专利名称：估计发动机空气过滤器的空气流约束的系统和方法
技术领域：
本发明涉及内燃机，且更具体地涉及估计发动机空气过滤器的空气流约束的系统和方法。
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。内燃机燃烧气缸内的空气/燃料混合物以产生驱动扭矩。空气可被抽吸到(涡轮增压器的)压缩机入口中并且通过空气进气系统，所述空气进气系统可由节气门调节。空气可通过位于压缩机上游(即，前面)的空气过滤器来过滤。过滤后的空气于是可分配到多个气缸中并且结合燃料以产生A/F混合物。空气在进入气缸之前可结合燃料(即，端口燃料喷射)或者空气可在气缸内结合燃料(即，直接燃料喷射)。A/F混合物于是可由活塞压缩并点火。A/F混合物的点火可经由火花塞所产生的火花来进行(即，火花点火)、和/或A/F混合物的点火由于A/F混合物的增加温度和/压力而“自动”进行(即，压缩点火)。A/F混合物的点火驱动活塞，所述活塞旋转地转动曲轴，从而产生驱动扭矩。驱动扭矩可经由包括多个传动比的变速器传输给车辆的传动系(例如，车轮)。源自燃烧的排气可通过排气歧管和排气处理系统从气缸驱出。排气还可经由排气再循环(EGR)系统再循环到进气歧管中，和/或再循环以向涡轮增压器提供动力，所述涡轮增压器进一步增压被抽吸到进气歧管中的空气。
发明内容
用于包括涡轮增压器的发动机的控制系统包括约束估计模块和发动机保护模块。 所述约束估计模块基于在涡轮增压器的压缩机出口处的测量温度和建模温度之间的比较来估计通过发动机空气过滤器的空气流约束。所述发动机保护模块基于估计空气流约束实现下述的至少一种操作控制涡轮增压器增压、控制涡轮增压器空气流、控制发动机的燃料供应速率、和产生用于车辆驾驶员的警告信号。一种用于包括涡轮增压器的发动机的方法，包括基于在涡轮增压器的压缩机出口处的测量温度和建模温度之间的比较来估计通过发动机空气过滤器的空气流约束；以及，基于估计空气流约束实现下述的至少一种操作控制涡轮增压器增压、控制涡轮增压器空气流、控制发动机的燃料供应速率、和产生用于车辆驾驶员的警告信号。本发明涉及下述技术方案。1. 一种用于包括涡轮增压器的发动机的控制系统，包括
约束估计模块，所述约束估计模块基于在涡轮增压器的压缩机出口处的测量温度和建模温度之间的比较来估计通过发动机空气过滤器的空气流约束；和
发动机保护模块，所述发动机保护模块基于估计空气流约束实现下述操作中的至少一种控制涡轮增压器增压、控制涡轮增压器空气流、控制发动机的燃料供应速率、和产生用于车辆驾驶员的警告信号。2.根据方案1所述的控制系统，其中，建模温度基于压缩机入口处的测量温度、 压缩机出口处的测量温度和压缩机出口处的测量压力。3.根据方案1所述的控制系统，还包括
第一误差检测模块，所述第一误差检测模块基于在第一预定时段期间的估计空气流约束来检测是否需要更换空气过滤器。4.根据方案3所述的控制系统，其中，第一误差检测模块在第一预定时段期间的估计空气流约束指示空气流约束大于预定约束阈值时检测需要更换空气过滤器。5.根据方案4所述的控制系统，还包括
第二误差检测模块，所述第二误差检测模块基于在第二预定时段期间的估计空气流约束和压缩机入口处的测量温度来检测空气过滤器是否由雪花和冰中的至少一种约束，其中，第二预定时段小于第一预定时段。6.根据方案5所述的控制系统，其中，第二误差检测模块在第三预定时段期间的估计空气流约束变化速率大于预定阈值变化速率并且在压缩机入口处的测量温度小于预定温度阈值时检测空气过滤器由雪花和冰中的至少一种约束，其中，第三预定时段小于或等于第二预定时段。7.根据方案6所述的控制系统，其中，当第一误差检测模块检测到需要更换空气过滤器时，发动机保护模块产生用于车辆驾驶员的更换信号，且其中，当第二误差检测模块检测到空气过滤器由雪花和冰中的至少一种约束时，发动机保护模块产生用于车辆驾驶员的约束信号。8.根据方案1所述的控制系统，其中，当估计空气流约束大于第一预定阈值时， 发动机保护模块降低涡轮增压器的增压和涡轮增压器的空气流中的至少一种，其中，涡轮增压器的增压和空气流进一步基于发动机速度和车辆海拔。9.根据方案8所述的控制系统，其中，当估计空气流约束大于第二预定阈值时， 发动机保护模块实现下述操作中的至少一种降低发动机的最大燃料速率、和限制发动机的燃料速率以指令发动机的应急返回模式，其中，发动机的最大燃料速率进一步基于发动机速度和车辆海拔，且其中，第二预定阈值大于一预定阈值。10.根据方案1所述的控制系统，其中，发动机保护模块基于估计空气流约束向大气压力传感器指令预定偏移。11. 一种用于包括涡轮增压器的发动机的方法，包括
基于在涡轮增压器的压缩机出口处的测量温度和建模温度之间的比较来估计通过发动机空气过滤器的空气流约束；以及
基于估计空气流约束实现下述操作中的至少一种控制涡轮增压器增压、控制涡轮增压器空气流、控制发动机的燃料供应速率、和产生用于车辆驾驶员的警告信号。12.根据方案11所述的方法，其中，建模温度基于压缩机入口处的测量温度、压缩机出口处的测量温度和压缩机出口处的测量压力。13.根据方案11所述的方法，还包括
基于在第一预定时段期间的估计空气流约束来检测是否需要更换空气过滤器。
14.根据方案13所述的方法，还包括
在第一预定时段期间的估计空气流约束指示空气流约束大于预定约束阈值时检测需要更换空气过滤器。15.根据方案14所述的方法，还包括
基于在第二预定时段期间的估计空气流约束和压缩机入口处的测量温度来检测空气过滤器是否由雪花和冰中的至少一种约束，其中，第二预定时段小于第一预定时段。16.根据方案15所述的方法，还包括
在第三预定时段期间的估计空气流约束变化速率大于预定阈值变化速率并且在压缩机入口处的测量温度小于预定温度阈值时检测空气过滤器由雪花和冰中的至少一种约束， 其中，第三预定时段小于或等于第二预定时段。17.根据方案16所述的方法，还包括
当第一误差检测模块检测到需要更换空气过滤器时，产生用于车辆驾驶员的更换信号；以及
当第二误差检测模块检测到空气过滤器由雪花和冰中的至少一种约束时，产生用于车辆驾驶员的约束信号。18.根据方案11所述的方法，还包括
当估计空气流约束大于第一预定阈值时，降低涡轮增压器的增压和涡轮增压器的空气流中的至少一种，其中，涡轮增压器的增压和空气流进一步基于发动机速度和车辆海拔。19.根据方案18所述的方法，还包括
当估计空气流约束大于第二预定阈值时，实现下述操作中的至少一种降低发动机的最大燃料速率、和限制发动机的燃料速率以指令发动机的应急返回模式，其中，发动机的最大燃料速率进一步基于发动机速度和车辆海拔，且其中，第二预定阈值大于第一预定阈值。20.根据方案11所述的方法，还包括
基于估计空气流约束向大气压力传感器指令预定偏移。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旨在用于说明的目的且并不旨在限制本发明的范围。
通过详细说明和附图将能更充分地理解本发明，在附图中 图1是根据本发明的示例性发动机系统的功能框图2是根据本发明的示例性控制模块的功能框图；以及图3是根据本发明的估计发动机空气过滤器的空气流约束的方法的流程图。
具体实施例方式以下说明本质上仅为示例性的且绝不旨在限制本发明、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。内燃机可通过(涡轮增压器的)压缩机的入口以及通过可由节气门调节的空气进气系统将空气抽吸到进气歧管中。空气可由位于压缩机上游(即，前面)的空气过滤器进行过滤。涡轮增压器可位于节气门上游并且可进一步增压被抽吸到进气歧管中的空气。然后， 过滤并且增压后的空气被分配到多个气缸中并且与燃料结合以形成A/F混合物。由于在空气过滤器中的积聚，通过空气过滤器的空气流能力可随着时间而降低。 例如，由于积聚的颗粒(例如，灰尘)或由于入口吸入的雪花和/或水，通过空气过滤器的空气流能力可降低。附加地或替代性地，由于发动机冷却风扇的操作，通过空气过滤器的空气流能力可降低。该降低的通过空气过滤器的空气流能力可称为“空气流约束”。当空气流约束超过预定水平时，驾驶员可能需要警告和/或空气过滤器可能需要更换。此外，过量的空气流约束可导致损坏涡轮增压器的操作状况。例如，涡轮增压器可以高于最大速度阈值(超速状况)操作，以便产生期望量的发动机扭矩。附加地或替代性地，发动机冷却风扇的接合可导致压缩机入口压降(例如，大约1 kPa)，这可导致损坏操作状况。 该损坏操作状况可导致损坏涡轮增压器。压力传感器可在空气过滤器后面实施，以确定对应于空气流约束的压降。然而，压力传感器可能难以实施和/或实施成本高昂。类似地，可实施涡轮增压器速度传感器，这也可能难以实施和/或实施成本高昂。替代性地，在所有发动机操作状况下发动机动力输出可受限于一定量，所述量小于最大发动机动力输出(例如，小20至30马力)。换句话说，限制发动机输出动力可保护涡轮增压器免受损坏操作状况。然而，在所有发动机操作状况下限制发动机输出动力可严重地降低性能。因此，提出一种系统和方法，其基于在(涡轮增压器的)压缩机出口处的建模温度与在压缩机出口处的测量温度之间的比较来估计空气过滤器的空气流约束。更具体地，建模温度可基于在压缩机入口处的测量温度和在压缩机出口处的压力。换句话说，建模温度可基于来自于现有发动机传感器的温度和压力。例如，可使用进气空气温度(IAT)传感器来测量压缩机出口温度(C0T)，可使用进气歧管绝对压力(MAP)传感器来测量出口压力。然而替代性地，可使用其它温度和/或压力传感器。于是，该系统和方法可基于建模和测量出口温度之间的比较来估计空气流约束。 更具体地，建模和测量出口温度之间的差可对应于在空气过滤器之后(即，在压缩机之前) 的实际压力和预期压力之间的差。换句话说，可基于建模和测量温度之间的差来推断空气过滤器的空气流约束。然后，该系统和方法可执行各种操作以保护发动机免受与空气流约束相关的问题。更具体地，当空气流约束大于第一预定阈值时，该系统和方法可降低涡轮增压器的最大增压。此外，当空气流约束大于第二预定阈值时，该系统和方法可降低发动机的最大燃料速率。例如，第二预定阈值可大于第一预定阈值。该系统和方法还可确定是否存在误差状况。更具体地，该误差状况可基于空气过滤器(即，污染空气过滤器)中颗粒的逐渐积聚。例如，当空气流约束大于预定约束阈值时， 可检测到误差状况。附加地或替代性地，可基于在进气歧管中存在水和/或雪花而检测误差状况。例如，当空气流约束的变化速率大于预定阈值变化速率并且当IAT小于预定温度阈值时，可检测到误差状况。仅作为示例，预定温度阈值可以是0°C。当检测到误差状况时， 该系统和方法可警告车辆驾驶员。例如，该警告可以是视觉(即，灯)和/或听觉的。现参考图1，发动机系统10包括发动机12。例如，发动机12可包括火花点火(Si) 发动机，或例如柴油发动机或均质充气压缩点火(HCCI)发动机的压缩点火(Cl)发动机。发动机12通过包括空气过滤器16的进气口 14、压缩机19和节气门M抽吸空气。空气过滤器16可位于压缩机19上游(S卩，前面)并且可过滤来自空气的颗粒。压缩机 19 (其为涡轮增压器18的一部分)可进一步增压通过进气口 14被抽吸进来的空气。节气门M可调节流入到发动机12进气歧管观中的空气流率。仅作为示例，节气门M可被电子控制(例如，电子节气门控制器或ETC)。空气质量流量(MAF)传感器21测量进入到进气歧管28中的MAF流率。例如，MAF 传感器21还可测量压缩机19上游的IAT。此外，COT传感器22测量在压缩机19出口处的增压空气温度。进气歧管观还可包括多个压力和/或温度传感器。更具体地，进气歧管绝对压力(MAP)传感器沈测量在进气歧管28内的空气压力。进气歧管观中的空气可分配到多个气缸30中。虽然示出了六个气缸，但是发动机 12可包括其它数量的气缸。分配到气缸30中的空气可结合燃料以产生空气/燃料(A/F) 混合物。如所示的，位于每个气缸30中的燃料喷射器32可将燃料直接喷射到气缸中(即， 直接燃料喷射)。然而，燃料喷射器32还可实施为经由气缸30的进气端口喷射燃料(即，端口燃料喷射)。气缸30中的A/F混合物可由活塞(未示出)压缩并且使用来自于火花塞34的火花进行燃烧(例如，SI发动机、或操作在SI燃烧模式的HCCI发动机)。然而，也可通过使用活塞(未示出)压缩A/F混合物并且将A/F混合物的压力和/或温度增加至高于临界阈值来自动点火A/F混合物(例如，诸如柴油发动机的压缩点火发动机、或操作在HCCI燃烧模式的 HCCI发动机)。替代性地，A/F混合物可通过来自于火花塞34的火花辅助来自动点火(例如， 操作在混合模式燃烧的HCCI发动机)。A/F混合物在气缸30中的点火驱动活塞(未示出)， 所述活塞旋转地转动曲轴(未示出)以产生驱动扭矩。驱动扭矩可经由变速器(未示出)传送到车辆的传动系(例如，车轮)，所述变速器包括多个齿轮。源自A/F混合物在气缸30内燃烧的排气可从气缸30驱出到排气歧管36中。排气歧管中的排气可通过排气处理系统38从发动机12驱出。排气处理系统38还可包括催化剂40，例如催化转化器。然而，排气处理系统38还可包括其它排气处理部件，例如但不局限于，氧化催化剂(0C)、颗粒物质过滤器(PMF)、选择性催化还原(SCR)系统、氮氧化物(NOx) 吸附器/吸收器、稀NOx捕获器(LNT)等等。排气歧管36中的排气可通过外部排气再循环(EGR)系统42循环。外部EGR系统 42可包括EGR线路44和EGR阀46。EGR线路44可将排气歧管36连接到进气歧管28。EGR 阀46可控制被允许经由EGR线路44从排气歧管36进入进气歧管28的排气的量。排气歧管36中的排气还可经由排气系统48引导通过涡轮增压器18的涡轮20。 排气系统48可包括一个或多个排气导管50和涡轮20。一个或多个排气导管50可将排气歧管36连接到涡轮20。涡轮20可由排气驱动以产生轴扭矩，所述轴扭矩驱动压缩机19以进一步增压被供应给进气歧管观的空气，从而导致更多至气缸30的空气流。增加的至气缸30的空气流可允许增加的燃料喷射，并且燃烧可产生更多的驱动扭矩。
控制模块60控制发动机系统10的操作并且可实施本发明的系统和/或方法。控制模块60可控制节气门M、燃料喷射器32、和火花塞34，以分别调节空气流、燃料喷射数量和/或定时、以及火花定时。控制模块60可控制排气处理系统38 (以及对应部件)和/或催化剂40，以调节(例如，最小化)发动机12所产生的排放。控制模块60可控制EGR阀46， 以调节引入到进气歧管观中的排气的量。此外，控制模块60可控制涡轮增压器18所接收的排气的压力(例如，经由废气门)、涡轮增压器18的增压量(即，压差)(例如，经由电子增压控制器)、和/或涡轮增压器18的空气流(例如，经由电子空气流控制器)。控制模块60还接收表示各种发动机操作参数的信号。更具体地，控制模块60可接收来自于MAF传感器21、COT传感器22和MAP传感器沈的信号。例如，MAF传感器21 可测量在压缩机19入口处的温度(以及MAF流率)。因此，MAF传感器21可在下文中称为 MAF-IAT传感器21。然而，可采用其它温度传感器以测量在压缩机19入口处的温度。COT传感器22可位于压缩机19出口处并且可测量COT。MAP传感器沈可位于进气歧管观中并且可测量MAP。此外，控制模块60可接收来自节气门M和EGR阀46的分别表示进入发动机中的空气流(即，MAF流率)和进入进气歧管28中的排气量的信号。此外，控制模块60可接收表示发动机操作参数的信号，所述发动机操作参数例如为发动机速度(例如，单位转每分或RPM)、气缸压力、排气压力和/或温度、排气NOx浓度和涡轮20的速度等寸。现参考图2，更详细地示出了控制模块60。控制模块60可包括约束估计模块70、 第一误差检测模块74、第二误差检测模块78、和发动机保护模块82。发动机保护模块82还可包括测量大气压力的大气压力传感器86。然而，大气压力传感器86也可位于控制模块 60中的其它或车辆中的其它位置。约束估计模块70接收表示涡轮增压器入口和出口温度(分别为T1和T2)和涡轮增压器出口压力(P2)的信号。例如，MAF-IAT传感器21可测量T1, COT传感器22可测量T2， 且MAP传感器沈可测量P2。约束估计模块70基于测量出口温度T2和建模出口温度(Tm) 之间的比较来估计空气流约束。更具体地，约束估计模块70可如下地建模出口温度Tm
权利要求
1.一种用于包括涡轮增压器的发动机的控制系统，包括约束估计模块，所述约束估计模块基于在涡轮增压器的压缩机出口处的测量温度和建模温度之间的比较来估计通过发动机空气过滤器的空气流约束；和发动机保护模块，所述发动机保护模块基于估计空气流约束实现下述操作中的至少一种控制涡轮增压器增压、控制涡轮增压器空气流、控制发动机的燃料供应速率、和产生用于车辆驾驶员的警告信号。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，建模温度基于压缩机入口处的测量温度、 压缩机出口处的测量温度和压缩机出口处的测量压力。
3.根据权利要求1所述的控制系统，还包括第一误差检测模块，所述第一误差检测模块基于在第一预定时段期间的估计空气流约束来检测是否需要更换空气过滤器。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其中，第一误差检测模块在第一预定时段期间的估计空气流约束指示空气流约束大于预定约束阈值时检测需要更换空气过滤器。
5.根据权利要求4所述的控制系统，还包括第二误差检测模块，所述第二误差检测模块基于在第二预定时段期间的估计空气流约束和压缩机入口处的测量温度来检测空气过滤器是否由雪花和冰中的至少一种约束，其中，第二预定时段小于第一预定时段。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其中，第二误差检测模块在第三预定时段期间的估计空气流约束变化速率大于预定阈值变化速率并且在压缩机入口处的测量温度小于预定温度阈值时检测空气过滤器由雪花和冰中的至少一种约束，其中，第三预定时段小于或等于第二预定时段。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中，当第一误差检测模块检测到需要更换空气过滤器时，发动机保护模块产生用于车辆驾驶员的更换信号，且其中，当第二误差检测模块检测到空气过滤器由雪花和冰中的至少一种约束时，发动机保护模块产生用于车辆驾驶员的约束信号。
8.根据权利要求1所述的控制系统，其中，当估计空气流约束大于第一预定阈值时， 发动机保护模块降低涡轮增压器的增压和涡轮增压器的空气流中的至少一种，其中，涡轮增压器的增压和空气流进一步基于发动机速度和车辆海拔。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其中，当估计空气流约束大于第二预定阈值时， 发动机保护模块实现下述操作中的至少一种降低发动机的最大燃料速率、和限制发动机的燃料速率以指令发动机的应急返回模式，其中，发动机的最大燃料速率进一步基于发动机速度和车辆海拔，且其中，第二预定阈值大于第一预定阈值。
10.一种用于包括涡轮增压器的发动机的方法，包括基于在涡轮增压器的压缩机出口处的测量温度和建模温度之间的比较来估计通过发动机空气过滤器的空气流约束；以及基于估计空气流约束实现下述操作中的至少一种控制涡轮增压器增压、控制涡轮增压器空气流、控制发动机的燃料供应速率、和产生用于车辆驾驶员的警告信号。
全文摘要
本发明涉及估计发动机空气过滤器的空气流约束的系统和方法。用于包括涡轮增压器的发动机的控制系统包括约束估计模块和发动机保护模块。所述约束估计模块基于在涡轮增压器的压缩机出口处的测量温度和建模温度之间的比较来估计通过发动机空气过滤器的空气流约束。所述发动机保护模块基于估计空气流约束实现下述的至少一种操作控制涡轮增压器增压、控制涡轮增压器空气流、控制发动机的燃料供应速率、和产生用于车辆驾驶员的警告信号。
文档编号F02B37/12GK102162403SQ20111003618
公开日2011年8月24日 申请日期2011年2月11日 优先权日2010年2月12日
发明者T. 迪普 B., J. 安德拉斯科 S., 肖 Y. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司