用于顺序起动的涡轮增压器的模式转变系统和方法

专利名称：用于顺序起动的涡轮增压器的模式转变系统和方法
技术领域：
本发明涉及内燃发动机，更具体地，涉及顺序起动的涡轮增压器控制系统。
背景技术：
本文所提供的背景技术描述目的在于从总体上呈现本发明的背景。发明人的一部 分工作在背景技术部分中被描述，这部分内容以及在提交申请时该描述中不另构成现有技 术的方面，既不明确也不暗示地被承认是破坏本发明的现有技术。内燃发动机(ICE)可利用顺序起动的涡轮增压器通过将额外的空气输送进入ICE 的汽缸来提高扭矩输出。顺序起动的涡轮增压器可以是两级涡轮增压器系统。顺序起动的 涡轮增压器可包括按顺序布置的高压涡轮增压器和低压涡轮增压器。高压涡轮增压器可包 括高压涡轮和高压压缩机。低压涡轮增压器可包括低压涡轮和低压压缩机。高压涡轮和低压涡轮可被分别控制以调节排气流。当发动机以低速工作时，排气 流动穿过高压涡轮，然后穿过低压涡轮。排气穿过这些涡轮的流动可降低涡轮增压器增压 的响应时间，该响应时间被称为涡轮迟滞。可利用旁通阀(BPV)和可变几何涡轮(VGT)来控制涡轮迟滞。高压涡轮可包括 BPV和VGT。VGT具有一组可运动的叶片，这些可运动的叶片用于控制流过VGT的排气压力。 排气流量在低发动机速度时是低的。当流过VGT的排气流量低时，叶片被部分地关闭以使 VGT加速。使VGT加速提高了输送到高压涡轮增压器中的高压压缩机的增压压力。随着发 动机速度提高，叶片被打开以降低VGT的速度。VGT的速度降低防止了增压压力超过预定水 平。当VGT以高速工作时，BPV可打开，从而使排气流改道穿过BPV。BPV在VGT的增压压 力超过预定水平之前释放该增压压力。

发明内容
在一个实施例中，提供了一种系统，其包括模式选择模块、前馈选择模块和控制环 模块。所述模式选择模块基于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动机模式信号产生控 制模式信号。所述控制模式信号指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种。所述前馈选 择模块基于所述控制模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号确定前馈值。 当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，所述控制环模块基 于所述前馈值、可变几何涡轮(VGT)控制信号和误差信号来确定环控制值。在其他特征中，提供了一种控制顺序起动的涡轮增压器的方法。所述方法包括基 于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动机模式信号来产生控制模式信号。所述控制模 式信号指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种。基于所述控制模式信号、所述发动机 速度信号和所述发动机扭矩信号确定前馈值。当所述控制模式信号从所述开环控制模式转 变到所述闭环控制模式时，基于所述前馈值、可变几何涡轮(VGT)控制信号和误差信号来 确定环控制值。本发明还提供了以下方案
方案1. 一种用于顺序起动的涡轮增压器的系统，包括模式选择模块，所述模式选择模块基于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动 机模式信号产生控制模式信号；其中，所述控制模式信号指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种；前馈选择模块，所述前馈选择模块基于所述控制模式信号、所述发动机速度信号 和所述发动机扭矩信号确定前馈值；和控制环模块，当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式 时，所述控制环模块基于所述前馈值、可变几何涡轮控制信号和误差信号确定环控制值。方案2.如方案1所述的系统，进一步包括发动机模式检测模块，所述发动机模式 检测模块基于所述发动机速度信号、所述发动机扭矩信号、空气质量流量信号和海拔高度 中的至少一个产生所述发动机模式信号。方案3.如方案1所述的系统，进一步包括求和模块，其基于所述前馈值和所述环控制值确定求和值；信号选择模块，其基于所述求和值和所述前馈值产生选定的可变几何涡轮信号；界限模块，其基于所述选定的可变几何涡轮信号产生比例缩放的可变几何涡轮信 号；和致动模块，其基于所述比例缩放的可变几何涡轮信号产生所述可变几何涡轮控制 信号以致动所述顺序起动的涡轮增压器的可变几何涡轮中的多个叶片。方案4.如方案3所述的系统，其中，包括涡轮增压器控制模块，所述涡轮增压器控 制模块包括所述模式选择模块、所述前馈选择模块和所述控制环模块，并且所述涡轮增压 器控制模块基于发动机速度和发动机负载使所述可变几何涡轮工作在所述闭环控制模式 中；其中，所述致动模块基于所述发动机速度和所述发动机负载之间的关系关闭所述 顺序起动的涡轮增压器的旁通阀。方案5.如方案4所述的系统，其中，当旁通阀位置信号大于预定位置值时，所述涡 轮增压器控制模块分别基于所述可变几何涡轮控制信号和旁通阀控制信号使所述可变几 何涡轮和所述旁通阀工作在所述开环控制模式中。方案6.如方案4所述的系统，其中，当歧管绝对压力信号在预定时间段内都大于 预定压力并且可变几何涡轮位置信号在所述预定时间段内都小于预定阈值时，所述涡轮增 压器控制模块使所述可变几何涡轮工作在所述开环控制模式中并且使所述旁通阀工作在 所述闭环控制模式中。方案7.如方案1所述的系统，进一步包括高压压缩机检测模块，其基于来自歧管绝对压力传感器的歧管绝对压力信号和来 自高压压缩机入口温度传感器的温度信号产生修正的空气流量值；设置点选择模块，其基于所述发动机模式信号、所述发动机速度信号和所述发动 机扭矩信号中的至少一个产生设置点信号；和误差模块，其基于所述设置点信号和所述歧管绝对压力信号之间的差产生所述误
差信号。方案8.如方案7所述的系统，其中，所述模式选择模块基于可变几何涡轮位置信
5号、旁通阀位置信号、所述修正的空气流量值、高压压缩机压力比和所述误差信号中的至少 一个产生所述控制模式信号；其中，基于高压压缩机入口压力和高压压缩机出口压力之间的压力比确定所述高 压压缩机压力比。方案9.如方案1所述的系统，其中，当所述控制模式信号从所述开环控制模式转 变到所述闭环控制模式时，所述控制环模块基于旁通阀控制信号和所述误差信号确定所述 环控制值。方案10.如方案9所述的系统，进一步包括信号选择模块，其基于所述环控制值和所述前馈值产生选定的旁通阀信号；界限模块，其基于所述选定的旁通阀信号产生比例缩放的旁通阀信号；和致动模块，其基于所述比例缩放的旁通阀信号产生所述旁通阀控制信号以致动所 述顺序起动的涡轮增压器的旁通阀。方案11. 一种控制顺序起动的涡轮增压器的方法，包括基于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动机模式信号产生控制模式信号；指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种；基于所述控制模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号确定前馈 值；和当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，基于所述 前馈值、可变几何涡轮控制信号和误差信号确定环控制值。方案12.如方案11所述的方法，进一步包括基于所述发动机速度信号、所述发动 机扭矩信号、空气质量流量信号和海拔高度中的至少一个产生所述发动机模式信号。方案13.如方案11所述的方法，进一步包括基于所述前馈值和所述环控制值确定求和值；基于所述求和值和所述前馈值产生选定的可变几何涡轮信号；基于所述选定的可变几何涡轮信号产生比例缩放的可变几何涡轮信号；和基于所述比例缩放的可变几何涡轮信号产生所述可变几何涡轮控制信号以致动 所述顺序起动的涡轮增压器的可变几何涡轮中的多个叶片。方案14.如方案13所述的方法，进一步包括基于发动机速度和发动机负载使所述可变几何涡轮工作在所述闭环控制模式 中；基于所述发动机速度和所述发动机负载之间的关系关闭所述顺序起动的涡轮增 压器的旁通阀。方案15.如方案14所述的方法，进一步包括当旁通阀位置信号大于预定位置值 时，分别基于所述可变几何涡轮控制信号和旁通阀控制信号使所述可变几何涡轮和所述旁 通阀工作在所述开环控制模式中。方案16.如方案14所述的方法，进一步包括当歧管绝对压力信号在预定时间段 内都大于预定压力并且可变几何涡轮位置信号在所述预定时间段内都小于预定阈值时，使 所述可变几何涡轮工作在所述开环控制模式中，并且使所述旁通阀工作在所述闭环控制模式中。
方案17.如方案11所述的方法，进一步包括基于来自歧管绝对压力传感器的歧管绝对压力信号和来自高压压缩机入口温度 传感器的温度信号产生修正的空气流量值；基于所述发动机模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号中的至少 一个产生设置点信号；和基于所述设置点信号和所述歧管绝对压力信号之间的差产生所述误差信号。方案18.如方案17所述的方法，进一步包括基于可变几何涡轮位置信号、旁通阀位置信号、所述修正的空气流量值、高压压缩 机压力比和所述误差信号中的至少一个产生所述控制模式信号；和基于高压压缩机入口压力和高压压缩机出口压力之间的压力比确定所述高压压 缩机压力比。方案19.如方案11所述的方法，进一步包括当所述控制模式信号从所述开环控 制模式转变到所述闭环控制模式时，基于旁通阀控制信号和所述误差信号确定所述环控制值。方案20.如方案19所述的方法，进一步包括基于所述环控制值和所述前馈值产生选定的旁通阀信号；基于所述选定的旁通阀信号产生比例缩放的旁通阀信号；和基于所述比例缩放的旁通阀信号产生所述旁通阀控制信号以致动所述顺序起动 的涡轮增压器的旁通阀。通过后文提供的详细描述将明了本发明更多的应用领域。应当理解的是，这些详 细描述和特定示例仅仅用于说明的目的，而并不旨在限制本公开的范围。


根据详细描述和附图，本发明将得到更加全面的理解，附图中图1是根据本发明实施例的发动机控制系统的功能框图；图2是根据本发明实施例的VGT控制系统的功能框图；图3是根据本发明实施例的BPV控制系统的功能框图；图4A和图4B示出了根据本发明实施例的对VGT和BPV进行控制的方法。
具体实施例方式下面的描述本质上仅仅是示例性的，并不试图以任何方式限制本发明、其应用或 用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同附图标记来指示相似元件。如本文所使用的，短 语“A、B和C中的至少一个”应当解释为指的是使用了非排他性逻辑“或”的逻辑“A或者B 或者C”的含义。应当理解的是，在不改变本发明原理的情况下，方法内的步骤可按照不同 顺序执行。如本文所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个 软件或固件程序的处理器(共用处理器、专用处理器或组处理器)和存储器、组合逻辑电路 和/或提供所述功能的其他适合部件。发动机可构造有顺序起动的涡轮增压器以调节供应到发动机汽缸的空气流。空气流可由多个控制致动器控制。控制致动器可包括VGT和BPV。VGT和BPV在不同发动机条 件下以不同控制模式工作。控制模式可在开环控制模式和闭环控制模式之间切换。希望获 得控制模式之间的平滑转变(即最小的增压压力变化)以达到排放目标，满足燃料经济性 目标以及改善驾驶性能。由于这些控制致动器的高度非线性特性，所以如果没有被适当地 控制，则该转变可能会不平滑。本发明的实施例提供了用于控制顺序起动的涡轮增压器的技术。这些技术可降低 增压压力的变化量并且提供控制模式之间的平滑转变。这提高了燃料经济性并且改善了发 动机耐用性，同时还满足了排放要求。在图1中，示出了车辆的示例性发动机控制系统10。发动机控制系统10可包括发 动机12和涡轮增压器控制系统14。涡轮增压器控制系统14可包括具有两级涡轮增压器系 统18的发动机控制模块16。两级涡轮增压器系统18致动VGT 20和BPV 22以控制供应到 发动机12用于燃烧的空气量。发动机控制模块16可包括涡轮增压器控制模块24。涡轮增压器控制模块24协 调对VGT 20和BPV 22的控制。涡轮增压器控制模块24可包括VGT控制模块26和BPV控 制模块28。VGT控制模块26基于发动机速度信号EngSpd、发动机扭矩信号EngTrq、发动机 模式信号EngMod和BPV位置信号BPVpos来控制VGT 20中的叶片的打开和关闭。图2示 出了 VGT控制模块的一个示例。BPV控制模块28基于发动机速度信号EngSpd、发动机扭 矩信号EngTrq、误差信号ERR、VGT位置信号VGTpos、修正的空气流量值CorrAir和压力比 PresRatio来控制BPV 22的打开和关闭。图3示出了 BPV控制模块的一个示例。在发动机工作期间，空气被吸入进气歧管30。进气歧管30内的空气被分配到汽缸 32内。进气歧管绝对压力(MAP)传感器34可检测进气歧管30内的空气压力并且产生MAP 信号MAP。尽管图1示出了六个汽缸，但发动机12也可包括任意数量的汽缸32。虽然示出 的是汽油驱动的内燃发动机，但本文所公开的实施例也适用于柴油或替代性燃料供能的发 动机。混合有空气的燃料经由燃料轨36、38被吸入汽缸32。空气/燃料混合物在汽缸 32内被压缩并且被点燃以产生驱动扭矩。驱动扭矩可提高发动机速度。发动机速度传感器 40可以每分钟转数(RPM)为单位来测量发动机12的速度。汽缸32内的燃烧排气经由排气 歧管42、44被排出。排气通过排气导管46、48行进，并被引导到两级涡轮增压器系统18。两级涡轮增压器系统18可包括高压涡轮增压器50和低压涡轮增压器52。高压涡 轮增压器50可包括VGT 20和高压压缩机54。当排气流过VGT 20时，高压压缩机54旋转 并且迫使空气进入汽缸32。VGT 20可具有一组可运动的叶片(未示出)以控制流过高压 涡轮增压器50的排气压力。当排气流量为低时，叶片被部分地关闭以提高高压涡轮增压器 50的速度。随着发动机速度提高，叶片可打开以降低高压涡轮增压器50的速度。低压涡轮增压器52可包括固定几何涡轮(TOT) 56和低压压缩机58。流过TOT 56 的排气导致低压压缩机58旋转并且对空气进行压缩。当发动机12以低速工作时，排气从 排气歧管42、44流入VGT 20，然后穿过TOT 56。通过允许排气流过高压涡轮增压器50然 后流过低压涡轮增压器52，涡轮迟滞可被降低。随着发动机速度提高，BPV 22可打开以使 排气流旁通并且允许排气流过TOT 56。压缩机旁通阀(CBPV)60可与BPV 22协同工作。在 另一个实施例中，CBPV 60和BPV 22可独立地工作。CBPV 60防止高压压缩机54旋转得快
8于预定速度，而导致对两级涡轮增压器系统18的损害。在图2中，示出了用于两级涡轮增压器系统18的VGT 20的涡轮增压器控制系统 14。涡轮增压器控制系统14可包括VGT控制模块26。VGT控制模块26可包括VGT模式选 择模块200、前馈选择模块202和控制环模块204。VGT模式选择模块200可接收来自传感器206的信号。传感器206可包括MAP传 感器34、发动机速度传感器40、发动机扭矩传感器208、BPV位置传感器210和其他多个传 感器212。其他多个传感器212可包括氧传感器、发动机冷却剂温度传感器、空气质量流量 (MAF)传感器和/或高度传感器。发动机速度传感器40可产生以RPM为单位指示发动机速度的发动机速度信号 EngSpd0发动机扭矩传感器208可产生指示发动机12输出扭矩的发动机扭矩信号EngTrq。 BPV位置传感器210可产生对应于BPV 22打开量的BPV位置信号BPVpos，包括完全关闭、 完全打开和在它们之间的位置。发动机模式检测模块214可基于接收自一组传感器206的 信号产生发动机模式信号EngMod。VGT模式选择模块200可基于发动机速度信号EngSpd、发动机扭矩信号EngTrq、 BPV位置信号BPVpos和发动机模式信号EngMod来产生控制模式信号Ctrl。控制模式信号 Ctrl指示了 VGT 20以其进行工作的控制模式。控制模式可以是开环控制模式和闭环控制 模式中的至少一种。开环控制模式指示涡轮增压器控制系统14是在没有反馈的情况下基 于输入信号而被控制的，所述输入信号例如是发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号 EngTrq。一组输入信号可用于确定前馈值以使VGT 20和BPV 22工作。处于开环控制模式 中的系统是开环控制系统。不过，利用反馈了的系统是闭环控制系统。反馈被用于对关于使VGT 20和BPV 22 工作的控制信号的变化作出决定。闭环控制模式指示了涡轮增压器控制系统14由接收设 置点信号和前馈值的反馈系统控制。设置点信号指示了作为反馈系统输入的期望VGT或 BPV位置。前馈值可以是输入到反馈系统的另外的输入。闭环控制系统比开环控制系统提 供了更高的准确度，因为闭环控制系统能够基于反馈来调节控制信号。VGT模式选择模块200将控制模式信号Ctrl传输到前馈选择模块202和信号选择 模块216。前馈选择模块202可接收控制模式信号Ctrl并且基于控制模式信号Ctrl、发动 机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngSpd确定前馈值。前馈值可存储在查找表中并且 可基于发动机速度和发动机扭矩而被索引。取决于涡轮增压器控制系统14的控制模式，查 找表可包括不同组的前馈值。仅作为示例，当控制模式信号指示开环控制模式时，前馈选择模块202可从开环 VGT查找表218中获取开环前馈值olFFV。开环VGT查找表218可包括由发动机速度信号 EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq索引的一组表(例如，表1_N，其中N为整数)。类似地， 当控制模式信号Ctrl指示闭环控制模式时，前馈选择模块202可从闭环VGT查找表220中 获取闭环前馈值clFFV。闭环VGT查找表220可以包括基于发动机速度信号EngSpd和发动 机扭矩信号EngTrq索引的一组表。在开环控制模式中，前馈选择模块202可将开环前馈值olFFV传输到信号选择模 块216。信号选择模块216可选择下述之一开环前馈值olFFV以及由求和模块222产生的 求和值SUM。信号选择模块216可基于开环前馈值olFFV、求和值SUM和控制模式信号Ctrl
9来产生选定的VGT信号sVGT。信号选择模块216可将选定的VGT信号sVGT传输到界限模 块 224。界限模块224将选定的VGT信号sVGT比例缩放到VGT 20的工作范围内。例如，如 果0代表VGT关闭状态而1代表VGT打开状态，则界限模块224可将选定的VGT信号sVGT 比例缩放到介于0和1之间的值。界限模块224基于选定的VGT信号sVGT产生比例缩放 的VGT信号cVGT，并且将比例缩放的VGT信号cVGT传输到致动模块226。致动模块226可 基于比例缩放的VGT信号cVGT产生VGT控制信号VGTctrl以致动VGT 20内的叶片。在闭环控制模式中，前馈选择模块202可将闭环前馈值clFFV传输到控制环模块 204。控制环模块204可以是单输入单输出(SISO)控制器或者多输入多输出(MIMO)控制 器。例如，控制环模块204可以是比例积分微分(PID)控制器或者其变型(例如PI控制 器)O控制环模块204基于闭环前馈值clFFV、VGT控制信号VGTctrl和误差信号ERR来 确定环控制值PIDott。误差信号可由误差模块228基于设置点信号SetPt和MAP信号MAP 产生。误差模块228将设置点选择模块230产生的设置点信号SetPt与来自MAP传感器 34的MAP信号MAP比较。误差模块228产生误差信号ERR，误差信号ERR代表设置点信号 SetPt和MAP信号MAP之间的差。设置点信号SetPt可由设置点选择模块230基于发动机模式信号EngMod、发动机 速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq产生。仅作为示例，设置点选择模块230可从 VGT设置点查找表232获取VGT设置点值。VGT设置点查找表可包括基于发动机速度信号 EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq索引的一组表(例如表1_M，其中M是整数)。 控制环模块204可将环控制值PIDot传输到求和模块222。求和模块222将环控制 值PIDott和开环前馈值olFFV相加以产生求和值SUM。求和模块222将求和值SUM传输到 信号选择模块216。信号选择模块216可选择下述之一开环前馈值olFFV和求和值SUM。 信号选择模块216可基于开环前馈值olFFV、求和值SUM和控制模式信号Ctrl产生选定的 VGT信号sVGT。信号选择模块216可将选定的VGT信号sVGT传输到界限模块224。在开环控制模式中时，界限模块224将选定的VGT信号sVGT比例缩放到VGT 20 的工作范围内。界限模块224基于选定的VGT信号sVGT产生比例缩放的VGT信号cVGT并 且将比例缩放的VGT信号cVGT传输到致动模块226。致动模块226可基于比例缩放的VGT 信号cVGT产生VGT控制信号VGTctrl以致动VGT 20内的叶片。另外，致动模块226将VGT 控制信号VGTctrl传输到控制环模块204。这提供了用于闭环控制的反馈路径。在图3中，示出了用于两级涡轮增压器系统18的BPV 22的涡轮增压器控制系统 14。涡轮增压器控制系统14可包括BPV控制模块28。BPV控制模块28可包括BPV模式选 择模块300、前馈选择模块302和控制环模块304。BPV模式选择模块300可接收来自传感器306的信号。传感器306可包括MAP传 感器34、发动机速度传感器40、发动机扭矩传感器308、VGT位置传感器310和高压压缩机 (HPC)入口温度传感器312。发动机速度传感器40可产生以RPM为单位指示发动机速度的 发动机速度信号EngSpd。发动机扭矩传感器308可产生指示发动机12输出扭矩的发动机 扭矩信号EngTrq。VGT位置传感器310可产生对应于VGT叶片(未示出)打开量的VGT位 置信号VGTpos，包括完全关闭、完全打开和它们之间的位置。
BPV模式选择模块300可基于发动机速度信号EngSpd、发动机扭矩信号EngTrq、 VGT位置信号VGTpos、修正的空气流量值CorrAir、HPC压力比PresRatio和误差信号ERR来 产生控制模式信号Ctrl。修正的空气流量值CorrAir可由HPC检测模块314基于来自MAP 传感器34的MAP信号MAP以及来自HPC入口温度传感器312的温度信号HPCtemp来确定。 HPC压力比PresRatio也可由HPC检测模块314基于HPC入口压力和HPC出口压力之间的 压力比来确定。HPC入口压力是在HPC 54的入口处测得的压力值。HPC出口压力是在HPC 54的出口处测得的压力值。误差信号ERR可由误差模块328基于设置点信号SetPt和MAP 信号MAP产生。BPV模式选择模块300将控制模式信号Ctrl传输到前馈选择模块302和信号选择 模块316。前馈选择模块302可接收控制模式信号Ctrl，并且基于控制模式信号Ctrl、发动 机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq确定前馈值。前馈值可存储在基于发动机速 度和发动机扭矩索引的查找表中。取决于涡轮增压器控制系统14的控制模式，查找表可包 括不同组的前馈值。仅作为示例，当控制模式信号Ctrl指示开环控制模式时，前馈选择模块302可从 开环BPV查找表318获取开环前馈值olFFV。开环BPV查找表可包括基于发动机速度信号 和发动机扭矩信号索引的一组表(例如表1-N，其中N为整数)。类似地，当控制模式信号 Ctrl指示闭环控制模式时，前馈选择模块302可从闭环BPV查找表320获取闭环前馈值 clFFV。闭环BPV查找表可包括基于发动机速度信号和发动机扭矩信号索引的一组表。在开环控制模式中，前馈选择模块302可将开环前馈值olFFV传输到信号选择模 块316。信号选择模块316可选择下述之一开环前馈值olFFV以及由控制环模块304产 生的环控制值PID·。信号选择模块316可基于开环前馈值olFFV、环控制值PIDtm和控制 模式信号Ctrl产生选定的BPV信号sBPV。信号选择模块316可将选定的BPV信号sBPV传 输到界限模块324。界限模块324将选定的BPV信号sBPV比例缩放到BPV 22的工作范围内。界限模 块324基于选定的BPV信号sBPV产生比例缩放的BPV信号cBPV，并且将比例缩放的BPV信 号cBPV传输到致动模块326。致动模块326可基于比例缩放的BPV信号cBPV产生BPV控 制信号BPVctrl以致动BPV 22。在闭环控制模式中，前馈选择模块302可将闭环前馈值clFFV传输到控制环模块 304。控制环模块304可以是单输入单输出(SISO)控制器或者多输入多输出(MIMO)控制 器。例如，控制环模块304可以是比例积分微分(PID)控制器或者其变型(例如PI控制 器)O 控制环模块304基于BPV控制信号BPVctrl和误差信号ERR确定环控制值PIDQUT。 误差信号可由误差模块328基于设置点信号SetPt和MAP信号MAP产生。误差模块328将 由设置点选择模块330产生的设置点信号SetPt与来自MAP传感器34的MAP信号MAP比 较。误差模块328产生误差信号ERR，误差信号ERR代表了设置点信号SetPt和MAP信号 MAP之间的差。 设置点信号SetPt可由设置点选择模块330基于发动机速度信号EngSpd和发动 机扭矩信号EngTrq产生。仅作为示例，设置点选择模块330可从BPV设置点查找表332获 取BPV设置点值。BPV设置点查找表可包括基于发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq索引的一组表(例如表1-M，其中M是整数)。控制环模块304可将环控制值PIDtm传输到信号选择模块316。选择模块316可 选择下述之一开环前馈值olFFV和环控制值PID·。信号选择模块316可基于开环前馈 值olFFV、环控制值PIDott和控制模式信号Ctrl产生选定的BPV信号sBPV。信号选择模块 316可将选定的BPV信号sBPV传输到界限模块324。当在开环控制模式中时，界限模块324将选定的BPV信号sBPV比例缩放到BPV 22 的工作范围内。界限模块324基于选定的BPV信号sBPV产生比例缩放的BPV信号cBPV，并 且将比例缩放的BPV信号cBPV传输到致动模块326。致动模块326可基于比例缩放的BPV 信号cBPV产生BPV控制信号BPVctrl以致动BPV 22。另外，致动模块326可将BPV控制信 号BPVctrl传输到控制环模块304。这提供了用于闭环控制的反馈路径。尽管参照示例性发动机控制模块16分别描述了 VGT控制模块26和BPV控制模块 28，但本发明的控制模块26、28也可组合成一个系统或者也可分布在不同的系统中。仅作 为示例，VGT控制模块26和BPV控制模块28可一起组合到一个系统中。组合到一起的VGT 模式选择模块200和BPV模式选择模块300可产生分别用于VGT和BPV的控制模式信号。 而且，信号选择模块216、316可作为一个系统工作。另外，界限模块224、324以及致动模块 226、326也可在同一系统中以对VGT和BPV进行致动。在图4A和图4B中，示出了对涡轮增压器控制系统14的VGT 20和BPV 22进行控 制的示例性方法。尽管下面的步骤主要是参照图1-3的实施例进行描述的，但这些步骤也 可得到修改以适用于本发明的其他实施例。方法可开始于步骤400。在步骤402中，VGT模式选择模块200可初始地产生指示 开环控制模式的控制模式信号Ctrl。开环控制模式指示VGT 20中的叶片是基于输入信号 而被致动的。输入信号可包括发动机速度信号EngSpd、发动机扭矩信号EngTrq、BPV位置 信号BPVpos和发动机模式信号EngMod。在步骤404中，致动模块326将BPV 22初始设置 成处于完全关闭位置。在步骤406中，发动机模式检测模块214基于接收自一组传感器206的多个信号 产生发动机模式信号EngMod。仅作为示例，发动机模式信号EngMod可由公式(1)限定。EngMod = F {RPM, L, ALT, T0RQ} (1)RPM是发动机速度。L是发动机负载并且可基于MAF信号确定。MAF传感器可产生 MAF信号，MAF信号指示流过进气歧管30的入口的空气流率。ALT是海拔高度并且TORQ是 发动机扭矩。发动机模式检测模块214将发动机模式信号EngMod传输到VGT模式选择模 块200和设置点选择模块230。在步骤408中，前馈选择模块202基于控制模式信号Ctrl、发动机速度信号 EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq从开环VGT查找表218获取开环前馈值olFFV。例如，当 VGT 20处于开环控制模式中时，前馈选择模块202选择开环VGT查找表218。前馈选择模 块202获取存储在开环VGT查找表218中的开环前馈值olFFV，开环VGT查找表218基于发 动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq索引。在步骤410中，当发动机速度大于预定值PredRPM时，控制方法可前进到步骤412。 否则，控制方法可返回到步骤406。在步骤412中，当发动机负载大于预定值PredMAF时， 控制方法可前进到步骤414。否则，控制方法可返回到步骤406。在步骤410和412中，VGT模式选择模块200确定VGT 20是否可处于闭环控制模式中。满足步骤410和步骤412中 的两个条件则表明VGT 20可在闭环控制模式下被致动。在步骤414中，控制环模块204可接收来自VGT位置传感器310的VGT位置信号 VGTpos。VGT位置信号VGTpos的当前值可被存储在存储器中并且可被获取用于后续计算。 例如，VGT位置信号VGTpos的当前值可用于确定PID控制器的积分值。控制环模块204可 以是具有三个独立参数的PID控制器，这三个独立参数为比例(P)值、积分(I)值和微分 (D)值。调整这些参数是为了实现用于期望控制响应的优化的P、I和D值。优化的值可提 供开环控制模式和闭环控制模式之间的平滑转变。P值可指示对当前误差的反应。I值可指示基于误差之和的反应。D值可指示基于 当前误差变化率的反应。三个值P、I、D的加权和可用于确定PID控制器的环控制值PIDOTT。 仅作为示例，环控制值PIDot可由公式(2)限定。PIDOUT = P+I+D (2)P可进一步由公式(3)限定。P = Kp*E (t)(3)Kp是指示比例增益的常数。E是由设置点和过程值之间的差确定的误差，其中该 设置点指示了期望值而该过程值则指示了测量值。t是当前时间。I可由公式(4)进一步 限定。I = KijE(t)dt(4)
0Ki是指示积分增益的常数。t是过去对积分响应有贡献的时间。D可进一步由公 式(5)限定。D = Kd 竽(5)
atKd是指示微分增益的常数。在步骤416中，前馈选择模块202基于控制模式信号Ctrl、发动机速度信号 EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq从闭环VGT查找表220获取闭环前馈值clFFV。例如，VGT 模式选择模块200可产生指示闭环控制模式的控制模式信号Ctrl。闭环控制模式指示VGT 20中的叶片是基于反馈被致动的。反馈可包括前馈值、发动机速度和发动机负载。VGT模 式选择模块200将控制模式信号Ctrl传输到前馈选择模块202。前馈选择模块202选择 闭环VGT查找表220。前馈选择模块202获取存储在闭环VGT查找表220中的闭环前馈值 clFFV，其中闭环VGT查找表220基于发动机速度信号EngSpd和发动机扭矩信号EngTrq索 引。在步骤418中，控制环模块204将I值设置为IVGT。IVGT可被初始设置为零。然 而，当IVGT等于零时，VGT叶片位置变异度(variance)可能是显著的，因为VGT叶片位置 变异度是从零到当前VGT位置值来加以测量的。使VGT叶片位置变异度最小化允许提供从 开环控制模式到闭环控制模式的平滑转变。仅作为示例，Ivct可由公式(6)限定。IVGT = VGTPOS-FFDVGT (6)VGTros是接收自VGT位置传感器310的当前VGT位置信号。FFDvct是由前馈选择模块202所获取的前馈值。取决于FFDvct, Ivct可具有接近于VGTtos的值。如果FFDvct相对于VGTpos是较小的数，则VGT叶片被致动到紧邻前一 VGT叶片位置的位置，因为通过VGTros已 经知道了前一 VGT叶片位置。因此，VGT叶片位置变异度可以是微小的。结果，Ivct使得由 VGT叶片位置的突然变化所引起的不平滑转变效应最小化。在步骤420中，VGT 20中的叶片在闭环控制模式中基于反馈信号被致动。反馈信 号可包括闭环前馈值clFFV、VGT控制信号VGTctrl和误差信号ERR。VGT控制信号VGTctrl 可由致动模块226基于比例缩放的VGT信号cVGT产生。比例缩放的VGT信号cVGT可由界 限模块224基于选定的VGT信号sVGT产生。选定的VGT信号sVGT可由信号选择模块216 基于控制模式信号Ctrl、开环前馈值olFFV和求和值SUM产生。在步骤422中，求和模块222将环控制值PIDott和开环前馈值olFFV相加以产生 求和值SUM。仅作为示例，求和值SUM可由公式(7)限定。SUM = PID0UT+olFFV (7)PIDott是环控制值。olFFV是开环前馈值。在步骤424中，当输送到高压压缩机54的增压压力大于预定增压压力PredBP时， 控制方法可前进到步骤426。否则，控制方法可返回到步骤402。VGT模式选择模块200接 收来自MAP传感器34的MAP信号MAP以确定增压压力。预定增压压力PredBP指示排气功 率具有足够的能量以在闭环控制模式中使BPV 22工作。在步骤426中，当MAP信号MAP大于预定值MAPsetpt时，控制方法可前进到步骤 428。否则，控制方法可返回到步骤420。在步骤428中，当VGT位置信号VGTpos小于预定 阈值PredVGT时，控制方法可前进到步骤430。否则，控制方法可返回到步骤420。在步骤 430中，当步骤426和步骤428中的条件在预定时间段PredTime内均得到满足时，控制方法 可前进到步骤432。否则，控制方法可返回到步骤420。在步骤432中，VGT 20的叶片在开环控制模式中基于输入信号被致动。在步骤434 中，致动模块226基于压力比PresRatio和修正的空气流量值CorrAir将VGT叶片位置设 置在最大涡轮效率处。压力比PresRatio基于HPC入口压力和HPC出口压力之间的压力比 而得以确定。修正的空气流量值CorrAir可由HPC检测模块314基于来自MAP传感器34 的MAP信号MAP和来自HPC入口温度传感器312的温度信号HPCtemp确定。仅作为示例，修正的空气流量值CorrAir可由公式(8)限定。
权利要求
1.一种用于顺序起动的涡轮增压器的系统，包括模式选择模块，所述模式选择模块基于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动机模 式信号产生控制模式信号；其中，所述控制模式信号指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种； 前馈选择模块，所述前馈选择模块基于所述控制模式信号、所述发动机速度信号和所 述发动机扭矩信号确定前馈值；和控制环模块，当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时， 所述控制环模块基于所述前馈值、可变几何涡轮控制信号和误差信号确定环控制值。
2.如权利要求1所述的系统，进一步包括发动机模式检测模块，所述发动机模式检测 模块基于所述发动机速度信号、所述发动机扭矩信号、空气质量流量信号和海拔高度中的 至少一个产生所述发动机模式信号。
3.如权利要求1所述的系统，进一步包括求和模块，其基于所述前馈值和所述环控制值确定求和值； 信号选择模块，其基于所述求和值和所述前馈值产生选定的可变几何涡轮信号； 界限模块，其基于所述选定的可变几何涡轮信号产生比例缩放的可变几何涡轮信号；和致动模块，其基于所述比例缩放的可变几何涡轮信号产生所述可变几何涡轮控制信号 以致动所述顺序起动的涡轮增压器的可变几何涡轮中的多个叶片。
4.如权利要求3所述的系统，其中，包括涡轮增压器控制模块，所述涡轮增压器控制模 块包括所述模式选择模块、所述前馈选择模块和所述控制环模块，并且所述涡轮增压器控 制模块基于发动机速度和发动机负载使所述可变几何涡轮工作在所述闭环控制模式中；其中，所述致动模块基于所述发动机速度和所述发动机负载之间的关系关闭所述顺序 起动的涡轮增压器的旁通阀。
5.如权利要求4所述的系统，其中，当旁通阀位置信号大于预定位置值时，所述涡轮增 压器控制模块分别基于所述可变几何涡轮控制信号和旁通阀控制信号使所述可变几何涡 轮和所述旁通阀工作在所述开环控制模式中。
6.如权利要求4所述的系统，其中，当歧管绝对压力信号在预定时间段内都大于预定 压力并且可变几何涡轮位置信号在所述预定时间段内都小于预定阈值时，所述涡轮增压器 控制模块使所述可变几何涡轮工作在所述开环控制模式中并且使所述旁通阀工作在所述 闭环控制模式中。
7.如权利要求1所述的系统，进一步包括高压压缩机检测模块，其基于来自歧管绝对压力传感器的歧管绝对压力信号和来自高 压压缩机入口温度传感器的温度信号产生修正的空气流量值；设置点选择模块，其基于所述发动机模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭 矩信号中的至少一个产生设置点信号；和误差模块，其基于所述设置点信号和所述歧管绝对压力信号之间的差产生所述误差信号。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述模式选择模块基于可变几何涡轮位置信号、旁 通阀位置信号、所述修正的空气流量值、高压压缩机压力比和所述误差信号中的至少一个产生所述控制模式信号；其中，基于高压压缩机入口压力和高压压缩机出口压力之间的压力比确定所述高压压 缩机压力比。
9.如权利要求1所述的系统，其中，当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到 所述闭环控制模式时，所述控制环模块基于旁通阀控制信号和所述误差信号确定所述环控 制值。
10.一种控制顺序起动的涡轮增压器的方法，包括基于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动机模式信号产生控制模式信号； 指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种；基于所述控制模式信号、所述发动机速度信号和所述发动机扭矩信号确定前馈值；和 当所述控制模式信号从所述开环控制模式转变到所述闭环控制模式时，基于所述前馈 值、可变几何涡轮控制信号和误差信号确定环控制值。
全文摘要
本发明涉及用于顺序起动的涡轮增压器的模式转变系统和方法。具体地，提供了一种用于顺序起动的涡轮增压器的系统，包括模式选择模块、前馈选择模块和控制环模块。模式选择模块基于发动机速度信号、发动机扭矩信号和发动机模式信号产生控制模式信号。控制模式信号指示开环控制模式和闭环控制模式中的一种。前馈选择模块基于控制模式信号、发动机速度信号和发动机扭矩信号确定前馈值。当控制模式信号从开环控制模式转变到闭环控制模式时，控制环模块根据下述中的至少一种确定环控制值基于前馈值、可变几何涡轮控制信号和误差信号；或者基于旁通阀控制信号和误差信号。
文档编号F02B37/12GK101994565SQ20101025595
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月11日 优先权日2009年8月11日
发明者A·甘戈帕迪亚伊, B·J·宋, P·葛, Z·刘 申请人:通用汽车环球科技运作公司