CN101782023A - 带扫气的扭矩控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带扫气的扭矩控制系统。具体而言公开了一种发动机控制系统，包括在驾驶员扭矩请求大于预定扭矩阈值且发动机曲轴的转速小于预定速度阈值时产生扫气信号的扫气模块。凸轮移相器控制模块基于所述扫气信号控制进气和排气凸轮移相器使得各个气缸的进气和排气门的开启时间交叠。

Description

带扫气的扭矩控制系统

相关申请的交叉引用

本申请要求申请日为2008年11月26日的美国临时申请No.61/118,125的权益。上述申请的公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及发动机扭矩控制系统，且更具体地涉及涡轮增压、火花点火直喷(SIDI)发动机的扭矩控制系统。

背景技术

本部分提供的背景技术是为了对本发明的发明背景进行一般说明。本背景技术部分所描述的本发明发明人的工作，以及本背景技术部分的不能作为申请日时现有技术的其他方面，都不能明确地或隐含地被认为是与本发明抵触的现有技术。

内燃机在气缸中燃烧空气和燃料的混合物以驱动活塞，这产生驱动扭矩。进入汽油发动机的空气流量通过节气门调整。更特别地，节气门调节节流面积，这增大或降低进入发动机的空气流量。随着节流面积增大，进入发动机的空气流量也增大。燃料控制系统调节燃料喷射的速度以向气缸提供期望的空气和燃料(A/F)混合物。增大向气缸提供的空气和燃料的量会增大发动机的扭矩输出。

业已开发了发动机控制系统来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不能像所期望的那样精确控制发动机扭矩输出。此外，传统发动机控制系统不能对控制信号做出快速响应或者在影响发动机扭矩输出的不同设备间协调发动机扭矩控制。

发明内容

一种发动机控制系统，包括扫气模块，当驾驶员扭矩请求大于预定的扭矩阈值且发动机曲轴的旋转速度小于预定的速度阈值时该扫气模块产生扫气信号。凸轮移相器控制模块基于扫气信号控制进气和排气凸轮移相器使得各个气缸的进气门和排气门的开启时间交叠。

一种方法，包括当驾驶员扭矩请求大于预定的扭矩阈值且发动机曲轴的旋转速度小于预定的速度阈值时产生扫气信号，和基于扫气信号控制进气和排气凸轮移相器使得各个气缸的进气门和排气门的开启时间交叠。

本发明进一步的应用范围将从此后提供的详细描述变得显而易见。应当理解详细描述和具体例子仅旨在举例说明目的，并且不旨在限制本发明的范围。

附图说明

本发明将从详细描述和附图变得更加充分公开。其中：

图1是图示根据本发明的进气和排气压力作为发动机每分钟转数的函数的曲线图；

图2是根据本发明的示范性的发动机系统的功能框图；

图3是根据本发明的示范性的发动机控制系统的功能框图；而且

图4是根据本发明的示范性的空气控制模块的功能框图；

图5是根据本发明的示范性的移相器调度模块功能框图；而且

图6是图示根据本发明运行发动机系统的方法的流程图。

具体实施方式

下面的描述本质上仅是示范性的并且不旨在限制本发明、应用或使用。出于清楚的目的，在附图中使用相同的参考标记标识同样的元件。正如本文中所使用的，短语“A，B和C中的至少一个”应当被理解为表示使用非排他性逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解方法中的步骤在不改变本发明原则的条件下可以以不同的顺序执行。

正如本文中所使用的，术语模块是指专用集成电路(ASIC)，电子电路，执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或集群的)和存储器，组合逻辑电路，和/或其他的提供所描述功能的适合部件。

涡轮增压发动机压缩被吸入进气歧管的空气。因此，在进气歧管中的空气(即燃烧前)和排气歧管中的废气(即燃烧后)之间可能存在压力差。例如，进气歧管压力可能大于排气歧管压力。

包括可变凸轮移相和/或可变气门控制的发动机可以选择性地开启进气和排气门。仅作为示例，发动机可以通过凸轮移相器或通电的电磁阀选择性地开启进气和排气门。在涡轮增压发动机中同时开启进气和排气门可以允许进气歧管中的较高压空气通过气缸流向排气歧管中的较低压废气。

通过气缸的空气流动可以清除来自前面燃烧循环的剩余废气。所以，由于通常存在的剩余废气被清除，下一燃烧循环过程中气缸中的空气可以更清洁。气缸中更清洁的空气可以允许喷入更多燃料，因此保持了理想的空气/燃料(A/F)比。增大量的空气/燃料混合物的燃烧可以增大发动机的扭矩输出。

以上所描述的过程，此后称之为“扫气”，可以被限制于火花点火、直喷(SIDI)发动机，因为SIDI发动机可以选择性地控制燃料喷射器。燃料喷射器的选择性控制可以在排气门开启时阻止燃料进入废气流。相反地，进气口喷射发动机在向气缸分配空气/燃料混合物之前混合空气和燃料。所以，在进气口喷射发动机中扫气可能导致空气/燃料混合物穿过气缸并且进入到废气流中。废气流中的燃料可以引起诸如排放增加和催化转化器损坏等问题。

燃烧用的更清洁的空气也可以导致燃烧后更多的废气。这也可以被称为增大的排气背压。增大的排气背压可以改善涡轮增压器的压气时间(spooling time)。更快的压气可以导致更少的涡轮迟滞，这指的是涡轮增压器实现满压(full spool)所需要的时间。

现在参照附图1，示出了曲线图10，其图示作为发动机曲轴每分钟转数(RPM)水平的函数的进气歧管压力和排气歧管背压。扫气可以被限制在低发动机RPM水平，如扫气区域20所示。例如，扫气可以被限制在2500转每分钟或更低的发动机转速，因为在更高的发动机RPM水平上会有过多的废气为涡轮增压器提供能量。

如果扭矩请求超过了可用的扭矩储备，那么发动机可以在低RPM水平上允许扫气。为了允许扫气，可以改变凸轮移相器调度以提供进气和排气门同时被开启的时间段而且因此气缸被扫气。所以，发动机基于扭矩请求、可用的扭矩输出、和发动机RPM水平可以在正常凸轮移相器调度和扫气凸轮移相调度之间转换。

另外，当扫气被允许时空气/燃料比调度可以被改变。例如，可以增大喷入气缸的燃料量以补偿燃烧可用的增大的空气量(即更清洁的空气)。然而，当空气/燃料比调度被改变时，也可改变火花控制以补偿空气/燃料比的变化。

现在参照附图2，给出的是示范性发动机系统100的功能框图。发动机系统100包括发动机102，该发动机基于驾驶员输入模块104燃烧空气/燃料混合物为车辆产生驱动扭矩。空气通过节气门112被吸入到进气歧管110里面。仅作为示例，节气门112可以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，节气门致动器模块116调整节气门112的开度以控制吸入进气歧管110里的空气量。

来自进气歧管110的空气被吸入到发动机102的气缸里。虽然发动机102可以包括多个气缸，但出于说明目的仅示出了单个的代表性的气缸118。仅作为示例，发动机102可以包括2，3，4，5，6，8，10，和/或12个气缸。发动机控制模块114可以指示气缸致动器模块120选择性地停用某些气缸，这在某些发动机运行条件下可以改善燃料经济性。

来自进气歧管110的空气通过进气门122被吸入到气缸118里。发动机控制模块114控制燃料致动器模块124，燃料致动器模块124调节燃料喷射以实现期望的空气/燃料比。燃料可以在中央位置或多个位置被喷入到进气歧管110里，如在每个气缸的进气门附近。在图1未描述的多个实施方式中，燃料可以被直接喷入到气缸或者与气缸相连的混合腔内。燃料致动器模块124可以暂停向被停用气缸的燃料喷射。

喷射的燃料与空气混合并形成气缸118内的空气/燃料混合物。气缸118内的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。基于来自发动机控制模块114的信号，火花致动器模块126向气缸118内的火花塞128供能，这点燃空气/燃料混合物。火花的正时的选择可以相对于活塞处于最高位置的时间来规定，这个最高位置称之为上止点(TDC)。

空气/燃料混合物的燃烧向下驱动活塞，进而驱动转动的曲轴(未示出)。此后活塞开始再次向上移动并且通过排气门130排放燃烧的副产物。燃烧的副产物通过排气系统134从车辆排出。

可以通过指示应当在上止点之前或之后多长时间提供火花的正时信号控制火花致动器模块126。所以火花致动器模块126的运行可以和曲轴转动同步。在不同的实施方式中，火花致动器模块126可以暂停向被停用的气缸提供火花。

可以通过进气凸轮轴140控制进气门122，而通过排气凸轮轴142控制排气门130。在不同的实施方式中，多个进气凸轮轴可以控制每个气缸的多个进气门和/或可以控制多排气缸的进气门。类似地，多个排气凸轮轴可以控制每个气缸的多个排气门和/或可以控制多排气缸的排气门。气缸致动器模块120可以通过禁止进气门122和/或排气门130的开启来停用气缸118。

可以通过进气凸轮移相器148相对于活塞的上止点改变进气门122的开启时刻。可以通过排气凸轮移相器150相对于活塞的上止点改变排气门130的开启时刻。移相器致动器模块158基于来自发动机控制模块114的信号控制进气凸轮移相器148和排气凸轮移相器150。当具体实施时，也可以通过移相器致动器模块158控制可变的气门升程。

发动机系统100可以包括向进气歧管110提供加压空气的增压设备。例如，图2示出包括由流过排气系统134的热废气供能的热涡轮160-1的涡轮增压器160。该涡轮增压器160还包括冷空气压缩机160-2，由热涡轮160-1驱动，冷空气压缩机160-2压缩流向节气门112的空气。在不同的实施方式中，由曲轴驱动的增压机可以压缩来自节气门112的空气并且把压缩后的空气输送到进气歧管110。

废气旁通阀162可以允许废气旁路涡轮增压器160，从而减小涡轮增压器160的增压(进气空气的压缩量)。发动机控制模块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通过控制废气旁通阀162的位置来调节涡轮增压器160的增压。在不同的实施方式中，增压致动器模块164可以控制多个涡轮增压器。涡轮增压器160可以具有可变几何结构，这可通过增压致动器模块164控制。

中间冷却器(未示出)可以耗散一些压缩空气充气的热量，该热量在空气被压缩时产生。压缩空气充气还可因压缩空气靠近排气系统134而吸收热量。虽然出于说明目的示出的热涡轮160-1和冷空气压缩机160-2是分开的，但是经常将它们相互连接，这就使进气空气与热废气靠得很近。

发动机系统100可以包括废气再循环(EGR)阀170，其可选择地改变废气流向使其回流向进气歧管110。废气再循环阀170可以安置在涡轮增压器160的上游。废气再循环阀170可以通过废气再循环致动器模块172控制。

发动机系统100可以利用RPM传感器180以每分钟转数为单位测量曲轴的速度。发动器冷却液的温度可以利用发动器冷却液温度(ECT)传感器182来测量。发动器冷却液温度传感器182可以置于发动机102内或冷却液循环的其他位置，如散热器(未示出)。

进气歧管110内的压力可以利用歧管绝对压力(MAP)传感器184来测量。在不同的实施方式中，可以测量发动机真空度，这是大气压力与进气歧管110内压力的差值。流入进气歧管110内的空气质量流率可以利用空气质量流量(MAF)传感器186来测量。在不同的实施方式中，空气质量流量传感器186可以位于还包括节气门112的壳体内。

节气门致动器模块116可以利用一个或多个节气门位置传感器(TPS)190监测节气门112的位置。被吸入到发动机102内的空气的环境温度可以利用进气空气温度(IAT)传感器192来测量。发动机控制模块114可以利用来自这些传感器的信号做出对于发动机系统100的控制决定。

发动机控制模块114可以与变速器控制模块194通信以在变速器(未示出)中协调换档。例如，发动机控制模块114可以在换档过程中减小发动机扭矩。发动机控制模块114可以和混合控制模块196通信以协调发动机102和电动机198的运行。

电动机198也可以实现发电机的功能，并且可以用于为车辆电气系统的使用和/或电池储能产生电能。在不同的实施方式中，发动机控制模块114、变速器控制模块194和混合控制模块196的不同功能可以集成在一个或多个模块中。

每个改变发动机参数的系统可以被称为致动器，致动器接收致动器值。例如，节气门致动器模块116可以被称为致动器并且节气门开启面积可以被称为致动器值。在图2的实施例中，节气门致动器模块116通过调节节气门112叶片的角度获得节气门开启面积。

类似地，火花致动器模块126可以被称为致动器，而相应的致动器值可以是相对于气缸上止点的火花提前量。其他的致动器可以包括增压致动器模块164，废气再循环致动器模块172，移相器致动器模块158，燃料致动器模块124，和气缸致动器模块120。对于这些致动器，致动器值可以分别相应于增压压力，废气再循环阀开启面积，进气和排气凸轮移相器角度，供给燃料速度，和使用的气缸数量。发动机控制模块114可以控制致动器值以使发动机102产生期望扭矩。

现在参见图3，表示的是示范性发动机控制系统的功能框图。发动机控制模块114的示范性实施方式包括车轴扭矩裁定模块204。车轴扭矩裁定模块204在来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入和其他车轴扭矩请求之间做出裁定。例如，驾驶员输入可以基于加速踏板的位置。驾驶员输入也可以基于巡航控制模块，其可以是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。

扭矩请求可以包括目标扭矩值和升降(ramp)请求，比如将扭矩降到最小停机扭矩的请求或从最小停机扭矩升高扭矩的请求。车轴扭矩请求可以包括在车轮打滑过程中由牵引力控制系统请求的扭矩减小。车轴扭矩请求也可以包括用以抵抗负车轮打滑的扭矩增大请求，此时车辆的轮胎因车轴扭矩是负值而相对于路面打滑。

车轴扭矩请求也可以包括制动器管理请求和车辆超速扭矩请求。制动器管理请求可以减小发动机扭矩以保证在车辆停止时发动机扭矩输出不超过制动器能力从而保持车辆。车辆超速扭矩请求可以减小发动机扭矩输出以阻止车辆超过预定速度。车轴扭矩请求也可以由车身稳定性控制系统做出。车轴扭矩请求可以进一步包括发动机关闭请求，例如这可在检测到危险故障时产生。

车轴扭矩裁定模块204基于对所收到扭矩请求的裁定结果输出预测扭矩和即时扭矩。预测扭矩是发动机控制模块114准备让发动机102产生的扭矩量，并且经常可以基于驾驶员的扭矩请求。即时扭矩是目前的期望扭矩量，这可以比预测扭矩小。

即时扭矩可以比预测扭矩小以提供扭矩储备(如下面具体描述的那样)并且满足临时的扭矩减小。仅作为示例，当车辆速度接近超速阈值时和/或当牵引力控制系统感测到车轮打滑时可以请求临时扭矩减小。

即时扭矩可以通过改变响应快速的发动机致动器而获得，而响应较慢的发动机致动器可以用于准备预测扭矩。例如，在汽油发动机中，火花提前可以快速调节，而空气流量和凸轮移相器位置因机械迟滞时间可能响应较慢。此外，空气流量的变化还受进气歧管中的空气输运延迟影响。再者，直到将空气吸入到气缸里、压缩、并且燃烧时空气流量的变化才表现为扭矩的改变。

扭矩储备可以通过设置响应较慢的发动机致动器以产生预测扭矩，同时设置响应较快的发动机致动器以产生小于预测扭矩的即时扭矩而建立。例如，节气门112可以被开启，借此增大空气流量并且准备产生预测扭矩。同时，可以减小火花提前(换句话说，延迟火花正时)，以将实际发动机扭矩输出减小至即时扭矩。

预测扭矩和即时扭矩之间的差值可被称为扭矩储备。当扭矩储备存在时，可以通过改变响应较快的致动器快速地将发动机扭矩从即时扭矩增加至预测扭矩。从而不用等待由调节一个响应较慢的致动器导致的扭矩变化而获得预测扭矩。

车轴扭矩裁定模块204可以向推进扭矩裁定模块206输出预测扭矩和即时扭矩。在不同的实施方式中，车轴扭矩裁定模块204可以向混合优化模块208输出预测扭矩和即时扭矩。混合优化模块208确定多少扭矩应当由发动机102产生和多少扭矩应当由电动机198产生。然后混合优化模块208向推进扭矩裁定模块206输出调整后的预测和即时扭矩值。在不同的实施方式中，混合优化模块208可以在混合控制模块196中实现。

将推进扭矩裁定模块206所收到的预测和即时扭矩从车轴扭矩范畴(车轮处扭矩)转换为推进扭矩范畴(曲轴处扭矩)。这个转换可以发生在混合优化模块208之前、之后、作为其一部分、或代替混合优化模块。

推进扭矩裁定模块206在包括转换后的预测和即时扭矩的推进扭矩请求之间进行裁定。推进扭矩裁定模块206可以产生裁定后的预测扭矩和裁定后的即时扭矩。裁定后的扭矩可以通过从收到的请求中选择胜出的请求而产生。替换性地或附加地，裁定后的扭矩可以通过基于其他一个或多个收到的请求改变一个收到的请求而产生。

其他推进扭矩请求可以包括防止发动机超速的扭矩减小、为防止失速的扭矩增大、和为适应换档而由变速器控制模块194请求的扭矩减小。推进扭矩请求也可以是离合器实现燃料停供的结果，这在手动换档车辆中当驾驶员下压离合器踏板时可以减小发动机扭矩输出。

推进扭矩请求也可以包括发动机停机请求，这可以在检测到危险故障时提出。仅作为示例，危险故障可以包括检测到车辆被盗、启动电动机卡住、电子节气门控制问题、和不希望的扭矩增大。仅作为示例，发动机停机请求可以经常在裁定中胜出，从而作为裁定后的扭矩被输出，或者可以完全绕过裁定，简单地关闭发动机。推进扭矩裁定模块206仍可以接收这些关闭请求以便，例如，将适当的数据反馈到其他的扭矩请求者。例如，可以通知所有其他的扭矩请求者它们已经在裁定中失败。

RPM控制模块210也可以向推进扭矩裁定模块206输出预测和即时扭矩请求。当发动机控制模块114处于RPM模式时来自RPM控制模块210的扭矩请求可以在裁定中占优。当驾驶员从加速踏板上把脚移开时，诸如当车辆怠速时或从较高速度滑行变慢时，转速模式可以被选择。替换性地或附加地，当车轴扭矩裁定模块204请求的预测扭矩小于可标定的扭矩值时RPM模式可以被选择。

RPM控制模块210接收来自RPM轨迹模块212的期望RPM，并且控制预测和即时扭矩请求以减小期望RPM和实际RPM之间的差。仅作为示例，RPM轨迹模块212对于车辆滑行降速可以输出线性降低的期望RPM直到达到怠速RPM。此时RPM轨迹模块212可以继续输出怠速RPM作为期望RPM。

储备/负载模块220收到来自推进扭矩裁定模块206的裁定后的预测和即时扭矩请求。不同的发动机运行条件可以影响发动机扭矩输出。响应于这些条件，储备/负载模块220可以通过增大预测扭矩请求建立扭矩储备。

仅作为示例，催化剂起燃过程或冷启动排放减小过程可以直接改变发动机的火花提前。所以储备/负载模块220可能增大预测扭矩请求以抵消上述火花提前对发动机扭矩输出的影响。在另一实施例中，发动机的空气/燃料比和/或空气质量流量可以直接被改变，如通过诊断侵入式等效比检测和/或新的发动机清洗。相应的预测扭矩请求可以被提出以弥补在这些过程中发动机扭矩输出的变化。

储备/负载模块220也可以在预测到未来负载时建立扭矩储备，如空调压缩机离合器的啮合或助力转向泵运转。针对空调(A/C)离合器啮合的扭矩储备可以在驾驶员第一次请求空调时建立。于是，当空调离合器啮合时，储备/负载模块220可以在即时扭矩请求的基础上加上空调离合器的预期负载。

驱动模块224接收来自储备/负载模块220的预测和即时扭矩请求。驱动模块224确定如何实现这些预测和即时扭矩请求。驱动模块224可以依发动机类型而定，对汽油机和柴油机采用不同的控制方案。在不同的实施方式中，驱动模块224可以定义驱动模块224之前的模块(它们与发动机不相关)和与发动机相关的模块之间的边界。

例如，在汽油发动机中，驱动模块224可以改变节气门112的开度，这允许大范围的扭矩控制。然而，开启和关闭节气门112引起的扭矩变化相对较慢。禁用气缸也提供大范围的扭矩控制，但也是类似地慢并且还涉及到对于驱动能力和排放的担忧。改变火花提前相对较快，但又不能提供同样大的扭矩控制范围。再者，火花所能带来的扭矩控制量(称为火花能力)随着每缸空气的变化而变化。

在不同的实施方式中，驱动模块224可以基于预测扭矩请求产生空气扭矩请求。空气扭矩请求可以等于预测扭矩请求，这导致空气流量被设定为能够通过改变其他致动器而实现预测扭矩请求。附加地，驱动模块224可以通过产生扫气允许信号而允许扫气。

扫气模块226基于扫气允许信号而允许扫气。当扫气允许后，扫气模块226产生扫气请求和扫气空气/燃料比。扫气请求被发送到移相器调度模块252以调节凸轮移相器调度。扫气空气/燃料比被发送到空气控制模块228、火花控制模块232、和燃料控制模块240以调节空气和/或燃料的控制。

扫气空气/燃料比可以基于 $\left(1\right),\mathrm{EQR}=\frac{1}{\mathrm{AF}}=f_{\mathrm{EQR}}\left(\mathrm{RPM}\right)$ 其中可以定义等效比(EQR)为空气/燃料比(AF)的倒数。等效比(EQR)可以进一步由基于发动机RPM的等效比函数(f_EQR)定义。仅作为示例，等效比函数(f_EQR)可以实施为查询表。

空气控制模块228可以基于空气扭矩请求确定响应较慢致动器的期望致动器值。例如，空气控制模块228可以控制期望歧管绝对压力(MAP)、期望节流面积、和/或期望每缸空气(APC)。期望歧管绝对压力(MAP)可以被用于确定期望增压并且期望每缸空气可以被用于确定期望凸轮移相器位置。在不同的实施方式中，空气控制模块228也可以确定废气再循环阀170的开启量。

在汽油机系统里，驱动模块224也可以产生火花扭矩请求，气缸关闭扭矩请求，和燃料质量扭矩请求。火花扭矩请求可以被火花控制模块232利用以确定相对于标定的火花提前将火花延迟多少(这减小发动机的扭矩输出)。

气缸关闭扭矩请求可以被气缸控制模块236利用以确定停用多少个气缸。气缸控制模块236可以指示气缸致动器模块120停用发动机102的一个或多个气缸。在不同的实施方式中，可以同时停用预先定义的气缸组。气缸控制模块236也可以指示燃料控制模块240停止向停用气缸供应燃料并且可以指示火花控制模块232停止向停用气缸提供火花。

在不同的实施方式中，气缸致动器模块120可以包括液压系统，该液压系统为一个或多个气缸选择性地断开进气和/或排气门与相应凸轮轴的连接从而停用这些气缸。仅作为示例，半数气缸的气门作为一个组或由气缸致动器模块120液压连接或由气缸致动器模块120液压断开。在不同的实施方式中，可以简单地通过暂停向一些气缸供应燃料而停用这些气缸，而不停止进气和排气门的开启和关闭。在这些实施例中，气缸致动器模块120可以省略。

燃料质量扭矩请求可以被燃料控制模块240利用以改变提供给每个气缸的燃料量。仅作为示例，燃料控制模块240可以确定燃料质量，该燃料质量在与每气缸空气的当前量结合时，产生化学当量燃烧。燃料控制模块240可以指示燃料致动器模块124为每个使用的气缸喷射这样的燃料质量。在正常的发动机运转过程中，燃料控制模块240可能试图维持化学当量空气/燃料比。然而，在扫气操作过程中，燃料控制模块240可能试图维持扫气空气/燃料比。

燃料控制模块240可以在化学当量的基础上增加燃料质量以增大发动机扭矩输出并且可以降低燃料质量以降低发动机扭矩输出。在不同的实施方式中，燃料控制模块240可以收到不同于化学当量的期望空气/燃料比。于是燃料控制模块240可以确定对每个气缸的燃料质量以获得期望空气/燃料比。在柴油系统中，燃料质量可以是控制发动机扭矩输出的主要致动器。

驱动模块224所采用的实现即时扭矩请求的方法可以通过模式设置确定。模式设置可以提供给驱动模块224，如通过推进扭矩裁定模块206，并且可选择的模式包括无效模式、欢快模式(pleasiblemode)、最大范围模式、和自动驱动模式。

在无效模式中，驱动模块224可以忽略即时扭矩请求并且试图实现预测扭矩请求。所以驱动模块224可以将火花扭矩请求、气缸关闭扭矩请求、和燃料质量扭矩请求设置为预测扭矩请求，这最大化当前发动机空气流量条件下的扭矩输出。替换性地，驱动模块224可以将这些请求设置为预定(如高出范围)值以防止由延迟火花、停用气缸、或减小燃料/空气比所引起的扭矩减小。

在欢快模式中，驱动模块224可以试图通过仅调节火花提前来实现即时扭矩请求。所以驱动模块224可以输出预测扭矩请求作为空气扭矩请求并且输出即时扭矩请求作为火花扭矩请求。火花控制模块232将尽可能多地延迟火花以试图实现火花扭矩请求。如果期望扭矩减小大于火花储备能力(火花延迟所能实现的扭矩减小量)，那么扭矩减小就不能实现。

在最大范围模式中，驱动模块224可以输出预测扭矩请求作为空气扭矩请求并且输出即时扭矩请求作为火花扭矩请求。再者，驱动模块224可以产生气缸关闭扭矩请求，其足够低以使火花控制模块232能够实现即时扭矩请求。换句话说，当单独减小火花提前不能实现即时扭矩请求时驱动模块224可以降低气缸关闭扭矩请求(从而停用气缸)。

在自动驱动模式中，驱动模块224可以基于即时扭矩降低空气扭矩请求。例如，空气扭矩请求可以被减小到刚刚能够允许火花控制模块232通过调节火花提前实现即时扭矩请求。所以，在自动驱动模式中，在允许发动机102尽可能快地回复到预测扭矩请求的同时实现了即时扭矩请求。换句话说，通过尽可能多地减小快速响应的火花提前来最小化对相对响应较慢的节气门修正的使用。

扭矩估算模块244可以估算发动机102的扭矩输出。估算的扭矩可以被空气控制模块228利用以对发动机空气流量参数(如歧管绝对压力、节流面积、和移相器位置)进行闭环控制。仅作为示例，可以定义如下扭矩关系(2)T＝f(APC，S，I，E，AF，OT，#)其中扭矩(T)是关于每缸空气(APC)、火花提前(S)、进气凸轮移相器位置(I)、排气凸轮移相器位置(E)、空气/燃料比(AF)、油温(OT)、和使用气缸个数(#)的函数。也可以计入其它变量，如废气再循环阀(EGR)的开度。

这个扭矩关系可以通过方程建立模型和/或存储成查询表。扭矩估算模块244可以基于测得的空气质量流量和当前的RPM确定每缸空气，从而允许基于实际空气流量的闭环空气控制。所使用的进气和排气凸轮移相器位置可以基于实际位置，因为移相器可以朝着期望位置移动。再者，可以使用标定的火花提前值。这个估算扭矩可以被称为空气扭矩——即，对在当前空气流量下所能产生的扭矩多少的估算，而不管实际的发动机扭矩输出，实际的发动机扭矩输出基于火花提前而改变。

空气控制模块228可以产生期望歧管绝对压力(MAP)信号，这被输出到增压调度模块248。增压调度模块248利用期望歧管绝对压力信号控制增压致动器模块164。于是增压致动器模块164控制一个或多个涡轮增压器和/或增压机。

空气控制模块228可以产生期望面积信号，这被输出到节气门致动器模块116。于是节气门致动器模块116调节节气门112以产生期望节流面积。空气控制模块228可以利用估算扭矩和/或空气质量流量信号以进行闭环控制。例如，可以基于估算扭矩和空气扭矩请求的比较来控制期望面积信号。

空气控制模块228也可以产生输出到移相器调度模块252的期望每缸空气(APC)信号。基于期望每缸空气信号、扫气请求、和发动机RPM，移相器调度模块252可以利用移相器致动器模块158控制进气和/或排气凸轮移相器148和150的位置。例如，移相器调度模块252可以根据正常移相器调度或扫气凸轮移相器调度控制进气和/或排气凸轮移相器148和150的位置。

回述火花控制模块232，火花提前值可以在不同的发动机运行条件下进行标定。仅作为示例，可以反演扭矩关系以求解期望火花提前。对于给定的扭矩请求(T_des)，期望火花提前(S_des)的确定可以基于(3)S_des＝T^-1(T_des，APC，I，E，AF，OT，#)。这个关系可以以方程具体化和/或以查询表实施。空气/燃料比(AF)可以是实际比，如燃料控制模块240所指示的。

然而，当允许扫气时可以改变期望火花提前以补偿扫气空气/燃料比。期望火花提前(S_des)的改变可以基于(4)S_des＝S_normal+ΔS_eqr(EQR)其中期望火花提前(S_des)以正常火花提前S_normal和基于等效比(EQR)的火花正时的改变ΔS_eqr为基础。例如，正常火花提前S_normal可以相应于化学当量空气/燃料比(例如14.7∶1)的火花正时。

当将火花提前设为标定的火花提前时，所产生的扭矩可以尽可能地接近平均最优扭矩(MBT)。当所使用燃料的辛烷值大于预设的阈值时，平均最优扭矩指的是在给定空气流量的条件下增大火花提前所产生的最大扭矩。产生该最大扭矩的火花提前可被称为平均最优扭矩火花。标定的火花提前可以因，例如，燃料品质(如使用了较低辛烷值的燃料)和环境因素，而不同于平均最优扭矩火花。所以标定的火花提前下的扭矩可以小于平均最优扭矩。

现在参照图4，更具体显示了空气控制模块228。空气控制模块228包括逆向歧管绝对压力模块300、逆向每缸空气模块310、和面积确定模块320。

逆向歧管绝对压力模块300基于下式生成期望歧管绝对压力 $\left(5\right),{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{des}}=T_{\mathrm{map}}^{-1}((T_{\mathrm{ref}}+f\left(\mathrm{\ΔT}\right)),R,S,I,E,\mathrm{AF},\mathrm{OT},\#)$ 其中期望歧管绝对压力(MAP_des)基于逆向扭矩模型(T_map ^-1)。逆向扭矩模型(T_map ^-1)是参考扭矩(T_ref)、滤波后的扭矩差f(ΔT)、发动机RPM(R)、火花提前(S)、进气凸轮移相器位置(I)、排气凸轮移相器位置(E)、空气/燃料比(AF)、油温(OT)、和使用的气缸数量(#)的函数。也可以计入其它变量，如废气再循环(EGR)阀的开度。

滤波后的扭矩差f(ΔT)表示基于扭矩估算器的每缸空气和歧管绝对压力之间的滤波后差。空气/燃料比(AF)可以是正常空气/燃料调度(例如化学当量的)或扫气空气/燃料调度。

逆向每缸空气模块310基于下式生成期望每缸空气 $\left(6\right),{\mathrm{APC}}_{\mathrm{des}}=T_{\mathrm{apc}}^{-1}(T_{\mathrm{ref}},R,S,I,E,\mathrm{AF},\mathrm{OT},\#)$ 其中期望每缸空气(APC_des)基于逆向扭矩模型(T_apc ^-1)。逆向扭矩模型(T_apc ^-1)是参考扭矩(T_ref)、发动机RPM(R)、火花提前(S)、进气凸轮移相器位置(I)、排气凸轮移相器位置(E)、空气/燃料比(AF)、油温(OT)、和使用的气缸数量(#)的函数。也可以计入其它变量，如废气再循环(EGR)阀的开度。

面积确定模块320基于下式生成期望面积 $\left(7\right),{\mathrm{Area}}_{\mathrm{des}}=\frac{{\mathrm{APC}}_{\mathrm{des}}\×R\×\sqrt{R_{\mathrm{gas}}\×T}}{B\×k\×\mathrm{\Φ}\left(\frac{{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{des}}}{B}\right)}$ 其中期望面积(Area_des)以可压缩流动模型为基础。可压缩流动模型以期望每缸空气(APC_des)、发动机EPM(R)、理想气体常数(R_gas)、空气温度(T)、期望歧管绝对压力(MAP_des)、和其它常数(B，k)为基础。

现在参照图5，更具体显示了移相器调度模块252。移相器调度模块252包括正常凸轮移相器调度模块350、扫气凸轮移相器调度模块360、和两个多路复用器370、380。

正常凸轮移相器调度模块350基于下式生成进气和排气凸轮移相器调度I_n＝f_In(R，APC_des)(8)E_n＝f_En(R，APC_des)其中正常进气凸轮移相器调度(I_n)基于关于发动机RPM(R)和期望每缸空气(APC_des)的函数(f_In)。正常排气凸轮移相器调度(E_n)基于关于发动机RPM(R)和期望每缸空气(APC_des)的函数(f_En)。

扫气凸轮移相器调度模块360基于下式生成进气和排气凸轮移相器调度I_S＝f_Is(R，APC_des)(9)E_S＝f_Es(R，APC_des)其中扫气进气凸轮移相器调度(I_S)基于关于发动机RPM(R)和期望每缸空气(APC_des)的函数(f_Is)。扫气排气凸轮移相器调度(E_S)基于关于发动机RPM(R)和期望每缸空气(APC_des)的函数(f_Es)。

多路复用器370、380基于扫气请求选择正常凸轮移相器调度I_n，E_n或选择扫气凸轮移相器调度I_s，E_s。多路复用器370、380按下列方式确定最终凸轮移相器调度(其中Intake表示进气，Exhaust表示排气，Scavenging表示扫气： $\left(10\right),\left[\begin{array}{c}\mathrm{Intake}\\ \mathrm{Exhaust}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{I}_n,E_n,\mathrm{Scavenging}=0\\ I_s,E_s,\mathrm{Scavenging}=1\end{array}\right].$

换句话说，多路复用器370、380当扫气请求为低(0)时选择正常凸轮移相器调度I_n，E_n并且当扫气请求为高(1)时选择扫气凸轮移相器调度I_s，E_s。

现在参照图6，说明运行发动机系统100的方法的流程图始于步骤400。在步骤410中，发动机控制模块114确定驾驶员扭矩请求是否大于预定的扭矩阈值。如果是，控制进入到步骤420。如果否，控制返回步骤410。

在步骤420中，发动机控制模块114确定发动机曲轴的每分钟转数(RPM)是否小于预定的速度阈值。如果是，控制进入步骤430。如果否，控制返回步骤410。

在步骤430中，发动机控制模块114为扫气设置进气和排气凸轮移相器调度。仅作为示例，发动机控制模块114可以切换到预定的扫气凸轮移相器调度。进气和排气凸轮移相器调度可以交叠，交叠相应于进气和排气门同时开启。

在步骤440中，发动机控制模块114基于空气质量流量(MAF)增大燃料的喷射。仅作为示例，由于经过气缸的气流增大，所以在移相器调度交叠期间(即在扫气过程中)空气质量流量可能增大。增大的燃料喷射，加上增大的空气质量流量，可以在燃烧后产生更多扭矩。这时控制在步骤450结束。

本领域技术人员现在可以从前述说明了解到，本发明的广泛教导能够以各种不同形式实施。所以，虽然本发明包括具体示例，但是本发明的真实范围不限于此，因为本领域技术人员在学习附图、说明书和所附权利要求之后将会显而易见到其它的改进。

Claims (14)

1.一种发动机控制系统，包括：

扫气模块，其在驾驶员扭矩请求大于预定扭矩阈值且发动机曲轴的转速小于预定速度阈值时产生扫气信号；和

凸轮移相器控制模块，其基于所述扫气信号控制进气和排气凸轮移相器使得各个气缸的进气和排气门的开启时间交叠。

2.如权利要求1所述的发动机控制系统，进一步包括：

燃料控制模块，其在所述交叠期间基于增大的空气质量流量增大燃料喷射。

3.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中在所述交叠期间涡轮增压器的压气时间降低。

4.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中当进气歧管压力等于排气歧管压力时所述预定速度阈值基于所述发动机曲轴的转速。

5.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述驾驶员扭矩请求基于加速踏板的位置。

6.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中当所述驾驶员扭矩请求小于或等于所述预定扭矩阈值时所述交叠是零。

7.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中当所述发动机曲轴的转速大于或等于所述预定速度阈值时所述交叠是零。

8.一种方法，包括：

当驾驶员扭矩请求大于预定扭矩阈值且发动机曲轴的转速小于预定速度阈值时产生扫气信号；并且

基于所述扫气信号控制进气和排气凸轮移相器使得各个气缸的进气和排气门的开启时间交叠。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

在所述交叠期间基于增大的空气质量流量(MAF)增大燃料喷射。

10.如权利要求8所述的方法，其中在所述在所述交叠期间涡轮增压器的压气时间降低。

11.如权利要求8所述的方法，其中当进气歧管压力等于排气歧管压力时所述预定速度阈值基于所述发动机曲轴的转速。

12.如权利要求8所述的方法，其中所述驾驶员扭矩请求基于加速踏板的位置。

13.如权利要求8所述的方法，其中当驾驶员扭矩请求小于或等于所述预定扭矩阈值时所述交叠是零。

14.如权利要求8所述的方法，其中当所述发动机曲轴的转速大于或等于所述预定速度阈值时所述交叠是零。

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