专利名称：用于发动机燃油控制的排放物检测器的制作方法
技术领域：
发明涉及根据发动机排气成分进行的燃油控制。
发明内容
图1是示出通用柴油机的在发动机微粒与氮氧化物排放之间权衡的
线图2是喷油器事件的曲线图并且幅值反映了发动机的一些喷射速率 控制；
图3是用于发动机燃油控制的排放物检测和控制系统的简图；和 图4示出微粒传感器。
具体实施例方式
发动机经常使用催化转化器和氧传感器以帮助控制发动机排放。驾 驶员控制的踏板通常连接用于计量进入发动机的空气的节气门。也就是 说，踩踏板就直接打开节气门从而使更多的空气进入发动机。氧传感器 经常使用来测量发动机排气中的氧含量，并且向喷油控制提供反馈从而 保持预期空气/燃油比(AFR),通常接近化学当量空燃比以实现化学当 量燃烧。化学当量燃烧可以使三元催化剂同时清除碳氢化合物、 一氧化 碳和氮氧化物(NOx),致力于满足火花点火式发动机的排放标准。
压燃式发动机(如柴油机)已经变得越来越普及。 一旦成为商用车 市场的备用品，柴油机就立刻实现进军客车和轻型卡车市场。 一部分是 因为这个，通过了要求降低柴油机排放的联邦法规。
很多柴油机现在采用涡轮增压器来增加效率。在这种系统中，与大 多数火花点火式发动机不同的是，踏板不直接连接计量进入发动机的空 气的节气门。而是，利用踏板位置通过调整燃油"轨"来控制供给发动机的燃油率，这就能在每一燃油泵射有更多或更少的燃油。进入发动才凡 的空气通常是由涡轮增压器控制，该涡轮增压器通常为可调喷嘴涡轮增
压器(VNT)或废气涡轮增压器。
传统柴油机因供给发动机的空气和燃油的不匹配而受到损害，特别 是因为在驾驶员移动踏板即喷射更多燃油的时间与涡轮增压器加快旋 转以提供产生预期空气/燃油比所需的额外空气的时间之间经常存在时 间滞后。为了缩短该"涡轮滞后"，可以加上踏板位置传感器(燃油率 传感器)并且反馈到涡轮增压器控制器以提高涡轮固有加速度，并且因 此增加进入发动机的空气流量，该空气流量可以例如设定VNT涡4仑增 压器的叶片位置。
踏板位置通常用作静态图的输入，该图的输出又用作喷油器控制回 路的i殳定点，该控制回路将发动机转速设定点与测定发动才几转速相比 较。踩踏板就根据静态图指定的方式增加发动机转速设定点。在一些情 况下，柴油机包含空气/燃油比估计器，该估计器是基于输入参数例如喷 油器流量和进气歧管空气流量，来估计AFR低至足以会在排气中出现煤 烟的时间，在该时间点上减小燃油流量。空气流量通常由涡轮增压器控 制，其为每种驱动状态提供进气歧管压力和进气歧管流速。
在柴油机中，排气流中通常没有与火花点火式发动机中出现的氧传 感器类似的传感器。因此，燃烧控制通常是以"开环"方式执行，其通 常依赖发动机图来生成有利于合格废气排放物的进气歧管参数的设定 点。因而，发动机空气方面的控制通常是发动机整体性能以及满足废气 排放标准的重要部分。在;f艮多情况下，涡轮增压器和EGR系统的控制 是控制柴油机排放水平的首要部分。
现今和将来的柴油车排放标准可能部分地从微粒(炭烟)和氮氧化 物(NOx)方面进行规定。对实际炭烟测量的直接测量反馈具有优于现 有技术中的空气/燃油比(AFR)的有很大优势。本系统能使一个人直接 读出炭烟而不使用(不可靠的)AFR估计值来推断可能存在煤烟。微粒 (PM)和NOx传感器读数可用于柴油才几中的喷油控制。NOx和PM两 者都是柴油机可调节的排放物。NOx和微粒两者的降低都是有利的。在 NOx和微粒之间有基本折衷，从而对柴油机做出的多数变化而言，降低 发动机排出的PM通常伴随着发动机排出的NOx的增加，反之亦然。在 图1中，横坐标表示发动机排放物中PM的数值，纵坐标表示发动机排放物中NOx的数值。发动机PM和NOx排放可以用曲线11表示。区i或 12代表发动机排气的最大排放物。PM传感器适用于表征曲线11的PM 部分(通常与浓燃烧、高废气再循环(EGR)率或其它方面相关)。NOx 传感器非常适于表征代表柴油机燃烧(通常与稀、高温燃烧、低EGR 等相关)的曲线ll的"其它极端状态"。本发明结合了这种思想，即柴 油机排放控制问题要求柴油机燃烧的两端都要被排放物检测所覆盖。 NOx和PM传感器可给出信息，这些信息可以综合入柴油机燃烧的认识。 这很重要，因为在4艮多国家，NOx和PM两者的排放法规越来越严格。
一些喷油操作或参数对NOx和PM排放有一定影响。例子包括喷射 的提前启动，这将产生良好制动比油耗(bsfc)、低PM和高NOx。高共 專九压力可产生增多的NOx、 4氐PM和稍有改良的身毛油率。由降低燃油总 量获得的稀空-燃比(AFR)可产生增多的NOx和减少的PM。由改变燃 油总量获得的浓空-燃比可产生减少的NOx和增多的PM。
图3示出发动机13的燃油控制系统10,其至少部分地基于发动机 排气14排放物。踏板输入15可连在转速图16上以控制发动机13的输 出转速，该输出转速可用于驱动汽车或其它一些机械装置。发动机输出 转速17可由转速传感器18检测。传感器18可为转速图16提供转速指 示19。该转速图16可联合踏板信号15和转速信号19为燃油率限制器、 燃油控制器或其它控制器22提供燃油控制信号21。
置于排气14中的NOx传感器23可提供指示排气14中检测到的 NOx量的信号25。 PM传感器24可置于排气14中并且提供指示排气14 中检测到的PM量的信号26。控制器22将信号21、 25和26处理成输 出信号27，输给致动器28，例如发动机13的喷油器和/或其它致动器。 信号27包含与发动机13控制相关的信息，例如供油正时、燃油量、多 次喷射事件等。信号27可传到发动机控制单元26,该控制单元又为了 适当运行而检测和控制发动机13的各种参数。可在当前系统10中为了 燃油控制、排放控制、发动机控制等而运用其它排放物检测器例如SOx 传感器。
喷油系统设计成提供喷油事件，例如预喷油事件35、导燃喷油事件 36、主喷油事件37、延迟喷油事件38和后喷油事件39,按该时间顺序， 如图2中的喷油率控制曲线所示。延迟喷油和后喷油事件38、 39对发 动机作的功没有贡献，而是明智地用于仅仅加热排气和耗尽过剩氧。预催化剂是本过程的重要部分，因为这些燃烧不都是发生在气缸中。
图3中，信号25和26向燃油率限制器、燃油控制器或控制器22 指示排气14中的NOx和PM量。控制器22设法调整或控制向发动机 13的喷油或供油，和/或其它参数，从而控制或限制排气14中的NOx 和PM排放。排放象图1的曲线11的部分31表示的那样保持。NOx和 PM之间的折衷通常意p未着PM的减少伴随有NOx的增多，反之亦然。 依靠PM传感器24获取曲线11的部分32的信息。依靠NOx传感器23 才企测曲线11的部分33处的信息。传感器23和24 —起为获取曲线11 的部分31处的排气14的排放输出提供信息。
PM传感器24适当表征曲线11的PM部分32,其通常与例如浓燃 烧或高废气再循环率相关。NOx传感器23更适于表征燃烧的其它^l端 状态，其通常与稀或高温燃烧、低废气再循环率相关。
在一些情况中，控制器22是多变量模型预测控制器(MPC)。该 MPC包括发动机运行的动态过程^t型，并且为发动机提供预测控制信 号，受到控制变量和测定输出变量约束条件的控制。根据应用，模型可 以是静态和/或动态的。在一些情况中，模型从一个或多个输入信号u(t) 产生一个或多个输出信号y(t)。动态模型通常包含静态模型加上关于 系统时间响应的信息。因此，动态模型通常有比静态模型更高的精确度。
在数学方面，线性动态模型具有的形式是
y(t) = B0*u(t) + Bl*u(t-1) +..+ Bn*u(t-n)+ Al*y(t-1>
+ .… + Am*y (t-m)
式中，BO……Bn和Al……Am是常数矩阵。在动态模型中，y(t)是 时间t处的输出，其根据当前输入u( t )、 一个或多个在先输入u( t-1 )......
u(t-n)，并且还根据一个或多个在先输出y (t-1 )……y(t-m)。
静态模型是特例，式中矩阵Bl-……=Bn = 0,并且Al = ...... = Am
=0，用更简单的关系式给出
y(t) = B0 u(t)
所示静态模型是简单的矩阵乘法器。静态模型通常没有对输入U
(t-l)、 u (t-2)……或输出y (t-1)等的"存储器"。因此，静态模型更简单，但是在模拟一些动态系统参数方面功能更弱。
对于涡轮增压柴油机系统，系统的动态特性更复杂并且多个交互作
用具有称作"非最小相"的特征。这是动态响应，其中，输出y(t),
当受到输入u (t)的阶跃时，最开始朝一个方向移动，然后倒转并且朝
着相反方向移向其稳态。柴油机中的炭烟(PM)排放只是一个例子。 在一些情况中，这些动态特性对控制系统的最优运行很重要。因此，经 常使用动态模型，至少在模拟一些控制参数时。
在一个例子中，MPC包括多变量模型，其模拟发动机的一个或多个 致动器(如供油率等)的变化对一个或多个参数(如发动机转速19、 NOx26、 PM25)中的每一个的影响，然后该多变量控制器就控制致动器 以产生两个或多个参数的期望响应。同样，在一些情况中，才莫型冲莫拟两 个或多个致动器的同时变化对一个或多个发动机参数中的每一个的影 响，多变量控制器就控制致动器以产生一个或多个参数中的每一个的期 望响应。
例如，离散时间动态系统的示例'性状态空间4莫型可用下列形式的等 式表示
x'(r + l) = A^(f) + 5w( )
模型预测算法包括求解这个问题
式中，函数j由下给出，
7 =劝+ ^|07尸幼+ 乂小)+
t [对《+ & 10T脚+ W 0 + +ifc)r崎+
受到的约束条件
9在一些例子中，转换成二次程序(QP)问题并且用标准或专用工具
^ 变量"y (k)"包含传感器测量值(对涡轮增压器问题，这些包括 但不局限于发动机转速、NOx排放、PM排放等)。变量j^ + ,lo代表当 测量值"y(t)"可用时在时间"t+k"处预测的系统输出。它们可用于 模型预测控制器中以选择输入的次序，其得到输出的"最优"预测次序 (根据性能指数J)。
通过最优化J产生变量"u(k)",并且在一些情况中，该变量用于 致动器设定点。对于燃料控制器问题，这些信号27可包括但不局限于 正时、数量、多次喷射事件等。变量"x(k)"是可变的，代表系统的 动态状态空间模型的内部状态。变量雄+冲)表示将来的状态变量k离散 时间步长的预测版并且可用于模型预测控制器中以最优化系统的将来 值。
变量ymm和ymax是约束条件并且可表示允许系统预测测量值j)Ot)获 得的最小值和最大值。这些通常对应于控制系统中的闭环行为的硬限 制。例如，硬限制设在PM排放上，从而^f吏它们在一些给定时间处不会 超过一定数量克每秒。在一些情况中，只提供最小ymm或最大y^x约束 条件。例如，提供最大PM排放约束条件，而不需要或不要求最小PM 排放约束条件。
变量U咖和IWx也是约束条件，并且表示允许系统致动器^"获得 的最小值和最大值，这些值通常对应于致动器的物理限制。例如，燃油 量具有最小值和对应于由致动器完成的最大燃油率的最大值。同上，在 一些情况中并且取决于环境，只提供最小Umm或最大U咖x约束条件。而
且，可根据当前运行状态及时改变一些或所有约束条件(如ymm、 ymax、
Umm、 Umax)。通过接口将这些状态和致动器约束条件提供给控制器22。
常数矩阵P、 Q、 R通常是正定矩阵，用于对各个变量的最优化设
定补偿。在实践中，这些可用于"调谐"系统的闭环响应。
图4是示例^t型预测控制器的示意图。在这个例子中，MPC22包括 状态观测器41和MPC控制器42。 MPC控制器42向发动机13的致动器等提供大量控制输出"U"。示例控制输出27包括，例如正时、数量、
多次喷射事件等。MPC控制器可包括用于存储控制输出的在先值u (t )、 u (t-l)、 u (t-2)等的"存储器"。
状态观测器41接收大量输入"y"、大量控制输出"u"和大量内部 变量"x"。示例输入"y"包括，例如发动机转速信号19、 NOx传感器 23的输出26和/或PM传感器24的输出25。可以预料，可以不断地、 断续地或周期性地，或在任何其它时间按需要询问输入"y"。而且，这 些输入参数只是示例性的，并且可以预料，根据应用可以提供更多或更 少的输入信号。在一些情况中，根据应用，状态观测器可接收这些大量 输入"y"、大量控制输出"u"和大量内部状态变量"x"中的每个的当 前和/或在先值
状态观测器41可产生状态变量"x"的当前设置，然后将其提供给 MPC控制器42。然后MPC控制器42计算新的控制输出"u",将其提 供给发动机13的致动器等。控制输出"u"可以不断地、断续地或周期 性地，或在任何其它时间按需要更新。发动机系统44采用新的控制输 出"u"运行，并且产生新的输入"y"。
在一个示例例子中，MPC22可采用标准二次程序(QP)和/或线性 程序(LP)技术编程以预测控制输出"u"的值，这样，发动机系统44 产生处于期望目标范围内的期望目标值的输入"y",和/或不破坏任何预 定约束条件。例如，通过了解燃油量和正时对发动机转速、NOx排放和 /或PM朝M文的影响，MPC22可以预测控制输出27燃油量和正时的^f直， 这样，发动机转速19、 NOx排放26和/或PM排放25的将来值处于或 保持在期望目标范围内的期望目标值，和/或不破坏当前约束条件。
MPC22可以以在线最优化的形式和/或采用换算表实施，用混合多 参数算法计算。混合多参数算法能给排放物参数以及编入查询表中的能 在发动机中的发动机控制单元(ECU)中实施的多系统运行模式提供约 束条件。排放物约束条件可以是随时间变化的信号，其作为附加参数加 入查询表中。混合多参数算法在2003年的Springer的控制和信息科学 (Control and Information Sciences )中的学术座谈纟己要(Lecture Notes ) 的第290巻的F.Borrelli的"线性和混合系统的约束最优化控制，， (Constrained Optimal Control of Linear and Hybrid System )中作了进一 步的描述，其作为参考并入本文。可选地或附加地，MPC22可纟妄需要包括一个或多个比例-积分4敖分 (PID)控制回路、 一个或多个预测约束控制回^各——例如史密斯 (Smith)预测器控制回路、 一个或多个多参数控制回路、 一个或多个 多变量控制回路、 一个或多个动态矩阵控制回路、 一个或多个统计处理 控制回路、基于认知的专家系统、神经网络、模糊逻辑或其它合适的控 制装置。而且，MPC为用于控制发动机致动器的低层控制器提供命令和 /或设定点。在一些情况中，该低层控制器可以是，例如，单输入-单输 出(SISO )控制器，如PID控制器。
PM传感器24可具有火花塞状支座62,如图5所示。该PM传感器 根据探针上形成的PM提供输出。传感器或探针可置于发动机13的排 气路径中。探针电极65的长度63和直径64可以根据检测的电子仪器 和发动机的参数进行改变。探针电极65可通过其上的非常薄的导电涂 层或导电层66进行钝化。该涂层或层66可以防止发动机13运行过程 中由堆积在探针上的炭烟层引起的电短路。钝化材料66可由S^4、铈 或其它氧化物，和/或类似物组成。探针电极65上的钝化层66的厚度可 以在0.001至0.020英寸之间。标称厚度可以为约0.01英寸。使探针电 极65暴露在高温排气中或者经由添加到发动机燃油中的材料涂有涂层 以获得钝化层66。
传感器或探针24可以有多种尺寸。电极65的长度尺寸63的例子 可以是在0.25至12英寸之间。长度63的标称值可以为约3至4英寸。 厚度或直径尺寸64的例子可以在1/32英寸至3/8英寸之间。标称厚度 为约1/8英寸。
探针的例子可以包括标准火花塞壳62,其去除外侧或接地电极并且 具有焊接到中央电极上约1/8英寸厚度或直径的4至6英寸金属外延部 分。如果只有一个传感器24，那可以将它安装在接近发动机13的排气 歧管或在涡轮增压器之后的排气流中。传感电极65可以连在处理电子 设备的模拟电荷放大器上。来自探针24的电极65的电荷瞬态可以直接 与排气流中的炭烟(微粒)浓度成比例。外延电极65可通过暴露在发 动机13的排气中的电极65表面上的非常薄的不导电涂层66进行钝化。 作为示例例子，在温度大于400摄氏度(750华氏度)的排气流中运行 几秒钟之后，304型不锈钢可自发地形成探针电一及65上的钝化层66。 然而，通过向发动机13的燃油中添加有才几金属铈化合物(约100PPM),代替地，在位于排气中的探针电极65上形成氧化铈钝化层66。
材料或在可控环境中形成氧化层。此外，在位于排气中的电极65上形 成或生长钝化层66的目的是为了防止由PM累积引起的电极与火花塞 状支座62之间的短路，因此，传感器或探针24可保持其监控排气流活 性的镜像电荷。如果电极65上没有钝化层66,因为由累积在电极上的 炭烟或PM引起的传感器的电极65与支座62的电短路，探针24在短暂 运行时期之后会失效。
总之，控制器可以具有一个或多个查询表(例如包括多参数混合算 法)、随时间变化的排放控制约束、比例-积分-微分(PID )控制回路、 预测约束控制回路(例如史密斯预测器)、多参数控制回路、基于模型 的预测控制回路、动态矩阵控制回路、统计处理控制回路、基于认知的 专家系统、神经网络和/或模糊逻辑系统。
在本说明书中， 一些内容具有假定或预示特点，尽管以其它方式或 时态陈述。
尽管参照至少一个示例例子描述了本发明，但对本领域技术人员来 说，在阅读本发明说明书的基础上做出改变和变形是显而易见的。因此， 意图是，在考虑现有技术的基础上，对附上的权利要求作出尽可能宽范 围的解释以包含所有这种改变和变形。
权利要求
1.一种发动机控制系统，包括连接到发动机的控制器；和位于发动机的排气系统中且连接到控制器的传感器。
2. 如权利要求l所述的系统，其中，传感器是NOx传感器。
3. 如权利要求l所述的系统，其中，传感器是PM传感器。
4. 如权利要求l所述的系统，还包括位于排气系统中且连接到控制 器的第二传感器。
5. 如权利要求4所述的系统，其中 传感器是PM传感器；和 第二传感器是NOx传感器。
6. 如权利要求l所述的系统，还包括 连接控制器的转速图；和连接到控制器且连接到发动机输出的转速传感器；并且 其中，传感器是排放物检测器。
7. 如权利要求6所述的系统，还包括连接到控制器且连接到发动机 的致动器单元。
8. 如权利要求7所述的系统，其中，控制器用于使检测到的转速 达到由发动机的踏板位置设定的目标转速。
9. 如权利要求8所述的系统，其中 控制器可向致动器单元发送信号；和 所述信号包括正时、燃油量和/或多次喷油事件。
10. —种控制发动机排放的方法，包括 检测发动机排气中的NOx; 才全测排气中的PM;和控制供给发动机的燃油以最小化排气中的NOx和PM。
11. 如权利要求IO所述的方法，还包括 检测发动机输出转速；和 根据转速设定控制发动机输出转速。
12. 如权利要求11所述的方法，其中，NOx和PM量保持在设定 限制内。
13. 如权利要求12所述的方法，其中，控制给发动机的供油可包括正时、燃油量和/或多次喷油事件。
14. 一种控制发动机排放的装置，包括 连接到发动机的控制燃油的装置；和连接到控制燃油的装置的检测发动机排放中的排放物的装置。
15. 如权利要求14所述的装置，其中，控制燃油的装置可控制排 气中的排放物量。
16. 如权利要求15所述的装置，还包括 检测发动机转速的装置；和 根据转速设定控制发动机转速的装置；并且其中，控制转速的装置连接到用于检测的装置和控制燃油的装置。
17. —种排放物控制系统，包括 控制器；和连接到控制器的排放物检测器；并且其中，控制器至少部分地用于根据来自排放物检测器的排放物指示 调整发动机的至少一个参数。
18. 如权利要求17所述的系统，其中，控制器连接到发动机。
19. 如权利要求18所述的系统，还包括 连接到控制器的在发动机输出处的转速传感器；和 连接到控制器的转速设定机构。
20. 如权利要求19所述的系统，其中，排放物检测器可检测NOx 和PM。
21. 如权利要求20所述的系统，其中，对发动机输出处检测到的 转速，NOx和PM排放物可受控制器的影响。
22. —种发动^L控制系统，包:fe: 控制器；和连接到控制器的排放物检测器；并且动机的至少一个参数。
23. 如权利要求22所述的系统，其中，控制器包括查询表。
24. 如权利要求23所述的系统，其中，查询表是用多参数混合算 法计算的。
25. 如权利要求22所述的系统，其中，控制器包括一个或多个随时间变化的排放控制约束条件。
26. 如权利要求22所述的系统，其中，控制器包括一个或多个比 例-积分-微分(PID)控制回路。
27. 如权利要求22所述的系统，其中，控制器包括一个或多个预 测约束控制回路。
28. 如权利要求27所述的系统，其中，预测约束控制回路中的至 少一个包括史密斯预测器。
29. 如权利要求22所述的系统，其中，控制器包括一个或多个多 参数控制回路。
30. 如权利要求22所述的系统，其中，控制器包括一个或多个基 于^^型的预测控制回路。
31. 如权利要求22所述的系统，其中，控制器包括一个或多个动 态矩阵控制回^各。
32. 如权利要求22所述的系统，其中，控制器包括一个或多个统 计处理控制回路。
33. 如权利要求22所述的系统，其中，控制器包括基于认知的专 家系统。
34. 如权利要求22所述的系统，其中，控制器包括神经网络。
35. 如权利要求22所述的系统，其中，控制器包括模糊逻辑。
全文摘要
一种用于控制向发动机供油以最小化发动机排气的排放物的系统。具有连接到发动机的致动器(28)例如燃油控制致动器且连接到排放物检测器(23、24)例如靠近发动机排气输出的NOx和/或PM传感器的控制器(22)。控制器，例如转速控制器，具有输入，该输入连接踏板或期望转速设定装置的输出。发动机动力输出处的转速传感器(18)连接到控制器的输入。
文档编号F02D41/14GK101321941SQ200680038092
公开日2008年12月10日 申请日期2006年8月18日 优先权日2005年8月18日
发明者G·E·斯图尔特, M·L·罗德斯 申请人:霍尼韦尔国际公司