專利名稱：在非節(jié)流稀薄燃燒發(fā)動機的進(jìn)氣總管中的氧氣濃度的評估的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在非節(jié)流稀薄燃燒發(fā)動機中的進(jìn)氣總管氧氣濃度的評估的方法。
背景技術(shù)：
在涉及稀薄燃燒發(fā)動機的領(lǐng)域中已知，通過改變氣缸充氣的成分，在所述進(jìn)氣總管中的氧氣濃度會影響燃燒和噴射。為了評估在所述進(jìn)氣總管中的氧氣濃度，需要測量或評估氣體流量(flow)、EGR流量、以及到氣缸的流量。在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機中，氣體流量通過在所述節(jié)流體上的質(zhì)量空氣流量(Mass Air Flow，MAF)傳感器進(jìn)行測量。
通常，便宜的MAF傳感器對流向不敏感，并且通常由于通過節(jié)流控制所述進(jìn)氣總管的壓力使其小于在多數(shù)的發(fā)動機運行條件下的周圍的壓力，結(jié)果，所述流是從所述節(jié)流體到所述進(jìn)氣總管的單一方向。然而，在非節(jié)流運行條件下，所述進(jìn)氣總管壓力變得接近周圍的壓力，并且可以通過進(jìn)氣系統(tǒng)引起共振波。那些波傳播通過進(jìn)氣總管，并且可能引起所述進(jìn)氣總管的逆流，其中所述MAF傳感器典型地位于所述進(jìn)氣總管。
已經(jīng)顯示了傳統(tǒng)的、對方向不敏感的MAF傳感器因為那些逆流而過高地評估氣流，特別在如圖1中的低氣流中。在附圖中，所述實心斜線10表示在校準(zhǔn)的發(fā)動機進(jìn)氣逆流孔處測量的進(jìn)入發(fā)動機的質(zhì)量空氣流量(mass air flow)。所述分離的方?jīng)Q12顯示熱線(hot wire)MAF傳感器在空氣流量0-200kg/h時的個別讀數(shù)。可以看到在低于約100kg/h時，所述進(jìn)氣總管壓力傳感器讀數(shù)快速增高。還注意到即使是僅對向前方向的流量敏感的專門設(shè)計的MAF傳感器，由于氣流如由大量不斷循環(huán)(cycle-to-cycle)的變化和頻率倍增所指示的，通常變得不穩(wěn)定，在低氣流時也不能改進(jìn)很多的準(zhǔn)確性。
另外，給定質(zhì)量空氣流量，EGR流量可以基于進(jìn)氣總管動力足夠快而可以被忽略的假設(shè)通過將進(jìn)到氣缸中的質(zhì)量流量(mass flow)減去所述質(zhì)量空氣流量來評估，該假設(shè)當(dāng)發(fā)動機在非節(jié)流運行條件下運行時為真。對于裝備了傳統(tǒng)進(jìn)氣和排氣閥門的發(fā)動機，流入氣缸的質(zhì)量流量可以基于測定體積的效率、發(fā)動機速度、和進(jìn)氣溫度等進(jìn)行評估。所述測定體積的效率依賴于操作條件，并且需要用于準(zhǔn)確評估的廣義標(biāo)準(zhǔn)。這樣，只要是測量的質(zhì)量空氣流量和/或評估的進(jìn)到氣缸的質(zhì)量流量不準(zhǔn)確，那么使用該方法的所述評估的EGR流量將包含不確定性。

發(fā)明內(nèi)容
為了改進(jìn)進(jìn)氣總管氧氣濃度評估的準(zhǔn)確性，本發(fā)明提供了基于模型的評估方法。所述方法由用于改進(jìn)評估的兩個部分組成，一個狀態(tài)觀察器和一個自適應(yīng)干擾評估器。在該方法中，如所討論的因流量測量/評估的不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的不確定性，被認(rèn)為是對所述系統(tǒng)的干擾，并且通過所述自適應(yīng)干擾評估器進(jìn)行補償，其反過來改進(jìn)了所述狀態(tài)觀察器的性能。
本發(fā)明的這些和其它特征及優(yōu)點將通過下面的伴隨附圖的本發(fā)明特定典型實施例的描述變得更完全地理解。


圖1是顯示了在非節(jié)流發(fā)動機中偏離實際進(jìn)氣流量范圍的質(zhì)量空氣流量傳感器的圖。
圖2是指示根據(jù)本發(fā)明的非節(jié)流發(fā)動機氧氣進(jìn)氣操作的評估器的區(qū)塊圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于改進(jìn)評估氧氣濃度的方法的自適應(yīng)邏輯流程圖。
圖4是對測量的進(jìn)氣總管氧氣濃度的測試結(jié)果和在具有自適應(yīng)和不具有自適應(yīng)時的評估值進(jìn)行比較的圖。
圖5和圖6是類似于圖4的圖，顯示進(jìn)一步的測試和評估值。
具體實施例方式
參考圖2，數(shù)字15通常指根據(jù)本發(fā)明的指示非節(jié)流發(fā)動機氧氣進(jìn)氣評估器操作的區(qū)塊圖。所述評估器包括兩個主部件一個狀態(tài)觀察器16和一個自適應(yīng)干擾評估器18。通過適當(dāng)?shù)目刂?9，到進(jìn)氣總管的質(zhì)量空氣流量可以通過MAF傳感器20進(jìn)行測量，或者基于測量的進(jìn)氣總管的壓力和溫度，使用孔流方程式(orifice flow equation)進(jìn)行評估22?；蛘撸捎谫|(zhì)量空氣流量對于進(jìn)氣總管壓力極度敏感，不確定性在非節(jié)流運行條件下是不可避免的，并且因為這種極度敏感，基于所述孔流方程式的流量計算傾向于錯誤。
在基于所述孔流方程式和測量的進(jìn)氣總管壓力和溫度來計算所述質(zhì)量空氣流量的情況中，所述計算得的質(zhì)量空氣流量因為在非節(jié)流發(fā)動機運行條件下對于進(jìn)氣總管壓力的極度敏感，傾向于具有高頻率組件(highfrequency components)。這樣，所述計算得的質(zhì)量空氣流量將通過用于平滑質(zhì)量空氣流量評估的低通過濾器被過濾。一旦所述質(zhì)量空氣流量被測得/評估，在非節(jié)流發(fā)動機運行條件下，通過從到氣缸26的質(zhì)量流量中減去所述質(zhì)量空氣流量可以評估24廢氣再循環(huán)(EGR)流量，可以從進(jìn)氣壓力和溫度、引擎速度和冷卻液溫度等進(jìn)行評估。
所述狀態(tài)觀察器16基于動態(tài)進(jìn)氣和廢氣總管模型進(jìn)行設(shè)計，以通過假設(shè)精確的質(zhì)量空氣流量和到氣缸的質(zhì)量流量(因此，EGR流量)是可用的來評估進(jìn)氣口和廢氣總管中的所述燃?xì)獠糠?。實際上，當(dāng)發(fā)動機在進(jìn)氣總管壓力小于95kPa(在節(jié)流條件下運行)的時候運行時，在所述節(jié)流體上的質(zhì)量空氣流量可以被準(zhǔn)確地測得(或者利用孔流方程式計算得出)，并且到氣缸的質(zhì)量流量和EGR流量可以通過引入進(jìn)氣總管動力被近似地評估。
在稀薄燃燒發(fā)動機中，在廢氣總管中的所述燃燒氣體部分可以從在所述廢氣管中的寬量程空氣燃料比傳感器的所述測量26中直接計算得到。然后，所述狀態(tài)觀察器使用例如簡化-命令觀察器設(shè)計方法的技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行簡化?；谒鰧捔砍炭諝?燃料比測量28，所述簡化命令狀態(tài)觀察器16專門用于實時評估所述進(jìn)氣總管中的燃燒氣體部分。然后，所述進(jìn)氣總管氧氣濃度由所述狀態(tài)觀察器基于利用道爾頓定律(Dalton’s law)的干燥氣體構(gòu)成從在所述進(jìn)氣總管中的評估出的燃燒氣體部分中得出。
如之前描述的，所述在質(zhì)量空氣流量測量/評估和在非節(jié)流運行下EGR流量評估中的不確定性，可以被認(rèn)作對所述狀態(tài)觀察器的干擾，并且可以導(dǎo)致進(jìn)氣總管氧氣濃度的不準(zhǔn)確評估。為了補償對于所述狀態(tài)觀察器干擾的影響，利用文獻(xiàn)中用于在流量測量/評估中評估干擾的可用的方法設(shè)計了自適應(yīng)干擾評估器18。一旦所述干擾被評估，所述流量測量/評估通過減去那些被評估的干擾30而進(jìn)行校正。
應(yīng)用所述自適應(yīng)干擾評估器的難點在于其需要所述廢氣燃燒氣體部分的時間導(dǎo)數(shù)(time derivative)。通常，因為所述測量包含噪聲，應(yīng)當(dāng)避免利用所述測量的時間導(dǎo)數(shù)。然而，所述廢氣燃燒氣體部分的時間導(dǎo)數(shù)可以利用例如滑動模式觀察器、污點區(qū)別的技術(shù)進(jìn)行近似。如果所述持續(xù)激勵(PE)條件滿足，則所提出的方法的穩(wěn)定性可以被證明。然而，依賴于發(fā)動機操作條件，在實際應(yīng)用中持續(xù)激勵條件的缺少將不可避免地發(fā)生。
例如，如果EGR流量相對于質(zhì)量空氣流量太小，則EGR流量的干擾評估可能具有弱的激勵。如果沒有足夠的激勵，則自適應(yīng)系統(tǒng)的會聚也許極慢，甚至出現(xiàn)漂移，并以評估不正確的值結(jié)束，其將導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
對于缺少持久激勵的典型解決方法簡化為一旦測得弱激勵就關(guān)閉所述自適應(yīng)。這樣，設(shè)計了一種依賴于質(zhì)量流量的啟發(fā)式規(guī)則32以激活并停用所述自適應(yīng)，如下如果EGR流量/進(jìn)入氣缸的質(zhì)量流量比大于或等于ε，為所有干擾激活自適應(yīng)；否則，僅為質(zhì)量空氣流量的干擾激活自適應(yīng)。
所述參數(shù)ε是0和1之間的恒量閾值。
主要地，當(dāng)EGR流量具有比所述質(zhì)量空氣流量相對小的量級時所述規(guī)則32關(guān)閉所述EGR干擾自適應(yīng)。所述自適應(yīng)閾值ε是設(shè)計參數(shù)，并且必須基于所述實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)諧。
現(xiàn)在詳細(xì)地參考圖3，數(shù)字40通常指在本發(fā)明的方法中指示步驟的流程圖。當(dāng)發(fā)動機的運行被初始化時，所述程序在框42開始。在框44，流入進(jìn)氣總管的質(zhì)量空氣流量被測量或評估，并且從進(jìn)氣總管到發(fā)動機氣缸的質(zhì)量流量被評估。
在框46，確定進(jìn)氣總管壓力是否小于預(yù)定值，如95kPa。如果是(在節(jié)流條件下運行)，則所述質(zhì)量空氣流量44和EGR流量48被假定為合理地準(zhǔn)確的(如所討論的)并且，在框50，被用于更新狀態(tài)觀察器16(圖2)。所述處理然后轉(zhuǎn)到框44以重復(fù)之前的步驟。
如果進(jìn)氣總管壓力大于所述預(yù)定值(在非節(jié)流條件下運行)，則在框51通過從進(jìn)入發(fā)動機氣缸的質(zhì)量空氣流量中減去到總管的質(zhì)量空氣流量來評估EGR流量。所述處理然后繼續(xù)到在框52的所述自適應(yīng)干擾評估器。
框52確定所述EGR流量除以EGR和質(zhì)量空氣流量(因此，質(zhì)量流量進(jìn)入發(fā)動機氣缸)的和后是否大于閾值ε，所述閾值ε基于發(fā)動機測試數(shù)據(jù)設(shè)置在0和1之間。如果EGR流量相對大并且所述結(jié)果大于或等于ε，則在框54為EGR流量和質(zhì)量空氣流量運行所述自適應(yīng)干擾評估器。質(zhì)量空氣流量和EGR流量的調(diào)整值然后被用于在框56更新所述狀態(tài)觀察器。如果EGR流量相對小并且所述結(jié)果小于ε，可以不需要它的評估并且框58僅調(diào)用質(zhì)量空氣流量的自適應(yīng)。這些結(jié)果然后在框60被用于更新所述狀態(tài)觀察器16。
這樣，基于當(dāng)前發(fā)動機運行條件，狀態(tài)觀察器16作出的評估被規(guī)則地更新，如果運行條件需要，所述更新通過在質(zhì)量空氣流量(如果需要，可以是EGR流量)中的差別評估的自適應(yīng)調(diào)整進(jìn)行修改。這些步驟根據(jù)在前概括的詳細(xì)方法步驟執(zhí)行。
為了評估所述方法的性能，所述方法被應(yīng)用到從裝備了渦輪增壓器的柴油發(fā)動機中獲取的實驗數(shù)據(jù)集合中。所述氧氣傳感器和熱電偶，以及所述壓力傳感器，被應(yīng)用于測量進(jìn)氣和廢氣總管兩者的狀態(tài)。此外，MAF被測得所述進(jìn)氣總管的逆流。
由于所述發(fā)動機裝備了渦輪增壓器，因為進(jìn)氣總管的推動壓力逆流實質(zhì)上減少了逆流，所述MAF傳感器可以以較好的精度測量空氣流量。然而，其假設(shè)了MAF傳感器是不可用的，以及通過測量所述推動壓力(與所述進(jìn)氣總管壓力近似相等)，利用所述孔流方程式評估所述質(zhì)量空氣流量。這樣，模擬了與非節(jié)流自然吸氣發(fā)動機相似的進(jìn)氣總管的條件。
基于所述質(zhì)量空氣流量評估，利用之前討論的所述方法評估所述EGR流率。所述評估的質(zhì)量空氣流量和EGR流量在它們被應(yīng)用于所述方法之前利用第一命令低通過濾器以恒定1秒的時間進(jìn)行過濾，以減少可能激勵所述系統(tǒng)的未模型化動力(unmodeled dynamics)的高頻組件。此外，所述自適應(yīng)閾值ε被調(diào)諧為0.5。
圖4中繪出了進(jìn)氣總管氧氣濃度評估的結(jié)果，如具有自適應(yīng)的線條62和不具有自適應(yīng)的線條64，以及在進(jìn)氣總管中測得的實際氧氣濃度，線條66(測試1)?？梢钥吹剿龊喕?指令狀態(tài)觀察器由于在所述質(zhì)量空氣流量和EGR流量評估中的干擾具有大的評估錯誤，而具有自適應(yīng)干擾評估器的相同觀察器的評估錯誤極大地減少了。
所述方法還應(yīng)用于在測試2和3中的兩個附加實驗數(shù)據(jù)集合。所述結(jié)果分別在圖5和6中顯示。這些圖顯示了本發(fā)明的評估方法實質(zhì)上減少了進(jìn)氣總管氧氣濃度的評估錯誤，如在測試1中的情況。
雖然本發(fā)明參考特定最佳實施例進(jìn)行描述，應(yīng)當(dāng)理解在所描述的發(fā)明概念的精神范圍內(nèi)可以作多種改變。相應(yīng)地，本發(fā)明不傾向限制于所公開的實施例，但其具有下面權(quán)利要求的語言所允許的完整的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于在稀薄燃燒發(fā)動機運行期間反復(fù)評估進(jìn)氣總管氧氣濃度的方法，該方法包括步驟(1)通過結(jié)合確定的空氣/燃料比(A/F)和質(zhì)量空氣流量(MAF)，以及所評估的氣缸質(zhì)量流量(CMF)和廢氣再循環(huán)流量(EGR)以及計算進(jìn)氣總管中的氧氣(O2)百分比，來操作狀態(tài)觀察器(SO)；(2)如果進(jìn)氣總管壓力足夠小于大氣壓(atm)以指示節(jié)流操作，則不斷重復(fù)步驟1；如果不是這樣，操作自適應(yīng)干擾評估器(ADE)；(3)如果EGR/CMF大于在0到1之間的預(yù)定閾值，則操作ADE以校正所有干擾并且相應(yīng)地對輸入到所述SO中的值進(jìn)行調(diào)整；如果不是這樣，則操作ADE僅校正MAF值并不斷地重復(fù)步驟1-3。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括從在廢氣中的寬量程空氣/燃料比傳感器的讀數(shù)中確定A/F；在稀薄燃燒運行中，從A/F中引出廢氣中的燃燒氣體部分；從在廢氣中的所述燃燒氣體部分，評估在進(jìn)氣總管中的燃燒氣體部分，以及從所述進(jìn)氣總管燃燒氣體部分計算在進(jìn)氣總管中的氧氣的百分比。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，包括通過利用傳感器進(jìn)行測量以及利用應(yīng)用于孔流方程式中的進(jìn)氣壓力和溫度來基于質(zhì)量空氣流量模型進(jìn)行評估中的一個步驟，來確定MAF。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，包括基于發(fā)動機和進(jìn)氣條件來評估CMF。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，包括通過將CMF減去MAF來評估EGR。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，包括在節(jié)流發(fā)動機運行條件下，基于一個動態(tài)進(jìn)氣總管模型、測得的進(jìn)氣總管壓力和溫度、確定的MAF和評估的CMF來評估EGR。
7.一種用于在稀薄燃燒發(fā)動機運行期間反復(fù)評估進(jìn)氣總管氧氣濃度的方法，所述方法包括步驟(1)通過結(jié)合確定的空氣/燃料比(A/F)和質(zhì)量空氣流量(MAF)，以及所評估的氣缸質(zhì)量流量(CMF)和廢氣再循環(huán)流量(EGR)和計算進(jìn)氣總管中的氧氣(O2)百分比來操作狀態(tài)觀察器(SO)；(2)如果進(jìn)氣總管壓力足夠小于大氣壓(atm)以指示節(jié)流操作，則不斷重復(fù)步驟1；如果不是這樣，操作自適應(yīng)干擾評估器(ADE)以校正干擾并且相應(yīng)地對輸入到所述SO的值進(jìn)行調(diào)整以及不斷重復(fù)步驟1和2。
全文摘要
一種評估稀薄燃燒發(fā)動機進(jìn)氣口中氧氣濃度的方法，該方法在節(jié)流運行期間，通過在狀態(tài)觀察器中不斷結(jié)合確定的空氣/燃料比和進(jìn)氣質(zhì)量空氣流量和估計的氣缸質(zhì)量流量以及廢氣再循環(huán)流量來實現(xiàn)，其計算進(jìn)氣總管中的廢氣和進(jìn)氣口燃燒氣體部分以及氧氣的結(jié)果百分比。在非節(jié)流運行期間，評估通過自適應(yīng)干擾評估器校正，其用于在較高EGR條件下校正所有的輸入干擾以及用于在較低的EGR條件下僅僅校正MAF流量值。闡述了用于所述狀態(tài)觀察器的操作和用于確定或評估對所述狀態(tài)觀察器的輸入條件的步驟。
文檔編號G06F19/00GK1998000SQ200580024302
公開日2007年7月11日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月21日
發(fā)明者姜俊模 申請人:通用汽車公司