用于增压发动机的前馈涡轮增压器控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及内燃发动机的控制。
【背景技术】
[0002] 在该部分中的陈述只是提供关于本发明的背景信息。因此，这些陈述并非意在构 成对现有技术的承认。
[0003] 发动机控制包括基于期望发动机输出来控制发动机运转中的参数，包括发动机速 度和发动机载荷以及所产生的运转，例如包括发动机排放。由发动机控制方法所控制的参 数包括空气流量、燃料流量、以及进气阀和排气阀设定。
[0004] 可以将增压空气提供至发动机，以相对于自然吸气进气系统向发动机提供增大 的空气流量从而提高发动机的输出。涡轮增压器利用发动机的排气系统中的压力来驱动 压缩机，从而向发动机提供增压空气。示例性的涡轮增压器可以包括可变几何涡轮增压器 (VGT)，使得能够调节对于排气系统中的给定条件所提供的增压空气。机械式增压器利用来 自发动机的例如如由附件带提供的机械功率来驱动压缩机，从而向发动机提供增压空气。 发动机控制方法控制增压空气，以便于控制在发动机内所产生的燃烧以及所产生的发动机 输出。
[0005] 排气再循环（EGR)是可以由发动机控制所控制的另一参数。在发动机排气系统内 的排气流耗尽了氧气并且基本上是惰性气体。当与燃料和空气的燃烧充量结合被引入或者 保留在燃烧腔室内时，排气减缓了燃烧，从而减少了输出并且降低了绝热火焰温度。也可以 在先进燃烧策略中与其他参数组合来控制EGR，例如包括均质充量压燃式（HCCI)燃烧。也 可以控制EGR以改变所产生的排气流的属性。发动机控制方法控制EGR以便于控制在发动 机内所产生的燃烧以及所产生的发动机输出。EGR系统回路可以包括提供排气至燃烧腔室 中的多个路径，包括高压（HP)排气再循环回路和低压（LP)排气再循环回路。在增压发动机 中，排气可以经由高压路径引导至发动机进气歧管中，其中排气在流经VGT之前被引导回 到进气流中以使得排气保持加压。在经过VGT之后，排气可以另外通过回路被引导回到发 动机进气歧管，在此处排气不再处于压力下。
[0006] 用于发动机的空气调节系统管理进气空气和EGR至发动机中的流量。必须装备空 气调节系统以满足充入空气成分目标(例如EGR比例目标）从而实现排放目标，并且满足总 空气可用目标(例如充气流质量流量)从而实现期望的功率和扭矩目标。最强地影响EGR流 量的致动器通常影响充气流量，并且最强地影响充气流量的致动器通常影响EGR流量。因 此，具有现代空气调节系统的发动机展示了具有联接的输入-输出响应回路的多输入多输 出（Mnro)系统。
[0007] 联接了输入即输入-输出响应回路相互影响的Mnro系统呈现了本领域中的公知 挑战。发动机空气调节系统呈现了进一步的挑战。发动机在大范围的参数上运转，包括可 变的发动机速度、可变的扭矩输出、以及可变的加油和正时安排。在许多情况下，对于系统 的精确转移功能是不可用的和/或对于标准解耦计算所需的计算能力是不可用的。多路径 EGR操作允许系统在较高增压等级下运行较高的EGR率，但是影响VGT/压缩机流量和功率， 这影响了增压控制设计和性能。
【发明内容】
[0008] -种发动机包括具有高压排气再循环回路和低压排气再循环回路的排气再循环 系统以及空气充气系统。一种控制空气充气系统的方法包括监测实际排气再循环率、空气 充气系统中的压缩机的运转条件，以及空气充气系统中的涡轮机的运转条件。基于目标排 气再循环率、目标进气歧管压力和实际排气再循环率来确定压缩机流量。基于压缩机流量、 目标进气歧管压力和监测到的压缩机运转条件来确定由空气充气系统中的压缩机请求的 功率。基于由压缩机请求的功率来确定待由涡轮机产生的功率。基于待由涡轮机产生的功 率和监测到的涡轮机运转条件来确定涡轮机流量。基于涡轮机流量和监测到的涡轮机运转 条件来确定用于空气充气系统的系统控制命令。基于系统控制命令来控制空气充气系统。
[0009] 1. -种内燃发动机中的空气充气系统的基于模型控制的方法，所述内燃发动机包 括具有高压排气再循环回路和低压排气再循环回路的排气再循环系统，该方法包括： 监测实际排气再循环率； 监测所述空气充气系统中的压缩机的运转条件和所述空气充气系统中的涡轮机的运 转条件； 基于目标排气再循环率、目标进气歧管压力和实际排气再循环率来确定压缩机流量； 基于所述压缩机流量、所述目标进气歧管压力和监测到的所述压缩机的运转条件来确 定由所述空气充气系统中的压缩机请求的功率； 基于由压缩机请求的功率来确定待由涡轮机产生的功率； 基于所述待由涡轮机产生的功率和监测到的涡轮机的运转条件来确定涡轮机流量； 基于所述涡轮机流量和监测到的涡轮机的运转条件来确定用于所述空气充气系统的 系统控制命令；以及 基于所述系统控制命令控制所述空气充气系统。
[0010] 2.根据方案1所述的方法，其中，所述空气充气系统包括可变几何涡轮增压器，包 括涡轮机和压缩机。
[0011] 3.根据方案1所述的方法，其中，监测实际排气再循环率包括监测气缸内总排气 再循环率，包含高压排气再循环率和低压排气再循环率。
[0012] 4.根据方案3所述的方法，还包括仅使用低压排气再循环系统控制阀来控制所述 气缸内总排气再循环率。
[0013] 5.根据方案4所述的方法，其中，所述气缸内总排气再循环率由以下关系式表示。
其中r是气缸内总排气再循环率， rHP是高压排气再循环率， Ap是低压排气再循环率。
[0014] 6.根据方案1所述的方法，其中，根据以下关系式确定所述压缩机流量，
其中W。是压缩机流量， rHP是高压排气再循环率， rI v是容积效率， R是通用气体常数， T1是进气温度， Vd是体积排量， N是发动机速度，以及 P1是进气歧管压力。
[0015] 7.根据方案1所述的方法，其中，确定用于所述空气充气系统的系统控制命令包 括： 基于期望进气歧管压力和所述压缩机流量来确定目标涡轮机入口压力；以及 确定用于在所述目标涡轮机入口压力下实现所述涡轮机流量所需的系统控制命令。
[0016] 8.根据方案1所述的方法，其中，基于所述压缩机流量、所述目标进气歧管压力和 监测到的压缩机运转条件来确定由所述空气充气系统中的压缩机请求的功率包括采用以 下关系式，
其中P。是由压缩机请求的功率， W。是压缩机流量， Tu。是压缩机上游温度， Cp是在恒定压力下的比热， P1是进气压力， Puc是压缩机上游压力， μ是比热比，以及 η。是压缩机的效率。
[0017] 9.根据方案1所述的方法，其中，基于所述待由涡轮机产生的功率和监测到的涡 轮机的运转条件来确定涡轮机流量采用以下关系式，
其中Pt是待由涡轮机产生的功率， η t是涡轮机效率， Tx是排气温度， Ps是涡轮机出口压力，以及 Px是排气压力。
[0018] 10. -种用于控制内燃发动机中的具有高压排气再循环回路和低压排气再循环回 路的排气再循环系统、空气节流系统和空气充气系统的方法，该方法包括： 监测用于所述高压排气再循环回路、所述低压排气再循环回路、所述空气节流系统和 所述空气充气系统的每一个的期望操作目标命令； 监测所述空气充气系统的操作参数； 基于对应的期望操作目标命令和所述空气充气系统的操作参数来确定用于所述高压 排气再循环回路、所述低压排气再循环回路、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每 一个的反馈控制信号； 基于用于所述高压排气再循环回路、所述低压排气再循环回路、所述空气节流系统和 所述空气充气系统的每一个的对应的反馈控制信号来确定所述高压排气再循环回路中的 高压排气再循环流量、所述低压排气再循环回路中的低压排气再循环流量、所述空气节流 系统中的空气流量、以及所述空气充气系统中的涡轮机功率变换比； 基于所述高压排气再循环流量、所述低压排气再循环流量、所述空气流量和所述涡轮 机功率变换比来确定用于所述高压排气再循环回路、所述低压排气再循环回路、所述空气 节流系统和所述空气充气系统的每一个的系统控制命令；以及 基于所述系统控制命令来控制所述空气充气系统。
[0019] 11.根据方案10所述的方法，其中，所述期望操作目标命令包括： 期望进气歧管压力命令， 期望压缩机增压比命令， 压缩机之前的期望已燃废气比例的命令，以及 进气口处的期望已燃废气比例的命令。
[0020] 12.根据方案10所述的方法，还包括，基于对应的期望操作目标命令来确定用于 所述高压排气再循环回路、所述低压排气再循环回路、所述空气节流系统和所述空气充气 系统的每一个的前馈控制命令。
[0021] 13.根据方案12所述的方法，其中，确定所述高压排气再循环流量、所述低压排气 再循环流量、所述空气流量和所述涡轮机功率变换比进一步基于对应的前馈控制命令。
[0022] 14.根据方案12所述的方法，其中，确定用于所述空气充气系统的前馈控制命令 包括： 监测目标排气再循环率和目标进气歧管压力； 监测实际排气再循环率； 基于所述目标排气再循环率、所述目标进气歧管压力和所述实际排气再循环率来确定 来自所述空气充气系统中的压缩机的压缩机流量； 监测所述空气充气系统中的压缩机的运转条件和涡轮机的运转条件； 基于所述压缩机流量、所述目标进气歧管压力和监测到的压缩机的运转条件来确定由 压缩机请求的功率； 基于所述由压缩机请求的功率来确定待由涡轮机产生的功率； 基于所述待由涡轮机产生的功率和监测到的涡轮机的运转条件来确定涡轮机流量；以 及 基于所述涡轮机流量和监测到的涡轮机的运转条件来确定用于所述空气充气系统的 前馈控制命令。
[0023] 15.根据方案10所述的方法，其中，确定用于所述高压排气再循环回路、所述低压 排气再循环回路、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的系统控制命令包括采 用高压排气再循环回路、低压排气再循环回路、空气节流系统和空气充气系统的每一个的 逆向模型。
[0024] 16.根据方案10所述的方法，其中，所述空气充气系统包括可变几何涡轮增压器， 该可变几何涡轮增压器包括涡轮机和压缩机。
[0025] 17.根据方案14所述的方法，其中，监测实际排气再循环率包括监测气缸内总排 气再循环率，包含高压排气再循环率和低压排气再循环率。
[0026] 18.根据方案10所述的方法，还包括，仅使用低压排气再循环系统控制阀来控制 气缸内总排气再循环率，该气缸内总排气再循环率由高压排气再循环率与低压排气再循环 率的组合构成。
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