CN105317530B - 控制内燃发动机的空气增压系统的操作的方法 - Google Patents

控制内燃发动机的空气增压系统的操作的方法 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种控制内燃发动机(110)空气增压系统(195)操作的方法，所述方法包括步骤有：监测空气增压系统(195)的多个输出参数；计算所监测的输出参数中的每一个和它们的目标值之间的误差；将所计算的误差中的每一个应用至产生虚拟输入的线性控制器(605、610、615)；使用虚拟输入来计算用于空气增压系统(195)的多个输入参数；使用输入参数的每一个来确定空气增压系统(195)的对应促动器(322、332、290)的位置；根据所确定的促动器的位置来操作所述促动器(322、332、290)中的每一个；其中，输入参数是借助空气增压系统的非线性数学模型来计算的，所述模型被配置使得所述虚拟输入中的每一个与输出参数中的仅一个具有线性关系，并且反之亦然。

Description

控制内燃发动机的空气增压系统的操作的方法
技术领域
本公开涉及一种控制内燃发动机的空气增压系统的操作的方法，所述内燃发动机例如机动车辆的内燃发动机。
背景技术
已知的是，内燃发动机装备有用于将空气供给到燃烧室内的空气增压系统。空气增压系统传统地包括进气管，进气管把来自周围环境的空气提供至进气歧管，进气歧管通过至少一个进气口与燃烧室的每个流体连通。进气阀被置于进气管中，其具有被布置为移动阀构件以调节朝着进气歧管的空气流量的促动器。
空气增压系统还包括促使空气进入进气歧管内的涡轮增压器。涡轮增压器通常包括旋转地联接至涡轮机的压缩机，其中压缩机被置于进气管中并且涡轮机被置于与排气歧管流体连通的排气管中。以这种方式，涡轮机通过接收来自排气歧管的排气气体而旋转并且驱动压缩机，涡轮机的旋转增大进气管和歧管中的空气的压力和温度。中冷器可被置于进气管中，在压缩机和进气歧管之间，以降低空气的温度。涡轮机可以是可变几何涡轮机(VGT)，其具有被布置为移动涡轮机叶片以改变排气气体流量、由此调节压缩机的旋转速度的促动器。
空气增压系统还可包括排气气体再循环(EGR)管，其被联接在排气歧管和进气歧管之间以将排气气体的部分再循环回到燃烧室，目的是减少氮氧化物(NOx)的排放。EGR阀通常被置于EGR管中，其具有被布置为移动阀构件以调节朝着进气歧管的排气气体流量的促动器。
在发动机的操作过程中，EGR阀促动器、VGT促动器、以及进气阀促动器通常被用于调节空气增压系统的多个重要输出参数，特别地为进气歧管内部的压力、进气歧管内部的氧浓度、以及排气歧管内部的压力，目的是根据性能和排放要求来改变空气成分和增压水平。
为了执行上述功能，这些促动器传统地由电子控制单元(ECU)根据分离的并且非协调的控制策略来控制，其取决于当前发动机工作点，也就是发动机速度和发动机负载的当前值而被激活以及停用(deactivated)。通过示例的方式，如果当前发动机工作点是在要求低污染物排放的发动机速度和发动机负载的区域内，则EGR阀促动器通常借助专用的闭环控制策略来控制，而VGT促动器借助简单的开环控制策略来控制。如果相反地，当前发动机工作点是在要求最大发动机性能的发动机速度和发动机负载的区域内，则EGR阀促动器借助简单的开环控制策略来控制并且VGT促动器借助专用的闭环控制策略来控制。
然而，由EGR阀促动器、VGT促动器、以及进气阀促动器产生在空气增压系统的输出参数上的效果通常是严格相互依赖的并且具有相互之间的作用。作为结果，传统上实施的分离的并且非协调的控制方法可有时具有低精度的缺陷，尤其是在快速瞬态的过程中。此外，这种传统的控制方法需要大量的校准活动以确保任何操作条件下的发动机性能和污染物排放之间的可接受折衷。
发明内容
本发明的目的是提供一种空气增压系统的协调控制策略，其允许促动器的同时调整并且补偿它们的相互作用。
另一目的是提供一种需要更少校准工作的可靠控制策略。
仍另一目的是提供一种在瞬态过程中表现出更精确响应的控制策略。
又一目的是借助一种简单的、合理的、并且相当廉价的解决方法来实现这些目的。
这些目的及其他目的由具有独立权利要求中所陈述特征的本发明的实施例来实现。从属权利要求界定本发明的次要方面。
特别地，本发明的实施例提供一种控制内燃发动机的空气增压系统的操作的方法，其中所述方法包括步骤有：
-监测空气增压系统的多个输出参数，
-计算所监测的输出参数中的每一个和它们的目标值之间的误差，
-将所计算的误差中的每一个应用至产生虚拟输入的线性控制器，
-使用所述虚拟输入来计算用于所述空气增压系统的多个输入参数，
-使用所述输入参数中的每一个来确定所述空气增压系统的对应促动器的位置，
-根据所确定的所述促动器的位置来操作所述促动器中的每一个，
其中，所述输入参数是借助所述空气增压系统的非线性数学模型来计算的，所述非线性数学模型被配置使得所述虚拟输入中的每一个与所述输出参数中的仅一个具有线性关系，并且反之亦然。
事实上，这种控制策略提供使用多输入多输出(MIMO)反馈线性化方法对空气增压系统的控制，所述方法具有这样一种效果，即它允许促动器的同时并且协调的控制、同时补偿它们的相互作用。
这种协调控制策略具有良好的瞬态响应和精度，并且改进在任何操作条件下的发动机性能和污染排放之间的折衷。
这种协调控制策略基于空气增压系统的数学模型而具有减少校准工作的附加效果。
根据本发明的方面，空气增压系统的促动器可包括排气气体再循环阀的促动器、可变几何涡轮增压器的促动器、以及空气进气阀的促动器。
本发明的该方面允许空气增压系统的主要促动器的协调控制。
根据本发明的另一方面，空气增压系统的输出参数可包括指示排气歧管压力的参数、指示进气歧管压力的参数、以及指示进气歧管中残余气体分数的参数。
本发明的该方面允许当上文所识别的促动器都被涉及时的控制策略的可靠实施。
根据本发明的另一方面，空气增压系统的输入参数可包括指示通过排气气体再循环阀的排气质量流量率的参数、指示通过空气进气阀的空气质量流量率的参数、以及指示通过可变几何涡轮增压器的涡轮机的排气质量流量率的参数。
本发明的该方面允许当上文所识别的促动器和输出参数都被涉及时的控制策略的可靠实施。
根据本发明的另一方面，输入参数可借助下列矢量等式来计算：
其中，Witv通过进气阀的空气质量流量率，Wegr是通过排气气体再循环阀的排气质量流量率，Wvgt是通过可变几何涡轮增压器的涡轮机排气质量流量率，γ是比热容比，R是通用气体常数，Vi是进气歧管容积，TiC是中冷器下游的进气道中的空气温度，Ti是进气歧管空气温度，Tegr是再循环排气气体温度，Tx是排气歧管气体温度，Teout是排出发动机的排气气体温度，Vx是排气歧管容积，Fu是进气歧管内的残余气体分数，Fx是排气歧管内的残余气体分数，mi是进气歧管内的总气体质量，Wei是进入发动机的气体的总质量流量率，Wex是排出发动机的气体的总质量流量率，v1是第一虚拟输入，v2是第二虚拟输入，v3是第三虚拟输入。
本发明的该方面具有提供一种简单的并且有效的解决方法来计算上文所识别的输入参数的效果。
根据本发明的另一方面，线性控制器可以是比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。
本发明的该方面具有简化上文描述的反馈线性化方法内的线性控制回路的效果。
该方法可以借助于计算机程序来运行，所述计算机程序包括用于运行上述方法的所有步骤的程序代码，并且是包括计算机程序的计算机程序产品的形式。该方法还可以被采用作为电磁信号，所述信号被调制以运送代表进行该方法的所有步骤的计算机程序的一序列数据位。
本发明的另一实施例提供一种电子控制单元，其用于内燃发动机的空气增压系统，其中所述电子控制单元被配置为：
-监测空气增压系统的多个输出参数，
-计算所监测的输出参数中的每一个和它们的目标值之间的误差，
-将所计算的误差中的每一个应用至产生虚拟输入的线性控制器，
-使用所述虚拟输入来计算用于所述空气增压系统的多个输入参数，
-使用所述输入参数中的每一个来确定所述空气增压系统的对应促动器的位置，
-根据所确定的所述促动器的位置来操作所述促动器中的每一个，
其中，所述电子控制单元被配置为借助空气增压系统的非线性数学模型来计算虚拟输入，所述非线性数学模型被配置使得虚拟输入中的每一个与输出参数中的仅一个具有线性关系，并且反之亦然。
本发明的该实施例基本获得与上文公开的方法相同的效果，特别地为允许促动器的同时并且协调的控制、同时补偿它们的相互作用。
根据本发明的方面，空气增压系统的促动器可包括排气气体再循环阀的促动器、可变几何涡轮增压器的促动器、以及空气进气阀的促动器。
本发明的该方面允许空气增压系统的主要促动器的协调控制。
根据本发明的另一方面，空气增压系统的输出参数可包括指示排气歧管压力的参数、指示进气歧管压力的参数、以及指示进气歧管中残余气体分数的参数。
本发明的该方面允许当上文所识别的促动器都被涉及时的控制策略的可靠实施。
根据本发明的另一方面，空气增压系统的输入参数可包括指示通过排气气体再循环阀的排气质量流量率的参数、指示通过空气进气阀的空气质量流量率的参数、以及指示通过可变几何涡轮增压器的涡轮机的排气质量流量率的参数。
本发明的该方面允许当上文所识别的促动器和输出参数都被涉及时的控制策略的可靠实施。
根据本发明的另一方面，电子控制单元可被配置为借助下列矢量等式来计算输入参数：
其中，Witv通过进气阀的空气质量流量率，Wegr是通过排气气体再循环阀的排气质量流量率，Wvgt是通过可变几何涡轮增压器的涡轮机排气质量流量率，γ是比热容比，R是通用气体常数，Vi是进气歧管容积，Tic是中冷器下游的进气道中的空气温度，Ti是进气歧管空气温度，Tegr是再循环排气气体温度，Tx是排气歧管气体温度，Teout是排出发动机的排气气体温度，Vx是排气歧管容积，Fi是进气歧管内的残余气体分数，Fx是排气歧管内的残余气体分数，mi是进气歧管内的总气体质量，Wei是进入发动机的气体的总质量流量率，Wex是排出发动机的气体的总质量流量率，v1是第一虚拟输入，v2是第二虚拟输入，v3是第三虚拟输入。
本发明的该方面具有提供一种简单的并且有效的解决方法来计算上文所识别的输入参数的效果。
根据本发明的另一方面，线性控制器可以是比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。
本发明的该方面具有简化上文描述的反馈线性化方法内的线性控制回路的效果。
本发明的另一实施例提供一种用于控制内燃发动机的空气增压系统的操作的设备，其中所述设备包括：
-用于监测空气增压系统的多个输出参数的器件，
-用于计算所监测的输出参数中的每一个和它们的目标值之间的误差的器件，
-用于将所计算的误差中的每一个应用至产生虚拟输入的线性控制器的器件，
-用于使用所述虚拟输入来计算用于所述空气增压系统的多个输入参数的器件，
-用于使用所述输入参数中的每一个来确定所述空气增压系统的对应促动器的位置的器件，
-用于根据所确定的所述促动器的位置来操作所述促动器中的每一个的器件，
其中，用于计算虚拟输入的器件使用空气增压系统的非线性数学模型，所述非线性数学模型被配置使得虚拟输入中的每一个与输出参数中的仅一个具有线性关系，并且反之亦然。
本发明的该实施例基本获得与上文公开的方法相同的效果，特别地为允许促动器的同时并且协调的控制、同时补偿它们的相互作用。
根据本发明的方面，空气增压系统的促动器可包括排气气体再循环阀的促动器、可变几何涡轮增压器的促动器、以及空气进气阀的促动器。
本发明的该方面允许空气增压系统的主要促动器的协调控制。
根据本发明的另一方面，空气增压系统的输出参数可包括指示排气歧管压力的参数、指示进气歧管压力的参数、以及指示进气歧管中残余气体分数的参数。
本发明的该方面允许当上文所识别的促动器都被涉及时的控制策略的可靠实施。
根据本发明的另一方面，空气增压系统的输入参数可包括指示通过排气气体再循环阀的排气质量流量率的参数、指示通过空气进气阀的空气质量流量率的参数、以及指示通过可变几何涡轮增压器的涡轮机的排气质量流量率的参数。
本发明的该方面允许当上文所识别的促动器和输出参数都被涉及时的控制策略的可靠实施。
根据本发明的另一方面，用于计算输入参数的器件可使用下列矢量等式：
其中，Witv通过进气阀的空气质量流量率，Wegr是通过排气气体再循环阀的排气质量流量率，Wvgt是通过可变几何涡轮增压器的涡轮机排气质量流量率，γ是比热容比，R是通用气体常数，Vi是进气歧管容积，Tic是中冷器下游的进气道中的空气温度，Ti是进气歧管空气温度，Tegr是再循环排气气体温度，Tx是排气歧管气体温度，Teout是排出发动机的排气气体温度，Vx是排气歧管容积，Fi是进气歧管内的残余气体分数，Fx是排气歧管内的残余气体分数，mi是进气歧管内的总气体质量，Wei是进入发动机的气体的总质量流量率，Wex是排出发动机的气体的总质量流量率，v1是第一虚拟输入，v2是第二虚拟输入，v3是第三虚拟输入。
本发明的该方面具有提供一种简单的并且有效的解决方法来计算上文所识别的输入参数的效果。
根据本发明的另一方面，线性控制器可以是比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。
本发明的该方面具有简化上文描述的反馈线性化方法内的线性控制回路的效果。
附图说明
现将通过示例的方式、参照附图来描述本发明。
图1示意性地示出了汽车系统；
图2是图1的A-A剖视图。
图3是代表用于图1的汽车系统的空气增压系统的控制策略的流程图。
图4、5和6相应地示出了在空气增压系统的解释性(explanatory)操作阶段过程中的进气歧管压力随时间变化、排气歧管压力随时间变化、以及进气歧管中残余气体分数随时间变化。
附图标记
100 汽车系统
110 内燃发动机
120 发动机缸体
125 汽缸
130 汽缸头
135 凸轮轴
140 活塞
145 曲轴
150 燃烧室
155 凸轮相位器
160 燃料喷射器
170 燃料轨
180 燃料泵
190 燃料源
195 空气增压系统
200 进气歧管
205 空气进气道
210 进气口
215 阀
220 排气口
225 排气歧管
230 可变几何涡轮增压器
240 压缩机
250 涡轮机
260 中冷器
270 排气系统
275 排气管
280 后处理装置
290 VGT促动器
300 排气气体再循环管
310 EGR冷却器
320 EGR阀
321 阀构件
322 促动器
330 进气阀
331 阀构件
332 促动器
340 质量空气流量和温度传感器
350 歧管压力和温度传感器
360 燃烧压力传感器
380 冷却剂和油温度和水平传感器
400 燃料轨压力传感器
410 凸轮位置传感器
420 曲轴位置传感器
430 排气压力和温度传感器
440 EGR温度传感器
445 加速器踏板位置传感器
450 ECU
460 记忆系统
600 方框
605 线性控制器
610 线性控制器
615 线性控制器
620 非线性计算模块
625 计算模块
630 计算模块
635 计算模块
640 方框
具体实施方式
一些实施例可包括如图1和2中示出的汽车系统100，其包括内燃发动机(ICE)100，例如压缩点火发动机(例如柴油)或火花点火发动机(例如汽油)。ICE 100具有发动机缸体120，其限定具有被联接以旋转曲轴145的活塞140的至少一个汽缸125。汽缸盖130与活塞140协同合作以限定燃烧室150。燃料和空气混合物(未示出)置于燃烧室150中并被点燃，导致引起活塞140的往复运动的热膨胀排气气体。燃料由至少一个燃料喷射器160提供，并且空气通过至少一个进气口210。在高压下将燃料从与高压燃料泵180流体连通的燃料轨170提供至燃料喷射器160，该高压燃料泵增加从燃料源190接收的燃料的压力。汽缸125的每个具有至少两个阀215，它们由与曲轴145同时旋转的凸轮轴135促动。阀215选择性地允许空气从端口210进入燃烧室150内，并且交替地允许排气气体通过排气口220排出。在一些示例中，凸轮相位器155可选择性地改变在凸轮轴135和曲轴145之间的正时。
来自燃烧室150的排气气体被引入排气系统270内。排气系统270可包括与排气口220(一个或多个)流体连通的排气歧管225，其收集排气气体并且将它们引入具有一个或多个排气后处理装置280的排气管275内。后处理装置可为任何被配置为改变排气气体组成的装置。后处理装置280的一些示例包括，但不限于，催化转化器(两元或三元)、氧化催化剂、氮氧化物捕集器、碳氢化合物吸收器、选择性催化还原(SCR)系统、和微粒过滤器。
空气可通过空气增压系统195而被提供至空气进气口210(一个或多个)。空气增压系统195可包括与进气口210(一个或多个)连通的进气歧管200。空气进气道205可从周围环境向进气歧管200提供空气。进气阀330可被设置在进气道205中。进气道330可包括可移动阀构件331，例如节气门体，以及电促动器332，其移动阀构件331以调节进入歧管200内空气流量。
空气增压系统195还可包括可变几何涡轮增压器230，具有旋转地联接至涡轮机250的压缩机240，其中压缩机位于进气道250中并且涡轮机位于排气管275中。压缩机240的旋转增加了在进气道205和歧管200中的空气的压力和温度。中冷器260，设置在压缩机240和进气歧管200之间的进气道205中，其可降低空气的温度。涡轮机250通过接收来自排气歧管225的排气气体而旋转，该排气歧管引导排气气体从排气口220，并且通过一系列叶片，在膨胀之前通过涡轮机250。该示例示出了一种可变几何涡轮机(VGT)，该涡轮机带有布置为移动叶片来改变通过涡轮机250的排气气体流量的VGT促动器290。
空气增压系统195还可包括被联接在排气歧管225和进气歧管200之间的排气气体再循环(EGR)管300。EGR管300可设置有EGR冷却器310以降低在其中流动的排气气体的温度。EGR阀320可被置于EGR管300中。EGR阀320可包括可移动阀构件321以及电促动器322，所述电促动器移动阀构件321以调节EGR管300中的排气气体流量。
汽车系统100还可包括电子控制单元(ECU)450，该电子控制单元与一个或多个与ICE 100相关联的传感器和/或装置通信。ECU 450可接收来自各种传感器的输入信号，所述传感器被配置用于产生与ICE 110相关联的各种物理参数成比例的信号。传感器包括，但不限于，空气质量流量和温度传感器340、歧管压力和温度传感器350、燃烧压力传感器360、冷却液和油温度和水平传感器380、燃料轨压力传感器400、凸轮位置传感器410、曲轴位置传感器420、排气压力和温度传感器430、EGR温度传感器440、以及加速器踏板位置传感器445。此外，ECU 450可产生输出信号至被布置为控制ICE 110操作的各种控制装置，包括但不限于，燃料喷射器160、进气阀促动器330、EGR阀促动器320、VGT促动器290、以及凸轮相位器155。注意的是，虚线用于表示在ECU 450与各种传感器与和装置之间的通信，但为了清楚起见省略了一些。
现在转到ECU 450，该设备可包括数字中央处理单元(CPU)，它与记忆系统和接口总线通信。CPU被配置用来执行作为程序存储在记忆系统中的指令，以及发送和接收信号至/自接口总线。该记忆系统可包括各种存储类型，存储类型包括光学存储、磁性存储、固态存储，以及其它非易失性(non-volatile)记忆。接口总线可被配置为发送、接收和调制模拟和/或数字信号至/自各种传感器和控制装置。该程序可实施在本文中公开的方法，允许CPU进行该方法的步骤并控制ICE 110。
存储在记忆系统中的程序是从外部经由电缆或以无线方式被传输的。在汽车系统100的外部，其作为计算机程序产品通常是可见的，该计算机程序产品在本领域又被称为计算机可读介质或机器可读介质，并且应被理解为存储在载体中的计算机程序代码，该载体本质上是暂时的或非暂时的，结果便是计算机程序产品本质上也可以被认为是暂时或非暂时的。
暂时的计算机程序产品的示例是信号，例如电磁信号，如光学信号，该信号是用于计算机程序代码的暂时载体。承载这样的计算机程序代码可通过调制信号由用于数字数据的传统调制技术(如QPSK)来达到，使得代表该计算机程序代码的二进制数据被施加到暂时电磁信号。这种信号例如当以无线方式经由Wi-Fi连接，将计算机程序代码传送至笔记本电脑时被使用。
在非暂时计算机程序产品的情况下，该计算机程序代码被实施在有形存储介质中。继而，存储介质是上面提到的非暂时载体，使得计算机程序代码被永久地或非永久地以可检索的方式存储在此存储介质内或上。所述存储介质可为在计算机技术中已知的传统类型，如闪存、Asic(特定用途集成电路)、CD等。
代替ECU 450，汽车系统可具有不同类型的处理器以提供电子逻辑电路，例如，嵌入式控制器、机载计算机、或任何可以被配置在车辆中处理模块。
更详细地，ECU 450可被配置为使用反馈线性化方法来控制进气阀促动器332、EGR阀促动器322、以及VGT促动器290。这种反馈线性化方法可以是基于上文描述空气增压系统195的多输入多输出(MIMO)非线性数学模型的。
空气增压系统195的输入参数可包括指示通过进气阀330的空气质量流量率的参数Witv、指示通过EGR阀320的排气质量流量率的参数Wegr、以及指示通过可变几何涡轮增压器230的涡轮机250的排气质量流量率的参数Wvgt。空气增压系统195的输出参数可包括指示排气歧管压力的参数px、指示进气歧管压力的参数pi、以及指示进气歧管200中的残余气体分数的参数Fi。
空气增压系统195的MIMO非线性数学模型可由下列等式限定：
其中，γ是比热容比，R是通用气体常数，Vi是进气歧管容积，Tic是中冷器260下游的进气道205中的空气温度，Ti是进气歧管200内的空气温度，Tegr是再循环排气气体温度，Tx是排气歧管225内的排气气体温度，Teout是排出ICE 110的排气气体温度，Vx是排气歧管容积，Fx是排气歧管225内的残余气体分数，mi是进气歧管200内的气体总质量，Wei是进入发动机110的气体的总质量流量率，Wex是排出发动机110的气体的总质量流量率。
空气增压系统195的MIMO非线性数学模型可由下列矢量等式同样限定：
输出矢量y限定为：
输入矢量u为：
第一矢量函数f(x)为：
并且第二矢量函数g(x)为：
上文的矢量等式可被改写如下：
其中x通常表示状态矢量。
因而，可能的是限定虚拟输入的矢量v：
并且使用该虚拟输入矢量v根据下列矢量等式来开发矢量u：
u＝g(x)-1·(v-f(x))
使得：
这些矢量等式可以用显示形式表示为：
以及
事实上，MIMO非线性数学系统已经在等价线性系统进行变换，其中虚拟输入v1、v2、以及v3中的每一个相关于输入参数以及中的仅一个，并且反之亦然，并且其中虚拟输入中的每一个和相应的输入参数之间的关系是线性关系。
采用这种变换的效果，ECU 450可被配置为借助于如图3中图示的线性控制步骤来在ICE 110的操作过程中控制进气阀促动器332、EGR阀促动器322、以及VGT促动器290。
该控制步骤提供用于ECU 450来监测(方框600)空气增压系统195的输出参数，也就是排气歧管压力px、进气歧管压力pi、以及进气歧管200中的残余气体分数Fi，连同上文的MIMO非线性数学模型中所涉及的系统的其他可观察状态，也就是进气歧管空气温度Ti、中冷器260的下游的进气道205中的空气温度Tic、再循环排气气体温度Tegr、排气歧管气体温度Tx、排出发动机的排气气体温度Teout、排气歧管225中的残余气体分数Fx、排气歧管200处的总质量mi、进入发动机110的总质量流量率Wei、以及排出发动机110的总质量流量率Wex。
在这方面，排气歧管压力px可借助于压力传感器(未示出)来测量，所述压力传感器可被置于涡轮机250上游的排气管275或排气歧管225中。作为替代，该参数可基于ICE100的其他可测量操作参数来估计，例如基于由排气压力和温度传感器430所作的测量来估计。进气歧管压力pi可借助于位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350而被测量。残余气体分数Fi可作为进气歧管200内的氧浓度O2的函数、根据等式Fi＝1-O2来计算。氧浓度O2可借助于置于进气歧管200中的专用传感器(未示出)来测量，或基于ICE 110的其他可测量操作参数来估计。进气歧管温度Tic可借助于位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350而被测量(中冷器260的下游)。再循环排气气体温度Tegr可借助于EGR温度传感器440来测量。排气歧管温度Tx可借助于温度传感器(未示出)来测量，所述温度传感器可被置于涡轮机250上游的排气管275或排气歧管225中。作为替代，该参数可基于ICE100的其他可测量操作参数来估计，例如基于由排气压力和温度传感器430所作的测量来估计。排气歧管225处的残余气体分数Fx可借助于在后处理系统280的上游、位于排气管275中的氧传感器(lambda sensor，未示出)来测量。进气歧管200处的总质量mi、进入发动机110的总质量流量率Wei、以及排出发动机110的总质量流量率Wex可在质量空气流量和温度传感器340的帮助下来测量或估计。
回到控制步骤，所监测的输出参数pi、Fi、以及px被反馈回、并且被用于计算它们中的每一个与对应的目标值pi_tar、Fi_tar、以及px_tar之间的误差e1、e2、以及e3：
e1＝pi_tar-pi
e2＝Fi_tar-Fi
e3＝px_tax-px
用于输出参数的目标值pi_tar、px_tar、以及Fi_tar可由ECU 450基于其他传统策略来确定，例如基于发动机工作点。
第一误差e1继而作为输入被应用至第一单输入单输出(SISO)线性控制器605，所述控制器产生作为输出的、用于第一虚拟输入v1的对应值。第二误差e2作为输入被应用至第二SISO线性控制器610，所述控制器产生作为输出的、用于第二虚拟输入v2的对应值。第三误差e3作为输入被应用至第三SISO线性控制器615，所述控制器产生作为输出的、用于第三虚拟输入v3的对应值。
三个线性控制器605、610和615可以例如是比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器，并且是被上文所解释的等价线性系统调谐过的(tuned over)，以最小化相应的误差e1、e2、以及e3。
三个虚拟输入v1、v2和v3继而被应用至非线性计算模块620，在所述计算模块中所述虚拟输入被用于计算空气增压系统195的输入参数Witv、Wegr和Wvgt的对应值。特别地，计算模块620可借助先前已经解释过的等式来计算这些输入参数：
所计算的空气质量流量率Witv的值被应用至计算模块625，所述计算模块可使用进气阀330的数学模型来产生作为输出的促动器332的位置Uitv，其对应于所述所计算的空气质量流量率Witv的值。排气质量流量率Wegr的计算值被应用至另一计算模块630，所述模块可使用EGR阀320的数学模型来产生作为输出的促动器322的位置Uegr，所述位置对应于所述排气质量流量率Wegr的计算值。排气质量流量率Wvgt的计算值被应用至仍另一计算模块635，所述模块可使用涡轮机250的数学模型来产生作为输出的促动器290的位置Uvgt，所述位置对应于所述排气质量流量率Wvgt的计算值。
空气进气阀促动器332、EGR阀促动器322、以及VGT促动器290根据相应的计算位置Uitv、Uegr、以及Uvgt来最终地操作(方框640)。
在这种解决方法的帮助下，空气进气阀促动器332、EGR阀促动器322、以及VGT促动器290总是以协调方式而被一起控制，由此改进精度和时间响应，借助所述改进，空气增压系统195追随(adheres)用于输出参数的目标值pi_tar、px_tar、以及Fi_tar，尤其在瞬态过程中。
这种效果的示例可以通过比较图4、5和6而意识到。考虑40到60秒之间的时间窗口，用于进气压力的目标值pi_tar(图4中的线A1)以及用于残余气体分数的目标值Fi_tar(按照氧浓度O2来量化并且由图6中的线C1指示)保持不变，而用于排气压力的目标值px_tar(图5中的线B1)瞬时地变化。在上文详述过的控制策略的帮助下，当这种变化发生时，排气压力px的实际值(图5中的线B2)达到并且快速跟随新的目标值px_tar。进气压力pi的实际值(图4中的线A2)以及残余气体分数Fi的实际值(图6中的线C2)显示出小的尖峰(spike)，但是它们快速返回至它们相应的目标值pi_tar以及Fi_tar。
这种控制策略的精度具有改进在任何发动机操作条件下的发动机性能和污染排放之间的折衷的附加效果。此外，控制策略所基于的数学模型允许校准活动的减少。
虽然前面概述和细节描述中展示出了至少一个示例性实施例，但是应当意识到的是有大量的变化存在。还应意识到的是，一个或多个示例性实施例仅为示例，并且非意图为以任何方式限制范围、应用或配置。然而，前述的概述和细节描述将为本领域技术人员提供用于实施至少一个示例性实施例的便捷路线图，应理解是在所描述的实施例中的功能和布置可具有各种变化而非背离附属权利要求及其法律等价物所陈述的范围。

Claims (10)

1.一种控制内燃发动机的空气增压系统的操作的方法，其中所述方法包括步骤有：
-在所述空气增压系统中设置多个促动器，包括控制进气空气的第一促动器、控制排气气体再循环流量的第二促动器和控制涡轮机叶片的定位的第三促动器；
-确定所述空气增压系统中的多个促动器中的每一个的输出参数；
-通过电子控制单元计算多个输出参数中的每一个和它们的目标值之间的误差；
-通过电子控制单元将所计算的误差中的每一个应用至多个线性控制器中的相应一个，以从误差中的每一个产生虚拟输入；
-通过电子控制单元的非线性计算模块，使用所述虚拟输入来同时计算用于所述空气增压系统的多个输入参数；
-通过电子控制单元，使用相应促动器的数学模块中的所述输入参数中的相应一个来确定所述空气增压系统的每个促动器的位置；以及
-通过电子控制单元，根据所确定的所述促动器的位置来操作所述第一、第二和第三促动器，包括：
通过电子控制单元，协调一起控制第一、第二和第三促动器以减少空气增压系统追随目标值的时间响应；和
同时移动第一、第二和第三促动器；以及
将第一、第二和第三促动器中的每一个设定到其各自确定的位置；
其中，所述虚拟输入中的每一个与所述输出参数中的仅一个具有线性关系；
其中所述输出参数包括进气压力、残余气体分数和排气歧管压力，并且包括：
保持进气压力的目标值恒定；
保持残余气体分数的目标值恒定；以及
瞬态改变排气歧管压力的目标值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述空气增压系统的输出参数包括指示排气歧管压力的参数、指示进气歧管压力的参数、以及指示所述进气歧管中的氧浓度的参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述空气增压系统的输入参数包括指示通过排气气体再循环阀的排气质量流量率的参数、指示通过空气进气阀的空气质量流量率的参数、以及指示通过可变几何涡轮增压器的涡轮机的排气质量流量率的参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中借助下列矢量关系式，所述输入参数在非线性计算模块中同时计算：
其中，Witv是通过进气阀的空气质量流量率，Wegr是通过排气气体再循环阀的排气质量流量率，Wvgt是通过可变几何涡轮增压器的涡轮机排气质量流量率，γ是比热容比，R是通用气体常数，Vi是进气歧管容积，Tic是中冷器下游的进气道中的空气温度，Ti是进气歧管空气温度，Tegr是再循环排气气体温度，Tx是排气歧管气体温度，Teout是排出发动机的排气气体温度，Vx是排气歧管容积，Fi是进气歧管内的残余气体分数，Fx是排气歧管内的残余气体分数，mi是进气歧管内的总气体质量，Wei是进入发动机的气体的总质量流量率，Wex是排出发动机的气体的总质量流量率，v1是第一虚拟输入，v2是第二虚拟输入，v3是第三虚拟输入。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述线性控制器是比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。
6.一种内燃发动机的空气增压系统，包括：
控制空气增压系统的多个输出参数的多个促动器，包括配置成操作排气气体再循环阀的第一促动器、配置成操作可变几何涡轮增压器的第二促动器和配置成操作空气进气阀的第三致动器；
多个传感器，配置为产生用于输出参数的信号；以及
电子控制单元，配置为：
-通过所述多个传感器，监测所述空气增压系统的输出参数；
-计算所监测的输出参数中的每一个和它们的目标值之间的误差；
-将所计算的误差中的每一个应用至多个线性控制器中的相应一个，产生采用空气增压系统的非线性计算模块计算的虚拟输入；
-使用所述虚拟输入来在非线性计算模块中同时计算用于所述空气增压系统的多个输入参数；
-使用所述输入参数中的每一个来确定所述空气增压系统的对应促动器的位置；
-根据所确定的所述促动器的位置来操作所述促动器中的每一个；
-协调一起控制第一、第二和第三促动器以减少空气增压系统追随目标值的时间响应；
-同时移动第一、第二和第三促动器；以及
将第一、第二和第三促动器中的每一个设定到其各自确定的位置；
其中，所述虚拟输入中的每一个与所述输出参数中的仅一个具有线性关系；
其中所述输出参数包括进气压力、残余气体分数和排气歧管压力，并且包括：
保持进气压力的目标值恒定；
保持残余气体分数的目标值恒定；以及
瞬态改变排气歧管压力的目标值。
7.如权利要求6所述的空气增压系统，其中所述线性控制器配置成将每个促动器的位置直接设定到其确定的位置而无需滑动模式控制。
8.如权利要求6所述的空气增压系统，其中空气增压系统的输出参数可包括指示排气歧管压力的参数、指示进气歧管压力的参数、以及指示进气歧管中残余气体分数的参数。
9.如权利要求6所述的空气增压系统，其中空气增压系统的输入参数可包括指示通过排气气体再循环阀的排气质量流量率的参数、指示通过空气进气阀的空气质量流量率的参数、以及指示通过可变几何涡轮增压器的涡轮机的排气质量流量率的参数。
10.如权利要求6所述的空气增压系统，其中借助下列矢量关系式，所述输入参数在非线性计算模块中同时计算：
其中，Witv通过进气阀的空气质量流量率，Wegr是通过排气气体再循环阀的排气质量流量率，Wvgt是通过可变几何涡轮增压器的涡轮机排气质量流量率，γ是比热容比，R是通用气体常数，Vi是进气歧管容积，Tic是中冷器下游的进气道中的空气温度，Ti是进气歧管空气温度，Tegr是再循环排气气体温度，Tx是排气歧管气体温度，Teout是排出发动机的排气气体温度，Vx是排气歧管容积，Fi是进气歧管内的残余气体分数，Fx是排气歧管内的残余气体分数，mi是进气歧管内的总气体质量，Wei是进入发动机的气体的总质量流量率，Wex是排出发动机的气体的总质量流量率，v1是第一虚拟输入，v2是第二虚拟输入，v3是第三虚拟输入。
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