CN113323760A - 一种气缸废气流量预估方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气缸废气流量预估方法与系统，属于汽车发动机控制领域，其中，方法的实现包括：根据混合点位置获取EGR控制阀出口的废气压力，并将EGR控制阀出口的废气压力除以EGR取气处的排气岐管压力，得到EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比；基于EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比及EGR控制阀的气体温度采用基于理想喷嘴处的可压缩气体方程进行预估得到EGR控制阀的废气流量；根据EGR控制阀的废气流量得到进入气缸的废气流量。通过本发明可以有效预估进入气缸的废气流量。

Description

一种气缸废气流量预估方法与系统
技术领域
本发明属于汽车发动机控制领域，更具体地，涉及一种气缸废气流量预估方法与系统。
背景技术
随着汽车和内燃机工业的高速发展，能源需求和环境保护问题成为当今世界各国所面临的难题，因此，节能和减排已成为内燃机行业发展的两大主题。在节能方面，国内外的汽车厂家通过运用：奥托(Otto)循环、阿特金森(Atkinson)循环、米勒(Miller)循环、高压废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)或低压高压废气再循环等技术，改善发动机的燃烧做功过程，或者通过发动机小型化设计，降低中小负荷的泵气损失，提高传统汽油机的燃油经济性。
涡轮增压发动机可以包括排气再循环EGR，可以从排气中取废气进入进气系统。研究表明EGR系统在改善排放，降低油耗和改善抗爆震能力上有一定优势。在EGR控制中准确预估进入气缸的废气流量和实际EGR率的预估是非常重要的部分，其直接影响了高压EGR控制能否准确且有效。
参考专利申请CN103089460A公开了一种发动机EGR阀闭环控制系统，提出了基于EGR阀进气口和排气口的温度压力和实际流通面积得到实际废气流量。然而由于EGR阀存在热胀冷缩的现象，在同一工况但不同温度下阀有效面积不一样，特别是EGR阀会因为废气的流入而导致阀体有效面积减小。该方法并未考虑EGR阀在废气流量通过后会导致EGR阀累积排放物而导致其实际流通面积变化的情况，导致进入气缸的废气流量的预估方案误差较大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种气缸废气流量预估方法与系统，可以有效预估进入气缸的废气流量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种气缸废气流量预估方法，包括：
根据混合点位置获取EGR控制阀出口的废气压力，并将EGR控制阀出口的废气压力除以EGR取气处的排气岐管压力，得到EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比；
基于EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比及EGR控制阀的气体温度采用基于理想喷嘴处的可压缩气体方程进行预估得到EGR控制阀的废气流量；
根据EGR控制阀的废气流量得到进入气缸的废气流量。
在一些可选的实施方案中，所述根据混合点位置获取EGR控制阀出口的废气压力，包括：
在混合点位置为进气岐管时，取进气岐管的气体压力pManifold作为EGR控制阀出口的废气压力pEGRValveOutlet；
在混合点位置为进气支管时，基于进气岐管的气体压力pManifold，采用速度密度法预估得到EGR气体混合进入进气岐管的混合气的气体压力pEGRJuction，将混合气的气体压力pEGRJuction作为EGR控制阀出口的废气压力pEGRValveOutlet。
在一些可选的实施方案中，由
Figure BDA0003104487470000021
预估EGR气体混合进入进气岐管的混合气的气体压力pEGRJuction，其中，pManifold为进气岐管的气体压力，
Figure BDA0003104487470000022
为进入气缸的新鲜空气流量，AJunction为进气岐管与EGR气体混合点之间的气管有效节流面积，TManifold为进气岐管的气体温度，R为理想气体常数。
在一些可选的实施方案中，由
Figure BDA0003104487470000031
预估得到EGR控制阀的废气流量
Figure BDA0003104487470000032
其中，RExh表示废气的气体常数，AValveEff为EGR控制阀的有效面积，KAdaption为EGR控制阀有效面积学习值，在车辆下电后保存，pExhMan为EGR取气处的排气岐管压力，TValve为EGR控制阀的气体温度，pEGRValveOutlet为EGR控制阀出口的废气压力，
Figure BDA0003104487470000033
由EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比决定。
在一些可选的实施方案中，KAdaption在满足自学习条件时，由进入气缸的新鲜空气流量进行自学习更新KAdaption，在不满足自学习条件时，不进行自学习，此时不更新KAdaption，其中，自学习条件为：EGR控制阀不是关闭状态，且EGR控制阀实际开度不小于预设开度。
在一些可选的实施方案中，由
Figure BDA0003104487470000034
进行自学习以更新KAdaption，其中，r表示预设值，tAdapSpeed为自学习时间系数，
Figure BDA0003104487470000035
为初始气缸新鲜空气流量，
Figure BDA0003104487470000036
为进入气缸的新鲜空气流量，Δt为采样周期。
在一些可选的实施方案中，所述根据EGR控制阀的废气流量得到进入气缸的废气流量，包括：
在混合点位置为进气岐管时，根据上一采样周期的EGR控制阀的废气流量
Figure BDA0003104487470000037
结合EGR有效面积学习值进行迭代得到；
在混合点位置为进气支管时，取EGR控制阀的上一采样周期的EGR控制阀的废气流量
Figure BDA0003104487470000041
作为进入气缸的废气流量
Figure BDA0003104487470000042
在一些可选的实施方案中，所述方法还包括：
由
Figure BDA0003104487470000043
得到实际未处理前的EGR率rEGRRatioActRaw，
Figure BDA0003104487470000044
为进入气缸的废气流量，
Figure BDA0003104487470000045
为进入气缸的新鲜空气流量；
将实际未处理前的实际EGR率rEGRRatioActRaw进行斜率限制，然后进行一阶低通滤波处理得到最终实际EGR率rEGRAct。
按照本发明的另一方面，提供了一种气缸废气流量预估系统，包括：
气体压比计算单元，用于根据混合点位置获取EGR控制阀出口的废气压力，并将EGR控制阀出口的废气压力除以EGR取气处的排气岐管压力，得到EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比；
EGR控制阀的废气流量计算单元，用于基于EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比及EGR控制阀的气体温度采用基于理想喷嘴处的可压缩气体方程进行预估得到EGR控制阀的废气流量；
气缸废气流量计算单元，用于根据EGR控制阀的废气流量得到进入气缸的废气流量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
针对EGR气体混合处位置获取EGR控制阀出口的废气压力，根据EGR控制阀出口的废气压力基于理想喷嘴处的可压缩气体方程预估进气气缸的废气流量，并且确定未处理前的EGR率，进一步的还对未处理的EGR率进行斜率限制，得到最终实际EGR率，以支持后续EGR控制，可以有效预估进入气缸的废气流量。且由于EGR控制阀存在热胀冷缩的现象，在同一工况但不同温度下控制阀有效面积不一样，而且特别是EGR控制阀会因为废气的流入而导致阀体有效面积减小的现象，本发明提出有效面积自学习的方式来补偿优化废气流量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种气缸废气流量预估方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种EGR进气控制系统结构图；
图3是本发明实施例提供的一种进气歧管和进气支管的位置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示是本发明实施例提供的一种气缸废气流量预估方法的流程示意图，包括以下步骤：
S1：根据混合点位置获取EGR控制阀出口的废气压力，并将EGR控制阀出口的废气压力除以EGR取气处的排气岐管压力，得到EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比；
S2：基于EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比及EGR控制阀的气体温度采用基于理想喷嘴处的可压缩气体方程进行预估得到EGR控制阀的废气流量；
S3：根据EGR控制阀的废气流量得到进入气缸的废气流量。
如图2所示是本发明实施例提供的一种EGR进气控制系统结构图，高压EGR系统主要由EGR入口温度传感器(即EGR前温度传感器)、EGR控制阀(带位置传感器)、EGR冷却器、EGR冷却器出口温度传感器组成。
其中，EGR入口温度传感器检测进入EGR控制阀的废气温度；
EGR控制阀(带位置传感器)，用于控制阀的开度和读取实际开度，用于计算和控制EGR率；
EGR冷却器用于冷却废气温度；
EGR冷却器出口温度传感器用于读取进入进气系统废气的温度。
其中EGR取气是在增压器涡轮机前侧，即发动机燃烧产生的废气还未经推动涡轮机增压而降低废气能力，因废气压力较高，因此称为高压EGR；EGR废气进入进气系统的混合点是在节气门后，即将进入气缸处。
如图3所示是本发明实施例提供的一种进气歧管和进气支管的位置示意图，其中，50表示进气支管，105表示节气门，106表示进气岐管，201表示排气管，混合点表示EGR气体与新鲜空气的混合位置，在混合点位置为进气岐管时，冷却后的EGR废气进入进气岐管与新鲜空气混合，取进气岐管的气体压力pManifold作为EGR控制阀出口的废气压力pEGRValveOutlet；
在混合点位置为进气支管时，冷却后的EGR废气进入进气支管与新鲜空气混合，基于进气岐管的气体压力pManifold，采用速度密度法预估得到EGR气体混合进入进气岐管的混合气的气体压力pEGRJuction，将混合气的气体压力pEGRJuction作为EGR控制阀出口的废气压力pEGRValveOutlet。
具体预估方法如下：
1)在EGR气体与新鲜空气混合位置处为进气支管时，取EGR控制阀的上一采样周期的废气流量作为进入气缸的废气流量
Figure BDA0003104487470000061
预估EGR气体混合进气岐管的混合气的气体压力pEGRJuction：
Figure BDA0003104487470000062
其中，pManifold为进气岐管的气体压力，
Figure BDA0003104487470000063
为进入气缸的新鲜空气流量，AJunction为进气岐管与EGR气体混合点之间的气管有效节流面积，TManifold为进气岐管的气体温度，R为理想气体常数。
将混合气的气体压力pEGRJuction作为EGR控制阀出口的废气压力pEGRValveOutlet。
2)如果EGR气体混合处为某一个(或每一个)进气管(连接进气岐管和进气门)，则取进气岐管的气体压力pManifold作为EGR控制阀出口的废气压力pEGRValveOutlet。
3)预估进入气缸的废气流量
Figure BDA0003104487470000071
引入EGR控制阀的实际EGR率Xe，则第n次采样周期的EGR率Xe(n)为：
Figure BDA0003104487470000072
RMix(n)＝Xe(n-1)×RExh+(1-Xe(n-1))×RAir
Figure BDA0003104487470000073
其中，Xe(n-1)表示第n-1次采样周期的EGR率，
Figure BDA0003104487470000074
表示在第n-1次采样周期通过EGR控制阀的废气流量，
Figure BDA0003104487470000075
表示初始气缸新鲜空气流量，VManifold表示进气岐管的气体容积，RMix(n)表示混合气体常数，
Figure BDA0003104487470000076
表示在第n-1次采样周期进入气缸的新鲜空气流量，废气的气体常数RExh，本发明实例中取290(J/KG*K)，新鲜空气的气体常数RAir取288(J/KG*K)。Δt为采样周期，实例取10ms。(pEGRValveOutlet×VManifold)/TManifold×RMix(n)为根据理想气体状态方程预估的混合气总的进气质量，
Figure BDA0003104487470000077
为预估的EGR气体质量，kSpeedFactor为性能调整系数，具体标定思路为根据试验对标的空气流量计测得的废气流量和预估的废气流量是否在允许误差范围内，从而确保EGR率的预估在允许范围内，本发明实例中kSpeedFactor取0.923。
则实际未处理前的EGR率rEGRRatioActRaw为
Figure BDA0003104487470000078
将EGR控制阀出口的废气压力pEGRValveOutlet除以EGR取气处的排气岐管压力pExhMan得到EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比rPresRatioValve。
在预估进入气缸的EGR气体流量均用到了EGR控制阀的废气流量
Figure BDA0003104487470000081
下一步将进行预估EGR阀的废气流量
Figure BDA0003104487470000082
预估EGR阀的废气流量
Figure BDA0003104487470000083
采用基于理想喷嘴处的可压缩气体方程进行预估：
Figure BDA0003104487470000084
其中，RExh表示废气的气体常数，AValveEff为EGR控制阀的有效面积，根据EGR控制阀开度对应唯一的有效面积，根据EGR控制阀的特性决定。TValve为EGR控制阀的气体温度。
Figure BDA0003104487470000085
由EGR控制阀出口的废气压力pEGRValveOutlet除以EGR取气处的排气岐管压力pExhMan决定，具体标定参数根据EGR控制阀的流量预估和对应的流量计对标结果决定，本发明实例中结果如下表1所示：
表1
Figure BDA0003104487470000086
特别地，KAdaption为EGR有效面积学习值，该值在车辆下电后保存。具体学习方法条件如下，仅在以下条件满足时开始进行自学习，在以下自学习条件不满足时，不进行自学习，此时KAdaption不更新。其自学习条件为：EGR控制阀不是关闭状态，且EGR控制阀实际开度不小于预设开度(以确保EGR实际流量预估准确性较高)，其自学习方法为：
Figure BDA0003104487470000087
其中，r表示预设值，tAdapSpeed为自学习时间系数，且KAdaption被限定在一定范围内。具体的标定方法，在不同瞬态变化的EGR开度下，确保EGR控制阀的废气流量与流量计对标的结果在误差允许范围内。本发明实例中，tAdapSpeed取5s，KAdaption被限定在-0.12到0.92之间。
EGR控制阀有效面积进行自学习的目的是，由于流经EGR控制阀的气体为废气，废气很“脏”，含有各种排放物，随着EGR控制阀工作时间越长，EGR控制阀执行部件会附着很多污染物，导致在相同气量下的有效面积需求越来越大，否则会出现EGR控制响应延迟的问题，降低了瞬态工况下的EGR率控制精度。且有效面积学习系数会下电保存，存放在EEPROM里，其保存的原因是：EGR控制阀有效面积会慢慢变化，不可能突变，下电保存后待下一次起动发动机EGR工作时能够迅速进入准确的EGR控制阀合理准确的目标开度，从而提高瞬态EGR率控制精度。
进一步地，将实际未处理前的实际EGR率rEGRRatioActRaw进行斜率限制，然后进行一阶低通滤波处理得到最终实际EGR率rEGRAct。其中实际EGR率增加的变化率不大于实际EGR减小的变化率。实际EGR率增加率过大，代表认为实际EGR率增大过快，在EGR控制阀目标开度请求过程中会导致目标开度请求过低而出现实际废气流量过小而导致达不到EGR对发动机性能改善的效果；实际EGR率减小过小，代表认为实际EGR率减小过小，认为实际EGR开度过大而导致目标开度请求过低而出现实际废气流量过小而导致达不到EGR对发动机性能改善的效果。一阶低通滤波系数过大，会导致实际EGR率波动较大而对目标EGR开度请求控制可能造成调控时间延长而无法准确请求目标EGR开度；一阶低通滤波系数越大，会导致实际EGR率波动过小而出现一直过大请求目标EGR开度而出现EGR流量过大而造成发动机不稳定燃烧。具体限制变化率和滤波系数根据目标EGR率台架标定误差效果来确定。本发明实例中，实际EGR率增加的变化率为0.2/s，实际EGR率减小的变化率为-0.4/s，一阶低通滤波系数为0.04(标准一阶低通方程，系数越小，代表滤波后的输出值波动范围越小)。
进一步地，在混合点位置为进气岐管时，根据上一采样周期的EGR控制阀的废气流量
Figure BDA0003104487470000101
结合EGR有效面积学习值进行迭代得到进入气缸的废气流量。
至此，进入气缸的废气流量的预估和实际EGR率的预估完成。
本申请还提供了一种气缸废气流量预估系统，包括：
气体压比计算单元，用于根据混合点位置获取EGR控制阀出口的废气压力，并将EGR控制阀出口的废气压力除以EGR取气处的排气岐管压力，得到EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比；
EGR控制阀的废气流量计算单元，用于基于EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比及EGR控制阀的气体温度采用基于理想喷嘴处的可压缩气体方程进行预估得到EGR控制阀的废气流量；
气缸废气流量计算单元，用于根据EGR控制阀的废气流量得到进入气缸的废气流量。
其中，各单元的具体实施方式可以参考上述方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气缸废气流量预估方法，其特征在于，包括：
根据混合点位置获取EGR控制阀出口的废气压力，并将EGR控制阀出口的废气压力除以EGR取气处的排气岐管压力，得到EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比；
基于EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比及EGR控制阀的气体温度采用基于理想喷嘴处的可压缩气体方程进行预估得到EGR控制阀的废气流量；
根据EGR控制阀的废气流量得到进入气缸的废气流量。
2.根据权利要求1所述的预估方法，其特征在于，所述根据混合点位置获取EGR控制阀出口的废气压力，包括：
在混合点位置为进气岐管时，取进气岐管的气体压力pManifold作为EGR控制阀出口的废气压力pEGRValveOutlet；
在混合点位置为进气支管时，基于进气岐管的气体压力pManifold，采用速度密度法预估得到EGR气体混合进入进气岐管的混合气的气体压力pEGRJuction，将混合气的气体压力pEGRJuction作为EGR控制阀出口的废气压力pEGRValveOutlet。
3.根据权利要求2所述的预估方法，其特征在于，由
Figure FDA0003104487460000011
预估EGR气体混合进入进气岐管的混合气的气体压力pEGRJuction，其中，pManifold为进气岐管的气体压力，
Figure FDA0003104487460000012
为进入气缸的新鲜空气流量，AJunction为进气岐管与EGR气体混合点之间的气管有效节流面积，TManifold为进气岐管的气体温度，R为理想气体常数。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的预估方法，其特征在于，由
Figure FDA0003104487460000021
预估得到EGR控制阀的废气流量
Figure FDA0003104487460000022
其中，RExh表示废气的气体常数，AValveEff为EGR控制阀的有效面积，KAdaption为EGR控制阀有效面积学习值，在车辆下电后保存，pExhMan为EGR取气处的排气岐管压力，TValve为EGR控制阀的气体温度，pEGRValveOutlet为EGR控制阀出口的废气压力，
Figure FDA0003104487460000023
由EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比决定。
5.根据权利要求4所述的预估方法，其特征在于，KAdaption在满足自学习条件时，由进入气缸的新鲜空气流量进行自学习更新KAdaption，在不满足自学习条件时，不进行自学习，此时不更新KAdaption，其中，自学习条件为：EGR控制阀不是关闭状态，且EGR控制阀实际开度不小于预设开度。
6.根据权利要求5所述的预估方法，其特征在于，由
Figure FDA0003104487460000024
进行自学习以更新KAdaption，其中，r表示预设值，tAdapSpeed为自学习时间系数，
Figure FDA0003104487460000025
为初始气缸新鲜空气流量，
Figure FDA0003104487460000026
为进入气缸的新鲜空气流量，Δt为采样周期。
7.根据权利要求6所述的预估方法，其特征在于，所述根据EGR控制阀的废气流量得到进入气缸的废气流量，包括：
在混合点位置为进气岐管时，根据上一采样周期的EGR控制阀的废气流量
Figure FDA0003104487460000027
结合EGR有效面积学习值进行迭代得到；
在混合点位置为进气支管时，取EGR控制阀的上一采样周期的EGR控制阀的废气流量
Figure FDA0003104487460000028
作为进入气缸的废气流量
Figure FDA0003104487460000029
8.根据权利要求7所述的预估方法，其特征在于，所述方法还包括：
由
Figure FDA0003104487460000031
得到实际未处理前的EGR率rEGRRatioAc tRaw，
Figure FDA0003104487460000032
为进入气缸的废气流量，
Figure FDA0003104487460000033
为进入气缸的新鲜空气流量；
将实际未处理前的实际EGR率rEGRRatioActRaw进行斜率限制，然后进行一阶低通滤波处理得到最终实际EGR率rEGRAct。
9.一种气缸废气流量预估系统，其特征在于，包括：
气体压比计算单元，用于根据混合点位置获取EGR控制阀出口的废气压力，并将EGR控制阀出口的废气压力除以EGR取气处的排气岐管压力，得到EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比；
EGR控制阀的废气流量计算单元，用于基于EGR控制阀的出气口与进气口的气体压比及EGR控制阀的气体温度采用基于理想喷嘴处的可压缩气体方程进行预估得到EGR控制阀的废气流量；
气缸废气流量计算单元，用于根据EGR控制阀的废气流量得到进入气缸的废气流量。
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