废气再循环控制方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及用于废气再循环的控制系统和方法，更具体地，涉及用于在发动机运 转的瞬态循环期间控制废气再循环阀以改进燃料消耗效率的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 传统上，许多内燃发动机通常设有废气再循环（"EGR"）系统，以使废气的一部分 再循环至进气通道，以控制排放并通过降低最高燃烧温度来抑制NO x的生成，并且通过减 少泵送损失来改进燃料消耗。在这种EGR系统中，用于控制再循环废气的流量的再循环控 制阀通常定位在内燃发动机的气缸盖处或定位在气缸盖附近。此外，再循环废气入口形成 在内燃发动机的排气歧管或排气管内，其中流过排气通道的废气的一部分被抽吸而通过入
[0003] 最近，在一些发动机设计中，因为经冷却的EGR的补入会显著减小发动机的爆震 倾向，从而提高发动机压缩比的可能性，以及改进燃烧相位和燃烧循环的效率的机会，因而 经冷却的EGR可用于提高燃料效率。将先进的燃烧相位与提高的燃料-空气混合物的比热 相结合，导致燃烧温度的显著降低，这减小了即使在最高功率水平下对富混合物的需求。
[0004] 图1(现有技术）中示出示例性EGR系统的框图。如图所示，EGR系统包括用于机 动车辆的四冲程发动机1，该四冲程发动机由包括燃料和空气的气体混合物的燃烧供以动 力。具体地，进气管线2 (即进气流道）连接到发动机1并设置为将空气供给至发动机1。 此外，设置有进气歧管10,进气管线2从该进气歧管延伸。如对于本领域内的技术人员而言 已知的那样，进气歧管10接收来自外部的由空气清洁器3(例如空气过滤器）过滤过的空 气，该空气净化器用以移除外部空气中所含有的灰尘，并用于经由进气歧管10将空气供应 到进气管线2。此外，设置节流阀5,用于调节供应至进气歧管10中的空气量，并且在进气 管线2上设置燃料喷射器4,用于将包括汽油的燃料喷射到发动机1内。可替换地，发动机 1可以具有燃料喷射器4'，该燃料喷射器定位在将燃料直接喷射至燃烧室或副燃烧室的位 置处。此外，排气管线6连接到发动机1，以排出由发动机1中的燃烧所生成的废气，并且净 化设备7 (例如催化转换器）定位在排气管线6的相对端处，以在废气被迫离开尾管（未示 出）之前对废弃进行净化。
[0005] 如进一步所示，发动机1包括燃烧室la、用于将进气管线2和燃烧室Ia之间的连 通通路封闭的进气阀lb、用于将排气管线6和燃烧室Ia之间连通通路封闭的排气阀lc，以 及在运转期间在燃烧室Ia中竖直移动的活塞Id。发动机1的运转对于本领域内的技术人 员而言是已知的，本文将不再对其进行重复。还应当了解，虽然仅示出了一个发动机气缸， 但是本文所预期的发动机配置用于四缸发动机、V6发动机、V8发动机等，在图1中示出单个 气缸仅用于示例的目的。
[0006] 系统的EGR部件包括EGR阀8、废气进气管线15、EGR管线16和控制单元18。废 气进气管线15从排气管线6延伸，并且设置为将废气传送到EGR管线16以使废气再循环 至进气歧管10。此外，控制单元18设置为通过响应于发动机运行状态输出控制信号而控制 EGR阀8。这种控制通常基于发动机运转状况，包括发动机冷却液的温度，发动机转数和喷 射器的打开程度（燃料喷射量）。一旦EGR阀响应于控制信号被打开（或其位置改变），则 废气流入EGR管线16中并通过进气歧管10和进气管线2返回至发动机燃烧室la。因此， 机动车辆的四冲程发动机1中的燃烧受到返回至燃烧室Ia的不易燃废气量的抑制。如上 文所讨论的，一些设计包括EGR冷却器17,其可设置在废气进气管线15上，以在废气被引入 进气歧管10中之前对其进行冷却。
[0007] 在常规的EGR系统中，假设采用瞬时响应EGR阀，则流入进气歧管10中的EGR质 量流率等于从进气歧管10流出并流入发动机1中的总质量流率乘以进气歧管中的期望的 质量分数。EGR质量流率可通过公式（1)数学地描述如下：
[0009] 其中：
[0010] -^是流入进气歧管中的EGR质量流率；
[0011] IAef是从进气歧管流出并流入发动机气缸中的总质量流率；以及
[0012] 父#是进气歧管中的期望的EGR质量分数。
[0013] 期望的EGR质量分数Xd^可变值，其由发动机制造商确定，以基于运转状况将燃 料消耗效率最大化。为了获得期望的EGR质量分数X de，由控制单元18电气致动EGR控制阀 以改变预定位置，以控制经由EGR管线16再循环回到进气歧管10中的废气量。如上文所 讨论的并如本领域技术人员已知的，EGR控制阀的位置将取决于发动机的运转状况而变化。
[0014] 一旦EGR控制阀被致动到所限定的位置且废气被引入到进气歧管10中，则进气歧 管10中的废气量（即EGR质量）与被引入通过进气管线的空气量成比例地增加或减小。进 气歧管中的当前EGR质量分数可通过公式（2)表示如下：
[0016] 其中：
[0017] Xee是进气歧管中的当前EGR质量分数；
[0018] me是进气歧管中的当前EGR质量；以及
[0019] ma是进气歧管中的当前空气质量。
[0020] 基于前述内容，应当理解，从进气歧管流出的EGR质量?是当前EGR质量分数 乂。6乘以总质量流率。该结果可通过公式（3)表示如下：
[0022] 其中：
[0023] 是从进气歧管流出的当前EGR质量流率;
[0024] Til0f是从进气歧管流出的总质量流率；以及
[0025] Xee是进气歧管中的当前EGR质量分数。
[0026] 当发动机在稳定状态下运转时，因为流入进气歧管中的EGR流率将是恒定的 并等于从进气歧管流出的EGR流率?Λσβ，因而当前EGR质量分数XJf等于期望的EGR质 量分数Xde。然而，在发动机的瞬态循环期间，例如，当在发动机加速或减速期间发动机负载 增加或减小时，EGR流率将响应于节流阀位置的变化而变化。大体上，进气歧管中的EGR质 量变化率可通过公式（4)表示如下：
[0028] 该公式由流入进气歧管中的EGR质量流率1^减去从进气歧管流出的EGR质量流 率而定义。因此，在发动机加速期间，节流阀打开，这导致从进气歧管流出的质量流率 增加，并且因此导致较高的EGR质量流率流入进气歧管中。可替换地，在发动机减 速期间，节流阀关闭，这有效地减小从进气歧管流出的总质量流率&，导致较低的EGR质 量流率Aie流入进气歧管中。
[0029] 接下来，进气歧管中的EGR质量变化率可通过将前述的公式（1)和（3)代入到公 式（4)中以得到下面的公式来进一步使用期望的EGR质量分数X dJP实际的EGR质量分数 Xwi来表示：
[0031] 其中：
[0032] 父#是进气歧管中的期望的EGR质量分数；
[0033] Xee是进气歧管中的当前EGR质量分数；
[0034] .是从进气歧管流出的总质量流率；以及
[0035]
:是进气歧管中的当前的EGR质量变化率。
[0036] 如上文所讨论的，当发动机在瞬态状态下运转时，例如当发动机加速或减速时，发 动机制造商通常将发动机设计成增加或减小EGR流量以使燃料消耗效率最大化。例如，如 图2 (现有技术）中所示，在大约17秒的标记处，发动机从低负载切换到高负载（即发动机 加速），并且期望的EGR流率EGR_des设计为从略微低于20克/秒增加至40克/秒。如上 所述，这是通过调节EGR控制阀的位置以增加流入进气歧管10中的EGR流率来实现的。此 外，如图2中所示在大约70秒的标记处，发动机负载切换至低负载（即发动机减速）并且 期望的EGR流率EGR_des相应地降低到初始流率。
[0037] 尽管期望的EGR流率EGR_des的变化几乎是瞬时的，但在常规的EGR系统中的实 际运转中，实际的EGR流率EGR_act在达到40克/秒的最大期望速率之前存在显著延迟。 该延迟在图2中也有示出，并且是传输延迟的结果。换言之，虽然EGR控制阀响应于发动机 负载的变化而瞬时（或接近瞬时）打开，但是此时实际进气歧管10中的废气量是相对低 的。因此，由于在进气歧管10充满来自EGR管线16的废气以及因此废气也从进气歧管10 输送到发动机1内之前需要给定的时间量或给定的发动