CN111022198A - Egr电动阀的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能在发动机的整个使用寿命周期中维持适当的EGR率[％]的EGR电动阀的控制系统。在EGR电动阀(10)的上游具备废气压力传感器(28)和废气温度传感器(29)，在EGR电动阀(10)的下游具备气体压力传感器(22)，在控制装置中，利用来自所述各传感器(28、29、22)的信息来计算EGR电动阀开度的压力温度校正项以使得维持废气压力或废气温度变化时的适当的EGR流量，并将该压力温度校正项累计到作为基础的EGR电动阀基本开度，从而能维持恒定的EGR率。

Description

EGR电动阀的控制系统
技术领域
本发明涉及用于通过将从发电机排出至排气通路的废气的一部分作为排气循环气体流至进气通路从而使废气的一部分回流至发动机的废气循环(Exhaust GasRecirculation：废气再循环)(以下称为“EGR”)装置的EGR电动阀的控制系统。
背景技术
以往，将从发动机的燃烧室排出至排气通路的燃烧后的废气的一部分作为EGR气体经由EGR通路引导至进气通路，与在进气通路中流过的进气混合，并回流至燃烧室，从而降低废气中的氮氧化物(NOX)，并且提高发动机的部分负载时的燃料消耗率。
而且，作为用于EGR装置的EGR阀，使用一种能利用电动机或其他致动器等将阀体相对于阀座开闭控制成微小开度的电动式的EGR电动阀，例如在日本专利特开平7-301155号公报、日本专利特开2007-309115号公报等中已提出。
图9是示出现有的EGR电动阀的控制系统的一个示例，火花点火式的发动机1的排气管2与涡轮增压器3相连接，从排气管2开始废气气体被分岔管4、5分岔，例如利用排气管2所具备的废气λ传感器24等的空燃比，一部分经由废气闸门阀6，通过催化剂装置7、消音器8排出至大气中，另一部分由EGR冷却器9冷却，由EGR电动阀10进行流量调整，在连结节流阀11与发动机1之间的空气流路12中，与经由空气净化器13、涡轮增压器3、以及中间冷却器14吸入的进气混合，从而构成EGR装置系统，在所述空气流路12中，将所述进气和废气混合并输送至进气管15，通过发动机控制用计算机(以下称为“ECU”)16的控制，与来自燃料喷射阀17的燃料混合，在发动机1内与燃料一起喷射，并利用火花点火式的点火装置18，使发动机1进行工作。
此外，一般上述EGR电动阀10是具有如下阀结构的装置：被上述ECU16所控制，根据来自ECU16的指令能控制成任意的开度。
图10是上述图9所示的现有的根据来自ECU16的指令将EGR电动阀10控制成任意的开度时的电路框图，在ECU16的内部中，始终对作为发送至EGR电动阀10的目标的指令开度(PD_EGRV)进行运算，根据各种信息在EGR启动判定处理部19中，实施EGR启动判定标记(FLAG＿EGR)的运算，在该启动条件不成立的情况下，进行如下的处理：在EGR电动阀开度指令的切换部20中，通过对于EGR电动阀10将指令开度(PD_EGRV)设为0％输出，来关闭EGR电动阀9；在上述启动条件成立时，进行如下的处理：为了使得根据图9所示的发动机1的来自转速传感器21和进气管空气压力传感器23的转速信息(Ne)和负载信息(Load)成为任意的EGR电动阀10的开度，读取出存储于上述图9所示的ECU16内的存储器的值并发送至EGR电动阀基本开度计算处理部25，运算基本开度(BASE_P)，对EGR电动阀10输出规定的指令开度(PD_EGRV)，从而打开EGR电动阀10。
然而，上述处理所得到的开度相对于环境条件缺少鲁棒性。因此，通过上述图9所示的发动机1所具备的各种传感器(一部分未图示)，利用作为环境信息的大气压力(Pa)、进气温度(Ta)、冷却水温度(Tw)等信息，由EGR电动阀校正开度运算处理部26进行运算校正系数(KPa、KTa、KTw)的处理，通过运算符27将该校正系数累计到上述的基本开度(BASE_P)，计算最终的指令开度(PD_EGRV)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平7－301155号公报
专利文献2：日本专利特开2007－309115号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在上述现有的电动EGR阀中，将废气压力或废气温度不会从发动机的新状态改变作为前提来设计系统。
因此，如图11所示，若废气压力[kPa]降低，则EGR率(回流至进气系统的废气量除以吸入空气量的数值、即EGR气体在进气中所占的比例)[％]降低，相反地若废气压力[kPa]上升，则EGR率[％]上升，因此存在以下问题：在发动机的整个使用寿命周期中难以维持适当的EGR率[％]，必须估计这些误差，进行具有余量的EGR率的初始设定以使得即使EGR率发生一定程度的变动，也不会对发动机性能造成不良影响，从而无法充分发挥发动机性能。
本发明着眼于上述的现有的问题点而完成，其技术问题是提供一种能在发动机的整个使用寿命周期中维持适当的EGR率[％]的EGR电动阀的控制方法。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述问题而完成的本发明是用于采用火花点火机关的发动机的EGR装置的EGR电动阀的控制系统，其特征在于，所述EGR电动阀具有能以电气方式控制流量的驱动装置，在所述EGR电动阀的上游具备废气压力传感器与废气温度传感器，在所述EGR电动阀的下游具备气体压力传感器，并具有如下的EGR电动阀目标开度的校正方法：在控制装置中，利用来自各个所述传感器的信息来计算EGR电动阀开度的压力温度校正项以使得维持废气压力、废气温度变化时的适当的EGR流量，并将该压力温度校正项累计到作为基础的EGR电动阀基本开度，从而能维持恒定的EGR率。
此外，在本发明中，优选为：所述EGR电动阀下游的废气压力信息利用进气管所具备的进气管空气压力传感器的信息，所述EGR电动阀开度的压力温度校正项的信息的基础是所述电动阀上游的废气压力信息与电动阀下游的压力信息的比率，所述EGR电动阀开度的压力温度校正项的信息的基础是根据所述电动阀上游的废气压力信息与电动阀上游的压力信息算出的废气密度，进一步地，所述EGR电动阀开度的压力温度校正项的信息的基础是通过将根据所述电动阀上游的废气压力信息与电动阀下游的压力比求出的EGR流量变化的比例以及根据EGR阀的上游气体密度得到的EGR流量变化的比例分别预先存储到控制装置内的计算机，并将所述两者的计算结果累计，从而算出最终的校正系数。
此外，在本发明中，在所述废气压力传感器、废气温度传感器以及气体压力传感器中的至少一个上设置有低频带通滤波器，能通过去除噪声信息从而减少EGR电动阀的不期望的驱动，所述EGR电动阀的控制装置通过与ECU通用化，从而能抑制成本上升并且实现与发动机控制的协调性。
此外，在本发明中，通过在检测到所述EGR电动阀目标开度超过一定范围时，检测出发动机系统部件的劣化、EGR功能异常，并通知驾驶员，从而能安全地进行控制。
发明效果
根据本发明，可提供一种能在发动机的整个使用寿命周期中维持适当的EGR率[％]的EGR电动阀的控制系统。
附图说明
图1是本发明的优选的实施方式中的使用了EGR电动阀的控制系统的简图。
图2是示出图1所示的实施方式中的EGR电动阀的结构的简图。
图3是示出图2所示的EGR电动阀的模块化的示意图。
图4是图1所示的实施方式中的EGR电动阀流量与EGR电动阀上游气体压力的关系图。
图5是关于图1所示的实施方式的控制系统的框图。
图6是示出图1所示的实施方式中的对于EGR电动阀的压力温度校正项的运算部的详细情况的说明图。
图7是图1所示的实施方式中实际测量到的实施实验中的废气压力与EGR率的关系图。
图8是图1所示的实施方式中实际测量到的实施实验中的废气压力与EGR率的关系图。
图9是使用了现有例中的EGR电动阀的控制系统的简图。
图10是关于图9所示的现有例的控制系统的框图。
图11是图9所示的现有例中的废气压力与EGR率的关系图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细说明。
图1示出本发明的优选的实施方式，关于基本的结构以及作用与上述图9所示的现有例基本相同，省略整体的说明，但在以下这点上不同：在EGR电动阀10的上游部追加有废气压力传感器28和废气温度传感器29。
而且，上述的废气压力传感器28及废气温度传感器29连接至ECU16，在控制装置内进行压力温度校正计算。
此外，压力温度校正控制的考虑方法是将在EGR电动阀10中流过的EGR气体作为压缩性气体的压力射流模型来处理。
图2示出本实施方式中优选使用的EGR电动阀的结构，EGR电动阀10在其内部有可动阀101，该可动阀101与阀座102之间构成几何学的开口面积。通过使该开口面积变化，从而能控制EGR气体的流量。
此外，上述可动阀101中，连接有由永磁体构成的转子103，通过设置于该转子103的周围的电磁线圈104来使该转子103旋转，并且通过由滚珠螺杆105将该旋转方向的力变换成垂直方向，从而在轴线方向上使可动阀101往复移动，从而以电气方式使EGR气体流量可变，在由上述可动阀101和阀座102构成的最窄部，从上游即EGR气体入口106通过EGR气体出口107,废气流至出口侧外壳108，将此时的上述上游的气体压力定义为P1、将温度定义为T1、将下游的气体压力定义为P2，将最窄部的截面积定义为A，将上述结构考虑为节流口，来进行模型化。另外，本实施方式所示的EGR电动阀10是一个示例，但不限于此，只要能利用电气的结构对可动阀101进行开闭操作，则当然也可以是其他形式。
图3示出将上述EGR电动阀10作为配置在从EGR气体入口106到EGR气体出口107之间的尖端变细喷嘴109来进行模块化的示意图，由此，在EGR电动阀10中流过的流量(QEGR)被下面所示的压力射流的流量式(式1)支配，对于根据喷嘴前后的压力比算出的流量函数(φ)与截面积(A)、流量系数(Cv)、上游气体压力(P1)的积除以对气体常数(R)与上游气体温度(T1)的积取平方根并算出的所述项后得到的结果作为流量(QEGR)的解。
[数学式1]
Figure BDA0002226751690000061
另外，在上述式(1)中，QEGR是EGR气体的流量，A是尖端变细喷嘴的截面积，CV是流量系数，φ是根据喷嘴前后的压力比算出的流量函数，P1是上游气体压力，R是气体常数，T1是上游气体温度。
图4用曲线图对上述式(1)的计算结果进行说明，将横轴设为EGR电动阀的上游气体压力(P1)，将纵轴设为EGR气体流量(QEGR),将EGR电动阀的下游压力(P2)与EGR电动阀的上游气体温度(T1)、最窄部的截面积(A)设为恒定时，EGR气体流量(QEGR)呈现出曲线图实线那样的趋势。
此外，在入口侧的上游气体压力(P1)与出口侧的下游气体压力(P2)相等的点X1，流量为0，由此开始伴随着入口侧的上游气体压力(P1)的上升，EGR气体流量(QEGR)向上描绘凸起的曲线而增加。
而且，上述曲线以最窄部达到音速的点X2的压力Pc为边界成为线性，当压力大于PC(PC＜P1)时，呈现EGR气体流量一直上升地增加的趋势，用虚线表示的流量函数(φ)以上述压力PC为边界喷嘴出口的流速达到音速，因此在压力为上述最窄部达到音速的点X2的压力PC以上时成为恒定值。
图5示出基于上述的物理模型的本发明中的EGR电动阀的控制系统的框图。其对于上述图10所示的现有的EGR电动阀的控制系统的框图，追加根据压力温度得到的校正项(KEGRPT)的运算部30，在运算符31中在基本开度(BASE_P)的基础上累计运算得到的值。
此外，图6示出上述图5所示的压力温度校正项的运算部30的详细情况，该压力温度校正项包括：流量函数(φ)的运算部32，该流量函数(φ)的运算部32能根据喷嘴前后的压力比(P2/P1)即入口侧的上游气体压力(P1)与出口侧的下游气体压力(P2)算出流量函数(φ)；以及运算部33，该运算部33根据喷嘴上游气体压力(P1)与气体温度(T1)计算气体密度，并将在此基础上累计流量函数(φ)的结果与基准流量(KBASE)的比率作为流量比来进行计算。
这里，根据压力比(P2/P1)在最窄部的达到音速的点的临界压力PC以上还是以下，存在音速状态的情况和亚音速状态的情况，流量函数(φ)分别根据复杂的计算式(2)至(4)计算得到，但若流过的气体的种类确定，则比热比(κ)恒定，因此上述的式(2)至(4)为压力比(P2/P1)的函数。
因而，若预先进行上述运算，将结果作为压力比(P2/P1)信息预先存储于例如图1所示的ECU16等的计算机存储器，并将其读取出，则不会强制控制计算机执行复杂的计算。
此外，根据上述喷嘴上游气体压力(P1)与气体温度(T1)计算气体密度，将在此基础上累计流量函数(φ)的结果与基准流量(KBASE)的比率作为流量比计算的运算部33的计算中，也将喷嘴上游气体压力(P1)与气体温度(T1)的函数、即如上所述预先算出的结果存储于计算机存储器，通过参照该结果能减少运算负荷。
另外，关于基准流量(KBASE)，将在正常状态下运行的EGR流量预先存储于计算机存储器，通过参照该EGR流量来进行运算。
图7是在上述本实施方式的EGR电动阀的控制系统中，在将发动机1的运行条件设为最高输出条件的状态下，根据在EGR气体压力温度校正控制的实施试验中上述图1所示的EGR电动阀10的上游部所具备的废气压力传感器28的输入值进行参照，将废气压力(P1)(与上述的喷嘴上游气体压力(P1)相同含义)作为横轴来求出，并将EGR率(EGR阀的开度)作为纵轴来求出的关系图，在该实施试验中调整废气压力，根据标准压力有意地做出较低状态，并且做出较高状态。
此时，手动调节该关系图中的EGR电动阀10的开度Y1，使得EGR率的实验值保持恒定Y2。此外，虽然用实线Y3表示通过上述本发明的EGR压力温度校正来计算得到的EGR开度，但能确认到该实线Y3与实际的实施实验的结果Y1所得到的EGR开度(EGR率)一致。
此外，图8表示在最大转矩的运行条件下进行了相同的实施实验的结果，在该情况下也与上述图7所示相同，虽然手动调节EGR电动阀的开度使得EGR率恒定，但能得到其实验值Y2与计算值Y3一致的结果。
如上所述，可以验证：通过在EGR电动阀10的上游追加废气压力传感器28和废气温度传感器29，利用进气管空气压力传感器的信息，并根据这些信息对下游压力实施压力温度校正，从而能高精度地控制EGR率，能设定误差更少的EGR率。
标号说明
1 发动机
2 排气管
3 涡轮增压器
4 分岔管
5 分岔管
6 废气闸门阀
7 催化剂装置
8 消音器
9 EGR冷却器
10 EGR电动阀
11 节流阀
12 空气流路
13 空气净化器
14 中间冷却器
15 进气管
16 ECU
17 燃料喷射阀
18 点火装置
19 EGR启动判定处理部
20 EGR电动阀开度指令的切换部
21 转速传感器
22 进气管空气温度传感器
23 进气管空气压力传感器
24 废气λ传感器
25 EGR电动阀基本开度计算处理部
26 EGR电动阀校正开度运算处理部
27 运算符
28 废气压力传感器
29 废气温度传感器
30 校正项的运算部
31 运算符
32 流量函数的运算部
33 流量比率的运算部
101 可动阀
102 阀座
103 转子
104 电磁线圈
105 滚珠螺杆
106 EGR气体入口
107 EGR气体出口
108 出口侧外壳
109 尖端变细喷嘴。

Claims (8)

1.一种EGR电动阀的控制系统，用于采用火花点火机关的发动机的EGR装置，其特征在于，
所述EGR电动阀具有能以电气方式控制流量的驱动装置，在所述EGR电动阀的上游具备废气压力传感器和废气温度传感器，在所述EGR电动阀的下游具备气体压力传感器，并具有如下的EGR电动阀目标开度的校正方法：在控制装置中，利用来自各个所述传感器的信息来计算EGR电动阀开度的压力温度校正项以使得维持废气压力、废气温度变化时的适当的EGR流量，并将该压力温度校正项累计到作为基础的EGR电动阀基本开度，从而能维持恒定的EGR率。
2.如权利要求1所述的EGR电动阀的控制系统，其特征在于，
所述EGR电动阀下游的废气压力信息利用进气管所具备的进气管空气压力传感器的信息。
3.如权利要求1或2所述的EGR电动阀的控制系统，其特征在于，
所述EGR电动阀开度的压力温度校正项的信息的基础是所述电动阀上游的废气压力信息与电动阀下游的压力信息的比率。
4.如权利要求1至3中任一项所述的EGR电动阀的控制系统，其特征在于，
所述EGR电动阀开度的压力温度校正项的信息的基础是根据所述电动阀上游的废气压力信息与电动阀上游的压力信息算出的废气密度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的EGR电动阀的控制系统，其特征在于，
所述EGR电动阀开度的压力温度校正项的信息的基础是通过将根据所述电动阀上游的废气压力信息与电动阀下游的压力比求出的EGR流量变化的比例以及根据EGR阀的上游气体密度得到的EGR流量变化的比例分别预先存储到控制装置内的计算机，并将所述两者的计算结果累计，从而算出最终的校正系数。
6.如权利要求1至5中任一项所述的EGR电动阀的控制系统，其特征在于，
在所述废气压力传感器、废气温度传感器以及气体压力传感器中的至少一个上设置有低频带通滤波器，通过去除噪声信息从而减少EGR电动阀的不期望的驱动。
7.如权利要求1至6中任一项所述的EGR电动阀的控制系统，其特征在于，
所述EGR电动阀的控制装置通过与ECU通用化，从而可抑制成本上升并且实现与发动机控制的协调性。
8.如权利要求1至7中任一项所述的EGR电动阀的控制系统，其特征在于，
在检测到所述EGR电动阀目标开度超过一定范围时，检测出发动机系统部件的劣化、EGR功能异常，并通知驾驶员。
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