在涡轮增压的压缩点火发动机系统中控制排气再循环的制作方法

专利名称：在涡轮增压的压缩点火发动机系统中控制排气再循环的制作方法
在涡轮增压的压缩点火发动机系统中控制排气再循环 相关申请的交叉引用
本申请要求于2005年12月20日提交的美国临时申请号 60/752,415的权益。技术领域
本披露总体上涉及的领域包括在涡轮增压的压缩点火发动机系 统中控制排气再循环。背景
涡轮增压发动机系统包括具有燃烧室用于将空气和燃料燃烧以 转化为机械能的发动机、用于将进气输送到这些燃烧室的进气子系统、以 及发动机排气子系统。这些排气子系统通常将排气从这些发动机燃烧室中 运走，抑制发动机排气噪音，并且减少排气微粒和随着发动机燃烧室的温 度升高而增加的氮氧化物(NOx)。排气通常被再循环到该排气子系统之外 而进入该进气子系统与新鲜的空气混合，并且回到发动机中。排气再循环 增加了惰性气体量并同时减少进气中的氧气，从而降低发动机燃烧温度并 且因此减少了 NOx的形成。本发明示例性实施方案的概述
—种方法的 一 个示例性实施方案包括在 一 个涡轮增压的压缩点 火发动机系统中控制排气再循环(EGR),该发动机系统包括一个发动机、一 个在上游与该发动机连通的进气子,系统、 一个在下游与该发动机连通的排 气子系统、 一个涡轮增压涡轮机上游以及一个涡轮增压压缩才几下游的该排气子系统与进气子系统之间的一个高压EGR通道、以及该涡轮增压涡轮机下游以及该涡轮增压压縮机上游的该排气子系统与该进气子系统之间的一个低压EGR通道。首先，遵照排气排放标准确定一个目标总EGR分数。 然后，在所确定的该目标总EGR分数的约束下确定一个目标HP/LP EGR 比率以便优化其他发动机系统标准。
根据该方法的示例性实施方案的多个目前优选的方面，该总EGR 分数可以响应于作为一个或多个发动机系统模型的输入的一个代理参数来 进行估算，而不是通过多个HP或LP EGR流量传感器或者一个总EGR流 量传感器来直接测定。而且，该目标总EGR分数可以通过多次闭环的调节 而闭环地控制到这些HP和/或LP EGR分数。
本发明的其他示例性实施方案将在以下详细说明中变得明确。应 该理解，该详细说明以及一些具体实例在说明本发明的示例性实施方案的 同时仅仅是为了说明性目的，而并非旨在限制本发明的范围。附图简要说明
本发明的多个示例性实施方案将通过详细说明与附图而得到完 全理解，在附图中


图1是包括一个示例性控制子系统一个发动机系统的示例性实 施方案的示意 图2是图1的发动机系统的示例性控制子系统的框 图3是可以与图1的发动机系统一起使用的一个示例性EGR控制方法的流程 图4是说明图3的方法一个优选控制流程部分并且包括一个总EGR估算框以及多个高压和低压EGR开环控制框的一个框 图5A-5C示出图4的估算框的多个示例性实施方案；
图6A-6B示出图4的高压和低压EGR开环控制框的多个示例性实施方案；
图7是表示阀门位置与目标总EGR分数之间的关系的示例性图 标示一个曲线图； 图8AJi示图3的方法的一个第二控制流程的框图； 图9M示图3的方法的一个第三控制流程部分的框图；和 图IO是展示图3的方法的一个第四控制流程部分的一个框图。
示例性实施方案的详细说明 以下说明的实施方案本质上仅仅是示例性的而根本无意限制本 发明、其应用或者用途。 根据一种方法的一个示例性实施方案，在具有高压(HP)和低压 (LP)EGR通道的 一 个涡轮增压的压缩点火发动机系统中对排气再循环 (EGR)进行控制。优选地，响应于作为一个或多个发动机系统模型的输入的 一个代理参数对总EGR分数进行估算，而不是通过多个HP或LP EGR流 量传感器或者一个总EGR流量传感器来直接测定。确定符合排气排放标准 的一个目标总EGR分数。然后，在所确定的目标总EGR分数的约束下确 定一个目标HP/LP EGR比率以便优化其他标准，如燃料经济目标、发动机 系统性能目标、或者发动机系统保护或维护规范中的至少一个。同样优选 地，该目标总EGR分数可以i^过^'次闭环调节来闭环地控制到这些HP和 /或LP EGR分数。以下阐明说明了用于执行该方法的一个示例性系统， 还i兌明了 一个示例性方法和多个示例性控制流程。
示例性系统 图1示出可以用于实现在此4皮露的一种EGR控制方法的示例性 运行环境。该方法可以使用任何适当的系统来执行并且，优选地，是结合 例如系统10的一个发动机系统来执行。以下的系统说明简单地提供了一个 示例性发动机系统的筒要概述，但在此未示出的其他一些系统与部件也可 以支持在此纟皮露的方法。
总之，该系统10可以包括从燃料与进气的混合物的内部燃烧来 形成机械能的一个内燃机发动机12、用于总体上为发动机12提供进气的一 个进气子系统14和用于将燃烧气体总体地从发动机12运走的一个排气子 系统16。在此使用时，"进气"这个短语可以包括新鲜空气和再循环的排气。 该系统10 —般还可以包括与该排气和进气子系统14、 16跨接连通的一个 涡轮增压器18，用于压缩输入的空气以改善燃烧并由此提高发动机输出。 该系统10总体上进一步可以包括与该排气和进气子系统14、 16跨接的一 个排气再循环子系统20，用于将排气再循环以便与新鲜空气混合来改良该 发动机系统10的排放性能。该系、统10总体上进一步可以包括一个控制子 系统22来控制该发动机系统10的运行。本技术领域的普通技术人员会认 识到， 一个燃料子系统(未示出)被用来向该发动机12提供任何适当的液体 和/或气体燃料，以便与这些进气在发动机中燃烧。
内燃机发动机12可以是任何适合的发动机类型，如类似于柴油 机发动机的一个自动点火或者压缩点火的发动机。该发动机12可以包括其 中具有多个汽缸和活塞(未单独示出)的一个气缸体24,它与一个汽缸盖(也 没有单独示出)一起限定用于燃料与进气的混合物的内部燃烧的多个燃烧 室(未示出)。
除适当的管道与接头之外，该进气子系统14可以包括一个进气 端26，它可以具有用于过滤进入空气的一个空气过滤器(未示出)，和位于 该进气口末端26的下游用于压缩输入空气的一个涡轮增压压縮机28。进气 子系统系统14还可以包括该涡轮增压压缩机28的下游的一个增压空气冷 却器30,用于冷却压缩的空气；以及在增压空气冷却器30下游的一个进气 节流阀32，用于到该发动机12的冷却空气流进行节流。该进气子系统14 还可以包括位于节流阀32下游和发动机12的上游的一个进气歧管34，用 于接收节流的空气并将其分配到这些发动机燃烧室。
除适当的管道与接头之外，排气子系统16可以包括一个排气歧管36，用于从发动机12的这些燃烧室收集排气并将它们往下游输送到该排 气子系统16的其余部分。该排气子系统16还可包括在下游与该排气歧管 36连通的一个涡轮增压涡轮机38。涡轮增压器18可以是一个可变涡轮几 何形状(VTG)类型的涡轮增压器、 一个二级涡轮增压器、或带有废气门或旁 路装置的一个涡轮增压机、或者类似的装置。在任何情况下，该涡轮增压 器18和/或任何涡轮增压器辅助装置可以被调节以便影响以下参数中的一 个或多个涡轮增压器增加的压力、空气流量、和/或EGR流量。该排气 子系统16还可以包括任何适当的排放装置40,如一个催化转化器，像是一 个紧密连接的柴油氧化催化剂(DOC)装置、 一个氮氧化物(NOx)吸收装置、 一个微粒过滤器、或者类似装置。该排气子系统16还可以包括设置在一个 排气出口 44的上游的一个排气节流阀42。
该EGR子系统20优选地是一个混合或双通道的EGR子系统， 用于将部分排气从该排气子系统16再循环到该进气子系统14用于在该发 动机12中燃烧。相应地，该EGR子系统20可以包括两个通道 一个高压 (HP) EGR通道46和一个低压(LP) EGR通道48。优选地，该高压(HP) EGR 通道46在该涡轮增压涡轮38的上游连接到该排气子系统16而在该涡轮增, 压压缩机28的下游连接到该进气子系统14。同样优选地，该LP EGR通 道48在该涡轮增压涡轮38的下游连接到该排气子系统16而在该涡轮增压 压缩机28的上游连接到该进气子系统14。也考虑在排气与进气子系统14、 16之间任何其他适合的连接，包括HP EGR的一些其他形式如^f吏用内部发 动机的可变阀门正时与升程来引入内部HP EGR。
除适当的管道与接头之外，该HPEGR通道46可以包括一个HP EGR阀门50,它用于控制从该排气子系统16到该进气子系统14的排气再 循环。该HP EGR阀门50可以是具有自己的致动器的一个独立装置或者可 以与该进气节流阀32 —体化到具有共用致动器的一个组合装置中。该HP用于冷却HP EGR气体的一个HP EGR冷却器52。该HP EGR通道46优 选地连接在该涡轮增压涡轮机38的上游并在该节流阀32的下游，用于将 HP EGR气体与被节流的空气以及其他吸入气体(该空气可以具有LP EGR) 进行混合。 除适当的管道与接头之外，该LP EGR通道48可以包括一个LP EGR阀门54，它控制排气从该排气子系统16到该进气子系统14的再循环。 该LP EGR阀门54可以是具有自己的致动器的一个独立装置或者可以与该 排气节流阀42 —体化到具有共用致动器的一个组合装置中。该LP EGR通 道48还可以包括在该LP EGR阀门的54的下游的(或者任选在上游的)用 于冷却LP EGR气体的一个LP EGR冷却器56。该LP EGR通道48优选 地连接在该涡轮增压涡轮机38的下游并在该涡轮增压压缩机28的上游， 用于将LP EGR气体与经过滤的输入空气进行混合。 现在参见图2，该控制子系统22可以包括任何适当的硬件、软件、' 和/或固件以执行在此披露的这些方法中的至少某些部分。例如，该控制 子系统22可以包括以上讨论的这些发动机系统致动器58以及不同的发动 机传感器60中的某些或者全部。这些发动机系统传感器60并未在附图中 单独示出，但是可以包括在任何适当的装置中来监测发动机系统的参数。
例如， 一个发动才几速度传感器测量一个发动^L曲轴(未示出)的转 速，与这些发动机燃烧室连通的多个压力传感器测量发动机汽缸压力，多 个进气与排气歧管压力传感器测量流入与流出这些发动机汽缸的气体的压 力， 一个进气质量流量传感器测量进气子系统14中的输入气流，以及一个 歧管质量流量传感器测量到达该发^机12的进气流量。在另一实例中，该 发动机系统IO可以包括用于测量流入这些发动机汽缸的进气的温度的一个 温度传感器，和在该空气过滤器的下游与该涡轮增压压缩机28上游的一个 温度传感器。在另一个实例中，该发动机系统IO可以包括适当地连接到该 涡轮增压压缩机28的一个速度传感器，用于测量其转速。 一个节流器位置传感器，如一个一体化的角度位置传感器，测量该节流阀32的位置。 一个位置传感器设置在该涡轮增压器18,的附近用于测量该可变几何形状涡轮机 38的位置。 一个尾管温度传感器可以安置为正好在一个尾管出口的上游， 用于测量该排气子系统16排出的排气的温度。还有，在该一个或多个排放 装置40的上游和下游放置多个温度传感器，用于测量其入口和出口的排气 温度。同样地， 一个或多个压力传感器跨越该一个或多个排放装置40进行 安置，用于测量跨越它们的压降。 一个氧气(02)传感器被置于该排气和/或 进气子系统14、 16之中，用于测量排气和/进气中的氧气含量。最后，多 个位置传感器测量该HP和LP EGR阀门50、 54与排气节流阀42的位置。
除了在此讨论的这些传感器60之外，在此披露的系统和方法可 以包括任何其他适当的传感器及其有关参数。例如，这些传感器60还可以 包括多个加速度传感器、车速传感器、传动系速度传感器、过滤传感器、 其他流量传感器、震动传感器、i"i传感器、进气与排气压力传感器、和/ 或类似的传感器。换言之，可使用任何传感器都来^^测任何适当的物理参 数，包括电气的、机械的、以及化学的参数。在此使用时，术语"传感器" 包括用于检测任何发动机系统参数和/或这些参数的不同组合的任何适当 的硬件和/或软件。
该控制子系统22可以进一步包括一个或多个与这些致动器58和 传感器60连通的控制器(未示出)，用于接收和处理传感器输入信号并发送 致动器输出信号。该一个或多个控制器可以包括一个或多个适当的处理器 和存储器装置(未示出)。该存储器可以配置为用于提供数据和指令的存储， 它们提供了发动机系统10的至少部分功能以及由该 一 个或多个处理器执行 的指令。该方法的至少某些部分^以由 一个或多个计算机程序与在存储器 中存储为一些查询表、映射图、模型、或类似数据的不同的发动机系统数 据或指令来启动。在任何情况下，该控制子系统22通过从这些传感器60 接收输入信号、根据器输入信号执行一些指令和算法、以及发送一些适当的输出信号给各个致动器58来控制多个发动机系统参数。 该控制子系统22在该一个或多个控制器中可以包括多个模块。 例如， 一个顶级发动机控制模块62接收并处理任何适当的发动机系统输入 信号并将输出信号传达给一个进《控制模块64、 一个燃料控制模块66、以 及任意其他的一些控制模块68。正如以下将更详细地说明，该顶级发动机 控制模块62接收并处理来自 一个或多个发动机系统参数传感器60的输入 信号以任何适当的方式来估算总EGR分数。 估算EGR分数的不同方法对于本领域的普通技术人员而言是已 知的。在此使用时，术语"总EGR分数"包括其多个成员参数的一个或多 个，并且可以由以下等式来表示
<formula>formula see original document page 14</formula>
M￡M7 M￡WG 其中
MAF是进入一个进气子系统的新鲜空气的质量流量， MEGR是进入该进气子系沐的，EGR质量流量， MENG是到达一个发动机的进气的质量流量，和
rEGR包括进入一个发动机的进气中可分配给再循环排气的那个部分。！
从以上等式，该总EGR分数可以用该新鲜空气质量流量传感器 和来自一个传感器或来自其估算值的进气质量流量来计算，或者用总EGR 分数自身的一个估算值以及该进气质量流量来计算。在任一情况下，该顶 级发动机控制模块62可以包括多个适当的数据输入来直接地从作为一个或 多个发动机系统模型的输入的一个或多个质量流量传感器测量值或者估算 值估算出该总EGR分数。 在此使用时，术语"模型"包括用多个变量，如一个查询表、映射 图、算法和/或类似数据来表示某种方式事务的任何解释。模型是对于任何 给定的发动机系统的精确设计和性能规范而言是特定的和具体的应用。在 一个实例中，这些发动机系统模型进而可以基于发动机速度和进气歧管压 力以及温度。这些发动机系统模型在每次发动机参数变化时进行更新，并且可以是使用包括发动机速度和通过进气压力、温度、以及通用气体常数 来确定的发动机进气密度的多个输入的一些多维查询表。
该总EGR分数可以通过其多个分量而直接或间接地与一个或多 个发动机系统参数进行互相关联，如估算或检测的气体质量流量、02、或 一个或多个发动机系统温度。这些参数能够以任何适合的方式进行分析以 便与该总EGR分数的互相关联。例如，该总EGR分数可以根据公式与其 他那些发动机系统参数相关联。在另一个实例中，从发动机的定标或模拟 中，该总EGR分数可以经验地或者统计地与其他发动机系统参数关联。在 任何情况下，在发现该总EGR分数与任何其他发动机系统参数可靠地互相 关联时，这一互相关联可以根据公式、经验地、声学地、和/或以类似的方 式来建立模型。例如，可以根据适当的测试来形成一些经验模型并且可以 包括一些查询表、映射图、以及可以将总EGR分数与其他一些发动机系统 参数值进行交叉参照的类似形式。
相应地， 一个发动机系统参数可以用作总EGR分数和/或单独的 HP和/或LP EGR流量的直接传感器测量值的一个代理参数。相应地，可以 去掉总EGR、 HPEGR、和LPEGR流量传感器，从而减小发动机系统成本 和重量。去掉这些传感器还导致去掉其他与传感器相关的硬件、软件以及 成本，如连线、接插件、计算机处理能力以及存储器，等等。 '
另外，该顶级发动机控制模块62优选地计算一个涡轮增压增加 压力的设置点和一个目标总EGR的设置点，并将这些设置点发送到该进气 控制模块64。类似地，该顶级发动机控制模块62计算适用定时与燃料设置 点并将它们发送到燃料控制模块66,并且计算其他的一些设置点并将他们 发送到其他控制模块68。该燃料和其他控制模块66、 68接收并处理这些输 入，并生成适当的命令信号发给任何适当的一些发动机系统装置，如燃料 喷射器、燃料泵、或者其他装置。
可替代地，该顶级发'动机控制模块62可以计算并发送该增加压力的设置点和一个总输入空气质量流量的设置点(如虚线所示)，而不是该目标总EGR的设置点。在这一替代情况下，随后从空气质量流量的设置点确 定总EGR的设置点并很大程度上以同 一方式从这些实际质量流量传感器的 读数来估算该实际总EGR分数。在一个第二替代方案中，在整个控制方法 中空气质量流量取代了总EGR分数。这改变了所使用的数据类型和设定 HP和LP EGR流量目标的方式，但是该控制器的基本结构与控制方法的流 程是相同的。
除从该顶级发动机控制模块62接收的这些设置点之外，该进气 控制模块64接收任何适当的发动机系统参数值。例如，该进气控制模块64 接收进气和/或排气子系统参数值，如涡轮增压器的增加压力，以及质量流 量。该进气控制模块64可以包括一个顶级进气控制子模块70,它处理所接 收的这些参数值并且向对应的LP EGR、 HPEGR、以及涡轮增压器的控制 子模块72 、 74 、 76发送任何适当的输出信号，如LP和HP EGR设置点、'' 以及涡轮增压器设置点。这些LPEGR、 HPEGR、以及涡轮增压器的控制 子模块72、 74、 76处理进气控制子模块的这些输出信号并生成一些适当的 命令信号给不同的发动机系统装置如LP EGR阀54与排气节流阀42、 HP EGR阀50与进气节流阀32、以及一个或多个涡轮增压致动器19。这些不 同的模块和/或子模块可以如图所示是分离的，或者可以一体化到一个或多 个组合的模块和/或子模块之中。示例性方法
在此提供一种控制LP和HP EGR的方法，它可以在以上所述发 动机系统10的运行环境中作为一个或多个计算机程序来实施。本领域的斧 通技术人员还会认识到该方法可以在其他运行环境中使用其他发动机系统 来实施。现在参见图3，以流程图的形式示出一种示例性方法300。
如步骤305所示，该方法300能够以任何适当的方式而启动。例 如，该方法可以在图1的发动机系沐10的发动机12发动时开始。
在步骤310,新鲜空气被抽入发动机系统的一个进气子系统，并 且进气通过该进气子系统吸入发动机系统的一个发动机之中。例如，新鲜 空气可以被抽入该进气系统14的入口 26,并且进气可以通过该进气歧管 34被吸入该发动一几12。
在步骤315，排气通过发动机系统的一个排气子系统从发动机排 出。例如，排气可以通过排气歧管36从发动机12排出。
在步骤320,排气从一个排气子系统通过高压和低压EGR通道之 一或二者再循环到发动机系统的一个进气子系统。例如，HP和LP排气可 以通过该HP和LP EGR通道46、 48，从排气子系统16再循环到进气子系 统14。
在步骤325，可以检测表示总EGR分数的一个或多个代理参数。 例如，该一个或多个代理参数可以包括空气质量流量、02、和/或发动机系 统温度，并且可以通过该发动^L系统10的多个对应的传感器60来测量。
在步骤330，遵照排气排放标准来确定一个目标总EGR分数。 例如，该顶级发动机控制模块62可以使用任何适当的发动机系统模型将 当前的 一些发动机运行参数与所需的 一些总EGR分数进行交叉参照以便符 合预先确定的排放标准。在此使用时，术语"目标"包括一个一元值、多 元值、和/或任意的取值范围。同样，在此使用时，术语"标准"包括单一 的和多重的标准。用来确定一个或多个适当的EGR分数的标准的一些实例 包括根据速度和负载进行标定的多个表、基于模型的方案，它们确定多个 汽缸温度目标并转换为EGR分数以及运转条件如瞬时运转或稳态运转条 件。绝对排放标准由环境机构如美国环保署制定。
在步骤335,在步骤330中确定的总EGR分数的约束下确定一 个目标HP/LP EGR比率以侵一优化一个或多个其他的发动才几系统标准，如 燃料经济目标、发动机系统性能目标、或者发动机系统保护或维护规范。
在步骤340,可以根据步骤335中确定的目标HP/LP EGR比率来产生多个单独的HP EGR和/或LPEGR设置点。
在步骤345,可以确定对应于这些HP和LPEGR设置点的目标 HP和LP EGR打开百分比。例如，多个开环控制器可以使用 一些模型来处 理这些HP和LP EGR设置点以生成这些打开百分比。
在步骤350，可以估算响应于该一个或多个代理参数的总EGR 分数，这些参数被用作以上所讨论的任何适当的发动机系统模型的输入。 例如，该总EGR分数的估算可以包括一些发动机系统模型以便根据公式或 者经验来使该一个或多个代理参数与该总EGR分数互相关联。这些模型可 以包括一些查询表、映射图、以及类似形式，它们可以将多个EGR分数 与代理参数值交叉对照，并且可以是基于发动机速度和进气歧管压力以及 温度。在任何情况下，该总EGR分数并不是使用单独的HP和/或LP EGR 流量传感器或者一个组合的总EGR流量传感器来实际直接地进行测量。
在步骤355,利用该估算总EGR分数使用闭环控制可以对该单 独的HP和/或LPEGR分数之一或二者进行调节。这些HP和/或LP EGR 分数可以通过对应的HP和/或LPEGR设置点之一或二者的闭环控制或阀 门和/或节流阀打开百分比来进行调节。例如，并且将在以下更详细地说: 明， 一个闭环控制器可以该估算的总EGR分数作为过程变量输入值来进行 处理并将该总EGR分数设置点作为一个设置点输入值来进行处理，以便产 生一个HP和/或LP EGR设置点输出调节指令。因此，该目标总EGR分 数优选地通过对该HP和/或LP &}R分数的一些闭环调节来进行闭环控 制。这些调节可以改变实际的HP/LP EGR比率。
在步骤360,来自步骤350的HP EGR和LP EGR打开百分tt: 可以应用到一个或多个对应的HPEGR、 LPEGR、进气节流阀、或排气节 流阀。该HP和/或LPEGR打开百分比可以在这些开环控制框的下游直接 进行调节，或者间接地通过这些开环控制框上游的设置点调节来进行调节。示例性控制流程
现在参见图4的控制图，图3的控制方法300的一个部分被以框 图的形式示出为一个EGR控制流程400。该控制流400可以在例如图2的 示例性控制子系统之中和更具体地在其进气控制模块64中执行。相应地， 图4示出了该HP与LP EGR控制子模块或方框72 、 74以及该涡轮增压器 增压控制子模块或方框76。类似地， 一个优化方框402、 一个EGR分数估 算方框404、和一个EGR分数的闭环控制方框406也可以在该进气控制模 块64和，更具体地，在图2的顶级进气控制子模块70之中执行。
首先，并且仍参见图5A-5C，该实际总EGR分数估算方框404 优选地使用除其他标准发动机系统参数如发动机载荷、发动机转速、涡轮 增压器提升压力、以及发动机系统温度之外的用于该实际总EGR分数的代 理参数来执行。例如，图5A示出逸优选的代理参数是空气质量流量414a, 它可以从任何适当的空气质量流量估算值或来自例如该入口空气质量流量 传感器的读数来获得。在另一个实例中，图5B示出该代理参数可以是氧含 量百分比414b,例如来自类似设置在该进气子系统14中02传感器的一个 02传感器。例如，该02传感器可以是一个通用的排气氧含量传感器 (UEGO)，它可以位于该进气歧管34之中。在另一个实例中，图5C示出该 代理参数可以是从多个温度传感器得到的进气子系统和排气子系统温度 414c。例如，可以使用来自例如该进气温度传感器的入口空气温度、来自 例如排气温度传感器的排气温度、以及来自例如该进气歧管温度传感器的 歧管温度。在以上所有这些方案中，该实际总EGR分数416可以从一个或 多个代理参数类型来进行估算。.
其次，并且再次参见图4，该优化方框402接收并处理各个发动 机系统的输入来确定一个最优的HP/LP EGR比率并且根据该比率产生一个 HP EGR设置点。例如，该优化方框402可以接收例如来自该发动机系统 10的相应传感器的发动机载荷信号4Q7和发动机转速信号408。该发动机 载荷信号407可以包括任何参数，如歧管压力、燃料喷射流量等。该优化方框402还可以接收例如来自该顶级发动机控制模块62的一个总EGR分 数设置点418。
该优化方框402可以区分燃料经济标准的优先次序，用于确定最 优的HP/LP EGR比率并产生相应的HP/LP EGR设置点。根据燃料经济的 优化，该优优化方框402可以包括任何适当的净涡轮增压器效率模型，它 包括不同的参数如泵送损耗、以及涡轮机和压缩机效率。该效率模型可以 包括基于一套原则的该进气子系统14的数学表达式、 一套发动机系统校准 表、或类似形式。用于确定所希望的EGR比率以满足燃料经济标准的示例 性标准可以包括设置一个比率，它允许实现总EGR部分而无需关闭进气或 排气节流阀，这种关闭倾向于负面地影响燃料经济；或者该比率可以调节 为实现最大燃料经济的一个最优进气温度。
该优化方框402还可以取代该燃料经济标准而为了任何适当的目 的而另外地优化其他发动机系统标准。例如，可以取代该燃料经济标准来 提供一个HP/LP EGR比率，它提供改进的发动机系统性能，如为了车辆加 速而响应驱动器指令来提高的扭矩输出。这一情况下，该控制器可以支持 一个更高LP EGR百分比，它允许更好的涡轮增压器的提速以降低涡轮滞 后。在另 一个实例中，该取代可以提供一个不同的HP/LP EGR比率以保护 该发动机系统10,例如来避免一个涡轮增压器超速的情形或过高的压缩机 尖端的温度，或者降低涡轮增压器冷凝物的形成，或类似情况。在另一个 实例中，该取代可以提供另 一个HP/LP EGR比率以《更通过例如影响进气或 排气子系统温度来维护该发动机系统10。例如，可以提高排气子系统的温 度来使一个柴油机微粒过滤器再生，以及降低进气温度来冷却该发动机12。 作为另一个实例，可以控制进气温度来降低在该入口进气通道中形成冷凝 水潜在可能性。
在任何情况下，该优化方框402根据其一个或多个模型处理这些 输入来确定该总HP/LP EGR比率并且随后产生一个HP EGR设置点420,它在下游被馈入到该HP EGR控制方框74和一个算术节点422，它也接 收来自该顶级发动机控制模块62的该总EGR分数设置点418以产生一个 LP EGR设置点424。 第三，并且仍参照图4，该总EGR分数闭环控制方框406可以是 任何适当的闭环控制装置，如一个PID控制器模块或类似装置，用于控制 该总EGR分数。该闭环控制方框406包括一个设置点输入406a,用于从该 顶级发动机控制模块62接收该目标总EGR分数设置点，并且进一步可以 包括一个过程变量输入406b，用于从该估算器方框404接收该实际总EGR 分数估算值。该总EGR分数控制方框406处理这些输入来产生一个反馈控 制信号或调节命令406c,用于在另一个算术节点上与LPEGR设置点424 求和，用于在该LP EGR控制方框72的下游输入。这一微调调节也可以 或者替代地计算成对该LP EGR阀和/或排气节流阀百分比打开命令的一 个调节并且添加在该LP EGR开，控制方框72之后。相应地，该控制方框 406和多个关联节点可以在其下游侧与该开环控制方框72通信以调节用于 该阀门与节流器打开百分比的适当的设置点。 因为该HP EGR流量仅仅是开环控制，所以该LP EGR流量或部 分是通过该闭环控制方框406来调节以实现目标总EGR分数。更确切地说， 因为废气排放与发动机的燃料经济均与总EGR分数高度相关又在一个更小 的程度上与该HP/LPEGR比率有关，所以为了最大限度的控制，该总EGR 分数采用闭环控制，而为了最好的成本效益和效率，该HP与/或LPEGR 分数和/或该HP/LP EGR比率至少被部分地开环控制。这些开环控制方框 72、 74提供良好的响应时间，降低控制器的互相依赖，并且减小了传感器 信号中的顺态效应和扰动。然而这是一个示例性方案，以下参照图8-10 说明其他的方案。 第四，除该涡轮增压增加的压力409和发动机载荷与速度输入 407、 408之外，该LP和HP EGR控制方框72、 74接收它们对应的LP和HP EGR设置点。这些LP和HP EGR控制方框72、 74接收这些输入用于 它们各自的LP和HP EGR致动器的开环或前馈控制。例如，这些LP和 HPEGR控制方框72、 74输出LPEGR阀和/或排气节流器命令430、 432, 和HPEGR阀和/或进气节流器命令438、 440。这些LP和HP EGR控制方 框72、 74可以使用 一个或多个模型来使得HP和LP EGR流量与适当的HP 和LP EGR阀门和/或节流器位置互相关联。
如图6A和6B所示，这些LP和HP EGR控制方框72、 74可以 包括不同的开环控制模型。例如，该LP EGR控制方框72可以包括任何适 当的一个或多个模型426来使该LP EGR设置点424与该LP EGR阀门位 置互相关联，以帮助实现目标HP/LP EGR比率。同样，该LPEGR控制方 框72可以包括任何适当的模型428来使该LP EGR设置点424与该排气节 流器位置互相关联，以帮助实现该目标HP/LP EGR比率。这些模型426、 428可以接收任何适当的输入，如该发动机载荷407、该发动机转速408、 以及该涡轮增压器增加的压力409。这些模型426、 428被执行以便对应地 产生该LP EGR阀门命令430和/或该排气节流器命令432,供对应的致动 器使用。注意这些致动器可以在一个开环模式下工作，或者可以与任何适 当的传感器运行连接以测量致动器位置并调节这些命令来实现这些目标百 分比。
同样，该HP EGR控制方框74可以包括任何适当的一个或多个 模型434来使得该HP EGR设置点420与该HP EGR阀门位置互相关联以 帮助实现该目标HP/LP EGR比率。而且，该HP EGR控制方框74可以包 括任何适当的一个或多个模型436来使得该HP EGR设置点420与该进气 节流器位置互相关联以帮助实现该目标HP/LP EGR比率。再一次，这些模 型434、 436可以接收任何适当的输入，例如发动冲几载荷407、发动才几转速 408、以及涡轮增压器增加的压力409。这些模型434、 436被执行以便对应 地产生一个HP EGR阀门命令438和/或一个进气节流器命令440,供对应的致动器使用。
图7示出LP EGR阀门和排气节流阀打开百分比与目标总EGR 分数之间关系的一个示例性曲线。如所示，该节流阀42可以在大约0%%的打开状态，而该LP EGR阀门54从大约0 % EGR到20 % EGR基本上 保持关闭。其后，该排气节流器42膝持100。/。的打开直到该总EGR达到大 约70 % ,并且该LP EGR阀门54在大约70 % EGR处逐渐地打开到基本上 100%的打开状态。其后，该LPEGR阀门54保持基本上100%的打开，而 该排气节流阀42逐渐地关闭直到它在100 % EGR处基本关闭。可以使用一 个单个的、组合的LP EGR和排气节流阀来代替两个单独的阀门，只要这 样的一个单一的阀门装置基本上能够实现刚才所说明的打开功能。
再次参照图4,该涡轮增压器增压控制方框76是任何适当的闭环 控制装置，如适当的PID控制模块，用于调节多个涡轮增压器致动器以便 在安全的增压涡轮工作范围内实现一个目标增加的压力。该控制方框76可 以包括一个设置点输入76a来从该顶级发动机控制模块62接收增压设置 点，和来自该涡轮增压器增压传感fl的一个实际增加的压力输入76b。该控变涡轮几何形状命令444来调节该涡轮增压器18的可变叶片。
现在参见图8， 一个替代控制流程800可以用来取代该优选的控制流程400。本实施方案在许多方面与图4的实施方案相似，并且这些实施方案之间同样的数字总体上标明贯穿附图的多个#见图中相同或者相应的元件。此外，此前的实施方案的说明通过引用结合在此并且其共同的主题总体上不再这里重复。
该替代控制流程800涉及HP EGR的闭环调节而不是LP EGR。 换言之，可以调节一个HP EGR设置点420'(而非LP EGR设置点424')来控 制总EGR分数。相应地，该闭环控制方框406'可以产生一个控制信号来调节HP EGR分数(而非LP EGR分数)。为了容许控制策略上的这一改变，可 以配备一个优化方框402'来输出 一个LP EGR设置点424'，而不是HP EGR 设置点420。这一微调调节也可以或者替代地计算成对HP EGR阀和/或 进气节流阀百分比的一个或多个打开命令的一种调节并且添加在该HP EGR开环控制方框74之后。相应地，该控制方框406和多个关联节点可以 在其下游侧与该开环控制方框72通信以调节用于该阀门与节流器打开百分 比的适当的设置点。其他方面,.该流程800基本上与流程400相似。
现在参见图9, 一个第二控制流程900可以用来取代该优选的控 制流程400。本实施方案在许多方面类似于图4的实施方案，并且这些实施 方案之间同样的数字总体上标明贯穿附图的多个视图中相同或者相应的元 件。此外，此前的实施方案的说明通过引用结合在此并且其共同的主题总 体上不再这里重复。 在该第二控制流程900中，能够以作为该HP和LP EGR设置点 的相同比例给HP和LP EGR分数分配闭环控制。换言之，HP和LP EGR 分数均与它们各自的EGR设置点成比例地进行闭环控制。
为了实现控制策略上的这个变化，该闭环控制方框406并不象流 程400那样通过该上游算术节点426将其微调命令406c仅仅输出到该LP EGR控制方框72。而是，该微调命令被输出到该LP和HPEGR控制模块 72、 74的两者。为了进一步协助这一变化，比例算术方框950、 952接收对 应的HP和LP EGR设置点与该总EGR设置点418。来自该算术方框950、 952的比例输出在多个乘法算术方框954、 956处被接收，用于给其进行该 闭环微调命令406c的比例分配。这些多重的输出在下游算术节点426、 926 处与该LP和HP EGR "&置点相加求和，用于在下游的LP和HP EGR控制 方框72、 74处输入。这些算术方框之中能够执行一些适当的校验以避免当 该总EGR分数设置点为0时除以0。在其他方面，该流程900基本上与流 程400和/或800相似。
现在参见图10, —个第三示例性控制流程1000可以用来取代优 选的控制流程400。本实施方案在许多方面与图4的实施方案相似，并且这 些实施方案之间同样的数字总体上标明贯穿附图的多个视图中相同或者相 应的元件。此外，此前的实施方案的说明通过引用结合在此并且其共同的 主题总体上不再这里重复。
在该第三控制流程1000中，取决于任何给定时刻发动机的运转 状态，闭环控制可以在LP和HP EGR开环控制方框72、 74之间来回切换。 换言之，HP或者是LPEGR设置点可以使用闭环控制来调节。例如，可以 闭环控制HP EGR以避免当发动机系统温度相对较高、或者当需要的总 EGR分数的一个迅速变化、或者当该涡轮增压性能为次要的或不需要时发 生涡轮增压器的冷凝。
为了实现控制策略的变化， 一个闭环控制方框1006并不象流程 400那样通过该上游算术节点426仅仅给该LP EGR控制模块72提供输出。 而是，该控制方框1006给该LP和HP EGR控制模块72、 74的两者都提供 输出。该闭环控制方框1006可以包括一个设置点输入1006a来从顶级发动 机控制模块62接收目标总EGR分数设置点418并且进一步可以包括一个 过程变量输入1006b来从该估算器方框404接收该实际总EGR分数估算值。 该总EGR分数控制方框1006处理这些输入来产生替代微调命令； 一个LP EGR微调命令1006c用于在算术节:点426与LP EGR设置点424相加求和， 用于在LP EGR控制方框72的下游输入；以及一个HP EGR微调命令1006d 用于在另 一个算术节点1026与HP EGR设置点420相加求和，用于在 EGR控制方框74的下游输入。该控制方框1006可以在这两个输出lOOOc、方框1006来进行调节以实现该目标总EGR分数。在其他方面，该流程1000 基本上与流程400和/或800相似。
以上不同示意性实施方案中的一个或者多个可以包括以下优点中的一个或多个。第 一， 一个总的目标EGR分数可以分配到HP和LP EGR 通道的方式为首先遵守排放法规，其次优化发动机的燃料经济与性能并保 护和维护发动机系统。第二，不需要使用单独的总EGR、 HP EGR、或者 LPEGR流量传感器，这些传感器成本昂贵、使发动^/L系统复杂化、并且引 入故障模式。第三，可以使用一个标准的闭环控制装置来控制一个目标总 EGR分数以及这些单独的HP和LP EGR流量，从而允许在当前的发动机 控制结构中实用的和具有成本效益的实施。第四，可以使用由一个单个的 共用致动器控制的一种组合的LP EGR阀与排气节流阀，同样地，也可以 使用由一个单个的共用致动器控制的一种组合的HP EGR阀与进气节流 阀。 以上说明的本发明实施方案本质上仅仅是示例性的并且，因此， 其变化并不被认为是背离了本发明的精神与范围。
权利要求
1.在一个涡轮增压的压缩点火发动机系统中控制排气再循环(EGR)的一种方法，该发动机系统包括一个发动机、一个在上游与该发动机连通的进气子系统、一个在下游与该发动机连通的排气子系统，并包括一个排气节流阀、一个涡轮增压涡轮机上游以及一个涡轮增压压缩机下游的该排气与进气子系统之间的一个高压EGR通道，并包括一个HP EGR阀门、以及该涡轮增压涡轮机下游以及该涡轮增压压缩机上游的该排气子系统与进气子系统之间的一个低压EGR通道，并包括一个LP EGR阀门，该方法包括将新鲜空气抽入该进气子系统；通过该进气子系统将进气导入该发动机；通过该排气子系统从该发动机排出排气；通过该高压或者低压EGR通道的至少一个将排气从该排气子系统再循环到该进气子系统；检测表明总EGR分数的一个或多个代理参数；估算响应于该检测的代理参数的总EGR分数作为至少一个发动机系统模型的输入，并且不使用EGR流量传感器；确定符合排气排放标准的一个目标总EGR分数；在所确定的该目标总EGR分数的约束下确定一个目标HP/LP EGR比率来优化燃料经济标准；根据所确定的该目标HP/LP EGR比率生成HP EGR和LP EGR的设置点；确定对应于该HP EGR和LP EGR设置点的目标HP和LP EGR阀门以及排气节流阀打开百分比；通过将该估算的总EGR分数处理为过程变量输入并将该目标总EGR分数处理为设置点输入来调节该HP与LP EGR分数中的至少一个，其中这些设置点或者打开百分比中的至少一个被调节；并且将该HP EGR与LP EGR阀门以及排气节流阀的打开百分比应用到该HP EGR与LP EGR阀门以及排气节流阀。
2. 权利要求1的方法，其中该一个或多个代理参数包括空气质量流 量、02、或者发动机系统温度中的至少一个。
3. 权利要求l的方法，其中该总EGR分数的估算步骤可以包括使用 该一个或多个发动机系统模型来A式地或者经验地使该一个或多个代理参 数与该总EGR分数互相关联。
4. 权利要求3的方法，其中该一个或多个发动机系统模型包括使多 个EGR分数值与多个代理参数值交叉参照的多个查询表或者映射图中的至 少一个。
5. 权利要求4的方法，其中该一个或多个发动机系统模型是基于发 动机速度与进气歧管的压力和温度。
6. 权利要求1的方法，其中该确定该目标HP/LP EGR比率的步骤包 括在所确定的目标总EGR分数的询束内，放弃该燃料经济标准而使用其他 发动机系统标准。
7. 权利要求6的方法，其中该其他发动机系统标准包括发动机系统 性能。
8. 权利要求7的方法，其中该其他发动机系统标准进一步包括发动 机系统保护或者维护规范中的至少一个。
9. 权利要求l的方法，进一步包括该涡轮增压器的闭环控制。
10. 权利要求1的方法，其中该LP EGR阀门包括一个进气节流阀，其 中这些阀门由一个共用的致动器来操作。
11. 权利要求1的方法，其中该HP EGR阀门包括一个排气节流阀， 其中这些阀门由一个共用的致动器来操作。
12. 权利要求1的方法，其中该确定一个目标HP/LP EGR比率的步骤 包括使用 一个涡轮增压器效率模型^
13. 权利要求1的方法，进一步包括使用闭环控制来调节该LP EGR 设置点。
14. 权利要求1的方法，其中该确定目标HP与LPEGR打开百分比的 步骤包括使用以发动机载荷、发动机转速、以及涡轮增压器增加的压力作 为输入的多个开环模型。
15. 权利要求14的方法，其中这些打开百分比的应用方式是该排气 节流阀在大约0% EGR处基本关闭并且在大约20%EGR处逐渐地打开到 一个基本上100%的打开位置,叙LP EGR阀门从大约0。/。EGR到20% EGR基本上保持关闭并且，此后，该排气节流器阀保持基本上100%打开 直到总EGR达到大约70 % ,并且该LP EGR阀门在大约70 % EGR处逐洋/f 地打开到基本上100%的打开状态，其后该LP EGR阀门保持基本上100% 的打开，而该排气节流阀逐渐地关闭直到它在100。/。EGR处基本关闭。
16. 权利要求1的方法，进一步包括使用闭环控制来调节该HP EGR 设置点。
17. 权利要求1的方法，进一步包括根据该HP与LP设置点的比例使 用闭环控制调节该HP与LP EGR设置点。
18. 权利要求1的方法，进一步包括取决于在任意给定时刻发动机的 运转状态使用闭环控制调节该HP与LP设置点中的一个或者另 一个。
19. 在 一 个涡轮增压的压缩点火发动机系统中控制排气再循环(EGR) 的一种方法，该发动机系统包括一个发动机、 一个在上游与该发动机连通 的进气子系统、 一个在下游与该泉动机连通的排气子系统、 一个涡轮增压 涡轮机上游与 一个涡轮增压压缩机下游的该排气与进气子系统之间的一个 高压EGR通道，并包括一个HP EGR阀门、以及该涡轮增压涡轮机下游与 该涡轮增压压缩机上游的该排气子系统与进气子系统之间的一个低压EGR 通道，并包括一个LP EGR阀门，该方法包括检测表明总EGR分数的一个代理参数；估算响应于该检测的代理参数的总EGR分数作为对至少一个发动机 系统模型的输入，并且不使用EGR流量传感器；确定符合排气排放标准的一个目标总EGR分数；在所确定的该目标总EGR分数的约束下确定一个目标HP/LP EGR比 率来优化其他发动机系统标准；根据所确定的该目标HP/I^P力GR比率生成HP EGR和LP EGR设置点-'确定对应于该HP EGR和LP EGR设置点的目标HP和LP EGR阀门 打开百分比；使用闭环控制来调节该HP与LP EGR分数中的至少一个，其中该HP或LP设置点或者打开百分比中的至少一个得到调节；和将该HP EGR与LP EGR阀门的打开百分比应用到该HP EGR与LP EGR阀门上。
20.在一个涡轮增压的压缩点火发动机系统中控制排气再循环(EGR) 的一种方法，该发动机系统包括一个发动机、 一个在上游与该发动机连通 的进气子系统、 一个在下游与该发动机连通的排气子系统、 一个涡轮增压 涡轮机上游以及一个涡轮增压压缩机下游的该排气与进气子系统之间的一 个高压EGR通道、以及该涡轮增压涡轮机下游以及该涡轮增压压缩机上游 的该排气子系统与进气子系统之间的一个低压EGR通道，该方法包括 确定符合排气排放标准的一个目标总EGR分数；并且 在所确定的该目标总EGR分数的约束下确定一个目标HP/LP EGR比 率来优化其他发动机系统标准。
全文摘要
在一个涡轮增压的压缩点火发动机系统(10)中控制排气再循环(EGR)的一种方法，该发动机系统包括一个发动机(12)、一个在上游与该发动机连通的进气子系统(14)、一个在下游与该发动机连通的排气子系统(16)、一个涡轮增压涡轮机(38)上游与一个涡轮增压压缩机(28)下游的该排气与进气子系统之间的一个高压EGR通道(46)、以及该涡轮增压涡轮机下游与该涡轮增压压缩机(28)上游的该排气子系统与进气子系统之间的一个低压EGR通道(48)。确定符合排气排放标准的一个目标总EGR分数，然后在所确定的该目标总EGR分数的约束下确定一个目标HP/LP EGR比率来优化其他发动机系统标准。
文档编号F02D41/00GK101331302SQ200680047710
公开日2008年12月24日 申请日期2006年12月20日 优先权日2005年12月20日
发明者J·舒蒂, V·米勒, V·约尔格尔 申请人:博格华纳公司