CN110462190B - 用于控制由排气涡轮增压器增压的内燃发动机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制由排气涡轮增压器增压的内燃发动机的方法和装置。在该方法中，进行以下步骤：确定特定内燃发动机在当前操作点和在存在切换致动器的设置的预定组合的操作中执行充气压力从当前充气压力到与目标操作点相关联的目标充气压力的增加所需的持续时间；将确定的持续时间与多个存储的持续时间进行比较，每个存储的持续时间被分配给切换致动器的设置的预定的不同组合；以及用切换致动器的设置的组合控制内燃发动机，该组合允许充气压力最快地增加到目标充气压力。

Description

用于控制由排气涡轮增压器增压的内燃发动机的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制由排气涡轮增压器增压的内燃发动机的方法和装置。

背景技术

机动车辆和安装在其中的内燃发动机配备有越来越多的致动器，以最小化它们的燃料消耗和污染物排放并最大化车辆性能。这些致动器包括：连续动作的致动器，例如控制进入进气歧管的空气质量流量的节流阀、凸轮轴的相位调节器和涡轮增压器的废气门致动器；以及切换致动器，其具有有限数量的可能设置，例如自动换档器的致动器、气缸阀的行程转换机构的致动器，以及可以关闭扭矩消耗器的致动器，例如机械驱动的空调压缩机的致动器。

如果需要由驾驶员通过致动油门踏板来启动车辆加速，发动机控制装置首先根据车辆的当前状态选择切换致动器的设置的新组合作为新操作点的粗略选择，然后借助于连续动作的致动器对操作点执行微调。主要是为了最小化燃料消耗和/或污染物排放，这里试图在节省燃料和/或有利于排放的切换致动器的设置的组合中尽可能长时间地操作车辆。

在先前的实践中，切换致动器的设置的组合的选择总是在稳态条件下可能的操作模式期间的燃料消耗和达到期望的新操作点所需的时间之间的折衷。切换致动器的设置的转换通常由发动机控制装置使用存储的特性图来控制，该特性图已经使用参考发动机完全以折衷的精神填充了关于燃料消耗、污染物排放和到达期望的新操作点的时间的数据。

然而，在以这种方式确定的切换致动器的设置的组合在稳态条件下可实现的操作范围的边界区域中，车辆的响应行为可能急剧恶化。与不太适合节省燃料和/或较不利于排放的切换致动器的设置组合相比，驾驶员可能会注意到车辆需要更长的时间来达到所需的加速度。

发明内容

本发明的目的是规定一种用于控制由排气涡轮增压器增压的内燃发动机的方法，其中操作点的变化得以改善。

这个问题通过具有权利要求1中给出的特征的方法来解决。从属权利要求2-7中规定了本发明的有利实施例和改进。权利要求8涉及一种用于控制由排气涡轮增压器增压的内燃发动机的装置。

在本发明中，执行以下步骤来控制由排气涡轮增压器增压的内燃发动机：

–确定特定内燃发动机在当前操作点且利用切换致动器的设置的预定组合的操作中实现充气压力从当前充气压力增加到与目标操作点相关联的目标充气压力所需的持续时间，

–将确定的持续时间与多个存储的持续时间进行比较，每个存储的持续时间被分配给切换致动器的设置的预定的不同组合，以及

–用切换致动器的设置的组合控制内燃发动机，该组合允许充气压力最快地增加到目标充气压力。

本发明的优点在于，内燃发动机的发动机控制装置在操作点改变的情况下考虑了特定内燃发动机的特性。通过确定特定内燃发动机在当前操作点且利用切换致动器的设置的预定组合下实现充气压力从当前充气压力增加到与目标操作点相关联的目标充气压力所需的持续时间，并将所确定的持续时间与各自被分配给切换致动器的设置的预定的不同组合的多个存储的持续时间进行比较，发动机控制可以利用切换致动器的设置的组合来执行，该组合允许对所考虑的特定内燃发动机执行充气压力到目标充气压力的最快增加。

当打算改变操作点时，发动机控制单元相应地不根据预先借助于参考发动机确定的预定固定转换规则来决定，而是除了这些转换规则之外，还考虑到所考虑的特定内燃发动机的特性，由于生产运行分散和老化效应，这些特性可能不同于已经用来编译预定固定转换规则的参考发动机的特性。

描述内燃发动机在当前操作点的响应行为的参数的确定可以优选地作为特定内燃发动机在当前操作点且利用切换致动器的设置的预定组合实现充气压力从当前充气压力增加到目标充气压力所需的持续时间的确定的一部分来执行。

优选地，在考虑描述内燃发动机在当前操作点的响应行为的参数、在当前操作点可以实现的最大充气压力以及当前充气压力和目标充气压力的同时，执行所述持续时间的确定。

所述持续时间优选地根据以下关系确定：

其中，Δt 是实现目标充气压力之前的持续时间，

A是描述内燃发动机在当前操作点的响应行为的参数，

p_soll是目标充气压力，

p_max是利用切换致动器的设置的当前组合可以实现的最大充气压力，并且

p₀是当前充气压力。

描述内燃发动机在当前操作点的响应行为的参数的确定优选地根据以下关系执行：

其中，A是描述内燃发动机在当前操作点的响应行为的参数，

是充气压力发展开始时在时间t₀处的充气压力梯度，

p_max是利用切换致动器的设置的当前组合可以实现的最大充气压力，并且

p₀是当前充气压力。

当前充气压力p₀优选地借助于充气压力传感器来测量。

利用切换致动器的设置的当前组合可以实现的最大充气压力p_max优选地以非易失方式存储在存储器中，发动机控制装置在确定持续时间之前可访问该存储器。

附图说明

从下面参照图1给出的说明性解释中，本发明的进一步有利特性将变得显而易见，图1示出了用于控制由排气涡轮增压器增压的内燃发动机的装置的框图。

具体实施方式

该装置包含传动系100，传动系100包含由排气涡轮增压器20增压的内燃发动机10。内燃发动机10具有一个或多个气缸11，每个气缸都分配有至少一个入口阀12和至少一个出口阀13。这些入口阀和/或出口阀中的每一个都具有多个阀行程，该阀可以在这些阀行程之间进行切换。

排气涡轮增压器20包括涡轮21和压缩机22。压缩机22在入口侧连接到新鲜空气导管1，并在出口侧提供压缩的新鲜空气。该空气经由充气空气冷却器40供应到充气空气部段2，并且从那里经由节流阀30转移到进气歧管3。压缩空气从进气歧管经由相应的入口阀12转移到相应的气缸11。这种空气用于燃烧引入气缸的燃料。

在该燃烧过程中形成的排气通过出口阀13，经由排气歧管4，到达排气涡轮增压器20的涡轮21。在那里，它们驱动涡轮叶轮，涡轮叶轮通过轴连接到压缩机叶轮，压缩机叶轮布置在压缩机中，因此经由所述轴由涡轮叶轮驱动。

此外，所示的装置具有废气门导管51和布置在充气空气部段2中的充气压力传感器31，废气门导管51可以借助于废气门阀50在完全打开状态和关闭状态之间连续调节。

此外，图1所示的装置具有发动机控制装置60，其被设计成控制内燃发动机10或内燃发动机10的多个致动器。该发动机控制装置60被提供有多个传感器信号se1,...,sen。使用这些传感器信号、存储的操作程序和存储在存储器62中的附加数据，发动机控制装置60确定控制信号st1,...,sty，这些控制信号被提供用于控制内燃发动机的所述致动器。存储在存储器62中的数据包括空气路径模型的数据，该数据包含关于与多个空气压力相关联的致动器的设置的信息。关于致动器设置的该信息包括关于气缸11的入口阀12和/或出口阀13的不同阀行程的信息。

发动机控制装置60被设计成执行用于控制由排气涡轮增压器增压的内燃发动机的方法，其中执行以下步骤：

–确定特定内燃发动机在当前操作点且利用切换致动器的设置的预定组合的操作中实现充气压力从当前充气压力增加到与目标操作点相关联的目标充气压力所需的持续时间，

–将确定的持续时间与多个存储的持续时间进行比较，每个存储的持续时间被分配给切换致动器的设置的预定的不同组合，以及

–用切换致动器的设置的组合控制内燃发动机，该组合允许充气压力最快地增加到目标充气压力。

作为特定内燃发动机在当前操作点且利用切换致动器的设置的预定组合的操作中实现充气压力从当前充气压力增加到与目标操作点相关联的目标充气压力所需的持续时间的确定的一部分，确定描述该特定内燃发动机在当前操作点的响应行为的参数A。

在考虑描述特定内燃发动机在当前操作点的响应行为的上述参数A、在当前操作点可以实现的最大充气压力p_max、当前充气压力p₀和目标充气压力p_soll的同时，使用以下关系确定持续时间：

在此上下文中：

Δt是实现目标充气压力之前的持续时间，

A是描述内燃发动机在当前操作点的响应行为的参数，

p_soll是目标充气压力，

p_max是利用切换致动器的设置的当前组合可以实现的最大充气压力，并且

p₀是当前充气压力。

描述内燃发动机在当前操作点的响应行为的参数A根据以下关系，使用在充气压力发展开始时的时间t₀处的充气压力梯度

、利用切换致动器的设置的当前组合可以实现的最大充气压力p_max和当前充气压力p₀来确定：

。

在此上下文中：

A是描述内燃发动机在当前操作点的响应行为的参数，

是充气压力发展开始时在时间t₀处的充气压力梯度，

p_max是利用切换致动器的设置的当前组合可以实现的最大充气压力，并且

p₀是当前充气压力。

当前充气压力p₀借助于充气压力传感器31测量，该传感器布置在充气空气部段2的区域中。

利用切换致动器的设置的当前组合可以实现的最大充气压力p_max在确定持续时间之前存储在存储器62中，并且可以在需要时由发动机控制装置从存储器检索。

利用上述程序，在决定如何尽可能快地进行操作点的改变的问题时，考虑所考虑的特定内燃发动机的特性。

例如，在驾驶员要求车辆加速后，发动机控制装置选择切换致动器的设置的修改组合作为新要求的操作点的粗略选择，然后如果所执行的检查得出结论，即通过切换致动器的设置的该修改组合可以最快速地执行操作点的期望变化，则借助于连续动作的致动器对新的操作点进行微调。

通过考虑所考虑的特定内燃发动机的特性，例如，可以允许这样的事实，即限制内燃发动机的响应行为的一个子系统通常是气体交换系统。特别地，内燃发动机的排气涡轮增压器可能需要很长时间来达到在排气质量流量低的发动机操作点处的期望的新操作点。由于涡轮增压器转子组件的惯性矩和使用的宽的涡轮增压器速度范围，就用于设定通过压缩机的期望空气质量流量的致动器而言，排气涡轮增压器是气体交换系统中最慢的致动器。相比之下，废气门阀位置的控制系统的致动的持续时间短得可以忽略不计。

如果火花点火发动机要从由发动机速度和发动机扭矩确定的某个发动机操作点增加发动机扭矩，它必须为此相应地增加气缸空气质量。例如，在全发动机模式下，即在进气模式下通过打开节流阀由所有气缸提供动力的情况下，它可以在少于半秒钟内实现这一目的，而在增压半发动机模式下，即仅由每隔一个气缸提供动力的情况下，这需要几秒钟，因为它必须为此目的将涡轮增压器加速到更高的增压器速度（charger speed）。对于驾驶员来说相同的两个加速请求在实现时间上的如此大的差异对于驾驶员可能是不可接受的。在本发明的情况下，考虑到所考虑的特定内燃发动机的特性，确定通过切换致动器的哪种组合可以最快速地实现操作点的期望变化，并且实现到切换致动器的那种组合的转换，通过切换致动器的该组合可以最快速地实现操作点的期望变化。

此外，由于生产运行分散和老化效应，特定内燃发动机的响应行为可能与参考发动机的响应行为显著不同。特别地，对于利用切换致动器的设置的给定当前组合实现的操作点的期望变化，特定发动机可能需要比参考发动机明显更多的时间，并且这对于驾驶员来说可能是不可接受的。

在本发明的情况下，这可以通过以下事实来避免，即发动机控制装置可以确定特定发动机用切换致动器的设置的当前组合来实现操作点的期望改变需要多长时间，从而它可以决定是否应该用较短的实现时间来改变切换致动器的设置的不同组合。

特别地，由于生产运行分散和老化效应，排气涡轮增压器的效率可能与参考发动机的排气涡轮增压器的效率显著不同。这可能会产生这样的效果，即特定发动机上充气压力的期望增加可能比参考发动机上花费更长的时间。在本发明的情况下，避免了这一缺点，因为发动机控制装置可以确定所考虑的特定发动机用切换致动器的设置的当前组合来实现充气压力的期望增加和因此气缸空气质量的期望增加需要多长时间，并且可以决定是否应该用较短的实现时间来改变切换致动器的设置的不同组合。

由于特定发动机的低涡轮增压器效率而可能会考虑对切换致动器的设置的不同组合进行改变的发动机操作点的区别在于以下事实，即节流阀完全打开并且废气门完全关闭，以使得气缸空气质量能够在切换致动器的设置的当前组合下以最大速度上升。基于具有车辆的切换致动器的设置的给定组合的气体交换系统，这对应于满负荷操作点。从紧接着节流阀打开后的相应充气压力开始，关闭的废气门确保对应于该充气压力的整个排气质量流量通过涡轮增压器涡轮并加速压缩机叶轮。充气压力和因此排气质量流量、排气背压和涡轮增压器速度相应地增加。如果节流阀保持打开，废气门保持关闭，并且充气压力持续上升，则系统处于正反馈状态。由于发动机的进气能力随着排气背压的增加而达到稳定，并且涡轮增压器操作点移动到效率较低的范围内，充气空气梯度减小，直到实现恒定的最大充气压力水平。

根据发动机操作点，如果没有超出发动机操作变量(例如，涡轮增压器速度、压缩机出口温度、排气温度、气缸空气质量、发动机扭矩等)的允许极限，则发动机可以在该恒定的最大充气压力下操作，如果超出了所述发动机操作变量的一个或多个允许极限并且发动机将因此损坏，则发动机不可以在该恒定最大充气压力下操作。

无论发动机是否可以在节流阀完全打开且废气门完全关闭的稳态条件下可以实现的最大充气压力下操作，从节流阀打开且废气门关闭一时间t时的时间的充气压力p₀开始，充气压力的特性或至少特性的开始可以由以下指数函数很好地描述：

节流阀打开且废气门关闭时的时间t₀对于发动机控制装置是已知的。

节流阀打开且废气门关闭时的时间t₀的充气压力p₀通过特定发动机上的充气压力传感器来测量，因此对于发动机控制装置同样是已知的。

此外，假设可以在稳态条件下实现的最大充气压力p_max存储在发动机控制装置60的存储器62中的模型中，并且如果需要，已经针对特定发动机进行了调整，并且因此对于发动机控制装置是已知的，该最大充气压力是通过参考发动机在节流阀完全打开并且废气门完全关闭的情况下确定的。

为了预测充气压力p的特性，还需要确定参数A，该参数描述了特定发动机在所考虑的相应操作点的响应行为。为了反映特定发动机的行为及其在相应操作点与参考发动机的差异，必须根据在相应操作点对特定发动机的测量来确定参数A。

从上述等式(1)相对于时间的导数中获得以下关系作为充气压力梯度：

得到作为在充气压力发展开始的时间t₀的充气压力梯度的以下结果：

由此，可以将当前操作点的参数A确定为：

在节流阀打开和废气门关闭的时间t₀之后，立即测量持续时间Δt₀内的充气压力p。根据这些测量的压力和与之相关联的时间，该持续时间Δt₀的充气压力梯度被确定为时间t₀的充气压力梯度的近似值，例如通过高斯最小二乘法确定的回归线的斜率。

通过根据等式(4)确定当前操作点的参数A，可以在时间t₀ + Δt₀根据等式(1)预测超过时间t₀ + Δt₀的充气压力p的特性。

当针对(t-t₀)重新布置时，等式(1)描述了从p₀开始实现期望充气压力p的持续时间。

当应用于将通过期望的操作点移动来实现的目标充气压力p_soll时，利用切换致动器的设置的当前组合的期望操作点移动的实现的持续时间Δt_ctl如下获得。

如果该预测的实现持续时间小于存储在发动机控制单元60的存储器62中的相应特性图中的最大允许实现持续时间，则在当前操作点移动的持续时间内保持切换致动器的设置的当前组合。

然而，如果该预测的实现持续时间大于存储在发动机控制单元60的存储器62中的相应特性图中的最大允许实现持续时间，则立即切换到切换致动器的设置的不同组合，以便尽可能快地实现当前期望的操作点移动。

通过上述过程，车辆的切换致动器的切换策略在所有这些之后，通过确定所考虑的特定发动机在当前操作点实现当前期望的操作点变化所需的时间，并且将该时间与存储在发动机控制单元中的最大可接受持续时间进行比较，来适应特定车辆，并且使得节省燃料和舒适的车辆工作模式成为可能。

Claims (7)

1.一种用于控制由排气涡轮增压器增压的内燃发动机的方法，包括以下步骤：

–确定特定内燃发动机在当前操作点且利用切换致动器的设置的预定组合的操作中，实现充气压力从当前充气压力增加到与目标操作点相关联的目标充气压力所需的持续时间，

–将所述确定的持续时间与多个存储的持续时间进行比较，每个存储的持续时间被分配给所述切换致动器的设置的预定的不同组合，以及

–用所述切换致动器的所述设置的组合控制所述内燃发动机，该组合允许所述充气压力最快地增加到所述目标充气压力，

其中根据以下关系来执行所述特定内燃发动机在所述当前操作点且利用切换致动器的所述设置的所述预定组合下实现从所述当前充气压力到目标充气压力的充气压力增加所需的所述持续时间的所述确定：

其中，Δt是实现所述目标充气压力之前的持续时间，

A是描述所述内燃发动机在所述当前操作点的所述响应行为的参数，

p_soll是所述目标充气压力，并且

p_max是利用所述切换致动器的设置的所述当前组合可以实现的所述最大充气压力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用以下步骤来执行所述特定内燃发动机在所述当前操作点且利用切换致动器的设置的所述预定组合下实现从所述当前充气压力到所述目标充气压力的充气压力增加所需的持续时间的所述确定：

- 确定描述所述内燃发动机在所述当前操作点的响应行为的参数(A)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在考虑到以下因素的情况下执行所述持续时间的所述确定

- 描述所述内燃发动机在所述当前操作点的所述响应行为的所述参数(A)，

- 利用所述切换致动器的设置的所述当前组合可以实现的最大充气压力(p_max)，

- 所述当前充气压力(p₀)，和

- 所述目标充气压力(p_soll)。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，描述所述内燃发动机在所述当前操作点的所述响应行为的所述参数(A)的所述确定根据以下关系执行：

其中，A是描述所述内燃发动机在所述当前操作点的所述响应行为的所述参数，

是充气压力发展开始时在时间t₀处的充气压力梯度，

p_max是利用所述切换致动器的设置的所述当前组合可以实现的所述最大充气压力，并且

p₀是所述当前充气压力。

5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，借助于充气压力传感器测量所述当前充气压力。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述持续时间的所述确定之前，利用所述切换致动器的所述设置的所述当前组合可以实现的所述最大充气压力被存储在存储器中。

7.一种用于控制由排气涡轮增压器增压的内燃发动机的装置，其特征在于，所述装置具有发动机控制装置(60)，该发动机控制装置被设计用于控制如前述权利要求中任一项所述的方法。

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