CN102317602A - 增压的柴油内燃发动机以及控制这种发动机中的气流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增压的柴油内燃发动机，它包括：安装在排气管道中的颗粒过滤器(12)和受控的排气阀瓣(14)；用于使低压排出气体部分地再循环的回路(15)，该回路包括受控的再循环阀(16)，所述回路将该颗粒过滤器下游的排气管道(11)与增压器(6)上游的空气进入管道(4)相连接；以及能够接收发动机运行参数值并且能控制该发动机的不同构件的电子控制单元(21)。本发明的特征在于，该电子控制单元能确定排出气体的流中和进入发动机的进入空气中的压降，所述电子控制单元包括根据上述压降、使用进入发动机的进入气流的设定点值来计算再循环阀(16)的位置或排气阀瓣(14)的位置的设定点值的装置。

Description

增压的柴油内燃发动机以及控制这种发动机中的气流的方法

技术领域

本发明涉及一种内燃发动机的控制，即，涉及使用其所有的传感器以及致动器来控制该发动机的技术。实质上，考虑的是增压的柴油内燃发动机，该柴油内燃发动机包括用于使排出气体部分地再循环的回路。所有的控制法规或软件策略以及特征参数，如发动机的不同校准，都包合在一个计算机或电子控制单元(ECU)中。

背景技术

限制车辆的排放中产生的污染物数量的标准正变得越来越严格，这些污染物包括氮氧化物(称为NO_X，其中x根据所考虑的氧而变化)和碳烟颗粒。为满足这些标准，已知在柴油发动机上设置用于使排出气体部分地再循环的回路(称为“排气再循环”的EGR)，一部分的排出气体因此被再次引入到进气中。其结果是，进入发动机的气体混合物由来自压缩机的新鲜空气与来自排气歧管的排出气体混合构成。通常，***一个阀(称为“EGR阀”)以便调节再循环的排出气体的流量。当再循环的排出气体对于燃烧是惰性的时，与未设置排出气体再循环的类似发动机相比，这具有降低最大燃烧温度并且因此减少过量氧气的作用。更确切地说，在温度和氧气率升高的燃烧过程中促进了氮氧化物的形成，而低的氧气率促进碳烟颗粒的形成。因此，排出气体的部分再循环具有减少氮氧化物的量并且增加燃烧过程所产生的碳烟颗粒的数目的直接结果。

为了补救碳烟颗粒增加的问题，在涡轮增压器的涡轮机与消音器之间的排气管线中安装颗粒过滤器，该颗粒过滤器可以例如由一组微通道形成，在这些微通道中大部分的碳烟颗粒被捕获。一旦过滤器被颗粒饱和，就不得不通过在称为再生的阶段中燃烧这些颗粒来清空它。这种再生在适当的时刻被触发，并且通过由加热装置所产生的温度提高或者通过具有提高经过过滤器的气体温度作用的、对发动机的特定调整来实现。

为了进一步减少燃烧过程中产生的氮氧化物的量，可以设想借助于安放在排出气体的再循环回路中的空气/水冷却装置来冷却被引入到发动机中的气体混合物。进入发动机的气体温度的降低使之有可能引入更大质量的排出气体，因为发动机的填充随着被引入的混合物温度的降低而增加。排出的氮氧化物的量因此通过温度降低的作用并且通过再循环的排出气体质量增加的作用二者而减少。

还已经设想布置用于低压排出气体的再循环的回路，该回路移除涡轮增压器的涡轮机下游的颗粒过滤器的出口处的排出气体，并且将它们再注入到压缩机的上游。这种低压再循环回路比常规的高压再循环回路更有利，常规的高压再循环回路将排出气体直接带入到排气歧管中并且将它们再注入到压缩机下游的进气压力通风***中。

更确切地说，在高压再循环回路中，再循环的排出气体未被过滤，并且有堵塞再循环回路、再循环阀以及进气压力通风***和发动机的风险。

为了以最简单的方式确定在发动机的一个具体操作点处产生的氮氧化物与碳烟颗粒的量之间的折衷，重要的是能通过被引导经过空气过滤器并被允许进入发动机中的气流速率来精确地调节再循环的排出气体的速率。

气流速率的这种调节通常通过在两个构件上起作用而实现，这两个构件是用于调节再循环的排出气体的阀或定位在低压再循环回路中的EGR阀，以及在再循环回路的分支的下游并且在安装于排气管线中的消音器的上游安装在排气管线中的排气阀瓣。

专利申请US2004/0006978中公开了用于低压排出气体的再循环的回路的使用，在该回路中用于有待再循环的排出气体的分支定位在颗粒过滤器与消音器之间，排出气体的返回定位在空气过滤器与压缩机之间。低压再循环回路中安装有受控的再循环阀或EGR阀以及冷却装置。所述回路还包括文丘里装置，从而产生有可能将再循环的排出气体吸入的部分真空。

专利US 5 806 308和专利申请US2005/0045407提出消除文丘里装置并且用安放在排气管线中的排气阀瓣来代替它。因此，有可能不考虑发动机的运行点而在EGR阀的边界处产生压力差。

专利申请WO2007/066033(RENAULT)提出一种通过对进入气流速率的调节来控制具有低压再循环回路的增压发动机的方法，其方式为对布置在再循环回路中的EGR阀和安装在排气管线中的排气阀瓣进行作用。进入气流速率的设定点值与测量值之间的差值被送到空气调节器，该空气调节器将该差值转换成一个位置设定点值。该设定点值被转发到一个设定点值分离器，该分离器提供两个分离的设定点值：一个用于EGR阀的位置，另一个用于排气阀瓣的位置。尽管该文献中提出的装置是令入满意的，但是已经观察到其校准是复杂的并且控制法规缺少稳健性，调节器不但必须补偿干扰，而且必须将由EGR阀和排气阀瓣的组件构成的待调节的***的非线性考虑在内。

发明内容

本发明的目的是改进这种调节并且使调节器更稳健、更好地适配于待控制的***并且校准更简单。

在一个实施方案中，增压的柴油内燃发动机包括：安装在排气管道中的颗粒过滤器和受控的排气阀瓣(活门，volet)：用于使低压排出气体部分地再循环的回路，该回路包括受控的再循环阀，所述回路将该颗粒过滤器下游的排气管道与增压器上游的空气进入管道相连接。

一电子控制单元能够接收发动机运行参数值，并且能够控制该发动机的各种不同构件。

该电子控制单元能确定排出气体流中的压降和进入发动机的进入空气流中的压降。特别地，该电子控制单元包括用于计算再循环阀的位置或排气阀瓣的位置的设定点值的装置，该计算使用进入发动机的进入气流速率的设定点值并根据上述的压降进行。

将经过低压再循环回路的再循环排出气体的流动速率(流量)的设定点值分离成两个位置设定点值，一个用于再循环阀而另一个用于排气阀瓣。

为了以最少的燃料消耗进行最佳的运行，仅控制这些构件中的一个，而另一构件保持在打开位置。待控制构件的选择基于排出气体中的压降和进入发动机的进入空气中的压降进行。

在一个有利的实施方案中，该电子控制单元包括比较装置，该比较装置将当再循环阀或排气阀瓣处于完全打开位置时该再循环回路中的排出气体流中的压降的估算值与在该空气进入管道中的空气流中的压降以及在该排气管道中的气体流中的压降之和进行比较，所述压降是从气流速率的设定点值估算得出的。

该电子控制单元优选包括用于从所进行的比较来推断未处于打开位置的再循环阀或排气阀瓣的位置设定点值的装置。

有利的是，该电子控制单元包括用于对压降建模的装置，该建模的形式为作为再循环阀及排气阀瓣的位置的函数的、压降系数的所存储的映射。

因此，进入气流速率的调节除了通过使用进入发动机的进入空气中的压降实现以外，还通过使用低压再循环回路中和排气管线中的排出气体的压降的模型来实现。结果是受空气调节器控制的***线性化，这改进了这种调节的性能。

在一个另外的实施方案中，该发动机可以进一步包括用于使高压排出气体部分地再循环的回路，该回路包括受控的高压再循环阀。因此，该电子控制单元包括用于计算高压再循环阀的位置设定点值的装置。

根据一个另外的特征，提出一种用于控制增压的柴油内燃发动机中的气流速率的方法，该发动机包括：安装在排气管道中的颗粒过滤器和受控的排气阀瓣：用于使低压排出气体部分地再循环的回路，该回路包括受控的再循环阀，所述回路将颗粒过滤器下游的排气管道与增压器上游的空气进入管道相连接。

根据这个方法，确定排出气体流中的压降以及进入发动机的进入空气中的压降，并且通过将所述压降考虑在内而作用在再循环阀上或作用在排气阀瓣上来调节与将这些气体引入发动机中相关联的参数。

有利的是，通过单独地作用在排气阀瓣上来调节进入发动机的进入气流速率，该再循环阀保持在打开位置中，该排气阀瓣的位置是利用所造成的压降来确定的。

或者，通过单独地作用在再循环阀上来调节进入发动机的进入气流速率，该排气阀瓣保持在打开位置中，该再循环阀的位置是利用所造成的压降来确定的。

附图说明

通过研究一个实施方案将更清楚地理解本发明，该实施方案作为非限制性示例给出并且通过附图展示，在附图中：

-图1示出根据本发明的增压的柴油内燃发动机的主要元件；

-图2展示了用于调整气流速率的***的主要构件；以及

-图3展示了根据本发明的设定点值分离装置的一个实际实施方案。

具体实施方式

如图1中所示的，内燃发动机1包括四个气缸2，该内燃发动机例如为柴油型的发动机。被引入发动机1中的新鲜空气在经过空气过滤器3之后被传送经过空气进入管道4，该空气进入管道4在压缩机6的入口处包括流量计5，该压缩机形成涡轮增压器7的一部分，该涡轮增压器包括安装在同一机械轴9上的该压缩机6以及一涡轮机8，该压缩机6由此被涡轮机8驱动而转动。

由发动机l中的燃烧过程产生的排出气体被排气歧管10收集，所述排出气体经过管道10a到达涡轮机8的入口，在此处它们释放出它们的部分能量以便驱动压缩机6转动。在涡轮机8的出口处，流入排气管道11的排出气体首先经过颗粒过滤器12，然后在被排放进大气中之前经过消音装置13。在排气管道11中在消音器13的上游安装有受控的排气阀瓣14。自然地应该理解，也可以在排气管线中安装用于处理排出气体的其它装置，例如氧化催化剂或类似装置。

标号为15的用于低压排出气体的部分再循环的回路包括称为“EGR阀”的受控的再循环阀16，并且该回路将排气管道11连接到压缩机6上游的空气进入管道4上。再循环回路15在排气管道11上的分支布置在排气阀瓣14的上游。以此方式，已经穿过膨胀式涡轮机8和颗粒过滤器12的一部分排出气体被再循环回路15收集，以便与管道4中的进入空气混合，该混合物被压缩机6压缩。被压缩的混合物的温度已经由于压缩而升高，该被压缩的混合物经过管道17到达热交换器18，该热交换器允许在混合物经过进气管道19和进气歧管19a被引入到发动机1中之前被冷却。在进气管道19中在交换器18的下游还安装有受控的进气阀瓣20。

在图1中标为21的电子控制单元(ECU)接收关于该发动机和与其相关联的构件的运行的不同信息，并且允许计算对于发动机的控制是必要的致动器的不同信号。

进入发动机l的进入气流速率的调节通过既对阀EGR l6的位置起作用又对排气阀瓣14的位置起作用而进行。为此，电子控制单元21包括调节器26或“空气调节器”，该调节器在其输入端接收气流速率的设定点值Q_{air_cons}与由流量计5测量并且通过连接(连接线)27传送到电子控制单元21的气流速率值Q_air之间的差值。该空气调节器26的输出信号表示低压再循环回路15中的排出气体的流动速率Q_{EGR_BP}。应该指出，还可以对再循环的排出气体的流动速率Q_egr或对再循环的排出气体的比率(τ_egr)进行这种调节，这些不同的变量通过下面的关系式彼此相关联：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{egr}}=\frac{Q_{\mathrm{egr}}}{Q_{\mathrm{egr}}+Q_{\mathrm{air}}}$

$Q_{\mathrm{egr}}=\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{egr}}}{1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{egr}}}{Q}_{\mathrm{air}}=Q_{\mathrm{mot}}-Q_{\mathrm{air}}$

其中，Q_mot是进入发动机1中的气体的流动速率。

电子控制单元21还包括设定点值分离单元28，该设定点值分离单元接收空气调节器26的输出信号Q_BP，并且能够确定分别用于EGR阀l6和用于排气阀瓣14的设定点位置值。用于EGR阀l6的设定点值经由连接29传递到阀16。用于排气阀瓣14的设定点值经由连接30传递到阀瓣14。

图1还示出一连接20a，该连接允许电子控制单元21传递进气阀瓣20的位置的设定点值。

图2以更精确的方式示出了空气调节器26的一种实施方案。在所示的示例中，调节器26是积分比例类型的调节器。输入信号对应于测量出的气流速率Q_air与设定点值Q_{air_cons}之间差值，该输入信号被供应到具有增益K_p的比例单元29的输入端以及供应到具有增益K_i的积分单元30的输入端。如图2的实例所示，还可能提供对设定点信号的预定位，以便加速调节响应。为此，将设定点值Q_{air_cons}提供给一预定位单元31，该预定位单元还接收进入发动机的气体的流动速率Q_mot的估计值，并且能发送预定位信号，该预定位信号通过连接32供应到加法装置33，该加法装置还接收调节器26的比例分支和积分分支的对应输出信号。输出信号Q_{EGR_BP}如上所述地被提供给设定点值分离装置28。

如作为示例的图3中所示的，设定点值的分离是通过计算用于使低压排出气体部分地再循环的回路中的压降来执行的。如果考虑整个再循环回路15，应该指出，大气压位于空气过滤器3的上游和消音器13的下游。因此，等式可以被表示为：

(P_atmo-P_amontvolet)+(P_amontvolet-P_{aval_FaA})+(P_{aval_FaA}-P_atmo)＝0    (1)

其中，P_atmo是由图中未示出的传感器测得的大气压，P_{aval_FaA}是空气过滤器3下游的压力，并且P_{amont_volet}是排气阀瓣14上游的压力。

当经过排气阀瓣14和消音装置13时，排出气体中的压降取决于设定点气流速率和注入发动机中的燃料的流动速率。这些压降的值是：

dP_volet＝P_atmo-P_{amont_volet}

以相同的方式，有可能定义再循环回路15中的排出气体的压降，它取决于所述低压再循环回路中的排出气体的流动速率Q_{EGR_BP}。

这个压降是：

dP_BP＝P_{aval_FaA}-P_{amont_volet}

最后，取决于气流速率的设定点值的、经过空气过滤器的空气中的压降可以表示为：

dP_FaA＝P_{aval_FaA}-P_atmo

因此，考虑到等式(1)，还可将其表示为：

dP_volet-dP_BP+dP_FaA＝0    (2)

这使之有可能指示在每个瞬间：

dP_volet+dP_FaA＝dP_BP    (3)

为了确定哪个致动器应该被用于调节，即，或者是EGR阀16或者是排气阀瓣14，设定点值分离单元28考虑当EGR阀I6打开时低压再循环回路中估算出的压降的值，并且对于再循环的排出气体的流动速率Q_{EGR_BP}等于再循环的排出气体(称为EGR)的流动速率的设定点值。这个估算出的压降的值被标示为dP_{BP_ouvert}。

如可从图3中通过作为示例示出的分离单元28的实施例看出的，比较单元34在其输入端之一处接收该估算出的压降的值dP_{BP_ouvert}并且在其另一个输入端处接收空气过滤器的压降dP_FaA和排气阀瓣的压降dP_{volet_ouvert}之和，该和是在求和装置34a中计算出的，该求和装置接收分别由传感器23和25执行的测量结果。压降dP_{volet_ouvert}是由在打开位置中的排气阀瓣14所引起的压降。比较器34的输出信号被传送到一决策单元35，该决策单元然后可以将一起动信号发送到控制单元36a或36b中的一个。当控制单元36a被起动时，输出连接37a处发出的EGR阀16的位置的设定点值使EGR阀保持在打开位置中。输出连接38a传递一个信号，该信号触发单元39中的计算以便确定排气阀瓣14的位置的设定点值。该位置的设定点值可以例如通过对经过排气阀瓣14的气体流动中的压降进行建模来获得，即，通过存储在电子控制单元21中的、作为排气阀瓣14位置的函数的、对压降系数值的映射来获得。因此，这个关系是：

dP_volet＝k_volet·Q_{volet_cons}    (4)

其中

Q_{volet_cons}＝Q_{mot_cons}-Q_{EGR_BP}+Q_inj

其中，Q_{volet_cons}是经过排气阀瓣的流动速率的设定点值，Q_inj是注入发动机中的燃料的流动速率，并且Q_{mot_cons}是被引入到发动机中的气体的流动速率的设定点值。

更确切地说，经过排气阀瓣14的流动速率等于来自发动机的气体的流动速率减去在部分再循环回路15中的再循环气体的流动速率。压降系数k_volet是排气阀瓣的位置的函数。因此，反过来有可能定义一个函数，其中排气阀瓣的位置作为压降系数的函数。

考虑前面的等式，有可能通过以下等式计算压降系数k_volet：

k_volet＝dP_volet/Q_{volet_cons}

即：

K_volet＝dP_volet/(Q_{mot_cons}+Q_inj-Q_{EGR_BP})

然而，当单元36b被起动时，通过连接38b提供排气阀瓣14位置的设定点值的信号，以将该阀瓣14保持在打开位置。相对地，在输出连接37b处，一信号触发计算单元40中的计算，以便确定EGR阀16的位置的设定点值。以如之前在计算单元39中一样的方式，利用经过再循环阀16的压降的一个模型来进行计算。即：

dP_BP＝k_vanne·Q_{EGR_BP}

如以上，被标示为k_vanne的、经过再循环阀EGR16的压降系数取决于该阀的位置，从而通过反转该函数，有可能确定对应于一个具体的压降系数的阀位置。存储在该电子控制单元中的映射允许将压降系数的值提供为该阀的位置的一个函数。

作为由比较器34执行的比较的结果的函数，因此可能有两种情况。

在第一种情况中，当该EGR阀打开时低压再循环回路15的估算出的压降大于通过空气过滤器和处于打开状态的排气阀瓣的压降之和。因此：

dP_{BP_ouvert}＞dP_FaA+dP_{volet_ouvert}

在这种情况中，决策单元35发出一信号以便起动计算单元39。EGR阀16保持宽(大)地打开，并且排气阀瓣14的位置的设定点值作为该压降的函数而被确定：

dP_{volet_ouvert}＝dP_{BP_ouvert}+dP_FaA

然而，在第二种情况中，对于该EGR阀的打开位置，该EGR再循环回路中估算出的压降小于通过空气过滤器和打开的排气阀瓣的压降之和，结果是：

dP_{BP_ouvert}＜dP_FaA+dP_{volet_ouvert}

决策单元35起动计算单元40，这样使得排气阀瓣14保持宽地打开位置，并且阀EGR16的位置作为低压再循环回路中的压降的函数而根据以下公式确定：

dP_BP＝dP_FaA+dP_{volet_ouvert}

其中，对于经过排气阀瓣的等于气流速率的设定点值加上注入发动机中的燃料的流动速率的流动速率，dP_{volet_ouvert}是当排气阀瓣保持在打开位置中时该排气阀瓣14与消音器13构成的组件的估算出的压降。

以上提到的所有压降都是从再循环排出气体的流动速率的设定点值Q_{EGR_BP}和引入发动机中的气体的流动速率的设定点值Q_{mot_cons}估算出的。

由于这种调节结构使用了通过估算在用于使低压排出气体部分地再循环的回路中的压降来进行物理建模，因此有可能使由该空气调节器控制的***线性化，这改进了这种调节的性能。

应该指出，相同的控制结构可以被用在为排出气体的再循环提供两个回路的情况中。在这种情况中，以上提到的低压再循环回路是与用于使排出气体部分地再循环-这次是在高压下-的第二回路相关联的，从而将排气收集器直接连接到进入管道上。

在这种情况下，可修改如图2中所示的调节的预定位值，还根据以下的关系将高压再循环的排出气体的流动速率的估算值考虑在内：

Q_mot＝Q_air+Q_{EGR_BP}+Q_{EGR_HP}

其中，Q_{EGR_BP}是回路15中的低压再循环的排出气体的流动速率，而其中Q_{EGR_HP}是高压再循环的排出气体的流动速率。

高压再循环的排出气体的流动速率可以通过使用BarréSaint Venant公式并且根据以下公式来估算：

$Q_{\mathrm{EGR}\_\mathrm{BP}}=S_{\mathrm{eff}}\·\frac{P_{\mathrm{avt}}}{\sqrt{R\·T_{\mathrm{avt}}}}\·\mathrm{BSV}\left(\frac{P_{\mathrm{avt}}}{P_{\mathrm{col}}}\right)$

其中，S_eff是高压再循环回路的EGR控制阀的通过截面，

P_avt是涡轮机8上游的压力，该压力也是高压EGR阀的入口处的压力，

T_avt是涡轮机上游的温度，该温度也是在高压下的EGR阀的入口处的温度，

P_col是连接到进入管道上的进入歧管中的压力。

结合BarréSaint Venant公式的几个项的BSV函数是根据该EGR高压阀下游和上游的压力比率而变化的函数。

Claims (8)

1.一种增压的柴油内燃发动机，包括：安装在排气管道中的颗粒过滤器(12)和受控的排气阀瓣(14)；用于使低压排出气体部分地再循环的回路(15)，该回路包括受控的再循环阀(16)，所述回路将该颗粒过滤器下游的排气管道(11)与增压器(6)上游的空气进入管道(4)相连接；以及电子控制单元(21)，该电子控制单元能接收发动机运行参数值并且能控制发动机的不同构件，其特征在于，该电子控制单元能确定排出气体流中的压降和进入发动机的进入空气中的压降，所述电子控制单元包括用于计算再循环阀(16)的位置或排气阀瓣(14)的位置的设定点值的装置，该计算根据前述压降并使用进入发动机的进入气流速率的设定点值进行。

2.如权利要求1所述的发动机，其中，该电子控制单元包括用于进行比较的装置(34)，该用于进行比较的装置将当再循环阀或排气阀瓣处于完全打开位置时该再循环回路中的排出气体流中的压降的估算值与该空气进入管道中的空气流中的压降以及该排气管道中的气体流中的压降之和进行比较，这些压降是从气流速率的设定点值估算得出的。

3.如权利要求2所述的发动机，其中，该电子控制单元包括用于从所进行的比较来推断未处于打开位置的再循环阀或排气阀瓣的位置设定点值的装置(35，39，40)。

4.如权利要求3所述的发动机，其中，该电子控制单元包括用于对该压降建模的装置，该建模的形式为压降系数的作为再循环阀以及排气阀瓣的位置的函数的、所存储的映射。

5.如前述权利要求之一所述的发动机，它还包括用于使高压排出气体部分地再循环的回路，该用于使高压排出气体部分地再循环的回路包括受控的高压再循环阀，该电子控制单元包括用于计算该高压再循环阀的位置的设定点值的装置。

6.一种用于控制增压的柴油内燃发动机中的气流速率的方法，该发动机包括：安装在排气管道中的颗粒过滤器(12)和受控的排气阀瓣(14)；用于使低压排出气体部分地再循环的回路(15)，该回路包括受控的再循环阀(16)，所述回路将该颗粒过滤器下游的排气管道与增压器上游的空气进入管道相连接，其特征在于，确定排出气体流中的压降以及进入发动机的进入空气中的压降，以及通过将所述压降考虑在内而作用在该再循环阀上或作用在该排气阀瓣上来调节与将气体引入发动机相关联的参数。

7.如权利要求6所述的方法，其中，通过单独地作用在排气阀瓣上来调节进入发动机的进入气流速率，该再循环阀保持在打开位置中，该排气阀瓣的位置是从所造成的压降来确定的。

8.如权利要求6所述的方法，其中，通过单独地作用在再循环阀上来调节进入发动机的进入气流速率，该排气阀瓣保持在打开位置中，该再循环阀的位置是从所造成的压降来确定的。

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