专利名称：带有排气再循环的内燃发动机的残余气体组成控制的制作方法
带有排气再循环的内燃发动机的残余气体组成控制
技术领域：
本发明涉及通过调节残余气体组成来调整和/或控制内燃发动机的排气再循环，
并涉及用于通过调节内燃发动机的残余气体组成来调整和/或控制排气再循环的控制单元。
背景技术：
众所周知，随着车辆数量的增长，管理内燃发动机废气排放的规则不断得到加 强，例如欧洲的EURO 6标准，或美国的Tier 2标准或Bin 5标准。 一些制造商倾向于使 用多禾中点火策略例如均质充气压缩点火(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)或者主动后处理装置例如N0x(氮氧化物)分离器或选择性催化还原(Selective CatalyticReduction，SCR)催化转化器。然而，这些技术需要可观的材料费用和开发费用， 其增加了系统的复杂性并使消费者承担了高昂的后续费用例如增加的燃料消耗和技术支 持成本。 —种已知的减少内燃发动机排放的策略为通过排气再循环改进排放控制。排气仍 然含有相对较大量的氧，并被部分添加至新鲜空气进气，结果可从大气中抽取较少新鲜的 空气。出于该目的，排气直接从排气歧管下游抽出，或首先由包含催化过滤器或微粒过滤器 的排气排放控制系统处理并随后通过出于该目的设置的管道被部分抽出并添加至进气歧 管中的新鲜空气进气。 在已知方法中，以在静态工况下探测压縮压力、排气再循环和空气质量流量并随 后作为工况的函数分配给内燃发动机的方式实施空气准备结构，排气再循环表示为再循环 排气或进气歧管中残余气体(residual gas)的百分比。在非静态运转期间，根据车辆驾驶 员的直接询问的函数、或所需排气再循环静态设定和/或压縮压力的偏差的函数计算排气 的动态修正，这主要用于入口处的涡轮增压器系统的变量调节和出口处排气再循环系统的 变量调节。另外，当要求完全充气时，对于排气中空气质量与燃料质量的所需比例限制喷射 燃料的质量，以便防止排气中出现烟雾。 已知的解决方案着眼于基于对静止状态设定的动态修正的排气再循环的变量调 节而不考虑喷射燃料质量的先前情况，当然，该喷射燃料质量的先前情况是生成给定成分 的排气的确定因素。当然，通过排气的成分记录的运转状态为先前刚刚进行的燃烧过程的 结果。因此，通过完全充气对烟雾形成的限制与测量的/探测的空气质量流量所需的燃料 质量相关，以便在排气中达到一定的空气质量_燃料质量比例。
发明内容
本发明的目的在于指出考虑到上述缺点的调整和/或控制内燃发动机排气再循 环的方法，该方法将用于实现对再循环排气甚至更为有效的使用和更为充分的燃料燃烧。
本发明包括通过调节残余气体组成部分或组成(fraction)调整和/或控制包含 至少一个汽缸和进气歧管的内燃发动机排气再循环的方法，该发动机装配有具有排气再循环的排气系统。该方法进一步包含确定和/或探测每个汽缸充填过程所需的燃料质量和空 气混合物质量的步骤。 通过一种在燃烧过程结束时在各个汽缸中达到所需预定和/或可预定的残余气 体质量流速的方式调整和/或控制进气歧管中残余气体质量组成的方法实现了本发明的 目的，这种调整和/或控制考虑到了之前对于各个汽缸中先前燃烧过程确定和/或探测的 喷射燃料质量。先前燃烧过程的燃料质量对于记录的残余气体成分至关重要，并且在均匀 运行中总体上不会在后续燃烧过程中充分改变。因此，本发明对此时间顺序上先前刚刚喷 射的燃料质量的考虑使得能够在喷射燃料质量、新鲜空气质量和再循环排气残余气体质量 之间建立可控因果关系，其着眼于在燃烧过程完成之前尽可能完全地燃烧燃料，并着眼于 增加空气-排气混合物中的再循环排气组成。 根据本发明的另一个方面，以用于通过调节内燃发动机残余气体组成来调整和/ 或控制排气再循环的控制单元实现了本发明的目的，其中提供了用于执行根据本发明的方 法中至少一个步骤的至少一个装置。该至少一个装置的最简单形式优选地实施为可电子执 行的和/或计算机可读的程序代码。 另外，使用记录的或估算的进气歧管中残余气体组成r—FracBrntlntk从先前的
燃烧过程估算汽缸中燃烧的喷射燃料质量的组成r—FracBmtFuInj，或根据所需的进气歧管
中残余气体组成和运转状态的函数进行预测。 如果排气A传感器安装在排气系统中，则还能够从记录的A值r—LamExh计算 燃烧过程结束时汽缸中残余气体组成<formula>formula see original document page 7</formula>
在这种情况下，方程(2)可用于估算进气歧管中的残余气体组成r_ FracBrntIntk，方程(3)使用在排气流中记录的入信号计算引入各个汽缸的气体质量m_ GasCyl。 可替代地，假设喷射燃料质量组成m—FuInj为l，则方程(2)可如下简化为方程 (5): <formula>formula see original document page 7</formula> 此外，因为r_FracBrntCyl小于或等于l，括号中的表达式 (r_FracBrntCy 1 - (1 +r_Phi Sto i ch))可大约等于r_Ph i Sto i ch ，得到进 一 步简化 的方程(6): <formula>formula see original document page 7</formula>0040] 使用方程(3)替代引入汽缸的气体质量m—GasCyl导出下列进一步简化方程(7):
<formula>formula see original document page 7</formula> 通过对方程(7)求导并消除相对于时间的变化d(r—FracBrntCyl) = O，得到另一 方程(8): <formula>formula see original document page 7</formula>
其可改写为方程(9):<formula>formula see original document page 7</formula>
这意味着可同时根据可添加至静态的意图设定的修正、可添加至所需燃烧过程结 束时汽缸中残余气体组成r—FracBrntCyl的修正、可添加至进气歧管压力偏差的修正(通 过除以所需压力值得到)、以及可添加至进气歧管温度偏差的修正(通过除以所需温度得 到)来计算所需的进气歧管中残余气体组成的动态修正d(r—FracBrntlntk)。
图1显示了根据本发明的方法的优选改进的流程图。 图2作为进气歧管压力和温度偏差的函数显示了压力改变和所需的进气歧管中 残余气体组成的修正的时间表。
图3显示了作为进气歧管压力和温度偏差的函数的温度改变和所需进气歧管中 残余气体组成的修正的时间表。 图4显示了由所需的进气气体混合物中残余气体组成的总体修正所导致的进气 歧管压力和温度偏差的模式。
修正
修正
附图标记 m_GasCyl r_FracBrntIntk m_FuInj
r_FracB:rntFuInj r_PhiStoich r_VolEff vol_Cyl r_GasCnst p_Intk t_Intk r_end P_mmiDes P—m肌Mes
r_FracBrntCylDes r_FracBrntInDes r_FracBrntInCo:rDes T_mmiDes 丁—m肌Mes
r FracBrtln dPmanCorDes
由新鲜空气和残余气体组成的引入汽缸的气体质量 进气歧管中的残余气体组成 喷射燃料质量
在汽缸中燃烧的喷射燃料质量的组成 空气质量与燃料质量的化学计量(数量)比 容积系数 汽缸容积
进气混合物的气体常数 进气歧管中的压力 进气混合物的温度 汽缸中的残余气体质量流速 所需的进气歧管中的压力 测量的进气歧管中的压力 所需的在汽缸中燃烧的喷射燃料质量的组成 所需的进气歧管中残余气体组成 修正的进气歧管中残余气体组成 所需的进气歧管中的温度 测量的进气歧管中的温度
所需的可归因于压力的进气歧管中残余气体组成的
r_FracBrt In_dTmanCorDes所需的可归因于温度的进气歧管中残余气体组成的
R_FracBrnt 残余气体组成 S1...S9 本发明的方法的步骤 (1) (9) 方程
1 修正的进气歧管中残余气体组成r_FracBrntInCorDes的曲线
2 所需的进气歧管中压力PjiianDes的曲线
3 测量的进气歧管中压力P_manMes的曲线
4 所需的在汽缸中燃烧的喷射燃料质量组成r—FracBrntCylDes的曲线
5 所需的进气歧管中残余气体组成r_FracBrntInDes的曲线
6 所需的进气歧管中温度TjiianDes的曲线
7 测量的进气歧管中温度TjiianMes的曲线
8 可归因于压力的所需的进气歧管中残余气体组成的修正r—FracBrtln—
dPm肌CorDes的曲线
9 可归因于温度的所需的进气歧管中残余气体组成的修正r—FracBrtln
dTmanCorDes的曲线 tl 点火过程的开始 t2 排气门打开
具体实施方式
下面将根据示例性实施例并参考附图解释本发明。
图1显示了根据本发明的方法的优选改进的流程图。 在该方法的第一步Sl，优选地记录测量值并根据第一方程(1)确定燃烧过程结束时汽缸中残余气体组成r_FracBrntCyl : r_FracBrntCyl= (m—GasCyl氺r—FracBrntlntk+m—FuInj氺r—FracBrntFuInj氺(l+r_PhiStoich))/(m_GasCyl+m_FuInj) (1) 在该方法的第二步S2，优选地根据第二方程(2)确定进气歧管中残余气体组成r—FracBrntlntk : r_FracBrntIntk = r_FracBrntCyl* (1+m—FuIn j/m_GasCyl) _ (l+r_PhiStoich) *r_FracBrntFuInj*m_FuInj/m_GasCyl (2) 在该方法的第三步S3，通过如下的第三方程(3)计算由新鲜空气和残余气体组成的引入汽缸的气体质量m—GasCyl : m_GasCyl = r_VolEff*(vol_Cyl/r_GasCnst)*(p_Intk/t_Intk) (3) 如果排气A传感器安装在排气系统中，则在该方法的第四步S4根据第四方程(4)
从记录的A信号r_LamExh计算燃烧过程结束时汽缸中残余气体组成r_FracBrntCyl :r_FracBrntCyl = 1+r—PhiStoich) / (l+r—L咖Exh氺r—PhiStoich) (4) 第二方程(2)用于估算进气歧管中残余气体组成r—FracBrntlntk，并使用排气流
中记录的A信号通过第三方程(3)计算引入各个汽缸的气体质量m—GasCyl。 如果排气系统中没有安装排气A传感器，则在该方法的第五步S5通过第五方程
(5)确定进气歧管中残余气体组成r_FracBrntIntk，通过假设喷射燃料质量组成m_FuInj
为1来简化第二方程(2)得到第五方程(5): r—FracBrntlntk = r_FracBrntCyl+ (m_FuIn j/m_GasCyl)氺(r_FracBrntCyl_ (l+r_PhiStoich)) (5) 在该方法的第六步S6，优选地通过第六方程(6)确定进气歧管中的残余气体组成r_FracBrntIntk，通过假设括号(r_FracBrntCyl_ (l+r_PhiStoich))中的表达式大约等于空气质量与燃料质量的化学计量比r—PhiStoich(因为燃烧过程结束时汽缸中的残余气体组成r—FracBrntCyl小于或等于1)来简化第五方程(5)得到进一步简化的第六方程(6):
r_FracBrntIntk = r_FracBrntCyl_r_PhiStoich*(m_FuInj/m_GasCyl) (6)
在该方法的第七步S7，可替代地通过第七方程(7)优选地确定进气歧管中的残余气体组成r—FracBrntlntk，通过假设使用第三方程(3)替代引入各个汽缸的气体质量(m_GasCyl)简化第六方程(6)将导出下列简化的第七方程(7): r—FracBrntlntk = r_F:racB:rntCyl_:r_PhiStoich*m_FuInj/r_VolEff* (r_GasCnst/vol_Cyl)*(t_Intk/p_Intk) (7)
在该方法的第八步S8，优选地通过第八方程(8)确定并考虑进气歧管中残余气体组成r—FracBrntlntk相对于时间的变化，通过对第七方程(7)求导并消除燃烧过程结束时汽缸中残余气体组成r_FracBrntCyl相对于时间的变化d(r_FracBrntCyl) = 0获得第八方程(8): d(r_FracBrntIntk) = r_PhiStoich*m_FuInj/r_VolEff*(r_GasCnst/vol_Cyl)*(t_Intk/p_Intk)*(d(p_Intk)/p_Intk_d(t_Intk)/t_Intk) (8)
能够将此第八方程(8)简化为第九方程(9): d(r—FracBrntlntk) = (r—FracBrntCyl-r—FracBrntlntk)* (d (p_Intk)/p_Intk_d(t_Intk)/t_Intk) (9)
并最终在该方法的第九步S9中使用探测值执行对进气歧管中残余气体质量组成r_FracBrntIntk的调整和/或控制的修正，这样在各个汽缸中在燃烧过程结束时达到所需的预定和/或可预定残余气体质量流速r_end，这种调整和/或控制考虑了之前对于先前各个汽缸中的燃烧过程确定和/或探测的喷射燃料质量m—FuInj。 图2显示了作为进气歧管压力和温度的偏差的函数的进气歧管中的压力改变和所需的残余气体组成的修正的时间表。 此处在左纵轴上绘制出了压力(hPa)，右纵轴上表示了排气系统中相对残余气体组成R—FracBrnt。横坐标上绘制了时间(秒)，此处仅通过示例以10的舍入区间显示了时间周期。在时间tl处点燃燃料-空气混合物并在时间t2处打开至少一个排气门。
此处附图标记1表示修正的进气歧管中残余气体组成r—FracBrntlnCorDes的曲线，附图标记2表示所需的进气歧管中压力PjiianDes的曲线，附图标记3表示测量的进气歧管中压力PjiianMes的曲线，附图标记4表示所需汽缸中燃烧的喷射燃料质量组成r_FraCBrntCylDeS的曲线，而附图标记5表示所需的进气歧管中残余气体组成r_FracBrntlnDes的曲线。 图3显示了作为进气歧管压力和温度偏差的函数的进气歧管中的温度改变和所需残余气体组成的修正的时间表。 此处在左纵轴上绘制了气体温度(摄氏度)，而在右纵轴上表示了沿排气系统的相对残余气体组成。此处还在横坐标上绘制了时间(秒)。在时间tl处点燃燃料-空气混合物并在时间t2处打开至少一个排气门。 除上述曲线1、4和5夕卜，此处还绘制了附图标记6表示的所需进气歧管中温度T_
manDes的曲线，和附图标记7表示的测量的进气歧管中温度TjiianMes的曲线。 图4显示了由内燃发动机进气气体混合物中所需残余气体组成的总体修正所导
致的进气歧管压力和温度偏差的模式。在时间tl处点燃燃料_空气混合物并在时间t2处
打开至少一个排气门。 除上述曲线1、4和5夕卜，此处还绘制了附图标记8表示的可归因于压力的所需的进气歧管中残余气体组成的修正r_FracBrtIn_dPmanCorDes的曲线，以及附图标记9表示的可归因于温度的所需的进气歧管中残余气体组成的修正r_FracBrtIn_dTmanC0rDes的曲线。
权利要求
一种通过调节残余气体组成来调整和/或控制具有至少一个汽缸和进气歧管的内燃发动机的排气再循环的方法，内燃发动机包含带有具有排气再循环的排气系统，所述方法包含确定和/或探测每个汽缸充填过程所需的燃料质量和空气-气体混合物质量，其特征在于，以一种在燃烧过程结束时在各个汽缸中达到所需的预定和/或可预定残余气体质量流速(r_end)的方式调整和/或控制所述进气歧管中的残余气体质量组成(r_FracBrntIntk)，所述调整和/或控制考虑了对于各自汽缸中先前的燃烧过程之前确定和/或探测的喷射燃料质量(m_FuInj)。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，a) 在所述方法的第一步，通过下列第一方程(1)确定燃烧过程结束时汽缸中残余气体组成(r_FracBrntCyl):r_FracBrntCyl = m_GasCyl*r_FracBrntIntk+m_FuInj*r_FracBrntFuInj* (l+r_PhiStoich))/(m_GasCyl+m_FuInj) (1)其中所涉及的变量列举如下m_GaSCyl :由新鲜空气和残余气体组成的引入所述汽缸的气体质量r_FracBrntIntk :所述进气歧管中残余气体组成m_FuInj :喷射燃料质量r_FracBrntFuInj :所述在汽缸中燃烧的喷射燃料质量的组成r_PhiStoich :空气质量与燃料质量的化学计量(数量)比b) 在所述方法的第二步，通过第二方程(2)确定所述进气歧管中残余气体组成(r_FracBrntlntk):r_FracBrntIntk = r_FracBrntCyl*(l+m_FuInj/m_GasCyl)_ (l+r_PhiStoich)*r_FracBrntFuInj*m_FuInj/m_GasCyl (2)c) 在所述方法的第三步，通过如下的第三方程(3)计算所述由新鲜空气和残余气体组成的引入汽缸的气体质量(m_GaSCyl):m_GasCyl = r_VolEff*(vol_Cyl/r_GasCnst)*(p_Intk/t_Intk (3)其中所涉及的变量列举如下r_VolEff :容积系数vol_Cyl :汽缸容积r_GasCnst :所述进气混合物的气体常数p_Intk :所述进气歧管中的压力t_Intk :所述进气混合物温度d) 在所述方法的第四步，通过所述第三方程(3)根据所需的燃烧过程结束时汽缸中残余气体组成(r—FracBrntCyl)和所需的喷射燃料质量确定所述再循环排气的设定(r_FracBrntlntk)，所述所需设定为之前编辑的设定表中的运转值的函数。
3. 根据上述权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述容积系数(r_VolEff)、所述测量的进气歧管中的压力、和/或所述进气歧管中测量或确定的温度来探测和/或估算所述引入汽缸的气体质量(m_GaSCyl)。
4. 根据上述权利要求3所述的方法，其特征在于，使用记录或估算的所述进气歧管中残余气体组成(r—FracBrntlntk)根据先前的燃烧过程估算所述汽缸中燃烧的喷射燃料质量组成(r—FracBrntFuInj)，或根据所述所需的进 气歧管中残余气体组成和所述运转状态的函数进行预测。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果排气A传感器安装在所述排气系统中，则根据第四方程(4)从记录的A信号(r_ LamExh)计算所述燃烧过程结束时汽缸中残余气体组成(r_FracBrntCyl):r_FracBrntCyl = 1+r—PhiStoich)/(l+r—LamExh氺r—PhiStoich) (4) 所述第二方程(2)用于估算所述进气歧管中残余气体组成(r—FracBrntlntk)，并使用 所述排气流中记录的A信号通过所述第三方程(3)计算所述引入各个汽缸的气体质量(m_ GasCyl)。
6. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过第五方程(5)确定所述进气歧管中残余气体组成(r—FracBrntlntk)，通过假设所 述喷射燃料质量组成(m_FuInj)为1来简化所述第二方程(2)得到所述第五方程(5):r_FracBrntIntk = r_FracBrntCyl+ (m_FuInj/m_GasCyl) * Cr_FracB:rntCyl_ (l+r_Phi
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过第六方程(6)确定所述进气歧管中残余气体组成(r—FracBrntlntk)，通过假 设括号(r_FracBrntCyl-(l+r_PhiStoiCh))中的表达式大约等于所述空气质量与燃料 质量的化学计量比(r_PhiStoich)(因为燃烧过程结束时汽缸中的残余气体组成(r_ FracBrntCyl)小于或等于1)来简化所述第五方程(5)得到进一步简化的第六方程(6):r_FracBrntIntk = r_FracBrntCyl_r_PhiStoich*(m_FuInj/m_GasCyl) (6)
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过第七方程(7)确定所述进气歧管中残余气体组成(r—FracBrntlntk)，所述第七方 程(7)通过假设引入各个汽缸的气体质量(m_GaSCyl)使用所述第三方程(3)简化所述第 六方程(6)将导出下列简化的第七方程(7):r_FracBrntIntk = r_FracBrntCyl_r_PhiStoich*m_FuInj/r_VolEff* (r_GasCnst
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过第八方程(8)确定并考虑进气歧管中残余气体组成(r—FracBrntlntk)相对于时 间的变化，通过对所述第七方程(7)求导并消除所述燃烧过程结束时汽缸中残余气体组成 (r_FracBrntCyl)相对于时间的变化d(r_FracBrntCyl) = 0获得所述第八方程(8):d(r—FracBrntlntk) = r—PhiStoich氺m—FuInj/r—VolEff氺(r_GasCnst/vol_Cyl)氺(t_ Intk/p_Intk)*(d(p_Intk)/p_Intk_d(t_Intk)/t_Intk) (8)能够将所述第八方程(8)简化为第九方程(9):d(r—FracBrntlntk) = (r_FracBrntCyl_r_FracBrntIntk)氺(d(p_Intk)/p_Intk_d(t_ Intk)/t_Intk) (9)
10. —种用于通过调节内燃发动机的残余气体组成来调整和/或控制所述排气再循环 的控制单元，其特征在于，设有至少一种装置用于执行根据上述权利要求中任一项所述的 方法的至少一个步骤。
11. 根据权利要求IO所述的控制单元，其特征在于，Stoich))所述一种装置的最简单形式至少部分实施为电子可执行和/或计算机可读程序代码。
全文摘要
本发明涉及通过调节残余气体组成调整和/或控制内燃发动机排气再循环的方法，该发动机包含至少一个汽缸和进气歧管并带有具有排气再循环的排气系统，该方法包含确定和/或探测每个汽缸充填过程所需的燃料质量和空气-气体混合物质量。根据本发明，以一种燃烧过程结束时在各个汽缸中达到所需预定和/或可预定的残余气体质量流速(r_end)的方式调整和/或控制进气歧管中残余气体质量组成(r_FracBrntIntk)，这种调整和/或控制考虑到了对于各个汽缸中先前的燃烧过程之前确定和/或探测的喷射燃料质量(m_FuInj)。本发明能够实现对再循环排气更为有效的使用和更为充分的燃料燃烧。
文档编号F02D41/00GK101737180SQ20091022171
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月11日 优先权日2008年11月13日
发明者Y·雅库珀 申请人:福特环球技术公司