CN108730056A - 采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置及方法 - Google Patents

采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置及方法，在喷油器（3）与废气涡轮（9）之间设置温度传感器（2）并与发动机控制单元（1）连接。设定T3的闭环控制目标温度值，发动机控制单元读取T3的实测温度，若T3<闭环控制目标温度，则不进行控制；若T3>=闭环控制目标温度，且<极限温度，则进行闭环控制，若偏差值>0，则判断增压压力是否达到目标值，若否，调整增压开度调节器（5）开度，若是，判断进气量是否达到目标值，若否，则调整废气再循环阀（7）开度和节气门（6）开度；若T3>=极限温度且维持时间>3s，立即进行开环控制，即喷油量减少至预设值，直至T3<闭环控制目标温度且维持时间>3s。

Description

采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置及方法
技术领域
本发明涉及一种柴油机的控制装置及方法，尤其涉及一种采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置及方法。
背景技术
受材料耐温极限限制，发动机排气歧管和涡轮增压器的温度必须控制在限值以内。由于两个零件距离很近，实际应用中选取两个零件耐温极限较低者作为涡前排气温度（以下简称T3）的限值，并留有一定的安全余量。如果T3超过限值，可能会造成排气歧管和涡轮增压器变形、破裂、漏气等故障，损坏发动机并造成严重的安全隐患。
目前，对柴油发动机排气歧管和增压器的T3控制有2种方案：
1、开环控制。在台架及整车标定过程中加装临时T3传感器，开环控制涡前温度不超过限值，在车辆量产阶段不安装T3传感器。此方案的缺点是：发动机T3受环境温度影响显著，环境温度升高则涡前温度会快速上升。由于标定过程中无法兼顾发动机运行的所有工况，特别是极端高温环境工况，所以此方案必须留有较大的安全余量，一般在30℃以上。
2、建模控制。在发动机ECU软件中建立T3模型，闭环控制T3不超过限值，在车辆量产阶段不安装T3传感器。此方案的缺点是：现有ECU软件中T3模型偏差较大，一般稳态偏差为±20℃，动态偏差为±30degc。所以此方案也必须留有30℃以上的安全余量。
发动机采用某品牌2.0T双增压柴油机，功率转速为4000rpm，T3的极限为830℃，采用上述两个方案，T3的温度只能控制为<=800℃，发动机功率为150kW。上述两个方案的T3安全余量大，意味着进入涡轮的排气温度较低，排气流量也会减少，造成排气能量降低，排气能量低导致涡轮增压器的最大增压压力降低，发动机的最大功率会受到明显影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置及方法，通过对涡前排气温度的闭环控制，可以大幅减少涡前排气温度的安全余量，提高涡前排气能量，从而提升发动机功率；同时能够对涡前排气温度进行精确控制，有效保护发动机。
本发明是这样实现的：
一种采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置，发动机控制单元、喷油器、空气流量传感器、增压器开度调节器、节气门、废气再循环阀、废气再循环冷却器旁通阀、废气涡轮、压气机、空气滤清器、中冷器、发动机、废气再循环冷却器、催化氧化器、颗粒捕集器、选择性催化还原器及消音器；发动机、废气涡轮、催化氧化器、颗粒捕集器、选择性催化还原器及消音器依次连接成排气结构，空气滤清器、空气流量传感器、压气机、中冷器、节气门及发动机依次连接构成进气结构；废气涡轮通过增压器开度调节器与压气机连接，废气再循环阀及废气再循环冷却器连接在发动机的出口端与进口端之间，废气再循环阀通过废气再循环冷却器旁通阀与发动机的进口端连接；发动机控制单元与喷油器、空气流量传感器、增压器开度调节器、节气门、废气再循环阀及废气再循环冷却器旁通阀连接；
所述的采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置还包括温度传感器，温度传感器设置在排气歧管与废气涡轮之间并与发动机控制单元连接。
一种采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制方法，包括如下步骤：
步骤1：在发动机控制单元中设定涡前排气温度的闭环控制目标温度、增压压力目标值、进气量目标值，并实时读取温度传感器监测到的涡前排气温度；
步骤2：发动机控制单元将涡前排气温度减去涡前排气温度的闭环控制目标温度，得出偏差值；
步骤3：发动机控制单元判断若偏差值是否<0，若是，不进行控制，若否，判断涡前排气温度是否大于极限温度，若否，执行步骤4，进行闭环控制，若是且涡前排气温度大于极限温度的持续时间大于3秒钟，立即进行开环控制；
步骤4：发动机控制单元读取压气机的增压压力值，并判断增压压力是否达到目标值，若是，执行步骤5，若否，通过增压开度调节器调整增压开度直到增压压力达到目标值；
步骤5：发动机控制单元读取空气流量传感器的进气量值，并判断是否达到进气量目标值，若是，减少喷油器的喷油量，并返回步骤1，若否，调整节气门的开度和废气再循环阀的开度直到进气量达到进气量目标值。
在所述的步骤3中，所述的开环控制的方法为：通过发动机控制单元减少喷油器的喷油量至预设值直至偏差值<0并维持3秒钟以上，返回步骤2。
在所述的步骤5中，还包括如下分步骤：
步骤5.1：发动机控制单元根据偏差值计算喷油器的喷油量，并输出到喷油器；喷油器（3）的喷油量计算公式如下：
其中，λ为过量空气系数，△λ为过量空气系数修正量；
步骤5.2：喷油器减少喷油量，发动机控制单元再次进行涡前排气温度的测量并与计算涡前排气温度的闭环控制目标温度的偏差值，形成闭环控制。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明通过电子控制单元控制增压压力、进气流量和喷油器喷油量，将涡前排气温度精确控制在目标范围内，大幅减少涡前排气温度的安全余量，提高废气能量，从而提高发动机功率。
2、相对于T3开环控制和利用T3模型闭环控制的方案，本发明可以直观地检测到涡前排气温度变化情况，能够避免T3开环控制和T3温度模型闭环控制存在的不可预见性和误差，能有效避免排气歧管及涡轮超温损坏发动机，从而大幅降低售后维护成本。
本发明通过对涡前排气温度的闭环控制，可以大幅减少涡前排气温度的安全余量，提高涡前排气能量，从而提升发动机功率；同时能够对涡前排气温度进行精确控制，有效保护发动机。
附图说明
图1是本发明采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置的结构示意图；
图2是本发明采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制方法的流程图；
图3是本发明采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制方法中涡前排气温度的控制曲线图。
图中，1电子控制单元，2温度传感器，3喷油器，4空气流量传感器，5增压器开度调节器，6节气门，7废气再循环阀，8废气再循环冷却器旁通阀，9废气涡轮，10压气机，11空气滤清器，12中冷器，13发动机，14废气再循环冷却器，15催化氧化器，16颗粒捕集器，17选择性催化还原器，18消音器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参见附图1，一种采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置，包括发动机控制单元1、喷油器3、空气流量传感器4、增压器开度调节器5、节气门6、废气再循环阀7、废气再循环冷却器旁通阀8、废气涡轮9、压气机10、空气滤清器11、中冷器12、发动机13、废气再循环冷却器14、催化氧化器15、颗粒捕集器16、选择性催化还原器17及消音器18；发动机13、废气涡轮9、催化氧化器15、颗粒捕集器16、选择性催化还原器17及消音器18依次连接成排气结构，空气滤清器11、空气流量传感器4、压气机10、中冷器12、节气门6及发动机13依次连接构成进气结构；废气涡轮9通过增压器开度调节器5与压气机10连接，废气再循环阀7及废气再循环冷却器14连接在发动机13的出口端与进口端之间，废气再循环阀7通过废气再循环冷却器旁通阀8与发动机13的进口端连接；发动机控制单元1通过线束与喷油器3、空气流量传感器4、增压器开度调节器5、节气门6、废气再循环阀7及废气再循环冷却器旁通阀8连接；
所述的采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置还包括温度传感器2，温度传感器2设置在排气歧管与废气涡轮9之间并与发动机控制单元1连接。
在本发明中，温度传感器2可以采用能够承受900℃以上高温的温度传感器，测量精度需要在1%以内；喷油器3采用电控喷油器，在稳态情况下喷油器3的工作时间范围要求为80~2000μs，工作压力为230~2000bar。发动机控制单元1（ECU）中的软硬件策略及控制逻辑需要能够对涡前排气温度进行闭环控制。
请参见附图2，一种采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制方法，包括如下步骤：
步骤1：在发动机控制单元1中设定涡前排气温度的闭环控制目标温度、增压压力目标值、进气量目标值，并实时读取温度传感器2监测到的涡前排气温度；优选的，涡前排气温度的闭环控制目标温度比极限温度低10℃，也可以根据实际情况标定；
步骤2：发动机控制单元1将涡前排气温度减去涡前排气温度的闭环控制目标温度，得出偏差值；
步骤3：发动机控制单元1判断若偏差值是否<0，若是，不进行控制，若否，判断涡前排气温度是否大于极限温度，若否，执行步骤4，进行闭环控制，若是且涡前排气温度大于极限温度的持续时间大于3秒钟，立即进行开环控制；
步骤4：发动机控制单元1读取压气机10的增压压力值，并判断增压压力是否达到目标值，若是，执行步骤5，若否，通过增压开度调节器5调整增压开度直到增压压力达到目标值；
步骤5：发动机控制单元1读取空气流量传感器4的进气量值，并判断是否达到进气量目标值，若是，减少喷油器3的喷油量，并返回步骤1，若否，调整节气门6的开度和废气再循环阀7的开度直到进气量达到进气量目标值。
在所述的步骤3中，所述的开环控制的方法为：通过发动机控制单元1减少喷油器3的喷油量至预设值直至偏差值<0并维持3秒钟以上，返回步骤2。
在所述的步骤5中，还包括如下分步骤：
步骤5.1：发动机控制单元1根据偏差值计算喷油器3的喷油量，并输出到喷油器3，柴油机在某一工况下，喷油器3的喷油量计算公式如下：
其中，λ为过量空气系数，△λ为过量空气系数修正量，△λ可通过表1查询得到；
表1：涡前排气温度偏差值与过量空气系数修正量的对应关系表，
温度偏差值（℃） 0 2 4 6 8 10 12 14
喷油修正量（-） 0 0.0009 0.0027 0.0045 0.0063 0.0081 0.0099 0.0117
此表需要根据发动机进行标定并存储在ECU软件中。
步骤5.2：喷油器3减少喷油量，发动机控制单元1再次进行涡前排气温度的测量并与计算涡前排气温度的闭环控制目标温度的偏差值，如此形成闭环控制。
本发明通过控制增压压力、进气量、减少喷油量的方式，将涡前排气温度保持在目标温度附近并低于极限温度，在发动机转速和油门稳定的情况下，：发动机控制单元1（ECU）介入涡前排气温度控制后，涡前排气温度波动会快速地逐渐地减少，最后会在闭环控制目标温度附近微小波动，喷油量也仅作微小波动，因此，可以有效保护排气歧管、废气涡轮9以及催化氧化器6、颗粒捕集器7、选择性催化还原器8等相关部件。
实施例1：
请参见附图3，发动机13可采用某品牌2.0T双增压柴油机，功率转速为4000rpm，涡前排气温度的极限为830℃，涡前排气温度可在820℃-830℃范围内进行闭环控制。
设定涡前排气温度的闭环控制目标温度为820℃，发动机控制单元1读取涡前排气温度的实测温度，若涡前排气温度<820℃，则不进行控制；若涡前排气温度>=820℃，且<830℃，则进行闭环控制；若涡前排气温度>=830℃且维持时间>3s，立即进行开环控制，即喷油量减少至预设值，直至涡前排气温度<820℃且维持时间>3s。
T3温度闭环控制为：在发动机13运行过程中，发动机控制单元1实时读取温度传感器2监测到的涡前排气温度，并与820℃做减法，得出偏差值。若偏差值=-2<0，则不介入控制。若偏差值=2>0，则判断增压压力是否达到目标值（发动机的增压压力目标值可设定为3.3bar（绝对压力））。若否，则调整增压开度调节器5的开度直到达到压力目标值。若是，则判断进气量是否达到目标值（发动机的进气量目标值可设定为720kg/h，即新鲜空气量）。若否，则调整废气再循环阀7的开度和节气门6开度直到达到进气量目标值。若是，则ECU根据偏差值和喷油修正量计算出修正后的喷油量，并输出修正后的目标喷油量。
然后发动机控制单元1再进行涡前排气温度T3的测量，并再次计算与820℃的偏差，如此形成闭环控制。
本实施例的涡前排气温度的闭环控制目标温度相对于现有方案升高了20℃-30℃，发动机13的功率能够达到160kW，提高了10kW。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置，发动机控制单元（1）、喷油器（3）、空气流量传感器（4）、增压器开度调节器（5）、节气门（6）、废气再循环阀（7）、废气再循环冷却器旁通阀（8）、废气涡轮（9）、压气机（10）、空气滤清器（11）、中冷器（12）、发动机（13）、废气再循环冷却器（14）、催化氧化器（15）、颗粒捕集器（16）、选择性催化还原器（17）及消音器（18）；发动机（13）、废气涡轮（9）、催化氧化器（15）、颗粒捕集器（16）、选择性催化还原器（17）及消音器（18）依次连接成排气结构，空气滤清器（11）、空气流量传感器（4）、压气机（10）、中冷器（12）、节气门（6）及发动机（13）依次连接构成进气结构；废气涡轮（9）通过增压器开度调节器（5）与压气机（10）连接，废气再循环阀（7）及废气再循环冷却器（14）连接在发动机（13）的出口端与进口端之间，废气再循环阀（7）通过废气再循环冷却器旁通阀（8）与发动机（13）的进口端连接；发动机控制单元（1）与喷油器（3）、空气流量传感器（4）、增压器开度调节器（5）、节气门（6）、废气再循环阀（7）及废气再循环冷却器旁通阀（8）连接；
其特征是：所述的采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置还包括温度传感器（2），温度传感器（2）设置在排气歧管与废气涡轮（9）之间并与发动机控制单元（1）连接。
2.一种如权利要求1所述的采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制装置的控制方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤1：在发动机控制单元（1）中设定涡前排气温度的闭环控制目标温度、增压压力目标值、进气量目标值，并实时读取温度传感器（2）监测到的涡前排气温度；
步骤2：发动机控制单元（1）将涡前排气温度减去涡前排气温度的闭环控制目标温度，得出偏差值；
步骤3：发动机控制单元（1）判断若偏差值是否<0，若是，不进行控制，若否，判断涡前排气温度是否大于极限温度，若否，执行步骤4，进行闭环控制，若是且涡前排气温度大于极限温度的持续时间大于3秒钟，立即进行开环控制；
步骤4：发动机控制单元（1）读取压气机（10）的增压压力值，并判断增压压力是否达到目标值，若是，执行步骤5，若否，通过增压开度调节器（5）调整增压开度直到增压压力达到目标值；
步骤5：发动机控制单元（1）读取空气流量传感器（4）的进气量值，并判断是否达到进气量目标值，若是，减少喷油器（3）的喷油量，并返回步骤1，若否，调整节气门（6）的开度和废气再循环阀（7）的开度直到进气量达到进气量目标值。
3.根据权利要求2所述的采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制方法，其特征是：在所述的步骤3中，所述的开环控制的方法为：通过发动机控制单元（1）减少喷油器（3）的喷油量至预设值直至偏差值<0并维持3秒钟以上，返回步骤2。
4.根据权利要求2所述的采用温度传感器的涡前排气温度闭环控制方法，其特征是：在所述的步骤5中，还包括如下分步骤：
步骤5.1：发动机控制单元（1）根据偏差值计算喷油器（3）的喷油量，并输出到喷油器（3）；喷油器（3）的喷油量计算公式如下：
其中，λ为过量空气系数，△λ为过量空气系数修正量；
步骤5.2：喷油器（3）减少喷油量，发动机控制单元（1）再次进行涡前排气温度的测量并与计算涡前排气温度的闭环控制目标温度的偏差值，形成闭环控制。
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