用於柴油發動機的控制系統的製作方法

2023-04-29 04:07:41 2

專利名稱：用於柴油發動機的控制系統的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及用於發動機的排放物檢測。更具體地講，本發明 涉及傳感器在柴油發動機反饋控制中的使用。
背景技術：
發動機傳感器在許多常規發動機中，用來間接地檢測排放物如氮
氧化物(NOx)和/或顆粒物質(PM)在排出氣流中的存在。在柴油發動機 中，這樣的傳感器例如有時用來測量注入到位於發動機燃燒和後處理 裝置之前的發動機進氣歧管中的空氣的歧管氣溫(MAT)、歧管氣壓 (MAP)和歧管氣流(MAF)。然後結合其它的發動機特性來分析這些檢 測參數，以調節發動機的性能特性。
有些設計中，車輛可安裝有能向促動器發送指令的電子控制器 (ECU)，以便控制發動機、後處理裝置以及其它動力系部件，從而在 發動機功率和排放物之間達到所需的平衡。為了獲得發動機輸出的排 放物估值，可在校準期間構建模擬發動機燃燒的發動機圖來推斷髮動 機排出和產生的NOx和PM量。根據驅動循環中的具體時間，ECU 可調節各種促動器來控制發動機以所需的方式補償發動機性能和排
放物常數。通常，在發動機性能和可接受的可以從發動機中排出的 NOx和/或PM量之間存在著折衷。在驅動循環期間的某些時間內，舉 例而言，如巡航速度期間，或會有可能為了降低NOx和/或PM的排 放量且不明顯犧牲發動機性能而控制發動機。反之，在驅動循環期間 的其它時間內，如石更力。速(hard acceleration)期間，或會為了提高發動 機功率而必需犧牲排放性能。其它時間內，後處理裝置可主動地再生， 並且需要部分地通過改變給到促動器的信號而獲得不同的性態。發動機模型和/或後處理裝置的效能常常取決於擬假定與車輛 實際運行情況匹配的精度。諸如發動機磨損、燃料組成以及環境空氣 組成的情況，例如可作為環境條件變化的結果而快速改變或在車輛壽 命期間緩慢地變化，但兩種情況都會影響發動機模型精確預測車輛真 實運行情況的性能。諸如燃料類型變化的其它因素，也會對用於估算 實際運行情況的模型假定有影響。因此，發動機模型可能變得過時而 無效。
發明概要
本發明涉及傳感器在發動機(包括柴油機和汽油發動機)的反饋控 制中的使用。根據本發明的示範性實施例， 一種用於控制柴油發動機 的說明性控制系統可包括一個或多個後燃傳感器和狀態觀測器，該後 燃傳感器適於直接檢測從發動機排氣歧管中排出的廢氣中的至少一 種組成物，而該狀態觀測器基於自後燃傳感器中接收的反信號來估 算動態模型狀態。後燃傳感器可包括許多適於測量排出氣流中各組成 物的傳感器。在某些實施例中，後燃傳感器例如可包括用於測量排出
氣流中氮氧化物的NOx傳感器和/或用於測量排出氣流中顆粒物質或 煙塵的PM傳感器。在有些實施例中，還可提供諸如扭矩負載傳感器、 缸內壓力傳感器和/或流體組成傳感器來直接檢測其它與發動機相關 的參數，這些參數還可由狀態觀測器用來估算模型的動態狀態。該狀 態隨後可用於控制策略中，以控制發動機性能和排放物的洩放。在有 些實施例中，控制策略可用於控制發動機的其它方面，諸如後處理。
狀態觀測器的算法可由嵌入在控制器(例如電子控制裝置)中的軟 件來實施。該算法可包括發動機系統的狀態空間模型表示，包括發動 機的空氣側和燃料側的表示。在有些實施例中，狀態空間衝莫型例如可 包括接收各種表示傳感器信號和促動器位置信號的發動機模型。有 時，扭矩傳感器可結合發動機轉速用來加強轉動慣量模型。通過使用 由各種後燃傳感器所提供的以及來自其它傳感器(例如扭矩負載傳感器、缸內壓力傳感器、燃料組成傳感器等)的信號，狀態觀測器可構造 成用來監控並且必要時用來調節狀態空間模型的內部狀態，從而允許 模型補償諸如發動機磨損、燃料組成、環境空氣品質等情況，這些情 況可影響車輛壽命期間內的發動機性能和/或排放物。
根據本發明的示範性實施例， 一種控制柴油發動機系統的說明性 方法可包括步驟使用 一個或多個後燃傳感器來直接測量發動機排出
氣流中的至少一種組成物；提供含有柴油發動機系統狀態空間才莫型的
狀態觀測器，該狀態觀測器部分地基於來自一個或多個後燃傳感器和
/或 一個或多個其它傳感器的信號用來確定狀態空間模型的內部狀態； 當模型實際狀態與其估算狀態不同時修正該估算狀態；使用來自狀態 空間模型的修正值來計算和預測 一個或多個發動機參數和/或後處理
參數；和在控制算法中使用該估算狀態，以基於所計算和預測的發動 機參數和/或後處理參數來調節 一個或多個促動器輸入信號。
附圖簡要說明


圖1為根據本發明示範性實施例的說明性柴油發動機系統的示意
圖2為說明性控制器的示意圖，該控制器採用狀態觀測器來向狀 態反饋控制器提供估算狀態，以控制圖1中的說明性柴油發動機系統；
圖3為說明性控制系統的示意圖，該控制系統利用圖2中的控制 器來控制圖1中的說明性柴油發動機系統；
圖4為圖3中的說明性控制系統具體實施方案的示意圖5為用於控制圖1中的說明性柴油發動機系統的另一個說明性 控制系統的示意圖；和
圖6為用於控制說明性柴油發動機後處理系統的另 一個說明性控 制系統的示意圖。
詳細il明以下說明將參考附圖閱讀，其中，不同附圖中的相同元件以相同 的方式標號。無需按比例的各個附圖描繪了所選實施例而非試圖限制 本發明的範圍。儘管各個視圖舉例說明了運行步驟和參數的示例，但 本領域技術人員將會承認所提供的許多示例具有適當的、可以利用的 備選方案。
圖1為根據本發明示範性實施例的說明性柴油發動機系統的示意
圖。說明性柴油發動機系統通常顯示為10，並且包括具有進氣歧管 22和排氣歧管24的柴油發動機20。在說明性實施例中，燃料噴射器 26向發動機20提供燃料。燃料噴射器26可包括單個的燃料噴射器， 但更常見的是可包括多個能獨立控制的燃料噴射器。燃料噴射器26 可構造成用來根據燃料概貌設定值28以及一個或多個有關發動機20 燃料側和/或空氣側控制的其它信號30向發動機20提供所需的燃料扭o 貌。術語燃料"概貌"，像文中所用，依照要求可包括許多燃料參數或 性能，例如包括燃料供給率、燃料供給率變化、燃料正時、燃料預噴 事項、燃料後噴事項、燃料脈沖和/或任何其它的燃料供給指標。 一個 或多個的燃料側促動器依照要求可用來控制這些及其它的燃料參數。
如圖1中所進一步看到的那樣，來自發動機20的排出物^皮供向 排氣歧管24，而該排氣歧管沿著排氣管32輸送廢氣。在說明性的實 施例中，排氣歧管24的下遊進一步設置了渦輪增壓器34。說明性的 渦輪增壓器34可包括由廢氣流驅動的渦輪36。在說明性的實施例中， 旋轉渦輪36經由機械聯軸器40驅動壓縮機38。如圖所示，壓縮機 40經由通路42接收環境空氣並對其壓縮，然後將壓縮空氣供應至進 氣歧管22。
渦輪增壓器34可以是可變噴嘴渦輪(VNT)渦輪增壓器。然而，預 期的是可以使用任何適當的渦輪增壓器，例如包括廢氣門渦輪增壓器 或可變幾何入口噴嘴渦輪增壓器(VGT)，它們帶有促動器用以操作廢 氣門或VGT葉片組。說明性的VNT渦輪增壓器使用排氣蝸殼內的可 調葉片，從而當進入廢氣撞擊排氣渦輪36時改變它們的衝角。在說明性的實施例中，葉片沖角以及因而由壓縮機38所提供的增壓壓力
(MAP)量，可由VNT設定信號44來控制。有時，可提供VNT位置信 號46來指示當前的葉片位置。還可以提供渦輪速度信號48來指示當 前的渦輪速度，該信號有時可用來限制渦輪速度以有助於防止損壞渦 輪增壓器34。
為了降低渦輪遲滯，渦輪36可含有電動機助推器。儘管不是所 有的實施例都有需要，但電動機助推器可有助於提高渦輪36的速度， 故而提高了由壓縮機38向進氣歧管22提供的增壓壓力。當發動機20 的發動機轉速低而且需要較高的增壓壓力時，例如在高加速度的狀況 下，這或會特別地有用。在這些情況下，廢氣流或會不足以驅動渦輪 增壓器34在進氣歧管22處產生所需的增壓壓力(MAP)。在一些實施 例中，可提供ETURBO(電動渦輪)設定信號50來控制所提供的電動機 助推器數量。
壓縮機38可包括可變幾何壓縮機或不變幾何壓縮機。例如在某 些情況下，壓縮機38提供的壓縮空氣或許僅是渦輪36轉動壓縮機38 的速度的函數。在其它情況下，壓縮機38可以是可變幾何壓縮機 (VGC),其中，VGC設定信號52可用來在壓縮機38的出口處設定葉 片位置，以依照要求向進氣歧管22提供受控的壓縮空氣量。
為了在向進氣歧管22供應壓縮空氣之前幫助使其冷卻，可設置 增壓空氣冷卻器54。在一些實施例中，可向增壓空氣冷卻器54提供 一個或多個壓縮空氣增壓冷卻器設定信號56,以幫助控制最終提供給 進氣歧管22的壓縮空氣的溫度。
在某些實施例中，以及為了減少有些柴油發動機的排放物如NOx， 如圖所示可在排氣歧管24和進氣歧管22之間插入廢氣再循環(EGR) 閥58。在說明性的實施例中，EGR閥58接收EGR設定信號60，該 信號可通過直接改變EGR閥58的位置設定值而用來設置所需的廢氣 再循環(EGR)量。若需要的話，還可提供指示EGR閥58當前位置的 EGR位置信號62。有時，可在EGR閥的上遊或下遊設置EGR冷卻器64，以在廢氣 向進氣歧管22供應之前幫助其冷卻。在有些實施例中，可向EGR冷 卻器64提供一個或多個EGR冷卻器設定信號66，以通過允許再循環 廢氣中的一些或全部繞過冷卻劑64而有助於控制再循環廢氣的溫度。
發動機系統10可含有多個預燃傳感器，這些傳感器可用來監控 發動機20在燃燒之前的運行。例如在圖1的說明性實施例中，歧管 氣流(MAF)傳感器68可提供對進入進氣歧管22的進氣歧管氣流(MAF) 的檢測。歧管氣壓(MAP)傳感器70又可測量進氣歧管處的進氣歧管氣 壓(MAP)。歧管氣溫(MAT)傳感器72可測量進入進氣歧管的進氣歧管 氣溫(MAT)。若需要的話，可提供一個或多個其它的傳感器來測量柴 油發動機系統10的其它預燃燒參數或指標。
發動機系統10還可包含多個後燃傳感器，這些傳感器可用來監 控發動機20在燃燒之後的運行。例如在一些實施例中，可使用多個 缸內壓力(ICP)傳感器74來檢測發動機氣缸76在驅動循環中的內部壓 力。操作上聯接至排氣歧管24的NOx傳感器78可測量從發動機20 排放的廢氣中的NOx濃度。以類似方式，操作上聯接至排氣歧管24 的顆粒物質(PM)傳感器80可測量廢氣中的顆粒物質或煙塵濃度。若 需要的話，可使用一個或多個其它的後燃傳感器82來檢測發動機20 下遊廢氣的其它參數和/或指標。其它類型的排放物傳感器，例如可包 括一氧化碳(CO)傳感器、二氧化碳(C02)傳感器和烴類(HC)傳感器。 在某些實施例中，可提供扭矩負載傳感器84來測量發動機20上的扭 矩負載，該扭矩負載傳感器可結合或替代後燃傳感器78、 80、 82以 調節驅動循環中的發動機性能和排放物常數。
在一些實施例中，可提供多個燃料組成傳感器86來測量輸送至 發動機20的燃料中的一種或多種組成物。燃料組成傳感器86例如可 包括用於檢測生物柴油/柴油混合物中生物柴油組成的柔性燃料組成 傳感器。若需要的話，還可以使用其它的傳感器來檢測和測量其它組 成物如燃料中水或煤油的存在。運行中，燃料組成傳感器86可用於調節燃料噴射正時和/或其它燃料噴射參數，以改變發動機性能和/或 排放物輸出。
現在參照圖2，即將描述的是，示出了說明性的電子控制器
(ECU)88的示意圖，該電子控制器採用狀態觀測器向狀態反饋控制器 提供估算狀態，以控制圖1中的說明性柴油發動機20。如圖2中的控 制透視圖所示，ECU 88可包括狀態觀測器90，其含有柴油發動機系 統10的才莫型表示。ECU 88例如可包括-漠型預測控制器(MPC)或其它 適當的控制器，這些控制器能在受到促動器變量、內部狀態變量和已 測量輸出變量的約束的情況下向發動機20提供控制信號。
狀態觀測器90可構造成用來接收多個傳感器信號y(k)，其中，y(k) 表示各種在時間"k"取自發動機20的傳感器測量值。說明性的傳感 器信號y(k)例如可包括MAF信號68、 MAP信號70、 MAT信號72、 渦輪速度信號48、扭矩負載信號84和/或燃料組成信號86,如在上文 中根據圖1所描述和示出的那樣。傳感器模型輸入y(k)還可表示一個 或多個後燃傳感器信號，包括ICP信號74、 NOx信號78和/或PM信 號80。
如圖2中進一步地所示，狀態觀測器90還可構造成用來接收多 個促動器信號u(k),其中的u(k)表示各種在各離散時間"k"對發動機 20的促動器輸入。促動器信號u(k)可表示各種促動器運動和位置信號， 如VNT位置信號46、 ETURBO設定信號50、壓縮空氣增壓冷卻器設 定信號56、 EGR位置信號62和EGR冷卻器設定信號66。
預期的是，各種傳感器和促動器模型輸入y(k)、 u(k)都可依照要 求不斷地、間歇地、定時性地或在任 一 其它時間內 一皮詢問 (interrogated),並且，這些模型輸入y(k)、 u(k)僅是說明性的，並且期 望根據應用可提供或多或少的輸入信號。有時，狀態觀測器90還可 構造成用來根據應用，對於傳感器和促動器模型輸入數中的每一個數 而接收一個或多個過去值y(k-N)、 u(k-N)。
狀態觀測器90可構造成用來計算估算狀態鄰""，然後可將其提
12供到ECU 88的單獨的狀態反饋控制器92中，該ECU將促動器輸入 u(k)作為模型內部狀態x(k)的函數計算。可通過使用狀態反饋控制器 92來反饋內部狀態x(k)而賦能的控制反饋策略示例可包括但不限於H 無窮、H2、 LQG(線性二次型高斯)和MPC。在一些實施例中，狀態反 饋控制器92可構造成基於廣義方程u(k^F(x)來計算新的促動器輸入 u(k)。該功能很常見的實現是仿射型甘士.
u(k)表示模型輸入變量； x(k)表示模型內部狀態； F為狀態反饋控制器矩陣；和 g為常數。
對上述基態反饋控制器的擴展為以下切換狀態反饋控制器 其中
u(k)表示模型輸入變量； x(k)表示模型內部狀態； R為第i個狀態反^t控制器矩陣； gi為第i個常數；和
i為標明m個不同狀態反饋控制器中在時間k所執行那個狀態反 饋控制器的指數。
上述方程(2)中所標明的仿射型切換反饋控制器，可在多參lt控制 技術中用於約束優化才莫型預測控制的實時執行，例如就像在以下文獻 中所^侖述的那樣標題為"Multivariable Control For An Engine"的美 國專利申請11/024531號；標題為"Pedal Posistion And/Or Pedal Change Rate For Use In Control Of An Engine"的美國專利申請11/025221號; 標題為"Method and System For Using A Measure of Fueling Rate In The Aire Side Control OF An Engine"的美國專利申請11/025563號，以及標題為"(
的美國專利申請11/094350號；所有的這些都通過引用而結合在本文 中。F.Borrelli在文章"Constrained Optimal Control of Linear and Hybrid Systems"中進一步地描述了混合式的多參數算法，該文章發表在2003 年出；[反的施普^M各(Springer)的"Control and Infrormation Sciences"的 "Lecture Notes"的第290巻，在此通過引用結合在本文中。
利用來自狀態觀測器90的估算狀態雄IW,狀態反饋控制器92 隨後計算新的促動器運動u(k),該u(k)隨後提交到促動器或發動機20 的類似機構中。ECU 88輸出的促動器運動u(k)可依照要求不斷地、間 歇地、定時性地或在任何其它時間內修正。然後發動機20採用來自 ECU88的新的促動器輸入u(k)來運行，如果必要的話，可再次地檢測 u(k)並將其反饋到狀態觀測器90和狀態反饋控制器92中以便進一步 地校正。
在某些實施例中，狀態觀測器90的所用模型可根據其基於以下 廣義7>式的"狀態空間"表示而表示成 (3 =/(",力；和
其中
u(k)表示狀態空間模型的輸入變量； y (k)表示狀態空間模型的輸出變量；
和
x(k)為狀態矢量，其包含為狀態空間模型在時間"k"產生其輸出 y(k)而所需的信息。
在一些實施例中，上述狀態空間模型表示可以是線性非時變(LTI)
系統，而在這種情況下，上述方程(3)和方程(4)中的狀態空間模型可用
常數矩陣表示成formula see original document page 14其中A、 B、 C和D為狀態觀測器90所用的常數矩陣。 多數情況下，由於內部狀態"x"未知，故不能得到狀態空間^^莫型 的內部狀態。在此情況下，必須計算和使用狀態空間模型的估算狀態 矢量iW來代替實際的內部狀態變量x(k)。為了實現該點，以及如參考 以下廣義方程所能理解的那樣，狀態觀測器90在其運算中可利用不 同的模型預測部件(見下文中的步驟(7)、步驟(8))和不同的測量值校正 (見下文中的步驟(9)):
(7) ^預測 "校正
(8) : , + Z)."(A);和
少預測 義預測
,)+丄,-:(羽
(9) 義 義預測 ,預測 。
其巾
義預測(klk)為狀態空間模型在時間"k"的預測狀態矢量；
少預測(klk)為狀態空間模型的預測輸入變量；
X (klk)為狀態空間模型在時間"k"由傳感器測量值y(k)在時間"k"
所校正的狀態矢量；
L為觀測器增益矩陣；和
A、 B、 C、 D為狀態觀測器的模型部分在模擬柴油發動機系統時 所使用的常數矩陣。
在上述方程(7)、方程(8)和方程(9)中，變量^預測(klk)包括狀態模型 在時間"k"的預測狀態矢量，而y預測(klk)包括在時間"k"來自系統
的預測輸入變量。變量義預測(klk)也表示狀態空間模型在時間"k"由傳 感器的測量值y(k)在時間"k"所校正的狀態矢量，其中，測量值y(k)像所給出的那樣通過比較傳感器信號y(k)與預測輸出7預測(klk)並且如
校正方程9所示的那樣將誤差y(k)-少預測(klk)乘以觀測器增益矩陣"L" 來補償狀態空間模型中的誤差。傳感器信號y(k)可包括例如通過多路 傳輸上文所述的傳感器信號(即MAF68、 MAP70、 MAT72、 NOx78、 PM 80、扭矩負載84、燃料組成86等)中的一個或多個信號而獲得的 矢量。傳感器信號y(k)還可包含其它的測量變量，對應於柴油發動機 系統10的其它參數或指標。
運行時，狀態觀測器90可在預測和校正之間更迭以便狀態空間
模型生成接近於模型實際狀態的估算狀態^("。對於線性系統而言， 各種方法如極點配置、卡爾曼濾波(Kalman filtering)和/或龍伯格 (Luenberger)觀測器設計方法都可用來確定觀測器增益矩陣L的值，以 使得觀測器動力穩定並足以執行所期望的應用。對於非線性系統而 言，或會需要其它的方法。用來標明和計算校正矩陣值的具體方法將 典型地取決於所考慮的傳感器輸入和促動器輸入的數量和類型、所模 擬的發動機部件的數量和類型、性能要求(例如速度和精度)以及其它 因素。
使用中，狀態觀測器90利用來自一個或多個直接檢測的發動機
參數信息來協調和重置狀態空間模型內部狀態単IW的能力有助於保 證才莫型預測不會隨著時間的推移而劣化，從而導致粗劣的發動機性能 和可能增加的排放。例如，通過直接檢測後燃參數如排出氣流中的 N0X和PM然後將這些參數值提供給狀態空間模型，狀態觀測器90 或能更好地補償燃料組成和/或發動機磨損在車輛壽命期間發生任何 變化的影響。
圖3為說明性控制系統94的示意圖，該控制系統利用圖2的ECU 88來控制圖1的說明性柴油發動機系統10。如圖3所示，ECU 88可 構造成用來發送各種與發動機20的燃料側控制和空氣側控制有關的 促動器輸入參數98(即"u(k)")。如大致由箭頭IOO和箭頭102所示，來自一個或多個空氣側傳感器和燃料側傳感器的信息(即"y(k)")能因 此被送到狀態觀測器90，該狀態觀測器像上文根據圖2所描述的那樣， 可由ECU 88用來控制發動機20和任何相關的發動機部件(例如渦輪 增壓器34、壓縮機冷卻器54等)。促動器輸入信號98例如可表示上 文中根據圖1所描述的發動機20的促動器設定值信號(例如VNT設定 44、 ETURBO設定50、 VGC設定52、壓縮空氣增壓冷卻器設定56、 EGR設定60)。檢測輸出參數IOO、 102也可包括各參數或指標如燃料 供給、廢氣再循環(EGR)、噴射正時、針閥升程、曲柄角、氣缸壓力、 氣門位置和升程、歧管真空、燃料/空氣混合物和/或在進氣歧管處進 入的空氣。
和發動機20相關聯的排放物處理(通常由標號104表示)，可進一 步地由ECU 88用來計算和預測各種促動器參數，用於控制從發動機 20排出的除空氣側參數100和燃料側參數102之外的NOx、 PM或其 它的排放物。舉例來說，廢氣排放物104的難以預測是眾所周知的， 而且或會涉及指示廢氣和/或燃料內的 一種或多種組成物的各種未測 定的空氣和燃料組成參數106， 108。空氣組成信號106例如可表示指 示廢氣內NOx、 PM和/或其它組成物水平的信號，如後燃傳感器78, 80， 82所測量的那樣。燃料組成信號108例如可表示檢測生物柴油/ 柴油混合物中生物柴油組成物水平的信號，如燃料組成傳感器86所 測量的那樣。然而應理解的是，空氣和燃料組成參數106， 108必要 時可包括其它的參數。
基於發動機20所使用的參數100, 102以及空氣和燃料組成參數 106, 108，可檢測到許多相關的排放物參數並隨後作為輸入將其送到 ECU 88的狀態觀測器90中。排放物處理104例如可檢測NOx在排出 氣流中的水平並輸出NOx傳感器信號110,該信號可作為傳感器輸入 而提供給狀態觀測器90。以類似方式，排放物處理104可檢測排出氣 流中的PM並輸出顆粒物質(PM)信號112,該信號也可作為傳感器輸 入而提供給狀態觀測器90。若需要的話，以及在一些實施例中，發動機20的排放物處理104可進一步地裝備有附加傳感器並輸出其它的
排放物相關信號114,該信號必要時可作為附加傳感器輸入而提供給 狀態觀測器90。有時，信號110、 112、 114可表示用來測量排放物 104的附加硬體如附加傳感器。
一旦狀態觀測器90判定狀態空間模型的內部狀態估算；"I"反映 了模擬的估算狀態，則狀態反饋控制器92隨後可構造成用來計算和 預測將來的促動器運動，以用於發動機20的促動器和/或;f莫型狀態。 這些計算和預測的促動器運動和/或狀態例如能然後被用來控制發動 機20,以便通過調節燃料混合物、噴射正時、EGR百分比、閥門控 制等來降低排放物的排出量。通過結合了可由狀態觀測器90部分地 基於發動機20的排放物處理104而用來校正模型內部狀態的排放物 檢測，控制系統94或能更好地補償發動機性能和/或後處理裝置在發 動機20壽命期間內的劣化。
參考圖4可了解控制系統94的示範性實施方案，圖中示出了數 個在上文中根據圖1所述的說明性的輸入參數和輸出參數。如圖4所 示，發動機20可構造成用來接收許多來自ECU 88和/或其它系統部 件的促動器輸入參數98，包括指示渦輪增壓器當前葉片位置的VNT 位置信號46、用於控制電動機助推器數量的ETURBO設定信號50、 用於控制由壓縮機冷卻器54所提供壓縮空氣的溫度的壓縮空氣增壓 冷卻器設定信號56、指示EGR閥58當前位置的EGR位置信號62和 用於控制再循環廢氣溫度的EGR冷卻器設定信號66。然而，取決於 具體應用，可向發動機20提供除這些信號之外或代替它們的其它促 動器輸入參數98。
基於自ECU88接收的輸入參數46， 50， 56, 62, 66，可從發動 機20中檢測到一個或多個空氣側信號100，包括歧管氣流(MAF)信號 116、歧管氣壓(MAP)信號118,以及一個或多個燃料側參數102如燃 料概貌設定信號120。來自預燃傳感器116， 118， 120的信息加上來 自後燃傳感器IIO, 112, U4的信息，隨後可送到狀態觀測器90中，該狀態觀測器像上文所描述的那樣，可由ECU 88用來計算和預測各 種促動器參數，以控制自發動機20排出的NOx、 PM或其它排放物。 圖5為另一個說明性控制系統122的示意圖，該控制系統用於控 製圖1中的說明性柴油發動機系統10。圖5的控制系統122類似於上 文中根據圖4所描述的，其中的相同元件在附圖中標定為相同式樣。 然而，在圖5的說明性實施例中，傳感器可進一步地包括扭矩傳感器 84，其可隨同已測量的發動機轉速一起用來估算轉動慣量才莫型124(例 如積分器)的內部狀態，該轉動慣量模型可基於自扭矩負載傳感器84 所接收的信號來計算和預測發動機20的轉動速度。如同文中的其它 實施例一樣，轉動慣量模型124可由一狀態空間模型表示來模擬，該 狀態空間模型表示使用自扭矩負載傳感器84所檢測到的信號來構建 模型124內部狀態的在線估算。由轉動慣量模型124所計算和預測的 轉動速度(Ne)軌跡隨後可作為輸入參數98中的一個而送到狀態反饋 控制器92中。
如進一步地由箭頭128所示，發動機20上的負載或扭矩(T)隨同 發動機轉速126 —起隨後可淨皮檢測到並送至狀態觀測器90中，該狀 態觀測器可構造成用來計算轉動慣量^^莫型124內部狀態的估值，隨後 該轉動慣量才莫型可用來預測轉動速度(Ne)的新數值。
ECU 88可構造成用來接收作為狀態觀測器90才莫型輸入的轉動速 度(Ne)和扭矩信號126， 128,該狀態觀測器再輸出狀態矢量對^ 其可由狀態反饋控制器92用來調節燃料概貌設定值28，而該設定值 則由燃料噴射器26用來控制發動機20的速度和負載。若需要的話， 狀態反饋控制器92還可輸出未明確示出的其它參數，這些參數可用 來補償一個或多個與發動機20的燃料側控制和/或發動機20的空氣側 控制相關的其它參數。此外，諸如上文中根據圖4所述的其它參數還 可作為模型輸入而送到狀態觀測器90中，以用於控制發動機20的其 它方面如排;改物處理104。
圖6為用於控制說明性柴油發動機後處理系統的另一個說明性控制系統130的示意圖。在圖6的說明性實施例中，後處理系統可包括
柴油機顆粒過濾器(DPF)132,其可用於過濾自渦輪排氣管32排放的 後渦輪(post-turbine)廢氣134。 DPF 132通過在過濾器132中收集發 動機排出顆粒物質(PM)而起到降低自排氣管32排放到環境中的顆粒 數136的作用。然而隨著時間的推移，俘獲在DPF 132中的顆粒將有 在內側累積的趨勢，從而導致發動機上的背壓增加，這會降低發動機 性能和燃料經濟性。在有些實施例中，以及如圖6的說明性實施例所 示，可使用壓差(dP)傳感器138來測量這樣的背壓，該壓差傳感器可 包括兩個單獨的壓力傳感器138a、 138b用以檢測跨越DPF132的輸入 140和輸出142的壓降。 一旦DPF132達到足夠高的內部PM負載， 它就必須再生以便釋放(relive)發動機上的背壓並使DPF132繼續輸出 顆粒水平已降低的後DPF(post-DPF)廢氣13。典型地，再生是通過在 DPF132內周期性地引燃和燒盡煙塵來實現的。 '
為了確定是否再生DPF 132,可分配裝備有狀態觀測器146和再 生邏輯電路148的ECU144執行再生計算的操作，以確定是否需要再 生。ECU144例如可包括模型預測控制器(MPC)或其它適當的控制器， 這些控制器能夠向DPF132提供受控制變量和測量輸出變量約束影響 的預測控制信號。由再生邏輯電路148計算並輸出的再生判定150可 表示能用來觸發燃油噴射到DPF中的信號，以便燒盡不需要的顆粒物 質。然而根據應用，其它的方法也可用於再生。
狀態觀測器146可構造成用來接收多個傳感器信號，這些信號表 示各種在時間"k"取自DPF132的傳感器測量值。例如在圖6的說明 性實施例中，狀態觀測器146例如可構造成用來接收作為模型輸入的 來自上遊的顆粒物質(PM)傳感器150和/或二氧化碳(C02)傳感器152 的傳感器信號，這些傳感器可用來檢測包含在後渦輪廢氣134中的PM 和C02的水平。以類似方式，狀態觀測器146可構造成用來接收作為 才莫型輸入的來自下遊的PM傳感器154和/或C02傳感器156的傳感 器信號，這些傳感器可用來檢測包含在後DPF廢氣136中的PM和C02的水平。有時，這或會包括既使用上遊傳感器150、 152又使用下 遊傳感器154、 156,因為DPF 132中的PM負載典型地為PM輸入和 輸出之間差的函數。在包括差壓傳感器138的那些實施例中，狀態觀 測器146可進一步地構造成用來接收來自壓力傳感器138a，138b中每 一個傳感器的傳感器信號，從而允許ECU 144直接測量跨越DPF 132 的壓差。
通過使用各種傳感器輸入，狀態觀測器146可構造成用來計算 DPF132內部狀態"W^的估值，該估值隨後可提供到再生邏輯電路 148中以判定是否再生DPF 132。這樣的再生，例如可出現在當狀態 觀測器基於來自PM和/或C02傳感器150、 152、 154、 156的檢測信 號而預測DPF 132性能下降時。備選地，或除此之外，DPF 132的再 生可發生在當狀態觀測器146基於自差壓傳感器138中接收的傳感器 信號來估算DPF132中的背壓時。因而關於是否再生DPF132的判定
150M於DPF132的內部狀態在時間"k"的估算到WW。
儘管圖6所描繪的說明性後處理系統130使用DPF132來降低排 氣管32中的顆粒，但應理解的是，除這樣的裝置之外，或取代這樣 的裝置，還可使用其它適當的後處理裝置。其它可實施的後處理系統 和/或裝置，例如可包括柴油機氧化催化器(DOC)、選擇性催化還原裝 置(SCR)和稀NOx吸附器(LNT)。而且，儘管示出了兩個PM和C02 傳感器，但也可使用其它數量和/或類型的傳感器來檢測排氣管32中 的顆粒。儘管可預料到再生一個或多個後處理裝置的判定至少部分地 基於DPF132的內部狀態，但應理解的是，再生還可發生在某些預定 時間(例如一天一次、每運行500英裡等)內，或基於某些其它事件。
在如此描述了本發明的數個實施例之後，本領域技術人員將容易 地理解可做出和使用屬於所附權利要求保護範圍內的其它實施例。上 述說明中已闡述了本發明由本文件所涵蓋的許多優點。應理解的是， 本公開在許多方面僅是說明性的。在不超出本發明的範圍的前提下可 對本文所述的各種要件做出修改。
權利要求
1. 一種利用來自一個或多個傳感器的反饋、用於控制柴油發動 機的控制系統，所述柴油發動機包括至少一個燃料噴射器、進氣歧管和排氣歧管，所述控制系統包括一個或多個後燃傳感器，其適於直接檢測從所迷柴油發動機的所 述排氣歧管中排出的廢氣中的至少 一種組成物；狀態觀測器，其適於利用來自所述一個或多個後燃傳感器的信號 來估算模型的內部狀態，而所述模型與至少一種發動機性能參數相 關；和狀態反饋控制算法，所述算法適於根據由所述狀態觀測器輸出的 所述估算狀態來設定至少一個促動器設定值，用於控制所述柴油發動 機的一個或多個促動器。
2. 根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於所述一個或多 個後燃傳感器包括氮氧化物(NO》傳感器。
3. 根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於所述一個或多 個後燃傳感器包括顆粒物質(PM)傳感器。
4. 根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於所述控制系統 還包括缸內壓力(ICP)傳感器，所述ICP傳感器適於直接檢測所述柴油 發動機中的氣缸內部壓力。
5. 根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於所述控制系統 還包括一個或多個用於測量燃料中至少一種組成物的燃料組成傳感 器，所述燃料由所述至少一個燃料噴射器供應給所述柴油發動機。
6. 根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於所述狀態7見測 器使用在線狀態空間;溪型，所述在線狀態空間;漠型適於根據來自所述 一個或多個後燃傳感器的反饋信號來監控和調節內部預測狀態。
7. 根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於所述控制系統 還包括扭矩負載傳感器，所述扭矩負載傳感器用於測量所述柴油發動機上的扭矩要求。
8. 根據權利要求7所述的控制系統，其特徵在於所述控制系統 還包括轉動慣量單元，所述轉動慣量單元適於根據從所述扭矩負載傳 感器接收的信號來計算和預測發動機轉速。
9. 根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於所述狀態觀測 器包括適於在電子控制器上運行的算法。
10. 根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於所述控制系統 適於控制後處理系統。
11. 一種利用來自一個或多個後燃傳感器的反饋、用於控制發動機的控制器，所述控制器包括用於估算所述發動機的內部狀態的狀態觀測器，所述狀態) 見測器 包括狀態空間模型，所述狀態空間模型適於根據來自 一個或多個後燃 傳感器和至少一個附加傳感器的反^t，來接收用於修正所述狀態)現測 器的內部狀態矢量的一個或多個信號。
12. 根據權利要求11所述的控制器，其特徵在於所述一個或多 個後燃傳感器包括氮氧化物(NOx)傳感器。
13. 根據權利要求11所述的控制器，其特徵在於所述一個或多 個後燃傳感器包括顆粒物質(PM)傳感器。
14. 根據權利要求11所述的控制器，其特徵在於所述至少一個 附加傳感器為缸內壓力(ICP)傳感器。
15. 根據權利要求11所述的控制器，其特徵在於所述至少一個 附加傳感器為扭矩負載傳感器。
16. 根據權利要求11所述的控制器，其特徵在於所述至少一個 附加傳感器為燃料組成傳感器。
17. —種利用來自一個或多個傳感器的反饋、用於控制柴油發動 機的方法，所述柴油發動機包括至少一個燃料噴射器、進氣歧管和排 氣歧管，所述方法包括以下步驟利用 一 個或多個後燃傳感器來直接測量所述發動機的排出氣流中的至少一種組成物；提供包括所述柴油發動機的狀態空間模型表示的狀態觀測器；部分地基於從所述一 個或多個後燃傳感器接收的反饋信號來確 定所述狀態空間模型的內部狀態；在所述模型的實際狀態與其估算狀態不同的情況下，修正所述衝莫 型的所述內部狀態；計算作為來自所述狀態觀測器的所述估算狀態的函數的 一 個或 多個促動器設定值；和基於所述已計算的狀態估算來調節一個或多個促動器設定值。
18. 根據權利要求17所述的方法，其特徵在於所述方法還包括 以下步驟利用在操作上聯接到所述發動機上的扭矩負載傳感器來直4妄測 量所述柴油發動機上的所述扭矩負載；部分地基於從所述扭矩負載傳感器接收的反饋信號來確定所述 狀態空間衝莫型的所述內部狀態；和在所述模型的實際狀態與其估算狀態不同的情況下，進一步修正 所述模型的所迷內部狀態。
19. 根據權利要求17所述的方法，其特徵在於所述方法還包括 以下步驟接測量所述柴油發動機的所述缸內壓力；部分地基於從所述缸內壓力傳感器接收的反饋信號來確定所述狀態空間模型的所述內部狀態；和在所述模型的實際狀態與其估算狀態不同的情況下，進一步修正所所述模型的所述內部狀態。
20. 根據權利要求17所述的方法，其特徵在於所述方法還包括 以下步驟利用燃料組成傳感器來直接測量提供給所述柴油發動機的燃料中的至少一種組成物；部分地基於從所述燃料組成傳感器接收的反饋信號來確定所述 狀態空間模型的所述內部狀態；和在所述模型的實際狀態與其估算狀態不同的情況下，進一步修正 所述^t莫型的所述內部狀態。
全文摘要
公開了利用來自一個或多個傳感器的反饋、用於控制發動機的系統和方法。一種用於控制柴油發動機的說明性控制系統可包括一個或多個後燃傳感器和狀態觀測器，該後燃傳感器適於直接檢測從發動機的排氣歧管中排出的廢氣中的至少一種組成物，該狀態觀測器用於基於反饋信號來估算柴油發動機內部狀態，該反饋信號從後燃傳感器以及隨後在發送促動器設定值的控制器對估算狀態的使用中接收。後燃傳感器可構造成用來直接測量排出氣流中的排放物如氮氧化物(NOx)和/或顆粒物質(PM)，並且將這樣的信息提供給狀態觀測器，而狀態觀測器再基於這些測量值來修正內部的動態狀態。有時，其它傳感器如扭矩負載傳感器、缸內壓力傳感器和/或燃料組成傳感器，可進一步地根據需要用來修正狀態空間模型的內部狀態。通過使用來自狀態觀測器的估算狀態，狀態反饋控制器可根據更精確地表示系統實際狀態的數值來計算和調節各種促動器設定值。
文檔編號F02D41/14GK101313138SQ200680044042
公開日2008年11月26日 申請日期2006年9月26日 優先權日2005年9月29日
發明者F·波雷利, G·E·斯圖爾特, G·J·漢普森, M·L·羅德斯, S·M·沙赫德, S·N·科拉文努, T·薩馬 申請人:霍尼韋爾國際公司