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相关申请的交叉引用

本申请主张2014年2月4日提交的德国专利申请102014201947.8的 优先权，该德国专利申请的整个内容出于所有目的通过引用合并于此。

技术领域

根据独立权利要求的前序部分并且从DE 10 2007 030 233 A1得知， 本公开涉及一种确定带有排气涡轮增压器的内燃发动机的增压空气质 量流速的方法。

背景技术

发动机可以使用涡轮增压器来提高发动机扭矩/功率的输出密度。 在一个示例中，涡轮增压器可以包括压缩机和涡轮，它们由驱动轴连 接，其中涡轮耦接到排气歧管侧，而压缩机耦接到进气歧管侧。以此 方式，排气驱动涡轮向压缩机提供能量，以增加进气歧管内的压力(例 如，升压，或增压压力)，并且增加进入发动机的空气流量。监测进入 发动机的空气质量流速可以帮助确定例如燃料喷射量，或者可以辅助 控制排气再循环。

一种解决监测空气质量流速的示例是使用质量空气流量传感器， 例如热线式传感器，其中导线的电阻响应于温度的改变由控制器校准 到空气质量流速。

然而，发明者已经意识到这种系统的潜在问题。诸如热线式传感 器的空气质量流量传感器可能由污染物形成沉积，尤其在城市地区操 作时，由此随着操作时间的流逝，测量精度降低。

发明内容

一种至少部分地解决一些以上问题的潜在方案包括一种确定增压 空气质量流速(在本文中也被称为空气质量流速)的方法。该方法包 括根据存储在发动机控制器中的特征场(characteristic field)来确定开环 空气质量流速，其中开环速率是所测得的压缩机压力比和所测得的涡 轮增压器转速即涡轮速度的函数。该方法进一步包括对关联的涡轮增 压器转速进行建模并且确定闭环空气质量流速，其中闭环空气质量流 速是开环速率与偏移值之和。

在一个示例中，反复地确定闭环空气质量流速，其中在每次计算 中，之前获得的闭环空气质量流速被用于对涡轮增压器转速进行建模。 进而，基于更新的增压空气质量流速，控制器可以调整其他发动机参 数，例如燃料喷射时间、燃料质量平衡和空燃比。以此方式，在连续 的循环之后，增压空气质量流速的每次测量值被更新和修正，从而例 如与仅基于开环值确定的值相比，产生更精确的测量值。进一步地， 这种确定增压空气质量流速的方法可以在没有例如质量空气流量传感 器的情况下进行，因此，测量值不依赖于在沉积之后可能使传感器劣 化的状况。

在另一个示例中，一种方法包括响应于空气质量流速而调整发动 机执行器，该空气质量流速不是基于质量空气流量传感器，而是基于 所估计的涡轮速度和所测得的涡轮速度之间的误差，所估计的涡轮速 度是基于涡轮增压器轴上的负荷平衡。

应当理解，提供以上发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念， 这些概念在具体实施方式中进一步描述。这并不意味着确定要求保护 的主题的关键特征或必要特征，要求保护的主题的范围仅由具体实施 方式之后的权利要求确定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面 或在本公开的任何部分提及的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示意性地描绘包含涡轮增压器系统的示例车辆系统。

图2示出用于确定增压空气质量流速的方法的方框图。

图3示出用于确定增压空气质量流速的观测器的结构。

图4示出典型的压缩机特征场，其中增压空气质量流速为横坐标， 压缩机压力比为纵坐标。

图5示出示例流程图，其说明使用所描述的观测器来确定增压空 气质量流速的例程。

具体实施方式

术语内燃发动机在此包括柴油发动机和汽油发动机，它们都是使 用矿物燃料和替换燃料的发动机，并且还包括诸如那些在内燃发动机 的不同运行点使用不同燃烧过程的混合燃烧发动机，或者与诸如燃料 电池驱动器或电力驱动器的替换驱动器相结合的混合燃烧发动机。

近年来，增压发动机有所发展，其中增压是提高功率的方法，借 助增压，发动机燃烧过程所需的空气被压缩。例如，使用排气涡轮增 压器，在其中压缩机和涡轮被设置在同一轴上。热排气流被送入涡轮， 在所述涡轮内膨胀，输出能量，由此使轴旋转。从排气流输出到涡轮 并且最终输出到轴的能量被用于驱动压缩机，该压缩机也被设置在该 轴上。压缩机对送入到其内的增压空气进行输送并且压缩，由此实现 对内燃发动机的气缸的增压。在这期间，增压空气流的压力从压缩机 上游的较低压力增加到压缩机下游的较高压力。

增压可以是例如用于在恒定冲程下提高内燃发动机功率的一种合 适的手段，或者是用于在恒定功率下减少冲程的一种合适的手段。增 压可以使功率/安装空间比增加，并且使性能度量更有利。对于给定车 辆边界条件，负荷谱能够被转移到更高的负荷，在该负荷下，特定的 燃油消耗较低。后者也被称为精简(downsizing)。

对于控制增压内燃发动机，另一方面对于设计添加到增压空气的 燃料量以及对于控制可能提供的排气再循环，知道增压空气质量流速 的幅值可能是必要的。

增压空气质量流速通常用空气质量流量传感器来确定。例如，设 置在进气管中的可加热电阻丝被用作空气质量流量传感器。电阻丝的 温度由于增压空气流过而改变。所产生的电阻丝的电阻的变化被用作 确定增压空气质量流速。

然而，如此确定的增压空气质量流速可能明显偏离实际输送的增 压空气质量流速。其中一个原因是，传感器随着工作时间增加而变得 污染，其中在传感器上形成沉积物。所述污染，特别是当行驶在城镇 中时的污染，对带有电阻丝的空气质量流量传感器的测量精度有显著 影响。

为了获得增压空气质量流速的更精确且更稳定的值，在上面提到 的DE 10 2007 030 233 A1中提出了，从存储在发动机控制器中的特征 场读出增压空气质量流速，特征场给出了与所测得的压缩机压力比和 所测得的涡轮增压器转速相关联的增压空气质量流速。这意味着，仅 以开环控制方式控制的增压空气质量流速根据压缩机压力比和涡轮增 压器转速来确定，并且因此在本文中被称为开环增压空气质量流速。

用于检测涡轮转速的传感器是现有的，并且作为标准已经被用于 较大的机动车辆中，主要用于保护免于过高的转速。压缩机压力比是 排气涡轮增压器的压缩机两端的压力比，并且可以根据排气涡轮增压 器的压缩机之前和之后的压力测量值来确定。

特征场通常被存储在发动机控制器中，例如作为2D查找表，其已 经在测试台上产生，压缩机压力比和涡轮增压器转速的所有值已经在 实际条件下运行通过。

随着法定的排放限制变得严格，尽可能精确地知道增压空气质量 流速是有用的。在内燃发动机的部分负荷运行期间(在其中执行标准 排放测试)，监测增压空气质量流速是特别有用的，其中通过使用精确 调节的排气再循环，可以符合排放限制。

这种简单地根据压缩机压力比和涡轮增压器转速从特征场读取增 压空气质量流速的方法至少面临以下问题：如此确定的增压空气质量 流速非常敏感地依赖于涡轮增压器转速，使得测量误差不成比例地影 响结果。

本申请的目的是，在配备有内燃发动机的机动车辆运行期间，仍 然能够更精确地确定内燃发动机的增压空气质量流速的实际值。

根据本申请，根据所测得的压缩机压力比和输入增压空气质量流 速对关联的涡轮增压器转速进行建模。闭环增压空气质量流速被计算 为开环增压空气质量流速和偏移值之和，其中偏移值是所测得的涡轮 增压器转速和所建模的涡轮增压器转速之间的缩放后(scaled)的差值。 反复地执行闭环增压空气质量流速的计算，其中在每次计算中，之前 获得的闭环增压空气质量流速被用于对涡轮增压器转速进行建模。由 此使用闭环控制来确定闭环增压空气质量流速。

也就是说，本申请包括观测器的使用，观测器是控制技术中的一 种系统，其根据被观测的参考系统的已知输入变量和输出变量重新构 造不可测的变量。对于这个过程，观测器将被观测的参考系统模拟为 模型，并且包含调节器，该调节器调整可测量的状态变量。从这个意 义上来说，观测器是参考-控制合成器。

在本申请中，使用转速传感器有利地测量涡轮增压器转速。压缩 机压力比是排气涡轮增压器的压缩机两端的压力比，并且根据排气涡 轮增压器的压缩机之前和之后的压力测量值有利地确定。该压力可以 通过例如位于压缩机上游和下游的传感器来测量。特征场被有利地由 之前已经在测试台上生成的2D查找表来表示。

在一个实施例中，使用涡轮增压器转速与压缩机压力比和增压空 气质量流速的依赖性的模型，优选地使用发动机控制器来解析地计算 所建模的涡轮增压器转速。

在一个实施例中，偏移值是所测得的涡轮增压器转速和所建模的 涡轮增压器转速之间的、乘以了缩放/比例因子的差值，其中缩放因子 (scaling factor)可以是恒定的、过程控制的或自适应的。有利地，所测 得的涡轮增压器转速和所建模的涡轮增压器转速之间的缩放后的差值 在被用作偏移值之前，由上限值和下限值约束(clip)。

图1根据本公开示出具有多缸发动机系统100的车辆系统200的 示意图，多缸发动机系统100耦接在机动车辆中。如图1所描绘的， 直接喷射涡轮增压内燃发动机100包括控制器120，该控制器接收来自 多个传感器230的输入，并且发送来自多个执行器232的输出。发动 机100进一步包括耦接到进气道146和排气道148的汽缸114。进气道 146可以包括节气门162。排气道148可以包括排放控制装置178。发 动机100被示为增压发动机，其耦接到具有压缩机174的涡轮增压器， 压缩机174经由轴180连接到涡轮176。在一个示例中，压缩机和涡轮 可以耦接在双级卷轴涡轮增压器内。在另一示例中，涡轮增压器可以 是可变几何涡轮增压器，其中涡轮的几何尺寸根据发动机转速和其他 工况而主动改变。而且，可以具有涡轮增压器速度传感器126，其测量 涡轮176的速度或转速，并且将测量值传输到控制器120。

压缩机174通过增压空气冷却器(CAC)218耦接到节气门162。 CAC 218可以是例如空气到空气或空气到水的热交换器。自压缩机 174，热压缩的空气充气进入CAC 218的进口，随着它经过CAC而冷 却，然后离开通过节气门162到进气歧管146。来自车辆外部的环境空 气流216可以进入发动机100并经过CAC 218，从而帮助冷却增压空 气。带有旁通阀219的压缩机旁通线路217可以被设置在压缩机的进 口和CAC 218的出口之间。控制器120可以接收来自压缩机进口传感 器的输入，例如压缩机进气温度、进气压力等，并且可以针对增压控 制而调整再循环通过压缩机的增压空气的量。例如，旁通阀通常可以 是关闭的，以帮助升压产生。进一步地，控制器120可以接收来自压 缩机和涡轮传感器的输入，例如压缩机进口压力和温度、压缩机出口 压力、涡轮进口压力、涡轮出口压力和温度等，并且可以根据这些输 入来确定增压空气质量流速，如图2-5所述。例如，在涡轮的上游和下 游以及压缩机的上游和下游，可以具有压力传感器和/或温度传感器。 在另一示例中，涡轮和压缩机的上游和下游的传感器可以测量压力和 温度两者。在图1所示的实施例中，进气歧管内的空气充气的压力由 歧管空气压力传感器(MAP)124感测。

进气道146通过一系列进气门耦接到一系列汽缸114。汽缸114经 由一系列排气门进一步耦接到排气道148。在所描绘的示例中，示出了 单个进气道146和排气道148。在另一示例中，汽缸可以包括多个进气 道和排气道，以分别形成进气歧管和排气歧管。例如，具有多个排气 歧管的配置可以使得能够将来自不同燃烧室的流出物引导到发动机系 统中的不同位置。

来自排气道148的排气被引导到涡轮176，以驱动涡轮。当期望降 低涡轮扭矩时，一些排气可以被引导通过废气门(未示出)，以绕开 涡轮。来自涡轮和废气门的组合流流过排放控制装置178。可以配置一 个或多个后处理装置以催化处理排气流，由此减少排气中一种或多种 物质的量。处理过的排气可以经由排气管道235释放到大气中。

取决于发动机的工况，一些排气可以从涡轮176下游的排气道被 输送到排气再循环(EGR)通道251，通过EGR冷却器250和EGR阀 1到达压缩机174的进口。EGR通道251被描绘为低压(LP)EGR系 统。

在图2中，所测得的压缩机压力比PRC和机动车辆内燃发动机的 排气涡轮增压器的所测得的涡轮增压器转速Nt可以被输入到2D查找 表2中(该表之前在测试台上已经产生)，使得2D查找表2给出了与 每个压缩机压力比PRC和每个涡轮增压器转速Nt相关联的增压空气 质量流速。因此，2D查找表2根据PRC和Nt生成开环增压空气质量 流速ΦOL。

实施在发动机控制器中的建模器4使用合适选定的模型来解析地 计算可以由压缩机压力比PRC和输入开环增压空气质量流速ΦCL得 到的所建模的涡轮增压器转速其中ΦCL可以设置为各种初始值。 可以基于例如功率平衡、扭矩平衡和/或负荷平衡来选择模型。

在减法器6中将所测得的涡轮增压器转速Nt和所建模的涡轮增压 器转速从一个中减去另一个，并且在乘法器8中将所得到的差值 乘以缩放因子(K)，缩放因子可以是合适选定的常数，或者过 程控制的或自适应调整的值。限幅器10将缩放后的差值限制 到上限值和下限值，上限值和下限值可以被选择为合适的饱和值。

加法器12将开环增压空气质量流速ΦOL和作为偏移值的相加，得到新的闭环增压空气质量流速ΦCL，一方面其可以被输出作 为用该方法确定的增压空气质量流速，另一方面可以被再次输入到建 模器4。可以反复执行闭环增压空气质量流速ΦCL的计算，其中在每 次计算中，通过将加法器12输出的增压空气质量流速ΦCL延迟1/z 方框14中的一个步进，之前获得的闭环增压空气质量流速ΦCL被输 入到建模器4中。输入到模型中的测量变量可以包括可测量的变量， 例如在压缩机的输入处的温度、在涡轮的输出处的温度、在压缩机和 涡轮的输入和输出处的压力等。

图3中所示的观测器结构包括以环路方式执行的三个步骤，即步 骤16：对开环增压空气质量流速ΦOL进行建模；步骤18：测量涡轮 增压器转速Nt；以及步骤20：用差值(其为涡轮增压器转速 的误差项)，合成闭环增压空气质量流速ΦCL。随着经过该环路的次数 增加，得到越来越稳定的开环增压空气质量流速ΦOL，其为实际增压 空气质量流速的更精确的值。

图4示出典型的压缩机特征场，用于说明由于涡轮增压转速的估 计误差导致的增压空气质量流速偏移。如使用图4说明的，开环工作 点22可以由2D查找表2设定，该表由图3中所示的观测器更新，其 中将区分三种情况：如果则增加开环增压空气质量流速 ΦOL；如果则不更新；以及如果则降低 开环增压空气质量流速ΦOL，如图4所示。压缩机压力比PRC在更新 期间通常是可变的。

现在转到图5，可以由发动机控制器(例如，控制器120)执行用 于确定内燃发动机中增压空气质量流速的方法500。在一个示例中，确 定增压空气质量流速的方法可以包括，确定所测得的涡轮增压器转速 和所建模的涡轮增压器转速。可以根据所测得的涡轮增压器转速和所 建模的涡轮增压器转速之间的差值来调整所确定的增压空气质量流 速。

方法500在502处开始于估计和/或测量发动机工况。发动机工况 可以包括发动机转速和负荷、车辆速度、踏板位置(PP)、节气门位置、 CAC温度和压力、发动机温度、压缩机进口和出口压力、涡轮进口和 出口压力、进气温度、排气温度、空燃比、VVT等。

接下来，在504处，可以将所测得的压缩机压力比和所测得的涡 轮增压器转速输入到查找表中。压缩机压力比是排气涡轮增压器的压 缩机(例如，压缩机174)两端的压力比，并且根据压缩机之前和之后 的压力测量值来确定，和/或可以基于在502处确定的发动机工况来确 定。涡轮增压器转速可以由例如转速传感器来确定。特征场被存储在 发动机控制器中的查找表中，例如2D查找表，该表已经在测试台上生 成，在该测试台上，压缩机压力比和涡轮增压器转速的所有值已经在 实际条件下运行通过。

接下来，在506处，可以确定开环增压空气质量流速。这可以经 由特征场根据例如所测得的压缩机压力比和所测得的涡轮增压器转速 来确定。替换地，开环增压空气质量流速可以由附加传感器来确定。

接下来，在508处，可以由建模器根据例如压缩机压力比和输入 空气质量流速来确定所建模的涡轮增压器转速。首先，输入空气质量 流速可以具有各种值，包括例如开环空气质量流速。接着，输入空气 质量流速可以是在512中输出之后被反馈到建模器的闭环空气质量流 速。建模器可以根据例如功率模型对涡轮增压器转速进行建模。具体 地，所估计的涡轮转速可以基于涡轮增压器轴上的负荷平衡。负荷平 衡可以基于例如压缩机压力比、涡轮增压器惯量、涡轮增压器摩擦等。

a.P_f＝P_f(ω)功率平衡

b. P C = 1 η C m · a cp a T 1 ( [ u ] ) , u = ( ( p 2 p 1 ) γ - 1 γ - 1 ) ]]>压缩机侧

c. P t = m · e cp e T 3 η t ( [ u ] ) , u = ( 1 - ( p 4 p 3 ) γ - 1 γ ) ]]>涡轮机侧

d. ω = 2 I ∫ ( P t - P C - P f ) dt ]]>积分的平方根

建模器可以从功率涡轮公式a导出一公式，公式a基于压缩机功 率、摩擦功率和用于对涡轮转速进行建模的加速度项。I是涡轮增压器 的惯性矩，ω是涡轮增压器转速。摩擦功率被计算为电流、所测得的涡 轮增压器转速的函数，例如映射，其中涡轮增压器摩擦与涡轮增压器 速度成比例。在一个示例中，这些公式被用于形成观测器，以重新构 造与气流相关的涡轮速度估计值，将重新构造的速度与所测得的速度 进行比较，从而使气流估计值为更精确的读数。

由热力学公式b确定压缩机功率，其中η_c是绝热效率，ni_a是空气 质量流速，cp_a是比热容，T₁是进气侧温度，是压缩机压力比，γ是比 热容比。用于计算涡轮功率的热力学公式c具有相似变量，除了T₃是排 气侧温度以及是涡轮两端的压力比。

公式d求解公式a以得到ω，ω是所建模的涡轮增压器转速。

接下来，在510处，可以确定偏移值。该偏移值是所测得的涡轮 转速和所建模的涡轮转速之间的缩放后的差值。此外，所测得的涡轮 转速和所建模的涡轮转速之间的缩放后的差值在被用作偏移值之前， 由上限值和下限值限制。在一个示例中，所测得的涡轮速度和估计的 涡轮速度之间的差值，即所述值之间的误差，被约束在上限阈值。

在512处，通过将来自506的开环增压空气质量流速和来自510 的偏移值相加，可以确定闭环增压空气质量流速。闭环增压空气质量 流速的计算反复地被执行，其中在每次计算中，之前获得的闭环增压 空气质量流速被用于对涡轮增压器转速进行建模。在一个示例中，可 以在电子控制器的多个样本事件处反复地确定空气质量流速，通过调 整空气质量流速的估计值来逐步(successively)降低误差。以此方式，建 模器在反馈环路中使用修正的空气质量流速来对涡轮增压器转速进行 建模。

接下来，在514处，可以基于偏移值来更新开环空气质量流速。 例如，开环工作点可以由2D查找表来设定，2D查找表由图4中所示 的观测器更新。具体地，如果则增加开环空气质量流速 ΦOL；如果不进行更新；如果则降低开 环增压空气质量流速ΦOL。随着经过该环路的次数增加，得到越来越 稳定的开环增压空气质量流速ΦOL，用实际的增压空气质量流速的更 精确的值更新查询表。

在516处，可以基于开环增压空气质量流速来控制发动机状况。 例如，基于增压空气质量流速的修正的值，发动机控制器可以具有存 储在非暂时性存储器中的用于以下操作的指令：平衡进入发动机的燃 料质量、调整空燃比、调整喷射燃料正时和/或燃料喷射量、节气门角 度等。在另一个示例中，发动机控制器可以响应于如下空气质量流速 而调整发动机执行器，该空气质量流速不是基于流量空气流量传感器， 而是基于所估计的涡轮速度和所测得的涡轮速度之间的误差，例如在 510处计算的误差。

注意到，此处所包括的示例控制和估计例程可以与各种发动机和/ 或车辆系统配置一起使用。此处公开的控制方法和例程可以作为可执 行指令被存储在非暂时性存储器中。此处所描述的具体例程可以表示 任意数量的处理策略中的一种或多种，例如事件驱动、中断驱动、多 任务、多线程等。因此，所示的各种动作、操作和/或功能可以按照所 示的顺序执行，并行执行，或在某些情况下被省略。同样地，处理顺 序并非是实现本文描述的示例实施例的特征和优点所必须的，而是提 供以便于说明和描述。根据所使用的具体策略，所示的动作、操作和/ 或功能中的一个或多个可以被反复地执行。而且，所描述的动作、操 作和/或功能可以以图形方式表示将被编程到发动机控制系统中的计 算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码，这些代码可以与硬件 (例如，图1中所描绘的发动机系统的各种传感器和执行器)结合执 行。

应当理解，本文公开的配置和例程本质上是示例性的，并且这些 具体实施例并不被认为是限制性的，因为多种变化是可能的。例如， 以上技术可以被应用于V-6、L-4、L-6、V-12、对置4缸以及其它发动 机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置以及其他特征、 功能和/或特性的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。

随附的权利要求具体指出被认为新颖且非显而易见的某些组合及 子组合。这些权利要求可能提到“一个/一”元件或“第一”元件或其 等价物。这些权利要求应当被理解为包含一个或多个这种元件的组合， 既不要求也不排除两个或更多个这种元件。所公开的特征、功能、元 件和/或特性的其它组合和子组合可以通过修改本权利要求来主张，或 者通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来主张。这些权利要 求，不管在范围上比原权利要求更宽、更窄、相同或不同，都认为被 包含在本公开的主题内。