專利名稱：基于溫度傳感器讀數(shù)對(duì)瞬態(tài)條件下氣體溫度的準(zhǔn)確估計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及瞬態(tài)條件下氣流溫度測(cè)量。
背景技術(shù)：
發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒產(chǎn)生了熱量及作為廢氣流的化學(xué)副產(chǎn)品 流。存在多種方法用于調(diào)節(jié)燃燒過程，以提升燃料效率并控制廢氣排 放。用于監(jiān)控燃燒過程及廢氣流后處理的一個(gè)重要性質(zhì)是廢氣溫度。 溫度傳感器對(duì)于監(jiān)控氣流中的溫度是公知的。然而，溫度傳感器測(cè)量 的是溫度傳感器的溫度，而不是氣流的溫度。熱能必須在氣流和溫度 傳感器之間流動(dòng)，以便測(cè)量氣流中的溫度變化。這種在溫度傳感器中 形成的對(duì)熱能流的溫度響應(yīng)相對(duì)于氣流中溫度變化存在延遲或滯后。 此外，溫度傳感器的溫度還是過去的熱流的結(jié)果或總和。這種對(duì)溫度 傳感器溫度的累加或平均的效果掩蓋了氣流中溫度的高速變化或交 替變化，降低了溫度傳感器讀數(shù)的靈敏度。廢氣流中溫度傳感器讀數(shù) 的滯后和平均誤差的后果包括必須在發(fā)動(dòng)機(jī)控制和廢氣后處理管理 中進(jìn)行折衷。

發(fā)明內(nèi)容
—種基于溫度傳感器讀數(shù)對(duì)瞬態(tài)條件下氣流中氣體溫度 進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)的方法，包括從氣流中的溫度傳感器中測(cè)量溫度傳感
器讀數(shù)，以及基于溫度傳感器讀數(shù)來估計(jì)氣體溫度，其中所述估計(jì)包 括使溫度傳感器的比熱特性等于作用于溫度傳感器的傳導(dǎo)熱量、對(duì) 流熱量、及輻射熱量之和，以及求出氣體溫度。


現(xiàn)在結(jié)合附圖示例性地來描述一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，在附圖
中圖l是根據(jù)本公開裝備了溫度傳感器的示例性車輛的示意
5
圖2是示例性已知系統(tǒng)使用溫度傳感器根據(jù)本公開來測(cè)量 廢氣溫度的測(cè)試結(jié)果的圖形化表示；圖3是根據(jù)本公開布置在廢氣管道內(nèi)的示例性溫度傳感器 的示意性剖視圖；圖4是圖示了根據(jù)本公開使用估計(jì)的廢氣溫度的示例性過 程的流程圖；以及圖5是一種圖形化表示，其描述了根據(jù)本公開的示例性估 計(jì)廢氣溫度和仿真廢氣溫度相比較的測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖，其中所示出的僅僅是出于圖解說明特定示 例性實(shí)施例的目的，并不是限制性的。圖1示意性地圖示了根據(jù)本公 開裝備了溫度傳感器40的車輛10。車輛10包括發(fā)動(dòng)機(jī)20、發(fā)動(dòng)機(jī) 控制模塊25、廢氣(或稱排氣)歧管30、廢氣后處理系統(tǒng)35、以及 溫度傳感器40。發(fā)動(dòng)機(jī)20燃燒燃料以推動(dòng)車輛10。廢氣系統(tǒng)30和 廢氣后處理系統(tǒng)35為燃燒過程中產(chǎn)生的廢氣提供了路徑，所述廢氣 將被處理以便在一定程度上降低排放，然后從車輛IO中排出?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)使用各種方案來提高燃料效率并降低燃燒過 程的排放。發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊25處理來自各種輸入的信息并調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng) 機(jī)20的工作，以及在廢氣后處理系統(tǒng)35中進(jìn)行處理(這被稱為后處 理)。廢氣流的溫度對(duì)于各種由發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊25運(yùn)行的方案都是重 要的性質(zhì)，這是由于廢氣溫度反映了發(fā)動(dòng)機(jī)20的燃燒過程內(nèi)的情況 和廢氣流自身的性質(zhì)，它們兩者對(duì)于廢氣后處理是重要的。發(fā)動(dòng)機(jī)20 還是動(dòng)態(tài)的，它可在非常短的期間內(nèi)從空閑狀態(tài)變化到節(jié)流閥全開狀 態(tài)。通過發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊25運(yùn)行的方案必須能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)20的動(dòng)態(tài) 情況作出反應(yīng)，以準(zhǔn)確地控制各種過程以保持發(fā)動(dòng)機(jī)20有效運(yùn)行并 管理廢氣流后處理。因此，對(duì)廢氣溫度的準(zhǔn)確和及時(shí)估計(jì)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī) 的燃料和排放有效工作都是重要的。還應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，盡管實(shí)施例中描 述了在內(nèi)燃機(jī)廢氣流處理中使用溫度傳感器40，但本公開對(duì)于任何處 理中的任何材料流也是同樣有效的。圖2以圖形化的方式描述了已知系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，其中讀 數(shù)從熱電偶形式的溫度傳感器40中獲取。發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工作狀態(tài)下系統(tǒng)中的熱電偶中獲得。在該圖所示的仿 真氣體溫度是從離線計(jì)算機(jī)模型中產(chǎn)生的并估計(jì)了實(shí)際的廢氣溫度。
被仿真的廢氣實(shí)際溫度在大約7秒內(nèi)快速變化了 400開爾文。熱電偶 溫度和熱電偶溫度仿真兩者的讀數(shù)顯示出熱電偶溫度相對(duì)于實(shí)際廢 氣溫度滯后了幾秒，并且體現(xiàn)為廢氣在時(shí)間上的平均溫度。在加熱的 廢氣中的熱電偶的表現(xiàn)和熱電偶溫度讀數(shù)的滯后可通過比熱方程來 最佳描述，
2二w'c.Ar [i]
其中Q表示施加到物體的熱能，m表示物體的質(zhì)量，c表示物體 的比熱特性，AT表示物體溫度的最終變化。比熱術(shù)語c表示了單位 質(zhì)量材料的溫度上升某個(gè)設(shè)定的量需要多少能量。來自高溫廢氣的熱 能Q被傳輸?shù)綗犭娕迹馃犭娕忌仙藴囟華T。熱電偶的溫度并 不實(shí)時(shí)改變到廢氣流的溫度，而是當(dāng)熱量從廢氣流流到熱電偶時(shí)，熱 電偶的溫度才會(huì)升高。通過對(duì)比熱方程取時(shí)間微分，該方程可被用于 顯示單位時(shí)間的熱量與溫度上升的關(guān)系。該方程變?yōu)?br> —— L2] 其顯示了流到質(zhì)量m和比熱c的物體的熱能率與溫度升高率成正比。如上所述，流到熱電偶的熱量率指示了溫度的最終增加。 通過三種一般形式的熱傳遞(傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射)來描述熱量流。傳 導(dǎo)描述了從 一 個(gè)物體到另 一 個(gè)直接彼此連接的物體的熱能流。通過傳 導(dǎo)傳輸?shù)臒崃柯士赏ㄟ^傅里葉定律來描述，如規(guī)定
氛t/.棉r(nóng)) [3]
其中U等于熱導(dǎo)，并且A等于在兩個(gè)物體之間接觸的橫截面積。 對(duì)流描述了穿過流體或氣體媒介到物體的熱量流。通過對(duì)流傳輸?shù)臒?量率可通過牛頓冷卻定律來描述，其規(guī)定
其中h等于傳熱系數(shù)，并且A等于暴露到介質(zhì)的物體表面積。輻 射描述了從熱物體跨過狹縫到另一個(gè)物體的熱流(以電磁輻射的形 式，例如紅外能)。通過輻射到達(dá)由較大表面包圍的相對(duì)小物體的傳
7熱率可通過斯蒂芬-波爾茲曼定律來描述，其規(guī)定
= f , ^ . ^咖" (Tw/ace -『 " ) [ 5 ]
其中e等于輻射率，并且cj等于斯蒂芬常數(shù)。人們可以將三個(gè)前 述方程相加，以描述到物體的總傳熱率。對(duì)于由表面包圍并浸沒在氣 態(tài)介質(zhì)中的相對(duì)小的物體，人們可通過下述方式形成的方程來顯示一 旦物體接近物體溫度時(shí)傳熱的效果令比熱方程等于傳熱方程之和。 得到的方程如下，其描述了物體溫度與各種形式傳熱之間的關(guān)系
W . C . ~= 〃 . ^ . + A . 乂。tyec, (;w血w — r。tyeC, ) + f . CT . /l。 .e" . (7^r/。ce — 7^&, ) [6]傳熱率依賴于所用系統(tǒng)的比特性。圖3以截面圖示出了根
據(jù)本公開布置在廢氣系統(tǒng)30之內(nèi)的熱電偶形式的溫度傳感器40的示 例性實(shí)施例。廢氣系統(tǒng)30包括帶有壁55的廢氣管道50。所描述的廢 氣管道50被假定為圓形截面，然而相對(duì)于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)所得的計(jì)算 結(jié)果僅有微小的變化，廢氣系統(tǒng)30可能具有差不多的任何形狀而仍 在本公開之內(nèi)。溫度傳感器40位于廢氣管道50之內(nèi)并且通過電導(dǎo)線 45連接到外部裝置。如在本領(lǐng)域中所公知的，穿過廢氣管道50的氣 流遵照某個(gè)橫截面圖，并且其優(yōu)選使用一些諸如電導(dǎo)線45的裝置來 將溫度傳感器40布置在遠(yuǎn)離壁55的、流的部分之內(nèi)。廢氣流穿過廢 氣管道50移動(dòng)，并且繞溫度傳感器40移動(dòng)。來自廢氣流的熱量進(jìn)入 電導(dǎo)線45,其可隨后將熱量以傳導(dǎo)的形式傳遞到溫度傳感器40。然 而，導(dǎo)致該具體實(shí)施例中熱電偶的電導(dǎo)線45的橫截面太小，以致于 通過傳導(dǎo)的傳熱可被認(rèn)為是可忽略的。來自廢氣流的熱量直接通過對(duì) 流進(jìn)入溫度傳感器40,并且該傳熱可被牛頓冷卻定律來描述。來自廢 氣流的熱量被傳遞到壁55,其隨后向溫度傳感器40輻射熱量。通過
輻射的熱量可通過斯蒂芬-波爾茲曼定律來描述。描述溫度傳感器溫度 (TTS )改變與各種傳熱源之間關(guān)系所獲得的方程變成
附re . cra . = ^re . 4訓(xùn),。c,. (T/e^ —『re) + ^re .爿rs ■ (Tre 一 re^孤、.,^、.) + f' cr,爿/5 ' (T鼎/"4 一 T s4) [ 7 ]
人們可解該方程以求出估計(jì)廢氣溫度("Texhaustgas")，結(jié)果為 T _T ■附ra ■ cre g'°" w4 T4 、 ^rs 4。她"^ y 、 「oi
在上述具體實(shí)施例中，其中通過傳導(dǎo)的傳熱被認(rèn)為是可忽略的，
在上述方程中涉及傳導(dǎo)的項(xiàng)被丟掉，并且方程變?yōu)?br> 8<formula>formula see original document page 9</formula>
TTS是來自溫度傳感器的測(cè)量值。dTTS/dt是來自溫度傳感器的測(cè) 量值的簡(jiǎn)單時(shí)間微分，其可通過處理器內(nèi)的簡(jiǎn)單操作來產(chǎn)生。Twalls 是壁55的溫度，并且具有經(jīng)常在不同發(fā)動(dòng)機(jī)條件下被建模、并且在
現(xiàn)有技術(shù)中容易地可用的數(shù)值。T,ead可能類似地導(dǎo)出，并通常是丁wans
的函數(shù)。ATS、 Ac。ntact、 mTs以及s是公知數(shù)值，其對(duì)于給定溫度傳感 器是可被編程的。cTS、 hTS、 UTS、以及o是常數(shù)，它們也可被編程。 由于所有上述方程中的數(shù)值可被在某個(gè)車內(nèi)設(shè)置中被確定(基于進(jìn)入
流的TVs數(shù)值口)，因此T,austgas可、,實(shí)時(shí)計(jì)算。然后，所^得的Texhaustgas在圖3中圖示的溫度傳感器40的示例性實(shí)施例一般被認(rèn) 為是暴露結(jié)合點(diǎn)的熱電偶。然而，將被理解的是本文公開的方法將被 廣泛應(yīng)用于任何跨過各種設(shè)計(jì)的熱電偶以及電阻性溫度檢測(cè)(RTD ) 裝置(例如導(dǎo)線RTD或半導(dǎo)體熱敏電阻)的氣流。例如，熱電偶和 RTD傳感器也可能被構(gòu)造成具有暴露的傳感元件或具有覆蓋傳感元 件的外殼。傳感元件可能與保護(hù)外殼的內(nèi)壁絕緣或接觸。在這些外殼 設(shè)計(jì)中，跨過外殼和絕緣層的額外傳導(dǎo)能量流將通過本文公開的相同 的方法來計(jì)算。各種方法論被用于溫度傳感器的設(shè)計(jì)中，并且本公開 并無意被限定到此處描述的實(shí)例。通過將流入和離開溫度傳感器的能 量相加，并且使該能量流等于溫度傳感器的熱性質(zhì)，人們可能解決估 計(jì)的實(shí)際氣體溫度。以這種方式，各種類型的溫度傳感器可被用于準(zhǔn) 確估計(jì)實(shí)際氣體溫度。圖4是流程圖，其描述了根據(jù)本公開的示例性過程100。 在步驟102，溫度傳感器40測(cè)量溫度讀數(shù)TTS。在步驟l(M，使用處 理器來施加作為Tts函數(shù)的函數(shù)估奸Texhaustgas。然后，Texhaustgas被在步 驟106饋給到發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊，或在混合驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的情況下饋給到動(dòng) 力系控制模塊。應(yīng)當(dāng)注意到的是，步驟104的處理器可能是與步驟106 的控制模塊物理上無關(guān)的單元，或者處理器可被集成到控制模塊。然 后，步驟106的控制模塊在步驟108中向發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理元件發(fā)出控 制命令，以影響到發(fā)動(dòng)機(jī)控制和廢氣處理控制(用于提高的燃料和排 放效率)。處理100按照信息流，將在步驟108終止；然而，在步驟
9110處的虛線反映出在步驟108被影響的控制命令清楚地具有對(duì)廢氣 溫度的影響，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作被調(diào)節(jié)的緣故。圖5圖示描述了系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，其中來自溫度傳感器40 的發(fā)動(dòng)機(jī)讀數(shù)被用于根據(jù)本發(fā)明來估計(jì)T
exhaustgas。
該圖表比較了通過
施加到上述方程的實(shí)際熱電偶讀數(shù)產(chǎn)生的Texhaustgas估計(jì)和仿真的廢氣 溫度(其產(chǎn)生自仿真實(shí)際廢氣溫度的離線計(jì)算機(jī)模型)。該圖表示出
Te由ustgas接近地追蹤著仿真的廢氣溫度，而沒有圖2結(jié)果那么明顯的 滯后或平均效果。本公開描述了特定優(yōu)選實(shí)施例及其修正。進(jìn)一步的修改和 替換可在其他人閱讀和理解本說明書后發(fā)生。因此，預(yù)期的是本公開 并不限于作為執(zhí)行本公開的最佳模式所公開的具體實(shí)施例(一個(gè)或多 個(gè))，而是將包括落入所附權(quán)利要求之內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種基于溫度傳感器讀數(shù)對(duì)瞬態(tài)條件下氣流中氣體溫度進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)的方法，包括從所述氣流中的溫度傳感器中測(cè)量所述溫度傳感器讀數(shù)；以及基于所述溫度傳感器讀數(shù)估計(jì)所述氣體溫度，其中所述估計(jì)包括使所述溫度傳感器的比熱特性等于作用于所述溫度傳感器的傳導(dǎo)熱量、對(duì)流熱量及輻射熱量之和，并且求出所述氣體溫度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中氣流是發(fā)動(dòng)機(jī)中的廢氣流， 并且所述氣體溫度是廢氣溫度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括采用所述廢氣溫度來 調(diào)節(jié)所述發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括采用所述廢氣溫度來 調(diào)節(jié)所述混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系的工作。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括采用所述廢氣溫度來 調(diào)節(jié)所述廢氣流的后處理。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述溫度傳感器是熱電偶。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述熱電偶是暴露結(jié)合點(diǎn)的 熱電偶。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述溫度傳感器是電阻性溫 度檢測(cè)裝置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述電阻性溫度檢測(cè)裝置是 導(dǎo)線電阻性檢測(cè)裝置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述電阻性溫度檢測(cè)裝置是半導(dǎo)體熱敏電阻。
11. 一種基于暴露結(jié)合點(diǎn)的熱電偶讀數(shù)對(duì)瞬態(tài)條件下廢氣流中廢氣溫度進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)的方法，包括從所述廢氣流中的暴露結(jié)合點(diǎn)的熱電偶中測(cè)量所述暴露結(jié)合點(diǎn)的 熱電偶讀凄欠；以及基于所述暴露結(jié)合點(diǎn)的熱電偶讀數(shù)估計(jì)所述廢氣溫度，其中所述 估計(jì)包括令所述暴露結(jié)合點(diǎn)的熱電偶的比熱特性等于作用于所述暴 露結(jié)合點(diǎn)的熱電偶的對(duì)流熱量和輻射熱量之，并且求出所述廢氣溫 度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括采用所述廢氣溫度 來調(diào)節(jié)所述發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括采用所述廢氣溫度 來調(diào)節(jié)所述混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系的工作。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括采用所述廢氣溫度 來調(diào)節(jié)所述廢氣流的后處理。
15. —種用于對(duì)瞬態(tài)條件下的氣流中的氣流溫度進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)的 設(shè)備，包括位于所述氣流中的溫度傳感器；以及處理器，其可操作以基于所述溫度傳感器讀數(shù)估計(jì)所述氣體溫度， 其中所述處理器使所述溫度傳感器的比熱特性等于作用于所述溫度 傳感器的傳導(dǎo)熱量、對(duì)流熱量、及輻射熱量之和，并且求出所述氣體 溫度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括控制模塊，其可操 作以基于所述氣體溫度向發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出控制命令。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括控制模塊，其可操 作以基于所述氣體溫度向混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系發(fā)出控制命令。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括控制模塊，其可操 作以基于所述氣體溫度向后處理裝置發(fā)出控制命令。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述溫度傳感器是暴露結(jié) 合點(diǎn)的熱電偶。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述溫度傳感器是電阻性 溫度檢測(cè)裝置。
全文摘要
一種對(duì)瞬態(tài)條件下氣體溫度進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)的方法，包括測(cè)量氣流中的溫度傳感器讀數(shù)，以及通過下述方式估計(jì)氣體溫度使溫度傳感器的比熱特性等于作用于溫度傳感器的傳導(dǎo)熱量、對(duì)流熱量、及輻射熱量之和，并且求出氣體溫度。
文檔編號(hào)G01M15/10GK101685044SQ200810178819
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者A·C·奧爾基達(dá)斯, P·A·巴蒂斯頓, Y·何 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司