CN101220780A - 基于扭矩的每气缸空气量和容积效率确定 - Google Patents

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Abstract

一种用于调节内燃机操作的方法，包括：监测所述发动机的歧管绝对压力(MAP)；基于所述MAP确定发动机扭矩；基于所述扭矩估计每气缸的空气量(APC)；基于所述APC确定所述发动机的容积效率；以及基于所述容积效率调节所述发动机的操作。

Description

基于扭矩的每气缸空气量和容积效率确定
本申请要求于2006年11月28日提交的美国临时申请No.60/861,494的优先权。上述申请的内容通过参考包含于此。
技术领域
本发明涉及发动机，尤其涉及发动机基于扭矩的控制。
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，该活塞产生驱动扭矩。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扭矩输出。
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扭矩输出的各种装置中协调发动机扭矩控制。
发明内容
因此，本发明提供了一种调节内燃机操作的方法。该方法包括：监测所述发动机的歧管绝对压力(MAP)；基于所述MAP确定发动机扭矩；基于所述扭矩估计每气缸的空气量(APC)；基于所述APC确定所述发动机的容积效率；以及基于所述容积效率调节所述发动机的操作。
在另一方面，所述发动机的操作还基于所述APC进行调节。
在另一方面，所述的方法还包括：基于实际APC确定修正因子；以及基于所述修正因子修正所述APC。另外，所述方法还包括确定所述发动机是否操作于稳定状态。当所述发动机操作于稳定状态时执行修正所述APC的步骤。
在另一方面，所述方法还包括监测进气温度。所述容积效率还基于所述MAP和所述进气温度。
在另一方面，确定发动机扭矩的步骤包括通过基于MAP的扭矩模型处理所述MAP。
在再一方面，估计APC的步骤包括通过逆基于APC的扭矩模型处理所述发动机扭矩。
根据下文中所提供的详细描述，本发明适用性的其它优点和方面也是显而易见的。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
从下面的详细描述和附图可全面理解本发明，其中：
图1为根据本发明的典型发动机系统的示意图；
图2为示出由本发明的基于扭矩的容积效率(VE)和每气缸的空气量(APC)确定控制所执行的步骤的流程图；以及
图3为示出执行本发明的基于扭矩的VE和APC确定控制的模块的框图。
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扭矩的发动机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，本发明的联合扭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)以提供驱动扭矩。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，从而调节了发动机扭矩。
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扭矩输出。
控制模块40基于本公开的基于扭矩的发动机控制来操作发动机。更具体地，控制模块40基于所需的发动机速度(RPMDES)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(ATHRDES)的稳定状态位置，并指令点火正时以获得所需的点火正时(SDES)。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并产生进气温度(IAT)信号。质量气流(MAF)传感器46响应于进气流的质量产生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还可包括由发动机12或发动机废气驱动的增压涡轮或增压器54。增压涡轮54压缩从进气歧管14吸入的空气。更特别地，空气吸入增压涡轮54的中间室。中间室内的空气吸入压缩机(未示出)，并在其中压缩。压缩的空气通过管路56流回到进气歧管14以在气缸18内燃烧。在管路56内设有旁通阀58，用以调节流回进气歧管14的压缩空气流。
本发明的基于扭矩的VE和APC确定控制基于测量的或实际的MAP(MAPACT)确定估计的发动机每气缸的空气量(APCEST)和容积效率(VE)。更具体地，执行基于MAP的扭矩模型以确定基于MAP的扭矩(TMAP)，其关系如下：
TMAP＝(aP1(RPM，I，E，S)·MAPACT+aP0(RPM，I，E，S)
                                                   (1)
     +aP2(RPM，I，E，S)·B)·η(IAT)
其中：
S-点火正时
I-进气凸轮相位角
E-排气凸轮相位角
B-大气压力
η-基于IAT确定的热效率因子
系数aP为预定值。基于APC的扭矩模型可用于确定基于APC的扭矩(TAPC)，其关系如下：
TAPC＝aA1(RPM，I，E，S)·APC+aA0(RPM，I，E，S)    (2)
系数aA为预定值。因为TMAP等于TAPC，所以基于APC的扭矩模型可求逆以根据下列关系基于MAPACT计算APCEST：
APC EST = a P 1 · η · MAP ACT + ( a P 0 + a P 2 · B ) · η - a A 0 a A 1 - - - ( 3 )
如果发动机运行在稳定状态，那么基于测量的或实际APC(APCACT)修正APCEST，以提供修正的APCEST。APCEST根据下列关系修正：
APCEST＝APCEST+kI·∫(APCEST-APCACT)dt    (4)
kI为预定修正系数。监测MAPACT以确定发动机是否操作于稳定状态。例如，如果当前MAPACT与前面记录的MAPACT之间的差小于阈值差，那么发动机运行于稳定状态。随后根据下列关系基于APCEST确定VE：
VE = APC EST MAP ACT · k ( IAT ) - - - ( 5 )
k为使用如预存查寻表基于IAT确定的系数。然后基于VE和APCEST操作发动机。
现在参考图2，对由基于扭矩的VE和APC确定控制所执行的典型步骤进行详细描述。在步骤200中，控制确定发动机是否在运行。如果发动机未在运行，那么控制结束。如果发动机在运行，那么在步骤202中，控制监测MAP。在步骤204中，控制使用基于MAP的扭矩模型确定TMAP，如上面所详细描述的。控制使用逆APC扭矩模型基于TMAP确定APCEST，如上面所详细描述的。
在步骤208中，控制确定发动机是否操作于稳定状态。如果发动机操作于稳定状态，那么控制继续至步骤210。如果发动机未操作于稳定状态，那么控制继续至步骤212。在步骤210中，控制基于APCACT修正APCEST，如上面所详细描述的。在步骤212中，控制基于APCEST、MAP和IAT确定VE，如上面所详细描述的。在步骤214中，控制基于VE和APCEST调节发动机操作，控制结束。
现在参考图3，对执行基于扭矩的VE和APC确定控制的典型模块进行详细描述。典型模块包括基于MAP的扭矩模型模块300、逆的基于APC的扭矩模型模块302、修正模块304、稳定状态确定模块306、加法器模块308、VE模块310和发动机控制模块(ECM)314。基于MAP的扭矩模型模块300使用上述基于MAP的扭矩模型确定TMAP。逆的基于APC的扭矩模型模块302使用逆的基于APC的扭矩模型确定APCEST。
修正模块304基于APCEST、APCACT和稳定状态确定模块306的信号确定APCCORR。更具体地，稳定状态确定模块306基于MAPACT确定发动机是否操作于稳定状态。如果发动机操作于稳定状态，修正模块304输入修正因子。如果发动机未操作于稳定状态，那么修正因子设定为等于零。加法器模块308将APCEST和修正因子加起来以提供修正的APCEST。VE模块310基于APCEST、MAPACT和IAT确定VE，如上面所详细描述的。ECM 314基于APCEST和VE产生发动机控制信号，以调节发动机操作。
基于扭矩的VE和APC确定控制能够从已知数据集确定VE和APC值。该数据集在发动机研发期间使用工具(例如，DYNA-AIR)产生。在发动机研发期间，当发动机在测功机上运行时，因为这些值可从已知值确定，无需确定VE和APC值，所以减少了测功机的时间量。这利于降低发动机研发的总时间和成本。另外，基于扭矩的VE和APCE确定控制提供用于估计VE和APC值的自动化处理。
本领域的技术人员从前面的描述应当理解，本发明广泛的教导可以多种形式执行。因此，尽管根据其特定实施例描述了本发明，但是由于通过对附图、说明书和所附权利要求的研究，其它修改对于技术人员也是显而易见的，所以本发明的实际范围不应当这样限制。

Claims (20)

1.一种用于调节内燃机操作的方法，包括：
监测所述发动机的歧管绝对压力(MAP)；
基于所述MAP确定发动机扭矩；
基于所述扭矩估计每气缸的空气量(APC)；
基于所述APC确定所述发动机的容积效率；以及
基于所述容积效率调节所述发动机的操作。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述发动机的操作还基于所述APC进行调节。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
基于实际APC确定修正因子；以及
基于所述修正因子修正所述APC。
4.如权利要求3所述的方法，还包括确定所述发动机是否操作于稳定状态，其中当所述发动机操作于稳定状态时执行修正所述APC的所述步骤。
5.如权利要求1所述的方法，还包括监测进气温度，其中所述容积效率还基于所述MAP和所述进气温度。
6.如权利要求1所述的方法，其中确定发动机扭矩的所述步骤包括通过基于MAP的扭矩模型处理所述MAP。
7.如权利要求1所述的方法，其中估计APC的所述步骤包括通过逆的基于APC的扭矩模型处理所述发动机扭矩。
8.一种用于调节内燃机操作的系统，包括：
基于所述发动机的歧管绝对压力(MAP)确定发动机扭矩的第一模块；
基于所述扭矩估计每气缸的空气量(APC)的第二模块；
基于所述APC确定所述发动机的容积效率的第三模块；以及
基于所述容积效率调节所述发动机的操作的第四模块。
9.如权利要求8所述的系统，还包括监测所述发动机的所述MAP的MAP传感器。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述发动机的操作还基于所述APC进行调节。
11.如权利要求8所述的系统，还包括：
基于实际APC确定修正因子的第五模块；以及
基于所述修正因子修正所述APC的第六模块。
12.如权利要求11所述的系统，还包括确定所述发动机是否操作于稳定状态的第七模块，其中当所述发动机操作于稳定状态时，所述第六模块修正所述APC。
13.如权利要求8所述的系统，还包括监测进气温度的传感器，其中所述容积效率还基于所述MAP和所述进气温度。
14.如权利要求8所述的系统，其中所述第一模块通过用基于MAP的扭矩模型处理所述MAP来确定所述发动机扭矩。
15.如权利要求8所述的系统，其中所述第二模块通过用逆的基于APC的扭矩模型处理所述发动机扭矩来估计所述APC。
16.一种用于调节内燃机操作的方法，包括：
监测所述发动机的歧管绝对压力(MAP)、实际的每气缸的空气量(APC)和进气温度；
通过用基于MAP的扭矩模型处理所述MAP，来基于所述MAP确定发动机扭矩；
通过用逆的基于APC的扭矩模型处理所述发动机扭矩，来基于所述扭矩计算估计的APC；
基于所述估计的APC确定所述发动机的容积效率；以及
基于所述容积效率调节所述发动机的操作。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述发动机的操作还基于所述估计的APC进行调节。
18.如权利要求16所述的方法，还包括：
基于所述实际APC确定修正因子；以及
基于所述修正因子修正所述估计的APC。
19.如权利要求18所述的方法，还包括确定所述发动机是否操作于稳定状态，其中当所述发动机操作于稳定状态时执行修正所述估计的APC的所述步骤。
20.如权利要求16所述的方法，其中所述容积效率还基于所述MAP和所述进气温度。
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