专利名称：用于诊断柴油发动机气体流动控制系统错误状态的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于诊断用于柴油发动机的气体流动控制系统的错误状态的系统。
背景技术：
自20世纪90年代以来，共轨系统或者存储喷射系统被引入用于客车的柴油发动机。然而，共轨喷射的使用不局限于客车，而是其也包括重型柴油发动机，例如船用发动机。 共轨喷射使用带有相应出口的普通高压存储给汽缸提供燃料。共轨喷射优化了燃烧过程和发动机运行并减少了颗粒排放。由于一直到2000bar的非常高的压力，燃料被雾化的非常细小。因为小的燃料滴具有高的表面积，所以燃烧过程被加速，排放颗粒的颗粒尺寸减小。此外，压力产生和喷射过程的分离允许用于通过使用控制单元，例如发动机控制单元 (ECU)，内的特征图进行电控的喷射过程。ECU也可以用于监测空气调节控制机构的功能，针对在其操作过程中可能发生的错误或失效。错误识别在美国和欧洲车载诊断要求上是强制的。共轨喷射系统可以与涡轮增压相结合以提供更多驾驶舒适性，特别是对于客车中的柴油发动机。然而，当在有过量氧的环境中发生燃烧时，峰值燃烧温度增加，其导致多于排放如氮氧化物(NOx)的形成。当涡轮增压用于增加新鲜空气流动量时，并因此增加了在燃烧室内氧和氮的浓度，当在燃烧活动过程中或者之后温度高时，这些排放增加。一项用于减少多余排放如NOx的已知技术包括为了随后燃烧将化学惰性气体引入到新鲜空气流中。因此，在燃烧混合物中的氧浓度被减少，燃料燃烧减慢，峰值燃烧温度相应减少，NOx的产生减少。引入化学惰性气体的一个方法是通过使用所谓的废气再循环 (EGR)系统。EGR操作一般不要求在所有发动机操作条件下，已知的EGR系统相应的包括阀， 通常称为EGR阀，用于控制引入到进气总管内的废气。通过车载的微控制器的使用，EGR阀的控制典型上是以通过多个发动机操作传感器提供的信息为函数来实现。为了实现废气再循环，高压和低压EGR系统单独使用或者组合使用。除EGR阀之外，用于现代涡轮增压的燃烧发动机的空气调节系统已知包括一个或者多个辅助的或者可替代的空气调节控制机构，用于修改涡轮增压机的临界流量和/或效率。例如，空气调节系统可以包括布置在涡轮增压机涡轮的入口和出口之间的废气门，以选择性发送废气围绕涡轮，并因此控制涡轮增压机的临界流量。可替代的或者另外的是，该系统可以包括排气节流阀，其布置在与涡轮增压器涡轮的上游或下游排气管道相对齐，以控制废气的有效流动区域并因此控制涡轮增压器的效率。涡轮增压器也可以包括可变几何涡轮，其用于通过控制涡轮的几何形状来控制涡轮增压器的临界流量。通过使用可变喷嘴环几何形状，涡轮增压器的操作范围和性能在操作过程中可以改变，以便为特点条件优化发动机性能。这种类型的涡轮增压器在例如稀燃气发动机中是有用的，在其中燃烧对气体质量和空气温度变化是敏感的。VTG技术也可用于重型柴油发动机，如火车或轮船发动机。然而，涡轮增压器对重载燃油发动机的操作条件是相当苛求的，VTG技术至少现在没有普遍用于重载燃油发动机。
发明内容
本申请的目的是为用于客车的涡轮增压发动机，特别是共轨涡轮增压的柴油发动机，的气体流动控制系统提供改进的故障诊断。本申请公开了燃烧发动机评价单元，其包括微控制器用于接收来自燃烧发动机气体流动控制系统的测量信号，和用于输出表示气体流动控制系统状态的状态信号。微控制器包括用于接收第一组测量信号的输入端口，该测量信号包括至少高压废气再循环阀下游的进气压力、高压废气再循环阀下游的进气温度和空气过滤器下游的进气空气流动速率。此外，微控制器也包括输入端口，用于接收第二组测量信号，其包括至少马达旋转速度和瓣阀(flap valve)位置信号。瓣阀位置信号可以通过瓣阀控制信号或者也可通过在瓣阀处的位置传感器来提供。瓣阀对于控制进入发动机缸内的进气运动是有用的。其优点是观察空气流量以识别在空气流动路径中的泄露和/或阻塞。为了精确确定气流速率， 根据本申请使用瓣阀的位置作为故障识别系统的输入是有优点的，该系统是以根据本申请的空气质量流的计算为基础的。微控制器此外还适合于基于第一组测量信号，通过使用气体流量模型计算第一组预测值，并适合于基于第二组测量信号通过使用名义模型计算第二组预测值。第一组预测值与第二组预测值的比较可以通过至少一个技术上容易实现的微分器来提供。优点是，为每个名义模型的预测值提供一个微分器。更特别的是，为了比较第一组预测值与第二组预测值，提供带有微分器的残差(residual)产生单元，微分器适合于产生残差，通过利用微分器从第二组预测值的相应值减去第二组预测值的值。微分器代替多个复杂单元的使用是本申请的优点。然而，预测值的比较也可以通过至少一个提供统计相关的相关器来提供。名义模型可以通过包括插值单元的名义模型单元来提供。更特别的是，插值单元可以通过半物理模型、神经网络、局部线性模型树模型(缩写为L0LIM0T或者LLM)、或者其它经验模型的实现来提供。特别的是，差值可以查表值为基础，查表值是在校准程序过程中以上述模型为基础预先计算的。微控制器还适合于以第一组预测值与第二组预测值的比较为基础产生状态信号。 状态信号表示是否错误条件出现，并可以接收“是/否”值或者甚至是可能性。根据本申请的气体流动控制系统提供可靠的故障组件的识别。根据本申请的故障零件的指示有助于避免污染和由带有故障组件驾驶导致的安全危险，并且通过及时更换故障组件延长了机械零件的寿命。此外，根据本申请的气体流动控制系统帮助服务人员快速识别故障原因。除了识别错误条件之外，气体流动控制系统也可以用于调整发动机控制，如燃油喷射或者阀打开的控制，以便甚至在降低机械零件性能的情况下维持功能。根据特定实施例，残差产生单元适合于从第一组测量信号和第二组测量信号产生空气效率残差。在更特殊的实现中，空气效率残差是以来自于第一组预测值的第一预测空气效率和来自于第二组预测值的第二预测空气效率的差值为基础，第二预测空气效率是以依赖于发动机速度、进气压力和瓣阀控制或各自的位置信号的查表值为基础。根据进一步的特定实施例，残差产生单元适合于从第一组测量信号和第二组测量信号产生气流振幅残差。在更特殊的实现中，第二组预测值包括EGR阀位置，气流振幅残差是以来自于第一组预测值的第一预测气流振幅和来自于第二组预测值的第二预测气流振幅的差值为基础。此外，第二预测气流振幅是以依赖于发动机速度、进气压力、进气温度和 EGR阀位置的查表值为基础。EGR阀位置可以对应于高压或低压EGR阀，并且该位置可以来源于促动器指令信号或者也来源于位置传感器信号。根据进一步的特定实施例，残差产生单元适合于从第一组测量信号和第二组测量信号产生压力振幅残差。在更特殊的实现中，第二组预测值包括EGR阀位置，压力振幅残差是以来自于第一组预测值的第一预测压力振幅和来自于第二组预测值的第二预测压力振幅的差值为基础。此外，第二预测压力振幅是以依赖于发动机速度、进气压力、进气温度和 EGR阀位置的查表值为基础。根据进一步的特定实施例，第一组测量信号还包括EGR阀上游的废气压力和EGR 阀温度，并且其中残差产生单元适合于从第一组测量信号和第二组测量信号产生至少一个气流残差。在更特殊的实现中，至少一个气流残差是以来自于第一组预测值的第一预测质量流(mass flow)和来自于第二组预测值的第二预测质量流的差值为基础。此外，第二预测质量流是以依赖于发动机速度、EGR再循环阀下游的压力和瓣阀的指令信号的查表值为 ■石出。根据进一步的特定实施例，至少一个气流残差是以来自于第一组预测值的第一预测质量流和来自于第二组预测值的第二预测质量流的差值为基础，并且其中第二预测质量流是以发动机速度、来自于拉姆达(lambda)或者氧传感器的测量值和喷射的燃油体积为 ■石出。为了评价残差，可以提供死区单元用于如果残差在下限和上限之间时将残差设定为零。优点在于下限和上限是以操作点为基础，如发动机旋转速度、EGR位置信号、瓣阀位置信号。特别的是，操作点可依赖于发动机速度和燃料流动速率。此外，本申请公开了包括上述的燃烧发动机评价单元的发动机控制单元，其中发动机控制单元的输入端口连接到燃烧发动机评价单元的输入端口，发动机控制单元的输出端口连接到燃烧发动机评价单元的输出端口。此外，本申请也公开了包括涡轮增压器、气流控制系统和上述的发动机控制单元的燃烧发动机，其中气流控制系统的传感器输出和促动器输入连接到发动机控制单元。本申请也公开了带有上述燃烧发动机的动力系统，其中燃烧发动机的曲轴连接到动力系统的输入轴，和带有上述动力系统的车辆，其中动力系统连接到车轮。
在下文中，本申请将参考附图进行进一步详细的解释，其中图1显示用于涡轮柴油发动机的气流控制系统的示意图；图2说明气流控制系统的错误条件；图3说明用于HP-EGR循环的残差产生单元；图4说明用于LP-EGR循环的残差产生单元；图5说明用于评价残差的决策逻辑和错误显示；图6说明决策逻辑的神经网络；
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图7说明对于不同操作点的发动机速度和发动机扭矩的图；图8说明用于涡轮增压器轴的速度的名义模型图；图9说明残差评价的流程图；图10显示参数空间的分割；图11说明用于残差下和上阈值的定义程序；图12更详细的说明了根据图9的残差评价；图13显示残差产生单元的更详细的视图。
具体实施例方式在下面的描述中，提供细节以描述本申请的实施例。其对本领域技术人员将是很明显的，然而，没有这些细节实施例也可以实施。图1显示用于涡轮柴油发动机11的气流控制系统10的示意图。柴油发动机11的曲轴连接到动力传动系统，其连接到车轮8。为了简化，曲轴和动力传动系统在图1中未显示。在柴油发动机11的进气口 12和进气口 9之间，气流控制系统10包括空气过滤器13、 热膜(HFM)空气质量流传感器14、进气节流阀1、涡轮增压器16的压缩机15、进气空气冷却器17和进气空气节流阀18。在柴油发动机11和废气出口 19之间，气流控制系统10包括涡轮增压器16的废气涡轮20、带有柴油氧化催化剂(DOC)的柴油颗粒过滤器(DPF) 21和废气节流阀22。气流控制系统10包括高压废气再循环(HP-EGR)回路23。在柴油发动机11的废气出口 M和柴油发动机11的进气口 9之间，HP-EGR回路23包括旁路分支25、HP-EGR冷却器^、HP-EGR阀27和再循环分支观。此外，低压废气再循环(LP-EGR)回路38在DPF21 和压缩机15之间被提供。LP-EGR回路38包括LP-EGR冷却器6和LP-EGR冷却器6下游的 LP-EGR 阀 7。进气空气冷却器17和进气空气节流阀18的下游，进气总管分叉到发动机11的缸。该缸包括带有涡流瓣阀3的第一进气道2和第二进气道3。为了简化，只有一组进气道 2、3被显示。在可替代实施例中，进气道2连接到再循环分支观，进气道4连接到进气节流阀18。在这种情况下，废气的混合在缸的燃烧腔内发生。涡流瓣阀3连接到促动器，该促动器连接到E⑶89的指令线。为了简化，来自和到达柴油发动机11缸的管道没有分别表示。同样地，燃料管线没有显示。废气涡轮20和压缩机15通过压缩机轴四相连，压缩机轴四的旋转速度n_tc 通过圆形箭头来表示。废气涡轮具有可变几何形状，其通过控制信号sVTG来控制。废气涡轮20的可变几何形状通过可调整的涡流叶片30来实现，其由斜线所指。HP-EGR循环23和 LP-EGR循环的质量流速率通过相应的符号来表示，空气过滤器13上游的周围输入温度和压力由符号T_a和p_a来表示。在气流中传感器的不同位置由方形符号来表示。方形符号只是象征性的并不表示在传感器位置处气管的精确形状。第一传感器位置31和相应的温度T_1和压力p_l在HFM 空气质量流传感器14和压缩器15之间表示；第二传感器位置32和相应的温度T_2c和压力 P_2c在压缩器15和进气空气冷却器17之间表示；第三传感器位置33和相应的温度T_2ic 在进气空气冷却器17和进气空气节流阀之间表示；第四传感器位置34和相应的温度T_2i和压力p_2i在进气空气节流阀18和柴油发动机11的入口 9或者分别是HP-EGR阀27之间表示；第五传感器位置35和相应的温度T_3和压力ρ_3在柴油发动机11的出口 M和 HP-EGR冷却器沈或者分别是废气涡轮20之间表示；第六传感器位置36和相应的温度Τ_4 和压力Ρ_4在废气涡轮20和DPF21之间表示；第七传感器位置37和相应的温度Τ_5和压力ρ_5在DPF21和废气节流阀22之间表示。废气节流阀22的下游有催化剂和废气消音器，其在图1中未显示。气流控制系统10没有低压EGR循环38也可以实现。此外，HP-EGR循环23可以被单独提供用于汽缸或者汽缸组。在废气节流阀22的上游可以提供NOx储存催化剂(NSC)。图2更详细的显示了在带有根据本申请EGR的涡轮柴油发动机中发生的8个错误条件。ECU单元89被显示，其被提供用于评价残差、接收传感器和促动器信号和输出指令信号。在图2中，通过环形的标号来加标签。当发动机11的漏气管(blow-by tube)有泄漏或者丢失时，给出漏气错误条件 (1)，其以在测量位置31处的测量为基础进行确定。漏气管在图2中未显示。它用来让由于故障和/或由于漏缸进入到曲轴箱中的废气从曲轴箱中逸出。废气可以被吹出或者再循环。漏气错误条件导致由时间导数d/dt(m_leak(t))表示的泄漏质量流速率。中间冷却器泄漏错误条件O)，其以在测量位置34处的测量为基础来确定，是由在压缩器15和涡轮增压器18之间的中间冷却器17之后的泄漏来给出。相应的泄漏质量流速率由d/dt (m_leak) 表示。中间冷却器限制错误条件(3)，其当中间冷却器17的下游有限制时发生，是以在测量位置33处的测量为基础确定的。涡流瓣阀位置错误条件(4)是以在测量位置34处的测量为基础确定的。瓣阀或者片状阀，其在图1和2中未显示，位于缸的进气道，并且通过从ECU接收瓣阀指令信号的共同的促动器来促动。瓣阀用于将HP-EGR循环23的废气混合进入缸的燃烧气体中。在简化的图1和2中，瓣阀的位置在再循环分支观处。EGR位置错误条件(5)在HP-EGR阀27处表示。其可以通过在HP-EGR阀27处的直接位置测量或者以在测量位置35和34处的测量为基础来确定。废气泄漏错误条件(6) 是以在测量位置35处的测量为基础来确定的。相应的泄漏质量流速率由d/dt(m_leak)表示。HFM高(7)和HFM低⑶错误条件在热膜气流计14处表示。它们分别相应于太高或太低的气流测量。图3显示残差产生单元100，其用于为高压EGR操作产生残差。左侧表示来自于第一组和第二组测量值的输入值，其作为用于子模型单元的输入值来使用。子模型单元每个包括名义或半物理模型单元和物理模型单元。名义模型单元如图13所示。输入值将在下面进行解释。T_3/T_EGR意味着温度值T_3和T_EGR可以替换地或组合使用，例如为节省在EGR阀27处的传感器使用在测量位置35处的传感器来代替，或者为了使用两个值代替一个值以便有通过冗余的容错。图4显示残差产生单元100’，其基本上与残差产生单元100相同，但是其使用 LP-EGR循环38的测量值来代替HP-EGR循环23的输入值p_3、s_EGR、T_3/T_EGR，其中dp_ LEGR是跨过LP-EGR阀的压力差、s_LEPGR是LP-EGR阀控制信号、T_aDPF是DPF21下游和 LP-EGR冷却器上游的温度、T_LPEGR是LP-EGR冷却器6下游和LP-EGR阀7上游的温度。 此外，T_aDPF可以用于替代或与T_LPEGR相组合。除HP-EGR循环23之外，低压EGR循环38可以使用。更好的是，图3的流程图应用到高压操作模式，其中HP-EGR阀打开、LP-EGR阀关闭，图4应用到低压操作模式，其中HP-EGR阀关闭、LP-EGR阀打开。残差产生单元100、100’的操作现在将进行更详细的解释。用于空气流动效率入_ a,也称为容积效率的残差根据下式计算
权利要求
1.一种燃烧发动机评价单元，包括微控制器，其用于从燃烧发动机的气体流动控制系统接收测量信号和用于输出表示所述气体流动控制系统的状态的状态信号；所述微控制器包括用于接收至少下面的测量信号作为第一组测量信号的输入端口-高压废气再循环阀下游的进气压力；-高压废气再循环阀下游的进气温度；-空气过滤器下游的进气空气流动速率；所述微控制器还包括用于接收至少下面的测量信号作为第二组测量信号的输入端-马达旋转速度；-瓣阀位置信号；其中所述微控制器还适合于通过使用气体流量模型基于所述第一组测量信号来计算第一组预测值；其中所述微控制器还适合于通过使用名义模型基于所述第二组测量信号来计算第二组预测值；其中所述微控制器适合于基于所述第一组预测值和所述第二组预测值的比较来产生所述状态信号。
2.如权利要求1所述的燃烧发动机评价单元，其中带有微分器的残差产生单元被提供用于所述第一组预测值与所述第二组预测值的比较，并且其中所述微分器适合于通过利用所述微分器从所述第二组预测值的相应值减去所述第二组预测值的值来产生残差。
3.如权利要求2所述的燃烧发动机评价单元，其中所述残差产生单元适合于从所述第一组测量信号和所述第二组测量信号产生空气效率残差。
4.如权利要求3所述的燃烧发动机评价单元，其中所述空气效率残差是基于来自于所述第一组预测值的第一预测空气效率和来自于所述第二组预测值的第二预测空气效率的差值，并且其中所述第二预测空气效率是基于依赖于所述发动机速度、所述进气压力和所述瓣阀控制信号的查表值。
5.如权利要求2到4中一个所述的燃烧发动机评价单元，其中所述残差产生单元适合于从所述第一组测量信号和所述第二组测量信号产生气流振幅残差。
6.如权利要求5所述的燃烧发动机评价单元，其中所述第二组测量值包括EGR阀位置， 其中所述气流振幅残差是基于来自于所述第一组预测值的第一预测气流振幅和来自于所述第二组预测值的第二预测气流振幅的差值，并且其中所述第二预测气流振幅是基于依赖于所述发动机速度、所述进气压力、所述进气温度和所述EGR阀位置的查表值。
7.如权利要求2到6中一个所述的燃烧发动机评价单元，其中所述残差产生单元适合于从所述第一组测量信号和所述第二组测量信号产生压力振幅残差。
8.如权利要求7所述的燃烧发动机评价单元，其中所述第二组测量值包括EGR阀位置， 其中所述压力振幅残差是基于来自于所述第一组预测值的第一预测压力振幅和来自于所述第二组预测值的第二预测压力振幅的差值，并且其中所述第二预测压力振幅是基于依赖于所述发动机速度、所述进气压力、所述进气温度和所述EGR阀位置的查表值。
9.如权利要求2到8中一个所述的燃烧发动机评价单元，其中所述第一组测量信号还包括EGR阀上游的废气压力和EGR阀温度，并且其中所述残差产生单元适合于从所述第一组测量信号和所述第二组测量信号产生至少一个气流残差。
10.如权利要求9所述的燃烧发动机评价单元，其中所述至少一个气流残差是基于来自于所述第一组预测值的第一预测质量流和来自于所述第二组预测值的第二预测质量流的差值，并且其中所述第二预测质量流是基于依赖于所述发动机速度、所述EGR再循环阀下游的压力和所述瓣阀的指令信号的查表值。
11.如权利要求9所述的燃烧发动机评价单元，其中所述至少一个气流残差是基于来自于所述第一组预测值的第一预测质量流和来自于所述第二组预测值的第二预测质量流的差值，并且其中所述第二预测质量流是基于所述发动机速度、来自于拉姆达传感器的测量值和喷射的燃油体积。
12.—种发动机控制单元，其包括如前述权利要求中的一个所述的燃烧发动机评价单元，其中所述发动机控制单元的输入端口连接到所述燃烧发动机评价单元的输入端口，所述发动机控制单元的输出端口连接到所述燃烧发动机评价单元的输出端口。
13.一种燃烧发动机，其包括涡轮增压器、气流控制系统和如权利要求12所述的发动机控制单元，其中所述气流控制系统的传感器输出和促动器输入连接到所述发动机控制单兀。
14.一种动力系统，具有如权利要求13所述的燃烧发动机，其中所述燃烧发动机的曲轴连接到所述动力系统的输入轴。
15.一种车辆，具有如权利要求14所述的动力系统，其中所述动力系统连接到所述车辆的车轮。
全文摘要
一种诊断柴油发动机气体流动控制系统错误状态的系统。燃烧发动机评价单元，包括微控制器用于接收来自燃烧发动机气体流动控制系统的测量信号、用于输出表示气体流动控制系统状态的状态信号。微控制器包括输入端口，用于接收高压废气再循环阀下游进气压力、高压废气再循环阀下游进气温度和空气过滤器下游进气空气流动速率作为第一组测量信号。此外，微控制器包括输入端口，用于接收马达旋转速度和瓣阀控制信号作为第二组测量信号。微控制器适于计算第一组预测值，其通过使用气体流量模型，基于第一组测量信号，并适于计算第二组预测值，其通过使用名义模型，基于第二组测量信号。此外，微控制器适于产生状态信号，其基于第一组预测值与第二组预测值的比较。还涉及包括该评价单元的发动机控制单元以及包括该控制单元的发动机以包括该发动机的动力系统。
文档编号F02D45/00GK102444494SQ20111029605
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月28日 优先权日2010年10月5日
发明者A.西多罗, C.埃克, F.钱弗洛尼, G.兰德斯曼, R.艾瑟曼, U.康尼戈斯基 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司