专用EGR发动机中的EGR和重整产物分数估计的制作方法

本发明涉及专用排气再循环(专用egr)发动机的操作。专用egr发动机是具有多个汽缸的内燃发动机，其中一个汽缸被称为专用汽缸，其专用于向所有多个汽缸的进气口提供egr气体。专用汽缸以化学计量的浓空燃比操作，使得其排气包含重整产物，诸如h2和co，其有益于在再循环到其它非专用汽缸时稳定燃烧。

在某些发动机操作状态期间，例如在负载瞬变期间，可能需要调节发动机操作以补偿在专用汽缸中产生的过度或不足的重整产物。虽然感测专用egr发动机的进气歧管中的气体混合物的组成可以提供用于控制发动机操作的有用信息，但是避免适合于测量气体组成的传感器的成本将是有利的。

因此，虽然当前的专用egr系统实现了它们的预期目的，但是需要一种用于确定egr流的质量和组成的新的和改进的系统和方法。

技术实现要素：

根据若干方面，一种操作专用egr发动机的方法包括向专用汽缸提供浓空气-燃料混合物，在专用汽缸中燃烧浓空气-燃料混合物，以及建模专用汽缸中浓空气-燃料混合物的燃烧。所公开的方法还包括基于化学计量和浓燃烧的化学反应模型的插值来估计专用汽缸中的燃烧产物的组成。该方法还包括将来自专用汽缸的燃烧产物与空气混合以产生进气混合物并估计进气混合物中的重整产物质量分数和燃烧气体质量分数。该方法还包括将进气混合物提供给专用egr发动机的所有汽缸的进气口。该方法还包括在发动机的非专用汽缸中燃烧空气-燃料混合物，并控制有效影响非专用汽缸中的燃烧的发动机控制参数，其中基于进气混合物中估计的重整产物质量分数和估计的燃烧气体质量分数确定发动机控制参数的值。

在本发明的另一方面，控制发动机控制参数的步骤包括控制燃料喷射正时。

在本发明的另一方面，控制发动机控制参数的步骤包括控制燃料喷射量。

在本发明的另一方面，控制发动机控制参数的步骤包括控制火花正时。

在本发明的另一方面，控制发动机控制参数的步骤包括控制节流阀位置。

在本发明的另一方面，控制发动机控制参数的步骤包括控制egr旁通阀。

在本发明的另一方面，控制发动机控制参数的步骤包括控制涡轮增压器废气门。

在本发明的另一方面，控制发动机控制参数的步骤包括控制发动机进气阀正时或发动机排气阀正时。

在本发明的另一方面，调节非专用汽缸中的空气-燃料混合物以在设置在非专用汽缸下游的催化转化器处实现总体化学计量。

根据若干方面，一种用于操作专用egr发动机的系统，该系统包括控制器，该控制器配置成控制向专用汽缸提供浓空气-燃料混合物，控制专用汽缸中浓空气-燃料混合物的燃烧，并建模专用汽缸中浓空气-燃料混合物的燃烧。控制器还被配置成基于化学计量和浓燃烧的化学反应模型的插值来估计专用汽缸中的燃烧产物的组成，估计包括来自专用汽缸的燃烧产物和空气的进气混合物中的重整产物质量分数，并估计进气混合物中的燃烧气体质量分数。控制器还被配置成控制将进气混合物提供给专用egr发动机的所有汽缸的进气口，控制发动机的非专用汽缸中空气-燃料混合物的燃烧，并控制有效地影响非专用汽缸中的燃烧的发动机控制参数，其中基于进气混合物中估计的重整产物质量分数和估计的燃烧气体质量分数确定发动机控制参数的值。

根据若干方面，一种控制器包括处理器和包含指令的非暂时性计算机可读介质，该指令在被执行时执行包括以下步骤的方法：控制向专用汽缸提供浓空气-燃料混合物，控制专用汽缸中浓空气-燃料混合物的燃烧，以及建模专用汽缸中浓空气-燃料混合物的燃烧。所公开的方法还包括基于化学计量和浓燃烧的化学反应模型的插值来估计专用汽缸中的燃烧产物的组成。该方法还包括估计包括来自专用汽缸的燃烧产物和空气进气混合物中的重整产物质量分数，并估计进气混合物中的燃烧气体质量分数。该方法还包括控制将进气混合物提供给专用egr发动机的所有汽缸的进气口，控制发动机的非专用汽缸中空气-燃料混合物的燃烧；以及控制有效影响非专用汽缸中的燃烧的发动机控制参数，其中基于进气混合物中估计的重整产物质量分数和估计的燃烧气体质量分数确定发动机控制参数的值。

根据本文提供的描述，其它适用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。

图1是根据示例性实施例的包括专用汽缸的发动机系统的描绘；

图2是作为当量比的函数的实验测量的发动机排气组成数据的曲线图；

图3是根据示例性实施例的作为当量比的函数的建模排气组成的曲线图；以及

图4是根据示例性实施例的降阶观测器的图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或用途。

废气再循环(egr)是增加燃料经济性以及减少内燃机的nox排放的有效方式。由于较低的峰值燃烧温度，egr有效地减少了nox排放。较低的燃烧温度也减少了热传递，从而提高了发动机的效率。另外，egr减慢燃烧反应速率，从而防止爆震。然而，过量水平的egr会使燃烧不稳定并导致部分燃烧或失火。在egr中存在诸如co和h2的重整产物可以有助于稳定燃烧。当重整产物的水平偏离期望的重整产物水平时，例如在发动机速度和/或负荷瞬变期间，需要调节火花正时以补偿重整产物过多或不足的影响。已知进气歧管中的重整产物水平允许控制火花正时或调节专用汽缸中的燃料质量以实现所需的重整产物水平。

参考图1，示例性内燃发动机10具有多个汽缸12、14、16、18，其中发生燃烧。汽缸12、14、16、18中的每一个具有相应的进气口20、22、24、26和相应的排气口28、30、32、34。如图1所示，来自被称为专用汽缸或专用egr汽缸的一个汽缸18的排气被引导通过egr管道36到达混合器38。混合器38还通过进气管道40接收进气。混合器38将来自进气管道40的进气与来自egr管道36的egr气流进行组合以形成进气混合物。进气混合物通过中间冷却器42和节流阀44流到联接到进气口20、22、24、26的进气歧管46。图1中所描绘的发动机具有四个汽缸，其中一个汽缸专用于向其自身和其它汽缸12、14、16提供富集的egr。因此，在稳态操作中，发动机理想地以25％egr进行操作。

继续参考图1，在示出的示例性发动机系统中，排气歧管48收集来自非专用汽缸12、14、16的排气口28、30、32的排气，并将该排气通过涡轮增压器52的涡轮50引导至排气管54。涡轮增压器52还包括压缩机70，其接收来自质量空气流量传感器66的空气，压缩该空气，并将压缩空气提供给进气管道40。排气通过排气后处理设备56(诸如三向催化转化器(twc))排出排气管54，并通过尾管58排到大气中。另外，图1中描绘的实施例包括egr旁通阀60，当燃烧对egr过于敏感时，egr旁通阀60可以在诸如轻负载的发动机操作条件下将排气流从专用汽缸18引导至排气管54。

图1中描绘的实施例包括第一通用排气氧(uego)传感器62，其定位成测量来自专用汽缸18的排气组成。图1还包括位于排气歧管48处的第二uego64，以测量来自非专用汽缸12、14、16的排气组成。

如图1中所示，发动机具有相关联的控制器68，其可通信地联接到与发动机10相关联的传感器和致动器。

当浓空气-燃料混合物在专用汽缸18中燃烧时，混合物中的一些燃料重新形成co和h2，co和h2是将其它汽缸12、14、16中的燃烧容限提高到高水平的egr稀释的反应性成分。描述汽油燃烧的化学反应可以针对化学计量和浓空气-燃料混合物建模。例如，假设燃料是c8h18，化学计量燃烧可以通过以下等式建模：

c8h18+12.5(o2+3.7n2)→8co2+9h2o+46.25n2(1)

等式(1)中所示的标称燃烧反应的化学计量空燃比λs可以计算为15.05。

当空气-燃料混合物富集时，一些燃料由于缺乏足够的氧气而重新形成co和h2以实现完全燃烧。图2中示出了从几个不同的多缸和单缸汽车火花点火发动机测量的实验结果(取自johnb.haywood的internalcombustionenginefundamentals，mcgraw-hilleducation，1988，第147页)。参考图2，co排气中的摩尔分数由标记为210的数据序列表示，co2排气中的摩尔分数由标记为212的数据序列表示，o2排气中的摩尔分数由标记为214的数据序列表示，而h2排气中的摩尔分数由标记为216的数据序列表示。每个序列210、212、214、216中的每个数据点相对于正在燃烧的空气-燃料混合物的当量比绘制。如该图中所使用，当量比被计算为燃料/空气比除以化学计量的燃料/空气比。因此，当量比值小于1表示贫混合物的燃烧，当量比为1表示化学计量混合物，而当量比大于1表示富混合物。图2中的数据用具有在2至2.25的范围内的h/c比，即氢原子数/碳原子数的燃料进行测量。

图2中所示的结果表示数据序列210中所示的co的摩尔分数与数据序列216中所示的h2的摩尔分数之比几乎恒定，并且当空燃比为浓时，即当量比大于1时，其大致等于2。基于这一观测，与浓空气-燃料混合物的主要反应可以通过以下等式建模：

c8h18+6.5(o2+3.7n2)→8co+4h2+5h2o+24.05n2(2)

等式(2)中所示的富集燃烧反应的空燃比λr可以计算为7.83。

在专用汽缸中的燃烧事件期间，一些喷射的燃料遵循等式(1)与空气反应，而其余燃料遵循等式(2)进行反应。给定的空气质量ma与燃料根据以下关系进行反应：

其中mf是注入汽缸的燃料质量，而是根据等式(2)中所述的浓燃烧与汽缸中的空气反应的燃料质量。等式(3)可以重新排列以求解认识到不能超过燃料的总质量mf并且不能是负的，以产生关系：

假设解离可忽略不计，来自等式(1)、(2)、(3)和(4)中描述的模型的反应性化合物的摩尔分数可以作为当量比的函数获得。图3中绘制了这些摩尔分数。参考图3，co排气的建模摩尔分数由标记为310的数据序列表示，co2排气的建模摩尔分数由标记为312的数据序列表示，o2排气的建模摩尔分数由标记为314的数据序列表示，而h2排气的建模摩尔分数由标记为316的数据序列表示。每个系列310、312、314、316中的每个数据点相对于空气-燃料混合物的建模当量比绘制。图3中的图示出了在等式(1)、(2)、(3)和(4)中描述的模型记录了图2中所示的实验获得的摩尔分数的趋势。

燃烧气体，即在专用汽缸中的燃烧事件中燃料和与燃料反应的空气的总和，与进气混合并提供给进气歧管。进气歧管中混合物的燃烧气体分数是燃烧气体质量与总(燃烧气体+新鲜空气)质量的比率。专用egr发动机的燃烧气体分数的动态模型包括进气歧管处的燃烧气体质量分数和专用汽缸的排气口处的燃烧气体质量分数的模型。

专用egr发动机的进气歧管处的燃烧气体质量分数的动态模型可以导出为：

在等式(5)中，fint是进气歧管中的燃烧气体质量分数，是专用汽缸的排气口中的燃烧气体质量分数，wegr是来自专用汽缸的再循环气体的质量流量，wa是进入歧管的空气质量流量，而mint是进气歧管中的气体质量。

专用egr发动机的专用汽缸的排气口处的燃烧气体质量分数的动态模型可以导出为：

在等式(6)中，we是进入汽缸12、14、16、18的质量流量，θ是进入专用汽缸的质量流量与we的比率(如果均匀地分配到汽缸12、14、16、18，则θ等于0.25)，是进入专用汽缸的燃料质量流量，δ是表示燃料喷射器中的不确定性的因子，如果燃料喷射误差为零则等于1.0，和分别是在标称化学计量燃烧中反应的燃料质量流量的部分和在富集燃烧中反应的燃料质量流量的部分，即而是专用汽缸的排气口处的气体质量。

由于来自专用汽缸的废气再循环到排气歧管，除非旁通排气，否则以下关系成立：

在专用egr发动机中，在燃烧事件期间产生的重整产物作为egr流量的一部分从专用汽缸再循环到进气歧管。重整产物质量分数定义为重整产物质量与总质量在体积上的比率。假设co和h2是富集排气中的主要重整产物，可以导出重整产物质量分数的动态模型：

在等式(8)和(9)中，和分别表示进气歧管和专用汽缸的排气口中的重整产物质量分数，而k是重整产物的质量与富集燃烧中反应的燃料的比率(k＝2.0351)。

在实现质量分数的动态模型时，使用来自通用排气氧(uego)传感器62的读数，该传感器定位成测量来自专用汽缸18的排气组成。由uego传感器62测量的燃烧气体分数由下式给出：

在等式10中，是由uego传感器62在专用汽缸排气处测量的燃烧气体分数，而是一个常数，其说明uego传感器对排气化合物的灵敏度的差异。参数可以由uego传感器制造商提供的uego传感器校准确定。给定等式(10)中的关系，等式(5)到(9)中的动态模型可以根据被重写。

由于通过位于专用汽缸18的排气口34处的uego传感器62测量，因此可以设计动态观测器。作为一个示例，基于先前开发的燃烧气体和重整产物质量分数的动态模型设计了降阶观测器。为了设计降阶观测器，引入了新的变量z，

其中l是3x1观测器的增益。降阶观测器的状态等式可以表示为

流入汽缸12、14、16、18的质量空气由术语we^a表示。通常we^a可以通过质量空气流量传感器66在稳态操作中精确地测量，并且在瞬态期间在发动机控制器68中精确地估计，以在非专用汽缸12、14、16中实现化学计量的空气-燃料混合物。

然后，wegr也可以通过以下等式近似为：

仅当已知到汽缸12、14、16、18的质量流量，即，如果δ和是θ已知的，则降阶观测器的稳态误差为零。在专用egr发动机中，由于排气系统的几何形状，专用汽缸18的背压可能与其它汽缸12、14、16不同，因此汽缸流量可能不均匀分布。补偿由于不均匀的流量分布引起的观测器误差的方法基于位于排气歧管48处的第二uego传感器64，以测量来自非专用汽缸12、14、16的排气组成。

在常规火花点火(si)发动机中，uego传感器64通常在排气歧管48处实现，以允许发动机控制器68实现化学计量的空燃比并最大化三向催化转化器的效率(twc)56。在专用egr发动机中，当从专用汽缸再循环的排气富集时，非专用汽缸12、14、16中的空气-燃料混合物需要倾斜以满足排气歧管处的总化学计量燃烧气体。

假设非专用汽缸12、14、16的空气-燃料混合物是稀薄的，可以如下导出燃烧气体重整产物质量分数的动态模型：

其中σ是进入非专用汽缸12、14、16的质量流量与we(即，σ＝1-θ)的比率，wf是进入非专用汽缸12、14、16的燃料质量流量，和fexh分别表示排气歧管中重整气体和燃烧气体的质量分数，而mexh是排气歧管中的气体质量。

由uego传感器64在排气歧管48处测量的燃烧气体分数可表示为

的动力学可以如下导出：

为了调适质量分数动态模型以补偿不确定性θ(进入专用汽缸的质量流率与we的比率)和δ(表示燃料喷射器中的不确定性的因子)，的动态估计如下导出：

其中和分别是σ和δ的估计。例如，可以如下获得最小化误差的σ和σ的估计：

其中c1和c2是调整参数。

图4是根据本发明的实施例的自适应降阶观测器400的图。参考图4，描绘了降阶观测器部分402和调适部分404。观测器400具有表示we^a，进入汽缸12、14、16、18的质量空气流量的输入410。在方框426中，计算we和wegr的估计并作为输入提供给降阶观测器部分402。降阶观测器部分402的其它输入包括wa412、和继续参考图4，降阶观测器部分402还从调适部分404接收不确定项θ和δ的调适的估计406。

继续参考图4，降阶观测器部分402提供fint422的输出建模值，表示进气歧管46中的燃烧气体质量分数，并提供的输出建模值，表示进气歧管46中的重整产物质量分数。降阶观测器部分402还向调适部分404提供fint和作为估计408。

尽管图1中所描绘的示例性发动机示出为具有四个汽缸，但是应当理解，本发明的教示可以应用于具有少于四个汽缸的发动机或者应用于具有多于四个汽缸的发动机。另外，虽然示例性发动机被示出为具有涡轮增压器以压缩进气，但是本发明的教示不限于涡轮增压发动机。而且，虽然示例性发动机被示出为具有位于混合器38和节流阀44之间的进气流动路径中的中间冷却器42，但是本发明的教示不限于具有位于混合器38和节流阀44之间的进气流动路径中的中间冷却器42的实施例。

本发明的方法和系统提供了若干优点。再循环排气中h2的存在改善了非专用汽缸中的egr耐受性和燃烧稳定性以及燃烧效率。h2和co增加了发动机的整体抗爆性，使得能够以更高的压缩比操作并具有附带的益处。本发明的方法和系统允许实现这些益处而无需进气歧管中的专用气体组成传感器的成本。

前面的描述本质上仅是说明性的，并且决不旨在限制本发明、其应用或用途。本发明的广泛教示可以以各种形式实现。因此，虽然本发明包括特定示例，但是本发明的真实范围不应受此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其它修改将变得显而易见。如本文所使用，短语a、b和c中的至少一个应该被解释为使用非排它性逻辑or表示逻辑(aorborc)，并且不应该被解释为表示“至少一个a，至少一个b，以及至少一个c。”应当理解，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时)执行而不改变本发明的原理。

在本申请中，包括下面的定义，术语‘模块’或术语‘控制器’可以用术语‘电路’代替。术语‘模块’可以指代以下部分或包括：专用集成电路(asic)；数字、建模或混合建模/数字分立电路；数字、建模或混合建模/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(fpga)；执行代码的处理器电路(共享、专用或组)；存储器电路(共享、专用或组)，其存储由处理器电路执行的代码；提供所述功能的其它合适的硬件组件；或者上述部分或全部的组合，诸如在片上系统中。

模块可以包括一个或多个接口电路。在一些示例中，接口电路可以包括连接到局域网(lan)、互联网、广域网(wan)或其组合的有线或无线接口。本发明的任何给定模块的功能可以分布在经由接口电路连接的多个模块之间。例如，多个模块可以允许负载平衡。在另一示例中，服务器(也称为远程或云)模块可代表客户端模块完成一些功能。

如上所使用的术语代码可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指代程序、例程、函数、类、数据结构和/或对象。术语共享处理器电路包括单个处理器电路，其执行来自多个模块的一些或所有代码。术语组处理器电路包括处理器电路，该处理器电路与附加处理器电路组合，执行来自一个或多个模块的一些或所有代码。对多个处理器电路的引用包括分立管芯上的多个处理器电路，单个管芯上的多个处理器电路，单个处理器电路的多个核，单个处理器电路的多个线程，或上述的组合。术语共享存储器电路包括单个存储器电路，其存储来自多个模块的一些或所有代码。术语组存储器电路包括存储器电路，该存储器电路与附加存储器组合，存储来自一个或多个模块的一些或所有代码。

术语存储器电路是术语计算机可读介质的子集。如本文使用，术语计算机可读介质不包括通过(诸如载波上的)介质传播的瞬时电信号或电磁信号；因此，术语计算机可读介质可以被认为是有形的和非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器电路(诸如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩模只读存储器电路)、易失性存储器电路(诸如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质(诸如建模或数字磁带或硬盘驱动器)和光存储介质(诸如cd、dvd或蓝光光盘)。

本申请中描述的装置和方法可以由专用计算机部分或全部实现，该专用计算机通过配置通用计算机以执行计算机程序中包含的一个或多个特定功能而创建。上述功能块和流程图元件用作软件规范，其可以由熟练技术人员或程序员的例行工作转换成计算机程序。

计算机程序包括存储在至少一个非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(bios)、与专用计算机的特定设备交互的设备驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、背景应用程序等。

计算机程序可以包括：(i)要解析的描述性文本，诸如html(超文本标记语言)或xml(可扩展标记语言)，(ii)汇编代码，(iii)由编译器从源代码生成的目标代码，(iv)由解释器执行的源代码，(v)由即时编译器编译和执行的源代码等。仅作为示例，可以使用包括以下语言的语法来编写源代码：c、c++、c#、objectivec、haskell、go、sql、r、lisp、fortran、perl、pascal、curl、ocaml、html5、ada、asp(活动服务器页面)、php、scala、eiffel、smalltalk、erlang、ruby、visuallua和

权利要求中所述的任何要素均不是35u.s.c§112(f)意义上的装置加功能要素，除非使用短语“用于……的装置”或在使用短语“用于……的操作”或“用于……的步骤”的方法权利要求的情况下明确叙述要素。