CN100510355C - 具有燃料损失补偿的非线性燃料动态特性控制 - Google Patents

Abstract

一种燃料控制系统，用于给发动机汽缸输送燃料和补偿燃料损失。该燃料控制系统包括：燃料动态特性模块，该燃料动态特性模块确定代表燃料状态的燃料动态特性模型。该燃料动态特性模块确定燃料动态特性模型的倒数，接收燃料指令，并且根据燃料指令和燃料动态特性模型的倒数而产生调整的燃料指令。燃料损失补偿模块，该燃料损失补偿模块用于接收调整的燃料指令，并根据调整的燃料指令和燃料损失因数而产生最终的燃料指令。控制模块，该控制模块根据最终的燃料指令而对燃料输送进行控制。

Description

具有燃料损失补偿的非线性燃料动态特性控制

技术领域

本发明涉及对内燃机的控制，尤其涉及根据燃料损失补偿对燃料输送进行的控制。

背景技术

机动车的燃料控制系统根据一定的发动机参数确定喷入发动机汽缸内的燃料量。燃料的输送可以取决于发动机参数，例如空气量、发动机温度和在先燃烧循环中燃烧的燃料。例如，对于冷发动机来说，并非所有喷入发动机汽缸内的燃料都在燃烧过程中发生燃烧。燃烧循环中没有被燃烧掉的燃料被称为“损失的燃料”。一些燃料可能没有发生燃烧而直接进入排气中。另外，一些燃料可能向下流过汽缸壁而与发动机油混合在一起。因此，冷发动机通常需要喷射比燃烧所需更多的燃料以补偿损失的燃料。

汽车制造商通常在燃料控制系统中采取一些措施来补偿损失的燃料和/或“壁湿”。例如，增益调度可以用于根据发动机运行状态来改变补偿参数。作为可选择的做法，燃料控制系统可以给燃料指令加上额外的燃料以补偿损失的燃料。但是，当前的方法都不能充分地确定损失的燃料或者非线性的燃料动态特性。

发明内容

一种燃料控制系统，其包括：燃料动态特性模块，该燃料动态特性模块代表燃料状态。该燃料动态特性模块确定燃料动态特性模型的倒数，接收燃料指令，并且根据燃料指令和燃料动态特性模型的倒数而产生调整的燃料指令。燃料损失补偿模块，该燃料损失补偿模块用于接收调整的燃料指令，并根据调整的燃料指令和燃料损失因数而产生最终的燃料指令。控制模块，该控制模块用于根据最终的燃料指令而对燃料输送进行控制。

按照本发明的另一个特征，一种燃料控制方法，包括产生基本燃料指令。确定代表燃料状态的燃料动态特性模型。确定燃料动态特性模型的倒数。根据燃料动态特性模型的倒数和基本燃料指令而产生调整的燃料指令。根据调整的燃料指令和燃料损失因数而产生最终的燃料指令。根据最终的燃料指令来控制燃料的输送。

从下文的详细描述中可以明显地看出本发明的进一步应用领域。应当理解的是，这些详细的描述和具体的例子，只是表示本发明优选的实施方式，其目的仅仅为了描述，而不意图对本发明的范围进行限制。

附图说明

参照以下详细的描述和附图的内容可以更充分地理解本发明，其中：

图1是燃料指令、燃料损失、燃料损失调整的燃料指令和根据现有技术测量的燃料之间的关系的图形表示；

图2是按照本发明执行燃料损失调度方法的发动机控制系统的功能性方框图；

图3是按照本发明具有燃料损失补偿的燃料控制模型的功能性方框图；

图4是按照本发明的燃料控制方法的流程图。

具体实施方式

对以下(这些)优选实施例的描述实质上只是示例性的，而并非意图对本发明、本发明的应用或使用进行限制。为了清楚地进行说明，附图中相同的附图标记表示相似的部件。在此所用的术语模块和/或装置是指执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)，电子电路，处理器(共用的、专用的或群组化的)和存储器，组合逻辑电路，和/或提供所述功能其它的合适元件。

本发明的燃料损失调度方法能准确地确定损失的燃料，并且把燃料损失的影响直接结合到燃料动态控制中。该燃料损失调度方法还包括其燃料动态模型中专门形成的非线性项，所述燃料动态模型允许使用精确的、稳定的和分析的校准方法。因此，燃料损失调度方法和非线性燃料动态模型能提供更准确的燃料控制、减小的校准工作量，并且更少地依赖校准器的能力。更精确的燃料控制导致更低的系统费用，因为这样能在催化剂负载降低的同时满足排放标准。校准工作量的降低和对校准器能力依赖度的降低都减少了固定的系统费用。

如图1所示是给发动机汽缸输送燃料的燃料控制系统。燃料控制系统根据燃料指令10输送燃料。燃料控制系统的指令要求输送比发动机循环所需更多的燃料，以补偿燃料损失12。根据燃料损失调整的燃料指令14由燃料指令10和燃料损失12来表示。换句话说，根据燃料损失调整的燃料指令14是燃料指令10和燃料损失12之间差。从汽缸废气中测得的燃料的实际量用测量燃料16来表示。在下文中，“测量燃料”将涉及从汽缸废气中测得的燃烧的燃料。26表示发动机冷却剂温度。

参照图2，其所示的是发动机控制系统30。节气门32和燃料系统34确定通过进气歧管38输送到发动机36中的空气和燃料。点火系统40点燃发动机36内的空气/燃料混合物。空气燃料混合物燃烧产生的废气通过排气歧管42被排出。催化转化器44接收废气并降低废气污染物的水平。

控制模块46与发动机控制系统30的各种部件通信，这些部件包括但不限于节气门位置传感器48(TPS)，燃料系统34，点火系统40和发动机速度传感器50(RPM)。控制模块46接收来自TPS48的节气门位置信号并确定进入发动机36的空气流量。然后，空气流量数据被用于计算从燃料系统34输送到发动机36的燃料量。控制模块46还与点火系统40通信以确定点火火花正时。

控制模块46可以接收来自发动机控制系统30中的其它部件的另外的信号。控制模块46接收来自发动机冷却剂温度传感器52的发动机冷却剂温度。控制模块46接收来自发动机速度传感器50的发动机速度。控制模块46接收来自MAP传感器54的歧管绝对压力(MAP)。控制模块46接收来自排气传感器56的测量的燃烧燃料量。这些和其它变量可能影响发动机控制系统30的整体性能和状态。

根据具有本发明燃料损失补偿调度方法的非线性燃料动态特性，控制模块30控制通过燃料系统34输送给发动机36的燃料。控制模块30包括存储器58，存储器58存储的数据用于执行具有燃料损失补偿调度方法的非线性燃料动态特性。在当前执行过程中，存储器58存储一个或多个用于确定和/或预测燃料动态特性状态的燃料控制模型。例如，存储器58存储一个燃料损失调度模型，一个燃料损失补偿器模型，和/或非线性燃料动态特性补偿器模型，所述燃料损失调度模型还包括一个标称的燃料动态特性补偿器模型。控制模块30根据发动机参数产生燃料命令和燃料损失调度模型，所述发动机参数例如是发动机速度、MAP和冷却剂温度。

如图3所示，控制模块46执行燃料损失调度和非线性燃料动态特性模型60。燃料损失调度和非线性燃料动态特性模型60确定燃料损失和非线性燃料动态特性的补偿，并根据具有燃料损失补偿调度方法的非线性燃料动态特性来控制输送到发动机汽缸的燃料，这将在后面进行描述。燃料指令模块62根据发动机性能需要确定基本燃料指令F_B。如图1所示，基本燃料指令F_B充分大于根据燃料损失调整的燃料指令F_B ⁰，从而补偿损失的燃料。燃料损失调整模块64接收基本燃料指令F_B。燃料损失调整模块64根据燃料损失因数计算根据燃料损失调整的燃料指令F_B ⁰。标称的燃料动态特性补偿模块66接收根据燃料损失调整的燃料指令F_B ⁰。

本领域技术人员将认识到，其它的执行可能不用来对基本燃料指令FB进行初始性的燃料损失调整。例如，控制模块可以被校正，从而发出指令使基本燃料指令F_B等于期望的测量燃料。在这些情况下不需要燃料损失的调整，标称的燃料动态特性补偿模块66直接从控制模块接收基本燃料指令F_B。但是，按照传统，控制模块不考虑燃料损失。这样，控制模块发出指令使基本燃料指令F_B远富于(也就是大于)期望的测量的燃烧燃料。

燃料损失调整模块64按照F_B ⁰＝F_B×(1-％LF)计算根据燃料损失调整的燃料指令F_B ⁰，其中％LF是燃料损失因数。燃料损失因数％LF是以下参数的分段的线性函数：歧管绝对压力(MAP)，发动机每分钟转数(RPM)，冷却剂温度(TCO)和进气门温度(IVT)，进气门温度被用于控制模块计算IVT。％LF的分段线性函数可以被校正，并与采用线性样条以计算上有效的方式进行执行。

在申请日为2005年4月19日的美国临时申请No.60/672,593中详细描述了在内燃机中把线性样条用于模型非线性状态的方法，在此参考并引用其全部内容。在线性样条公式下，燃料损失因数％LF是：

％LF＝θ_i，j，k+α_i×MAP+β_j×RPM+δ_k×TCO

该公式不使用IVT调度燃料损失，和

％LF＝θ_{i，j，k，1}+α_i×MAP+β_j×RPM+δ_k×TCO+ε₁×IVT

该公式使用IVT来调度，其中i的范围是从1到NMAP，j的范围是从1到NRPM，k的范围是从1到NTCO，1的范围是从1到NIVT。NMAP是数据的MAP范围的数量(或线性样条的节点数)。NRPM是数据的RPM范围的数量，NTCO是数据的TCO范围的数量，NIVT是数据的IVT范围的数量。例如，数据的第一示例性RPM范围可以是0到1000RPM，线性样条节点数将是0。数据的第二示例性RPM范围可以是1001到1500RPM，线性样条节点数将是1001。换句话说，线性样条节点数表示每个数据范围的开端。本领域技术人员将认识到，数据范围以及相应的线性样条节点数，可以被选择为可最佳代表采用线性样条公式的分段线性方式中的每个参数。

在每个MAP范围内，MAP系数α是恒定的。但是，对于不同的MAP范围来说MAP系数α是不同的。类似地，在每个RPM、TCO和IVT范围内，系数β、δ和ε分别是恒定的，但是对于不同的范围来说又是不同的。对于每个MAP、RPM、TCO和/或IVT范围来说，误差θ是不同的。这样，在每个范围内，燃料损失因数％LF可以被线性表示。所有误差项和系数都以这种方式来选择，即，燃料损失因数％LF的函数在每个变量的范围边缘处是连续的。

标称的燃料动态特性补偿模块66接收来自燃料损失调整模块64的根据燃料损失调整的燃料指令F_B ⁰，并计算标称的补偿燃料指令F_D ⁰。标称的燃料损失补偿模块68接收标称的补偿燃料指令F_D ⁰，并计算最终的燃料损失(lost-fuel)补偿指令F_D。燃料损失补偿模块68根据F_D＝F⁰ _D/(1-％LF)来计算最终燃料指令F_D，其中燃料损失因数％LF如上所述被计算出。在另一个执行过程中，燃料损失补偿模块利用线性样条，根据

来确定倒数燃料损失因数(invLFF)，然后根 $\%\mathrm{LF}=1-\frac{1}{\mathrm{invLFF}},$ 由倒数燃料损失因数的invLFF计算出％LF。

标称的燃料动态特性模块66根据标称的燃料动态特性状态来计算标称的补偿燃料指令F_D ⁰。在理想的情况下，标称的燃料动态特性补偿是发动机的标称燃料动态特性状态的倒数。换句话说，标称的燃料动态特性状态必须是已知的和/或已被预测出，根据已知的标称燃料动态特性状态计算出标称的补偿燃料指令F_D ⁰。例如，偏微分方程可以用来使标称的燃料动态特性模块化。在本实施例中，标称的燃料动态特性状态被模块化为普通的、非线性偏微分方程。差分微分方程的系数被确定为MAP、RPM和TCO的函数。为了根据标称的燃料动态特性状态来确定补偿燃料指令F_D ⁰，补偿器方程被设计为模块的倒数。

模型的指令不是必须固定的，因为实际的动态特性状态相当复杂。与此相反，模型(从而补偿器)指令可以被选择为能使模型精确度对应的校准效率和发动机控制模块处理能力的需要之间保持平衡。第一、第二和第三指令模型和补偿器将在下面进行描述。尽管所述示例性的模型和补偿器包括相等的输入和输出度数(延迟)，本领域技术人员会认识到，模型和补偿器的输入和输出度数也可以不同。

标准系统识别方法被用于构造模型。然后根据模型的倒数，补偿器可以从模型中分析性地推导出。模型参数是合适的，使得运行在标称补偿燃料指令F_D ⁰上的标称燃料动态特性状态模型紧密地与测量的燃烧燃料量F_M相匹配。另外，由于标称的燃料动态特性表现是质量守衡的，模型和补偿器应当具有单位增益。例如，对于第一指令模型和补偿器，α₁+α₂+α₃＝1。对于第二和第三指令的情况来说，分别有：α₁+α₂+α₃+α₄+α₅＝1和α₁+α₂+α₃+α₄+α₅+α₆+α₇＝1。

第一指令标称燃料动态特性模型是：

F_M(k)＝α₁×F_M(k-1)+α₂×F⁰ _D(k)+α₃×F⁰ _D(k-1)+α₄×F⁰ _D(k)

标称的燃料动态特性状态被模型化为燃烧的燃料量F_M(k)。然后燃烧的燃料量F_M(k)的倒数被公式表示为：

F⁰ _n(k)＝(F⁰ _B(k)-α₁×F⁰ _B(k-1)-α₃×F⁰ _D(k-1))/α₂

标称的补偿燃料指令F⁰ _D被公式化为补偿器函数F⁰ _D(k)。按这种方式，标称的燃料动态特性补偿模块66(如图3所示)根据补偿器函数F⁰ _D(k)计算标称的补偿燃料指令F⁰ _D。

第二指令标称燃料动态特性模型和补偿器分别是：

F_M(k)＝α₁×F_M(k-1)+α₂×F_M(k-2)+α₃×F⁰ _D(k)+α₄×F⁰ _D(k-1)+α₅×F⁰ _D(k-2)+α₆×ΔF⁰ _D(k)

以及：

F⁰ _n(k)＝(F⁰ _B(k)-α₁×F⁰ _B(k-1)-α₂×F⁰ _B(k-2)-α₄×F⁰ _D(k-1)-α₅×F⁰ _D(k-2))/α₃

第三指令标称燃料动态特性模型和补偿器分别是：

F_M(k)＝α₁×F_M(k-1)+α₂×F_M(k-2)+α₃×F_M(k-3)+α₄×F⁰ _D(k)+α₅×F⁰ _D(k-1)+α₆×F⁰ _D(k-2)+α₇×F⁰ _D(k-3)+α₈×ΔF⁰ _D(k)

以及：

F⁰ _n(k)＝(F⁰ _B(k)-α₁×F⁰ _B(k-1)-α₂×F⁰ _B(k-2)-α₃×F⁰ _B(k-3)-α₅×F⁰ _D(k-1)-α₆×F⁰ _D(k-2)-α₇×F⁰ _D(k-3))/α₄

按照适当的调度方法对增益项α₁进行确定。调度参数可能包括但不限

MAP、RPM和TCO。可灵活供应燃料的发动机也可能根据乙醇浓度对参数进行调度。在一个实施例中，调度方法是复合的分段线性。例如，模型和补偿器系数是MAP和RPM的分段线性函数，而MAP和RPM是TCO的分段线置函数。当应用乙醇时，乙醇浓度也可被包括在一组调度参数内。乙醇浓度系数是TCO的分段线性函数。如上面所述，复合的分段线性调度允许容易地对模型进行校对，通过对线性样条技术的使用，可以以计算上有效的方式执行该制。本领域技术人员可以认识到，能够预期其它可能的对调度方法的执行，所述调度方法采用具有可选调度参数和项的线性样条。

对于作为MAP、RPM和TCO的函数的复合分段线性调度来说，各个模型和补偿器的系数是：

θ_j，k，1×TCO)×RPM，其中，i的范围是从1到NMAP，j的范围是从1到NRPM，k的范围是从1到NTCO。对于各个MAP、RPM和TCO范围来说，误差λ、η和θ是不同的。在MAP和TCO的范围内，MAP的放大系数是恒定的，

是对于各个MAP和TCO的范围来说，MAP的放大系数是不同的。类似的。在RPM和TCO的范围内，RPM的放大系数是恒定的，但是对于各个RPM和TCO的范围来说，RPM的放大系数是不同的。误差项和系数被选择为

α₁函数在各个变量范围的边缘处是连续的。

如图4所示，控制模块根据具有燃料损失补偿控制方法80的非线性燃料动态特性，来对燃料动态特性进行模型化和对燃料输送进行控制。在步骤82，方法80判断车辆点火是否为ON(即发动机是否正在工作)。如果结果为是，方法80进行到步骤84。如果结果为否，方法80返回到步骤82。在步骤84方法80产生一个基本燃料指令。在本实施例中，基本燃料指令大于实际测量的燃料，从而补偿燃料损失。在步骤86，方法80根据期望的燃料损失来调整基本燃料指令。在步骤88，如对图3的说明那样，根据标称的燃料动态特性模型的倒数，方法80产生一个标称的补偿燃料指令F_D ⁰。在步骤90，为了产生最终的按燃料损失补偿的燃料指令F_D，方法80根据燃料损失调整标称的补偿燃料指令F_D ⁰。在步骤92，方法80根据最终的按燃料损失补偿的燃料指令F_D来控制输送到发动机汽缸的燃料。方法返回步骤82从而对燃料的输送进行持续控制。

根据上面这些描述，本领域技术人员可以认识到，按照本发明的充分教导，可以以各种形式执行本发明。因此，尽管通过具体实施例描述了本发明，但是本发明的范围不应当限于这些实施例，因为本领域技术人员参照附图、说明书和如下权利要求对本发明进行其它改进将变得很容易。

Claims (14)

1、一种燃料控制系统，包括：

燃料动态特性模块，该燃料动态特性模块用于确定代表燃料状态的燃料动态特性模型，确定燃料动态特性模型的倒数，接收燃料指令，并且根据燃料指令和燃料动态特性模型的倒数而产生调整的燃料指令；

燃料损失补偿模块，该燃料损失补偿模块用于接收调整的燃料指令，并根据调整的燃料指令和燃料损失因数而产生最终的燃料指令；以及

控制模块，该控制模块用于根据最终的燃料指令而对燃料输送进行控制。

2、如权利要求1所述的燃料控制系统，其中，燃料动态特性模型代表测量的燃烧燃料量。

3、如权利要求1所述的燃料控制系统，其中，一个或多个燃料动态特性模型的系数之和是1。

4、如权利要求1所述的燃料控制系统，其中，根据线性样条确定燃料动态特性模型的倒数。

5、如权利要求4所述的燃料控制系统，其中，根据线性样条确定燃料动态特性模型的倒数的一个或多个系数。

6、如权利要求1所述的燃料控制系统，其中，根据线性样条确定燃料损失因数。

7、如权利要求1所述的燃料控制系统，其中，燃料损失因数代表歧管绝对压力、发动机转速、进气门温度和/或冷却剂温度中的一个。

8、如权利要求1所述的燃料控制系统，其中，根据倒数燃料损失因数来计算燃料损失因数，该倒数燃料损失因数代表歧管绝对压力、发动机转速、进气门温度和/或冷却剂温度中的一个。

9、如权利要求1所述的燃料控制系统，还包括燃料损失调整模块，该燃料损失调整模块用于接收燃料指令，并根据燃料损失因数而调整燃料指令。

10、一种燃料控制方法，包括：

产生基本燃料指令；

确定代表燃料状态的燃料动态特性模型；

确定燃料动态特性模型的倒数；

根据燃料动态特性模型的倒数和基本燃料指令而产生调整的燃料指令；

根据调整的燃料指令和燃料损失因数而产生最终的燃料指令；

根据最终的燃料指令来控制燃料的输送。

11、如权利要求10所述的方法，还包括：根据线性样条确定燃料动态特性模型的倒数。

12、如权利要求10所述的方法，还包括：根据线性样条计算燃料损失因数。

13、如权利要求10所述的方法，还包括：根据倒数燃料损失因数计算燃料损失因数，根据线性样条计算倒数燃料损失因数。

14、如权利要求10所述的方法，还包括：根据燃料损失因数调整基本燃料指令。

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