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用于测量发动机系统中的排气再循环流量的方法、控制发动机系统中的排放的方法、以及发动机系统

阅读:839发布:2023-02-24

专利汇可以提供用于测量发动机系统中的排气再循环流量的方法、控制发动机系统中的排放的方法、以及发动机系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且提供了一种用于测量 发动机 系统中的排气再循环(EGR)流量的方法,其中,测量了 涡轮 增压 器 的涡轮速度、 压缩机 上游的入口压 力 、发动机上游的 增压压力 以及发动机上游的发动机进气 温度 。将进入发动机系统中的空气 质量 流量作为涡轮速度、入口压力和增压压力的函数进行计算,将排气质量流量作为增压压力、发动机进气温度、发动机容积效率和发动机尺寸的函数进行计算,并且通过将排气质量流量减去空气质量流量来确定EGR流量。还提供了一种用于控制从发动机系统的排放的方法和一种发动机系统。,下面是用于测量发动机系统中的排气再循环流量的方法、控制发动机系统中的排放的方法、以及发动机系统专利的具体信息内容。

1.一种用于测量发动机系统中的排气再循环(EGR)流量的方法,所述发动机系统包括发动机、涡轮增压器、EGR管线,所述涡轮增压器包括位于所述发动机上游的进气管线中的压缩机,所述EGR管线连接在所述发动机下游的排气管线与在所述发动机上游且在所述压缩机下游的所述进气管线之间,所述方法包括:
测量所述涡轮增压器的涡轮速度;
测量所述压缩机上游的入口压
测量所述发动机上游的增压压力
测量所述发动机上游的发动机进气温度
将进入所述发动机系统中的空气质量流量作为所述涡轮速度、所述入口压力和所述增压压力的函数进行计算;
将排气质量流量作为所述增压压力、所述发动机进气温度、所述发动机的容积效率和发动机尺寸的函数进行计算;以及
通过将所述排气质量流量减去所述空气质量流量来确定EGR流量。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述发动机包括进气歧管,并且所述增压压力和所述发动机进气温度是在所述进气歧管中测量的。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,在涡轮速度线的斜率小于预定值的情况下,使用描绘了所述压缩机的所述入口压力和所述增压压力的压力比与空气质量流量之间的关系的压缩机特性图来计算空气质量流量。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述涡轮速度线的斜率的所述预定值是-0.001。
5.根据权利要求3所述的方法,其中,在所述涡轮速度线的所述斜率小于所述预定值的情况下,将空气质量流量作为发动机速度和发动机扭矩的函数进行计算。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,当满足“发动机速度大于预定值”和“发动机扭矩小于最大允许扭矩的预定百分比”中的至少一个时,使用描绘了所述压缩机的所述入口压力和所述增压压力的压力比与空气质量流量之间的关系的压缩机特性图来计算空气质量流量。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,当发动机速度小于或等于预定值并且发动机扭矩等于或大于最大允许扭矩的预定百分比时,将空气质量流量作为发动机速度和发动机扭矩的函数进行计算。
8.一种用于控制从发动机系统的排放的方法,所述发动机系统包括发动机、涡轮增压器和排气再循环(EGR)管线,所述涡轮增压器包括位于所述发动机上游的进气管线中的压缩机,所述排气再循环(EGR)管线连接在所述发动机下游的排气管线与在所述发动机上游且在所述压缩机下游的所述进气管线之间,所述方法包括:
测量从所述发动机系统的排放;
通过以下步骤确定所述EGR管线中的EGR流量:
测量所述涡轮增压器的涡轮速度,
测量所述压缩机上游的入口压力,
测量所述发动机上游的增压压力,
测量所述发动机上游的发动机进气温度,
将进入所述发动机系统中的空气质量流量作为所述涡轮速度、所述入口压力和所述增压压力的函数进行计算,
将排气质量流量作为所述增压压力、所述发动机进气温度、所述发动机的容积效率和发动机尺寸的函数进行计算,和
通过将所述排气质量流量减去所述空气质量流量来确定EGR流量;以及
响应于所测量到的排放和所确定的EGR流量来调节EGR流量,从而调节排放。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述发动机包括进气歧管,并且所述增压压力和所述发动机进气温度是在所述进气歧管中测量的。
10.根据权利要求8所述的方法,其中,在涡轮速度线的斜率等于或超过预定值的情况下,使用描绘了所述压缩机的所述入口压力和所述增压压力的压力比与空气质量流量之间的关系的压缩机特性图来计算空气质量流量。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,所述涡轮速度线的所述斜率的所述预定值是-
0.001。
12.根据权利要求10所述的方法,其中,在所述涡轮速度线的所述斜率小于所述预定值的情况下,将空气质量流量作为发动机速度和发动机扭矩的函数进行计算。
13.根据权利要求6所述的方法,包括:测量从所述发动机系统的NOx排放,并通过在所确定的EGR流量的基础上增大EGR流量来调节EGR流量,从而减少NOx排放。
14.根据权利要求8所述的方法,其中,当满足“发动机速度大于预定值”和“发动机扭矩小于最大允许扭矩的预定百分比”中的至少一个时,使用描绘了所述压缩机的所述入口压力和所述增压压力的压力比与空气质量流量之间的关系的压缩机特性图来计算空气质量流量。
15.根据权利要求14所述的方法,其中,当发动机速度小于或等于预定值并且发动机扭矩等于或大于最大允许扭矩的预定百分比时,将空气质量流量作为发动机速度和发动机扭矩的函数进行计算。
16.一种发动机系统,包括:
发动机;
涡轮增压器,所述涡轮增压器包括位于所述发动机上游的进气管线中的压缩机;
排气再循环(EGR)管线,所述排气再循环(EGR)管线连接在所述发动机下游的排气管线与在所述发动机上游且在所述压缩机下游的所述进气管线之间,所述EGR管线包括EGR
被配置成测量所述涡轮增压器的涡轮速度的涡轮速度传感器
被配置成测量所述压缩机上游的入口压力的压力传感器
被配置成测量所述发动机上游的压力的增压压力传感器;
被配置成测量所述发动机上游的发动机进气温度的温度传感器;以及
控制器,所述控制器被配置成:将进入所述发动机系统中的空气质量流量作为所述涡轮速度、所述入口压力和增压压力的函数进行计算,将排气质量流量作为所述增压压力、所述发动机进气温度、所述发动机的容积效率和发动机尺寸的函数进行计算,通过将所述排气质量流量减去所述空气质量流量来确定EGR流量,并且控制所述EGR阀的打开和关闭以获得期望平的EGR流量。
17.根据权利要求16所述的发动机系统,其中,所述控制器被配置成:只要描绘了所述压缩机的所述入口压力和所述增压压力的压力比与空气质量流量之间的关系的压缩机特性图算法中的涡轮速度线的斜率等于或超过预定值,就使用所述压缩机特性图算法来计算空气质量流量。
18.根据权利要求17所述的发动机系统,其中,所述涡轮速度线的斜率的所述预定值是-0.001。
19.根据权利要求16所述的发动机系统,其中,所述控制器被配置成:在所述涡轮速度线的所述斜率小于所述预定值的情况下,将空气质量流量作为发动机速度和发动机扭矩的函数进行计算。
20.根据权利要求16所述的发动机系统,包括:用于测量发动机速度的发动机速度传感器;和用于测量发动机扭矩的扭矩传感器,并且其中,所述控制器被配置成:当满足“发动机速度大于预定值”和“发动机扭矩小于最大允许扭矩的预定百分比”中的至少一个时,使用描绘了所述压缩机的所述入口压力和所述增压压力的压力比与空气质量流量之间的关系的压缩机特性图来计算空气质量流量。
21.根据权利要求20所述的发动机系统,其中,所述控制器被配置成:当发动机速度小于或等于预定值并且发动机扭矩等于或大于最大允许扭矩的预定百分比时,将空气质量流量作为发动机速度和发动机扭矩的函数进行计算。

说明书全文

用于测量发动机系统中的排气再循环流量的方法、控制发动

机系统中的排放的方法、以及发动机系统

技术领域

[0001] 本发明总体上涉及发动机系统中的排气再循环(EGR)的使用,更具体地,涉及用于确定和调节这种发动机系统中的EGR流量的方法和设备。

背景技术

[0002] 在诸如柴油发动机的内燃发动机中,希望使排放(例如NOx排放)最小化,以便符合各种规定。在较高的燃烧室温度下,NOx排放倾向于增高到不可接受的平。已知的是,使有限量的来自发动机的排气再循环并将其引入到发动机上游的进气管线中以稀释所进入的气,从而产生较低的燃烧室温度。
[0003] 为了控制所提供的EGR气体的量,需要某些用于测量流过EGR管线的气体量的技术。该信息能够用于控制EGR流的量并调节发动机上的各种致动器燃料喷射器,以便例如符合发动机向外排放规定。用于直接测量EGR流量的技术包括使用孔板或含氧传感器(lambda sensor)。
[0004] 这种用于确定EGR流量的直接测量技术存在各种问题。测量设备增加了系统的成本,诸如文丘里管(venturi)的设备久而久之倾向于堵塞,并且诸如德尔塔P传感器(delta P sensor)的设备可能不可靠。另外,这种直接测量技术倾向于对EGR回路施加限制,并且可能导致削弱的燃料经济性。
[0005] 希望提供一种使系统的成本增加最少、不易发生故障且可靠的、用于测量发动机系统中的排气再循环流量的方法。

发明内容

[0006] 根据本发明的一个方面,提供了一种用于测量发动机系统中的排气再循环(EGR)流量的方法,该发动机系统包括发动机、涡轮增压器、EGR管线,该涡轮增压器包括位于发动机上游的进气管线中的压缩机,该EGR管线连接在发动机下游的排气管线与在发动机上游且在压缩机下游的进气管线之间。该方法包括:测量涡轮增压器的涡轮速度,测量压缩机上游的入口压,测量发动机上游的增压压力,以及测量发动机上游的发动机进气温度。将进入发动机系统中的空气质量流量作为涡轮速度、入口压力和增压压力的函数进行计算,将排气质量流量作为增压压力、发动机进气温度、发动机容积效率和发动机尺寸的函数进行计算,并且通过将排气质量流量减去空气质量流量来确定EGR流量。
[0007] 根据本发明的另一方面,提供了一种用于控制从发动机系统的排放的方法,该发动机系统包括发动机、涡轮增压器、排气再循环(EGR)管线,该涡轮增压器包括位于发动机上游的进气管线中的压缩机,该排气再循环(EGR)管线连接在发动机下游的排气管线与在发动机上游且在压缩机下游的进气管线之间。该方法包括:测量从发动机系统的排放;通过以下步骤确定EGR管线中的EGR流量:
[0008] ·测量涡轮增压器的涡轮速度,
[0009] ·测量压缩机上游的入口压力,
[0010] ·测量发动机上游的增压压力,
[0011] ·测量发动机上游的发动机进气温度,
[0012] ·将进入发动机系统中的空气质量流量作为涡轮速度、入口压力和增压压力的函数进行计算,
[0013] ·将排气质量流量作为增压压力、发动机进气温度、发动机容积效率和发动机尺寸的函数进行计算,并且
[0014] ·通过将排气质量流量减去空气质量流量来确定EGR流量;以及
[0015] ·响应于所测量到的排放和所确定的EGR流量来调节EGR流量,从而调节排放。
[0016] 根据本发明的又一个方面,一种发动机系统包括:发动机;涡轮增压器,该涡轮增压器包括位于发动机上游的进气管线中的压缩机;排气再循环(EGR)管线,该排气再循环(EGR)管线连接在发动机下游的排气管线与在发动机上游且在压缩机下游的进气管线之间,该EGR管线包括EGR;被配置成测量涡轮增压器的涡轮速度的涡轮速度传感器;被配置成测量压缩机上游的入口压力的压力传感器;被配置成测量发动机上游的压力的增压压力传感器;被配置成测量发动机上游的发动机进气温度的温度传感器;以及控制器,该控制器被配置成:将进入发动机系统中的空气质量流量作为涡轮速度、入口压力和增压压力的函数进行计算,将排气质量流量作为增压压力、发动机进气温度、发动机容积效率和发动机尺寸的函数进行计算,通过将排气质量流量减去空气质量流量来确定EGR流量,并且控制EGR阀的打开和关闭以获得期望水平的EGR流量。
[0017] 因为根据本发明的这些方面的方法和发动机系统不需要直接测量EGR流量,它通过利用发动机系统中已经存在的设备在附加成本最小的情况下被提供。另外,这种设备更不易发生故障且能够是非常精确的。例如,能结合本发明使用的诸如涡轮速度传感器的设备已知是非常精确和可靠的。附图说明
[0018] 通过结合附图阅读下面的详细描述,能很好地理解本发明的特征和优点,在附图中,相同的附图标记表示相同的元件,并且其中:
[0019] 图1是根据本发明的一个方面的发动机系统的示意图;并且
[0020] 图2是描绘了压力比(增压压力/压缩机入口压力)与空气质量流量之间的关系的、示意性的压缩机特性图(map)。

具体实施方式

[0021] 在图1中示出了根据本发明的一个方面的发动机系统21,并且该发动机系统21包括发动机23和涡轮增压器25,该涡轮增压器包括在发动机上游的进气管线29中的压缩机27、以及在发动机下游的排气管线33上的涡轮机31。进气管线29通常包括进气歧管35,并且排气管线33通常包括排气歧管37。发动机23通常是汽油或柴油发动机。
[0022] 排气再循环(EGR)管线39连接在发动机23下游的排气管线33与在发动机上游且在压缩机27下游的进气管线29之间。EGR管线39包括EGR阀41,并且通常包括EGR冷却器(未示出)。在图1中,EGR管线39被示出为从排气歧管37延伸而不是从排气歧管下游的排气管线的一部分43延伸,但应理解,该EGR管线可以在排气歧管处或在下游管线43处从排气管线33延伸。EGR管线39通常延伸到进气管线29,延伸到进气歧管35上游的进气管线的一部分45。
[0023] 发动机系统21还包括被配置成测量涡轮增压器25的涡轮速度的涡轮速度传感器47、被配置成测量压缩机27上游的入口压力的压力传感器49、被配置成测量发动机23上游(通常是进气歧管35中)的压力的增压压力传感器51、以及被配置成测量发动机上游(通常也是进气歧管中)的发动机进气温度的温度传感器53。增压压力传感器51和温度传感器53可以是单个装置,或者如图1中所示是分开的装置。可以提供发动机速度传感器55和发动机扭矩传感器57,以测量发动机曲轴(未示出)的速度和由该曲轴传递的扭矩。
[0024] 发动机系统21还包括控制器59,例如ECU,该控制器59被配置成:
[0025] ·将进入发动机系统中的空气质量流量作为涡轮速度、入口压力和增压压力的函数进行计算,
[0026] ·将排气质量流量作为增压压力、发动机进气温度、发动机容积效率和发动机尺寸的函数进行计算,并且
[0027] ·通过将排气质量流量减去空气质量流量来确定EGR流量,并且控制EGR阀的打开与关闭以获得期望水平的EGR流量。
[0028] 对于给定的发动机的排气质量流量可以由控制器59通过任意合适的技术来计算,例如通过已知的公式:
[0029] (1)
[0030] 其中
[0031] ·进气压力是能够由增压压力传感器51测量的进气歧管中的增压压力,[0032] ·进气温度是由温度传感器53测量(也可由某些增压器传感器测量)的进气歧管中的温度,
[0033] ·容积效率是在发动机的研发期间使用试验间(test cell)测量的。它被纳入到控制器59(ECU)中的特性图中,并且基于发动机速度和发动机扭矩而改变,[0034] ·发动机速度是使用发动机曲轴处的速度传感器55测量的,
[0035] ·发动机尺寸是发动机的排量
[0036] 控制器59能够被配置成:只要压缩机特性图算法中的涡轮速度线61的斜率等于或超过预定值(即,进一步远离零斜率),就使用压缩机特性图(通常以算法的形式)计算空气质量流量,该压缩机特性图描绘了压缩机的入口压力和增压压力的压力比(增压压力/压缩机入口压力)与空气质量流量之间的关系。涡轮速度线61通常(但并非总是)具有负的斜率,所以,提到“涡轮速度线的斜率超过预定值”通常意味着该斜率是更大的负值。图2中示出了用于该压缩机特性图算法的示意性的压缩机特性图63。涡轮速度线61的斜率的当前优选的预定值是-0.001(该速度线的朝着压缩机特性图63的右侧向下倾斜的那部分),但应理解,该值可以更小,或者在很大程度上取决于所述控制器的性能。在低于该斜率预定值的斜率处,即,在涡轮速度线61的斜率更接近于零的情况下(例如,在-0.0009的斜率处),变得更加难以根据常规的压缩机特性图来确定在给定的压力比和涡轮速度下所述空气质量流量是多少。提到“涡轮速度线61的斜率小于预定值”应被理解为是指涡轮速度线的斜率比所述预定值更靠近零,同样,提到“涡轮速度线的斜率大于预定值”应被理解为是指涡轮速度线的斜率比所述预定值更远离零。
[0037] 在涡轮速度线61的斜率低于所述预定值的情况下(即,靠近零),压缩机27通常靠近喘振线(surge line)运行。该区域在图2中被示出为由虚线圈出的区域67。在涡轮速度线61的斜率小于所述预定值(例如小于-0.001)的情况下,控制器59被配置成:通过用于给定的发动机速度和发动机扭矩的空气流量特性图将空气质量流量作为发动机速度和发动机扭矩的函数进行计算,该特性图是利用模拟以及发动机23在不同工况下的试验而建立的,其中发动机运行在使空气流量处于压缩机特性图的“喘振区/水平线区”的工况下并且使用流量计测量空气流量。当然,该喘振区/水平线区的空气流量特性图是针对发动机或发动机型号的。
[0038] 作为基于涡轮速度线的斜率高于或低于预定值来确定是否使用压缩机特性图或通过喘振区/水平线区空气流量特性图来计算空气质量流量的替代方案,图2中所示的、描绘了压缩机的入口压力和增压压力的压力比与空气质量流量之间的关系的压缩机特性图63可以基于一种“喘振检测”算法来使用,该“喘振检测”算法考虑了当以下条件中的至少一个被满足时所述压缩机应足够远离所述喘振线运行:(a)由发动机速度传感器55测量到的发动机速度大于预定值,和(b)由发动机扭矩传感器57测量到的发动机扭矩小于发动机的最大允许扭矩的预定百分比。这是另一种用于确定压缩机是否靠近所述喘振线运行的技术。通过这种喘振检测算法,控制器59能被配置成:当同时满足(a)发动机速度小于或等于预定值和(b)发动机扭矩等于或大于最大允许扭矩的预定百分比时,通过所述喘振区/水平线区特性图将空气质量流量作为发动机速度和发动机扭矩的函数进行计算。为了举例说明,在当前优选的实施例中,控制器59被配置成:当同时满足(a)发动机速度小于或等于
1200RPM和(b)发动机扭矩等于或大于最大允许扭矩的98%时,通过所述喘振区/水平线区特性图将空气质量流量作为发动机速度和发动机扭矩的函数进行计算。一种示意性的喘振区/水平线区特性图的空气流量特性图的“满负载扭矩曲线”69被示出为叠加在图2中所示的压缩机特性图63上的虚线。
[0039] 用于测量发动机系统21中的排气再循环(EGR)流量的方法包括:
[0040] ·测量涡轮增压器27的涡轮速度,例如利用涡轮速度传感器47,
[0041] ·测量压缩机27上游的入口压力,例如利用压力传感器49,
[0042] ·测量发动机上游的增压压力,例如利用增压压力传感器51,以及[0043] ·测量发动机上游的发动机进气温度,例如利用所述增压压力传感器或其它合适的温度传感器53。
[0044] 使用控制器59,将进入发动机系统21中的空气质量流量作为涡轮速度、入口压力和增压压力的函数进行计算。使用控制器59,例如通过使用上述公式(1)将排气质量流量作为增压压力、发动机进气温度、发动机容积效率和发动机尺寸的函数进行计算。然后,通过将排气质量流量减去空气质量流量来确定EGR流量。
[0045] 根据本方法,在涡轮速度线的斜率等于或超过预定值的情况下,例如在涡轮速度线具有-0.001的斜率的情况下,能够使用压缩机特性图63来计算空气质量流量,该压缩机特性图63描绘了压缩机27的入口压力和增压压力的压力比与空气质量流量之间的关系。当涡轮速度线61的斜率小于预定值时(这反映了压缩机27靠近喘振线运行),通过针对该发动机(或者,典型地,针对发动机型号)所开发的所述喘振区/水平线区特性图将空气质量流量作为发动机速度和发动机扭矩的函数进行计算。
[0046] 根据本方法,还能够或替代地能够:当满足“发动机速度大于预定值”和“发动机扭矩小于最大允许扭矩的预定百分比”中的至少一个时,使用压缩机特性图63来计算空气质量流量,并且当同时满足“发动机速度小于或等于预定值”和“发动机扭矩等于或大于最大允许扭矩的预定百分比”时,通过针对该发动机(或者,典型地,针对发动机型号)所开发的所述喘振区/水平线区特性图将空气质量流量作为发动机速度和发动机扭矩的函数进行计算。
[0047] 在根据本发明的一个方面的用于控制从发动机系统21的排放的方法中,在测量从发动机系统的排放时(例如经由排气后处理系统(EATS)65中的NOx传感器),信号可以从NOx传感器发送到控制器59。取决于所测量到的从发动机系统的排放,控制器59可以响应于所测量到的排放和所确定的EGR流量来调节EGR流量,从而调节排放。例如,典型地,为了减少NOx排放,在所确定的EGR流量的基础上增大EGR流量。这典型地通过经由控制器59控制EGR阀41进一步打开而实现。如果所测量到的排放水平在可接受的范围内,则可以通过经由所述控制器控制EGR阀41关闭而使EGR流量从当前所确定的EGR流量减少到较低水平。
[0048] 在本申请中,所使用的诸如“包括”的术语是开放性的,并且旨在与诸如“包含”的术语具有相同的含义且不排除其它结构、材料或行为的存在。类似地,尽管诸如“能够”或“可以”的术语的使用旨在是开放性的并且表明该结构、材料或行为不是必需的,但不使用这种术语也并非旨在表明该结构、材料或行为是必不可少的。从该结构、材料或行为当前被认为必要的程度来讲,它们被如此认定。
[0049] 尽管已根据优选实施例举例说明和描述了本发明,但应意识到,在不脱离如权利要求书阐明的本发明的情况下,能够在其中进行多种变型和修改
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