專利名稱：渦輪增壓器控制的制作方法
技術領域：
本申請涉及對很多個用于內燃機中燃燒的發動機運行參數的控制，且更具體地涉及通過使用發動機的數個設定點來控制該發動機的系統和方法。
背景技術：
包括環境責任努力和對發動機廢氣排放的現代環境法規在內的許多因素已經降低了在礦物燃料燃燒后進入大氣的特定污染物的允許接受的水平。越來越多更加嚴格的排放標準可能需要對燃料的燃燒和排氣的燃燒后處理中的一項或兩項進行更大的控制。例如，氮氧化物(NOx)和顆粒物質的允許水平在過去幾年中已被顯著降低。已經發現，燃料噴射定時和要被噴射的燃料的量與諸如排氣再循環(EGR)、可變幾何形狀渦輪增壓器(VTG)的葉片設置、進氣歧管溫度和進氣閥定時之類的其它方面一起是排放形成中的重要的因素。為了使發動機提供理想的性能，同時還滿足所要求的排放限制，電子發動機控制系統由此可能變得非常復雜。隨著發動機可能會遇到各種各樣不同的運行任務和運行條件，控制各種各樣的發動 機運行參數，諸如燃料噴射定時、燃料噴射量、燃料噴射壓力、進氣閥定時、排氣閥定時、EGR閥設置、渦輪增壓器設置等。然而，調節一個發動機參數可能抵消對另一個發動機參數所作的調節，或可能造成對發動機運行的比當對另一個發動機參數作調節時所預期的變化更大的改變。已經發現，對于給定的發動機運行條件，可將數個發動機運行參數協調至該給定發動機運行條件的設定點，從而使得該設定點允許發動機產生所要求的功率輸出，同時還產生可接受水平的NOx和顆粒物質。存在對這樣一種發動機控制系統的需要，該發動機控制系統使得對于各種發動機運行條件的多個設定點基于發動機運行條件被應用至發動機。

發明內容
根據一個過程，提供一種控制可變幾何形狀渦輪增壓器的方法。從存儲器獲得渦輪增壓器的預定理想增壓壓力。從該存儲器獲得發動機的進氣歧管中的預定理想質量流速。計算渦輪增壓器產生理想增壓壓力和理想質量流速所需要的理論功率的量。確定在進氣歧管中的實際質量流速。計算渦輪增壓器產生理想增壓壓力和實際質量流速所需要的實際功率的量。調節渦輪增壓器的渦輪的至少一個可調節葉片，以通過調節增壓壓力使渦輪增壓器所需要的理論功率的量與實際功率的量大致相等。根據另一個過程，提供一種控制渦輪增壓器的廢料門的方法。從存儲器獲得渦輪增壓器的預定理想增壓壓力。從該存儲器獲得發動機的進氣歧管中的預定理想質量流速。計算渦輪增壓器產生理想增壓壓力和理想質量流速所需要的理論功率的量。確定在進氣歧管中的實際質量流速。計算渦輪增壓器產生理想增壓壓力和實際質量流速所需要的實際功率的量。調節渦輪增壓器的廢料門的位置，以通過調節增壓壓力使渦輪增壓器所需要的理論功率的量與實際功率的量大致相等。


圖1是根據一個實施例的設定點庫控制系統的框圖。圖2是根據另一個實施例的設定點庫控制系統的框圖。圖3是示出顆粒物質累積的圖表。圖4是示出發動機汽缸的容量的示意性視圖。
具體實施例方式圖1示出指示設定點庫發動機控制方法10的框圖。方法10具有設定點選擇部分
12。該設定點選擇部分可利用各種輸入以確定關于發動機的運行狀態和在發動機周圍的環境條件的信息。舉例而言，設定點選擇部分12可接收輸入，該輸入包括發動機冷卻劑溫度、進氣歧管溫度、環境壓力或高度測量、發動機速度、發動機轉矩輸出、表示發動機正被使用以運行動力輸出(“PT0”)的信號、從啟動發動機開始對顆粒物質產生的估算、以及表示發動機運行和發動機運行條件的各種其它 信號。設定點選擇部分12利用這些輸入來確定發動機正在工作的模式和狀態。該模式表示發動機正執行的功能或任務。舉例而言，發動機模式可以是正常運行、PTO運行、延長空轉的停止及運轉運行、高輸出運行以及其它模式。從設定點選擇邏輯輸出的發動機運行的狀態指示NOx排放和發動機燃燒穩定性運行范圍。舉例而言，第一狀態可提供高水平的發動機燃燒穩定性和較高水平的NOx排放，而第二狀態則提供較低水平的發動機燃燒能力和較低水平的NOx排放。由此，如果發動機控制系統確定發動機燃燒穩定性在預定閾值之下，則將改變狀態以改進發動機燃燒穩定性。一旦獲得并維持了可接受的燃燒穩定性，預期可將狀態改變至較不穩定但更低的NOx產生狀態，以將發動機排放最小化。一旦已在設定點選擇邏輯12中選擇了模式和狀態，則訪問設定點庫14。設定點庫14具有多個基于模式和狀態的設定點設置。多個設定點設置中的每一個包含對于各個發動機運行參數的所有設定點，諸如燃料噴射壓力、燃料噴射定時、閥定時、EGR閥設置、可變幾何形狀渦輪增壓器設置等。由此，多個設定點設置中的每一個包含對于各個發動機運行參數的設置的完整集，使得發動機輸出需要的功率同時還產生可允許水平的排放。預期填充設定點庫的設定點設置可以多種方式產生。在產生設定點設置的第一種方式中，在發動機測試單元中運行發動機，其中儀器能夠準確地測量發動機排放和發動機功率輸出，同時還允許對測試單元中的條件進行控制。例如，可調節測試單元中的大氣條件以模擬各個大氣壓力、溫度和進氣空氣氧氣含量。另外，測試單元可使種類繁多的發動機加載條件被模擬，該發動機加載條件諸如快速加速、高負載運行、低負載運行和空轉。基于多種模擬的運行條件，發動機運行參數的設置可被優化并存儲在設定點庫中。另外，可以在發動機開發過程期間通過使用發動機的車輛內校準來產生設定點設置。基于在車輛內校準期間引入的附加變量(諸如改變大氣條件)，車輛內校準可能沒有測試單元校準理想。如圖1中所示，設定點庫14輸出設定點，利用該設定點以控制各個發動機運行參數。舉例而言，通過第一 EGR算法16和第二 EGR算法18來利用設定點，以控制EGR閥的位置并向發動機進氣歧管提供EGR的改變量。對第一 EGR算法16和第二 EGR算法18兩者的使用可提供對發動機上的EGR閥的更穩健的控制。對EGR閥的更穩健的控制可更好地控制發動機排放。例如，第一 EGR算法16和第二 EGR算法18的輸出可在比較器20進行比較，以確定采用第一 EGR算法16和第二 EGR算法18中的哪一個。比較器20還從設定點選擇邏輯12接收發動機正在運行的模式。基于來自設定點選擇邏輯12、第一 EGR算法16和第二 EGR算法18的輸入，比較器20選擇用于控制EGR閥的輸出。類似地，由 渦輪控制算法22利用設定點庫14的設定點來控制可變幾何形狀渦輪增壓器。可變幾何形狀渦輪增壓器通常能夠改變渦輪增壓器的渦輪部分上的葉片位置的幾何尺寸，以使渦輪增壓器更有效或響應于變化的運行條件，且還可用于控制由渦輪增壓器產生的增壓的水平。設定點被用于基于發動機的運行條件來定位葉片或渦輪增壓器的其它可調節元件。還提供燃料控制算法24，其采用來自設定點庫14的設定點。燃料控制算法24使用設定點來控制噴射到汽缸內的燃料的量、燃料噴射的定時以及數個燃料噴射事件。舉例而言，來自設定點庫14的設定點被燃料控制算法采用，以設定在燃燒循環期間到汽缸內的燃料噴射事件的定時。還可提供附加的發動機控制算法26，其采用來自設定點庫14的設定點。例如，可變閥定時控制算法可使用設定點來控制對發動機上的進氣閥和排氣閥兩者的打開和關閉的定時。現在轉向圖2，描繪了一個可替換的實施例，該實施例示出如何確定設定點庫的狀態。指示設定點庫發動機控制方法100的框圖包括模式選擇部分102和狀態選擇部分104。如上所述，該模式基于發動機的功能，且由此大體上容易確定。狀態選擇部分104包括三維表106。三維表106基于多個測量的數據來設置狀態輸出，該測量的數據諸如大氣壓、冷卻劑溫度、進氣歧管溫度、環境溫度、增壓壓力、進氣歧管壓力、進氣氣流等。基于該多個測量的數據，確定來自三維表106的狀態。狀態選擇部分104附加地包括一維表108。如圖2中所示，一維表108可基于發動機特性的模型，諸如顆粒物質累積、進氣氧氣百分比、排氣歧管氧氣濃度和進氣增壓利用。一維表108具有基于所選擇的發動機特性的模型的多個狀態。確定來自一維表108的狀態。比較器110接收由三維表106和一維表108兩者選擇的狀態。比較器110可被編程以基于各種考慮選擇狀態，該各種考慮基于從三維表106和一維表108產生的狀態之間的任何差異。舉例而言，可發現在某些情形下，由一維表108選擇的狀態應該控制由一維表108和三維表106選擇的狀態中的差異是否超過預定數量的狀態。在這種情況下，一維表108的屬性被認為對于發動機運行比三維表106選擇的狀態更重要。類似地，在其它發動機運行的條件下可發現，由三維表106選擇的狀態應該控制由一維表108和三維表106選擇的狀態中的差異是否超過預定數量的狀態。在這種情況下，三維表106的屬性被認為對于發動機運行比一維表108選擇的狀態更重要。對來自三維表106和一維表108的狀態的選擇的重要性可基于發動機校準動作進行確定，諸如在發動機測試單元中或在車輛內發動機測試中執行的發動機校準動作。
由此，設定點庫14提供在穩態運行期間被設置并應用于發動機可經歷的種類繁多的發動機運行條件的發動機運行參數。設定點庫允許當改變發動機功能時使得設定點改變模式，且允許當燃燒變得不穩定或當排放沒有被滿足時使狀態發生改變。由此，設定點庫14允許對發動機運行進行更大的控制，而不管發動機運行條件如何。如以上結合圖2所述地，發動機可經配置以基于諸如顆粒物質累積之類的特定發動機運行條件來選擇設定點。圖3示出圖表200,該圖表示出相比于允許速率的顆粒物質累積204的累積的顆粒物質202，諸如在發動機的排氣系統內的柴油機顆粒過濾器(DPF)中累積的顆粒物質的量。使用顆粒物質累積模型來控制從設定點庫選擇的設定點，可因為很多原因而是有益的。首先，過量的顆粒物質累積可使DPF過早地需要替換。因為DPF可能是昂貴的組件，所以DPF的壽命被縮短是不利的。此外，過量顆粒物質在DPF中的累積將引起DPF更為頻繁的再生。DPF的再生需要額外的燃料使用，從而減小了觀測到的車輛的燃料經濟性。如圖3中所示，在累積的顆粒物質202超過允許速率的顆粒物質累積204的點206，來自設定點庫的用于運行發動機的設定點將被改變成在燃燒期間產生較少顆粒物質的設定點。該設定點可基于觀測到的針對特定設定點產生的顆粒物質累積的速率、可在發動機校準期間獲得的數據來設置。由此，發動機將運行設定點以在燃燒期間產生較少的顆粒物質，直到累積的顆粒物質202落在允許速率的顆粒物質累積204之下，如在點208所
示
預期一旦發動機在點208在允許速率的顆粒物質累積204之下運行，該發動機可被允許利用產生更多顆粒物質的先前設定點。預期燃燒穩定性和/或NOx排放可防止發動機在某些發動機運行條件期間用產生較少顆粒物質的設定點運行，且在這種時候發動機將運行以滿足可允許的NOx排放水平和/或燃燒穩定性要求。然而，一旦發動機運行允許減少的顆粒物質形成燃燒，將利用設定點以在燃燒期間產生降低水平的顆粒物質。已經發現，發動機進氣歧管內氧氣百分比的使用可用于有效地控制發動機上EGR閥的位置，從而控制提供給發動機進氣歧管的EGR的量。先前對控制提供給發動機進氣歧管的EGR量的嘗試取決于正被提供給進氣系統的EGR的百分比。然而，已經發現，發動機NOx的產生與進氣歧管內的氧氣百分比的關系比與正被提供給發動機的EGR的百分比的關系更密切。已經發現，可使用以下的公式來確定進氣歧管內的氧氣百分比:
f h V: l \進氣認% = 20.9| 1- 二^ I
^I 又J其中入是排氣內測量到的氧氣量，而EGR是正被提供給發動機的EGR的百分比。已經發現，測量排氣內氧氣量的傳感器比直接測量進氣歧管內氧氣量的傳感器更可靠，因為氧氣傳感器對熱和振動敏感。還發現，在發動機的進氣歧管內使用氧氣以控制EGR，這在瞬時發動機運行期間(諸如在快速加速期間，此時需要增加的氣流用于增加量的燃料的燃燒)可以是有益的，且可降低排氣內氧氣的量。由此，即使通過發動機進氣的空氣的流速可能與其它運行條件相類似，EGR也可具有較低量的氧氣，因此進氣歧管氧氣百分也將較低。因此，基于排氣內氧氣的減少量，在這種運行條件下的EGR的速率不需要很高，從而充分地減少燃燒期間形成的NOx。采用另一種方式，通過對基于進氣歧管中存在的氧氣量提供的EGR的量進行控制，提供了對稀釋劑(排氣)水平的更準確的控制，從而允許對發動機的NOx進行更精確的控制。此外，使用進氣歧管內的氧氣來控制發動機中的EGR水平，這允許在各個發動機之間進行更準確的排放控制，每個所述發動機具有略微不同的運行參數。舉例而言，第一發動機可具有一渦輪增壓器，該渦輪增壓器產生的增壓略微多于第二發動機上的渦輪增壓器，即使所述兩個發動機是相同的型號且采用相同型號的渦輪增壓器。由此，通過使用進氣歧管內實際的氧氣量，可考慮到第一發動機和第二發動機之間的略微變化，且可向發動機提供更精確的EGR水平，從而減少NOx排放。因此，相同的控制軟件將導致有略微不同的發動機之間有相似的NOx排放。可在發動機上采用的另一控制策略包括對渦輪增壓器控制概念的使用。許多發動機控制系統利用進氣歧管 壓力以控制渦輪增壓器上的廢料門或可變幾何形狀渦輪增壓器的葉片。然而，對進氣歧管壓力的控制通常不是實際理想由廢料門或葉片設置控制的，相反，為了在進氣歧管內提供理想的氧氣量，對渦輪增壓器的控制一般是理想的。由此，傳統的渦輪增壓器控制策略將產生到進氣歧管的特定流速或流量，而不管該流體流的含量。這已經被發現，在進氣歧管內產生與有利的發動機運行條件不對應的流速。另外，某些當前的發動機運行條件產生比發動機運行所需要的更高的增壓或更大的流速，從而限制了可供在EGR系統中使用的發動機排氣的流速。當前實施例基于需要的進氣歧管氧氣含量來控制渦輪增壓器。為了控制渦輪增壓器，基于發動機的運行條件從設定點庫得到理想的增壓量和理想的流速。使用以下等式:
權利要求
1.一種控制可變幾何形狀渦輪增壓器的方法，所述方法包括: 從存儲器獲得渦輪增壓器的預定理想增壓壓力； 從所述存儲器獲得發動機的進氣歧管中的預定理想質量流速； 計算所述渦輪增壓器產生所述理想增壓壓力和所述理想質量流速所需要的理論功率的量； 確定在所述進氣歧管中的實際質量流速； 計算所述渦輪增壓器產生所述理想增壓壓力和所述實際質量流速所需要的實際功率的量； 調節所述渦輪增壓器的渦輪的至少一個可調節葉片，以使所述渦輪增壓器所需要的理論功率的量與所述實際功率的量大致相等并調節所述增壓壓力。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預定理想增壓壓力被存儲在所述存儲器的設定點庫中。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預定理想質量流速被存儲在所述存儲器的設定點庫中。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預定增壓壓力和所述預定質量流速基于對理想進氣歧管氧氣含量的提供。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述理想進氣歧管氧氣含量從所述存儲器的設定點庫獲得。
6.一種控制渦輪增壓器的廢料門的方法，所述方法包括: 從存儲器獲得渦輪增壓器的預定理想增壓壓力； 從所述存儲器獲得發動機的進氣歧管中的預定理想質量流速； 計算所述渦輪增壓器產生所述理想增壓壓力和所述理想質量流速所需要的理論功率的量； 確定在所述進氣歧管中的實際質量流速； 計算所述渦輪增壓器產生所述理想增壓壓力和所述實際質量流速所需要的實際功率的量； 調節所述渦輪增壓器的廢料門的位置，以通過調節增壓壓力使所述渦輪增壓器所需要的理論功率的量與所述實際功率的量大致相等。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述預定理想增壓壓力被存儲在所述存儲器的設定點庫中。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述預定理想質量流速被存儲在所述存儲器的設定點庫中。
9.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述預定增壓壓力和所述預定質量流速基于對理想進氣歧管氧氣含量的提供。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述理想進氣歧管氧氣含量從所述存儲器的設定點庫獲得。
全文摘要
本發明涉及渦輪增壓器控制。提供了一種控制可變幾何形狀渦輪增壓器的方法。從存儲器獲得渦輪增壓器的預定理想增壓壓力。從該存儲器獲得發動機進氣歧管中的預定理想質量流速。計算渦輪增壓器產生理想增壓壓力和理想質量流速所需要的理論功率的量。確定在進氣歧管中的實際質量流速。計算渦輪增壓器產生理想增壓壓力和實際質量流速所需要的實際功率的量。調節渦輪增壓器的渦輪的至少一個可調節葉片，以通過調節增壓壓力使渦輪增壓器所需要的理論功率的量與實際功率的量大致相等。
文檔編號F02D43/00GK103225553SQ20131004078
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月31日 優先權日2012年1月31日
發明者M·J·塞伯利希, J·R·波普, S·C·懷亞特, M·J·曼克努爾蒂, J·A·羅德里格斯, J·G·施普 申請人:萬國引擎知識產權有限責任公司