CN104704219A - 限制机动车辆内燃机排气中的氧气含量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制机动车辆内燃机进气气门和排气气门打开和关闭的装置，其特征在于，配置(10，20，30)所述装置以用于根据排气中的最大可容许氧气含量来实施最大可容许空气吹扫设定值的确定。

Description

限制机动车辆内燃机排气中的氧气含量的装置

技术领域

本发明涉及机动车辆发动机操控的领域，尤其涉及用于保护催化剂抗老化的受控点火式发动机控制操纵()策略。

背景技术

直喷式增压汽油发动机在进气气门和排气气门同时打开时，即尤其在排气阶段结束及进气阶段开始时产生新鲜气体向排气管吹扫(在英语中为“scavenging”)的重要现象。该吹扫对发动机的工作，例如在涡轮悬挂(accroche turbo)、减少爆音和减少隆隆声(或根据英语术语为“rumble”)方面是有益的。然而，这导致排气中很高的氧气比例。

该高氧气浓度和在发动机负载的工作点上的催化剂的高温的结合导致催化剂老化的加速。更具体地，在高温下，排气中的氧气造成催化剂的贵金属氧化现象。

发明内容

本发明的目的是提供机动车辆发动机的控制策略，所述控制策略防止催化剂由于在具有高温的排气中过高的氧气比例而引起的老化。

该目的根据本发明通过控制机动车辆内燃机进气气门和排气气门打开和关闭的装置而达到，其特征在于，所述装置包括：配置用于确定排气管催化剂的入口处的最大可容许氧气体积浓度的模块；配置用于确定来自发动机燃烧的气体中的氧气体积浓度的模块；配置用于根据排气中的最大可容许氧气体积浓度和来自燃烧的气体中的氧气体积浓度来确定最大可容许空气吹扫质量流量的模块，并且配置所述装置以用于根据经如此确定的最大可容许空气吹扫设定值来实施发动机进气气门和排气气门打开和关闭的控制。

有利地，所述装置被配置成用于通过考虑催化剂温度和通过考虑发动机中燃烧混合物的余气系数设定值来确定在排气管催化剂入口处的最大可容许氧气体积浓度。

有利地，配置用于确定在来自燃烧的气体中的氧气体积浓度的模块通过使用映射来执行所述确定，所述映射根据发动机转速值和通过表格加权的发动机空气充填值给出氧气体积浓度，所述表格的输入为燃烧的余气系数设定值。

有利地，配置用于确定最大可容许空气吹扫质量流量的模块求解未知量为最大可容许空气吹扫质量流量值的二次方程式。

有利地，配置用于确定最大可容许空气吹扫质量流量的模块根据来自燃烧的气体的摩尔质量值、来自燃烧的气体中的氧气体积浓度和排气的最大氧气体积浓度识别所述二次方程式的系数。

有利地，所述二次方程式为以下形式：

其中：为吹扫气体的质量流量，M_cmb为来自燃烧的气体的摩尔质量，为吹扫气体中的氧气体积浓度，为排气中的最大可容许氧气体积浓度，为在来自燃烧的气体中的氧气体积浓度，M_scv为吹扫气体的摩尔质量，为来自燃烧的气体的质量流量。

有利地，吹扫气体的摩尔质量的值被选择为等于空气的摩尔质量。

有利地，所述装置包括气门致动模块，并且所述装置将打开和/或关闭的相位差应用于所述气门以便在发动机中实施最大可容许吹扫设定值。

附图说明

通过阅读以下详细描述和附图，本发明的其它特征、目的和优点将更加清楚，在附图中：

图1为示出了根据本发明优选实施例的控制气门打开和关闭的装置的功能简图。

图2示意性示出了排气、来自燃烧的气体和吹扫气体之间的流量关系。

具体实施方式

现在，将描述根据本发明优选实施例的操纵内燃机气门打开和关闭的装置。如图1上所示，这种装置包括三个逻辑模块10、20和30，逻辑模块10、20和30现在将进行描述。

排气后处理催化剂的老化在高温和氧气存在时加速。因此当催化剂过热时，需要限制进入催化剂的气体中氧气的存在。排气的余气系数，和因此燃烧的余气系数，也对催化剂的老化具有影响。

第一逻辑模块10在输入端接收燃烧的余气系数设定值φsp和催化剂温度T_cata，所述催化剂布置在机动车辆排气管路的三条途径上。

该第一模块10传送在催化剂进入时排气中的最大可容许氧气体积浓度以便保护催化剂抗老化。

为此，将该最大氧气浓度限定为排气后处理催化剂温度和燃烧的余气系数的函数。

发动机控制器因此传送最大氧气浓度值。

第二逻辑模块20在输入端接收在此标注为“Regime”的发动机转速值、在此标注为“Remplissage”的发动机空气充填值和燃烧余气系数设定值φsp，发动机空气充填值也称为空气负载。

根据这些值，该第二模块20确定由燃烧产生的气体的氧气体积浓度值和来自燃烧的气体的摩尔质量值M_cmb。

由燃烧产生的气体的氧气体积浓度以及燃烧气体的摩尔质量的估算由模块20通过以下方式进行。

来自燃烧的气体中的体积浓度通过由燃烧的余气系数设定值的表格函数加权的发动机转速和空气充填值的映射函数进行估算。

将来自燃烧的气体的摩尔质量限定为燃烧气体的余气系数的函数。

第三模块30在输入端接收值、值和M_cmb值。

第三模块30还接收燃烧气体、即燃烧室中初始封闭的气体的质量流量值燃烧气体的流量通过发动机控制来估算。根据这些值，该第三功能模块确定最大可容许空气吹扫质量流量值以便满足排气中最大可容许氧气体积浓度。

确定进气凸轮轴和排气凸轮轴的移相器位置设定值的模块40确定进气移相器的相位差设定值α_{VVT_adm_sp}和排气移相器的相位差设定值α_{VVT_ech_sp}。

因此，最大可容许空气吹扫质量流量的限制的确定在此通过三个步骤来进行，所述步骤分别为确定能够限制催化剂老化的最大氧气体积浓度，估算由燃烧产生的气体的氧气体积浓度，以及计算能够遵守排气中最大可容许氧气体积浓度的最大可容许空气吹扫质量流量。

能够遵守排气中最大可容许氧气体积浓度的最大可容许空气吹扫质量流量的计算在此通过以下方式进行。

功能模块30根据排气中最大可容许氧气体积含量和来自燃烧的气体中的氧气体积含量来确定最大可容许空气吹扫质量流量。

该确定建立在以下事实上：如图2上所示，排气为在燃烧气体和吹扫气体的排放收集器50中的混合物。在图2上，为来自燃烧的气体中的氧气体积浓度值，为吹扫气体中的氧气体积浓度值，为排气中的氧气体积浓度值，为来自燃烧的气体的质量流量值，为吹扫气体的质量流量值，为排气管路中的气体的质量流量值，为来自燃烧的气体中的氧气质量流量值，为吹扫气体中的氧气质量流量值，为排气中的氧气质量流量值。

为了确定能够遵守排气中的氧气体积浓度的吹扫流量实现了两个质量平衡：

气体的质量平衡：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{cmb}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{scv}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ech}}---\left(E1\right)$

氧气的质量平衡：

${\stackrel{\·}{m}}_{{O2}_{\mathrm{cmb}}}+{\stackrel{\·}{m}}_{{O2}_{\mathrm{scv}}}={\stackrel{\·}{m}}_{{O2}_{\mathrm{ech}}}---\left(E2\right)$

此外，通过考虑这些流量中的氧气质量浓度，能够以另一种形式写出氧气的质量平衡方程式：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{cmb}}\×{\mathrm{\τ}}_{M\_O2\_\mathrm{cmb}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{scv}}\×{\mathrm{\τ}}_{M\_O2\_\mathrm{scv}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ech}}\×{\mathrm{\τ}}_{M\_O2\_\mathrm{ech}}---(E{2}^{,})$

其中：

τ_{M_O2_cmb}：来自燃烧的气体中的氧气质量浓度

τ_{M_O2_scv}：吹扫气体中的氧气质量浓度

τ_{M_O2_ech}：排气中的氧气质量浓度

通过考虑质量浓度与体积浓度之间的关系，

${\mathrm{\τ}}_{M\_O2\_\mathrm{scv}}={\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{VO}2}_{\mathrm{scv}}}\×\frac{M_{O2}}{M_{\mathrm{scv}}}$

获得：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{cmb}}\×{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{VO}2}_{\mathrm{cmb}}}\×\frac{M_{O2}}{M_{\mathrm{cmb}}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{scv}}\×{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{VO}2}_{\mathrm{scv}}}\×\frac{M_{O2}}{M_{\mathrm{scv}}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ech}}\×{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{VO}2}_{\mathrm{ech}}}\×\frac{M_{O2}}{M_{\mathrm{ech}}}---\left({E2}^{,,}\right)$

其中：

M_O2：氧气的摩尔质量

M_cmb：来自燃烧的气体的摩尔质量

M_scv：吹扫气体的摩尔质量

M_ech：排气的摩尔质量

根据以下三个方程式确定排气的摩尔质量：

$\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{scv}}}{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ech}}}=\frac{n_{\mathrm{scv}}\×M_{\mathrm{scv}}}{n_{\mathrm{ech}}\×M_{\mathrm{ech}}}---\left(E4\right)$

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{cmb}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{scv}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ech}}---\left(E1\right)$

$\begin{array}{cc}{M}_{\mathrm{ech}}=x\×M_{\mathrm{scv}}+(1-x)\×M_{\mathrm{cmb}}& \mathrm{avec\; x}=\frac{n_{\mathrm{scv}}}{n_{\mathrm{ech}}}---\left(E5\right)\end{array}$

其中：

n_scv：为在时间间隔t内吹扫气体的摩尔数

n_ech：为在时间间隔t内排气的摩尔数

未知量为x和M_ech。通过求解，获得：

$x=\frac{M_{\mathrm{cmb}}\×{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{scv}}}{M_{\mathrm{scv}}\×{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{cmb}}+M_{\mathrm{cmb}}\×{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{scv}}}---\left(E6\right)$

$M_{\mathrm{ech}}=\frac{M_{\mathrm{cmb}}\×{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{scv}}}{M_{\mathrm{scv}}\×{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{cmb}}+M_{\mathrm{cmb}}\×{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{scv}}}\×(M_{\mathrm{scv}}-M_{\mathrm{cmb}})+M_{\mathrm{cmb}}---\left(E7\right)$

通过(E1)和(E7)简化方程(E2”)，变为：

该方程式具有以下形式：

a×x²+b×x+c＝0

其解为：

$x_1=\frac{-b+\sqrt{\mathrm{\Δ}}}{2a}$ 和 $x_2=\frac{-b-\sqrt{\mathrm{\Δ}}}{2a}$

其中：

Δ＝b²-4×a×c

仅解x₁是合理的，因为其导致正的流量。

通过以下方式获得所述问题的一些常量和数据。首先，将吹扫空气流量看作空气流量：

${\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{VO}2}_{\mathrm{scv}}}=21\%$

M_scv＝29g/mol

至于燃烧气体的流量通过发动机控制进行估算。排气中的氧气体积浓度为之前确定的设定值。燃烧气体的摩尔质量M_cmb和来自燃烧的气体中的氧气体积浓度如之前描述那样限定。

在本实施例中，参数a、b、c的确定和该二次方程式的求解在车辆发动机的控制操纵软件中实现。

该吹扫气体质量流量设定值一经限定，就被转换为凸轮轴移相器位置设定值。此类移相器也称为“Vanos”。因此，当进气气门由第一凸轮轴驱动以及排气气门由第二凸轮轴驱动时，向进气凸轮轴和排气凸轮轴施加各自的旋转相位差，以便在该装置中运用所述吹扫设定值。

在变型中，气门由电磁致动器或气动致动器致动并且向这些驱动器施加相位差，以便在发动机中实施所述吹扫设定值。

在以上描述的实施例的变型中，一个实施例在于实施可容许氧气含量极限的不同限定，例如取决于余气系数或催化剂温度以外的参数。

另一个实施例在于采用来自燃烧的气体的氧气浓度的不同限定，例如取决于以上限定的参数以外的参数。当然，也能够使用其它的二次方程式求解方法。

本发明能够在车辆寿命的大多数状况下，尤其当放置于排气管路中的催化剂不过热时也保持高比例的吹扫，这能够改善车辆的性能。本发明还能够当催化剂过热时，保护催化剂免于由于氧化而过早老化。

因此，当催化剂的温度允许时，减轻了车辆的性能/耐久性折衷的必要性。

Claims (8)

1.一种控制机动车辆内燃机的进气气门和排气气门打开和关闭的装置，其特征在于，所述装置包括：配置用于确定排气管催化剂的入口处的最大可容许氧气体积浓度的模块(10)；配置用于确定来自发动机燃烧的气体中的氧气体积浓度的模块(20)；配置用于根据排气中的最大可容许氧气体积浓度和来自燃烧的气体中的氧气体积浓度来确定最大可容许空气吹扫质量流量的模块(30)，并且配置所述装置以用于根据经如此确定的最大可容许空气吹扫设定值来实施发动机进气气门和排气气门打开和关闭的控制。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置被配置成用于通过考虑催化剂温度(T_cata)和通过考虑发动机中燃烧混合物的余气系数设定值(φ_sp)来确定(10)在排气管催化剂入口处的最大可容许氧气体积浓度

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，配置用于确定在来自燃烧的气体中的氧气体积浓度的模块(20)通过使用映射来执行所述确定，所述映射根据发动机转速值和通过表格加权的发动机空气充填值给出氧气体积浓度，所述表格的输入为燃烧的余气系数设定值(φ_sp)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，配置用于确定最大可容许空气吹扫质量流量的模块(30)求解未知量为最大可容许空气吹扫质量流量值的二次方程式。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，配置用于确定最大可容许空气吹扫质量流量的模块(30)根据来自燃烧的气体的摩尔质量值(M_cmb)、来自燃烧的气体中的氧气体积浓度和排气的最大氧气体积浓度识别所述二次方程式的系数。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述二次方程式为以下形式：

其中：

为吹扫气体的质量流量，

M_cmb为来自燃烧的气体的摩尔质量，

为吹扫气体中的氧气体积浓度，

为排气中的最大可容许氧气体积浓度，

为在来自燃烧的气体中的氧气体积浓度，

M_scv为吹扫气体的摩尔质量，

为来自燃烧的气体的质量流量。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，吹扫气体的摩尔质量(M_scv)的值被选择为等于空气的摩尔质量。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括气门致动模块(40)，并且所述装置将打开和/或关闭的相位差应用于所述气门以便在发动机中实施最大可容许吹扫设定值