专利名称：提供流量控制和obd监视的高流量(δp)差压egr系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量发动机中的排气再循环流量的方法和系统。
技术背景排气再循环(EGR)是一种减少柴油涡轮增压发动机产生的排气流中的N0,(如一 氧化氮和二氧化氮)气体的技术。EGR通过使发动机排出的部分排气流再循环回到发 动机的汽缸进行工作。总体燃烧过程因此减慢和降温。因为NO,气体在较高的温度下 更容易形成，从而NO,气体的形成减少。再循环气体的流量的误差会造成各种问题。 例如，再循环排气量高会降低发动机性能而再循环排气量低会增加N0x气体的形成并 产生发动机爆声(engine ping)。由EGR系统处理的再循环气体量的计量可以部分地通过测量通过系统的再循环 气体的总体体积流率实现。通常，可以使整体再循环气体流过由孔板形成的孔并测量孔板两侧的产生的压力降以进行该测量。然后可以例如应用伯努利方程来计算总体 EGR体积流率。这样的孔板流量测量配置会给EGR系统带来额外的节流并因此需要使用较大的 孔以改进节流效应。然而，由于这样的配置具有较大的孔径，在较低的体积流率时精 确测量孔两侧的压力降的能力降低，且会在发动机舱中引起总体装配(overall packaging)问题。发明内容发明人在此认识到，减少节流并允许较大的动态流量测量范围的流量测量配置是 有利的。在一种方法中，提供一种用于发动机中的测量排气再循环流量的方法。该方 法包括将EGR流至少分离为第一分离流和第二分离流，使第一分离流通过节流区域， 该第一分离流独立于第二分离流通过该节流区域，与第二分离流合并，并将合并的流 引入发动机的汽缸，其中EGR流在公共EGR通道内分离然后合并。以此方式，可以(对较高和较低的EGR流量)保持足够的动态测量范围，同时减 小总体EGR限制。因此，可以实现期望的总体EGR系统装配。应注意，可以使用各种方法分离EGR流，如划分EGR系统的管状通道，提供多个 EGR通道等。此外应注意，可以使用各种节流手段，如整体形成或单独形成的孔以形 成节流区域。最后应注意，公共EGR通道可以是公共管状装置，通过各种阀连接在一 起的分离的管等。
在另一种方法中，可以使用测量发动机中的排气再循环(EGR)流量的另一种方 法。该方法包括将EGR流分离为两个分离的流，包括第一分离流和第二分离流，使 分离的第一分离流通过节流区域，其中第一分离流独立于第二分离流通过节流区域， 合并第一分离流和第二分离流并将合并的流引入发动机的汽缸中，其中EGR流由公共 EGR阀控制，且第二分离流的质量流量大于第一分离流，及使第一分离流与合并的流 相关并响应于该相关调节EGR阀。以此方式，可以实现对通过EGR阀的较高和较低的EGR流量两者的精确控制，同 时减少对发动机舱中的发动机装配的影响。
图1示出用于处理内燃发动机的排气的排气系统。图2在纵向截面中详细示出图1所示排气系统中的排气再循环系统的侧视图。图3A在纵向截面中详细示出图2中的流量测量区域的透视图。图3B示出配置有截面基本上为圆形的节流区域的图2中的流量测量区域的截面图。图3C示出配置有截面基本上为矩形的节流区域的图2中的流量测量区域的截面图。图4示出描述用于处理通过EGR系统中的流量测量区域的发动机排气流的流量的 示例例程400的流程图。图5示出描述用于基于车辆工作参数和节流区域内测量的差压调节排气再循环 量的示例例程的流程图。图6示出通过EGR系统的流量测量区域的流量的理论流量曲线的图示。具休实施方式图1示出用于处理内燃发动机102的排气的排气系统100。作为一个非限制性示 例，发动机102包括通过燃烧来自进气系统140的空气与经燃料通道132从燃料系统 128接收的柴油燃料的混合物产生机械输出的柴油发动机。或者，发动机102可以包 括其他类型的发动机，如燃烧汽油的发动机、燃烧酒精的发动机及其组合，以及其他 发动机。此外，发动机102可以配置在车辆的推进系统中。或者，发动机102可以用 在固定式发动机应用中，例如用作发电机。虽然排气系统ioo也适用于固定式发动机 应用，但应理解，排气系统IOO如本文中所述特别适用于车辆应用。排气系统IOO还可以包括一个或多个下述部件接收发动机102排出的部分排气 流的排气再循环(EGR)系统104及向发动机102供给新鲜空气和再循环排气的进气 歧管112。在一些工况下，EGR系统104可用于调节燃烧室内的空燃混合气温度或稀 释度，从而提供在一些燃烧模式期间控制点火正时的方法。此外，在一些工况下，可 以通过控制排气门正时将部分燃烧气体保持或截留在燃烧室中。此外，EGR系统104 如图所示形成从排气系统到进气系统的公共EGR通道。排气系统IOO还可以包括涡轮增压器106。涡轮增压器106可以包括连接在公共 轴上的涡轮108和压縮机110。在发动机102排出的部分排气流冲击涡轮叶片时，涡 轮108的叶片围绕公共轴旋转。压縮机IIO可以连接到涡轮108以在涡轮108的叶轮 旋转时驱动压縮机IIO。在驱动下，压缩机110可以将加压的新鲜气体引导至进气歧 管ll2中，然后引导至发动机102中。虽然图1示出高压EGR系统，但EGR系统也可 以连接在涡轮下游和压缩机上游之间。发动机102可以至少部分地由包括控制器116的控制系统及经输入装置130来自 车辆驾驶员的输入控制。在该示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于产生成比 例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器132。作为非限制性示例，控制器116还可 以通过来自发动机102、输入装置130,及EGR系统104的输入至少部分地控制EGR 系统104。另外，排气系统110可以包括用于流体连通地连接各种排气系统组件的多个通 道。例如，如图l所示，涡轮增压器106可以经排气通道118流体连通地连接到发动 机102， EGR系统104可以经排气通道122流体连通地连接到发动机102。另外，EGR 系统104、压缩机110和发动机102分别可以经进气通道122、 124和通道114流体 连通地连接到进气歧管112。排气可以经排气通道126从涡轮增压器106流到选择性 催化还原(SCR)催化剂和/或噪声抑制装置，后两者未在图l中示出。然后，排气经 图1中未示出的排气通道释放到环境中。此外，应理解，排气系统中连接各种排气系统组件的各部分可以包括一个或多个 弯头或弯曲以适应特定的车辆配置。再者，应理解，在一些实施例中，排气系统ioo 可以包括图1中未示出的附加组件，如各种阀、泵、节流装置等，或可以省略此处所 示的组件，或两者的组合。图2在纵向截面中详细示出排气再循环系统104的侧视图。发动机102排出的部 分排气流可以经排气通道122转向进入EGR系统104。在排气进入EGR系统104时， 首先通过流量测量区域或流量测量区212。流过流量测量区域212的再循环排气流然 后分离为沿第一平行流路流动的第一分离流和沿第二平行流路流动的分离的第二流， 作为进入流量测量区域的部分排气流转向通过节流区域208。然后转向通过节流区域 208的第一分离流将流过由节流区域208内的孔板210形成的孔230。而第二分离流 取决于节流区域的位置邻接和/或围绕节流区域208流动。虽然节流区域208的中心纵轴215如图所示设置在与流量测量区域212的中央区 域不重合的位置，但其他实施例可以将其设置在流量测量区域212内的各种其他位 置，如使分离的第一流至少部分地和/或完全由分离的第二流围绕的位置。此外，分 离的流可以出现在公共外部管状区域中，或出现在分离的管中。此外，分离的流可以
具有相等或不等的流程，且可以具有形状类似或不同的流动区域及类似或不同的流程 和/或截面。另外，在一些实施例中，分离的第二流的流量可以明显大于分离的第一流。例如， 分离的第二流的体积流率可以比分离的第一流的体积流率高出十倍(或更多)(如，由于不同尺寸的流动面积、流阻等)。对应地，在一些实施例中，分离的第二流可以 具有比第一分离流大的质量流量。在其他实施例中，由第二分离流和第一分离流的体 积流率定义的比例可以更小或更大。例如，可以使用如12:1、 8:1、 7.5:1、 5:1等比 例或其他适合的比例。类似地，体积流率比可以与分离流流动面积比成比例，分离流 流动面积比可以定义为流量测量区域212的截面流动面积减去节流区域208的截面流 动面积与节流区域208的截面面积之比例。如图2所示，测压接嘴(pressure tap) 204和206分别设置在孔板210的上游 和下游。测压接嘴204和206还连接到配置为检测孔230两恻的压力差P,的压力传感 器或压差传感器202。节流区域直径228、孔230的直径，和P。可以由控制器116用 于例如应用伯努利方程计算(流经节流区域208的)第一分离流的体积流率。然后可 以用计算出的流过节流区域208的体积流率乘以分离流流动面积比来计算第二分离 流的体积流率。然后可以通过第一分离流和第二分离流的体积流率相加得出流过流量 测量区域212的总体体积流率。通过使用成比例地小于总体流量测量区域的节流区域，可以实现更加一致且稳定 的总体体积流率计算。另外，与使用较大的定位在流中心的孔流量直接测量流过流量 测量区域的总体体积流率的测量配置相比，这样的配置可以提供动态范围更大的精确 的孔压力差测量。通常，使用较大的基本上定位在流中心的孔流量测量配置需要更大 的流量通过孔以精确地测量孔两侧的压力降进而计算流过流量测量区域的总体体积 流率。因此，在较低的总体流率下，用这样的配置进行体积流率计算会很不精确。此 外，在EGR系统校准时不能精确地预测或确定使用较大的流内定位的孔流量测量配置 所产生的对EGR流的节流，这会造成附加的总体EGR流率计算误差。使用成比例地小于总体流量测量区域的节流区域的EGR系统的装配尺寸与使用 较大的流内定位的孔流量测量配置相比也较小。因此可以减少节流并实现期望的装配 特性。在离开节流区域208之后，分离的第一流可以和分离的第二流在流量测量区域 212内合并以形成单个EGR流。然后合并的EGR流可以(经EGR阀214和排气通道220 ) 引导至排气氧化催化剂(EOC) 216, EOC 216可以减少再循环排气流中的未燃烧的碳 氢化合物和一氧化碳。通过测量出的对由控制器116控制的EGR阀214的驱动，可以 计量发动机102排出的排气流中流经EGR系统104并返回发动机102的一部分。EGR 阀214的驱动可以基于各种车辆工作参数和计算出的流过流量测量区域212的总体 EGR流率(如参考图5详述)。
一旦由EOC216处理，EGR流就可以经排气通道222引导至EGR冷却器218。 EGR 冷却器"8可用于在EGR流经排气通道224进入进气歧管112之前降低其总体温度， 在进气歧管112中EGR流与新鲜空气合并并经通道114引导至发动机102中。在一种替代方法中，分离的流中的一个或多个可以于在EGR通道中合并且在进入 进气歧管之前流经氧化催化剂、EGR冷却器、附加的阀，或其他装置。此外，EGR间 可以位于流量测量区域上游。图3A在可用作图2中的流量测量区域212的示例流量测量区域的纵向截面中用 透视图示出一个具体实施例。如图所示，节流区域208的纵轴215平行于流量测量区 域212的纵轴214。在一些实施例中，节流区域208可以设置在流量测量区域212内 以使纵轴215和流量测量区域212的外壁之间的最小距离小于纵轴215和纵轴214之 间的距离。在其他实施例中，节流区域208可以设置在流量测量区域212内以使纵轴215和 流量测量区域212的外壁之间的最小距离大于或等于纵轴215和纵轴214之间的距 离。在该示例中通过将节流区域208配置在流量测量区域212内(且不与流量测量区 域212分离)，可以减小总体装配尺寸并降低附加的补充成本。另外，替代实施例可以使用具有不同几何特性的节流区域。例如，在一些实施例 中，节流区域208的总体长度可以是7.62厘米(=3英寸)。在其他实施例中，节流 区域208的总体长度可以是5.08厘米(=2英寸)、10. 16厘米(=4英寸)，或其他 适合的长度。此外，各替代实施例中节流区域208相对于流量测量区域212的纵轴 214的位置可以不同。例如，排气进入节流区域208的点可以设置在与二等分纵轴214 的直线重合的位置。在其他实施例中，排气进入节流区域208的点可以设置在二等分 纵轴214的直线任一侧的位置。如图所示，测压接嘴204和206分别设置在孔板210的上游和下游。在各种实施 例中，测压接嘴和孔板之间的距离可以改变。例如，在一个实施例中，测压接嘴204 可以设置在孔板210上游2. 54厘米(=1英寸)处，测压接嘴206可以设置在孔板210 下游2. 54厘米(=1英寸)处。在另 一个实施例中，测压接嘴204可以设置在孔板210 上游1.27厘米(=0. 5英寸)、5.08厘米(=2英寸)，或其他适合的距离处，测压 接嘴206可以设置在孔板210下游1.27厘米(=0.5英寸)、5. 08厘米(=2英寸)， 或其他适合的距离处。图3B和3C示出节流区域208和孔板210的截面形状的替代实施例。图3B所示 节流区域208和孔板210的截面形状基本上为圆形。由孔板210形成的孔230可具有 例如2. 54厘米(=1英寸)的直径。其他实施例中孔230可具有1. 27厘米(=0. 5英 寸)的直径、5.08厘米(=2英寸)的直径，或其他适合的直径。图3C所示节流区域208和孔板210的截面形状基本上为矩形。其他实施例中节 流区域208和孔板210的截面形状可以基本上为椭圆形、八边形、六边形、三角形， 或其他适合的形状。另外， 一些实施例中孔板210的名义厚度为0. 635厘米(=0. 25 英寸)。其他实施例中孔板210的名义厚度可以为0. 254厘米(=0.10英寸)、1.27 厘米(=0. 5英寸)、3. 81厘米(=1.5英寸)、5. 08厘米(=2英寸)，或其他适 合的厚度。图4示出描述用于处理流过EGR系统104的流量测量区域212的EGR流的流量的 示例例程400的流程图。在402,发动机102排出的部分排气流从排气通道116经排 气通道122转向进入EGR系统104。在404,转向进入EGR系统102的排气流可以进 入流量测量区域212然后经节流区域208分离为第一分离流和第二分离流。在406， 引导第一分离流通过节流区域208，在其中引导第一分离流通过由孔板210形成的孔。 在408，压力传感器202通过分别定位在孔板210上游和下游的测压接嘴204和206 检测孔板210两恻的压力降。然后确定通过流量测量区域212的总体体积流率(如下 文详述)。在410，第一分离流在流经节流区域208之后可以与绕过节流区域208的第二分 离流合并。最后，在412，引导合并的流通过再循环阀214、 EOC 216、冷却器218, 及进气歧管112,在进气歧管112中合并的流与新鲜空气合并并经通道114引导至发 动机102 (如下文详述)。图5示出描述用于基于车辆工作参数和在节流区域208内测量的差压调节排气再 循环量的示例例程的流程图。在502,车辆PCM读取各种工作参数，例如车速、发动 机负荷、空燃比，及排气温度。基于在502读取的工作参数，在504确定期望的排气 再循环量。在506,车辆PCM读取孔板210两侧的差压，然后可以用该压差计算通过 流量测量区域212的总体体积流率。在508,基于506处计算的EGR体积流率调节EGR阔214以产生在504处确定的 期望的排气再循环量。可以使用发动机负荷/转速查找表确定引导至发动机102的总 体气体流的再循环排气的期望百分比。然后可以使用下述方程计算期望的EGR质量流 率DES EM:DES EM = Am*%EGR/(1 J/。EGR)其中Am表示进入进气歧管112的空气质量流率，y。EGR表示引导至发动机102的 总体气流的再循环排气的期望百分比。然后可以使用关联DES EM与孔板210两侧的 期望压差Pd的査找表以确定孔板210两侧的期望差压。然后控制器116可以使用在孔 板210两侧由压力传感器202经测压接嘴204和206检测到的实际压差Pa以控制EGR 阀214执行，以便在孔板210两侧产生接近期望压差P。的压差。以此方式，即使仅测 量EGR流的一部分，也可以调节EGR阀以精确地控制EGR流量。图6示出通过排气再循环系统104的流量测量区域212的流量的理论流量曲线 602的图示。在该图示中，横轴604表示由压力传感器202经测压接嘴2tM和206测 量的孔板210两侧的压差。另外，纵轴606表示分离的第一流通过节流区域208的质
量流率，纵轴608表示分离的第二流邻接和/或围绕节流区域208 (通过流量测量区 域212)的质量流率。在该图示中，分离的第二流的质量流率如图所示约十倍于分离的第一流的质量流 率。在其他实施例中，由第二分离流和第一分离流的质量流率定义的比例可以更小或 更大，如12:1、 8:1、 7.5:1、 5:1,或其他适合的比例。在较小的总体EGR质量流率 下，与使用较大的基本上定位在流中心的孔流量测量配置相比，使用接收成比例地小 于分离的第一流的分离的第二流的较小的孔板的配置在孔板两侧可以产生更加明显 的可测量的压力降。因此可以实现用于在较高和较低EGR质量流率两者下测量EGR质 量流量的更加可靠、耐用的配置。对应地，可以基于更加精确的实时EGR流量计算驱 动EGR阀214,从而可以对总体EGR流量实现更精细、更精确的控制。应理解，在本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，且这些具体实施例不应 被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能的。例如，上述技术可以应用于V-6、 1-4、 1-6、 V-12、对置4、及其他的发动机类型。本公开的主题包括在本文中公开的 各种系统和配置，及其他特征、功能，和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合及 子组合。本申请的权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的特定组合及子组合。这些权 利要求可能引用"一个"元素或"第一"元素或其等价。这样的权利要求应被理解为 包括对一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的 元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合及子组合可以通过本申请权 利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来请求保护。这样的权 利要求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括 在本申请的主题之内。
权利要求
1. 一种测量发动机中的排气再循环(EGR)流量的方法，包括将EGR流至少分离为第一分离流和第二分离流；使第一分离流通过节流区域，第一分离流独立于第二分离流通过该节流区域；合并第一分离流和第二分离流，并将合并的流引入发动机的汽缸，其中EGR流在公共EGR通道内分离然后合并。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述第二分离流具有比第一分离流 大的质量流量。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一分离流至少部分地被第二 分离流围绕。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括在第一分离流与第二分离流 分离后测量第一分离流。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括压缩合并的EGR流。
6. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括使测量的第一分离流与合并 的流相关并响应于所述相关调节EGR阀。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述节流区域包括孔板，第一测压 接嘴设置于孔板上游，第二测压接嘴设置于孔板下游。
8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括使合并的EGR流通过冷却器 和排气氧化催化剂。
9. 一种用于具有进气歧管和排气歧管的发动机的系统，包括 柴油燃料系统；连接在进气歧管和排气歧管之间的涡轮增压器，所述涡轮增压器具有压缩机和涡轮；连接在涡轮上游和压缩机上游之间的EGR系统，所述EGR系统还包括 排气氧化催化剂； 冷却器；位于排气氧化催化剂和冷却剂上游的EGR阀；位于EGR阀上游的流量测量区域，所述流量测量区域至少包括平行的第一流 路和第二流路，第一流路由孔板阻挡，第二流路绕过第一流路，第二流路的流动 面积明显大于第一流路的流动面积；及连接在EGR系统中以通过位于孔板上游及孔板下游的测压接嘴测量孔板两侧 的压差的压差传感器。
10. —种测量发动机中的排气再循环(EGR)流量的方法，包括将EGR流分离为两个分离流，包括第一分离流和第二分离流；使第一分离流通过节流区域，第一分离流独立于第二分离流通过节流区域； 合并第一分离流和第二分离流并将合并的流引入发动机的汽缸中，所述EGR流由公共EGR阀控制，第二分离流的质量流量大于第一分离流；及使第一分离流与合并的流相关并响应于所述相关调节EGR阀。
全文摘要
本发明涉及提供流量控制和OBD监视的高流量(ΔP)差压EGR系统。在一种方法中，提供测量发动机中的排气再循环流量的方法。该方法包括将EGR流至少分离为第一分离流和第二分离流，使第一分离流通过节流区域，该第一分离流独立于第二分离流通过该节流区域，与第二分离流合并，并将合并的流引入发动机的汽缸，其中EGR流在公共EGR通道内分离然后合并。本发明的系统和方法可以精确控制通过EGR阀的较高和较低的EGR流量并减小EGR系统的总体装配尺寸。
文档编号F02M25/07GK101397956SQ200810165930
公开日2009年4月1日 申请日期2008年9月24日 优先权日2007年9月25日
发明者希滕吉利·麦克罗伊, 弗里曼·卡特·盖特斯, 约瑟夫·格兰达斯, 霍辛·拜纳 申请人:福特环球技术公司