用于柴油发动机的控制系统的制作方法

专利名称：用于柴油发动机的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及用于发动机的排放物检测。更具体地讲，本发明 涉及传感器在柴油发动机反馈控制中的使用。
背景技术：
发动机传感器在许多常规发动机中，用来间接地检测排放物如氮
氧化物(NOx)和/或颗粒物质(PM)在排出气流中的存在。在柴油发动机 中，这样的传感器例如有时用来测量注入到位于发动机燃烧和后处理 装置之前的发动机进气歧管中的空气的歧管气温(MAT)、歧管气压 (MAP)和歧管气流(MAF)。然后结合其它的发动机特性来分析这些检 测参数，以调节发动机的性能特性。
有些设计中，车辆可安装有能向促动器发送指令的电子控制器 (ECU)，以便控制发动机、后处理装置以及其它动力系部件，从而在 发动机功率和排放物之间达到所需的平衡。为了获得发动机输出的排 放物估值，可在校准期间构建模拟发动机燃烧的发动机图来推断发动 机排出和产生的NOx和PM量。根据驱动循环中的具体时间，ECU 可调节各种促动器来控制发动机以所需的方式补偿发动机性能和排
放物常数。通常，在发动机性能和可接受的可以从发动机中排出的 NOx和/或PM量之间存在着折衷。在驱动循环期间的某些时间内，举 例而言，如巡航速度期间，或会有可能为了降低NOx和/或PM的排 放量且不明显牺牲发动机性能而控制发动机。反之，在驱动循环期间 的其它时间内，如石更力。速(hard acceleration)期间，或会为了提高发动 机功率而必需牺牲排放性能。其它时间内，后处理装置可主动地再生， 并且需要部分地通过改变给到促动器的信号而获得不同的性态。发动机模型和/或后处理装置的效能常常取决于拟假定与车辆 实际运行情况匹配的精度。诸如发动机磨损、燃料组成以及环境空气 组成的情况，例如可作为环境条件变化的结果而快速改变或在车辆寿 命期间緩慢地变化，但两种情况都会影响发动机模型精确预测车辆真 实运行情况的性能。诸如燃料类型变化的其它因素，也会对用于估算 实际运行情况的模型假定有影响。因此，发动机模型可能变得过时而 无效。
发明概要
本发明涉及传感器在发动机(包括柴油机和汽油发动机)的反馈控 制中的使用。根据本发明的示范性实施例， 一种用于控制柴油发动机 的说明性控制系统可包括一个或多个后燃传感器和状态观测器，该后 燃传感器适于直接检测从发动机排气歧管中排出的废气中的至少一 种组成物，而该状态观测器基于自后燃传感器中接收的反信号来估 算动态模型状态。后燃传感器可包括许多适于测量排出气流中各组成 物的传感器。在某些实施例中，后燃传感器例如可包括用于测量排出
气流中氮氧化物的NOx传感器和/或用于测量排出气流中颗粒物质或 烟尘的PM传感器。在有些实施例中，还可提供诸如扭矩负载传感器、 缸内压力传感器和/或流体组成传感器来直接检测其它与发动机相关 的参数，这些参数还可由状态观测器用来估算模型的动态状态。该状 态随后可用于控制策略中，以控制发动机性能和排放物的泄放。在有 些实施例中，控制策略可用于控制发动机的其它方面，诸如后处理。
状态观测器的算法可由嵌入在控制器(例如电子控制装置)中的软 件来实施。该算法可包括发动机系统的状态空间模型表示，包括发动 机的空气侧和燃料侧的表示。在有些实施例中，状态空间冲莫型例如可 包括接收各种表示传感器信号和促动器位置信号的发动机模型。有 时，扭矩传感器可结合发动机转速用来加强转动惯量模型。通过使用 由各种后燃传感器所提供的以及来自其它传感器(例如扭矩负载传感器、缸内压力传感器、燃料组成传感器等)的信号，状态观测器可构造 成用来监控并且必要时用来调节状态空间模型的内部状态，从而允许 模型补偿诸如发动机磨损、燃料组成、环境空气质量等情况，这些情 况可影响车辆寿命期间内的发动机性能和/或排放物。
根据本发明的示范性实施例， 一种控制柴油发动机系统的说明性 方法可包括步骤使用 一个或多个后燃传感器来直接测量发动机排出
气流中的至少一种组成物；提供含有柴油发动机系统状态空间才莫型的
状态观测器，该状态观测器部分地基于来自一个或多个后燃传感器和
/或 一个或多个其它传感器的信号用来确定状态空间模型的内部状态； 当模型实际状态与其估算状态不同时修正该估算状态；使用来自状态 空间模型的修正值来计算和预测 一个或多个发动机参数和/或后处理
参数；和在控制算法中使用该估算状态，以基于所计算和预测的发动 机参数和/或后处理参数来调节 一个或多个促动器输入信号。
附图简要说明


图1为根据本发明示范性实施例的说明性柴油发动机系统的示意
图2为说明性控制器的示意图，该控制器采用状态观测器来向状 态反馈控制器提供估算状态，以控制图1中的说明性柴油发动机系统；
图3为说明性控制系统的示意图，该控制系统利用图2中的控制 器来控制图1中的说明性柴油发动机系统；
图4为图3中的说明性控制系统具体实施方案的示意图5为用于控制图1中的说明性柴油发动机系统的另一个说明性 控制系统的示意图；和
图6为用于控制说明性柴油发动机后处理系统的另 一个说明性控 制系统的示意图。
详细il明以下说明将参考附图阅读，其中，不同附图中的相同元件以相同 的方式标号。无需按比例的各个附图描绘了所选实施例而非试图限制 本发明的范围。尽管各个视图举例说明了运行步骤和参数的示例，但 本领域技术人员将会承认所提供的许多示例具有适当的、可以利用的 备选方案。
图1为根据本发明示范性实施例的说明性柴油发动机系统的示意
图。说明性柴油发动机系统通常显示为10，并且包括具有进气歧管 22和排气歧管24的柴油发动机20。在说明性实施例中，燃料喷射器 26向发动机20提供燃料。燃料喷射器26可包括单个的燃料喷射器， 但更常见的是可包括多个能独立控制的燃料喷射器。燃料喷射器26 可构造成用来根据燃料概貌设定值28以及一个或多个有关发动机20 燃料侧和/或空气侧控制的其它信号30向发动机20提供所需的燃料扭o 貌。术语燃料"概貌"，像文中所用，依照要求可包括许多燃料参数或 性能，例如包括燃料供给率、燃料供给率变化、燃料正时、燃料预喷 事项、燃料后喷事项、燃料脉沖和/或任何其它的燃料供给指标。 一个 或多个的燃料侧促动器依照要求可用来控制这些及其它的燃料参数。
如图1中所进一步看到的那样，来自发动机20的排出物^皮供向 排气歧管24，而该排气歧管沿着排气管32输送废气。在说明性的实 施例中，排气歧管24的下游进一步设置了涡轮增压器34。说明性的 涡轮增压器34可包括由废气流驱动的涡轮36。在说明性的实施例中， 旋转涡轮36经由机械联轴器40驱动压缩机38。如图所示，压缩机 40经由通路42接收环境空气并对其压缩，然后将压缩空气供应至进 气歧管22。
涡轮增压器34可以是可变喷嘴涡轮(VNT)涡轮增压器。然而，预 期的是可以使用任何适当的涡轮增压器，例如包括废气门涡轮增压器 或可变几何入口喷嘴涡轮增压器(VGT)，它们带有促动器用以操作废 气门或VGT叶片组。说明性的VNT涡轮增压器使用排气蜗壳内的可 调叶片，从而当进入废气撞击排气涡轮36时改变它们的冲角。在说明性的实施例中，叶片沖角以及因而由压缩机38所提供的增压压力
(MAP)量，可由VNT设定信号44来控制。有时，可提供VNT位置信 号46来指示当前的叶片位置。还可以提供涡轮速度信号48来指示当 前的涡轮速度，该信号有时可用来限制涡轮速度以有助于防止损坏涡 轮增压器34。
为了降低涡轮迟滞，涡轮36可含有电动机助推器。尽管不是所 有的实施例都有需要，但电动机助推器可有助于提高涡轮36的速度， 故而提高了由压缩机38向进气歧管22提供的增压压力。当发动机20 的发动机转速低而且需要较高的增压压力时，例如在高加速度的状况 下，这或会特别地有用。在这些情况下，废气流或会不足以驱动涡轮 增压器34在进气歧管22处产生所需的增压压力(MAP)。在一些实施 例中，可提供ETURBO(电动涡轮)设定信号50来控制所提供的电动机 助推器数量。
压缩机38可包括可变几何压缩机或不变几何压缩机。例如在某 些情况下，压缩机38提供的压缩空气或许仅是涡轮36转动压缩机38 的速度的函数。在其它情况下，压缩机38可以是可变几何压缩机 (VGC),其中，VGC设定信号52可用来在压缩机38的出口处设定叶 片位置，以依照要求向进气歧管22提供受控的压缩空气量。
为了在向进气歧管22供应压缩空气之前帮助使其冷却，可设置 增压空气冷却器54。在一些实施例中，可向增压空气冷却器54提供 一个或多个压缩空气增压冷却器设定信号56,以帮助控制最终提供给 进气歧管22的压缩空气的温度。
在某些实施例中，以及为了减少有些柴油发动机的排放物如NOx， 如图所示可在排气歧管24和进气歧管22之间插入废气再循环(EGR) 阀58。在说明性的实施例中，EGR阀58接收EGR设定信号60，该 信号可通过直接改变EGR阀58的位置设定值而用来设置所需的废气 再循环(EGR)量。若需要的话，还可提供指示EGR阀58当前位置的 EGR位置信号62。有时，可在EGR阀的上游或下游设置EGR冷却器64，以在废气 向进气歧管22供应之前帮助其冷却。在有些实施例中，可向EGR冷 却器64提供一个或多个EGR冷却器设定信号66，以通过允许再循环 废气中的一些或全部绕过冷却剂64而有助于控制再循环废气的温度。
发动机系统10可含有多个预燃传感器，这些传感器可用来监控 发动机20在燃烧之前的运行。例如在图1的说明性实施例中，歧管 气流(MAF)传感器68可提供对进入进气歧管22的进气歧管气流(MAF) 的检测。歧管气压(MAP)传感器70又可测量进气歧管处的进气歧管气 压(MAP)。歧管气温(MAT)传感器72可测量进入进气歧管的进气歧管 气温(MAT)。若需要的话，可提供一个或多个其它的传感器来测量柴 油发动机系统10的其它预燃烧参数或指标。
发动机系统10还可包含多个后燃传感器，这些传感器可用来监 控发动机20在燃烧之后的运行。例如在一些实施例中，可使用多个 缸内压力(ICP)传感器74来检测发动机气缸76在驱动循环中的内部压 力。操作上联接至排气歧管24的NOx传感器78可测量从发动机20 排放的废气中的NOx浓度。以类似方式，操作上联接至排气歧管24 的颗粒物质(PM)传感器80可测量废气中的颗粒物质或烟尘浓度。若 需要的话，可使用一个或多个其它的后燃传感器82来检测发动机20 下游废气的其它参数和/或指标。其它类型的排放物传感器，例如可包 括一氧化碳(CO)传感器、二氧化碳(C02)传感器和烃类(HC)传感器。 在某些实施例中，可提供扭矩负载传感器84来测量发动机20上的扭 矩负载，该扭矩负载传感器可结合或替代后燃传感器78、 80、 82以 调节驱动循环中的发动机性能和排放物常数。
在一些实施例中，可提供多个燃料组成传感器86来测量输送至 发动机20的燃料中的一种或多种组成物。燃料组成传感器86例如可 包括用于检测生物柴油/柴油混合物中生物柴油组成的柔性燃料组成 传感器。若需要的话，还可以使用其它的传感器来检测和测量其它组 成物如燃料中水或煤油的存在。运行中，燃料组成传感器86可用于调节燃料喷射正时和/或其它燃料喷射参数，以改变发动机性能和/或 排放物输出。
现在参照图2，即将描述的是，示出了说明性的电子控制器
(ECU)88的示意图，该电子控制器采用状态观测器向状态反馈控制器 提供估算状态，以控制图1中的说明性柴油发动机20。如图2中的控 制透视图所示，ECU 88可包括状态观测器90，其含有柴油发动机系 统10的才莫型表示。ECU 88例如可包括-漠型预测控制器(MPC)或其它 适当的控制器，这些控制器能在受到促动器变量、内部状态变量和已 测量输出变量的约束的情况下向发动机20提供控制信号。
状态观测器90可构造成用来接收多个传感器信号y(k)，其中，y(k) 表示各种在时间"k"取自发动机20的传感器测量值。说明性的传感 器信号y(k)例如可包括MAF信号68、 MAP信号70、 MAT信号72、 涡轮速度信号48、扭矩负载信号84和/或燃料组成信号86,如在上文 中根据图1所描述和示出的那样。传感器模型输入y(k)还可表示一个 或多个后燃传感器信号，包括ICP信号74、 NOx信号78和/或PM信 号80。
如图2中进一步地所示，状态观测器90还可构造成用来接收多 个促动器信号u(k),其中的u(k)表示各种在各离散时间"k"对发动机 20的促动器输入。促动器信号u(k)可表示各种促动器运动和位置信号， 如VNT位置信号46、 ETURBO设定信号50、压缩空气增压冷却器设 定信号56、 EGR位置信号62和EGR冷却器设定信号66。
预期的是，各种传感器和促动器模型输入y(k)、 u(k)都可依照要 求不断地、间歇地、定时性地或在任 一 其它时间内 一皮询问 (interrogated),并且，这些模型输入y(k)、 u(k)仅是说明性的，并且期 望根据应用可提供或多或少的输入信号。有时，状态观测器90还可 构造成用来根据应用，对于传感器和促动器模型输入数中的每一个数 而接收一个或多个过去值y(k-N)、 u(k-N)。
状态观测器90可构造成用来计算估算状态邻""，然后可将其提
12供到ECU 88的单独的状态反馈控制器92中，该ECU将促动器输入 u(k)作为模型内部状态x(k)的函数计算。可通过使用状态反馈控制器 92来反馈内部状态x(k)而赋能的控制反馈策略示例可包括但不限于H 无穷、H2、 LQG(线性二次型高斯)和MPC。在一些实施例中，状态反 馈控制器92可构造成基于广义方程u(k^F(x)来计算新的促动器输入 u(k)。该功能很常见的实现是仿射型甘士.
u(k)表示模型输入变量； x(k)表示模型内部状态； F为状态反馈控制器矩阵；和 g为常数。
对上述基态反馈控制器的扩展为以下切换状态反馈控制器 其中
u(k)表示模型输入变量； x(k)表示模型内部状态； R为第i个状态反^t控制器矩阵； gi为第i个常数；和
i为标明m个不同状态反馈控制器中在时间k所执行那个状态反 馈控制器的指数。
上述方程(2)中所标明的仿射型切换反馈控制器，可在多参lt控制 技术中用于约束优化才莫型预测控制的实时执行，例如就像在以下文献 中所^仑述的那样标题为"Multivariable Control For An Engine"的美 国专利申请11/024531号；标题为"Pedal Posistion And/Or Pedal Change Rate For Use In Control Of An Engine"的美国专利申请11/025221号; 标题为"Method and System For Using A Measure of Fueling Rate In The Aire Side Control OF An Engine"的美国专利申请11/025563号，以及标题为"(
的美国专利申请11/094350号；所有的这些都通过引用而结合在本文 中。F.Borrelli在文章"Constrained Optimal Control of Linear and Hybrid Systems"中进一步地描述了混合式的多参数算法，该文章发表在2003 年出；[反的施普^M各(Springer)的"Control and Infrormation Sciences"的 "Lecture Notes"的第290巻，在此通过引用结合在本文中。
利用来自状态观测器90的估算状态雄IW,状态反馈控制器92 随后计算新的促动器运动u(k),该u(k)随后提交到促动器或发动机20 的类似机构中。ECU 88输出的促动器运动u(k)可依照要求不断地、间 歇地、定时性地或在任何其它时间内修正。然后发动机20采用来自 ECU88的新的促动器输入u(k)来运行，如果必要的话，可再次地检测 u(k)并将其反馈到状态观测器90和状态反馈控制器92中以便进一步 地校正。
在某些实施例中，状态观测器90的所用模型可根据其基于以下 广义7>式的"状态空间"表示而表示成 (3 =/(",力；和
其中
u(k)表示状态空间模型的输入变量； y (k)表示状态空间模型的输出变量；
和
x(k)为状态矢量，其包含为状态空间模型在时间"k"产生其输出 y(k)而所需的信息。
在一些实施例中，上述状态空间模型表示可以是线性非时变(LTI)
系统，而在这种情况下，上述方程(3)和方程(4)中的状态空间模型可用
常数矩阵表示成<formula>formula see original document page 14</formula>其中A、 B、 C和D为状态观测器90所用的常数矩阵。 多数情况下，由于内部状态"x"未知，故不能得到状态空间^^莫型 的内部状态。在此情况下，必须计算和使用状态空间模型的估算状态 矢量iW来代替实际的内部状态变量x(k)。为了实现该点，以及如参考 以下广义方程所能理解的那样，状态观测器90在其运算中可利用不 同的模型预测部件(见下文中的步骤(7)、步骤(8))和不同的测量值校正 (见下文中的步骤(9)):
(7) ^预测 "校正
(8) : , + Z)."(A);和
少预测 义预测
,)+丄,-:(羽
(9) 义 义预测 ,预測 。
其巾
义预测(klk)为状态空间模型在时间"k"的预测状态矢量；
少预测(klk)为状态空间模型的预测输入变量；
X (klk)为状态空间模型在时间"k"由传感器测量值y(k)在时间"k"
所校正的状态矢量；
L为观测器增益矩阵；和
A、 B、 C、 D为状态观测器的模型部分在模拟柴油发动机系统时 所使用的常数矩阵。
在上述方程(7)、方程(8)和方程(9)中，变量^预测(klk)包括状态模型 在时间"k"的预测状态矢量，而y预测(klk)包括在时间"k"来自系统
的预测输入变量。变量义预测(klk)也表示状态空间模型在时间"k"由传 感器的测量值y(k)在时间"k"所校正的状态矢量，其中，测量值y(k)像所给出的那样通过比较传感器信号y(k)与预测输出7预测(klk)并且如
校正方程9所示的那样将误差y(k)-少预测(klk)乘以观测器增益矩阵"L" 来补偿状态空间模型中的误差。传感器信号y(k)可包括例如通过多路 传输上文所述的传感器信号(即MAF68、 MAP70、 MAT72、 NOx78、 PM 80、扭矩负载84、燃料组成86等)中的一个或多个信号而获得的 矢量。传感器信号y(k)还可包含其它的测量变量，对应于柴油发动机 系统10的其它参数或指标。
运行时，状态观测器90可在预测和校正之间更迭以便状态空间
模型生成接近于模型实际状态的估算状态^("。对于线性系统而言， 各种方法如极点配置、卡尔曼滤波(Kalman filtering)和/或龙伯格 (Luenberger)观测器设计方法都可用来确定观测器增益矩阵L的值，以 使得观测器动力稳定并足以执行所期望的应用。对于非线性系统而 言，或会需要其它的方法。用来标明和计算校正矩阵值的具体方法将 典型地取决于所考虑的传感器输入和促动器输入的数量和类型、所模 拟的发动机部件的数量和类型、性能要求(例如速度和精度)以及其它 因素。
使用中，状态观测器90利用来自一个或多个直接检测的发动机
参数信息来协调和重置状态空间模型内部状态単IW的能力有助于保 证才莫型预测不会随着时间的推移而劣化，从而导致粗劣的发动机性能 和可能增加的排放。例如，通过直接检测后燃参数如排出气流中的 N0X和PM然后将这些参数值提供给状态空间模型，状态观测器90 或能更好地补偿燃料组成和/或发动机磨损在车辆寿命期间发生任何 变化的影响。
图3为说明性控制系统94的示意图，该控制系统利用图2的ECU 88来控制图1的说明性柴油发动机系统10。如图3所示，ECU 88可 构造成用来发送各种与发动机20的燃料侧控制和空气侧控制有关的 促动器输入参数98(即"u(k)")。如大致由箭头IOO和箭头102所示，来自一个或多个空气侧传感器和燃料侧传感器的信息(即"y(k)")能因 此被送到状态观测器90，该状态观测器像上文根据图2所描述的那样， 可由ECU 88用来控制发动机20和任何相关的发动机部件(例如涡轮 增压器34、压缩机冷却器54等)。促动器输入信号98例如可表示上 文中根据图1所描述的发动机20的促动器设定值信号(例如VNT设定 44、 ETURBO设定50、 VGC设定52、压缩空气增压冷却器设定56、 EGR设定60)。检测输出参数IOO、 102也可包括各参数或指标如燃料 供给、废气再循环(EGR)、喷射正时、针阀升程、曲柄角、气缸压力、 气门位置和升程、歧管真空、燃料/空气混合物和/或在进气歧管处进 入的空气。
和发动机20相关联的排放物处理(通常由标号104表示)，可进一 步地由ECU 88用来计算和预测各种促动器参数，用于控制从发动机 20排出的除空气侧参数100和燃料侧参数102之外的NOx、 PM或其 它的排放物。举例来说，废气排放物104的难以预测是众所周知的， 而且或会涉及指示废气和/或燃料内的 一种或多种组成物的各种未测 定的空气和燃料组成参数106， 108。空气组成信号106例如可表示指 示废气内NOx、 PM和/或其它组成物水平的信号，如后燃传感器78, 80， 82所测量的那样。燃料组成信号108例如可表示检测生物柴油/ 柴油混合物中生物柴油组成物水平的信号，如燃料组成传感器86所 测量的那样。然而应理解的是，空气和燃料组成参数106， 108必要 时可包括其它的参数。
基于发动机20所使用的参数100, 102以及空气和燃料组成参数 106, 108，可检测到许多相关的排放物参数并随后作为输入将其送到 ECU 88的状态观测器90中。排放物处理104例如可检测NOx在排出 气流中的水平并输出NOx传感器信号110,该信号可作为传感器输入 而提供给状态观测器90。以类似方式，排放物处理104可检测排出气 流中的PM并输出颗粒物质(PM)信号112,该信号也可作为传感器输 入而提供给状态观测器90。若需要的话，以及在一些实施例中，发动机20的排放物处理104可进一步地装备有附加传感器并输出其它的
排放物相关信号114,该信号必要时可作为附加传感器输入而提供给 状态观测器90。有时，信号110、 112、 114可表示用来测量排放物 104的附加硬件如附加传感器。
一旦状态观测器90判定状态空间模型的内部状态估算；"I"反映 了模拟的估算状态，则状态反馈控制器92随后可构造成用来计算和 预测将来的促动器运动，以用于发动机20的促动器和/或;f莫型状态。 这些计算和预测的促动器运动和/或状态例如能然后被用来控制发动 机20,以便通过调节燃料混合物、喷射正时、EGR百分比、阀门控 制等来降低排放物的排出量。通过结合了可由状态观测器90部分地 基于发动机20的排放物处理104而用来校正模型内部状态的排放物 检测，控制系统94或能更好地补偿发动机性能和/或后处理装置在发 动机20寿命期间内的劣化。
参考图4可了解控制系统94的示范性实施方案，图中示出了数 个在上文中根据图1所述的说明性的输入参数和输出参数。如图4所 示，发动机20可构造成用来接收许多来自ECU 88和/或其它系统部 件的促动器输入参数98，包括指示涡轮增压器当前叶片位置的VNT 位置信号46、用于控制电动机助推器数量的ETURBO设定信号50、 用于控制由压缩机冷却器54所提供压缩空气的温度的压缩空气增压 冷却器设定信号56、指示EGR阀58当前位置的EGR位置信号62和 用于控制再循环废气温度的EGR冷却器设定信号66。然而，取决于 具体应用，可向发动机20提供除这些信号之外或代替它们的其它促 动器输入参数98。
基于自ECU88接收的输入参数46， 50， 56, 62, 66，可从发动 机20中检测到一个或多个空气侧信号100，包括歧管气流(MAF)信号 116、歧管气压(MAP)信号118,以及一个或多个燃料侧参数102如燃 料概貌设定信号120。来自预燃传感器116， 118， 120的信息加上来 自后燃传感器IIO, 112, U4的信息，随后可送到状态观测器90中，该状态观测器像上文所描述的那样，可由ECU 88用来计算和预测各 种促动器参数，以控制自发动机20排出的NOx、 PM或其它排放物。 图5为另一个说明性控制系统122的示意图，该控制系统用于控 制图1中的说明性柴油发动机系统10。图5的控制系统122类似于上 文中根据图4所描述的，其中的相同元件在附图中标定为相同式样。 然而，在图5的说明性实施例中，传感器可进一步地包括扭矩传感器 84，其可随同已测量的发动机转速一起用来估算转动惯量才莫型124(例 如积分器)的内部状态，该转动惯量模型可基于自扭矩负载传感器84 所接收的信号来计算和预测发动机20的转动速度。如同文中的其它 实施例一样，转动惯量模型124可由一状态空间模型表示来模拟，该 状态空间模型表示使用自扭矩负载传感器84所检测到的信号来构建 模型124内部状态的在线估算。由转动惯量模型124所计算和预测的 转动速度(Ne)轨迹随后可作为输入参数98中的一个而送到状态反馈 控制器92中。
如进一步地由箭头128所示，发动机20上的负载或扭矩(T)随同 发动机转速126 —起随后可净皮检测到并送至状态观测器90中，该状 态观测器可构造成用来计算转动惯量^^莫型124内部状态的估值，随后 该转动惯量才莫型可用来预测转动速度(Ne)的新数值。
ECU 88可构造成用来接收作为状态观测器90才莫型输入的转动速 度(Ne)和扭矩信号126， 128,该状态观测器再输出状态矢量对^ 其可由状态反馈控制器92用来调节燃料概貌设定值28，而该设定值 则由燃料喷射器26用来控制发动机20的速度和负载。若需要的话， 状态反馈控制器92还可输出未明确示出的其它参数，这些参数可用 来补偿一个或多个与发动机20的燃料侧控制和/或发动机20的空气侧 控制相关的其它参数。此外，诸如上文中根据图4所述的其它参数还 可作为模型输入而送到状态观测器90中，以用于控制发动机20的其 它方面如排;改物处理104。
图6为用于控制说明性柴油发动机后处理系统的另一个说明性控制系统130的示意图。在图6的说明性实施例中，后处理系统可包括
柴油机颗粒过滤器(DPF)132,其可用于过滤自涡轮排气管32排放的 后涡轮(post-turbine)废气134。 DPF 132通过在过滤器132中收集发 动机排出颗粒物质(PM)而起到降低自排气管32排放到环境中的颗粒 数136的作用。然而随着时间的推移，俘获在DPF 132中的颗粒将有 在内侧累积的趋势，从而导致发动机上的背压增加，这会降低发动机 性能和燃料经济性。在有些实施例中，以及如图6的说明性实施例所 示，可使用压差(dP)传感器138来测量这样的背压，该压差传感器可 包括两个单独的压力传感器138a、 138b用以检测跨越DPF132的输入 140和输出142的压降。 一旦DPF132达到足够高的内部PM负载， 它就必须再生以便释放(relive)发动机上的背压并使DPF132继续输出 颗粒水平已降低的后DPF(post-DPF)废气13。典型地，再生是通过在 DPF132内周期性地引燃和烧尽烟尘来实现的。 '
为了确定是否再生DPF 132,可分配装备有状态观测器146和再 生逻辑电路148的ECU144执行再生计算的操作，以确定是否需要再 生。ECU144例如可包括模型预测控制器(MPC)或其它适当的控制器， 这些控制器能够向DPF132提供受控制变量和测量输出变量约束影响 的预测控制信号。由再生逻辑电路148计算并输出的再生判定150可 表示能用来触发燃油喷射到DPF中的信号，以便烧尽不需要的颗粒物 质。然而根据应用，其它的方法也可用于再生。
状态观测器146可构造成用来接收多个传感器信号，这些信号表 示各种在时间"k"取自DPF132的传感器测量值。例如在图6的说明 性实施例中，状态观测器146例如可构造成用来接收作为模型输入的 来自上游的颗粒物质(PM)传感器150和/或二氧化碳(C02)传感器152 的传感器信号，这些传感器可用来检测包含在后涡轮废气134中的PM 和C02的水平。以类似方式，状态观测器146可构造成用来接收作为 才莫型输入的来自下游的PM传感器154和/或C02传感器156的传感 器信号，这些传感器可用来检测包含在后DPF废气136中的PM和C02的水平。有时，这或会包括既使用上游传感器150、 152又使用下 游传感器154、 156,因为DPF 132中的PM负载典型地为PM输入和 输出之间差的函数。在包括差压传感器138的那些实施例中，状态观 测器146可进一步地构造成用来接收来自压力传感器138a，138b中每 一个传感器的传感器信号，从而允许ECU 144直接测量跨越DPF 132 的压差。
通过使用各种传感器输入，状态观测器146可构造成用来计算 DPF132内部状态"W^的估值，该估值随后可提供到再生逻辑电路 148中以判定是否再生DPF 132。这样的再生，例如可出现在当状态 观测器基于来自PM和/或C02传感器150、 152、 154、 156的检测信 号而预测DPF 132性能下降时。备选地，或除此之外，DPF 132的再 生可发生在当状态观测器146基于自差压传感器138中接收的传感器 信号来估算DPF132中的背压时。因而关于是否再生DPF132的判定
150M于DPF132的内部状态在时间"k"的估算到WW。
尽管图6所描绘的说明性后处理系统130使用DPF132来降低排 气管32中的颗粒，但应理解的是，除这样的装置之外，或取代这样 的装置，还可使用其它适当的后处理装置。其它可实施的后处理系统 和/或装置，例如可包括柴油机氧化催化器(DOC)、选择性催化还原装 置(SCR)和稀NOx吸附器(LNT)。而且，尽管示出了两个PM和C02 传感器，但也可使用其它数量和/或类型的传感器来检测排气管32中 的颗粒。尽管可预料到再生一个或多个后处理装置的判定至少部分地 基于DPF132的内部状态，但应理解的是，再生还可发生在某些预定 时间(例如一天一次、每运行500英里等)内，或基于某些其它事件。
在如此描述了本发明的数个实施例之后，本领域技术人员将容易 地理解可做出和使用属于所附权利要求保护范围内的其它实施例。上 述说明中已阐述了本发明由本文件所涵盖的许多优点。应理解的是， 本公开在许多方面仅是说明性的。在不超出本发明的范围的前提下可 对本文所述的各种要件做出修改。
权利要求
1. 一种利用来自一个或多个传感器的反馈、用于控制柴油发动 机的控制系统，所述柴油发动机包括至少一个燃料喷射器、进气歧管和排气歧管，所述控制系统包括一个或多个后燃传感器，其适于直接检测从所迷柴油发动机的所 述排气歧管中排出的废气中的至少 一种组成物；状态观测器，其适于利用来自所述一个或多个后燃传感器的信号 来估算模型的内部状态，而所述模型与至少一种发动机性能参数相 关；和状态反馈控制算法，所述算法适于根据由所述状态观测器输出的 所述估算状态来设定至少一个促动器设定值，用于控制所述柴油发动 机的一个或多个促动器。
2. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述一个或多 个后燃传感器包括氮氧化物(NO》传感器。
3. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述一个或多 个后燃传感器包括颗粒物质(PM)传感器。
4. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制系统 还包括缸内压力(ICP)传感器，所述ICP传感器适于直接检测所述柴油 发动机中的气缸内部压力。
5. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制系统 还包括一个或多个用于测量燃料中至少一种组成物的燃料组成传感 器，所述燃料由所述至少一个燃料喷射器供应给所述柴油发动机。
6. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述状态7见测 器使用在线状态空间;溪型，所述在线状态空间;漠型适于根据来自所述 一个或多个后燃传感器的反馈信号来监控和调节内部预测状态。
7. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制系统 还包括扭矩负载传感器，所述扭矩负载传感器用于测量所述柴油发动机上的扭矩要求。
8. 根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于所述控制系统 还包括转动惯量单元，所述转动惯量单元适于根据从所述扭矩负载传 感器接收的信号来计算和预测发动机转速。
9. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述状态观测 器包括适于在电子控制器上运行的算法。
10. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制系统 适于控制后处理系统。
11. 一种利用来自一个或多个后燃传感器的反馈、用于控制发动机的控制器，所述控制器包括用于估算所述发动机的内部状态的状态观测器，所述状态) 见测器 包括状态空间模型，所述状态空间模型适于根据来自 一个或多个后燃 传感器和至少一个附加传感器的反^t，来接收用于修正所述状态)現测 器的内部状态矢量的一个或多个信号。
12. 根据权利要求11所述的控制器，其特征在于所述一个或多 个后燃传感器包括氮氧化物(NOx)传感器。
13. 根据权利要求11所述的控制器，其特征在于所述一个或多 个后燃传感器包括颗粒物质(PM)传感器。
14. 根据权利要求11所述的控制器，其特征在于所述至少一个 附加传感器为缸内压力(ICP)传感器。
15. 根据权利要求11所述的控制器，其特征在于所述至少一个 附加传感器为扭矩负载传感器。
16. 根据权利要求11所述的控制器，其特征在于所述至少一个 附加传感器为燃料组成传感器。
17. —种利用来自一个或多个传感器的反馈、用于控制柴油发动 机的方法，所述柴油发动机包括至少一个燃料喷射器、进气歧管和排 气歧管，所述方法包括以下步骤利用 一 个或多个后燃传感器来直接测量所述发动机的排出气流中的至少一种组成物；提供包括所述柴油发动机的状态空间模型表示的状态观测器；部分地基于从所述一 个或多个后燃传感器接收的反馈信号来确 定所述状态空间模型的内部状态；在所述模型的实际状态与其估算状态不同的情况下，修正所述冲莫 型的所述内部状态；计算作为来自所述状态观测器的所述估算状态的函数的 一 个或 多个促动器设定值；和基于所述已计算的状态估算来调节一个或多个促动器设定值。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述方法还包括 以下步骤利用在操作上联接到所述发动机上的扭矩负载传感器来直4妄测 量所述柴油发动机上的所述扭矩负载；部分地基于从所述扭矩负载传感器接收的反馈信号来确定所述 状态空间冲莫型的所述内部状态；和在所述模型的实际状态与其估算状态不同的情况下，进一步修正 所述模型的所迷内部状态。
19. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述方法还包括 以下步骤接测量所述柴油发动机的所述缸内压力；部分地基于从所述缸内压力传感器接收的反馈信号来确定所述状态空间模型的所述内部状态；和在所述模型的实际状态与其估算状态不同的情况下，进一步修正所所述模型的所述内部状态。
20. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述方法还包括 以下步骤利用燃料组成传感器来直接测量提供给所述柴油发动机的燃料中的至少一种组成物；部分地基于从所述燃料组成传感器接收的反馈信号来确定所述 状态空间模型的所述内部状态；和在所述模型的实际状态与其估算状态不同的情况下，进一步修正 所述^t莫型的所述内部状态。
全文摘要
公开了利用来自一个或多个传感器的反馈、用于控制发动机的系统和方法。一种用于控制柴油发动机的说明性控制系统可包括一个或多个后燃传感器和状态观测器，该后燃传感器适于直接检测从发动机的排气歧管中排出的废气中的至少一种组成物，该状态观测器用于基于反馈信号来估算柴油发动机内部状态，该反馈信号从后燃传感器以及随后在发送促动器设定值的控制器对估算状态的使用中接收。后燃传感器可构造成用来直接测量排出气流中的排放物如氮氧化物(NO_x)和/或颗粒物质(PM)，并且将这样的信息提供给状态观测器，而状态观测器再基于这些测量值来修正内部的动态状态。有时，其它传感器如扭矩负载传感器、缸内压力传感器和/或燃料组成传感器，可进一步地根据需要用来修正状态空间模型的内部状态。通过使用来自状态观测器的估算状态，状态反馈控制器可根据更精确地表示系统实际状态的数值来计算和调节各种促动器设定值。
文档编号F02D41/14GK101313138SQ200680044042
公开日2008年11月26日 申请日期2006年9月26日 优先权日2005年9月29日
发明者F·波雷利, G·E·斯图尔特, G·J·汉普森, M·L·罗德斯, S·M·沙赫德, S·N·科拉文努, T·萨马 申请人:霍尼韦尔国际公司