專利名稱:用于控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的設(shè)備和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型的實(shí)施方式總體上涉及柴油發(fā)動(dòng)機(jī),更具體地,涉及用于控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的設(shè)備和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù):
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)理論和技術(shù)的不斷發(fā)展,廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)已經(jīng)成為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要組成部分。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣中,通常含有大量的氮氧化合物(NOx),它是造成大氣污染的一個(gè)主要來源。利用EGR系統(tǒng),柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的一部分廢氣被送回氣缸。 由于再循環(huán)廢氣具有惰性,因此它將會(huì)延緩燃燒過程,使燃燒速度有所減慢,進(jìn)而導(dǎo)致燃燒室中的壓力形成過程減慢,從而有效地減少氮氧化合物。另外,提高廢氣再循環(huán)率會(huì)使總的空氣流量降低,因此廢氣排放中總的污染物輸出量將得以減少。在配備有EGR系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中,瞬態(tài)過程中的廢氣再循環(huán)率(EGR率)與進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣的匹配關(guān)系,是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)的瞬態(tài)過程排放的關(guān)鍵。為此,很多柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪增壓系統(tǒng)來加快瞬時(shí)過程中空氣系統(tǒng)的響應(yīng)。此外,渦輪增壓系統(tǒng)還可以提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、改善燃燒,它是現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要組成部分之一。 例如,可變幾何渦輪增壓器(VGT)是一種常見的渦輪增壓系統(tǒng)。渦輪增壓系統(tǒng)本質(zhì)上是一種空氣壓縮系統(tǒng),通過壓縮空氣來增加柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的進(jìn)氣量。它由發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣的沖力來驅(qū)動(dòng),通過增壓器轉(zhuǎn)軸等裝置將壓力傳遞至空氣壓縮機(jī),從而使新進(jìn)入的空氣在進(jìn)入氣缸前被有效地增壓。在同時(shí)配備有EGR和渦輪增壓系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中,這二者之間的耦合特性給空氣系統(tǒng)的控制提出了挑戰(zhàn)。在配備有廢氣再循環(huán)系統(tǒng)EGR和渦輪增壓系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中,對(duì)于EGR系統(tǒng)而言,精確控制EGR率和進(jìn)氣溫度是改善NOx排放、以及降低其對(duì)顆粒物及動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性影響的關(guān)鍵。在這種發(fā)動(dòng)機(jī)中,EGR冷卻器的輸入廢氣的流量由EGR閥控制,EGR閥的入口端與渦輪增壓器的渦輪入口端二者都接收從排氣管道排出的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣。 可以理解,除EGR閥自身的開度變化外,增壓系統(tǒng)所導(dǎo)致的增壓壓力和排氣背壓的變化也會(huì)對(duì)EGR流量率產(chǎn)生影響。另一方面,EGR閥的開度變化也會(huì)對(duì)輸入增壓器的入口流量產(chǎn)生影響。也就是說,廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)是兩個(gè)相互依賴、相互影響的系統(tǒng),即,具有耦合特性。特別地,在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)控制中,瞬態(tài)過程中的EGR率與新鮮空氣之間的匹配,是瞬態(tài)排放過程的關(guān)鍵。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)所具有的耦合特性始終是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)控制的難點(diǎn),同時(shí)控制兩者的多變量控制策略也一直是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)控制策略的研究熱點(diǎn)。在現(xiàn)有技術(shù)中,幾種已知的控制策略簡(jiǎn)單概括如下(1)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)的獨(dú)立控制策略,即以增壓壓力為控制目標(biāo),通過 PID (比例-積分-微分)控制加瞬態(tài)前饋控制策略驅(qū)動(dòng)VGT閥使實(shí)際增壓壓力達(dá)到目標(biāo)值;以空氣流量為控制目標(biāo),通過PID控制加瞬態(tài)前饋的控制策略驅(qū)動(dòng)EGR閥使實(shí)際空氣流量達(dá)到目標(biāo)值。[0007](2)以進(jìn)氣空氣流量和增壓壓力為控制目標(biāo),根據(jù)對(duì)空氣系統(tǒng)平均值模型進(jìn)行局部線性化,根據(jù)線性模型設(shè)計(jì)最優(yōu)或魯棒控制器,再進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)工況范圍從而得到非線性控制策略的方法如H無窮控制,根據(jù)Lyapimov穩(wěn)定性理論的控制器設(shè)計(jì)方法,最小二次型最優(yōu)狀態(tài)反饋的控制律,滑??刂破鞯?。(3)以進(jìn)氣空氣流量和增壓壓力為控制目標(biāo),根據(jù)非解析模型的控制器設(shè)計(jì)方法 如模糊邏輯控制方法,根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法等。(4)以進(jìn)氣空氣流量和增壓壓力為控制目標(biāo),采用模型預(yù)測(cè)控制方法,即在控制器中集成被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,通過模型對(duì)未來多步系統(tǒng)輸出進(jìn)行預(yù)測(cè),根據(jù)預(yù)測(cè)值與目標(biāo)值的偏差構(gòu)造目標(biāo)函數(shù),通過迭代求解當(dāng)前控制量的最優(yōu)值使目標(biāo)函數(shù)最小化。(5)以空然比和進(jìn)氣管內(nèi)廢氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為控制目標(biāo),采用空氣系統(tǒng)降秩解耦控制策略,即空氣系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣在某些情況下是降秩的,因此,兩個(gè)控制目標(biāo)具有一定的關(guān)系,可以將原有的二維控制策略轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的一維控制策略。上述根據(jù)空氣流量和增壓壓力的獨(dú)立PID控制策略(1)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并能實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)態(tài)控制效果,且用于參數(shù)的標(biāo)定的試驗(yàn)工作量小。獨(dú)立閉環(huán)PID控制的缺點(diǎn)是由于系統(tǒng)本身的耦合特性使得其動(dòng)態(tài)過程的控制效果不理想,在加速的過程中容易出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象。獨(dú)立工作的閉環(huán)控制的另一個(gè)缺點(diǎn)是EGR工作范圍有限,原因在于EGR閥只能在渦前壓力高于增壓壓力時(shí),因此只能用于中低負(fù)荷和中低轉(zhuǎn)速工況。Nissan,Toyota, Cummins等公司在實(shí)際使用中并未采用空氣流量和增壓壓力作為目標(biāo)值,而采用了以EGR 率代替增壓壓力作為目標(biāo)值的控制策略。這幾種方法一個(gè)共性的問題是EGR的流量估計(jì)。由于EGR流量傳感器無論從精度還是可靠性上都遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際使用需要,使得EGR流量主要通過估計(jì)得到。而影響EGR 流量的排氣管溫度和壓力,EGR管道節(jié)流系數(shù),冷卻效率等都需要大量的試驗(yàn)才能得到滿意的估計(jì)效果,因此使得根據(jù)此方法的控制系統(tǒng)試驗(yàn)非常巨大。以上控制策略雖然都能在穩(wěn)態(tài)控制中取得較好的效果,但是由于廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)同時(shí)作用于進(jìn)氣管,存在耦合特性,而控制策略中并沒有針對(duì)這種耦合特性設(shè)計(jì)瞬態(tài)控制策略,所以,瞬態(tài)控制效果往往并不理想。以進(jìn)氣空氣流量和增壓壓力為控制目標(biāo)的控制策略(2)-(4)存在空氣系統(tǒng)控制策略的精確性要求和簡(jiǎn)潔性要求構(gòu)成一個(gè)明顯的矛盾。該矛盾直接來源于廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)的強(qiáng)耦合和非線性關(guān)聯(lián)。根據(jù)空氣流量和增壓壓力的獨(dú)立閉環(huán)控制策略以及它的變形都無法滿足穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能的要求。各種理論研究成果由于控制策略的復(fù)雜性,對(duì)控制硬件的要求,以及參數(shù)標(biāo)定的困難等多方面的因素,也不適應(yīng)實(shí)際控制系統(tǒng)的要求。而對(duì)于以采用空然比和進(jìn)氣管內(nèi)廢氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為控制目標(biāo)的控制策略(5),在實(shí)際使用過程中,缺乏直接測(cè)量空燃比與進(jìn)氣管內(nèi)廢氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的成熟商用傳感器,所以不能實(shí)現(xiàn)直接以該參數(shù)為控制目標(biāo)的反饋控制。而空氣流量與增壓壓力都非常容易由現(xiàn)有傳感器測(cè)量,因此可以建立根據(jù)空氣流量與增壓壓力的反饋控制策略,空然比與進(jìn)氣管內(nèi)廢氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為中間變量通過觀測(cè)器得到。而狀態(tài)觀測(cè)器將引入時(shí)延和誤差,對(duì)瞬態(tài)工況控制是不利的。綜上所述,現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)的控制策略無法很好地同時(shí)滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況性能,以及排放和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)標(biāo)定的要求。因此,在本領(lǐng)域中,需要一種能夠滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況、相對(duì)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)和標(biāo)定的空氣系統(tǒng)控制策略。
實(shí)用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷,本實(shí)用新型的實(shí)施方式提供用于控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的設(shè)備和方法。根據(jù)本實(shí)用新型的一方面,提供一種用于控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的設(shè)備,所述空氣系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng),其中所述EGR系統(tǒng)包括EGR閥,并且所述渦輪增壓系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)和增壓閥,所述設(shè)備包括工況獲取裝置,配置用于獲取所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸排氣壓力的測(cè)量值以及流經(jīng)所述空氣壓縮機(jī)的空氣流量的測(cè)量值; 目標(biāo)流量確定裝置,其耦合至所述工況獲取裝置,配置用于根據(jù)所述工況獲取裝置獲取的測(cè)量值,以及根據(jù)所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸排氣壓力的目標(biāo)值和流經(jīng)所述空氣壓縮機(jī)的空氣流量的目標(biāo)值,使用表征所述空氣系統(tǒng)的非線性物理模型來確定流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量和流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量;以及信號(hào)產(chǎn)生裝置,其耦合至所述目標(biāo)流量確定裝置,配置用于根據(jù)所述目標(biāo)流量確定裝置確定的所述流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量和流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量,產(chǎn)生用于所述EGR系統(tǒng)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和用于所述渦輪增壓系統(tǒng)的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述目標(biāo)流量確定裝置進(jìn)一步包括基于滑動(dòng)控制的確定裝置,配置用于基于滑動(dòng)控制策略來確定流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量和流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述信號(hào)產(chǎn)生裝置進(jìn)一步包括EGR閥目標(biāo)開度確定裝置,配置用于根據(jù)所述流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量確定所述EGR閥的目標(biāo)開度; 以及增壓閥目標(biāo)開度確定裝置,配置用于根據(jù)所述流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量確定所述增壓閥的目標(biāo)開度。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于控制所述EGR閥的開度, 并且其中所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于控制所述增壓閥的開度。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述設(shè)備利用片上系統(tǒng)SoC或集成電路IC來實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述非線性物理模型與所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的以下方面相關(guān)進(jìn)氣壓力,排氣壓力,空氣流量,進(jìn)入氣缸的氣體流量,氣缸排氣閥出口流量,進(jìn)氣閥流量系數(shù),轉(zhuǎn)速,氣缸位移,進(jìn)氣熱常數(shù),進(jìn)氣溫度,進(jìn)氣管等效容積,排氣熱常數(shù),排氣溫度,排氣管等效容積,所述EGR系統(tǒng)的增壓器機(jī)械效率,增壓器渦輪效率,增壓器渦輪熱容量,大氣環(huán)境溫度,大氣環(huán)境壓力,進(jìn)氣空氣熱容量比,排氣熱容量比,壓縮機(jī)效率,增壓器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,增壓器轉(zhuǎn)速,增壓器渦輪排氣能量,增壓器壓縮空氣能量,壓縮空氣熱容量, 以及燃油噴射流量。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述非線性物理模型進(jìn)一步與所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的所述空氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)干擾源相關(guān)。根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面,提供一種柴油發(fā)動(dòng)機(jī),包括氣缸;進(jìn)氣管道,耦合至所述氣缸的入口端,配置用于向所述氣缸輸送氣體;排氣管道,耦合至所述氣缸的出口端,配置用于排出所述氣缸燃燒的廢氣;燃油噴射系統(tǒng),耦合至所述氣缸,配置用于向所述氣缸噴射燃油;空氣系統(tǒng);以及控制單元,包括上述設(shè)備,以用于控制所述空氣系統(tǒng)。所述空氣系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng),耦合至所述排氣管道和所述進(jìn)氣管道,并且包括EGR 閥,所述EGR系統(tǒng)配置用于將來自所述排氣管道的部分廢氣通過所述進(jìn)氣管道輸送回所述氣缸;渦輪增壓系統(tǒng),耦合至所述排氣管道,并且包括空氣壓縮機(jī)和增壓閥,所述渦輪增壓系統(tǒng)配置用于利用來自所述排氣管道的廢氣來增大通過所述氣缸的進(jìn)氣壓力。根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面,提供一種用于控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的方法, 所述空氣系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng),其中所述EGR系統(tǒng)包括EGR閥, 并且所述渦輪增壓系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)和增壓閥。所述方法包括獲取所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸排氣壓力的測(cè)量值以及流經(jīng)所述空氣壓縮機(jī)的空氣流量的測(cè)量值;根據(jù)所獲取的測(cè)量值,以及根據(jù)所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸排氣壓力的目標(biāo)值和流經(jīng)所述空氣壓縮機(jī)的空氣流量的目標(biāo)值,使用表征所述空氣系統(tǒng)的非線性物理模型來確定流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量和流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量;以及根據(jù)所述流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量和流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量,產(chǎn)生用于所述EGR系統(tǒng)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和用于所述渦輪增壓系統(tǒng)的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述確定進(jìn)一步包括基于滑動(dòng)控制策略來確定流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量和流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,該方法進(jìn)一步包括根據(jù)所述流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量確定所述EGR閥的目標(biāo)開度;以及根據(jù)所述流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量確定所述增壓閥的目標(biāo)開度。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于控制所述EGR閥的開度, 并且其中所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于控制所述增壓閥的開度。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述非線性物理模型與所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的以下方面相關(guān)進(jìn)氣壓力,排氣壓力,空氣流量,進(jìn)入氣缸的氣體流量,氣缸排氣閥出口流量,進(jìn)氣閥流量系數(shù),轉(zhuǎn)速,氣缸位移,進(jìn)氣熱常數(shù),進(jìn)氣溫度,進(jìn)氣管等效容積,排氣熱常數(shù),排氣溫度,排氣管等效容積,所述EGR系統(tǒng)的增壓器機(jī)械效率,增壓器渦輪效率,增壓器渦輪熱容量,大氣環(huán)境溫度,大氣環(huán)境壓力,進(jìn)氣空氣熱容量比,排氣熱容量比,壓縮機(jī)效率,增壓器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,增壓器轉(zhuǎn)速,增壓器渦輪排氣能量,增壓器壓縮空氣能量,壓縮空氣熱容量, 以及燃油噴射流量。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述非線性物理模型還與所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的所述空氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)干擾源相關(guān)。根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式,提出了一種用于控制空氣系統(tǒng)(具體地,EGR系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng))的新穎有效的設(shè)備和方法。具體地,利用配備有EGR系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)特性關(guān)系曲線,可以建立表征空氣系統(tǒng)的物理模型,其可被用于有效地在各種工況條件下(包括瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài))控制EGR系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng),從而使經(jīng)過空氣壓縮機(jī)的空氣流量和氣缸排氣管壓力盡可能接近于期望的目標(biāo)值。以此方式,能夠在抵抗外界干擾源和未建模的動(dòng)態(tài)特性的同時(shí),兼顧EGR系統(tǒng)與渦輪增壓系統(tǒng)之間的耦合性。而且,根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。 因此,本實(shí)用新型的實(shí)施方式可以顯著地改善柴油發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)的控制。
通過參考附圖閱讀下文的詳細(xì)描述,本實(shí)用新型實(shí)施方式的上述以及其他目的、 特征和優(yōu)點(diǎn)將變得易于理解。在附圖中,以示例性而非限制性的方式示出了本實(shí)用新型的若干實(shí)施方式,其中圖1示出了包括廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)二者的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性結(jié)構(gòu)圖;圖2示出了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的用于控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的控制設(shè)備200的示意性結(jié)構(gòu)圖;圖3示出了適合于用來實(shí)踐圖2中的控制設(shè)備200的片上系統(tǒng)(SoC) 300的示意性結(jié)構(gòu)圖;以及圖4示出了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的控制方法 400的流程圖。在附圖中,相同或?qū)?yīng)的標(biāo)號(hào)表示相同或?qū)?yīng)的部分。
具體實(shí)施方式
下面將參考若干示例性實(shí)施方式來描述本實(shí)用新型的原理和精神。應(yīng)當(dāng)理解,給出這些實(shí)施方式僅僅是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好地理解進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型,而并非以任何方式限制本實(shí)用新型的范圍。根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式,提出了一種用于控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的設(shè)備和方法。應(yīng)當(dāng)注意,在本文中,所使用的術(shù)語“空氣系統(tǒng)”至少包括廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)。還應(yīng)注意,在本文中提及的例如可變幾何渦輪增壓系統(tǒng)(VGT)等具體渦輪增壓系統(tǒng),僅僅是出于說明和示范目的。本實(shí)用新型的實(shí)施方式同樣適用于利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣進(jìn)行工作的現(xiàn)在已知或?qū)黹_發(fā)的任何渦輪增壓系統(tǒng)。本實(shí)用新型的范圍在此方面不受限制。另外,在本文中,所使用的術(shù)語“參數(shù)”表示任何能夠指示發(fā)動(dòng)機(jī)的(目標(biāo)或?qū)嶋H) 物理狀態(tài)或運(yùn)行狀況的物理量的值。而且,在本文中,“參數(shù)”與其所表示的物理量可以互換使用。例如,“指示轉(zhuǎn)速的參數(shù)”與“轉(zhuǎn)速”在本文中具有等同的含義。而且,在本文中,設(shè)A 表示某個(gè)特定的物理量,則人表示A對(duì)時(shí)間的求導(dǎo),即A隨時(shí)間的變化率。此外,在本文中,所使用的術(shù)語“獲取”包括目前已知或?qū)黹_發(fā)的各種手段,例如測(cè)量、讀取、估計(jì)、估算,等等。下面參考本實(shí)用新型的若干代表性實(shí)施方式,詳細(xì)闡釋本實(shí)用新型的原理和精神。首先參考圖1,如上文所述,其示出了配備有廢氣再循環(huán)和渦輪增壓系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 100的示意性結(jié)構(gòu)圖。應(yīng)當(dāng)理解,圖1中僅僅是示出了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)100中與本實(shí)用新型的實(shí)施方式有關(guān)的部分。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)100還可以包括任意數(shù)目的其他部件。如圖1所示,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)100包括氣缸108 ;進(jìn)氣管道106,耦合至氣缸108的入口端,配置用于向氣缸108輸送氣體;排氣管道112,耦合至氣缸108的出口端,配置用于排出氣缸108燃燒的廢氣;燃油噴射系統(tǒng)110,耦合至氣缸108,配置用于向其噴射燃油;空氣系統(tǒng);以及控制單元(E⑶)114,用于實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)100的控制。如上所述,空氣系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(例如包括EGR閥116、EGR冷卻器118以及其他必要部件),其耦合至排氣管道112和進(jìn)氣管道106,配置用于將來自排氣管道112的部分廢氣通過進(jìn)氣管道 106輸送回氣缸108 ;以及渦輪增壓系統(tǒng)(例如包括增壓器120、增壓器轉(zhuǎn)軸124、空氣壓縮機(jī)102、空氣中冷器104以及其他必要部件),其耦合至排氣管道112,用于利用來自排氣管道112的廢氣,增大通過氣缸108的進(jìn)氣壓力。從圖1中可見,廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)都接收來自排氣管道112的廢氣, 其進(jìn)氣流量分別由EGR閥116和增壓閥122來控制。在操作中,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元 (ECU) 114根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況產(chǎn)生相應(yīng)的EGR閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)和增壓閥驅(qū)動(dòng)信號(hào),分別用于控制 EGR閥116和增壓閥122的開度。如上所述,廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)的性能彼此影響,因此需要對(duì)廢氣再循環(huán)閥116和增壓閥122的開度進(jìn)行有效的控制。根據(jù)本實(shí)用新型的思想,關(guān)鍵的問題是如何準(zhǔn)確、靈活、有效地表征柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng),特別是如何表征氣缸排氣壓力、流經(jīng)空氣壓縮機(jī)的空氣流量、流經(jīng)EGR閥的廢氣流量以及流經(jīng)增壓閥的廢氣流量這四個(gè)關(guān)鍵特性之間的相互影響和作用。如果能夠有效地對(duì)上述四個(gè)特性進(jìn)行表征和建模,便能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中所無法實(shí)現(xiàn)的對(duì)空氣系統(tǒng)的有效控制。為此,如下文詳述的,本實(shí)用新型的實(shí)施方式建立了表征空氣系統(tǒng)的上述四個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)特性的非線性物理模型,并使用它來控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)。參考圖2,其示出了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的用于控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的控制設(shè)備200的示意性結(jié)構(gòu)圖??梢岳斫猓刂圃O(shè)備200可以作為圖1中示出的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 114或其部分而付諸實(shí)踐。備選地,控制設(shè)備200也可以實(shí)現(xiàn)為專門針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的控制設(shè)備。如圖2所示,控制設(shè)備200包括工況獲取裝置202,其可配置用于獲取指示柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(例如,圖1所示的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)100)的實(shí)際工況的測(cè)量值(參數(shù))。特別地,在本實(shí)用新型的某些實(shí)施方式中,工況獲取裝置202可以配置用于獲取柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸排氣壓力的測(cè)量值(記為Ρεω),以及流經(jīng)渦輪增壓系統(tǒng)所包含的空氣壓縮機(jī)的空氣流量的測(cè)量值 (記為Wc)。應(yīng)當(dāng)理解,工況獲取裝置202可以通過實(shí)際測(cè)量來獲取指示發(fā)動(dòng)機(jī)工況的測(cè)量值。備選地或附加地,工況獲取裝置202也可以根據(jù)實(shí)際條件通過估計(jì)或估算來獲取指示發(fā)動(dòng)機(jī)工況的測(cè)量值。本實(shí)用新型的范圍在此方面不受限制。 如圖2所述,根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式,控制設(shè)備200還包括目標(biāo)流量確定裝置 204,其耦合至所述工況獲取裝置202,配置用于根據(jù)所述工況獲取裝置202獲取的Pem和以及根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸排氣壓力的目標(biāo)值(Pra^d)和流經(jīng)空氣壓縮機(jī)的空氣流量的目標(biāo)值(W。, d),使用表征空氣系統(tǒng)的非線性物理模型,確定流經(jīng)EGR閥的目標(biāo)廢氣流量(U 和流經(jīng)增壓閥的目標(biāo)廢氣流量(Wt)??梢钥吹剑鶕?jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式,目標(biāo)流量確定裝置204使用表征空氣系統(tǒng)的(多輸入/多輸出的)非線性物理模型,以工況獲取裝置202獲取的1^和Wc為輸入, 確定為了滿足Prai, d和W。, d所應(yīng)具有的,空氣系統(tǒng)中的兩個(gè)關(guān)鍵廢氣流量。實(shí)際上,在本領(lǐng)域中,尚無現(xiàn)有技術(shù)嘗試通過這種面向控制的非線性物理模型來表征和控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)。下面將詳細(xì)介紹根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的面向空氣系統(tǒng)控制的非線性物理模型。根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式,該非線性物理模型可以與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)或多個(gè)方面相關(guān)。這里所稱的“方面”既包括發(fā)動(dòng)機(jī)的固有屬性,也包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的實(shí)時(shí)工況,例如包括但不限于進(jìn)氣壓力,排氣壓力,空氣流量,進(jìn)入氣缸的氣體流量,氣缸排氣閥出口流量,進(jìn)氣閥流量系數(shù),轉(zhuǎn)速,氣缸位移,進(jìn)氣熱常數(shù),進(jìn)氣溫度,進(jìn)氣管等效容積,排氣熱常數(shù),排氣溫度,排氣管等效容積,EGR系統(tǒng)的增壓器機(jī)械效率,增壓器渦輪效率,增壓器渦輪熱容量,大氣環(huán)境溫度,大氣環(huán)境壓力,進(jìn)氣空氣熱容量比,排氣熱容量比,壓縮機(jī)效率,增壓器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,增壓器轉(zhuǎn)速,增壓器渦輪排氣能量,增壓器壓縮空氣能量,壓縮空氣熱容量,以及燃油噴射流量。不僅如此,如下文所述,在優(yōu)選實(shí)施方式中,該物理模型還可以將未建模的動(dòng)態(tài)干擾因素納入考慮。根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式,可以利用各種手段基于發(fā)動(dòng)機(jī)的上述方面來建立面向空氣系統(tǒng)控制的非線性物理模型。下面描述本實(shí)用新型的一種優(yōu)選實(shí)施方式。首先,如本領(lǐng)域已知的,對(duì)于給定的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而言,進(jìn)氣系統(tǒng)的質(zhì)量平衡方程可表示為
權(quán)利要求1.一種用于控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的設(shè)備,所述空氣系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng),其中所述EGR系統(tǒng)包括EGR閥,并且所述渦輪增壓系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)和增壓閥,所述設(shè)備包括工況獲取裝置,配置用于獲取所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸排氣壓力的測(cè)量值以及流經(jīng)所述空氣壓縮機(jī)的空氣流量的測(cè)量值;目標(biāo)流量確定裝置,其耦合至所述工況獲取裝置,配置用于根據(jù)所述工況獲取裝置獲取的測(cè)量值,以及根據(jù)所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸排氣壓力的目標(biāo)值和流經(jīng)所述空氣壓縮機(jī)的空氣流量的目標(biāo)值,使用表征所述空氣系統(tǒng)的非線性物理模型來確定流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量和流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量;以及信號(hào)產(chǎn)生裝置,其耦合至所述目標(biāo)流量確定裝置,配置用于根據(jù)所述目標(biāo)流量確定裝置確定的所述流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量和流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量,產(chǎn)生用于所述EGR系統(tǒng)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)和用于所述渦輪增壓系統(tǒng)的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備,其中所述目標(biāo)流量確定裝置進(jìn)一步包括基于滑動(dòng)控制的確定裝置,配置用于基于滑動(dòng)控制策略來確定流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量和流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備,其中所述信號(hào)產(chǎn)生裝置進(jìn)一步包括EGR閥目標(biāo)開度確定裝置,配置用于根據(jù)所述流經(jīng)所述EGR閥的目標(biāo)廢氣流量確定所述EGR閥的目標(biāo)開度;以及增壓閥目標(biāo)開度確定裝置,配置用于根據(jù)所述流經(jīng)所述增壓閥的目標(biāo)廢氣流量確定所述增壓閥的目標(biāo)開度。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備,其中所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于控制所述EGR閥的開度,并且其中所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于控制所述增壓閥的開度。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備,其中所述設(shè)備利用片上系統(tǒng)SoC或集成電路IC來實(shí)現(xiàn)。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備,其中所述非線性物理模型與所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的以下方面相關(guān)進(jìn)氣壓力,排氣壓力,空氣流量,進(jìn)入氣缸的氣體流量,氣缸排氣閥出口流量,進(jìn)氣閥流量系數(shù),轉(zhuǎn)速,氣缸位移,進(jìn)氣熱常數(shù),進(jìn)氣溫度,進(jìn)氣管等效容積,排氣熱常數(shù),排氣溫度, 排氣管等效容積,所述EGR系統(tǒng)的增壓器機(jī)械效率,增壓器渦輪效率,增壓器渦輪熱容量, 大氣環(huán)境溫度,大氣環(huán)境壓力,進(jìn)氣空氣熱容量比,排氣熱容量比,壓縮機(jī)效率,增壓器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,增壓器轉(zhuǎn)速,增壓器渦輪排氣能量,增壓器壓縮空氣能量,壓縮空氣熱容量,以及燃油噴射流量。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備,其中所述非線性物理模型進(jìn)一步與所述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的所述空氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)干擾源相關(guān)。
8.一種柴油發(fā)動(dòng)機(jī),包括 氣缸;進(jìn)氣管道,耦合至所述氣缸的入口端,配置用于向所述氣缸輸送氣體; 排氣管道,耦合至所述氣缸的出口端,配置用于排出所述氣缸燃燒的廢氣; 燃油噴射系統(tǒng),耦合至所述氣缸,配置用于向所述氣缸噴射燃油; 空氣系統(tǒng),包括廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng),耦合至所述排氣管道和所述進(jìn)氣管道,并且包括EGR閥,所述EGR 系統(tǒng)配置用于將來自所述排氣管道的部分廢氣通過所述進(jìn)氣管道輸送回所述氣缸;渦輪增壓系統(tǒng),耦合至所述排氣管道,并且包括空氣壓縮機(jī)和增壓閥,所述渦輪增壓系統(tǒng)配置用于利用來自所述排氣管道的廢氣來增大通過所述氣缸的進(jìn)氣壓力;以及控制單元,包括如權(quán)利要求1所述的設(shè)備,以用于控制所述空氣系統(tǒng)。
專利摘要本實(shí)用新型的實(shí)施方式涉及用于控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的設(shè)備和方法。具體地,根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式,建立了表征柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的物理模型。通過利用此類物理模型來控制渦輪增壓系統(tǒng)和廢氣再循環(huán)系統(tǒng),可以使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)的實(shí)際工況盡可能地接近期望的目標(biāo)工況。本實(shí)用新型的實(shí)施方式公開了相應(yīng)的設(shè)備、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、方法。
文檔編號(hào)F02D21/08GK202055922SQ20112003200
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月27日
發(fā)明者佟德輝, 孫少軍, 張曉琳, 胡廣地 申請(qǐng)人:濰柴動(dòng)力股份有限公司