CN111677594B - 一种增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，在预测到未来需要较大的扭矩输出时，首先关小增压器放气阀或喷嘴环，提升节气门前的压力，同时节气门保持进气歧管中的压力近似不变，提前在节气门与压气机之间的管路内储备相对高压高密度的空气。待实际扭矩需求马上到来时，迅速开大节气门，利用储备的高密度空气，加速空气供给。本发明有效提高了瞬态过程扭矩响应速度，降低了油耗。

Description

一种增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及一种基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法。
背景技术
进气增压是现代发动机广泛采用的技术，是提高升功率、实现小型强化的重要手段。然而，随着发动机小型强化程度的增强和RDE(实际驾驶排放)测试循环的实施，发动机扭矩的快速响应不仅直接影响动力性，还影响油耗和排放。
目前，提升发动机扭矩响应的途径主要有几类：1)使用电机或其他动力源与发动机共同驱动车辆，构成混合动力技术；2)采用可变截面增压(VGT)技术加速空气响应；3)采用电辅助涡轮增压技术加速空气响应，4)采用先进的瞬态控制算法。由于空气响应速度慢是发动机扭矩响应的最大瓶颈，所以提高空气的供给速度是最关键和最有效方法。在上述四类技术中，第4)种技术不需要发动机的硬件改动、成本低，一直被人们重视。
对于第4)种瞬态控制算法，根据所使用当前还是未来信息的不同，可将其分为两大类： 1)基于当前发动机运行工况的控制；2)使用未来行驶工况的控制。
在过去，由于未来的行驶工况信息并不容易获取，并且未来工况的预测往往需要较高的计算量，因此在该研究分支上的工作相对较少。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的增压发动机瞬时扭矩响应慢、瞬态的油耗和排放差的问题，而提供一种基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，包括以下步骤：
步骤1，利用常规空气供给控制策略查找当前需求扭矩和预测的需求扭矩的时间序列；
步骤2，如果未来n秒后，所述预测的需求扭矩不增大，则返回步骤1；
如果未来n秒后，所述预测的需求扭矩增大，则进一步判断所述当前需求扭矩是否增大：
若所述当前需求扭矩不增大则启动瞬态储气控制策略，进入步骤3；若所述当前需求扭矩增大则启动瞬态空气加速供给策略，进入步骤6；
步骤3，根据所述当前需求扭矩计算得到当前所需进气量，根据所述预测的需求扭矩计算得到未来所需进气量；
步骤4，根据所述未来所需进气量较所述当前所需进气量的增加量，计算瞬态储气控制策略的节气门前目标压力(即节气门与压气机之间的管路内的目标压力)；
步骤5，通过同时减小节气门开度和增压器的放气阀或喷嘴环开度，实现计算瞬态储气控制策略的节气门前目标压力，维持常规空气供给控制策略中的节气门后压力，然后返回所述步骤1；
步骤6，采用闭环控制算法，快速增大节气门开度，利用节气门前储备的高压气体，快速提升节气门后的压力，跟踪节气门后压力目标值，(节气门后压力目标值为发动机控制策略中的基本参数，主要取决于对发动机功率输出的需求，为行业内技术人员熟知。)本步骤开始 n秒后，瞬态空气加速供给策略的节气门前目标压力切换回常规空气供给控制策略中的取值。
步骤7，当节气门前的实际压力与常规空气供给控制策略中的节气门前压力取值相等或取值之差达到预定阈值时，联合调节增压器放气阀或喷嘴环的开度，持续跟踪发动机所需的进气量或压力目标值，返回步骤1。
在上述技术方案中，n根据发动机响应特性进行标定。
在上述技术方案中，k根据发动机响应特性进行标定。
在上述技术方案中，n为0.5～3，k为0.5～3。
在上述技术方案中，所述步骤3中，根据所述当前需求扭矩计算当前所需进气量的方法为：根据当前需求扭矩和发动机的热效率计算所需的每缸每循环的喷油量，再结合发动机的空气-燃油比例控制要求，计算当前所需进气量，即空气量；
在上述技术方案中，所述步骤3中，根据所述预测的需求扭矩计算未来所需进气量的方法为：根据预测的需求扭矩和发动机的热效率计算所需的每缸每循环的喷油量，再结合发动机的空气-燃油比例控制要求，计算未来所需进气量，即空气量；
在上述技术方案中，所述步骤4中，根据所述未来所需进气量较所述当前所需进气量的增加量，计算所需的进气歧管内的气体压力的增加量Δp，Δp与常规空气供给控制策略中的节气门前目标压力相加，即为瞬态储气控制策略中的节气门前目标压力。
在上述技术方案中，在计算出瞬态储气控制策略中的节气门前目标压力后，所述步骤5 中，采用闭环控制器，调节节气门开度和增压器的放气阀或喷嘴环开度，跟踪步骤4所得的所述节气门前目标压力(该值大于步骤1中常规的空气供给控制策略中的节气门前压力)和目标节气门后压力。
在上述技术方案中，所述步骤6中，所述闭环控制算法为PID闭环控制算法、自抗扰控制算法、模型预测控制算法、滑模控制算法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.随着智能网联技术以及云计算技术的快速发展，未来行驶工况的预测逐渐成为可能。本发明在未来段时间内(如0.5-3秒)发动机需求扭矩可知的假设条件下，提出了增压发动机的空气系统瞬时储气与供给算法。
2.使用未来需求扭矩的预测信息，在需求扭矩增大之前，通过减小节气门开度和增压器放气阀或喷嘴环开度，以提高节气门前压力的方式储备一部分空气，有望在不改变发动机硬件配置的条件下，实现瞬时储气，进而加速随后的空气供给。
3.通过瞬时储气的功能，可显著增强车辆在瞬态突加速运行时发动机的扭矩响应速度，改善车辆的动力性。
4.通过采用本发明的储气和快速供给控制算法，可改善发动机在瞬态运行时的空燃比控制品质，并改善排放及油耗。
附图说明
图1所示为本发明的基本流程图。
图2是本发明和常规空气供给控制策略的对比示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基本思路是：在预测到未来需要较大的扭矩输出时，首先关小增压器放气阀或喷嘴环，提升节气门前的压力，同时节气门保持进气歧管中的压力近似不变，提前在节气门与压气机之间的管路内储备相对高压高密度的空气。待实际扭矩需求马上到来时，迅速开大节气门，利用储备的高密度空气，加速空气供给，改善瞬时扭矩响应。
实施例1
一种基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，包括以下步骤：
步骤1，常规空气供给控制策略查找当前需求扭矩和预测的需求扭矩的时间序列；
步骤2，如果未来n秒后，所述预测的需求扭矩不增大，则返回步骤1；
如果未来n秒后，所述预测的需求扭矩增大，则进一步判断所述当前需求扭矩是否增大：
若所述当前需求扭矩不增大则启动瞬态储气控制策略，进入步骤3；若所述当前需求扭矩增大则启动瞬态空气加速供给策略，进入步骤6；
步骤3，根据所述当前需求扭矩计算得到当前所需进气量，根据所述预测的需求扭矩计算得到未来所需进气量；
步骤4，根据所述未来所需进气量较所述当前所需进气量的增加量，计算瞬态储气控制策略的节气门前目标压力(即节气门与压气机之间的管路内的目标压力)；
步骤5，通过同时减小节气门开度和增压器的放气阀或喷嘴环开度，实现计算瞬态储气控制策略的节气门前目标压力，维持常规空气供给控制策略中的节气门后压力，然后返回所述步骤1；
步骤6，采用闭环控制算法，快速增大节气门开度，利用节气门前储备的高压气体，快速提升节气门后的压力，跟踪节气门后压力目标值，(节气门后压力目标值为发动机控制策略中的基本参数，主要取决于对发动机功率输出的需求，为行业内技术人员熟知。)本步骤开始 k秒后，瞬态空气加速供给策略的节气门前目标压力切换回常规空气供给控制策略中的取值。
步骤7，当节气门前的实际压力与常规空气供给控制策略中的节气门前压力取值相等或取值之差达到预定阈值时，联合调节增压器放气阀或喷嘴环的开度，持续跟踪发动机所需的进气量或压力目标值，返回步骤1。
n和k根据发动机响应特性进行标定。，n为0.5～3，k为0.5～3。n可选为1，k可选为1。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，进一步详细说明。
所述步骤1中，常规空气供给控制策略可采用任何一种现有的常规控制策略，具体可以参考文献(Eriksson L,Nielsen L.Modeling and control of engines anddrivelines.John Wiley&Sons,2014)。
所述步骤3中，根据所述当前需求扭矩计算当前所需进气量的方法为：根据当前需求扭矩和发动机的热效率计算所需的每缸每循环的喷油量，再结合发动机的空气-燃油比例控制要求，计算当前所需进气量，即空气量；根据所述预测的需求扭矩计算未来所需进气量的方法为：根据预测的需求扭矩和发动机的热效率计算所需的每缸每循环的喷油量，再结合发动机的空气-燃油比例控制要求，计算未来所需进气量，即空气量。
所述步骤4中，采用发动机进气量计算中的速度-密度法，根据所述未来所需进气量较所述当前所需进气量的增加量，计算所需的进气歧管内的气体压力的增加量Δp，Δp与常规空气供给控制策略中的节气门前目标压力相加，即为瞬态储气控制策略中的节气门前目标压力。
所述步骤5中，在计算出瞬态储气控制策略中的节气门前目标压力后，所述步骤5中，采用闭环控制器，调节节气门开度和增压器的放气阀或喷嘴环开度，跟踪所述节气门前目标压力，本发明提出的是新的节气门前和节气门后目标压力的设定方法，而具体的闭环控制算法可采用现有的闭环控制算法，更为具体的可以参考文献(Eriksson L,NielsenL.Modeling and control of engines and drivelines.John Wiley&Sons,2014)。
具体的，由于步骤4和步骤5中增大了节气门前的压力，故在步骤6)实施的初期，节气门前实际压力有可能高于常规空气供给控制策略中的节气门前压力取值，故需要等待节气门前实际压力在节气门开度增大后逐步下降，待其与常规空气供给控制策略中的节气门前压力取值之差相等时，再联合调节增压器放气阀或喷嘴环的开度，持续跟踪发动机所需的进气量或压力目标值。本发明强调的是从步骤6中只控制节气门开度切换为步骤7中协调控制节气门与放气阀开度的时机的选择。节气门与放气阀开度协调控制算法可以参考文献(Eriksson L,Nielsen L.Modeling and control of engines and drivelines.JohnWiley&Sons,2014))。
所述步骤7中，节气门前实际压力减去常规空气供给控制策略中的节气门前压力取值之差在预定阈值以内时，联合调节增压器放气阀或喷嘴环的开度，持续跟踪发动机所需的进气量或压力目标值。
具体思路为，由于步骤4和步骤5中增大了节气门前的压力，故在步骤6)实施的初期，节气门前实际压力有可能高于常规空气供给控制策略中的节气门前压力取值，故需要等待节气门前实际压力在节气门开度增大后逐步下降，待其与常规空气供给控制策略中的节气门前压力取值之差相等时，再联合调节增压器放气阀或喷嘴环的开度，持续跟踪发动机所需的进气量或压力目标值。本发明强调的是从步骤6中只控制节气门开度切换为步骤7中协调控制节气门与放气阀开度的时机的选择。节气门与放气阀开度协调控制算法可采用现有的控制算法，更为具体的可以参考文献(Eriksson L,Nielsen L.Modeling andcontrol of engines and drivelines.John Wiley&Sons,2014)。
实施例3
本实施例对本发明的方法进行模拟，本发明扭矩预测、快速储气、快速供气的示意图如图2所示。
在t0时刻，预测的需求扭矩开始增大，但是当前的实际需求扭矩还没有上升(如图2中 (a)所示)，故进入瞬态储气阶段，故进入步骤3，计算所需的进气量。之后，经过步骤4计算后，得到瞬态储气控制策略的节气门前的目标压力(图2中(b)所示)开始上升，该值高于常规方法计算的节气门前的目压力。为了跟踪该目标节气门前压力，在步骤5的调节中，(图2中(e)所示)增压器的放气阀或者喷嘴环的开度减小(小于常规方法的取值，因为常规方法此时节气门和放气阀或者喷嘴环开度并未提前动作)，去跟踪节气门前后的压力(图2中(b)、(c)所示)。注意，在这个过程中，节气门后的目标压力与常规方法计算的数值相同，如图2中(c)所示。
执行完成步骤5后，返回步骤1，并随后进入步骤2，直至经过n＝t1-t0时间(以及)后，实际的需求扭矩开始增大(图2中(a)所示)，此时进入到瞬态快速供给阶段，进入步骤6。此时，节气门开度增大(图2中(d)所示)，增压器的放气阀和/或喷嘴环的开度首先减小继而适当增大(图2中(e)所示)，用于跟踪新的节气门前后的压力。值得注意的是，由于本发明的算法，提前提高了节气门前的压力，因此，实现了一定程度的“空气储备”。所以，喷嘴环在t1时刻的关闭量常规方法的略小(意味着，此时发动机排气口压力小，泵气损失小，油耗低)。但是，节气门后的压力响应却更快(如图2中(c))，需求扭矩的响应速度(如图 2中(a))也更快。
最后，当节气门前的实际压力与常规空气供给控制策略中的节气门前压力取值相等或取值之差达到预定阈值时，联合调节增压器放气阀或喷嘴环的开度，持续跟踪发动机所需的进气量或压力目标值，返回步骤1。
综合上述分析，采用本发明的算法，瞬态过程扭矩响应更快，油耗更低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用常规空气供给控制策略查找当前需求扭矩和预测的需求扭矩的时间序列；
步骤2，如果未来n秒后，所述预测的需求扭矩不增大，则返回步骤1；
如果未来n秒后，所述预测的需求扭矩增大，则进一步判断所述当前需求扭矩是否增大：
若所述当前需求扭矩不增大则启动瞬态储气控制策略，进入步骤3；若所述当前需求扭矩增大则启动瞬态空气加速供给策略，进入步骤6；
步骤3，根据所述当前需求扭矩计算得到当前所需进气量，根据所述预测的需求扭矩计算得到未来所需进气量；
步骤4，根据所述未来所需进气量较所述当前所需进气量的增加量，计算瞬态储气控制策略的节气门前目标压力；
步骤5，通过同时减小节气门开度和增压器的放气阀或喷嘴环开度，实现计算瞬态储气控制策略的节气门前目标压力，维持常规空气供给控制策略中的节气门后压力，然后返回所述步骤1；
步骤6，采用闭环控制算法，快速增大节气门开度，利用节气门前储备的高压气体，快速提升节气门后的压力，跟踪节气门后压力目标值，本步骤开始k秒后，瞬态空气加速供给策略的节气门前目标压力切换回常规空气供给控制策略中的取值；
步骤7，当节气门前的实际压力与常规空气供给控制策略中的节气门前压力取值相等或取值之差达到预定阈值时，联合调节增压器放气阀或喷嘴环的开度，持续跟踪发动机所需的进气量或压力目标值，返回步骤1。
2.如权利要求1所述的基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，其特征在于，所述步骤2中，n根据发动机响应特性进行标定。
3.如权利要求1所述的基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，其特征在于，所述步骤6中，k根据发动机响应特性进行标定。
4.如权利要求1所述的基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，其特征在于，n为0.5～3，k为0.5～3。
5.如权利要求1所述的基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，其特征在于，所述步骤3中，根据所述当前需求扭矩计算当前所需进气量的方法为：根据当前需求扭矩和发动机的热效率计算所需的每缸每循环的喷油量，再结合发动机的空气-燃油比例控制要求，计算当前所需进气量，即空气量。
6.如权利要求1所述的基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，其特征在于，所述步骤3中，根据所述预测的需求扭矩计算未来所需进气量的方法为：根据预测的需求扭矩和发动机的热效率计算所需的每缸每循环的喷油量，再结合发动机的空气-燃油比例控制要求，计算未来所需进气量，即空气量。
7.如权利要求1所述的基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，其特征在于，所述步骤4中，根据所述未来所需进气量较所述当前所需进气量的增加量，计算所需的进气歧管内的气体压力的增加量Δp，Δp与常规空气供给控制策略中的节气门前目标压力相加，即为瞬态储气控制策略中的节气门前目标压力。
8.如权利要求1所述的基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，其特征在于，所述步骤4中，瞬态储气控制策略中的节气门前目标压力大于步骤1中常规空气供给控制策略中的节气门前压力。
9.如权利要求1所述的基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，其特征在于，在计算出瞬态储气控制策略中的节气门前目标压力后，所述步骤5中，采用闭环控制器，调节节气门开度和增压器的放气阀或喷嘴环开度，跟踪步骤4所得的所述节气门前目标压力和目标节气门后压力。
10.如权利要求1所述的基于需求扭矩预测的增压发动机空气系统的快速储气与供给控制方法，其特征在于，所述步骤6中，所述闭环控制算法为PID闭环控制算法、自抗扰控制算法、模型预测控制算法或滑模控制算法。
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