CN101994565B - 用于顺序起动的涡轮增压器的模式转变系统和方法 - Google Patents

用于顺序起动的涡轮增压器的模式转变系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于顺序起动的涡轮增压器的模式转变系统和方法。具体地，提供了一种用于顺序起动的涡轮增压器的系统，包括模式选择模块、前馈选择模块和控制环模块。模式选择模块基于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动机模式信号产生控制模式信号。控制模式信号指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种。前馈选择模块基于控制模式信号、发动机速度信号和发动机扭矩信号确定前馈值。当控制模式信号从开环控制模式转变到闭环控制模式时，控制环模块根据下述中的至少一种确定环控制值：基于前馈值、可变几何涡轮控制信号和误差信号；或者基于旁通阀控制信号和误差信号。

Description

用于顺序起动的涡轮增压器的模式转变系统和方法
技术领域
本发明涉及内燃发动机，更具体地，涉及顺序起动的涡轮增压器控制系统。
背景技术
本文所提供的背景技术描述目的在于从总体上呈现本发明的背景。发明人的一部分工作在背景技术部分中被描述，这部分内容以及在提交申请时该描述中不另构成现有技术的方面，既不明确也不暗示地被承认是破坏本发明的现有技术。
内燃发动机(ICE)可利用顺序起动的涡轮增压器通过将额外的空气输送进入ICE的汽缸来提高扭矩输出。顺序起动的涡轮增压器可以是两级涡轮增压器系统。顺序起动的涡轮增压器可包括按顺序布置的高压涡轮增压器和低压涡轮增压器。高压涡轮增压器可包括高压涡轮和高压压缩机。低压涡轮增压器可包括低压涡轮和低压压缩机。
高压涡轮和低压涡轮可被分别控制以调节排气流。当发动机以低速工作时，排气流动穿过高压涡轮，然后穿过低压涡轮。排气穿过这些涡轮的流动可降低涡轮增压器增压的响应时间，该响应时间被称为涡轮迟滞。
可利用旁通阀(BPV)和可变几何涡轮(VGT)来控制涡轮迟滞。高压涡轮可包括BPV和VGT。VGT具有一组可运动的叶片，这些可运动的叶片用于控制流过VGT的排气压力。排气流量在低发动机速度时是低的。当流过VGT的排气流量低时，叶片被部分地关闭以使VGT加速。使VGT加速提高了输送到高压涡轮增压器中的高压压缩机的增压压力。随着发动机速度提高，叶片被打开以降低VGT的速度。VGT的速度降低防止了增压压力超过预定水平。当VGT以高速工作时，BPV可打开，从而使排气流改道穿过BPV。BPV在VGT的增压压力超过预定水平之前释放该增压压力。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种系统，其包括模式选择模块、前馈选择模块和控制环模块。所述模式选择模块基于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动机模式信号产生控制模式信号。所述控制模式信号指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种。所述前馈选择模块基于所述控制模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号确定前馈值。当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，所述控制环模块基于所述前馈值、可变几何涡轮(VGT)控制信号和误差信号来确定环控制值。
在其他特征中，提供了一种控制顺序起动的涡轮增压器的方法。所述方法包括基于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动机模式信号来产生控制模式信号。所述控制模式信号指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种。基于所述控制模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号确定前馈值。当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，基于所述前馈值、可变几何涡轮(VGT)控制信号和误差信号来确定环控制值。
本发明还提供了以下方案：
方案1.一种用于顺序起动的涡轮增压器的系统，包括：
模式选择模块，所述模式选择模块基于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动机模式信号产生控制模式信号；
其中，所述控制模式信号指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种；
前馈选择模块，所述前馈选择模块基于所述控制模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号确定前馈值；和
控制环模块，当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，所述控制环模块基于所述前馈值、可变几何涡轮控制信号和误差信号确定环控制值。
方案2.如方案1所述的系统，进一步包括发动机模式检测模块，所述发动机模式检测模块基于所述发动机速度信号、所述发动机扭矩信号、空气质量流量信号和海拔高度中的至少一个产生所述发动机模式信号。
方案3.如方案1所述的系统，进一步包括：
求和模块，其基于所述前馈值和所述环控制值确定求和值；
信号选择模块，其基于所述求和值和所述前馈值产生选定的可变几何涡轮信号；
界限模块，其基于所述选定的可变几何涡轮信号产生比例缩放的可变几何涡轮信号；和
致动模块，其基于所述比例缩放的可变几何涡轮信号产生所述可变几何涡轮控制信号以致动所述顺序起动的涡轮增压器的可变几何涡轮中的多个叶片。
方案4.如方案3所述的系统，其中，包括涡轮增压器控制模块，所述涡轮增压器控制模块包括所述模式选择模块、所述前馈选择模块和所述控制环模块，并且所述涡轮增压器控制模块基于发动机速度和发动机负载使所述可变几何涡轮工作在所述闭环控制模式中；
其中，所述致动模块基于所述发动机速度和所述发动机负载之间的关系关闭所述顺序起动的涡轮增压器的旁通阀。
方案5.如方案4所述的系统，其中，当旁通阀位置信号大于预定位置值时，所述涡轮增压器控制模块分别基于所述可变几何涡轮控制信号和旁通阀控制信号使所述可变几何涡轮和所述旁通阀工作在所述开环控制模式中。
方案6.如方案4所述的系统，其中，当歧管绝对压力信号在预定时间段内都大于预定压力并且可变几何涡轮位置信号在所述预定时间段内都小于预定阈值时，所述涡轮增压器控制模块使所述可变几何涡轮工作在所述开环控制模式中并且使所述旁通阀工作在所述闭环控制模式中。
方案7.如方案1所述的系统，进一步包括：
高压压缩机检测模块，其基于来自歧管绝对压力传感器的歧管绝对压力信号和来自高压压缩机入口温度传感器的温度信号产生修正的空气流量值；
设置点选择模块，其基于所述发动机模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号中的至少一个产生设置点信号；和
误差模块，其基于所述设置点信号和所述歧管绝对压力信号之间的差产生所述误差信号。
方案8.如方案7所述的系统，其中，所述模式选择模块基于可变几何涡轮位置信号、旁通阀位置信号、所述修正的空气流量值、高压压缩机压力比和所述误差信号中的至少一个产生所述控制模式信号；
其中，基于高压压缩机入口压力和高压压缩机出口压力之间的压力比确定所述高压压缩机压力比。
方案9.如方案1所述的系统，其中，当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，所述控制环模块基于旁通阀控制信号和所述误差信号确定所述环控制值。
方案10.如方案9所述的系统，进一步包括：
信号选择模块，其基于所述环控制值和所述前馈值产生选定的旁通阀信号；
界限模块，其基于所述选定的旁通阀信号产生比例缩放的旁通阀信号；和
致动模块，其基于所述比例缩放的旁通阀信号产生所述旁通阀控制信号以致动所述顺序起动的涡轮增压器的旁通阀。
方案11.一种控制顺序起动的涡轮增压器的方法，包括：
基于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动机模式信号产生控制模式信号；
指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种；
基于所述控制模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号确定前馈值；和
当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，基于所述前馈值、可变几何涡轮控制信号和误差信号确定环控制值。
方案12.如方案11所述的方法，进一步包括：基于所述发动机速度信号、所述发动机扭矩信号、空气质量流量信号和海拔高度中的至少一个产生所述发动机模式信号。
方案13.如方案11所述的方法，进一步包括：
基于所述前馈值和所述环控制值确定求和值；
基于所述求和值和所述前馈值产生选定的可变几何涡轮信号；
基于所述选定的可变几何涡轮信号产生比例缩放的可变几何涡轮信号；和
基于所述比例缩放的可变几何涡轮信号产生所述可变几何涡轮控制信号以致动所述顺序起动的涡轮增压器的可变几何涡轮中的多个叶片。
方案14.如方案13所述的方法，进一步包括：
基于发动机速度和发动机负载使所述可变几何涡轮工作在所述闭环控制模式中；
基于所述发动机速度和所述发动机负载之间的关系关闭所述顺序起动的涡轮增压器的旁通阀。
方案15.如方案14所述的方法，进一步包括：当旁通阀位置信号大于预定位置值时，分别基于所述可变几何涡轮控制信号和旁通阀控制信号使所述可变几何涡轮和所述旁通阀工作在所述开环控制模式中。
方案16.如方案14所述的方法，进一步包括：当歧管绝对压力信号在预定时间段内都大于预定压力并且可变几何涡轮位置信号在所述预定时间段内都小于预定阈值时，使所述可变几何涡轮工作在所述开环控制模式中，并且使所述旁通阀工作在所述闭环控制模式中。
方案17.如方案11所述的方法，进一步包括：
基于来自歧管绝对压力传感器的歧管绝对压力信号和来自高压压缩机入口温度传感器的温度信号产生修正的空气流量值；
基于所述发动机模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号中的至少一个产生设置点信号；和
基于所述设置点信号和所述歧管绝对压力信号之间的差产生所述误差信号。
方案18.如方案17所述的方法，进一步包括：
基于可变几何涡轮位置信号、旁通阀位置信号、所述修正的空气流量值、高压压缩机压力比和所述误差信号中的至少一个产生所述控制模式信号；和
基于高压压缩机入口压力和高压压缩机出口压力之间的压力比确定所述高压压缩机压力比。
方案19.如方案11所述的方法，进一步包括：当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，基于旁通阀控制信号和所述误差信号确定所述环控制值。
方案20.如方案19所述的方法，进一步包括：
基于所述环控制值和所述前馈值产生选定的旁通阀信号；
基于所述选定的旁通阀信号产生比例缩放的旁通阀信号；和
基于所述比例缩放的旁通阀信号产生所述旁通阀控制信号以致动所述顺序起动的涡轮增压器的旁通阀。
通过后文提供的详细描述将明了本发明更多的应用领域。应当理解的是，这些详细描述和特定示例仅仅用于说明的目的，而并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
根据详细描述和附图，本发明将得到更加全面的理解，附图中：
图1是根据本发明实施例的发动机控制系统的功能框图；
图2是根据本发明实施例的VGT控制系统的功能框图；
图3是根据本发明实施例的BPV控制系统的功能框图；
图4A和图4B示出了根据本发明实施例的对VGT和BPV进行控制的方法。
具体实施方式
下面的描述本质上仅仅是示例性的，并不试图以任何方式限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同附图标记来指示相似元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当解释为指的是使用了非排他性逻辑“或”的逻辑“A或者B或者C”的含义。应当理解的是，在不改变本发明原理的情况下，方法内的步骤可按照不同顺序执行。
如本文所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用处理器、专用处理器或组处理器)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他适合部件。
发动机可构造有顺序起动的涡轮增压器以调节供应到发动机汽缸的空气流。空气流可由多个控制致动器控制。控制致动器可包括VGT和BPV。VGT和BPV在不同发动机条件下以不同控制模式工作。控制模式可在开环控制模式和闭环控制模式之间切换。希望获得控制模式之间的平滑转变(即最小的增压压力变化)以达到排放目标，满足燃料经济性目标以及改善驾驶性能。由于这些控制致动器的高度非线性特性，所以如果没有被适当地控制，则该转变可能会不平滑。
本发明的实施例提供了用于控制顺序起动的涡轮增压器的技术。这些技术可降低增压压力的变化量并且提供控制模式之间的平滑转变。这提高了燃料经济性并且改善了发动机耐用性，同时还满足了排放要求。
在图1中，示出了车辆的示例性发动机控制系统10。发动机控制系统10可包括发动机12和涡轮增压器控制系统14。涡轮增压器控制系统14可包括具有两级涡轮增压器系统18的发动机控制模块16。两级涡轮增压器系统18致动VGT 20和BPV 22以控制供应到发动机12用于燃烧的空气量。
发动机控制模块16可包括涡轮增压器控制模块24。涡轮增压器控制模块24协调对VGT 20和BPV 22的控制。涡轮增压器控制模块24可包括VGT控制模块26和BPV控制模块28。VGT控制模块26基于发动机速度信号EngSpd、发动机扭矩信号EngTrq、发动机模式信号EngMod和BPV位置信号BPVpos来控制VGT 20中的叶片的打开和关闭。图2示出了VGT控制模块的一个示例。BPV控制模块28基于发动机速度信号EngSpd、发动机扭矩信号EngTrq、误差信号ERR、VGT位置信号VGTpos、修正的空气流量值CorrAir和压力比PresRatio来控制BPV 22的打开和关闭。图3示出了BPV控制模块的一个示例。
在发动机工作期间，空气被吸入进气歧管30。进气歧管30内的空气被分配到汽缸32内。进气歧管绝对压力(MAP)传感器34可检测进气歧管30内的空气压力并且产生MAP信号MAP。尽管图1示出了六个汽缸，但发动机12也可包括任意数量的汽缸32。虽然示出的是汽油驱动的内燃发动机，但本文所公开的实施例也适用于柴油或替代性燃料供能的发动机。
混合有空气的燃料经由燃料轨36、38被吸入汽缸32。空气/燃料混合物在汽缸32内被压缩并且被点燃以产生驱动扭矩。驱动扭矩可提高发动机速度。发动机速度传感器40可以每分钟转数(RPM)为单位来测量发动机12的速度。汽缸32内的燃烧排气经由排气歧管42、44被排出。排气通过排气导管46、48行进，并被引导到两级涡轮增压器系统18。
两级涡轮增压器系统18可包括高压涡轮增压器50和低压涡轮增压器52。高压涡轮增压器50可包括VGT 20和高压压缩机54。当排气流过VGT 20时，高压压缩机54旋转并且迫使空气进入汽缸32。VGT 20可具有一组可运动的叶片(未示出)以控制流过高压涡轮增压器50的排气压力。当排气流量为低时，叶片被部分地关闭以提高高压涡轮增压器50的速度。随着发动机速度提高，叶片可打开以降低高压涡轮增压器50的速度。
低压涡轮增压器52可包括固定几何涡轮(FGT)56和低压压缩机58。流过FGT 56的排气导致低压压缩机58旋转并且对空气进行压缩。当发动机12以低速工作时，排气从排气歧管42、44流入VGT 20，然后穿过FGT 56。通过允许排气流过高压涡轮增压器50然后流过低压涡轮增压器52，涡轮迟滞可被降低。随着发动机速度提高，BPV 22可打开以使排气流旁通并且允许排气流过FGT 56。压缩机旁通阀(CBPV)60可与BPV 22协同工作。在另一个实施例中，CBPV 60和BPV 22可独立地工作。CBPV 60防止高压压缩机54旋转得快于预定速度，而导致对两级涡轮增压器系统18的损害。
在图2中，示出了用于两级涡轮增压器系统18的VGT 20的涡轮增压器控制系统14。涡轮增压器控制系统14可包括VGT控制模块26。VGT控制模块26可包括VGT模式选择模块200、前馈选择模块202和控制环模块204。
VGT模式选择模块200可接收来自传感器206的信号。传感器206可包括MAP传感器34、发动机速度传感器40、发动机扭矩传感器208、BPV位置传感器210和其他多个传感器212。其他多个传感器212可包括氧传感器、发动机冷却剂温度传感器、空气质量流量(MAF)传感器和/或高度传感器。
发动机速度传感器40可产生以RPM为单位指示发动机速度的发动机速度信号EngSpd。发动机扭矩传感器208可产生指示发动机12输出扭矩的发动机扭矩信号EngTrq。BPV位置传感器210可产生对应于BPV 22打开量的BPV位置信号BPVpos，包括完全关闭、完全打开和在它们之间的位置。发动机模式检测模块214可基于接收自一组传感器206的信号产生发动机模式信号EngMod。
VGT模式选择模块200可基于发动机速度信号EngSpd、发动机扭矩信号EngTrq、BPV位置信号BPVpos和发动机模式信号EngMod来产生控制模式信号Ctrl。控制模式信号Ctrl指示了VGT 20以其进行工作的控制模式。控制模式可以是开环控制模式和闭环控制模式中的至少一种。开环控制模式指示涡轮增压器控制系统14是在没有反馈的情况下基于输入信号而被控制的，所述输入信号例如是发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq。一组输入信号可用于确定前馈值以使VGT 20和BPV 22工作。处于开环控制模式中的系统是开环控制系统。
不过，利用反馈了的系统是闭环控制系统。反馈被用于对关于使VGT 20和BPV 22工作的控制信号的变化作出决定。闭环控制模式指示了涡轮增压器控制系统14由接收设置点信号和前馈值的反馈系统控制。设置点信号指示了作为反馈系统输入的期望VGT或BPV位置。前馈值可以是输入到反馈系统的另外的输入。闭环控制系统比开环控制系统提供了更高的准确度，因为闭环控制系统能够基于反馈来调节控制信号。
VGT模式选择模块200将控制模式信号Ctrl传输到前馈选择模块202和信号选择模块216。前馈选择模块202可接收控制模式信号Ctrl并且基于控制模式信号Ctrl、发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngSpd确定前馈值。前馈值可存储在查找表中并且可基于发动机速度和发动机扭矩而被索引。取决于涡轮增压器控制系统14的控制模式，查找表可包括不同组的前馈值。
仅作为示例，当控制模式信号指示开环控制模式时，前馈选择模块202可从开环VGT查找表218中获取开环前馈值olFFV。开环VGT查找表218可包括由发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq索引的一组表(例如，表1-N，其中N为整数)。类似地，当控制模式信号Ctrl指示闭环控制模式时，前馈选择模块202可从闭环VGT查找表220中获取闭环前馈值clFFV。闭环VGT查找表220可以包括基于发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq索引的一组表。
在开环控制模式中，前馈选择模块202可将开环前馈值olFFV传输到信号选择模块216。信号选择模块216可选择下述之一：开环前馈值olFFV以及由求和模块222产生的求和值SUM。信号选择模块216可基于开环前馈值olFFV、求和值SUM和控制模式信号Ctrl来产生选定的VGT信号sVGT。信号选择模块216可将选定的VGT信号sVGT传输到界限模块224。
界限模块224将选定的VGT信号sVGT比例缩放到VGT 20的工作范围内。例如，如果0代表VGT关闭状态而1代表VGT打开状态，则界限模块224可将选定的VGT信号sVGT比例缩放到介于0和1之间的值。界限模块224基于选定的VGT信号sVGT产生比例缩放的VGT信号cVGT，并且将比例缩放的VGT信号cVGT传输到致动模块226。致动模块226可基于比例缩放的VGT信号cVGT产生VGT控制信号VGTctrl以致动VGT 20内的叶片。
在闭环控制模式中，前馈选择模块202可将闭环前馈值clFFV传输到控制环模块204。控制环模块204可以是单输入单输出(SISO)控制器或者多输入多输出(MIMO)控制器。例如，控制环模块204可以是比例积分微分(PID)控制器或者其变型(例如PI控制器)。
控制环模块204基于闭环前馈值clFFV、VGT控制信号VGTctrl和误差信号ERR来确定环控制值PIDOUT。误差信号可由误差模块228基于设置点信号SetPt和MAP信号MAP产生。误差模块228将设置点选择模块230产生的设置点信号SetPt与来自MAP传感器34的MAP信号MAP比较。误差模块228产生误差信号ERR，误差信号ERR代表设置点信号SetPt和MAP信号MAP之间的差。
设置点信号SetPt可由设置点选择模块230基于发动机模式信号EngMod、发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq产生。仅作为示例，设置点选择模块230可从VGT设置点查找表232获取VGT设置点值。VGT设置点查找表可包括基于发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq索引的一组表(例如表1-M，其中M是整数)。
控制环模块204可将环控制值PIDOUT传输到求和模块222。求和模块222将环控制值PIDOUT和开环前馈值olFFV相加以产生求和值SUM。求和模块222将求和值SUM传输到信号选择模块216。信号选择模块216可选择下述之一：开环前馈值olFFV和求和值SUM。信号选择模块216可基于开环前馈值olFFV、求和值SUM和控制模式信号Ctrl产生选定的VGT信号sVGT。信号选择模块216可将选定的VGT信号sVGT传输到界限模块224。
在开环控制模式中时，界限模块224将选定的VGT信号sVGT比例缩放到VGT 20的工作范围内。界限模块224基于选定的VGT信号sVGT产生比例缩放的VGT信号cVGT并且将比例缩放的VGT信号cVGT传输到致动模块226。致动模块226可基于比例缩放的VGT信号cVGT产生VGT控制信号VGTctrl以致动VGT 20内的叶片。另外，致动模块226将VGT控制信号VGTctrl传输到控制环模块204。这提供了用于闭环控制的反馈路径。
在图3中，示出了用于两级涡轮增压器系统18的BPV 22的涡轮增压器控制系统14。涡轮增压器控制系统14可包括BPV控制模块28。BPV控制模块28可包括BPV模式选择模块300、前馈选择模块302和控制环模块304。
BPV模式选择模块300可接收来自传感器306的信号。传感器306可包括MAP传感器34、发动机速度传感器40、发动机扭矩传感器308、VGT位置传感器310和高压压缩机(HPC)入口温度传感器312。发动机速度传感器40可产生以RPM为单位指示发动机速度的发动机速度信号EngSpd。发动机扭矩传感器308可产生指示发动机12输出扭矩的发动机扭矩信号EngTrq。VGT位置传感器310可产生对应于VGT叶片(未示出)打开量的VGT位置信号VGTpos，包括完全关闭、完全打开和它们之间的位置。
BPV模式选择模块300可基于发动机速度信号EngSpd、发动机扭矩信号EngTrq、VGT位置信号VGTpos、修正的空气流量值CorrAir、HPC压力比PresRatio和误差信号ERR来产生控制模式信号Ctrl。修正的空气流量值CorrAir可由HPC检测模块314基于来自MAP传感器34的MAP信号MAP以及来自HPC入口温度传感器312的温度信号HPCtemp来确定。HPC压力比PresRatio也可由HPC检测模块314基于HPC入口压力和HPC出口压力之间的压力比来确定。HPC入口压力是在HPC 54的入口处测得的压力值。HPC出口压力是在HPC 54的出口处测得的压力值。误差信号ERR可由误差模块328基于设置点信号SetPt和MAP信号MAP产生。
BPV模式选择模块300将控制模式信号Ctrl传输到前馈选择模块302和信号选择模块316。前馈选择模块302可接收控制模式信号Ctrl，并且基于控制模式信号Ctrl、发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq确定前馈值。前馈值可存储在基于发动机速度和发动机扭矩索引的查找表中。取决于涡轮增压器控制系统14的控制模式，查找表可包括不同组的前馈值。
仅作为示例，当控制模式信号Ctrl指示开环控制模式时，前馈选择模块302可从开环BPV查找表318获取开环前馈值olFFV。开环BPV查找表可包括基于发动机速度信号和发动机扭矩信号索引的一组表(例如表1-N，其中N为整数)。类似地，当控制模式信号Ctrl指示闭环控制模式时，前馈选择模块302可从闭环BPV查找表320获取闭环前馈值clFFV。闭环BPV查找表可包括基于发动机速度信号和发动机扭矩信号索引的一组表。
在开环控制模式中，前馈选择模块302可将开环前馈值olFFV传输到信号选择模块316。信号选择模块316可选择下述之一：开环前馈值olFFV以及由控制环模块304产生的环控制值PIDOUT。信号选择模块316可基于开环前馈值olFFV、环控制值PIDOUT和控制模式信号Ctrl产生选定的BPV信号sBPV。信号选择模块316可将选定的BPV信号sBPV传输到界限模块324。
界限模块324将选定的BPV信号sBPV比例缩放到BPV 22的工作范围内。界限模块324基于选定的BPV信号sBPV产生比例缩放的BPV信号cBPV，并且将比例缩放的BPV信号cBPV传输到致动模块326。致动模块326可基于比例缩放的BPV信号cBPV产生BPV控制信号BPVctrl以致动BPV 22。
在闭环控制模式中，前馈选择模块302可将闭环前馈值clFFV传输到控制环模块304。控制环模块304可以是单输入单输出(SISO)控制器或者多输入多输出(MIMO)控制器。例如，控制环模块304可以是比例积分微分(PID)控制器或者其变型(例如PI控制器)。
控制环模块304基于BPV控制信号BPVctrl和误差信号ERR确定环控制值PIDOUT。误差信号可由误差模块328基于设置点信号SetPt和MAP信号MAP产生。误差模块328将由设置点选择模块330产生的设置点信号SetPt与来自MAP传感器34的MAP信号MAP比较。误差模块328产生误差信号ERR，误差信号ERR代表了设置点信号SetPt和MAP信号MAP之间的差。
设置点信号SetPt可由设置点选择模块330基于发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq产生。仅作为示例，设置点选择模块330可从BPV设置点查找表332获取BPV设置点值。BPV设置点查找表可包括基于发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq索引的一组表(例如表1-M，其中M是整数)。
控制环模块304可将环控制值PIDOUT传输到信号选择模块316。选择模块316可选择下述之一：开环前馈值olFFV和环控制值PIDOUT。信号选择模块316可基于开环前馈值olFFV、环控制值PIDOUT和控制模式信号Ctrl产生选定的BPV信号sBPV。信号选择模块316可将选定的BPV信号sBPV传输到界限模块324。
当在开环控制模式中时，界限模块324将选定的BPV信号sBPV比例缩放到BPV 22的工作范围内。界限模块324基于选定的BPV信号sBPV产生比例缩放的BPV信号cBPV，并且将比例缩放的BPV信号cBPV传输到致动模块326。致动模块326可基于比例缩放的BPV信号cBPV产生BPV控制信号BPVctrl以致动BPV 22。另外，致动模块326可将BPV控制信号BPVctrl传输到控制环模块304。这提供了用于闭环控制的反馈路径。
尽管参照示例性发动机控制模块16分别描述了VGT控制模块26和BPV控制模块28，但本发明的控制模块26、28也可组合成一个系统或者也可分布在不同的系统中。仅作为示例，VGT控制模块26和BPV控制模块28可一起组合到一个系统中。组合到一起的VGT模式选择模块200和BPV模式选择模块300可产生分别用于VGT和BPV的控制模式信号。而且，信号选择模块216、316可作为一个系统工作。另外，界限模块224、324以及致动模块226、326也可在同一系统中以对VGT和BPV进行致动。
在图4A和图4B中，示出了对涡轮增压器控制系统14的VGT 20和BPV 22进行控制的示例性方法。尽管下面的步骤主要是参照图1-3的实施例进行描述的，但这些步骤也可得到修改以适用于本发明的其他实施例。
方法可开始于步骤400。在步骤402中，VGT模式选择模块200可初始地产生指示开环控制模式的控制模式信号Ctrl。开环控制模式指示VGT 20中的叶片是基于输入信号而被致动的。输入信号可包括发动机速度信号EngSpd、发动机扭矩信号EngTrq、BPV位置信号BPVpos和发动机模式信号EngMod。在步骤404中，致动模块326将BPV 22初始设置成处于完全关闭位置。
在步骤406中，发动机模式检测模块214基于接收自一组传感器206的多个信号产生发动机模式信号EngMod。仅作为示例，发动机模式信号EngMod可由公式(1)限定。
EngMod＝F{RPM，L，ALT，TORQ}    (1)
RPM是发动机速度。L是发动机负载并且可基于MAF信号确定。MAF传感器可产生MAF信号，MAF信号指示流过进气歧管30的入口的空气流率。ALT是海拔高度并且TORQ是发动机扭矩。发动机模式检测模块214将发动机模式信号EngMod传输到VGT模式选择模块200和设置点选择模块230。
在步骤408中，前馈选择模块202基于控制模式信号Ctrl、发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq从开环VGT查找表218获取开环前馈值olFFV。例如，当VGT 20处于开环控制模式中时，前馈选择模块202选择开环VGT查找表218。前馈选择模块202获取存储在开环VGT查找表218中的开环前馈值olFFV，开环VGT查找表218基于发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq索引。
在步骤410中，当发动机速度大于预定值PredRPM时，控制方法可前进到步骤412。否则，控制方法可返回到步骤406。在步骤412中，当发动机负载大于预定值PredMAF时，控制方法可前进到步骤414。否则，控制方法可返回到步骤406。在步骤410和412中，VGT模式选择模块200确定VGT 20是否可处于闭环控制模式中。满足步骤410和步骤412中的两个条件则表明VGT 20可在闭环控制模式下被致动。
在步骤414中，控制环模块204可接收来自VGT位置传感器310的VGT位置信号VGTpos。VGT位置信号VGTpos的当前值可被存储在存储器中并且可被获取用于后续计算。例如，VGT位置信号VGTpos的当前值可用于确定PID控制器的积分值。控制环模块204可以是具有三个独立参数的PID控制器，这三个独立参数为：比例(P)值、积分(I)值和微分(D)值。调整这些参数是为了实现用于期望控制响应的优化的P、I和D值。优化的值可提供开环控制模式和闭环控制模式之间的平滑转变。
P值可指示对当前误差的反应。I值可指示基于误差之和的反应。D值可指示基于当前误差变化率的反应。三个值P、I、D的加权和可用于确定PID控制器的环控制值PIDOUT。仅作为示例，环控制值PIDOUT可由公式(2)限定。
PIDOUT＝P+I+D    (2)
P可进一步由公式(3)限定。
P＝Kp*E(t)       (3)
Kp是指示比例增益的常数。E是由设置点和过程值之间的差确定的误差，其中该设置点指示了期望值而该过程值则指示了测量值。t是当前时间。I可由公式(4)进一步限定。
I = K i ∫ o t E ( t ) dt - - - ( 4 )
Ki是指示积分增益的常数。t是过去对积分响应有贡献的时间。D可进一步由公式(5)限定。
D = K d dE dt - - - ( 5 )
Kd是指示微分增益的常数。
在步骤416中，前馈选择模块202基于控制模式信号Ctrl、发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq从闭环VGT查找表220获取闭环前馈值clFFV。例如，VGT模式选择模块200可产生指示闭环控制模式的控制模式信号Ctrl。闭环控制模式指示VGT 20中的叶片是基于反馈被致动的。反馈可包括前馈值、发动机速度和发动机负载。VGT模式选择模块200将控制模式信号Ctrl传输到前馈选择模块202。前馈选择模块202选择闭环VGT查找表220。前馈选择模块202获取存储在闭环VGT查找表220中的闭环前馈值clFFV，其中闭环VGT查找表220基于发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq索引。
在步骤418中，控制环模块204将I值设置为IVGT。IVGT可被初始设置为零。然而，当IVGT等于零时，VGT叶片位置变异度(variance)可能是显著的，因为VGT叶片位置变异度是从零到当前VGT位置值来加以测量的。使VGT叶片位置变异度最小化允许提供从开环控制模式到闭环控制模式的平滑转变。
仅作为示例，IVGT可由公式(6)限定。
IVGT＝VGTPOS-FFDVGT    (6)
VGTPOS是接收自VGT位置传感器310的当前VGT位置信号。FFDVGT是由前馈选择模块202所获取的前馈值。取决于FFDVGT，IVGT可具有接近于VGTPOS的值。如果FFDVGT相对于VGTPOS是较小的数，则VGT叶片被致动到紧邻前一VGT叶片位置的位置，因为通过VGTPOS已经知道了前一VGT叶片位置。因此，VGT叶片位置变异度可以是微小的。结果，IVGT使得由VGT叶片位置的突然变化所引起的不平滑转变效应最小化。
在步骤420中，VGT 20中的叶片在闭环控制模式中基于反馈信号被致动。反馈信号可包括闭环前馈值clFFV、VGT控制信号VGTctrl和误差信号ERR。VGT控制信号VGTctrl可由致动模块226基于比例缩放的VGT信号cVGT产生。比例缩放的VGT信号cVGT可由界限模块224基于选定的VGT信号sVGT产生。选定的VGT信号sVGT可由信号选择模块216基于控制模式信号Ctrl、开环前馈值olFFV和求和值SUM产生。
在步骤422中，求和模块222将环控制值PIDOUT和开环前馈值olFFV相加以产生求和值SUM。仅作为示例，求和值SUM可由公式(7)限定。
SUM＝PIDOUT+olFFV    (7)
PIDOUT是环控制值。olFFV是开环前馈值。
在步骤424中，当输送到高压压缩机54的增压压力大于预定增压压力PredBP时，控制方法可前进到步骤426。否则，控制方法可返回到步骤402。VGT模式选择模块200接收来自MAP传感器34的MAP信号MAP以确定增压压力。预定增压压力PredBP指示排气功率具有足够的能量以在闭环控制模式中使BPV 22工作。
在步骤426中，当MAP信号MAP大于预定值MAPsetpt时，控制方法可前进到步骤428。否则，控制方法可返回到步骤420。在步骤428中，当VGT位置信号VGTpos小于预定阈值PredVGT时，控制方法可前进到步骤430。否则，控制方法可返回到步骤420。在步骤430中，当步骤426和步骤428中的条件在预定时间段PredTime内均得到满足时，控制方法可前进到步骤432。否则，控制方法可返回到步骤420。
在步骤432中，VGT 20的叶片在开环控制模式中基于输入信号被致动。在步骤434中，致动模块226基于压力比PresRatio和修正的空气流量值CorrAir将VGT叶片位置设置在最大涡轮效率处。压力比PresRatio基于HPC入口压力和HPC出口压力之间的压力比而得以确定。修正的空气流量值CorrAir可由HPC检测模块314基于来自MAP传感器34的MAP信号MAP和来自HPC入口温度传感器312的温度信号HPCtemp确定。
仅作为示例，修正的空气流量值CorrAir可由公式(8)限定。
CorrAir = ActualAirflow * ( Tin / X ) 0.5 ( Pin / Y ) - - - ( 8 )
ActualAirflow是运动穿过发动机12的空气量(例如，41.3磅/分钟)。Tin是绝对入口温度(例如，Tin＝70°F+460＝530°R)。R代表兰金温标(兰氏度)，其表示绝对温度。绝对温度是以华氏度表示的温度加上460。X是指示标准温度(例如，545°R)的常数。Pin是绝对入口压力(例如，Pin＝-0.5psig+14.7＝14.2psia，其中psi表示每平方英寸的磅数，“a”表示绝对，而“g”表示计量器)。绝对压力是由计量器测得的计量器压力加上大气压力，当计量器向外部空气开放时，计量器读数为0。大气压力在海平面处约为14.7psi。Y是指示标准压力(例如，13.949psia)的常数。
在步骤436中，控制环模块304可接收来自BPV位置传感器210的BPV位置信号BPVpos。BPV位置信号BPVpos的当前值可存储在存储器中，并且被获取以便用于后续计算。例如，BPV位置信号BPVpos的当前值可用于确定PID控制器的积分值。在步骤438中，控制环模块304将I值设置为IBPV。
仅作为示例，IBPV可由公式(9)限定。
IBPV＝BPVPOS    (9)
BPVPOS是接收自BPV位置传感器210的当前BPV位置信号。在闭环控制模式期间，用于BPV 22的前馈选择模块302所获取的前馈值被设置为零。因此，基于BPVPOS而不考虑闭环前馈值clFFV来设置IBPV。
在步骤440中，BPV 22在闭环控制模式中基于反馈信号被致动。反馈信号可包括BPV控制信号BPVctrl和误差信号ERR。在步骤422中，在当前的BPV位置信号BPVPOS等于零时(这意味着BPV 22是关闭的)，BPV 22被保持关闭并且控制方法可返回到步骤410。否则，控制方法可前进到步骤444。
在步骤444中，在当前的BPV位置信号BPVPOS大于预定阈值PredBPVPOS时，控制方法可前进到步骤446。否则，控制方法可返回到步骤440。当在闭环控制模式期间BPV打开度小于或等于预定阈值PredBPVPOS时，BPV 22可以是有效的。然而，当BPV打开度超过预定阈值PredBPVPOS时，BPV控制模块28失去增压控制，因为BPV打开度的量在空气压力中不会造成差异。
在步骤446中，BPV 22在开环控制模式中基于输入信号被致动。输入信号可包括发动机速度信号EngSpd、发动机扭矩信号EngTrq、误差信号ERR、VGT位置信号VGTpos、修正的空气流量值CorrAir和HPC压力比PresRatio。BPV 22可完全打开，并且不再产生增压压力。在步骤448中，VGT 20中的叶片在开环控制模式中基于输入信号被致动。输入信号可包括发动机速度信号EngSpd、发动机扭矩信号EngTrq、BPV位置信号BPVpos和发动机模式信号EngMod。
在步骤450中，前馈选择模块202基于控制模式信号Ctrl、发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq从开环VGT查找表218获取开环前馈值olFFV。在步骤452中，当满足了关闭BPV 22的条件时，控制方法可前进到步骤454。否则，控制方法可返回到步骤448。关闭BPV 22的条件可基于发动机速度和发动机负载之间的关系而得以确定。该关系可存储在存储器中的校正查找表内。在步骤454中，致动模块326可关闭BPV 22并且前进到步骤444。只要涡轮增压器控制系统14在工作，则控制方法可一直继续。
上述步骤应当作为示例性例子；这些步骤可在重叠时间段期间顺序地、同步地、同时地、连续地执行，或者取决于应用而按照不同顺序执行。
本公开的广泛教导可按照多种形式实施。因此，尽管本公开包括了具体示例，但本公开的真实范围却不应当限于这些具体示例，因为本领域技术人员在研究了附图、说明书和所附权利要求后将会明白其他的修改。

Claims (20)

1.一种用于顺序起动的涡轮增压器的系统，包括：
模式选择模块，所述模式选择模块基于发动机速度信号、发动机扭矩信号、旁通阀位置信号和发动机模式信号产生第一控制模式信号；
其中，所述第一控制模式信号指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种；
前馈选择模块，所述前馈选择模块基于所述第一控制模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号确定第一前馈值；和
控制环模块，当所述第一控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，所述控制环模块基于所述第一前馈值、可变几何涡轮控制信号和误差信号确定第一环控制值。
2.如权利要求1所述的系统，进一步包括发动机模式检测模块，所述发动机模式检测模块基于所述发动机速度信号、所述发动机扭矩信号、空气质量流量信号和海拔高度中的至少一个产生所述发动机模式信号。
3.如权利要求1所述的系统，进一步包括：
求和模块，其基于所述第一前馈值和所述第一环控制值确定求和值；
信号选择模块，其基于所述求和值和所述第一前馈值产生选定的可变几何涡轮信号；
界限模块，其基于所述选定的可变几何涡轮信号产生比例缩放的可变几何涡轮信号；和
致动模块，其基于所述比例缩放的可变几何涡轮信号产生所述可变几何涡轮控制信号以致动所述顺序起动的涡轮增压器的可变几何涡轮中的多个叶片。
4.如权利要求3所述的系统，其中，包括涡轮增压器控制模块，所述涡轮增压器控制模块包括所述模式选择模块、所述前馈选择模块和所述控制环模块，并且所述涡轮增压器控制模块基于发动机速度和发动机负载使所述可变几何涡轮工作在所述闭环控制模式中；
其中，所述致动模块基于所述发动机速度和所述发动机负载之间的关系关闭所述顺序起动的涡轮增压器的旁通阀。
5.如权利要求4所述的系统，其中，当旁通阀位置信号大于预定位置值时，所述涡轮增压器控制模块分别基于所述可变几何涡轮控制信号和旁通阀控制信号使所述可变几何涡轮和所述旁通阀工作在所述开环控制模式中。
6.如权利要求4所述的系统，其中，当歧管绝对压力信号在预定时间段内都大于预定压力并且可变几何涡轮位置信号在所述预定时间段内都小于预定阈值时，所述涡轮增压器控制模块使所述可变几何涡轮工作在所述开环控制模式中并且使所述旁通阀工作在所述闭环控制模式中。
7.如权利要求1所述的系统，进一步包括：
高压压缩机检测模块，其基于来自歧管绝对压力传感器的歧管绝对压力信号和来自高压压缩机入口温度传感器的温度信号产生修正的空气流量值；
设置点选择模块，其基于所述发动机模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号中的至少一个产生设置点信号；和
误差模块，其基于所述设置点信号和所述歧管绝对压力信号之间的差产生所述误差信号。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述模式选择模块还基于所述发动机速度信号、所述发动机扭矩信号、可变几何涡轮位置信号、所述修正的空气流量值、高压压缩机压力比和所述误差信号来产生第二控制模式信号；
其中，基于高压压缩机入口压力和高压压缩机出口压力之间的压力比确定所述高压压缩机压力比；以及
所述前馈选择模块还基于所述第二控制模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号确定第二前馈值。
9.如权利要求8所述的系统，其中，当所述第二控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，所述控制环模块还基于旁通阀控制信号和所述误差信号确定第二环控制值。
10.如权利要求9所述的系统，进一步包括：
信号选择模块，其基于所述第二环控制值和所述第二前馈值产生选定的旁通阀信号；
界限模块，其基于所述选定的旁通阀信号产生比例缩放的旁通阀信号；和
致动模块，其基于所述比例缩放的旁通阀信号产生所述旁通阀控制信号以致动所述顺序起动的涡轮增压器的旁通阀。
11.一种控制顺序起动的涡轮增压器的方法，包括：
基于发动机速度信号、发动机扭矩信号、旁通阀位置信号和发动机模式信号产生第一控制模式信号；
指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种；
基于所述第一控制模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号确定第一前馈值；和
当所述第一控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，基于所述第一前馈值、可变几何涡轮控制信号和误差信号确定第一环控制值。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：基于所述发动机速度信号、所述发动机扭矩信号、空气质量流量信号和海拔高度中的至少一个产生所述发动机模式信号。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
基于所述第一前馈值和所述第一环控制值确定求和值；
基于所述求和值和所述前馈值产生选定的可变几何涡轮信号；
基于所述选定的可变几何涡轮信号产生比例缩放的可变几何涡轮信号；和
基于所述比例缩放的可变几何涡轮信号产生所述可变几何涡轮控制信号以致动所述顺序起动的涡轮增压器的可变几何涡轮中的多个叶片。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
基于发动机速度和发动机负载使所述可变几何涡轮工作在所述闭环控制模式中；
基于所述发动机速度和所述发动机负载之间的关系关闭所述顺序起动的涡轮增压器的旁通阀。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括：当旁通阀位置信号大于预定位置值时，分别基于所述可变几何涡轮控制信号和旁通阀控制信号使所述可变几何涡轮和所述旁通阀工作在所述开环控制模式中。
16.如权利要求14所述的方法，进一步包括：当歧管绝对压力信号在预定时间段内都大于预定压力并且可变几何涡轮位置信号在所述预定时间段内都小于预定阈值时，使所述可变几何涡轮工作在所述开环控制模式中，并且使所述旁通阀工作在所述闭环控制模式中。
17.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
基于来自歧管绝对压力传感器的歧管绝对压力信号和来自高压压缩机入口温度传感器的温度信号产生修正的空气流量值；
基于所述发动机模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号中的至少一个产生设置点信号；和
基于所述设置点信号和所述歧管绝对压力信号之间的差产生所述误差信号。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括：
还基于所述发动机速度信号、所述发动机扭矩信号、可变几何涡轮位置信号、所述修正的空气流量值、高压压缩机压力比和所述误差信号产生第二控制模式信号；和
基于高压压缩机入口压力和高压压缩机出口压力之间的压力比确定所述高压压缩机压力比；以及
基于所述第二控制模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号确定第二前馈值。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：当所述第二控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，基于旁通阀控制信号和所述误差信号确定第二环控制值。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括：
基于所述第二环控制值和所述第二前馈值产生选定的旁通阀信号；
基于所述选定的旁通阀信号产生比例缩放的旁通阀信号；和
基于所述比例缩放的旁通阀信号产生所述旁通阀控制信号以致动所述顺序起动的涡轮增压器的旁通阀。
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