用于监控内燃机中的再循环废气的方法和装置 【技术领域】
本发明属于内燃机技术领域。背景技术 内燃机将废气再循环至发动机进气系统以降低峰值燃烧温度， 从而管控发动机的 排放。已知的系统使用位于燃烧室内的废气流动控制系统以及被称为废气再循环 ( “EGR” ) 系统的外部再循环系统来实现此种再循环。 EGR 气体流率、 发动机进气特性以及发动机进气 中的压力和温度动态性能影响气缸充量和进气中的 EGR 气体和新鲜空气的质量比， 从而影 响燃烧温度、 发动机动力和发动机排放。对 EGR 气体和新鲜空气的影响在高 EGR 稀释程度 ( 诸如能够在火花点火直喷发动机的稀薄怠速工作期间出现 ) 下增大。
发明内容 一种用于在持续工作期间控制内燃机中的 EGR 气流的方法包括 ： 确定发动机工作 点； 以及基于所述发动机工作点确定用于气缸充量的优选 EGR 分数。基于所述用于气缸充 量的优选 EGR 分数确定用于控制流向发动机进气歧管的外部 EGR 气体流率的前向馈送命 令。确定所述进气歧管中的 EGR 比率。并且基于估计出的进气歧管中的 EGR 比率以及用于 控制所述外部 EGR 气体流率的前向馈送命令而控制外部 EGR 气体流率。
附图说明
现在将结合附图以示例的方式描述一个或多个实施例， 在所述附图中 ： 图 1 是根据本发明的发动机的示意图 ； 以及 图 2 是根据本发明的算法流程的示意图。具体实施方式
现在参见所述附图， 在所述附图中示出的内容仅仅是为了说明某些示例实施例的 目的， 而不是为了限制所述实施例， 图 1 示意性示出内燃机 10 以及根据本发明的一个实施 例构造的附带的控制模块 5。 用于说明本发明的示例发动机 10 包括多缸火花点火、 直喷、 四 冲程内燃机——其能够在包括进气、 压缩、 做功和排气冲程的重复燃烧循环中工作。 本发明 能够应用于各种不同的内燃机系统和燃烧循环。
发动机 10 包括多个气缸， 所述气缸具有能够在其内可滑动地运动的往复式活塞 14， 并且限定可变容积燃烧室 16。每个活塞 14 连接至旋转曲轴 12， 旋转曲轴 12 将线性往 复运动转化成旋转运动。曲轴传感器 42 监测曲轴旋转位置和速度。一个或多个进气门 20 控制从进气通道 29 至每个燃烧室 16 内的空气流量。一个或多个排气门 18 控制从每个燃 烧室 16 通过排气通道 39 至排气歧管的废气流量。进气和排气门 20 和 18 的打开和关闭优 选地由双凸轮轴 ( 如图所示 ) 控制， 所述双凸轮轴的旋转与曲轴 12 的旋转相关联并且相对 应。废气传感器 50 监测废气 ( 包括例如与发动机排气的空 / 燃比或废气的组成相关的参数状态 )。
进气系统包括用于控制和监测通向进气通道 29 的气流的气流管路和设备。在此 实施例中， 进气系统将进气流导通至进气歧管 30， 进气歧管 30 将进气引导和分配至通过进 气门 20 通向燃烧室 16 的进气通道 29。用于控制和监测进气歧管 30 内的空气流的设备优 选地包括空气质量流量传感器 32、 节气门 34、 压力传感器 36 和温度传感器 33。 空气质量流 量传感器 32 监测空气质量流量和进气温度。节气门 34 优选地包括电控设备——其响应于 来自控制模块 5 的控制信号 (“ETC” ) 来控制通向发动机 10 的空气流。压力传感器 36 监 测进气歧管绝对压力以及大气压力。温度传感器 33 适于监测进气歧管空气温度。
外部流动通道 40 将废气从排气通道 39 再循环至进气系统的进气歧管 30——其具 有包括废气再循环 (“EGR” ) 阀 38 的空气流动控制阀。第二温度传感器 35 适于监测再循 环气体的温度， 优选的是 EGR 阀 38 处或附近的温度。EGR 阀 38 优选地包括可控的可变流量 阀， 该可控的可变流量阀由操作性地连接至控制模块 5 的脉宽调制螺线管控制。控制模块 5 产生脉宽控制信号 (“EGR_PW” ) 以通过 EGR 阀 38 控制再循环废气或外部 EGR 气体的流 动。EGR 阀 38 优选地产生由控制模块 5 监测的与工作关联的输出信号。通过 EGR 阀 38 通 向进气歧管 30 的外部 EGR 气体流率能够基于 EGR 阀 38 处的压降、 外部 EGR 气体的温度以 及 EGR 阀 38 的有效打开面积来确定。控制模块 5 包括由用于控制 EGR 阀 38 的脉宽控制信 号组成的预先确定的校准值和 EGR 阀 38 的有效打开面积的相应测量值。在工作中， 控制模 块 5 通过控制发送给 EGR 阀 38 的脉宽控制信号而控制有效打开面积。这样， 控制模块 5 通 过控制发送给 EGR 阀 38 的脉宽控制信号而控制外部 EGR 气体流率。例如， 0％的脉宽控制 信号导致 EGR 阀 38 关闭， 即没有流量 ； 100％的脉宽控制信号导致 EGR 阀 38 大开， 对于 EGR 阀 38 处的压降导致最大的外部 EGR 气体流率。结合图 2 来描述系统操作， 通过所述系统操 作控制模块 5 确定脉宽控制信号以控制外部 EGR 气体流率。
燃料喷射系统包括多个燃料喷射器 28， 每个燃料喷射器适于响应于来自控制模块 5 的控制信号 (“INJ_PW” ) 将一定质量的燃料直接喷射至一个燃烧室 16 内。燃料喷射器 28 被供以来自燃料分配系统 ( 未示出 ) 的加压燃料。替代地， 每个燃料喷射器 28 能够被定 位成将燃料喷射至燃烧室 16 上游的进气通道 29 内， 在进气门 20 打开时， 燃料和空气流入 燃烧室 16。 在每个气缸事件期间在每个燃烧室 16 内形成的气缸充量由喷射的一定量燃料、 进气、 EGR 气体和残留在燃烧室 16 内的任何残留气体组成。包括点火模块 ( 未示出 ) 和火 花塞 24 的火花点火系统在燃烧室 16 内产生火花能量， 用于响应于从控制模块 5 输出的点 火信号 (“IGN” ) 对每个气缸充量进行点火或辅助点火。
控制模块 5 通过加速器踏板传感器 52 基于操作者对加速器踏板的输入 (“APP” ) 来确定发动机动力输出 ( 包括发动机扭矩和速度 ) 的操作者扭矩请求。
控制模块 5 包括通用数字计算机——其包括微处理器或中央处理单元、 存储介质 ( 包括包含只读存储器 (ROM) 和电可编程只读存储器 (EPROM) 的非易失存储器、 随机存取 存储器 (RAM))、 高速时钟、 模数 (A/D) 和数模 (D/A) 转换电路、 以及输入 / 输出电路和设备 (I/O) 以及适当的信号调制和缓冲电路。 控制模块 5 具有一套控制算法， 该套控制算法包括 存储在非易失性存储器内并且被执行以提供用于控制发动机 10 的相应功能的常驻程序指 令和校准值。这些算法通常在预先设定的循环期间被执行， 使得每个算法在每个循环中至 少被执行一次。算法由中央处理单元执行， 并且能够用于监测来自前述传感设备的输入以及使用预先设定的校准值来执行控制和诊断程序， 以控制致动器的工作。在持续的发动机 和车辆工作期间， 循环通常以规则的间隔 ( 例如每 3.125、 6.25、 12.5、 25 和 100 毫秒 ) 被执 行。替代地， 算法可以响应于事件的发生而执行。
在工作中， 控制模块 5 监测来自各传感器的输入， 以确定发动机参数的状态。控制 模块 5 执行存储在其内的算法代码， 以控制前述致动器来形成气缸充量， 包括控制节气门 位置、 火花点火正时、 燃料喷射质量和正时、 EGR 阀位置， 从而控制那样配置的发动机的再循 环废气的流量、 进气门和 / 或排气门的正时和相位。
图 2 示意性示出在图 1 所示的示例发动机 10 上执行以控制外部 EGR 气体流率的系 统操作。 控制模块 5 基于操作者扭矩请求和其它扭矩请求 ( 例如当发动机 10 是混合动力系 的一部分时来自混合控制模块的发动机附件控制和动力需求 ) 来确定发动机工作点 ( 由工 作速度和扭矩输出组成 )。操作者扭矩请求基于对加速器踏板 52 的操作者输入 (“APP” ) 而确定。发动机控制器确定用于各种发动机致动器的命令， 以控制发动机工作从而获得发 动机工作点 [205]。 这包括通过控制信号 INJ_PW 控制来自燃料喷射器 28 的燃料质量， 通过 控制信号 ETC 控制用于节气门 34 的节气门位置， 以及通过控制信号 IGN 控制火花塞 24 的 火花点火正时。用于气缸充量的所要求的 EGR 分数基于所述发动机工作 ( 包括发动机工作 点 ) 确定。优选地， 所要求的 EGR 分数设定为发动机 10 在不产生过大的燃烧不稳定性的情 况下能够承受的最大 EGR 分数。用于气缸充量的所要求的 EGR 分数采用已知公式被转化成 进气歧管 30 内的所要求的 EGR 比率 [210]。控制模块 5 执行计算以计算出 EGR 阀 38 的有 效打开面积， 以便控制 EGR 气体流率从而获得进气歧管 30 内的所要求的 EGR 比率 [220]。 EGR 阀 38 的有效打开面积基于 EGR 气体温度 (“Tegr” )、 废气压力 (“废气压力” )、 进气歧 管压力 (“pm” )、 和所要求的 EGR 比率 (“所要求的 REGR” ) 确定 [220]。基于 EGR 阀 38 的 预先确定的校准值， 这被转化成控制 EGR 阀 38 的前向馈送 EGR 命令 (“EGROL” )[230]。控 制 EGR 阀 38 的前向馈送命令基于进气歧管 30 中的所要求的 EGR 比率的确定， 并且不用于 代替为 EGR 阀 38 提供位置或其它反馈的反馈传感器。
控制模块 5 执行算法代码以便在持续发动机工作期间基于进气歧管空气温度 (“Tm” )、 空气质量流率 进气温度 (“Ta” ) 和进气歧管压力 (“pm” ) 的输入 来估计进气歧管 30 中的 EGR 比率 [240]。 这些输入通过监测来自本文所述的发动机传感器 的信号输出而获得。进气歧管 30 中的 EGR 比率通过执行由下文所述的等式所组成的算法 代码而确定。EGR 比率用于控制 EGR 阀 38 的工作， 从而控制流入进气歧管 30 和每个燃烧室 16 以形成每个气缸充量的外部 EGR 气体流率。
进气歧管 30 中的 EGR 比率能够如等式 1 中所示地计算 ：
其中 ： mc， EGR 是再循环废气的质量 ；
mc， air 是新鲜空气的质量。
进入每个燃烧室 16 的总充量质量包括再循环废气的质量和新鲜空气的质量的 和——它们一起构成气缸充量的气体部分。基于理想气体定律来模型化进气歧管 30 中的 压力动态， 以便如等式 2 中所示地对 EGR 比率进行建模 ：
pm ＝ Ra*Tm*mm/Vm [2]
其中 ： pm 表示进气歧管压力， Ra 表示空气的气体常数， Tm 表示进气歧管温度， mm 表示进气歧管 30 中的气体质量， 以及 Vm 表示进气歧管容积。 将偏微分分析应用于等式 2 以得到更完整的理解， 包括确定进气歧管 30 内的空气 在动态发动机工作期间进气歧管内的空气分压的时间变化率 (time-rate change)， 即 分压的时间变化率如等式 3 所示地确定 ：
其中 ： Tm 是温度传感器 33 处的进气歧管空气温度 ； pm 是在压力传感器 36 处的进气歧管压力， Vm 是进气歧管 30 的容积， 是空气质量流量传感器 32 处的空气质量流率， Ta 是空气质量流量传感器 32 处的进气温度， 是流入燃烧室 16 的空气部分质量流率， K 是等熵指数， η 是容积有效系数， ω 是发动机角速度——由曲轴传感器 42 测量， Vd 是发动机容积排量， R 是通用气体常数， 以及 Pm， a 是进气歧管 30 内的空气分压。 在动态发动机工作期间进气空气温度的时间变化率能够如等式 4 所示地确定 ：其中 ： Ra 是空气的气体常数 ；
Tegr 是传感器 35 处的 EGR 气体的温度， 以及
是流入燃烧室 16 内的质量流率。
进气歧管压力能够基于动态发动机工作期间空气分压的时间变化率而确定。 进气 歧管温度能够基于动态发动机工作期间进气歧管温度的时间变化率而确定。进气歧管 30 中的估计出的 EGR 比率 ( 估计出的 REGR) 基于空气分压和进气歧管空气温度确定， 如等式 5 所示 ：
在发动机 10 的持续工作期间的—个循环期间， 所述等式被还原成用于在控制模 块 5 中执行的机器代码。这样， 在持续发动机工作期间， 测量进气歧管压力、 进气温度、 进气
歧管空气温度、 EGR 气体温度和进气温度的状态。进气歧管空气温度和进气歧管中的空气 分压的时间变化率通过执行等式 3 和 4 以步进的方式确定。 通过执行等式 5， 并基于进气歧 管中的空气分压和进气歧管空气温度进行确定， 进气歧管 30 中的估计出的 EGR 比率能够被 转化成每个气缸充量的 EGR 分数。
估 计 出 的 EGR 比 率 和 所 要 求 的 EGR 比 率 被 积 分 并 过 滤， 以 确 定 EGR 校 正 值 “EGRCORR” ( )[250]， EGR 校正值被添加至前向馈送 EGR 命令 -EGROL[260]。将前向馈送 EGR 命 令和 EGR 校正值 [260] 相加以确定控制 EGR 阀 38 的最终命令 (“EGR_PW” )， 从而控制 EGR 气体流率以便针对每个气缸充量获得所要求的 EGR 分数。
结合图 2 描述的系统操作在持续的发动机工作期间规则地且周期性地被执行， 从 而实现对每个气缸充量的 EGR 比率的确定， 以便控制每个气缸充量的 EGR 分数。用于估计 EGR 比率的算法优选地在 EGR 阀 38 根据命令打开时被持续执行， 以便为前向馈送 EGR 控制 方案提供主动补偿。
本发明已经描述了一些优选实施例及其改型。在阅读并理解说明书的基础上， 其 他人可以想到进一步的改型及替代。因此， 本发明并非意在限于作为实施本发明的最佳模 式而公开的特定实施例， 而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。