热机排气系统部件的热保护方法
【专利摘要】本发明涉及热机排气系统部件的热保护方法，根据本发明所述的方法，可以确定排出气体和排气系统壁的温度及根据该方法可以检测出已达到温度的最大限值的排出系统的部件。根据本发明所述方法在于：确定(54)发动机出口的排出气体的温度设定值T3consigne，和制定(56)能够确保排出气体温度设定值的浓度设定值ΦConsigne。
【专利说明】热机排气系统部件的热保护方法
[0001]本发明涉及热机排气系统部件的热保护方法，这里所说的热机中的碳氢燃料是汽油，所述热机可以是增压或不是增压，可以是直接喷射也可以是间接喷射。
[0002]热机排气系统部件由位于燃烧气体排出管道中的部件所构成，燃烧气体起初沿着排出方向，通过排气阀排出，相继经过排出气体收集装置、增压热机的涡轮增压器、设有探头(如氧探头)的催化器，最终经过消音器。热机排气系统部件根据发动机运行条件可以是过热或不热的。如果排出气体的温度过高，部件温度可能超过一个临界温度，自该临界温度起部件可受损。因此，为了避免部件受损及由此不超过临界温度，控制排气系统中的温度至关重要。
[0003]控制排气系统中催化器的温度在很多专利文献中已有描述。具体地说，专利文献JP4060106(A)中提出了将由温度传感器测量的催化器放热反应的测定值与放热反应的估计值进行比较从而确定催化器老化程度的装置。如果放热反应与估计值不符，则可推断催化器已损坏。该专利中所描述的装置没有提出通过热限定对排气系统部件进行保护。
[0004]专利文献JP5312074(A)提出了在催化器的下游根据催化器的和储存在催化器中的氧气的温度对排出氧气传感器进行补偿的方法。但该专利没有提出通过燃烧浓度对排气系统进行热保护。
[0005]专利US6691507(B1)描述了一种调整温度及维持一氧化氮后处理部件的温度的装置，并且所述装置是通过对碳氢/空气混合燃料的浓度的控制即在高浓度/低浓度之间交替运行来实现再生。所述专利没有提出通过浓度调节对部件进行热保护。
[0006]专利FR2141049(A5)涉及对催化器入口浓度的确定从而优化对排出气体的后处理。
[0007]然而，上述专利文献都没有涉及通过允许排出气体冷却的碳氢/空气混合燃料的浓度对排气系统部件的热保护。
[0008]本发明提出的方法能够通过控制浓度来对排气系统部件进行热保护。
[0009]更详细地，本发明涉及热机排气系统部件的热保护方法，根据本发明所述的方法，确定出排出气体和排气系统壁的温度(估计的或是测定的)，且检测出已达到温度的最大限值的排气系统的部件。根据所述方法:
[0010]-确定发动机出口的排出气体的温度设定值T3_sigM，和
[0011]-制定能够确保排出气体温度设定值的浓度设定值(Consigne。
[0012]所述浓度设定值(Consigne在发动机可接受的最大浓度限值之内进行确定。
[0013]根据优选实施方式，所述发动机出口的排出气体温度设定值T3_signe通过对温度设定值的预置和调节进行确定，所述预置即借助于图表根据发动机和需要保护的部件X的运行点输出基础温度定值T3(x)。所述图表可以是以发动机排出温度Τ3作为参数的发动机加载状态的图表。所述调节优选地采用能够输出一个校正项的比例加积分调节。所述校正项加入到预置值Τ3 (X)中以提供温度T3_sigm。
[0014]如果不采用所述的预置和调节，可以选择默认值作为发动机出口排出气体的温度定值 T3_sigm。
[0015]根据另一个实施方式所述，所述发动机排出气体的温度设定值13。。-_可以通过排气系统模型的逆运算来确定。
[0016]为了确定所述浓度定值0_signe，需要对于一个浓度Φ确定发动机排出气体的温度T3estim。所述温度T3estim是根据不同的发动机参数通过温度T3estimO =i来确定的，且对于浓度Φ = I时，所述温度T3…一吣需要借助通过图表(排出气体的排出量(U-浓度定值Φ)确定的修正函数f (Qedl > Φ)来进行修正。
[0017]有利地，所述温度T3estim是由以下关系式确定:
[0018]T3estim — T3estim0 = jX f (Qechj ①)
[0019]且所述保护部件的浓度设定值根据以下关系式确定:
[0020]Φ — f (Qechj T3C0nsigne/T3estimO = j)
[0021]本发明其他的特征和优点将在以下对本发明实施方式的描述中得以体现，所述实施方式作为非限制性示例给出并参照附图描述，其中:
[0022]-图1是设有用发动机控制来保护的热保护点的排气系统的示意图；
[0023]-图2是热保护功能的结构图；
[0024]-图3是排气温度设定值的计算框图；
[0025]-图4是排气温度的和以浓度作因变量的正模型的示意图；和
[0026]-图5是用于确定排气系统部件保护的浓度的逆模型的示意图。
[0027]图1示意地表示出了带有其汽缸盖14的热机12的排气系统10。排出气体通过排气阀18从汽缸16中排出，进入到排出气体收集装置20中。气体随后相继经过设有涡轮机24和旁路部分26 (废气门)的涡轮增压器(用于增压发动机)、设有上游氧探头30和下游探头32的催化器28及消音器34和36。需要进行热监测的点和需要热保护的部件主要是涡轮增压器22的上游40、带有探头30和32的催化器28的上游42和下游44和催化剂器28的内部46以及收集器20 (收集器监测点在图1中由48指示)。根据本发明，部件可以采用热机控制进行热保护。要达到的目标是监测点的温度不超过一个临界值，在该该临界值上及超过该临界值这些部件(这里指的是涡轮增压器和带有探头的催化器)可能受损坏。
[0028]简要地说，本发明在于通过确定所需浓度来限定发动机出口排放气体的温度，通过运用排气系统的热模型的逆运算使达到临界温度的部件不会超过临界温度。
[0029]根据本发明的方法，可以确定发动机出口温度设定值T3_sigm和能保证所述温度设定值的浓度(consigne。
[0030]图2示意地示出了该方法的主要步骤。对应模块50和52的前两个步骤一般来说是被熟知的，本发明的参数涉及由方块55框起的两个后面的模块54和56。
[0031]模块50允许借助于一个或若干个模型根据不同的参数例如发动机状态、负荷、点火提前角和车辆外部温度来预测排气系统中的温度。模块50提供排气系统壁和排出气体的温度Techestim，这两个温度可以分别建模分析或通过传感器进行测定。
[0032]模块52允许在要进行热保护的排气系统部件中通过模块50提供的信息Techestim检测达到其临界温度(自该温度起部件可能被损伤)的部件。为此，可以采用被广泛熟悉的能够探测到所有需要监测的温度和指示需要保护的部件的监视器。模块52提供3个信息:
[0033]-X，被检测部件的指数，例如其已经达到临界温度(该监测借助于模型实现)；
[0034]-Tech (X)max，指被检测例如已达到其温度限值的部件x所能接受的最高温度，和
[0035]-Tech (X) estim，指部件x的当前(被考虑时刻)的温度。
[0036]以上三个信息提供给确定温度设定值T3_signe (在图1上也示出)的模块54，该温度设定值是发动机出口处并由此是排气收集装置20出口处排出的气体的温度设定值。以下借助图3来进行对模块54的详细描述。
[0037]所述温度设定值T3_sigM提供给模块56以制定由发动机控制装置所使用的浓度设定值(Consigne。以下借助于图4和图5来进行对模块56的详细描述。
[0038]可以通过以下方式对本发明的主题即所述方法进行总结:
[0039]-估计(模块50)或测定排气系统壁和排出气体的温度；
[0040]-检测已经达到其温度最大限定值的排气系统部件(模块52)；
[0041]-确定发动机出口(气缸盖出口)位置上的排出气体的温度设定值(模块54);和
[0042]-在发动机可接受的最大浓度限定内，确定与事先设定的发动机出口处排出气体温度定值相符的浓度(模块56)。发动机可接受的最大浓度相当于一个极限值，在该极限值以下燃烧质量是可接受的(燃烧稳定性)。
[0043]发动机出口的排放气体的温度设定值T3_signe表示发动机出口要遵守的排出气体温度不超过被识别部件X的临界温度最大限值Tech[x]max。两个温度T3_signe与Tech[x]max之差可以通过一个传递函数来定义，所述传递函数将排气系统中的发动机出口与部件X之间的热交换考虑进来。然而这样的传递函数建模很复杂。图3详细地示出了本发明关于确定发动机出口排气温度设定值T3_signe;(模块54)的方法的有利实施方式,这可避免对上述传递函数进行建模分析。这里分为两步:一方面，预置温度设定值(方块58中示出)，该温度设定值可为部件X提供基础温度T3(x)base (温度T3是发动机出口的排出气体的温度，更准确地说是排出气体收集装置出口的排气温度)，另一方面，进行温度调节(方块60)，该温度调节提供温度T3 (x) base的校正项。
[0044]预置装置能够从在所要求的发动机出口排气温度设定值附近的基础温度T3(x)base开始启动调节，这可使调节更加迅速。为了实现预置，可以使用图表62，每部件X—个图表(一次只对一个部件进行检测，即部件X)。监测部件的指数X通过选择装置66的入口64引入，所述选择装置选择部件X的图表。图表有利地示出了作为横坐标上的带有参数如温度T3的发动机状态74的函数的纵坐标上的发动机加载空气量76。涉及部件X的图表给出了借助于调节装置60精确调节的开环上的温度T3(X)base。
[0045]调节装置60优选地采用比例加积分型，当然也可以采用其他类型(例如比例、积分加微分或比例加微分或更复杂的类型)。其为基础温度T3 OObase提供校正项。调节装置由比例控制器68和积分控制器70所构成。所述两个控制器接收代表要保护部件X的温度误差的信息72,该误差等于(Tech (X)max-Tech (X) estim)。这两个控制器68和70还接收发动机状态74和加载空气量76。比例控制器68输出与误差72成比例的校正项78，而积分控制器70提供校正项80，所述校正项80代表根据时间对误差积分以使误差信号收敛的项。校正项78和80在加法器82中相加，加法器82提供校正项84。后者与由预置装置58所提供的温度T3(x)base在一个加法器86中相加。调节的温度(T3 (x)base+校正项)被提供给选择器90的入口 88。当保护没有启动时，后者能够在调节温度和温度默认值Tdefaut(由无保护的温度值模块92提供)之间进行选择。两个入口之间的选择是借助于施加在模块90的入口 94上的“启动装置保护”信号所实现的。模块90输出排放气体的温度设定值T3_signe。
[0046]总地，能够实现对排气系统部件保护的排放气体的温度设定值T3_sigm的计算是由以下构成:
[0047]-根据发动机运行点和要保护部件的图表预置装置(或开环)(方块58)；
[0048]-比例-积分型的调节装置，其增益取决于运行点和要保护的部件(方块60);和
[0049]-可以在以下两者之间进行选择的判断装置(方块90):
[0050].保护未启动时的默认值(高值)，和
[0051].预置值与调节装置发出的校正项之和。
[0052]根据本发明的实施方式变型，在图3(预置和调节装置)中示意地表示出的实施方式可以由排气系统模型的逆运算来代替。该变型中可以减少校准时间和校准数量。然而，带来的缺点是实施复杂且不能提供用于控制系统运作的校准自由度。因此，图3中示出的实施方式是优选的。
[0053]图4和5示意地表示出校准浓度设定值的实施方式(图2中的模块56)，其中图4概要地示出排出气体温度的和以浓度作因变量的正模型，而图5示出了用于确定能够保护部件的浓度的逆模型。
[0054]在图4中，对于设定值等于I的燃烧浓度Φ和对于所考虑的运行点估计的温度T3estiffltc = i根据不同的发动机参数(运行点、水温、点火提前角的减弱、凸轮轴的位置等等)通过模块100输出。图表102在发动机试验台上获得，其横轴代表排出气体的排出量Q_，其纵轴代表浓度Φ，所述图表102允许获得根据排出气体的排出量Qd和浓度Φ的变化而变化的排气温度的修正函数f O。修正函数f O被输出给一个乘法器104。后者在其出口输出温度T3estim，该温度是对于浓度Φ的发动机出口(排气收集装置出口)排出气体的估计温度，它如下地表示:
[0055]T3estim — T3estim0 = jX f (Qechj ①)
[0056]函数f()在浓度区间{1，Φ_}是--映射的，Φ_是浓度的最大限值，在此极限值之下燃烧质量是可接受的(燃烧稳定性)，对于一个给定的运行点可以确定能够符合排气温度的浓度。事实上:
[0057]T3estim = T3estim0 = 1X f (Qech, Φ) => Φ = Γ1 (Qech, T3C0nsigne/T3estimO =)
[0058]其中:
[0059]T3consigne:发动机出口排出气体的温度设定值，和
[0060]户():相对于浓度的f()的逆函数。该函数F1O由f()的反演产生的图表所提供。
[0061]所述逆模型表示在图5上。除法器106 (这为除法器是因为图4中的乘法器104被反演)在其中一个入口上接收T3_signe(由图2的模块54给出)而在另一个入口上接收对于浓度Φ = I在发动机出口处估计的估计温度T3estimi) = i。图2中(排气线路中温度估计)的模块50直接提供所述温度T3estimi) = i。
[0062]与当前已有技术相比，本发明能够减少CO2的排放量，因为设定的浓度正好为所需的。此外，本发明能有很好的排气线路部件温度的限制性能，这表现为:要么通过允许在更加接近材料限值的温度上运行得到降低部件成本的可能性(定尺寸更加准确)，要么通过不提前启动该功能得到CO2排放量的降低。本发明同样可以带来校准成本的节省:事实上，正模型已经被校准，无需再进行任何附加的测试，因为只需要对正模型的图表进行数字上的逆运算。
【权利要求】
1.热机排气系统部件的热保护方法，根据该方法确定出排出气体和排气系统壁的温度及根据该方法检测出已达到其温度的最大限值的排气系统的部件，所述方法的特征在于: -确定(54)发动机出口的排出气体的温度设定值T3_sigm，和 -制定(56)能够确保所述排出气体温度设定值的浓度设定值(Consigne。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浓度设定值(Consigne在发动机可接受的最大浓度限值之内进行确定。
3.根据上述权利要求其中之一项所述的方法，其特征在于，所述发动机出口的排出气体温度设定值T3_signe通过对温度设定值的预置(58)和调节￠0)进行确定。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预置(58)输出根据发动机和需要保护的部件X的运行点借助于图表(62)所确定的基础温度设定值T3(x)base。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述图表是以发动机出口温度T3作为参数的发动机加载状态的图表。
6.根据权利要求3至5项其中之一项所述的方法，其特征在于，所述调节￠0)采用输出一个校正项(84)的比例(68)加积分(70)的类型。
7.根据权利要求3至6项其中之一项所述的方法，其特征在于，所述校正项(84)被加入到预置值T3 (X)中以提供所述温度T3_sigm。
8.根据权利要求1和2项其中之一项所述的方法，其特征在于，所述发动机出口的排出气体温度T3_signe;由排气系统模型的逆运算来确定。
9.根据上述权利要求其中之一项所述的方法，其特征在于，为了制定所述浓度设定值(Consigne，对于一个浓度Φ确定发动机出口排出气体的温度T3estim。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述温度T3estim是根据不同的发动机参数(100)通过温度T3estimi) = i来确定的，且对于浓度φ = I时，所述温度T3estimi) = i需要借助通过排出气体的排出量Qd-浓度设定值Φ图表所确定的修正函数?.(9_，Φ)来进行修正。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述温度T3estim是由以下关系式来确定的:
T3estim = T3estim0 = I X f (Qech, Φ)
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述发动机参数至少由以下参数其中之一构成:运行点、水温、点火提前角的减弱、凸轮轴的调整位置。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述保护部件X的浓度设定值由以下关系式确定:
①—f I V (Qech，T3consigne/T3estimi> = D 其中: T3consigne是发动机出口排出气体的温度设定值，和 f"0是相对于浓度的f O的逆函数。
【文档编号】F01N11/00GK104246160SQ201380006875
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年1月11日 优先权日:2012年1月26日
【发明者】G·阿莱格尔, E·克雷特萨斯 申请人:标致·雪铁龙汽车公司