本发明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。 背景技术

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 （ΝΟχ ) , 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， 因此它将会延緩燃烧过程， 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統所具有的耦合特性 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 略驱动增压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， 釆用模型预测控 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 试驗工作量小。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� �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 内廈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。 发明内容

为了克服现有技术中存在的上述缺陷， 本发明的实施方式提供一 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。

在本发明的一个方面， 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 合至所述工况莸取装置， 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， 其中所述传递函数基于所述 柴油发动机在其稳定工作区域中的工况数据而 标定； 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。

根据本发明的另一方面， 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； 和控制单元。根据本发明的实施方式， 空气系统包括： 废气再循环系统， 耦合至所述排气管道和所述进气管 道， 配置用于将来自所述排气管道的部分废气通过 所述进气管道输送 回所述气缸体； 以及涡轮增压系统， 耦合至所述排气管道， 配置用于 利用来自所述排气管道的废气来增大通过所述 气缸体的进气压力。 所 述控制单元包括如上文所述的设备， 以用于在稳态下控制所述空气系 统。

根据本发明的又一方面， 提供一种用于在稳态下控制柴油发动机 的空气系统的方法， 其中所述空气系统包括废气再循环系统和涡轮 增 压系统，所述方法包括：获取指示所述柴油发 动机的实际工况的参数； 根据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， 其中所述传递函数根据所述柴油发动机在其稳 定工作区域中的 工况数据而标定； 处理指示所述空气系统的状态的参数； 以及根据所 述解耦传递函数和所述处理的结果， 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。

根据本发明的实施方式， 提供了一种对柴油发动机的空气系统进 行有效控制的设备和方法。 在本发明的实施方式中， 利用传递函数来 表征柴油发动机的特征。 在控制过程中， 根据读传递函数以及指示柴 油发动机工况的参数计算解耦传递函数， 从而确保针对 EGR阀的驱 动信号和针对增压阀的驱动信号彼此独立地产 生， 以此实现二者的解 耦。 具体而言， 通过将该解耦传递函数作用于经处理的空气系 统状态 参数（例如， 发动机的 EGR流量率和进气压力） ， 可以实现这两个 驱动信号的解耦， 这将在下文详述。

特别地， 本领域技术人员可以理解， 柴油发动机并非在空气系统 的所有状态参数下都能够稳定地工作。 例如， 柴油发动机通常只在

EGR阀和增压阀的某些组合下能够稳定地工作 。根据本发明的实施方 式， 将确定在给定转速和载荷下可使柴油发动机稳 定工作的 EGR阀 开度和增压阀开度的组合， 即， 柴油发动机的稳定工作区域。 这样， 发动机的传递函数以及由此用于空气系统控制 的解耦传递函数可以 利用该稳定工作区域中的数据（例如， 如下文所述的稳定工作平衡点 处的数据）进行标定。 以此方式， 本发明的实施方式保证了废气再循 环阀和涡轮增压阀在稳态工况下互相独立地控 制， 并且可以分别进行 标定。 由此， 既达到了对这两个系统进行标定的简洁性， 显著改善了 空气控制系统的功能特性。 附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述， 本发明实施方式的上述以及 其他目的、 特征和优点将变得易于理解。 在附图中， 以示例性而非限 制性的方式示出了本发明的若干实施方式， 其中：

图 1示出了包括废气再循环系统和涡轮增压系统� �者的柴油发动 机的示意性结构图；

图 2示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动� �的空气系统的 控制设备 200的示意性结构图；

图 3示出了根据本发明实施方式的柴油发动机的� �定工作状态的 示意图；

图 4示出了根据本发明实施方式的利用解耦传递� �数彼此独立地 产生两类驱动信号的示意图；

图 5 示出了适合于用来实践图 2 中的控制设备 200 的片上系统 ( SoC ) 500的示意性结构图； 以及

图 6示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动� �的空气系统的 控制方法 600的流程图。

在附图中， 相同或对应的标号表示相同或对应的部分。 具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明 的原理和精神。 应 理解进而实现本发明， 而并非以任何方式限制本发明的范围。

根据本发明的实施方式， 提出了一种用于控制柴油发动机的空气 系统的设备和方法。 应当注意， 在本文中， 所使用的术语 "空气系统" 至少包括废气再循环 EGR系统和涡轮增压系统。

还应注意， 在本文中提及的例如可变几何涡轮增压系统 （VGT ) 等具体涡轮增压系统， 仅仅是出于说明和示范目的。 本发明的实施方 式同样适用于利用发动机废气进行工作的现在 已知或将来开发的任 何涡轮增压系统。 本发明的范围在此方面不受限制。

另外， 在本文中， 所使用的术语 "参数 "表示任何能够指示发动机 的 （目标或实际）物理状态或运行状况的物理量 的值。 而且， 在本文 中， "参数 "与其所表示的物理量可以互换使用。 例如， "指示转速的 参数"与"转速"在本文中具有等同的含义。

此外， 在本文中， 所使用的术语 "获取 "包括目前已知或将来开发 的各种手段， 例如测量、 读取、 估计、 估算， 等等。

下面参考本发明的若干代表性实施方式， 详细阐释本发明的原理 和精神。 首先参考图 1 , 如上文所述， 其示出了配备有废气再循环和 涡轮增压系统的柴油发动机 100的示意性结构图。 应当理解， 图 1 中 仅仅是示出了柴油发动机 100中与本发明的实施方式有关的部分。 柴 油发动机 100还可以包括任意数目的其他部件。

如图 1所示， 柴油发动机 100包括： 气缸体 108; 进气管道 106 , 耦合至气缸体 108的入口端， 配置用于向气缸体 108输送气体； 排气 管道 112, 耦合至气缸体 108的出口端， 配置用于排出气缸体 108燃 烧的废气； 燃油喷射系统 110, 耦合至气缸体 108 , 配置用于向其喷 射燃油； 空气系统； 以及控制单元 （ECU ) 1 14 , 用于实现对柴油发 动机 100的控制。 如上所述， 空气系统包括： 废气再循环系统（例如 包括 EGR阀 1 16、 EGR冷却器 1 18以及其他必要部件） ， 其耦合至 排气管道 112和进气管道 106 , 配置用于将来自排气管道 1 12的部分 废气通过进气管道 106输送回气缸体 108; 以及涡轮增压系统 （例如 包括增压器 120、 增压器转轴 124、 空气压缩机 102、 空气中冷器 104 以及其他必要部件） ， 其耦合至排气管道 1 12, 用于利用来自排气管 道 112的废气， 增大通过气缸体 108的进气压力。 从图 1 中可以看到， 废气再循环系统和涡轮增压系统都接收来自 排气管道 112的废气， 其进气流量分别由 EGR阀 116和增压阀 122 来控制。 在操作中， 柴油发动机电子控制单元 （ECU ) 1 14根据发动 机的工况产生相应的阀驱动信号， 分别用于控制 EGR阀 1 16和增压 阀 122的开度。 如上所述， 废气再循环系统和涡轮增压系统的性能彼 此影响， 因此需要对废气再循环阀 116和增压阀 122的开度进行有效 的控制。 气系统的控制设备 200的示意性结构图。 可以理解， 控制设备 200可 以作为图 1 中示出的柴油发动机 ECU 114或其部分而付诸实践。备选 地， 控制设备 200也可以实现为专门针对柴油发动机的空气系 统的控 制设备。

如图 2所示， 控制设备 200包括工况获取装置 202, 其可配置用 于获取指示柴油发动机（例如， 图 1所示的柴油发动机 100 ) 的实际 工况的参数。 在本发明的某些实施方式中， 工况获取装置 202可以包 括转速获取装置 2022,其可配置用于获取指示发动机的实际转速� ��参 数，记为 ω。工况获取装置 202还可以包括燃油喷射率获取装置 2024, 其可配置用于获取指示发动机的实际燃油喷射 率的参数， 记为 。 此 夕卜， 根据本发明的实施方式， 工况获取装置 202还包括 EGR流量率 获取装置 2026和进气压力获取装置 2028 , 将在下文详细描述。

应当理解，工况获取装置 202(以及其中包括的子装置 2022-2028 ) 可以通过实际测量来获取发动机的工况参数， 工况获取装置 202也可 以根据实际条件通过估计或估算来获取发动机 的工况参数， 等等。 本 发明的范围在此方面不受限制。 而且， 还应当理解， 装置 2022-2028 仅仅是可被包括在工况获取装置 202中的装置的示例。 实际上， 工况 获取装置 202可以包括任意一个或多个其他获取装置， 用于获取柴油 发动机的其他工况参数。 这是本领域技术人员容易想到的， 本发明的 范围在此方面同样不受限制。

如图 2所述， 根据本发明的实施方式， 控制设备 200还包括解耦 计算装置 204, 其耦合至工况获取装置 202, 配置用于根据来自工况 获取装置 202的参数（诸如，发动机转速 ω和发动机燃油喷射率 ）， 以及根据表征发动机特征的传递函数来计算解 耦传递函数。 现在将结 合以下具体示例， 详细描述解耦计算装置 204的特征和操作。

本领域的技术人员可以理解， 发动机在特定方面的特征可以利用 传递函数 （ transfer function ) 来表征。 传递函数可以是发动机状态变 量的多项式、 脉谱图数据， 等等。 特别地， 如上文所述， 本发明实施 方式的主要目的之一是： 控制废气再循环系统的 EGR阀和涡轮增压 系统的增压岡各自的开度。 EGR阀和增压阀的开度转而影响柴油发动 机的 EGR流量率 记为 rh _WR ) 和进气压力 （记为 ) , 这二者代表 了空气系统的状态。 由此， 在本发明的实施方式中， 传递函数（记为 W ) 可被设计为表征 EGR阀和增压阀的开度对柴油发动机的 EGR流 量率 ( ) 和进气压力 （ P _im ) 的影响。

本领域的技术人员可以理解， 柴油发动机的传递函数可以利用发 动机的工况参数进行标定。 然而， 柴油发动机并非在空气系统的所有 状态参数下都能够稳定地工作。 实际上， 柴油发动机通常只在 EGR 阔和增压阀的某些组合下能够稳定地工作 利用发动机在不稳定状态 下的工况参数来标定传递函数， 可能导致传递函数无法准确反映发动 机的特性， 进而使得基于传递函数而导出的解耦传递函数 无法有效地 对 EGR系统和增压系统的控制进行解耦。

因此， 在本发明的实施方式中， 为了更加准确地标定传递函数， 将首先确定柴油发动机的稳定工作区域。 在此使用的术语 "稳定工作 区域"表示可以使柴油发动机处于稳定工作状� �的空气系统状态参数 的范围。 特别地， 在本发明的某些实施方式中， 稳定工作区域可以表 示在给定转速和载荷下， 可使柴油发动机稳定工作的 EGR阀开度和 增压阀开度的范围。

例如， 参见图 3 , 其示出了柴油发动机在各种工况 （即， 发送动 机转速 ω、 燃油喷射率 、 EGR 阀开度 以及增压阀开度 VGTPOS ) 下的稳定工作区域（如粗体轮廓线所示） 。 如图所示， 图中 坐标系的横坐标是 EGR阀的开度 （ G^p^ ) , 纵坐标是增压阀的开 度 ( VGT _P0S 。 在图 3所示的稳定工作区域的范围内， 柴油发动机可 以稳定地工作。 根据本发明的实施方式， 这种稳定工作区域可以基于 先验知识、 已有规范、 产品说明书、 对柴油发动机试验和 /或仿真等各 种手段而确定。 其他确定发动机的稳定工作区域的方式也是可 行的， 本发明的范围在此方面不受限制。

根据本发明的实施方式， 柴油发动机的特征函数可以基于发动机 在其稳定工作区域中的工况数据来进行标定。 特别地， 根据本发明的 某些实施方式， 稳定工作区域中的工况数据可以是柴油发动机 在其稳 态工况平衡点处的工况数据。 在此使用的术语 "稳态工况平衡点" 表 示当空气系统的状态参数（例如， EGR阀的开度和增压阀的开度）处 于该点时，柴油发动机的有关物理参数均处于 稳定的平衡状态。例如， 在以发动机气缸进气压力 （ ,vJ 和 EGR 流量率 （ rh _eg ,. ) 为传递函数 的自变量的情况下， 在稳定工况平衡点处， 柴油发动机的进气压力和 EGR流量率均处于稳定的平衡状态。

现在描述用于确定柴油发动机的稳悉工况平衡 点的一个示例性 实施方式。 仍然参考图 3 , 在柴油发动机的稳定工作区域内， 可以构 建谅柴油发动机的等进气压力线和等废气再循 环、流量线。 可以理解， 在稳定工作区域内， 对于每个给定的转速和载荷， 可以确定能够使发 动机的气缸进气压力保持恒定的 EGR 阀开度和增压阀开度的多个配 对 （pair ) 。 这些配对中的每一个对应于坐标系上的一个点 。 基于这 些点， 可以通过曲线拟合或者逼近来创建一条曲线。 在这条曲线上的 每个点处，发动机的气缸进气压力保持恒定。 由此，读曲线被称为 "等 进气压力线" 。 对于发动机的多个给定工况， 可以构造多个这样的等 进气压力线。 类似地， 同样可以构造发动机的等废气再循环流量线。

如图 3所述， 在柴油发动机的稳定工作区域中， 等进气压力线与 等废气再循环量线之间存在一系列交点。 在这些交点处， 柴油发动机 的气缸进气压力和废气再循环量均处于稳定状 态。 由此， 这些交点所 对应的增压阀开度和 EGR岡开度可被确定为柴油发动机的稳态工况 平衡点。

现在讨论如何利用柴油发动机在其稳定工况平 衡点处的工况数 据， 来标定表征该柴油发动机特性的传递函数。 根据本发明的实施方 式， 柴油发动机在稳定工作区域中的每个稳态工作 状态的废气再循环 流量率 和气缸进气压力 Λν„分别可由以下公式（ 1 )和（2)来表示： m egr :F _eg » _f ,EGR ,VGT _p J ( 1 ) = F _p ^,m _f ,EGR _pos ,VGT _p (2) 在柴油发动机的每个稳态工况平衡点处， 对公式 （ 1 )和 （2)进 行线性化处理。 线性化处理之后的结果以增量形式表示如下： pos

AP„„ =

pos ^os dVGT p _r os 由此可得:

根据公式 （5 ) , 本领域技术人员可以理解， 在柴油发动机的稳 态工况处， 其传递函数 W可以表示为：

dK 在上面的公式 （6 ) , 矩阵中的各项 dF _r

dEGR dVGT, dm dm 可以利用发动机在其各个稳悉工况平衡点 ( Wf , EGR; _S ， VGT )处的 工况数据进行标定。 此类工况数据例如可以通过针对柴油发动机的 试 验和 /或仿真而获得。 特别地， 根据本发明的某些实施方式， 矩阵项 dF

可 以 是发 动 机 状 态 变 量 dEGR dVGT^ dm _f dm _f EGR; _0S , VGT; _0S )的多项式或图表。 至此， 在本发明的实施方式中， 利用柴油发动机在其稳定工作区 域中的工况数据（特别地， 在稳定工况平衡点处的工况数据）完成了 对发动机传递函数的标定。 下面考虑解耦计算装置 204所要计算的解 耦传递函数（记为 G 。 类似于传递函数 在本发明的某些实施方 式中， 解耦传递函数 G同样以发动机的转速 ω和燃油喷射率; ^为自 变量， 并可定义如下：

G _u G _I4

G ₂₄

G{ ,m EGR _P0S , VGT ) ( 7 )

0 0 1 0

0 0 0 1 在本发明的一个实施方式中， 为了使发送机的实际工况与理论预 期最大限度地匹配， 设解耦计算装置 204可配置用于计算发动机的稳 悉传递函数 的逆， 作为稳态解耦传递函数 C？。 即： ^S0d 3Q ^sod IDAQ s ^od Q ^s ° ^d IOAQ

^S0 ^D3Q ^sod IDAQ

Ό s ^od Q ^sod IDAQ ^sod IDAQ ^s ° ^d }ID3Q

^S0d m3Q ^sod IDAQ ^sod IDAQ ^sod Q sod, _一― _Λ sod _T 一 _{J Λ} sod—一 , _Λ socl 一 »

}I03Q IDAQ IOAQ )ID3Q s ^od IDAQ

o^^ ^m ^- ' (8) - (9)

t7868Z.0/ll0ZM3/X3d 蒙 10Z OAV ^dF _S r 8F _P ^dF _P

d ^m f dEGR _pos dEGR _pos ^dm f dVGT _pos dVGT _pos dEGR _pos dF

δω dEGR _pos dEGR _pos δω

d ^F e ₈ r ^dF e _g r

dEGR _p 。 _s dVGT _pos dVGT 至此， 可以利用发动机在其稳定工作区域中的工况数 据而标定的 传递函数 计算得出解耦传递函数（；。 如下文详述的， 通过将解耦 传递函数 G作用于相应的物理量， 可以彼此独立地产生 f对 EGR系 统和涡轮增压系统的驱动信号， 从而有效地实现这二者的解耦控制。

注意， 上文描述的仅仅是本发明的若干示例性实施方 式。 例如， 发动机的特征不限于仅由转速和燃油喷射率来 表征。对于本领域技术 人员显而易见的是， 传递函数 和解耦传递函数（？可以将发动机的 任何有关工况纳入考虑 （即， 作为自变量） 。 又如， 将解耦传递函数 G计算为发动机传递函数 的逆只是一种可选的实施方式。本领域的 技术人员可以结合实际情况， 以其他不同的方式根据传递函数 和 工况参数来计算解耦传递函数（？。 本发明在这些方面均不受限制。

继续参考图 2, 根据本发明的实施方式， 控制设备 200还可以包 括空气系统参数处理装置 206, 其耦合至工况获取装置 202, 配置用 于处理指示柴油发动机的空气系统的状态的参 数。

特別地， 在本发明的某些实施方式中， 空气系统的状态参数可以 包括： 柴油发动机的 EGR流量率和进气压力。 相应地， 在这些实施 方式中， 如上所述， 工况获取装置 202可以包括 EGR流量率获取装 置 2026, 配置用于获取指示发动机的实际 EGR流量率的参数（记为 m _{egr acl} ) ； 以及进气压力获取装置 2028 , 配置用于获取指示发动机的 实际进气压力的参数 (记为 P _im )。 工况获取装置 202可以将所获取 的实际 EGR 流量率和实际进气压力提供给空气系统参数处 理装置 206, 如图 1所示。

此外， 如图 2所示， 空气系统参数处理装置 206还可配置用于接 收柴油发动机的目标 EGR流量率 （记为 th _esr )和目标进气压力 （记 为 ^ ) 。 例如， 在本发明的某些实施方式中， ^和 可以是 预先标定的， 并且可以预先存储在例如控制设备 200可访问的存储设 备或数据库中。

给定了实际值 /ή^ 、 和目标值 和/ ， 空气系统参数 处理装置 206可配置用于执行生成驱动信号必要的处理。 例如， 根据 本发明的某些实施方式， 空气系统参数处理装置 206可以包括： 配置 用于确定实际 EGR流量率 _{r oci} 与目标 EGR流量率 f _egr '^之间的误差 (记为 ）的装置。 空气系统参数处理装置 206还可以包括： 配置用 于确定实际进气压力 与目标进气压力/^ ^之间的误差 （记为 e _P 、 的装置。 此外， 空气系统参数处理装置 206还可以包括： 分别配置用 于对误差 和 e _P 执行 PID处理的装置， 所得处理结果将由信号产生 装置 208 (下文详述）用以产生控制信号。 空气系统参数处理装置 206 中包含的上述装置及其操作是本领域已知的， 因此未在图中示出， 在 应当理解， 上面描述的 EGR流量率、 进气压力、 PID处理等仅仅 是示例性的。 实际上， 空气系统参数处理装置 206可以配置用于对空 气系统的状态参数执行目前已知或将来开发的 任何适当处理。

继续参考图 2, 控制设备 200还包括信号产生装置 208 , 其耦合 至解耦计算装置 204和空气系统参数处理装置 206, 配置用于根据来 自解耦计算装置 204的解耦传递函数 C?和来自空气系统参数处理装置 206的处理结果，分别产生用于 EGR系统的第一驱动信号和用于涡轮 增压系统的第二驱动信号。

现在参考图 4, 其示出了信号产生装置 208的示例性操作机制的 示意图。 在图 4的示例中， 与上文描述类似， 传递函数 和解耦传 递函数 C?以柴油发动机的转速和燃油喷射率作为自变� ��。 而且， 空气 系统的状态参数为 EGR流量率和进气压力。 在图 4中， 虚线 401左侧的部分可以表示空气系统参数处理装置 206的操作，也即，对柴油发动机的实际 EGR流量率 、目标 EGR 流量率 、 实际进气压力 和目标进气压力 执行必要的处 理。 如上所述， 根据本发明的实施方式， 所述操作可以包括确定 EGR 流量率误差 和进气压力误差 , 并且将 e _m 和 分别馈送至用于 EGR的独立控制器 C/和用于 VGT的独立控制器 C ₂ 。 根据某些实施 方式， 控制器 和 C ₂ 分别可以对 和 e _P 执行 PID处理。

图 4 中示出的传递函数 G的各个项 G _u 、 G _n 、 G! ₃ 、 G"、 G ₂ G ₂₂ 、 G ₂ j和 可如上文所述地由解耦计算装置 204计算， 并提供给 信号产生装置 208。 由此， 用于 EGR阀和增压阀的控制信号 &和 & 可分别表示为：

S _x = G^ C^s) + G _{] 2} C ₂ (s) + G _l3 m _f + Θ ₁₄ ω ( 3 )

^S 2 = ^G 2 ^C l ( ^S ) + ^G 22 ^C 2 ( ^S ) + ^G 23 ^rh f ^{+ G} 24 ^CO ( 4 ) 其中的 和 C 分表表示控制器 和 C ₂ 对误差信号 e _m 和 e _P 的处 理结果。 例如， 当控制器对误差信号执行 PID 的实施方式中， ς (s) = P/ O,„)并且 C ₂ 0) = PID(e _P )。 由此得到的第一控制信号 和第 二控制信号 &可分别用于控制 EGR系统和增压系统，例如，控制 EGR 阀开度和增压阀开度。

可以理解， 图 4中仅仅示出了信号产生装置 208的示例性操作机 制。 在其他实施方式中， 信号产生装置 208可配置用于以不同的方式 将解耦传递函数 G作用于 EGR流量率和进气压力的有关参数， 从而 以解耦方式产生驱动信号。

上文已经结合若干具体实施方式描述了根据本 发明的控制设备 200的结构和操作。 通过上文的描述应当理解， 根据本发明的实施方 式， 控制设备 200可以按照一种彼此独立的方式产生用于 EGR阀和 增压阀的驱动信号， 从而在稳态下有效地解耦废气再循环系统和涡 轮 增压系统， 由此改善对柴油发动机的空气系统的控制。 应当理解， 图 2中示出并在上文描述的控制设备 200可以利用多 种方式来实施。 例如， 在某些实施方式中， 设备 200可以实现为集成 电路 （IC ) 芯片或者专用集成电路（ASIC ) 。 在另一些实施方式中， 设备 200可以通过片上系统（ SoC )以及相应的软件和 /或固件来实现。 备选地或附加地， 设备 200还可以利用软件模块来实现， 即实现为计 算机程序产品。 本发明的范围在此方面不受限制。

参考图 5 , 其示出了适于用来实施图 2所示的控制设备 200的片 上系统（SoC ) 500的结构框图。如图 5所示， SoC 500包括各种组件， 诸如输入输出 （I/O )逻辑 510 (例如用以包括电子电路） 以及^：处理 器 512 (例如， 任何微控制器或者数字信号处理器） 。 SoC 500还包 括存储器 514, 其可以是任何类型的随机访问存储器 （RAM ) ， 低延 迟非易失性存储器 （例如， 闪存） 、 只读存储器 （ROM ) 和 /或其他 适当的电子数据存储。 SoC 500还可以包括各种固件和 /或软件， 诸如 操作系统 516 , 其可以是由存储器 514维护并由微处理器 512执行的 计算机可执行指令。 SoC 500还可以包括其他各种通信接口和组件、 网络接口组件、 其他硬件、 固件和 /或软件。

特别地， 如图所示， SoC 500可以包括工况获取块 502、 解耦计 算块 504、 空气系统参数处理块 506 以及信号产生块 508 , 其分别对 应于上文参考图 2描述的工况获取装置 202、 解耦计算装置 204、 空 气系统参数处理装置 206 以及信号产生装置 208。 此外， 尽管在图 4 中未示出， 但是根据本发明的实施方式， 工况获取块 502可以包括分 别对应于图 2中的装置 2022-2028的子块。 这些块 502-508及其子块 可以作为硬件、软件和 /或固件模块，独立地或者与信号处理和控制� � 路等其他实体相集成地操作， 用以实现在此描述的各种实施方式和 / 或特征。

应当理解， 才艮据本发明的实施方式， SoC 500可以与电子电路、 微处理器、 存储器、 输入输出 （I/O ) 逻辑、 通信接口和组件、 运行 整个设备所需的其他硬件、 固件和 /或软件集成。 SoC 500还可以包括 集成数据总线（未示出）， 其耦合 SoC的各个组件以用于组件之间的 数据通信。 包括 SoC 500的设备还可以利用不同组件的多个组合来实 现。

下面参考图 6 , 其示出了根据本发明实施方式的用于柴油发动 机 的空气系统的控制方法 600 的流程图。 方法 600 开始之后， 在步骤 S602, 获取指示柴油发动机的实际工况的参数， 这些参数包括但不限 于： 柴油发动机的转速和撚油喷射率。

接下来， 在步骤 S604, 根据步骤 S602中获得的参数以及表征该 柴油发动机的传递函数（例如， 上文描述的传递函数 ） ， 计算解耦 传递函数（例如， 上文描述的解耦传递函数（？）， 其中传递函数 i 根 据柴油发动机在其稳定工作区域中的工况数据 而标定。

而后， 在步骤 S606, 处理指示柴油发动机的空气系统的状悉的参 数。 根据本发明的某些实施方式， 空气系统的状态参数包括柴油发动 机的 EGR流量率和进气压力。 在这样的实施方式中， 如上所述， 可 以根据 EGR流量率和进气压力的实际值和目标值， 确定二者各自的 误差， 并且对误差执行例如 PID处理以备后用。 当然， 其他空气系统 状态参数和处理也是可能的， 本发明在此方面不受限制。

最后， 在步骤 S608 , 根据来自步骤 S604的解耦传递函数和来自 步骤 S606的处理结果，分别产生用于 EGR系统的第一驱动信号和用 于涡轮增压系统的第二驱动信号。 方法 600随即结束。

可以理解， 方法 600中记载的步骤 S602-S608分别对应于上文参 考图 2描述的控制设备 200中的装置 202-208的操作和 /或功能。由此， 上文参考控制设备 200的各个装置而描述的特征同样适用于方法 600 的各个步骤。 而且， 方法 600中记载的各个步骤可以按照不同的顺序 执行和 /或并行执行。

另外， 应当理解， 参考图 6描述的方法 600可以通过计算机程序 产品来实现。 例如， 该计算机程序产品可以包括至少一个计算机可 读 存储介质， 其具有存储于其上的计算机可读程序代码部分 。 当计算机 可读代码部分由例如处理器执行时， 其用于执行方法 600的步驟。

上文已经结合若干具体实施方式阐释了本发明 的精神和原理。 根 据本发明的实施方式， 提供了一种能够在稳态下对柴油发动机的空气 系统进行有效控制的设备和方法。 在控制过程中， 根据发动机的传递 函数以及柴油发动机的工况参数， 计算解耦传递函数。 通过将读解耦 传递函数作用于对发动机的 EGR流量率和进气压力的有关参数的处 理结果， 可以彼此独立地产生用于废气再循环（EGR ) 系统和涡轮增 压系统的驱动信号。 特别地， 根据本发明的实施方式， 传递函数基于 柴油发动机在其稳定工作区域中的工况数据而 标定。 以此方式， 本发 独立地控制， 并且可以分别标定。 由此， 既达到了对这两个系统进亍 标定的简洁性， 显著改善了空气控制系统的功能特性。

应当注意， 本发明的实施方式可以通过硬件、 软件或者软件和硬 件的结合来实现。 硬件部分可以利用专用逻辑来实现； 软件部分可以 存储在存储器中， 由适当的指令执行系统， 例如微处理器或者专用设 计硬件来执行。 本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和 方法可 以使用计算机可执行指令和 /或包含在处理器控制代码中来实现，例如 在诸如磁盘、 CD或 DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器（固件） 的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载 体的数据载体上提供 了这样的代码。 本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集 成电路 或门阵列、 诸如逻辑芯片、 晶体管等的半导体、 或者诸如现场可编程 门阵列、 可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电 路实现， 也可 以用由各种类型的处理器执行的软件实现， 也可以由上述硬件电路和 软件的结合例如固件来实现。

应当注意， 尽管在上文详细描述中提及了控制设备的若千 装置或 子装置， 但是这种划分仅仅并非强制性的。 实际上， 根据本发明的实 施方式， 上文描述的两个或更多装置的特征和功能可以 在一个装置中 具体化。 反之， 上文描述的一个装置的特征和功能可以进一步 划分为 由多个装置来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明 方法的操作，但是， 这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执 行这些操作， 或是必须 执行全部所示的操作才能实现期望的结果。 相反， 流程图中描绘的步 骤可以改变执行顺序。 附加地或备选地， 可以省略某些步骤， 将多个 步骤合并为一个步骤执行， 和 /或将一个步骤分解为多个步骤执行。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明 ， 但是应谅理解， 本发明并不限于所公开的具体实施方式。 本发明旨在涵盖所附权利要 求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布 置。 所附权利要求的范 围符合最宽泛的解释， 从而包含所有这样的修改及等同结构和功能。