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技术领域

本发明涉及内燃发动机的控制。

背景技术

在该部分中的陈述只是提供关于本发明的背景信息。因此，这些陈述并非意在构成对现有技术的承认。

发动机控制包括基于期望发动机输出来控制发动机运转中的参数，包括发动机速度和发动机载荷以及所产生的运转，例如包括发动机排放。由发动机控制方法所控制的参数包括空气流量、燃料流量、以及进气阀和排气阀设定。

可以将增压空气提供至发动机，以相对于自然吸气进气系统向发动机提供增大的空气流量从而提高发动机的输出。涡轮增压器利用发动机的排气系统中的压力来驱动压缩机，从而向发动机提供增压空气。示例性的涡轮增压器可以包括可变几何涡轮增压器（VGT），使得能够调节对于排气系统中的给定条件所提供的增压空气。机械式增压器利用来自发动机的例如如由附件带提供的机械功率来驱动压缩机，从而向发动机提供增压空气。发动机控制方法控制增压空气，以便于控制在发动机内所产生的燃烧以及所产生的发动机输出。

排气再循环（EGR）是可以由发动机控制所控制的另一参数。在发动机排气系统内的排气流耗尽了氧气并且基本上是惰性气体。当与燃料和空气的燃烧充量结合被引入或者保留在燃烧腔室内时，排气减缓了燃烧，从而减少了输出并且降低了绝热火焰温度。也可以在先进燃烧策略中与其他参数组合来控制EGR，例如包括均质充量压燃式（HCCI）燃烧。也可以控制EGR以改变所产生的排气流的属性。发动机控制方法控制EGR以便于控制在发动机内所产生的燃烧以及所产生的发动机输出。EGR系统回路可以包括提供排气至燃烧腔室中的多个路径，包括高压（HP）排气再循环回路和低压（LP）排气再循环回路。在增压发动机中，排气可以经由高压路径引导至发动机进气歧管中，其中排气在流经VGT之前被引导回到进气流中以使得排气保持加压。在经过VGT之后，排气可以另外通过回路被引导回到发动机进气歧管，在此处排气不再处于压力下。

用于发动机的空气调节系统管理进气空气和EGR至发动机中的流量。必须装备空气调节系统以满足充入空气成分目标（例如EGR比例目标）从而实现排放目标，并且满足总空气可用目标（例如充气流质量流量）从而实现期望的功率和扭矩目标。最强地影响EGR流量的致动器通常影响充气流量，并且最强地影响充气流量的致动器通常影响EGR流量。因此，具有现代空气调节系统的发动机展示了具有联接的输入-输出响应回路的多输入多输出（MIMO）系统。

联接了输入即输入-输出响应回路相互影响的MIMO系统呈现了本领域中的公知挑战。发动机空气调节系统呈现了进一步的挑战。发动机在大范围的参数上运转，包括可变的发动机速度、可变的扭矩输出、以及可变的加油和正时安排。在许多情况下，对于系统的精确转移功能是不可用的和/或对于标准解耦计算所需的计算能力是不可用的。多路径EGR操作允许系统在较高增压等级下运行较高的EGR率，但是影响VGT/压缩机流量和功率，这影响了增压控制设计和性能。

发明内容

一种发动机包括具有高压排气再循环回路和低压排气再循环回路的排气再循环系统以及空气充气系统。一种控制空气充气系统的方法包括监测实际排气再循环率、空气充气系统中的压缩机的运转条件，以及空气充气系统中的涡轮机的运转条件。基于目标排气再循环率、目标进气歧管压力和实际排气再循环率来确定压缩机流量。基于压缩机流量、目标进气歧管压力和监测到的压缩机运转条件来确定由空气充气系统中的压缩机请求的功率。基于由压缩机请求的功率来确定待由涡轮机产生的功率。基于待由涡轮机产生的功率和监测到的涡轮机运转条件来确定涡轮机流量。基于涡轮机流量和监测到的涡轮机运转条件来确定用于空气充气系统的系统控制命令。基于系统控制命令来控制空气充气系统。

1．一种内燃发动机中的空气充气系统的基于模型控制的方法，所述内燃发动机包括具有高压排气再循环回路和低压排气再循环回路的排气再循环系统，该方法包括：

监测实际排气再循环率；

监测所述空气充气系统中的压缩机的运转条件和所述空气充气系统中的涡轮机的运转条件；

基于目标排气再循环率、目标进气歧管压力和实际排气再循环率来确定压缩机流量；

基于所述压缩机流量、所述目标进气歧管压力和监测到的所述压缩机的运转条件来确定由所述空气充气系统中的压缩机请求的功率；

基于由压缩机请求的功率来确定待由涡轮机产生的功率；

基于所述待由涡轮机产生的功率和监测到的涡轮机的运转条件来确定涡轮机流量；

基于所述涡轮机流量和监测到的涡轮机的运转条件来确定用于所述空气充气系统的系统控制命令；以及

基于所述系统控制命令控制所述空气充气系统。

2．根据方案1所述的方法，其中，所述空气充气系统包括可变几何涡轮增压器，包括涡轮机和压缩机。

3．根据方案1所述的方法，其中，监测实际排气再循环率包括监测气缸内总排气再循环率，包含高压排气再循环率和低压排气再循环率。

4．根据方案3所述的方法，还包括仅使用低压排气再循环系统控制阀来控制所述气缸内总排气再循环率。

5．根据方案4所述的方法，其中，所述气缸内总排气再循环率由以下关系式表示。

其中r是气缸内总排气再循环率，

r_HP是高压排气再循环率，

r_LP是低压排气再循环率。

6．根据方案1所述的方法，其中，根据以下关系式确定所述压缩机流量，

其中W_c是压缩机流量，

r_HP是高压排气再循环率，

η_v是容积效率，

R是通用气体常数，

T_i是进气温度，

V_d是体积排量，

N是发动机速度，以及

P_i是进气歧管压力。

7．根据方案1所述的方法，其中，确定用于所述空气充气系统的系统控制命令包括：

基于期望进气歧管压力和所述压缩机流量来确定目标涡轮机入口压力；以及

确定用于在所述目标涡轮机入口压力下实现所述涡轮机流量所需的系统控制命令。

8．根据方案1所述的方法，其中，基于所述压缩机流量、所述目标进气歧管压力和监测到的压缩机运转条件来确定由所述空气充气系统中的压缩机请求的功率包括采用以下关系式，

其中P_c是由压缩机请求的功率，

W_c是压缩机流量，

T_uc是压缩机上游温度，

c_p是在恒定压力下的比热，

p_i是进气压力，

p_uc是压缩机上游压力，

μ是比热比，以及

η_c是压缩机的效率。

9．根据方案1所述的方法，其中，基于所述待由涡轮机产生的功率和监测到的涡轮机的运转条件来确定涡轮机流量采用以下关系式，

其中P_t是待由涡轮机产生的功率，

η_t是涡轮机效率，

T_x是排气温度，

p_s是涡轮机出口压力，以及

p_x是排气压力。

10．一种用于控制内燃发动机中的具有高压排气再循环回路和低压排气再循环回路的排气再循环系统、空气节流系统和空气充气系统的方法，该方法包括：

监测用于所述高压排气再循环回路、所述低压排气再循环回路、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的期望操作目标命令；

监测所述空气充气系统的操作参数；

基于对应的期望操作目标命令和所述空气充气系统的操作参数来确定用于所述高压排气再循环回路、所述低压排气再循环回路、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的反馈控制信号；

基于用于所述高压排气再循环回路、所述低压排气再循环回路、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的对应的反馈控制信号来确定所述高压排气再循环回路中的高压排气再循环流量、所述低压排气再循环回路中的低压排气再循环流量、所述空气节流系统中的空气流量、以及所述空气充气系统中的涡轮机功率变换比；

基于所述高压排气再循环流量、所述低压排气再循环流量、所述空气流量和所述涡轮机功率变换比来确定用于所述高压排气再循环回路、所述低压排气再循环回路、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的系统控制命令；以及

基于所述系统控制命令来控制所述空气充气系统。

11．根据方案10所述的方法，其中，所述期望操作目标命令包括：

期望进气歧管压力命令，

期望压缩机增压比命令，

压缩机之前的期望已燃废气比例的命令，以及

进气口处的期望已燃废气比例的命令。

12．根据方案10所述的方法，还包括，基于对应的期望操作目标命令来确定用于所述高压排气再循环回路、所述低压排气再循环回路、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的前馈控制命令。

13．根据方案12所述的方法，其中，确定所述高压排气再循环流量、所述低压排气再循环流量、所述空气流量和所述涡轮机功率变换比进一步基于对应的前馈控制命令。

14．根据方案12所述的方法，其中，确定用于所述空气充气系统的前馈控制命令包括：

监测目标排气再循环率和目标进气歧管压力；

监测实际排气再循环率；

基于所述目标排气再循环率、所述目标进气歧管压力和所述实际排气再循环率来确定来自所述空气充气系统中的压缩机的压缩机流量；

监测所述空气充气系统中的压缩机的运转条件和涡轮机的运转条件；

基于所述压缩机流量、所述目标进气歧管压力和监测到的压缩机的运转条件来确定由压缩机请求的功率；

基于所述由压缩机请求的功率来确定待由涡轮机产生的功率；

基于所述待由涡轮机产生的功率和监测到的涡轮机的运转条件来确定涡轮机流量；以及

基于所述涡轮机流量和监测到的涡轮机的运转条件来确定用于所述空气充气系统的前馈控制命令。

15．根据方案10所述的方法，其中，确定用于所述高压排气再循环回路、所述低压排气再循环回路、所述空气节流系统和所述空气充气系统的每一个的系统控制命令包括采用高压排气再循环回路、低压排气再循环回路、空气节流系统和空气充气系统的每一个的逆向模型。

16．根据方案10所述的方法，其中，所述空气充气系统包括可变几何涡轮增压器，该可变几何涡轮增压器包括涡轮机和压缩机。

17．根据方案14所述的方法，其中，监测实际排气再循环率包括监测气缸内总排气再循环率，包含高压排气再循环率和低压排气再循环率。

18．根据方案10所述的方法，还包括，仅使用低压排气再循环系统控制阀来控制气缸内总排气再循环率，该气缸内总排气再循环率由高压排气再循环率与低压排气再循环率的组合构成。

19．一种内燃发动机中的空气充气系统的基于模型的前馈控制方法，所述内燃发动机包括具有高压排气再循环回路和低压排气再循环回路的排气再循环系统，该方法包括：

提供所述内燃发动机的基于物理的空气和充气系统模型；

对所述内燃发动机的基于物理的空气和充气系统模型施加基于模型的非线性控制，包括对所述基于物理的空气和充气系统模型施加基于物理模型的多变量前馈控制；

对所述基于物理的空气和充气系统模型施加反馈控制；

将用于空气和充气系统模型的期望空气和充气目标转换为用于排气再循环致动器、空气进气节流阀致动器和可变几何涡轮增压器致动器的每一个的单个流量或功率信号；

基于各个单个流量或功率信号确定用于排气再循环致动器、空气进气节流阀致动器和可变几何涡轮增压器致动器的每一个的致动器位置。

20．根据方案19所述的方法，其中，所述基于物理的空气和充气系统模型由以下系统关系式表示：

其中V_i是进气体积，

R是通用气体常数，

T_i是进气温度，

T_uc是压缩机上游温度，

P_uc是压缩机上游压力，

P_i是进气压力，

m_i是进气质量，

m_c是压缩机之前的空气质量（在低压EGR固定点处），

F_i是进气口处的已燃废气比例，

F_c是压缩机之前的已燃废气比例（在低压EGR固定点处），

F_x是排气口处的已燃废气比例，

W_cyl是通过气缸的流量，

W_egr,HP是通过高压排气再循环阀的流量，

W_egr,LP是通过低压排气再循环阀的流量，

t是时间，以及

τ是时间延迟。

附图说明

现在将参照附图借由示例的方式描述一个或多个实施例，其中：

图1示意地描绘根据本发明的示例性内燃发动机、控制模块和排气后处理系统；

图2示意地描绘根据本发明的包括涡轮增压器和多路径排气再循环系统的示例性发动机配置；

图3示意地描绘根据本发明的使用基于模型的前馈控制和反馈控制方法的示例性空气充气多变量控制系统；

图4图形地描绘根据本发明的利用高压EGR流和低压EGR流实现跨越压缩机的相同增压比所需要的压缩机操作点的比较；

图5示意地描绘根据本发明的采用高压EGR流和低压EGR流的示例性涡轮增压器前馈控制；

图6图形地描绘根据本发明的示例性EGR控制图解，包括测量到的EGR率和期望EGR率与EGR致动器开口百分比的比较；

图7图形地描绘根据本发明的示例性增压控制图解，其中考虑了高压EGR和低压EGR流，包括测量到的进气歧管压力和期望进气歧管压力与VGT致动器开口百分比的比较；

图8图形地描绘根据本发明的比较实际VGT流量和估算VGT流量的示例性数据；

图9图形地描绘根据本发明的将计算得到的目标涡轮机进气压力和测量到的目标涡轮机进气压力进行比较的示例性数据；以及

图10描绘根据本发明的示例性方法。

具体实施方式

现在参照附图，其中图示仅用于例示某些示例性实施例的目的，而并非为了对其进行限制的目的，图1示意地描绘根据本发明的示例性的内燃发动机10、控制模块5以及排气后处理系统65。示例性的发动机包括多气缸的直接喷射的压燃式内燃发动机，具有附接于曲轴24并且能够在限定了可变容积燃烧腔室34的气缸20中移动的往复式活塞22。曲轴24可操作地附接至车辆变速器和传动系统，以响应于操作者的扭矩请求To_REQ而向其输送牵引扭矩。发动机优选地采用四冲程操作，其中每个发动机燃烧循环包括划分为四个180度阶段（进气-压缩-膨胀-排气）的曲轴24的720度的角度旋转，这描述说明了活塞22在发动机气缸20中的往复式运动。多齿目标轮26附接至曲轴并且随其旋转。发动机包括用于监测发动机运转的传感器、以及控制发动机运转的致动器。传感器和致动器信号地或操作性地连接至控制模块5。

发动机优选地是直接喷射的四冲程内燃发动机，包括由在气缸内在上止点与下止点之间往复运动的活塞限定的可变容积燃烧腔室、以及包括进气阀和排气阀的气缸盖。活塞在重复循环中往复运动，每个循环包括进气、压缩、膨胀和排气冲程。

发动机优选地具有主要依赖于化学计量的空气/燃料操作模式。本领域技术人员理解的是，本发明的各方面适用于以化学计量或主要依赖于化学计量操作的其他发动机配置，例如稀燃火花点火发动机或传统的汽油发动机。在压燃式发动机的正常运转期间，当将供给燃料喷射到燃烧腔室中以与进气空气一起形成气缸充气时，在每个发动机循环期间发生燃烧事件。充气随后在压缩冲程期间通过其压缩动作而燃烧。

发动机适用于在广泛范围的温度、气缸充气（空气、燃料和EGR）和喷射事件上运转。本文公开的方法特别地适用于采用依赖于化学计量操作的直接喷射压燃式发动机操作，以在正在进行的操作期间确定每个燃烧腔室中的与放热相关的参数。该方法还适用于其他发动机配置，包括火花点火发动机，包括适于使用均质充量压燃式（HCCI）策略的发动机。该方法适用于每个发动机循环每个气缸采用多脉冲燃料喷射事件的系统，例如采用了用于燃料重整的引燃喷射、用于发动机功率的主喷射事件、以及在适用的情况下用于后处理管理的燃烧后燃料喷射事件的系统，每个喷射事件影响气缸压力。

传感器安装在发动机上或附近以监测物理特性并且生成能够与发动机和外界参数相关的信号。传感器包括曲轴旋转传感器，包括用于通过感测在多齿目标轮26的齿部上的边缘来监测曲轴（即发动机）速度（RPM）的曲柄传感器44。曲柄传感器是已知的，并且可以包括例如霍尔效应传感器、电感传感器或磁阻传感器。来自曲柄传感器44的信号输出输入至控制模块5。燃烧压力传感器30适于监测气缸内压力（COMB_PR）。燃烧压力传感器30优选地是非侵入式的，并且包括具有环形截面的测力传感器，其适于在用于电热塞28的开口处安装至气缸盖中。燃烧压力传感器30与电热塞28结合安装，并且燃烧压力通过电热塞机械地传递至压力传感器30。压力传感器30的输出信号COMB_PR正比于气缸压力。压力传感器30包括压电陶瓷或同样可适用的其他装置。其他传感器优选地包括用于监测歧管压力（MAP）和外界大气压力（BARO）的歧管压力传感器、用于监测进气空气质量流量（MAF）和进气空气温度（T_IN）的空气质量流量传感器、以及监测发动机冷却剂温度（COOLANT）的冷却剂传感器35。该系统可以包括用于监测一个或多个排气参数的状态的排气传感器，参数例如是温度、空燃比以及成分。本领域技术人员理解的是，可以存在用于控制和诊断的目的的其他传感器和方法。操作者扭矩请求To_REQ的形式的操作者输入通常通过节流踏板和制动踏板而获得，除了其他装置之外。发动机优选地装备有用于监测操作和用于系统控制的目的的其他传感器。每个传感器信号地连接至控制模块5以提供信号信息，该信号信息由控制模块转换为代表各自监测到的参数的信息。应该理解的是，该配置是例示性而非限制性的，包括可替换为功能等同的装置和程序的各种传感器。

致动器安装在发动机上，并且由控制模块5响应于操作者输入来控制以实现各种性能目标。致动器包括响应于控制信号（ETC）控制节流开口的电子控制的节流阀、以及用于响应于控制信号（INJ_PW）而直接将燃料喷射到每个燃烧腔室中的多个燃料喷射器12，所有这些都响应于操作者扭矩请求To_REQ而控制。排气再循环阀32和冷却器响应于来自控制模块的控制信号（EGR）而控制外部再循环排气至发动机进气口的流动。电热塞28安装在每个燃烧腔室中并且适于与燃烧压力传感器30一起使用。另外，可以根据期望歧管空气压力而在一些实施例中采用充气系统，从而供应增压空气。

燃料喷射器12是适于响应于来自控制模块的命令信号INJ_PW而将供给燃料直接喷射至一个燃烧腔室中的高压燃料喷射器。从燃料分布系统对每个燃料喷射器12供应加压燃料，并且每个燃料喷射器12具有包括最小脉冲宽度和相关最小可控燃料流量以及最大燃料流量的操作特性。

发动机可以装备有操作用于调节每个气缸的进气阀和排气阀的开闭的可控阀组系，包括阀正时、调相（即相对于曲柄角度和活塞位置的正时）以及阀开度的提升幅度中的任意一个或多个。一种示例性系统包括可变凸轮调相，其适用于压燃式发动机、火花点火发动机以及均质充量压燃式发动机。

控制模块5执行存储在其中的程序以控制前述致动器从而控制发动机运转，包括节流阀位置、燃料喷射质量和正时、EGR阀位置，以控制再循环排气的流量、电热塞操作，并且控制进气阀和/或排气阀正时、调相、以及对这样装备的系统的提升。控制模块配置为从操作者接收输入信号（例如节流踏板位置和制动踏板位置）以确定操作者扭矩请求To_REQ，并且从指示发动机速度（RPM）和进气空气温度（Tin）、冷却剂温度和其他外界条件的传感器接收输入信号。

控制模块、模块、控制器、控制单元、处理器以及类似的术语表示以下部件中的一个或多个的任意适当的一种或者各种组合：专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的中央处理器(优选微处理器)及相关联的内存和存储器(只读存储器、可编程只读存储器、随机存取存储器、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调节及缓冲电路、以及提供指示功能的其它适当部件。控制模块具有一组控制例行程序，包括存储在存储器中的常驻软件程序指令和校准，并且被执行以提供期望的功能。例行程序优选地在预设的循环周期期间执行。例行程序例如由中央处理器执行，并且可操作来监测来自传感器和其它联网控制模块的输入，并执行控制和诊断例行程序而控制致动器的操作。在正在进行的发动机和车辆运行期间，可以以定期间隔(例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒)来执行循环周期。替代地，可以响应于事件的发生来执行例行程序。

图1描绘了示例性柴油发动机，然而，本发明可以用于其他发动机配置，例如包括供给汽油的发动机、供给乙醇或E85的发动机或其他类似的已知设计。本发明并非意在限制于本文公开的具体示例性实施例。

图2示意地描绘根据本发明的示例性发动机配置，包括涡轮增压器和多路径排气再循环系统。示例性发动机是多气缸的，并且包括本领域已知的各种加油类型和燃烧策略。发动机系统部件包括进入空气过滤器150、用于低压EGR的节流阀132、包括涡轮机46和空气压缩机45的进入空气压缩机、充入空气冷却器152、进入空气节流阀136、高压EGR阀140和冷却器154、进气歧管50、排气歧管60、柴油机氧化催化剂（DOC）和柴油机颗粒过滤器（DPF）156、用于低压EGR的节流阀144、低压EGR冷却器158以及低压EGR阀148。外界进入空气通过进气口171被吸入到压缩机45中。加压的进入空气和EGR流输送至进气歧管50以在发动机10中使用。排气流通过排气歧管60离开发动机10，驱动涡轮46，并且通过排气管道170排出。所描绘的EGR系统包括高压EGR系统，从排气歧管60向进气歧管50输送加压排气。所描绘的EGR系统还包括低压EGR系统，将低压排气从排气管道170输送至进气口171。传感器安装在发动机上以监测物理特性并生成可与发动机和外界参数相关联的信号。传感器优选地包括外界空气压力传感器112、外界或进入空气温度传感器114、以及空气质量流量传感器116（所有可以单独地配置或者配置为单个集成装置）、进气歧管空气温度传感器118、MAP传感器120、排气温度传感器122、空气节流阀位置传感器134和高压EGR阀位置传感器138、涡轮机叶片位置传感器124、以及低压EGR节流阀位置传感器130和142、和低压EGR阀位置传感器146。发动机速度传感器44监测发动机的旋转速度。每个传感器信号地连接至控制模块5以提供信号信息，该信号信息由控制模块5转换为代表各自监测到的参数的信息。应该理解的是，该配置是例示性而非限制性的，包括可在功能等同的装置和程序内替换的各种传感器，并且仍然落入本发明的范围内。此外，进入空气压缩机可以包括在本发明范围内的替代涡轮增压器配置。

进入空气压缩机包括涡轮增压器，该涡轮增压器包括定位在发动机的空气进气口中的空气压缩机45，由定位在排气流中的涡轮46驱动。涡轮46可以包括许多实施例，包括具有固定叶片朝向或可变叶片朝向的装置。此外，涡轮增压器可以作为单个装置使用，或者可以使用多个涡轮增压器来向同一发动机供应增压空气。

可变几何涡轮增压器（VGT）使得能够控制对进入空气执行多少压缩。控制信号可以例如通过调节压缩机和/或涡轮中的叶片的角度，来调节VGT的操作。这样的示例性调节可以减小这些叶片的角度而减小进入空气的压缩，或者增大这些叶片的角度而增大进入空气的压缩。VGT系统允许控制模块选择输送至发动机的增压压力的水平。控制可变增压器输出例如包括废气门或旁路阀的其它方法可以类似于VGT系统地实施，并且本发明并非意在限制于本文公开的用于控制输送至发动机的增压压力的具体示例性实施例。

示例性的柴油发动机装备有共轨燃料喷射系统、EGR系统以及VGT系统。排气再循环用于可控地降低燃烧火焰温度并且减少NOx排放。VGT系统用于调节增压压力以控制歧管空气压力并增加发动机输出。为了完成包括EGR和VGT系统的控制的发动机控制，可以采用多输入多输出空气充气控制模块（MIMO模块）。MIMO模块使得计算上能够高效，并且基于描述期望发动机运转的单个输入集合而协调控制EGR和VGT。这些输入例如可以包括描述发动机速度和发动机负载的对于发动机的操作点。将意识到，其他参数可以用作输入，例如包括指示发动机负载的压力测量值。

基于任何给定输入的EGR和VGT的联接MIMO控制或者EGR和VGT的控制固定响应是计算上高效的，并且能够实现对于变化输入的复杂控制响应，而这基于EGR和VGT的独立控制可能是实时地计算上不可能的。然而，包括对于任何给定输入的两个参数的固定响应的EGR和VGT的联接控制需要联接控制的简化或最佳配合校准，以便于控制两个固定响应。结果，这样的校准可能是挑战性的，并且可能包括比基于所选择的简化控制校准的最佳发动机性能更少的性能。EGR和VGT例如可以最佳地对于负载的变化率或者对于发动机温度不同地做出反应。此外，EGR或VGT的控制可能达到限制条件并且导致致动器饱和。导致致动器饱和的联接控制可能引起本领域中称为扭振的状况，其中甚至在已经解决了致动器饱和之后系统的预期行为和系统的期望控制仍然偏离并且导致控制错误。此外，由MIMO模块对EGR和VGT的控制是非线性的，并且限定联接的功能关系以提供期望控制输出需要大规模的校准工作。

VGT命令是控制增压压力的一种方式。然而，可以替代VGT命令类似地采用控制增压压力的其他命令，诸如增压压力命令或歧管空气压力命令。

诸如如图2中示意性描绘的包括涡轮增压器的示例性发动机配置等发动机配置可以由数学模型表示。基于模型的非线性控制可以应用于将期望空气和充气目标转换为用于每个致动器的单个流量或功率，诸如排气再循环流量、进入空气流量和涡轮功率。可以基于单个流量或功率值唯一地确定对于EGR阀、空气节流阀和VGT控制的每个的致动器位置，另外产生用于反馈控制的解耦和几乎线性化的系统。用于控制包括EGR、空气节流和空气充气控制的发动机的方法包括采用基于物理模型的前馈控制或反馈线性化控制，以解耦多变量系统的控制。

利用包括多路径EGR回路的增压发动机配置，系统可以在较高增压等级下以较高的EGR率操作运行，然而这影响了涡轮机和压缩机流量和功率，进而影响增压控制设计和性能。通过采用基于物理模型的空气充气控制程序，基于模型的控制能够调节空气充气致动器以使变化的高压/低压EGR率对增压系统的影响最小。基于涡轮增压器能量平衡模型，可以通过对于给定的气缸内期望总EGR率使VGT位置适于不同的HP和LPEGR的组合，来维持期望增压。不同于采用查找表作为前馈控制而不考虑EGR操作和校准的增压控制方法，基于模型的控制消除了对于高压和低压EGR回路之间混合的任何变化的增压控制的再校准。这减少了增压系统和多EGR回路之间的耦合/互动。基于模型的前馈增压控制还增强了对于系统变化和诸如外界温度和压力等环境变化的可靠性，减少了反馈控制校准，并且经由基于模型的前馈控制改进了瞬时响应。

根据图2中所示的示例性发动机配置，系统空气和EGR流的各种LP、HP和组合EGR率可以由一系列关系式表示。长路径EGR混合点是LPEGR流W_erg,LP经过LPEGR阀148并且当其经过LPEGR节流阀132时与新鲜空气流W_air混合的点。长路径EGR混合点处的低压EGR率r_LP可以由以下关系式表示。

短路径EGR混合点是HPEGR流W_egr,HP经过HPEGR阀140并且当其经过进气节流阀136时与压缩机流W_c混合的点。短路径EGR混合点处的高压EGR率r_HP可以由以下关系式表示。

气缸充气流量W_cyl中的气缸内EGR率r可以由以下关系式表示。

分离EGR率然后可以由以下关系式表示。

当系统以稳态运转时，包括气缸充气流量W_cyl、流出涡轮机46的流量W_t、以及流入压缩机的流量W_c在内的系统流量可以由以下关系式表示：

其中N是发动机速度，

V_d是发动机排量体积，

P_i是进气压力，

R是通用气体常数，

η_v是发动机容积效率，以及

T_i是进气温度；

流入压缩机的流量Wc可以替代地由以下关系式表示。

在稳态下，系统中各个点处的已燃废气比例也可以与EGR率相关地表示。排气口处的已燃废气比例F_x、低压EGR混合点处的已燃废气比例F_LP,mix、以及进气口处的已燃废气比例F_i可以在动态状态中由以下关系式表示。

如果系统处于稳态，则这些关系可以替代地由以下关系式表示。

具体点处的已燃比例通常与氧气浓度相关，并且具体点处的已燃比例与氧气浓度之间的关系可以由以下关系式表示。

用于基于模型的非线性控制的示例性的系统模型可以根据以下关系式表示为非线性微分方程。

在如上所示的示例性系统模型中施加至输入u的MIMO前馈控制可以由以下关系式表示。

如果y是来自系统的实际测得或估算参数，则项目表示系统的反馈线性化，或者如果y由用于追踪的其期望参考命令替换，则其表示系统的前馈控制。前馈控制器v可以采用比例积分微分（PID）、线性二次调节器（LQR）、或具有所需最小增益调度的模型预测控制（MPC）反馈控制方法。可以将多变量系统输出矢量解耦至线性SISO反馈系统中，如由以下关系式表示。

输入矢量u是对系统模型中的输入，其施加基于模型的多变量前馈控制以替换查找表，并且另外施加反馈控制以改进针对非模型化不定性的追踪。输出矢量随后解耦至线性SISO反馈矢量v中。

由以下一组关系式表示根据如上所示的基本系统模型关系的包括如图2中示意地描绘的涡轮增压器的示例性发动机配置的示例性的基于物理的空气和充气系统模型。

其中p_rc是压缩机增压比，

P_c是压缩机功率，

P_t是涡轮机功率，

W_c是压缩机流量，

T_uc是压缩机上游温度，

p_uc是压缩机上游压力，

V_i是进气体积，

R是通用气体常数，

T_i是进气温度，

P_i是进气压力，

m_i是进气质量，

m_c是压缩机之前的空气质量（在低压EGR混合点处），

F_i是进气口处的已燃废气比例，

F_c是压缩机之前的已燃废气比例（在低压EGR固定点处），

F_x是排气口处的已燃废气比例，

t是时间，以及

τ是时间延迟。

压缩机之前的已燃废气比例F_c可以由以下关系式表示。

关系式[23]中表示的功率平衡仅是示例性的功率平衡表示，并且可以替代地由任何以下关系式表示。

其中N_t是涡轮增压器轴速度，

J是涡轮增压器轴惯量，

η_m是涡轮增压器轴处的机械效率，以及

P_tf是涡轮增压器轴处的摩擦。

可以对通过EGR系统的流量建模以基于许多已知输入而估算流量。可以将通过EGR系统的流量建模为通过节流孔的流量，其中节流孔主要包括对于具体设计的EGR阀或节流孔或文氏管。根据一个示例性实施例，可以根据以下节流孔流量关系式对EGR流量W_egr建模：

PR是在EGR系统的出口处的进气系统中充入的空气的进气压力或压力P_i、与在充气系统上游的EGR系统的入口处的排气系统中的排气压力或压力P_x的增压比或比例。T_egr可以指示在EGR系统的入口处的排气的温度或排气温度。根据一个示例性实施例，T_egr可以作为EGR冷却器的出口温度来测量。A_egr是EGR系统的有效流量面积。R是本领域已知的通用气体常数。临界增压比PR_c可以由以下关系式表示。

γ是本领域已知的比热比。如果PR大于PR_c，则流是亚音速的。如果PR小于或等于PRc，则流是扼流的。Ψ(PR)是非线性函数并且可以由以下关系式表示。

A_egr可以表示为EGR阀位置X_egr的函数。然而，基于详细的建模和试验数据，包括确定通过系统的壁的热损耗，对于A_egr的更精确估算可以表示为X_egr和PR的函数，其可以由以下关系式表示。

以上公开的方法假设EGR系统包括在充气系统压缩机下游的出口以及在充气系统涡轮单元或涡轮机上游的入口。将意识到，不同的实施例可以与包括在充气系统压缩机上游的出口以及在充气系统涡轮单元或涡轮机下游的入口的EGR系统一起使用，或者在利用机械式增压器而不具有涡轮机的车辆的排气系统中使用。将意识到，可以对以上关系式和相关联的回流模型进行变更，用于与许多示例性EGR和充气系统配置一起使用，并且本发明并非意在限制于本文公开的具体示例性实施例。

图3示意地描绘根据本发明的使用基于模型的前馈控制和反馈控制方法的示例性空气充气多变量控制系统。空气充气系统311接收命令并产生输出。描绘了开发命令的许多模块和控制策略，包括状态变量观测器模块314、包括反馈控制模块302的线性控制策略311、以及非线性控制策略312。期望操作参数点或目标操作点可以包括期望压缩机增压比p_{rc_des}320、期望进气歧管压力p_{i_des}321、进气口处的估算已燃废气比例F_i322、以及压缩机之前的在低压EGR固定点处的估算已燃废气比例F_c323。这些期望/目标点可以替代地关于在期望混合点处EGR率或氧气浓度来表示，如由本文描述的关系描述的那样。作为示例，目标点可以包括如本文所述的变量r_HP、r_LP、r_s、F_i、F_c、O_2,i和O_2,e的任意配对。将这些期望操作参数点与各个反馈信号348、349、350和351进行比较，其由直接传感器测量值或者状态变量观测器模块314基于空气充气系统311的实际操作参数来确定。这些操作参数由操作参数信号344、345、346和347表示，并且作为示例可以包括进气歧管压力、进气歧管温度、空气质量、外界压力和外界温度。空气充气系统参数可以由传感器监测，或者替代地如果不存在传感器则由状态变量观测器模块314估算。监测或估算的系统操作参数可以用于确定反馈信号。反馈信号描述实际压缩机增压比p_rc348、实际进气歧管压力p_i349、进气口处的实际已燃废气比例F_i350、以及压缩机之前的在低压EGR固定点处测量到的实际已燃废气比例F_c351。期望操作参数与各个实际操作参数的比较确定了对于每个参数的误差项，包括压缩机增压比误差项324、进气歧管压力误差项325、进气口处的已燃废气比例误差项326、以及压缩机之前的已燃废气比例误差项327。然后将这些误差项输入至线性控制策略313的反馈控制模块302中。由反馈控制模块302实施的反馈控制方法确定反馈控制信号v₁328、v₂329、v₃330和v₄331。另外将包括期望压缩机增压比p_{rc_des}320、期望进气歧管压力p_{i_des}321、进气口处的估算已燃废气比例F_i322、以及压缩机之前的估算已燃废气比例F_c323的期望操作参数点输入至前馈控制模块301中，并且输出包括压缩机增压比前馈信号332、进气歧管压力前馈信号333、进气口处的已燃废气比例前馈信号334、以及压缩机之前的已燃废气比例前馈信号的前馈信号。将反馈控制信号328、329、330和331以及前馈信号332、333、334和335输入至非线性控制策略312中。在计算点303、304、305和306处的涡轮机功率变换率R_t336、空气流量W_itv337、HPEGR流量W_egrHP338以及LPEGR流量W_egrLP339时，使用这些信号。用于确定这些前馈信号的计算可以由以下关系式表示：

其中Pc是压缩机功率，以及

ht是排气能量流量；

通过关系式[34]的矩阵相乘，使得前馈模块301、反馈控制模块302和非线性控制策略312也能够访问关于发动机运转的信息、以及空气充气系统311的操作参数，诸如可以由传感器监测或者替代地由状态变量观测器模块314估算的操作参数信号344、345、346和347。然后将信号336、以及空气流量W_itv337、HPEGR流量W_egrHP338和LPEGR流量W_egrLP339转换为系统控制命令，信号336可以是涡轮机功率变换率R_t或涡轮机功率P_t，因为两者由P_t＝h_t*R_t相关，系统控制命令包括VGT命令u_vgt340、空气节流阀命令u_itv341、HPEGR阀命令u_egr342以及LPEGR阀命令343。VGT命令u_vgt340、空气节流阀命令u_itv341、HPEGR阀命令u_egr342、以及LPEGR阀命令343然后用于控制空气充气系统311。涡轮机功率变换率336、空气流量337、HPEGR流量338以及LPEGR流量339至系统控制命令的转换可以通过使用系统的回流模型或物理模型的逆转来实现。

系统的回流模型或物理模型反转在确定实现通过系统中的节流孔的期望流量所需的设定时可以是有用的。可以将通过系统的流量建模为跨越系统的压力差和系统中的流量限制的函数。可以替换已知的或可确定的项，并且操纵功能关系以建立对于确定期望系统设定从而实现期望流量有用的系统的回流模型。本文公开的示例性方法采用有效流量面积或者对于所建模系统的流量限制的第一输入、以及包括用于使得流通过系统的压力的系统的压力值的第二输入。EGR阀的解耦前馈控制的一种示例性方法可以包括采用基于逆向模型和校准项而在混合多项式中实施的系统的回流模型。EGR阀的解耦前馈控制的另一示例性方法可以包括采用基于维度表格的方法。EGR阀的解耦前馈控制的另一示例性方法可以包括采用指数型多项式拟合（polyfit）模型。空气节流阀的解耦前馈控制的示例性方法可以采用系统的物理模型的逆转、维度表格方法、或指数型多项式拟合模型。充气系统诸如装备有VGT的涡轮增压器的解耦前馈控制的示例性方法可以采用系统的物理模型的逆转、维度表格方法或指数型多项式拟合模型。

这些方法可以单独地或组合使用，并且不同的方法可以在不同的条件和操作范围下用于同一系统。控制方法可以采用回流模型来确定对于包括EGR回路、空气节流系统和充气系统之一的第一选集的前馈控制命令。控制方法可以另外采用第二回流模型来确定用于包括EGR回路、空气节流系统和充气系统的另一个的第二选集的第二前馈控制命令。控制方法可以另外采用第三回流模型来确定用于包括EGR回路、空气节流系统和充气系统的又一个的第三选集的第三前馈控制命令。以此方式，控制方法能够控制EGR回路、空气节流系统和充气系统的任意一个或全部。

用于根据EGR流的逆向模型由逆向控制方法控制EGR流的方法公开在共同未决并且共同分配的申请号12/982,994中，对应于公开文献US2012-0173118A1，通过参考并入本文。

如关于图3所示，线性控制策略313的反馈控制模块302使用反馈控制方法确定反馈控制信号328、329、330和331。由图3的反馈控制模块使用的示例性反馈控制方法可以包括PID控制。在示例性实施例中，PID控制模块可以设计为多个单独模块，每个分配至特定期望操作参数输入以便于输出解耦的反馈控制信号。反馈控制模块可以替代地利用模型预测控制或线性二次调节器控制方法。

图4图形地描绘了根据本发明的利用高压EGR流和低压EGR流实现跨越压缩机的相同增压比所需要的压缩机操作点的比较。该比较示出了对于变化的HPEGR和LPEGR比例的涡轮增压器操作点偏移。x轴401表示压缩机流量W_c，y轴402表示跨越压缩机的增压比p_rc。水平线412表示跨越压缩机的一致增压比，具体来说是压缩机出口处的压力P_t。竖直线410表示仅利用HPEGR实现跨越压缩机的增压比412所需要的压缩机流量，如由点420所示。竖直线411表示仅利用LPEGR实现跨越压缩机的增压比412所需要的压缩机流量，如由点412所示。

可以采用LPEGR和HPEGR的不同组合来实现气缸内总EGR率r。气缸内总EGR率r可以由以下关系式表示。

如果仅利用LPEGR，则压缩机流量W_c等于稳态下流入气缸中的流量W_cyl。如果仅利用HPEGR，则压缩机流量W_c减少HPEGR流量，并且可以由以下关系式表示。

点420示出为了仅利用HPEGR实现跨越压缩机的期望增压比，压缩机流量410可以由以下关系式表示。

点421示出为了仅利用LPEGR实现跨越压缩机的期望增压比，压缩机流量411可以由以下关系式表示。

在这两个关系式中，k是表示如关系式[6]中所表示的气缸充气流量W_cyl的计算得到的项，并且可以由以下关系式表示。

由于总EGR如何实现以使得前馈VGT命令适于给定期望增压压力和LP/HPEGR率，所以利用涡轮增压器功率转换。涡轮增压器功率转换可以由以下关系式表示：

其中μ是比热比，

c_p是在恒定压力下的比热，以及

η_c是压缩机效率。

图5示意地描绘根据本发明的利用高压EGR流和低压EGR流两者的示例性涡轮增压器前馈控制500。将参考EGR率r510和参考增压压力p_i511输入至压缩机流量模块501中，其基于目标增压p_i511和目标/实际EGR率r510来确定压缩机流量W_c512。可以基于关系式[28]中表示的气缸内EGR率r、r_HP与r_LP之间的关系来确定HPEGR率r_HP。在LPEGR和HPEGR均工作的情况下，rHP和rLP可以用作在操作地图上的目标，或者从在混合点处测量到的或估算的已燃废气比例（F_i，F_LP,mix）和已燃排气比例F_x而计算得到。这些值可以来自传感器，或来自状态观测器估算器，并且可以由以下关系式表示。

压缩机流量512可以由以下关系式表示。

将压缩机流量512和参考增压压力511输入压缩机功率/流量关系模块502中，其基于压缩机流量512、参考增压压力511和附加系统输入513来确定压缩机功率P_c514，附加系统输入可以包括压缩机上游温度T_uc、基于空气流量W_air确定的压缩机上游压力p_uc、低压节流阀控制u_lptv、外界压力p_a以及外界温度T_a。这些压缩机入口条件可以基于节流孔关系由以下关系式表示。

其中A_lptv是低压节流阀的有效面积，以及

u_lptv是低压节流阀控制。

其中T_egr,LP是低压EGR的温度，并且压缩机功率/流量关系模块502基于本文由关系式[33]表示的关系来确定压缩机功率514。然后将压缩机功率514输入至涡轮增压器功率变换模块503中，其基于压缩机功率来确定涡轮机功率P_T515。涡轮机流量和涡轮机功率之间的关系可以由以下关系式表示：

其中η_t是涡轮机效率，

T_x是排气温度，

p_s是涡轮机下游处的压力（涡轮机出口压力），以及

p_x是排气压力。

涡轮增压器功率变换动力学可以由以下关系式表示：

其中s是来自拉普拉斯域中微分法的微分算子。基于涡轮机的流量-功率关系、压缩机流量-功率关系和涡轮增压器功率变换动力学，涡轮增压器功率平衡可以由以下关系式表示：

其中使用延迟的MAF流量W^d_c和延迟的燃料流量W^d_f来替换当前涡轮机流量。

将涡轮机功率515输入至涡轮机功率/流量关系模块504中，作为附加系统输入516，可以