控制排氣再循環(huán)系統(tǒng)、空氣節(jié)流系統(tǒng)和充氣系統(tǒng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 在該部分中的陳述只是提供關(guān)于本發(fā)明的背景信息。因此，這些陳述并非意在構(gòu) 成對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的承認(rèn)。
[0003] 發(fā)動(dòng)機(jī)控制包括基于期望發(fā)動(dòng)機(jī)輸出來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的參數(shù)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)速 度和發(fā)動(dòng)機(jī)載荷以及所產(chǎn)生的運(yùn)轉(zhuǎn)，例如包括發(fā)動(dòng)機(jī)排放。由發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法所控制的參 數(shù)包括空氣流量、燃料流量、以及進(jìn)氣閥和排氣閥設(shè)定。
[0004] 可以將增壓空氣提供至發(fā)動(dòng)機(jī)，以相對(duì)于自然吸氣進(jìn)氣系統(tǒng)向發(fā)動(dòng)機(jī)提供增大 的空氣流量從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出。渦輪增壓器利用發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng) 壓縮機(jī)，從而向發(fā)動(dòng)機(jī)提供增壓空氣。示例性的渦輪增壓器可以包括可變幾何渦輪增壓器 (VGT)，使得能夠調(diào)節(jié)對(duì)于排氣系統(tǒng)中的給定條件所提供的增壓空氣。機(jī)械式增壓器利用來(lái) 自發(fā)動(dòng)機(jī)的例如如由附件帶提供的機(jī)械功率來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，從而向發(fā)動(dòng)機(jī)提供增壓空氣。 發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法控制增壓空氣，以便于控制在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)所產(chǎn)生的燃燒以及所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī) 輸出。
[0005] 排氣再循環(huán)（EGR)是可以由發(fā)動(dòng)機(jī)控制所控制的另一參數(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi) 的排氣流耗盡了氧氣并且基本上是惰性氣體。當(dāng)與燃料和空氣的燃燒充量結(jié)合被引入或者 保留在燃燒腔室內(nèi)時(shí)，排氣減緩了燃燒，從而減少了輸出并且降低了絕熱火焰溫度。也可以 在先進(jìn)燃燒策略中與其他參數(shù)組合來(lái)控制EGR，例如包括均質(zhì)充量壓燃式（HCCI)燃燒。也 可以控制EGR以改變所產(chǎn)生的排氣流的屬性。發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法控制EGR以便于控制在發(fā)動(dòng) 機(jī)內(nèi)所產(chǎn)生的燃燒以及所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。
[0006] 用于發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)管理進(jìn)入空氣和EGR至發(fā)動(dòng)機(jī)中的流量。必須裝備空 氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)以滿足充入空氣成分目標(biāo)(例如EGR比例目標(biāo)）從而實(shí)現(xiàn)排放目標(biāo)，并且滿足總 空氣可用目標(biāo)(例如充氣流質(zhì)量流量)從而實(shí)現(xiàn)期望的功率和扭矩目標(biāo)。最強(qiáng)地影響EGR流 量的致動(dòng)器通常影響充氣流量，并且最強(qiáng)地影響充氣流量的致動(dòng)器通常影響EGR流量。因 此，具有現(xiàn)代空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)展示了具有聯(lián)接的輸入-輸出響應(yīng)回路的多輸入多輸 出（Mnro)系統(tǒng)。
[0007] 聯(lián)接了輸入即輸入-輸出響應(yīng)回路相互影響的Mnro系統(tǒng)呈現(xiàn)了本領(lǐng)域中的公知 挑戰(zhàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)呈現(xiàn)了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)在大范圍的參數(shù)上運(yùn)轉(zhuǎn)，包括可 變的發(fā)動(dòng)機(jī)速度、可變的扭矩輸出、以及可變的加油和正時(shí)安排。在許多情況下，對(duì)于系統(tǒng) 的精確轉(zhuǎn)移功能是不可用的和/或?qū)τ跇?biāo)準(zhǔn)解耦計(jì)算所需的計(jì)算能力是不可用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] -種發(fā)動(dòng)機(jī)包括排氣再循環(huán)系統(tǒng)、空氣節(jié)流系統(tǒng)以及充氣系統(tǒng)。一種用于控制發(fā) 動(dòng)機(jī)的方法包括：對(duì)于排氣再循環(huán)系統(tǒng)、空氣節(jié)流系統(tǒng)和空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)監(jiān)測(cè)期望 操作目標(biāo)命令；監(jiān)測(cè)空氣充氣系統(tǒng)的操作參數(shù)；以及基于各個(gè)期望操作目標(biāo)命令和空氣充 氣系統(tǒng)的操作參數(shù)而對(duì)于排氣再循環(huán)系統(tǒng)、空氣節(jié)流系統(tǒng)和空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)確定反 饋控制信號(hào)?；谟糜谂艢庠傺h(huán)系統(tǒng)、空氣節(jié)流系統(tǒng)和空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的各個(gè)反 饋控制信號(hào)來(lái)確定排氣再循環(huán)系統(tǒng)中的排氣再循環(huán)流量、空氣節(jié)流系統(tǒng)中的空氣流量以及 空氣充氣系統(tǒng)中的渦輪功率參數(shù)?；诟鱾€(gè)排氣再循環(huán)流量、空氣流量和渦輪功率參數(shù)而 對(duì)于排氣再循環(huán)系統(tǒng)、空氣節(jié)流系統(tǒng)和空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)確定系統(tǒng)控制命令?；谟?于排氣再循環(huán)系統(tǒng)、空氣節(jié)流系統(tǒng)和空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的系統(tǒng)控制命令來(lái)控制空氣充 氣系統(tǒng)。
[0009] 1. -種用于控制內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的排氣再循環(huán)系統(tǒng)、空氣節(jié)流系統(tǒng)和空氣充氣系統(tǒng) 的方法，該方法包括： 監(jiān)測(cè)用于所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的期 望操作目標(biāo)命令； 監(jiān)測(cè)所述空氣充氣系統(tǒng)的操作參數(shù)； 基于各個(gè)期望操作目標(biāo)命令和空氣充氣系統(tǒng)的操作參數(shù)，來(lái)確定用于所述排氣再循環(huán) 系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的反饋控制信號(hào)； 基于用于所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的各 個(gè)反饋控制信號(hào)，來(lái)確定所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)中的排氣再循環(huán)流量、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)中 的空氣流量以及所述空氣充氣系統(tǒng)中的渦輪功率參數(shù)； 基于各個(gè)排氣再循環(huán)流量、空氣流量和渦輪功率參數(shù)，來(lái)確定用于所述排氣再循環(huán)系 統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的系統(tǒng)控制命令；以及 基于用于所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的系 統(tǒng)控制命令，來(lái)控制所述空氣充氣系統(tǒng)。
[0010] 2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述期望操作目標(biāo)命令包括期望進(jìn)氣歧管壓力 命令、期望壓縮機(jī)增壓比命令以及期望已燃廢氣比例命令。
[0011] 3.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述期望操作目標(biāo)命令包括期望進(jìn)氣歧管壓力 命令、期望壓縮機(jī)增壓比命令以及期望氧氣比例命令。
[0012] 4.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述空氣充氣系統(tǒng)的操作參數(shù)包括進(jìn)氣歧管壓 力、進(jìn)氣歧管溫度、外界壓力和外界溫度。
[0013] 5.根據(jù)方案1所述的方法，其中，基于各個(gè)期望操作目標(biāo)命令和所述空氣充氣系 統(tǒng)的操作參數(shù)來(lái)確定用于所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的 每一個(gè)的反饋控制信號(hào)包括使用比例積分微分反饋控制。
[0014] 6.根據(jù)方案1所述的方法，其中，基于各個(gè)期望操作目標(biāo)命令和所述空氣充氣系 統(tǒng)的操作參數(shù)來(lái)確定用于所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的 每一個(gè)的反饋控制信號(hào)包括使用線性二次調(diào)節(jié)器反饋控制。
[0015] 7.根據(jù)方案1所述的方法，其中，基于各個(gè)期望操作目標(biāo)命令和所述空氣充氣系 統(tǒng)的操作參數(shù)來(lái)確定用于所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的 每一個(gè)的反饋控制信號(hào)包括使用模型預(yù)測(cè)反饋控制。
[0016] 8.根據(jù)方案1所述的方法，其中，基于用于所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系 統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的各個(gè)反饋控制命令來(lái)確定所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)中的排 氣再循環(huán)流量、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)中的空氣流量和所述空氣充氣系統(tǒng)中的渦輪功率進(jìn)一步 基于監(jiān)測(cè)到的所述空氣充氣系統(tǒng)的操作參數(shù)。
[0017] 9.根據(jù)方案1所述的方法，還包括基于用于所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流 系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的各個(gè)期望操作目標(biāo)命令來(lái)確定用于所述排氣再循環(huán) 系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的前饋控制命令。
[0018] 10.根據(jù)方案9所述的方法，其中基于用于所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系 統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的各個(gè)反饋控制命令來(lái)確定所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)中的排 氣再循環(huán)流量、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)中的空氣流量和所述空氣充氣系統(tǒng)中的渦輪功率進(jìn)一步 基于用于所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的各個(gè)前 饋控制命令。
[0019] 11.根據(jù)方案1所述的方法，其中，基于各個(gè)排氣再循環(huán)流量、空氣流量和渦輪功 率參數(shù)確定用于所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)、所述空氣節(jié)流系統(tǒng)和所述空氣充氣系統(tǒng)的每一個(gè)的 系統(tǒng)控制命令包括采用每個(gè)各個(gè)系統(tǒng)的逆向模型。
[0020] 12. -種用于控制內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的排氣再循環(huán)系統(tǒng)、空氣節(jié)流系統(tǒng)和空氣充氣系 統(tǒng)的方法，該方法包括： 提供內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的基于物理的空氣和充氣系統(tǒng)模型； 對(duì)所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的基于物理的空氣和充氣系統(tǒng)模型施加基于模型的非線性控制； 對(duì)所述基于物理的空氣和充氣系統(tǒng)模型施加反饋控制； 將用于所述空氣和充氣系統(tǒng)模型的期望空氣和充氣目標(biāo)轉(zhuǎn)換為用于EGR致動(dòng)器、ITV 致動(dòng)器和VGT致動(dòng)器的每一個(gè)的單個(gè)流量或功率信號(hào)；以及 基于各自的單個(gè)流量或功率信號(hào)來(lái)確定用于所述EGR致動(dòng)器、ITV致動(dòng)器和VGT致動(dòng) 器的每一個(gè)的致動(dòng)器位置。
[0021] 13.根據(jù)方案12所述的方法，其中，對(duì)所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的基于物理的空氣和充氣 系統(tǒng)模型施加基于模型的非線性控制包括對(duì)所述基于物理的空氣和充氣系統(tǒng)模型施加基 于物理模型的多變量前饋控制。
[0022] 14.根據(jù)方案12所述的方法，其中，對(duì)所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的基于物理的空氣和充氣 系統(tǒng)模型施加基于模型的非線性控制包括對(duì)所述基于物理的空氣和充氣系統(tǒng)模型施加狀 態(tài)反饋線性化控制。
[0023] 15.根據(jù)方案12所述的方法，其中，對(duì)所述基于物理的空氣和充氣系統(tǒng)模型施加 反饋控制包括使用比例積分微分反饋控制。
[0024] 16.根據(jù)方案12所述的方法，其中，對(duì)所述基于物理的空氣和充氣系統(tǒng)模型施加 反饋控制包括使用模型預(yù)測(cè)反饋控制。
[0025] 17.根據(jù)方案12所述的方法，其中，對(duì)所述基于物理的空氣和充氣系統(tǒng)模型施加 反饋控制包括使用線性二次調(diào)節(jié)器反饋控制。
[0026] 18.根據(jù)方案12所述的方法，所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的基于物理的空氣和充氣系統(tǒng)模型 包括根據(jù)以下關(guān)系式的系統(tǒng)模型： y ^ f(y) + g-u 其中u由以下關(guān)系式描述：
[0027] 19.根據(jù)方案18所述的方法，其中，所述系統(tǒng)模型由以下系統(tǒng)關(guān)系式表示：

其中Pra是表示為P。>/^的壓縮機(jī)增壓比，其中P ^ds是壓縮機(jī)下游壓力并且P a是外界 壓力， c是基于壓縮機(jī)增壓比和渦輪速度的平方之間的關(guān)系而確定的常數(shù)， P。是由壓縮機(jī)提供的功率，
是由外界溫度（Ta)和外界壓力（pa)校正后的空氣節(jié)流閥流量（W ltv)，
丨是將渦輪連接至壓縮機(jī)的渦輪軸的慣性效應(yīng)， Pt是渦輪功率， P1是進(jìn)氣歧管處的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力， R是通用氣體常數(shù)， Tini是進(jìn)氣歧管溫度， V1是進(jìn)氣歧管體積， Wltv是空氣節(jié)流閥流量， Weff是通過(guò)EGR系統(tǒng)的流量， '^^是發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的總充氣量， F1是進(jìn)氣歧管中的已燃廢氣比例， ^是排氣歧管中的已燃廢氣比例，以及 !!^是進(jìn)氣歧管中的質(zhì)量。
[0028] 20.根據(jù)方案18所述的方法，其中，所述系統(tǒng)模型由以下系統(tǒng)關(guān)系式表示：
其中I^ds是壓縮機(jī)下游壓力， c是基于壓縮機(jī)增壓比和渦輪速度的平方之間的關(guān)系而確定的常數(shù)， Lds是壓縮機(jī)下游溫度， Tcus是壓縮機(jī)上游溫度， W。是流出壓縮機(jī)的流量， Vint是進(jìn)氣歧管的體積， Rt是渦輪功率變換率， R。是壓縮機(jī)功率增長(zhǎng)比例， P1是進(jìn)氣歧管處的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力， R是通用氣體常數(shù)， Tini是進(jìn)氣歧管溫度， V1是進(jìn)氣歧管體積， Wltv是空氣節(jié)流閥流量， Weff是通過(guò)EGR系統(tǒng)的流量， '^^是發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的總充氣量， F1是進(jìn)氣歧管中的已燃廢氣比例， ^是排氣