專利名稱：將離子電流用于柴油發(fā)動機(jī)中的缸內(nèi)NOx檢測的制作方法
將離子電流用于柴油發(fā)動機(jī)中的缸內(nèi)NOx檢測
背景技術(shù)：
柴油發(fā)動機(jī)及其它壓燃式發(fā)動機(jī)被用來為輕型和重型車輛、機(jī)車、 非公路設(shè)備、海船和許多工業(yè)應(yīng)用供電。政府法規(guī)要求發(fā)動機(jī)達(dá)到這 些應(yīng)用中的每一種應(yīng)用的廢氣排放的某些標(biāo)準(zhǔn)。目前，該排放標(biāo)準(zhǔn)是 針對氮氧化物NOx、碳?xì)浠衔?HC)、 一氧化碳(CO)，以及微 粒物質(zhì)(PM)。政府機(jī)構(gòu)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定協(xié)會正在減少柴油發(fā)動機(jī)中 允許的排放量以力圖減少環(huán)境中的污染物。這些發(fā)動機(jī)的環(huán)境排放賴, 章正在變得更加嚴(yán)格且難以滿足要求，特別是對于NOx和PM排放而 言。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，企業(yè)已開發(fā)了除應(yīng)用后處理設(shè)備之外的許多 技術(shù)來控制缸內(nèi)燃燒過程以處理發(fā)動機(jī)排出的廢氣并減少尾氣管排 放。新生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)的排放目標(biāo)甚至低于規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)以考慮到設(shè) 備在現(xiàn)場的長期運(yùn)行之后在發(fā)動機(jī)的使用期限期間的預(yù)期磨損。例如， 用于新重型發(fā)動機(jī)的試行條例要求另外將NOx和柴油機(jī)微粒排放從現(xiàn) 有的排放限值降低百分之七十以上。這些排放減少量由于與大部分排 放減少策略相關(guān)的NOx柴油機(jī)微粒排放和燃料經(jīng)濟(jì)性權(quán)衡而對發(fā)動機(jī) 設(shè)計提出持續(xù)的挑戰(zhàn)。對于公路和非公路在用車，也需要減少排放。
傳統(tǒng)上，已有兩種主要形式的往復(fù)活塞式或旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)。這些 形式是柴油發(fā)動機(jī)和火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)。雖然這些發(fā)動機(jī)類型具有相 似的結(jié)構(gòu)和機(jī)械運(yùn)行方式，但是每個發(fā)動機(jī)彼此卻具有截然不同的獨(dú) 特運(yùn)行特性。柴油發(fā)動機(jī)通過燃油噴射的定時來控制燃燒始點(diǎn)(SOC)。 火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)通過火花定時來控制SOC。因此，柴油發(fā)動機(jī)和火 花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)存在重大區(qū)別。預(yù)混合裝料(charge) 火花點(diǎn)火天然氣或汽油發(fā)動機(jī)(諸如客車汽油發(fā)動機(jī)和稀薄燃燒天然 氣發(fā)動機(jī))相對于柴油發(fā)動機(jī)具有的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)低NOx和微 粒排放水平。柴油發(fā)動機(jī)相對于預(yù)混合裝料火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)具有的主要優(yōu)點(diǎn)是較高的熱效率。
柴油發(fā)動機(jī)的效率較高的一個原因是能夠使用比火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)更高的壓縮比，因?yàn)榛鸹c(diǎn)火式發(fā)動機(jī)中的壓縮比必須保持相對較低以避免爆震。然而，典型的柴油發(fā)動機(jī)不能實(shí)現(xiàn)用預(yù)混合裝料火花
點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的非常低的NOx和微粒排放水平。由于柴油機(jī)內(nèi)燃燒的混合受控性， 一大部分的燃料以非常富燃料的當(dāng)量比存在，已知這會導(dǎo)致微粒排放。第二個因素是在燃料和空氣以接近導(dǎo)致高溫的化學(xué)計量當(dāng)量比存在時，在柴油發(fā)動機(jī)中發(fā)生燃燒。該高溫轉(zhuǎn)而引起較高的NOx排放。因此，存在對燃燒過程進(jìn)行控制的迫切需要，不僅需要減少發(fā)動機(jī)排出的排放物，而且需要產(chǎn)生加強(qiáng)后處理設(shè)備的運(yùn)行并改善其效率的廢氣組成和溫度。
對缸內(nèi)燃燒過程的控制可以通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)設(shè)計和運(yùn)行參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。發(fā)動機(jī)設(shè)計參數(shù)包括但不限于發(fā)動機(jī)壓縮比、行程缸徑比、噴射系統(tǒng)設(shè)計、燃燒室設(shè)計(例如碗式設(shè)計(bowldesign )、再進(jìn)入幾何結(jié)構(gòu)、擠壓面積)、進(jìn)氣口和排氣口設(shè)計、進(jìn)氣閥和排氣閥的數(shù)量、閥定時，以及渦輪增壓器幾何結(jié)構(gòu)。對于任何特定的發(fā)動機(jī)設(shè)計，還可以對運(yùn)行變量進(jìn)行優(yōu)化。這些變量包括但不限于噴射壓力、噴射定時、噴射事件的數(shù)量(預(yù)噴射、主噴射、分裂主噴射、后噴射或其組合)、每個事件中的噴射率、每個事件的持續(xù)時間、噴射事件之間的間歇、EGR(廢氣再循環(huán))比、EGR冷卻、渦流比和渦輪增壓器運(yùn)行
已開發(fā)或仍正在開發(fā)許多類型的后處理設(shè)備以減少柴油發(fā)動機(jī)中諸如NOx和PM的發(fā)動機(jī)排出的排放物。每個后處理設(shè)備的效率主要取決于廢氣特性，諸如溫度和包括諸如NOx、碳?xì)浠衔锖吞?煤煙)等不同種類之間的比的組成。此外，這里該廢氣特性主要取決于燃燒過程。
柴油發(fā)動機(jī)中的燃燒過程的精確控制要求指示燃燒過程的反饋信號。目前，最常考慮到的信號是由石英晶體壓力換能器或其它類型的壓力換能器測量的氣缸氣體壓力。氣缸壓力換能器的使用受限于實(shí)驗(yàn)室的配置，而且由于其高成本和實(shí)際運(yùn)行條件下的有限耐用性而不能在生產(chǎn)發(fā)動機(jī)中使用。

發(fā)明內(nèi)容
此外，本文描述的是燃燒過程期間壓燃式發(fā)動機(jī)的氣缸中的NOx的廉價的直接指示器，其不需要對氣缸蓋進(jìn)行修改或僅需要對氣缸蓋進(jìn)行很小的修改并給出信號，該信號可用于控制在柴油發(fā)動機(jī)等中的燃燒過程和發(fā)動機(jī)排出的廢氣，尤其是NOx。
在一個實(shí)施例中，通過接收指示燃燒室中的離子濃度的離子電流信號并通過基于該離子電流信號與NOx排放之間的導(dǎo)出關(guān)系確定NOx排放，來確定壓燃式發(fā)動機(jī)的燃燒室中形成的NOx排放。部分地基于導(dǎo)出的NOx排放來控制該發(fā)動機(jī)。
該關(guān)系是通過接收來自離子電流傳感器的離子電流信號和從NOx排放測量設(shè)備獲得的NOx廢氣排放數(shù)據(jù)，將離子電流信號與NOx排放數(shù)據(jù)相比較，并通過NOx排放數(shù)據(jù)和離子電流數(shù)據(jù)來擬合函數(shù)而導(dǎo)出的。這可以通過創(chuàng)建NOx排放相對離子電流幅度的圖并通過該圖來擬合函數(shù)而實(shí)現(xiàn)。在一個實(shí)施例中，該函數(shù)是每單位離子電流的NOx體積分?jǐn)?shù)。
在一個實(shí)施例中，對于壓燃式發(fā)動機(jī)的每個腔室導(dǎo)出NOx排放與離子電流之間的關(guān)系。這是通過接收指示每個氣缸中的離子濃度的離子電流信號和NOx排放數(shù)據(jù)并導(dǎo)出其關(guān)系來實(shí)現(xiàn)，該關(guān)系在一個實(shí)施例中是在多個氣缸之一中流動的每單位離子電流的NOx體積分?jǐn)?shù)。對于該關(guān)系，可以導(dǎo)出其它函數(shù)。對于每個氣缸，基于離子電流所指示的氣缸中所導(dǎo)出的NOx排放來調(diào)整燃料噴射、EGR(廢氣再循環(huán))比等參數(shù)。
其它特征和優(yōu)點(diǎn)將通過參照附圖而進(jìn)行的例示性實(shí)施例的以下詳細(xì)說明而變得顯而易見。


9并入本說明書并構(gòu)成本說明書的 一部分的附圖例示了本文所描述的技術(shù)的幾個方面，并連同說明書一起用于解釋所述技術(shù)的原理。在
附圖中
圖l是所述技術(shù)可以在其中運(yùn)行的代表性環(huán)境的示意圖2是其中可以并入所述技術(shù)的電離模塊的方框圖3是燃燒壓力和電離電流相對發(fā)動機(jī)活塞曲軸轉(zhuǎn)角的圖解說
明；
圖4是示出了 NOx排放(被繪制為以百萬分率為單位的體積分?jǐn)?shù))與離子電流之間的關(guān)系圖的例子的圖表；
圖5是示出了被執(zhí)行以導(dǎo)出NOx排放與離子電流之間的關(guān)系的步驟的流程圖6是示出了用于導(dǎo)出NOx排放與離子電流之間的關(guān)系的部件的實(shí)施例的方框示意圖7是示出了被執(zhí)行以基于發(fā)動機(jī)運(yùn)行期間的離子信號來確定NOx排放的步驟的流程圖8是示出了用于基于離子電流和發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)來控制發(fā)動機(jī)的部件的實(shí)施例的方框示意圖；以及
圖9是示出了用于在每個氣缸中獨(dú)立地相對NOx排放來校準(zhǔn)離子電流和獨(dú)立地控制每個氣缸的實(shí)施例的方框示意圖。
雖然將結(jié)合某些實(shí)施例來描述所述技術(shù),但其意圖并不在于將其限制于那些實(shí)施例。相反，本發(fā)明的意圖是涵蓋包括在隨附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有替代、修改和等價物。
具體實(shí)施例方式
本文描述的裝置和方法當(dāng)在傳統(tǒng)、代用或可更新柴油機(jī)燃料上運(yùn)行時，基于在不同設(shè)計的壓燃式發(fā)動機(jī)中的壓縮過程期間產(chǎn)生的離子電流來確定NOx排放，而不需要使用缸內(nèi)NOx傳感器或廢氣中的NOx測量。
首先參照圖1,示出了本發(fā)明的裝置和方法在其中運(yùn)行的示例性系統(tǒng)IOO。該系統(tǒng)包括電離模塊102、驅(qū)動器104、發(fā)動機(jī)電子控制單元(ECU) 106，以及柴油發(fā)動機(jī)。電離模塊102經(jīng)由例如CAN (控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線108與ECU106及其它模塊通信。雖然單獨(dú)地示出了電離模塊102、驅(qū)動器104和發(fā)動機(jī)控制單元106，但是應(yīng)認(rèn)識到部件102、 104、 106可以組合成單個模塊或者作為具有其它輸入端和輸出端的發(fā)動機(jī)控制器的一部分。部件102和106通常包括各種計算機(jī)可讀介質(zhì)。計算機(jī)可讀介質(zhì)是能夠由部件102、 106訪問的任何可用介質(zhì)并包括易失性和非易失性介質(zhì)、可移動和不可移動介質(zhì)。柴油發(fā)動機(jī)包括發(fā)動機(jī)氣缸110，每個氣缸具有活塞、進(jìn)氣閥和排氣閥(未示出)。進(jìn)氣歧管通過進(jìn)氣閥與氣缸IIO連通。排氣歧管經(jīng)由排氣閥接收來自氣缸的廢氣?？梢噪娮拥?、機(jī)械地、液壓地或氣動地控制進(jìn)氣閥和排氣閥或經(jīng)由凸輪軸來控制進(jìn)氣閥和排氣閥。燃料噴射器112經(jīng)由噴嘴114將燃料116噴射到氣缸110中。燃料可以是傳統(tǒng)的石油基燃料、石油基代用燃料、可更新燃料或上述燃料的任何組合。離子感測裝置118被用來感測離子電流，并且還可以用來在冷啟動期間點(diǎn)燃?xì)飧?10的燃燒室120中的空氣/燃料混合物。或者，可以用電熱塞來使氣缸升溫以改善發(fā)動機(jī)的冷啟動特性并感測離子電流。
離子感測裝置118具有電絕緣、間隔開并暴露于柴油發(fā)動機(jī)的氣缸內(nèi)的燃燒產(chǎn)物的兩個電極。其可以是具有中心電極和一個或多個間隔開的側(cè)電極的火花塞、與發(fā)動機(jī)機(jī)體絕緣的電熱塞(其中電熱塞和發(fā)動機(jī)機(jī)體兩者均充當(dāng)電極)、組合的等離子體發(fā)生器和離子傳感器等的形式。離子感測裝置118接收由兩個電極之間的驅(qū)動器104提供的電壓，該電壓在兩個電極之間存在氮氧化物及其它燃燒產(chǎn)物的情況下使電流在兩個電極之間流動。驅(qū)動器104向離子感測裝置118供電。驅(qū)動器104還提供高能放電以保持離子感測裝置的離子感測檢測區(qū)免受燃料污染和積碳。雖然被示為與燃料噴射器112分開，但是離子感測裝置118可以與燃料噴射器112集成。
電離模塊包含用于檢測并分析電離信號的電路。在所示實(shí)施例中，如圖2所示，電離模塊102包括電離信號檢測模塊130、電離信號分
ii析器132，以及電離信號控制模塊134。為了檢測氣缸中的離子濃度， 電離模塊102向離子感測裝置118供電并經(jīng)由電離信號檢測模塊130 測量來自離子感測裝置118的電離電流。電離信號分析器132接收來 自電離信號檢測模塊130的電離信號并確定諸如燃燒開始和燃燒持續(xù) 時間等不同的燃燒參數(shù)。電離信號控制模塊134控制電離信號分析器 132和電離信號檢測模塊130。電離信號控制模塊134如下所述向發(fā)動 機(jī)ECU106提供指示。在一個實(shí)施例中，電離模塊102向發(fā)動機(jī)系統(tǒng) 中的其它模塊發(fā)送指示。雖然單獨(dú)地示出了電離信號檢測模塊130、 電離信號分析器132以及電離信號控制模塊134，但應(yīng)認(rèn)識到可以將 它們組合成單個模塊和/或作為具有其它輸入端和輸出端的發(fā)動機(jī)控 制器的一部分。現(xiàn)在返回圖1, ECU106接收來自電離模塊的反饋并 控制燃料噴射器112，且可以控制諸如空氣輸送系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)等其 它系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)改善的發(fā)動機(jī)性能、更好的燃料經(jīng)濟(jì)性和/或低廢氣排 放。
離子電流信號可以與燃燒期間產(chǎn)生的NOx排放水平和缸內(nèi)壓力相 關(guān)聯(lián)。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，示出了4缸、2L直噴式渦輪增壓的柴油發(fā)動機(jī) 中的氣缸之一 中測量的離子電流和氣體壓力的示例。運(yùn)行條件是 75Nm轉(zhuǎn)矩、1600rpm、 40。/。EGR，以及13。bTDC (在上止點(diǎn)前)的 標(biāo)度噴射定時。離子電流跡線140示出了不能由火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)中 的研究結(jié)果來解釋的兩個峰值，其中第一峰值是由火焰前鋒中的化學(xué) 電離導(dǎo)致，在柴油發(fā)動機(jī)中不是這種情況，第二峰值是由熱電離導(dǎo)致。 氣體壓力跡線142清晰地示出了冷焰開始的自動點(diǎn)火，其導(dǎo)致氣缸中 氣體壓力的輕微增加。已知由冷焰釋放的能量相當(dāng)小并會導(dǎo)致燃燒氣 體溫度的輕微增加。可以預(yù)期在此期間產(chǎn)生的離子的濃度相當(dāng)?shù)?。?冷焰結(jié)束時，離子電流開始在大約半曲軸轉(zhuǎn)角度bTDC (點(diǎn)144)急 劇增加。
在所示例子中，離子電流在從其起始點(diǎn)開始的3CAD (曲軸轉(zhuǎn)角 度)之后達(dá)到頂點(diǎn)(點(diǎn)146)。至此，預(yù)混合的燃燒份額的裝料中發(fā) 生燃燒。在此期間燃耗的裝料的量及相應(yīng)的溫升取決于許多因素，包
12總長度、燃料噴射的速率，以及燃料蒸發(fā)的
速率和與裝料中的新鮮氧氣混合的速率。離子電流在約3個曲軸轉(zhuǎn)角 或約0.3ms到達(dá)相當(dāng)高的峰值，在此之后下降，到達(dá)底部值(點(diǎn)148)， 開始以較慢的速率增加并在10。aTDC (上止點(diǎn)后)到達(dá)第二峰值(點(diǎn) 150 )。這表明導(dǎo)致第二峰值的離子形成速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于導(dǎo)致第一峰值的 離子形成速率。導(dǎo)致第二峰值的較慢的離子形成速率可以歸因于未燃 燃料與剩余裝料的較慢的混合速率，由膨脹行程中的活塞運(yùn)動引起的 燃燒產(chǎn)物的溫降，以及氣缸壁的冷卻損耗的增加。由于第二峰值中的 電離遵循與混合控制和擴(kuò)散控制的燃燒份額相同的特性，所以理應(yīng)認(rèn) 為這是由該燃燒狀況所導(dǎo)致。這里，電離是由化學(xué)電離與熱電離的組 合所導(dǎo)致。在第二峰值之后，電離信號以慢速率下降，這是由膨脹行 程期間氣體溫度的逐漸下降而導(dǎo)致。在此圖中，在約30~40度的曲軸 轉(zhuǎn)角期間檢測到電離。
離子和NOx兩者的形成速率都取決于許多發(fā)動機(jī)設(shè)計參數(shù)和用來 使該發(fā)動機(jī)運(yùn)行的燃料的特性。 一個發(fā)動機(jī)的設(shè)計參數(shù)可能不同于另 一發(fā)動機(jī)的設(shè)計參數(shù)，且該設(shè)計參數(shù)包括但不限于以下各項(xiàng)壓縮比、 行程缸徑比、燃燒室的表面積與體積之比、進(jìn)氣口和排氣口及閥設(shè)計、 閥定時、燃燒室設(shè)計、噴射系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)。該噴 射系統(tǒng)參數(shù)包括但不限于噴射壓力、噴嘴幾何形狀、燃燒室中的侵入 體、噴嘴孔的數(shù)目、其尺寸及形狀和所包括的噴射角。影響燃燒過程、 NOx形成和離子電流的重要燃料特性包括氫碳比、蒸餾范圍、揮發(fā)性 和十六烷值。因此， 一個發(fā)動機(jī)與另一個發(fā)動機(jī)之間的設(shè)計參數(shù)的變 化和燃料特性的變化影響氣缸氣體溫度和壓力、混合物形成，以及燃
燒室中的當(dāng)量比的分布，所有這些均影響離子和NOx的形成。
通過前述內(nèi)容可以看出，離子電流可以用來確定NOx。還可以看 出，應(yīng)關(guān)于每種牌子和型號的發(fā)動機(jī)及對于所使用的每種類型的燃料 的NOx排放來校準(zhǔn)離子電流信號。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4，示出了多缸發(fā)動機(jī) 中的離子電流信號的校準(zhǔn)的示例。圖4是發(fā)動機(jī)排出的NOx排放物(被 繪制為以百萬分率為單位的體積分?jǐn)?shù))根據(jù)負(fù)荷和EGR百分比在大
13范圍的運(yùn)行條件下相對在1600rpm的四個氣缸中測量的離子電流峰 值的總和的圖，該大范圍的運(yùn)4亍條件為EGR: 40%、 45%、 50%和 55%;轉(zhuǎn)矩25Nm、 50Nm和75Nm;以及在11。bTDC與25。bTDC 之間變化的噴射定時。從該圖可以清楚看出，離子電流峰值的幅度與 NOx排放的水平之間存在關(guān)系。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖5，示出了確定離子電流峰值的幅度與NOx排放的水 平之間的關(guān)系的步驟。接收到來自離子電流傳感器的離子電流信號(步 驟160)。接收到來自N(^標(biāo)準(zhǔn)排放測量設(shè)備的發(fā)動機(jī)排出的NOx排 放物(步驟162)。比較NOx排放數(shù)據(jù)和離子電流信號(步驟164) 并導(dǎo)出NOx排放與離子電流之間的關(guān)系(步驟166)?？梢酝ㄟ^繪制 NOx排放相對離子電流幅度的圖并通過該數(shù)據(jù)擬合函數(shù)而導(dǎo)出該關(guān) 系。該函數(shù)可以是線性曲線、分段線性曲線、多項(xiàng)式函數(shù)、指數(shù)函數(shù) 等。該關(guān)系被發(fā)送到適當(dāng)?shù)目刂颇K(步驟168),諸如電離模塊104、 ECU106等。
圖6示出了校準(zhǔn)離子電流信號的一種執(zhí)行方式。在發(fā)動機(jī)200的 運(yùn)行期間，NOx排放測量儀表202通過取樣探針206繪制出來自排氣 歧管204的廢氣的樣本，確定NOx排放并將其顯示在可選的顯示單元 208上。在一個實(shí)施例中，以單位為ppm (百萬分率)的體積分?jǐn)?shù)來 確定NOx排放。NOx排放測量儀表202將NOx數(shù)據(jù)發(fā)送給校準(zhǔn)模塊 210。為了例示的目的，校準(zhǔn)模塊210被示為單獨(dú)的部件。校準(zhǔn)模塊可 以是獨(dú)立模塊、電離模塊102的一部分或ECU106的一部分。由離子 探針產(chǎn)生離子電流信號212，該離子探針的電極暴露給發(fā)動機(jī)的燃燒 室120中的燃燒產(chǎn)物。校準(zhǔn)模塊210接收離子電流信號212和來自排 放測量單元的信號，該排放測量單元測量氣缸的廢氣中的NOx的體積 分?jǐn)?shù)。校準(zhǔn)模塊210關(guān)于NOx來校準(zhǔn)離子電流信號212。 一旦離子信 號在一種運(yùn)行條件下被校準(zhǔn)，則可以在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和運(yùn)行模式 的整個范圍內(nèi)使用。校準(zhǔn)模塊210的輸出給出NOx與離子電流之間的 關(guān)系(例如以ppm為單位的NOx的體積分?jǐn)?shù)與離子電流)，該輸出 被饋送到ECU106并在發(fā)動機(jī)的控制下使用。校準(zhǔn)模塊還可以將該輸出饋送到該運(yùn)行環(huán)境內(nèi)的其它模塊。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖7和圖8，在運(yùn)行期間，ECU106接收離子電流信號 (步驟220)，分析該離子電流信號并確定關(guān)鍵燃燒參數(shù)，諸如燃 燒始點(diǎn)、放熱率、預(yù)混合的燃燒份額引起的最高放熱率、預(yù)混合的燃 燒份額與混合和擴(kuò)散控制的燃燒份額之間的最低放熱率、混合和擴(kuò)散 控制的燃燒份額引起的最高放熱率，以及膨脹行程期間的放熱的衰減 率?；谠撔畔?，將ECU106被編程為向不同的促動器發(fā)出信號并控 制發(fā)動機(jī)中的所有系統(tǒng)。ECU106經(jīng)由校準(zhǔn)模塊210基于導(dǎo)出的關(guān)系 來確定NOx排放(步驟222 )并結(jié)合發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)220來控制發(fā)動 機(jī)200的運(yùn)行(步驟224 ) 。 ECU106可以控制發(fā)動機(jī)以使NOx排放 最小化，改善NOx與諸如微粒物質(zhì)、 一氧化碳、碳?xì)浠衔?，以及?醛等其它排放之間的權(quán)衡。ECU106還可以使用校準(zhǔn)后的信號來控制 發(fā)動機(jī)參數(shù)且增加發(fā)動機(jī)功率輸出并改善其效率。離子電流信號212 可以是來自一個氣缸，或者可選地是來自多缸發(fā)動機(jī)中的所有氣缸的 離子電流的和。在一個實(shí)施例中，廢氣取樣探針206^J改置在氣缸之 一的歧管中或者可選地放置在來自氣缸的所有廢氣匯集的位置。校準(zhǔn) 模塊210可以用來隨著發(fā)動機(jī)隨時間而變、隨著添加新的部件等來更 新NOx排放-離子電流關(guān)系。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖9， ECU106可以單獨(dú)地控制發(fā)動機(jī)200的每個氣缸。 由校準(zhǔn)模塊210x (其中x指示氣缸號碼)來校準(zhǔn)來自每個氣缸的離子 信號212x并將離子信號212x饋送到獨(dú)立于其它氣缸地控制每個氣缸的 參數(shù)的ECU106中。ECU106使用校準(zhǔn)模塊輸出來確定相應(yīng)發(fā)動機(jī)氣 缸(例如氣缸1、氣缸2等)中的NOx并結(jié)合每個氣缸的運(yùn)行參數(shù)240x 來控制特定氣缸的運(yùn)行。雖然為了清楚而示出了 x數(shù)量個校準(zhǔn)模塊， 但是校準(zhǔn)模塊可以在單個校準(zhǔn)模塊中、作為電離模塊的一部分、作為 ECU106的一部分等等。ECU106可以控制每個氣缸以使NO、排放最 小化，對于每個氣缸改善NOx與諸如微粒物質(zhì)、 一氧化碳、碳?xì)浠?物，以及乙醛等其它排放之間的權(quán)衡。ECU106可以控制整個發(fā)動機(jī) 以使NOx排放最小化，改善整個發(fā)動機(jī)的NOx與諸如微粒物質(zhì)、 一氧化碳、碳?xì)浠衔铮约耙胰┑绕渌欧胖g的權(quán)衡。例如，通過調(diào) 整每個氣缸中的燃料噴射參數(shù)能平衡多缸柴油發(fā)動機(jī)中的氣缸的輸
出。這種平衡改善氣缸之間的負(fù)荷分配并改善整個發(fā)動機(jī)的運(yùn)行、燃 料經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動機(jī)排放。
通過前述內(nèi)容可以看出，NOx排放與離子電流幅度之間的關(guān)系能 被確定并在柴油發(fā)動機(jī)的控制中使用。將離子電流與測量的NOx排放 相比較以確定該關(guān)系。然后通過根據(jù)所測量的離子電流來確定NOx排 放而在運(yùn)行期間使用該關(guān)系。
除非本文另外指明或明顯與上下文矛盾，否則在描述本發(fā)明的上 下文(特別是在以下權(quán)利要求書的上下文)中使用的術(shù)語"一個"、"一 種，，和"該，，及類似引用應(yīng)理解為涵蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)兩者。除非另有說明， 否則術(shù)語"包含，，、"具有，，，以及"包括，，應(yīng)理解為開放式術(shù)語(即意指"包 括但不限于")。除非本文另外指明，否則本文中數(shù)值范圍的列舉僅僅 旨在用作個別地引用落入該范圍內(nèi)的每個單獨(dú)值的簡化方法，并且每 個單獨(dú)的值被并入本說明書中，如同在本文中個別陳述的一樣。除非 本文另外指明或明顯與上下文矛盾，否則可以任何適當(dāng)?shù)捻樞騺韴?zhí)行 本文所述的所有方法。除非另作要求，否則本文提供的任何和所有示 例或示例性語言(例如，"諸如")的使用僅僅旨在更好地說明本發(fā)明 并不造成對本發(fā)明的范圍的限制。不應(yīng)將本說明書中的語言理解為將 任何未要求的元素指示為對于本發(fā)明的實(shí)踐是必不可少的。
本文描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，該優(yōu)選實(shí)施例包括本發(fā)明人所 知的執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式。閱讀前述描述內(nèi)容時，那些優(yōu)選實(shí)施例 的變化對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說變得顯而易見。本發(fā)明人期望本領(lǐng) 域技術(shù)人員適當(dāng)?shù)夭捎么祟愖兓?，且本發(fā)明人的意圖是以與本文具體 描述的內(nèi)容不同的方式來實(shí)踐本發(fā)明。因此，本發(fā)明包括可適用法律 允許的隨附權(quán)利要求中引用的主題的所有修改和等同內(nèi)容。此外，除 非本文另外指明或明顯與上下文矛盾，否則本發(fā)明涵蓋上述元素在其 所有可能變化中的任何組合。
權(quán)利要求
1. 一種確定壓燃式發(fā)動機(jī)的燃燒室中形成的氮氧化物(NOx)排放的方法，包括以下步驟接收指示所述燃燒室中的離子濃度的離子電流信號；基于所述離子電流信號與NOx排放之間的導(dǎo)出關(guān)系來確定所述NOx排放。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括基于發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)和導(dǎo)出 的NOx排放來控制所述壓燃式發(fā)動機(jī)的步驟。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括導(dǎo)出所述離子電流信號與NOx 排放之間的所述導(dǎo)出關(guān)系的步驟。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，導(dǎo)出所述導(dǎo)出關(guān)系的步驟包 括以下步驟接收來自離子電流傳感器的離子電流信號； 接收來自廢氣排放測量設(shè)備的NOx排放數(shù)據(jù)； 將所述離子電流信號與所述NOx排放數(shù)據(jù)相比較；以及 通過所述NOx排放數(shù)據(jù)和離子電流信號來擬合函數(shù)。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，通過所述NOx排放數(shù)據(jù)和離 子電流信號來擬合函數(shù)的步驟包括以下步驟創(chuàng)建NOx排放相對離子電流幅度的圖；以及 通過所述圖來擬合函數(shù)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，通過所述圖來擬合函數(shù)的步 驟包括通過所述圖來擬合線性函數(shù)或分段線性函數(shù)之一。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，通過所述圖來擬合函數(shù)的步 驟包括通過所述圖來擬合數(shù)學(xué)函數(shù)。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述擬合函數(shù)的步驟包括擬 合作為每單位離子電流的NOx體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。
9. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，導(dǎo)出所述離子電流信號與NOx 排放之間的所述導(dǎo)出關(guān)系的步驟包括用校準(zhǔn)模塊來導(dǎo)出所述導(dǎo)出關(guān)系 的步驟，所述校準(zhǔn)模塊接收來自廢氣排放測量設(shè)備的NOx排放并接收 來自離子電流測量裝置的離子電流信號。
10. —種具有用于執(zhí)行權(quán)利要求1的步驟的計算機(jī)可執(zhí)行指令的計 算機(jī)可讀介質(zhì)。
11. 如權(quán)利要求10所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，還具有用于執(zhí)行包括計算機(jī)可執(zhí)行指令,
12.如權(quán)利要求10所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，還具有用于執(zhí)行導(dǎo)出 離子電流信號與NOx排放之間的所述導(dǎo)出關(guān)系的步驟的計算機(jī)可執(zhí)行 指令。
13.如權(quán)利要求12所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，導(dǎo)出所述導(dǎo)出 關(guān)系的步驟包括以下步驟接收來自離子電流傳感器的離子電流信號；接收來自廢氣排放測量設(shè)備的NOx排放數(shù)據(jù)；將所述離子電流信號與所述NOx排放數(shù)據(jù)相比較；以及通過所述NOx排放數(shù)據(jù)和離子電流信號來擬合函數(shù)。
14. 如權(quán)利要求13所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，通過所述NOx 排放數(shù)據(jù)和離子電流信號來擬合函數(shù)的步驟包括以下步驟創(chuàng)建N(V排放相對離子電流幅度的圖；以及 通過所述圖來擬合函數(shù)。
15. 如權(quán)利要求14所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，通過所述圖來 擬合函數(shù)的步驟包括以下之一通過所述圖來擬合線性函數(shù)，通過所 述圖來擬合分段線性函數(shù)或通過所述圖來擬合一種形式的數(shù)學(xué)函數(shù)。
16. 如權(quán)利要求13所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，所述擬合函數(shù) 的步驟包括擬合作為每單位離子電流的NOx體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。
17. 如權(quán)利要求12所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，導(dǎo)出所述離子 電流信號與NOx排放之間的所述導(dǎo)出關(guān)系的步驟包括用校準(zhǔn)模塊來導(dǎo) 出所述導(dǎo)出關(guān)系的步驟，所述校準(zhǔn)模塊接收來自廢氣排放測量設(shè)備的 NOx排放并接收來自離子電流測量裝置的離子電流信號。
18. 如權(quán)利要求10所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，所述壓燃式發(fā) 動機(jī)具有多個燃燒室，所述計算機(jī)可讀介質(zhì)還具有用于執(zhí)行下述步驟 的計算機(jī)可執(zhí)行指令對于所述多個燃燒室中的每個燃燒室，接收指示所述多個燃燒室 之一內(nèi)部的離子濃度的離子電流信號；對于所述多個燃燒室中的每個燃燒室，基于所述離子電流信號與 NOx排放之間的導(dǎo)出關(guān)系來確定所述NOx排放。
19. 如權(quán)利要求18所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，還具有用于執(zhí)行下述 步驟的計算機(jī)可執(zhí)行指令對于所述多個燃燒室中的每個燃燒室基于由來自所述多個燃燒室之一的離子電流信號導(dǎo)出的NOx排放來控制至少 一個發(fā)動機(jī)參數(shù)。
20. 如權(quán)利要求19所述的計算才幾可讀介質(zhì)，其中，調(diào)整至少一個 發(fā)動機(jī)參數(shù)的步驟包括調(diào)整至少一個燃料噴射參數(shù)和至少一個氣缸運(yùn) 行參數(shù)的步驟。
21. 如權(quán)利要求19所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，還具有用于執(zhí)行下述 步驟的計算機(jī)可執(zhí)行指令對于所述多個燃燒室中的每個燃燒室，確定作為在所述多個燃燒 室之一中流動的每單位離子電流的NOx體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。
22. 如權(quán)利要求10所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，所述壓燃式發(fā) 動機(jī)具有多個燃燒室，所述計算機(jī)可讀介質(zhì)還具有用于執(zhí)行下述步驟 的計算機(jī)可執(zhí)行指令對于所述多個燃燒室中的每個燃燒室，接收指示所述多個燃燒室 之一內(nèi)部的離子濃度的離子電流信號；基于來自所述多個燃燒室的離子電流信號與所述多個燃燒室的 NOx排放之間的導(dǎo)出關(guān)系來確定所迷NOx排放。
23. 如權(quán)利要求22所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，還具有用于執(zhí)行下述 步驟的計算機(jī)可執(zhí)行指令對于所述多個燃燒室中的每個燃燒室基于由來自所述多個燃燒室的離子電流信號導(dǎo)出的NOx排放來控 制至少一個發(fā)動機(jī)參數(shù)。
24. 如權(quán)利要求23所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，控制至少一個 發(fā)動機(jī)參數(shù)的步驟包括控制至少 一個燃料噴射參數(shù)和至少 一個氣缸運(yùn) 行參數(shù)的步驟。
25.如權(quán)利要求22所述的計算機(jī)可讀介質(zhì)，還具有用于執(zhí)行下述 步驟的計算機(jī)可執(zhí)行指令對于整個發(fā)動機(jī)，確定作為在所述多個燃燒室中流動的每單位離 子電流的NOx體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及將離子電流用于柴油發(fā)動機(jī)中的缸內(nèi)NOx檢測。其中本發(fā)明提出了一種技術(shù)，其以傳統(tǒng)石油基燃料、其它代用燃料或可更新燃料燃燒期間的循環(huán)為基礎(chǔ)利用離子電流來確定柴油發(fā)動機(jī)的燃燒室中產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)的濃度。該技術(shù)使用連接到發(fā)動機(jī)控制單元(ECU)的離子電流測量裝置、校準(zhǔn)裝置和信號處理裝置。該離子電流感測裝置設(shè)置在發(fā)動機(jī)的腔室中，以測量燃燒過程期間產(chǎn)生的離子電流。該校準(zhǔn)裝置利用發(fā)動機(jī)的排氣口或歧管中測量的NOx值來校準(zhǔn)離子電流信號。校準(zhǔn)后的離子電流信號被饋送給連接到ECU的處理器中以調(diào)整各種運(yùn)行參數(shù)，以便改善NOx與其它排放物、燃料經(jīng)濟(jì)性和功率輸出之間的權(quán)衡。
文檔編號F02D41/14GK101501317SQ200780030169
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月14日
發(fā)明者納伊姆·A·赫內(nèi)恩 申請人:納伊姆·A·赫內(nèi)恩