CN105324566A - 用于带有直流扫气的对置活塞发动机的空气处理控制 - Google Patents

Abstract

在直流扫气式二冲程循环对置活塞发动机的空气处理系统中，感测一个或多个发动机运转状态参数，响应于所感测的参数基于在发动机运转循环的最后气口关闭时发动机的汽缸内的捕集条件来确定空气处理参数的数值，估计这些数值并且响应于该估计来调整一个或多个数值。经调节的数值被用于控制空气处理系统中的增压空气流量和EGR流量。

Description

用于带有直流扫气的对置活塞发动机的空气处理控制

相关申请

本申请包含与如下共同转让的申请有关的主题：公布为US2011/0289916的美国申请13/068,679；公布为WO2013/126347的PCT申请US2013/026737；和公布为US2013/0174548的美国申请13/782,802。

技术领域

本领域是二冲程循环内燃发动机。具体地，本领域涉及带有空气处理系统的直流扫气式对置活塞发动机，其中空气处理系统为燃烧提供加压的增压空气并且处理燃烧的产物。在一些方面，此类空气处理系统为了降低燃烧温度而再循环排气并且将排气与加压的增压空气混合。

背景技术

二冲程循环发动机是通过曲轴的单一完整旋转和连接到曲轴的活塞的两个冲程来完成功率循环的内燃发动机。二冲程循环发动机的一个示例是其中两个活塞被对置设置在汽缸的缸孔(bore)中以便在相反方向上往复运动的对置活塞发动机。汽缸具有纵向间隔开的入口和排气口，所述入口和排气口位于汽缸的相应两端附近。对置活塞中的每一个控制其中一个气口，当该活塞移动到下止点(BC)位置时打开对应气口，而当该活塞从BC向上止点(TC)位置移动时关闭对应气口。其中一个气口为燃烧产物提供离开缸孔的通道，另一个气口用于允许增压空气进入缸孔；它们分别被称为“排气”口和“进气”口。在直流扫气式对置活塞发动机中，增压空气通过其进气口进入气缸并且排气流出其排气口，因此气体在单一方向(“单向流”)上从进气口到排气口流过气缸。

在图1中，直流扫气式二冲程循环内燃发动机被体现为具有至少一个气道式汽缸50的对置活塞发动机49。例如，该发动机可以具有一个气道式汽缸、两个气道式汽缸、三个气道式汽缸或四个或更多个气道式汽缸。每个气道式汽缸50具有缸孔52和在气缸壁的相应两端形成或机加工的纵向间隔开的排气口54和进气口56。排气口54和进气口56中的每一个包括一个或多个周向的开口阵列，其中相邻的开口被实体桥(solidbridge)分隔开。在一些描述中，每个开口被称为“气口”；然而，此类“气口”的周向阵列的构造不同于图1所示的气口构造。在所示示例中，发动机49还包括两个曲轴71和72。排气活塞60和进气活塞62被可滑动地设置在缸孔52内，其中两个活塞的端表面61和63彼此相对。排气活塞60被耦接到曲轴71，而进气活塞被耦接到曲轴72。

当活塞60和62接近TC时，燃烧室被限定在缸孔52内活塞的端表面61和63之间。燃料通过至少一个燃料喷射器喷嘴100被直接喷射到燃烧室内，所述喷嘴被定位在穿过汽缸50的侧壁的开口中。燃料与被允许通过进气口56进入缸孔的增压空气混合。当空燃混合物在端表面之间被压缩时，其达到导致燃烧的温度。

进一步参照图1，发动机49包括空气处理系统51，该空气处理系统管理提供到发动机49的增压空气和由发动机49产生的排气的输送。代表性的空气处理系统构造包括增压空气子系统和排气子系统。在空气处理系统51中，增压空气子系统包括：接收新鲜空气并将其处理成增压空气的增压源；耦接到增压空气源的增压空气通道，增压空气通过该通道被输送到发动机的至少一个进气口；以及在增压空气通道中的至少一个空气冷却器，其被耦接以在增压空气被传递到发动机的一个或多个进气口之前接收并冷却增压空气(或包括增压空气的气体混合物)。此类冷却器可以包含气-液(air-to-liquid)装置和/或气-气(air-to-air)装置或其他冷却装置。排气子系统包括排气通道，所述排气通道输送来自发动机的排气口的排气产物，以便传递到其他排气组件。

进一步参照图1，空气处理系统51包括涡轮增压器120，该涡轮增压器120具有在公共轴123上旋转的涡轮121和压缩机122。涡轮121被耦接到排气子系统，并且压缩机122被耦接到增压空气子系统。涡轮增压器120从排气中汲取能量，所述排气从排气口54排出并且从排气口54直接流入排气通道124内或从排气歧管125流入排气通道124内，其中排气歧管125收集通过排气口54输出的排气。就此而言，涡轮121被经过它的排气旋转。这使压缩机122旋转，促使压缩机通过压缩新鲜空气产生增压空气。增压空气子系统包括机械增压器110。由压缩机122输出的增压空气流经增压空气通道126到冷却器127，由此增压空气被机械增压器110泵送到进气口。由机械增压器110压缩的增压空气可以通过冷却器129输出到进气歧管130。经由进气歧管130，进气口56接收由机械增压器110泵送的增压空气。优选地，在多汽缸对置活塞发动机中，进气歧管130由与所有汽缸50的进气口56连通的进气集气室(plenum)组成。

在一些方面，通过使排气再循环通过发动机的气道式汽缸可以构造图1中示出的空气处理系统，以减少由燃烧产生的NOx排放物。再循环的排气与增压空气混合以降低峰值燃烧温度，这降低了NOx的产生。该过程被称为排气再循环(“EGR”)。示出的EGR构造获得在扫气期间从气口54流过的一部分排气流并且将这部分排气经由汽缸外部的EGR回路输送进入增压空气子系统中的新鲜进气的进入流中。优选地，EGR回路包括EGR通道131。在阀门138(该阀门也可以被称为“EGR阀门”)的控制下，再循环的排气流经EGR通道131。

在许多二冲程发动机中，基于与传递到发动机的增压空气量有关的各种测量值，燃烧和EGR操作被监控并且被优化。例如，传递到汽缸的增压空气的质量与汽缸内的化学计量燃烧所需的增压空气的参考质量的比率(“拉姆达(lambda)”)被用于在一系列发动机工况内控制NOx排放。然而，在带有单向流扫气的二冲程循环对置活塞发动机内，气口打开时间重叠达每个循环的一部分，并且通过汽缸的进气口传递到汽缸的一些增压空气在排气口被关闭之前流出汽缸。在扫气期间流出排气口的增压空气不可用于燃烧。因此，基于传递到带有单向流扫气的对置活塞发动机中的汽缸的进气口的增压空气的拉姆达值(“传递的拉姆达”)超出了实际可用于燃烧的增压空气量。

因此，需要改善直流扫气式对置活塞发动机中的空气处理控制的准确度。

发明内容

在带有单向流扫气的双冲程循环对置活塞发动机中，基于由最后一个要关闭的气口在汽缸中捕集的增压空气来估计或计算拉姆达。就此而言，最后一个要关闭的气口可以是进气口或排气口。相对地，由最后一个要关闭的气口(在下文中被称为“最后气口关闭”或“LPC”)在汽缸中捕集的增压空气的质量与汽缸中的化学计量燃烧所需要的增压空气的参考质量的比率被称为“捕集拉姆达”。因为捕集增压空气可用于燃烧，所以捕集拉姆达值提供比传递拉姆达值更准确的发动机燃烧可能性和排放可能性的表示。

在一些方面，带有单向流扫气的二冲程循环对置活塞发动机中的燃烧操作和EGR操作被监控并且基于当前发动机操作状态期间在LPC时的捕集条件被控制。

在一些方面，带有单向流扫气的二冲程循环对置活塞发动机的空气处理系统的控制基于由最后气口关闭在汽缸内捕集的增压空气。

一种用于控制直流扫气式二冲程循环对置活塞发动机的空气处理系统的方法包括：感测一个或多个发动机操作状态变量；响应于该感测步骤，基于在LPC时的捕集条件确定空气处理参数的数值；估计所述数值；以及响应于该估计步骤调节一个或多个所述数值。在一些方面，空气处理参数包括捕集拉姆达(trappedlambda)。

在一些附加的方面，空气处理参数还包括捕集燃烧气体分数(trappedburnedgasfraction)，所述捕集燃烧气体分数被定义为由于燃烧而生成的气体的质量与燃烧之后扫气开始之前在汽缸中捕集的总质量的比率。

一种用于控制直流扫气式二冲程循环对置活塞发动机的空气处理系统的方法包括：感测一个或多个发动机操作状态变量；响应于该感测步骤，基于在LPC时发动机的汽缸内的捕集条件确定空气处理参数的数值；估计所述数值；以及响应于该估计步骤，调节空气处理系统装置的操作。在一些方面，空气处理参数包括捕集拉姆达。在一些其他方面，空气处理参数进一步包括捕集燃烧气体分数。

附图说明

图1是装配有带有EGR的空气处理系统的对置活塞发动机的简图，并且被适当地标记为“现有技术”。

图2是说明用于对置活塞发动机中的空气处理系统的调整的控制机械化的示意图。

图3是示出用于在发动机操作期间确定空气处理控制参数的数值的回路的控制流程图。

图4是示出用于估计和调节空气处理控制参数的数值的过程的控制流程图。

图5是示出实施图4的估计和调节过程的控制机械化的示意图。

具体实施方式

期望的是控制增压空气经过带有单向流扫气的二冲程循环对置活塞发动机的增压空气通道的流动，以便响应于发动机的运行状态的变化来保持燃烧和排放的最佳控制。使用图1的发动机作为基础，图2基于有利于控制根据本说明书的空气处理系统的修改和添加示出了用于这种对置活塞发动机的控制机械化。

用于带有单向流扫气的二冲程循环对置活塞发动机的特定EGR回路构造的一个示例是图2所示的高压配置(其不是为了限制)。就此而言，高压EGR回路将从涡轮121的输入端上游的源获得的排气循环到压缩机122的输出端下游的混合点。在该EGR回路中，EGR通道131和EGR阀门138将来自排气通道124的一部分排气分流到增压空气通道126中，该部分排气在增压空气通道126中与由压缩机122输出的压缩的新鲜空气混合。响应于EGR控制信号，阀门138的操作被致动器141控制。如果不需要排气/空气混合，则阀门138完全关闭并且没有排气成分的增压空气被传递至汽缸。随着阀门138逐渐地打开，增加的排气量被混合到增压空气内。相反，从打开状态，随着阀门138逐渐地关闭，减少的排气量被混合到增压空气内。该回路使再循环的排气受到两个冷却器127和129的冷却作用。如果应获得较少的冷却，则该排气部分可以绕过冷却器127被分流到机械增压器110的输入端；这种替代方案使得该排气部分只受到增压空气冷却器129冷却。仅冷却排气的专用EGR冷却器可以被合并到EGR通道131内，与阀门138串联，或者与阀门138的输出气口和机械增压器110的输入端串联。

根据图2，在大多方面，机械增压器110被驱动机构111耦接到曲轴以便由其驱动。驱动机构111可以包含逐级变速装置或连续可变变速(CVT)装置，在这些情况下，可以响应于提供到驱动机构的速度控制信号通过改变机械增压器110的速度来改变增压空气流量。可替换地，驱动机构111可以是固定齿轮装置，在这种情况下，机械增压器110被以固定速度连续地驱动。在这种情况下，可以借助于将机械增压器110的输出端耦接到其输入端的分流通道112来改变增压空气流量。在分流通道112中提供旁通阀门139允许通过调制机械增压器出口下游的增压空气压力来改变增压空气流量。在一些方面，响应于分流控制信号，阀门139由致动器140操作。

如图2所示，操作带有单向流扫气的二冲程循环对置活塞发动机的空气处理系统的控制机械化包括ECU149。优选地，ECU149被构造为响应于特定的发动机工况，通过自动地操作阀门138和139(以及可能其他阀门)、机械增压器110(如果使用多级速度装置或可变速度装置)和涡轮增压器(如果使用可变几何结构装置)，来控制增压空气流量和与加压的增压空气混合的排气量。当然，阀门和用于EGR的相关元件的操作可以包括电气致动操作、气动致动操作、机械致动操作和液压致动操作中的任意一个或多个。为了快速、精确的自动操作，优选的是，阀门是带有连续可变设置值的高速、计算机控制的装置。每个阀门具有其打开(至由ECU149控制的某一设定值)以允许气体流经它的一个状态和其关闭以阻止气体流经它的一个状态。

用于控制带有单向流扫气的二冲程循环对置活塞发动机(此后称为“发动机”)的空气处理系统的方法使用各种参数来计算或估计由汽缸的最后气口关闭在发动机的汽缸内捕集的燃烧元素的量级和比率。就此而言，所述“燃烧元素”包括燃烧成分和燃烧产物的其中之一或两者。为了更好地理解这些方法，参照根据图2的空气处理控制机械化的各种元素，我们提供用于代表这些元素的若干空气处理参数的解释。除非有特定说明之外，在下面解释中的所有空气处理参数具有国际标准单位。

空气处理参数

W_air＝新鲜空气的质量流速(单位为kg/s)

W_egr＝EGR气体的质量流速(单位为kg/s)

W_sc＝传递至汽缸的增压空气的质量流速(单位为kg/s)

W_f＝命令的发动机燃料喷射速率(单位为kg/s)

M_res＝汽缸内残留物的质量(单位为kg)

M_tr＝在LPC时捕集的汽缸气体的质量(单位为kg)

M_ret＝汽缸内剩余的传递的增压空气的质量(单位为kg)

M_del＝传递至汽缸的增压空气的质量(单位为kg)

m_{O2_air}＝新鲜空气中O₂的质量分数

m_{O2_egr}＝EGR中O₂的质量分数

m_{O2_res}＝汽缸残留物中O₂的质量分数

m_{O2_im}＝进气歧管中O₂的质量分数

T_{comp_out}＝压缩机输出温度(单位为K)

T_egr＝冷却器之后的EGR温度(单位为K)

T_tr＝在LPC时的缸内捕集的增压空气的温度(单位为K)

[O₂]_im＝进气歧管中O₂的体积百分比浓度

[O₂]_egr＝排气中O₂的体积百分比浓度

[O₂]_air＝新鲜空气中O₂的体积百分比浓度

γ＝比热比

N＝汽缸数量

V_d＝每个汽缸的位移容积(单位为m³)

V_tr＝每个汽缸在LPC时的位移容积(单位为m³)

R＝空气的气体常数(单位为J/Kg/K)

R_O2＝氧气的气体常数(单位为J/Kg/K)

AFR_s＝柴油的化学计量空燃比

AFR_g＝全局空燃比(新鲜空气与燃料的比率)

P_exh＝排气压力

P_im＝进气歧管压力

P_rail＝燃料轨压力

Inj_time＝喷射正时

在稳态条件下，增压空气质量流速(W_sc)可以计算如下：

W_sc＝W_air+W_egr方程1

如果发动机不装配EGR，则增压空气质量流速如下所示：

W_sc＝W_air方程2

多种方法可以应用于发动机，以确定增压空气质量流速、空气质量流速和EGR质量流速。

空气质量流量测量/估计

测量新鲜空气质量流速的一种简单可行的方案是使用热丝质量流量传感器202。在这种情况下，该传感器202实时地直接输出新鲜空气质量流速。这种方法虽然相当简单，但是相对昂贵。

通过消除传感器202可以降低成本和复杂性。作为替代，可以基于如由发动机输出NOx(或O₂)传感器203测量的排气空燃比来计算、估计或推测新鲜空气质量流速。

$W_{air}={\mathrm{\λ}}_{exh}*{\left(\frac{A}{F}\right)}_s*W_f$ 方程3

(A/F)_s是已知的燃料特性。ECU149可以假设燃料流速是命令的燃料喷射速率。

估计新鲜空气质量流的另一种方法是如下所示：

W_air＝W_sc-W_egr方程4

在此，该假设是存在可用于增压空气质量流速(下面的方程8或方程10)和EGR质量流速(下面的方程5或方程6)的良好测量值/估计值。

EGR质量流量测量/估计

测量EGR流速的一种方法是在EGR管道131内的排气与管道126内的新鲜空气混合之前将文氏管设置在EGR管道131内且在阀门138下游。在该情况下，可以通过文氏管两端的压力降以及上游压力和温度来确定EGR流速。将需要一些校准来确定排放系数并且适应随着负载和速度变化的压力脉动。

$W_{EGR}=c_d*\sqrt{\frac{P_{comp\_out}}{R*T_{egr}}}*\sqrt{({\mathrm{\ΔP}}_{venturt}+c_1)}$ 方程5

计算发动机内的EGR流速的另一种方法是测量进气歧管130和排气中的氧气。发动机输出氧气测量值可以很容易从NOx传感器203获得。也可以通过在排气流128中安装宽带O₂传感器来测量发动机输出氧气测量值。可以使用宽带O₂传感器205以类似的方式测量进气歧管氧气。

进气歧管O₂传感器205将必须被补偿进气歧管压力。一旦已经获得进气和排气O₂浓度，则EGR气体的质量流速可以计算如下：

$W_{egr}=W_{air}\frac{T_{comp\_out}}{T_{egr}}\left(\frac{{\[O_2\]}_{im}-\[O_2\]exh}{{\[O_2\]}_{air}-{\[O_2\]}_{im}}\right)$ 方程6

方程6基于如下假设：EGR与新鲜空气混合的过程是绝热和等压的(在这种情况下为压缩机122的出口压力)并且EGR和新鲜空气的气体特性是相同的。空气中的O₂的浓度是已知量，其随着大气压力和相对湿度而变化，并且因此可以从方程7中所示的映射中获得。

EGR温度可以被假设为与由温度传感器210测量的涡轮入口处的排气的温度相同。EGR温度也可以从温度传感器(未示出)获得，该温度传感器可以被安装在EGR管路中位于EGR阀门138之前或之后。

[O₂]_air＝f(P_atm，Hum_rel)方程7

增压气体质量流速估计

一旦EGR气体的质量流速和新鲜空气的质量流速已经被确定，则根据发动机架构，可以基于方程1或方程2来确定增压空气的质量流速。

可替换地，通过基于方程8中所示的关系将发动机的汽缸建模为孔口(orifice)，也可以在数学上确定增压空气的质量流速。

$W_{sc}=C_d{A}_{eff}\frac{P_{im}}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_{im}}}\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}({\left(\frac{P_{exh}}{P_{im}}\right)}^{\frac{2}{\mathrm{\γ}}}-{\left(\frac{P_{exh}}{P_{im}}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{\γ}}})}$ 方程8

使用由发动机速度(RPM)、排气压力(P_exh)和进气歧管压力(P_im)编索引的查询表(LUT)，可以针对发动机的不同速度和发动机两端的压力比按以下方程校准C_d(排放系数)。

C_d＝LUT(RPM，P_exh，P_im)方程9

可以基于气口的数量以及进气口和排气口的气口正时来计算有效孔口面积(A_eff)。

可以直接从差分进气歧管压力传感器207中读出进气歧管压力。如果传感器207被布置在机械增压器110之后，则通过从机械增压器110的出口压力减去增压冷却器129之上的估计压力降可以计算进气歧管压力。

可以直接从布置在排气歧管125内的压力传感器209读取排气歧管压力。在一些情况下，可能不能将压力传感器209直接安装在排气歧管内。在这些情况下，可以使用来自涡轮入口压力传感器210的读数取代方程8中的排气歧管压力。

估计增压空气质量流速的另一种方法基于机械增压器110两端的压力比、机械增压器速度和机械增压器效率。

W_sc＝f(sc_speed，PR_sc)方程10

如果通过连续可变的驱动器111驱动机械增压器110，则机械增压器速度(sc_speed)可以使用速度传感器来测量。通过进气歧管压力除以机械增压器入口压力可以计算机械增压器压缩比(PR_sc)。机械增压器入口压力可以通过从在压缩机出口处测量的压力减去增压冷却器127两端的估计压力降来计算。可替换地，压力传感器211可以被布置在增压冷却器127之后，以直接报告机械增压器入口压力。在该情况下，可以通过将增压冷却器127两端的估计压力降加上机械增压器入口压力测量值来计算压缩机出口压力。

可以从将增压空气流速与压力降关联的查询表中估计增压冷却器127两端的压力降。可替换地，可以使用微分压力传感器直接测量增压空气冷却器127两端的压力降。

传递比估计

在通过任意上述方法确定增压空气质量流速之后，可以确定传递比(Λ)。方程11中示出了本发明公开的传递比定义。

$\mathrm{\Λ}=\frac{W_{sc}{\mathrm{RT}}_{im}60}{P_i{V}_{d}RPM}\frac{1}{N}$ 方程11

扫气效率估计

接下来，计算扫气效率。为了空气处理系统控制方法的目的，扫气效率被定义如下。

${\mathrm{\η}}_{sc}=\frac{M_{ret}}{M_{tr}}$ 方程12

可以从将传递比和发动机速度与扫气效率关联的经验模型计算扫气效率。该经验模型可以从在映射过程中从发动机收集的扫气数据开发出来。

η_sc＝f(RPM，Λ^*)方程13

通过所计算的扫气效率，空气处理系统控制方法确定发动机捕集效率，其被限定如下。

${\mathrm{\η}}_{tr}=\frac{M_{ret}}{M_{del}}$ 方程14

结合方程12和方程14得到：

${\mathrm{\η}}_{tr}={\mathrm{\η}}_{sc}\frac{M_{tr}}{M_{del}}$ 方程15

可以基于如下的双区域非等温模型计算在汽缸内捕集的气体的质量的测度。

$M_{tr}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{del}{\mathrm{\ρ}}_{res}}{({\mathrm{\ρ}}_{del}-{\mathrm{\η}}_{sc}({\mathrm{\ρ}}_{del}-{\mathrm{\ρ}}_{res}\left)\right)}{V}_{tr}$ 方程16

其中ρ_del是在最后气口关闭时传递的增压空气的密度，并且ρ_res是在最后气口关闭时汽缸内残留气体的密度。它们可以按以下方程计算：

${\mathrm{\ρ}}_{del}=\frac{P_{im}}{{\mathrm{RT}}_{im}}$ 方程17

${\mathrm{\ρ}}_{res}\frac{P_{im}}{{\mathrm{RT}}_{res}}$ 方程18a

$T_{res}=T_{exh}+\frac{(1-{\mathrm{\η}}_{tr})}{{\mathrm{\η}}_{tr}}(T_{exh}-T_{del})$ 方程18b

排气温度可以从传感器210获得。排气温度也可以通过在排气歧管125中布置温度传感器而直接获得。另外，如果提供传感器来测量缸内压力，则在最后气口关闭时测量的缸内压力(P_LPC)可以取代方程17和方程18a中的P_im。

每次循环中传递至一个汽缸的空气质量可以从增压气体质量流速和发动机速度计算如下。

$M_{del}=\frac{W_{sc}60}{RPM}\frac{1}{N}$ 方程19

通过带入方程15中的M_tr和M_del的数值，捕集效率可以如方程17所示来计算。

${\mathrm{\η}}_{tr}={\mathrm{\η}}_{sc}N\frac{{\mathrm{\ρ}}_{del}{\mathrm{\ρ}}_{res}{V}_d}{({\mathrm{\ρ}}_{del}-{\mathrm{\η}}_{sc}({\mathrm{\ρ}}_{del}-{\mathrm{\ρ}}_{res}\left)\right)}\frac{RPM}{W_{sc}60}$ 方程20

捕集拉姆达估计

捕集拉姆达的确定开始于汽缸内的捕集氧气质量的计算。方程21给出了汽缸内的捕集氧气质量。

$M_{O_{2\_}tr}={\mathrm{\η}}_{tr}(M_{O_{2\_}air}+M_{O_{2\_}egr})+M_{O_{2\_}res}$ 方程21

其中M_{O2_air}是传递至汽缸的新鲜空气中的氧气的质量(方程22)并且可以按以下方程计算。

$M_{O_{2\_}arr}=\frac{{\[O_2\]}_{air}{W}_{air}{\mathrm{\ρ}}_{O_{2\_}air}60}{{\mathrm{\ρ}}_{air}RPM}\frac{1}{N}$ 方程22

${\mathrm{\ρ}}_{air}=\frac{P_{comp\_out}}{{\mathrm{RT}}_{comp\_out}}$ 方程23

${\mathrm{\ρ}}_{O_{2\_}air}=\frac{P_{comp\_out}}{R_{O_2}{T}_{comp\_out}}$ 方程24

M_{O2_egr}是传递至汽缸的EGR中的氧气的质量并且可以基于方程25来计算。

$M_{O_{2\_}egr}=\frac{{\[O_2\]}_{exh}{W}_{egr}{\mathrm{\ρ}}_{O_{2\_}egr}60}{{\mathrm{\ρ}}_{egr}RPM}\frac{1}{N}$ 方程25

${\mathrm{\ρ}}_{egr}=\frac{P_{exh}}{{\mathrm{RT}}_{egr}}$ 方程26

${\mathrm{\ρ}}_{O_{2\_}egr}=\frac{P_{egr}}{R_{O_2}{T}_{egr}}$ 方程27

使用EGR分数χ＝(EGR/(EGR+增压空气))，传递的EGR中的氧气的质量也可以基于燃烧化学计量比计算如下：

$M_{O_{2\_egr}}=\frac{\mathrm{\χ}}{1+\mathrm{\χ}}(M_{O_{2\_air}}-\frac{W_{f}60}{RPM}\frac{1}{N}{\left(\frac{O_2}{F}\right)}_S)$ 方程28

M_{O2_res}是在扫气过程完成之后留在汽缸内的残留气体中的氧气的质量。如方程25所示，这可以基于扫气效率、从先前循环捕集的氧气的质量和燃料喷射量的知识来计算。

$M_{O_{2\_}res}=(1-{\mathrm{\η}}_{sc})({\[M_{O_{2\_}tr}\]}_{prev\_cycle}-\frac{W_{f}60}{RPM}\frac{1}{N}{\left(\frac{O_2}{F}\right)}_S)$ 方程29

如果发动机装配有进气歧管氧传感器，则捕集氧气也可以如方程30所示来计算。

$M_{O_{2\_}tr}={\mathrm{\η}}_{tr}{M}_{O_2\_im}+M_{O_{2\_}res}$ 方程30

其中M_{O2_sc}是进气歧管中传递的氧气的总质量并且可以被计算如下：

$M_{O_{2\_}im}=\frac{{\[O_2\]}_{im}{W}_{sc}{\mathrm{\ρ}}_{O_{2\_}im}60}{{\mathrm{\ρ}}_{im}RPM}\frac{1}{N}$ 方程31

${\mathrm{\ρ}}_{egr}=\frac{P_{im}}{{\mathrm{RT}}_{im}}$ 方程32

${\mathrm{\ρ}}_{O_{2\_}egr}=\frac{P_{im}}{R_{O_2}{T}_{im}}$ 方程33

最后，捕集拉姆达可以如方程34所示来计算。

${\mathrm{\λ}}_{tr}=\left(\frac{N}{W_f}\frac{M_{O_{2\_}tr}RPM}{60}\right)/{\left(\frac{O_2}{F}\right)}_s$ 方程34

捕集燃烧气体分数

缸内捕集的燃烧气体的总质量将随着发动机的扫气效率和捕集效率的变化而改变。为此，参数“燃烧气体(burnedgases)”被定义为由于燃烧而生成的气体(即CO₂和H₂O)。因此，燃烧气体分数为1表明化学计量的燃烧，这意味着空气中的所有氧气已经被用尽以将燃料(C_xH_y)转化为CO₂和H₂O。

通过将外部EGR供应给发动机，捕集燃烧气体分数可以被计算如下：

${\mathrm{BF}}_{tr}=\frac{M_{res}{\mathrm{BG}}_{res}+{\mathrm{\η}}_{tr}{M}_{egr}{\mathrm{BG}}_{exh}}{M_{tr}}$ 方程35

其中M_egr是通过进气口传递的EGR的质量，如在方程36中所示。

$M_{EGR}=\frac{W_{egr}60}{RPM}\frac{1}{N}$ 方程36

排气中燃烧气体质量分数(BF_exh)可以基于燃烧化学计量比来计算。

${\mathrm{BG}}_{exh}=\frac{({\mathrm{AFR}}_s+1)}{({\mathrm{AFR}}_g+1)}$ 方程37

AFR_s是柴油燃料的已知量。AFR_g可以通过新鲜空气质量流速除以燃料流速来获得。

残留气体的质量可以从η_sc和M_tr确定，如在方程38中所示。

M_res＝(1-η_sc)M_tr方程38

残留物中的燃烧气体质量分数(BF_res)基于捕集拉姆达和更早前估计的捕集质量。

${\mathrm{BG}}_{res}=1-{\mathrm{AFR}}_s\frac{({\mathrm{\λ}}_{tr}-1)}{M_{tr}}{M}_f$ 方程39

其中M_f是每个汽缸中每次循环喷射的燃料的质量并且可以如方程40所示来计算。

$M_f=\frac{W_{f}60}{RPM}\frac{1}{N}$ 方程40

方程41提供用于确定捕集燃烧气体分数的替代方法：

${\mathrm{BF}}_{tr}=1-\frac{W_f}{N}\frac{{\mathrm{AFR}}_{tr}\·60}{RPM\·M_{tr}}$ 方程41

发动机输出排放物估计

一旦已经估计出捕集空燃比和捕集燃烧气体质量分数，则可以创建经验模型来估计由发动机排放的排气成分(“发动机输出排放物”)。关心的主要排放物是发动机输出NOx和发动机输出烟灰(Soot)。它们可以被计算如下：

[NO_x，Soot]＝f(RPM，W_f，λ_tr，BF_tr，P_rail，Inj_time，T_tr)

其中T_tr是循环开始时汽缸内的捕集物质的温度。其可以被计算如下：

$T_{tr}=\frac{P_{lpc}{V}_{tr}}{M_{tr}R}$ 方程42

该经验模型可以基于多个查询表或者非参数化数学函数诸如神经网络或基函数(BasisFunction)。

空气处理控制：

可以使用基于如图2所示的空气处理控制机械化来实施空气处理控制，在图2中，ECU149可以被编程以通过图3-5的图表所示的方法控制空气处理系统的操作。就此而言，图3示出用于基于在LPC时发动机的汽缸内的捕集条件来确定空气处理控制参数的数值的回路。在图4中，说明了用于估计和调节空气处理控制参数的数值的过程。图5示意性地说明实施图4的估计和调节过程的优选控制机械化。

参考图3，回路300在302处读取可用的发动机传感器，以便确定当前发动机操作状态中的空气处理参数的当前数值。使用这些传感器值，ECU149依据扭矩需求(负载)和RPM确定当前发动机操作状态；并且执行包含基本对应于方程1-36的操作和计算序列的程序。就此而言，该程序首先在步骤304中确定新鲜空气流速、EGR流速和增压空气流速，在步骤305中确定传递比并且在步骤306中确定扫气效率和捕集效率。然后，使用在步骤304、305和306中确定的参数值，该程序在步骤307和308中确定代表捕集条件的参数值；因为这些值反映当前发动机操作状态，所以与这些参数值相关的参数被称为“实际”参数。在步骤307中，计算实际捕集质量(M_tr)和实际捕集拉姆达(λ_tr)。在步骤308中，计算实际捕集燃烧气体分数(BF_tr)和实际捕集温度(T_tr)。

在回路300的步骤307和308中确定的实际捕集参数值被馈送到图4所示的期望捕集汽缸条件程序400内；在一些方面，该期望捕集汽缸条件程序由ECU149执行。基于由负载(发动机扭矩)和RPM编索引的查询表(映射)，该程序确定在LPC时的期望捕集拉姆达和在LPC时的期望捕集燃烧气体分数。储存在该查询表中的期望参数值满足由发动机扭矩和PRM代表的发动机操作条件的期望性能和排放目标。这些映射可以使用基于发动机测功器测试的经验数据预先填写并且被储存在ECU149中或通过ECU149来储存。

根据图4，在步骤402中，期望捕集汽缸条件程序400访问映射以确定针对当前发动机操作状态的期望捕集拉姆达和捕集燃烧气体分数值，然后在步骤404中，通过比较实际捕集拉姆达数值和期望捕集拉姆达数值来估计实际捕集拉姆达数值。优选地，该比较过程包括从实际捕集值中减去期望捕集值。如果该差的绝对值大于阈值，则在步骤405中，期望捕集汽缸条件程序400调节新鲜空气流量和进气歧管压力其中之一(或两者)以将该差置于可接受的限度内。参照图2，可以通过控制机械增压器驱动器111来获得该结果(假设可变速度的传动装置)。改变机械增压器110的速度可以调节新鲜空气流量或进气歧管压力。可替代地，如果机械增压器驱动器111是固定驱动装置，则通过经由旁通阀致动器140改变旁通阀139的设定以将机械增压器的输出分流到其输入也可以获得相同的结果。

在图5中示出一种示例性控制机械化，可以使用该控制机械化来控制实际捕集拉姆达。该控制机械化包括捕集拉姆达控制器，该捕集拉姆达控制器包含前馈控制器510和反馈控制器512。基于由发动机负载和速度编索引的映射，捕集拉姆达前馈控制器510输出机械增压器制动器设定点Θ。该映射被预先填充有基于发动机测功器测试的经验数据并且被储存在ECU149中或通过ECU149来储存。捕集拉姆达反馈控制器512接收通过加法器511计算(图4的步骤404)的在期望捕集拉姆达与实际捕集拉姆之间的误差(e_λtr)，并且将该误差转化为新鲜空气流量所需要的变化(ΔW_air)或升压变化(ΔP_im)以最小化误差。捕集拉姆达反馈控制器512可以使用PID控制器、增益调度PID控制器或其他非线性控制器诸如滑动模式控制器来实现。根据所使用的机械增压器驱动器111的类型，机械增压器致动器控制器513将新鲜空气流量或升压所需要的变化转化为旁通阀位置或传动比变化。将新鲜空气流量(或升压)变化转变为机械增压器驱动输出(ΔΘ)的机械增压器致动器控制器513可以被实现为PID控制器或增益调度PID控制器结合限定机械增压器压力比、速度和质量流速之间的关系的机械增压器模型(物理模型或经验模型)。在514中，来自致动器控制器513的机械增压器输出被增加到前馈控制器510的输出(或基于符号被从中减去)。然后，最后机械增压器致动器命令通过ECU149被发送到机械增压器致动器。根据机械增压器驱动器111的构造，机械增压器输出命令作为速度控制信号被提供给驱动器111，或作为分流控制信号被提供给旁通阀致动器140。

以与捕集拉姆达相同的方法进行捕集燃烧气体分数的控制，不同之处在于该程序使用EGR阀门138改变EGR流速以使得实际捕集燃烧气体分数和期望捕集燃烧气体分数之间的误差最小化。因此，依据图4，在步骤406中，期望捕集汽缸条件程序400通过比较实际捕集燃烧气体分数数值与期望捕集燃烧气体分数数值来估计实际捕集燃烧气体分数数值。优选地，该比较过程包括从实际捕集值减去期望捕集值。如果该差的绝对值大于阈值，则在步骤407中，该程序400调节EGR流速，以将该差置于可接受的限度内。参照图2，可以通过经由致动器141控制EGR阀门138的设置来获得该结果。

在图5中示出一种示例性控制机械化，可以通过该控制机械化来控制实际的捕集燃烧气体分数。该控制机械化包括捕集燃烧气体分数控制器，该捕集燃烧气体分数控制器包含前馈控制器520和反馈控制器522。基于由发动机负载和速度编索引的映射，捕集燃烧气体分数前馈控制器520输出EGR阀门设定点Θ。该映射被预先填充有基于发动机测功器测试的经验数据并且被储存在ECU149中或通过ECU149来储存。捕集燃烧气体分数反馈控制器522接收通过加法器521计算(图4的步骤406)的在期望捕集燃烧气体分数与实际捕集燃烧气体分数之间的误差(e_BFtr)，并且将该误差转化为EGR流量所需要的变化(ΔW_EGR)以最小化该误差。捕集燃烧气体分数反馈控制器522可以使用PID控制器、增益调度PID控制器或其他非线性控制器诸如滑动模式控制器来实现。EGR阀门致动器控制器523将EGR流量所需要的变化转化为EGR阀门位置。将EGR流量变化转变为EGR致动器输出(ΔΘ)的EGR致动器控制器523可以被实现为PID控制器或增益调度PID控制器结合EGR模型(物理模型或经验模型)。在524处，来自致动器控制器523的EGR致动器输出被增加到前馈控制器520的输出(或基于符号被从中减去)。然后，最后的EGR阀门致动器命令通过ECU149被发送到EGR阀门致动器。EGR阀门致动器命令作为EGR控制信号被提供给EGR阀门致动器141。

再次参照图4，一旦捕集拉姆达和捕集燃烧气体分数误差已经被最小化，则期望的捕集汽缸条件程序400在步骤408中比较实际捕集温度与预定值。捕集温度的该预定值基于发动机测功器测试来确定并且被储存在ECU149中或通过ECU149来储存。如果实际捕集温度被证明是大于该预定温度，则在步骤409中，程序400调节期望的捕集拉姆达和期望的捕集燃烧气体分数设定点，以最小化捕集温度对排放物的影响。再次参照图5，在d查询表515和525的基础上做出对期望的捕集拉姆达和捕集燃烧气体分数的调节，其中查询表515和525由在502处估计的捕集温度编索引(例如，按照方程42)。这些查询表的数值通过发动机测功器测试来确定，并且被储存在ECU149中或通过ECU149来储存。在步骤409中，程序400接着重新调节机械增压器致动器输出和EGR阀门位置，以分别最小化捕集拉姆达设定点与期望拉姆达设定点之间的误差(经由图5中516和511)和捕集燃烧气体分数设定点与期望燃烧气体分数设定点之间的误差(经由图5中526和521)。

当发动机从一个操作点(发动机负载和速度)过渡到另一操作点(发动机负载和速度)时，上述回路300和程序400连续地重复。

虽然本文图示说明和描述的空气处理控制实施例将基于歧管125和130中的条件的真实参数值归因于发动机的汽缸，但是对于本领域技术人员显而易见的是涉及的原理可以被应用于个体汽缸本身(假定成本和空间允许量产发动机的一个或多个汽缸上的相关传感器的布置和操作)。此外，通过经验方法获得期望的参数值，所述经验方法将这些值映射或同步到例如在测功器中运行的直流扫气式二冲程循环对置活塞发动机的气口关闭时间。

虽然已经参照带有单向流扫气且装配有EGR回路的二冲程循环对置活塞发动机图示说明和描述了本文中图示说明和描述的空气处理实施例，但是对本领域技术人员来说显而易见的是某些参数对于带有单向流扫气而没有EGR的二冲程循环对置活塞发动机中的空气处理系统控制是有用的。例如，捕集拉姆达是用于优化空气处理操作以便减少此类发动机中的排放物的有用参数。关于这点，参见方程2。

虽然已经参照带有两个曲轴的对置发动机描述了空气处理控制方法，但是应当理解这些构造可以被应用于带有一个或更多个曲轴的对置活塞发动机。另外，这些构造的各个方面可以被应用于带有对置设置的气道式汽缸的对置活塞发动机和/或被应用于一个或多个曲轴的任意一侧。因此，寻求对这些构造的保护仅由随附的权利要求限制。

Claims (18)

1.一种装配有空气处理系统(51)的直流扫气式对置活塞发动机(49)，其包含：至少一个汽缸(50)，所述汽缸带有缸孔(52)、轴向间隔开的排气口(54)和进气口(56)以及在所述缸孔内对置设置的一对活塞(60、62)，所述活塞在所述发动机的运转期间进行操作以打开和关闭所述排气口和所述进气口；将增压空气提供到至少一个进气口的增压空气通道(126)；接收来自至少一个排气口的排气的排气通道(124)；以及可操作以泵送所述增压空气通道中的增压空气的机械增压器(110)；

其特征在于：

控制机械化(149)，所述控制机械化可操作以响应于发动机运转状态来确定第一捕集空气处理参数(307)的值，并且基于所述第一捕集空气处理参数的确定值来调节所述增压空气通道(126)中的增压空气流量。

2.根据权利要求1所述的对置活塞发动机，其中基于所述第一捕集空气处理参数的确定值，通过改变所述机械增压器(110)的速度(514)和操作第一阀门(139)以将增压空气流量从所述机械增压器(110)的输出端分流到输入端二者之一，所述控制机械化(149)可操作以调节增压空气流量。

3.根据权利要求1所述的对置活塞发动机，其中所述发动机包括排气再循环回路即EGR回路(131)，所述EGR回路(131)具有耦接到所述排气通道(124)的回路输入端和耦接到所述增压空气通道(126)的回路输出端，并且所述控制机构(149)进一步可操作以响应于所述发动机运转状态来确定第二捕集空气处理参数(308)的值，并且基于所述第二捕集空气处理参数的确定值来调节所述EGR回路(131)中的EGR流量。

4.根据权利要求3所述的对置活塞发动机，其中所述第一捕集空气处理参数是捕集拉姆达(λ_tr)，所述第二空气捕集空气处理参数是捕集燃烧气体分数(BF_tr)，并且所述控制机械化(149)可操作以便：

基于确定的捕集拉姆达值(λ_tr)，通过改变所述机械增压器(110)的速度(514)和操作第一阀门(139)以将增压空气流从所述机械增压器(110)的输出端分流到输入端二者之一来调节增压空气流量；以及

基于捕集燃烧气体分数(BF_tr)的确定值，通过操作第二阀门(138)以增加或减少通过所述EGR回路(131)的排气流量来调节EGR流。

5.根据权利要求4所述的对置活塞发动机，其中所述控制机械化(149)可操作以便：

基于所述当前发动机运转状态确定实际捕集拉姆达参数值(502)；

确定针对所述当前发动机运转状态的期望捕集拉姆达参数值(503)；

基于所述实际拉姆达参数值与所述期望拉姆达参数值之间的差值来确定误差值(e_λtr)；以及

响应于所述误差值，通过改变进入所述增压空气通道的新鲜空气流量或改变进气歧管压力二者之一来调节增压空气流量(512)。

6.根据权利要求1所述的对置活塞发动机，其中所述第一捕集空气处理参数是捕集拉姆达(λ_tr)，并且所述控制机械化(149)可操作以便：

基于所述当前发动机运转状态确定实际捕集拉姆达参数值(502)；

确定针对所述当前发动机运转状态的期望捕集拉姆达参数值(503)；

基于所述实际拉姆达参数值与所述期望拉姆达参数值之间的差值来确定误差值(e_λtr)；以及

响应于所述误差值，通过改变进入所述增压空气通道的新鲜空气流量或改变进气歧管压力二者之一来调节增压空气流量(512)。

7.根据权利要求1所述的对置活塞发动机，其中所述控制机械化(149)可操作以便基于所述第一捕集空气处理参数的确定值来调节(512)提供到所述机械增压器的入口的空气流量和泵送到所述进气口的增压空气压力。

8.根据权利要求7所述的对置活塞发动机，其中所述第一捕集的空气处理参数是捕集拉姆达(λ_tr)，并且所述控制机械化(149)可操作以便：

基于所述发动机运转状态确定实际捕集拉姆达参数值(502)；

确定针对所述发动机运转状态的期望捕集拉姆达参数值(503)；

基于所述实际拉姆达参数值与所述期望拉姆达参数值之间的差值来确定误差值(e_λtr)；以及

响应于所述误差值，调节所述机械增压器(110)的速度；或

调节将所述机械增压器的输出端耦接到所述机械增压器的输入端的阀门(139)的状态。

9.根据权利要求3所述的对置活塞发动机，其进一步包括在所述EGR回路(131)中的阀门(138)，所述阀门(138)可操作以调整到所述增压空气通道(126)的排气流量，其中所述控制机械化(149)可操作以基于所述第二捕集空气处理参数的确定值来调节通过所述EGR回路的排气流量。

10.根据权利要求9所述的对置活塞发动机，其中所述第二捕集空气处理参数是捕集燃烧气体分数(BF_tr)，并且所述控制机械化(149)可操作以便：

基于所述发动机运转状态确定实际捕集燃烧气体分数参数值(502)；

确定针对所述发动机运转状态的期望捕集燃烧气体分数参数值(503)；

基于所述实际拉姆达燃烧气体分数值和所述期望拉姆达燃烧气体分数值之间的差值来确定误差值(e_BFtr)；以及

响应于所述误差值调节所述阀门(138)的设置(523)。

11.一种操作如权利要求1所述的对置活塞发动机的方法，其包含：

在所述发动机的至少一个气道式汽缸(50)中生成排气；

将来自所述气道式汽缸的排气口(54)的排气输送通过排气通道(124)；

使所述排气的一部分从所述排气通道再循环通过EGR回路(131)；

对新鲜空气(122)加压；

将来自所述EGR回路的再循环排气与所加压的新鲜空气混合以形成增压空气；

使用机械增压器(110)对所述增压空气加压；

将所加压的增压空气提供到所述气道式汽缸的进气口(56)；

响应于发动机运转状态来确定(307、308)捕集空气处理参数的值；以及

基于所确定的值调节(512)到所述进气口的增压空气流量。

12.根据权利要求11所述的方法，其中调节增压空气流量包括改变所述机械增压器(110)的速度和操作第一阀门(139)以将增压空气流量从所述机械增压器的输出端分流到输入端二者之一。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包含基于所确定的值调节(522)所述EGR回路(131)中的排气流量。

14.根据权利要求13所述的方法，其中调节所述EGR回路中的排气流量包括操作第二阀门(138)以增加或减少通过所述EGR回路(131)的排气流量。

15.一种操作如权利要求1所述的对置活塞发动机的方法，其包含：

对新鲜空气(122)加压以形成增压空气；

使用所述机械增压器(110)对所述增压空气加压；

将加压的增压空气提供到所述发动机的进气歧管(130)；

响应于发动机运转状态，基于汽缸(50)的排气口(54)和进气口(56)之一的关闭来确定捕集拉姆达参数的值；以及

基于所确定的值调节(512)到所述进气歧管的增压空气流量。

16.根据权利要求15所述的方法，其中调节增压空气流量包括改变所述机械增压器(110)的速度和操作第一阀门(139)以将增压空气流量在所述机械增压器的输出端与输入端之间分流二者之一。

17.根据权利要求16所述的方法，还包含基于所述确定值调节(522)所述发动机的EGR回路中的排气流量。

18.根据权利要求17所述的方法，其中调节所述EGR回路中的排气流量包括操作第二阀门(138)以增加或减少通过所述EGR回路的排气流量。