用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法
阅读：579发布：2021-01-05
专利汇可以提供用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 的实施方式涉及用于控制柴油 发动机 的空气系统的设备和方法。具体地，根据本发明的实施方式， 柴油发动机 的特征由传递函数来表征，其中该特征函数基于柴油发动机在其稳定工作区域中的工况数据而标定。在控制过程中，根据该传递函数以及柴油发动机的稳态工况参数来计算解耦传递函数。通过将解耦传递函数作用于经处理的空气系统状态参数，可以彼此独立地产生用于EGR系统和 涡轮 增压 系统的驱动 信号 ，从而实现二者的解耦。本发明的实施方式公开了相应的设备、柴油发动机和方法。，下面是用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法专利的具体信息内容。
1.一种用于在稳态下控制柴油发动机的空气系统的设备，其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮增压系统，所述设备包括：
工况获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际工况的参数；
解耦计算装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据来自所述工况获取装置的所述参数以及表征所述柴油发动机的传递函数来计算解耦传递函数，其中所述传递函数基于所述柴油发动机在其稳定工作区域中的工况数据而标定；
空气系统参数处理装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于处理指示所述空气系统的状态的参数；以及
信号产生装置，其耦合至所述解耦计算装置和所述空气系统参数处理装置，配置用于根据来自所述解耦计算装置的所述解耦传递函数和来自所述空气系统参数处理装置的处理结果，产生用于所述废气再循环系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述柴油发动机的传递函数基于所述柴油发动机在其稳定工作区域中的稳态工况平衡点处的工况数据而标定。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述稳态工况平衡点基于所述柴油发动机在其稳定工作区域中的等进气压力线和等废气再循环流量线而确定。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述传递函数以所述柴油发动机的转速、燃油喷射率作为自变量，所述工况获取装置进一步包括：
转速获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的转速的参数；以及燃油喷射率装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的燃油喷射率的参数。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述空气系统参数处理装置进一步包括：
配置用于确定所述柴油发动机的实际废气再循环流量率与目标废气再循环流量率之间的误差的装置；
配置用于针对废气再循环流量率误差执行PID处理的装置；
配置用于确定所述柴油发动机的实际进气压力与目标进气压力之间的误差的装置；以及
配置用于针对进气压力误差执行PID处理的装置。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述工况获取装置进一步包括：
废气再循环流量率获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际废气再循环流量率的参数，并将其提供给所述空气系统参数处理装置；以及
进气压力获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际进气压力的参数，并将其提供给所述空气系统参数处理装置。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述解耦计算装置进一步包括：配置用于计算所述传递函数的逆作为所述解耦传递函数的装置。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述第一驱动信号用于控制所述废气再循环系统的废气再循环阀的开度，并且其中所述第二驱动信号用于控制涡轮增压系统的增压阀的开度。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述设备利用以下至少一个来实现：片上系统SoC，集成电路IC，以及专用集成电路ASIC。
10.一种柴油发动机，包括：
气缸体；
进气管道，耦合至所述气缸体的入口端，配置用于向所述气缸体输送气体；
排气管道，耦合至所述气缸体的出口端，配置用于排出所述气缸体燃烧的废气；
燃油喷射系统，耦合至所述气缸体，配置用于向所述气缸体喷射燃油；
空气系统，包括：
废气再循环系统，耦合至所述排气管道和所述进气管道，配置用于将来自所述排气管道的部分废气通过所述进气管道输送回所述气缸体；以及
涡轮增压系统，耦合至所述排气管道，配置用于利用来自所述排气管道的废气来增大通过所述气缸体的进气压力；以及
控制单元，包括如权利要求1所述的设备，以用于在稳态下控制所述空气系统。
11.一种用于在稳态下控制柴油发动机的空气系统的方法，其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮增压系统，所述方法包括：
获取指示所述柴油发动机的实际工况的参数；
根据所述参数以及表征所述柴油发动机的传递函数来计算解耦传递函数，其中所述传递函数基于所述柴油发动机在其稳定工作区域中的工况数据而标定；
处理指示所述空气系统的状态的参数；以及
根据所述解耦传递函数和所述处理的结果，产生用于所述废气再循环系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述柴油发动机的所述传递函数基于所述柴油发动机在其稳定工作区域中的稳态工况平衡点处的工况数据而标定。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述稳态工况平衡点基于所述柴油发动机在其稳定工作区域中的等进气压力线和等废气再循环流量线而确定。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述传递函数以所述柴油发动机的转速和燃油喷射率作为自变量，并且所述获取进一步包括：
获取指示所述柴油发动机的转速的参数；以及
获取指示所述柴油发动机的燃油喷射率的参数。
15.如权利要求11所述的方法，其中指示所述空气系统的状态的参数包括所述柴油发动机的废气再循环流量率和进气压力，并且其中所述处理包括：
确定所述柴油发动机的实际废气再循环流量率与目标废气再循环流量率之间的误差；
针对废气再循环流量率误差执行PID处理；
确定所述柴油发动机的实际进气压力与目标进气压力之间的误差；以及针对进气压力误差执行PID处理。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述获取进一步包括：
获取指示所述柴油发动机的实际废气再循环流量率的参数；以及
获取指示所述柴油发动机的实际进气压力的参数。
17.如权利要求11所述的方法，其中计算所述解耦传递函数包括：
计算所述传递函数的逆作为所述解耦传递函数。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述第一驱动信号用于控制所述废气再循环系统的废气再循环阀的开度，并且其中所述第二驱动信号用于控制涡轮增压系统的增压阀的开度。
用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着发动机理论和技术的不断发展，废气再循环(EGR)系统已经成为柴油发动机中的重要组成部分。在柴油发动机排出的废气中，通常含有大量的氮氧化合物(NOx)，它是造成大气污染的一个主要来源。利用EGR系统，柴油发动机产生的一部分废气被送回气缸。由于再循环废气具有惰性，因此它将会延缓燃烧过程，使燃烧速度有所减慢，进而导致燃烧室中的压力形成过程减慢，从而有效地减少氮氧化合物。另外，提高废气再循环率会使总的废气流量降低，因此废气排放中总的污染物输出量将得以减少。
[0003] 除EGR之外，为了提高柴油发动机的动力性能、改善燃烧，涡轮增压系统也是现代柴油发动机中的重要组成部分之一。例如，可变几何涡轮增压器(VGT)是一种常见的涡轮增压系统。涡轮增压系统本质上是一种空气压缩系统，通过压缩空气来增加柴油发动机气缸的进气量。它由发动机排出的废气的冲力来驱动，通过增压器转轴等装置将压力传递至空气压缩机，从而使新进入的空气在进入气缸前被有效地增压。
[0004] 在同时配备有EGR和涡轮增压系统的柴油发动机中，这二者之间的耦合特性给空气系统的控制提出了挑战。在配备有废气再循环系统EGR和涡轮增压系统的柴油发动机中，对于EGR系统而言，精确控制EGR率和进气温度是改善NOx排放、以及降低其对颗粒物及动力和经济性影响的关键。在这种发动机中，EGR冷却器的输入废气的流量由EGR阀控制，EGR阀的入口端与涡轮增压器的涡轮入口端二者都接收从排气管道排出的发动机废气。可以理解，除EGR阀自身的开度变化外，增压系统所导致的增压压力和排气背压的变化也会对EGR流量率产生影响。另一方面，EGR阀的开度变化也会对输入增压器的入口流量产生影响。也就是说，废气再循环系统和增压系统是两个相互依赖、相互影响的系统，即，具有耦合特性。
[0005] 废气再循环系统和增压系统所具有的耦合特性始终是柴油发动机空气系统控制的难点，同时控制两者的多变量控制策略也一直是柴油发动机空气系统控制策略的研究热点。在现有技术中，几种已知的控制策略简单概括如下：
[0006] (1)废气再循环系统和增压系统的独立控制策略，即以增压压力为控制目标，通过PID(比例-积分-微分)控制加瞬态前馈控制策略驱动增压阀使实际增压压力达到目标值；以空气流量为控制目标，通过PID控制加瞬态前馈的控制策略驱动EGR阀使实际空气流量达到目标值。
[0007] (2)以进气空气流量和增压压力为控制目标，根据对空气系统平均值模型进行局部线性化，根据线性模型设计最优或鲁棒控制器，再进一步扩展到整个工况范围从而得到非线性控制策略的方法：如H无穷控制，根据Lyapunov稳定性理论的控制器设计方法，最小二次型最优状态反馈的控制律，滑模控制器等。
[0008] (3)以进气空气流量和增压压力为控制目标，根据非解析模型的控制器设计方法：如模糊逻辑控制方法，根据神经网络的控制方法等。
[0009] (4)以进气空气流量和增压压力为控制目标，采用模型预测控制方法，即在控制器中集成被控对象的数学模型，通过模型对未来多步系统输出进行预测，根据预测值与目标值的偏差构造目标函数，通过迭代求解当前控制量的最优值使目标函数最小化。
[0010] (5)以空然比和进气管内废气质量分数为控制目标，采用空气系统降秩解耦控制策略，即空气系统的传递函数矩阵在某些情况下是降秩的，因此，两个控制目标具有一定的关系，可以将原有的二维控制策略转化为较简单的一维控制策略。
[0011] 上述根据空气流量和增压压力的独立PID控制策略(1)的主要优点是结构简单并能实现良好的稳态控制效果，且用于参数的标定的试验工作量小。独立闭环PID控制的缺点是由于系统本身的耦合特性使得其动态过程的控制效果不理想，在加速的过程中容易出现冒烟现象。独立工作的闭环控制的另一个缺点是EGR工作范围有限，原因在于EGR阀只能在涡前压力高于增压压力时，因此只能用于中低负荷和中低转速工况。Nissan，Toyota，Cummins等公司在实际使用中并未采用空气流量和增压压力作为目标值，而采用了以EGR率代替增压压力作为目标值的控制策略。
[0012] 这几种方法一个共性的问题是EGR的流量估计。由于EGR流量传感器无论从精度还是可靠性上都远不能满足实际使用需要，使得EGR流量主要通过估计得到。而影响EGR流量的排气管温度和压力，EGR管道节流系数，冷却效率等都需要大量的试验才能得到满意的估计效果，因此使得根据此方法的控制系统试验非常巨大。以上控制策略虽然都能在稳态控制中取得较好的效果，但是由于废气再循环系统和增压系统同时作用于进气管，存在耦合特性，而控制策略中并没有针对这种耦合特性设计瞬态控制策略，所以，瞬态控制效果往往并不理想。
[0013] 以进气空气流量和增压压力为控制目标的控制策略(2)-(4)存在空气系统控制策略的精确性要求和简洁性要求构成一个明显的矛盾。该矛盾直接来源于废气再循环系统和增压系统的强耦合和非线性关联。根据空气流量和增压压力的独立闭环控制策略以及它的变形都无法满足稳态和瞬态性能的要求。各种理论研究成果由于控制策略的复杂性，对控制硬件的要求，以及参数标定的困难等多方面的因素，也不适应实际控制系统的要求。
[0014] 而对于以采用空然比和进气管内废气质量分数作为控制目标的控制策略(5)，在实际使用过程中，缺乏直接测量空燃比与进气管内废气质量分数的成熟商用传感器，所以不能实现直接以该参数为控制目标的反馈控制。而空气流量与增压压力都非常容易由现有传感器测量，因此可以建立根据空气流量与增压压力的反馈控制策略，空然比与进气管内废气质量分数作为中间变量通过观测器得到。而状态观测器将引入时延和误差，对瞬态工况控制是不利的。
[0015] 综上所述，现有技术中针对柴油发动机空气系统的控制策略无法很好地同时满足柴油发动机实际运行稳态和瞬态工况性能，以及排放和柴油发动机控制单元(ECU)标定的要求。
[0016] 因此，在本领域中，需要一种能够满足柴油发动机的实际运行工况、相对简单且易于实现和标定的空气系统控制策略。
发明内容
[0018] 在本发明的一个方面，提供一种用于在稳态下控制柴油发动机的空气系统的设备，其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮增压系统，所述设备包括：工况获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际工况的参数；解耦计算装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据来自所述工况获取装置的所述参数以及表征所述柴油发动机的传递函数来计算解耦传递函数，其中所述传递函数基于所述柴油发动机在其稳定工作区域中的工况数据而标定；空气系统参数处理装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于处理指示所述空气系统的状态的参数；以及信号产生装置，其耦合至所述解耦计算装置和所述空气系统参数处理装置，配置用于根据来自所述解耦计算装置的所述解耦传递函数和来自所述空气系统参数处理装置的处理结果，产生用于所述废气再循环系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。
[0019] 根据本发明的另一方面，提供一种柴油发动机，包括：气缸体；进气管道，耦合至所述气缸体的入口端，配置用于向所述气缸体输送气体；排气管道，耦合至所述气缸体的出口端，配置用于排出所述气缸体燃烧的废气；燃油喷射系统，耦合至所述气缸体，配置用于向所述气缸体喷射燃油；空气系统；和控制单元。根据本发明的实施方式，空气系统包括：废气再循环系统，耦合至所述排气管道和所述进气管道，配置用于将来自所述排气管道的部分废气通过所述进气管道输送回所述气缸体；以及涡轮增压系统，耦合至所述排气管道，配置用于利用来自所述排气管道的废气来增大通过所述气缸体的进气压力。所述控制单元包括如上文所述的设备，以用于在稳态下控制所述空气系统。
[0020] 根据本发明的又一方面，提供一种用于在稳态下控制柴油发动机的空气系统的方法，其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮增压系统，所述方法包括：获取指示所述柴油发动机的实际工况的参数；根据所述参数以及表征所述柴油发动机的传递函数来计算解耦传递函数，其中所述传递函数根据所述柴油发动机在其稳定工作区域中的工况数据而标定；处理指示所述空气系统的状态的参数；以及根据所述解耦传递函数和所述处理的结果，产生用于所述废气再循环系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。
[0021] 根据本发明的实施方式，提供了一种对柴油发动机的空气系统进行有效控制的设备和方法。在本发明的实施方式中，利用传递函数来表征柴油发动机的特征。在控制过程中，根据该传递函数以及指示柴油发动机工况的参数计算解耦传递函数，从而确保针对EGR阀的驱动信号和针对增压阀的驱动信号彼此独立地产生，以此实现二者的解耦。具体而言，通过将该解耦传递函数作用于经处理的空气系统状态参数(例如，发动机的EGR流量率和进气压力)，可以实现这两个驱动信号的解耦，这将在下文详述。
[0022] 特别地，本领域技术人员可以理解，柴油发动机并非在空气系统的所有状态参数下都能够稳定地工作。例如，柴油发动机通常只在EGR阀和增压阀的某些组合下能够稳定地工作。根据本发明的实施方式，将确定在给定转速和载荷下可使柴油发动机稳定工作的EGR阀开度和增压阀开度的组合，即，柴油发动机的稳定工作区域。这样，发动机的传递函数以及由此用于空气系统控制的解耦传递函数可以利用该稳定工作区域中的数据(例如，如下文所述的稳定工作平衡点处的数据)进行标定。以此方式，本发明的实施方式保证了废气再循环阀和涡轮增压阀在稳态工况下互相独立地控制，并且可以分别进行标定。由此，既达到了对这两个系统进行标定的简洁性，显著改善了空气控制系统的功能特性。附图说明
[0023] 通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
[0024] 图1示出了包括废气再循环系统和涡轮增压系统二者的柴油发动机的示意性结构图；
[0025] 图2示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动机的空气系统的控制设备200的示意性结构图；
[0026] 图3示出了根据本发明实施方式的柴油发动机的稳定工作状态的示意图；
[0027] 图4示出了根据本发明实施方式的利用解耦传递函数彼此独立地产生两类驱动信号的示意图；
[0028] 图5示出了适合于用来实践图2中的控制设备200的片上系统(SoC)500的示意性结构图；以及
[0029] 图6示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动机的空气系统的控制方法600的流程图。
[0030] 在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
[0031] 下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。
[0032] 根据本发明的实施方式，提出了一种用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法。应当注意，在本文中，所使用的术语“空气系统”至少包括废气再循环EGR系统和涡轮增压系统。
[0033] 还应注意，在本文中提及的例如可变几何涡轮增压系统(VGT)等具体涡轮增压系统，仅仅是出于说明和示范目的。本发明的实施方式同样适用于利用发动机废气进行工作的现在已知或将来开发的任何涡轮增压系统。本发明的范围在此方面不受限制。
[0034] 另外，在本文中，所使用的术语“参数”表示任何能够指示发动机的(目标或实际)物理状态或运行状况的物理量的值。而且，在本文中，“参数”与其所表示的物理量可以互换使用。例如，“指示转速的参数”与“转速”在本文中具有等同的含义。
[0035] 此外，在本文中，所使用的术语“获取”包括目前已知或将来开发的各种手段，例如测量、读取、估计、估算，等等。
[0036] 下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。首先参考图1，如上文所述，其示出了配备有废气再循环和涡轮增压系统的柴油发动机100的示意性结构图。应当理解，图1中仅仅是示出了柴油发动机100中与本发明的实施方式有关的部分。柴油发动机100还可以包括任意数目的其他部件。
[0037] 如图1所示，柴油发动机100包括：气缸体108；进气管道106，耦合至气缸体108的入口端，配置用于向气缸体108输送气体；排气管道112，耦合至气缸体108的出口端，配置用于排出气缸体108燃烧的废气；燃油喷射系统110，耦合至气缸体108，配置用于向其喷射燃油；空气系统；以及控制单元(ECU)114，用于实现对柴油发动机100的控制。如上所述，空气系统包括：废气再循环系统(例如包括EGR阀116、EGR冷却器118以及其他必要部件)，其耦合至排气管道112和进气管道106，配置用于将来自排气管道112的部分废气通过进气管道106输送回气缸体108；以及涡轮增压系统(例如包括增压器120、增压器转轴124、空气压缩机102、空气中冷器104以及其他必要部件)，其耦合至排气管道112，用于利用来自排气管道112的废气，增大通过气缸体108的进气压力。
[0038] 从图1中可以看到，废气再循环系统和涡轮增压系统都接收来自排气管道112的废气，其进气流量分别由EGR阀116和增压阀122来控制。在操作中，柴油发动机电子控制单元(ECU)114根据发动机的工况产生相应的阀驱动信号，分别用于控制EGR阀116和增压阀122的开度。如上所述，废气再循环系统和涡轮增压系统的性能彼此影响，因此需要对废气再循环阀116和增压阀122的开度进行有效的控制。
[0039] 参考图2，其示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动机的空气系统的控制设备200的示意性结构图。可以理解，控制设备200可以作为图1中示出的柴油发动机ECU114或其部分而付诸实践。备选地，控制设备200也可以实现为专门针对柴油发动机的空气系统的控制设备。
[0040] 如图2所示，控制设备200包括工况获取装置202，其可配置用于获取指示柴油发动机(例如，图1所示的柴油发动机100)的实际工况的参数。在本发明的某些实施方式中，工况获取装置202可以包括转速获取装置2022，其可配置用于获取指示发动机的实际转速的参数，记为ω。工况获取装置202还可以包括燃油喷射率获取装置2024，其可配置用于获取指示发动机的实际燃油喷射率的参数，记为 此外，根据本发明的实施方式，工况获取装置202还包括EGR流量率获取装置2026和进气压力获取装置2028，将在下文详细描述。
[0041] 应当理解，工况获取装置202(以及其中包括的子装置2022-2028)可以通过实际测量来获取发动机的工况参数，工况获取装置202也可以根据实际条件通过估计或估算来获取发动机的工况参数，等等。本发明的范围在此方面不受限制。而且，还应当理解，装置2022-2028仅仅是可被包括在工况获取装置202中的装置的示例。实际上，工况获取装置
202可以包括任意一个或多个其他获取装置，用于获取柴油发动机的其他工况参数。这是本领域技术人员容易想到的，本发明的范围在此方面同样不受限制。
202可以包括任意一个或多个其他获取装置，用于获取柴油发动机的其他工况参数。这是本领域技术人员容易想到的，本发明的范围在此方面同样不受限制。
[0042] 如图2所述，根据本发明的实施方式，控制设备200还包括解耦计算装置204，其耦合至工况获取装置202，配置用于根据来自工况获取装置202的参数(诸如，发动机转速ω和发动机燃油喷射率 )，以及根据表征发动机特征的传递函数来计算解耦传递函数。现在将结合以下具体示例，详细描述解耦计算装置204的特征和操作。
[0043] 本领域的技术人员可以理解，发动机在特定方面的特征可以利用传递函数(transfer function)来表征。传递函数可以是发动机状态变量的多项式、脉谱图数据，等等。特别地，如上文所述，本发明实施方式的主要目的之一是：控制废气再循环系统的EGR阀和涡轮增压系统的增压阀各自的开度。EGR阀和增压阀的开度转而影响柴油发动机的EGR流量率(记为 )和进气压力(记为Pim)，这二者代表了空气系统的状态。由此，在本发明的实施方式中，传递函数(记为W)可被设计为表征EGR阀和增压阀的开度对柴油发动机的EGR流量率 和进气压力(Pim)的影响。
[0044] 本领域的技术人员可以理解，柴油发动机的传递函数可以利用发动机的工况参数进行标定。然而，柴油发动机并非在空气系统的所有状态参数下都能够稳定地工作。实际上，柴油发动机通常只在EGR阀和增压阀的某些组合下能够稳定地工作。利用发动机在不稳定状态下的工况参数来标定传递函数，可能导致传递函数无法准确反映发动机的特性，进而使得基于传递函数而导出的解耦传递函数无法有效地对EGR系统和增压系统的控制进行解耦。
[0045] 因此，在本发明的实施方式中，为了更加准确地标定传递函数，将首先确定柴油发动机的稳定工作区域。在此使用的术语“稳定工作区域”表示可以使柴油发动机处于稳定工作状态的空气系统状态参数的范围。特别地，在本发明的某些实施方式中，稳定工作区域可以表示在给定转速和载荷下，可使柴油发动机稳定工作的EGR阀开度和增压阀开度的范围。
[0046] 例如，参见图3，其示出了柴油发动机在各种工况(即，发送动机转速ω、燃油喷射率 EGR阀开度EGRPOS以及增压阀开度VGTPOS)下的稳定工作区域(如粗体轮廓线所示)。如图所示，图中坐标系的横坐标是EGR阀的开度(EGRPOS)，纵坐标是增压阀的开度(VGTPOS)。
在图3所示的稳定工作区域的范围内，柴油发动机可以稳定地工作。根据本发明的实施方式，这种稳定工作区域可以基于先验知识、已有规范、产品说明书、对柴油发动机试验和/或仿真等各种手段而确定。其他确定发动机的稳定工作区域的方式也是可行的，本发明的范围在此方面不受限制。
在图3所示的稳定工作区域的范围内，柴油发动机可以稳定地工作。根据本发明的实施方式，这种稳定工作区域可以基于先验知识、已有规范、产品说明书、对柴油发动机试验和/或仿真等各种手段而确定。其他确定发动机的稳定工作区域的方式也是可行的，本发明的范围在此方面不受限制。
[0047] 根据本发明的实施方式，柴油发动机的特征函数可以基于发动机在其稳定工作区域中的工况数据来进行标定。特别地，根据本发明的某些实施方式，稳定工作区域中的工况数据可以是柴油发动机在其稳态工况平衡点处的工况数据。在此使用的术语“稳态工况平衡点”表示当空气系统的状态参数(例如，EGR阀的开度和增压阀的开度)处于该点时，柴油发动机的有关物理参数均处于稳定的平衡状态。例如，在以发动机气缸进气压力(Pim)和EGR流量率 为传递函数的自变量的情况下，在稳定工况平衡点处，柴油发动机的进气压力和EGR流量率均处于稳定的平衡状态。
[0048] 现在描述用于确定柴油发动机的稳态工况平衡点的一个示例性实施方式。仍然参考图3，在柴油发动机的稳定工作区域内，可以构建该柴油发动机的等进气压力线和等废气再循环流量线。可以理解，在稳定工作区域内，对于每个给定的转速和载荷，可以确定能够使发动机的气缸进气压力保持恒定的EGR阀开度和增压阀开度的多个配对(pair)。这些配对中的每一个对应于坐标系上的一个点。基于这些点，可以通过曲线拟合或者逼近来创建一条曲线。在这条曲线上的每个点处，发动机的气缸进气压力保持恒定。由此，该曲线被称为“等进气压力线”。对于发动机的多个给定工况，可以构造多个这样的等进气压力线。类似地，同样可以构造发动机的等废气再循环流量线。
[0049] 如图3所述，在柴油发动机的稳定工作区域中，等进气压力线与等废气再循环量线之间存在一系列交点。在这些交点处，柴油发动机的气缸进气压力和废气再循环量均处于稳定状态。由此，这些交点所对应的增压阀开度和EGR阀开度可被确定为柴油发动机的稳态工况平衡点。
[0050] 现在讨论如何利用柴油发动机在其稳定工况平衡点处的工况数据，来标定表征该柴油发动机特性的传递函数。根据本发明的实施方式，柴油发动机在稳定工作区域中的每个稳态工作状态的废气再循环流量率 和气缸进气压力Pim分别可由以下公式(1)和(2)来表示：
[0051]
[0052]
[0053] 在柴油发动机的每个稳态工况平衡点处，对公式(1)和(2)进行线性化处理。线性化处理之后的结果以增量形式表示如下：
[0054]
[0055]
[0056] 由此可得：
[0057]
[0058] 根据公式(5)，本领域技术人员可以理解，在柴油发动机的稳态工况处，其传递函数W可以表示为：
[0059]
[0060] 在上面的公式(6)，矩阵中的各项 可以利用*
发动机在其各个稳态工况平衡点(ω )处的工况数据进行标定。此
类工况数据例如可以通过针对柴油发动机的试验和/或仿真而获得。特别地，根据本发明的某些实施方式，矩阵项 可以是发动机状态
*
变量(ω )的多项式或图表。
发动机在其各个稳态工况平衡点(ω )处的工况数据进行标定。此
类工况数据例如可以通过针对柴油发动机的试验和/或仿真而获得。特别地，根据本发明的某些实施方式，矩阵项 可以是发动机状态
*
变量(ω )的多项式或图表。
[0061] 至此，在本发明的实施方式中，利用柴油发动机在其稳定工作区域中的工况数据(特别地，在稳定工况平衡点处的工况数据)完成了对发动机传递函数的标定。下面考虑解耦计算装置204所要计算的解耦传递函数(记为G)。类似于传递函数W，在本发明的某些实施方式中，解耦传递函数G同样以发动机的转速ω和燃油喷射率 为自变量，并可定义如下：
[0062]
[0063] 在本发明的一个实施方式中，为了使发送机的实际工况与理论预期最大限度地匹配，设解耦计算装置204可配置用于计算发动机的稳态传递函数W的逆，作为稳态解耦传递函数G。即：
[0064]
[0065] 根据公式(6)-(8)，可求得解耦传递函数G中的各项：
[0066]
[0067]
[0068]
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074] 至此，可以利用发动机在其稳定工作区域中的工况数据而标定的传递函数W，计算得出解耦传递函数G。如下文详述的，通过将解耦传递函数G作用于相应的物理量，可以彼此独立地产生针对EGR系统和涡轮增压系统的驱动信号，从而有效地实现这二者的解耦控制。
[0075] 注意，上文描述的仅仅是本发明的若干示例性实施方式。例如，发动机的特征不限于仅由转速和燃油喷射率来表征。对于本领域技术人员显而易见的是，传递函数W和解耦传递函数G可以将发动机的任何有关工况纳入考虑(即，作为自变量)。又如，将解耦传递函数G计算为发动机传递函数W的逆只是一种可选的实施方式。本领域的技术人员可以结合实际情况，以其他不同的方式根据传递函数W和工况参数来计算解耦传递函数G。本发明在这些方面均不受限制。
[0076] 继续参考图2，根据本发明的实施方式，控制设备200还可以包括空气系统参数处理装置206，其耦合至工况获取装置202，配置用于处理指示柴油发动机的空气系统的状态的参数。
[0077] 特别地，在本发明的某些实施方式中，空气系统的状态参数可以包括：柴油发动机的EGR流量率和进气压力。相应地，在这些实施方式中，如上所述，工况获取装置202可以包括EGR流量率获取装置2026，配置用于获取指示发动机的实际EGR流量率的参数(记为)；以及进气压力获取装置2028，配置用于获取指示发动机的实际进气压力的参数(记为Pim，act)。工况获取装置202可以将所获取的实际EGR流量率和实际进气压力提供给空气系统参数处理装置206，如图2所示。
[0078] 此外，如图2所示，空气系统参数处理装置206还可配置用于接收柴油发动机的目标EGR流量率(记为 )和目标进气压力(记为Pim，des)。例如，在本发明的某些实施方式中， 和Pim，act可以是预先标定的，并且可以预先存储在例如控制设备200可访问的存储设备或数据库中。
[0079] 给定了实际值 Pim，act和目标值 和Pim，des，空气系统参数处理装置206可配置用于执行生成驱动信号必要的处理。例如，根据本发明的某些实施方式，空气系统参数处理装置206可以包括：配置用于确定实际EGR流量率 与目标EGR流量率之间的误差(记为em)的装置。空气系统参数处理装置206还可以包括：配置用于确定实际进气压力Pim，act与目标进气压力Pim，des之间的误差(记为eP)的装置。此外，空气系统参数处理装置206还可以包括：分别配置用于对误差em和eP执行PID处理的装置，所得处理结果将由信号产生装置208(下文详述)用以产生控制信号。空气系统参数处理装置206中包含的上述装置及其操作是本领域已知的，因此未在图中示出，在此也不再详述。
[0080] 应当理解，上面描述的EGR流量率、进气压力、PID处理等仅仅是示例性的。实际上，空气系统参数处理装置206可以配置用于对空气系统的状态参数执行目前已知或将来开发的任何适当处理。
[0081] 继续参考图2，控制设备200还包括信号产生装置208，其耦合至解耦计算装置204和空气系统参数处理装置206，配置用于根据来自解耦计算装置204的解耦传递函数G和来自空气系统参数处理装置206的处理结果，分别产生用于EGR系统的第一驱动信号和用于涡轮增压系统的第二驱动信号。
[0082] 现在参考图4，其示出了信号产生装置208的示例性操作机制的示意图。在图4的示例中，与上文描述类似，传递函数W和解耦传递函数G以柴油发动机的转速和燃油喷射率作为自变量。而且，空气系统的状态参数为EGR流量率和进气压力。
[0083] 在图4中，虚线401左侧的部分可以表示空气系统参数处理装置206的操作，也即，对柴油发动机的实际EGR流量率 目标EGR流量率 实际进气压力Pim，act和目标进气压力Pim，des执行必要的处理。如上所述，根据本发明的实施方式，所述操作可以包括确定EGR流量率误差em和进气压力误差eP，并且将em和eP分别馈送至用于EGR的独立控制器C1和用于VGT的独立控制器C2。根据某些实施方式，控制器C1和C2分别可以对em和eP执行PID处理。
[0084] 图4中示出的传递函数G的各个项G11、G12、G13、G14、G21、G22、G23和G24可如上文所述地由解耦计算装置204计算，并提供给信号产生装置208。由此，用于EGR阀和增压阀的控制信号S1和S2可分别表示为：
[0085]
[0086]
[0087] 其中的C1(s)和C2(s)分表表示控制器C1和C2对误差信号em和eP的处理结果。例如，当控制器对误差信号执行PID的实施方式中，C1(s)＝PID(em)并且C2(s)＝PID(eP)。
由此得到的第一控制信号S1和第二控制信号S2可分别用于控制EGR系统和增压系统，例如，控制EGR阀开度和增压阀开度。
由此得到的第一控制信号S1和第二控制信号S2可分别用于控制EGR系统和增压系统，例如，控制EGR阀开度和增压阀开度。
[0088] 可以理解，图4中仅仅示出了信号产生装置208的示例性操作机制。在其他实施方式中，信号产生装置208可配置用于以不同的方式将解耦传递函数G作用于EGR流量率和进气压力的有关参数，从而以解耦方式产生驱动信号。
[0089] 上文已经结合若干具体实施方式描述了根据本发明的控制设备200的结构和操作。通过上文的描述应当理解，根据本发明的实施方式，控制设备200可以按照一种彼此独立的方式产生用于EGR阀和增压阀的驱动信号，从而在稳态下有效地解耦废气再循环系统和涡轮增压系统，由此改善对柴油发动机的空气系统的控制。
[0090] 应当理解，图2中示出并在上文描述的控制设备200可以利用多种方式来实施。例如，在某些实施方式中，设备200可以实现为集成电路(IC)芯片或者专用集成电路(ASIC)。在另一些实施方式中，设备200可以通过片上系统(SoC)以及相应的软件和/或固件来实现。备选地或附加地，设备200还可以利用软件模块来实现，即实现为计算机程序产品。本发明的范围在此方面不受限制。
[0091] 参考图5，其示出了适于用来实施图2所示的控制设备200的片上系统(SoC)500的结构框图。如图5所示，SoC 500包括各种组件，诸如输入输出(I/O)逻辑510(例如用以包括电子电路)以及微处理器512(例如，任何微控制器或者数字信号处理器)。SoC 500还包括存储器514，其可以是任何类型的随机访问存储器(RAM)，低延迟非易失性存储器(例如，闪存)、只读存储器(ROM)和/或其他适当的电子数据存储。SoC 500还可以包括各种固件和/或软件，诸如操作系统516，其可以是由存储器514维护并由微处理器512执行的计算机可执行指令。SoC 500还可以包括其他各种通信接口和组件、网络接口组件、其他硬件、固件和/或软件。
[0092] 特别地，如图所示，SoC 500可以包括工况获取块502、解耦计算块504、空气系统参数处理块506以及信号产生块508，其分别对应于上文参考图2描述的工况获取装置202、解耦计算装置204、空气系统参数处理装置206以及信号产生装置208。此外，尽管在图4中未示出，但是根据本发明的实施方式，工况获取块502可以包括分别对应于图2中的装置2022-2028的子块。这些块502-508及其子块可以作为硬件、软件和/或固件模块，独立地或者与信号处理和控制电路等其他实体相集成地操作，用以实现在此描述的各种实施方式和/或特征。
[0093] 应当理解，根据本发明的实施方式，SoC 500可以与电子电路、微处理器、存储器、输入输出(I/O)逻辑、通信接口和组件、运行整个设备所需的其他硬件、固件和/或软件集成。SoC 500还可以包括集成数据总线(未示出)，其耦合SoC的各个组件以用于组件之间的数据通信。包括SoC 500的设备还可以利用不同组件的多个组合来实现。
[0094] 下面参考图6，其示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动机的空气系统的控制方法600的流程图。方法600开始之后，在步骤S602，获取指示柴油发动机的实际工况的参数，这些参数包括但不限于：柴油发动机的转速和燃油喷射率。
[0095] 接下来，在步骤S604，根据步骤S602中获得的参数以及表征该柴油发动机的传递函数(例如，上文描述的传递函数W)，计算解耦传递函数(例如，上文描述的解耦传递函数G)，其中传递函数W根据柴油发动机在其稳定工作区域中的工况数据而标定。
[0096] 而后，在步骤S606，处理指示柴油发动机的空气系统的状态的参数。根据本发明的某些实施方式，空气系统的状态参数包括柴油发动机的EGR流量率和进气压力。在这样的实施方式中，如上所述，可以根据EGR流量率和进气压力的实际值和目标值，确定二者各自的误差，并且对误差执行例如PID处理以备后用。当然，其他空气系统状态参数和处理也是可能的，本发明在此方面不受限制。
[0097] 最后，在步骤S608，根据来自步骤S604的解耦传递函数和来自步骤S606的处理结果，分别产生用于EGR系统的第一驱动信号和用于涡轮增压系统的第二驱动信号。方法600随即结束。
[0098] 可以理解，方法600中记载的步骤S602-S608分别对应于上文参考图2描述的控制设备200中的装置202-208的操作和/或功能。由此，上文参考控制设备200的各个装置而描述的特征同样适用于方法600的各个步骤。而且，方法600中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行和/或并行执行。
[0099] 另外，应当理解，参考图6描述的方法600可以通过计算机程序产品来实现。例如，该计算机程序产品可以包括至少一个计算机可读存储介质，其具有存储于其上的计算机可读程序代码部分。当计算机可读代码部分由例如处理器执行时，其用于执行方法600的步骤。
[0100] 上文已经结合若干具体实施方式阐释了本发明的精神和原理。根据本发明的实施方式，提供了一种能够在稳态下对柴油发动机的空气系统进行有效控制的设备和方法。在控制过程中，根据发动机的传递函数以及柴油发动机的工况参数，计算解耦传递函数。通过将该解耦传递函数作用于对发动机的EGR流量率和进气压力的有关参数的处理结果，可以彼此独立地产生用于废气再循环(EGR)系统和涡轮增压系统的驱动信号。特别地，根据本发明的实施方式，传递函数基于柴油发动机在其稳定工作区域中的工况数据而标定。以此方式，本发明的实施方式保证了废气再循环阀和涡轮增压阀在稳态工况下互相独立地控制，并且可以分别标定。由此，既达到了对这两个系统进行标定的简洁性，显著改善了空气控制系统的功能特性。
[0101] 应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0102] 应当注意，尽管在上文详细描述中提及了控制设备的若干装置或子装置，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多装置的特征和功能可以在一个装置中具体化。反之，上文描述的一个装置的特征和功能可以进一步划分为由多个装置来具体化。
[0103] 此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
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