控制排气再循环系统、空气节流系统和充气系统的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及内燃发动机的控制。
【背景技术】
[0002] 在该部分中的陈述只是提供关于本发明的背景信息。因此，这些陈述并非意在构 成对现有技术的承认。
[0003] 发动机控制包括基于期望发动机输出来控制发动机运转中的参数，包括发动机速 度和发动机载荷以及所产生的运转，例如包括发动机排放。由发动机控制方法所控制的参 数包括空气流量、燃料流量、以及进气阀和排气阀设定。
[0004] 可以将增压空气提供至发动机，以相对于自然吸气进气系统向发动机提供增大 的空气流量从而提高发动机的输出。涡轮增压器利用发动机的排气系统中的压力来驱动 压缩机，从而向发动机提供增压空气。示例性的涡轮增压器可以包括可变几何涡轮增压器 (VGT)，使得能够调节对于排气系统中的给定条件所提供的增压空气。机械式增压器利用来 自发动机的例如如由附件带提供的机械功率来驱动压缩机，从而向发动机提供增压空气。 发动机控制方法控制增压空气，以便于控制在发动机内所产生的燃烧以及所产生的发动机 输出。
[0005] 排气再循环（EGR)是可以由发动机控制所控制的另一参数。在发动机排气系统内 的排气流耗尽了氧气并且基本上是惰性气体。当与燃料和空气的燃烧充量结合被引入或者 保留在燃烧腔室内时，排气减缓了燃烧，从而减少了输出并且降低了绝热火焰温度。也可以 在先进燃烧策略中与其他参数组合来控制EGR，例如包括均质充量压燃式（HCCI)燃烧。也 可以控制EGR以改变所产生的排气流的属性。发动机控制方法控制EGR以便于控制在发动 机内所产生的燃烧以及所产生的发动机输出。
[0006] 用于发动机的空气调节系统管理进入空气和EGR至发动机中的流量。必须装备空 气调节系统以满足充入空气成分目标(例如EGR比例目标）从而实现排放目标，并且满足总 空气可用目标(例如充气流质量流量)从而实现期望的功率和扭矩目标。最强地影响EGR流 量的致动器通常影响充气流量，并且最强地影响充气流量的致动器通常影响EGR流量。因 此，具有现代空气调节系统的发动机展示了具有联接的输入-输出响应回路的多输入多输 出（Mnro)系统。
[0007] 联接了输入即输入-输出响应回路相互影响的Mnro系统呈现了本领域中的公知 挑战。发动机空气调节系统呈现了进一步的挑战。发动机在大范围的参数上运转，包括可 变的发动机速度、可变的扭矩输出、以及可变的加油和正时安排。在许多情况下，对于系统 的精确转移功能是不可用的和/或对于标准解耦计算所需的计算能力是不可用的。
【发明内容】
[0008] -种发动机包括排气再循环系统、空气节流系统以及充气系统。一种用于控制发 动机的方法包括：对于排气再循环系统、空气节流系统和空气充气系统的每一个监测期望 操作目标命令；监测空气充气系统的操作参数；以及基于各个期望操作目标命令和空气充 气系统的操作参数而对于排气再循环系统、空气节流系统和空气充气系统的每一个确定反 馈控制信号。基于用于排气再循环系统、空气节流系统和空气充气系统的每一个的各个反 馈控制信号来确定排气再循环系统中的排气再循环流量、空气节流系统中的空气流量以及 空气充气系统中的涡轮功率参数。基于各个排气再循环流量、空气流量和涡轮功率参数而 对于排气再循环系统、空气节流系统和空气充气系统的每一个确定系统控制命令。基于用 于排气再循环系统、空气节流系统和空气充气系统的每一个的系统控制命令来控制空气充 气系统。
[0009] 1. -种用于控制内燃发动机中的排气再循环系统、空气节流系统和空气充气系统 的方法，该方法包括： 监测用于所述排气再循环系统、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的期 望操作目标命令； 监测所述空气充气系统的操作参数； 基于各个期望操作目标命令和空气充气系统的操作参数，来确定用于所述排气再循环 系统、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的反馈控制信号； 基于用于所述排气再循环系统、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的各 个反馈控制信号，来确定所述排气再循环系统中的排气再循环流量、所述空气节流系统中 的空气流量以及所述空气充气系统中的涡轮功率参数； 基于各个排气再循环流量、空气流量和涡轮功率参数，来确定用于所述排气再循环系 统、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的系统控制命令；以及 基于用于所述排气再循环系统、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的系 统控制命令，来控制所述空气充气系统。
[0010] 2.根据方案1所述的方法，其中，所述期望操作目标命令包括期望进气歧管压力 命令、期望压缩机增压比命令以及期望已燃废气比例命令。
[0011] 3.根据方案1所述的方法，其中，所述期望操作目标命令包括期望进气歧管压力 命令、期望压缩机增压比命令以及期望氧气比例命令。
[0012] 4.根据方案1所述的方法，其中，所述空气充气系统的操作参数包括进气歧管压 力、进气歧管温度、外界压力和外界温度。
[0013] 5.根据方案1所述的方法，其中，基于各个期望操作目标命令和所述空气充气系 统的操作参数来确定用于所述排气再循环系统、所述空气节流系统和所述空气充气系统的 每一个的反馈控制信号包括使用比例积分微分反馈控制。
[0014] 6.根据方案1所述的方法，其中，基于各个期望操作目标命令和所述空气充气系 统的操作参数来确定用于所述排气再循环系统、所述空气节流系统和所述空气充气系统的 每一个的反馈控制信号包括使用线性二次调节器反馈控制。
[0015] 7.根据方案1所述的方法，其中，基于各个期望操作目标命令和所述空气充气系 统的操作参数来确定用于所述排气再循环系统、所述空气节流系统和所述空气充气系统的 每一个的反馈控制信号包括使用模型预测反馈控制。
[0016] 8.根据方案1所述的方法，其中，基于用于所述排气再循环系统、所述空气节流系 统和所述空气充气系统的每一个的各个反馈控制命令来确定所述排气再循环系统中的排 气再循环流量、所述空气节流系统中的空气流量和所述空气充气系统中的涡轮功率进一步 基于监测到的所述空气充气系统的操作参数。
[0017] 9.根据方案1所述的方法，还包括基于用于所述排气再循环系统、所述空气节流 系统和所述空气充气系统的每一个的各个期望操作目标命令来确定用于所述排气再循环 系统、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的前馈控制命令。
[0018] 10.根据方案9所述的方法，其中基于用于所述排气再循环系统、所述空气节流系 统和所述空气充气系统的每一个的各个反馈控制命令来确定所述排气再循环系统中的排 气再循环流量、所述空气节流系统中的空气流量和所述空气充气系统中的涡轮功率进一步 基于用于所述排气再循环系统、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的各个前 馈控制命令。
[0019] 11.根据方案1所述的方法，其中，基于各个排气再循环流量、空气流量和涡轮功 率参数确定用于所述排气再循环系统、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的 系统控制命令包括采用每个各个系统的逆向模型。
[0020] 12. -种用于控制内燃发动机中的排气再循环系统、空气节流系统和空气充气系 统的方法，该方法包括： 提供内燃发动机的基于物理的空气和充气系统模型； 对所述内燃发动机的基于物理的空气和充气系统模型施加基于模型的非线性控制； 对所述基于物理的空气和充气系统模型施加反馈控制； 将用于所述空气和充气系统模型的期望空气和充气目标转换为用于EGR致动器、ITV 致动器和VGT致动器的每一个的单个流量或功率信号；以及 基于各自的单个流量或功率信号来确定用于所述EGR致动器、ITV致动器和VGT致动 器的每一个的致动器位置。
[0021] 13.根据方案12所述的方法，其中，对所述内燃发动机的基于物理的空气和充气 系统模型施加基于模型的非线性控制包括对所述基于物理的空气和充气系统模型施加基 于物理模型的多变量前馈控制。
[0022] 14.根据方案12所述的方法，其中，对所述内燃发动机的基于物理的空气和充气 系统模型施加基于模型的非线性控制包括对所述基于物理的空气和充气系统模型施加状 态反馈线性化控制。
[0023] 15.根据方案12所述的方法，其中，对所述基于物理的空气和充气系统模型施加 反馈控制包括使用比例积分微分反馈控制。
[0024] 16.根据方案12所述的方法，其中，对所述基于物理的空气和充气系统模型施加 反馈控制包括使用模型预测反馈控制。
[0025] 17.根据方案12所述的方法，其中，对所述基于物理的空气和充气系统模型施加 反馈控制包括使用线性二次调节器反馈控制。
[0026] 18.根据方案12所述的方法，所述内燃发动机的基于物理的空气和充气系统模型 包括根据以下关系式的系统模型： y ^ f(y) + g-u 其中u由以下关系式描述：
[0027] 19.根据方案18所述的方法，其中，所述系统模型由以下系统关系式表示：
其中Pra是表示为P。>/^的压缩机增压比，其中P ^ds是压缩机下游压力并且P a是外界 压力， c是基于压缩机增压比和涡轮速度的平方之间的关系而确定的常数， P。是由压缩机提供的功率，
是由外界温度（Ta)和外界压力（pa)校正后的空气节流阀流量（W ltv)，
丨是将涡轮连接至压缩机的涡轮轴的惯性效应， Pt是涡轮功率， P1是进气歧管处的发动机进气压力， R是通用气体常数， Tini是进气歧管温度， V1是进气歧管体积， Wltv是空气节流阀流量， Weff是通过EGR系统的流量， '^^是发动机气缸中的总充气量， F1是进气歧管中的已燃废气比例， ^是排气歧管中的已燃废气比例，以及 !!^是进气歧管中的质量。
[0028] 20.根据方案18所述的方法，其中，所述系统模型由以下系统关系式表示：
其中I^ds是压缩机下游压力， c是基于压缩机增压比和涡轮速度的平方之间的关系而确定的常数， Lds是压缩机下游温度， Tcus是压缩机上游温度， W。是流出压缩机的流量， Vint是进气歧管的体积， Rt是涡轮功率变换率， R。是压缩机功率增长比例， P1是进气歧管处的发动机进气压力， R是通用气体常数， Tini是进气歧管温度， V1是进气歧管体积， Wltv是空气节流阀流量， Weff是通过EGR系统的流量， '^^是发动机气缸中的总充气量， F1是进气歧管中的已燃废气比例， ^是排气