用于确定涡轮增压发动机中的排气歧管温度的方法和观测器

摘要

本发明公开一种用于确定涡轮上游的涡轮增压发动机的排气歧管的温度的方法和观测器。在一个例子中，一种用于确定涡轮增压发动机中的排气歧管温度的方法，所述发动机包括涡轮增压器和涡轮，并且所述排气歧管温度包括该涡轮上游的温度，所述方法包括根据模型估算排气歧管温度值，测量所述涡轮下游的温度，以及根据所述测量修正排气歧管温度值。

说明书

相关申请

本申请要求2012年1月10日提交的欧洲专利申请12150647.1的优 先权，为了所有的目的其整个内容通过参考结合于此。

技术领域

本发明涉及用于确定涡轮上游的涡轮增压发动机中的排气歧管的温 度的方法和观测器。

背景技术

汽车行业中近来的趋势是提高比功率，即每升发动机汽缸排量的峰 值功率。这是通过多涡轮增压或机械增压或外部增压（诸如利用电力驱 动的压缩机的外部增压）来实现。其他方法包括既具有较高的压缩机和 涡轮效率又具有较低的惯性的效率更高的涡轮增压器。行业内一种广泛 的趋势是尺寸减小，这由减少燃料消耗的规定推动。这对涡轮增压器元 件提出了要求，这意味着为了产生更多的压缩空气，涡轮可能更接近其 热极限运行。

涡轮上游的排气歧管的温度（这个温度在这里并且在后面表示为 “T3”）是现代柴油发动机控制的重要参数。这个温度具体用于（ⅰ） 涡轮温度保护（由于更准确地认识“T3”能够将发动机控制为更接近涡 轮极限并且从发动机获得更多动力），（ⅱ）EGR流的计算（由于小孔 方程取决于上游EGR阀温度），和（ⅲ）预计用于后处理建模和OBD 监控的涡轮后的温度。

常规的方法包括用于前涡轮温度T3以便产生限制策略的传感器。通 常，对于柴油发动机，前涡轮温度被限制在，例如，大约820-850°C的 稳定状态极限。对于具有分离的排气歧管的V型发动机，甚至需要两个 传感器。但是，由于这种温度传感器相当慢（一般的时间常数例如在1-2 秒），最终的稳定状态温度测量能够需要例如高达10秒的大量的时间。 而且，虽然用于T3传感器元件的大开口具有良好的响应，但是烟尘和 排气能够降低这种传感器的精度和耐用性。排气状态的变化能够具有其 他不利的影响。

而且，基于模型的涡轮增压器控制应用于复杂的、多级或单级涡轮 增压器系统，这不仅利用压缩机映射图（map），而且逐渐利用更多的 涡轮映射图，例如，压力比相对修正的或减少的流，而且还应用于涡轮 的效率，用于诊断、测量诸如燃料经济性的系统性能的下降，或性能提 高。对于这种基于模型的计算，需要精确的、动态T3参数。

因此，损毁限制、性能和基于模型的涡轮增压器控制的需求推动对 快速、精确的T3观测器的要求。

发明内容

本文的发明人已经认识到上述问题并且提供一种用于确定在涡轮 增压发动机中涡轮上游的排气歧管温度的方法和观测器（observer）， 该方法和观测器能够用减少的工作和成本相当快速、精确、可靠地确定 排气歧管的温度。

在一个例子中，一种用于确定涡轮增压发动机中的排气歧管温度的 方法，所述发动机包括涡轮增压器和涡轮，并且所述排气歧管温度包括 该涡轮上游的温度，所述方法包括根据模型估算排气歧管温度值，测量 该涡轮下游的温度，以及根据所述测量修正该排气歧管温度值。

本发明涉及利用现象学的/基于燃烧的T3模型构造快速且精确的 T3（=涡轮上游的温度）观测器的构思，其中该观测器利用测量的温度 T4（=涡轮下游的温度）和可选的下面所描述的涡轮增压器速度的测量 或估算值，而被强化/稳健化（robustfied）。本发明还基于在避免附加的 传感器的成本的同时估算排气歧管温度的构思。本发明提供一种从模型 （该模型具有来自下游传感器的修正，无论如何都需要该下游传感器） 推导出排气歧管温度的方法，因此节省至少一个传感器的成本。

本发明的上述优点和其他优点、以及特征从下面单独或结合附图的 详细描述将容易变得明显。

应当明白，提供上面的概述是为了以简单的形式介绍选择的构思， 这种构思在详细描述中进一步描述。这并不意味着指出所主张主题的 关键的或基本的特征，所主张主题的范围由权利要求唯一地限定。而 且，所主张的主题不限于解决上面或本发明的任何部分指出的任何缺 点的实施方式。

附图说明

图1示出本发明的方法能够在其中执行的典型的发动机布局的示 意图。

图2是示出根据本发明的方法的实施例的流程图。

图3是示出根据本发明实施例的用于确定修正的排气温度的方法 的流程图。

具体实施方式

根据一个实施例，修正歧管温度值的步骤还基于确定涡轮增压器 的速度。该涡轮增压器的速度可以利用涡轮增压器速度传感器测量或利 用模型估算。

根据实施例，修正排气歧管温度值的步骤可以用下面的方程式描 述：

$T_{3_{\mathrm{NEW}}}=T_{3_{\mathrm{OLD}}}+\kappa (T_{4_{{\mathrm{MEAS}}_{\mathrm{NEW}}}}-T_{4_{{\mathrm{EST}}_{\mathrm{OLD}}}})$

其中表示排气温度(T3)未修正的值,κ表示增益因子，表 示涡轮下游的测量的温度(T4)，而表示利用排气歧管温度(T3)的 未修正的值估算的涡轮下游的温度(T4)。

按照实施例，根据模型估算排气歧管温度值的步骤可以用下面的方 程式描述：

T₃＝T₂₂+ΔT(N,λ，fuel,SOI,...)

其中T₂₂表示排气再循环(EGR)进口下游的进气歧管中的温度，N 是发动机速度，λ是空气-燃料比，而SOI表示喷射正时。

本发明还涉及用于确定涡轮增压发动机中的排气歧管温度的观测 器，其中所述观测器构造成进行根据本发明的上面所述的方法。

作为概述，表1总结了本发明所用的缩略语和符号的意义：

表1：

γ 比热容量的比 λ 相对空气燃料比 κ 闭环增益 π PRT涡轮压力比 η 涡轮效率 AT 后处理 MAF 质量空气流量 T3/P3 涡轮上游的温度/压力 P1/T1 环境压力/温度 SOI 喷射正时 P22/T22 EGR混合下游的进气歧管的压力/温度 EGR 排气再循环 T4 AT上游（涡轮下游）的温度 k 实时算法程序的离散计数 TSS 涡轮增压器速度传感器 TMAP 进气歧管中的温度和压力传感器

图1示出本发明的方法能够在其中执行的典型的发动机系统100 的示意图，其中给出上面所提到的一些参数。发动机系统100包括具 有多个汽缸的发动机110。用于燃烧的进气经由进气通道102被吸入 发动机110。在到达发动机110之前，进气可以通过空气滤清器104、 涡轮增压器压缩机106、和/或充气冷却器（也叫做中冷器）108。允 许进入发动机110的进气的量可以由节气门112控制。进气歧管114 可以收集进气并将该进气提供给发动机110的多个汽缸。

汽缸中的进气可以与来自一个或更多个燃料喷嘴（未示出）的燃 料一起供给。燃料燃烧之后，排气产物可以通过排气歧管116和排气 通道118排出到大气中。在到达大气之前，排气可以通过涡轮增压器 涡轮120和/或后处理装置122。后处理装置122可以包括三元催化剂、 NOx捕集器、颗粒物过滤器、氧化催化剂、选择催化还原系统、或其 他后处理装置的其中一个或更多个。

在一些实施例中，排气的一部分可以经由排气再循环（EGR）系 统往回通向进气歧管114。该EGR系统可以包括连接于排气通道118 和进气通道102两者的EGR通道124。通过EGR系统的EGR流可以 由EGR阀126控制。此外，在到达进气歧管114之前EGR冷却器128 可以冷却热EGR气体。进气歧管和/或进气通道102可以包括EGR进 口130，在该进口130EGR与进入空气混合。而且，在一些实例中， 由旁通阀134控制的EGR旁通管路132可以绕过EGR冷却器128旁 通该EGR。

发动机系统100可以包括具有处理器和存储器的控制器136。该 控制器的存储器可以包括由该处理器可执行的计算机可读的存储介 质，用于执行一个或更多个控制程序，诸如本文所描述的方法。控制 器136可以接收来自发动机的一个或更多个传感器的输入（下面描述） 和/或发送信号给发动机的一个或更多个致动器，例如节气门112。

发动机系统100可以包括诸如温度和压力传感器的各种传感器， 以确定各个位置变化的温度和压力。如图1具体所示，温度“T4”是 涡轮下游或第一后处理（=AT）装置上游的温度。而且，温度“T22” 是EGR混合之后歧管的温度（例如，在EGR与进入空气混合之后， 或在进气歧管中的EGR进口之后）。P4，即涡轮下游的压力，由于 后处理的需要通常是可获得的，而P3（即涡轮上游的压力）可以估算 或测量。应当注意，由于压力损失，P4可以根据从涡轮出口到AT进 口的管道距离来修正。

发动机控制器30包括微处理器单元、输入/输出端口、用于可执行 的程序和校准值的电子储存介质，例如，只读存储器芯片、随机存取存 储器、保活存储器和数据总线。控制器30可以接收来自连接于发动机 110的各种信号，包括来自质量空气流量传感器的引入质量空气流量 （MAF）的测量；来自温度传感器的发动机冷却液温度（ECT）；来自 连接于发动机曲轴的霍尔效应传感器（或其他类型）的表面点火感测信 号（PIP）；来自节气门位置传感器的节气门位置（TP）；以及来自压 力传感器的绝对歧管压力信号MAP。发动机速度信号RPM可以由控制 器30从信号PIP产生。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以 用来提供进气歧管中的真空或压力的指示。应当指出可以利用上述传感 器的各种组合，例如MAF传感器而没有MAP，或反之亦然。在化学计 量运行期间，MAP传感器能够给出发动机转矩的指示。而且，这种传 感器与检测的发动机速度一起能够提供引入到汽缸中的进气（包括空 气）的估算。在一个例子中，也用作发动机速度传感器的霍尔效应传感 器在曲轴的每一圈可以产生预定数目的等宽度脉冲。控制器30可以发 送信号以控制各种发动机致动器，包括EGR阀126和/或134、节气门 112以及其他致动器。

控制器30的存储介质只读存储器可以用计算机可读的数据以及预 期但未列出的各种变量编程，该计算机可读的数据表示用于执行下面的 方法由处理器可读的指令。上面指出的并且在下面描述的观测器可以是 控制器30的部件。

图2示出用于说明根据本发明的方法200的一个实施例的流程图。

根据图2，在具有创造性的算法的起始，步骤S10涉及下面将进一 步使用的值T4、T3、T22的初始化。即，T4、T3和T22的每个的值可 以设置为零或其他初始值。

在步骤S20，排气歧管温度T3的未修正的值利用T3的开环模型计 算如下：

T₃＝T₂₂+ΔT(N,λ，fuel,SOI,...)    (1)

在方程(1)中，T₂₂表示排气再循环进口(EGR混合)下游的进气歧管中 的温度，λ是空气燃料比，而SOI表示喷射正时。因此，排气歧管温度T3 建模成对温度T22的燃烧偏离（offset）并且作为（至少）发动机速度、排 气拉姆达值λ(其既可以用传感器测量或也可以可选地用质量空气流量 MAF和喷射的燃料量进行计算)以及喷射正时SOI的函数。

通过具备创造性的观测器利用涡轮上游的温度，并且然后将涡轮下游的 温度T4的测量值和涡轮下游的温度T4的建模的值之间的差反 馈回该涡轮上游的排气歧管的温度T3的估算值，排气歧管温度T3的这种 计算的值被修正。

在步骤S30，计算涡轮下游的温度T4，其考虑到涡轮热损失、管道流 损失和效率建模误差。

在下面更详细地说明对应的数学关系。

涡轮效率η可被描述为流量/涡轮压力比(PRT)的函数或涡轮速度传 感器(TSS)/PRT的函数，其中后者比较精确因为用于计算涡轮流量的质量空 气流量(MAF)传感器在城市驾驶的情况下会变差。值PRT定义为上游涡 轮压力除以下游涡轮压力并且能够被测量或估算。

方程式(2)示出根据涡轮模型的T3/T4的关系：

$T_3=\frac{T_4}{1-\eta (1-{\left(\pi \right)}^{\frac{\gamma -1}{\gamma }})}=f(T_4,\eta ,\pi )---\left(2\right)$

方程式(2)可以重新设置成明确地计算温度T4。涡轮效率η的关系在 方程(3)中给出：

$\eta =\eta \left(\frac{N_T}{\sqrt{T_3}}\pi \right)\mathrm{or\eta }=\eta \left(\frac{{\Phi }_T\sqrt{T_3}}{P_3}\pi \right)\mathrm{or\eta }=\eta \left(\frac{{\Phi }_T\sqrt{T_3/T_{3_{\mathrm{ref}}}}}{P_3/P_{3_{\mathrm{ref}}}}\pi \right)\mathrm{or\eta }=\eta (\mathrm{VNT},\pi )---\left(3\right)$

因此，涡轮效率η可被计算成减小的涡轮速度/减小的流量/修正的流量 /可变喷嘴涡轮(VNT)位置(在可应用的情况下)和压力比的函数。下标"ref″ 指的是涡轮增压器测量参考压力和温度。还应当指出T3明显出现。在执行 中，前面计算的T3用来防止代数回路（algebraic loop）或T_3(k)->T_3(k-1)。在 实践中，存在一些决定于效率的涡轮增压器速度，但是，如果不能使用涡轮 增压器速度传感器(TSS)，对于VNT完全打开的情况，可以利用近似的其他 公式。应当指出本发明不具体限制于涡轮增压器的可变的几何形状。

下面是温度偏离（offset）：作为涡轮参数（例如减小的速度）的建模 误差、由于建模成管道的从涡轮出口到T4传感器的距离引起的热损失(Q_in热输入，C_p,g热容量以及管流量)的函数，以及由于从金属外壳到环境T1 的涡轮热传输引起的热损失（其细节推导未示出）。该函数g和h可被展开 （expand），并且从方程（4）能够得到热损失：

$\Delta T_{4_{\mathrm{MOD}}}=g\left(\frac{N_T}{\sqrt{T_3}}\pi \right),$$\Delta T_{4_{\mathrm{TURBO}}}=h(T3-.T1),$$\Delta T_{4_{\mathrm{PIPE}}}=\frac{-Q_{\mathrm{in}}}{\stackrel{.}{m}{C}_{p,g}}---\left(4\right)$

T4传感器动态特性通常很慢，所以如果设置用于后处理(AT)需求的传 感器，这种传感器能够设置在比较远离涡轮出口。灵敏度可以由T3的总微 分描述如下：

${\mathrm{dT}}_3=\frac{\partial f}{{\partial T}_4}{\mathrm{dT}}_4+\frac{\partial f}{\partial \eta }\mathrm{d\eta }+\frac{\partial f}{\partial \pi }\mathrm{d\pi }---\left(5\right)$

该灵敏度由下述方程描述：

$\frac{\partial f}{{\partial T}_4}=\frac{1}{1-\eta (1-{\left(\pi \right)}^{\frac{\gamma -1}{\gamma }})}$

$\frac{\partial f}{\partial \eta }=\frac{T_4(1-{\left(\pi \right)}^{\frac{\gamma -1}{\gamma }})}{{[1-\eta (1-{\left(\pi \right)}^{\frac{\gamma -1}{\gamma }})]}^2}$

$\frac{\partial f}{\partial \pi }=\frac{-T_4\eta \left(\frac{\gamma -1}{\gamma }\right){\left(\pi \right)}^{\frac{-1}{\gamma }}}{{[1-\eta (1-{\left(\pi \right)}^{\frac{\gamma -1}{\gamma }})]}^2}---\left(6\right)$

可以假定T4的灵敏度是最重要的因子，并且在良好的近似中η/π(PRT) 因子能够被放弃。因此灵敏度方程式减少成只有它们的第一项。可以将具 有T4步骤的闭环形式看作强化形式（robustification）。详细的执行方式 将按照图2所示的流程图。

简洁的观测器形式在方程式(7)中给出：

$T_{3_{\mathrm{NEW}}}=T_{3_{\mathrm{OLD}}}+\kappa (T_{4_{{\mathrm{MEAS}}_{\mathrm{NEW}}}}-T_{4_{{\mathrm{EST}}_{\mathrm{OLD}}}})---\left(7\right)$

总之，涡轮上游的温度T3的新值对应于“旧的”未修正的温度T3 加上增益因子乘以“新的”T4测量和利用未修正的T3的基于效率的估算 的T4之间的差。

现在回到图3，图3示出用于确定修正排气歧管温度的方法300。方 法300可有根据储存在其上的指令由诸如控制器30的发动机控制器执行。 在302，方法300包括确定发动机运行参数。发动机运行参数可以包括但 不限于，进气歧管温度、涡轮进口和/或出口温度、涡轮压力比、空气燃 料比、燃料喷射参数（例如正时和/或量）、以及其他参数。

在304，计算估算的排气歧管温度(T3_EST)。该估算的排气歧管温度 可以根据进气歧管温度、发动机速度、空气燃料比、和喷射正时来估算， 如306所示。进气歧管温度表示燃烧之前进入汽缸的增压空气温度。于是， 排气歧管的温度可以通过用燃烧期间产生的热量增加排气歧管温度来估 算。燃烧期间产生的热是发动机速度、空气燃料比和燃料喷射正时（或如 果利用火花点火系统时，火花正时）的函数。在一些实施例中，T3_EST可 以根据前面所述的方程式（1）进行计算。

在308，计算估算的涡轮出口温度(T4_EST)。该估算的涡轮出口温度 可以根据上面所述的估算的排气歧管温度(T3_EST)、涡轮速度、和涡轮压力 比来估算，如310所示。涡轮速度可以用涡轮速度传感器确定，或者可以 根据模型估算。在一些例子中，T4_EST可以根据上面所述的方程式（2）来 计算。

正如将要在下面详细说明的，T4_EST可以与测量的涡轮出口温度比 较以便确定涡轮温度误差。为了估算非常类似测量的涡轮出口温度的涡轮 出口温度，在312可以调节T4_EST以应对热损失和建模误差，因此T4_EST反映在涡轮温度传感器实际设置的地方的涡轮出口的实际温度。因此，该 估算的涡轮出口温度可以根据涡轮的热损失、排气通道的热损失和/或建 模误差来调节。

在314，测量涡轮出口温度(T4_REF)。在316，通过计算该估算的和测 量的涡轮出口温度之间的差确定涡轮温度误差。在318，涡轮误差乘以增 益。在一个例子中，该增益可以取决于发动机速度和转矩。在320，该估 算的排气歧管(T3_EST)根据涡轮温度误差和增益来修正。在一个例子中， 该估算的排气歧管(T3_EST)与增益和涡轮误差的积相加，正如上面关于方 程式(7)所说明的。以这种方式，涡轮温度误差表示测量的涡轮出口温度 和估算的涡轮出口温度之间的差的水平。由于估算的涡轮出口温度部分地 基于估算的排气歧管的温度，因此涡轮温度误差可以至少部分地归因于初 始的排气歧管温度估算。因此，估算的排气歧管温度可以根据涡轮温度误 差进行修正。由于估算的涡轮温度还基于其他参数，因此可以调节增益以 解决这些参数对误差的贡献。例如，在高发动机速度和负荷期间，涡轮速 度确定比低发动机速度和负荷期间更加不准确。因此，增益可以根据发动 机速度和负荷进行调节以解决这些差距。

在322，可以根据修正的排气歧管的温度调节一个或更多个发动机运 行参数。该调节的发动机运行参数可以包括排气再循环(EGR)流的量， 排气再循环(EGR)流可以用EGR阀(例如，阀126)调节。

因此，根据本文所述的系统和方法提供一种方法，包括根据涡轮温 度误差修正估算的排气歧管温度，该估算的排气歧管温度根基于进气歧管 温度、发动机速度、空气燃料比、以及燃料喷射正时；并且根据该修正的 排气歧管温度调节发动机运行参数。

涡轮温度误差可以是估算的涡轮出口温度和测量涡轮出口温度之间 的差。该估算的涡轮出口温度可以基于估算的排气歧管温度、涡轮速度和 涡轮压力比。调节发动机运行参数可以包括调节排气再循环阀的位置。

在另一个实施例中，一种系统包括连接于排气歧管和进气歧管的发动 机；包括设置在该排气歧管下游的涡轮的涡轮增压器；构造成使一部分排 气从该涡轮的上游转向后返回到进气歧管的排气再循环（EGR）系统；以 及控制器，该控制器包括指令，以根据进气歧管温度、发动机速度、空气 燃料比和燃料喷射正时估算排气歧管温度，并且根据涡轮温度误差修正该 估算的排气歧管温度，并且根据该修正的排气歧管温度调节EGR阀。

应当理解，这里公开的结构和方法在性质上是示例性的，并且这些具体 的实施例并不被认为具有限制意义，因为许多种变化是可能的。例如，上述 技术可以用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸或其他类型的发动机。本发明 的主题包括这里公开各种系统和结构，以及其他特征、功能和/或特性的所有 新颖和非显而易见的组合和子组合。

权利要求具体指出认为是新颖的和非显而易见的一些组合及子组合。 这些权利要求可能涉及“一”元件或“第一”元件或其等同物。这种权利要 求应当理解为包括一个或更多个这种元件的结合，既不需要或也排除两个或 更多的这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合及子组合 可以通过本权利要求的修改或通过本申请或相关申请中的新的权利要求来 主张。这些权利要求无论其范围比原权利范围更宽、更窄、等同或不同，都 被认为包括在本公开的主题内。