技术领域
[0001] 本
申请涉及一种发动机(尤其是
柴油发动机)进气计量单元，以及采用这种进气计量单元的发动机系统，其中发动机能够被更精确地计量进气。
背景技术
[0002] 对于配备有排气再循环装置的发动机而言，发动机引入的新鲜空气量对于发动机的工作性能和尾气排放控制而言至关重要。有各种措施来产生新鲜空气量
信号，例如，一种常见的措施是，建立基于被中冷器冷却后的新鲜空气的
温度和新鲜空气与再循环排气混合产生的混合气体的压
力的进气量模型，并且根据该进气量模型和发动机扫气效率查表，来确定发动机引入的新鲜空气量。这种措施的优点在于成本低。
[0003] 然而，这种措施存在不足之处。具体而言，对于排气管中装有颗粒
过滤器和SCR(
选择性催化还原)催化器的发动机，随着颗粒过滤器中的颗粒物收集量的增加，排气管中的背压逐渐增大，背压的增加导致
气缸中的扫气效率下降，使得该进气量模型的误差越来越大。其结果是，发动机的新鲜空气计量不准确。这样一方面导致基于进气与喷油量控制的发动机烟度限制功能发生偏差，另一方面导致尾气后处理系统中废气量的计算发生偏差，影响了SCR的控制
精度，最终导致发动机尾气排放不合格。
发明内容
[0004] 本申请旨在对发动机进气量的计量进行改进，其中排气管中的背压被计入，从而更精确地计量发动机引入的新鲜空气量。
[0005] 根据本申请的一个方面，提供了一种用于配备有排气再循环装置的发动机、尤其是柴油发动机的进气计量单元，包括：
[0006] 进气参数检测器件，其连接着发动机进气管，用于检测进气管进气参数；
[0007] 背压检测器件，其连接着发动机排气管，用于检测排气管背压；以及[0008]
控制器，其连接着发动机、进气参数检测器件和背压检测器件，并且包含基于发动机结构参数和运行参数以及进气参数检测器件和背压检测器件检测到的进气管进气参数和排气管背压的进气量模型，所述控制器利用所述进气量模型确定引入进气管中的新鲜空气量。
[0009] 根据本申请的一种可行实施方式，发动机结构参数包括发动机扫气效率和发动机
排量，发动机运行参数包括
发动机转速，进气参数检测器件包括用于检测进气管中的进气温度和压力的温度
传感器和
压力传感器。
[0010] 根据本申请的一种可行实施方式，所述排气管中设有尾气处理装置，其两侧具有随工作时间而变化(例如逐渐增大)的压差，所述背压检测器件为压差传感器，所述压差传感器检测尾气处理装置两侧的压差，尾气处理装置两侧的压差在控制装置确定引入进气管中的新鲜空气量时被用作排气管背压。
[0011] 根据本申请的一种可行实施方式，控制装置基于下面的公式确定新鲜空气量：
[0012] Mfresh＝λ×Fac×V×n×Pmix×C/Tfresh-ab
[0013] 其中，Mfresh为新鲜空气量；
[0014] λ为基于实时测量到的排气管背压确定的修正系数；
[0015] Fac为发动机扫气效率；
[0016] V为发动机排量；
[0017] n为发动机转速；
[0018] Pmix为发动机进气管中的进气压力；
[0019] C为在实验台上对发动机标定的常数；
[0020] Tfresh-ab为发动机进气管中的进气温度。
[0021] 根据本申请的一种可行实施方式，进气管中设有对引入的新鲜空气
增压的
压气机和位于下游用于冷却新鲜空气的中冷器，发动机进气管中的进气温度为进气管中被中冷器冷却后的新鲜空气的温度；并且，发动机进气管中的进气压力为新鲜空气与引入进气管中的再循环排气形成的混合气体的压力。
[0022] 根据本申请的一种可行实施方式，所述进气量模型中包含体现发动机转速、发动机喷油量、背压级别、修正系数校正值之间对应关系的查表和/或数据和/或计算式，所述控制装置利用所述查表和/或数据和/或计算式确定所述修正系数，例如，所述修正系数等于1减去当前排气管背压级别对应的修正系数校正值。
[0023] 根据本申请的一种可行实施方式，所述修正系数的范围在0.7与1之间，优选在0.85与1之间。
[0024] 根据本申请的一种可行实施方式，所述进气计量单元还包括布置在进气管中的新鲜空气节流
阀，其与控制装置相连，控制装置通过控制新鲜空气
节流阀的开度来计量引入进气管中的新鲜空气量。
[0025] 本申请在其另一方面提供了一种发动机系统、尤其是柴油发动机系统，包括：
[0026] 发动机；
[0027] 连接着发动机的进气管和排气管；
[0028] 排气再循环管，其连接于排气管和进气管之间，发动机排气的一部分经排气再循环管流入进气管中；
[0029] 尾气处理装置，其在排气管中产生背压；以及
[0030] 前面描述的进气计量单元，其计量引入进气管中的新鲜空气量。
[0031] 根据本申请的一种可行实施方式，所述尾气处理装置为颗粒过滤器，所述排气管中还布置着下述装置中的一或多种：排气催化装置，选择性催化还原装置，
氨过滤装置。
[0032] 根据本申请，在确定发动机进气量时，排气管中的背压的影响被计入，以便对发动机进气量进行修正，使得发动机新鲜空气量得到更精确的计量，因此也可以使尾气的计量更精确。可以提高依赖于尾气量实施控制的后处理装置控制精度。发动机的排气能够满足高尾气排放标准的要求，例如，可以达到欧6排放标准。
附图说明
[0033] 图1是根据本申请的一个实施方式的发动机系统的布局的示意图；
[0034] 图2-7是解释排气管背压对发动机的各项参数的影响的曲线图；
[0035] 图8是根据本申请的一个实施方式的发动机进气量模型的示意性
框图。
具体实施方式
[0036] 下面参照附图描述本申请的可行实施方式。
[0037] 图1示意性地示出了根据本申请的一个实施方式的发动机系统，其主要包括发动机1，尤其是柴油发动机，以及连接着发动机的进气管L1和排气管L2。
[0038] 进气管L1中沿着箭头所示进气流方向依次布置着：空气滤清器2，用于过滤引入进气管L1的新鲜空气；压气机3，用于对进气管L1中的新鲜空气增压；中冷器4，用于冷却进气管L1中的新鲜空气；以及新鲜空气节流阀5，用于对进气管L1中的新鲜空气进行节流。
[0039] 排气管L2中从沿着箭头所示排气流方向依次布置着：排气
涡轮6，其与压气机3同轴布置且相连，用于被排气管L2中的排气驱动着旋转，并且带动压气机3操作，排气涡轮6和压气机3构成一个
涡轮增压器；以及布置在排气涡轮6下游侧的尾气处理装置。在图示的例子中，尾气处理装置包括：排气催化装置7，例如柴油发动机
氧化型催化器(DOC)；颗粒过滤器8，例如柴油发动机颗粒过滤器(DPF)；选择性催化还原(SCR)装置9；以及氨过滤装置10，例如
氨泄漏催化器(ASC)。
[0040] 此外，在进气管L1和排气管L2之间布置着排气再循环管L3，其上游端L3a在排气涡轮6上游连接于排气管L2，下游端L3b在新鲜空气节流阀5下游连接于进气管L1。在排气再循环管L3中布置着再循环排气节流阀11和位于再循环排气节流阀下游的排气冷却器12。这样，发动机1的排气的一部分经排气再循环管L3流入进气管L1中，与进气管L1中的新鲜空气混合而产生供给到发动机1中的混合气体。
[0041] 此外，在进气管L1中，在中冷器4和新鲜空气节流阀5之间布置着温度传感器13，用于检测进气管L1中被中冷器4冷却后的新鲜空气的温度Tfresh(℃)。
[0042] 此外，在进气管L1中，在排气再循环管L3的下游端L3b与发动机1之间布置着压力传感器14，用于检测进气管L1中的混合气体的压力Pmix。
[0043] 此外，在排气管L2中，布置着背压检测器件，用于检测排气涡轮6下游侧排气管L2中的背压。在图示的例子中，该背压检测器件的形式为压差传感器15，其两端分别连接在颗粒过滤器8的上下游，用于检测颗粒过滤器8的两侧压差ΔP，即排气管L2中的排气流经颗粒过滤器8的压降。由于在图示的例子中，排气涡轮6下游侧排气管L2中的背压主要是由颗粒过滤器8引起的，因此颗粒过滤器8两侧的压差可被当作排气管背压使用。然而，可以理解，根据本申请的其它实施方式，在排气管中在排气涡轮6下游侧可能布置着其它形式的尾气处理装置，因此，可以理解，可以采用适当形式的背压检测器件来检测排气涡轮6下游侧排气管L2中的背压。
[0044] 此外，发动机系统包括控制器16，其连接着发动机1、新鲜空气节流阀5、再循环排气节流阀11、温度传感器13、压力传感器14、压差传感器15(或其它形式的背压检测器件)，用于执行下述操作：检测发动机1的工作状态并且控制发动机1的操作；接收新鲜空气节流阀5、再循环排气节流阀11的阀位(开度)信号，并且控制它们的操作；接收温度传感器13、压力传感器14、压差传感器15的检测信号。
[0045] 控制器16被构造成基于温度传感器13、压力传感器14、压差传感器15的检测信号来确定进入进气管L1中的新鲜空气量Mfresh。这样，控制器16、温度传感器13、压力传感器14、压差传感器15构成了本申请的发动机进气计量单元。
[0046] 可以看出，本申请的发动机进气计量单元在确定发动机进气量时，排气管中背压的影响被计入。为了解释本申请的这一措施的效用，首先对排气管中背压对发动机系统的各项指标的影响进行了试验，参看图2-7中的曲线图。需要指出，在图2-7中，横坐标为排气管背压，以颗粒过滤器8的两侧压差ΔP表示，纵轴为发动机系统的一些指标。排气管背压的增大说明颗粒过滤器8中捕集的发动机排气中颗粒物的量增多。
[0047] 这些试验是在发动机系统运行时，采用传统新鲜空气量方法(即仅计入被中冷器冷却后的新鲜空气的温度和新鲜空气与再循环排气混合产生的混合气体的压力的影响)对发动机进气进行控制的条件下进行的。
[0048] 图2中显示了排气管背压与排气再循环率(EGR率)的关系。EGR率即通过排气再循环管L3回流到进气管L1中的发动机排气与发动机1排入排气管L2中的全部排气的
质量比。可以看到，随着排气管背压增大，EGR率增大，从而再循环到进气管L1中的排气量增大，供给到发动机1的新鲜空气与再循环排气的混合气体中再循环排气所占比例增大。随着EGR率的增大，对降低NOx排放越有利。然而，EGR率越大，燃油消耗率也将增加，这对发动机的动力性、经济性有不利影响。
[0049] 图3中显示了排气管背压与从排气管L2排出的尾气的烟度之间的关系。可以看到，随着排气管背压增大，尾气的烟度增大。因此，尽管NOx
排放量降低了，但并不意味着尾气排放质量就升高了。
[0050] 图4中显示了排气管背压与进气管L1中的混合气体的压力Pmix之间的关系。可以看到，随着排气管背压增大，发动机进气压力略有下降，这会导致发动机动力下降。
[0051] 图5中显示了排气管背压与检测进气管L1中被中冷器4冷却后的新鲜空气的温度Tfresh之间的关系。可以看到，排气管背压变化对输入的新鲜空气的温度影响不大。
[0052] 图6中显示了在排气管背压变化的情况下发动机的理论新鲜空气量(上方曲线)与实际新鲜空气量(下方曲线)之间的差异。理论新鲜空气量是在采用传统新鲜空气量方法(未计入排气管背压的影响)确定的新鲜空气量。实际新鲜空气量是计入排气管背压的影响后基于发动机工况为发动机实际供给的新鲜空气量。可以看出，实际新鲜空气量要小于理论新鲜空气量。图7中显示了排气管背压与实际新鲜空气量误差之间的关系。可以看到，随着排气管背压增大，理论新鲜空气量与实际新鲜空气量之间的误差越大。
[0053] 从上面的实验结果可以看出，排气管背压变化对于发动机的性能和尾气排放质量具有实质性的影响。基于这一在
现有技术中被忽视的因素，本申请提出，在确定发动机引入的新鲜空气量时，计入实时测量到的排气管背压。根据本申请的一个具体实施方式，采用下述公式计算发动机引入的新鲜空气量：
[0054] Mfresh＝λ×Fac×V×n×Pmix×C/Tfresh-ab
[0055] 其中，Mfresh为计入气管背压时发动机引入的新鲜空气量(kg/h)；
[0056] λ为计入实时测量到的排气管背压后的修正系数；
[0057] Fac为发动机扫气效率，可由试验台上标定的查表提供；
[0058] V为发动机排量；
[0059] n为发动机转速(rpm)；
[0060] Pmix为发动机进气管中的混合气体的压力(例如由压力传感器14检测到)；
[0061] C为常数，可在试验台上标定；
[0062] Tfresh-ab为发动机进气管中被中冷器冷却后的新鲜空气温度(例如由温度传感器13检测到)，单位为绝对温度，等于Tfresh(℃)的值加上273。
[0063] 上述公式可以简写为：
[0064] Mfresh＝λ×Mfresh0
[0065] 其中Mfresh0＝Fac×V×n×Pmix×C/Tfresh-ab，可以看作是颗粒过滤器全新时发动机引入的新鲜空气量，即新鲜空气量初始值。
[0066] 下面结合图1、图8介绍修正系数λ以及新鲜空气量Mfresh的确定过程。需要指出，图8中的发动机进气量模型中的各部分以
硬件和/或
软件的形式集成或储存于控制器16中。
[0067] 首先，基于压差传感器15的信号确定当前颗粒过滤器8的两侧压差ΔP；基于发动机1的操作状态例如转速和喷油量利用颗粒过滤器8空载(即颗粒过滤器8为新的，没有收集任何排气颗粒)状态下的压差查表得出颗粒过滤器8空载状态下的两侧压差ΔP0；基于发动机1的操作状态例如转速和喷油量利用颗粒过滤器8满载(即颗粒过滤器8中装满了排气颗粒)状态下的压差查表得出颗粒过滤器8满载状态下的两侧压差ΔP1；计算出当前颗粒过滤器8的压差率＝(ΔP-ΔP0)/(ΔP-ΔP1)。
[0068] 同时，基于发动机1的操作状态例如转速和喷油量利用修正系数查表得出颗粒过滤器8满载状态下的修正系数校正值。
[0069] 接下来，将当前颗粒过滤器8的压差率与颗粒过滤器8满载状态下的修正系数相乘，得出当前颗粒过滤器8状态下的修正系数校正值Δλ。
[0070] 接下来，判断该当前颗粒过滤器8状态下的修正系数校正值Δλ是否位于允许的修正系数校正值最大值与最小值之间。如果该Δλ位于允许的修正系数校正值最大值与最小值之间，则采用该Δλ。如果该Δλ大于允许的修正系数校正值最大值或小于允许的修正系数校正值最小值，则Δλ取允许的修正系数校正值最大值或允许的修正系数校正值最小值。
[0071] 接下来，得出修正系数λ＝1-Δλ。由于修正系数校正值具有最大值与最小值，因此修正系数也具有相对应的最小值和最大值。修正系数的实际可行范围在0.7与1之间，优选在0.85与1之间。
[0072] 接下来，得到实际的新鲜空气量Mfresh＝λ×Mfresh0。
[0073] 通过上述方式得到的新鲜空气量Mfresh为计入了排气管背压后的新鲜空气量的精确值。因此，根据本申请，可以向发动机1提供精确量的新鲜空气量，使得在排气管背压变化的情况下，维持发动机的动力性、经济性，并且保持尾气指标符合相应的标准，例如，可以满足欧6排放标准。
[0074] 上面提到的进气量模型中的各个查表都可以在试验台上标定，并且储存在控制器16中。作为替代或附加，其它查表和/或相应的数据和/或相应的计算式可以包含在进气量模型中，用以确定修正系数和新鲜空气量。
[0075] 引入进气管L1中的新鲜空气量可通过控制装置16控制，例如通过控制新鲜空气节流阀5的开度。或者，其它流量控制器件可以布置在进气管L1中并被控制装置16控制，以实现所需的新鲜空气量。
[0076] 在前面介绍的新鲜空气量确定过程中，发动机扫气效率、排量作为发动机结构参数的例子被采用，发动机转速作为发动机运行参数的例子被采用，进气管中被中冷器冷却后的新鲜空气温度、进气管中的混合气体的压力作为进气管进气参数被采用。可以理解，作为替代或附加，其它发动机结构和运行参数、进气管进气参数(通过相应的进气管进气参数检测器件检测)也可以用在本申请的新鲜空气量确定过程中。例如，进气管中被中冷器冷却后的新鲜空气温度可以替换为进气管中的混合气体的温度，进气管中的混合气体的压力可被替换为压气机增压后的新鲜空气压力。在其它发动机结构和运行参数、进气管进气参数被采用的情况下，仅需在实验台上对常数C进行标定即可。
[0077] 可以看到，本申请的发动机进气计量单元提供了一种新的发动机进气量模型，其中排气管背压的变化(例如空载和满载状态下的颗粒过滤器的压差)被计入。在本申请的发动机新鲜空气量确定公式中，基于背压与修正系数之间的线性关系进行插值计算以确定用于进气量模型的修正系数。
[0078] 需要指出，本申请的进气量模型并不局限于前面参照图8所描述的，而是适用于本领域技术人员基于发动机结构参数和运行参数、进气管进气参数和排气管背压所能建立的各种进气量模型。并且，本申请的新鲜空气量的确定并不局限于利用前面介绍的公式来计算，而是可以基于特定的发动机类型、工况来确定适合于该发动机的新鲜空气量计算公式，该公式的有效性可以在实验台上验证。此外，本申请的修正系数并不局限于如前所述基于背压与修正系数之间的线性关系计算获得，而是可以基于特定的发动机类型、工况、尾气排放要求等因素构建背压与修正系数之间的函数关系，由此获得修正系数。
[0079] 本申请的发动机新鲜空气量确定方案中采用了颗粒过滤器两侧的压差传感器(或其它形式的背压检测器件)以提供排气管背压信号。集成在控制器中的发动机进气量模型用于发动机进气量计量。本申请提供了发动机系统、例如带有颗粒过滤器的柴油发动机的成本更低、精度更高的新鲜空气量计量方案。
[0080] 虽然这里参考具体的实施方式描述了本申请，但是本申请的范围并不局限于所示的细节。在不偏离本申请的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种
修改。
