CN106948956B - 操作具有涡轮增压器的内燃发动机的方法 - Google Patents
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Abstract
本文公开了一种操作具有涡轮增压器和将排气系统流体地连接到所述涡轮增压器的压缩机上游的进气系统的排气再循环管的内燃发动机的方法，所述方法包括以下步骤：监测指示所述进气系统中的新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的第一值，以及如果所述第一值低于其第一参考值，则中断排气流过所述排气再循环管。
Description
技术领域
本公开涉及一种操作机动车辆的具有涡轮增压器的内燃发动机的方法，例如具有涡轮增压器的压燃式发动机(例如柴油机)。
背景技术
内燃发动机(ICE)通常包括：进气系统，其包括进气歧管和用于将新鲜空气从环境输送到进气歧管中的空气管道；排气系统，其包括排气歧管，用于收集排气并将它们引导到将排气输送到环境的排气管；以及涡轮增压器，其包括位于进气系统中的用于压缩在其中流动的空气流的压缩机、和位于排气系统中的用于驱动所述压缩机的涡轮机。
为了减少污染排放，一些具有涡轮增压器的内燃发动机设置有长路径排气再循环(EGR)系统，用于选择性地将排气从排气系统引回到进气系统的空气管道中。
以这种方式，与新鲜空气混合的排气被吸入发动机汽缸中，以便在燃烧过程期间减少氮氧化物(NOx)的产生。
详细地，长路径EGR系统包括：EGR管，其将ICE微粒过滤器(DPF)下游的排气系统与涡轮增压器的压缩机上游的空气管道流体连接；位于EGR管中的EGR冷却器；以及用于调节通过EGR管的排气的流量的阀装置。
长路径EGR系统的缺点在于寒冷环境条件下潜在的水冷凝。实际上，在寒冷环境条件下的发动机预热阶段期间，与新鲜空气混合的排气会发生冷凝，从而产生流向压缩机叶轮的水滴，由此损坏涡轮增压器的压缩机。
因此，本发明的目的是防止再循环排气的冷凝，从而保护压缩机不受可能产生的水滴的影响。
发明内容
这一目的以及其他目的通过本文所述的本发明的实施例中的特征来实现。本文还描述了本发明的次要方面。
特别地，本发明的实施例提供了一种操作内燃发动机的方法，该内燃发动机具有涡轮增压器、和将排气系统流体地连接到所述涡轮增压器的压缩机上游的进气系统的排气再循环管，所述方法包括以下步骤：
-监测指示所述进气系统中的新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的第一值，以及
-如果所述第一值低于其第一参考值，则中断排气流过所述排气再循环管。
事实上，根据本发明的该实施例的方法提供了冷凝控制策略，其允许避免在EGR管与进气系统之间接合处的下游的进气系统中形成会影响涡轮增压器的压缩机叶轮的水滴。
根据该实施例的一方面，所述方法还包括以下步骤：
-监测指示所述进气系统中的新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的第二值，以及
-如果所述第二值低于其第二参考值，则中断排气流过所述排气再循环管。
本发明的这个方面提供了一种用于确定在导入气体(即新鲜空气和排气的混合物)中的潜在冷凝的更可靠的解决方案。
根据该实施例的这一方面，监测所述第一和第二值的步骤提供以下步骤：随时间对新鲜空气和排气的混合物的压力值进行采样，执行所采样的压力值的快速傅立叶变换，以及在第一和第二预定频率范围内对快速傅里叶变换进行积分。
本发明的这个方面提供了一种用于确定导入气体中的潜在冷凝的可靠解决方案。实际上，压缩机上游的进气系统中的导入气体的压力值的频谱作为与声速成比例的高频含量的空气密度的函数而变化。
本发明的不同实施例提供了一种具有涡轮增压器和将排气系统流体地连接到所述涡轮增压器的压缩机上游的进气系统的排气再循环管以及电子控制单元的内燃发动机，所述电子控制单元配置成：
-监测指示所述进气系统中的新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的第一值，以及
-如果所述第一值低于其第一参考值，则中断排气流过所述排气再循环管。
本发明的该实施例提供了一种冷凝控制策略，其允许在EGR管与进气系统之间的接合处的下游的进气系统中避免可能影响涡轮增压器的压缩机叶轮的水滴。
本发明的该实施例的一方面提供的所述电子控制单元还被配置为：
-监测指示所述进气系统中的新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的第二值，以及
-如果所述第二值低于其第二参考值，则中断排气流过所述排气再循环管。
本发明的这个方面还提供了一种用于确定导入气体中的潜在冷凝的更可靠的解决方案。
本发明的该实施例的一方面提供的是，监测指示新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的第一值和第二值为所述电子控制单元允许：随时间对新鲜空气和排气的混合物的压力值进行采样，执行所采样的压力值的快速傅立叶变换，以及在第一和第二预定频率范围内积分快速傅里叶变换。
本发明的这个方面提供了一种用于确定指示新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的期望值的可靠解决方案。
所提出的解决方案还可以通过包括载体和计算机程序的计算机程序产品的形式来执行。所提出的解决方案还可以实现为被调制以携带表示计算机程序的数据位序列的电磁信号和/或作为用于内燃发动机的进气系统的电子控制单元，其中电子控制单元配置为执行计算机程序。
本发明的另一实施例提供了一种用于操作具有涡轮增压器和将排气系统流体地连接到所述涡轮增压器的压缩机上游的进气系统的排气再循环管的内燃发动机的设备，包括：
-一装置，其用于监测指示所述进气系统中的新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的第一值，以及
-一装置，其用于如果所述第一值低于其第一参考值，则中断排气流过所述排气再循环管。
本发明的该实施例基本上实现了上面所公开的方法的相同效果，特别地，它提供了冷凝控制策略，其允许在EGR管与进气系统之间接合处下游的进气系统中避免可能影响涡轮增压器的压缩机叶轮的水滴。
根据实施例的一方面，所述装置还可以包括：
-一装置，其用于监测指示所述进气系统中的新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的第二值，以及
-一装置，其用于如果所述第二值低于其第二参考值，则中断排气流过所述排气再循环管。
本发明的这个方面提供了一种用于确定导入气体中的潜在冷凝的更可靠的解决方案。
根据装置的一方面，用于监测第一值和第二值的装置可以包括：
-一装置，其用于随时间对新鲜空气和排气的混合物的压力值进行采样，
-一装置，其用于执行所采样的压力值的快速傅立叶变换，以及
-一装置，其用于在第一和第二预定频率范围内对快速傅里叶变换进行积分。
本发明的这个方面提供了一种用于确定指示新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的期望值的可靠解决方案。
附图说明
下面参照附图，通过示例对本发明进行描述，在附图中：
图1示意性地示出了汽车系统；
图2是图1的截面A-A的截面图；
图3是详细表示操作图1的汽车系统的方法的实施例的第一示例的流程图；
图4是根据操作图1汽车系统的方法的实施例的指示空气导入气体(airinductiongas)的参数的快速傅里叶变换的曲线图。
具体实施方式
本发明的一些实施例可以包括如图1和图2所示的汽车系统100，其包括内燃发动机(ICE)110，例如压燃式发动机(例如柴油机)或火花点火发动机(例如汽油机)。ICE 110具有限定至少一个汽缸125的发动机缸体120，该汽缸具有联接以旋转曲轴145的活塞140。汽缸盖130与活塞140配合以限定燃烧室150。燃料和空气混合物(未示出)布置在燃烧室150中并被点燃，所导致的热膨胀排气促使活塞140往复运动。燃料由至少一个燃料喷射器160提供，且空气通过至少一个进气端口210被提供。燃料以高压从燃料轨170被提供给燃料喷射器160，燃料轨170与高压燃料泵180流体连通，高压燃料泵180增加从燃料源190接收的燃料的压力。每个汽缸125具有至少两个阀215，它们由与曲轴145一起适时地旋转的凸轮轴135致动。阀215选择性地允许空气从端口210进入燃烧室150，并且交替地允许排气通过排气端口220排出。在一些示例中，凸轮相位器155可以选择性地改变凸轮轴135与曲轴145之间的正时。
来自燃烧室150的排气被引导到排气系统270中。排气系统270可以包括与排气端口220流体连通的排气歧管225，排气歧管225收集排气并且将它们引导到具有一个或多个排气后处理装置280的排气管275中。后处理装置280可以是配置为可以改变排气组分的任何装置。后处理装置280的一些示例包括但不限于催化转化器(二元和三元)、氧化催化剂、稀NOx捕集器、碳氢化合物吸附器、选择性催化还原(SCR)系统以及颗粒过滤器。
空气可通过进气系统195被提供到进气端口210。进气系统195可包括与进气端口210连通的进气歧管200和从环境提供空气到进气歧管200的进气管道205。进气阀330可设置在进气管道205中。进气阀330可以包括可动阀构件331(例如节气门体)和电致动器332，该电致动器移动阀构件331以调节被引导到歧管200中的空气的质量流率。
进气系统195与可变几何涡轮增压器230配合，该涡轮增压器具有旋转地联接到涡轮机250的压缩机240，其中压缩机位于进气管道205中，而涡轮机位于排气管道275中。压缩机240的旋转增加了进气管道205和歧管200中的空气的压力和温度。设置在压缩机240与进气歧管200之间的进气管道205中的中冷器260可以降低空气的温度。涡轮机250通过接收来自排气歧管225的排气而旋转，排气歧管225引导来自排气端口220的排气并且排气在通过涡轮机250膨胀之前通过一系列叶片。该示例示出了可变几何涡轮机(VGT)，其中VGT致动器290布置成移动涡轮250的叶片以改变通过其的排气的流量。
ICE 110还可以设置有用于将部分排气再循环回到燃烧室150中的排气再循环(EGR)系统。EGR系统可以包括短路径或高压EGR(HP-EGR)管300，其联接在排气歧管225和进气歧管200之间。更具体地，HP-EGR管300从排气歧管225或者从位于涡轮机250上游的排气管275的点分支，并且在位于压缩机240下游的进气管道205的点特别是在进气歧管200和进气阀330之间引入。HP-EGR管中300可以设置有HP-EGR冷却器310，以降低在其中流动的排气的温度。HP-EGR阀320可以设置在HP-EGR管300中。HP-EGR阀320可以包括可动阀构件321和电致动器322，该电致动器移动阀构件321以调节HP-EGR管300中的排气的质量流率。
在一些实施例中，EGR系统还可以包括联接在排气歧管225与进气歧管200之间的长路径或低压EGR管500。更具体地，长路径EGR管500从位于涡轮机250下游特别是在后处理装置280下游的排气管275的点分支，并且在位于压缩机240上游的进气管道205的点引入。EGR管500可以设置有长路径EGR冷却器510，以降低在其中流动的排气的温度。长路径EGR阀520可以设置在长路径EGR管500中。长路径EGR阀520可包括可动阀构件521和电致动器522，该电致动器移动阀构件521以调节长路径EGR管500中的排气的质量流率。
在进气管道205中，在压缩机240的上游设置有压力传感器530，用于感测进气系统195内的新鲜空气和排气的混合物的压力值。
汽车系统100还可以包括与同ICE 110相关的一个或多个传感器和/或装置通信的电子控制单元(ECU)450。ECU 450可以接收来自各种传感器的输入信号，这些传感器配置为产生与同ICE 110相关的各种物理参数成比例的信号。传感器包括但不限于位于长路径EGR阀520上游的进气管道205中的质量空气流量和温度传感器340、歧管压力和温度传感器350、燃烧压力传感器360、冷却剂和油温度及液位传感器380、燃料轨压力传感器400、凸轮位置传感器410、曲柄位置传感器420、排气压力和温度传感器430、HP-EGR温度传感器440和加速器踏板位置传感器445。此外，ECU 450可以产生到布置成控制ICE 110的操作的各种控制装置的输出信号，所述控制装置包括但不限于燃料喷射器160、进气阀致动器332、HP-EGR阀致动器322、长路径EGR阀致动器522、VGT致动器290和凸轮相位器155。注意，虚线用于指示ECU 450与各种传感器和装置之间的通信，但为了清楚起见省略了一些。
下面转到ECU 450，该装置可以包括与存储器系统和接口总线通信的数字中央处理单元(CPU)。CPU配置为执行存储器系统460中的组为程序存储的指令，并且将信号发送至接口总线/从其接收信号。存储器系统460可以包括各种存储类型，包括光存储、磁存储、固态存储和其他非易失性存储器。接口总线可以配置为将信号发送至各种传感器和控制装置/从其接收和调制模拟和/或数字信号。所述程序可以体现本文公开的方法，从而允许CPU执行这些方法的步骤并控制ICE 110。
存储在存储器系统460中的程序通过缆线或以无线方式从外部传输。在汽车系统100之外，其通常作为计算机程序产品是可见的，计算机程序产品在本领域中也被称为计算机可读介质或机器可读介质，并且应当被理解为驻留在载体上的计算机程序代码，所述载体在本质上是暂时性或非暂时性的，结果是计算机程序产品可被认为在本质上是暂时性的或非暂时性的。
暂时性计算机程序产品的示例是信号，例如电磁信号诸如光信号，其是用于计算机程序代码的暂时性载体。携带这样的计算机程序代码可以通过由常规调制技术(比如用于数字数据的QPSK调制信号)来实现，使得表示所述计算机程序代码的二进制数据被施加在暂时性电磁信号上。这样的信号例如在经由Wi-Fi连接到笔记本电脑以无线方式传输计算机程序代码时使用。
在非暂时性计算机程序产品的情况下，计算机程序代码被实施在有形存储介质中。存储介质则是上述非暂时性载体，使得计算机程序代码永久地或非永久地以可检索的方式存储在该存储介质中或上。存储介质可以是计算机技术中已知的常规类型，比如闪存存储器、Asic、CD等。
代替ECU 450，汽车系统100可以具有不同类型的处理器，以提供电子逻辑，所述处理例如嵌入式控制器、车载计算机或可以部署在车辆中的任何处理模块。
ECU 450可以配置成执行冷凝检测策略，并且如果检测到在供应到压缩机240的新鲜空气和排气的混合物中存在水滴，则中断流过EGR管500的排气的流动。
为了确定水滴的存在，ECU 450针对预定的发动机工作点监测指示供应到压缩机240的新鲜空气和排气的混合物的密度的参数。供应到压缩机240的新鲜空气和排气的混合物的密度可以通过在预定的发动机工作点对由压力传感器530测量的新鲜空气和排气的混合物的压力值随时间进行采样来检测。
根据本发明的本实施例，压力传感器530位于进气管道205中，然而，在本发明的不同实施例中，压力传感器530被设置为位于进气歧管200中。
所采样的压力值的频谱作为新鲜空气和排气的混合物的密度的函数而变化，因为高频含量根据下式与声速成比例：
根据优选实施例，ECU 450对新鲜空气和排气的混合物的多个压力值进行采样，并且对确定频谱的所采样的压力值进行快速傅立叶变换(框800)。然后，ECU 450通过以下公式计算(框801)在第一预定频率范围内的所采样的压力值的快速傅立叶变换的积分：
其中，a1和a2是第一预定频率范围的端点值，F(p)是所采样的压力值的快速傅立叶变换。
通过实验活动，基于ICE 110的种类来确定第一预定频率范围的端点值a1和a2。根据本发明的本实施例，a1等于2.5kHz，a2等于3.5kHz。
所确定的值A1是指示示新鲜空气和排气的混合物的密度的参数，将其与通过在ICE 110的校准阶段期间执行的测试所确定的相应参考值A1baseline进行比较(框820)。
参考值A1baseline在预定的ICE工作点确定，其中，可推测新鲜空气和排气的混合物的冷凝。
如果确定值A1低于相应的参考值A1baseline，则ECU 450检测潜在的冷凝，ECU 450中断(框840)排气流过EGR管500，从而避免压缩机由于在新鲜空气和排气混合物中存在水滴而损坏。
相反，如果指示新鲜空气和排气的混合物的密度的确定值A1等于或大于相应的参考值A1baseline，则ECU 450允许排气流过EGR管500(框830)。
根据优选实施例，ECU 450还通过以下公式计算在第二预定频率范围内的所采样的压力值的快速傅立叶变换的积分：
其中，a3和a4是第二预定频率范围的端点值，F(p)是所采样的压力值的快速傅立叶变换。
通过实验活动，基于ICE 110的种类来确定第二预定频率范围的端点值a3和a4。根据本发明的本实施例，a3等于4.5kHz，a4等于5kHz。
将确定值A2与通过在ICE 110的校准阶段期间执行的测试所确定的相应参考值A2baseline进行比较(框820)。
参考值A2baseline在预定的ICE工作点确定，其中新鲜空气和排气的混合物的冷凝不是可推测的。
本发明的另一实施例通过学习策略提供参考值A1baseline和A2baseline的连续更新，其中前述压力信号的频谱在已知不会引起冷凝现象的条件(即，预热发动机冷却剂温度和20-30℃的环境空气温度)下分析。
如果指示新鲜空气和排气的混合物的密度的确定值A1或A2低于相应参考值A1baseline和A2baseline，则ECU 450检测潜在的冷凝，其中断排气流过长路径EGR的EGR管500，以避免压缩机由于在新鲜空气和排气的混合物中存在水滴而损坏。
可以由ECU 450通过调节长路径EGR阀520的阀构件521来致动排气流过EGR管500的中断，使得仅新鲜空气被供给到ICE 110。
在ICE 110的操作期间，ECU 450连续地确定值A1和A2，并且其防止使用长路径EGR，直到确定值A1和A2等于或大于相应值A1baseline和A2baseline。
尽管在前面的发明内容和详细描述中已经给出了至少一个示例性实施例，但应当理解的是还存在大量的变型。还应当理解的是，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，且不旨在以任何方式限制范围、适用性或配置。相反，上述发明内容和详细描述将为本领域技术人员提供用于实现至少一个示例性实施例的方便路线图，应当理解的是，可以在示例性实施例中所描述的元件的功能和布置中进行各种改变，而不脱离所附权利要求及其法律等同物所阐述的范围。
附图标记列表 310 HP-EGR冷却器
100汽车系统 320 HP-EGR阀
110内燃发动机 321阀构件
120发动机缸体 322致动器
125汽缸 330进气阀
130汽缸盖 331阀构件
135凸轮轴 332致动器
140活塞 340质量空气流量和温度传感器
145曲轴 350歧管压力和温度传感器
150燃烧室 360燃烧压力传感器
155凸轮相位器 380冷却剂和油温度及液位传感器
160燃料喷射器
170燃料轨 400燃料轨压力传感器
180燃料泵 410凸轮位置传感器
190燃料源 420曲轴位置传感器
195进气系统 430排气压力和温度传感器
200进气歧管 440 HP-EGR温度传感器
205进气管道 445加速踏板位置传感器
210进气端口 450 ECU
215阀 460存储器系统
220排气端口 500 LP-EGR管
225排气歧管 510 LP-EGR冷却器
230可变几何涡轮增压器 520 LP-EGR阀
240压缩机 521阀构件
250涡轮机 522致动器
260中冷器 530压力传感器
270排气系统 800框
275排气管 810框
280后处理装置 820框
290 VGT致动器 830框
300 HP-EGR管 840框
Claims (7)
1.一种操作内燃发动机(110)的方法，该内燃发动机具有涡轮增压器(230)和排气再循环管(500)，该排气再循环管将排气系统(270)流体地连接到进气系统(195)，所述方法包括以下步骤：
-随时间对指示进气系统(195)中的新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的第一值进行采样；
-计算所采样的第一值的频谱；
-在预定频率范围上对所述频谱进行积分以确定第一流体密度值；以及
-如果所述第一流体密度值低于其第一参考值，则中断排气通过排气再循环管(500)的流动。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
-随时间对指示进气系统(195)中的新鲜空气和排气的混合物的密度的所述参数的第二值进行采样；
-计算所采样的第二值的第二频谱；
-在所述预定频率范围上对所述第二频谱进行积分以确定第二流体密度值；以及
-如果所述第二流体密度值低于其第二参考值，则中断排气通过排气再循环管(500)的流动。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
随时间对新鲜空气和排气的混合物的压力值进行采样，
执行所采样的压力值的快速傅立叶变换，以及
在所述预定频率范围内对快速傅里叶变换积分。
4.一种内燃发动机(110)，其具有涡轮增压器(230)和排气再循环管(500)，所述排气再循环管将排气系统(270)流体地连接到进气系统(195)，内燃发动机还包括电子控制单元(450)，该电子控制单元被配置为：
-随时间对指示进气系统(195)中的新鲜空气和排气的混合物的密度的参数的第一值进行采样；
-计算所采样的第一值的频谱；
-在预定频率范围上对所述频谱进行积分以确定第一流体密度值；以及
-如果所述第一流体密度值低于其第一参考值，则中断排气通过排气再循环管(500)的流动。
5.根据权利要求4所述的内燃发动机，其中，电子控制单元(450)还被配置为：
-随时间对指示进气系统(195)中的新鲜空气和排气的混合物的密度的所述参数的第二值进行采样；
-计算所采样的第二值的第二频谱；
-在所述预定频率范围上对所述第二频谱进行积分以确定第二流体密度值；以及
-如果所述第二流体密度值低于其第二参考值，则中断排气通过排气再循环管(500)的流动。
6.根据权利要求4和5中任一项所述的内燃发动机，其中，所述电子控制单元(450)还被配置为：
随时间对新鲜空气和排气的混合物的压力值进行采样，
执行所采样的压力值的快速傅立叶变换，以及
在所述预定频率范围内对快速傅里叶变换积分。
7.一种非暂时性计算机可读介质，包括用于当在计算机上运行时执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法的程序代码的计算机程序。
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