关于代用燃料燃烧的生物柴油掺合比的稳健估计

摘要

本发明涉及关于代用燃料燃烧的生物柴油掺合比的稳健估计。具体地，提供了一种控制内燃发动机的方法，其包括：用第一燃料和第二燃料构成的混合燃料操作发动机；在发动机操作期间监测第一燃烧参数的值；在发动机操作期间监测第二燃烧参数的第一值；根据第一燃烧参数、第二燃烧参数、以及第一燃料和第二燃料构成的预定混合燃料之间的预定的对应关系来确定第二燃烧参数的第二值；基于第二燃烧参数的第一值和第二值之间的差确定混合燃料；以及基于混合燃料来控制发动机。

说明书

技术领域

本发明涉及对利用了生物柴油燃料的发动机的控制。

背景技术

在该部分中的声明仅提供与本发明相关的背景信息。因此，这样的声明并不意图构成对现有技术的承认。

柴油发动机可以以100%柴油燃料供应来操作。另外，柴油发动机可被构造成部分地或完全地以生物柴油燃料供应来操作。可识别生物柴油掺合比。B0燃料被识别为100%柴油燃料供应。B100燃料被识别为100%生物柴油燃料供应。Bx燃料可被识别为具有x%的生物柴油成分和(100%-x%)的柴油成分。例如，B40燃料是40%的生物柴油成分和60%的柴油成分。

柴油燃料与生物柴油燃料包括不同的特性。柴油燃料具有比生物柴油燃料高的能量密度。结果是，为了在燃烧中获得大致相同的结果，在相同的情况下需要喷射比所需要的柴油质量更多的生物柴油质量。可基于生物柴油掺合比来调节燃烧中对燃料的使用。

发明内容

一种控制内燃发动机的方法包括：利用第一燃料与第二燃料的混合燃料来操作发动机；在发动机操作期间监测第一燃烧参数的值；在发动机操作期间监测第二燃烧参数的第一值；根据第一燃烧参数、第二燃烧参数、以及第一燃料和第二燃料的预定的混合燃料之间的预定对应关系来确定第二燃烧参数的第二值；基于第二燃烧参数的第一值与第二值之间的差来确定混合燃料；以及基于混合燃料来控制发动机。

本发明还包括以下方案：

1. 一种控制由第一燃料和第二燃料构成的混合燃料来提供燃料的内燃发动机的方法，所述方法包括：

用第一燃料和第二燃料构成的混合燃料来操作所述发动机；

在发动机操作期间监测第一燃烧参数的值；

在发动机操作期间监测第二燃烧参数的第一值；

根据所述第一燃烧参数、所述第二燃烧参数、以及所述第一燃料和所述第二燃料构成的预定的混合燃料之间的预定的对应关系来确定所述第二燃烧参数的第二值；

基于所述第二燃烧参数的所述第一值和所述第二值之间的差来确定所述混合燃料；以及

基于所述混合燃料来控制所述发动机。

2. 根据方案1所述的方法，其中，所述第一燃烧参数包括排气氧分数，且所述第二燃烧参数包括空气燃料比。

3. 根据方案1所述的方法，其中，所述第一燃烧参数包括空气燃料比，且所述第二燃烧参数包括排气氧分数。

4. 根据方案1所述的方法，其中，所述预定的混合燃料包括100%的所述第一燃料和0%的所述第二燃料。

5. 根据方案1所述的方法，其中，所述预定的混合燃料包括100%的所述第二燃料和0%的所述第一燃料。

6. 根据方案1所述的方法，其中，确定所述第二燃烧参数的所述第二值包括参考来自预定查找表的所述第二值，所述预定查找表在所述预定混合燃料时使所述第一燃烧参数的值与所述第二燃烧参数的值关联。

7. 根据方案1所述的方法，其中，确定所述第二燃烧参数的所述第二值包括求解表示了所述第一燃烧参数与所述第二燃烧参数之间的对应关系的预定方程。

8. 一种控制由柴油燃料和生物柴油燃料构成的混合燃料来提供燃料的内燃发动机的方法，所述方法包括：

用柴油燃料和生物柴油燃料构成的混合燃料来操作所述发动机；

在发动机操作期间监测第一燃烧参数的值；

在发动机操作期间监测第二燃烧参数的第一值；

根据所述第一燃烧参数、所述第二燃烧参数、以及所述柴油燃料和所述生物柴油燃料的预定的混合燃料之间的预定的对应关系来确定所述第二燃烧参数的第二值；

基于所述第二燃烧参数的所述第一值和所述第二值来确定所述混合燃料；以及

基于所述混合燃料来控制所述发动机。

9. 根据方案8所述的方法，其中，所述第一燃烧参数包括排气氧分数，且所述第二燃烧参数包括空气燃料比。

10. 根据方案9所述的方法，其中，所述预定的混合燃料包括100%的柴油燃料和0%的生物柴油燃料，并且其中确定所述混合燃料包括根据以下方程确定所述混合燃料中的生物柴油燃料的百分比：

其中BD等于所述混合燃料中的生物柴油燃料的百分比；

AFR_stBD等于所述混合燃料的化学计量的空气燃料比；

AFR_stRD等于柴油燃料的化学计量的空气燃料比；以及

AFR_stB100等于生物柴油燃料的化学计量的空气燃料比。

11. 根据方案9所述的方法，其中，确定所述混合燃料包括利用状态空间模型和卡尔曼滤波器来确定所述混合燃料。

12. 根据方案11所述的方法，其中，所述状态空间模型包括利用以下方程的伽马比：

其中r(t)等于所述伽马比；

AFR等于所述空气燃料比的所述第一值；以及

AFR_est等于所述空气燃料比的所述第二值。

13. 根据方案8所述的方法，其中，所述第一燃烧参数包括空气燃料比，且所述第二燃烧参数包括排气氧分数。

14. 根据方案13所述的方法，其中，所述预定的混合燃料包括100%的柴油燃料和0%的生物柴油燃料，并且其中确定所述混合燃料包括根据以下方程确定所述混合燃料中的生物柴油燃料的百分比：

其中BD等于所述混合燃料中的生物柴油燃料的百分比；

AFR_stBD等于所述混合燃料的化学计量的空气燃料比；

AFR_stRD等于柴油燃料的化学计量的空气燃料比；以及

AFR_stB100等于生物柴油燃料的化学计量的空气燃料比。

15. 根据方案13所述的方法，其中，确定所述混合燃料包括利用状态空间模型和卡尔曼滤波器来确定所述混合燃料。

16. 根据方案15所述的方法，其中，所述状态空间模型包括利用以下方程的伽马比：

其中r(t)等于所述伽马比；

AFR_stBD等于所述混合燃料的化学计量的空气燃料比；

AFR_stRD等于柴油燃料的化学计量的空气燃料比；以及

AFR等于所述空气燃料比的第一值。

17. 根据方案8所述的方法，其中，所述方法在燃料箱内的燃料水平增加的燃料填充事件之后执行。

18. 根据方案17所述的方法，还包括：

在所述燃料填充事件后的足以使所述混合燃料达到稳态成分的延迟之后，校正MAF传感器误差。

19. 根据方案17所述的方法，还包括：

在所述燃料填充事件后的足以使所述混合燃料达到稳态成分的延迟之后，校正燃料喷射脉冲宽度。

20. 一种控制由柴油燃料和生物柴油燃料构成的混合燃料来提供燃料的内燃发动机的方法，所述方法包括：

用柴油燃料和生物柴油燃料构成的混合燃料操作所述发动机；

在发动机操作期间监测排气氧分数的值；

在发动机操作期间监测空气燃料比的第一值；

参考来自预定查找表的空气燃料比的第二值，所述预定查找表在100%的柴油燃料和0%的生物柴油燃料构成的混合燃料时使排气氧分数的值与空气燃料比的值关联；

基于空气燃料比的所述第一值和所述第二值来确定所述混合燃料；以及

基于所述混合燃料来控制所述发动机。

附图说明

现在将参考附图作为示例来描述一个或多个实施例，附图中：

图1图示了根据本发明的示例性内燃发动机、控制模块和排气后处理系统；

图2图示了根据本发明的在关于B0燃料和B100燃料的值的整个范围中的排气的氧分数与空气燃料比的关系；

图3图示了根据本发明的利用状态空间建模和卡尔曼滤波器来估计由发动机使用的燃料的生物柴油掺合比的示例性信息流；

图4图示了根据本发明的在关于B0燃料和B100燃料的值的整个范围中的排气的氧分数与空气燃料比的关系；

图5图示了根据本发明的利用状态空间建模和卡尔曼滤波器来估计由发动机使用的燃料的生物柴油掺合比的示例性信息流；

图6图示了根据本发明的贯穿多个填充事件和对应的检测阶段以及空气质量流量误差校正阶段的燃料箱中的燃料水平；

图7图示了根据本发明的对校正空气质量流量传感器有用的排气的氧分数与空气燃料比的关系，其中所述校正空气质量流量传感器是用于被确定使用完全由B0燃料或柴油燃料构成的燃料的车辆；

图8图示了根据本发明的空气燃料比估计的结果；

图9图示了根据本发明的B0燃料在化学计量比下的空气燃料比相对于包括有生物柴油燃料的燃料复合物在化学计量比下的空气燃料比的比率的估计结果；

图10图示了根据本发明的包括了导致相对快速收敛的滤波器的使用的空气燃料比的估计结果；以及

图11图示了根据本发明的估计生物柴油掺合比的示例性过程。

具体实施方式

现在参考附图，其中的显示内容仅为了图示某些示例性实施例，而不是为了限制所述示例性实施例，图1图示了示例性内燃发动机10、控制模块5和排气后处理系统65。示例性发动机包括多缸直喷压缩点火内燃发动机，所述多缸直喷压缩点火内燃发动机具有附接至曲轴24并且可在气缸20中移动的往复移动活塞22，活塞22和气缸20限定了可变容积的燃烧室34。曲轴24以可操作的方式附接至车辆的变速器和传动系，以响应于操作者扭矩请求T_{O_REQ}将牵引扭矩传递至车辆的变速器和传动系。发动机优选采用四冲程操作，其中每个发动机燃烧循环包括曲轴24的被分成四个180度阶段(进气-压缩-膨胀-排气)的720度的角旋转，所述四个180度的阶段是对活塞22在发动机气缸20中的往复运动的描述。多齿靶轮26附接至曲轴并与所述曲轴一起旋转。发动机包括监测发动机操作的传感器和控制发动机操作的致动器。传感器和致动器信号地或操作地连接至控制模块5。

发动机优选地是直喷四冲程内燃发动机，所述直喷四冲程内燃发动机包括由活塞和气缸盖限定的可变容积的燃烧室，所述活塞在气缸内在上止点与下止点之间往复移动，所述气缸盖包括进气门与排气门。活塞在重复的循环中往复移动，其中每个循环包括进气、压缩、膨胀和排气冲程。

发动机优选具有主要为化学计量比稀燃侧的空气/燃料操作状况。本领域的普通技术人员应理解的是，本发明的各方面可适用于主要操作在化学计量比稀燃侧的其他发动机构造，例如稀燃火花点火发动机。在压缩点火发动机的正常操作期间，燃烧事件在每个发动机循环期间发生在燃料充量被喷射到燃烧室中与进入空气形成气缸充量时。

发动机适合于在宽广的温度、气缸充量(空气、燃料和EGR)和喷射事件的范围上操作。在此描述的方法尤其适于利用了在化学计量比稀燃侧进行操作的直喷压缩点火发动机的操作，以便在正在进行的操作期间确定燃烧室的每个燃烧室中与放热相关联的参数。该方法还可适用于其他发动机构造，包括火花点火发动机，包括那些适于使用均质充量压缩点火(HCCI)策略的发动机。该方法可适用于在每发动机循环且在每气缸中采用了多脉冲燃料喷射事件的系统，例如采用了下述喷射事件的系统：用于燃料重整的引燃喷射，用于发动机功率的主喷射事件，以及在可应用的情况下，用于后处理管理的燃烧后燃料喷射事件，其中每一个燃料喷射事件都会影响气缸压力。

传感器安装在发动机上或其附近，以监测物理特征并产生可与发动机和环境参数相关联的信号。传感器包括曲轴旋转传感器，其包括：用于通过感测多齿靶轮26的齿上的边缘来监测曲轴(即发动机)转速(RPM)的曲柄传感器44。曲柄传感器是已知的，并且可包括例如霍尔效应传感器、感应传感器或磁阻传感器。从曲柄传感器44输出的信号被输入至控制模块5。燃烧压力传感器适于监测缸内压力和提供关于缸内压力的信号30(COMB_PR)。燃烧压力传感器优选地为非侵入式的，并且包括具有环形截面的测力传感器，所述测力传感器适于安装到气缸盖中且位于电热塞所用的开口中，所述电热塞被提供以受控的电热塞电流28。压力传感器的输出信号30，即COMB_PR，与气缸压力成比例。压力传感器包括压电陶瓷装置，或者可如此适用的其他装置。其他传感器优选地包括用于监测歧管压力(MAP)和环境大气压力(BARO)的歧管压力传感器、用于监测进入空气质量流量(MAF)和进气温度(T_IN)的空气质量流量传感器、以及用于监测发动机冷却剂温度和提供关于发动机冷却剂温度的信号35(COOLANT)的冷却剂传感器。系统可包括用于监测例如温度、空气/燃料比和成分之类的一个或多个排气参数的状态的排气传感器。本领域的技术人员应理解的是，对于控制和诊断来说，可以存在其他的传感器和方法。除了其他装置之外，以操作者扭矩请求T_{O_REQ}形式的操作者输入通常通过节气门踏板和制动踏板获得。发动机优选地配备有用于监测操作和为了系统控制的其他传感器。这些传感器中的每个传感器都信号地连接至控制模块5，以提供由控制模块变换成表示了相应的被监测参数的信息的信号信息。应理解的是，该构造是说明性的，而不是限制性的，包括了可以用功能等同的装置和算法替换的各种传感器。

致动器安装在发动机上，并响应于操作者输入由控制模块5控制，以达到各种性能目标。致动器包括：电子受控的节气门阀，其响应于控制信号（ETC）来控制节气门的开度；以及多个燃料喷射器12，用于响应于控制信号（INJ_PW）将燃料直接喷射到每个燃烧室中；所有这些都响应于操作者扭矩请求T_{O_REQ}被控制。排气再循环(EGR)阀32和冷却器响应于来自控制模块的控制信号来控制到发动机进气的外部再循环排气的流量。电热塞安装在每个燃烧室中，并且适于与燃烧压力传感器一起使用。另外，充气系统可用于有些实施例，以根据所期望的歧管空气压力供应增压空气。

燃料喷射器12是适合于响应于来自控制模块的指令信号INJ_PW将燃料充量直接喷射到燃烧室中的一个燃烧室内的高压燃料喷射器。燃料喷射器12中的每个燃料喷射器都被供应以来自燃料分配系统的加压燃料，并且具有这样的操作特性，所述操作特性包括：最小脉冲宽度和相关的最小可控燃料流率，以及最大燃料流率。

发动机可配备有可控阀系，所述可控阀系可操作，以调节气缸中的每个气缸的进气门及排气门的打开和关闭，包括气门正时、定相(即，相对于曲柄角和活塞位置的正时)、以及气门开度的升程大小中的任意一个或多个。一个示例性系统包括可变凸轮定相，所述可变凸轮定相可适用于压缩点火发动机、火花点火发动机和均质充量压缩点火发动机。

控制模块5执行存储在其中的例程，以控制前述致动器，从而控制发动机操作，包括：节气门位置、燃料喷射质量和正时、控制再循环排气的流量的EGR阀位置、电热塞操作、以及对如此装备的系统上的进气门和/或排气门的正时、定相和升程的控制。控制模块被构造成：接收来自操作者的输入信号(例如节气门踏板位置和制动踏板位置)以确定操作者扭矩请求T_{O_REQ}；以及接收来自指示了发动机转速(RPM)和进入空气温度(T_IN)、以及冷却剂温度和其他环境条件的传感器的输入信号。

控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器和类似的术语指的是以下各项中的一个或多个的任意合适的一种或各种组合，所述各项为：专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序或例程的中央处理单元(优选微处理器)和相关的存储器和储存器(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器，等等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、合适的信号调节和缓冲电路、以及提供了所描述的功能性的其它合适部件。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似的术语指的是包括了校准和查找表的任何控制器可执行的指令集。控制模块具有被执行以提供所期望功能的一组控制例程。例程优选地在预设的循环期间执行。例程诸如由中央处理单元执行，并且可操作以监测来自传感装置和其他联网控制模块的输入，以及执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。可在进行的发动机和车辆操作期间以有规律的间隔（例如，每隔3.125、6.25、12.5、25和100毫秒）来执行循环。替代性地，例程可响应于事件的发生而执行。

图1图示了示例性柴油发动机，然而，本发明可类似地用于其他发动机构造，例如包括汽油作为燃料的发动机、乙醇或E85作为燃料的发动机、或其他类似的已知设计。本发明并不旨在局限于在此所描述的特定的示例性实施例。

由柴油燃料提供燃料的发动机内的燃烧具有某些可预测的特性。在合适的条件下，跟踪燃烧的一种特性的输入将提供另一特性的相关联的输出。类似地，由生物柴油燃料提供燃料的发动机内的燃烧具有某些可预测的特性，并且在合适的条件下，跟踪燃烧的一种特性的输入将提供另一特性的相关联的输出。由用一部分柴油燃料和一部分生物柴油燃料构成的燃料来提供燃料的发动机内的燃烧也具有类似的可预测的特性。由于柴油燃料的燃烧与生物柴油燃料的燃烧具有不同的特性，所以比较所监测的特性能够提供在由发动机利用的燃料中存在多少生物柴油燃料的估计。通过操作发动机和监测发动机的操作特性，能够估计或确定被发动机利用的燃料的生物柴油掺合比。根据燃烧特性的一个示例性关联，在稳态下，能表示特定的燃料的排气氧分数与空气燃料比的关系。在共同待审并且共同转让的USSN12/850,112中公开了利用柴油燃料与生物柴油燃料的混合物的发动机，该文献在此通过引用的方式并入。尽管详细地讨论了柴油与生物柴油燃料及它们的混合物，但本发明等同地适用于第一燃料和第二燃料(例如，汽油和乙醇混合物)构成的任何混合燃料。

图2图示了在关于B0燃料和B100燃料的值的整个范围上的排气氧分数与空气燃料比的关系。水平的x轴图示了空气燃料比。竖直的y轴图示了排气氧分数。曲线100图示了B0燃料的燃烧特性。曲线100可通过选择在示例性发动机构造的测试期间所监测的实验点102的最佳拟合来产生。曲线110图示了B100燃料的燃烧特性。曲线110可通过选择在示例性发动机构造的测试期间所监测的实验点112的最佳拟合来产生。对于其他的燃料或者对于任何给定的两种燃料的其他掺合比，可以图示出类似的曲线。测试已经表明的是，对于Bx燃料的许多燃烧特性在B0与B100之间近似线性地改变。结果是，关于B50的实验点将产生位于图示的曲线100与110中间的关于B50燃料的曲线。关于B25燃料的实验点将产生位于关于B50燃料的曲线与曲线100中间的关于B25燃料的曲线。对于排气氧分数的给定监测值120，能够确定关于B0燃料(即，0%的生物柴油燃料与100%的柴油燃料的混合燃料)的空气燃料比的对应值。以类似的方式，排气氧分数的给定监测值120可用于确定关于B100燃料(即，100%的生物柴油燃料与0%的柴油燃料的混合燃料)的空气燃料比的对应值140。实际上，排气氧分数的给定监测值120可用于确定关于柴油燃料与生物柴油燃料的任何混合物的空气燃料比的对应值。这样的确定可被认为与预定的混合燃料相关。然而，优选地，相对于B0(即，0%的生物柴油燃料与100%的柴油燃料的混合燃料)进行确定。此外，基于所监测的或所估计的实际空气燃料比值145，与B0燃料(或其他预定的混合燃料)的空气燃料比的值130的比较，可用于估计被发动机利用的燃料的生物柴油掺合比。根据一个实施例，可确定偏差150并将其用于估计生物柴油掺合比。

图2的比较可简化为计算表达式。已示出以下关系：

                                      [1]

其中AFR_stRD是在化学计量比下仅利用柴油燃料或B0燃料的示例性发动机的空气燃料比。

AFR_stBD是在化学计量比下由发动机利用的当前燃料成分的空气燃料比。

AFR_est是例如根据图2所图示的关系可确定的、对应于当前O₂值的、仅以柴油燃料操作的发动机的空气燃料比的值。

AFR是所监测的、或者例如基于MAF传感器读数和燃料流率所估计的空气燃料比。

AFR_stRD是已知的恒定值。对于由发动机利用的燃料的给定Bx，AFR_stBD是可已知的值。类似地，如果人们求解或确定AFR_stBD，则可基于如图2所图示的排气氧分数与空气燃料比的关系来确定生物柴油掺合比。如关于图2所公开地，在稳态条件下，根据已知的排气氧分数与空气燃料比的关系，如果给定已知的排气氧分数值，则可确定B0燃料的空气燃料比的值或AFR_est。可基于控制系统的指令来确定燃料流率。来自对已知燃料的排气氧分数进行监测的排气氧分数传感器的O₂读数可用于估计该燃料（例如B0燃料）的空气燃料比，如下所述。

                              [2]

可例如通过位于排气系统中的通用排气氧(UEGO)传感器或宽域空气燃料传感器(WRAF)来监测O₂。基于AFR_stRD和O₂的已知值，能确定AFR_est，以基于发动机以B0燃料操作的假设来为发动机提供当前的或实际的空气燃料比。类似地，对于Bx燃料，以下的表达式可为当前由发动机利用的具有燃料成分Bx的燃料提供AFR。

                                   [3]

组合方程2和3，基于单一的O₂测量结果，得到以下表达式[4]。

                     [4]

表达式[4]可以被简化成如下的表达式[5]。

                                       [5]

方程2可用于说明B0燃料的空气燃料比与排气氧分数的关系。AFR_est可表示如下。

                                       [6]

如果确定了AFR与AFR_est的值，则由方程5可求解AFR_stBD，AFR_stBD然后可用于确定生物柴油掺合比。这样，AFR与AFR_est在AFR_stBD和AFR_stRD的背景下的比较以计算的形式产生了由图2中的偏差150提供的对生物柴油掺合比的确定。

对于Bx燃料，与O₂读数对应的AFR将低于与相同的O₂读数对应的AFR_est。AFR与AFR_est之间的该差异可用于量化燃料中的生物柴油含量或燃料的生物柴油掺合比。根据一个实施例，可利用以下的比较。

AFR_est－AFR＞阈值                                            [7]

如果AFR与AFR_est之间的差异大于校准的阈值，则指示了由发动机利用的燃料的相当大的部分为生物柴油。这样的指示可用于确定是否存在足够的生物柴油，以基于燃料含量来改变对发动机的控制。在一个实施例中，可选择多个阈值，并且可基于哪些阈值被忽略来实现控制的各个阶段。

可以存储排气氧分数与空气燃料比的关系，以根据本领域已知的许多方法由控制模块使用。例如，基于作为输入的O₂或AFR，对应值可作为表或阵列上的查找值而返回、可作为诸如表示了排气氧分数与空气燃料比之间的对应关系的一个或多个方程之类的函数关系的输出来返回(即，求解预定方程)，或者可利用任何其他技术。本领域的普通技术人员应理解的是，可利用各种曲线拟合技术，以便产生表示了排气氧分数与空气燃料比之间的关系的一个或多个方程。

根据本发明，AFR和AFR_est可用于估计生物柴油掺合比，并且基于生物柴油掺合比提供控制。然而，在发动机的操作期间，AFR和AFR_est可能包括明显的可变性。根据一个实施例，可利用状态空间建模和卡尔曼滤波器，以基于AFR和AFR_est值估计由发动机利用的燃料的生物柴油掺合比，从而去除可变性并产生可用于控制的稳定值。状态空间建模和卡尔曼滤波器在本领域为大家所熟知，并且在此不再详细描述。伽马比可如下定义。

                                                  [8]

在AFR_stBD是待估计的未知值的情况下，可由以下来限定状态空间模型：

                                   [9]

                                            [10]

                   [11]

                                             [12]

其中v_k和w_k为白噪声，并且其中v_k与w_k之间的比率为卡尔曼滤波器限定了时间常数。可通过以下方程应用卡尔曼滤波器。

                   [13]

                          [14]

                          [15]

提供了对AFR_stRD/AFR_stBD的估计。预测的估计的协方差可由以下方程限定：

                          [16]

                  [17]

其中K为卡尔曼滤波器增益；

Q为过程噪声w的协方差；以及

R为测量噪声v的协方差。

本领域的技术人员应意识到的是，其他的滤波器可用作卡尔曼滤波器的替代。

如果AFR_stBD的值可由状态空间模型和卡尔曼滤波器量化或由其他方法量化，并且AFR_stRD与AFR_stB100之间的空气燃料比、在化学计量比下关于B100燃料的空气燃料比、以及已知值的性态近似为线性的，则可由AFR_stBD与AFR_stRD和AFR_B100关系通过插值百分比来确定生物柴油掺合比。因此，生物柴油掺合比(BD)可确定如下。

                                 [18]

图3图示了利用状态空间建模和卡尔曼滤波器以基于AFR和AFR_est估计由发动机利用的燃料的生物柴油掺合比的示例性信息流。信息流200开始于燃烧特性模块210，燃烧特性模块210监测实际的或测量的排气氧分数信号205并确定AFR_est 212。燃烧特性模块210例如可包括表示了排气氧分数与空气燃料比之间的关联的查找表、方程或它们的组合。伽马比模块220监测AFR_est 212以及实际的或估计的AFR值214，并输出伽马比r(t) 225。AFR值214可包括最小值极限。信息流200可使用单个滤波器或多个滤波器。信息流200包括卡尔曼滤波器230和线性滤波器240。开关250基于相应滤波器的长处和弱点并基于校准的选择标准在卡尔曼滤波器230和线性滤波器240的输出之间选择。卡尔曼滤波器230监测r(t) 225、噪声项Q_k-1 224、值H_k 226(包括为一的示例性值)和噪声项R_k 228。噪声项224和228可以是固定值。在一个实施例中，滤波器中的每个滤波器可包括基于滤波器的期望操作可在提供可选择的宽带滤波和窄带滤波之间进行切换的多个可选择的值。这样的选择可使得以下情况成为可能，即：将滤波器快速调整到改变的值，并随后切换到较慢但更稳定的响应。滤波器值的校准和滤波器的性态在本领域是已知的，并且在此不详细讨论。Q_k-1的示例性值包括0.1和0.01，而R_k的示例性值包括500和一。卡尔曼滤波器230确定并输出值232和预测的估计协方差值234。线性滤波器240监测r(t)225和线性滤波器常数236(包括0.99的示例性值)，并确定和输出估计的AFR_stRD/AFR_stBD 242。开关250在值232与估计的AFR_stRD/AFR_stBD 242之间选择，以产生信号255。输出模块260监测：信号255、正时信号252(产生5秒的示例性正时、校准值)和迭代信号275，以确定AFR_stRD/AFR输出信号265。迭代信号275由监测AFR_stRD/AFR输出信号265的先前值的迭代框270产生。模块280监测：信号255和AFR_stRD值272，并确定信号285。输出模块290监测：信号285、可不必与正时信号252为相同正时信号的正时信号282(产生5秒的示例性正时、校准值)和迭代信号297，以确定AFR_stBD信号292。迭代信号297由监测AFR_stBD输出信号292的先前值的迭代框295产生。输出模块260和290可包括当标准满足（即，相应的输出值表示稳定准确的估计）时锁定在它们相应输出的值中的机制。信息流200图示了一个示例性构造，然而本发明并不旨在局限于在此提供的特定的示例性实施例。

可基于将实际空气燃料比值与B0燃料的空气燃料比进行比较，来估计由发动机利用的燃料的生物柴油掺合比。估计由发动机利用的燃料的生物柴油掺合比的另一方法包括：监测空气燃料比值和估计B0燃料的排气氧分数的对应值。基于实际的排气氧分数的监测值，可利用与B0燃料的估计的排气氧分数的比较来估计由发动机利用的燃料的生物柴油掺合比。

图4图示了在关于B0燃料和B100燃料的值的整个范围上的排气氧分数与空气燃料比的关系。水平的x轴图示了空气燃料比。竖直的y轴图示了排气氧分数。曲线100图示了B0燃料的燃烧特性。曲线100可通过选择在示例性发动机构造的测试期间所监测的实验点102的最佳拟合来产生。曲线110图示了B100燃料的燃烧特性。曲线110可通过选择在示例性发动机构造的测试期间所监测的实验点112的最佳拟合来产生。对于空气燃料比的给定的监测值320，可确定关于B0燃料(即，100%的生物柴油燃料与0%的柴油燃料的混合燃料)的排气氧分数的对应值。以类似的方式，空气燃料比的给定监测值320可用于确定关于B100燃料(即100%的生物柴油燃料与0%的柴油燃料的混合燃料)的排气氧分数的对应值340。实际上，空气燃料比的给定的监测值320可用于确定关于柴油燃料与生物柴油燃料的任何混合物的排气氧分数的对应值。这样的确定可被认为与预定的混合燃料相关。然而，优选地，相对于B0(即，0%的生物柴油燃料与100%的柴油燃料的混合燃料)进行确定。此外，基于监测的或估计的实际排气氧分数的值345，可以利用与B0燃料(或其他预定的混合燃料)的排气氧分数330的比较来估计由发动机利用的燃料的生物柴油掺合比。根据一个实施例，可确定偏差350并将其用于估计生物柴油掺合比。

如在USSN12/850,112中所公开地，利用基于模型的燃烧分数动态，在进气处的燃烧分数动态()与在排气处的燃烧分数动态()可表示如下：

                        [19]

                 [20]

其中和分别表示动态的进气质量燃烧分数和排气质量燃烧分数；

F_i为进气质量燃烧分数；

F_x为排气质量燃烧分数；

AFR_S是气缸充量中的发动机燃料的化学计量比的空气/燃料比；

W_egr是通过EGR系统进入进气歧管的排气流的质量；

W_c为进入进气歧管14的新鲜空气流的质量；以及

W_f为气缸充量中的喷射的燃料质量。

在稳态下，基于已知的空气燃料比值AFR，可如下估计B0燃料的排气氧分数O_2x。

              [21]

O_2x可表示如下。

                                   [22]

O_2x例如可根据图4所图示的排气氧分数与空气燃料比的关系确定。O₂与AFR_stBD之间的关系的类似表达式如下。

                          [23]

通过求解AFR_stBD，可根据本发明确定生物柴油掺合比。

根据本发明，O_2x和O₂可用于估计生物柴油掺合比并基于生物柴油掺合比来提供控制。然而，在发动机的操作期间，O_2x和O₂可包括明显的可变性。根据一个实施例，可利用状态空间建模和卡尔曼滤波器，以基于O_2x和O₂值来估计由发动机利用的燃料的生物柴油掺合比，从而去除可变性并产生可用于控制的稳定值。根据一个实施例，可利用状态空间建模和卡尔曼滤波器，以基于O_2x和O₂估计由发动机利用的燃料的生物柴油掺合比。伽马比可限定如下。

                        [24]

                            [25]

在AFR_stBD是待估计的未知值的情况下，可由以下限定状态空间模型。

                            [26]

                                   [27]

                               [28]

                              [29]

可类似地利用如由方程13-15所限定的卡尔曼滤波器，以便为AFR_stBD-AFR_stRD提供估计值。可类似地利用如由方程16所限定的预测的估计协方差。本领域的技术人员应意识到的是，其他的滤波器可用作卡尔曼滤波器的替代。由发动机利用的燃料的生物柴油掺合比可估计如下。

                    [30]

图5图示了利用状态空间建模和卡尔曼滤波器以基于O₂和O_2x估计由发动机利用的燃料的生物柴油掺合比的示例性信息流。信息流400开始于监测AFR信号402并确定O_2x 415的燃烧特性模块410。偏差模块420监测O_2x 415和实际的或估计的O₂值412，并产生偏差信号422。求和模块430监测AFR值402和值一信号（value one signal）404，并确定信号435。增益模块440将信号435乘以固定值(包括4.34的示例性值)，并确定信号445。伽马比模块450监测偏差信号422和信号445，并输出伽马比r(t) 455。信息流400可使用单个滤波器或多个滤波器。信息流400包括卡尔曼滤波器460。卡尔曼滤波器460监测r(t) 455、噪声项Q_k-1 454、值H_k 456(包括的示例性值)和噪声项R_k 458。噪声项454和458可以是固定值。在另一实施例中，噪声项中的每个噪声项可包括基于滤波器的期望操作可在提供可选择的宽带滤波和窄带滤波之间进行切换的多个可选择的滤波器恒定值。这样的选择可使得以下情况成为可能，即：将滤波器快速调整到改变的值，并随后切换到较慢但更稳定的响应。Q_k-1的示例性值包括0.1和0.01，而R_k的示例性值包括500和一。卡尔曼滤波器460确定并输出值462和预测的估计协方差值464。输出模块470监测值462，以确定AFR_stBD信号472和AFR_stBD/AFR_stRD信号474，所述确定通过在此提供的方程成为可能。输出模块470可包括当标准满足（即，相应的输出值表示稳定准确的估计）时锁定在相应输出的值中的机制。信息流400图示了一个示例性构造，然而本发明并不旨在局限于在此提供的特定的示例性实施例。

根据本发明确定生物柴油掺合比的值可包括使空气燃料比与排气氧分数相关联。使能的该关联与估计在发动机于稳态或半稳态条件下操作时最准确。此外，使能的关联与估计在发动机的空气燃料比在18与40之间时最准确。根据一个实施例，不需要连续地进行对生物柴油掺合比的确定。一旦燃料箱充满、完全混合、并且已通过燃料系统从所述燃料箱汲取燃料，则燃料的成分就不太可能改变，从而导致在下次填充事件之前大致恒定的生物柴油掺合比。根据一个实施例，进行对生物柴油掺合比的确定的控制模块可在发动机达到稳态或半稳态条件并且空气燃料比在容许的范围内之前一直等待触发所述确定。稳态或半稳态条件的示例包括在当车速低于3英里/小时的怠速下的操作和在巡航控制下的操作。根据另一实施例，可强加允许对生物柴油掺合比进行确定的条件。例如，如果发动机的空气燃料比在18至40的范围外，则延迟的喷射正时或节气门的操纵可临时改变发动机的空气燃料比，以在维持请求的输出扭矩的同时允许对所述比率的确定。

一旦被确定，则生物柴油掺合比就可用于控制发动机，以基于被喷射的特定的燃料成分来校正燃料喷射量。燃料还可用于车辆内的其他系统、例如排气后处理系统中的稀NOx捕集器装置内，从而使得稀NOx捕集器能够再生。生物柴油掺合比可用于校正被输送至装置的燃料量，以调节发动机的操作，从而产生用于再生的合适的排气流成分。

在估计生物柴油掺合比的时间段或阶段期间可使用对燃烧特性的监测和估计。这样的时间段可称为生物柴油掺合比检测阶段或检测阶段。检测阶段在燃料箱已经被重新填充时最为有用，以基于燃料箱中潜在的新的燃料成分来调整发动机的操作。检测阶段可持续足以使被喷射到发动机中的燃料混合物达到稳态成分以及足以使在此公开的方法中的一种方法确定准确估计结果的时间段。在一个实施例中，对生物柴油掺合比的估计中所利用的滤波器常数的选择可能会影响达到准确估计所需的时间。在其中燃料箱中的燃料成分大致恒定的检测阶段之后，采用了被用于估计生物柴油掺合比的输入的方法可替代地在误差校正阶段中监测和校正传感器读数。在一个实施例中，在MAF误差校正阶段中可采用校正MAF传感器误差或燃料喷射误差的方法。示例性MAF误差校正阶段可持续足以准确地校正MAF传感器误差的时间段。在一个实施例中，只要检测阶段处于无效，则MAF误差校正阶段便进行操作。

图6图示了贯穿多个填充事件和对应的检测阶段以及MAF误差校正阶段的燃料箱中的燃料水平。水平的x轴图示了时间。竖直的y轴图示了燃料箱中的燃料水平。曲线500图示了燃料水平。还图示了其中燃料水平逐渐降低的时间段，每个时间段分别继之以与填充事件对应的燃料水平的急剧提高。图示了第一填充事件510的开始。如在此所公开地，由于用于燃料箱中的新燃料成分的可能性为高，所以可启动关于填充事件的检测阶段525。检测阶段525运行一定时间段，以满足准确地估计燃料箱中的燃料的生物柴油掺合比的要求。在时间520处，检测阶段终止，并且启动MAF误差校正阶段540。MAF误差校正阶段540在检测到第二填充事件530的开始之前一直持续。在第二填充事件530开始时，可操作新的检测阶段，并且可为每个填充事件重复该循环。

MAF误差校正阶段的操作可以在每当检测阶段终止时操作，或者可以频繁地操作。在一个实施例中，当在可用于系统的值中存在高置信度时，进行MAF误差校正阶段的操作。例如，当生物柴油掺合比估计结果指示了被发动机利用的燃料是B0燃料时，可假定来自排气氧分数传感器的输入是准确的。因此，可假定得到的AFR_est值是关于发动机的实际空气燃料比。通过将AFR_est值与监测的AFR值比较，可评估监测的AFR值的误差，并且所述误差可用于校正MAF传感器误差。

可根据以下来实现基于估计的AFR_stBD值校正MAF传感器误差：

             [31]

                          [32]

其中AFR_stBD_estimated是在自最近的填充事件以来的检测阶段中确定的AFR_stBD的值；以及

MAFc是校正的MAF传感器值。

可在根据MAFc校正MAF传感器读数之前验证MAFc。一种验证MAFc的方法是确定MAFc与MAF之间的差△MAF或者MAFc与MAF之间的比率rMAF是否稳定。

替代性地，可基于AFR与AFR_est的比较进行对燃料喷射和MAF传感器读数的校正。在新的车辆中可利用一种方法，其中可作出某些假定，例如，排气氧传感器提供了准确的读数。在这样的条件下，如果，则可校正最终燃料脉冲宽度，使得AFR=AFR_est。如果，并且MAF传感器的相加误差的测量“(AFR-AFR_est)*燃料速率”或者MAF传感器增益误差的测量AFR_est/AFR恒定，则可假定MAF传感器具有恒定的相加误差或乘积误差。图7图示了对被确定利用完全由B0或柴油燃料组成的燃料的车辆的MAF传感器进行校正有用的排气氧分数与空气燃料比的关系。水平的x轴图示了空气燃料比。竖直的y轴图示了排气氧分率。曲线100图示了B0燃料的燃烧特性。曲线100可通过选择在示例性发动机构造的测试期间所监测的实验点102的最佳拟合来产生。实际的排气氧分数值600与曲线100一起用于确定AFR_est值610，以基于B0燃料的燃烧特性估计空气燃料比。另外，监测或估计实际的AFR值620。由于氧传感器和燃料类型中的置信度为高，并且基于可靠的AFR值，所以AFR值620与AFR_est值610之间的偏差630可归因于用于控制到发动机的进入空气的MAF传感器中的误差。因此，偏差630可用于调节MAF传感器读数。

在较高里程的车辆的另一方法中，如果或另一校准值，则可校正最终燃料脉冲宽度，使得。如果，并且MAF传感器相加误差的测量“*燃料速率”或者MAF传感器增益误差的测量恒定，则可假定MAF传感器具有恒定的相加误差或乘积误差。可校正MAF传感器读数，使得。如果或另一校准值，则可诊断出MAF传感器故障，并且产生合适的误差消息。

图8图示了空气燃料比估计的结果。水平的x轴图示了以秒为单位的时间。竖直的y轴图示了空气燃料比的值。所图示的值示出了在整个时间段上进行操作的发动机的估计AFR_stBD值。曲线710图示了用B0燃料操作的发动机的空气燃料比的估计结果。由于为所述估计选择的滤波器，所以曲线710图示了绕一个值周期性改变的值。示例性曲线包括接近稳态估计的初始值。曲线720图示了用B100燃料操作的发动机的空气燃料比的估计结果。示例性曲线包括远离稳态的初始值，并且曲线720从初始值收敛到稳态估计。由于为所述估计选择的滤波器，所以曲线720图示了从初始值到稳态估计近似花费50秒的相对慢的收敛以及贯穿稳态估计的信号噪声。

图9图示了在化学计量比下B0燃料的空气燃料比与在化学计量比下包括生物柴油燃料的燃料成分的空气燃料比的比率的估计结果。水平的x轴图示了以秒为单位的时间。竖直的y轴图示了空气燃料比的值。用于该曲线的包括了生物柴油的燃料成分为B100燃料。曲线810图示了对于用于曲线820的确定的伽马比r(t)的监测值。曲线820图示了关于利用B0燃料的发动机的AFR_stRD/AFR_stBD的估计。由于AFR_stBD的估计是基于利用了B0燃料的发动机，所以AFR_stRD/AFR_stBD的比率大致等于一。曲线830图示了对于利用B100燃料的发动机的AFR_stRD/AFR_stBD的估计，包括从初始值到稳态估计的收敛。

图10图示了包括有导致相对快的收敛的滤波器使用的空气燃料比估计的结果。水平的x轴图示了以秒为单位的时间。竖直的y轴图示了空气燃料比的值。曲线850图示了利用B100燃料的发动机的AFR_stBD估计。由于滤波器选择，所以图示了从初始值到稳态估计近似花费一秒的相对快的收敛。此外，曲线850图示了仅包括小的变异的稳态估计。本领域的技术人员应意识到的是，这种缩短了收敛时间的滤波器的选择常常导致稳态估计中相当大的噪声信号变化。此外，对减小稳态估计中的信号噪声变化的滤波器的选择常常包括从初始值到稳态估计的长的收敛。然而，如关于图3和图5所公开地，估计空气燃料比的控制模块可构造成在滤波器值之间进行选择。曲线850图示了可基于利用第一滤波器和第二滤波器得到的结果，其中所述第一滤波器使快速收敛成为可能，且所述第二滤波器使具有低变异的稳态估计成为可能。

图11图示了估计生物柴油掺合比的示例性过程。作为检索表提供了表1，其中数字标记的框和对应的功能陈述如下。  

框框内容910监测第一燃烧参数920通过参考排气氧分数与空气燃料比的关系，使监测的第一燃烧参数与仅以柴油燃料操作的发动机的第二燃烧参数关联930监测第二燃烧参数的实际值940将仅以柴油燃料操作的发动机的第二燃烧参数与第二燃烧参数的实际值比较950基于比较确定由发动机利用的燃料的生物柴油掺合比960基于生物柴油掺合比来控制发动机

过程900开始于框910，其中监测第一燃烧参数。第一燃烧参数可以是排气氧分数和空气燃料比中的一个。在框920处，基于使第一燃烧参数通过已知的排气氧分数与空气燃料比的关系与为仅利用柴油燃料的示例性发动机确定的第二燃烧参数相关联，确定第二燃烧参数。框920提供了不用作第一燃烧参数的排气氧分数和空气燃料比的剩余项。在框930处，监测第二燃烧参数的实际值。在框940处，将仅利用柴油燃料的发动机的第二燃烧参数与第二燃烧参数的实际值比较。在框950处，基于所述比较确定生物柴油掺合比。在框960处，基于生物柴油掺合比控制发动机。

本发明已描述了某些优选的实施例及所述某些优选实施例的变型。本领域的技术人员在阅读和理解说明书时可想到另外的变型和修改。因此，本发明不应局限于作为用于实施本发明所设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明应包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。