專利名稱：車輛中的渦輪出口溫度的基于能量的閉環控制的制作方法
技術領域：
本發明涉及在車輛中渦輪出口溫度的控制，該車輛使用渦輪去驅動空氣進氣組件中的空氣壓縮機。
背景技術：
微粒過濾器用于車輛排氣系統中以有效的捕捉在燃料燃燒過程中產生的煙灰、灰塵、金屬和其它懸浮物質的微粒。然而，隨時間推移累積的微粒物質增加了跨過濾器的壓力差。為了延長過濾器的有用的操作壽命和為了進一步優化發動機性能，一些微粒過濾器可以使用熱量來選擇性的再生。排氣溫度被暫時性提高，通過噴射并在校準的起燃溫度之上點燃過濾器上游的燃料。這個過程經常稱為后碳氫化合物噴射或HCI。除了微粒過濾器，在HCI過程中可以使用各種催化劑以進一步凈化排氣。例如， 鈀、鉬或另外適合的催化劑可以經過簡單的放熱氧化過程連同再生加熱一起工作以分解在過濾器中所累積的物質。另外，車輛可以使用排氣再循環(EGR)閥來引導部分排氣返回到發動機缸內以進一步減少車輛排放。在渦輪增壓的空氣進氣壓縮器系統中，可變幾何渦輪增壓器、渦輪、或其它適合的裝置通過由發動機所釋放的排氣來驅動。渦輪旋轉以驅動渦輪壓縮器，其將壓縮的進氣空氣提供給發動機以增強發動機功率。全部的車輛排放性能因此極大的依賴于在燃燒的不同階段的排氣和進氣的溫度和質量流動和排氣清潔過程。

發明內容
此處包括控制器的車輛被公開，該控制器在上面提到的渦輪出口處自動維持預定的溫度，以因此控制車輛排放和微粒過濾器再生?？刂破髟陂]環控制下操作，使用相對于空氣進氣組件的渦輪和渦輪驅動的壓縮機所測量的值?？刂破魇褂眠@些值來計算發動機熱效率值，并調整進入發動機的空氣質量和/或燃料噴射進排氣流中的燃料速率。以這種方式， 控制器維持期望的渦輪出口溫度。特別是，車輛包括內燃發動機、排氣系統、渦輪、渦輪驅動的空氣壓縮機、傳感器和控制器?？諝鈮嚎s機可操作用于壓縮進氣空氣和用于將所壓縮的進氣空氣輸送到發動機。 渦輪將來自發動機的排氣轉換成足夠用于給空氣壓縮機提供動力的機械能。傳感器包括用于測量進入空氣壓縮機的進氣空氣溫度的第一傳感器，用于測量排出渦輪的排氣溫度的第二傳感器，和測量進入發動機的壓縮的進氣空氣的質量流動速率的第三傳感器。控制器以來自各種傳感器的溫度和質量流動速率值為函數計算發動機熱效率值?？刂破魇褂冒l動機熱效率值去執行控制行動，并因此將渦輪下游的排氣流的溫度維持高于校準的閾值溫度?？刂破魇褂冒l動機熱效率值計算要求的調整參數，即不形成扭矩的燃料進入噴射器中的噴射速率的改變和/或進入發動機的壓縮的進氣空氣的質量流動速率的改變。此處也公開了用于所述車輛上的控制系統。控制系統包括第一溫度傳感器、第二
4溫度傳感器和質量流動傳感器。主機以入口溫度、出口溫度和壓縮的進氣空氣的質量流動速率為函數計算發動機熱效率值。此后，主機使用發動機熱效率值將渦輪出口處的排氣溫度維持高于校準的閾值溫度。用于維持上面所述車輛中的排氣溫度的方法包括分別測量渦輪和空氣壓縮機的入口和出口的溫度，并測量從壓縮機進入發動機的壓縮的進氣空氣質量流動速率。本方法還包括使用主機以入口溫度、出口溫度和質量流動速率為函數去計算發動機熱效率值。主機之后使用發動機熱效率值將渦輪出口處的排氣溫度自動維持高于校準的閾值溫度。當結合附圖考慮時，本發明上面的特征和優點及其它特征和優點從下面用于執行本發明的最佳模式的詳細描述中是很明顯的。


圖1是具有內燃發動機和適合于維持期望的渦輪出口溫度的控制器的車輛的示意圖；圖2是描述在圖1所示車輛中用于維持期望的渦輪出口溫度方法的流程圖。
具體實施例方式參考附圖，其中相同的參考序號指示相同的組件，圖1中所示的車輛10具有發動機控制模塊或其它適合的控制器50?？刂破?0可以作為主機來體現，其執行在計算機可讀介質上編程或記錄的算法100，以便在排氣系統20中維持期望的溫度。算法100將在下面參考圖2來解釋。車輛10包括內燃發動機12。發動機12可以體現為多缸的扭矩產生裝置，其以壓燃式配置來操作，盡管其它發動機設計也可以使用。由發動機12產生的扭矩通過變速器傳遞到驅動輪，為了簡化，驅動輪和變速器從圖1中被省略。發動機12從油箱17抽出柴油、 汽油或者其它適合的燃料16。排氣流18作為在發動機12內發生的燃燒過程的副產品被產生。排氣18通過排氣系統20，在這里其作為凈化的排氣118經過尾管25被最終釋放到周圍的大氣中。排氣系統20包括空氣進氣歧管14、排氣歧管15、進氣空氣壓縮機組件22和排氣后處理系統40。進氣空氣，其在圖1中由箭頭11代表，經過空氣進氣組件22被吸入到發動機12中。排氣系統20作為整體由控制器50監控，并被配置為在其作為凈化的排氣118被最終釋放到大氣中之前清潔或凈化排氣18。所以，后處理40可以包括一個或多個氧化催化劑30、微粒過濾器32和選擇性催化還原(SCR)裝置34。系統40還包括一組燃料噴射器43，其與油箱17保持流體連通以接收燃料16，在過濾器再生過程中噴射器提供進入排氣18中的不產生扭矩燃料的后碳氫化合物噴射(HCI)。在系統40內的各種裝置的順序可以不同于圖1所示和上面描述的順序。微粒過濾器32可以由陶瓷、金屬網、顆粒狀氧化鋁或任何其它溫度和應用都適合的材料構成的適合的基質構成。這一點在技術上是可以理解的，SCR裝置如SCR裝置34使用活性催化劑將氮氧化物(NOx)氣體轉化成水和氮。SCR裝置34可以設置成陶瓷磚或蜂巢結構、盤形或任何其它適合的催化劑設計。仍參考圖1，空氣進氣壓縮機組件22包括空氣壓縮機36、用于冷卻壓縮空氣的后冷卻器37和渦輪38，根據一個可能實施例的如上所述的可變位置的渦輪增壓器(VGT)裝置?？刂破?0可以選擇性調整這個VGT的角度位置，如通過調整其葉片的位置。渦輪38 由排氣18驅動，由此旋轉壓縮機輸入元件39以因此提供能量給或驅動空氣壓縮機36。車輛10也可以包括排氣再循環或EGR閥41，其同樣可以根據需要來控制以便根據需要選擇性引導部分排氣18返回到進氣歧管14中。物理傳感器包括位于空氣進氣壓縮機組件22的出口側的質量流動傳感器42，和一對溫度傳感器44和46。溫度傳感器44被設置以便當排氣18進入渦輪18時測量其溫度。溫度傳感器46當排氣18排出渦輪38時測量其溫度。當進氣空氣進入空氣壓縮機36 時，使用一組其它傳感器48去測量歧管壓力、空氣溫度、和進氣空氣(箭頭11)的質量流。 進入渦輪38的溫度的檢測或模型值可以被控制器50使用，如用于保護渦輪。然而，對于當前的控制系統，空氣進氣壓縮機組件的入口和出口溫度形成了如下面所述的邊界條件。質量流動傳感器42產生質量流動速率信號21，溫度傳感器44產生溫度信號19， 溫度傳感器46產生信號23。信號19、21和23傳輸給控制器50，用于經過一組控制和反饋信號60調節實際的渦輪出口溫度。控制器50使用信號19、21和23，也有來自如所需要的傳感器48組的一組信號27，來計算用于發動機12的發動機熱效率值?？刂破?0也使用發動機熱效率值去執行一個或多個控制活動，因此將渦輪38的出口溫度維持在高于校準的閾值。這個閾值應該足夠超過如上面所述的校準的起燃溫度，否則其用現代的稀燃發動機將很難實現。在一個實施例中，渦輪38可以設置成渦輪增壓器裝置，其具有多個葉片，每個帶有可變幾何或如圖1中箭頭觀所指的渦輪角度。控制器50使用信號60可以控制葉片角度，以因此引導作用于渦輪葉片上的排氣18成指定角度，例如通過給移動葉片的促動器提供能量，這一點在技術上是很好理解的。在低的發動機速度時，例如葉片可以被至少部分地關閉以降低延遲。在較高發動機速度時葉片可以完全打開。渦輪38因此將排氣18轉換成適合驅動空氣壓縮機36的機械能，并幫助調節被壓縮的和被提供給發動機12的空氣(箭頭11)的體積和速率?？刂破?0可以設置成發動機控制模塊或主機，其程序帶有或可以使用算法100。 控制器50可以設置成數字計算機，其作為車輛控制器，和/或作為比例積分微分(PID)控制器裝置，該控制器裝置具有微處理器或中央處理器單元(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、電可擦除只讀存儲器(EEPROM)、高速時鐘、模數轉換(A/D)和/或數模 (D/A)轉換電路、和任何所需要的輸入/輸出電路和相關的裝置、以及任何所需要的信號調節和/或信號緩沖電路。可以使用標準的PID控制器，其具有以排氣流量和溫度、和/或速度和載荷為函數確定的收益，以便用期望的反應時間控制期望的溫度。在微粒過濾器32的再生過程中，在氧化催化劑30中的溫度通過控制器50而被維持在校準的起燃溫度之上?？刂破?0也在微粒過濾器32中維持期望的溫度。這樣做是為了確保在后HCI處理過程中提供的開環燃料供應的精度。排氣18的校準的或期望的溫度和其它值如較低的加熱值(LHV)可以被儲存用于由控制器50在查閱表80中參考。另外， SCR裝置34的傳統效率非常依賴于在氧化催化劑30和SCR裝置中的溫度。可以要求升溫和/或溫度維持模式的執行以預熱SCR裝置34和/或氧化催化劑30，以便獲得所期望的溫度用于再生微粒過濾器32。
氧化催化劑30中的期望溫度可以通過限制進氣空氣11和通過較早的附加的碳氫化合物的后噴射進排氣18中來實現。由于特定發動機組件的零件與零件的不同(也就是質量空氣流量傳感器42)，因此在期望的溫度對實際的溫度中看到不同是常見的。在部分載荷條件下，可以發生減少到低于起燃溫度，其迫使較晚的后噴射或HCI過程的中斷，因此延長了再生時間并減少了總燃料節約。在這種情況下SCR裝置34的轉換可受到限制。因此，圖1中所示的控制器50適合于執行圖2的算法100，以便為圍繞溫度傳感器 46的測量的閉環系統提供解決方案。該解決方案調整流入發動機12的進氣空氣，和/或調整在較早的后噴射/HCI過程中使用的燃料的體積和速率，以便獲得和維持期望的渦輪出口溫度。如果溫度傳感器46位于遠離渦輪出口的一相當大距離，那么來自查閱表80的信息可以用于確定排出渦輪38的排氣18的期望溫度。參考圖2，算法100以步驟102開始。特定的操作條件可以存在于稀燃內燃發動機中，如圖1所示的發動機12，其可以導致相對低的排氣溫度。這可以引起一些車輛在特定車輛驅動循環過程中在校準的催化劑起燃溫度之下連續運行?？刂破?0通過執行算法100解決這個問題，其最終導致通過控制器來調整空氣質量流和/或較早的HCI速率或體積。算法100可以用于控制在車輛10中任意點處的排氣溫度，如在SCR裝置34的入口處。以步驟102開始，控制器50計算發動機12的熱效率，如下
權利要求
1.一種車輛，包括 內燃發動機；排氣系統，其具有適合于將燃料噴射至來自所述發動機的排氣流中的一組燃料噴射器，其中所述排氣系統在所述燃料被噴射進所述排氣中后可操作用于選擇性點燃所述燃料以因此凈化所述排氣；空氣壓縮機，其可操作用于壓縮進氣空氣，和用于將該壓縮的進氣空氣傳送到所述發動機；渦輪，其適用于將來自于所述發動機的所述排氣轉化成用于給所述空氣壓縮機提供能量的機械能；第一傳感器，其適用于測量進入所述空氣壓縮機的所述進氣空氣的入口溫度； 第二傳感器，其適用于測量排出所述渦輪的所述排氣的出口溫度； 第三傳感器，其測量進入所述發動機的所述壓縮的進氣空氣的質量流動速率；和控制器，其可操作用于以所述入口溫度、所述出口溫度和所述質量流動速率為函數計算發動機熱效率值；其中所述控制器使用所述發動機熱效率值將所述渦輪下游的所述排氣的溫度維持在校準的閾值溫度之上。
2.權利要求1所述的車輛，其中所述控制器使用所述發動機熱效率值來計算以下至少之一所述燃料噴射器將所述燃料噴射進入所述排氣的速率中的改變、進入所述發動機的所述壓縮的進氣空氣的所述質量流動速率中的改變。
3.權利要求1所述的車輛，其中所述控制器以所述燃料的較低加熱值為函數計算所述發動機熱效率值。
4.權利要求1所述的車輛，其中所述校準的閾值溫度超過用于點燃所述燃料的校準的起燃溫度。
5.一種用于具有內燃發動機的車輛上的控制系統，所述控制系統包括第一溫度傳感器，其適合于測量進入所述車輛的空氣壓縮機的進氣空氣的入口溫度， 其中所述空氣壓縮機在空氣壓縮機進氣組件內由渦輪提供能量以因此產生壓縮的進氣空氣；第二溫度傳感器，其適合于測量排出所述渦輪的排氣的出口溫度； 質量流動傳感器，其被設置為測量從所述空氣壓縮機進入所述發動機的所述壓縮的進氣空氣的質量流動速率；主機，其可操作用于以所述入口溫度、所述出口溫度和所述質量流動速率為函數計算發動機熱效率值；其中所述主機使用所述發動機熱效率值將排出所述渦輪的所述排氣的溫度維持在校準的閾值溫度以上。
6.權利要求5所述的控制系統，其中所述主機使用所述發動機熱效率值來計算以下至少之一所述燃料噴射器將所述燃料噴射進入所述排氣的速率中的改變、從所述空氣壓縮機進入所述發動機的所述壓縮的進氣空氣的所述質量流動速率中的改變。
7.權利要求5所述的控制系統，其中所述渦輪是可變幾何渦輪(VGT)，并且其中所述主機部分上通過改變所述VGT的角度設定來維持所述排氣的溫度。
8.一種用于維持車輛中排氣溫度的方法，該車輛具有發動機、給空氣壓縮機提供能量的渦輪、和具有適合于將燃料噴射進排氣流中的燃料噴射器的排氣系統，其中所述排氣系統可操作以通過選擇性點燃在所述排氣中的所述燃料用于凈化所述排氣，所述方法包括測量進入所述空氣壓縮機的進氣空氣的入口溫度和排出所述渦輪的所述排氣的出口溫度；測量從所述空氣壓縮機進入所述發動機的壓縮的進氣空氣的質量流動速率； 使用主機以所述入口溫度、所述出口溫度和所述壓縮空氣的所述質量流動速率為函數計算發動機熱效率值；和使用所述發動機熱效率值將所述渦輪的所述出口處的所述排氣的溫度自動維持在校準的閾值溫度之上。
9.權利要求8所述的方法，其中使用所述發動機熱效率值自動維持所述排氣的溫度包括計算要求的改變參數，包括在所述燃料噴射器將所述燃料噴射進入所述排氣的速率中的改變和進入所述發動機的所述壓縮空氣的所述質量流動速率中的改變中的至少其中一個；使用所述要求的改變參數執行控制活動以因此影響由所述要求的改變參數所指示的改變。
10.權利要求9所述的方法，其中所述主機以所述燃料的較低加熱值為函數計算所述發動機熱效率值。
全文摘要
車輛包括發動機和排氣系統，該排氣系統點燃來自燃料噴射器的燃料以凈化排氣?？諝鈮嚎s機將壓縮的進氣空氣傳遞給發動機，渦輪給壓縮機提供能量?？刂破魇褂脕碜圆煌瑐鞲衅鞯臏囟群唾|量流動速率值計算發動機熱效率值?？刂破魇褂脽嵝手稻S持渦輪下游的排氣溫度?？刂葡到y包括傳感器和主機，其使用熱效率值可操作用于將排氣溫度維持在閾值之上。用于維持排氣溫度的方法包括測量空氣進氣系統的入口和出口溫度、測量壓縮的進氣空氣的質量流動速率、和使用主機使用熱效率值去維持氣體溫度。
文檔編號F02D43/00GK102465780SQ20111034338
公開日2012年5月23日 申請日期2011年11月3日 優先權日2010年11月3日
發明者P.巴拉薩 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司