CN106246367B - 用于在发动机启动时控制发动机的致动器以调整进气气流的系统和方法 - Google Patents

用于在发动机启动时控制发动机的致动器以调整进气气流的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种根据本发明原理的系统包括目标面积模块和节流阀致动器模块。所述目标面积模块在发动机正启动时基于所述发动机的进气歧管内的第一目标压力来确定所述发动机的节流阀的目标开口面积。所述节流阀致动器模块基于所述目标开口面积致动所述节流阀。

Description

用于在发动机启动时控制发动机的致动器以调整进气气流的 系统和方法
技术领域
本发明涉及内燃机，且更具体地说，涉及用于在发动机启动时控制发动机的致动器以调整进气气流的系统和方法。
背景技术
本文提供的背景描述旨在一般地呈现本发明的上下文。当前署名的发明人的著作就其在此背景部分所描述的以及在提交时可不另外被作为现有技术的多个方面的描述而言，既不明确地也不隐含地被认可为本发明的现有技术。
内燃机燃烧气缸内的空气和燃料混合物以驱动活塞，产生驱动转矩。进入发动机的空气流量经由节流阀来调节。更具体地说，节流阀调整节流阀面积，其增加或减小进入发动机的空气流量。当节流阀面积增大时，进入发动机的空气流量增加。燃料控制系统调整燃料喷射的速度以向气缸提供期望的空气/燃料混合物和/或以实现期望的转矩输出。增加提供至气缸的空气和燃料的量便增加发动机的转矩输出。
在火花点火式发动机中，火花启动了提供至气缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压缩点火式发动机中，气缸中的压缩使提供至气缸的空气/燃料混合物燃烧。火花正时和空气流量可能是用于调整火花点火式发动机的转矩输出的主要机制，而燃料流量可能是用于调整压缩点火式发动机的转矩输出的主要机制。
已经开发出发动机控制系统，以控制发动机输出转矩来实现期望的转矩。然而，传统的发动机控制系统不像所期望的那样精确地控制发动机输出转矩。另外，传统发动机控制系统不提供控制信号的快速响应或不协调影响发动机输出转矩的各个装置之间的发动机转矩控制。
发明内容
一种根据本发明原理的系统包括目标面积模块和节流阀致动器模块。目标面积模块在发动机正在启动时基于发动机的进气歧管内的第一目标压力来确定发动机的节流阀的目标开口面积。节流阀致动器模块基于目标开口面积致动节流阀。
本发明的其它应用领域从具体实施方式、权利要求书和附图说明中将变得显而易见。具体实施方式以及特定示例仅仅是用于示例目的，而不是为了限定本发明的范畴。
附图说明
本发明从具体实施方式和附图中将变得更易理解，其中：
图1是根据本发明的实例发动机系统的功能框图；
图2是根据本发明的实例发动机控制系统的功能框图；
图3是根据本发明的实例空气控制模块的功能框图；
图4是根据本发明的实例面积模块的功能框图；
图5是描绘使用根据本发明的模型预测控制来控制节流阀、进气阀和排气阀定相、废气门以及排气再循环(EGR)阀的实例方法的流程图；
图6是描绘根据本发明的在发动机启动期间控制致动器以调整进气气流的实例方法的流程图；及
图7是说明根据本发明的发动机启动期间的实例控制信号和实例传感器信号的图。
在附图中，可重复使用参考标记以识别类似和/或相同元件。
具体实施方式
发动机控制模块(ECM)控制发动机的转矩输出。更具体地说，ECM分别基于目标值控制发动机的致动器，所述目标值基于所请求的转矩量。例如，ECM基于目标进气和排气相位器角控制进气和排气凸轮轴定相、基于目标节流阀开口控制节流阀、基于目标EGR开口控制排气再循环(EGR)阀，以及基于目标废气门开口或位置控制涡轮增压器的废气门。
ECM可使用多个单输入单输出(SISO)控制器(例如，比例积分微分(PID)控制器)来单独地确定目标值。然而，当使用多个SISO控制器时，以可能燃料消耗量减少为代价，可设定目标值以保持系统的稳定性。另外，单个SISO控制器的校准和设计可能成本昂贵并且耗时。
本发明的ECM使用模型预测控制(MPC)模块来产生目标值。MPC模块基于例如转矩请求来识别多组可能目标值，且选择可能目标值的集合中的具有最低成本的一集合。MPC模块将目标值设定为所选集合中的一集合的相应的可能目标值。
根据本发明，由MPC模块产生的目标值包括跨节流阀的目标压力比。更具体地说，MPC模块确定包括可能进气和排气相位器角、跨节流阀的可能目标压力比、可能目标EGR阀开口和可能目标废气门开口的可能目标值的集合。MPC模块选择可能目标值的这些组中的一组，且在某些条件下将跨节流阀的目标压力比设定为集合中的所选择集合的可能目标压力比。ECM接着将目标压力比转换为目标节流阀开口。MPC模块还分别将目标进气相位器角、目标排气相位器角、目标废气门开口和目标EGR阀开口分别设定为集合中的所选择集合的可能目标进气相位器角、可能目标排气相位器角、可能目标废气门开口和可能目标EGR阀开口。
如上所述，MPC模块可基于转矩请求识别可能值的集合。然而，在发动机启动期间，基于转矩请求控制发动机可能并非所期望的，因为燃烧尚未建立或稳定且由发动机输出的转矩难以确定。因此，当启动发动机时，一些ECM基于校准值以开环方式控制发动机的致动器。举例来说，在发动机启动期间，一些ECM可基于节流阀位置的校准值控制节流阀。ECM接着可在发动机启动之后转变为基于期望转矩控制发动机。产生校准值需要时间和精力，且从开环控制到基于转矩的控制的转变可使发动机转速产生突变。
根据本发明的ECM通过在发动机启动时基于发动机的进气歧管中的目标压力控制发动机的致动器来减小校准时间。在一个实例中，在发动机启动时，ECM基于目标进气歧管压力确定发动机的节流阀两端的第一目标压力比，且基于目标压力比控制节流阀。ECM还使用MPC确定节流阀两端的第二目标压力比。接着，在发动机启动之后的转变时段期间，ECM基于第一目标压力比和第二目标压力比中的无论哪个具有较大值均控制气流致动器。因此，如果驾驶员在转变时段期间踩下加速器踏板，那么ECM响应于加速请求。
当转变时段结束时，ECM可初始化用于识别可能值的集合的转矩请求来避免发动机转速突变。在一个实例中，ECM使用MPC基于第一目标压力比预测发动机的转矩输出，且将转矩请求设定为等于发动机的预测转矩输出。ECM接着可按照预定速率调整初始化后的转矩请求以逐渐地减小转矩请求的未初始化值与初始化后的转矩请求之间的差。
现在参考图1，呈现实例发动机系统100的功能框图。发动机系统100包括发动机102，所述发动机102燃烧空气/燃料混合物以基于来自于驾驶员输入模块104的驾驶员输入为车辆产生驱动转矩。发动机102可为汽油火花点火式内燃机。
空气通过节流阀112吸入到进气歧管110中。仅举例来说，节流阀112可包括具有可旋转叶片的蝶形阀。发动机控制模块(ECM)114控制节流阀致动器模块116，所述节流阀致动器模块116调节节流阀112的开口以控制被吸入到进气歧管110中的空气的量。
来自于进气歧管110的空气被吸入到发动机102的气缸中。虽然发动机102可包括多个气缸，但出于说明目的，示出单一代表性气缸118。仅举例来说，发动机102可包括2个、3个、4个、5个、6个、8个、10个和/或12个气缸。ECM 114可指示气缸致动器模块120选择性地停用某些气缸，这可在某些发动机操作条件下改善燃料经济性。
发动机102可使用四冲程循环进行操作。下文所描述的四个冲程可称为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴(图中未示出)的每个回转期间，四个冲程中的两个发生在气缸118内。因此，两个曲轴回转对于气缸118体验所有四个冲程来说是必要的。
在进气冲程期间，来自于进气歧管110的空气通过进气阀122吸入到气缸118中。ECM 114控制燃料致动器模块124，所述燃料致动器模块124调节燃料喷射以实现目标空气/燃料比。燃料可在中心位置处或多个位置处(例如每个气缸的进气阀122附近)喷射到进气歧管110中。在各种实施方案(图中未示出)中，燃料可被直接喷射到气缸中或被喷射到与气缸相关联的混合室中。燃料致动器模块124可停止向已停用的气缸喷射燃料。
所喷射的燃料与空气混合且在气缸118内产生空气/燃料混合物。在压缩冲程期间，气缸118内的活塞(图中未示出)压缩空气/燃料混合物。火花致动器模块126基于来自于ECM 114的信号使气缸118中的火花塞128通电，从而点燃空气/燃料混合物。火花的正时可相对于活塞处于其最顶部位置(称为上止点(TDC))的时间而指定。
火花致动器模块126可由指定在TDC之前或之后还有多久产生火花的定时信号来控制。由于活塞位置与曲轴旋转直接地相关，因此，火花致动器模块126的操作可与曲轴角同步。产生火花可称为点火事件。火花致动器模块126可具有改变每次点火事件的火花的定时的能力。火花致动器模块126可在火花定时于上一点火事件与下一点火事件之间变化时，改变下一点火事件的火花定时。火花致动器模块126可停止向失活汽缸提供火花。
在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞远离TDC，从而驱动曲轴。燃烧冲程可定义为活塞到达TDC之间的时间和活塞到达下止点(BDC)的时间。在排气冲程期间，活塞开始远离BDC移动且通过排气阀130排出燃烧的副产物。燃烧的副产物经由排气系统134从车辆中排出。
进气阀122可由进气凸轮轴140控制，而排气阀130可由排气凸轮轴142控制。在各种实施方案中，多个进气凸轮轴(包括进气凸轮轴140)可控制气缸118的多个进气阀(包括进气阀122)和/或可控制多组气缸(包括气缸118)的进气阀(包括进气阀122)。类似地，多个排气凸轮轴(包括排气凸轮轴142)可控制气缸118的多个排气阀和/或可控制多组气缸(包括气缸118)的排气阀(包括排气阀130)。在各种其它实施方案中，进气阀122和/或排气阀130可由除了凸轮轴以外的装置控制，例如无凸轮式阀致动器。气缸致动器模块120可通过禁止打开进气阀122和/或排气阀130来停用气缸118。
进气阀122打开的时间可由进气凸轮相位器148相对于活塞TDC进行改变。排气阀130打开的时间可由排气凸轮相位器150相对于活塞TDC进行改变。相位器致动器模块158可基于来自ECM 114的信号控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。在实施时，可变阀门升程(图中未示出)还可由相位器致动器模块158控制。
发动机系统100可包括涡轮增压器，所述涡轮增压器包括热涡轮160-1，热涡轮160-1由流经排气系统134的热排放气体提供动力。涡轮增压器还包括由涡轮160-1驱动的冷空气压缩机160-2。压缩机160-2对通向节流阀122中的空气进行压缩。在各种实施方案中，由曲轴驱动的增压器(图中未示出)可对来自节流阀112的空气进行压缩且将经过压缩的空气输送至进气歧管110。
废气门162可允许排气绕过涡轮160-1，从而降低由涡轮增压器提供的增压(进气压缩量)。增压致动器模块164可通过控制废气门162的打开来控制涡轮增压器的增压。在各种实施方案中，两个或多个涡轮增压器可被实施，且可由增压致动器模块164控制。
空气冷却器(图中未示出)可将热量从压缩空气充入转移至冷却介质，例如，发动机冷却剂或空气。使用发动机冷却剂对压缩空气充入进行冷却的空气冷却器可称为中间冷却器。使用空气对压缩空气充入进行冷却的空气冷却器可称为增压空气冷却器。压缩空气充入可例如经由压缩和/或从排气系统134的组件接收热量。尽管出于说明的目的分开地示出，但是，涡轮160-1和压缩机160-2可彼此附接，从而将进入空气放置于热排气附近。
发动机系统100可包括排气再循环(EGR)阀170，EGR阀170将排气选择性地重新定向回进气歧管110。EGR阀170可位于涡轮增压器的涡轮160-1的上游。EGR阀170可基于来自ECM 114的信号由EGR致动器模块172控制。
曲轴的位置可使用曲轴位置(CKP)传感器180进行测量。曲轴的旋转速度(发动机转速)可基于曲轴位置进行确定。发动机冷却剂的温度可使用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182进行测量。ECT传感器182可位于发动机102内或者位于冷却剂循环的其它位置处，例如散热器(图中未示出)处。
进气歧管110内的压力可使用歧管绝对压力(MAP)传感器184进行测量。在各种实施方案中，可测量发动机真空，其为环境空气压力与进气歧管110内的压力之间的差。流入进气歧管110中的空气的质量流率可使用质量空气流率(MAF)传感器186进行测量。在各种实施方案中，MAF传感器186可位于还包括节流阀112的壳体中。
节流阀致动器模块116可使用一个或多个节流阀位置传感器(TPS)190来监测节流阀112的位置。输入至节流阀112的空气的压力可使用节流阀入口空气压力(TIAP)传感器191来测量。吸入发动机102中的空气的环境温度可使用进入空气温度(IAT)传感器192进行测量。发动机系统100还可包括一个或多个其它传感器193，例如环境压力传感器、发动机油温传感器、一个或多个爆振传感器、压缩机出口压力传感器和/或节流阀入口压力传感器。ECM 114可使用来自传感器的信号来为发动机系统100制定控制决策。
ECM 114可与变速箱控制模块194通信以协调变速箱(图中未示出)中的换档齿轮。举例来说，ECM 114可减小齿轮换档期间的发动机转矩。ECM 114可与混合控制模块196通信以协调发动机102和电动机198的操作。电动机198还可用作发电机，且可用于产生供车辆电气系统使用和/或存储在电池中的电能。在各种实施方案中，ECM 114、变速箱控制模块194和混合控制模块196的各种功能可集成到一个或多个模块中。
改变发动机参数的每个系统可称为发动机致动器。举例来说，节流阀致动器模块116可调整节流阀112的开口以获得目标节流阀开口面积。火花致动器模块126控制火花塞以获得相对于活塞TDC的目标火花正时。燃料致动器模块124控制燃料喷射器以获得目标燃料参数。相位器致动器模块158可控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以分别获得目标进气凸轮相位器角和目标排气凸轮相位器角。EGR致动器模块172可控制EGR阀170以获得目标EGR开口面积。增压致动器模块164控制废气门162以获得目标废气门开口面积。气缸致动器模块120控制气缸停用以获得目标数量的激活或停用的气缸。
ECM 114产生发动机致动器的目标值以使发动机102产生目标发动机输出转矩。ECM 114使用模型预测控制产生发动机致动器的目标值，如下文进一步所论述。
现在参考图2，呈现实例发动机控制系统的功能框图。ECM 114的实例实施方案包括驱动器转矩模块202、车轴转矩仲裁模块204和推进转矩仲裁模块206。ECM 114可包括混合优化模块208。ECM 114还包括速度控制模块210、速度轨迹模块212、储备/负载模块220、、空气控制模块228、火花控制模块232、气缸控制模块236和燃料控制模块240。
驱动器转矩模块202可基于来自于驱动器输入模块104的驱动器输入255确定驱动器转矩请求254。驱动器输入255可基于(例如)加速器踏板的位置和制动器踏板的位置。驱动器输入255还可基于巡航控制，所述巡航控制可为改变车速以维持预定行车间距的自适应巡航控制系统。驱动器转矩模块202可存储加速器踏板位置到目标转矩的一个或多个映射且可基于所述映射中的所选择一个映射确定驱动器转矩请求254。驱动器转矩模块202还可将一个或多个滤波器应用于驱动器转矩请求254中的速度限制变化。
车轴转矩仲裁模块204在驱动器转矩请求254与其它车轴转矩请求256之间作出仲裁。车轴转矩(车轮处的转矩)可由包括发动机和/或电动机的各种来源产生。举例来说，车轴转矩请求256可包括检测到正车轮滑移时由牵引力控制系统请求的转矩减小。当车轴转矩克服车轮与路面之间的摩擦力时发生正车轮滑移，且车轮开始抵着路面滑移。车轴转矩请求256还可包括转矩增大请求以抵消负车轮滑移，其中车辆的轮胎因为车轴转矩为负而在另一方向上相对于路面滑移。
车轴转矩请求256还可包括制动器管理请求和车辆超速转矩请求。制动器管理请求可减小车轴转矩以确保车轴转矩不会超过制动器的能力以在车辆停止时固定车辆。车辆超速转矩请求可包括车轴转矩以防止车辆超过预定速度。车轴转矩请求256还可由车辆稳定性控制系统产生。
车轴转矩仲裁模块204基于在所接收的转矩请求254与256之间仲裁的结果输出预测转矩请求257和即时转矩请求258。如下所描述，来自于车轴转矩仲裁模块204的预测转矩请求257和即时转矩请求258可在ECM 114用于控制发动机致动器之前由ECM 114的其它模块选择性地调整。
一般地说，即时转矩请求258可为当前预期车轴转矩的量，而预测转矩请求257可为可能短时间内需要的车轴转矩的量。ECM 114控制发动机系统100以产生等于即时转矩请求258的车轴转矩。然而，目标值的不同组合可产生相同的车轴转矩。ECM 114可因此调整目标值以使得更快地转变为预测转矩请求257，同时仍将车轴转矩维持在即时转矩请求258处。
在各个实施方案中，预测转矩请求257可基于驱动器转矩请求254设定。即时转矩请求258在某些情况下(例如当驱动器转矩请求254导致车轮在结冰表面上滑移时)可设定为小于预测转矩请求257。在这种情况下，牵引力控制系统(图中未示出)可经由即时转矩请求258请求减小，且ECM 114减小到即时转矩请求258的发动机转矩输出。然而，ECM 114执行减小，因此一旦车轮滑移停止，发动机系统100可快速地恢复产生预测转矩请求257。
一般地说，即时转矩请求258与(通常更高的)预测转矩请求257之间的差可称为快速转矩储备。快速转矩储备可表示发动机系统100可以最小的延迟例如通过调整火花正时来开始产生的额外转矩(大于即时转矩请求258)的量。快速发动机致动器用于以最小的延迟增大或减小当前车轴转矩。快速发动机致动器定义为与慢速发动机致动器相反。
一般地说，与慢速发动机致动器相比，快速发动机致动器可更快地改变车轴转矩。与快速致动器相比，慢速致动器对其各自目标值的改变的响应要更加慢。举例来说，慢速致动器可包括机械组件，所述机械组件响应于目标值的改变而需要时间来从一个位置移动至另一个位置。慢速致动器的特征还可在于，一旦慢速致动器开始实施所改变的目标值，由车轴转矩开始改变所需的时间量。通常，此时间量对于慢速致动器比对于快速致动器将更加长。另外，就慢速致动器而言，即便在开始改变之后，车轴转矩仍然可能需要较长的时间来对改变作出完全的响应。
仅举例来说，火花致动器模块126可为快速致动器。火花点火式发动机可通过应用火花来燃烧燃料，包括，例如，汽油和乙醇。通过对比，节流阀致动器模块116可为慢速致动器。
举例来说，如上文所描述，火花致动器模块126可在火花正时于上一点火事件与下一点火事件之间改变时，改变下一点火事件的火花正时。通过对比，节流阀开口的改变需要较长的时间去影响发动机输出转矩。节流阀致动器模块116通过调整节流阀112的叶片的角来改变节流阀开口。因此，当节流阀112的开口的目标值发生改变时，由于节流阀112响应于改变而从先前位置移动至新位置上，因此存在机械性延迟。此外，基于节流阀开口的气流改变受制于进气歧管110中的空气传输延迟。另外，在气缸118于下一进气冲程中接收到额外空气，对其额外空气进行压缩并开始燃烧冲程之前，进气歧管110中增加的气流不被实现为发动机输出转矩的增大。
以这些致动器为实例，快速转矩储备可通过将节流阀开口设定为可允许发动机102生成预测转矩请求257的值来产生。同时，火花正时可基于小于预测转矩请求257的即时转矩请求258进行设定。虽然节流阀开口为发动机102生成预测转矩请求257产生了足够的气流，但是火花正时基于即时转矩请求258延迟(其减小转矩)。因此，发动机输出转矩将等于即时转矩请求258。
在需要额外的转矩时，火花正时可基于预测转矩请求257或预测转矩请求257和即时转矩请求258之间的转矩进行设定。通过以下点火事件，火花致动器模块126可将火花正时恢复至最佳值，这允许发动机102产生可通过已存在的气流获得的全发动机输出转矩。因此，发动机输出转矩可快速增大至预测转矩请求257，而不会经历节流阀开口改变所引起的延迟。
车轴转矩仲裁模块204可将预测转矩请求257和即时转矩请求258输出至推进转矩仲裁模块206。在各种实施方案中，车轴转矩仲裁模块204将预测转矩请求257和即时转矩请求258输出至混合优化模块208。
混合优化模块208可确定应由发动机102产生的转矩的大小，以及应由电动机198产生的转矩的大小。随后，混合优化模块208将修改过的预测转矩请求259和即时转矩请求260分别输出至推进转矩仲裁模块206。在各种实施方案中，混合优化模块208可在混合控制模块196中实施。
由推进转矩仲裁模块206接收到的预测转矩请求和即时转矩请求从车轴转矩域(车轮处的转矩)转化至推进转矩域(曲轴处的转矩)中。此转化的发生可在混合优化模块208之前、之后、作为其一部分，或可取代其。
推进转矩仲裁模块206在推进转矩请求290(包括转化的预测转矩请求和即时转矩请求)之间进行仲裁。推进转矩仲裁模块206生成仲裁预测转矩请求261和仲裁即时转矩请求262。仲裁转矩请求261和262可通过从接收到的转矩请求中选择获胜的请求来生成。替代地或另外，仲裁转矩请求可通过基于接收到的请求中的另一个或多个修改接收到的请求中的一个来生成。
举例来说，推进转矩请求290可包括用于发动机超速保护的转矩减小、用于失速防止的转矩增大和由变速箱控制模块194请求以适应齿轮换档的转矩减小。推进转矩请求290还可因离合器燃料切断而生成，其在驾驶员按下手动变速箱车辆中的离合器踏板时减小发动机输出转矩，以防止发动机转速突然暴增。
推进转矩请求290还可包括发动机关闭请求，所述发动机关闭请求在检测到严重故障时可启动。仅举例来说，严重故障可包括车辆盗窃检测、启动器马达阻塞、电子节流阀控制问题和意料不到的转矩增大。在各种实施方案中，当发动机关闭请求存在时，仲裁选择发动机关闭请求来作为获胜的请求。当发动机关闭请求存在时，推进转矩仲裁模块206可输出零来作为仲裁转矩请求261和262。
在各种实施方案中，发动机关闭请求可仅仅独立于仲裁过程关闭发动机102。推进转矩仲裁模块206仍然可接收发动机关闭请求使得(例如)适当数据可反馈到其它转矩请求器。例如，所有其它转矩请求器可被告知它们输掉了仲裁。
速度控制模块210还可将预测和直接转矩请求输出至推进转矩仲裁模块206。当ECM 114处于速度模式中时，来自于速度控制模块210的转矩请求可在仲裁中获胜。当驾驶员的脚没有压下加速器踏板时(例如当车辆空转或利用较高速度滑行时)可选择速度模式。替代地或另外，当来自于车轴转矩仲裁模块204的预测转矩请求小于预定转矩值时可选择速度模式。
速度控制模块210从速度轨迹模块212接收期望发动机转速，且控制预测和直接转矩请求以减小期望发动机转速与当前发动机转速之间的差。仅举例来说，速度轨迹模块212可针对车辆滑行而输出线性降低期望发动机转速直到达到控制速度为止。速度轨迹模块212接着可继续输出空转速度作为期望发动机转速。
储备/负载模块220接收仲裁后的转矩请求261和262。储备/负载模块220可调整仲裁后的转矩请求261和262以创建快速转矩储备和/或补偿一个或多个负载。储备/负载模块220接着将调整后的预测转矩请求263和直接转矩请求264输出至转矩请求模块224。
仅举例来说，催化剂点火过程或冷启动排放物减少过程可需要延迟的火花正时。储备/负载模块220因此可将调整后的预测转矩请求263增大到调整后的直接转矩请求264之上以为冷启动排放物减小过程产生延迟的火花。在另一实例中，可例如通过诊断侵入等效比测试和/或新发动机清洗直接改变发动机的空气/燃料比和/或质量气流。在开始这些过程之前，可创建或增加快速转矩储备以快速地偏移起因于这些过程期间的空气/燃料混合物变稀薄的发动机输出转矩降低。
储备/负载模块220还可创建或增大预期未来负载的快速转矩储备，例如空气调整(A/C)压缩机离合器的动力转向泵操作或接合。当驾驶员首先请求空气调整时可创建用于A/C压缩机离合器的接合的储备。储备/负载模块220可增大调整后的预测转矩请求263，同时使调整后的直接转矩请求264保持不变以产生转矩储备。接着，当A/C压缩机离合器接合时，储备/负载模块220可通过A/C压缩机离合器的估计负载增大调整后的直接转矩请求264。
转矩请求模块224接收调整后的预测转矩请求263和调整后的直接转矩请求264。转矩请求模块224确定将如何实现调整后的预测转矩请求263和调整后的直接转矩请求264。转矩请求模块224可为发动机类型所特有的。举例来说，对于火花点火式发动机与压缩点燃发动机，转矩请求模块224可采用不同方式实施或使用不同控制方案。
在各种实施方案中，转矩请求模块224可界定所有发动机类型共有的模块与发动机类型所特有的模块之间的边界。举例来说，发动机类型可包括火花点火式和压缩点火式。转矩请求模块224之前的模块(例如推进转矩仲裁模块206)可为发动机类型所共有，而转矩请求模块224和后续模块可为发动机类型所特有。
转矩请求模块224基于调整后的预测转矩请求263和调整后的直接转矩请求264确定空气转矩请求265。空气转矩请求265可为制动转矩。制动转矩可指代在当前操作条件下曲轴处的转矩。
用于气流控制发动机致动器的目标值基于空气转矩请求265而确定。更具体地说，基于空气转矩请求265，空气控制模块228确定目标废气门开口面积266、目标节流阀开口面积267、目标EGR开口面积268、目标进气凸轮相位器角269和目标排气凸轮相位器角270。空气控制模块228使用模型预测控制确定目标废气门开口面积266、目标节流阀开口面积267、目标EGR开口面积268、目标进气凸轮相位器角269和目标排气凸轮相位器角270，如下文进一步所论述。
增压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门开口面积266。例如，第一转换模块272可将目标废气门开口面积266转换为将应用于废气门162的目标占空比274，且增压致动器模块164可基于目标占空比274将信号应用于废气门162。在各种实施方案中，第一转换模块272可将目标废气门开口面积266转换为目标废气门位置(图中未示出)，且将目标废气门位置转换为目标占空比274。
节流阀致动器模块116控制节流阀112以实现目标节流阀开口面积267。举例来说，第二转换模块276可将目标节流阀开口面积267转换为将应用于节流阀112的目标占空比278，且节流阀致动器模块116可基于目标占空比278将信号应用于节流阀112。在各种实施方案中，第二转换模块276可将目标节流阀开口面积267转换为目标节流阀位置(图中未示出)，且将目标节流阀位置转换为目标占空比278。
EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR开口面积268。举例来说，第三转换模块280可将目标EGR开口面积268转换为将应用于EGR阀170的目标占空比282，且EGR致动器模块172可基于目标占空比282将信号应用于EGR阀170。在各种实施方案中，第三转换模块280可将目标EGR开口面积268转换为目标EGR位置(图中未示出)，且将目标EGR位置转换为目标占空比282。
相位器致动器模块158控制进气凸轮相位器148以实现目标进气凸轮相位器角269。相位器致动器模块158还控制排气凸轮相位器150以实现目标排气凸轮相位器角270。在各种实施方案中，还可包括第四转换器模块(图中未示出)，且其可将目标进气和排气凸轮相位器角分别转换为目标进气和排气占空比。相位器致动器模块158可将目标进气和排气占空比分别应用于进气和排气凸轮相位器148和150。在各种实施方案中，空气控制模块228可确定目标重叠因子和目标有效排量，并且相位器致动器模块158可控制进气凸轮相位器148和和排气凸轮相位器150以实现目标重叠因子以及目标有效排量。
转矩请求模块224还可基于调整后的预测转矩请求263和即时转矩请求264产生火花转矩请求283，气缸关闭转矩请求284和燃料转矩请求285。火花控制模块232可基于火花转矩请求283确定从最优火花正时延迟多少火花正时(其减小发动机输出转矩)。仅举例来说，可反演转矩关系以求解目标火花正时286。对于给定的转矩请求(TReq)，目标火花正时(ST)286可基于以下公式确定：
ST＝f-1(TReq，APC，I，E，AF，OT，#)，
其中APC是每气缸空气，I是进气阀定相值，E是排气阀定相值，AF是空气/燃料比，OT是油温，以及#是激活油缸的数量。此关系可体现为等式和/或查找表。空气/燃料比(AF)可为如由燃料控制模块240报告的实际空气/燃料比。
当将火花正时设定为最优火花正时时，所产生的转矩可尽可能接近最大转矩的最小点火提前(MBT火花正时)。最佳转矩是指，当使用具有大于预定辛烷值的辛烷值的燃料并使用化学计量加燃料方式时，火花正时提前时为给定的气流产生的最大发动机输出转矩。最佳转矩发生的火花正时称为MBT火花正时。由于，例如，燃料质量(例如当使用较低辛烷值时)以及环境湿度和温度等环境因素，最优点火正时可与MBT火花正时有稍许不同。因此，在最优火花正时时的发动机输出转矩可小于MBT。仅举例来说，可于车辆设计的校准阶段期间确定与不同发动机运行条件对应的最优火花正时表，且基于当前发动机操作条件从所述表确定最优值。
气缸关闭转矩请求284可由气缸控制模块236用于确定待停用气缸的目标数量287。在各种实施方案中，可使用待激活气缸的目标数量。气缸致动器模块12基于目标数量287选择性地激活及停用气缸的阀门。
气缸控制模块236还可命令燃料控制模块240停止提供燃料给停用的气缸且可命令火花控制模块232停止提供火花给停用的气缸。一旦已存在于气缸中的空气/燃料混合物已经燃烧，火花控制模块232可停止提供火花给气缸。
燃料控制模块240可基于燃料转矩请求285改变提供到每个气缸的燃料的量。更具体地，燃料控制模块240可基于燃料转矩请求285产生目标加燃料参数288。目标加燃料参数288可包括(例如)燃料的目标质量、目标喷射开始定时以及燃料喷射的目标数量。
在正常操作期间，燃料控制模块240可在空气引导模式下操作，在所述模式中，燃料控制模块240试图基于气流通过控制加燃料来维持化学计量空气/燃料比。举例来说，燃料控制模块240可确定当与每缸空气(APC)的当前质量相结合时可产生化学计量燃烧的目标燃料质量。
图3是空气控制模块228的实例实施方案的功能框图。现在参考图2和3，如上文所讨论，空气转矩请求265可为制动转矩。转矩转换模块302将空气转矩请求265从制动转矩转换为基础转矩。由空气转矩请求265转换成基础转矩而产生的转矩请求将称为基础空气转矩请求304。
基础转矩可指，当发动机102发热且例如交流发电机和A/C压缩机等附件没有强加转矩负载到发动机102上时，在发动机102运行期间测力计上显示的曲轴处的转矩。转矩转换模块302可(例如)使用使制动转矩和基础转矩相关的映射或函数将空气转矩请求265转换为基础空气转矩请求304。在各种实施方案中，转矩转换模块302可将空气转矩请求265转换为另一适当类型的转矩，例如指示转矩。指示转矩可指可经由气缸内燃烧所产生的功而引起的曲轴处的转矩。
目标压力比模块306确定穿过节流阀112的第一目标压力比308。当发动机102起动时，空气控制模块228可基于第一目标压力比308且不依赖于基础空气转矩要求304确定目标节流阀开口面积267。目标压力比模块306基于第一目标MAP 310和和节流阀进气压力(TIAP)312确定第一目标压力比308。目标压力比模块306使用使第一目标MAP 310和TIAP312与第一目标压力比308相关的函数或映射确定第一目标压力比308。举例来说，目标压力比模块306可使用以下等式确定第一目标压力比308：
TPR＝目标MAP/TIAP，
其中TPR是第一目标压力比308，目标MAP是第一目标MAP 310，且TIAP是TIAP 312。可使用TIAP传感器191测量TIAP 312。在第一目标压力比308以百分比表示的实施方案中，上述等式的结果可乘以100。
目标MAP模块313确定所述第一目标MAP310。举例来说，第一目标MAP 310可通过(例如)在试图启动发动机102期间测量实际MAP且将第一目标MAP 310设定为等于在成功启动发动机102期间测量到的实际MAP来预定。另外或替代地，目标MAP模块313可基于大气压力和发动机冷却剂温度来确定所述第一目标MAP 310。在一个实例中，目标MAP模块313可基于大气压力和发动机冷却剂温度调整第一目标MAP 310的预定值，以补偿例如发动机摩擦和泵送损失等因素。可使用传感器193中的一个测量大气压力。可使用ECT传感器193测量发动机冷却剂温度。
MPC模块314使用MPC(模型预测控制)产生目标值266和268至270，以及第二目标压力比320。MPC模块314可为单个模块或可包含多个模块。举例来说，MPC模块314可包括序列确定模块316。
这些序列确定模块316确定可能目标值序列，所述目标值在N个未来控制回路期间一起使用。由序列确定模块316识别的可能序列中的每一者包括N个目标值的一个序列。更具体地说，每一可能序列包括目标废气门开口面积266的N个值的一个序列、节流阀112的第二目标压力比320的N个值的一个序列、目标EGR开口面积268的N个值的一个序列、目标进气凸轮相位器角269的N个值的一个序列，以及目标排气凸轮相位器角270的N个值的一个序列。N个值中的每一者用于N个未来控制回路中相应的一者。N是大于等于一的整数。节流阀112的压力比是指节流阀112输出侧的压力与节流阀112输入侧的压力的比。MAP可用作节流阀112输出侧的压力，TIAP可用作节流阀112输入侧的压力，且压力比可由商式(例如MAP/TIAP)表示。
预测模块323基于发动机102的数学模型324、外部输入328和反馈输入330确定发动机102分别对可能的目标值序列的预测响应。更具体地说，基于可能的目标值序列、外部输入328和反馈输入330，使用模型324，预测模块323产生用于N个控制回路的发动机102的N个预测转矩的序列、用于N个控制回路的N个预测APC的序列、用于N个控制回路的外部稀释物的N个预测量的序列、用于N个控制回路的剩余稀释物的N个预测量的序列、用于N个控制回路的N个预测燃烧相位值的序列以及用于N个控制回路的N个预测燃烧质量值的序列。
当描述生成的预测转矩、预测APC、预测外部稀释物、预测剩余稀释物、预测燃烧相位和预测燃烧质量的实例时，预测参数可包括一个或多个其它预测发动机操作参数。举例来说，预测APC可用预测效率参数来代替，而效率参数是预测转矩除以预测APC。
模型324可包括(例如)基于发动机102的特性校准后的一个或多个函数或映射。稀释物可指前一个燃烧过程产生的，被捕集在用于燃烧的气缸内的废气量。外部稀释物可指经由EGR阀170给燃烧过程提供的废气。剩余稀释物可指残留气缸内的废气和/或在燃烧循环的排气冲程之后被推回气缸的废气。剩余稀释物还称为内部稀释物。
燃烧相位可指曲轴位置，其中预定量的喷射燃料在用于燃烧预定量的喷射燃料的汽缸内相对于预定曲轴位置燃烧。举例来说，燃烧相位可用相对于预定CA50的CA50来表示。CA50可指曲轴角(CA)，其中在汽缸内已经有50％的喷射燃料燃烧。预定CA50可对应于喷射燃料产生的功的最大值CA50，且在各种实施方案中可为TDC(上止点)后大约8.5度到大约10度。尽管燃烧相位将用CA50值来论述，但可使用表示燃烧相位的另一合适参数。另外，尽管燃烧质量将论述为指示平均有效压力(IMEP)值的变化系数(COV)，但可使用表示燃烧质量的另一合适参数。
外部输入328可包括不直接受节流阀112、EGR阀170、涡轮增压器、进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150影响的参数。举例来说，外部输入328可包括发动机转速、IAT和/或一个或多个其它参数。反馈输入330可包括例如发动机102的估计转矩输出、涡轮增压器的涡轮160-1下游的排气压力、IAT、发动机102的APC、估计剩余稀释物、估计外部稀释物和/或一个或多个其它合适参数。反馈输入330可使用传感器(例如，IAT)来测量和/或基于一个或多个其它参数来估计。
成本模块332基于针对可能序列和输出参考值356确定的预测参数来确定目标值的可能序列中的每一者的成本值。下文进一步论述实例成本确定。
选择模块344基于可能序列的成本分别选择目标值的可能序列中的一个。举例来说，在满足目标约束348和预测约束352的同时，选择模块344可选择具有最低成本的可能序列中的一个。在各种实施方案中，在满足目标约束348和预测约束352的同时，模块324可选择具有最低成本的可能序列中的一个。在各种实施方案中，预测约束352的满足可考虑成本确定。换句话说，成本模块332可进一步基于预测约束352来确定成本值。
选择模块344可将目标值266、268至270和320分别设定为所选择的可能序列的N个值中的第一者。换句话说，选择模块344可将目标废气门开口面积266设定为目标废气门开口面积266的N个值的序列中的N个值中的第一者，将节流阀112的第二目标压力比320设定为第二目标压力比320的N个值的序列中的N个值中的第一者，将目标EGR开口面积268设定为目标EGR开口面积268的N个值的序列中的N个值中的第一者，将目标进气凸轮相位器角269设定为目标进气凸轮相位器角269的N个值的序列中的N个值中的第一者，以及将目标排气凸轮相位器角270设定为目标排气凸轮相位器角270的N个值的序列中的N个值中的第一者。
在下一个控制回路中，MPC模块314识别可能序列，生成可能序列的预测参数，确定可能序列中的每一者的成本，选择可能序列中的一个，以及将目标值266、268至270和320分别设定为所选择的可能序列中的这些值中的第一者。此过程持续用于每个控制回路。
目标约束模块360(参见图2)设定目标值266、268至279和320中的每一者的目标约束348。换句话说，目标约束模块360设定第二目标压力比320的目标约束，目标EGR开口面积268的目标约束，目标废气门开口面积266的目标约束，目标进气凸轮相位器角269的目标约束和目标排气凸轮相位器角270的目标约束。
目标值266、268至270和320中的每一者的目标约束348可包括相关目标值的最大值和所述目标值的最小值。目标约束模块360可大致将目标约束348分别设定为第二目标压力比320、EGR阀170、废气门162、进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150的预定操作范围。然而，目标约束模块360可在一些情况下改变目标约束348中的一个或多个。
对于等二目标压力比320，最小值可对应于节流阀112的最大可能压力比。仅举例来说，当压力比以百分比(即，入口压力×100/出口压力)表示时，最大值可为大约99.7或另一合适值。第二目标压力比320的最大值可基于节流阀112的最大压力比来设定，以维持适当燃烧。第二目标压力比320的最大值可改变。目标约束模块360可使用函数或映射例如基于一个或多个发动机运行条件来确定目标压力比的最小值。
预测约束模块364(参见图2)设定发动机102的预测转矩输出、预测CA50、IMEP的预测COV、预测剩余稀释物和预测外部稀释物的预测约束352。预测值中的每一个值的预测约束352可包括相关预测参数的最大值和所述预测参数的最小值。举例来说，预测约束352可包括最小转矩、最大转矩、最小CA50和最大CA50、IMEP的最小COV和IMEP的最大COV、最小剩余稀释物和最大剩余稀释物，以及最小外部稀释物和最大外部稀释物。
预测约束模块364可大致地将预测约束352分别设定为相关参数的预定范围。然而，预测约束模块364可在一些情况下改变预测约束352中的一个或多个。
参考模块368(参见图2)分别产生目标值266、268至279和320的参考值356。参考值356包括目标值266、268至270和320中的每一个的参考值。换句话说，参考值356包括参考废气门开口面积、节流阀112的参考压力比、参考EGR开口面积、参考进气凸轮相位器角和参考排气凸轮相位器角。
参考模块368可例如基于空气转矩请求265和/或基础空气转矩请求304来确定参考值356。参考值356提供分别用于设定目标值266、268至270和320的参考。参考值356可用于确定可能序列的成本值，如下文进一步所论述。参考值356还可用于一个或多个其它原因，例如通过序列确定模块316确定可能序列。
为了确定节流阀112的参考压力比，参考模块368可首先基于空气转矩请求265或基础空气转矩请求304来确定参考APC，且然后基于参考APC来确定节流阀112的参考压力比。参考模块368可基于空气转矩请求265和/或基础空气转矩请求304使用以下关系来确定参考APC：
APC＝f-1(TA,RPM,S,I,E,AF,OT,#)，
其中APC为参考APC，ATR为空气转矩请求265或基础空气转矩请求304，I为进气阀定相值，E为排气阀定相值，AF为空气/燃料比，OT为油温，且#为激活油缸的数量。此关系可体现为等式和/或查找表。空气/燃料比(AF)可为实际空气/燃料比，如由燃料控制模块240所报告。参考模块368可基于参考APC使用查找表来确定节流阀112的参考压力比。
代替或者除了产生可能目标值的序列以及确定序列中的每一个的成本，MPC模块314可使用凸优化技术来识别具有最小成本的可能目标值的序列。举例来说，MPC模块314可使用二次程序(QP)解算器(例如丹齐格(Dantzig)QP解算器)来确定目标值266、268至270和320。在另一实例中，MPC模块314可产生目标值266、268至270和320的可能序列的成本值的表面，并基于成本值的斜率来识别具有最低值的可能目标值的序列。MPC模块314可随后测试可能目标值的序列以确定可能目标值的序列是否满足目标约束348。如果满足，则MPC模块314可将目标值266、268至270和320分别设定为所选择的可能序列的N个值中的第一者，如上文所论述。
如果不满足目标约束348，则MPC模块314选择具有次最低成本的可能目标值的另一序列，且测试满足目标约束348的可能目标值的序列。选择序列以及测试满足目标约束348的序列的过程可称为迭代。在每个控制回路期间可执行多次迭代。
MPC模块314执行迭代直至具有满足目标约束348的最低成本的序列被识别。以此方式，在满足目标约束348和预测约束352的同时，MPC模块314选择具有最低成本的可能目标值的序列。如果无法识别序列，则MPC模块314可指示没有解决方案。
成本模块332可基于预测转矩与转矩请求之间的关系；可能目标值与相应目标约束348之间的关系；预测参数和相应预测约束352之间的关系；以及可能目标值和相应参考值356之间的关系来确定目标值266、268至270和320的可能序列的成本。所述关系可经加权(例如)以控制关系中的每一者对成本的影响。
仅举例来说，成本模块332可基于或使用以下等式来确定目标值266、268至270和320的可能序列的成本：
受限于目标约束348和预测约束352。成本为目标值266、268至270和320的可能序列的成本，TPi为N个控制回路的第i个回路的发动机102的预测转矩，BATRi为N个控制回路的第i个回路的基础空气转矩请求，wT为与预测转矩和转矩请求之间的关系相关的加权值。BATR1为基础空气转矩请求304。在各种实施方案中，BATRBATR2–BATRN还可设定为基础空气转矩请求304，或者BATR2–BATRN还可基于N个控制回路的未来回路的未来发动机转矩请求来进一步设定。
ρ为与预测约束352的满足相关的加权值。∈为成本模块332可基于是否满足预测约束352来设定的变量。举例来说，当预测参数大于或小于对应最小或最大值(例如，至少达预定量)时成本模块332可增加∈。当满足所有预测约束352时，成本模块332可将∈设定为零。ρ可大于加权值wT和下文所论述的其它加权值(wPR、wWG、wEGR、wIP、wEP)，使得如果未满足预测约束352中的一个或多个，则确定用于可能序列的成本将较大。这可有助于防止其中未满足预测约束352中的一个或多个的可能序列的选择。
以上公式可例如扩展为：
再次受限于目标约束348和预测约束352。PTPRi是用于N个控制回路中的第i个的节流阀112的可能目标压力比，PRRef是节流阀112的参考压力比，且wPR是与可能目标压力比和参考压力比之间的关系相关的加权值。PTWGOi是用于N个控制回路中第i个的可能目标废气门开口，WGORef是参考废气门开口，且wWG是与可能目标废气门开口和参考废气门开口之间的关系相关的加权值。
PTWGOi是用于N个控制回路中的第i个的可能目标EGR开口，EGRRef是参考EGR开口，且wEGR是与可能目标EGR开口和参考EGR开口之间的关系相关的加权值。PTICi是用于N个控制回路中的第i个的可能目标进气凸轮相位器角，ICPRef是参考进气凸轮相位器角，且wIP是与可能进气凸轮相位器角和参考进气凸轮相位器角之间的关系相关的加权值。PTECi是用于N个控制回路中第i个的可能目标排气凸轮相位器角，ECPRef是参考排气凸轮相位器角，且wEP是与可能排气凸轮相位器角和参考排气凸轮相位器角之间的关系相关的加权值。
加权值wT可大于加权值wPR、wWG、wEGR、wIP和wEP。以此方式，预测发动机转矩和基础空气转矩请求之间的关系对成本有更大的影响，并因此影响如下文将进一步论述的可能序列中的一者的选择。成本随着预测发动机转矩和基础空气转矩请求之差的增加而增加，反之亦然。
加权值wPR、wWG、wEGR、wIP和wEP可小于其它所有加权值。以此方式，在稳态操作期间，目标值266、268至270和320可分别接近或等于参考值356。然而在瞬态操作期间，MPC模块314可调整目标值266、268至270和320远离参考值356以实现基础空气转矩请求304，同时满足目标约束348和预测约束352。
目标面积模块372(图3)基于节流阀112的第一目标压力比308和/或节流阀112的第二目标压力比320确定目标节流阀开口面积267。当发动机102起动时，目标面积模块372可基于第一目标压力比308确定目标节流阀开口面积267。此外，MPC模块314可调整目标值266和268至270，以便将进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150保持在固定位置，打开废气门162，且关闭EGR阀170。
在发动机102启动后的第一时段(例如0.5秒)，目标面积模块372可基于第一目标压力比308和第二目标压力比320中的任何一个具有较大值而确定目标节流阀开口面积267。当(例如)驾驶员踩下加速器踏板时，第二目标压力比320可大于所述第一目标压力比308。因此，在发动机102启动后的第一时段期间，目标面积模块372可基于第一目标压力比308确定目标节流阀开口面积267，除非驾驶员踩下加速器踏板。当驾驶员在发动机102启动后的第一时段期间踩下加速器踏板时，目标面积模块372可基于第二目标压力比320确定目标节流阀开口面积267。
目标面积模块372可基于发动机转速确定发动机102何时启动。举例来说，目标面积模块372可确定发动机转速大于预定转速时启动发动机102。预定转速可在400RPM(转每分钟)到600RPM的范围内。目标面积模块372可基于来自CKP传感器180的曲轴位置确定发动机转速。
当发动机102启动时，发动机102的转速可在降低(减小)为怠速前突然上升(增大)。发动机转速的此突然上升和下降可称为发动机爆发。目标面积模块372可在第一时段结束前调整第一时段的长度，以确保发动机转速在发动机爆发期间达到其最大值。为了实现此目的，目标面积模块372可基于发动机油温和/或大气压力确定第一时段的持续时间。为此，发动机102中的机械磨擦可与发动机油温和转矩输出成反比，且发动机102可与大气压力成正比。因此，在发动机启动期间发动机转速达到其最大值所需的时间可随着发动机油温下降和/或大气压力下降而增加。因此，所述目标面积模块372可在发动机油温下降和/或大气压力下降时延长第一时段的持续时间。相反地，在发动机启动期间发动机转速达到其最大值所需的时间可随着发动机油温上升和/或大气压力上升而减少。因此，目标面积模块372可在发动机油温上升和/或大气压力上升时缩短第一时段的持续时间。可使用传感器193中的一个测量发动机油温。发动机102开始起动前可使用MAP传感器184和/或TIAP传感器191测量大气压力。
当第一时段结束时，目标面积模块372可基于第一目标压力比308停止确定目标节流阀开口面积267且基于第二目标压力比确定目标节流阀开口面积267。如上文所论述，第一目标压力比308独立于基础空气转矩请求304而确定，且第二目标压力比320基于基础空气转矩请求304而确定。因此，当第一时段结束时，目标面积模块372可开始基于基础空气转矩请求304第一次确定目标节流阀开口面积267。
如果当第一时段结束时第一目标压力比308和第二目标压力比330显著不同，则以确定目标节流阀开口面积267的方式的转变可产生显著发动机爆发或急拉。为了防止此情况，当第一时段结束时，转矩初始化模块374可基于参考转矩376来初始化基础空气转矩请求304以产生初始化基础空气转矩请求378。尽管在图3单独示出，但参考转矩376可为从参考模块368(图2)发送到空气控制模块228的参考值356中的一个。参考模块368可使用用于基于空气转矩请求265和基础空气转矩请求308确定节流阀112的参考压力比的关系(的倒数)来基于第一目标压力比308确定参考转矩376。转矩初始化模块374可通过将基础空气转矩请求304设定为等于参考转矩376来初始化基础空气转矩请求304。转矩初始化模块374可随后以预定速度调整初始化基础空气转矩请求378以逐渐减小基础空气转矩请求304(的未初始化值)与初始化基础空气转矩请求378之间的差。
在各种实施方案中，转矩初始化模块376可驻留于速度控制模块210(图2)中，而不是空气控制模块228中。另外或替代地，转矩初始化模块376可初始化由速度控制模块210输出的预测和即时转矩，而不是初始化基础空气转矩请求304。转矩初始化模块376可随后以预定速度调整初始化预测和即时转矩请求以逐渐减小预测和即时转矩请求的未初始化值与初始化预测和即时转矩请求之间的差。预测和即时转矩请求的未初始化值可为基于所需发动机转速和当前发动机转速确定的预测的和即时转矩请求的值。转矩初始化模块376可以转矩初始化模块376初始化基础空气转矩请求304的方式来初始化由速度控制模块210输出的预测转矩请求。转矩初始化模块376可通过将即时转矩请求设定为等于当前转矩输出来初始化由速度控制模块210输出的即时转矩请求。转矩初始化模块376可基于命令的火花正时和当前APC使用用于基于火花转矩请求283来确定目标火花正时286的关系的倒数来确定当前转矩。
现参考图4，目标面积模块372的实例实施方案包括目标MAP模块404。目标MAP模块404选择节流阀112的第一目标压力比308和节流阀112的第二目标压力比320中的一者，且基于所选择的目标压力比来确定目标MAP 408。目标MAP模块404使用使所选择的目标压力比和TIAP 312与目标MAP 408相关的函数或映射来确定目标MAP 408。举例来说，目标MAP模块404可基于或使用以下等式来确定目标MAP 408：
目标MAP＝TPR×TIAP，
其中目标MAP为目标MAP408，TPR为所选择的节流阀112的目标压力比，且TIAP为TIAP 312。在所选择的目标压力比以百分比表示的实施方案中，以上等式的结果可除以100。
当发动机102起动时，目标MAP模块404可选择第一目标压力比308。当发动机转速大于零且小于或等于预定转速时，目标MAP模块404可确定发动机102正在起动。在发动机102启动后的第一时段，目标MAP模块404可选择第一目标压力比308和具有较大值的第二目标压力比320中的一者。
目标APC模块416基于目标MAP 408、目标进气凸轮相位器角269和目标排气凸轮相位器角270来确定每气缸空气(APC)420的目标质量。举例来说，目标APC模块416使用使目标MAP、目标进气凸轮相位器角和目标排气凸轮相位器角与目标APC相关的函数和映射中的一者来确定目标APC 420。
目标MAF模块424基于目标APC 420、发动机转速432和发动机102的激活气缸436的数量来确定进入到发动机102中的目标质量空气流率(MAF)428。激活气缸436的数量对应于激活的发动机102的气缸的数量。发动机转速432可基于使用CKP传感器180测量的曲轴位置来确定。目标MAF模块424使用使目标APC、发动机转速和激活气缸的数量与目标MAF相关的函数和映射中的一者来确定目标MAF 428。举例来说，目标MAP模块424可基于或使用以下等式来确定目标MAP 428：
其中，目标MAF为目标MAF 428，TAPC为目标APC 420，Cyls为激活气缸436的数量，且RPM为以每分钟转数计的发动机转速432。值120000为实例值，且可因发动机的不同而不同。燃烧时间或者气缸燃烧事件之间的时间可为120000/(cyls×RPM)。目标MAF 428(如，以g/s为单位)可基于被燃烧时间除的目标APC 420来确定，其构成了以上等式。
目标面积模块440基于目标MAF 428确定节流阀112的目标节流阀开口面积267。目标面积模块440进一步基于节流阀112的第二目标压力比320和TIAP 312确定目标节流阀开口面积267。目标面积模块440使用使目标MAF、目标压力比和TIAP与目标节流阀开口相关的函数或映射中的一者确定目标节流阀开口面积267。举例来说，目标面积模块440可使用以下等式确定目标节流阀开口面积267：
其中，TTO为目标节流阀开口面积267，TIAT为节流阀进气温度(TIAT)，TMAF为目标MAF 428，R为理想气体常数，TIAP为TIAP 312，TPR为第二目标压力比320，且Φ表示空气密度函数。TIAT可使用传感器来测量，或基于一个或多个其它参数(例如，使用函数或映射)来确定。
如上所述，节流阀致动器模块116基于目标节流阀开口面积267控制节流阀112。通过基于基础空气转矩请求304确定第二目标压力比320及基于第二目标压力比320确定目标节流阀开口面积267，MPC模块314可提供比实施方案更佳的转矩响应特性(例如，速度更快且过冲和/或下冲更低)，在所述实施方案中，MPC模块314基于基础空气转矩请求304直接确定目标节流阀开口面积267。
现在参考图5，一种使用MPC(模型预测控制)控制节流阀112、进气凸轮相位器148、排气凸轮相位器150、废气门162(和因此涡轮增压器)以及EGR阀170的实例方法从502处开始。在504处，转矩请求模块224基于调整后的预测转矩请求263和即时转矩请求264确定空气转矩请求265。在508处，转矩转换模块302可将空气转矩请求265转换为基础空气转矩请求304或另一适合类型的转矩以供MPC模块314使用。
在512处，序列确定模块316确定目标值266、268至270以及320的可能序列。在516处，预测模块323确定可能的目标值序列中的每一者的预测参数。预测模块323基于发动机102的模型324、外部输入328和反馈输入330确定可能序列的预测参数。更具体地说，基于可能的目标值序列、外部输入328和反馈输入330，使用模型324，预测模块323可产生用于N个控制回路的发动机102的N个预测转矩的序列、用于N个控制回路的N个预测APC的序列、用于N个控制回路的外部稀释物的N个预测数量的序列、用于N个控制回路的剩余稀释物N个预测数量的序列、用于N个控制回路的N个预测燃烧相位值的序列以及用于N个控制回路的N个预测燃烧质量值的序列。
在520处，成本模块332分别确定可能序列的成本。举例来说，成本模块332可使用以下等式确定目标值266、268至270以及320的可能序列的成本：
或使用以下等式确定：
受限于目标约束348和预测约束352，如上文所论述。
在524处，选择模块344基于可能序列的成本分别选择目标值266、268至270以及320的可能序列中的一者。举例来说，选择模块344可选择具有最低成本的可能序列中的一者。在524处，代替或者除了确定目标值的可能序列及确定序列中的每一者的成本，MPC模块314还可使用凸优化技术确定具有最小成本的可能目标值的序列。
在528处，MPC模块314可确定所选择的可能序列中的一者是否满足目标约束348。如果528为真，控制可继续进行至536。如果528为假，在532处，MPC模块314可选择具有次最低成本的可能序列中的另一者，且控制可返回到528。以此方式，将使用满足目标约束348的具有最低成本的序列。
在536处，目标MAP模块404基于节流阀112的第二目标压力比320和TIAP 312确定目标MAP 408。在540处，目标APC模块416基于目标MAP 408、目标进气凸轮相位器角269和目标排气凸轮相位器角270确定目标APC 420。
在544处，目标MAF模块424基于目标APC 420、发动机转速432和激活气缸436的数量确定目标MAF 428。在548处，目标面积模块440基于目标MAF 428、第二目标压力比320和TIAP 312确定目标节流阀开口面积267。
在552处，第一转换模块272将目标废气门开口面积266转换为将应用于废气门162的目标占空比274，第二转换模块276将目标节流阀开口面积267转换为将应用于节流阀112的目标占空比278。在540处，第三转换模块280还将目标EGR开口面积268转换为将应用于EGR阀的目标占空比282。第四转换模块还可将目标进气凸轮相位器角269和目标排气凸轮相位器角270分别转换为经应用于进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150的目标进气和排气占空比。
在556处，节流阀致动器模块116控制节流阀112以实现目标节流阀开口面积267，且相位器致动器模块158控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以分别实现目标进气凸轮相位器角269和目标排气凸轮相位器角270。举例来说，节流阀致动器模块116可以目标占空比278将信号应用于节流阀112以实现目标节流阀开口面积267。
又在556处，EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR开口面积268，且增压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门开口面积266。举例来说，EGR致动器模块172可以目标占空比282将信号应用于EGR阀170以实现目标EGR开口面积268，且增压致动器模块164可以占空比274将信号应用于废气门162以实现目标废气门开口面积266。虽然图5的方法被示为结束于560处，但是图5可说明一个控制回路，且控制回路可以预定速率执行。
现在参考图6，一种控制发动机102的致动器以调整发动机启动期间的进气气流的实例方法开始于602处。在604处，目标面积模块372确定发动机102是否起动。当发动机102的启动器接合且发动机转速大于零且小于或等于预定转速(例如，400RPM与500RPM之间的速度)时，目标面积模块372可确定发动机102正在起动。如果发动机102正在起动，那么所述方法在606处继续。否则，目标面积模块372继续确定发动机102是否正在起动。
在606处，目标压力比模块306基于如上文参考图3所论述的第一目标MAP 310和TIAP 312确定节流阀112的第一目标压力比308。在608处，节流阀致动器模块116基于第一目标压力比308致动节流阀112。举例来说，目标面积模块372可基于第一目标压力比308确定目标节流阀开口面积267，且节流阀致动器模块116可基于目标节流阀开口面积267致动节流阀112。
在610处，目标面积模块372确定发动机102是否启动。当发动机转速大于预定转速时，目标面积模块372可确定发动机102正在启动。如果发动机102启动，那么所述方法在612处继续。否则，所述方法在606处继续。
在612处，MPC模块314使用MPC(模型预测控制)确定节流阀112的第二目标压力比320。举例来说，MPC模块314可基于基础空气转矩请求304识别第二目标压力比320以及目标值266和268至270的可能值的集合。MPC模块314接着可响应于可能目标值的每个集合预测发动机102的操作参数(例如发动机102的转矩输出)，且确定预测操作参数的成本值。MPC模块314可接着选择具有最低成本且同时满足目标约束348和预测约束352的可能目标值的集合，且将第二目标压力比320设定为等于所选择的集合中的第二目标压力比320的可能值。
在614处，目标面积模块372基于发动机油温和/或大气压力确定第一时段的持续时间。举例来说，目标面积模块372可随着大气压降低而增加第一时段的持续时间，且反之亦然。在发动机102开始起动之前，大气压力可使用MAP传感器184和/或TIAP传感器191来测量。
在616处，目标面积模块372确定自从发动机102启动以来的时段是否小于第一时段。如果自从发动机102启动以来的时段小于第一时段，那么所述方法在618处继续。否则，所述方法在620处继续。
在618处，节流阀致动器模块116基于第一目标压力比308和第二目标压力比320中的最大值致动节流阀112。举例来说，目标面积模块372可基于第一目标压力比308和第二目标压力比320中的最大值确定目标节流阀开口面积267，且节流阀致动器模块116可基于目标节流阀开口面积267致动节流阀112。
在620处，参考模块368基于第一目标压力比308确定参考转矩376。在622处，转矩初始化模块374基于参考转矩376初始化基础空气转矩请求304。举例来说，转矩初始化模块374可通过将基础空气转矩请求304设定为等于参考转矩376而初始化基础转矩请求304。转矩初始化模块374可接着按照预定速度调整初始化的基础空气转矩请求以逐渐降低初始化的基础空气转矩请求与基础空气转矩请求304的未初始化值之间的差。所述方法在624处结束。
图5和6的方法可彼此独立或结合实施。在后者的实例中，图6的方法可用于在图5的548处确定目标节流阀开口面积267。图5和6的方法在图2到4的模块的背景下描述。然而，执行所述方法的步骤的特定模块可不同于上文所提及的模块和/或所述方法可与图2到4的模块分开实施。
现在参考图7，发动机控制模式信号702、发动机转速信号704、燃料启用信号706、实际MAP信号708和目标MAP信号710关于x轴712和y轴714绘制。x轴表示时间。y轴表示信号702至710的量级。
发动机控制模式信号702经调整以将空气控制模块228在起动模式和运行模式之间切换。在起动模式下，空气控制模块228基于第一目标MAP310且不依赖于基础空气转矩请求304控制发动机102的气流致动器。在运行模式下，空气控制模块228基于基础空气转矩请求304且不依赖于第一目标MAP 310控制发动机102的气流致动器。
燃料启用信号706经调整以将燃料控制模块240在禁用模式和启动模式之间切换。在禁用模式下，燃料控制模块240不向发动机102的气缸提供燃料。在启用模式下，燃料控制模块240向发动机102的气缸提供燃料。
发动机转速信号704表示基于使用CKP传感器180测量的曲轴位置所确定的发动机转速。实际MAP信号708表示使用MAP传感器184测量的进气管压力。目标MAP信号710表示由目标MAP模块313产生的第一目标MAP 310。
在716之前的时段中，发动机102被停止。因此，发动机转速信号704为0RPM，且实际MAP信号708为大气压力。此外，发动机控制模式信号702经调整为对应于起动模式的值，且目标MAP信号710经调整为大约40千帕斯卡。
在716处，发动机102开始起动。因此，在716和718之间，发动机转速信号704增大到大约150RPM。另外，在718处，燃料启用信号706经调整为对应于启动模式的值。
在720处，提供到发动机102气缸内的燃料开始燃烧。因此，发动机转速信号704快速增大，且实际MAP信号708开始减小。在722处，发动机转速信号704在400RPM和500RPM之间，且目标面积模块372确定发动机102启动。
在724处，发动机转速信号704达到峰值1600RPM并且开始减小。在722和726之间的时段对应上文如图3、4和6所述的第一时段。因此，在726处，第一时段结束，发动机控制模式信号702经调整为对应于运行模式的值，且目标MAP模块313停止生成目标MAP信号710。如上所述，目标面积模块372可基于发动机油温和实际MAP确定第一时段，使得在发动机转速信号704在达到其峰值并开始减小之后第一时段才结束。在728处，实际MAP信号708停止减小并保持处于稳态值。在730处，发动机转速信号704达到空转转速800RPM。
上述内容仅仅是本质上的说明，且绝不意图限制本发明、其应用或使用。本发明的广泛教导可通过各种形式来实现。因此，尽管本发明包括特定实例，但本发明的真实范围不应局限于此，因为在研读附图、说明书和所附权利要求之后其它修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本发明的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以不同顺序(或同时)执行。而且，虽然所述实施例中的每一个经描述为具有某些特征，关于本发明的任何实施例所描述的特征中的任何一个或多个可在其它任何实施例的特征中实施和/或结合其它任何实施例的特征实施，即使没有明确描述组合。换句话说，所述实施例不相互排斥，且一个或多个实施例彼此之间排列组合仍在本发明的范畴内。
元件之间(例如，模块、电路元件、半导体层等之间)的空间关系和功能关系使用各种术语进行描述，所述术语包括“连接”、“结合”、“联接”、“邻近”、“紧邻”、“在顶部”、“上方”、“下方”以及“设置”。除非明确描述为“直接”，当第一和第二元件之间的关系经描述于以上公开内容中时，所述关系可为直接关系，其中在第一和第二元件之间不存在其它中间元件，但也可为间接关系，其中在第一和第二元件之间存在(或者空间上或功能上)一个或多个中间元件。如本文所使用，术语A、B和C中的至少一个应被认为意味着使用非排他性的逻辑OR的逻辑(A OR B OR C)，不应该被理解为表示“A中的至少一个，B中的至少一个和C中的至少一个”。
再所述应用中，包括以下这些定义，术语“模块”或术语“控制器”可与术语“电路”替换。术语“模块”可指以下各者，作为以下各者的一部分，或包括以下各者：专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或或混合模拟/数字离散电路；数字、模拟或或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器电路(共享、专用或集群)；存储有处理器电路执行的代码的存储器电路(共享、专用或集群)；提供所述功能性的其它适合的硬件组件，；或上述组件中的一些或全部的组合，例如片上系统。
模块可包括一个或多个接口电路。在一些实例中，接口电路可包括连接至局域网(LAN)，因特网，广域网(WAN)及其组合的有线或者无线接口。本发明的任何给定模块的功能性可分配在经由接口电路连接的多个模块之间。举例来说，多个模块可允许负载平衡。在进一步实例中，服务器(被称为远程或云)模块可实现代表客户端模块的一些功能性。
如上文所使用，术语“代码”可包括软件、固件和/或微代码，且可指代程序、例程、功能、类别、数据结构和/或对象。术语“共享处理器电路”涵盖执行来自多个模块的某些或所有代码的单个处理器电路。术语“集群处理器电路”涵盖结合额外处理器电路来执行来自一个或多个模块的某些或所有代码的处理器电路。参考“多个处理器电路”涵盖离散裸片上的多个处理器电路、单个裸片上的多个处理器电路、单个处理器单元的多个核心、单个处理器电路的多个线程或上述的组合。术语“共享存储器电路”涵盖存储来自多个模块的某些或所有代码的单个存储器电路。术语“集群存储器电路”涵盖结合额外存储器来存储来自一个或多个模块的某些或所有代码的存储器电路。
术语“存储器电路”是术语“计算机可读介质”的子集。如本文中所使用，术语“计算机可读介质”并不涵盖经由介质(例如在载波上)传播的暂时性电或电磁信号。术语“计算机可读介质”可因此被视为有形且非暂时性的。非暂时性、有形计算机可读介质的非限制实例是非易失性存储器电路(例如快闪存储器电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩码只读存储器电路)、易失性存储器电路(例如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁性存储介质(例如模拟或数字磁带或硬盘驱动)和光学存储介质(诸如CD、DVD或蓝光光盘)。
本申请案中所描述的设备和方法可部分或完全由通过配置通用计算机以执行计算机程序中体现的一个或多个特定功能而创建的专用计算机来实施。上述功能块、流程图组件和其它元件用作软件规范，其可通过本领域技术人员或编程者的常规作业而转译为计算机程序。
计算机程序包括存储在至少一个非暂时性、有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包括或依赖于所存储的数据。计算机程序可涵盖与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定装置交互的装置驱动器、一个或多个操作系统、用户应用程序、背景服务、背景应用程序等。
计算机程序可包括：(i)待解析的描述性文本，例如HTML(超文本标记语言)或XML(可扩展标记语言)；(ii)汇编代码；(iii)由编译器从源代码产生的目标代码；(iv)供解译器执行的源代码；(v)供即时编译器编译并执行的源代码，等。仅作为实例，源代码可使用来自包括以下项的语言的语法写入：C、C++、C#、Objective C、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、HTML5、Ada、ASP(动态服务器页面)、PHP、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、Lua和
在35U.S.C.§112(f)的含义内，权利要求书中叙述的元件均不旨在是装置加功能元件，除非元件使用短语“用于……的装置”明确叙述或在使用短语“用于……的操作”或“用于……的步骤”的方法权利要求书的情况中。

Claims (8)

1.一种用于调整发动机进气气流的方法，其包括：
基于发动机的进气歧管内的第一目标压力和节流阀入口空气压力确定发动机的节流阀两端的第一目标压力比；
基于驾驶员输入和目标发动机转速中的至少一者产生所述发动机的转矩请求；
基于所述转矩请求确定第二目标压力比；
在发动机正启动时，基于所述第一目标压力比确定所述发动机的节流阀的目标开口面积；
在启动所述发动机之后的第一时段期间，基于所述第一目标压力比和所述第二目标压力比中的无论哪一个具有较大值确定所述目标开口面积；以及
基于所述目标开口面积致动所述节流阀。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一目标压力是预定的。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：基于所述发动机的所述进气歧管内测量的发动机油温和压力确定所述第一时段的持续时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其包括：
基于所述转矩请求识别可能目标值的集合，可能目标值的所述集合中的每一者包括所述节流阀两端的目标压力比；
针对可能目标值的所述集合预测所述发动机的操作参数；
针对所述预测的操作参数确定成本值；
基于所述成本值选择可能目标值的所述集合中的一者；以及
将目标值设定为所选择集合的所述可能目标值，所述目标值包括所述节流阀两端的第二目标压力比。
5. 根据权利要求4所述的方法，其进一步包括：
基于所述第一目标压力比确定参考转矩；以及
当所述第一时段结束时通过将所述转矩请求设定为等于所述参考转矩来初始化所述转矩请求。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：在所述第一时段结束后，以预定速率调整所述转矩请求，从而减小所述初始化转矩请求和所述转矩请求的未初始化值之间的差。
7.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：进一步基于所选择集合的所述可能目标值中的至少一者预测所述发动机的所述转矩输出。
8.一种用于调整发动机进气气流的系统，其包括：
第一目标压力比模块，所述第一目标压力比模块基于发动机的进气歧管内的第一目标压力和节流阀入口空气压力确定发动机的节流阀两端的第一目标压力比；
转矩请求模块，所述转矩请求模块基于驾驶员输入和目标发动机转速中的至少一者产生所述发动机的转矩请求；
第二目标压力比模块，所述第二目标压力比模块基于所述转矩请求确定第二目标压力比；
目标面积模块，所述目标面积模块配置为：
在发动机正启动时，基于所述第一目标压力比确定所述发动机的节流阀的目标开口面积；和
在启动所述发动机之后的第一时段期间，基于所述第一目标压力比和所述第二目标压力比中的无论哪一个具有较大值确定所述目标开口面积；以及
节流阀致动器模块，所述节流阀致动器模块基于所述目标开口面积致动所述节流阀。
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