CN108699984A - 用于控制内燃发动机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于控制燃烧发动机（1）的方法，该燃烧发动机包括进入回路（2）和排出回路（3），该方法包括以下步骤：‑ 确定流经燃烧发动机的排出回路（3）的排气的温度（步骤60），‑ 比较所确定的温度与最大阈值（步骤61），‑ 如果所确定的温度小于最大阈值，则通过将运行富燃料度减少预定值并且通过将在燃烧发动机（1）的排出回路（3）和进入回路（2）之间的再循环排气的比率同步地增加预定值来控制发动机（步骤64）。

Description

用于控制内燃发动机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制内燃发动机的方法，尤其是机动车辆的内燃发动机。

已知将例如装备于机动车辆的内燃发动机的排气的一部分重新循环至发动机汽缸的原理。“排气再循环”按英语“Exhaust Gas Recirculation”通常称作“EGR”。

背景技术

将排气与进入的新鲜空气混合对燃料混合物的燃烧有影响。因此，化学惰性且具有高热容量的排气的存在允许降低其排气的温度。在汽油发动机中，混合物自燃的风险的倾向也得以降低，从而降低了爆震的倾向。另外，排气再循环允许减少泵送损失。排气再循环的使用允许降低比燃料消耗量，使之成为一项非常有益的技术。还已知，为了确保存在于排气中污染物通过催化剂的良好转化，应该使运行富燃料度（richness of operation）接近1，即空气和燃料的混合物的组成接近化学计量学。为了使污染物排放最小化，由此得以确保发动机运行条件的主要部分具有为1的富燃料度，也称为化学计量学富燃料度。这种运行模式的一个例外是，当对于富燃料度为1的运行排气温度过高时。当发动机输送的功率接近发动机最大可用功率时，尤其会遇到这些条件。在此类条件下，混合物会主动地变得富有（燃料），即相比于化学计量学混合，混合物组成具有过量的燃料。这种富燃料的作用降低了排气温度并使其是可接受的。

对应的是燃料消耗以及污染物排出的增加。因此，应该使富燃料度最小化。因此针对各种运行条件限定富燃料度值，例如由发动机的旋转转速和所传递的转矩所限定。

由于存在于发动机本身之间以及装备于发动机的各种传感器和执行器之间的制造离差，运行的实际富燃料度可能会略微偏离设定点。因此，发动机调试者必须针对整个发动机范围中最临界的发动机限定运行富燃料度。以此方式，即使最受约束的发动机仍遵循可接受的最大温度。如果对所有发动机均应用相同的运行富燃料度，则某些发动机具有的排放温度将低于可接受限制。可以降低运行富燃料度以避免过度冷却排气。根据本发明的方法的目的在于，对于所建造的每辆车辆通过同步地作用于再循环排气的比率来允许单独地调节运行富燃料度。

发明内容

为此，本发明提出一种用于控制燃烧发动机的方法，所述燃烧发动机包括进入回路和排出回路，所述方法包括以下步骤：

- 确定流经燃烧发动机的排出回路的排气的温度，

- 比较所确定的温度与最大阈值，

- 如果所确定的温度小于最大阈值，则通过将运行富燃料度减少预定值并且通过将在内燃发动机的排出回路和进入回路之间再循环排气的比率同步地增加预定值来控制发动机。

减少富燃料度允许增加发动机效率。增加再循环排气的比率允许降低排气温度。通过结合再循环排气的比率的增加和运行富燃料度的减少，使得在不超过可接受温度阈值的情况下可以在化学计量学富燃料度下运行的可能性得以最大化。

根据优选的实施例，基于由安装在燃烧发动机的排出回路上的传感器所传输的信息，确定排气的温度。

在无论何种条件下，由传感器所提供的信息允许精确地知晓实际运行温度，以及所生产的每个发动机的实际温度。因此，由发动机生产及其部件生产的总体离差所导致的运行温度离差均能够得到考虑。

根据另外的实施例，至少基于燃烧发动机的旋转转速和转矩设定电，确定排气的温度。

为了限制成本，也可以在不使用温度传感器的情况下实施该方法。因此，通过使用发动机转速、转矩设定点以及允许使温度建模精细化的其它参数，能够根据多种模型来估算温度。

根据实施例，最大温度阈值是恒定值。当最大温度阈值由机械部件进行调节时，最大温度阈值能够等于常数。

可替代地，最大温度阈值依赖于发动机的运行富燃料度设定点。

对于一些部件，最大温度取决于气体的化学成分，并因此取决于运行富燃料度。例如这发生于污染物的催化转化器的情况。

优选地，通过减少喷射的燃料量来减少运行富燃料度。

运行富燃料度与喷射至发动机中的燃料量直接相关。

有利地，本方法包括验证运行富燃料度大于1的验证步骤。

在减少富燃料度之后发动机以化学计量学富燃料度运行的情况下，无需继续减小富燃料度，并且方法的迭代停止。

优选地，基于测量在排气中的氧气含量的传感器所输送的信息，确定运行富燃料度。

称为lambda传感器或氧气传感器的特定传感器设置在排气中。

根据实施例，测量在排气中的氧气含量的传感器的信息是二进制信息。

这种类型的传感器称为二进制传感器或“开/关”传感器。该传感器价格低廉并且相关信号的处理是简单的。

根据优选的实施例，测量在排气中的氧气含量的传感器的信息是与氧气浓度成比例的信息。

这种类型的传感器允许对运行富燃料度进行更精确的控制。

有利地，该方法包括以下步骤：

在将温度和最大阈值进行比较之后，检测对于发动机运行的稳定性条件（步骤62）。

当所测量的温度是稳定的并且表示稳定运行时，实施对运行富燃料度和再循环排气比率的校正。

优选地，通过增加排气的再循环阀的通过截面来增加再循环排气的比率。

根据实施例，排气再循环阀是旋转活门类型的。

这种类型的阀会产生小的负载损失，从而允许较高通量。

可替代地，排气的再循环阀是具有可平移运动的可移动阀的类型。

这种类型的阀通常具有低泄漏水平并且极耐高温。

可替代地或补充地，通过改变可变的阀执行器的位置来增加再循环排气的比率。

通过改变发动机阀打开和关闭的方式，可以改变残留在燃烧室中的剩余的经燃烧的气体的量。这些气体然后用于随后的燃烧。因此，这称为内部排气再循环。阀打开和关闭的改变可能影响发动机阀的打开持续时间，或者提升高度，或者打开和关闭的时间。对于发动机的单个汽缸或所有汽缸而言，可以独立或组合地更改这些不同的参数。

优选地，当经增加的比率达到最大值时，能够停止再循环排气的比率的增加。

这样避免产生会在再循环气体的高比率下发生的燃烧不稳定性。

有利地，该方法包括以下步骤：

- 当温度变得高于最大阈值时，则使运行富燃料度再次增加预定值，并且将再循环排气的比率同步地减小预定值（步骤65）。

相对于可接受的温度阈值，这样产生安全裕度。

根据实施例，温度传感器设置在发动机排气歧管上。

该位置允许在非常接近最热部位的位置处测量气体的温度。通常来说，将温度传感器安置在最靠近想要监测温度的元件处是有益的。

根据另外的实施例，温度传感器设置在发动机的汽缸盖之一上。

当排气歧管集成在发动机的汽缸盖中时，该位置是合适的。

根据实施例，温度传感器设置于增压涡轮机的上游。

该位置允许精确控制涡轮机所经受的最大温度。因此，有助于增压装置的可靠性。

根据实施例，温度传感器设置于污染物还原装置的上游，该污染物还原装置使发动机排气中所包含的污染物还原。

该位置允许精确控制旨在清洁发动机的清洁装置，这有同时助于装置的效率和可靠性。清洁装置通常包括催化转换器，并且有时包括颗粒物过滤器。

在本发明的实施示例中，温度传感器设有热电偶。

这种类型的温度测量传感器允许在大的温度范围内准确地进行测量。

在另外的实施示例中，温度传感器是热敏电阻。

这种类型的温度传感器价格低廉并且对相关信号的处理是简单的。

根据本方法的实施示例，运行富燃料度的减量为恒定值。

该实施使用控制单元中的非常少的存储，该控制单元控制发动机运行并实施该方法。

根据优选的实施示例，运行富燃料度的减量是取决于发动机的旋转转速和发动机的转矩设定点的值。

该实施允许更精细且更快地进行温度调节。

根据该方法的实施示例，再循环比率的增量是恒定值。

如前所述，该实施使用控制单元中的非常少的存储。

根据优选示例，再循环比率的增量是取决于发动机的旋转转速和发动机的转矩设定点的值。

本发明还涉及一种燃烧发动机的控制单元，该控制单元配置来实现先前描述的方法并且设置来控制燃烧发动机。

控制单元基于由不同传感器所提供的信息来操纵发动机的不同执行器的运行。控制单元也实施所有必要的计算。

本发明还适用于排气再循环系统，其包括：

- 如前所述的控制单元，

- 燃烧发动机的可燃气体进入回路，其包括增压器，所述增压器设置来增加在进入回路中流动的燃烧气体的压力，

- 排气再循环回路，其被设置来使燃烧发动机的排气在发动机的排出回路和进入回路之间再循环，

其中，排气在增压器的上游处被再循环。

称为“低压”的这种排气再循环的结构非常适合汽油发动机。

附图说明

通过阅读附图，将会更好地理解本发明。

- 图1示意性地示出了具有本发明的实施示例的系统，

- 图2示出了图1的系统的不同运行参数随时间的变化，

- 图3是示出由图1的装置所实施的方法的不同步骤的框图。

具体实施方式

图1中示出了排气再循环系统40，其包括：

- 控制单元30，

- 内燃发动机1的燃烧气体的进入回路2，其包括设置来增加在进入回路2中流动的燃烧气体的压力的增压器8，

- 排气的再循环回路4，5，其设置成使发动机1的排气在发动机的排出回路3和进入回路2之间再循环，

沿着该再循环回路，排气在增压器8的上游处被再循环。

内燃发动机1的控制单元30配置来实施将要描述的控制方法，并且设置来控制燃烧发动机1。

控制单元30基于由不同传感器所输送的信息来操纵发动机1的不同执行器的运行。控制单元30还进行对于控制发动机1所必需的所有计算。

发动机1是火花点火式发动机。

按照下列方式进行燃烧气体的供应：空气在进入回路2的入口7处进入，穿过增压器8，并且然后在热交换器9中得以冷却。根据运行设定点由节流阀11调节燃烧空气流。然后，燃烧空气穿过进气歧管11，该进气歧管11将燃烧混合物分配到发动机的每个汽缸中。

燃料通过喷射器22在加压下进入燃烧室中。

在发动机内燃烧之后，每个汽缸中的经燃烧的气体的主要部分由排气歧管所汇集，该排气歧管将经燃烧的气体引导至增压装置6的涡轮机15。

一部分经燃烧的气体取道称为“高压”的再循环回路5。

再循环阀20允许调节在回路5中再循环的气体的流量。排气再循环阀20是具有平移运动的可移动阀类型的。热交换器21在再循环气体重新进入发动机1之前冷却该再循环气体。在所示的示例中，阀20位于热交换器21的上游。再循环阀也可以位于热交换器的下游。

涡轮机15和压缩机8附接至相同的旋转轴，并且由经燃烧的气体供应至涡轮机的能量允许实现对穿过压缩机8的气体的压缩功。经燃烧的气体在涡轮机15中膨胀之后穿过去污装置16，该去污装置16包括催化转化器和颗粒物过滤器。然后，大部分经燃烧的气体在排出出口9处被排放至外部。

一部分气体经过称为“低压”的排气再循环回路4。热交换器17冷却这些气体，并且阀18允许调节气体流量。排气再循环阀18是旋转活门类型的。

这种类型的阀非常适合“低压”结构。在所示的示例中，再循环阀18在热交换器17的下游。根据未示出的实施例，阀也可以设置在热交换器的上游。

热交换器17，21是空气/空气类型的。根据未示出的实施例，热交换器中的至少一个是空气/水类型的。

根据由安装在内燃发动机排出回路上的传感器13所给出的信息来确定排气的温度。在图1中所描述的示例中，温度传感器13设置在发动机1的排气歧管12上。所测量的温度表示排气的实际温度。温度传感器13上包括热电偶。

这种类型的温度测量传感器允许在排气的整个可能的温度范围上精确地进行测量，该范围为-40℃至1000℃。

根据由测量在排气中的氧气含量的传感器14所输送的信息，确定发动机1的运行富燃料度。根据所描述的示例，测量在排气中的氧气含量的传感器的信息是二进制信息。这意味着，当含碳混合物的成分是丰富的（即燃料过量）时，传感器输送介于600毫伏到900毫伏之间的电压电平。当混合物是贫乏的（即空气过量）时，传感器输送介于100毫伏到300毫伏之间的电压。由本领域技术人员所熟知且未在本文详述的调节策略允许控制单元30基于该二进制信息精细地调节平均富燃料度。

根据本发明的控制方法包括以下步骤：

- 确定在内燃发动机1的排出回路3中循环的排气的温度（步骤60），

- 比较所确定的温度与最大阈值（步骤61），

- 如果所确定的温度低于最大阈值，则通过将运行富燃料度减少预定值并且通过将在燃烧发动机1的排出回路3和进入回路2之间再循环的排气的比率同步地增加预定值来控制发动机（步骤64）。

图2示意性地表示在方法的执行期间各种运行参数随时间的变化。

曲线C1表示排气温度随时间的变化，曲线C2表示运行富燃料度的变化，并且曲线C3表示再循环排气的比率的变化。

从时间t₀开始以及直到时间t₁，运行富燃料度递减并且从值C21变为值C22。再循环排气的比率同步递增，从值C31变为值C32。在运行富燃料度减少的同时，而混合物是丰富的，如曲线C1所示，排气温度升高，从值C11变为值C12。通过增加再循环排气的比率，排放温度将降低。因此，增加再循环排气的比率还允许降低运行富燃料度。因此，通过如此接近化学计量学系统，比燃料消耗量以及未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的排出减少。该方法允许考虑存在于多个发动机之间的离差，使得对于最受约束的发动机所限定的安全裕度不被应用于限制性较少的发动机。因此，这些发动机可以从燃料消耗中获益。

该方法的目标是尽可能频繁地在化学计量学富燃料度下运行，因此，其仅在运行富燃料度大于1时才实施该方法。因此，该方法包括验证步骤以便于检查运行富燃料度是大于1的（步骤63）。

在发动机运行在富燃料度减少之后以化学计量学富燃料度进行的情况下，则无需继续减小富燃料度，并且方法的迭代中止。

在暂态运行的条件下，所测量的温度并非必然具有代表性。为了避免考虑到暂态效应，该方法包括以下步骤：

-在将温度与最大阈值进行比较之后，检测对于发动机运行的稳定性条件（步骤62）。

通过减少所喷射的燃料量来减少运行富燃料度。

控制单元30调节所喷射的燃料设定点，以便于获得新的运行富燃料度设定点。

通过增加排气再循环阀的通过截面来增加再循环排气的比率。通过作用于低压阀18上或高压阀20上，或同时作用在这两个阀上，能够增加再循环排气的比率。在阀18的情况下，控制单元30增加节流门的角度位置，以增加阀管道的通过截面。在阀20的情况下，控制单元30增加阀门的提升。在这两种情况下，控制单元操控使可移动构件致动的电马达的运行。未示出的位置传感器允许精确地控制所获得的通过截面。

温度的最大阈值取决于发动机的运行富燃料度设定点。实际上，对于某些部件而言，可接受的最大温度取决于气体的化学成分，并因此取决于运行富燃料度。例如，这发生于污染物催化转化器的情况，相比于化学计量学混合物或贫乏混合物的情况下，该污染物催化转化器在丰富混合物的情况下能够承受更高温度。因此，可以使温度限值适应于运行条件。

运行富燃料度的减量是取决于发动机旋转转速和发动机转矩设定点的值。因此，可以将富燃料度减少速度调节至发动机运行点。

以相同的方式，再循环比率的增量是取决于发动机的旋转转速和转矩设定点的值。

当运行富燃料度达到化学计量学值时，则停止方法的迭代。当经增加的比率达到最大值时，则停止再循环排气比率的增加。

这样避免产生在再循环气体的高比率时可能发生的燃烧不稳定性。

再循环排气的最大比率取决于发动机的旋转转速和转矩设定点。

该方法包括以下步骤：

- 当温度变得高于最大阈值时，将运行富燃料度再次增加预定值，并且使再循环排气的比率同步地减少预定值（步骤65）。

相比于可接受的阈值温度，这样获得安全裕度。

如能够从图2中所见，在时间t₁达到可接受的最大温度C12后，运行富燃料度在时间t₂再次增加至值C23，并且再循环排气的比率减少至值C33。然后，运行富燃料度和再循环排气比率的值被固定至该运行点。运行温度被设定至值C13。

该方法将随着运行点的出现重新适用于所有运行点。

该方法可能包括实施的细微变化。根据各种实施例：

- 最大温度阈值是恒定值，

- 运行富燃料度的减量是恒定值，

- 再循环比率的增量是恒定值。这种实施利用控制单元中非常少的存储。

-至少根据内燃发动机的旋转转速和转矩设定点来确定排气的温度。在这种情况下并且为了限制成本，该方法在不使用温度传感器的情况下实施。因此，根据多种模型，尤其通过使用发动机的旋转转速、转矩设定点来估算温度。也可以使用进气温度和外部温度。

所描述的系统中使用的传感器可以变化，并且根据各种实施例：

- 测量排气中的氧气含量的传感器的信息是与氧气浓度信息成比例的。

- 温度传感器是热敏电阻。热敏电阻可以是半导体类型或铂基金属电阻类型的部件。

温度传感器的位置也可以进行修改。根据本方法的实施的各种变型：

- 温度传感器设置在发动机的汽缸盖上，

- 温度传感器设置在涡轮增压涡轮机的上游，

- 温度传感器设置在还原装置的上游，该还原装置使包含于发动机排气中污染物还原。

再循环排气的比率也可以通过作用于内部再循环来进行修改。作为所述方法的替代或补充，通过改变可变的阀执行器的位置来增加再循环排气的比率。

Claims (10)

1.一种用于控制燃烧发动机（1）的方法，所述燃烧发动机包括进入回路（2）和排出回路（3），所述方法包括以下步骤：

- 确定流经所述燃烧发动机的所述排出回路（3）的排气的温度（步骤60），

- 比较所确定的温度与最大阈值（步骤61），

- 如果所确定的温度小于所述最大阈值，则通过将运行富燃料度减少预定值并且通过使在所述燃烧发动机（1）的所述排出回路（3）与所述进入回路（2）之间的再循环排气的比率同步地增加预定值来控制所述发动机（步骤64）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于由安装在所述燃烧发动机（1）的所述排出回路（3）上的传感器（13）所提供的信息，确定所述排气的温度。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述温度最大阈值取决于所述燃烧发动机的设定运行富燃料度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括验证步骤以确保所述运行富燃料度是大于1的（步骤63）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于由测量所述排气中的氧气含量的测量传感器（14）所输送的信息，确定所述运行富燃料度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当经增加的比率达到最大值时，则停止所述再循环排气的比率的增加。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括以下步骤：

- 当所述温度变得高于所述最大阈值时，将所述运行富燃料度再次增加预定值，并且同步地将所述再循环排气的比率减少预定值（步骤65）。

8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述温度传感器（13）设置在所述发动机（1）的排气歧管（12）上。

9.一种燃烧发动机（1）的控制单元（30），其配置来实施根据前述权利要求中任一项所述的方法以控制所述燃烧发动机（1）。

10.一种排气再循环系统（40），其包括：

- 根据前项权利要求所述的控制单元（30），

- 燃烧发动机（1）的可燃气体进入回路（2），其包括增压器（8），所述增压器设置来增加在所述进入回路（2）中流动的燃烧气体的压力，

- 排气再循环回路（4，5），其设置来使所述燃烧发动机（1）的排气在所述燃烧发动机的排出回路（3）和所述进入回路（2）之间再循环，

其中，所述排气在所述增压器（8）的上游处被再循环。