CN108087105A - 用于控制压缩燃烧气流中的压力比的方法 - Google Patents

Abstract

一种控制具有用于压缩内燃机燃烧气流的电动压缩机和排气驱动涡轮增压器的发动机系统的方法，包括：定义燃烧气流的总压力比目标，以及定义分配因数以计算总压力比目标的第一部分和总压力比目标的第二部分。总压力比目标的第一部分和总压力比目标的第二部分的总和等于总压力比目标。控制电动压缩机以提供总压力比目标的第一部分，并且控制排气驱动涡轮增压器以提供总压力比目标的第二部分。

Description

用于控制压缩燃烧气流中的压力比的方法

引言

本公开总体上涉及一种具有用于压缩内燃机的燃烧气流的电动压缩机和排气驱动涡轮增压器两者的发动机系统，以及控制该发动机系统的方法。

内燃机将燃烧气流与燃料混合，然后燃烧燃烧室中的燃料/气体混合物以发电。燃料/气体混合物的燃烧产生排出气流。燃烧气流可以在与燃料混合之前受压缩以增加内燃机的输出功率。排气驱动涡轮增压器利用来自内燃机的排出气流驱动涡轮机，涡轮机又驱动压缩机压缩燃烧气流。电动压缩机使用诸如电动机的电动设备来驱动压缩机压缩燃烧气流。

发明内容

提供了一种控制发动机系统的方法。发动机系统包括电动压缩机和排气驱动涡轮增压器两者，用于压缩内燃机的燃烧气流。该方法包括定义燃烧气流的总压力比目标，并定义分配因数以计算总压力比目标的第一部分和总压力比目标的第二部分。总压力比目标的第一部分和总压力比目标的第二部分的总和等于总压力比目标。控制电动压缩机以提供总压力比目标的第一部分，并且控制排气驱动涡轮增压器以提供总压力比目标的第二部分。

控制发动机系统的方法还可以包括在瞬态车辆运行工况期间连续地重新定义分配因数。瞬态车辆运行状况包括重新定义总压力比目标。针对分配因数的每个重新定义的值重新计算总压力比目标的第一部分和总压力比目标的第二部分。

在控制发动机系统的方法的一个方面中，将定义分配因数进一步定义为将分配因数的值定义为大于等于0且小于等于1。分配因数具有第一限制值1，以及第二限制值0。当分配因数具有等于1的值时，在瞬态车辆运行工况结束时提供的总压力比目标由排气驱动涡轮增压器传送。当分配因数具有等于0的值时，在瞬态车辆运行工况结束时提供的总压力比目标由电动压缩机传送。

在控制发动机系统的方法的另一方面中，总压力比目标的第二部分由下面的等式1)计算。

β₂＝μ·β_tot+1-μ 1)

参考等式1，β₂是由排气驱动涡轮增压器提供的总压力比目标的第二部分，β_tot是总压力比目标，且μ是分配因数。

在控制发动机系统的方法的另一方面中，总压力比目标的第一部分由下面的等式2)计算。

参考等式2，β₁是由电动压缩机提供的总压力比目标的第一部分，β_tot是总压力比目标，且β_act是由排气驱动涡轮增压器提供的当前压力比。

在控制发动机系统的方法的另一方面中，该方法可以进一步包括确定分配因数的目标最小值。定义分配因数可以进一步包括将分配因数定义为包括大于等于分配因数的目标最小值的值。确定分配因数的目标最大值可以包括：通过参考将经过电动压缩机的气流与来自电动压缩机的最大可能的压力比相联系的表来确定对于经过电动压缩机的当前气流的来自电动压缩机的最大可能的压力比。

在控制发动机系统的方法的另一方面中，分配因数的最小目标值由下面的等式3)计算。

参考等式3，μ_min是分配因数的最小目标值，β_tot是总压力比目标，β_max是对于经过电动压缩机的当前气流的来自电动压缩机的最大可能的压力比。

还提供了一种发动机系统。发动机系统包括内燃机，该内燃机可操作以将燃烧气流与燃料混合，并且从燃烧气体和燃料混合物的燃烧中产生排出气流。发动机系统还包括电动压缩机和排气驱动涡轮增压器。电动压缩机可操作以使用电力来压缩燃烧气流。排气驱动涡轮增压器可操作以使用排出气流来压缩燃烧气流。发动机系统还包括发动机控制单元。发动机控制单元包括处理器和其上保存有燃烧气体控制模块的存储器。处理器可操作以执行燃烧气体控制模块以控制电动压缩机和排气驱动涡轮增压器。在一个实施例中，燃烧气体控制模块可操作以定义燃烧气流的总压力比目标，并定义分配因数以计算总压力比目标的第一部分和总压力比目标的第二部分。总压力比目标的第一部分和总压力比目标的第二部分的总和等于总压力比目标。燃烧气体控制模块控制电动压缩机提供总压力比目标的第一部分，并控制排气驱动涡轮增压器提供总压力比目标的第二部分。

在发动机系统的一个方面中，燃烧气体控制模块可操作以将分配因数定义为具有大于等于0且小于等于1的值。分配因数的第一限制值为1，且第二限制值为0。当分配因数具有等于1的值时，在瞬态车辆运行工况结束时提供的总压力比目标由排气驱动涡轮增压器传送。当分配因数具有等于0的值时，在瞬态车辆运行工况结束时提供的总压力比目标由电动压缩机传送。

在发动机系统的另一方面中，燃烧气体控制模块可操作以根据下面的等式1)计算总压力比目标的第二部分。

β₂＝μ·β_tot+1-μ 1)

参考等式1，β₂是由排气驱动涡轮增压器提供的总压力比目标的第二部分，β_tot是总压力比目标，且μ是分配因数。

在发动机系统的另一方面中，燃烧气体控制模块可操作以根据下面的等式2)计算总压力比目标的第一部分。

参考等式2，β₁是由电动压缩机提供的总压力比目标的第一部分，β_tot是总压力比目标，且β_act是排气驱动涡轮增压器提供的当前压力比。

在发动机系统的又一方面中，燃烧气体控制模块可操作以通过参考保存在发动机控制单元的存储器中的表(该表将经过电动压缩机的气流与来自电动压缩机的最大可能压力比相联系)来确定分配因数的目标最小值，从而确定当前经过电动压缩机的气流的来自电动压缩机的最大可能压力比。

燃烧气体控制模块可以根据下面的等式3)计算分配因数的目标最小值。

参考等式3，μ_min是分配因数的目标最小值，β_tot是总压力比目标，且β_max是当前经过电动压缩机的气流来自电动压缩机的最大可能压力比。

因此，电动压缩机和排气驱动涡轮增压器两者可以组合使用以提供用于瞬态条件以及稳态条件的燃烧气流的总压力比目标，即增压。分配因数确定由电动压缩机和排气驱动涡轮增压器这两者中的每一者所贡献的燃烧气体的量，该分配因数可以经定义以及重新计算以达到一个具体的目标，比如不受最大性能、最小CO2排放、最大燃料效能等的限制。这样一来，电动压缩机经控制不仅缓解来自排气驱动涡轮增压器的涡轮迟滞，还作为稳态机械运行以使发动机系统性能最优化，并确保在所有运行条件下提供所要求的燃烧气体中的增压。

当结合附图，从下文针对用于实施教导的最佳模式的详细描述中，本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。

附图说明

图1是发动机系统的示意性平面图。

图2是示出控制发动机系统的方法的流程图。

图3是示出燃烧气流随时间而改变的压缩比的曲线图。

具体实施方式

本领域的普通技术人员将认识到，诸如“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”等的术语描述性地用于附图，而不代表由所附权利要求限定的对本公开的范围的限制。此外，本文可以根据功能和/或逻辑块组件和/或各种处理步骤来描述教导。应该认识到，这样的块组件可以包括配置为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件组件。

参考附图，其中相同的附图标记在几个视图中表示相同的部分，图1中在20处总体地示出了发动机系统。参考图1，发动机系统20包括内燃机22。内燃机22以本领域技术人员已知的方式工作。内燃机22将燃烧气流24与燃料混合，并且将燃料/气体混合物在燃烧室中燃烧。如已知的，燃料/气体混合物的燃烧产生排出气流26。内燃机22的具体设计和操作与本公开的教导不相关，因此在此不详细描述。内燃机22可以以任何方式配置为能够为其预期目的提供所需动力。

发动机系统20包括电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器。电动压缩机28使用例如但不限于电动机的电动设备来转动压缩机。电动压缩机28可操作以在燃烧气流24与燃料混合之前压缩燃烧气流24。电动压缩机28可以以任何合适的方式配置为能够为内燃机22的运行提供所需增压量。电驱动压缩机28的具体设计和操作与本公开的教导不相关，因此在此不再详细描述。

排气驱动涡轮增压器使用排出气流26来转动涡轮，涡轮又转动压缩机。排气驱动涡轮增压器可操作以在燃烧气流24与燃料混合之前压缩燃烧气流24。排气驱动涡轮增压器可以以任何合适的方式配置为能够为内燃机22的运行提供所需增压量。排气驱动涡轮增压器的具体设计和操作与本公开的教导不相关，因此在此不再详细描述。

发动机系统20还可以包括用于控制内燃机22、电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器的运行的控制器32。控制器32可以被称作计算机、控制模块(例如发动机控制模块)、控制单元(例如发动机控制单元)或者以一些其它类似的名称来指称。控制器32可以包括计算机和/或处理器38，并且包括管理和控制内燃机22、电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器的运行所必需的所有软件、硬件、存储器、算法、连接、传感器等。这样一来，下文描述的并且在图2中一般地示出的方法可以具体化为可在控制器32上运行的程序或算法。应当理解的是，控制器32可以包括能够分析来自各种传感器的数据、比较数据、做出控制内燃机22、电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器的运行所需的必要决定以及执行控制内燃机22、电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器所需任务的任何设备。

控制器32可以具体化为一个或多个数字计算机或主机，每一个都具有一个或多个处理器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、光驱、磁驱动器等、高速时钟、模数(A/D)电路、数模(D/A)电路以及任何所需的输入/输出(I/O)电路、I/O设备和通信接口以及信号调节和缓冲电子设备。

计算机可读存储器可以包括参与提供数据或计算机可读指令的任何非暂时/有形介质。内存可能是非易失性或易失性的。非易失性介质可以包括例如光盘或磁盘以及其他持久性存储器。示例易失性介质可以包括动态随机存取存储器(DRAM)，其可以构成主存储器。用于存储器的实施例的其他示例包括软盘、软盘或硬盘、磁带或其他磁介质、CD-ROM、DVD和/或任何其他光学介质，以及其他可能的存储器设备，诸如闪存。

控制器32包括其上记录有计算机可执行指令的有形的非暂时性存储器34，其包括燃烧气体控制模块36。控制器32还包括处理器38，处理器38可操作以执行燃烧气体控制模块36以确定每个电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器受命令而提供的增压量，即压缩的燃烧气体量。控制器32还可操作以控制电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器从而从两者中的每一者提供指令的增压。燃烧气体控制模块36使用来自车辆传感器的数据来确定对电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器的期望的控制。

参考图2，燃烧气体控制模块36执行控制发动机系统20的方法50。控制发动机系统20的方法包括定义燃烧气流24的总压力比目标。定义总压力比目标的步骤大致由图2中的框52表示。总压力比目标是在当前运行条件下内燃机22运行所需的命令的增压量。分配因数也由燃烧气体控制模块36定义。定义分配因数的步骤大致由图2中的框54表示。由于电动压缩机28在某些情况下可能无法提供全部的增压，即全部总压力比目标，所以燃烧气体控制模块36可以确定分配因数的目标最小值，以限制电动压缩机28需要提供的增压量。确定分配因数的目标最小值的步骤大致由图2中的方框58表示。然后，燃烧气体控制模块36将定义分配因数以包括大于等于分配因数的目标最小值的数值。

确定分配因数的目标最小值可以包括确定来自电动压缩机28的对于通过电动压缩机28的当前气流的最大可能压力比。燃烧气体控制模块36可通过参考存储在控制器32的存储器中的表(例如，压缩机图)来确定电动压缩机28可实现的最大可能压力比。压缩机图将通过电动压缩机28的气流与来自电动压缩机28的最大可能压力比相关联。压缩机图是各个不同压缩机的特性曲线，其可由电动压缩机28的制造商提供。压缩机图将气流和压缩比与空效能相关联，燃烧气体控制模块36可以为其导出针对给定气流的最大可能压缩比。

燃烧气体控制模块36可以根据下面的等式3)计算分配因数的目标最小值。

参考等式3，μ_min是分配因数的目标最小值，β_tot是总压力比目标，且β_max是来自电动压缩机28的经过电动压缩机28的当前气流的最大可能压力比。

分配因数用于分别确定由电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器中的每一个提供的增压量。更具体地，分配因数用于计算总压力比目标的第一部分和总压力比目标的第二部分。计算第一和第二部分的步骤大致由图2中的方框56表示。参照图3，一旦稳定，总压力比目标的第一部分和总压力比目标的第二部分的总和等于总压力比目标。总压力比目标的第一部分是由电动压缩机28提供的增压量，总压力目标的第二部分是由排气驱动压缩机30提供的增压量。如图3所示，压力比大致沿垂直轴线76表示，时间大致沿水平轴线78表示，总压力比目标大致由线70表示，由电动压缩机28提供的总压力比目标的第一部分大致由第一阴影区域72表示，而由排气驱动压缩机30提供的总压力比目标的第二部分大致由第二阴影区域74表示。

分配因数被定义为具有大于等于0且小于等于1的值。此外，如上所述，分配因数被进一步定义为包括大于分配因数的目标最小值的值。因此，分配因数第一限制值为1，第二限制值为0。当分配因数具有等于1的值时，在瞬态车辆运行工况结束时提供的总压力比目标由排气驱动涡轮增压器传送。因此，当分配因数被定义为具有等于1的值时，排气驱动涡轮增压器提供所有的增压。当分配因数具有等于0的值时，在瞬态车辆运行工况结束时提供的总压力比目标由电动压缩机28传送。因此，当分配因数具有等于0的值时，电动压缩机28提供全部的增压。瞬时车辆运行状态在本文中被定义为车辆运行状态的改变。例如，车辆加速度可以改变当前的车辆运行状况，迫使改变或重新定义总压力比目标。

燃烧气体控制模块36可操作以根据下面的等式1)计算总压力比目标的第二部分。

β₂＝μ·β_tot+1-μ 1)

参考等式1，β₂是由排气驱动涡轮增压器提供的总压力比目标的第二部分，β_tot是总压力比目标，且μ是分配因数。

燃烧气体控制模块36可操作以根据下面的等式2)计算总压力比目标的第一部分。

参考等式2，β₁是由电动压缩机28提供的总压力比目标的第一部分，β_tot是总压力比目标，且β_act是排气驱动涡轮增压器提供的当前压力比。

一旦计算了总压力比目标的第一部分和第二部分，则燃烧气体控制模块36可以控制电动压缩机28提供总压力比目标的第一部分，并且控制排气驱动涡轮增压器以提供总压力比目标的第二部分。控制电动压缩机28和排气驱动压缩机30的步骤大致由图2中的框60表示。控制电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器以分别从两者提供所需的增压量(即总压力比目标的第一部分和第二部分)的具体方式取决于电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器的具体配置和操作，该具体配置和操作是本领域技术人员已知的。因此，控制电动压缩机28和排气驱动涡轮增压器以提供所需的增压量的具体方式在此不做详细描述。

燃烧气体控制模块36持续监测发动机系统20的当前运行状况以识别瞬态运行状态。识别瞬态操作状况的步骤大致由图2中的方框62指示。当燃烧气体控制模块36识别大致由箭头64指示的瞬态运行状态时，则燃烧气体控制模块36通过该瞬态运行状态和分配因数重新定义满足发动机系统20的运行要求所需的总压力比目标。如上所述，当发动机系统20的运行状态改变时(例如加速、减速、地形变化等)，瞬态车辆运行工况发生。

作为重新定义分配因数的结果，燃烧气体控制模块36还针对分配因数的每个重新定义的值重新计算总压力比目标的第一部分和总压力比目标的第二部分，并且控制电动压缩机28和排气驱动压缩机30以分别提供总压力比目标的重新定义的第一部分和第二部分。

详细的描述和附图支持和描述对本公开，但是本公开的范围仅由权利要求定义。尽管已经详细描述了用于实施所要求的教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求中定义的本公开的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种控制具有用于压缩内燃机的燃烧气流的电动压缩机和排气驱动涡轮增压器两者的发动机系统的方法，所述方法包括：

定义所述燃烧气流的总压力比目标；

定义用来计算所述总压力比目标的第一部分和所述总压力比目标的第二部分的分配因数，其中所述总压力比目标的所述第一部分和所述总压力比目标的所述第二部分之和等于所述总压力比目标；

控制所述电动压缩机以提供所述总压力比目标的所述第一部分；以及

控制所述排气驱动涡轮增压器以提供所述总压力比目标的所述第二部分。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在瞬态车辆运行工况期间持续地重新定义所述分配因数，其中所述瞬态车辆运行工况包括重新定义所述总压力比目标。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括针对所述分配因数的每个重新定义后的值重新计算所述总压力比目标的所述第一部分和所述总压力比目标的所述第二部分。

4.根据权利要求1所述的方法，其中将定义所述分配因数进一步定义为定义所述分配因数使其具有大于等于0且小于等于1的值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述分配因数的第一限制值为1，且第二限制值为0，其中，当所述分配因数具有等于1的值时，在瞬态车辆运行工况结束时提供的所述总压力比目标由所述排气驱动涡轮增压器传送，并且当所述分配因数具有等于0的值时，在瞬态车辆运行工况结束时提供的所述总压力比目标由所述电动压缩机传送。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述总压力比目标的所述第二部分根据下式计算：

β2＝μ·β_tot+1-μ

其中β₂是由所述排气驱动涡轮增压器提供的所述总压力比目标的所述第二部分，β_tot是所述总压力比目标，且μ是所述分配因数。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述总压力比目标的所述第一部分根据下式计算：

<mrow> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>

其中β₁是由所述电动压缩机提供的所述总压力比目标的所述第一部分，β_tot是所述总压力比目标，且β_act是由所述排气驱动涡轮增压器提供的当前压力比。

8.根据权利要求4所述的方法，进一步包括确定所述分配因数的目标最小值。

9.根据权利要求8所述的方法，其中确定所述分配因数的所述目标最小值包括确定来自所述电动压缩机的经过所述电动压缩机的当前气流的最大可能压力比。

10.一种发动机系统，包括：

内燃机，其可操作以将燃烧气流与燃料混合，并从燃烧气体和燃料混合物的燃烧产生排出气流；

电动压缩机，其可操作以使用电力来压缩燃烧气流；

排气驱动涡轮增压器，其可操作以使用所述排出气流来压缩所述燃烧气流；以及

发动机控制单元，其具有处理器和其上保存有燃烧气体控制模块的存储器，其中所述处理器可操作以执行所述燃烧气体控制模块，从而：

定义所述燃烧气流的总压力比目标；

定义分配因数以计算所述总压力比目标的第一部分和所述总压力比目标的第二部分，其中所述总压力比目标的所述第一部分和所述总压力比目标的所述第二部分之和等于所述总压力比目标；

控制所述电动压缩机以提供所述总压力比目标的所述第一部分；以及

控制所述排气驱动涡轮增压器以提供所述总压力比目标的所述第二部分。