排气温度和压力建模系统和方法

专利名称：排气温度和压力建模系统和方法
技术领域：
本发明涉及内燃机系统，且更具体地涉及排气系统。
背景技术：
在此提供的背景说明是为了总体上介绍本发明背景的目的。当前所署名发明人的 工作(在背景技术部分描述的程度上)和本描述中否则不足以作为申请时的现有技术的各 方面，既不明显地也非隐含地被承认为与本发明相抵触的现有技术。 发动机燃烧空气和燃料的混合物以产生驱动扭矩并推进车辆。空气通过节气门阀 抽吸到发动机中。由一个或多个燃料喷射器提供的燃料与空气混合形成空气/燃料混合 物。空气/燃料混合物在一个或多个气缸中燃烧以产生驱动扭矩。发动机控制模块(ECM) 控制发动机的扭矩输出。 由于空气/燃料混合物的燃烧引起的排气从发动机排出到排气系统。ECM可基于 来自于位于排气系统中的各个传感器的信号来调节一个或多个发动机参数。仅作为示例， 一个或多个温度传感器和/或排气流率传感器可位于排气系统中。ECM可基于所述信号调 节例如进入发动机的空气流量、喷射的燃料量和/或火花正时。 传感器为ECM提供关于排气系统内的状况的测量值且允许ECM调节一个或多个发 动机参数以形成期望排气状况。然而，随着排气系统中采用的传感器的数量增加，制造车辆 的成本也增加。增加的制造成本可以例如归因于传感器本身、相关的布线和硬件、和/或研 究和研发。此外，车辆制造商可制造各种不同车辆，且不同车辆中的每种可具有不同的排气 系统。标定和调节在每个不同车辆和排气系统中采用的传感器也可能增加车辆制造成本。

发明内容
—种用于车辆的排气控制系统，包括排气系统建模模块和致动器控制模块。所述
排气系统建模模块估计在车辆中所采用的排气系统的排气系统部件的输入气体温度、输出
气体温度、块温度、和压力。排气流经所述排气系统部件。所述致动器控制模块基于输入气
体温度、输出气体温度、块温度、和压力中的至少一个来选择性地调节发动机操作参数。 在其它特征中，所述排气系统建模模块基于第二输出气体温度来估计所述输入气
体温度，所述第二输出气体温度针对联接到所述排气系统部件且位于所述排气系统部件的
上游的第二排气系统部件进行估计。 在另外的特征中，当所述排气系统部件是排气歧管时，所述排气系统建模模块估
计发动机输出温度且基于所述发动机输出温度来估计所述输入气体温度。 在进一步的特征中，所述排气系统建模模块基于发动机负荷、每缸空气、火花正
4时、当量比、燃料的乙醇浓度、发动机速度和车辆速度来估计所述发动机输出温度。
在另外的特征中，当所述排气系统部件是排气再循环系统时，所述排气系统建模 模块估计排气再循环(EGR)系统连接到排气歧管的位置处的气体温度，且基于所述气体温 度来估计所述输入气体温度。 在其它特征中，所述排气系统建模模块估计所述排气系统部件的稳态(SS)温度，
且基于所述SS温度和对所述排气系统部件确定的块系数来估计所述块温度。 在另外的特征中，所述块系数基于对所述排气系统部件估计的排气流率(EGF)来确定。 在进一步的特征中，所述排气系统建模模块基于环境空气温度、所述输入气体温 度和EGF来估计所述SS温度。 在更进一步的特征中，当所述排气系统部件是涡轮增压器时，所述排气系统建模
模块还基于进气空气温度和施加到旁路的功率占空因数来估计所述SS温度。 在其它特征中，当所述排气系统部件是催化剂时，所述排气系统建模模块估计热
生成量且基于所述热生成量来选择性地增加所述块温度和所述SS温度中的至少一个。 在另外的特征中，所述排气系统建模模块基于所述输入气体温度、所述块温度和
对所述排气系统部件确定的输出系数来估计所述输出气体温度。 在进一步的特征中，所述输出系数基于对所述排气系统部件估计的排气流率 (EGF)来确定。 在更进一步的特征中，当所述排气系统部件是催化剂时，所述排气系统建模模块
估计热生成量且基于所述热生成量来选择性地增加所述输出气体温度。 在其它特征中，当所述排气系统部件是涡轮增压器时，所述输出系数还基于施加
到旁路的功率占空因数来确定。 在另外的特征中，所述排气系统建模模块基于对所述排气系统部件估计的压力增 加和在所述压力下游的第二压力的总和来估计所述压力。 在进一步的特征中，所述排气系统建模模块基于对所述排气系统部件估计的排气 流率(EGF)来估计所述压力增加。 在更进一步的特征中，当所述排气系统部件是涡轮增压器时，所述排气系统建模 模块还基于施加到旁路的功率占空因数来估计所述压力增加。 在其它特征中，当所述排气系统部件是回气管/尾管系统时，所述第二压力是环 境空气压力。 在另外的特征中，所述排气控制系统还包括配置模块。所述配置模块接收与排气 系统的配置相对应的配置数据且基于所述配置数据来配置所述排气系统建模模块。
在进一步的特征中，所述排气系统建模模块基于普通排气系统配置被初始配置， 所述普通排气系统配置包括两个排气歧管、排气再循环(EGR)系统、四个涡轮增压器、六个 排气管部分、六个催化剂和两个回气管/尾管系统。 在更进一步的特征中，所述排气系统建模模块基于所述配置数据来选择性地禁用 所述普通排气系统配置中的一个或多个部件。 在其它特征中，所述排气系统建模模块针对包括所述排气系统部件的N个不同排 气系统部件中的相应一个来估计N个输入气体温度、输出气体温度、块温度和压力。N是大于1的整数，排气流经所述N个不同排气系统部件中的每一个。 在另外的特征中，所述排气系统包括总共N个不同排气系统部件。 —种用于车辆的排气控制方法，包括估计在车辆中所采用的排气系统的排气系
统部件的输入气体温度、输出气体温度、块温度、和压力；和基于输入气体温度、输出气体温
度、块温度、和压力中的至少一个来选择性地调节发动机操作参数。排气流经所述排气系统部件。 在其它特征中，所述排气控制方法还包括基于第二输出气体温度来估计所述输 入气体温度，所述第二输出气体温度针对联接到所述排气系统部件且位于所述排气系统部 件的上游的第二排气系统部件进行估计。 在另外的特征中，所述排气控制方法还包括当所述排气系统部件是排气歧管时，
估计发动机输出温度且基于所述发动机输出温度来估计所述输入气体温度。 在进一步的特征中，所述排气控制方法还包括基于发动机负荷、每缸空气、火花
正时、当量比、燃料的乙醇浓度、发动机速度和车辆速度来估计所述发动机输出温度。 在另外的特征中，所述排气控制方法还包括当所述排气系统部件是排气再循环
系统时，估计排气再循环(EGR)系统连接到排气歧管的位置处的气体温度；和基于所述气
体温度来估计所述输入气体温度。
在其它特征中，所述排气控制方法还包括估计所述排气系统部件的稳态(SS)温
度；和基于所述SS温度和对所述排气系统部件确定的块系数来估计所述块温度。 在另外的特征中，所述块系数基于对所述排气系统部件估计的排气流率(EGF)来确定。 在进一步的特征中，所述排气控制方法还包括基于环境空气温度、所述输入气体 温度和EGF来估计所述SS温度。 在更进一步的特征中，所述排气控制方法还包括当所述排气系统部件是涡轮增
压器时，还基于进气空气温度和施加到旁路的功率占空因数来估计所述SS温度。 在其它特征中，所述排气控制方法还包括当所述排气系统部件是催化剂时，估计
热生成量；和基于所述热生成量来选择性地增加所述块温度和所述SS温度中的至少一个。 在另外的特征中，所述排气控制方法还包括基于所述输入气体温度、所述块温度
和对所述排气系统部件确定的输出系数来估计所述输出气体温度。 在进一步的特征中，所述输出系数基于对所述排气系统部件估计的排气流率 (EGF)来确定。 在更进一步的特征中，所述排气控制方法还包括当所述排气系统部件是催化剂
时，估计热生成量；和基于所述热生成量来选择性地增加所述输出气体温度。 在其它特征中，当所述排气系统部件是涡轮增压器时，所述输出系数还基于施加
到旁路的功率占空因数来确定。 在另外的特征中，所述排气控制方法还包括基于对所述排气系统部件估计的压 力增加和在所述压力下游的第二压力的总和来估计所述压力。 在进一步的特征中，所述排气控制方法还包括基于对所述排气系统部件估计的 排气流率(EGF)来估计所述压力增加。 在更进一步的特征中，所述排气控制方法还包括当所述排气系统部件是涡轮增压器时，还基于施加到旁路的功率占空因数来估计所述压力增加。 在其它特征中，当所述排气系统部件是回气管/尾管系统时，所述第二压力是环 境空气压力。 在另外的特征中，所述排气控制方法还包括使用排气系统建模模块来估计所述 输入气体温度、所述输出气体温度、所述块温度和压力；接收与排气系统的配置相对应的配 置数据；和基于所述配置数据来配置所述排气系统建模模块。 在进一步的特征中，所述排气系统建模模块基于普通排气系统配置被初始配置， 所述普通排气系统配置包括两个排气歧管、排气再循环(EGR)系统、四个涡轮增压器、六个 排气管部分、六个催化剂和两个回气管/尾管系统。 在更进一步的特征中，所述排气控制方法还包括基于所述配置数据来选择性地 禁用所述普通排气系统配置中的一个或多个部件。 在其它特征中，所述排气控制方法还包括针对包括所述排气系统部件的N个不
同排气系统部件中的相应一个来估计N个输入气体温度、输出气体温度、块温度和压力。N
是大于1的整数，排气流经所述N个不同排气系统部件中的每一个。 在另外的特征中，所述排气系统包括总共N个不同排气系统部件。 本发明的进一步应用领域从下文提供的详细说明显而易见。应当理解的是，详细
说明和具体示例仅为说明的目的且并没有意图限制本发明的范围。


本发明将从详细说明和附图更充分地理解，在附图中
图1是根据本发明原理的示例性发动机系统的功能框图；
图2是根据本发明原理的示例性排气系统的功能框图；
图3是根据本发明原理的排气系统模块的功能框图； 图4是根据本申请的原理的排气系统的每个部件的存储的温度和压力的示意图；
图5是示出了由根据本发明原理的排气系统模块执行的示例性步骤的流程图；和
图6A-6B是示出了由根据本发明原理的排气系统模块执行的另一组示例性步骤 的流程图。
具体实施例方式
以下说明本质上仅为示范性的且绝不意图限制本发明、它的应用、或使用。为了清 楚起见，在附图中使用相同的附图标记标识类似的元件。如在此所使用的，短语A、B和C的 至少一个应当理解为意味着使用非排他逻辑或的一种逻辑(A或B或C)。应当理解的是，方 法内的步骤可以以不同顺序执行而不改变本发明的原理。 如在此所使用的，术语模块指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或更 多软件或固件程序的处理器(共享的、专用的、或组)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供 所述功能的其他合适的部件。 车辆的排气系统包括排气系统部件，在排气从车辆排出之前，排气流经所述排气 系统部件。根据本发明的排气系统建模模块估计(即，建模)排气流经的排气系统部件中 一个或多个的输入气体温度、输出气体温度、块温度、和压力。
排气系统部件的输入和输出气体温度分别与进入和离开所述部件的排气的温度 相对应。块温度与构成所述部件的材料的温度相对应。对排气系统中各个位置处的温度和 压力进行建模允许发动机控制器调节发动机操作参数以提供排气系统中的期望状况。
现在参考图1，示出了发动机系统100的示例性实施方式的功能框图。空气/燃料 混合物在发动机102内燃烧以产生用于车辆的驱动扭矩。发动机102可以是汽油型发动机、 柴油型发动机、混合动力型发动机和/或其它合适类型的发动机。发动机102可以配置为 任何合适的配置。仅作为示例，发动机102可以配置为V型配置、平型配置或直列型配置。
空气通过进气歧管104和节气门阀106抽吸到发动机102中。节气门阀106被致 动以控制进入发动机102的空气流。电子节气门控制器(ETC) 108控制节气门阀106，从而 控制进入发动机102的空气流。 燃料系统110喷射燃料，燃料与空气混合，以形成空气/燃料混合物。燃料系统 110可以在任何合适位置喷射燃料。仅作为示例，燃料系统110可以将燃料供应到进气歧 管104中，供应到与发动机102的气缸112有关的进气阀(未示出)中，和/或直接供应到 每个气缸112中。在各种实施方式中，燃料系统110为每个气缸112包括一个燃料喷射器 (未示出)。 空气/燃料混合物在发动机102的气缸112中燃烧。空气/燃料混合物的燃烧可 以例如通过由火花塞114提供的火花来启动。在一些发动机系统(例如，发动机系统100) 中，可以为每个气缸112设置一个火花塞。在其它发动机系统中，例如柴油型发动机系统， 燃烧可以在没有火花塞114的情况下完成。空气/燃料混合物的燃烧产生驱动扭矩，且可 旋转地驱动曲轴(未示出)。 发动机102可以包括8个气缸，如图1所示，但是发动机102可以包括更多或更少 数量的气缸。发动机102的气缸112显示为以两个气缸组设置左气缸组116和右气缸组 118。虽然发动机102显示为包括左和右气缸组116和118，但是发动机102可以包括更少 或更多的气缸组。仅作为示例，直列型发动机可以认为是具有以一个气缸组设置的气缸。
发动机控制模块(ECM) 150控制发动机102的扭矩输出。ECM 150可以基于驾驶员 输入模块152提供的驾驶员输入来控制发动机102的扭矩输出。仅作为示例，驾驶员输入 可包括加速踏板位置。 ECM 150也与混合动力控制模块154通信，以协调发动机102和一个或更多电动马 达(例如，电动马达(EM)156)的操作。EM 156也可以用作发电机，且可以用于选择性地产 生电能，以便由车辆电气系统使用和/或存储在蓄电池中。 ECM 150基于由各个传感器测量的参数作出控制决策。例如，进气空气温度可使用 进气空气温度(IAT)传感器158测量。环境空气温度可使用环境温度传感器160测量。进 入发动机102的空气质量流率可使用空气质量流量(MAF)传感器162测量。进气歧管104 内的压力可使用歧管绝对压力(MAP)传感器164测量。在各种实施方式中，可以测量发动机 真空度，其中，发动机真空度基于环境空气压力和进气歧管104内的压力之间的差来确定。
冷却剂温度可使用冷却剂温度传感器166测量。冷却剂温度传感器166可位于发 动机102内或者冷却剂被循环的其它位置处，例如散热器(未示出)。发动机速度可使用发 动机速度传感器168测量。仅作为示例，发动机速度可基于曲轴的旋转速度测量。
ECM150可包括控制发动机操作参数的致动器控制模块170。仅作为示例，致动器
8控制模块170可调节节气门开度、燃料喷射的量或定时、火花正时、气缸停用和/或涡轮增
压器增压。致动器控制模块170也可控制其它发动机参数，例如，排气再循环(EGR)阀开度、
和/或与发动机102气缸112有关的进气和排气阀(未示出)的开启/关闭。 现在参考图2，示出了示例性排气系统200的功能框图。图2的示例性排气系统
200是包括对车辆的多个不同模型和类型共同的排气系统部件的普通排气系统。更具体地，
图2的普通排气系统包括排气流经的排气系统部件。虽然将描述排气系统200，但是本发明
可应用于可包括比排气系统200更少或更多数量部件的其它排气系统配置。分配给排气系
统200的类似部件的附图标记仅仅是为了区分，且不代表部件的相对重要性。 由空气/燃料混合物的燃烧引起的排气从发动机102排出给排气系统200。更具
体地，排气从右气缸组118的气缸112排出给右排气歧管202。排气从左气缸组116的气缸
112排出给左排气歧管204。关于左排气歧管204，排气从左排气歧管204流经第一废气门
206和第二废气门208。第一和第二废气门206和208分别与第一和第二涡轮增压器210
和212相关联。 涡轮增压器210和212各提供增压空气给进气歧管104。涡轮增压器210和212 吸入空气，将空气增压，且提供增压空气给进气歧管104。涡轮增压器210和212可从进气 歧管104、环境空气和/或其它合适的源吸入空气。涡轮增压器210和212中的一个或多个 可例如是可变几何形状涡轮增压器。 也可以采用一个或多个中间冷却器(未示出)，以从提供给进气歧管104的增压空 气散热。增压空气的温度可例如通过空气的增压和/或靠近排气系统200而增加。
涡轮增压器210和212由从左气缸组116的气缸112排出的排气提供动力。废气 门206和208可允许排气分别旁通涡轮增压器210和212。以这种方式，废气门206和208 可分别用于减少涡轮增压器210和212的输出(g卩，增压)。 ECM150经由增压致动器模块214控制涡轮增压器210和212的输出。更具体地， 致动器控制模块170可控制涡轮增压器210和212的输出。仅作为示例，增压致动器模块 214可分别通过控制废气门206和208的位置来调节涡轮增压器210和212的输出。增压 致动器模块214可通过控制施加到废气门206和208的功率的占空因数(DC)来控制废气 门206和208的位置。 来自于左气缸组116的排气可从废气门206和208通过第一排气管216流向第一 催化剂218。左排气歧管204和废气门206和208之间禾口 /或废气门206和208之间的排 气管表面也可以认为是第一排气管216的一部分。第一催化剂218可包括任何合适类型 的催化剂。仅作为示例，第一催化剂218可包括柴油氧化催化剂(DOC)、选择性催化还原剂 (SCR)催化剂、催化转换器和/或任何其它的排气催化剂。 来自于左气缸组116的排气可从第一催化剂218通过第二排气管220流向第二催 化剂222。第二催化剂222也可以包括任何合适类型的催化剂。仅作为示例，第二催化剂 222可包括柴油氧化催化剂(DOC)、选择性催化还原剂(SCR)催化剂、催化转换器和/或任 何其它的排气催化剂。 来自于左气缸组116的排气可从第二催化剂222通过第三排气管224流向第三 催化剂226。第三催化剂226也可以包括任何合适类型的催化剂。仅作为示例，第三催化 剂226可包括柴油氧化催化剂(DOC)、选择性催化还原剂(SCR)催化剂、催化转换器和/或任何其它的排气催化剂。催化剂中的一个或多个也用其它部件实施，例如柴油颗粒过滤器 (DPF)。 在各种实施方式中，第一、第二和第三催化剂218、222和226中的多于一个的催化 剂可以组合且实施为多级催化剂。仅作为示例，第一和第二催化剂218和222可实施为两 级催化剂。在其它实施方式中，第二和第三催化剂222和226可实施为两级催化剂，或者第 一、第二和第三催化剂218、222和226可全部实施为三级催化剂。 来自于左气缸组116的排气可从第三催化剂226流向第一回气管/尾管系统228。 仅作为示例，第一回气管/尾管系统228可包括第四排气管230、第一回气管232、第五排气 管234和第一舌形阀236。排气可从第三催化剂226通过第四排气管230流向第一回气管 232。 第一回气管232阻尼由左气缸组116的气缸112产生的噪音。排气可从第一回气 管232通过第五排气管234流向第一舌形阀236。第一舌形阀236可增加排气系统200内 的压力，防止外来物体进入排气系统200，和/或执行任何其它功能。排气经过第一舌形阀 236离开排气系统200。 来自于右气缸组118的气缸112的排气可采用与来自于左气缸组116的气缸112 的排气类似的路径，如上所述。例如，从右气缸组118的气缸112排出的排气可从右排气歧 管202流经第三废气门250和第四废气门252。 废气门250和252分别与第三和第四涡轮增压器254和256相关联。废气门250 和252以及涡轮增压器254和256可分别与废气门206和208以及涡轮增压器210和212 类似或相同。增压致动器模块214可基于来自于致动器控制模块170的信号来控制废气门 250和252。以这种方式，增压致动器模块214控制涡轮增压器254和256的增压。
来自于右气缸组118的排气可从废气门250和252通过第六排气管258流向第四 催化剂260。右排气歧管202以及废气门250和252之间禾口 /或废气门250和252之间的 排气管表面也可以认为是第六排气管258的一部分。第四催化剂260可包括任何合适类型 的催化剂。仅作为示例，第四催化剂260可包括柴油氧化催化剂(DOC)、选择性催化还原剂 (SCR)催化剂、催化转换器和/或任何其它的排气催化剂。 来自于右气缸组118的排气可从第四催化剂260通过第七排气管262流向第五催 化剂264。第五催化剂264也可包括任何合适类型的催化剂。仅作为示例，第五催化剂264 可包括柴油氧化催化剂(DOC)、选择性催化还原剂(SCR)催化剂、催化转换器和/或任何其 它的排气催化剂。 来自于右气缸组118的排气可从第五催化剂264通过第八排气管266流向第六催 化剂268。第六催化剂268也可包括任何合适类型的催化剂。仅作为示例，第六催化剂268 可包括柴油氧化催化剂(DOC)、选择性催化还原剂(SCR)催化剂、催化转换器和/或任何其 它的排气催化剂。催化剂中的一个或多个也用其它部件实施，例如柴油颗粒过滤器(DPF)。
在各种实施方式中，第四、第五和第六催化剂260、264和268中的多于一个的催化 剂可以组合且实施为多级催化剂。仅作为示例，第四和第五催化剂260和264可实施为两 级催化剂。在其它实施方式中，第五和第六催化剂264和268可实施为两级催化剂，或者第 四、第五和第六催化剂260、264和268可全部实施为三级催化剂。 来自于右气缸组118的排气可从第六催化剂268流向第二回气管/尾管系统270。仅作为示例，第二回气管/尾管系统270可包括第九排气管272、第二回气管274、第十排气 管276和第二舌形阀278。排气可从第六催化剂268通过第九排气管272流向第二回气管 274。 第二回气管274阻尼由右气缸组118的气缸112产生的噪音。排气可从第二回气 管274通过第十排气管276流向第二舌形阀278。第二舌形阀278可增加排气系统200内 的压力，防止外来物体进入排气系统200，和/或执行任何其它功能。排气可经过第二舌形 阀278离开排气系统200。 排气再循环(EGR)系统280也可以与左排气歧管204和/或右排气歧管202相关 联。仅作为示例，EGR系统280也可以与右排气歧管202相关联，如图2所示。EGR系统280 包括EGR阀282、第一 EGR管284和第二 EGR管286。 EGR阀282经由第一 EGR管284连接到右排气歧管202。 EGR阀282经由第二 EGR 管286将来自于右排气歧管202的排气选择性地改向回到进气歧管104。 ECM 150控制EGR 阀282的致动，因而控制通过EGR系统280的排气流率(EGF)。例如，致动器控制模块170 可控制EGR阀282的开度。 ECM150包括排气系统模块290，排气系统模块290基于图2的排气系统200被初 始配置。虽然排气系统模块290和致动器控制模块170显示和讨论为位于ECM 150内，但 是排气系统模块290和/或致动器控制模块170可位于任何合适的位置，例如在ECM 150 外部。排气系统模块290接收表示车辆中采用的实际排气系统的配置的数据并相应地重新 配置。 排气系统模块290估计(g卩，建模)实际排气系统中的每个部件的输入气体温度、 输出气体温度、块温度和压力。致动器控制模块170基于所述排气系统部件中的一个或多 个的输入气体温度、输出气体温度、块温度和/或压力来选择性地调节一个或多个发动机 操作参数。以这种方式，致动器控制模块170可使用由排气系统模块290提供的温度和/ 或压力来产生期望排气系统状况。 现在参考图3，示出了排气系统模块290的示例性实施方式的功能框图。排气系 统模块290包括配置模块302、排气系统建模模块304和存储模块305。排气系统建模模块 304包括排气流率(EGF)确定模块306、输入温度模块308、稳态(SS)温度模块310、块温度 模块312、输出温度模块314和压力确定模块316。 排气系统建模模块304基于图2的排气系统200被初始配置。换句话说，排气系 统建模模块304基于可应用于各种模型和类型的发动机系统和车辆的普通排气系统被初 始配置。 配置模块302接收表示采用排气系统模块290的车辆的实际排气系统配置的实际 配置数据(即，实际配置)。如果实际排气系统配置与排气系统200的配置不同，那么配置 模块302基于所述实际配置来重新配置排气系统建模模块304。重新配置可包括例如基于 所述实际配置启用和禁用普通配置的部件和/或基于所述实际配置来重新配置所启用部 件的参数。配置模块302可从任何合适的源(例如存储器或用于标定车辆的装置)接收实 际排气系统配置数据。 排气系统建模模块304建模(即，确定)实际排气系统中的每个部件的压力和一 个或多个温度。更具体地，排气系统建模模块304建模排气流经的每个排气系统部件的输入温度、输出温度、块温度和压力。部件的输入和输出温度分别与输入给该部件和从该部件
输出的排气的温度相对应。块温度与构成部件本身的材料的温度相对应。 排气系统建模模块304将排气系统中的每个部件的温度和压力存储在存储模块
305中。存储模块305可例如实施为存储器。存储模块305中的温度和压力的设置的示例
性图示在图4中示出。EGF确定模块306确定排气系统中的每个部件的EGF。 EGF可表示为相对于相 关发动机能够产生的最大EGF的百分比。仅作为示例，部件的EGF可使用以下等式确定 五GF
EGi^虹=其中，EGF皿是该部件的相对EGF，EGF是通过该部件的EGF，且EGF皿是最 仏f紐
大EGF。 EGF确定模块306可基于各个输入来确定排气系统部件中的每个的EGF。仅作为 示例，部件的EGF可基于冷却剂温度、所喷射的燃料的乙醇浓度、火花正时、当量比、车辆速 度、环境空气温度、进气空气温度和加速器位置来确定。部件的EGF也可以基于EGR流率、 MAF、每缸空气(APC)、环境空气压力、发动机速度、舌形阀位置和/或废气门占空因数来确定。 EGF确定模块306也可以基于发动机102的操作模式来确定部件的EGF。仅作为 示例，EGF可基于气缸112中的一个或多个是否被停用、发动机102是否怠速、发动机102是 运行还是停机(例如，混合动力应用)、和/或每个点火事件的燃料是否以一个或多个脉冲 (例如，两个脉冲)喷射来确定。 如果一个或多个气缸被停用，部件的EGF可基于停用和/或起用的气缸数来确定。 在发动机停机时，EGF可基于发动机102已经停机(即，OFF)的时间段来确定。EGF确定模 块306也可以基于各种排气系统模式来确定部件的EGF，例如空气是否喷射到排气系统中 (例如，通过辅助空气泵)，催化剂加热是否发生，和/或排气系统中的一个或多个催化剂是 否发生熄灯(light off)。 EGF确定模块306也可以基于排气系统的实际配置和/或各个部件的特性来确定 部件的EGF。仅作为示例，排气系统可配置成将来自于右和左排气歧管202和204的排气在 汇聚点(未示出)处带到一起。EGF确定模块306可以将汇聚点下游的部件的上游部件的 两个EGF求和。可能影响EGF的特性可包括例如曲率和/或截面面积。
输入温度模块308建模(g卩，确定)实际排气系统中的每个部件的输入温度(即， 输入气体温度)。输入温度模块308将输入温度存储在存储模块305中。输入温度模块308 可基于排气系统的前面(即，上游)部件的输出温度来设定部件的输入温度。仅作为示例， 输入温度模块308可基于第(N-l)个部件的输出温度来设定排气系统的第N个部件的输入 温度。 对于排气歧管(例如，右和左排气歧管202和204)，输入温度模块308可基于发动 机输出温度来设定输入温度。输入温度模块308可基于各个参数(例如，发动机负荷、APC、 发动机速度、火花正时、当量比、燃料的乙醇浓度、车辆速度和/或发动机102的暖机状态) 来确定发动机输出温度。 当排气系统包括EGR系统(例如，EGR系统280)时，输入温度模块308基于EGR 系统连接到相关排气歧管的位置处的排气温度来确定EGR系统的输入温度。输入温度模块308也可以确定EGR系统的每个部件(例如，两个EGR管线和/或EGR阀)的输入温度。
SS温度模块310建模(S卩，确定)实际排气系统中的每个部件的SS温度。部件的 SS温度与如果发动机负荷状况保持恒定(即，稳态)该部件本身将达到的温度相对应。SS 温度模块310基于部件的输入温度、环境温度和针对该部件确定的SS系数来确定部件的SS 温度。 SS温度模块310基于部件的EGF来确定部件的SS系数。仅作为示例，SS温度模 块310可使用以下等式来确定部件的SS温度TSS = (TIN-TA)*CSS其中，Tss是部件的SS温 度，TIN是部件的输入温度，TA是环境空气温度，且Css是部件的SS系数。
SS温度模块310基于涡轮增压器的EGF和施加到相关废气门的功率的DC来确定 涡轮增压器(例如，涡轮增压器212、212、254和/或256)的SS系数。仅作为示例，SS温 度模块310可基于涡轮增压器212的EGF和施加到废气门206的功率的DC来确定涡轮增 压器212的SS系数。 当涡轮增压器吸入环境空气时，SS温度模块310也基于进气空气温度来调节涡轮 增压器的SS温度。仅作为示例，SS温度模块310可使用以下等式来确定涡轮增压器的SS 温度TSS—T = IAT+CSS—T*(TIN—厂IAT)其中，Tss—T是涡轮增压器的SS温度，IAT是进气空气温 度，Css—T是涡轮增压器的SS系数，且TIN—T是涡轮增压器的输入温度。块温度模块312确定排气系统部件中的每个的块温度。块温度模块312将块温度
存储在存储模块305中。块温度模块312基于部件的SS温度和针对该部件确定的块系数
来确定部件的块温度。块温度与构成部件的材料(例如，金属)的温度相对应。块温度模块312基于对该部件确定的EGF来确定该部件的块系数。块系数与块温
度朝该部件的SS温度变化的速率相对应。仅作为示例，在EGF减小时，块系数可增加。块
温度模块312基于例如SS温度与块系数的乘积来确定部件的块温度。 块温度模块312基于涡轮增压器的EGF和施加到相关废气门的功率的DC来确定
涡轮增压器(例如，涡轮增压器212、212、254和/或256)的块系数。仅作为示例，块温度
模块312可基于涡轮增压器212的EGF和施加到废气门206的功率的DC来确定涡轮增压
器212的块系数。 输出温度模块314确定排气系统部件中的每个的输出温度(即，输出气体温度)。 输出温度模块314将输出温度存储在存储模块305中。 输出温度模块314基于部件的输入温度、部件的块温度和部件的输出系数来确定 部件的输出温度。输出温度模块314基于部件的输入温度加上或者减去可归因于部件和经 过部件的空气之间的热传递的温度变化来确定部件的输出温度。更具体地，输出温度模块 314通过基于输出系数将输入温度朝块温度调节来确定输出温度。 输出温度模块314基于部件的EGF来确定部件的输出系数。仅作为示例，输出温 度模块314可使用以下等式来确定部件的输出温度T。UT = TIN- (TIN-TMSS) *C。UT其中，T。UT是 部件的输出温度，TIN是部件的输入温度，TMSS是部件的块温度，且C。UT是部件的输出系数。
排气系统的催化剂(例如，催化剂218、222、226、260、264和268)也可以产生热。 因此，输出温度模块314基于由催化剂所产生的热来增加排气系统的催化剂的输出温度。 SS温度模块310和块温度模块312也可以基于由催化剂所产生的热来分别增加催化剂的 SS温度和块温度。
由催化剂所产生的热的量将称为热生成量项。催化剂的热生成量项可基于催化剂 的EGF、当量比、和/或燃料的乙醇浓度来确定。仅作为示例，在当量比是1.0时(即，在化 学计量的空气/燃料混合物被燃烧时)，热生成量项是可忽略的。催化剂的热生成量项也可 以基于空气是否提供给排气系统、空气是否喷射到排气系统中(例如，通过辅助空气泵)、 和/或每个点火事件的燃料是否以一个或多个脉冲(例如，两个脉冲)喷射来确定。
输出温度模块314基于涡轮增压器的EGF和施加到相关废气门的功率的DC来确 定涡轮增压器(例如，涡轮增压器212、212、254和/或256)的输出系数。输出温度模块 314基于涡轮增压器212的EGF和施加到废气门206的功率的DC来确定涡轮增压器212的 输出系数。仅作为示例，输出温度模块314可使用以下等式来确定涡轮增压器的输出温度
T。uh = TIN—T-C。UT—T*(TM—T-TIN—t)其中，T。ut—t是涡轮增压器的输出温度，T^—t是涡轮增压器的输
入温度，C。UT—T是涡轮增压器的输出系数，且TM—T是涡轮增压器的块温度。压力确定模块316确定排气系统部件中的每个的压力。压力确定模块316将压力
存储在存储模块305中。压力确定模块316从环境空气压力(即，大气压力)开始且确定
实际排气系统中的最后部件的压力。最后部件与排气从排气系统排出之前经过的最后部件
相对应。 压力确定模块316可基于向上游朝相关排气歧管移动的排气系统的每个连续部 件的压力增加来确定部件的压力。以这种方式，相关排气歧管的压力将是最大的压力。仅作 为示例，排气系统的最后部件可包括回气管/尾管系统，例如回气管/尾管系统228或270 中的一个。压力确定模块316可确定回气管/尾管系统228和270的压力，然后确定排气 管230和272的压力，然后确定催化剂226和268的压力，等等。 压力确定模块316基于部件的EGF来确定部件的压力增加。压力确定模块316也 可以基于所附连部件的EGF、和/或部件的特性(例如部件的曲率和/或截面面积变化)来 确定部件的压力增加。对于回气管/尾管系统(例如回气管/尾管系统228和280)，压力 确定模块316基于回气管/尾管系统的EGF和相关舌形阀(如果有的话)的位置来确定压 力增加。 压力确定模块316基于涡轮增压器的EGF和施加到相关废气门的功率的DC来确 定涡轮增压器(例如，涡轮增压器210、212、254和/或256)的压力增加。仅作为示例，压 力确定模块316可基于涡轮增压器210的EGF和施加到废气门206的功率的DC来确定涡 轮增压器210的压力增加。 压力确定模块316基于EGR流率来确定EGR系统(例如EGR系统280)的压力。 EGR流率可表示为相对于最大EGR流率的百分比。最大EGR流率可为标定值且可以从存储 器检索。EGR流率可基于EGR位置、MAP和/或相关歧管的压力来确定。
致动器控制模块170基于存储在存储模块305中的参数来选择性地调节一个或多 个发动机操作参数。更具体地，致动器控制模块170基于实际排气系统中的一个或多个部 件的温度和/或压力来选择性地调节一个或多个发动机参数。仅作为示例，致动器控制模 块170可基于存储在存储模块305中的压力和温度中的一个或多个来调节喷射的燃料量、 进入发动机102的空气流量、和/或火花正时。 现在参考图5，示出了由排气系统模块290执行的示例性步骤的流程图。控制过程 在步骤501开始，在步骤501中，控制过程初始化。仅作为示例，在步骤501中，控制过程可重新设定先前存储的值和/或配置排气系统建模模块304。控制过程基于车辆的实际排气 系统配置来配置排气系统建模模块304。 在步骤502，控制过程确定排气系统的每个部件的EGF。控制过程继续步骤504，在 步骤504中，控制过程确定排气系统的每个部件的输入温度。部件的输入温度与进入部件 的气体的温度相对应。 在步骤506，控制过程确定排气系统的每个部件的块温度。控制过程基于对该部 件确定的SS温度来确定部件的块温度，如上文所述。部件的块温度与构成部件的材料(例 如，金属)的温度相对应。部件的SS温度与如果发动机负荷状况保持恒定(即，稳态)材 料将达到的温度相对应。在步骤508，控制过程确定每个部件的输出温度。部件的输出温度 与从该部件输出的气体的温度相对应。 控制过程继续步骤510，在步骤510，控制过程确定每个部件的压力。在步骤512， 控制过程存储所述温度和压力，且控制过程返回到步骤502。例如，控制过程将所述温度和 压力存储在存储模块305中。以这种方式，存储模块305包括针对排气系统的每个部件建 模的输入温度、块温度、输出温度和压力。 现在参考图6A，示出了由排气系统模块290执行的另一组示例性步骤的流程图。 在步骤602中，控制过程初始化。仅作为示例，在步骤602中，控制过程可重新设定先前存 储的值和/或配置排气系统建模模块304。控制过程基于车辆的实际排气系统配置来配置 排气系统建模模块304。在步骤602，控制过程也可以将计数值(S卩，N值)重新设定为预 定重新设定值。仅作为示例，预定重新设定值可设定为O。 在步骤604，控制过程确定计数值是否大于预定值(即，M值)。如果为真，那么控 制过程转到步骤606。如果为假，控制过程继续步骤608。在步骤606，控制过程重新设定计 数值。预定值(即，M)与排气系统中所包括的部件总数相对应。以这种方式，当计数值超 过排气系统的部件总数时，控制过程重新设定计数值。控制过程将计数值重新设定为预定 重新设定值，且控制过程继续步骤608。 在步骤608，控制过程累加计数值。换句话说，控制过程累加N值。在步骤610，控 制过程确定与N值相对应的排气系统的部件的EGF。仅作为示例，N值为l可对应于相关的 排气歧管，且N值为M可对应于相关的回气管/尾管系统。 在步骤612，控制过程确定部件的输入温度。输入温度与进入部件的气体的温度相 对应。在步骤614，控制过程确定部件的SS温度。SS温度与在发动机负荷状况保持恒定时 部件的材料可能达到的温度相对应。 在步骤616，控制过程确定部件的块温度。块温度与部件的材料的温度相对应。控 制过程继续步骤618，在步骤618，控制过程确定部件的输出温度。输出温度与从该部件输 出的气体的温度相对应。在步骤620，控制过程存储温度且控制过程返回步骤604。温度可 例如存储在存储模块305中。 现在参考图6B，示出了由排气系统模块290执行的示例性步骤的流程图。除了图 6A所示的步骤之外，控制过程可执行图6B的步骤中的一些或全部。在步骤652中，控制过 程初始化。仅作为示例，在步骤652中，控制过程可重新设定先前存储的值和/或配置排气 系统建模模块304。控制过程基于车辆的实际排气系统配置来配置排气系统建模模块304。
在步骤652，控制过程也可以将计数值(即，N值)重新设定为预定重新设定值
15(即，M值)。仅作为示例，预定重新设定值可设定为排气系统的部件总数。以这种方式，控 制过程在排气系统的最后部件(例如回气管/尾管系统)开始。 在步骤654，控制过程确定计数值是否小于1。如果为真，那么控制过程转到步骤 656。如果为假，控制过程继续步骤658。在步骤656，控制过程重新设定计数值(即，N值)。 控制过程将计数值重新设定为预定重新设定值(即，M值)。以这种方式，控制过程将计数 值重新设定为排气系统的部件总数。然后控制过程继续步骤660。 在步骤658，控制过程递减计数值，并且控制过程继续步骤660。在步骤660，控制 过程确定与N值相对应的部件的压力。在步骤662，控制过程存储压力且控制过程返回步骤 654。压力可例如存储在存储模块305中。 现在本领域中技术人员能够从前述说明理解到，本发明的广泛教示可以以多种形 式实施。因此，尽管本发明包括特定的示例，但由于当研究附图、说明书和所附权利要求书 时，其他修改对于技术人员来说是显而易见的，所以本发明的真实范围并不如此限制。
权利要求
一种用于车辆的排气控制系统，包括排气系统建模模块，所述排气系统建模模块估计在所述车辆中所采用的排气系统的排气系统部件的输入气体温度、输出气体温度、块温度、和压力，其中排气流经所述排气系统部件；和致动器控制模块，所述致动器控制模块基于所述输入气体温度、所述输出气体温度、所述块温度、和所述压力中的至少一个来选择性地调节发动机操作参数。
2. 根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，所述排气系统建模模块基于第二输出气体温度来估计所述输入气体温度，所述第二输出气体温度针对联接到所述排气系统部件且位于所述排气系统部件的上游的第二排气系统部件进行估计。
3. 根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，当所述排气系统部件是排气歧管时，所述排气系统建模模块估计发动机输出温度且基于所述发动机输出温度来估计所述输入气体温度。
4. 根据权利要求3所述的排气控制系统，其中，所述排气系统建模模块基于发动机负荷、每缸空气、火花正时、当量比、燃料的乙醇浓度、发动机速度和车辆速度来估计所述发动机输出温度。
5. 根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，当所述排气系统部件是排气再循环系统时，所述排气系统建模模块估计排气再循环(EGR)系统连接到排气歧管的位置处的气体温度，且基于所述气体温度来估计所述输入气体温度。
6. 根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，所述排气系统建模模块估计所述排气系统部件的稳态(SS)温度，且基于所述SS温度和对所述排气系统部件确定的块系数来估计所述块温度。
7. 根据权利要求6所述的排气控制系统，其中，所述块系数基于对所述排气系统部件估计的排气流率(EGF)来确定。
8. 根据权利要求7所述的排气控制系统，其中，所述排气系统建模模块基于环境空气温度、所述输入气体温度和所述EGF来估计所述SS温度。
9. 根据权利要求8所述的排气控制系统，其中，当所述排气系统部件是涡轮增压器时，所述排气系统建模模块还基于进气空气温度和施加到旁路的功率占空因数来估计所述SS温度。
10. 根据权利要求6所述的排气控制系统，其中，当所述排气系统部件是催化剂时，所述排气系统建模模块估计热生成量且基于所述热生成量来选择性地增加所述块温度和所述SS温度中的至少一个。
11. 根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，所述排气系统建模模块基于所述输入气体温度、所述块温度和对所述排气系统部件确定的输出系数来估计所述输出气体温度。
12. 根据权利要求11所述的排气控制系统，其中，所述输出系数基于对所述排气系统部件估计的排气流率(EGF)来确定。
13. 根据权利要求12所述的排气控制系统，其中，当所述排气系统部件是催化剂时，所述排气系统建模模块估计热生成量且基于所述热生成量来选择性地增加所述输出气体温度。
14. 根据权利要求12所述的排气控制系统，其中，当所述排气系统部件是涡轮增压器时，所述输出系数还基于施加到旁路的功率占空因数来确定。
15. 根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，所述排气系统建模模块基于对所述排 气系统部件估计的压力增加和在所述压力下游的第二压力的总和来估计所述压力。
16. 根据权利要求15所述的排气控制系统，其中，所述排气系统建模模块基于对所述 排气系统部件估计的排气流率(EGF)来估计所述压力增加。
17. 根据权利要求16所述的排气控制系统，其中，当所述排气系统部件是涡轮增压器 时，所述排气系统建模模块还基于施加到旁路的功率占空因数来估计所述压力增加。
18. 根据权利要求15所述的排气控制系统，其中，当所述排气系统部件是回气管/尾管 系统时，所述第二压力是环境空气压力。
19. 根据权利要求1所述的排气控制系统，还包括配置模块，所述配置模块接收与所述 排气系统的配置相对应的配置数据且基于所述配置数据来配置所述排气系统建模模块。
20. 根据权利要求19所述的排气控制系统，其中，所述排气系统建模模块基于普通排 气系统配置被初始配置，所述普通排气系统配置包括两个排气歧管、排气再循环(EGR)系 统、四个涡轮增压器、六个排气管部分、六个催化剂和两个回气管/尾管系统。
21. 根据权利要求20所述的排气控制系统，其中，所述排气系统建模模块基于所述配 置数据来选择性地禁用所述普通排气系统配置中的一个或多个部件。
22. 根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，所述排气系统建模模块针对包括所述 排气系统部件的N个不同排气系统部件中的相应一个来估计N个输入气体温度、输出气体 温度、块温度和压力，其中，N是大于1的整数，所述排气流经所述N个不同排气系统部件中 的每一个。
23. 根据权利要求22所述的排气控制系统，其中，所述排气系统包括总共所述N个不同 排气系统部件。
全文摘要
本发明涉及排气温度和压力建模系统和方法。一种用于车辆的排气控制系统，包括排气系统建模模块和致动器控制模块。所述排气系统建模模块估计在车辆中所采用的排气系统的排气系统部件的输入气体温度、输出气体温度、块温度和压力。排气流经所述排气系统部件。所述致动器控制模块基于输入气体温度、输出气体温度、块温度和压力中的至少一个来选择性地调节发动机操作参数。
文档编号F02D43/00GK101737188SQ20091021152
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月4日 优先权日2008年11月4日
发明者D·N·贝尔顿, G·J·约克, J·C·米勒, J·M·艾伦伯格, J·雍, L·A·阿瓦罗恩, W·B·哈马马, W·王 申请人:通用汽车环球科技运作公司