CN101331302B - 在涡轮增压的发动机系统中控制排气再循环 - Google Patents

Abstract

在涡轮增压的发动机系统(10)中控制排气再循环(EGR)的一种方法，该发动机系统包括发动机(12)、在上游与该发动机连通的进气子系统(14)、在下游与该发动机连通的排气子系统(16)、涡轮增压涡轮机(38)上游与涡轮增压压缩机(28)下游的该排气与进气子系统之间的高压EGR通道(46)、以及该涡轮增压涡轮机下游与该涡轮增压压缩机(28)上游的该排气子系统与进气子系统之间的低压EGR通道(48)。确定符合排气排放标准的目标总EGR分数，然后在所确定的该目标总EGR分数的约束下确定目标HP/LP EGR比率来优化其他发动机系统标准。

Description

在涡轮增压的发动机系统中控制排气再循环

相关申请的交叉引用

本申请要求于2005年12月20日提交的美国临时申请号60/752,415的权益。

技术领域

本披露总体上涉及的领域包括在涡轮增压的压缩点火发动机系统中控制排气再循环。

背景

涡轮增压发动机系统包括具有燃烧室用于将空气和燃料燃烧以转化为机械能的发动机、用于将进气输送到这些燃烧室的进气子系统、以及发动机排气子系统。这些排气子系统通常将排气从这些发动机燃烧室中运走，抑制发动机排气噪音，并且减少排气微粒和随着发动机燃烧室的温度升高而增加的氮氧化物(NOx)。排气通常被再循环到该排气子系统之外而进入该进气子系统与新鲜的空气混合，并且回到发动机中。排气再循环增加了惰性气体量并同时减少进气中的氧气，从而降低发动机燃烧温度并且因此减少了NOx的形成。

本发明示例性实施方案的概述

一种方法的一个示例性实施方案包括在涡轮增压的压缩点火发动机系统中控制排气再循环(EGR)，该发动机系统包括发动机、在上游与该发动机连通的进气子系统、在下游与该发动机连通的排气子系统、涡轮增压涡轮机上游以及涡轮增压压缩机下游的该排气子系统与进气子系统之间的高压EGR通道、以及该涡轮增压涡轮机下游以及该涡轮增压压缩机上游的该排气子系统与该进气子系统之间的低压EGR通道。首先，遵照排气排放标准确定目标总EGR分数。然后，在所确定的该目标总EGR分数的约束下确定目标HP/LP EGR比率以便优化其他发动机系统标准。

根据该方法的示例性实施方案的多个目前优选的方面，该总EGR分数可以响应于作为一个或多个发动机系统模型的输入的代理参数来进行估算，而不是通过多个HP或LP EGR流量传感器或者总EGR流量传感器来直接测定。而且，该目标总EGR分数可以通过多次闭环的调节而闭环地控制到这些HP和/或LP EGR分数。

本发明的其他示例性实施方案将在以下详细说明中变得明确。应该理解，该详细说明以及一些具体实例在说明本发明的示例性实施方案的同时仅仅是为了说明性目的，而并非旨在限制本发明的范围。

附图简要说明

本发明的多个示例性实施方案将通过详细说明与附图而得到完全理解，在附图中：

图1是包括示例性控制子系统发动机系统的示例性实施方案的示意图；

图2是图1的发动机系统的示例性控制子系统的框图；

图3是可以与图1的发动机系统一起使用的示例性EGR控制方法的流程图；

图4是说明图3的方法的一个优选控制流程部分并且包括总EGR估算框以及多个高压和低压EGR开环控制框的框图；

图5A-5C示出图4的估算框的多个示例性实施方案；

图6A-6B示出图4的高压和低压EGR开环控制框的多个示例性实施方案；

图7是表示阀门位置与目标总EGR分数之间的关系的示例性图标示曲线图；

图8是展示图3的方法的第二控制流程的框图；

图9是展示图3的方法的第三控制流程部分的框图；和

图10是展示图3的方法的第四控制流程部分的框图。

示例性实施方案的详细说明

以下说明的实施方案本质上仅仅是示例性的而根本无意限制本发明、其应用或者用途。

根据一种方法的一个示例性实施方案，在具有高压(HP)和低压(LP)EGR通道的涡轮增压的压缩点火发动机系统中对排气再循环(EGR)进行控制。优选地，响应于作为一个或多个发动机系统模型的输入的代理参数对总EGR分数进行估算，而不是通过多个HP或LPEGR流量传感器或者总EGR流量传感器来直接测定。确定符合排气排放标准的目标总EGR分数。然后，在所确定的目标总EGR分数的约束下确定目标HP/LP EGR比率以便优化其他标准，如燃料经济目标、发动机系统性能目标、或者发动机系统保护或维护规范中的至少一个。同样优选地，该目标总EGR分数可以通过多次闭环调节来闭环地控制到这些HP和/或LP EGR分数。以下阐明：说明了用于执行该方法的示例性系统，还说明了示例性方法和多个示例性控制流程。

示例性系统

图1示出可以用于实现在此披露的一种EGR控制方法的示例性运行环境。该方法可以使用任何适当的系统来执行并且，优选地，是结合例如系统10的发动机系统来执行。以下的系统说明简单地提供了示例性发动机系统的简要概述，但在此未示出的其他一些系统与部件也可以支持在此披露的方法。

总之，该系统10可以包括从燃料与进气的混合物的内部燃烧来形成机械能的内燃发动机12、用于总体上为发动机12提供进气的进气子系统14和用于将燃烧气体总体地从发动机12运走的排气子系统16。在此使用时，“进气”这个短语可以包括新鲜空气和再循环的排气。该系统10一般还可以包括与该排气和进气子系统14、16跨接连通的涡轮增压器18，用于压缩输入的空气以改善燃烧并由此提高发动机输出。该系统10总体上进一步可以包括与该排气和进气子系统14、16跨接的排气再循环子系统20，用于将排气再循环以便与新鲜空气混合来改良该发动机系统10的排放性能。该系统10总体上进一步可以包括控制子系统22来控制该发动机系统10的运行。本技术领域的普通技术人员会认识到，燃料子系统(未示出)被用来向该发动机12提供任何适当的液体和/或气体燃料，以便与这些进气在发动机中燃烧。

内燃发动机12可以是任何适合的发动机类型，如类似于柴油机发动机的自动点火或者压缩点火的发动机。该发动机12可以包括其中具有多个汽缸和活塞(未单独示出)的气缸体24，它与汽缸盖(也没有单独示出)一起限定用于燃料与进气的混合物的内部燃烧的多个燃烧室(未示出)。

除适当的管道与接头之外，该进气子系统14可以包括进气端26，它可以具有用于过滤进入空气的空气过滤器(未示出)，和位于该进气口末端26的下游用于压缩输入空气的涡轮增压压缩机28。进气子系统系统14还可以包括该涡轮增压压缩机28的下游的增压空气冷却器30，用于冷却压缩的空气；以及在增压空气冷却器30下游的进气节流阀32，用于到该发动机12的冷却空气流进行节流。该进气子系统14还可以包括位于节流阀32下游和发动机12的上游的进气歧管34，用于接收节流的空气并将其分配到这些发动机燃烧室。

除适当的管道与接头之外，排气子系统16可以包括排气歧管36，用于从发动机12的这些燃烧室收集排气并将它们往下游输送到该排气子系统16的其余部分。该排气子系统16还可包括在下游与该排气歧管36连通的涡轮增压涡轮机38。涡轮增压器18可以是可变涡轮几何形状(VTG)类型的涡轮增压器、二级涡轮增压器、或带有废气门或旁路装置的涡轮增压机、或者类似的装置。在任何情况下，该涡轮增压器18和/或任何涡轮增压器辅助装置可以被调节以便影响以下参数中的一个或多个：涡轮增压器增加的压力、空气流量、和/或EGR流量。该排气子系统16还可以包括任何适当的排放装置40，如催化转化器，像是紧密连接的柴油氧化催化剂(DOC)装置、氮氧化物(NOx)吸收装置、微粒过滤器、或者类似装置。该排气子系统16还可以包括设置在排气出口44的上游的排气节流阀42。

该EGR子系统20优选地是混合或双通道的EGR子系统，用于将部分排气从该排气子系统16再循环到该进气子系统14用于在该发动机12中燃烧。相应地，该EGR子系统20可以包括两个通道：高压(HP)EGR通道46和低压(LP)EGR通道48。优选地，该高压(HP)EGR通道46在该涡轮增压涡轮38的上游连接到该排气子系统16而在该涡轮增压压缩机28的下游连接到该进气子系统14。同样优选地，该LP EGR通道48在该涡轮增压涡轮38的下游连接到该排气子系统16而在该涡轮增压压缩机28的上游连接到该进气子系统14。也考虑在排气与进气子系统14、16之间任何其他适合的连接，包括HP EGR的一些其他形式如使用内部发动机的可变阀门正时与升程来引入内部HP EGR。

除适当的管道与接头之外，该HP EGR通道46可以包括HPEGR阀门50，它用于控制从该排气子系统16到该进气子系统14的排气再循环。该HP EGR阀门50可以是具有自己的致动器的独立装置或者可以与该进气节流阀32一体化到具有共用致动器的组合装置中。该HP EGR通道46还可以包括在该HP EGR阀门50的上游的(或者任选在下游的)用于冷却HP EGR气体的HP EGR冷却器52。该HPEGR通道46优选地连接在该涡轮增压涡轮机38的上游并在该节流阀32的下游，用于将HP EGR气体与被节流的空气以及其他吸入气体(该空气可以具有LP EGR)进行混合。

除适当的管道与接头之外，该LP EGR通道48可以包括LPEGR阀门54，它控制排气从该排气子系统16到该进气子系统14的再循环。该LP EGR阀门54可以是具有自己的致动器的独立装置或者可以与该排气节流阀42一体化到具有共用致动器的组合装置中。该LP EGR通道48还可以包括在该LP EGR阀门的54的下游的(或者任选在上游的)用于冷却LP EGR气体的LP EGR冷却器56。该LP EGR通道48优选地连接在该涡轮增压涡轮机38的下游并在该涡轮增压压缩机28的上游，用于将LP EGR气体与经过滤的输入空气进行混合。

现在参见图2，该控制子系统22可以包括任何适当的硬件、软件、和/或固件以执行在此披露的这些方法中的至少某些部分。例如，该控制子系统22可以包括以上讨论的这些发动机系统致动器58以及不同的发动机传感器60中的某些或者全部。这些发动机系统传感器60并未在附图中单独示出，但是可以包括在任何适当的装置中来监测发动机系统的参数。

例如，发动机速度传感器测量发动机曲轴(未示出)的转速，与这些发动机燃烧室连通的多个压力传感器测量发动机汽缸压力，多个进气与排气歧管压力传感器测量流入与流出这些发动机汽缸的气体的压力，进气质量流量传感器测量进气子系统14中的输入气流，以及歧管质量流量传感器测量到达该发动机12的进气流量。在另一实例中，该发动机系统10可以包括用于测量流入这些发动机汽缸的进气的温度的温度传感器，和在该空气过滤器的下游与该涡轮增压压缩机28上游的温度传感器。在另一个实例中，该发动机系统10可以包括适当地连接到该涡轮增压压缩机28的速度传感器，用于测量其转速。节流器位置传感器，如一体化的角度位置传感器，测量该节流阀32的位置。位置传感器设置在该涡轮增压器18的附近用于测量该可变几何形状涡轮机38的位置。尾管温度传感器可以安置为正好在尾管出口的上游，用于测量该排气子系统16排出的排气的温度。还有，在该一个或多个排放装置40的上游和下游放置多个温度传感器，用于测量其入口和出口的排气温度。同样地，一个或多个压力传感器跨越该一个或多个排放装置40进行安置，用于测量跨越它们的压降。氧气(O₂)传感器被置于该排气和/或进气子系统14、16之中，用于测量排气和/进气中的氧气含量。最后，多个位置传感器测量该HP和LPEGR阀门50、54与排气节流阀42的位置。

除了在此讨论的这些传感器60之外，在此披露的系统和方法可以包括任何其他适当的传感器及其有关参数。例如，这些传感器60还可以包括多个加速度传感器、车速传感器、传动系速度传感器、过滤传感器、其他流量传感器、震动传感器、撞击传感器、进气与排气压力传感器、和/或类似的传感器。换言之，可使用任何传感器都来检测任何适当的物理参数，包括电气的、机械的、以及化学的参数。在此使用时，术语“传感器”包括用于检测任何发动机系统参数和/或这些参数的不同组合的任何适当的硬件和/或软件。

该控制子系统22可以进一步包括一个或多个与这些致动器58和传感器60连通的控制器(未示出)，用于接收和处理传感器输入信号并发送致动器输出信号。该一个或多个控制器可以包括一个或多个适当的处理器和存储器装置(未示出)。该存储器可以配置为用于提供数据和指令的存储，它们提供了发动机系统10的至少部分功能以及由该一个或多个处理器执行的指令。该方法的至少某些部分可以由一个或多个计算机程序与在存储器中存储为一些查询表、映射图、模型、或类似数据的不同的发动机系统数据或指令来启动。在任何情况下，该控制子系统22通过从这些传感器60接收输入信号、根据器输入信号执行一些指令和算法、以及发送一些适当的输出信号给各个致动器58来控制多个发动机系统参数。

该控制子系统22在该一个或多个控制器中可以包括多个模块。例如，顶级发动机控制模块62接收并处理任何适当的发动机系统输入信号并将输出信号传达给进气控制模块64、燃料控制模块66、以及任意其他的一些控制模块68。正如以下将更详细地说明，该顶级发动机控制模块62接收并处理来自一个或多个发动机系统参数传感器60的输入信号以任何适当的方式来估算总EGR分数。

估算EGR分数的不同方法对于本领域的普通技术人员而言是已知的。在此使用时，术语“总EGR分数”包括其多个成员参数的一个或多个，并且可以由以下等式来表示：

$r_{\mathrm{EGR}}=(1-\frac{\mathrm{MAF}}{M_{\mathrm{ENG}}})*100=\left(\frac{M_{\mathrm{EGR}}}{M_{\mathrm{ENG}}}\right)*100$ 其中：

MAF是进入进气子系统的新鲜空气的质量流量，

M_EGR是进入该进气子系统的EGR质量流量，

M_ENG是到达发动机的进气的质量流量，和

r_EGR包括进入发动机的进气中可分配给再循环排气的那个部分。

从以上等式，该总EGR分数可以用该新鲜空气质量流量传感器和来自传感器或来自其估算值的进气质量流量来计算，或者用总EGR分数自身的估算值以及该进气质量流量来计算。在任一情况下，该顶级发动机控制模块62可以包括多个适当的数据输入来直接地从作为一个或多个发动机系统模型的输入的一个或多个质量流量传感器测量值或者估算值估算出该总EGR分数。

在此使用时，术语“模型”包括用多个变量，如查询表、映射图、算法和/或类似数据来表示某种方式事务的任何解释。模型是对于任何给定的发动机系统的精确设计和性能规范而言是特定的和具体的应用。在一个实例中，这些发动机系统模型进而可以基于发动机速度和进气歧管压力以及温度。这些发动机系统模型在每次发动机参数变化时进行更新，并且可以是使用包括发动机速度和通过进气压力、温度、以及通用气体常数来确定的发动机进气密度的多个输入的一些多维查询表。

该总EGR分数可以通过其多个分量而直接或间接地与一个或多个发动机系统参数进行互相关联，如估算或检测的气体质量流量、O₂、或一个或多个发动机系统温度。这些参数能够以任何适合的方式进行分析以便与该总EGR分数的互相关联。例如，该总EGR分数可以根据公式与其他那些发动机系统参数相关联。在另一个实例中，从发动机的定标或模拟中，该总EGR分数可以经验地或者统计地与其他发动机系统参数关联。在任何情况下，在发现该总EGR分数与任何其他发动机系统参数可靠地互相关联时，这一互相关联可以根据公式、经验地、声学地、和/或以类似的方式来建立模型。例如，可以根据适当的测试来形成一些经验模型并且可以包括一些查询表、映射图、以及可以将总EGR分数与其他一些发动机系统参数值进行交叉参照的类似形式。

相应地，发动机系统参数可以用作总EGR分数和/或单独的HP和/或LP EGR流量的直接传感器测量值的代理参数。相应地，可以去掉总EGR、HP EGR、和LP EGR流量传感器，从而减小发动机系统成本和重量。去掉这些传感器还导致去掉其他与传感器相关的硬件、软件以及成本，如连线、接插件、计算机处理能力以及存储器，等等。

另外，该顶级发动机控制模块62优选地计算涡轮增压增加压力的设置点和目标总EGR的设置点，并将这些设置点发送到该进气控制模块64。类似地，该顶级发动机控制模块62计算适用定时与燃料设置点并将它们发送到燃料控制模块66，并且计算其他的一些设置点并将他们发送到其他控制模块68。该燃料和其他控制模块66、68接收并处理这些输入，并生成适当的命令信号发给任何适当的一些发动机系统装置，如燃料喷射器、燃料泵、或者其他装置。

可替代地，该顶级发动机控制模块62可以计算并发送该增加压力的设置点和总输入空气质量流量的设置点(如虚线所示)，而不是该目标总EGR的设置点。在这一替代情况下，随后从空气质量流量的设置点确定总EGR的设置点并很大程度上以同一方式从这些实际质量流量传感器的读数来估算该实际总EGR分数。在第二替代方案中，在整个控制方法中空气质量流量取代了总EGR分数。这改变了所使用的数据类型和设定HP和LP EGR流量目标的方式，但是该控制器的基本结构与控制方法的流程是相同的。

除从该顶级发动机控制模块62接收的这些设置点之外，该进气控制模块64接收任何适当的发动机系统参数值。例如，该进气控制模块64接收进气和/或排气子系统参数值，如涡轮增压器的增加压力，以及质量流量。该进气控制模块64可以包括顶级进气控制子模块70，它处理所接收的这些参数值并且向对应的LP EGR、HP EGR、以及涡轮增压器的控制子模块72、74、76发送任何适当的输出信号，如LP和HP EGR设置点、以及涡轮增压器设置点。这些LP EGR、HP EGR、以及涡轮增压器的控制子模块72、74、76处理进气控制子模块的这些输出信号并生成一些适当的命令信号给不同的发动机系统装置如LP EGR阀54与排气节流阀42、HP EGR阀50与进气节流阀32、以及一个或多个涡轮增压致动器19。这些不同的模块和/或子模块可以如图所示是分离的，或者可以一体化到一个或多个组合的模块和/或子模块之中。

示例性方法

在此提供一种控制LP和HP EGR的方法，它可以在以上所述发动机系统10的运行环境中作为一个或多个计算机程序来实施。本领域的普通技术人员还会认识到该方法可以在其他运行环境中使用其他发动机系统来实施。现在参见图3，以流程图的形式示出一种示例性方法300。

如步骤305所示，该方法300能够以任何适当的方式而启动。例如，该方法可以在图1的发动机系统10的发动机12发动时开始。

在步骤310，新鲜空气被抽入发动机系统的进气子系统，并且进气通过该进气子系统吸入发动机系统的发动机之中。例如，新鲜空气可以被抽入该进气系统14的入口26，并且进气可以通过该进气歧管34被吸入该发动机12。

在步骤315，排气通过发动机系统的排气子系统从发动机排出。例如，排气可以通过排气歧管36从发动机12排出。

在步骤320，排气从排气子系统通过高压和低压EGR通道之一或二者再循环到发动机系统的进气子系统。例如，HP和LP排气可以通过该HP和LP EGR通道46、48，从排气子系统16再循环到进气子系统14。

在步骤325，可以检测表示总EGR分数的一个或多个代理参数。例如，该一个或多个代理参数可以包括空气质量流量、O₂、和/或发动机系统温度，并且可以通过该发动机系统10的多个对应的传感器60来测量。

在步骤330，遵照排气排放标准来确定目标总EGR分数。例如，该顶级发动机控制模块62可以使用任何适当的发动机系统模型将当前的一些发动机运行参数与所需的一些总EGR分数进行交叉参照以便符合预先确定的排放标准。在此使用时，术语“目标”包括一元值、多元值、和/或任意的取值范围。同样，在此使用时，术语“标准”包括单一的和多重的标准。用来确定一个或多个适当的EGR分数的标准的一些实例包括根据速度和负载进行标定的多个表、基于模型的方案，它们确定多个汽缸温度目标并转换为EGR分数以及运转条件如瞬时运转或稳态运转条件。绝对排放标准由环境机构如美国环保署制定。

在步骤335，在步骤330中确定的总EGR分数的约束下确定目标HP/LP EGR比率以便优化一个或多个其他的发动机系统标准，如燃料经济目标、发动机系统性能目标、或者发动机系统保护或维护规范。

在步骤340，可以根据步骤335中确定的目标HP/LP EGR比率来产生多个单独的HP EGR和/或LP EGR设置点。

在步骤345，可以确定对应于这些HP和LP EGR设置点的目标HP和LP EGR打开百分比。例如，多个开环控制器可以使用一些模型来处理这些HP和LP EGR设置点以生成这些打开百分比。

在步骤350，可以估算响应于该一个或多个代理参数的总EGR分数，这些参数被用作以上所讨论的任何适当的发动机系统模型的输入。例如，该总EGR分数的估算可以包括一些发动机系统模型以便根据公式或者经验来使该一个或多个代理参数与该总EGR分数互相关联。模型可以包括一些查询表、映射图、以及类似形式，它们可以将多个EGR分数与代理参数值交叉对照，并且可以是基于发动机速度和进气歧管压力以及温度。在任何情况下，该总EGR分数并不是使用单独的HP和/或LP EGR流量传感器或者组合的总EGR流量传感器来实际直接地进行测量。

在步骤355，利用该估算总EGR分数使用闭环控制可以对该单独的HP和/或LP EGR分数之一或二者进行调节。这些HP和/或LPEGR分数可以通过对应的HP和/或LP EGR设置点之一或二者的闭环控制或阀门和/或节流阀打开百分比来进行调节。例如，并且将在以下更详细地说明，闭环控制器可以该估算的总EGR分数作为过程变量输入值来进行处理并将该总EGR分数设置点作为设置点输入值来进行处理，以便产生HP和/或LP EGR设置点输出调节指令。因此，该目标总EGR分数优选地通过对该HP和/或LP EGR分数的一些闭环调节来进行闭环控制。这些调节可以改变实际的HP/LP EGR比率。

在步骤360，来自步骤350的HP EGR和LP EGR打开百分比可以应用到一个或多个对应的HP EGR、LP EGR、进气节流阀、或排气节流阀。该HP和/或LP EGR打开百分比可以在这些开环控制框的下游直接进行调节，或者间接地通过这些开环控制框上游的设置点调节来进行调节。

示例性控制流程

现在参见图4的控制图，图3的控制方法300的一个部分被以框图的形式示出为EGR控制流程400。该控制流400可以在例如图2的示例性控制子系统之中和更具体地在其进气控制模块64中执行。相应地，图4示出了该HP与LP EGR控制子模块或方框72、74以及该涡轮增压器增压控制子模块或方框76。类似地，优化方框402、EGR分数估算方框404、和EGR分数的闭环控制方框406也可以在该进气控制模块64和，更具体地，在图2的顶级进气控制子模块70之中执行。

首先，并且仍参见图5A-5C，该实际总EGR分数估算方框404优选地使用除其他标准发动机系统参数如发动机载荷、发动机转速、涡轮增压器提升压力、以及发动机系统温度之外的用于该实际总EGR分数的代理参数来执行。例如，图5A示出该优选的代理参数是空气质量流量414a，它可以从任何适当的空气质量流量估算值或来自例如该入口空气质量流量传感器的读数来获得。在另一个实例中，图5B示出该代理参数可以是氧含量百分比414b，例如来自类似设置在该进气子系统14中O₂传感器的O₂传感器。例如，该O₂传感器可以是通用的排气氧含量传感器(UEGO)，它可以位于该进气歧管34之中。在另一个实例中，图5C示出该代理参数可以是从多个温度传感器得到的进气子系统和排气子系统温度414c。例如，可以使用来自例如该进气温度传感器的入口空气温度、来自例如排气温度传感器的排气温度、以及来自例如该进气歧管温度传感器的歧管温度。在以上所有这些方案中，该实际总EGR分数416可以从一个或多个代理参数类型来进行估算。

其次，并且再次参见图4，该优化方框402接收并处理各个发动机系统的输入来确定最优的HP/LP EGR比率并且根据该比率产生HP EGR设置点。例如，该优化方框402可以接收例如来自该发动机系统10的相应传感器的发动机载荷信号407和发动机转速信号408。该发动机载荷信号407可以包括任何参数，如歧管压力、燃料喷射流量等。该优化方框402还可以接收例如来自该顶级发动机控制模块62的总EGR分数设置点418。

该优化方框402可以区分燃料经济标准的优先次序，用于确定最优的HP/LP EGR比率并产生相应的HP/LP EGR设置点。根据燃料经济的优化，该优优化方框402可以包括任何适当的净涡轮增压器效率模型，它包括不同的参数如泵送损耗、以及涡轮机和压缩机效率。该效率模型可以包括基于一套原则的该进气子系统14的数学表达式、一套发动机系统校准表、或类似形式。用于确定所希望的EGR比率以满足燃料经济标准的示例性标准可以包括设置比率，它允许实现总EGR部分而无需关闭进气或排气节流阀，这种关闭倾向于负面地影响燃料经济；或者该比率可以调节为实现最大燃料经济的最优进气温度。

该优化方框402还可以取代该燃料经济标准而为了任何适当的目的而另外地优化其他发动机系统标准。例如，可以取代该燃料经济标准来提供HP/LP EGR比率，它提供改进的发动机系统性能，如为了车辆加速而响应驱动器指令来提高的扭矩输出。这一情况下，该控制器可以支持更高LP EGR百分比，它允许更好的涡轮增压器的提速以降低涡轮滞后。在另一个实例中，该取代可以提供不同的HP/LPEGR比率以保护该发动机系统10，例如来避免涡轮增压器超速的情形或过高的压缩机尖端的温度，或者降低涡轮增压器冷凝物的形成，或类似情况。在另一个实例中，该取代可以提供另一个HP/LP EGR比率以便通过例如影响进气或排气子系统温度来维护该发动机系统10。例如，可以提高排气子系统的温度来使柴油机微粒过滤器再生，以及降低进气温度来冷却该发动机12。作为另一个实例，可以控制进气温度来降低在该入口进气通道中形成冷凝水潜在可能性。

在任何情况下，该优化方框402根据其一个或多个模型处理这些输入来确定该总HP/LP EGR比率并且随后产生HP EGR设置点420，它在下游被馈入到该HP EGR控制方框74和算术节点422，它也接收来自该顶级发动机控制模块62的该总EGR分数设置点418以产生LP EGR设置点424。

第三，并且仍参照图4，该总EGR分数闭环控制方框406可以是任何适当的闭环控制装置，如PID控制器模块或类似装置，用于控制该总EGR分数。该闭环控制方框406包括设置点输入406a，用于从该顶级发动机控制模块62接收该目标总EGR分数设置点，并且进一步可以包括过程变量输入406b，用于从该估算器方框404接收该实际总EGR分数估算值。该总EGR分数控制方框406处理这些输入来产生反馈控制信号或调节命令406c，用于在另一个算术节点上与LP EGR设置点424求和，用于在该LP EGR控制方框72的下游输入。这一微调调节也可以或者替代地计算成对该LP EGR阀和/或排气节流阀百分比打开命令的调节并且添加在该LP EGR开环控制方框72之后。相应地，该控制方框406和多个关联节点可以在其下游侧与该开环控制方框72通信以调节用于该阀门与节流器打开百分比的适当的设置点。

因为该HP EGR流量仅仅是开环控制，所以该LP EGR流量或部分是通过该闭环控制方框406来调节以实现目标总EGR分数。更确切地说，因为废气排放与发动机的燃料经济均与总EGR分数高度相关又在更小的程度上与该HP/LP EGR比率有关，所以为了最大限度的控制，该总EGR分数采用闭环控制，而为了最好的成本效益和效率，该HP与/或LP EGR分数和/或该HP/LP EGR比率至少被部分地开环控制。这些开环控制方框72、74提供良好的响应时间，降低控制器的互相依赖，并且减小了传感器信号中的顺态效应和扰动。然而这是一个示例性方案，以下参照图8-10说明其他的方案。

第四，除该涡轮增压增加的压力409和发动机载荷与速度输入407、408之外，该LP和HP EGR控制方框72、74接收它们对应的LP和HP EGR设置点。这些LP和HP EGR控制方框72、74接收这些输入用于它们各自的LP和HP EGR致动器的开环或前馈控制。例如，这些LP和HP EGR控制方框72、74输出LP EGR阀和/或排气节流器命令430、432，和HP EGR阀和/或进气节流器命令438、440。这些LP和HP EGR控制方框72、74可以使用一个或多个模型来使得HP和LP EGR流量与适当的HP和LP EGR阀门和/或节流器位置互相关联。

如图6A和6B所示，这些LP和HP EGR控制方框72、74可以包括不同的开环控制模型。例如，该LP EGR控制方框72可以包括任何适当的一个或多个模型426来使该LP EGR设置点424与该LPEGR阀门位置互相关联，以帮助实现目标HP/LP EGR比率。同样，该LP EGR控制方框72可以包括任何适当的模型428来使该LP EGR设置点424与该排气节流器位置互相关联，以帮助实现该目标HP/LPEGR比率。这些模型426、428可以接收任何适当的输入，如该发动机载荷407、该发动机转速408、以及该涡轮增压器增加的压力409。这些模型426、428被执行以便对应地产生该LP EGR阀门命令430和/或该排气节流器命令432，供对应的致动器使用。注意这些致动器可以在开环模式下工作，或者可以与任何适当的传感器运行连接以测量致动器位置并调节这些命令来实现这些目标百分比。

同样，该HP EGR控制方框74可以包括任何适当的一个或多个模型434来使得该HP EGR设置点420与该HP EGR阀门位置互相关联以帮助实现该目标HP/LP EGR比率。而且，该HP EGR控制方框74可以包括任何适当的一个或多个模型436来使得该HP EGR设置点420与该进气节流器位置互相关联以帮助实现该目标HP/LPEGR比率。再一次，这些模型434、436可以接收任何适当的输入，例如发动机载荷407、发动机转速408、以及涡轮增压器增加的压力409。这些模型434、436被执行以便对应地产生HP EGR阀门命令438和/或进气节流器命令440，供对应的致动器使用。

图7示出LP EGR阀门和排气节流阀打开百分比与目标总EGR分数之间关系的示例性曲线。如所示，该节流阀42可以在大约0％EGR处基本关闭并且可以在大约20％EGR处逐渐地打开到基本上100％的打开状态，而该LP EGR阀门54从大约0％EGR到20％EGR基本上保持关闭。其后，该排气节流器42保持100％的打开直到该总EGR达到大约70％，并且该LP EGR阀门54在大约70％EGR处逐渐地打开到基本上100％的打开状态。其后，该LP EGR阀门54保持基本上100％的打开，而该排气节流阀42逐渐地关闭直到它在100％EGR处基本关闭。可以使用单个的、组合的LP EGR和排气节流阀来代替两个单独的阀门，只要这样的单一的阀门装置基本上能够实现刚才所说明的打开功能。

再次参照图4，该涡轮增压器增压控制方框76是任何适当的闭环控制装置，如适当的PID控制模块，用于调节多个涡轮增压器致动器以便在安全的增压涡轮工作范围内实现目标增加的压力。该控制方框76可以包括设置点输入76a来从该顶级发动机控制模块62接收增压设置点，和来自该涡轮增压器增压传感器的实际增加的压力输入76b。该控制方框76处理这些输入并产生任何适当的涡轮增压器命令输出，如可变涡轮几何形状命令444来调节该涡轮增压器18的可变叶片。

现在参见图8，替代控制流程800可以用来取代该优选的控制流程400。本实施方案在许多方面与图4的实施方案相似，并且这些实施方案之间同样的数字总体上标明贯穿附图的多个视图中相同或者相应的元件。此外，此前的实施方案的说明通过引用结合在此并且其共同的主题总体上不再这里重复。

该替代控制流程800涉及HP EGR的闭环调节而不是LPEGR。换言之，可以调节HP EGR设置点420′(而非LP EGR设置点424′)来控制总EGR分数。相应地，该闭环控制方框406′可以产生控制信号来调节HP EGR分数(而非LP EGR分数)。为了容许控制策略上的这一改变，可以配备优化方框402′来输出LP EGR设置点424′，而不是HP EGR设置点420。这一微调调节也可以或者替代地计算成对HPEGR阀和/或进气节流阀百分比的一个或多个打开命令的一种调节并且添加在该HP EGR开环控制方框74之后。相应地，该控制方框406和多个关联节点可以在其下游侧与该开环控制方框72通信以调节用于该阀门与节流器打开百分比的适当的设置点。其他方面，该流程800基本上与流程400相似。

现在参见图9，第二控制流程900可以用来取代该优选的控制流程400。本实施方案在许多方面类似于图4的实施方案，并且这些实施方案之间同样的数字总体上标明贯穿附图的多个视图中相同或者相应的元件。此外，此前的实施方案的说明通过引用结合在此并且其共同的主题总体上不再这里重复。

在该第二控制流程900中，能够以作为该HP和LP EGR设置点的相同比例给HP和LP EGR分数分配闭环控制。换言之，HP和LP EGR分数均与它们各自的EGR设置点成比例地进行闭环控制。

为了实现控制策略上的这个变化，该闭环控制方框406并不象流程400那样通过该上游算术节点426将其微调命令406c仅仅输出到该LP EGR控制方框72。而是，该微调命令被输出到该LP和HP EGR控制模块72、74的两者。为了进一步协助这一变化，比例算术方框950、952接收对应的HP和LP EGR设置点与该总EGR设置点418。来自该算术方框950、952的比例输出在多个乘法算术方框954、956处被接收，用于给其进行该闭环微调命令406c的比例分配。这些多重的输出在下游算术节点426、926处与该LP和HP EGR设置点相加求和，用于在下游的LP和HP EGR控制方框72、74处输入。这些算术方框之中能够执行一些适当的校验以避免当该总EGR分数设置点为0时除以0。在其他方面，该流程900基本上与流程400和/或800相似。

现在参见图10，第三示例性控制流程1000可以用来取代优选的控制流程400。本实施方案在许多方面与图4的实施方案相似，并且这些实施方案之间同样的数字总体上标明贯穿附图的多个视图中相同或者相应的元件。此外，此前的实施方案的说明通过引用结合在此并且其共同的主题总体上不再这里重复。

在该第三控制流程1000中，取决于任何给定时刻发动机的运转状态，闭环控制可以在LP和HP EGR开环控制方框72、74之间来回切换。换言之，HP或者是LP EGR设置点可以使用闭环控制来调节。例如，可以闭环控制HP EGR以避免当发动机系统温度相对较高、或者当需要的总EGR分数的迅速变化、或者当该涡轮增压性能为次要的或不需要时发生涡轮增压器的冷凝。

为了实现控制策略的变化，闭环控制方框1006并不象流程400那样通过该上游算术节点426仅仅给该LP EGR控制模块72提供输出。而是，该控制方框1006给该LP和HP EGR控制模块72、74的两者都提供输出。该闭环控制方框1006可以包括设置点输入1006a来从顶级发动机控制模块62接收目标总EGR分数设置点418并且进一步可以包括过程变量输入1006b来从该估算器方框404接收该实际总EGR分数估算值。该总EGR分数控制方框1006处理这些输入来产生替代微调命令；LP EGR微调命令1006c用于在算术节点426与LP EGR设置点424相加求和，用于在LP EGR控制方框72的下游输入；以及HP EGR微调命令1006d用于在另一个算术节点1026与HPEGR设置点420相加求和，用于在HP EGR控制方框74的下游输入。该控制方框1006可以在这两个输出1000c、1000d之间切换以便该LPEGR分数或者该HP EGR分数可以通过闭环控制方框1006来进行调节以实现该目标总EGR分数。在其他方面，该流程1000基本上与流程400和/或800相似。

以上不同示意性实施方案中的一个或者多个可以包括以下优点中的一个或多个。第一，总的目标EGR分数可以分配到HP和LP EGR通道的方式为首先遵守排放法规，其次优化发动机的燃料经济与性能并保护和维护发动机系统。第二，不需要使用单独的总EGR、HP EGR、或者LP EGR流量传感器，这些传感器成本昂贵、使发动机系统复杂化、并且引入故障模式。第三，可以使用一个标准的闭环控制装置来控制目标总EGR分数以及这些单独的HP和LP EGR流量，从而允许在当前的发动机控制结构中实用的和具有成本效益的实施。第四，可以使用由单个的共用致动器控制的一种组合的LP EGR阀与排气节流阀，同样地，也可以使用由单个的共用致动器控制的一种组合的HP EGR阀与进气节流阀。

以上说明的本发明实施方案本质上仅仅是示例性的并且，因此，其变化并不被认为是背离了本发明的精神与范围。

Claims (35)

1.一种在涡轮增压的发动机系统中控制排气再循环(EGR)的方法，所述发动机系统包括发动机、在上游与所述发动机连通的进气子系统、在下游与所述发动机连通的排气子系统，并包括排气节流阀、涡轮增压涡轮机上游以及涡轮增压压缩机下游的所述排气与进气子系统之间的高压EGR通道，并包括HP EGR阀门，和所述涡轮增压涡轮机下游以及所述涡轮增压压缩机上游的所述排气与进气子系统之间的低压EGR通道，并包括LP EGR阀门，所述方法包括：

将新鲜空气抽入所述进气子系统中；

通过所述进气子系统将进气导入所述发动机中；

通过所述排气子系统从所述发动机排出排气；

通过所述高压或者低压EGR通道中的至少一个将排气从所述排气子系统再循环到所述进气子系统；

检测表示总EGR分数的一个或多个代理参数；

估算响应于所述检测的代理参数的总EGR分数作为至少一个发动机系统模型的输入，并且不使用EGR流量传感器；

确定符合排气排放标准的目标总EGR分数；

在所确定的所述符合排气排放标准的目标总EGR分数的约束内确定目标HP/LP EGR比率来优化燃料经济标准；

根据所确定的所述目标HP/LP EGR比率生成HP EGR和LP EGR设置点；

确定对应于所述HP和LP EGR设置点的目标HP和LP EGR阀门打开百分比；

通过将所述估算的总EGR分数处理为过程变量输入并将所述目标总EGR分数处理为设置点输入来调节所述HP和LP EGR分数中的至少一个，其中，所述设置点或者打开百分比中的至少一个被调节；以及

将所述HP EGR和LP EGR阀门的打开百分比应用到所述HPEGR和LP EGR阀门。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个代理参数包括空气质量流量、O₂、或者发动机系统温度中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述总EGR分数的估算步骤可以包括使用所述一个或多个发动机系统模型来公式地或者经验地使所述一个或多个代理参数与所述总EGR分数互相关联。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述一个或多个发动机系统模型包括使多个EGR分数值与多个代理参数值交叉参照的查询表或者映射图中的至少一个。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述一个或多个发动机系统模型是基于发动机速度与进气歧管的压力和温度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LP EGR阀门包括进气节流阀，其中，所述阀门由共用的致动器来操作。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HP EGR阀门包括排气节流阀，其中，所述阀门由共用的致动器来操作。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用闭环控制来调节所述LP EGR设置点。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定目标HP和LP EGR打开百分比的所述步骤包括使用以发动机载荷、发动机速度以及涡轮增压器增加的压力作为输入的多个开环模型。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述打开百分比的应用方式是：所述排气节流阀在大约0％EGR处基本关闭并且在大约20％EGR处逐渐地打开到基本上100％打开的位置，而所述LP EGR阀门从大约0％EGR到20％EGR基本上保持关闭并且，此后，所述排气节流阀保持基本上100％打开直到总EGR达到大约70％，并且所述LP EGR阀门在大约70％EGR处逐渐地打开到基本上100％的打开状态，其后所述LP EGR阀门保持基本上100％的打开，而所述排气节流阀逐渐地关闭直到它在100％EGR处基本关闭。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用闭环控制来调节所述HP EGR设置点。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括根据所述HP和LP设置点的比例使用闭环控制调节所述HP和LPEGR设置点。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括依赖于在任意给定时刻发动机的运转状态使用闭环控制调节所述HP和LP EGR设置点中的一个或者另一个。

14.一种在涡轮增压的发动机系统中控制排气再循环(EGR)的方法，所述发动机系统包括发动机、在上游与所述发动机连通的进气子系统、在下游与所述发动机连通的排气子系统、涡轮增压涡轮机上游以及涡轮增压压缩机下游的所述排气子系统与进气子系统之间的高压EGR通道，并包括HP EGR阀门，以及所述涡轮增压涡轮机下游以及所述涡轮增压压缩机上游的所述排气子系统与进气子系统之间的低压EGR通道，并包括LP EGR阀门，所述方法包括：

检测表示实际总EGR分数的代理参数；

估算响应于所述检测的代理参数的实际总EGR分数作为至少一个发动机系统模型的输入，并且不使用EGR流量传感器；

确定符合排气排放标准的目标总EGR分数；

在所确定的所述符合排气排放标准的目标总EGR分数的约束内确定目标HP/LP EGR比率来优化其它的发动机系统标准；

根据所确定的所述目标HP/LP EGR比率生成HP EGR和LP EGR的设置点；

确定对应于所述HP和LP EGR设置点的目标HP和LP EGR阀门打开百分比；

使用闭环控制来调节所述HP和LP EGR分数中的至少一个，其中，所述HP或LP EGR设置点或者打开百分比中的至少一个被调节；以及

将所述HP EGR和LP EGR阀门的打开百分比应用到所述HPEGR和LP EGR阀门上。

15.一种在涡轮增压的发动机系统中控制排气再循环(EGR)的方法，所述发动机系统包括发动机、在上游与所述发动机连通的进气子系统、在下游与所述发动机连通的排气子系统、涡轮增压涡轮机上游以及涡轮增压压缩机下游的所述排气子系统与进气子系统之间的高压EGR通道，以及所述涡轮增压涡轮机下游以及所述涡轮增压压缩机上游的所述排气子系统与进气子系统之间的低压EGR通道，所述方法包括：

确定符合排气排放标准的目标总EGR分数；以及

在所确定的所述符合排气排放标准的目标总EGR分数的约束内确定目标HP/LP EGR比率来优化其它的发动机系统标准，其中在确定所述目标HP/LP EGR比率的所述步骤中的所述其他发动机系统标准包括燃料经济标准、发动机系统性能标准、发动机系统保护标准或者发动机系统维护标准中的至少一个。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述燃料经济标准包括允许在不需要关闭进气或排气节流器的情况下获得所述总EGR分数或者为得到最大燃料经济而获得最优进气温度，这种关闭倾向于负面地影响燃料经济。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述发动机系统性能标准包括提高的扭矩输出。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述发动机系统保护标准包括避免涡轮增压器过速、过度的压缩机尖端温度或涡轮增压器冷凝形成的降低。

19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述发动机系统维护标准包括提高排气温度以再生柴油机微粒过滤器、降低进气温度用于冷却发动机或控制进气温度以降低进气冷凝。

20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所确定的所述目标HP/LP EGR比率生成HP EGR和LP EGR的设置点；

确定对应于所述HP和LP EGR设置点的目标HP和LP EGR阀门打开百分比；

使用闭环控制来调节所述HP和LP EGR分数中的至少一个，其中，所述HP或LP EGR设置点或者打开百分比中的至少一个被调节；以及

将所述HP EGR和LP EGR阀门的打开百分比分别地应用到各自HP和LP EGR通道的HP EGR和LP EGR阀门上。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括所述涡轮增压器的闭环控制。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述LP EGR阀门包括进气节流阀，其中，所述阀门由共用的致动器来操作。

23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述HP EGR阀门包括排气节流阀，其中，所述阀门由共用的致动器来操作。

24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，确定目标HP/LPEGR比率的所述步骤包括使用涡轮增压器效率模型。

25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用闭环控制来调节所述LP EGR设置点。

26.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，确定目标HP和LP EGR阀门的打开百分比的所述步骤包括使用以发动机载荷、发动机速度以及涡轮增压器增加的压力作为输入的多个开环模型。

27.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用闭环控制来调节所述HP EGR设置点。

28.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括根据所述HP和LP设置点的比例使用闭环控制调节所述HP和LPEGR设置点。

29.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括依赖于在任意给定时刻发动机的运转状态使用闭环控制调节所述HP和LP EGR设置点中的一个或者另一个。

30.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

检测表示实际总EGR分数的代理参数；

估算响应于所述检测的代理参数的实际总EGR分数作为至少一个发动机系统模型的输入，并且不使用EGR流量传感器。

31.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，确定所述目标HP/LP EGR比率的所述步骤包括在所确定的目标总EGR分数的约束内，放弃所述燃料经济标准而使用所述其他发动机系统标准。

32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述其他发动机系统标准包括发动机系统性能。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述其他发动机系统标准还包括发动机系统保护或者维护规范中的至少一个。

34.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括所述涡轮增压器的闭环控制。

35.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，确定目标HP/LPEGR比率的所述步骤包括使用涡轮增压器效率模型。

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