CN101457702A - 基于转矩的曲柄控制 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及基于转矩的曲柄控制，提供一种调节发动机操作的控制系统和方法，包括最小转矩模块，该模块根据测量的发动机每分钟转速(RPM)、大气压和发动机冷却液温度中的至少两个而确定所需要的转矩。第一发动机空气模块根据预定致动器值而确定第一发动机所需空气值，和基于所需的转矩而确定转矩值。该预定致动器值可包括发动机的预定RPM。节流面积模块根据所述第一发动机所需空气值和预定RPM而确定所需节流面积。

Description

基于转矩的曲柄控制

相关申请交叉参考

本申请要求于2007年11月2日申请的美国临时申请第60/984904号专利申请的权益。上述申请的公开内容通过参考而被引入。

技术领域

本发明涉及发动机，并且尤其涉及发动机的基于转矩的控制。

背景技术

内燃机燃烧汽缸内的空气燃料混合物从而驱动活塞，产生驱动转矩。通过节流阀调节进入发动机的空气流。更具体的，节流阀调节节流面积，节流面积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。燃料控制系统调节喷射的燃料速率，从而向汽缸提供所需的空气/燃料混合物。容易理解，增加到汽缸中的空气和燃料会增加发动机的输出转矩。

发动机控制系统被开发出用于精确控制发动机的速度输出，从而得到所需的发动机速度。然而，传统的发动机控制系统不能做到所希望的精确地控制发动机速度。而且，传统发动机控制系统不能如所希望地对控制信号进行快速响应，或者在影响发动机转矩输出的不同装置之间协调控制发动机转矩。

发明内容

因此，本发明提供一种调节发动机操作的控制系统和方法。该控制系统包括最小转矩模块，该模块根据所测的发动机每分钟转速(RPM)、大气压和发动机冷却液温度中的至少两个而确定需要的转矩。第一发动机空气模块根据预定的致动器值而确定第一所需发动机空气值和基于所需的转矩而确定转矩值。该预定致动器值包括预定发动机的预定RPM。节流面积模块根据第一所需发动机空气值和预定RPM而确定所需节流面积。

根据附加特征，第一所需发动机空气值包括发动机的歧管压力。第一所需发动机空气值可包括发动机每个汽缸的空气值和发动机的空气流的量的其中之一。

第二发动机空气模块可基于预定致动器值和转矩值确定第二所需发动机空气值。节流面积模块基于第一和第二所需发动机空气值和预定RPM确定所需节流面积。第一和第二所需发动机空气值可分别包括歧管压力和空气流。

一个混合优化模块可基于所需的转矩产生转矩值，并且基于所需的转矩产生电机转矩值。所述转矩值和电机转矩值之和近似等于所需的转矩。混合优化模块可基于所需的转矩和估算转矩产生转矩值。

转矩估算模块可基于估算发动机空气值产生估算转矩。估算发动机空气值可为每个汽缸的估算空气值。相位器控制模块可基于测量的RPM和所需节流面积确定进气凸轮相位器和排气凸轮相位器中至少其一的位置。

调节发动机操作的方法包括：基于测量的发动机每分钟转数(RPM)、大气压和发动机冷却液温度中的至少其中两个而确定所需转矩。根据预定致动器值可确定第一所需发动机空气值，基于所需的转矩可确定转矩值。预定致动器值可包括预定的RPM。基于第一所需发动机空气值和预定RPM可确定所需节流面积。

根据附加特征，第一所需发动机空气值可包括发动机的歧管压力。仍然根据其它特征，第一所需发动机空气值可包括发动机每个汽缸的空气值和发动机的空气流的量中的其中之一。

可基于预定致动器值和转矩值而确定第二所需发动机空气值。节流面积模块基于第一和第二所需发动机空气值和预定RPM而确定所需节流面积。第一和第二所需发动机空气值可分别包括歧管压力和空气流。

可基于所需的转矩而产生转矩值。电机转矩值可基于所需的转矩而产生。所述转矩值和电机转矩值之和可近似等于所需的转矩。估算转矩基于估算发动机空气值而产生。估算发动机空气值可为每个汽缸的估算空气值。基于测量的RPM和所需节流面积可确定进气凸轮相位器和排气凸轮相位器中至少其一的位置。

本发明公开的其他有益效果和应用领域将通过以下提供的详细说明而变得明显。尽管以实施例进行说明，但应该理解详细说明和具体实施例仅为了说明的目的，而不能用于限制本发明的范围。

附图说明

通过详细说明和相关附图，将更能充分理解本发明，其中：

图1是根据本发明的示例性发动机系统的简图；

图2是方框图，图示了用于具有混合动力传动系的本发明的汽车的执行基于转矩控制的模块；

图3是方框图，图示用于具有内燃机传动系的本发明的汽车的执行基于转矩控制的模块；

图4是方框图，图示图2中的转矩估算模块的示例性模块；

图5是方框图，图示图2和图3中的转矩控制模块的示例性模块；和

图6是一个流程图，图示根据本发明的基于转矩的曲柄控制的执行步骤。

具体实施例

下面的说明实际上仅仅是示例性，而绝不是为了限制本发明、其应用或使用。为了清楚起见，在附图中使用相同的附图标记表示相同部件。这里所使用的名词“模块”指的是特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、可执行一个或多个软件或固件程序的处理器(公用、专用或成组的)和内存、组合逻辑电路，或其它能提供所描述功能的适合部件。

现在参看图1，发动机系统10包括发动机12，其燃烧空气和燃料的混合物从而产生驱动转矩。空气通过节流阀16被引入到进气歧管14中。节流阀16调节进入到进气歧管14的空气流的量。进入到进气歧管14的空气被分配到汽缸18中。尽管图示为单个汽缸18，但是可以理解本发明的联动控制系统也可以应用在多汽缸的发动机中，该多汽缸发动机可包括2，3，4，5，6，8，10和12个汽缸，但不仅限于此。

燃料喷射器(未显示)喷射燃料，该燃料当通过进气口引入到汽缸18中时与空气混合。燃料喷射器可以是与电子或机械燃料喷射系统20、汽化器的喷口或出口或其它混合燃料与进气空气的系统相关联的喷射器。燃料喷射器被控制提供每个汽缸18所需的空气燃料比(A/F)。

进气阀22可选择的打开和关闭，使得空气/燃料混合物进入到汽缸18中。进气阀的位置由进气凸轮轴24控制。活塞(未显示)压缩汽缸18中的空气/燃料混合物。火花塞26点燃使得空气/燃料混合物燃烧，从而驱动汽缸18中的活塞。活塞依次驱动曲轴(未显示)从而提供驱动转矩。当排气阀28处于打开位置时，汽缸18中的燃烧废气从排气口被强制排出。排气阀位置由排气凸轮轴30调节。废气在排气系统中进行处理并被释放到大气中。尽管图示为单个进气和排气阀22，28，但可以理解发动机12的每个汽缸18可包括多个进气和排气阀22，28。

发动机系统10包括进气凸轮相位器32和排气凸轮相位器34，其分别调节进气和排气凸轮轴24，30的旋转定时。更具体的，相对彼此或相对汽缸18中活塞位置或相对曲轴位置，延迟或提前进气和排气凸轮轴24，30各自的定时或相位角。通过这种方式，进气和排气阀22，28的位置可相对彼此或相对汽缸18中活塞的位置而调节。通过调节进气阀22和排气阀28的位置，可调节引入到汽缸18中的空气/燃料混合物的量，并由此调节发动机的转矩。

发动机系统10也可包括废气再循环(EGR)系统36。EGR系统36包括EGR阀(未显示)，该阀调节废气回流到进气歧管14中。EGR系统一般用于调节排放物。但是，可回流到进气歧管14的排气的量中也会影响发动机转矩输出。

控制模块40根据本发明基于转矩的发动机控制而操作发动机12。更具体的，控制模块40产生节流控制信号和点火提前控制信号。节流位置传感器(TPS)42产生节流位置信号。操作输入43，比如加速踏板，产生操作输入信号。控制模块40命令节流阀16处于稳态位置从而得到所需节流面积(A_THRDES)，并且命令点火定时而得到所需点火定时(S_DES)。节流致动器(未显示)基于节流控制信号调节节流位置。

进气空气温度(IAT)传感器44对进气空气流的温度进行响应，而产生进气空气温度(IAT)信号。空气流的量(MAF)传感器46对进气空气流的量进行响应，而产生MAF信号。歧管绝对压力(MAP)传感器48对歧管14内的压力进行响应，而产生MAP信号。发动机冷却液温度传感器50对冷却液温度进行响应，并产生发动机温度信号。发动机速度传感器52对发动机12的旋转速度(即RPM)进行响应，并产生发动机速度信号。每个传感器产生的信号都由控制模块40所接收。

发动机系统10也可包括由发动机12或发动机废气驱动的涡轮或涡轮增压器54。涡轮54压缩来自进气歧管14的空气。更具体的，空气被引入到涡轮54的中间室。中间室的空气被引入到压缩机(未显示)中，并在其内被压缩。压缩空气通过导管56回流到进气歧管14，以用于在汽缸18中燃烧。旁通阀58设置在导管56内，并且调节回流到进气歧管14中的压缩空气的气流。

根据附加的技术特征，发动机系统10可具有混合动力传动系(以虚线标识的)。使用传动器72，比如带传动器、链传动器、离合器系统或任何其它装置，将电动发电机70连接到发动机12。电动发电机70可通过电力存储装置74提供动力。汽车既可通过发动机12或电动发电机70驱动也可通过两者混合方式驱动前进。

参看图2，显示了根据本发明教导的用于混合动力汽车的基于转矩的控制模块，其通常以附图标记40A标识。控制模块40A可包括MAF估算模块82，转矩估算模块84、轴转矩判断模块85、混合优化模块86，最小转矩计算模块88、推进力判断模块90和转矩控制模块92。

MAF估算模块82基于测量的或实际的MAP(MAP_ACT)、MAF信号、大气压和环境温度确定发动机12的估算的每个汽缸的空气值(APC_EST)。更具体的，使用基于MAP的转矩模型确定基于MAP的转矩(T_MAP)，并且以如下关系式描述：

T_MAP＝(a_P1(RPM，I，E，S)*MAP_ACT+a_p0(RPM，I，E，S)          (1)

+a_p2(RPM，I，E，S)*B))*η(IAT)

其中：S是点火定时；

I是进气凸轮的相位角

E是排气凸轮的相位角

B是大气压；和

η是根据IAT所确定的热效率因子。

系数a_p是预定值。基于APC转矩模块可用于确定基于APC转矩(T_APC)，并且以如下关系式描述：

T_APC＝a_A1(RPM，I，E，S)*APC+a_A0(RPM，I，E，S)         (2)

系数a_A是预定值。由于T_MAP等于T_APC，因此基于APC转矩模型可根据以下关系式基于MAP_ACT反向计算APC_EST：

${\mathrm{APC}}_{\mathrm{EST}}=\frac{a_{p1}*\mathrm{\η}*{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{ACT}}+(a_{p0}+a_{p2}*B)*\mathrm{\η}-a_{A0}}{a_{A1}}---\left(3\right)$

如果发动机12以稳态进行操作，以测量或实际的APC(APC_ACT)修正APC_EST而提供一个修正的APC_EST。APC_EST通过下面关系式进行修正：

APC_EST＝APC_EST+k₁*∫(APC_EST-APC_ACT)dt       (4)

k₁是预定的修正系数。监控MAP_ACT从而确定发动机12是否处于稳态。例如，如果当前MAP_ACT和以前记录的MAP_ACT的差别小于差别极值，那么发动机12处于稳态状态。然后通过下列关系式基于APC_EST而确定VE：

$\mathrm{VE}=\frac{{\mathrm{APC}}_{\mathrm{EST}}}{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{ACT}}*k\left(\mathrm{IAT}\right)}---\left(5\right)$

k是基于IAT使用比如预存的查找表，而确定的系数。适合的MAF估算模块的其它细节可以在共同拥有和共同未决的，于2007年4月19日申请的美国专利申请第11/737190号文献中找到，在这里通过参考将其整体引入。然后，APC_EST可以输出到转矩估算模块84中。

现在参考图4，显示了执行MAF估算82的示例性模块的细节。示例性模块包括基于MAP的转矩模块110，基于APC反向转矩模型的模块112，修正模块114，稳态确定模块116，和加法模块120。基于MAP转矩的模块110使用上述的基于MAP转矩模块而确定T_MAP。基于APC反向转矩模型的模块112根据基于MAP转矩模型的模块110的转矩输出而确定APC_EST。

修正模块114根据APC_EST而确定APC_CORR，根据来自稳态确定模块116的信号而确定APC_ACT。更具体的，稳态确定模块116基于MAP_ACT确定发动机12是否处于稳态。如果发动机12在稳态下运行，则由修正模块114输出修正因子。如果发动机12不在稳态下运行，那么修正因子设定为零。加法模块120计算APC_EST和修正因子之和，从而提供修正的APC_EST。在不同应用中，可不使用修正模块114。APC输入到转矩估算模块84中(图2)。

基于转矩的APC确定控制能够使用已知数据集确定APC值。在开发发动机的过程中使用例如DYNA-AIR的工具产生数据集。由于这些值可以通过已知值确定，在开发发动机过程中APC值并不需要发动机12在功率计上运行而得到，因此减少了使用功率计的量。这有助于减少开发发动机的整体时间和费用。而且，基于转矩的APC确定控制提供用于估算APC值的自动过程。

转矩估算模块84确定根据MAF估算模块82输出的APC产生的估算转矩。转矩估算模块84的细节描述可以在共同拥有的美国专利第6,704,638号文献中找到，在这里通过参考将其整体引入。

最小转矩计算模块88基于发动机RPM、大气压和冷却液温度而确定发动机12起动所需的一个最小转矩。在一个实施例中，发动机RPM的空转运行速度可以为550RPM。其它值可以预先确定。

轴转矩判断模块85在驾驶员输入和其它轴需求转矩之间进行判断。例如，驾驶员输入可包括加速踏板位置。其它轴需求转矩可包括：在通过传递控制模块进行变速的时候需要的降低转矩，在通过牵引控制系统进行车轮滑动时候需要的降低转矩，和通过巡航控制系统的控制速度的需求转矩。

轴转矩判断模块85输出估计转矩和即时转矩。估计转矩是在将来满足司机转矩和/或速度要求的所需的转矩量。即时转矩是现时需要满足即时转矩要求的转矩量，例如当变速或当牵引控制感测到车轮滑动的时候的降低转矩。

通过发动机致动器的快速反应而得到即时转矩，而较慢的发动机致动器用于得到估计转矩。例如，点火致动器能够快速改变点火提前，而凸轮相位器或节流致动器则反应较慢。轴转矩判断模块85将估计转矩和即时转矩输出到混合优化模块86中。

混合优化模块86根据转矩估算模块84输出的估算转矩，轴判断模块85输出的估计和即时转矩，以及最小转矩计算模块88输出的最小转矩，来确定应该有多少转矩量由发动机12产生，和应该有多少转矩量由电动发电机70产生。然后混合优化模块86将修改的估计和即时转矩值输出到推进力判断模块90。

推进力判断模块90在估计和即时转矩与需求推进力转矩之间进行判断。推进力转矩需求包括发动机在超速防护时的降低转矩和失速防护的增加转矩。转矩控制模块92接收来自推进力判断模块90的估计转矩和即时转矩。

参看图3，显示根据本发明教导的、用于通过内燃机单独驱动的汽车的基于转矩的控制系统，该控制系统以附图标记40B表示。控制模块40B可包括最小转矩计算模块98，推进力判断模块100，和转矩控制模块102。基于转矩的控制模块40B的操作与前述的基于转矩的控制模块40A的操作基本相同，但是由于动力传动系不具有电动机，因此最小转矩计算模块98将估计转矩和即时转矩输出到推进力判断模块100中。

现在参考图5，转矩控制模块92(图2)和102(图3)将在以下进行更详细的描述。转矩控制模块92和102可包括反向MAP转矩模块150，反向APC转矩模块154，压缩气流(节流面积)模块158，相位时序安排和致动模块162，和点火致动器模块166。

推进力判断模块90将估计转矩输出到反向MAP转矩模块150和反向APC转矩模块154中。推进力判断模块90也将即时转矩输出到点火致动器模块166中。存在各种不同的预定致动器输入，比如点火提前(S)、进气(I)、排气(E)，并且RPM输入到反向MAP转矩模块150和反向APC转矩模块154中。注意到，这些致动器输入可根据校准值而不是测量值而预定。

反向APC模块154可基于所需转矩和预定致动器输入通过计算而确定APC。反向APC模块154可应用转矩模块，该转矩模块基于预定致动器输入，例如S、I、E和RPM，而估算转矩。可使用其它预定致动器输入，其包括空气/燃料比(AF)，油温(OT)和多个正在输入燃料的汽缸(#)。如果假设所需转矩T_des等于转矩模型的输出，并且接收的致动器位置可替换，那么反向APC模块154可解决仅仅未知APC的转矩模型。这种反向使用的转矩模型可通过以下表述：

${\mathrm{APC}}_{\mathrm{des}}=T_{\mathrm{apc}}^{-1}(T_{\mathrm{des}},S,I,E,\mathrm{RPM})---\left(7\right)$

反向APC模块154将计算的APC输出到压缩流动模块158中。反向MAP模块150根据来自推进力判断模块90的所需转矩和预定致动器输入而确定所需MAP。所需MAP可通过下面等式确定：

${\mathrm{MAP}}_{\mathrm{des}}=T_{\mathrm{map}}^{-1}((T_{\mathrm{des}}+f(\mathrm{delta}\_T)),\mathrm{RPM},S,I,E,\mathrm{AF},\mathrm{OT},\#)---\left(8\right)$

其中f(delta_T)是基于MAP与基于APC转矩估算器之间的过滤差。反向MAP模块150将所需MAP输出到压缩流动模块158中。

压缩流动模块158基于所需MAF(其与所需APC成比例)和所需MAP确定所述节流面积。所需面积使用下列等式进行计算：

${\mathrm{Area}}_{\mathrm{des}}=\frac{{\mathrm{MAF}}_{\mathrm{des}}\·\sqrt{R_{\mathrm{gas}}\·T}}{P_{\mathrm{baro}}\·\mathrm{\φ}\left(P_r\right)},$ 其中 $P_r=\frac{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{des}}}{P_{\mathrm{baro}}}---\left(9\right)$

并且R_gas是理想气体常量，T是进气空气温度，和P_baro是大气压。P_baro可直接用传感器测量，比如IAT传感器44，或可使用其它测量或估算参数进行计算。

φ函数可以表明由于节流阀16两边压力差导致的空气流的变化。φ函数可用下式表示：

其中               (10)

对于空气 $P_{\mathrm{critical}}={\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}}=0.528---\left(11\right)$

并且γ是比热常数，该常数对于空气而言大概在1.3到1.4之间。P_critical定义为在空气流经节流阀16的速度等于声速处的压力比，这被称为阻流或临界流。压缩流动模块158将所需面积输出到节流阀16以提供所需开口面积，并且将所需面积输出到相位时序安排和致动模块162中。

根据所需面积和RPM信号，相位时序安排和致动模块162命令进气和/或排气凸轮相位器32和34的校准值。根据来自推进力判断模块90的即时转矩输出、点火致动器模块166激发汽缸18中的火花塞26，从而点燃空气/燃料混合物。点火定时可指定为相对活塞达到最高点的时候，也称为上死点(TDC)的时候，在这点空气/燃料混合物得到最大压缩。

现在参看图6，该流程图图示出预定转矩控制模块40A或40B执行的示例性步骤。控制在步骤202中开始，在这里测量发动机的运行参数。控制继续到步骤206，在这里控制根据测量的运行参数确定转矩需求。控制继续到步骤210，在这里控制根据预定致动器值而确定所需发动机空气值，基于转矩需求的转矩而确定转矩。控制继续到步骤214，在这里控制根据所需发动机空气值和预定RPM而确定所需节流面积。然后，控制循环返回步骤202。

本领域技术人员从本发明的上述说明和广泛教导，容易得知其可以有各种形式实施。因此，尽管本发明以结合其具体实施例的形式进行说明，但是本发明的真实范围不应以此为限制，因为其它的变型对于研究过本发明附图、说明书以及下列权利要求的本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (20)

1、一种发动机控制系统，包括：

最小转矩模块，其根据测量的发动机每分钟转速(RPM)、大气压和发动机冷却液温度中的至少两个来确定需求转矩；

第一发动机空气模块，其根据预定致动器值来确定第一所需发动机空气值，并且基于所述需求转矩来确定转矩值，其中所述预定致动器值包括发动机的预定RPM；和

节流面积模块，其根据所述第一所需发动机空气值和所述预定RPM而确定所需节流面积。

2、如权利要求1的发动机控制系统，其中所述第一所需发动机空气值包括发动机的歧管压力。

3、如权利要求1的发动机控制系统，其中所述第一所需发动机空气值包括所述发动机每个汽缸的空气值和发动机空气流的量中的一个。

4、如权利要求1的发动机控制系统，进一步包括第二发动机空气模块，该模块根据所述预定致动器值和所述转矩值确定第二所需发动机空气值，其中所述节流面积模块基于所述第一和第二所需发动机空气值和所述预定RPM确定所述所需节流面积，其中所述第一和第二所需发动机空气值可分别包括歧管压力和空气流。

5、如权利要求1的发动机控制系统，进一步包括混合优化模块，该模块根据所述所需的转矩产生所述转矩值，和根据所述所需的转矩产生电动机转矩值。

6、如权利要求5的发动机控制系统，其中所述转矩值和所述电动机转矩值之和近似等于所述所需的转矩。

7、如权利要求5的发动机控制系统，其中所述混合优化模块可根据所述所需的转矩和估算转矩产生所述转矩值。

8、如权利要求7的发动机控制系统，进一步包括转矩估算模块，该模块可根据估算发动机空气值产生所述估算转矩。

9、如权利要求8发动机控制系统，其中所述估算发动机空气值是每个汽缸的估算空气值。

10、如权利要求1的发动机控制系统，进一步包括相位器控制模块，该模块可根据所述测量RPM和所述所需节流面积而确定进气凸轮相位器和排气凸轮相位器中至少其一的位置。

11、一种控制发动机的方法，包括：根据测量的发动机每分钟转数RPM)、大气压和发动机冷却液温度中的至少两个而确定所需的转矩；

根据预定致动器值而确定第一所需发动机空气值，和基于所述所需的转矩而确定转矩值，其中所述预定致动器值包括所述发动机的预定RPM；和

根据所述第一所需发动机空气值和所述预定RPM确定所需节流面积。

12、如权利要求11的方法，其中所述第一所需发动机空气值包括所述发动机的歧管压力。

13、如权利要求11的方法，其中所述第一所需发动机空气值包括所述发动机每个汽缸的空气值和所述发动机空气流的量中的其中之一。

14、如权利要求11的方法，进一步包括根据所述预定致动器值和所述转矩值确定第二所需发动机空气值，其中所述节流面积模块根据所述第一和第二所需发动机空气值和所述预定RPM而确定所述所需节流面积，其中所述第一和第二所需发动机空气值分别包括歧管压力和空气流。

15、如权利要求11的方法，进一步包括根据所述所需的转矩产生所述转矩值，和根据所述所需的转矩产生电动机转矩值。

16、如权利要求15的方法，其中所述转矩值和所述电动机转矩值之和近似等于所述所需的转矩。

17、如权利要求15的方法，其中所述转矩值可根据所述所需的转矩和估算转矩产生。

18、如权利要求17的方法，进一步包括根据估算发动机空气值产生所述估算转矩。

19、如权利要求18的方法，其中所述估算发动机空气值是每个汽缸的估算空气值。

20、如权利要求11的方法，进一步包括根据所述测量RPM和所述所需节流面积而确定进气凸轮相位器和排气凸轮相位器中至少其一的位置。

Images