CN101684756B - 在协同扭矩控制系统中确保节流面积 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在协同扭矩控制系统中确保节流面积。发动机系统包括节气门致动器模块和扭矩控制模块。所述节气门致动器模块基于期望节流面积控制节气门致动器。扭矩控制模块确定致动器扭矩，并基于所述致动器扭矩和预定变化速率确定速率限制扭矩、最大扭矩和最小扭矩。当所述速率限制扭矩大于所述最大扭矩时，所述期望节流面积基于所述致动器扭矩确定。当所述速率限制扭矩小于所述最小扭矩时，所述期望节流面积基于所述致动器扭矩确定。

Description

在协同扭矩控制系统中确保节流面积

本申请要求于2008年9月24日提交的美国临时申请No.61/099,638的权益。上述申请的内容通过参考包含于本文。

技术领域

本发明涉及为获得期望发动机扭矩的车辆致动器控制，尤其涉及确保期望发动机扭矩至期望节流面积的转换。

背景技术

这里提供的背景描述是为了总地示出本公开背景的目的。本发明人在该背景技术部分中所作描述的内容，以及其描述在叙写时不会以其它方式被认为现有技术的方面，既不特别地也不含蓄地认为是破坏本发明的现有技术。

内燃机在汽缸内燃烧空气与燃料混合物以驱动活塞，活塞产生驱动扭矩。进入汽油机的空气流通过节气门来调节。更具体地，所述节气门调节节流面积，来增大或减小进入发动机的空气流。当节流面积增大时，进入发动机的空气流增大。燃料控制系统调节喷射燃料的速率，以向汽缸提供期望的空气/燃料混合物。增大提供给汽缸的空气与燃料量增大了发动机的扭矩输出。

发动机控制系统已经发展成控制发动机扭矩输出以获得期望扭矩。但是，传统的发动机控制系统并不如期望地那样精确地控制发动机扭矩输出。另外，传统的发动机控制系统在影响发动机扭矩输出的各种装置中并不提供对控制信号的快速响应或协调发动机扭矩控制。

发明内容

一种发动机系统包括节气门致动器模块和扭矩控制模块。所述节气门致动器模块基于期望节流面积控制节气门致动器。扭矩控制模块确定致动器扭矩，并基于所述致动器扭矩和预定变化速率确定速率限制扭矩、最大扭矩和最小扭矩。当所述速率限制扭矩大于所述最大扭矩时，扭矩控制模块基于所述致动器扭矩确定所述期望节流面积。当所述速率限制扭矩小于所述最小扭矩时，扭矩控制模块基于所述致动器扭矩确定所述期望节流面积。

一种发动机控制方法包括基于期望节流面积控制节气门致动器和确定致动器扭矩。另外，所述方法包括基于所述致动器扭矩和预定变化速率确定速率限制扭矩、最大扭矩和最小扭矩。所述方法还包括当所述速率限制扭矩大于所述最大扭矩和当所述速率限制扭矩小于所述最小扭矩时，基于所述致动器扭矩确定所述期望节流面积。

附图说明

从其详细描述和附图可更加全面地理解本公开，其中：

图1为根据本公开原理的示例发动机系统的功能框图；

图2为根据本公开原理的示例发动机控制模块的功能框图；

图3为根据本公开原理的示例空气控制模块的功能框图；

图4为根据本公开原理的用于速率限制扭矩的最大和最小可接受极限的计算；

图5A为示出根据本公开原理的扭矩监测方法的一部分的流程图；

图5B为示出根据本公开原理的扭矩监测方法的一部分的流程图；

图5C为示出根据本公开原理的扭矩监测方法的一部分的流程图。

具体实施方式

实质上，下面的描述仅仅是示例性的，而绝不是限制本发明及其应用或使用。为清楚起见，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，短语“A、B和C中至少之一”应当认为是意味着使用非排他性逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解，在不改变本公开原理的情况下，可以不同的顺序执行方法中的步骤。

如本文中所使用的，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。

发动机控制系统控制扭矩输出。发动机控制系统的精度部分地依赖于扭矩计算中误差的稳健检测。根据本公开的扭矩监测系统提供了用于检测扭矩计算中的误差的稳健误差检测系统。该系统包括基于速率限制功能确定计算边界的诊断。该诊断向落在边界之外的所有扭矩计算应用修正。

现在参考图1，示出了示例发动机系统100的功能框图。发动机系统100包括基于驾驶员输入模块104燃烧空气/燃料混合物以产生车辆驱动扭矩的发动机102。空气通过节气门112吸入进气歧管110。例如，节气门112可包括具有可旋转叶片的蝶形阀。发动机控制模块(ECM)114控制节气门致动器模块116，该模块116调节节气门112的打开，以控制吸入进气歧管110的空气量。ECM 114可执行本公开的扭矩监测系统。

空气从进气歧管110吸入发动机102的汽缸。虽然发动机102可包括多个汽缸，但为示意性目的，只示出了一个有代表性的汽缸118。例如，发动机102可包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个汽缸。ECM 114可指示汽缸致动器模块120有选择地停用一些汽缸，可在特定发动机操作条件下提高燃料经济性。

空气从进气歧管110通过进气门122吸入汽缸118。ECM 114控制燃料致动器模块124，该模块124调节燃料喷射以获得期望的空气/燃料比。燃料可在中心位置或多个位置例如各汽缸的进气门附近喷入进气歧管110。在图1中未示出的各种执行方案中，燃料可直接汽缸或与汽缸相连的混合室中。燃料致动器模块124可中止向停用的汽缸的燃料喷射。

喷射的燃料与空气混合，并在汽缸118中产生空气/燃料混合物。汽缸118中的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。基于ECM 114的信号，火花致动器模块126给汽缸118中的火花塞128通电，点燃空气/燃料混合物。相对于活塞处在其最顶部位置(称为上止点(TDC))时的时间规定火花的正时。

空气/燃料混合物的燃烧将活塞向下驱动，从而驱动旋转的曲轴(未示出)。然后活塞开始再次向上移动，通过排气门130将燃烧副产物排出。燃烧副产物通过排气系统134从车辆排出。

火花致动器模块126可通过表示应当在TDC前后多少提供火花的正时信号来控制。因此火花致动器模块126的操作可与曲轴旋转同步。在各种执行方案中，火花致动器模块126可中止向停用汽缸提供火花。

进气门122可通过进气凸轮轴140来控制，而排气门130可通过排气凸轮轴142来控制。在各种执行方案中，多个进气凸轮轴可控制每个汽缸的多个进气门和/或可控制多个汽缸组的进气门。类似地，多个排气凸轮轴可控制每个汽缸的多个排气门和/或可控制多个汽缸组的排气门。汽缸致动器模块120可通过禁止进气门122和/或排气门130的打开来停用汽缸118。

进气门122打开的时间可通过进气凸轮相位器148而相对于活塞TDC变化。排气门130打开的时间可通过排气凸轮相位器150而相对于活塞TDC变化。相位器致动器模块158基于ECM 114的信号控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。当执行时，可变气门升程也可通过相位器致动器模块158来控制。

发动机系统100可包括向进气歧管110提供增压空气的增压装置。例如，图1示出了涡轮增压器160，其包括由流过排气系统134的热废气驱动的热涡轮160-1。涡轮增压器160还包括由涡轮160-1驱动的冷却空气压缩机160-2，该压缩机压缩导入节气门112的空气。在各种执行方案中，由曲轴驱动的增压器可压缩来自节气门112的空气，并将压缩的空气输送到进气歧管110。

废气门162可允许废气绕过涡轮增压器160，从而降低涡轮增压器160的增压(进气压缩量)。ECM 114通过增压致动器模块164控制涡轮增压器160。增压致动器模块164可通过控制废气门162的位置来调节涡轮增压器160的增压。在各种执行方案中，可通过增压致动器模块164控制多个涡轮增压器。涡轮增压器160可具有可变的几何形状，可由增压致动器模块164来控制。

中冷器(未示出)可驱散一部分空气被压缩时产生的压缩空气充气热量。由于空气靠近排气系统134，所以压缩空气充气还吸收了热量。虽然为示意性目而分开示出，但是涡轮160-1与压缩机160-2通常彼此连接，将进气置于热废气紧邻处。

发动机系统100可包括废气再循环(EGR)阀170，该阀有选择地将废气再导向回进气歧管110。EGR阀170可位于涡轮增压器160的上流。EGR阀170可由EGR致动器模块172控制。

发动机系统100可使用RPM传感器180以转数每分(RPM)来测量曲轴的速度。发动机冷却剂的温度可使用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182来测量。ECT传感器182可位于发动机102内或循环冷却剂的其它位置，例如散热器(未示出)。

进气歧管110中的可使用歧管绝对压力(MAP)传感器184来测量。在各种执行方案中可测量发动机真空度，即环境大气压力与进气歧管110内压力之间的差。流入进气歧管110中的空气质量流率可使用空气流量(MAF)传感器186来测量。在各种执行方案中，MAF传感器186可位于壳体中，该壳体还包括节气门112。

节气门致动器模块116可使用一个或多个节气门位置传感器(TPS)190来监测节气门112的位置。吸入发动机102的空气的环境温度可使用进气温度(IAT)传感器192来测量。ECM 114可使用传感器的信号来作出发动机系统100的控制决定。

ECM 114可与变速器控制模块194通信以协调变速器(未示出)中的换档。例如，ECM 114可在换档期间降低发动机扭矩。ECM 114可与混合动力控制模块196通信，以协调发动机102和电机198的操作。

电机198还可用作发电机，可用于产生电能以被车辆电子系统使用和/或存储在电池中。在各种执行方案中，ECM 114、变速器控制模块194和混合动力控制模块196的各种功能可集成进一个或多个模块。

改变发动机参数的各个系统可称为接收致动器值的致动器。例如，节气门致动器模块116可称为致动器，节流面积可称为致动器值。在图1的实例中，节气门致动器模块116通过调节节气门112叶片的角度来获得节流打开面积。

类似地，火花致动器模块126可称为致动器，而相应的致动器值可为相对于汽缸TDC的火花提前量。其它致动器可包括增压致动器模块164、EGR致动器模块172、相位器致动器模块158、燃料致动器模块124和汽缸致动器模块120。对于这些致动器，致动器值可分别对应于增压压力、EGR阀打开面积、进气和排气凸轮相位器角度、燃料供给速率以及工作汽缸的数量。ECM 114可控制致动器值以从发动机102产生期望的扭矩。

现在参考图2，示出了根据本公开的ECM 114的功能框图。ECM 114可执行本公开的扭矩监测系统，以提供扭矩计算误差的检测和修正。

ECM 114包括车轴扭矩仲裁模块204。车轴扭矩仲裁模块204在驾驶员输入模块104的驾驶员输入与其它车轴扭矩需求之间进行仲裁。例如，驾驶员输入可基于加速踏板的位置。驾驶员输入还可基于巡航控制，其可为改变车辆速度以保持预定跟随距离的自适应巡航控制系统。

扭矩需求可包括目标扭矩值以及斜坡需求，例如要求使扭矩斜坡下降至最小的发动机停机扭矩或要求使扭矩从最小的发动机停机扭矩斜坡上升。车轴扭矩需求可包括车轮滑移期间由牵引控制系统请求的扭矩降低。车轴扭矩需求还可包括增大扭矩需求以抵销因车轴扭矩为负而引起车辆轮胎相对于地面滑动的负车轮滑移。

车轴扭矩需求还可包括制动管理需求和车辆超速扭矩需求。制动管理需求可降低发动机扭矩以确保发动机扭矩输出不超过制动能力，从而在车辆停止时保持车辆。车辆超速扭矩需求可降低发动机扭矩输出以防止车辆超过预定速度。车轴扭矩需求还可由车身稳定性控制系统做出。车轴扭矩需求还可包括发动机停机需求，例如可在检测到关键故障时产生。

车轴扭矩仲裁模块204基于接收的扭矩需求之间的仲裁结果输出预定扭矩和即时扭矩。预定扭矩为ECM 114预定发动机102要产生的扭矩量，通常可基于驾驶员扭矩需求。即时扭矩为当前期望的扭矩量，可低于预定扭矩。

即时扭矩可低于预定扭矩以提供扭矩储备，如下面更加详细描述的，以满足临时的扭矩降低。例如，当车辆速度接近超速阈值和/或当牵引控制系统感测到车轮滑移时可能请求临时扭矩降低。

即时扭矩可通过改变响应迅速的发动机致动器来获得，而较慢的发动机致动器可用于准备预定扭矩。例如，在燃气发动机中，火花提前可被迅速调节，而由于机械迟延时间，气流和凸轮相位器位置响应较慢。另外，气流中的变化会经历在进气歧管中的空气传输延迟。另外，气流中的变化并不表示为扭矩变化，直到空气已经被吸入汽缸、压缩和燃烧为止。

扭矩储备可通过设定较慢的发动机致动器产生预定扭矩来产生，而设定较快的发动机致动器来产生低于扭矩的即时扭矩。例如，可打开节气门112，从而增大气流并预备产生预定扭矩。其间，可减小火花提前(换句话说，延迟火花正时)，降低即时扭矩的实际发动机扭矩输出。

预定扭矩与即时扭矩之间的差可称为扭矩储备。当具有扭矩储备时，可通过改变较快的致动器来将发动机扭矩快速地从即时扭矩增大到预定扭矩。从而无需等待因调节一个较慢的致动器产生的扭矩变化来获得预定扭矩。

车轴扭矩仲裁模块204可输出预定扭矩和即时扭矩至推进扭矩仲裁模块206。在各种执行方案中，车轴扭矩仲裁模块204可输出预定扭矩和即时扭矩至混合动力最优化模块208。混合动力最优化模块208确定发动机102应当产生多少扭矩以及电机198应当产生多少扭矩。然后混合动力最优化模块208输出修改的预定扭矩值和即时扭矩值至推进扭矩仲裁模块206。在各种执行方案中，混合动力最优化模块208可被执行在混合动力控制模块196中。

推进扭矩仲裁模块206接收的预定扭矩和即时扭矩从车轴扭矩域(车轮处的扭矩)转换为推进扭矩域(曲轴处的扭矩)。该转换可发生在混合动力最优化模块208之前、之后或替代该模块。

推进扭矩仲裁模块206在推进扭矩需求(包括转换的预定扭矩和即时扭矩)之间进行仲裁。推进扭矩仲裁模块206可产生仲裁预定扭矩和仲裁即时扭矩。仲裁扭矩可通过从接收的需求中选择胜出的需求来产生。可选地或另外地，可通过基于接收的需求中的另一个或多个来修改所接收的需求之一而产生仲裁扭矩。

其它推进扭矩需求可包括发动机超速保护的扭矩降低、防止停机的扭矩增大以及变速器控制模块194适应换档而请求的扭矩降低。推进扭矩需求还可由离合器燃料切断产生，离合器燃料切断可降低手动变速器车辆中驾驶员踩下离合器踏板时的发动机扭矩输出。

推进扭矩需求还可包括发动机停机需求，这可在检测到关键故障时发生。例如，关键故障可包括检测到车辆被盗、起动电机卡住、电子节气门控制故障和意外的扭矩增大。例如，发动机停机需求总是赢了仲裁，从而输出为仲裁扭矩，或完全绕过仲裁，简单地关闭发动机。推进扭矩仲裁模块206可仍接收这些停机需求，使得例如可将适当的数据反馈回其它扭矩请求器。例如，所有其它扭矩请求器可被通知输了仲裁。

RPM控制模块210也可输出预定扭矩需求和即时扭矩需求至推进扭矩仲裁模块206。当ECM 114处于RPM模式时，RPM控制模块210的扭矩需求可在仲裁中胜出。当驾驶员将他们的脚从加速踏板移开时，例如当车辆怠速或从较高的速度滑行时，可选择RPM模式。可选地或另外地，当车轴扭矩仲裁模块204请求的预定扭矩低于可标定的扭矩值时，可选择RPM模式。

RPM控制模块210从RPM轨迹模块212接收期望的RPM，并控制预定和即时扭矩需求，以减小期望RPM与实际RPM之间的差。例如，对于滑行车辆，RPM轨迹模块212可输出线性降低的期望RPM，直到达到怠速RPM。然后RPM轨迹模块212可继续输出怠速RPM作为期望RPM。

储备/负载模块220从推进扭矩仲裁模块206接收仲裁的预定扭矩需求和即时扭矩需求。各种发动机操作条件可影响发动机扭矩输出。响应于这些条件，储备/负载模块220可通过增大预定扭矩需求来产生扭矩储备。

例如，催化剂点火过程或冷起动排放降低过程可直接改变发动机的火花提前。因此储备/负载模块220可增大预定扭矩需求以抵销火花提前对发动机扭矩输出的影响。在另一实例中，可直接改变发动机的空气/燃料比和/或空气质量流量，例如通过诊断插入式当量比测试和/或新的发动机净化。在这些过程期间可对发动机扭矩输出的偏移变化作出相应的预定扭矩需求。

储备/负载模块220还可在预期到将来的负载时产生储备，例如接通空调压缩机离合器或动力转向泵操作时。当驾驶员第一次请求空调时可产生空调(A/C)离合器接合的储备。然后，当A/C离合器接合时，储备/负载模块220可将A/C离合器的预期负载加到即时扭矩需求上。

致动模块224从储备/负载模块220接收预定和即时扭矩需求。致动模块224确定如何获得预定和即时扭矩需求。致动模块224可为发动机型标准，对于燃气发动机和柴油发动机具有不同的控制策略。在各种执行方案中，致动模块224可限定致动模块之前的独立于发动机的模块和依赖于发动机的模块之间的界限。

例如，在燃气发动机中，致动模块224可改变节气门112的打开，允许宽范围的扭矩控制。但是，节气门112的打开和关闭导致比较慢的扭矩变化。禁用汽缸也提供了宽范围的扭矩控制，但是会同样慢，并且另外涉及操纵性和排放问题。改变点火提前相对较快，但是并不提供这样大范围的扭矩控制。另外，火花可能具有的扭矩控制量(称为火花能力)随着每个汽缸的空气的变化而变化。

在各种执行方案中，致动模块224可基于预定扭矩需求产生空气扭矩需求。空气扭矩需求可等于预定扭矩需求，引起空气流被设定成使得可通过变为其它致动器来获得预定扭矩需求。

空气控制模块228可基于空气扭矩需求确定慢致动器的期望致动器值。例如，空气控制模块228可控制期望歧管绝对压力(MAP)、期望节流面积和/或每汽缸的期望空气量(APC)。期望MAP可用于确定期望增压，期望APC可用于确定期望凸轮相位器位置。在各种执行方案中，空气控制模块228还可确定EGR阀170的打开量。空气控制模块228可执行本公开的扭矩监测系统以提供在空气扭矩至期望节流面积的转换期间发生的误差的检测和修正。

在气体系统中，致动模块224还可产生火花扭矩需求、汽缸停机扭矩需求和燃料量扭矩需求。火花扭矩需求仅被火花控制模块232用来确定火花从标定的火花提前延迟多少(火花延迟会降低发动机扭矩输出)。

汽缸停机扭矩需求可被汽缸控制模块236用来确定停用多少汽缸。汽缸控制模块236可指令汽缸致动器模块120停用发动机102的一个或多个汽缸。在各种执行方案中，可共同地停用一组预定的汽缸。汽缸控制模块236还可指令燃料控制模块240停止给停用的汽缸提供燃料，并可指令火花控制模块232停止给停用的汽缸提供火花。

在各种执行方案中，汽缸致动器模块120可包括液压系统，该液压系统有选择地将一个或多个汽缸的进气和/排气门从相应的凸轮轴分离，以停用那些汽缸。例如，停用汽缸的气门作为一组通过汽缸致动器模块120或者液压地连接或者断开。在各种执行方案中，汽缸可通过中止向那些汽缸提供燃料而被简单地停用，无需停止进气和排气门的打开和关闭。在这种执行方案中，可省略汽缸致动器模块120。

燃料量扭矩需求可被燃料控制模块240用来改变提供给各汽缸的燃料量。例如，燃料控制模块240可确定与当前每汽缸的当前空气量混合时达到理想燃烧(化学计量比燃烧)的燃料量。燃料控制模块240可指令燃料致动器模块124向各工作汽缸喷射该燃料量。在正常发动机操作期间，燃料控制模块240可尝试保持化学计量比的空气/燃料比。

燃料控制模块240可将燃料量增大超过化学计量比值以增大发动机扭矩输出，并可减少燃料量以降低发动机扭矩输出。在各种执行方案中，燃料控制模块240可接收不同于化学计量比的期望空气/燃料比。然后燃料控制模块240可确定各汽缸达到期望空气/燃料比的燃料量。在柴油机系统中，燃料量可为控制发动机扭矩输出的主致动器。

致动模块224接受达到即时扭矩需求的方法可通过模式设定来确定。模式设定可被提供给致动模块224，例如通过推进扭矩仲裁模块206，并可选择包括非主动模式、舒适模式、最大范围模式和自动致动模式的模式。

在非主动模式中，致动模块224可忽略即时扭矩需求，并尝试获得预定扭矩需求。因此致动模块224可设定火花扭矩需求、汽缸停机扭矩需求和燃料量扭矩需求至预定扭矩需求，最大化当前发动机气流条件的扭矩输出。或者，致动模块224可设定这些需要为预定(例如，在范围之外的高)值以禁止延迟火花、停用气缸或降低燃料/空气比产生的扭矩降低。

在舒适模式中，致动模块224可尝试通过只调节火花提前来获得即时扭矩需求。因此致动模块224可输出预定扭矩需求作为空气扭矩需求，输出即时扭矩需求作为火花扭矩需求。火花控制模块232将尽可能多地延迟火花以尝试获得火花扭矩需求。如果期望的扭矩降低大于火花储备能力(火花延迟可获得的扭矩降低量)，那么可能不能获得扭矩降低。

在最大范围模式中，致动模块224可输出预定扭矩需求作为空气扭矩需求，输出即时扭矩需求作为火花扭矩需求。另外，致动模块224可产生足够低从而使火花控制模块232能够获得即时扭矩需求的汽缸停机扭矩需求。换句话说，当只减小火花提前不能获得即时扭矩需求时，致动模块224可降低汽缸停机扭矩需求(从而停用汽缸)。

在自动致动模式中，致动模块224可基于即时扭矩需求降低空气扭矩需求。例如，只要必须允许火花控制模块232通过调节火花提前来获得即时扭矩需求，就可只降低空气扭矩需求。因此，在自动致动模式中，当允许发动机102尽可能快地返回预定扭矩需求时，可获得即时扭矩需求。换句话说，通过尽可能多地减小反应快的火花提前，可使反应较慢的节气门修正的使用最少。

扭矩估计模块244可估计发动机102的扭矩输出。该估计扭矩可被空气控制模块228使用来执行发动机空气流参数的闭环控制，例如节流面积、MAP和相位器位置。例如，可定义如下扭矩关系：(1)T＝f(APC，S，I，E，AF，OT，#)其中扭矩(T)为每汽缸的空气(APC)、火花提前(S)、进气凸轮相位器位置(I)、排气凸轮相位器位置(E)、空气/燃料比(AF)、油温(OT)及工作汽缸的数量(#)的函数。其它变量也可被计入，例如废气再循环(EGR)阀的打开程度。

该关系可通过公式建模和/或可存储为查寻表。扭矩估计模块244可基于测量的MAF和当前的RPM来确定APC，从而允许基于实际气流的闭环空气控制。由于使用的进气和排气凸轮相位器可行朝着期望位置行进，进气和排气凸轮相位器位置可基于实际位置。

虽然实际火花提前可用于估计扭矩，但当使用标定的火花提前值估计扭矩时，估计的扭矩可称为估计的空气扭矩。估计的空气扭矩为如果去除火花提前(即，将火花提前设定为标定火花提前值)则发动机会在当前空气流量产生多少扭矩的估计。

空气控制模块228可产生期望歧管绝对压力(MAP)信号，该信号被输出至增压调度模块248。增压调度模块248使用期望MAP信号来控制增压致动器模块164。然后增压致动器模块164控制一个或多个涡轮增压器和/或增压器。

空气控制模块228可产生期望面积信号，该信号被输送至节气门致动器模块116。然后节气门致动器模块116调节节气门112以产生期望节流面积。空气控制模块228可基于逆扭矩模块和空气扭矩需求产生期望面积信号。空气控制模块228可使用估计空气扭矩和/或MAF信号以执行闭环控制。例如，期望面积信号可被控制成使估计空气扭矩与空气扭矩需求之间的差最小。

空气控制模块228还可产生期望的每汽缸空气(APC)信号，该信号被输送至相位器调度模块252。基于期望APC信号和RPKM信号，相位器调度模块252可使用相位器致动器模块158控制进气和/或排气凸轮相位器148和150的位置。

回头参考火花控制模块232，在各种发动机操作条件标定火花提前值。例如，扭矩关系被求逆以求出期望火花提前。对于给定的扭矩需求(T_des)，可基于下式确定期望火花提前(S_des)：(2)S_des＝T^-1(T_des，APC，I，E，AF，OT，#)该关系可表示为公式和/或查寻表。空气/燃料比(AF)可为实际比，由燃料控制模块240表示出。

当火花提前设定为标定火花提前时，产生的扭矩可尽可能地接近平均最佳扭矩(MBT)。MBT指的是在使用具有比预定阈值大的辛烷比的燃料时，当增大火花提前时对于给定的空气流量产生的最大扭矩。在该最大扭矩时发生的火花提前称为MBT火花。由于燃料品质(例如，当使用较低的辛烷燃料时)和环境因素，标定的火花提前可不同于MBT火花。因此，标定火花提前时的扭矩可低于MBT。

空气控制模块228包括根据本公开的扭矩监测系统。该系统基于速率限制功能确定扭矩计算的边界，并向落在边界之外的扭矩计算应用修正。该系统可划分为分开的扭矩监测模块。现在依次描述各个模块。

现在参考图3，示出了空气控制模块228的示例执行方案的功能框图。扭矩监测模块(TMM)可分为4个TMM：TMM1 403、TMM2413、TMM3 417和TMM4 422。通常，每个TMM 403、413、417、422检查包含在空气控制模块228中的其它模块的计算。如果任意一个模块的计算失败，那么相应的TMM 403、413、417、422就向其它模块提供扭矩值。如果在预定周期内由TMM1 403和TMM2 413进行的检查失败，那么TMM1 403和TMM2 413可设定故障。所述预定周期可基于连续计时器、循环迭代计数器或计数器，其确定在预定数量的在前迭代内发生的误差数量。

故障可指示ECM 114进行补救措施。补救措施可包括下列措施。例如，发动机可关闭。可通过忽略加速踏板来迫使发动机怠速。可通过限制节气门打开来降低发动机功率。可设置故障指示灯。

确定致动需求(DAR)模块402和TMM1 403从致动模块224接收空气扭矩需求。DAR模块402将空气扭矩模块分为致动器特有的扭矩需求。DAR模块402输出期望电子节气门控制(ETC)扭矩需求至驾驶员扭矩滤波器408和TMM1 403。驾驶员扭矩滤波器408可滤掉高频扭矩变化。例如，当行进在为凹凸不平的路面上驾驶员调节加速踏板，可产生高频扭矩变化。

TMM1 403通过基于空气扭矩和ETC扭矩执行检查来验证DAR模块402的计算。如果TMM1 403确定ETC扭矩大于空气扭矩加上相应的偏移，对于后续的计算，TMM1 403指令驾驶员扭矩滤波器408使用空气扭矩和ETC扭矩中的最小者。如果对于预定周期ETC扭矩超过空气扭矩加上相应的偏移，那么设定故障。所述预定周期可为大致200ms。

驾驶员扭矩滤波器408输出滤波后的ETC扭矩需求至速率限制模块410。速率限制模块410确定速率限制扭矩需求。速率限制扭矩可基于车辆加速度阈值。例如，车辆加速度阈值可基于超过驾驶员意图200ms的时间范围内为0.18-0.2g的车辆加速度。速率限制模块410输出速率限制扭矩至闭环控制模块412、加法模块416、TMM2 413和TMM3 417。

TMM2 413通过对速率限制扭矩执行检查来验证驾驶员扭矩滤波器408和速率限制模块410的计算。TMM2 413接收ETC扭矩，并确定速率限制扭矩的可接受最大值和最小值。可接受最大值和最小值可基于预定的变化速率和ETC扭矩。可接受最大值和最小值还可基于偏移值Cal_1和Cal_2。变化速率、Cal_1和Cal_2可基于车辆加速度阈值(例如，200ms内为0.18-0.2g)。TMM2 413接收速率限制扭矩，并确定该速率限制扭矩是否位于可接受最大值和最小值的边界之外。如果该速率限制扭矩值落在边界之外，那么TMM2 413指令闭环控制模块412、加法模块416和TMM3 417使用ETC扭矩模块替代速率限制扭矩值。如果在预定时期内速率限制扭矩超过可接受最大值或者低于可接受最小值，那么设定故障。所述时期可为对于超过最大可接受值为200ms，对于落在最小可接受值之下为500ms。

现在参考图4，TMM2 413基于ETC扭矩确定速率限制扭矩的可接受最大值和最小值。所示粗实线表示TMM2 413接收的ETC扭矩。所示细实线表示TMM2 413基于ETC扭矩和预定变化速率计算的速率限制函数。上面的虚线表示速率限制扭矩的可接受最大值。下面的虚线表示速率限制扭矩的可接受最小值。

TMM2 413通过选择第一计算和与第二计算和中的较大值来确定可接受最大值。第一个和等于ETC扭矩加上Cal_1。第二个和等于速率限制函数加上Cal_1。

TMM2 413通过选择第三计算和与第四计算和中的较小值来确定可接受最小值。第三个和等于ETC扭矩减去Cal_2。第四个和等于速率限制函数减去Cal_2。

速率限制函数由升高、零斜率和降低部分组成。升高及降低部分的斜率通过预定变化速率来确定。升高和降低部分可基于不同的预定变化速率。预定速率的选择将TMM2 413的容差变为速率限制扭矩中的变化。

再参考图3，闭环控制模块412将估计的空气扭矩与速率限制扭矩作比较，并输出扭矩偏移至加法模块416。加法模块416基于扭矩偏移和速率限制扭矩确定修正的扭矩。

在某些执行方案中，闭环控制模块412可输出等于速率限制扭矩与估计空气扭矩之间的差的扭矩偏移。作为另一种选择，闭环控制模块412可使用比例积分(PI)控制策略来满足从速率限制模块410接收的速率限制扭矩。扭矩偏移可包括基于速率限制扭矩与估计的空气扭矩之间的差而确定的比例项。扭矩偏移还可包括基于速率限制扭矩与估计的空气扭矩之间的差的积分而确定的积分项。被输出到加法模块416的扭矩偏移T_offset可通过下列公式来确定： $\left(1\right),T_{\mathrm{offset}}=K_p\·(T_{\mathrm{rate}-\mathrm{limited}}-T_{\mathrm{estimated}})+K_i\·\∫(T_{\mathrm{rate}-\mathrm{limited}}-T_{\mathrm{estimated}})\∂t$ 其中K_p为预定比例常数，K_i为预定积分常数。

TMM3 417检查闭环控制模块412和加法模块416的运算。TMM3 417从闭环控制模块412接收计算的比例项。TMM3 417将比例项的量级与比例偏移(PCal)作比较。(PCal)可为基于车辆加速度阈值(例如，200ms内0.18-0.2g)的预定扭矩极限。TMM3 417检查比例项不小于(-PCal)且不大于(PCal)。如果计算的比例项在(-PCal)至(PCal)的范围之外，那么TMM3 417指令加法模块416使用等于零的比例项。TMM3 417将比例项存储在存储器424内以在加法检查中使用。TMM3 417可检查存储的比例项的讹误。

TMM3 417从闭环控制模块412接收计算的积分项并检查积分项量级和积分项变化率。TMM3 417将积分项的量级与积分偏移(ICal)作比较。(ICal)可为基于车辆加速度阈值(例如，200ms内为0.18-0.2g)的预定扭矩极限。如果积分项的量级大于(ICal)或低于(-ICal)，则检查失败。积分项变化率基于当前积分项和前面存储的积分项。如果积分项变化率大于(ICal)，则检查失败。如果当前积分项变化率或量级检查失败，那么TMM3 417指令加法模块416使用前面存储的积分项。TMM3 417将积分项存储在存储器424中以在加法检查中使用。存储的积分项可被检查讹误。如果对于存储的积分项讹误检查失败，那么TMM3 417可默认积分项为零。

TMM3 417检查加法模块416的计算。TMM3 417将速率限制扭矩与存储在存储器424中的PI项相加以确定TMM3的和。TMM3417将TMM3的和的量级与加法模块416确定的修正扭矩作比较。如果TMM3的和与修正扭矩之差超过预定偏移量，那么TMM3 417就指令扭矩限制模块420和TMM4 422使用TMM3的和与修正扭矩中的最小的。

扭矩限制模块420接收修正的扭矩。扭矩限制模块420可向修正的扭矩应用限制。例如，可应用上限以免受无效的扭矩需求或会损坏发动机的扭矩需求。扭矩限制模块420还应用下限以防止发动机失速。上、下限可从存储器424确定，并且可基于RPM。扭矩限制模块420输出限制的修正扭矩至逆APC模块428和逆MAP模块452。

空气控制模块228包括接收RPM和APC信号并确定期望致动器位置的致动器确定模块436。期望致动器位置可包括进排气凸轮相位器位置、火花提前和空气/燃料比。进排气凸轮相位器位置和火花提前可为RPM和APC的函数。空气/燃料比可为APC的函数。

APC值可在用于确定一个或多个期望致动器位置之前被滤波。例如，空气/燃料比可基于滤波后的APC来确定。致动器确定模块436输出期望致动器位置至逆MAP模块452和逆APC模块428。

逆APC模块428从致动器确定模块436接收期望致动器位置，从扭矩限制模块420接收修正扭矩。逆APC模块428可基于修正扭矩和期望致动器位置确定期望APC。逆APC模块428可执行基于期望致动器位置估计扭矩的扭矩模型。期望致动器位置可包括火花提前(S)、进气凸轮相位器位置(I)和排气凸轮相位器位置(E)、空气/燃料比(AF)、油温(OT)和当前供给燃料的汽缸数量(#)。如果修正扭矩(T_c)被假定为扭矩模型输出，并且期望致动器位置被替代，那么仅仅对于未知的期望APC，逆APC模块428可求解扭矩模型。扭矩模型的求逆使用可如下表示： $\left(10\right),{\mathrm{APC}}_{\mathrm{des}}=T_{\mathrm{apc}}^{-1}(T_c,S,I,E,\mathrm{AF},\mathrm{OT},\#,\mathrm{RPM})$ 逆APC模块428输出期望APC至MAF计算模块456。

逆MAP模块452从致动器确定模块436接收期望致动器位置，从扭矩限制模块420接收修正扭矩。逆MAP模块452可基于修正扭矩和期望致动器位置确定期望MAP。期望MAP可由下式确定： $\left(11\right),{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{des}}=T_{\mathrm{map}}^{-1}((T_c+f(\mathrm{delta}\_T)),S,I,E,\mathrm{AF},\mathrm{OT},\#,\mathrm{RPM})$ 其中f(delta_T)为基于MAP的扭矩估计与基于APC的扭矩估计之间的滤波差。MAF计算模块456基于期望APC确定期望MAF。期望MAF可使用下列公式来计算： $\left(12\right),{\mathrm{MAF}}_{\mathrm{des}}=\frac{{\mathrm{APC}}_{\mathrm{des}}\·\mathrm{RPM}\·\#}{60s/\min \·2\mathrm{rev}/\mathrm{firing}}$ MAF计算模块456输出期望MAF至可压缩流模块464。

可压缩流模块464基于期望MAP值和期望MAF确定期望节流面积。期望节流面积可使用下列公式来计算： $\left(13\right),{\mathrm{Area}}_{\mathrm{des}}=\frac{{\mathrm{MAF}}_{\mathrm{des}}\·\sqrt{R_{\mathrm{gas}}\·T}}{P_{\mathrm{baro}}\·\mathrm{\Φ}\left(P_r\right)},$ 其中 $\mathrm{Pr}=\frac{\mathrm{MAP}}{P_{\mathrm{baro}}}$ 其中R_gas为理想气体常数，T为进气温度，P_baro为大气压力。P_baro可直接使用传感器测量，例如IAT传感器192，或可使用其它测量到或估计出的参数来计算。

Φ函数可说明因节气门112两侧压力差引起的空气流量的变化。Φ函数可规定如下：

其中 $\left(15\right),P_{\mathrm{critical}}={\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}}=0.528$ 对于空气其中γ为在约1.3与1.4之间的空气的比热常数。P_critical定义为流过节气门112的空气速度等于音速时的压力比，称为阻流或临界流。可压缩流模块464输出期望节流面积至节气门致动器模块116，该节气门致动器模块116控制节气门112以提供期望节流面积。

TMM4 422基于TMM3 417输出的修正扭矩计算期望节流面积。TMM4 422使用与在逆MAP模块452、逆APC模块428、MAF计算模块456和可压缩流模块464中所用相同的模型来确定期望的节流面积。TMM4 422还包括各模块452、428、456、464使用的参数的副本。参数可包括发动机速度、废气再循环状态、进排气凸轮位置、火花正时、和汽缸是否不工作。TMM4 422可通过将各模块452、428、456、464使用的参数与TMM4 422存储的副本作比较而验证各模块452、428、456、464的参数。TMM4 422将可压缩流模块464输出的期望节流面积与TMM4 422确定的期望面积作比较。如果可压缩流模块464输出的期望节流面积与TMM4 422确定的期望面积之差超过预定偏移，那么TMM4 422指令节气门致动器模块116使用之前确定的节流面积。之前确定的节流面积可包括在可压缩流模块464输出的面积不同于期望面积之前被节气门致动器模块116使用的节流面积。

现在参考图5A-5C，扭矩监测方法600开始于步骤601。在方法602中，致动模块224确定空气扭矩。在步骤604中，DAR模块402确定ETC扭矩。在步骤606中，TMM1 403确定ETC扭矩是否小于或等于空气扭矩加上相应的偏移。如果是，那么方法继续至步骤608。如果否，那么方法继续至步骤610。在步骤608中，驾驶员扭矩滤波器408和速率限制模块410基于ETC扭矩确定速率限制扭矩。

在步骤610中，TMM1 403确定是否已对于阈值数量的迭代ETC扭矩比空气扭矩加上相应偏移大。如果是，那么方法600继续至步骤612。在步骤612中，宣告故障。如果否，那么方法600继续至步骤614。在步骤614中，驾驶员扭矩滤波器408和速率限制模块410基于空气扭矩确定速率限制扭矩。

在步骤616中，TMM2 413确定速率限制扭矩的最大和最小边界。在步骤618中，TMM2 413确定速率限制扭矩是否在最大和最小边界内。如果是，那么方法600继续至步骤620。如果否，那么方法600继续至步骤622。在步骤620中，闭环控制模块412基于速率限制扭矩确定扭矩偏移。

在步骤622中，TMM2 413确定速率限制扭矩是否在边界之外了阈值周期。如果是，那么方法600继续至步骤624。在步骤624中，宣告故障。如果否，那么方法600继续至步骤626。在步骤626中，闭环控制模块412基于ETC扭矩确定扭矩偏移。

在步骤628中，闭环控制模块412确定比例项。在步骤630中，TMM3 417确定比例项是否在预定容差内。如果是，那么方法600继续至步骤632。如果否，那么方法600继续至步骤634。在步骤632中，加法模块416使用比例项确定修正扭矩。在步骤634中，加法模块416使用设定为零的比例项确定修正扭矩。在步骤636中，TMM3 417将比例项存储在存储器424中，并检查存储的值的讹误。

在步骤638中，闭环控制模块412确定积分项。在步骤640中，TMM3 417确定积分项是否在预定容差内。如果是，那么方法600继续至步骤642。如果否，那么方法600继续至步骤644。在步骤642中，加法模块416使用积分项确定修正扭矩。在步骤644中，TMM3 417确定从前一迭代存储的积分项是否有讹误。如果是，那么方法600继续至步骤646。如果否，那么方法600继续至步骤648。在步骤646中，加法模块416使用设定为零的积分项确定修正扭矩。在步骤648中，加法模块416使用前一积分项确定修正扭矩。在步骤650中，TMM3 417将积分项存储在424中，并检查存储的值的讹误。

在步骤652中，加法模块416基于速率限制扭矩与扭矩偏移的相加确定第一修正扭矩(CT1)。在步骤654中，TMM3 417基于速率限制扭矩及分别在步骤636和650中存储的比例项和积分项确定第二修正扭矩(CT2)。在步骤656中，TMM3 417确定CT2与CT1的不同是否超过预定偏移。如果是，那么方法600继续至步骤658。如果否，那么方法600继续至步骤660。

在步骤658中，基于CT2和CT1中的最小者确定期望节流面积(TA1)。在步骤660中，基于CT1确定期望节流面积(TA1)。在步骤662中，TMM4 422确定期望节流面积(TA2)。在步骤664中，TMM4 422判断期望节流面积(TA1)与期望节流面积(TA2)的不同是否超过预定偏移。如果是，那么方法600继续至步骤666。如果否，那么方法600继续至步骤668。在步骤666中，节气门致动器模块116设定节流面积为之前确定的节流面积。在步骤668中，节气门致动器模块116设定节流面积为TA1。扭矩监测方法600结束于步骤670。

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 (24)

1.一种发动机系统，包括：

节气门致动器模块，该节气门致动器模块基于期望节流面积控制节气门致动器；以及

扭矩控制模块，该扭矩控制模块确定致动器扭矩，并基于所述致动器扭矩和预定变化速率确定速率限制扭矩、最大扭矩和最小扭矩；

其中当所述速率限制扭矩大于所述最大扭矩和当所述速率限制扭矩小于所述最小扭矩时，所述期望节流面积基于所述致动器扭矩确定。

2.如权利要求1所述的发动机系统，其中当所述速率限制扭矩小于所述最大扭矩且大于所述最小扭矩时，所述期望节流面积基于所述速率限制扭矩确定。

3.如权利要求1所述的发动机系统，其中所述预定变化速率基于车辆加速度阈值。

4.如权利要求3所述的发动机系统，其中在200毫秒时间范围内所述车辆加速度阈值包括0.18-0.2g的加速度。

5.如权利要求1所述的发动机系统，其中所述致动器扭矩包括电子节气门控制扭矩。

6.如权利要求5所述的发动机系统，其中所述电子节气门控制扭矩基于预定扭矩，以满足驾驶员扭矩需求。

7.如权利要求6所述的发动机系统，其中当所述致动器扭矩大于所述预定扭矩时，所述扭矩控制模块基于所述预定扭矩确定所述速率限制扭矩。

8.如权利要求6所述的发动机系统，其中当所述致动器扭矩小于所述预定扭矩时，所述扭矩控制模块基于所述致动器扭矩确定所述速率限制扭矩。

9.如权利要求1所述的发动机系统，所述扭矩控制模块基于估计的空气扭矩、所述速率限制扭矩和所述预定变化速率确定修正扭矩。

10.如权利要求9所述的发动机系统，其中所述扭矩控制模块基于所述修正扭矩确定所述期望节流面积。

11.如权利要求10所述的发动机系统，其中所述扭矩控制模块基于所述修正扭矩确定多个所述期望节流面积。

12.如权利要求11所述的发动机系统，其中所述扭矩控制模块基于所述多个所述期望节流面积确定所述期望节流面积。

13.一种发动机控制方法，包括：

基于期望节流面积控制节气门致动器；

确定致动器扭矩；

基于所述致动器扭矩和预定变化速率确定速率限制扭矩、最大扭矩和最小扭矩；以及

当所述速率限制扭矩大于所述最大扭矩和当所述速率限制扭矩小于所述最小扭矩时，基于所述致动器扭矩确定所述期望节流面积。

14.如权利要求13所述的发动机控制方法，还包括当所述速率限制扭矩小于所述最大扭矩且大于所述最小扭矩时，基于所述速率限制扭矩确定所述期望节流面积。

15.如权利要求13所述的发动机控制方法，还包括基于车辆加速度阈值确定所述预定变化速率。

16.如权利要求15所述的发动机控制方法，还包括在200毫秒时间范围内基于0.18-0.2g的加速度确定所述预定变化速率。

17.如权利要求13所述的发动机控制方法，还包括确定电子节气门控制扭矩。

18.如权利要求17所述的发动机控制方法，还包括基于预定扭矩确定所述电子节气门扭矩，以满足驾驶员扭矩需求。

19.如权利要求18所述的发动机控制方法，还包括当所述致动器扭矩大于所述预定扭矩时，基于所述预定扭矩确定所述速率限制扭矩。

20.如权利要求18所述的发动机控制方法，还包括当所述致动器扭矩小于所述预定扭矩时，基于所述致动器扭矩确定所述速率限制扭矩。

21.如权利要求13所述的发动机控制方法，还包括基于估计的空气扭矩、所述速率限制扭矩和所述预定变化速率确定修正扭矩。

22.如权利要求21所述的发动机控制方法，还包括基于所述修正扭矩确定所述期望节流面积。

23.如权利要求22所述的发动机控制方法，还包括基于所述修正扭矩确定多个所述期望节流面积。

24.如权利要求23所述的发动机控制方法，还包括基于所述多个所述期望节流面积确定所述期望节流面积。

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