用于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的前饋渦輪增壓器控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 在該部分中的陳述只是提供關(guān)于本發(fā)明的背景信息。因此，這些陳述并非意在構(gòu) 成對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的承認(rèn)。
[0003] 發(fā)動(dòng)機(jī)控制包括基于期望發(fā)動(dòng)機(jī)輸出來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的參數(shù)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)速 度和發(fā)動(dòng)機(jī)載荷以及所產(chǎn)生的運(yùn)轉(zhuǎn)，例如包括發(fā)動(dòng)機(jī)排放。由發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法所控制的參 數(shù)包括空氣流量、燃料流量、以及進(jìn)氣閥和排氣閥設(shè)定。
[0004] 可以將增壓空氣提供至發(fā)動(dòng)機(jī)，以相對(duì)于自然吸氣進(jìn)氣系統(tǒng)向發(fā)動(dòng)機(jī)提供增大 的空氣流量從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出。渦輪增壓器利用發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng) 壓縮機(jī)，從而向發(fā)動(dòng)機(jī)提供增壓空氣。示例性的渦輪增壓器可以包括可變幾何渦輪增壓器 (VGT)，使得能夠調(diào)節(jié)對(duì)于排氣系統(tǒng)中的給定條件所提供的增壓空氣。機(jī)械式增壓器利用來(lái) 自發(fā)動(dòng)機(jī)的例如如由附件帶提供的機(jī)械功率來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，從而向發(fā)動(dòng)機(jī)提供增壓空氣。 發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法控制增壓空氣，以便于控制在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)所產(chǎn)生的燃燒以及所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī) 輸出。
[0005] 排氣再循環(huán)（EGR)是可以由發(fā)動(dòng)機(jī)控制所控制的另一參數(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi) 的排氣流耗盡了氧氣并且基本上是惰性氣體。當(dāng)與燃料和空氣的燃燒充量結(jié)合被引入或者 保留在燃燒腔室內(nèi)時(shí)，排氣減緩了燃燒，從而減少了輸出并且降低了絕熱火焰溫度。也可以 在先進(jìn)燃燒策略中與其他參數(shù)組合來(lái)控制EGR，例如包括均質(zhì)充量壓燃式（HCCI)燃燒。也 可以控制EGR以改變所產(chǎn)生的排氣流的屬性。發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法控制EGR以便于控制在發(fā)動(dòng) 機(jī)內(nèi)所產(chǎn)生的燃燒以及所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。EGR系統(tǒng)回路可以包括提供排氣至燃燒腔室 中的多個(gè)路徑，包括高壓（HP)排氣再循環(huán)回路和低壓（LP)排氣再循環(huán)回路。在增壓發(fā)動(dòng)機(jī) 中，排氣可以經(jīng)由高壓路徑引導(dǎo)至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管中，其中排氣在流經(jīng)VGT之前被引導(dǎo)回 到進(jìn)氣流中以使得排氣保持加壓。在經(jīng)過(guò)VGT之后，排氣可以另外通過(guò)回路被引導(dǎo)回到發(fā) 動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管，在此處排氣不再處于壓力下。
[0006] 用于發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)管理進(jìn)氣空氣和EGR至發(fā)動(dòng)機(jī)中的流量。必須裝備空 氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)以滿足充入空氣成分目標(biāo)(例如EGR比例目標(biāo)）從而實(shí)現(xiàn)排放目標(biāo)，并且滿足總 空氣可用目標(biāo)(例如充氣流質(zhì)量流量)從而實(shí)現(xiàn)期望的功率和扭矩目標(biāo)。最強(qiáng)地影響EGR流 量的致動(dòng)器通常影響充氣流量，并且最強(qiáng)地影響充氣流量的致動(dòng)器通常影響EGR流量。因 此，具有現(xiàn)代空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)展示了具有聯(lián)接的輸入-輸出響應(yīng)回路的多輸入多輸 出（Mnro)系統(tǒng)。
[0007] 聯(lián)接了輸入即輸入-輸出響應(yīng)回路相互影響的Mnro系統(tǒng)呈現(xiàn)了本領(lǐng)域中的公知 挑戰(zhàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)呈現(xiàn)了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)在大范圍的參數(shù)上運(yùn)轉(zhuǎn)，包括可 變的發(fā)動(dòng)機(jī)速度、可變的扭矩輸出、以及可變的加油和正時(shí)安排。在許多情況下，對(duì)于系統(tǒng) 的精確轉(zhuǎn)移功能是不可用的和/或?qū)τ跇?biāo)準(zhǔn)解耦計(jì)算所需的計(jì)算能力是不可用的。多路徑 EGR操作允許系統(tǒng)在較高增壓等級(jí)下運(yùn)行較高的EGR率，但是影響VGT/壓縮機(jī)流量和功率， 這影響了增壓控制設(shè)計(jì)和性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] -種發(fā)動(dòng)機(jī)包括具有高壓排氣再循環(huán)回路和低壓排氣再循環(huán)回路的排氣再循環(huán) 系統(tǒng)以及空氣充氣系統(tǒng)。一種控制空氣充氣系統(tǒng)的方法包括監(jiān)測(cè)實(shí)際排氣再循環(huán)率、空氣 充氣系統(tǒng)中的壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，以及空氣充氣系統(tǒng)中的渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件?；谀繕?biāo)排 氣再循環(huán)率、目標(biāo)進(jìn)氣歧管壓力和實(shí)際排氣再循環(huán)率來(lái)確定壓縮機(jī)流量。基于壓縮機(jī)流量、 目標(biāo)進(jìn)氣歧管壓力和監(jiān)測(cè)到的壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件來(lái)確定由空氣充氣系統(tǒng)中的壓縮機(jī)請(qǐng)求的 功率。基于由壓縮機(jī)請(qǐng)求的功率來(lái)確定待由渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率?；诖蓽u輪機(jī)產(chǎn)生的功 率和監(jiān)測(cè)到的渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件來(lái)確定渦輪機(jī)流量?；跍u輪機(jī)流量和監(jiān)測(cè)到的渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 條件來(lái)確定用于空氣充氣系統(tǒng)的系統(tǒng)控制命令。基于系統(tǒng)控制命令來(lái)控制空氣充氣系統(tǒng)。
[0009] 1. -種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣充氣系統(tǒng)的基于模型控制的方法，所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包 括具有高壓排氣再循環(huán)回路和低壓排氣再循環(huán)回路的排氣再循環(huán)系統(tǒng)，該方法包括： 監(jiān)測(cè)實(shí)際排氣再循環(huán)率； 監(jiān)測(cè)所述空氣充氣系統(tǒng)中的壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件和所述空氣充氣系統(tǒng)中的渦輪機(jī)的運(yùn) 轉(zhuǎn)條件； 基于目標(biāo)排氣再循環(huán)率、目標(biāo)進(jìn)氣歧管壓力和實(shí)際排氣再循環(huán)率來(lái)確定壓縮機(jī)流量； 基于所述壓縮機(jī)流量、所述目標(biāo)進(jìn)氣歧管壓力和監(jiān)測(cè)到的所述壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件來(lái)確 定由所述空氣充氣系統(tǒng)中的壓縮機(jī)請(qǐng)求的功率； 基于由壓縮機(jī)請(qǐng)求的功率來(lái)確定待由渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率； 基于所述待由渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率和監(jiān)測(cè)到的渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件來(lái)確定渦輪機(jī)流量； 基于所述渦輪機(jī)流量和監(jiān)測(cè)到的渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件來(lái)確定用于所述空氣充氣系統(tǒng)的 系統(tǒng)控制命令；以及 基于所述系統(tǒng)控制命令控制所述空氣充氣系統(tǒng)。
[0010] 2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述空氣充氣系統(tǒng)包括可變幾何渦輪增壓器，包 括渦輪機(jī)和壓縮機(jī)。
[0011] 3.根據(jù)方案1所述的方法，其中，監(jiān)測(cè)實(shí)際排氣再循環(huán)率包括監(jiān)測(cè)氣缸內(nèi)總排氣 再循環(huán)率，包含高壓排氣再循環(huán)率和低壓排氣再循環(huán)率。
[0012] 4.根據(jù)方案3所述的方法，還包括僅使用低壓排氣再循環(huán)系統(tǒng)控制閥來(lái)控制所述 氣缸內(nèi)總排氣再循環(huán)率。
[0013] 5.根據(jù)方案4所述的方法，其中，所述氣缸內(nèi)總排氣再循環(huán)率由以下關(guān)系式表示。
其中r是氣缸內(nèi)總排氣再循環(huán)率， rHP是高壓排氣再循環(huán)率， Ap是低壓排氣再循環(huán)率。
[0014] 6.根據(jù)方案1所述的方法，其中，根據(jù)以下關(guān)系式確定所述壓縮機(jī)流量，
其中W。是壓縮機(jī)流量， rHP是高壓排氣再循環(huán)率， rI v是容積效率， R是通用氣體常數(shù)， T1是進(jìn)氣溫度， Vd是體積排量， N是發(fā)動(dòng)機(jī)速度，以及 P1是進(jìn)氣歧管壓力。
[0015] 7.根據(jù)方案1所述的方法，其中，確定用于所述空氣充氣系統(tǒng)的系統(tǒng)控制命令包 括： 基于期望進(jìn)氣歧管壓力和所述壓縮機(jī)流量來(lái)確定目標(biāo)渦輪機(jī)入口壓力；以及 確定用于在所述目標(biāo)渦輪機(jī)入口壓力下實(shí)現(xiàn)所述渦輪機(jī)流量所需的系統(tǒng)控制命令。
[0016] 8.根據(jù)方案1所述的方法，其中，基于所述壓縮機(jī)流量、所述目標(biāo)進(jìn)氣歧管壓力和 監(jiān)測(cè)到的壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件來(lái)確定由所述空氣充氣系統(tǒng)中的壓縮機(jī)請(qǐng)求的功率包括采用以 下關(guān)系式，
其中P。是由壓縮機(jī)請(qǐng)求的功率， W。是壓縮機(jī)流量， Tu。是壓縮機(jī)上游溫度， Cp是在恒定壓力下的比熱， P1是進(jìn)氣壓力， Puc是壓縮機(jī)上游壓力， μ是比熱比，以及 η。是壓縮機(jī)的效率。
[0017] 9.根據(jù)方案1所述的方法，其中，基于所述待由渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率和監(jiān)測(cè)到的渦 輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件來(lái)確定渦輪機(jī)流量采用以下關(guān)系式，
其中Pt是待由渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率， η t是渦輪機(jī)效率， Tx是排氣溫度， Ps是渦輪機(jī)出口壓力，以及 Px是排氣壓力。
[0018] 10. -種用于控制內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的具有高壓排氣再循環(huán)回路和低壓排氣再循環(huán)回 路的排氣再循環(huán)系統(tǒng)、空氣節(jié)流系統(tǒng)和空氣充氣系統(tǒng)的方法，該方法包括： 監(jiān)測(cè)用于所述高壓排氣再循環(huán)回路、所述低壓排氣再循環(huán)回路、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和 所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的期望操作目標(biāo)命令； 監(jiān)測(cè)所述空氣充氣系統(tǒng)的操作參數(shù)； 基于對(duì)應(yīng)的期望操作目標(biāo)命令和所述空氣充氣系統(tǒng)的操作參數(shù)來(lái)確定用于所述高壓 排氣再循環(huán)回路、所述低壓排氣再循環(huán)回路、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每 一個(gè)的反饋控制信號(hào)； 基于用于所述高壓排氣再循環(huán)回路、所述低壓排氣再循環(huán)回路、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和 所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的對(duì)應(yīng)的反饋控制信號(hào)來(lái)確定所述高壓排氣再循環(huán)回路中的 高壓排氣再循環(huán)流量、所述低壓排氣再循環(huán)回路中的低壓排氣再循環(huán)流量、所述空氣節(jié)流 系統(tǒng)中的空氣流量、以及所述空氣充氣系統(tǒng)中的渦輪機(jī)功率變換比； 基于所述高壓排氣再循環(huán)流量、所述低壓排氣再循環(huán)流量、所述空氣流量和所述渦輪 機(jī)功率變換比來(lái)確定用于所述高壓排氣再循環(huán)回路、所述低壓排氣再循環(huán)回路、所述空氣 節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的系統(tǒng)控制命令；以及 基于所述系統(tǒng)控制命令來(lái)控制所述空氣充氣系統(tǒng)。
[0019] 11.根據(jù)方案10所述的方法，其中，所述期望操作目標(biāo)命令包括： 期望進(jìn)氣歧管壓力命令， 期望壓縮機(jī)增壓比命令， 壓縮機(jī)之前的期望已燃廢氣比例的命令，以及 進(jìn)氣口處的期望已燃廢氣比例的命令。
[0020] 12.根據(jù)方案10所述的方法，還包括，基于對(duì)應(yīng)的期望操作目標(biāo)命令來(lái)確定用于 所述高壓排氣再循環(huán)回路、所述低壓排氣再循環(huán)回路、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣 系統(tǒng)的每一個(gè)的前饋控制命令。
[0021] 13.根據(jù)方案12所述的方法，其中，確定所述高壓排氣再循環(huán)流量、所述低壓排氣 再循環(huán)流量、所述空氣流量和所述渦輪機(jī)功率變換比進(jìn)一步基于對(duì)應(yīng)的前饋控制命令。
[0022] 14.根據(jù)方案12所述的方法，其中，確定用于所述空氣充氣系統(tǒng)的前饋控制命令 包括： 監(jiān)測(cè)目標(biāo)排氣再循環(huán)率和目標(biāo)進(jìn)氣歧管壓力； 監(jiān)測(cè)實(shí)際排氣再循環(huán)率； 基于所述目標(biāo)排氣再循環(huán)率、所述目標(biāo)進(jìn)氣歧管壓力和所述實(shí)際排氣再循環(huán)率來(lái)確定 來(lái)自所述空氣充氣系統(tǒng)中的壓縮機(jī)的壓縮機(jī)流量； 監(jiān)測(cè)所述空氣充氣系統(tǒng)中的壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件和渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件； 基于所述壓縮機(jī)流量、所述目標(biāo)進(jìn)氣歧管壓力和監(jiān)測(cè)到的壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件來(lái)確定由 壓縮機(jī)請(qǐng)求的功率； 基于所述由壓縮機(jī)請(qǐng)求的功率來(lái)確定待由渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率； 基于所述待由渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率和監(jiān)測(cè)到的渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件來(lái)確定渦輪機(jī)流量；以 及 基于所述渦輪機(jī)流量和監(jiān)測(cè)到的渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件來(lái)確定用于所述空氣充氣系統(tǒng)的 前饋控制命令。
[0023] 15.根據(jù)方案10所述的方法，其中，確定用于所述高壓排氣再循環(huán)回路、所述低壓 排氣再循環(huán)回路、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的系統(tǒng)控制命令包括采 用高壓排氣再循環(huán)回路、低壓排氣再循環(huán)回路、空氣節(jié)流系統(tǒng)和空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的 逆向模型。
[0024] 16.根據(jù)方案10所述的方法，其中，所述空氣充氣系統(tǒng)包括可變幾何渦輪增壓器， 該可變幾何渦輪增壓器包括渦輪機(jī)和壓縮機(jī)。
[0025] 17.根據(jù)方案14所述的方法，其中，監(jiān)測(cè)實(shí)際排氣再循環(huán)率包括監(jiān)測(cè)氣缸內(nèi)總排 氣再循環(huán)率，包含高壓排氣再循環(huán)率和低壓排氣再循環(huán)率。
[0026] 18.根據(jù)方案10所述的方法，還包括，僅使用低壓排氣再循環(huán)系統(tǒng)控制閥來(lái)控制 氣缸內(nèi)總排氣再循環(huán)率，該氣缸內(nèi)總排氣再循環(huán)率由高壓排氣再循環(huán)率與低壓排氣再循環(huán) 率的組合構(gòu)成。
[0027] 1