CN108691673B - 用于改善瞬态扭矩响应的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于改善瞬态扭矩响应的方法和系统。提供了用于在瞬态状况期间改善发动机扭矩响应的方法和系统。在一个示例中，一种方法可以包括，基于操作者扭矩要求调整进气节气门和排气废气门阀，并且同时基于预测的扭矩不足比安排排气再循环(EGR)和可变凸轮正时(VCT)。EGR和VCT的安排独立于进气节气门和排气废气门阀的实际位置。

Description

用于改善瞬态扭矩响应的方法和系统
技术领域
本发明大体涉及用于为增压发动机提供改善的扭矩响应的方法和系统。
背景技术
发动机系统可以被配置有用于提供增压的空气充气以增加扭矩输出的增压装置(诸如涡轮增压器)。具体地，使用来自排气流的能量来旋转涡轮。涡轮驱动向发动机进气装置输送增压的空气充气的压缩机。增压发动机可以提供比类似功率的自然吸气发动机更大的燃料效率和更低的排放，使得更小排量的涡轮增压发动机能够产生与更大排量的自然吸气发动机相当的功率。发动机系统也可以被配置有排气再循环(EGR)系统，其中至少一部分排气被再循环至发动机进气装置。EGR益处包括发动机稀释的增加、排气排放的降低和燃料经济性的增加。各种致动器的运转可以被协调以改善发动机性能。
EGR的增压、尺寸减小和引入的益处趋向于在稳态状况下更显著。然而，在瞬态状况下，相同的措施能够损害燃料经济性。作为一示例，在瞬态状况下，对于改善的车辆响应会失去燃料经济性。燃料经济性的损失的另一原因是发动机响应与车辆操作者的措施之间的相互作用。例如，在踩加速器踏板事件期间，由于增压的更慢的初始积累，车辆响应最初降至期望的加速度之后。因此，操作者可以感觉到明显的“死踏板”区域，而没有操作者可观察的扭矩增加。操作者随后会对此过度补偿。然而，在初始的更慢的积累之后，由于更高的负载和更高的空气流量导致更多增压压力的正反馈循环，增压以更快的速率增加。因此，操作者的过度补偿措施会产生过多空气流量并且因此过多扭矩增加，这进而需要通过操作者的额外的踏板修正(例如，释放加速器踏板)以及扭矩减少措施(诸如火花延迟)。因此，相比于如果初始请求已经被更紧密地跟随，发动机会以更低的效率运转。
Cunningham等人在US9,175,629中示出了一种用于改善增压发动机中的扭矩响应的示例方法。在其中，在扭矩瞬态期间，将EGR从低压排气再循环(LP-EGR)系统吸入压缩机上游的进气通道的进气系统(AIS)节气门可以被打开，以增加压缩机下游的下游节气门的节气门进口压力。通过打开AIS节气门，气流可以被增加以提供正好足够的扭矩，而基本上不过度补偿扭矩要求。
然而，发明人在此已经认识到此类系统的潜在问题。作为一个示例，节气门进口压力的增加仅会输送在踩加速器踏板瞬态期间请求的负载的一部分，而其余负载仍然会依赖于更慢的增压积累。作为另一示例，由于LP-EGR的引入而会招致进一步的迟滞和响应时间的增加。具体地，LP-EGR回路具有长输送延迟，因为排气在到达燃烧室之前必须行进通过涡轮增压器压缩机、高压空气吸入管道、增压空气冷却器和进气歧管。因此，由于在不同时刻流入的EGR的变化，实际的发动机空气流量廓线会偏离期望的空气流量廓线。因此，发动机扭矩响应不可跟踪请求的操作者扭矩廓线。
发明内容
在一个示例中，以上问题可以通过一种用于涡轮增压发动机的方法来至少部分地解决，该方法包含：响应于操作者扭矩要求，独立于排气再循环(EGR)和可变凸轮正时(VCT)安排(schedule)的改变，基于所述扭矩要求，打开进气节气门并关闭排气废气门阀；以及独立于所述进气节气门和所述废气门阀的实际位置，基于预测的负载不足比(shortfallratio)，同时地(concurrently)安排所述EGR和VCT。以此方式，瞬态扭矩响应能够通过空气路径致动器与增压系统的协调来改善。
作为一个示例，增压发动机可以被配置有涡轮增压器，所述涡轮增压器包括驱动压缩机的涡轮，绕过所述涡轮的排气流经由排气废气门阀来控制。发动机可以被配置有高压EGR(HP-EGR)能力，其中排气从涡轮的上游被再循环至压缩机的下游。响应于操作者踩加速器踏板事件，包括进气节气门和排气废气门阀的增压致动器可以被致动以满足扭矩要求。例如，进气节气门开度可以被增加(诸如至全开的节气门位置)以允许更多的增压空气流入进气歧管，而排气废气门阀开度可以被减小(诸如至完全关闭位置)以加快涡轮加速自旋。即使它们被调整(如下面讨论的)，节气门和废气门阀位置也被安排，假设空气路径致动器(包括高压EGR阀和可变凸轮正时(VCT))的标称设置。因此，如果增加的要求能够被满足而不超过节气门权限，EGR和VCT能够被维持在标称的更低容积效率设置处。在增压调整的同时，发动机控制器也可以根据请求的发动机负载(根据踏板位置)相对于如果发动机继续在没有EGR且在节气门全开(wide-open throttle，WOT)的情况下在当前转速负载状况下运行所能够提供的估计的发动机负载，预测预期的负载和/或扭矩不足比(aLSR)。换言之，控制器可以确定请求的空气充气与在WOT处没有EGR的情况下所能够提供的空气流量之间的差。如果存在空气充气的不足，也会预期到扭矩不足。随着负载不足比增加，可以确定快速作用的节气门的权限将会被迅速地用尽，并且任何其余的扭矩要求都将会需要更多空气流量和增压压力进一步积累，导致迟滞。为了随着负载不足比增加而改善发动机的响应性，VCT和HP-EGR可以独立于进气节气门和排气废气门阀的实际位置基于不足比来安排，以便预先制止不足。例如，随着不足比增加，最初VCT可以被维持在标称设置处，而HP-EGR根据不足来限制，使得更多新鲜空气充气能够被输送给发动机。然后，随着负载不足比进一步增加，HP-EGR可以被限制，并且VCT可以根据负载不足比被提前或被延迟以增加容积效率。同样地，节气门和废气门阀可以独立于HP-EGR和VCT安排的改变来致动，诸如即使当VCT被移动至更高容积效率设置时，也通过保持节气门更打开并且废气门更关闭。一旦期望的增压压力被实现，所有致动器的标称设置都可以被恢复。
以此方式，实际的发动机扭矩廓线可以更好地跟踪期望的发动机扭矩廓线。具体地，在当增压被积累时的瞬态期间，发动机负载和空气流量可以被输送，并且然后当足够的增压已经被积累时，平滑转变可以从瞬态中被提供出来。通过根据预测的负载不足比调整快速作用的空气路径致动器(包括HP-EGR和VCT)，避免了当进气节气门权限被用尽时会需要的不必过分且燃料低效的措施。此外，过多扭矩产生被避免。通过移动空气路径致动器正好足够远来满足驾驶员要求，减少了对于燃料低效的扭矩缓冲的需要。此外，当瞬态被满足时，从瞬态状况中出来的更快且更平滑的转变能够被更容易地提供。因此，足够的气流能够被提供以满足命令的扭矩增加而无需过度补偿命令的扭矩输出，并且同时允许从瞬态到稳态发动机运转的平滑且快速的转变。总的来说，瞬态期间的增压发动机性能被改善。
应当理解，提供以上发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围被随附权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出了发动机系统的示意描绘。
图2是图示用于响应于操作者扭矩要求的增加而提供瞬态扭矩响应的高水平程序的示例流程图。
图3是图示用于基于请求的和预测的发动机负载的估计计算预期的负载不足比的示例方法的流程图。
图4示出了比较响应于操作者扭矩要求的增加的实际的和预期的发动机负载响应的曲线图。
图5示出了比较在操作者扭矩要求的增加期间的实际的和预期的发动机扭矩响应的曲线图。
图6示出了图示示例增压致动器调整的曲线图。
具体实施方式
以下描述涉及用于在增压发动机系统(诸如图1的发动机系统)中的瞬态状况下改善扭矩响应的系统和方法。响应于操作者扭矩要求，控制器可以被配置为执行控制程序(诸如图2的示例程序)来基于预期的负载不足比调整空气路径致动器设置(图3)，同时基于操作者扭矩要求调整增压致动器设置。具体地，致动器调整可以被协调，但是彼此独立地被执行，使得实际的空气流量和扭矩廓线能够更好地跟踪要求的空气流量和扭矩廓线。在图4和图5中图示了经由空气路径和增压致动器调整实现的示例发动机负载(或空气流量)响应和扭矩响应。参照图6示出了预测的增压发动机运转。通过在增压致动器设置响应于操作者扭矩要求的增加而被调整以增加增压压力时调整空气路径致动器设置来补偿预测的负载或扭矩不足，发动机扭矩响应能够被改善。
现在参照图1，它示出了发动机系统100的示意图，所述发动机系统100包含多缸发动机10的一个气缸，所述发动机10可以被包括在汽车的推进系统中。发动机10可以至少部分地由包括控制器12的控制系统以及经由输入设备130来自车辆操作者132的输入控制。在这个示例中，输入设备130包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的燃烧室(即，气缸)30可以包括燃烧室壁32，活塞36被设置在其中。在一些实施例中，在气缸30内部的活塞36的面可以具有碗状物(bowl)。活塞36可以被耦接至曲轴40，使得活塞的往复运动被转换为曲轴的旋转运动。曲轴40可以经由中间变速器系统耦接至车辆的至少一个驱动轮。另外，启动马达可以经由飞轮耦接至曲轴40，以实现发动机10的启动运转。
燃烧室30可以经由进气通道42从进气歧管44接收进气，并且可以经由排气通道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气通道48可以经由各自的进气门52和排气门54与燃烧室30选择性地连通。在一些实施例中，燃烧室30可以包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。
进气门52可以由控制器12经由电动气门致动器(EVA)51控制。类似地，排气门54可以由控制器12经由EVA 53控制。可替代地，可变气门致动器可以是电动液压机构或任何其他可想到的机构，以实现气门致动。在一些状况下，控制器12可以改变提供给致动器51和53的信号，从而控制相应的进气和排气门的打开和关闭。进气门52和排气门54的位置可以分别由气门位置传感器55和57确定。在可替代的实施例中，进气门和排气门中的一个或多个可以由一个或多个凸轮致动，并且可以使用凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或多个，以改变气门运转。例如，气缸30可以可替代地包括通过电动气门致动控制的进气门和通过包括CPS和/或VCT 55的凸轮致动控制的排气门。
在一些示例中，VCT 55可以是双可变凸轮轴正时系统，用于相互独立地改变进气门正时和排气门正时。另外，VCT 55可以被配置为通过提前或延迟凸轮正时而提前或延迟气门正时，并且可以由控制器12控制。另外，VCT 55可以被配置为通过改变曲轴位置与凸轮轴位置之间的关系而改变气门打开与关闭事件的正时。例如，VCT 55可以被配置为独立于曲轴旋转进气凸轮轴，从而引起气门正时被提前或延迟。在一些实施例中，VCT 55可以是被配置为迅速地改变凸轮正时的凸轮扭矩致动的装置。在一些实施例中，可以通过连续可变气门升程(CVVL)装置来改变气门正时，诸如进气门关闭(IVC)和排气门关闭(EVC)。
在上面所描述的气门/凸轮控制装置和系统可以是液压驱动的或电致动的或其组合。在一个示例中，凸轮轴的位置可以经由电动致动器(例如，电动致动的凸轮相位器)的凸轮相位调整来改变。在另一示例中，凸轮轴位置可以经由液压运转的凸轮相位器来改变。信号线路能够向VCT发送控制信号，以及从VCT接收凸轮正时和/或凸轮选择测量。通过调整可变凸轮正时，发动机的容积效率可以被改变。如本文中详述的，VCT也可以在扭矩瞬态期间被调整以改善增压发动机响应。
燃料喷射器66被示出为直接耦接至燃烧室30，以便经由电子驱动器68与从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地将燃料直接喷射到燃烧室30中。以此方式，燃料喷射器66提供了到燃烧室30内的所谓的燃料的直接喷射。例如，燃料喷射器可以被安装在燃烧室的侧面中或在燃烧室的顶部中。燃料可以通过包括燃料箱、燃料泵和燃料轨的燃料系统(未示出)输送至燃料喷射器66。在一些实施例中，燃烧室30可以可替代地或另外地包括以如下构造布置在进气歧管44中的燃料喷射器，所述构造提供了到燃烧室30上游的进气道的所谓的燃料的进气道喷射。
在选择的运转模式下，响应于来自控制器12的火花提前信号SA，点火系统88可以经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花。尽管示出了火花点火部件，但在一些实施例中，在有或没有点火火花的情况下，都可以以压缩点火模式使发动机10的燃烧室30或一个或多个其他燃烧室运转。
进气通道42可以包括分别具有节流板64和65的节气门62和63。在这个具体示例中，控制器12可以通过提供给被包括在节气门62和63内的电动机或致动器的信号改变节流板64和65的位置，这种配置通常被称为电子节气门控制(ETC)。以此方式，节气门62和63可以被操作为改变提供给在发动机气缸之中的燃烧室30的进气。节流板64和65的位置可以通过节气门位置信号TP提供给控制器12。可以在沿着进气通道42和进气歧管44的各个点处测量压力、温度和质量空气流量。例如，进气通道42可以包括用于测量通过节气门63进入的干净空气质量流量的质量空气流量传感器120。
发动机10可以进一步包括压缩设备，诸如涡轮增压器或机械增压器，其至少包括布置在进气歧管44上游的压缩机162。对于涡轮增压器来说，压缩机162可以至少部分地由沿排气通道48布置的涡轮164(例如，通过轴)驱动。对于机械增压器来说，压缩机162可以至少部分地由发动机和/或电机驱动，并且可以不包括涡轮。因此，经由涡轮增压器或机械增压器提供给发动机的一个或多个气缸的压缩量可以由控制器12改变。增压空气冷却器154可以被包括在压缩机162的下游且在进气门52的上游。增压空气冷却器154可以被配置为冷却通过例如经由压缩机162的压缩而已经被加热的气体。在一个实施例中，增压空气冷却器154可以在节气门62的上游。压力、温度和质量空气流量可以在压缩机162的下游诸如利用传感器145或147来测量。测量的结果可以分别经由信号148和149从传感器145和147通信给控制器12。压力和温度可以在压缩机162的上游诸如利用传感器153来测量，并经由信号155通信给控制器12。干净空气质量流量可以经由MAF信号被通信给控制器12。另外，进气歧管44内的空气充气的压力可以经由歧管空气压力(MAP)传感器被发送并且被通信给控制器12。另外，进气歧管44内的空气充气的温度可以由歧管空气温度(MAT)传感器来测量，并且被通信给控制器12。另外，在进气节气门63上游且在压缩机162下游的压缩空气的压力可以通过节气门进口压力(TIP)传感器(诸如传感器145)来感测。具体地，发动机系统中的增压水平可以由TIP传感器经由测量TIP(也被称为增压压力)来测量。
另外，在所公开的实施例中，EGR系统可以将期望部分的排气从排通道48送至进气歧管44。图1示出了HP-EGR系统和LP-EGR系统。HP-EGR通过HP-EGR通道140从涡轮164(也被称为排气涡轮)的上游送至压缩机162的下游。提供给进气歧管44的HP-EGR量可以由控制器12经由HP-EGR阀142来改变。LP-EGR通过LP-EGR通道150从涡轮164的下游送至压缩机162的上游。提供给进气歧管44的LP-EGR量可以由控制器12经由LP-EGR阀152来改变。例如，HP-EGR系统可以包括HP-EGR冷却器146，并且LP-EGR系统可以包括LP-EGR冷却器158，以将热从EGR气体排放到发动机冷却液。
在一些状况下，EGR系统可以被用来调节燃烧室30内的空气与燃料混合气的温度。因此，可能希望测量或估计EGR质量流量。EGR传感器可以被布置在EGR通道内，并且可以提供质量流量、压力、温度、O2的浓度和排气的浓度中的一个或多个的指示。例如，HP-EGR传感器144可以被布置在HP-EGR通道140内。如本文中描述的，HP-EGR量也可以在扭矩瞬态期间被调整以改善增压发动机响应。
离开燃烧室30和排气通道48的排气使排气涡轮164自旋，所述排气涡轮164沿着轴163被耦接至压缩机162。经由涡轮增压器向发动机的一个或多个气缸提供的压缩量可以通过控制器12来改变。当降低的涡轮扭矩被需要时，一些排气流可以被引导通过废气门82从而绕过涡轮。废气门82(也被称为排气废气门)可以被耦接在涡轮增压器中的排气涡轮164两端。通过经由控制器12调整废气门82的位置，由涡轮增压器提供的增压量可以被控制。因此，废气门82可以是增压致动器。在本文中，控制器12可以基于期望的增压提供信号，以调整被耦接至废气门82的机电致动器。来自涡轮164和废气门82的组合气流然后可以流过排放控制装置71和72。
取决于工况，一部分排气可以经由排气再循环(EGR)通道150从涡轮164下游的排气通道49被再循环至压缩机162上游的进气通道42。该部分排气可以经由EGR冷却器158和LP-EGR阀152流过EGR通道150。以此方式，低压EGR(LP-EGR)可以被实现。在一些实施例中，代替或除了LP-EGR，高压EGR(HP-EGR)也可以被实现，其中一部分排气经由截然不同且单独的高压EGR通道140以及被耦接在其中的EGR冷却器146和HP-EGR阀142从涡轮164上游的排气通道48被再循环至压缩机162下游的进气歧管44。LP-EGR阀152和HP-EGR阀142可以被打开(例如，EGR阀的开度可以被增加)，以允许控制量的经冷却的排气到达进气通道用于期望的燃烧和排放控制性能。因此，LP-EGR阀152和HP-EGR阀142可以基于从控制器12接收的命令通过致动器(例如，电动、机械、液压等)来致动。
每个气缸30可以由一个或多个气门服务。在本示例中，每个气缸30包括对应的进气门52和排气门54。每个进气门52和排气门54可以经由对应的弹簧被保持在期望的位置处。发动机系统100进一步包括用于使进气门52运转和/或用于使排气门54运转的一个或多个凸轮轴(未示出)。在一个示例中，进气凸轮轴可以被耦接至进气门52，并且能够被致动以使进气门52运转。在另一示例中，排气凸轮轴可以被耦接至排气门54，并且能够被致动以使排气门54运转。在一些实施例中，其中多个气缸30的进气门被耦接至共同的凸轮轴，进气凸轮轴可以被致动以使所有耦接的气缸的进气门运转。
进气门52可在允许进气进入对应的气缸的打开位置与基本上阻止来自气缸的进气的关闭位置之间致动。进气凸轮轴(未示出)可以被包括在与控制器12通信的进气门致动系统中。进气凸轮轴可以包括具有用于在限定的进气持续时间内打开进气门52的凸轮凸角廓线的进气凸轮。在一些实施例中(未示出)，凸轮轴可以包括具有替代的凸轮凸角廓线的额外的进气凸轮，所述替代的凸轮凸角廓线允许进气门52在替代的持续时间内被打开(在本文中也被称为凸轮廓线变换系统)。基于额外的凸轮的凸角廓线，替代的持续时间可以长于或短于进气凸轮的限定的进气持续时间。凸角廓线可以影响凸轮升程高度、凸轮持续时间和/或凸轮正时。在一个示例中，进气凸轮轴被转变为更提前的正时。通过更早打开进气门，允许后面的燃烧的气体流入进气端口，由此在随后的进气冲程期间置换已经被吸入的空气。在另一示例中，当进气凸轮轴被转变为更延迟的正时时，进气门可以被更迟打开。因此，进气门被很好地关闭进入压缩冲程，导致气缸空气被推回到进气端口内，其中更少的空气被保留在气缸中。控制器可以能够通过纵向地移动进气凸轮轴68并且在凸轮廓线之间切换来切换进气门持续时间。
以相同的方式，每个排气门54可在允许排气从对应的气缸中出来的打开位置与基本上将气体保留在气缸内并且阻止排气从气缸离开的关闭位置之间致动。因此，排气门过早打开可以对空气充气具有有限的影响。排气凸轮轴(未示出)可以被包括在与控制器12通信的排气门致动系统中。排气凸轮轴可以包括具有用于在限定的排气持续时间内打开排气门54的凸轮凸角廓线的排气凸轮。在一些实施例中，其中多个气缸30的排气门被耦接至共同的凸轮轴，排气凸轮轴能够被致动以使所有耦接的气缸的排气门运转。在一些实施例中，排气凸轮轴可以进一步包括具有替代的凸轮凸角廓线的额外的排气凸轮，所述替代的凸轮凸角廓线允许排气门54在替代的持续时间内被打开。凸角廓线可以影响凸轮升程高度、凸轮持续时间和/或凸轮正时。在一个示例中，当排气凸轮轴被转变为更延迟的正时时，排气门可以被更迟打开，由于与进气门打开增加的重叠而允许燃烧的气体流回到端口内，并且由此在随后的进气冲程期间置换将会被吸入的空气。在另一示例中，当排气凸轮轴被转变为更提前的正时时，那么排气门可以被更早打开，对空气充气具有极小影响。控制器可以能够通过纵向地移动排气凸轮轴并且在凸轮廓线之间切换来切换排气门持续时间。
进气门致动系统和排气门致动系统可以进一步包括推杆、摇臂、挺柱等。这些装置和特征可以通过将凸轮的旋转运动转换为气门的平移运动来控制进气门52和排气门54的致动。如之前讨论的，气门也能够经由凸轮轴上的额外的凸轮凸角廓线来致动，其中不同气门之间的凸轮凸角廓线可以提供不同的凸轮升程高度、凸轮持续时间和/或凸轮正时。然而，如果需要的话，替代性凸轮轴(顶置和/或推杆)布置可以被使用。另外，在一些示例中，气缸30均可以具有多于一个排气门和/或进气门。在其他示例中，一个或多个气缸的排气门54和进气门52中的每一个可以通过共同的凸轮轴来致动。此外，在一些示例中，进气门52和/或排气门64中的一些可以通过它们自己的独立的凸轮轴或其他装置来致动。
排气传感器126被示为在涡轮164的下游耦接至排气通道48。传感器126可以是用于提供排气空燃比指示的任何合适的传感器，诸如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热型EGO)、NOx、HC或CO传感器。
排放控制装置71和72被显示为沿着排气通道48布置在排气传感器126下游。装置71和72可以是三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制装置或其组合。例如，装置71可以是TWC，而装置72可以是微粒过滤器(PF)。在一些实施例中，PF 72可以位于TWC 71的下游(如在图1中示出的)，而在其他实施例中，PF 72可以位于TWC 71的上游(未在图1中示出)。
控制器12在图1中被示为微型计算机，其包括微处理器单元(CPU)102、输入/输出端口(I/O)104、在这个具体示例中作为只读存储器芯片(ROM)106示出的用于可执行程序和校准值的电子存储介质、随机存取存储器(RAM)108、保活存取器(KAM)110和数据总线。控制器12可以接收来自耦接至发动机10的传感器的各种信号，除了之前所讨论的那些信号外，还包括来自质量空气流量传感器120的引入的质量空气流量(MAF)的测量；来自耦接至冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却液温度(ECT)；来自耦接至曲轴40的霍尔效应传感器118(或其他类型)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；来自节气门进口压力(TIP)传感器的增压压力；以及来自传感器122的绝对歧管压力信号MAP。发动机转速信号RPM可以由控制器12根据信号PIP产生。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以被用来提供进气歧管内的真空或压力的指示。注意，可以使用上述传感器的各种组合，诸如有MAF传感器而没有MAP传感器，反之亦然。在化学计量比运转期间，MAP传感器可以给出发动机扭矩的指示。另外，这个传感器连同所检测的发动机转速可以提供被吸入气缸内的充气(包括空气)的估计。在一个示例中，也用作发动机转速传感器的传感器118可以在曲轴的每次旋转产生预定数量的等间距脉冲。
基于从图1的各种传感器接收的信号和存储在控制器的存储器上的指令，控制器12采用图1的各种致动器来调整发动机运转。例如，控制器12可以发送信号以致动节气门64、LP-EGR阀152、HP-EGR阀142、VCT致动器、进气和排气门、废气门阀82等。作为一示例，控制器12可以被配置为独立于EGR和VCT安排的改变响应于操作者扭矩要求的增加而向被耦接至进气节气门和排气废气门阀中的每一个的致动器发送信号，以将节气门移动至更打开位置同时将废气门阀移动至更关闭位置。作为另一示例，控制器12可以响应于扭矩要求的增加而发送信号以改变HP-EGR阀和VCT致动器的安排，以便限制EGR量同时增加发动机的容积效率，所述安排独立于进气节气门和废气门阀的位置的命令的改变而被改变。
例如，控制器12可以被配置为基于操作者扭矩要求的瞬态增加来识别预期的负载不足(aLSR)，如在图3中详述的，并且响应于扭矩的瞬态增加，控制器因此可以调整空气路径致动器，如在图2中详述的。如本文中使用的负载不足比(LSR)被定义为在当前的发动机扭矩输出与在具有全开的节气门并且没有EGR的情况下的预测的发动机扭矩输出之间的比。在图2-3处描述了可以被用来基于预期的LSR调整空气路径致动器的示例程序。
以此方式，图1的部件实现了一种发动机系统，其包含：加速器踏板，所述加速器踏板用于接收操作者扭矩要求；发动机，所述发动机包括进气歧管；涡轮增压器，所述涡轮增压器包括进气压缩机，所述进气压缩机由排气涡轮驱动，用于为所述发动机提供增压的空气充气；进气节气门，所述进气节气门在所述进气压缩机的下游被耦接至所述进气歧管；废气门，所述废气门包括废气门阀，所述废气门阀被耦接在所述排气涡轮两端；排气再循环(EGR)系统，所述排气再循环(EGR)系统包括高压EGR通道，所述高压EGR通道包括EGR阀，用于将排气所述排气涡轮的上游再循环至所述进气压缩机的下游；可变凸轮正时(VCT)。所述发动机系统可以进一步包含控制器，所述控制器具有存储在非临时性存储器上用于以下的计算机可读指令：响应于当在具有至少一些EGR的情况下并且在所述VCT处于第一安排的情况下运转时接收到的操作者扭矩要求的增加，减小所述EGR阀的开度，同时将所述VCT转变为具有比所述第一安排更高的容积效率的第二安排；增加所述节气门的开度，同时减小所述废气门阀的开度，所述增加和减小基于所述VCT的所述第一安排。在一个示例中，所述减小所述EGR阀的开度可以基于对应于所述增加的操作者扭矩要求的期望的发动机输出与在节气门全开时的预测的发动机输出之间的比，其中所述EGR阀被完全关闭并且VCT处于所述第一安排。在进一步的示例中，所述增加和减小可以基于所述VCT的所述第一安排，包括，响应于所述操作者扭矩要求，即使当所述VCT被转变为所述第二安排的所述更高容积效率时，基于所述第一安排的更低容积效率，保持所述废气门阀更关闭。所述控制器可以进一步包括用于以下的指令：响应于所述操作者扭矩要求被满足，增加所述EGR阀的所述开度，同时将所述VCT返回到所述第一安排；减小所述节气门的开度，同时增加所述废气门阀的开度，所述增加和减小中的每一个基于所述VCT的所述第一安排。在更进一步的示例中，所述EGR系统进一步包括低压EGR通道，所述低压EGR通道包括另一EGR阀，用于将排气所述排气涡轮的下游再循环至所述进气压缩机的上游，并且其中所述控制器进一步包括用于以下的指令：响应于所述操作者扭矩要求和所述减小所述EGR阀的开度中的每一个而调整所述另一EGR阀的开度。
现在参照图2，示出用于在针对增加的扭矩的操作者请求后改善增压发动机的瞬态扭矩响应的示例程序。用于执行方法200和本文中包括的其余方法的指令可以由控制器基于存储在控制器的存储器上的指令并且配合从发动机系统的传感器(诸如在上面参照图1描述的传感器)接收的信号来执行。控制器可以根据在下面描述的方法采用发动机系统的发动机致动器来调整发动机运转。
在202处，该方法包括估计发动机工况，诸如发动机转速、踏板位置、操作者扭矩要求、发动机扭矩输出、排气温度、发动机稀释、涡轮转速、进气歧管压力(MAP)和歧管空气流量(MAF)、增压压力等。在204处，可以确定是否存在驾驶员要求的扭矩的增加。在一个示例中，驾驶员扭矩要求的增加可以响应于操作者踩加速器踏板导致加速器踏板的移位而被确认。如果存在驾驶员要求的扭矩的增加，那么该方法继续到206。否则，该方法移动到205，其中空气路径致动器被维持在其标称设置处，和/或继续基于估计的工况被设置。例如，控制器可以继续使发动机在稳态安排模式(SSM)下运转，其中VCT被置于对应于更低容积效率的标称设置处，其中HP-EGR被调整以基于发动机转速负载状况提供发动机稀释，并且其中进气节气门和废气门阀也基于发动机转速负载状况被致动。那么该方法结束。
在206处，在确认驾驶员要求的扭矩的增加后，预期的负载不足比(aLSR)被确定。如在图3处详述的，当考虑影响发动机的能力的不同发动机状况(诸如环境压力、歧管温度、燃料醇含量等)时，不足比预测空气充气或空气流量的预期的不足，并且由此预测驾驶员请求与发动机的能力之间的发动机扭矩不足。发动机空气路径致动器然后基于所述不足来调整，使得到期望的增压压力的更快且更平滑的转变能够被更好地提供。一旦aLSR被确定，该方法就进入到208。
在208处，经确定的负载不足比与阈值进行比较，并且确定aLSR是否大于阈值。在一个示例中，阈值可以根据发动机负载或使发动机在节气门全开(WOT)并且没有EGR状况的情况下运转所需的空气充气量来设置。例如，阈值可以被设置为1.0，对应于用于提供快速响应的节气门的最大权限。如果负载不足比超过阈值，可以推测任何额外的扭矩请求都会需要增压积累，引起发动机的扭矩输出的延迟。例如，一旦超过阈值，进一步的增压压力就会需要排气涡轮和进气压缩机加速自旋，导致能够不利地影响发动机性能并且引起操作者感觉到迟缓的车辆响应的涡轮迟滞。
如果aLSR在阈值之下，那么在210处，发动机控制器可以被配置为继续使发动机根据稳态安排模式(SSM)运转。在一个示例中，SSM可以包括利用针对VCT和EGR的标称安排运转发动机，所述标称安排通常通过稳态发动机映射获得以在对燃烧稳定性和排放约束的情况下提供最佳燃料经济性。例如，所述映射可以估计发动机有效燃油消耗率(brakespecific fuel consumption，BSFC)，并且识别针对给定的发动机工况提供最低BSFC的EGR和VCT安排。因此，在SSM模式下运转可以改善轻度行驶期间的燃料经济性。在SSM下运转包括，在212处，响应于驾驶员要求的扭矩而调整进气节气门开度。在一个示例中，随着要求的扭矩增加，进气节气门的开度可以被增加。在另一示例中，进气节气门的开度可以基于相对于基于驾驶员要求的扭矩的目标增压压力的当前歧管压力或增压压力，进气节气门的开度随着当前增压压力与目标增压压力之间的差增加而被增加。
另外，在214处，控制器可以调整EGR阀的开度以提供期望的发动机稀释，所述发动机稀释基于发动机转速负载状况来确定。作为一示例，更高的发动机稀释可以在低-中发动机转速负载状况下被请求，而更低的发动机稀释可以在中-高发动机转速负载状况下被请求。控制器可以调整HP-EGR阀的开度，以通过使排气从涡轮的上游再循环至压缩机的下游来提供期望的发动机稀释。在另一示例中，响应于操作者扭矩要求，当在SSM模式下运转时，控制器可以关闭HP-EGR阀或维持EGR阀关闭(如果已经关闭的话)。通过关闭EGR阀，空气充气稀释可以被降低，并且因此可以迅速地达到实现期望的扭矩输出所需的增压压力而无需提供瞬态扭矩响应。此外，控制器可以关闭将排气从涡轮的下游再循环至压缩机的上游的LP-EGR阀。在其他示例中，HP-EGR阀的开度可以与LP-EGR阀的开度相协调以提供期望的发动机稀释。
在SSM模式下运转进一步包括，在216处，安排VCT以提供第一更低容积效率。以此方式，空气路径致动器(VCT和EGR)可以被调整，以提供足够的气流进入进气歧管来实现期望的扭矩输出。
在218处，在SSM模式下运转进一步包括，控制器基于驾驶员要求和期望的扭矩廓线(或期望的空气充气廓线)安排增压致动器(包括在废气门中被耦接在排气涡轮两端的废气门阀)。在一个示例中，随着要求的扭矩增加(或随着要求的空气充气量增加)，废气门阀的开度可以被减小。在另一示例中，废气门阀的开度可以基于相对于基于驾驶员要求的扭矩的目标增压压力的当前歧管压力或增压压力，废气门阀的开度随着当前增压压力与目标增压压力之间的差增加而被减小。
相比之下，如果(在步骤206处确定的)aLSR大于阈值，那么在220处，发动机控制器可以被配置为使发动机根据瞬态安排模式(TRM)运转。在一个示例中，预期到涡轮迟滞，诸如在大踩加速器踏板后操作者扭矩要求的突然增加期间，TRM可以被启用以便在瞬态期间输送期望的负载。
响应于扭矩要求的突然增加，在221处，进气节气门开度可以被调整至更打开位置(例如，被完全打开至全开节气门位置WOT)，以允许更多加压的空气充气进入进气歧管来加快增压压力和扭矩输出的增加。应认识到，进气节气门可以独立于HP-EGR和VCT安排被安排，同时确保SSM模式的更低容积效率设置。
发明人已经认识到，在驾驶员请求增加的负载的踩加速器踏板瞬态期间，如果它不超过节气门权限，则能够迅速地满足要求。换言之，如果打开节气门足以满足增加空气流量要求，不需立即做其他任何事情。另一方面，如果节气门权限被用尽，如基于aLSR确定的，诸如对于快于涡轮增压器的VCT和EGR，存在移动空气路径致动器的机会，以便改善响应(并且以便更快输送要求的增加的空气流量)。这通过启用TRM来实现。一旦TRM被启用，增压致动器可以与空气路径致动器相协调，使得发动机能够迅速地且平滑地返回到SSM模式以便最大化燃料经济性而不引起任何驾驶性能问题。
在222处，在TRM下运转包括根据aLSR限制EGR。例如，EGR(例如HP-EGR)阀可以基于aLSR被调整为更不打开，以便降低发动机稀释。在一个示例中，EGR被限制为与通过(1-aLSR)限定的函数成比例。在替代函数中，EGR被限制为与aLSR与阈值之间的差成比例。控制器可以使用使用计算的aLSR(如根据在图3处描述的方法计算的)作为输入并且提供目标HP-EGR阀位置作为输出的映射图、查找表、算法或其他函数。在一个示例中，将HP-EGR限制为与不足比成比例包括完全关闭HP-EGR阀。通过减少HP-EGR，进气歧管的充满新鲜空气的部分被增加，这连同节气门开度的增加一起增加发动机扭矩输出。这进而导致涡轮加速自旋的更快加速，以便提供提高的发动机扭矩以及离开气缸、为涡轮供给并驱动压缩机的更高焓的排气。在一些示例中，LP-EGR可以额外地基于HP-EGR安排被调整至诸如更不打开位置，以进一步降低发动机稀释。应认识到，在SSM模式下，EGR可以被安排，同时维持VCT安排并且同时假设更低容积效率。此外，HP-EGR可以独立于对节气门和废气门阀的调整被安排。这允许EGR被安排得正好足够远，如满足驾驶员要求所必需的，从而降低对不必过分且潜在燃料低效的措施的需要。
一旦EGR已经基于aLSR被调整，在224处，该方法包括再次确定aLSR是否仍然在阈值之上。即，可以确定在节气门权限被用尽之后并且在HP-EGR被限制之后是否预测到扭矩或负载不足。如果更新的aLSR值降至阈值之下，可以推测操作者扭矩要求的增加能够通过单独调整HP-EGR来满足，并不需要进一步的空气路径致动器调整。因此，在226处，VCT可以被维持在对应于更低容积效率设置的标称安排处。如果更新的aLSR值在阈值之上，可以推测需要进一步的空气路径致动器调整(诸如VCT调整)来满足扭矩要求并且降低未来的扭矩不足的可能性。
如果在EGR调整之后aLSR大于阈值，那么该方法进入到228，其中VCT被转变为提供第二容积效率的安排，所述第二容积效率高于第一容积效率。在一个示例中，VCT可以从第一更低容积效率被提前或被延迟至第二更高容积效率安排。虽然更低容积效率安排对于稳定行驶更有效，但是对瞬态的驾驶员要求的响应可以通过转变为更高容积效率安排来改善。例如，进气门打开的正时可以在第二安排中相对于第一安排被提前，以便提供增加的容积效率。在该示例中，提前量可以被选择以补偿通过aLSR指示的不足。
在230处，增压致动器(包括排气废气门阀)可以基于驾驶员要求来安排。例如，排气废气门阀开度可以被减小至诸如完全关闭位置，以加快涡轮加速自旋。应认识到，废气门阀可以独立于HP-EGR和VCT安排被安排，同时假设SSM模式的更低容积效率设置。通过将废气门阀调整至更关闭位置，通过涡轮的排气流量被增加，从而减少涡轮迟滞并且改善要求的增压压力的输送。通过独立于EGR和VCT安排的改变安排废气门阀，增压致动器可以被设置为将增压压力带到一旦满足扭矩(或空气流量)要求就必须平滑地转变回到并维持SSM安排中的增压压力的水平。在一个示例中，相比于转变模式期间的基于VCT位置(对应于更高容积效率)和EGR水平(例如，更有限的EGR水平)的废气门位置，独立于EGR和VCT安排的改变安排废气门阀导致废气门阀在更长的持续时间内保持更关闭和/或关闭，以实现更快的涡轮加速自旋和更快的涡轮增压器响应。
在232处，确定是否已经达到期望的/目标增压压力。如果已经达到对应于操作者扭矩要求的期望的增压压力，那么该方法就进入到236，其中空气路径致动器被返回到其标称设置。例如，HP-EGR可以根据发动机转速负载来安排，以诸如通过增加HP-EGR阀(和与HP-EGR阀协调的LP-EGR阀)的开度来增加发动机稀释。此外，VCT可以被返回(例如，被提前或被延迟)到对应于更低容积效率的标称设置。如果还未达到目标增压压力，该方法返回到234，其中VCT和EGR继续在TRM模式下被调整，其中HP-EGR被进一步限制，并且VCT被转变为进一步增加容积效率的设置。
应认识到，虽然该方法示出了响应于预测的负载或气流不足比而调整致动器，但是在替代示例中，致动器可以响应于基于负载或气流不足比计算的预测的扭矩不足比而被调整。
以此方式，瞬态扭矩响应可以在操作者扭矩要求的增加期间被改善。通过独立于EGR和VCT的改变基于扭矩要求打开进气节气门并关闭排气废气门阀，并且同时独立于进气节气门和废气门阀的实际位置基于负载或扭矩不足比安排EGR和VCT，扭矩过度补偿和潜在的燃料低效措施可以被避免。另外，所提供的实际扭矩响应可以更紧密地跟踪期望的扭矩响应，减少对于扭矩或空气缓冲器的需要。
另外，通过基于预测的负载或扭矩不足比同时安排EGR和VCT，当预测的不足比低于阈值时，EGR安排可以被限制同时将VCT维持在更低容积效率处。此外，如果不足比高于阈值，VCT可以从更低容积效率被转变为更高容积效率。
现在参照图3，呈现了确定aLSR的示例程序。通过预测aLSR，负载或扭矩不足可以被预期，这允许发动机控制器在操作者请求扭矩要求的情况下提供更稳健的发动机扭矩响应。应认识到，方法300描绘了用于计算aLSR的一个示例程序，并且在不脱离本公开的范围的情况下，其他程序、映射图、查找表和算法可以被控制器用来估计aLSR。
在302处，加速器踏板位置可以被转变为请求的发动机负载的估计。在一个示例中，请求的发动机负载可以从基于与各种加速器踏板位置范围的各种组合相关联的发动机负载标引的查找表来确定。在另一示例中，该方法可以相对于作为参考的关闭的踏板和全开踏板位置从传感器(诸如图1的PP传感器134)读取当前踏板位置下压(PP)，并且基于踏板下压与期望的发动机负载之间的经确定的关系计算发动机负载。一旦针对给定踏板位置的请求的发动机负载被确定，该方法就进入到304。
在304处，预测能够基于发动机的能力被输送的发动机负载。具体地，假设发动机正在节气门完全打开(例如，在WOT处)并且没有EGR正在被输送的情况下运转，预测的发动机负载诸如通过使用发动机能力模型来计算。在一个示例中，在没有EGR和WOT的情况下在不同发动机转速处可能的发动机负载可以之前被映射(例如，在发动机校准期间)并被存储在控制器的存储器中，并且可以被控制器检索以预测发动机负载。在一个示例中，预测的发动机负载可以从节气门位置、空气质量流量与发动机负载之间的预定关系来映射。一旦在节气门全开并且没有EGR的情况下的预测的发动机负载被确定，该方法就进入到306。
在306处，负载不足比(LSR)被计算为请求的发动机负载与预测的发动机负载的比。在一个示例中，负载不足比为1表示可以由全开的节气门状况提供的最大扭矩输出，并且在LSR＝1之上的任何额外的扭矩请求会需要增压积累。例如，当该比为1时，可以预测快速作用的节气门的权限将会被用尽，并且任何额外的扭矩请求将会需要增压积累，这是更慢的过程，导致扭矩迟滞。通过预测LSR的未来值，并且相应地调整空气路径致动器，发动机的响应性被进一步改善。在一个示例中，发动机可以在当LSR在1之下时的SSM模式下和在当LSR大于1时的TRM模式下运转。一旦LSR值被确定，该方法就进入到308。
在308处，一个或多个超前滤波器被应用于计算的LSR以便预测预期的LSR值。在一个示例中，aLSR可以通过超前滤波以及预测和预见信息中的一个或多个的使用来预测。在一个示例中，超前滤波器可以通过以下等式来实施：
X(k)＝(1-f)*X(k-1)+f*LSR(k)
aLSR(k)＝(1-r)*X(k)+r*LSR(k)
其中k是时间指数，X(k)是辅助变量，并且(f，r)是适当选择的参数。此外，驾驶员操作历史、导航输入(包括道路和交通状况)和车辆数据中的一个或多个可以并入到滤波系统内，以便改善aLSR预测的准确性。例如，参数(f，r)可以响应于行驶类型的历史和当前交通状况而被调整。在该示例中，参数可以针对更动态的行驶和交通状况被增加，以便提供通过系统的更多介入和增加的扭矩响应性。在另一示例中，aLSR可以响应于预见信息(诸如即将发生的接管策略或道路坡度增加)而被增加，以便有效地增加迅速可用的扭矩的缓冲。
以此方式，响应于操作者扭矩要求，涡轮增压发动机的发动机控制器可以独立于排气再循环(EGR)和可变凸轮正时(VCT)安排的改变基于所述扭矩要求打开进气节气门并关闭排气废气门阀。因此，发动机可以从稳态运转模式的标称状况被转变为使得扭矩响应性被改善并且期望的扭矩廓线被更好地跟踪的瞬态响应模式。同时，所述控制器可以独立于所述进气节气门和所述废气门阀的实际位置基于预测的扭矩不足比同时安排所述EGR和VCT。另外，所述控制器可以基于当前的发动机数据输出与在节气门全开并且没有EGR的情况下的预测的发动机扭矩输出之间的差估计预测的扭矩不足；以及然后基于相对于所述操作者扭矩要求的所述预测的扭矩不足计算所述预测的扭矩不足。此外，所述预测的扭矩不足比可以进一步基于驾驶员操作历史、包括道路和交通状况的导航输入、以及车辆数据中的一个或多个。在一个示例中，基于所述扭矩要求打开所述进气节气门并关闭所述废气门阀可以包括，基于所述扭矩要求估计目标增压压力，以及随着所述目标增压压力增加，增加所述进气节气门的所述开度同时增加所述废气门阀的所述关闭。在另一示例中，基于所述预测的扭矩不足比同时安排EGR和VCT可以包括，当所述预测的扭矩不足比低于阈值时，限制EGR同时维持VCT处于第一安排，并且当所述预测的扭矩不足比高于所述阈值时，限制EGR同时将VCT从所述第一安排转变为第二安排，所述第一安排具有比所述第二安排更低的容积效率。如本文中使用的，在一个示例中，将VCT从所述第一安排转变为所述第二安排包括，将VCT从所述更低容积效率提前或延迟至所述更高容积效率。独立于所述VCT安排的改变打开所述进气节气门并关闭所述排气废气门阀可以包括，基于所述第一VCT安排的所述更低容积效率调整所述进气节气门的开度和所述废气门阀的关闭程度。所述涡轮增压发动机可以包括驱动进气压缩机的排气涡轮，所述废气门阀被耦接至所述排气涡轮，并且其中所述EGR是包括从所述排气涡轮的上游被再循环至所述进气压缩机的下游的排气的高压EGR(HP-EGR)。所述控制器可以被进一步配置为基于所述HP-EGR的所述限制调整低压EGR安排，所述更低压力的EGR包括从所述排气涡轮的下游被再循环至所述进气压缩机的上游的排气。响应于达到所述目标增压压力，所述控制器可以将VCT返回到具有所述更低容积效率的所述第一安排，并增加EGR。因此，稳态运转模式的标称状况可以被恢复。
以此方式，发动机控制器可以依据预测的aLSR值准确地安排不同的发动机运转模式。这样一来，增压发动机可以能够提供维持SSM模式所需的扭矩输出，同时提供从TRM到SSM模式的快速且平滑的转变。
现在转向图4，示出了在操作者扭矩要求的增加后基于图2的预期的扭矩不足方法(在本文中被称为预期的发动机负载响应)比较基准发动机负载响应与发动机负载响应的曲线图。映射图400沿着y轴描绘了在增加的踏板位置下汽油涡轮增压直喷(GTDI)发动机的实际和预期的发动机负载的示例。在曲线410上示出的踏板位置的增加表示操作者扭矩要求，其中扭矩要求随着踏板被进一步下压而增加。所有曲线都沿着x轴随着时间进行描绘。在一个示例中，发动机是2.0L GTDI发动机，并且在踏板期间对于发动机的响应从45mph涌入。曲线402示出了要求的发动机负载，所述要求的发动机负载响应于在曲线410上示出的踏板位置的增加而被增加。曲线408示出了基准发动机负载响应，并且曲线406示出了预期的发动机负载响应。如本文中使用的，负载指的是标准化的气缸空气充气。应认识到，曲线408的负载也可以被认为表示空气充气或空气质量。通过比较曲线408和曲线406，确定预期的发动机负载响应406在策略(maneuver)期间总体上更靠近期望的发动机负载。具体地，看出具有微小不足的初始时间被显著延长，这表示要求与请求之间的可感觉更好的连接性。预期的发动机响应406被改善，因为要求与请求之间的不足(在t1与t2之间的在持续时间407处示出)被更早确认，相比于在基准响应(曲线408)期间，这导致更早的致动器介入。图4展示了发动机负载响应(即，发动机的空气输送能力)的改善。其次，在图5中，改善在发动机扭矩响应方面得以展示，这导致改善的车辆加速响应。
转向图5，呈现了在操作者扭矩要求的增加后基于图2的预期的扭矩不足方法(在本文中被称为预期的发动机扭矩响应)比较基准发动机扭矩响应与发动机扭矩响应的曲线图。映射图500描绘了在针对处于1750rpm的发动机的稳态负载下随着时间从1巴制动平均有效压力(brake mean effective pressure,BMEP)的发动机扭矩响应的示例。在示例中，发动机是2.7L GTDI发动机。
曲线504示出了在没有预期的扭矩不足方法的情况下的基准发动机的扭矩响应。对于基准发动机扭矩响应504，扭矩要求的增加正在随着时间以指定的速率连续上升，其中，根据稳态模式(SSM)安排增压和空气路径致动器。因此，存在初始的迟缓的扭矩响应，这里在t1与t2之间的时段d1期间通过发动机扭矩的稳定水平(plateau)来示出。慢于发动机扭矩的期望的增加由扭矩不足引起，其中操作者请求的扭矩大于在节气门全开并且没有EGR的情况下的发动机扭矩的扭矩能力。曲线502表示如果预期的LSR已经被控制器预测并且如果空气路径和增压致动器根据瞬态响应模式(TRM)来安排的发动机扭矩响应。在如在曲线502上示出的TRM期间，扭矩不足在d1处被预测，并且因此，在预期到不足时，控制器基于增加的扭矩要求调整进气节气门和排气废气门阀，同时，独立于进气节气门和排气废气门阀的实际位置安排HP-EGR和VCT。例如，对于持续时间d1，控制器可以保持进气节气门处于其全开位置，保持废气门阀完全关闭，并且同时将HP-EGR阀调整为完全关闭同时将VCT提前至增加容积效率的正时。然后，在t2之后，HP-EGR阀可以被打开以增加发动机稀释，同时将VCT延迟至提供更低的标称容积效率的正时。此外，进气节气门开度和废气门阀开度可以如在稳态模式下那样根据扭矩要求来调整。
转向图6，示出了在操作者要求的扭矩的增加期间实现瞬态扭矩响应的示例增压和空气路径致动器调整。映射图600在曲线602处描绘了踏板位置(PP)。踏板位置表示操作者扭矩要求，其中扭矩要求随着踏板被进一步下压而增加。映射图600在曲线604处描绘了发动机扭矩输出，在曲线606处描绘了增压压力，在曲线610处描绘了进气节气门位置，在曲线612处描绘了VCT调整，在曲线614处描绘了排气废气门阀位置的改变，并且在曲线616处描绘了HP-EGR阀位置。废气门阀被打开以允许排气绕过涡轮增压器涡轮，由此使涡轮减速自旋以降低增压压力，或废气门阀被关闭以引导更多排气通过涡轮，由此使涡轮加速自旋以增加增压压力。所有曲线都沿着x轴随着时间进行描绘。时间标记t1-t6描绘发动机运转期间的显著时间点。
在t0与t1之间，响应于低的操作者扭矩要求，车辆在标称设置和相对低的发动机扭矩输出(曲线604)的情况下进行运转。增压压力是标称的。更低的驾驶员要求通过部分地打开进气节气门来满足，以基于更低的驾驶员扭矩要求提供低的发动机转速负载廓线。而且此时，VCT(曲线612)被安排至提供更低容积效率的标称位置。废气门阀(曲线614)被保持部分打开以改善进气压缩机的喘振裕度并且HP-EGR阀部分打开，因为需要发动机稀释。
在t1处，响应于第一较小的操作者踩加速器踏板，存在扭矩要求的第一增加。响应于第一踩加速器踏板，进气节气门开度与扭矩要求的增加成比例地增加。此时，请求的扭矩要求与预测的发动机扭矩输出之间的(607处的虚线)计算的扭矩不足比(在本文中也被称为预期的负载不足比aLSR)(通过阴影面积607来描绘)被确定为小于阈值(如通过606与607之间的具有小于阈值面积的阴影面积来指示)。因此，可以推测扭矩要求的增加能够通过调整进气节气门而不超过进气节气门权限来满足。由于扭矩要求能够单独通过进气节气门来满足，其余的增压和空气路径致动器(诸如VCT、废气门阀和HP-EGR阀)被维持在其标称设置处(诸如从t1之前的那些)。例如，VCT被维持在第一安排处。
在t2处，操作者致动加速器踏板以命令在量值上大于第一踩加速器踏板的第二踩加速器踏板。第二踩加速器踏板可以对应于在量值上大于扭矩要求的第一增加的扭矩要求的第二增加(并且对应于更高的最终增压压力)。响应于扭矩要求的上升，进气节气门开度被进一步增加。然而，仅节气门调整不足以满足扭矩要求的增加，并且因此当进气节气门开度被增加时，废气门阀被调整至更关闭位置以增加涡轮转速。然而，即使在进气节气门和废气门阀调整的情况下，所提供的实际发动机扭矩(608处的虚线)也低于期望的扭矩输出(曲线604)。控制器可以预测扭矩不足比，并且确定aLSR(如通过604与608之间的阴影面积指示)被预期为高于阈值。响应于aLSR高于阈值，控制器可以被配置为将HP-EGR阀调整至更关闭位置以便降低发动机稀释。在这种情况下，HP-EGR阀根据aLSR并且独立于进气节气门和废气门阀的实际位置来调整。此外，基于新的aLSR，空气路径致动器(诸如VCT)从第一安排被调整为具有比第一安排更提前的正时的第二安排。第一安排处于比第二安排更低的容积效率。新的设置然后被保持。
在t3处，扭矩不足被满足，其中实际的扭矩输出匹配期望的扭矩输出并且aLSR被减小(如被示为没有阴影区域)。因此，此时，扭矩输出可以单独通过进气节气门和废气门阀的调整来满足。因此，VCT被转变回到第一安排处的标称正时，废气门阀被返回到更打开位置以允许更多排气绕过涡轮，并且HP-EGR阀被返回到更打开位置。
在t4处，操作者致动加速器踏板，以命令具有比第一和第二踩加速器踏板中的每一个更高的量值和最终增压压力的第三踩加速器踏板。响应于第三踩加速器踏板，进气节气门被移动至完全打开位置(诸如至节气门全开(WOT)的位置)，以增加气流来提供更高的增压压力和发动机扭矩输出。另外，控制器预测扭矩不足比，并且确定aLSR高于阈值(如通过阴影面积609指示)。为了解决该不足，HP-EGR阀被安排至更关闭位置，以根据aLSR进一步限制HP-EGR。此外，VCT被调整至(比在t2与t3之间应用的第一正时)更提前的正时，以提供高于t3处的第一容积效率的第二更高容积效率。此外，废气门阀独立于VCT和EGR安排被调整至完全关闭位置。如果废气门阀位置基于VCT和EGR来调整，废气门阀将会已经被致动至相对更打开的位置(如在615处示出的)，这将会导致涡轮上游的排气压力的降低并且导致增压压力的降低。因此，通过独立于VCT和EGR安排根据第一容积效率调整废气门位置，废气门阀可以在更长的持续时间内被关闭，以提供必要的增压压力和发动机扭矩输出来满足操作者扭矩要求。
在t5处，扭矩不足已经通过各种空气路径致动器的调整来补偿。一旦增压压力能够维持请求的发动机扭矩输出，发动机就从瞬态运转模式转变为稳态模式，其中HP-EGR阀被调整为标称的更打开位置，并且VCT被返回到更低容积效率的标称正时设置，并且另外，废气门阀被打开。
在t6处，操作者松加速器踏板，例如，通过释放加速器踏板。响应于因而产生的扭矩要求的下降，进气节气门开度被减小以减少进入发动机气缸的气流，废气门阀开度被增加至完全打开位置，使得排气能够绕过涡轮并且使涡轮减速，并且HP-EGR阀和VCT被维持在其相应的标称设置处，以进一步降低发动机增压压力和增压压力来满足操作者扭矩要求的下降。这允许更平滑的扭矩转变出扭矩要求的瞬态增加。
以此方式，响应于操作者扭矩请求，发动机控制器可以基于相对于在选定的稳态状况下的预测的发动机扭矩输出的所述操作者扭矩请求预测扭矩不足比；以及根据所述不足比限制排气再循环(EGR)，同时根据所述操作者扭矩请求致动进气节气门和废气门阀中的每一个，所述进气节气门被耦接在进气压缩机的下游，所述废气门阀被耦接至排气涡轮，所述限制和所述致动彼此独立地执行。所述预测可以包括估计预测的扭矩不足作为所述操作者请求的扭矩与在节气门全开并且没有EGR情况下的当前发动机稳态状况下的发动机扭矩输出之间的差。所述预测可以进一步包括估计预测的扭矩不足比作为预测的扭矩不足与所述操作者扭矩请求之间的比。所述控制器可以进一步根据所述不足比与限制EGR协调并且独立于所述进气节气门和所述废气门阀的所述致动安排可变凸轮正时(VCT)。在一个示例中，所述EGR可以包括从所述排气涡轮的上游被再循环至所述进气压缩机的下游的高压EGR。在其中，与限制EGR协调地安排VCT可以包括，当预测的扭矩不足比低于阈值时，限制EGR同时维持VCT处于具有更低容积效率的第一安排；以及当预测的扭矩不足比高于所述阈值时，限制EGR同时将VCT从所述第一安排提前或延迟至具有更高容积效率的第二安排。
以此方式，当存在操作者扭矩要求的增加时，发动机扭矩输出和增压响应可以被改善。通过预期负载不足比，空气路径致动器的不同调整能够被安排，以提供从瞬态发动机工况到稳态模式的快速且平滑的转变。此外，通过独立于VCT位置和EGR水平调整增压致动器(诸如废气门阀)，废气门阀能够在踩加速器踏板瞬态期间的更长持续时间内被保持关闭，这导致更快的增压积累和更快的发动机扭矩响应。通过在关于增压压力积累的稳态模式安排增压压力时与预期的负载不足比成比例地安排VCT和HP-EGR，发动机负载在当增压压力正在被积累时的瞬态期间被更准确地输送。此外，当足够的增压压力已经被积累时，能够提供从瞬态出来的更平滑转变。通过在增压压力积累的瞬态响应模式期间协调空气路径致动器的致动与增压致动器的致动，发动机运转模式能够被迅速地且平滑地返回到稳态模式，由此改善燃料经济性而不引起任何驾驶性能问题。通过限制HP-EGR并且移动VCT正好足够远(如满足驾驶员要求所必需的)，避免了不必过分且潜在燃料低效的致动器调整。此外，减少了对于空气和扭矩储备或缓冲的需要，降低了与之相关联的燃料经济性惩罚。
一种用于涡轮增压发动机的示例方法包含：响应于操作者扭矩要求，独立于排气再循环(EGR)和可变凸轮正时(VCT)安排的改变基于所述扭矩要求打开进气节气门并关闭排气废气门阀；以及独立于所述进气节气门和所述废气门阀的实际位置基于预测的负载不足比同时安排所述EGR和VCT。在前述示例中，所述方法额外地或可选地进一步包含，基于当前的发动机空气流量与在节气门全开并且没有EGR的情况下的预测的发动机空气流量之间的差估计预测的负载不足；以及基于相对于所述操作者扭矩要求的所述预测的负载不足计算所述预测的负载不足比。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，所述预测的负载不足比进一步基于驾驶员操作历史、包括道路和交通状况的导航输入、以及车辆数据中的一个或多个。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，基于所述扭矩要求打开所述进气节气门并关闭所述废气门阀包括，基于所述扭矩要求估计目标增压压力，以及随着所述目标增压压力增加，增加所述进气节气门的所述开度同时增加所述废气门阀的所述关闭。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，当所述预测的负载不足比低于阈值时，基于所述安排同时安排EGR和VCT，并且当所述预测的负载不足比高于所述阈值时，限制EGR同时将VCT从所述第一安排转变为第二安排，所述第一安排具有比所述第二安排更低的容积效率。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，将VCT从所述第一安排转变为所述第二安排包括，将VCT从所述更低容积效率提前或延迟至所述更高容积效率。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，独立于所述VCT安排的改变打开所述进气节气门并关闭所述排气废气门阀包括，基于所述第一VCT安排的所述更低容积效率调整所述进气节气门的开度和所述废气门阀的关闭程度。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，所述涡轮增压发动机包括驱动进气压缩机的排气涡轮，所述废气门阀被耦接至所述排气涡轮，并且其中所述EGR是包括从所述排气涡轮的上游被再循环至所述进气压缩机的下游的排气的高压EGR(HP-EGR)。在前述示例中的任一个或全部中，所述方法额外地或可选地进一步包含，基于所述HP-EGR的所述限制调整低压EGR安排，所述更低压力的EGR包括从所述排气涡轮的下游被再循环至所述进气压缩机的上游的排气。在前述示例中的任一个或全部中，所述方法额外地或可选地进一步包含，响应于达到所述目标增压压力，将VCT返回到具有更低容积效率的所述第一安排并增加EGR。
另一示例方法包含：响应于操作者扭矩请求，基于相对于在选定的稳态状况下的预测的发动机扭矩输出的所述操作者扭矩请求预测扭矩不足比；根据所述不足比限制排气再循环(EGR)，同时根据所述操作者扭矩请求致动进气节气门和废气门阀中的每一个，所述进气节气门被耦接在进气压缩机的下游，所述废气门阀被耦接至排气涡轮，所述限制和所述致动彼此独立地执行。在前述示例中，额外地或可选地，所述预测包括估计预测的扭矩不足作为所述操作者请求的扭矩与在节气门全开并且没有EGR的情况下的当前发动机稳态空气流量状况下的发动机扭矩输出之间的差。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，所述预测进一步包括估计预测的扭矩不足比作为预测的扭矩不足与所述操作者扭矩请求之间的比。在前述示例中的任一个或全部中，所述方法额外地或可选地进一步包含，根据所述不足比与限制EGR协调并且独立于所述进气节气门和所述废气门阀的所述致动安排可变凸轮正时(VCT)。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，所述EGR包括从所述排气涡轮的上游被再循环至所述进气压缩机的下游的高压EGR，并且其中与限制EGR协调地安排VCT包括：当预测的扭矩不足比低于阈值时，限制EGR同时维持VCT处于具有更低容积效率的第一安排；以及当预测的扭矩不足比高于所述阈值时，限制EGR同时将VCT从所述第一安排提前或延迟至具有更高容积效率的第二安排。
发动机系统的另一示例包含：加速器踏板，所述加速器踏板用于接收操作者扭矩要求；发动机，所述发动机包括进气歧管；涡轮增压器，所述涡轮增压器包括进气压缩机，所述进气压缩机由排气涡轮驱动，用于为所述发动机提供增压的空气充气；进气节气门，所述进气节气门在所述进气压缩机的下游被耦接至所述进气歧管；废气门，所述废气门包括废气门阀，所述废气门阀被耦接在所述排气涡轮两端；排气再循环(EGR)系统，所述排气再循环(EGR)系统包括高压EGR通道，所述高压EGR通道包括EGR阀，用于将排气从所述排气涡轮的上游再循环至所述进气压缩机的下游；可变凸轮正时；控制器，所述控制器具有存储在非临时性存储器上用于以下的计算机可读指令：响应于当在具有至少一些EGR的情况下并且在所述VCT处于第一安排的情况下运转时接收到的操作者扭矩要求的增加，减小所述EGR阀的开度，同时将所述VCT转变为具有比所述第一安排更高的容积效率的第二安排；增加所述节气门的开度，同时减小所述废气门阀的开度，所述增加和减小基于所述VCT的所述第一安排。在前述示例中，额外地或可选地，所述减小所述EGR阀的开度基于对应于所述增加的操作者扭矩要求的期望的发动机空气流量与在节气门全开时的预测的发动机空气流量之间的比，其中所述EGR阀被完全关闭并且VCT处于所述第一安排。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，所述增加和减小基于所述VCT的所述第一安排包括，响应于所述操作者扭矩要求，即使当所述VCT被转变为所述第二安排的所述更高容积效率时，基于所述第一安排的更低容积效率，保持所述进气节气门更打开并且保持所述废气门阀更关闭。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，所述控制器进一步包括用于以下的指令：响应于所述操作者扭矩要求被满足，增加所述EGR阀的所述开度，同时将所述VCT返回到所述第一安排；减小所述节气门的开度，同时增加所述废气门阀的开度，所述增加和减小中的每一个基于所述VCT的所述第一安排。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，所述EGR系统进一步包括低压EGR通道，所述低压EGR通道包括另一EGR阀，用于将排气所述排气涡轮的下游再循环至所述进气压缩机的上游，并且其中所述控制器进一步包括用于以下的指令：响应于所述操作者扭矩要求和所述减小所述EGR阀的开度中的每一个而调整所述另一EGR阀的开度。
注意，本文中包括的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。在本文中所公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非临时性存储器中，并且可以由包括与各种传感器、致动器和其他发动机硬件相结合的控制器的控制系统执行。在本文中所描述的具体程序可以代表任意数量的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所描述的各种动作、操作和/或功能可以所示顺序、并行地被执行，或者在一些情况下被省略。同样，实现在本文中所描述的本发明的示例实施例的特征和优点不一定需要所述处理顺序，但是为了便于图释和说明而提供了所述处理顺序。取决于所使用的特定策略，所示出的动作、操作和/或功能中的一个或多个可以被重复执行。另外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示被编入发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器的代码，其中通过配合电子控制器执行包括各种发动机硬件部件的系统中的指令而使所描述的动作得以实现。
应认识到，在本文中所公开的配置和程序本质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变体是可能的。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他发动机类型。本公开的主题包括在本文中所公开的各种系统和构造和其他的特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
以下权利要求具体地指出某些被认为是新颖的和非显而易见的组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求应当被理解为包括一个或多个这种元件的结合，既不要求也不排除两个或多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可通过修改现有权利要求或通过在这个或关联申请中提出新的权利要求而得要求保护。这些权利要求，无论与原始权利要求范围相比更宽、更窄、相同或不相同，都被认为包括在本公开的主题内。

Claims (15)

1.一种用于涡轮增压发动机的方法，其包含：
响应于操作者的增加扭矩要求，
独立于排气再循环即EGR和可变凸轮正时即VCT安排的改变，基于所述增加扭矩要求，打开进气节气门并关闭排气废气门阀；以及
独立于所述进气节气门和所述废气门阀的实际位置，基于预测的负载不足比，同时地安排所述EGR和所述VCT。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：
基于在节气门全开并且没有EGR的情况下的当前的发动机空气流量与预测的发动机空气流量之间的差，估计预测的负载不足；以及
基于相对于所述操作者的所述增加扭矩要求的所述预测的负载不足，计算所述预测的负载不足比。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述预测的负载不足比进一步基于驾驶员操作历史、包括道路和交通状况的导航输入以及车辆数据中的一个或多个。
4.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述增加扭矩要求打开所述进气节气门并关闭所述废气门阀包括，基于所述增加扭矩要求估计目标增压压力，以及随着所述目标增压压力增加，增加所述进气节气门的开度同时增加所述废气门阀的关闭。
5.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述预测的负载不足比同时地安排所述EGR和所述VCT包括，当所述预测的负载不足比低于阈值时，限制所述EGR同时维持所述VCT处于第一安排，并且当所述预测的负载不足比高于所述阈值时，限制所述EGR同时将所述VCT从所述第一安排转变为第二安排，所述第一安排具有比所述第二安排更低的容积效率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将所述VCT从所述第一安排转变为所述第二安排包括，将所述VCT从较低容积效率提前或延迟至较高容积效率。
7.根据权利要求5所述的方法，其中独立于所述VCT安排的所述改变打开所述进气节气门并关闭所述排气废气门阀包括，基于所述第一安排的较低容积效率调整所述进气节气门的打开程度和所述废气门阀的关闭程度。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述涡轮增压发动机包括驱动进气压缩机的排气涡轮，所述废气门阀被耦接至所述排气涡轮，并且其中所述EGR是包括从所述排气涡轮的上游被再循环至所述进气压缩机的下游的排气的高压EGR即HP-EGR。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包含，基于所述HP-EGR的限制调整低压EGR安排，较低压EGR包括从所述排气涡轮的下游被再循环至所述进气压缩机的上游的排气。
10.根据权利要求5所述的方法，其进一步包含，响应于达到目标增压压力，将所述VCT返回到具有较低容积效率的所述第一安排，并增加所述EGR。
11.一种发动机系统，其包含：
加速器踏板，所述加速器踏板用于接收操作者扭矩要求；
发动机，所述发动机包括进气歧管；
涡轮增压器，所述涡轮增压器包括进气压缩机，所述进气压缩机由排气涡轮驱动，用于为所述发动机提供增压的空气充气；
进气节气门，所述进气节气门在所述进气压缩机的下游被耦接至所述进气歧管；
废气门，所述废气门包括废气门阀，所述废气门阀被耦接在所述排气涡轮两端；
排气再循环系统即EGR系统，其包括高压EGR通道，所述高压EGR通道包括EGR阀，用于将排气从所述排气涡轮的上游再循环至所述进气压缩机的下游；
可变凸轮正时即VCT，以及；
控制器，所述控制器具有存储在非临时性存储器上用于以下的计算机可读指令：
响应于当在具有至少一些EGR的情况下并且在所述VCT处于第一安排的情况下运转时接收到的所述操作者扭矩要求的增加，
减小所述EGR阀的开度，同时将所述VCT转变为具有比所述第一安排更高的容积效率的第二安排；以及
增加所述进气节气门的开度，同时减小所述废气门阀的开度，所述增加和减小基于所述VCT的所述第一安排。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述减小所述EGR阀的所述开度基于在对应于所述增加的操作者扭矩要求的期望的发动机空气流量与在节气门全开时的预测的发动机空气流量之间的比，其中所述EGR阀被完全关闭并且所述VCT处于所述第一安排。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述增加和减小基于所述VCT的所述第一安排包括，响应于所述操作者扭矩要求，即使当所述VCT被转变为所述第二安排的较高容积效率时，基于所述第一安排的较低容积效率，保持所述进气节气门更打开并且保持所述废气门阀更关闭。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述控制器进一步包括用于以下的指令：
响应于所述操作者扭矩要求被满足，
增加所述EGR阀的所述开度，同时将所述VCT返回到所述第一安排；以及
减小所述进气节气门的所述开度，同时增加所述废气门阀的所述开度，所述增加和减小中的每一个基于所述VCT的所述第一安排。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述EGR系统进一步包括低压EGR通道，所述低压EGR通道包括另一EGR阀，用于将排气从所述排气涡轮的下游再循环至所述进气压缩机的上游，并且其中所述控制器进一步包括用于以下的指令：
响应于所述操作者扭矩要求和所述减小所述EGR阀的所述开度中的每一个，调整所述另一EGR阀的开度。
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