WO2012100420A1

WO2012100420A1 - 用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法

Info

Publication number: WO2012100420A1
Application number: PCT/CN2011/070690
Authority: WO
Inventors: 胡广地; 孙少军; 佟德辉; 郭圣刚; 龚英利
Original assignee: 潍柴动力股份有限公司
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-02
Also published as: US9534533B2; US20140109570A1

Description

用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法技术领域

本发明的实施方式总体上涉及柴油发动机，更具体地，涉及用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法。背景技术

随着发动机理论和技术的不断发展，废气再循环（EGR )系统已经成为柴油发动机中的重要组成部分。在柴油发动机排出的废气中，通常含有大量的氮氧化合物（ΝΟχ ) , 它是造成大气污染的一个主要来源。利用 EGR系统，柴油发动机产生的一部分废气被送回气缸。由于再循环废气具有惰性，因此它将会延緩燃烧过程，使燃烧速度有所减慢，进而导致燃烧室中的压力形成过程减慢，从而有效地减少氮氧化合物。另外，提高废气再循环率会使总的废气流量降低，因此废气排放中总的污染物输出量将得以减少。

除 EGR之外，为了提高柴油发动机的动力性能、改善燃烧，涡轮增压系统也是现代柴油发动机中的重要组成部分之一。例如，可变几何涡轮增压器（VGT ) 是一种常见的涡轮增压系统。涡轮增压系统本质上是一种空气压缩系统，通过压缩空气来增加柴油发动机气缸的进气量。它由发动机排出的废气的冲力来驱动，通过增压器转轴等装置将压力传递至空气压缩机，从而使新进入的空气在进入气缸前被有效地增压。

在同时配备有 EGR和涡轮增压系统的柴油发动机中，这二者之间的耦合特性给空气系统的控制提出了挑战。在配备有废气再循环系统 EGR和涡轮增压系统的柴油发动机中，对于 EGR系统而言，精确控制 EGR率和进气温度是改善 ΝΟχ排放、以及降低其对颗粒物及动力和经济性影响的关键。在这种发动机中， EGR冷却器的输入废气的流量由 EGR阀控制， EGR阀的入口端与涡轮增压器的涡轮入口端二者都接收从排气管道排出的发动机废气。可以理解，除 EGR 阀自身的开度变化外，增压系统所导致的增压压力和排气背压的变化也会对 EGR流量率产生影响。另一方面， EGR阀的开度变化也会对输入增压器的入口流量产生影响。也就是说，废气再循环系统和增压系统是两个相互依赖、相互影响的系统，即，具有耦合特性。

废气再循环系统和增压系统所具有的耦合特性始终是柴油发动机空气系统控制的难点，同时控制两者的多变量控制策略也一直是柴油发动机空气系统控制策略的研究热点。在现有技术中，几种已知的控制策略简单概括如下：

( 1 ) 廒气再循环系统和增压系统的独立控制策略，即以增压压力为控制目标，通过 PID (比例-积分-微分）控制加瞬态前馈控制策略驱动 VGT阀使实际增压压力达到目标值；以空气流量为控制目标，通过 P I D控制加瞬态前馈的控制策略驱动 EGR阀使实际空气流量达到目标值。

( 2 ) 以进气空气流量和增压压力为控制目标，根据对空气系统平均值模型进行局部线性化，根据线性模型设计最优或鲁棒控制器，再进一步扩展到整个工况范围从而得到非线性控制策略的方法：如 H 无穷控制，根据 Lyapunov稳定性理论的控制器设计方法，最小二次型最优状态反馈的控制律，滑模控制器等。

( 3 ) 以进气空气流量和增压压力为控制目标，根据非解析模型的控制器设计方法：如模糊逻辑控制方法，根据神经网络的控制方法等。

( 4 ) 以进气空气流量和增压压力为控制目标，采用模型预测控制方法，即在控制器中集成被控对象的数学模型，通过模型对未来多步系统输出进行预测，根据预测值与目标值的偏差构造目标函数，通过迭代求解当前控制量的最优值使目标函数最小化。

( 5 ) 以空然比和进气管内废气质量分数为控制目标，采用空气系统降秩解耦控制策略，即空气系统的传递函数矩阵在某些情况下是降秩的，因此，两个控制目标具有一定的关系，可以将原有的二维控制策略转化为较简单的一维控制策略。上述根据空气流量和增压压力的独立 PID控制策略（ 1 ) 的主要优点是结构简单并能实现良好的稳态控制效果，且用于参数的标定的试验工作量小。独立闭环 PID控制的缺点是由于系统本身的耦合特性使得其动态过程的控制效果不理想，在加速的过程中容易出现冒烟现象。独立工作的闭环控制的另一个缺点是 EGR工作范围有限，原因在于 EGR阀只能在涡前压力高于增压压力时，因此只能用于中低负荷和中低转速工况。 Nissan, Toyota, Cummins等公司在实际使用中并未采用空气流量和增压压力作为目标值，而采用了以 EGR率代替增压压力作为目标值的控制策略。

这几种方法一个共性的问题是 EGR的流量估计。由于 EGR流量传感器无论从精度还是可靠性上都远不能满足实际使用需要，使得 EGR流量主要通过估计得到。而影响 EGR流量的排气管温度和压力， EGR管道节流系数，冷却效率等都需要大量的试验才能得到满意的估计效果，因此使得根据此方法的控制系统试验非常巨大。以上控制策略虽然都能在稳态控制中取得较好的效果，但是由于废气再循环系统和增压系统同时作用于进气管，存在耦合特性，而控制策略中并没有针对这种耦合特性设计瞬态控制策略，所以，瞬态控制效果往往并不理想。

以进气空气流量和增压压力为控制目标的控制策略（2 ) - ( 4 ) 存在空气系统控制策略的精确性要求和筒洁性要求构成一个明显的矛盾。该矛盾直接来源于废气再循环系统和增压系统的强耦合和非线性关联。根据空气流量和增压压力的独立闭环控制策略以及它的变形都无法满足稳态和瞬态性能的要求。各种理论研究成果由于控制策略的复杂性，对控制硬件的要求，以及参数标定的困难等多方面的因素，也不适应实际控制系统的要求。

而对于以采用空然比和进气管内废气质量分数作为控制目标的控制策略（5 ) , 在实际使用过程中，缺乏直接测量空燃比与进气管内廒气盾量分数的成熟商用传感器，所以不能实现直接以谚参数为控制目标的反馈控制。而空气流量与增压压力都非常容易由现有传感器测量，因此可以建立根据空气流量与增压压力的反馈控制策略，空然比与进气管内废气质量分数作为中间变量通过观测器得到。而状态观测器将引入时延和误差，对瞬悉工况控制是不利的。

综上所述，现有技术中针对柴油发动机空气系统的控制策略无法很好地同时满足柴油发动机实际运行稳态和瞬悉工况性能，以及排放和柴油发动机控制单元（ECU ) 标定的要求。

因此，在本领域中，需要一种能够满足柴油发动机的实际运行工况、相对简单且易于实现和标定的空气系统控制策略。发明内容

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明的实施方式提供一种在稳态下更为有效地控制柴油发动机的空气系统的设备和方法。

在本发明的一个方面，提供一种用于在稳态下控制柴油发动机的空气系统的设备，其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮增压系统，所述设备包括：工况获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际工况的参数；解耦计算装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据来自所述工况获取装置的所述参数以及表征所述柴油发动机的传递函数来计算解耦传递函数；空气系统参数处理装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于处理指示所述空气系统的状态的参数；以及信号产生装置，其耦合至所述解耦计算装置和所述空气系统参数处理装置，配置用于根据来自所述解耦计算装置的所述解耦传递函数和来自所述空气系统参数处理装置的处理结果，产生用于所述废气再循钚系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。

根据本发明的另一方面，提供一种柴油发动机，包括：气缸体；进气管道，耦合至所述气缸体的入口端，配置用于向所述气缸体输送气体；排气管道，耦合至所述气缸体的出口端，配置用于排出所述气缸体燃烧的废气；燃油喷射系统，耦合至所述气缸体，配置用于向所述气缸体喷射燃油；空气系统；和控制单元。根据本发明的实施方式，空气系统包括：废气再循环系统，耦合至所述排气管道和所述进气管道，配置用于将来自所述排气管道的部分废气通过所述进气管道输送回所述气缸体；以及涡轮增压系统，耦合至所述排气管道，配置用于利用来自所述排气管道的废气来增大通过所述气缸体的进气压力。所述控制单元包括如上文所述的设备，以用于在稳态下控制所述空气系统。

根据本发明的又一方面，提供一种用于在稳态下控制柴油发动机的空气系统的方法，其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮增压系统，所述方法包括：获取指示所述柴油发动机的实际工况的参数；根据所述参数以及表征所述柴油发动机的传递函数来计算解耦传递函数；处理指示所述空气系统的状态的参数；以及根据所述解耦传递函数和所述处理的结果，产生用于所述废气再循环系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。

根据本发明的实施方式，提供了一种能够在稳态下对柴油发动机的空气系统进行有效控制的设备和方法。在本发明的实施方式中，利用传递函数来表征柴油发动机的特征。在控制过程中，根据 i亥传递函数以及指示柴油发动机工况的参数，计算解耦传递函数。如下文详述的，解耦传递函数是本发明的核心思想之一，用于确保针对 EGR 阀的驱动信号和针对增压阀的驱动信号彼此独立地产生，从而实现二者的解耦。具体而言，通过将该解耦传递函数作用于经处理的空气系统状态参数（例如，发动机的 EGR流量率和进气压力），可以实现这两个驱动信号的解耦，这将在下文详述。

以此方式，本发明的实施方式保证了废气再循环阀和涡轮增压阀在稳态工况下互相独立地控制，并且可以分别进行标定。由此，既达到了对这两个系统进行标定的筒洁性，显著改善了空气控制系统的功能特性。附图说明通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图 1 示出了包括废气再循环系统和涡轮增压系统二者的柴油发动机的示意性结构图；

图 2 示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动机的空气系统的控制设备 200的示意性结构图；

图 3 示出了根据本发明实施方式的利用解耦传递函数彼此独立地产生两类驱动信号的示意图；

图 4示出了适合于用来实践图 2中的控制设备 200的片上系统

( SoC ) 400的示意性结构图；以及

图 5 示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动机的空气系统的控制方法 500的流程图。

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。

根据本发明的实施方式，提出了一种用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法。应当注意，在本文中，所使用的术语"空气系统"至少包括废气再循环 EGR系统和涡轮增压系统。

还应注意，在本文中提及的例如可变几何涡轮增压系统（VGT ) 等具体涡轮增压系统，仅仅是出于说明和示范目的。本发明的实施方式同样适用于利用发动机废气进行工作的现在已知或将来开发的任何涡轮增压系统。本发明的范围在此方面不受限制。

另外，在本文中，所使用的术语 "参数 "表示任何能够指示发动机的（目标或实际）物理状态或运行状况的物理量的值。而且，在本文中， "参数，，与其所表示的物理量可以互换使用。例如， "指示转速的参数 "与"转速"在本文中具有等同的含义。

此外，在本文中，所使用的术语 "获取 "包括目前已知或将来开发的各种手段，例如测量、读取、估计、估算，等等。

下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。首先参考图 1, 如上文所述，其示出了配备有废气再循环和涡轮增压系统的柴油发动机 100的示意性结构图。应当理解，图 1 中仅仅是示出了柴油发动机 100中与本发明的实施方式有关的部分。柴油发动机 100还可以包括任意数目的其他部件。

如图 1所示，柴油发动机 100包括：气缸体 108; 进气管道 106, 耦合至气缸体 108的入口端，配置用于向气缸体 108输送气体；排气管道 112, 耦合至气缸体 108的出口端，配置用于排出气缸体 108 燃烧的废气；燃油喷射系统 110, 耦合至气缸体 108, 配置用于向其喷射燃油；空气系统；以及控制单元（ECU) 114, 用于实现对柴油发动机 100的控制。如上所述，空气系统包括：废气再循环系统（例如包括 EGR阀 116、 EGR冷却器 118以及其他必要部件），其耦合至排气管道 112和进气管道 106,配置用于将来自排气管道 112的部分废气通过进气管道 106输送回气缸体 108; 以及涡轮增压系统 (例如包括增压器 120、增压器转轴 124、空气压缩机 102、空气中冷器 104以及其他必要部件），其耦合至排气管道 112, 用于利用来自排气管道 112的废气，增大通过气缸体 108的进气压力。

从图 1 中可见，废气再循环系统和涡轮增压系统都接收来自排气管道 112的废气，其进气流量分别由 EGR阀 116和增压阀 122来控制。在操作中，柴油发动机电子控制单元（ECU) 114根据发动机的工况产生相应的阀驱动信号，分别用于控制 EGR阀 116和增压阀 122的开度。如上所述，廒气再循环系统和涡轮增压系统的性能彼此影响，因此需要对废气再循环阀 116和增压阀 122的开度进行有效的控制。气系统的控制设备 200 的示意性结构图。可以理解，控制设备 200 可以作为图 1 中示出的柴油发动机 ECU 1 14或其部分而付诸实践。备选地，控制设备 200也可以实现为专门针对柴油发动机的空气系统的控制设备。

如图 2所示，控制设备 200包括工况获取装置 202 , 其可配置用于获取指示柴油发动机（例如，图 1所示的柴油发动机 100 )的实际工况的参数。在本发明的某些实施方式中，工况获取装置 202 可以包括转速获取装置 2022，其可配置用于荻取指示发动机的实际转速的参数，记为 ω。工况获取装置 202还可以包括燃油喷射率获取装置 2024，其可配置用于获取指示发动机的实际燃油喷射率的参数，记为 /^。此外，根据本发明的实施方式，工况获取装置 202还包括 EGR流量率获取装置 2026和进气压力获取装置 2028 , 将在下文详 ^田 4 述。

应当理解，工况获取装置 202 ( 以及其中包括的子装置 2022-2028 ) 可以通过实际测量来获取发动机的工况参数。备选地或附加地，工况获取装置 202也可以根据实际条件通过估计或估算来获取发动机的工况参数。本发明的范围在此方面不受限制。

而且，还应当理解，装置 2022-2028仅仅是可被包括在工况获取装置 202 中的装置的示例。实际上，工况获取装置 202 可以包括任意一个或多个其他获取装置，用于获取柴油发动机的其他工况参数。这是本领域技术人员容易想到的，本发明的范围在此方面同样不受限制。

如图 2所述，根据本发明的实施方式，控制设备 200还包括解耦计算装置 204 , 其耦合至工况获取装置 202，配置用于根据来自工况获取装置 202的参数（诸如，发动机转速 ω和发动机燃油喷射率 m_f ) , 以及根据表征发动机特征的传递函数，计算解耦传递函数。下面将结合具体示例，详细描述解耦计算装置 204的特征和操作。

如本领域中已知的，发动机在特定方面的特征可以利用传递函数（ transfer function )来表征。传递函数可以是发动机状态变量的多项式、脉谱图数据，等等。特别地，如上文所述，本发明实施方式 s 的主要目的之一是：控制废气再循环系统的 EGR阀和涡轮增压系统的增压阀各自的开度。 EGR阀和增压阀的开度转而影响柴油发动机的 EGR流量率（记为 rh_EGR )和进气压力（记为 P_im ) , 其指示了空气系统的状态。由此，在本发明的实施方式中，传递函数（记为 ) 可设计为表征 EGR阀和增压阀的开度对柴油发动机的 EGR流量率 C m_EGR ) 和进气压力（ P_im ) 的影响。

根据本发明的某些实施方式，传递函数以发动机的转速 ω和燃油喷射率这两个相对重要的发动机工况作为自变量。此时，传递函数 O, ，可定义如下：

W{co,m s) W {m,m_f,s)

W{ ,m_ns) = ( 1 )

W₂ m,m_ns) Ψ₂₂{ω,πι Ξ) 其中是发动机的工作状态。由此，根据传递函数的概念可知

其中^ 是发动机的 EGR流量率， _w是发动机的进气压力， EGR_P0S 是 EGR阀的开度，而 VGT_P0S是增压阀的开度。

对于发动机的稳态工况而言， s=0。此时，稳态传递函数 Ο, 0) 为：

根据公式（2) 和（3 ) , 在稳态下，柴油发动机的 EGR流量率和进气压力与 EGR阀和增压阀之间的关系可表示为：

其中 FT (cy,/^,0)、 W ^,m_f>0), W₂^m_f,0), ί^Ο,/ή,,Ο)可以利用发动机的稳态工况数据来进行标定，这是本领域中已知的，在此不再详述。另外，根据本发明的实施方式，传递函数可以是事先确定的，并且存储在控制设备 200可访问的存储设备中。

下面考虑解耦计算装置 204所要计算的解耦传递函数（记为 ί；)。类似于传递函数解耦传递函数 G同样以发动机的转速 ω和燃油喷射率 _f为自变量，并可定义如下：

在发动机的稳态下，解耦传递函数 GO, ,0)则为

G_x ] (ω, m_f ,0) G (0, m_f ,0)

ϋ{ω,πι 0) = (6) 在本发明的一个优选实施方式中，为了使发送机的实际工况与理论预期最大限度地匹配，设解耦计算装置 204可配置用于计算发动机的稳态传递函数的逆，作为稳态解耦传递函数 <5。即：

— 1

y， (7) 根据公式（ 3 ) 、 ( 6) G {m, m_f ,0) G_l2 (ω, m_f ,0) 2₂(ω,ιη_/>0) -W_n{ ,rn_f,Q) (8)

W_x , (ω, m_f Wiiifl), _{f 5}0)一 W_n (ω, m_f ,0)W₂ , (ω, m_{f }}0)

由此，根据工况获取装置 202获取的发动机工况参数（ ω,ώ, ) , 并且根据表征柴油发动机的传递函数 1^,( ,7^,0)、 W_l2( ,m_f,0)、 W₂^,rh_f,0) , W₂^,m_f,0) , 解耦计算装置 204可以计算得出解耦传递函数 G。如下文详述的，通过将解耦传递函数 G作用于相应的物理量，可以彼此独立地产生针对 EGR系统和涡轮增圧系统的驱动信号，从而有效地实现这二者的解耦控制。

应当理解，上文描述的仅仅是本发明的若干示例性实施方式。传递函数和解耦传递函数 G可以将发动机的任何有关工况纳入考虑（即，以其作为自变量）。又如，将解耦传递函数 G计算为发动机传递函数的逆只是一种优选的实施方式。本领域的技术人员可以结合实际情况，以其他不同的方式根据传递函数和工况参数来计算解耦传递函数 G。本发明在这些方面均不受限制。

继续参考图 2 , 根据本发明的实施方式，控制设备 200还可以包括空气系统参数处理装置 206, 其耦合至工况获取装置 202 , 配置用于处理指示柴油发动机的空气系统的状态的参数。

特别地，在本发明的某些实施方式中，空气系统的状态参数可以包括：柴油发动机的 EGR流量率和进气压力。相应地，在这些实施方式中，如上所述，工况获取装置 202可以包括 EGR流量率获取装置 2026 , 配置用于获取指示发动机的实际 EGR流量率的参数（记为 jfi_egr,_acl ) ', 以及进气压力获取装置 2028，配置用于获取指示发动机的实际进气压力的参数 (记为 U 。工况获取装置 202可以将所获取的实际 EGR流量率和实际进气压力提供给空气系统参数处理装置 206 , 如图 2所示。

此外，如图 2所示，空气系统参数处理装置 206还可配置用于接收柴油发动机的目标 EGR 流量率（记为 ^ _ί ) 和目标进气压力

(记为 ^^ ) 。例如，在本发明的某些实施方式中，和 ^ 可以是预先标定的，并且可以预先存储在例如控制设备 200 可访问的存储设备或数据库中。

给定了实际值、和目标值^ 和^^ , 空气系统参数处理装置 206 可配置用于执行生成驱动信号必要的处理。例如，根据本发明的某些实施方式，空气系统参数处理装置 206 可以包括：配置用于确定实际 EGR流量率 r _eer ^与目标 EGR流量率 _des之间的误差（记为 e_m ) 的装置。空气系统参数处理装置 206还可以包括：配置用于确定实际进气压力^^与目标进气压力，^之间的误差 (记为的装置。此外，空气系统参数处理装置 206还可以包括：分别配置用于对误差和执行 PID处理的装置，所得处理结果将由信号产生装置 208 (下文详述）用以产生控制信号。空气系统参数处理装置 206 中包含的上述装置及其操作是本领域已知的，因此未在图中示出，在此也不再详述。

应当理解，上面描述的 EGR流量率、进气压力、 PID处理等仅仅是示例性的。实际上，空气系统参数处理装置 206 可以配置用于对空气系统的状悉参数执行目前已知或将来开发的任何适当处理。

继续参考图 2 , 控制设备 200还包括信号产生装置 208 , 其耦合至解耦计算装置 204和空气系统参数处理装置 206，配置用于根据来自解耦计算装置 204的解耦传递函数 G和来自空气系统参数处理装置 206的处理结果，产生分别用于 EGR系统和涡轮增压系统的第一驱动信号和第二驱动信号。

参考图 3 ,其示出了信号产生装置 208的示例性操作机制的示意图。在图 3的示例中，与上文描述类似，传递函数和解耦传递函数（？仍以柴油发动机的转速和燃油喷射率作为自变量。而且，空气系统的状态参数是指 EGR流量率和进气压力。

在图 3 中，虛线 301 左侧的部分可以表示空气系统参数处理装置 206的操作，也即：对柴油发动机的实际 EGR流量率、目标 EGR 流量率^^ ^、实际进气压力 „和目标进气压力^ ^执行必要的处理。如上所述，这里的处理例如可以包括：确定 EGR流量率误差 ^和进气压力误差 e_P, 以及分别对 ^和执行 PID处理。

此外，根据本发明的实施方式，图 3 中示出的传递函数

^, (^, ^,0) . G_n ( , m_f ,O) , G₂^, m_f ,0) , G₂₂(iw, ,0)可由解耦计算装置 204计算，并提供给信号产生装置 208 , 如上所述。

如图 3所示，根据本发明的示例性实施方式，信号产生装置 208 可配置用于将 (^ (^, ^,Ο)作用于 ^的 PID处理输出，所得结果记为 G^m^O^PIDie }; 并且配置用于将 G_i2( , ,0)作用于 e_P的 PID处理输出，所得结果记为 G₁₂ ( ,0){ /)( )}。继而，信号产生装置 208 可配置用于将！ (ω, m_f ,0){PID{e_m )}和 G_l2 (ω, m_f ,0){PID(e_p )}共同用于产生第一驱动信号，以控制 EGR阀的开度。

类似地，信号产生装置 208 可配置用于将 ( ,0)作用于 e_m 的 PID处理输出，所得结果记为（¾(^，，0){尸/£>( )}; 并且配置用于将（^Ο,/^,Ο)作用于 e_P 的 PID 处理输出，所得结果记为 G₂₁{ ,m 0){PID{e_p)} 。信号产生装置 208 可配置用于将 G₂^,m_f,0){PID(e_m)}和（?₂₂(6, ,0){尸/£>( )}共同用于产生第二驱动信号，以控制增压阀的开度。

可以理解，图 3 中仅仅示出了信号产生装置 208的示例性操作机制。在其他实施方式中，信号产生装置 208 可配置用于以不同的方式将解耦传递函数 G作用于 EGR流量率和进气压力的有关参数，从而以解耦方式产生驱动信号。

上文已经结合若干具体实施方式描述了根据本发明的控制设备

200的结构和操作。通过上文的描述应当理解，根据本发明的实施方式，控制设备 200可以按照一种彼此独立的方式产生用于 EGR阀和增压阀的驱动信号，从而在稳态下有效地解耦废气再循环系统和涡轮增压系统，由此改善对柴油发动机的空气系统的控制。

应当理解，图 2 中示出并在上文描述的控制设备 200可以利用多种方式来实施。例如，在某些实施方式中，设备 200可以实现为集成电路（IC) 芯片。在另一些实施方式中，设备 200 可以通过片上系统（SoC) 以及相应的软件和 /或固件来实现。备选地或附加地，设备 200还可以利用软件模块来实现，即实现为计算机程序产品。本发明的范围在此方面不受限制。

参考图 ₄,其示出了适于用来实施图 2所示的控制设备 200的片上系统（ SoC) 400的结构框图。如图 4所示， SoC 400包括各种组件，诸如输入输出（I/O) 逻辑 410 (例如用以包括电子电路）以及微处理器 412 (例如，任何微控制器或者数字信号处理器）。 SoC 400 还包括存储器 414 , 其可以是任何类型的随机访问存储器（RAM ) , 低延迟非易失性存储器（例如，闪存）、只读存储器（ROM ) 和 / 或其他适当的电子数据存储。 SoC 400还可以包括各种固件和 /或软件，诸如操作系统 416 , 其可以是由存储器 414 维护并由微处理器 412执行的计算机可执行指令。 SoC 400还可以包括其他各种通信接口和组件、网絡接口组件、其他硬件、固件和 /或软件。

特別地，如图所示， SoC 400可以包括工况获取块 402、解耦计算块 404、空气系统参数处理块 406以及信号产生块 408 , 其分别对应于上文参考图 2描述的工况获取装置 202、解耦计算装置 204、空气系统参数处理装置 206以及信号产生装置 208。此外，尽管在图 4 中未示出，但是根据本发明的实施方式，工况获取块 402 可以包括分别对应于图 2中的装置 2022-2028的子块。这些块 402- 408及其子块可以作为硬件、软件和 /或固件模块，独立地或者与信号处理和控制电路等其他实体相集成地操作，用以实现在此描述的各种实施方式和 /或特征。

应当理解，根据本发明的实施方式， SoC 400可以与电子电路、微处理器、存储器、输入输出（I/O ) 逻辑、通信接口和组件、运行整个设备所需的其他硬件、固件和 /或软件集成。 SoC 400还可以包括集成数据总线（未示出），其耦合 SoC的各个组件以用于组件之间的数据通信。包括 SoC 400的设备还可以利用不同组件的多个组合来实现。

下面参考图 5，其示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动机的空气系统的控制方法 500的流程图。方法 500开始之后，在步骤 502 , 获取指示柴油发动机的实际工况的参数，这些参数包括但不限于：柴油发动机的转速和燃油喷射率。

接下来，在步骤 504，根据步骤 502中获得的参数以及表征该柴油发动机的传递函数（例如，上文描述的传递函数 W ) , 计算解耦传递函数（例如，上文描述的解耦传递函数 C? ) 。

而后，在步骤 506 , 处理指示柴油发动机的空气系统的状态的参数。根据本发明的某些实施方式，空气系统的状态参数包括柴油发动机的 EGR流量率和进气压力。在这样的实施方式中，如上所述，可以根据 E G R流量率和进气压力的实际值和目标值，确定二者各自的误差，并且对误差执行 PID处理以备后用。当然，其他空气系统状态参数和处理也是可能的，本发明在此方面不受限制。

最后，在步骤 508 , 根据来自步骤 504的解耦传递函数和来自步骤 506的处理结果，分别产生用于 EGR系统的第一驱动信号和用于涡轮增压系统的第二驱动信号。方法 500随即结束。

可以理解，方法 500中记栽的步骤 502-508分别对应于上文参考图 2描述的控制设备 200中的装置 202-208的操作和 /或功能。由此，上文参考控制设备 200 的各个装置而描述的特征同样适用于方法 500的各个步骤。而且，方法 500中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行和 /或并行执行。

另外，应当理解，参考图 5描述的方法 500 可以通过计算机程序产品来实现。例如，该计算机程序产品可以包括至少一个计算机可读存储介质，其具有存储于其上的计算机可读程序代码部分。当计算机可读代码部分由例如处理器执行时，其用于执行方法 500 的步驟。

上文已经结合若干具体实施方式阐释了本发明的精神和原理。根椐本发明的实施方式，提供了一种能够在稳态下对柴油发动机的空气系统进行有效控制的设备和方法。在控制过程中，根据发动机的传递函数以及柴油发动机的工况参数，计算解耦传递函数。通过将谅解耦传递函数作用于对发动机的 EGR流量率和进气压力的有关参数的处理结果，可以彼此独立地产生用于废气再循环（EGR ) 系统和涡轮增压系统的驱动信号。以此方式，本发明的实施方式保证了废气再循环阀和涡轮增压阀在稳态工况下互相独立地控制，并且可以分别标定。由此，既达到了对这两个系统进行标定的简洁性，显著改善了空气控制系统的功能特性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和 /或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、 CD或 DVD- ROM的载体介质、诸如只读存储器（固件）的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了控制设备的若千装置或子装置，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多装置的特征和功能可以.在一个装置中具体化。反之，上文描述的一个装置的特征和功能可以进一步划分为由多个装置来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步驟执行，和 /或将一个步骤分解为多个步據执行。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明，但是应 i亥理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。所附权利要求的范围符合最宽泛的解释，从而包含所有这样的修改及等同结构和功能。

Claims

权利要求书

1. 一种用于在稳态下控制柴油发动机的空气系统的设备，其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮增压系统，所述设备包括：工况获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际工况的参数；

解耦计算装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据来自所述工况获取装置的所述参数以及表征所述柴油发动机的传递函数来计算解耦传递函数；

空气系统参数处理装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于处理指示所述空气系统的状态的参数；以及

信号产生装置，其耦合至所述解耦计算装置和所述空气系统参数处理装置，配置用于根据来自所述解耦计算装置的所述解耦传递函数和来自所述空气系统参数处理装置的处理结杲，产生用于所述废气再循环系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。

2. 如权利要求 1 所述的设备，其中所述传递函数以所述柴油发动机的转速和燃油喷射率作为自变量，所述工况获取装置进一步包括：

转速获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的转速的参数；以及

燃油喷射率装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的燃油喷射率的参数。

3. 如权利要求 1 所述的设备，其中所述空气系统参数处理装置进一步包括：

配置用于确定所述柴油发动机的实际废气再循环流量率与目标废气再循环流量率之间的误差的装置；

配置用于针对废气再循环流量率误差执行 PID处理的装置；配置用于确定所述柴油发动机的实际进气压力与目标进气压力之间的误差的装置；以及

配置用于针对进气压力误差执行 PID处理的装置。

4. 如权利要求 3 所述的设备，其中所述工况获取装置进一步包括：

废气再循环流量率获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际废气再循环流量率的参数，并将其提供给所述空气系统参数处理装置；以及

进气压力获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际进气压力的参数，并将其提供给所述空气系统参数处理装置。

5. 如权利要求 1 所述的设备，其中所述解耦计算装置进一步包括：配置用于计算所述传递函数的逆作为所述解耦传递函数的装置。

6. 如权利要求 1 所述的设备，其中所述第一驱动信号用于控制所述废气再循环系统的废气再循环岡的开度，并且其中所述第二驱动信号用于控制涡轮增压系统的增压阀的开度。

7. 如权利要求 1 所述的设备，其中所述设备利用片上系统 SoC 或集成电路 IC来实现。

8. 一种柴油发动机，包括：

气缸体；

进气管道，耦合至所述气缸体的入口端，配置用于向所述气缸体输送气体；

排气管道，耦合至所述气缸体的出口端，配置用于排出所述气缸体燃烧的废气；

燃油喷射系统，耦合至所述气缸体，配置用于向所述气缸体喷射燃油；

空气系统，包括：

废气再循环系统，耦合至所述排气管道和所述进气管道，配回所述气缸体；以及

涡轮增压系统，耦合至所述排气管道，配置用于利用来自所述排气管道的废气来增大通过所述气缸体的进气压力；以及控制单元，包括如权利要求 1所述的设备，以用于在稳态下控制所述空气系统。

9. 一种用于在稳态下控制柴油发动机的空气系统的方法，其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮增压系统，所述方法包括：获取指示所述柴油发动机的实际工况的参数；

根据所述参数以及表征所述柴油发动机的传递函数来计算解耦传递函数；

处理指示所述空气系统的状态的参数；以及

根据所述解耦传递函数和所述处理的结果，产生用于所述废气再循环系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信

10. 如权利要求 9所述的方法，其中所述传递函数以所述柴油发动机的转速和燃油喷射率作为自变量，并且所述获取进一步包括：获取指示所述柴油发动机的转速的参数；以及

获取指示所述柴油发动机的燃油喷射率的参数。

1 1. 如权利要求 9所述的方法，其中指示所述空气系统的状悉的参数包括所述柴油发动机的废气再循环流量率和进气压力，并且其中所述处理包括：

确定所述柴油发动机的实际废气再循环流量率与目标废气再循环流量率之间的误差；

针对废气再循环流量率误差执行 PID处理；

确定所述柴油发动机的实际进气压力与目标进气压力之间的误差；以及

针对进气压力误差执行 PID处理。

12. 如权利要求 11所述的方法，其中所述获取进一步包括：获取指示所述柴油发动机的实际废气再循环流量率的参数；以及获取指示所述柴油发动机的实际进气压力的参数。

13. 如权利要求 9所述的方法，其中计算所述解耦传递函数包括：计算所述传递函数的逆作为所述解耦传递函数。

14. 如权利要求 9所述的方法，其中所述第一驱动信号用于控制所述废气再循环系统的废气再循环阔的开度，并且其中所述第二驱动信号用于控制涡轮增压系统的增压阀的开度。

15. —种计算机程序产品，包括至少一个计算机可读存储介质，其具有存储于其上的计算机可读程序代码部分，当所述计箅机可读代码部分由处理器执行时，其用于执行如权利要求 9- 14任一项所述的方法的步骤。