熱機(jī)排氣系統(tǒng)部件的熱保護(hù)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及熱機(jī)排氣系統(tǒng)部件的熱保護(hù)方法，根據(jù)本發(fā)明所述的方法，可以確定排出氣體和排氣系統(tǒng)壁的溫度及根據(jù)該方法可以檢測出已達(dá)到溫度的最大限值的排出系統(tǒng)的部件。根據(jù)本發(fā)明所述方法在于：確定(54)發(fā)動機(jī)出口的排出氣體的溫度設(shè)定值T3consigne，和制定(56)能夠確保排出氣體溫度設(shè)定值的濃度設(shè)定值ΦConsigne。
【專利說明】熱機(jī)排氣系統(tǒng)部件的熱保護(hù)方法
[0001]本發(fā)明涉及熱機(jī)排氣系統(tǒng)部件的熱保護(hù)方法，這里所說的熱機(jī)中的碳?xì)淙剂鲜瞧?，所述熱機(jī)可以是增壓或不是增壓，可以是直接噴射也可以是間接噴射。
[0002]熱機(jī)排氣系統(tǒng)部件由位于燃燒氣體排出管道中的部件所構(gòu)成，燃燒氣體起初沿著排出方向，通過排氣閥排出，相繼經(jīng)過排出氣體收集裝置、增壓熱機(jī)的渦輪增壓器、設(shè)有探頭(如氧探頭)的催化器，最終經(jīng)過消音器。熱機(jī)排氣系統(tǒng)部件根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件可以是過熱或不熱的。如果排出氣體的溫度過高，部件溫度可能超過一個臨界溫度，自該臨界溫度起部件可受損。因此，為了避免部件受損及由此不超過臨界溫度，控制排氣系統(tǒng)中的溫度至關(guān)重要。
[0003]控制排氣系統(tǒng)中催化器的溫度在很多專利文獻(xiàn)中已有描述。具體地說，專利文獻(xiàn)JP4060106(A)中提出了將由溫度傳感器測量的催化器放熱反應(yīng)的測定值與放熱反應(yīng)的估計值進(jìn)行比較從而確定催化器老化程度的裝置。如果放熱反應(yīng)與估計值不符，則可推斷催化器已損壞。該專利中所描述的裝置沒有提出通過熱限定對排氣系統(tǒng)部件進(jìn)行保護(hù)。
[0004]專利文獻(xiàn)JP5312074(A)提出了在催化器的下游根據(jù)催化器的和儲存在催化器中的氧氣的溫度對排出氧氣傳感器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā５搶＠麤]有提出通過燃燒濃度對排氣系統(tǒng)進(jìn)行熱保護(hù)。
[0005]專利US6691507(B1)描述了一種調(diào)整溫度及維持一氧化氮后處理部件的溫度的裝置，并且所述裝置是通過對碳?xì)?空氣混合燃料的濃度的控制即在高濃度/低濃度之間交替運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)再生。所述專利沒有提出通過濃度調(diào)節(jié)對部件進(jìn)行熱保護(hù)。
[0006]專利FR2141049(A5)涉及對催化器入口濃度的確定從而優(yōu)化對排出氣體的后處理。
[0007]然而，上述專利文獻(xiàn)都沒有涉及通過允許排出氣體冷卻的碳?xì)?空氣混合燃料的濃度對排氣系統(tǒng)部件的熱保護(hù)。
[0008]本發(fā)明提出的方法能夠通過控制濃度來對排氣系統(tǒng)部件進(jìn)行熱保護(hù)。
[0009]更詳細(xì)地，本發(fā)明涉及熱機(jī)排氣系統(tǒng)部件的熱保護(hù)方法，根據(jù)本發(fā)明所述的方法，確定出排出氣體和排氣系統(tǒng)壁的溫度(估計的或是測定的)，且檢測出已達(dá)到溫度的最大限值的排氣系統(tǒng)的部件。根據(jù)所述方法:
[0010]-確定發(fā)動機(jī)出口的排出氣體的溫度設(shè)定值T3_sigM，和
[0011]-制定能夠確保排出氣體溫度設(shè)定值的濃度設(shè)定值(Consigne。
[0012]所述濃度設(shè)定值(Consigne在發(fā)動機(jī)可接受的最大濃度限值之內(nèi)進(jìn)行確定。
[0013]根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式，所述發(fā)動機(jī)出口的排出氣體溫度設(shè)定值T3_signe通過對溫度設(shè)定值的預(yù)置和調(diào)節(jié)進(jìn)行確定，所述預(yù)置即借助于圖表根據(jù)發(fā)動機(jī)和需要保護(hù)的部件X的運(yùn)行點(diǎn)輸出基礎(chǔ)溫度定值T3(x)。所述圖表可以是以發(fā)動機(jī)排出溫度Τ3作為參數(shù)的發(fā)動機(jī)加載狀態(tài)的圖表。所述調(diào)節(jié)優(yōu)選地采用能夠輸出一個校正項(xiàng)的比例加積分調(diào)節(jié)。所述校正項(xiàng)加入到預(yù)置值Τ3 (X)中以提供溫度T3_sigm。
[0014]如果不采用所述的預(yù)置和調(diào)節(jié)，可以選擇默認(rèn)值作為發(fā)動機(jī)出口排出氣體的溫度定值 T3_sigm。
[0015]根據(jù)另一個實(shí)施方式所述，所述發(fā)動機(jī)排出氣體的溫度設(shè)定值13。。-_可以通過排氣系統(tǒng)模型的逆運(yùn)算來確定。
[0016]為了確定所述濃度定值0_signe，需要對于一個濃度Φ確定發(fā)動機(jī)排出氣體的溫度T3estim。所述溫度T3estim是根據(jù)不同的發(fā)動機(jī)參數(shù)通過溫度T3estimO =i來確定的，且對于濃度Φ = I時，所述溫度T3…一吣需要借助通過圖表(排出氣體的排出量(U-濃度定值Φ)確定的修正函數(shù)f (Qedl > Φ)來進(jìn)行修正。
[0017]有利地，所述溫度T3estim是由以下關(guān)系式確定:
[0018]T3estim — T3estim0 = jX f (Qechj ①)
[0019]且所述保護(hù)部件的濃度設(shè)定值根據(jù)以下關(guān)系式確定:
[0020]Φ — f (Qechj T3C0nsigne/T3estimO = j)
[0021]本發(fā)明其他的特征和優(yōu)點(diǎn)將在以下對本發(fā)明實(shí)施方式的描述中得以體現(xiàn)，所述實(shí)施方式作為非限制性示例給出并參照附圖描述，其中:
[0022]-圖1是設(shè)有用發(fā)動機(jī)控制來保護(hù)的熱保護(hù)點(diǎn)的排氣系統(tǒng)的示意圖；
[0023]-圖2是熱保護(hù)功能的結(jié)構(gòu)圖；
[0024]-圖3是排氣溫度設(shè)定值的計算框圖；
[0025]-圖4是排氣溫度的和以濃度作因變量的正模型的示意圖；和
[0026]-圖5是用于確定排氣系統(tǒng)部件保護(hù)的濃度的逆模型的示意圖。
[0027]圖1示意地表示出了帶有其汽缸蓋14的熱機(jī)12的排氣系統(tǒng)10。排出氣體通過排氣閥18從汽缸16中排出，進(jìn)入到排出氣體收集裝置20中。氣體隨后相繼經(jīng)過設(shè)有渦輪機(jī)24和旁路部分26 (廢氣門)的渦輪增壓器(用于增壓發(fā)動機(jī))、設(shè)有上游氧探頭30和下游探頭32的催化器28及消音器34和36。需要進(jìn)行熱監(jiān)測的點(diǎn)和需要熱保護(hù)的部件主要是渦輪增壓器22的上游40、帶有探頭30和32的催化器28的上游42和下游44和催化劑器28的內(nèi)部46以及收集器20 (收集器監(jiān)測點(diǎn)在圖1中由48指示)。根據(jù)本發(fā)明，部件可以采用熱機(jī)控制進(jìn)行熱保護(hù)。要達(dá)到的目標(biāo)是監(jiān)測點(diǎn)的溫度不超過一個臨界值，在該該臨界值上及超過該臨界值這些部件(這里指的是渦輪增壓器和帶有探頭的催化器)可能受損壞。
[0028]簡要地說，本發(fā)明在于通過確定所需濃度來限定發(fā)動機(jī)出口排放氣體的溫度，通過運(yùn)用排氣系統(tǒng)的熱模型的逆運(yùn)算使達(dá)到臨界溫度的部件不會超過臨界溫度。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的方法，可以確定發(fā)動機(jī)出口溫度設(shè)定值T3_sigm和能保證所述溫度設(shè)定值的濃度(consigne。
[0030]圖2示意地示出了該方法的主要步驟。對應(yīng)模塊50和52的前兩個步驟一般來說是被熟知的，本發(fā)明的參數(shù)涉及由方塊55框起的兩個后面的模塊54和56。
[0031]模塊50允許借助于一個或若干個模型根據(jù)不同的參數(shù)例如發(fā)動機(jī)狀態(tài)、負(fù)荷、點(diǎn)火提前角和車輛外部溫度來預(yù)測排氣系統(tǒng)中的溫度。模塊50提供排氣系統(tǒng)壁和排出氣體的溫度Techestim，這兩個溫度可以分別建模分析或通過傳感器進(jìn)行測定。
[0032]模塊52允許在要進(jìn)行熱保護(hù)的排氣系統(tǒng)部件中通過模塊50提供的信息Techestim檢測達(dá)到其臨界溫度(自該溫度起部件可能被損傷)的部件。為此，可以采用被廣泛熟悉的能夠探測到所有需要監(jiān)測的溫度和指示需要保護(hù)的部件的監(jiān)視器。模塊52提供3個信息:
[0033]-X，被檢測部件的指數(shù)，例如其已經(jīng)達(dá)到臨界溫度(該監(jiān)測借助于模型實(shí)現(xiàn))；
[0034]-Tech (X)max，指被檢測例如已達(dá)到其溫度限值的部件x所能接受的最高溫度，和
[0035]-Tech (X) estim，指部件x的當(dāng)前(被考慮時刻)的溫度。
[0036]以上三個信息提供給確定溫度設(shè)定值T3_signe (在圖1上也示出)的模塊54，該溫度設(shè)定值是發(fā)動機(jī)出口處并由此是排氣收集裝置20出口處排出的氣體的溫度設(shè)定值。以下借助圖3來進(jìn)行對模塊54的詳細(xì)描述。
[0037]所述溫度設(shè)定值T3_sigM提供給模塊56以制定由發(fā)動機(jī)控制裝置所使用的濃度設(shè)定值(Consigne。以下借助于圖4和圖5來進(jìn)行對模塊56的詳細(xì)描述。
[0038]可以通過以下方式對本發(fā)明的主題即所述方法進(jìn)行總結(jié):
[0039]-估計(模塊50)或測定排氣系統(tǒng)壁和排出氣體的溫度；
[0040]-檢測已經(jīng)達(dá)到其溫度最大限定值的排氣系統(tǒng)部件(模塊52)；
[0041]-確定發(fā)動機(jī)出口(氣缸蓋出口)位置上的排出氣體的溫度設(shè)定值(模塊54);和
[0042]-在發(fā)動機(jī)可接受的最大濃度限定內(nèi)，確定與事先設(shè)定的發(fā)動機(jī)出口處排出氣體溫度定值相符的濃度(模塊56)。發(fā)動機(jī)可接受的最大濃度相當(dāng)于一個極限值，在該極限值以下燃燒質(zhì)量是可接受的(燃燒穩(wěn)定性)。
[0043]發(fā)動機(jī)出口的排放氣體的溫度設(shè)定值T3_signe表示發(fā)動機(jī)出口要遵守的排出氣體溫度不超過被識別部件X的臨界溫度最大限值Tech[x]max。兩個溫度T3_signe與Tech[x]max之差可以通過一個傳遞函數(shù)來定義，所述傳遞函數(shù)將排氣系統(tǒng)中的發(fā)動機(jī)出口與部件X之間的熱交換考慮進(jìn)來。然而這樣的傳遞函數(shù)建模很復(fù)雜。圖3詳細(xì)地示出了本發(fā)明關(guān)于確定發(fā)動機(jī)出口排氣溫度設(shè)定值T3_signe;(模塊54)的方法的有利實(shí)施方式,這可避免對上述傳遞函數(shù)進(jìn)行建模分析。這里分為兩步:一方面，預(yù)置溫度設(shè)定值(方塊58中示出)，該溫度設(shè)定值可為部件X提供基礎(chǔ)溫度T3(x)base (溫度T3是發(fā)動機(jī)出口的排出氣體的溫度，更準(zhǔn)確地說是排出氣體收集裝置出口的排氣溫度)，另一方面，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)(方塊60)，該溫度調(diào)節(jié)提供溫度T3 (x) base的校正項(xiàng)。
[0044]預(yù)置裝置能夠從在所要求的發(fā)動機(jī)出口排氣溫度設(shè)定值附近的基礎(chǔ)溫度T3(x)base開始啟動調(diào)節(jié)，這可使調(diào)節(jié)更加迅速。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)置，可以使用圖表62，每部件X—個圖表(一次只對一個部件進(jìn)行檢測，即部件X)。監(jiān)測部件的指數(shù)X通過選擇裝置66的入口64引入，所述選擇裝置選擇部件X的圖表。圖表有利地示出了作為橫坐標(biāo)上的帶有參數(shù)如溫度T3的發(fā)動機(jī)狀態(tài)74的函數(shù)的縱坐標(biāo)上的發(fā)動機(jī)加載空氣量76。涉及部件X的圖表給出了借助于調(diào)節(jié)裝置60精確調(diào)節(jié)的開環(huán)上的溫度T3(X)base。
[0045]調(diào)節(jié)裝置60優(yōu)選地采用比例加積分型，當(dāng)然也可以采用其他類型(例如比例、積分加微分或比例加微分或更復(fù)雜的類型)。其為基礎(chǔ)溫度T3 OObase提供校正項(xiàng)。調(diào)節(jié)裝置由比例控制器68和積分控制器70所構(gòu)成。所述兩個控制器接收代表要保護(hù)部件X的溫度誤差的信息72,該誤差等于(Tech (X)max-Tech (X) estim)。這兩個控制器68和70還接收發(fā)動機(jī)狀態(tài)74和加載空氣量76。比例控制器68輸出與誤差72成比例的校正項(xiàng)78，而積分控制器70提供校正項(xiàng)80，所述校正項(xiàng)80代表根據(jù)時間對誤差積分以使誤差信號收斂的項(xiàng)。校正項(xiàng)78和80在加法器82中相加，加法器82提供校正項(xiàng)84。后者與由預(yù)置裝置58所提供的溫度T3(x)base在一個加法器86中相加。調(diào)節(jié)的溫度(T3 (x)base+校正項(xiàng))被提供給選擇器90的入口 88。當(dāng)保護(hù)沒有啟動時，后者能夠在調(diào)節(jié)溫度和溫度默認(rèn)值Tdefaut(由無保護(hù)的溫度值模塊92提供)之間進(jìn)行選擇。兩個入口之間的選擇是借助于施加在模塊90的入口 94上的“啟動裝置保護(hù)”信號所實(shí)現(xiàn)的。模塊90輸出排放氣體的溫度設(shè)定值T3_signe。
[0046]總地，能夠?qū)崿F(xiàn)對排氣系統(tǒng)部件保護(hù)的排放氣體的溫度設(shè)定值T3_sigm的計算是由以下構(gòu)成:
[0047]-根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行點(diǎn)和要保護(hù)部件的圖表預(yù)置裝置(或開環(huán))(方塊58)；
[0048]-比例-積分型的調(diào)節(jié)裝置，其增益取決于運(yùn)行點(diǎn)和要保護(hù)的部件(方塊60);和
[0049]-可以在以下兩者之間進(jìn)行選擇的判斷裝置(方塊90):
[0050].保護(hù)未啟動時的默認(rèn)值(高值)，和
[0051].預(yù)置值與調(diào)節(jié)裝置發(fā)出的校正項(xiàng)之和。
[0052]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式變型，在圖3(預(yù)置和調(diào)節(jié)裝置)中示意地表示出的實(shí)施方式可以由排氣系統(tǒng)模型的逆運(yùn)算來代替。該變型中可以減少校準(zhǔn)時間和校準(zhǔn)數(shù)量。然而，帶來的缺點(diǎn)是實(shí)施復(fù)雜且不能提供用于控制系統(tǒng)運(yùn)作的校準(zhǔn)自由度。因此，圖3中示出的實(shí)施方式是優(yōu)選的。
[0053]圖4和5示意地表示出校準(zhǔn)濃度設(shè)定值的實(shí)施方式(圖2中的模塊56)，其中圖4概要地示出排出氣體溫度的和以濃度作因變量的正模型，而圖5示出了用于確定能夠保護(hù)部件的濃度的逆模型。
[0054]在圖4中，對于設(shè)定值等于I的燃燒濃度Φ和對于所考慮的運(yùn)行點(diǎn)估計的溫度T3estiffltc = i根據(jù)不同的發(fā)動機(jī)參數(shù)(運(yùn)行點(diǎn)、水溫、點(diǎn)火提前角的減弱、凸輪軸的位置等等)通過模塊100輸出。圖表102在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上獲得，其橫軸代表排出氣體的排出量Q_，其縱軸代表濃度Φ，所述圖表102允許獲得根據(jù)排出氣體的排出量Qd和濃度Φ的變化而變化的排氣溫度的修正函數(shù)f O。修正函數(shù)f O被輸出給一個乘法器104。后者在其出口輸出溫度T3estim，該溫度是對于濃度Φ的發(fā)動機(jī)出口(排氣收集裝置出口)排出氣體的估計溫度，它如下地表示:
[0055]T3estim — T3estim0 = jX f (Qechj ①)
[0056]函數(shù)f()在濃度區(qū)間{1，Φ_}是--映射的，Φ_是濃度的最大限值，在此極限值之下燃燒質(zhì)量是可接受的(燃燒穩(wěn)定性)，對于一個給定的運(yùn)行點(diǎn)可以確定能夠符合排氣溫度的濃度。事實(shí)上:
[0057]T3estim = T3estim0 = 1X f (Qech, Φ) => Φ = Γ1 (Qech, T3C0nsigne/T3estimO =)
[0058]其中:
[0059]T3consigne:發(fā)動機(jī)出口排出氣體的溫度設(shè)定值，和
[0060]戶():相對于濃度的f()的逆函數(shù)。該函數(shù)F1O由f()的反演產(chǎn)生的圖表所提供。
[0061]所述逆模型表示在圖5上。除法器106 (這為除法器是因?yàn)閳D4中的乘法器104被反演)在其中一個入口上接收T3_signe(由圖2的模塊54給出)而在另一個入口上接收對于濃度Φ = I在發(fā)動機(jī)出口處估計的估計溫度T3estimi) = i。圖2中(排氣線路中溫度估計)的模塊50直接提供所述溫度T3estimi) = i。
[0062]與當(dāng)前已有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠減少CO2的排放量，因?yàn)樵O(shè)定的濃度正好為所需的。此外，本發(fā)明能有很好的排氣線路部件溫度的限制性能，這表現(xiàn)為:要么通過允許在更加接近材料限值的溫度上運(yùn)行得到降低部件成本的可能性(定尺寸更加準(zhǔn)確)，要么通過不提前啟動該功能得到CO2排放量的降低。本發(fā)明同樣可以帶來校準(zhǔn)成本的節(jié)省:事實(shí)上，正模型已經(jīng)被校準(zhǔn)，無需再進(jìn)行任何附加的測試，因?yàn)橹恍枰獙φＰ偷膱D表進(jìn)行數(shù)字上的逆運(yùn)算。
【權(quán)利要求】
1.熱機(jī)排氣系統(tǒng)部件的熱保護(hù)方法，根據(jù)該方法確定出排出氣體和排氣系統(tǒng)壁的溫度及根據(jù)該方法檢測出已達(dá)到其溫度的最大限值的排氣系統(tǒng)的部件，所述方法的特征在于: -確定(54)發(fā)動機(jī)出口的排出氣體的溫度設(shè)定值T3_sigm，和 -制定(56)能夠確保所述排出氣體溫度設(shè)定值的濃度設(shè)定值(Consigne。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述濃度設(shè)定值(Consigne在發(fā)動機(jī)可接受的最大濃度限值之內(nèi)進(jìn)行確定。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求其中之一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述發(fā)動機(jī)出口的排出氣體溫度設(shè)定值T3_signe通過對溫度設(shè)定值的預(yù)置(58)和調(diào)節(jié)￠0)進(jìn)行確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述預(yù)置(58)輸出根據(jù)發(fā)動機(jī)和需要保護(hù)的部件X的運(yùn)行點(diǎn)借助于圖表(62)所確定的基礎(chǔ)溫度設(shè)定值T3(x)base。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述圖表是以發(fā)動機(jī)出口溫度T3作為參數(shù)的發(fā)動機(jī)加載狀態(tài)的圖表。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5項(xiàng)其中之一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)￠0)采用輸出一個校正項(xiàng)(84)的比例(68)加積分(70)的類型。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6項(xiàng)其中之一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述校正項(xiàng)(84)被加入到預(yù)置值T3 (X)中以提供所述溫度T3_sigm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1和2項(xiàng)其中之一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述發(fā)動機(jī)出口的排出氣體溫度T3_signe;由排氣系統(tǒng)模型的逆運(yùn)算來確定。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求其中之一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，為了制定所述濃度設(shè)定值(Consigne，對于一個濃度Φ確定發(fā)動機(jī)出口排出氣體的溫度T3estim。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述溫度T3estim是根據(jù)不同的發(fā)動機(jī)參數(shù)(100)通過溫度T3estimi) = i來確定的，且對于濃度φ = I時，所述溫度T3estimi) = i需要借助通過排出氣體的排出量Qd-濃度設(shè)定值Φ圖表所確定的修正函數(shù)?.(9_，Φ)來進(jìn)行修正。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述溫度T3estim是由以下關(guān)系式來確定的:
T3estim = T3estim0 = I X f (Qech, Φ)
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述發(fā)動機(jī)參數(shù)至少由以下參數(shù)其中之一構(gòu)成:運(yùn)行點(diǎn)、水溫、點(diǎn)火提前角的減弱、凸輪軸的調(diào)整位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述保護(hù)部件X的濃度設(shè)定值由以下關(guān)系式確定:
①—f I V (Qech，T3consigne/T3estimi> = D 其中: T3consigne是發(fā)動機(jī)出口排出氣體的溫度設(shè)定值，和 f"0是相對于濃度的f O的逆函數(shù)。
【文檔編號】F01N11/00GK104246160SQ201380006875
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月26日
【發(fā)明者】G·阿萊格爾, E·克雷特薩斯 申請人:標(biāo)致·雪鐵龍汽車公司