控制排氣再循環系統、空氣節流系統和充氣系統的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及內燃發動機的控制。
【背景技術】
[0002] 在該部分中的陳述只是提供關于本發明的背景信息。因此，這些陳述并非意在構 成對現有技術的承認。
[0003] 發動機控制包括基于期望發動機輸出來控制發動機運轉中的參數，包括發動機速 度和發動機載荷以及所產生的運轉，例如包括發動機排放。由發動機控制方法所控制的參 數包括空氣流量、燃料流量、以及進氣閥和排氣閥設定。
[0004] 可以將增壓空氣提供至發動機，以相對于自然吸氣進氣系統向發動機提供增大 的空氣流量從而提高發動機的輸出。渦輪增壓器利用發動機的排氣系統中的壓力來驅動 壓縮機，從而向發動機提供增壓空氣。示例性的渦輪增壓器可以包括可變幾何渦輪增壓器 (VGT)，使得能夠調節對于排氣系統中的給定條件所提供的增壓空氣。機械式增壓器利用來 自發動機的例如如由附件帶提供的機械功率來驅動壓縮機，從而向發動機提供增壓空氣。 發動機控制方法控制增壓空氣，以便于控制在發動機內所產生的燃燒以及所產生的發動機 輸出。
[0005] 排氣再循環（EGR)是可以由發動機控制所控制的另一參數。在發動機排氣系統內 的排氣流耗盡了氧氣并且基本上是惰性氣體。當與燃料和空氣的燃燒充量結合被引入或者 保留在燃燒腔室內時，排氣減緩了燃燒，從而減少了輸出并且降低了絕熱火焰溫度。也可以 在先進燃燒策略中與其他參數組合來控制EGR，例如包括均質充量壓燃式（HCCI)燃燒。也 可以控制EGR以改變所產生的排氣流的屬性。發動機控制方法控制EGR以便于控制在發動 機內所產生的燃燒以及所產生的發動機輸出。
[0006] 用于發動機的空氣調節系統管理進入空氣和EGR至發動機中的流量。必須裝備空 氣調節系統以滿足充入空氣成分目標(例如EGR比例目標）從而實現排放目標，并且滿足總 空氣可用目標(例如充氣流質量流量)從而實現期望的功率和扭矩目標。最強地影響EGR流 量的致動器通常影響充氣流量，并且最強地影響充氣流量的致動器通常影響EGR流量。因 此，具有現代空氣調節系統的發動機展示了具有聯接的輸入-輸出響應回路的多輸入多輸 出（Mnro)系統。
[0007] 聯接了輸入即輸入-輸出響應回路相互影響的Mnro系統呈現了本領域中的公知 挑戰。發動機空氣調節系統呈現了進一步的挑戰。發動機在大范圍的參數上運轉，包括可 變的發動機速度、可變的扭矩輸出、以及可變的加油和正時安排。在許多情況下，對于系統 的精確轉移功能是不可用的和/或對于標準解耦計算所需的計算能力是不可用的。

【發明內容】

[0008] -種發動機包括排氣再循環系統、空氣節流系統以及充氣系統。一種用于控制發 動機的方法包括：對于排氣再循環系統、空氣節流系統和空氣充氣系統的每一個監測期望 操作目標命令；監測空氣充氣系統的操作參數；以及基于各個期望操作目標命令和空氣充 氣系統的操作參數而對于排氣再循環系統、空氣節流系統和空氣充氣系統的每一個確定反 饋控制信號。基于用于排氣再循環系統、空氣節流系統和空氣充氣系統的每一個的各個反 饋控制信號來確定排氣再循環系統中的排氣再循環流量、空氣節流系統中的空氣流量以及 空氣充氣系統中的渦輪功率參數。基于各個排氣再循環流量、空氣流量和渦輪功率參數而 對于排氣再循環系統、空氣節流系統和空氣充氣系統的每一個確定系統控制命令。基于用 于排氣再循環系統、空氣節流系統和空氣充氣系統的每一個的系統控制命令來控制空氣充 氣系統。
[0009] 1. -種用于控制內燃發動機中的排氣再循環系統、空氣節流系統和空氣充氣系統 的方法，該方法包括： 監測用于所述排氣再循環系統、所述空氣節流系統和所述空氣充氣系統的每一個的期 望操作目標命令； 監測所述空氣充氣系統的操作參數； 基于各個期望操作目標命令和空氣充氣系統的操作參數，來確定用于所述排氣再循環 系統、所述空氣節流系統和所述空氣充氣系統的每一個的反饋控制信號； 基于用于所述排氣再循環系統、所述空氣節流系統和所述空氣充氣系統的每一個的各 個反饋控制信號，來確定所述排氣再循環系統中的排氣再循環流量、所述空氣節流系統中 的空氣流量以及所述空氣充氣系統中的渦輪功率參數； 基于各個排氣再循環流量、空氣流量和渦輪功率參數，來確定用于所述排氣再循環系 統、所述空氣節流系統和所述空氣充氣系統的每一個的系統控制命令；以及 基于用于所述排氣再循環系統、所述空氣節流系統和所述空氣充氣系統的每一個的系 統控制命令，來控制所述空氣充氣系統。
[0010] 2.根據方案1所述的方法，其中，所述期望操作目標命令包括期望進氣歧管壓力 命令、期望壓縮機增壓比命令以及期望已燃廢氣比例命令。
[0011] 3.根據方案1所述的方法，其中，所述期望操作目標命令包括期望進氣歧管壓力 命令、期望壓縮機增壓比命令以及期望氧氣比例命令。
[0012] 4.根據方案1所述的方法，其中，所述空氣充氣系統的操作參數包括進氣歧管壓 力、進氣歧管溫度、外界壓力和外界溫度。
[0013] 5.根據方案1所述的方法，其中，基于各個期望操作目標命令和所述空氣充氣系 統的操作參數來確定用于所述排氣再循環系統、所述空氣節流系統和所述空氣充氣系統的 每一個的反饋控制信號包括使用比例積分微分反饋控制。
[0014] 6.根據方案1所述的方法，其中，基于各個期望操作目標命令和所述空氣充氣系 統的操作參數來確定用于所述排氣再循環系統、所述空氣節流系統和所述空氣充氣系統的 每一個的反饋控制信號包括使用線性二次調節器反饋控制。
[0015] 7.根據方案1所述的方法，其中，基于各個期望操作目標命令和所述空氣充氣系 統的操作參數來確定用于所述排氣再循環系統、所述空氣節流系統和所述空氣充氣系統的 每一個的反饋控制信號包括使用模型預測反饋控制。
[0016] 8.根據方案1所述的方法，其中，基于用于所述排氣再循環系統、所述空氣節流系 統和所述空氣充氣系統的每一個的各個反饋控制命令來確定所述排氣再循環系統中的排 氣再循環流量、所述空氣節流系統中的空氣流量和所述空氣充氣系統中的渦輪功率進一步 基于監測到的所述空氣充氣系統的操作參數。
[0017] 9.根據方案1所述的方法，還包括基于用于所述排氣再循環系統、所述空氣節流 系統和所述空氣充氣系統的每一個的各個期望操作目標命令來確定用于所述排氣再循環 系統、所述空氣節流系統和所述空氣充氣系統的每一個的前饋控制命令。
[0018] 10.根據方案9所述的方法，其中基于用于所述排氣再循環系統、所述空氣節流系 統和所述空氣充氣系統的每一個的各個反饋控制命令來確定所述排氣再循環系統中的排 氣再循環流量、所述空氣節流系統中的空氣流量和所述空氣充氣系統中的渦輪功率進一步 基于用于所述排氣再循環系統、所述空氣節流系統和所述空氣充氣系統的每一個的各個前 饋控制命令。
[0019] 11.根據方案1所述的方法，其中，基于各個排氣再循環流量、空氣流量和渦輪功 率參數確定用于所述排氣再循環系統、所述空氣節流系統和所述空氣充氣系統的每一個的 系統控制命令包括采用每個各個系統的逆向模型。
[0020] 12. -種用于控制內燃發動機中的排氣再循環系統、空氣節流系統和空氣充氣系 統的方法，該方法包括： 提供內燃發動機的基于物理的空氣和充氣系統模型； 對所述內燃發動機的基于物理的空氣和充氣系統模型施加基于模型的非線性控制； 對所述基于物理的空氣和充氣系統模型施加反饋控制； 將用于所述空氣和充氣系統模型的期望空氣和充氣目標轉換為用于EGR致動器、ITV 致動器和VGT致動器的每一個的單個流量或功率信號；以及 基于各自的單個流量或功率信號來確定用于所述EGR致動器、ITV致動器和VGT致動 器的每一個的致動器位置。
[0021] 13.根據方案12所述的方法，其中，對所述內燃發動機的基于物理的空氣和充氣 系統模型施加基于模型的非線性控制包括對所述基于物理的空氣和充氣系統模型施加基 于物理模型的多變量前饋控制。
[0022] 14.根據方案12所述的方法，其中，對所述內燃發動機的基于物理的空氣和充氣 系統模型施加基于模型的非線性控制包括對所述基于物理的空氣和充氣系統模型施加狀 態反饋線性化控制。
[0023] 15.根據方案12所述的方法，其中，對所述基于物理的空氣和充氣系統模型施加 反饋控制包括使用比例積分微分反饋控制。
[0024] 16.根據方案12所述的方法，其中，對所述基于物理的空氣和充氣系統模型施加 反饋控制包括使用模型預測反饋控制。
[0025] 17.根據方案12所述的方法，其中，對所述基于物理的空氣和充氣系統模型施加 反饋控制包括使用線性二次調節器反饋控制。
[0026] 18.根據方案12所述的方法，所述內燃發動機的基于物理的空氣和充氣系統模型 包括根據以下關系式的系統模型： y ^ f(y) + g-u 其中u由以下關系式描述：
[0027] 19.根據方案18所述的方法，其中，所述系統模型由以下系統關系式表示：

其中Pra是表示為P。>/^的壓縮機增壓比，其中P ^ds是壓縮機下游壓力并且P a是外界 壓力， c是基于壓縮機增壓比和渦輪速度的平方之間的關系而確定的常數， P。是由壓縮機提供的功率，
是由外界溫度（Ta)和外界壓力（pa)校正后的空氣節流閥流量（W ltv)，
丨是將渦輪連接至壓縮機的渦輪軸的慣性效應， Pt是渦輪功率， P1是進氣歧管處的發動機進氣壓力， R是通用氣體常數， Tini是進氣歧管溫度， V1是進氣歧管體積， Wltv是空氣節流閥流量， Weff是通過EGR系統的流量， '^^是發動機氣缸中的總充氣量， F1是進氣歧管中的已燃廢氣比例， ^是排氣歧管中的已燃廢氣比例，以及 !!^是進氣歧管中的質量。
[0028] 20.根據方案18所述的方法，其中，所述系統模型由以下系統關系式表示：
其中I^ds是壓縮機下游壓力， c是基于壓縮機增壓比和渦輪速度的平方之間的關系而確定的常數， Lds是壓縮機下游溫度， Tcus是壓縮機上游溫度， W。是流出壓縮機的流量， Vint是進氣歧管的體積， Rt是渦輪功率變換率， R。是壓縮機功率增長比例， P1是進氣歧管處的發動機進氣壓力， R是通用氣體常數， Tini是進氣歧管溫度， V1是進氣歧管體積， Wltv是空氣節流閥流量， Weff是通過EGR系統的流量， '^^是發動機氣缸中的總充氣量， F1是進氣歧管中的已燃廢氣比例， ^是排氣