CN105134391B - 用于基于模型的升压控制的涡轮膨胀比估计 - Google Patents

用于基于模型的升压控制的涡轮膨胀比估计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于基于模型的升压控制的涡轮膨胀比估计。提供一种用于控制发动机系统的涡轮以实现所需升压压力的方法。方法通过使用用于涡轮与发动机系统的压缩机之间的功率平衡的模型基于所需的升压压力来确定所需的排气压力。方法基于所需的排气压力与测量出的涡轮出口压力的比率来产生用于控制涡轮叶片的位置的基础命令。

Description

用于基于模型的升压控制的涡轮膨胀比估计
技术领域
本发明涉及用于涡轮增压器的基于模型的升压控制，并且更具体来说，涉及估计涡轮膨胀比以产生控制用于涡轮增压器的升压压力的涡轮叶片位置控制命令。
背景技术
用于如今的发动机系统的常规控制系统具有若干校准表以处理若干不同的操作条件。此外，为了确保发动机系统的准确控制，这些表中的值必须针对每个特定发动机系统进行准确地校准。随着如今的发动机系统日益增长的复杂性，变得更加难以校准用于产生控制命令（诸如控制用于涡轮增压器的升压压力的涡轮叶片位置控制命令）的若干不同表中的若干设定点。因此，需要提供减少在产生控制命令时使用的校准表的数量的方法和系统。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，提供一种用于控制发动机系统的涡轮以实现所需升压压力的方法。方法通过使用用于涡轮与发动机系统的压缩机之间的功率平衡的模型基于所需的升压压力来确定所需的排气压力。方法基于所需的排气压力与测量出的涡轮出口压力的比率来产生用于控制涡轮叶片的位置的基础命令。
在本发明的另一个示例性实施例中，提供一种发动机系统，该发动机系统包括发动机、由来自发动机的排气驱动的涡轮、由涡轮驱动的压缩机以及用于控制涡轮以实现所需的升压压力的控制模块。控制模块被配置成通过使用用于涡轮与发动机系统的压缩机之间的功率平衡的模型基于所需的升压压力来确定所需的排气压力。控制模块被进一步配置成基于所需的排气压力与测量出的涡轮出口压力的比率来产生用于控制涡轮叶片的位置的基础命令。
在本发明的又一个示例性实施例中，提供一种用于控制发动机系统的涡轮以实现所需的升压压力的控制系统。控制系统包括配置成通过使用用于涡轮与发动机系统的压缩机之间的功率平衡的模型基于所需的升压压力来确定所需的排气压力的第一模块。控制系统进一步包括配置成基于所需的排气压力与测量出的涡轮出口压力的比率来产生用于控制涡轮叶片的位置的基础命令的第二模块。
本发明包括以下方案：
1. 一种用于控制发动机系统的涡轮以实现所需的升压压力的方法，所述方法包括：
通过使用用于涡轮与发动机系统的压缩机之间的功率平衡的模型基于所述所需的升压压力来确定所需的排气压力；以及
基于所述所需的排气压力与测量出的涡轮出口压力的比率来产生用于控制涡轮的叶片的位置的基础命令。
2. 如方案1所述的方法，其进一步包括：
基于所述所需的升压压力与测量出的升压压力之间的差异产生补偿命令；
基于所述基础命令和所述补偿命令产生最终命令；以及
将所述最终命令发送到所述涡轮以控制所述涡轮。
3. 如方案1所述的方法，其中所述涡轮是可变几何涡轮（VGT）。
4. 如方案1所述的方法，其中确定所述所需的排气压力包括使用以下方程：
其中，式中p ex,dsr 是所需的排气压力；p to 是测量出的涡轮出口压力，是估计出的排气流速，T ex 是排气的估计出的温度，p to 是测量出的涡轮出口压力，P c,dsr 是将由所述压缩机产生的所需功率，并且h t 是排气焓流。
5. 如方案1所述的方法，其中产生所述基础命令包括使用函数，其中p ex 是估计出的排气压力；p to 是测量出的涡轮出口压力，p ex /p to 是涡轮膨胀比，是排气流速，T ex 是估计出的排气温度，并且R是理想气体常数。
6. 如方案1所述的方法，其进一步包括通过使用用于估计出的涡轮膨胀比值的查找表来估计所述所需的排气压力与所述测量出的涡轮出口压力的比率，所述估计出的涡轮膨胀比值由所述发动机系统的发动机的不同速度值和不同的所需压缩机压力比值来索引。
7. 如方案6所述的方法，其进一步包括通过使用用于估计出的涡轮膨胀比值的查找表来估计所述所需的排气压力与所述测量出的涡轮出口压力的比率，所述估计出的涡轮膨胀比值由所述发动机系统的发动机的不同速度值和所述发动机的不同燃料消耗率值来索引。
8. 一种发动机系统，包括：
发动机；
由来自所述发动机的排气驱动的涡轮；
由所述涡轮驱动的压缩机；以及
用于控制所述涡轮以实现所需的升压压力的控制模块，所述控制模块包括联接到存储器的处理器，所述控制模块被配置成：
通过使用用于所述涡轮与所述发动机系统的压缩机之间的功率平衡的模型基于所述所需的升压压力来确定所需的排气压力；以及
基于所述所需的排气压力与测量出的涡轮出口压力的比率来产生用于控制所述涡轮的叶片的位置的基础命令。
9. 如方案8所述的发动机系统，其中所述控制模块被进一步配置成：
基于所述所需的升压压力与测量出的升压压力之间的差异产生补偿命令；
基于所述基础命令和所述补偿命令产生最终命令；以及
将所述最终命令发送到所述涡轮以控制所述涡轮。
10. 如方案8所述的发动机系统，其中所述涡轮是可变几何涡轮（VGT）。
11. 如方案8所述的发动机系统，其中所述控制模块被配置成通过使用以下方程确定所述所需的排气压力：
其中，式中p ex,dsr 是所需的排气压力；p to 是测量出的涡轮出口压力，是估计出的排气流速，T ex 是所述排气的估计出的温度，p to 是测量出的涡轮出口压力，P c,dsr 是将由所述压缩机产生的所需功率，并且h t 是排气焓流。
12. 如方案8所述的发动机系统，其中所述控制模块被配置成通过使用函数产生所述基础命令，其中p ex 是估计出的排气压力，p to 是测量出的涡轮出口压力，p ex /p to 是涡轮膨胀比，是排气流速，T ex 是估计出的排气温度，并且R是理想气体常数。
13. 如方案8所述的发动机系统，其中所述控制模块被进一步配置成通过使用用于估计出的涡轮膨胀比值的查找表来估计所述所需的排气压力与所述测量出的涡轮出口压力的比率，所述估计出的涡轮膨胀比值由所述发动机系统的发动机的不同速度值和不同的所需压缩机压力比值来索引。
14. 如方案8所述的发动机系统，其中所述控制模块被进一步配置成通过使用用于估计出的涡轮膨胀比值的查找表来估计所述所需的排气压力与所述测量出的涡轮出口压力的比率，所述估计出的涡轮膨胀比值由所述发动机系统的发动机的不同速度值和所述发动机的不同燃料消耗率值来索引。
15. 一种用于控制发动机系统的涡轮以实现所需的升压压力的控制系统，所述控制系统包括：
配置成通过使用用于所述涡轮与所述发动机系统的压缩机之间的功率平衡的模型基于所述所需的升压压力来确定所需的排气压力的第一模块；以及
配置成基于所述所需的排气压力与测量出的涡轮出口压力的比率来产生用于控制所述涡轮的叶片的位置的基础命令的第二模块。
16. 如方案15所述的控制系统，其进一步包括第三模块，所述第三模块被配置成：
基于所述所需的升压压力与测量出的升压压力之间的差异产生补偿命令；
基于所述基础命令和所述补偿命令产生最终命令；以及
将所述最终命令发送到所述涡轮以控制所述涡轮。
17. 如方案15所述的控制系统，其中所述涡轮是可变几何涡轮（VGT）。
18. 如方案15所述的控制系统，其中所述第一模块被配置成确定所述所需的排气压力包括使用以下方程：
其中，式中p ex,dsr 是所需的排气压力；p to 是测量出的涡轮出口压力，是估计出的排气流速，T ex 是所述排气的估计出的温度，p to 是测量出的涡轮出口压力，P c,dsr 是将由所述压缩机产生的所需功率，并且h t 是排气焓流。
19. 如方案15所述的控制系统，其中所述第二模块被配置成通过使用函数产生所述基础命令，其中p ex 是估计出的排气压力，p to 是测量出的涡轮出口压力，p ex /p to 是涡轮膨胀比，是排气流速，T ex 是估计出的排气温度，并且R是理想气体常数。
20. 如方案15所述的控制系统，其中所述第二模块被配置成通过使用用于估计出的涡轮膨胀比值的查找表来产生所述所需的排气压力与所述测量出的涡轮出口压力的比率，所述估计出的涡轮膨胀比值由所述发动机系统的发动机的不同速度值和不同的所需压缩机压力比值来索引。
本发明的以上特征和优点以及其他特征和优点将从结合附图进行的本发明的以下详细描述变得容易显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节在实施例的以下详细描述中仅通过实例来呈现，详细描述是参照附图，其中：
图1描绘根据本发明的实施例的发动机系统和用于控制发动机系统的控制模块；
图2描绘根据本发明的实施例的控制模块的方框图；以及
图3是示出根据本发明的实施例的方法的流程图。
具体实施方式
以下描述实质上仅是示例性的而并不意欲限制本公开、其应用或使用。应了解，在全部附图中，对应的参考数字指示相同或对应部分和特征。
根据本发明的示例性实施例，图1描绘发动机系统100和控制模块102。发动机系统100包括内燃发动机104、涡轮106、轴122、空气压缩机108、增压空气冷却器110、排气再循环（EGR）阀112、EGR冷却器114、空气入口导管116、排气导管118以及EGR导管120。发动机系统可以具有其他部件，例如，为了简化说明和描述而未描绘的导管的各个位置中的阀。
发动机104是多汽缸内燃发动机，并且可以是任何发动机类型，包括但不限于柴油发动机、汽油发动机、匀质充量压缩点火（HCCI）发动机或其他发动机类型。为了简化说明和描述，并未描绘发动机104的所有部件。例如，未描绘取决于发动机类型发动机104可能具有或可能不具有的进气歧管、排气歧管、燃料喷射器、火花塞、空气/燃料混合器等。发动机104可以是两冲程发动机或四冲程发动机。
空气入口导管116将周围空气引导至发动机104的多个汽缸105。当排气在发动机104的正常操作期间被排出时，排气导管118从发动机104移除排气。压缩机118压缩入口空气，从而增加空气的密度以在馈送到发动机104的空气中提供较高浓度的氧气。压缩机108可以通过安置在排气导管118中的涡轮106经由轴122来驱动。在实施例中，涡轮106是可变几何涡轮（VGT）。涡轮106、轴122和压缩机108构成涡轮增压器109。排气的再循环通过安置于提供在空气入口导管116与排气导管118之间的EGR导管120中的EGR阀112来实现。在再循环的排气与通过空气入口导管116进入的空气混合之前，EGR冷却器114降低再循环的排气的温度。压缩的空气冷却器110耗散由于入口空气的压缩产生的热量。发动机系统100的每个部件可以信号地连接到控制模块102以从控制模块102接收一个或多个控制命令。
感测设备安置于发动机系统100的各个位置处以监控物理特征，并产生与发动机和周围环境参数有关的信号。感测设备可以包括周围环境或压缩机入口空气压力传感器124、压缩机入口空气温度传感器126、空气质量流量传感器128、进气歧管压力传感器130、进气歧管空气温度传感器132、发动机速度传感器134、涡轮出口压力传感器140以及VGT叶片位置传感器144。在实施例中，压缩机入口空气压力传感器124、压缩机入口空气温度传感器126以及空气质量流量传感器128安置在压缩机108的上游。在实施例中，进气歧管压力传感器130和进气歧管空气温度传感器132安置在压缩机108的下游和发动机104的上游。感测设备124至144中的每一个信号地连接到控制模块102以提供信号信息，所述信号信息由控制模块102变换成代表相应监控的参数的状态的信息。在实施例中，传感器值中的一些可以被估计而非由传感器测量。例如，可以基于其他传感器值使用估计模型（未示出）来估计发动机104的下游和涡轮106的上游的排气歧管压力、排气歧管温度和排气流量。
控制模块102基于来自传感器设备的信号以及周围环境和发动机参数来控制发动机系统100的操作。例如，在实施例中，控制模块102通过将VGT叶片位置控制命令或信号发送到涡轮106来控制涡轮106来调整VGT叶片位置以实现所需的升压压力。具体来说，在实施例中，控制模块102使用涡轮增压器的功率平衡模型（即，定义涡轮106与压缩机108之间的功率平衡的模型）基于所需的升压压力来确定所需的排气压力。控制模块102随后使用孔口方程基于所需的排气压力来产生VGT叶片位置控制命令。通过使用方程产生VGT叶片位置控制命令，控制模块102不必依赖于控制模块102否则将在产生VGT叶片位置控制命令时具有的那么多校准表。
图2描绘根据本发明的实施例的图1的控制模块102的方框图。控制模块102包括几个子模块，包括排气压力估计模块202、基础涡轮命令产生模块204、差异确定模块206、差异补偿模块208以及最终涡轮命令产生模块210。
排气压力估计模块202被配置成基于所需的升压压力214和其他输入信号和参数216产生所需的排气压力212。所需的升压压力214是指示供应到发动机104以实现性能目标的压缩空气的所需压力的信号。所需的升压压力214可以由除控制模块102以外的模块（未示出）或者控制模块102的另一个子模块（未示出）来供应，所述另一个子模块基于例如来自加速踏板位置传感器（未示出）的操作者输入或其他信号和参数来确定所需的升压压力214。输入信号和参数216还由除控制模块102以外的模块（未示出）或者控制模块102的其他子模块（未示出）来供应，所述其他子模块基于来自发动机系统100的传感器设备的信号和一个或多个校准表（图1中未示出）来确定这些信号和参数。
在实施例中，排气压力估计模块202使用以下模型方程（1）来估计所需的排气压力：
　　　　　（1）
其中p ex,dsr 是所需的排气歧管压力；p to 是由排气涡轮出口压力传感器140测量出的涡轮出口压力；是估计出的排气流速，其是基于例如到发动机104的空气质量流量和燃料质量流量的和估计出的排气流量的导数；T ex 是流到涡轮106中的排气的估计出的温度；p to 是由排气涡轮出口压力传感器140测量出的测量出的涡轮出口压力；P c,dsr 是将由所述压缩机108产生的所需功率；并且h t 是排气焓流。是校正的排气流量。如模型方程（1）所示，通过将测量出的涡轮出口压力乘以校正的排气流量的函数(f 1 )和所需的压缩机功率与排气焓流的比率来计算所需的排气歧管压力。
模型方程（1）通过使用以下方程（2）至（13）推出：
(2)
。
方程（2）用于计算涡轮功率（P t ），该涡轮功率是由涡轮106产生的功率。在方程（2）中，h t 是排气焓，该排气焓是由流入涡轮106中的排气携带的能量；并且r t 是用于涡轮功率的转换率。如由方程（2）所示，通过将排气焓流乘以转换率来计算涡轮功率。此转换率通常小于一，从而指示用于驱动涡轮106的能量损耗。
方程（3）用于计算压缩机功率（P c ），该压缩机功率是由压缩机108产生的功率。在方程（3）中，h c 是压缩机入口空气焓流，其是由流入压缩机108中的空气携带的能量；并且r c 是用于压缩机功率的转换率。如由方程（3）所示，通过将压缩机入口空气焓流乘以转换率来计算压缩机功率。此转换率通常大于一，从而指示压缩机108从由涡轮106驱动开始的能量增益。
方程（4）用于计算排气焓流（h t ），该排气焓流是由流入涡轮106中的排气携带的能量。在方程（4）中，是估计出的排气流速，其是基于例如到发动机104的空气质量流量和燃料质量流量的和估计出的排气流量的导数；C pe 是流到涡轮106中的排气的特定热量；并且T ex 是流到涡轮106中的排气的估计出的温度。如由方程（4）所示，排气焓流是排气流速、排气的特定热量以及排气的温度的乘积。
方程（5）用于计算压缩机入口空气焓流（h c ），该压缩机入口空气焓流是流到压缩机108中的空气所携带的能量。在方程（5）中，是空气质量流速，其是由空气质量流量传感器128测量出的空气质量流量的导数；C pa 是流到压缩机108中的空气的特定热量；并且T a 是由压缩机入口空气温度传感器126测量出的流到压缩机108中的空气的温度。如由方程（5）所示，压缩机入口空气焓流是空气质量流速、压缩机入口空气的特定热量以及压缩机入口空气的温度的乘积。
方程（6）用于计算校正的排气流量（Q e ）。在方程（6）中，是估计的排气流速，其是基于例如到发动机104的空气质量流量和燃料质量流量的和估计出的排气流量的导数；T ex 是流到涡轮106中的排气的估计出的温度，并且p to 是由排气涡轮出口压力传感器140测量出的涡轮出口压力。
方程（7）定义涡轮效率（η t ）。在方程（7）中，p ex 是估计出的排气歧管压力；p to 是由排气涡轮出口压力传感器140测量出的涡轮出口压力；并且Q e 是通过使用方程（6）计算出的校正的排气流量。如由方程（7）所示，涡轮效率是涡轮膨胀比（即，p ex 与p to 的比率）和校正的排气流量的函数(f 2 )。
方程（8）用于计算用于涡轮功率的转换率（r t ）。在方程（8）中，η t 是通过使用方程（7）计算出的涡轮效率；p ex 是估计出的排气歧管压力；p to 是由排气涡轮出口压力传感器140测量出的涡轮出口压力；并且γ是理想气体的热容比。
方程（9）用于计算校正的空气质量流量（Q c ）。在方程（9）中，是空气质量流速，其是由空气质量流量传感器128测量出的空气质量流量的导数；T a 是由压缩机入口空气温度传感器126测量出的流到压缩机108中的空气的温度；并且p a 是由压缩机入口空气压力传感器124测量出的压缩机入口压力（即，周围空气压力）。
方程（10）定义压缩机效率（η t ）。在方程（10）中，p i 是由进气歧管压力传感器130测量出的压缩机出口空气压力（即，进气歧管压力）；p a 是由压缩机入口空气压力传感器124测量出的压缩机入口压力；并且Q c 是通过使用方程（9）计算出的校正的空气质量流量。如由方程（10）所示，压缩机效率是压缩机压力比（即，p i 与p a 的比率）和校正的空气质量流量的函数(f 3 )。
方程（11）用于计算用于压缩机功率的转换率（r c ）。在方程（11）中，η c 是涡轮效率；p i 是由进气歧管压力传感器130测量出的压缩机出口空气压力；p a 是由压缩机入口空气压力传感器124测量出的压缩机入口压力；并且γ是理想气体的热容比。
方程（12）是展示压缩机功率与涡轮功率的平衡的动态功率平衡方程。在方程（12）中，J t 是轴122的转动惯量，并且N t 是涡轮106的旋转速度。在方程（12）右侧的第二项h t r t 是根据方程（2）的涡轮功率，并且在方程（12）左侧的项h c r c 是根据方程（3）的压缩机功率。在方程（12）左侧的第一项（其是涡轮轴转动惯量、涡轮106的旋转加速度以及涡轮106的旋转速度的乘积）是涡轮功率与压缩机功率之间的差异。当涡轮增压器（即，涡轮106和压缩机108）在稳态下操作时，在方程（12）左侧的第一项是零，因为涡轮106的旋转加速度在稳态下是零。方程（13）是展示在稳态下压缩机功率与涡轮功率的平衡的功率平衡方程。
通过所描述的方程（2）至（13），现在将描述从方程（2）至（9）导出方程（1）。使用方程（9）至（11），可以将用于计算压缩机功率的方程（3）重写为以下方程（14）：
（14）
可以通过将给定的所需升压压力p i,dsr 插入方程（14）中来计算所需的压缩机功率（P c,dsr ），这产生以下方程（15）：
（15）。
使用方程（6）至（8），可以将用于计算涡轮功率的方程（2）重写为以下方程（16）：
（16）
因为也是p ex /p tos 的函数，所以可以将方程（16）重写为以下方程（17）：
（17）。
使用功率平衡方程（13），可以将所需的压缩机功率（P c,dsr ）设置为等于在方程（17）中定义的涡轮功率（P t ），这产生以下方程（18）：
（18）
等除方程（18）的两侧产生以下方程（19）：
（19）
进行方程（19）的两侧的反函数以求解p ex /p to 产生以下方程（20）：
（20）
将方程（20）的两侧乘以p to 产生方程（1）：
（1）。
基础涡轮命令产生模块204基于从排气压力估计模块202接收到的所需的排气压力212产生基础VGT叶片位置控制命令218。在实施例中，基础涡轮命令产生模块204使用以下方程（21）来计算基础VGT叶片位置控制命令218：
（21）
在方程（21）中，p ex 是排气歧管压力；p to 是涡轮出口压力；p ex /p to 是涡轮膨胀比；是排气流速；T ex 是排气温度；R是理想气体常数。也可以从美国专利申请公开号2012/0173118中描述的方程导出用于计算VGT叶片位置的方程（21），该申请以其全文并入本文。基础涡轮命令产生模块204通过插入由排气压力估计模块202确定的所需的排气压力212来产生VGT叶片位置控制命令。基础涡轮命令产生模块204还使用由排气涡轮出口压力传感器140测量出的涡轮出口压力p to 和估计出的排气温度。基础VGT叶片位置控制命令218与差异补偿命令222相组合，如下文将进一步论述。
差异确定模块206基于所需的升压压力214和从发动机系统100测量出的升压压力224（例如，由进气歧管压力传感器130测量）来计算差异220。在实施例中，差异确定模块206从所需的升压压力214减去测量出的升压压力224（即，反馈）以确定差异220。
差异补偿模块208基于差异220产生差异补偿命令222。差异补偿命令222是用于基于所需的升压压力与实际的测量出的升压压力之间的差来调整基础VGT叶片位置控制命令218。也就是说，差异补偿模块208是比例-积分-微分（PID）控制模块。
最终涡轮命令产生模块210产生最终VGT叶片位置控制命令226以发送到发动机系统100，从而使得涡轮106根据命令调整VGT叶片位置以产生所需的升压压力。在实施例中，最终涡轮命令产生模块210通过将基础VGT叶片位置控制命令218与差异补偿命令222相加来产生最终VGT叶片位置控制命令226。
如本文所使用，术语“模块”或“子模块”是指特定应用集成电路（ASIC）、电子电路、处理器（共享、专用或群组）和执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能性的其他适合的部件。当实施在软件中时，模块或子模块可以在存储器中实施为永久的可机读存储介质，所述介质可由处理电路读取并且存储指令以用于由用于执行方法的处理电路来执行。此外，图2中所示的模块和子模块可以进行组合和/或进一步划分。例如，差异确定模块206、差异补偿模块208和最终涡轮命令产生模块210可以被组合为单个比例模块。
现在参照图3并且继续参照图1和2，流程图示出用于产生VGT叶片位置控制命令以实现升压压力的方法。在实施例中，方法可以由图1和2的控制模块102来执行。如鉴于本发明可以了解，方法内的操作次序并不限于如图3中所示的顺序执行，而是可以在适当的情况下并且根据本公开以一种或多种不同的次序来执行。在实施例中，方法可以被排程以基于预定事件来运行，和/或在发动机系统100的操作期间连续地运行。
在一个实例中，方法可以在方框300开始。在方框310，控制模块102基于所需的升压压力来确定所需的排气压力。在实施例中，控制模块102使用用于涡轮增压器的涡轮106与压缩机108之间的功率平衡的模型来确定所需的排气压力。在实施例中，控制模块102通过使用方程（1）来确定所需的排气压力，方程（1）是从需要所需的升压压力214以及其他输入信号和参数216的方程（2）至（13）推出。控制模块102确定所需的排气压力212以使用所需的排气压力来估计涡轮膨胀比。
在替代实施例中，控制模块102在方框310通过使用用于估计的涡轮膨胀比值的另一个查找表（图1和2中未示出）来估计涡轮膨胀比，所述估计的涡轮膨胀比值通过发动机104的不同速度值（例如，以每分钟转数（RPM）为单位）和不同的所需压缩机压力比（例如，所需的压缩机出口空气压力与压缩机入口压力的比）值来索引。此查找表将所需的发动机排气压力定义为发动机速度和所需的压缩机压力比的函数。
在其他替代实施例中，控制模块102在方框310通过使用用于估计的涡轮膨胀比值的查找表（图1和2中未示出）来估计涡轮膨胀比，所述估计的涡轮膨胀比值通过不同的发动机速度值和发动机104的不同的燃料消耗率值来索引。此查找表将所需的发动机排气压力定义为发动机速度和燃料消耗率的函数。
在方框320，控制模块102基于在方框310确定的所需的排气压力212来产生基础VGT叶片位置控制命令218。在实施例中，控制模块102使用方程（21）来产生基础VGT叶片位置控制命令218。如由方程（21）所示， VGT叶片位置控制命令是基于所需的排气压力212（其在方框310确定）确定的涡轮膨胀比的函数。
在方框330，控制模块102基于所需的升压压力214与实际的测量出的升压压力224之间的差来产生差异补偿命令222。在实施例中，控制模块102通过从所需的升压压力214减去测量出的升压压力224来确定差异。差异补偿命令是用于调整在方框320确定的基础VGT叶片位置控制命令218。
在方框340，控制模块102产生最终VGT叶片位置控制命令226以发送到发动机系统100，从而使得涡轮106根据命令调整VGT叶片位置以产生所需的升压压力。在实施例中，控制模块102通过将基础VGT叶片位置控制命令218与在方框330产生的差异补偿命令222相加来产生最终VGT叶片位置控制命令226。方法在方框350结束。
虽然参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且等价物可以替代其元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以做出许多修改以使得特定情况或材料适于本发明的教示。因此，本发明并不意欲限于所披露的具体实施例，而是本发明将包括落入申请范围内的所有实施例。

Claims (17)

1.一种用于控制发动机系统的涡轮以实现所需的升压压力的方法，所述方法包括：
通过使用用于涡轮与发动机系统的压缩机之间的功率平衡的模型基于所述所需的升压压力来确定所需的排气压力；以及
基于所述所需的排气压力与测量出的涡轮出口压力的比率来产生用于控制涡轮的叶片的位置的基础命令；
其中确定所述所需的排气压力包括使用以下方程：
其中，式中p ex,dsr 是所需的排气压力；p to 是测量出的涡轮出口压力，是估计出的排气流速，T ex 是排气的估计出的温度，p to 是测量出的涡轮出口压力，P c,dsr 是将由所述压缩机产生的所需功率，并且h t 是排气焓流。
2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：
基于所述所需的升压压力与测量出的升压压力之间的差异产生补偿命令；
基于所述基础命令和所述补偿命令产生最终命令；以及
将所述最终命令发送到所述涡轮以控制所述涡轮。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述涡轮是可变几何涡轮（VGT）。
4.如权利要求1所述的方法，其中产生所述基础命令包括使用函数，其中p ex 是估计出的排气压力；p to 是测量出的涡轮出口压力，p ex /p to 是涡轮膨胀比，是排气流速，T ex 是估计出的排气温度，并且R是理想气体常数。
5.如权利要求1所述的方法，其进一步包括通过使用用于估计出的涡轮膨胀比值的查找表来估计所述所需的排气压力与所述测量出的涡轮出口压力的比率，所述估计出的涡轮膨胀比值由所述发动机系统的发动机的不同速度值和不同的所需压缩机压力比值来索引。
6.如权利要求5所述的方法，其进一步包括通过使用用于估计出的涡轮膨胀比值的查找表来估计所述所需的排气压力与所述测量出的涡轮出口压力的比率，所述估计出的涡轮膨胀比值由所述发动机系统的发动机的不同速度值和所述发动机的不同燃料消耗率值来索引。
7.一种发动机系统，包括：
发动机；
由来自所述发动机的排气驱动的涡轮；
由所述涡轮驱动的压缩机；以及
用于控制所述涡轮以实现所需的升压压力的控制模块，所述控制模块包括联接到存储器的处理器，所述控制模块被配置成：
通过使用用于所述涡轮与所述发动机系统的压缩机之间的功率平衡的模型基于所述所需的升压压力来确定所需的排气压力；以及
基于所述所需的排气压力与测量出的涡轮出口压力的比率来产生用于控制所述涡轮的叶片的位置的基础命令；
其中所述控制模块被配置成通过使用以下方程确定所述所需的排气压力：
其中，式中p ex,dsr 是所需的排气压力；p to 是测量出的涡轮出口压力，是估计出的排气流速，T ex 是所述排气的估计出的温度，p to 是测量出的涡轮出口压力，P c,dsr 是将由所述压缩机产生的所需功率，并且h t 是排气焓流。
8.如权利要求7所述的发动机系统，其中所述控制模块被进一步配置成：
基于所述所需的升压压力与测量出的升压压力之间的差异产生补偿命令；
基于所述基础命令和所述补偿命令产生最终命令；以及
将所述最终命令发送到所述涡轮以控制所述涡轮。
9.如权利要求7所述的发动机系统，其中所述涡轮是可变几何涡轮（VGT）。
10.如权利要求7所述的发动机系统，其中所述控制模块被配置成通过使用函数产生所述基础命令，其中p ex 是估计出的排气压力，p to 是测量出的涡轮出口压力，p ex /p to 是涡轮膨胀比，是排气流速，T ex 是估计出的排气温度，并且R是理想气体常数。
11.如权利要求7所述的发动机系统，其中所述控制模块被进一步配置成通过使用用于估计出的涡轮膨胀比值的查找表来估计所述所需的排气压力与所述测量出的涡轮出口压力的比率，所述估计出的涡轮膨胀比值由所述发动机系统的发动机的不同速度值和不同的所需压缩机压力比值来索引。
12.如权利要求7所述的发动机系统，其中所述控制模块被进一步配置成通过使用用于估计出的涡轮膨胀比值的查找表来估计所述所需的排气压力与所述测量出的涡轮出口压力的比率，所述估计出的涡轮膨胀比值由所述发动机系统的发动机的不同速度值和所述发动机的不同燃料消耗率值来索引。
13.一种用于控制发动机系统的涡轮以实现所需的升压压力的控制系统，所述控制系统包括：
配置成通过使用用于所述涡轮与所述发动机系统的压缩机之间的功率平衡的模型基于所述所需的升压压力来确定所需的排气压力的第一模块；以及
配置成基于所述所需的排气压力与测量出的涡轮出口压力的比率来产生用于控制所述涡轮的叶片的位置的基础命令的第二模块；
其中所述第一模块被配置成确定所述所需的排气压力包括使用以下方程：
其中，式中p ex,dsr 是所需的排气压力；p to 是测量出的涡轮出口压力，是估计出的排气流速，T ex 是所述排气的估计出的温度，p to 是测量出的涡轮出口压力，P c,dsr 是将由所述压缩机产生的所需功率，并且h t 是排气焓流。
14.如权利要求13所述的控制系统，其进一步包括第三模块，所述第三模块被配置成：
基于所述所需的升压压力与测量出的升压压力之间的差异产生补偿命令；
基于所述基础命令和所述补偿命令产生最终命令；以及
将所述最终命令发送到所述涡轮以控制所述涡轮。
15.如权利要求13所述的控制系统，其中所述涡轮是可变几何涡轮（VGT）。
16.如权利要求13所述的控制系统，其中所述第二模块被配置成通过使用函数产生所述基础命令，其中p ex 是估计出的排气压力，p to 是测量出的涡轮出口压力，p ex /p to 是涡轮膨胀比，是排气流速，T ex 是估计出的排气温度，并且R是理想气体常数。
17.如权利要求13所述的控制系统，其中所述第二模块被配置成通过使用用于估计出的涡轮膨胀比值的查找表来产生所述所需的排气压力与所述测量出的涡轮出口压力的比率，所述估计出的涡轮膨胀比值由所述发动机系统的发动机的不同速度值和不同的所需压缩机压力比值来索引。
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