CN101201021B - 发动机转矩控制 - Google Patents

Abstract

一种实现内燃机的所需转矩输出的方法，包括基于第一APC关系式确定第一每缸空气(APC)值和基于第二APC关系式确定第二APC值。基于第二APC值确定APC误差。当APC误差大于阈值误差时基于第一APC值调节发动机操作。当APC误差不大于阈值误差时基于第二APC值调节发动机操作。

Description

发动机转矩控制

相关申请的交叉引用

本申请与2006年11月28日提交的标题为“基于转矩的发动机速度控制”的美国专利申请NO.60/861,492相关联。本申请要求2006年11月28日提交的美国临时申请NO.60/861,493的优先权。本申请参考结合上述文件。

技术领域

本发明涉及内燃机，更确切地，涉及发动机转矩控制。

背景技术

内燃机在气缸内燃烧空气与燃料混合物以驱动活塞，该活塞产生驱动转矩。进入发动机的空气流通过节气门调节。更具体地，节气门调节节流面积，其增加或减少进入发动机的空气流。当节流面积增加时，进入发动机的空气流增加。燃料控制系统调节燃料喷射率，以向气缸提供所需的空气/燃料混合物。应当理解，增加气缸的空气和燃料会提高发动机的转矩输出。

已经研制了发动机控制系统来精确地控制发动机速度输出，以获得所需的发动机速度。但是，传统的发动机控制系统无法按需要精确地控制发动机速度。另外，传统发动机控制系统无法按需要提供对控制信号的快速响应，或者无法在影响发动机转矩输出的各种装置中协调发动机转矩控制。在某些情况下，传统的发动机转矩控制系统会导致发动机停转或意外的加速。

发明内容

因此，本发明公开了一种实现内燃机的所需转矩输出的方法。该方法包括基于第一APC关系式确定第一每缸空气(APC)值和基于第二APC关系式确定第二APC值。基于第二APC值确定APC误差。当APC误差大于阈值误差时基于第一APC值调节发动机操作。当APC误差不大于阈值误差时基于第二APC值调节发动机操作。

另一方面，该方法进一步包括确定转矩请求。第一和第二APC值均基于转矩请求确定。

另一方面，APC误差进一步基于第一APC值确定。

再一方面，该方法包括基于第一APC值和第二APC值中的一个计算所需质量空气流量(MAF)。所需节流面积基于所需MAF计算，其中发动机操作基于所需节流面积调节。

还一方面，第一和第二APC关系式均基于发动机的基于APC的转矩模型确定。

根据下文中所提供的详细描述，本发明的其它优点和应用领域也是显而易见的。应当理解，尽管示出了本发明的实施例，但是其详细描述和具体实例仅仅是示意性目的，而不是限制本公开的范围。

附图说明

本发明通过详细描述和附图将被更全面的理解，其中：

图1是根据本发明的典型发动机系统的示意性图示；

图2是图示由本发明发动机转矩控制所执行的步骤的流程图；和

图3是图示执行本发明的发动机转矩控制的各模块的方框图。

具体实施方式

实质上，下列优选实施例的描述仅仅是示意性的，而绝不是限制本发明及其应用或使用。为简便起见，附图中使用相同的附图标记来表示相似的元件。如本文所使用的，术语模块指的是特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或硬件程序的处理器(共享、专用或群组的)和存储器、组合逻辑电路或提供所述功能的其它合适部件。

现在参考图1，发动机系统10包括燃烧空气与燃料混合物以产生驱动转矩的发动机12。空气通过节气门16吸入进气歧管14。节气门16调节进入进气歧管14的质量空气流量。进气歧管14内的空气分配到气缸18中。尽管只示出了单个气缸18，但是应当理解，本发明的联合转矩控制系统可在具有多个气缸(包括，但不限于2、3、4、5、6、8、10和12个气缸)的发动机内执行。

当空气通过进气口吸入气缸18时，燃料喷射器(未示出)喷射与空气混合的燃料。燃料喷射器可为与电子式或机械式燃料喷射系统20相关的喷射器、汽化器或将燃料与进气混合的其它系统的喷嘴或喷口。燃料喷射器控制为在各气缸18内提供所需的空气燃料(A/F)比。

进气门22有选择地打开和关闭，以使空气燃料混合物能够进入气缸18。进气门位置通过进气凸轮轴24来调节。活塞(未示出)在气缸18内压缩空气燃料混合物。火花塞26引发空气燃料混合物的燃烧，驱动气缸18内的活塞。从而活塞驱动曲轴(未示出)以提供驱动转矩。当排气门28处于打开位置时，气缸18内的燃烧废气排出排气口。排气门位置通过排气凸轮轴30来调节。废气在排气系统中进行处理，再释放到大气中。尽管只示出了单个进气门22和排气门28，但是应当理解，发动机12每个气缸18可包括多个进气门22和排气门28。

发动机系统10可包括分别调节进气凸轮轴24和排气凸轮轴30的旋转正时的进气凸轮相位器32和排气凸轮相位器34。更具体地，进气凸轮轴24和排气凸轮轴30的正时或相位角可相对于彼此，或者相对于活塞在气缸18内的位置或曲轴位置来延迟或提前。这样，进气门22和排气门28的位置可相对于彼此，或者相对于活塞在气缸18内的位置来调节。通过调节进气门22和排气门28的位置，可调节摄入气缸18的空气燃料混合物的量，从而调节了发动机转矩。

发动机系统10还可包括废气再循环(EGR)系统36。EGR系统36包括调节流回进气歧管14的废气流的EGR阀38。通常执行EGR系统以调节排放。但是，循环回进气歧管14的废气量也影响发动机转矩输出。

控制模块40基于本公开的基于转矩的发动机速度控制来操作发动机。更具体地，控制模块40基于所需的发动机速度(RPM_DES)产生节流控制信号和点火提前控制信号。节气门位置传感器(TPS)42产生节气门位置信号。操作员输入件43(例如，加速踏板)产生操作员输入信号。控制模块40指令节气门16至获得所需节流面积(A_THRDES)的稳定状态位置，并指令点火正时以获得所需的点火正时(S_DES)。节气门致动器(未示出)基于节流控制信号调节节气门位置。

进气温度(IAT)传感器44响应于进气流的温度产生并进气温度(IAT)信号。质量空气流量(MAF)传感器46响应于进气流的质量并产生MAF信号。歧管绝对压力(MAP)传感器48响应于进气歧管14内的压力产生MAF信号。发动机冷却液温度传感器50响应于冷却液温度并产生发动机温度信号。发动机速度信号52响应于发动机12的转速(即，RPM)并产生发动机速度信号。传感器产生的各信号由控制模块40接收。发动机系统10还可包括涡轮或增压器54，其由发动机12或发动机排气驱动。

本发明公开的发动机转矩控制基于目标每缸空气(APC)计算以实现所需发动机转矩(TDES)。更确切地，发动机转矩控制基于转矩请求(T_REQ)采用从基于APC的发动机转矩模型导出的两个等式中的一个确定APC，其将在下文中详细描述。如果APC误差(AFCERR)低于阈值误差(ERR_THR)，发动机转矩控制执行二次等式，其避免了发动机停转和意外的发动机RPM增加。T_REQ基于驾驶员输入(例如加速踏板位置)确定且可被其他因素影响。确定T_REQ的典型方法在2006年11月28日申请的共同转让，同时待审的美国专利申请NO.60/861,492中被描述，其公开的内容在此被结合参考。

转矩模型表示为二次或更高阶多项式。例如，典型的转矩模型由以下关系式表示：

$T=a_{A^2}*\mathrm{AP}{C}^2+a_A*\mathrm{APC}+a_S*S+a_{S^2}*S^2+a_{\mathrm{AS}}*\mathrm{APC}*S+a_{{\mathrm{AS}}^2}*\mathrm{APC}*S^2+a_0---\left(1\right)$

其中：S是点火正时；及

T是转矩。

系数a_i基于发动机PRM、进气阀正时(I)和排气阀正时(E)确定。更确切地，系数a_i在三维查询表中预先校准和存储，其中PRM，I和E是对查询表的输入。根据以下关系式等式1可改写为：

T＝b₁(RPM，I，E，S)*APC²+b₂(RPM，I，E，S)*APC+b₃(RPM，I，E，S)    (2)

系数b_i类似上述系数a_i，因为其是基于PRM，I和E确定的预校准、预存储的值。

等式2可求逆以提供第一APC等式，如下式所示：

$\mathrm{APC}=\frac{-b_2+\sqrt{b_2-4*b_1*(b_3-T)}}{b_1}---\left(3\right)$

然而是在某些发动机操作情况下，系数b₁可能很小，其中可能出现除以零或不适当的平方根计算。这可能导致发动机停转或不期望的发动机RPM加速。因此，本发明公开的发动机转矩控制执行基于以下迭代关系式的第二APC等式：

$\mathrm{AP}{C}_{K+1}=\frac{T-b_1*{\mathrm{APC}}_K^2-b_3}{b_2}---\left(4\right)$

其中：K表示当前迭代；及

K+1表示下次迭代。

APC_K可是第一APC等式的输出或是基于MAF传感器信号确定的值。如此可避免平方根计算且不会除以有时接近零的系数b₁。APC_ERR根据以下关系式确定：

${\mathrm{APC}}_{\mathrm{ERR}}=\frac{{\mathrm{APC}}_{K+1}-{\mathrm{APC}}_K}{{\mathrm{APC}}_K}---\left(5\right)$

如果APC_ERR大于ERR_THR，发动机转矩控制采用第一APC等式(即等式3)确定APC。如果APC_ERR小于ERR_THR，发动机转矩控制采用第二APC等式(即等式4)确定APC。

可预料到发动机转矩可同时采用第一或第二等式确定APC，其中一直采用由第一APC等式提供的APC值直到与由第二APC等式提供的APC值相关的APC_ERR小于ERR_THR达到阈值次数。如此，可以确保第二APC等式提供的APC值是稳定的。

APC随后可被滤波(例如采用低通滤波器)且采用压缩流(CF)模型处理以提供所需节流面积(A_THRDES)。更确切地，所需质量空气流量(MAF_DES)基于以下关系式确定：

${\mathrm{MAF}}_{\mathrm{DES}}=\frac{\mathrm{APC}\·R}{k_{\mathrm{CYL}}}---\left(6\right)$

其中k_CYL是气缸常数。例如，k_CYL对于8缸发动机等于15，对于6缸发动机等于20及对于4缸发动机等于30。A_THRDES基于以下关系式确定：

$A_{\mathrm{THRDES}}=\frac{{\mathrm{MAF}}_{\mathrm{DES}}*\sqrt{R\·\mathrm{IAT}}}{B\·\mathrm{\φ}\·\left(\frac{\mathrm{MAP}}{B}\right)}---\left(7\right)$

其中：B是测量的大气压；

R是通用气体常数；及

φ是压力因子。

根据以下关系式，φ基于压力比(P_R)：

P_R是MAP相对环境压力(P_AMB)和P_CRITICAL的比值。P_CRITICAL定义为流经节气门的空气速度等于音速时的压力比。这种情况被称为扼流或临界流。该临界压力比确定为：

$P_{\mathrm{CRITICAL}}={\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\mathrm{\γ}/\mathrm{\γ}-1}---\left(9\right)$

其中γ等于空气的比热比且范围大约从1.3到1.4。发动机控制随后基于A_THRDES调节节气门位置实现T_REQ。

现在参考图2，将对发动机转矩控制器执行的典型步骤做进一步细节描述。在步骤200，控制器确定发动机是否在运行。如果发动机没有运行，控制结束。如果发动机在运行，控制在步骤202监测发动机运行参数。在步骤204，控制确定T_REQ，如上所述。控制在步骤206确定A_K和A_K+1。A_K可用第一APC等式(即等式3)确定或基于MAF传感器信号确定。A_K+1基于第二APC等式(即等式4)确定。在步骤208，控制确定APC_ERR。

控制在步骤210确定APC_ERR是否小于ERR_THR。如果APC_ERR小于ERR_THR，控制继续步骤212。如果APC_ERR不小于ERR_THR，控制执行步骤214。在步骤212，控制采用从第二APC等式(即等式4)确定的APC值确定MAF_DES。在步骤214，控制采用从第一APC等式(即等式3)确定的APC值确定MAF_DES。控制在步骤216基于MAF_DES确定A_THRDES。在步骤218，控制基于A_THRDES调节发动机运行且控制结束。

现在参考图3，将讨论执行发动机转矩控制的典型模块。该典型模块包括T_REQ模块300，APC模块302，APC_K+1模块304，APC_ERR模块306，比较器模块308，A_THRDES模块310和发动机控制模块(ESM)312。T_REQ模块300确定T_REQ，如上所述。APC模块302基于T_REQ采用第一APC等式确定APC(APC_FIRSTEQ)。APC_K+1模块304基于T_REQ采用第二APC等式确定APC_K+1(或APC_SECEQ)。APC_SECEQ可基于APC_FIRSTEQ或MAF确定。因此，这些选择以阴影图示。

APC_ERR模型306基于APC_SECEQ或APC_FIRSTEQ确定APC_ERR。APC_ERR通过比较器模块308与ERR_THR比较。比较器模块308基于APC_ERR是否小于ERR_THR产生信号(例如0或1)。例如，如果APC_ERR小于ERR_THR，产生等于1的信号且输出到A_THRDES模块。如果APC_ERR不小于ERR_THR，产生等于0的信号。A_THRDES模块310基于MAP和根据比较器模块308的信号基于APC_FIRSTEQ或APC_SECEQ确定A_THRDES。更确切地，如果比较器模块308的信号等于0，A_THRDES基于APC_FIRSTEQ确定。如果比较器模块308的信号等于1，A_THRDES基于APC_SECEQ确定。ECM 312基于A_THRDES调节发动机运行。

现在本领域技术人员从前述描述可以认识到本发明公开的技术可以多种形式实现。因此，虽然本发明结合特定的实施例描述，然而因为本领域技术人员在研究附图、说明书和所附权利要求时可以清楚其他的修改，本发明的真实范围将不会被如此限制。

Claims (17)

1.一种实现内燃机的所需转矩输出的方法，包括：

基于第一每缸空气质量关系式确定第一每缸空气质量值；

基于第二每缸空气质量关系式确定第二每缸空气质量值，第二每缸空气质量关系式不同于所述第一每缸空气质量关系式；

基于所述第二每缸空气质量值计算当前每缸空气质量值与前次每缸空气质量值之间的每缸空气质量误差；

当所述每缸空气质量误差大于阈值误差时基于所述第一每缸空气质量值调节所述内燃机的操作；和

当所述每缸空气质量误差不大于所述阈值误差时基于所述第二每缸空气质量值调节所述内燃机的操作。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括确定转矩请求，其中所述第一和第二每缸空气质量值均基于所述转矩请求而根据所述第一和第二每缸空气质量关系式分别确定。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述每缸空气质量误差替代地基于所述第一每缸空气质量值确定。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述第一每缸空气质量值和所述第二每缸空气质量值中的一个根据以下方程式计算所需质量空气流量：

${\mathrm{MAF}}_{\mathrm{DES}}=\frac{\mathrm{APC}\·R}{k_{\mathrm{CYL}}}$

其中MAF_DES是所需质量空气流量，APC为所述第一每缸空气质量值和所述第二每缸空气质量值中的所述一个，R为通用气体常数，k_CYL为气缸常数。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括基于所述所需质量空气流量计算所需进气节流面积，其中内燃机操作基于所述所需进气节流面积调节。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二每缸空气质量关系式均基于所述内燃机的基于每缸空气质量的转矩模型确定。

7.一种调节内燃机转矩输出的内燃机控制系统，包括：

基于第一每缸空气质量关系式确定第一每缸空气质量值的第一模块；

基于第二每缸空气质量关系式确定第二每缸空气质量值的第二模块，第二每缸空气质量关系式不同于所述第一每缸空气质量关系式；

基于所述第二每缸空气质量值计算当前每缸空气质量值与前次每缸空气质量值之间的每缸空气质量误差的第三模块；

第四模块，所述第四模块在所述每缸空气质量误差大于阈值误差时基于所述第一每缸空气质量值调节所述内燃机的操作，并且在所述每缸空气质量误差不大于所述阈值误差时基于所述第二每缸空气质量值调节所述内燃机的操作。

8.如权利要求7所述的内燃机控制系统，进一步包括确定转矩请求的第五模块，其中所述第一和第二每缸空气质量值均基于所述转矩请求而根据所述第一和第二每缸空气质量关系式分别确定。

9.如权利要求7所述的内燃机控制系统，其中所述每缸空气质量误差替代地基于所述第一每缸空气质量值确定。

10.如权利要求7所述的内燃机控制系统，进一步包括基于所述第一每缸空气质量值和所述第二每缸空气质量值中的一个根据以下方程式计算所需质量空气流量的第五模块：

${\mathrm{MAF}}_{\mathrm{DES}}=\frac{\mathrm{APC}\·R}{k_{\mathrm{CYL}}}$

其中MAF_DES是所需质量空气流量，APC为所述第一每缸空气质量值和所述第二每缸空气质量值中的所述一个，R为通用气体常数，k_CYL为气缸常数。

11.如权利要求10所述的内燃机控制系统，其中所述第五模块基于所述所需质量空气流量计算所需进气节流面积，其中内燃机操作基于所述所需进气节流面积调节。

12.如权利要求7所述的内燃机控制系统，其中所述第一和第二每缸空气质量关系式均基于所述内燃机的基于每缸空气质量的转矩模型确定。

13.一种调节内燃机的转矩输出的方法，包括：

基于所述内燃机的转矩模型提供每缸空气质量；

采用所述基于每缸空气质量的转矩模型确定第一每缸空气质量关系式；

采用所述基于每缸空气质量的转矩模型确定不同于所述第一每缸空气质量关系式的第二每缸空气质量关系式；

基于所述第一每缸空气质量关系式计算第一每缸空气质量值；

基于所述第二每缸空气质量关系式计算第二每缸空气质量值；

基于所述第二每缸空气质量值计算当前每缸空气质量值与前次每缸空气质量值之间的每缸空气质量误差；

当所述每缸空气质量误差大于阈值误差时基于所述第一每缸空气质量值调节所述内燃机的操作；及

当所述每缸空气质量误差不大于所述阈值误差时基于所述第二每缸空气质量值调节所述内燃机的操作。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括确定转矩请求，其中所述第一和第二每缸空气质量值均基于所述转矩请求而根据所述第一和第二每缸空气质量关系式分别确定。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述每缸空气质量误差替代地基于所述第一每缸空气质量值确定。

16.如权利要求13所述的方法，进一步包括基于所述第一每缸空气质量值和所述第二每缸空气质量值中的一个根据以下方程式计算所需质量空气流量：

${\mathrm{MAF}}_{\mathrm{DES}}=\frac{\mathrm{APC}\·R}{k_{\mathrm{CYL}}}$

其中MAF_DES是所需质量空气流量，APC为所述第一每缸空气质量值和所述第二每缸空气质量值中的所述一个，R为通用气体常数，k_CYL为气缸常数。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括基于所述所需质量空气流量计算所需进气节流面积，其中内燃机操作基于所述所需进气节流面积调节。

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