CN102297015A - 涡轮增压器控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了经由废气门控制发动机涡轮增压器的多种系统和方法。在一个示例中，当在范围之外时，废气门的致动被限制，范围的限值随增压压力、涡轮机进口压力、涡轮机出口压力和大气压力改变。以此方式，当控制增压压力并且使用增压压力来致动基于增压的废气门配置中的废气门时，跟踪误差可被减小。

Description

涡轮增压器控制系统
技术领域
本申请涉及控制带有废气门的发动机的涡轮增压器的系统。
背景技术
发动机可使用涡轮增压器来改进发动机扭矩/动力的输出密度。在一个示例中，涡轮增压器可包括压缩机和由驱动轴连接的涡轮机，其中涡轮机被联接至排气歧管侧并且压缩机被联接至进气歧管侧。以此方式，排气驱动的涡轮机将能量供给至压缩机，从而升高进气歧管中的压力(例如，增压或增压压力)并且提高空气进入发动机的流动。增压可通过例如通过废气门调整到达涡轮机的气体量而被控制。
在一个例子中，废气门可包括联接至增压压力的第一端口、联接至大气压力的第二端口和被配置为根据废气门占空比控制排气流量的阀。所述配置可被称为“基于增压的”配置，因为致动废气门阀的力来自增压压力。闭环反馈控制系统可通过命令废气门致动器调整废气门阀来控制增压压力。然而，实际上，至废气门致动器的命令不能调整增压压力范围下限和/或上限之外的废气门。例如，在低增压压力处，增压压力可能太低以至于不能致动打开废气门阀。在高增压压力下，废气门阀可被致动至末端位置(例如，完全打开)并且打开废气门阀的命令还可能不具有期望的效果。反馈控制系统可包括用于稳态轨迹跟踪的积分项。如果反馈环被破坏(例如，废气门致动器命令不具有期望的效果)，则积分项可能在反馈控制系统中引入跟踪误差(例如，积分器饱和(windup))，这可导致振荡、过度超调等。在一个解决方法中，积分器饱和可通过在增压压力的限制处冻结积分项而被减少。然而，当所述限制由于系统运行中的变化而改变时，则可再次发生控制的降级。
发明内容
本发明人在此已经认识到以上情况，其中废气门的致动可被限制在一个范围内，其中所述范围可随发动机的工况变化。解决以上问题的一个方法是包括通过由涡轮增压器产生的增压压力致动废气门的方法。当在范围之外时，废气门致动器的调整被限制，其中范围的限制可在增压压力、涡轮机进口压力、涡轮机出口压力和大气压力之间的具体相互关系中改变。以此方式，当废气门致动器在范围之外被命令致动废气门时，范围的限制可用于例如冻结积分项。因此反馈控制系统的积分器饱和可被阻止或者减小，从而增加了反馈控制系统的可预测性并且增加了增压压力的可控性，并且同时尽可能在范围的大部分内利用积分器反馈。
应该理解，提供上述概要以便以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的选择性概念。它不是意味着指出要求保护的主题的关键特征或重要特征，要求保护的主题的范围仅由随附于详细说明书的权利要求限定。此外，要求保护的主题不限于解决以上提到的或者在本公开的任何部分中指出的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1显示包括废气门的涡轮增压发动机的方块图。
图2显示包括电磁阀、废气门罐和致动废气门阀的废气门臂的废气门示意图。
图3和图4显示电磁阀如何被调节以控制废气门罐的压力的示例。
图5显示废气门罐压力的预测数据。
图6显示废气门阀和作用在废气门阀上的力的示例实施例。
图7显示废气门致动器范围在不同发动机工况上如何改变的预测数据。
图8显示由于排气压力的阀力相对增压压力和大气压力之间的差值的预测数据。
图9和图10显示经由废气门控制涡轮增压器的示例方法。
具体实施方式
以下说明涉及用于经由废气门控制内燃发动机的涡轮增压器的系统。带有包括废气门的涡轮增压器的发动机的示例实施例在图1中被说明。在示例配置中，致动废气门的力由增压压力提供。示例废气门更细节地被显示在图2中。示例废气门包括电磁阀、废气门罐和用于致动废气门阀的废气门臂。在图3和图4中，电磁阀被显示在两个位置中，从而说明电磁阀被如何用于控制废气门罐的压力。图5说明了当电磁阀被调节为如图3和图4描述的情况时废气门罐压力的预测数据。由废气门罐压力产生的力可通过致动废气门阀来控制到涡轮增压器的涡轮机的排气流动，进而用于控制涡轮增压器。废气门阀的示例实施例在图6中被说明。然而，废气门阀可具有随发动机工况改变的受限制致动范围，并且当在致动范围之外时，废气门阀的调整被限制。图7的预测数据说明了致动范围如何随发动机的工况(例如增压压力)、大气压力和由于排气压力的阀力(valve force)而改变。在一个示例中，阀力与涡轮机进口压力和涡轮机出口压力之间的差值成比例。阀力可根据增压压力和大气压力被估计，如图8的预测数据所说明的。废气门致动器的范围可被确定作为控制程序的一部分，例如在图9和图10中说明的，以用于调整图2的废气门并且控制涡轮增压器。在一个实施例中，控制程序可包括带有用于稳态跟踪的积分项的反馈控制系统。当废气门致动器被命令为致动所述致动范围之外的废气门时，致动范围的限制可用于冻结积分项。因此，反馈控制系统的积分器饱和可被阻止或减少，从而提高了反馈控制系统的可预测性。
图1显示了包括废气门的涡轮增压发动机的示例。内燃发动机10包括多个汽缸，多个汽缸中的一个汽缸被显示在图1中。发动机10可接收来自包括控制器12的控制系统的控制参数和经由输入装置132来自车辆驾驶员130的输入。在此示例中，输入装置132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134。发动机10的汽缸(在此也为“燃烧室”)14可包括燃烧室壁136，活塞138置于汽缸中。活塞138可联接至曲轴140，从而活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动。曲轴140可经由变速系统联接至乘客车辆的至少一个驱动轮。此外，起动机可经由飞轮联接至曲轴140，以使得起动发动机10的起动运转有效。
汽缸14能够经由一系列进气通道142、144和146接收进气。进气道146除了与汽缸14连通还与发动机10的其他汽缸连通。在一些实施例中，一个或多个进气道可包括涡轮增压器增压装置。例如，发动机10被配置有包括压缩机174和排气涡轮机176的涡轮增压器，所述压缩机被设置在进气通道142和144之间，所述排气涡轮机被设置在排气通道148和149之间。具体地，空气通道142被连接至压缩机进口，空气通道144被连接至压缩机出口，排气通道148被连接至涡轮机进口，并且排气通道149被连接至涡轮机出口。压缩机174可至少部分地由排气涡轮机176经由轴180驱动。废气门177包括排气流动的路径，所述路径从排气通道148开始远离涡轮机176穿过排气通道147至涡轮机176出口下游的排气通道149。可通过控制从排气通道148到达涡轮机176的入口的排气量来控制由涡轮机176供给的能量。具体地，增压压力可由从控制器12处接收的废气门控制信号(WGC)通过调节废气门阀的开放程度和/或开放持续时间而被调整。
在示例实施例中，废气门177被气动地致动以控制废气门阀以及因此的增压压力。在已知的“基于增压的”废气门配置中，废气门177包括电磁阀，所述电磁阀包括在大气压或大气压附近连接至进气通道144的第一端口(在图1中未显示)和连接至进气通道(例如进气通道142)的第二端口(在图1中未显示)。第一端口的压力处于增压压力并且使用传感器125测量。测量值经由TIP信号被发送至控制器12。大气压力可由传感器123测量并且测量值可经由PA信号被传输至控制器12。在示例实施例中，废气门阀通常关闭，但由增压压力供给的力可用于打开废气门阀。
包括节流板164的节气门162可沿发动机的进气通道被提供，以改变提供至发动机汽缸的进气流率和/或压力。例如，节气门162可被设置在压缩机174的下游，如在图1中显示的，或者可替代地被提供在压缩机174的上游。在一个实施例中，中冷器(未显示)可被设置在压缩机174的下游以冷却空气通道144和/或146中的空气。
排气通道148除在汽缸14接收排气外还从发动机10的其他汽缸接收排气。排气传感器128被显示联接至涡轮机176和排放控制装置178上游的排气通道148。在可替代实施例中，排气传感器128可被联接至涡轮机176下游和排放控制装置178上游的排气通道149。传感器128可从提供排气空气/燃料比的指示的多种适当的传感器中选择，例如线性氧传感器或者UEGO(通用或宽范围排气氧传感器)、双态氧传感器或者EGO、NOx、HC或CO传感器。排放控制装置178可以是三元催化器(TWC)、NOx捕集器、多种其他排放控制装置或者它们的组合。
排气温度可通过位于排气通道148和149中的一个或多于一个温度传感器(未显示)测量。可替代地，排气温度可基于发动机工况例如转速、负载、空燃比(AFR)、点火延迟等被推导。此外，排气温度可通过一个或多个排气传感器128计算。可理解，排气温度可替代地通过此处列出的温度估计方法的任何组合来估计。
发动机10的每一个汽缸可包括一个或多于一个进气门和一个或多于一个排气门。例如，汽缸14被显示包括位于汽缸14上部区域的至少一个菌形进气门150和至少一个菌形排气门156。在一些实施例中，发动机10的每一个汽缸(包括汽缸14)可包括位于汽缸14上部区域的至少两个菌形进气门和至少两个菌形排气门。气门的开启和闭合可通过联接至气门推杆的液压致动挺柱或者经由凸轮廓线变换机构被控制。例如，进气门150和排气门156可经由对应的凸轮致动系统151和153通过凸轮致动控制。凸轮致动系统151和153均可包括一个或多于一个凸轮并且可利用可由控制器12运行的凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或多于一个以改变气门运转。进气门150和排气门156的位置可分别通过气门位置传感器155和157确定。在可替代实施例中，进气门和/或排气门通过电子气门致动机构被控制。例如，汽缸14可替代地包括经由电子气门致动机构控制的进气门和经由包括CPS和/或VCT系统的凸轮致动机构控制的排气门。在一个具体的示例中，可使用双独立可变凸轮正时，其中进气凸轮和排气凸轮的每一个能够由控制系统独立地调整。
在一些实施例中，发动机10的每一个汽缸可包括起动燃烧的火花塞192。在选择的运行模式下，点火系统190可响应于来自控制器12的点火提前信号SA，经由火花塞192提供点火火花至燃烧室14。然而，在一些实施例中，火花塞192可被省略，例如在发动机10可通过自动点火或者通过燃料喷射起动燃烧的实施例中，如在一些柴油发动机中的情况。
在一些实施例中，发动机10的每一个汽缸可配置有向其中提供燃料的一个或多于一个燃料喷射器。作为一个非限定示例，汽缸14被显示包括一个燃料喷射器166。燃料喷射器166被显示直接联接至汽缸14以用于向其中与经由电子驱动器168从控制器12接收的信号FPW-1的脉冲宽度成比例地直接喷射燃料。以此方式，燃料喷射器166提供了已知的燃料直接喷射(下文还称为“DI”)到燃烧汽缸14中。虽然图1显示了喷射器166为侧向喷射器，但它还可位于活塞的顶部，例如在火花塞192的位置附近。当使用醇基燃料运行发动机时，由于一些醇基燃料的低挥发性，这种位置可改进混合和燃烧。可替代地，喷射器可位于顶部并且在进气门附近以改进混合。燃料可从高压燃料系统8被输送至燃料喷射器166，所述高压燃料系统包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨。可替代地，可通过处于低压的单级燃料泵输送燃料，在此情况中在压缩行程期间燃料直接喷射的正时可比使用高压燃料系统更加受限制。此外，虽然未显示，但是燃料箱可具有提供信号至控制器12的压力转换器。将理解在可替代实施例中，喷射器166可以是提供燃料至汽缸14上游的进气道中的进气道喷射器。
控制器12在图1中示出为微计算机，该微计算机包括微处理器单元(CPU)106、输入/输出端口(I/O)108、用于可执行程序和校准值的电子存储介质(在该具体示例中被显示为只读存储芯片(ROM)110)、随机存取存储器(RAM)112、保活存储器(KAM)114和数据总线。存储媒介只读存储器110能够被编程有表示可由处理器102执行的计算机可读数据，以实施以下描述的方法以及预期但未具体列出的其他变型。控制器12可以从联接到发动机10上的传感器接收各种信号，除了以前讨论的那些信号外，还包括：来自质量空气流量传感器122的感应质量空气流量(MAF)的测量值；来自联接到冷却套管118上的温度传感器116的发动机冷却剂温度(ECT)；来自联接至曲轴140的霍尔效应传感器120(或其他类型传感器)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；来自传感器125的节气门进口压力(TIP)以及来自传感器124的歧管绝对压力信号(MAP)。发动机转速信号RPM可以由控制器12根据信号PIP产生。此外，曲轴位置以及曲轴加速度和曲轴振动均可基于信号PIP确定。来自歧管压力传感器124的歧管空气压力信号MAP可以被用来提供进气歧管中真空或者压力的指示。此外，歧管压力可基于其他运行参数被估计，例如基于MAF和RPM。
现继续参考图2，其说明了废气门177的示例实施例的示意图，所述废气门177包括电磁阀200、废气门罐230、废气门臂240、机械连接250和阀面260。机械连接250可将机械臂240的平移运动转换为废气门阀的旋转运动。换言之，通过沿方向270移动机械臂，废气门阀可打开或关闭，从而排气可分别被远离涡轮机176或朝向涡轮机176引导。废气门臂240被附接至膜片(diaphragm)232，从而当穿过膜片232产生压力差值时，它可迫使废气门臂240远离其默认位置并且打开废气门阀。被附接至废气门臂240的弹簧234迫使废气门臂240朝向其默认位置。例如，当废气门阀被关闭时弹簧234可被压缩，从而提供作用在废气门阀上的预载荷力。预载荷力以与由穿过膜片232的压力差值产生的力的相反方向作用。预载荷力可与弹簧234的弹性系数乘以弹簧234被压缩的距离成比例，如通过胡克定律被确定的。在示例实施例中，废气门臂240的默认位置关闭废气门。
废气门阀的位置由罐容积236内侧的压力确定，所述压力由电磁阀200和罐容积236之间经由连接管220的气体流动确定。气体流动由梭子208的位置和第一端口202、第二端口204和控制端口206处的压力确定。梭子208可沿方向214移动，如通过线圈212和弹簧210的力确定的。在示例实施例中，第一端口202连接至处于增压压力的进气通道146，第二端口204连接至处于大气压力的进气通道142，并且控制端口206连接至处于罐压力的罐容积236。
在图2中，梭子208阻挡控制端口206，所以基本阻挡气体在电磁阀200和废气门罐230之间流动。在示例实施例中，图2中梭子208的位置可以是瞬态位置。图3说明了当线圈212被放电时(例如当WGC被低驱动时)处于稳态位置的梭子208的位置。当线圈放电时，作用在梭子208上的弹簧210的力可保持梭子208在电磁阀200内的弹簧210附近。在此位置中，端口204由梭子208阻挡并且端口202和206之间的通道打开。当增压压力超过罐压力时，气体可从端口202流至端口206，如箭头300显示的，并且罐压力可被升高。
图4说明当线圈212被充电时(例如当WGC被高驱动时)处于稳态位置的梭子208。当线圈被充电，线圈212的力可超过作用在梭子208上的弹簧210的力，因此梭子208可被定位在电磁阀200中线圈212的附近。在此位置中，端口202被梭子208阻挡并且端口204和206之间的通道打开。当罐压力超过大气压力时，气体可从端口206流至端口204，如由箭头400显示的，并且罐压力可被降低。
脉冲宽度调制(PWM)可用于驱动连接至线圈212的WGC信号。PWM信号可在给定频率和给定占空比下在高值和低值之间转换，其中占空比被定义为高值信号时间除以周期信号时间的比例。以此方式，当WGC信号为高时梭子208可在第一方向被(打开端口204和206之间的通道)致动并且当WGC信号为低时，梭子208可在与第一方向相反的第二方向(打开端口202和206之间的通道)致动。WGC信号的占空比可在零到一之间变化，从而改变增压压力和大气压力之间的罐压力。例如，在一个占空比的一个限值处，罐压力可等于增压压力。在占空比的相对的限值处，罐压力可等于大气压力。然而，通过控制WGC信号的占空比为中间值，可在罐容积236内保持增压压力和大气压力之间的中间罐压力。
图5的预测数据说明了如何使用PWM信号来控制废气门罐压力。在图5中，中间罐压力可通过调整WGC信号处于大约32Hz而获得。PWM周期能够被测量为罐压力的峰值510之间或峰谷520之间的时间。在可替代实施例中，PWM频率可小于300Hz。
罐平均压力可通过增加端口202和206连通的持续时间(例如当WGC信号为低并且线圈212放电时)被升高。以此方式，罐压力可朝向增压压力被升高。罐平均压力可通过增加端口204和206连通的持续时间(例如当WGC信号为高并且线圈212充电时)被降低。以此方式，罐压力可朝向大气压力被降低。因此，罐压力可通过调整WGC信号的占空比被调整。具体地，罐压力可通过降低WGC信号的占空比而被升高并且罐压力可通过升高WGC信号的占空比被降低。
罐压力可通过WGC信号的占空比、增压压力和大气压力被确定。对于不同的大气压力，给定的废气门命令可改变罐压力不同的量。例如，在高纬度低大气压处，增压压力和大气压力之间的差值大于低纬度高大气压力处的差值。随着增压压力和大气压力之间的差值升高，罐压力可被更迅速地变化。因此，废气门命令可根据大气压力被调整。例如，随着大气压力升高废气门命令被调整以增加废气门的致动。随着大气压力的降低，废气门命令可被调整以降低废气门的致动。相似地，对于不同的增压压力，废气门命令改变罐压力不同的量。例如，随着增压水平的升高，罐压力可更迅速地改变并且废气门占空比可被调整以降低废气门的致动。
废气门的致动可通过罐压力和其他作用在废气门阀上的力来确定。图6说明了用于控制排气通道148和排气通道147之间的排气流动的废气门阀600的示例实施例。例如，如果废气门阀600打开，一些排气可从排气通道148被引导穿过排气通道147，从而旁通涡轮机176。废气门阀600的打开程度可确定旁通涡轮机176的排气量。作为另一示例，如果该废气门阀600关闭，排气可被引导穿过排气通道148至涡轮机176。
废气门阀600可包括机械连接250和阀面260。阀面260可被致动贯穿从闭合至完全打开的范围。在一个实施例中，当阀面260抵压在排气通道148的壁上时，废气门阀600可以是关闭的。在一个实施例中，如果废气门臂240或阀面260抵压在机械止动器(mechanical stop)上时，废气门阀600可以是全部打开或完全打开。在可替代实施例中，如果废气门阀600的通道的截面面积大于或等于排气通道147的截面面积，则废气门阀600可以是完全打开的。
机械连接250是使用罐压力被气动地致动，从而控制废气门阀600的打开程度。例如，经由机械连接250的罐压力可施加罐力FCAN，指向X方向620。当废气门阀600被关闭时弹簧234可被压缩，以提供在与罐力反向的方向上作用的废气门阀600的预载荷力。因此，排气压力可在废气门阀600打开之前累积并且向涡轮机176供给能量。预载荷力，FPRELOAD，可与弹簧234的弹性系数乘以弹簧234被压缩的距离成比例，如通过胡克定律确定的。其他作用在废气门阀600上的力包括与排气通道147和148的压力乘以阀面260的表面面积成比例的力。例如，作用在X方向620上的排气力，FTURBOINLET可与排气通道148中的压力与阀面260的表面面积的乘积成比例。换言之，FTURBOINLET可与涡轮机176进口上游的压力成比例。作为另一示例，与X方向620反向作用的另一排气力，FTURBOOUTLET可与排气通道147中的压力乘以阀面260的表面面积成比例。换言之，FTURBOOUTLET可与涡轮机176的出口下游的压力成比例。因此，由于排气力的净力或阀力FVALVE可作用在废气门阀600上。例如，阀力可等于FTURBOOUTLET和FTURBOOUTLET之间的差值，这与涡轮机进口压力和涡轮机出口压力之间的差值成比例。
阀面260的位置可通过计算作用在阀面260上的平衡力而被确定。当力的总和等于零时，废气门阀600可开始裂开：
0＝FCAN+FVALVE-FPRELOAD-FAMB，并且
FCAN＝FPRELOAD+FAMB-FVALVE。
因此，打开废气门阀600的罐压力或裂开压力可根据发动机的工况确定。例如，随着环境压力降低，可需要较小的罐压力来打开废气门阀600并且随着环境压力升高，可需要较大的罐压力来打开废气门阀600。作为另一示例，随着排气压力(例如，涡轮机进口压力)升高，可需要较小的罐压力来打开废气门阀600并且随着排气压力(例如，涡轮机进口压力)降低，可需要较大的罐压力来打开废气门阀600。罐压力可在增压压力和大气压力之间随着废气门占空比的命令被改变。在每一个发动机工况可能的罐压力的范围可确定阀面260的致动范围和废气门阀600的打开程度。例如，在第一发动机工况处，增压压力可小于裂开压力并且阀面260可不被致动。在第二发动机工况处，罐压力可大于裂开压力并且小于完全打开废气门阀600的压力。阀面260的位置可以在关闭和完全打开位置之间。阀面260的位置可通过计算用来打开废气门阀600的力与用来关闭废气门阀600的力在何处平衡而被确定。在第三发动机工况处，罐压力可大于或等于完全打开废气门阀600的压力，并且阀面260可被致动至完全打开位置。
因此，阀面260可在随着发动机工况而变化的致动范围内被致动。例如，致动范围的限制可随着增压压力、由于排气压力的阀力以及大气压力而改变。作为另一示例，致动范围的限制可随着增压压力、涡轮机进口压力、涡轮机出口压力和大气压力而改变。作为另一示例，致动范围的限制可随着增压压力、大气压力以及涡轮机进口压力和涡轮机出口压力之间的差值而改变。相应地，图7显示了废气门致动器范围随不同发动机工况如何改变的预测数据。具体地，图7说明了标准化的废气门位置相对发动机10的压力分数。标准化的废气门位置可在从零到一的范围内，其中零指示废气门阀600被关闭并且一指示废气门阀600被完全打开。压力分数可被定义为废气门致动压力除以穿过压缩机174的压力，在此废气门致动压力是罐压力和大气压力之间的差值。在一个实施例中，穿过压缩机174的压力是增压压力和大气压力之间的差值。因此，图表说明范围限值和各种压力之间的相互关系，所述压力例如大气压力、增压压力和由于排气压力的阀力。
压力分数一般在从零到一的范围内。随着罐压力接近大气压力，压力分数可等于或接近零。例如，罐压力可在废气门占空比的一个限值处接近大气压力。在压力分数靠近零时，罐压力可小于裂开压力。在废气门占空比的相对限值处，罐压力可靠近增压压力。并且压力分数可以靠近一。在一个示例中，如果增压压力比流出罐容积236的高压气体更迅速地降低，则在过渡条件期间压力分数可大于一。
可根据废气门占空比从零到一之间调整压力分数。如果增压压力小于裂开压力，则废气门阀600不能被打开并且阀面260的致动范围为零。然而，随着增压压力的升高，增压压力可大于裂开压力并且废气门阀600可被打开。如果增压压力小于完全打开废气门阀600的压力，则致动范围可被限制。例如，发动机运行曲线710可代表对于大于裂开压力且小于完全打开废气门阀600的压力的恒定增压压力，标准化废气门位置相对压力分数的变化。发动机运行点712说明裂开压力，发动机运行点714说明罐压力等于增压压力。废气门阀600具有限定范围716并且不能完全打开，因为增压压力小于完全打开废气门阀600的压力。废气门阀600的打开程度可根据废气门的占空比调整。然而，废气门阀600不可被致动，除非废气门占空比将罐压力升高到高于裂开压力。换言之，废气门占空比可失去在范围的下边界以下致动废气门阀600的能力。
在另一示例中，增压压力可被进一步升高，例如在发动机运行曲线720处。发动机运行曲线720可表示对于大于完全打开废气门阀600的压力的恒定增压压力，标准化废气门位置相对压力分数的变化。发动机运行点722说明了裂开压力并且发动机运行点724说明了完全打开废气门阀600的罐压力。废气门阀600可在关闭和完全打开之间的完全致动范围上被致动，如由范围726说明的。如果废气门占空比将罐压力升高至高于完全打开废气门阀600的压力(例如，运行点724)，则废气门阀600不会比完全打开进一步开放。换言之，废气门占空比可失去在范围的上边界以上致动废气门阀600的能力。
裂开压力可随着涡轮机进口压力和阀力的升高而降低。例如，在发动机运行点722处的裂开压力小于在发动机运行点712的裂开压力。此外，在处于较高增压压力的发动机运行点722处的压力分数可小于处于较低增压压力的发动机运行点712处的压力分数。换言之，随着增压压力升高，废气门阀600在下降的压力分数处打开。
可期望随着发动机工况的改变计算废气门阀600的致动范围。例如，废气门阀600的致动范围可根据增压压力、大气压力、涡轮机进口压力和涡轮机出口压力被计算。在一个实施例中，传感器可测量增压压力、涡轮机进口压力和/或涡轮机出口压力和大气压力。例如，传感器125可测量增压压力，传感器123可测量大气压力并且传感器可被设置在排气通道148和147内以测量涡轮机进口压力和/或涡轮机出口压力。
在可替代实施例中，由于排气压力的阀力可根据其他发动机工况被估计。例如，由于排气压力的阀力可根据穿过压缩机174的压力被估计。换言之，阀力可与增压压力和大气压力之间的差值相关，如在图8的预测数据中说明的。例如，增压压力和大气压力之间的差值可相对阀力被绘制。在一个实施例中，阀力可通过使得阀力与线性函数关联而被估计，所述线性函数例如线性函数810。在一个示例中，阀力可被估计为斜率在一和六之间的线性函数。换言之，阀力可被估计为增压压力和大气压力之间差值的一到六倍。在另一示例中，阀力可被估计为增压压力和大气压力之间差值的三倍。在可替代实施例中，阀力可通过使得阀力与二次函数关联而被估计。在另一实施例中，最佳拟合线可用来估计阀力。
阀力、增压压力和大气压力可影响废气门阀600的动态。罐压力和废气门阀动态可确定废气门阀打开或关闭的程度，这可确定由涡轮机产生的能量以及因此产生的增压。因为增压压力是受控变量并且也是驱动废气门177的来源，所以期望分离驱动废气门177和控制增压之间相互作用的控制方法。
如进一步参考图9和图10详细说明的，方法900可由发动机控制器执行，例如控制器12，以经由基于增压的废气门177控制涡轮增压器。在一个示例中，经由废气门控制发动机的涡轮增压器的方法可包括确定大气压力、实际增压压力和阀力。废气门177可在限制范围内被调整，所述范围随大气压力、实际增压压力和阀力而改变。当在限制范围之外时，废气门177的调整被限制。
继续参考图9，在步骤910处，方法包括根据发动机工况确定期望的增压。估计的状况可直接由传感器测量，例如由传感器116、120、122、123、128测量，和/或所述状况可根据发动机的其他工况估计。所估计的状况可包括发动机油温度、发动机转速、怠速、大气压力、驾驶员需求扭矩(例如，来自踏板位置传感器)、歧管空气流量(MAF)、空气温度、车辆速度等。
下一步，在步骤920处，实际增压压力、大气压力和阀力可被确定。实际增压压力可直接由传感器测量，例如传感器125。测量值可经由TIP信号被发送至控制器12并且存储在计算机可读存储媒介中。在可替代实施例中，实际增压可基于其他运行参数被估计，例如基于MAP和RPM。在一个实施例中，大气压力可经由传感器确定。例如，大气压力例如可用传感器123在压缩机进口附近测量。测量值经由PA信号被发送至控制器12并且被存储在计算机可读媒介中。在可替代实施例中，大气压力可基于其他运行参数被估计。在一个实施例中，阀力可经由设置在排气通道148和147中的传感器确定。在可替代实施例中，阀力可根据实际增压压力和大气压力通过例如在图8中详细说明的的函数被估计。
下一步，在步骤930处，并且如在图10中进一步详细说明的，废气门阀致动范围可根据增压压力、阀力和大气压力确定。根据废气门致动范围的限值，废气门致动器的能力被确定。例如，闭环反馈控制系统可通过命令废气门177来控制增压压力。反馈控制系统可在废气门阀致动范围内调整废气门占空比以控制增压压力。然而，可能不期望反馈控制系统在废气门占空比的能力之外调整废气门占空比从而致动废气门阀。例如，如果废气门占空比在废气门占空比的能力限制之外被调整，则反馈环可被损坏。如果反馈环损坏，则增压压力的控制可不如期望值那样可预测。
在一个实施例中，废气门阀致动范围的下限值可通过从步骤920处针对增压压力、环境压力和阀力计算裂开压力而被确定。如果裂开压力大于增压压力，那么废气门阀600不能被致动并且废气门阀致动范围为零。换言之，废气门占空比没有致动废气门阀的能力。如果裂开压力小于增压压力，然后废气门阀致动范围的上限值可被确定。例如，在废气门占空比的一端，稳态罐压力可接近增压压力。因此，增压压力可取代罐压力并且废气门阀致动范围的上限值被确定为作用在废气门阀600上的平衡力被平衡的阀面260的位置。然而，阀面260在超过完全打开位置处可不被致动并且然后废气门致动范围的上限值由完全打开位置限定。升高罐压力至高于完全打开废气门阀600的压力不能进一步降低增压压力，因为废气门阀600已经被完全打开。因此，超过废气门阀致动范围的上限值，废气门占空比没有致动废气门阀的能力。相似地，低于废气门阀致动范围的下限值，废气门占空比没有致动废气门阀的能力。
下一步，在步骤940，并且如在图10中进一步详细描述的，废气门177可根据废气门阀致动范围的限值、期望的增压压力、实际增压压力、大气压力和阀力被调整。废气门在废气门阀致动范围的限值内可通过一种方式被调整并且在废气门阀致动范围的限值之外可通过另一种不同的方式被调整。例如，废气门的调整可在废气门阀的致动范围的限值之外被限制。
废气门可根据废气门致动力被调整，所述废气门致动力根据实际增压和大气压力之间的差值计算。因为废气门致动力可与电磁阀200的第一端口202和第二端口204之间的压力差值精确类似，所以驱动废气门177和控制增压之间的相互作用可被减小。例如，废气门致动力可用作反向废气门模型的输入。反向废气门模型可将期望的废气门罐压力或期望的废气门阀位置映射到给定废气门致动力的废气门占空比。映射到废气门占空比可包括使用查找表或计算废气门占空比。废气门控制(WGC)信号可以是在所述废气门占空比处被调制以调整废气门的脉冲宽度。期望的废气门罐压力或期望的废气门阀位置可通过前馈、反馈或例如其他控制算法被确定。
废气门致动力还可影响废气门的动态。例如，罐容积236在具有较低大气压力的高纬度处可比在具有较高大气压力的低纬度处填充更快。补偿项可解释废气门致动器的延迟，如在此关于带有废气门致动器模型零取消极(zeros canceling poles)的控制器描述的。补偿项对于低大气压力可被降低以在低大气压力下负责废气门阀更快的动态致动。相似地，补偿项对于高大气压力可被升高，以在高大气压下负责废气门阀的更慢的动态致动。此外，补偿项还可包括基于两个独立凸轮的运动的调整，这能够影响增压压力。例如，随着进气凸轮以相对大气压力升高增压压力的方式移动时，补偿项的幅值可被降低。同样地，当进气凸轮以相对大气压力降低增压压力的方式移动时，补偿项的幅值可被升高。
在另一示例中，补偿项可通过较大气门重叠调整以负责吹过/鼓风(blow-through)(例如，扫气)运行。在涡轮增压(增压)发动机中，吹过可在进气压力高于阀力时发生，并且一些新鲜空气量可在气门重叠期从进气歧管中直接流至排气歧管，而没有参加汽缸内的燃烧。增压发动机可故意通过提前进气凸轮正时并且推迟排气凸轮正时以此方式运行，从而改进容积效率并且减少涡轮迟滞。然而，吹过空气是较冷(因为它未燃烧)并且因此与没有吹过的发动机相比较，为排气系统和涡轮机增加了更少能量。为了负责吹过空气，废气门运行可通过修改前馈计划并且升高反馈增益对于吹过空气的部分调整。例如，升高补偿项可负责低排气能量，如果没有该调整，所述低排气能量导致反馈环中的低增益并且使系统反应变慢。在另一示例中，补偿项可被调整以负责由节流板164移动导致的增压压力的变化。
废气门可根据期望的增压被调整。例如，期望的增压可被用作调整废气门的前馈控制算法的输入。前馈控制算法可计算可被用为反向废气门模型的输入分量的目标废气门罐压力或目标废气门阀位置，从而确定废气门占空比。
废气门可根据增压误差被调整。增压误差可被计算为期望增压和实际增压之间的差值。例如，增压误差可用为反馈控制系统的输入，从而计算可被用为反向废气门模型的输入分量的目标废气门罐压力或目标废气门阀位置，进而确定废气门占空比。控制系统可包括补偿项来负责由填充和排空罐容积236导致的延迟。补偿项的幅值可随大气压力的升高而升高，从而负责罐容积的缓慢填充和排空。补偿项的幅值可随大气压力的降低而降低，从而负责罐容积236的快速填充和排空。
在一个实施例中，反馈控制系统可包括稳态跟踪的积分项。换言之，积分项可降低反馈控制系统的稳态误差。然而，如果反馈控制系统不能以期望的方式控制增压压力，例如，当废气门占空比在废气门致动范围的限值之外时，则积分项可饱和。因此，当废气门占空比在废气门致动范围的限值之外时可冻结积分项，从而减少或防止积分器饱和。
当废气门占空比在废气门致动范围之外时，在占空比不能够致动废气门阀600时，可调整废气门占空比。例如，如果罐压力大于完全打开废气门阀600的压力，则可调整废气门占空比以降低罐压力。
以此方式，方法900可用来基本降低驱动废气门177和控制增压之间的相互作用。如参考图10进一步详细说明的，方法900的一个实施例可包括例如方法1000的步骤。例如，期望的增压可根据发动机的工况(例如，在步骤910处)被计算。期望的增压可用为前馈控制系统1010和反馈控制系统1020的输入。前馈输出1012和反馈输出1021可在1030处求和以产生目标废气门罐压力1032。目标废气门罐压力1032和废气门致动力1042可用为反向废气门模型1050的输入。废气门致动力1042可在1040处被计算为实际增压压力和大气压力之间的差值(例如，实际增压压力和大气压力可在步骤920处被确定)。反向废气门模型1050可输出废气门占空比1052至包括发动机10和废气门177的装置1060的输入。废气门占空比1052可致动废气门，从而产生实际增压压力。
前馈控制1010计算前馈输出1012，前馈输出1012是目标废气门罐压力1032的一个分量。前馈控制1010可包括稳态前馈项和/或动态前馈项。稳态前馈项可根据一个或多个发动机工况例如包括期望增压计算前馈分量。动态反馈项可根据一个或多个发动机工况的时间变化率例如包括期望增压的时间变化率计算前馈分量。在一个实施例中，前馈控制1010可产生目标废气门罐压力的分量。在可替代实施例中，前馈控制1010可产生目标废气门阀位置的分量。
反向废气门模型1050包括废气门致动力1042输入。在一个实施例中，反向废气门模型1050可包括目标废气门罐压力1032输入。反向废气门模型1050可将目标废气门罐压力1032映射到针对废气门致动力1042的废气门占空比1052。例如，废气门控制信号可以是在废气门占空比1052处被调制以调整发动机10的废气门177的脉冲宽度。装置1060包括发动机10。在可替代实施例中，反向废气门模型1050可包括目标废气门位置输入，并且反向废气门模型1050可将目标废气门阀位置映射到针对废气门致动力1042的废气门占空比1052。
反馈控制1020计算反馈输出1021，反馈输出1021是目标废气门罐压力1032的一个分量。反馈控制1020可包括比例项1024(“P”)和积分项1028(“I”)。可选择地，反馈控制1020可包括微分项1026(“D”)。因此，反馈控制1020可被称作为比例积分(PI)控制器或比例积分微分(PID)控制器。反馈控制1020可试图通过调整反馈输出1021来最小化增压压力误差。在一个实施例中，反馈输出1021可以是废气门罐压力。在替代实施例中，反馈输出1021可以是目标废气门阀位置。增压压力误差可在1022处被计算并且用为比例项1024、积分项1028和微分项1026的输入。比例项1024可计算与增压压力误差成比例的反馈输出1021的分量。微分项1026可计算与增压压力误差的时间变化率成比例的反馈输出1021的分量。积分项1028可计算与增压压力误差的累积误差成比例的反馈输出1021的分量。比例项1024、积分项1028和微分项1026的输出可在1029处被相加以产生反馈输出1021。
如先前讨论的，如果反馈环被破坏，例如当废气门占空比1052失去致动废气门阀600的能力时，则积分项1028可能饱和。因此，废气门致动器能力1072可在1070处被确定并且用为反馈控制1020特别是积分项1028的输入。如果废气门占空比1052具有该能力，积分项1028可通过当前增压压力误差升级。如果废气门占空比1052不具有该能力，则积分项1028可被冻结并且当前增压压力误差可被积分项1028放弃。在一个实施例中，如果废气门占空比1052不具有该能力，则积分项1028的输出可被调整以降低目标罐压力1032。例如，积分项1028的输出可响应于不具有能力(例如，废气门致动器在废气门致动范围的限值之外)的废气门占空比1052而被降低。
反馈控制1020可包括超前/滞后过滤器或补偿项，以负责废气门罐230的填充和排空的动态。补偿项可根据废气门占空比1052或废气门致动力1042被调整。例如，反馈控制1020可具有传递函数，例如：
((twg*s+1)/(C1*s+1))*((kp*s+ki)/(s))，
其中twg是废气门的时间常数，并且C1可以是系统实验确定量。在一个实施例中，C1可以是0.05。超前过滤器的归零(1/twg)可被用于取消废气门罐压力动态的极点。PI控制器的归零(ki/kp)可用于取消系统极点(1/tsys)，其中tsys是开环系统的时间常数。
在1070处，废气门致动器能力1072可根据废气门阀致动范围1082和期望压力分数1092被确定。例如，期望压力分数1092可与废气门阀致动范围1082相关的压力分数的范围相比较。如果期望的压力分数1092处于与废气门阀致动范围1082相关的压力分数范围内，则废气门占空比1052可具有致动废气门阀600的能力。然而，如果期望的压力分数1092在与废气门阀致动范围1082相关的压力分数范围的之外，则废气门占空比1052可不具有致动废气门阀600的能力。
在一个实施例中，在1080处，废气门阀致动范围1082可根据大气压力、预载荷力和实际增压压力计算。由于排气压力的阀力可作为实际增压压力和大气压力的函数被估计(例如，在步骤920处)。因此，作用在废气门阀600上的力可被计算并且废气门阀致动范围1082可被确定。在可替代实施例中，由于排气压力的阀力可基于设置在排气通道148中的传感器的测量值被计算(例如，在步骤920处)并且废气门阀致动范围1082可根据排气压力、大气压力、预载荷力和实际增压压力被计算。在可替代实施例中，由于排气压力的阀力可基于设置在排气通道148和147中的传感器的测量值被计算(例如，在步骤920处)，并且废气门阀致动范围1082可根据排气压力、大气压力、预载荷力和实际增压压力被计算。
在一个实施例中，期望的压力分数1092可由使用废气门占空比1052和废气门致动力1042作为输入的废气门传递函数1090产生。因此，废气门传递函数1090可将废气门占空比1052和废气门致动力1042映射为期望的压力分数1092。在可替代实施例中，废气门传递函数1092可将废气门占空比1052和废气门致动力1042映射为期望的目标罐压力。
以此方式，方法1000可基本降低驱动废气门177和控制实际增压压力之间的相互作用。具体地，当在可随增压压力、大气压力和排气压力变化的范围之外时，废气门致动器的调整可被限制。以此方式，范围的限值可被计算并且当废气门致动器在范围之外被命令致动废气门时，用于冻结积分项。因此，反馈控制系统的积分器饱和可被防止或减少，从而增压反馈控制系统的可预测性并且增加了增压压力的可控性。
注意到在此包括的示例控制和估计程序可在各种发动机和/或车辆系统配置中使用。在此描述的特别的程序可代表一个或者多个任何数目的处理策略，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程以及类似物。就此而言，所示的各种动作、操作或功能可以以所示的顺序实施、并行实施或者在一些情况下被省略。类似地，该处理的顺序并不是实现在此所述的示例性实施例的特征和优点所必需的，只不过被提供以便于展示以及说明。根据所使用的特别策略可以重复实施一个或多于一个所示的动作或者功能。此外，所述动作可以图表性地代表有待编程为微处理器指令并且被储存到发动机控制系统中的计算机可读存储媒介内的代码。
应该理解的是，在此公开的这些配置以及程序本质上是示例性的，并且这些具体的实施方案不应从限定的角度进行解释，因为可能存在多种变体。例如，上述技术可以应用于V-6、L-4、L-6、V-12、对置4缸汽油、柴油以及其他发动机类型和燃料类型。本公开的主题包括在此公开的多种系统和配置以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖的且非显而易见的组合。
随附的权利要求特别指出了被认为是新颖的和非显而易见的某些组合以及子组合。这些权利要求可能提到“一个”元件或“第一”元件或者其等价物。这种权利要求应该被理解为包括一个或多于一个这种元件的结合，既不必需也不排除两个或多于两个这种元件。所公开的这些特征、功能、元件和/或特性的其他组合以及子组合可能通过对本权利要求的修改或者通过在本申请或相关申请中提出新权利要求而要求保护。
不管是否比原始权利要求的范围更宽、更窄、等同或者不同，这种权利要求均被视为包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种经由废气门控制发动机涡轮增压器的方法，所述涡轮增压器包括涡轮机，所述方法包括：
通过由所述涡轮增压器产生的增压压力致动所述废气门；以及
限制废气门致动器在范围之外时的调整，所述范围的限值随增压压力、涡轮机进口压力、涡轮机出口压力和大气压力变化。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述范围随所述增压的升高而增大。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述范围随所述增压的降低而减少。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述范围随大气压力的降低而增大。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述范围随大气压力的升高而减少。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述范围随着所述涡轮机进口压力和所述涡轮机出口压力之间的差值的升高而增大。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述范围随着所述涡轮机进口压力和所述涡轮机出口压力之间的差值的降低而减少。
8.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：
响应于所述废气门致动器的延迟调整所述废气门。
9.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：
经由包括积分项的反馈控制系统确定所述废气门的目标罐压力；以及
根据所述废气门的所述目标罐压力和所述增压压力和大气压力之间的差值计算废气门占空比。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述积分项响应于所述废气门致动器处于所述范围限值之外而被冻结。
11.如权利要求9所述的方法，其进一步包括：
响应于确定所述废气门占空比不具有能力而调整所述废气门占空比。
12.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：
根据所述增压压力和大气压力估计阀力。
13.一种经由废气门控制发动机涡轮增压器的方法，所述废气门包括联接至增压压力的第一端口、联接至大气压力的第二端口和被配置为根据废气门占空比控制排气流量的阀，所述涡轮增压器包括涡轮机，所述方法包括：
通过由所述涡轮增压器产生的增压压力和大气压力致动所述废气门；以及
限制废气门致动器在范围之外时的调整，所述范围的限值基于增压压力、大气压力和所述涡轮机进口压力和所述涡轮机出口压力之间的差值的相互关系而改变。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述范围的上限值随着所述增压压力的升高而增大，所述范围的上限值随着所述增压压力的降低而减小，所述范围的上限值随着大气压力的降低而增大，所述范围的上限值随着大气压力的升高而减小，所述范围的上限值随着所述涡轮机进口压力和所述涡轮机出口压力之间的差值的升高而增大，所述范围的上限值随着所述涡轮机进口压力和所述涡轮机出口压力之间的差值的降低而减小。
15.如权利要求13所述的方法，其进一步包括：
经由包括积分项的反馈控制系统确定所述废气门的目标罐压力；以及
根据所述废气门的所述目标罐压力和所述增压压力和大气压力之间的差值计算所述废气门占空比。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述积分项响应于所述废气门处于所述范围限值之外而被冻结。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述积分项响应于所述废气门致动器处于所述范围限值之外而被减少。
18.一种用于发动机的系统，所述系统包括：
涡轮增压器；
废气门，所述废气门包括联接至增压压力的第一端口、联接至大气压力的第二端口和被配置为根据废气门占空比控制排气流量的阀；
测量增压压力的第一传感器；
测量大气压力的第二传感器；
与所述第一传感器、所述第二传感器和所述废气门连通的控制器；以及
计算机可读存储媒介，所述计算机可读存储媒介包括被编码以在所述控制器上执行的指令，所述指令被配置为：
通过所述涡轮增压器产生的增压压力和大气压力致动所述废气门；
限制废气门致动器在范围之外时的调整，所述范围的限值随增压压力、阀力和大气压力改变，所述范围的上限值随着所述阀力的升高而增大，所述范围的上限值随着所述阀力的降低而减小；
经由包括积分项的反馈控制系统确定所述废气门的目标罐压力；以及
根据所述废气门的所述目标罐压力和所述增压压力和大气压力之间的差值计算所述废气门占空比。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述指令还被配置为响应于所述废气门致动器处于所述范围限值之外而冻结所述积分项。
20.如权利要求18所述的系统，其中所述指令还被配置为响应于所述废气门致动器处于所述范围限值之外而减少所述积分项。
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