CN101275492B - 基于转矩的发动机转速控制 - Google Patents

Abstract

一种实现内燃机的所需发动机转速的方法，包括确定所需发动机转速、根据所需发动机转速计算慢响应转矩值并且根据所需发动机转速计算快响应转矩值。分别根据慢响应转矩值和快响应转矩值产生慢响应执行器指令和快响应执行器指令。根据慢响应执行器指令和快响应执行器指令调整发动机操作以实现所需发动机转速。

Description

基于转矩的发动机转速控制

相关申请的交叉引用

本申请与2006年11月28日提交的名为“发动机转矩控制”的美国专利申请序列号60/861,493相关。本申请要求2006年11月28日提交的美国临时申请号60/861,492的权益。上述申请所公开的内容并入本文作为参考。

技术领域

本发明涉及发动机，并且尤其涉及基于转矩的发动机转速控制。

背景技术

内燃机燃烧气缸内的空气/燃油混合物以驱动活塞，其产生驱动转矩。由节气门调节流入发动机的空气。更具体地，节气门调整节流面积，从而增加或减少流入发动机的空气。随着节流面积的增大，流入发动机的气流也增大。燃油控制系统调节燃油的喷油率从而向气缸提供所需空气/燃油混合物。如能预见的，增加供给气缸的空气和燃油会提高发动机的转矩输出。

已经研制出发动机控制系统以精确控制发动机转速输出从而获得所需发动机转速。然而，传统的发动机控制系统没有如所期望精确地控制发动机转速。而且，传统的发动机控制系统没有如所期望迅速地提供对控制信号的响应或者没有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。

发明内容

因此，本发明提供一种实现内燃机的所需发动机转速的方法。该方法包括确定所需发动机转速、根据所需发动机转速计算慢响应转矩值并且根据所需发动机转速计算快响应转矩值。分别根据慢响应转矩值和快响应转矩值产生慢响应执行器指令和快响应执行器指令。根据慢响应执行器指令和快响应执行器指令调整发动机操作以实现所需发动机转速。

在其它特征中，慢响应执行器指令是所需节流面积。该方法还包括根据慢响应转矩值确定所需每气缸空气(APC)值以及根据该所需APC和发动机歧管绝对压力(MAP)确定所需节流面积。

在其它特征中，快响应执行器指令是所需点火正时。该方法还包括根据快响应转矩值和测得的发动机APC确定所需点火正时。

在其它特征中，该方法还包括根据所需发动机转速和变速器传动比确定最小转矩值。根据最小转矩值确定慢响应转矩值。该方法还包括确定储备转矩值、前馈转矩值和比例积分转矩值中的至少一个。慢响应转矩还以储备转矩值、前馈转矩值和比例积分转矩值中的该至少一个为根据。该方法还包括根据测得的发动机转速和所需发动机转速计算发动机转速误差。根据发动机转速误差确定比例积分转矩值。

还在其它特征中，该方法还包括确定储备转矩值、运转转矩值和比例转矩值中的至少一个。快响应转矩还以储备转矩值、运转转矩值和比例转矩值中的至少一个为根据。该方法还包括根据测得的发动机转速和所需发动机转速计算发动机转速误差。根据发动机转速误差确定比例转矩值。

在另一个特征中，该方法还包括将慢响应转矩值和快响应转矩值都限制在各自的最小值和最大值之间。

本发明提供一种基于转矩的发动机转速控制，其改善了发动机控制系统的整体灵活性、简化了执行这种控制的软件需求并提供自动校准过程。通过这样，降低了发动机系统的整体运行和开发成本。

从本文提供的详细描述可以明显看出本发明的更多优点和应用领域。应当明白，详细描述和示出本发明实施例的特定例子只起说明的作用而不是限制本发明的范围。

附图说明

从详细描述和附图可以更完整地理解本发明，其中：

图1是本发明的典型发动机系统的示意图；

图2是流程图，示出本发明的基于转矩的发动机转速控制执行的步骤；和

图3是方块图，示出执行本发明的基于转矩的发动机转速控制的模块。

具体实施方式

下列描述实际上只是举例说明并且决不意图限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，附图中用相同的附图标记表示类似元件。本文所用的术语模块是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、或其它的提供所述功能的适当部件。

现在参照图1，发动机系统10具有燃烧空气/燃油混合物以产生驱动转矩的发动机12。空气经节气门16吸入进气歧管14。节气门16调节流入进气歧管14的质量空气流量。进气歧管14中的空气分配到气缸18中。尽管只示出一个气缸18，但应当明白本发明的配合转矩控制系统也可以在具有多个气缸，例如但不局限于2、3、4、5、6、8、10和12个气缸的发动机中实施。

喷油器(未示出)喷射燃油，在空气经进气口吸入气缸18时，燃油与其混合。喷油器可以是与电子式或机械式燃油喷射系统20相关的喷嘴、化油器或其它的用于混合燃油和进气的系统的喷管或喷口。控制喷油器以在每个气缸18中提供所需空燃(A/F)比。

选择性地打开和关闭进气门22以使空气/燃油混合物进入气缸18。由进气凸轮轴24调整进气门位置。在气缸18中，活塞(未示出)压缩空气/燃油混合物。火花塞26引发空气/燃油混合物的燃烧，其驱动气缸18中的活塞。然后活塞驱动曲轴(未示出)以产生驱动转矩。当排气门28处于打开位置时，气缸18中的燃烧废气被强制排出排气口。由排气凸轮轴30调整排气门位置。在排气系统中对废气进行处理然后排入大气。尽管只示出一个进、排气门22、28，当应当明白发动机12的每个气缸18可以具有多个进、排气门22、28。

发动机系统10可以具有进气凸轮相位器32和排气凸轮相位器34，分别调整进、排气凸轮轴24、30的旋转正时。更具体地，进、排气凸轮轴24、30各自的正时或相位角能够相对于彼此或者相对于气缸18中活塞的位置或曲轴位置进行延迟或提前。通过这样，进、排气门22、28的位置能够相对于彼此或相对于气缸18中活塞的位置进行调整。通过调整进气门22和排气门28的位置，来调整吸入气缸18中的空气/燃油混合物的量并由此调整发动机转矩。

发动机系统10还可以具有废气再循环(EGR)系统36。该EGR系统36具有EGR阀38，用于调整流回进气歧管14的废气。该EGR系统一般是用来调节排放。然而，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基于本发明的基于转矩的发动机转速控制来操作发动机。更具体地，控制模块40根据所需发动机转速(RPM_DES)产生节气门控制信号和点火提前控制信号。由节气门位置传感器(TPS)42产生节气门位置信号。操作者输入43，如加速踏板，产生操作者输入信号。控制模块40控制节气门16处于稳态位置以获得所需节流面积(A_THRDES)，并且控制点火正时以获得所需点火正时(S_DES)。节气门驱动器(未示出)根据节气门控制信号调整节气门位置。

进气温度(IAT)传感器44响应于进气流的温度并且产生进气温度(IAT)信号。质量空气流量(MAF)传感器46响应于进气流的质量并且产生MAF信号。歧管绝对压力流量(MAP)传感器48响应于进气歧管14中的压力并且产生MAP信号。发动机冷却液温度传感器50响应于冷却液的温度并且产生发动机温度信号。发动机转速传感器52响应于发动机12的转速(即，RPM)并且产生发动机转速信号。这些传感器产生的每个信号都被控制模块40接收。发动机系统10还可以包括涡轮或增压器54，其被发动机12或发动机排气驱动。

本发明的基于转矩的发动机转速(RPM)控制根据A_THRDES和S_DES获得RPM_DES。更具体地，基于转矩的发动机转速控制调整发动机转速及转矩控制与发动机转速控制之间的转变。如下文将详细描述的，这是通过采用开环转矩控制将发动机RPM指令转换成不同的发动机驱动器指令，包括但不局限于点火正时(S)、节气门位置(A_THR)和凸轮相位器位置，来获得的。这还可以通过采用RPM反馈在滑行下坡时维持RPM_DES，转变发动机RPM控制和怠速控制条件，以及通过计算维持RPM_DES所需的最小转矩(T_MIN)，来获得。

基于转矩的发动机RPM控制确定慢响应请求转矩值(T_REQSL)和快响应请求转矩值(T_REQFS)。根据下列关系式确定T_REQSL：

T_REQSL＝T_RES+T_FF+T_MIN+T_PI                 (1)

式中：T_RES是储备转矩；

T_FF是前馈转矩；

T_MIN是维持RPM_DES所需的最小转矩；和

T_PI是比例积分转矩项。

T_RES是转矩的附加值，加入该值来补偿可能忽然加载给发动机的未知负荷。T_FF是前馈转矩值，其表示由变速器范围变化(如，从空档(N)变成驱动(D))引起的所需转矩附加值。根据下列关系式确定T_PI：

T_PI＝k_P*RPM_ERR+k_I*∫RPM_ERR                    (2)

式中：RPM_ERR是RPM误差；

k_P是比例常数；和

k_I是积分常数。

RPM_ERR被确定为RPM_DES与由发动机RPM传感器52测得的实际RPM(RPM_ACT)之间的差值。根据下列关系式将T_REQSL限制在最小值和最大值之间：

$T_{\mathrm{REQSL}}=\left[\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{REQSL}\_\mathrm{MAX}},\mathrm{if}\&RightArrow;T_{\mathrm{REQSL}}>T_{\mathrm{REQSL}\_\mathrm{MAX}}\\ T_{\mathrm{REQSL}\_\mathrm{MIN}},\mathrm{if}\&RightArrow;T_{\mathrm{REQSL}}<T_{\mathrm{REQSL}\_\mathrm{MIN}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

采用逆转矩模块用T_REQSL来确定慢响应项。更具体地，通过采用逆转矩模块处理T_REQSL来确定所需每气缸空气(APC_DES)值，如下列关系式所示：

APC_DES＝T^-1(T_REQSL，S_UM，I，E，RPM)                  (4)

式中：S_UM是未处理的点火正时项；

I是进气凸轮相位角；和

E是排气凸轮相位角。

为了提高控制的稳定性，采用低通滤波器对APC_DES进行滤波以提供滤波的APC_DES。

采用压缩流(CF)模型对滤波的APC_DES进行处理以提供所需节流面积(A_THRDES)。更具体地，根据下列关系式确定所需质量空气流量(MAF_DES)：

${\mathrm{MAF}}_{\mathrm{DES}}=\frac{{\mathrm{APC}}_{\mathrm{DES}\left(\mathrm{FILT}\right)}\&CenterDot;R}{k_{\mathrm{CYL}}}---\left(5\right)$

式中k_CYL是气缸常数。例如，对于8气缸发动机k_CYL等于15，对于6气缸发动机等于20，对于4气缸发动机等于15。根据下列关系式确定A_THRDES：

$A_{\mathrm{THRDES}}=\frac{{\mathrm{MAF}}_{\mathrm{DES}}*\sqrt{R\&CenterDot;T_{\mathrm{AMB}}}}{B\&CenterDot;\mathrm{\&Phi;}\&CenterDot;\left(\frac{\mathrm{MAP}}{B}\right)}---\left(6\right)$

式中B是测得的大气压，T_AMB是环境空气温度，并且根据下列关系式基于压力比(P_R)确定Φ：

$\mathrm{\&Phi;}=\left\{\begin{array}{ccc}\sqrt{\frac{2\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}(1-{P_R}^{\frac{\mathrm{\&gamma;}-1}{\mathrm{\&gamma;}}})}& \mathrm{if}& P_R>P_{\mathrm{critical}}={\left(\frac{2}{\mathrm{\&gamma;}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}}=0.528\\ \sqrt{\mathrm{\&gamma;}{\frac{2}{\mathrm{\&gamma;}+1}}^{\frac{\mathrm{\&gamma;}+1}{(\mathrm{\&gamma;}-1)}}}& \mathrm{if}& P_R\&le;P_{\mathrm{critical}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

P_R是MAP对环境压力(P_AMB)与P_CRITICAL的比值。P_CRITICAL定义为这样的压力比，在这个压力比时，流过节气门的空气速度等于音速。该状况称为扼流或临界流。该临界压力比确定为：

$P_{\mathrm{CRITICAL}}={\left(\frac{2}{\mathrm{\&gamma;}+1}\right)}^{\mathrm{\&gamma;}/\mathrm{\&gamma;}-1}---\left(8\right)$

式中γ等于空气的比热比并且变化范围为从约1.3到约1.4。

基于转矩的发动机RPM控制根据下列关系式确定T_REQFS：

T_REQFS＝T_RUN-T_RES+T_P               (9)

式中：T_RUN是运转转矩值；和

T_P是比例转矩值。

根据下列关系式确定T_RUN：

T_RUN＝f(APC_ACT，RPM，S_UM，I，E)    (10)

式中APC_ACT是实际的每气缸空气值并且根据MAF信号确定。根据下列关系式确定T_P：

T_P＝k_FP·RPM_ERR                    (11)

式中k_FP是快速项的比例常数。根据下列关系式将T_REQFS限制在最小值和最大值之间：

$T_{\mathrm{REQFS}}=\left[\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{REQFS}\_\mathrm{MAX}},\mathrm{if}\&RightArrow;T_{\mathrm{REQFS}}>T_{\mathrm{REQFS}\_\mathrm{MAX}}\\ T_{\mathrm{REQFS}\_\mathrm{MIN}},\mathrm{if}\&RightArrow;T_{\mathrm{REQFS}}<T_{\mathrm{REQFS}\_\mathrm{MIN}}\end{array}\right]---\left(12\right)$

根据下列关系式确定所需点火正时(S_DES)：

$S_{\mathrm{DES}}={T_S}^{-1}(T_{\mathrm{REQFS}},{\mathrm{APC}}_{\mathrm{ACT}\left(\mathrm{FILT}\right)},R,I,S)---\left(13\right)$

式中APC_DES采用低通滤波器滤波以提供滤波的APC_DES(FILT)。这样，就提高了控制的稳定性。根据下列关系式限制S_DES：

$S_{\mathrm{DES}}=\left[\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{MAX}},\mathrm{if}\&RightArrow;S>S_{\mathrm{MAX}}\\ S_{\mathrm{MIN}},\mathrm{if}\&RightArrow;S<S_{\mathrm{MIN}}\end{array}\right]---\left(14\right)$

然后，基于转矩的发动机RPM控制根据A_THRDES和S_DES调整发动机运转以获得RPM_DES。

现在参照图2，更详细地讨论基于转矩的发动机转速控制执行的典型步骤。在步骤200处，控制确定发动机是否运转(即运行)。如果发动机没有运转，就结束控制。如果发动机运转，在步骤202处，控制产生RPM_DES。在步骤204处，控制根据RPM_DES确定T_REQSL和T_REQFS，如上所述。在步骤206处，根据T_REQSL确定A_THRDES，如上所述。在步骤208处，控制根据T_REQFS确定S_DES，如上所述。在步骤210处，控制根据A_THRDES和S_DES操作发动机以获得RPM_DES并且控制返回步骤200。

现在参照图3，将讨论执行基于转矩的发动机转速控制的典型模块。典型模块包括RPM_DES模块300，T_MIN模块302，比例积分(PI)模块304，比例(P)模块306，限制模块308a、308b、308c，逆转矩模型(ITM)模块310a、310b，低通滤波器(LPF)模块312a、312b，压缩流(CF)模块314和发动机控制模块(ECM)316。

RPM_DES模块300根据RPM控制的标准块产生RPM_DES，在于2002年6月18日授权的名为控制机动车下坡的系统和方法的共同转让的美国专利号6,405,581B1中作了详细描述，该申请所公开的内容并入本文作为参考。RPM_DES输出到T_MIN模块302与求和模块318。T_MIN模块302根据RPM_DES和当前变速器传动比从如查询表中确定T_MIN。T_MIN输出到求和模块320。

求和模块318确定作为RPM_DES与实际RPM(RPM_ACT)之间差值的RPM差值(RPM_ERR)。用发动机RPM传感器52确定RPM_ACT。RPM_ERR输出到PI模块304和P模块306。PI模块304确定T_PI，且P模块确定T_P，如上所述。T_PI输出到求和模块320，且T_P输出到求和模块322。求和模块324确定作为未处理滤过转矩T_UMF与T_RES之间差值的基准转矩(T_BASE)。T_BASE输出到求和模块322。

求和模块320确定作为T_RES、T_FF、T_MIN和T_PI之和的T_REQSL。T_REQSL输出到限制模块308a，该模块将T_REQSL值限制在最小值和最大值之间，如上所述。该受限T_REQSL输出到ITM模块310a，该模块根据T_REQSL、S_UM和其它参数确定APC_DES，如上所述。在LPF模块312a中对APC_DES进行滤波且将其输出到CF模块314。CF模块314根据滤波的APC_DES和MAP确定A_THRDES，如上所述。A_THRDES输出到ECM316。

求和模块322确定作为T_P和T_ERR之和的T_REQFS。T_REQFS输出到限制模块308b。限制模块308b将T_REQFS值限制在最小值和最大值之间，如上所述。LPF模块312b滤波APC_ACT且将滤波的APC_ACT输出到ITM模块310b。该受限T_REQFS输出到ITM模块310b，该模块310b根据T_REQFS、滤波的APC_ACT和其它参数确定S_DES，如上所述。限制模块308c将S_DES值限制在最小值和最大值之间，如上所述。该受限S_DES输出到ECM316。ECM316根据A_THRDES和S_DES产生控制信号以获得RPM_DES。

本发明的基于转矩的发动机转速控制改善了发动机控制系统的整体灵活性、简化了执行这种控制的软件需求并提供自动校准过程。通过这样，降低了发动机系统的整体运行和开发成本。

现在本领域技术人员能够从上文的描述知道，可以以多种形式实施本发明的宽泛教导。因此，尽管本文用特殊例子来描述本发明，但是，本发明的实际范围不会因此受到限制，因为对本领域技术人员来说通过研究附图、说明书和权利要求可以很明显地得到其它变型。

Claims (29)

1.一种实现内燃机的所需发动机转速的方法，包括：

确定所述所需发动机转速；

根据所述所需发动机转速计算慢响应请求转矩值；

根据所述所需发动机转速计算快响应请求转矩值；

分别根据所述慢响应请求转矩值和所述快响应请求转矩值产生慢响应执行器指令和快响应执行器指令；和

根据所述慢响应执行器指令和所述快响应执行器指令调整所述发动机的操作以实现所述所需发动机转速。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述慢响应执行器指令是所需节流面积。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

根据所述慢响应请求转矩值确定所需每气缸空气值；和

根据所述所需每气缸空气和所述发动机的歧管绝对压力确定所述所需节流面积。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述快响应执行器指令是所需点火正时。

5.如权利要求4所述的方法，还包括根据所述快响应请求转矩值和测得的所述发动机的每气缸空气确定所述所需点火正时。

6.如权利要求1所述的方法，还包括根据所述所需发动机转速和变速器传动比确定最小转矩值，其中，根据所述最小转矩值确定所述慢响应请求转矩值。

7.如权利要求6所述的方法，还包括确定储备转矩值、前馈转矩值和比例积分转矩值中的至少一个，其中，所述慢响应请求转矩值还基于储备转矩值、前馈转矩值和比例积分转矩值中的所述至少一个。

8.如权利要求7所述的方法，还包括根据测得的发动机转速和所述所需发动机转速计算发动机转速误差，其中，根据所述发动机转速误差确定所述比例积分转矩值。

9.如权利要求1所述的方法，还包括确定储备转矩值、运转转矩值和比例转矩值中的至少一个，其中，所述快响应请求转矩值还基于储备转矩值、运转转矩值和比例转矩值中的所述至少一个。

10.如权利要求9所述的方法，还包括根据测得的发动机转速和所述所需发动机转速计算发动机转速误差，其中，根据所述发动机转速误差确定所述比例转矩值。

11.如权利要求1所述的方法，还包括将所述慢响应请求转矩值和所述快响应请求转矩值每个都限制在各自的最小值和最大值之间。

12.一种实现内燃机的所需发动机转速的控制系统，包括：

第一模块，确定所述所需发动机转速；

第二模块，根据所述所需发动机转速计算慢响应请求转矩值；

第三模块，根据所述所需发动机转速计算快响应请求转矩值；

第四模块，分别根据所述慢响应请求转矩值和所述快响应请求转矩值产生慢响应执行器指令和快响应执行器指令；和

第五模块，根据所述慢响应执行器指令和所述快响应执行器指令调整所述发动机的操作以实现所述所需发动机转速。

13.如权利要求12所述的控制系统，其中，所述慢响应执行器指令是所需节流面积。

14.如权利要求13所述的控制系统，还包括第六模块，其根据所述慢响应请求转矩值确定所需每气缸空气值，其中，所述第四模块根据所述所需每气缸空气和所述发动机的歧管绝对压力确定所述所需节流面积。

15.如权利要求12所述的控制系统，其中，所述快响应执行器指令是所需点火正时。

16.如权利要求15所述的控制系统，还包括第六模块，其根据所述快响应请求转矩值和测得的所述发动机的每气缸空气确定所述所需点火正时。

17.如权利要求12所述的控制系统，还包括第六模块，其根据所述所需发动机转速和变速器传动比确定最小转矩值，其中，根据所述最小转矩值确定所述慢响应请求转矩值。

18.如权利要求17所述的控制系统，其中，确定储备转矩值、前馈转矩值和比例积分转矩值中的至少一个，并且其中，所述慢响应请求转矩值还基于储备转矩值、前馈转矩值和比例积分转矩值中的所述至少一个。

19.如权利要求18所述的控制系统，还包括第七模块，其根据测得的发动机转速和所述所需发动机转速计算发动机转速误差，其中，根据所述发动机转速误差确定所述比例积分转矩值。

20.如权利要求12所述的控制系统，其中，确定储备转矩值、运转转矩值和比例转矩值中的至少一个，并且其中，所述快响应请求转矩值还基于储备转矩值、运转转矩值和比例转矩值中的所述至少一个。

21.如权利要求20所述的控制系统，还包括第六模块，根据测得的发动机转速和所述所需发动机转速计算发动机转速误差，其中，根据所述发动机转速误差确定所述比例转矩值。

22.如权利要求12所述的控制系统，还包括限制模块，将所述慢响应请求转矩值和所述快响应请求转矩值中的每个分别限制在各自的最小值和最大值之间。

23.一种实现内燃机的所需发动机转速的方法，包括：

确定所述所需发动机转速；

根据所述所需发动机转速和变速器传动比确定最小转矩值；

根据所述所需发动机转速和所述最小转矩值计算慢响应请求转矩值；

根据所述所需发动机转速计算快响应请求转矩值；

分别根据所述慢响应请求转矩值和所述快响应请求转矩值产生所需节流面积指令和所需点火正时指令；和

根据所述节流面积指令和所述所需点火正时指令调整所述发动机的操作以实现所述所需发动机转速。

24.如权利要求23所述的方法，还包括：

根据所述慢响应请求转矩值确定所需每气缸空气值；和

根据所述所需每气缸空气和所述发动机的歧管绝对压力确定所述所需节流面积。

25.如权利要求23所述的方法，还包括根据所述快响应请求转矩值和测得的所述发动机的每气缸空气确定所述所需点火正时。

26.如权利要求23所述的方法，还包括确定储备转矩值、前馈转矩值和比例积分转矩值中的至少一个，其中，所述慢响应请求转矩值还基于储备转矩值、前馈转矩值和比例积分转矩值中的所述至少一个。

27.如权利要求26所述的方法，还包括根据测得的发动机转速和所述所需发动机转速计算发动机转速误差，其中，根据所述发动机转速误差确定所述比例积分转矩值。

28.如权利要求23所述的方法，还包括确定储备转矩值、运转转矩值和比例转矩值中的至少一个，其中，所述快响应请求转矩值还基于储备转矩值、运转转矩值和比例转矩值中的所述至少一个。

29.如权利要求28所述的方法，还包括根据测得的发动机转速和所述所需发动机转速计算发动机转速误差，其中，根据所述发动机转速误差确定所述比例转矩值。

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