控制内燃发动机系统的制作方法

控制内燃发动机系统
优先权声明
1.本技术要求于2020年12月15日提交的美国专利申请第17/122,183号的优先权，该专利申请的全部内容以参见的方式纳入本文。
技术领域
2.本公开涉及通过map和估计的maf控制来控制内燃系统。


背景技术：

3.当控制内燃发动机时，确定进入发动机的准确空气流量和/或空气压力，以准确地计算针对目标空气－燃料比(afr)所需的燃料。在一些情况下，将发动机设计为在afr处于化学计量afr、贫afr(过量空气)或富afr(过量燃料)下运行。确定这种空气流量和/或压力的常用方法包括：使用质量空气流量传感器(maf)、歧管绝对压力传感器(map)或两者的组合。准确添加燃料以实现目标afr有助于减少nox排放。


技术实现要素：

4.本公开描述了与控制内燃系统相关的技术。
5.在本公开中描述的主题的示例实施方式是一种控制内燃发动机系统的方法。该方法包括以下特征。接收节气门上游的第一压力。接收节气门上游的温度。接收进气歧管内的第二压力。接收发动机速度。基于接收到的第一压力、接收到的温度、接收到的第二压力和接收到的发动机速度来估计空气流量。估计空气流量包括：基于接收到的第一压力和接收到的第二压力来确定用于计算空气流量的一个或多个模型。这些模型包括节气门流量模型、端口流量模型或两者。
6.可以单独地或与其他方面组合地与示例方法组合的示例方法的一方面包括以下内容：确定一个或多个模型包括：使用接收到的第一压力和接收到的第二压力来确定横跨节气门的压降。确定横跨节气门的压降大于特定阈值。使用接收到的第一压力、接收到的温度和接收到的第二压力基于节气门流量模型来计算空气流量。
7.可以单独地或与其他方面组合地与示例方法组合的示例方法的一方面包括以下内容：确定一个或多个模型包括：使用接收到的第一压力和接收到的第二压力来确定横跨节气门的压降。确定横跨节气门的压降小于特定阈值。使用接收到的第二压力、接收到的温度、接收到的发动机速度和容积效率表基于端口流量模型来计算空气流量。
8.可以单独地或与其他方面组合地与示例方法组合的示例方法的一方面包括以下内容：确定一个或多个模型包括：部分地基于横跨节气门的压降来确定节气门流量模型与端口流量模型的比率。
9.可以单独地或与其他方面组合地与示例方法组合的示例方法的一方面包括以下内容：确定该比率包括确定横跨节气门的压降大于第一特定阈值，并且确定横跨节气门的压降小于第二特定阈值。第二特定阈值大于第一特定阈值。
10.可以单独地或与其他方面组合地与示例方法组合的示例方法的一方面包括以下内容：估计空气流量包括：使用接收到的第一压力、接收到的温度和接收到的第二压力基于节气门流量模型来计算空气流量。使用接收到的第二压力、接收到的温度、接收到的发动机速度和容积效率表基于端口流量模型来计算空气流量。基于确定的比率混合节气门流量模型和端口流量模型的计算出的空气流量。基于混合的计算出的空气流量来确定估计的空气流量。
11.可以单独地或与其他方面组合地与示例方法组合的示例方法的一方面包括以下内容：将一定量的燃料量接纳到进气流体流中。该燃料量基于估计的空气流量和目标空气－燃料比。
12.在本公开内的主题的示例是具有以下特征的发动机系统。进气歧管构造成接收构造成要在燃烧室内燃烧的可燃混合物。节气门在进气歧管的上游。节气门构造成至少部分地调节进入进气歧管的空气流量。控制器构造成接收来自第一压力端口处的第一压力传感器的第一压力流。第一压力流对应于节气门上游的第一压力。控制器构造成接收来自第一压力端口处的温度传感器的温度流。温度流对应于节气门上游的温度。控制器构造成从发动机速度传感器接收发动机速度流。发动机速度流对应于发动机速度。控制器构造成接收来自第二压力端口处的第二压力传感器的第二压力流。第二压力流对应于进气歧管内的第二压力。控制器构造成基于第一压力流、温度流、发动机速度流和第二压力流来估计空气流量。
13.可以单独地或与其他方面组合地与示例发动机系统组合的示例发动机系统的一方面包括以下内容：控制器还构造成通过以下步骤来估计空气流量。由控制器基于横跨节气门的压降来确定节气门流量模型与端口流量模型的混合比。由控制器使用第一压力流、温度流和第二压力流基于节气门流量模型来计算空气流量。由控制器使用第二压力流、温度流、发动机速度流和容积效率表基于端口流量模型来计算空气流量。由控制器基于确定的混合比混合节气门流量模型和端口流量模型的计算出的空气流量。由控制器基于混合的计算出的空气流量来确定估计的空气流量。
14.可以单独地或与其他方面组合地与示例发动机系统组合的示例发动机系统的一方面包括以下内容：控制器还构造成通过以下步骤来确定混合比。由控制器确定横跨节气门的压降大于第一特定阈值。由控制器确定横跨节气门的压降小于第二特定阈值。第二特定阈值大于第一特定阈值。
15.可以单独地或与其他方面组合地与示例发动机系统组合的示例发动机系统的一方面包括以下内容：控制器还构造成向燃料源发送信号。该信号对应于喷射到进气流体流中的燃料量。该燃料量至少部分地基于估计的空气流量和目标空气－燃料比。
16.在本公开中描述的主题的示例实施方式是构造成执行以下步骤的发动机系统控制器。由控制器接收对应于节气门上游的第一压力的第一压力流。由控制器接收对应于节气门上游温度的温度流。由控制器接收来自发动机速度传感器的发动机速度流。发动机速度流对应于发动机速度。由控制器接收对应于进气歧管内的第二压力的第二压力流。由控制器基于接收到的第一压力和接收到的第二压力来确定用于计算空气流量的一个或多个模型。这些模型包括节气门流量模型、端口流量模型或两者。由控制器基于一个或多个确定的模型来估计空气流量。
17.可以单独地或与其他方面组合地与示例发动机系统控制器组合的示例发动机系统控制器的一方面包括以下内容：确定用于计算空气流量的一个或多个模型包括：使控制器还构造成使用接收到的第一压力和接收到的第二压力来确定横跨节气门的压降。控制器还构造成确定横跨节气门的压降是否大于特定阈值，并且如果是，则使用接收到的第一压力、接收到的温度和接收到的第二压力基于节气门流量模型来计算空气流量。
18.可以单独地或与其他方面组合地与示例发动机系统控制器组合的示例发动机系统控制器的一方面包括以下内容：确定用于计算空气流量的一个或多个模型包括：使控制器还构造成使用接收到的第一压力和接收到的第二压力来确定横跨节气门的压降。控制器还构造成确定横跨节气门的压降是否小于特定阈值，并且如果是，则使用接收到的第二压力、接收到的温度、接收到的发动机速度和容积效率表基于端口流量模型来计算空气流量。
19.可以单独地或与其他方面组合地与示例发动机系统控制器组合的示例发动机系统控制器的一方面包括以下内容：确定用于计算空气流量的一个或多个模型包括：使控制器还构造成基于横跨节气门的压降来确定节气门流量模型与端口流量模型的混合比。控制器还构造成使用第一压力流、温度流和第二压力流基于节气门流量模型来计算空气流量。控制器还构造成使用第二压力流、温度流、发动机速度流和容积效率表基于端口流量模型来计算空气流量。控制器还构造成基于所确定的比率混合节气门流量模型和端口流量模型的计算出的空气流量。控制器还构造成基于混合的计算出的空气流量来确定估计的空气流量。
20.可以单独地或与其他方面组合地与示例发动机系统控制器组合的示例发动机系统控制器的一方面包括以下内容：控制器还构造成通过以下步骤来确定混合比。由控制器确定横跨节气门的压降大于第一特定阈值。由控制器确定横跨节气门的压降小于第二特定阈值。第二特定阈值大于第一特定阈值。
21.可以单独地或与其他方面组合地与示例发动机系统控制器组合的示例发动机系统控制器的一方面包括以下内容：控制器还构造成向燃料源发送信号。该信号对应于喷射到进气流体流中的燃料量。该燃料量基于估计的空气流量和目标空气－燃料比。
22.可以单独地或与其他方面组合地与示例发动机系统控制器组合的示例发动机系统控制器的一方面包括以下内容：控制器还构造成基于第一压力流和第二压力流来计算横跨节气门的压差。
23.可以单独地或与其他方面组合地与示例发动机系统控制器组合的示例发动机系统控制器的一方面包括以下内容：节气门流量模型基于第一压力流、温度流和第二压力流来估计通过节气门的空气流量。
24.可以单独地或与其他方面组合地与示例发动机系统控制器组合的示例发动机系统控制器的一方面包括以下内容：端口流量模型估计通过进气歧管与由发动机缸体和发动机缸盖限定的燃烧室之间的端口的空气流量。基于发动机速度流、第二压力流和容积效率表来估计该空气流量。
25.在附图和以下描述中阐述了该本主题的一种或多种实施方式的细节。该主题的其他特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求书中变得明显。
附图说明
26.图1是示例内燃发动机系统的示意图。
27.图2是示例节气门和进气歧管的侧视半剖示意图。
28.图3是可以与本公开的各方面一起使用的示例控制器的框图。
29.图4是可以与本公开的各方面一起使用的示例方法的流程图。
30.在各个附图中，相同的附图标记和标示表示相同的元件。
具体实施方式
31.在瞬态发动机运行期间，难以准确地控制进入发动机的空气－燃料比(afr)。在所有运行条件期间，控制发动机的afr会影响发动机性能和排放。例如，在典型的方案中，通过使用带有瞬态补偿表的标准速度－密度方程利用发动机端口流量来估算节气门流量。这种方法没有使用正确的物理模型，这导致相关的工程成本更高，并且方案对瞬态条件不够稳健。有时也使用通过使用等熵流(例如，利用孔口质量流量方程或该方程的椭圆近似)来寻找节气门流量的方法；然而，当横跨进气节流阀的压力差(dp)较低时，已知这种方案的准确度较低。在一些情况下，此类问题是由压力传感器不准确引起的。替代地或另外地，当节流阀在闭合位置附近操作时(例如，当节气门处于闭合到10％打开的范围内时)，这种等熵流模型会导致不准确。在一些情况下，此类问题是由以下原因引起的：位置传感器不准确以及位置的较小变化导致有效面积的较大变化、当阀接近闭合位置时的泄漏路径以及部件之间的变化、压力传感器不准确或这些差异的任何组合。
32.本公开涉及控制内燃发动机系统。在节流阀上游检测压力和温度。此外，检测发动机速度和歧管压力。基于这些测量，在某些情况下，使用特定于节气门的节气门模型来计算横跨节气门的估计的压降。节气门的下游是发动机的进气歧管。进气歧管内的压力由歧管绝对压力(map)传感器测量。基于节流阀上游检测到的压力和温度、检测到的map和发动机转速，能够非常准确地估计空气流量，包括在瞬态条件期间。这是通过基于节气门位置确定用于计算空气流量的一个或多个模型来完成的。在某些情况下，所选模型包括节气门流量模型、端口流量模型或两者。在使用两种模型的情况下，它们基于第一压力与第二压力之间的压差加权。在一些情况下，使用补偿表或方程来纠正任何误差。
33.图1示出了示例发动机系统100。发动机系统100包括进气歧管104，该进气歧管104构造成接收要在发动机缸体102的燃烧室内燃烧的可燃混合物。即，进气歧管104流体联接到氧气源和燃料源。可燃混合物包括空气和任何可燃流体，比如天然气、雾化汽油或雾化柴油。尽管所示实施方式包括四缸发动机缸体102，但也可以使用任何数量的气缸。此外，虽然所示实施方式包括活塞发动机缸体102，但本公开的各方面可应用于其他类型的内燃发动机，比如转子发动机或燃气涡轮发动机。
34.节流阀112定位在进气歧管104的上游。节气门112构造成例如通过改变经过节气门112的流道的横截面积来调节从周围环境116进入进气歧管104的空气流量。虽然示出为单个节流阀112，但一些实施方式可以包括多个节流阀，例如，每个气缸排有一个节流阀，或每个气缸有一个节流阀。在一些实施方式中，节气门112包括蝶形阀或盘形阀。减小通过节气门112的流道的横截面积会降低流经节气门112朝向进气歧管104流动的空气的流率。组合温度和压力传感器132正好定位在节气门112的上游。该组合温度和压力传感器132检测
节气门112上游的气流的压力和温度，并产生对应于各自检测到的压力和温度流的温度流和压力流。在本公开的上下文中，“流”是可以由发动机系统控制器130接收和解释的模拟、气动、液压或数字信号。虽然在本公开的全文中主要描述为组合传感器，但在一些实施方式中，使用单独的、离散的传感器代替组合温度和压力传感器132。发动机速度传感器134构造成检测发动机曲轴的旋转速度并产生对应于检测到的发动机速度的发动机速度流。这种传感器可以包括霍尔效应传感器、测力计、光学传感器或适用于该服务的任何其他传感器。
35.排气歧管106通常联接到发动机缸盖并且构造成从由发动机缸体和发动机缸盖限定的燃烧室接收燃烧产物(排气)。即，排气歧管106流体联接到燃烧室的出口。在一些实施方式中，发动机系统100包括在节气门112上游的压缩机118。在具有压缩机118但没有节气门112的发动机中、比如无节气门的柴油发动机中，不需要节气门112。在一些实施方式中，压缩机118包括离心压缩机、正排量压缩机或用于在发动机运行期间增加进气歧管104内的压力的另一种类型的压缩机。在一些实施方式中，发动机系统100包括中间冷却器120，其构造成在空气进入进气歧管104之前冷却压缩空气。在所示的实施方式中，压缩机118是涡轮增压器的部分。即，涡轮122位于排气歧管106的下游，并且随着排气气体膨胀通过涡轮122而旋转。涡轮122例如经由轴124联接到压缩机118，并使压缩机118旋转。虽然所示的实施方式利用涡轮增压器来增加进气歧管压力，但在某些情况下，使用其他压缩方法，例如电动或发动机驱动的压缩机(例如，增压器)。替代地，缺乏强制增压进气的发动机系统也在本公开的范围内。在一些实施方式中，可以包括额外的部件和子系统，例如是，排气再循环子系统和相关联的部件。在一些实施方式中，单独的控制器130或发动机控制单元(ecu)用于控制和检测系统操作的各个方面。例如，控制器130可以基于当前运行条件和由各种传感器感测的参数来调整空气－燃料比、火花正时和egr流率。
36.图2是示例节气门和进气歧管的侧视半剖示意图。第一压力端口351定位在节气门112的上游。第一压力端口351通过允许内部流动通道202与组合温度和压力传感器132之间的流体连通来提供感测节气门112上游的压力和温度的位置。在一些实施方式中，节气门112包括位置传感器。在这样的实施方式中，位置传感器检测节气门112的位置，并且在某些情况下，包括编码器、霍尔效应传感器、光学传感器或具有足够准确度和精度的任何其他类型的传感器。
37.第二压力端口352定位在进气歧管204内。第二压力端口352为map传感器136提供位置，以通过允许内部流动通道202与map传感器136之间的流体连通来感测节气门112下游的进气歧管204内的压力。基于由传感器132和136提供的信息或流，能够确定横跨节气门112的估计的压降。在压降高于某个阈值的情况下(例如，当节气门处于闭合到10％打开的范围内时)，可以基于计算出的压降和温度流，使用通过节气门112的空气流量的详细模型来确定估计的质量空气流量(maf)。
38.在压降低于某个阈值的情况下，使用容积效率表和速度密度方程的端口流量模型来代替或附加于maf计算。端口流量模型尝试计算通过进气歧管中的端口流入气缸中的流量。速度密度方程使用发动机速度和map通过参考预编程的查找表来计算空气流量需求，该查找表包括等同于在节气门位置和发动机速度变化条件下的发动机容积效率的值。由于空气密度随空气温度变化，因此还使用了进气歧管所安装的传感器。这种情况的操作示例包括：当节气门112处于打开或接近打开位置时(例如，当节气门处于打开到60％打开范围
时)。
39.燃料喷射器206位于每个气缸的进气端口处。如图所示，进气歧管204有旨在馈送六个气缸的六个端口。在一些实施方式中，在不脱离本公开的情况下，使用更多或更少的端口和气缸，例如，可以使用四个气缸和四个端口，或者可以使用8个气缸和8个端口。虽然将燃料喷射器206示出为布置在端口喷射布置中，但是在不脱离本公开的情况下，可以使用其他喷射布置或燃料源以接纳燃料。例如，在一些实施方式中，使用单点喷射、气体混合器或直接喷射布置。
40.除了先前描述的maf或速度方程计算之外，在某些实施方式中，通过比较由附加压力传感器感测的压力来确定空气－燃料－排气质量流率。在一些情况下，用质量空气流率与空气－燃料－排气流率之间的差来计算egr质量流率。在某些情况下，这样的计算在一些情况下由控制器130(图1)执行。在一些情况下，maf和egr流率用作控制器130的输入，以调整发动机系统100内的各种参数。在某些情况下，控制器130是发动机控制单元(ecu)，其控制发动机系统的100运行的一些或所有方面，比如燃料供应、空气、点火和/或其他发动机操作参数。在某些情况下，控制器130是与发动机系统100的ecu分开的控制单元。控制器130也不需要向发动机系统100发送致动和/或控制信号，而是可以替代地向ecu提供诸如maf和egr流率之类的信息，以供ecu用于控制发动机系统100。
41.图3是可以与本公开的各方面一起使用的示例控制器130的框图。控制器130可以尤其监测系统的参数并发送信号以致动和/或调整系统的各种操作参数。如图3所示，在某些情况下，控制器130包括处理器350(例如，实施为一个处理器或多个处理器)和存储器352(例如，实施为一个存储器或多个存储器)，该存储器包含使处理器350执行本文描述的操作的指令。处理器350联接到输入/输出(i/o)接口354，用于发送和接收与系统中的部件的通信，这些部件包括例如组合温度和压力传感器132、发动机速度传感器134和map传感器136。在某些情况下，控制器130还可以与发动机系统100的各种系统部件(包括节气门112和燃料喷射器206)中的一个或多个、以及发动机系统100中设置的其他传感器(例如，压力传感器、温度传感器、爆震传感器和其他类型的传感器)沟通状态，以及向其发送致动和/或控制信号。
42.图4是可以全部或部分由控制器130执行的方法400的流程图。在402处，对应于节气门112上游的第一压力流的第一压力流由控制器130接收。在404处，对应于节气门112上游温度的温度流由控制器130接收。在406处，对应于进气歧管204内绝对压力的第二压力流由控制器130接收。在408处，对应于发动机速度的发动机速度流被控制器130接收。在通过控制器130接收各流之后，在410处，控制器130基于节气门位置来确定一个或多个模型以用于计算质量空气流量。控制器130在节气门流量模型、端口流量模型或两者之间进行选择。基于一个或多个确定的流量模型，在412处，控制器130基于一个或多个确定的模型来估计空气流量。
43.为了确定使用哪个模型来计算质量空气流量，控制器130基于节气门位置流来确定节气门流量模型与端口流量模型的比率。例如，如果节气门112处于闭合或接近闭合位置，则节气门流量模型将比端口流量模型具有更大的权重。换言之，当控制器130确定横跨节气门112的压降大于特定阈值时，则使用节气门流量模型。相反，如果节气门112处于打开或接近打开位置，则端口喷嘴流量模型将比节气门流量模型具有更大的权重。换言之，如果
横跨节气门112的压降低于第二特定阈值，该第二特定阈值低于第一阈值，则使用端口流量模型。如果横跨节气门112的压降在第一阈值和第二阈值之间，则使用两种模型的混合。基于节气门流量模型，使用第一压力流、温度流和第二压力流来计算空气流量。换言之，横跨节气门112的压差由控制器130基于第一压力流、温度流和第二压力流来计算。基于端口流量模型，使用第二压力流、温度流、发动机速度流和容积效率表来计算空气流量。一旦控制器130已经基于两个流量模型计算了气流，控制器130就基于确定的混合比混合节气门流量模型和端口流量模型两者的计算出的空气流量。控制器130然后基于混合的计算出的空气流量来确定估计的空气流量。
44.在某些情况下，控制器130可以控制内燃机系统100(图1)的许多方面。例如，控制器130可以向一个燃料喷射器或多个喷射器发送信号。这种信号对应于喷射到进气流体流中的燃料量。燃料量基于估计的空气流量、组合空气流量和再循环气体排气流量、目标空气－燃料比或组合。在某些情况下，对应于各种参数的目标空气－燃料比值被存储在控制器130的存储器452内的表格中，或者在某些情况下，基于发动机参数例如利用pid控制器来计算。
45.虽然本公开包含许多特定的实施细节，但这些实施细节不应被解释为对可能要求保护的范围的限制，而应被解释为针对特定主题的特定实施方式所特有的特征的描述。本公开中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。相反地，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可在多个实施方式中单独地或以任何合适的子组合实施。此外，尽管各特征可在上文描述为以某些组合起作用并且甚至原始要求这样保护，但是所要求保护的组合的一个或多个特征可在某些情况下从组合中去除，并且所要求保护的组合可针对子组合或子组合的变型。
46.类似地，尽管在附图中以特定的次序描述操作，但这不应被理解为需要这些操作以所示的特定次序或以依次的顺序被执行或所有所示操作都要被执行以获得期望的结果。此外，在上述实施方式中，各种系统部件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，而应理解的是，所描述的部件和系统可总地被一起集成在单个产品中或被封装到多个产品中。
47.已经描述了本主题的多个实施方式。然而，应该理解，可进行各种修改。因此，其他实施方式在以下权利要求书的范围内。