CN109072772B - 基于物理的车辆涡轮增压器控制技术 - Google Patents

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Abstract

用于发动机的涡轮增压器的控制技术利用废气门阀，被配置成使来自涡轮增压器的涡轮的废气转向，涡轮可旋转地联接到涡轮增压器的压缩机。利用控制器，以获得用于发动机的扭矩请求，基于发动机扭矩请求确定目标压缩机功率，基于目标压缩机功率确定标准化的目标涡轮功率，基于标准化的目标涡轮功率和标准化的废气流量确定废气门阀的目标位置，以及将废气门阀致动到目标位置。这种控制技术涉及更少的中间参数(诸如目标涡轮压力比)的实际计算，这导致更有效的校准和实施。

Description

基于物理的车辆涡轮增压器控制技术
技术领域
本申请总体上来说涉及涡轮增压车辆，更具体地，涉及基于物理的涡轮增压器控制技术。
背景技术
涡轮增压器是涡轮驱动的增压进气装置，其增加内燃发动机中的气流。由涡轮驱动的压缩机吸入环境空气，并在其以增加的压力进入发动机之前压缩它。这导致在每个进气冲程中进入发动机的汽缸的空气的质量更大，这通过降低节流损耗来增加发动机的效率，并增加发动机的功率输出。然后，利用由汽缸内的空气和燃料的燃烧产生的废气的动能来驱动涡轮增压器的涡轮。
车辆涡轮增压器系统的传统控制通常是低效率的。这种低效率的一个潜在来源是大量相互连接的部件(压缩机、涡轮、节流阀、废气门阀等)及其变化的流体效应。这些传统的涡轮增压器控制技术涉及复杂的建模和计算，这对于发动机控制单元(ECU)的实施来说是困难的并且有时是不可行的。因此，虽然这种涡轮增压器控制系统用于其预期目的，但仍需要在相关领域中进行改进。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出了一种用于发动机的涡轮增压器的控制系统。在一个示例性实施方式中，所述系统包括废气门阀和控制器，所述废气门阀被配置成使来自涡轮增压器的涡轮的废气转向，涡轮可旋转地联接到涡轮增压器的压缩机，所述控制器被配置成：获得用于发动机的扭矩请求；基于发动机扭矩请求确定目标压缩机功率；基于目标压缩机功率确定标准化的目标涡轮功率；基于标准化的目标涡轮功率和标准化的废气流量确定废气门阀的目标位置；以及将废气门阀致动到目标位置。由控制器致动废气门阀，(i)降低了增压预留和节流损耗中的至少一个，以(ii)提高发动机响应、性能和燃料经济性中的至少一个。
根据本发明的第二方面，提出了一种用于控制发动机的涡轮增压器的方法。在一个示例性实施方式中，所述方法包括：由控制器获得用于发动机的扭矩请求；由控制器基于发动机扭矩请求确定目标压缩机功率；由控制器基于目标压缩机功率确定标准化的目标涡轮功率；由控制器基于标准化的目标涡轮功率和标准化的废气流量确定废气门阀的目标位置；以及由控制器将废气门阀致动到目标位置，废气门阀配置成使来自涡轮的废气转向。由控制器致动废气门阀，(i)降低了增压预留和节流损耗中的至少一个，以(ii)提高发动机响应、性能和燃料经济性中的至少一个。
在一些实施方式中，控制器还被配置成：基于发动机扭矩请求，确定目标发动机气流和压缩机下游的节流阀的入口处的目标压力；以及基于比热系数、压缩机的入口处的空气温度和压力以及压缩机的效率确定目标压缩机功率。在一些实施方式中，控制器被配置成：还基于比热系数、涡轮的出口处的废气压力和涡轮的入口处的废气温度确定标准化的目标涡轮功率。
在一些实施方式中，大气压力传感器被配置成测量大气压力，控制器还被配置成：将压缩机入口处的空气压力确定为大气压力与压缩机上游的空气过滤器上的压降之间的差值；以及将涡轮的出口处的废气压力确定为大气压力和废气门阀下游的废气处理系统上的压降之和。在一些实施方式中，涡轮是设置在废气处理系统上游的双蜗壳涡轮，并且其中废气处理系统包括三元催化转化器和消声器。
在一些实施方式中，控制器还被配置成：基于目标节流阀入口压力与实际节流阀入口压力之间的误差确定用于废气门阀的目标位置的闭环校正值；以及将废气门阀致动到校正的目标位置，该校正的目标位置基于目标位置和闭环校正值。在一些实施方式中，压缩机入口温度传感器被配置成测量压缩机入口处的空气温度，节流阀入口压力传感器被配置成测量实际节流阀入口压力，以及控制器还被配置成基于发动机速度和发动机负载确定涡轮入口废气温度。
在一些实施方式中，控制器被配置成实施比例-积分-微分(PID)控制方案，以确定闭环校正值。在一些实施方式中，废气门阀致动器包括被配置成致动废气门阀的直流到直流(DC-DC)电马达，被配置成测量废气门阀致动器的位置的废气门阀位置传感器，并且控制器还被配置成基于DC-DC电马达的位置确定废气门阀的位置。
从下文提供的具体实施方式、权利要求和附图，本公开的教导的其他可应用领域将变得显而易见，其中，在附图的若干视图中，相同的附图标记指代相同的特征。应当理解，具体实施方式(包括所公开的实施方式和其中所参考的附图)仅仅是示例性的，本质上旨在仅用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围、其应用或用途。因此，不脱离本公开的主旨的变型旨在落入本公开的范围内。
附图说明
图1是根据本公开的原理的示例性车辆的功能框图；
图2是根据本公开的原理的示例性涡轮增压器系统的示意图；
图3A-3B是示出根据本公开的原理的示例性涡轮增压器数据的曲线图；以及
图4是根据本公开的原理的控制发动机的涡轮增压器的示例性方法的流程图。
具体实施方式
如上所述，传统的涡轮增压器控制通常是低效率的，并且仍需要在相关领域中进行改进。因此，提出了改进的基于物理的涡轮增压器控制技术。这些技术将目标压缩机功率与废气门阀的位置直接关联。该建模消除了许多复杂的中间数学运算并且大大简化了校准过程。所公开的技术的一个益处是由于ECU易于实施而降低了成本，并且校准工作量更少。更具体地，与传统的基于模型的技术相比，所公开的技术涉及更少的参数的计算。所公开的技术的另一个益处是由于在瞬态操作期间和变化的环境条件下的改进的稳健性而降低的增压预留和/或节流损耗，改善了响应、性能和/或燃料经济性。
现在参考图1，示出了示例性车辆100的功能框图。车辆100包括内燃发动机104，其燃烧空气/燃料混合物，以产生驱动扭矩。发动机104的非限制性示例包括火花点火(SI)发动机和压缩点火(CI)发动机。虽然本文未示出或讨论，但是应当了解，车辆100可以包括其他扭矩产生源，诸如由车辆100的混合配置中的电池系统供电的电马达。空气经由进气系统108被吸入发动机104，由燃烧产生的废气经由废气系统112从发动机104排出。由发动机104产生的驱动扭矩经由传动装置(未示出)从发动机104的曲轴(未示出)传递到车辆100的驱动系116(例如，车轮)。
涡轮增压器系统120包括涡轮增压器124，涡轮增压器124使用来自废气系统112中的废气的动能(例如，废气背压或流)来加压，并由此增加经由进气系统108进入发动机104的气流。更具体地，废气驱动涡轮增压器124的涡轮128(例如，双蜗壳涡轮)，涡轮128又经由轴136驱动涡轮增压器124的压缩机132(例如，离心压缩机)。控制器140例如基于由驾驶员提供的扭矩请求控制进入发动机104的气流，以实现期望量的空气。这包括控制器140协调涡轮增压器系统120以及其他装置(例如，节流阀，未示出)的控制，使得期望量的空气进入发动机104。在一些实施方式中，车辆100包括废气再循环(EGR)系统(未示出)，其以协调的方式将废气再循环到发动机104中。
现在参考图2，示出了涡轮增压器系统120的示例性配置200的示意图。空气由压缩机132经过空气净化器或空气过滤器(AF)204被吸入进气系统108。入口温度传感器208配置成测量压缩机132的入口处的空气温度。由压缩机132输出的加压空气选择性地经由压缩机再循环路径212再循环，压缩机再循环路径212由压缩机再循环阀216调节。加压空气也选择性地经由节流阀220(例如，蝶形阀)提供给发动机104的进气歧管228。入口压力传感器224配置成测量节流阀220的入口处的空气压力。可选的空气冷却器232配置成冷却提供给进气歧管228的加压空气。
进气歧管228中的加压空气被分配到多个汽缸236并与燃料组合以形成加压空气/燃料混合物。虽然仅示出了四个汽缸，但应当了解，发动机104可以包括任何合适数量的汽缸。燃料经由以任何合适的配置(端口燃料喷射、直接燃料喷射等)布置的燃料喷射器(未示出)喷射到发动机104中。加压空气/燃料混合物在汽缸236内的燃烧驱动活塞(未示出)，活塞可旋转地转动曲轴(未示出)，以产生驱动扭矩。由燃烧产生的加压废气从汽缸236排出到废气歧管240中。在被处理并释放到大气中之前，加压废气的动能被涡轮增压器系统120利用。更具体地，加压废气的压力/流量使涡轮128旋转，涡轮128又经由轴136驱动压缩机132。
加压废气选择性地经由涡轮旁通路径244绕过涡轮128，涡轮旁通路径244由废气门阀248调节。废气门阀248由废气门致动器252致动。在一个示例性实施方式中，废气门致动器252包括直流到直流(DC-DC)电马达和位置传感器256，所述直流到直流(DC-DC)电马达被驱动(例如，经由电流)，以将废气门阀248定位在期望位置处，所述位置传感器256被配置成测量废气门阀248的位置。废气门阀248配置成控制驱动涡轮128的加压废气的量，这也称为“增压”水平。然后由涡轮128输出的或绕过涡轮128的废气在被释放到大气中之前由废气处理系统(ETS)260处理。在一个示例性实施方式中，ETS 260包括三元催化转化器(TWC)和消声器，但是应当了解，可以为用于ETS 260实施的其他合适的配置。
如前所述，所公开的技术将压缩机132的目标功率与废气门阀248的目标位置直接关联。这消除了许多复杂的中间数学运算并且大大简化了校准过程。这些中间运算的示例包括计算目标涡轮压力比(即，入口压力比出口压力)以及目标涡轮和废气门质量流率。以下描述将提供用于证明目标压缩机功率和目标废气门阀位置之间的这种直接关联的推导和假设。首先，发动机扭矩请求用于计算目标发动机气流率
Figure BDA0001842076770000061
和目标节流阀入口压力
Figure BDA0001842076770000062
因此，目标压缩机功率
Figure BDA0001842076770000063
计算如下：
Figure BDA0001842076770000064
其中，CpAir和γAir分别是恒定进气压力下的比热和进气的比热比；TCompIn是压缩机入口温度，其由入口温度传感器208测量；PCompIn是压缩机入口压力，其被计算为大气压力(PBaro，由控制器140内或与控制器140相关联的大气压力传感器264测量)减去空气过滤器204上的压力损耗(预定或建模/估计)；ηc是基于压缩机校正的质量流率和压力比的压缩机等熵效率映射；以及PCompRef和TCompRef分别是参考压缩机入口压力和温度。
理论上，经由轴136存在功率损耗。因此，涡轮增压器124的功率平衡可描述为压缩机功率等于涡轮功率减去轴损耗加惯性功率。这种涡轮功率已经考虑了轴损耗。惯性功率在瞬态条件期间(例如，轴加速/减速)具有非零值。然而，一种可能的假设是，在准稳态下，惯性功率为零。因此，基于该假设，目标压缩机功率等于目标涡轮功率。因此，基于涡轮特性，目标涡轮压力比
Figure BDA0001842076770000071
与基于表格校准的目标涡轮功率
Figure BDA0001842076770000072
具有如下关系(f1)：
Figure BDA0001842076770000073
其中CpExh是恒定废气压力下的比热；PTbOut是涡轮出口压力，其基于大气压力PBaro加上ETS 260上的压力损耗(预定或建模/估计)计算；以及TTbIn是涡轮入口温度(即，废气温度)，其通过发动机负载/发动机速度校准映射过程确定。术语
Figure BDA0001842076770000074
被认为是使涡轮功率标准化的涡轮边界条件。通过该标准化，导出更简单的单变量函数(等式2)，以将涡轮压力比和功率相关联，以指示涡轮性能特性，这对于如下所讨论的涡轮建模、校准和控制方法开发是容易的。
现在参考图3A，示出了基于通过测功计测试收集的数据由等式(2)表示的校准。如图所示，涡轮压力比(y轴)被绘制为标准化的涡轮功率(x轴)的函数。现在参考图3B，示出了涡轮流量特性。涡轮增压器制造商可以提供数据，诸如压缩机等熵效率映射ηc和涡轮增压器制造商测量压缩机数据时的参考压缩机入口温度和压力。所提供的数据还将校正的涡轮流量视为涡轮压力比和校正的涡轮增压器速度二者的函数。通过将校正的涡轮流量与涡轮压力比相乘来执行标准化，以获得标准化的涡轮流量，，其是涡轮压力比的多项式函数，然后仅去除涡轮流量特性对涡轮增压器速度项的依赖性。
再次参考图2并继续参考图3B，基于所示的关系，目标标准化的涡轮流量
Figure BDA0001842076770000075
可校准为目标涡轮压力比
Figure BDA0001842076770000076
的函数(f2)，如下：
Figure BDA0001842076770000077
其中
Figure BDA0001842076770000081
是废气流量边界条件，以标准化废气低点。如上所述，由涡轮增压器制造商提供的涡轮流量项(校正流量)是多个因素的函数：涡轮压力比和校正的速度。因此，标准化的涡轮流量可以表示为压力比的函数，这简化了涡轮特性之间的关系。通过假设经过废气门阀248的可压缩流量分析废气门流量特性，目标标准化的废气门流量可通过操作如下可压缩流量方程由函数(f3)获得：
Figure BDA0001842076770000082
其中，
Figure BDA0001842076770000083
为目标标准化的废气门流量；并且
Figure BDA0001842076770000084
是从完全关闭的端部止挡件的目标废气门阀打开位置，其用于定位废气门阀248。
考虑到经过涡轮128和废气门阀248的质量流率平衡，，可获得以下关系：
Figure BDA0001842076770000085
其中，mExh是经过涡轮128和废气门阀248二者的废气质量流量，其基于废气的空气/燃料比(例如，来自氧气传感器(未示出))和汽缸质量流率而计算。通过将等式(2)、(3)和(4)插入到上面的等式(5)中以替换目标标准化的涡轮和废气门流量以及目标涡轮压力比，可以获得以下关系(g)：
Figure BDA0001842076770000086
通过反转等式(6)的关系，可以获得从完全关闭的端部止挡件的目标废气门阀打开位置的函数(h)：
Figure BDA0001842076770000087
这种关系很容易经由校准表来表示，校准表可以从测功计测试期间获得的数据中获得。更具体地，通过反转等式(6)，基于标准化的废气流量和目标标准化的涡轮功率直接计算从完全关闭的端部止挡件的目标废气门阀打开位置。需要由传统的基于模型的技术计算的本文讨论的中间变量(目标涡轮压力比、目标涡轮/废气门阀质量流率等)，不再需要计算。这可以显著降低开发阶段的成本和时间。
由于所公开的技术是开环方式，因此在一个示例性实施方式中，可以利用闭环目标废气门阀打开位置项(或“校正项”)。可以利用比例-积分-微分(PID)控制策略来添加校正项，以最小化目标和当前(实际)节流阀入口压力之间的误差。如前所述，实际节流阀入口压力由入口压力传感器224测量。为了补偿硬件变化和部件老化，在一个示例性实施方式中，也可以利用适应方案。该适应包括由于增压压力误差而得知目标废气门阀打开位置，并将其存储在适应单元中(例如，控制器140的存储器(未示出)处)。适应过程应该是缓慢的并且仅在某些稳定(例如，非瞬态)条件下启用。然后可以将开环、闭环和适应项的总和发送给废气门致动器252，以使用传感器256进行闭环位置控制。
现在参考图4，用于控制车辆涡轮增压器的示例性方法400的流程图。在一个示例性实施方式中，方法400由控制器140实施和执行，但是应当了解，另一个合适的控制装置或多个控制器/控制装置可以共同实施并执行方法400。在404处，控制器140获得用于发动机104的扭矩请求。在408处，控制器140基于发动机扭矩请求确定目标压缩机功率。在412处，控制器140基于目标压缩机功率确定标准化的目标涡轮功率。在416处，控制器140基于标准化的目标涡轮功率和标准化的废气流量确定废气门阀248的目标位置。在420处，控制器140将废气门阀248致动(例如，使用致动器252)到目标位置。由控制器140致动废气门阀248(i)降低了增压预留和节流损耗中的至少一个，以(ii)提高发动机响应、性能和燃料经济性中的至少一个。然后，方法400结束或返回到404以进行一个或多个附加循环。
如先前所讨论的，应当了解，如本文中所使用的术语“控制器”指被配置为执行本公开的技术的至少一部分的任何合适的控制单元。示例包括ASIC、一个或多个处理器和其上存储有指令的非暂时性存储器，当由一个或多个处理器执行时，使得控制器执行与本公开的技术的至少一部分相对应的一组操作。一个或多个处理器可以是单个处理器或以并行或分布式架构操作的两个或多个处理器。
应当理解，本文可以明确地预期各种示例之间的特征、元件、方法和/或功能的混合和匹配，使得本领域技术人员从本教导中将了解到：除非另有说明，一个示例中的特征、元件和/或功能可以适当地并入另一示例中。

Claims (18)

1.一种用于发动机的涡轮增压器的控制系统，所述系统包括：
废气门阀，被配置成使来自所述涡轮增压器的涡轮的废气转向，所述涡轮可旋转地联接到所述涡轮增压器的压缩机；以及
控制器，被配置成：
获得用于所述发动机的扭矩请求；
基于发动机扭矩请求确定目标压缩机功率；
基于所述目标压缩机功率确定标准化的目标涡轮功率，其中所述标准化的目标涡轮功率基于涡轮出口压力、涡轮入口温度和恒定废气压力下的比热进行标准化；
确定标准化的废气流量，其中所述标准化的废气流量基于所述涡轮出口压力和所述涡轮入口温度进行标准化；
直接基于所述标准化的目标涡轮功率和所述标准化的废气流量确定所述废气门阀的目标位置；以及将所述废气门阀致动到所述目标位置，
其中，由所述控制器将所述废气门阀致动到所述目标位置，(i)降低了增压预留和节流损耗中的至少一个，以(ii)提高发动机响应、性能和燃料经济性中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：
基于所述发动机扭矩请求，确定目标发动机气流和所述压缩机下游的节流阀的入口处的目标压力；以及
基于比热系数、所述压缩机的入口处的空气温度和压力以及所述压缩机的效率确定所述目标压缩机功率。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器被配置成还基于比热系数、所述涡轮的出口处的废气压力和所述涡轮的入口处的废气温度确定所述标准化的目标涡轮功率。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括大气压力传感器，所述大气压力传感器被配置成测量大气压力，其中所述控制器还被配置成：
将所述压缩机入口处的空气压力确定为所述大气压力与所述压缩机上游的空气过滤器上的压降之间的差值；以及
将所述涡轮的出口处的废气压力确定为所述大气压力和所述废气门阀下游的废气处理系统上的压降之和。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述涡轮是设置在所述废气处理系统上游的双蜗壳涡轮，并且其中所述废气处理系统包括三元催化转化器和消声器。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：
基于目标节流阀入口压力与实际节流阀入口压力之间的误差确定用于所述废气门阀的目标位置的闭环校正值；以及
将所述废气门阀致动到校正的目标位置，所述校正的目标位置基于所述目标位置和所述闭环校正值。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括：
压缩机入口温度传感器，被配置成测量所述压缩机入口处的空气温度；
节流阀入口压力传感器，被配置成测量所述实际节流阀入口压力；以及
其中，所述控制器还被配置成基于发动机速度和发动机负载确定涡轮入口废气温度。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制器被配置成实施比例-积分-微分控制方案，以确定所述闭环校正值。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括：
废气门阀致动器，包括被配置成致动所述废气门阀的直流到直流电马达；以及
废气门阀位置传感器，被配置成测量所述废气门阀致动器的位置，
其中，所述控制器还被配置成基于所述直流到直流电马达的位置确定所述废气门阀的位置。
10.一种用于控制发动机的涡轮增压器的方法，所述涡轮增压器包括可旋转地联接的涡轮和压缩机，所述方法包括：
由控制器获得用于发动机的扭矩请求；
由所述控制器基于发动机扭矩请求确定目标压缩机功率；
由所述控制器基于所述目标压缩机功率确定标准化的目标涡轮功率，其中所述标准化的目标涡轮功率基于涡轮出口压力、涡轮入口温度和恒定废气压力下的比热进行标准化；
由所述控制器基于标准化的废气流量，其中所述标准化的废气流量基于所述涡轮出口压力和所述涡轮入口温度进行标准化；
由所述控制器直接基于所述标准化的目标涡轮功率和所述标准化的废气流量确定废气门阀的目标位置；以及
由所述控制器将废气门阀致动到所述目标位置，所述废气门阀配置成使来自所述涡轮的废气转向，
其中，由所述控制器致动所述废气门阀，(i)降低了增压预留和节流损耗中的至少一个，以(ii)提高发动机响应、性能和燃料经济性中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
基于所述发动机扭矩请求，由所述控制器确定目标发动机气流和所述压缩机下游的节流阀的入口处的目标压力；以及
由所述控制器基于比热系数、所述压缩机的入口处的空气温度和压力以及所述压缩机的效率确定所述目标压缩机功率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中还基于比热系数、所述涡轮的出口处的废气压力和所述涡轮的入口处的废气温度确定所述标准化的目标涡轮功率。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
由所述控制器并且从大气压力传感器接收大气压力；
由所述控制器将所述压缩机入口处的空气压力确定为所述大气压力与所述压缩机上游的空气过滤器上的压降之间的差值；以及
由所述控制器将所述涡轮的出口处的废气压力确定为所述大气压力和所述废气门阀下游的废气处理系统上的压降之和。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述涡轮是设置在所述废气处理系统上游的双蜗壳涡轮，并且其中所述废气处理系统包括三元催化转化器和消声器。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
由所述控制器基于目标节流阀入口压力与实际节流阀入口压力之间的误差确定用于所述废气门阀的目标位置的闭环校正值；以及
由所述控制器将所述废气门阀致动到校正的目标位置，所述校正的目标位置基于所述目标位置和所述闭环校正值。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
由所述控制器并且从压缩机入口温度传感器接收所述压缩机入口处的空气温度；
由所述控制器并且从节流阀入口压力传感器接收实际的节流阀入口压力；以及
由所述控制器基于发动机速度和发动机负载确定涡轮入口废气温度。
17.根据权利要求15所述的方法，其中确定闭环校正项包括实施比例-积分-微分控制方案。
18.根据权利要求10所述的方法，还包括由所述控制器基于由废气门阀位置传感器测量的废气门阀致动器的位置确定所述废气门阀的位置，所述废气门阀致动器包括直流到直流电马达。
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