專利名稱：帶有排氣再循環的內燃發動機的殘余氣體組成控制的制作方法
帶有排氣再循環的內燃發動機的殘余氣體組成控制
技術領域：
本發明涉及通過調節殘余氣體組成來調整和/或控制內燃發動機的排氣再循環，
并涉及用于通過調節內燃發動機的殘余氣體組成來調整和/或控制排氣再循環的控制單元。
背景技術：
眾所周知，隨著車輛數量的增長，管理內燃發動機廢氣排放的規則不斷得到加 強，例如歐洲的EURO 6標準，或美國的Tier 2標準或Bin 5標準。 一些制造商傾向于使 用多禾中點火策略例如均質充氣壓縮點火(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)或者主動后處理裝置例如N0x(氮氧化物)分離器或選擇性催化還原(Selective CatalyticReduction，SCR)催化轉化器。然而，這些技術需要可觀的材料費用和開發費用， 其增加了系統的復雜性并使消費者承擔了高昂的后續費用例如增加的燃料消耗和技術支 持成本。 —種已知的減少內燃發動機排放的策略為通過排氣再循環改進排放控制。排氣仍 然含有相對較大量的氧，并被部分添加至新鮮空氣進氣，結果可從大氣中抽取較少新鮮的 空氣。出于該目的，排氣直接從排氣歧管下游抽出，或首先由包含催化過濾器或微粒過濾器 的排氣排放控制系統處理并隨后通過出于該目的設置的管道被部分抽出并添加至進氣歧 管中的新鮮空氣進氣。 在已知方法中，以在靜態工況下探測壓縮壓力、排氣再循環和空氣質量流量并隨 后作為工況的函數分配給內燃發動機的方式實施空氣準備結構，排氣再循環表示為再循環 排氣或進氣歧管中殘余氣體(residual gas)的百分比。在非靜態運轉期間，根據車輛駕駛 員的直接詢問的函數、或所需排氣再循環靜態設定和/或壓縮壓力的偏差的函數計算排氣 的動態修正，這主要用于入口處的渦輪增壓器系統的變量調節和出口處排氣再循環系統的 變量調節。另外，當要求完全充氣時，對于排氣中空氣質量與燃料質量的所需比例限制噴射 燃料的質量，以便防止排氣中出現煙霧。 已知的解決方案著眼于基于對靜止狀態設定的動態修正的排氣再循環的變量調 節而不考慮噴射燃料質量的先前情況，當然，該噴射燃料質量的先前情況是生成給定成分 的排氣的確定因素。當然，通過排氣的成分記錄的運轉狀態為先前剛剛進行的燃燒過程的 結果。因此，通過完全充氣對煙霧形成的限制與測量的/探測的空氣質量流量所需的燃料 質量相關，以便在排氣中達到一定的空氣質量_燃料質量比例。
發明內容
本發明的目的在于指出考慮到上述缺點的調整和/或控制內燃發動機排氣再循 環的方法，該方法將用于實現對再循環排氣甚至更為有效的使用和更為充分的燃料燃燒。
本發明包括通過調節殘余氣體組成部分或組成(fraction)調整和/或控制包含 至少一個汽缸和進氣歧管的內燃發動機排氣再循環的方法，該發動機裝配有具有排氣再循環的排氣系統。該方法進一步包含確定和/或探測每個汽缸充填過程所需的燃料質量和空 氣混合物質量的步驟。 通過一種在燃燒過程結束時在各個汽缸中達到所需預定和/或可預定的殘余氣 體質量流速的方式調整和/或控制進氣歧管中殘余氣體質量組成的方法實現了本發明的 目的，這種調整和/或控制考慮到了之前對于各個汽缸中先前燃燒過程確定和/或探測的 噴射燃料質量。先前燃燒過程的燃料質量對于記錄的殘余氣體成分至關重要，并且在均勻 運行中總體上不會在后續燃燒過程中充分改變。因此，本發明對此時間順序上先前剛剛噴 射的燃料質量的考慮使得能夠在噴射燃料質量、新鮮空氣質量和再循環排氣殘余氣體質量 之間建立可控因果關系，其著眼于在燃燒過程完成之前盡可能完全地燃燒燃料，并著眼于 增加空氣-排氣混合物中的再循環排氣組成。 根據本發明的另一個方面，以用于通過調節內燃發動機殘余氣體組成來調整和/ 或控制排氣再循環的控制單元實現了本發明的目的，其中提供了用于執行根據本發明的方 法中至少一個步驟的至少一個裝置。該至少一個裝置的最簡單形式優選地實施為可電子執 行的和/或計算機可讀的程序代碼。 另外，使用記錄的或估算的進氣歧管中殘余氣體組成r—FracBrntlntk從先前的
燃燒過程估算汽缸中燃燒的噴射燃料質量的組成r—FracBmtFuInj，或根據所需的進氣歧管
中殘余氣體組成和運轉狀態的函數進行預測。 如果排氣A傳感器安裝在排氣系統中，則還能夠從記錄的A值r—LamExh計算 燃燒過程結束時汽缸中殘余氣體組成<formula>formula see original document page 7</formula>
在這種情況下，方程(2)可用于估算進氣歧管中的殘余氣體組成r_ FracBrntIntk，方程(3)使用在排氣流中記錄的入信號計算引入各個汽缸的氣體質量m_ GasCyl。 可替代地，假設噴射燃料質量組成m—FuInj為l，則方程(2)可如下簡化為方程 (5): <formula>formula see original document page 7</formula> 此外，因為r_FracBrntCyl小于或等于l，括號中的表達式 (r_FracBrntCy 1 - (1 +r_Phi Sto i ch))可大約等于r_Ph i Sto i ch ，得到進 一 步簡化 的方程(6): <formula>formula see original document page 7</formula>0040] 使用方程(3)替代引入汽缸的氣體質量m—GasCyl導出下列進一步簡化方程(7):
<formula>formula see original document page 7</formula> 通過對方程(7)求導并消除相對于時間的變化d(r—FracBrntCyl) = O，得到另一 方程(8): <formula>formula see original document page 7</formula>
其可改寫為方程(9):<formula>formula see original document page 7</formula>
這意味著可同時根據可添加至靜態的意圖設定的修正、可添加至所需燃燒過程結 束時汽缸中殘余氣體組成r—FracBrntCyl的修正、可添加至進氣歧管壓力偏差的修正(通 過除以所需壓力值得到)、以及可添加至進氣歧管溫度偏差的修正(通過除以所需溫度得 到)來計算所需的進氣歧管中殘余氣體組成的動態修正d(r—FracBrntlntk)。
圖1顯示了根據本發明的方法的優選改進的流程圖。 圖2作為進氣歧管壓力和溫度偏差的函數顯示了壓力改變和所需的進氣歧管中 殘余氣體組成的修正的時間表。
圖3顯示了作為進氣歧管壓力和溫度偏差的函數的溫度改變和所需進氣歧管中 殘余氣體組成的修正的時間表。 圖4顯示了由所需的進氣氣體混合物中殘余氣體組成的總體修正所導致的進氣 歧管壓力和溫度偏差的模式。
修正
修正
附圖標記 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
由新鮮空氣和殘余氣體組成的引入汽缸的氣體質量 進氣歧管中的殘余氣體組成 噴射燃料質量
在汽缸中燃燒的噴射燃料質量的組成 空氣質量與燃料質量的化學計量(數量)比 容積系數 汽缸容積
進氣混合物的氣體常數 進氣歧管中的壓力 進氣混合物的溫度 汽缸中的殘余氣體質量流速 所需的進氣歧管中的壓力 測量的進氣歧管中的壓力 所需的在汽缸中燃燒的噴射燃料質量的組成 所需的進氣歧管中殘余氣體組成 修正的進氣歧管中殘余氣體組成 所需的進氣歧管中的溫度 測量的進氣歧管中的溫度
所需的可歸因于壓力的進氣歧管中殘余氣體組成的
r_FracBrt In_dTmanCorDes所需的可歸因于溫度的進氣歧管中殘余氣體組成的
R_FracBrnt 殘余氣體組成 S1...S9 本發明的方法的步驟 (1) (9) 方程
1 修正的進氣歧管中殘余氣體組成r_FracBrntInCorDes的曲線
2 所需的進氣歧管中壓力PjiianDes的曲線
3 測量的進氣歧管中壓力P_manMes的曲線
4 所需的在汽缸中燃燒的噴射燃料質量組成r—FracBrntCylDes的曲線
5 所需的進氣歧管中殘余氣體組成r_FracBrntInDes的曲線
6 所需的進氣歧管中溫度TjiianDes的曲線
7 測量的進氣歧管中溫度TjiianMes的曲線
8 可歸因于壓力的所需的進氣歧管中殘余氣體組成的修正r—FracBrtln—
dPm肌CorDes的曲線
9 可歸因于溫度的所需的進氣歧管中殘余氣體組成的修正r—FracBrtln
dTmanCorDes的曲線 tl 點火過程的開始 t2 排氣門打開
具體實施方式
下面將根據示例性實施例并參考附圖解釋本發明。
圖1顯示了根據本發明的方法的優選改進的流程圖。 在該方法的第一步Sl，優選地記錄測量值并根據第一方程(1)確定燃燒過程結束時汽缸中殘余氣體組成r_FracBrntCyl : r_FracBrntCyl= (m—GasCyl氺r—FracBrntlntk+m—FuInj氺r—FracBrntFuInj氺(l+r_PhiStoich))/(m_GasCyl+m_FuInj) (1) 在該方法的第二步S2，優選地根據第二方程(2)確定進氣歧管中殘余氣體組成r—FracBrntlntk : r_FracBrntIntk = r_FracBrntCyl* (1+m—FuIn j/m_GasCyl) _ (l+r_PhiStoich) *r_FracBrntFuInj*m_FuInj/m_GasCyl (2) 在該方法的第三步S3，通過如下的第三方程(3)計算由新鮮空氣和殘余氣體組成的引入汽缸的氣體質量m—GasCyl : m_GasCyl = r_VolEff*(vol_Cyl/r_GasCnst)*(p_Intk/t_Intk) (3) 如果排氣A傳感器安裝在排氣系統中，則在該方法的第四步S4根據第四方程(4)
從記錄的A信號r_LamExh計算燃燒過程結束時汽缸中殘余氣體組成r_FracBrntCyl :r_FracBrntCyl = 1+r—PhiStoich) / (l+r—L咖Exh氺r—PhiStoich) (4) 第二方程(2)用于估算進氣歧管中殘余氣體組成r—FracBrntlntk，并使用排氣流
中記錄的A信號通過第三方程(3)計算引入各個汽缸的氣體質量m—GasCyl。 如果排氣系統中沒有安裝排氣A傳感器，則在該方法的第五步S5通過第五方程
(5)確定進氣歧管中殘余氣體組成r_FracBrntIntk，通過假設噴射燃料質量組成m_FuInj
為1來簡化第二方程(2)得到第五方程(5): r—FracBrntlntk = r_FracBrntCyl+ (m_FuIn j/m_GasCyl)氺(r_FracBrntCyl_ (l+r_PhiStoich)) (5) 在該方法的第六步S6，優選地通過第六方程(6)確定進氣歧管中的殘余氣體組成r_FracBrntIntk，通過假設括號(r_FracBrntCyl_ (l+r_PhiStoich))中的表達式大約等于空氣質量與燃料質量的化學計量比r—PhiStoich(因為燃燒過程結束時汽缸中的殘余氣體組成r—FracBrntCyl小于或等于1)來簡化第五方程(5)得到進一步簡化的第六方程(6):
r_FracBrntIntk = r_FracBrntCyl_r_PhiStoich*(m_FuInj/m_GasCyl) (6)
在該方法的第七步S7，可替代地通過第七方程(7)優選地確定進氣歧管中的殘余氣體組成r—FracBrntlntk，通過假設使用第三方程(3)替代引入各個汽缸的氣體質量(m_GasCyl)簡化第六方程(6)將導出下列簡化的第七方程(7): r—FracBrntlntk = r_F:racB:rntCyl_:r_PhiStoich*m_FuInj/r_VolEff* (r_GasCnst/vol_Cyl)*(t_Intk/p_Intk) (7)
在該方法的第八步S8，優選地通過第八方程(8)確定并考慮進氣歧管中殘余氣體組成r—FracBrntlntk相對于時間的變化，通過對第七方程(7)求導并消除燃燒過程結束時汽缸中殘余氣體組成r_FracBrntCyl相對于時間的變化d(r_FracBrntCyl) = 0獲得第八方程(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)
能夠將此第八方程(8)簡化為第九方程(9): d(r—FracBrntlntk) = (r—FracBrntCyl-r—FracBrntlntk)* (d (p_Intk)/p_Intk_d(t_Intk)/t_Intk) (9)
并最終在該方法的第九步S9中使用探測值執行對進氣歧管中殘余氣體質量組成r_FracBrntIntk的調整和/或控制的修正，這樣在各個汽缸中在燃燒過程結束時達到所需的預定和/或可預定殘余氣體質量流速r_end，這種調整和/或控制考慮了之前對于先前各個汽缸中的燃燒過程確定和/或探測的噴射燃料質量m—FuInj。 圖2顯示了作為進氣歧管壓力和溫度的偏差的函數的進氣歧管中的壓力改變和所需的殘余氣體組成的修正的時間表。 此處在左縱軸上繪制出了壓力(hPa)，右縱軸上表示了排氣系統中相對殘余氣體組成R—FracBrnt。橫坐標上繪制了時間(秒)，此處僅通過示例以10的舍入區間顯示了時間周期。在時間tl處點燃燃料-空氣混合物并在時間t2處打開至少一個排氣門。
此處附圖標記1表示修正的進氣歧管中殘余氣體組成r—FracBrntlnCorDes的曲線，附圖標記2表示所需的進氣歧管中壓力PjiianDes的曲線，附圖標記3表示測量的進氣歧管中壓力PjiianMes的曲線，附圖標記4表示所需汽缸中燃燒的噴射燃料質量組成r_FraCBrntCylDeS的曲線，而附圖標記5表示所需的進氣歧管中殘余氣體組成r_FracBrntlnDes的曲線。 圖3顯示了作為進氣歧管壓力和溫度偏差的函數的進氣歧管中的溫度改變和所需殘余氣體組成的修正的時間表。 此處在左縱軸上繪制了氣體溫度(攝氏度)，而在右縱軸上表示了沿排氣系統的相對殘余氣體組成。此處還在橫坐標上繪制了時間(秒)。在時間tl處點燃燃料-空氣混合物并在時間t2處打開至少一個排氣門。 除上述曲線1、4和5夕卜，此處還繪制了附圖標記6表示的所需進氣歧管中溫度T_
manDes的曲線，和附圖標記7表示的測量的進氣歧管中溫度TjiianMes的曲線。 圖4顯示了由內燃發動機進氣氣體混合物中所需殘余氣體組成的總體修正所導
致的進氣歧管壓力和溫度偏差的模式。在時間tl處點燃燃料_空氣混合物并在時間t2處
打開至少一個排氣門。 除上述曲線1、4和5夕卜，此處還繪制了附圖標記8表示的可歸因于壓力的所需的進氣歧管中殘余氣體組成的修正r_FracBrtIn_dPmanCorDes的曲線，以及附圖標記9表示的可歸因于溫度的所需的進氣歧管中殘余氣體組成的修正r_FracBrtIn_dTmanC0rDes的曲線。
權利要求
一種通過調節殘余氣體組成來調整和/或控制具有至少一個汽缸和進氣歧管的內燃發動機的排氣再循環的方法，內燃發動機包含帶有具有排氣再循環的排氣系統，所述方法包含確定和/或探測每個汽缸充填過程所需的燃料質量和空氣-氣體混合物質量，其特征在于，以一種在燃燒過程結束時在各個汽缸中達到所需的預定和/或可預定殘余氣體質量流速(r_end)的方式調整和/或控制所述進氣歧管中的殘余氣體質量組成(r_FracBrntIntk)，所述調整和/或控制考慮了對于各自汽缸中先前的燃燒過程之前確定和/或探測的噴射燃料質量(m_FuInj)。
2. 根據權利要求l所述的方法，其特征在于，a) 在所述方法的第一步，通過下列第一方程(1)確定燃燒過程結束時汽缸中殘余氣體組成(r_FracBrntCyl):r_FracBrntCyl = m_GasCyl*r_FracBrntIntk+m_FuInj*r_FracBrntFuInj* (l+r_PhiStoich))/(m_GasCyl+m_FuInj) (1)其中所涉及的變量列舉如下m_GaSCyl :由新鮮空氣和殘余氣體組成的引入所述汽缸的氣體質量r_FracBrntIntk :所述進氣歧管中殘余氣體組成m_FuInj :噴射燃料質量r_FracBrntFuInj :所述在汽缸中燃燒的噴射燃料質量的組成r_PhiStoich :空氣質量與燃料質量的化學計量(數量)比b) 在所述方法的第二步，通過第二方程(2)確定所述進氣歧管中殘余氣體組成(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，通過如下的第三方程(3)計算所述由新鮮空氣和殘余氣體組成的引入汽缸的氣體質量(m_GaSCyl):m_GasCyl = r_VolEff*(vol_Cyl/r_GasCnst)*(p_Intk/t_Intk (3)其中所涉及的變量列舉如下r_VolEff :容積系數vol_Cyl :汽缸容積r_GasCnst :所述進氣混合物的氣體常數p_Intk :所述進氣歧管中的壓力t_Intk :所述進氣混合物溫度d) 在所述方法的第四步，通過所述第三方程(3)根據所需的燃燒過程結束時汽缸中殘余氣體組成(r—FracBrntCyl)和所需的噴射燃料質量確定所述再循環排氣的設定(r_FracBrntlntk)，所述所需設定為之前編輯的設定表中的運轉值的函數。
3. 根據上述權利要求2所述的方法，其特征在于，根據所述容積系數(r_VolEff)、所述測量的進氣歧管中的壓力、和/或所述進氣歧管中測量或確定的溫度來探測和/或估算所述引入汽缸的氣體質量(m_GaSCyl)。
4. 根據上述權利要求3所述的方法，其特征在于，使用記錄或估算的所述進氣歧管中殘余氣體組成(r—FracBrntlntk)根據先前的燃燒過程估算所述汽缸中燃燒的噴射燃料質量組成(r—FracBrntFuInj)，或根據所述所需的進 氣歧管中殘余氣體組成和所述運轉狀態的函數進行預測。
5. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，如果排氣A傳感器安裝在所述排氣系統中，則根據第四方程(4)從記錄的A信號(r_ LamExh)計算所述燃燒過程結束時汽缸中殘余氣體組成(r_FracBrntCyl):r_FracBrntCyl = 1+r—PhiStoich)/(l+r—LamExh氺r—PhiStoich) (4) 所述第二方程(2)用于估算所述進氣歧管中殘余氣體組成(r—FracBrntlntk)，并使用 所述排氣流中記錄的A信號通過所述第三方程(3)計算所述引入各個汽缸的氣體質量(m_ GasCyl)。
6. 根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，通過第五方程(5)確定所述進氣歧管中殘余氣體組成(r—FracBrntlntk)，通過假設所 述噴射燃料質量組成(m_FuInj)為1來簡化所述第二方程(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.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，通過第六方程(6)確定所述進氣歧管中殘余氣體組成(r—FracBrntlntk)，通過假 設括號(r_FracBrntCyl-(l+r_PhiStoiCh))中的表達式大約等于所述空氣質量與燃料 質量的化學計量比(r_PhiStoich)(因為燃燒過程結束時汽缸中的殘余氣體組成(r_ FracBrntCyl)小于或等于1)來簡化所述第五方程(5)得到進一步簡化的第六方程(6):r_FracBrntIntk = r_FracBrntCyl_r_PhiStoich*(m_FuInj/m_GasCyl) (6)
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，通過第七方程(7)確定所述進氣歧管中殘余氣體組成(r—FracBrntlntk)，所述第七方 程(7)通過假設引入各個汽缸的氣體質量(m_GaSCyl)使用所述第三方程(3)簡化所述第 六方程(6)將導出下列簡化的第七方程(7):r_FracBrntIntk = r_FracBrntCyl_r_PhiStoich*m_FuInj/r_VolEff* (r_GasCnst
9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，通過第八方程(8)確定并考慮進氣歧管中殘余氣體組成(r—FracBrntlntk)相對于時 間的變化，通過對所述第七方程(7)求導并消除所述燃燒過程結束時汽缸中殘余氣體組成 (r_FracBrntCyl)相對于時間的變化d(r_FracBrntCyl) = 0獲得所述第八方程(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)能夠將所述第八方程(8)簡化為第九方程(9):d(r—FracBrntlntk) = (r_FracBrntCyl_r_FracBrntIntk)氺(d(p_Intk)/p_Intk_d(t_ Intk)/t_Intk) (9)
10. —種用于通過調節內燃發動機的殘余氣體組成來調整和/或控制所述排氣再循環 的控制單元，其特征在于，設有至少一種裝置用于執行根據上述權利要求中任一項所述的 方法的至少一個步驟。
11. 根據權利要求IO所述的控制單元，其特征在于，Stoich))所述一種裝置的最簡單形式至少部分實施為電子可執行和/或計算機可讀程序代碼。
全文摘要
本發明涉及通過調節殘余氣體組成調整和/或控制內燃發動機排氣再循環的方法，該發動機包含至少一個汽缸和進氣歧管并帶有具有排氣再循環的排氣系統，該方法包含確定和/或探測每個汽缸充填過程所需的燃料質量和空氣-氣體混合物質量。根據本發明，以一種燃燒過程結束時在各個汽缸中達到所需預定和/或可預定的殘余氣體質量流速(r_end)的方式調整和/或控制進氣歧管中殘余氣體質量組成(r_FracBrntIntk)，這種調整和/或控制考慮到了對于各個汽缸中先前的燃燒過程之前確定和/或探測的噴射燃料質量(m_FuInj)。本發明能夠實現對再循環排氣更為有效的使用和更為充分的燃料燃燒。
文檔編號F02D41/00GK101737180SQ20091022171
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月11日 優先權日2008年11月13日
發明者Y·雅庫珀 申請人:福特環球技術公司