CN100473815C

CN100473815C - 基于模型的进气动态状态表征

Info

Publication number: CN100473815C
Application number: CNB2006100923500A
Authority: CN
Inventors: R·A·戴维斯; G·P·马修斯; L·K·维根斯
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2009-04-01
Anticipated expiration: 2026-06-01
Also published as: CN1873204A

Abstract

一种用于内燃机的进气动态(IAD)表征控制系统，包括估计未来点火事件歧管绝对压力(MAP)的第一模块，和基于该未来点火事件MAP和先前循环MAP而确定MAP循环差的第二模块。第三模块基于该MAP循环差表征IAD状态。

Description

基于模型的进气动态状态表征

技术领域

本发明涉及发动机，尤其涉及表征发动机的进气动态状态(dynamics state)以改善燃料控制.

背景技术

内燃机在气缸内燃烧燃料和空气的混合物以驱动活塞产生驱动转矩.更特别地，空气通过节气门被吸入发动机的进气歧管.该空气被分配到发动机的气缸内并与燃料以预期的空气燃料(A/F)比混合.该A/F混合物在气缸内燃烧以驱动活塞.

各个气缸内的燃料量是使用例如端口燃料注入(port fuelinjection)控制的.为了提供预期的A/F比，必须准确估计每个气缸的相应空气率.为了准确估计该气缸空气率，将发动机进气动态的状态表征为瞬态或稳态.对应的气缸空气率估计方法是基于该发动机进气动态表征来实现的.

当在稳态时，歧管绝对压力(MAP)在预定时间周期内是基本恒定的.在这种情况下，使用设置在发动机进气路径中的常规质量空气流量(MAF，mass air flow)传感器提供精确的气缸进气率估计.在稳态时，不存在任何显著的歧管填充或排空，从而使得MAF和气缸进气率直接对应.

当在瞬态时，在MAF和气缸进气率之间没有直接的对应.因此，该MAF传感器不能准确表征气缸进气率.这主要是由于与歧管填充或排空相关联的显著时间恒定和MAF传感器滞后的原因.瞬态条件会在发动机工作期间快速出现.节气门位置(TPS)的实质变化或任何其他干扰MAP的条件都会导致这种瞬态条件.在稳态工作条件下的任何显著干扰会向气缸进气率的MAF估计快速引入误差.因此，如果要对于气缸空气率使用MAF传感器，就必须对于发动机是否工作在稳态或瞬态条件下进行可靠的确定.

将进气动态表征为稳态或瞬态的常规方法包括某些缺点.例如，一种方法使用单个发动机参数(例如MAP)检测进入和离开稳态.然而，当使用单个参数来表征进气动态状态时，信号噪声会导致不准确的状态检测.而且，瞬态检测尤其与稳态不同，在等待详细分析时会被延迟，例如设计用来减少噪声敏感度的分析.如果瞬态检测被延迟，就会降低气缸进气率估计的准确性。

发明内容

因此，本发明提供一种用于内燃机的进气动态(IAD)表征控制系统.该IAD表征控制系统包括估计未来点火事件歧管绝对压力(MAP)的第一模块，和基于该未来点火事件MAP和先前循环MAP而确定MAP循环差的第二模块.第三模块基于该MAP循环差表征IAD状态.

在一个特征中，该IAD状态是瞬态和稳态之一。

在另一特征中，基于当前MAP、先前MAP、当前歧管空气流量(MAF，manifold air flow)和先前MAF中的至少一个来确定该未来点火事件MAP.

在另一特征中，该第三模块通过比较该MAP循环差和MAP循环差阈值来表征该IAD状态.

在另一特征中，第四模块基于该MAP循环差确定移动均值MAP循环差.该IAD状态还基于该移动均值MAP循环差.第三模块通过比较该MAP循环差和MAP循环差阈值以及比较该移动均值MAP循环差和移动均值MAP循环差阈值来表征该IAD状态.如果该MAP循环差和移动均值MAP循环差均小于其各自的阈值，则IAD状态是稳态的。

在另一特征中，该第三模块基于该IAD状态来确定气缸空气率估计例程.

根据下文中提供的详细说明，本发明的其他应用领域将变得清楚.应当理解，该详细说明和特定实施例虽然描述了本发明的优选实施例，但是仅用于例示性目的而不是要限制本发明的范围。

附图说明

根据该详细说明和附图，本发明将变得更容易理解，其中：

图1是使用根据本发明的进气动态(IAD)表征控制来调节的示例性发动机系统的功能性框图；

图2是显示由本发明的IAD表征控制所执行的示例性步骤的流程图；和

图3是执行本发明的IAD表征控制的示例性模块的功能性框图。

具体实施方式

以下详细说明实质上仅仅是示范性的，而不是用于限制本发明或本发明的应用和用途.为了清楚起见，在附图中使用相同的参考数字标识相似的元件。如这里所使用的，术语模块是指特殊应用集成电路(ASIC)、电子电路、用于执行一个或多个软件或固件例程的处理器(通用、专门或一组)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他适当部件。

现在参照图1，示出了示例性发动机系统10.该发动机系统10包括在N个气缸14内燃烧空气和燃料混合物的发动机12.虽然示出了两个气缸(即N＝2)，但是可以理解，发动机12可以包括更多或更少的气缸(例如N＝1，3，4，5，6，8，10，12)。空气通过节气门18进入进气歧管16.空气被分配到气缸内并且与燃料混合。该空气/燃料混合物被燃烧以在气缸14内相互驱动活塞(未示出)。该活塞可旋转地驱动向动力系(未示出)传输驱动转矩的曲轴19.燃烧气体从气缸14通过排气歧管20排出到排气后处理系统(exhaust after-treatment system).

控制模块22基于多个发动机工作参数调节发动机系统10的工作.更特别地，质量气流(MAF)传感器24生成MAF信号，而节气门位置传感器26生成节气门位置信号(TPS).进气歧管绝对压力(MAP)传感器28生成MAP信号，而歧管空气温度(MAT)传感器30生成MAT信号。发动机速度传感器32基于曲轴19的旋转速度生成发动机RPM信号.该各种信号被传送到控制模块22，其在此基础上紧接着调节发动机工作.例如，控制模块22可以调节节气门18的位置以控制进入发动机12的气流.此外，控制模块22可以调节气缸14的供给燃料以提供预期的空气燃料(A/F)比.

控制模块22基于该发动机进气动态的状态(即瞬态或稳态)估计气缸空气率.更特别地，控制模块22基于本发明的IAD表征控制确定该进气动态(IAD)是瞬态或是稳态.控制模块22基于该IAD表征执行相应的气缸空气率估计例程.例如，如果该IAD是稳态，则基于下式使用由质量气流传感器24测量的MAF来估计进入气缸14的空气质量：

m_{a} = 120 \frac{MAF}{N * RPM}

然而，如果IAD是瞬态，则根据下式使用该“速度密度(speeddensity)”方法来获得对于进入气缸14的空气质量的估计：

m_{a} = \frac{η_{v} V_{d} P_{m}}{{RT}_{c}}

其中ηv是发动机12的容积效率(volumetric efficiency)，V_d是发动机的工作容量(displacement volume)，R是通用气体常数，T_c是进入气缸的空气温度(以开氏度表示).

本发明的IAD表征控制基于以下关系式估计用于未来气缸点火事件的MAP：

MAP_EST(k+1)＝k_MAP0MAP_EST(k)+k_MAP1MAP_EST(k-N)+k_MAP2MAP_EST(k-2N)

+k_AIROMAF(k)+k_AIR1MAF(k-1)+k_AIR2MAF(k-2)+k_THROTPS(k)

+k_THR1TPS(k-1)+k_THR2TPC(k-2)-k_ESTGAIN[MAP_EST(k)-MAP_ACT(k)]

其中：k_MAP0...2是MAP系数；

k_AIR0...2是气缸空气系数；

k_THRO...2是节气门系数；

k_ESTGAIN是增益系数；

MAP_ACT(k)是基于该MAP信号的实际MAP；和

N是气缸数量.

k是当前气缸点火事件。k_MAP0...2、k_AIR0...2和k_THRO...2是使用一种适当的发动机系统辨识方法来确定的，包括但不限于，基于相应发动机测试数据的最小平方数据拟合(least-squares data fit).使用与计算Kalman滤波器增益相似的过程来确定k_BSTGAIN，并且基于先前值中的误差(即MAP_EST(k)对MAP_ACT(k))调节MAP_EST(k+1).

MAP循环差(MAP_CD)被确定为MAP_EST(k+1)和对于先前发动机循环所估计的MAP(MAP_EST(k-N))之间的差。根据下式计算MAP_CD(MAP_CDAVG)的移动均值：

MAP_CDAVG(k)＝MAP_CDAVG(k-1)+[MAP_CD(k)-MAP_CD(k-2N)]/2N

以这种方式，将当前MAP_CD加到MAP_CDAVG并且减去来自两个先前发动机循环的MAP_CD.

该IAD表征控制将MAP_CD(k)和MAP_CDAVG(k)与各自的阈值MAP_CDTHR和MAP_CDAVGTHR相比较以确定IAD是瞬态或是稳态.更特别地，如果MAP_CD(k)的绝对值大于MAP_CDTHR，或者MAP_CDAVG(k)的绝对值大于MAP_CDAVGTHR，则IAD被表征为瞬态.如果MAP_CD(k)的绝对值小于MAP_CDTHR，并且MAP_CDAVG(k)的绝对值小于MAP_CDAVGTHR，则IAD被表征为稳态.

现在参照图2，示出了由IAD表征控制所执行的示例性步骤。在步骤200，控制基于上面详细说明的关系确定MAP_EST(k+1)。在步骤202，控制计算MAP_CD。在步骤204，控制计算MAP_CDAVG。在步骤206，控制确定MAP_CD的绝对值是否大于MAP_CDTHR。如果MAP_CD的绝对值不大于MAP_CDTHR，控制继续到步骤208.如果MAP_CD的绝对值大于MAP_CDTHR，则控制继续到步骤210.

在步骤208，控制确定MAP_CDAVG的绝对值是否大于MAP_CDAVGTHR。如果MAP_CDAVG的绝对值不大于MAP_CDAVGTHR，控制继续到步骤212.如果MAP_CDAVG的绝对值大于MAP_CDAVGTHR，则控制继续到步骤210。在步骤210，控制将IAD表征为瞬态。在步骤212，控制将IAD表征为稳态。然后基于该IAD表征来调节该车辆的工作.更特别地，基于该IAD表征执行相应的气缸空气率估计方法以获得预期的A/F比.

现在参照图3，将详细说明执行本发明的IAD表征控制的示例模块。该示例模块包括MAP估计模块300，循环差模块302，移动均值模块304和表征模块306.如上所详细描述的，该map估计模块基于MAP_ACT和MAF确定MAP_EST(k+1)。该循环差模块302基于MAP_RST(k+1)和MAP_EST(k-N)计算MAP_CD.该移动均值模块如上所详细描述的确定MAP_CDAVG.该表征模块306基于MAP_CD和MAP_CDAVG将IAD表征为稳态(SS)或瞬态(TRNS)

现在，根据前述说明，本领域普通技术人员可以理解，本发明的宽泛教导可以以各种形式实现。因而，虽然本发明是结合其特定示例进行说明的，但是本发明的真实范围不应当仅限于此，因为在学习附图、说明书和所附权利要求的基础上，其他修改对于熟练技术人员来说是显而易见的。

Claims

1.一种用于内燃机的进气动态IAD表征控制系统，包括：

估计未来点火事件歧管绝对压力MAP的第一模块；

基于所述未来点火事件MAP和先前循环MAP而确定MAP循环差的第二模块；和

基于该MAP循环差表征IAD状态的第三模块.

2.如权利要求1所述的IAD表征控制系统，其中所述IAD状态是瞬态和稳态之一.

3.如权利要求1所述的IAD表征控制系统，其中所述未来点火事件MAP是基于当前MAP、先前MAP、当前歧管空气流量MAF和先前MAF中至少之一而确定的。

4.如权利要求1所述的IAD表征控制系统，其中所述第三模块通过比较所述MAP循环差和MAP循环差阈值来表征所述IAD状态.

5.如权利要求1所述的IAD表征控制系统，还包括基于所述MAP循环差确定移动均值MAP循环差的第四模块，其中所述IAD状态还基于所述移动均值MAP循环差.

6.如权利要求5所述的IAD表征控制系统，其中所述第三模块通过比较所述MAP循环差和MAP循环差阈值以及比较所述移动均值MAP循环差和移动均值MAP循环差阈值来表征所述IAD状态.

7.如权利要求6所述的IAD表征控制系统，其中如果所述MAP循环差和所述移动均值MAP循环差小于其各自的阈值，则所述IAD状态是稳态.

8.如权利要求1所述的IAD表征控制系统，其中所述第三模块基于所述IAD状态确定气缸空气率估计例程.

9.一种表征内燃机的进气动态IAD的方法，包括：

估计未来点火事件歧管绝对压力MAP；

基于所述未来点火事件MAP和先前循环MAP而确定MAP循环差；和

基于所述MAP循环差表征IAD状态.

10.如权利要求9所述的方法，其中所述IAD状态是瞬态和稳态之一.

11.如权利要求9所述的方法，其中所述未来点火事件MAP是基于当前MAP、先前MAP、当前歧管空气流量MAF和先前MAF中至少之一而确定的.

12.如权利要求9所述的方法，其中所述表征所述IAD状态的步骤包括比较所述MAP循环差和MAP循环差阈值.

13.如权利要求9所述的方法，还包括基于所述MAP循环差确定移动均值MAP循环差，其中所述IAD状态还基于所述移动均值MAP循环差.

14.如权利要求13所述的方法，其中所述表征所述IAD状态的步骤包括比较所述MAP循环差和MAP循环差阈值以及比较所述移动均值MAP循环差和移动均值MAP循环差阈值.

15.如权利要求14所述的方法，其中如果所述MAP循环差和所述移动均值MAP循环差小于其各自的阈值，则所述IAD状态是稳态.

16.一种基于进气动态IAD调节发动机工作的方法，包括：

估计未来点火事件歧管绝对压力MAP；

基于所述未来点火事件MAP和先前循环MAP而确定MAP循环差；

基于所述MAP循环差确定移动均值MAP循环差；

基于所述MAP循环差和所述移动均值MAP循环差表征IAD状态；和

基于所述IAD状态选择气缸空气率估计例程.

17.如权利要求16所述的方法，其中所述IAD状态是瞬态和稳态之一.

18.如权利要求16所述的方法，其中所述未来点火事件MAP是基于当前MAP、先前MAP、当前歧管空气流量MAF和先前MAF中至少之一而确定的.

19.如权利要求16所述的方法，其中所述表征所述I AD状态的步骤包括比较所述MAP循环差和MAP循环差阈值以及比较所述移动均值MAP循环差和移动均值MAP循环差阈值.

20.如权利要求19所述的方法，其中如果所述MAP循环差和所述移动均值MAP循环差小于其各自的阈值，则所述IAD状态是稳态。