阅读说明：本技术 使用压缩机再循环阀和涡轮增压器废气门改善发动机转速稳定性和性能的压缩机出口压力控制 (Compressor outlet pressure control using compressor recirculation valve and turbocharger wastegate to improve engine speed stability and performance ) 是由 M·H·哈尔贝 R·J·托马斯 谢明峰 于 2018-11-06 设计创作，主要内容包括：公开了用于通过基于目标压缩机出口压力将压缩机再循环阀和涡轮增压器废气门打开或关闭到命令位置来产生所述目标压缩机出口压力的系统、方法和设备,所述目标压缩机出口压力是基于内燃发动机的进气节气门两端的期望压力差和进气歧管压力。(Systems, methods, and apparatus are disclosed for generating a target compressor outlet pressure by opening or closing a compressor recirculation valve and a turbocharger wastegate to a commanded position based on the target compressor outlet pressure, which is based on a desired pressure differential across an intake throttle and an intake manifold pressure of an internal combustion engine.)

使用压缩机再循环阀和涡轮增压器废气门改善发动机转速稳 定性和性能的压缩机出口压力控制

背景技术

某些类型的发动机由于诸如燃料质量和环境状况之类的各种噪声因素而在燃烧方面具有不确定性。例如，对于稀燃天然气发动机，燃料质量和环境状况的变化可能特别成问题。可以通过将进气节气门两端的压力损失最小化来提高稳态制动器热效率。然而，当进气节气门接近全开位置时，气门动力学指示气门两端的流量变化很小，这限制了使用进气节气门控制发动机转速的能力。因此，在该领域需要进一步的技术发展。

发明内容

公开了用于通过将压缩机再循环阀位置和涡轮增压器废气门位置控制为命令位置来提供内燃发动机的进气节气门两端的目标压力差(即，发动机增压或扭矩储备)的独特系统、方法和设备。

本发明内容的提供是为了介绍下文在说明性实施例中进一步描述的概念的选择。本发明内容并非旨在识别要求保护的主题的关键或本质特征，也并非旨在用于辅助限制所要求保护的主题的范围。根据以下描述和附图，其他实施例、形式、目的、特征、优点、方面和益处将变得显而易见。

附图说明

图1是包括进气节气门、压缩机再循环阀和具有废气门的涡轮增压器的系统的示意图。

图2是用于控制涡轮增压器的压缩机再循环阀和废气门的位置的过程的流程图。

图3是示出基于进气歧管绝对压力和期望进气节气门压力差的目标压缩机出口压力随时间变化的示例性图形。

图4A和图4B是示出了对压缩机再循环阀和废气门定位进行反馈控制以实现目标压缩机出口压力的示例性图形。

图5是用于通过调整涡轮增压器的压缩机再循环阀和废气门的位置来控制压缩机出口压力的处理子系统的示意图。

具体实施方式

出于促进对本发明的原理的理解的目的，现在将参考附图中所示的实施例，并且将使用特定语言来描述所述实施例。然而，应当理解，由此并不旨在限制本发明的范围，本文可以预期在所示实施例中的任何改变和进一步修改以及如在此通常如本发明所属领域的技术人员想到的本发明的原理的任何进一步应用。

参考图1，示意性地示出了用于控制涡轮增压器102的系统100。系统100包括内燃发动机114，所述内燃发动机可以是任何类型的发动机，至少包括压缩点火发动机、火花点火发动机、柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机以及它们的组合。发动机114通过排气歧管142排放排气112，并且排气112在排气导管113中流到涡轮增压器102，并且将排气的动能和/或热力学能量的一部分传递到轮增压器102的涡轮108。所传递的能量通过涡轮增压器102的轴106到达涡轮增压器102的压缩机104。压缩机104利用进气导管111将所压缩的进气110提供给发动机114。

所压缩的进气流110有时被称为增压空气、增压气体、增压流、进气或其他术语，所述术语都不是限制性的。所压缩的进气流110可以在被发动机114接收之前通过增压冷却器115。尽管增压冷却器115有助于为发动机114中的进气流110提供增加的空气密度，但是冷却降低了压缩进气流110的压力。增压冷却器可以如所示地设置或者被布置为提供后冷却、两级后冷却或任何其他增压冷却器布置。增压冷却器的存在和操作(如果存在的话)是众所周知的，并且对涡轮增压器102的操作并不重要。

进气导管111还包括进气节气门126，所述进气节气门控制到达发动机114的进气歧管140的增压流。进气节气门126可以包括连接到控制器116的节气门致动器128，所述控制器控制进气节气门126的打开和关闭以向发动机114的进气口提供期望的进气流量。

在系统100中可以存在或不存在某些特征件，诸如排气节气门、空气滤清器、进气加热器和/或排气再循环冷却器。为了增强描述的清晰性，没有描绘此类特征件的存在和操作。

涡轮增压器102包括废气门120，所述废气门允许排气112绕过涡轮106。废气门120包括WG阀122，所述WG阀可操作地连接到可控WG致动器124，所述可控WG致动器可操作以响应于来自控制器116的一个或多个废气门致动器位置命令而打开和关闭WG阀122以控制废气门120的打开尺寸。

涡轮增压器102还包括压缩机再循环流动路径134，所述压缩机再循环流动路径允许进气流绕过压缩机104或围绕压缩机再循环。在所示实施例中，压缩机再循环流动路径134连接在增压冷却器115的上游。在另一个实施例中，压缩机再循环流动路径134连接在增压冷却器115的下游。也可以预期压缩机再循环流动路径的其他连接布置入口和出口。压缩机再循环流动路径134包括压缩机再循环阀(CRV)136，所述压缩机再循环阀可操作地连接到可控CRV致动器138，所述CRV致动器可操作以响应于来自控制器116的一个或多个压缩机再循环阀致动器位置命令而打开和关闭CRV 136以控制压缩机再循环流动路径134的打开尺寸。

在一个实施例中，系统100包括排气再循环(EGR)流动路径130，所述排气再循环流动路径将发动机排气侧流体地联接到发动机进气侧。EGR流动路径130可以将排气歧管流体地联接到进气歧管，或者将排气系统的任何其他部分流体地联接到进气系统的任何其他部分。在所述示例中，尽管EGR流动路径130可以包括EGR阀132，但是EGR流动路径130可以另外或替代地包括EGR冷却器(未示出)，并且还可以包括EGR冷却器旁路(未示出)。EGR流动路径130可以在增压冷却器115的上游或下游以及进气节气门126的上游或下游的位置处联接到进气系统。系统100中的所描绘的EGR流动路径130是“高压”EGR系统，所述高压EGR系统将涡轮106上游的排气系统联接到压缩机104下游的进气系统。然而，EGR流动路径130(如果存在的话)可以另外或替代地是低压EGR系统，所述低压EGR系统将涡轮108下游的排气系统联接到压缩机104上游的进气系统。所存在的EGR系统和EGR部件的存在和类型完全是任选的，并且不限于本公开。

系统100包括控制器116，所述控制器被结构化为执行某些操作以控制废气门阀122和压缩机再循环阀136。在某些实施例中，控制器116形成处理子系统的一部分，所述处理子系统包括具有存储器、处理和通信硬件的一个或多个计算装置。控制器可以是单个装置或分布式装置，并且控制器的功能可以由硬件和/或由计算机执行，所述计算机执行存储在一种或多种计算机可读介质上的非瞬态存储器中的指令。

在某些实施例中，控制器包括被结构化为在功能上执行控制器的操作的一个或多个模块。在本文中包括模块的描述强调了控制器的各方面的结构独立性，并示出了控制器的操作和责任分组。在本申请的范围内可以理解执行类似整体操作的其他分组。可以在硬件中和/或通过计算机来实施模块，所述计算机执行存储在一种或多种计算机可读介质上的非瞬态存储器中的指令，并且模块可以分布在各种硬件或基于计算机的部件上。

示例性和非限制性模块实施元件包括提供本文中确定的任何值的传感器、提供作为本文中确定的值的前身的任何值的传感器、包括通信芯片、振荡晶体、通信链路、电缆、双绞线、同轴线、屏蔽线、发射器、接收器和/或收发器的数据链路和/或网络硬件、逻辑电路、硬连线逻辑电路、根据模块规范配置的处于特定非瞬态状态的可重配置逻辑电路、包括至少一个电气、液压或气动致动器的任何致动器、螺线管、运算放大器、模拟控制元件(弹簧、滤波器、积分器、加法器、除法器、增益元件)和/或数字控制元件。

本文中具体实施元件的列表不是限制性的，并且本文中可以预期所属领域技术人员将理解的用于本文描述的任何模块或控制器的任何实施元件。一旦描述了操作，本文中的模块和控制器就能够具有多种基于硬件和/或计算机的实施方案，其中的许多具体实施方案涉及受益于本文公开内容并理解本公开提供的模块和控制器的操作的所属领域技术人员的机械步骤。控制器操作的某些实施例的更具体描述包括在参考图5的部分中。

本文描述的某些操作包括用于解释或确定一个或多个参数的操作。如本文所利用的，解释或确定包括使所述值可供所属领域中已知的任何方法使用的操作，至少包括从数据链路或网络通信接收所述值、接收指示所述值的电子信号(例如，电压、频率、电流或PWM信号)、接收指示所述值的计算机生成参数、从非瞬态计算机可读存储介质上的存储器位置读取所述值、通过所属领域中已知的任何方法将所述值作为运行时参数接收(例如，从操作员输入接收)、接收可以通过其计算出解释或确定的参数的值，和/或通过参考被解释或确定为所述参数值的默认值。

以下示意性流程图和相关描述提供了执行用于响应于进气节气门两端的压力差而控制废气门和压缩机再循环阀位置以提供期望或请求的发动机增压或扭矩储备的过程的示例性实施例。所示出的操作应当被理解为仅是示例性的，并且除非本文中明确有相反的说明，否则可以对操作进行组合或划分和添加或删除以及全部或部分重新排序。所示出的某些操作可以通过在非瞬态计算机可读存储介质上执行计算机程序产品的计算机来实施，其中计算机程序产品包括使计算机执行一个或多个操作或向其他装置发出命令以执行一个或多个操作的指令。

图2是用于使用压缩机再循环阀136和废气门阀122来控制压缩机出口压力(COP)以改善发动机114的转速稳定性和性能的过程200的一个实施例的流程图。由于例如由环境状况和燃料质量引起的燃烧过程的不确定性，本文公开的控制系统、过程和设备改善了系统稳健性。COP被认为合理地表示燃烧不确定性，因此将COP控制为期望目标可以改善发动机稳健性和性能。

期望将进气节气门(IT)126两端的压力损失最小化以便提高稳态制动器热效率。然而，当IT 126处于或接近完全打开时，气门动力学表明，IT 126两端的流量变化很小并且这限制了发动机转速的可控制性。在这种情况下，如果控制了COP，则发动机系统的输入是稳定的，并有助于稳定和改善发动机性能。

IT 126两端的压力损失本质上是COP与进气歧管绝对压力(MAP)之间的差。节气门压力损失(TPL)目标用于生成压缩机出口压力目标。过程200包括操作202以测量进气歧管绝对压力(MAP)。过程200在操作204处继续进行以确定目标IT压力差。过程200还包括操作206以确定目标COP。目标COP被确定为MAP与TPL目标之和。当IT126由于TPL较低而对发动机转速的可控制性有限时，输入到系统中的COP保持恒定以改善速度稳定性。当MAP由于环境状况或燃烧配方而变化超过阈值量时，目标COP会逐步增加或减少。这种逐步改变并保持目标COP的策略将燃烧不稳定性与增压控制有效地解除关联。

过程200在操作208处继续进行以响应于目标COP和实际或测量的COP而确定COP校正。在一个实施例中，使用诸如比例-积分-微分(PID)控制器之类的反馈控制来确定COP校正。过程200在操作210处继续进行以基于COP校正的第一部分来定位CRV 136，并且在操作212处继续进行以基于COP校正的第二部分来定位废气门阀122。响应于COP误差，控制器116采取PID校正作用以定位CRV致动器138，并采取PID校正作用以定位废气门阀122。

在一个实施例中，COP校正的第一部分是其中CRV致动器138响应于来自控制器116的CRV致动器位置命令而定位CRV的PID校正量。COP校正的第二部分是其中WG致动器124响应于来自控制器116的WG致动器位置命令而定位废气门阀122的PID校正量。图3示出了MAP、IT 126压力差与MAP以及COP目标之间的关系的y轴上的压力和x轴上的时间的图形。目标COP是MAP与IT压力差目标之和。由于燃烧和环境状况，即使在稳态状况下，MAP也具有较小的不确定性。因此，MAP与IT压力差目标之和也包括不确定性，但是目标COP在滞环(hysteresis band)内保持恒定，而与MAP的微小变化无关。目标COP仅响应于MAP的阈值增加或减小而发生变化，诸如响应于负荷瞬变而发生，如图3中MAP中的较大阶跃变化所描绘。

图4A示出了随时间变化的目标COP和COP反馈。在稳态下，目标COP保持恒定，而与影响MAP的噪声无关。当如图4A所描绘发生导致MAP变化的负荷阶跃变化时，目标COP会发生变化，并且作为响应，COP的反馈控制会改变实际COP。图4B描绘了通过使用PID作用控制对CRV 136进行的快速致动和通过使用PID作用控制对WG阀12进行的缓慢致动。

WG阀122的定位影响涡轮转速，而CRV 136的位置使通过压缩机104的一定量的增压流改向。对于两个致动器，COP的灵敏度不同。在WG阀122的控制是控制COP的重要手段的同时，当CRV 136足够快地致动以消除燃烧不确定性时，发动机转速稳定性也得到改善。因此，COP的反馈控制被提供有PID类型控制器116，其中CRV 136的PID作用控制与WG阀122的PID作用一起被采用。

一个实施例过程包括用于通过从多个CRV致动器位置命令解值中选择CRV致动器位置命令来确定CRV致动器位置命令的操作。用于从多个CRV致动器位置命令解值中选择CRV致动器位置命令的示例性操作包括选择提供通过压缩机再循环流动路径134和/或通过压缩机104的目标排气流的CRV致动器位置命令，以及选择最接近通过压缩机再循环流动路径134和/或压缩机104的目标排气流的CRV致动器位置命令。

另一个实施例过程包括用于通过从多个废气门致动器位置命令解值中选择废气门致动器位置命令来确定废气门致动器位置命令的操作。用于从多个废气门致动器位置命令解值中选择废气门致动器位置命令的示例性操作包括选择提供通过废气门120和/或涡轮108的目标排气流的废气门致动器位置命令，以及选择最接近通过废气门120和/或涡轮108的目标排气流的废气门致动器位置命令。

可以根据受益于本文公开内容的所属领域已知的任何操作来确定目标IT 126压力差。用于确定目标IT 126压力差的示例性和非限制性操作至少包括确定：与负荷阈值(例如，10％、25％等)相对应的压力差，所述负荷阈值可以是最大负荷、在当前发动机转速下的负荷或其他负荷值；以绝对项表示的特定压力差(例如，20psia、25psia、30psia等)；和/或压力差值，在所述压力差值下，经验测试表明，在正常的致动器位置控制方案下，CRV 136和废气门阀122具有足够的响应能力。可通过满足瞬态要求、通过满足发动机转速或空气流量上升时间要求、通过满足操控性规范和/或通过满足瞬态要求以满足操控性、排放、瞬态或其他系统交付要求来定义“充分响应能力”的值。

图5是包括控制器116的处理子系统300的示意图。用于控制器116的示例性处理子系统300包括参考生成模块302、反馈控制模块304和致动器定位模块306。也可以存在其他模块，并且所描述的模块可以被组合或进一步分离成附加模块，并且不限于所描述的模块。

参考生成模块302包括与系统100相关联的目标COP计算310和实际COP测量312。如上文所讨论的，目标COP计算310可以被执行或者基于MAP以及IT 126两端的期望压力差。实际COP可能来自压缩机出口处的压力的测量或COP的其他合适的指示器或代理。

反馈模块304接收目标COP和测量的或实际的COP，并将这些值作为输入提供给反馈控制处理器314。COP控制器316然后可以基于目标COP和实际COP从反馈控制处理器314接收输出。COP控制器316评估反馈控制器输出以将CRV位置命令318的PID补偿提供给CRV致动器138以定位CRV 136，并将WG位置命令320的PID补偿提供给WG致动器124以定位WG阀122。选择CRV 136和WG阀122的位置以提供目标COP。

发动机114的控制通常根据可以由发动机控制器(未示出)提供的先前已知的增压流或进气流目标值(例如，空气的质量流量或发动机入口处的混合空气和EGR流量)进行操作。发动机控制器可以与控制器116在相同装置上操作或者是与控制器分离的装置。可以根据进气歧管压力(或进气节气门126下游和发动机114的气缸上游的其他目标进气压力)和目标进气节气门压力差来计算目标COP。另外或替代地，目标进气节气门压力差可以是例如由发动机控制器提供的对控制器116的直接输入。

从以上呈现的附图和文本显而易见的是，可以预期根据本公开的各种实施例。

根据一方面，一种方法包括确定内燃发动机的进气节气门两端的目标压力差。所述内燃发动机包括涡轮增压器，所述涡轮增压器具有压缩机和压缩机再循环阀，所述压缩机再循环阀包括用于控制所述压缩机再循环阀的位置的第一可控致动器。所述涡轮增压器还包括具有涡轮旁路和废气门的涡轮，所述废气门包括用于控制所述废气门在所述涡轮旁路中的位置的第二可控致动器。所述方法还包括响应于所述内燃发动机的进气歧管压力和所述进气节气门两端的目标压力差来确定目标压缩机出口压力；响应于所述目标压缩机出口压力和实际压缩机出口压力，利用反馈控制输出来确定压缩机出口压力校正；基于所述反馈控制输出来确定用于所述第一可控致动器的压缩机再循环阀位置命令，以提供所述压缩机出口压力校正的第一部分；基于所述反馈控制输出来确定用于所述第二可控致动器的废气门位置命令，以提供所述压缩机出口压力校正的第二部分；以及响应于所述压缩机再循环阀位置命令而利用所述第一可控致动器来定位所述压缩机再循环阀，并且响应于所述废气门致动器位置命令而利用所述第二可控致动器来定位所述废气门。

在一个实施例中，所述内燃发动机包括在所述进气节气门上游和所述涡轮增压器的所述压缩机下游的增压冷却器。在另一个实施例中，所述压缩机出口压力校正的所述第一部分包括比例、微分和积分反馈控制响应。在该实施例的改进中，所述压缩机出口压力校正的所述第二部分包括比例、微分和积分反馈控制响应。

在另一个实施例中，所述目标压缩机出口压力在稳态发动机工况期间是恒定的。在又一实施例中，所述目标压缩机出口压力响应于所述进气歧管压力的阈值变化而变化。

另一方面，一种设备包括电子控制器，所述电子控制器被配置为响应于反馈控制输出而确定压缩机再循环阀命令，所述压缩机再循环阀命令控制压缩机再循环阀致动器以将压缩机再循环阀定位在内燃发动机的压缩机再循环流动路径中。所述电子控制器还被配置为响应于所述反馈控制输出而确定废气门致动器位置命令，所述废气门致动器位置命令控制废气门致动器以将废气门定位在所述内燃发动机的涡轮旁路中。所述反馈控制输出提供所述内燃发动机上游的目标压缩机出口压力。为了提供所述目标压缩机出口压力，所述压缩机再循环阀致动器可操作以响应于所述压缩机再循环阀命令而定位所述压缩机再循环阀，并且所述废气门致动器可操作以响应于所述废气门致动器位置命令而定位所述废气门。

在一个实施例中，所述目标压缩机出口压力在稳态发动机工况期间是恒定的。在另一个实施例中，所述控制器响应于所述内燃发动机的进气歧管的进气歧管压力和所述进气歧管上游的进气节气门的目标进气节气门压力差而确定所述目标压缩机出口压力。在该实施例的改进中，所述目标压缩机出口压力响应于所述进气歧管压力的阈值变化而变化。

在另一实施例中，所述反馈控制输出包括目标压缩机出口压力校正，并且所述电子控制器被配置为针对所述压缩机出口压力校正的第一部分确定所述压缩机再循环阀位置命令，并且所述电子控制器被配置为针对所述压缩机出口压力校正的第二部分确定所述废气门位置命令。在该实施例的改进中，所述压缩机出口压力校正的所述第一部分是基于比例、积分和微分反馈控制响应。在另一实施例中，所述压缩机出口压力校正的所述第二部分是基于比例、积分和微分反馈控制响应。

根据又一方面，一种系统包括内燃发动机，所述内燃发动机在所述发动机的入口侧气动地联接到涡轮增压器的压缩机并且在所述发动机的出口侧气动地联接到所述涡轮增压器的涡轮。所述内燃发动机的所述入口侧还包括进气节气门，并且所述压缩机包括压缩机再循环流动路径和所述压缩机再循环流动路径中的压缩机再循环阀，所述压缩机再循环阀响应于压缩机再循环阀致动器命令而连接到压缩机再循环阀致动器。所述涡轮包括废气门，所述废气门响应于废气门致动器位置命令而连接到废气门致动器。所述系统还包括控制器，所述控制器被配置为响应于目标压缩机出口压力和实际压缩机出口压力而确定压缩机出口压力校正。所述压缩机再循环阀命令是基于所述压缩机出口压力校正的第一部分以利用所述压缩机再循环阀致动器调整所述压缩机再循环阀的位置，并且所述废气门致动器位置命令是基于所述压缩机出口压力校正的第二部分以利用所述废气门致动器调整所述废气门的位置。

在一个实施例中，所述控制器被配置为响应于所述内燃发动机的进气歧管的进气歧管压力和所述进气节气门两端的目标进气节气门压力差而确定所述目标压缩机出口压力。在另一个实施例中，所述系统包括增压冷却器，所述增压冷却器在所述进气节气门与所述涡轮增压器的所述压缩机之间；以及排气再循环系统，所述排气再循环系统连接所述发动机的所述入口侧和出口侧。

在又一实施例中，所述控制器被配置为经由反馈控制输出来确定所述压缩机出口压力校正。在该实施例的改进中，所述目标压缩机出口压力响应于所述进气歧管压力的阈值变化而变化。在另一改进中，所述控制器是比例、微分和积分控制器，所述比例、微分和积分控制器被配置为将所述目标压缩机出口压力校正的所述第一部分确定为比例、积分和微分反馈控制响应。在另一种改进中，所述控制器是比例-积分-微分控制器，所述比例-积分-微分控制器被配置为将所述目标压缩机出口压力校正的所述第一部分确定为比例、微分和积分反馈控制响应，并且将所述压缩机出口压力校正的所述第二部分确定为比例、微分和积分反馈控制响应。

尽管已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但是本发明应当被认为是示例性的而不是限制性的，应当理解，仅示出和描述了某些示例性实施例。所属领域技术人员应当明白，在示例性实施例中，在实质上不脱离本发明的情况下，可以进行许多修改。因此，所有这样的修改都旨在被包括在如所附权利要求所限定的本公开的范围内。

在阅读权利要求时，意图是除非在权利要求中明确有相反的说明，否则当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”之类的词语时，无意将权利要求限制为仅一个项目。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，除非明确有相反的说明，否则项目可以包括一部分和/或整个项目。