增压的柴油内燃发动机以及控制这种发动机中的气流的方 法 技术领域 本发明涉及一种内燃发动机的控制， 即， 涉及使用其所有的传感器以及致动器来 控制该发动机的技术。 实质上， 考虑的是增压的柴油内燃发动机， 该柴油内燃发动机包括用 于使排出气体部分地再循环的回路。所有的控制法规或软件策略以及特征参数， 如发动机 的不同校准， 都包合在一个计算机或电子控制单元 (ECU) 中。
背景技术
限制车辆的排放中产生的污染物数量的标准正变得越来越严格， 这些污染物包括 氮氧化物 ( 称为 NOX， 其中 x 根据所考虑的氧而变化 ) 和碳烟颗粒。为满足这些标准， 已知 在柴油发动机上设置用于使排出气体部分地再循环的回路 ( 称为 “排气再循环” 的 EGR)， 一 部分的排出气体因此被再次引入到进气中。其结果是， 进入发动机的气体混合物由来自压 缩机的新鲜空气与来自排气歧管的排出气体混合构成。通常， 插入一个阀 ( 称为 “EGR 阀” ) 以便调节再循环的排出气体的流量。当再循环的排出气体对于燃烧是惰性的时， 与未设置 排出气体再循环的类似发动机相比， 这具有降低最大燃烧温度并且因此减少过量氧气的作 用。 更确切地说， 在温度和氧气率升高的燃烧过程中促进了氮氧化物的形成， 而低的氧气率 促进碳烟颗粒的形成。因此， 排出气体的部分再循环具有减少氮氧化物的量并且增加燃烧 过程所产生的碳烟颗粒的数目的直接结果。
为了补救碳烟颗粒增加的问题， 在涡轮增压器的涡轮机与消音器之间的排气管线 中安装颗粒过滤器， 该颗粒过滤器可以例如由一组微通道形成， 在这些微通道中大部分的 碳烟颗粒被捕获。一旦过滤器被颗粒饱和， 就不得不通过在称为再生的阶段中燃烧这些颗 粒来清空它。这种再生在适当的时刻被触发， 并且通过由加热装置所产生的温度提高或者 通过具有提高经过过滤器的气体温度作用的、 对发动机的特定调整来实现。
为了进一步减少燃烧过程中产生的氮氧化物的量， 可以设想借助于安放在排出气 体的再循环回路中的空气 / 水冷却装置来冷却被引入到发动机中的气体混合物。进入发动 机的气体温度的降低使之有可能引入更大质量的排出气体， 因为发动机的填充随着被引入 的混合物温度的降低而增加。 排出的氮氧化物的量因此通过温度降低的作用并且通过再循 环的排出气体质量增加的作用二者而减少。
还已经设想布置用于低压排出气体的再循环的回路， 该回路移除涡轮增压器的涡 轮机下游的颗粒过滤器的出口处的排出气体， 并且将它们再注入到压缩机的上游。这种低 压再循环回路比常规的高压再循环回路更有利， 常规的高压再循环回路将排出气体直接带 入到排气歧管中并且将它们再注入到压缩机下游的进气压力通风系统中。
更确切地说， 在高压再循环回路中， 再循环的排出气体未被过滤， 并且有堵塞再循 环回路、 再循环阀以及进气压力通风系统和发动机的风险。
为了以最简单的方式确定在发动机的一个具体操作点处产生的氮氧化物与碳烟 颗粒的量之间的折衷， 重要的是能通过被引导经过空气过滤器并被允许进入发动机中的气流速率来精确地调节再循环的排出气体的速率。
气流速率的这种调节通常通过在两个构件上起作用而实现， 这两个构件是用于调 节再循环的排出气体的阀或定位在低压再循环回路中的 EGR 阀， 以及在再循环回路的分支 的下游并且在安装于排气管线中的消音器的上游安装在排气管线中的排气阀瓣。
专利申请 US2004/0006978 中公开了用于低压排出气体的再循环的回路的使用， 在该回路中用于有待再循环的排出气体的分支定位在颗粒过滤器与消音器之间， 排出气体 的返回定位在空气过滤器与压缩机之间。低压再循环回路中安装有受控的再循环阀或 EGR 阀以及冷却装置。所述回路还包括文丘里装置， 从而产生有可能将再循环的排出气体吸入 的部分真空。
专利 US 5 806 308 和专利申请 US2005/0045407 提出消除文丘里装置并且用安放 在排气管线中的排气阀瓣来代替它。因此， 有可能不考虑发动机的运行点而在 EGR 阀的边 界处产生压力差。
专利申请 WO2007/066033(RENAULT) 提出一种通过对进入气流速率的调节来控制 具有低压再循环回路的增压发动机的方法， 其方式为对布置在再循环回路中的 EGR 阀和安 装在排气管线中的排气阀瓣进行作用。 进入气流速率的设定点值与测量值之间的差值被送 到空气调节器， 该空气调节器将该差值转换成一个位置设定点值。该设定点值被转发到一 个设定点值分离器， 该分离器提供两个分离的设定点值 ： 一个用于 EGR 阀的位置， 另一个用 于排气阀瓣的位置。尽管该文献中提出的装置是令入满意的， 但是已经观察到其校准是复 杂的并且控制法规缺少稳健性， 调节器不但必须补偿干扰， 而且必须将由 EGR 阀和排气阀 瓣的组件构成的待调节的系统的非线性考虑在内。 发明内容 本发明的目的是改进这种调节并且使调节器更稳健、 更好地适配于待控制的系统 并且校准更简单。
在一个实施方案中， 增压的柴油内燃发动机包括 ： 安装在排气管道中的颗粒过滤 器和受控的排气阀瓣 ( 活门， volet) ： 用于使低压排出气体部分地再循环的回路， 该回路包 括受控的再循环阀， 所述回路将该颗粒过滤器下游的排气管道与增压器上游的空气进入管 道相连接。
一电子控制单元能够接收发动机运行参数值， 并且能够控制该发动机的各种不同 构件。
该电子控制单元能确定排出气体流中的压降和进入发动机的进入空气流中的压 降。特别地， 该电子控制单元包括用于计算再循环阀的位置或排气阀瓣的位置的设定点值 的装置， 该计算使用进入发动机的进入气流速率的设定点值并根据上述的压降进行。
将经过低压再循环回路的再循环排出气体的流动速率 ( 流量 ) 的设定点值分离成 两个位置设定点值， 一个用于再循环阀而另一个用于排气阀瓣。
为了以最少的燃料消耗进行最佳的运行， 仅控制这些构件中的一个， 而另一构件 保持在打开位置。 待控制构件的选择基于排出气体中的压降和进入发动机的进入空气中的 压降进行。
在一个有利的实施方案中， 该电子控制单元包括比较装置， 该比较装置将当再循
环阀或排气阀瓣处于完全打开位置时该再循环回路中的排出气体流中的压降的估算值与 在该空气进入管道中的空气流中的压降以及在该排气管道中的气体流中的压降之和进行 比较， 所述压降是从气流速率的设定点值估算得出的。
该电子控制单元优选包括用于从所进行的比较来推断未处于打开位置的再循环 阀或排气阀瓣的位置设定点值的装置。
有利的是， 该电子控制单元包括用于对压降建模的装置， 该建模的形式为作为再 循环阀及排气阀瓣的位置的函数的、 压降系数的所存储的映射。
因此， 进入气流速率的调节除了通过使用进入发动机的进入空气中的压降实现以 外， 还通过使用低压再循环回路中和排气管线中的排出气体的压降的模型来实现。结果是 受空气调节器控制的系统线性化， 这改进了这种调节的性能。
在一个另外的实施方案中， 该发动机可以进一步包括用于使高压排出气体部分地 再循环的回路， 该回路包括受控的高压再循环阀。 因此， 该电子控制单元包括用于计算高压 再循环阀的位置设定点值的装置。
根据一个另外的特征， 提出一种用于控制增压的柴油内燃发动机中的气流速率的 方法， 该发动机包括 ： 安装在排气管道中的颗粒过滤器和受控的排气阀瓣 ： 用于使低压排 出气体部分地再循环的回路， 该回路包括受控的再循环阀， 所述回路将颗粒过滤器下游的 排气管道与增压器上游的空气进入管道相连接。
根据这个方法， 确定排出气体流中的压降以及进入发动机的进入空气中的压降， 并且通过将所述压降考虑在内而作用在再循环阀上或作用在排气阀瓣上来调节与将这些 气体引入发动机中相关联的参数。
有利的是， 通过单独地作用在排气阀瓣上来调节进入发动机的进入气流速率， 该 再循环阀保持在打开位置中， 该排气阀瓣的位置是利用所造成的压降来确定的。
或者， 通过单独地作用在再循环阀上来调节进入发动机的进入气流速率， 该排气 阀瓣保持在打开位置中， 该再循环阀的位置是利用所造成的压降来确定的。 附图说明 通过研究一个实施方案将更清楚地理解本发明， 该实施方案作为非限制性示例给 出并且通过附图展示， 在附图中 ：
- 图 1 示出根据本发明的增压的柴油内燃发动机的主要元件 ；
- 图 2 展示了用于调整气流速率的系统的主要构件 ； 以及
- 图 3 展示了根据本发明的设定点值分离装置的一个实际实施方案。
具体实施方式
如图 1 中所示的， 内燃发动机 1 包括四个气缸 2， 该内燃发动机例如为柴油型的发 动机。 被引入发动机 1 中的新鲜空气在经过空气过滤器 3 之后被传送经过空气进入管道 4， 该空气进入管道 4 在压缩机 6 的入口处包括流量计 5， 该压缩机形成涡轮增压器 7 的一部 分， 该涡轮增压器包括安装在同一机械轴 9 上的该压缩机 6 以及一涡轮机 8， 该压缩机 6 由 此被涡轮机 8 驱动而转动。
由发动机 l 中的燃烧过程产生的排出气体被排气歧管 10 收集， 所述排出气体经过管道 10a 到达涡轮机 8 的入口， 在此处它们释放出它们的部分能量以便驱动压缩机 6 转动。 在涡轮机 8 的出口处， 流入排气管道 11 的排出气体首先经过颗粒过滤器 12， 然后在被排放 进大气中之前经过消音装置 13。 在排气管道 11 中在消音器 13 的上游安装有受控的排气阀 瓣 14。 自然地应该理解， 也可以在排气管线中安装用于处理排出气体的其它装置， 例如氧化 催化剂或类似装置。
标号为 15 的用于低压排出气体的部分再循环的回路包括称为 “EGR 阀” 的受控的 再循环阀 16， 并且该回路将排气管道 11 连接到压缩机 6 上游的空气进入管道 4 上。再循环 回路 15 在排气管道 11 上的分支布置在排气阀瓣 14 的上游。以此方式， 已经穿过膨胀式涡 轮机 8 和颗粒过滤器 12 的一部分排出气体被再循环回路 15 收集， 以便与管道 4 中的进入 空气混合， 该混合物被压缩机 6 压缩。被压缩的混合物的温度已经由于压缩而升高， 该被压 缩的混合物经过管道 17 到达热交换器 18， 该热交换器允许在混合物经过进气管道 19 和进 气歧管 19a 被引入到发动机 1 中之前被冷却。在进气管道 19 中在交换器 18 的下游还安装 有受控的进气阀瓣 20。
在图 1 中标为 21 的电子控制单元 (ECU) 接收关于该发动机和与其相关联的构件 的运行的不同信息， 并且允许计算对于发动机的控制是必要的致动器的不同信号。 进入发动机 l 的进入气流速率的调节通过既对阀 EGR l6 的位置起作用又对排气 阀瓣 14 的位置起作用而进行。为此， 电子控制单元 21 包括调节器 26 或 “空气调节器” ， 该 调节器在其输入端接收气流速率的设定点值 Qair_cons 与由流量计 5 测量并且通过连接 ( 连 接线 )27 传送到电子控制单元 21 的气流速率值 Qair 之间的差值。该空气调节器 26 的输出 信号表示低压再循环回路 15 中的排出气体的流动速率 QEGR_BP。应该指出， 还可以对再循环 的排出气体的流动速率 Qegr 或对再循环的排出气体的比率 (τegr) 进行这种调节， 这些不同 的变量通过下面的关系式彼此相关联 ：
其中， Qmot 是进入发动机 1 中的气体的流动速率。
电子控制单元 21 还包括设定点值分离单元 28， 该设定点值分离单元接收空气调 节器 26 的输出信号 QBP， 并且能够确定分别用于 EGR 阀 l6 和用于排气阀瓣 14 的设定点位 置值。用于 EGR 阀 l6 的设定点值经由连接 29 传递到阀 16。用于排气阀瓣 14 的设定点值 经由连接 30 传递到阀瓣 14。
图 1 还示出一连接 20a， 该连接允许电子控制单元 21 传递进气阀瓣 20 的位置的设 定点值。
图 2 以更精确的方式示出了空气调节器 26 的一种实施方案。在所示的示例中， 调 节器 26 是积分比例类型的调节器。 输入信号对应于测量出的气流速率 Qair 与设定点值 Qair_ 该输入信号被供应到具有增益 Kp 的比例单元 29 的输入端以及供应到具有增 cons 之间差值， 益 Ki 的积分单元 30 的输入端。如图 2 的实例所示， 还可能提供对设定点信号的预定位， 以 便加速调节响应。为此， 将设定点值 Qair_cons 提供给一预定位单元 31， 该预定位单元还接收 进入发动机的气体的流动速率 Qmot 的估计值， 并且能发送预定位信号， 该预定位信号通过连
接 32 供应到加法装置 33， 该加法装置还接收调节器 26 的比例分支和积分分支的对应输出 信号。输出信号 QEGR_BP 如上所述地被提供给设定点值分离装置 28。
如作为示例的图 3 中所示的， 设定点值的分离是通过计算用于使低压排出气体部 分地再循环的回路中的压降来执行的。 如果考虑整个再循环回路 15， 应该指出， 大气压位于 空气过滤器 3 的上游和消音器 13 的下游。因此， 等式可以被表示为 ：
(Patmo-Pamontvolet)+(Pamontvolet-Paval_FaA)+(Paval_FaA-Patmo) ＝ 0 (1)
其中， Patmo 是由图中未示出的传感器测得的大气压， Paval_FaA 是空气过滤器 3 下游的 压力， 并且 Pamont_volet 是排气阀瓣 14 上游的压力。
当经过排气阀瓣 14 和消音装置 13 时， 排出气体中的压降取决于设定点气流速率 和注入发动机中的燃料的流动速率。这些压降的值是 ：
dPvolet ＝ Patmo-Pamont_volet
以相同的方式， 有可能定义再循环回路 15 中的排出气体的压降， 它取决于所述低 压再循环回路中的排出气体的流动速率 QEGR_BP。
这个压降是 ：
dPBP ＝ Paval_FaA-Pamont_volet
最后， 取决于气流速率的设定点值的、 经过空气过滤器的空气中的压降可以表示为： dPFaA ＝ Paval_FaA-Patmo
因此， 考虑到等式 (1)， 还可将其表示为 ：
dPvolet-dPBP+dPFaA ＝ 0 (2)
这使之有可能指示在每个瞬间 ：
dPvolet+dPFaA ＝ dPBP (3)
为了确定哪个致动器应该被用于调节， 即， 或者是 EGR 阀 16 或者是排气阀瓣 14， 设 定点值分离单元 28 考虑当 EGR 阀 I6 打开时低压再循环回路中估算出的压降的值， 并且对 于再循环的排出气体的流动速率 QEGR_BP 等于再循环的排出气体 ( 称为 EGR) 的流动速率的设 定点值。这个估算出的压降的值被标示为 dPBP_ouvert。
如可从图 3 中通过作为示例示出的分离单元 28 的实施例看出的， 比较单元 34 在 其输入端之一处接收该估算出的压降的值 dPBP_ouvert 并且在其另一个输入端处接收空气过 滤器的压降 dPFaA 和排气阀瓣的压降 dPvolet_ouvert 之和， 该和是在求和装置 34a 中计算出的， 该 求和装置接收分别由传感器 23 和 25 执行的测量结果。压降 dPvolet_ouvert 是由在打开位置中 的排气阀瓣 14 所引起的压降。比较器 34 的输出信号被传送到一决策单元 35， 该决策单元 然后可以将一起动信号发送到控制单元 36a 或 36b 中的一个。当控制单元 36a 被起动时， 输出连接 37a 处发出的 EGR 阀 16 的位置的设定点值使 EGR 阀保持在打开位置中。输出连 接 38a 传递一个信号， 该信号触发单元 39 中的计算以便确定排气阀瓣 14 的位置的设定点 值。该位置的设定点值可以例如通过对经过排气阀瓣 14 的气体流动中的压降进行建模来 获得， 即， 通过存储在电子控制单元 21 中的、 作为排气阀瓣 14 位置的函数的、 对压降系数值 的映射来获得。因此， 这个关系是 ：
dPvolet ＝ kvolet·Qvolet_cons (4)
其中
Qvolet_cons ＝ Qmot_cons-QEGR_BP+Qinj
其中， Qvolet_cons 是经过排气阀瓣的流动速率的设定点值， Qinj 是注入发动机中的燃 料的流动速率， 并且 Qmot_cons 是被引入到发动机中的气体的流动速率的设定点值。
更确切地说， 经过排气阀瓣 14 的流动速率等于来自发动机的气体的流动速率减 去在部分再循环回路 15 中的再循环气体的流动速率。压降系数 kvolet 是排气阀瓣的位置的 函数。因此， 反过来有可能定义一个函数， 其中排气阀瓣的位置作为压降系数的函数。
考虑前面的等式， 有可能通过以下等式计算压降系数 kvolet ：
kvolet ＝ dPvolet/Qvolet_cons
即：
Kvolet ＝ dPvolet/(Qmot_cons+Qinj-QEGR_BP)
然而， 当单元 36b 被起动时， 通过连接 38b 提供排气阀瓣 14 位置的设定点值的信 号， 以将该阀瓣 14 保持在打开位置。相对地， 在输出连接 37b 处， 一信号触发计算单元 40 中的计算， 以便确定 EGR 阀 16 的位置的设定点值。以如之前在计算单元 39 中一样的方式， 利用经过再循环阀 16 的压降的一个模型来进行计算。即 ：
dPBP ＝ kvanne·QEGR_BP 如以上， 被标示为 kvanne 的、 经过再循环阀 EGR16 的压降系数取决于该阀的位置， 从 而通过反转该函数， 有可能确定对应于一个具体的压降系数的阀位置。存储在该电子控制 单元中的映射允许将压降系数的值提供为该阀的位置的一个函数。
作为由比较器 34 执行的比较的结果的函数， 因此可能有两种情况。
在第一种情况中， 当该 EGR 阀打开时低压再循环回路 15 的估算出的压降大于通过 空气过滤器和处于打开状态的排气阀瓣的压降之和。因此 ：
dPBP_ouvert ＞ dPFaA+dPvolet_ouvert
在这种情况中， 决策单元 35 发出一信号以便起动计算单元 39。EGR 阀 16 保持宽 ( 大 ) 地打开， 并且排气阀瓣 14 的位置的设定点值作为该压降的函数而被确定 ：
dPvolet_ouvert ＝ dPBP_ouvert+dPFaA
然而， 在第二种情况中， 对于该 EGR 阀的打开位置， 该 EGR 再循环回路中估算出的 压降小于通过空气过滤器和打开的排气阀瓣的压降之和， 结果是 ：
dPBP_ouvert ＜ dPFaA+dPvolet_ouvert
决策单元 35 起动计算单元 40， 这样使得排气阀瓣 14 保持宽地打开位置， 并且阀 EGR16 的位置作为低压再循环回路中的压降的函数而根据以下公式确定 ：
dPBP ＝ dPFaA+dPvolet_ouvert
其中， 对于经过排气阀瓣的等于气流速率的设定点值加上注入发动机中的燃料的 流动速率的流动速率， dPvolet_ouvert 是当排气阀瓣保持在打开位置中时该排气阀瓣 14 与消音 器 13 构成的组件的估算出的压降。
以上提到的所有压降都是从再循环排出气体的流动速率的设定点值 QEGR_BP 和引入 发动机中的气体的流动速率的设定点值 Qmot_cons 估算出的。
由于这种调节结构使用了通过估算在用于使低压排出气体部分地再循环的回路 中的压降来进行物理建模， 因此有可能使由该空气调节器控制的系统线性化， 这改进了这 种调节的性能。
应该指出， 相同的控制结构可以被用在为排出气体的再循环提供两个回路的情况 中。在这种情况中， 以上提到的低压再循环回路是与用于使排出气体部分地再循环 - 这次 是在高压下 - 的第二回路相关联的， 从而将排气收集器直接连接到进入管道上。
在这种情况下， 可修改如图 2 中所示的调节的预定位值， 还根据以下的关系将高 压再循环的排出气体的流动速率的估算值考虑在内 ：
Qmot ＝ Qair+QEGR_BP+QEGR_HP
其中， QEGR_BP 是回路 15 中的低压再循环的排出气体的流动速率， 而其中 QEGR_HP 是高 压再循环的排出气体的流动速率。
高压再循环的排出气体的流动速率可以通过使用 BarréSaint Venant 公式并且根 据以下公式来估算 ：
其中， Seff 是高压再循环回路的 EGR 控制阀的通过截面，
Pavt 是涡轮机 8 上游的压力， 该压力也是高压 EGR 阀的入口处的压力，
Tavt 是涡轮机上游的温度， 该温度也是在高压下的 EGR 阀的入口处的温度，
Pcol 是连接到进入管道上的进入歧管中的压力。
结合 BarréSaint Venant 公式的几个项的 BSV 函数是根据该 EGR 高压阀下游和上 游的压力比率而变化的函数。