用于气流控制的方法和系统与流程

本发明总体上涉及用于发动机系统中进行气流控制的方法和系统，该发动机系统包括节流涡轮发电机。

背景技术：

发动机系统可配置有如节流涡轮发电机等装置，以利用来自节流阀两端的压力差的能量，否则这些能量会浪费在发动机的进气通道中。例如，当发动机在部分负荷下运行时，可以由部分打开的节流阀两端的压力差来驱动节流涡轮发电机。在一些示例中，节流涡轮发电机包括机械耦接至节流涡轮发电机的涡轮机，该节流涡轮发电机可以产生被供应给发动机的电池的电流。通过用这种发电机对电池进行充电，可以提高发动机系统的燃料经济性。

由利昂(Leone)等人在US20130092125中示出了这种发动机系统的一个示例。在其中，节流涡轮发电机定位在节流旁路中。基于发动机气流需求控制节流旁路阀，以对穿过节流涡轮发电机的气流进行调整。另外，在发动机瞬态期间控制节流阀的位置以满足发动机气流需求。

技术实现要素：

然而，发明人在此认识到这种系统的潜在问题。作为一个示例，当使用进气歧管两端的压力差以使用节流阀操作涡轮时，由于涡轮和/或发电机的转速持续改变而使得进气歧管周围的空气流量控制变得更有挑战性。另外，节流阀位置的任何改变同时影响发动机的进气侧的两个路径，使得经由该节流阀的气流控制具有挑战性。为了精确估计气流，可能需要适应性控制如节流阀开启角、节流阀形成的限制的横断面积、进气歧管两端的压力差以及涡轮转速等变量。如此，为了在多个变量方面实现精确的气流控制，可能需要迅速生成、存储并访问一个或多个四维性能映射图。然而，生成、存储并访问复杂的四维映射图可能是时间、存储、计算密集的。具体地，除了生成和访问高维映射图的复杂性，由于存储器限制，对于存储在发动机控制器单元中来说其可能还是非常大的。作为另一个示例，利昂只在瞬态期间调整节流阀位置。然而，由于涡轮和/或发电机转速的变化(例如瞬间变化)，即使在稳态状况期间也可能有气流误差。

发明人已经认识到，通过根据节流阀开启角获悉进气歧管两端产生的压力差，可以生成(例如实时地或预先地)至少一个二维映射图并将其存储在发动机控制单元的存储器中。在此，基于压力差以及节流阀开启角中的每一项，可以将节流阀周围的限制的有效横断面积制成表。此外，通过包含例如可被存储为单独的二维映射图的涡轮转速的影响，可以确定限制的有效横断面积的校正。通过对至少两个二维映射图执行数值逼近，可以精确地确定节流阀开启角以用于有效气流控制。另外，从这两个二维映射图，例如还有可能精确预测给定节流阀开启角下的气流，这然后可能用于估计进入歧管的气流而用于转矩监测。这导致一种计算、存储以及时间密集度较低而不会影响气流估计精度的方法。此外，不仅在瞬态状况期间(如利昂(Leone)等人所示的)，而且在如稳态、空转等其他状况期间，执行气流控制。

在一个示例中，可以通过一种方法来实现发动机气流控制，该方法包括：基于驾驶员转矩需求，对耦接至节流涡轮的进气节流阀进行前馈调整；以及基于节流涡轮两端的压力差的第一函数以及压力差的不同的第二函数乘以涡轮转速的每一项，进一步调整进气节流阀。以此方式，可以准确有效地执行气流控制。

作为一个实例，响应于驾驶员转矩需求，通过对进气节流阀的节流阀开启角进行调整，可以从发动机传递期望转矩。由于调整节流阀开启角还调整了该节流阀在进气管处形成的限制的有效横断面积，发动机控制器可以被构造成考虑涡轮转速对限制的有效横断面积的影响。具体地，控制器可以涉及存储在控制器的存储器中的一个或多个二维(2D)映射图以除去这个效果，实现气流的精确控制从而传递期望转矩。例如，控制器可以使用第一2D映射图以获悉基于节流涡轮两端的压力差的第一函数对进气节流阀的位置(如角度)进行的第一(例如首次)调整。进一步，控制器可以使用另一个2D映射图以获悉基于节流阀两端的压力差以及耦接在跨越节流阀的旁路中的节流涡轮发电机的涡轮转速中的每一项而对进气节流阀的位置进行的不同的第二(例如进一步)调整。如此，这些映射图还可以例如用于基于节流阀开启角确定第一气流量而进行转矩监测。例如，控制器可以使用第一2D映射图以基于节流涡轮两端的压力差的第一函数、基于进气节流阀的位置(如角度)获悉到发动机的气流量。进一步，控制器可以使用另一个2D映射图以获悉基于节流阀两端的压力差以及耦接在跨越节流阀的旁路中的节流涡轮发电机的涡轮转速中的每一项而对气流量进行的不同的第二(例如进一步)调整。

以此方式，可以在进气节流涡轮和涡轮发电机存在的情况下提供精确的空气流量和转矩控制。基于节流涡轮两端的压力差以及涡轮转速而对进气节流阀开启角进行调整的技术效果是：能够更好地补偿节流阀开启角变化的压力和气流影响。通过依靠一个或多个2D映射图，可以以增加的精度执行气流控制而不依靠多个计算、存储和时间密集的算法或映射图。附加地，能够在包括瞬态和稳态发动机工况的较大范围的发动机工况期间执行气流控制。总的说来，通过改善气流控制，获得燃料经济性效益同时维持驱动能力和排放要求是可能的。

应理解，上述概述是以简化形式来介绍那些在具体实施方式中进一步描述的所选择的概念。这并不意味着要明确所要求保护的主题的关键或必要特征，在以下具体实施方式后面的权利要求书中对本发明的范围进行了唯一限定。此外，所要求保护的主题并不限于解决以上或在本披露的任何部分中提出的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示出一种发动机的示意图。

图2示出耦接至节流涡轮发电机的节流涡轮和发动机的入口通道中的节流阀的示意图。

图3A示出节流阀开启角与节流阀形成的限制的有效横断面积之间的一种示例关系。

图3B示出节流阀开启角与涡轮转速之间的一种示例关系。

图4示出描绘基于期望发动机进气流计算节流阀开启角和/或预测给定节流阀开启角下的预期气流的一种高级流程图。

图5示出，对于节流阀的给定上游压力，各种不同节流阀开启角和涡轮转速下的节流阀的期望气流与下游压力之间的一种示例关系。

图6示出描绘用于通过调整节流阀开启角基于期望转矩来控制进气流的方法和/或用于基于节流阀开启角来估计进气流以进行转矩监测的方法的一种高级流程图。

图7示出转矩需求、进气流、节流阀开启角以及涡轮转速之间的一种示例关系。

具体实施方式

以下描述涉及用于对到发动机(如图1所示的发动机系统)的气流控制的系统和方法。发动机可以包括布置在发动机的进气系统中的节流阀周围的节流旁路，如图2所示。此外，节流旁路可以包括与辅助发电机连通的涡轮(图2)。可以通过调整节流阀的节流阀开启角来调整进气系统中的气流。如此，调整节流阀开启角可以进一步影响节流阀形成的限制的有效横断面积，如图3A所示。然而，进气系统中的空气流量控制由于涡轮和/或发电机的转速改变而变得更有挑战性，如图3B所示。控制器可以被构造成执行一个例程，如图4所示的示例例程，其用于基于期望气流计算节流阀开启角和/或预测给定节流阀开启角下的气流。在这种情况下，可以控制发动机进气流，同时考虑涡轮转速对节流阀开启角的影响，如图5所示。控制器还可以被构造成执行一个例程，如图6所示的示例例程，其用于通过调整节流阀开启角以基于期望转矩来控制发动机进气流和/或用于基于节流阀开启角估计发动机气流以进行转矩监测目的。图7中示出基于转矩需求和涡轮转速的气流和节流阀开启角的示例控制。以此方式，可以精确控制气流。

图1是显示可以包括在汽车的推进系统中的多汽缸发动机10中的一个汽缸的示意图。发动机10可以至少部分由包括控制器12的控制系统并由车辆驾驶员132经由输入装置130的输入控制。在这个示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的燃烧室(即汽缸)30可以包括燃烧室壁32，活塞36定位在该燃烧室壁中。活塞36可以耦接至曲轴40，以便活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。曲轴40可以经由中间变速器系统耦接至车辆的至少一个驱动轮。此外，起动器电机可以经由飞轮耦接至曲轴40以使能发动机10的起动操作。

燃烧室30可以经由进气通道42接收来自进气歧管44的进气空气并且可以经由排气通道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气通道48能够分别经由进气阀52和排气阀54选择性地与燃烧室30连通。在一些实施例中，燃烧室30可以包括两个或更多个进气阀和/或两个或更多个排气阀。

在这个示例中，可以通过凸轮致动经由相应的凸轮致动系统51和53来控制进气阀52和排气阀54。凸轮致动系统51和53各自可以包括一个或多个凸轮并且可以利用凸轮轮廓线转换系统(CPS)、可变凸轮正时系统(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或多个系统，可以通过控制器12来操作这些系统以改变阀门操作。可以由位置传感器55和57分别确定进气阀52和排气阀54的位置。在替代性实施例中，可以通过电动阀致动控制进气阀52和/或排气阀54。例如，汽缸30可以替代地包括经由电动阀致动控制的进气阀和经由包括CPS和/或VCT系统的凸轮致动控制的排气阀。

示出燃料喷射器66直接耦接至燃烧室30从而与从控制器12经由电子驱动器68接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地将燃料直接喷射到燃烧室30中。以此方式，燃料喷射器66提供了所谓的直接喷射将燃料喷射进燃烧室30。燃料喷射器例如可以安装在燃烧室的侧面或燃烧室的顶部。可以通过燃料系统(未示出)将燃料传送到燃料喷射器66，燃料系统包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨。在一些实施例中，燃烧室30可以替代地或附加地包括以提供称为进气道喷射的配置布置在进气歧管44中的燃料喷射器，进气道喷射将燃料喷射进燃烧室30上游的进气道中。

进气通道42可以包括具有节流板64的节流阀62(也称为进气节流阀)。在这个具体示例中，可以由控制器12经由提供给包括有节流阀62的电动机或致动器的信号来改变节流板64的位置，一种通常被称为电子节流阀控制(ETC)的配置。以此方式，可以操作节流阀62来改变向其他发动机汽缸中的燃烧室30提供的进气空气。可以通过节流阀位置(TP)信号向控制器12提供节流板64的位置。进气通道42可以包括质量空气流量传感器120和/或歧管绝对压力传感器122，以用于向控制器12提供相应的信号MAF和MAP。在一些实施例中，一个或多个压力传感器可以位于节流阀的上游和/或下游，用于估计节流阀两端的压力差并生成压力差信号到控制器12。

进一步，节流涡轮发电机202耦接至节流阀62周围的旁路中的进气通道42。节流涡轮发电机202，其将参照图2进行更详细的描述，包括驱动涡轮发电机(也称作辅助发电机)的涡轮。通常在节流阀62周围生成压力差，然后该压力差用于驱动涡轮和涡轮发电机。例如，当节流阀完全打开时，进气歧管通常处于环境大气压力下。当节流阀部分关闭时，例如，随着进气空气降到环境压力以下时可以建立歧管真空，由此产生压力差。辅助发电机可以为发动机的电池提供电荷，作为通过机械驱动的主发电机进行充电的补充和/或作为主要充电源(例如当主发电机降级或故障时)。然而，由于涡轮的运行，进气歧管周围的空气流量控制由于涡轮和/或发电机的转速改变而变得更有挑战性。另外，节流阀位置的任何改变同时影响发动机的进气侧的两个路径，使得经由节流阀的气流控制具有挑战性，如在此参照图3A和图3B所述的。

在所选的运行模式下，点火系统88能够响应于来自控制器12的点火提前信号SA经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花。尽管示出火花点火部件，在一些实施例中，发动机10的燃烧室30或一个或多个其他燃烧室可以运行在压缩点火模式中，具有或没有点火火花。

示出排气传感器126耦接至排放控制装置70上游的排气通道48。传感器126可以是提供排气空气/燃料比的指示的任何合适的传感器，如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧传感器)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热型EGO)、NOx、HC或CO传感器。示出沿着排气传感器126下游的排气通道48设置排放控制装置70。装置70可以是三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制装置或其组合。在一些实施例中，在发动机10运行期间，可以通过使发动机的至少一个汽缸在特定空气/燃料比内运行来周期性地重置排放控制装置70。

控制器12在图1中被示为微型计算机，包括微处理器单元102(CPU)、输入/输出端口(I/O)104、在这个具体示例中示为只读存储器芯片(ROM)106的用于可执行程序和校准值的电子存储介质、随机存取存储器(RAM)108、保活存储器(KAM)110以及数据总线。控制器12可以从耦接至发动机10的传感器接收各种信号，除了前面讨论的信号以外，还包括：来自质量空气流量传感器120的进气质量空气流量(MAF)的测量值；来自耦接至冷却套114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自耦接至曲轴40的霍尔影响传感器118(或其他类型的传感器)的表面点火感测信号(PIP)；来自节流阀位置传感器的节流阀位置(TP)；以及来自传感器122的歧管绝对压力信号MAP等。可以由控制器12根据信号PIP生成发动机转速信号(RPM)。可以由控制器12基于节流涡轮发电机的输出来推断涡轮的涡轮转速。替代地，可以经由专用涡轮转速传感器测量涡轮转速。来自歧管压力传感器的歧管绝对压力信号MAP可以用于提供进气歧管中的真空或压力的指示。在一些实施例中，一个或多个压力传感器可以位于节流阀的上游和/或下游，用于估计节流阀两端的压力差。注意，可以使用以上传感器的不同组合，如MAF传感器而没有MAP传感器，反这亦然。在化学计量比运行期间，MAP传感器能够给出发动机转矩的指示。进一步，这个传感器以及检测到的发动机转速能够提供引入汽缸中的增压(包括空气)的估计值。在一个示例中，还被用作发动机转速传感器的传感器118可以在曲轴每次旋转时产生预定数量的等间距脉冲。

存储介质只读存储器106能够用表示由处理器102可执行的指令的计算机可读数据进行编程，以用于执行以下所述的方法以及其他想到但没有具体列出的变体。

如上所述，图1只示出多汽缸发动机的一个汽缸，并且每个汽缸可以类似地包括其自己的一组进气阀/排气阀、燃料喷射器、火花塞等。

继续图2，节流涡轮发电机202被示出在包括以上参照图1所述的发动机10的发动机系统200中。节流涡轮发电机202包括涡轮206(也称为节流涡轮)、布置在节流旁路204中的节流旁路阀208以及涡轮206驱动的涡轮发电机210。如此，涡轮206位于进气管处的进气节流阀62周围的节流旁路204中，并且节流旁路可以被构造成将进气空气从进气节流阀上游的位置传送至进气节流阀下游的位置。在一些实施例中，节流涡轮发电机可以不包括节流旁路阀208。反而，节流阀可以具有楔形叶片，其例如，在一些状况下阻止气流到节流旁路。

节流涡轮发电机202使用通常通过对发动机进气空气进行节流浪费掉的能量。例如，进气节流阀62两端的压力变化可以用于引导气流穿过涡轮206。涡轮206驱动涡轮发电机210(在此还指的是辅助发电机)，其向电池212提供电流。在这种构造中，可以提高发动机系统的总效率，例如，由于在一些工况期间，经由机械驱动的主发电机214的电池212充电减少并且经由辅助发电机210的充电可以增加。

如所描绘的，进气空气流经进气通道42并通过进气节流阀62。如上所述，可以由控制器12改变节流阀位置，以便改变提供给发动机的汽缸的进气空气量。节流旁路204将来自进气节流阀62上游的位置和进气节流阀62周围的进气空气引导至节流阀62下游的位置。例如可以由节流阀两端的压力差引导进气空气穿过节流旁路204。此外，在图2所示的示例实施例中，节流涡轮发电机202包括节流旁路阀208。基于从控制器12接收的信号，可以对节流旁路阀208和进气节流阀62中的一个或多个进行调节以调整到涡轮206的进气空气流量，如以下参照图3A和图3B所述的。例如，控制器可以向耦接至节流阀的机电致动器发送信号，该致动器通过使节流阀朝向打开更多的位置移动而增大节流阀的角度或通过使节流阀朝向关闭更多的位置移动而减小该节流阀的角度。在一些示例中，节流旁路阀208可以是打开并关闭节流旁路204的通断阀。在其他示例中，节流旁路阀208可以是控制穿过节流旁路204的可变气流量的流量调节阀。节流旁路阀208可以是柱塞阀或短管阀、闸阀、蝶形阀或另外合适的流量控制装置。此外，可以由螺线管、脉冲宽度调制螺线管、DC电机、步进电机、真空膜片等致动节流旁路阀208。

在一些实施例中，除了调整节流阀开启角以外或代替调整节流阀开启角，可以调整节流旁路阀的角度(或开/关状态)。例如，可以在第一函数和第二函数中加入相关性以用于计算预测的有效面积，如参照图4详细描述的(如图4的步骤410和412中)。然而，在映射图中添加相关性可能导致映射图输入尺寸从2D上升到3D。

引导通过节流旁路204的气流流经涡轮206，该涡轮利用从气流提取的能量旋转辅助发电机210。辅助发电机210产生被供应到电池212的电流。电池212可以为其中设置发动机系统200的车辆的电气系统的各种部件提供动力，如灯、泵、风扇、燃料喷射装置、点火装置、空调等等。电池212还可以由主发电机214充电，该主发电机由发动机10机械驱动。可以在主发电机214与辅助发电机210之间协调电池212的充电，以便增加系统的总效率。例如，在从主发电机214向电池212提供电流将增加燃料消耗时的状况期间，如在车辆巡航或加速期间，辅助发电机210可以向电池212提供电流。进一步，当主发电机214降级或故障时，辅助发电机210可以向电池212提供电流。辅助发电机210可以是电力不强的发电机，例如，产生的电流比主发电机214产生的电流少的发电机。在一些示例中，可以调整进气节流阀62以对耦接至涡轮的涡轮发电机产生的能量进行调整，如以下所解释的。调整涡轮发电机中产生的能量可以包括：在所选工况下，增加涡轮发电机210的电功率输出。调整涡轮发电机中产生的能量还可以包括：用涡轮发电机中产生的能量对电池和主发电机中的一个或多个进行充电。在一个示例中，可以基于发电机的电输出(例如电流或电压)来推测节流涡轮的转速(涡轮转速)。在另一个示例中，可以通过耦接至该涡轮(例如耦接至该涡轮轴)的转速传感器估计涡轮转速。

控制器12从图1和图2的各种传感器接收信号并采用图1和图2的各种致动器基于接收到的信号和存储在控制器的存储器中的指令来调整发动机运行。例如，调整进气节流阀可以包括：对耦接至进气系统中的节流板的机电致动器进行调整，以通过将控制信号从控制器发送到致动器而使节流阀旋转所计算的角度。

如前面所述的，节流阀62两端的压力差可以用于引导气流穿过涡轮206(还指的是节流涡轮)。当使用这种压力差来操作使用节流阀的节流涡轮时，由于节流涡轮和/或发电机的转速改变而使进气歧管44周围的空气流量控制变得有挑战性。进一步，节流阀62的节流阀位置的任何改变都同时影响发动机的进气侧的两个路径(例如节流旁路204和进气通道42)，使得经由节流阀的气流控制具有挑战性。然而，通过包含涡轮转速的影响，增加气流控制的精确性而不会显著增加计算强度是可能的。

如此，穿过由节流阀形成的限制的空气流量可以取决于限制的有效横断面积以及出现在节流涡轮两端的压力差。数学地，这能够表示为等式(1)

其中，W是空气流量，A_E是限制的有效横断面积，P_us是上游压力，P_ds是下游压力，T_us是上游温度并且R是气体常数。在此，由等式(2)给出函数

其中，x在阻流下饱和并由等式(3)给出：

其中，γ是气体的比热比。

在等式(1)至(3)中，R和γ可以是常数或可以具有由发动机控制器估计的时间变化值。如此，流量穿过配备有涡轮和/或发电机的进气路径被描述为限制，其中，有效面积A_E是热力学条件、阀角度以及涡轮/发电机的状态的函数。数学上，这能够表示为等式(4)：

A_E＝F₁(α，ΔP)[1-F₂(α，ΔP)ω] (4)

其中，ΔP＝P_us-P_ds是节流涡轮两端的压力差，ω是涡轮转速并且α是节流阀开启角。在此，等式(4)的第一项或第一函数F₁表示当涡轮处于静止或非常缓慢地旋转(例如ω～0)时的有效面积A_E，并且第二项或函数F₂表示当考虑涡轮的影响时(例如ω≠0)对有效面积A_E的校正。如此，乘积ωF₁F₂可以是第三函数F₃，其描述有效面积随着涡轮转速增加而减小的比例常数。分别在图3A和图3B的曲线图300和350中图形表示第一函数和第二函数。

继续到图3A，曲线图300示出了在节流涡轮两端的各种压力差ΔP下由节流阀形成的限制的有效横断面积与节流阀开启角之间的示例关系。在此，当节流旁路中没有涡轮/发电机时，有效横断面积A_E可以由第一函数F₁表示。沿着水平轴线示出节流阀开启角，并且沿着垂直轴线示出有效横断面积(还与等式(4)的第一函数F₁相同)。曲线图302示出当涡轮转速为零时更高压力差ΔP下的有效横断面积，并且曲线图304示出当该涡轮转速仍然为零时较低压力差下的有效横断面积。曲线图302示出了例如在ΔP为14 inHg(英寸汞柱)下的有效横断面积，并且曲线图304示出了例如在ΔP为5 inHg下的有效横断面积。随着节流阀开启角增加，穿过节流涡轮的流量增加(曲线图302和304)，当通道(即节流旁路的入口，如图2的节流旁路204的入口)快要完全打开时流量达到最大。具体地，随着进气节流阀打开，其逐渐揭开节流涡轮的入口通道。一旦通道完全打开且阀进一步打开时，低阻力路径穿过节流阀并且大部分流量绕过该涡轮。

然而，当节流旁路中存在涡轮/发电机时，为了精确确定节流阀周围的限制的有效横断面积，应用校正，如等式(4)中所述。在此，第二项或第二函数F2是用于涡轮转速的校正，并且在图3B的曲线图350中示出。曲线图354示出了当涡轮转速不为零时，在较高压力差下的有效横断面积的校正百分率，并且曲线图352示出了当涡轮转速仍然不为零时在较低压力差下的有效横断面积。曲线图354示出了在例如ΔP为14 inHg下的校正，并且曲线图352示出了例如在ΔP为5 inHg下的校正。如此，基于存储在控制器的存储器中的性能映射图/表，可以生成曲线图300和350。

通过对曲线图302和354进行比较并类似地对曲线图304和352进行比较，能够更可靠地确定涡轮转速对节流阀周围的有效横断面积的影响。在此，当没有涡轮时，横断面的有效面积随着节流阀开启角而继续增加(曲线图302)。然而，当包括涡轮转速的影响时，有效横断面积具有更复杂的分布(曲线图354)。在曲线图354中，在α0与α1之间，在节流阀开启角从α0增加至α1时，校正增加。然而，在节流阀开启角增加超过α1时，随着节流阀开启角的增加校正开始减小(曲线图354)。当压力差较低时，这些影响更显著(曲线图352)。在此，当节流阀开启角从α1增加到α2时，校正增加(曲线图352)。当节流阀开启角增加超过ω2时，校正开始急剧减小(曲线图352)。

为了考虑涡轮转速对进气流的影响并精确确定气流，四个变量，即节流阀开启角、节流阀形成的限制的横断面积、进气歧管两端的压力差以及涡轮转速可能需要被适应性地控制。在此，对于期望气流，基于转矩需求，例如，可以通过求解等式(4)来确定节流阀开启角。为此，可能需要产生并迅速访问具有这些变量的四维性能映射图(也称作查找表)以精确确定期望气流下的节流阀开启角。然而，生成、存储并访问复杂的四维映射图可能是时间、存储、计算密集的。

发明人已经确认了一种包括数值调整(例如数值逼近)的方法，其使用相对直接的二维性能映射图来求解等式(4)并精确控制发动机系统中的气流，如图4中所述。可以基于存储在控制器的存储器中的指令并结合从发动机系统的传感器(如参考图1和图2的上述的传感器)接收的信号，通过控制器执行用于进行方法400以及本文包括的其他方法的指令。控制器可以根据下述方法采用发动机系统的发动机致动器来调整发动机运行。

图4的方法400描述一种基于数值逼近的方法以精确确定期望气流下的节流阀开启角。另外，方法400可以用于预测具体节流阀开启角下的气流以进行转矩监测。具体地，该方法通过求解等式(4)推断节流阀开启角并预测发动机进气流而不依靠复杂的四维性能映射图。然而，应当理解，如果需要，可以附加地使用4D映射图。

在402开始方法400，其中，可以估计和/或确定发动机的运行参数。可以基于一个或多个传感器的输出，由控制器(如图1的控制器12)测量或估计运行参数，如压力(P_us和P_ds)、温度(T_us)、涡轮转速(ω)等。例如，可以由位于节流阀上游和下游的一个或多个压力传感器测量/估计P_us和P_ds。可以由温度传感器测量或估计T_us，并且可以例如根据涡轮发电机的输出或经由耦接至涡轮轴的转速传感器计算涡轮转速。在此，压力P_us和P_ds分别指上游压力和下游压力，并且可以进一步用于估计发动机进气节流阀两端的压力差ΔP。除了如压力、温度和涡轮转速等运行参数之外，还可以确定热力学参数，如空气比热的比值γ以及气体常数R。如此，这些热力学参数是校准的常数(例如γ＝1.4且R＝287 J/kg K)。在一些示例中，这些热力学参数可以进一步基于进气空气的温度和成分。还有其他被评估的发动机运行参数可以包括发动机转速、发动机温度、增压压力、EGR(例如流量速率或百分比)等。

在方法400的404，可以基于402处测量/估计的运行参数和热力学参数计算系数，如和这些系数对应由等式(1)和(2)给出的穿过限制的气流。在405，该方法接着确定是否请求气流控制或气流估计。如果请求气流控制，则在406处可以基于期望气流W*来确定由节流阀形成的限制的期望有效面积(A_E^*)。否则，如果请求气流估计，则在410处，确定给定节流阀开启角下的气流预测以用于转矩监测。

在406，基于期望气流W*(其进一步基于转矩需求)确定的期望有效面积A_E^*遵从等式(1)并且能够进一步写作等式(5)：

其中，等式(2)和(3)给出在此，例如基于转矩需求确定W*。然后，方法继续到408以求解期望节流阀开启角α*。通过求解等式(4)确定期望节流阀开启角α*，该等式如下被重写成等式(6)：

可以通过求解非线性等式(6)确定α*的解。然而，等式(6)可能难以求解，并且这种求解可能还是费时的。发明人已经认识到，例如通过包含数值逼近来求解等式(6)而不生成复杂的四维映射图或表是可能的。

以下示出一种示例解答，其采用使用牛顿数值逼近方法的迭代方法求解α*。在此，以下等式(7)：

是迭代的，k＝0，1，...等等。起始值α₀可以被认为是当前节流阀开启角或通过等式(8)给出：

关于α使用F₁(α，ΔP)的倒数。F′₁(α_k，，ΔP)和F′₂(α_k，ΔP)的值表示关于α的函数F₁(α_，，ΔP)和F₂(α_，，ΔP)的灵敏度或导数。函数F′₁(α_k，，ΔP)、F′₂(α_k，，ΔP)和可以存储成性能映射图或查找表，其随后由控制器访问以执行在线计算。

以此方式，通过根据节流阀开启角获悉进气歧管两端生成的压力差，可以生成二维映射图并将其存储在发动机控制单元中。此外，通过包含例如涡轮转速的影响，可以确定限制的有效横断面积的校正，这可以被存储为单独的二维映射图。通过对两个二维映射图执行数值逼近，可以精确确定节流阀开启角而用于有效气流控制。在一个示例中，如果执行一次计算，即，将k设为0且α*的值作为α₁，获得复杂性最小的解。在所选数量的迭代的任何数量之后和/或直到|α_k+1-α_k|低于阈值(预定值，例如)时，停止迭代，最后一次计算的数值α_k+1被当作节流阀开启角α*的解。

在此，基于期望转矩，可以估计气流。进一步，基于估计的气流，可以通过执行数值逼近确定节流阀开启角，并且可以将节流阀调整到计算出的节流阀开启角。在此，调整进气节流阀包括：对耦接至进气系统中的节流板的机电致动器进行调整，以通过将控制信号从控制器发送到致动器而使节流阀旋转所计算的角度。如此，调整进气节流阀的节流阀开启角进一步包括：例如，对耦接至节流涡轮的涡轮发电机处产生的能量进行调整。调整涡轮发电机中产生的能量还可以包括在所选工况下增加涡轮发电机的电功率输出，并且还可以包括使用涡轮发电机中产生的能量对电池和主发电机中的一者或更多者进行充电。

返回410，其中，需要给定节流阀开启角下的气流的精确预测，方法400包括：基于输入节流阀开启角，计算预测的有效面积在此，预测的有效面积可以在数学上表示为等式(9)：

其中，在方法400的402中确定ΔP和ω。接下来，该方法进入412，其中，计算预测的气流如此，预测的气流可以在数学上表示为等式(10)：

其中，在402处计算或估计的变量可以用于预测气流。与经执行以确定节流阀开启角α*的数值逼近相似，可以对等式(9)执行数值逼近以预测给定节流阀开启角α下的气流如此，预测的气流可以用于估计进入进气歧管的流量而用于状态估计，这可以进一步用于转矩监测并用于被应用到节流阀的模型参考控制。因此，代替计算函数的倒数以及使用能够是时间、存储、计算密集的四维映射图，通过快速有效执行数值逼近来预测给定节流阀开启角下的气流而不影响精度是可能的。在图5中图形化描绘了用于气流控制的方法。以此方式，可以使用数值逼近方法来确定期望流量的节流阀开启角以及给定节流阀开启角下的气流，由此实现精确气流控制。

图5示出了各种节流阀开启角和涡轮转速下的期望气流与节流阀下游压力之间的示例关系。在此，上游压力可以被维持大体不变(例如22.4 Hg)。在曲线图500中，沿着水平轴线绘制下游压力，并且沿着垂直轴线绘制穿过节流阀的流量。曲线图502示出当节流阀开启角是α1(例如α1＝12°)时，作为涡轮处于静止或处于涡轮转速ω1(或例如ω1＝0)时的下游压力的函数的气流。曲线图504示出相同节流阀开启角α1下，作为涡轮转速为ω2(例如ω2＝60000 rpm)时的下游压力的函数的气流。曲线图502和504之间的差可以确定例如涡轮转速对流量的影响。曲线图506示出了当节流阀开启角是α2(例如α1＝10°)时，作为涡轮处于静止或处于涡轮转速ω1(或例如ω1＝0)时的下游压力的函数的气流。曲线图504示出在节流阀开启角α2下，作为涡轮转速是ω2(例如ω2＝60000 rpm)时的下游压力的函数的气流。例如，利用节流阀开启角α₂和涡轮转速ω2预测压力P₁时的气流W₁是可能的。

曲线图500还示出期望流量曲线(曲线图510)，其涉及所示的下游压力P_ds和流量W₂。如此，可以基于期望转矩来计算期望气流W₂。给定期望流量(曲线图510)，期望曲线(曲线图510)和测得的涡轮转速下的曲线之间的交叉定义了期望角度。例如，如果测得的涡轮转速是ω2，则曲线图510与曲线图508之间的交叉给出期望角度α2。以此方式，可以针对期望流量基于转矩需求计算节流阀开启角调整值。

继续图6，示出用于控制到发动机的气流的方法600。具体地，方法600通过调整节流阀同时考虑涡轮的旋转速度来对到发动机的汽缸的气流(例如负荷)进行调整。例如，涡轮的转速可以影响气流高达10％，这可以通过该方法进行校正以得到精确的气流控制和转矩传递。另外，方法600基于输入的节流阀开启角来预测到发动机的汽缸的气流，输入的节流阀开启角接着可以用于估计进入歧管的气流而例如用于转矩监测。

在方法600的602，确定发动机工况。工况可以包括发动机转速、发动机负荷、进气空气流速和/或压力、节流阀位置、油门踏板位置、环境压力、环境温度、涡轮转速等等。工况还可以包括确定发动机处于稳态、空转、瞬态等。除了确定工况以外，还可以确定热力学条件。如此，确定热力学条件包括计算热力学参数，如气体的比热比γ、气体常数R等。

一旦确定工况，方法600进入确定是否请求气流控制的604。例如，当转矩需求突然上升(例如由于踩加速器踏板)或突然下降(例如由于放开加速器踏板)时，可以请求气流控制。在一些示例中，如果转矩需求稳步上升和/或稳步下降阈值量，则可以请求气流控制。在一些更多示例中，可以响应于用于调整辅助发电机的功率输出的请求，请求气流控制。

如果请求气流控制，则方法600进入606，其中，可以基于期望气流来调整节流阀开启角以满足转矩要求。如此，可以通过执行如前所述的数值逼近，通过求解等式(6)来确定节流阀开启角。方法600包括：在608，通过基于驾驶员转矩需求，对耦接至节流涡轮的进气节流阀进行前馈调整来执行气流控制。方法600还包括：在610，基于节流涡轮两端的压力差的第一函数以及压力差的不同的第二函数乘以涡轮转速的每一项，调整进气节流阀。如此，调整进气节流阀还包括调整进气节流阀的节流阀开启角。在此，调整进气节流阀包括：对耦接至进气系统中的节流板的机电致动器进行调整以通过将控制信号从控制器发送到致动器而使节流阀旋转所计算的角度。调整进气节流阀进一步包括：在612，调整由进气节流阀在进气管处形成的限制的有效横断面积。在614，调整节流阀开启角还可以基于压力差的第一函数与压力差的第三函数之间的差值，该压力差的第三函数与第一函数和第二函数都是不同的。第三函数可以是第一函数、第二函数以及涡轮转速中的每一项的乘积。当涡轮转速低于阈值时，有效横断面积可以与第三函数成比例地增加，并且其中，当涡轮转速高于阈值时，有效横断面积可以与该第三函数成比例地减小。然后方法600结束。

以此方式，在涡轮和涡轮发电机存在的条件下可以维持精确空气流量控制，因此获得燃料经济性益处同时维持驱动能力和排放要求是可能的。

如果在604没有请求气流控制，方法600进入确定是否请求气流估计的612。如果请求气流估计，则方法600进入618，其中，可以对通过节流涡轮的进气流进行预测或调整。在620中，对通过节流涡轮的进气流的调整可以基于进气节流阀开启角。此外，在622，调整进气流还可以基于进气节流阀开启角的第一函数、以及进气节流阀开启角的不同的第二函数乘以涡轮转速的每一项。在此，例如，基于辅助发电机的脉冲输出确定涡轮转速。一旦调整或预测进气流，方法600进入624，其中，可以基于预测的气流监测转矩，并且方法结束。然而，如果在616没有请求气流估计，方法600进入626，其中，可以不调整气流，并且随后该方法结束。以此方式，通过使用函数和数值逼近，通过对期望气流下的进气节流阀开启角进行估计以满足转矩要求并且进一步预测给定节流阀开启角下的气流而用于转矩监测，可以维持精确气流控制。

现在转到图7，映射图700示出两种状况期间的一种示例气流控制，其中，第一状况包括基于期望气流调整节流阀开启角并且第二情况包括基于节流阀开启角调整气流。曲线图702示出期望气流，其例如进一步基于期望转矩需求。曲线图710示出例如根据涡轮发电机的输出估计的涡轮转速。曲线图706(虚线)示出基于期望气流确定的节流阀开启角。在此，在第一状况期间，可以基于节流涡轮两端的压力差的第一函数、以及压力差的不同的第二函数与涡轮转速(曲线图710)的乘积中的每一项，调整耦接至节流涡轮的节流阀的进气节流阀开启角(曲线图706)。

在t0与t1之间，可以确认第一状况，其中，可能期望增加气流(曲线图702)。例如当转矩需求增加时，可以期望增加气流。因此，例如，基于气流控制请求，可以调整节流阀开启角，同时维持通过节流涡轮的气流以满足驾驶员转矩需求的增加。考虑涡轮转速(710)，节流阀开启角可以增加(曲线图706)。此外，基于等式(5)和等式(6)确定进气节流阀开启角增加的量，如前所解释的。简单地说，可以基于节流涡轮两端的压力差的第一函数、以及压力差的不同的第二函数与涡轮转速的乘积中的每一项对耦接至节流涡轮的节流阀的进气节流阀开启角进行调整。此外，在第一状况期间，节流阀开启角的调整包括在标称发动机运行过程中的前馈调整，并且还包括在发动机空转过程中的反馈调整。当涡轮转速影响忽略不计时，例如，在节流涡轮的状况包括静止或以低于阈值转速旋转的一个或多个时，可以基于第一函数对节流阀的进气节流阀开启角进行调整。在第一状况期间，可以接收气流控制的请求并且可以调整节流阀开启角同时维持通过节流涡轮的气流以及同时传送驾驶员转矩需求。以此方式，通过考虑涡轮转速的影响，可以影响满足转矩需求的精确气流控制。基于期望流量同时考虑涡轮转速来调整节流阀开启角的技术效果是，更精确地控制到发动机的气流。

在t1与t2之间，可以确认第二状况，其中，可以接收气流估计的请求。在t2与t3之间的时间期间，可以调整通过节流涡轮的气流(曲线图704)同时维持进气节流阀开启角(曲线图708)以及同时估计进入歧管的气流，如参照等式(9)和(10)所述的。简单地说，在t2与t3之间的第二状况期间，可以基于进气节流阀开启角的第一函数(由曲线图708给出的基于节流阀开启角的函数)以及进气节流阀开启角的不同的第二函数与涡轮转速的乘积(曲线图714)中的每一项，调整通过节流涡轮的进气流(曲线图704)。因此，在第二状况期间，可以接收气流估计的请求，并且可以调整通过节流涡轮的气流同时维持进气节流阀开启角以及同时估计进入歧管的气流。

以此方式，通过使用函数和数值逼近，通过估计期望气流下的进气节流阀开启角以满足转矩要求并且进一步预测给定节流阀开启角下的气流而用于转矩监测，可以维持精确气流控制。基于期望流量调整节流阀开启角并基于节流阀开启角进一步预测气流同时考虑涡轮转速的技术效果是，更精确控制到发动机的气流并且更好控制转矩监测。

如上所述的系统和方法还提供一种用于发动机气流控制的方法，该方法包括：基于驾驶员转矩需求，对耦接至节流涡轮的进气节流阀进行前馈调整；并且基于节流涡轮两端的压力差的第一函数以及压力差的不同的第二函数乘以涡轮转速，进一步调整进气节流阀。在该方法的第一个示例中，调整进气节流阀并进一步调整该进气节流阀可以附加地或替代地包括调整该进气节流阀的节流阀开启角。该方法的第二个示例可选地包括该第一个示例并且还包括：其中，调整进气节流阀包括：调整由进气节流阀在进气管处形成的限制的有效横断面积。该方法的第三个示例可选地包括第一个示例和第二个示例中的一个或多个，并且还包括：基于压力差的第一函数与该压力差的第三函数之间的差值来进一步调整该节流阀开启角，该压力差的第三函数与第一函数和第二函数都不同。该方法的第四个示例可选地包括第一个示例至第三个示例中的一个或多个，并且还包括：其中，第三函数是第一函数、第二函数和涡轮转速中的每一项的乘积。该方法的第五个示例可选地包括第一个示例至第四个示例中的一个或多个，并且还包括：其中，当涡轮转速低于阈值时，有效横断面积与第三函数成比例地增加，并且其中，当该涡轮转速高于该阈值时，有效横断面积与第三函数成比例地减小。该方法的第六个示例可选地包括第一个示例至第五个示例中的一个或多个，并且还包括：其中，调整进气节流阀的节流阀开启角还包括：对耦接至节流涡轮的涡轮发电机处产生的能量进行调整。该方法的第七个示例可选地包括第一个示例至第六个示例中的一个或多个，并且还包括：其中，节流涡轮位于进气管处的进气节流阀周围的节流旁路中，该节流旁路被构造成将进气空气从进气节流阀上游的位置传送至进气节流阀下游的位置。该方法的第八个示例可选地包括第一个示例至第七个示例中的一个或多个，并且还包括：其中，调整涡轮发电机中产生的能量包括：增加涡轮发电机在所选工况下的电功率输出。该方法的第九个示例可选地包括第一个示例至第七个示例中的一个或多个，并且还包括：使用涡轮发电机中产生的能量对电池和主发电机中的一个或多个进行充电。该方法的第十个示例可选地包括第一个示例至第九个示例中的一个或多个，并且还包括：其中，基于涡轮发电机的脉冲输出计算涡轮转速。

以上所述系统和方法还提供了一种方法，该方法包括：在第一状况期间，基于节流涡轮两端的压力差的第一函数以及该压力差的不同的第二函数与涡轮转速的乘积中的每一项，对耦接至节流涡轮的节流阀的进气节流阀开启角进行调整，并且在第二状况期间，基于进气节流阀开启角的第一函数以及该进气节流阀开启角的不同的第二函数与涡轮转速的乘积中的每一项，对通过节流涡轮的进气流进行调整。在该方法的第一个示例中，该方法可以附加地或替代地包括：当节流涡轮的状况包括静止或以低于阈值转速旋转中的一个或多个时，基于第一函数对节流阀的进气节流阀开启角进行调整。该方法的第二个示例可选地包括该第一个示例，并且还包括：其中，在第一状况期间，接收气流控制请求。该方法的第三个示例可选地包括第一个示例和第二个示例中的一个或多个，并且还包括：其中，在第一状况期间，调整节流阀开启角同时维持通过节流涡轮的气流以及同时传递驾驶员转矩需求。该方法的第四个示例可选地包括第一个示例到第三个示例中的一个或多个，并且还包括：其中，在第一状况期间，对节流阀开启角进行调整包括在标称发动机运行过程中的前馈调整，并且还包括在发动机空转过程中的反馈调整。该方法的第五个示例可选地包括第一个示例到第四个示例中的一个或多个，并且还包括：其中，在第二状况期间，接收气流估计请求。该方法的第六个示例可选地包括第一个示例到第三个示例中的一个或多个，并且还包括：其中，在第二状况期间，对通过节流涡轮的气流进行调整同时维持进气节流阀开启角以及同时估计进入歧管的气流。

以上所述系统和方法还提供一种用于发动机的系统，包括：布置在发动机的进气通道中的节流阀；被构造成将进气空气从节流阀上游的位置传送到节流阀下游的位置的节流旁路；位于节流阀上游和/或下游用于估计节流阀两端的压力差的一个或多个压力传感器；和布置在节流旁路中的涡轮，该涡轮被构造成驱动与电池电连通的辅助发电机，该电池进一步与主发电机电连通。在该系统的第一个示例中，该系统可以附加地或替代地包括具有存储在非瞬态存储器上的计算机可读指令的控制器，其被构造成响应于调整辅助发电机的功率输出的请求，基于节流涡轮两端的压力差的第一函数以及压力差的不同的第二函数乘以涡轮转速中的每一项，对节流阀的角位置进行调整。该系统的第二个示例可选地包括该第一个示例，并且还包括：其中，该控制器包括另外的指令，用于响应于气流估计的请求，基于节流阀的角位置的第一函数以及节流阀的角位置的不同的第二函数乘以涡轮转速，对通过涡轮的进气流进行调整，该涡轮转速基于辅助发电机的脉冲输出被确定。

注意，本文所包括的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文所公开的控制方法和程序可被存储为非暂时存储器中的可执行指令，并且可由包括与各种传感器、致动器和其他发动机硬件组合的控制器的控制系统实施。本文所述的特定程序可表示任何数目的处理策略中的一种或多种，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所说明的各种动作、操作和/或功能可按说明的顺序执行、并行执行或在一些情况下省略。同样，处理的顺序不是实现本文所述的示例性实施例的特征和优点所必需的，而是为易于说明和描述提供。根据所使用的具体策略，可重复执行所说明的动作、操作和/或功能中的一种或多种。进一步地，所述动作、操作和/或功能可用图形表示待编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器内的代码，其中所述动作通过执行包括与电子控制器组合的各种发动机硬件部件的系统中的指令实施。

应当理解，因为许多变化是可能的，所以本文所公开的配置和程序实际上是示例性的，并且这些具体实施例不应被视为具有限制意义。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他发动机类型。本公开的主题包括本文所公开的各种系统和配置，以及其它特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

随附权利要求特别指出被视为新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可指“一个”元件或“第一”元件或其等效物。此类权利要求应被理解成包括一个或多个此类元件的结合，既不要求也不排除两个或更多此类元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合可通过本权利要求的修正或通过在本申请或相关申请中呈现的新权利要求加以要求。此类权利要求，无论比原始权利要求范围更宽、更窄、相同或不同，仍被视为包括在本公开的主题内。