專利名稱：用于發(fā)動機管理系統(tǒng)的燃燒溫度估計系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機管理系統(tǒng)，且更具體地涉及用于發(fā)動機管理系統(tǒng)的燃燒溫度估計系統(tǒng)和方法，該發(fā)動機管理系統(tǒng)估計發(fā)動機排出的氮氧化物(NOx)水平。
背景技術：
在此提供的背景說明是為了總體上介紹本發(fā)明背景的目的。當前所署名發(fā)明人的工作(在背景技術部分描述的程度上)和本描述中否則不足以作為申請時的現(xiàn)有技術的各方面，既不明顯地也非隱含地被承認為與本發(fā)明相抵觸的現(xiàn)有技術。
發(fā)動機管理系統(tǒng)可需要生成用于后處理控制系統(tǒng)的發(fā)動機排出NOx估計值或測量值。僅舉例來說，后處理控制系統(tǒng)可采用該NOx估計值或測量值用于貧NOx捕集器(LNT)填充估計、在選擇性催化還原(SCR)中的還原劑計量策略等。
一些發(fā)動機管理系統(tǒng)采用設置在排氣流中的NOx傳感器來直接測量NOx水平。然而，NOx傳感器是昂貴的且趨于在車輛的壽命中失效，這可增加保修成本。其它發(fā)動機管理系統(tǒng)采用模型來生成NOx估計值而不是采用NOx傳感器來直接測量NOx水平。僅舉例來說， 該模型可采用基于發(fā)動機速度、負載和/或其它變量來輸出NOx估計值的映射圖或圖表。雖然這種方法更為便宜，但是該方法比采用NOx傳感器來直接測量NOyK平的發(fā)動機管理系統(tǒng)精確性更差。

發(fā)明內(nèi)容
火焰溫度估計器包括估計絕熱火焰溫度的絕熱火焰溫度模塊。溫度降低模塊基于發(fā)動機的空氣-燃料比來估計絕熱火焰溫度的溫度降低。燃燒溫度趨勢模塊基于溫度降低和絕熱火焰溫度來生成燃燒溫度趨勢。
在其它特征中，絕熱火焰溫度模塊基于燃燒室壓力和塊體溫度(bulk temperature)來估計絕熱火焰溫度。燃燒溫度趨勢模塊采用多方變換(polytropic transform)來計算燃燒溫度趨勢。燃燒溫度趨勢模塊計算燃燒溫度趨勢。
在另外的特征中，燃燒溫度趨勢模塊還基于如下等式來計算燃燒溫度趨勢 Tcomb tmp (k) = Tcomb tmp(k-l)+kfiltl * (Tbulk (k) -Tcomb tmp (k-1))；禾口
Tcofflb(k) = Tcofflb(k-1) +kfilt2 * (Tbulktmp(k)-Tcofflb(k-1)) 其中kfiltl和kfilt2是濾波器常數(shù)，Tcomb tmp (k0)是在燃燒時間1 時的絕熱火焰溫度， 且在燃燒時間 k0 時 Tcomb (k0) = Tbulk (k0)。
在其它特征中，標定模塊標定溫度降低與空氣燃料比之間的關系。空氣燃料比包括當前空氣燃料比除以化學計量空氣燃料比的比率。NOx估計系統(tǒng)基于絕熱火焰溫度、溫度降低和燃燒溫度趨勢中的至少一個來計算NOx估計值。NOx估計值獨立于發(fā)動機排出的NOx 水平的直接測量值而生成。
提供一種火焰溫度估計器，包括 絕熱火焰溫度模塊，所述絕熱火焰溫度模塊估計絕熱火焰溫度； 溫度降低模塊，所述溫度降低模塊基于發(fā)動機的空氣-燃料比來估計絕熱火焰溫度的溫度降低；和 燃燒溫度趨勢模塊，所述燃燒溫度趨勢模塊基于所述溫度降低和所述絕熱火焰溫度來生成燃燒溫度趨勢。
根據(jù)上述的火焰溫度估計器，所述絕熱火焰溫度模塊基于燃燒室壓力和塊體溫度來估計所述絕熱火焰溫度。
根據(jù)上述的火焰溫度估計器，所述燃燒溫度趨勢模塊采用多方變換來計算所述燃燒溫度趨勢。
根據(jù)上述的火焰溫度估計器，所述燃燒溫度趨勢模塊計算所述燃燒溫度趨勢。
根據(jù)上述的火焰溫度估計器，所述燃燒溫度趨勢模塊還基于如下等式來計算所述燃燒溫度趨勢 Tcomb tmp (k) = TCOfflb_tmp(k-l)+kfiltl * (Tbulk (k)-Tcomb tmp (k-1))；和 Tcofflb (k) = Tcofflb (k-1) +kfilt2 * (Tbulk tmp (k) -Tcofflb (k-1)) 其中，kfiltl和kfilt2是濾波器常數(shù)，Tcomb tmp(k0)是在燃燒時間1 時的絕熱火焰溫度，且在燃燒時間k0時Tcomb (k0) = Tbulk (k0)。
根據(jù)上述的火焰溫度估計器，還包括標定模塊，所述標定模塊標定所述溫度降低與所述空氣-燃料比之間的關系。
根據(jù)上述的火焰溫度估計器，所述空氣-燃料比包括當前空氣-燃料比除以化學計量空氣-燃料比的比率。
—種氮氧化物(NOx)估計系統(tǒng)，包括根據(jù)上述的火焰溫度估計器，其中，所述而^古計系統(tǒng)基于所述絕熱火焰溫度、所述溫度降低以及所述燃燒溫度趨勢中的至少一個來計算 NO5JS計值。
根據(jù)上述的NOx估計系統(tǒng)，所述NOx估計值獨立于發(fā)動機排出的NOx水平的直接測量值而生成。
一種用于估計火焰溫度的方法，包括 估計絕熱火焰溫度； 基于發(fā)動機的空氣-燃料比來估計所述絕熱火焰溫度的溫度降低；以及 基于所述溫度降低和所述絕熱火焰溫度而生成燃燒溫度趨勢。
根據(jù)上述的方法，還包括基于燃燒室壓力和塊體溫度來估計所述絕熱火焰溫度。
根據(jù)上述的方法，還包括采用多方變換來計算所述燃燒溫度趨勢。
根據(jù)上述的方法，還包括采用級聯(lián)式濾波器來計算所述燃燒溫度趨勢。
根據(jù)上述的方法，還包括進一步基于如下等式來計算所述燃燒溫度趨勢 Tcomb tmp (k) = Tcomb tmp (k-1)+kfiltl * (Tbulk (k) -Tcomb tmp (k-1))；禾口 Tcofflb (k) = Tcofflb (k-1) +kfilt2 * (Tbulk tmp (k) -Tcofflb (k-1)) 其中，kfiltl和kfilt2是濾波器常數(shù)，Tcomb tmp(k0)是在燃燒時間1 時的絕熱火焰溫度，且在燃燒時間k0時Tcomb (k0) = Tbulk (k0)。
根據(jù)上述的方法，還包括標定所述溫度降低與所述空氣-燃料比之間的關系。
根據(jù)上述的方法，所述空氣-燃料比包括當前空氣-燃料比除以化學計量空氣-燃料比的比率。
根據(jù)上述的方法，還包括基于所述絕熱火焰溫度、所述溫度降低以及所述燃燒溫度趨勢中的至少一個來計算NOx估計值。
本發(fā)明的進一步應用領域從后文所提供的詳細說明將顯而易見。應當理解的是， 詳細說明和具體示例僅旨在用于描述目的且不旨在限定本發(fā)明的范圍。


從詳細說明和附圖將能更全面地理解本發(fā)明，在附圖中 圖1是包括NOx估計模塊的示例性發(fā)動機管理系統(tǒng)的功能性框圖； 圖2是更詳細示出的示例性NOx估計模塊的功能性框圖； 圖3是NOx估計模塊的火焰溫度模塊的功能性框圖； 圖4是描述了隨角度而變的燃燒溫度的曲線圖； 圖5是隨λ而變的燃燒溫度降低(ΔΤ)的曲線圖； 圖6是描述了用于NOx估計模塊的溫度降低(或Δ Τ)的標定的功能性框圖； 圖7和8描述了采用級聯(lián)式濾波器的燃燒溫度發(fā)展趨勢的計算；以及 圖9描述了用于生成NOx估計值的方法的步驟。
具體實施例方式后述說明本質(zhì)上僅為示例性的，且絕不以任何方式限定本發(fā)明、其應用或使用。為了清楚起見，在附圖中相同的附圖標記將用于表示類似的元件。如在本文中所使用的，短語 Α、Β和C中的至少一個應當理解為表示采用非排他性邏輯“或”的邏輯(Α或B或C)。應當理解的是，方法中的步驟可采用不同的順序執(zhí)行而不改變本發(fā)明的原理。
如在本文中所使用的，術語“模塊”是指專用集成電路(ASIC)、電子電路、執(zhí)行一個或多個軟件或固件程序的處理器(共享的、專用的或者組)和存儲器、組合邏輯電路、和/ 或提供所述功能的其它合適部件。
現(xiàn)參考圖1，示出了示例性發(fā)動機系統(tǒng)。雖然示出的是柴油發(fā)動機系統(tǒng)10，但是本發(fā)明的教導可應用于其它類型的發(fā)動機中。柴油發(fā)動機系統(tǒng)10包括柴油發(fā)動機12、進氣歧管14、排氣歧管16、排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)17以及排氣系統(tǒng)18。
空氣被抽吸通過節(jié)氣門20進入進氣歧管14中并被分配至氣缸21。燃料通過共軌噴射系統(tǒng)(未示出)噴射到氣缸中?？諝庠跉飧?1中被壓縮且壓縮空氣的熱量將空氣 /燃料混合物點火?？諝?燃料混合物的燃燒生成燃燒力，以驅(qū)動在氣缸21中的活塞(未示出)?；钊D(zhuǎn)地驅(qū)動曲軸(未示出)。排氣從氣缸21排出通過排氣歧管16進入到排氣系統(tǒng)18中。壓力傳感器23可用來分別監(jiān)視每個氣缸21的燃燒室中的壓力。
排氣系統(tǒng)18包括選擇性催化還原(SCR)單元M和柴油顆粒過濾器(DPF) 26。SCR 單元M通過排氣管道28與排氣歧管16連通。
SCR單元M通過SCR過程從排氣中去除N0X。定量系統(tǒng)32將還原劑(例如，僅舉例來說，尿素)噴射到SCR單元M上游的排氣。用于有效SCR過程所要噴射的還原劑的量取決于排氣中NOx排放物的濃度。
DPF26配置在SCR單元M的下游，以從排氣中去除柴油顆粒物質(zhì)和/或碳煙。雖然DPM6設置在SCR單元M的下游，但是SCR單元M和DPF26的設置可顛倒。
EGR系統(tǒng)17包括與排氣管路沘連通的EGR管道;34、EGR閥36以及EGR冷卻器38。 EGR閥36控制被再循環(huán)到進氣歧管14中的排氣的量。EGR冷卻器38可用來冷卻再循環(huán)的排氣。
當排氣離開排氣歧管16時，排氣的一部分途經(jīng)EGR閥36到達進氣歧管14。排氣的其余部分被導向SCR單元24和DPF26。再循環(huán)的排氣在進氣歧管14中與由節(jié)氣門20引入的空氣相混合。進氣空氣的量由EGR流率、增壓水平、和/或進氣節(jié)氣門20控制。再循環(huán)排氣的量由EGR閥觀控制。
控制模塊40與多個傳感器通信并監(jiān)視和控制發(fā)動機操作。傳感器包括但不局限于進氣歧管絕對壓力(MAP)傳感器42、發(fā)動機速度傳感器44、空氣質(zhì)量流量(MAF)傳感器 46、進氣空氣溫度(IAT)傳感器48以及大氣壓力傳感器49。在一些實施方式中，在預制造車輛的標定期間，在排氣中可配備NOx傳感器50以測量發(fā)動機排出的N0X。
MAP傳感器42測量進氣歧管壓力。發(fā)動機速度傳感器44測量發(fā)動機速度(RPM)。 MAF傳感器46測量通過進氣歧管14的MAF。IAT傳感器48測量IAT。大氣壓力傳感器49 測量大氣壓力。在預制造車輛的標定期間，NOx傳感器50測量SCR下游排氣中的N0X。在正常操作期間，控制模塊40包括NOx估計模塊54，NOx估計模塊M基于基于多個感測和/或計算的發(fā)動機參數(shù)來估計發(fā)動機排出N0X，而不采用專用NOx傳感器。
現(xiàn)參考圖2_4，N0X估計模塊M示出為包括放熱模塊100、多區(qū)域燃燒模塊104、火焰溫度模塊108以及NOx預測模塊112。NOx估計模塊M將燃燒室分成多個區(qū)域、計算每個區(qū)域中的溫度并然后估計每個區(qū)域中的N0X。
對于每個燃燒區(qū)域，由火焰溫度模塊108計算理論絕熱火焰溫度。在第一步(在圖4中標記為步驟1)，火焰溫度模塊108采用由燃燒室壓力和塊體溫度標引的熱力學圖表來估計絕熱火焰溫度。在第二步(在圖4中標記為步驟幻，計算溫度降低(或ΔΤ)以便得到更逼真的燃燒溫度。在第三步(在圖4中標記為步驟幻，采用多方關系式來計算燃燒溫度發(fā)展趨勢或采用級聯(lián)式濾波器來近似燃燒溫度發(fā)展趨勢。
在圖3中，火焰溫度模塊108包括絕熱火焰溫度模塊120、溫度降低模塊124以及燃燒溫度趨勢模型128。絕熱火焰溫度模塊120估計絕熱火焰溫度，如本文所述。溫度降低模塊IM計算溫度降低，如本文所述。燃燒溫度趨勢模型1 計算燃燒溫度趨勢，如本文所述。標定模塊132可用來標定溫度降低與空氣-燃料比或λ之間的關系。
現(xiàn)參考圖5，溫度降低ΔΤ基于空氣/燃料比(或λ)來計算。λ是當前空氣/ 燃料比與化學計量比之間的比率。例如，可使用圖表。替代性地，可使用基于λ的其它標定技術、方程和/或物理模型。圖表的標定可通過使最終模型估計誤差(即，所估計的NOx 與測得的NOx之間的誤差)最小化來進行。根據(jù)實驗，溫度降低趨于具有類似于在圖5中所示形狀的形狀。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機排出NOx模型的僅發(fā)動機特有標定與隨λ而變的溫度降低相關。一旦被標定，圖表、模型或關系對于不同類型的發(fā)動機也可有效。圖表可采用離線標定方法來標定。溫度降低圖表也可采用在線方法來標定。在線標定方法包括使用用于開發(fā)的車隊、安裝測量發(fā)動機排出NOx的儀表裝置傳感器并允許標定。
在線標定也可在正常車輛使用期間(即，在制造中)通過當操作狀況允許后處理下游傳感器測量發(fā)動機排放物時允許周期性標定特征而執(zhí)行。僅舉例來說，當LNT操作于低捕集效率狀況時或當SCR在沒有還原劑的情況下操作時，這可能發(fā)生。
現(xiàn)參考圖6，在線標定方法基于NOx估計誤差的計算以及要應用于溫度降低的校正因子的連續(xù)計算。校正因子或溫度降低△ T可包括積分項，以便確保在短期穩(wěn)態(tài)工況期間該方法的收斂性。
僅舉例來說，NO5JS計模塊M接收模型輸入并生成NOx估計值(NOx。)。求和模塊
132生成測量NOx信號(NOx_ )與NOx估計值NOXe之間的差值errN。積分模塊140將積分項應用于差值eirN以生成校正因子或溫度降低ΔΤ。NOx估計模塊M接收模型輸入并進一步基于校正因子或溫度降低Δ T來生成NOx估計值()。
返回到圖3，燃燒溫度趨勢模塊1 生成燃燒溫度趨勢。根據(jù)本發(fā)明的另一方法與步驟⑶(或者步驟⑵和步驟⑶兩者一起)相關。燃燒溫度趨勢模塊1 可采用多方變換以預測在燃燒期間溫度的性能。然而，多方變換趨于具有高的計算負荷。
現(xiàn)參考圖7和8，不是采用多方變換，燃燒溫度趨勢模塊1 可采用兩個低通濾波器的級聯(lián)。該方法在幾乎無準確度損失的情況下減少了計算負荷。更具體地，在燃燒時間 k0 Tcombtmp (k0)=絕熱火焰溫度 Tcofflb (k0) = Tbulk (k0) 對于下一個計算時間k Tcomb tmp (k) = Tcomb tmp(k-l)+kfiltl * (Tbulk (k) -Tcomb tmp (k-1)) Tcofflb (k) = Tcofflb (k-1) +kfilt2 * (Tbulk tmp (k) -Tcofflb (k-1)) 其中kfiltl和kfilt2是濾波器常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的NOx估計模塊M對傳感器老化和在發(fā)動機標定中的變化是穩(wěn)固的。 另一優(yōu)勢是相對容易的標定程序。其它常規(guī)方法往往具有多個標定參數(shù)，例如每個發(fā)動機操作點一個標定參數(shù)，這對于實施而言是困難且昂貴的。
自動標定程序可嵌入估計模型中，以允許在最初開發(fā)階段期間或在客戶使用期間直接在制造車輛上進行模型標定。
現(xiàn)參考圖9，示出了由NOx估計系統(tǒng)執(zhí)行的方法的步驟?？刂剖加诓襟E150。在步驟154，基于燃燒室壓力和塊體溫度來計算絕熱火焰溫度。在步驟158，基于λ來計算溫度降低ΔΤ。在步驟162，可計算燃燒溫度發(fā)展趨勢。
本領域技術人員現(xiàn)將從前述說明能夠理解，本發(fā)明的廣泛教導能夠以多種形式來實施。因此，雖然本發(fā)明包括具體的示例，但是本發(fā)明的實質(zhì)范圍不應被如此限定，因為在研究附圖、說明書和所附權利要求書之后，其它變型對于本領域技術人員來說將顯而易見。
權利要求
1.一種火焰溫度估計器，包括絕熱火焰溫度模塊，所述絕熱火焰溫度模塊估計絕熱火焰溫度；溫度降低模塊，所述溫度降低模塊基于發(fā)動機的空氣-燃料比來估計絕熱火焰溫度的溫度降低；和燃燒溫度趨勢模塊，所述燃燒溫度趨勢模塊基于所述溫度降低和所述絕熱火焰溫度來生成燃燒溫度趨勢。
2.根據(jù)權利要求1所述的火焰溫度估計器，其中，所述絕熱火焰溫度模塊基于燃燒室壓力和塊體溫度來估計所述絕熱火焰溫度。
3.根據(jù)權利要求1所述的火焰溫度估計器，其中，所述燃燒溫度趨勢模塊采用多方變換來計算所述燃燒溫度趨勢。
4.根據(jù)權利要求1所述的火焰溫度估計器，其中，所述燃燒溫度趨勢模塊計算所述燃燒溫度趨勢。
5.根據(jù)權利要求1所述的火焰溫度估計器，其中，所述燃燒溫度趨勢模塊還基于如下等式來計算所述燃燒溫度趨勢Tcomb—tmp (k) —Tcomb cmp (k~l) +kfiltl * (Α· (k) _Tcomb—tmp (k_l)；禾口Tcomb (k) = Tcomb (k-l)+kfilt2 * (Tbulk tmp (k) -Tcomb (k-1))其中，kfiltl和kfilt2是濾波器常數(shù)，Tcomb tmp(k0)是在燃燒時間1 時的絕熱火焰溫度，且在燃燒時間 k0 時 Tcofflb(k0) = Tbulk(k。)。
6.根據(jù)權利要求1所述的火焰溫度估計器，還包括標定模塊，所述標定模塊標定所述溫度降低與所述空氣-燃料比之間的關系。
7.根據(jù)權利要求1所述的火焰溫度估計器，其中，所述空氣-燃料比包括當前空氣-燃料比除以化學計量空氣-燃料比的比率。
8.一種氮氧化物(NOx)估計系統(tǒng)，包括根據(jù)權利要求1所述的火焰溫度估計器，其中， 所述NOx估計系統(tǒng)基于所述絕熱火焰溫度、所述溫度降低以及所述燃燒溫度趨勢中的至少一個來計算NOx估計值。
9.根據(jù)權利要求8所述的NOx估計系統(tǒng)，其中，所述NOx估計值獨立于發(fā)動機排出的NOx 水平的直接測量值而生成。
10.一種用于估計火焰溫度的方法，包括估計絕熱火焰溫度；基于發(fā)動機的空氣-燃料比來估計所述絕熱火焰溫度的溫度降低；以及基于所述溫度降低和所述絕熱火焰溫度而生成燃燒溫度趨勢。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于發(fā)動機管理系統(tǒng)的燃燒溫度估計系統(tǒng)和方法?；鹧鏈囟裙烙嬈靼ü烙嫿^熱火焰溫度的絕熱火焰溫度模塊。溫度降低模塊基于發(fā)動機的空氣-燃料比來估計絕熱火焰溫度的溫度降低。燃燒溫度趨勢模塊基于所述溫度降低和所述絕熱火焰溫度而生成燃燒溫度趨勢。
文檔編號F02D35/02GK102192019SQ201010124099
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月2日 優(yōu)先權日2010年3月2日
發(fā)明者Z·劉, D·切查里尼, A·甘戈帕迪亞伊, A·巴奇爾, P·富西 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司