专利名称：用于降低发动机扫气敏感度的方法
用于降低发动机扫气敏感度的方法
技术领域：
本发明涉及用于降低发动机扫气(scavenging)敏感度的方法。
背景技术：
可通过涡轮增压器或机械增压器增强发动机的性能。涡轮增压器或机械增压器压缩环境空气以增加进入发动机汽缸的空气的密度。汽缸捕集空气量(cylinder trappedair amount)增加，因为汽缸充气可以比非涡轮增压发动机的更密集。与非涡轮增压发动机相比这可允许更多燃料量喷射进发动机汽缸，因此使得扭矩增加。对于涡轮增压发动机可通过可变进气和/或排气门正时提供进一步的性能改善和排放减少。特别地，可调节涡轮发动机的进气和排气门以减少氮氧化物(NOx)的形成、增加发动机功率以及减少发动机泵送损失。在一些示例中，可以同时打开汽缸的进气和排气门以提供内部(例如汽缸内)排气再循环(EGR)或帮助将废气从汽缸排出并增加发动机输出。 例如，当进气和排气门同时打开时并且当发动机进气歧管压力低于发动机排气歧管压力时在发动机汽缸中可提供内部EGR。另一方面，当汽缸进气和排气门同时打开时并且当发动机进气歧管压力高于发动机排气歧管压力时可增加发动机输出功率。发动机进气歧管中的压缩空气能使排气从汽缸流入发动机排气歧管使得可以增加汽缸新鲜充气(例如空气和燃料)。然而，如果基于不正确的穿过汽缸的空气量或空气体积量调节发动机控制参数(例如火花正时)，可能会以不希望的方式调节发动机控制参数。此外，由于可能由不正确的汽缸捕集空气量或空气体积量导致的误差，依赖于汽缸捕集空气量而建模的系统(例如排气系统)的输出可能不会像希望的那样追踪尽可能接近实际的系统状况。
发明内容发明人在此已经意识到上述缺点并已经开发了一种运转发动机的方法，包括:响应于汽缸扫气空气量调节第一执行器，通过氧传感器校正汽缸扫气空气量；以及响应于汽缸捕集空气量调节第二执行器，除了扫气空气量之外还通过氧传感器校正汽缸捕集空气量。通过氧传感器校正汽缸捕集空气量和汽缸扫气空气量两者，可以改善与汽缸空气总流量关联的控制调节。此外，当通过氧传感器调节汽缸捕集空气量和汽缸扫气时可以补偿可能影响汽缸捕集空气量但是通过空气质量传感器或歧管绝对压力(MAP)传感器可能感测不到的状况。例如，不是基于汽缸循环期间穿过汽缸的空气质量总量或大部分空气质量调节火花正时，而可以基于反映参与燃烧的空气量的校正汽缸捕集空气量调节火花正时。此外，可响应于校正的汽缸扫气空气量调节汽缸的进气和排气门打开重叠。这样，可以分别校正并补偿汽缸循环期间参与燃烧的在汽缸循环期间流动穿过汽缸的空气量的分数(fraction)或部分。此外，通过氧传感器校正汽缸捕集空气量和汽缸扫气空气量可去除可能在仅使用空气质量流量传感器或歧管绝对压力(MAP)传感器确定汽缸捕集空气量和汽缸扫气空气量时存在的对于排气系统中的歧管压力和气门正时的改变的敏感度(sensitivities)。本发明可提供多个优点。特别地，本方法通过校正汽缸捕集空气量和汽缸扫气空气量可以减少车辆排放。此外，可以调节发动机执行器(比如凸轮轴相位执行器)以控制供应至排气后处理装置的扫气量使得可闭环控制扫气。此外，本方法可以调节排气歧管歧管压力的估算使得可以更精确地确定汽缸中的排气残留物。单独或结合附图阅读下面的具体实施方式
，本发明的上述优点和其它优点以及特征将变得显而易见。根据本发明的一个实施例，第一执行器是点火线圈，并且进一步包括响应于汽缸扫气空气量调节第二执行器，并且进一步包括基于校正的汽缸空气总量适应调节排气压力。根据本发明的一个实施例，第二执行器是凸轮轴执行器。根据本发明的一个实施例，进一步包括当汽缸扫气空气量小于希望的汽缸扫气空气量时增加进气门和排气门打开重叠以增加汽缸扫气空气量。根据本发明的一个实施例，通过氧传感器的输出校正流动穿过汽缸的校正的汽缸
空气总量。根据本发明，提供一种发动机运转系统，包括:发动机；与发动机通信的执行器；连接至发动机的涡轮增压器；连接至涡轮增压器的排气系统，排气系统包括氧传感器；控制器包括指令用于响应于`氧传感器的输出调节汽缸空气总量，控制器包括额外的指令用于基于汽缸空气总量提供校正的汽缸捕集空气量和校正的汽缸扫气空气量。根据本发明的一个实施例，进一步包括额外的指令用于响应于校正的汽缸捕集空气量调节汽缸的火花正时。根据本发明的一个实施例，进一步包括额外的指令用于响应于校正的汽缸扫气空气量调节气门正时。根据本发明的一个实施例，进一步包括额外的指令用于调节估算的排气流量。根据本发明的一个实施例，发动机包括两个汽缸组，其中汽缸空气总量应用到第一汽缸组中的汽缸，其中控制器包括额外的指令用于调节第二汽缸组中汽缸的汽缸空气总量，并且其中控制器包括额外的指令用于基于第二汽缸组中汽缸的汽缸空气总量提供校正的汽缸捕集空气量和校正汽缸扫气空气量。根据本发明的一个实施例，进一步包括额外的指令用于基于校正的汽缸空气总量适应调节排气压力参数。应理解，提供上述概要用于以简化形式引入一系列原理，其将在具体实施方式
中进一步进行描述。这并不意味着识别所要求保护的主题的关键或实质特征，所要求保护的主题的范围唯一地由权利要求书确定。此外，所要求保护的主题并不局限于解决上文或本说明书中任意部分所提到的缺点的实施方式。
图1显示了发动机的示意描述；图2显示了以恒定转速运转的发动机的模拟的进气MAP相对于汽缸捕集空气量的关系;图3显示了以恒定转速运转的发动机的模拟的进气MAP相对于平均指示有效压力(IMEP, indicated mean effective pressure)的关系；图4显示了模拟的排气MAP相对于排气流量的关系；图5显示了用氧传感器校正汽缸捕集空气量和汽缸扫气的控制框图；以及图6显示了用氧传感器校正汽缸捕集空气量和汽缸扫气的高级流程图。
具体实施方式本发明涉及校正发动机汽缸的汽缸捕集空气量和汽缸扫气。校正的汽缸捕集空气量和汽缸扫气空气量可用于调节发动机执行器的状态。图1显示了用于确定以及校正汽缸捕集空气量和汽缸扫气空气量的一个示例系统。该系统包括用火花点火的空气与汽油、醇或者汽油和醇混合的混合物而运转的涡轮增压器。然而，在其它示例中发动机可以是压缩点火发动机，比如柴油发动机。图2和图3显示了发动机背压的改变怎样影响MAP相对于汽缸捕集空气量/IMEP的关系。图4显示了涡轮增压器废气门或叶片的位置可以怎样影响发动机背压。图5显示了用于校正汽缸捕集空气量和汽缸扫气的框图。图6显示了用于校正汽缸捕集空气量和汽缸扫气空气量的示例方法。参考图1，通过电子发动机控制器12控制包括多个汽缸(图1只显示了一个汽缸)的内燃发动机10。发动机10包括燃烧室30和活塞36位于其中并连接至曲轴40的汽缸壁32。燃烧室30显示为分别通过进气门52和排气门54与进气歧管44和排气歧管48连通。可通过进气凸轮51和排气凸轮53操作每个进气门和排气门。可替代地，可通过机电控制的阀线圈和电枢总成操作进气门和排气门中的一个或多个。可通过凸轮相位执行器59和69调节进气凸轮51和排气凸轮53的相位。可通过进气凸轮传感器55确定进气凸轮51的位置。可通过排气凸轮 传感器57确定排气凸轮53的位置。燃料喷射器66显示为设置用于直接将燃料喷射进汽缸30，本领域内的技术人员称为直接喷射。可替代地，可将燃料喷射至进气道，本领域内的技术人员称为进气道喷射。燃料喷射器66与来自控制器12的信号FPW的脉冲宽度成比例地传输流体燃料。通过燃料系统(未显示)将燃料输送到燃料喷射器66，所述燃料喷射器包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨(未显不)。响应于控制器12的驱动器68向燃料喷射器66供应工作电流。另外,进气歧管44显示为和可选的电子节气门62连通，所述电子节气门通过调整节流板64的位置来控制来自进气增压室46的空气流量。排气旋转通过轴161连接至涡轮增压器压缩器162的涡轮增压器涡轮164。压缩器162从空气进气道42吸取空气提供给增压室46。这样，能使进气歧管44内的空气压力提升至高于大气压的压力。所以，发动机10可比自然进气式发动机输出更多动力。 无分电器点火系统88响应于控制器12通过火花塞92给燃烧室30提供点火火花。点火系统88能在每个汽缸循环期间给每个汽缸提供一个或多个火花。进一步地，响应于发动机工况，通过点火系统88提供的火花正时可相对于曲轴正时提前或推迟。通用或宽域排气氧(UEGO)传感器126显示为和排气后处理装置70上游的排气歧管48相连。可替代地，双态排气氧传感器可代替UEGO传感器126。在一些示例中，排气后处理装置70是微粒过滤器和/或三元催化剂。在其它示例中，排气后处理装置70是单独的三元催化剂。图1中控制器12显示为常规微型计算机，包括:微处理器单元102、输入/输出端口 104、只读存储器106、随机存取存储器108、不失效(ke印alive)存储器110和常规数据总线。控制器12显示为接收来自和发动机10相连的传感器的各种信号，除了上文讨论的那些信号，还包括:来自和冷却套筒114相连的温度传感器112的发动机冷却液温度(ECT);和加速踏板130相连的用于感应通过脚132调整的加速踏板位置的位置传感器134的信号；用于确定尾气点火的爆震传感器(未不出)的信号；来自和进气歧管44相连的压力传感器121的发动机歧管压力(MAP)测量值；来自和增压室46相连的压力传感器122的增压压力测量值；来自感应曲轴40位置的霍尔效应传感器118的发动机位置传感器信号；来自传感器120 (例如热线式空气流量计)的进入发动机的空气质量的测量值；来自传感器58的节气门位置的测量值。也可感应大气压力(传感器未示出)用于由控制器12处理。在本发明的优选方面，发动机位置传感器118在曲轴每个旋转时产生预订数目的等距脉冲，根据其可确定发动机转速(RPM)。在一些示例中，在混合动力车辆中发动机可连接至电动马达/电池系统。混合动力车辆可包括并联构造、串联构造，或其变型或组合。此外，在一些实施例中，可采用其它发动机配置，例如柴油发动机。在运转期间，发动机10内的每个汽缸通常经历四冲程循环:循环包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。在进气冲程中，通常排气门54关闭且进气门52打开。空气通过进气歧管44流入燃烧室30，并且活塞36移动到汽缸的底部以便增加燃烧室30内的容积。本领域技术人员通常将活塞36接近汽缸的底部并且在其冲程的终点时(例如当燃烧室30处于最大容积时)所处的位置称为下止点(BDC)。在压缩冲程期间，进气门52和排气门54关闭。活塞36向汽缸的顶部运动以便压缩燃烧室30内的空气。本领域技术人员将活塞36处于其冲程的终点并且接近汽缸的顶部时(例如当燃烧室30处于最小容积时)所处的位置称为上止点(TDC)。在下文称为喷射的过程中，将燃料引入燃烧室。在下文称为点火的过程中，通过已知的点火装置(例如火花塞92)点燃喷射的燃料致使燃烧。在膨胀冲程期间，膨胀的气体将活塞36推回至下止点。曲轴40将活塞的运动转换为旋转轴的旋转扭矩。最后，在排气过程期间，排气门54打开以将燃烧过的空气燃料混合物释放至排气歧管48，并且活塞回到上止点。需要指出的是上文仅描述为实施例，并且进气门、排气门的打开和/或关闭正时可以改变，例如以提供正气门重叠或负气门重叠、推迟进气门关闭，或多种其它的示例。从而，图1中的系统提供了一种发动机运转系统，其包括:发动机；与发动机通信的执行器；连接至发动机的涡轮增压器；连接至涡轮增压器的排气系统，该排气系统包括氧传感器；控制器，其包括指令用于响应于氧传感器的输出而调节汽缸空气总量，控制器包括额外的指令用于基于汽缸空气总量提供校正的汽缸捕集空气量和校正的汽缸扫气空气量。发动机运转系统进一步包括额外的指令用于响应于校正的汽缸捕集空气量而调节汽缸的火花正时。在一些示例中，发动机运转系统进一步包括额外的指令用于响应于校正的汽缸扫气空气量调节气门正时。发动机运转系统进一步包括的额外的指令用于基于氧传感器的输出提供当量比(equivalence ratio)校正量。发动机转动系统进一步包括额外的指令用于调节估算的排气流量。发动机运转系统包括其中发动机包括两个汽缸组，其中汽缸空气总量应用到第一汽缸组中的汽缸，其中控制器包括额外的指令用于调节第二汽缸组中汽缸的空气总量，并且其中控制器包括额外的指令用于基于第二汽缸组中汽缸的校正的汽缸空气总量提供校正的捕集空气量和校正的汽缸扫气空气量。现在参考图2，显示了以恒定转速运转的发动机的进气MAP相对于汽缸空气量的关系。X轴代表汽缸空气量并且汽缸空气量从图表的左侧向右侧增加。Y轴代表进气MAP并且MAP从X轴朝Y轴箭头方向增加。汽缸空气量代表在汽缸循环期间穿过汽缸的空气总量。所以，当发动机运转没有扫气时，汽缸捕集空气量等于汽缸空气总量。因此，全部的汽缸空气量参与汽缸内的燃烧。扫气状况期间汽缸空气总量包括参与燃烧的汽缸捕集空气量和没有参与汽缸内燃烧的汽缸扫气空气量。曲线202代表当涡轮增压器废气门处于第一位置时相对于汽缸空气总量的进气MAP。如图所示汽缸空气总量随MAP的增加而增加。在第一位置时，废气门处于完全关闭的位置。曲线204代表涡轮增压器废气门处于第二位置时相对于汽缸空气总量的进气MAP。曲线204的轨迹在初期和曲线202的相同，但是汽缸空气量开始增加之后，对于相等的MAP增量与曲线202相比曲线204的汽缸空气量以更高的速率增加。在第二位置时，废气门处于完全打开的位置。箭头206显示了 MAP相对于汽缸空气量图谱的一个区域，其中在曲线202和曲线204之间穿过汽缸的空气总量存在16%的平均差异(mean difference)。因此，当发动机以箭头206的MAP水平运转时如果不校正汽缸空气量可能会导致发动机空燃比16%的误差。因此，从曲线202和204可以看出排气歧管压力可以影响基于MAP的汽缸空气量的估算。此外，排气歧管压力可影响基于通过发动机进气系统中空气质量流量传感器确定的汽缸空气量的MAP的估算。所以，可能希望校正流动穿过汽缸的形成发动机排气歧管压力的空气。然而，通过简单地监测MAP或空气质量流量(MAF)，与排气背压关联的汽缸捕集空气量的不精确性可能不是很明显。另一方面，排气氧传感器可探测在发动机排气中是否存在过量的氧。并且，发动机排气中是否存在过量的氧可以指示引起发动机扫气增加或减小的发动机背压的改变。因此，氧传感器的输出可以是用于校正穿过汽缸的空气量的基础。现在参考图3，显示了以恒定转速运转的发动机的IMEP相对于汽缸捕集空气量的关系。X轴代表汽缸頂EP并且汽缸MEP从图谱的左侧向图谱的右侧增加。Y轴代表进气MAP并且MAP从X轴朝Y轴箭头方向增加。MEP可关联于参与在汽缸内燃烧的缸内空气量。汽缸捕集空气和MEP的关系接近线性并且可表述为斜率和偏置(offset)的方程式。曲线302代表当涡轮增压器废气门处于第一位置时相对于汽缸MEP的进气MAP。如图所示汽缸頂EP随MAP的增加而增加；然而，当存在扫气时MEP不再继续增加。在第一位置时，废气门处于完全关闭的位置。曲线304代表当涡轮增压器废气门处于第二位置时相对于汽缸MEP的进气MAP。曲线304的轨迹在初期和曲线302的相同，但是在曲线304中，对于相等的MAP增量与曲线302相比汽缸MEP以更高的速率增加。在第二位置时，废气门处于完全打开的位置。箭头306显示了 MAP相对于汽缸MEP图谱的一个区域，其中在曲线302和曲线304之间存在12%的平均差异。因此，当发动机以箭头306的MAP水平运转时如果不校正汽缸捕集空气量可能会提供12%误差的发动机扭矩估算。因此，曲线302和304，确定汽缸中参与燃烧的空气量(例如汽缸捕集空气量)会受到发动机排气歧管绝对压力(排气MAP)的变化影响。所以，可能希望校正由MAP或MAF传感器确定的汽缸捕集空气量。现在参考图4，显示了排气MAP相对于排气流量的图谱，该排气流量等于汽缸空气总流量和喷射的燃料的总和。可能希望精确地对排气MAP建模使得可精确地确定汽缸内燃料的气体稀释(例如EGR)。此外，在一些示例中，可能需要精确的稀释估算用于控制涡轮增压器废气门的位置使得可将希望的发动机空气流量提供至发动机而发动机排气压力被控制在阈值量之下。这样，可保持发动机效率。曲线402代表排气MAP相对于排气流量的数据。曲线404代表从曲线402的数据回归的曲线。因此，可通过曲线404代表曲线402的数据使得可以用简单的形式表示相对于排气流量的排气MAP。曲线402和404代表当涡轮增压器废气门完全关闭时相对于排气流量的排气MAP。曲线406代表相对于排气流量的排气MAP的数据。曲线408代表从曲线406的数据回归的曲线。因此，可通过曲线408代表曲线406的数据使得可以用简单的形式表示相对于排气流量的排气MAP。曲线406和408代表当涡轮增压器废气门完全打开时相对于排气流量的排气MAP。因此，从图4可得知在一些发动机工况其间排气背压可能显著增加。在一些示例中，曲线404和408可以是用于确定排气压力适用的极限的界限。现在参考图5，显示了通过氧传感器校正汽缸捕集空气量和汽缸扫气空气量的控制框图。可通过图1中显示的系统中的控制器12执行根据图5中的框图用于校正汽缸捕集空气量和汽缸扫气的指令。在502处，框图500中显示的控制器用发动机燃烧的燃料的化学计量空燃比(例如对于汽油为14.64)的倒数(1/AFS)乘以汽缸空气总流量(例如在汽缸循环期间流动穿过汽缸的空气总量)。在504处，用希望的当量比乘以502处的输出以提供开环燃料量fuel_ol。当量比定义为用混合物的空燃比(质量比)除以化学计量混合物的空燃比。化学计量混合物的当量比为1.0 ;稀化的混合物的值小于1.0 ;而富化的混合物的值高于1.0。在508处，汽缸空气总流量和发动机转速用于索引输出用于改善催化剂效率的经验确定的燃料调整值的表格。例如，如果发动机以1500转每分运转而汽缸空气流量为
2.0χ10_3磅(lb-mass)，可确定希望以0.5Hz的频率将汽缸的空燃比振荡0.3倍空燃比(大约2%)。给定汽缸空气总量时508处的输出提供燃料调节以振荡发动机空燃比。在506处将508处的输出添加至504处的输出。控制器框图500的闭环部分包括求和节点514，在514处从希望的(dsd)中减去由UEGO传感器126测量的实际的以提供项tHm。可以凭经验确定希望的并存储在可以用发动机转速和负荷索引的存储器中。控制器500的闭环部分还显示为具有框516处的基于taim的比例和积分(PI)调节。来自框516的比例和积分调节(fuel_trim)以及来自504处的开环燃料量(fuel_ol)和来自508处的催化剂调节燃料(catalyst modulation fuel)的总和在510处相加在一起以基于在汽缸循环期间流动穿过汽缸的汽缸空气总量确定将要提供至发动机汽缸的燃料量。在518处，将要提供至发动机汽缸的燃料量转换为燃料喷射器脉冲宽度用于驱动燃料喷射器。在一个示例中，将燃料量与燃料脉冲宽度相关联的燃料喷射器转移函数(transfer function)储存在存储器中并通过燃料量索引。转移函数通过燃料量索引并且将燃料脉冲宽度输送至向发动机10的汽缸供应燃料的燃料喷射器。发动机排出燃烧副产物，其中通过UEG0126采样该燃烧副产物用于确定希望的燃料量是否匹配于确定的将要流动穿过汽缸的空气总量。注意可以通过MAP传感器或MAF传感器确定流动穿过汽缸的空气总量。在522处，控制器500判断发动机是否以扫气状况运转。在一个示例中，逻辑地组合选择的发动机工况以确定 是否存在扫气。作为示例，可通过以下逻辑确定扫气:
权利要求
1.一种用于运转发动机的方法，包括: 响应于汽缸扫气空气量调节第一执行器，通过氧传感器校正所述汽缸扫气空气量；以及 响应于汽缸捕集空气量调节第二执行器，除所述汽缸扫气空气量之外还经由所述氧传感器校正所述汽缸捕集空气量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一执行器是气门正时执行器而其中所述第二执行器是向所述发动机提供火花的点火线圈。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一执行器是电子控制的节气门而所述第二执行器是涡轮废气门。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述汽缸扫气空气量和所述汽缸捕集空气量基于汽缸空气总量。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于校正的汽缸捕集空气量调节发动机指示的扭矩。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括响应于发动机转速、MAP、气门重叠和涡轮增压器废气门位置确定汽缸扫气的存在。
7.根据权利要求6所述的方法，其中气门重叠是当汽缸的进气和排气门同时打开时的期间，并且其中在有益于扫气的发动机工况期间调节汽缸扫气空气量和所述汽缸捕集空气量。
8.一种用于运转发动机的方法，包括: 响应于在汽缸循环期间流动穿过汽缸的校正的汽缸空气总量调节燃料喷射正时； 基于流动穿过所述汽缸的所述校正的汽缸空气总量调节汽缸捕集空气量； 基于流动穿过所述汽缸的所述校正的汽缸空气总量调节汽缸扫气空气量；以及响应于所述汽缸捕集空气量调节第一执行器。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括响应于所述汽缸扫气空气量调节排气参数，并且其基于氧传感器的输出调节所述汽缸捕集空气量和所述汽缸扫气空气量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述排气参数是排气放热。
全文摘要
本发明公开了一种通过运用氧传感器在扫气期间校正汽缸空气总流量的方法。此外，基于校正的汽缸空气总流量调节汽缸捕集空气量和汽缸扫气空气量。该方法还减小了汽缸空气流量估算和提供用于燃烧的燃料之间的敏感度。
文档编号F02D43/00GK103161597SQ201210548559
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月17日 优先权日2011年12月15日
发明者M·J·扬科维奇, A·Y·卡尼克 申请人:福特环球技术公司