專(zhuān)利名稱(chēng)：識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組成的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組成的方法。
背景技術(shù)：
對(duì)低燃料消耗和強(qiáng)排放降低目標(biāo)的需求導(dǎo)致了對(duì)后處理系統(tǒng)的要求。然 而，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)要求的系統(tǒng)很昂貴并且由此為了延緩這些系統(tǒng)的引入，更多 地關(guān)注于尋找降低發(fā)動(dòng)機(jī)外排放的新方式。已發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的燃燒持續(xù)
時(shí)間與所述汽缸充氣物的含量顯著關(guān)聯(lián)。EGR (廢氣再循環(huán))通常被用于控 制燃燒的溫度和速率以獲得非常規(guī)的燃燒模式。
通常，惰性氣體(EGR)的量越高，燃燒的速度越慢且越可控，并且由 此排放更少的氮氧化物(NOx)且發(fā)動(dòng)機(jī)溫度更低。然而，單個(gè)的發(fā)送機(jī)汽 缸間的EGR、空氣和02的分配變得更加重要。拿柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的例子來(lái)說(shuō)， 所有的汽缸通常接收等量的燃料(相反則降低了轉(zhuǎn)矩)以控制煙塵輸出，但 發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能通常受限于包括最少或最多的用于需要的瞬態(tài)(transient) 或穩(wěn)態(tài)條件的種類(lèi)(species)之一的"故障(culprit)"汽缸。
因?yàn)槟壳霸趩蝹€(gè)汽缸中的燃料控制的發(fā)展以及例如通過(guò)ECU(發(fā)動(dòng)機(jī)控 制單元)的閥驅(qū)動(dòng)，在每個(gè)汽缸內(nèi)的氣體組成的估算(estimation)變得更為 實(shí)際的需要。
一種已知的方法是從汽缸壓力信號(hào)獲取熱釋放速率并且使用該速率通 過(guò)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到(empirical)的查詢(xún)表來(lái)估算AFR (空氣/燃料比)和EGR。 然而，這在輕負(fù)載時(shí)或更復(fù)雜的多注入燃料系統(tǒng)中容易出現(xiàn)誤差。
其他已知的方法基于單個(gè)的汽缸壓力傳感器數(shù)據(jù)但在獲取足夠精確的 數(shù)據(jù)上存在問(wèn)題，所述數(shù)據(jù)用于為了發(fā)動(dòng)機(jī)控制目的而傳給ECU。在US648694中，根據(jù)檢測(cè)到的多種壓力校正汽缸壓力傳感器的漂移。這在測(cè)試臺(tái) 上是公知的慣常做法，然而在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)中并不十分理想，例如那些在產(chǎn) 品車(chē)輛中，存在汽缸與汽缸的相互作用和信號(hào)噪聲。這是由于低質(zhì)量的傳感 器和對(duì)瞬態(tài)控制的需要。WO 02/095191估算了基于三個(gè)壓力傳感器的采樣 的多變指數(shù)(polytropic index)，該估算存在不精確和噪聲的問(wèn)題。對(duì)于汽 缸充氣估算，JP 2001-15293描述了使用汽缸壓力來(lái)估算汽缸內(nèi)的總氣體組 成，然而，沒(méi)有考慮單個(gè)的種類(lèi)?？諝夂?2含量(content)對(duì)控制柴油發(fā) 動(dòng)機(jī)上的煙塵排放是重要的。US 5611311公開(kāi)了TDC (上止點(diǎn))估算和校 正，其中汽缸壓力在不考慮可導(dǎo)致不精確的系統(tǒng)中的熱損耗的情況下在最大 過(guò)載(零裝料)處被觀測(cè)。這尤其與基于汽缸壓力反饋控制策略有關(guān)，所述 汽缸壓力反饋控制依賴(lài)于涉及瞬時(shí)壓力和容積的計(jì)算。 本發(fā)明在權(quán)利要求中陳述。


現(xiàn)在將參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式加以描述，其中-
圖1A是示出了穩(wěn)態(tài)測(cè)試臺(tái)結(jié)果的圖示，其中02的充氣濃度相對(duì)于多變 指數(shù)和入口進(jìn)氣管(manifold)溫度被繪制；
圖IB示出了估算出的02濃度的圖示，該02濃度從圖1A中的刻度圖 中相對(duì)于用于確認(rèn)目的的相應(yīng)的測(cè)試臺(tái)而獲得；
圖2示出了用于獲得出現(xiàn)的全部種類(lèi)的濃度函數(shù)的測(cè)試臺(tái)實(shí)現(xiàn)的示意
圖3是給出了作為入口溫度(Tint)和多變指數(shù)(Np。ly)的函數(shù)的種類(lèi)濃
度Z，ies的二維(2D)査詢(xún)表；
圖4示出了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的示意圖5示出了使用閉環(huán)反饋控制的發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性的實(shí)際系統(tǒng)的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明使用封閉氣體的多變指數(shù)(Np。ly)與其熱損耗和要素種類(lèi)濃度密 切相關(guān)的觀測(cè)。對(duì)于加熱充分的發(fā)動(dòng)機(jī)，該熱損耗與入口進(jìn)氣管溫度密切相 關(guān)。圖1A和1B中的穩(wěn)態(tài)測(cè)試臺(tái)結(jié)果對(duì)此進(jìn)行了證實(shí)。圖1A示出了充氣的 02濃度，該濃度相對(duì)于人口進(jìn)氣管溫度和在壓縮沖程上估算的多變指數(shù)而繪 制。由三維(3D)表面表示的模型與這些點(diǎn)匹配并且顯示在圖1B中以很好 地匹配測(cè)試臺(tái)結(jié)果，其中模型的精確度由點(diǎn)靠近45度線的程度所描述。由 于熱損耗可以作為以入口溫度Tint形式的可感測(cè)值的函數(shù)而被獲得，并且 Np。,y作為單個(gè)的汽缸壓力的被感測(cè)值的函數(shù)，因此要素種類(lèi)濃度可以由此在 每個(gè)汽缸中獲得，允許之后應(yīng)用適當(dāng)?shù)男Ｕ?。如以下更加詳?xì)的討論，所獲 取的值被優(yōu)化提供常規(guī)方法上的改進(jìn)的精確度以及用于實(shí)時(shí)操作的潛力。
因此，在校準(zhǔn)階段，每個(gè)種類(lèi)濃度的測(cè)試臺(tái)結(jié)果被獲取并且相對(duì)于多變 指數(shù)和入口進(jìn)氣管溫度而繪制。圖2示出了用于獲得在4汽缸、4沖程發(fā)動(dòng) 機(jī)中出現(xiàn)的全部種類(lèi)的濃度函數(shù)的測(cè)試臺(tái)的示意圖。發(fā)動(dòng)機(jī)塊200包括四個(gè) 汽缸202，每個(gè)汽缸具有活塞204。入口閥206和廢氣閥208。在正常操作過(guò) 程中，空氣210進(jìn)入系統(tǒng)并且通過(guò)由控制器216操作的閥212而與再次循環(huán) 的廢氣214混合。入口進(jìn)氣管空氣溫度在入口進(jìn)氣管空氣在進(jìn)氣階段中經(jīng)過(guò) 四個(gè)汽缸中的一者時(shí)由傳感器218測(cè)量。汽缸中的壓力在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的壓縮 沖程期間由傳感器220測(cè)量，并且與來(lái)自入口溫度傳感器的數(shù)據(jù)一起發(fā)送回 ECU 222并且存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)記錄器224中。氣體種類(lèi)濃度通過(guò)在入口端口 225 流出一些入口的混合物而被采樣。這些采樣還可以與來(lái)自位于廢氣端口 226 的EGO (廢氣的氧氣)傳感器的過(guò)?？諝獗嚷?A)測(cè)量相比較。兩組數(shù) 據(jù)將同樣由測(cè)試臺(tái)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)227記錄。多變指數(shù)Np。ty可以直接從壓力信 號(hào)計(jì)算并且與入口進(jìn)氣管溫度一起可以在圖3所示的2D査詢(xún)表中實(shí)現(xiàn)，該 2D查詢(xún)表存儲(chǔ)在實(shí)際的系統(tǒng)的ECU內(nèi)，其中用于每個(gè)Np。,y和Tint的項(xiàng)(entry) 被增加以提供 其中
ZxH乍為總質(zhì)量M的一部分的種類(lèi)X(空氣、EGR、 02等)(0-1)的濃度 Np々二在壓縮(-)時(shí)的多變指數(shù) Tin產(chǎn)入口溫度(K)
可以看到，濃度Zw、 ZEGR等均可以在校準(zhǔn)階段中獲得并且存儲(chǔ)在各自
的查詢(xún)表中。這些濃度可以基于任何合適的參數(shù)，例如但不限于容積或質(zhì)量。 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際條件下運(yùn)行并且期望獲得Zx時(shí)，計(jì)算發(fā)生在兩個(gè)階段中。 通過(guò)在點(diǎn)火之前的壓縮沖程期間應(yīng)用能量平衡到汽缸中的固定質(zhì)量的空氣、 燃料和惰性氣體，可以推導(dǎo)出壓力信號(hào)偏移(offset)和多變指數(shù)。在第一階 段中，估算Npoly并且采樣Tint，優(yōu)選為局部到汽缸以提供來(lái)自2D查詢(xún)表的 種類(lèi)濃度Zx的大致估算，所述2D查詢(xún)表在由(1)表示的校準(zhǔn)階段中獲得。 在第二階段中，實(shí)時(shí)壓力測(cè)量(感測(cè)到的壓力和計(jì)算出的偏移)促使Zx的 進(jìn)一步校正，這反過(guò)來(lái)被用于獲取出現(xiàn)在每個(gè)汽缸中的特定種類(lèi)的質(zhì)量。該 信息之后被反饋到ECU以用于后續(xù)在控制變量中的使用，例如但不限于點(diǎn) 火、EGR反饋或每個(gè)單個(gè)的汽缸的燃料。
在圖4所示的柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，周?chē)諝?00被通過(guò)空氣過(guò)濾器402引 導(dǎo)，壓縮機(jī)部分404連接到(優(yōu)選為可變幾何學(xué))渦輪增壓器的渦輪部分406、 中間冷卻器410、節(jié)流閥411和入口進(jìn)氣管412。 EGR反饋路徑414允許再 次循環(huán)的廢氣和入口進(jìn)氣管內(nèi)的空氣的總的充氣混合以在入口閥418打開(kāi)時(shí) 在發(fā)動(dòng)機(jī)操作的入口階段中引入到四個(gè)汽缸416中的每一個(gè)。壓力傳感器 420和溫度傳感器422被提供在入口進(jìn)氣管中，并且汽缸中的壓力傳感器424 的類(lèi)型能夠向位于每個(gè)汽缸中的ECU (未示出)提供實(shí)時(shí)樣本(sample)。 每個(gè)汽缸的廢氣閥426通向廢氣系統(tǒng)408，該廢氣系統(tǒng)408與EGR反饋路徑 414連通并且允許不再循環(huán)的廢氣優(yōu)選經(jīng)由(優(yōu)選為可變幾何學(xué))渦輪增壓 器的渦輪部分406而排出。
入口進(jìn)氣管傳感器420 (壓力)和422 (溫度)以及汽缸中的壓力傳感 器424被布置以采樣足夠用于監(jiān)控每個(gè)汽缸中的充氣含量的數(shù)據(jù)并且由此提 供裝置，通過(guò)該裝置ECU獲得Tint、估算N—y、獲得Zx、進(jìn)一步改進(jìn)Zx并 且由此控制EGR閥428以改變?nèi)肟谶M(jìn)氣管412內(nèi)的EGR的總充氣的比例， 控制入口閥418和廢氣閥428以改變單個(gè)的汽缸的充氣含量，以及控制燃料 噴射器430以獲取性能、排放和燃料燃燒效率之間的最優(yōu)的平衡。
如上述獲得的數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)處理以恒定地監(jiān)控每個(gè)汽缸中的充氣含量。該 過(guò)程的階段1包括估算用于單個(gè)汽缸的多變指數(shù)-
將多方氣體定律PVW二常數(shù)應(yīng)用到汽缸充氣給出
其中-
P&ns二汽缸壓力測(cè)量(Pa)
Pofftet二因漂移而產(chǎn)生的傳感器偏移(Pa) Vcy「汽缸容積(m3) N崎二多變指數(shù)(-) Kp?！憾喾匠?shù)
一旦P(Dffiet已知，則多變指數(shù)可以通過(guò)采用在壓縮沖程上的所有樣本的
線性回歸而用對(duì)數(shù)估算，樣本優(yōu)選為大于三個(gè)。然而，由于IVC (入口閥關(guān)
閉)附近的壓力波動(dòng)和傳感器噪聲，使得使用入口進(jìn)氣管壓力傳感器的Poffeet 的直接測(cè)量并不大，并且經(jīng)常導(dǎo)致多變指數(shù)的誤差。因此，以下描述可替換 的方法。
此處的發(fā)明描述了促進(jìn)N—y和Po版t的顯式(explicit)導(dǎo)出的技術(shù)。 首先看Np。w該Np。^可以從與壓力樣本相關(guān)的線性表達(dá)中獲得，所述
壓力樣本在IVC在每個(gè)汽缸的TDC之前達(dá)到2(T左右后不久而被獲得。每 個(gè)汽缸的精確的TDC點(diǎn)考慮系統(tǒng)延遲，該系統(tǒng)延遲例如但不限于熱力學(xué)損 耗、處理器延遲、傳感器的相位滯后，并且模擬/數(shù)字濾波器優(yōu)選為在制造的 測(cè)試臺(tái)上被校準(zhǔn)并且被作為熱力學(xué)損耗角度被存儲(chǔ)且相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)條件而 被映射。這允許與環(huán)境未絕熱的熱損耗以及其他系統(tǒng)的延遲，其中峰值壓力 未與汽缸內(nèi)的活塞的TDC點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，這將在控制系統(tǒng)的定時(shí)和發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)/活 塞位置之間帶來(lái)不精確性。
在連續(xù)時(shí)域中將能量平衡應(yīng)用到獲得的質(zhì)量(在汽缸中)給出
"+ = 6 (3) 其中^是內(nèi)部能量的改變速率，^是在環(huán)境(熱轉(zhuǎn)移到周?chē)陌l(fā)動(dòng)機(jī)部
件)中所做的功的速率以及^是增加的凈耗熱量的速率。
在溫度T的固定質(zhì)量m的氣體的內(nèi)部能量的改變速率被給定為
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中cv是恒定體積的氣體的特定的熱容量。應(yīng)用理想氣體定律PV=mRT 給出
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中P和V是封閉氣體的壓力和體積并且R是氣體常數(shù)。由于 Cv/R=l/(y-l)，其中r是特定熱量比，并且假設(shè)該比仍為常數(shù)，(5)可以改寫(xiě) 為
<formula>formula see original document page 13</formula>
在環(huán)境中由氣體做的功的速率被給定為-
<formula>formula see original document page 13</formula>
將(6)和(7)帶入(3)得出:
廣l dt dt
關(guān)于時(shí)間積分
1 d(jPr) = ^ (8)
■^j Jd(P"+ J/W = J&r (9)
其中下標(biāo)'o'表示初始條件。
通過(guò)假設(shè)熱交換速率由多變指數(shù)Np。,y的多方氣體關(guān)系決定，可以
近似為
或者
^^W-尸oJV十pw = o (10) 其中最左面的項(xiàng)包括由(9)中的右手邊上的閉積分表示的熱傳遞。
考慮感測(cè)壓力中的固有誤差，被感測(cè)的壓力Psens等于由偏移Poffset修改 的實(shí)際壓力P:
尸^=尸-尸, (11)
由^匕 尸=尸&m +尸0#<
并且假設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮沖程期間所述偏移仍為常數(shù)，則(10)被修改
為
w 、d"尸妙J —pW^ +尸爭(zhēng)，J> = 0 (12) 重新整理該式得到
<formula>formula see original document page 14</formula>
或者
<formula>formula see original document page 15</formula>其中在連續(xù)時(shí)間中K產(chǎn)1/(7V帥-1)并且K2=—7V綺尸爭(zhēng),/(iV帥-l)。 將(14)轉(zhuǎn)換到離散的曲柄同步領(lǐng)域并且應(yīng)用梯形積分，對(duì)于每個(gè)樣本 i我們可近似為
<formula>formula see original document page 15</formula>
其中<formula>formula see original document page 15</formula>
由于Vi直接從曲柄(或活塞)位置獲得，因此Vi在任意點(diǎn)均為已知并 且己知汽缸的容積Vo，并且可以知道的是(15)中的K,和K2可以由線性回 歸(也就是說(shuō)尋找多個(gè)值Xi、 Yi和Wi的最佳方案)解得，以使用下式給出 數(shù)值
<formula>formula see original document page 15</formula>(17)
其中Xi、 Yj和Wi在每個(gè)樣本i = 1，2，...,N處被計(jì)算。K,和K2可以自(14) 重新整理以得出
iV帥4 + l 08a) 因此，從所測(cè)量的T^和所獲得的Np。,y，可以從圖3中的査詢(xún)表中獲得
汽缸的Zx的相應(yīng)值。此外，尸。，,可以被用于如下述的優(yōu)化并可以從下式獲 得
尸聯(lián)"=^^2 (18b)
應(yīng)該注意的是，線性回歸僅提出了獲得"最佳匹配"的一種方法。有許 多可替換的方法，包括非線性回歸、極大似然法和貝葉斯統(tǒng)計(jì)。迭代的方法
涉及構(gòu)造在每次迭代j中的偏移函數(shù)Ej，從而例如
,=1
其中
此處i^和《w為在每次迭代中計(jì)算的值以最小化E，從而最終
min w
五=
在有限數(shù)量的迭代后將發(fā)生充分的收斂并且能夠使用眾所周知的最小 化算法實(shí)現(xiàn)，例如最速下降法和單純形算法。在任何情況下每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)執(zhí) 行多迭代的計(jì)算量(computationnal overhead)可以通過(guò)在多循環(huán)上擴(kuò)展迭代 的次數(shù)而被減輕，從而在例如一個(gè)循環(huán)中的3次迭代后，計(jì)算出的Id和K2 的值可以被帶入到下一步。由此，在多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)后將發(fā)生收斂。每個(gè)循 環(huán)中的最大迭代數(shù)量被選擇以確保發(fā)生全部收斂，特別是在瞬時(shí)期間。
過(guò)程的階段2包括獲得Zx的估算。取決于所使用的特定的壓力傳感器， 兩種方法中的一者可以被用來(lái)執(zhí)行階段2。以說(shuō)明的方式，下面的實(shí)施例涉 及Zo2，使用了額外的信息以在入口進(jìn)氣管(26)中的氧氣質(zhì)量的形式獲得 的事實(shí)。方法A估算了汽缸02濃度的分配，假設(shè)每個(gè)汽缸中的質(zhì)量相同， 并且方法B提供了改進(jìn)的02濃度分配的估算，并且此外，方法B估算了各 自的質(zhì)量。在汽缸間的引入(inducted)的混合物的入口溫度中的不同被假
設(shè)為相對(duì)于絕對(duì)溫度來(lái)說(shuō)很小。
方法A:汽缸02濃度分配的改進(jìn)的估算 汽缸02濃度的首次估算從上述的式(1)獲得
<formula>formula see original document page 17</formula> (19)
其中
《2m =在汽缸i中的02濃度的首次估算(0-1) A^咖-汽缸i的多變指數(shù)(-)
/。2=02濃度的函數(shù)(可以如上述的2D查詢(xún)表來(lái)實(shí)現(xiàn)) 7) ,=入口進(jìn)氣管溫度(K) 假設(shè)全部汽缸的入口進(jìn)氣管溫度均相同。
所獲得的首次估算是從圖3中的測(cè)試臺(tái)模型的校準(zhǔn)的査詢(xún)表中獲得的經(jīng) 驗(yàn)值。單個(gè)的汽缸的濃度自已知的入口進(jìn)氣管中的02濃度而被校正以用于 質(zhì)量平衡。公共比例校正因數(shù)a被應(yīng)用，a被定義為
<formula>formula see original document page 17</formula> (20)
其中Z。2滅是汽缸i的校正后的氧氣濃度。 所述質(zhì)量平衡關(guān)系如下
4
<formula>formula see original document page 17</formula> (21)
其中M。^是每個(gè)循環(huán)的入口進(jìn)氣管的氧氣質(zhì)量并且^^m是4汽缸發(fā) 動(dòng)機(jī)的汽缸i的引入的氧氣質(zhì)量。這可以表示為氧氣濃度的函數(shù)并且總引入
的質(zhì)量為
<formula>formula see original document page 17</formula>
應(yīng)用(20)并且重新整理得到<formula>formula see original document page 18</formula> (23)
這給出了用于汽缸i的下式
<formula>formula see original document page 18</formula>(24)
通過(guò)假設(shè)汽缸間的總流出所充的氣質(zhì)量的差別很小，因m,", =^^^.而
刪除M，留下
<formula>formula see original document page 18</formula> (25)
其中
乙2/^ =引入汽缸的02的校正后的濃度(0-1)，該校正基于從觀測(cè)器模
型的均值獲得的平均02濃度。
2。2/ ,=在入口進(jìn)氣管中的總的02濃度(0-1)
這導(dǎo)致了校正因數(shù)"=4Zq2/"'，有效地涉及濃度z^,的和與期望值
z。^,的接近程度。如果首次估算的z^m的和小于z。^,，則校正因數(shù)增加 z"^的原始估算，并且如果首次估算的z:一的和大于z。^,，則所述因數(shù)減
小原始估算。
總的02濃度^2, ,可以通過(guò)以下已知的穩(wěn)態(tài)表達(dá)式來(lái)近似，該表達(dá)式被
應(yīng)用到貧燃料混合物-
<formula>formula see original document page 18</formula>(26 )
其中-
&2*=周?chē)?2濃度(0-1) (0.23作為基于質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)) Z^w-EGR速率(0-1)
義=過(guò)量空氣比(-)二AFR/按化學(xué)計(jì)量組成所需的AFR
在現(xiàn)今的一些ECU中的已知的例如均值模型的觀測(cè)器模型可以被應(yīng)用 以獲得ZE^。過(guò)量空氣比A可以從EGO傳感器中獲得。
在等式(15-18)中，多變指數(shù)Np。,y在不需要考慮傳感器增益或偏移的 絕對(duì)壓力讀數(shù)的情況下從感測(cè)到的壓力讀數(shù)PSensi中找到。只要壓力傳感器 的讀書(shū)回到與真實(shí)讀數(shù)成比例，種類(lèi)濃度等式(25)就保持為真，該讀數(shù)與 偏移無(wú)關(guān)。此外，由于汽缸壓力與壓縮沖程中的曲柄角度一致，因此汽缸壓 力不存在滯后。
方法B:改進(jìn)的02濃度的估算和質(zhì)量分配
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的補(bǔ)充，更準(zhǔn)確的校正可以被應(yīng)用到從方法A獲得的 02濃度，該更準(zhǔn)確的校正額外考慮汽缸間的總充氣質(zhì)量的不同，即不需要式 (25)基于的假設(shè)。 使用式(24):
其中
M,",二每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的總?cè)肟谫|(zhì)量(全部汽缸的和)(kg)
^/^=汽缸」中的總引入的質(zhì)量(kg) 02的質(zhì)量由下式給出<formula>formula see original document page 20</formula>
其中總估算M,",，從現(xiàn)有的ECU中已知的觀測(cè)器模型中獲得。
單個(gè)的汽缸質(zhì)量從汽缸壓力傳感器直接獲得，如下
汽缸i的引入的質(zhì)量可以被表示為<formula>formula see original document page 20</formula>
其中
7歸二汽缸i的體積效率(0-1) 4,=入口進(jìn)氣管壓力(Pa) *=氣體常數(shù)(J/kg/K) 7) ,=入口溫度(K)
&-印=汽缸排量(m3)
注意，和7} ,被假設(shè)為對(duì)全部汽缸均相同并且i 隨氣體性質(zhì)的變化被 假設(shè)為可忽略。
可以作為實(shí)施例說(shuō)明的在麻省理工學(xué)院印刷廠于1985年發(fā)行的作者為 泰勒 C.的The Internal Combustion Engine in Theory and Practice的巻1中假
設(shè)了閥重疊周期被忽略，所述體積效率可以從汽缸壓力直接估算，由此<formula>formula see original document page 20</formula>其中
=汽缸排量(m3)
&,=汽缸容積(m3) PVc二汽缸在IVC處的容積(m3)cc?！?。,=壓縮比(-)
/^二汽缸i的壓力(Pa)
iV。,二汽缸i在入口閥開(kāi)口 (IVO)處的壓力(Pa) /Vi二汽缸在IVC處的壓力(Pa)
r二特定熱量比(-)
at;.=自入口進(jìn)氣管到汽缸的溫度增長(zhǎng)
化C
^cy^^ =進(jìn)氣期間在汽缸上做的功
將式(29)替換為式(28)中的/^,.引起了尸,",和^, 的刪除，由此:
尨涵=~~^^ (30)
其中:
~"=于J尸， +-^"""(31)
汽缸壓力通過(guò)下式校正
尸dj+尸,， j=ivo"..，ivc
其中尸。,從階段i獲得。
可替換地，上式可以被限制到入口進(jìn)氣管壓力Pmt，艮P:
尸Cyl 一+尸0炎e'—尸/^CL/ +
其中戶(hù)^是從階段i中的線性回歸匹配進(jìn)行的ivc壓力的首次估算。
將式(30)應(yīng)用到式(27)，汽缸02的質(zhì)量現(xiàn)在被給定為 編廣 一'草7",+a。
如果入口溫度傳感器被放置在所有汽缸的入口端口之間的半路上，則在 at;， (i=i,...,4)中的任何差異均可以被假設(shè)為與j;",相比很小。這個(gè)重要的
假設(shè)導(dǎo)致了以下用于引入的02的質(zhì)量M。^j的方案，對(duì)于汽缸i:<formula>formula see original document page 22</formula>
其中總的估算M,",從在現(xiàn)今的一些ECU中找到的己知的觀測(cè)器模型獲
得。所有其他變量為已知或如此處所述的可測(cè)量的。
與方法A不同，當(dāng)需要從階段1中得到的感測(cè)的值和偏移所獲得的絕對(duì) 壓力時(shí)，本方法需要汽缸壓力傳感器的增益校準(zhǔn)。
可以理解的是，當(dāng)以上方法對(duì)首次估算的Z^^應(yīng)用乘法校正時(shí)，對(duì)等
式(24)和(25)的加法校正例如但不限于 其中
<formula>formula see original document page 22</formula>-是等效的。
此外，應(yīng)該理解的是，其他出現(xiàn)的種類(lèi)的濃度可以使用與如以上階段2 中所述的02的估算的相同的原理來(lái)估算。
當(dāng)利用瞬時(shí)汽缸壓力和容積進(jìn)行估算時(shí)，例如在式(16) 、 (29)和(31) 中，優(yōu)選為用于壓力和容積的曲柄角度匹配得盡可能接近從而使壓力在曲柄 軸的每個(gè)位置上均可以被同樣精確地獲知。如上所述，精確度取決于準(zhǔn)確得 知在壓力軌跡中TDC發(fā)生的位置。在實(shí)際中，在由ECU "看到"的TDC和 其真實(shí)位置之間存在著因曲柄傳感器偏移而導(dǎo)致的小但能察覺(jué)的偏移。此 外，由于每個(gè)活塞的曲柄銷(xiāo)偏移以及甚至曲柄軸的撓性，每個(gè)汽缸的所述偏 移可以略有不同。對(duì)于此處所述的控制系統(tǒng)，由于例如傳感器響應(yīng)時(shí)間、原 始?jí)毫π盘?hào)的濾波中的滯相、信號(hào)獲取延遲等的測(cè)量鏈延遲可以產(chǎn)生更明顯 的偏移，并且要考慮的進(jìn)一步的影響是熱力損失角。在封閉的氣體混合物和
汽缸壁之間不存在熱傳遞的理想情況下(即絕熱壓縮)，最大壓力將發(fā)生在
TDC。實(shí)際上，因?yàn)闊醾鬟f，該最大值總是在TDC之前通過(guò)一定量的所謂 熱力損失角而發(fā)生。該角隨發(fā)動(dòng)機(jī)速度和壁溫變化，壁溫可以導(dǎo)致汽缸間的 明顯差異。由此需要對(duì)TDC位置進(jìn)一步校正以調(diào)節(jié)該影響。由此，總校正 為
其中-
A^^,二TDC偏移角度
&_=在超出限度或延遲噴射期間測(cè)量的最大壓力角
AP^二熱力損失角
厶^^=測(cè)量鏈延遲角
如果在壓力樣本i處，相應(yīng)的曲柄角為《，則對(duì)全部角度i-l-N，將需
要應(yīng)用以下校正
《，* =《，"-々A%ea
其中A0Q^a是在第k個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中計(jì)算的TDC偏移并且々是小于1
的調(diào)整常數(shù)以確保這些校正逐漸地發(fā)生。
圖5示出了使用例如但不限于圖4中所示的發(fā)動(dòng)機(jī)的閉環(huán)反饋控制的發(fā) 動(dòng)機(jī)的實(shí)際系統(tǒng)控制圖。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)500運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器502始終實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù) 據(jù)，所述數(shù)據(jù)例如但不限于入口進(jìn)氣管壓力和溫度以及單個(gè)的汽缸內(nèi)壓力。 ECU504接收傳感器數(shù)據(jù)。所述方法的階段l (506)包括估算多變指數(shù)。階
段2 (516)包括從查詢(xún)表508獲得特定氣體種類(lèi)的濃度的首次估算z;;，所
述氣體種類(lèi)例如但不限于在單個(gè)的汽缸內(nèi)出現(xiàn)的空氣、02或EGR。單個(gè)的 汽缸的02濃度的經(jīng)驗(yàn)的首次估算(等式19)優(yōu)選為用質(zhì)量平衡來(lái)校正(等 式24和25)。被適當(dāng)校正的種類(lèi)濃度數(shù)據(jù)可以用于使用控制器514來(lái)控制 燃料噴射器510和/或EGR閥512以獲得期望的效果，例如但不限于降低排 放和/或提高燃料燃燒效率。如果汽缸內(nèi)的壓力傳感器為適當(dāng)?shù)囊?guī)格，則階段 2 (516)中的方法B優(yōu)選為順序應(yīng)用到階段l,其中在單個(gè)的汽缸內(nèi)出現(xiàn)的 種類(lèi)的質(zhì)量可以被估算(等式33和30)以進(jìn)一步增強(qiáng)控制從階段1獲得的 數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
將看到所描述的本發(fā)明提供了普遍的發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)題的一系列解決方案。例 如但不限于在每個(gè)單個(gè)的汽缸內(nèi)出現(xiàn)的氣體種類(lèi)的體積和壓力的參數(shù)的測(cè) 量提供了數(shù)據(jù)以及在本發(fā)明的階段1和2中描述的方法論，該方法論允許基 于逐個(gè)種類(lèi)和逐個(gè)汽缸的增加的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)控制，該方法論包括需要的由線 性回歸獲得的Poffeet的精確值。例如在任意時(shí)刻任意一個(gè)汽缸內(nèi)的EGR的比 例的變量提供了降低排放的優(yōu)點(diǎn)，特別是在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下。改進(jìn)的裝 料允許最優(yōu)化的AFR或02/燃料比，從而提高的燃料經(jīng)濟(jì)性并且在柴油機(jī)發(fā) 動(dòng)機(jī)的情況下，降低廢氣的微粒含量從而避免了昂貴的附加清潔系統(tǒng)以達(dá)到 排放條例?？梢砸匀魏芜m當(dāng)?shù)姆绞娇刂?，例如通過(guò)可變氣門(mén)驅(qū)動(dòng)(VVA)的 EGR控制。
單個(gè)的汽缸方法進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是避免了一個(gè)"故障"的汽缸影響變量的 控制，所述變量例如為裝料、點(diǎn)火、EGR以及在相同方式中的每個(gè)其他汽缸 的空氣含量。
可以理解的是此處所描述的識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組成的兩個(gè)階段的方法可 以同樣地應(yīng)用到其他發(fā)動(dòng)機(jī)配置和發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型，例如但不限于不同的發(fā)動(dòng)機(jī) 類(lèi)型，例如旋轉(zhuǎn)、不同的沖程循環(huán)以及使用不同數(shù)量的汽缸，以及不同的燃 料類(lèi)型，例如柴油或汽油，其中點(diǎn)火可額外作為獲得的數(shù)據(jù)的結(jié)果而被控制。
應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，也可以直接感測(cè)汽缸內(nèi)的壓力，壓力傳感器可以 火花塞墊圈、襯墊位移傳感器或集成到電熱塞中的形式被安裝到汽缸的外 部。
權(quán)利要求
1.一種識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中的發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組成的方法，該方法包括從汽缸壓力傳感器中獲得汽缸壓力的測(cè)量；從所述測(cè)量中獲取多變指數(shù)以及獲得發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組分的量的測(cè)量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括獲得熱量損失的測(cè)量以 及從所述熱量損失和所述多變指數(shù)中獲得發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組分的量的測(cè)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述熱量損失的測(cè)量包括發(fā)動(dòng)機(jī) 入口溫度。
4. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組分的 量的測(cè)量包括組分濃度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述濃度包括質(zhì)量或體積比中的 一者。
6. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組分的 量的測(cè)量從查詢(xún)表中獲得。
7. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中發(fā)動(dòng)機(jī)具有多個(gè)汽缸并 且所述發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組分的量的測(cè)量針對(duì)每個(gè)汽缸而獲得。
8. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述多變指數(shù)通過(guò)& ,和 ^的一系列樣本從(A卿《f^ =《M中獲得。
9. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述多變指數(shù)在一次迭 代中直接被估算。
10. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述多變指數(shù)通過(guò)使用 最小化技術(shù)而被迭代估算。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中多個(gè)汽缸壓力傳感器的值在每個(gè) 發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中獲得，并且所述發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組分的量的測(cè)量通過(guò)線性回歸從該 多個(gè)值中獲得。
12. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述汽缸壓力傳感器的 值在單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中獲得。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述汽缸 壓力傳感器的值在多個(gè)循環(huán)中獲得。
14. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述汽缸壓力傳感器的 值在應(yīng)用偏移前未被校正。
15. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組分包 括氧氣、空氣和/或再次循環(huán)的廢氣中的一者。
16. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，該方法還包括基于所測(cè)量到 的發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組分的量來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)入口氣體以改變所述測(cè)量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)入口氣體通過(guò)控制 入口的再次循環(huán)的廢氣而被控制。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，該方法包括通過(guò)經(jīng)由廢氣再循 環(huán)閥、節(jié)流閥、可變幾何渦輪增壓器、可變幾何壓縮機(jī)或任意其他類(lèi)似裝置 控制總的充氣含量來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)入口氣體。
19. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，該方法包括通過(guò)由進(jìn)口和/ 或排放端口閥或節(jié)流閥或任意其他類(lèi)似裝置控制單個(gè)的汽缸充氣含量來(lái)控 制發(fā)動(dòng)機(jī)入口氣體。
20. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組分包 括氧氣，并且對(duì)于多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸，所述測(cè)量從每個(gè)汽缸的測(cè)量的總和相對(duì) 于所獲取的總的氧氣入口的值的比較而被校正。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述氧氣的量的測(cè)量還通過(guò)與 單個(gè)的汽缸的氧氣質(zhì)量的測(cè)量的比較而被校正。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法， 測(cè)量從汽缸壓力的測(cè)量中獲得。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法， 為被感測(cè)的壓力和偏移壓力的函數(shù)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法， 多變指數(shù)的函數(shù)。其中所述單個(gè)的汽缸的氧氣質(zhì)量的其中所述汽缸壓力的測(cè)量被獲得作其中所述偏移壓力被獲得作為所述
25. 根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中針對(duì)多變指數(shù)的值的所 述發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組分的量的測(cè)量在校準(zhǔn)階段中獲得。
26. —種獲得發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中的氣體的多變指數(shù)的方法，該方法包括從汽 缸壓力傳感器中獲得汽缸壓力的測(cè)量；以及從如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法中獲得多變指數(shù)，其中所述多變指數(shù)從(A^-尸q^P 「^!^=《/>々獲 得，其中多個(gè)汽缸壓力傳感器的值被獲得并且線性回歸被應(yīng)用。
27. —種獲得發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中的汽缸壓力傳感器偏移的方法，該方法包括 從汽缸壓力傳感器中獲得汽缸壓力的測(cè)量；根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法獲 取所述多變指數(shù)；以及獲取作為所述多變指數(shù)的函數(shù)的偏移壓力。
28. —種識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中的活塞頂部上止點(diǎn)的方法，該活塞頂部上止 點(diǎn)作為在汽缸壓力傳感器處被感測(cè)的壓力的函數(shù)，所述方法包括在校準(zhǔn)階 段中，識(shí)別活塞頂部上止點(diǎn)；從感測(cè)到的壓力估算最大壓力；識(shí)別所述上止 點(diǎn)和所述最大壓力之間的偏移；以及存儲(chǔ)作為發(fā)動(dòng)機(jī)條件的函數(shù)的所述偏 移。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述偏移被存儲(chǔ)作為每個(gè)汽缸 發(fā)動(dòng)機(jī)條件或總體發(fā)動(dòng)機(jī)條件中的一者的函數(shù)。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27或28所述的方法，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)條件包括多變 指數(shù)或熱量損失的測(cè)量中的一者。
31. —種校正發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中的活塞頂部上止點(diǎn)的方法，該方法包括獲 得在真實(shí)的上止點(diǎn)和在最大感測(cè)壓力處的角度之間的偏移角；以及將該偏移 應(yīng)用到壓力被感測(cè)到時(shí)所在的角度。
32. —種用于識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中的發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組成的設(shè)備，該設(shè)備包括: 汽缸壓力傳感器，該汽缸壓力傳感器被布置以獲得汽缸壓力的測(cè)量；以及處 理器，該處理器被布置以從所述測(cè)量中獲取多變指數(shù)并且獲得發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組 分的量的測(cè)量。
33. —種用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組成的設(shè)備，該設(shè)備包括用于如權(quán)利要 求31中所述的識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組成的裝置；以及在處理器的控制下能制動(dòng) 以改變?nèi)肟跉怏w的組成的至少一個(gè)致動(dòng)器。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述致動(dòng)器被布置以控制總的 發(fā)動(dòng)機(jī)入口氣體。
35. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其中所述致動(dòng)器包括廢氣再循環(huán)閥、 節(jié)流閥、可變幾何渦輪增壓器、可變幾何壓縮機(jī)或任意其他類(lèi)似的致動(dòng)器中 的一者。
36. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其中所述致動(dòng)器被布置以控制汽缸 入口氣體。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其中所述致動(dòng)器包括進(jìn)口和/或排放 端口閥或節(jié)流閥或任意其他類(lèi)似的致動(dòng)器中的一者。
38. —種發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，該發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元被配置以執(zhí)行權(quán)利要求 1-30中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法。
39. —種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，該介質(zhì)包括一組指令，該組指令被配置以執(zhí) 行權(quán)利要求1-30中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法。
全文摘要
在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組成的方法和設(shè)備，包括從汽缸壓力傳感器中獲得汽缸壓力的測(cè)量，從所述測(cè)量獲取多變指數(shù)并且獲得汽缸中的發(fā)動(dòng)機(jī)氣體組分的量的測(cè)量。
文檔編號(hào)F02D35/02GK101375044SQ200780003512
公開(kāi)日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月27日
發(fā)明者A·J·特拉斯科特, M·埃金頓, R·C·E·康沃爾, T·M·薩拉蒙 申請(qǐng)人:里卡多英國(guó)有限公司