CN106103951B - 用于控制内燃发动机中的空燃比的方法和装置 - Google Patents

用于控制内燃发动机中的空燃比的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于控制内燃发动机中的空燃比的AFR控制系统，该AFR控制系统包括：‑反馈控制器(402)，该反馈控制器被构造成比较所测量的空气量指标与设定点值(410)并且产生反馈控制输出(403)；‑设定点选择器(404)，该设定点选择器被构造成基于已知的操作要求选择稳态设定点值(405)；‑第一瞬态控制器(407)，该第一瞬态控制器被构造成作为对所述内燃发动机的燃料需求的变化的响应而产生瞬态设定点偏移(408)；以及‑第二瞬态控制器(411，811)，该第二瞬态控制器被构造成作为对所述稳态设定点值(405)或所述设定点值(410)的变化的响应而产生瞬态输出偏移(412，812)；其中所述设定点值(410)是所述稳态设定点值(405)和所述瞬态设定点偏移(408)的组合，并且其中所述AFR控制系统的输出(414)是所述反馈控制输出(403)和所述瞬态输出偏移(412，812)的组合。

Description

用于控制内燃发动机中的空燃比的方法和装置
技术领域
本发明一般而言涉及内燃发动机诸如大型柴油发动机的技术。具体而言，本发明涉及在操作状态改变过程中以及操作状态改变之后立即控制空燃比的方式。
背景技术
许多现代内燃发动机诸如柴油发动机都包括用于强制额外空气进入燃烧室内的强制进气装置诸如蜗轮增压器或增压器。空燃比或AFR(缩写)描述了每个循环输送到燃烧室内的空气和燃料的相对数量。AFR是一个重要参数，空燃比的值应该保持在具体限度内以确保发动机正确操作。在以燃气为燃料的柴油发动机中AFR控制的重要性变得更为突出，因为气态燃料正确点燃和燃烧比仅仅燃烧液体燃料的发动机更紧密地依赖于AFR。
空气的量典型地利用一个或多个废气门来控制，废气门调节流过涡轮增压器的排气量以及/或者流出而没有流入气缸内的压缩进入空气的量。一个直截了当的方案涉及通过控制压缩进入空气的压力来控制AFR。
可以应用反馈控制将进入空气压力保持成尽可能接近设定点。图1是过程101和采用反馈控制的控制器102的一般示意图。在该示例中，可以假定过程101是进入空气的压缩。传感器103监测过程101的状态并且产生反馈值，该反馈值是所测量的动态数量诸如当前进入空气压力的指标。控制器102将该反馈值与设定点值进行比较，并且产生表示比较结果的输出。该输出构成了给致动器104的控制信号，在该示例中，该致动器104转动废气门。典型地，该反馈控制的目标是将过程101维持在稳定状态，从而使得控制器102的输出与该反馈值和设定点值之差成比例，并且致动器104的作用是其导致过程101的状态变化趋向于驱使反馈值更接近设定点值。
扰动是趋向于改变过程101的状态的因素。可测量扰动是指其作用预先已知和/或能够以合理精度在线测量的那些扰动。另外还有不可测量扰动，这些扰动可能涉及例如在过程101中部件的机械磨损。不可测量扰动对过程101的状态的作用如果可能也是难以预测。
诸如图1中的纯闭环反馈控制涉及的固有缺点是，这种闭环反馈控制仅对已经在该过程中发生的作用作出反应，因而涉及到一定的延迟。在图1所示的最简单的形式(其中设定点值保持相同)中，其将不适合于AFR控制，因为例如负载和/或速度的变化将导致燃料的量变化，这必然也会使空气的量发生变化。
图2示出了如何能够通过增加实现前馈控制的一定元件的设定点选择器来至少部分地解决该缺点。除了以上与图1相关联地说明的元件之外，图2所示的控制系统还包括设定点选择器201。该设定点选择器201被构造成接收表示可测量扰动的一个或多个输入值。在这种情况下，它们给出负载和/或速度将如何改变。设定点选择器201可以具有简单查找表特性，该简单查找表基于负载和/或速度信息产生新的设定点值。设定点值的变化在反馈值中具有任何可测量变化之前就已经开始影响控制环。
图2的控制方案允许控制环更快地对可测量扰动做出反应，但是瞬态效应问题仍然存在。例如，假定期望输出功率快速增加这样一种情形。期望的新的输出功率水平将需要向气缸输送一些特定量的燃料和一些特定量的空气。空气量的增加可以通过使涡轮增压器更快旋转(即，通过向关闭方向转动排气侧废气门)来实现。涡轮增压器的旋转叶轮具有相当大的惯性，这意味着在变化过程中，将使用相当大的量的能量来增加其旋转速度。这种瞬态能量需求暂时降低了可从发动机获得的输出能量。如果在变化之后将新的设定点值选择成与稳态输出功率对应，则在达到新的涡轮旋转速度并且满足其它瞬态能量需求之后，只能相对缓慢地到达新的期望输出功率。
发明内容
下文提供了一个简单的发明内容，以便提供各种发明实施方式的一些方面的基部理解。该发明内容不是该发明的广泛概述。既不是旨在确定本发明的关键或决定性特征，也不是旨在描述本发明的范围。如下发明内容仅仅以简化形式提供了本发明的一些构思，作为例示本发明的实施方式的更详细描述的排除方式。
需要一种方法、控制系统和内燃发动机，其中在AFR控制的框架中减少负载和/或速度变化对输出功率的瞬态作用。
本发明的有利目的通过使用两阶段变化敏感控制来实现，在该量阶段变化敏感控制中，在该变化过程中动态地选择设定点的选择，并且在设定点值的变化过程中动态地进行输出给致动器的信号的产生。
反馈控制器可以包括比较所测量的空气量指标与设定点值并且产生反馈控制输出。进而基于已知的操作要求选择稳态设定点值。第一瞬态控制器可以作为对燃料需求变化的响应而产生瞬态设定点偏移。第二瞬态控制器可以作为对所述设定点值的变化的响应而产生瞬态输出偏移。
将要使用的实际设定点值可以是所述稳态设定点值和所述瞬态设定点偏移的组合。该控制系统的输出可以是所述反馈控制输出和所述瞬态输出偏移的组合。
该变化敏感控制的第一阶段确保了不仅作为从一个稳态设定点到另一个稳态设定点的调变而根据设定点变化区域来进行设定点值的预期变化，所述设定点变化曲线可以暂时地跨大所需变化以便使其更快速地影响过程。以类似的方式，该变化敏感控制的第二阶段确保了控制装置的输出信号可以暂时对变化的设定点值“过度反应”，这对受控过程的总体行为也具有前摄作用。
在该专利申请中提供的该示例性实施方式不应解释成对所附权利要求的应用性进行限制。在该专利申请中使用的动词“包括”作为不排除还存在未叙述特征的开放性限定。在从属权利要求中引述的特征可以相互自由组合，除非另有明确说明。
被认为是本发明的特性的新颖特征具体地在所附权利要求中阐述。然而，该发明本身对于其构造以及其操作方法与其附加目的和优点在结合附图阅读时将从如下具体实施方式的描述更好地理解。
附图说明
图1示出了现有技术反馈控制方案；
图2示出了反馈和设定点选择的已知组合；
图3示出了一个系统和一个方法中的两阶段变化敏感控制的原理；
图4示出了控制空燃比的两阶段变化敏感控制的一个实施方式；
图5示出了第一瞬态控制器的示例；
图6示出了第二瞬态控制器的示例；以及
图7示出了信号的组合。
具体实施方式
图3示意性地示出了两阶段变化敏感控制的原理。图3可以作为方法或布置的示意性图示来进行检查。内控制环包括变化敏感控制器31，该变化敏感控制器31在其从传感器103接收所测量的指标值，将该指标值与设定点值进行比较，并产生通过致动器104而影响受控过程104的状态的控制输出这个意义上来说包括反馈控制器的功能。该控制输出与所测量的指标值和设定点值之间发现的差成比例，但是这种比例性包括对变化的一定敏感性：在设定点值改变过程中(和/或紧接着设定点值改变过程)，发生瞬态时期，在该瞬态时期期间，比例性与在稳态条件下的比例性不同。具体而言，控制器301的变化敏感性已经被选择为使得指向致动器104的控制输出前摄性地抵消否则将延迟过程101对操作条件下对设定点值中的变化所代表的这种变化的响应的这些影响。
设定点值从设定点选择器302来到变化敏感控制器301，该设定点选择器302本身也对变化敏感。设定点选择器302的用途是基于关于将作用在过程101上的可测量扰动的信息来选择设定点值，使得每次新的设定点值都将根据新的可测量扰动来驱使内控制环正确地控制过程101。对变化的敏感性这里是指类似于以上关于控制器301说明的特征：即使可测量扰动将仅仅从一个稳态水平变化到另一个稳态水平，所选择的设定点也不是仅仅从旧的稳态设定点跳变到新的稳态设定点，而是遵循于过渡模式，该过渡模式的目标是前摄性地补偿否则将在过程101中发生的延迟和/或其它无用的瞬态效应。
图4示出了可以如何应用两阶段变化敏感控制的原理来控制内燃发动机中的空燃比。在图4中的右侧示意性地示出的阀401可以例如是涡轮增压器的涡轮的废气门或影响进气歧管空气压力的增压空气入口的废气门。一般来说，可以说致动器被构造成直接或间接地控制增压空气压力。反馈控制器402被构造成将所测量的空气量指标诸如例如所测量的增压空气压力与设定点值进行比较。所测量的空气量指标在图4中被简单地称为反馈值。
反馈控制器402还被构造成产生反馈控制输出403，该反馈控制输出403的变化量与反馈控制器402在所测量的空气量指标和设定点值之间发现的差成比例。在该描述中，术语“比例”并不是在严格的数学含义下使用，在严格的数学含义下，比例将仅仅通过比例常数来覆盖线性依赖性。相反，这里是指反馈控制器402被构造成，如果所测量的空气量指标等于设定点值，则产生中性输出值(即，目标不是为了改变受控过程的当前状态的值)，否则，其产生这样一个输出值，该输出值越试图纠正情形，所测量的空气量指标就越远离设定点值。比例性的这种宽泛定义包括例如指数相关性、设定点值的精确值周围的死区、超常输出值截止以及反馈控制的其它已知特征。
设定点选择器404被构造成基于已知操作要求来选择稳态设定点值405。例如，设定点选择器404可以采取查找表406的形式，根据发动机在特定负荷下应该具有的转速从该查找表406读取期望的增压空气压力值。对于设定点选择器(该设定点选择器的任务就是选择稳态设定点值)来说典型的是，其输入值(即，描述已知操作要求的那些值)中的每个都具有容许值范围。在图4的查找表表示中，这些容许值由给查找表的行和列以标签的阴影方框来表示。通过测试、模拟或测试和模拟的组合可以发现在实践中将遇到的操作要求的每种组合的影响，从而可以在查找表中的合适位置选择并存储适当的稳态设定点值。
第一瞬态控制器407被构造成作为对内燃发动机的燃料需求变化的响应而产生瞬态设定点偏移408。在该说明书中，术语“瞬态控制器”是指这样一种控制器，该控制器专门对变化作出反应(与主要对稳态输入产生作用的控制器不同)并且产生仅仅持续该变化的持续时间或者在该变化之后至多持续相对较短间隔的输出。稍后将在该说明书中提供瞬态控制器的示例。
第一组合器409被构造成产生稳态设定点值405和瞬态设定点偏移408的组合410。该组合可以是直接求和，或者其可以是一些加权和，或者其可以涉及更多先进的组合特征，例如条件选择、滤波、剪切和/或依赖于时间的加权。在任何情况下，稳态设定点值405和瞬态设定点偏移408的组合410都构成了被输送给反馈控制器402的设定点值。设定点选择器404、第一瞬态控制器407和组合器409一起实现了在图3中被表示为变化敏感设定点选择器302的功能。关于负荷、速度和燃料需求的知识代表可测量扰动，该可测量扰动影响过程的状态，这在图4中是进入空气的压缩。由于进入空气压力是确定空燃比的重要因素，可以更一般地说，将在图4中进行控制的过程是以合适的比例将空气和燃料输送到燃烧室内。
第二瞬态控制器411就像反馈控制器402一样从第一组合器409接收作为输入的设定点值。第二瞬态控制器411被构造成作为对设定点值的变化的响应而产生瞬态输出偏移412。第二组合器413被构造成产生反馈控制输出403和瞬态输出偏移412的组合414。该组合414构成AFR控制系统的输出，并且用来实际转动阀401(或者更一般地说，驱动影响受控过程的状态的致动器)。关于措辞“组合”的如上所述的相同一般性评论在这里也同样适用。反馈控制器402、第二瞬态控制器411和第二组合器413一起实现了在图3中被表示为变化敏感控制器301的功能。
图5示出了第一瞬态控制器407的一个可能的实用性实施方式。其包含被构造成产生代表当前燃料需求的信号的时间导数的第一时间导数计算器501。通过不使用任何测量的反馈值来代表当前燃料需求，而是使用在驱动发动机中的燃料输送装置中也具有积极作用的原始控制信号或命令，可以获得显著的优点。所测量的反馈信号将引入附加的延迟和反应性因素，而原始控制信号或命令是获得适当信息的最快且最前摄性的方式。第一增益单元502被构造成对燃料需求的时间导数进行加权，而第一低通滤波器503被构造成对燃料需求的加权时间导数进行滤波。低通滤波器通过将仅由干扰或其它源或误差引起的波动滤除而有助于将第一瞬态控制器的作用聚集于燃料需求的实际变化。瞬态设定点偏移408是第一低通滤波器503的输出。
如图6中所示，第二瞬态控制器411的示例性实施方式可以相对贴近地类似于第一瞬态控制器407的实施方式。图6的第二瞬态控制器411包括被构造成产生从第一组合器419(参见图4)接收的设定点值的时间导数的第二时间导数计算器601。第二增益单元602被构造成对所述设定点值的时间导数进行加权，而第二低通滤波器603被构造成对设定点值的加权时间导数进行滤波，从而所述瞬态输出偏移412是所述第二低通滤波器的输出。在图6的示例性实施方式中和图5的示例性实施方式中，增益单元和低通滤过器都可以在链中交换位置，而对所实现的作用具有较小的实际影响。
图7示出了当使用图4中所示的AFR控制器增加增压空气压力时各种信号看起来如何的示例。简单起见，假定第一瞬态控制器407(参见图4)接收燃料需求急剧增加的信息，如由最上面的曲线701所示。燃料需求的增加意味着负载和/转速的同时增加，因此设定点选择器404的输出处的稳态设定点405将表现出类似的阶梯状增加，且只是与设定点选择器查询查找表并将所得到的新的稳态设定点作为其输出所用的延迟一样多。
如果第一瞬态控制器407具有如图5所示的内部结构，则其计算燃料需求曲线701的时间导数。急剧变化的燃料需求的时间导数构成了非常尖锐非常高的峰部，因为在严格数学含义下，时间导数将在一个点处具有无限值，而在其它地方具有零值。被低通滤波的时间导数具有更平滑形式，但是可能仍然是相对狭窄的峰部，如图7中的第二曲线702所示。如果组合器409被构造成应用加权求和，则设定点值410将符合第三曲线703：不是仅仅从一个稳态设定点值跳变到另一个稳态设定点值，而是设定点值暂时增加不只是两个稳态设定点值之间的差，并且之后在峰形成的瞬态设定点偏移408消失之后决定新的稳态设定点值。
图4中的第四曲线704示出了如在第二瞬态控制器411中计算的设定点值的滤波时间导数。第五曲线705又示出了反馈控制器402如何对图703的变化设定点值作出反应：其将通过如下方式尽力使反馈值遵循设定点值：首先将输出信号增加比新的稳态设定点值将需要的还多(即，在关闭方向上转动废气门401)，并且最终达到产生由新的稳态设定点值表示的增压空气压力的废气门设置。
第六曲线706表示第四和第五曲线的加权和，换句话说，该加权和是第二组合器413作为AFR控制系统的输出414而产生的和。曲线704所示的瞬态输出偏移的双向摆动的作用是双重的：其使得加权和的初始增加更为陡峭，并且削弱曲线705中的向上摆动的延迟尾部。一般来说，可以得出结论，即，AFR控制系统通过将废气门快速关闭至稍微夸大程度并且随后相对快速地将废气门设置稳定在新的操作条件下合适的水平来响应燃料需求增加(其与负载或转速的期望增加同步)。关闭废气门时的初始夸大正好产生克服延迟所需的附加增压空气压力，这种延迟否则在响应增加的负载和/或转速要求的情况下将是固有的。
图8示出了双阶段变化敏感控制的另选实施方式。与图4中基本相同的部件和功能是反馈控制器402、设定点选择器404、第一瞬态控制器407、第一组合器409和第二组合器413。设定点选择器404和第一瞬态控制器407出于图形清楚原因仅仅以翻转顺序示出，因为作为与图4的不同，第二瞬态控制器811并不从由第一组合器409产生的设定点值410获得其输入，而是直接从由设定点选择器404产生的稳态设定点405获得。如果第二瞬态控制器811采用与以上图6中所示的示例相同的时间导数计算、放大和低通滤波原理，则在其中仅稳态设定点值中仅发生单个急剧变化的情况下，瞬态输出偏移812将类似于曲线702的单个峰部而不是曲线704的双向摆动。
根据本发明的实施方式的AFR控制系统的物理实现可以采取内燃发动机的ECU(发动机控制单元)的一部分、CCM(气缸控制模块)的一部分或ECM(发动机控制模块)的形式。已知在ECU、CCM或ECM中包括可编程装置，诸如例如微控制器、微处理器和/或可编程逻辑阵列。基于以上给出的描述，本领域技术人员能够对这些可编程装置进行编程，从而运行采取机器可读指令的形式的程序将使得可编程装置执行根据本发明的实施方式的方法。
在不脱离修改后的权利要求的范围的情况下，可对这些实施方式进行各种修改和改变。例如，代替燃料需求，第一瞬态控制器407的输入信号还可以是发动机负载、气缸压力(例如，计算的IMEP)或表示操作状态例如燃烧开始的其它信号。

Claims (6)

1.一种内燃发动机，该内燃发动机包括：调节阀(401)或阀系统，该调节阀(401)或阀系统用于调节待被强制进入燃烧室内的额外空气的量；以及空燃比控制系统，该空燃比控制系统具有输出(414)，该输出被耦合以致动所述调节阀(401)或阀系统，用于控制所述内燃发动机中的空燃比，该空燃比控制系统包括：
-反馈控制器(402)，该反馈控制器被构造成比较所测量的空气量指标与设定点值(410)并且产生反馈控制输出(403)；
-设定点选择器(404)，该设定点选择器被构造成基于已知的操作要求选择稳态设定点值(405)；
-第一瞬态控制器(407)，该第一瞬态控制器被构造成作为对所述内燃发动机的燃料需求的变化的响应而产生瞬态设定点偏移(408)；以及
-第二瞬态控制器(411，811)，该第二瞬态控制器被构造成作为对所述稳态设定点值(405)或所述设定点值(410)的变化的响应而产生瞬态输出偏移(412，812)；
其中所述设定点值(410)是所述稳态设定点值(405)和所述瞬态设定点偏移(408)的组合，并且其中所述空燃比控制系统的所述输出(414)是所述反馈控制输出(403)和所述瞬态输出偏移(412，812)的组合。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中所述第一瞬态控制器(407)包括第一时间导数计算器(501)、第一增益单元(502)以及第一低通滤波器(503)，所述第一时间导数计算器(501)被构造成产生所述燃料需求的时间导数，所述第一增益单元(502)被构造成对燃料需求的所述时间导数进行加权，所述第一低通滤波器(503)被构造成对燃料需求的加权时间导数进行滤波，从而使所述瞬态设定点偏移(408)是所述第一低通滤波器(503)的输出。
3.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其中所述第二瞬态控制器(411)包括第二时间导数计算器(601)、第二增益单元(602)以及第二低通滤波器(603)，所述第二时间导数计算器(601)被构造成产生所述设定点值的时间导数，所述第二增益单元(602)被构造成对设定点值的所述时间导数进行加权，所述第二低通滤波器(603)被构造成对设定点值的加权时间导数进行滤波，从而使所述瞬态输出偏移(412)是所述第二低通滤波器(603)的输出。
4.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其中所述调节阀(401)或阀系统包括如下中的至少一者：涡轮增压器的涡轮的废气门以及增压空气入口的废气门。
5.根据权利要求3所述的内燃发动机，其中所述调节阀(401)或阀系统包括如下中的至少一者：涡轮增压器的涡轮的废气门以及增压空气入口的废气门。
6.一种用于致动内燃发动机的调节阀(401)或阀系统的方法，该调节阀(401)或阀系统用于调节待被强制进入燃烧室内的额外空气的量以控制所述内燃发动机中的空燃比，该方法包括：
-比较(402)所测量的空气量指标与设定点值(410)并产生反馈控制输出(403)；
-基于已知的操作要求选择(404)稳态设定点值(405)；
-作为对所述内燃发动机的燃料需求的变化的响应而产生(407)瞬态设定点偏移(408)；以及
-作为对所述稳态设定点值(405)或所述设定点值(410)的变化的响应而产生(411，811)瞬态输出偏移(412，812)；
其中所述设定点值(410)是所述稳态设定点值(405)和所述瞬态设定点偏移(408)的组合，并且其中用于致动所述调节阀(401)或阀系统的输出(414)是所述反馈控制输出(403)和所述瞬态输出偏移(412，812)的组合。
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