專利名稱：用于內(nèi)燃機(jī)的空氣流量估測(cè)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)。尤其是，本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)空氣質(zhì)量流量的精確估測(cè)。

背景技術(shù)：
均質(zhì)壓燃(HCCI)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程主要取決于進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)汽缸內(nèi)氣體成分、溫度和壓力這樣的因素。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制輸入，例如燃料噴射量和噴射時(shí)間以及進(jìn)/排氣閥輪廓，必須進(jìn)行十分謹(jǐn)慎地調(diào)整以確保自燃過程的魯棒性。為了最佳的燃料經(jīng)濟(jì)性，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用貧油混合氣(稀薄燃燒)并在非節(jié)流狀態(tài)下運(yùn)行。另外，在采用了廢氣再壓縮策略的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過提前排氣閥的關(guān)閉時(shí)間捕獲到在先循環(huán)中不同量的熱廢氣，從而控制汽缸內(nèi)氣體的溫度。進(jìn)氣閥的打開時(shí)間從標(biāo)準(zhǔn)值延遲到更遲的時(shí)間點(diǎn)，其優(yōu)選為相對(duì)進(jìn)氣上止點(diǎn)(TDC)與排氣閥關(guān)閉時(shí)間對(duì)稱。汽缸內(nèi)氣體的成分和溫度都極大地受到排氣閥關(guān)閉時(shí)間的影響。尤其是，當(dāng)提前關(guān)閉排氣閥時(shí)，大部分在先循環(huán)的熱廢氣被保留在其中，只給即將進(jìn)入的新鮮氣流留下了很少的空間。這樣就提高了汽缸的氣體溫度并降低了汽缸中氧氣的濃度。負(fù)閥門重疊角(NVO)，定義為在進(jìn)氣上止點(diǎn)附近進(jìn)氣和排氣閥同時(shí)關(guān)閉的曲軸轉(zhuǎn)角，其指示著熱廢氣的捕獲量。
采用可變閥門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如全柔性閥門驅(qū)動(dòng)(FFVA)系統(tǒng)(即電動(dòng)可變閥門、液動(dòng)可變閥門或電液可變閥門)或具有雙凸輪定相系統(tǒng)的簡化機(jī)械兩級(jí)閥門升程系統(tǒng)，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)魯棒HCCI燃燒。尤其是，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的控制輸入，如噴射量、噴射時(shí)間、點(diǎn)火時(shí)間、節(jié)流閥位置和EGR閥位置，通過同時(shí)對(duì)進(jìn)氣閥和排氣閥輪廓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而維持最優(yōu)燃燒相位。另外，空燃比控制對(duì)于維持尤其是瞬態(tài)工況的魯棒HCCI燃燒是非常重要的。
在傳統(tǒng)的汽油火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，由節(jié)流閥控制空氣流量，并與在節(jié)流閥體處利用MAF傳感器所測(cè)量的空氣質(zhì)量流量成比例地計(jì)量燃油。只要進(jìn)氣岐管絕對(duì)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于環(huán)境壓力(即節(jié)流發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài))，MAF信號(hào)中的噪音級(jí)(即高頻成分)就比較低。然而，當(dāng)處于最小節(jié)流狀態(tài)時(shí)，由于帶進(jìn)氣岐管的汽缸的進(jìn)氣動(dòng)態(tài)特性與MAF傳感器之間的顯著耦合作用，噪音級(jí)較為顯著。當(dāng)處于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，油門通常打開比較大以將泵送損失減到最小，并且由排氣閥和進(jìn)氣閥的輪廓(即升程、持續(xù)時(shí)間和相位的結(jié)合)對(duì)空氣流量進(jìn)行控制。因此，運(yùn)行在HCCI模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)仍然受到帶噪音的MAF信號(hào)的影響。類似地，在非節(jié)流運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油機(jī)中，MAF信號(hào)也是有噪音的。雖然可以利用低通濾波器減少M(fèi)AF測(cè)量中的高頻成分，過濾信號(hào)仍然會(huì)在MAF測(cè)量中產(chǎn)生不期望的延時(shí)。利用過濾的并因此延時(shí)的MAF測(cè)量來調(diào)整燃料噴射命令，在發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況下將導(dǎo)致空燃比產(chǎn)生顯著偏差，從而引發(fā)不期望的燃燒后果，包括例如，不完全燃燒、不點(diǎn)火(失火)，排放超標(biāo)、燃燒相移等。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于MAF測(cè)量的基于模型的估測(cè)和控制方法，其在不引入延時(shí)的情況下精確估測(cè)魯棒瞬態(tài)工況的空氣質(zhì)量流量。
一種在非節(jié)流內(nèi)燃機(jī)中用于未過濾進(jìn)氣流量的測(cè)定方法，包括采用低階微分方程模擬進(jìn)氣流量。低階微分方程包括估測(cè)氣流量項(xiàng)和期望氣流量項(xiàng)，其中根據(jù)低階微分方程，實(shí)際流量跟隨期望流量。根據(jù)氣流量估計(jì)項(xiàng)和期望項(xiàng)的自適應(yīng)參數(shù)，低階微分方程進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。這樣的調(diào)整使得估計(jì)氣流量和實(shí)際氣流量之間的誤差減到最小。
一種在非節(jié)流內(nèi)燃機(jī)中用于未過濾進(jìn)氣流量的測(cè)定裝置，包括用于在沒有任何節(jié)流的情況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸進(jìn)氣流量進(jìn)行控制的空氣流露控制裝置和測(cè)定非節(jié)流氣流的空氣流量傳感器。還包括基于期望流量和氣流量傳感器所測(cè)流量對(duì)氣流控制單元進(jìn)行控制的閉環(huán)流量控制器。根據(jù)低階動(dòng)態(tài)方程，所控流量跟隨期望流量。最后還包括基于期望氣流量和自適應(yīng)參數(shù)進(jìn)行未延遲估測(cè)的自適應(yīng)流量估測(cè)器。



本發(fā)明的實(shí)施例的某些部件和部件的排布是以實(shí)物形式呈現(xiàn)，將通過形成其中一部分的附圖對(duì)其優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，其中 圖1示意性地示出了HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)； 圖2示出了響應(yīng)于期望空氣質(zhì)量流量信號(hào)的空氣質(zhì)量流量測(cè)量值； 圖3示出了本發(fā)明中空氣質(zhì)量流量的測(cè)量值、過濾值和模擬值； 圖4A-4D示出了本發(fā)明中HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)曲線。

具體實(shí)施例方式 現(xiàn)在將根據(jù)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。然而，本發(fā)明也可以應(yīng)用到其它類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，包括傳統(tǒng)的節(jié)流火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，或者任何采用測(cè)量的空氣質(zhì)量流量的發(fā)動(dòng)機(jī)。
參考圖1，圖1是一個(gè)方塊圖，其示出了在均質(zhì)壓燃(HCCI)下運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)12和燃燒控制系統(tǒng)14以及控制該發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的方法。
發(fā)動(dòng)機(jī)12包括各種零件或部件，其包括連有進(jìn)氣系統(tǒng)17和排氣系統(tǒng)19的產(chǎn)生動(dòng)力的燃燒室13，具有一定形式的閥門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)15的用于控制燃燒室進(jìn)氣和排氣的進(jìn)氣閥21和排氣閥23，具有連在進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)之間的EGR閥27的外部排氣再循環(huán)系統(tǒng)25，和用于提供燃料并點(diǎn)燃或輔助點(diǎn)燃燃燒室中燃燒混合物的燃料噴射系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)(未分別示出)。
發(fā)動(dòng)機(jī)12設(shè)計(jì)為依靠噴射燃料為汽油或類似混合物，在如果可能包括發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載擴(kuò)大范圍內(nèi)以非節(jié)流HCCI燃燒狀態(tài)運(yùn)行。然而，在不適合HCCI運(yùn)行的情況下，可以使用傳統(tǒng)或改進(jìn)控制方法來進(jìn)行火花點(diǎn)火和節(jié)流控制運(yùn)行，以便獲得最大發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力?？蓱?yīng)用的燃料供給策略包括缸內(nèi)直接噴射、進(jìn)氣口燃油噴射或節(jié)流閥體燃油噴射。汽油和輕乙醇混合物可廣泛應(yīng)用的等級(jí)都是優(yōu)選的燃料；然而，替代的液體或氣體燃料，如高乙醇混合物(例如E80，E85)、純乙醇(E99)、純甲醇(M100)、天然氣，氫氣、沼氣、各種重整油、合成氣等，也可以用于本發(fā)明的實(shí)施例。
所述的控制系統(tǒng)14和方法特別適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的非節(jié)流運(yùn)轉(zhuǎn)，其中，由于如對(duì)MAF信號(hào)進(jìn)行信號(hào)過濾而引起的延時(shí)是不期望的。燃燒控制系統(tǒng)14包括一個(gè)或多個(gè)用于執(zhí)行本發(fā)明燃燒控制方法中重復(fù)系列步驟或函數(shù)的計(jì)算機(jī)或控制器。
本發(fā)明目前的應(yīng)用中，假設(shè)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)采用電液、液動(dòng)或電動(dòng)凸輪移相器中的一個(gè)，執(zhí)行排氣再壓縮策略，且利用MAF傳感器進(jìn)行空氣質(zhì)量流量(MAF)測(cè)量。本發(fā)明包括通過可變閥門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)利用NVO進(jìn)行氣流控制，和基于MAF測(cè)量的自適應(yīng)氣流模型。整個(gè)控制結(jié)構(gòu)由圖1中的控制系統(tǒng)14代表性地表示。
利用位于節(jié)流閥體的MAF傳感器30對(duì)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流進(jìn)行測(cè)量，并且反饋控制器61基于MAF測(cè)量來調(diào)節(jié)NVO從而獲得期望的氣流量。反饋控制器設(shè)計(jì)成使得可以通過低階動(dòng)態(tài)性(例如，第一或第二階)來估計(jì)實(shí)際氣流量對(duì)期望氣流量的響應(yīng)。然后，利用低階差分方程來模擬氣流量的閉環(huán)響應(yīng)。
圖2示出了一個(gè)實(shí)施例，其中反饋控制器61設(shè)計(jì)成可以通過如下的一階差分方程來估計(jì)氣流量的閉環(huán)動(dòng)態(tài)性能 其中x為傳感器測(cè)得的氣流量，r為期望氣流量，τ為閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。為了估測(cè)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流量，引入如下的一階自適應(yīng)氣流模型63 其中xe是估測(cè)氣流量，τe是閉環(huán)系統(tǒng)的估算時(shí)間常數(shù)，α和β是自適應(yīng)控制器中引入的參數(shù)，用于將模型響應(yīng)和實(shí)際氣流響應(yīng)之間的偏差減到最小?；谑芸貧饬鞯囊浑A性能，通過如下部分地依賴于期望氣流量的關(guān)系，可獲得實(shí)際和估計(jì)模擬氣流量之間的差 其中e＝xe-x。可以利用以下的李亞普諾夫(Lyapunov)函數(shù)得到α和β的調(diào)整律 最后，就能獲得如下的自適應(yīng)律且e→0，τ→∞，且α和β受到如下限制 圖3中示出了以恒轉(zhuǎn)速2000RPM，MAP為95kPa運(yùn)轉(zhuǎn)的多缸HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的MAF傳感器輸出值。另外，圖中還示出了過濾信號(hào)和自適應(yīng)模型估測(cè)信號(hào)。
圖3中可以看出，MAF傳感器信號(hào)(測(cè)得的)包括需要用強(qiáng)過濾來平滑處理的高頻成分。然而，過濾(虛線)將引入大約1秒的延時(shí)。自適應(yīng)模型MAF估測(cè)信號(hào)(實(shí)線)的延時(shí)可以忽略?；谧赃m應(yīng)模型的估測(cè)氣流量，可利用修正的燃料噴射命令控制期望空燃比。
已經(jīng)在多缸HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)實(shí)施例中的方法，結(jié)果如圖4A-4D所示?；诒景l(fā)明中的期望空燃比和估測(cè)氣流量，可獲得燃料供給率的進(jìn)度安排。發(fā)動(dòng)機(jī)在MAP為95kPa，采用排氣再壓縮閥策略且恒轉(zhuǎn)速為2000RPM的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。期望MAF以大致2g/s2的增長率從6.5％變化到8.5％。期望空燃比設(shè)定為常量161，且燃料供給率是由自適應(yīng)模型的估測(cè)氣流量和期望空燃比來確定。圖4C顯示負(fù)載瞬態(tài)空燃比偏移量峰峰值小于1。另外，在該圖中還示出了定義成燃料燃燒50％時(shí)的曲軸角度位置(CA50)的燃燒相位。圖4D中還示出了本發(fā)明中瞬態(tài)時(shí)的合適燃燒相位控制。
雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以在所述的發(fā)明范圍和精神內(nèi)做出眾多的改變。因此，并不是旨在將本發(fā)明局限于揭露的實(shí)施例，而是具有權(quán)利要求言語允許的一個(gè)全范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于在非節(jié)流內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，包括
采用包括估測(cè)氣流量項(xiàng)和期望氣流量項(xiàng)的低階差分方程模擬進(jìn)氣流量，
其中實(shí)際氣流量根據(jù)低階差分方程跟隨期望氣流量；以及
根據(jù)自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整低階差分方程，所述自適應(yīng)參數(shù)應(yīng)用于估測(cè)氣流量項(xiàng)和期望氣流量項(xiàng)；
其中所述自適應(yīng)參數(shù)適用于使得估測(cè)氣流量項(xiàng)和實(shí)際氣流量之間的誤差減到最小。
2.如權(quán)利要求1所述的用于在非節(jié)流內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，其特征在于，所述低階差分方程包括一階差分方程。
3.如權(quán)利要求1所述的用于在非節(jié)流內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，其特征在于，所述低階差分方程包括二階差分方程。
4.如權(quán)利要求2所述的用于在非節(jié)流內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，其特征在于，所述自適應(yīng)參數(shù)包括應(yīng)用于估測(cè)氣流量的第一自適應(yīng)參數(shù)和應(yīng)用于期望氣流量的第二自適應(yīng)參數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的用于在非節(jié)流內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，其特征在于，基于李亞普諾夫函數(shù)對(duì)所述第一和第二自適應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
6.如權(quán)利要求1所述的用于在非節(jié)流內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，其特征在于，基于李亞普諾夫函數(shù)對(duì)所述自適應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整
7.一種用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的裝置，包括
用于在沒有任何氣流節(jié)流的情況下控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)氣的空氣流量控制裝置；
用于測(cè)定非節(jié)流氣流的空氣流量傳感器；
用于基于期望氣流量和流量傳感器所測(cè)氣流量對(duì)流量控制裝置進(jìn)行控制的閉環(huán)空氣流量控制器，其中所述受控空氣流量根據(jù)低階動(dòng)態(tài)特性跟隨期望流量；以及
基于期望氣流量和自適應(yīng)參數(shù)提供基本上不延遲的空氣流量估測(cè)的自適應(yīng)空氣流量估計(jì)器。
8.如權(quán)利要求7所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的裝置，其特征在于，所述自適應(yīng)參數(shù)適用于使得估測(cè)氣流量和實(shí)際流量之間的誤差減到最小。
9.如權(quán)利要求7所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的裝置，其特征在于，所述低階動(dòng)態(tài)特性包括一階動(dòng)態(tài)特性。
10.如權(quán)利要求7所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的裝置，其特征在于，所述低階動(dòng)態(tài)特性包括二階動(dòng)態(tài)特性。
11.如權(quán)利要求9所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的裝置，其特征在于，所述自適應(yīng)參數(shù)包括應(yīng)用于估測(cè)氣流量的第一自適應(yīng)參數(shù)和應(yīng)用于期望氣流量的第二自適應(yīng)參數(shù)。
12.如權(quán)利要求7所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的裝置，其特征在于，所述空氣流量控制裝置包括可變閥門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
13.如權(quán)利要求12所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的裝置，其特征在于，可變閥門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括全柔性閥門機(jī)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求12所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的裝置，其特征在于，所述可變閥門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括凸輪調(diào)相。
15.如權(quán)利要求12所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的裝置，其特征在于，所述可變閥門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括多級(jí)閥門升程。
16.一種用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，包括
通過包含低階差分方程的反饋控制器利用可變閥門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的基本上非節(jié)流氣流進(jìn)行控制，其中實(shí)際空氣流量跟隨期望空氣流量；
利用低階差分方程以及用于估測(cè)氣流量和期望氣流量的自適應(yīng)參數(shù)測(cè)定估測(cè)氣流量。
17.如權(quán)利要求16所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，其特征在于，所述低階差分方程包括一階差分方程。
18.如權(quán)利要求16所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，其特征在于，所述低階差分方程包括二階差分方程。
19.如權(quán)利要求17所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，其特征在于，所述自適應(yīng)參數(shù)包括應(yīng)用于估測(cè)氣流量的第一自適應(yīng)參數(shù)和應(yīng)用于期望氣流量的第二自適應(yīng)參數(shù)。
20.如權(quán)利要求19所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，其特征在于，基于李亞普諾夫函數(shù)對(duì)所述第一和第二自適應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
21.如權(quán)利要求16所述的用于在內(nèi)燃機(jī)中測(cè)定非過濾進(jìn)氣流量的方法，其特征在于，基于李亞普諾夫函數(shù)對(duì)所述自適應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
全文摘要
一種基于模型的估測(cè)空氣質(zhì)量流量的方法，在沒有引入過濾空氣質(zhì)量流量信號(hào)的不期望的延時(shí)特性的情況下提供了精確的空氣質(zhì)量流量估測(cè)。
文檔編號(hào)G06F17/00GK101432726SQ200780014551
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2007年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者J·康, C·-F·張, G·-S·陳, T·-W·郭 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司