本發(fā)明涉及內(nèi)燃機中空燃比的反饋控制。
背景技術(shù)：
：汽油發(fā)動機中排氣排放的有效轉(zhuǎn)換包括將催化器進氣空燃比保持在圍繞化學計量的狹窄窗口處。然而，在實際的發(fā)動機操作過程中，可能會發(fā)生遠離化學計量的輕微偏移(excursion)。為了增加操作窗口并因此提高排放性能，催化劑通常包括二氧化鈰以便提供緩沖用于儲氧。為了保持最佳催化劑性能，通過發(fā)動機空燃比的反饋控制，存儲的氧氣可以被保持在基于發(fā)動機載荷和溫度校準的期望設(shè)定點處。技術(shù)實現(xiàn)要素：然而，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認識到以上方法的問題。確定催化劑中存儲的氧氣的水平通常涉及基于物理的催化劑模型的利用，其包括在一個或多個維度中的多個偏微分方程。這樣的模型可能難以實施，并且可能需要比通常可用于發(fā)動機控制器的更大的處理功率。因此，在一個示例中，以上問題可能至少部分通過用于發(fā)動機排氣系統(tǒng)的方法解決。在一個實施例中，方法包括基于催化劑的部分氧化狀態(tài)(fractionaloxidationstate)調(diào)整燃料噴射量，該部分氧化狀態(tài)基于貫穿催化器縱向軸的多個排氣種類的反應速率和用于催化劑的液相和載體涂料的一組軸向平均質(zhì)量平衡和能量平衡方程。例如，該部分氧化狀態(tài)可以基于由一組常微分方程表示的零維模型確定。該模型可以追蹤通過催化器的一個或多個排氣化學種類的演變。另外，該模型通過有效傳質(zhì)概念也說明了在發(fā)生反應的載體涂料內(nèi)的擴散。以此方式，簡化的模型可以用于預測催化劑的總儲氧容量和部分氧化狀態(tài)。這些可用于發(fā)動機空燃比的反饋控制中，以便將催化劑的部分氧化狀態(tài)保持在期望的量。此外，如果催化劑活性或總儲氧量低于閾值，可以指示催化劑降解。在另一實施例中，系統(tǒng)包括：催化器，其被設(shè)置在發(fā)動機排氣系統(tǒng)中；控制器，其包括指令以便：基于催化劑模型確定催化劑活性、催化劑的總儲氧容量和部分氧化狀態(tài)，該催化劑模型使用用于催化劑的液相和載體涂料的一組軸向平均質(zhì)量平衡和能量平衡方程追蹤通過催化器的種類濃度變化；和如果催化劑活性或總儲氧容量低于閾值，指示催化劑降解。在另一實施例中，總儲氧容量是模型預測的排氣傳感器電壓和測得的排氣傳感器電壓之間的估計誤差的函數(shù)。在另一實施例中，催化劑增益基于上游空燃比、下游空燃比、空氣質(zhì)量和溫度。在另一實施例中，控制器包括進一步的指令以便如果部分氧化狀態(tài)在閾值范圍之外則調(diào)整到發(fā)動機的燃料噴射量。在另一實施例中，系統(tǒng)進一步包括基于空氣質(zhì)量、溫度、排氣空燃比和發(fā)動機轉(zhuǎn)速確定入口種類濃度。在另一實施例中，入口種類包括CO、HC、NOx、H2、H2O、O2和CO2中的一種或多種。在另一實施例中，催化器是三元催化器(TWC)。在另一實施例中，用于包括催化器的發(fā)動機的方法包括：基于預測的排氣傳感器輸出和測得的排氣傳感器輸出之間的誤差，確定催化劑活性；應用催化劑活性和多個入口排氣種類濃度到催化劑模型以確定催化劑的總儲氧容量和部分氧化狀態(tài)，該催化劑模型包括催化劑的液相和載體涂料的一組軸向平均質(zhì)量平衡和能量平衡；基于催化劑的總儲氧容量和部分氧化狀態(tài)，保持期望的空燃比；和如果催化劑活性或總儲氧容量小于閾值，指示催化劑降解。在另一實施例中，催化劑的部分氧化狀態(tài)進一步包括催化劑中的二氧化鈰的部分氧化狀態(tài)，其基于通過催化器的氧氣濃度的變化確定。在另一實施例中，入口排氣種類包括CO、HC、NOx、H2、H2O、O2和CO2，并且其中將多個入口排氣種類濃度應用到催化劑的液相和載體涂料的一組軸向平均質(zhì)量平衡和能量平衡進一步包括應用總氧化劑濃度和總還原劑濃度。在另一實施例中，基于來自催化器上游的氧氣傳感器和催化器下游的氧氣傳感器的輸入，期望的空燃比被進一步保持。在另一實施例中，催化劑活性是催化劑的總儲氧容量的指示。本發(fā)明可以提供幾個優(yōu)點。例如，專用于催化劑模型的處理資源可以被減少。此外，排放控制可以通過將催化劑保持在期望的部分氧化狀態(tài)而被改善。另外，關(guān)鍵的排氣種類的演變，如HC、NOx、和CO，或總的氧化劑和還原劑，可以被監(jiān)測，并且如果預測到斷缺(breakthrough)，可告知該車輛的操作員，和/或可進行額外發(fā)動機控制操作以便控制排氣種類的產(chǎn)生。本方法的另一優(yōu)點是，它提供了一種用于控制和診斷的非侵入性的催化劑監(jiān)測器，這較少依賴于傳感器位置并且因此將同樣適用于部分和全部容量催化劑系統(tǒng)。當單獨地或結(jié)合附圖考慮時，本發(fā)明的上述優(yōu)點和其他優(yōu)點以及特征從下面的具體實施方式中將是顯而易見的。應當理解的是，提供以上概述以便以簡化的形式介紹在具體實施方式中進一步被描述的一系列概念。這并不意味著辨別要求保護的主題的主要或基本特征，要求保護的主題的范圍是由所附權(quán)利要求唯一限定。此外，要求保護的主題并不限于解決在上面或在本公開的任何部分中提到的任何缺點的實施方式。附圖說明圖1示意性地示出示例車輛系統(tǒng)。圖2圖示說明用于估計催化劑增益的控制操作。圖3A-3C示意性地示出內(nèi)外循環(huán)控制策略的示例圖。圖4是流程圖，其圖示說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于監(jiān)測催化劑的示例方法。圖5是流程圖，其圖示說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于確定催化劑的氧化狀態(tài)的示例方法。具體實施方式為了減少排放的斷缺，催化劑可利用儲氧材料，如以氧化鈰形式的二氧化鈰，以便在富或稀的偏移過程中提供用于氧氣的緩沖劑。進入催化器的空燃比可以被控制，使得催化劑的氧化狀態(tài)被保持在期望的水平。在本發(fā)明的示例模型中，在催化器的入口到出口處的各種排氣種類的濃度，如H2、CO、NOx、HC和O2，可以使用簡化的低維模型被建模。所述模型說明了復合催化劑動力學，如在載體涂料中的擴散和反應以及催化劑老化，并將所述動力學簡化為一組軸向平均模型方程。所述模型方程追蹤在所述催化劑的液相和載體涂料中每個排氣種類的平衡。另外，所述模型補償了在催化劑的液相和載體涂料中的整體能量平衡。特別地，所述模型可以追蹤氧化劑和還原劑的濃度變化，以便確定所述催化劑的部分氧化狀態(tài)，其可以用于控制發(fā)動機的空燃比。另外，催化劑增益可以被確定和應用到所述模型，以追蹤總儲氧容量的變化，其可以表明催化劑是否被降解。另外，各種排氣成分的濃度可以被用于預測整體尾氣排放。圖1示出了包括催化器和控制系統(tǒng)的示例發(fā)動機。圖2-5圖示說明了可以由圖1的發(fā)動機執(zhí)行的各種控制程序。圖1示出了車輛系統(tǒng)6的示意圖。車輛系統(tǒng)6包括具有多個汽缸30的發(fā)動機10。發(fā)動機10包括進氣裝置23和排氣裝置25。進氣裝置23包括通過進氣通道42流體地連接到發(fā)動機進氣歧管44的節(jié)氣門62。排氣裝置25包括通向排氣通道35的排氣歧管48，排氣通道35將排氣引導到大氣中。排氣裝置25可以包括一個或多個排放控制裝置70，其可以被安裝在排氣中的緊密連接位置中。一個或多個排放控制裝置可以包括三元催化器、稀NOx捕集器、柴油或汽油微粒過濾器、氧化催化器等?？梢岳斫獾氖?，其他部件可以被包括在所述發(fā)動機中，例如各種閥門和傳感器。發(fā)動機10可以接收來自燃料系統(tǒng)(未示出)的燃料，該燃料系統(tǒng)包括燃料箱和用于將被輸送到發(fā)動機10的噴射器66的燃料加壓的一個或多個泵。雖然只示出了單個噴射器66，但是為每個汽缸提供額外的噴射器。可以理解的是，燃料系統(tǒng)可以是無回流燃料系統(tǒng)、回流燃料系統(tǒng)或各種其他類型的燃料系統(tǒng)。燃料箱可以容納多種燃料混合物，包括具有一系列酒精濃度的燃料，例如各種汽油-乙醇混合物，包括E10、E85、汽油等以及其組合。車輛系統(tǒng)6可以進一步包括控制系統(tǒng)14?？刂葡到y(tǒng)14被示出接收來自多個傳感器16(本文描述了其各種示例)的信息和發(fā)送控制信號到多個致動器81(本文描述了其各種示例)。作為一個示例，傳感器16可以包括位于排放控制裝置上游的排氣傳感器126(如線性UEGO傳感器)、溫度傳感器128和下游排氣傳感器129(如二元HEGO傳感器)。其他傳感器，如壓力傳感器、溫度傳感器和組合物傳感器可被連接到車輛系統(tǒng)6中的各位置，如本文中更詳細討論。在一個示例中，致動器可以包括“信息中心”，該信息中心包括操作顯示82，響應于催化劑降解的指示，在操作顯示82處信息可被輸出到車輛操作員，例如，其指示需要維護所述排放系統(tǒng)。作為另一示例，致動器可以包括燃料噴射器66和節(jié)流閥62。控制系統(tǒng)14可以包括控制器12?？刂破骺梢越邮諄碜愿鞣N傳感器的輸入數(shù)據(jù)，處理輸入數(shù)據(jù)，并且響應于所處理的輸入數(shù)據(jù)基于對應于一個或多個程序編程的指令或代碼，觸發(fā)致動器。關(guān)于圖2-5，描述了示例性控制程序。對于催化劑診斷，可以使用催化劑模型的各種輸入?yún)?shù)。在一個實施例中，所述輸入?yún)?shù)可以包括催化劑增益、如來自MAF傳感器的質(zhì)量空氣流量的空氣量(AM)、基于發(fā)動機工況(例如轉(zhuǎn)速、載荷等)估計的催化劑溫度、HEGO輸出和UEGO輸出。在一些實施例中，上面列出的所有示例性輸入可以用于催化劑模型中。在另一實施例中，HEGO模型可以與催化劑模型串聯(lián)使用。在這樣的模型中，模型估計的電壓與測得的傳感器電壓(如HEGO電壓)進行比較，并且然后所計算的誤差被用于更新催化劑活性(ac)。催化劑活性被用來作為催化劑老化的指示以用于診斷。這種基于模型的方法是非侵入式的且較少依賴HEGO傳感器位置，使其同樣適用于部分和全部容量催化劑。在其他實施例中，只有一子組輸入?yún)?shù)可以被使用，如催化劑溫度和催化劑增益。催化劑增益是催化劑的儲氧容量的即時估計，其隨著催化劑老化而減少，并被示于圖2中。圖2的示例性函數(shù)示出了催化劑增益是空氣質(zhì)量、催化劑溫度和相關(guān)的排氣空燃比(例如，拉姆達)的函數(shù)。催化劑增益可以是催化劑條件的指示，例如存儲在催化劑中的氧氣量、催化劑轉(zhuǎn)化效率等。圖2圖示說明計算來自UEGO和HEGO傳感器輸入的催化劑增益的示例性函數(shù)200。催化劑增益可以被定義為線性的、與時間無關(guān)的系統(tǒng)，其作為脈沖響應上述輸入。確定催化劑增益依賴于傳遞函數(shù)(TF)，傳遞函數(shù)表示系統(tǒng)中輸入和輸出之間的關(guān)系。下面示出了在拉普拉斯域中的兩個傳遞函數(shù)(TF)，其中s是拉普拉斯算子：傳遞函數(shù)1(TF1)傳遞函數(shù)2(TF2)其中，w＝conv(u，v)卷積矢量u和v。用代數(shù)方法，卷積是與乘以多項式相同的操作，其中多項式的系數(shù)是u和v的元素。確定催化劑增益包括在210處，使用來自HEGO傳感器的輸入確定TF1的輸出。該輸出可以被送入TF2的輸出，如將在下面更詳細地進行說明。在212處，確定UEGO傳感器輸出和拉姆達(例如1)之間的差，并且在214處，該差乘以空氣質(zhì)量。此乘積被用作在216處的TF2的輸入。隨著催化劑增益可以被計算并不斷地被更新，之前催化劑增益確定的輸出可以被送入218處的函數(shù)。在220處，TF2和之前的催化劑增益的乘積可以被加入到TF1的輸出。在222處，確定來自HEGO傳感器的輸入和220的乘積之間的差，并且在224處，這個差乘以TF2的輸出。為了確定催化劑增益K，在226處對在224中確定的乘積采取積分。圖3A-3B是示例圖，其描述了用于保持發(fā)動機中空燃比的內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制策略。圖1的發(fā)動機10和排放控制裝置70是發(fā)動機部件的非限制性示例，該發(fā)動機部件可以使用下列控制策略被監(jiān)測和/或控制。圖3A描述了包括內(nèi)環(huán)302和外環(huán)304的示例圖300。內(nèi)環(huán)302控制策略包括第一空氣-燃料控制器C1306，其提供燃料命令到發(fā)動機308。發(fā)動機產(chǎn)生排氣，排氣的氧濃度在到達催化器(例如TWC312)之前通過上游傳感器確定，例如UEGO310。外環(huán)304包括來自下游氧氣傳感器(如HEGO314)的反饋，其被送到第二空氣-燃料控制器C2316。來自催化劑增益模型318(見圖2)的輸出被送入催化劑模型320中(見圖5)，催化劑增益模型318接收來自UEGO310、發(fā)動機308和HEGO314的輸入。如將在下面更詳細地說明，催化劑模型確定催化劑的總儲氧容量和部分氧化狀態(tài)。在322處，可以確定C2的輸出與UEGO信號之間的差，該差作為誤差信號被輸出到第一控制器C1。圖3B描述了示例圖330，其類似于圖3A的圖300的控制策略，除了催化劑模型320接收來自HEGO模型324而不是催化劑增益模型的輸入。HEGO模型324可以與催化劑模型320串聯(lián)使用。HEGO模型324比較由催化劑模型320預測的HEGO電壓和所測得的HEGO電壓。然后，計算的誤差被用于更新催化劑活性(ac)。圖3C描述了具有控制策略的示例圖340，其中催化劑模型320接收來自催化劑增益模型318和HEGO模型324兩者的輸入。圖4是流程圖，其圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于監(jiān)測催化劑的方法400。方法400可以通過使用來自各種發(fā)動機傳感器的反饋由發(fā)動機控制系統(tǒng)(如圖1的控制系統(tǒng)14)執(zhí)行。在402處，方法400包括確定催化劑增益。催化劑增益可以根據(jù)以上關(guān)于圖2所述的過程確定。在404處，在催化器入口處的排氣種類濃度被確定。確定入口種類的濃度可以包括確定O2、H2O、CO、HC、NOx、H2和CO2中的一種或多種的濃度。入口種類濃度可以基于空氣質(zhì)量、溫度、空燃比、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、點火正時和載荷中的一個或多個確定。例如，各種類濃度可以被映射到空氣質(zhì)量、溫度、空燃比和脫機發(fā)動機轉(zhuǎn)速，以及被存儲在控制系統(tǒng)的存儲器中的查表(look-uptable)中的濃度。在406處，催化劑增益和種類濃度被輸入催化劑模型中。在另一實施例中，HEGO模型被用于實時更新催化劑活性而不是催化劑增益。催化劑模型包括一組軸向平均常微分差方程，其針對催化劑通道的縱向軸，計算對于每個種類的催化劑的液相平衡、對于每個種類的催化劑的載體涂料平衡、液相和載體涂料的能量平衡和催化劑中二氧化鈰的氧化/還原平衡。在408處，催化劑的總儲氧容量和部分氧化狀態(tài)根據(jù)所述催化劑模型被確定，這將在下面關(guān)于圖5更詳細地說明。在410處，燃料噴射被調(diào)整，以保持期望的部分氧化狀態(tài)。例如，可能期望將催化劑的部分氧化狀態(tài)(例如，在所述催化劑內(nèi)的二氧化鈰的部分氧化)保持在期望的水平，該期望水平為了最佳性能基于發(fā)動機載荷和溫度被校準，例如50％。在412處，確定催化劑的總儲氧容量是否大于閾值。催化劑的總儲氧容量指示催化劑的狀態(tài)，例如，新鮮催化劑將具有相對高的儲氧容量，而降解的催化劑由于存儲氧氣的二氧化鈰的容量減少而具有相對低的儲氧容量。新鮮催化劑的總儲氧容量可以基于在生產(chǎn)過程期間催化劑中存在的二氧化鈰的量進行確定，或者其可以在催化器的初始操作過程中確定。閾值可以是合適的閾值，低于該閾值，催化劑停止有效控制排放。如果總儲氧容量大于閾值，在414處指示無降解，然后方法400返回。如果總儲氧容量不大于閾值，即如果儲氧容量小于閾值，在416處指示催化劑降解，并采取默認操作。默認操作可以包括通過故障指示燈通知所述車輛的操作者、設(shè)置診斷代碼和/或調(diào)整發(fā)動機運行參數(shù)，以減少排放物產(chǎn)生。然后，方法400返回。圖5是流程圖，其圖示說明了用于通過使用催化劑模型確定催化劑的氧化狀態(tài)的方法500。方法500可以在圖4的方法400的執(zhí)行過程中由發(fā)動機控制系統(tǒng)14執(zhí)行。在502處，對于每個種類的催化劑液相的質(zhì)量平衡被計算出。質(zhì)量平衡說明了種類質(zhì)量從液相到載體涂料的轉(zhuǎn)移。液相的質(zhì)量平衡可以使用下列方程(1)計算：其中，Xfm是大體積液相中氣態(tài)種類的摩爾部分；<Xwc>是載體涂料中種類的摩爾部分；Rn是通道的水力半徑；<u>是平均的進氣速度；L是催化器的長度；和Kmo是液相與載體涂料之間的傳質(zhì)系數(shù)，其被定義為：在這里，Kme和Kmi是外部傳質(zhì)系數(shù)和內(nèi)部傳質(zhì)系數(shù)。在504處，每個種類的載體涂料的質(zhì)量平衡使用方程(2)計算，載體涂料的質(zhì)量平衡說明了來自由于反應從界面到大體積載體涂料的質(zhì)量傳遞和消耗的作用，方程(2)如下：其中，r是反應速率；εw是載體涂料的孔隙率；u表示化學計量矩陣；和δc是載體涂料的厚度。在506處，使用下列方程(3)計算液相的能量平衡：其中，ρf是氣體平均密度；Tf是液相的溫度；Tfin表示進料口溫度；Ts是固相的溫度；Cpf是比熱容；和h是傳熱系數(shù)。在508處，使用方程(4)計算載體涂料的能量平衡：其中，δc是載體涂料的厚度和δw是有效壁厚。在510處，使用下列方程(5)計算二氧化鈰的氧化速率：其中，θ是二氧化鈰的部分氧化狀態(tài)(FOS)，來自二氧化鈰的氧氣的存儲率(r2)Rstorage和釋放速率(r3)Rrelease可以基于下列方程：其中，ac是催化劑活性或催化劑的老化參數(shù)。催化劑的老化參數(shù)是催化劑的儲氧狀態(tài)的指示。例如，隨著催化劑老化，其存儲氧氣的容量可能會減少。在一個示例中，老化參數(shù)1指示新鮮催化劑，減小的老化參數(shù)指示減小的存儲氧氣容量。老化參數(shù)可以基于上游空燃比、下游空燃比、空氣質(zhì)量和溫度的大量估計。在一些實施例中，老化參數(shù)可以根據(jù)關(guān)于圖2描述的預定的催化劑增益被計算。在另一實施例中，HEGO模型與催化劑模型串聯(lián)使用，以估計下游HEGO電壓，并且然后，使用所測得的HEGO電壓計算用于更新催化劑活性的誤差。術(shù)語A和E分別表示前指數(shù)因子和活化能。A和E是使用遺傳算法或其他非線性約束優(yōu)化可以脫機優(yōu)化的可調(diào)參數(shù)。在512處，確定了部分氧化狀態(tài)(FOS)和總儲氧容量(TOSC)。FOS可以使用上述針對θ方程并進一步基于方程(6)被確定：當基本種類(如C、H和O)的整體平衡不發(fā)生變化(除非催化器內(nèi)存在存儲或釋放)時，來自入口濃度的氧氣變化量可以歸因于二氧化鈰FOS的變化。此外，該方程可以用于通過比較所計算出的種類濃度和所測得的催化器的上游和下游的空燃比來驗證模型。TOSC表示總儲氧容量，并且因為每個二氧化鈰(Ce2O3)分子存儲半摩爾的氧氣，TOSC可能相當于總二氧化鈰容量的一半。在514處，利用在所述催化器的出口處種類的濃度變化，可計算尾管排放。在一些實施例中，如果調(diào)節(jié)的種類NOx、CO和HC的排放高于閾值，發(fā)動機操作可以被調(diào)整以減少排放，例如增加EGR以便減少NOx。當計算尾管排放時，方法500返回。因此，在上面關(guān)于圖4和圖5給出的方法400和500提供了用于包括催化器的發(fā)動機的方法。該方法包括基于預測的排氣傳感器輸出與測得的排氣傳感器輸出之間的誤差確定催化劑活性；將催化劑活性和多個入口排氣種類濃度應用到包括催化劑的液相和載體涂料的一組軸向平均質(zhì)量平衡和能量平衡的催化劑模型，以確定催化劑的總儲氧容量和部分氧化狀態(tài)；基于催化劑的總儲氧容量和部分氧化狀態(tài)，保持期望的空燃比；和如果催化劑活性或總儲氧容量小于閾值，指示催化劑降解。以此方式，每個排氣種類可以被輸入催化劑模型中，其軸向平均催化劑動力學，如溫度、組合物等。根據(jù)催化劑模型，可以控制空燃比，并可指示催化劑降解。雖然關(guān)于圖4和圖5描述的實施例計算七個獨立的排氣種類(CO、HC、NOx、H2、H2O、O2和CO2)的質(zhì)量平衡，從而允許監(jiān)測每個種類，但是在一些實施例中，只有所述種類中的一個或其組合可能會被監(jiān)測。例如，種類可以被分成氧化劑(如O2和NOx)和還原劑(如HC、CO和H2)，而不是計算每個獨立種類的質(zhì)量平衡。此外或可替代地，只有期望調(diào)節(jié)的排氣(例如CO、HC和NOx)的濃度變化可以被監(jiān)測。應該理解的是，本文所公開的構(gòu)造和方法在本質(zhì)上是示例性的，并且這些具體實施例不應被認為具有限制意義，因為許多變化是可能的。例如，上述技術(shù)可以被應用于V-6、L-4、L-6、V-12、對置4缸和其他發(fā)動機類型。本發(fā)明的主題包括在此公開的各種系統(tǒng)和構(gòu)造以及其他特征、功能和/或特性的所有新穎的和非顯而易見的組合和子組合。所附權(quán)利要求具體指出被視為新穎的和非顯而易見的特定組合和子組合。這些權(quán)利要求可以涉及“一個”元件或“第一”元件或其等價物。這些權(quán)利要求應被理解為包括一個或多個這樣的元件的混合，既不要求也不排除兩個或更多這樣的元件。所公開的特征、功能、元件和/或特性的其他組合和子組合可以通過對本權(quán)利要求的修改或者通過在這個或相關(guān)申請中提出新權(quán)利要求而被要求保護。對于原權(quán)利要求，這些權(quán)利要求，無論在范圍上相對于原權(quán)利要求是否更寬、更窄、相等或不同，都被視為包含在本發(fā)明的主題內(nèi)。當前第1頁1 2 3