用于涡轮增压器控制的方法与系统的制作方法

专利名称：用于涡轮增压器控制的方法与系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及发动机涡轮增压器的反馈控制和前馈控制的方法和系统。
背景技术：
具有涡轮增压器的发动机可采用涡轮增压器的主动控制(例如通过废气门、进气 节流阀、压缩机旁路等)来提高发动机性能及车辆驾驶性能。基于期望的节流阀进口压力(TIP)控制这种发动机系统的各种方法是已知的，其 中该节流阀进口压力在涡轮增压器压缩机的下游和发动机进气口中的节流阀的上游。但 是，发明人在此已经认识到了这类方法的限制。一种示例性方法在通过废气门进行增压控制时需要将节流阀固定在全开的位置 上。因此，这种方法消除了来自节流阀的潜在扰动，但这是以牺牲本可通过使用更快的节流 阀控制器来管理发动机气流而取得的性能和驾驶性能的提高为代价的。通过消除节流阀扰 动，TIP反馈可以更加一致，但是伴随着更慢的响应时间和增加的误差。这种方法还导致通 过节流阀的损耗减小，这有利于稳态燃料经济性。另一种示例性方法需要将TIP调整到高于必需的程度以实现期望的气流，并降低 节流阀在TIP上的扰动程度。这种方法不解决TIP控制问题，但是以牺牲稳态燃料经济性为 代价来对它们进行管理，这是因为提供TIP与节流阀扰动的这种部分隔离需要通过节流阀 的持久损耗。不过，由于总是试图在节流阀的上游保持超额压力(以燃料经济性为代价)， 这种方法确实提供了潜在的驾驶性能和响应的好处。

发明内容
实现高稳态燃料经济性与提高驾驶性能之间的明显矛盾至少可以部分地通过一 种控制具有节流阀和可调涡轮增压器(例如，通过废气门、可变几何形状、可变喷嘴等)的 涡轮增压发动机的方法来解决。一种示例性方法包括，在增压的情况下移动节流阀，将对节 流阀进口压力的影响分成对应于节流阀移动导致的扰动的第一部分和剩下的第二部分，并 基于第二部分而不是第一部分调整涡轮增压器。以此方式，有可能同时控制节流阀和涡轮增压器以控制整个发动机气流和扭矩输 出，而仍然保证降低的燃料经济性和提高的驾驶性能。例如，至少在某些情况下，由于可以 利用节流阀的移动以在增压的情况下控制气流，在这些情况下有可能保持更快的扭矩增 长，因为可以保持增压。换句话说，可以通过在保持增压器运行的情况下降低节流阀的打开 程度(例如，不增加废气门的打开)来暂时降低扭矩，因此当节流阀打开程度增加时，增压 已经出现而快速扭矩增长得以实现。在另一个实施例中，该方法包括，在增压的情况下调整节流阀，并且在所述增压的 情况下，响应于期望的增压器功率、实际的增压器功率轨线以及包括涡轮增压器加速度的 速度轨线调整增压器。在一个实施例中，该方法进一步包括将测量的运行数据转换成实际涡轮增压器功率和加速度的估计值。在另一个实施例中，该方法进一步包括将测量的运行数据转换成实际涡轮增压器 功率和加速度的估计值，将测量的驾驶员指令和运行数据转换成期望的涡轮增压器功率。在另一个实施例中，该方法进一步包括将测量的运行数据转换成实际涡轮增压器 功率和加速度的估计值，将测量的驾驶员指令和运行数据转换成期望的涡轮增压器功率， 其中期望的涡轮增压器功率产生给定运行点处的期望压力和流量。在另一个实施例中，该方法进一步包括将测量的运行数据转换成实际涡轮增压器 功率和加速度的估计值，将测量的驾驶员指令和运行数据转换成期望的涡轮增压器功率， 其中期望的涡轮增压器功率产生给定运行点处的期望压力和流量，且该方法进一步包括当 涡轮增压器压力和/或流量的误差大于阈值时，通过进一步调整废气门来暂时减缓节流阀 进口压力的降低。在另一个实施例中，基于期望的功率轨线形状调整期望的涡轮增压器功率。以此方式，有可能构建对增压器和发动机气流的控制以使节流阀调整和增压器调 整彼此协调并使之不互相抵消。根据另一方面，提供一种系统。该系统包括具有可调涡轮增压器和节流阀的发动 机；具有在其上编码的指令的计算机可读存储介质，所述指令包括在增压的情况下移动节 流阀的指令，以及在所述增压的情况下响应于节流阀进口压力、期望的增压器功率和实际 的涡轮增压器功率轨线和包括涡轮增压器加速度的速度轨线调整增压器的指令，所述调整 包括将对节流阀进口压力的影响分成对应于节流阀移动导致的扰动的第一部分和剩下的 第二部分，并基于第二部分而不是第一部分调整所述涡轮增压器。在一个实施例中，调整涡轮增压器包括调整废气门、当涡轮增压器包含可变叶片 涡轮时调整叶片位置以及当涡轮增压器包含可变喷嘴涡轮时调整喷嘴位置三者中的至少 一个。在另一个实施例中，调整涡轮增压器包括调整废气门、当涡轮增压器包含可变叶 片涡轮时调整叶片位置以及当涡轮增压器包含可变喷嘴涡轮时调整喷嘴位置三者中的至 少一个，所述系统进一步包括将测量的运行数据转换成实际净涡轮增压器功率和加速度的 估计值的指令，实际净涡轮增压器功率的估计值是基于涡轮功率产生和压缩机功率消耗之 间的差值。在另一个实施例中，调整涡轮增压器包括调整废气门、当涡轮增压器包含可变叶 片涡轮时调整叶片位置以及当涡轮增压器包含可变喷嘴涡轮时调整喷嘴位置三者中的至 少一个，所述系统进一步包括将测量的运行数据转换成实际净涡轮增压器功率和加速度的 估计值的指令，实际净涡轮增压器功率的估计值是基于涡轮功率产生和压缩机功率消耗之 间的差值，所述系统进一步包括将测量的驾驶员指令和运行数据转换成期望的涡轮增压器 功率的指令。在另一个实施例中，调整涡轮增压器包括调整废气门、当涡轮增压器包含可变叶 片涡轮时调整叶片位置以及当涡轮增压器包含可变喷嘴涡轮时调整喷嘴位置三者中的至 少一个，所述系统进一步包括将测量的运行数据转换成实际净涡轮增压器功率和加速度的 估计值的指令，实际净涡轮增压器功率的估计值是基于涡轮功率产生和压缩机功率消耗之 间的差值，所述系统进一步包括将测量的驾驶员指令和运行数据转换成期望的涡轮增压器功率的指令，其中期望的功率产生给定运行点处的期望压力和流量。在另一个实施例中，调整涡轮增压器包括调整废气门、当涡轮增压器包含可变叶 片涡轮时调整叶片位置以及当涡轮增压器包含可变喷嘴涡轮时调整喷嘴位置三者中的至 少一个，所述系统进一步包括将测量的运行数据转换成实际净涡轮增压器功率和加速度的 估计值的指令，实际净涡轮增压器功率的估计值是基于涡轮功率产生和压缩机功率消耗之 间的差值，所述系统进一步包括将测量的驾驶员指令和运行数据转换成期望的涡轮增压器 功率的指令，其中期望的功率产生给定运行点处的期望压力和流量，所述系统进一步包括 当涡轮增压器压力和/或流量的误差大于阈值时，通过进一步调整废气门来暂时减缓节流 阀进口压力的降低的指令。在另一个实施例中，所述系统进一步包括基于测量的和/或估计的压力、温度和 通过压缩机的流量推断涡轮增压器转速的指令。在另一个实施例中，所述系统进一步包括基于测量的和/或估计的压力、温度和 通过压缩机的流量推断涡轮增压器转速的指令以及基于测量的和/或估计的压力、温度和 通过压缩机的流量及它们的变化率推断涡轮增压器加速度的指令。在另一个实施例中，所述系统进一步包括基于测量的和/或估计的压力、温度和 通过压缩机的流量推断涡轮增压器转速的指令以及基于测量的和/或估计的压力、温度和 通过压缩机的流量及它们的变化率推断涡轮增压器加速度的指令，其中推断涡轮增压器转 速包括利用一个或多于一个传感器测量涡轮增压器转速，且其中推断涡轮增压器加速度包 括基于测量的涡轮增压器转速计算涡轮增压器加速器。在另一个实施例中，调整涡轮增压器包括调整废气门、当涡轮增压器包含可变叶 片涡轮时调整叶片位置以及当涡轮增压器包含可变喷嘴涡轮时调整喷嘴位置三者中的至 少一个，所述系统进一步包括将测量的运行数据转换成实际净涡轮增压器功率和加速度的 估计值的指令，实际净涡轮增压器功率的估计值是基于涡轮功率产生和压缩机功率消耗之 间的差值，其中涡轮功率产生和压缩机功率消耗是基于估计的或预测的效率计算的，这些 效率是作为气体温度、流量和压力以及推断的或期望的涡轮增压器转速的函数计算的。应该理解的是，提供上述概要以便以简化的形式介绍在详细说明书中进一步描述 的概念的选择。它不是意味着指出要求保护的主题的关键或重要特征，要求保护的主题的 范围仅由随附于详细说明书的权利要求限定。此外，要求保护的主题不限于解决以上提到 的或者在本公开的任何部分中指出的任何缺点。


图1示出包含双涡轮增压器的示例性发动机系统的原理性描述。图2示出局部发动机视图。图3示出根据当前公开描述涡轮增压器控制方法的前馈和反馈控制的高级控制 框图。图4-5示出根据本公开实施例通过同时调整节流阀和废气门来控制涡轮增压器 增压的高级流程图。
具体实施例方式下述描述涉及到通过同时调整涡轮增压器(例如通过废气门位置、可变叶片位 置、可变喷嘴位置等)和节流阀来控制例如图1-2中所示的涡轮增压发动机的方法。采用 组合的反馈和前馈控制机制，在调整节流阀进口压力的同时也能控制涡轮增压器。通过采 用如图3所示的涡轮增压器动力学系统和发动机气流系统的非线性模型，测量的节流阀进 口压力信号可与测量的气流信号组合，以将由于控制误差和其它(通过电磁废气门占空比 控制所解决的)情况而导致的对节流阀进口压力的影响与由于节流阀移动或诸如发动机 转速或凸轮正时变化引起的节流阀流速变化而导致的扰动的影响区别开来。发动机控制器 可以执行示例性的控制方法(例如参考图4-5所阐述的那些方法)以执行节流阀调整和涡 轮增压器控制，因而调整涡轮增压器输出。因此，这里所述的方法使得能够在通过削弱节流 以保持提高燃料经济性的能力的同时实现更好的增压控制和驾驶性能响应。图1示出包含多汽缸内燃发动机10和双涡轮增压器120和130的示例性涡轮增 压发动机系统100的示意性描述。作为一个非限制性示例，发动机系统100可以包含在客 车的推进系统中作为其一部分。发动机系统100可以通过进气通道140接收进气。进气 通道140可以包括空气滤清器156。至少一部分进气可通过进气通道140的第一分支(如 142处所示)被导入涡轮增压器120的压缩机122，而至少一部分进气可通过进气通道140 的第二分支(如144处所示)被导入涡轮增压器130的压缩机132。压缩机122可以压缩总进气的第一部分并可以通过进气通道146将其供应到进气 歧管160。因而，进气通道142和146形成发动机的进气系统的第一分支。类似地，压缩机 132可以压缩总进气的第二部分并通过进气管道148将其供应到进气歧管160。因而，进气 通道144和148形成发动机的进气系统的第二分支。如图1所示，来自进气通道146和148 的进气可以在到达进气歧管160之前通过公共进气通道149被再次混合，并可以在该进气 歧管处被提供给发动机。在一些示例中，进气歧管160可以包含用于估计歧管压力(MAP) 的进气歧管压力传感器182和/或用于估计歧管气温(MCT)的进气歧管温度传感器183，二 者均与控制器12通信。进气通道149可以包括空气冷却器154和/或节流阀158。控制 系统可以通过与控制器12通信连结的节流阀致动器157调整节流阀的位置。如图1所示， 可以提供防喘振阀(anti-surgevalve) 152以通过旁路通道150选择性地旁通涡轮增压器 120和130的压缩机级。作为一个示例，当在压缩机上游的进气压力达到阈值时，防喘振阀 152可以打开以使气流能够通过旁路通道150。发动机10可以包括多个汽缸14。在所述示例中，发动机10包括排列成V形结构 的6个汽缸。具体地，6个汽缸被布置成两个汽缸组13和15，每个汽缸组包括3个汽缸。 在可替代示例中，发动机10可以包括两个或多于两个汽缸，例如4、5、8、10个或者更多个汽 缸。这些不同的汽缸可以均分并按可替代的结构排列，例如V形、直线形、箱形等。每个汽 缸14可以配置有燃料喷射器166。在所述示例中，燃料喷射器166是一个汽缸内直接喷射 器。但是，在其它示例中，燃料喷射器166可以配置成基于端口的燃料喷射器。下面在图2 中描述单个汽缸14的更多细节。通过公共进气通道149供应到各汽缸14 (这里也被称为燃烧室14)的进气可以被 用于燃料燃烧并且燃烧产物可以通过汽缸组特定的排气通道排出。在所述示例中，发动机 10的第一汽缸组13可以通过公共排气通道17排出燃烧产物，而第二汽缸组15可以通过公共排气通道19排出燃烧产物。发动机10通过排气通道17排出的燃烧产物可以被导引通过涡轮增压器120的排 气涡轮124，该涡轮增压器继而通过轴126向压缩机122提供机械做功以压缩进气。作为替 代，流过排气通道17的部分或全部排气可以在废气门128控制下通过涡轮旁路通道123绕 过涡轮124。由控制器12指挥的致动器(未显示)控制废气门128的位置。作为一个非限 制性示例，控制器12可以通过电磁阀调整废气门128的位置。在这个特例中，电磁阀可以 接收压力差以便通过致动器促进废气门128的致动，该压力差来自布置在压缩机122上游 的进气通道142和布置在压缩机122下游的进气通道149之间的气压差。在其它示例中， 可以使用不同于电磁阀的其他合适方法来致动废气门128。类似地，发动机10通过排气通道19排出的燃烧产物可以被导引通过涡轮增压器 130的排气涡轮134，该涡轮增压器继而可以通过轴136向压缩机132提供机械做功以压缩 流经发动机进气系统的第二分支的进气。作为替代，流过排气通道19的部分或全部排气可以在废气门138控制下通过涡轮 旁路通道133绕过涡轮134。由控制器12指挥的致动器(未显示)控制废气门138的位 置。作为一个非限制性示例，控制器12可以通过电磁阀调整废气门的位置。在这个特例中， 电磁阀可以接收压力差以便通过致动器促进废气门138的致动，该压力差来自布置在压缩 机132上游的进气通道144和布置在压缩机132下游的进气通道149之间的气压差。在其 它示例中，可以使用不同于电磁阀的其他合适方法来致动废气门138。在一些示例中，排气涡轮124和134可以配置成可变几何形状涡轮，其中控制器12 可以调整涡轮叶轮片(或叶片)的位置以改变从排气流中取得的能量水平并分给各自的压 缩机。作为替代，排气涡轮124和134可以配置成可变喷嘴涡轮，其中控制器12可以调整 涡轮喷嘴的位置以改变从排气流中取得的能量水平并分给各自的压缩机。例如，控制系统 可以配置成通过各自的致动器独立地改变排气涡轮124和134的叶片或喷嘴位置。汽缸通过排气通道19排出的燃烧产物可以通过排气通道170导入大气中，而通过 排气通道19排出的燃烧产物可以通过排气通道180导入大气中。排气通道170和180可 以包括一个或多于一个排气后处理设备(例如催化剂)和一个或多于一个排气传感器，这 在图2中进一步阐明。每个汽缸14的进气阀和排气阀的位置可以通过连结到阀推杆的液压致动提升机 构或采用凸轮凸角(lobe)的凸轮廓线变换机构加以调节。在本示例中，可以使用凸轮致动 系统通过凸轮致动来控制至少每个汽缸14的进气阀。具体地，进气阀凸轮致动系统25可 以包括一个或多于一个凸轮并且可以利用进气阀或/和排气阀的可变凸轮正时或升程。在 可替代实施例中，可以通过电动阀致动来控制进气阀。类似地，可以通过凸轮致动系统或电 动阀致动来控制排气阀。发动机系统100可以包括各种其它传感器。例如，进气通道142和144中的每一 个可以包括质量空气流量传感器(未显示)。在一些示例中，进气通道142和144中只有 一个包含质量空气流量(MAF)传感器。在一些示例中，进气歧管160可以包含进气歧管压 力(MAP)传感器182和/或进气歧管温度传感器183，二者均与控制器12通信。在一些示 例中，公共进气通道149可以包括估计节流阀进口压力(TIP)的节流阀进口压力(TIP)传 感器192和估计节流阀气温(TCT)的节流阀进口温度传感器193，二者均与控制器12通信。附加的系统传感器和致动器在下面参考图2进行阐述。发动机10可以接收来自控制器12的控制参数并经由输入设备192接收来自车辆 驾驶员190的输入。在这个示例中，输入设备192包括加速器踏板和用于产生成比例的踏 板位置信号PP的踏板位置传感器194。如图4-6中进一步阐述的，响应于从车辆驾驶员处 接收的输入，控制器12可以被配置为调整由涡轮增压器120和130提供的增压量，并因此 调整TIP。在一个示例中，控制器12可以通过调整节流阀致动器157而改变节流阀158的 位置来实现此目的。在另一个示例中，控制器12可以通过调整废气门128和138来实现此 目的，并因此调整绕过涡轮124和134的排气量。在另一个示例中，控制器12可以通过调 整可变几何形状涡轮的叶片位置和/或喷嘴位置来实现此目的。图2描述了内燃发动机10的汽缸或燃烧室的一个示例性实施例。如前面指出的， 发动机10可以接收来自控制器12的控制参数并经由输入设备192 (例如加速器踏板和用 于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器194)接收来自车辆驾驶员190的输 入。发动机10的汽缸(这里也被称为“燃烧室”)14可以包括燃烧室壁236及位于其中的 活塞238。活塞238可以连结到曲轴236以使得活塞的往复运动变换成曲轴的旋转运动。 曲轴240可以通过传动系统与客车的至少一个驱动轮连结。此外，起动电动机可以通过飞 轮与曲轴240连结以使得发动机10的起动操作可用。汽缸14可以通过一系列进气通道242、244和246接收进气。除汽缸14外，进气 通道246还可以与发动机10汽缸的其他汽缸连通。在一些实施例中，一个或多于一个进气 通道可以包含增压装置例如涡轮增压器220。例如，图2显示了发动机10配有包含布置在 进气通道242和244之间的压缩机222的涡轮增压器，以及沿排气通道248布置的排气涡 轮224。可以由排气涡轮224通过轴226至少部分地为压缩机224提供动力，其中增压装置 是涡轮增压器。可以沿着发动机的进气通道提供包含节流阀片164的节流阀158以改变提 供到发动机汽缸的进气的流速和/或压力。例如，如图2所示，节流阀158可以设置在压缩 机222的下游，或者可代替地提供在压缩机上游。排气通道248可以从发动机10中除汽缸14外的其它汽缸接收排气。例如，所示 的排气传感器228在排放控制设备278上游连结到排气通道248。传感器228可以选自提 供排气空燃比指示的各种合适的传感器，例如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧传 感器)、双态氧传感器或EG0(排气氧传感器)(如图所示)、HEGO(加热的排气氧传感器)、 NOx, HC或CO传感器。排放控制设备278可以是三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其它 排放控制设备或其组合。可以由位于排气通道248中的一个或多于一个温度传感器(未显示)估计排气温 度。可替代地，可以基于发动机的工况如转速、负荷、空燃比(AFR)、火花延迟等推断出排气 温度。此外，可以通过一个或多于一个排气传感器228计算排气温度。应该认识到，也可替 代地用此处列出的温度估计方法的任何组合来估计排气温度。发动机10的每个汽缸可以包括一个或多于一个进气阀和一个或多于一个排气 阀。例如，所示汽缸14包括位于汽缸14上部的至少一个进气提升阀250和至少一个排气 提升阀256。在一些实施例中，发动机10的每个汽缸(包括汽缸14)可以包含位于汽缸上 部的至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。可以通过连结到阀推杆的液压致动提升 机构使汽缸14的阀停止工作，或者通过具有不提升的凸轮凸角的凸轮廓线变换机构使这些阀停止工作。在这个示例中，可以由相应的凸轮致动系统251和253通过凸轮致动来控 制进气阀250和排气阀256停止工作。凸轮致动系统251和253可以各自包括一个或多于 一个凸轮并可以利用一个或多于一个由控制器12操作的凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正 时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门提升(VVL)系统来改变阀的运行。在替代实 施例中，进气阀和/或排气阀可以通过电动阀门致动来控制。在一个示例中，汽缸14可以 包括通过包含VCT系统的凸轮致动来控制的进气阀和由电动阀门致动来控制的排气阀。在一些实施例中，发动机10的每个汽缸可以包含用于启动燃烧的火花塞292。在 选定的工作模式中，点火系统290可以响应于来自控制器12的点火提前信号(SA)通过火 花塞292为燃烧室14提供点火火花。但是，在一些实施例中，可以省略火花塞292，例如在发 动机10可以通过自动点火或燃料喷射来启动燃烧的情况下(如一些柴油发动机的情况)。在一些实施例中，发动机10的每个汽缸配置有一个或多于一个燃料喷射器以向 汽缸提供燃料。作为一个非限定性示例，所示汽缸14包含一个燃料喷射器166。所示燃料 喷射器直接连结到汽缸14，以便与通过电子驱动器168从控制器12接收的脉宽信号FPW-I 成比例地直接喷射燃料。以这种方式，燃料喷射器166提供到燃烧汽缸14中的所谓燃料直 喷(以后也被称为“DI”)。可替代地，喷射器可以位于进气阀上部附近以增进混合。可以 从包含燃料箱、燃料泵和燃料导轨的高压燃料系统输送燃料到燃料喷射器166。可替代地， 在较低压力下，可以由单级燃料泵输送燃料，其中相对于采用高压燃料系统的情况，在这种 情况下燃料直喷的正时在压缩冲程中可能更有限。另外，虽然没有显示，燃料箱可以具有压 力变换器以向控制器12提供信号。应该认识到，在替代的实施例中，喷射器166可以是进 气道喷射器，其在汽缸14上游提供燃料到进口内。控制器12在图2中被显示为微处理器，其包括微处理器单元106、输入/输出端 口 108、用于可执行程序和校准值的电子存储介质(在该特别示例中被显示为只读存储器 (ROM)芯片110)、随机存取存储器(RAM) 112、保活存储器(KAM) 110和数据总线。存储介质 只读存储器110可以用代表指令的计算机可读数据进行编程，这些指令可以由处理器102 执行以实施下述方法以及虽未具体列出但预期到的其他变体。控制器12可以从联接到发 动机10的传感器接收各种信号，除了以前讨论的那些信号外，这些信号还包括来自质量 空气流量传感器122的进气质量空气流量(MAF)；来自联接到冷却套管118上的温度传感 器116的发动机冷却液温度(ECT)；来自联接到曲轴240上的霍尔效应传感器260 (或其他 类型传感器)的表面点火感测信号(PIP)；来自节流阀位置传感器的节流阀位置(TP)；以及 来自传感器182的歧管绝对空气压力信号(MAP)的测量值。发动机速度信号RPM可以由控制 器12根据信号PIP产生。此外，也可以基于信号PIP来识别曲轴位置以及曲轴加速度和曲轴 摆动。来自歧管压力传感器182的歧管空气压力信号MAP可以被用来提供进气歧管中真空或 者压力的指示。此外，应注意到可以基于其他工作参数如基于MAF和RPM来估计歧管压力。如本文所示，在对涡轮增压器进行主动控制时，控制器可以具有三种控制状态，即 歧管压力(MAP)、节流阀进口压力(TIP)和涡轮增压器转速。因此，MAP和TIP具有相对快 速的动力学特性。与之相对，涡轮增压器具有高的惯性，所以涡轮增压器转速是缓慢变化的 状态。涡轮增压器的动力传动系统控制模块(PCM)控制输出包含废气门螺线管的占空比。 废气门的占空比继而影响废气门的位置，因而影响排气歧管压力和通过涡轮增压器涡轮的 质量流量。涡轮增压器的其它PCM控制输出可以包含当涡轮增压器配有可变几何形状涡轮时的叶片位置以及当涡轮增压器配有可变喷嘴涡轮时的喷嘴位置。它们对涡轮功率和涡轮 增压器转速及加速度有直接的影响。流过涡轮的排气的温度和压力也直接影响涡轮功率。 上述状态也影响TIP。此外，TIP受到其它主动PCM控制输出如节流阀角度的影响，使得TIP 的变化不是始终与废气门占空比、叶片位置、喷嘴位置或涡轮质量流的变化相关。因此，由于存在混合的动态回路，一个或多于一个状态可能会偏离期望的目标，但 是这些状态会稳定于期望值上而不需要任何控制动作。TIP和MAP的状态可以由各自的传 感器确定。但是，涡轮增压器转速不是测量的信号，其可以从其它涡轮增压器参数中推断出 来。在一个示例中，可以基于测量的和/或估计的压力、温度和通过压缩机的流量推断出涡 轮增压器转速。类似地，可以基于测量的和/或估计的压力、温度和通过压缩机的流量及其 变化率推断出涡轮增压器的加速度。当TIP低于期望的MAP时，车辆的驾驶性能将受到损 害，因此发动机控制系统的设计应避免不能达到TIP，特别是当PCM有能力保持压缩机旁路 阀关闭以使得节流阀能够保持其功能不受限而调节发动机气流的时候。图3描述一个示例性高级控制框图。该框图描述了涡轮增压器控制方法300的前 馈和反馈控制。基于非线性和动态模型，该前馈和反馈控制可以被发动机控制器用于控制 前述状态以平衡涡轮增压器功率，并因此在实现稳态燃料经济性的同时提高涡轮增压发动 机的驾驶性能。虽然所述控制方法300展示了通过调整废气门位置(通过废气门螺线管占 空比)实现的涡轮增压器控制，但这并不意味着进行限制。在可代替的示例中，附加地或可 选地，可调整涡轮增压器叶片和/或喷嘴位置以调整涡轮增压器的输出。因此，涡轮增压器功率的平衡代表了涡轮增压器动能的变化率。这等同于涡轮功 率的产生(排气所做的功)和压缩机功率消耗(对进气所做的功)之间的差异。当涡轮产 生的功率和压缩机消耗的功率相等时，涡轮增压器转速不会变化，即没有涡轮增压器加速 度。涡轮增压器将加速或减速直到功率的产生和消耗达到平衡。因此，在一个示例中，如此处所述，废气门的前馈控制是基于预先规划涡轮以产生 压缩机在期望的工作点处将消耗的功率，其中期望的工作点由期望的发动机扭矩推导出。 而期望的发动机扭矩则进一步由驾驶员的踏板请求推导出。这就是说，测量的驾驶员指令 和运行数据被转换成期望的涡轮增压器功率。如所述，基于期望的出口压力(deStip_deS_tip)和期望的流量(tqe_final_am)， 发动机控制器可以计算出期望的压缩机功率302(c0mpress0r_p0wer_desired)，即压缩机 在期望的工作点(随同期望的出口压力和流量)处将需要消耗的功率。期望的发动机工 作点指的是基于期望的发动机扭矩设定的期望的发动机工况(压缩机流量、进口和出口压 力、进口温度)。如此处所示，期望的扭矩可以基于驾驶员指令或各种控制系统干预，如换挡 控制、牵引控制等。当前工况下的最大可能的涡轮功率被计算以确定当前是否能够产生期 望的压缩机功率。涡轮将需要产生该功率以保持这一期望的工作点。额外的功率数据输入前馈包括轨线“成型”功率304。如在图4中进一步阐述的， 轨线“成型”功率304是为实现期望的涡轮增压器转速和加速度轨线以达到期望的工作点 所需要的功率。如本文进一步解释的那样，该功率是估计的排气温度和压力的函数。然后发 生期望净功率到涡轮质量分率(mass fraction) 306的变换。换句话说，控制器计算出为产 生该功率而需要通过涡轮的质量流量。变换的输出是未校正的受控质量分率307。然后基 于从涡轮质量分率误差观测器310接收的反馈做出质量分率的调整。此处，如下面参考图5进一步解释的那样，控制器计算出多大分率的排气必须通过涡轮以产生期望的功率。因 此，这是基于气流和空燃比估计的总排气流量的函数。基于经调整的质量分率，做出质量分 率到废气门占空比308的变换。换句话说，最终输出作为经调整的废气门占空比指令(wg_ dc)而被观测到。因此，在增压的情况下，至少包括汽油的燃料可以进行化学计量燃烧。在一个示例 中，该燃料可以是汽油。可替代地，该燃料可以是混有酒精的汽油，例如E85。由于这些前馈控制模块中的潜在误差(例如，由于估计中的误差)，因此要包含额 外的反馈控制。例如，对涡轮增压器转速回归312做出调整。因此，这作为TIP、MAP、压缩 机流量(如进气流量)和进气温度的函数而被计算。基于TIP、MAP、大气压力(BP)、压缩机 流量(如进气流量)和进气温度的涡轮增压器转速回归312被用于确定期望的或推断的涡 轮增压器转速(inferrecLspeed)和推断的涡轮增压器加速度(inferred_acc)。推断的涡 轮增压器转速(inferrecLspeed)也可以基于涡轮增压器的扭矩平衡、功率平衡等的动态 模型。进而，如果需要，可以测量涡轮增压器转速。例如，可以采用一个或多于一个传感器 (例如压力、温度和/或流量传感器)来测量涡轮增压器转速。推断的涡轮增压器加速度 (inferred_acc)(即推断的涡轮增压器转速的变化率)可以基于扭矩平衡和/或回归。可 以基于涡轮增压器转速计算出涡轮增压器加速度。涡轮功率产生和压缩机功率消耗的估计 可以用于估计涡轮增压器净功率，其与推断的涡轮增压器转速结合以计算预测的涡轮增压 器加速度。基于模拟的涡轮功率输入314 (其为排气质量流量、排气压力和排气温度的函数) 提供附加输入。模拟的涡轮功率输入314(tUrbine_pOWer_maX)是指在当前条件下涡轮增 压器中能产生的最大可能功率。此外，模拟的涡轮功率输入314被来自废气门动态和饱和 316的输入所补偿。这继而作为未校正的受控质量分率307 (即来自功率到涡轮质量分率 306的转换的输出)的函数而被计算。 系统还计算在当前工作点处的模拟的压缩机功率消耗(COmpreSSOr_pOWer_ current) 3200当前发动机工作点在这里是指当前发动机工况(压缩机流量、进口和出口压 力、进口温度)。如所述，模拟的压缩机功率消耗320作为TIP、大气压力(BP)、压缩机流量 和进气温度的函数而被计算。以此方式，可以基于估计的或预测的效率来计算涡轮功率产 生和压缩机功率消耗，所述效率作为气温、流速和压力的函数以及推断的和期望的涡轮增 压器转速而被计算。利用对期望的压缩机功率302、模拟的压缩机功率消耗320和模拟的涡轮功率 输入314的估计，可以基于涡轮功率产生和压缩机功率消耗之间的差异来计算出实际涡 轮增压器净功率(turb0_net_p0Wer_raW)。具体地，实际涡轮增压器净功率被定义成 (compressor_power_desired 禾口 turbine_power_max)之中的最小值减去 compressor— power_current0这是通过致动使得涡轮产生由压缩机在期望的工况下消耗的功率所导致 的涡轮增压器净功率。如果涡轮持续产生压缩机在期望的稳态工况下将消耗的功率，则涡 轮增压器将向着期望的工况点加速而不会有过冲或欠冲。如同上面计算的那样，涡轮增压器净功率接着被用来通过估计的压缩机功率到加 速度318的变换来确定涡轮增压器的加速度。因此，其结果表现了模拟的涡轮增压器加速 度(modelecLacc)。由涡轮质量分率误差观测器310使用模拟的加速度和推断的加速度来计算涡轮质量分率误差。因此，当期望的气流和TIP增加时，有可能使达到平衡所需的涡轮流量大于可用 的排气。这样，在给定的模型中，通过采用前馈和反馈回路，控制器迫使TIP与期望的TIP 匹配并迫使气流与期望的气流匹配。因为TIP的变化率被包含于计算中，反馈机制迫使TIP 的导数为零，由此计算出零TIP误差。通过使用反馈和前馈调整，在增压的情况下节流阀可以被移动，而对节流阀进口 压力的影响可以被分成对应由节流阀移动导致的扰动的第一部分和剩余的第二部分。然后 可以基于第二部分而不是第一部分来调整涡轮增压器。当节流阀位于发动机进气口中的涡 轮增压器的下游时，节流阀的移动可以包含将节流阀从全开节流阀位置移开。在一个示例 中，节流阀可以响应于暂时扭矩减小请求而暂时从全开节流阀位置移开。在诸如换挡、过速 等情况下可能请求暂时减小扭矩。这里，通过暂时减小节流阀的打开程度，发动机控制器可 以暂时减小发动机气流同时通过保持废气门位置来保持增压。进而，在增压的情况下，除调整涡轮增压器(例如，通过废气门)和节流阀之外，发 动机控制器可以暂时打开绕过涡轮增压器压缩机的压缩机旁路。在这种情况下，对节流阀 进口压力的影响可以进一步分成对应于由压缩机旁路打开导致的扰动的第三部分和剩余 的第四部分。这里，可以基于第四部分而不是第三部分进一步调整涡轮增压器。具体地，通 过将节流阀进口压力传感器数据、节流阀位置传感器数据和测量的流量数据变换为用于涡 轮增压器的PCM控制输出(例如送到废气门的废气门指令信号)可以分开不同的影响。可 以进一步基于涡轮增压器转速的轨线来调整该废气门。以此方式，对节流阀进口压力(TIP)的各种影响(例如，由节流阀移动导致的影响 和由通过压缩机旁路的气流导致的影响)就能够从所述影响的剩余部分中分离出来，并且 可以通过基于一个或多于一个分离的影响(例如，基于剩余部分而不是基于由节流阀移动 或压缩机旁路气流导致的影响)来调制涡轮增压器动态特性而实施增压调整。然后，可以 同时调整节流阀和涡轮增压器来响应于工况控制发动机输出。以此方式，可以同时调整节 流阀和涡轮增压器，二者互相独立，没有对彼此的调整的不利影响。作为示例，如果涡轮增压器控制涉及废气门的TIP反馈控制，则节流阀将被移动 到并保持在节流阀全开位置。这里，如果在发动机运行期间节流阀从全开节流阀位置移开 (例如，由于驾驶员释放加速器踏板(tip out))，则节流阀将产生一个TIP错误，导致控制 器打开废气门以减小增压。但是，如果这是暂时的释放(例如，驾驶员立即又踩下加速器踏 板)，则由于必须重新累积增压而会存在大的延迟。与此相对，在本公开的涡轮增压器控制 方法中，控制器可以保持当前的涡轮增压器增压，并且仅通过暂时调整节流阀来减小扭矩。 然后在驾驶员踩下加速器踏板(tip in)时，节流阀可以被用来重新获得较高的气流。由于 节流阀调整能够较快地响应，所以不会导致延迟，因为在驾驶员踩下加速器踏板之前节流 阀被用于减小气流且同时保持增压。图4-5描述用于执行涉及废气门调整的关于图3所图示说明的涡轮增压器控制方 法的示例性方法。首先转到图4，方法400被描述用于确定涡轮增压器的功率轨迹，其可以用作方法 300的一部分(在340处)来计算最终废气门指令。例如，通过废气门的调整，涡轮增压器 整形允许在暂态条件下涡轮增压器转速轨线的修改。该整形可以包括额外的控制器动作以基于推断的和期望的涡轮增压器转速和加速度修正涡轮加速度响应(例如，减慢涡轮增压 器响应的减小至目标值，或者加速涡轮增压器响应至目标值)。在402处，可以基于当前的工况和使涡轮产生针对期望工况的功率所导致的加速 度来计算期望的涡轮增压器加速度。这些工况可以包括例如压缩机流量、歧管压力、大气 压、节流阀进口压力、进口温度等。在404处，该方法计算相对于在期望工况点处的压缩机 功率需要被加上或减去以达到期望涡轮增压器加速度的涡轮功率量。这对于考虑节流阀上 游的压力是否高于期望进气歧管压力是很重要的，该节流阀可以用于输送期望的压力。这 将对应于在稳态工况下高于期望转速的涡轮增压器。其结果是，如果涡轮增压器高于期望 转速，则节流阀具有控制权限；但是如果涡轮增压器低于期望转速，则节流阀可能没有达到 期望进气歧管压力的权限。因此，控制系统可以被构建为使得当低于目标值时使涡轮增压 器更迅速地接近期望转速而当高于目标值时更逐渐地接近期望转速。例如，如果涡轮增压 器低于期望转速，则控制系统可以被校准以增加涡轮增压器的加速度水平。在406处，该方法计算驱动发动机系统达到期望加速水平上的期望工况点所需的 涡轮功率。以此方式，可以确定用于形成期望涡轮增压器功率的轨线。现在转到图5，其中描述的方法500用于确定涡轮增压器功率和加速度控制的反 馈调整，其可以用作方法300 (在310处)的一部分来计算最终废气门指令。在502处，基于致动废气门控制以达到涡轮功率的模型(如前面在图3的314和 316中所阐述的)，该方法可以确定在基于320处的当前压缩机功率消耗的给定工况下多少 涡轮功率可以动态地获得。然后，在504处，假定系统模型没有误差(图3中318处)，该方 法计算期望的涡轮增压器加速度。在506处，计算期望的涡轮增压器加速度(来自图3中 318处)和推断的涡轮增压器加速度(来自312处)之间的差异(即图3中提供给310的 输入)。在508处，例如基于在506处计算的差异来计算涡轮增压器净功率。在510处，涡 轮增压器净功率误差被转换成废气门的反馈调整的致动误差(图3中310处)。例如，当涡 轮增压器压力和/或流量的误差(对应于涡轮增压器功率的误差)大于阈值时，发动机控 制器可以通过进一步调整废气门和/或调整可变几何形状涡轮的致动来暂时减慢节流阀 进口压力的下降。尽管图3-5描述了通过调整废气门(例如，采用废气门螺线管指令)来控制涡轮 增压器运行时，但应认识到控制器可以额外地或可选地调整涡轮增压器的可变几何形状涡 轮的致动。这可以包含例如当涡轮增压器包含可变叶片涡轮时调整叶片位置，以及当涡轮 增压器包含可变喷嘴涡轮时调整喷嘴位置。以此方式，可以构建对涡轮增压器和发动机气流的控制以使得节流阀调整和涡轮 增压器调整(例如，废气门动作)均彼此协调而不互相抵触。由于估计的涡轮功率产生包 含排气压力、流量和温度，这些参数的突然变化(例如由于换挡过程中的火花延迟)产生期 望的涡轮增压器加速并且不被认为是致动通过涡轮的质量流部分的误差。应注意本文包括的示例性流程可以用于不同的阀系统、发动机系统和/或车辆系 统配置。这些流程可以代表一个或多于一个任意数量的处理策略，例如事件驱动、中断驱 动、多任务、多线程等等。就此而言，各种动作、操作或功能可以以所示的顺序实施、并行实 施或者在一些情况下被省略。类似地，该处理的顺序并不是实现在此所述的示例性实施例 的特征和优点所必需的，只不过被提供以便于展示和说明。根据所使用的特别策略可以重复实施一个或多于一个所示的动作或者功能。此外，所述动作可以图表化地代表有待编程 到发动机控制系统中的计算机可读存储媒介内的代码。应注意到本文公开的配置和流程本质上是示例性的，并且这些特定的实施例不应 从限制意义上进行解读，因为多种变体是可能的。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置及其他特征、功能和/或特性的所 有新颖的和非显而易见的组合以及子组合。随附的权利要求特别指出了被认为是新颖的和 非显而易见的某些组合以及子组合。这些权利要求可能提到“一个”元件或“第一”元件或 者其等价物。这种权利要求应该被理解为包括一个或多于一个这种元件的结合，既不必需 也不排除两个或多于两个这种元件。所公开的这些特征、功能、元件和/或特性的其他组合 以及子组合可能通过当前权利要求的修改或者通过在本申请或相关申请中提出新权利要 求而要求保护。不管是否比原始权利要求的范围更宽、更窄、相等或者不同，这种权利要求 均被视为包括在本公开的主题内。
权利要求
一种控制涡轮增压发动机的方法，所述涡轮增压发动机具有节流阀和可调涡轮增压器，所述方法包括在增压的情况下移动所述节流阀；将对节流阀进口压力的影响分成对应于由所述节流阀的移动导致的扰动的第一部分和剩余的第二部分；以及基于所述第二部分而不是所述第一部分调整所述涡轮增压器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中调整所述涡轮增压器包括调整涡轮增压器废气 门、当所述涡轮增压器包含可变叶片涡轮时调整叶片位置以及当所述涡轮增压器包含可变 喷嘴涡轮时调整喷嘴位置三者至少之一。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述节流阀位于所述发动机的进气口中的涡轮增 压器的下游，并且其中移动所述节流阀包括将所述节流阀从全开节流阀位置移开。
4.根据权利要求3所述的方法，其中移动所述节流阀包括暂时减小所述节流阀的开口 以暂时减小发动机气流，同时通过维持废气门位置来维持增压压力。
5.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括在增压的情况下，暂时打开在所述涡轮增压器的压缩机周围的压缩机旁路；将对所述节流阀进口压力的影响分成对应于由所述压缩机旁路的打开导致的扰动的 第三部分和剩余的第四部分；并且基于所述第四部分而不是所述第三部分进一步调整所述涡轮增压器。
6.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括，在增压的情况下，在所述发动机内执行 至少包括汽油的燃料的化学计量燃烧。
7.根据权利要求6所述的方法，其中将影响分开包括将节流阀进口压力传感器数据、 节流阀位置传感器数据以及测得的流量数据变换成发送到所述废气门的废气门指令信号。
8.根据权利要求1所述的方法，其中响应于由一次或多于一次换挡或超速情况所产生 的暂时扭矩减小请求而移动所述节流阀。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括基于涡轮增压器转速的期望轨线调整所 述涡轮增压器。
10.一种控制具有节流阀和废气门的涡轮增压发动机的方法，该方法包括在增压的情况下调整所述节流阀，并响应于期望的涡轮增压器功率、实际的涡轮增压器功率轨线以及包括涡轮增压器加速 度的转速轨线调整所述废气门。
全文摘要
本发明提供用于控制具有节流阀和涡轮增压器的涡轮增压发动机的方法。一种示例性方法包括，在增压的情况下移动节流阀，将对节流阀进口压力的影响分成对应于节流阀移动导致的扰动的第一部分和剩余的第二部分。该方法还包括基于第二部分而不是第一部分调整涡轮增压器。
文档编号F02D23/02GK101994594SQ201010260929
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月23日 优先权日2009年8月24日
发明者D-S·陈, J·A·多尔因, J·E·罗林杰 申请人:福特环球技术公司