压缩机压力比的控制的制作方法

本公开涉及内燃机，更具体地涉及涡轮增压内燃机的压缩机功率比的控制。

发动机控制包括基于期望的发动机输出控制发动机运行中的参数，包括发动机速度和发动机负荷、以及所产生的运行，例如包括发动机排放。由发动机控制方法控制的参数包括气流、燃料流以及进气阀和排气阀设置。

增压空气可被提供给发动机，以相对于自然吸气进气系统向发动机提供增加的燃烧气流，从而增加发动机的输出。涡轮增压器利用发动机的排气系统中的能量来驱动向发动机提供增压空气的压缩机。示例性的涡轮增压器可以包括可变几何形状的涡轮增压器(vgt)，使得能够调节为排气系统中的给定条件提供的增压空气。增压器利用例如由附件皮带提供的来自发动机的机械动力来驱动向发动机提供增压空气的压缩机。发动机控制方法控制增压空气以便控制发动机内产生的燃烧和发动机产生的输出。

废气再循环(egr)是可以由发动机控制来控制的另一个参数。发动机的排气系统内的废气流已耗尽氧并且基本上是惰性气体。当废气被引入或保持在燃烧室内与结合燃料和空气的燃烧充气结合时，废气缓和燃烧、降低输出和绝热火焰温度。egr还可以在先进的燃烧策略中与其他参数相结合地受控，例如包括均匀充气压缩点火(hcci)燃烧。egr也可以受控改变所产生的废气流的特性。发动机控制方法控制egr以便控制发动机内所产生的燃烧和发动机所产生的输出。

用于发动机的空气处理系统管理进入发动机的进气和egr的流动。必须装备空气处理系统以满足增压空气组成目标(例如egr组分目标)以实现排放目标，以及满足总的可用空气目标(例如增压流量质量流量)以实现期望的功率和扭矩目标。最强烈地影响egr流的致动器通常影响增压流，并且最强烈地影响增压流的致动器通常影响egr流。因此，具有现代空气处理系统的发动机呈现具有耦合的输入-输出响应回路的多输入多输出(mimo)系统。

mimo系统中，输入被耦合，即输入-输出响应回路彼此影响，其在本领域中是众所周知的挑战。发动机空气处理系统呈现了进一步的挑战。发动机以宽范围的参数运行，这些参数包括可变发动机速度、可变扭矩输出、以及可变加燃料和正时时间表。在许多情况下，系统的精确传递函数不可用和/或标准去耦计算所需的计算力不可用。

技术实现要素：

在此描述的本发明的实施例包括用于车辆的控制系统。该控制系统包括控制模块，该控制模块基于压缩机的估计模型动态地计算将由压缩机产生的第一功率值(pc)。该控制系统还包括功率项估计器模块，该功率项估计器模块基于所测量的压缩机的压缩机压力比(βc^meas)来动态地计算第二功率值(pu)。控制模块还通过将第一功率值和第二功率值相加来计算将由发动机产生的功率量(pt^des)。控制模块还调节致动器的位置，产生待产生的功率量。

在一个或多个示例中，控制模块还通过将第三功率值(pid)添加到第一功率值(pc)和第二功率值(pu)来计算将由发动机产生的功率量。

功率项估计器模块计算第二功率值(pu)，并行计算第一功率值(pc)。通过功率项估计器模块计算第二功率值(pu)包括计算估计的压缩机压力比(βc^est)。功率项估计器通过计算使用闭合回路运行来计算估计的压缩机压力比(βc^est)，其中c是预定值，pt是由发动机产生的功率量，pc是由压缩机产生的估计功率量，pu是在先前迭代中产生的第二功率值，ηm是压缩机的机械效率。

在一个或多个示例中，由功率项估计器模块计算第二功率值(pu)包括计算其中k1和k2是预定值。功率项估计器响应于控制模块在闭合回路模式下运行而计算第二功率值(pu)。

本发明的实施例还包括一种通过发动机产生功率的方法。该方法包括由控制模块基于压缩机的估计模型计算将由压缩机产生的第一功率值(pc)。该方法进一步包括由功率项估计器模块基于估计的功率压缩机压力比(βc^est)来计算第二功率值(pu)，其中估计的功率压缩机压力比(βc^est)基于测量的压缩机的压缩机压力比(βc^meas)。该方法还包括由控制模块通过将第一功率值和第二功率值相加来计算将由发动机产生的功率量(pt^des)。该方法还包括通过控制模块调节活塞的位置以产生待产生的功率量。

在一个或多个示例中，该方法进一步包括由控制模块通过将第三功率值(pid)添加到第一功率值(pc)和第二功率值(pu)来计算将由发动机产生的功率量。

功率项估计器模块计算第二功率值(pu)，并行计算第一功率值(pc)。通过功率项估计器模块计算第二功率值(pu)包括计算估计的压缩机压力比(βc^est)。功率项估计器通过计算使用闭合回路运行来计算估计的压缩机压力比(βc^est)，其中c是预定值，pt是由发动机产生的功率量，pc是由压缩机产生的估计功率量，pu是在先前迭代中产生的第二功率值，ηm是压缩机的机械效率。

在一个或多个示例中，由功率项估计器模块计算第二功率值(pu)包括计算其中k1和k2是预定值。功率项估计器响应于控制模块在闭合回路模式下运行而计算第二功率值(pu)。

本发明的实施例还包括一种发动机系统，该发动机系统包括发动机、包括压缩机的涡轮增压器、控制模块和功率项估计器模块。控制模块基于压缩机的估计模型动态地计算将由压缩机产生的第一功率值(pc)。功率项估计器模块基于所测量的压缩机的压缩机压力比(βc^meas)来动态地计算第二功率值(pu)。控制模块通过将第一功率值和第二功率值相加来计算将由发动机系统(pt^des)产生的功率量。控制模块调节活塞的位置以产生待产生的功率量。

在一个或多个示例中，控制模块还通过将第三功率值(pid)添加到第一功率值(pc)和第二功率值(pu)来计算将由发动机产生的功率量。

功率项估计器模块计算第二功率值(pu)，并行计算第一功率值(pc)。通过功率项估计器模块计算第二功率值(pu)包括计算估计的压缩机压力比(βc^est)。功率项估计器通过计算使用闭合回路运行来计算估计的压缩机压力比(βc^est)，其中c是预定值，pt是由发动机产生的功率量，pc是由压缩机产生的估计功率量，pu是在先前迭代中产生的第二功率值，ηm是压缩机的机械效率。

在一个或多个示例中，通过功率项估计器模块计算第二功率值(pu)包括计算其中k1和k2是预定值。功率项估计器响应于控制模块在闭合回路模式下运行而计算第二功率值(pu)。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，其中：

图1描绘了包括增压涡轮增压发动机系统的车辆；

图2描绘了示出可以嵌入在控制模块内的控制系统的各种实施例的数据流图；

图3描绘了示出可以嵌入在控制模块内的控制系统的各种实施例的数据流图；

图4a和图4b描绘了当计算将由发动机产生的功率量(pt^des)时使用和不使用未建模的功率项pu之间的比较；

图5示出了根据一个或多个实施例的功率项估计器的数据流图；

图6描绘了根据一个或多个实施例的功率项估计器的另一数据流图；

图7描绘了根据一个或多个实施例用于计算将在发动机中产生的功率量的流程图。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。如在此所使用的，术语模块指的是可以包括专用集成电路(asic)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器模块、组合逻辑电路、和/或提供所描述的功能的其他合适的部件的处理电路。

根据示例性实施例，在图1中，车辆10被示出为包括增压涡轮增压发动机系统12。发动机系统12包括发动机14、增压器16和涡轮增压器18。可以理解，发动机14可以是柴油发动机、汽油发动机或其他发动机，并且不限于本示例。

空气通过进气口20进入发动机14，进气口20可包括质量气流计或其它传感器(未示出)。空气在涡轮增压器18的压缩机22内被压缩。涡轮增压器18可包括可变几何涡轮增压器(vgt)、可变喷嘴涡轮增压器(vnt)、可变叶片涡轮增压器(vvt)、固定几何形状废气门涡轮增压器、滑动叶片涡轮增压器或另一合适类型的涡轮增压器。出于示例性目的，将在vvt的情况下论述本公开。

增压器旁通阀24设置在增压器16和涡轮增压器18之间。当受控到第一位置(例如，关闭位置或其它位置)时，旁通阀24允许空气从压缩机22流过增压器16，以进一步压缩空气。当受控到第二位置(例如，打开位置或其它位置)时，旁通阀24旁通流过增压器的空气并引导空气流过替代路径，防止空气的进一步压缩。来自涡轮增压器18和/或增压器16的压缩空气然后可以在通过进气歧管26进入发动机14之前穿过一个或多个空气冷却器(未示出)或其他调节器(未示出)。

空气与发动机14的气缸28中的燃料组合，产生驱动扭矩。尽管示出了四个气缸28，但是应当理解，具有任意数量气缸28的发动机被认为在本发明的范围内，包括具有以直列式、扁平式或v型结构布置的2、4、5、6、8、10、12和16个气缸的发动机。排气通过排气歧管30离开气缸28并进入包括涡轮32的涡轮增压器18的排气入口侧。涡轮增压器18的涡轮32可以受控以调节通过压缩机22的空气的流量、速度和/或压力。然后废气可以在被释放到大气中之前流过一个或多个废气处理部件34。

控制模块40基于感测和/或建模数据控制旁通阀24和涡轮增压器18。在各种实施例中，控制模块40接收各种信号并根据各种运行模式控制部件。

例如，第一压力传感器42感测来自涡轮增压器18的空气压力并基于此产生第一压力信号。第二压力传感器44感测来自增压器16的空气压力并基于此产生第二压力信号。空气温度传感器46感测进入发动机系统12的空气的温度，并基于此产生进气温度信号。冷却剂温度传感器48感测发动机14中的冷却剂流体的温度并基于此产生冷却剂温度。发动机速度传感器50感测发动机的转速并基于此产生发动机速度信号。控制模块40接收这些信号，基于这些信号评估发动机负荷和发动机速度，基于发动机负荷确定运行模式，并且基于该运行模式控制旁通阀24和/或涡轮增压器18。

现在参考图2，并继续参考图1，数据流图示出了可以嵌入在控制模块40内的控制系统的各种实施例。根据本公开的控制系统的各种实施例可以包括嵌入在控制模块40内的任意数量的子模块。可以理解，在此描述的子模块可以被组合和/或进一步划分以类似地控制由发动机14产生的功率量。控制模块40的输入可以从发动机系统12感测，从其他控制模块(未示出)接收，和/或由控制模块内的其他子模块(未示出)确定/建模。

图2示出了接收包括wc、tc^us、pc^us、βc^meas的输入信号210的控制模块40。这里，wc是通过压缩机22的空气/气体流的质量流率，tc^us是压缩机22上游的进气管20中的流动温度，pc^us是压缩机22上游的进气管中的空气/气体流的压力，并且βc^meas是压缩机22的测量压力比。此外，控制模块40计算将由涡轮32产生的功率量(pt^des)220。例如，控制模块40可以配置成使用反馈线性化方法来控制发动机的致动器，特别是充气系统，该充气系统包括发动机14的一个或多个阀和致动器，其中该反馈线性化方法可以基于该充气系统的多输入多输出(mimo)非线性数学模型。因此，控制模块40控制用于燃料喷射、充气等的一个或多个阀，以使发动机产生计算出的功率量(pt^des)220。可以使用以下等式来计算功率量(pt^des)220：

其中，pid是线性控制回路的输出，其由跟踪期望的压缩机压力比的比例、积分、微分控制器处理。pid是由控制模块40接收的另一输入项230，并且c是基于涡轮增压器惯性的常数项。控制模块40还使用压缩机22的预定模型计算由压缩机22产生的功率(pc)。该模型使用输入信号210来估计压缩机功率pc。

然而，由于建模误差，这种期望的功率量的计算可能导致在瞬态时段期间(例如当变速时)控制性能差。特别地，在这种情况下，压缩机功率损耗不被控制模块40建模。这种未建模的功率损耗可以在瞬态操纵期间引起高的超增压，并且在这种超增压之后难以用基于模型的增压控制的可用校准来恢复控制模块40。本发明的实施例解决了这些技术挑战；控制模块40使用间接测量和处理来模拟运行时的压缩机功率损耗。在一个或多个示例中，控制模块40在压缩机比率控制期间估计未建模的功率项(pu)，其表示未由控制模块40使用压缩机功率模型(pc)建模的功率。通过使用并行运行并且通过使用闭合回路集中于实际测量的压力比的直接压缩机比率动态模型来执行这个未建模的功率项的估计。未建模的功率项还用于计算将由涡轮38产生的功率量(pt^des)220，这减少了超增压和欠增压，特别是在瞬态期间。

现在参考图3，并继续参考图1，数据流图示出了可以嵌入在控制模块40内的控制系统的各种实施例。这里，控制系统包括功率项估计器300，其使用闭合回路计算来计算压缩机22的估计压缩机压力比βc^est325。功率项估计器300接收输入信号210和由发动机14产生的功率值(pt)305。功率项估计器300还接收估计的增压压缩机压力比βc^est325，用于下一次迭代。功率项估计器300还使用直接压缩器比率动态模型来计算未建模的功率项pu327。

未建模的功率项pu327被输入到控制模块40，控制模块40将由发动机14产生的功率量(pt^des)220计算为：

图4a和图4b描绘了根据一个或多个实施例在计算功率量(pt^des)220时使用和不使用未建模功率项pu327之间的比较。具体地，图4a描绘了不使用未建模的功率项pu327的示例结果，图4b描绘了根据一个或多个实施例在计算功率量(pt^des)220时使用未建模的功率项pu327的示例结果。设定点405表示要提供的增压量，反馈415表示当请求设定点405时实际提供的增压量。这些曲线进一步示出了在vgt的情况下测量的致动器位置425。此外，曲线描绘了控制模块40的运行模式435，其包括闭合回路模式或打开回路模式。在一个或多个示例中，运行模式435是布尔值，当控制模块40通过改变vgt位置425用设定点415映射功率量(pt^des)220时，该布尔值指示闭合回路。此外，发动机速度445在图4a和4b的图中示出。

所描绘的实例结果的示例方案具有以2000rpm和3000rpm运行的发动机14，然而，应当理解，在其他示例方案中，可以使用与本文所描绘的示例方案的运行条件不同的运行条件。

可以看出，在图4a中看到的超增压和欠增压条件410在图4b中通过使用未建模的功率项pu327(响应415在闭合回路运行模式435中与设定点405紧密映射)而减小。振荡420通常被视为接近于将从涡轮增压器16接收的增压的设定点415。在一个或多个示例中，可以通过将功率项pu327校准到预定值来减小振荡420。

图5示出了根据一个或多个实施例的功率项估计器的数据流图。功率项估计器300计算未建模的功率项pu327和估计的增压压缩机压力比βc^est。功率项估计器300使用来自先前迭代(t(i))的估计的增压压缩机压力比βc^est325来计算下一迭代(t(i+1))中的未建模功率项pu327。在310，功率项估计器300使用压缩器22的预定模型来计算估计的压缩器功率pc，其中压缩器22使用输入信号210。在310，功率项估计器300将计算的压缩机功率pc缩放ηm，ηm是涡轮压缩机22和32的机械效率。在320，功率项估计器300还从涡轮32产生的功率量pt305中减去缩放的估计压缩机功率pc，以计算(pt-ηmpc)。在一个或多个示例中，在350，使用预定项c对结果进行缩放以计算c.(pt-ηmpc)。预定项c可以是可校准值。

此外，在330，功率项估计器300用测量的增压压缩机压力比βc^meas315从先前迭代中减去估计的增压压缩机压力比βc^est325。在340，使用预定参数k1对结果进行缩放以得到k1.(βc^meas–βc^est)。这里，预定值k1是可校准值。

在360，功率项估计器300进一步将计算的值相加以计算增压压缩机压力比βc^est325，计算可以表示为：

图6描绘根据一个或多个实施例功率项估计器的另一数据流图。功率项估计器300计算未建模的功率项pu327和估计的增压压缩机压力比βc^est325。功率项估计器300使用来自先前迭代(t(i))的估计的增压压缩机压力比βc^est325来计算下一迭代(t(i+1))中的未建模功率项pu327。如图所示，在这种情况下，增压压缩机压力比βc^est325根据以下表达式计算：

这里，pu可以计算为：

这里，k2是基于用于压缩机质量流的校正因子wc^corr的校准参数。例如，k2＝f(wc^corr)是允许校准器使用校正因子的函数，其中严格需要校正因子以便恢复由于未建模的功率项引起的闭合回路控制过冲。

例如，在具有ηm＝1的系统中，并且其中估计的增压压缩机压力比βc^est325集中于实际(测量的)增压压缩机压力比βc^meas315，估计的增压压缩机压力比βc^est325由下式给出：

这里，w是其它外源因子(例如wc、等)。基于上述：

其中并且b＝c.

校准参数k2与项a相关，项a是作为校正质量流的函数的线性化极点(因此，该项确定系统的响应动态特性)。

图7描绘了根据一个或多个实施例的用于计算将在发动机中产生的功率量的流程图。方法700包括在705检测控制模块40是在闭合回路模式还是打开回路模式运行。可基于指示运行模式的布尔条件标记来作出所述确定。如果控制模块40处于打开回路，则方法700在不执行任何计算且不改变致动器位置的情况下返回到下一次迭代。

如果控制模块40在闭合回路中运行，则方法700包括，在710处，使用压缩机模型在运行时计算估计的压缩机功率输出pc。该计算是基于输入信号210执行的，并且是已知的技术。方法700还包括，在720处，在运行时动态地计算估计的功率项pu。该计算与压缩机功率输出pc的计算并行执行，以在压缩机功率的计算中确定未建模的功率项。计算未建模的功率项包括计算估计的增压压缩机压力比并使用闭合回路将该估计集中到增压压缩机压力比测量。

方法700还包括，在730，基于压缩机功率输出pc和估计的功率项pu计算要产生的功率量220。在一个或多个示例中，功率量220被计算为这些项与第三项pid/c的和。方法700进一步包括，在740处，控制模块40改变发动机14和/或涡轮增压器16中的活塞位置以引起功率量220的产生。

因此，当计算要由发动机14产生的功率量时，控制系统有助于计算在运行时要包括的未建模的功率项。通过使用未建模的功率项，与不使用估计的功率项的控制模块相比，控制模块计算更精确的要产生的功率量。本发明的实施例提供了对发动机系统12中的功率产生的改进。此外，本发明的实施例使得发动机系统12的部件改变位置，例如活塞位置，和/或使得发动机系统12的一个或多个阀打开/关闭，产生由控制模块计算的功率量。如在此描述的，在此描述的特征有助于控制模块40提供改进的功率产生并且解决在此描述的关于在瞬态期间由于建模误差而导致的控制性能差的技术挑战。

虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。此外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多改变以使具体情况或材料适应本公开的教导。因此，本公开旨在不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。