專利名稱：控制內燃發(fā)動機的方法
控制內燃發(fā)動機的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及控制內燃發(fā)動機的方法，更為具體地，涉及控制供應至排氣渦輪的氣 體的入口溫度使得入口溫度低于損壞渦輪的溫度。
背景技術：
來自渦輪增壓發(fā)動機的排氣被提供給渦輪增壓器的渦輪部分。當渦輪入口處的排 氣溫度超過渦輪的硬件極限溫度時，采取措施以減少渦輪入口溫度?，F(xiàn)有技術中已知使發(fā) 動機產(chǎn)生的扭矩量從駕駛員需求的扭矩減少預定量使得排氣溫度下降至硬件極限溫度之 下。然而，這種方法的問題包括以逐級方式降低扭矩對駕駛員而言是可感受到的且令人不 安，并且以開環(huán)方式減少扭矩導致在一些工況下補償過度(扭矩減少過多)而在其它工況 下補償不足(未能保護渦輪)。為了防止補償不足，選擇扭矩減少量以便為最需要的狀況提 供適當?shù)陌踩禂?shù)，其對大部分工況而言可能是過度的。在其它策略中，基于控制溫度和渦輪入口溫度之間的誤差閉環(huán)控制發(fā)動機。然而， 由于系統(tǒng)中的熱慣性，即使開始消除措施，渦輪入口溫度也明顯超過控制溫度。如果將控制 溫度設定為等于最大硬件溫度，在過熱期間會導致?lián)p壞渦輪的風險較高?？商娲兀绻?制溫度低于最大硬件溫度以為渦輪提供安全系數(shù)，則達到的穩(wěn)定狀態(tài)溫度低于所需且消除 的量(扭矩減少或其它發(fā)動機參數(shù)的調節(jié))高于所需。

發(fā)明內容根據(jù)本發(fā)明實施例，公開了一種控制具有排氣渦輪的內燃發(fā)動機的方法，包括確 定渦輪入口溫度、當渦輪入口溫度超過設定點溫度時進入扭矩減少模式、基于誤差指令發(fā) 動機提供小于駕駛員要求扭矩的扭矩、以及在扭矩減少模式期間使設定點溫度逐漸增加至 最大硬件溫度。誤差基于渦輪入口溫度減去設定點溫度。設定點溫度等于進入扭矩減少模 式后的初始控制溫度且初始控制溫度比最大硬件溫度小20至80攝氏度。在獲得對渦輪入 口溫度的控制之后，將設定點溫度提升至最大硬件溫度?；瑒釉O定點溫度的優(yōu)點包括扭矩減少平滑地發(fā)生從而對車輛駕駛員影響更少， 防止渦輪入口溫度超過最大硬件溫度且穩(wěn)定狀態(tài)的渦輪入口溫度達到最大硬件溫度從而 在達到穩(wěn)定狀態(tài)時扭矩減少最小?？商娲?，可調節(jié)其它發(fā)動機參數(shù)以便單獨或者與扭矩和/或其它發(fā)動機參數(shù)組 合控制渦輪入口溫度。在這種情況下，該模式稱為溫度控制模式。發(fā)動機參數(shù)包括由EGR 閥門位置確定的排氣再循環(huán)(EGR)率、噴射事件的正時和脈沖寬度、檔位選擇、和節(jié)氣門位置。本發(fā)明還公開了一種控制具有排氣渦輪的內燃發(fā)動機的方法，包含確定渦輪入 口溫度；當渦輪入口溫度超過設定點溫度時進入溫度降低模式；調節(jié)發(fā)動機參數(shù)以導致渦 輪入口溫度下降；以及在溫度降低模式期間將設定點溫度逐漸增加至最大硬件溫度。在一 個實施例中，所述發(fā)動機具有多個汽缸帶有連接至各個汽缸的燃料噴射器，所述發(fā)動機參數(shù)為后期噴射事件，其通過改變所述后期噴射事件的持續(xù)時間來進行調節(jié)。在另一個實施 例中，后期噴射事件是次后噴射事件，其在膨脹沖程中在上止點90度之后開始。在另一個 實施例中，所述發(fā)動機參數(shù)為扭矩。本發(fā)明還公開了一種內燃發(fā)動機，包含連接至發(fā)動機排氣的排氣渦輪；發(fā)動機 汽缸，其具有連接至各個汽缸的燃料噴射器；設置在發(fā)動機進氣道中的節(jié)氣門；帶有連接 發(fā)動機進氣道與發(fā)動機排氣道的EGR管道和設置在EGR管道中的EGR閥的EGR系統(tǒng)；以及 電連接至燃料噴射器和EGR閥的電子控制單元，該電子控制單元確定渦輪入口溫度，當渦 輪入口溫度高于設定點溫度時進入溫度降低模式，調節(jié)至燃料噴射器的脈沖寬度、至燃料 噴射器的噴射正時、EGR閥位置、節(jié)氣門位置中的至少一個以導致渦輪入口溫度響應于進入 溫度降低模式而降低，以及在進入溫度降低模式后增加設定點溫度。

圖1為帶有輔助組件的內燃發(fā)動機的示意圖。圖2顯示了代表性噴射正時序列。圖3為根據(jù)開環(huán)控制策略的發(fā)動機扭矩和渦輪入口溫度的時間軸。圖4為根據(jù)開環(huán)控制策略的發(fā)動機扭矩、渦輪入口溫度、和誤差的時間軸。圖5為根據(jù)本發(fā)明控制策略實施例的發(fā)動機扭矩、渦輪入口溫度、和誤差的時間
軸ο圖6為根據(jù)本發(fā)明實施例確定設定點溫度的控制圖。
具體實施方式本領域技術人員將理解，參考任一附圖的說明并描述的實施例的多個特征可與一 個或多個其它附圖中所說明的相組合以得到未明確說明或描述的替代實施例。所說明特征 的組合提供了常見應用的代表性實施例。然而，與本發(fā)明教導相一致的特征的多種組合和 修改可能對于特定應用或實施方案是所需的。說明中所使用的代表性實施例總體上涉及用 于渦輪增壓柴油發(fā)動機的后處理及EGR系統(tǒng)。本發(fā)明還應用至具有渦輪的汽油發(fā)動機和其 它燃燒系統(tǒng)。本領域技術人員可認識到與本發(fā)明一致的類似應用或實施方案，例如其組件 與附圖中實施例所顯示的略有不同的實施方案。本領域技術人員可認識到本發(fā)明的教導可 應用至其它應用或實施方案。參考圖1，發(fā)動機10具有連接至發(fā)動機汽缸的燃料噴射器12。通過進氣歧管20 向發(fā)動機10供應空氣，并將燃燒產(chǎn)物排入排氣歧管24。發(fā)動機10的進氣系統(tǒng)具有節(jié)氣門 28和渦輪增壓器30的壓縮機部30a。中間冷卻器34處于壓縮機30a的下游。渦輪增壓器 30的渦輪部30b處于發(fā)動機排氣道中。壓縮機30a和渦輪30b通過軸32連接使得渦輪30b 產(chǎn)生的功驅動壓縮機30a。壓縮機30a和渦輪30b容納在單個單元內，但出于示意方便而顯 示為相獨立的。EGR管道52處于渦輪30b上游，其將發(fā)動機排氣道連接至發(fā)動機進氣道，允 許排氣流與進入發(fā)動機10的進氣混合。EGR閥門54設置在EGR管道52中以控制EGR流的 量和EGR冷卻器56。后處理組件(柴油氧化催化劑60、選擇性催化還原催化劑62、和柴油 微粒過濾器(DPF)64)處于渦輪30b下游。可替代地，可使用多個任意上述裝置且其可以與 圖1中所示不同的順序放置。發(fā)動機10顯示為直列4缸發(fā)動機。然而，本發(fā)明可應用至任意數(shù)目汽缸的所有發(fā)動機配置。燃料噴射器12、EGR閥54、渦輪30b (在可變幾何渦輪的情況下)和節(jié)氣門28電 連接至電子控制單元(ECU)SO并由其控制。燃料噴射脈沖的數(shù)目、持續(xù)時間、和正時受電 子控制單元控制。圖2中顯示了示例噴射正式圖。在壓縮沖程期間，指令引導噴射(pilot injeCtiOn)90。剛好在壓縮沖程和膨脹沖程之間的上止點(TC)之前開始主噴射92。在TC 之后20至40度的范圍內開始后噴射(near post injection)94。圖2中還顯示了次后噴 射(far post injecti0n)96。其在膨脹沖程中較晚開始，例如在TC之后90度之后開始。 圖2中所示的示例的后期噴射94、96與主噴射的持續(xù)時間大約相同。噴射的開始(啟動) 和噴射時間的脈沖寬度(持續(xù)時間)受ECU80所控制。圖2中說明的噴射事件用于需要增 加排氣溫度的情況(例如當要提高DPF64的溫度以開始再生事件(即提高DPF64至高于其 中所收集的含碳微粒物質的起燃溫度)時)。后期噴射的使用和持續(xù)時間影響排氣溫度。在圖3中，顯示了示例情況的控制策略的時間軸，其中車輛正牽引負載爬上長而 陡的斜坡。這代表了在持續(xù)的時間段內向發(fā)動機要求高扭矩(可能還處于高環(huán)境溫度)的 工況。圖2說明了車輛駕駛員正在要求不變的扭矩以爬上斜坡的情況。在爬坡初期，圖3 中98的左方，發(fā)動機提供的扭矩等于駕駛員要求的扭矩。然而，由于要求的扭矩很高以允 許車輛爬上斜坡，發(fā)動機運轉溫度迅速升高。一個這種溫度(渦輪入口溫度100) T在高扭 矩要求的初始階段期間迅速上升(圖3底部的曲線)。在垂直虛線98指示的時間，渦輪入 口溫度100等于控制溫度101。在該點，控制方案進入扭矩減少模式，其中扭矩減少特定量。 圖3中說明的策略為開環(huán)策略，其中在突破控制溫度時扭矩減少預定量。發(fā)動機提供的最 終扭矩102小于駕駛員要求的扭矩以保護渦輪不受損壞。車輛駕駛員感覺到扭矩的突然下 降。由于系統(tǒng)中的熱慣性，發(fā)動機扭矩102的突降不能立刻影響渦輪入口溫度100，這樣渦 輪入口溫度100在降低之前超過控制溫度101很多。在發(fā)動機扭矩102的相關示例討論中，渦輪入口溫度100最終以穩(wěn)定狀態(tài)固定于 控制溫度101。然而，渦輪入口溫度100在達到該穩(wěn)定狀態(tài)的溫度之前超過控制溫度101。 在一種情況下，控制溫度101為最大硬件溫度；渦輪入口溫度100最終達到控制溫度101。 然而，存在很大的溫度過高，其會導致對渦輪的損壞。在另一種情況下，控制溫度101小于 硬件極限溫度且導致的扭矩低于達到穩(wěn)定狀態(tài)的硬件極限溫度所需。為了最小化溫度偏離，可采用更加大的扭矩減少104。導致的渦輪入口溫度108仍 然超過控制溫度101，但相差比渦輪入口溫度100軌跡更少且持續(xù)時間更短。通過扭矩減少 104，導致的渦輪入口溫度108甚至比扭矩減少102更低。最后，如果扭矩減少106少于所需，例如對遇到的特定工況的根據(jù)控制策略的預 定扭矩減少不足，則導致的溫度110超過控制溫度101更大差值且繼續(xù)以穩(wěn)定狀態(tài)超過控 制溫度101。這種情況可能導致?lián)p壞渦輪。為了確?？刂茰囟?01不過度偏離，根據(jù)參考圖2所討論的策略的控制方法傾向 于至少對于平均工況過度補償扭矩下降以在大部分工況(即使不是所有工況)下最小化超 過控制溫度101的可能性。這種策略的問題在于因為直至達到控制溫度101才采取扭矩補 償措施，渦輪入口溫度(100、108和110，取決于扭矩減少的量)總是超過控制溫度101。另 外，扭矩減少對車輛駕駛員過于生硬且感受特別明顯，導致消費者不滿。由于扭矩下降為預 定的量，其對于許多工況高于所需，從而導致其它令消費者不滿的原因。
在圖4中，顯示了另一控制策略，其中當渦輪入口溫度150超過控制溫度152時開 始扭矩減少且扭矩減少的量基于圖4底部所示兩個溫度的差異誤差154。在這種控制策略 下，導致的扭矩減少為平滑減少。然而，由于其基于溫度的誤差154，扭矩減少為適度的，直 至渦輪入口溫度150超過控制溫度152很多。這樣，導致的渦輪入口溫度150超過控制溫 度152很多。當控制溫度152設定為比硬件極限溫度低得多的溫度以確保溫度過高不會損 壞渦輪時，穩(wěn)定狀態(tài)的溫度(在圖4的右方實現(xiàn))較大地低于硬件極限溫度。因此，用于維 持低于所需溫度的扭矩減少量高于所需。在控制溫度152設定為硬件極限溫度的情況下， 這種控制策略中溫度超過的量過多且可能導致渦輪損壞或失效。圖4中說明的策略導致超 過的溫度比圖3中所明的策略高得多，因為與圖3策略中的扭矩立刻下降相反，圖4的策略 僅在突破控制溫度后以扭矩適度下降開始。然而，圖4的策略比圖3的策略提供了更平滑 的扭矩下降，其對車輛駕駛員來說更不易覺察。在圖5中，說明了根據(jù)本發(fā)明的實施例。首先參考中間的圖形，應用了兩個溫度閾 值硬件極限溫度200和控制發(fā)動溫度212。根據(jù)本發(fā)明實施例，在渦輪入口溫度214達到 或超過硬件極限溫度200之前發(fā)動控制。作為替代，當渦輪入口溫度214上升至低于硬件 極限溫度200的控制發(fā)動極限溫度212時發(fā)動控制。與在關于圖3、4描述的控制方案下相 比，在溫度上升方面較早地應用扭矩控制。扭矩減少模式在圖5中215所指示的時間開始。 最大硬件溫度可在大約800攝氏度的范圍內?？刂瓢l(fā)動溫度低于最大硬件溫度20至80攝 氏度。在215之后發(fā)動機扭矩216減少，且扭矩減少基于設定點溫度218和渦輪入口溫 度214之間的差值，其顯示為圖5底部的誤差220。誤差220等于渦輪入口溫度214減去設 定點溫度218。在進入扭矩減少模式之前及扭矩減少模式早期將設定點溫度218設定為等 于控制發(fā)動溫度212。在一個實施例中，直至渦輪入口溫度214處于設定點溫度218的范圍 內才允許設定點溫度218上升。參考圖5底部的誤差圖形，當渦輪入口溫度214超過設定點溫度218時，誤差220 上升，如線215右方所示。由于基于誤差220計算扭矩216，扭矩216平滑減少。這與圖3 相反，圖3中一旦渦輪入口溫度100超過控制溫度101則扭矩突然減少。再次參考圖5，當誤差220從峰值減少時，渦輪入口溫度214受到控制。允許設定 點溫度218增加一段時間直至其等于硬件極限溫度200。在這種控制下扭矩216平滑地達 到其穩(wěn)定狀態(tài)值。根據(jù)本發(fā)明實施例，通過在控制發(fā)動溫度212時開始扭矩控制，渦輪入口 溫度214不會超過硬件極限溫度200。另外，由于在已經(jīng)建立對渦輪入口溫度214的控制后 設定點溫度218上升，渦輪入口溫度218以受控方式上升至硬件極限溫度200。這代表了相 對于關于圖4所描述的策略的區(qū)別優(yōu)點。在圖4中所明的策略中，如果控制溫度152設為 硬件極限溫度，則渦輪入口溫度150在一段時間內遠遠超過硬件極限溫度，且可能損壞渦 輪。然而，如果控制溫度152設為比硬件極限溫度低的溫度，則處于穩(wěn)定狀態(tài)的渦輪入口溫 度150小于其所需，且因此扭矩156減少得比所需的多。這樣，允許渦輪入口溫度150過高 或者扭矩減少多于所需。然而，關于圖5所描述的策略不會遇到這種問題。扭矩控制基于溫度誤差，即設定點溫度218和渦輪入口溫度214之間的差值。根 據(jù)本領域被廣泛接受的原理，控制可為簡單的比例控制、比例-積分(PI)控制、或比例-積 分-微分(PID)控制。
在圖6中，示意顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的設定點溫度218控制策略。運轉250為 比較器，其輸入為渦輪入口溫度和設定點溫度而輸出為誤差。時間延遲252應用至設定點 溫度輸入以確保上次控制調節(jié)的結果已在進行另外的調解之前傳遍系統(tǒng)。誤差為框254的 輸入；基于誤差的大小確定積分增益(integral gain)提升速度。積分增益提升速度為積 分器256的輸入。其它輸入包括執(zhí)行速度(即以較快循環(huán)運轉或較慢循環(huán)運轉執(zhí)行程序)、 增益等。積分器256的輸入為積分控制，其涉及設定點溫度可被調節(jié)的量。查值表258具 有來自積分器和發(fā)動機轉速的輸入以確定輸出，即新的設定點溫度。在上述討論中，扭矩為進行調節(jié)以控制渦輪入口溫度的發(fā)動機參數(shù)。然而，還有其 它措施可供采取以降低渦輪入口溫度。例如，提供圖2中說明的后噴射和次后噴射作為增 加排氣溫度以支持DPF再生以及其它工況的一種方法。在一個替代例中，扭矩和后期噴射 均被調節(jié)以控制發(fā)動機溫度。特別地，可完全取消次后噴射和/或后噴射?；蛘撸烧{節(jié)后 噴射的正時。在另一替代例中，遠噴射的控制可用于代替控制發(fā)動機扭矩。在控制后期噴射時考慮的另一因素在于供應給發(fā)動機排氣的未燃燒或部分氧化 的燃料僅最低程度地氧化直至燃料遇到渦輪30b下游的D0C60，如圖1所示。未燃燒燃料與 D0C60的氧化導致D0C60中的溫度迅速上升。次后噴射中的燃料在燃燒室中氧化很少，而大 部分后噴射期間噴射的燃料至少部分氧化并對發(fā)動機扭矩做出一些貢獻。由于渦輪30b不 受下游發(fā)生的氧化的影響，仔細地平衡后噴射和次后噴射可在渦輪入口處獲得低于硬件極 限溫度的溫度，但D0C60溫度仍有實質性增長以再生DPF64。EGR率也影響排氣溫度。通過后期噴射，EGR率可用作發(fā)動機參數(shù)用于控制渦輪入 口溫度?？商娲?，EGR率以及發(fā)動機扭矩或其它發(fā)動機參數(shù)可用于控制渦輪入口溫度。任何影響渦輪入口溫度的發(fā)動機參數(shù)可單獨或與一個或多個其它發(fā)動機參數(shù)組 合使用以控制渦輪入口溫度。其它參數(shù)可包括變速器參數(shù)(鎖止變矩器和檔位選擇)、發(fā) 動機轉速(受檔位選擇影響)、噴射正時、供應的燃料量(與扭矩相關)、附件負載(例如空 調、電池充電)、及節(jié)氣門28位置。由此的控制類似于圖5中所顯示的，除了繪制了發(fā)動機 參數(shù)而非扭矩。另外，其稱為溫度控制模式而非扭矩控制模式。需要向駕駛員提供接近于所需而當然不會導致?lián)p壞發(fā)動機組件(例如渦輪)的扭 矩量。因此，在一個實施例中，優(yōu)選地調節(jié)其它發(fā)動機參數(shù)以降低渦輪入口溫度。然而，如 果有足夠的授權通過其它發(fā)動機參數(shù)控制溫度或者如果有相沖突的需求(例如DPF64的完 全再生)，則輔助地實施扭矩以確保渦輪入口溫度沒有超過其最大硬件溫度。盡管已經(jīng)詳細描述了最佳模式，本領域技術人員將認識到權利要求范圍內的多種 替代設計和實施例。例如，描述了一種用于逐漸增加設定點溫度的方法。然而，其它導致設 定點溫度從控制發(fā)動溫度逐漸增加至最大硬件溫度的方法也在本發(fā)明的范圍內。盡管已經(jīng) 描述了一個或多個實施例關于一個或多個所需特性相較于其它實施例和/或現(xiàn)有技術提 供了優(yōu)點或更為優(yōu)選，本領域技術人員將認識到可對其它特征進行弱化以實現(xiàn)所需的系統(tǒng) 特征，其依賴于具體應用或實施方案。這些特征包括但不限于成本、強度、耐久性、壽命成 本、市場性、外觀、封裝、尺寸、可維修性、重量、可制造性、組裝便利性等。在一個或多個特性 方面相對于其它實施例不太如意的描述實施例并未超過所要求保護的范圍。
權利要求
一種控制具有排氣渦輪的內燃發(fā)動機的方法，包含確定渦輪入口溫度；當所述渦輪入口溫度超過設定點溫度時進入扭矩減少模式；基于誤差指令所述發(fā)動機提供小于駕駛員要求扭矩的扭矩，所述誤差基于所述渦輪入口溫度減去所述設定點溫度；以及在所述扭矩減少模式期間將所述設定點溫度逐漸增加至最大硬件溫度。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，當進入所述扭矩減少模式時所述設定點 溫度等于控制發(fā)動溫度，且所述控制發(fā)動溫度小于所述最大硬件溫度。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制發(fā)動溫度比所述最大硬件溫度 低20至80攝氏度。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，基于誤差通過比例積分控制回路控制所 述提供的扭矩。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大硬件溫度為可供應至所述排氣 渦輪的最大渦輪入口溫度。
6.一種控制具有排氣渦輪的內燃發(fā)動機的方法，包含確定渦輪入口溫度；當所述渦輪入口溫度超過設定點溫度時進入溫度降低模式；調節(jié)發(fā)動機參數(shù)以導致所述渦輪入口溫度下降；以及在所述溫度降低模式期間將所述設定點溫度逐漸增加至最大硬件溫度。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，對所述發(fā)動機參數(shù)的調節(jié)基于誤差，所述 誤差為所述渦輪入口溫度和所述設定點溫度之間的差值。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，基于所述誤差根據(jù)比例積分控制回路調 節(jié)所述發(fā)動機參數(shù)。
9.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述發(fā)動機具有EGR系統(tǒng)，包括連接在 發(fā)動機進氣道和發(fā)動機排氣道之間的EGR管道、以及設置在所述EGR管道中的EGR閥，所述 發(fā)動機參數(shù)為EGR率，其通過改變所述EGR閥位置來進行調節(jié)。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述發(fā)動機具有多個汽缸帶有連接至各 個汽缸的燃料噴射器，所述發(fā)動機參數(shù)為后期噴射事件，其通過改變所述后期噴射事件的 持續(xù)時間來進行調節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制發(fā)動機維持渦輪入口溫度的方法，其使用兩個溫度閾值控制發(fā)動溫度和最大硬件溫度?；谡`差以閉環(huán)方式調節(jié)發(fā)動機參數(shù)，該誤差為設定點溫度和渦輪入口溫度之間的差值。設定點溫度初始為控制發(fā)動溫度。然而，在對渦輪入口溫度的控制形成之后，設定點溫度逐漸提升至最大硬件溫度。在一個實施例中，發(fā)動機參數(shù)為發(fā)動機扭矩。其它影響渦輪入口溫度的發(fā)動機參數(shù)包括燃料噴射脈沖的正時和持續(xù)時間、EGR率、檔位選擇和進氣門位置，其中任意一些可用于代替扭矩或與之組合用于控制渦輪入口溫度。本發(fā)明的優(yōu)點在于扭矩減少平滑地發(fā)生從而對車輛駕駛員影響更少，防止渦輪入口溫度超過最大硬件溫度且穩(wěn)定狀態(tài)的渦輪入口溫度達到最大硬件溫度從而在達到穩(wěn)定狀態(tài)時扭矩減少最小。
文檔編號F02B37/12GK101988428SQ20101024297
公開日2011年3月23日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權日2009年7月31日
發(fā)明者A·J·歐克雷, J·R·史密斯, P·M·尼森 申請人:福特環(huán)球技術公司