CN103225564B - 设定点库控制架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设定点库控制架构。提供一种利用数个预设的运行参数来控制发动机运行的方法。该方法确定该发动机的运行模式。该方法确定该发动机的运行状态。响应于所确定的发动机的运行模式和所确定的发动机的运行状态，从存储器获取多个发动机参数设置。将该多个发动机参数设置应用到该发动机的至少一个控制算法。

Description

设定点库控制架构

技术领域

本申请涉及对很多个用于内燃机中燃烧的发动机运行参数的控制，且更具体地涉及通过使用发动机的数个设定点来控制该发动机的系统和方法。

背景技术

包括环境责任努力和对发动机废气排放的现代环境法规在内的许多因素已经降低了在矿物燃料燃烧后进入大气的特定污染物的允许接受的水平。越来越多更加严格的排放标准可能需要对燃料的燃烧和排气的燃烧后处理中的一项或两项进行更大的控制。例如，氮氧化物（NOx）和颗粒物质的允许水平在过去几年中已被显著降低。已经发现，燃料喷射定时和要被喷射的燃料的量与诸如排气再循环（EGR）、可变几何形状涡轮增压器（VTG）的叶片设置、进气歧管温度和进气阀定时之类的其它方面一起是排放形成中的重要的因素。

为了使发动机提供理想的性能，同时还满足所要求的排放限制，电子发动机控制系统由此可能变得非常复杂。随着发动机可能会遇到各种各样不同的运行任务和运行条件，控制各种各样的发动机运行参数，诸如燃料喷射定时、燃料喷射量、燃料喷射压力、进气阀定时、排气阀定时、EGR阀设置、涡轮增压器设置等。然而，调节一个发动机参数可能抵消对另一个发动机参数所作的调节，或可能造成对发动机运行的比当对另一个发动机参数作调节时所预期的变化更大的改变。已经发现，对于给定的发动机运行条件，可将数个发动机运行参数协调至该给定发动机运行条件的设定点，从而使得该设定点允许发动机产生所要求的功率输出，同时还产生可接受水平的NOx和颗粒物质。存在对这样一种发动机控制系统的需要，该发动机控制系统使得对于各种发动机运行条件的多个设定点基于发动机运行条件被应用至发动机。

发明内容

根据一个过程，提供一种利用数个预设的运行参数来控制发动机运行的方法。该方法确定该发动机的运行模式。该方法确定该发动机的运行状态。响应于所确定的发动机的运行模式和所确定的发动机的运行状态，从存储器获取多个发动机参数设置。将该多个发动机参数设置应用到该发动机的至少一个控制算法。

根据另一个过程，提供一种利用数个预设的运行参数来控制发动机运行的方法。确定该发动机的运行模式。基于运行状态的三维表确定该发动机的第一临时运行状态。基于运行状态的一维表确定该发动机的第二临时运行状态。选择该第一临时运行状态和该第二临时运行状态中的一个。响应于所确定的发动机的运行模式和所选择的发动机的运行状态，从存储器获取多个发动机参数设置。将该多个发动机参数设置应用到该发动机的至少一个控制算法。

根据还有一个过程，提供一种利用数个预设的运行参数来控制发动机运行的方法。确定该发动机的运行模式。确定该发动机的第一运行状态。响应于所确定的发动机的运行模式和所确定的发动机的第一运行状态，从存储器获取多个发动机参数设置。将该多个发动机参数设置应用到该发动机的至少一个控制算法。对发动机排放和发动机燃烧稳定性进行监控。当发动机排放和发动机燃烧稳定性中的至少一个无法满足预定限制时，确定发动机的第二运行状态。响应于所确定的发动机的运行模式和所确定的发动机的第二运行状态，从存储器获取第二组多个发动机参数设置。将该第二组多个发动机参数设置应用到该发动机的至少一个控制算法。

附图说明

图1是根据一个实施例的设定点库控制系统的框图。

图2是根据另一个实施例的设定点库控制系统的框图。

图3是示出颗粒物质累积的图表。

图4是示出发动机汽缸的容量的示意性视图。

具体实施方式

图1示出指示设定点库发动机控制方法10的框图。方法10具有设定点选择部分12。该设定点选择部分可利用各种输入以确定关于发动机的运行状态和在发动机周围的环境条件的信息。举例而言，设定点选择部分12可接收输入，该输入包括发动机冷却剂温度、进气歧管温度、环境压力或高度测量、发动机速度、发动机转矩输出、表示发动机正被使用以运行动力输出（“PTO”）的信号、从启动发动机开始对颗粒物质产生的估算、以及表示发动机运行和发动机运行条件的各种其它信号。

设定点选择部分12利用这些输入来确定发动机正在工作的模式和状态。该模式表示发动机正执行的功能或任务。举例而言，发动机模式可以是正常运行、PTO运行、延长空转的停止及运转运行、高输出运行以及其它模式。

从设定点选择逻辑输出的发动机运行的状态指示NOx排放和发动机燃烧稳定性运行范围。举例而言，第一状态可提供高水平的发动机燃烧稳定性和较高水平的NOx排放，而第二状态则提供较低水平的发动机燃烧能力和较低水平的NOx排放。由此，如果发动机控制系统确定发动机燃烧稳定性在预定阈值之下，则将改变状态以改进发动机燃烧稳定性。一旦获得并维持了可接受的燃烧稳定性，预期可将状态改变至较不稳定但更低的NOx产生状态，以将发动机排放最小化。

一旦已在设定点选择逻辑12中选择了模式和状态，则访问设定点库14。设定点库14具有多个基于模式和状态的设定点设置。多个设定点设置中的每一个包含对于各个发动机运行参数的所有设定点，诸如燃料喷射压力、燃料喷射定时、阀定时、EGR阀设置、可变几何形状涡轮增压器设置等。由此，多个设定点设置中的每一个包含对于各个发动机运行参数的设置的完整集，使得发动机输出需要的功率同时还产生可允许水平的排放。

预期填充设定点库的设定点设置可以多种方式产生。在产生设定点设置的第一种方式中，在发动机测试单元中运行发动机，其中仪器能够准确地测量发动机排放和发动机功率输出，同时还允许对测试单元中的条件进行控制。例如，可调节测试单元中的大气条件以模拟各个大气压力、温度和进气空气氧气含量。另外，测试单元可使种类繁多的发动机加载条件被模拟，该发动机加载条件诸如快速加速、高负载运行、低负载运行和空转。基于多种模拟的运行条件，发动机运行参数的设置可被优化并存储在设定点库中。

另外，可以在发动机开发过程期间通过使用发动机的车辆内校准来产生设定点设置。基于在车辆内校准期间引入的附加变量（诸如改变大气条件）,车辆内校准可能没有测试单元校准理想。

如图1中所示，设定点库14输出设定点，利用该设定点以控制各个发动机运行参数。举例而言，通过第一EGR算法16和第二EGR算法18来利用设定点，以控制EGR阀的位置并向发动机进气歧管提供EGR的改变量。对第一EGR算法16和第二EGR算法18两者的使用可提供对发动机上的EGR阀的更稳健的控制。对EGR阀的更稳健的控制可更好地控制发动机排放。

例如，第一EGR算法16和第二EGR算法18的输出可在比较器20进行比较，以确定采用第一EGR算法16和第二EGR算法18中的哪一个。比较器20还从设定点选择逻辑12接收发动机正在运行的模式。基于来自设定点选择逻辑12、第一EGR算法16和第二EGR算法18的输入，比较器20选择用于控制EGR阀的输出。

类似地，由涡轮控制算法22利用设定点库14的设定点来控制可变几何形状涡轮增压器。可变几何形状涡轮增压器通常能够改变涡轮增压器的涡轮部分上的叶片位置的几何尺寸，以使涡轮增压器更有效或响应于变化的运行条件，且还可用于控制由涡轮增压器产生的增压的水平。设定点被用于基于发动机的运行条件来定位叶片或涡轮增压器的其它可调节元件。

还提供燃料控制算法24，其采用来自设定点库14的设定点。燃料控制算法24使用设定点来控制喷射到汽缸内的燃料的量、燃料喷射的定时以及数个燃料喷射事件。举例而言，来自设定点库14的设定点被燃料控制算法采用，以设定在燃烧循环期间到汽缸内的燃料喷射事件的定时。

还可提供附加的发动机控制算法26，其采用来自设定点库14的设定点。例如，可变阀定时控制算法可使用设定点来控制对发动机上的进气阀和排气阀两者的打开和关闭的定时。

现在转向图2，描绘了一个可替换的实施例，该实施例示出如何确定设定点库的状态。指示设定点库发动机控制方法100的框图包括模式选择部分102和状态选择部分104。如上所述，该模式基于发动机的功能，且由此大体上容易确定。状态选择部分104包括三维表106。三维表106基于多个测量的数据来设置状态输出，该测量的数据诸如大气压、冷却剂温度、进气歧管温度、环境温度、增压压力、进气歧管压力、进气气流等。基于该多个测量的数据，确定来自三维表106的状态。

状态选择部分104附加地包括一维表108。如图2中所示，一维表108可基于发动机特性的模型，诸如颗粒物质累积、进气氧气百分比、排气歧管氧气浓度和进气增压利用。一维表108具有基于所选择的发动机特性的模型的多个状态。确定来自一维表108的状态。

比较器110接收由三维表106和一维表108两者选择的状态。比较器110可被编程以基于各种考虑选择状态，该各种考虑基于从三维表106和一维表108产生的状态之间的任何差异。

举例而言，可发现在某些情形下，由一维表108选择的状态应该控制由一维表108和三维表106选择的状态中的差异是否超过预定数量的状态。在这种情况下，一维表108的属性被认为对于发动机运行比三维表106选择的状态更重要。

类似地，在其它发动机运行的条件下可发现，由三维表106选择的状态应该控制由一维表108和三维表106选择的状态中的差异是否超过预定数量的状态。在这种情况下，三维表106的属性被认为对于发动机运行比一维表108选择的状态更重要。对来自三维表106和一维表108的状态的选择的重要性可基于发动机校准动作进行确定，诸如在发动机测试单元中或在车辆内发动机测试中执行的发动机校准动作。

由此，设定点库14提供在稳态运行期间被设置并应用于发动机可经历的种类繁多的发动机运行条件的发动机运行参数。设定点库允许当改变发动机功能时使得设定点改变模式，且允许当燃烧变得不稳定或当排放没有被满足时使状态发生改变。由此，设定点库14允许对发动机运行进行更大的控制，而不管发动机运行条件如何。

如以上结合图2所述地，发动机可经配置以基于诸如颗粒物质累积之类的特定发动机运行条件来选择设定点。图3示出图表200，该图表示出相比于允许速率的颗粒物质累积204的累积的颗粒物质202，诸如在发动机的排气系统内的柴油机颗粒过滤器（DPF）中累积的颗粒物质的量。使用颗粒物质累积模型来控制从设定点库选择的设定点，可因为很多原因而是有益的。首先，过量的颗粒物质累积可使DPF过早地需要替换。因为DPF可能是昂贵的组件，所以DPF的寿命被缩短是不利的。此外，过量颗粒物质在DPF中的累积将引起DPF更为频繁的再生。DPF的再生需要额外的燃料使用，从而减小了观测到的车辆的燃料经济性。

如图3中所示，在累积的颗粒物质202超过允许速率的颗粒物质累积204的点206，来自设定点库的用于运行发动机的设定点将被改变成在燃烧期间产生较少颗粒物质的设定点。该设定点可基于观测到的针对特定设定点产生的颗粒物质累积的速率、可在发动机校准期间获得的数据来设置。由此，发动机将运行设定点以在燃烧期间产生较少的颗粒物质，直到累积的颗粒物质202落在允许速率的颗粒物质累积204之下，如在点208所示。

预期一旦发动机在点208在允许速率的颗粒物质累积204之下运行，该发动机可被允许利用产生更多颗粒物质的先前设定点。

预期燃烧稳定性和/或NOx排放可防止发动机在某些发动机运行条件期间用产生较少颗粒物质的设定点运行，且在这种时候发动机将运行以满足可允许的NOx排放水平和/或燃烧稳定性要求。然而，一旦发动机运行允许减少的颗粒物质形成燃烧，将利用设定点以在燃烧期间产生降低水平的颗粒物质。

已经发现，发动机进气歧管内氧气百分比的使用可用于有效地控制发动机上EGR阀的位置，从而控制提供给发动机进气歧管的EGR的量。先前对控制提供给发动机进气歧管的EGR量的尝试取决于正被提供给进气系统的EGR的百分比。然而，已经发现，发动机NOx的产生与进气歧管内的氧气百分比的关系比与正被提供给发动机的EGR的百分比的关系更密切。

已经发现，可使用以下的公式来确定进气歧管内的氧气百分比：

其中λ是排气内测量到的氧气量，而EGR是正被提供给发动机的EGR的百分比。已经发现，测量排气内氧气量的传感器比直接测量进气歧管内氧气量的传感器更可靠，因为氧气传感器对热和振动敏感。

还发现，在发动机的进气歧管内使用氧气以控制EGR，这在瞬时发动机运行期间（诸如在快速加速期间，此时需要增加的气流用于增加量的燃料的燃烧）可以是有益的，且可降低排气内氧气的量。由此，即使通过发动机进气的空气的流速可能与其它运行条件相类似，EGR也可具有较低量的氧气，因此进气歧管氧气百分也将较低。因此，基于排气内氧气的减少量，在这种运行条件下的EGR的速率不需要很高，从而充分地减少燃烧期间形成的NOx。采用另一种方式，通过对基于进气歧管中存在的氧气量提供的EGR的量进行控制，提供了对稀释剂（排气）水平的更准确的控制，从而允许对发动机的NOx排放进行更精确的控制。

此外，使用进气歧管内的氧气来控制发动机中的EGR水平，这允许在各个发动机之间进行更准确的排放控制，每个所述发动机具有略微不同的运行参数。举例而言，第一发动机可具有一涡轮增压器，该涡轮增压器产生的增压略微多于第二发动机上的涡轮增压器，即使所述两个发动机是相同的型号且采用相同型号的涡轮增压器。由此，通过使用进气歧管内实际的氧气量，可考虑到第一发动机和第二发动机之间的略微变化，且可向发动机提供更精确的EGR水平，从而减少NOx排放。因此，相同的控制软件将导致有略微不同的发动机之间有相似的NOx排放。

可在发动机上采用的另一控制策略包括对涡轮增压器控制概念的使用。许多发动机控制系统利用进气歧管压力以控制涡轮增压器上的废料门或可变几何形状涡轮增压器的叶片。然而，对进气歧管压力的控制通常不是实际理想由废料门或叶片设置控制的，相反，为了在进气歧管内提供理想的氧气量，对涡轮增压器的控制一般是理想的。由此，传统的涡轮增压器控制策略将产生到进气歧管的特定流速或流量，而不管该流体流的含量。这已经被发现，在进气歧管内产生与有利的发动机运行条件不对应的流速。另外，某些当前的发动机运行条件产生比发动机运行所需要的更高的增压或更大的流速，从而限制了可供在EGR系统中使用的发动机排气的流速。

当前实施例基于需要的进气歧管氧气含量来控制涡轮增压器。为了控制涡轮增压器，基于发动机的运行条件从设定点库得到理想的增压量和理想的流速。使用以下等式：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=C_p\stackrel{\·}{m}T({\mathrm{PQ}}^{\frac{y-1}{y}}-1)$

其中ω是涡轮增压器的涡轮所需要的功率，C_p是常数，m是质量流速，T是温度，PQ是涡轮增压器的压力商或增压，而y是流体的特定重量。由此，通过使用来自设定点库的理想增压设定点和理想质量流速，可计算需要由涡轮产生的功率。基于在进气歧管中实际测量到的质量流速和所需要的涡轮功率输出，可计算实际所需要的压力商，且为了控制该压力商，可设置可变几何形状涡轮增压器的叶片或涡轮增压器的废料门的位置。以该方式，可在各种发动机运行条件下控制涡轮增压器。

最后，已经注意到，在瞬时运行期间对发动机排放的控制可能是困难的，因为获得可允许的颗粒物质排放和NOx排放同时产生需要的转矩，这需要控制大量的参数。目前的发动机尝试维持颗粒物质排放、NOx排放和转矩输出之一，同时在瞬时运行期间改变其它两个。然而，改变发动机运行参数以维持颗粒物质排放、NOx排放和转矩输出之一，这大致上会对其它两个中的至少一个有影响。已经发现，可基于发动机的空气/燃料比率来控制颗粒排放，可由提供给发动机的EGR的量来控制NOx，且可由提供给发动机的燃料的量来控制转矩输出。

图4示出汽缸500内容量的代表性视图，该汽缸500具有活塞502、燃烧所需要的最小空气量504、已经通过EGR系统的排气形式的稀释剂的量506和过量空气508。在某些瞬时发动机运行期间，可出现燃烧燃料所需要的空气的不足量或稀释剂的不足量，从而无法在燃烧期间提供可允许水平的NOx。在这种情形下，发动机不能产生理想的转矩，或者不能满足NOx排放目标。采用另一种方式，有一些运行条件，其中燃料以理想的空气/燃料比率燃烧所需要的空气量与降低NOx排放所需要的排气稀释剂的量超过了汽缸的容量。

为了确定燃烧所需要的空气的量，理想的转矩输出具有用于加燃料和EGR速率的设定点。为了计算发动机所需要的总空气气流：

其中A/F min是最小可允许的空气/燃料比率，Fuel是产生理想转矩所需要的燃料的量，而EGR%则是提供给发动机的EGR的百分比。

EGR%可使用以下的等式作为进气歧管氧气含量和排气的空气燃料比率的函数来进行计算：

$\mathrm{EGR}\%=100\×\left(\frac{20.9-\mathrm{Intake}{O}_2\%}{20.9-f(a/f)}\right)$

其中f(a/f)是排气内的氧气的量。

由此，总空气气流可表达为：

由此，基于排气内的空气/燃料比率、发动机速度的测量值，可计算发动机可产生的转矩的量。因此，对于给定的包含可被产生的最大转矩的NOx排放水平，可创建一个表。由此，如果转矩理想的量超过可提供的最大转矩，则发动机控制可使用不同的表，诸如允许更高NOx排放水平的第二表，这将通常利用较少的EGR，从而允许额外的气流，由此允许对额外燃料的燃烧。虽然可允许NOx排放水平升高，但其仍旧是受限的，且因此总是被控制。如果达到了最大可允许的NOx水平且发动机仍旧无法产生理想的转矩，则发动机将仅仅产生可能的最大转矩同时仍旧满足所允许的NOx水平。

发动机的颗粒排放由空气/燃料比率控制。因此，本控制策略对燃料要求和EGR要求两者进行协调，以保证维持适当的进气歧管氧气含量。

由此，这种控制策略允许对发动机进行三种类型的运行。第一种类型的运行涉及理想转矩，该理想转矩小于发动机在以基于进气歧管的氧气含量的低NOx排放水平运行的同时能产生的最大转矩。在这种类型的运行中，可增加提供给发动机的燃料的量以产生理想的转矩，而不必改变进气歧管的氧气含量的设定点。

第二种类型的运行涉及理想转矩，该理想转矩大于发动机在以基于进气歧管内的氧气含量的低NOx排放水平运行的同时能产生的最大转矩，但小于发动机基于允许更大NOx排放的第二表所能产生的最大转矩。在这种情形下，设定点将变为来自允许更大NOx排放的第二表的一个设定点。

最后一种类型的运行涉及理想转矩，该理想转矩大于发动机基于允许更大NOx排放的第二表所能产生的最大转矩。在这种情形下，设定点被改变为来自允许更大NOx排放的第二表的一个设定点，且向发动机提供将产生特定设定点的最大转矩的燃料量。然而，发动机将无法产生理想的转矩量。由此，直到运行条件改变，发动机在这种类型的运行中将无法提供理想的转矩量。

可在发动机的校准期间创建包含发动机速度、通过进气歧管的总气流以及针对各种进气歧管氧气浓度可获得的总转矩的表。由此，基于这些表，发动机控制器可确定是否可基于当前的发动机运行条件来产生所请求的发动机的转矩输出。因此，发动机控制器可快速地确定，是否可作出对EGR速率和进气歧管氧气含量的变化以支持产生所请求转矩输出所需要的燃料量，或是否所请求的转矩输出无法由处于这些运行条件下的发动机实现。通过增加进气歧管的氧气含量，通常减小了EGR速率，从而允许燃烧增加量的燃料以产生增大的转矩，而且通常导致增大的NOx排放。由此，可由发动机产生的最大转矩受限于所允许的最大NOx排放。

使用设定点控制策略的一个关键优势是，不需要为发动机硬件中的改变对发动机进行重新校准。这极大地简化了对发动机的控制，并减少了要调节的变量的个数。通过基于来自设定点的设置进行协调的调节，发动机将更一致地执行并将更可能地产生期望的性能和排放水平。

将理解，可以硬件来实现控制系统以完成所述方法。以利用以下技术中的任何一种或组合来执行该控制系统，这些技术在现有技术中都是已知的：具有逻辑门的离散逻辑电路，该离散逻辑电路用于在数据信号的条件下执行逻辑功能；专用集成电路（ASIC），该专用集成电路具有合适的组合逻辑门；可编程门阵列（PGA）；现场可编程门阵列（FPGA）等等。

当控制系统以软件实现时，应注意到的是，该控制系统可存储在任何计算机可读介质上，以由任何计算机相关系统或方法所使用或者结合该系统或方法而使用。在本文献的上下文中，“计算机可读介质”可以是可存储、通信、传播或者传输由指令执行系统、设备或装置所使用或者与指令执行系统、设备或装置结合使用的程序的任何介质。计算机可读介质可例如但不局限于电子、磁性、光学、电磁、红外线或者半导体系统、装置、设备或传播介质。该计算机可读介质的更具体示例（非穷举性列表）可包括以下：具有一条或多条电线的电连接（电子的）、便携式计算机磁盘（磁性的）、随机存取存储器（RAM）（电子的）、只读存储器（ROM）（电子的）、可擦除可编程只读存储器（EPROM、EEPROM或闪存存储器）（电子的）、光纤（光学的）以及便携式压缩盘只读存储器（CDROM）（光学的）。所述控制系统可以任何计算机可读介质实现，该计算机可读介质由指令执行系统、设备或装置所使用或者与指令执行系统、设备或装置结合使用，诸如基于计算机的系统、包含处理器的系统或者可从指令执行系统、设备或装置取得指令并执行该指令的其它系统。

Claims (6)

1.一种利用数个预设的运行参数来控制发动机运行的方法，所述方法包括：

确定所述发动机的运行模式；

确定所述发动机的运行状态；

响应于所确定的所述发动机的运行模式和所确定的所述发动机的运行状态，从存储器获取多个发动机参数设置；

将所述多个发动机参数设置应用到所述发动机的至少一个控制算法，

其特征在于，

在所述方法中，基于至少一个发动机特性的模型来确定所述运行状态，

其中，所述至少一个发动机特性的模型包括颗粒物质累积的速率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述发动机正在执行的任务来确定所述运行模式。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述运行模式基于所述发动机的预期负载因素。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制算法为EGR控制算法。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制算法为涡轮增压器控制算法。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制算法为燃料控制算法。