CN109252965A - 用于具有废气阀涡轮机的发动机组件的气路控制 - Google Patents

用于具有废气阀涡轮机的发动机组件的气路控制 Download PDF

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Abstract

发动机组件包括发动机、压缩机、涡轮机和废气门阀。控制器具有处理器和有形的非暂时性存储器，在存储器上记录有用于执行基于气路模型的气路控制方法的指令。将控制器配置成将涡轮机功率(Pt)确定第一因子(x1)和第二因子(x2)的函数。将压缩机功率(Pc)确定为第三因子(y1)和第四因子(y2)的函数。将控制器构造成通过改变第一因数至第四因数(x1，x2，y1，y2)中的至少一个来控制进气节流阀压力(pth)和进气歧管压力(pi)中的至少一个。基于进气节流阀和歧管压力中的至少一个来控制发动机输出。

Description

用于具有废气阀涡轮机的发动机组件的气路控制
引言
本发明总体上涉及发动机组件的控制，并且更具体地涉及用于具有废气阀涡轮机的发动机组件的气路控制。涡轮机利用发动机的排气系统中的压力驱动压缩机向发动机提供增压空气。与自然吸气式进气系统相比，增压空气增加了进入发动机的空气流量，因此增加了发动机的输出功率。由于其非线性，使基于模型的增压压力控制成为一项挑战性的工作，因此压缩机和涡轮机效率的建模非常具有挑战性。
发明内容
发动机组件包括可操作地彼此连接的发动机、进气节流阀以及涡轮机，其中涡轮机可以涡轮机转速(Nt)操作。压缩机可操作地连接到发动机。废气门阀可操作地连接到涡轮机并被配置为具有可变废气门位置(WGpos)。控制器可操作地连接到涡轮机和进气节流阀。控制器具有处理器和其上记录有用于执行气路控制方法的指令的有形的非暂时性存储器。该方法依赖于可以各种形式实施的基于物理的气路模型。基于该气路模型可推导出各种基于模型的气路控制策略，包括但不限于与反馈控制结合的前馈，反馈线性化以及模型预测控制。该方法避免了对涡轮机和压缩机效率建模，并且可作为具有最小校准工作量的嵌入式系统控制器在车辆控制单元中实施。
处理器执行指令使得控制器将涡轮机的涡轮机功率(Pt)确定为第一因子(x1)和第二因子(x2)的查找因子和多项式函数中的至少一个。将控制器配置为将压缩机的压缩机功率(Pc)确定为第三因子(y1)和第四因子(y2)的查找因子和多项式函数中的至少一个。将控制器配置成通过改变第一、第二、第三以及第四因子(x1，x2，y1，y2)中的至少一个来控制进气节流阀压力(pth)和进气歧管压力(pi)中的至少一个。部分地基于进气节流阀压力(pth)和进气歧管压力(pi)中的至少一个来控制发动机的扭矩输出。
确定涡轮机功率(Pt)包括将涡轮机功率传输速率确定为第一因子(x1)、第二因子(x2)以及多个常数(ai)的多项式函数，使得 涡轮机功率(Pt)部分基于涡轮机出口压力(pto)、排气温度(Tx)以及涡轮机功率传输速率第一因子(x1)和第二因子(x2)分别由修正的总排气流量和废气门位置(x2＝WGpos)表示。
确定压缩机功率(Pc)包括将压缩机功率传输速率(Rc)确定为第三因子(y1)、第四因子(y2)以及多个常数(bi)的多项式函数。压缩机功率(Pc)部分基于焓因子(hc)和压缩机功率传输速率(Rc)，定义为： 第三因子(y1)和第四因子(y2)分别由压缩机压力比(y1＝prc)和修正的压缩机流量表示。
进气节流阀压力(pth)部分基于压缩机流量(Wc)、压缩机出口温度(Tco)、进气节流流量(Wth)、增压空气冷却器出口温度(TCACO)和预定义常数进气歧管压力(pi)部分基于进气节流阀流量(Wth)、增压空气冷却器出口温度(TCACO)、汽缸进气流量(Wcyl)、发动机转速(Ne)、进气歧管温度(Tim)和预定义常数
将控制器配置为部分地基于涡轮机功率(Pt)与压缩机功率(Pc)之间的能量平衡关系来确定一个或多个控制参数。进气节流阀压力(pth)和进气歧管压力(pi)至少部分基于控制参数。能量平衡关系基于涡轮机转速(Nt)、涡轮机惯性(J)以及预定义常数(k)。在第一实施例、第二实施例以及第三实施例中，能量平衡关系被定义为：在第一实施例中，一个或多个控制参数包括涡轮机转速(Nt)以及基于环境温度(Ta)和环境压力(pa)的修正的压缩机流量
在第二实施例中，一个或多个控制参数包括涡轮机转速(Nt)、压缩机压力比(prc)以及压缩机流速(dWc/dt)。压缩机流速(dWc/dt)部分基于压缩机出口压力(pco)、进气歧管截面面积(Aim)以及进气歧管长度(Lim)，使得在第三实施例中，一个或多个控制参数包括涡轮机转速(Nt)、涡轮机压力比(prt)以及涡轮机转速(Wt)。
在第四实施例中，一个或多个控制参数包括修正的排气流量在第四实施例中，将能量平衡关系定义为：其中g是预定义的常数。
从以下结合附图对用于执行本发明的最佳模式的详细描述中，本发明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是具有控制器的发动机组件的示意性局部视图；
图2是由由图1的控制器可执行的方法的流程图；
图3是用于优化图2的方法的示例性控制结构。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，图1示意性地示出了具有发动机组件12的装置10。装置10是移动平台，例如但不限于标准乘用车、运动型多用途车、轻型卡车、重型载重车、沙滩车、面包车、公共汽车、运输车辆、自行车、机器人、农具、体育运动相关设备、船只、飞机、火车或其他交通工具。装置10可采取许多不同的形式并且包括多个和/或可替代的组件和设施。
组件12包括用于燃烧空气燃料混合物以产生输出扭矩的内燃机14(在此被称为发动机14)。组件12包括进气歧管16，可将该进气歧管16构造成接收来自大气的新鲜空气。发动机14可燃烧空气-燃料混合物，产生排气。进气歧管16流体地联接到发动机14并且能够经由空气入口导管18将空气引导到发动机14中。组件12包括与发动机14流体连通并且能够经由排气管道22接收和排出来自发动机14的排气的排气歧管20。参考图1，发动机14包括具有至少一个汽缸26的发动机缸体24。发动机14可是点燃式发动机或压燃式发动机，并且可是活塞驱动的。
参考图1，组件12包括可操作地连接到发动机14或与发动机14电子通信的控制器C。参考图1，控制器C包括至少一个处理器P和至少一个存储器M(或任何非暂时性有形计算机可读存储介质)，在存储器M上记录有用于执行用于组件12中的气路控制的方法100的指令(如图2所示并在下面描述)。存储器M可存储控制器可执行的指令集，处理器P可执行存储在存储器M中的控制器可执行的指令集。
参考图1，组件12包括配置成由涡轮机30驱动的压缩机28。采用压缩机28来压缩进口空气以增加其密度以在供给到发动机14的空气中提供更高浓度的氧气。参考图1，涡轮机30可是固定几何形状的涡轮机(FGT)，其中废气门阀40具有废气门几何形状传感器36以测量废气门位置，用于向控制器C提供关于涡轮机30的几何形状的实时信息。
参考图1，废气门阀40构造成当进气节流阀压力(也称为增压压力)足够高时打开。增压压力可通过连续调节废气门阀40的开度来调节。将压缩机旁通阀44构造成允许压缩机28的旁路。参考图1，组件12包括流体地连接到空气入口导管18的进气节流阀46，和流体地连接到排气导管22的排气节流阀48。排气节流阀48可大体上打开并且可关闭以升高排气压力(px)。采用增压空气冷却器(CAC)50来消散由入口空气的压缩引起的一些热量。后处理系统52可定位在排气歧管20与排气管道22上的废气向大气释放的点之间。后处理系统52可包括氧化和NOx还原催化剂和颗粒过滤器。
组件12可包括具有多个再循环排气路径的排气再循环(EGR)系统。参考图1，高压排气再循环阀54和低压排气再循环阀56位于设置在空气入口导管18和排气导管22之间的相应的第一和第二导管58、60中。第一冷却单元62和第二冷却单元64可分别可操作地连接到高压EGR阀54和低压EGR阀56。第一和第二冷却单元62、64用于在与通过进气歧管16进入的空气混合之前降低再循环排气的温度。
参考图1，将控制器C配置为接收来自一个或多个传感器68的传感器反馈。在所示的实施例中，传感器68包括排气温度传感器70、排气压力传感器(或虚拟传感器)72、进气歧管压力传感器76、进气歧管温度传感器78、压缩机入口温度传感器80、压缩机出口压力传感器86、压缩机出口温度传感器(或虚拟传感器)84、质量空气流量和压缩机入口压力82的组合传感器、后涡轮机压力传感器87以及后涡轮机温度传感器88。将控制器C编程为接收来自操作员输入或自动起动条件或由控制器C监测的其他源的扭矩请求。可将控制器C配置为接收来自操作者的输入信号，诸如通过加速器踏板90和制动踏板92，以确定扭矩请求。
现在参考图2，示出了存储在图1的控制器C上的并且可由其执行的方法100的流程图。方法100也针对四个实施例进行说明。将图1的控制器C具体编程为执行方法100的步骤。方法100不需要以这里列举的特定顺序应用。此外，应该理解，可省略一些步骤。下面列出的各种参数可通过“虚拟感测”获得，例如基于其他测量或在测试条件下的校准的建模。例如，可基于环境温度和其他发动机测量值的测量来虚拟感测进气温度。
参考图2，方法100可以方框102开始，其中将控制器C编程或配置为根据第一因子(x1)和第二因子(x2)确定涡轮机的涡轮机功率(Pt)，第一个因素是废气门位置(x1＝WGpos)。确定涡轮机功率(Pt)包括将涡轮机功率传输速率(Rt)确定为第一因子(x1)、第二因子(x2)以及多个常数(ai)的非线性函数或多项式函数，使得：
涡轮机功率(Pt)部分基于涡轮机出口压力(pto)、排气温度(Tx)以及涡轮机功率传输速率()。第一因子(x1)和第二因子(x2)分别由修正的总排气流量和废气门位置(x2＝WGpos)表示。多个常数(ai)可通过校准来获得，例如通过获得测试单元中涡轮机转速范围内的涡轮机功率(Pt)读数。可将涡轮机功率传输速率存储为第一因子(x1)和第二因子(x2)的查找表。
在图2的框104中，将控制器C编程为根据第三因子(y1)和第四因子(y2)确定压缩机的压缩机功率(Pc)。确定压缩机功率(Pc)包括将压缩机功率传输速率(Rc)确定为第三因子(y1)、第四因子(y2)以及多个常数(bi)的非线性函数或多项式函数，使得：
压缩机功率(Pc＝hc*Rc)部分基于焓因子(hc)和压缩机功率传输速率(Rc)。第三因子(y1)和第四因子(y2)分别由压缩机压力比(y1＝prc)和修正的压缩机流量表示。可通过校准获得多个常数(bi)，其中通过获得测试单元中涡轮机转速范围内的压缩机功率(Pc)读数来校正。可将压缩机功率(Pc)存储为第三因子(y1)和第四因子(y2)的查找表。
在图2的框106中，将控制器C编程为部分基于涡轮机功率(Pt)、压缩机功率(Pc)和能量平衡关系来确定一个或多个控制参数，其中进气节流阀压力(pth)和进气歧管压力(pi)至少部分基于一个或多个控制参数。在第一、第二以及第三实施例中的每一个框106中，将能量平衡关系定义为：
这里J是涡轮机惯性，k是预定义的常数。在第一实施例中，一个或多个控制参数包括涡轮机转速(Nt)以及基于环境温度(Ta)和环境压力(pa)而变化的修正的压缩机流量
在第二实施例中，一个或多个控制参数包括涡轮机转速(Nt)、压缩机压力比(prc)(作为以下参数的函数，使得：和压缩机流速(dWc/dt)。压缩机流速(dWc/dt)部分基于压缩机出口压力(pco)，进气歧管截面面积(Aim)和进气歧管长度(Lim)，使得：
在第三实施例中，一个或多个控制参数包括涡轮机转速(Nt)、涡轮机压力比(prt)和进气节流阀流量(Wth)。压缩机压力比(prc)和涡轮机流量(Wt)可表示为：
在第四实施例中，控制参数包括修正的排气流量在第四实施例中，将能量平衡关系定义为：
其中g是预定义的常数。修正后的压缩机流量可由校准函数表示如下：
方法100进行到图2中的框108，其中将控制器C编程为获得进气节流阀压力(pth)(也称为增压压力)和进气歧管压力(pi)中的至少一个以形成总气路模型。在框108中，将控制器C编程为通过改变第一、第二、第三以及第四因数(x1，x2，y1，y2)中的至少一个来控制进气节流阀压力(pth)和进气歧管压力(pi)。进气节流阀压力(pth)可部分地基于压缩机流量(Wc)、压缩机出口温度(Tco)、进气节流阀流量(Wth)，增压空气冷却器出口温度(TCACO)和基于压缩空气冷却器50的体积(VCAC)和通用气体常数(R)的预定义常数可将进气节流阀压力的变化率模拟为：
进气歧管压力(pi)可部分地基于进气节流阀流量(Wth)、增压空气冷却器出口温度(TCACO)、汽缸进气流量(Wcyl)、发动机转速(Ne)、进气歧管温度(Tim)以及基于进气歧管16的体积(Vim)和通用气体常数(R)的预定常数来建模。可将进气歧管压力的变化率模拟为：
在图2的框110中，将控制器C编程以部分地基于进气节流阀压力(pth)和进气歧管压力(pi)中的至少一个以及其他发动机参数(例如火花正时，进气阀正时以及排气阀正时)来控制发动机扭矩的输出。进气节流阀压力(pth)和进气歧管压力(pi)各自影响增压空气，这增加了到发动机14的空气流量并且因此增加了发动机14的输出扭矩。发动机14的输出可通过进气节流阀压力(pth)和进气歧管压力(pi)中的至少一个以及通过气路控制的气门正时来调节。在图2的框112中，将控制器C编程为从多个传感器68获得传感器反馈，如上所述。控制器C可包括闭环控制单元，将该闭环控制单元配置成为下一个周期采用传感器反馈。
总之，方法100使用多个气路模型来提供基于模型的气路控制。在第一实施例中，气路模型的特征在于：
在第二实施例中提出了另一种模型：
在第三实施例中，气路模型的特征在于：
在第四实施例中，气路模型的特征在于：
这些模型以及其他基于模型的气路控制单元可作为嵌入式系统控制器的一部分，以最少的校准工作量在车辆控制单元中实现。方法100可实现发动机吸气的最大化和泵送损失的最小化。方法100提供了处理复杂系统的有效且高效的方式，使增压能力最大化并降低了燃料消耗，以便优化和控制组件12。
参考图3，示出了用于通过比较测量参数202和模型预测参数204来自适应地微调模型参数的示例方法或控制结构200，使得气路模型可更精确地预测实际的发动机响应。参考图3，测量参数202可从接收来自发动机14的输入的仪表单元206获得。在一个实施例中，发动机14可操作地连接到功率计208。模型预测参数204从模型单元210获得，其可是存储在控制器C中的非线性发动机模型或线性化LPV发动机模型。在一个实施例中，模型预测的涡轮机转速、压缩机流量、增压压力以及进气歧管压力(来自模型单元210)与实际测量的涡轮机转速、压缩机流量、增压压力以及进气歧管压力进行比较。将测量参数202和模型预测参数204馈送到求和模块212中并且将它们的差值输入到在线验证模块214中。校准优化器模块216包括优化例程，例如梯度搜索方法，以微调一些关键模型参数并最小化模型预测误差，从而提高控制系统精度。诸如模型单元210、求和模块212、验证模块214以及校准优化器216的每个模块可作为图1的控制器C的一部分被嵌入。
图1的控制器C可是装置10的其他控制器(例如发动机控制器)的整体部分或可操作地连接到其他控制器的单独模块。控制器C包括计算机可读介质(也称为处理器可读介质)，其包括参与提供可由计算机(例如通过计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的任何非暂时性(例如，有形)介质。这样的介质可采取许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可包括例如光盘或磁盘以及其他持久性存储器。易失性介质可包括例如动态随机存取存储器(DRAM)，其可构成主存储器。这样的指令可通过一个或多个传输介质传输，该传输介质包括同轴电缆、铜线以及光纤，其包括包含耦合到计算机的处理器的系统总线的导线。某些形式的计算机可读介质包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁介质、CD-ROM、DVD、任何其他光介质、穿孔卡片、纸带、任何具有孔图案的其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、任何其他存储器芯片或盒式磁盘或计算机可读取的任何其他介质。
这里描述的查找表、数据库、数据存储库或其他数据存储可包括用于存储、访问以及检索各种数据的各种机制，包括分层数据库、文件系统中的一组文件、专有格式的应用程序数据库、关系数据库管理系统(RDBMS)等。每个这样的数据存储可被包括在采用诸如上述那些之一的计算机操作系统的计算装置内，并且可通过网络以各种方式中的任何一种或多种来访问。文件系统可从计算机操作系统访问，并且可包括以各种格式存储的文件。除了用于创建、存储、编辑以及执行存储过程的语言之外，RDBMS还可采用结构化查询语言(SQL)，比如上面提到的PL/SQL语言。
详细描述和附图是对本发明的支持和描述，但是本发明的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于实施所请求保护的公开的一些最佳模式和其它实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的公开内容的各种替代设计和实施例。此外，附图中所示的实施例或本说明书中提到的各种实施例的特征不一定需要被理解为彼此独立的实施例。相反，可将实施例的一个示例中描述的每个特征与来自其它实施例的一个或多个其它期望特征组合，从而产生未以文字或未参考附图描述的其它实施例。因此，这样的其它实施例落在所附权利要求的范围的框架内。

Claims (10)

1.一种发动机组件中的气路控制方法，所述发动机组件具有发动机、涡轮机、压缩机、进气节流阀、构造成具有可变废气门位置(WGpos)的废气门阀以及具有处理器和有形的非暂时性存储器的控制器，所述方法包括：
经由所述控制器将所述涡轮机的涡轮机功率(Pt)确定为第一因子(x1)和第二因子(x2)的函数；
将所述压缩机的压缩机功率(Pc)确定为第三因子(y1)和第四因子(y2)的函数；
通过改变所述第一、第二、第三以及第四因子(x1，x2，y1，y2)中的至少一个来控制进气节流阀压力(pth)和进气歧管压力(pi)中的至少一个；经由来自所述控制器的各个命令信号；和
经由所述控制器部分地基于所述进气节流阀压力(pth)和所述进气歧管压力(pi)中的至少一个来控制所述发动机的输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述涡轮机功率(Pt)包括：
将涡轮机功率传输速率确定为所述第一因子(x1)、第二因子(x2)以及多个常数(ai)的查找因子和多项式函数中的至少一个，使得
其中所述涡轮机功率(Pt)部分基于涡轮机出口压力(pto)、排气温度(Tx)和所述涡轮机功率传输速率和
其中所述第一因子(x1)和第二因子(x2)分别由修正的总排气流量和所述废气门位置(x2＝WGpos)表示。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述压缩机功率(Pc)包括：
将压缩机功率传输速率(Rc)确定为所述第三因子(y1)、第四因子(y2)和多个常数(bi)的查找因子和多项式函数中的至少一个，使得
其中所述压缩机功率(Pc)部分基于焓因子(hc)和所述压缩机功率传输速率(Rc)；和
其中所述第三因子(y1)和第四因子(y2)分别由所述压缩机压力比(y1＝prc)和修正的压缩机流量表示。
4.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述进气节流阀压力(pth)部分基于压缩机流量(Wc)、压缩机出口温度(Tco)、进气节流流量(Wth)、增压空气冷却器出口温度(TCACO)以及预定义常数
5.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述进气歧管压力(pi)部分基于进气节流阀流量(Wth)、增压空气冷却器出口温度(TCACO)，汽缸进气流量(Wcyl)、发动机转速(Ne)、进气歧管温度(Tim)以及预定义常数
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
部分地基于所述涡轮机功率(Pt)与所述压缩机功率(Pc)之间的能量平衡关系来确定一个或多个控制参数；和
其中所述进气节流阀压力(pth)和所述进气歧管压力(pi)至少部分基于所述一个或多个控制参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述一个或多个控制参数包括涡轮机转速(Nt)以及基于环境温度(Ta)和环境压力(pa)的修正的压缩机流量和
所述能量平衡关系定义为其中J是涡轮机惯性，k是预定义常数。
8.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述一个或多个控制参数包括涡轮机转速(Nt)，压缩机压力比(prc)以及压缩机流速(dWc/dt)；
所述压缩机流速(dWc/dt)部分基于压缩机出口压力(pco)、进气歧管截面面积(Aim)以及进气歧管长度(Lim)，使得和
所述能量平衡关系定义为其中J是涡轮机惯性，k是预定义常数。
9.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述一个或多个控制参数包括涡轮机转速(Nt)，涡轮机压力比(prt)以及进气节流阀流量(Wth)；和
所述能量平衡关系定义为其中J是涡轮机惯性，k是预定义常数。
10.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述一个或多个控制参数包括修正的排气流量
将所述能量平衡关系定义为其中g是预定义常数。
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