CN102182575B - 用于控制柴油发动机的空气***的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式涉及用于控制柴油发动机的空气***的设备和方法。具体地，根据本发明的实施方式，建立了表征柴油发动机的空气***的物理模型。通过利用此类物理模型来控制涡轮增压***和废气再循环***，可以使柴油发动机的空气***的实际工况尽可能地接近期望的目标工况。本发明的实施方式公开了相应的设备、柴油发动机、方法。

Description

用于控制柴油发动机的空气***的设备和方法

技术领域

本发明的实施方式总体上涉及柴油发动机，更具体地，涉及用于控制柴油发动机的空气***的设备和方法。

背景技术

随着发动机理论和技术的不断发展，废气再循环(EGR)***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***，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空气流量降低，因此废气排放中总的污染物输出量将得以减少。

在配备有EGR***的柴油发动机中，瞬态过程中的废气再循环率(EGR率)与进入发动机的新鲜空气的匹配关系，是柴油发动机空气***的瞬态过程排放的关键。为此，很多柴油发动机采用涡轮增压***来加快瞬时过程中空气***的响应。此外，涡轮增压***还可以提高柴油发动机的动力性能、改善燃烧，它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***。涡轮增压***本质上是一种空气压缩***，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。

在同时配备有EGR和涡轮增压***的柴油发动机中，这二者之间的耦合特性给空气***的控制提出了挑战。在配备有废气再循环***EGR和涡轮增压***的柴油发动机中，对于EGR***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***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***和增压***是两个相互依赖、相互影响的***，即，具有耦合特性。特别地，在柴油发动机的空气***控制中，瞬态过程中的EGR率与新鲜空气之间的匹配，是瞬态排放过程的关键。

废气再循环***和增压***所具有的耦合特性始终是柴油发动机空气***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***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：

(1)废气再循环***和增压***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VGT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。

(2)以进气空气流量和增压压力为控制目标，根据对空气***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。

(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。

(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***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。

(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***降秩解耦控制策略，即空气***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。

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***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。

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***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***和增压***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。

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***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***和增压***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***的要求。

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。

综上所述，现有技术中针对柴油发动机空气***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。

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***控制策略。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明的实施方式提供用于控制柴油发动机的空气***的设备和方法。

根据本发明的一方面，提供一种用于控制柴油发动机的空气***的设备，所述空气***包括废气再循环EGR***和涡轮增压***，其中所述EGR***包括EGR阀，并且所述涡轮增压***包括空气压缩机和增压阀，所述设备包括：工况获取装置，配置用于获取所述柴油发动机的气缸排气压力的测量值以及流经所述空气压缩机的空气流量的测量值；目标流量确定装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据所述工况获取装置获取的测量值，以及根据所述柴油发动机的气缸排气压力的目标值和流经所述空气压缩机的空气流量的目标值，使用表征所述空气***的非线性物理模型来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量；以及信号产生装置，其耦合至所述目标流量确定装置，配置用于根据所述目标流量确定装置确定的所述流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量，产生用于所述EGR***的第一驱动信号和用于所述涡轮增压***的第二驱动信号。

在本发明的一个实施例中，所述目标流量确定装置进一步包括：基于滑动控制的确定装置，配置用于基于滑动控制策略来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量。

在本发明的一个实施例中，所述信号产生装置进一步包括：EGR阀目标开度确定装置，配置用于根据所述流经所述EGR阀的目标废气流量确定所述EGR阀的目标开度；以及增压阀目标开度确定装置，配置用于根据所述流经所述增压阀的目标废气流量确定所述增压阀的目标开度。

在本发明的一个实施例中，所述第一驱动信号用于控制所述EGR阀的开度，并且其中所述第二驱动信号用于控制所述增压阀的开度。

在本发明的一个实施例中，所述设备利用片上***SoC或集成电路IC来实现。

在本发明的一个实施例中，所述非线性物理模型与所述柴油发动机的以下方面相关：进气压力，排气压力，空气流量，进入气缸的气体流量，气缸排气阀出口流量，进气阀流量系数，转速，气缸位移，进气热常数，进气温度，进气管等效容积，排气热常数，排气温度，排气管等效容积，所述EGR***的增压器机械效率，增压器涡轮效率，增压器涡轮热容量，大气环境温度，大气环境压力，进气空气热容量比，排气热容量比，压缩机效率，增压器转轴转动惯量，增压器转速，增压器涡轮排气能量，增压器压缩空气能量，压缩空气热容量，以及燃油喷射流量。在本发明的一个实施例中，所述非线性物理模型进一步与所述柴油发动机的所述空气***的动态干扰源相关。

根据本发明的另一方面，提供一种柴油发动机，包括：气缸；进气管道，耦合至所述气缸的入口端，配置用于向所述气缸输送气体；排气管道，耦合至所述气缸的出口端，配置用于排出所述气缸燃烧的废气；燃油喷射***，耦合至所述气缸，配置用于向所述气缸喷射燃油；空气***；以及控制单元，包括上述设备，以用于控制所述空气***。所述空气***包括：废气再循环EGR***，耦合至所述排气管道和所述进气管道，并且包括EGR阀，所述EGR***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；涡轮增压***，耦合至所述排气管道，并且包括空气压缩机和增压阀，所述涡轮增压***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的进气压力。

根据本发明的另一方面，提供一种用于控制柴油发动机的空气***的方法，所述空气***包括废气再循环EGR***和涡轮增压***，其中所述EGR***包括EGR阀，并且所述涡轮增压***包括空气压缩机和增压阀。所述方法包括：获取所述柴油发动机的气缸排气压力的测量值以及流经所述空气压缩机的空气流量的测量值；根据所获取的测量值，以及根据所述柴油发动机的气缸排气压力的目标值和流经所述空气压缩机的空气流量的目标值，使用表征所述空气***的非线性物理模型来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量；以及根据所述流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量，产生用于所述EGR***的第一驱动信号和用于所述涡轮增压***的第二驱动信号。

在本发明的一个实施例中，所述确定进一步包括：基于滑动控制策略来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量。

在本发明的一个实施例中，该方法进一步包括：根据所述流经所述EGR阀的目标废气流量确定所述EGR阀的目标开度；以及根据所述流经所述增压阀的目标废气流量确定所述增压阀的目标开度。

在本发明的一个实施例中，所述第一驱动信号用于控制所述EGR阀的开度，并且其中所述第二驱动信号用于控制所述增压阀的开度。

在本发明的一个实施例中，所述非线性物理模型与所述柴油发动机的以下方面相关：进气压力，排气压力，空气流量，进入气缸的气体流量，气缸排气阀出口流量，进气阀流量系数，转速，气缸位移，进气热常数，进气温度，进气管等效容积，排气热常数，排气温度，排气管等效容积，所述EGR***的增压器机械效率，增压器涡轮效率，增压器涡轮热容量，大气环境温度，大气环境压力，进气空气热容量比，排气热容量比，压缩机效率，增压器转轴转动惯量，增压器转速，增压器涡轮排气能量，增压器压缩空气能量，压缩空气热容量，以及燃油喷射流量。

在本发明的一个实施例中，所述非线性物理模型还与所述柴油发动机的所述空气***的动态干扰源相关。

根据本发明的另一方面，提供一种计算机程序介质，包括被执行用于实现根据上述方法的计算机程序代码。

根据本发明的实施方式，提出了一种用于控制空气***(具体地，EGR***和涡轮增压***)的新颖有效的设备和方法。具体地，利用配备有EGR***和涡轮增压***的柴油发动机的准稳态特性关系曲线，可以建立表征空气***的物理模型，其可被用于有效地在各种工况条件下(包括瞬态和稳态)控制EGR***和涡轮增压***，从而使经过空气压缩机的空气流量和气缸排气管压力尽可能接近于期望的目标值。

以此方式，能够在抵抗外界干扰源和未建模的动态特性的同时，兼顾EGR***与涡轮增压***之间的耦合性。而且，根据本发明实施方式的设备结构简单，易于实现。因此，本发明的实施方式可以显著地改善柴油发动机空气***的控制。

附图说明

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：

图1示出了包括废气再循环***和涡轮增压***二者的柴油发动机的示意性结构图；

图2示出了根据本发明实施方式的用于控制柴油发动机的空气***的控制设备200的示意性结构图；

图3示出了适合于用来实践图2中的控制设备200的片上***(SoC)300的示意性结构图；以及

图4示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动机的空气***的控制方法400的流程图。

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

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。

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***的设备和方法。应当注意，在本文中，所使用的术语“空气***”至少包括废气再循环EGR***和涡轮增压***。

还应注意，在本文中提及的例如可变几何涡轮增压***(VGT)等具体涡轮增压***，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***。本发明的范围在此方面不受限制。

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。而且，在本文中，设A表示某个特定的物理量，则表示A对时间的求导，即A随时间的变化率。

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。

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***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。

如图1所示，柴油发动机100包括：气缸108；进气管道106，耦合至气缸108的入口端，配置用于向气缸108输送气体；排气管道112，耦合至气缸108的出口端，配置用于排出气缸108燃烧的废气；燃油喷射***110，耦合至气缸108，配置用于向其喷射燃油；空气***；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***包括：废气再循环***(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108；以及涡轮增压***(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108的进气压力。

从图1中可见，废气再循环***和涡轮增压***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EGR阀驱动信号和增压阀驱动信号，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***和涡轮增压***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。

根据本发明的思想，关键的问题是如何准确、灵活、有效地表征柴油发动机的空气***，特别是如何表征气缸排气压力、流经空气压缩机的空气流量、流经EGR阀的废气流量以及流经增压阀的废气流量这四个关键特性之间的相互影响和作用。如果能够有效地对上述四个特性进行表征和建模，便能够实现现有技术中所无法实现的对空气***的有效控制。为此，如下文详述的，本发明的实施方式建立了表征空气***的上述四个关键***特性的非线性物理模型，并使用它来控制柴油发动机的空气***。

参考图2，其示出了根据本发明实施方式的用于控制柴油发动机的空气***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ECU 114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***的控制设备。

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)的实际工况的测量值(参数)。特别地，在本发明的某些实施方式中，工况获取装置202可以配置用于获取柴油发动机的气缸排气压力的测量值(记为P_em)，以及流经涡轮增压***所包含的空气压缩机的空气流量的测量值(记为W_C)。

应当理解，工况获取装置202可以通过实际测量来获取指示发动机工况的测量值。备选地或附加地，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指示发动机工况的测量值。本发明的范围在此方面不受限制。

如图2所述，根据本发明的实施方式，控制设备200还包括目标流量确定装置204，其耦合至所述工况获取装置202，配置用于根据所述工况获取装置202获取的P_em和W_C，以及根据柴油发动机的气缸排气压力的目标值(P_em，d)和流经空气压缩机的空气流量的目标值(W_c，d)，使用表征空气***的非线性物理模型，确定流经EGR阀的目标废气流量(W_egr)和流经增压阀的目标废气流量(W_t)。

可以看到，根据本发明的实施方式，目标流量确定装置204使用表征空气***的(多输入/多输出的)非线性物理模型，以工况获取装置202获取的P_em和W_C为输入，确定为了满足P_em，d和W_c，d所应具有的，空气***中的两个关键废气流量。实际上，在本领域中，尚无现有技术尝试通过这种面向控制的非线性物理模型来表征和控制柴油发动机的空气***。下面将详细介绍根据本发明实施方式的面向空气***控制的非线性物理模型。

根据本发明的实施方式，该非线性物理模型可以与柴油发动机的一个或多个方面相关。这里所称的“方面”既包括发动机的固有属性，也包括发动机运转过程中的实时工况，例如包括但不限于：进气压力，排气压力，空气流量，进入气缸的气体流量，气缸排气阀出口流量，进气阀流量系数，转速，气缸位移，进气热常数，进气温度，进气管等效容积，排气热常数，排气温度，排气管等效容积，EGR***的增压器机械效率，增压器涡轮效率，增压器涡轮热容量，大气环境温度，大气环境压力，进气空气热容量比，排气热容量比，压缩机效率，增压器转轴转动惯量，增压器转速，增压器涡轮排气能量，增压器压缩空气能量，压缩空气热容量，以及燃油喷射流量。不仅如此，如下文所述，在优选实施方式中，该物理模型还可以将未建模的动态干扰因素纳入考虑。

根据本发明的实施方式，可以利用各种手段基于发动机的上述方面来建立面向空气***控制的非线性物理模型。下面描述本发明的一种优选实施方式。

首先，如本领域已知的，对于给定的柴油发动机而言，进气***的质量平衡方程可表示为：

${\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{im}}=k_{\mathrm{im}}(W_C+W_{\mathrm{egr}}-W_{\mathrm{ei}})---\left(1\right)$

其中：

$k_{\mathrm{im}}=\frac{R_a{T}_{\mathrm{im}}}{V_{\mathrm{im}}}$

并且其中：P_im表示发动机气缸的进气压力；R_a表示进气热常数；T_im表示进气温度；V_im表示进气管等效容积；V_C表示流经涡轮增压***的空气压缩机的空气流量；W_egr表示流经EGR阀的废气流量；并且W_ei表示进入发动机气缸内的气体流量。

此外，柴油发动机的排气***的质量平衡方程可表示为：

${\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{em}}=k_{\mathrm{em}}(W_{\mathrm{eo}}-W_t-W_{\mathrm{egr}})---\left(2\right)$

其中：

$k_{\mathrm{em}}=\frac{R_e{T}_{\mathrm{em}}}{V_{\mathrm{em}}}$

并且其中：P_em表示发动机气缸的排气压力；R_e表示排气热常数；T_em表示排气温度；V_em表示排气管等效容积；W_eo表示气缸排气阀出口流量；并且W_t表示流经增压阀废气流量；W_egr表示流经EGR阀的废气流量。

而且，柴油发动机的涡轮增压***的增压器惯性平衡方程可表示为：

$\frac{1}{2}{J}_t\frac{d}{\mathrm{dt}}\left({\mathrm{\ω}}_t^2\right)-P_t{\mathrm{\η}}_m-P_C---\left(3\right)$

其中：J_t表示增压器转轴转动惯量；ω_t表示增压器的转速；P_t表示增压器涡轮排气能量；η_m表示增压器机械效率；P_C表示增压器压缩空气能量。

进一步，仍然如本领域中已知的，增压器涡轮排气能量P_t可以表示为：

$P_t=W_t{\mathrm{\η}}_t{c}_{\mathrm{pe}}{T}_{\mathrm{em}}[1-{\left(\frac{P_{\mathrm{amb}}}{P_{\mathrm{em}}}\right)}^{\frac{{\mathrm{\γ}}_e-1}{{\mathrm{\γ}}_e}}]---\left(4\right)$

其中：W_t表示流经增压阀废气流量；η_t表示增压器涡轮效率；c_pe表示增压器涡轮热容量；T_em表示排气温度；P_amb表示大气环境压力；P_em表示发动机气缸的排气压力；并且γ_e表示排气热容量比。

而且，由于增压器的机械效率、热效率等在实际情况中不可能达到100％，因此实际的增压器压缩空气能量可表示为：

$P_C{\mathrm{\η}}_C=W_C{c}_{\mathrm{pa}}{T}_{\mathrm{amb}}[{\left(\frac{P_{\mathrm{im}}}{P_{\mathrm{amb}}}\right)}^{\frac{{\mathrm{\γ}}_a-1}{{\mathrm{\γ}}_a}}-1]---\left(5\right)$

其中：P_C表示增压器压缩空气能量；η_C表示空气压缩机的综合效率；W_C表示流经涡轮增压***的空气压缩机的空气流量；c_pa表示压缩空气热容量；T_amb表示大气环境温度；P_im表示发动机气缸的进气压力；P_amb表示大气环境压力；并且γ_a进气空气热容量比。

以上的公式(1)-(5)从不同的角度描述了与柴油发动机的空气***有关的方面。然而，在现有技术中，缺乏有效的手段来表征和利用这些方面之间的耦合性和相互作用。为了解决这一问题，在本发明的实施方式中，建立了面向控制的空气***非线性物理模型。

具体地，除上述方面之外，根据本发明的实施方式，还将涡轮增压器准稳态特性曲线纳入考虑。涡轮增压器的准稳态特性曲线描述了压缩机的空气流量的特性，它是可以预先确定的，例如可以从增压器制造厂商处获得。虽然该曲线描述的是增压器在准稳态下的工作特性，但是从定性的角度考虑，它在瞬态工况下同样成立。

根据涡轮增压器准稳态特性曲线可知：流经压缩机的空气流量W_C是发动机气缸进气压力P_im与涡轮转速ω_t的函数，即：

W_C＝W_C(P_im，ω_t)                    (6)

由此，可以得到：

${\stackrel{\·}{W}}_c=\frac{{\∂W}_c}{{\∂P}_{\mathrm{im}}}{\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{im}}+\frac{{\∂W}_c}{{\∂\mathrm{\ω}}_t}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_t+{\mathrm{\Δ}}_c---\left(7\right)$

为简化起见，在公式(6)中，设：

$a_1=\frac{{\∂W}_c}{{\∂P}_{\mathrm{im}}};$ $a_2=\frac{{\∂W}_c}{{\∂\mathrm{\ω}}_t}$

二者是发动机气缸进气压力P_im与涡轮转速ω_t的函数。特别地，可以看到，公式(7)中还包含记为Δ_C的一项，它表示柴油发动机空气***的动态干扰源，即未被建模的动态特性。根据本发明的实施方式，该Δ_C可以表示为：

${\mathrm{\Δ}}_c={\mathrm{\Δ}}_c(P_{\mathrm{im}},{\mathrm{\ω}}_t,{\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{im}},{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_t)---\left(8\right)$

由此，在本发明的这种实施方式中，非线性物理模型不但考虑了发动机的各种内在特性，而且还可以兼顾外部动态干扰源的影响，从而可以实现对空气***更为鲁棒的控制。当然，这只是本发明的优选实施方式，在可选实施方式中，本发明的实施方式同样可以在不考虑外部动态干扰源的情况下适用。

特别地，如本领域技术人员可以理解的，未建模的动态特征Δ_C显然是有界的，即：

|Δ_c|≤ε                    (9)

其中ε为常量。

由此，根据公式(1)-(9)，可以导出：

${\stackrel{\·}{W}}_c=a_1{k}_{\mathrm{im}}(W_c+W_{\mathrm{egr}}-\frac{{\mathrm{\η}}_e{P}_{\mathrm{im}}{\mathrm{\ω}}_e{V}_d}{120R_a{T}_{\mathrm{im}}})+$

$\frac{{2a}_2}{J_t{\mathrm{\ω}}_t}\left(W_t{\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_t{c}_{\mathrm{pe}}{T}_{\mathrm{em}}\right[1-{\left(\frac{P_{\mathrm{amb}}}{P_{\mathrm{em}}}\right)}^{\frac{{\mathrm{\γ}}_{e-1}}{{\mathrm{\γ}}_e}}]-W_c{c}_{\mathrm{pa}}{T}_{\mathrm{amb}}[{\left(\frac{P_{\mathrm{im}}}{P_{\mathrm{amb}}}\right)}^{\frac{{\mathrm{\γ}}_{a-1}}{{\mathrm{\γ}}_a}}-1\left]\right)+{\mathrm{\Δ}}_c---\left(10\right)$

经整理可得：

${\stackrel{\·}{W}}_c=a_3+a_1{k}_{\mathrm{im}}{W}_{\mathrm{egr}}+a_4{W}_t+{\mathrm{\Δ}}_c---\left(11\right)$

其中：

$a_3=a_1{k}_{\mathrm{im}}(W_c-\frac{{\mathrm{\η}}_e{P}_{\mathrm{im}}{\mathrm{\ω}}_e{V}_d}{120R_a{T}_{\mathrm{im}}})-\frac{{2a}_2{W}_c{c}_{\mathrm{pa}}{T}_{\mathrm{amb}}}{J_t{\mathrm{\ω}}_t}[{\left(\frac{P_{\mathrm{im}}}{P_{\mathrm{amb}}}\right)}^{\frac{\mathrm{\γa}-1}{\mathrm{\γa}}}-1]$

$a_4=\frac{{2a}_2{\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_t{c}_{\mathrm{pe}}{T}_{\mathrm{em}}}{J_t{\mathrm{\ω}}_t}[1-{\left(\frac{P_{\mathrm{amb}}}{P_{\mathrm{em}}}\right)}^{\frac{\mathrm{\γe}-1}{\mathrm{\γe}}}]$

进一步整理可得：

${\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{em}}=a_5-k_{\mathrm{em}}{W}_{\mathrm{egr}}-k_{\mathrm{em}}{W}_t---\left(12\right)$

其中：

$a_5=k_{\mathrm{em}}(W_f+\frac{{\mathrm{\η}}_e{P}_{\mathrm{im}}{\mathrm{\ω}}_e{V}_d}{120R_a{T}_{\mathrm{im}}})---\left(13\right)$

由此，可以得到：

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{W}}_c\\ {\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{em}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{a}_3\\ a_5\end{array}\right)+\left[\begin{array}{cc}{a}_1{k}_{\mathrm{im}}& a_4\\ -k_{\mathrm{em}}& -k_{\mathrm{em}}\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{W}_{\mathrm{egr}}\\ W_t\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_c\\ 0\end{array}\right)---\left(14\right)$

为表示的简便，可将公式(14)进一步整理为以下形式：

$\stackrel{\·}{x}=f\left(x\right)+g\left(x\right)u+\mathrm{\Δ}---\left(15\right)$

其中：

$x=\left(\begin{array}{c}{W}_c\\ P_{\mathrm{em}}\end{array}\right);$

$f\left(x\right)=\left(\begin{array}{c}{a}_3\\ a_5\end{array}\right);$

$g\left(x\right)=\left[\begin{array}{cc}{a}_1{k}_{\mathrm{im}}& a_4\\ {-k}_{\mathrm{em}}& -k_{\mathrm{em}}\end{array}\right];$

$a_4=\frac{2a_2{\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_t{c}_{\mathrm{pe}}{T}_{\mathrm{em}}}{J_t{\mathrm{\ω}}_t}[1-{\left(\frac{P_{\mathrm{amb}}}{P_{\mathrm{em}}}\right)}^{\frac{\mathrm{\γe}-1}{\mathrm{\γe}}}];$

$u=\left(\begin{array}{c}{W}_{\mathrm{egr}}\\ W_t\end{array}\right);$

$\mathrm{\Δ}=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_c\\ 0\end{array}\right).$

这样，本发明的实施方式建立了一种表征柴油发动机的气缸排气压力、流经空气压缩机的空气流量、流经EGR阀的废气流量以及流经增压阀的废气流量之间关系的多输入/多输出的、非线性的物理模型。

当然，应当理解，上文给出的仅是面向控制的空气***物理模型的一种优选实施方式。该模型的各种变形是可能的。例如，在某些工况条件下，在物理模型中可以不考虑上文提及的一个或多个方面，和/或增加与发动机有关的新的方面。又如，如上文所述，在某些实施方式中，可以不考虑未建模的动态干扰源。实际上，基于本发明给出的如上启示和教导，本领域技术人员可以结合其具体需求和条件，设计实现任何适当的物理模型来表征柴油发动机的空气***。

此外，如上所述，物理模型中所涉及到的这些方面某些属于发动机的固有属性，而某些则是发动机的实时工况。对于发动机的固有属性，它们是可以预先确定和获得的。而对于实时工况，则可能需要在发动机的运转过程中实时获取。为此，工况获取装置202可以进一步包含一个或多个(子)装置(图2中未示出)，每个子装置配置用于获取相应工况的测量值，并将其传递给目标流量确定装置204以供使用。

根据本发明的实施方式，基于上述物理模型，给定气缸排气压力和流经空气压缩机的空气流量的实际测量值P_em和W_C以及目标值P_em，d和W_c，d，目标流量确定装置204可以按照目前已知或将来开发的任何适当控制策略，确定流经EGR阀和增压阀的目标废气流量。

下面，将以滑动控制策略为例，详细描述本发明的一类优选实施方式。具体地，在此类实施方式中，目标流量确定装置204进一步包括基于滑动控制的确定装置(图2中未示出)，配置用于基于滑动控制策略来确定流经EGR阀和增压阀的目标废气流量的装置。在操作过程中，该基于滑动控制的确定装置可配置用于定义滑动面S＝0，即：

$s=\tilde{x}=x-x_d$

其中

$x_d=\left(\begin{array}{c}{W}_{c,d}\\ P_{\mathrm{em},d}\end{array}\right)$

此时，根据公式(15)所限定的空气***非线性模型，有：

$\frac{1}{2}\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(s^{T}s\right)=s^T\stackrel{\·}{s}=s^T(f\left(x\right)+g\left(x\right)u+\mathrm{\Δ})---\left(16\right)$

继而，设滑动控制的控制律为：

$u=g^{-1}[-f\left(x\right)-\tilde{x}-\left(\underset{0}{\mathrm{\ϵsgn}(W_c-W_{c,d})}\right)]---\left(17\right)$

其中sgn表示符号函数，即：

sgn(y)＝1，y＞0

sgn(y)＝-1，y＜0

则有

$\frac{1}{2}\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(s^{T}s\right)\≤-\mathrm{\λ}\left|s_1\right|---\left(18\right)$

其中λ＞0。

由此得到：

$W_{\mathrm{egr}}=\frac{1}{a_4{k}_{\mathrm{em}}-a_1{k}_{\mathrm{im}}{k}_{\mathrm{em}}}\{-a_4(a_5+P_{\mathrm{em}}-P_{\mathrm{em},d})-k_{\mathrm{em}}[a_3+(W_c-W_{c,d})+\mathrm{\ϵsgn}(W_c-W_{c,d})\left]\right\}---\left(19\right)$

以及

$W_t$

$=\frac{1}{a_4{k}_{\mathrm{em}}-a_1{k}_{\mathrm{im}}{k}_{\mathrm{em}}}\left\{k_{\mathrm{em}}\right[a_3+(W_c-W_{c,d})+\mathrm{\ϵsgn}(W_c,-W_{c,d})]+a_1{k}_{\mathrm{im}}(a_5+P_{\mathrm{em}}-P_{\mathrm{em},d})\}---\left(20\right)$

以此方式，目标流量确定装置204可以确定流经EGR阀和增压阀的目标废气流量。

应当理解，上文基于滑动控制策略的实施方式仅仅是示例性的。在建立了面向控制的空气***非线性物理模型的情况下，目标流量确定装置204可以包含任意适当的子装置，配置用于采用任何适当的控制策略来确定流经EGR阀和增压阀的目标废气流量，例如鲁棒自适应控制策略、鲁棒非线性控制策略，等等。本发明的范围在此方面不受限制。

继续参考图2，控制设备200还包括信号产生装置206，其耦合至目标流量确定装置204，配置用于根据目标流量确定装置204所确定的流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量，产生用于EGR***的第一驱动信号和用于涡轮增压***的第二驱动信号。

特别地，根据本发明的实施方式，第一驱动信号用于控制EGR阀的开度，并且第二驱动信号用于控制增压阀的开度。为此，根据本发明的实施方式，信号产生装置206可以进一步包括EGR阀开度确定装置2062和增压阀开度确定装置2064，二者分别配置用于基于来自目标流量确定装置204的数据确定EGR阀的目标开度和增压阀的目标开度。

如本领域技术人员已知的，流经上述两个阀的废气流量与这两个阀的开度之间分别存在着可确定的对应关系。例如，在本发明的某些实施方式中，二者之间的对应关系是基于相应的脉谱图获得的。换言之，EGR阀开度确定装置2062在从目标流量确定装置204接收流经EGR阀的目标废气流量之后，基于EGR阀的废气流量与EGR阀开度之间的脉谱图关系，确定EGR阀的目标开度。类似地，增压阀开度确定装置2064同样可以基于脉谱图来确定增压阀的目标开度。相应地，信号产生装置206将产生控制信号来驱动EGR阀和增压阀的开度。

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可以采用空气***的非线性物理模型，有效地实现对EGR***和涡轮增压***的控制，从而使得空气***的实际工况尽可能地接近期望的目标工况。

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。在另一些实施方式中，设备200可以通过片上***(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。

参考图3，其示出了适于用来实施图2所示的控制设备200的片上***(SoC)300的结构框图。如图3所示，SoC 300可以包括工况获取块302、目标流量确定块304和信号产生块306，其分别对应于上文参考图2描述的工况获取装置202、目标流量确定装置204、信号产生装置206。此外，尽管在图3中未示出，但是根据本发明的实施方式，这些块还可以包括子块，对应于图2中描述的各装置所包含的子装置。这些块302-306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。

此外，SoC 300包括各种组件，诸如输入输出(I/O)逻辑310(例如用以包括电子电路)以及微处理器312(例如，任何微控制器或者数字信号处理器)。SoC 300还包括存储器314，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 300还可以包括各种固件和/或软件，诸如操作***316，其可以是由存储器314维护并由微处理器312执行的计算机可执行指令。SoC 300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。

应当理解，根据本发明的实施方式，SoC 300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 300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 300的设备还可以利用不同组件的多个组合来实现。

下面参考图4，其示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动机的空气***的非线性控制的方法400的流程图。方法400开始之后，在步骤S402，获取气缸排气压力的测量值，以及流经空气压缩机的空气流量的测量值。

接下来，在步骤S404，根据气缸排气压力和流经空气压缩机的空气流量的测量值以及对应的目标值，使用表征空气***的非线性物理模型，确定流经EGR阀的目标废气流量和流经增压阀的目标废气流量。如上文所述，根据本发明的实施方式，可以利用多种控制策略来确定流经EGR阀的目标废气流量和流经增压阀的目标废气流量，例如滑动控制、自适应控制、非线性控制，等等。

而后，在步骤S406，基于所确定的流经EGR阀的目标废气流量和流经增压阀的目标废气流量，产生用于EGR***和涡轮增压***的驱动信号。例如，在某些实施方式中，可以基于两个目标废气流量分别确定EGR阀和增压阀的目标开度(例如，基于脉谱图)，并且驱动信号可以相应地驱动EGR阀和增压阀。

可以理解，方法400中记载的步骤与上文参考图2描述的控制设备200中的装置分别完全对应一致。由此，上文参考控制设备200的各个装置而描述的操作、功能和/或特征同样适用于方法400的各个步骤。而且，方法400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。

另外，应当理解，参考图4描述的方法400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400的步骤。

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，可以建立表征柴油发动机空气***的物理模型，其可被用于有效地在各种工况条件下(包括瞬态和稳态)控制EGR***和涡轮增压***，从而使经过空气压缩机的空气流量和气缸排气管压力尽可能接近于期望的目标值。以此方式，能够在抵抗外界干扰源和未建模的动态特性的同时，兼顾EGR***与涡轮增压***之间的耦合性。而且，根据本发明实施方式的设备结构简单，易于实现。因此，本发明的实施方式可以显著地改善柴油发动机空气***的控制。

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***，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。

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。

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。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。所附权利要求的范围符合最宽泛的解释，从而包含所有这样的修改及等同结构和功能。

Claims (14)

1.一种用于控制柴油发动机的空气***的设备，所述空气***包括废气再循环EGR***和涡轮增压***，其中所述EGR***包括EGR阀，并且所述涡轮增压***包括空气压缩机和增压阀，所述设备包括：

工况获取装置，配置用于获取所述柴油发动机的气缸排气压力的测量值以及流经所述空气压缩机的空气流量的测量值；

目标流量确定装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据所述工况获取装置获取的测量值，以及根据所述柴油发动机的气缸排气压力的目标值和流经所述空气压缩机的空气流量的目标值，使用表征所述空气***的非线性物理模型来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量；以及

信号产生装置，其耦合至所述目标流量确定装置，配置用于根据所述目标流量确定装置确定的所述流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量，产生用于所述EGR***的第一驱动信号和用于所述涡轮增压***的第二驱动信号。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述目标流量确定装置进一步包括：

基于滑动控制的确定装置，配置用于基于滑动控制策略来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述信号产生装置进一步包括：

EGR阀目标开度确定装置，配置用于根据所述流经所述EGR阀的目标废气流量确定所述EGR阀的目标开度；以及

增压阀目标开度确定装置，配置用于根据所述流经所述增压阀的目标废气流量确定所述增压阀的目标开度。

4.如权利要求3所述的设备，其中所述第一驱动信号用于控制所述EGR阀的开度，并且其中所述第二驱动信号用于控制所述增压阀的开度。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述设备利用片上***SoC或集成电路IC来实现。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述非线性物理模型与所述柴油发动机的以下方面相关：

进气压力，排气压力，空气流量，进入气缸的气体流量，气缸排气阀出口流量，进气阀流量系数，转速，气缸位移，进气热常数，进气温度，进气管等效容积，排气热常数，排气温度，排气管等效容积，所述EGR***的增压器机械效率，增压器涡轮效率，增压器涡轮热容量，大气环境温度，大气环境压力，进气空气热容量比，排气热容量比，压缩机效率，增压器转轴转动惯量，增压器转速，增压器涡轮排气能量，增压器压缩空气能量，压缩空气热容量，以及燃油喷射流量。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述非线性物理模型进一步与所述柴油发动机的所述空气***的动态干扰源相关。

8.一种柴油发动机，包括：

气缸；

进气管道，耦合至所述气缸的入口端，配置用于向所述气缸输送气体；

排气管道，耦合至所述气缸的出口端，配置用于排出所述气缸燃烧的废气；

燃油喷射***，耦合至所述气缸，配置用于向所述气缸喷射燃油；

空气***，包括：

废气再循环EGR***，耦合至所述排气管道和所述进气管道，并且包括EGR阀，所述EGR***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；

涡轮增压***，耦合至所述排气管道，并且包括空气压缩机和增压阀，所述涡轮增压***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，以用于控制所述空气***。

9.一种用于控制柴油发动机的空气***的方法，所述空气***包括废气再循环EGR***和涡轮增压***，其中所述EGR***包括EGR阀，并且所述涡轮增压***包括空气压缩机和增压阀，所述方法包括：

获取所述柴油发动机的气缸排气压力的测量值以及流经所述空气压缩机的空气流量的测量值；

根据所获取的测量值，以及根据所述柴油发动机的气缸排气压力的目标值和流经所述空气压缩机的空气流量的目标值，使用表征所述空气***的非线性物理模型来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量；以及

根据所述流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量，产生用于所述EGR***的第一驱动信号和用于所述涡轮增压***的第二驱动信号。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述确定进一步包括：

基于滑动控制策略来确定流经所述EGR阀的目标废气流量和流经所述增压阀的目标废气流量。

11.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

根据所述流经所述EGR阀的目标废气流量确定所述EGR阀的目标开度；以及

根据所述流经所述增压阀的目标废气流量确定所述增压阀的目标开度。

12.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EGR阀的开度，并且其中所述第二驱动信号用于控制所述增压阀的开度。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述非线性物理模型与所述柴油发动机的以下方面相关：

进气压力，排气压力，空气流量，进入气缸的气体流量，气缸排气阀出口流量，进气阀流量系数，转速，气缸位移，进气热常数，进气温度，进气管等效容积，排气热常数，排气温度，排气管等效容积，所述EGR***的增压器机械效率，增压器涡轮效率，增压器涡轮热容量，大气环境温度，大气环境压力，进气空气热容量比，排气热容量比，压缩机效率，增压器转轴转动惯量，增压器转速，增压器涡轮排气能量，增压器压缩空气能量，压缩空气热容量，以及燃油喷射流量。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述非线性物理模型还与所述柴油发动机的所述空气***的动态干扰源相关。

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