CN102220913A - 车辆的内燃发动机的延时补偿燃/空控制 - Google Patents

车辆的内燃发动机的延时补偿燃/空控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于发动机的闭环燃料控制系统，其包括参考输入，其产生理想燃/空信号；延时补偿过滤器，其接收所述理想燃/空信号与来自比例积分控制器的燃/空控制信号输出之和，所述延时补偿过滤器提供系统延时补偿信号；排气传感器，其提供燃/空比信号，该燃/空比信号从被过滤的燃/空信号中减去，并且此结果被加到所述系统延时补偿信号以产生提供给所述比例积分控制器的误差信号从而产生所述延迟补偿燃/空控制信号；以及瞬时燃料控制过滤器，其根据取决于发动机温度的时间常量和取决于发动机温度的增益对所述延迟补偿燃/空控制信号进行调节从而产生取决于发动机温度的延时补偿燃/空控制信号。以此方法，燃料控制响应的精确性得到提高。

Description

车辆的内燃发动机的延时补偿燃/空控制
技术领域
本发明涉及车辆的内燃发动机的延时补偿空/燃控制，特别是一种补偿时间延时以提升排气传感器反馈响应速度的燃料控制方法。
背景技术
与开关型排气氧(EGO)传感器相比，可以通过使用线性或宽域排气氧(UEGO)传感器来在响应速度和精确性方面增强闭环空/燃控制。
然而，本发明人已认识到这样的方法所带来的若干潜在问题。例如，使用UEGO传感器的闭环空/燃控制仍被排气路径动力学所阻碍。特别地，存在相对长时间延时(燃料变化与被测量空燃比响应的首次指示之间的时间)，其破坏了闭环燃/空控制的稳定，这会导致响应速度迟缓的低增益反馈控制。这限制了适当调整主动调制排气进给气体的的能力，从而降低了催化剂的效率。此外，它损害了有助于拒绝干扰的能力，从而使控制方法对于驾驶性能降低的情况变得更弱。
发明内容
在此，本发明人已经研究了一种发动机的闭环燃料控制系统，其补偿时间延时以提高对于燃料控制的响应速度。例如，该系统包括：产生理想燃/空信号的参考输入；接收理想燃/空信号与来自比例积分控制器的燃/空控制信号输出之和的延时补偿过滤器，该延时补偿过滤器提供延时补偿信号，被过滤的理想燃/空信号用来计算误差信号；排气传感器，其用来提供燃/空比信号，该信号被从被过滤的理想燃/空信号中减去，并且此结果被加到延时补偿信号以产生提供给比例积分控制器的误差信号从而产生燃/空控制信号；以及瞬时燃料控制过滤器，其根据取决于发动机温度的时间常量以及取决于发动机温度的增益来调节燃/空控制信号从而产生取决于发动机温度的延时补偿燃/空控制信号。
例如，延时补偿过滤器可以是Smith预估器反馈控制环路(Smith，O.J.，″A controller to overcome dead-time，″ISA Journal，Volume 6，pg 28-33，1959)。Smith预估器反馈控制环路包括分别表现控制系统的时间延时和被控制系统的连续时间动力学的特征的模型。Smith预估器反馈控制环路可以被改进以避免妨碍常规的燃料控制系统，该系统基于参考改变(这是由于例如驾驶员需求的改变而造成的)使供给正向调节，而且Smith预估器反馈控制环路还可以提供延时补偿以保持具有高控制增益的闭环系统的稳定性。这里所述的常规的Smith预估器以及被改进的版本允许控制器调节系统的连续动力学，即仅调节当被测量的信号与Smith预估器的估计不同时的延时。
此外，通过经由瞬时燃料控制过滤器馈送延时补偿燃/空控制信号，该控制信号可以基于发动机温度被调节，以便补偿液体燃料聚积(puddle)动力学的影响。换句话说，因为发动机的进气口中燃料蒸发的速率随发动机温度而变化，所以燃料控制信号可以被调节以便保持精确的燃料控制。以此方法，燃料控制响应的精确性可以得到提高，从而使得排放控制设备效率和燃料经济性也得到提高。针对液体燃料聚积动力学的这种闭合调节不取决于任何常规的开环瞬时燃料补偿加法器并且被附加于任何常规的开环瞬时燃料补偿加法器，该加法器是标准的汽车控制方法。
根据另一方面，用于发动机的闭环燃料控制系统包括：生成理想燃/空信号的参考输入；延时补偿过滤器，其包括预测块和延时块，该预测块接收理想燃/空信号与延时补偿燃/空控制信号之和并且基于控制系统的时间常量来调节该和以产生被提供到延时块的无延时控制信号，该延时块根据控制系统的延时将无延时控制信号调节成延时从而提供被延时控制信号，该无延时控制信号被从所述被延时控制信号中减去以产生系统延时补偿信号；排气传感器，其提供燃/空比信号，该燃/空比信号从被过滤燃料控制信号中被减去并且被加到系统延时补偿信号以产生被提供给比例积分控制器的误差信号从而产生延时补偿控制信号；瞬时燃料控制过滤器，其根据取决于发动机温度的时间常量和取决于发动机温度的增益来调节延时补偿控制信号以产生取决于发动机温度的延时补偿燃料控制信号；以及，正向馈送控制，其基于控制系统事件的预期正时来调节理想燃/空信号与一个值(燃/空比)加上取决于发动机温度的延时补偿燃/空控制信号的和的乘积。
在一个实施例中，在控制系统第一操作模式过程中，延时补偿控制信号被产生在燃/空比域中，而在控制系统第二操作模式过程中，延时补偿控制信号被产生在燃料质量域中。
在另一实施例中，在控制系统第一操作模式过程中，延时补偿控制信号被产生在燃/空比域中，而在控制系统第二操作模式过程中，延时补偿控制信号被产生在燃料质量域中；其中，在控制系统第二操作模式过程中，误差信号被乘以被延时空气质量项以将该误差信号转换到燃料质量域。
在另一实施例中，在控制系统第一操作模式过程中，延时补偿控制信号被产生在燃/空比域中，而在控制系统第二操作模式过程中，延时补偿控制信号被产生在燃料质量域中；其中，在控制系统第二操作模式过程中，误差信号被乘以被延时空气质量项以将该误差信号转换到燃料质量域；在第二模式过程中，延时补偿控制信号除以空气质量项从而将该延时补偿控制信号转换到燃/空比域。
在另一实施例中，低通过滤器提供被过滤的燃料控制信号。
在另一实施例中，燃/空比信号由线性排气传感器产生。
在另一实施例中，瞬时燃料控制过滤器包括一阶引导过滤器。
在另一实施例中，瞬时燃料控制过滤器包括一阶引导过滤器，其中延时补偿燃/空控制信号与来自一阶引导过滤器的信号输出的差被乘以取决于发动机温度的增益以产生取决于发动机温度的延时补偿燃料控制信号。
根据另一个方面，用于发动机的闭合燃料控制系统包括：生成理想燃/空信号的参考输入；延时补偿过滤器，其包括预测块和延时块，该预测块接收理想燃/空信号与延时补偿燃/空控制信号之和并且基于控制系统的时间常量来调节该和以产生被提供到延时块的无延时控制信号，该延时块根据控制系统的延时将无延时控制信号调节成延时从而提供被延时的控制信号，该无延时控制信号被从所述被延时的控制信号中减去以产生系统延时补偿信号；排气传感器，其提供燃/空比信号，该燃/空比信号从被过滤的燃料控制信号中被减去并且被加到系统延时补偿信号以产生被提供给比例积分控制器的误差信号从而产生延时补偿控制信号，其中在控制系统第一操作模式过程中，系统延时补偿控制信号被产生在燃/空比域中，而在控制系统第二操作模式过程中，系统延时补偿控制信号被产生在燃料质量域中；瞬时燃料控制过滤器，其根据取决于发动机温度的时间常量和取决于发动机温度的增益来调节延时所述系统延时补偿燃料控制信号以产生取决于发动机温度的延时补偿燃/空控制信号；以及，正向馈送控制，其基于控制系统事件的预期正时来调节理想燃料控制信号与一个值(燃/空比)加上取决于发动机温度的延时补偿燃料控制信号的和的乘积。
在一个实施例中，在控制系统第二操作模式过程中，误差信号被乘以被延时空气质量项以将该误差信号转换到燃料质量域，而延时补偿控制项除以空气质量项从而将该延时补偿控制信号转换到燃/空比域。
将被理解的是，提供上述发明内容部分是为了简要介绍在下文的详细说明中得到进一步说明的发明构思的选择。其并非旨在等同于所要求保护的主题的关键或实质特征，而是其范围由详细说明后的权利要求所规定。此外，要求保护的主题不限于解决任何上文或此公开其他部分所提出的缺点。
附图说明
通过参照附图对下文非限制实施例的详细说明的阅读，本公开的主题将得到更好的理解，其中：
图1是不具有延时补偿的常规闭环燃料控制系统的方框图。
图2是包括Smith预估器(SP)反馈控制环路的闭环燃料控制系统的方框图。
图3是具有经改进的Smith预估器的闭环燃料控制系统的方框图，该Smith预估器包括瞬时燃料控制(TFC)补偿器。
图4是图3所示TFC补偿器的方框图。
图5是具有在燃料质量模式中可操作的经改进的Smith预估器、TFC引导补偿的闭环燃料控制系统的方框图。
图6显示了闭环燃料控制系统的不同版本对参考步骤改变和干扰步骤改变的响应。
图7显示了在超出车辆速度范围的情况下图1所示闭环燃料控制系统和图5所示燃料控制系统的燃料控制的对比。
图8显示了基于图1所示闭环燃料控制系统和图5所示燃料控制系统的空/燃控制的碳氢化合物(HC)催化剂效率的对比。
图9显示了基于图1所示闭环燃料控制系统和图5所示燃料控制系统的空燃控制的NOX催化剂效率的对比。
图10显示了一种发动机系统，本公开的燃料控制系统可以在其中得到实现。
具体实施方式
图1显示了闭环燃料控制系统100(本文中称为“控制系统”)，其基于来自线性或宽域排气氧(UEGO)传感器的反馈来操作而不补偿UEGO传感器的响应延时。控制系统100基于工况改变燃/空比(燃料/空气比)。参考源114在控制系统100的输入处生成理想信号，其由不同的中间控制块来调节，从而在控制系统的输出处向设备块110提供理想燃料控制信号。理想燃料信号可以基于理想燃/空比由参考源生成，其由控制系统的另一个部分确定，以便优化排放、燃料经济性以及驾驶性能。在这些附图中，参考被假定为标准化的燃/空比，即当引入燃烧气缸的燃料和空气具有足够精确的燃料和氧以便在没有任何过剩燃料或氧的情况下燃烧时该标准化的燃/空比将为1(被称为理论配比的混合物)。控制系统100包括物理系统段102、反馈控制段104以及正向馈送控制段106。
物理系统段102包括各种块，这些块表示针对燃料控制被模型化的车辆物理部件。物理系统段102包括燃/空干扰块116、壁浸湿块108、设备块110以及UEGO传感器块112。干扰块116表示存在于真正发动机中的燃料加入误差，如不正确的燃料输送(喷油器变异性、燃料压力等)、与预期化学组分不匹配的燃料(例如汽油-乙醇混合物)、进入通过碳罐净化阀的燃料、在瞬时燃料控制(TFC)未能完全解决的大气流改变之后来自胶泥(puddle)的燃料。干扰实际上是系统设计者未能精确预期并因此只能由闭环控制计算的任意误差。壁浸湿块108模拟了粘在进气口壁的燃料的估计量，并且形成之后会蒸发以影响燃/空比的液体燃料聚积，并且作为一个示例可以被称为所谓的X-Tau模型。壁浸湿块108被串联地连接到设备块并且向设备块110提供输入。设备块110模拟车辆发动机的内部燃烧和排气流动力学。段102接收理想燃料信号以作为燃/空控制策略的一部分来命令燃料喷射。UEGO传感器块112测量来自内燃发动机的排气中的实际燃/空比，并且将被测量的值作为反馈提供到反馈控制段104中。
反馈控制段104向比例积分(PI)控制器118提供来自参考源114的控制信号与来自UEGO传感器块112的反馈信号之间的差。PI控制器118基于误差(控制系统的输出和参考或理想信号之间的差)来驱动控制系统。因此理想燃/空信号控制发动机的操作以驱使所测量的燃/空比到理想燃/空比。
正向馈送控制段106提供来自参考源114的控制信号以被一个燃/空比值加上PI控制器118的误差补偿输出(当不存在误差时，PI控制器将值设定为0)所乘。当所述值为1时，正向馈送系统的这种表示指出了理论配比混合物。为了理解此结构，当不存在误差或理想调节时，整个控制系统将命令燃/空比为1，其为用于燃烧的燃料和空气的最佳匹配(其在控制系统的另一部分中将最终将此转换到燃料控制命令)。正向馈送参考可以从一改变此燃/空比(通过将结果乘以大于一或小于一的值)，如闭环控制器所能够做到的。正向馈送控制段106的目的在于允许不依赖于闭环系统来操作燃料系统。当发动机最初冷启动时，并且当UEGO针对车上诊断测试和各种其他原因而被脱机时，闭环系统是不可行的。因此，燃料控制器必须在没有闭环辅助的情况下适当良好地针对一段时间操作。为了表现控制器如何与物理系统相互作用，燃/空控制加上参考信号之和与燃/空比干扰块116的输出相加并且被提供到为了物理系统段102的壁浸湿块108。
如上所示，通过以宽域排气氧(UEGO)传感器来取代开关式排气氧(EGO)传感器，从而使得汽车应用中的闭环燃料控制被制造得更具能力。借助UEGO传感器，燃料喷射可以由标准反馈方法控制，如由控制系统100控制。然而，控制系统100不会补偿从控制系统采取行动(喷射燃料)的时刻直到结果在UEGO处被看到之间的延时。该延时包括燃烧气缸进气的正时、用于将燃烧气体传送到达传感器的传送时间以及传感器自身的延时。该延时破坏了控制系统100的稳定，导致了响应迟缓的低增益反馈控制。迟缓的响应限制了控制系统100适当地控制主动调制排气供给气体的能力，其之后会损害催化剂效率，在某些情况下需要更大和更贵重的金属加强催化剂，从而符合给定的排放标准。此外，迟缓的响应会损害控制系统100的抗干扰能力，从而使得系统对于驾驶性能来说更加脆弱，所述驾驶性能涉及碳罐净化的过度使用、燃料暂停的情况、发动机冷操作期间过于破坏性驾驶等，在此液体燃料聚积是难于被补偿的。
图2显示了闭环燃料控制系统200，其包括Smith预估器(SP)控制段202用以补偿UEGO传感器的响应延时。SP控制段202作为引导过滤器以补偿与控制系统时间的延时相关的干扰。SP控制段202包括SP过滤器或预估器块204，其与SP延时块206串联相连，以使得SP延时块接收SP过滤器块的输出。SP控制段202包括内反馈环，其中来自PI控制器118的控制信号输出被反馈到SP过滤器块204的输入。块204使用作为发动机速度和负荷(标准化的气缸空气吸气)的函数的时间常数。块206使用同样作为发动机速度和负荷的函数的延时。Smith预估器提供两个估计信号：具有纯延时(206的输出)和不具有纯延时(204的输出)的系统的响应。Smith预估器将允许PI控制器实质上操作为，只要206的输出和来自112的测量信号相互匹配则实际系统不具有纯延时或无延时。在参考改变的情况下，假定没有干扰且块204和206具有被正确识别的实际系统SP模型，此假设被满足且系统将响应为没有延时存在。如果干扰发生，则该误差在作为SP模型(206)和被测量系统(112)之间的差而被探测，控制器将试图将其改正。以此方式，闭环系统通过延时补偿器得以稳定，到了这样的程度以至于更高的增益可以被使用。由此，控制器对干扰的响应具有稍被减小的峰值误差，并且该误差的持续时间也被极大地减小。针对燃料控制的应用，这使得延时补偿非常有价值，这是因为它最小化了去向催化剂的燃/空比的积分误差，其只能吸收有限数量的背离理论配比的燃/空偏离。
块114、204、206、112的输出借助适当的符号被加在一起，以便向PI控制器118提供延时补偿误差信号。
大体上与控制系统100的那些组件相同的控制系统200的组件以同样方法被标识并且对其不再进行说明。然而，将被注意的是，本公开不同实施例中以相同方法所标识的组件可以至少部分地不同。
图2中控制系统200所具有的问题同时存在于正向馈送段106和常规Smith预估器(块204、206)。参考改变将由两段共同处理，从而导致系统过冲，即超过了参考目标且只在一定时间之后返回到预期值。避免此问题的优选方法是使这两个系统相互协作并且获得两者的优点。
图3显示了闭环燃料控制系统300，其改变了Smith预估器结构。第一改变是，在114处的参考现在被加到馈送给块204的节点中。有效地，向Smith预估器通报，参考改变已发生并且由此产生的偏离将不被认为是误差从而激烈地继续(记住正向馈送段已采取行动，但反馈段将不会立即知道它而没有此修改)。第二改变是，在输入到PI控制器中的总计节点之前借助过滤器(304)对参考输入进行过滤。这两个改变允许正向馈送控制器支配对于参考改变的响应。如果出于某些原因，系统偏离此预期的参考响应，则Smith预估器的存在将依然对此进行处理。最终将304的时间常数设置为等于204中所用的值使得系统输出(112处所测量的)响应于参考改变而不具有过冲。如果应用工程师能够容忍某些过冲，则可以通过减小304中的时间常数来增加参考响应，从而选择适当的折中。着重需要注意的是，这些修改只影响Smith预估器相对于参考改变的响应，但不会改变其对干扰的响应。
图3还包括瞬时燃料控制(TFC)引导补偿器302以减少液体燃料聚积的阻力对变化的影响。闭环系统将最终克服液体燃料聚积的干涉，但这将增加额外的误差持续时间。由于可以估计液体聚积的动力学影响，所以可以使用此知识来使得闭环控制输出对控制信号改变作出更有力地反应，尤其是当发动机较冷时。
图4更详细地显示了TFC引导补偿器302。TFC引导补偿器302引入取决于发动机温度的修改器以便针对壁浸湿效应进行补偿。这就是说，补偿器被引入以消除或减小壁浸湿效应，在该效应中所喷射燃料的一小部分粘到燃料喷射端口壁并且形成之后蒸发的液体燃料聚积。蒸发的速率取决于发动机温度，所以由蒸发燃料所引发的干扰可以基于发动机温度而得以估计。
TFC引导补偿器302从PI控制器118的输出接收延时补偿控制信号。该控制信号被馈送通过低通过滤器402，其具有取决于发动机温度的时间常数404。延时补偿控制信号和第一阶过滤器402之间的差可乘以基于发动机温度的增益406。换句话说，TFC引导补偿器302基于取决于发动机温度的时间常数和取决于温度的增益来调节从PI控制器118所接收的燃/空控制信号，以产生取决于发动机温度的燃/空控制信号。由取决于发动机温度的时间常数和高频增益所改进的控制信号被馈送到正向馈送控制段106，该正向馈送控制段106向物理系统段102输出理想燃料控制信号。
TFC引导补偿器302减小或补偿壁浸湿效应，该壁浸湿被模拟在控制系统上的壁浸湿块108中以提高反馈控制的精确性。与其他仅提供开环控制(所述开环控制忽略闭环作用)的补偿器不同，TFC引导补偿器302被限制成保持闭合稳定性。此外，TFC引导补偿器302不像其他这样的补偿器那般复杂。
大体上与控制系统200和控制系统100的那些组件相同的控制系统200的组件以同样方法标识并且对其不再进行说明。然而，将被注意的是，本公开不同实施例中以相同方法所标识的组件可以至少部分地不同。
控制系统300在燃/空比域内操作，以便便利地变换空气系统对空气流的响应。然而，燃/空比域内的操作在某些条件下可以或减缓控制系统的响应或使其过度反应。例如，控制系统的动态元素(例如，如PI控制器中的积分控制项)可以在空气流的突越后使不再适合的值继续下去。通过在改变发生后使该值继续下去，会导致反应不足或过度反应，这会阻碍控制系统300的反馈响应。此外，某些干扰控制系统被设计以抑制可以被表现为燃料质量(燃料流)干扰。通过燃/空比域内的操作，该干扰不容易被抑制并被加到整个响应误差。
图5显示了闭环燃料控制系统500，其可以以燃料质量模式进行操作。控制系统500包括动态元素，其在燃料质量模式期间根据燃料质量或燃料流进行操作，以针对空气流的重大改变已发生之后的时间减轻与携带燃/空比值相关的延时。此外通过燃/空比域内的操作，燃料流干扰可以得到调节同时维持针对整个反馈控制环的恒定反馈增益。被UEGO传感器块112所测量的测量燃/空比输出在控制器输入处被转换或转变到燃料质量域内，这是通过如下方式来实现的，即使得来自节点(该节点加和了来自块204、206、304和112的输出)的误差信号与延时空气质量或空气流(AM DEL)项502相乘。由于燃/空比借助延时被测量，等同地延时空气质量，AM DEL被用于变换向控制系统的输入处的燃/空比。同样地，作为来自PI控制器118的输出的控制信号被项AM 504(未延时空气质量量)除。燃料质量模式被限制成变换PI控制器，从而有效地将积分误差变换到燃料质量。
作为一个示例，AM项504可以通过如下方式被计算，即将理论配比设定点506与508中相应的值相乘，其中508指示了发动机排的数量。空气流项510(进入到整个发动机内的空气)被所得结果值除，从而提供AM项504。该AM项被输入到延时块512，其以与206相同的延时对该AM项进行延时，以产生AM DEL项502。
通过将控制系统的动态或记忆元素(如积分控制)转换到燃料质量域内，大负荷(空气流)改变可以发生且只具有很少或不具有反馈控制的过度校正或校正不足。此外，与燃料质量相关的干扰可以在反馈环中被调节，以提供更精确且更少过冲的反馈控制。由此，控制系统500可以提供延时补偿控制信号，其考虑了壁浸湿的影响以及与燃料质量相关的干扰。以此方式，反馈响应速度可以被提高以提供更精确的闭环反馈燃料控制。此外，被提高的响应速度促进了主动的燃/空调节，其提升了催化剂效率并减少了排放。
应被理解的是，控制系统500在某些情况下可以以第一模式操作，在该模式中控制系统的动态元素被变换到燃/空比域内。此外，控制系统500在某些情况下以第二模式操作，在该模式中控制系统的动态元素被变换到燃料质量域内。
大体上与控制系统300、200和100的那些组件相同的控制系统500的组件以同样方法标识并且对其不再进行说明。然而，将被注意的是，本公开不同实施例中以相同方法所标识的组件可以至少部分地不同。
将被理解的是，本文中所公开的示例控制系统和估计流程可以以不同系统配置得以使用。这些控制系统和/或流程可以表示一个或多个不同的处理策略，如事件驱动、中断驱动、多重任务处理、多线程及相似物。这样，所公开的处理步骤(操作、功能和/或动作)可以表示要被编程到电子控制系统中的计算机可读存储媒质中的代码。此外，尽管处理阶段被表示为系统框图的块，不过在某些实施例中处理阶段可以是反馈燃料控制的一个或多个方法的步骤的表示。这样的方法可以被执行以控制车辆的内燃发动机。
将被理解的是，本文中所述和/或所示的某些处理步骤在某些实施例中被省略，且不会背离此公开的范围。同样地，处理步骤的所指示的顺序通过不是被要求以达成所要的结果，而是被提供用于简化显示和说明。取决于所使用的特定策略，一个或多个被显示的动作、功能或操作可以被重复执行。
图6显示了上述闭环燃料控制系统的不同版本对参考输出改变和干扰的标准化燃/空比响应。参考步骤发生在15秒时间处并由点虚线所标出。干扰步骤发生在25秒时间处并由双点虚线所标出。
由虚线所标出的响应对应于不补偿UEGO传感器信号的反馈延时的控制系统100。此外，该控制系统不会抑制由于参考改变而造成的过冲。因此反馈响应超过理想参考变化并且占用了最长的时间量以校正控制系统中不同版本的最长响应时间中的过冲结果。
由点线所标出的响应对应于控制系统200，该系统通过常规的SP控制回路对与该控制系统相关的反馈延时进行补偿。因此，该反馈响应比控制系统100的响应更快地发生，但是控制系统200的响应在修正到理想参考值之前仍是超过了理想参考变化，这延长了响应时间。
由实线所标出的响应对应于控制系统500，该系统通过SP控制回流对与该控制系统相关的反馈延时进行补偿。此外，控制系统500包括以TEC引导补偿器形式的、针对壁浸湿干扰的、取决于发动机温度的补偿。更进一步，控制器500包括向控制系统的参考输入，其减轻SP控制回路对参考响应的影响。因此，与其他控制系统的响应相比，控制系统500的反馈响应具有很小或不具有过冲，并且更精确地追踪理想参考步骤。被提高的精确性使得反馈响应相对于其他控制系统整体更快。
图7显示了在车辆中执行的控制系统100和控制系统500的燃/空比的对比(未标准化数据，理论配比＝14.62)。在由点虚线示出的车辆速度的范围上测量每一控制系统的燃/空比。控制系统100的燃/空比由点线示出。控制系统500的燃/空比由实线示出。控制系统500的上述特征提供了很小或没有超过所期望标准的延时补偿，其使得在车辆速度的整个范围上的燃/空比控制更为严密。被提高的精确性促进了催化剂效率的提高，如图8和图9中所示。
图8显示了控制系统100与控制系统500之间的碳化氢(HC)催化剂的催化剂效率随时间的对比。控制器100的效率由点线示出。控制系统500的效率由实线示出。如上文所述及图9中所示，控制器500的响应精确性被提高使得HC催化剂的催化剂效率相对于控制器100得到提高。
图9显示了控制系统100与控制系统500之间的NOX催化剂的催化剂效率随时间的对比。控制器100的效率由点线示出。控制系统500的效率由实线示出。如上文所述及图9中所示，控制器500的响应精确性被提高使得NOX催化剂的催化剂效率相对于控制器100得到提高。
图10显示了多缸发动机的一个气缸，以及与该气缸相连接的进气路径和排气路径。本文中所示和所述的发动机10可以包括在车辆中，如路面机动车及其他种类车辆中。虽然发动机10的示例应用参照车辆被说明，不过应被理解的是，发动机10可以被用在其他应用中，而无需受限于车辆推进系统。
上文参照图1-图5所述的闭合燃料控制系统可以被作为发动机控制系统的一部分而被执行，从而控制发动机10的运行。该发动机控制系统包括控制器12，该控制器12通过输入装置130从车辆操作者132接收输入。在此示例中，输入装置130包括油门踏板和踏板位置传感器134，用来生成成比例的踏板位置信号PP。发动机10的燃烧室(即气缸)30可以包括燃烧室壁32，其具有定位在其中的活塞36。活塞36可以被连接到曲轴40，以使得该活塞的往复运动被传输成该曲轴的旋转运动中。曲轴40可以通过中间传动系统被连接到车辆的至少一个驱动轮。此外，启动电动机可以通过飞轮被连接到曲轴40，以使得发动机10的启动操作成为可能。
燃烧室30可以通过进气通道42从进气歧管44接收进入空气，并且可以通过排气通道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气通道48可以选择性地分别通过进气门52和排气门54与燃烧室30连通。在某些实施例中，燃烧室30可以包括两个或多于两个进气门和/或两个或多于两个排气门。
在此示例中，进气门52和排气门54可以分别通过凸轮致动系统51和53由凸轮致动来控制。凸轮致动系统51和53可以各包括一个或多个凸轮，并且可以使用凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮轴正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统，其可以由控制器12操作以改变气门运行。进气门52和排气门54的位置可以分别由位置传感器55和57确定。在可替换实施例中，进气门52和/或排气门54可以由电子气门致动控制。例如，气缸30可以可替换地包括通过电子气门致动进行控制的进气门和通过凸轮致动进行控制的排气门，该凸轮致动包括CPS和/或VCT。
燃料喷射器66如图所示被布置在如下构造的进气通道44中，该构造提供公知的燃料端口喷射，从而将燃料提供到燃烧室30上游的进气口内。燃料喷射器66可以与信号FPW的脉冲宽度成比例地喷射燃料，该信号通过电驱动器68接收自控制器12。FPW控制信号可以如上文所述由燃料控制系统来控制。
例如，控制系统500可以基于来自UEGO传感器112的反馈来提供取决于延时补偿发动机温度的燃料控制信号。该控制系统有利于反馈响应速度的提升，并从而提升排放控制装置效率以及提升燃料经济性。在某些情况下，控制系统500的至少某些动态元素(例如记忆元素)可以在燃料质量域中操作以补偿涉及与燃料质量相关的干扰，从而提升反馈跟踪精确性。在某些情况下，控制系统500的至少某些动态元素可以在燃/空比域中操作。
燃料可以通过燃料系统(未显示)被输送到燃料喷射器66，所述燃料系统包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨。在某些实施例中，燃烧室30可以可替换地或额外地包括被直接连接到燃烧室30的燃料喷射器以便用于以如直接喷射的已知方式将燃料直接喷入其内。
进气通道48可以包括具有节流板64的节气门62。在此特定的示例中，节流板64的位置可以通过被提供到电子电动机或致动器的信号由控制器12改变，该电子电动机或致动器被包括在节气门52中，这是通常被称为节气门电子控制(ETC)的构造。以此方式，节气门62可以被操作成改变提供到除其他发动机气缸之外的燃烧室30的进气空气。节流板64的位置可以由节气门位置信号TP提供到控制器12。进气通道42可以包括质量空气流传感器120和歧管空气压力传感器122以便用于向控制器12分别提供信号MAF(质量空气流)和MAP(歧管空气压力)。
在选定操作模式下，点火系统88可以响应于来自控制器12的火花提前信号SA通过火花塞92为燃烧室30提供点火火花。尽管点火火花组件被显示出，不过在某些实施例中，发动机10的燃烧室30或一个或多个其他燃烧室可以在具有或不具有点火火花的情况下以压缩点火模式被运行。
排气传感器112被显示与排放控制装置70上游的排气通道相连。传感器112可以是用于提供对于排气空/燃比的指示的任意适当传感器(如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧))作为对控制系统的反馈。排放控制装置70被显示沿排气传感器112下游的排气通道48布置。装置70可以是三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制装置或其组合。在某些实施例中，在发动机10的运行期间，可以通过在特定空/燃比内操作发动机的至少一个气缸来周期性地重置排放控制装置70。
图1中所示的控制器12作为微型计算机，其包括微处理器单元(CPU)142、输入/输出端口144、可执行程序和校准值的电子存储介质(在此特定示例中被显示为只读存储器芯片(ROM)146)、随机存取存储器(RAM)148、保活存储器(KAM)150以及数据总线。控制器12可以从连接到发动机10的各传感器接收各种信号，除了之前讨论过的信号以外还包括来自质量空气流传感器120的被引入的质量空气流的测量、来自连接到冷却套筒115的温度传感器126的发动机冷却剂温度(ECT)、来自连接到曲轴40的霍尔效应传感器119(或其他类型)的表面点火感测(PIP)信号、来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)以及来自传感器122的绝对歧管压力信号MAP。发动机速度信号PRM可以通过控制器12由信号PIP生成。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以被用来在提供进气歧管中的真空或压力的指示。要注意的是，可以使用上述各传感器的不同组合，如无MAP传感器情况下的MAF传感器，或反之。在理论配比运行期间，MAP传感器可以给出对发动机扭矩的指示。此外，此传感器连同被探测的发动机速度一起，可以提供对被引入到气缸内的填料(包括空气)的估计。在一个示例中，也被用作发动机速度传感器的传感器119在曲轴每个回转期间可以产生预设数量的等距脉冲。
上面所述的包括传感器和致动器的发动机系统可以被模拟为上述燃料控制系统中的物理系统段。壁浸湿块108、设备块110以及UEGO块122得到了更详细的说明，不过应被理解的是，任意适当的发动机组件可以被模拟为燃料控制系统的物理系统，以便提供燃料控制信号。
最后，将被理解的是，本文中所述的物品、系统和方法本质上是示例性的。并且这些特定的实施例或示例不会被考虑为限制性含义，因为可以想到众多变体。因此，本公开包括包括本文所述的各种系统和方法的所有新颖的且不明显的组合和子组合，以及其任意和所有的等同物。

Claims (10)

1.一种用于发动机的闭环燃料控制系统，其包括：
参考输入，其产生理想燃/空信号；
延时补偿过滤器，其接收所述理想燃/空信号与来自比例积分控制器的燃/空控制信号输出之和，所述延时补偿过滤器提供系统延时补偿信号；
排气传感器，其提供燃/空比信号，该燃/空比信号从被过滤的燃/空信号中减去，并且此结果被加到所述系统延时补偿信号以产生提供给所述比例积分控制器的误差信号从而产生所述延迟补偿燃/空控制信号；以及
瞬时燃料控制过滤器，其根据取决于发动机温度的时间常量和取决于发动机温度的增益对所述延迟补偿燃/空控制信号进行调节从而产生取决于发动机温度的延时补偿燃/空控制信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述延时补偿过滤器包括预测块和延时块，该预测块接收所述所述理想燃/空信号与所述燃/空控制信号之和并且基于所述系统的时间常量来调节该和以产生被提供到所述延时块的无延时控制信号；该延时块根据所述控制系统的延时将所述无延时控制信号调节成延时从而提供被延时控制信号，该无延时控制信号被从所述被延时控制信号中减去以产生所述系统延时补偿信号。
3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
正向馈送控制，其基于控制系统事件的预期正时来调节所述所期望燃/空信号与处于标准化燃/空比单元的一个值加上所述取决于发动机温度的延时补偿燃/空控制信号之和的乘积。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述控制系统的第一操作模式过程中，所述延时补偿控制信号被产生在燃/空比域中，而在所述控制系统的第二操作模式过程中，所述延时补偿控制信号被产生在燃料质量域中。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，在所述控制系统的所述第二操作模式过程中，所述误差信号被乘以被延时空气质量项以将所述误差信号转换到所述燃料质量域。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，在所述第二操作模式过程中，来自所述比例积分控制器的所述延时补偿控制信号被空气质量项除从而将所述延时补偿控制信号转换到所述燃/空比域。
7.根据权利要求1所述的系统，低通过滤器提供所述被过滤的燃料控制信号。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述燃/空比信号由线性排气传感器产生。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述瞬时燃料控制过滤器包括具有取决于温度的时间常量的一阶低通过滤器。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述延时补偿燃/空控制信号与来自所述低通过滤器的信号输出的差被乘以取决于发动机温度的增益以产生取决于发动机温度的延时补偿燃/空控制信号。
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