用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法技术方案

本发明专利技术的实施方式涉及用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法。具体地，根据本发明专利技术的实施方式，柴油发动机的特征由传递函数来表征。在控制过程中，根据该传递函数以及柴油发动机的稳态工况参数来计算解耦传递函数。通过将解耦传递函数作用于经处理的空气系统状态参数，可以彼此独立地产生用于EGR系统和涡轮增压系统的驱动信号，从而实现二者的解耦。本发明专利技术的实施方式公开了相应的设备、柴油发动机、方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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系统的设备和方法。
技术介绍
随着发动机理论和技术的不断发展，废气再循环(EGR)系统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系统，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废气流量降低，因此废气排放中总的污染物输出量将得以减少。除EGR之外，为了提高柴油发动机的动力性能、改善燃烧，涡轮增压系统也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系统。涡轮增压系统本质上是一种空气压缩系统，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和涡轮增压系统的柴油发动机中，这二者之间的耦合特性给空气系统的控制提出了挑战。在配备有废气再循环系统EGR和涡轮增压系统的柴油发动机中，对于EGR系统而言，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，增压系统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，废气再循环系统和增压系统是两个相互依赖、相互影响的系统，即，具有耦合特性。废气再循环系统和增压系统所具有的耦合特性始终是柴油发动机空气系统控制的难点，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系统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)废气再循环系统和增压系统的独立控制策略，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，根据对空气系统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系统输出进行预测，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，采用空气系统降秩解耦控制策略，即空气系统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控制的缺点是由于系统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系统试验非常巨大。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系统和增压系统同时作用于进气管，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)存在空气系统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系统和增压系统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，也不适应实际控制系统的要求。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系统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系统控制策略。-->
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的实施方式提供一种在稳态下更为有效地控制柴油发动机的空气系统的设备和方法。在本专利技术的一个方面，提供一种用于在稳态下控制柴油发动机的空气系统的设备，其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮增压系统，所述设备包括：工况获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际工况的参数；解耦计算装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据来自所述工况获取装置的所述参数以及表征所述柴油发动机的传递函数来计算解耦传递函数；空气系统参数处理装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于处理指示所述空气系统的状态的参数；以及信号产生装置，其耦合至所述解耦计算装置和所述空气系统参数处理装置，配置用于根据来自所述解耦计算装置的所述解耦传递函数和来自所述空气系统参数处理装置的处理结果，产生用于所述废气再循环系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。根据本专利技术的另一方面，提供一种柴油发动机，包括：气缸体；进气管道，耦合至所述气缸体的入口端，配置用于向所述气缸体输送气体；排气管道，耦合至所述气缸体的出口端，配置用于排出所述气缸体燃烧的废气；燃油喷射系统，耦合至所述气缸体，配置用于向所述气缸体喷射燃油；空气系统；和控本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于在稳态下控制柴油发动机的空气系统的设备，其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮增压系统，所述设备包括：工况获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际工况的参数；解耦计算装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据来自所述工况获取装置的所述参数以及表征所述柴油发动机的传递函数来计算解耦传递函数；空气系统参数处理装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于处理指示所述空气系统的状态的参数；以及信号产生装置，其耦合至所述解耦计算装置和所述空气系统参数处理装置，配置用于根据来自所述解耦计算装置的所述解耦传递函数和来自所述空气系统参数处理装置的处理结果，产生用于所述废气再循环系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。

【技术特征摘要】
1.一种用于在稳态下控制柴油发动机的空气系统的设备，其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮增压系统，所述设备包括：工况获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际工况的参数；解耦计算装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据来自所述工况获取装置的所述参数以及表征所述柴油发动机的传递函数来计算解耦传递函数；空气系统参数处理装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于处理指示所述空气系统的状态的参数；以及信号产生装置，其耦合至所述解耦计算装置和所述空气系统参数处理装置，配置用于根据来自所述解耦计算装置的所述解耦传递函数和来自所述空气系统参数处理装置的处理结果，产生用于所述废气再循环系统的第一驱动信号和用于所述涡轮增压系统的第二驱动信号。2.如权利要求1所述的设备，其中所述传递函数以所述柴油发动机的转速和燃油喷射率作为自变量，所述工况获取装置进一步包括：转速获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的转速的参数；以及燃油喷射率装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的燃油喷射率的参数。3.如权利要求1所述的设备，其中所述空气系统参数处理装置进一步包括：配置用于确定所述柴油发动机的实际废气再循环流量率与目标废气再循环流量率之间的误差的装置；配置用于针对废气再循环流量率误差执行PID处理的装置；配置用于确定所述柴油发动机的实际进气压力与目标进气压力之间的误差的装置；以及配置用于针对进气压力误差执行PID处理的装置。4.如权利要求3所述的设备，其中所述工况获取装置进一步包括：废气再循环流量率获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际废气再循环流量率的参数，并将其提供给所述空气系统参数处理装置；以及进气压力获取装置，配置用于获取指示所述柴油发动机的实际进气压力的参数，并将其提供给所述空气系统参数处理装置。5.如权利要求1所述的设备，其中所述解耦计算装置进一步包括：配置用于计算所述传递函数的逆作为所述解耦传递函数的装置。6.如权利要求1所述的设备，其中所述第一驱动信号用于控制所述废气再循环系统的废气再循环阀的开度，并且其中所述第二驱动信号用于控制涡轮增压系统的增压阀的开度。7.如权利要求1所述的设备，其中所述设备利用片上系统SoC或集成电路IC来实现。8...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡广地，孙少军，佟德辉，郭圣刚，龚英利，
申请(专利权)人：潍柴动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：37