CN102032058B - 利用基于几何结构的排放混合模型的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用基于几何结构的排放混合模型的控制系统和方法。一种系统包括气缸当量比(EQR)模块，位置估计模块，传感器模块，和燃料控制模块。气缸EQR模块确定与从第一气缸排出的第一排气对应的第一EQR，并且确定与从第二气缸排出的第二排气对应的第二EQR。位置估计模块确定第一和第二排气何时在排放歧管中混合以形成具有第三EQR的第三排气。传感器模块基于第三EQR估计第四排气的EQR。第四排气位于排放歧管中的氧传感器处。燃料控制模块基于估计的EQR和与氧传感器的测量对应的EQR之间的差来控制供应至发动机的燃料的量。

Description

利用基于几何结构的排放混合模型的控制系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年9月30日提交的美国临时申请No.61/247049的权益。

本申请与2009年9月30日提交的美国专利申请No.12/570251和2009年9月30日提交的美国专利申请No.12/570280有关。以上申请公开的内容以引用的方式完整地结合于本文中。

技术领域

本发明涉及发动机控制系统和方法，更具体地，涉及基于排放系统的几何结构来控制发动机。

背景技术

这里提供的背景描述是为了总体地介绍发明的背景。就本背景部分描述的程度以及在申请时没有以其它方式构成现有技术的描述的多个方面来说，目前署名的发明者的工作既不明确地也不隐含地被承认为相对于本发明的现有技术。

内燃发动机在气缸内燃烧空气/燃料(A/F)混合物，以驱动活塞并产生驱动扭矩。在A/F混合物中的空气对燃料的比率可称为A/F比。A/F比可以通过控制节气门和燃料控制系统中的至少一个来调节。例如，可以调节A/F比以控制发动机的扭矩输出和/或控制由发动机产生的排放物。

燃料控制系统可包括内反馈环和外反馈环。更具体地说，内反馈环可使用来自位于发动机系统的排放系统中的催化转换器上游的排气氧(EGO)传感器(即，催化剂前EGO传感器)的数据。内反馈可使用来自催化剂前EGO传感器的数据来控制提供给发动机的所需量的燃料(即，燃料命令)。

例如，当催化剂前EGO传感器感测到由发动机产生的排气中的浓A/F比时，内反馈环可降低燃料命令。或者，例如，当催化剂前EGO传感器感测到排气中的稀A/F比时，内反馈环可增加燃料需求。换句话说，内反馈环可将A/F比保持在或接近理想的A/F比(例如，对于汽油发动机来说是14.7∶1)。

外反馈环可使用来自布置在催化转换器之后的EGO传感器(即，催化剂后EGO传感器)的信息。外反馈环可使用来自催化剂后EGO传感器的数据来修正(即，校准)来自催化剂前EGO传感器、催化剂后EGO传感器、和/或催化转换器的非预期的读数。例如，外反馈环可使用来自催化剂后EGO传感器的数据将催化剂后EGO传感器保持在希望的电压水平。换句话说，外反馈环可保持所需量的氧存储在催化转换器中，从而改善排放系统的性能。

发明内容

一种系统包括气缸当量比(EQR)模块，位置估计模块，传感器模块，和燃料控制模块。气缸EQR模块确定与从第一气缸排出的第一排气对应的第一EQR，并且确定与从第二气缸排出的第二排气对应的第二EQR。位置估计模块确定所述第一和第二排气何时在排放歧管中混合以形成具有第三EQR的第三排气。传感器模块基于第三EQR估计第四排气的EQR。第四排气位于排放歧管的氧传感器处。燃料控制模块基于估计的EQR和与氧传感器的测量对应的EQR之间的差来控制供应至发动机的燃料的量。

一种方法包括确定与从第一气缸排出的第一排气对应的第一EQR，并且确定与从第二气缸排出的第二排气对应的第二EQR。该方法还包括确定所述第一和第二排气何时在排放歧管中混合以形成具有第三EQR的第三排气。该方法还包括基于第三EQR来估计第四排气的EQR。第四排气位于排放歧管中的氧传感器处。另外，该方法包括基于估计的EQR和与氧传感器的测量对应的EQR之间的差来控制供应至发动机的燃料的量。

本发明提供以下技术方案：

方案1.一种系统，包括：

气缸当量比(EQR)模块，所述气缸当量比模块确定与从第一气缸排出的第一排气对应的第一EQR，并且确定与从第二气缸排出的第二排气对应的第二EQR；

位置估计模块，所述位置估计模块确定所述第一和第二排气何时在排放歧管中混合以形成具有第三EQR的第三排气；

传感器模块，所述传感器模块基于所述第三EQR估计第四排气的EQR，其中所述第四排气位于所述排放歧管中的氧传感器处；和

燃料控制模块，所述燃料控制模块基于所述估计的EQR和与所述氧传感器的测量对应的EQR之间的差来控制供应至发动机的燃料的量。

方案2.根据方案1所述的系统，其特征在于，所述第四排气包括所述第三排气。

方案3.根据方案1所述的系统，其特征在于，所述第一排气排放到所述排放歧管的第一管道，所述第二排气排放到所述排放歧管的第二管道，并且所述第一和第二排气在所述第一和第二管道的结合部混合。

方案4.根据方案3所述的系统，其特征在于，所述位置估计模块将所述第一管道建模为一组离散的单元，其中每个单元对应于所述排放歧管的体积的一部分，并且每个单元包括相应的EQR值。

方案5.根据方案4所述的系统，其特征在于，所述位置估计模块基于曲轴的位置和发动机的气缸的点火中的至少一个来更新所述单元的EQR值。

方案6.根据方案4所述的系统，其特征在于，还包括混合模块，所述混合模块基于混合系数和邻近所述第一和第二管道的结合部的所述第一管道的单元的EQR值估计所述第三EQR。

方案7.根据方案3所述的系统，其特征在于，所述位置估计模块基于所述第一管道的体积和所述第二管道的体积确定所述第一和第二排气何时混合。

方案8.根据方案1所述的系统，其特征在于，所述气缸EQR模块基于在所述第一气缸中燃烧的空气和燃料的量确定所述第一EQR。

方案9.根据方案1所述的系统，其特征在于，还包括混合模块，所述混合模块基于所述第一和第二EQR和混合系数估计所述第三EQR。

方案10.根据方案1所述的系统，其特征在于，所述第四排气的估计的EQR是所述氧传感器的估计的响应，其中所述氧传感器的估计的响应基于所述氧传感器的模型。

方案11.一种方法，包括：

确定与从第一气缸排出的第一排气对应的第一EQR；

确定与从第二气缸排出的第二排气对应的第二EQR；

确定所述第一和第二排气何时在排放歧管中混合以形成具有第三EQR的第三排气；

基于所述第三EQR估计第四排气的EQR，其中所述第四排气位于所述排放歧管中的氧传感器处；和

基于所述估计的EQR和与所述氧传感器的测量对应的EQR之间的差来控制供应至发动机的燃料的量。

方案12.根据方案11所述的方法，其特征在于，所述第四排气包括所述第三排气。

方案13.根据方案11所述的方法，其特征在于，所述第一排气排放到所述排放歧管的第一管道，所述第二排气排放到所述排放歧管的第二管道，并且所述第一和第二排气在所述第一和第二管道的结合部混合。

方案14.根据方案13所述的方法，其特征在于，还包括将所述第一管道建模为一组离散的单元，其中每个单元对应于所述排放歧管的体积的一部分，并且每个单元包括相应的EQR值。

方案15.根据方案14所述的方法，其特征在于，还包括基于曲轴的位置和所述发动机的气缸的点火中的至少一个更新所述单元的EQR值。

方案16.根据方案14所述的方法，其特征在于，还包括基于混合系数和邻近所述第一和第二管道的结合部的所述第一管道的单元的EQR值估计所述第三EQR。

方案17.根据方案13所述的方法，其特征在于，还包括基于所述第一管道的体积和所述第二管道的体积确定所述第一和第二排气何时混合。

方案18.根据方案11所述的方法，其特征在于，还包括基于在所述第一气缸中燃烧的空气和燃料的量确定所述第一EQR。

方案19.根据方案11所述的方法，其特征在于，还包括基于所述第一和第二EQR和混合系数估计所述第三EQR。

方案20.根据方案11所述的方法，其特征在于，所述第四排气的估计的EQR是所述氧传感器的估计的响应，其中所述氧传感器的估计的响应基于所述氧传感器的模型。

本发明的其他应用领域将从以下提供的详细描述中变得明显。应当理解的是详细描述和具体示例仅是用于说明的目的，并不意图限定本发明的范围。

附图说明

本发明将从详细描述及附图中更充分地理解，其中：

图1是根据本发明的发动机系统的功能性方框图；

图2示出了根据本发明的排放模型；

图3示出了根据本发明的排放模型的三段之间的示例性交汇结合部；

图4A示出了根据本发明的排气在交汇结合部混合之前排气的组成；

图4B示出了根据本发明的排气在交汇结合部J混合之后排气的组成；

图5是根据本发明的排放模型校准系统的功能性方框图；

图6是根据本发明的实现排放模型的发动机控制模块的功能性方框图；

图7是根据本发明的设备响应模块的功能性方框图；

图8示出了根据本发明的基于排放模型控制发动机系统的方法。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本发明，其应用或用途。为了清楚起见，相同的附图标记将在附图中用于表示相似的元件。这里使用的，短语A、B和C中的至少一个应被理解为意指一种逻辑(A或B或C)，其使用非排他的逻辑“或”。应该懂得，在不改变本发明原理的情况下，可以以不同的顺序执行方法内的步骤。

这里使用的，术语模块指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享处理器，专用处理器，或处理器组)和存储器，组合逻辑电路，和/或提供所描述的功能的其他合适部件。

根据本发明的发动机控制系统可基于排放系统的模型(以下称为“排放模型”)控制发动机，以维持所需的性能和/或排放水平。排放模型可基于排放歧管的几何结构(例如，体积)对排放歧管中的排气的传输和混合进行建模。更具体地，排放模型可使用活塞流方法来对排气通过排放歧管的管道的传输进行建模。排放模型可基于混合等式对排气在排放歧管的管道之间的结合部的混合进行建模。发动机控制系统可基于发动机事件(例如，气缸的点火)更新排放模型。

参考图1，发动机系统20包括驱动变速器24的燃烧式发动机22。虽然示出了火花点火式发动机，但也可以设想压缩点火式发动机。节气门26可调节进入进气歧管28的空气流。进气歧管28中的空气被分配到气缸30-1、30-2、30-3和30-4(以下称为“气缸30”)。发动机控制模块32促动燃料喷射器34将燃料喷射到气缸30中。各气缸30可包括火花塞36，用于点燃空气/燃料混合物。或者，空气/燃料混合物可由压缩点火式发动机内的压缩而点燃。虽然图1描绘了四个气缸30，但发动机22可包括额外的或更少的气缸30。发动机22还可设有主动燃料管理系统(未示出)，其去除对进气阀38和排气阀40的促动。

发动机控制模块32与发动机系统20的各部件连通。发动机系统20的各部件包括这里论述的发动机22、传感器、以及促动器。

空气从入口42传递通过质量空气流量(MAF)传感器44。MAF传感器44产生指示流入进气歧管28的空气质量的MAF信号。歧管压力(MAP)传感器46位于节气门26和发动机22之间的进气歧管28中。MAP传感器46产生指示歧管绝对空气压力的MAP信号。位于进气歧管28中的进气温度(IAT)传感器48产生指示进气温度的IAT信号。发动机曲轴(未示出)以发动机速度或与发动机速度成比例的速度旋转。曲轴传感器50产生可指示曲轴的旋转速度和位置的曲轴位置(CSP)信号。

进气阀38选择性地打开和关闭以使空气进入气缸。进气凸轮轴(未示出)调节进气阀38的位置。活塞(未示出)压缩气缸30内的空气/燃料混合物。活塞驱动曲轴以产生驱动扭矩。当排气阀40处于打开位置时，气缸30内的燃烧排气通过排放歧管而被强制排出。排气凸轮轴(未示出)调节排气阀40的位置。虽然示出了单个的进气阀38和排气阀40，但发动机22的每个气缸可包括多个进气阀38和排气阀40。

发动机系统20包括排放歧管。排放歧管表示为段52-1、52-2、52-3、52-4、52-5、52-6、52-7(总体称为“段52”)和交汇结合部54-1、54-2、54-3(总体称为“结合部54”)。每个段52可单独地称为段52。每个结合部可单独地称为结合部54。

段52可表示排放歧管的管道。因此，段52可将排气从各自的气缸30引导到催化剂(例如三通催化剂)56。例如，段52-1、52-5和52-7可将排气从气缸30-1引导到催化剂56。段52-3，52-6和52-7可将排气从气缸30-3引导到催化剂56。

段52在结合部54连接。结合部54由图1中的阴影区域表示。每个结合部54可表示排放歧管的一部分，在该处，两个段52结合。因此，来自多个段52的排气可在结合部54混合。例如，来自段52-1、52-2和52-5的排气可在结合部54-1混合。

图1所示的排放歧管是4-2-1歧管构造。换句话说，图1所示的排放歧管包括4个段52-1、52-2、52-3和52-4，它们将排气引导到两个分开的结合部54-1和54-2，这两个结合部将排气进一步引导到单个的结合部54-3。虽然本发明的排放模型校准系统100被描述为使用包括四个气缸30的发动机22，但排放模型校准系统100可应用于包括多于或少于四个气缸30的发动机系统。虽然排放模型校准系统100被描述为使用4-2-1型的歧管构造，但校准系统可应用于其它的歧管构造(例如，4-1型歧管构造)。

催化剂前氧传感器58(以下称为“催化剂前传感器58”)位于段52-7中，催化剂56的上游。催化剂前传感器58可产生指示排气中的氧的量相对于大气中的氧的量的信号(例如，电压)。发动机控制模块32可基于由催化剂前传感器58产生的信号确定当量比(EQR)。EQR可指示在气缸30内燃烧的空气/燃料混合物的空气/燃料比。因此，由催化剂前传感器58产生的信号可被称为“测量的EQR”。

发动机系统20可包括催化剂56下游的氧传感器60(以下称为“催化剂后传感器60”)，其产生催化剂后信号。发动机控制模块32可基于从催化剂前传感器58和催化剂后传感器60接收到的信号确定催化剂56的效率。

发动机控制模块32接收来自发动机系统20的输入信号。输入信号可包括但不限于，MAF、MAP、IAT、催化剂前传感器58以及催化剂后传感器60的信号。发动机控制模块32处理输入信号，并产生输出给发动机系统20的定时的发动机控制命令。例如，发动机控制命令可促动节气门26、燃料喷射器34以及火花塞36。

发动机控制模块32可基于测量的EQR和对排气在排放歧管中的传输和混合进行建模的排放模型来控制发动机22的各部件。例如，发动机控制模块32可基于测量的EQR和排放模型控制燃料喷射器34。排放模型可在催化剂前传感器58处对EQR进行建模。换句话说，排放模型可在催化剂前传感器58处预测EQR。在催化剂前传感器58处预测的EQR以下可被称为“期望EQR”。

发动机控制模块32可基于测量的EQR和期望EQR控制燃料喷射器34。例如，发动机控制模块32可控制燃料喷射器34，以将测量的EQR和期望EQR之间的差最小化。

排放模型可对流过排放歧管的排气的组成进行建模。具体而言，排放模型可在排放歧管中的不同位置对排气所指示的EQR(以下称为“排气的EQR”)进行建模。排放模型可基于在燃烧过程中喷射到气缸30中的燃料的量和气缸30中的空气的量对排放歧管中的排气的EQR进行建模。

排放模型可基于排放歧管的几何结构(以下称为“排放几何结构”)对排放歧管中的排气的传输进行建模。例如，排放模型可基于段52的几何结构对通过排放歧管的段52的排气的传输进行建模。更具体地，排放模型可基于排放歧管的几何结构对排放歧管中的排气的EQR进行建模。例如，排放模型可基于段52-1的几何结构对从气缸30-1排出通过段52-1的排气的EQR进行建模。

排放模型可对在结合部54处的排气的混合进行建模。例如，排放模型可对在结合部54-1处的段52-1、52-2和52-5的排气的混合进行建模。排放模型可被称为“气体混合和传输模型”，因为排放模型对排气的传输和混合这两者进行建模。

参考图2，示出了用于四气缸发动机的示例性排放几何结构。排放几何结构可基于图1的排放歧管。因此，发动机控制模块32可包括基于图2的排放几何结构的排放模型。虽然图2的排放模型基于4-2-1型排放几何结构，但排放模型可基于其他排放几何结构。例如，可对应于4-1型排放歧管构造来构造其他排放几何结构。

排放模型将每个段52作为一组单元建模。例如，段52-1包括18个单元。排放模型可对排气从排气口1-4通过相应的段52的流动进行建模。排放模型可在每个结合部54处对排气的混合进行建模。排放模型还可对在段52-7的最后一个单元之后的催化剂前传感器的响应进行建模。

每个单元代表排放歧管的体积的一部分。排放歧管的体积可以是从排气口到催化剂前传感器58位置处的排放歧管的体积。每个单元可基于段52的体积对排放歧管的总体积的比率。

图2的排放模型包括100个单元。因此，每个单元可代表排放歧管的体积的1/100。具体地，段52-1包括18个单元，因为段52-1占排放歧管的体积的18％。

排放模型对通过段的排气的流动进行建模。排放模型可使用活塞流方法对通过段52的排气的流动进行建模。活塞流方法可假定排气关于发动机事件以包(packet)的形式移动，直到排气到达结合部54之一。例如，可假定通过段52的排气的流动和在结合部54处的排气的混合是基于各个单元进行建模的。

燃烧之后，一定质量的排气可从气缸30排放到段52中。该一定质量的排气可基于气缸30中的空气的量和喷射到气缸30中的燃料的量。因此，该一定质量的排气可基于每气缸空气量(APC)值。从气缸30排出的该一定质量的排气可占据根据排放模型的一定的体积(即，多个单元)。具体地，排放模型可基于APC和喷射到气缸30中的燃料量对从气缸30排出的排气所填充的多个单元进行建模。排放模型可基于APC值和喷射到气缸30中的燃料的量确定从气缸30排出的排气的EQR。

排放模型可当对应于段52的气缸30将排气排放到段52中时对通过段52的排气的移动进行建模。例如，排放模型可当气缸30-1将排气排放到段52-1中时对通过段52-1的排气的移动进行建模。

排放模型可以下述方式对移动通过段的排气进行建模。以气缸30-1和段52-1为例，排放模型可确定从气缸30-1排放到段52-1的第一质量的排气和相应的第一体积的排气。例如，第一体积的排气可填充段52-1的10个单元。由第一质量的排气填充的10个单元可被称为“第一组单元”。排放模型可确定对应于第一体积的排气的第一EQR。排放模型可将第一组单元中的各单元建模为具有第一EQR。

第二质量的排气可在随后被排放到段52-1中。排放模型可基于排放到段52-1的第二质量的排气确定排气的第二体积。例如，第二体积的排气可填充段52-1的12个单元。由第二质量的排气填充的12个单元可被称为“第二组单元”。排放模型可确定对应于第二体积的排气的第二EQR。排放模型可将第二组单元中的各单元建模为具有第二EQR。

当第一体积的排气被排出时，第一组单元可填充前10个单元(即，排气口1之后的前10个单元)。当第二体积的排气被排出时，第二组单元可替换第一组单元。当第二组单元排放到段52-1中时，第一组单元的前4个单元可被移动到段52-5中。因此，段52-1可包括第二组单元以及与第一组单元对应的6个单元。移动到段52-5中的4个单元可与这里所描述的段52-2的单元混合。

仅举例而言，排放模型可基于以下等式确定在排气冲程期间从特定的气缸30排出的气体所占据的单元的个数：

$V_{\mathrm{gas},\mathrm{sxh}}=\frac{{\mathrm{Air}}_{\mathrm{est}}\×T_{\mathrm{exh}}\×R}{P_{\mathrm{exh}}}$ (等式1)

其中，Air_est是停留在正在排气的气缸30中的空气的量的估计值，T_exh是排放系统的平均温度，P_exh是排放歧管中的平均压力，R是气体常数。

排放模型对段52之间的排气在各结合部54的混合进行建模。排放模型对进入结合部54的段52的最后的单元与离开结合部54的段52的第一单元之间的混合进行建模。换句话说，排放模型对邻近各自的结合部54的单元的混合进行建模。

单元可用数字表示以指示单元在段52中的位置。例如，段52-1的单元18和段52-2的单元5可以是邻近结合部54-1的单元。段52-1的单元18和段52-2的单元5可以分别被称为段52-1和52-2的最后的单元。段52-5的单元1和段52-6的单元1可以分别是邻近结合部54-1和54-2的单元。段52-5的单元1和段52-6的单元1可以分别被称为段52-5和52-6的第一单元。段52-5的单元17和段52-6的单元17可以是邻近结合部54-3的单元。段52-5的单元17和段52-6的单元17可以分别被称为段52-5和52-6的最后的单元。段52-7的单元1可以是邻近结合部54-3的单元。段52-7的单元1可以称为段52-7的第一单元。

段52-7的单元20可以是邻近传感器模型的单元。段52-7的单元20可以称为段52-7的最后的单元。相对于结合部54-1，排放模型对段52-1和52-2的最后的单元与段52-5的第一单元的混合进行建模。相对于结合部54-2，排放模型对段52-3和52-4的最后的单元与段52-6的第一单元的混合进行建模。相对于结合部54-3，排放模型对段52-5和52-6的最后的单元与段52-7的第一单元的混合进行建模。

排放模型可在基于曲柄角的域中对排气的传输和混合进行建模。例如，排放模型可基于离散的发动机事件对排气的传输进行建模。离散的发动机事件可包括气缸30的点火。因此，排放模型可基于气缸30的点火时间对排气的传输和混合进行建模。或者，排放模型可基于其它的发动机事件对排气的传输和混合进行建模。其它的发动机事件可包括活塞通过预定的位置(例如，上止点或下止点)或曲轴的角度。

排放模型可对在催化剂前传感器58处检测的EQR进行建模。排放模型的对催化剂前传感器58处的EQR建模的部分可称为“传感器模型”。传感器模型可在基于曲柄角的域中确定在催化剂前传感器58处的EQR。

传感器模型可基于各种参数对在催化剂前传感器58处的EQR进行建模。参数可包括但不限于，传感器的时间常数、发动机速度和发动机事件。

在催化剂前传感器58处检测的建模的EQR可基于一阶系统进行建模。仅举例而言，在催化剂前传感器58处建模的EQR可使用用于图2的四气缸发动机22的排放几何结构的以下等式来建模：

${\mathrm{EQR}}_{\mathrm{meas}}\left(k\right)=\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Sensor}}N}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Sensor}}N+30}{\mathrm{EQR}}_{\mathrm{meas}}(k-1)+\frac{30}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Sensor}}N+30}{\mathrm{EQR}}_{\mathrm{EGO}}\left(k\right)$ (等式2)

其中，EQR_meas(k)是期望EQR(即，由催化剂前传感器58检测的EQR的基于模型的预测值)。τ_Sensor可代表催化剂前传感器58的时间常数。τ_Sensor可以基于催化剂前传感器58对EQR的变化的响应。例如，τ_Sensor可以基于催化剂前传感器58对阶跃输入EQR的一阶时间响应。τ_Sensor可以是由催化剂前传感器58的制造商提供的值。或者，τ_Sensor可以是近似的(例如，.06)。N是单位为转/分钟的发动机速度。

EQR_meas(k-1)对应于之前的发动机事件的EQR_meas。EQR_EGO(k)是由排放模型确定的催化剂前传感器58处的EQR(即，段52-7的单元20之后的EQR)。因此，排放模型的几何结构部分确定EQR_EGO(k)，并且传感器模型基于EQR_EGO(k)和EQR_meas(k-1)确定EQR_meas(k)。

排放模型可对排气在结合部54处的混合进行建模。排放模型的对排气在结合部54处的混合建模的部分可称为“混合模型”。混合模型可在基于曲柄角的域中基于邻近结合部54的单元处的EQR以及描述邻近结合部54的单元之间的相互作用的系数对结合部54处的混合进行建模。

现在参考图3，在段A、B和C之间的示例性的结合部J示出了可应用于结合部54的通用混合模型。混合模型基于哪个结合部包括排气流而对排气在结合部J的混合进行建模。例如，混合模型对由排气流通过段A引起的段A、B和C之间的排气在结合部J的混合进行建模。混合模型还对由排气流通过段B引起的段A、B和C之间的排气在结合部J的混合进行建模。

混合模型可使用以下等式对由排气流通过段A引起的段A、B和C之间的排气在结合部J的混合进行建模：

EQR_C，1(k)＝α_A，CEQR_C，1(k-1)+β_A，BEQR_B，last(k)+(1-α_A，C-β_A，B)EQR_A，last(k)(等式3)

其中，k是当前发动机事件的索引，EQR_C，1是段C的第一单元的EQR，EQR_B，last是段B的最后单元的EQR，EQR_A，last是段A的最后单元的EQR。α_A，C可以是对从段A进入段C的气体混合建模的混合模型的系数。EQR_C，1(k-1)可以是前一个发动机事件之后的段C的第一单元的EQR。因此，α_A，C可以递归的形式来描述混合。β_A，B可以是描述段A和段B之间的混合的系数。

混合模型可将等式3应用于从段A通过结合部J移到段C的每个单元。例如，如果5个单元从段A移动到段C，则混合模型可将等式3应用于移动到段C的5个单元中的每个。

混合模型可使用以下等式对由排气流通过段B引起的段A、B和C之间的排气在结合部J的混合进行建模：

EQR_C，1(k)＝α_B，CEQR_C，1(k-1)+β_B，AEQR_A，last(k)+(1-α_B，C-β_B，A)EQR_B，last(k)(等式4)

α_B，C可以是对从段B进入段C的气体混合建模的混合模型的系数。EQR_C，1(k-1)可以是前一个发动机事件之后的段C的第一单元的EQR。因此，α_B，C可以递归的形式来描述混合。β_B，A可以是描述段B和段A之间的混合的系数。

混合模型可将等式4应用于从段B通过结合部J移动到段C的每个单元。例如，如果5个单元从段B移动到段C，则混合模型可将等式4应用于移动到段C的5个单元中的每个。

对应于结合部J的系数(即，α_A，C、β_A，B、α_B，C和β_B，A)可以基于这里所述的校准操作确定。

将等式3应用于图2的段52-1、52-2和52-5的结合部54-1，由通过段52-1的流引起的排气在结合部54-1的混合可使用以下等式建模：

EQR_5，1(k)＝α_1，5EQR_5，1(k-1)+β_2，5EQR_2，5(k)+(1-α_1，5-β_2，5)EQR_1，18(k)(等式5)

其中，EQR_5，1是段52-5的第一单元的EQR，EQR_2，5是段52-2的最后单元的EQR，EQR_1，18是段52-1的最后单元的EQR。α_1，5可以是对从段52-1流入段52-5的排气的混合进行建模的混合模型的系数。EQR_5，1(k-1)可以是前一个发动机事件之后的段52-5的第一单元的EQR。β_2，5可以是描述段52-1和段52-2之间的混合的系数。

在每个结合部54处的混合可由2个等式描述，一个等式用于引起通过排放歧管的流动的每个段52。两个等式中的每个包括α和β系数。因此，在图2的4-2-1排放构造的三个结合部处的混合可使用12个系数建模。

现在参考图4A-4B，示出了混合等式(例如，等式3和等式4)的实施。图4A示出了单元在结合部J处混合之前的每个段的单元的EQR。示出了段A的单元的EQR(A₂，A₂，A₁)，段B的单元的EQR(B₂，B₂，B₁)和段C的单元的EQR(C₁，C₂，C₃)。例如，具有值A₁和A₂的单元在排气口1从不同的排气冲程排出，具有值B₁和B₂的单元在排气口2从不同的排气冲程排出。

图4B示出了在排气流进入单元段A之后的单元的EQR。排放进入段A的单元具有相同的EQR(A₄)，因为三个单元是从同一燃烧事件排出的。所得到的与段C相关联的EQR是如下获得的。第一混合单元(A₁/B₁/C₁)由单元A₁、单元B₁和单元C₁的混合得到。然后，第一混合单元被第二混合单元(A₂/B₁/C₁)向前移动。第二混合单元由单元A₂、单元B₁和单元C₁的混合得到。然后，第二混合单元被第三混合单元(A₂/B₁/C₁)向前移动。第三混合单元由单元A₂、单元B₁和单元C₁的混合得到。图4A-4B所示的排放模型可对于引起段A或段B中的排气流的每个发动机事件更新。

现在参考图5，排放模型校准系统100包括排放模型校准模块102，第一氧传感器104，和第二氧传感器106。第一和第二氧传感器104，106可分别位于段52-1，52-3的排气口附近。因此，第一和第二氧传感器104，106可分别测量从气缸30-1，30-3排放的排气的EQR。

排放模型校准模块102执行校准操作，以便确定排放模型的混合系数(α和β)。校准操作可包括通过在改变对气缸30的燃料供给的同时测量在第一氧传感器104，第二氧传感器106和催化剂前传感器58的位置处的排气的EQR来确定混合系数。例如，校准操作可包括在操作条件的范围内操作发动机22的同时测量在传感器104，106，58位置处的排气的EQR。仅举例而言，校准操作可包括在联邦测试程序(FTP)的驾驶循环过程中测量排气的EQR。

设备响应模块108可接收包括在校准操作期间确定的混合系数(α和β)的排放模型。当排放模型包括在校准程序中确定的混合系数(α和β)时，排放模型可称为校准的排放模型。

现在参考图6，发动机控制模块32包括APC确定模块110，目标燃料确定模块111，设备响应模块108，差模块112，开环燃料模块113，和燃料控制模块114。APC确定模块110确定吸入气缸30中的空气的量。例如，APC确定模块110可基于MAP和RPM信号中的至少一个确定吸入气缸30的空气的量。目标燃料确定模块111基于所期望的发动机系统20的性能和/或所期望的发动机系统20的排放水平确定喷射到气缸30内的目标燃料。

设备响应模块108基于喷射到气缸30的目标燃料和吸入气缸30的空气的量确定催化剂前传感器58处的期望EQR。设备响应模块108实现校准的排放模型。设备响应模块108基于校准的排放模型确定期望EQR。因此，设备响应模块108可基于CSP信号更新曲柄角域中的校准的排放模型。

差模块112确定催化剂前传感器58处的期望EQR和从催化剂前传感器58接收的测量的EQR之间的差(即，误差)。燃料控制模块114可基于误差控制喷射进入气缸30的燃料的量。例如，燃料控制模块114可产生燃料命令以控制喷射进入气缸30的燃料的量，以便最小化误差。开环燃料模块113可基于查询表确定开环燃料命令。因此，燃料控制模块114可基于开环燃料命令和误差确定燃料命令。

再次参考图5，排放模型校准模块102可使用各种校准操作确定混合系数。所使用的校准操作可取决于排放模型校准系统100的构造。排放模型校准系统100的构造可以指第一和第二氧传感器104，106的放置位置和/或用于确定排放歧管中的EQR的氧传感器的数量。尽管图5的排放模型校准系统100示出了三个氧传感器58、104、106，但可将更多的氧传感器加到排放模型校准系统100中。例如，排放模型校准系统100可包括每个段52和结合部54中的氧传感器。因此，排放模型校准模块102可基于包括每个段52和结合部54中的氧传感器的校准程序确定混合系数。然而，将氧传感器放置于每个段52和结合部54中可能是不必要或不可行的。因此，根据本发明的排放模型校准系统100可使用三个氧传感器58、104、106确定混合系数。

排放模型校准系统100可基于由第一氧传感器104、第二氧传感器106、和催化剂前传感器58确定的EQR确定混合系数。排放模型校准模块102可在假设没有装备氧传感器的段52-2、52-4与装备了氧传感器104、106的段52-1、52-3的行为相似的基础上确定混合系数。

然而，没有装备氧传感器的段52-2、52-4与装备了氧传感器104、106的段52-1、52-3的行为可能不相似。因此，排放模型校准模块102可包括其他建模参数(例如，吸气排气模型)以补偿各个段52的不对等的行为。

吸气排气模型(breathing model)可包括补偿各个段52的不对等行为的参数。例如，排放模型校准模块102可基于由第一氧传感器104、第二氧传感器106、和催化剂前传感器58所确定的EQR以及吸气排气模型确定混合系数。例如，吸气排气模型可由以下等式描述：

APC₂＝APC+ΔAPC₂(等式6)

APC₄＝APC+ΔAPC₄(等式7)

其中，APC₂和APC₄是分别对应于气缸30-2和气缸30-4的APC值。APC₂和APC₄可基于对应于气缸30-2和30-4中的各个气缸的测量的APC(APC)以及校准变量ΔAPC₂和ΔAPC₄。在校准操作过程中校准排放模型时可以调整校准变量ΔAPC₂和ΔAPC₄，以解决气缸30之间的吸气排气差异。校准参数ΔAPC₂和ΔAPC₄可基于MAP信号和RPM信号。下面的等式可描述校准变量：

ΔAPC_A＝c_A1MAP+c_A2RPM+c_A3MAP×RPM+c_A4MAP²+c_A5RPM²(等式8)

其中，c_A1-c_A5是在校准操作过程中可调整的常数。除了ΔAPC₂和ΔAPC₄，对应于装备了氧传感器的段52-1、52-3的校准参数可被建模。因此，吸气排气模型可包括以下的等式：

APC₁＝APC+ΔAPC₁(等式9)

APC₃＝APC+ΔAPC₃(等式10)

吸气排气模型可基于来自具有氧传感器的段的测量值估计不具有传感器的气缸的EQR。例如，估计可以基于以下等式：

${\mathrm{EQR}}_1=\mathrm{EQ}{R}_2\left[\frac{\mathrm{APC}+\mathrm{\ΔAPC}{A}_2}{\mathrm{APC}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{APC}}_1}\right]$ (等式11)

包括吸气排气模型的校准操作可使用优化算法诸如遗传算法执行。遗传算法优化的代价函数可以是由排放模型预测的EQR和在催化剂前传感器58处测量的EQR之间的差的第二范数。

在一些情况下，排放模型可被进一步简化。从实验的角度来说，校准的排放模型可包括相似的混合系数。例如，α_A，C可以粗略地等于α_B，C。因此，在排放模型中可用单个值(α_C)来代替α_A，C和α_B，C。在一些情况下，β_A，B可以粗略地等于β_B，A。因此，在排放模型中可用单个值β_C来代替β_A，B和β_B，A。

在一些情况下，排放模型可以被进一步简化。例如，α_AC和α_B，C可能不会显著影响由排放模型确定的期望EQR。因此，α_A，C和α_B，C可从等式3和等式4中除去，得到以下简化的混合等式：

EQR_C，1(k)＝β_cEQR_B，last(k)+(1-β_c)EQR_A，last(k)(等式12)

EQR_C，1(k)＝β_cEQR_A，last(k)+(1-β_c)EQR_B，last(k)(等式13)

现在参考图7，设备响应模块108可包括气缸EQR模块120、位置估计模块122、混合模块124和传感器模块126。设备响应模块108可根据本发明实施校准的排放模型。

气缸EQR模块120可基于APC值和喷射到气缸30中的燃料的量估计从气缸30排出的排气的EQR。位置估计模块122可基于段52的几何结构估计排气在排放歧管的段52中的位置。混合模块124可估计在结合部54处混合的排气的EQR。传感器模块126可实现传感器模型。因此，传感器模块126可基于传感器模型确定催化剂前传感器58处的期望EQR。

现在参考图8，基于排放模型控制发动机系统的方法开始于200。在200处，控制确定排放歧管的体积。在202处，控制确定排放歧管的各段的体积。在204处，控制确定在排放歧管的各个段中的单元的数量。在206处，控制基于段52和结合部54构建排放模型。在208处，控制利用第一氧传感器104、第二氧传感器106和催化剂前传感器58装备排放歧管。在210处，排放模型校准模块102基于来自第一氧传感器104、第二氧传感器106、和催化剂前传感器58的反馈来校准排放模型的混合系数。在212处，排放模型校准模块102基于混合系数确定校准的排放模型。在214处，控制在发动机控制模块32中实施校准的排放模型。

在216处，气缸EQR模块120确定从发动机22的气缸30排出的排气的EQR。在218处，位置估计模块122更新对应于气缸30的单元的EQR。在220处，混合模块124确定在结合部54处混合的单元的EQR。例如，混合模块124可确定在结合部54处混合的单元的EQR，同时位置估计模块122更新单元的EQR。在222处，传感器模块126基于传感器模型确定催化剂前传感器58位置处的期望EQR。在224处，燃料控制模块114基于期望EQR和由催化剂前传感器58测量的EQR之间的差来控制燃料喷射。

在214处，设备响应模块108基于校准的排放模型确定期望EQR。在216处，燃料控制模块114基于期望EQR和测量的EQR之间的差来控制燃料喷射量。在218处，设备响应模块108基于发动机事件(例如，气缸30的点火)更新校准的排放模型。

本发明的广泛教导可以以多种不同形式实施。因此，虽然本发明包括特定的例子，但本发明的真实范围不应受到此限制，因为在对附图、说明书和所附权利要求研究后，其他变型对熟练的从业者将变得明显。

Claims (20)

1.一种发动机控制系统，包括：

气缸当量比模块，所述气缸当量比模块确定与从第一气缸排出的第一排气对应的第一当量比，并且确定与从第二气缸排出的第二排气对应的第二当量比；

位置估计模块，所述位置估计模块确定所述第一和第二排气何时在排放歧管中混合以形成具有第三当量比的第三排气；

传感器模块，所述传感器模块基于所述第三当量比估计第四排气的当量比，其中所述第四排气位于所述排放歧管中的氧传感器处；和

燃料控制模块，所述燃料控制模块基于所述估计的当量比和与所述氧传感器的测量对应的当量比之间的差来控制供应至发动机的燃料的量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第四排气包括所述第三排气。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一排气排放到所述排放歧管的第一管道，所述第二排气排放到所述排放歧管的第二管道，并且所述第一和第二排气在所述第一和第二管道的结合部混合。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述位置估计模块将所述第一管道建模为一组离散的单元，其中每个单元对应于所述排放歧管的体积的一部分，并且每个单元包括相应的当量比值。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述位置估计模块基于曲轴的位置和发动机的气缸的点火中的至少一个来更新所述单元的当量比值。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括混合模块，所述混合模块基于混合系数和邻近所述第一和第二管道的结合部的所述第一管道的单元的当量比值估计所述第三当量比。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述位置估计模块基于所述第一管道的体积和所述第二管道的体积确定所述第一和第二排气何时混合。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气缸当量比模块基于在所述第一气缸中燃烧的空气和燃料的量确定所述第一当量比。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括混合模块，所述混合模块基于所述第一和第二当量比和混合系数估计所述第三当量比。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第四排气的估计的当量比是所述氧传感器的估计的响应，其中所述氧传感器的估计的响应基于所述氧传感器的模型。

11.一种发动机控制方法，包括：

确定与从第一气缸排出的第一排气对应的第一当量比；

确定与从第二气缸排出的第二排气对应的第二当量比；

确定所述第一和第二排气何时在排放歧管中混合以形成具有第三当量比的第三排气；

基于所述第三当量比估计第四排气的当量比，其中所述第四排气位于所述排放歧管中的氧传感器处；和

基于所述估计的当量比和与所述氧传感器的测量对应的当量比之间的差来控制供应至发动机的燃料的量。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第四排气包括所述第三排气。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一排气排放到所述排放歧管的第一管道，所述第二排气排放到所述排放歧管的第二管道，并且所述第一和第二排气在所述第一和第二管道的结合部混合。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括将所述第一管道建模为一组离散的单元，其中每个单元对应于所述排放歧管的体积的一部分，并且每个单元包括相应的当量比值。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括基于曲轴的位置和所述发动机的气缸的点火中的至少一个更新所述单元的当量比值。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括基于混合系数和邻近所述第一和第二管道的结合部的所述第一管道的单元的当量比值估计所述第三当量比。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括基于所述第一管道的体积和所述第二管道的体积确定所述第一和第二排气何时混合。

18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括基于在所述第一气缸中燃烧的空气和燃料的量确定所述第一当量比。

19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括基于所述第一和第二当量比和混合系数估计所述第三当量比。

20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第四排气的估计的当量比是所述氧传感器的估计的响应，其中所述氧传感器的估计的响应基于所述氧传感器的模型。

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