CN102418625A - 经由压缩机速度控制发动机的方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明描述了发动机空气估计方法。在一个示例中，响应于压缩机的速度确定进入发动机的空气量。所述方法对于增强发动机的可靠性是特别有利的。

Description

经由压缩机速度控制发动机的方法和***

相关申请的交叉引用

本申请要求在2010年7月30日提交的标题为“A METHOD ANDSYSTEM FOR CONTROLLING AN EHGINE(用于控制发动机的方法和***)”的申请号为1012770.2的英国专利申请的优先权，其全部内容通过引用通用地并入本文。

技术领域

本发明涉及发动机控制***并且更具体地涉及控制内燃发动机特别是柴油发动机的运行的方法和***。

背景技术

如现有技术已知的，与化学计量火花点火发动机(例如，汽油内燃发动机)相比，柴油发动机提供了很大的燃油经济性好处。同样如现有技术已知的，降低这两种类型的发动机排放可以是符合期望的。一种被降低的排放物是NO_x(氮氧化物)。一种降低这种NO_x排放的技术是排气再循环(EGR)。EGR通过将发动机排气再循环返回至发动机进气歧管运行。在一个例子中，设置在发动机排气歧管和发动机进气歧管之间的导管中的EGR阀将EGR提供至发动机汽缸。为了使得排气流经排气歧管并且穿过EGR阀进入进气歧管，在EGR阀两侧必须存在压差。发动机进气节气门能够限制到发动机汽缸的空气流，从而在进气歧管中产生压力，所述压力低于排气歧管的压力，由此提供了用于EGR流的EGR阀两侧的所需压差。

对于柴油发动机，通过调整喷射到发动机汽缸内的燃料量来控制由发动机产生的功率，而不是通过使用在发动机进气处的节气门来控制。因此，虽然使用EGR来降低柴油发动机的NO_x可以是符合期望的，但是节气门的省略可导致EGR阀两侧的压差不足，从而不能获得还原NO_x所需要的足够的EGR率。因此，对于柴油发动机，虽然可能不存在用于控制发动机功率的节气门，但是有时节气门被设置在发动机进气的路径中以获得压差并因此获得穿过EGR阀的排气再循环流。这种技术能够提供高达穿过EGR阀的缸内流的60％的EGR率。

现代柴油发动机通常使用车辆感应***中的进气空气流量(MAF)传感器来经由发动机控制单元(ECU)规划即时EGR。MAF传感器可与节气门组合用来提供还原NO_x排放物的***，同时优化CO₂(燃料经济性)和噪声振动以及舒适性(NVH)。典型的ECU部件实施方式使用闭环控制***，所述闭环控制***基于优化的MAF设定点和发动机MAF传感器反馈信号。需要大量的校准工作来实现与期望的车辆感应***兼容的精确的MAF传感器校准。

由于进气污染、磨损或传感器偏差，在使用中，这种MAF传感器的精确性和/或性能可能退化。任何MAF传感器性能中的降级可导致EGR规划中的偏差，该偏差可直接影响NO_x和CO₂的排放并且不利地影响NVH。

为了避免发动机和/或车辆寿命期间优化排放和NVH的以上退化，因此提供不易受到污染和MAF传感器偏差影响的即时MAF值可以是符合期望的。

发明内容

本发明提供了在不使用MAF传感器的情况下，建立对空气质量流量的评估以用于控制发动机的改进的方法和***。根据本发明的第一方面，提供了用于确定进入发动机的空气流量的方法，所述发动机具有旋转的压缩机从而向发动机提供强迫的进气，其中所述方法包括测量压缩机的旋转速度并且使用所测量的压缩机速度来得到表明当前进入发动机的空气流量的值。换言之，响应于压缩机的速度提供表明进入发动机的空气流量的值，所述压缩机向发动机空气进气***提供空气。

使用所测量的压缩机速度来得到表明进入发动机的当前空气流量的值还可包括将所测量的压缩机速度与压缩机压力比值组合，进而得到表明进入发动机的当前空气流量的值。换言之，在一个示例中，响应于压缩机速度提供进入发动机的空气质量流量值还包括响应于压缩机的压力比调整进入发动机的空气质量流量值。

使用所测量的压缩机速度得到表明进入发动机的当前空气流量的值可包括将所测量的压缩机速度与压缩机效率的值结合，进而产生表明进入发动机的当前空气流量的值。换言之，在一个示例中，响应于压缩机速度提供进入发动机的空气质量流量的值还包括响应于压缩机的效率调整进入发动机的空气质量流量的值。在一些示例中，压缩机可以是涡轮增压器的压缩机。在其他示例中，压缩机可以是机械增压器的压缩机。

根据本发明的第二方面，提供了基于进入发动机的空气流量控制具有旋转压缩机的发动机的方法，所述旋转压缩机向发动机提供强迫进气，其中空气流量使用根据本发明的第一方面的方法被确定。

根据本发明的第三方面，提供了控制具有旋转压缩机的发动机的***，所述压缩机向发动机提供强迫进气，其中所述***包括电子控制器和测量压缩机旋转速度的速度传感器，其中电子控制器被设置为从速度传感器接收信号，使用该信号来得到表明进入发动机的当前空气流量的值并且使用所得到的空气流量的值控制发动机。换言之，提供了用于控制具有旋转压缩机的发动机的***，所述压缩机向发动机提供强迫进气，所述***包括电子控制器和用于测量压缩机速度的速度传感器，所述电子控制器从速度传感器接收信号，经由自速度传感器的信号得到表明进入发动机的当前空气流量的值，并且响应于当前空气流量控制发动机。

所述***还包括用来测量压缩机出口侧的空气压力的压力传感器，并且电子控制器进一步可操作为使用所测量的出口压力与表明压缩机进口压力的值产生压缩机压力比并且使用所述压缩机压力比与所测量的压缩机速度来产生空气流量值并且使用所产生的空气流量至来控制发动机。换言之，所述***还包括测量压缩机出口侧的空气压力的压力传感器和经由表明压缩机出口压力的值和表明压缩机进口压力的值产生压缩机压力比的电子控制器，所述电子控制器还经由压缩机压力比和表明压缩机速度的值进一步产生空气流量值，并且所述电子控制器响应于所述空气流量值调整发动机的运行。

在一个示例中，可使用压缩机速度的映射函数得到表明压缩机进口压力的值。此外，所压缩机速度的映射函数可在电子控制器存储器中被存储为模型。电子控制器可被进一步操作为基于预测的压缩机效率得到空气流量的值。并且，压缩机可以是涡轮增压器的压缩机。

单独根据下面详细描述或结合附图，本发明的上述优点和其他优点和特征将是显而易见的。

应理解提供以上概要以便以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的概念选择。其不是意味着指出要求保护的主题的关键特征或重要特征，其范围由权利要求被唯一限定。此外，要求保护的主题不限于解决本公开的在以上或任何部分提到的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1是根据本发明的一个方面的发动机和控制***的示意图；

图2是示出用于在图1中示出的被涡轮增压的发动机的压力比和校正的空气流量之间的关系的绘图；

图3是示出根据本发明的两个其他方面在没有使用MAF传感器的情况下确定空气流量的方法和使用确定的空气流量控制发动机的方法的流程图；

图4是示出安装在进气中的MAF传感器降级的状况期间通过发动机确定空气流量的方法的流程图。

具体实施方式

本发明涉及响应于发动机空气流量估计运行发动机，该空气流量估计基于与发动机连通的涡轮增压器的速度。图1示出示例发动机，所述发动机包括涡轮增压器和压缩机。图2示出示例涡轮增压器压缩机映射图/图谱(map)，所述映射图是估计进入发动机的空气流量的基础。图3示出控制具有压缩机的发动机的高级流程图，所述压缩机与发动机的汽缸气动连通。

现参考图1，包括电子控制器10的发动机控制***被示出，所述电子控制器10具有存储器11。电子控制器10用来响应于表示进入发动机16的进气歧管15的空气流量(MAF)的值至少控制或调整进气节气门(ITH)12和EGR阀14。可替代地，电子控制器10还可控制发动机16的燃料供给或者实施这些控制功能的一个或多个。

发动机16是具有旋转涡轮机的柴油发动机，所述旋转涡轮机呈涡轮增压器20的形式，其包括压缩机22和可变几何形状涡轮机24，从而增加经由进气歧管15供给至发动机16的空气压力。在其他示例中，发动机可以是包括涡轮增压器或机械增压器的火花点火发动机，其中压缩机提供空气至发动机气缸35。涡轮机24由自发动机16的排气的一部分驱动，该排气的剩余部分被再循环穿过EGR阀14返回至发动机的进气歧管15。速度传感器18测量涡轮增压器20的压缩机22的旋转速度并且将表明所测量的速度的信号供给至控制器10。

在一些示例中，发动机16能够包括MAF传感器38。MAF传感器38可沿发动机进气***定位并且可暴露于发动机进气。在一些示例中，MAF传感器可以是热线传感器。在其他示例中，MAF传感器可以是压力传感器。MAF传感器38的输出被输送到控制器10。

发动机16的进气歧管15接收穿过ITH 12的空气和自排气歧管17穿过EGR旁通管道13到EGR阀14的排气。穿过ITH的空气量是ITH 12位置和节气门两侧压降的函数。ITH 12的位置响应于自控制器10经由线路28被输送至ITH 12的控制信号在完全开放位置和完全闭合位置之间变化。同样地，穿过EGR阀14的排气量是EGR阀14的位置和EGR阀14两侧的压降的函数。EGR阀14的位置响应于自控制器10经由线路30被输送至EGR阀14的控制信号在完全开放位置和完全闭合位置之间变化。

中间冷却器8被提供用来冷却经由进气歧管15进入发动机16的空气并且EGR冷却器9被提供用来冷却穿过EGR旁通管道13和EGR阀14再循环的排气。

控制器10还接收来自与发动机16相关的传感器或者驾驶员控制装置的多个额外的输入，所述传感器例如测量压缩机22的出口压力的压力传感器31(未示出)，所述驾驶员控制装置例如节气门踏板位置传感器(未示出)。控制器10可操作为使用这些额外的输入从而通过调整EGR阀14和ITH 12的位置来控制EGR流量。电子控制器10形成了控制发动机16的***的一部分，所述***还包括压缩机速度传感器18和压缩机出口压力传感器31。

电子控制器10被设置为从压缩机速度传感器18接收表明压缩机22的当前旋转速度的信号，使用所述速度信号产生表明进入发动机16的当前空气流量的值并且使用所产生的空气流量的值(MAF值)来控制发动机16。换言之，电子控制器响应于流入发动机的空气调整发动机的运行，流入发动机的控制基于压缩机22的旋转速度。

在一些示例中，电子控制器10还使用来自压力传感器31的具有表明压缩机进口压力的值的测得压缩机出口压力来产生压缩机压力比(PR)。换言之，压缩机压力比可经由压力传感器31和表明压缩机进口压力的值被提供。压缩机进口压力值可通过使用进口压力传感器产生，但在此示例中是使用压缩机速度的映射函数产生，所述函数在电子控制器10的存储器11中被存储为模型，由此表明压缩机进口压力的值能够被推导出。

然后，使用以下公式得到当前压缩机效率

的值：

${\mathrm{\η}}_{c_{\mathrm{TS}}}=\frac{{\left(\frac{P_2}{P_{01}}\right)}^{(\mathrm{\γ}-1)/\mathrm{\γ}}-1}{(\frac{T_{02}}{T_{01}}-1)};---\left(1\right)$

${\mathrm{\η}}_{c_{\mathrm{TT}}}=\frac{{\left(\frac{P_{02}}{P_{01}}\right)}^{(\mathrm{\γ}-1)/\mathrm{\γ}}-1}{(\frac{T_{02}}{T_{01}}-1)};$ 和(2)

$Y=\frac{C_p}{C_v}---\left(3\right)$

其中C_p是定压下的特定热容量；C_v是定容下的特定热容量；P₂是压缩机出口处的静态压力；P₀₁是压缩机进口处的总(或驻点)压力；P₀₂是压缩机出口处的总(或驻点)压力；T₀₁是压缩机进口处的总(或驻点)温度；T₀₂是压缩机出口处的总(或驻点)温度；η_cTS是压缩机的压缩机全静(totalto static)等熵效率；并且η_cTT是压缩机的压缩机全全(total to total)等熵效率；η是用于估计MAF的压缩机效率并且能够使用公式1和3或者2和3计算。然而全静效率与全全效率相比是优选的，因为压缩机流体内的静态能量在其进入发动机之前被大量地驱散到进气歧管中。

然后，电子控制器10使用压缩机速度、测得或预期的PR和预期的压缩机效率η来产生表明当前进入发动机16的空气流量的MAF值。在本文所描述的示例中，通过压缩机性能映射图确定MAF，所述压缩机性能映射图被存储在控制器10的存储器11中并且在图2中说明。

现参考图2，示例压缩机映射图被示出。压缩机映射图的X轴表示穿过压缩机的校正的质量流量，其能够等于进入发动机的空气流量。压缩机映射图的Y轴表示压缩机两侧的压力比。水平线270表示示例的测得压缩比。垂直线250表示示例的估计压缩机效率线。水平弧线260表示压缩机速度。向下延伸至X轴上的值的交叉点240表明穿过压缩机的MAF。因此，以此方式，图2的压缩机映射图能够被索引并且输出MAF值。

在如图2示出的一个示例中，压缩机映射图包括：压缩机效率等高线；压缩机旋转速度；压缩机压力比；以及校正的空气流量。因此，通过使用映射图上同时发生的压缩机速度、压缩机比(PR)以及压缩机效率的位置，而不使用MAF传感器产生了进入发动机16的空气流量值。例如，存储在控制器的存储器中的压缩机映射图能够经由压缩机旋转速度和压缩机压力比被索引。在索引位置处读取表格并且输出进入发动机的校正的空气流量。也就是说，控制器10可操作为使用压缩机压力比(PR)和所测量的压缩机速度(N)和预期压缩机效率(η)来产生发动机空气流量值(MAF值)，并且使用所产生的发动机空气流量值(MAF值)来以与如果使用MAF传感器产生MAF控制发动机16的方式相同的方式控制发动机16。这具有优点，因为不是必须使用MAF传感器，并且以上提到的缺点被克服。换言之，发动机能够响应于空气质量而被控制，所述空气质量基于检测压缩机速度的压缩机速度传感器。

将理解压力比(PR)、压缩机速度(N)和压缩机效率(η)的值可以其他一些方式组合来产生MAF的值，例如通过使用存储在电子控制器10的存储器11中的算法计算得来。

还将理解，虽然本发明包括涡轮增压器，但是本发明不限于这个实施例和可使用用于驱动压缩机的其他装置。

现参考图3，示出不使用MAF传感器确定发动机MAF的方法和使用该MAF值控制发动机16的运行的方法。

所述方法在步骤100开始于诸如发动机起动的钥匙接通事件。然后所述方法进行至步骤110，其中使用速度传感器18的测量压缩机22的旋转速度(N)并且表明该速度的信号被提供至电子控制器10。速度传感器18可以是基于磁、光或激光的。

然后所述方法进行至步骤120，在此电子控制器10使用来自压缩机出口压力传感器30的信号和使用压缩机速度的映射函数预期的压缩机进口压力的值来产生压力比(PR)值并且使用存储的算法或通过存储的映射图计算预期的当前涡轮增压器的压缩机效率(η)的值。

然后，所述方法进行至步骤130，在此压力比(PR)、压缩机效率(η)以及压缩机速度(N)的值被用来产生表明进入发动机16的当前空气流量值(MAF值)。特别地，在图2中说明的压缩机流量的映射图经由压缩机速度和压缩机压力比索引。所述映射图输出表明当前发动机工况下的发动机空气流量的空气流量。以此方式，进入发动机的空气量可被估计。

然后，在步骤140，确定了发动机16是否仍在运行并且如果是(钥匙接通＝是)，则方法返回至步骤110。然而，如果发动机16不再运转(钥匙接通＝否)，所述方法在步骤150处结束。

图3还包括另一方法步骤200，方法步骤200表明所确定的空气流量值(MAF值)可被用于控制发动机16的运行。将理解这种发动机控制将以与传统使用MAF的发动机控制相同的方式运行，除了MAF已经不需MAF传感器被确定。因此，发动机燃料和EGR可响应于经由压缩机速度和压缩机比从压缩机映射图确定的MAF而被调整。在一个示例中，EGR阀的位置根据从压缩机映射图输出的MAF估计值而被调整。相似地，节气门的位置和燃料喷射量可根据MAF估计值而被调整。

将理解在图3中示出的所述方法步骤是以示例方式并且他们可以与示出方式不同的次序或组合被实施。

现参考图4，示出在进气口安装的MAF传感器降级状况期间，确定穿过发动机的空气流量的方法的流程图被示出。图4的方法包括如在图3中描述的数字标记。具有与图3中示出的相同标识的图4的部分与图3的相同标识部分是一致的。因此，图3和图4中被同样地标记的部分具有相同的功能并且根据图3的说明运行。为简明起见，与图3部分一致的图4部分的说明被省略。

在步骤102，图4的方法判断MAF传感器的降级是否存在。在一个示例中，MAF传感器沿发动机进气***定位并且通过将MAF传感器的输出与存储在控制器存储器中的期望MAF传感器输出进行比较而确定降级。如果确定MAF传感器降级，则图4的方法进行至110，在此压缩机速度被确定。如果未确定MAF传感器降级，则图4的方法进行至400，在此发动机MAF由MAF传感器确定。在一个示例中，自MAF传感器的电压或电流输出经由控制器被确定或测量。传感器可暴露于进入发动机的空气。在一个示例中，MAF传感器是热线传感器。在另一示例中，MAF可由MAP传感器和发动机转速确定。电压或电流被转换为发动机空气质量，所述发动机空气质量描述进入发动机汽缸的空气量。在发动机MAF被确定之后，图4的方法进行至200。

在步骤200，图4的方法经由从定位在发动机进气***内的MAF传感器所确定的MAF值控制发动机。可替代地，如果MAF传感器降级，则发动机可经由不使用MAF传感器所确定的MAF而不使用MAF传感器被控制。在发动机运行根据发动机MAF被调整之后，图4的方法进行至140。

以此方式，经由沿发动机进气定位的MAF传感器确定的发动机MAF能够调整发动机运行，或者可替代地，发动机运行可不使用MAF传感器而是根据经由压缩机速度确定的估计MAF被调整。

图1的控制器10可包括执行图3和图4的方法的指令。此外，控制器10可包括在图2中说明的用于估计流入发动机的空气的压缩机映射图。

本领域的技术人员将理解虽然参考一个或多个实施例以示例方式已经描述了本发明，但是其不限于所公开的实施例并且可想到对于所公开实施例的一个或多个修改或者可替代实施例，而不偏离本发明如所附权利要求所阐明的范围。

本领域的普通技术人员将理解，在图3和图4中所描述的方法可表示任何数目的处理策略中的一个或者多个，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程以及类似物。因此，所示的各种动作、操作或功能可以以所示的顺序实施、并行实施或者在一些情况下被省略。类似地，该处理的顺序并不是实现在此所述的示例性实施例的特征和优点所必需的，只不过被提供以便于展示以及说明。虽然未被详细说明，但是本领域的普通技术人员将认识到所说明的一个或多个步骤或功能可根据具体使用的策略被重复地实施。

在此结束说明。本领域的技术人员通过阅读该说明书将会构思出很多不偏离本发明精神和范围的变型或修改。例如，以天然气、汽油、柴油或可替代燃料配置运行的单缸、L2、L3、L4、L5、V-6、V-8、V-10、V-12、V-16可使用本发明来获得优点。

Claims (18)

1.一种确定进入发动机的空气流量的方法，所述方法包括：

经由供给空气至所述发动机的压缩机的速度提供对进入发动机的空气量的估计。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括经由供给空气至所述发动机的所述压缩机两侧的压力比调整对进入所述发动机的空气量的所述估计。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括经由供给空气至所述发动机的所述压缩机的效率调整对进入所述发动机的空气量的所述估计。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述压缩机是涡轮增压器的压缩机。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括响应于对进入所述发动机的空气量的所述估计调整发动机的运行。

6.如权利要求1所述的方法，其中对进入所述发动机的空气量的所述估计是基于供给空气至所述发动机的所述压缩机的映射图。

7.一种确定进入发动机的空气流量的方法，所述方法包括：

在第一模式期间，经由沿发动机进气路径定位的传感器提供对进入发动机的空气量的估计，所述传感器暴露于进入所述发动机的空气；以及

在第二模式期间，经由供给空气至所述发动机的压缩机的速度提供对进入发动机的空气量的估计。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述第二模式是其中沿发动机进气路径定位的所述传感器降级发生的模式。

9.如权利要求7所述的方法，其中响应于所述压缩机两侧的压力比调整对在所述第二模式期间进入所述发动机的空气量的所述估计。

10.如权利要求7所述的方法，其中所述压缩机的速度基于磁或光速度传感器。

11.如权利要求7所述的方法，其中所述MAF传感器是热线传感器。

12.一种控制发动机的***，包括：

压缩机的速度传感器；以及

控制器，所述控制器包括响应于所述压缩机的所述速度传感器估计流至所述发动机的空气流量的指令。

13.如权利要求12所述的***，其中所述控制器响应于所估计的空气流量调整节气门和EGR阀中的至少一个。

14.如权利要求12所述的***，进一步包括靠近所述压缩机定位的压力传感器，并且所述控制器包括响应于所述压力传感器调整对流至所述发动机的空气流量的估计的额外指令。

15.如权利要求14所述的***，进一步包括额外的控制器指令，该控制器指令用于确定所述压缩机两侧的压力比并且响应于所述压力比调整对流至所述发动机的空气流量的所述估计。

16.如权利要求12所述的***，进一步包括额外的控制器指令，该控制器指令用于确定所述压缩机的效率并且响应于所述压缩机的效率调整对流至所述发动机的空气流量的所述估计。

17.如权利要求12所述的***，进一步包括发动机进气节气门和额外的控制器指令，该控制器指令用于响应于估计的流至所述发动机的空气流量调整所述发动机进气节气门的位置。

18.如权利要求12所述的***，进一步包括EGR阀和额外的控制器指令，该控制器指令用于响应于估计的流至所述发动机的空气流量调整所述EGR阀位置。

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