CN117328978A - 用于二次空气系统的流量估计 - Google Patents

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Abstract

提供了用于二次空气系统的流量估计。贯穿内燃机系统使用基于模型和迭代的质量流量计算的方法和系统。提供二次空气喷射阀以选择性地允许进气通到发动机系统的废气侧，从而有助于出于各种目的与离开发动机的废气进行放热反应。质量流量的迭代计算包括通过二次空气喷射阀的质量流量的估计。

Description

用于二次空气系统的流量估计
背景技术
对内燃机排放控制的收紧为新的和不同的控制系统创造了一系列激励，包括对空气路径控制的关注。从燃烧室出来的废气被引导至各种后处理系统，包括例如但不限于三元催化剂(TWC)设备，其将如一氧化碳、碳氢化合物(诸如部分或未燃烧的燃料)和氮氧化物之类的有毒污染物转化为二氧化碳、水和/或氮。当TWC是冷的时，诸如在发动机的冷启动时，期望的催化反应将不会发生。一种解决方案是使用例如电热元件来加热TWC。另一种解决方案是操作发动机以故意生成浓的废气，并将环境空气或新鲜空气引入TWC设备上游的废气中，以使得未燃烧的燃料氧化(燃烧)，从而使TWC快速达到操作温度。引入具有的氧气水平高于废气的新鲜空气称为二次空气喷射(SAI)。
用于引入这样的新鲜空气的一种方法是使用例如带有止回阀的“烟雾泵”在期望位置处将新鲜空气泵入废气气流中，以防止反向废气流。该方法添加额外的系统和相关联的控制机制，使得实现和控制均是复杂的。另一种方法是通过二次空气阀将增压空气(即从发动机上游的压缩机离开的加压空气)引入废气流中——一个可以通过使用二次空气流流经的流量传感器来控制的过程。这样的流量传感器增加了成本，并且在系统中引入了附加的潜在故障和/或误差点，因为流量传感器遭受由于堵塞所致的流量减少和/或故障。
这些较旧的方法引入了成本和复杂性。期望新的和替代的方法来引入二次空气。
发明内容
本发明人已经认识到，除了其他事物之外，要解决的问题是需要新的和/或替代的方法来引入二次空气。新鲜空气从离开与发动机一起使用的涡轮增压器的压缩机的气流内被引入废气气流。涡轮增压器可以是传统的涡轮增压器，从废气气流中的涡轮获得用于在压缩机中使用的所有动力。在一些实现方式中，涡轮增压器可以是E-Turbo设备，其使用电动马达来选择性地向压缩机提供附加的扭矩。当前公开的方法不是依赖于与二次空气阀一致的流量传感器，而是使用标准生产传感器组来估计二次空气流量，并基于这样的估计来实现系统控制。
第一个说明性的、非限制性的示例采取了一种估计发动机系统中的二次空气流量的方法的形式，该发动机系统包括：具有至少一个燃烧室的内燃机、具有进气歧管压力和温度传感器的进气歧管、以及废气歧管、具有压缩机和被配置为向压缩机提供扭矩的涡轮的涡轮增压器、增压空气冷却器(CAC)、以及包括环境催化剂设备(ECD)的后处理系统，该发动机系统被配置为接收环境空气，压缩压缩机中的环境空气，冷却CAC中的压缩空气，向进气歧管提供冷却的压缩空气，在至少一个燃烧室中用冷却的压缩空气燃烧一定量的燃料从而生成废气，将废气路由至涡轮，并将废气从涡轮路由至后处理系统，该发动机系统还包括二次空气喷射(SAI)阀，以可控地将压缩空气从压缩机下游的第一位置输送到第二位置处的废气，该SAI阀由SAI控制信号控制；该方法包括：感测进气歧管压力和进气歧管温度；感测环境空气压力、CAC下游的增压压力和发动机速度；使用增压压力和CAC流量模型计算第一位置处的第一压力；使用压缩机的模型计算第一位置处的第一温度；计算废气歧管压力；以及使用第一压力、第一温度、废气歧管压力和SAI控制信号作为SAI模型的输入，从SAI阀的模型计算通过SAI阀的质量流量。
附加地或替代地，如前述示例中的方法可以进一步包括响应于通过SAI阀的所计算的质量流量来调整SAI控制信号。附加地或替代地，如前述示例中的方法可以进一步包括确定发动机已经在冷启动条件下启动；发出控制信号以打开SAI阀；响应于通过SAI阀的所计算的质量流量，调制SAI阀的位置；确定ECD温度高于ECD温度阈值；以及发出控制信号以关闭SAI阀。附加地或替代地，涡轮增压器包括被配置为选择性地向压缩机提供扭矩的电动马达，并且该方法还包括激活涡轮增压器的电动马达以向压缩机提供扭矩来升高第一位置处的压力。附加地或替代地，涡轮增压器包括被配置为选择性地向压缩机提供扭矩的电动马达，并且该方法还包括确定第一位置和第二位置之间的压力差是否大于压力差阈值，并且如果不是，则激活涡轮增压器的电动马达以向压缩机提供扭矩来升高第一位置处的压力。
附加地或替代地，第一位置在CAC的上游，并且第二位置是废气歧管。附加地或替代地，第二位置在涡轮的下游和ECD的上游。
附加地或替代地，计算废气歧管压力和计算通过二次空气阀的质量流量的步骤是使用迭代计算以求解这些质量流量方程来执行的：进入进气歧管的质量流量加上燃料量的质量加上通过二次空气阀的质量流量等于涡轮质量流量；涡轮质量流量等于通过后处理系统的质量流量。
附加地或替代地，发动机系统进一步包括废气门，该废气门定位成允许废气绕过涡轮，并且涡轮质量流量包括经过涡轮的质量流量和经由废气门绕过涡轮的质量流量。
附加地或替代地，涡轮是可变几何涡轮(VGT)。
附加地或替代地，涡轮增压器包括被配置为选择性地向压缩机提供扭矩的电动马达，此外，其中，如果SAI阀没有关闭，则该方法包括确定第一位置处的压力是否超过第二位置处的压力，并且如果没有，则激活电动马达以向压缩机供应扭矩，并且从而增加第一位置处的压力。
附加地或替代地，后处理包括颗粒过滤器(PF)，并且该方法进一步包括：确定PF需要刷新；发出控制信号以打开SAI阀，从而允许二次空气流用于刷新PF；响应于通过SAI阀的所计算的质量流量，调制SAI阀的位置；确定PF已经被刷新；以及发出控制信号以关闭SAI阀。
另一个说明性的非限制性示例采取控制发动机的方法的形式，该发动机具有带有进气歧管和废气歧管的燃烧室、具有压缩机和涡轮的涡轮增压器、包括环境催化剂设备(ECD)和lambda传感器的后处理系统、以及二次空气喷射(SAI)阀，其由SAI控制信号控制并被配置为将在第一位置处离开压缩机的增压空气输送到废气歧管和ECD之间的废气路径中的第二位置，该方法包括：确定瞬态发动机操作的发生和ECD的温度低于ECD温度阈值；打开SAI阀，以使得二次空气喷射到废气，以促进加热ECD；在瞬态发动机操作期间，通过从SAI阀的模型计算通过SAI阀的质量流量，使用开环控制策略来调制SAI控制信号以调整SAI阀的位置；当ECD的温度保持低于阈值时，确定瞬态发动机操作的结束；以及在瞬态发动机操作结束时，通过获得lambda传感器的输出，使用闭环控制策略来调制SAI控制信号以调整SAI阀的位置。
附加地或替代地，发动机还包括用于冷却离开压缩机的空气的增压空气冷却器(CAC)、以及CAC和进气歧管之间的节气门、用于感测进气歧管压力的第一传感器、用于感测进气歧管温度的第二传感器、用于感测环境空气压力的第三传感器、用于感测CAC下游和节气门上游的增压压力的第四传感器、以及用于感测发动机速度的第五传感器；并且从SAI阀的模型计算通过SAI阀的质量流量的步骤包括：感测来自第一传感器的进气歧管压力、来自第二传感器的进气歧管温度、来自第三传感器的环境空气压力、来自第四传感器的增压压力和来自第五传感器的发动机速度；使用增压压力和CAC流量模型计算第一位置处的第一压力；使用压缩机的模型计算第一位置处的第一温度；计算废气歧管压力；以及使用第一压力、第一温度、废气歧管压力和SAI控制信号作为SAI模型的输入，从SAI阀的模型估计通过SAI阀的质量流量。附加地或替代地，瞬态发动机条件是发动机的冷启动。
另一个说明性且非限制性的示例采取在用于发动机系统的控制器中估计二次空气流量(SAI)的方法的形式，该发动机系统包括上游耦合到进气歧管(IM)且下游耦合到废气歧管的燃烧室、具有进气歧管上游的压缩机和废气歧管下游的涡轮的涡轮增压器、压缩机下游和IM上游的节气门、以及包括SAI阀的SAI流量路径，SAI流量路径从压缩机下游和燃烧室上游的第一位置耦合到压缩机下游的第二位置，该方法包括，利用提供给SAI阀的使得SAI阀至少部分打开的SAI控制信号，控制器执行以下各项：从IM中的传感器获得IM压力和IM温度；从环境空气压力传感器获得环境空气压力，从位于节气门上游的增压压力传感器获得增压压力，以及从发动机速度传感器获得发动机速度；使用增压压力计算第一位置处的第一压力；使用压缩机模型计算第一位置处的第一温度；计算废气歧管压力；以及使用SAI阀的模型、IM压力、第一压力、第一温度、废气歧管压力和SAI控制信号来估计通过SAI流量路径的SAI质量流量。
附加地或替代地，一种方法可以包括确定所估计的SAI质量流量低于目标SAI质量流量，并且作为响应，修改SAI控制信号以打开SAI阀。附加地或替代地，一种方法可以包括确定所估计的SAI质量流量低于目标SAI质量流量，并且作为响应，修改涡轮增压器的操作以增加增压压力。另一个说明性且非限制性的示例采取控制具有二次空气(SAI)流量路径的发动机系统的方法的形式，包括：标识冷启动条件；打开SAI流量路径中的SAI阀；使用如前述任一示例中的方法来估计SAI质量流量；以及响应于所估计的SAI质量流量，调制输送到SAI阀的控制信号以增加或减少SAI质量流量。
另一个说明性且非限制性的示例采取控制具有二次空气(SAI)流量路径的发动机系统的方法的形式，包括：标识刷新颗粒过滤器的需要；打开SAI流量路径中的SAI阀，以允许二次空气流用于刷新颗粒过滤器；使用前述任一示例中的方法来估计SAI质量流量；以及响应于所估计的SAI质量流量，调制输送到SAI阀的控制信号以增加或减少SAI质量流量。
另一个说明性的、非限制性的示例采取以下形式：具有至少一个燃烧室的内燃机、具有进气歧管压力和温度传感器的进气歧管、以及废气歧管、具有压缩机和被配置为向压缩机提供扭矩的涡轮的涡轮增压器、增压空气冷却器(CAC)、以及包括环境催化剂设备(ECD)的后处理系统，该发动机系统被配置为接收环境空气，压缩压缩机中的环境空气，冷却CAC中的压缩空气，向进气歧管提供冷却的压缩空气，在至少一个燃烧室中用冷却的压缩空气燃烧一定量的燃料从而生成废气，将废气路由至涡轮，并将废气从涡轮路由至后处理系统，该发动机系统还包括二次空气喷射(SAI)阀，以可控地将压缩空气从压缩机下游的第一位置输送到第二位置处的废气，该SAI阀由SAI控制信号控制，以及控制器，该控制器被配置为执行如前述方法示例中的任一个所述的估计SAI质量流量和/或控制发动机的方法。
又一个说明性的、非限制性的示例采取用于内燃机的控制器的形式，该控制器被配置为执行如前述方法示例中的任一个的方法。另一个说明性的、非限制性的示例采取非暂时性介质的形式，在其上存储用于执行任何前述方法示例的指令。
该概述旨在介绍本申请的主题。它并不旨在提供排他性或穷举性的解释。包括详细描述是为了提供关于本申请的进一步信息。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的组件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式总体图示了本文件中讨论的各种实施例。
图1示出了具有涡轮增压器和二次空气喷射的说明性发动机；和
图2-4各自以框图形式示出了说明性方法。
具体实施方式
图1示出了具有涡轮增压器的说明性发动机。系统10包括具有一个或多个气缸22的发动机20，该发动机20接收来自燃料系统24的燃料，诸如通过一个或多个燃料喷射器。燃料系统24为每个气缸22的每次点火提供已知或设置量的燃料，从而为发动机的气缸的每个完整点火序列提供确定量的燃料。发动机的速度NE表示完整点火序列发生的速度(无论是否所有的气缸都是活动的)，并且由发动机速度传感器感测，诸如例如而不限于可变磁阻传感器、霍尔效应传感器或光学传感器。
该系统的气流包括新鲜空气进入，其经过空气过滤器30，并且然后去往涡轮增压器40，该涡轮增压器40具有通过驱动轴联接在一起的压缩机42和涡轮44。发动机和/或车辆通常将还包括环境空气温度和压力传感器。涡轮增压器40被配置为在涡轮44处接收废气，从而生成由驱动轴提供给压缩机42的扭矩。可选地，涡轮增压器40可以是电动辅助涡轮增压器(E-Turbo)，其具有电动马达46，该电动马达46可以在期望时向压缩机42提供附加的扭矩。
离开压缩机42的空气被认为是已经被压缩的“增压”空气流，并且它经过增压空气冷却器50以降低温度，并且然后到节气门52。为了防止涡轮增压器喘振(通过压缩机42的反向气流，这可能由响应于节气门52的关闭的压力不平衡引起)，提供再循环阀54以允许增压空气在可能的喘振条件存在时再循环回到压缩机42输入。
在经过节气门52之后，增压的新鲜空气到达发动机20的进气歧管。在进入进气歧管之前，增压的新鲜空气可以与经过高压废气再循环(HPEGR)阀62的再循环废气混合，该阀62将通常还将使再循环气体经过EGR冷却器(未示出)。再循环废气有助于降低发动机20中的燃烧温度，从而减少某些有害排放。替代地或附加地，该系统可以包括低压废气再循环(LPEGR)阀(在64处所示)以及相关联的EGR冷却器(未示出)。
HPEGR 62在柴油发动机中更为典型，而LPEGR 64在汽油发动机中更为常见。如期望的，可以包括或省略一者或两者。本公开主要针对汽油发动机中的实现方式，然而，用于估计二次空气流量的系统和方法也可以用于柴油发动机中或燃烧其他燃料的发动机中。如果期望，那么这样的内燃机可以充当车辆中唯一的动力源，或者可以与附加的动力系统组合，诸如混合车辆中的电驱动系统。
进气歧管通常包括进气歧管压力传感器和进气歧管温度传感器中的每一个。进入进气歧管的空气然后进入燃烧室22。在燃烧期间，增压空气质量与燃料质量mF相组合。废气在废气歧管处离开发动机。废气然后被引导到涡轮44，涡轮44从废气中获得扭矩/力，该扭矩/力又经由驱动轴施加到压缩机42。在一些示例中，涡轮增压器驱动轴的转速是被测量的变量——称为涡轮增压器速度。在一些示例中，可以提供涡轮增压器速度传感器，但它不总是存在，并且可以采取例如但不限于可变磁阻传感器、霍尔效应传感器或光学传感器的形式。
废气门66允许废气排出而不经过涡轮44，以控制涡轮增压器速度。如果期望，则可以使用可变几何涡轮(VGT)而不是废气门46来管理进入涡轮44的气体。
经由涡轮44或废气门46离开系统的气体去往后处理系统70，在后处理系统70中，各种后处理设备可以移除或减少污染物。环境催化剂设备(ECD)72被包括在后处理系统70中，并且在本发明中特别值得注意。ECD可以采取三元催化转化器(TWC)的形式——这对于汽油发动机来说将是典型的，或者采取选择性催化还原设备(SCR)的形式——这对于柴油发动机来说将是典型的。
TWC可以包括涂覆有包含催化材料的涂层的基底砖。为了将一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物转化成二氧化碳、水和氮气，TWC需要处于或高于阈值温度，典型地在400摄氏度的范围内(尽管这可能随着特定的TWC而变化)。当TWC过冷时，诸如在发动机启动时，TWC将不会执行其功能。
大多数SCR设备喷射尿素以在SCR床中形成氨。为了将尿素转化为氨并引起与期望减少的污染物的反应还需要SCR床处于或高于阈值温度，其中合期望的目标超过250摄氏度，更经常地超过300摄氏度。当SCR床过冷时，诸如在发动机启动(“冷启动”)时，SCR将不能执行其功能。
ECD可以采取其他形式与其他燃料一起使用，并且也可能有不同的需求。例如，在天然气发动机的情况下，可能需要控制甲烷排放，但可能对于催化转化需要甚至更高的温度。在一些实现方式中，在不同位置处具有一个以上的ECD可能是有用的，以允许不同的温度来优化不同的反应。上面提到的温度范围仅仅是说明性的，并且可以随着特定的燃料、不同的ECD类型和/或其他因素而变化。在任何情况下，在一些示例中，快速提高ECD床温度使得能够更好地符合排放标准。
如本文所用，冷启动可以以多种方式定义。在一些示例中，“冷启动”可以由发动机是否在至少最小非操作时段之后启动来确定，其中最小非操作时段可以在15分钟至7小时的范围内。“冷启动”可以取而代之通过发动机是否在ECD床处于ECD正确操作的截止以下的温度时启动来确定，其中截止温度在大约50到大约400摄氏度的范围内。
可以提供一个或多个lambda传感器或通用废气氧气(UEGO)传感器74(本文统称为Lambda传感器)，包括，例如而不限于，如期望的，在后处理系统70的下游和/或涡轮44的上游的位置处。“冷启动”可以取而代之指代Lambda传感器条件的状态，其中Lambda传感器74的最小操作温度将通常在大约300至350摄氏度的范围内。直到Lambda传感器74达到其操作温度之前，Lambda传感器74输出将不可用或不可靠，并且使用基于模型的质量流量而不是Lambda传感器74输出。在一些示例中，如下面图4中所示，“冷启动”可以是执行某些操作的基础，并且对这样的操作的基础控制可以响应于Lambda传感器74操作状态而变化。
从Lambda传感器测量的氧气浓度可以用于确定例如发动机20中的空气燃料比，并且通常用于确定对空气燃料比的调整，该调整可以通过修改燃料输入和/或涡轮增压器40的操作来实现。Lambda传感器74的一个问题是，传感器输出受到传感器滞后(延迟响应)的影响，使得Lambda传感器74在操作正在改变(瞬态)时是对当前条件的不太好的指示器。冷启动的另一个问题是Lambda传感器74的操作范围需要升高的温度，使得Lambda传感器的输出在冷启动期间暂时不可用。
该系统还可以包括颗粒过滤器76，诸如柴油或汽油颗粒过滤器，或适用于其他燃料的其他颗粒过滤器，如本领域中已知的。
还提供了二次空气喷射(SAI)空气路径，包括SAI阀60。SAI阀60可以是止回阀，以防止废气回流。SAI可以用于在期望时向废气流输送附加的氧气，例如，引起与废气成分的后氧化(“后燃烧”)反应，特别是在冷启动期间产生的一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物。这些反应不仅减少了有害废气成分的存在，而且这些反应也是放热的，从而创造了有助于使ECD床达到其操作温度的热量。在所示的示例中，SAI路径开始于压缩机42下游和CAC 50上游的第一位置处，并将新鲜空气输送到第二位置，第二位置可以处于发动机20的废气歧管(如图1中用粗虚线示出的)。替代地，SAI路径可以在废气歧管下游和涡轮上游的任何位置处将新鲜空气引入废气流。另一个替代方案将是将第二位置定位在61处，涡轮44和废气门66(如果存在)的下游，以及后处理70和ECD 72的上游。空气路径中元件之间的每条线——包括对于SAI空气路径所示的虚线——可以表示管子、通道、管道或其他合适的空气通道。
贯穿附图示出了小方框，其表示各个位置处的温度和压力：
T0和p0表示环境空气温度和空气压力
T21a和p21a表示压缩机42出口处的压力和温度；
T2和p2表示进气歧管处的压力和温度；
T3和p3表示废气歧管处的压力和温度；和
T4和p4表示涡轮44出口处的压力和温度。
在生产系统中，环境空气温度和压力(T0和p0)以及进气歧管压力和温度(T2和p2)可以是所测量的参数，并且使用系统模型和其他特性来估计、计算和/或推断其他压力和温度。发动机速度(NE)也将是已知的，经由发动机20的燃料喷射器的质量输入和lambda传感器的输出也是已知的。在一些示例中，可以测量涡轮增压器速度。
在说明性系统中，一个附加压力传感器p21可以提供在作为生产系统的一部分示出的位置处，从而获得CAC 50下游和节气门52上游的压力。p21传感器用于使用CAC限制模型计算p21a。将使用压缩机温升模型来计算温度T21a，压缩机温升模型又使用计算的p21a值、T0和p0。
在被测系统、诸如用于建模的建筑/系统中，可以贯穿系统存在用于捕获温度、压力或其他所期望的参数的附加传感器。添加的传感器有助于开发和校准在生产系统中使用的模型，以根据需要估计、计算或推断各种压力、温度、质量流量等。例如，压缩机温升模型和CAC限制模型可以各自使用被测系统的附加传感器来开发，以直接感测T21a和p21a。
该操作一般而言由发动机控制单元(ECU)80控制。ECU 80可以如期望的包括微控制器或微处理器，或者其他逻辑/存储器、专用集成电路(ASIC)等，其具有相关联的存储器，用于将观察到的特性以及操作指令集存储在非暂时性介质(诸如闪存或其他存储器电路)中。ECU 80将耦合到跨系统的各种致动器，以及所提供的传感器，以获得数据并根据需要发出控制信号。ECU可以诸如通过控制器局域网(CAN)总线或其他有线或无线链路耦合到其他车辆控制系统。可以存在多个ECU 80，诸如通过具有专用于控制涡轮增压器40的单独的ECU。
通过系统的质量流量可以通过一次取一块来理解。从燃烧室和二次空气阀进和出废气歧管的流量可以表示为公式1中所示的：
0＝meng(p2，p3，T2，Ne，Cams)+mf+mSAI(p21a，p3，T21a,uSAI)-mHPEGR(p2,p3，T3，uHPEGR)-mturbine(p3，p4，T3，Nt)-mwg(p3，p4，T3，uWc) {1}
其中函数meng是使用被测系统开发的，作为进气歧管压力和温度、废气歧管中的压力、发动机速度和凸轮轴位置(CAMS)(诸如可变升程或定相)的函数，(该方程可以修改为包括影响增压空气流量的任何其他信号)，并输出流入发动机的增压空气的质量。燃料的质量流量(mf)是燃料系统输入设置的函数。二次空气流量质量函数mSAI是压力p21a和p3、温度T21a以及SAI阀的控制信号uSAI的函数，并且是用于将在被测系统中开发的SAI阀的流量模型。高压EGR质量流量mHPEGR是p2、p3、T3和HP EGR控制信号uHPEGR的函数。通过涡轮和废气门的质量流量在公式1中是各自分开的。具体而言，通过涡轮的质量流量mturbine是p3、p4、T3和涡轮速度Nt(其本身可以如期望那样进行测量或建模)的函数。通过废气门的质量流量mwg是p3、p4、T3和废气门位置或控制信号uwg的函数。
通过涡轮和废气门的组合质量流量必须等于进入废气系统的质量流量，如公式2所示：
0＝mturbine(p3，p4，T3，Nt)+mwg(p3，p4，T3，uWG)-maft(p4，p0，T4，uLPEGR) {2}
函数maft是在任何低压(LP)EGR环路之前通过废气系统的质量流量。如所示出的，maft是涡轮后压力p4和温度t4、环境压力p0和LPEGR阀位置或阀控制信号uLPEGR的函数。通过低压EGR mLPEGR的质量流量的模型将使用被测系统开发，并依赖于压力p4和p0、以及温度T4连同LPEGR控制信号uLPEGR。
对于具有VGT的系统，涡轮模型将被包括叶片位置、uVGT的关系的流量模型所替换，并且废气门模型可以移除，用以下内容代替公式1和2中的mwg：
mturbine(p3，p4，T3，Nt，uVGT)
等式1-2来自相同的系统，并跨受控体积计及了系统的每个质量流量输入和输出。这两个非线性方程足以唯一地求解来自标准传感器组的流量平衡。诸如高斯-牛顿、牛顿-拉夫森或迭代卡尔曼滤波器的任何迭代求解器可以用于求解两个未知压力p3和p4，并因此计算每个质量流量，并从质量流量中提取流过SAI阀的质量的量。然后可以使用任何合适的控制方法来调制SAI阀位置(基于SAI流量的目标值打开和关闭)，所述控制方法诸如比例积分微分(PID)控制、基于模型的控制，诸如模型预测控制(MPC)等。附加地或替代地，可以修改E-Turbo控制或扭矩。在仍其他示例中，可以修改涡轮增压器废气门和/或VGT的设置，例如，以增加增压空气压力来增加SAI流量。
可以如期望的那样修订公式组以计及其他布局。
在图1中所示的系统的情况下，可以注意到，其中将使用SAI的冷启动发动机条件可以是怠速(或高怠速)状态。在一些示例中，为了在怠速状态期间增强压缩机的操作，E-Turbo 46可以用于增加压缩机的速度，进而提升增压压力p21和压力p21a，并由此影响(增加)SAI质量流量。
图2-4各自以块的形式示出了说明性的方法。从图2开始，标识冷启动，如100处所指示的。可以通过确定在先前发动机操作的停止和发动机操作的起始之间已经过去了多长时间来标识冷启动，其中如果已经过去了超过所选持续时间(例如在30分钟至7小时的范围内)，则标识冷启动。在其他示例中，可以通过参考ECD、ECD床或Lambda传感器的感测温度来标识冷启动，其中如果这些元件中的一个或多个的温度低于操作阈值(通常为300摄氏度或更高，尽管取决于偏好、燃料类型、催化剂类型和特定实现方式可以使用其他值)，则标识冷启动。可以使用这样的因素的布尔组合，例如，如果自从发动机最后一次使用起已经过去了超过30分钟并且ECD床温度低于操作阈值，则可以标识冷启动。
已经标识了冷启动，SAI阀打开，如102处所指示的。接下来在104处，在迭代求解器中使用例如上述等式1-3计算SAI质量流量。如在106处所指示的，通过修改SAI阀控制信号来调制SAI阀位置，例如，如果SAI质量流量低于确定的目标则打开SAI阀位置，或者如果SAI质量流量高于确定的目标则关闭SAI阀。这里可以注意到，利用所描述的方法，SAI阀或SAI系统不需要流量传感器来计算通过其中的质量流量。
接下来，在块108处，该方法通过确定ECD温度(或ECD床温度)是否高于操作阈值来确定是否需要继续操作。实际阈值可能因安装和ECD设计而异。如果在108处ECD温度不高于阈值，则该方法返回到块104，用于该方法的下一次迭代。如果在块108处ECD温度已经达到或超过阈值，则该方法接下来在110处关闭SAI阀，因为不需要另外的SAI流来加热ECD和/或来自废气流的污染物，并且该方法结束。
在说明性方法中还示出了块120，并且块120可以在该方法中的任何点处可操作。在块120中，将SAI阀上游的压力与SAI阀下游的压力进行比较，以找到压力差。例如，废气歧管中的压力可以与压缩机出口处的压力进行比较。取决于布局，可以进行其他比较。如果压力差低于阈值，则期望来自压缩机的更多的增压压力，并且因此E-Turbo马达被激活以向压缩机提供附加扭矩，从而增加压缩机速度并提升SAI阀上游的压力。对于没有E-Turbo马达的系统，可以省略块120。如果与废气歧管中的压力进行比较，则废气歧管中的压力可能变化很大，并且因此废气歧管处的最小压力、最大压力或平均压力中的任何一个都可以用于计算压力差。
在一示例中，可以使用以下方法来执行E-Turbo的激活。首先，控制系统可以测量和/或计算与SAI质量流量相关的压力。注意，例如，如上所示，SAI质量流量是压力p21a和p3、温度T21a以及SAI阀的控制信号uSAI的函数。在一示例中，通过根据下式计算压力差是高于还是低于阈值，来激活E-Turbo的电动马达向涡轮增压器添加扭矩：
如果p21a-p3＜X，则添加扭矩
否则，将E-Turbo扭矩降低至标准
其中X的值可以是T21a的函数，认识到这样的温度影响SAI质量流量，并且其中“标准”是通过任何其他系统控制方法计算的E-Turbo扭矩输入。例如，系统可以包括用于计算相对于发动机汽缸所期望的E-Turbo扭矩的控制子功能，而不考虑SAI质量流量。在另一个示例中，当期望SAI质量流量时，系统可以再次比较p21a和p3，并确定是打开或关闭废气门，还是用VGT调整叶片设置，以增加涡轮增压器的压缩机的动力，并且从而增加p21和p21a。
使用SAI加热系统的一部分的响应的任何条件可以在块100处用于启动图2的过程，对块108进行调整以确定SAI过程何时到达了完成点。
在另一个示例中，除了“冷启动”之外的发动机状态或条件可以在块100处用于启动该方法。例如，在废气流中具有氨/NOx传感器的系统中，过量氨的检测可以指示与选择性催化还原(SCR)设备上过量尿素引入和/或低SCR床温度相关联的氨逃逸。当检测到过量的氨时，可以调用增加SCR床温度的特殊模式，诸如通过检测SCR床温度并确定需要使SCR床温度(在最大限度内)增加至新的SCR床温度目标，这将充当块108中的ECD温度阈值。例如，新的SCR床温度目标可以设置为从发现过量氨逃逸时的不论为多少的温度增加一定量的摄氏度(例如20摄氏度)。已经检测到过量的氨逃逸，并且已经设置了新的SCR床温度目标，图2的方法可以用于在102处打开SAI阀，计算SAI质量流量(潜在地在120处激活E-Turbo)，在106处调制SAI阀位置，并且在108处检查温度目标以确定SCR床温度是否已经达到新的SCR床温度目标。
图3图示了可以用于刷新颗粒过滤器(PF)的特殊模式。PF捕获并存储废气烟尘，以便减少排放。PF可以为特定燃料而设计，并且可以采取例如但不限于柴油颗粒过滤器或汽油颗粒过滤器或任何其他燃料颗粒过滤器的形式。使用如图3中所示的操作，可以偶尔或周期性地燃尽捕集的烟尘。首先，如200处所示，确定是否需要PF刷新，诸如通过确定自从上次刷新以来已经过去了多长时间，或者通过监测PF中的烟尘量、经过PF的烟尘量，或者通过确定PF处的流阻。如果在200处需要PF刷新，则该方法在202处打开SAI阀以增加废气中可用的氧气量，并且如在204处所指示的，可以通过增加燃料喷射来启动浓燃烧程序。经由SAI的新鲜空气喷射与浓燃烧状态相组合将导致后处理中的燃尽。在210处计算SAI质量流量，并且在212处使用计算的质量流量来调制SAI位置，类似于上面的块106。在一段时间已经过去之后，或者响应于感测到PF处的温度已经达到或超过阈值(例如，在一段时间内高于阈值)，在214处宣布PF刷新完成，并且如216处所指示的关闭SAI阀。
图4图示了用于管理冷启动的另一种方法。这里，冷启动在300处被标识，类似于图2中的块100。在块302处，通过向SAI阀发出控制信号来打开SAI阀。接下来，该方法确定Lambda传感器是否正在操作304。块304可以包括若干考虑，包括在一些示例中，Lambda传感器的温度是否在操作范围内。块304还可以设想系统是否正在瞬态下操作；例如，一些操作者或系统可以在冷启动后变化发动机速度。如果Lambda传感器由于瞬态条件或传感器不在操作范围内而不可操作，则该方法继续到块310，在块310中，使用如上面关于等式1-2所讨论的方法计算SAI质量流量。可选地，在块310处计算的质量流量或者为了块310的目的而计算的压力可以用于确定是否激活E-Turbo发动机，如在312处所指示的。然后，如在314处所指示的，通过例如发出控制信号来调制SAI阀位置，如果SAI质量流量小于所期望的则打开阀，或者如果SAI质量流量大于所期望的则关闭阀。块314中的控制可以通过使用例如PID、MPC或任何其他合适的控制算法来执行。
接下来，该方法确定ECD温度是否保持低于ECD操作的阈值，如330处所指示的。如果ECD温度保持低于阈值，则该方法返回到块304，以再次检查Lambda传感器是否可操作。如果ECD温度已经达到其阈值，则该方法可以进行到在332处关闭SAI阀并结束。
返回到块304，如果Lambda传感器处于操作状态(无论来自块302还是块330)，则该方法接下来在320处获得Lambda传感器输出，并在322处调制SAI阀位置，以增加通过SAI的质量流量(如果Lambda传感器指示废气中低氧气到无氧气)，或者减少通过SAI的质量流量(如果Lambda传感器指示废气中过量的氧气)。再次，控制可以是PID、MPC或任何其他合适的控制。在一示例中，如果Lambda输出指示废气中低氧气或无氧气，并且SAI阀位置或控制信号已经处于SAI阀的最大开度，则可以激活E-Turbo。
在一些示例中，如326处所指示的，在Lambda传感器可操作之后，SAI质量流量仍将被计算。例如，SAI质量流量计算可以用于确定增压压力是否足以在后处理系统中实现期望的效果(期望量的SAI质量流量)。再次，使用废气歧管压力和压缩机出口压力作为简单的示例，如果压缩机出口压力不够高以确保通过SAI阀到废气歧管的质量流量，则E-Turbo发动机可以被激活以向压缩机添加另外的扭矩，从而增加压缩机出口压力。
可以注意到，图4图示了用于关联于SAI功能而控制E-Turbo的两种不同条件。在一种条件下，当Lambda传感器在SAI阀完全打开的情况下标识出低氧气含量时，可以推断SAI质量流量不足，并且期望增加增压空气压力。在一些示例中，如果SAI阀部分打开，并且Lambda传感器感测到低氧气含量，则低氧气含量可以促使SAI阀控制信号改变，以完全或更完全地打开SAI阀。此外或替代地，激活E-Turbo以提供附加的增压压力，并且因此提供附加的SAI质量流量(和/或可以修改废气门和/或VGT的设置以增加压缩机动力和/或涡轮增压器速度，从而增加增压压力)。在另一种条件下，由于p21和p3之间的压力差不足，当使用等式1和2的分析过程估计SAI质量流量低于期望水平时，可以要求E-Turbo增加p21。此外，如果压力差被认为不足，可以修改废气门和/或VGT的设置以增加压缩机动力和/或涡轮增压器速度来增加增压压力)。
在一些示例中，可以标识SAI阀的堵塞或故障。在一个示例中，在Lambda传感器可操作(优选地在其可接受的温度范围内操作并且没有瞬态条件)的情况下，SAI阀控制信号可以被改变以打开阀。然后，将预期Lambda传感器将会标识出废气流中氧气的增加。如果没有标识出氧气含量的改变，则系统可以确认p21和p3之间的压力差至少超过最小阈值(并且如果没有，可以经由废气门、VGT和/或E-Turbo操作使用任何上述提到的方法增加增压压力)，并且然后断定SAI阀和/或SAI流量路径被堵塞或不在正确地运转。
在另外的示例中，SAI效果模型可以使用试验台来构建，例如，以估计在选择的发动机条件下响应于选择的SAI质量流量水平的Lambda传感器输出的改变。然后，在操作期间，SAI阀可以打开，并且上述方法(诸如使用等式1和2)用于估计SAI质量流量，用于输入到SAI效果模型。然后监测Lambda传感器输出，以确认与建模效果的匹配；如果没有找到匹配，则系统可以记录SAI阀和/或SAI流量路径的可能问题。
这些非限制性示例中的每一个都可以独立存在，或者可以与一个或多个其他示例以各种排列或组合进行组合。以上详细描述包括对附图的参考，附图形成详细描述的一部分。附图通过图示方式示出了具体的实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。这样的示例可以包括除了所示出或描述的元素之外的元素。然而，本发明人也设想了其中仅提供了所示出或描述的那些元素的示例。此外，相对于特定示例(或其一个或多个方面)，或相对于本文示出或描述的其他示例(或其一个或多个方面)，本发明人还设想了使用所示出或描述的那些元素(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的示例。在本文件和通过引用如此并入的任何文件之间的用法不一致的情况下，则以本文件中的用法为准。在本文件中，术语“一”或“一个”通常用于包括一个或多于一个，独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他实例或用法。此外，在权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标签，并不旨在对它们的对象强加数字要求。
本文描述的方法示例可以至少部分是机器或计算机实现的。一些示例可以包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令可操作来配置电子设备以执行如上述示例中描述的方法。这样的方法的实现方式可以包括代码，诸如微码、汇编语言代码、高级语言代码等。这样的代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。该代码可以形成计算机程序产品的部分。此外，在一示例中，代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上，诸如在执行期间或在其他时间。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘或光盘、盒式磁带、存储卡或记忆棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。
以上描述旨在是说明性而非限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。诸如由本领域普通技术人员在阅读以上描述后，可以使用其他实施例。提供摘要是为了符合37 C.F.R.§1.72(b），以允许读者快速确定技术公开的性质。提交它是基于如下理解，即它将不被用来解释或限制权利要求的范围或含义。
此外，在上面的具体实施方式中，各种特征可以组合在一起以简化本公开。这不应当被解释为旨在未要求保护的公开特征对于任何权利要求都是必要的。相反，创新主题可以在于少于特定公开实施例的所有特征。因此，所附权利要求由此作为示例或实施例被并入到具体实施方式中，每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且设想这样的实施例可以以各种组合或排列彼此组合。保护范围应当参照所附权利要求以及这样的权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。

Claims (20)

1.一种估计发动机系统中的二次空气流量的方法，所述发动机系统包括：
具有至少一个燃烧室的内燃机、具有进气歧管压力和温度传感器的进气歧管、以及废气歧管、具有压缩机和被配置为向压缩机提供扭矩的涡轮的涡轮增压器、增压空气冷却器(CAC)、以及包括环境催化剂设备(ECD)的后处理系统，所述发动机系统被配置为接收环境空气，压缩压缩机中的环境空气，冷却CAC中的压缩空气，向进气歧管提供冷却的压缩空气，在至少一个燃烧室中用冷却的压缩空气燃烧一定量的燃料从而生成废气，将废气路由至涡轮，并将废气从涡轮路由至后处理系统，所述发动机系统还包括二次空气喷射(SAI)阀，以可控地将压缩空气从压缩机下游的第一位置输送到第二位置处的废气，所述SAI阀由SAI控制信号控制；
所述方法包括：
感测进气歧管压力和进气歧管温度；
感测环境空气压力、CAC下游的增压压力和发动机速度；
使用增压压力和CAC流量模型计算第一位置处的第一压力；
使用压缩机的模型计算第一位置处的第一温度；
计算废气歧管压力；以及
使用第一压力、第一温度、废气歧管压力和SAI控制信号作为SAI模型的输入，从SAI阀的模型计算通过SAI阀的质量流量。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括响应于通过SAI阀的所计算的质量流量来调整所述SAI控制信号。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
确定发动机已经在冷启动条件下启动；
发出控制信号以打开SAI阀；
响应于通过SAI阀的所计算的质量流量，调制SAI阀的位置；
确定ECD温度高于ECD温度阈值；以及
发出控制信号以关闭SAI阀。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，涡轮增压器包括被配置为选择性地向压缩机提供扭矩的电动马达，并且所述方法还包括激活涡轮增压器的电动马达以向压缩机提供扭矩来升高第一位置处的压力。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，涡轮增压器包括被配置为选择性地向压缩机提供扭矩的电动马达，并且所述方法还包括确定第一位置和第二位置之间的压力差是否大于压力差阈值，并且如果不是，则激活涡轮增压器的电动马达以向压缩机提供扭矩来升高第一位置处的压力。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，第一位置在所述CAC的上游，并且第二位置是废气歧管。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，第二位置在涡轮的下游和ECD的上游。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，计算废气歧管压力和计算通过二次空气阀的质量流量的步骤是使用迭代计算以求解这些质量流量方程来执行的：
进入进气歧管的质量流量加上燃料量的质量加上通过二次空气阀的质量流量等于涡轮质量流量；
涡轮质量流量等于通过后处理系统的质量流量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，发动机系统进一步包括废气门，所述废气门定位成允许废气绕过涡轮，并且涡轮质量流量包括经过涡轮的质量流量和经由废气门绕过涡轮的质量流量。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，涡轮是可变几何涡轮(VGT)。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，涡轮增压器包括被配置为选择性地向压缩机提供扭矩的电动马达，此外，其中，如果SAI阀没有关闭，则所述方法包括确定第一位置处的压力是否超过第二位置处的压力，并且如果没有，则激活电动马达以向压缩机供应扭矩，并且从而增加第一位置处的压力。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述后处理包括颗粒过滤器(PF)，并且所述方法进一步包括：
确定PF需要刷新；
发出控制信号以打开SAI阀，从而允许二次空气流用于刷新PF；
响应于通过SAI阀的所计算的质量流量，调制SAI阀的位置；
确定PF已经被刷新；以及
发出控制信号以关闭SAI阀。
13.一种控制发动机的方法，所述发动机具有带有进气歧管和废气歧管的燃烧室、具有压缩机和涡轮的涡轮增压器、包括环境催化剂设备(ECD)和lambda传感器的后处理系统、以及二次空气喷射(SAI)阀，其由SAI控制信号控制并被配置为将在第一位置处离开压缩机的增压空气输送到废气歧管和ECD之间的废气路径中的第二位置，所述方法包括：
确定瞬态发动机操作的发生和ECD的温度低于ECD温度阈值；
打开SAI阀，以使得二次空气喷射到废气，以促进加热ECD；
在瞬态发动机操作期间，通过从SAI阀的模型计算通过SAI阀的质量流量，使用开环控制策略来调制SAI控制信号以调整SAI阀的位置；
当ECD的温度保持低于阈值时，确定瞬态发动机操作的结束；以及
在瞬态发动机操作结束时，通过获得lambda传感器的输出，使用闭环控制策略来调制SAI控制信号以调整SAI阀的位置。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，发动机还包括用于冷却离开压缩机的空气的增压空气冷却器(CAC)、以及所述CAC和进气歧管之间的节气门、用于感测进气歧管压力的第一传感器、用于感测进气歧管温度的第二传感器、用于感测环境空气压力的第三传感器、用于感测CAC下游和节气门上游的增压压力的第四传感器、以及用于感测发动机速度的第五传感器；并且从SAI阀的模型计算通过SAI阀的质量流量的步骤包括：
感测来自第一传感器的进气歧管压力、来自第二传感器的进气歧管温度、来自第三传感器的环境空气压力、来自第四传感器的增压压力和来自第五传感器的发动机速度；
使用增压压力和CAC流量模型计算第一位置处的第一压力；
使用压缩机的模型计算第一位置处的第一温度；
计算废气歧管压力；以及
使用第一压力、第一温度、废气歧管压力和SAI控制信号作为SAI模型的输入，从SAI阀的模型估计通过SAI阀的质量流量。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述瞬态发动机条件是发动机的冷启动。
16.一种在用于发动机系统的控制器中估计二次空气流量(SAI)的方法，所述发动机系统包括上游耦合到进气歧管(IM)且下游耦合到废气歧管的燃烧室、具有进气歧管上游的压缩机和废气歧管下游的涡轮的涡轮增压器、压缩机下游和IM上游的节气门、以及包括SAI阀的SAI流量路径，所述SAI流量路径从压缩机下游和燃烧室上游的第一位置耦合到压缩机下游的第二位置，所述方法包括，利用提供给SAI阀的使得SAI阀至少部分打开的SAI控制信号，控制器执行以下各项：
从IM中的传感器获得IM压力和IM温度；
从环境空气压力传感器获得环境空气压力，从位于节气门上游的增压压力传感器获得增压压力，以及从发动机速度传感器获得发动机速度；
使用增压压力计算第一位置处的第一压力；
使用压缩机模型计算第一位置处的第一温度；
计算废气歧管压力；以及
使用SAI阀的模型、IM压力、第一压力、第一温度、废气歧管压力和SAI控制信号来估计通过SAI流量路径的SAI质量流量。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括确定所估计的SAI质量流量低于目标SAI质量流量，并且作为响应，修改所述SAI控制信号以打开SAI阀。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括确定所估计的SAI质量流量低于目标SAI质量流量，并且作为响应，修改涡轮增压器的操作以增加增压压力。
19.一种控制具有二次空气(SAI)流量路径的发动机系统的方法，包括：
标识冷启动条件；
打开SAI流量路径中的SAI阀；
使用权利要求16的方法来估计SAI质量流量；以及
响应于所估计的SAI质量流量，调制输送到SAI阀的控制信号以增加或减少SAI质量流量。
20.一种控制具有二次空气(SAI)流量路径的发动机系统的方法，包括：
标识刷新颗粒过滤器的需要；
打开SAI流量路径中的SAI阀，以允许二次空气流用于刷新颗粒过滤器；
使用权利要求16的方法来估计SAI质量流量；以及
响应于所估计的SAI质量流量，调制输送到SAI阀的控制信号以增加或减少SAI质量流量。
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