案1所述的发动机空气系统，其中估计新鲜空气分数和废气再循环分数是互补值，使得估计新鲜空气分数加上废气再循环分数等于一。
方案3.如方案1所述的发动机空气系统，其中充量流温度估计模块还包括温度标定和修正模块，其构造成基于冷却剂温度修正估计充量流温度。
方案4.如方案3所述的发动机空气系统，其中估计充量流温度被修正为估计充量流温度和冷却剂温度和估计充量流温度之间的被缩放的差的和，其中被缩放的差是冷却剂温度和估计充量流温度之间的差基于以下各项中的一个或多个乘以冷却剂温度修正因数：空气质量流量、车辆速度、和风扇速度。
方案5.如方案4所述的发动机空气系统，其中空气质量流量是基于进气歧管管道系统的容积、容积效率、和发动机速度修正的空气质量流量。
方案6.如方案4所述的发动机空气系统，还包括：
基于流量的滤波器，其构造成根据估计充量质量流量对估计充量流温度滤波以平滑估计充量流温度。
方案7.如方案1所述的发动机空气系统，其中充量流温度估计模块还包括温度标定和修正模块，其构造成基于燃料/速度修正因数修正估计充量流温度。
方案8.如方案7所述的发动机空气系统，其中估计充量流温度响应于废气再循环分数高于指示废气正在发动机空气系统中循环的阈值而基于燃料/速度修正因数被修正。
方案9.如方案1所述的发动机空气系统，其中第一温度信号被修正以考虑在充量空气冷却器出口温度传感器的位置处的温度读数和进气歧管温度感测位置之间的时间延迟，并且第二温度信号被修正以考虑在废气再循环出口温度传感器的位置处的温度读数和进气歧管温度感测位置之间的时间延迟。
方案10.如方案1所述的发动机空气系统，其中充量流温度估计模块还包括：
充量质量流量模块，其构造成提供估计充量质量流量给废气再循环分数估计模块；
废气再循环分数估计模块构造成基于估计充量质量流量提供废气再循环分数给混合模块；
混合模块构造成基于废气再循环分数提供估计混合物温度给温度标定和修正模块；以及
温度标定和修正模块构造成基于估计混合物温度输出估计充量流温度。
方案11.如方案10所述的发动机空气系统，其中充量流温度估计模块还包括估计气体常数模块以基于废气再循环分数提供估计气体常数给充量质量流量模块。
方案12.一种用于确定发动机空气系统内的估计充量流温度的方法，包括：
从充量空气冷却器出口温度传感器接收第一温度信号；
从废气再循环出口温度传感器接收第二温度信号；
基于第一温度信号乘以估计新鲜空气分数和第二温度信号乘以废气再循环分数的组合确定在进气歧管温度感测位置处的估计充量流温度；以及
提供估计充量流温度以供发动机空气系统的控制模块使用。
方案13.如方案12所述的方法，还包括：
从充量质量流量模块接收估计充量质量流量；
从进气空气质量流量传感器接收空气质量流量；
从废气再循环阀接收废气再循环阀位置；以及
基于估计充量质量流量、空气质量流量、和废气再循环阀位置确定废气再循环分数。
方案14.如方案13所述的方法，其中估计新鲜空气分数和废气再循环分数是互补值，使得估计新鲜空气分数加上废气再循环分数等于一。
方案15.如方案13所述的方法，还包括：
接收发动机速度、容积效率、和发动机空气系统的进气歧管压力；以及
基于发动机速度、容积效率、进气歧管压力、和估计充量流温度的先前值确定估计充量质量流量。
方案16.如方案15所述的方法，还包括：
使用基于流量的滤波器根据估计充量质量流量对估计充量流温度滤波以平滑估计充量流温度。
方案17.如方案12所述的方法，还包括：
修正估计充量流温度为估计充量流温度和冷却剂温度和估计充量流温度之间的被缩放的差的和，其中被缩放的差是冷却剂温度和估计充量流温度之间的差基于以下各项中的一个或多个乘以冷却剂温度修正因数：空气质量流量、车辆速度、和风扇速度。
方案18.如方案17所述的方法，其中空气质量流量是基于进气歧管管道系统的容积、容积效率、和发动机速度修正的空气质量流量。
方案19.如方案12所述的方法，还包括：
响应于废气再循环分数高于指示废气正在发动机空气系统中循环的阈值而基于燃料/速度修正因数修正估计充量流温度。
方案20.如方案12所述的方法，还包括：
修正第一温度信号以考虑在充量空气冷却器出口温度传感器的位置处的温度读数和进气歧管温度感测位置之间的时间延迟；以及
修正第二温度信号以考虑在废气再循环出口温度传感器的位置处的温度读数和进气歧管温度感测位置之间的时间延迟。
附图说明
其它特征、优点和细节仅以举例方式出现在下面对实施例的详细描述中，该详细描述参考下面附图，其中：
图1是示例性发动机空气系统的示意图；
图2是图1的控制模块的充量流温度估计模块的数据流图；
图3是由图2中的混合模块确定估计混合物温度的示例性过程；以及
图4是由图2的温度标定和修正模块确定估计充量流温度的示例性过程。
具体实施方式
现在参照图1，示例性实施例设计发动机空气系统10。发动机空气系统10被构造成通过进气空气质量流量传感器104接收进气空气102以确定发动机空气系统100的进气空气质量。在一个实施例中，进气空气质量流量传感器104可以是叶片计或热丝型进气空气质量流量传感器；不过，应该理解，其它类型的传感器也可被使用。进气空气102由压缩机106压缩并加热并且此后由充量空气冷却器108冷却。充量空气冷却器108的出口处的空气温度可由构造在充量空气冷却器108和节气门112之间的充量空气冷却器出口温度传感器110确定。节气门112控制到达混合点114的空气流。进气歧管116被构造成接收来自混合点114的充量流。进气歧管温度感测位置118，在这里充量流温度将被确定，位于进气歧管116和混合点114之间。
在图1所示的示例中，进气歧管116包括进气歧管左排120和进气歧管右排122。不过，应该理解的是，进气歧管左排120和/或进气歧管右排122可在其它实施例中被省略，例如与V发动机相对的直列发动机。在燃烧后，废气从导管124流向废气歧管128。废气从废气歧管128流向可变几何形状涡轮增压器130并作为排气134从尾管出口132排出。废气还从废气歧管128流过废气再循环（EGR）阀136。EGR阀136控制废气流，该废气流被进一步划分为通过EGR冷却器旁通阀138和EGR冷却器140。被再循环的废气返回到混合点114。EGR出口温度传感器142被构造在EGR冷却器140和混合点114之间。
控制模块144包括处理器146、存储器148、和输入/输出（I/O）界面150。处理器146被构造成通过I/O界面150接收传感器输入并驱动输出。例如，处理器146能从充量空气冷却器出口温度传感器110和EGR出口温度传感器142接收温度信号，并能在处理发动机空气系统100的其它I/O之外还控制节气门112和EGR阀136。存储器148可保持可执行的指令、控制律、和供处理器146使用的数据。
在实施例中，控制模块144包括充量流温度估计模块152，其被描述为在图1的存储器148内并由处理器146执行使得充量流温度估计模块152在控制模块144内被有形地具体化。充量流温度估计模块152基于从充量空气冷却器出口温度传感器110和EGR出口温度传感器142接收的温度信号估计在进气歧管温度感测位置118处的充量流温度。估计的充量流温度消除了不然会出现在进气歧管温度感测位置118处的物理传感器。
图2是数据流简图的说明，该简图说明了可嵌入在图1的控制模块144内的各种元件以实施充量流温度估计模块152。图1的发动机空气系统100的各种实施例可包括任何数量的嵌入在充量流温度估计模块152内的子模块。如能意识到的，图2中示出的子模块可被组合或被进一步分割。向充量流温度估计模块152的输入可从图1的发动机空气系统100感测，从其它控制模块（未示出）接收，或由其它子模块或模块确定。
图2中描述的充量流温度估计模块152的实施例包括与EGR分数估计模块204通信的充量质量流量模块202。EGR分数估计模块204可提供输出给估计气体常数模块206和混合模块208。估计气体常数模块206能提供反馈给充量质量流量模块202。替换地，估计气体常数模块206可被省略。混合模块208与温度标定和修正模块210通信，其输出估计充量流温度212。估计充量流温度212被返回到充量质量流量模块202。
充量质量流量模块202能基于发动机速度、容积效率、估计充量流温度212的先前值、和来自图1的进气歧管116的进气歧管压力确定估计充量质量流量214。EGR分数估计模块204能基于来自充量质量流量模块202的估计充量质量流量214、来自图1的进气空气质量流量传感器104的空气质量流量、和图1的EGR阀136的EGR阀位置确定EGR分数216。估计气体常数模块206能基于来自EGR分数估计模块204的EGR分数216提供估计气体常数218给充量质量流量模块202。混合模块208能基于从图1的EGR出口温度传感器142和充量空气冷却器出口温度传感器110接收的温度信号以及来自EGR分数估计模块204的EGR分数216确定估计混合物温度220。温度标定和修正模块210能基于来自图1的进气空气质量流量传感器104的空气质量流量、来自混合模块208的估计混合物温度220、来自充量质量流量模块202的估计充量质量流量214、发动机冷却剂温度、车辆速度、风扇速度、发动机速度、燃料流、和来自EGR分数估计模块204的EGR分数216确定估计充量流温度212。
估计充量质量流量214可由充量质量流量模块202使用速度密度方程计算。例如，估计充量质量流量214可被计算为发动机速度、容积效率、和进气歧管温度的乘积并且进一步被除以带有合适单位转换的估计充量流温度212的先前值。EGR分数估计模块204能基于多维查询表根据来自充量质量流量模块202的估计充量质量流量214，来自图1的进气空气质量流量传感器104的空气质量流量、和图1的EGR阀136的EGR阀位置确定EGR分数216。估计气体常数模块206可基于单维查询表确定估计气体常数218。混合模块208能根据图3中描述的过程确定估计混合物温度220。温度标定和修正模块210能根据图4描述的过程确定估计充量流温度212。
参考图3，说明了实施图2的混合模块208的过程的一个示例性实施例。在描述的实施例中，混合模块208根据能量平衡方程确定估计混合物温度220为基线充量流温度估计：
T MIX =T CACO Xf AIR +T EGRO Xf EGR ，其中：
T MIX 是图2的估计混合物温度220；
T CACO 是来自图1的充量空气冷却器出口温度传感器110的温度信号；
f AIR 是到达图1的混合点114的估计新鲜空气分数，其可被估计为f EGR 的互补值，使得f AIR =1-f EGR ；
T EGRO 是来自图1的EGR出口温度传感器142的温度信号；以及
f EGR 是图2的EGR分数216。
在图3中，温度传感器增强框302和304可被包括以考虑在图1的充量空气冷却器出口温度传感器110和EGR出口温度传感器142的位置处的温度读数和到达图1的进气歧管温度感测位置118的流动之间的时间延迟。在实施例中，温度传感器增强框302和304可领先/落后传递函数来实施，这些函数可被基于一个或多个计算的传感器时间常数调节。替换地，温度传感器增强框302和304可被省略，如果能够容忍在估计充量流温度212中的减少的准确性。在图3的示例中，温度传感器增强框302从图1的充量空气冷却器出口温度传感器110接收充量空气冷却器传感器时间常数306和第一温度信号308。温度传感器增强框304从图1的EGR出口温度传感器142接收EGR传感器时间常数310和第二温度信号312。应该理解，第一温度信号308和第二温度信号312可在图1的I/O界面150处被接收并且由图1的控制模块144处理为合适的工程单位，例如摄氏度。
温度传感器增强框302和304的输出可以摄氏度为单位并且单位转换可能需要以变为绝对温度K从而连贯地执行进一步的处理。在图3的示例中，温度传感器增强框302的输出被与转换常数314求和，乘以估计新鲜空气分数318并被输出到求和框320。估计新鲜空气分数318可被计算为分数调节常数316和图2的EGR分数216之间的差。在实施例中，分数调节常数316是一。温度传感器增强框304的输出与转换常数322求和，乘以图2的EGR分数216，并输出给求和框320。如果需要进一步的单位转换以变化摄氏度，那么估计混合物温度220可被计算为求和框320的输出和转换常数324之间的差。在实施例中，转换常数314、322、和324都具有值273。替换地，转换常数324可以是负273，使得混合模块208的最终操作是和而不是差。
现在参考图4，说明了实施图2的温度标定和修正模块210的过程的一个示例性实施例。在描述的实施例中，温度标定和修正模块210基于数个调节燃料、速度、和冷却剂调节的修正确定估计充量流温度212。这些修正中的一个或多个可被省略，如果可以容忍估计充量流温度212中的减少的准确性，包括省略温度标定和修正模块210，此时估计充量流温度212被设置为图2的估计混合物温度220。
在图4中，框402是基于燃料流404和发动机速度406的二维查询表以确定燃料/速度修正因数407。诸如燃料流404和发动机速度406的参数可由图1的控制模块144基于速度和流量传感器（未描述）确定或接收。开关408可被包括以基于图2的EGR分数216确定是否输出燃料/速度修正因数407或无修正常数410。无修正常数410（例如，值1）可在图2的EGR分数216处于或低于阈值以指示基本上没有EGR被循环在图1的发动机空气系统100中是被选择为开关408的输出。相反，燃料/速度修正因数407在图2的EGR分数216高于阈值以指示废气在图1的发动机空气系统100中循环时被选择为开关408的输出。
在图4中，乘法器框412将开关408的输出与图2的估计混合物温度220相乘，将该输出传给差框414和求和框416。差框414确定在冷却剂温度418和乘法器框412的输出之间的差。冷却剂温度418可由图1的控制模块144基于冷却剂温度传感器（未描述）确定或接收。差框414的输出通过与乘以冷却剂温度修正因数419的差框414的输出相乘而被缩放并被传给求和框416以被与乘法器框412的输出相加。
冷却剂温度系数修正框420基于来自图1的进气空气质量流量传感器104的空气质量流量422、车辆速度424和风扇速度426计算冷却剂温度修正因数419。空气质量流量422可被进一步修正以基于诸如进气歧管管道系统的容积、容积效率、和发动机速度406的因素根据已知的由容积计算的速度密度方程来将传感器信号延迟解释为可变延迟。空气质量流量修正也可被应用到使用空气质量流量的其它模块，例如EGR分数估计模块204。车辆速度424和风扇速度426可由图1的控制模块144基于各种速度传感器（未描述）确定或接收。冷却剂温度系数修正框420可使用多维查询表以确定冷却剂温度修正因数419。
求和框416的输出可由基于流量的滤波器428被进一步平滑化，基于流量的滤波器428根据图2的估计充量质量流量214计算估计充量流温度212。基于流量的滤波器428可被实施为落后滤波器以平滑估计充量流温度212中的过渡。所得到的估计充量流温度212代表对在进气歧管温度感测位置118处的温度的估计，这使得物理温度传感器被从进气歧管温度感测位置118移除。估计充量流温度212被提供以供图1的控制模块144的其它模块或控制逻辑所用。由充量流温度估计模块152确定的额外值也可由图1的控制模块144中的其它模块或控制逻辑获得。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种修改并且等同方式可用来替换本发明中的元件。而且，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多改进以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，并不意图将本发明限定为所公开的特定的实施例，而本意是本发明将包括所有落入本申请的范围内的实施例。

Claims (20)

1.一种用于充量流温度估计的发动机空气系统，包括：
充量空气冷却器出口温度传感器，其构造成提供第一温度信号；
废气再循环出口温度传感器，其构造成提供第二温度信号；以及
控制模块，其构造成接收第一温度信号和第二温度信号，控制模块包括充量流温度估计模块，其构造成基于第一温度信号乘以估计新鲜空气分数和第二温度信号乘以废气再循环分数的组合确定在进气歧管温度感测位置处的估计充量流温度。
2.如权利要求1所述的发动机空气系统，其中估计新鲜空气分数和废气再循环分数是互补值，使得估计新鲜空气分数加上废气再循环分数等于一。
3.如权利要求1所述的发动机空气系统，其中充量流温度估计模块还包括温度标定和修正模块，其构造成基于冷却剂温度修正估计充量流温度。
4.如权利要求3所述的发动机空气系统，其中估计充量流温度被修正为估计充量流温度和冷却剂温度和估计充量流温度之间的被缩放的差的和，其中被缩放的差是冷却剂温度和估计充量流温度之间的差基于以下各项中的一个或多个乘以冷却剂温度修正因数：空气质量流量、车辆速度、和风扇速度。
5.如权利要求4所述的发动机空气系统，其中空气质量流量是基于进气歧管管道系统的容积、容积效率、和发动机速度修正的空气质量流量。
6.如权利要求4所述的发动机空气系统，还包括：
基于流量的滤波器，其构造成根据估计充量质量流量对估计充量流温度滤波以平滑估计充量流温度。
7.如权利要求1所述的发动机空气系统，其中充量流温度估计模块还包括温度标定和修正模块，其构造成基于燃料/速度修正因数修正估计充量流温度。
8.如权利要求7所述的发动机空气系统，其中估计充量流温度响应于废气再循环分数高于指示废气正在发动机空气系统中循环的阈值而基于燃料/速度修正因数被修正。
9.如权利要求1所述的发动机空气系统，其中第一温度信号被修正以考虑在充量空气冷却器出口温度传感器的位置处的温度读数和进气歧管温度感测位置之间的时间延迟，并且第二温度信号被修正以考虑在废气再循环出口温度传感器的位置处的温度读数和进气歧管温度感测位置之间的时间延迟。
10.如权利要求1所述的发动机空气系统，其中充量流温度估计模块还包括：
充量质量流量模块，其构造成提供估计充量质量流量给废气再循环分数估计模块；
废气再循环分数估计模块构造成基于估计充量质量流量提供废气再循环分数给混合模块；
混合模块构造成基于废气再循环分数提供估计混合物温度给温度标定和修正模块；以及
温度标定和修正模块构造成基于估计混合物温度输出估计充量流温度。
11.如权利要求10所述的发动机空气系统，其中充量流温度估计模块还包括估计气体常数模块以基于废气再循环分数提供估计气体常数给充量质量流量模块。
12.一种用于确定发动机空气系统内的估计充量流温度的方法，包括：
从充量空气冷却器出口温度传感器接收第一温度信号；
从废气再循环出口温度传感器接收第二温度信号；
基于第一温度信号乘以估计新鲜空气分数和第二温度信号乘以废气再循环分数的组合确定在进气歧管温度感测位置处的估计充量流温度；以及
提供估计充量流温度以供发动机空气系统的控制模块使用。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：
从充量质量流量模块接收估计充量质量流量；
从进气空气质量流量传感器接收空气质量流量；
从废气再循环阀接收废气再循环阀位置；以及
基于估计充量质量流量、空气质量流量、和废气再循环阀位置确定废气再循环分数。
14.如权利要求13所述的方法，其中估计新鲜空气分数和废气再循环分数是互补值，使得估计新鲜空气分数加上废气再循环分数等于一。
15.如权利要求13所述的方法，还包括：
接收发动机速度、容积效率、和发动机空气系统的进气歧管压力；以及
基于发动机速度、容积效率、进气歧管压力、和估计充量流温度的先前值确定估计充量质量流量。
16.如权利要求15所述的方法，还包括：
使用基于流量的滤波器根据估计充量质量流量对估计充量流温度滤波以平滑估计充量流温度。
17.如权利要求12所述的方法，还包括：
修正估计充量流温度为估计充量流温度和冷却剂温度和估计充量流温度之间的被缩放的差的和，其中被缩放的差是冷却剂温度和估计充量流温度之间的差基于以下各项中的一个或多个乘以冷却剂温度修正因数：空气质量流量、车辆速度、和风扇速度。
18.如权利要求17所述的方法，其中空气质量流量是基于进气歧管管道系统的容积、容积效率、和发动机速度修正的空气质量流量。
19.如权利要求12所述的方法，还包括：
响应于废气再循环分数高于指示废气正在发动机空气系统中循环的阈值而基于燃料/速度修正因数修正估计充量流温度。
20.如权利要求12所述的方法，还包括：
修正第一温度信号以考虑在充量空气冷却器出口温度传感器的位置处的温度读数和进气歧管温度感测位置之间的时间延迟；以及
修正第二温度信号以考虑在废气再循环出口温度传感器的位置处的温度读数和进气歧管温度感测位置之间的时间延迟。
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