CN105545505A - 用于气流控制的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于控制排放物的各种方法和系统。在一个示例中，控制器配置成响应于进气歧管空气温度(MAT)、进气空气流率、或感测到的或估计的进气氧气分数中的一个或更多个，通过改变排放气体再循环(EGR)量来将颗粒物质(PM)和NOx维持在范围内，并且然后基于NOx传感器反馈进一步调节EGR量。

Description

用于气流控制的方法和系统
技术领域
本文公开的主题的实施例涉及控制发动机排放气体再循环流。
背景技术
发动机系统可配置成将排放物维持在规定的极限内，同时提供最优的燃料经济性。环境条件可影响排放物，并且因而发动机系统可配置成在一系列的环境条件范围上维持排放物。例如，穿过涡轮增压器的空气流量和通过中间冷却器的排热可各自受环境温度和压力影响。气流上的变化可影响空气-燃料比率和进气歧管氧气浓度，这继而可影响颗粒物质和NOx产生。同样，来自中间冷却器的排热上的变化可影响歧管空气温度，这继而可影响NOx和颗粒物质产生。
发明内容
在一个实施例中，控制器配置成通过改变排气再循环(EGR)量而响应于进气歧管空气温度(MAT)、进气空气流率或感测的或估计的进气氧气分数中的一个或更多个以将颗粒物质(PM)和NOx维持在范围内，且然后进一步基于NOx传感器反馈而调节EGR量。
本发明的第一技术方案提供了一种控制器，其配置成响应于进气歧管空气温度(MAT)、进气空气流率、或者感测的或估计的进气氧气分数中的一个或更多个，通过改变排放气体再循环(EGR)量来将颗粒物质(PM)和NOx维持在范围内，并且然后基于NOx传感器反馈进一步调节EGR量。
本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，控制器配置成确定基准进气氧气浓度和基于基准进气氧气浓度和感测的或估计的进气氧气分数之间的差改变EGR量。
本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，基准进气氧气浓度从特性图输出，该特性图将基准进气氧气量映射至发动机速度和负载。
本发明的第四技术方案是在第三技术方案中，特性图基于环境温度和压力从多个特性图之间选择。
本发明的第五技术方案是在第三技术方案中，基于MAT调节基准进气氧气浓度。
本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，控制器配置成通过基于NOx传感器反馈确定NOx比排放浓度并基于NOx比排放浓度和基准NOx浓度之间的差调节EGR量，来基于NOx反馈进一步调节EGR量。
本发明的第七技术方案是在第六技术方案中，NOx比排放浓度进一步基于湿度、排气氧气浓度、燃料量和发动机功率而确定，并且其中基准NOx浓度从将NOx浓度映射到发动机速度和负载的特性图输出，其中特性图基于环境压力和环境温度从多个特性图之间选择。
本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，控制器进一步配置成调节燃料喷射正时以将PM维持在范围内，燃料喷射正时基于由特性图输出的基准喷射正时而确定，并基于MAT而调节，特性图基于环境温度和压力从多个特性图之间选择。
本发明的第九技术方案提供了一种控制器，其配置成确定排气颗粒物质(PM)和排气NOx浓度，并且如果NOx浓度高于NOx阈值，则降低进气空气流率，以及如果颗粒物质浓度高于PM阈值，则增加进气空气流率。
本发明的第十技术方案是在第九技术方案中，控制器配置成通过增加排放气体再循环(EGR)流率来降低进气空气流率，以及通过降低EGR流率来增加进气空气流率。
本发明的第十一技术方案是在第十技术方案中，控制器配置成基于环境压力、环境温度、发动机速度、发动机负载、湿度、排气氧气浓度、燃料量或NOx传感器反馈中的一个或更多个来确定排气PM和NOx浓度。
本发明的第十二技术方案是在第十一技术方案中，控制器配置成从特性图选择进气氧气浓度基准，特性图基于所确定的排气PM和NOx浓度从多个特性图之间选择，并且基于进气氧气浓度基准调节EGR流率。
本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，控制器配置成基于歧管空气温度且进一步基于修正的排气NOx浓度调节进气氧气浓度基准。
本发明的第十四技术方案提供了一种方法，包括：基于发动机操作的相应特性图执行喷射正时和进气氧气浓度目标的第一调节；基于进气歧管温度执行喷射正时和进气氧气浓度目标的第二调节；基于NOx传感器反馈执行进气氧气浓度目标的第三调节；以及基于氧气传感器反馈执行排放气体再循环(EGR)量的第四调节。
本发明的第十五技术方案是在第十四技术方案中，基于NOx传感器反馈执行进气氧气浓度目标的第三调节包括向进气氧气浓度目标的第三调节应用比第二调节更低的增益和更大的过滤器。
本发明的第十六技术方案是在第十四技术方案中，执行第四调节包括基于氧气传感器反馈和湿度执行EGR量的第四调节。
本发明的第十七技术方案是在第十四技术方案中，还包括基于发动机操作状态选择性地执行第三调节。
本发明的第十八技术方案是在第十四技术方案中，还包括在执行第三调节后，将进气氧气浓度转换成EGR流量基准并基于EGR流量基准执行第四调节。
本发明的第十九技术方案是在第十四技术方案中，执行第一调节包括基于环境条件选择用于调节喷射正时目标的第一特性图和选择用于调节进气氧气浓度目标的第二特性图。
本发明的第二十技术方案是在第十四技术方案中，基于进气歧管温度(MAT)执行喷射正时和进气氧气浓度目标的第二调节包括基于环境条件选择用于调节喷射正时目标的第一MAT补偿特性图和选择用于调节进气氧气浓度目标的第二MAT补偿特性图。
附图说明
图1显示了根据本公开的实施例的车辆的示意图。
图2是示出基于环境条件的用于发动机操作参数的多个调节的高等级流程图。
图3是示出用于基于环境条件确定多个基准发动机操作参数值的方法的流程图。
图4是示出用于基于环境条件调节燃料喷射的方法的流程图。
图5是示出用于基于环境条件调节排气阀位置的方法的流程图。
图6-7是示出根据图2-5的方法的发动机操作控制的控制图。
具体实施方式
以下描述涉及用于将发动机系统排气排放物(诸如颗粒物质(PM)和NOx)维持在相应范围内的实施例。包括感测的或估计的进气氧气分数、进气空气流率(以及因此穿过涡轮增压器的空气流量)，以及进气歧管温度的各种发动机操作参数可影响发动机输出排放物的产生。为了响应于这样的变化的操作参数来将排放物维持在范围内，控制器可配置成改变排放气体再循环(EGR)量以将PM和NOx维持在范围内，且然后进一步基于传感器反馈调节EGR量。例如，EGR量可通过调节排气阀位置而调节。
图1中示出了用于安装在车辆中的发动机的包括控制器的示例系统。控制器可配置成基于环境条件(例如，环境压力和温度)来实施图2-5中示出的方法，以便调节例如EGR量和燃料喷射的发动机操作参数。图6-7示出了用于基于环境条件分别调节EGR量和燃料喷射的控制图。在一些示例中，EGR量可基于来自NOx传感器的反馈进一步调节。
本文描述的方法可在多种发动机类型以及多种发动机驱动的系统中采用。这些系统中的一些可以是静止的，而其他的可在半移动或移动平台上。半移动平台可在操作周期之间重新安置，诸如安装在平板拖车上。移动平台包括自推进的交通工具。此类交通工具可包括路上运输车辆以及矿山设备，船舶，轨道车辆以及其他的越野车辆(OHV)。为了示出清楚，提供机车作为支撑并入了本发明的实施例的系统的移动平台的示例。
在进一步讨论用于将排气排放物维持在范围内的方法之前，公开了平台的示例，其中发动机系统可安装在诸如轨道车辆的车辆中。例如，图1显示了车辆系统100(例如机车系统)的实施例的方块图，本文描绘为轨道车辆106，其构造成经由多个车轮110在轨道102上行进。如图所绘，轨道车辆包括发动机104。在其他非限制性实施例中，发动机可为静止的发动机，诸如在发电厂应用中，或者在如上指出的船舶或越野车辆推进系统中的发动机。
发动机从例如进气歧管115的进气口接收用于燃烧的进气。进气口可以是气流穿过其流动以进入发动机的任何合适的导管或多个导管。例如，进气口可包括进气歧管，进气通道114等。进气通道从空气过滤器(未示出)接收环境空气，空气过滤器过滤来自车辆外部(发动机可定位在其中)的空气。由发动机中的燃烧导致的排放气体被供应给排气口，诸如排气通道116。排气口可以是来自发动机的气流穿过其的任何合适的导管。例如，排气口可包括排气歧管，排气通道等。排气流动穿过排气通道，并且流出轨道车辆的排气器。
在一个示例中，发动机是通过压缩点火燃烧空气和柴油燃料的柴油发动机。因而，发动机可包括多个燃料喷射器来将燃料喷向发动机的每个气缸。例如，每个气缸可包括从高压燃料轨接收燃料的直喷器。在其他非限制性实施例中，发动机可通过压缩点火(和/或火花点火)燃烧包括汽油、煤油、生物柴油或具有类似密度的其他石油馏出物的燃料。在又其他的示例中，发动机可燃烧气态燃料，诸如天然气。气态燃料可经由所喷射的柴油燃料的压缩点火而点燃，本文称为多燃料操作，或者气态燃料可经由火花点火点燃。气态燃料可经由例如一个或更多个进气阀供应至气缸。在其他的示例中，燃料可经由端口喷射(portinjection)供应至气缸。液态燃料(例如柴油)可存储在轨道车辆车载的燃料罐中。气态燃料可存储在轨道车辆车载的储罐中，或者可操作地联接至轨道车辆的不同车辆车载的储罐中。
在一个实施例中，轨道车辆是柴油电力车辆(或者柴油/气态燃料电力混动)。如图1中所绘，发动机联接至电力功率发生系统，其包括交流发电机/发电机140以及电力牵引马达112。例如，发动机产生传输给机械地联接到发动机上的交流发电机/发电机的扭矩输出。交流发电机/发电机产生可存储并应用于后续传播至多个下游电气构件的电功率。作为示例，交流发电机/发电机可电气地联接至多个牵引马达并且交流发电机/发电机可向多个牵引马达提供电功率。如所描绘的，多个牵引马达各自连接到多个车轮中的一个上，以提供牵引功率来推动轨道车辆。一个示例构造包括每个车轮一个牵引马达。如本文中所描绘的，六对牵引电机对应于轨道车辆的六对车轮的每一对。在另一个示例中，交流发电机/发电机可联接到一个或更多个电阻网格142上。电阻网格可配置成经由由网格产生的热而耗散来自由交流发电机/发电机产生电力的多余发动机扭矩。
在图1中描绘的实施例中，发动机是具有十二个气缸的V-12发动机。在其他示例中，发动机可为V-6，V-8，V-10，V-16，I-4，I-8，对置4缸或其他的发动机类型。如所描绘的，发动机可包括非供体气缸(non-donorcylinder)105的子设备，其包括排他地将排放气体供应给非供体气缸排气歧管117的六个气缸，以及供体气缸(donorcylinder)107的子设备，其包括排他地将排放气体供应给供体气缸排气歧管119的六个气缸。在其他实施例中，发动机可包括至少一个供体气缸和至少一个非供体气缸。例如，发动机可具有四个供体气缸和八个非供体气缸，或者三个供体气缸和九个非供体气缸。应该理解的是，发动机可具有任何期望数量的供体气缸和非供体气缸，其中供体气缸的数量典型地少于非供体气缸的数量。
如图1中所绘，非供体气缸联接到排气通道上，以将来自发动机的排放气体向大气导引(在其经过排放气体处理系统130和第一以及第二涡轮增压器120和124后)。提供发动机排放气体再循环(EGR)的供体气缸排他地联接到EGR系统160的EGR通道162上，其将来自供体气缸的排放气体导引至发动机的进气通道而不是大气。通过将冷却的排放气体引向发动机，用于燃烧的可用氧气的量减少，由此降低了燃烧火焰温度并且减少了氮氧化物(例如NOx)的形成。
从供体气缸流向进气通道的排放气体经过诸如EGR冷却器166的热交换器，以在排放气体返回至进气通道之前降低排放气体的温度(例如冷却)。EGR冷却器例如可为空气至液体热交换器。在这样的示例中，可调节设置在进气通道中(例如在再循环的排放气体进入处上游)的一个或更多个增压空气冷却器132和134，以进一步增加增压空气的冷却，使得增压空气和排放气体的混合温度维持在期望的温度。在其他示例中，EGR系统可包括EGR冷却器旁通。备选地，EGR系统可包括EGR冷却器控制元件。可致动EGR冷却器控制元件，使得通过EGR冷却器的排放气体的流减少；然而，在这样的构造中，不流动穿过EGR冷却器的排放气体被引向排气通道而不是进气通道。
此外，在一些实施例中，EGR系统可包括配置成使来自供体气缸的排气转回排气通道的EGR旁通通道161。可经由阀门163控制EGR旁通通道。阀门可配置成带有多个限制点，使得将可变数量的排气向排气口进行导引，以便向进气口提供可变数量的EGR。
在图1中所示的备选实施例中，供体气缸可联接至备选EGR通道165上(由虚线示出)，该备选EGR通道165配置成向进气口或者向排气通道选择性地导引排气。例如，当第二阀门170打开时，排气在被向进气通道导引之前可从供体气缸向EGR冷却器和/或附加的元件导引。此外，备选EGR系统包括设置在排气通道和备选EGR通道之间的第一阀门164。
例如，第一阀门和第二阀门可为由控制单元180控制的开/关阀门(用于打开或者关闭EGR的流)，或者它们可控制可变数量的EGR。在一些示例中，可致动第一阀门使得减少EGR的量(从EGR通道流向排气通道的排放气体)。在其他示例中，可致动第一阀门使得增加EGR的量(例如，从排气通道流向EGR通道的排放气体)。在一些实施例中，备选EGR系统可包括多个EGR阀门或者其他流控制元件来控制EGR的量。
在这样的构造中，第一阀门可操作以将来自供体气缸的排气向发动机的排气通道导引，并且第二阀门可操作以将来自供体气缸的排气向发动机的进气通道导引。因而，第一阀门可称作EGR旁通阀门，而第二阀门可称作EGR计量阀门。在图1中所示的实施例中，第一阀门以及第二阀门可例如为发动机油或液压致动阀门，用换向阀(未示出)来调整发动机油。在一些示例中，可致动阀门使得第一和第二阀门中的一个常开而另一个常闭。在其他示例中，第一和第二阀门可为气动阀、电动阀或另一种合适的阀门。
如图1中所示，该车辆系统还包括EGR混合器172，其将再循环的排放气体与增压空气混合，使得排放气体可以在增压气体和排放气体混合物内均匀地分布。在图1中所绘的实施例中，EGR系统是高压EGR系统，其将来自排气通道中涡轮增压器120和124上游位置的排放气体向进气通道中涡轮增压器下游位置导引。在其他实施例中，车辆系统可另外或备选地包括低压EGR系统，其将来自排气通道中涡轮增压器1下游的排放气体向进气通道中涡轮增压器上游的位置导引。
如图1中所绘，车辆系统还可包括带有顺序布置的第一涡轮增压器120和第二涡轮增压器124的两级涡轮增压器，每个涡轮增压器都布置在进气通道和排气通道之间。两级涡轮增压器增加了吸入进气通道的环境空气的空气增压，以便在燃烧期间提供更大的增压密度，以增加功率输出和/或发动机操作效率。第一涡轮增压器以相对较低的压力操作，并且包括驱动第一压缩机122的第一涡轮121。第一涡轮和第一压缩机经由第一轴123机械地联接。第一涡轮增压器可称为涡轮增压器的“低压级”。第二涡轮增压器以相对较高的压力操作，并且包括驱动第二压缩机126的第二涡轮125。第二涡轮增压器可称为涡轮增压器的“高压级”。第二涡轮和第二压缩机经由第二轴127机械地联接。
如上文所解释的，用词“高压”和“低压”是相对的，意味着“高”压是比“低”压更高的压力。相反地，“低”压是比“高”压低的压力。
如本文所使用的，“两级涡轮增压器”可大体涉及包括两个或更多个涡轮增压器的多级涡轮增压器构造。例如，两级涡轮增压器可包括顺序布置的高压涡轮增压器和低压涡轮增压器，顺序布置的三个涡轮增压器，供给高压涡轮增压器的两个低压涡轮增压器，供给两个高压涡轮增压器的一个低压涡轮增压器等。在一个示例中，三个涡轮增压器顺序使用。在另一个示例中，仅两个涡轮增压器顺序使用。
在图1中所示的实施例中，第二涡轮增压器设有涡轮旁通阀128，其允许排放气体绕过第二涡轮增压器。涡轮旁通阀例如可开启以使排放气体流转向远离第二涡轮。以这种方式，在稳态状态期间可以调节压缩机的旋转速度以及因此由涡轮增压器向发动机提供的增压。此外，第一涡轮增压器也可设有涡轮旁通阀。在其他实施例中，可仅第一涡轮增压器设有涡轮旁通阀，或者可仅第二涡轮增压器设有涡轮旁通阀。此外，第二涡轮增压器可设有压缩机旁通阀129，其允许气体绕过第二压缩机以例如避免压缩机喘振。在一些实施例中，第一涡轮增压器也可设有压缩机旁通阀，而在其他实施例中，可仅第一涡轮增压器设有压缩机旁通阀。
车辆系统还包括联接在排气通道中的排气处理系统130，以便减少规定的排放物。如图1中所绘，排放气体处理系统设置在第一(低压)涡轮增压器的涡轮的下游。在其他实施例中，排放气体处理系统可另外地或备选地设置在第一涡轮增压器上游。排放气体处理系统可包括一个或更多个构件。例如，排放气体处理系统可包括柴油颗粒过滤器(DPF)，柴油氧化催化剂(DOC)，选择性催化还原(SCR)催化剂，三元催化剂，NOx阱中的一个或更多个，和/或各种其他排放控制装置或它们的组合。在一些示例中，可省略排气处理系统。
车辆系统还包括控制单元180(也称作控制器)，其提供并配置成控制与车辆系统相关的各种构件。在一个示例中，控制单元包括计算机控制系统。控制单元还包括非瞬时性、计算机可读取存储介质(未示出)，其包括用于实现发动机操作的车载监视和控制的代码。如本文进一步详细说明的，控制单元在监视车辆系统的控制和管理的同时可配置成从各种各样的发动机传感器接收信号，以便确定操作参数和操作条件，并对应地调节各种发动机致动器以控制车辆系统的运行。例如，控制单元可从各种发动机传感器接收信号，包括布置在高压涡轮的入口中的传感器181，布置在低压涡轮的入口中的传感器182，布置在低压压缩机的入口中的传感器183，以及布置在高压压缩机的入口中的传感器184。布置在涡轮增压器的入口中的传感器可以检测空气温度和/或压力。附加的传感器可包括但不限于发动机速度传感器、发动机负载传感器、增压压力传感器、环境压力传感器、排气温度传感器、排气压力传感器等。此外，控制单元可从进气传感器185、排气传感器186和环境传感器187接收信号，进气传感器185可包括用于测量进气歧管压力、进气歧管压力或其他参数的一个或更多个传感器，排气传感器186可包括用于测量排气氧气、排气NOx、排气颗粒物质或其他参数的一个或更多个传感器，环境传感器187可包括用于测量环境温度、环境压力、环境湿度(比湿度和/或相对湿度)或其他参数的一个或更多个传感器。如本文中所使用的，环境可指发动机系统外部的空气条件，其可包括车辆外的空气，车辆内的空气和/或引入发动机的空气。对应地，控制单元可通过向例如牵引马达、交流发电机、气缸阀、节流阀、热交换器、废气门或其他阀门或流控制元件等的各种构件发送命令来控制车辆系统。
车辆系统可配置成在广范围的环境条件下将发动机输出排放物维持低于规定的极限，同时提供最优的燃料效率。环境条件，即环境温度和压力，可影响最终影响排放物的许多发动机参数。作为第一示例，涡轮增压器空气流可受环境压力和温度影响，其可影响空气流的流率、密度或其他参数。涡轮增压器空气流影响空气—燃料比，其继而影响PM产生。例如，随着空气—燃料比增加，PM产生降低。涡轮增压器空气流也影响具有EGR的发动机中的进气歧管氧气浓度，其继而影响PM和NOx产生两者。例如，随着氧气浓度升高，NOx产生增加而PM产生降低。在第二示例中，中间冷却器排热会受到环境温度和压力的影响，其可影响中间冷却器和进气之间的温度差。排热影响进气歧管空气温度，其继而影响NOx和PM排放物两者。例如，随着歧管空气温度升高，NOx增加而PM减少。
如从以上示例可了解的，跨越各种各样的环境条件平衡NOx和PM排放物会是困难的，因为环境条件的改变会导致一种排放物增加同时导致另一种排放物减少。此外，在一些示例中，如果对发动机操作参数(诸如EGR流量)做出调节来维持期望的排放物，燃料经济性会受到影响。
因此，根据本文中公开的实施例，可做出基于环境条件的一系列调节，从首先的“粗”调开始到最终的“细”调，以将排放物维持在范围内，同时提供最优燃料经济性。第一调节可包括基于环境条件从多个可能特性图选择一个或更多个基准值特性图，以便考虑环境条件对空气流和排热的影响。从特性图输出的值继而可输入到最终用来调节发动机操作的各种各样的相应的计算和/或控制器中。第二调节可包括基于进气歧管温度调节进气歧管氧气浓度目标和喷射正时，以考虑环境条件对中间冷却器排热的影响。如本文中所使用的，“进气歧管氧气浓度”可包括浓度值(例如基于进气空气的重量或体积)，或者可包括进气空气体积或重量的百分比。因而，进气歧管氧气浓度也可称作进气氧气分数(intakeoxygenfraction)。
第三调节可包括经由一个或更多个排气阀的调节将EGR流量控制至目标进气歧管氧气浓度。对于以上三个调节，喷射正时和排气阀位置的控制可基于传感器数据，包括排气氧气浓度或EGR流量。
在广泛的各种环境条件期间，上述调节可合理地控制排放物。如以上所提及的，可控制EGR流量来达到目标进气歧管氧气浓度。然而，至少在一些示例中，EGR流量和进气氧气浓度两者都基于模型确定，该模型会向调节引入误差。此外，NOx排放物和进气歧管氧气浓度之间的关系会是可变的。减少误差和变化源对于满足期望的排放物目标会是重要的。
因此，为了减少上述误差和变化源，可执行第四调节。第四调节可包括基于来自NOx传感器的反馈调节进气氧气浓度目标。通过直接输入感测到的NOx，可减小进气氧气浓度和NOx之间的变化。然而，由于排气中的NOx水平可能受其他参数影响，可使用NOx比排放(BSNOx)，这里感测到的NOx对湿度、排气氧气浓度和其他参数进行修正。如本文所用，BSNOx指对发动机输出(例如用马力代表的发动机功率)进行标准化的排气NOx浓度。以这种方式，本公开控制受校准实际限制的东西(例如，湿度修正的NOx比排放)。
因此，控制单元(例如控制器)可配置成确定排气颗粒物质(PM)和排气NOx浓度。如果NOx浓度高于NOx阈值，则控制器可配置成降低进气空气流率，并且如果颗粒物质浓度高于PM阈值，则控制器可配置成升高进气空气流率。在一些示例中控制器可基于例如来自排气NOx和/或PM传感器的感测到的数据确定NOx和PM浓度。在其他示例中，控制器可配置成基于环境压力、环境温度、发动机速度、发动机负载、湿度、排气氧气浓度和NOx传感器反馈的一个或更多个来确定排气PM和NOx浓度。
为了降低进气空气流率，控制器可配置成升高EGR流率，并且为了增加进气空气流率，控制器可配置成降低EGR流率。为了调节EGR流率，控制器可配置成调节控制EGR流量的一个或更多个排气阀，诸如EGR阀163,164,和/或170，涡轮旁通阀128，或其他阀门。
控制器可配置成从特性图选择进气氧气浓度基准，这里特性图本身基于所确定的排气PM和NOx浓度选自多个特性图。控制器可配置成基于进气氧气浓度基准调节EGR流率。此外，在一些示例中，控制器可配置成基于歧管空气温度且进一步基于修正的排气NOx浓度调节进气氧气浓度基准。
现在转向图2，示出了用于控制排放物的高级别方法200。方法200可由例如控制单元180的控制器根据存储在其上的指令实施。在202，方法200包括基于发动机操作的特性图执行喷射正时和进气氧气浓度([O2])目标的第一调节。该第一调节在下面将关于图3更详细地解释。简要地，调节包括将诸如温度和压力的环境条件输入到特性图选择器查询表中，该查询表基于环境条件选择多个发动机操作特性图。特性图可包括用于进气氧气浓度、燃料喷射正时、速度、负载等的基准或目标值。然后可控制包括燃料喷射量、燃料喷射正时、排气阀位置等的发动机操作以满足目标值。
在204，方法200包括基于进气歧管温度(MAT)执行喷射正时和进气[O2]目标的第二调节。第二调节包括从根据环境条件选择的相应特性图输出的相应的MAT补偿因子，其用于进一步调节目标喷射正时和进气[O2]目标。第二调节在下面关于图4-5更详细地解释。在206，方法200包括基于NOx传感器反馈执行进气[O2]目标的第三调节，如将在下面关于图5更详细地解释的。简要地，来自NOx传感器的反馈可用于细调目标进气[O2]以减少变化和误差。在208，执行基于排气氧气传感器反馈的EGR量的第四调节，如将在下面关于图5更详细地解释的。该第四调节包括将目标进气[O2]转化成目标EGR流量，此处为达到目标EGR流量所作出的排气阀调节至少部分地基于来自排气氧气传感器的反馈。然后方法200结束。
因此，图2的方法200包括以下详细解释的一系列调节，它们可被执行以便最终控制燃料喷射正时和EGR流量来满足燃料喷射和进气氧气浓度目标。这样做时，排放物(尤其是PM和NOx)可维持在规定极限内。在一些示例中，可执行全部四个调节，而在其他示例中，可仅执行一部分调节。例如，可基于发动机操作状态执行第三调节。这可包括在一些条件下，诸如冷启动、瞬时操作或其中来自NOx传感器的反馈可能不可靠的其他条件期间，省去第三调节。
以这种方式，从粗到细的一系列调节可应用至控制喷射正时和进气氧气浓度。第一、最粗的调节可具有对于EGR流量目标的最大量级的影响，而第四、最细的调节可具有对EGR流量目标具有最小量级的影响。在一些示例中，粗到细的调节可使得能够实现对于操作条件变化的快速响应速度，否则会太粗(尽管快)或太慢(但是严格)。为了获得快速响应速度和精度之间的平衡，在一些示例中，可对于进气氧气浓度目标的第三调节比第二调节应用更低的增益和更大的过滤。
图3是示出了用于执行方法200的第一调节的方法300的流程图。在302，方法300包括确定发动机操作参数。要确定的发动机操作参数可包括但不限于环境压力、温度以及湿度(例如从图1的环境传感器187确定)，排气氧气和/或NOx浓度(例如从排气传感器186确定)，进气歧管压力和/或温度(例如从进气传感器185确定)，发动机速度，发动机负载，凹口(notch)或其他节流阀设定，和/或其他参数。
在304，方法300包括基于环境压力和环境温度选择一个或更多个特性图。特性图可包括作为凹口的函数的发动机速度和负载基准，作为速度和负载的函数的燃料喷射正时目标和进气[O2]目标，和/或其他特性图。特性图输出提供导致最优燃料经济性同时满足在该特性图的环境范围内的排放物目标的基准。对于每个基准特性图，示例特性图选择可包括基础特性图、冷环境特性图、热环境特性图以及高海拔特性图。
所选择的特性图可包括基础[O2]目标特性图306，MAT[O2]补偿特性图308，基础喷射正时目标特性图310，MAT喷射正时补偿特性图312，速度基准特性图314，负载基准特性图316，以及BSNOx基准特性图318。然而，附加和/或替代的特性图是可能的。
在320，可基于当前凹口设置和选择的相应的特性图(例如，速度基准特性图314和负载基准特性图316)确定负载基准和速度基准。以这种方式，可基于环境条件且进一步基于当前节流阀设置控制发动机达到目标速度和负载。
在322，可基于当前发动机速度和负载以及选择的相应的特性图(例如，基础[O2]目标特性图306，MAT[O2]补偿特性图308，基础喷射正时目标特性图310，MAT喷射正时补偿特性图312以及BSNOx基准特性图318)确定基础[O2]目标，MAT[O2]补偿基准，基础喷射正时目标，MAT喷射正时补偿基准以及BSNOx基准。
在324，从所选择的特性图输出的每个基准或目标值都输入到相应的计算器和/或控制器中，以控制发动机操作来满足排放物目标，如将在下面关于图4-5所解释的。
图4是控制喷射正时的方法400。方法400包括方法200的第二调节。此外，方法400利用根据方法300选择的特性图。在402，方法400包括基于发动机速度和从上述发动机速度基准特性图314输出的发动机速度基准确定燃料量指令。在404，确定燃料喷射正时指令。如在406处所指示的，燃料喷射正时指令根据从喷射正时目标特性图310输出的基础正时目标确定。如在408处所指示的，正时目标基于MAT并基于MAT正时补偿特性图312的输出而调节。在410，基于以上确定的燃料喷射正时和燃料量指令控制燃料喷射器流来调节(多个)燃料喷射器阀。然后方法400结束。
因此，如以上所解释的，可基于环境条件调节燃料喷射参数。这可包括以上关于图3所描述的第一调节，其中基于例如温度和压力的环境条件选择基础燃料喷射正时特性图以及MAT补偿特性图。所选择的基础喷射正时特性图输出作为发动机速度和负载的函数燃料喷射正时目标。然后使燃料喷射正时目标受到基于MAT的第二调节，其中基于作为MAT的函数的由MAT补偿特性图输出的补偿因子调节该目标。(多个)燃料喷射器被控制以满足目标燃料喷射正时，并被控制以满足燃料量指令。
图5是用于控制一个或更多个排气阀的位置来满足目标进气[O2]的方法500。方法500包括方法200的第二、第三和第四调节。此外，方法500利用根据方法300选择的特性图。在步骤502，方法500包括基于NOx传感器反馈、湿度和其他参数确定BSNOx。在一个示例中，其他参数可包括排气氧气传感器输出、发动机功率以及燃料流量。发动机功率和燃料流量可建模或者感测。在另一个示例中，其他参数可包括替代燃料流量和排气[O2]的测量的新鲜空气流量或测量的EGR流量以及气缸流量模型。用来确定BSNOx的这些参数的选择可取决于发动机的传感器配置。
在504，确定进气[O2]目标。如在506处所指示的，确定进气[O2]目标包括根据从进气[O2]目标特性图306输出的基础进气[O2]目标确定进气[O2]目标。如在508处所指示的，基础进气[O2]目标基于MAT和从特性图306输出的MAT补偿因子而调节。在510进气[O2]目标进一步基于BSNOx和从特性图318输出的BSNOx基准而调节。
在512，进气[O2]目标被转换成EGR流量基准。如在514处所指示的，这可包括基于进气[O2]目标、新鲜空气流模型以及燃料量指令确定EGR流量。在516，基于排气[O2]，MAT，歧管压力，速度和燃料量确定实际的EGR流量。在518，基于以上确定的EGR流量和EGR流量基准之间的误差调节一个或更多个排气阀。然后方法500结束。
因此，如以上所解释的，可基于环境条件调节排气阀位置。这可包括以上关于图3所描述的第一调节，其中基于例如温度和压力的环境条件选择基础进气[O2]目标特性图以及MAT补偿特性图。所选择的基础进气[O2]目标特性图输出作为发动机速度和负载的函数的进气[O2]目标。然后使进气[O2]目标受到基于MAT的第二调节，其中基于作为MAT的函数的由MAT补偿特性图输出的补偿因子调节该目标。使进气[O2]目标受到基于BSNOx的第三调节，其中基于作为BSNOx的函数的由BSNOx特性图输出的BSNOx调节因子调节该目标。然后执行第四调节以将进气[O2]目标转换成基准EGR流量。确定实际的EGR流量，且基于实际和基准EGR流量之间的误差控制(多个)排气阀。
图6-7是图形化地示出图2-5的方法的一系列控制图。具体地，图6示出了指向控制排气阀位置的第一控制图600而图7示出了指向控制燃料喷射参数的第二控制图700。虽然控制序列被分成了离散的图，应该理解的是两个控制可以同时执行，并且相同控制块、输入和输出的其中一些在两个控制图表中都存在。在一个示例中，分离的控制图仅为了示出的清楚性而呈现。
图6的第一控制图600包括特性图选择器查询表602，其基于环境温度和压力从多个可能的特性图选择一个或更多个特性图。在图表600中，特性图选择器查询表基于环境温度和压力选择适当的基础进气[O2]目标特性图604，适当的MAT补偿特性图608，以及适当的BSNOx基准特性图610。基础进气[O2]目标特性图输出作为速度和负载的函数的基础[O2]目标(这里速度和负载理解为建模和/或感测的发动机速度和负载)。同样，MAT补偿特性图基于速度和负载输出补偿因子。基础[O2]目标和MAT补偿因子与测量的MAT一起被输入到[O2]基准计算块612中。
BSNOx基准特性图输出作为速度和负载的函数的基准BSNOx。基准BSNOx与确定的BSNOx一起供给进入BSNOx[O2]调节计算块614。BSNOxO2调节计算块向[O2]基准计算块输出BSNOx调节，这将在下文更详细地描述。
转回到实际BSNOx，其在BSNOx计算块622处确定。如图所示，BSNOx计算块基于速度、负载、NOx(例如，如由NOx传感器感测的NOxppm)、湿度(例如，由环境湿度传感器确定的特定湿度)、排气[O2]以及燃料量指令计算BSNOx。燃料量指令确定将在下文关于图7解释。
[O2]基准计算块对由基础进气[O2]目标特性图输出的基础[O2]目标执行一系列调节。一个调节包括根据测量的MAT和输出MAT补偿因子的基于MAT的调节。另一个调节包括根据由BSNOx[O2]调节计算块输出的BSNOx调节因子的基于BSNOx的调节。O2基准计算块向EGR流量基准计算块618输出基准(也称之为目标)进气[O2]。这里，进气[O2]基准与速度、MAT、MAP、排气[O2]以及燃料量一起用来确定输入到EGR控制器620中的EGR流量基准。
EGR控制器也从EGR流量计算块616接收EGR流量数量(例如流率)。EGR流量计算块基于速度、MAT、MAP、排气[O2]和燃料量确定EGR流量数量。然而，在一些实施例中，EGR流量传感器可用来确定EGR流量数量。
EGR控制器确定目标EGR流量(来自EGR流量基准计算)和实际EGR流量(来自EGR流量计算)之间的差(例如误差)并基于该误差调节一个或更多个排气阀。在一些示例中，可向该误差应用增益和/或过滤器。一个或更多个排气阀可为控制EGR的流量的适当的阀门，诸如EGR阀163,164和/或170，涡轮旁通阀128等。
上述控制图可用在带有合适EGR构造的系统中。在关于图1描述的EGR构造中，EGR在发动机的气缸(尤其是供体气缸)的子设备中排他地产生。在供体气缸构造中，上述的控制图可轻微修改以反映在其他参数之中不同的供体对非供体排气歧管压力。因此，EGR流量计算块616包括排气压力(Pexh，非供体排气歧管的压力)和EGR压力(Pegr，供体排气歧管的压力)的附加输入。EGR流量基准计算块618可包括供体气缸燃料量而不是用于整个发动机的燃料量来作为输入。最后，EGR控制器620的输出可包括用于EGR计量阀和EGR旁通阀两者的阀流。
图7的第二控制图700包括特性图选择器查询表602，其基于环境温度和压力从多个可能的特性图选择一个或更多个特性图。在图700中，特性图选择器查询表选择基础喷射正时目标特性图702，MAT补偿特性图704(对于调节燃料喷射正时特定，并且因而分离且不同于图600的MAT补偿特性图608)，速度基准特性图706以及负载基准特性图708。
基础喷射正时目标特性图输出作为速度和负载的函数的基础喷射正时目标(这里速度和负载理解为建模和/或感测的发动机速度和负载)。同样，MAP补偿特性图704基于速度和负载输出补偿因子。基础喷射正时目标和MAT补偿因子两者与测量的MAT一起被输入到正时指令计算块710中。正时指令计算块向燃料计算器716输出正时指令。
燃料控制器接收连同由速度控制器712输出的燃料量指令一起的正时指令。燃料控制器控制燃料喷射器流以在所指令的正时输送所指令的燃料量。速度控制器基于测量的发动机速度和速度基准之间的差(连同任何所指示的应用的增益和/或过滤器)确定燃料量指令。速度基准由速度基准特性图确定，其输出作为凹口或其他节流阀设置的函数的速度基准。
此外，特性图选择器查询表输出负载基准特性图，负载基准特性图输出作为凹口和其他节流阀设置的函数的负载基准。负载基准与测量的负载一起输入到负载控制器714中。负载控制器基于测量的负载和基准负载之间的差输出交流发电机场电流(alternatorfieldcurrent)，并调节交流发电机140上的负载来达到基准负载。
以这种方式，可以基于相应的特性图确定多个基准值，特性图各自被选择为环境条件的函数。基准值可用在各种各样的计算块中和/或输入到控制器中，以最终控制各种的发动机操作参数，包括排气阀位置(以控制EGR流量并因此控制进气氧气浓度)，燃料喷射正时和量，发动机速度和发动机负载。如先前所解释的，进气氧气浓度、燃料喷射正时和量、发动机速度以及发动机负载各自不同地影响排放物和燃料效率。通过至少部分地基于环境条件调节各个发动机操作参数，可将排气排放物(包括PM和NOx)维持在目标范围内而不包括燃料效率。此外，通过包括来自NOx和/或氧气传感器的排气传感器反馈，可提供实时、闭环控制来减少误差和变化，进一步改善排放物控制。
在一些示例中，可仅在加载条件下在稳态速度和负载上利用闭环BSNOx控制。当环被禁止时，BSNOx环的输出可被保持(例如记忆)或重置至零。因为在制动功率接近零时BSNOx接近无穷大，在低负载条件期间BSNOx环可能不是有用的。在一些示例中，可在例如闲置的低负载下实施NOxppm控制环，或者可在低负载下使用指示的特定NOx控制环。此外，在瞬态条件期间由于进气氧气浓度和BSNOx之间关系的变化，因而可禁止NOx控制。
因此，本文描述的系统和方法提供了例如控制单元180的控制器的实施例。控制器配置成响应于进气歧管空气温度(MAT)、进气空气流率、或感测到的或估计的进气氧气分数中的一个或更多个，通过改变排放气体再循环(EGR)量来将颗粒物质(PM)和NOx维持在范围内，并且然后基于NOx传感器反馈进一步调节EGR量。
控制器配置成确定基准进气氧气浓度并基于基准进气氧气浓度和感测的或估计的进气氧气分数之间的差来改变EGR量。基准进气氧气浓度从特性图输出，特性图将基准进气氧气量映射至发动机速度和负载。该特性图基于环境温度和压力从多个特性图之间选择。基准进气氧气浓度基于MAT调节。
控制器配置成通过基于NOx传感器反馈确定NOx比排放浓度并基于NOx比排放浓度和基准NOx浓度之间的差调节EGR量，来基于NOx反馈进一步调节EGR量。
NOx比排放浓度进一步基于湿度、排气氧气浓度和发动机功率而确定，而基准NOx浓度从将NOx浓度映射到发动机速度和负载的特性图输出，这里该特性图基于环境压力和环境温度从多个特性图之间选择。
控制器进一步配置成调节燃料喷射正时来将PM维持在范围内，燃料喷射正时基于由特性图输出的基准喷射正时而确定，并基于MAT而调节，特性图基于环境温度和压力从多个特性图之间选择。
另一个实施例包括配置成确定排气颗粒物质(PM)和排气NOx浓度的控制器，并且如果NOx浓度高于NOx阈值，则降低进气空气流率，以及如果颗粒物质浓度高于PM阈值，则增加进气空气流率。
控制器配置成通过增加排放气体再循环(EGR)流率来降低进气空气流率，以及通过降低EGR流率来增加进气空气流率。控制器配置成基于环境压力、环境温度、发动机速度、发动机负载、湿度、排气氧气浓度或NOx传感器反馈的一个或更多个来确定排气PM和NOx浓度。控制器配置成从特性图选择进气氧气浓度基准，该特性图基于所确定的排气PM和NOx浓度从多个特性图之间选择，并且基于进气氧气浓度基准调节EGR流率。控制器配置成基于歧管空气温度且进一步基于修正的排气NOx浓度调节进气氧气浓度基准。
用于方法的实施例包括基于相应的发动机操作的特性图执行喷射正时目标和进气氧气浓度目标的第一调节；基于进气歧管温度执行喷射正时和进气氧气浓度目标的第二调节；基于NOx传感器反馈执行进气氧气浓度目标的第三调节；以及基于氧气传感器反馈执行排放气体再循环(EGR)量的第四调节。该方法可使用控制器自动实施。
基于NOx传感器反馈执行进气氧气浓度目标的第三调节包括向进气氧气浓度目标的第三调节应用比第二调节更低的增益和更大的过滤器。
执行第四调节包括基于氧气传感器反馈和湿度执行EGR量的第四调节。该方法还包括基于发动机操作状态选择性地执行第三调节。
方法还包括在执行第三调节后将进气氧气浓度转换成EGR流量基准并基于EGR流量基准执行第四调节。执行第一调节包括基于环境条件选择用于调节喷射正时目标的第一特性图和选择用于调节进气氧气浓度目标的第二特性图。
基于进气歧管温度(MAT)执行喷射正时和进气氧气浓度目标的第二调节包括基于环境条件选择用于调节喷射正时目标的第一MAT补偿特性图和选择用于调节进气氧气浓度目标的第二MAT补偿特性图。
用于系统的实施例包括具有进气歧管和多个气缸的发动机；使EGR从多个气缸的至少一个子设备流向进气歧管的排放气体再循环(EGR)通道；以及配置成基于基准进气氧气浓度调节到进气歧管的EGR流的量的控制器，基准进气氧气浓度基于选择的特性图确定并基于修正的排气NOx浓度调节。
特性图基于环境温度和环境压力从多个特性图中选择。基准进气氧气浓度基于进气歧管温度进一步调节。排气NOx浓度由排气NOx传感器感测并且基于湿度、排气氧气浓度、发动机速度、发动机负载以及燃料喷射量来修正。
如本文中所使用的，以单数形式叙述并且用词语“一”或“一个”引领的元件或步骤应该理解为不排除前述元件或步骤的复数，除非明确指出了这样的排除。此外，对于本发明的一个实施例的引用并不排除也结合了陈述的特征的附加实施例的存在。此外，除非明确相反地申明，否则“包括”、“包含”或“具有”有特定特性的元件或多个元件的实施例可包括不具有该特性的附加的此类元件。用词“包含”和“在其中”用作相应术语“包括”和“其中”的普通语言等价物。此外，用词“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并且不意图给它们的对象赋予数量要求或者特定位置顺序。
该书面描述使用示例以公开包括最佳模型的本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任意装置或系统以及执行任意并入的方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括没有不同于权利要求的文字表达的结构元件，或者如果它们包括带有与权利要求的文字表达无实质区别的等同结构元件，则它们意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种控制器，其配置成响应于进气歧管空气温度(MAT)、进气空气流率、或者感测的或估计的进气氧气分数中的一个或更多个，通过改变排放气体再循环(EGR)量来将颗粒物质(PM)和NOx维持在范围内，并且然后基于NOx传感器反馈进一步调节所述EGR量。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器配置成确定基准进气氧气浓度和基于所述基准进气氧气浓度和所述感测的或估计的进气氧气分数之间的差来改变所述EGR量。
3.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述基准进气氧气浓度从特性图输出，该特性图将基准进气氧气量映射至发动机速度和负载。
4.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述特性图基于环境温度和压力从多个特性图之间选择。
5.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于，基于所述MAT调节所述基准进气氧气浓度。
6.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器配置成通过基于所述NOx传感器反馈确定NOx比排放浓度并基于所述NOx比排放浓度和基准NOx浓度之间的差调节所述EGR量，来基于NOx反馈进一步调节所述EGR量。
7.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述NOx比排放浓度进一步基于湿度、排气氧气浓度、燃料量和发动机功率而确定，并且其中所述基准NOx浓度从将NOx浓度映射到发动机速度和负载的特性图输出，其中所述特性图基于环境压力和环境温度从多个特性图之间选择。
8.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器进一步配置成调节燃料喷射正时以将PM维持在所述范围内，所述燃料喷射正时基于由特性图输出的基准喷射正时而确定，并基于所述MAT而调节，所述特性图基于环境温度和压力从多个特性图之间选择。
9.一种控制器，其配置成确定排气颗粒物质(PM)和排气NOx浓度，并且如果NOx浓度高于NOx阈值，则降低进气空气流率，以及如果颗粒物质浓度高于PM阈值，则增加所述进气空气流率。
10.根据权利要求9所述的控制器，其特征在于，所述控制器配置成通过增加排放气体再循环(EGR)流率来降低所述进气空气流率，以及通过降低所述EGR流率来增加所述进气空气流率。
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