用於診斷柴油發動機氣體流動控制系統錯誤狀態的系統的製作方法
2023-05-27 23:27:06 2
專利名稱：用於診斷柴油發動機氣體流動控制系統錯誤狀態的系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於診斷用於柴油發動機的氣體流動控制系統的錯誤狀態的系統。
背景技術：
自20世紀90年代以來，共軌系統或者存儲噴射系統被引入用於客車的柴油發動機。然而，共軌噴射的使用不局限於客車，而是其也包括重型柴油發動機，例如船用發動機。 共軌噴射使用帶有相應出口的普通高壓存儲給汽缸提供燃料。共軌噴射優化了燃燒過程和發動機運行並減少了顆粒排放。由於一直到2000bar的非常高的壓力，燃料被霧化的非常細小。因為小的燃料滴具有高的表面積，所以燃燒過程被加速，排放顆粒的顆粒尺寸減小。此外，壓力產生和噴射過程的分離允許用於通過使用控制單元，例如發動機控制單元 (ECU)，內的特徵圖進行電控的噴射過程。ECU也可以用於監測空氣調節控制機構的功能，針對在其操作過程中可能發生的錯誤或失效。錯誤識別在美國和歐洲車載診斷要求上是強制的。共軌噴射系統可以與渦輪增壓相結合以提供更多駕駛舒適性，特別是對於客車中的柴油發動機。然而，當在有過量氧的環境中發生燃燒時，峰值燃燒溫度增加，其導致多於排放如氮氧化物(NOx)的形成。當渦輪增壓用於增加新鮮空氣流動量時，並因此增加了在燃燒室內氧和氮的濃度，當在燃燒活動過程中或者之後溫度高時，這些排放增加。一項用於減少多餘排放如NOx的已知技術包括為了隨後燃燒將化學惰性氣體引入到新鮮空氣流中。因此，在燃燒混合物中的氧濃度被減少，燃料燃燒減慢，峰值燃燒溫度相應減少，NOx的產生減少。引入化學惰性氣體的一個方法是通過使用所謂的廢氣再循環 (EGR)系統。EGR操作一般不要求在所有發動機操作條件下，已知的EGR系統相應的包括閥， 通常稱為EGR閥，用於控制引入到進氣總管內的廢氣。通過車載的微控制器的使用，EGR閥的控制典型上是以通過多個發動機操作傳感器提供的信息為函數來實現。為了實現廢氣再循環，高壓和低壓EGR系統單獨使用或者組合使用。除EGR閥之外，用於現代渦輪增壓的燃燒發動機的空氣調節系統已知包括一個或者多個輔助的或者可替代的空氣調節控制機構，用於修改渦輪增壓機的臨界流量和/或效率。例如，空氣調節系統可以包括布置在渦輪增壓機渦輪的入口和出口之間的廢氣門，以選擇性發送廢氣圍繞渦輪，並因此控制渦輪增壓機的臨界流量。可替代的或者另外的是，該系統可以包括排氣節流閥，其布置在與渦輪增壓器渦輪的上遊或下遊排氣管道相對齊，以控制廢氣的有效流動區域並因此控制渦輪增壓器的效率。渦輪增壓器也可以包括可變幾何渦輪，其用於通過控制渦輪的幾何形狀來控制渦輪增壓器的臨界流量。通過使用可變噴嘴環幾何形狀，渦輪增壓器的操作範圍和性能在操作過程中可以改變，以便為特點條件優化發動機性能。這種類型的渦輪增壓器在例如稀燃氣發動機中是有用的，在其中燃燒對氣體質量和空氣溫度變化是敏感的。VTG技術也可用於重型柴油發動機，如火車或輪船發動機。然而，渦輪增壓器對重載燃油發動機的操作條件是相當苛求的，VTG技術至少現在沒有普遍用於重載燃油發動機。
發明內容
本申請的目的是為用於客車的渦輪增壓發動機，特別是共軌渦輪增壓的柴油發動機，的氣體流動控制系統提供改進的故障診斷。本申請公開了燃燒發動機評價單元，其包括微控制器用於接收來自燃燒發動機氣體流動控制系統的測量信號，和用於輸出表示氣體流動控制系統狀態的狀態信號。微控制器包括用於接收第一組測量信號的輸入埠，該測量信號包括至少高壓廢氣再循環閥下遊的進氣壓力、高壓廢氣再循環閥下遊的進氣溫度和空氣過濾器下遊的進氣空氣流動速率。此外，微控制器也包括輸入埠，用於接收第二組測量信號，其包括至少馬達旋轉速度和瓣閥(flap valve)位置信號。瓣閥位置信號可以通過瓣閥控制信號或者也可通過在瓣閥處的位置傳感器來提供。瓣閥對於控制進入發動機缸內的進氣運動是有用的。其優點是觀察空氣流量以識別在空氣流動路徑中的洩露和/或阻塞。為了精確確定氣流速率， 根據本申請使用瓣閥的位置作為故障識別系統的輸入是有優點的，該系統是以根據本申請的空氣品質流的計算為基礎的。微控制器此外還適合於基於第一組測量信號，通過使用氣體流量模型計算第一組預測值，並適合於基於第二組測量信號通過使用名義模型計算第二組預測值。第一組預測值與第二組預測值的比較可以通過至少一個技術上容易實現的微分器來提供。優點是，為每個名義模型的預測值提供一個微分器。更特別的是，為了比較第一組預測值與第二組預測值，提供帶有微分器的殘差(residual)產生單元，微分器適合於產生殘差，通過利用微分器從第二組預測值的相應值減去第二組預測值的值。微分器代替多個複雜單元的使用是本申請的優點。然而，預測值的比較也可以通過至少一個提供統計相關的相關器來提供。名義模型可以通過包括插值單元的名義模型單元來提供。更特別的是，插值單元可以通過半物理模型、神經網絡、局部線性模型樹模型(縮寫為L0LIM0T或者LLM)、或者其它經驗模型的實現來提供。特別的是，差值可以查表值為基礎，查表值是在校準程序過程中以上述模型為基礎預先計算的。微控制器還適合於以第一組預測值與第二組預測值的比較為基礎產生狀態信號。 狀態信號表示是否錯誤條件出現，並可以接收「是/否」值或者甚至是可能性。根據本申請的氣體流動控制系統提供可靠的故障組件的識別。根據本申請的故障零件的指示有助於避免汙染和由帶有故障組件駕駛導致的安全危險，並且通過及時更換故障組件延長了機械零件的壽命。此外，根據本申請的氣體流動控制系統幫助服務人員快速識別故障原因。除了識別錯誤條件之外，氣體流動控制系統也可以用於調整發動機控制，如燃油噴射或者閥打開的控制，以便甚至在降低機械零件性能的情況下維持功能。根據特定實施例，殘差產生單元適合於從第一組測量信號和第二組測量信號產生空氣效率殘差。在更特殊的實現中，空氣效率殘差是以來自於第一組預測值的第一預測空氣效率和來自於第二組預測值的第二預測空氣效率的差值為基礎，第二預測空氣效率是以依賴於發動機速度、進氣壓力和瓣閥控制或各自的位置信號的查表值為基礎。根據進一步的特定實施例，殘差產生單元適合於從第一組測量信號和第二組測量信號產生氣流振幅殘差。在更特殊的實現中，第二組預測值包括EGR閥位置，氣流振幅殘差是以來自於第一組預測值的第一預測氣流振幅和來自於第二組預測值的第二預測氣流振幅的差值為基礎。此外，第二預測氣流振幅是以依賴於發動機速度、進氣壓力、進氣溫度和 EGR閥位置的查表值為基礎。EGR閥位置可以對應於高壓或低壓EGR閥，並且該位置可以來源於促動器指令信號或者也來源於位置傳感器信號。根據進一步的特定實施例，殘差產生單元適合於從第一組測量信號和第二組測量信號產生壓力振幅殘差。在更特殊的實現中，第二組預測值包括EGR閥位置，壓力振幅殘差是以來自於第一組預測值的第一預測壓力振幅和來自於第二組預測值的第二預測壓力振幅的差值為基礎。此外，第二預測壓力振幅是以依賴於發動機速度、進氣壓力、進氣溫度和 EGR閥位置的查表值為基礎。根據進一步的特定實施例，第一組測量信號還包括EGR閥上遊的廢氣壓力和EGR 閥溫度，並且其中殘差產生單元適合於從第一組測量信號和第二組測量信號產生至少一個氣流殘差。在更特殊的實現中，至少一個氣流殘差是以來自於第一組預測值的第一預測質量流(mass flow)和來自於第二組預測值的第二預測質量流的差值為基礎。此外，第二預測質量流是以依賴於發動機速度、EGR再循環閥下遊的壓力和瓣閥的指令信號的查表值為 ■石出。根據進一步的特定實施例，至少一個氣流殘差是以來自於第一組預測值的第一預測質量流和來自於第二組預測值的第二預測質量流的差值為基礎，並且其中第二預測質量流是以發動機速度、來自於拉姆達(lambda)或者氧傳感器的測量值和噴射的燃油體積為 ■石出。為了評價殘差，可以提供死區單元用於如果殘差在下限和上限之間時將殘差設定為零。優點在於下限和上限是以操作點為基礎，如發動機旋轉速度、EGR位置信號、瓣閥位置信號。特別的是，操作點可依賴於發動機速度和燃料流動速率。此外，本申請公開了包括上述的燃燒發動機評價單元的發動機控制單元，其中發動機控制單元的輸入埠連接到燃燒發動機評價單元的輸入埠，發動機控制單元的輸出埠連接到燃燒發動機評價單元的輸出埠。此外，本申請也公開了包括渦輪增壓器、氣流控制系統和上述的發動機控制單元的燃燒發動機，其中氣流控制系統的傳感器輸出和促動器輸入連接到發動機控制單元。本申請也公開了帶有上述燃燒發動機的動力系統，其中燃燒發動機的曲軸連接到動力系統的輸入軸，和帶有上述動力系統的車輛，其中動力系統連接到車輪。
在下文中，本申請將參考附圖進行進一步詳細的解釋，其中圖1顯示用於渦輪柴油發動機的氣流控制系統的示意圖；圖2說明氣流控制系統的錯誤條件；圖3說明用於HP-EGR循環的殘差產生單元；圖4說明用於LP-EGR循環的殘差產生單元；圖5說明用於評價殘差的決策邏輯和錯誤顯示；圖6說明決策邏輯的神經網絡；
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圖7說明對於不同操作點的發動機速度和發動機扭矩的圖；圖8說明用於渦輪增壓器軸的速度的名義模型圖；圖9說明殘差評價的流程圖；圖10顯示參數空間的分割；圖11說明用於殘差下和上閾值的定義程序；圖12更詳細的說明了根據圖9的殘差評價；圖13顯示殘差產生單元的更詳細的視圖。
具體實施例方式在下面的描述中，提供細節以描述本申請的實施例。其對本領域技術人員將是很明顯的，然而，沒有這些細節實施例也可以實施。圖1顯示用於渦輪柴油發動機11的氣流控制系統10的示意圖。柴油發動機11的曲軸連接到動力傳動系統，其連接到車輪8。為了簡化，曲軸和動力傳動系統在圖1中未顯示。在柴油發動機11的進氣口 12和進氣口 9之間，氣流控制系統10包括空氣過濾器13、 熱膜(HFM)空氣品質流傳感器14、進氣節流閥1、渦輪增壓器16的壓縮機15、進氣空氣冷卻器17和進氣空氣節流閥18。在柴油發動機11和廢氣出口 19之間，氣流控制系統10包括渦輪增壓器16的廢氣渦輪20、帶有柴油氧化催化劑(DOC)的柴油顆粒過濾器(DPF) 21和廢氣節流閥22。氣流控制系統10包括高壓廢氣再循環(HP-EGR)迴路23。在柴油發動機11的廢氣出口 M和柴油發動機11的進氣口 9之間，HP-EGR迴路23包括旁路分支25、HP-EGR冷卻器^、HP-EGR閥27和再循環分支觀。此外，低壓廢氣再循環(LP-EGR)迴路38在DPF21 和壓縮機15之間被提供。LP-EGR迴路38包括LP-EGR冷卻器6和LP-EGR冷卻器6下遊的 LP-EGR 閥 7。進氣空氣冷卻器17和進氣空氣節流閥18的下遊，進氣總管分叉到發動機11的缸。該缸包括帶有渦流瓣閥3的第一進氣道2和第二進氣道3。為了簡化，只有一組進氣道 2、3被顯示。在可替代實施例中，進氣道2連接到再循環分支觀，進氣道4連接到進氣節流閥18。在這種情況下，廢氣的混合在缸的燃燒腔內發生。渦流瓣閥3連接到促動器，該促動器連接到E⑶89的指令線。為了簡化，來自和到達柴油發動機11缸的管道沒有分別表示。同樣地，燃料管線沒有顯示。廢氣渦輪20和壓縮機15通過壓縮機軸四相連，壓縮機軸四的旋轉速度n_tc 通過圓形箭頭來表示。廢氣渦輪具有可變幾何形狀，其通過控制信號sVTG來控制。廢氣渦輪20的可變幾何形狀通過可調整的渦流葉片30來實現，其由斜線所指。HP-EGR循環23和 LP-EGR循環的質量流速率通過相應的符號來表示，空氣過濾器13上遊的周圍輸入溫度和壓力由符號T_a和p_a來表示。在氣流中傳感器的不同位置由方形符號來表示。方形符號只是象徵性的並不表示在傳感器位置處氣管的精確形狀。第一傳感器位置31和相應的溫度T_1和壓力p_l在HFM 空氣品質流傳感器14和壓縮器15之間表示；第二傳感器位置32和相應的溫度T_2c和壓力 P_2c在壓縮器15和進氣空氣冷卻器17之間表示；第三傳感器位置33和相應的溫度T_2ic 在進氣空氣冷卻器17和進氣空氣節流閥之間表示；第四傳感器位置34和相應的溫度T_2i和壓力p_2i在進氣空氣節流閥18和柴油發動機11的入口 9或者分別是HP-EGR閥27之間表示；第五傳感器位置35和相應的溫度T_3和壓力ρ_3在柴油發動機11的出口 M和 HP-EGR冷卻器沈或者分別是廢氣渦輪20之間表示；第六傳感器位置36和相應的溫度Τ_4 和壓力Ρ_4在廢氣渦輪20和DPF21之間表示；第七傳感器位置37和相應的溫度Τ_5和壓力ρ_5在DPF21和廢氣節流閥22之間表示。廢氣節流閥22的下遊有催化劑和廢氣消音器，其在圖1中未顯示。氣流控制系統10沒有低壓EGR循環38也可以實現。此外，HP-EGR循環23可以被單獨提供用於汽缸或者汽缸組。在廢氣節流閥22的上遊可以提供NOx儲存催化劑(NSC)。圖2更詳細的顯示了在帶有根據本申請EGR的渦輪柴油發動機中發生的8個錯誤條件。ECU單元89被顯示，其被提供用於評價殘差、接收傳感器和促動器信號和輸出指令信號。在圖2中，通過環形的標號來加標籤。當發動機11的漏氣管(blow-by tube)有洩漏或者丟失時，給出漏氣錯誤條件 (1)，其以在測量位置31處的測量為基礎進行確定。漏氣管在圖2中未顯示。它用來讓由於故障和/或由於漏缸進入到曲軸箱中的廢氣從曲軸箱中逸出。廢氣可以被吹出或者再循環。漏氣錯誤條件導致由時間導數d/dt(m_leak(t))表示的洩漏質量流速率。中間冷卻器洩漏錯誤條件O)，其以在測量位置34處的測量為基礎來確定，是由在壓縮器15和渦輪增壓器18之間的中間冷卻器17之後的洩漏來給出。相應的洩漏質量流速率由d/dt (m_leak) 表示。中間冷卻器限制錯誤條件(3)，其當中間冷卻器17的下遊有限制時發生，是以在測量位置33處的測量為基礎確定的。渦流瓣閥位置錯誤條件(4)是以在測量位置34處的測量為基礎確定的。瓣閥或者片狀閥，其在圖1和2中未顯示，位於缸的進氣道，並且通過從ECU接收瓣閥指令信號的共同的促動器來促動。瓣閥用於將HP-EGR循環23的廢氣混合進入缸的燃燒氣體中。在簡化的圖1和2中，瓣閥的位置在再循環分支觀處。EGR位置錯誤條件(5)在HP-EGR閥27處表示。其可以通過在HP-EGR閥27處的直接位置測量或者以在測量位置35和34處的測量為基礎來確定。廢氣洩漏錯誤條件(6) 是以在測量位置35處的測量為基礎來確定的。相應的洩漏質量流速率由d/dt(m_leak)表示。HFM高(7)和HFM低⑶錯誤條件在熱膜氣流計14處表示。它們分別相應於太高或太低的氣流測量。圖3顯示殘差產生單元100，其用於為高壓EGR操作產生殘差。左側表示來自於第一組和第二組測量值的輸入值，其作為用於子模型單元的輸入值來使用。子模型單元每個包括名義或半物理模型單元和物理模型單元。名義模型單元如圖13所示。輸入值將在下面進行解釋。T_3/T_EGR意味著溫度值T_3和T_EGR可以替換地或組合使用，例如為節省在EGR閥27處的傳感器使用在測量位置35處的傳感器來代替，或者為了使用兩個值代替一個值以便有通過冗餘的容錯。圖4顯示殘差產生單元100』，其基本上與殘差產生單元100相同，但是其使用 LP-EGR循環38的測量值來代替HP-EGR循環23的輸入值p_3、s_EGR、T_3/T_EGR，其中dp_ LEGR是跨過LP-EGR閥的壓力差、s_LEPGR是LP-EGR閥控制信號、T_aDPF是DPF21下遊和 LP-EGR冷卻器上遊的溫度、T_LPEGR是LP-EGR冷卻器6下遊和LP-EGR閥7上遊的溫度。 此外，T_aDPF可以用於替代或與T_LPEGR相組合。除HP-EGR循環23之外，低壓EGR循環38可以使用。更好的是，圖3的流程圖應用到高壓操作模式，其中HP-EGR閥打開、LP-EGR閥關閉，圖4應用到低壓操作模式，其中HP-EGR閥關閉、LP-EGR閥打開。殘差產生單元100、100』的操作現在將進行更詳細的解釋。用於空氣流動效率入_ a,也稱為容積效率的殘差根據下式計算
權利要求
1.一種燃燒發動機評價單元，包括微控制器，其用於從燃燒發動機的氣體流動控制系統接收測量信號和用於輸出表示所述氣體流動控制系統的狀態的狀態信號；所述微控制器包括用於接收至少下面的測量信號作為第一組測量信號的輸入埠-高壓廢氣再循環閥下遊的進氣壓力；-高壓廢氣再循環閥下遊的進氣溫度；-空氣過濾器下遊的進氣空氣流動速率；所述微控制器還包括用於接收至少下面的測量信號作為第二組測量信號的輸入端-馬達旋轉速度；-瓣閥位置信號；其中所述微控制器還適合於通過使用氣體流量模型基於所述第一組測量信號來計算第一組預測值；其中所述微控制器還適合於通過使用名義模型基於所述第二組測量信號來計算第二組預測值；其中所述微控制器適合於基於所述第一組預測值和所述第二組預測值的比較來產生所述狀態信號。
2.如權利要求1所述的燃燒發動機評價單元，其中帶有微分器的殘差產生單元被提供用於所述第一組預測值與所述第二組預測值的比較，並且其中所述微分器適合於通過利用所述微分器從所述第二組預測值的相應值減去所述第二組預測值的值來產生殘差。
3.如權利要求2所述的燃燒發動機評價單元，其中所述殘差產生單元適合於從所述第一組測量信號和所述第二組測量信號產生空氣效率殘差。
4.如權利要求3所述的燃燒發動機評價單元，其中所述空氣效率殘差是基於來自於所述第一組預測值的第一預測空氣效率和來自於所述第二組預測值的第二預測空氣效率的差值，並且其中所述第二預測空氣效率是基於依賴於所述發動機速度、所述進氣壓力和所述瓣閥控制信號的查表值。
5.如權利要求2到4中一個所述的燃燒發動機評價單元，其中所述殘差產生單元適合於從所述第一組測量信號和所述第二組測量信號產生氣流振幅殘差。
6.如權利要求5所述的燃燒發動機評價單元，其中所述第二組測量值包括EGR閥位置， 其中所述氣流振幅殘差是基於來自於所述第一組預測值的第一預測氣流振幅和來自於所述第二組預測值的第二預測氣流振幅的差值，並且其中所述第二預測氣流振幅是基於依賴於所述發動機速度、所述進氣壓力、所述進氣溫度和所述EGR閥位置的查表值。
7.如權利要求2到6中一個所述的燃燒發動機評價單元，其中所述殘差產生單元適合於從所述第一組測量信號和所述第二組測量信號產生壓力振幅殘差。
8.如權利要求7所述的燃燒發動機評價單元，其中所述第二組測量值包括EGR閥位置， 其中所述壓力振幅殘差是基於來自於所述第一組預測值的第一預測壓力振幅和來自於所述第二組預測值的第二預測壓力振幅的差值，並且其中所述第二預測壓力振幅是基於依賴於所述發動機速度、所述進氣壓力、所述進氣溫度和所述EGR閥位置的查表值。
9.如權利要求2到8中一個所述的燃燒發動機評價單元，其中所述第一組測量信號還包括EGR閥上遊的廢氣壓力和EGR閥溫度，並且其中所述殘差產生單元適合於從所述第一組測量信號和所述第二組測量信號產生至少一個氣流殘差。
10.如權利要求9所述的燃燒發動機評價單元，其中所述至少一個氣流殘差是基於來自於所述第一組預測值的第一預測質量流和來自於所述第二組預測值的第二預測質量流的差值，並且其中所述第二預測質量流是基於依賴於所述發動機速度、所述EGR再循環閥下遊的壓力和所述瓣閥的指令信號的查表值。
11.如權利要求9所述的燃燒發動機評價單元，其中所述至少一個氣流殘差是基於來自於所述第一組預測值的第一預測質量流和來自於所述第二組預測值的第二預測質量流的差值，並且其中所述第二預測質量流是基於所述發動機速度、來自於拉姆達傳感器的測量值和噴射的燃油體積。
12.—種發動機控制單元，其包括如前述權利要求中的一個所述的燃燒發動機評價單元，其中所述發動機控制單元的輸入埠連接到所述燃燒發動機評價單元的輸入埠，所述發動機控制單元的輸出埠連接到所述燃燒發動機評價單元的輸出埠。
13.一種燃燒發動機，其包括渦輪增壓器、氣流控制系統和如權利要求12所述的發動機控制單元，其中所述氣流控制系統的傳感器輸出和促動器輸入連接到所述發動機控制單兀。
14.一種動力系統，具有如權利要求13所述的燃燒發動機，其中所述燃燒發動機的曲軸連接到所述動力系統的輸入軸。
15.一種車輛，具有如權利要求14所述的動力系統，其中所述動力系統連接到所述車輛的車輪。
全文摘要
一種診斷柴油發動機氣體流動控制系統錯誤狀態的系統。燃燒發動機評價單元，包括微控制器用於接收來自燃燒發動機氣體流動控制系統的測量信號、用於輸出表示氣體流動控制系統狀態的狀態信號。微控制器包括輸入埠，用於接收高壓廢氣再循環閥下遊進氣壓力、高壓廢氣再循環閥下遊進氣溫度和空氣過濾器下遊進氣空氣流動速率作為第一組測量信號。此外，微控制器包括輸入埠，用於接收馬達旋轉速度和瓣閥控制信號作為第二組測量信號。微控制器適於計算第一組預測值，其通過使用氣體流量模型，基於第一組測量信號，並適於計算第二組預測值，其通過使用名義模型，基於第二組測量信號。此外，微控制器適於產生狀態信號，其基於第一組預測值與第二組預測值的比較。還涉及包括該評價單元的發動機控制單元以及包括該控制單元的發動機以包括該發動機的動力系統。
文檔編號F02D45/00GK102444494SQ20111029605
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月28日 優先權日2010年10月5日
發明者A.西多羅, C.埃克, F.錢弗洛尼, G.蘭德斯曼, R.艾瑟曼, U.康尼戈斯基 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司