EGR泵系统和EGR泵的控制方法与流程

egr泵系统和egr泵的控制方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2018年12月12日提交的美国临时申请号62/778346的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及废气再循环(egr)泵和对egr泵的控制。


背景技术：

4.许多先前已知的汽车车辆利用内燃机(诸如柴油、汽油或双冲程发动机)来推进车辆。在一些构造中，egr(废气再循环)回路使废气再循环回到发动机中以与气缸进气混合。与到达发动机的新鲜空气和燃料混合的egr增强了燃料的总体燃烧。这继而减少了排气排放。
5.与可使用更复杂的涡轮增压器、昂贵的egr阀和过大的发动机排气压力来驱动egr流的现有技术系统相比，通过包括单独的egr泵，可实现燃料经济性的增加。在柴油机应用中，单独的egr泵可允许去除egr阀，并且将复杂的可变几何涡轮增压器替换为被优化用于提供增压进气的固定几何涡轮增压器。单独的egr泵可提供减少的发动机泵送功和改善的燃料经济性。另外，单独的egr泵提供egr流的下降权限控制。


技术实现要素：

6.在一个方面，公开了一种操作用于内燃机的废气再循环泵的方法，包括：提供egr泵组件，该egr泵组件包括联接到具有转子的罗茨装置的电动马达，该egr泵能够操作地连接到内燃机；提供系统控制器；提供链接到该egr泵组件的egr控制单元；从该系统控制器向该egr控制单元发送速度或扭矩命令；确定马达温度和电子器件功率模块温度是否在预先确定的指标内；输出期望速度或扭矩信号；确定马达速度是否在预先确定的指标内；确定马达电压是否在预先确定的指标内；以及向控制该电动马达的速度并且调节egr质量流量的该电动马达输出电流。
7.在另一方面，公开了一种操作用于内燃机的废气再循环泵的方法，包括：提供egr泵组件，该egr泵组件包括联接到具有转子的罗茨装置的电动马达，该egr泵能够操作地连接到内燃机；提供系统控制器；提供链接到该egr泵组件的egr控制单元；在该egr控制单元中从电池断电状态发送信号到初始化状态，其中该电动马达与该egr控制单元通信；向该电动马达发送使能信号从而将该电动马达置于待机状态，其中该电动马达三相短路；向该电动马达发送can使能信号从而将该电动马达置于使能状态；从该系统控制器向该egr控制单元发送速度命令，从而限定速度设定值；向该电动马达输出电流，从而保持该设定值并且调节egr质量流量。
8.在又一方面，公开了一种操作用于内燃机的废气再循环泵的方法，包括：提供egr泵组件，该egr泵组件包括联接到具有转子的罗茨装置的电动马达，该egr泵能够操作地连
接到内燃机；提供系统控制器；提供链接到该egr泵组件的egr控制单元；从该系统控制器向该egr控制单元发送速度命令，从而限定速度设定值；确定该马达是否处于再生状态；确定该马达是否正在最大扭矩下操作；如果该马达由于再生状态中的最大扭矩而处于超速风险中，则输出超速警告；确定实际速度是否大于速度极限；如果该实际速度大于速度极限，则输出超速警告；向该电动马达输出电流，从而保持该设定值并且调节egr质量流量。
附图说明
9.图1是包括egr泵和涡轮增压器的发动机流动路径的示意图；
10.图2是egr系统的示意图，其详细列举了发动机传感器、ecu、电池、egr泵控制器、电动马达和egr泵；
11.图3是egr系统的示意图，其详细列举了ecu和基于速度的egr泵控制器；
12.图4是egr泵控制器的状态图；
13.图5是egr泵控制器的控制图；
14.图6是egr泵控制器的控制图，其示出了基于马达温度的故障检测；
15.图7是egr泵控制器的控制图，其示出了基于电子器件功率模块温度的故障检测；
16.图8是egr泵控制器的控制图，其示出了基于供电电压的故障检测；
17.图9是egr泵控制器的控制图，其示出了基于速度控制错误的故障检测；
18.图10是故障代码类型和响应于故障代码的各种程序的示意图；
19.图11是egr泵控制器的控制图，其示出了基于超速的故障检测。
20.图12是egr系统的示意图，其详细列举了ecu和基于扭矩的egr泵控制器。
具体实施方式
21.参见图1至图2，其中示出了废气再循环泵(egr泵)系统21。
22.参见图1，egr泵20用于帮助将废气再循环到发动机10以改善发动机排放和发动机效率。
23.参见图1至图2，为了在发动机10中泵送egr，egr泵20使用联接到电动马达24的罗茨装置22，该电动马达由包括逆变器26的电子控制器控制。egr泵控制器26通过管理马达速度并继而管理泵速度来提供对egr流量的控制。可将泵速度或马达速度的反馈提供给ecu或系统控制单元27以控制egr质量流量。速度反馈可与各种传感器28诸如压力传感器和温度传感器组合以计算质量流量。
24.如图3所示，逆变器和egr泵控制器26可包括电动马达速度、扭矩、电流、温度的反馈和/或故障代码以用于egr泵系统诊断和预测。egr泵20可使用扭矩反馈来调整其行为。egr泵20由车辆电池供电。可能需要高于12v的电压架构来满足egr泵功率要求。在一个方面，可利用48v功率。
25.在一个方面，电动马达24永久性地联接到图2中显示的泵22，并且用包括逆变器26的egr泵控制器控制。控制器26安装在电动马达24的后端上。控制器26包括低电平马达磁场定向控制(foc)控制装置以及系统控制装置中的一些控制装置，包括图4中公开的状态图。
26.逆变器具有用于为egr泵控制器26和电动马达24供电的dc电源连接33、高can导线和低can导线32以及装置特定的硬连线使能线路34。电池断电状态36对应于egr泵完全断电
时的状态。当48v车辆电池连接时，egr泵控制器26将进入初始化状态38。在这种状态下，马达处于低功率状态并且不受控制。马达不产生扭矩，但是马达在该状态下开始通信。这包括广播一条或多条状态反馈消息。同样在该状态下，egr泵控制器初始化。初始化期间控制器检查故障，例如，所有硬件部件都正在读取准确电压。如果检测到任何错误，则设置初始化故障。如果设置了初始化故障，则控制器将不脱离初始化状态。
27.如果在初始化状态38中使能引脚34被接通，则控制器进入待机状态40。马达三相短路以制动马达旋转。一旦can使能命令开并且不存在故障代码，控制器就进入使能状态42。在使能状态42下，马达将被驱动到通过can传送的设定值。设定值可为速度或扭矩命令。可基于温度应用速度降额，如将在下文更详细地讨论。在每种状态下均设置除了电池断电36之外的故障状况和故障代码。将在下文更详细地讨论三个故障状态：警告44、错误关机46和正常关机48。
28.参见图12，其中示出了使用扭矩控制的速度控制的egr泵系统示意图的变型。该控制方法包括从发动机控制器发送的扭矩命令99和从状态机50输出的期望扭矩103。扭矩控制的变型是基于速度的控制的替代形式，或者这两种方法可在相同的控制器中实现并在不同的操作条件期间实施。在扭矩控制的变型中，下文讨论的超速故障对于防止马达超速是至关重要的。与速度控制的操作相比，超速故障不仅是警告，而且还将防止马达超过预先确定的操作速度极限。
29.如果当处于使能状态42时can使能关断或使能引脚关断，则egr泵控制将进入正常关机模式48，其中马达被驱动到零rpm。如果生成与正常关机相关的故障代码，则同样可从任何状态进入正常关机状态48，如将在下文更详细地讨论。同样在任何状态下，错误关机故障信号将导致egr泵进入错误关机模式46，其中产生三相短路以制动马达旋转并且生成can故障信号。另选地，在任何状态下，可发送警告信号44。警告信号44将更新can反馈消息，但不会导致状态改变。
30.参见图5，其中示出了egr泵控制器的控制图。
31.控制器包括各种故障分类输入，并且输出去到状态机。下文将讨论温度状态控制逻辑部件50、电压状态控制逻辑部件52、控制错误逻辑部件54和超速故障检测88的各种输入。
32.温度状态控制逻辑部件50包括被馈送到控制回路的马达绕组温度输入60和功率模块温度输入62，如图6和图7最佳所见。温度状态控制逻辑部件50的输出包括马达温度64的降额比率和功率模块温度66的降额比率。输出被发送到错误分类逻辑部件56和egr控制逻辑部件58。
33.参见图6，其中示出了用于马达绕组过温输入60的故障检测和报告策略。控制回路包括正常温度操作块，其中马达降额比率64被设置为0％。控制回路中的逻辑部件将马达绕组的温度与预设的警告温度范围(twarn)进行比较并且与预设的极限温度(tlimit)进行比较。twarn和tlimit可基于应用而变化。如果温度大于twarn，则控制器可通过与过温测量结果成比例地降低马达速度设定值来执行马达的过温降额。可利用各种降额比率，例如在0％至75％的范围内的比率。在一个方面，马达可通过若干热降额步骤报告状态。一旦装置温度越过第一温度阈值以上，马达将报告降额水平1。如果温度上升得更高，则控制器将继续更积极地限制马达速度并报告对应的更高降额水平。如果马达温度降低，则相应地关断故障
代码。该故障清除是自动的，其不依赖于输入任何其他控制器，诸如车辆ecu。
34.参见图7，其中示出了对模块温度输入62的控制。控制回路包括正常温度操作块，其中功率模块降额比率66被设置为0％。控制回路中的逻辑部件将马达绕组的温度与预设的警告温度范围(twarn)进行比较并且与预设的极限温度(tlimit)进行比较。twarn和tlimit可基于应用而变化。如果温度大于twarn，则控制器可通过与过温测量结果成比例地降低马达速度设定值来执行马达的过温降额。可利用各种降额比率，例如在0％至75％的范围内的比率。在一个方面，马达可通过若干热降额步骤报告状态。一旦装置温度越过第一温度阈值以上，马达将报告降额水平1。如果温度上升得更高，则控制器将继续更积极地限制马达速度并报告对应的更高降额水平。如果马达温度降低，则相应地关断故障代码。该故障清除是自动的，其不依赖于输入任何其他控制器，诸如车辆ecu。
35.在一个方面，将马达绕组的降额比率与模块温度的降额比率进行比较，并且将较低比率应用于马达。如果马达或功率模块在当前时间段内达到其相应的热关机极限(tlimit)，则产生过温故障89，并且egr泵控制将进入正常关机状态48。
36.参见图8，其中示出了供电电压输入错误72的故障检测。在车辆上，供电电压通常由电池提供。输出供电电压故障73被发送到错误分类逻辑部件56，如图5最佳所示。
37.控制回路包括正常电压操作块，其中未设置供电电压故障73。控制回路中的逻辑部件将过压与欠压条件下马达的电压进行比较。
38.控制回路中的逻辑部件将马达的电压与预设的警告电压范围(vlwarn和vhwarn)进行比较并且与预设的极限电压(vllimit和vhlimit)进行比较。vlwarn、vhwarn、vllimit和vhlimit值可基于应用而变化并且可分别为(例如)24v
‑
42v、52v
‑
54v、小于24v和大于54v。
39.如果供电电压低于vlwarn，则生成警告信号故障73。如果电压低于vllimit并且在预设的时间因子内保持低于vllimit，则生成vlow故障73。vlow故障73将导致egr泵控制器进入正常关机状态48。如果电压大于vhwarn，则生成警告信号故障73。如果电压大于vhlimit并且在预设的时间因子内保持大于vhlimit，则生成vhigh故障73并且egr泵控制器进入错误关机状态46。如果供电电压返回到小于vhwarn但大于vlwarn的正常值，则自动清除所有供电电压故障代码73。
40.参见图9，其中示出了基于速度控制错误逻辑部件54的故障检测。输入包括由ecu生成的期望速度102、实际速度76和扭矩极限有效信号78。当马达已达到其最大校准电流时，扭矩极限有效信号被设置为真。控制错误逻辑部件54的输出包括发送到错误分类逻辑部件56的控制错误信号80，如图5最佳所示。
41.初始，通过从期望速度减去实际速度76来计算速度误差。然后，通过将期望速度乘以预设的因子诸如0.05来计算速度误差阈值。预设的恒定值用于低速操作下的速度误差阈值。
42.控制回路包括未设置控制错误警告的正常控制操作块。控制回路中的逻辑部件将速度误差与速度误差阈值进行比较。当扭矩极限无效时，将速度误差与速度误差阈值进行比较。如果速度误差大于速度误差阈值并且经过了大于tset的一定时间量，则生成控制错误信号。如果扭矩极限不再有效或者如果速度误差变得小于速度误差阈值，则自动关断错误信号。
43.参见图11，其中示出了用于预测和检测超速故障的策略。输入包括实际速度、电流命令和扭矩极限有效。电流命令79源自电流控制回路52。当马达已达到其最大校准电流时，扭矩极限有效信号78被设置为真。输出是超速警告88，其被发送到故障分类逻辑部件56，如图5最佳所示。
44.最初，确定马达是在马达驱动状态下(马达加速泵)操作还是在再生状态下(当废气做功加速泵时，马达制动egr泵)操作。如果实际速度76和电流命令79具有相同的符号，则确定马达进行马达驱动，如果符号相反，则确定马达进行再生驱动。在再生状态下，egr泵存在超速的特有风险。如果检测到扭矩极限有效并且马达处于再生状态，则设置超速警告88。如果实际速度76超过超速极限，则也可以设置该警告。超速极限是作为高于正常操作速度范围的预设阈值的值。如果未达到超速极限并且控制器在再生期间未检测到扭矩极限有效，则自动清除超速警告。超速警告条件不影响马达命令，它只是通过can传送到系统控制器(ecu)的警告。
45.再次参见图5，故障分类逻辑部件56包括多个输入，包括供电电压故障73、过压故障89、控制错误80、电流传感器故障82、过流故障85、栅极驱动器故障84和初始化故障86、超速故障88、位置传感器故障90、通信警告87和扭矩极限有效78。输出错误状态92被发送到egr控制逻辑部件58。
46.栅极驱动器故障84由栅极驱动器芯片生成；其检测硬件中或执行电流控制回路52时的故障。这种类型的错误抑制了马达控制装置使其不能正常工作，因此它将立即引起错误关机类型故障46。
47.当电流超过预设的最大阈值或在预设的时间段内未检测到电流传感器信号时，生成电流传感器故障82。这种类型的错误抑制了马达控制装置52使其不能正常工作，因此它将引起错误关机类型故障46。
48.当位置传感器生成错误代码或没有位置信息可用时，设置位置传感器故障90。在初始化期间或在操作期间可检查到位置传感器故障。这种类型的错误抑制了马达控制装置52正常工作的能力，因此它将引起错误关机类型故障46。
49.当电流传感器反馈越过过流警告阈值时，设置过流警告85。当电流传感器反馈越过更高的过流故障阈值并且在预设的时间段内维持超出范围值时，设置过流故障。过流警告不影响马达目标速度，它仅通过can发送消息。该故障将引起正常关机48。
50.当egr泵未检测到在预设的时间段内接收到can消息时，设置通信警告87。通信警告不影响马达目标速度，它仅通过can发送消息。
51.如图5所见，故障分类逻辑部件56的控制回路在系统中设置各种类型的错误信号。参见图10，其中示出了错误类别、控制器遵循的程序(错误关机、正常关机和警告)以及每种类型的各种故障。错误关机错误包括栅极驱动器故障84、过压故障73、位置传感器故障90和电流传感器故障82。正常关机错误包括过温故障89、欠压故障73和过流故障85。警告类型包括过温警告89、过压警告73、欠压警告73、过流警告85、超速警告88、扭矩极限有效78、控制错误警告80和通信警告87。
52.再次参见图5，egr泵状态机包括多个输入，包括使能引脚94，can使能96、所接收的速度命令98、48v功率33、降额比率64、66、故障状态92和实际速度76。egr控制逻辑部件58包括多个输出：egr状态100、期望马达速度102。输出被传送到ecu。
53.参见图1至图3，其中示出了egr泵系统21的控制结构。控制结构包括与发动机10通信的传感器28、电动马达24、egr泵或罗茨装置20以及逆变器26中的egr控制单元。控制结构包括能够感测状态并发送信号诸如温度、压力、速度、空气流量、质量流量或体积流量、电流和电压的传感器28。控制结构还包括ecu或系统控制器27，该ecu或系统控制器包括微处理器、通信端口、存储器和编程装置并且与传感器28链接。系统控制器27可以是发动机控制单元(ecu)的一部分。箭头指示控制结构的各种部件之间的通信。
54.参见图3，其中示出了包括逆变器26的egr泵控制器，该逆变器将当前输出108指定给电动马达以控制egr泵速度并因此控制egr质量流量。egr泵控制器26包括温度状态检测和控制逻辑部件50、电压状态检测逻辑部件52、控制错误检测逻辑部件54、超速逻辑部件、错误分类逻辑部件56和egr泵控制逻辑部件58，如上所述。
55.控制结构可用于操作用于内燃机的废气再循环泵的方法中，以向发动机20提供期望egr流量。体现在逆变器26中的egr控制单元可调节反馈回路中的马达速度或扭矩，以控制到发动机的egr质量流量。
56.操作用于内燃机的废气再循环泵的方法包括：提供egr泵组件，该egr泵组件包括联接到具有转子的罗茨装置的电动马达，该egr泵能够操作地连接到内燃机；提供系统控制器；提供链接到该egr泵组件的egr控制单元；从该系统控制器向该egr控制单元发送速度命令；确定马达温度和模块温度是否在预先确定的指标内；输出期望速度信号；确定马达速度是否在预先确定的指标内；确定马达扭矩是否处于最大制动扭矩并且处于超过预先确定的指标的风险中，确定马达电压是否在预先确定的指标内；以及向控制该电动马达的速度并且调节egr质量流量的该电动马达输出电流。
57.确定马达温度和模块过温警告的步骤包括确定马达温度和模块温度小于或大于预设的警告温度。当马达温度或模块温度大于警告温度时，向egr控制单元和系统控制器发送警告信号，并且将电动马达降额从而降低到电动马达的电流。
58.确定马达温度和模块过温故障的步骤包括确定马达温度和模块温度小于或大于预设的极限温度。当马达温度或模块温度大于预设的极限温度时，向egr控制单元和系统控制器发送错误信号，并且将电动马达设置为正常关机程序，其中马达被驱动到零rpm。
59.确定马达速度控制错误的步骤包括：通过从马达的期望速度减去马达的实际速度来计算速度误差；以及通过将期望速度乘以预设的因子来计算速度误差阈值；以及确定速度误差是小于还是大于速度误差阈值。预设的恒定值用于低速操作下的速度误差阈值。当速度误差大于允许速度误差因子并且扭矩极限有效信号已被发送到egr控制单元时，向egr控制单元和系统控制器发送控制错误信号。可在发送控制错误信号之前应用时间因子。
60.确定马达电源欠压警告的步骤包括确定马达电压小于预设的低警告电压。当马达电压小于低警告电压时，向egr控制单元和系统控制器发送警告信号。
61.确定马达电源欠压故障的步骤包括确定马达电压小于预设的下限电压。当马达电压小于预设的下限电压时，向egr控制单元和系统控制器发送错误信号，并且将电动马达设置为正常关机程序，其中马达被驱动到零rpm。
62.确定马达电源过压警告的步骤包括确定马达电压大于预设的高警告电压。当马达电压大于高警告电压时，向egr控制单元和系统控制器发送警告信号。
63.确定马达电源过压故障的步骤包括确定马达电压大于预设的上限电压。当马达电
压大于预设的上限电压时，向egr控制单元和系统控制器发送错误信号，并且将电动马达设置为错误关机程序，其中电动马达三相短路。
64.确定超速警告的步骤包括确定马达处于正在提供最大制动扭矩并且处于超速风险中的状态。这通过以下操作完成：检查马达沿减慢泵旋转的方向工作并且马达输出最大校准制动扭矩。当马达速度测量值高于超速极限时，也设置超速警告。
65.操作用于内燃机的废气再循环泵的方法还包括：提供egr泵组件，该egr泵组件包括联接到具有转子的罗茨装置的电动马达，该egr泵能够操作地连接到内燃机；提供系统控制器；提供链接到该egr泵组件的egr控制单元；在该egr控制单元中从电池断电状态发送信号到通电状态以将该电动马达置于初始化状态，其中该电动马达与该egr控制单元通信；向该电动马达发送使能信号从而将该电动马达置于待机状态，其中该电动马达三相短路；向该电动马达发送can使能信号从而将该电动马达置于使能状态；从该系统控制器向该egr控制单元发送速度命令，从而限定速度设定值；向该电动马达输出电流，从而保持该设定值并且调节egr质量流量。
66.操作废气再循环泵的方法还包括确定在egr控制单元中是否已生成故障代码。当生成故障代码时，在egr控制单元中将故障代码分类为警告信号、正常关机信号或错误关机信号。当can使能信号或使能信号关断或接收到正常关机故障时，电动马达被驱动到零rpm。当接收到错误关机信号时，电动马达三相短路。
67.参见图12，操作用于内燃机的废气再循环泵的方法包括：提供egr泵组件，该egr泵组件包括联接到具有转子的罗茨装置的电动马达，该egr泵能够操作地连接到内燃机；提供系统控制器27；提供链接到该egr泵组件的egr控制单元26；从系统控制器27向egr控制单元26发送扭矩命令99，从而限定扭矩设定值；以及向电动马达输出电流108，从而保持扭矩设定值并且调节egr质量流量。