CN101988428B - 控制内燃发动机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制发动机维持涡轮入口温度的方法，其使用两个温度阈值：控制发动温度和最大硬件温度。基于误差以闭环方式调节发动机参数，该误差为设定点温度和涡轮入口温度之间的差值。设定点温度初始为控制发动温度。然而，在对涡轮入口温度的控制形成之后，设定点温度逐渐提升至最大硬件温度。在一个实施例中，发动机参数为发动机扭矩。其它影响涡轮入口温度的发动机参数包括燃料喷射脉冲的正时和持续时间、EGR率、档位选择和进气门位置，其中任意一些可用于代替扭矩或与之组合用于控制涡轮入口温度。本发明的优点在于扭矩减少平滑地发生从而对车辆驾驶员影响更少，防止涡轮入口温度超过最大硬件温度且稳定状态的涡轮入口温度达到最大硬件温度从而在达到稳定状态时扭矩减少最小。

Description

控制内燃发动机的方法

【技术领域】

本发明涉及控制内燃发动机的方法，更为具体地，涉及控制供应至排气涡轮的气体的入口温度使得入口温度低于损坏涡轮的温度。

【背景技术】

来自涡轮增压发动机的排气被提供给涡轮增压器的涡轮部分。当涡轮入口处的排气温度超过涡轮的硬件极限温度时，采取措施以减少涡轮入口温度。现有技术中已知使发动机产生的扭矩量从驾驶员需求的扭矩减少预定量使得排气温度下降至硬件极限温度之下。然而，这种方法的问题包括：以逐级方式降低扭矩对驾驶员而言是可感受到的且令人不安，并且以开环方式减少扭矩导致在一些工况下补偿过度(扭矩减少过多)而在其它工况下补偿不足(未能保护涡轮)。为了防止补偿不足，选择扭矩减少量以便为最需要的状况提供适当的安全系数，其对大部分工况而言可能是过度的。

在其它策略中，基于控制温度和涡轮入口温度之间的误差闭环控制发动机。然而，由于系统中的热惯性，即使开始消除措施，涡轮入口温度也明显超过控制温度。如果将控制温度设定为等于最大硬件温度，在过热期间会导致损坏涡轮的风险较高。可替代地，如果控制温度低于最大硬件温度以为涡轮提供安全系数，则达到的稳定状态温度低于所需且消除的量(扭矩减少或其它发动机参数的调节)高于所需。

【发明内容】

根据本发明实施例，公开了一种控制具有排气涡轮的内燃发动机的方法，包括确定涡轮入口温度、当涡轮入口温度超过设定点温度时进入扭矩减少模式、基于误差指令发动机提供小于驾驶员要求扭矩的扭矩、以及在扭矩减少模式期间使设定点温度逐渐增加至最大硬件温度。误差基于涡轮入口温度减去设定点温度。设定点温度等于进入扭矩减少模式后的初始控制温度且初始控制温度比最大硬件温度小20至80摄氏度。在获得对涡轮入口温度的控制之后，将设定点温度提升至最大硬件温度。

滑动设定点温度的优点包括：扭矩减少平滑地发生从而对车辆驾驶员影响更少，防止涡轮入口温度超过最大硬件温度且稳定状态的涡轮入口温度达到最大硬件温度从而在达到稳定状态时扭矩减少最小。

可替代地，可调节其它发动机参数以便单独或者与扭矩和/或其它发动机参数组合控制涡轮入口温度。在这种情况下，该模式称为温度控制模式。发动机参数包括由EGR阀门位置确定的排气再循环(EGR)率、喷射事件的正时和脉冲宽度、档位选择、和节气门位置。

本发明还公开了一种控制具有排气涡轮的内燃发动机的方法，包含：确定涡轮入口温度；当涡轮入口温度超过设定点温度时进入温度降低模式；调节发动机参数以导致涡轮入口温度下降；以及在温度降低模式期间将设定点温度逐渐增加至最大硬件温度。在一个实施例中，所述发动机具有多个汽缸带有连接至各个汽缸的燃料喷射器，所述发动机参数为后期喷射事件，其通过改变所述后期喷射事件的持续时间来进行调节。在另一个实施例中，后期喷射事件是次后喷射事件，其在膨胀冲程中在上止点90度之后开始。在另一个实施例中，所述发动机参数为扭矩。

本发明还公开了一种内燃发动机，包含：连接至发动机排气的排气涡轮；发动机汽缸，其具有连接至各个汽缸的燃料喷射器；设置在发动机进气道中的节气门；带有连接发动机进气道与发动机排气道的EGR管道和设置在EGR管道中的EGR阀的EGR系统；以及电连接至燃料喷射器和EGR阀的电子控制单元，该电子控制单元确定涡轮入口温度，当涡轮入口温度高于设定点温度时进入温度降低模式，调节至燃料喷射器的脉冲宽度、至燃料喷射器的喷射正时、EGR阀位置、节气门位置中的至少一个以导致涡轮入口温度响应于进入温度降低模式而降低，以及在进入温度降低模式后增加设定点温度。

【附图说明】

图1为带有辅助组件的内燃发动机的示意图。

图2显示了代表性喷射正时序列。

图3为根据开环控制策略的发动机扭矩和涡轮入口温度的时间轴。

图4为根据开环控制策略的发动机扭矩、涡轮入口温度、和误差的时间轴。

图5为根据本发明控制策略实施例的发动机扭矩、涡轮入口温度、和误差的时间轴。

图6为根据本发明实施例确定设定点温度的控制图。

【具体实施方式】

本领域技术人员将理解，参考任一附图的说明并描述的实施例的多个特征可与一个或多个其它附图中所说明的相组合以得到未明确说明或描述的替代实施例。所说明特征的组合提供了常见应用的代表性实施例。然而，与本发明教导相一致的特征的多种组合和修改可能对于特定应用或实施方案是所需的。说明中所使用的代表性实施例总体上涉及用于涡轮增压柴油发动机的后处理及EGR系统。本发明还应用至具有涡轮的汽油发动机和其它燃烧系统。本领域技术人员可认识到与本发明一致的类似应用或实施方案，例如其组件与附图中实施例所显示的略有不同的实施方案。本领域技术人员可认识到本发明的教导可应用至其它应用或实施方案。

参考图1，发动机10具有连接至发动机汽缸的燃料喷射器12。通过进气歧管20向发动机10供应空气，并将燃烧产物排入排气歧管24。发动机10的进气系统具有节气门28和涡轮增压器30的压缩机部30a。中间冷却器34处于压缩机30a的下游。涡轮增压器30的涡轮部30b处于发动机排气道中。压缩机30a和涡轮30b通过轴32连接使得涡轮30b产生的功驱动压缩机30a。压缩机30a和涡轮30b容纳在单个单元内，但出于示意方便而显示为相独立的。EGR管道52处于涡轮30b上游，其将发动机排气道连接至发动机进气道，允许排气流与进入发动机10的进气混合。EGR阀门54设置在EGR管道52中以控制EGR流的量和EGR冷却器56。后处理组件(柴油氧化催化剂60、选择性催化还原催化剂62、和柴油微粒过滤器(DPF)64)处于涡轮30b下游。可替代地，可使用多个任意上述装置且其可以与图1中所示不同的顺序放置。发动机10显示为直列4缸发动机。然而，本发明可应用至任意数目汽缸的所有发动机配置。

燃料喷射器12、EGR阀54、涡轮30b(在可变几何涡轮的情况下)和节气门28电连接至电子控制单元(ECU)80并由其控制。燃料喷射脉冲的数目、持续时间、和正时受电子控制单元控制。图2中显示了示例喷射正式图。在压缩冲程期间，指令引导喷射(pilot injection)90。刚好在压缩冲程和膨胀冲程之间的上止点(TC)之前开始主喷射92。在TC之后20至40度的范围内开始后喷射(near post injection)94。图2中还显示了次后喷射(far post injection)96。其在膨胀冲程中较晚开始，例如在TC之后90度之后开始。图2中所示的示例的后期喷射94、96与主喷射的持续时间大约相同。喷射的开始(启动)和喷射时间的脉冲宽度(持续时间)受ECU80所控制。图2中说明的喷射事件用于需要增加排气温度的情况(例如当要提高DPF64的温度以开始再生事件(即提高DPF64至高于其中所收集的含碳微粒物质的起燃温度)时)。后期喷射的使用和持续时间影响排气温度。

在图3中，显示了示例情况的控制策略的时间轴，其中车辆正牵引负载爬上长而陡的斜坡。这代表了在持续的时间段内向发动机要求高扭矩(可能还处于高环境温度)的工况。图2说明了车辆驾驶员正在要求不变的扭矩以爬上斜坡的情况。在爬坡初期，图3中98的左方，发动机提供的扭矩等于驾驶员要求的扭矩。然而，由于要求的扭矩很高以允许车辆爬上斜坡，发动机运转温度迅速升高。一个这种温度(涡轮入口温度100)T在高扭矩要求的初始阶段期间迅速上升(图3底部的曲线)。在垂直虚线98指示的时间，涡轮入口温度100等于控制温度101。在该点，控制方案进入扭矩减少模式，其中扭矩减少特定量。图3中说明的策略为开环策略，其中在突破控制温度时扭矩减少预定量。发动机提供的最终扭矩102小于驾驶员要求的扭矩以保护涡轮不受损坏。车辆驾驶员感觉到扭矩的突然下降。由于系统中的热惯性，发动机扭矩102的突降不能立刻影响涡轮入口温度100，这样涡轮入口温度100在降低之前超过控制温度101很多。

在发动机扭矩102的相关示例讨论中，涡轮入口温度100最终以稳定状态固定于控制温度101。然而，涡轮入口温度100在达到该稳定状态的温度之前超过控制温度101。在一种情况下，控制温度101为最大硬件温度；涡轮入口温度100最终达到控制温度101。然而，存在很大的温度过高，其会导致对涡轮的损坏。在另一种情况下，控制温度101小于硬件极限温度且导致的扭矩低于达到稳定状态的硬件极限温度所需。

为了最小化温度偏离，可采用更加大的扭矩减少104。导致的涡轮入口温度108仍然超过控制温度101，但相差比涡轮入口温度100轨迹更少且持续时间更短。通过扭矩减少104，导致的涡轮入口温度108甚至比扭矩减少102更低。

最后，如果扭矩减少106少于所需，例如对遇到的特定工况的根据控制策略的预定扭矩减少不足，则导致的温度110超过控制温度101更大差值且继续以稳定状态超过控制温度101。这种情况可能导致损坏涡轮。

为了确保控制温度101不过度偏离，根据参考图2所讨论的策略的控制方法倾向于至少对于平均工况过度补偿扭矩下降以在大部分工况(即使不是所有工况)下最小化超过控制温度101的可能性。这种策略的问题在于因为直至达到控制温度101才采取扭矩补偿措施，涡轮入口温度(100、108和110，取决于扭矩减少的量)总是超过控制温度101。另外，扭矩减少对车辆驾驶员过于生硬且感受特别明显，导致消费者不满。由于扭矩下降为预定的量，其对于许多工况高于所需，从而导致其它令消费者不满的原因。

在图4中，显示了另一控制策略，其中当涡轮入口温度150超过控制温度152时开始扭矩减少且扭矩减少的量基于图4底部所示两个温度的差异：误差154。在这种控制策略下，导致的扭矩减少为平滑减少。然而，由于其基于温度的误差154，扭矩减少为适度的，直至涡轮入口温度150超过控制温度152很多。这样，导致的涡轮入口温度150超过控制温度152很多。当控制温度152设定为比硬件极限温度低得多的温度以确保温度过高不会损坏涡轮时，稳定状态的温度(在图4的右方实现)较大地低于硬件极限温度。因此，用于维持低于所需温度的扭矩减少量高于所需。在控制温度152设定为硬件极限温度的情况下，这种控制策略中温度超过的量过多且可能导致涡轮损坏或失效。图4中说明的策略导致超过的温度比图3中所明的策略高得多，因为与图3策略中的扭矩立刻下降相反，图4的策略仅在突破控制温度后以扭矩适度下降开始。然而，图4的策略比图3的策略提供了更平滑的扭矩下降，其对车辆驾驶员来说更不易觉察。

在图5中，说明了根据本发明的实施例。首先参考中间的图形，应用了两个温度阈值：硬件极限温度200和控制发动温度212。根据本发明实施例，在涡轮入口温度214达到或超过硬件极限温度200之前发动控制。作为替代，当涡轮入口温度214上升至低于硬件极限温度200的控制发动极限温度212时发动控制。与在关于图3、4描述的控制方案下相比，在温度上升方面较早地应用扭矩控制。扭矩减少模式在图5中215所指示的时间开始。最大硬件温度可在大约800摄氏度的范围内。控制发动温度低于最大硬件温度20至80摄氏度。

在215之后发动机扭矩216减少，且扭矩减少基于设定点温度218和涡轮入口温度214之间的差值，其显示为图5底部的误差220。误差220等于涡轮入口温度214减去设定点温度218。在进入扭矩减少模式之前及扭矩减少模式早期将设定点温度218设定为等于控制发动温度212。在一个实施例中，直至涡轮入口温度214处于设定点温度218的范围内才允许设定点温度218上升。

参考图5底部的误差图形，当涡轮入口温度214超过设定点温度218时，误差220上升，如线215右方所示。由于基于误差220计算扭矩216，扭矩216平滑减少。这与图3相反，图3中一旦涡轮入口温度100超过控制温度101则扭矩突然减少。

再次参考图5，当误差220从峰值减少时，涡轮入口温度214受到控制。允许设定点温度218增加一段时间直至其等于硬件极限温度200。在这种控制下扭矩216平滑地达到其稳定状态值。根据本发明实施例，通过在控制发动温度212时开始扭矩控制，涡轮入口温度214不会超过硬件极限温度200。另外，由于在已经建立对涡轮入口温度214的控制后设定点温度218上升，涡轮入口温度218以受控方式上升至硬件极限温度200。这代表了相对于关于图4所描述的策略的区别优点。在图4中所明的策略中，如果控制温度152设为硬件极限温度，则涡轮入口温度150在一段时间内远远超过硬件极限温度，且可能损坏涡轮。然而，如果控制温度152设为比硬件极限温度低的温度，则处于稳定状态的涡轮入口温度150小于其所需，且因此扭矩156减少得比所需的多。这样，允许涡轮入口温度150过高或者扭矩减少多于所需。然而，关于图5所描述的策略不会遇到这种问题。

扭矩控制基于温度误差，即设定点温度218和涡轮入口温度214之间的差值。根据本领域被广泛接受的原理，控制可为简单的比例控制、比例-积分(PI)控制、或比例-积分-微分(PID)控制。

在图6中，示意显示了根据本发明实施例的设定点温度218控制策略。运转250为比较器，其输入为涡轮入口温度和设定点温度而输出为误差。时间延迟252应用至设定点温度输入以确保上次控制调节的结果已在进行另外的调解之前传遍系统。误差为框254的输入；基于误差的大小确定积分增益(integralgain)提升速度。积分增益提升速度为积分器256的输入。其它输入包括执行速度(即以较快循环运转或较慢循环运转执行程序)、增益等。积分器256的输入为积分控制，其涉及设定点温度可被调节的量。查值表258具有来自积分器和发动机转速的输入以确定输出，即新的设定点温度。

在上述讨论中，扭矩为进行调节以控制涡轮入口温度的发动机参数。然而，还有其它措施可供采取以降低涡轮入口温度。例如，提供图2中说明的后喷射和次后喷射作为增加排气温度以支持DPF再生以及其它工况的一种方法。在一个替代例中，扭矩和后期喷射均被调节以控制发动机温度。特别地，可完全取消次后喷射和/或后喷射。或者，可调节后喷射的正时。在另一替代例中，远喷射的控制可用于代替控制发动机扭矩。

在控制后期喷射时考虑的另一因素在于供应给发动机排气的未燃烧或部分氧化的燃料仅最低程度地氧化直至燃料遇到涡轮30b下游的DOC60，如图1所示。未燃烧燃料与DOC60的氧化导致DOC60中的温度迅速上升。次后喷射中的燃料在燃烧室中氧化很少，而大部分后喷射期间喷射的燃料至少部分氧化并对发动机扭矩做出一些贡献。由于涡轮30b不受下游发生的氧化的影响，仔细地平衡后喷射和次后喷射可在涡轮入口处获得低于硬件极限温度的温度，但DOC60温度仍有实质性增长以再生DPF64。

EGR率也影响排气温度。通过后期喷射，EGR率可用作发动机参数用于控制涡轮入口温度。可替代地，EGR率以及发动机扭矩或其它发动机参数可用于控制涡轮入口温度。

任何影响涡轮入口温度的发动机参数可单独或与一个或多个其它发动机参数组合使用以控制涡轮入口温度。其它参数可包括变速器参数(锁止变矩器和档位选择)、发动机转速(受档位选择影响)、喷射正时、供应的燃料量(与扭矩相关)、附件负载(例如空调、电池充电)、及节气门28位置。由此的控制类似于图5中所显示的，除了绘制了发动机参数而非扭矩。另外，其称为温度控制模式而非扭矩控制模式。

需要向驾驶员提供接近于所需而当然不会导致损坏发动机组件(例如涡轮)的扭矩量。因此，在一个实施例中，优选地调节其它发动机参数以降低涡轮入口温度。然而，如果有足够的授权通过其它发动机参数控制温度或者如果有相冲突的需求(例如DPF64的完全再生)，则辅助地实施扭矩以确保涡轮入口温度没有超过其最大硬件温度。

尽管已经详细描述了最佳模式，本领域技术人员将认识到权利要求范围内的多种替代设计和实施例。例如，描述了一种用于逐渐增加设定点温度的方法。然而，其它导致设定点温度从控制发动温度逐渐增加至最大硬件温度的方法也在本发明的范围内。尽管已经描述了一个或多个实施例关于一个或多个所需特性相较于其它实施例和/或现有技术提供了优点或更为优选，本领域技术人员将认识到可对其它特征进行弱化以实现所需的系统特征，其依赖于具体应用或实施方案。这些特征包括但不限于：成本、强度、耐久性、寿命成本、市场性、外观、封装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、组装便利性等。在一个或多个特性方面相对于其它实施例不太如意的描述实施例并未超过所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种控制具有排气涡轮的内燃发动机的方法，包含：

确定涡轮入口温度；

当所述涡轮入口温度超过设定点温度时进入扭矩减少模式；

基于误差指令所述发动机提供小于驾驶员要求扭矩的扭矩，所述误差基于所述涡轮入口温度减去所述设定点温度；以及

在所述扭矩减少模式期间将所述设定点温度逐渐增加至最大硬件温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当进入所述扭矩减少模式时所述设定点温度等于控制发动温度，且所述控制发动温度小于所述最大硬件温度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制发动温度比所述最大硬件温度低20至80摄氏度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于误差通过比例积分控制回路控制所述提供的扭矩。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大硬件温度为可供应至所述排气涡轮的最大涡轮入口温度。

6.一种控制具有排气涡轮的内燃发动机的方法，包含：

确定涡轮入口温度；

当所述涡轮入口温度超过设定点温度时进入温度降低模式；

基于误差调节发动机参数以导致所述涡轮入口温度下降，其中所述误差为所述涡轮入口温度和所述设定点温度之间的差值；以及

在所述温度降低模式期间将所述设定点温度逐渐增加至最大硬件温度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述误差根据比例积分控制回路调节所述发动机参数。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述发动机具有EGR系统，包括：连接在发动机进气道和发动机排气道之间的EGR管道、以及设置在所述EGR管道中的EGR阀，所述发动机参数为EGR率，其通过改变所述EGR阀位置来进行调节。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述发动机具有多个汽缸带有连接至各个汽缸的燃料喷射器，所述发动机参数为后期喷射事件，其通过改变所述后期喷射事件的持续时间来进行调节。