GR的節(jié)流閥144、低壓EGR冷卻器158以及低壓EGR閥148。外界 進入空氣通過進氣口 171被吸入到壓縮機45中。加壓的進入空氣和EGR流輸送至進氣歧 管50以在發(fā)動機10中使用。排氣流通過排氣歧管60離開發(fā)動機10,驅動渦輪46,并且通 過排氣管道170排出。所描繪的EGR系統(tǒng)包括高壓EGR系統(tǒng)，從排氣歧管60向進氣歧管50 輸送加壓排氣。所描繪的EGR系統(tǒng)還包括低壓EGR系統(tǒng)，將低壓排氣從排氣管道170輸送 至進氣口 171。傳感器安裝在發(fā)動機上以監(jiān)測物理特性并生成可與發(fā)動機和外界參數(shù)相關 聯(lián)的信號。傳感器優(yōu)選地包括外界空氣壓力傳感器112、外界或進入空氣溫度傳感器114、 以及空氣質量流量傳感器116 (所有可以單獨地配置或者配置為單個集成裝置)、進氣歧管 空氣溫度傳感器118、MP傳感器120、排氣溫度傳感器122、空氣節(jié)流閥位置傳感器134和 高壓EGR閥位置傳感器138、渦輪機葉片位置傳感器124、以及低壓EGR節(jié)流閥位置傳感器 130和142、和低壓EGR閥位置傳感器146。發(fā)動機速度傳感器44監(jiān)測發(fā)動機的旋轉速度。 每個傳感器信號地連接至控制模塊5以提供信號信息，該信號信息由控制模塊5轉換為代 表各自監(jiān)測到的參數(shù)的信息。應該理解的是，該配置是例示性而非限制性的，包括可在功能 等同的裝置和程序內替換的各種傳感器，并且仍然落入本發(fā)明的范圍內。此外，進入空氣壓 縮機可以包括在本發(fā)明范圍內的替代渦輪增壓器配置。
[0042] 進入空氣壓縮機包括渦輪增壓器，該渦輪增壓器包括定位在發(fā)動機的空氣進氣口 中的空氣壓縮機45,由定位在排氣流中的渦輪46驅動。渦輪46可以包括許多實施例，包括 具有固定葉片朝向或可變葉片朝向的裝置。此外，渦輪增壓器可以作為單個裝置使用，或者 可以使用多個渦輪增壓器來向同一發(fā)動機供應增壓空氣。
[0043] 可變幾何渦輪增壓器（VGT)使得能夠控制對進入空氣執(zhí)行多少壓縮。控制信號可 以例如通過調節(jié)壓縮機和/或渦輪中的葉片的角度，來調節(jié)VGT的操作。這樣的示例性調 節(jié)可以減小這些葉片的角度而減小進入空氣的壓縮，或者增大這些葉片的角度而增大進入 空氣的壓縮。VGT系統(tǒng)允許控制模塊選擇輸送至發(fā)動機的增壓壓力的水平?？刂瓶勺冊鰤?器輸出例如包括廢氣門或旁路閥的其它方法可以類似于VGT系統(tǒng)地實施，并且本發(fā)明并非 意在限制于本文公開的用于控制輸送至發(fā)動機的增壓壓力的具體示例性實施例。
[0044] 示例性的柴油發(fā)動機裝備有共軌燃料噴射系統(tǒng)、EGR系統(tǒng)以及VGT系統(tǒng)。排氣再 循環(huán)用于可控地降低燃燒火焰溫度并且減少NOx排放。VGT系統(tǒng)用于調節(jié)增壓壓力以控制 歧管空氣壓力并增加發(fā)動機輸出。為了完成包括EGR和VGT系統(tǒng)的控制的發(fā)動機控制，可 以采用多輸入多輸出空氣充氣控制模塊(MHTO模塊)。MMO模塊使得計算上能夠高效，并且 基于描述期望發(fā)動機運轉的單個輸入集合而協(xié)調控制EGR和VGT。這些輸入例如可以包括 描述發(fā)動機速度和發(fā)動機負載的對于發(fā)動機的操作點。將意識到，其他參數(shù)可以用作輸入， 例如包括指示發(fā)動機負載的壓力測量值。
[0045] 基于任何給定輸入的EGR和VGT的聯(lián)接M頂0控制或者EGR和VGT的控制固定響 應是計算上高效的，并且能夠實現(xiàn)對于變化輸入的復雜控制響應，而這基于EGR和VGT的獨 立控制可能是實時地計算上不可能的。然而，包括對于任何給定輸入的兩個參數(shù)的固定響 應的EGR和VGT的聯(lián)接控制需要聯(lián)接控制的簡化或最佳配合校準，以便于控制兩個固定響 應。結果，這樣的校準可能是挑戰(zhàn)性的，并且可能包括比基于所選擇的簡化控制校準的最佳 發(fā)動機性能更少的性能。EGR和VGT例如可以最佳地對于負載的變化率或者對于發(fā)動機溫 度不同地做出反應。此外，EGR或VGT的控制可能達到限制條件并且導致致動器飽和。導 致致動器飽和的聯(lián)接控制可能引起本領域中稱為扭振的狀況，其中甚至在已經(jīng)解決了致動 器飽和之后系統(tǒng)的預期行為和系統(tǒng)的期望控制仍然偏離并且導致控制錯誤。此外，由MMO 模塊對EGR和VGT的控制是非線性的，并且限定聯(lián)接的功能關系以提供期望控制輸出需要 大規(guī)模的校準工作。
[0046] VGT命令是控制增壓壓力的一種方式。然而，可以替代VGT命令類似地采用控制增 壓壓力的其他命令，諸如增壓壓力命令或歧管空氣壓力命令。
[0047] 諸如如圖2中示意性描繪的包括渦輪增壓器的示例性發(fā)動機配置等發(fā)動機配置 可以由數(shù)學模型表示?；谀Ｐ偷姆蔷€性控制可以應用于將期望空氣和充氣目標轉換為用 于每個致動器的單個流量或功率，諸如排氣再循環(huán)流量、進入空氣流量和渦輪功率?？梢曰?于單個流量或功率值唯一地確定對于EGR閥、空氣節(jié)流閥和VGT控制的每個的致動器位置， 另外產(chǎn)生用于反饋控制的解耦和幾乎線性化的系統(tǒng)。用于控制包括EGR、空氣節(jié)流和空氣充 氣控制的發(fā)動機的方法包括采用基于物理模型的前饋控制或反饋線性化控制，以解耦多變 量系統(tǒng)的控制。
[0048] 利用包括多路徑EGR回路的增壓發(fā)動機配置，系統(tǒng)可以在較高增壓等級下以較高 的EGR率操作運行，然而這影響了渦輪機和壓縮機流量和功率，進而影響增壓控制設計和 性能。通過采用基于物理模型的空氣充氣控制程序，基于模型的控制能夠調節(jié)空氣充氣致 動器以使變化的高壓/低壓EGR率對增壓系統(tǒng)的影響最小?；跍u輪增壓器能量平衡模 型，可以通過對于給定的氣缸內期望總EGR率使VGT位置適于不同的HP和LP EGR的組合， 來維持期望增壓。不同于采用查找表作為前饋控制而不考慮EGR操作和校準的增壓控制方 法，基于模型的控制消除了對于高壓和低壓EGR回路之間混合的任何變化的增壓控制的再 校準。這減少了增壓系統(tǒng)和多EGR回路之間的耦合/互動?；谀Ｐ偷那梆佋鰤嚎刂七€增 強了對于系統(tǒng)變化和諸如外界溫度和壓力等環(huán)境變化的可靠性，減少了反饋控制校準，并 且經(jīng)由基于模型的前饋控制改進了瞬時響應。
[0049] 根據(jù)圖2中所示的示例性發(fā)動機配置，系統(tǒng)空氣和EGR流的各種LP、HP和組合EGR 率可以由一系列關系式表示。長路徑EGR混合點是LP EGR流^^#經(jīng)過LP EGR閥148并 且當其經(jīng)過LP EGR節(jié)流閥132時與新鮮空氣流U昆合的點。長路徑EGR混合點處的低 壓EGR率可以由以下關系式表示。
[0050] 短路徑EGR混合點是HP EGR流Wegl^p經(jīng)過HP EGR閥140并且當其經(jīng)過進氣節(jié)流 閥136時與壓縮機流W?；旌系狞c。短路徑EGR混合點處的高壓EGR率r HP可以由以下關系 式表不。
[0051] 氣缸充氣流量Iyl中的氣缸內EGR率r可以由以下關系式表示。
[0052] 分離EGR率然后可以由以下關系式表示。
[0053] 當系統(tǒng)以穩(wěn)態(tài)運轉時，包括氣缸充氣流量Weyl、流出渦輪機46的流量W t、以及流入 壓縮機的流量W。在內的系統(tǒng)流量可以由以下關系式表示：
其中N是發(fā)動機速度， Vd是發(fā)動機排量體積， P1是進氣壓力， R是通用氣體常數(shù)， η v是發(fā)動機容積效率，以及 T1是進氣溫度；
流入壓縮機的流量Wc可以替代地由以下關系式表示。
[0054] 在穩(wěn)態(tài)下，系統(tǒng)中各個點處的已燃廢氣比例也可以與EGR率相關地表示。排氣口 處的已燃廢氣比例F x、低壓EGR混合點處的已燃廢氣比例Fmnilx、以及進氣口處的已燃廢氣 比例F1可以在動態(tài)狀態(tài)中由以下關系式表示。
[0055] 如果系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，則這些關系可以替代地由以下關系式表示。
[0056] 具體點處的已燃比例通常與氧氣濃度相關，并且具體點處的已燃比例與氧氣濃度 之間的關系可以由以下關系式表示。
[0057] 用于基于模型的非線性控制的示例性的系統(tǒng)模型可以根據(jù)以下關系式表示為非 線性微分方程。
[0058] 在如上所示的示例性系統(tǒng)模型中施加至輸入u的M頂0前饋控制可以由以下關系 式表不。
[0059] 如果y是來自系統(tǒng)的實際測得或估算參數(shù)，則項目
表示系統(tǒng)的反 饋線性化，或者如果y由用于追蹤的其期望參考命令替換，則其表示系統(tǒng)的前饋控制。前饋 控制器V可以采用比例積分微分（PID)、線性二次調節(jié)器（LQR)、或具有所需最小增益調度 的模型預測控制（MPC)反饋控制方法?？梢詫⒍嘧兞肯到y(tǒng)輸出矢量::；!解耦至線性SISO反 饋系統(tǒng)中，如由以下關系式表示。
[0060] 輸入矢量U是對系統(tǒng)模型中的輸入，其施加基于模型的多變量前饋控制以替換查 找表，并且另外施加反饋控制以改進針對非模型化不定性的追蹤。輸出矢量#隨后解耦至 線性SISO反饋矢量V中。
[0061] 由以下一組關系式表示根據(jù)如上所示的基本系統(tǒng)模型關系的包括如圖2中示意 地描繪的渦輪增壓器的示例性發(fā)動機配置的示例性的基于物理的空氣和充氣系統(tǒng)模型。
其中Pra是壓縮機增壓比， P。是壓縮機功率， ?1是渦輪機功率， W。是壓縮機流量， Tu。是壓縮機上游溫度， Puc是壓縮機上游壓力， V1是進氣體積， R是通用氣體常數(shù)， T1是進氣溫度， P1是進氣壓力， Hl1是進氣質量， mc是壓縮機之前的空氣質量(在低壓EGR混合點處)， ?1是進氣口處的已燃廢氣比例， F。是壓縮機之前的已燃廢氣比例(在低壓EGR固定點處)， 匕是排氣口處的已燃廢氣比例， t是時間，以及 τ是時間延遲。
[0062] 壓縮機之前的已燃廢氣比例F?？梢杂梢韵玛P系式表示。
[0063] 關系式[23]中表示的功率平衡僅是示例性的功率平衡表示，并且可以替代地由 任何以下關系式表示。
其中隊是渦輪增壓器軸速度， J是渦輪增壓器軸慣量， η "是渦輪增壓器軸處的機械效率，以及 Ptf是渦輪增壓器軸處的摩擦。
[0064] 可以對通過EGR系統(tǒng)的流量建模以基于許多已知輸入而估算流量。可以將通過 EGR系統(tǒng)的流量建模為通過節(jié)流孔的流量，其中節(jié)流孔主要包括對于具體設計的EGR閥或 節(jié)流孔或文氏管。根據(jù)一個示例性實施例，可以根據(jù)以下節(jié)流孔流量關系式對EGR流量W# 建模：
PR是在EGR系統(tǒng)的出口處的進氣系統(tǒng)中充入的空氣的進氣壓力或壓力P1、與在充氣系 統(tǒng)上游的EGR系統(tǒng)的入口處的排氣系統(tǒng)中的排氣壓力或壓力Px的增壓比或比例。T#可以 指示在EGR系統(tǒng)的入口處的排氣的溫度或排氣溫度。根據(jù)一個示例性實施例，可以作為 EGR冷卻器的出口溫度來測量。A#是EGR系統(tǒng)的有效流量面積。R是本領域已知的通用氣 體常數(shù)。臨界增壓比PR?？梢杂梢韵玛P系式表示。
[0065] γ是本領域已知的比熱比。如果PR大于PR。，則流是亞音速的。如果PR小于或 等于PRc，則流是扼流的。W(PR)是非線性函數(shù)并