CN111315976A - 调节扫气期间排放的发动机控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制系统和方法，利用排气氧(O2)传感器和配置为以扫气模式运行涡轮增压发动机的控制器，并在以扫气模式运行发动机时：命令目标缸内空气/燃料比(FA)，以达到目标排气FA，基于扫气比和目标缸内FA调节排气氧O2传感器的测量值，以获得修正的O2浓度，调节通过热学模型被建模的排气系统温度，以获得修正的排气系统温度，并基于修正的O2浓度和修正的排气系统温度调节目标缸内FA。

Description

调节扫气期间排放的发动机控制系统和方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2017年11月7日递交的序列号15/805,314的美国申请的权益。上述申请的公开内容通过引用全部并入本文中。
技术领域
本发明通常涉及内燃发动机，并且更具体地，涉及用于调节扫气期间排放的发动机控制系统和方法。
背景技术
内燃发动机在气缸内燃烧空气和燃料的混合物，以在曲轴处产生驱动扭矩。扫气是指一种发动机的运行模式，在该运行模式下，命令气缸进气门和排气门打开的特定重叠，使得新鲜空气迫使残留的排气从气缸中排出。利用发动机的扫气模式可能在某些运行条件下提高发动机性能，诸如低发动机速度。但是，当发动机以扫气模式运行时，缸内空燃比(FA)不再等于排气FA。如果不加考虑，排气FA中的这种差异可能导致排放增加。由于空气和排气的压力差较大，因此，对于涡轮增压发动机尤其如此。因此，尽管这样的发动机系统对于其预期目的很好地工作，但是仍然需要对相关技术进行改进。
发明内容
根据本发明的一个示例方面，提出了一种用于车辆动力总成的控制系统，该车辆动力总成具有发动机和至少一个涡轮增压器。在一个示例性实施方式中，系统包括：排气氧(O2)传感器，其配置为测量由发动机产生并从发动机排出到排气系统中的排气的O2浓度；以及控制器，其配置为以扫气模式运行发动机，其中，发动机气缸的相应进气门和排气门的打开重叠，并且在以扫气模式运行发动机时：命令目标缸内空气/燃料比(FA)以达到目标排气FA；基于扫气比和目标缸内FA调节排气O2传感器的测量值，以获得修正的O2浓度，扫气比指示(i)流经发动机的气缸的总空气充量与(ii)气缸内被捕集的气体质量之比；调节通过热学模型被建模的排气系统温度，以获得修正的排气系统温度，对被建模的排气系统温度的调节基于扫气比以及目标缸内FA和目标排气FA中的至少一个；以及基于修正的O2浓度和修正的排气系统温度，调节目标缸内FA。
在一些实施方式中，调节目标缸内FA包括使目标缸内FA加浓，并且其中，目标排气FA是理论配比的。在一些实施方式中，控制器还配置为基于发动机速度和总空气充量初始地确定目标缸内FA。在一些实施方式中，在发动机以扫气模式运行，并同时调节目标缸内FA时，控制器继续执行其他缸内FA的加浓。在一些实施方式中，由控制器执行的其他缸内FA的加浓包括基于可变气门控制(VVC)系统的加浓和基于发动机爆震的加浓中的至少一个。
在一些实施方式中，热学模型是对排气的温度建模的排气温度模型，并且其中，对被建模的排气温度的调节基于扫气比和目标缸内FA。在一些实施方式中，热学模型是对排气系统中的催化器的温度建模的催化器温度模型，并且其中，被建模的催化器温度的调节基于扫气比和目标排气FA。在一些实施方式中，催化器是三元催化转化器。在一些实施方式中，热学模型包括基于目标缸内FA和目标排气FA中的至少一个校正排气系统温度模型的特征，并且其中，热学模型的该特征在以扫气模式运行发动机时被禁用。
根据本发明的另一示例方面，提出了一种运行车辆动力总成的方法，该车辆动力总成具有发动机和至少一个涡轮增压器。在一个示例性实施方式中，方法包括：由车辆动力总成的控制器以扫气模式运行发动机；以及在以扫气模式运行发动机时：由控制器命令目标气缸内空气/燃料比(FA)，以达到目标排气FA；由控制器从排气氧(O2)传感器接收由发动机产生并从发动机排出到排气系统中的排气的O2浓度的测量值；由控制器基于扫气比和目标缸内FA调节排气O2传感器的测量值以获得修正的O2浓度，扫气比指示(i)流入发动机气缸中的总空气充量与(ii)气缸内被捕集的气体质量之比；由控制器调节通过热学模型被建模的排气系统温度以获得修正的排气系统温度，对建模的排气系统温度的调节基于扫气比以及目标缸内FA和目标排气FA中的至少一个；以及由控制器基于修正的O2浓度和修正的排气系统温度调节目标缸内FA。
在一些实施方式中，调节目标缸内FA包括加浓目标缸内FA，并且其中，目标排气FA是理论配比的。在一些实施方式中，该方法还包括由控制器基于发动机速度和总空气充量初始地确定目标缸内FA。在一些实施方式中，该方法还包括在发动机以扫气模式运行，并同时调节目标缸内FA时，由控制器执行其他缸内FA的加浓。在一些实施方式中，由控制器执行的其他缸内FA的加浓包括基于可变气门控制(VVC)系统的加浓和基于发动机爆震的加浓中的至少一个。
在一些实施方式中，热学模型是对排气的温度建模的排气温度模型，并且其中，对被建模的排气温度的调节基于扫气比和目标缸内FA。在一些实施方式中，热学模型是对排气系统中的催化器的温度建模的催化器温度模型，并且其中，被建模的催化器温度的调节基于扫气比和目标排气FA。在一些实施方式中，催化器是三元催化转化器。在一些实施方式中，热学模型包括基于目标缸内FA和目标排气FA中的至少一个校正排气系统温度模型的特征，并且其中，热学模型的该特征在以扫气模式运行发动机时被禁用。
通过下文中提供的详细说明、权利要求和附图，本公开的教导的其他应用领域将变得显而易见，其中，贯穿附图的若干视图，相似的附图标记指代相似的特征。应当理解，包括公开的实施例和本文引用的附图在内的详细说明本质上仅是示例的，其仅出于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围、其应用或用途。因此，不脱离本公开的主旨的变型意在落入本公开的范围内。
附图说明
图1描绘了根据本公开原理的示例车辆动力总成的图；
图2描绘了根据本公开原理的示例气体流量和燃料加注架构的功能框图；
图3描绘了根据本公开原理的运行车辆动力总成的示例方法的流程图；
图4A描绘了根据本公开原理的示例扫气气缸内FA加浓架构的功能框图；
图4B描绘了根据本公开原理的示例氧气(O2)传感器校正架构的功能框图；
图4C描绘了根据本公开原理的在扫气期间的示例未校正和已校正的O2传感器测量值的曲线图；以及
图4D-4E根据本公开的原理分别描绘了示例排气温度模型和催化器温度模型校正架构的功能框图。
具体实施例
如上所述，在扫气时仍需要改进发动机系统，尤其对于涡轮增压发动机系统。在自然吸气(NA)发动机中，扫气比——流经气缸的空气充量与气缸内被捕集的气体质量之比——典型地相对较低(例如，～1.01或流经气缸的空气充量的1％)。另一方面，在涡轮增压发动机系统中，可达到的扫气比典型地大得多(例如，高达～1.25或流经气缸的空气充量的25％)。如果未准确考虑控制向发动机的空气和燃料的供应，则涡轮增压发动机系统的较大扫气比会导致发动机性能下降。
因此，提出了一种用于调节扫气期间排放的涡轮增压发动机控制系统和方法。这些技术可以分为三个相互关联的特征：(i)闭环缸内空气/燃料比(FA)控制(加浓)，以达到目标排气空气/燃料比(FA)，例如理论配比，(ii)排气氧(O2)传感器校正，以及(iii)排气系统温度模型校正。扫气通常影响O2传感器读数，因为排气中存在空气和燃料两者，这会导致O2传感器读数损坏。另一方面，当排气中仅存在空气或燃料时，O2传感器表现良好。由于O2传感器读数典型地用于燃料控制，因此，在扫气时需要调节这些读数。由于稀释、未燃烧的燃料氧化、放热反应等，扫气时的加浓也会影响排气温度。排气系统温度典型地也用于燃料控制，并且因此在扫气时，需要调节被建模的排气系统温度。
现在参考图1，示出了示例车辆动力总成100。车辆动力总成100包括发动机104，发动机104燃烧空气和来自气缸112内的燃料喷射器108的燃料(例如，汽油)的混合物(例如，使用火花塞，未示出)以驱动在曲轴116处产生驱动扭矩的活塞(未示出)。发动机速度传感器120配置为测量曲轴116的转速。节气门124控制流经进气系统128并且进入进气歧管132中的空气的流量。基于来自一个或多个空气流量传感器的测量值，流入每个气缸112中的空气充量被建模或确定。这些空气流量传感器的非限制性示例是质量空气流量(MAF)传感器136和进气歧管绝对压力(MAP)传感器140，质量空气流量(MAF)传感器136测量通过进气系统128的空气流量率，进气歧管绝对压力(MAP)传感器140测量进气歧管132中的空气的压力。
进气门144和排气门148控制进出每个相应气缸112的空气和排气的流量。进气门144和排气门148的特定打开/关闭由控制进气门144和排气门148的升程和/或正时的可变气门控制(VVC)系统152控制。在一个示例性实施方式中，VVC系统152可以切换不同轮廓的凸轮轴(未示出)以使发动机104以扫气模式运行。可替代地，可以由VVC系统152电子控制进气门144和排气门148，以动态地控制进气门144和排气门148的重叠的打开，从而控制发动机104的扫气比。排气从气缸112排出到排气系统156中，排气系统156在将排气释放到大气之前处理排气以减少排放。
排气O2传感器160测量排气中的氧气量。虽然示出了单个排气O2传感器160，但是应当理解，可以实现多个排气O2传感器(例如，在催化器164的上游和下游)。在一个示例性实施方式中，催化器164是三元催化转化器或者说TWC。包括至少一个涡轮增压器的涡轮增压器系统168配置为利用排气或“升压(boost)”的动能，以迫使更多的空气经由进气系统128进入发动机104。控制器172控制车辆动力总成100的运行，包括空气流量(经由节气门124)、燃料(经由燃料喷射器108)和涡轮增压器系统168(例如，经由废气门阀的升压，未示出)。控制器172还执行本公开的技术的至少一部分，这将在下面更全面地讨论。
现在参考图2，示出了示例的气体流量和燃料加注架构200的功能框图。该架构200可以例如在控制器172内实现。气体流量估算块204估算进入每个气缸112的总空气流量。然而，应当理解，该空气流量也可以被描述为气体流量，因为空气充量可能具有其他非空气成分，例如经由排气再循环(EGR)系统的排气(图1中未示出)。该估算可以基于各种参数完成，诸如，仅例如由MAF传感器136测量到的空气流量和由MAP传感器140测量到的空气压力。估算出的总空气流量被提供给空气控制块208。例如，空气控制块208可以使用估算出的总空气流量来控制节气门124和/或涡轮增压器系统168的升压(例如，经由废气门阀)。捕集效率块212估算发动机104的捕集效率。捕集效率表示扫气比的倒数(1/SR，其中SR＝扫气比)。
在乘法器216处，估算出的捕集效率乘以估算出的总空气流量，乘法器216输出估算出的被捕集的空气流量。这表示估算出的对于燃烧事件的在每个气缸112中被捕集的空气充量。估算出的被捕集的空气流量被提供给扭矩/火花控制块220。扭矩/火花控制块220可以控制火花塞(图1中未示出)的正时，例如延迟火花正时。扫气加浓块224和期望的空气/燃料块228确定加浓的目标缸内FA比，以达到期望的排气FA(例如，理论配比)，如稍后将更详细地讨论的。在乘法器232处，目标缸内FA乘以估算出的被捕集的空气流量，乘法器232输出目标燃料量。O2传感器校正块236和O2反馈块240确定燃料校正值。在加法器244处，燃料校正值与目标燃料量相加，加法器244将最终目标燃料量输出到燃料喷射器控制块248。然后，燃料喷射器控制块248可以相应地控制燃料喷射器108。如上所述，现在将更详细地描述扫气加浓块224和O2校正块236的功能。
现在参考图3，示出了运行车辆动力总成100的方法300。在304处，控制器172检测是否已经启动或正在启动发动机104的扫气模式。发动机104可以以稳态扫气模式或瞬态扫气模式运行。基于任何一组合适的车辆动力总成运行参数(空气流量、空气/排气压力、发动机/车辆速度、发动机扭矩请求等)进行该确定。如果为是，则方法300进行到308。否则，方法300结束或返回到304。在308处，控制器172确定缸内FA的目标值，以实现排气FA的目标值。缸内FA将被加浓(与理论配比相比)，并且排气FA可以是例如理论配比的(例如，以实现排放达标)。在图4A中描绘了用于缸内FA的扫气加浓的架构400。在一个示例性实施方式中，由乘法器408利用由校准的二维表面404输出的扫气加浓项(基于总空气充量，例如目标节气门入口压力或者说TIP和发动机速度或者说RPM)和扫气比以及理论配比FA，并且加法器412将该输出用于理论配比FA以获得缸内FA的开环目标值。
在312处，控制器172例如通过控制燃料喷射器108，命令缸内FA至目标值。在316处，控制器172从排气O2传感器160接收测量到的O2浓度。在320处，控制器172基于扫气比和缸内FA，调节测量到的O2浓度。例如，对于较大的扫气比(例如，1.10或更大)和较小/较稀的缸内当量FA(例如，0.90或更小)，误差(以及因此调节的幅度)可能更大。在图4B中描绘了用于调节测量到的O2浓度的架构420。在一个示例性实施方式中，由乘法器408利用由校准的二维表面404输出的O2校正项(基于目标缸内FA和扫气比)与测量到的O2浓度(指示排气FA)，以获得修正的O2浓度(或修正的排气FA)。图4C描绘了采样数据的两个曲线图450、454，其示出了基于Spindt FA测量值和FA1000 FA测量的，在扫气时与测量到的O2浓度或排气FA(图4B，左边)相比的修正的O2浓度或排气FA(图4B，右边)的提高的准确度。FA1000测量值是宽范围O2传感器的表示，而Spindt是测力计仪表化的排放分析仪。
再次参考图3，在324处，控制器172使用热学模型对一个或多个排气系统温度建模。该热学模型可以是排气温度模型、催化器(例如，TWC 164)温度模型或其组合，并且被建模的一个或多个排气系统温度(例如，建模的排气和/或催化器温度)将与其对应。对于排气温度模型，被建模的排气温度由控制器172基于扫气比和目标缸内FA调节。对于催化器温度模型，被建模的催化器温度由控制器172基于扫气比和目标排气FA调节。在328处，控制器172调节被建模的排气和/或催化器温度。在图4D和4E中分别描绘了用于调节被建模的排气和催化器温度的架构440、460。在一个示例性实施方式中，如由加法器448利用由校准的二维表面444输出的排气温度(或者说EGT)校正项(基于目标缸内FA和扫气比)与被建模的排气温度，以获得修正的排气温度。类似地，在一个示例性实施方式中，如由加法器468利用由校准的二维表面464输出的催化器温度校正项(基于排气FA和扫气比)与被建模的催化器温度，以获得修正的催化器温度。
应当理解，一个或多个热学模型可以已包括校正或调节其被建模的温度以考虑缸内FA和/或排气FA的特征。该特征在扫气时可以被禁用或停用，以防止这些基于扫气FA的调节两次减少，从而避免校正不足或校正过度。还应当理解，本公开的FA加浓能够与其他FA加浓一起运行。也就是说，在执行本文讨论的扫气FA加浓时，这些其他FA加浓将不会被禁用或以其他方式修正。相反，本公开的扫气FA加浓将在这些其他FA加浓之外或之上运行。这些其他FA加浓的非限制性示例包括基于VVC系统的FA加浓、热学加浓和基于爆震的FA加浓(例如，低速、预点火，或者说LSPI爆震FA加浓)。
再次参考图3，在332处，控制器172确定是否需要缸内FA的闭环控制。可以例如基于修正的O2浓度或排气FA以及修正的排气和/或催化器温度来进行该确定。仅作为示例，修正的催化器温度可能接近临界阈值，在该临界阈值处，可能会发生对TWC 164的损坏。为了避免这种情况，可以将缸内FA调节为更稀的FA。类似地，仅作为示例，修正的O2浓度可以指示小于理论FA，因此，缸内FA可以进一步加浓。本质上，这些修正的参数用于确定与阈值相比较的排气FA误差(ErrorTH)。例如，误差阈值可以是所指示的在理论配比1％以内的排气FA。如果满足该误差阈值，则方法300结束或返回到304。如果不满足误差阈值，则在336处执行缸内FA调节，并且方法300返回到332。
应当理解，如本文所使用的，术语“控制器”是指配置为执行本公开的技术的至少一部分的任何合适的控制设备或一组多个控制设备。非限制性示例包括专用集成电路(ASIC)、一个或多个处理器、以及其上存储有指令的非暂时性存储器，当由一个或多个处理器执行时，所述指令使控制器执行与本公开的技术的至少一部分对应的一组操作。存储器还可以存储车辆数据，例如，用于执行本文描述的技术的校准数据。一个或多个处理器可以是单个处理器，也可以是以并行或分布式架构运行的两个或更多个处理器。
应该理解，本文中可以明确设想各种示例之间的特征、要素、方法和/或功能的混合和匹配，从而本领域技术人员将从本教导中理解到，除非上面另外描述，否则一个示例的特征、要素和/或功能可以如合适地被合并到另一示例中。

Claims (18)

1.一种用于车辆动力总成的控制系统，所述车辆动力总成具有发动机和至少一个涡轮增压器，所述系统包括：
排气氧(O2)传感器，其配置为测量由所述发动机产生并从所述发动机排出到排气系统中的排气的O2浓度；以及
控制器，其配置为以扫气模式运行所述发动机，其中，所述发动机气缸的相应进气门和排气门的打开重叠，并且在以所述扫气模式运行所述发动机时：
命令目标缸内空气/燃料比(FA)以达到目标排气FA；
基于扫气比和所述目标缸内FA调节所述排气O2传感器的测量值，以获得修正的O2浓度，所述扫气比指示(i)流经所述发动机的气缸的总空气充量与(ii)所述气缸内被捕集的气体质量之比；
调节通过热学模型被建模的排气系统温度，以获得修正的排气系统温度，对所述被建模的排气系统温度的调节基于所述扫气比以及所述目标缸内FA和所述目标排气FA中的至少一个；以及
基于修正的O2浓度和修正的排气系统温度，调节目标缸内FA。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，调节所述目标缸内FA包括加浓所述目标缸内FA，并且其中，所述目标排气FA是理论配比的。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述控制器还配置为基于发动机速度和所述总空气充量初始地确定所述目标缸内FA。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述热学模型是对所述排气的温度建模的排气温度模型，并且其中，对所述被建模的排气温度的调节基于所述扫气比和所述目标缸内FA。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述热学模型是对所述排气系统中的催化器的温度建模的催化器温度模型，并且其中，所述被建模的催化器温度的调节基于所述扫气比和所述目标排气FA。
6.根据权利要求4所述的控制系统，其中，所述催化器是三元催化转化器。
7.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述热学模型包括基于所述目标缸内FA和所述目标排气FA中的至少一个校正排气系统温度模型的特征，并且其中，所述热学模型的该特征在以所述扫气模式运行所述发动机时被禁用。
8.根据权利要求1所述的控制系统，其中，在所述发动机以所述扫气模式运行，并同时调节所述目标缸内FA时，所述控制器继续执行其他缸内FA加浓。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其中，由所述控制器执行的所述其他缸内FA加浓包括基于可变气门控制(VVC)系统的加浓和基于发动机爆震的加浓中的至少一个。
10.一种运行车辆动力总成的方法，所述车辆动力总成具有发动机和至少一个涡轮增压器，所述方法包括：
由所述车辆动力总成的控制器以扫气模式运行所述发动机；以及
在以所述扫气模式运行所述发动机时：
由所述控制器命令目标气缸内空气/燃料比(FA)，以达到目标排气FA；
由所述控制器从排气氧(O2)传感器接收由所述发动机产生并从所述发动机排出到排气系统中的排气的O2浓度的测量值；
由所述控制器基于扫气比和所述目标缸内FA调节排气O2传感器的测量值以获得修正的O2浓度，所述扫气比指示(i)流入发动机气缸中的总空气充量与(ii)所述气缸内被捕集的气体质量之比；
由所述控制器调节通过热学模型被建模的排气系统温度以获得修正的排气系统温度，对所述被建模的排气系统温度的调节基于所述扫气比以及所述目标缸内FA和所述目标排气FA中的至少一个；以及
由所述控制器基于修正的O2浓度和修正的排气系统温度调节所述目标缸内FA。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，调节所述目标缸内FA包括加浓所述目标缸内FA，并且其中，所述目标排气FA是理论配比的。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括由所述控制器基于发动机速度和所述总空气充量初始地确定所述目标缸内FA。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述热学模型是对所述排气的温度建模的排气温度模型，并且其中，对所述被建模的排气温度的调节基于所述扫气比和所述目标缸内FA。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述热学模型是对所述排气系统中的催化器的温度建模的催化器温度模型，并且其中，所述被建模的催化器温度的调节基于所述扫气比和所述目标排气FA。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述催化器是三元催化转化器。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述热学模型包括基于所述目标缸内FA和所述目标排气FA中的至少一个校正排气系统温度模型的特征，并且其中，所述热学模型的该特征在以所述扫气模式运行所述发动机时被禁用。
17.根据权利要求10所述的方法，还包括：在所述发动机以所述扫气模式运行，并同时调节所述目标缸内FA时，由所述控制器执行其他缸内FA加浓。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，由所述控制器执行的所述其他缸内FA加浓包括基于可变气门控制(VVC)系统的加浓和基于发动机爆震的加浓中的至少一个。
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