專利名稱：測量廢氣再循環(huán)的儀器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)和EGR流量測量。
背景技術(shù)：
在美國減少排放物超過30年的探索中一個非常重要的要素是廢氣再循環(huán)或EGR 的使用。這是一種方式，其中被選定比例的燃燒產(chǎn)物再循環(huán)進(jìn)入吸氣、耗油式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)來 降低燃燒溫度，從而減少了在燃燒過程中產(chǎn)生的氧的氧化物量。EGR最初用于火花點火式汽 油燃油汽車發(fā)動機(jī)。早期的EGR方法，抑制氮氧化物的同時增加系統(tǒng)的復(fù)雜性并影響與之 相關(guān)的發(fā)動機(jī)的性能和靈活性。 在隨后幾年中，EGR的應(yīng)用顯著地更先進(jìn)地使用電子控制、氧傳感器以及其他用于 EGR閉環(huán)控制的工具。最近幾年，對于壓縮點火或柴油發(fā)動機(jī)由于強(qiáng)制性環(huán)境保護(hù)局(EPA) 規(guī)定的排放物減少要求EGR應(yīng)用。柴油發(fā)動機(jī)的EGR應(yīng)用給系統(tǒng)設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn)，特別 是由于柴油發(fā)動機(jī)工作循環(huán)性質(zhì)。柴油發(fā)動機(jī)，尤其是在非公路場地上，在極其困難的周圍 環(huán)境下運(yùn)行，并要求EGR的控制系統(tǒng)足夠堅固以維持必需的發(fā)動機(jī)工作循環(huán)，但足夠精確 以保持規(guī)定的排放物等級。 為了控制與被引入到發(fā)動機(jī)的新鮮空氣相關(guān)的EGR百分比，EGR流量的測量是必 需的。目前，這種測量包括位于通道內(nèi)將EGR從發(fā)動機(jī)排氣口傳送到發(fā)動機(jī)進(jìn)口的文氏管 或孔板。雖然提供了一些EGR流量的測量法，但EGR通道內(nèi)氣體成分的性質(zhì)使得它可能會 影響測量精度。此外，EGR流量通道容易受顯著的壓力脈沖變化的影B向，因為多缸往復(fù)式內(nèi) 燃發(fā)動機(jī)產(chǎn)生在流動穿過EGR通道時反映的不連續(xù)排氣脈沖。這又可能對EGR通道內(nèi)EGR 流量的測量產(chǎn)生嚴(yán)重、不利的影響。除了這個問題，通道內(nèi)文氏管或孔板狀節(jié)流的應(yīng)用是一 種直接的燃油效率損失，因為由于孔板或文氏管節(jié)流必需由泵進(jìn)行附加的泵送工作。
因此，本領(lǐng)域所需的是一種更有效和準(zhǔn)確的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)中的EGR測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種形式是一種用于內(nèi)燃(IC)發(fā)動機(jī)的廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)的控制 系統(tǒng)，其包括用于響應(yīng)至少兩個輸入信號的差別控制EGR流量的裝置。第一裝置計算內(nèi)燃 發(fā)動機(jī)消耗的氣體流量并向所述流量控制裝置提供與氣體總流量成比例的信號。第二裝置 測量流向內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的新鮮空氣流量并向所述流量控制裝置提供與所述新鮮空氣流量成 比例的信號，所以總流量與新鮮空氣流量之間的差是實際的EGR流量。 本發(fā)明的另一種形式是一種內(nèi)燃(IC)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，包括具有用于接收用于燃燒 的氣體的進(jìn)氣口和用于排出燃燒產(chǎn)物的排氣口的吸氣式IC發(fā)動機(jī)。 一流量控制裝置選擇 性地流體連接控制百分比的燃燒產(chǎn)物與內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口。 一裝置響應(yīng)至少兩個輸入信 號的差別啟動所述流量控制裝置。第一裝置計算內(nèi)燃發(fā)動機(jī)消耗的氣體總流量并向所述流 量控制裝置提供與內(nèi)燃發(fā)動機(jī)氣體總流量成比例的信號。第二裝置測量流向內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的 新鮮空氣流量并向所述流量控制裝置提供與所述新鮮空氣流量成比例的信號，所以總流量
4和新鮮空氣流量之間的差是實際的EGR流量。 本發(fā)明的還一種形式是一種操作吸氣式內(nèi)燃(IC)發(fā)動機(jī)的方法，所述吸氣式內(nèi) 燃發(fā)動機(jī)具有廢氣再循環(huán)(EGR)和用于控制EGR的裝置。所述方法包括計算內(nèi)燃發(fā)動機(jī)消 耗的氣體總流量的步驟?？偭髁繙p去實際的新鮮空氣流量，以提供被用作控制EGR的裝置 的輸入的EGR流量的測量。


通過參考下面本發(fā)明的實施例配圖的描述，本發(fā)明的上述及其他特點和優(yōu)點，以
及實現(xiàn)它們的方法，將變得更加明顯，而且本發(fā)明將得到更好的理解，其中 圖1是具有EGR的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的示意圖，其能使本發(fā)明具體化。 貫穿所述附圖相應(yīng)的參考數(shù)字表示相應(yīng)的部件。此處陳述的范例表明本發(fā)明的一
個實施例，而這種范例不應(yīng)當(dāng)以任何方式被理解為限制本發(fā)明的范圍。
具體實施例方式
參考圖l，表示內(nèi)燃發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10，在其中具有吸氣、耗油、多缸內(nèi)燃發(fā)動機(jī)12，內(nèi) 燃發(fā)動機(jī)12接收來自進(jìn)氣歧管14的助燃空氣并具有為燃燒物供給燃料的燃料系統(tǒng)16，所 述燃燒物通過排氣歧管18排出。內(nèi)燃發(fā)動機(jī)12可以是往復(fù)式，其中活塞在汽缸內(nèi)以適當(dāng) 的直線或V形往復(fù)運(yùn)動并被連接到曲軸，因此使得它們的向上和向下運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)扭矩 輸出。 發(fā)動機(jī)12可利用若干工作循環(huán)中任何一個，包括火花點火發(fā)動機(jī)，其中燃料在進(jìn) 入發(fā)動機(jī)汽缸并被點火源點燃之前與助燃空氣混合?？蛇x擇地，發(fā)動機(jī)可以是壓縮點火或 柴油循環(huán)，其中壓縮的熱量被用來點燃直接注入各個汽缸用于燃燒的燃料。還有另一種形 式可以是被稱為均質(zhì)充量壓縮點火發(fā)動機(jī)，其中燃料在進(jìn)入汽缸之前與助燃空氣混合，以 及各種參數(shù)控制或裝置被用于啟動燃燒。具有這些系統(tǒng)中任何一個，燃燒產(chǎn)物包含氮氧化 物、二氧化碳和其他廢氣成分。 燃燒產(chǎn)物穿過排氣導(dǎo)管24通向高壓渦輪增壓器32的渦輪30。從渦輪30排出的 氣體穿過管線34進(jìn)入低壓渦輪增壓器38的渦輪36。氣體然后從渦輪36通過管線40進(jìn)入 周圍環(huán)境A。通常包括氧化催化劑和微粒過濾器的廢氣后處理裝置22可位于如所示的管 線40中或者位于從發(fā)動機(jī)到周圍環(huán)境A的廢氣流動路徑上的任一點。對于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員應(yīng)當(dāng)很明顯的是也可在管線40中提供某種形式的聲音抑制。也應(yīng)當(dāng)很明顯的是內(nèi)燃 發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10可以使用或不使用本發(fā)明所述的一個或兩個渦輪增壓器32和38。此外，一 個或兩個渦輪增壓器渦輪30和36可使用如斜箭頭所示的可變幾何形狀，其控制空氣流量 和EGR分?jǐn)?shù)。 低壓渦輪增壓器38具有被連接以驅(qū)動壓縮機(jī)44的中心軸42，壓縮機(jī)44接收由 周圍環(huán)境A通過進(jìn)氣管線46進(jìn)入的新鮮空氣。因此，被壓縮機(jī)44加壓的空氣通過管線48 穿過中冷器50至管線52。管線52為空氣提供一個至高壓渦輪增壓器32的壓縮機(jī)54的入 口 ，所述增壓器32由渦輪30通過軸驅(qū)動。 壓縮機(jī)54的輸出穿過管線56、后冷器58并最終穿過管線60至進(jìn)氣歧管14。本 領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)注意的是，根據(jù)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10的具體應(yīng)用，可以包含或不包含中冷器50和后冷器58。 圖1的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10包含EGR，以及至末端的管線62與管線24具有T形連接。 EGR閥26位于管線62中，所述管線62延伸穿過冷卻器64和管線66以與延伸到進(jìn)氣歧管 14的管線60連接。EGR閥26可采取多種形式，但具有允許或多或少的燃燒產(chǎn)物從管線24 通過管線62、冷卻器64和管線66至內(nèi)燃發(fā)動機(jī)12的進(jìn)氣口 14的功能能力。EGR閥26由 來自通向ECM 70的管線68的控制信號啟動，所述ECM 70還可通過信號線72提供燃料系 統(tǒng)16的控制。 ECM 70被編程以控制閥26和可變幾何渦輪以產(chǎn)生幾個控制算法中的一個。第一 組包括EGR的測量氧氣(摩爾/質(zhì)量)分?jǐn)?shù)、EGR分?jǐn)?shù)和稀釋液對空氣比率。第二組包括 新鮮空氣對燃料比率的測量A (Lambda)、①(Phi)和排出氧氣(摩爾/質(zhì)量分?jǐn)?shù))。典型 的控制方案將控制EGR測量之一以及新鮮空氣對燃料比率的測量之一。這可通過控制EGR 閥26和可變幾何渦輪30和/或36來進(jìn)行。對于所有這些控制邏輯，必須提供通過管線66 的EGR流量的測量。在此之前，這種測量已直接在管線66或62中進(jìn)行，伴隨上述出現(xiàn)的缺 陷。 根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)燃發(fā)動機(jī)系統(tǒng)10包含下述新的EGR測量方法。利用進(jìn)氣歧管14 的溫度和壓力計算進(jìn)入發(fā)動機(jī)12的氣體總流量，進(jìn)氣歧管14的溫度和壓力通過傳感器74 測量并通過線76把信號提供給ECM 70。這種測量方法提供精確和靈敏的發(fā)動機(jī)12所耗氣 體總流量的測量。新鮮空氣的流量由數(shù)個流量傳感器78、82、84和86中的任何一個測量。 來自任何一個這些位置的信號通過由虛線88表示的線被送到延伸至ECM 70的信號線90。 流量傳感器78-86可以是文氏管或孔板，其中壓力、溫度和壓差用于計算通過傳感器的氣 體流量。雖然文氏管和孔板已描述，那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)注意的是其它形式的流量 傳感器也可以被利用。來自傳感器78-86中任何一個的信號被送到ECM 70，ECM 70被構(gòu)形 用以從由ECM 70計算的氣體總流量中減去由這些流量傳感器感測的新鮮氣體流量，以提 供代表通過EGR管線62和66的實際氣體流量。 由于傳感器設(shè)在新鮮空氣管線上，它們不受在EGR通道中測量時脈動流的不利影 響。這使得信號明顯地比以前實際在EGR通道內(nèi)測量流量的方法更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。應(yīng)當(dāng)指 出，傳感器78-86可選擇任何一個位置，這取決于在那點的S (delta)P范圍和局部速度變 化。由此得到的系統(tǒng)可靠性和有效性呈現(xiàn)明顯地增加。此外，在新鮮空氣管線中使用節(jié)流 沒有在EGR回路中直接測量時發(fā)現(xiàn)的對泵送損失的不利影響。 雖然本發(fā)明已關(guān)于至少一個實施例進(jìn)行了描述，本發(fā)明在本公開的精神實質(zhì)和范 圍內(nèi)可進(jìn)一步修改。本申請由此意欲涵蓋利用一般原則的本發(fā)明的任何變化，使用，或者改 動。進(jìn)一步，本申請意欲涵蓋此類相對于此次公開在關(guān)于本發(fā)明和所附權(quán)利要求限制內(nèi)的 領(lǐng)域的已知或習(xí)慣實踐的偏離。
權(quán)利要求
一種用于內(nèi)燃(IC)發(fā)動機(jī)的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括一裝置，其用于響應(yīng)至少兩個輸入信號的差別控制EGR流量；一第一裝置，其用于計算所述內(nèi)燃發(fā)動機(jī)消耗的氣體總流量并向所述流量控制裝置提供一與所述氣體總流量成比例的信號；及一第二裝置，其用于測量流向所述內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的新鮮空氣流量并向所述流量控制裝置提供一與所述新鮮空氣流量成比例的信號，由此所述總流量與所述新鮮空氣流量之間的差是實際的EGR流量。
2. 如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述用于計算氣體總流量的裝置具有至所述內(nèi) 燃發(fā)動機(jī)的至少進(jìn)氣口溫度和壓力的一輸入。
3. 如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述用于測量新鮮空氣流量的裝置是孔板和文 氏管之一。
4. 如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述用于控制EGR流量的裝置是一電子控制模 塊(ECM)。
5. 如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述內(nèi)燃發(fā)動機(jī)具有一進(jìn)氣系統(tǒng)和所述進(jìn)氣系 統(tǒng)中的至少一個進(jìn)口空氣處理裝置，以及所述用于測量新鮮空氣流量的第二裝置在EGR引 入之前位于所述發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中的任一位置。
6. 如權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其中所述處理裝置是至少一個渦輪增壓器。
7. 如權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一接收來自所述渦輪增壓器的排放物的 熱交換器。
8. 如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述EGR流量和空氣流量被控制以提供選定的 氧氣(摩爾/質(zhì)量)分?jǐn)?shù)、EGR分?jǐn)?shù)、稀釋液對空氣比率、A、①和排出氧氣(摩爾/質(zhì)量) 分?jǐn)?shù)測量中的至少一個。
9. 一種內(nèi)燃(IC)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，包括一吸氣式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，其具有一用于接收燃燒氣體的進(jìn)氣系統(tǒng)和一用于排出燃燒產(chǎn)物 的排氣系統(tǒng)；一流量控制裝置，其用于選擇性地流體連接一控制百分比的燃燒產(chǎn)物與所述內(nèi)燃發(fā)動 機(jī)的所述進(jìn)氣系統(tǒng)；一裝置，其用于啟動所述流量控制裝置并響應(yīng)至少兩個輸入信號的差別；一第一裝置，其用于計算所述內(nèi)燃發(fā)動機(jī)消耗氣體的總流量，并向所述流量控制裝置 提供一與所述氣體總流量成比例的信號；及一第二裝置，其用于測量流向所述內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的新鮮空氣流量，并向所述流量控制裝 置提供一與所述新鮮空氣流量成比例的信號，所述總流量與所述新鮮空氣流量之間的差是 實際的EGR流量。
10. 如權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，其中所述第一裝置通過測量至少進(jìn)氣溫度和壓力計算流向所述發(fā)動機(jī)的所述氣體總流量。
11. 如權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，其中所述用于測量空氣流量的第二裝置是孔板和文氏管之一。
12. 如權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，其中所述啟動裝置包括一電子控制模塊(ECM)。
13. 如權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)一步包括至少一個在所述發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系 統(tǒng)中的進(jìn)氣處理裝置，以及所述第二裝置在所述EGR進(jìn)入之前位于所述進(jìn)氣系統(tǒng)中的任一 點。
14. 如權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，其中所述處理裝置是至少一個用于加壓空 氣的渦輪增壓器。
15. 如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一與所述渦輪增壓器的新鮮空 氣壓縮機(jī)的排出物相鄰的熱交換器。
16. 如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，具有一對渦輪增壓器。
17. 如權(quán)利要求16所述的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，包括分別接收所述渦輪增壓器的輸出的一 對熱交換器。
18. 如權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，其中所述EGR和空氣流量被控制以提供選定 的氧氣(摩爾/質(zhì)量)分?jǐn)?shù)、EGR分?jǐn)?shù)、稀釋液對空氣比率、A 、①和排出氧氣(摩爾/質(zhì) 量)分?jǐn)?shù)測量中的至少一個。
19. 一種操作具有廢氣再循環(huán)(EGR)和用于控制EGR的吸氣式內(nèi)燃(IC)發(fā)動機(jī)的方 法，所述方法包括以下步驟計算所述內(nèi)燃發(fā)動機(jī)消耗的氣體總流量； 測量流向所述發(fā)動機(jī)的實際新鮮空氣流量；從所述氣體總流量中減去所述實際新鮮空氣流量以提供一 EGR流量的測量；及 使用所述EGR流量作為給所述控制裝置的一輸入。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述新鮮空氣流量在進(jìn)入所述EGR之前在所述發(fā) 動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中的任一點被測量。
21. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述新鮮空氣流量通過孔板和文氏管之一測量。
22. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述EGR和空氣流量被控制以提供選定的氧氣 (摩爾/質(zhì)量)分?jǐn)?shù)、EGR分?jǐn)?shù)、稀釋液對空氣比率、A、①和排出氧氣(摩爾/質(zhì)量)分?jǐn)?shù)測量中的至少一個。
全文摘要
測量廢氣再循環(huán)的儀器和方法。一種具有EGR和用于EGR量控制的吸氣耗油式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，通過測量進(jìn)入發(fā)動機(jī)的溫度和壓力來計算發(fā)動機(jī)的氣體總流量，新鮮空氣流量通過由發(fā)動機(jī)燃燒的新鮮空氣在EGR流量引入之前的流動路徑任一點上的孔板或文氏管測量，計算出的總流量與新鮮空氣流量之間的差是實際的EGR流量，其用于根據(jù)選定的控制算法之一相對于總流量來設(shè)置EGR。
文檔編號F02M25/07GK101749146SQ200910210570
公開日2010年6月23日 申請日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者埃瑞克·L·派珀 申請人:迪爾公司