CN112664282B - 用于可变涡轮增压器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供用于可变涡轮增压器的控制方法，该控制方法用于汽油发动机。其中，该方法包括如下步骤：1)由涡轮增压器增压压力和增压压力目标值来确定增压压力控制偏差；2)由增压压力控制偏差来输出执行器位置控制信号；3)由增压压力目标值和进气空气流量来确定VGT流量设定值和排气压力设定值；4)由VGT流量设定值和排气压力设定值来确定VGT执行器位置预设值；5)由执行器位置控制信号和VGT执行器位置预设值来确定执行器位置目标值；以及6)根据执行器位置目标值，由VGT执行器来调整VGT喷嘴环开度。本申请的用于可变涡轮增压器的控制方法具有简单可靠、易于实施等优点，能够在汽油发动机上应用并且提高汽油发动机的运行效率。

Description

用于可变涡轮增压器的控制方法

技术领域

本申请涉及车辆控制领域，具体而言，本申请涉及一种用于汽油发动机的用于可变涡轮增压器的控制方法，其旨在选择性地控制汽油发动机上的可变涡轮增压器的开度。

背景技术

涡轮增压技术已应用于车用汽油发动机来满足未来油耗法规。随着燃油消耗指标的压力进一步增大，越来越多的汽油发动机开始采用米勒循环、稀薄燃烧等新型燃烧循环方式。然而，上述循环方式都需要发动机吸入更多的空气量来保持原来的功率性能，而这需要显著提高增压比，但是传统的废气放气阀涡轮增压器由于在高速时大量放气，综合效率比较低，提高增压比会造成涡前背压提升，引起排气不畅或者缸内的残余废气量增多，这会导致燃烧恶化甚至爆震倾向增大，性能提升受到限制。

可变涡轮增压器(Variable Geometry Turbocharger，缩写为VGT)通过连续可变喷嘴环机构来调节涡轮流量，没有放气阀造成的流阻以及废气能量损失，因而在高速区域内具有较高的综合效率。可变涡轮增压器一般通过在涡轮叶轮前放置一套喷嘴环机构，调节喷嘴环角度就可以改变进入叶轮前的气流入口截面积，实现涡轮截面的连续可变。尽管可变涡轮增压器已在使用柴油的发动机上应用，但是在使用汽油的发动机的排气温度显著地高于使用柴油的发动机(例如，高出100度左右)，因此现有的汽油发动机通常不会配备可变涡轮增压器。

近年来，随着高耐温材料技术的进步以及成本的降低，能够承受950度甚至更高排温的汽油发动机可变涡轮增压器开发开始提上日程，对于汽油发动机可变涡轮增压器的控制方法亟需进行研究。

发明内容

本申请一方面的目的在于提供一种用于可变涡轮增压器的控制方法，其旨在对汽油发动机的可变涡轮增压器提供有效的控制。

本申请的目的是通过如下技术方案实现的：

一种用于可变涡轮增压器的控制方法，其用于汽油发动机，该方法包括如下步骤：

1) 由涡轮增压器增压压力和增压压力目标值来确定增压压力控制偏差；

2) 由增压压力控制偏差来输出执行器位置控制信号；

3) 由增压压力目标值和进气空气流量来确定VGT流量设定值和排气压力设定值；

4) 由VGT流量设定值和排气压力设定值来确定VGT执行器位置预设值；

5) 由执行器位置控制信号和VGT执行器位置预设值来确定执行器位置目标值；以及

6) 根据执行器位置目标值，由VGT执行器来调整VGT喷嘴环开度。

在上述用于可变涡轮增压器的控制方法中，可选地，增压压力目标值由歧管压力预设值来确定。

在上述用于可变涡轮增压器的控制方法中，可选地，在步骤2)中，执行器位置控制信号通过增压压力PID控制器来生成。

在上述用于可变涡轮增压器的控制方法中，可选地，在步骤3)中，VGT流量设定值和排气压力设定值通过涡轮增压器模型来生成。

在上述用于可变涡轮增压器的控制方法中，可选地，在步骤4)中，VGT执行器位置预设值通过VGT喷嘴环开度模型来生成。

在上述用于可变涡轮增压器的控制方法中，可选地，VGT执行器包括位置传感器来感测VGT喷嘴环的开度，从而通过闭环控制来进行开度调整。

在上述用于可变涡轮增压器的控制方法中，可选地，可变涡轮增压器包括可变喷嘴环机构，可变喷嘴环机构由能够承受至少950摄氏度的温度的材料来制成。

在上述用于可变涡轮增压器的控制方法中，可选地，VGT喷嘴环开度包括根据发动机转速和发动机扭矩来确定的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域。

在上述用于可变涡轮增压器的控制方法中，可选地，在第一区域中，VGT喷嘴环开度为100%；在第二区域中，VGT喷嘴环开度为30%-60%；在第三区域中，VGT喷嘴环开度为20%；并且在第四区域中，VGT喷嘴环开度为70%-80%。

在上述用于可变涡轮增压器的控制方法中，可选地，第一区域覆盖发动机转速的整个范围和发动机扭矩的低扭矩范围；第三区域覆盖发动机转速的低速度范围和发动机扭矩的高扭矩范围；第四区域覆盖发动机转速的高速度范围和发动机扭矩的高扭矩范围；第二区域覆盖发动机转速和发动机扭矩的其他工况范围。

本申请的用于可变涡轮增压器的控制方法具有简单可靠、易于实施等优点，能够在汽油发动机上应用并且提高汽油发动机的运行效率。

附图说明

以下将结合附图和优选实施例来对本申请进行进一步详细描述。本领域技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本申请范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅意在展示对象的组成或构造。附图可包含夸大显示，并且并非是完全按比例的。

图1是用于汽油发动机的可变涡轮增压器的***示意图。

图2是图1所示实施例中的电子执行器的结构原理示意图。

图3是图2所示实施例的工作范围示意图。

图4是图1所示实施例的使用策略示意图。

图5是图2所示实施例的闭环控制逻辑示意图。

具体实施方式

以下将参考附图来详细描述本申请的优选实施例。本领域中的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应被解释为限定了本申请的范围。

需要说明的是，本文中提及的顶部、底部、朝上、朝下等方位术语是相对于附图来定义的。方向和方位是相对的概念，并且能够根据不同位置和不同的实用状态而变化。所以，不应将这些或其他方位或方向术语理解为限制性的。

此外，还应当指出的是，对于实施例中描述或隐含的任意单个技术特征或附图中示出或隐含的任意单个技术特征来说，仍有可能将这些技术特征(或其等同物)进行组合，以获得未在本文中直接提及的其他实施例。

应当注意的是，在不同的附图中，相同的参考标号表示相同或大致相同的组件。

图1是用于汽油发动机的可变涡轮增压器的***示意图。在图示的实施例中，实线箭头A代表吸入汽油发动机***中的新鲜空气或外界空气，而虚线箭头B代表经过汽油发动机的燃烧之后排放的排放气体或高温废气。如图所示，外界空气A首先通过进气***或进气口100进入，依次经过涡轮增压器120的压缩机121、中冷器130、节气门140、歧管150、汽油发动机本体160、涡轮增压器120的涡轮122以及催化器170。

具体而言，外界空气A是通过涡轮增压器120中的压缩机轮121来进行压缩，并且压缩机轮121是由涡轮122来带动，而涡轮122又是由排气气体B来带动的。出于清楚的缘故，图1中仅示意性地示出了涡轮增压器120的大致结构。本领域技术人员可以根据对涡轮增压器结构的了解来获知其他未具体示出的结构。在本申请的一个实施例中，涡轮增压器120为可变涡轮增压器，并且带有未具体示出的可变喷嘴环机构和电子执行器。可变喷嘴环机构可装设在涡轮122入口前，以便调整用于驱动涡轮122的排气气体B的流量和速度。

此外，可变涡轮增压器还带有涡轮壳体、中间壳和压力壳等。在本申请的一个实施例中，涡轮壳体由不锈钢来制成，中间壳体由灰铸铁来制成，并且压力壳体由铸铝合金来制成。可变喷嘴环机构和涡轮壳体可由能够耐受至少950摄氏度的工作温度的材料来制成，以便承受汽油发动机130的排气气体B可能带有的高温和高压。

根据本申请的一个实施例，在中冷器130与节气门140之间设置有增压压力传感器101，并且在歧管150中设置有歧管压力传感器102。这些传感器构造为感测管路上的气体A的压力，并且将压力数据提供至车辆控制单元、发动机控制模块或其他控制装置，以便用于所期望的用途。

图2是图1所示实施例中的电子执行器的结构原理示意图。电子执行器200包括电机210、VGT执行器位置传感器220和PCB板230。电机210通过电机正极接线211和电机负极接线212来连接到未示出的电源，以便获得电力供应。电机210还通过输出轴213来调整VGT执行器的位置，也即调整可变喷嘴环机构的开度。VGT执行器位置传感器220可设置在PCB板230上，并且配置为感测输出轴213的状态，从而间接地感测VGT执行器的位置和可变喷嘴环机构的开度。VGT执行器位置传感器220的感测结果通过输出电压221来输出，并可选地提供至车辆控制单元、发动机控制模块或其他控制装置。此外，PCB板230还电气地附接到供电电压231和接地线232，以便提供电力供应和安全运行能力。在本申请的一个实施例中，电机210可为直流电机。在本申请的另一个实施例中，电子执行器200还包括壳体。

图3是图2所示实施例的工作范围示意图。图3中的横坐标代表VGT的可变喷嘴环机构的开度，而纵坐标表示VGT执行器位置传感器220的输出电压。在纵轴上，VGT执行器位置传感器220的输出电压最大值的5%对应于机械下至点，最大值的95%对应于机械上至点，最大值的20%对应于标定下至点，最大值的80%对应于标定上至点。标定下至点和标定上至点分别对应于横轴上VGT执行器的最小流量开度和最大流量开度。实际的VGT执行器工作范围是在标定上至点和标定下至点之间的60%的区间内。机械上止点与标定上止点之间，机械下至点与标定下至点之间区域为预留区间，用于容纳机械磨损所造成的误差范围。

图4是图1所示实施例的使用策略示意图。图4中示例性地示出了在汽油发动机转速与汽油发动机输出扭矩的不同数值处的VGT执行器的使用策略。需要说明的是，汽油发动机转速的单位为每分钟转速，而汽油发动机输出扭矩的单位为牛米。图示的汽油发动机转速和汽油发动机输出扭矩的数值仅为示例性的，并且对于不同型号的发动机来说可能具有不同的数值。然而，图4中所示的策略可根据不同发动机的具体情况来改变，本领域技术人员在本申请的教导下容易做出这样的改动。

容易理解的是，汽油发动机的转速和输出扭矩之间存在大致的上限，也即图4中区域2、3和4的顶部的边界线。在该边界线下方，汽油发动机有可能在不同的转速以及匹配的扭矩下工作，从而适应不同的公开。

VGT喷嘴环开度或可变喷嘴环机构的开度包括根据发动机转速和发动机扭矩来确定的第一区域1、第二区域2、第三区域3和第四区域4。在第一区域中，VGT喷嘴环开度为100%；在第二区域中，VGT喷嘴环开度为30%-60%；在第三区域中，VGT喷嘴环开度为20%；并且在第四区域中，VGT喷嘴环开度为70%-80%。第一区域1旨在覆盖发动机转速的整个范围和发动机扭矩的低扭矩范围。例如，在图示的实施例中，第一区域包括扭矩大致低于80Nm且转速在1000至6000rpm内的范围。在第一区域处提供100%的开度有利于降低泵气损失，并且能够在冷启动时使排气能量快速到达催化器，从而进行起燃。第三区域3覆盖发动机转速的低速度范围和发动机扭矩的高扭矩范围。例如，第三区域3包括转速大约1200-2200rpm，扭矩在120-175Nm范围内的区域。第三区域3位于边界线下方且在第二区域2之上。在第三区域3中提供较小的开度有利于满足性能要求。第四区域4覆盖发动机转速的高速度范围和发动机扭矩的高扭矩范围。例如，第四区域包括转速大约3500-6000rpm，扭矩在130-175Nm范围内的区域。第四区域4位于边界线下方且在第二区域2之上。在第四区域4中提供中大程度的开度有利于满足功率需求。第二区域2覆盖发动机转速和发动机扭矩的其他工况范围。第二区域2包括由边界线、第一区域1、第三区域3和第四区域4所包围的范围。在第二区域2中采用中等开度有利于使可变涡轮增压器在广阔的中等负荷区域中在较高效率下工作。

应当理解的是，本文中所称的“低速度”、“高速度”、“低扭矩”和“高扭矩”等术语对于具体发动机的具体工况而言可具有不同的数值。本领域技术人员容易根据实际的发动机规格和工况来确定适合不同发动机的具体数值。本申请意在覆盖这些数值的变型和改变。

图5是图2所示实施例的闭环控制逻辑示意图。整个可变涡轮增压器控制装置包括执行机构100和控制器300。执行机构100包括根据上文所描述的VGT执行器或电机210、VGT执行器位置传感器220、VGT喷嘴环或可变喷嘴环机构123、涡轮增压器120和增压压力传感器101等。其中，增压压力传感器101与涡轮增压器120之间通过进气空气或外界空气A来实现关联。

控制器300配置为获得歧管压力预设值输入301和进气空气流量输入302，并且还可从车辆控制单元、发动机控制模块或其他控制装置获得车辆及发动机运行相关的其他参数或数据。在图示的实施例中，控制器300包括：增压压力目标值计算模块310、增压压力控制偏差计算模块311、增压压力PID控制器312、涡轮增压器模型计算模块320、VGT喷嘴环开度模型计算模块330、执行器位置目标计算模块313和VGT执行器PID控制器340等。

增压压力目标值计算模块310配置为基于歧管压力预设值输入301来计算增压压力目标值，并且将增压压力目标值提供给增压压力控制偏差计算模块311和涡轮增压器模型计算模块320。

增压压力控制偏差计算模块311配置为根据增压压力目标值以及从增压压力传感器101感测到的实际增压压力来计算增压压力控制偏差，并且将增压压力控制偏差提供至增压压力PID控制器312。在本申请的一个实施例中，增压压力控制偏差可通过用增压压力目标值减去实际增压压力来获得。

增压压力PID控制器312配置为根据增压压力控制偏差来计算执行器位置控制信号，并且将执行器位置控制信号提供至执行器位置目标计算模块313。在计算过程中，增压压力PID控制器312可适当地采用PID控制，从而提高控制结果的稳定性和连续性。

涡轮增压器模型计算模块320包括用于涡轮增压器的数学模型，并且根据增压压力目标值和进气空气流量来计算VGT流量设定值和排气压力设定值，然后将VGT流量设定值和排气压力设定值提供至VGT喷嘴环开度模型计算模块330。

VGT喷嘴环开度模型计算模块330基于VGT流量设定值和排气压力设定值来计算执行器位置预设值，并且将执行器位置预设值提供至执行器位置目标计算模块313。

执行器位置目标计算模块313根据执行器位置控制信号和执行器位置预设值来计算执行器位置目标值，并且将执行器位置目标值提供至VGT执行器PID控制器340。在本申请的一个实施例中，执行器位置目标计算模块313通过将执行器位置控制信号和执行器位置预设值相加来计算执行器位置目标值。

VGT执行器PID控制器340向电机210发送控制信号，并且还通过VGT执行器位置传感器220感测到的VGT执行器的位置来进行闭环控制。在计算和控制过程中，VGT执行器PID控制器340可适当地采用PID控制，从而提高控制结果的稳定性和连续性。

电机210调整VGT喷嘴环或可变喷嘴环机构123，从而改变涡轮增压器120的VGT流量和排气压力，进而影响进气空气或外界空气A的增压压力，增压压力的变化由增压压力传感器101感测并提供给控制器300。

总结之，上文提供了一种用于可变涡轮增压器的控制方法，其可选地用于汽油发动机，该方法包括如下步骤：

1) 由涡轮增压器增压压力和增压压力目标值来确定增压压力控制偏差，其中，增压压力目标值可由歧管压力预设值来确定；

2) 由增压压力控制偏差来输出执行器位置控制信号，其中，执行器位置控制信号可通过增压压力PID控制器来生成；

3) 由增压压力目标值和进气空气流量来确定VGT流量设定值和排气压力设定值，其中，VGT流量设定值和排气压力设定值可通过涡轮增压器模型来生成；

4) 由VGT流量设定值和排气压力设定值来确定VGT执行器位置预设值，其中，VGT执行器位置预设值可通过VGT喷嘴环开度模型来生成；

5) 由执行器位置控制信号和VGT执行器位置预设值来确定执行器位置目标值；以及

6) 根据执行器位置目标值，由VGT执行器来调整VGT喷嘴环开度，其中，VGT执行器可包括位置传感器来感测VGT喷嘴环的开度，从而通过闭环控制来进行开度调整。

在上文的实施例中，各个模块可由单独的器件来实施，也可由单个器件来实施两个或更多模块的功能。

通过采用本申请所公开的用于可变涡轮增压器的控制方法，能够在汽油发动机上实现可变涡轮增压器的安装、控制和使用，从而提高了汽油发动机的燃烧和运行效率，有效地提高了车辆的能耗比和用户体验。

本说明书参考附图来公开本申请。本领域中的技术人员能够实施本申请，包括制造和使用任何装置或***、选用合适的材料以及使用任何结合的方法。本申请的范围由请求保护的技术方案限定，并且包含本领域中的技术人员想到的其他实例。只要此类其他实例包括并非不同于请求保护的技术方案字面语言的结构元件或等价结构元件，则此类其他实例应当被认为处于由请求保护的技术方案确定的范围内。

Claims (10)

1.一种用于可变涡轮增压器的控制方法，其用于汽油发动机，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1) 由涡轮增压器增压压力和增压压力目标值来确定增压压力控制偏差；

2) 由所述增压压力控制偏差来输出执行器位置控制信号；

3) 由所述增压压力目标值和进气空气流量来确定VGT流量设定值和排气压力设定值；

4) 由所述VGT流量设定值和所述排气压力设定值来确定VGT执行器位置预设值；

5) 由所述执行器位置控制信号和所述VGT执行器位置预设值来确定执行器位置目标值；以及

6) 根据所述执行器位置目标值，由VGT执行器来调整VGT喷嘴环开度。

2.根据权利要求1所述的用于可变涡轮增压器的控制方法，其特征在于，所述增压压力目标值由歧管压力预设值来确定。

3.根据权利要求1所述的用于可变涡轮增压器的控制方法，其特征在于，在步骤2)中，所述执行器位置控制信号通过增压压力PID控制器来生成。

4.根据权利要求1所述的用于可变涡轮增压器的控制方法，其特征在于，在步骤3)中，所述VGT流量设定值和所述排气压力设定值通过涡轮增压器模型来生成。

5.根据权利要求1所述的用于可变涡轮增压器的控制方法，其特征在于，在步骤4)中，所述VGT执行器位置预设值通过VGT喷嘴环开度模型来生成。

6.根据权利要求1所述的用于可变涡轮增压器的控制方法，其特征在于，所述VGT执行器包括位置传感器来感测VGT喷嘴环的开度，从而通过闭环控制来进行开度调整。

7.根据权利要求1所述的用于可变涡轮增压器的控制方法，其特征在于，所述可变涡轮增压器包括可变喷嘴环机构，所述可变喷嘴环机构由能够承受至少950摄氏度的温度的材料来制成。

8.根据权利要求1所述的用于可变涡轮增压器的控制方法，其特征在于，所述VGT喷嘴环开度包括根据发动机转速和发动机扭矩来确定的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域。

9.根据权利要求8所述的用于可变涡轮增压器的控制方法，其特征在于，在所述第一区域中，所述VGT喷嘴环开度为100%；在所述第二区域中，所述VGT喷嘴环开度为30%-60%；在所述第三区域中，所述VGT喷嘴环开度为20%；并且在所述第四区域中，所述VGT喷嘴环开度为70%-80%。

10.根据权利要求9所述的用于可变涡轮增压器的控制方法，其特征在于，所述第一区域覆盖发动机转速的整个范围和发动机扭矩的低扭矩范围；所述第三区域覆盖发动机转速的低速度范围和发动机扭矩的高扭矩范围；所述第四区域覆盖发动机转速的高速度范围和发动机扭矩的高扭矩范围；所述第二区域覆盖发动机转速和发动机扭矩的其他工况范围。

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