CN101545408A

CN101545408A - 反转矩模型求解和界限

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Publication number: CN101545408A
Application number: CNA2008101547867A
Authority: CN
Inventors: A·W·鲍尔; J·M·凯泽; M·利夫什茨; C·E·怀特尼; S·L·斯托尔奇; B·杨西; K·波奇纳
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: DE102008054062A1; DE102008054062B4; CN101545408B; US7980221B2; US20090118972A1

Abstract

本发明涉及反转矩模型求解和界限。一种发动机控制系统包括点火边界模块，该点火边界模块根据期望点火值确定边界点火值；转矩边界模块，该转矩边界模块根据边界点火值和期望转矩值确定边界转矩值；和反转矩计算模块，该反转矩计算模块根据边界转矩值和边界点火值的平方确定发动机期望空气值。发动机空气值可以是期望APC值和期望MAP值中的一个。根据多个发动机致动器位置中的一个或多个确定边界点火值和边界转矩值。还提供了用于确定边界点火值、边界转矩值和发动机空气值的相关方法。

Description

反转矩模型求解和界限

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2007年11月5日提出的美国临时申请No.60/985,470的权益。上述申请的公开内容作为参考并入本文。

技术领域

本申请涉及对内燃机的控制，特别是涉及估算内燃机的发动机期望空气值的控制系统和方法。

背景技术

本文提供背景描述是为了大概介绍本发明的背景。目前指定的发明人的工作，在背景资料章节做了一定程度的描述，还有那些在申请时不能称作现有技术的方面，这些都不能明显地或隐含地认作相对于本发明的现有技术。

内燃机燃烧气缸内的空气燃料混合物从而驱动活塞，这样产生驱动转矩。通过节气门调节进入发动机的气流。更具体地说，节气门调整节流面积，这增大或减小进入发动机的空气流量。当节流面积增大时，进入发动机的空气流量就增大。燃料调节系统调整燃料的喷射速率从而向气缸提供期望的空气/燃料混合物。增大给气缸的空气和燃料就增大发动机的转矩输出。

已经提出发动机控制系统来控制发动机转矩输出从而获得期望转矩。然而，传统的发动机控制系统没有如所期望的那样精确地控制发动机转矩输出。而且，传统的发动机控制系统没有像所期望的一样迅速对控制信号作出反应，或者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

本节提供了对本发明的概述，而没有全面介绍本发明的整个范围或全部特征。

在一种形式中，本发明提供了一种发动机控制系统，所述发动机控制系统包括点火模块(spark module)，该点火模块根据期望点火值确定边界点火值；转矩模块，该转矩模块根据边界点火值和期望转矩值确定边界转矩值；以及反转矩计算模块(inverse torque calculation module)，该反转矩计算模块根据边界转矩值和边界点火值的平方确定发动机期望空气值。发动机空气值可以是期望的每气缸中的空气量(APC)值和期望的歧管空气压力(MAP)值中的一个。可以根据多个发动机致动器位置中的一个或多个确定边界点火值和边界转矩值。

在一个示例性实施例中，本发明规定，反转矩计算模块使用一个二阶转矩模型确定发动机期望空气值，该模型被定义为：T＝K_A2*A²+K_A*A+K_AS*A*S+K_AS2*A*S²+K_S*S+K_S2*S²+K_R，其中，A等于发动机空气值；S等于边界点火值，T等于边界转矩值，K_A2、K_A、K_AS、K_AS2、K_S、K_S2和K_R是取决于多个发动机致动器位置的预定转矩灵敏度常数。在相关特征中，本发明规定，根据点火极的数量确定边界点火值，点火极的数量是根据转矩灵敏度常数确定的。

根据边界点火值和转矩灵敏度常数K_A2确定边界转矩值。发动机空气值可以是MAP，转矩灵敏度常数K_A2可以等于零。转矩灵敏度常数K_A可以大于零。多个期望发动机致动器位置可以包括进气和排气凸轮相位角、空燃比、润滑油温度、当前供油的气缸数、双脉冲模式和乙醇等效模式中的一个或多个。

在更多特征中，发动机控制系统还包括反MAP模块，该模块根据边界转矩值和边界点火值的平方确定期望MAP值，其中，反转矩计算模块确定期望APC值。

还在其它特征中，发动机控制系统还包括转矩估算模块，该模块使用二阶转矩模型根据实际空气值和期望点火确定发动机估算转矩值。

在另一种形式中，本发明提供了一种用于确定发动机空气值的方法，该方法包括根据期望点火值确定边界点火值、根据边界点火值确定边界转矩值以及根据边界转矩值和边界点火值的平方确定发动机空气值。

附图说明

下面的附图只是为了对选定实施例进行说明，而不是对全部可能的实施例进行说明，并且该附图不旨在限制本发明的范围。通过对选定实施例的详细说明并结合附图可以更完整地理解本发明，其中：

图1是依照本发明原理的一种示例性发动机系统的功能框图；

图2是依照本发明原理的一种示例性发动机控制系统的功能框图；

图3是依照本发明原理的图2所示预测转矩控制模块的一个示例性实施例的功能框图；

图4是依照本发明原理的图3所示反APC模块(inverse APC module)的一个示例性实施例的功能框图；

图5是依照本发明原理的图3所示反MAP模块的一个示例性实施例的功能框图；

图6是示出了依照本发明原理的预测转矩模块所执行的示例性步骤的流程图；

图7是示出了依照本发明原理的反APC、MAP模块所执行的示例性步骤的部分流程图；

图8是示出了依照本发明原理的反APC、MAP模块所执行的示例性附加步骤的部分流程图；

图9是示出了依照本发明原理的反APC、MAP模块所执行的示例性附加步骤的部分流程图；

图10和11是依照本发明的反转矩模型(inverse torque model)的转矩对点火的示例性二维曲线图；

图12是依照本发明的反转矩模型的9种dT/DA特征平面的汇总图表；

图13至21是依照本发明的反转矩模型的图12所示9种平面的APC对点火的示例性二维曲线图，图中包括上、下点火边界和点火极；以及

图22至30是依照本发明的反转矩模型的转矩对点火的示例性二维曲线图，图中包括上、下点火极和上、下点火边界。

在各附图中使用相同的附图标记表示相同的零件。

具体实施方式

下列描述本质上仅仅是示例性的，并且绝不旨在限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，附图中将使用相同的附图标记表示相似的元件。本文所用的措词“A、B、和C中的至少一个”应当解释成意味着使用非专用逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解，方法内的步骤可以以不同顺序执行，只要不改变本发明的原理。

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、和/或其它的提供所述功能的适当部件。

现在参照图1，图中示出了示例性发动机系统100的原理框图。发动机系统100包括发动机102，其根据驾驶员输入模块104燃烧空气/燃料混合物从而给车辆产生驱动转矩。将空气经由节气门112吸入进气歧管110中。发动机控制模块(ECM)114指令节气门致动器模块116以调节节气门112的开度从而控制吸入进气歧管110中的空气值。

将空气从进气歧管110吸入发动机102的气缸中。虽然发动机102可以具有多个气缸(即，两个或更多)，但为了图解，示出单个代表性的气缸118。ECM114可以指示气缸致动器模块120以选择性地停用一些气缸从而改善燃料经济性。本文所用的属于“停用”意味着抑制燃烧，通常是通过停止对期望气缸的燃料分配和点火。

将空气从进气歧管110经由进气门122吸入气缸118中。ECM114控制由燃料喷射系统124喷射的燃料量。燃料喷射系统124可以在中央位置将燃料喷入进气歧管110，或者可以在多个位置将燃料喷入进气歧管110，例如每个气缸118的进气门附近。另一种可选方式是，燃料喷射系统124可以将燃料直接喷入气缸118中。

喷射的燃料与空气混合并且在气缸118中形成空气/燃料混合物。气缸118内的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。基于来自ECM114的信号，点火致动器模块126给气缸118中的火花塞128通电，这点燃了空气/燃料混合物。点火定时相对于活塞处于称作上止点(TDC)的其最高位置的时间是特定的，这个时刻空气/燃料混合物受到最大程度地压缩。

空气/燃料混合物的燃烧向下驱动活塞，由此驱动旋转曲轴(未示出)。然后活塞开始向上移动并且将燃烧产物经由排气门130排出。燃烧产物经由排气系统134从车辆排出。

进气门122可以由进气凸轮轴140控制，而排气门130可以由排气凸轮轴142控制。在不同的实施例中，多个进气凸轮轴控制每个气缸的多个进气门和/或控制多列气缸的进气门。同样地，多个排气凸轮轴控制每个气缸的多个排气门和/或控制多列气缸的排气门。气缸致动器模块120可以通过停止燃料供应和点火而停用气缸和/或禁用它们的排气和/或进气门。

可以通过进气凸轮相位器148使进气门122的打开时间相对于活塞TDC发生改变。可以通过排气凸轮相位器150使排气门130的打开时间相对于活塞TDC发生改变。相位器致动器模块158根据来自ECM 114的信号来控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。

发动机系统100可以具有增压装置，其向进气歧管110提供增压空气。例如，图1示出涡轮增压器160。涡轮增压器160由流过排气系统134的排气提供动力，并且向进气歧管110提供压缩空气充量。用于产生压缩空气充量的空气可以取自进气歧管110。

废气门164可以允许废气绕过涡轮增压器160，由此降低涡轮增压器的输出(或增压)。ECM 114经由增压致动器模块162控制涡轮增压器160(图2)。增压致动器模块162可以通过控制废气门164的位置来调整涡轮增压器160的增压。由涡轮增压器160向进气歧管110提供压缩空气充量。

中冷器(未示出)可以耗散一些压缩空气充量的热量，该热量是在压缩空气时产生的并且还可以通过接近排气系统134而增加。替代的发动机系统可以具有增压器，其向进气歧管110提供压缩空气并且由曲轴驱动。

发动机系统100可以具有废气再循环(EGR)阀170，其选择性地使废气改流回进气歧管110。发动机系统100可以使用RPM传感器180测量以每分钟转数(RPM)表示的曲轴转速。可以使用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182测量发动机冷却剂的温度。ECT传感器182可以安置在发动机102内或有冷却剂循环的其它位置，比如散热器(未示出)。

可以使用进气歧管绝对压力(MAP)传感器184测量进气歧管110内的压力。在不同的实施例中，可以测量发动机真空，其中，发动机真空是大气压力与进气歧管110内压力的差值。可以使用空气质量流量(MAF)传感器186测量流入进气歧管110的空气质量。

节气门致动器模块116可以使用一个或多个节气门位置传感器(TPS)190监控节气门112的位置。可以使用进气温度(IAT)传感器192测量吸入发动机系统100的空气的大气温度。ECM 114可以使用来自本文所述的各种传感器的信号为发动机系统100做出控制决策。

ECM 114可以与变速器控制模块194连通从而调整变速器(未示出)中的换档。例如，ECM 114可以在换档期间降低转矩。ECM 114可以与混合动力控制模块196连通从而调整发动机102和电动马达198的操作。电动马达198也可以用作发电机，并且可以产生电能，供车辆电气系统使用和/或存储在蓄电池中。在不同的实施例中，ECM 114、变速器控制模块194和混合动力控制模块196可以并入一个或多个模块。

为了从理论上参照发动机102的不同控制机理，改变发动机参数的各个系统都称为致动器。例如，节气门致动器模块116可以改变节气门板的位置，由此改变节气门112的开口面积。节气门致动器模块116因此可以被称作致动器，并且节气门开度可以被称作致动器位置或致动器值。

同样地，点火致动器模块126可以被称作致动器，而相应的致动器位置是点火提前量。其它致动器包括增压致动器模块162、废气再循环阀170、相位器致动器模块158、燃料喷射系统124以及气缸致动器模块120。这些致动器所涉及的术语“致动器位置”分别对应于增压压力、废气再循环阀开度、进气和排气凸轮相位角、空气/燃料比以及启动的气缸数。

当发动机从产生一种转矩转换到产生另一种转矩时，许多致动器位置将最有效地改为产生新的转矩。例如，可以改变点火提前、节气门位置、废气再循环(EGR)调节以及凸轮相位角。改变这些致动器位置中的一个经常形成将会受益于其它致动器位置的发动机工况，其可能引起原始致动器的改变。这种反馈引起致动器位置的反复更新，直到它们都定位成最有效地产生期望转矩。

现在参照图2，图中示出了示例性发动机控制系统的原理框图。发动机控制模块(ECM)300包括车轴转矩判优模块304。车轴转矩判优模块304在来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入与其它车轴转矩请求之间判优。例如，驾驶员输入可以包括加速踏板位置。其它车轴转矩请求包括在换档期间由变速器控制模块194请求的转矩降低、在车轮滑行期间由牵引控制系统请求的转矩降低以及来自巡航控制系统的转矩请求从而控制转速。

车轴转矩判优模块304输出预测转矩和即时转矩。预测转矩是将来所需要的用以满足驾驶员的转矩和/或转速请求的转矩量。即时转矩是在当前力矩下所需要的用以满足暂时转矩请求的转矩，例如在换挡时或在牵引控制检测到车轮滑行时的转矩降低。

即时转矩可以由快速响应的发动机致动器获得，而较慢发动机致动器的目标是获得预测转矩。例如，点火致动器能够快速改变点火提前，而凸轮相位器或节气门致动器可以是更慢地作响应。车轴转矩判优模块304输出预测转矩和即时转矩给推进转矩判优模块308。

在不同的实施例中，车轴车转矩判优模块304可以输出预测转矩和即时转矩给混合动力优化模块312。混合动力优化模块312确定发动机应当产生多少转矩以及电动马达198应当产生多少转矩。混合动力优化模块312然后输出修正的预测和即时转矩值给推进转矩判优模块308。在不同的实施例中，混合动力优化模块312可以在混合动力控制模块196中执行。

推进转矩判优模块308在预测和即时转矩以及推进转矩请求之间判优。推进转矩请求可以包括用于发动机超速保护的转矩降低和用于失速保护的转矩增大。

致动模式模块314从推进转矩判优模块308接收预测和即时转矩。根据模式设定，致动模式模块314确定如何获得预测和即时转矩。例如，在第一种操作模式中，致动模式模块314可以输出预测转矩给预测转矩控制模块316。预测转矩控制模块316将预测转矩转换成发动机期望参数，例如，期望进气歧管绝对压力(MAP)、期望节流面积和/或每个气缸的期望空气(APC)。

在第一种操作模式中，致动模式模块314可以指示即时转矩控制模块320设置期望发动机参数来获得最大可能转矩。即时转矩控制模块320可以控制发动机参数，这些参数比由预测转矩控制模块316控制的发动机参数变化得更迅速。例如，即时转矩控制模块320可以控制点火提前，其可以在下一个气缸点火时达到预定值。在第一种操作模式中，即时转矩请求被预测转矩控制模块316和即时转矩控制模块320忽视。

在第二种操作模式中，致动模式模块314可以输出预测转矩给预测转矩控制模块316。致动模式模块314可以指示即时转矩控制模块320从而试图获得即时转矩，例如通过延迟点火。

在第三种操作模式中，致动模式模块314可以指示气缸致动器模块120以在必要时停用气缸从而获得即时转矩请求。在这种操作模式中，预测转矩被输出到预测转矩控制模块316，并且即时转矩被输出到即时转矩控制模块320。

在第四种操作模式中，致动模式模块314可以输出降低转矩给预测转矩控制模块316。只在需要使用点火延迟使即时转矩控制模块320获得即时转矩请求时才降低预测转矩。

即时转矩控制模块320从转矩估算模块324接收估算转矩。即时转矩控制模块320可以使用点火致动器模块126来设置点火提前从而获得期望即时转矩。估算转矩可以定义为能通过设置点火提前为校准值情况下立即产生的转矩量。该值可以校准为最小点火提前，其能在给定RPM和每缸空气值下获得最大转矩。即时转矩控制模块320然后能选择较小点火提前，其将估算转矩减少到即时转矩。

预测转矩控制模块316也接收估算转矩并且可接收测定质量空气流量(MAF)信号和发动机每分钟转速(RPM)信号。预测转矩控制模块316产生期望进气歧管绝对压力(MAP)信号，该信号被输出到增压调度模块328。

增压调度模块328使用期望MAP信号来控制增压致动器模块162。增压致动器模块162然后控制涡轮增压器，例如涡轮增压器160或压气机。预测转矩控制模块316产生期望面积信号，该信号被输出到节气门致动器模块116。节气门致动器模块116然后调节节气门112从而产生期望节流面积。

预测转矩控制模块316产生每个气缸的期望空气(APC)信号，该信号被输出到相位器调度模块332。根据期望APC信号和RPM信号，相位器调度模块332使用相位器致动器模块158将进气和/或排气凸轮相位器148、150控制为校准值。

转矩估算模块324可使用当前进气和排气凸轮相位角连同MAF信号一起来确定估算转矩。当前进气和排气凸轮相位角可以是测定值。转矩估算的更多描述可以在题为“Torque Estimator for Engine RPM and Torque Control”的共同转让的美国专利No.6,704,638中找到，其公开内容全部作为参考并入本文。

现在参照图3，图中示出了预测转矩控制模块316的示例性实施例的原理框图。依照本发明的原理，预测转矩控制模块316执行反二阶转矩模型。预测转矩控制模块316使用从模型推导出来的等式根据期望转矩来计算一个或多个发动机空气值(例如，APC、MAP)。这些等式是通过应用确保有理解答的边界条件从模型导出的。通过使用从模型导出的等式，预测转矩控制模块316能够更准确、更有效地确定发动机空气值。预测转矩控制模块316能够使用更少存储器来更准确地确定发动机空气值。

驱动转矩过滤器408从致动模式模块314接收转矩请求。驱动转矩过滤器408可以从车轴转矩判优模块304和/或推进转矩判优模块308接收信号，指示出当前指令转矩是否是驾驶员输入的结果。如果是，驱动转矩过滤器408就可以滤出高频转矩变化，例如那些在不平整的道路上由驾驶员的脚控制加速踏板所引起的。

驱动转矩过滤器408输出期望转矩(T_des)给闭环转矩控制模块412和求和模块416。闭环转矩控制模块412从转矩估算模块324接收估算转矩。闭环转矩控制模块412将估算转矩与期望转矩做比较并且输出修正因子给求和模块416。求和模块416把来自驱动转矩过滤器408的期望转矩加上来自闭环转矩控制模块412的修正因子。

在不同的实施例中，闭环转矩控制模块412可以简单地输出修正因子等于期望转矩与估算转矩之间的差值。另一种可选方式是，闭环转矩控制模块412可以使用比例-积分(PI)控制方案来达到来自驱动转矩过滤器408的期望转矩。转矩修正因子可以包括以期望转矩与估算转矩之间的差值为根据的比例偏差。转矩修正因子还可以包括以期望转矩与估算转矩之间的差值的积分为根据的偏差。输出给求和模块416的转矩修正因子T_pi可以由下列等式确定：

(1)

T_{pi} = K_{p} * (T_{des} - T_{est}) + K_{i} * &Integral; (T_{des} - T_{est}) &PartialD; t,

式中，K_p是预定比例常数，Ki是预定积分常数。

对PI控制的更多描述可以在2007年1月23日提交的、题为“Engine TorqueControl at High Pressure Ratio”的共同转让的专利申请11/656,929中找到。关于发动机转速的PI控制的另外描述可以在2007年3月13日提交的、题为“TorqueBased Engine Speed Control”的共同转让的专利申请11/685,735中找到，其公开内容全部作为参考并入本文。

求和模块416的输出由转矩限值模块420接收。转矩限值模块420可以对期望转矩应用限值。例如，可以应用上限从而免于会损坏发动机的转矩请求。转矩限值模块420还可以应用下限从而防止发动机102的失速。

下、上限都是从存储器确定，例如校准存储器424，并且可以基于RPM。转矩限值模块420输出受到限制的期望转矩给反APC模块428和反MAP模块430。

致动器确定模块436接收RPM信号和测定APC信号。测定APC信号可以从将测定MAF转换成测定APC(APC_meas)的MAF-APC转换器438接收到。致动器确定模块436确定期望致动器位置，例如进气和排气凸轮相位角、点火提前和空气/燃料比。进气和排气凸轮相位角和点火提前可以是RPM和APC的函数，而空气/燃料比可以是APC的函数。致动器确定模块436输出期望致动器位置给反APC模块428和反MAP模块430。

反APC模块428确定期望APC(APC_des)，基于从转矩限值模块420接收的期望转矩和从致动器确定模块436接收的期望致动器位置。反APC模块428可以执行反转矩模型，其根据期望致动器位置，例如点火提前(S)、进气(I)和排气(E)凸轮相位角、空气/燃料比(AF)、油温(OT)和当前供油的气缸数(#)，来确定期望APC。对本发明来说，反APC模块428使用反转矩模型来确定期望APC，其能用下列通式表示：

(2)

{APC}_{des} = T_{apc}^{1} (T_{des}, S, I, E, AF, OT, #)

具体地说，反MAP模块428可以采用下列7项二阶转矩模型来确定期望APC：

(3)T＝K_A2*A²+K_A*A+K_AS*A*S+K_AS2*A*S²+K_S*S+K_S2*S²+K_R式中，T是转矩值，A是发动机空气值，S是点火值，K_A2、K_A、K_AS、K_AS2、K_S、K_S2和K_R是APC转矩灵敏度常数(APCk值)。反APC转矩灵敏度常数可以是取决于致动器位置的预定值，例如，但不局限于，点火提前(S)、进气(I)和排气(E)凸轮相位角、空气/燃料比(AF)、油温(OT)、当前供油的气缸数(#)、双脉冲模式和乙醇等效模式。APC转矩灵敏度常数可以通过经验方法采用准稳态发动机测试确定，其中，发动机致动器位置是变化的并且测定所得到的APC。每个特定APC转矩灵敏度常数的值根据致动器位置的不同组合方式而变化。另外，APC k值可以是正的、负的或零。APC k值可以按比例变化从而确保等式(4)中的单位平衡并且形成期望APC值的特定范围。APC k值可以存在校准存储器424的存储表中，并且根据期望致动器位置进行查寻以用于上述反转矩模型。

可以重新排列等式(3)的各项，得到下列反转矩模型：

(4)(K_A2)*A²+(K_AS2*S²+K_AS*S+K_A)*A+(K_S*S+K_S2*S²+K_R-T)＝0等式(4)具有二次方程式的形式，所以，A可以采用下列二次公式确定：

(5)

A = \frac{- b_{2} &PlusMinus; \sqrt{b_{2}^{2} - 4 * a * c}}{2 * a},

式中，

A＝APC_des

a＝K_A2

b＝K_AS2*S²+K_AS*S+K_A

c＝K_S*S+K_S2*S²+K_R-T

应当注意，因为希望将期望APC限制为正值，所以忽略掉上述±二次项中的负基项。这样，反APC模块428就可以根据期望转矩和期望致动器位置通过执行等式(4)所述的反转矩模型和使用等式(5)来确定期望APC。反APC模型428接下来执行的用以确定期望APC的示例性步骤在下文参照图7-9进行更详细的描述。反APC模型428输出期望APC给MAF计算模块456和相位器调度模块332。

反MAP模块430根据从转矩限值模块420接收的期望转矩和从致动器确定模块436接收的期望致动器位置确定期望MAP(MAP_des)。反MAP模块430使用基本类似于等式(3)所述模型的二阶转矩模型来确定期望MAP。具体地说，反MAP模块430使用下列等式来确定期望MAP：

式中，

A′＝MAP_des

在上述等式中，K′_A2、K′_A、K′_AS、K′_AS2、K′_S、K′_S2和K′_R是MAP转矩灵敏度常数(MAPk′值)。MAP转矩灵敏度常数可以是取决于致动器位置的预定值，例如，但不局限于，点火提前(S)、进气(I)和排气(E)凸轮相位角、空气/燃料比(AF)、油温(OT)、当前供油的气缸数(#)、双脉冲模式和乙醇等效模式。与上述APC转矩灵敏度常数一样，MAP转矩灵敏度常数也可以通过经验方法采用准稳态发动机测试确定，其中，发动机致动器位置是变化的并且测定所得到的MAP。

每个特定MAP转矩灵敏度常数的值根据致动器位置的不同组合方式而变化。另外，MAPk′值可以是正的、负的或零。在本公开中，K′_A2是0。MAP k′值可以按比例变化从而确保等式(7)中的单位平衡并且形成期望MAP值的特定范围。MAP转矩灵敏度常数可以存在校准存储器424的存储表中，并且根据期望致动器位置进行查寻以用于上述反转矩模型。

这样，反MAP模块430就可以根据期望转矩和期望致动器位置通过执行等式(7)的反转矩模型和使用等式(8)来确定期望MAP。反MAP模型430接下来执行的用以确定期望MAP的示例性步骤在下文参照图7-9进行更详细的描述。反MAP模型430输出期望MAP给可压缩流模块464和增压调度模块328。

现在参照图4，图中示出了反APC模块428的示例性实施例的原理框图。转矩灵敏度常数模块440从致动器确定模块436接收期望致动器位置。利用期望致动器位置，转矩灵敏度常数模块440从校准存储器424中重新得到(即查寻)相应的APC转矩灵敏度常数(即K_A2、K_A、K_AS、K_AS2、K_S、K_S2和K_R)。转矩灵敏度常数模块440输出APC转矩灵敏度常数给点火边界模块442、转矩边界模块444和反APC计算模块446。

点火边界模块442从致动器确定模块436接收期望点火(S_des)并从转矩灵敏度常数模块440接收APC转矩灵敏度常数。点火边界模块442根据期望点火(S_des)和APC转矩灵敏度常数确定边界点火值(S_bound)。点火边界模块442输出边界点火值给转矩边界模块444和反APC计算模块446。

转矩边界模块444从点火边界模块442接收边界点火值、从转矩灵敏度常数模块440接收APC转矩灵敏度常数以及从转矩限值模块420接收期望转矩(T_des)。根据边界点火值、APC转矩灵敏度常数和期望转矩，转矩边界模块444确定边界转矩值(T_bound)。转矩边界模块444输出边界转矩值给反APC计算模块446。

反APC计算模块446从点火边界模块442接收边界点火值(S_bound)、从转矩边界模块444接收边界转矩值(T_bound)以及从转矩灵敏度常数模块440接收APC转矩灵敏度常数(APC k值)。反APC计算模块446根据边界点火值、边界转矩值和APC转矩灵敏度常数确定期望APC(APC_des)。反APC计算模块446输出期望APC给MAF计算模块456。

现在参照图5，图中示出了反MAP模块430的示例性实施例的原理框图。转矩灵敏度常数模块448从致动器确定模块436接收期望致动器位置。利用期望致动器位置，转矩灵敏度常数模块448从校准存储器424中重新得到相应的MAP转矩灵敏度常数(即K′_A2、K′_A、K′_AS、K′_AS2、K′_S、K′_S2和K′_R)。转矩灵敏度常数模块448输出MAP转矩灵敏度常数给点火边界模块450、转矩边界模块452和反MAP计算模块454。

点火边界模块450从致动器确定模块436接收期望点火(S_des)并从转矩灵敏度常数模块448接收MAP转矩灵敏度常数(MAP k′值)。点火边界模块450根据期望点火和MAP转矩灵敏度常数确定边界点火值(S′_bound)。点火边界模块450输出边界点火值给转矩边界模块452和反MAP计算模块454。

转矩边界模块452从点火边界模块450接收边界点火值(S′_bound)、从转矩灵敏度常数模块448接收MAP转矩灵敏度常数(MAP k′值)以及从转矩限值模块420接收期望转矩(T_des)。根据边界点火值、MAP转矩灵敏度常数和期望转矩，转矩边界模块452确定边界转矩值(T′_bound)。转矩边界模块452输出边界转矩值给反MAP计算模块454。

反MAP计算模块454从点火边界模块450接收边界点火值(S′_bound)、从转矩边界模块452接收边界转矩值(T′_bound)以及从转矩灵敏度常数模块448接收MAP转矩灵敏度常数(MAP k′值)，并且根据边界点火值、边界转矩值和MAP转矩灵敏度常数确定期望MAP(MAP_des)。反MAP计算模块454输出期望MAP给增压调度模块328和可压缩流模块464。

再参照图3，MAF计算模块456根据期望APC(APC_des)确定期望MAF(MAF_des)。期望MAF可用下列等式计算：

(9)

{MAF}_{des} = \frac{{APC}_{des} \cdot RPM \cdot #}{60 s / \min \cdot 2 rev / firing},

式中，#是当前供油的气缸数。期望MAF被输出给可压缩流模块464。

可压缩流模块464根据期望MAP和期望MAF确定期望节流面积(Area_des)。期望面积可用下列等式计算：

(10)

{Area}_{des} = \frac{{MAF}_{des} \cdot \sqrt{R_{gas} \cdot T}}{P_{baro} \cdot Φ (P_{r})},

式中，

P_{r} = \frac{{MAP}_{des}}{P_{baro}},

并且，式中，R_gas是理想气体常数，T是进气温度，P_baro是大气压力。P_baro可以直接用传感器测量，例如IAT传感器192，或者用其它测得或估算的参数计算。

Φ函数解释了由节气门112任一侧的压差所引起的气流变化。Φ函数可用下式给定：

式中

(12)

P_{critical} = {(\frac{2}{γ + 1})}^{\frac{γ}{γ - 1}} = 0.528,

对于空气而言，

并且，式中，γ是比热常数，对于空气而言，γ在约1.3至1.4之间。P_critical定义为称作阻流或临界流的流经节气门112的空气的流速等于音速时的压力比。可压缩流模块464输出期望面积给节气门致动器模块116，其控制节气门112从而提供期望开口面积。

现在参照图6，图中示出了预测转矩控制模块316所执行的示例性步骤的流程图。在步骤600处开始控制，此处，控制确定发动机期望转矩(T_des)。控制继续到步骤602，此处，控制根据当前测定APC(APC_meas)确定期望致动器位置。控制继续到步骤604，此处，控制根据当前期望致动器位置、当前期望点火(S_des)和当前期望转矩(T_des)确定期望APC(APC_des)和期望MAP(MAP_des)。控制继续到步骤606，此处，控制根据期望APC确定期望MAF(MAF_des)。控制继续到步骤608，此处，控制根据期望MAF/APC和期望MAP中的至少一个来确定新的期望致动器位置。在不同的实施例中，步骤608中确定的期望致动器位置可以不算作步骤602中确定的期望致动器位置的一个。

例如，控制可以根据期望MAF和期望MAP确定期望节流面积。控制还可以根据期望MAP确定期望增压压力。控制还可以根据期望APC确定期望相位角。控制从步骤608回到步骤600。

现在参照图7，流程图描述了反APC模块428所执行的示例性步骤以确定期望APC。在步骤700处开始控制，此处，控制确定下点火边界(S_L)和上点火边界(S_U)，这些边界将用于确定边界点火值(S_bound)。下、上点火边界限定出点火值的范围，对于这个范围，等式(3)的转矩曲线的斜率保持为正。第一边界条件希望确保输给反转矩模型的转矩值与用反转矩模型确定的APC值之间的正比关系(即，正比关系)。因此，随着输给模型的边界转矩值的增大，用这个模型确定的期望APC的值也将增大。

尽管希望是正比关系并且本文提供了正比关系来确定期望APC，但是，另一种可选方式是，也可能希望是反比关系来根据输给反转矩模型的转矩值计算其它致动器位置。本发明的原理使得本领域技术人员能够实施反转矩模型，该模型确保输给反转矩模型的转矩值与用这个模型确定的致动器位置之间的反比关系。

转矩与APC之间的正比关系可以通过限制用于等式(4)和(5)的点火值得到确保，从而确保等式(3)中的转矩相对于A的导数(即dT/dA)保持为正。等式(3)的导数(dT/dA)结果用等式构成：

(13)dT/dA＝K_AS2*S²+K_AS*S+K_A+2*K_A2*A

通过设定等式(13)中的dT/dA等于零并求解A的相应值，可以确定dT/dA的符号变化时的临界值(A_crit)。术语“点火极”将在本文中用于指作等式(13)定义的dT/dA等于零时的位置。设定等式(13)中的dT/dA等于零并求解A，产生下列等式：

(14)0＝K_AS2*S²+K_AS*S+K_A+2*K_A2*A

(15)

A_{CRIT} = \frac{- K_{AS 2} * S^{2} - K_{AS} * S - K_{A}}{2 * K_{A 2}}

因此，对于给定的点火值，dT/dA将保持其符号，直到达到临界值(A_crit)。提出另一种方式，dT/dA将对下转矩边界(T_L)与上转矩边界(T_U)之间的所有转矩值都为正，只要T_L处的dT/dA的值为正。而且，如果A＝0处的dT/dA为正，那么dT/dA从T_L到T_U将为正。另外，通过要求K_A为正，就可以确保S＝0和A＝0处的dT/dA为正(见上述等式(13))。然后通过设定等式(14)中的A等于零并求解相应的点火值来确定下点火边界(S_L)和上点火边界(S_U)，使用下列等式：

(16)

S_{L} = \frac{- b_{2} - \sqrt{b_{2}^{2} - 4 * a * c}}{2 * a}

(17)

S_{U} = \frac{- b_{2} + \sqrt{b_{2}^{2} - 4 * a * c}}{2 * a},

式中

a＝K_AS2(或K′_AS2)

b＝K_AS(或K′_AS)

c＝K_A(或K′_A)

因此，在步骤700中，控制可以使用等式(16)来确定下点火边界(S_L)，使用等式(17)来确定上点火边界(S_U)。从上述等式(16)和(17)，可以意识到，对于K_AS2和K_AS的某些值而言，可以没有对S_L的实际下限和对S_U的实际上限。在这种情况中，控制可以将相应点火边界的值设定为缺省点火边界值，这将在下文更详细地描述。

现在参照图8，流程图描述了控制在步骤700处所执行的示例性步骤以使用等式(16)和(17)确定下点火边界和上点火边界。在步骤702处开始，控制将下点火边界(S_L)的值设定为缺省下点火边界值，将上点火边界(S_U)的值设定为缺省上点火边界值。为了示例的目的，缺省下点火边界值可以是-100度，缺省上点火边界值可以是+100度。

接下来在步骤704中，控制确定K_AS2(等式(16-17)中的a)的值是否大于零。如果K_AS2大于零，结束步骤700处的控制并且控制前进到步骤720(图7)。如果K_AS2不大于零，控制然后就前进到步骤706。在步骤706处，控制确定K_AS2的值是否小于零。如果K_AS2小于零，控制然后就前进到步骤708，否则，控制就前进到步骤710。在步骤708处，控制分别使用等式(16)和(17)来确定下、上点火边界(S_L、S_U)的值。因此，在步骤708处，控制将下、上点火边界的值设定为等于使用等式(16)和(17)所得到的值。从步骤708，结束步骤700处的控制并且控制前进到步骤720。

在步骤710处，控制确定K_AS(等式(16-17)中的b)的值是否大于零。如果K_AS大于零，控制然后前进到步骤712，否则，控制前进到步骤714。在步骤712处，控制使用等式(16)来确定下点火边界(S_L)的值。因此，在步骤712处，控制将下点火边界的值设定为等于使用等式(16)所得到的值。从步骤712，结束步骤700处的控制并且控制前进到步骤720(图7)。在步骤714处，控制使用等式(17)来确定上点火边界(S_U)的值。因此，在步骤714处，控制将上点火边界的值设定为等于使用等式(17)所得到的值。从步骤714，结束步骤700处的控制并且控制前进到步骤720(图7)。

再参照图7，控制继续到步骤720，此处，控制确定期望点火值(S_des)是否大于或等于步骤700中确定的下点火边界(S_L)并且是否小于或等于步骤700中确定的上点火边界(S_U)。如果期望点火值大于或等于下点火边界并且小于或等于上点火边界，控制然后就前进到步骤722，否这，控制就前进到步骤724。在步骤722处，控制将边界点火值(S_bound)设定为等于期望点火值(S_ds)并且控制前进到步骤730。

在步骤724处，控制确定期望点火值(S_des)是否大于上点火边界(S_U)。如果期望点火值大于上点火边界，控制然后就前进到步骤726，否这，控制就前进到步骤728。在步骤726处，控制将边界点火值(S_bound)设定为等于上点火边界(S_U)的值并且控制前进到步骤730。在步骤728处，控制将边界点火值(S_bound)设定为等于下点火边界(S_L)的值并且控制前进到步骤730。

从上述步骤720-728，将意识到，当期望点火值落在由下点火边界与上点火边界限定的点火值范围内时，边界点火值将等于期望点火值。当期望点火值落在由下点火边界与上点火边界限定的点火值范围外时，边界点火值将被设定为下点火边界与上点火边界中的一个，取决于哪个值最接近期望点火值。还可以意识到，边界点火值，与下、上点火边界相比，是根据点火极的数量确定。如步骤704、706、710(见图8)所示，点火极的数量取决于APC k值，尤其是K_AS2和K_AS。

控制继续到步骤730，此处，控制确定下转矩边界(T_L)与上转矩边界(T_U)，这些将用于确定边界转矩值(T_bound)。下、上转矩边界分别代表着最小、最大转矩值，由用等式(4)表示的反转矩模型限定。

按照等式(4)的反转矩模型，下转矩边界(T_L)将在APC值(即A)为零时出现。因此，在步骤730处，通过设定A等于零并且S等于边界点火值(S_bound)，控制使用等式(3)确定下转矩边界(T_L)。得到的等式如下表示：

(18)T_L＝K_S2*(S_bound)²+K_S*(S_bound)+K_S2*(S_bound)²+K_R

按照等式(4)的反转矩模型，最大转矩将在dT/dA等于零状态的APC值处产生。因此，上转矩边界(T_U)可以通过用公式代替用于等式(3)的A的等式(15)中的临界值(A_crit)并且求解得到的转矩值。然而，将意识到，所得到的最大转矩的等式是点火的四阶等式，并且因此，在K_A2的值大于或等于零时，不存在理论最大转矩值。在这种情况下，控制可以设定上转矩边界的值为缺省上转矩边界值，这在下文将做详细描述。下表总结了从上述讨论得到的最小和最大转矩值的数值。

现在参照图9，流程图描述了控制在步骤730处所执行的示例性步骤以使用等式(3)和(15)确定下、上转矩边界。在步骤732处开始，控制将上转矩边界(T_U)的值设定为等于缺省上转矩边界值。为了示例的目的，缺省上转矩边界值可以是1e6。从步骤732，控制前进到步骤734，此处，使用等式(3)通过设定A等于零并且S等于边界点火值(S_bound)并且求解得到的转矩值，控制确定下转矩边界(T_L)的值。在步骤734处，控制将下转矩边界的值设定为等于由此获得的转矩值。

控制前进到步骤736，此处，控制确定K_A2的值是否大于或等于零。如果K_A2大于或等于零，然后就结束步骤730的控制并且控制前进到步骤740(图7)。如果K_A2不大于或等于零，控制前进到步骤738。在步骤738处，控制首先使用等式(15)通过设定S等于边界点火值(S_bound)来确定A_crit的值。接下来，控制使用等式(3)通过设定A等于用等式(15)确定的A_crit的值并且设定S等于边界点火值(S_bound)来确定上转矩边界(T_U)的值。在步骤738处，控制将上转矩边界的值设定为等于由此获得的转矩值。从步骤738，结束步骤730的控制并且控制前进到步骤740。

再参照图7，在步骤740处，控制确定期望转矩值(T_des)是否大于或等于下转矩边界(T_L)并且小于或等于上转矩边界(T_U)。如果期望转矩大于或等于下转矩边界并且小于或等于上转矩边界，控制然后就前进到步骤742，否则，控制前进到步骤744。在步骤742处，控制将边界转矩值(T_bound)设定为等于期望转矩值(T_des)。从步骤742，控制前进到步骤750。

在步骤744处，控制确定期望转矩值(T_des)是否大于或等于上转矩边界(T_U)。如果期望转矩大于或等于上转矩边界，控制然后就前进到步骤746，否则，控制前进到步骤748。在步骤746处，控制将边界转矩值(T_bound)设定为等于上转矩边界(T_U)的值。从步骤746，控制前进到步骤750。在步骤748处，控制将边界转矩值(T_bound)设定为等于下转矩边界(T_L)的值。从步骤748，控制前进到步骤750。

从上述步骤740-748，将意识到，当期望转矩落在由下转矩边界与上转矩边界限定的转矩值范围内时，边界转矩值将等于期望转矩值。还可以意识到，当期望转矩值落在由下转矩边界与上转矩边界限定的转矩值范围外时，边界转矩值将被设定为下转矩边界与上转矩边界中的一个，取决于哪个值最接近期望转矩值。

控制继续到步骤750，此处，控制根据边界点火值和边界转矩值使用等式(5)通过设定等式(5)中的S等于边界点火值(S_bound)并且设定等式(5)中的T等于边界转矩值(T_bound)来确定期望APC值(APC_des)。

继续参照图7-9，现在将说明反MAP模块430所执行的步骤以确定期望MAP(MAP_des)。由于反MAP模块430与上述反APC模块428所执行的步骤大致相同，只详细说明反MAP模块与反APC模块所执行的步骤之间的差别。

在步骤700处开始控制并且前进完成上述对反APC模块428描述的步骤750，包括步骤702-714和步骤732-738。然而，步骤704-714中的上和下点火边界(S′_L和S′_U)、步骤734-738中的上和下转矩边界(T′_L和T′_U)、步骤720-728中的边界点火值(S′_bound)、步骤740-748中的边界转矩值(T′_bound)以及步骤750中的期望MAP的确定都更换为根据MAP转矩灵敏度常数(MAP k′值)。

参照图10-11，图中示出了依照本发明的转矩模型的转矩对点火的示例性曲线图。为了清楚起见，指出和确认了点火-转矩平面区域(r)，该区域中，转矩模型产生有理转矩值并且dT/dA大于或等于零。同样，指出和确认了点火-转矩平面区域(i)，该区域中，转矩模型产生无理转矩值并且dT/dA小于零。

参照图12-21，图中示出了依照本发明的反转矩模型的APC对点火的示例性曲线图，包括上和下点火边界/极。图12-21示出了9种dT/DA特征平面，称作附图中的实例，从在一定正、负和零值之间变化的转矩灵敏度常数得到。为了清楚起见，图12-21中确认了正dT/dA区域(p)。此外，划分和确认了下和上点火极(即点火边界位置)。

参照图22-30，图中示出了针对转矩灵敏度常数的示例性数值的点火-转矩平面的示例性曲线。图22-30示出了9种点火-转矩特征平面，从在一定正、负和零值之间变化的转矩灵敏度常数得到。为了清楚起见，图22-30中确认了正的、实数解区域(

)，此处，dT/dA为正。此外，划分和确认了下和上点火以及上和下转矩边界曲线。

为了解释和说明提供了上述实施例的描述。不旨在做穷举或是限制本发明。特定实施例的各个元件或特征用一般不限制为该特定实施例，而是，只要适用，就可互换并且可用于选定实施例，即使没有明确示出或描述。例如，尽管论述了二阶反转矩模型在反APC模块428和反MAP模块430中的实施，但是，本发明的二阶转矩模型也可以应用于转矩估算模块324来计算估算转矩。还可以在很多方面作出类似的改变。这种变化不被视为有悖于本发明，并且所有这种变型都旨在落入本发明的范围内。

Claims

1.一种发动机控制系统，包括：

点火模块，所述点火模块根据期望点火值确定边界点火值；

转矩模块，所述转矩模块根据所述边界点火值和期望转矩值确定边界转矩值；以及

反转矩计算模块，所述反转矩计算模块根据所述边界转矩值和所述边界点火值的平方确定发动机期望空气值。

2.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述发动机期望空气值是期望APC和期望MAP中的一个。

3.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述反转矩计算模块根据所述边界点火值的四次幂与所述边界转矩值之总和的平方根来确定所述发动机期望空气值，并且其中所述总和大于或等于零。

4.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述反转矩计算模块使用二阶转矩等式来确定所述发动机期望空气值，该等式被定义为：

T＝K_A2*A²+K_A*A+K_AS*A*S+K_AS2*A*S²+K_S*S+K_S2*S²+K_R，

式中，A等于所述发动机期望空气值，S等于所述边界点火值，T等于所述边界转矩值，K_A2、K_A、K_AS、K_AS2、K_S、K_S2和K_R是取决于发动机致动器位置的预定转矩灵敏度常数。

5.如权利要求4所述的发动机控制系统，其中所述边界点火值是根据点火极的数量确定的，并且其中所述点火极的数量是根据所述转矩灵敏度常数确定的。

6.如权利要求4所述的发动机控制系统，其中所述边界转矩值是根据所述转矩灵敏度常数K_A2确定的。

7.如权利要求4所述的发动机控制系统，其中所述发动机期望空气值是MAP并且所述转矩灵敏度常数K_A2等于零。

8.如权利要求4所述的发动机控制系统，其中所述转矩灵敏度常数K_A大于零。

9.如权利要求4所述的发动机控制系统，其中所述预定转矩灵敏度常数取决于来自包含凸轮相位角、空气/燃料比、油温、当前供油的气缸数、双脉冲模式和乙醇等效模式的因素组中的一个。

10.如权利要求4所述的发动机控制系统，还包括转矩估算模块，所述转矩估算模块使用所述二阶转矩等式确定发动机估算转矩值，其中A等于发动机测定空气值，并且S等于所述期望点火值。

11.如权利要求1所述的发动机控制系统，还包括反MAP模块，所述反MAP模块根据所述边界转矩值和所述边界点火值的平方确定期望MAP值，其中所述反转矩计算模块确定期望APC值。

12.一种方法，包括：

根据期望点火值确定边界点火值；

根据所述边界点火值和期望转矩值确定边界转矩值；以及

根据所述边界转矩值和所述边界点火值的平方确定发动机期望空气值。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述发动机期望空气值是期望APC和期望MAP中的一个。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述确定所述边界点火值包括根据点火极数量确定所述边界点火值。

15.如权利要求12所述的方法，其中所述确定所述发动机期望空气值包括确定所述边界点火值的四次幂与所述边界转矩值之总和的平方根，其中所述总和大于或等于零。

16.如权利要求12所述的方法，其中所述确定所述发动机期望空气值包括使用二阶转矩等式来确定所述发动机期望空气值，该等式被定义为：

T＝K_A2*A²+K_A*A+K_AS*A*S+K_AS2*A*S²+K_S*S+K_S2*S²+K_R，

17.如权利要求16所述的方法，还包括根据所述转矩灵敏度常数确定点火极数量，其中确定所述边界点火值包括根据所述点火极数量确定所述边界点火值。

18.如权利要求16所述的方法，其中所述确定所述边界转矩值包括根据所述转矩灵敏度常数K_A2确定所述边界转矩值。

19.如权利要求16所述的方法，其中所述发动机期望空气值是MAP并且所述转矩灵敏度常数K_A2等于零。

20.如权利要求16所述的方法，其中所述转矩灵敏度常数K_A大于零。

21.如权利要求16所述的方法，其中所述多个期望发动机致动器位置包括来自包含进气和排气凸轮相位角、空气/燃料比、油温、当前供油的气缸数、双脉冲模式和乙醇等效模式的因素组中的一个。

22.如权利要求16所述的方法，还包括使用所述二阶转矩等式确定发动机估算转矩值，其中A等于发动机测定空气值，并且S等于所述期望点火值。

23.如权利要求12所述的方法，还包括根据所述边界转矩值和所述边界点火值的平方确定期望MAP值，且其中所述发动机期望空气值是期望APC值。