CN102345528A - 用于计算车辆排气歧管压力的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于计算车辆排气歧管压力的系统和方法。具体地，提供了一种车辆，其包括：发动机、具有能使用涡轮质量流量映射来控制的可变几何涡轮VGT的进气组件、排气歧管和控制器。控制器计算VGT入口侧和出口侧之间的压力比，以及使用相应的第一和第二模型来计算第一和第二排气歧管压力。每个模型均从映射中提取信息。控制器在所述比超过阈值时使用第一压力来执行控制动作，否则使用第二压力来执行控制动作。本发明还公开了控制器本身，以及公开了一种用于控制车辆上的发动机的操作的方法。所述方法包括使用主机来计算排气压力比、使用相应的第一和第二模型来计算第一和第二压力、以及取决于所述比从而使用第一或第二排气压力来执行控制动作。

Description

用于计算车辆排气歧管压力的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于计算车辆排气歧管压力的系统和方法。
背景技术
在具有内燃发动机的车辆中，排气从每个发动机气缸排出并且被排气歧管收集。排气歧管最终将收集的排气从发动机引导到车辆的排气系统，其中所收集的排气在作为被处理的排气通过尾管排出到周围大气之前通常通过一个或多个催化剂和颗粒过滤器来处理。排气歧管压力是用于调节燃料燃烧过程的重要反馈值，其中该值通常使用耐热压力感应器在排气歧管中测量。
发明内容
因此，本文公开了一种用于虚拟感测或计算车辆上的排气歧管压力的装置和方法。由于在排气歧管内存在的严酷操作状况，所以用于以常规方式直接测量在该位置处的排气压力的物理传感器在成本和功能上都可能是次优化的。因此，为此目的可使用虚拟感测技术来替代物理的压力传感器。然而，虚拟感测方法的稳健性可类似地是次优化的，这是由于车辆的排气系统内的快速变化状况的缘故。
因此，本文提供了一种车辆，其包括发动机、进气组件、排气歧管和控制器。进气组件具有带入口侧和出口侧的可变几何涡轮（VGT），其中VGT使用可由控制器访问的校准的涡轮质量流量映射而可控制。控制器计算在VGT的入口侧和出口侧之间的排气压力比以及第一和第二排气歧管压力。第一和第二排气歧管压力是使用相应第一和第二数学模型来计算的，其中所述模型中的每一个均从涡轮质量流量映射提取信息，并且以不同方式计算排气歧管压力。然后，控制器在计算的压力比超过预定阈值时使用第一排气歧管压力来执行控制动作，以及在所述压力比未超过所述阈值时使用第二排气歧管压力来执行控制动作。
本文还公开了控制器，其可用于上述的车辆。所述控制器包括主机以及第一和第二数学模型，用于以两种不同方式来计算排气歧管压力。主机计算VGT的入口侧和出口侧之间的压力比，以及使用相应第一和第二数学模型来计算第一和第二排气歧管压力，并接着在压力比超过校准阈值时使用第一排气压力岐管压力来执行控制动作，以及在所述压力比未超过所述阈值时使用第二排气压力岐管压力来执行控制动作。
用于控制上述车辆上的发动机的操作的方法，包括：使用主机来计算在VGT的入口侧和出口侧之间的压力比；以及使用相应第一和第二数学模型来计算第一和第二排气歧管压力，其中，所述模型中的每一个均从涡轮质量流量映射提取信息。所述方法还包括在压力比超过校准阈值时使用第一排气歧管压力借由主机来执行控制动作，以及在所述压力比未超过所述阈值时使用第二排气歧管压力借由主机来执行控制动作。
本发明还包括以下方案：
方案1. 一种车辆，包括：
发动机；
进气组件，所述进气组件具有带入口侧和出口侧的可变几何涡轮VGT，所述VGT具有由涡轮质量流量映射限定的性能；
排气歧管，所述排气歧管用于接收来自所述发动机的排气，并且具有排气歧管压力；和
控制器，所述控制器适于：
        计算所述VGT的入口侧和出口侧之间的压力比；
        分别使用第一数学模型和第二数学模型来计算第一排气歧管压力和第二排气歧管压力；其中，所述第一数学模型和所述第二数学模型中的每一个都使用了从所述涡轮质量流量映射提供的信息；和
        当所述压力比超过校准阈值时使用所述第一排气歧管压力来执行控制动作，以及当所述压力比未超过所述校准阈值时使用所述第二排气歧管压力来执行控制动作。
方案2. 根据方案1所述的车辆，其中，所述控制动作包括调节所述进气组件的功能。
方案3. 根据方案2所述的车辆，其中，所述控制动作包括自动调节所述VGT的叶片位置。
方案4. 根据方案1所述的车辆，其中，所述进气组件包括排气再循环EGR阀，并且其中，所述控制器配置成调节所述EGR阀的操作。
方案5. 根据方案1所述的车辆，还包括：第一传感器，所述第一传感器关于所述进气组件定位并且适于测量通过所述VGT的排气流的流率；第二传感器，所述第二传感器测量所述VGT的叶片位置；以及第三传感器，所述第三传感器测量所述VGT的入口温度，其中，所述传感器中的每一个均与所述控制器通信，并且其中，所述控制器在所述第一数学模型和所述第二数学模型的每一个中使用所述流率、所述叶片位置和所述入口温度来计算所述排气歧管压力。
方案6. 根据方案5所述的车辆，其中，所述控制器使用所述流率来计算所述排气流的质量流量，然后根据所述质量流量和来自所述涡轮质量流量映射的值来求解所述压力比。
方案7. 根据方案5所述的车辆，其中，所述第一模型包括所述排气的质量流率和来自所述温度传感器的涡轮入口温度的函数，并且所述第二数学模型对所述质量流量映射进行数学反演，从而将所述涡轮质量流量映射变换到这样的坐标系，所述坐标系不同于所述涡轮质量流量映射在所述变换之前的坐标系。
方案8. 一种用于车辆的控制器，所述车辆具有发动机、包括带入口侧和出口侧的可变几何涡轮VGT的进气组件、以及用于接收来自所述发动机的排气的排气歧管，所述控制器包括：
第一数学模型和第二数学模型，用于使用不同方程来计算排气歧管压力；和
主机，所述主机可操作以便：
        计算所述VGT的入口侧和出口侧之间的压力比；
        分别使用所述第一数学模型和所述第二数学模型来计算第一排气歧管压力和第二排气歧管压力；和
        当所述压力比超过校准阈值时使用所述第一排气歧管压力来执行控制动作，以及当所述压力比未超过所述校准阈值时使用所述第二排气歧管压力来执行控制动作。
方案9. 根据方案8所述的控制器，其中，所述控制动作包括调节所述进气组件的功能。
方案10. 根据方案9所述的控制器，其中，所述控制动作包括自动调节所述VGT的叶片位置。
方案11. 根据方案8所述的控制器，还包括：第一传感器，所述第一传感器适于测量进入到所述VGT中的排气流的流率；第二传感器，所述第二传感器测量所述VGT的叶片位置；以及第三传感器，所述第三传感器测量所述VGT的入口温度，其中，所述传感器中的每一个都与所述控制器通信，并且其中，所述控制器在所述第一数学模型和所述第二数学模型的每一个中使用所述流率、所述叶片位置和所述入口温度来计算所述排气歧管压力。
方案12. 根据方案11所述的控制器，其中，所述控制器使用所述流率来计算所述排气流的质量流量，然后根据所述排气流的质量流量和从所述涡轮质量流量映射提供的值来求解所述压力比。
方案13. 根据方案11所述的控制器，其中，所述第一数学模型包括进入到所述VGT的排气流的质量流率和来自所述温度传感器的涡轮入口温度的函数，并且所述第二数学模型对所述涡轮质量流量映射进行数学反演，从而在所述涡轮质量流量映射被反演后将所述涡轮质量流量映射变换到这样的坐标系，所述坐标系不同于所述涡轮质量流量映射在所述变换之前的坐标系。
方案14. 一种用于控制车辆上的发动机的操作的方法，所述车辆包括发动机、具有带入口侧和出口侧的可变几何涡轮VGT的进气组件、用于接收来自所述发动机的排气的排气歧管、以及主机，其中所述VGT能够使用涡轮质量流量映射来控制，所述方法包括：
使用主机来计算在所述VGT的入口侧和出口侧之间的压力比；
使用所述主机分别使用第一数学模型和第二数学模型来计算第一排气歧管压力和第二排气歧管压力，并且其中，所述第一数学模型和所述第二数学模型中的每一个都使用了来自所述涡轮质量流量映射的信息；以及
当所述压力比超过校准阈值时使用所述第一排气歧管压力借由所述主机来执行控制动作；以及当所述压力比未超过所述校准阈值时使用所述第二排气歧管压力借由所述主机来执行控制动作。
方案15. 根据方案14所述的方法，还包括调节所述VGT的叶片位置来作为所述控制动作。
方案16. 根据方案14所述的方法，所述车辆包括：适于测量进入到所述VGT中的排气流的流率的第一传感器、测量所述VGT的叶片位置的第二传感器、以及测量所述VGT的入口温度的第三传感器，其中所述传感器中的每一个都与所述控制器通信，所述方法还包括：
在所述第一数学模型和所述第二数学模型的每一个中使用所述流率、所述叶片位置和所述入口温度来计算所述排气歧管压力。
方案17. 根据方案16所述的方法，还包括：
使用所述流率来计算所述排气流的质量流量；和
根据所述质量流量和来自所述涡轮质量流量映射的值来求解所述压力比。
方案18. 根据方案16所述的方法，其中，所述第一数学模型包括进入到所述VGT中的排气流的质量流率和所述涡轮入口温度的函数，并且所述第二数学模型对所述涡轮质量流量映射进行数学反演，从而一旦反演便将所述涡轮质量流量映射变换到这样的坐标系，所述坐标系不同于所述涡轮质量流量映射在所述变换之前的坐标系。
从以下对用于实施本发明的最佳模式的详细说明并结合附图，本发明的上述特征和优势以及其它特征和优势将显而易见。
附图说明
图1是具有控制器的车辆的示意图，所述控制器适于如本文所公开那样来计算排气歧管压力；
图2是用于如图1所示的控制器的示意性逻辑图；以及
图3是描述了用于计算如图1所示车辆上的排气歧管压力的算法的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记指示了相同部件，在图1中示出了车辆10。车辆10包括电子控制单元或控制器50，其适于以两种不同方式中的一种来计算排气歧管压力，在下文中简写为PEM。也就是说，控制器50选择并执行一对不同数学模型64、66（见图2）中的一个，以便计算排气歧管压力（PEM），如将参考图2和图3详细描述的那样。
要使用的具体模型由控制器50通过如下操作来自动选择：将计算的排气压力比（在下文简写为PR）的值与校准阈值进行比较，接下来，取决于计算的排气压力比（PR）是否超过校准阈值来选择模型64或66中的一种。然后，控制器50可执行发动机控制动作，例如使用经由相应选择的第一或第二数学模型64、66所计算的排气歧管压力（PEM）根据需要来调节车辆10上的空气进气速率。
车辆10包括内燃发动机12、进气歧管14、排气歧管15、排气系统16、尾管18、以及具有空气压缩机36和可变几何涡轮（VGT）38的进气组件22。车辆10还包括多个物理传感器，包括：定位在进气组件22的入口侧的流量传感器73；位置传感器75，其充分地定位成测量VGT 38的叶片位置；以及温度模型或温度传感器77，其充分地定位成测量或以其它方式确定排气流37在其传送到VGT中时的出口温度。流量传感器73产生流量信号21，位置传感器75产生位置信号23，温度传感器77产生温度信号19，它们每个都中继给控制器50，以便用于计算排气歧管压力（PEM），如将在下文阐述的那样。
发动机12燃烧燃料以产生发动机扭矩，其驱动发动机输出轴24。输出轴24可借由离合器30选择性地连接到变速器28的输入构件26。变速器28具有输出构件32，其将来自发动机12和/或来自在车辆10配置为混合动力电动车辆时的一个或多个发动机/发电机单元（未示出）的驱动扭矩最终传送到一组车轮34，在图1中为了简明起见仅示出了所述车轮中的一个。
空气在图1中用箭头11表示，所述空气借由进气组件22被抽吸到发动机12中。进气组件22包括上述空气压缩机36和VGT 38，其中VGT是涡轮增压器装置，其具有入口侧90、出口侧91以及多个叶片，每个叶片均具有可变的几何或涡轮角度。如本领域中普通技术人员所理解的那样，诸如图1中所示的VGT 38的VGT是涡轮增压器涡轮，其将排气流37中的气体转化为适用于驱动空气压缩机36的机械能。VGT 38通过其桨叶或叶片位置来调节被送到发动机12中的空气的体积和速率，所述桨叶或叶片位置可通过控制器50来自动调节。该叶片位置在下文中简写为VGTPOS，其值被传送给控制器50作为位置信号23。
仍参考图1，控制器50借由一组控制信号13与发动机12、排气再循环（EGR）阀42、以及进气组件22的各个部件通信，其中的一些由控制器使用算法100处理，以便计算排气歧管压力（PEM），如下文所述。EGR阀42可根据需要被控制，以便根据需要将借由排气歧管15排出的排气流37的一部分选择性地引导回到进气歧管14中。剩余排气流37经过排气系统16中，其中诸如一个或多个氧化催化剂、颗粒过滤器、选择性还原催化剂、消声器等等（未示出）之类的装置在该排气最终借由尾管18排出到大气之前进一步处理该排气。
控制器50可配置为控制模块或主机，其编程具有算法100或能够访问算法100。控制器50配置成根据排气压力比（PR）的值以两种不同方式中的每一种来计算在排气歧管15处或排气歧管15中的排气歧管压力（PEM），以及使用所计算的排气歧管压力来控制车辆10的操作。
控制器50可配置为数字计算机，其用作车辆控制器和/或用作比例-积分-微分（PID）控制器装置，其具有微处理器或中央处理单元（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、高速时钟、模数（A/D）和/或数模（D/A）电路、任何需要的输入/输出电路和相关装置、以及任何需要的信号调节和/或信号缓冲电路。算法100和任何需要的基准校准（reference calibrations）被存储在控制器50中，或者容易被控制器50访问，以提供关于下文中关于图2和图3所描述的功能。
参考图2，算法100可关于示例性逻辑流程图60来广义地解释。视图60包括压力比计算块62、相应第一和第二数学模型64和66、延迟块63、以及软件开关68。软件开关68使用阈值比较的结果来确定相应的第一和第二数学模型64和66中的哪一个将用于计算排气歧管压力（PEM），其最终用作输出信号70，输出信号70用于随后的发动机控制或进气调节。
压力比计算块62计算并保持用于排气压力比（PR）的数据值，即如图1所示的由控制器50计算的在VGT 38的入口侧90处的压力与该VGT的出口侧91处的压力的比（即，                                                
Figure 401684DEST_PATH_IMAGE001
）。该功能可通过如下来执行：首先计算流经VGT 38的排气流37的质量流量（
Figure 131874DEST_PATH_IMAGE002
），接着例如使用下述方程来求解排气歧管压力比（PR）：
Figure 911611DEST_PATH_IMAGE003
,
其中，项k 1和k 2是从校准的涡轮质量流量映射（mass flow map）80提取或得到的跟踪值。如本领域技术人员所理解的，涡轮质量流量映射是一组曲线，其相对于涡轮质量流量和效率而绘出了VGT 38上的压力比，因而描述了涡轮性能如何关于VGT 38上的压降而变化。映射80通常是在VGT交付时由VGT 38制造商提供的类型。值k 1和k 2是所测量的VGT 38的叶片位置的函数，其值可用于控制器50作为位置传感器75（还见图1）所传输的位置信号23。然后，排气压力比（PR）作为信号69被中继至软件开关68。于是，基于排气压力比（PR）与校准阈值的比较结果，软件开关68确定使用相应第一和第二数学模型64和66中的哪一个来计算排气歧管压力（PEM）。
为了确定通过VGT 38的质量流量（
Figure 369137DEST_PATH_IMAGE004
），第一数学模型38使用延迟块63通过施加合适迟延或时间延迟来延迟排气歧管压力（PEM），即输出信号70。因此产生延迟压力信号170。第一数学模型64使用可在先前控制循环中计算的延迟压力信号170、通过温度传感器77在VGT 38的入口侧测量的温度信号19、以及通过位置传感器75测量的位置信号23作为输入信号，如上所述。控制器50使用下述方程来计算涡轮质量流量，即经过VGT 38的排气流37的质量流量：
其中，排气压力（PEM）的值可最初预定或校准的，且排气的质量流率（即，）使用来自于流量传感器73的数据来计算，气体的比热包括排气流37等。通过使用来自于计算块62的压力比（PR），控制器50于是可计算作为输出信号70的排气歧管压力（PEM）。
第二模块66以不同于第一模型64的方式来计算排气歧管压力（PEM），尤其通过对VGT 38的质量流量映射80进行数学反演。第二模型66使用涡轮入口温度信号19和位置信号23作为输入信号。然后，控制器50如下计算所传送的涡轮质量流量值：
Figure 327735DEST_PATH_IMAGE009
其中，值
Figure 383415DEST_PATH_IMAGE010
是校正质量流率，其可被确定为压力比（PR）和VGT叶片位置（VGTPOS）的函数，且其中，
Figure 452259DEST_PATH_IMAGE011
在涡轮质量流量映射80被变换到新坐标系之后从涡轮质量流量映射80获取。于是，控制器50以第二方式计算排气歧管压力（PEM）如下：
Figure 251588DEST_PATH_IMAGE012
于是，软件开关68分别从第一和第二数学模型64、66获取输出信号74和76，以及从计算块62获取压力比信号69，并接着将信号69的排气压力比（PR）与校准阈值比较。如果排气压力比（PR）超过校准阈值，那么控制器50传送的排气歧管压力输出值70使用了借由第一数学模型64计算的值。否则，控制器50传送的作为输出值70的排气歧管压力是借由第二数学模型66计算的。
参考图3，算法100在步骤102开始，其中压力比（PR）被计算并存储在存储器中。于是，算法100推进到步骤104，其中排气压力（PEM）借由两种不同方法（即，分别是第一和第二数学模型64和66）来计算，这已经在上文详细描述。
在步骤106，所计算的值被前馈到图2的软件开关68且施加逻辑，以便确定使用相应第一或第二数学模型64、66中的哪一个。在一个实施例中，控制器50将压力比（PR）与校准阈值比较。算法100在压力比（PR）超过校准阈值时推进到步骤108，且在压力比不超过校准阈值时推进到步骤110。
在步骤108和110，控制器50前馈来自于第一数学模型64（步骤108）和第二数学模型66（步骤110）中相应一个的排气压力（PEM），并且使用该值来控制图1中的发动机12的操作，例如通过调节进气速率。算法100可以以具有合适周期的循环继续，藉此持续地控制发动机12和进气组件22的操作。
虽然已经详细描述了用于实施本发明的最佳模式，但是本发明所属领域的技术人员将认识到落入所附权利要求书范围内的用于实施本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种车辆，包括：
发动机；
进气组件，所述进气组件具有带入口侧和出口侧的可变几何涡轮VGT，所述VGT具有由涡轮质量流量映射限定的性能；
排气歧管，所述排气歧管用于接收来自所述发动机的排气，并且具有排气歧管压力；和
控制器，所述控制器适于：
      计算所述VGT的入口侧和出口侧之间的压力比；
      分别使用第一数学模型和第二数学模型来计算第一排气歧管压力和第二排气歧管压力；其中，所述第一数学模型和所述第二数学模型中的每一个都使用了从所述涡轮质量流量映射提供的信息；和
      当所述压力比超过校准阈值时使用所述第一排气歧管压力来执行控制动作，以及当所述压力比未超过所述校准阈值时使用所述第二排气歧管压力来执行控制动作。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述控制动作包括调节所述进气组件的功能。
3.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述控制动作包括自动调节所述VGT的叶片位置。
4.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述进气组件包括排气再循环EGR阀，并且其中，所述控制器配置成调节所述EGR阀的操作。
5.根据权利要求1所述的车辆，还包括：第一传感器，所述第一传感器关于所述进气组件定位并且适于测量通过所述VGT的排气流的流率；第二传感器，所述第二传感器测量所述VGT的叶片位置；以及第三传感器，所述第三传感器测量所述VGT的入口温度，其中，所述传感器中的每一个均与所述控制器通信，并且其中，所述控制器在所述第一数学模型和所述第二数学模型的每一个中使用所述流率、所述叶片位置和所述入口温度来计算所述排气歧管压力。
6.根据权利要求5所述的车辆，其中，所述控制器使用所述流率来计算所述排气流的质量流量，然后根据所述质量流量和来自所述涡轮质量流量映射的值来求解所述压力比。
7.根据权利要求5所述的车辆，其中，所述第一模型包括所述排气的质量流率和来自所述温度传感器的涡轮入口温度的函数，并且所述第二数学模型对所述质量流量映射进行数学反演，从而将所述涡轮质量流量映射变换到这样的坐标系，所述坐标系不同于所述涡轮质量流量映射在所述变换之前的坐标系。
8.一种用于车辆的控制器，所述车辆具有发动机、包括带入口侧和出口侧的可变几何涡轮VGT的进气组件、以及用于接收来自所述发动机的排气的排气歧管，所述控制器包括：
第一数学模型和第二数学模型，用于使用不同方程来计算排气歧管压力；和
主机，所述主机可操作以便：
      计算所述VGT的入口侧和出口侧之间的压力比；
      分别使用所述第一数学模型和所述第二数学模型来计算第一排气歧管压力和第二排气歧管压力；和
      当所述压力比超过校准阈值时使用所述第一排气歧管压力来执行控制动作，以及当所述压力比未超过所述校准阈值时使用所述第二排气歧管压力来执行控制动作。
9.根据权利要求8所述的控制器，其中，所述控制动作包括调节所述进气组件的功能。
10.一种用于控制车辆上的发动机的操作的方法，所述车辆包括发动机、具有带入口侧和出口侧的可变几何涡轮VGT的进气组件、用于接收来自所述发动机的排气的排气歧管、以及主机，其中所述VGT能够使用涡轮质量流量映射来控制，所述方法包括：
使用主机来计算在所述VGT的入口侧和出口侧之间的压力比；
使用所述主机分别使用第一数学模型和第二数学模型来计算第一排气歧管压力和第二排气歧管压力，并且其中，所述第一数学模型和所述第二数学模型中的每一个都使用了来自所述涡轮质量流量映射的信息；以及
当所述压力比超过校准阈值时使用所述第一排气歧管压力借由所述主机来执行控制动作；以及当所述压力比未超过所述校准阈值时使用所述第二排气歧管压力借由所述主机来执行控制动作。
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