CN1415049A - 控制排气阀再循环的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制机动车中废气再循环的装置，该机动车具有一个内燃机，该内燃机设有：一个进气管，以使空气进入发动机；一个排气管，以使废气离开发动机；一个废气再循环通道，它将进气管与排气管连接，用于使废气从排气管进入进气管；及一个EGR阀，用于调节通过废气再循环通道的废气通过量，其特征在于：在进气管上、在进气管及再循环通道的连接点的下游的点上设有一个氧传感器；设有一个压力传感器，用于检测进气管内部的压力；及设有一个EGR控制器，用于根据来自氧传感器的信号及来自压力传感器的信号使EGR阀致动。

Description

控制排气阀再循环的装置及方法
背景技术
本发明涉及用于控制内燃机中废气再循环(EGR)的装置及方法。
已公知了多种用于控制内燃机中废气再循环的方法及装置及它们已被广泛地用作减少废气中NOx浓度的一个途径。典型地，这些系统使用背压传送阀控制废气再循环，但不能检测实际的废气再循环率。其结果是，当背压传送阀失效或损坏时，废气再循环率可能增大并导致驱动能力变差及废气中的NOx浓度增加。
变换地，在EGR控制中也使用进气管中的空气量或排气管中的氧浓度。
在低EGR率的情况下，废气排放特性非常敏感地依赖于EGR率如何精确地被建立。使用存在的空气量控制环仅可间接地确定EGR率。作为譬如发动机中气体通过量容差或传感器容差的结果，实际建立的EGR率可能很大地偏离所需的EGR率。当EGR率用作控制变量时则不允许发生EGR率的误差。
德国专利DE 42 22 414描述了一种EGR控制装置，它部分地基于来自位于内燃机进气管中的氧浓度传感器的信号控制废气再循环率。该专利使用来自氧传感器的读数，并根据表示EGR率的典型值与进气管中氧浓度幅值的特性曲线图估价实际EGR率。但是实际的EGR率还依赖于空气/燃料比。某些氧传感器表现对压力、例如进气管压力的依赖性。因此，它们的输出信号必需被压力校正。
发明内容
本发明涉及通过测量进气区段的氧浓度来控制EGR。为此，使探头位于废气循环进入到进气管部的下游的点上，在这里废气与新鲜空气已经相混合。
用于系统控制的控制变量可以是进气区段中的氧浓度或由它计算出的EGR率。
本发明涉及用于控制机动车中废气再循环的装置，该机动车具有一个内燃机，该内燃机设有：一个进气管，以使空气进入发动机；一个排气管，以使废气离开发动机；一个废气再循环通道，它将进气管与排气管连接，用于使废气从排气管进入进气管；及一个EGR阀，用于调节通过废气再循环通道的废气通过量，其特征在于：在进气管上、在进气管及再循环通道的连接点的下游的点上设有一个氧传感器；设有一个压力传感器，用于检测进气管内部的压力；及设有一个EGR控制器，用于根据来自氧传感器的信号及来自压力传感器的信号使EGR阀致动。
附图说明
图1是表示氧传感器的输出信号及氧浓度之间关系的特性图，
图2是表示由EGR控制单元基于来自进气管中压力传感器的读数作出的校正的示意图，
图3是表示使用进气管中的氧浓度或EGR率的、具有附加主导控制器的EGR控制结构的示意图，
图4是表示使用进气管中的氧浓度或EGR率作为EGR控制系统的叠加控制回路的EGR控制结构的示意图，
图5及6表示使用进气管中的氧浓度或EGR率作为EGR控制系统的自适应变量的EGR控制结构的示意图。
具体实施方式
以下将参照多个示范实施例来描述本发明。
进气管中的氧浓度O2ist由来自氧传感器-有时也称为 λ探头-的信号(电压信号UO2)来确定。图1是表示氧传感器的信号UO2(测量为电压值)及氧浓度O2ist之间关系的特性图。该图中的曲线是根据在试验室内在压力为1013mbar及外部温度为25°的情况下N2/O2混合物的试验中所观察到的下列参考点描绘的：2.50V＝0.00％O2，3.10V＝3.00％O2，3.69V＝6.00％O2，4.17V＝8.36％O2，及4.91V＝12.00％O2。
图1中的特性曲线仅对大气压力有效。但是，来自氧传感器的信号是与压力相关的及当增压起作用时进气管中的压力P可达到3bar。因此，为了确定进气管中的真实氧浓度O2ist，来自氧传感器的电压信号UO2必需相对压力P来校正。如图2a及2b概要地所示，可在运用特性曲线前或后对信号作出校正。或如图2c概要地所示，可在考虑压力值的传感器特性图中对信号校正。
以点火频率发生的压力波动使得进气管中的氧浓度必需与发动机速度同步地被计算。如果每点火周期仅有与发动机速度同步的一个计算，则对每试样进行一次氧浓度O2ist计算。如果每点火周期具有与发动机速度同步的两个计算，取新的氧浓度O2akt，k及旧的氧浓度O2akt，k-1的平均值来得到在每次发动机速度中断时的平均氧浓度O2ist，如图2d概要地所示。
变换地，可以比EGR控制器的计算更频繁地对氧浓度估值。如图2e概要地所示。例如在进气区段中的氧浓度可每1ms计算一次。根据在一个点火周期上平均的氧浓度值O21ms，可计算出对于控制器的实际值信号O2ist。这改进了氧浓度信号的精确度，尤其是基于氧传感器的非线性特性曲线图。
根据进气管中的氧浓度譬如使用下列等式来计算EGR率：
EGRist＝(1+0.21/3)/(1+0.21/3)*(1-(O2ist/0.21))
λ为化学计量的空气流量比率。对于λ＞1.5该等式可简化为：
EGRist≈λ*(1-[O2ist/0.21])
对于EGR率计算所需的化学计量的空气流量比率λ可用各种方式确定。例如用位于排气路径中的第二氧传感器或λ探头可根据下式得到λ的值： λ = 1 / 3 O 2 + 1 1 - 4,76 O 2
其中O2代表废气中的氧浓度。变换地，λ可根据下列公知的公式使用空气量MA及燃料量MF的值进行计算：
λ＝MA/(14.5*MF)
空气量例如可使用安装在进气管内部的空气流量计来确定。燃料量例如可通过图表使用喷射时间及喷射压力作为输入量来确定。
因此，使用电子控制单元、例如由PI控制器组成的EGR控制器可在任何给定时间上部分地基于来自进气管中氧传感器的读数确定出当前的EGR率EGRist。
图3a表示根据本发明的一个程序的例子，它使用当前EGR率EGRist作为反馈信号来改善传统的EGR控制系统的控制。参见该流程图，程序开始于步骤301。在步骤302上，以传统方式，譬如基于发动机速度、燃料量及另外的输入量如空气温度及大气压力确定EGR率的设置点EGRSOLL。在下一步骤中如上述地部分基于来自氧传感器的信号UO2来确定当前EGR率EGRist。接着，在步骤304中将这些值彼此比较。如果当前EGR率EGRist等于EGR率的设置点EGRSOLL，该程序重新在301上开始，而不调整EGR的值。如果这些值彼此不同，则在步骤305上确定：是否EGR率的设置点EGRSOLL大于当前EGR率EGRist。如果是的话，则在步骤306上EGR控制器通过至少依赖EGR率的设置点EGRSOLL与实际EGR率EGRist之间的偏差的量在打开方向上调节EGR阀。该调节趋向于增加EGR率，及程序再重新在301上开始。如果EGR率的设置点EGRSOLL不大于当前EGR率EGRist，则在步骤307上EGR控制器通过至少依赖EGR率的设置点EGRSOLL及实际EGR率EGRist之间的偏差的量在关闭方向上调节EGR阀。该调节具有减小当前EGR率EGRist的作用，及程序再重新在301上开始。
图3a中所示程序也可使用进气管中的氧浓度值来执行。在步骤302中可基于包括当前发动机速度，燃料量，及其它输入的输入量来确定氧浓度设置点O2soll。然后基于来自氧传感器的信号UO2确定当前氧浓度O2ist。然后在步骤304中将氧浓度设置点O2soll与当前氧浓度O2ist相比较。如果它们不相同，则在步骤305中确定氧浓度设置点O2soll是否小于当前氧浓度O2ist。如果是的话，则EGR控制器在打开方向上调节EGR阀，这趋向于增加再循环的废气量，及因此减小了进气管中的当前氧浓度。在步骤306中作出调节后，程序再重新在301上开始。如果氧浓度设置点O2soll不小于当前氧浓度O2ist，则EGR控制器在闭合方向上调节EGR阀，这趋向于减小再循环的废气量，及因此增大了氧浓度O2ist。只要发动机正在运行，图3a中的程序恒定及重复地进行。
图3b概要地表示如图3a所述地工作的EGR/氧浓度控制线路。为了更快地调节，来自主导控制步骤3.4的设置信号可叠加在控制器的设置信号上。用于计算主导值的输入变量是与形成设置点所需变量相同的变量。因此，在EGR/O2控制步骤3.3后，在求和点3.5上将主导控制值加在EGR/O2控制值上及其和被用于在步骤3.6中调节EGR阀。
图4概要地表示传统的EGR控制系统是如何使用当前EGR率EGRist的值或当前氧浓度O2ist的值被校正的。图3b中所示的EGR/氧浓度控制线路被叠加在公知的用于控制进气管空气量的控制线路上。该EGR/氧浓度控制线路起到减小开环或闭环EGR控制系统(例如，空气量控制EGR系统)中与容差相关的偏差。
因此，如图4中所示，在传统的EGR控制系统中，空气量设置点MAsoll在步骤4.5中决定。在比较点4.4上从该值中减去当前空气量MAist及在步骤4.6中该差值被用于控制空气量。根据空气量设置点MAsoll的和(ΔMAsoll)及当前空气量MAist之间的差值对EGR阀进行调节，直至空气量设置点MAsoll及当前空气量MAist相等为止。通过叠加EGR/O2控制回路，在EGR/O2控制步骤4.3中计算空气量设置点MAsoll的Δ值ΔMAsoll。
该Δ值ΔMAsoll是信号EGRist及EGRsoll之间或信号O2ist及O2soll之间的偏差值。EGR/O2控制器4.3类似于图3a中步骤306及307所示的方式地控制EGR阀。
然后在求和点4.4处将空气量设置点MAsoll的Δ值ΔMAsoll加到空气量设置点MAsoll及当前空气量MAist上，及其结果在空气量控制步骤4.6中被处理并在步骤4.7中调节EGR阀。
使用来自进气管的O2信号改善开环或闭环的EGR控制系统的另一可能性是学习由从属闭环或开环控制系统产生的误差及将习得的值提供给从属结构。
图5概要地表示使用在步骤5.7上建立的校正面(correctionplane)来改善传统的EGR控制系统的控制线路。如图4中那样，使用空气量值MA的EGR控制的传统控制周期被表示在步骤5.9，5.10，及5.11(分别相应于图4中步骤4.5，4.4及4.6)中。开关5.8仅是概念性的表示，即使用在步骤5.7上建立的校正面值的校正可在空气量控制步骤5.11前或后(即在求和点5.10或求和点5.12上)施加。这些校正面值是由各个EGR率设置点(EGRsoll)及当前EGR率值(EGRist)之间的差值来求得(或根据氧浓度设置点(O2soll)及当前氧浓度值(O2ist)之间的差值来求得)。如上所述，设置点值根据步骤5.1上发动机速度、燃料量及其它输入量来确定。接着，在比较点5.2上，从设置点EGR率或氧浓度值中减去当前EGR率或氧浓度值。内部逻辑，例如位于EGR控制器中的逻辑电路或软件将来自比较点5.2的差值根据发动机速度及燃料量值的范围传送通过积分器5.4，5.5及5.6中的一个。例如积分器5.4可处理低范围值，积分器5.5可处理中等范围值及积分器5.6可处理高范围值。每个范围被称为学习区域。每组校正值的结果被存储在每个积分器中。对于每个学习区域采集的长期结果被用来在步骤5.7上计算校正面。应指出，如果使用4个积分器来建立来自4个学习区域的4个校正点，则在步骤5.7上可建立两个校正面。
图6概要地表示如何参照三个轴来建立校正面。X轴代表发动机速度，Z轴代表燃料量MF，及Y轴代表校正值。学习范围指示燃料量及发动机速度输入，对于它基于学习区域内的设置点值及当前值之间的差值来计算校正值。然后基于来自三个学习区域的三个校正值来建立一个校正面。该校正面允许对于另外的燃料量及发动机速度值来内插和/或外插校正值，因此可以对落在三个学习区域之一以外的值作出校正。
该结构的优点是，一旦校正值被建立及校正面被计算，该校正值可被立即应用于发动机的每个工作点(对于每个速度及燃料量)。如图3及4所示的EGR率或氧浓度调节所需的时间由此被减小，因为个别的计算将不再需要。
另一可能的方案使用校正图来代替校正面。在此情况下，具有多于三个的不同学习区域。然后通过学习区域的校正值之间的内插来计算校正值。

Claims (13)

1.用于控制机动车中废气再循环的装置，该机动车具有一个内燃机，该内燃机设有：一个进气管，以使空气进入发动机；一个排气管，以使废气离开发动机；一个废气再循环通道，它将进气管与排气管连接，用于使废气从排气管进入进气管；及一个EGR阀，用于调节通过废气再循环通道的废气通过量，其特征在于：在进气管上、在进气管及再循环通道的连接点的下游的点上设有一个氧传感器；设有一个压力传感器，用于检测进气管内部的压力；及设有一个EGR控制器，用于根据来自氧传感器的信号及来自压力传感器的信号使EGR阀致动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：来自氧传感器的信号及来自压力传感器的信号代表当前EGR率或进气管中的当前氧浓度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：EGR控制器至少每点火周期一次与发动机速度同步地校正其输出和/或来自氧传感器的信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：EGR控制器基于在单个点火周期中的多个氧浓度测量值的平均值来校正其输出和/或来自氧传感器的信号。
5.根据以上权利要求中一项所述的装置，其特征在于：EGR控制器基于来自氧传感器的信号及λ值确定当前废气再循环率。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：λ值由位于排气管中的第二氧传感器来确定。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：λ值由空气量MA及燃料量MF来确定。
8.根据以上权利要求中一项所述的装置，其特征在于：EGR控制器计算氧浓度设置点及将它与当前氧浓度相比较。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：EGR控制器至少基于燃料量及发动机速度变量来计算氧浓度设置点。
10.根据以上权利要求中一项所述的装置，其特征在于：EGR控制器计算EGR率设置点及将它与当前EGR率相比较。
11.根据以上权利要求中一项所述的装置，其特征在于：EGR控制器使EGR阀致动，直至当前EGR率接近EGR率设置点为止或直至氧浓度接近氧浓度设置点为止。
12.根据以上权利要求中一项所述的装置，其特征在于：EGR控制器计算校正面及根据从校正面得到的校正值使EGR阀致动。
13.根据以上权利要求中一项所述的装置，其特征在于：EGR控制器还计算一个校正图表及使用来自校正图表的值使EGR阀致动。
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