專利名稱：用于控制柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型的實施方式總體上涉及柴油發(fā)動機，更具體地，涉及用于控制柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)的設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著發(fā)動機理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)已經(jīng)成為柴油發(fā)動機中的重要組成部分。在柴油發(fā)動機排出的廢氣中，通常含有大量的氮氧化合物(NOx)，它是造成大氣污染的一個主要來源。利用EGR系統(tǒng)，柴油發(fā)動機產(chǎn)生的一部分廢氣被送回氣缸。由于再循環(huán)廢氣具有惰性，因此它將會延緩燃燒過程，使燃燒速度有所減慢，進而導(dǎo)致燃燒室中的壓力形成過程減慢，從而有效地減少氮氧化合物。另外，提高廢氣再循環(huán)率會使總的廢氣流量降低，因此廢氣排放中總的污染物輸出量將得以減少。除EGR之外，為了提高柴油發(fā)動機的動力性能、改善燃燒，渦輪增壓系統(tǒng)也是現(xiàn)代柴油發(fā)動機中的重要組成部分之一。例如，可變幾何渦輪增壓器(VGT)是一種常見的渦輪增壓系統(tǒng)。渦輪增壓系統(tǒng)本質(zhì)上是一種空氣壓縮系統(tǒng)，通過壓縮空氣來增加柴油發(fā)動機氣缸的進氣量。它由發(fā)動機排出的廢氣的沖力來驅(qū)動，通過增壓器轉(zhuǎn)軸等裝置將壓力傳遞至空氣壓縮機，從而使新進入的空氣在進入氣缸前被有效地增壓。在同時配備有EGR和渦輪增壓系統(tǒng)的柴油發(fā)動機中，這二者之間的耦合特性給空氣系統(tǒng)的控制提出了挑戰(zhàn)。在配備有廢氣再循環(huán)系統(tǒng)EGR和渦輪增壓系統(tǒng)的柴油發(fā)動機中，對于EGR系統(tǒng)而言，精確控制EGR率和進氣溫度是改善NOx排放、以及降低其對顆粒物及動力和經(jīng)濟性影響的關(guān)鍵。在這種發(fā)動機中，EGR冷卻器的輸入廢氣的流量由EGR閥控制，EGR閥的入口端與渦輪增壓器的渦輪入口端二者都接收從排氣管道排出的發(fā)動機廢氣?？梢岳斫猓鼸GR閥自身的開度變化外，增壓系統(tǒng)所導(dǎo)致的增壓壓力和排氣背壓的變化也會對EGR流量率產(chǎn)生影響。另一方面，EGR閥的開度變化也會對輸入增壓器的入口流量產(chǎn)生影響。也就是說，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)是兩個相互依賴、相互影響的系統(tǒng)，即，具有耦合特性。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)所具有的耦合特性始終是柴油發(fā)動機空氣系統(tǒng)控制的難點，同時控制兩者的多變量控制策略也一直是柴油發(fā)動機空氣系統(tǒng)控制策略的研究熱點。在現(xiàn)有技術(shù)中，幾種已知的控制策略簡單概括如下(1)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)的獨立控制策略，即以增壓壓力為控制目標，通過PID(比例-積分-微分)控制加瞬態(tài)前饋控制策略驅(qū)動增壓閥使實際增壓壓力達到目標值；以空氣流量為控制目標，通過PID控制加瞬態(tài)前饋的控制策略驅(qū)動EGR閥使實際空氣流量達到目標值。(2)以進氣空氣流量和增壓壓力為控制目標，根據(jù)對空氣系統(tǒng)平均值模型進行局部線性化，根據(jù)線性模型設(shè)計最優(yōu)或魯棒控制器，再進一步擴展到整個工況范圍從而得到非線性控制策略的方法如H無窮控制，根據(jù)Lyapimov穩(wěn)定性理論的控制器設(shè)計方法，最小二次型最優(yōu)狀態(tài)反饋的控制律，滑?？刂破鞯?。[0008](3)以進氣空氣流量和增壓壓力為控制目標，根據(jù)非解析模型的控制器設(shè)計方法如模糊邏輯控制方法，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法等。(4)以進氣空氣流量和增壓壓力為控制目標，采用模型預(yù)測控制方法，即在控制器中集成被控對象的數(shù)學模型，通過模型對未來多步系統(tǒng)輸出進行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測值與目標值的偏差構(gòu)造目標函數(shù)，通過迭代求解當前控制量的最優(yōu)值使目標函數(shù)最小化。(5)以空然比和進氣管內(nèi)廢氣質(zhì)量分數(shù)為控制目標，采用空氣系統(tǒng)降秩解耦控制策略，即空氣系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣在某些情況下是降秩的，因此，兩個控制目標具有一定的關(guān)系，可以將原有的二維控制策略轉(zhuǎn)化為較簡單的一維控制策略。上述根據(jù)空氣流量和增壓壓力的獨立PID控制策略(1)的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單并能實現(xiàn)良好的穩(wěn)態(tài)控制效果，且用于參數(shù)的標定的試驗工作量小。獨立閉環(huán)PID控制的缺點是由于系統(tǒng)本身的耦合特性使得其動態(tài)過程的控制效果不理想，在加速的過程中容易出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象。獨立工作的閉環(huán)控制的另一個缺點是EGR工作范圍有限，原因在于EGR閥只能在渦前壓力高于增壓壓力時，因此只能用于中低負荷和中低轉(zhuǎn)速工況。Nissan，Toyota,Cummins等公司在實際使用中并未采用空氣流量和增壓壓力作為目標值，而采用了以EGR率代替增壓壓力作為目標值的控制策略。這幾種方法一個共性的問題是EGR的流量估計。由于EGR流量傳感器無論從精度還是可靠性上都遠不能滿足實際使用需要，使得EGR流量主要通過估計得到。而影響EGR流量的排氣管溫度和壓力，EGR管道節(jié)流系數(shù)，冷卻效率等都需要大量的試驗才能得到滿意的估計效果，因此使得根據(jù)此方法的控制系統(tǒng)試驗非常巨大。以上控制策略雖然都能在穩(wěn)態(tài)控制中取得較好的效果，但是由于廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)同時作用于進氣管，存在耦合特性，而控制策略中并沒有針對這種耦合特性設(shè)計瞬態(tài)控制策略，所以，瞬態(tài)控制效果往往并不理想。以進氣空氣流量和增壓壓力為控制目標的控制策略(2)-(4)存在空氣系統(tǒng)控制策略的精確性要求和簡潔性要求構(gòu)成一個明顯的矛盾。該矛盾直接來源于廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)的強耦合和非線性關(guān)聯(lián)。根據(jù)空氣流量和增壓壓力的獨立閉環(huán)控制策略以及它的變形都無法滿足穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能的要求。各種理論研究成果由于控制策略的復(fù)雜性，對控制硬件的要求，以及參數(shù)標定的困難等多方面的因素，也不適應(yīng)實際控制系統(tǒng)的要求。而對于以采用空然比和進氣管內(nèi)廢氣質(zhì)量分數(shù)作為控制目標的控制策略(5)，在實際使用過程中，缺乏直接測量空燃比與進氣管內(nèi)廢氣質(zhì)量分數(shù)的成熟商用傳感器，所以不能實現(xiàn)直接以該參數(shù)為控制目標的反饋控制。而空氣流量與增壓壓力都非常容易由現(xiàn)有傳感器測量，因此可以建立根據(jù)空氣流量與增壓壓力的反饋控制策略，空然比與進氣管內(nèi)廢氣質(zhì)量分數(shù)作為中間變量通過觀測器得到。而狀態(tài)觀測器將引入時延和誤差，對瞬態(tài)工況控制是不利的。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中針對柴油發(fā)動機空氣系統(tǒng)的控制策略無法很好地同時滿足柴油發(fā)動機實際運行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況性能，以及排放和柴油發(fā)動機控制單元(ECU)標定的要求。因此，在本領(lǐng)域中，需要一種能夠滿足柴油發(fā)動機的實際運行工況、相對簡單且易于實現(xiàn)和標定的空氣系統(tǒng)控制策略。
實用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本實用新型的實施方式提供一種在穩(wěn)態(tài)下更為有效地控制柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)的設(shè)備。在本實用新型的一個方面，提供一種用于在穩(wěn)態(tài)下控制柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)的設(shè)備，其中所述空氣系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)，所述設(shè)備包括工況獲取裝置，配置用于獲取指示所述柴油發(fā)動機的實際工況的參數(shù)；傳遞函數(shù)標定裝置，配置用于基于所述柴油發(fā)動機在其穩(wěn)定工作區(qū)域中的工況數(shù)據(jù)而標定表征所述柴油發(fā)動機的傳遞函數(shù)；解耦計算裝置，其耦合至所述工況獲取裝置和所述傳遞函數(shù)標定裝置，配置用于根據(jù)來自所述工況獲取裝置的所述參數(shù)以及來自所述傳遞函數(shù)標定裝置的傳遞函數(shù)來計算解耦傳遞函數(shù)；空氣系統(tǒng)參數(shù)處理裝置，其耦合至所述工況獲取裝置，配置用于處理指示所述空氣系統(tǒng)的狀態(tài)的參數(shù)；以及信號產(chǎn)生裝置，其耦合至所述解耦計算裝置和所述空氣系統(tǒng)參數(shù)處理裝置，配置用于根據(jù)來自所述解耦計算裝置的所述解耦傳遞函數(shù)和來自所述空氣系統(tǒng)參數(shù)處理裝置的處理結(jié)果，產(chǎn)生用于所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的第一驅(qū)動信號和用于所述渦輪增壓系統(tǒng)的第二驅(qū)動信號。根據(jù)本實用新型的另一方面，提供一種柴油發(fā)動機，包括氣缸體；進氣管道，耦合至所述氣缸體的入口端，配置用于向所述氣缸體輸送氣體；排氣管道，耦合至所述氣缸體的出口端，配置用于排出所述氣缸體燃燒的廢氣；燃油噴射系統(tǒng)，耦合至所述氣缸體，配置用于向所述氣缸體噴射燃油；空氣系統(tǒng)；和控制單元。根據(jù)本實用新型的實施方式，空氣系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，耦合至所述排氣管道和所述進氣管道，配置用于將來自所述排氣管道的部分廢氣通過所述進氣管道輸送回所述氣缸體；以及渦輪增壓系統(tǒng)，耦合至所述排氣管道，配置用于利用來自所述排氣管道的廢氣來增大通過所述氣缸體的進氣壓力。所述控制單元包括如上文所述的設(shè)備，以用于在穩(wěn)態(tài)下控制所述空氣系統(tǒng)。根據(jù)本實用新型的實施方式，提供了一種對柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)進行有效控制的設(shè)備。在本實用新型的實施方式中，利用傳遞函數(shù)來表征柴油發(fā)動機的特征。在控制過程中，根據(jù)該傳遞函數(shù)以及指示柴油發(fā)動機工況的參數(shù)計算解耦傳遞函數(shù)，從而確保針對EGR閥的驅(qū)動信號和針對增壓閥的驅(qū)動信號彼此獨立地產(chǎn)生，以此實現(xiàn)二者的解耦。具體而言，通過將該解耦傳遞函數(shù)作用于經(jīng)處理的空氣系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)(例如，發(fā)動機的EGR流量率和進氣壓力)，可以實現(xiàn)這兩個驅(qū)動信號的解耦，這將在下文詳述。特別地，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，柴油發(fā)動機并非在空氣系統(tǒng)的所有狀態(tài)參數(shù)下都能夠穩(wěn)定地工作。例如，柴油發(fā)動機通常只在EGR閥和增壓閥的某些組合下能夠穩(wěn)定地工作。根據(jù)本實用新型的實施方式，將確定在給定轉(zhuǎn)速和載荷下可使柴油發(fā)動機穩(wěn)定工作的EGR閥開度和增壓閥開度的組合，S卩，柴油發(fā)動機的穩(wěn)定工作區(qū)域。這樣，發(fā)動機的傳遞函數(shù)以及由此用于空氣系統(tǒng)控制的解耦傳遞函數(shù)可以利用該穩(wěn)定工作區(qū)域中的數(shù)據(jù)(例如，如下文所述的穩(wěn)定工作平衡點處的數(shù)據(jù))進行標定。以此方式，本實用新型的實施方式保證了廢氣再循環(huán)閥和渦輪增壓閥在穩(wěn)態(tài)工況下互相獨立地控制，并且可以分別進行標定。由此，既達到了對這兩個系統(tǒng)進行標定的簡潔性，顯著改善了空氣控制系統(tǒng)的功能特性。

[0022]通過參考附圖閱讀下文的詳細描述，本實用新型實施方式的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點將變得易于理解。在附圖中，以示例性而非限制性的方式示出了本實用新型的若干實施方式，其中圖1示出了包括廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)二者的柴油發(fā)動機的示意性結(jié)構(gòu)圖；圖2示出了根據(jù)本實用新型實施方式的用于柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)的控制設(shè)備200的示意性結(jié)構(gòu)圖；圖3示出了根據(jù)本實用新型實施方式的柴油發(fā)動機的穩(wěn)定工作狀態(tài)的示意圖；圖4示出了根據(jù)本實用新型實施方式的利用解耦傳遞函數(shù)彼此獨立地產(chǎn)生兩類驅(qū)動信號的示意圖；圖5示出了適合于用來實踐圖2中的控制設(shè)備200的片上系統(tǒng)(SoC) 500的示意性結(jié)構(gòu)圖；以及圖6示出了根據(jù)本實用新型實施方式的用于柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)的控制方法600的流程圖。在附圖中，相同或?qū)?yīng)的標號表示相同或?qū)?yīng)的部分。
具體實施方式
下面將參考若干示例性實施方式來描述本實用新型的原理和精神。應(yīng)當理解，給出這些實施方式僅僅是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好地理解進而實現(xiàn)本實用新型，而并非以任何方式限制本實用新型的范圍。根據(jù)本實用新型的實施方式，提出了一種用于控制柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)的設(shè)備。應(yīng)當注意，在本文中，所使用的術(shù)語“空氣系統(tǒng)”至少包括廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)。還應(yīng)注意，在本文中提及的例如可變幾何渦輪增壓系統(tǒng)(VGT)等具體渦輪增壓系統(tǒng)，僅僅是出于說明和示范目的。本實用新型的實施方式同樣適用于利用發(fā)動機廢氣進行工作的現(xiàn)在已知或?qū)黹_發(fā)的任何渦輪增壓系統(tǒng)。本實用新型的范圍在此方面不受限制。另外，在本文中，所使用的術(shù)語“參數(shù)”表示任何能夠指示發(fā)動機的(目標或?qū)嶋H)物理狀態(tài)或運行狀況的物理量的值。而且，在本文中，“參數(shù)”與其所表示的物理量可以互換使用。例如，“指示轉(zhuǎn)速的參數(shù)”與“轉(zhuǎn)速”在本文中具有等同的含義。此外，在本文中，所使用的術(shù)語“獲取”包括目前已知或?qū)黹_發(fā)的各種手段，例如測量、讀取、估計、估算，等等。下面參考本實用新型的若干代表性實施方式，詳細闡釋本實用新型的原理和精神。首先參考圖1，如上文所述，其示出了配備有廢氣再循環(huán)和渦輪增壓系統(tǒng)的柴油發(fā)動機100的示意性結(jié)構(gòu)圖。應(yīng)當理解，圖1中僅僅是示出了柴油發(fā)動機100中與本實用新型的實施方式有關(guān)的部分。柴油發(fā)動機100還可以包括任意數(shù)目的其他部件。如圖1所示，柴油發(fā)動機100包括氣缸體108 ；進氣管道106，耦合至氣缸體108的入口端，配置用于向氣缸體108輸送氣體；排氣管道112，耦合至氣缸體108的出口端，配置用于排出氣缸體108燃燒的廢氣；燃油噴射系統(tǒng)110，耦合至氣缸體108，配置用于向其噴射燃油；空氣系統(tǒng)；以及控制單元(ECU) 114，用于實現(xiàn)對柴油發(fā)動機100的控制。如上所述，空氣系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(例如包括EGR閥116、EGR冷卻器118以及其他必要部件)，其耦合至排氣管道112和進氣管道106，配置用于將來自排氣管道112的部分廢氣通過進氣管道106輸送回氣缸體108 ；以及渦輪增壓系統(tǒng)(例如包括增壓器120、增壓器轉(zhuǎn)軸124、空氣壓縮機102、空氣中冷器104以及其他必要部件)，其耦合至排氣管道112，用于利用來自排氣管道112的廢氣，增大通過氣缸體108的進氣壓力。從圖1中可以看到，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)都接收來自排氣管道112的廢氣，其進氣流量分別由EGR閥116和增壓閥122來控制。在操作中，柴油發(fā)動機電子控制單元(ECU) 114根據(jù)發(fā)動機的工況產(chǎn)生相應(yīng)的閥驅(qū)動信號，分別用于控制EGR閥116和增壓閥122的開度。如上所述，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)的性能彼此影響，因此需要對廢氣再循環(huán)閥116和增壓閥122的開度進行有效的控制。參考圖2，其示出了根據(jù)本實用新型實施方式的用于柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)的控制設(shè)備200的示意性結(jié)構(gòu)圖。可以理解，控制設(shè)備200可以作為圖1中示出的柴油發(fā)動機ECU 114或其部分而付諸實踐。備選地，控制設(shè)備200也可以實現(xiàn)為專門針對柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)的控制設(shè)備。如圖2所示，控制設(shè)備200包括工況獲取裝置202，其可配置用于獲取指示柴油發(fā)動機(例如，圖1所示的柴油發(fā)動機100)的實際工況的參數(shù)。在本實用新型的某些實施方式中，工況獲取裝置202可以包括轉(zhuǎn)速獲取裝置2022，其可配置用于獲取指示發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速的參數(shù)，記為ω。工況獲取裝置202還可以包括燃油噴射率獲取裝置20 ，其可配置用于獲取指示發(fā)動機的實際燃油噴射率的參數(shù)，記為&/。此外，根據(jù)本實用新型的實施方式，工況獲取裝置202還包括EGR流量率獲取裝置20 和進氣壓力獲取裝置20 ，將在下文詳細描述。應(yīng)當理解，工況獲取裝置202(以及其中包括的子裝置2022-2028)可以通過實際測量來獲取發(fā)動機的工況參數(shù)，工況獲取裝置202也可以根據(jù)實際條件通過估計或估算來獲取發(fā)動機的工況參數(shù)，等等。本實用新型的范圍在此方面不受限制。而且，還應(yīng)當理解，裝置2022-20 僅僅是可被包括在工況獲取裝置202中的裝置的示例。實際上，工況獲取裝置202可以包括任意一個或多個其他獲取裝置，用于獲取柴油發(fā)動機的其他工況參數(shù)。這是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到的，本實用新型的范圍在此方面同樣不受限制。如圖2所述，根據(jù)本實用新型的實施方式，控制設(shè)備200還包括傳遞函數(shù)標定裝置203和解耦計算裝置204。解耦計算裝置204耦合至工況獲取裝置202和傳遞函數(shù)標定裝置203，配置用于根據(jù)來自工況獲取裝置202的參數(shù)(諸如，發(fā)動機轉(zhuǎn)速ω和發(fā)動機燃油噴射率&/)，以及根據(jù)來自傳遞函數(shù)標定裝置203的表征發(fā)動機特征的傳遞函數(shù)，來計算解耦傳遞函數(shù)?，F(xiàn)在將結(jié)合以下具體示例，詳細描述傳遞函數(shù)標定裝置203和解耦計算裝置204的特征和操作。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，發(fā)動機在特定方面的特征可以利用傳遞函數(shù)(transfer function)來表征。傳遞函數(shù)可以是發(fā)動機狀態(tài)變量的多項式、脈譜圖數(shù)據(jù)，等等。特別地，如上文所述，本實用新型實施方式的主要目的之一是控制廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的EGR閥和渦輪增壓系統(tǒng)的增壓閥各自的開度。EGR閥和增壓閥的開度轉(zhuǎn)而影響柴油發(fā)動機的EGR流量率(記為汝￡促)和進氣壓力(記為Pim)，這二者代表了空氣系統(tǒng)的狀態(tài)。由此，在本實用新型的實施方式中，傳遞函數(shù)(記為W)可被設(shè)計為表征EGR閥和增壓閥的開度對柴油發(fā)動機的EGR流量率(rhEGR )和進氣壓力(Pim)的影響。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，柴油發(fā)動機的傳遞函數(shù)可以利用發(fā)動機的工況參數(shù)進行標定。然而，柴油發(fā)動機并非在空氣系統(tǒng)的所有狀態(tài)參數(shù)下都能夠穩(wěn)定地工作。實際上，柴油發(fā)動機通常只在EGR閥和增壓閥的某些組合下能夠穩(wěn)定地工作。利用發(fā)動機在不穩(wěn)定狀態(tài)下的工況參數(shù)來標定傳遞函數(shù)，可能導(dǎo)致傳遞函數(shù)無法準確反映發(fā)動機的特性，進而使得基于傳遞函數(shù)而導(dǎo)出的解耦傳遞函數(shù)無法有效地對EGR系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)的控制進行解耦。因此，在本實用新型的實施方式中，傳遞函數(shù)標定裝置203被配置用于基于柴油發(fā)動機在其穩(wěn)定工作區(qū)域中的工況數(shù)據(jù)而標定表征該柴油發(fā)動機的傳遞函數(shù)。以此方式，可以更加準確地標定傳遞函數(shù)。為此，傳遞函數(shù)標定裝置203可配置用于首先確定柴油發(fā)動機的穩(wěn)定工作區(qū)域。在此使用的術(shù)語“穩(wěn)定工作區(qū)域”表示可以使柴油發(fā)動機處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的空氣系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的范圍。特別地，在本實用新型的某些實施方式中，穩(wěn)定工作區(qū)域可以表示在給定轉(zhuǎn)速和載荷下，可使柴油發(fā)動機穩(wěn)定工作的EGR閥開度和增壓閥開度的范圍。例如，參見圖3，其示出了柴油發(fā)動機在各種工況(S卩，發(fā)送動機轉(zhuǎn)速ω、燃油噴
射率rhf、EGR閥開度EGRtos以及增壓閥開度VGIros)下的穩(wěn)定工作區(qū)域(如粗體輪廓線
所示)。如圖所示，圖中坐標系的橫坐標是EGR閥的開度(EGRros),縱坐標是增壓閥的開度(VGTros)。在圖3所示的穩(wěn)定工作區(qū)域的范圍內(nèi)，柴油發(fā)動機可以穩(wěn)定地工作。根據(jù)本實用新型的實施方式，這種穩(wěn)定工作區(qū)域可以基于先驗知識、已有規(guī)范、產(chǎn)品說明書、對柴油發(fā)動機試驗和/或仿真等各種手段而確定。其他確定發(fā)動機的穩(wěn)定工作區(qū)域的方式也是可行的，本實用新型的范圍在此方面不受限制。根據(jù)本實用新型的實施方式，柴油發(fā)動機的特征函數(shù)可以基于發(fā)動機在其穩(wěn)定工作區(qū)域中的工況數(shù)據(jù)來進行標定。特別地，根據(jù)本實用新型的某些實施方式，穩(wěn)定工作區(qū)域中的工況數(shù)據(jù)可以是柴油發(fā)動機在其穩(wěn)態(tài)工況平衡點處的工況數(shù)據(jù)。相應(yīng)地，在此類實施方式中，傳遞函數(shù)標定裝置203可以包括第一標定裝置(未示出)，其配置用于基于柴油發(fā)動機在其穩(wěn)定工作區(qū)域中的穩(wěn)態(tài)工況平衡點處的工況數(shù)據(jù)而標定傳遞函數(shù)。在此使用的術(shù)語“穩(wěn)態(tài)工況平衡點”表示當空氣系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)(例如，EGR閥的開度和增壓閥的開度)處于該點時，柴油發(fā)動機的有關(guān)物理參數(shù)均處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。例如，在以發(fā)動機氣缸進氣壓力(Pim)和EGR流量率(rhegr )為傳遞函數(shù)的自變量的情況下，在穩(wěn)定工況平衡點處，柴油發(fā)動機的進氣壓力和EGR流量率均處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。為了確定柴油發(fā)動機的穩(wěn)定工況平衡點，根據(jù)本實用新型的某些實施方式，傳遞函數(shù)標定裝置203可以包括平衡點確定裝置(未示出)，其配置用于基于柴油發(fā)動機在其穩(wěn)定工作區(qū)域中的等進氣壓力線和等廢氣再循環(huán)流量線而確定穩(wěn)態(tài)工況平衡點。作為示例，現(xiàn)在描述一個這樣的具體實施方式
。仍然參考圖3，在柴油發(fā)動機的穩(wěn)定工作區(qū)域內(nèi)，平衡點確定裝置可以配置用于構(gòu)建該柴油發(fā)動機的等進氣壓力線和等廢氣再循環(huán)流量線?？梢岳斫猓诜€(wěn)定工作區(qū)域內(nèi)，對于每個給定的轉(zhuǎn)速和載荷，可以確定能夠使發(fā)動機的氣缸進氣壓力保持恒定的EGR閥開度和增壓閥開度的多個配對(pair)。這些配對中的每一個對應(yīng)于坐標系上的一個點。基于這些點，可以通過曲線擬合或者逼近來創(chuàng)建一條曲線。在這條曲線上的每個點處，發(fā)動機的氣缸進氣壓力保持恒定。由此，該曲線被稱為“等進氣壓力線”。 對于發(fā)動機的多個給定工況，可以構(gòu)造多個這樣的等進氣壓力線。類似地，同樣可以構(gòu)造發(fā) 動機的等廢氣再循環(huán)流量線。
〔0048〕 如圖3所述，在柴油發(fā)動機的穩(wěn)定工作區(qū)域中，等進氣壓力線與等廢氣再循環(huán)量 線之間存在一系列交點。在這些交點處，柴油發(fā)動機的氣缸進氣壓力和廢氣再循環(huán)量均處 于穩(wěn)定狀態(tài)。由此，這些交點所對應(yīng)的增壓閥開度和閥開度可被確定為柴油發(fā)動機的 穩(wěn)態(tài)工況平衡點。
〔0049〕 現(xiàn)在討論如何利用柴油發(fā)動機在其穩(wěn)定工況平衡點處的工況數(shù)據(jù)，來標定表征該 柴油發(fā)動機特性的傳遞函數(shù)。根據(jù)本實用新型的實施方式，柴油發(fā)動機在穩(wěn)定工作區(qū)域中 的每個穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)的廢氣再循環(huán)流量率&丨和氣缸進氣壓力？101分別可由以下公式^ 和⑵來表示
權(quán)利要求1.一種用于在穩(wěn)態(tài)下控制柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)的設(shè)備，其特征在于，所述空氣系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)，所述設(shè)備包括工況獲取裝置，配置用于獲取指示所述柴油發(fā)動機的實際工況的參數(shù)；傳遞函數(shù)標定裝置，配置用于基于所述柴油發(fā)動機在其穩(wěn)定工作區(qū)域中的工況數(shù)據(jù)來標定表征所述柴油發(fā)動機的傳遞函數(shù)；解耦計算裝置，其耦合至所述工況獲取裝置和所述傳遞函數(shù)標定裝置，配置用于根據(jù)來自所述工況獲取裝置的所述參數(shù)以及來自所述傳遞函數(shù)標定裝置的所述傳遞函數(shù)來計算解耦傳遞函數(shù)；空氣系統(tǒng)參數(shù)處理裝置，其耦合至所述工況獲取裝置，配置用于處理指示所述空氣系統(tǒng)的狀態(tài)的參數(shù)；以及信號產(chǎn)生裝置，其耦合至所述解耦計算裝置和所述空氣系統(tǒng)參數(shù)處理裝置，配置用于根據(jù)來自所述解耦計算裝置的所述解耦傳遞函數(shù)和來自所述空氣系統(tǒng)參數(shù)處理裝置的處理結(jié)果，產(chǎn)生用于所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的第一驅(qū)動信號和用于所述渦輪增壓系統(tǒng)的第二驅(qū)動信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述傳遞函數(shù)標定裝置包括第一標定裝置，配置用于基于所述柴油發(fā)動機在其穩(wěn)定工作區(qū)域中的穩(wěn)態(tài)工況平衡點處的工況數(shù)據(jù)而標定所述傳遞函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述傳遞函數(shù)標定裝置包括平衡點確定裝置，配置用于基于所述柴油發(fā)動機在其穩(wěn)定工作區(qū)域中的等進氣壓力線和等廢氣再循環(huán)流量線而確定所述穩(wěn)態(tài)工況平衡點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述傳遞函數(shù)以所述柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、燃油噴射率作為自變量，所述工況獲取裝置進一步包括轉(zhuǎn)速獲取裝置，配置用于獲取指示所述柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速的參數(shù)；以及燃油噴射率裝置，配置用于獲取指示所述柴油發(fā)動機的燃油噴射率的參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述空氣系統(tǒng)參數(shù)處理裝置進一步包括配置用于確定所述柴油發(fā)動機的實際廢氣再循環(huán)流量率與目標廢氣再循環(huán)流量率之間的誤差的裝置；配置用于針對廢氣再循環(huán)流量率誤差執(zhí)行PID處理的裝置；配置用于確定所述柴油發(fā)動機的實際進氣壓力與目標進氣壓力之間的誤差的裝置；以及配置用于針對進氣壓力誤差執(zhí)行PID處理的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述工況獲取裝置進一步包括廢氣再循環(huán)流量率EGR獲取裝置，配置用于獲取指示所述柴油發(fā)動機的實際廢氣再循環(huán)流量率的參數(shù)，并將其提供給所述空氣系統(tǒng)參數(shù)處理裝置；以及進氣壓力獲取裝置，配置用于獲取指示所述柴油發(fā)動機的實際進氣壓力的參數(shù)，并將其提供給所述空氣系統(tǒng)參數(shù)處理裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述解耦計算裝置進一步包括配置用于計算所述傳遞函數(shù)的逆作為所述解耦傳遞函數(shù)的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一驅(qū)動信號用于控制所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的廢氣再循環(huán)閥的開度，并且其中所述第二驅(qū)動信號用于控制渦輪增壓系統(tǒng)的增壓閥的開度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備利用以下至少一個來實現(xiàn)片上系統(tǒng)SoC，集成電路IC，以及專用集成電路ASIC。
10.一種柴油發(fā)動機，包括氣缸體；進氣管道，耦合至所述氣缸體的入口端，配置用于向所述氣缸體輸送氣體；排氣管道，耦合至所述氣缸體的出口端，配置用于排出所述氣缸體燃燒的廢氣；燃油噴射系統(tǒng)，耦合至所述氣缸體，配置用于向所述氣缸體噴射燃油；空氣系統(tǒng)，包括廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，耦合至所述排氣管道和所述進氣管道，配置用于將來自所述排氣管道的部分廢氣通過所述進氣管道輸送回所述氣缸體；以及渦輪增壓系統(tǒng)，耦合至所述排氣管道，配置用于利用來自所述排氣管道的廢氣來增大通過所述氣缸體的進氣壓力；以及控制單元，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，以用于在穩(wěn)態(tài)下控制所述空氣系統(tǒng)。
專利摘要本實用新型的實施方式涉及用于控制柴油發(fā)動機的空氣系統(tǒng)的設(shè)備。具體地，根據(jù)本實用新型實施方式的設(shè)備，柴油發(fā)動機的特征由傳遞函數(shù)來表征，其中該特征函數(shù)基于柴油發(fā)動機在其穩(wěn)定工作區(qū)域中的工況數(shù)據(jù)而標定。在控制過程中，根據(jù)該傳遞函數(shù)以及柴油發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)工況參數(shù)來計算解耦傳遞函數(shù)。通過將解耦傳遞函數(shù)作用于經(jīng)處理的空氣系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，可以彼此獨立地產(chǎn)生用于EGR系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)的驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)二者的解耦。本實用新型的實施方式還公開了相應(yīng)的柴油發(fā)動機系統(tǒng)。
文檔編號F02B37/12GK202325869SQ20112031966
公開日2012年7月11日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者佟德輝, 胡廣地 申請人:濰柴動力股份有限公司