专利名称：用于控制柴油发动机的空气系统的设备和柴油发动机的制作方法
技术领域：
本实用新型的实施方式总体上涉及柴油发动机，更具体地，涉及用于控制柴油发动机的空气系统的设备和柴油发动机。
背景技术：
随着发动机理论和技术的不断发展，废气再循环(EGR)系统已经成为柴油发动机中的重要组成部分。在柴油发动机排出的废气中，通常含有大量的氮氧化合物(NOx)，它是造成大气污染的一个主要来源。利用EGR系统，柴油发动机产生的一部分废气被送回气缸。 由于再循环废气具有惰性，因此它将会延缓燃烧过程，使燃烧速度有所减慢，进而导致燃烧室中的压力形成过程减慢，从而有效地减少氮氧化合物。另外，提高废气再循环率会使总的空气流量降低，因此废气排放中总的污染物输出量将得以减少。在配备有EGR系统的柴油发动机中，瞬态过程中的废气再循环率(EGR率)与进入发动机的新鲜空气的匹配关系，是柴油发动机空气系统的瞬态过程排放的关键。为此，很多柴油发动机采用涡轮增压系统来加快瞬时过程中空气系统的响应。此外，涡轮增压系统还可以提高柴油发动机的动力性能、改善燃烧，它是现代柴油发动机中的重要组成部分之一。 例如，可变几何涡轮增压器(VGT)是一种常见的涡轮增压系统。涡轮增压系统本质上是一种空气压缩系统，通过压缩空气来增加柴油发动机气缸的进气量。它由发动机排出的废气的冲力来驱动，通过增压器转轴等装置将压力传递至空气压缩机，从而使新进入的空气在进入气缸前被有效地增压。在同时配备有EGR和涡轮增压系统的柴油发动机中，这二者之间的耦合特性给空气系统的控制提出了挑战。在配备有废气再循环系统EGR和涡轮增压系统的柴油发动机中，对于EGR系统而言，精确控制EGR率和进气温度是改善NOx排放、以及降低其对颗粒物及动力和经济性影响的关键。在这种发动机中，EGR冷却器的输入废气的流量由EGR阀控制，EGR阀的入口端与涡轮增压器的涡轮入口端二者都接收从排气管道排出的发动机废气。 可以理解，除EGR阀自身的开度变化外，增压系统所导致的增压压力和排气背压的变化也会对EGR流量率产生影响。另一方面，EGR阀的开度变化也会对输入增压器的入口流量产生影响。也就是说，废气再循环系统和增压系统是两个相互依赖、相互影响的系统，即，具有耦合特性。特别地，在柴油发动机的空气系统控制中，瞬态过程中的EGR率与新鲜空气之间的匹配，是瞬态排放过程的关键。废气再循环系统和增压系统所具有的耦合特性始终是柴油发动机空气系统控制的难点，同时控制两者的多变量控制策略也一直是柴油发动机空气系统控制策略的研究热点。在现有技术中，几种已知的控制策略简单概括如下(1)废气再循环系统和增压系统的独立控制策略，即以增压压力为控制目标，通过 PID (比例-积分-微分)控制加瞬态前馈控制策略驱动VGT阀使实际增压压力达到目标值；以空气流量为控制目标，通过PID控制加瞬态前馈的控制策略驱动EGR阀使实际空气流量达到目标值。[0007](2)以进气空气流量和增压压力为控制目标，根据对空气系统平均值模型进行局部线性化，根据线性模型设计最优或鲁棒控制器，再进一步扩展到整个工况范围从而得到非线性控制策略的方法如H无穷控制，根据Lyapimov稳定性理论的控制器设计方法，最小二次型最优状态反馈的控制律，滑模控制器等。(3)以进气空气流量和增压压力为控制目标，根据非解析模型的控制器设计方法 如模糊逻辑控制方法，根据神经网络的控制方法等。(4)以进气空气流量和增压压力为控制目标，采用模型预测控制方法，即在控制器中集成被控对象的数学模型，通过模型对未来多步系统输出进行预测，根据预测值与目标值的偏差构造目标函数，通过迭代求解当前控制量的最优值使目标函数最小化。(5)以空然比和进气管内废气质量分数为控制目标，采用空气系统降秩解耦控制策略，即空气系统的传递函数矩阵在某些情况下是降秩的，因此，两个控制目标具有一定的关系，可以将原有的二维控制策略转化为较简单的一维控制策略。上述根据空气流量和增压压力的独立PID控制策略(1)的主要优点是结构简单并能实现良好的稳态控制效果，且用于参数的标定的试验工作量小。独立闭环PID控制的缺点是由于系统本身的耦合特性使得其动态过程的控制效果不理想，在加速的过程中容易出现冒烟现象。独立工作的闭环控制的另一个缺点是EGR工作范围有限，原因在于EGR阀只能在涡前压力高于增压压力时，因此只能用于中低负荷和中低转速工况。Nissan，Toyota, Cummins等公司在实际使用中并未采用空气流量和增压压力作为目标值，而采用了以EGR 率代替增压压力作为目标值的控制策略。这几种方法一个共性的问题是EGR的流量估计。由于EGR流量传感器无论从精度还是可靠性上都远不能满足实际使用需要，使得EGR流量主要通过估计得到。而影响EGR 流量的排气管温度和压力，EGR管道节流系数，冷却效率等都需要大量的试验才能得到满意的估计效果，因此使得根据此方法的控制系统试验非常巨大。以上控制策略虽然都能在稳态控制中取得较好的效果，但是由于废气再循环系统和增压系统同时作用于进气管，存在耦合特性，而控制策略中并没有针对这种耦合特性设计瞬态控制策略，所以，瞬态控制效果往往并不理想。以进气空气流量和增压压力为控制目标的控制策略(2)-(4)存在空气系统控制策略的精确性要求和简洁性要求构成一个明显的矛盾。该矛盾直接来源于废气再循环系统和增压系统的强耦合和非线性关联。根据空气流量和增压压力的独立闭环控制策略以及它的变形都无法满足稳态和瞬态性能的要求。各种理论研究成果由于控制策略的复杂性，对控制硬件的要求，以及参数标定的困难等多方面的因素，也不适应实际控制系统的要求。而对于以采用空然比和进气管内废气质量分数作为控制目标的控制策略(5)，在实际使用过程中，缺乏直接测量空燃比与进气管内废气质量分数的成熟商用传感器，所以不能实现直接以该参数为控制目标的反馈控制。而空气流量与增压压力都非常容易由现有传感器测量，因此可以建立根据空气流量与增压压力的反馈控制策略，空然比与进气管内废气质量分数作为中间变量通过观测器得到。而状态观测器将引入时延和误差，对瞬态工况控制是不利的。综上所述，现有技术中针对柴油发动机空气系统的控制策略无法很好地同时满足柴油发动机实际运行稳态和瞬态工况性能，以及排放和柴油发动机控制单元(ECU)标定的要求。因此，在本领域中，需要一种能够满足柴油发动机的实际运行工况、相对简单且易于实现和标定的空气系统控制策略。
实用新型内容为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型的实施方式提供用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法。根据本实用新型的一方面，提供一种用于控制柴油发动机的空气系统的设备，所述空气系统包括废气再循环EGR系统和涡轮增压系统，其中所述EGR系统包括EGR阀，并且所述涡轮增压系统包括空气压缩机和增压阀，所述设备包括工况获取装置，配置用于获取所述柴油发动机的气缸排气压力的测量值以及流经所述空气压缩机的空气流量的测量值； 目标流量确定装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据所述工况获取装置获取的测量值，以及根据所述柴油发动机的气缸排气压力的目标值和流经所述空气压缩机的空气流量的目标值，使用表征所述空气系统的非线性物理模型来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量；以及信号产生装置，其耦合至所述目标流量确定装置，配置用于根据所述目标流量确定装置确定的所述流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量，产生用于所述EGR系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。在本实用新型的一个实施例中，所述目标流量确定装置进一步包括基于滑动控制的确定装置，配置用于基于滑动控制策略来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量。在本实用新型的一个实施例中，所述信号产生装置进一步包括EGR阀目标开度确定装置，配置用于根据所述流经所述EGR阀的目标废气流量确定所述EGR阀的目标开度； 以及增压阀目标开度确定装置，配置用于根据所述流经所述增压阀的目标废气流量确定所述增压阀的目标开度。在本实用新型的一个实施例中，所述第一驱动信号用于控制所述EGR阀的开度， 并且其中所述第二驱动信号用于控制所述增压阀的开度。在本实用新型的一个实施例中，所述设备利用片上系统SoC或集成电路IC来实现。在本实用新型的一个实施例中，所述非线性物理模型与所述柴油发动机的以下方面相关进气压力，排气压力，空气流量，进入气缸的气体流量，气缸排气阀出口流量，进气阀流量系数，转速，气缸位移，进气热常数，进气温度，进气管等效容积，排气热常数，排气温度，排气管等效容积，所述EGR系统的增压器机械效率，增压器涡轮效率，增压器涡轮热容量，大气环境温度，大气环境压力，进气空气热容量比，排气热容量比，压缩机效率，增压器转轴转动惯量，增压器转速，增压器涡轮排气能量，增压器压缩空气能量，压缩空气热容量， 以及燃油喷射流量。在本实用新型的一个实施例中，所述非线性物理模型进一步与所述柴油发动机的所述空气系统的动态干扰源相关。根据本实用新型的另一方面，提供一种柴油发动机，包括气缸；进气管道，耦合至所述气缸的入口端，配置用于向所述气缸输送气体；排气管道，耦合至所述气缸的出口端，配置用于排出所述气缸燃烧的废气；燃油喷射系统，耦合至所述气缸，配置用于向所述气缸喷射燃油；空气系统；以及控制单元，包括上述设备，以用于控制所述空气系统。所述空气系统包括废气再循环EGR系统，耦合至所述排气管道和所述进气管道，并且包括EGR 阀，所述EGR系统配置用于将来自所述排气管道的部分废气通过所述进气管道输送回所述气缸；涡轮增压系统，耦合至所述排气管道，并且包括空气压缩机和增压阀，所述涡轮增压系统配置用于利用来自所述排气管道的废气来增大通过所述气缸的进气压力。根据本实用新型的另一方面，提供一种用于控制柴油发动机的空气系统的方法， 所述空气系统包括废气再循环EGR系统和涡轮增压系统，其中所述EGR系统包括EGR阀， 并且所述涡轮增压系统包括空气压缩机和增压阀。所述方法包括获取所述柴油发动机的气缸排气压力的测量值以及流经所述空气压缩机的空气流量的测量值；根据所获取的测量值，以及根据所述柴油发动机的气缸排气压力的目标值和流经所述空气压缩机的空气流量的目标值，使用表征所述空气系统的非线性物理模型来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量；以及根据所述流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量，产生用于所述EGR系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。在本实用新型的一个实施例中，所述确定进一步包括基于滑动控制策略来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量。在本实用新型的一个实施例中，该方法进一步包括根据所述流经所述EGR阀的目标废气流量确定所述EGR阀的目标开度；以及根据所述流经所述增压阀的目标废气流量确定所述增压阀的目标开度。在本实用新型的一个实施例中，所述第一驱动信号用于控制所述EGR阀的开度， 并且其中所述第二驱动信号用于控制所述增压阀的开度。在本实用新型的一个实施例中，所述非线性物理模型与所述柴油发动机的以下方面相关进气压力，排气压力，空气流量，进入气缸的气体流量，气缸排气阀出口流量，进气阀流量系数，转速，气缸位移，进气热常数，进气温度，进气管等效容积，排气热常数，排气温度，排气管等效容积，所述EGR系统的增压器机械效率，增压器涡轮效率，增压器涡轮热容量，大气环境温度，大气环境压力，进气空气热容量比，排气热容量比，压缩机效率，增压器转轴转动惯量，增压器转速，增压器涡轮排气能量，增压器压缩空气能量，压缩空气热容量， 以及燃油喷射流量。在本实用新型的一个实施例中，所述非线性物理模型还与所述柴油发动机的所述空气系统的动态干扰源相关。根据本实用新型的实施方式，提出了一种用于控制空气系统(具体地，EGR系统和涡轮增压系统)的新颖有效的设备和方法。具体地，利用配备有EGR系统和涡轮增压系统的柴油发动机的准稳态特性关系曲线，可以建立表征空气系统的物理模型，其可被用于有效地在各种工况条件下(包括瞬态和稳态)控制EGR系统和涡轮增压系统，从而使经过空气压缩机的空气流量和气缸排气管压力尽可能接近于期望的目标值。以此方式，能够在抵抗外界干扰源和未建模的动态特性的同时，兼顾EGR系统与涡轮增压系统之间的耦合性。而且，根据本实用新型实施方式的设备结构简单，易于实现。 因此，本实用新型的实施方式可以显著地改善柴油发动机空气系统的控制。
通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型实施方式的上述以及其他目的、 特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，其中图1示出了包括废气再循环系统和涡轮增压系统二者的柴油发动机的示意性结构图；图2示出了根据本实用新型实施方式的用于控制柴油发动机的空气系统的控制设备200的示意性结构图；图3示出了适合于用来实践图2中的控制设备200的片上系统(SoC) 300的示意性结构图；以及图4示出了根据本实用新型实施方式的用于柴油发动机的空气系统的控制方法 400的流程图。在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本实用新型的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本实用新型，而并非以任何方式限制本实用新型的范围。根据本实用新型的实施方式，提出了一种用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法。应当注意，在本文中，所使用的术语“空气系统”至少包括废气再循环EGR系统和涡轮增压系统。还应注意，在本文中提及的例如可变几何涡轮增压系统(VGT)等具体涡轮增压系统，仅仅是出于说明和示范目的。本实用新型的实施方式同样适用于利用发动机废气进行工作的现在已知或将来开发的任何涡轮增压系统。本实用新型的范围在此方面不受限制。另外，在本文中，所使用的术语“参数”表示任何能够指示发动机的(目标或实际) 物理状态或运行状况的物理量的值。而且，在本文中，“参数”与其所表示的物理量可以互换使用。例如，“指示转速的参数”与“转速”在本文中具有等同的含义。而且，在本文中，设A 表示某个特定的物理量，则人表示A对时间的求导，即A随时间的变化率。此外，在本文中，所使用的术语“获取”包括目前已知或将来开发的各种手段，例如测量、读取、估计、估算，等等。下面参考本实用新型的若干代表性实施方式，详细阐释本实用新型的原理和精神。首先参考图1，如上文所述，其示出了配备有废气再循环和涡轮增压系统的柴油发动机 100的示意性结构图。应当理解，图1中仅仅是示出了柴油发动机100中与本实用新型的实施方式有关的部分。柴油发动机100还可以包括任意数目的其他部件。如图1所示，柴油发动机100包括气缸108 ；进气管道106，耦合至气缸108的入口端，配置用于向气缸108输送气体；排气管道112，耦合至气缸108的出口端，配置用于排出气缸108燃烧的废气；燃油喷射系统110，耦合至气缸108，配置用于向其喷射燃油；空气系统；以及控制单元(E⑶)114，用于实现对柴油发动机100的控制。如上所述，空气系统包括废气再循环系统(例如包括EGR阀116、EGR冷却器118以及其他必要部件)，其耦合至排气管道112和进气管道106，配置用于将来自排气管道112的部分废气通过进气管道 106输送回气缸108 ；以及涡轮增压系统(例如包括增压器120、增压器转轴124、空气压缩机102、空气中冷器104以及其他必要部件)，其耦合至排气管道112，用于利用来自排气管道112的废气，增大通过气缸108的进气压力。从图1中可见，废气再循环系统和涡轮增压系统都接收来自排气管道112的废气， 其进气流量分别由EGR阀116和增压阀122来控制。在操作中，柴油发动机电子控制单元 (ECU) 114根据发动机的工况产生相应的EGR阀驱动信号和增压阀驱动信号，分别用于控制 EGR阀116和增压阀122的开度。如上所述，废气再循环系统和涡轮增压系统的性能彼此影响，因此需要对废气再循环阀116和增压阀122的开度进行有效的控制。根据本实用新型的思想，关键的问题是如何准确、灵活、有效地表征柴油发动机的空气系统，特别是如何表征气缸排气压力、流经空气压缩机的空气流量、流经EGR阀的废气流量以及流经增压阀的废气流量这四个关键特性之间的相互影响和作用。如果能够有效地对上述四个特性进行表征和建模，便能够实现现有技术中所无法实现的对空气系统的有效控制。为此，如下文详述的，本实用新型的实施方式建立了表征空气系统的上述四个关键系统特性的非线性物理模型，并使用它来控制柴油发动机的空气系统。参考图2，其示出了根据本实用新型实施方式的用于控制柴油发动机的空气系统的控制设备200的示意性结构图。可以理解，控制设备200可以作为图1中示出的柴油发动机ECU 114或其部分而付诸实践。备选地，控制设备200也可以实现为专门针对柴油发动机的空气系统的控制设备。如图2所示，控制设备200包括工况获取装置202，其可配置用于获取指示柴油发动机(例如，图1所示的柴油发动机100)的实际工况的测量值(参数)。特别地，在本实用新型的某些实施方式中，工况获取装置202可以配置用于获取柴油发动机的气缸排气压力的测量值(记为Ρεω)，以及流经涡轮增压系统所包含的空气压缩机的空气流量的测量值 (记为Wc)。应当理解，工况获取装置202可以通过实际测量来获取指示发动机工况的测量值。备选地或附加地，工况获取装置202也可以根据实际条件通过估计或估算来获取指示发动机工况的测量值。本实用新型的范围在此方面不受限制。 如图2所述，根据本实用新型的实施方式，控制设备200还包括目标流量确定装置 204，其耦合至所述工况获取装置202，配置用于根据所述工况获取装置202获取的Pem和以及根据柴油发动机的气缸排气压力的目标值(Pra^d)和流经空气压缩机的空气流量的目标值(W。, d)，使用表征空气系统的非线性物理模型，确定流经EGR阀的目标废气流量(U 和流经增压阀的目标废气流量(Wt)。可以看到，根据本实用新型的实施方式，目标流量确定装置204使用表征空气系统的(多输入/多输出的)非线性物理模型，以工况获取装置202获取的1^和Wc为输入， 确定为了满足Prai, d和W。, d所应具有的，空气系统中的两个关键废气流量。实际上，在本领域中，尚无现有技术尝试通过这种面向控制的非线性物理模型来表征和控制柴油发动机的空气系统。下面将详细介绍根据本实用新型实施方式的面向空气系统控制的非线性物理模型。根据本实用新型的实施方式，该非线性物理模型可以与柴油发动机的一个或多个方面相关。这里所称的“方面”既包括发动机的固有属性，也包括发动机运转过程中的实时工况，例如包括但不限于进气压力，排气压力，空气流量，进入气缸的气体流量，气缸排气阀出口流量，进气阀流量系数，转速，气缸位移，进气热常数，进气温度，进气管等效容积，排气热常数，排气温度，排气管等效容积，EGR系统的增压器机械效率，增压器涡轮效率，增压器涡轮热容量，大气环境温度，大气环境压力，进气空气热容量比，排气热容量比，压缩机效率，增压器转轴转动惯量，增压器转速，增压器涡轮排气能量，增压器压缩空气能量，压缩空气热容量，以及燃油喷射流量。不仅如此，如下文所述，在优选实施方式中，该物理模型还可以将未建模的动态干扰因素纳入考虑。根据本实用新型的实施方式，可以利用各种手段基于发动机的上述方面来建立面向空气系统控制的非线性物理模型。下面描述本实用新型的一种优选实施方式。首先，如本领域已知的，对于给定的柴油发动机而言，进气系统的质量平衡方程可表示为
权利要求1.一种用于控制柴油发动机的空气系统的设备，所述空气系统包括废气再循环EGR系统和涡轮增压系统，其中所述EGR系统包括EGR阀，并且所述涡轮增压系统包括空气压缩机和增压阀，所述设备包括工况获取装置，配置用于获取所述柴油发动机的气缸排气压力的测量值以及流经所述空气压缩机的空气流量的测量值；目标流量确定装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据所述工况获取装置获取的测量值，以及根据所述柴油发动机的气缸排气压力的目标值和流经所述空气压缩机的空气流量的目标值，使用表征所述空气系统的非线性物理模型来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量；以及信号产生装置，其耦合至所述目标流量确定装置，配置用于根据所述目标流量确定装置确定的所述流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量，产生用于所述EGR系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述目标流量确定装置进一步包括基于滑动控制的确定装置，配置用于基于滑动控制策略来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述信号产生装置进一步包括EGR阀目标开度确定装置，配置用于根据所述流经所述EGR阀的目标废气流量确定所述EGR阀的目标开度；以及增压阀目标开度确定装置，配置用于根据所述流经所述增压阀的目标废气流量确定所述增压阀的目标开度。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述第一驱动信号用于控制所述EGR阀的开度，并且其中所述第二驱动信号用于控制所述增压阀的开度。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述设备利用片上系统SoC或集成电路IC来实现。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述非线性物理模型与所述柴油发动机的以下方面相关进气压力，排气压力，空气流量，进入气缸的气体流量，气缸排气阀出口流量，进气阀流量系数，转速，气缸位移，进气热常数，进气温度，进气管等效容积，排气热常数，排气温度， 排气管等效容积，所述EGR系统的增压器机械效率，增压器涡轮效率，增压器涡轮热容量， 大气环境温度，大气环境压力，进气空气热容量比，排气热容量比，压缩机效率，增压器转轴转动惯量，增压器转速，增压器涡轮排气能量，增压器压缩空气能量，压缩空气热容量，以及燃油喷射流量。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述非线性物理模型进一步与所述柴油发动机的所述空气系统的动态干扰源相关。
8.一种柴油发动机，包括 气缸；进气管道，耦合至所述气缸的入口端，配置用于向所述气缸输送气体； 排气管道，耦合至所述气缸的出口端，配置用于排出所述气缸燃烧的废气； 燃油喷射系统，耦合至所述气缸，配置用于向所述气缸喷射燃油； 空气系统，包括废气再循环EGR系统，耦合至所述排气管道和所述进气管道，并且包括EGR阀，所述EGR 系统配置用于将来自所述排气管道的部分废气通过所述进气管道输送回所述气缸；涡轮增压系统，耦合至所述排气管道，并且包括空气压缩机和增压阀，所述涡轮增压系统配置用于利用来自所述排气管道的废气来增大通过所述气缸的进气压力；以及控制单元，包括如权利要求1所述的设备，以用于控制所述空气系统。
专利摘要本实用新型的实施方式涉及用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法。具体地，根据本实用新型的实施方式，建立了表征柴油发动机的空气系统的物理模型。通过利用此类物理模型来控制涡轮增压系统和废气再循环系统，可以使柴油发动机的空气系统的实际工况尽可能地接近期望的目标工况。本实用新型的实施方式公开了相应的设备、柴油发动机、方法。
文档编号F02D21/08GK202055922SQ20112003200
公开日2011年11月30日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者佟德辉, 孙少军, 张晓琳, 胡广地 申请人:潍柴动力股份有限公司