廢氣再循環(huán)控制方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)涉及用于廢氣再循環(huán)的控制系統(tǒng)和方法，更具體地，涉及用于在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn)的瞬態(tài)循環(huán)期間控制廢氣再循環(huán)閥以改進(jìn)燃料消耗效率的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)上，許多內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)通常設(shè)有廢氣再循環(huán)（"EGR"）系統(tǒng)，以使廢氣的一部分 再循環(huán)至進(jìn)氣通道，以控制排放并通過(guò)降低最高燃燒溫度來(lái)抑制NO x的生成，并且通過(guò)減 少泵送損失來(lái)改進(jìn)燃料消耗。在這種EGR系統(tǒng)中，用于控制再循環(huán)廢氣的流量的再循環(huán)控 制閥通常定位在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋處或定位在氣缸蓋附近。此外，再循環(huán)廢氣入口形成 在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管或排氣管內(nèi)，其中流過(guò)排氣通道的廢氣的一部分被抽吸而通過(guò)入
[0003] 最近，在一些發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，因?yàn)榻?jīng)冷卻的EGR的補(bǔ)入會(huì)顯著減小發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震 傾向，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的可能性，以及改進(jìn)燃燒相位和燃燒循環(huán)的效率的機(jī)會(huì)，因而 經(jīng)冷卻的EGR可用于提高燃料效率。將先進(jìn)的燃燒相位與提高的燃料-空氣混合物的比熱 相結(jié)合，導(dǎo)致燃燒溫度的顯著降低，這減小了即使在最高功率水平下對(duì)富混合物的需求。
[0004] 圖1(現(xiàn)有技術(shù)）中示出示例性EGR系統(tǒng)的框圖。如圖所示，EGR系統(tǒng)包括用于機(jī) 動(dòng)車輛的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)1，該四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)由包括燃料和空氣的氣體混合物的燃燒供以動(dòng) 力。具體地，進(jìn)氣管線2 (即進(jìn)氣流道）連接到發(fā)動(dòng)機(jī)1并設(shè)置為將空氣供給至發(fā)動(dòng)機(jī)1。 此外，設(shè)置有進(jìn)氣歧管10,進(jìn)氣管線2從該進(jìn)氣歧管延伸。如對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言 已知的那樣，進(jìn)氣歧管10接收來(lái)自外部的由空氣清潔器3(例如空氣過(guò)濾器）過(guò)濾過(guò)的空 氣，該空氣凈化器用以移除外部空氣中所含有的灰塵，并用于經(jīng)由進(jìn)氣歧管10將空氣供應(yīng) 到進(jìn)氣管線2。此外，設(shè)置節(jié)流閥5,用于調(diào)節(jié)供應(yīng)至進(jìn)氣歧管10中的空氣量，并且在進(jìn)氣 管線2上設(shè)置燃料噴射器4,用于將包括汽油的燃料噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)1內(nèi)?？商鎿Q地，發(fā)動(dòng)機(jī) 1可以具有燃料噴射器4'，該燃料噴射器定位在將燃料直接噴射至燃燒室或副燃燒室的位 置處。此外，排氣管線6連接到發(fā)動(dòng)機(jī)1，以排出由發(fā)動(dòng)機(jī)1中的燃燒所生成的廢氣，并且凈 化設(shè)備7 (例如催化轉(zhuǎn)換器）定位在排氣管線6的相對(duì)端處，以在廢氣被迫離開(kāi)尾管（未示 出）之前對(duì)廢棄進(jìn)行凈化。
[0005] 如進(jìn)一步所示，發(fā)動(dòng)機(jī)1包括燃燒室la、用于將進(jìn)氣管線2和燃燒室Ia之間的連 通通路封閉的進(jìn)氣閥lb、用于將排氣管線6和燃燒室Ia之間連通通路封閉的排氣閥lc，以 及在運(yùn)轉(zhuǎn)期間在燃燒室Ia中豎直移動(dòng)的活塞Id。發(fā)動(dòng)機(jī)1的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人 員而言是已知的，本文將不再對(duì)其進(jìn)行重復(fù)。還應(yīng)當(dāng)了解，雖然僅示出了一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸， 但是本文所預(yù)期的發(fā)動(dòng)機(jī)配置用于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)、V6發(fā)動(dòng)機(jī)、V8發(fā)動(dòng)機(jī)等，在圖1中示出單個(gè) 氣缸僅用于示例的目的。
[0006] 系統(tǒng)的EGR部件包括EGR閥8、廢氣進(jìn)氣管線15、EGR管線16和控制單元18。廢 氣進(jìn)氣管線15從排氣管線6延伸，并且設(shè)置為將廢氣傳送到EGR管線16以使廢氣再循環(huán) 至進(jìn)氣歧管10。此外，控制單元18設(shè)置為通過(guò)響應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)輸出控制信號(hào)而控制 EGR閥8。這種控制通?；诎l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)和噴 射器的打開(kāi)程度（燃料噴射量）。一旦EGR閥響應(yīng)于控制信號(hào)被打開(kāi)（或其位置改變），則 廢氣流入EGR管線16中并通過(guò)進(jìn)氣歧管10和進(jìn)氣管線2返回至發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室la。因此， 機(jī)動(dòng)車輛的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)1中的燃燒受到返回至燃燒室Ia的不易燃廢氣量的抑制。如上 文所討論的，一些設(shè)計(jì)包括EGR冷卻器17,其可設(shè)置在廢氣進(jìn)氣管線15上，以在廢氣被引入 進(jìn)氣歧管10中之前對(duì)其進(jìn)行冷卻。
[0007] 在常規(guī)的EGR系統(tǒng)中，假設(shè)采用瞬時(shí)響應(yīng)EGR閥，則流入進(jìn)氣歧管10中的EGR質(zhì) 量流率等于從進(jìn)氣歧管10流出并流入發(fā)動(dòng)機(jī)1中的總質(zhì)量流率乘以進(jìn)氣歧管中的期望的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。EGR質(zhì)量流率可通過(guò)公式（1)數(shù)學(xué)地描述如下：
[0009] 其中：
[0010] -^是流入進(jìn)氣歧管中的EGR質(zhì)量流率；
[0011] IAef是從進(jìn)氣歧管流出并流入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的總質(zhì)量流率；以及
[0012] 父#是進(jìn)氣歧管中的期望的EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
[0013] 期望的EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)Xd^可變值，其由發(fā)動(dòng)機(jī)制造商確定，以基于運(yùn)轉(zhuǎn)狀況將燃 料消耗效率最大化。為了獲得期望的EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)X de，由控制單元18電氣致動(dòng)EGR控制閥 以改變預(yù)定位置，以控制經(jīng)由EGR管線16再循環(huán)回到進(jìn)氣歧管10中的廢氣量。如上文所 討論的并如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，EGR控制閥的位置將取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況而變化。
[0014] 一旦EGR控制閥被致動(dòng)到所限定的位置且廢氣被引入到進(jìn)氣歧管10中，則進(jìn)氣歧 管10中的廢氣量（即EGR質(zhì)量）與被引入通過(guò)進(jìn)氣管線的空氣量成比例地增加或減小。進(jìn) 氣歧管中的當(dāng)前EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)可通過(guò)公式（2)表示如下：
[0016] 其中：
[0017] Xee是進(jìn)氣歧管中的當(dāng)前EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
[0018] me是進(jìn)氣歧管中的當(dāng)前EGR質(zhì)量；以及
[0019] ma是進(jìn)氣歧管中的當(dāng)前空氣質(zhì)量。
[0020] 基于前述內(nèi)容，應(yīng)當(dāng)理解，從進(jìn)氣歧管流出的EGR質(zhì)量?是當(dāng)前EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù) 乂。6乘以總質(zhì)量流率。該結(jié)果可通過(guò)公式（3)表示如下：
[0022] 其中：
[0023] 是從進(jìn)氣歧管流出的當(dāng)前EGR質(zhì)量流率;
[0024] Til0f是從進(jìn)氣歧管流出的總質(zhì)量流率；以及
[0025] Xee是進(jìn)氣歧管中的當(dāng)前EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
[0026] 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)榱魅脒M(jìn)氣歧管中的EGR流率將是恒定的 并等于從進(jìn)氣歧管流出的EGR流率?Λσβ，因而當(dāng)前EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)XJf等于期望的EGR質(zhì) 量分?jǐn)?shù)Xde。然而，在發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)循環(huán)期間，例如，當(dāng)在發(fā)動(dòng)機(jī)加速或減速期間發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載 增加或減小時(shí)，EGR流率將響應(yīng)于節(jié)流閥位置的變化而變化。大體上，進(jìn)氣歧管中的EGR質(zhì) 量變化率可通過(guò)公式（4)表示如下：
[0028] 該公式由流入進(jìn)氣歧管中的EGR質(zhì)量流率1^減去從進(jìn)氣歧管流出的EGR質(zhì)量流 率而定義。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)加速期間，節(jié)流閥打開(kāi)，這導(dǎo)致從進(jìn)氣歧管流出的質(zhì)量流率 增加，并且因此導(dǎo)致較高的EGR質(zhì)量流率流入進(jìn)氣歧管中?？商鎿Q地，在發(fā)動(dòng)機(jī)減 速期間，節(jié)流閥關(guān)閉，這有效地減小從進(jìn)氣歧管流出的總質(zhì)量流率&，導(dǎo)致較低的EGR質(zhì) 量流率Aie流入進(jìn)氣歧管中。
[0029] 接下來(lái)，進(jìn)氣歧管中的EGR質(zhì)量變化率可通過(guò)將前述的公式（1)和（3)代入到公 式（4)中以得到下面的公式來(lái)進(jìn)一步使用期望的EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)X dJP實(shí)際的EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù) Xwi來(lái)表示：
[0031] 其中：
[0032] 父#是進(jìn)氣歧管中的期望的EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
[0033] Xee是進(jìn)氣歧管中的當(dāng)前EGR質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
[0034] .是從進(jìn)氣歧管流出的總質(zhì)量流率；以及
[0035]
:是進(jìn)氣歧管中的當(dāng)前的EGR質(zhì)量變化率。
[0036] 如上文所討論的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，例如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速或減速時(shí)，發(fā) 動(dòng)機(jī)制造商通常將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成增加或減小EGR流量以使燃料消耗效率最大化。例如，如 圖2 (現(xiàn)有技術(shù)）中所示，在大約17秒的標(biāo)記處，發(fā)動(dòng)機(jī)從低負(fù)載切換到高負(fù)載（即發(fā)動(dòng)機(jī) 加速），并且期望的EGR流率EGR_des設(shè)計(jì)為從略微低于20克/秒增加至40克/秒。如上 所述，這是通過(guò)調(diào)節(jié)EGR控制閥的位置以增加流入進(jìn)氣歧管10中的EGR流率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此 外，如圖2中所示在大約70秒的標(biāo)記處，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載切換至低負(fù)載（即發(fā)動(dòng)機(jī)減速）并且 期望的EGR流率EGR_des相應(yīng)地降低到初始流率。
[0037] 盡管期望的EGR流率EGR_des的變化幾乎是瞬時(shí)的，但在常規(guī)的EGR系統(tǒng)中的實(shí) 際運(yùn)轉(zhuǎn)中，實(shí)際的EGR流率EGR_act在達(dá)到40克/秒的最大期望速率之前存在顯著延遲。 該延遲在圖2中也有示出，并且是傳輸延遲的結(jié)果。換言之，雖然EGR控制閥響應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī) 負(fù)載的變化而瞬時(shí)（或接近瞬時(shí)）打開(kāi)，但是此時(shí)實(shí)際進(jìn)氣歧管10中的廢氣量是相對(duì)低 的。因此，由于在進(jìn)氣歧管10充滿來(lái)自EGR管線16的廢氣以及因此廢氣也從進(jìn)氣歧管10 輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)1內(nèi)之前需要給定的時(shí)間量或給定的發(fā)動(dòng)