用於氣流控制的方法和系統與流程
2024-04-01 20:49:05 2
本發明總體上涉及用於發動機系統中進行氣流控制的方法和系統，該發動機系統包括節流渦輪發電機。
背景技術：
發動機系統可配置有如節流渦輪發電機等裝置，以利用來自節流閥兩端的壓力差的能量，否則這些能量會浪費在發動機的進氣通道中。例如，當發動機在部分負荷下運行時，可以由部分打開的節流閥兩端的壓力差來驅動節流渦輪發電機。在一些示例中，節流渦輪發電機包括機械耦接至節流渦輪發電機的渦輪機，該節流渦輪發電機可以產生被供應給發動機的電池的電流。通過用這種發電機對電池進行充電，可以提高發動機系統的燃料經濟性。
由利昂(Leone)等人在US20130092125中示出了這種發動機系統的一個示例。在其中，節流渦輪發電機定位在節流旁路中。基於發動機氣流需求控制節流旁路閥，以對穿過節流渦輪發電機的氣流進行調整。另外，在發動機瞬態期間控制節流閥的位置以滿足發動機氣流需求。
技術實現要素：
然而，發明人在此認識到這種系統的潛在問題。作為一個示例，當使用進氣歧管兩端的壓力差以使用節流閥操作渦輪時，由於渦輪和/或發電機的轉速持續改變而使得進氣歧管周圍的空氣流量控制變得更有挑戰性。另外，節流閥位置的任何改變同時影響發動機的進氣側的兩個路徑，使得經由該節流閥的氣流控制具有挑戰性。為了精確估計氣流，可能需要適應性控制如節流閥開啟角、節流閥形成的限制的橫斷面積、進氣歧管兩端的壓力差以及渦輪轉速等變量。如此，為了在多個變量方面實現精確的氣流控制，可能需要迅速生成、存儲並訪問一個或多個四維性能映射圖。然而，生成、存儲並訪問複雜的四維映射圖可能是時間、存儲、計算密集的。具體地，除了生成和訪問高維映射圖的複雜性，由於存儲器限制，對於存儲在發動機控制器單元中來說其可能還是非常大的。作為另一個示例，利昂只在瞬態期間調整節流閥位置。然而，由於渦輪和/或發電機轉速的變化(例如瞬間變化)，即使在穩態狀況期間也可能有氣流誤差。
發明人已經認識到，通過根據節流閥開啟角獲悉進氣歧管兩端產生的壓力差，可以生成(例如實時地或預先地)至少一個二維映射圖並將其存儲在發動機控制單元的存儲器中。在此，基於壓力差以及節流閥開啟角中的每一項，可以將節流閥周圍的限制的有效橫斷面積製成表。此外，通過包含例如可被存儲為單獨的二維映射圖的渦輪轉速的影響，可以確定限制的有效橫斷面積的校正。通過對至少兩個二維映射圖執行數值逼近，可以精確地確定節流閥開啟角以用於有效氣流控制。另外，從這兩個二維映射圖，例如還有可能精確預測給定節流閥開啟角下的氣流，這然後可能用於估計進入歧管的氣流而用於轉矩監測。這導致一種計算、存儲以及時間密集度較低而不會影響氣流估計精度的方法。此外，不僅在瞬態狀況期間(如利昂(Leone)等人所示的)，而且在如穩態、空轉等其他狀況期間，執行氣流控制。
在一個示例中，可以通過一種方法來實現發動機氣流控制，該方法包括：基於駕駛員轉矩需求，對耦接至節流渦輪的進氣節流閥進行前饋調整；以及基於節流渦輪兩端的壓力差的第一函數以及壓力差的不同的第二函數乘以渦輪轉速的每一項，進一步調整進氣節流閥。以此方式，可以準確有效地執行氣流控制。
作為一個實例，響應於駕駛員轉矩需求，通過對進氣節流閥的節流閥開啟角進行調整，可以從發動機傳遞期望轉矩。由於調整節流閥開啟角還調整了該節流閥在進氣管處形成的限制的有效橫斷面積，發動機控制器可以被構造成考慮渦輪轉速對限制的有效橫斷面積的影響。具體地，控制器可以涉及存儲在控制器的存儲器中的一個或多個二維(2D)映射圖以除去這個效果，實現氣流的精確控制從而傳遞期望轉矩。例如，控制器可以使用第一2D映射圖以獲悉基於節流渦輪兩端的壓力差的第一函數對進氣節流閥的位置(如角度)進行的第一(例如首次)調整。進一步，控制器可以使用另一個2D映射圖以獲悉基於節流閥兩端的壓力差以及耦接在跨越節流閥的旁路中的節流渦輪發電機的渦輪轉速中的每一項而對進氣節流閥的位置進行的不同的第二(例如進一步)調整。如此，這些映射圖還可以例如用於基於節流閥開啟角確定第一氣流量而進行轉矩監測。例如，控制器可以使用第一2D映射圖以基於節流渦輪兩端的壓力差的第一函數、基於進氣節流閥的位置(如角度)獲悉到發動機的氣流量。進一步，控制器可以使用另一個2D映射圖以獲悉基於節流閥兩端的壓力差以及耦接在跨越節流閥的旁路中的節流渦輪發電機的渦輪轉速中的每一項而對氣流量進行的不同的第二(例如進一步)調整。
以此方式，可以在進氣節流渦輪和渦輪發電機存在的情況下提供精確的空氣流量和轉矩控制。基於節流渦輪兩端的壓力差以及渦輪轉速而對進氣節流閥開啟角進行調整的技術效果是：能夠更好地補償節流閥開啟角變化的壓力和氣流影響。通過依靠一個或多個2D映射圖，可以以增加的精度執行氣流控制而不依靠多個計算、存儲和時間密集的算法或映射圖。附加地，能夠在包括瞬態和穩態發動機工況的較大範圍的發動機工況期間執行氣流控制。總的說來，通過改善氣流控制，獲得燃料經濟性效益同時維持驅動能力和排放要求是可能的。
應理解，上述概述是以簡化形式來介紹那些在具體實施方式中進一步描述的所選擇的概念。這並不意味著要明確所要求保護的主題的關鍵或必要特徵，在以下具體實施方式後面的權利要求書中對本發明的範圍進行了唯一限定。此外，所要求保護的主題並不限於解決以上或在本披露的任何部分中提出的任何缺點的實施方式。
附圖說明
圖1示出一種發動機的示意圖。
圖2示出耦接至節流渦輪發電機的節流渦輪和發動機的入口通道中的節流閥的示意圖。
圖3A示出節流閥開啟角與節流閥形成的限制的有效橫斷面積之間的一種示例關係。
圖3B示出節流閥開啟角與渦輪轉速之間的一種示例關係。
圖4示出描繪基於期望發動機進氣流計算節流閥開啟角和/或預測給定節流閥開啟角下的預期氣流的一種高級流程圖。
圖5示出，對於節流閥的給定上遊壓力，各種不同節流閥開啟角和渦輪轉速下的節流閥的期望氣流與下遊壓力之間的一種示例關係。
圖6示出描繪用於通過調整節流閥開啟角基於期望轉矩來控制進氣流的方法和/或用於基於節流閥開啟角來估計進氣流以進行轉矩監測的方法的一種高級流程圖。
圖7示出轉矩需求、進氣流、節流閥開啟角以及渦輪轉速之間的一種示例關係。
具體實施方式
以下描述涉及用於對到發動機(如圖1所示的發動機系統)的氣流控制的系統和方法。發動機可以包括布置在發動機的進氣系統中的節流閥周圍的節流旁路，如圖2所示。此外，節流旁路可以包括與輔助發電機連通的渦輪(圖2)。可以通過調整節流閥的節流閥開啟角來調整進氣系統中的氣流。如此，調整節流閥開啟角可以進一步影響節流閥形成的限制的有效橫斷面積，如圖3A所示。然而，進氣系統中的空氣流量控制由於渦輪和/或發電機的轉速改變而變得更有挑戰性，如圖3B所示。控制器可以被構造成執行一個例程，如圖4所示的示例例程，其用於基於期望氣流計算節流閥開啟角和/或預測給定節流閥開啟角下的氣流。在這種情況下，可以控制發動機進氣流，同時考慮渦輪轉速對節流閥開啟角的影響，如圖5所示。控制器還可以被構造成執行一個例程，如圖6所示的示例例程，其用於通過調整節流閥開啟角以基於期望轉矩來控制發動機進氣流和/或用於基於節流閥開啟角估計發動機氣流以進行轉矩監測目的。圖7中示出基於轉矩需求和渦輪轉速的氣流和節流閥開啟角的示例控制。以此方式，可以精確控制氣流。
圖1是顯示可以包括在汽車的推進系統中的多汽缸發動機10中的一個汽缸的示意圖。發動機10可以至少部分由包括控制器12的控制系統並由車輛駕駛員132經由輸入裝置130的輸入控制。在這個示例中，輸入裝置130包括加速器踏板和用於產生成比例的踏板位置信號PP的踏板位置傳感器134。發動機10的燃燒室(即汽缸)30可以包括燃燒室壁32，活塞36定位在該燃燒室壁中。活塞36可以耦接至曲軸40，以便活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動。曲軸40可以經由中間變速器系統耦接至車輛的至少一個驅動輪。此外，起動器電機可以經由飛輪耦接至曲軸40以使能發動機10的起動操作。
燃燒室30可以經由進氣通道42接收來自進氣歧管44的進氣空氣並且可以經由排氣通道48排出燃燒氣體。進氣歧管44和排氣通道48能夠分別經由進氣閥52和排氣閥54選擇性地與燃燒室30連通。在一些實施例中，燃燒室30可以包括兩個或更多個進氣閥和/或兩個或更多個排氣閥。
在這個示例中，可以通過凸輪致動經由相應的凸輪致動系統51和53來控制進氣閥52和排氣閥54。凸輪致動系統51和53各自可以包括一個或多個凸輪並且可以利用凸輪輪廓線轉換系統(CPS)、可變凸輪正時系統(VCT)、可變氣門正時(VVT)和/或可變氣門升程(VVL)系統中的一個或多個系統，可以通過控制器12來操作這些系統以改變閥門操作。可以由位置傳感器55和57分別確定進氣閥52和排氣閥54的位置。在替代性實施例中，可以通過電動閥致動控制進氣閥52和/或排氣閥54。例如，汽缸30可以替代地包括經由電動閥致動控制的進氣閥和經由包括CPS和/或VCT系統的凸輪致動控制的排氣閥。
示出燃料噴射器66直接耦接至燃燒室30從而與從控制器12經由電子驅動器68接收的信號FPW的脈衝寬度成比例地將燃料直接噴射到燃燒室30中。以此方式，燃料噴射器66提供了所謂的直接噴射將燃料噴射進燃燒室30。燃料噴射器例如可以安裝在燃燒室的側面或燃燒室的頂部。可以通過燃料系統(未示出)將燃料傳送到燃料噴射器66，燃料系統包括燃料箱、燃料泵和燃料導軌。在一些實施例中，燃燒室30可以替代地或附加地包括以提供稱為進氣道噴射的配置布置在進氣歧管44中的燃料噴射器，進氣道噴射將燃料噴射進燃燒室30上遊的進氣道中。
進氣通道42可以包括具有節流板64的節流閥62(也稱為進氣節流閥)。在這個具體示例中，可以由控制器12經由提供給包括有節流閥62的電動機或致動器的信號來改變節流板64的位置，一種通常被稱為電子節流閥控制(ETC)的配置。以此方式，可以操作節流閥62來改變向其他發動機汽缸中的燃燒室30提供的進氣空氣。可以通過節流閥位置(TP)信號向控制器12提供節流板64的位置。進氣通道42可以包括質量空氣流量傳感器120和/或歧管絕對壓力傳感器122，以用於向控制器12提供相應的信號MAF和MAP。在一些實施例中，一個或多個壓力傳感器可以位於節流閥的上遊和/或下遊，用於估計節流閥兩端的壓力差並生成壓力差信號到控制器12。
進一步，節流渦輪發電機202耦接至節流閥62周圍的旁路中的進氣通道42。節流渦輪發電機202，其將參照圖2進行更詳細的描述，包括驅動渦輪發電機(也稱作輔助發電機)的渦輪。通常在節流閥62周圍生成壓力差，然後該壓力差用於驅動渦輪和渦輪發電機。例如，當節流閥完全打開時，進氣歧管通常處於環境大氣壓力下。當節流閥部分關閉時，例如，隨著進氣空氣降到環境壓力以下時可以建立歧管真空，由此產生壓力差。輔助發電機可以為發動機的電池提供電荷，作為通過機械驅動的主發電機進行充電的補充和/或作為主要充電源(例如當主發電機降級或故障時)。然而，由於渦輪的運行，進氣歧管周圍的空氣流量控制由於渦輪和/或發電機的轉速改變而變得更有挑戰性。另外，節流閥位置的任何改變同時影響發動機的進氣側的兩個路徑，使得經由節流閥的氣流控制具有挑戰性，如在此參照圖3A和圖3B所述的。
在所選的運行模式下，點火系統88能夠響應於來自控制器12的點火提前信號SA經由火花塞92向燃燒室30提供點火火花。儘管示出火花點火部件，在一些實施例中，發動機10的燃燒室30或一個或多個其他燃燒室可以運行在壓縮點火模式中，具有或沒有點火火花。
示出排氣傳感器126耦接至排放控制裝置70上遊的排氣通道48。傳感器126可以是提供排氣空氣/燃料比的指示的任何合適的傳感器，如線性氧傳感器或UEGO(通用或寬域排氣氧傳感器)、雙態氧傳感器或EGO、HEGO(加熱型EGO)、NOx、HC或CO傳感器。示出沿著排氣傳感器126下遊的排氣通道48設置排放控制裝置70。裝置70可以是三元催化劑(TWC)、NOx捕集器、各種其他排放控制裝置或其組合。在一些實施例中，在發動機10運行期間，可以通過使發動機的至少一個汽缸在特定空氣/燃料比內運行來周期性地重置排放控制裝置70。
控制器12在圖1中被示為微型計算機，包括微處理器單元102(CPU)、輸入/輸出埠(I/O)104、在這個具體示例中示為只讀存儲器晶片(ROM)106的用於可執行程序和校準值的電子存儲介質、隨機存取存儲器(RAM)108、保活存儲器(KAM)110以及數據總線。控制器12可以從耦接至發動機10的傳感器接收各種信號，除了前面討論的信號以外，還包括：來自質量空氣流量傳感器120的進氣質量空氣流量(MAF)的測量值；來自耦接至冷卻套114的溫度傳感器112的發動機冷卻劑溫度(ECT)；來自耦接至曲軸40的霍爾影響傳感器118(或其他類型的傳感器)的表面點火感測信號(PIP)；來自節流閥位置傳感器的節流閥位置(TP)；以及來自傳感器122的歧管絕對壓力信號MAP等。可以由控制器12根據信號PIP生成發動機轉速信號(RPM)。可以由控制器12基於節流渦輪發電機的輸出來推斷渦輪的渦輪轉速。替代地，可以經由專用渦輪轉速傳感器測量渦輪轉速。來自歧管壓力傳感器的歧管絕對壓力信號MAP可以用於提供進氣歧管中的真空或壓力的指示。在一些實施例中，一個或多個壓力傳感器可以位於節流閥的上遊和/或下遊，用於估計節流閥兩端的壓力差。注意，可以使用以上傳感器的不同組合，如MAF傳感器而沒有MAP傳感器，反這亦然。在化學計量比運行期間，MAP傳感器能夠給出發動機轉矩的指示。進一步，這個傳感器以及檢測到的發動機轉速能夠提供引入汽缸中的增壓(包括空氣)的估計值。在一個示例中，還被用作發動機轉速傳感器的傳感器118可以在曲軸每次旋轉時產生預定數量的等間距脈衝。
存儲介質只讀存儲器106能夠用表示由處理器102可執行的指令的計算機可讀數據進行編程，以用於執行以下所述的方法以及其他想到但沒有具體列出的變體。
如上所述，圖1隻示出多汽缸發動機的一個汽缸，並且每個汽缸可以類似地包括其自己的一組進氣閥/排氣閥、燃料噴射器、火花塞等。
繼續圖2，節流渦輪發電機202被示出在包括以上參照圖1所述的發動機10的發動機系統200中。節流渦輪發電機202包括渦輪206(也稱為節流渦輪)、布置在節流旁路204中的節流旁路閥208以及渦輪206驅動的渦輪發電機210。如此，渦輪206位於進氣管處的進氣節流閥62周圍的節流旁路204中，並且節流旁路可以被構造成將進氣空氣從進氣節流閥上遊的位置傳送至進氣節流閥下遊的位置。在一些實施例中，節流渦輪發電機可以不包括節流旁路閥208。反而，節流閥可以具有楔形葉片，其例如，在一些狀況下阻止氣流到節流旁路。
節流渦輪發電機202使用通常通過對發動機進氣空氣進行節流浪費掉的能量。例如，進氣節流閥62兩端的壓力變化可以用於引導氣流穿過渦輪206。渦輪206驅動渦輪發電機210(在此還指的是輔助發電機)，其向電池212提供電流。在這種構造中，可以提高發動機系統的總效率，例如，由於在一些工況期間，經由機械驅動的主發電機214的電池212充電減少並且經由輔助發電機210的充電可以增加。
如所描繪的，進氣空氣流經進氣通道42並通過進氣節流閥62。如上所述，可以由控制器12改變節流閥位置，以便改變提供給發動機的汽缸的進氣空氣量。節流旁路204將來自進氣節流閥62上遊的位置和進氣節流閥62周圍的進氣空氣引導至節流閥62下遊的位置。例如可以由節流閥兩端的壓力差引導進氣空氣穿過節流旁路204。此外，在圖2所示的示例實施例中，節流渦輪發電機202包括節流旁路閥208。基於從控制器12接收的信號，可以對節流旁路閥208和進氣節流閥62中的一個或多個進行調節以調整到渦輪206的進氣空氣流量，如以下參照圖3A和圖3B所述的。例如，控制器可以向耦接至節流閥的機電致動器發送信號，該致動器通過使節流閥朝向打開更多的位置移動而增大節流閥的角度或通過使節流閥朝向關閉更多的位置移動而減小該節流閥的角度。在一些示例中，節流旁路閥208可以是打開並關閉節流旁路204的通斷閥。在其他示例中，節流旁路閥208可以是控制穿過節流旁路204的可變氣流量的流量調節閥。節流旁路閥208可以是柱塞閥或短管閥、閘閥、蝶形閥或另外合適的流量控制裝置。此外，可以由螺線管、脈衝寬度調製螺線管、DC電機、步進電機、真空膜片等致動節流旁路閥208。
在一些實施例中，除了調整節流閥開啟角以外或代替調整節流閥開啟角，可以調整節流旁路閥的角度(或開/關狀態)。例如，可以在第一函數和第二函數中加入相關性以用於計算預測的有效面積，如參照圖4詳細描述的(如圖4的步驟410和412中)。然而，在映射圖中添加相關性可能導致映射圖輸入尺寸從2D上升到3D。
引導通過節流旁路204的氣流流經渦輪206，該渦輪利用從氣流提取的能量旋轉輔助發電機210。輔助發電機210產生被供應到電池212的電流。電池212可以為其中設置發動機系統200的車輛的電氣系統的各種部件提供動力，如燈、泵、風扇、燃料噴射裝置、點火裝置、空調等等。電池212還可以由主發電機214充電，該主發電機由發動機10機械驅動。可以在主發電機214與輔助發電機210之間協調電池212的充電，以便增加系統的總效率。例如，在從主發電機214向電池212提供電流將增加燃料消耗時的狀況期間，如在車輛巡航或加速期間，輔助發電機210可以向電池212提供電流。進一步，當主發電機214降級或故障時，輔助發電機210可以向電池212提供電流。輔助發電機210可以是電力不強的發電機，例如，產生的電流比主發電機214產生的電流少的發電機。在一些示例中，可以調整進氣節流閥62以對耦接至渦輪的渦輪發電機產生的能量進行調整，如以下所解釋的。調整渦輪發電機中產生的能量可以包括：在所選工況下，增加渦輪發電機210的電功率輸出。調整渦輪發電機中產生的能量還可以包括：用渦輪發電機中產生的能量對電池和主發電機中的一個或多個進行充電。在一個示例中，可以基於發電機的電輸出(例如電流或電壓)來推測節流渦輪的轉速(渦輪轉速)。在另一個示例中，可以通過耦接至該渦輪(例如耦接至該渦輪軸)的轉速傳感器估計渦輪轉速。
控制器12從圖1和圖2的各種傳感器接收信號並採用圖1和圖2的各種致動器基於接收到的信號和存儲在控制器的存儲器中的指令來調整發動機運行。例如，調整進氣節流閥可以包括：對耦接至進氣系統中的節流板的機電致動器進行調整，以通過將控制信號從控制器發送到致動器而使節流閥旋轉所計算的角度。
如前面所述的，節流閥62兩端的壓力差可以用於引導氣流穿過渦輪206(還指的是節流渦輪)。當使用這種壓力差來操作使用節流閥的節流渦輪時，由於節流渦輪和/或發電機的轉速改變而使進氣歧管44周圍的空氣流量控制變得有挑戰性。進一步，節流閥62的節流閥位置的任何改變都同時影響發動機的進氣側的兩個路徑(例如節流旁路204和進氣通道42)，使得經由節流閥的氣流控制具有挑戰性。然而，通過包含渦輪轉速的影響，增加氣流控制的精確性而不會顯著增加計算強度是可能的。
如此，穿過由節流閥形成的限制的空氣流量可以取決於限制的有效橫斷面積以及出現在節流渦輪兩端的壓力差。數學地，這能夠表示為等式(1)
其中，W是空氣流量，AE是限制的有效橫斷面積，Pus是上遊壓力，Pds是下遊壓力，Tus是上遊溫度並且R是氣體常數。在此，由等式(2)給出函數
其中，x在阻流下飽和並由等式(3)給出：
其中，γ是氣體的比熱比。
在等式(1)至(3)中，R和γ可以是常數或可以具有由發動機控制器估計的時間變化值。如此，流量穿過配備有渦輪和/或發電機的進氣路徑被描述為限制，其中，有效面積AE是熱力學條件、閥角度以及渦輪/發電機的狀態的函數。數學上，這能夠表示為等式(4)：
AE＝F1(α，ΔP)[1-F2(α，ΔP)ω] (4)
其中，ΔP＝Pus-Pds是節流渦輪兩端的壓力差，ω是渦輪轉速並且α是節流閥開啟角。在此，等式(4)的第一項或第一函數F1表示當渦輪處於靜止或非常緩慢地旋轉(例如ω～0)時的有效面積AE，並且第二項或函數F2表示當考慮渦輪的影響時(例如ω≠0)對有效面積AE的校正。如此，乘積ωF1F2可以是第三函數F3，其描述有效面積隨著渦輪轉速增加而減小的比例常數。分別在圖3A和圖3B的曲線圖300和350中圖形表示第一函數和第二函數。
繼續到圖3A，曲線圖300示出了在節流渦輪兩端的各種壓力差ΔP下由節流閥形成的限制的有效橫斷面積與節流閥開啟角之間的示例關係。在此，當節流旁路中沒有渦輪/發電機時，有效橫斷面積AE可以由第一函數F1表示。沿著水平軸線示出節流閥開啟角，並且沿著垂直軸線示出有效橫斷面積(還與等式(4)的第一函數F1相同)。曲線圖302示出當渦輪轉速為零時更高壓力差ΔP下的有效橫斷面積，並且曲線圖304示出當該渦輪轉速仍然為零時較低壓力差下的有效橫斷面積。曲線圖302示出了例如在ΔP為14 inHg(英寸汞柱)下的有效橫斷面積，並且曲線圖304示出了例如在ΔP為5 inHg下的有效橫斷面積。隨著節流閥開啟角增加，穿過節流渦輪的流量增加(曲線圖302和304)，當通道(即節流旁路的入口，如圖2的節流旁路204的入口)快要完全打開時流量達到最大。具體地，隨著進氣節流閥打開，其逐漸揭開節流渦輪的入口通道。一旦通道完全打開且閥進一步打開時，低阻力路徑穿過節流閥並且大部分流量繞過該渦輪。
然而，當節流旁路中存在渦輪/發電機時，為了精確確定節流閥周圍的限制的有效橫斷面積，應用校正，如等式(4)中所述。在此，第二項或第二函數F2是用於渦輪轉速的校正，並且在圖3B的曲線圖350中示出。曲線圖354示出了當渦輪轉速不為零時，在較高壓力差下的有效橫斷面積的校正百分率，並且曲線圖352示出了當渦輪轉速仍然不為零時在較低壓力差下的有效橫斷面積。曲線圖354示出了在例如ΔP為14 inHg下的校正，並且曲線圖352示出了例如在ΔP為5 inHg下的校正。如此，基於存儲在控制器的存儲器中的性能映射圖/表，可以生成曲線圖300和350。
通過對曲線圖302和354進行比較並類似地對曲線圖304和352進行比較，能夠更可靠地確定渦輪轉速對節流閥周圍的有效橫斷面積的影響。在此，當沒有渦輪時，橫斷面的有效面積隨著節流閥開啟角而繼續增加(曲線圖302)。然而，當包括渦輪轉速的影響時，有效橫斷面積具有更複雜的分布(曲線圖354)。在曲線圖354中，在α0與α1之間，在節流閥開啟角從α0增加至α1時，校正增加。然而，在節流閥開啟角增加超過α1時，隨著節流閥開啟角的增加校正開始減小(曲線圖354)。當壓力差較低時，這些影響更顯著(曲線圖352)。在此，當節流閥開啟角從α1增加到α2時，校正增加(曲線圖352)。當節流閥開啟角增加超過ω2時，校正開始急劇減小(曲線圖352)。
為了考慮渦輪轉速對進氣流的影響並精確確定氣流，四個變量，即節流閥開啟角、節流閥形成的限制的橫斷面積、進氣歧管兩端的壓力差以及渦輪轉速可能需要被適應性地控制。在此，對於期望氣流，基於轉矩需求，例如，可以通過求解等式(4)來確定節流閥開啟角。為此，可能需要產生並迅速訪問具有這些變量的四維性能映射圖(也稱作查找表)以精確確定期望氣流下的節流閥開啟角。然而，生成、存儲並訪問複雜的四維映射圖可能是時間、存儲、計算密集的。
發明人已經確認了一種包括數值調整(例如數值逼近)的方法，其使用相對直接的二維性能映射圖來求解等式(4)並精確控制發動機系統中的氣流，如圖4中所述。可以基於存儲在控制器的存儲器中的指令並結合從發動機系統的傳感器(如參考圖1和圖2的上述的傳感器)接收的信號，通過控制器執行用於進行方法400以及本文包括的其他方法的指令。控制器可以根據下述方法採用發動機系統的發動機致動器來調整發動機運行。
圖4的方法400描述一種基於數值逼近的方法以精確確定期望氣流下的節流閥開啟角。另外，方法400可以用於預測具體節流閥開啟角下的氣流以進行轉矩監測。具體地，該方法通過求解等式(4)推斷節流閥開啟角並預測發動機進氣流而不依靠複雜的四維性能映射圖。然而，應當理解，如果需要，可以附加地使用4D映射圖。
在402開始方法400，其中，可以估計和/或確定發動機的運行參數。可以基於一個或多個傳感器的輸出，由控制器(如圖1的控制器12)測量或估計運行參數，如壓力(Pus和Pds)、溫度(Tus)、渦輪轉速(ω)等。例如，可以由位於節流閥上遊和下遊的一個或多個壓力傳感器測量/估計Pus和Pds。可以由溫度傳感器測量或估計Tus，並且可以例如根據渦輪發電機的輸出或經由耦接至渦輪軸的轉速傳感器計算渦輪轉速。在此，壓力Pus和Pds分別指上遊壓力和下遊壓力，並且可以進一步用於估計發動機進氣節流閥兩端的壓力差ΔP。除了如壓力、溫度和渦輪轉速等運行參數之外，還可以確定熱力學參數，如空氣比熱的比值γ以及氣體常數R。如此，這些熱力學參數是校準的常數(例如γ＝1.4且R＝287 J/kg K)。在一些示例中，這些熱力學參數可以進一步基於進氣空氣的溫度和成分。還有其他被評估的發動機運行參數可以包括發動機轉速、發動機溫度、增壓壓力、EGR(例如流量速率或百分比)等。
在方法400的404，可以基於402處測量/估計的運行參數和熱力學參數計算係數，如和這些係數對應由等式(1)和(2)給出的穿過限制的氣流。在405，該方法接著確定是否請求氣流控制或氣流估計。如果請求氣流控制，則在406處可以基於期望氣流W*來確定由節流閥形成的限制的期望有效面積(AE*)。否則，如果請求氣流估計，則在410處，確定給定節流閥開啟角下的氣流預測以用於轉矩監測。
在406，基於期望氣流W*(其進一步基於轉矩需求)確定的期望有效面積AE*遵從等式(1)並且能夠進一步寫作等式(5)：
其中，等式(2)和(3)給出在此，例如基於轉矩需求確定W*。然後，方法繼續到408以求解期望節流閥開啟角α*。通過求解等式(4)確定期望節流閥開啟角α*，該等式如下被重寫成等式(6)：
可以通過求解非線性等式(6)確定α*的解。然而，等式(6)可能難以求解，並且這種求解可能還是費時的。發明人已經認識到，例如通過包含數值逼近來求解等式(6)而不生成複雜的四維映射圖或表是可能的。
以下示出一種示例解答，其採用使用牛頓數值逼近方法的迭代方法求解α*。在此，以下等式(7)：
是迭代的，k＝0，1，...等等。起始值α0可以被認為是當前節流閥開啟角或通過等式(8)給出：
關於α使用F1(α，ΔP)的倒數。F′1(αk，，ΔP)和F′2(αk，ΔP)的值表示關於α的函數F1(α，，ΔP)和F2(α，，ΔP)的靈敏度或導數。函數F′1(αk，，ΔP)、F′2(αk，，ΔP)和可以存儲成性能映射圖或查找表，其隨後由控制器訪問以執行在線計算。
以此方式，通過根據節流閥開啟角獲悉進氣歧管兩端生成的壓力差，可以生成二維映射圖並將其存儲在發動機控制單元中。此外，通過包含例如渦輪轉速的影響，可以確定限制的有效橫斷面積的校正，這可以被存儲為單獨的二維映射圖。通過對兩個二維映射圖執行數值逼近，可以精確確定節流閥開啟角而用於有效氣流控制。在一個示例中，如果執行一次計算，即，將k設為0且α*的值作為α1，獲得複雜性最小的解。在所選數量的迭代的任何數量之後和/或直到|αk+1-αk|低於閾值(預定值，例如)時，停止迭代，最後一次計算的數值αk+1被當作節流閥開啟角α*的解。
在此，基於期望轉矩，可以估計氣流。進一步，基於估計的氣流，可以通過執行數值逼近確定節流閥開啟角，並且可以將節流閥調整到計算出的節流閥開啟角。在此，調整進氣節流閥包括：對耦接至進氣系統中的節流板的機電致動器進行調整，以通過將控制信號從控制器發送到致動器而使節流閥旋轉所計算的角度。如此，調整進氣節流閥的節流閥開啟角進一步包括：例如，對耦接至節流渦輪的渦輪發電機處產生的能量進行調整。調整渦輪發電機中產生的能量還可以包括在所選工況下增加渦輪發電機的電功率輸出，並且還可以包括使用渦輪發電機中產生的能量對電池和主發電機中的一者或更多者進行充電。
返回410，其中，需要給定節流閥開啟角下的氣流的精確預測，方法400包括：基於輸入節流閥開啟角，計算預測的有效面積在此，預測的有效面積可以在數學上表示為等式(9)：
其中，在方法400的402中確定ΔP和ω。接下來，該方法進入412，其中，計算預測的氣流如此，預測的氣流可以在數學上表示為等式(10)：
其中，在402處計算或估計的變量可以用於預測氣流。與經執行以確定節流閥開啟角α*的數值逼近相似，可以對等式(9)執行數值逼近以預測給定節流閥開啟角α下的氣流如此，預測的氣流可以用於估計進入進氣歧管的流量而用於狀態估計，這可以進一步用於轉矩監測並用於被應用到節流閥的模型參考控制。因此，代替計算函數的倒數以及使用能夠是時間、存儲、計算密集的四維映射圖，通過快速有效執行數值逼近來預測給定節流閥開啟角下的氣流而不影響精度是可能的。在圖5中圖形化描繪了用於氣流控制的方法。以此方式，可以使用數值逼近方法來確定期望流量的節流閥開啟角以及給定節流閥開啟角下的氣流，由此實現精確氣流控制。
圖5示出了各種節流閥開啟角和渦輪轉速下的期望氣流與節流閥下遊壓力之間的示例關係。在此，上遊壓力可以被維持大體不變(例如22.4 Hg)。在曲線圖500中，沿著水平軸線繪製下遊壓力，並且沿著垂直軸線繪製穿過節流閥的流量。曲線圖502示出當節流閥開啟角是α1(例如α1＝12°)時，作為渦輪處於靜止或處於渦輪轉速ω1(或例如ω1＝0)時的下遊壓力的函數的氣流。曲線圖504示出相同節流閥開啟角α1下，作為渦輪轉速為ω2(例如ω2＝60000 rpm)時的下遊壓力的函數的氣流。曲線圖502和504之間的差可以確定例如渦輪轉速對流量的影響。曲線圖506示出了當節流閥開啟角是α2(例如α1＝10°)時，作為渦輪處於靜止或處於渦輪轉速ω1(或例如ω1＝0)時的下遊壓力的函數的氣流。曲線圖504示出在節流閥開啟角α2下，作為渦輪轉速是ω2(例如ω2＝60000 rpm)時的下遊壓力的函數的氣流。例如，利用節流閥開啟角α2和渦輪轉速ω2預測壓力P1時的氣流W1是可能的。
曲線圖500還示出期望流量曲線(曲線圖510)，其涉及所示的下遊壓力Pds和流量W2。如此，可以基於期望轉矩來計算期望氣流W2。給定期望流量(曲線圖510)，期望曲線(曲線圖510)和測得的渦輪轉速下的曲線之間的交叉定義了期望角度。例如，如果測得的渦輪轉速是ω2，則曲線圖510與曲線圖508之間的交叉給出期望角度α2。以此方式，可以針對期望流量基於轉矩需求計算節流閥開啟角調整值。
繼續圖6，示出用於控制到發動機的氣流的方法600。具體地，方法600通過調整節流閥同時考慮渦輪的旋轉速度來對到發動機的汽缸的氣流(例如負荷)進行調整。例如，渦輪的轉速可以影響氣流高達10％，這可以通過該方法進行校正以得到精確的氣流控制和轉矩傳遞。另外，方法600基於輸入的節流閥開啟角來預測到發動機的汽缸的氣流，輸入的節流閥開啟角接著可以用於估計進入歧管的氣流而例如用於轉矩監測。
在方法600的602，確定發動機工況。工況可以包括發動機轉速、發動機負荷、進氣空氣流速和/或壓力、節流閥位置、油門踏板位置、環境壓力、環境溫度、渦輪轉速等等。工況還可以包括確定發動機處於穩態、空轉、瞬態等。除了確定工況以外，還可以確定熱力學條件。如此，確定熱力學條件包括計算熱力學參數，如氣體的比熱比γ、氣體常數R等。
一旦確定工況，方法600進入確定是否請求氣流控制的604。例如，當轉矩需求突然上升(例如由於踩加速器踏板)或突然下降(例如由於放開加速器踏板)時，可以請求氣流控制。在一些示例中，如果轉矩需求穩步上升和/或穩步下降閾值量，則可以請求氣流控制。在一些更多示例中，可以響應於用於調整輔助發電機的功率輸出的請求，請求氣流控制。
如果請求氣流控制，則方法600進入606，其中，可以基於期望氣流來調整節流閥開啟角以滿足轉矩要求。如此，可以通過執行如前所述的數值逼近，通過求解等式(6)來確定節流閥開啟角。方法600包括：在608，通過基於駕駛員轉矩需求，對耦接至節流渦輪的進氣節流閥進行前饋調整來執行氣流控制。方法600還包括：在610，基於節流渦輪兩端的壓力差的第一函數以及壓力差的不同的第二函數乘以渦輪轉速的每一項，調整進氣節流閥。如此，調整進氣節流閥還包括調整進氣節流閥的節流閥開啟角。在此，調整進氣節流閥包括：對耦接至進氣系統中的節流板的機電致動器進行調整以通過將控制信號從控制器發送到致動器而使節流閥旋轉所計算的角度。調整進氣節流閥進一步包括：在612，調整由進氣節流閥在進氣管處形成的限制的有效橫斷面積。在614，調整節流閥開啟角還可以基於壓力差的第一函數與壓力差的第三函數之間的差值，該壓力差的第三函數與第一函數和第二函數都是不同的。第三函數可以是第一函數、第二函數以及渦輪轉速中的每一項的乘積。當渦輪轉速低於閾值時，有效橫斷面積可以與第三函數成比例地增加，並且其中，當渦輪轉速高於閾值時，有效橫斷面積可以與該第三函數成比例地減小。然後方法600結束。
以此方式，在渦輪和渦輪發電機存在的條件下可以維持精確空氣流量控制，因此獲得燃料經濟性益處同時維持驅動能力和排放要求是可能的。
如果在604沒有請求氣流控制，方法600進入確定是否請求氣流估計的612。如果請求氣流估計，則方法600進入618，其中，可以對通過節流渦輪的進氣流進行預測或調整。在620中，對通過節流渦輪的進氣流的調整可以基於進氣節流閥開啟角。此外，在622，調整進氣流還可以基於進氣節流閥開啟角的第一函數、以及進氣節流閥開啟角的不同的第二函數乘以渦輪轉速的每一項。在此，例如，基於輔助發電機的脈衝輸出確定渦輪轉速。一旦調整或預測進氣流，方法600進入624，其中，可以基於預測的氣流監測轉矩，並且方法結束。然而，如果在616沒有請求氣流估計，方法600進入626，其中，可以不調整氣流，並且隨後該方法結束。以此方式，通過使用函數和數值逼近，通過對期望氣流下的進氣節流閥開啟角進行估計以滿足轉矩要求並且進一步預測給定節流閥開啟角下的氣流而用於轉矩監測，可以維持精確氣流控制。
現在轉到圖7，映射圖700示出兩種狀況期間的一種示例氣流控制，其中，第一狀況包括基於期望氣流調整節流閥開啟角並且第二情況包括基於節流閥開啟角調整氣流。曲線圖702示出期望氣流，其例如進一步基於期望轉矩需求。曲線圖710示出例如根據渦輪發電機的輸出估計的渦輪轉速。曲線圖706(虛線)示出基於期望氣流確定的節流閥開啟角。在此，在第一狀況期間，可以基於節流渦輪兩端的壓力差的第一函數、以及壓力差的不同的第二函數與渦輪轉速(曲線圖710)的乘積中的每一項，調整耦接至節流渦輪的節流閥的進氣節流閥開啟角(曲線圖706)。
在t0與t1之間，可以確認第一狀況，其中，可能期望增加氣流(曲線圖702)。例如當轉矩需求增加時，可以期望增加氣流。因此，例如，基於氣流控制請求，可以調整節流閥開啟角，同時維持通過節流渦輪的氣流以滿足駕駛員轉矩需求的增加。考慮渦輪轉速(710)，節流閥開啟角可以增加(曲線圖706)。此外，基於等式(5)和等式(6)確定進氣節流閥開啟角增加的量，如前所解釋的。簡單地說，可以基於節流渦輪兩端的壓力差的第一函數、以及壓力差的不同的第二函數與渦輪轉速的乘積中的每一項對耦接至節流渦輪的節流閥的進氣節流閥開啟角進行調整。此外，在第一狀況期間，節流閥開啟角的調整包括在標稱發動機運行過程中的前饋調整，並且還包括在發動機空轉過程中的反饋調整。當渦輪轉速影響忽略不計時，例如，在節流渦輪的狀況包括靜止或以低於閾值轉速旋轉的一個或多個時，可以基於第一函數對節流閥的進氣節流閥開啟角進行調整。在第一狀況期間，可以接收氣流控制的請求並且可以調整節流閥開啟角同時維持通過節流渦輪的氣流以及同時傳送駕駛員轉矩需求。以此方式，通過考慮渦輪轉速的影響，可以影響滿足轉矩需求的精確氣流控制。基於期望流量同時考慮渦輪轉速來調整節流閥開啟角的技術效果是，更精確地控制到發動機的氣流。
在t1與t2之間，可以確認第二狀況，其中，可以接收氣流估計的請求。在t2與t3之間的時間期間，可以調整通過節流渦輪的氣流(曲線圖704)同時維持進氣節流閥開啟角(曲線圖708)以及同時估計進入歧管的氣流，如參照等式(9)和(10)所述的。簡單地說，在t2與t3之間的第二狀況期間，可以基於進氣節流閥開啟角的第一函數(由曲線圖708給出的基於節流閥開啟角的函數)以及進氣節流閥開啟角的不同的第二函數與渦輪轉速的乘積(曲線圖714)中的每一項，調整通過節流渦輪的進氣流(曲線圖704)。因此，在第二狀況期間，可以接收氣流估計的請求，並且可以調整通過節流渦輪的氣流同時維持進氣節流閥開啟角以及同時估計進入歧管的氣流。
以此方式，通過使用函數和數值逼近，通過估計期望氣流下的進氣節流閥開啟角以滿足轉矩要求並且進一步預測給定節流閥開啟角下的氣流而用於轉矩監測，可以維持精確氣流控制。基於期望流量調整節流閥開啟角並基於節流閥開啟角進一步預測氣流同時考慮渦輪轉速的技術效果是，更精確控制到發動機的氣流並且更好控制轉矩監測。
如上所述的系統和方法還提供一種用於發動機氣流控制的方法，該方法包括：基於駕駛員轉矩需求，對耦接至節流渦輪的進氣節流閥進行前饋調整；並且基於節流渦輪兩端的壓力差的第一函數以及壓力差的不同的第二函數乘以渦輪轉速，進一步調整進氣節流閥。在該方法的第一個示例中，調整進氣節流閥並進一步調整該進氣節流閥可以附加地或替代地包括調整該進氣節流閥的節流閥開啟角。該方法的第二個示例可選地包括該第一個示例並且還包括：其中，調整進氣節流閥包括：調整由進氣節流閥在進氣管處形成的限制的有效橫斷面積。該方法的第三個示例可選地包括第一個示例和第二個示例中的一個或多個，並且還包括：基於壓力差的第一函數與該壓力差的第三函數之間的差值來進一步調整該節流閥開啟角，該壓力差的第三函數與第一函數和第二函數都不同。該方法的第四個示例可選地包括第一個示例至第三個示例中的一個或多個，並且還包括：其中，第三函數是第一函數、第二函數和渦輪轉速中的每一項的乘積。該方法的第五個示例可選地包括第一個示例至第四個示例中的一個或多個，並且還包括：其中，當渦輪轉速低於閾值時，有效橫斷面積與第三函數成比例地增加，並且其中，當該渦輪轉速高於該閾值時，有效橫斷面積與第三函數成比例地減小。該方法的第六個示例可選地包括第一個示例至第五個示例中的一個或多個，並且還包括：其中，調整進氣節流閥的節流閥開啟角還包括：對耦接至節流渦輪的渦輪發電機處產生的能量進行調整。該方法的第七個示例可選地包括第一個示例至第六個示例中的一個或多個，並且還包括：其中，節流渦輪位於進氣管處的進氣節流閥周圍的節流旁路中，該節流旁路被構造成將進氣空氣從進氣節流閥上遊的位置傳送至進氣節流閥下遊的位置。該方法的第八個示例可選地包括第一個示例至第七個示例中的一個或多個，並且還包括：其中，調整渦輪發電機中產生的能量包括：增加渦輪發電機在所選工況下的電功率輸出。該方法的第九個示例可選地包括第一個示例至第七個示例中的一個或多個，並且還包括：使用渦輪發電機中產生的能量對電池和主發電機中的一個或多個進行充電。該方法的第十個示例可選地包括第一個示例至第九個示例中的一個或多個，並且還包括：其中，基於渦輪發電機的脈衝輸出計算渦輪轉速。
以上所述系統和方法還提供了一種方法，該方法包括：在第一狀況期間，基於節流渦輪兩端的壓力差的第一函數以及該壓力差的不同的第二函數與渦輪轉速的乘積中的每一項，對耦接至節流渦輪的節流閥的進氣節流閥開啟角進行調整，並且在第二狀況期間，基於進氣節流閥開啟角的第一函數以及該進氣節流閥開啟角的不同的第二函數與渦輪轉速的乘積中的每一項，對通過節流渦輪的進氣流進行調整。在該方法的第一個示例中，該方法可以附加地或替代地包括：當節流渦輪的狀況包括靜止或以低於閾值轉速旋轉中的一個或多個時，基於第一函數對節流閥的進氣節流閥開啟角進行調整。該方法的第二個示例可選地包括該第一個示例，並且還包括：其中，在第一狀況期間，接收氣流控制請求。該方法的第三個示例可選地包括第一個示例和第二個示例中的一個或多個，並且還包括：其中，在第一狀況期間，調整節流閥開啟角同時維持通過節流渦輪的氣流以及同時傳遞駕駛員轉矩需求。該方法的第四個示例可選地包括第一個示例到第三個示例中的一個或多個，並且還包括：其中，在第一狀況期間，對節流閥開啟角進行調整包括在標稱發動機運行過程中的前饋調整，並且還包括在發動機空轉過程中的反饋調整。該方法的第五個示例可選地包括第一個示例到第四個示例中的一個或多個，並且還包括：其中，在第二狀況期間，接收氣流估計請求。該方法的第六個示例可選地包括第一個示例到第三個示例中的一個或多個，並且還包括：其中，在第二狀況期間，對通過節流渦輪的氣流進行調整同時維持進氣節流閥開啟角以及同時估計進入歧管的氣流。
以上所述系統和方法還提供一種用於發動機的系統，包括：布置在發動機的進氣通道中的節流閥；被構造成將進氣空氣從節流閥上遊的位置傳送到節流閥下遊的位置的節流旁路；位於節流閥上遊和/或下遊用於估計節流閥兩端的壓力差的一個或多個壓力傳感器；和布置在節流旁路中的渦輪，該渦輪被構造成驅動與電池電連通的輔助發電機，該電池進一步與主發電機電連通。在該系統的第一個示例中，該系統可以附加地或替代地包括具有存儲在非瞬態存儲器上的計算機可讀指令的控制器，其被構造成響應於調整輔助發電機的功率輸出的請求，基於節流渦輪兩端的壓力差的第一函數以及壓力差的不同的第二函數乘以渦輪轉速中的每一項，對節流閥的角位置進行調整。該系統的第二個示例可選地包括該第一個示例，並且還包括：其中，該控制器包括另外的指令，用於響應於氣流估計的請求，基於節流閥的角位置的第一函數以及節流閥的角位置的不同的第二函數乘以渦輪轉速，對通過渦輪的進氣流進行調整，該渦輪轉速基於輔助發電機的脈衝輸出被確定。
注意，本文所包括的示例控制和估計程序能夠與各種發動機和/或車輛系統配置一起使用。本文所公開的控制方法和程序可被存儲為非暫時存儲器中的可執行指令，並且可由包括與各種傳感器、致動器和其他發動機硬體組合的控制器的控制系統實施。本文所述的特定程序可表示任何數目的處理策略中的一種或多種，諸如事件驅動、中斷驅動、多任務、多線程等。因此，所說明的各種動作、操作和/或功能可按說明的順序執行、並行執行或在一些情況下省略。同樣，處理的順序不是實現本文所述的示例性實施例的特徵和優點所必需的，而是為易於說明和描述提供。根據所使用的具體策略，可重複執行所說明的動作、操作和/或功能中的一種或多種。進一步地，所述動作、操作和/或功能可用圖形表示待編程到發動機控制系統中的計算機可讀存儲介質的非暫時性存儲器內的代碼，其中所述動作通過執行包括與電子控制器組合的各種發動機硬體部件的系統中的指令實施。
應當理解，因為許多變化是可能的，所以本文所公開的配置和程序實際上是示例性的，並且這些具體實施例不應被視為具有限制意義。例如，上述技術能夠應用於V-6、I-4、I-6、V-12、對置4缸和其他發動機類型。本公開的主題包括本文所公開的各種系統和配置，以及其它特徵、功能和/或性質的所有新穎的和非顯而易見的組合和子組合。
隨附權利要求特別指出被視為新穎的和非顯而易見的某些組合和子組合。這些權利要求可指「一個」元件或「第一」元件或其等效物。此類權利要求應被理解成包括一個或多個此類元件的結合，既不要求也不排除兩個或更多此類元件。所公開的特徵、功能、元件和/或性質的其他組合和子組合可通過本權利要求的修正或通過在本申請或相關申請中呈現的新權利要求加以要求。此類權利要求，無論比原始權利要求範圍更寬、更窄、相同或不同，仍被視為包括在本公開的主題內。