基于模型的涡轮增压机控制
专利汇可以提供基于模型的涡轮增压机控制专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且当高压 压缩机 级在压缩机性能上定义的在最佳性能线一侧上的高效运行区域内运行时，所述最佳性能线与阻气限制线间隔开但大致与其平行，用高压 涡轮 机级的 叶片 的闭环控制来控制涡轮 增压 机，同时围绕高压 涡轮机 级的旁路保持关闭。当 高压压缩机 级在最佳性能线和阻气限制线之间的区域内运行时，随着高压压缩机级运行而逐渐地接近阻气限制线，高压涡轮机级的叶片逐渐打开。当叶片已经最大地打开而高压压缩机级已经变得不能提供足够的增压时，打开高压涡轮机旁路以开始引导废气流入运行低压压缩机级的低压涡轮机，由此避免高压压缩机级阻塞充入的空气流。，下面是基于模型的涡轮增压机控制专利的具体信息内容。
1.一种用来控制涡轮增压发动机内的两级涡轮增压机的方法，包括：
当发动机运行而致使所述涡轮增压机的高压压缩机级在压缩机性能上定义 的在最佳性能线一侧上的高效运行区域内运行时，所述最佳性能线与用于高压 压缩机级的阻气限制线间隔开但大致与其平行，通过所述涡轮增压机的高压涡 轮机级的叶片的闭环控制来控制所述涡轮增压机，所述高压涡轮机级运行所述 高压压缩机级，同时围绕所述高压涡轮机级的旁路保持关闭；
当所述发动机运行而致使所述高压压缩机级在图上所述最佳性能线和所述 阻气限制线之间的区域内运行时，随着发动机运行而致使所述高压压缩机级的 运行逐渐地接近所述阻气限制线，增加所述高压涡轮机级的叶片的打开；
以及当所述叶片已经基本上最大地打开而所述高压压缩机级变得其自身不 能提供足够的增压时，打开所述高压涡轮机旁路以开始引导废气流入低压涡轮 机，所述低压涡轮机运行所述涡轮增压机的低压压缩机级由此避免所述高压压 缩机级阻塞充入的空气流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述发动机运行而致使所述 高压压缩机级的运行逐渐地接近所述阻气限制线时，增加所述高压涡轮机级的 所述叶片的打开的所述步骤包括：对控制所述叶片位置的致动器施加斜坡功 能。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，打开所述高压涡轮机旁路以开 始引导废气流入低压涡轮机，所述低压涡轮机运行所述涡轮增压机的低压压缩 机级，且由此避免所述高压压缩机级阻塞充入的空气流的所述步骤包括：首先 最大地打开所述旁路以使所述低压涡轮机级进行最大的加速，且一旦所述低压 压缩机级达到足够的速度以提供所要求的大于所述高压压缩机可提供的增压， 则只要所述高压压缩机自身仍然不能提供所要求的增压，就调制所述旁路以控 制增压。
4.一种发动机包括：
两级涡轮增压机；
以及控制系统，所述控制系统包括用于涡轮增压机控制的策略：
a)当发动机运行而致使所述涡轮增压机的高压压缩机级在压缩机性 能上定义的在最佳性能线一侧上的高效运行区域内运行时，所述最佳性能线与 用于高压压缩机级的阻气限制线间隔开但大致与其平行，通过所述涡轮增压机 的高压涡轮机级的叶片的闭环控制来控制所述涡轮增压机，所述高压涡轮机级 运行所述高压压缩机级，同时围绕所述高压涡轮机级的旁路保持关闭；
b)当所述发动机运行而致使所述高压压缩机级在图上所述最佳性能 线和所述阻气限制线之间的区域内运行时，则随着发动机运行而致使所述高压 压缩机级的运行逐渐地接近所述阻气限制线时，增加所述高压涡轮机级的叶片 的打开，以及；
c)当所述叶片基本上达到最大打开而所述高压压缩机级变得其自身 不能提供足够的增压时，打开所述高压涡轮机旁路以开始引导废气流入运行所 述涡轮增压机的低压压缩机级的低压涡轮机，由此避免所述高压压缩机级阻塞 充入的空气流。
5.如权利要求4所述的发动机，其特征在于，当所述发动机运行而致使所 述高压压缩机级的运行逐渐地接近所述阻气限制线时，该策略通过对控制叶片 位置的致动器施加斜坡功能来增加所述加高压涡轮机级叶片的打开。
6.如权利要求4所述的发动机，其特征在于，所述策略通过下述方式来打 开所述高压涡轮机旁路以开始引导废气流入低压涡轮机，所述低压涡轮机运行 涡轮增压机的低压压缩机级，且由此避免所述高压压缩机级阻塞充入的空气 流：首先最大地打开所述旁路以使所述低压涡轮机级进行最大的加速，且一旦 所述低压压缩机级达到足够的速度以提供所要求的大于所述高压压缩机可提 供的增压，则只要所述高压压缩机仍然自身不能提供所需要的增压，就调制旁 路以控制增压。
技术领域
本发明涉及涡轮增压的内燃机，具体来说，涉及用于机动车柴油机的涡轮 增压机的控制方法。
背景技术
一种特殊类型的二级涡轮增压机的高压涡轮机具有叶片，该叶片的位置可 以使用一种控制方法用关联的致动器设定以控制增压和/或背压。具有这种叶 片的涡轮增压机有时称为几何可变的涡轮增压机，或简称为VGT。
从发动机性能和尾管排放的观点来看，精确地控制增压和/或背压的能力对 于涡轮增压的柴油机的控制策略是非常重要的。典型策略的实例处理各种数据 以形成用于增压的理想设定点的数据值。发动机运行中影响该设定点的多种变 化通常要求控制系统迅速且精确地响应以在理想的设定点内强制实际增压跟 从该变化。
人们已知使用旁通阀来旁通高压压缩机以及两级的VGT的涡轮级。在具 有两级涡轮增压机和与高压压缩机关联的旁通阀以及涡轮级的发动机的运行 范围的一部分内，旁通阀被关闭。控制高压涡轮机级的叶片位置的致动器受涡 轮增压机控制策略的控制以设定叶片的位置，以使当用于涡轮增压机控制的控 制策略使用如受控的参数那样的增压时，涡轮增压机提供对应于由发动机控制 系统计算得出的设定点的增压。较佳的策略利用叶片位置的闭环控制来确保增 压与设定点的最佳响应。
两级涡轮增压机的高压压缩机级的运行特征可以由波动线、速度限制线和 阻气限制线在压缩机特性图上定义。该图的水平轴线代表质量流量，其最好对 空气流入增压机处的压力和温度进行修正。垂直轴线代表横贯高压级的压力 比。该图上大致由波动线、速度限制线和阻气线界围的区域定义了高压压缩机 级的高效运行区域。
阻气限制线从第二区域划出了高效运行区域，在该第二区域内，效率是认 为第二区域效率低下的程度。当发动机的运行方式使得高压压缩机级的运行从 有效区域内接近阻气限制线时，涡轮增压机的控制策略应该设法避免压缩机效 率的初始损失。
已知的策略是这样做的：打开与高压涡轮机级平行的旁通阀，致使废气旁 通高压涡轮机级，并运行低压涡轮机级，然后低压涡轮机级运行低压压缩机级。 假定与高压压缩机级平行的旁通阀是通常关闭的止回阀型，那么，实现低压级 涡轮机对低压压缩机级的运行会强制止回阀打开，这样，排出的空气现在围绕 高压压缩机级流过止回阀。
已知通过开环、或前馈、诸如使用包含代表与空气质量流相关的不同旁通 阀的打开的数据的图的策略来控制旁通阀打开的程度。该图通常由发动机校正 器提供。一旦高压压缩机级的旁通阀打开，闭环的叶片控制策略失效，涡轮增 压机的控制策略变成基本上闭环或前馈的控制之一。
当涡轮增压机的运行以将导致关闭的旁路打开的方式变化时(换句话说， 涡轮增压机的压缩机在高效运行区域内，但基本上在阻气限制线处运行)，已 知的前馈的控制策略将开始打开围绕高压涡轮机的关闭的旁路。在该过渡过程 中，由于各种因素可以发生各种互相作用，而且它们可以是不可预见的。如果 实际上不可能的话，则当涡轮增压机从叶片的闭环过渡到旁路的开环控制时， 通过修改用于叶片和旁路的相应控制策略来满意地协调它们是很困难的。叶片 控制指令和旁路控制指令在该过渡区域内会不时地会不相容或矛盾，例如，一 个控制策略指令与另一控制策略指令的动作是反作用的动作。因此，阻气限制 线处的涡轮机叶片控制和旁路控制之间的过渡一般地小于总体无缝的。
避免涡轮增压机叶片和旁路对输入到涡轮机叶片控制和旁路控制之间的过 渡区域内对应致动器的指令信号的响应两者的矛盾，可使得过渡更加光滑，而 且这可看作对涡轮增压机控制策略的理想的改进。
发明内容
简要地说，本发明考虑通过在高效运行区域内定义与阻气限制线间隔开并 大致与其平行的线而建立涡轮增压机的模型。为方便起见，将该定义的线称为 最佳效率线。当发动机运行造成涡轮增压机运行而进入介于最佳效率线和阻气 限制线之间的高效运行区域的部分时，开始以特殊的方式控制高压压缩机叶 片，该方式是最佳效率线和阻气限制线的函数。该控制模式通常提供从叶片控 制到旁路控制的更加光滑的过渡，反之亦然，一般地还避免高压压缩机的阻塞。
当压缩机运行进入最佳效率线和阻气限制线之间的区域时，本发明的策略 使用通过分析和/或发动机在各种工况下的实际运转而形成的模型。
在发动机控制系统中并基于横贯压缩机的压力比和空气质量流量之间的 关系实施该模型，空气质量流量最好对于进入压缩机的压力和温度进行修正。 当压缩机运行跨过最佳效率线并接近阻气限制线时，则随着压缩机运行逐渐地 接近阻气限制线，该模型一般地要求逐渐地打开叶片。当叶片已经最大程度地 打开但压缩机的阻塞即将来临时，打开旁路以使低压级变得有效，由此避免高 压压缩机的阻塞。
可在发动机控制策略中实施本发明的原理，而不必包括附加的机械装置， 使得本发明策略的实现变得经济有效。除了改进发动机的特性，本发明还可对 尾管排放有有利的作用，以符合适用的法律和规定。
本发明的一个总的方面涉及一种控制涡轮增压发动机中两级涡轮增压机 的方法。
当发动机运行而致使高压压缩机级在在压缩机性能上定义的最佳性能线 一侧的高效运行区域内运行时，所述最佳性能线与高压压缩机级的阻气限制线 间隔开但大致与其平行，用运行高压压缩机级的高压涡轮机级叶片的闭环控制 来控制涡轮增压机，同时围绕高压涡轮机级的旁路保持关闭。
当发动机运行而致使高压压缩机级在图上最佳性能线和阻气限制线之间 的区域内运行时，则随着发动机运行而致使高压压缩机级运行以逐渐地接近阻 气限制线，高压涡轮机级的叶片不断地打开。
当叶片基本上达到最大打开而高压压缩机级变得由其自身不能提供足够 的增压时，高压涡轮机的旁路打开而开始引导废气流到运行低压压缩机级的低 压涡轮机，由此，避免高压压缩机级的充入空气流的阻塞。
本发明还涉及一种实施上述方法的发动机。
附图说明
图1是具有两级涡轮增压机的机动车辆发动机系统的总体示意图。
图2是代表性的压缩机特性图。
图3是示出根据本发明策略的用于压缩机叶片和旁通阀协调控制的基本原 理的曲线图。
图4是图2一部分的放大图，其包括压缩机在阻气限制线附近运行时叶片 控制策略的图形描述。
图5是类似于图2的图，但其示出了策略在控制集歧管对压力(MAP)时 用于代表性加速度的代表性运行轨迹。
图6是图5的一部分的放大图，其包括压缩机在阻气限制线附近运行时叶 片控制策略的图形描述。
图7包括旁路控制策略连同上述叶片控制策略的图形描述。
图8是应用于不同发动机加速度的叶片控制策略的图形描述。
具体实施方式
发动机系统20是典型的涡轮增压的柴油机，其包括两级涡轮增压机30， 涡轮增压机30具有高压涡轮机级32T和低压涡轮机级34T，前者位于排气系 统26内用来运行进气系统24内的高压压缩机级32C，而后者位于排气系统 26内用来运行进气系统24内的低压压缩机级34C。
受控的旁通阀36T平行于涡轮机32T，而止回型旁通阀36C平行于压缩机 32C。充气冷却器38位于压缩机32C和阀36C的下游。
EGR系统28包括EGR冷却器42，废气在到达EGR阀40之前通过EGR 冷却器42，EGR阀40受施加到阀的电致动器上的工作循环信号的控制，以设 定EGR阀打开的程度。
发动机背压由参数EBP表示，而歧管绝对压力由参数MAP表示。
在发动机运行的某一范围内，通过定位涡轮机级32T的叶片的致动器来控 制增压。当发动机在该范围内运行时，两个阀36T和36C关闭。图2中示出 了压缩机级32C的代表性特性图。运行的有效区域48由波动限制线50、速度 限制线52和阻气限制线54所界定。
轨迹56表示压缩机级32C如何在发动机典型加速过程中运行而形成增压 的。在该特定实例中，排气背压受该策略控制。旁通阀36T保持关闭，而压 缩机级32C在区域48内运行。在沿着朝向阻气限制线54的方向的轨迹56上 的某些点处，涡轮机32T的叶片变得越来越关闭。当运行接近阻气限制线54 时，叶片接近最大关闭。当压缩机级32C沿着轨迹56的运行跨过阻气限制线 54时，压缩机级32C变得其自身不能形成足够的增压并开始阻塞充入的空气 流。
本发明的策略设法来避免由于高压压缩机级而产生充入气流的任何显著 的阻塞。该策略定义了本发明人所称为的压缩机效率图上的最佳效率线。图4 示出大致平行于阻气限制线54走向、但略微地插入区域48内离阻气限制线一 定的间隔裕度的这种线58。
线58与相对于空气质量流量的横贯压缩机级32C的压力比相关，该质量 流量通过进入压缩机的压力CIP和温度CIT进行修正。当发动机沿着轨迹56 的加速导致压缩机级32C在最佳效率线58和阻气限制线54之间运行时，该 策略协调级32T的叶片和旁通阀36T的控制。
不管控制策略是设法控制排气背压(EBP)还是设法控制歧管绝对压力 (MAP)，对于某些发动机运行状态，在旁通阀36T保持关闭的同时，单是 级32T叶片的闭环控制就足够了。对于其它的运行状态，叶片的操作完全打 开，并控制旁通阀36T所打开的程度。图3中示出了总体控制策略图，其中， 水平轴线代表控制参数“延伸的VGT_DTY”，而垂直轴线代表涡轮增压机的 相应部分，即高压涡轮机级32T的叶片和旁通阀36T是怎样受控的。
在延伸到规格化单元0.80的范围内，只有叶片被控制，而旁路保持关闭(标 号60)。在从规格化单元1.00延伸到规格化单元2.00的范围内，叶片被操作 而基本上最大地打开，而阀36T受控(标号62)。
规格化单元0.80和1.00之间的范围对应于线54和58之间的距离。当高 级的压缩机开始在线54和58之间的区域内运行时，诸如当它跨入点57处的 区域时，图3中标号64处图示的策略控制着叶片的位置。当压缩机效率足够 时，叶片逐渐地打开。图中所示的特定关系是一向上斜坡策略64(见图4)， 其从0.2工作循环信号至叶片致动器至0.8工作循环至叶片致动器。在后者的 工作循环中，叶片完全打开。
当压缩机效率为变得效率低下的程度时，意味着它已经跨过阻气限制线并 开始限制而不是辅助空气流充入，然后阀36T打开。因此，只要压缩机效率 低于1.00，意味着已经通过阻气限制线，此时阀36T被打开到需要提供发动 机控制策略要求的增压的程度。一旦低压压缩机级已被低压涡轮机级加速到可 提供所需要的增压的速度，则可使用调制旁路以控制旁路打开的控制策略。
当MAP而不是EBP受到策略控制时，可应用同样的原理。这用图示方法 描绘在图5和6中，其中，轨迹56代表使用MAP控制进行加速过程中的压 缩机运行。当沿着水平轴线测量时，线58和54之间的距离(ΔM*)相对狭窄。 ΔM*的值是可选的，且该值对应于压缩机效率损失的一定百分比，这样，可考 虑定义线54和58之间的间隔距离。在发动机研发试验过程中也可由发动机标 定器进行选择。
在增压需求增加的过程中，本发明策略的功能关系提供从叶片控制到旁通 阀控制的过渡，在要求下降到单独叶片控制就可成为有效的量值之后，则反之 亦然。
图7用图示方法示出一旦叶片已经最大打开后的用于旁路控制的策略66。 这里还示出了用于叶片控制的策略64。当发动机加速已经造成施加到旁通阀 36T上的工作循环信号被驱动到最大值时，快速操作阀36T以完全地打开以便 将最大能量转向到低压涡轮机级，从而使低压压缩机可加速并变得有效而强制 打开高压压缩机级周围的止回阀。通过提供策略66内的某些滞后(如图所示)， 直到低压级已经被加速到允许旁路调制控制成为有效的速度之后才调制旁路 以控制MAP。
图8示出当压缩机运行跨过诸如点68、70那样其它点处的线58时适用的 图4的基本功能关系。
当反复执行控制算法以对叶片控制和旁路控制计算数据值时，总体策略可 在发动机控制系统内实施。还可用具有用于叶片和旁通阀控制的数据值的图来 实施，这些数据值根据某些相关参数的数据值进行选择。
尽管已经图示和描述了本发明目前优选的实施例，但应该认识到本发明的 原理适用于落入本发明范围之内的所有实施例，本发明的范围大致描述如下。
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