CN101240752B - 处于高压比状态下的发动机转矩控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制内燃机扭矩输出的方法，包括确定压力比，基于所述压力比和扭矩要求确定基准扭矩；基于所述基准扭矩计算期望的节气门面积并基于所述期望的节气门面积调节发动机的操作以获得期望扭矩。

Description

处于高压比状态下的发动机转矩控制

交叉引用的有关申请

本申请要求美国临时的申请No.60/860,010，申请日为2006年十一月17日的文献的优先权。上述申请的公开内容一并引用于此作为参考。

技术领域

本发明涉及发动机，更具体的说涉及发动机运行在高压比情况下时发动机转矩控制。

背景技术

内燃机在气缸内燃烧空气燃料混合物以传动活塞，活塞产生驱动力矩。进入发动机的空气通过节气门调节。更准确地说，所述节气门调节节气门面积，其增加或减少进入发动机内的空气流量。随着节气门面积增加，进入发动机内的空气流量增加。燃料控制系统调节喷射燃料的速率以提供希望的空气/燃料混合物至所述气缸。可以理解，增加所述空气和燃料至气缸就增加发动机的扭矩输出。

已经研制发动机控制系统来精确地控制发动机扭矩输出以获得希望的发动机转速，特别是运行在高压比情况下时。然而，传统的发动机控制系统不能按要求精确地控制发动机转速。进一步说，传统的发动机控制系统不能按要求快速地响应控制信号以在各种影响发动机转矩输出的装置间提供希望的或协调的发动机转矩控制。这样的传统控制系统经常比期望的更复杂且需要耗时间和成本的密集的校准步骤。

发明内容

相应地，本发明提供一种控制内燃机扭矩输出的方法。所述方法包括：确定一压力比，基于所述压力比和扭矩要求确定基准扭矩，基于所述基准扭矩计算期望的节气门面积并基于所述期望的节气门面积调节发动机的操作以获得期望扭矩。

一方面，所述方法进一步包括基于所述基准扭矩计算发动机的希望的进气歧管绝对压力(MAP)并基于所述基准扭矩计算发动机的希望的每缸空气量(APC)。所述希望的节气门面积基于所述希望的进气歧管绝对压力和所述希望的APC计算。所述希望的MAP使用转化的基于进气歧管绝对压力的扭矩模型确定，所述希望的APC使用转化的基于APC的扭矩模型确定。所述方法进一步包括基于所述压力比和所述发动机是否运行在稳定状态过滤所述希望的进气歧管绝对压力。所述方法进一步包括基于所述希望的APC确定希望的空气流量质量(MAF-mass airflow)。所述希望的节气门面积基于所述希望的MAF计算。

在其他方面，所述方法进一步包括确定发动机的估计扭矩并基于所述估计扭矩，所述压力比和所述发动机是否运行在稳态修正所述基准扭矩。所述方法进一步包括基于所述基准扭矩和所述估计扭矩计算扭矩误差。所述基准扭矩基于所述扭矩误差而修正。

在另一方面，所述方法进一步包括基于所述压力比和发动机的每分钟转数确定发动机是否运行在稳定状态。所述希望的节气门面积基于发动机是否运行在稳定状态计算。

另一方面，所述方法进一步地包括比率限制所述基准扭矩。

在另一个方面，所述方法进一步包括计算作为进气歧管绝对压力(MAP)和大气压之间比值的压力比。

本发明进一步的优点和应用区域从下述详细说明中将变得明显。应当理解，说明本发明实施例的详细说明和具体例子，只是为了说明的目的，决不是为了限制该发明的范围。

附图说明

从下述详细的说明和附图中本发明将变得完全明白，其中：

图1是根据本发明示例性发动机系统的示意图；

图2是一流程图，该流程图说明了本发明的发动机转矩控制所执行的步骤；以及

图3是一方框图，该方框图说明了执行本发明发动机转矩控制的示例性模块。

具体实施方式

下面的说明实际上只是示意性的，决不是对本发明及其应用或运用的限制。为清楚起见，在附图中同样的附图标记表示类似的元件。这里用到的，术语模块指的是专用集成电路(ASIC)，电子电路，处理器(共用，专用，或集群)以及执行一个或多个软件或固定软件的存贮器，组合逻辑电路，或其他合适的提供上述功能的元件。

现在参见图1，发动机系统10包括发动机12，发动机12燃烧空气燃料混合物进而产生驱动力矩。空气通过节气门16吸入进气歧管14。所述节气门16调节流入进气歧管14的空气流量。进气歧管14内的空气分配到气缸18。尽管举例的是单个气缸18，但可以理解本发明同等的扭矩控制系统可以应用在具有多个气缸的发动机中，所述气缸包括，但不限于2，3，4，5，6，8，10，和12个气缸。

一燃料喷射器(未显示)喷射燃料，燃料随着空气通过进气口吸入气缸18与空气混合。所述燃料喷射器可以是与电子或机械燃料喷射系统20相关的喷射器，喷口或化油器的出入口或用于混合燃料和吸入空气的另一系统。所述燃料喷射器被控制来在每个气缸18内提供希望的空燃(A/F)比。

一进气阀22选择性地打开和关闭以便使空气/燃料混合物进入气缸18。所述进气阀位置通过进气凸轮轴24调节。一活塞(未显示)在气缸18内压缩所述空气/燃料混合物。火花塞26引发所述空气/燃料混合物的燃烧，其驱动气缸18内的活塞。活塞，依次，驱动曲轴(未显示)从而产生驱动力矩。当排气阀28处于打开位置时，气缸18内燃烧废气通过排气口排出。所述排气阀位置通过排气凸轮轴30调节。所述废气在排气系统中处理并被排放到大气中。尽管说明了单个进气及排气阀22，28，但可以理解，所述发动机12可以包括每个气缸18多个进气及排气阀22，28。

发动机系统10可以包括进气凸轮相位器32和排气凸轮相位器34，所述相位器分别调节进气和排气凸轮轴24，30的转动正时。更准确地说，所述各自的进气和排气凸轮轴24，30的定时或相角可以彼此相互或相对于气缸18内活塞的位置或曲轴相位角延迟或提前。如此，进气及排气阀22，28的位置可以彼此相互或相对于气缸18内活塞的位置调节。通过调节进气阀22和排气阀28的位置，进入气缸18内的空气/燃料混合物的量并因此发动机转矩被调节。

所述发动机系统10还可以包括废气再循环(EGR)系统36。所述废气再循环系统36包括废气再循环阀38，废气再循环阀38调节流回进气歧管14废气量。所述废气再循环系统通常执行来调节排放。然而，循环倒进进气歧管14的废气的量还影响发动机转矩输出。

控制模块40基于本发明的基于扭矩的发动机控制操作所述发动机。更准确地说，控制模块40基于需求发动机转速(RPM_DES)产生节气门控制信号和点火提前控制信号。节气门位置信号通过节气门位置传感器(TPS)42产生。操作者输入43，例如加速踏板，产生操作者输入信号。所述控制模块40控制节气门16至稳态的位置以获得希望的节气门面积(A_THRDES)并控制所述点火正时以获得希望的点火正时(S_DES)。节气门致动器(未显示)基于节气门控制信号调节节气门位置。

吸入空气温度(IAT)传感器44响应于吸入空气流的温度并产生吸入空气温度(IAT)信号。空气流质量(MAF)传感器46响应于吸入空气流的质量并产生MAF信号。进气歧管绝对压力(MAP)传感器50响应于基于进气歧管14内部的压力并产生进气歧管绝对压力信号。发动机冷却剂温度传感器50响应冷却剂温度并产生发动机温度信号。发动机速度传感器52响应发动机12的转速(即，每分钟转数)并产生发动机速度信号。每个由传感器产生的信号由控制模块40接收。

发动机系统10还可以包括涡轮机或增压器54，涡轮机或增压器54由发动机12或发动机排气驱动。所述涡轮机54压缩从进气歧管14汲取的空气。更具体的是，空气吸入涡轮机54的中间腔室。在所述中间腔室中的空气被吸入压缩机(未显示)并在其中被压缩。所述压缩空气通过管路56回流至进气歧管14从而在气缸18内燃烧。旁通阀58位于管路56内并调节回流至进气歧管14的压缩空气的流量。

本发明的发动机转矩控制基于压力比(P_R)，需求发动机转矩(T_REQ)和估计的发动机转矩(T_EST)确定希望的节气门面积(A_THRDES)。T_REQ基于操作者输入，包括但不限于加速踏板位置确定。P_R由进气歧管绝对压力和大气压(P_BARO)的比值确定。P_BARO可以直接地使用传感器(未显示)测量或使用其他公知的参数计算。基准扭矩(T_REF)最初由检验环确定，随后基于P_R和T_REQ限制以提供速率限制T_REF(T_REFRL)。通过速率限制T_REF，发动机操作的不希望的，突然的变化被避免。

T_REFRL被加上修正扭矩误差(T_ERRCOR)。更准确地说，扭矩误差(T_ERR)由T_REFRL和T_EST之间的差确定。T_EST通过发动机控制模块(ECM)确定，下面将进行详细的论述。T_ERRCOR使用比例积分函数基于下列关系确定：

T_ERRCOR＝k_P(P_R)*T_ERR+k_I(P_R)*∫T_ERR    (1)

其中：k_P是预定比例常数；和

k_I是预定积分常数。

T_REFRL被加上修正扭矩误差(T_REFCOR)以提供修正的基准扭矩(TR_EFCOR)。应当理解T_ERR只是在发动机运行在稳定状态时被修正。如果发动机不运行在稳定状态，T_ERRCOR等于T_ERR。

不论发动机是否运行在基于每分钟转数(RPM)和T_REFRL确定的稳定状态。例如，当前的和先前的值被检测用于每分钟转数和T_REFRL。这些值被过滤(滤波)且各自的当前的和先前的值被比较。例如，当前的每分钟转数与先前的每分钟转数比较且当前的T_REFRL与先前的T_REFRL比较。如果各自值之间的差都小于相应的阈值差，所述发动机被认为是运行在稳定状态且稳定状态标记(FLAG_SS)被设定为1。如果各自值之间的差大于它的相应的阈值差，所述发动机被认为是运行在过渡状态且稳定状态标记(FLAG_SS)被设定为0。

希望的进气歧管绝对压力(MAP_DES)和希望的每气缸空气量(APC_DES)基于T_REFCOR确定。更准确地说MAP_DES使用反向的基于MAP的扭矩模型根据下列关系确定：

${\mathrm{MAP}}_{\mathrm{DES}}=T_{\mathrm{MAP}}^{-1}((T_{\mathrm{REFCOR}}+f\left(\mathrm{\ΔT}\right)),S,I,E,\mathrm{AF},\mathrm{OT},N)---\left(2\right)$

其中：ΔT是基于扭矩估计器的进气歧管绝对压力和APC之间的过滤差值；

S是点火定时；

I是进气阀正时；

E是排气阀正时；

AF是空燃比；

OT是发动机油温度；和

N是气缸数目。

ΔT 的计算在文献US No.7,069,905中有详细的描述，其所公开的内容引用于此。类似地，APC_DES使用反向的基于APC的扭矩模型根据下列关系确定：

${\mathrm{APC}}_{\mathrm{DES}}=T_{\mathrm{APC}}^{-1}(T_{\mathrm{REFCOR}},S,I,E,\mathrm{AF},\mathrm{OT},N)---\left(3\right)$

MAP_DES可以被过滤来提供过滤的MAP_DES(MAP_DESF)。更准确地说，MAP_DESF基于P_R和SS根据下列关系式确定：

${\mathrm{MAP}}_{\mathrm{FILTD}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{LFP}({\mathrm{MAP}}_{\mathrm{DES}},K_1\left(P_R\right),\mathrm{If}\→\mathrm{SS}=1\\ \mathrm{LFP}({\mathrm{MAP}}_{\mathrm{DES}},K_2\left(P_R\right),\mathrm{If}\→\mathrm{SS}=0\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中：K₁是预定滤波器常数；

K₂是预定滤波器常数；

和LPF表示低通滤波器被执行。

希望的MAF(MAF_DES)基于APC_DES根据下列关系确定：

${\mathrm{MAF}}_{\mathrm{DES}}=\frac{{\mathrm{APC}}_{\mathrm{DES}}*R}{k_{\mathrm{cyl}}}---\left(5\right)$

其中：R是所述通用气体常数；和

k_cyl是恒定的，也就是基于气缸数目确定(例如数目，15用于8气缸发动机，20用于一6气缸发动机和30用于一4气缸发动机)。

A_THRDES随后基于MAF_DES和MAP_DESF根据下列关系确定：

$A_{\mathrm{THRDES}}=\frac{{\mathrm{MAF}}_{\mathrm{DES}}*\sqrt{R*\mathrm{IAT}}}{P_{\mathrm{BARO}}*\mathrm{\Φ}\left(\frac{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{DESF}}}{P_{\mathrm{BARO}}}\right)}---\left(6\right)$

Φ基于P_R根据下列关系确定：

$\mathrm{\Φ}=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}(1-{P_R}^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}}})}----\mathrm{if}{P}_R>P_{\mathrm{crilical}}={\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}}=0.528\\ \sqrt{\mathrm{\γ}\frac{2^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{(\mathrm{\γ}-1)}}}{\mathrm{\γ}+1}}------\mathrm{if}{P}_R\≤P_{\mathrm{crilical}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

P_CRITICAL定义为流过节气门的气流的速度等于声音的速度时的压力比，这些情况称为气阻或临界流量。临界压力比通过下式确定：

$P_{\mathrm{CRITICAL}}={\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}}---\left(8\right)$

其中γ等于用于空气的热容比且从大约1.3至大约1.4的范围变动。

参见图2，所述发动机转矩控制执行的示例性步骤将被详细描述。在步骤200，控制确定发动机是否运行。如果发动机关闭，控制结束。如果发动机运行，在步骤202控制检测发动机工作参数(例如，每分钟转数，进气歧管绝对压力，MAF，I，E，S，P_BARO，IAT，等等)。在步骤204，控制确定作为MAP和P_BARO的比值的P_R。在步骤206，控制基于上述使用T_REQ和P_R作为输入的速率极限函数确定T_REF。在步骤208控制确定T_EST。在步骤210，控制基于T_EST和T_REFRL确定T_ERR。

在步骤212，控制确定发动机是否运行在稳定状态。如果所述发动机运行在稳定状态，控制继续至步骤214。如果所述发动机运行不是运行在稳定状态，控制继续至步骤216。在步骤214，控制设定FLAG_SS等于1。在步骤206，控制设定FLAG_SS等于0。在步骤217，控制基于FLAG_SS如上所述修正T_ERR。在步骤218，控制基于修正的T_ERR修正T_REF。

在步骤219控制基于所述修正的T_REF确定MAP_DES和APC_DES。在步骤220控制基于FLAG_SS过滤希望的进气歧管绝对压力(MAPDES)，如上所述。在步骤222，控制基于APC_DES确定MAF_DES。在步骤224控制基于MAP_DES和MAF_DES确定A_THRDES。在步骤226，控制基于A_THRDES调节发动机操作且控制结束。

参见图3，执行发动机转矩控制的示例性模块将被详细描述。所述示例性模块包括P_R模块300，T_REF模块302，MAP_DES模块304，APC_DES模块306，修正模块308，FLAG_SS模块310，过滤器模块312，MAF_DES模块，A_THRDES模块316和ECM 318。虽然在这里描述了各种模块，但可以预料所述单个模块可以使用各种的综合模块作为子模块嵌入单个模块或多个模块。

P_R模块300基于进气歧管绝对压力和P_BARO确定P_R。P_R输出到T_REF模块302，修正模块308和过滤器模块312。T_REF模块基于T_REQ和P_R确定和速率限制T_REF(即，提供T_REFRL)。T_REFRL输出到加法器320，加法器322和FLAG_SS模块310。FLAG_SS模块310确定发动机是否运行在稳定状态并相应地设定FLAG_SS。FLAG_SS输出到所述修正模块308和过滤器模块312。加法器322转化T_EST，T_EST从ECM 318输出，并加上T_REFRL和所述转化的T_EST以确定T_ERR。T_ERR输出到修正模块308。

修正模块308选择性地基于P_R和FLAG_SS修正T_ERR，并输出T_ERRCOR。更准确地说，如果FLAG_SS表明发动机运行在稳定状态，T_ERR被修正，凭此T_ERR与输出T_ERRCOR不同。如果FLAG_SS表明发动机未运行在稳定状态，T_ERR不被修正，凭此T_ERR等于输出T_ERRCOR。加法器320将T_REFRL和T_ERRCOR相加以提供T_REFCOR，T_REFCOR输出到所述MAP_DES模块304和APC_DES模块306。

MAP_DES模块304基于每分钟转数和T_REFCOR确定MAP_DES并输出MAP_DES至过滤器模块312。APC_DES模块306基于T_REFCOR确定APC_DES并输出APC_DES至MAF_DES模块314。过滤器模块312基于FLAG_SS和P_R过滤MAP_DES以提供MAP_DESP。MAF_DES模块314基于APC_DES确定MAF_DES。MAP_DESF和MAF_DES两者被输出到A_THRDES模块316，A_THRDES模块316基于他们确定A_THRDES。A_THRDES输出到ECM 318，ECM 318基于其调节发动机操作。

本发明的发动机转矩控制在改变的环境状态下通过考虑所述压力比提供精确的瞬态或稳态扭矩调节。传统的不考虑压力比的系统对所有的压力实行线性关系。结果，对所有的压力提供一高增益，这导致传统系统的不稳定性和超调。这些精确的发动机转矩控制在考虑发动机负荷，每分钟转数，点火定时，进气和排气正时等等组合的情况下获得。此外，所述发动机转矩控制使自动校准步骤被执行，这就显著地减少校准发动机所需要的时间和精力。更准确地说，所述发动机转矩控制基于扭矩模型，其使所有的输入输出成为一体。结果，所述扭矩模型自动操作所述校准步骤，其中输入可以被改变且容易地提供输出效果。

本领域技术人员从上述说明可以理解，本发明充分的说明可以以各种形式执行。所以，尽管本发明已经结合特别的例子进行了描述，本发明的真正的范围将不会被因此限制因为在研究所述附图，所述说明书及其后的权利要求的基础上其他的改进对本领域技术人员来说将变得显而易见。

Claims (14)

1.一种控制内燃机扭矩输出的方法，包括：

确定作为进气歧管绝对压力和大气压之间比值的压力比；

基于所述压力比和扭矩要求确定基准扭矩；

确定所述内燃机的估计扭矩；

基于所述估计扭矩、所述压力比和所述内燃机是否运行在稳定状态修正所述基准扭矩；

基于修正的基准扭矩计算所述内燃机的希望的进气歧管绝对压力；

基于修正的基准扭矩计算所述内燃机的希望的每缸空气量；

基于所述希望的进气歧管绝对压力和所述希望的每缸空气量计算希望的节气门面积；和

基于所述希望的节气门面积调节所述发动机的操作以获得需求扭矩。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述希望的进气歧管绝对压力使用反向的基于进气歧管绝对压力的扭矩模型确定，其中所述希望的每缸空气量使用反向的基于每缸空气量的扭矩模型确定。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述压力比和所述内燃机是否运行在稳定状态过滤所述希望的进气歧管绝对压力。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述希望的每缸空气量确定希望的空气质量流量，其中所述希望的节气门面积基于所述希望的进气歧管绝对压力和所述希望的空气质量流量计算。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述基准扭矩和所述估计扭矩计算扭矩误差，其中所述基准扭矩基于所述扭矩误差被修正。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述压力比和所述内燃机每分钟转数确定所述内燃机是否运行在稳定状态。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述压力比和扭矩要求确定基准扭矩的步骤进一步包括：基于所述压力比和扭矩要求来比率限制所述基准扭矩。

8.一种用于控制内燃机扭矩输出的发动机控制系统，包括：

确定作为进气歧管绝压力和大气压之间比值的压力比的第一模块；

基于所述压力比和扭矩需求确定基准扭矩的第二模块；

包括基于估计的扭矩、所述压力比和所述内燃机是否运行在稳定状态修正所述基准扭矩的第三模块；

基于修正的基准扭矩计算所述内燃机的希望的进气歧管绝对压力的第四模块；和

基于修正的基准扭矩计算所述内燃机的希望的每缸空气量的第五模块；

基于所述希望的进气歧管绝对压力和所述希望的每缸空气量计算希望的节气门面积的第六模块；和

基于所述希望的节气门面积调节所述内燃机的操作以获得需求扭矩的第七模块。

9.如权利要求8所述的发动机控制系统，其中所述希望的进气歧管绝对压力使用反向的基于进气歧管绝对压力的扭矩模型计算，其中所述希望的每缸空气量使用反向的基于每缸空气量的扭矩模型计算。

10.如权利要求8所述的发动机控制系统，进一步包括基于所述压力比和所述内燃机是否运行在稳定状态过滤所述希望的进气歧管绝对压力的模块。

11.如权利要求8所述的发动机控制系统，进一步包括基于所述希望的每缸空气量确定希望的空气质量流量的模块，其中所述希望的节气门面积基于所述希望的进气歧管绝对压力和所述希望的空气质量流量计算。

12.如权利要求8所述的发动机控制系统，进一步包括基于所述基准扭矩和所述估计扭矩计算扭矩误差的模块，其中所述基准扭矩基于所述扭矩误差被修正。

13.如权利要求8所述的发动机控制系统，进一步包括基于所述压力比和所述内燃机每分钟转数确定所述内燃机是否运行在稳定状态的模块。

14.如权利要求8所述的发动机控制系统，进一步包括基于所述压力比和扭矩要求来比率限制所述基准扭矩的模块。

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