对发动机中的涡轮机的阀的基于模型的控制的制作方法

本公开大体上涉及发动机组件的控制，并且更具体地涉及对调节流向发动机组件中的一个或多个涡轮机的流量的阀进行的基于模型的控制。涡轮机使用发动机的排气系统中的压力来驱动压缩机给发动机提供增压空气。增压空气增加流向发动机的空气流量，从而导致发动机的增加输出。流向发动机的空气流量可以通过使用控制阀来调节。优化对增压发动机的单级或者两级涡轮增压器中的多个阀的调节是一项具有挑战性的工作。

技术实现要素：

本文所公开的是一种发动机组件，该发动机组件具有：发动机、可操作地连接至发动机的第一涡轮机、配置为调节流向第一涡轮机的流量的第一阀、以及配置为向第一阀传输主要命令信号的控制器。至少一个传感器配置为向控制器传输传感器反馈。控制器具有处理器和其上记录有指令的有形非暂时性存储器。由处理器对指令的执行会使得控制器至少部分地基于期望总压缩机压力比来获取第一模型输出。至少部分地基于期望总压缩机压力比和传感器反馈来获取第一德耳塔(delta)因数。控制器配置为至少部分地基于第一模型输出和第一德耳塔因数来获取第一阀最优位置通过经由控制器命令第一阀达到第一阀最优位置来控制发动机输出。

控制器可以配置为依照第一查阅因数和期望低压(下文称为“lp”)涡轮速度和改良总排气流量的第一多项式函数(f1(x1,x2))中的至少一个来确定第一阀最优位置部分地基于第二查阅因数和期望lp压缩机压力比和改良压缩机流量的第二多项式函数(f2(x1,x2))中的至少一个来确定期望lp涡轮速度在此，pto是涡轮机出口压力，tx1是中间排气温度，wx是排气流量，pa是环境压力，ta是环境温度，并且wc是新鲜空气流量。

可替代地，控制器配置为依照第三查阅因数和改良lp压缩机功率和改良总排气流量的第三多项式函数(f3(x1,x2))中的至少一个来确定第一阀最优位置在此，是lp压缩机功率，pto是涡轮机出口压力，tx1是中间排气温度，wx是排气流量，并且tx是排气温度。可以至少部分地基于lp压缩机传递速率环境温度(ta)和新鲜空气流量(wc)来确定lp压缩机功率可以依照第四查阅因数和期望lp压缩机压力比和改良压缩机流量的第四多项式函数(f4(x1,x2))中的至少一个来确定lp压缩机传递速率

在第二实施例中，该组件可以包括可操作地连接至第一涡轮机的第二涡轮机，第一涡轮机是相对高压涡轮机并且第二涡轮机是相对低压涡轮机。第二阀可操作地连接至第二涡轮机。控制器可以进一步配置为至少部分地基于期望总压缩机压力比来获取功率分流分布。功率分流分布的特征在于期望lp压缩机压力比和期望高压(下文称为“hp”)压缩机压力比

控制器配置为至少部分地基于期望hp压缩机压力比来获取第二模型输出。至少部分地基于期望hp压缩机压力比和传感器反馈来获取第二德耳塔因数。控制器配置为至少部分地基于第二模型输出和第二德耳塔因数来获取第二阀最优位置通过经由控制器命令第二阀达到第二阀最优位置来控制发动机的输出。

控制器可以配置为依照第五查阅因数和期望hp涡轮速度和改良总排气流量的第五多项式函数(f5(x1,x2))中的至少一个来确定第二阀最优位置其中，px1是中间排气压力，tx是排气温度，wx是排气流量。期望hp涡轮速度部分地是基于第六查阅因数和期望hp压缩机压力比和改良新鲜空气流量的第六多项式函数(f6(x1,x2))中的至少一个，其中，pa是环境压力，t1是lp压缩机出口温度，并且wc是新鲜空气流量。

可替代地，控制器可以配置为依照第七查阅因数和改良hp压缩机功率和改良总排气流量的第七多项式函数(f7(x1,x2))中的至少一个来确定第二阀最优位置在此，是hp压缩机功率，px1是中间排气压力，tx是排气温度，并且wx是排气流量。可以至少部分地基于hp压缩机传递速率环境温度(ta)和新鲜空气流量(wc)来确定hp压缩机功率可以依照第八查阅因数和期望hp压缩机压力比和改良新鲜空气流量的第八多项式函数(f8(x1,x2))中的至少一个来获取hp压缩机传递速率在此，t1是lp压缩机出口温度并且pa是环境压力。

本文还公开的是一种用于控制发动机组件的输出的方法，该发动机组件具有：发动机、可操作地连接至发动机的第一涡轮机、配置为调节流向第一涡轮机的流量的第一阀、配置为向第一阀传输主要命令信号的控制器、以及配置为向控制器传输传感器反馈的至少一个传感器。控制器具有处理器和其上记录有指令的有形非暂时性存储器。该方法包括：至少部分地基于期望总压缩机压力比来获取第一模型输出，以及至少部分地基于期望总压缩机压力比和传感器反馈来获取第一德耳塔因数。该方法包括：至少部分地基于第一模型输出和第一德耳塔因数来获取第一阀最优位置以及通过经由主要命令信号命令第一阀达到第一阀最优位置来控制发动机的输出。

当结合附图来看用于执行本公开的最佳模式的如下详细描述时，本公开的上述特征和优点、以及其它特征和优点容易显而易见。

附图说明

图1是具有控制器的发动机组件的示意片段图；

图2是可由图1的控制器执行的方法的流程图；

图3是根据第一实施例的用于体现图2的方法的控制结构的简图；以及

图4是根据第二实施例的用于体现图2的方法的另一控制结构的简图。

具体实施方式

参照附图，其中，相似的附图标记指相似的部件，图1示意性地图示了具有发动机组件12的装置10。装置10可以是移动平台，诸如，但不限于，标准小客车、运动型多用途车、轻型卡车、重型载重车、atv(全地形车)、小型货车、公共汽车、过境车辆、自行车、机器人、农用机具、运动有关设备、船只、飞机、火车、或者其它运输装置。装置10可以呈许多不同的形式并且包括多个和/或替代部件和设施。

参照图1，组件12包括内燃机14(在本文称为发动机14)，内燃机14用于燃烧空气燃料混合物以便生成输出转矩。组件12包括进气歧管16，进气歧管16可以配置为从大气接收新鲜空气。发动机14可以燃烧空气燃料混合物，从而产生排气。进气歧管16流体地联接至发动机14并且能够经由空气进口导管18将空气引导到发动机14中。组件12包括排气歧管20，排气歧管20与发动机14呈流体连通，并且能够经由排气导管22接收和排出来自发动机14的排气。发动机14可以是火花点火式发动机、压缩点火式发动机、活塞驱动发动机或者本领域的技术人员可用的其它类型的发动机。

参照图1，组件12包括配置为由第一涡轮机26驱动的第一压缩机24。第一压缩机24用于压缩进口空气以便增加其密度以在被进给至发动机14的空气中提供更高浓度的氧气。第一涡轮机26包括固定几何结构涡轮机。组件12包括多个选择性地可控制的旁通阀，包括配置为调节流向第一涡轮机26的流量的第一阀28。进气节流阀30流体地连接至空气进口导管18。

参照图1，组件12可以具有仅仅一个涡轮增压器(第一压缩机24、第一涡轮机26)，或者可以包括第二涡轮增压器(第二压缩机34、第二涡轮机36)。第二压缩机34配置为由第二涡轮机36驱动，并且第二阀38配置为调节流向第二涡轮机36的流量。由于使得用于第二压缩机34的进口空气处于比用于第一压缩机24的进口空气相对更高的压力下，所以第一压缩机24可以被称为低压压缩机，并且第二压缩机34作为高压压缩机。同样，用于第二涡轮机36的进口空气处于比用于第一涡轮机26的进口空气更高的压力下，因此第二涡轮机36可以被称为高压(“hp”)涡轮机，并且第一涡轮机26可以被称为低压(“lp”)涡轮机。

组件12可以包括排气再循环(egr)系统，排气再循环(egr)系统具有用于使排气再循环的多个路线。参照图1，组件12可以包括egr阀40、egr冷却器42以及冷却器旁路44。egr冷却器42用于减小经再循环的排气在与通过进气歧管16进入的空气进行混合之前的温度。增压空气冷却器46可以被定位在第一压缩机24的高压侧并且配置为驱散由对进口空气的压缩引起的一些热量。

参照图1，组件12包括与发动机14通信(例如，电子通信)的控制器c。参照图1，控制器c包括至少一个处理器p和至少一个存储器m(或者任何非暂时性有形计算机可读储存介质)，至少一个存储器m上记录有用于执行方法100(在图2中示出且在下文进行描述)的指令，方法100用于控制发动机14的输出。存储器m可以储存控制器可执行指令集，并且处理器p可以执行被储存在存储器m中的控制器可执行指令集。控制器c被编程为接收来自操作员输入(诸如，通过油门或者制动踏板(未示出))的转矩要求、或者汽车启动条件或者由控制器c监测的其它源头。

参照图1，控制器c配置为接收来自一个或多个传感器50的传感器反馈。传感器50可以包括但不限于：进气歧管压力传感器52、进气歧管温度传感器54、排气温度传感器56、排气压力传感器58、排气流量传感器60、环境温度传感器62、环境压力传感器64、新鲜空气流量传感器66、lp压缩机出口压力传感器68、涡轮机出口压力传感器70、以及涡轮机出口温度传感器72。此外，可以经由“虚拟感测”(诸如，例如，基于其它测量值进行建模)来获取各种参数。例如，可以基于环境温度的测量值和其它发动机测量值来虚拟地感测进气温度。

下面的方法100参照了依照第i个查阅因数以及第一因数(x1)和第二因数(x2)的第i个多项式函数(fi(x1,x2))中的至少一个获取的多个参数。这意味着参数可以是从第一因数(x1)和第二因数(x2)的储存查阅表或者第一因数(x1)和第二因数(x2)的多项式函数(fi(x1,x2))获取。第一因数(x1)和第二因数(x2)可以不同于各个参数。各个多项式函数(fi(x1,x2))可以由相应第一因数(x1)、相应第二因数(x2)以及多个常数(ai)表示为如下：

多个常数(ai)可以是通过校准来获取。

现在参照图2，示出了被储存在图1的控制器c上且可由其执行的方法100的流程图。图1的控制器c具体地被编程为执行方法100的步骤。方法100不需要按照本文所叙述的特定顺序进行应用。此外，应理解，一些步骤可以被消除。

根据第一实施例，第一控制结构200在图3中被示出用于单级涡轮增压器。第一控制结构200配置为执行图2的方法100的框102、104、106和108。在第一实施例中，方法100可以从框102开始，在框102处，控制器c被编程为或者配置为至少部分地基于期望总压缩机压力比来获取第一模型输出。参照图3，第一控制结构200包括期望压力单元202，期望压力单元202获取期望总压缩机压力比并且将其进给到第一模型单元210中，第一模型单元210产生第一模型输出(按照图2的框102)。

在图2的框104中，控制器c被编程为至少部分地基于期望总压缩机压力比和传感器反馈(来自可操作地连接至控制器c的一个或多个传感器50)来获取第一德耳塔因数。第一德耳塔因数表示第一阀28的使期望总压缩机压力比与测量总压缩机压力比之间的差异最小化的位置变化。参照图3，期望压力单元202还将期望总压缩机压力比进给到第一求和单元214中，第一求和单元214接收来自多个传感器50的传感器反馈219。第一控制结构200包括闭合环路单元212(图3中的“clu”)，闭合环路单元212至少部分地基于期望总压缩机压力比和传感器反馈219来确定第一德耳塔因数(按照图2的框102)。闭合环路单元212可以是比例-积分-微分(pid)单元、模型预测控制单元(mpc)或者本领域的技术人员可用的其它闭合环路单元。

在图2的框106中，控制器c被编程为至少部分地基于第一模型输出和第一德耳塔因数来获取第一阀位置参照图3，第二求和单元216配置为求闭合环路单元212的输出(第一德耳塔因数)和第一模型单元210的输出(第一模型输出)的总和以便确定第一阀最优位置(按照框106)，该第一阀最优位置被输入到命令单元218中。

控制器c可以配置为依照第一查阅因数(即，被储存作为第一因数(x1)和第二因数(x2)的查阅表)和期望lp涡轮速度和改良总排气流量的第一多项式函数(f1(x1,x2))中的至少一个来确定第一阀最优位置换言之：对于单级涡轮增压器，tx1＝tx，其中，tx是排气温度。

期望lp涡轮速度部分地是基于第二查阅因数和期望lp压缩机压力比和改良压缩机流量的第二多项式函数(f2(x1,x2))中的至少一个。在此，pto是涡轮机出口压力，tx1＝tx是排气温度，wx是排气流量，pa是环境压力，ta是环境温度，并且wc是新鲜空气流量。对于单级涡轮增压器，不存在中间排气温度，因此tx1＝tx，其中，tx1被定义为中间排气温度并且tx是排气温度。

在一个示例中：

可替代地，控制器c可以配置为依照第三查阅因数和改良lp压缩机功率和改良总排气流量的第三多项式函数(f3(x1,x2))中的至少一个来确定第一阀最优位置换言之：

在此，是lp压缩机功率，pto是涡轮机出口压力，tx1＝tx是排气温度，并且wx是排气流量。可以至少部分地基于lp压缩机传递速率环境温度(ta)、新鲜空气流量(wc)和比热容(cp)来确定lp压缩机功率以便使得：可以依照第四查阅因数和期望lp压缩机压力比和改良压缩机流量的第四多项式函数(f4(x1,x2))中的至少一个来确定lp压缩机传递速率换言之：

在图2的框108中，控制器c被编程为通过命令发动机14的阀28、38中一个或多个达到其相应最优位置来控制发动机14的输出(诸如，转矩输出)。参照图3，命令单元218(按照框108)命令第一阀28达到第一阀最优位置以便控制发动机14的输出。

根据第二实施例，第二控制结构300在图4中被示出用于两级涡轮增压器系统。第二控制结构300配置为执行图2的方法100的框101、102、103、104、105、106、107和108。在第二实施例中，方法100可以从框101开始，在框101处，控制器c被编程为至少部分地基于期望总压缩机压力比来获取功率分流分布或者比率。功率分流分布的特征在于期望lp压缩机压力比和期望hp压缩机压力比功率分流分布可以被表征为：

参照图4，功率分流单元304将如下接收作为输入：改良流量因数306和来自期望压力单元302的期望总压缩机压力比按照框101，功率分流单元304输出期望lp压缩机压力比其被进给至第一模型单元310。

从框101，方法100前进至框102和103两者。按照图2的框102并且参照图4，第一模型单元310产生第一模型输出，第一模型输出被进给到第二求和单元316中。在图2的框103中，控制器c配置为至少部分地基于期望hp压缩机压力比来获取来自第二模型的第二模型输出。参照图4，功率分流单元304将期望hp压缩机压力比输入到第二模型单元320和第三求和单元324中。按照图2的框103并且参照图4，第二模型单元320产生第二模型输出，第二模型输出被进给到第四求和单元326中。

按照图2的框104并且参照图4，第一闭合环路单元312(图4中的“clu1”)配置为至少部分地基于期望总压缩机压力比和传感器反馈319(经由第一求和单元314)来确定第一德耳塔因数。参照图4，期望压力单元302获取期望总压缩机压力比并且将其进给到第一求和单元314中，第一求和单元314随后进给第一闭合环路单元312。第一求和单元314接收来自图1的多个传感器50的传感器反馈319。闭合环路单元312、322可以是比例-积分-微分(pid)单元、模型预测控制单元(mpc)或者本领域的技术人员可用的其它闭合环路单元。

在图2的框105中，控制器c被编程为至少部分地基于期望hp压缩机压力比和传感器反馈329来获取第二德耳塔因数。第二德耳塔因数表示第二阀38的使期望总压缩机压力比与实际总压缩机压力比之间的差异最小化的位置变化。参照图4，按照图2的框105，第二闭合环路单元312(图4中的“clu2”)配置为至少部分地基于期望hp压缩机压力比和来自多个传感器50的传感器反馈329来确定第二德耳塔因数(经由第三求和单元324)。

按照图2的框106并且参照图4，第二求和单元316配置为求闭合环路单元312的输出(第一德耳塔因数)和第一模型单元310的输出(第一模型输出)的总和以便确定第一阀最优位置第一阀最优位置被输入到命令单元318中。如上文所描述的，第一阀最优位置可以被确定为：

其中，

其中，并且

在图2的框107中，控制器c被编程为至少部分地基于第二模型输出和第二德耳塔因数(即，基于第二模型输出和第二德耳塔因数的总和)来获取第二阀最优位置按照图2的框107并且参照图4，第四求和单元326配置为求第二闭合环路单元322的输出(第二德耳塔因数)和第二模型单元320的输出(第二模型输出)的总和以便确定第二阀最优位置第二阀最优位置被输入到命令单元318中。

控制器c可以配置为依照第五查阅因数和期望hp涡轮速度和改良总排气流量的第五多项式函数(f5(x1,x2))中的至少一个来确定第二阀最优位置其中，px1是中间涡轮机压力，tx1是中间排气温度，wx是排气流量。换言之：期望hp涡轮速度部分地是基于第六查阅因数和期望hp压缩机压力比和改良新鲜空气流量的第六多项式函数(f6(x1,x2))中的至少一个，其中，pa是环境压力，t1是lp压缩机出口温度，并且wc是新鲜空气流量。在一个示例中：

可替代地，控制器c可以配置为依照第七查阅因数和改良hp压缩机功率和改良总排气流量的第七多项式函数(f7(x1,x2))中的至少一个来确定第二阀最优位置在此，是hp压缩机功率，px1是中间排气压力，tx是排气温度，wx是排气流量，并且tx是排气温度。换言之：

可以至少部分地基于hp压缩机传递速率环境温度(ta)和新鲜空气流量(wc)来确定hp压缩机功率在一个示例中：可以依照第八查阅因数和期望hp压缩机压力比和改良新鲜空气流量的第八多项式函数(f8(x1,x2))中的至少一个来获取hp压缩机传递速率在此，t1是lp压缩机出口温度并且pa是环境压力。因此：

从框106和107两者，方法100前进至框108，在框108处，控制器c被编程为通过命令发动机14的阀中的一个或多个达到其相应最优位置来控制发动机14的输出。参照图4，命令单元318命令第一阀28和第二阀38达到其相应最优位置(按照图2的框108)以便控制发动机14的输出。控制器c可以配置为采用虚拟传感器来估计中间排气温度(tx1)、中间排气压力(px1)以及lp压缩机出口温度(t1)如下：

或者

在此，g1和g2是查阅函数或者多项式，并且是lp压缩机传递速率。

总之，第一阀位置可以由下面的等式(1)和(2)确定，并且第二阀位置可以由下面的等式(3)和(4)确定：

等式(1)：其中，

等式(2)：其中，并且

等式(3)：其中，

等式(4)：其中，并且

方法100应用独特的能量平衡涡轮增压器模型来设计用于两个旁通阀的前馈控制器，并且可以采用单环路或者双环路反馈控制来递送最终发动机增压压力以实现追踪性能的系统稳健性。设计出了两种能量平衡模型来用于前馈控制：基于期望修正压缩机功率的模型和基于期望修正涡轮速度的模型。对两级涡轮增压器之间的功率分流进行优化以便实现快速加速或者最佳增压效率从而产生最小发动机泵送损失。加速模式与燃料经济性模式之间的模式切换是由踏板或者踏板位置的增压来决定。

方法100通过使用基于独特模型的方式来提供用于优化和设计单级和两级涡轮增压发动机的控制系统的系统化方式，因而显著地减少校准。该方式可以优化增压系统，在瞬变期间提供快速增压追踪性能和改善的燃料经济性。该模型可以在具有最小校准工作的情况下作为控制器c的一部分被嵌入到车辆控制单元中。

图1的控制器c可以是装置10的其它控制器(诸如，发动机控制器)的集成部分或者是可操作地连接至该其它控制器的单独模块。控制器c包括计算机可读介质(也被称为处理器可读介质)，包括参与提供可以由计算机(例如，由计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的任何非暂时性(例如，有形)介质。这种介质可以呈许多形式，包括但不限于：非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可以包括：例如，光盘或磁盘以及其它永久存储器。易失性介质可以包括：例如，动态随机存取存储器(dram)，其可以构成主存储器。这些指令可以由一种或多种传输介质传输，这些传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括那些包括联接至计算机的处理器的系统总线的线。计算机可读介质的一些形式包括：例如，软盘、可折叠磁盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、cd-rom(只读光盘驱动器)、dvd(数字化视频光盘)、任何其它光学介质、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其它物理介质、ram(随机存取存储器)、prom(可编程只读存储器)、eprom(电可编程只读存储器)、闪存-eeprom(电可擦可编程只读存储器)、任何其它存储芯片或者卡匣、或者计算机可以读取的任何其它介质。

本文所描述的查阅表、数据库、数据仓或者其它数据储存区可以包括用于储存、访问、以及检索各种数据的各种机制，包括层次数据库、文件系统中的一组文件、专用格式的应用数据库、关系数据库管理系统(rdbms)等。每个这种数据储存区可以被包括在采用计算机操作系统(诸如上文所提到的那些中的一个)的计算装置内，并且可以按照多种方式中的任何一种或多种经由网络被访问。文件系统可以可从计算机操作系统进行访问，并且可以包括被储存为各种格式的文件。除了用于创建、储存、编辑、以及执行所储存的规程的语言(诸如，上文提到的pl/sql语言)之外，rdbms可以采用结构化查询语言(sql)。

详细描述和附图用于支持和描述本公开，但本公开的范围仅仅由权利要求书限定。尽管已经详细地描述了用于执行所要求的公开的一些最佳模式和其它实施例，但存在用于实践所附权利要求书中限定的本公开的各种替代设计和实施例。此外，附图中示出的实施例或者在本说明书中提到的各个实施例的特点并不一定被理解为独立于彼此的实施例。相反，在实施例的其中一个示例中描述的各个特点有可能可以与来自其它实施例的一个或多个其它期望特点进行组合，从而产生并未用语言或者参照附图描述的其它实施例。相应地，这些其它实施例落在所附权利要求书的范围的框架内。