專利名稱：用于順序起動的渦輪增壓器的模式轉(zhuǎn)變系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃發(fā)動機，更具體地，涉及順序起動的渦輪增壓器控制系統(tǒng)。
背景技術：
本文所提供的背景技術描述目的在于從總體上呈現(xiàn)本發(fā)明的背景。發(fā)明人的一部 分工作在背景技術部分中被描述，這部分內(nèi)容以及在提交申請時該描述中不另構成現(xiàn)有技 術的方面，既不明確也不暗示地被承認是破壞本發(fā)明的現(xiàn)有技術。內(nèi)燃發(fā)動機(ICE)可利用順序起動的渦輪增壓器通過將額外的空氣輸送進入ICE 的汽缸來提高扭矩輸出。順序起動的渦輪增壓器可以是兩級渦輪增壓器系統(tǒng)。順序起動的 渦輪增壓器可包括按順序布置的高壓渦輪增壓器和低壓渦輪增壓器。高壓渦輪增壓器可包 括高壓渦輪和高壓壓縮機。低壓渦輪增壓器可包括低壓渦輪和低壓壓縮機。高壓渦輪和低壓渦輪可被分別控制以調(diào)節(jié)排氣流。當發(fā)動機以低速工作時，排氣 流動穿過高壓渦輪，然后穿過低壓渦輪。排氣穿過這些渦輪的流動可降低渦輪增壓器增壓 的響應時間，該響應時間被稱為渦輪遲滯。可利用旁通閥(BPV)和可變幾何渦輪(VGT)來控制渦輪遲滯。高壓渦輪可包括 BPV和VGT。VGT具有一組可運動的葉片，這些可運動的葉片用于控制流過VGT的排氣壓力。 排氣流量在低發(fā)動機速度時是低的。當流過VGT的排氣流量低時，葉片被部分地關閉以使 VGT加速。使VGT加速提高了輸送到高壓渦輪增壓器中的高壓壓縮機的增壓壓力。隨著發(fā) 動機速度提高，葉片被打開以降低VGT的速度。VGT的速度降低防止了增壓壓力超過預定水 平。當VGT以高速工作時，BPV可打開，從而使排氣流改道穿過BPV。BPV在VGT的增壓壓 力超過預定水平之前釋放該增壓壓力。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，提供了一種系統(tǒng)，其包括模式選擇模塊、前饋選擇模塊和控制環(huán) 模塊。所述模式選擇模塊基于發(fā)動機速度信號、發(fā)動機扭矩信號和發(fā)動機模式信號產(chǎn)生控 制模式信號。所述控制模式信號指示開環(huán)控制模式和閉環(huán)控制模式中的一種。所述前饋選 擇模塊基于所述控制模式信號、所述發(fā)動機速度信號和所述發(fā)動機扭矩信號確定前饋值。 當所述控制模式信號從所述開環(huán)控制模式轉(zhuǎn)變到所述閉環(huán)控制模式時，所述控制環(huán)模塊基 于所述前饋值、可變幾何渦輪(VGT)控制信號和誤差信號來確定環(huán)控制值。在其他特征中，提供了一種控制順序起動的渦輪增壓器的方法。所述方法包括基 于發(fā)動機速度信號、發(fā)動機扭矩信號和發(fā)動機模式信號來產(chǎn)生控制模式信號。所述控制模 式信號指示開環(huán)控制模式和閉環(huán)控制模式中的一種。基于所述控制模式信號、所述發(fā)動機 速度信號和所述發(fā)動機扭矩信號確定前饋值。當所述控制模式信號從所述開環(huán)控制模式轉(zhuǎn) 變到所述閉環(huán)控制模式時，基于所述前饋值、可變幾何渦輪(VGT)控制信號和誤差信號來 確定環(huán)控制值。本發(fā)明還提供了以下方案
方案1. 一種用于順序起動的渦輪增壓器的系統(tǒng)，包括模式選擇模塊，所述模式選擇模塊基于發(fā)動機速度信號、發(fā)動機扭矩信號和發(fā)動 機模式信號產(chǎn)生控制模式信號；其中，所述控制模式信號指示開環(huán)控制模式和閉環(huán)控制模式中的一種；前饋選擇模塊，所述前饋選擇模塊基于所述控制模式信號、所述發(fā)動機速度信號 和所述發(fā)動機扭矩信號確定前饋值；和控制環(huán)模塊，當所述控制模式信號從所述開環(huán)控制模式轉(zhuǎn)變到所述閉環(huán)控制模式 時，所述控制環(huán)模塊基于所述前饋值、可變幾何渦輪控制信號和誤差信號確定環(huán)控制值。方案2.如方案1所述的系統(tǒng)，進一步包括發(fā)動機模式檢測模塊，所述發(fā)動機模式 檢測模塊基于所述發(fā)動機速度信號、所述發(fā)動機扭矩信號、空氣質(zhì)量流量信號和海拔高度 中的至少一個產(chǎn)生所述發(fā)動機模式信號。方案3.如方案1所述的系統(tǒng)，進一步包括求和模塊，其基于所述前饋值和所述環(huán)控制值確定求和值；信號選擇模塊，其基于所述求和值和所述前饋值產(chǎn)生選定的可變幾何渦輪信號；界限模塊，其基于所述選定的可變幾何渦輪信號產(chǎn)生比例縮放的可變幾何渦輪信 號；和致動模塊，其基于所述比例縮放的可變幾何渦輪信號產(chǎn)生所述可變幾何渦輪控制 信號以致動所述順序起動的渦輪增壓器的可變幾何渦輪中的多個葉片。方案4.如方案3所述的系統(tǒng)，其中，包括渦輪增壓器控制模塊，所述渦輪增壓器控 制模塊包括所述模式選擇模塊、所述前饋選擇模塊和所述控制環(huán)模塊，并且所述渦輪增壓 器控制模塊基于發(fā)動機速度和發(fā)動機負載使所述可變幾何渦輪工作在所述閉環(huán)控制模式 中；其中，所述致動模塊基于所述發(fā)動機速度和所述發(fā)動機負載之間的關系關閉所述 順序起動的渦輪增壓器的旁通閥。方案5.如方案4所述的系統(tǒng)，其中，當旁通閥位置信號大于預定位置值時，所述渦 輪增壓器控制模塊分別基于所述可變幾何渦輪控制信號和旁通閥控制信號使所述可變幾 何渦輪和所述旁通閥工作在所述開環(huán)控制模式中。方案6.如方案4所述的系統(tǒng)，其中，當歧管絕對壓力信號在預定時間段內(nèi)都大于 預定壓力并且可變幾何渦輪位置信號在所述預定時間段內(nèi)都小于預定閾值時，所述渦輪增 壓器控制模塊使所述可變幾何渦輪工作在所述開環(huán)控制模式中并且使所述旁通閥工作在 所述閉環(huán)控制模式中。方案7.如方案1所述的系統(tǒng)，進一步包括高壓壓縮機檢測模塊，其基于來自歧管絕對壓力傳感器的歧管絕對壓力信號和來 自高壓壓縮機入口溫度傳感器的溫度信號產(chǎn)生修正的空氣流量值；設置點選擇模塊，其基于所述發(fā)動機模式信號、所述發(fā)動機速度信號和所述發(fā)動 機扭矩信號中的至少一個產(chǎn)生設置點信號；和誤差模塊，其基于所述設置點信號和所述歧管絕對壓力信號之間的差產(chǎn)生所述誤
差信號。方案8.如方案7所述的系統(tǒng)，其中，所述模式選擇模塊基于可變幾何渦輪位置信
5號、旁通閥位置信號、所述修正的空氣流量值、高壓壓縮機壓力比和所述誤差信號中的至少 一個產(chǎn)生所述控制模式信號；其中，基于高壓壓縮機入口壓力和高壓壓縮機出口壓力之間的壓力比確定所述高 壓壓縮機壓力比。方案9.如方案1所述的系統(tǒng)，其中，當所述控制模式信號從所述開環(huán)控制模式轉(zhuǎn) 變到所述閉環(huán)控制模式時，所述控制環(huán)模塊基于旁通閥控制信號和所述誤差信號確定所述 環(huán)控制值。方案10.如方案9所述的系統(tǒng)，進一步包括信號選擇模塊，其基于所述環(huán)控制值和所述前饋值產(chǎn)生選定的旁通閥信號；界限模塊，其基于所述選定的旁通閥信號產(chǎn)生比例縮放的旁通閥信號；和致動模塊，其基于所述比例縮放的旁通閥信號產(chǎn)生所述旁通閥控制信號以致動所 述順序起動的渦輪增壓器的旁通閥。方案11. 一種控制順序起動的渦輪增壓器的方法，包括基于發(fā)動機速度信號、發(fā)動機扭矩信號和發(fā)動機模式信號產(chǎn)生控制模式信號；指示開環(huán)控制模式和閉環(huán)控制模式中的一種；基于所述控制模式信號、所述發(fā)動機速度信號和所述發(fā)動機扭矩信號確定前饋 值；和當所述控制模式信號從所述開環(huán)控制模式轉(zhuǎn)變到所述閉環(huán)控制模式時，基于所述 前饋值、可變幾何渦輪控制信號和誤差信號確定環(huán)控制值。方案12.如方案11所述的方法，進一步包括基于所述發(fā)動機速度信號、所述發(fā)動 機扭矩信號、空氣質(zhì)量流量信號和海拔高度中的至少一個產(chǎn)生所述發(fā)動機模式信號。方案13.如方案11所述的方法，進一步包括基于所述前饋值和所述環(huán)控制值確定求和值；基于所述求和值和所述前饋值產(chǎn)生選定的可變幾何渦輪信號；基于所述選定的可變幾何渦輪信號產(chǎn)生比例縮放的可變幾何渦輪信號；和基于所述比例縮放的可變幾何渦輪信號產(chǎn)生所述可變幾何渦輪控制信號以致動 所述順序起動的渦輪增壓器的可變幾何渦輪中的多個葉片。方案14.如方案13所述的方法，進一步包括基于發(fā)動機速度和發(fā)動機負載使所述可變幾何渦輪工作在所述閉環(huán)控制模式 中；基于所述發(fā)動機速度和所述發(fā)動機負載之間的關系關閉所述順序起動的渦輪增 壓器的旁通閥。方案15.如方案14所述的方法，進一步包括當旁通閥位置信號大于預定位置值 時，分別基于所述可變幾何渦輪控制信號和旁通閥控制信號使所述可變幾何渦輪和所述旁 通閥工作在所述開環(huán)控制模式中。方案16.如方案14所述的方法，進一步包括當歧管絕對壓力信號在預定時間段 內(nèi)都大于預定壓力并且可變幾何渦輪位置信號在所述預定時間段內(nèi)都小于預定閾值時，使 所述可變幾何渦輪工作在所述開環(huán)控制模式中，并且使所述旁通閥工作在所述閉環(huán)控制模式中。
方案17.如方案11所述的方法，進一步包括基于來自歧管絕對壓力傳感器的歧管絕對壓力信號和來自高壓壓縮機入口溫度 傳感器的溫度信號產(chǎn)生修正的空氣流量值；基于所述發(fā)動機模式信號、所述發(fā)動機速度信號和所述發(fā)動機扭矩信號中的至少 一個產(chǎn)生設置點信號；和基于所述設置點信號和所述歧管絕對壓力信號之間的差產(chǎn)生所述誤差信號。方案18.如方案17所述的方法，進一步包括基于可變幾何渦輪位置信號、旁通閥位置信號、所述修正的空氣流量值、高壓壓縮 機壓力比和所述誤差信號中的至少一個產(chǎn)生所述控制模式信號；和基于高壓壓縮機入口壓力和高壓壓縮機出口壓力之間的壓力比確定所述高壓壓 縮機壓力比。方案19.如方案11所述的方法，進一步包括當所述控制模式信號從所述開環(huán)控 制模式轉(zhuǎn)變到所述閉環(huán)控制模式時，基于旁通閥控制信號和所述誤差信號確定所述環(huán)控制值。方案20.如方案19所述的方法，進一步包括基于所述環(huán)控制值和所述前饋值產(chǎn)生選定的旁通閥信號；基于所述選定的旁通閥信號產(chǎn)生比例縮放的旁通閥信號；和基于所述比例縮放的旁通閥信號產(chǎn)生所述旁通閥控制信號以致動所述順序起動 的渦輪增壓器的旁通閥。通過后文提供的詳細描述將明了本發(fā)明更多的應用領域。應當理解的是，這些詳 細描述和特定示例僅僅用于說明的目的，而并不旨在限制本公開的范圍。


根據(jù)詳細描述和附圖，本發(fā)明將得到更加全面的理解，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的發(fā)動機控制系統(tǒng)的功能框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的VGT控制系統(tǒng)的功能框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的BPV控制系統(tǒng)的功能框圖；圖4A和圖4B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的對VGT和BPV進行控制的方法。
具體實施例方式下面的描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，并不試圖以任何方式限制本發(fā)明、其應用或 用途。為了清楚起見，在附圖中將使用相同附圖標記來指示相似元件。如本文所使用的，短 語“A、B和C中的至少一個”應當解釋為指的是使用了非排他性邏輯“或”的邏輯“A或者B 或者C”的含義。應當理解的是，在不改變本發(fā)明原理的情況下，方法內(nèi)的步驟可按照不同 順序執(zhí)行。如本文所使用的，術語“模塊”指專用集成電路(ASIC)、電子電路、執(zhí)行一個或多個 軟件或固件程序的處理器(共用處理器、專用處理器或組處理器)和存儲器、組合邏輯電路 和/或提供所述功能的其他適合部件。發(fā)動機可構造有順序起動的渦輪增壓器以調(diào)節(jié)供應到發(fā)動機汽缸的空氣流。空氣流可由多個控制致動器控制?？刂浦聞悠骺砂╒GT和BPV。VGT和BPV在不同發(fā)動機條 件下以不同控制模式工作。控制模式可在開環(huán)控制模式和閉環(huán)控制模式之間切換。希望獲 得控制模式之間的平滑轉(zhuǎn)變(即最小的增壓壓力變化)以達到排放目標，滿足燃料經(jīng)濟性 目標以及改善駕駛性能。由于這些控制致動器的高度非線性特性，所以如果沒有被適當?shù)?控制，則該轉(zhuǎn)變可能會不平滑。本發(fā)明的實施例提供了用于控制順序起動的渦輪增壓器的技術。這些技術可降低 增壓壓力的變化量并且提供控制模式之間的平滑轉(zhuǎn)變。這提高了燃料經(jīng)濟性并且改善了發(fā) 動機耐用性，同時還滿足了排放要求。在圖1中，示出了車輛的示例性發(fā)動機控制系統(tǒng)10。發(fā)動機控制系統(tǒng)10可包括發(fā) 動機12和渦輪增壓器控制系統(tǒng)14。渦輪增壓器控制系統(tǒng)14可包括具有兩級渦輪增壓器系 統(tǒng)18的發(fā)動機控制模塊16。兩級渦輪增壓器系統(tǒng)18致動VGT 20和BPV 22以控制供應到 發(fā)動機12用于燃燒的空氣量。發(fā)動機控制模塊16可包括渦輪增壓器控制模塊24。渦輪增壓器控制模塊24協(xié) 調(diào)對VGT 20和BPV 22的控制。渦輪增壓器控制模塊24可包括VGT控制模塊26和BPV控 制模塊28。VGT控制模塊26基于發(fā)動機速度信號EngSpd、發(fā)動機扭矩信號EngTrq、發(fā)動機 模式信號EngMod和BPV位置信號BPVpos來控制VGT 20中的葉片的打開和關閉。圖2示 出了 VGT控制模塊的一個示例。BPV控制模塊28基于發(fā)動機速度信號EngSpd、發(fā)動機扭 矩信號EngTrq、誤差信號ERR、VGT位置信號VGTpos、修正的空氣流量值CorrAir和壓力比 PresRatio來控制BPV 22的打開和關閉。圖3示出了 BPV控制模塊的一個示例。在發(fā)動機工作期間，空氣被吸入進氣歧管30。進氣歧管30內(nèi)的空氣被分配到汽缸 32內(nèi)。進氣歧管絕對壓力(MAP)傳感器34可檢測進氣歧管30內(nèi)的空氣壓力并且產(chǎn)生MAP 信號MAP。盡管圖1示出了六個汽缸，但發(fā)動機12也可包括任意數(shù)量的汽缸32。雖然示出 的是汽油驅(qū)動的內(nèi)燃發(fā)動機，但本文所公開的實施例也適用于柴油或替代性燃料供能的發(fā) 動機?；旌嫌锌諝獾娜剂辖?jīng)由燃料軌36、38被吸入汽缸32。空氣/燃料混合物在汽缸 32內(nèi)被壓縮并且被點燃以產(chǎn)生驅(qū)動扭矩。驅(qū)動扭矩可提高發(fā)動機速度。發(fā)動機速度傳感器 40可以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)為單位來測量發(fā)動機12的速度。汽缸32內(nèi)的燃燒排氣經(jīng)由排氣 歧管42、44被排出。排氣通過排氣導管46、48行進，并被引導到兩級渦輪增壓器系統(tǒng)18。兩級渦輪增壓器系統(tǒng)18可包括高壓渦輪增壓器50和低壓渦輪增壓器52。高壓渦 輪增壓器50可包括VGT 20和高壓壓縮機54。當排氣流過VGT 20時，高壓壓縮機54旋轉(zhuǎn) 并且迫使空氣進入汽缸32。VGT 20可具有一組可運動的葉片(未示出)以控制流過高壓 渦輪增壓器50的排氣壓力。當排氣流量為低時，葉片被部分地關閉以提高高壓渦輪增壓器 50的速度。隨著發(fā)動機速度提高，葉片可打開以降低高壓渦輪增壓器50的速度。低壓渦輪增壓器52可包括固定幾何渦輪(TOT) 56和低壓壓縮機58。流過TOT 56 的排氣導致低壓壓縮機58旋轉(zhuǎn)并且對空氣進行壓縮。當發(fā)動機12以低速工作時，排氣從 排氣歧管42、44流入VGT 20，然后穿過TOT 56。通過允許排氣流過高壓渦輪增壓器50然 后流過低壓渦輪增壓器52，渦輪遲滯可被降低。隨著發(fā)動機速度提高，BPV 22可打開以使 排氣流旁通并且允許排氣流過TOT 56。壓縮機旁通閥(CBPV)60可與BPV 22協(xié)同工作。在 另一個實施例中，CBPV 60和BPV 22可獨立地工作。CBPV 60防止高壓壓縮機54旋轉(zhuǎn)得快
8于預定速度，而導致對兩級渦輪增壓器系統(tǒng)18的損害。在圖2中，示出了用于兩級渦輪增壓器系統(tǒng)18的VGT 20的渦輪增壓器控制系統(tǒng) 14。渦輪增壓器控制系統(tǒng)14可包括VGT控制模塊26。VGT控制模塊26可包括VGT模式選 擇模塊200、前饋選擇模塊202和控制環(huán)模塊204。VGT模式選擇模塊200可接收來自傳感器206的信號。傳感器206可包括MAP傳 感器34、發(fā)動機速度傳感器40、發(fā)動機扭矩傳感器208、BPV位置傳感器210和其他多個傳 感器212。其他多個傳感器212可包括氧傳感器、發(fā)動機冷卻劑溫度傳感器、空氣質(zhì)量流量 (MAF)傳感器和/或高度傳感器。發(fā)動機速度傳感器40可產(chǎn)生以RPM為單位指示發(fā)動機速度的發(fā)動機速度信號 EngSpd0發(fā)動機扭矩傳感器208可產(chǎn)生指示發(fā)動機12輸出扭矩的發(fā)動機扭矩信號EngTrq。 BPV位置傳感器210可產(chǎn)生對應于BPV 22打開量的BPV位置信號BPVpos，包括完全關閉、 完全打開和在它們之間的位置。發(fā)動機模式檢測模塊214可基于接收自一組傳感器206的 信號產(chǎn)生發(fā)動機模式信號EngMod。VGT模式選擇模塊200可基于發(fā)動機速度信號EngSpd、發(fā)動機扭矩信號EngTrq、 BPV位置信號BPVpos和發(fā)動機模式信號EngMod來產(chǎn)生控制模式信號Ctrl?？刂颇Ｊ叫盘?Ctrl指示了 VGT 20以其進行工作的控制模式?？刂颇Ｊ娇梢允情_環(huán)控制模式和閉環(huán)控制 模式中的至少一種。開環(huán)控制模式指示渦輪增壓器控制系統(tǒng)14是在沒有反饋的情況下基 于輸入信號而被控制的，所述輸入信號例如是發(fā)動機速度信號EngSpd和發(fā)動機扭矩信號 EngTrq。一組輸入信號可用于確定前饋值以使VGT 20和BPV 22工作。處于開環(huán)控制模式 中的系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)。不過，利用反饋了的系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋被用于對關于使VGT 20和BPV 22 工作的控制信號的變化作出決定。閉環(huán)控制模式指示了渦輪增壓器控制系統(tǒng)14由接收設 置點信號和前饋值的反饋系統(tǒng)控制。設置點信號指示了作為反饋系統(tǒng)輸入的期望VGT或 BPV位置。前饋值可以是輸入到反饋系統(tǒng)的另外的輸入。閉環(huán)控制系統(tǒng)比開環(huán)控制系統(tǒng)提 供了更高的準確度，因為閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠基于反饋來調(diào)節(jié)控制信號。VGT模式選擇模塊200將控制模式信號Ctrl傳輸?shù)角梆佭x擇模塊202和信號選擇 模塊216。前饋選擇模塊202可接收控制模式信號Ctrl并且基于控制模式信號Ctrl、發(fā)動 機速度信號EngSpd和發(fā)動機扭矩信號EngSpd確定前饋值。前饋值可存儲在查找表中并且 可基于發(fā)動機速度和發(fā)動機扭矩而被索引。取決于渦輪增壓器控制系統(tǒng)14的控制模式，查 找表可包括不同組的前饋值。僅作為示例，當控制模式信號指示開環(huán)控制模式時，前饋選擇模塊202可從開環(huán) VGT查找表218中獲取開環(huán)前饋值olFFV。開環(huán)VGT查找表218可包括由發(fā)動機速度信號 EngSpd和發(fā)動機扭矩信號EngTrq索引的一組表(例如，表1_N，其中N為整數(shù))。類似地， 當控制模式信號Ctrl指示閉環(huán)控制模式時，前饋選擇模塊202可從閉環(huán)VGT查找表220中 獲取閉環(huán)前饋值clFFV。閉環(huán)VGT查找表220可以包括基于發(fā)動機速度信號EngSpd和發(fā)動 機扭矩信號EngTrq索引的一組表。在開環(huán)控制模式中，前饋選擇模塊202可將開環(huán)前饋值olFFV傳輸?shù)叫盘栠x擇模 塊216。信號選擇模塊216可選擇下述之一開環(huán)前饋值olFFV以及由求和模塊222產(chǎn)生的 求和值SUM。信號選擇模塊216可基于開環(huán)前饋值olFFV、求和值SUM和控制模式信號Ctrl
9來產(chǎn)生選定的VGT信號sVGT。信號選擇模塊216可將選定的VGT信號sVGT傳輸?shù)浇缦弈?塊 224。界限模塊224將選定的VGT信號sVGT比例縮放到VGT 20的工作范圍內(nèi)。例如，如 果0代表VGT關閉狀態(tài)而1代表VGT打開狀態(tài)，則界限模塊224可將選定的VGT信號sVGT 比例縮放到介于0和1之間的值。界限模塊224基于選定的VGT信號sVGT產(chǎn)生比例縮放 的VGT信號cVGT，并且將比例縮放的VGT信號cVGT傳輸?shù)街聞幽K226。致動模塊226可 基于比例縮放的VGT信號cVGT產(chǎn)生VGT控制信號VGTctrl以致動VGT 20內(nèi)的葉片。在閉環(huán)控制模式中，前饋選擇模塊202可將閉環(huán)前饋值clFFV傳輸?shù)娇刂骗h(huán)模塊 204?？刂骗h(huán)模塊204可以是單輸入單輸出(SISO)控制器或者多輸入多輸出(MIMO)控制 器。例如，控制環(huán)模塊204可以是比例積分微分(PID)控制器或者其變型(例如PI控制 器)O控制環(huán)模塊204基于閉環(huán)前饋值clFFV、VGT控制信號VGTctrl和誤差信號ERR來 確定環(huán)控制值PIDott。誤差信號可由誤差模塊228基于設置點信號SetPt和MAP信號MAP 產(chǎn)生。誤差模塊228將設置點選擇模塊230產(chǎn)生的設置點信號SetPt與來自MAP傳感器 34的MAP信號MAP比較。誤差模塊228產(chǎn)生誤差信號ERR，誤差信號ERR代表設置點信號 SetPt和MAP信號MAP之間的差。設置點信號SetPt可由設置點選擇模塊230基于發(fā)動機模式信號EngMod、發(fā)動機 速度信號EngSpd和發(fā)動機扭矩信號EngTrq產(chǎn)生。僅作為示例，設置點選擇模塊230可從 VGT設置點查找表232獲取VGT設置點值。VGT設置點查找表可包括基于發(fā)動機速度信號 EngSpd和發(fā)動機扭矩信號EngTrq索引的一組表(例如表1_M，其中M是整數(shù))。 控制環(huán)模塊204可將環(huán)控制值PIDot傳輸?shù)角蠛湍K222。求和模塊222將環(huán)控制 值PIDott和開環(huán)前饋值olFFV相加以產(chǎn)生求和值SUM。求和模塊222將求和值SUM傳輸?shù)?信號選擇模塊216。信號選擇模塊216可選擇下述之一開環(huán)前饋值olFFV和求和值SUM。 信號選擇模塊216可基于開環(huán)前饋值olFFV、求和值SUM和控制模式信號Ctrl產(chǎn)生選定的 VGT信號sVGT。信號選擇模塊216可將選定的VGT信號sVGT傳輸?shù)浇缦弈K224。在開環(huán)控制模式中時，界限模塊224將選定的VGT信號sVGT比例縮放到VGT 20 的工作范圍內(nèi)。界限模塊224基于選定的VGT信號sVGT產(chǎn)生比例縮放的VGT信號cVGT并 且將比例縮放的VGT信號cVGT傳輸?shù)街聞幽K226。致動模塊226可基于比例縮放的VGT 信號cVGT產(chǎn)生VGT控制信號VGTctrl以致動VGT 20內(nèi)的葉片。另外，致動模塊226將VGT 控制信號VGTctrl傳輸?shù)娇刂骗h(huán)模塊204。這提供了用于閉環(huán)控制的反饋路徑。在圖3中，示出了用于兩級渦輪增壓器系統(tǒng)18的BPV 22的渦輪增壓器控制系統(tǒng) 14。渦輪增壓器控制系統(tǒng)14可包括BPV控制模塊28。BPV控制模塊28可包括BPV模式選 擇模塊300、前饋選擇模塊302和控制環(huán)模塊304。BPV模式選擇模塊300可接收來自傳感器306的信號。傳感器306可包括MAP傳 感器34、發(fā)動機速度傳感器40、發(fā)動機扭矩傳感器308、VGT位置傳感器310和高壓壓縮機 (HPC)入口溫度傳感器312。發(fā)動機速度傳感器40可產(chǎn)生以RPM為單位指示發(fā)動機速度的 發(fā)動機速度信號EngSpd。發(fā)動機扭矩傳感器308可產(chǎn)生指示發(fā)動機12輸出扭矩的發(fā)動機 扭矩信號EngTrq。VGT位置傳感器310可產(chǎn)生對應于VGT葉片(未示出)打開量的VGT位 置信號VGTpos，包括完全關閉、完全打開和它們之間的位置。
BPV模式選擇模塊300可基于發(fā)動機速度信號EngSpd、發(fā)動機扭矩信號EngTrq、 VGT位置信號VGTpos、修正的空氣流量值CorrAir、HPC壓力比PresRatio和誤差信號ERR來 產(chǎn)生控制模式信號Ctrl。修正的空氣流量值CorrAir可由HPC檢測模塊314基于來自MAP 傳感器34的MAP信號MAP以及來自HPC入口溫度傳感器312的溫度信號HPCtemp來確定。 HPC壓力比PresRatio也可由HPC檢測模塊314基于HPC入口壓力和HPC出口壓力之間的 壓力比來確定。HPC入口壓力是在HPC 54的入口處測得的壓力值。HPC出口壓力是在HPC 54的出口處測得的壓力值。誤差信號ERR可由誤差模塊328基于設置點信號SetPt和MAP 信號MAP產(chǎn)生。BPV模式選擇模塊300將控制模式信號Ctrl傳輸?shù)角梆佭x擇模塊302和信號選擇 模塊316。前饋選擇模塊302可接收控制模式信號Ctrl，并且基于控制模式信號Ctrl、發(fā)動 機速度信號EngSpd和發(fā)動機扭矩信號EngTrq確定前饋值。前饋值可存儲在基于發(fā)動機速 度和發(fā)動機扭矩索引的查找表中。取決于渦輪增壓器控制系統(tǒng)14的控制模式，查找表可包 括不同組的前饋值。僅作為示例，當控制模式信號Ctrl指示開環(huán)控制模式時，前饋選擇模塊302可從 開環(huán)BPV查找表318獲取開環(huán)前饋值olFFV。開環(huán)BPV查找表可包括基于發(fā)動機速度信號 和發(fā)動機扭矩信號索引的一組表(例如表1-N，其中N為整數(shù))。類似地，當控制模式信號 Ctrl指示閉環(huán)控制模式時，前饋選擇模塊302可從閉環(huán)BPV查找表320獲取閉環(huán)前饋值 clFFV。閉環(huán)BPV查找表可包括基于發(fā)動機速度信號和發(fā)動機扭矩信號索引的一組表。在開環(huán)控制模式中，前饋選擇模塊302可將開環(huán)前饋值olFFV傳輸?shù)叫盘栠x擇模 塊316。信號選擇模塊316可選擇下述之一開環(huán)前饋值olFFV以及由控制環(huán)模塊304產(chǎn) 生的環(huán)控制值PID·。信號選擇模塊316可基于開環(huán)前饋值olFFV、環(huán)控制值PIDtm和控制 模式信號Ctrl產(chǎn)生選定的BPV信號sBPV。信號選擇模塊316可將選定的BPV信號sBPV傳 輸?shù)浇缦弈K324。界限模塊324將選定的BPV信號sBPV比例縮放到BPV 22的工作范圍內(nèi)。界限模 塊324基于選定的BPV信號sBPV產(chǎn)生比例縮放的BPV信號cBPV，并且將比例縮放的BPV信 號cBPV傳輸?shù)街聞幽K326。致動模塊326可基于比例縮放的BPV信號cBPV產(chǎn)生BPV控 制信號BPVctrl以致動BPV 22。在閉環(huán)控制模式中，前饋選擇模塊302可將閉環(huán)前饋值clFFV傳輸?shù)娇刂骗h(huán)模塊 304?？刂骗h(huán)模塊304可以是單輸入單輸出(SISO)控制器或者多輸入多輸出(MIMO)控制 器。例如，控制環(huán)模塊304可以是比例積分微分(PID)控制器或者其變型(例如PI控制 器)O 控制環(huán)模塊304基于BPV控制信號BPVctrl和誤差信號ERR確定環(huán)控制值PIDQUT。 誤差信號可由誤差模塊328基于設置點信號SetPt和MAP信號MAP產(chǎn)生。誤差模塊328將 由設置點選擇模塊330產(chǎn)生的設置點信號SetPt與來自MAP傳感器34的MAP信號MAP比 較。誤差模塊328產(chǎn)生誤差信號ERR，誤差信號ERR代表了設置點信號SetPt和MAP信號 MAP之間的差。 設置點信號SetPt可由設置點選擇模塊330基于發(fā)動機速度信號EngSpd和發(fā)動 機扭矩信號EngTrq產(chǎn)生。僅作為示例，設置點選擇模塊330可從BPV設置點查找表332獲 取BPV設置點值。BPV設置點查找表可包括基于發(fā)動機速度信號EngSpd和發(fā)動機扭矩信號EngTrq索引的一組表(例如表1-M，其中M是整數(shù))?？刂骗h(huán)模塊304可將環(huán)控制值PIDtm傳輸?shù)叫盘栠x擇模塊316。選擇模塊316可 選擇下述之一開環(huán)前饋值olFFV和環(huán)控制值PID·。信號選擇模塊316可基于開環(huán)前饋 值olFFV、環(huán)控制值PIDott和控制模式信號Ctrl產(chǎn)生選定的BPV信號sBPV。信號選擇模塊 316可將選定的BPV信號sBPV傳輸?shù)浇缦弈K324。當在開環(huán)控制模式中時，界限模塊324將選定的BPV信號sBPV比例縮放到BPV 22 的工作范圍內(nèi)。界限模塊324基于選定的BPV信號sBPV產(chǎn)生比例縮放的BPV信號cBPV，并 且將比例縮放的BPV信號cBPV傳輸?shù)街聞幽K326。致動模塊326可基于比例縮放的BPV 信號cBPV產(chǎn)生BPV控制信號BPVctrl以致動BPV 22。另外，致動模塊326可將BPV控制信 號BPVctrl傳輸?shù)娇刂骗h(huán)模塊304。這提供了用于閉環(huán)控制的反饋路徑。盡管參照示例性發(fā)動機控制模塊16分別描述了 VGT控制模塊26和BPV控制模塊 28，但本發(fā)明的控制模塊26、28也可組合成一個系統(tǒng)或者也可分布在不同的系統(tǒng)中。僅作 為示例，VGT控制模塊26和BPV控制模塊28可一起組合到一個系統(tǒng)中。組合到一起的VGT 模式選擇模塊200和BPV模式選擇模塊300可產(chǎn)生分別用于VGT和BPV的控制模式信號。 而且，信號選擇模塊216、316可作為一個系統(tǒng)工作。另外，界限模塊224、324以及致動模塊 226、326也可在同一系統(tǒng)中以對VGT和BPV進行致動。在圖4A和圖4B中，示出了對渦輪增壓器控制系統(tǒng)14的VGT 20和BPV 22進行控 制的示例性方法。盡管下面的步驟主要是參照圖1-3的實施例進行描述的，但這些步驟也 可得到修改以適用于本發(fā)明的其他實施例。方法可開始于步驟400。在步驟402中，VGT模式選擇模塊200可初始地產(chǎn)生指示 開環(huán)控制模式的控制模式信號Ctrl。開環(huán)控制模式指示VGT 20中的葉片是基于輸入信號 而被致動的。輸入信號可包括發(fā)動機速度信號EngSpd、發(fā)動機扭矩信號EngTrq、BPV位置 信號BPVpos和發(fā)動機模式信號EngMod。在步驟404中，致動模塊326將BPV 22初始設置 成處于完全關閉位置。在步驟406中，發(fā)動機模式檢測模塊214基于接收自一組傳感器206的多個信號 產(chǎn)生發(fā)動機模式信號EngMod。僅作為示例，發(fā)動機模式信號EngMod可由公式(1)限定。EngMod = F {RPM, L, ALT, T0RQ} (1)RPM是發(fā)動機速度。L是發(fā)動機負載并且可基于MAF信號確定。MAF傳感器可產(chǎn)生 MAF信號，MAF信號指示流過進氣歧管30的入口的空氣流率。ALT是海拔高度并且TORQ是 發(fā)動機扭矩。發(fā)動機模式檢測模塊214將發(fā)動機模式信號EngMod傳輸?shù)絍GT模式選擇模 塊200和設置點選擇模塊230。在步驟408中，前饋選擇模塊202基于控制模式信號Ctrl、發(fā)動機速度信號 EngSpd和發(fā)動機扭矩信號EngTrq從開環(huán)VGT查找表218獲取開環(huán)前饋值olFFV。例如，當 VGT 20處于開環(huán)控制模式中時，前饋選擇模塊202選擇開環(huán)VGT查找表218。前饋選擇模 塊202獲取存儲在開環(huán)VGT查找表218中的開環(huán)前饋值olFFV，開環(huán)VGT查找表218基于發(fā) 動機速度信號EngSpd和發(fā)動機扭矩信號EngTrq索引。在步驟410中，當發(fā)動機速度大于預定值PredRPM時，控制方法可前進到步驟412。 否則，控制方法可返回到步驟406。在步驟412中，當發(fā)動機負載大于預定值PredMAF時， 控制方法可前進到步驟414。否則，控制方法可返回到步驟406。在步驟410和412中，VGT模式選擇模塊200確定VGT 20是否可處于閉環(huán)控制模式中。滿足步驟410和步驟412中 的兩個條件則表明VGT 20可在閉環(huán)控制模式下被致動。在步驟414中，控制環(huán)模塊204可接收來自VGT位置傳感器310的VGT位置信號 VGTpos。VGT位置信號VGTpos的當前值可被存儲在存儲器中并且可被獲取用于后續(xù)計算。 例如，VGT位置信號VGTpos的當前值可用于確定PID控制器的積分值?？刂骗h(huán)模塊204可 以是具有三個獨立參數(shù)的PID控制器，這三個獨立參數(shù)為比例(P)值、積分(I)值和微分 (D)值。調(diào)整這些參數(shù)是為了實現(xiàn)用于期望控制響應的優(yōu)化的P、I和D值。優(yōu)化的值可提 供開環(huán)控制模式和閉環(huán)控制模式之間的平滑轉(zhuǎn)變。P值可指示對當前誤差的反應。I值可指示基于誤差之和的反應。D值可指示基于 當前誤差變化率的反應。三個值P、I、D的加權和可用于確定PID控制器的環(huán)控制值PIDOTT。 僅作為示例，環(huán)控制值PIDot可由公式(2)限定。PIDOUT = P+I+D (2)P可進一步由公式(3)限定。P = Kp*E (t)(3)Kp是指示比例增益的常數(shù)。E是由設置點和過程值之間的差確定的誤差，其中該 設置點指示了期望值而該過程值則指示了測量值。t是當前時間。I可由公式(4)進一步 限定。I = KijE(t)dt(4)
0Ki是指示積分增益的常數(shù)。t是過去對積分響應有貢獻的時間。D可進一步由公 式(5)限定。D = Kd 竽(5)
atKd是指示微分增益的常數(shù)。在步驟416中，前饋選擇模塊202基于控制模式信號Ctrl、發(fā)動機速度信號 EngSpd和發(fā)動機扭矩信號EngTrq從閉環(huán)VGT查找表220獲取閉環(huán)前饋值clFFV。例如，VGT 模式選擇模塊200可產(chǎn)生指示閉環(huán)控制模式的控制模式信號Ctrl。閉環(huán)控制模式指示VGT 20中的葉片是基于反饋被致動的。反饋可包括前饋值、發(fā)動機速度和發(fā)動機負載。VGT模 式選擇模塊200將控制模式信號Ctrl傳輸?shù)角梆佭x擇模塊202。前饋選擇模塊202選擇 閉環(huán)VGT查找表220。前饋選擇模塊202獲取存儲在閉環(huán)VGT查找表220中的閉環(huán)前饋值 clFFV，其中閉環(huán)VGT查找表220基于發(fā)動機速度信號EngSpd和發(fā)動機扭矩信號EngTrq索 引。在步驟418中，控制環(huán)模塊204將I值設置為IVGT。IVGT可被初始設置為零。然 而，當IVGT等于零時，VGT葉片位置變異度(variance)可能是顯著的，因為VGT葉片位置 變異度是從零到當前VGT位置值來加以測量的。使VGT葉片位置變異度最小化允許提供從 開環(huán)控制模式到閉環(huán)控制模式的平滑轉(zhuǎn)變。僅作為示例，Ivct可由公式(6)限定。IVGT = VGTPOS-FFDVGT (6)VGTros是接收自VGT位置傳感器310的當前VGT位置信號。FFDvct是由前饋選擇模塊202所獲取的前饋值。取決于FFDvct, Ivct可具有接近于VGTtos的值。如果FFDvct相對于VGTpos是較小的數(shù)，則VGT葉片被致動到緊鄰前一 VGT葉片位置的位置，因為通過VGTros已 經(jīng)知道了前一 VGT葉片位置。因此，VGT葉片位置變異度可以是微小的。結果，Ivct使得由 VGT葉片位置的突然變化所引起的不平滑轉(zhuǎn)變效應最小化。在步驟420中，VGT 20中的葉片在閉環(huán)控制模式中基于反饋信號被致動。反饋信 號可包括閉環(huán)前饋值clFFV、VGT控制信號VGTctrl和誤差信號ERR。VGT控制信號VGTctrl 可由致動模塊226基于比例縮放的VGT信號cVGT產(chǎn)生。比例縮放的VGT信號cVGT可由界 限模塊224基于選定的VGT信號sVGT產(chǎn)生。選定的VGT信號sVGT可由信號選擇模塊216 基于控制模式信號Ctrl、開環(huán)前饋值olFFV和求和值SUM產(chǎn)生。在步驟422中，求和模塊222將環(huán)控制值PIDott和開環(huán)前饋值olFFV相加以產(chǎn)生 求和值SUM。僅作為示例，求和值SUM可由公式(7)限定。SUM = PID0UT+olFFV (7)PIDott是環(huán)控制值。olFFV是開環(huán)前饋值。在步驟424中，當輸送到高壓壓縮機54的增壓壓力大于預定增壓壓力PredBP時， 控制方法可前進到步驟426。否則，控制方法可返回到步驟402。VGT模式選擇模塊200接 收來自MAP傳感器34的MAP信號MAP以確定增壓壓力。預定增壓壓力PredBP指示排氣功 率具有足夠的能量以在閉環(huán)控制模式中使BPV 22工作。在步驟426中，當MAP信號MAP大于預定值MAPsetpt時，控制方法可前進到步驟 428。否則，控制方法可返回到步驟420。在步驟428中，當VGT位置信號VGTpos小于預定 閾值PredVGT時，控制方法可前進到步驟430。否則，控制方法可返回到步驟420。在步驟 430中，當步驟426和步驟428中的條件在預定時間段PredTime內(nèi)均得到滿足時，控制方法 可前進到步驟432。否則，控制方法可返回到步驟420。在步驟432中，VGT 20的葉片在開環(huán)控制模式中基于輸入信號被致動。在步驟434 中，致動模塊226基于壓力比PresRatio和修正的空氣流量值CorrAir將VGT葉片位置設 置在最大渦輪效率處。壓力比PresRatio基于HPC入口壓力和HPC出口壓力之間的壓力比 而得以確定。修正的空氣流量值CorrAir可由HPC檢測模塊314基于來自MAP傳感器34 的MAP信號MAP和來自HPC入口溫度傳感器312的溫度信號HPCtemp確定。僅作為示例，修正的空氣流量值CorrAir可由公式(8)限定。
權利要求
1.一種用于順序起動的渦輪增壓器的系統(tǒng)，包括模式選擇模塊，所述模式選擇模塊基于發(fā)動機速度信號、發(fā)動機扭矩信號和發(fā)動機模 式信號產(chǎn)生控制模式信號；其中，所述控制模式信號指示開環(huán)控制模式和閉環(huán)控制模式中的一種； 前饋選擇模塊，所述前饋選擇模塊基于所述控制模式信號、所述發(fā)動機速度信號和所 述發(fā)動機扭矩信號確定前饋值；和控制環(huán)模塊，當所述控制模式信號從所述開環(huán)控制模式轉(zhuǎn)變到所述閉環(huán)控制模式時， 所述控制環(huán)模塊基于所述前饋值、可變幾何渦輪控制信號和誤差信號確定環(huán)控制值。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括發(fā)動機模式檢測模塊，所述發(fā)動機模式檢測 模塊基于所述發(fā)動機速度信號、所述發(fā)動機扭矩信號、空氣質(zhì)量流量信號和海拔高度中的 至少一個產(chǎn)生所述發(fā)動機模式信號。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括求和模塊，其基于所述前饋值和所述環(huán)控制值確定求和值； 信號選擇模塊，其基于所述求和值和所述前饋值產(chǎn)生選定的可變幾何渦輪信號； 界限模塊，其基于所述選定的可變幾何渦輪信號產(chǎn)生比例縮放的可變幾何渦輪信號；和致動模塊，其基于所述比例縮放的可變幾何渦輪信號產(chǎn)生所述可變幾何渦輪控制信號 以致動所述順序起動的渦輪增壓器的可變幾何渦輪中的多個葉片。
4.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，包括渦輪增壓器控制模塊，所述渦輪增壓器控制模 塊包括所述模式選擇模塊、所述前饋選擇模塊和所述控制環(huán)模塊，并且所述渦輪增壓器控 制模塊基于發(fā)動機速度和發(fā)動機負載使所述可變幾何渦輪工作在所述閉環(huán)控制模式中；其中，所述致動模塊基于所述發(fā)動機速度和所述發(fā)動機負載之間的關系關閉所述順序 起動的渦輪增壓器的旁通閥。
5.如權利要求4所述的系統(tǒng)，其中，當旁通閥位置信號大于預定位置值時，所述渦輪增 壓器控制模塊分別基于所述可變幾何渦輪控制信號和旁通閥控制信號使所述可變幾何渦 輪和所述旁通閥工作在所述開環(huán)控制模式中。
6.如權利要求4所述的系統(tǒng)，其中，當歧管絕對壓力信號在預定時間段內(nèi)都大于預定 壓力并且可變幾何渦輪位置信號在所述預定時間段內(nèi)都小于預定閾值時，所述渦輪增壓器 控制模塊使所述可變幾何渦輪工作在所述開環(huán)控制模式中并且使所述旁通閥工作在所述 閉環(huán)控制模式中。
7.如權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括高壓壓縮機檢測模塊，其基于來自歧管絕對壓力傳感器的歧管絕對壓力信號和來自高 壓壓縮機入口溫度傳感器的溫度信號產(chǎn)生修正的空氣流量值；設置點選擇模塊，其基于所述發(fā)動機模式信號、所述發(fā)動機速度信號和所述發(fā)動機扭 矩信號中的至少一個產(chǎn)生設置點信號；和誤差模塊，其基于所述設置點信號和所述歧管絕對壓力信號之間的差產(chǎn)生所述誤差信號。
8.如權利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述模式選擇模塊基于可變幾何渦輪位置信號、旁 通閥位置信號、所述修正的空氣流量值、高壓壓縮機壓力比和所述誤差信號中的至少一個產(chǎn)生所述控制模式信號；其中，基于高壓壓縮機入口壓力和高壓壓縮機出口壓力之間的壓力比確定所述高壓壓 縮機壓力比。
9.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，當所述控制模式信號從所述開環(huán)控制模式轉(zhuǎn)變到 所述閉環(huán)控制模式時，所述控制環(huán)模塊基于旁通閥控制信號和所述誤差信號確定所述環(huán)控 制值。
10.一種控制順序起動的渦輪增壓器的方法，包括基于發(fā)動機速度信號、發(fā)動機扭矩信號和發(fā)動機模式信號產(chǎn)生控制模式信號； 指示開環(huán)控制模式和閉環(huán)控制模式中的一種；基于所述控制模式信號、所述發(fā)動機速度信號和所述發(fā)動機扭矩信號確定前饋值；和 當所述控制模式信號從所述開環(huán)控制模式轉(zhuǎn)變到所述閉環(huán)控制模式時，基于所述前饋 值、可變幾何渦輪控制信號和誤差信號確定環(huán)控制值。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于順序起動的渦輪增壓器的模式轉(zhuǎn)變系統(tǒng)和方法。具體地，提供了一種用于順序起動的渦輪增壓器的系統(tǒng)，包括模式選擇模塊、前饋選擇模塊和控制環(huán)模塊。模式選擇模塊基于發(fā)動機速度信號、發(fā)動機扭矩信號和發(fā)動機模式信號產(chǎn)生控制模式信號。控制模式信號指示開環(huán)控制模式和閉環(huán)控制模式中的一種。前饋選擇模塊基于控制模式信號、發(fā)動機速度信號和發(fā)動機扭矩信號確定前饋值。當控制模式信號從開環(huán)控制模式轉(zhuǎn)變到閉環(huán)控制模式時，控制環(huán)模塊根據(jù)下述中的至少一種確定環(huán)控制值基于前饋值、可變幾何渦輪控制信號和誤差信號；或者基于旁通閥控制信號和誤差信號。
文檔編號F02B37/12GK101994565SQ20101025595
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月11日 優(yōu)先權日2009年8月11日
發(fā)明者A·甘戈帕迪亞伊, B·J·宋, P·葛, Z·劉 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司