通过调节涡轮增压器旁通阀和可变几何涡轮机对气道压力极限的基于模型的控制

具体实施方式

现在参见附图，所提供的附图仅用于对示例性实施例进行说明之目的，而并不用于对该示例性实施例进行限制之目的，图1根据本发明的一个实施例，示出了燃烧发动机70以及与其操作相关联的附件的示意图。燃烧发动机可以是火花点燃式发动机或者压燃式发动机，并且在优选实施例中是活塞驱动的。在图1中，示出了进气管道3，环境空气通过进气管道3经过其路径到达一个或多个发动机汽缸。还存在废气管道5，来自燃烧发动机70的废气在燃烧发动机70的正常操作期间通过废气管道5被排出。在一些实施例中，提供了第一压缩机7，以便压缩进气来提高其密度，从而在送给发动机的空气中提供更高的氧气浓度。正如涡轮增压领域中已知的那样，第一压缩机7可由第一涡轮机9轴驱动，第一涡轮机9可以是布置在废气管道中的可变几何涡轮机(VGT)。当第一涡轮机9是可变几何涡轮机时，具有与第一涡轮机9处于有效地感测接触中的VGT几何传感器27，以便提供关于VGT几何的实时信息。还具有旁通阀25，使位置传感器43布置成处于有效邻近处以便感测旁通阀25的位置。在一个实施例中，借助于布置在管道21中的可选择性致动的阀13来实现废气再循环(EGR)，管道21设置在进气管道3和废气管道5之间。在这样的实施例中，优选设置冷却器15以在再循环废气与穿过进气管道3进入的空气混合之前降低再循环废气的温度，并且降低EGR阀位置传感器29的温度。当提供有压缩空气冷却器11时，压缩空气冷却器11优选设置在第一压缩机7的高压侧，以便耗散由进气压缩而产生的热量的一部分。在优选实施例中，还额外提供了后处理系统10，后处理系统10布置在发动机70的废气歧管和在废气管道5上将废气释放到大气的位置点之间。在一些实施例中，提供了Δp传感器23用于提供后处理系统之前和之后的废气的压力差。在一个实施例中，后处理系统10包括氧化还原催化器以及颗粒过滤器。

本领域技术人员将意识到，尽管上述各种部件都是以示意图来描述的，但所述元件中的许多种(包括，进气管道和废气管道)均可由整体铸造件来提供，例如，包括一个或多个这种部件的进气歧管和废气歧管，这样的构造一定程度上是本领域中众所周知的。在一个实施例中，发动机70是压燃式发动机，其使用柴油馏分、油或例如为“生物柴油”的酯作为燃料来进行操作。在另一个实施例中，发动机70是火花点燃式发动机，其使用汽油、乙醇、及它们的混合物、或者其他通常为液体的碳氢化合物和含氧物(oxygenates)作为燃料来进行操作。

发动机70的操作可通过提供传感器17和传感器19来得到有益的控制，传感器17和传感器19沿图1中所示的进气管道3位于所描绘的大致位置处。适合作为传感器17的传感器包括但不限于像进气压力和温度传感器这样的传感器，其对于测量进气歧管的温度和压力很有用。适合作为传感器19的传感器包括但不限于像质量空气流率传感器、环境空气温度传感器和环境空气压力传感器这样的传感器。在优选实施例中，存在的各种传感器向至少一个控制模块提供输入，该至少一个控制模块操作性地连接到对控制燃烧和发动机操作有用的各种装置，这些输入包括但不限于压缩机增压压力、废气再循环、废气压力、涡轮增压器(如果存在的话)的展弦比(aspect ratio)，以及在某些情况下的阀正时。

在燃烧发动机70(包括其关于图1所示出和描述那样的附件)的一种操作模式期间，各种传感器17、19、23、27、29均具有输出，这些输出作为输入提供给至少一个控制模块。这使得能够对旁通阀25的操作和位置以及涡轮机9的有效展弦比进行控制。根据本发明的一个实施例，使用了基于模型的方法通过调节旁通阀25的位置和可变几何涡轮机的几何来有效地控制压缩机7的增压压力。在一个实施例中，所提供的模型利用增压压力反馈和预先选择的增压极限作为输入和约束，旁通阀25的位置和涡轮机的几何被指令化为从控制模块的输出。如下所示将，增压极限定义为发动机每分钟转数和负载的函数是有帮助的。

${\bar{P}}_{\mathrm{im}}=f(\mathrm{rpm},\mathrm{load})---\left(1\right)$

上式中“rpm”是每分钟转速，“load”是负载。总质量流量、经过涡轮机的流量和经过旁通阀的流量分别表示为和当旁通阀25关闭时，涡轮机流量分数(flow fraction)被定义为穿过可变几何涡轮机的质量流量与穿过压缩机的新鲜空气的质量流量的比，且f的估计值可由下式表示：

$f=\frac{{\stackrel{·}{m}}_t}{{\stackrel{·}{m}}_a}=\frac{T_{\mathrm{am}}({({\bar{P}}_{\mathrm{im}}/P_{\mathrm{am}})}^{\frac{r-1}{r}}-1)}{{\eta }_m{\eta }_c{\eta }_t{T}_{\mathrm{ex}}(1-{(P_s/P_{\mathrm{ex}})}^{\frac{r-1}{r}})}---\left(2\right)$

其中，T_am表示环境温度，P_am表示环境压力，r是比热比，η_m是涡轮增压器机械效率，η_c是压缩机等熵效率，η_t是涡轮机等熵效率，T_ex是废气歧管温度，P_ex是废气歧管压力，涡轮机出口压力P_s由P_s＝P_am+ΔP给出，其中ΔP是传感器23提供的压力差。因此，基于每分钟转数和负载，总的涡轮增压器效率是可调的，如下所示：

η＝η_mη_cη_t＝f(rpm，load)

如果将A_b和A_v分别定义为旁通阀和可变几何涡轮机叶片等效作用面积，则对于给定的增压压力极限，能够提供期望的涡轮机流量分数f的估计值，前馈旁通阀的位置将由下式给出：

$A_b=\frac{1-f+{\stackrel{·}{m}}_f/{\stackrel{·}{m}}_a}{f}{A}_v---\left(3\right)$

图2中以方块图形式示出了基于前述的旁通阀控制系统，该控制系统示出了旁通阀的位置信息和在确定旁通阀位置中用作输入的可变几何涡轮机的几何(位置)，并且利用增压极限和增压压力反馈作为输入。以类似方式，对于作为输入的给定的旁通阀位置，可通过重新整理等式(3)以得到下式从而确定VGT位置：

$A_v=\frac{f}{1-f+{\stackrel{·}{m}}_f/{\stackrel{·}{m}}_a}{A}_b$

利用上述等式(1)、(2)和(3)，图3图示出了关于前述说明的系统的使用结果。在一个使用计算机控制的模拟器的示例中，装备有涡轮增压器的发动机系统以每分钟2000转和370牛米的扭矩操作。在时间等于20秒时，扭矩被要求提高到520牛米，导致增压压力由于所提出的负载变化而从214400帕增加到239400帕。图3以曲线来进行表示，图示出了三种情况下的增压压力中的变异：在其中一条曲线中，保持VGT展弦比固定，仅施加反馈以控制旁通阀；在另一条曲线中，保持VGT展弦比固定，提供根据本发明的反馈控制和前馈控制；在第三条曲线中，存在对旁通阀和VGT展弦比这两者的协调控制。利用本文提供的系统，使得即使在如上所述的指令的扭矩要求下也能够通过对可变几何涡轮机的几何和旁通阀两者控制的相随协调从而将增压压力限制到选定水平，例如214400帕，使得在负载转变期间，极大地减少了增压极限控制波动，从而提高了系统性能。在一个实施例中，当发动机速度和负载下降到低于预定校准极限时，可任选地禁止该控制方案。尽管等式(2)提供了旁通涡轮机流量分数f的估计值，但应当理解的是根据本发明，等式(2)仅仅是许多可能的有用流量分数中的一个。例如，另一个对提供旁通涡轮机流量分数f的估计值有用的等式如下：

$f=f({\bar{P}}_{\mathrm{im}}/{\stackrel{·}{P}}_{\mathrm{am}},\mathrm{\Delta r}.p.m.,\mathrm{\Delta fueling})$

其中，Δr.p.m.是发动机每分钟转数从边界条件(其中启用了极限控制)的增加量，Δfueling是在边界(其中启用了极限控制)处供给到发动机的燃料速率的变化。

图4根据本发明的其他实施例，示出了燃烧发动机70以及与其操作相关联的附件的示意图。在图4中示出的发动机70和附件包括关于图1所示和描述的那些，并且进一步包括优选由第二涡轮机33驱动的第二压缩机31，以提供两级涡轮机系统。在图4所示的这种实施例中，由于压缩机31的操作，导致用于第一压缩机7的进气的压力比用于图1所示第一压缩机7的进气的压力更高；因此，该实施例中的压缩机7可称为高压压缩机，而压缩机31作为低压压缩机。同样，用于第二涡轮机33的进气的压力比用于第一涡轮机9的进气的压力更低，所以涡轮机33可称为低压涡轮机，而涡轮机9可称为高压涡轮机。图4还示出了高压压缩机入口压力传感器35，废气温度传感器37、废气压力传感器39和第一涡轮机输出压力传感器41，此处所提及的所有传感器均可包括本领域已知的常规传感器。

根据本发明的另一个实施例，在装备有涡轮增压器的发动机中对于给定的VGT几何或者阀有效面积，使用基于模型的方法来提供对于有效地控制废气压力极限而言的有用的旁通阀位置，并且旁通阀25的位置和涡轮机的几何被指令化为从控制模块的输出。将废气压力极限定义为如下形式是有帮助的：

${\bar{P}}_{\mathrm{ex}}=f(\mathrm{rpm},\mathrm{load})---\left(4\right)$

并且，总废气质量流量、经过涡轮机的流量和经过旁通阀的流量分别为和当旁通阀25关闭时，则当旁通阀25打开时：

${\stackrel{·}{m}}_b=A_b\frac{P_{\mathrm{ex}}}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{ex}}}}f\left(\frac{P_{\mathrm{HTo}}}{P_{\mathrm{ex}}}\right)---\left(5\right)$

${\stackrel{·}{m}}_t=A_v\frac{P_{\mathrm{ex}}}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{ex}}}}f\left(\frac{P_{\mathrm{HTo}}}{P_{\mathrm{ex}}}\right)---\left(6\right)$

其中是高压涡轮机9(图4)的出口压力，R是特定气体常数(specificgas constant)。结合等式(5)和(6)得到下式：

${\stackrel{·}{m}}_e={\stackrel{·}{m}}_b+{\stackrel{·}{m}}_t=(A_b+A_v)\frac{P_{\mathrm{ex}}}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{ex}}}}f\left(\frac{P_{\mathrm{HTo}}}{P_{\mathrm{ex}}}\right)---\left(7\right)$

流量的比值与阀有效面积的比值成比例：

$\frac{{\stackrel{·}{m}}_b}{{\stackrel{·}{m}}_t}=\frac{A_b}{A_v}---\left(8\right)$

其中，A_b和A_v如前面所定义的那样。对于给定的废气压力极限，废气流量如下式所示：

${\stackrel{·}{m}}_e=\frac{1}{\mathrm{\tau s}+1}{\stackrel{·}{m}}_a+\stackrel{·}{f}---\left(9\right)$废气流量等于燃料流量加上通过压缩机的新鲜空气充量的延迟形式(delayed version)，τs是表示该延迟的因子，是燃料流量的速率，则对于给定的废气压力极限，总的阀有效面积由下式给出：

$(A_b+A_v)=\frac{{\stackrel{·}{m}}_e}{\frac{{\bar{P}}_{\mathrm{ex}}}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{ex}}}}f\left(\frac{P_{\mathrm{HTo}}}{{\bar{P}}_{\mathrm{ex}}}\right)}---\left(10\right)$

而且，对于给定的VGT几何或者阀有效面积，为了控制废气压力极限，期望的旁通阀位置由下式来估计：

$A_b=\frac{{\stackrel{·}{m}}_e}{\frac{{\bar{P}}_{\mathrm{ex}}}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{ex}}}}f\left(\frac{P_{\mathrm{HTo}}}{{\bar{P}}_{\mathrm{ex}}}\right)}-{\mathrm{cA}}_v---\left(11\right)$

其中提供了附加的校准参数“c”作为乘数，其可用于进一步的前馈调整。对于给定的作为输入的旁通阀位置，VGT位置可由等式(11)的关系确定。

图5中以方块图的形式示出了基于前述的对于实施旁通阀控制系统有用的一种方案，该方案与图2所示的类似，除了将废气压力极限和废气压力反馈作为输入提供给系统之外，关于旁通阀的位置信息以及关于可变几何涡轮机的几何的位置信息被作为指令输出。可变几何涡轮机的位置信息在确定旁通阀位置中被用作输入，并且还利用废气压力和废气压力反馈作为输入。

利用上面的等式(9)和(11)，图6图示出了关于前述关于废气压力极限所描述的系统的使用结果，该系统可被认为是前馈控制方案。在一个使用计算机控制的模拟器的示例中，装备有两级涡轮增压器的发动机系统以每分钟2000转和370牛米的扭矩操作。在时间等于20秒时，扭矩被要求提高到520牛米，导致增压压力由于所提出的负载变化而从214400帕增加到239400帕。图6图示出了废气压力-时间曲线，该曲线通过对装备有涡轮增压器的发动机中的废气压力使用各种可能的控制方案而得到，包括例如：仅使用旁通阀的PI控制；以及在一条曲线中，使用了旁通阀的前馈和反馈控制。图7图示出了废气压力-时间曲线，其通过对旁通阀和可变几何涡轮增压器的几何使用前馈和反馈协调控制而得到。

本文提供的系统使得即使在如上所述的指令的扭矩要求下也能够使用对可变几何涡轮机的几何和旁通阀控制这两者的相随协调将废气压力限制在选定水平，例如281,800帕，使得在负载转变期间，极大地减少了增压极限控制波动，从而提高了系统性能。在任选实施例中，当发动机速度和负载下降到由车辆工程师或其他人员选定的任何特定极限以下时，可禁止该控制方案。

这样，本发明提供了协调的控制方案，以同时调整旁通阀位置和VGT位置，以便限制增压压力或废气压力。旁通阀通常用在高负载/速度条件时以防止过度增压。因此，尽管该控制系统可在全部时间内开启，但是其也可在高速度/负载操作之前不主动控制旁通阀。由于旁通流量使废气流量的一部分被分流(否则这些部分将经过涡轮机)，所以流量分数被描述，以便相对其它致动器来协调一个致动器，也就是旁通阀位置和VGT位置。增压压力和废气压力的限制控制架构可应用于单级和两级系统，一个区别之处在于一些中间压力的测量对于例如采用两级设置而言是必需的。尽管本发明描述了直接传感器测量的使用，但本领域普通技术人员阅读本说明书后将意识到也可使用虚拟传感器。

本发明描述了某些优选实施例和对它们的改进。但那些在阅读和理解了说明书之后的其他人也可想到进一步的改进和变形。因此，应意识到本发明并不局限于设想为实施本发明的最佳模式而公开的一个或多个特定实施例，而是，本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。