CN104912701B - 用于预测与经过发动机的气流相关联的参数的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于预测与经过发动机的气流相关联的参数的系统和方法。根据本发明原理的一种系统包括发动机空气传感器、发动机空气预测模块和发动机致动器模块。发动机空气传感器以第一频率所测量的发动机空气参数。发动机空气参数包括流入发动机的进气歧管中的空气的质量流速、进气歧管内的压力以及发动机的气缸内的空气的质量中的至少一个。发动机空气预测模块以大于第一频率的第二频率所预测的发动机空气参数。发动机致动器模块基于所测量的发动机空气参数和所预测的发动机空气参数中的至少一个控制发动机的致动器。

Description

用于预测与经过发动机的气流相关联的参数的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请与2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/798,471和2013年3月13日提交的13/798,536相关。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及内燃机，并且更具体地涉及用于预测与经过发动机的气流相关联的参数的系统和方法。
背景技术
在此提供的背景描述用于总体上呈现本发明的环境。在该背景技术部分描述的范围内，当前署名的发明人的成果以及该描述的在提交时可能不构成现有技术的方面，既非明示也非暗示地被认为是相对于本发明的现有技术。
内燃机在气缸内燃烧空气与燃料混合物以驱动活塞，这产生驱动扭矩。经由节流装置来调节进入发动机中的空气流量。更具体而言，节流装置调整节流面积，这增加或减少进入发动机中的空气流量。随着节流面积增加，进入发动机中的空气流量增加。燃料控制系统调整燃料喷射速率，以向气缸提供期望的空气/燃料混合物和/或实现期望的扭矩输出。增加提供给气缸的空气和燃料的量增加了发动机的扭矩输出。
在火花点火发动机中，火花启动提供给气缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压燃发动机中，气缸中的压缩使提供给气缸的空气/燃料混合物燃烧。火花定时和空气流量可以是用于调整火花点火发动机的扭矩输出的主要机制，而燃料流量可以是用于调整压燃发动机的扭矩输出的主要机制。
发明内容
根据本发明原理的一种系统包括发动机空气传感器、发动机空气预测模块和发动机致动器模块。发动机空气传感器以第一频率所测量的发动机空气参数。发动机空气参数包括流入发动机的进气歧管中的空气的质量流速、进气歧管内的压力以及发动机的气缸内的空气的质量中的至少一个。发动机空气预测模块以大于第一频率的第二频率所预测的发动机空气参数。发动机致动器模块基于所测量的发动机空气参数和所预测的发动机空气参数中的至少一个控制发动机的致动器。
1. 一种系统，包括：
发动机空气传感器，以第一频率所测量的发动机空气参数，其中所述发动机空气参数包括流入发动机的进气歧管中的空气的质量流速、所述进气歧管内的压力和所述发动机的气缸内的空气的质量中的至少一个；
发动机空气预测模块，以大于所述第一频率的第二频率预测所述发动机空气参数；以及
发动机致动器模块，基于所测量的发动机空气参数和所预测的发动机空气参数中的至少一个控制所述发动机的致动器。
2. 如方案1所述的系统，还包括进气歧管气流模块，该进气歧管气流模块基于所述进气歧管内的压力、环境空气压力以及所述气缸中的空气的温度，预测流入所述进气歧管中的空气的质量流速。
3. 如方案1所述的系统，还包括进气歧管压力模块，该进气歧管压力模块基于所述进气歧管内的空气的质量和所述气缸中的空气的温度，预测所述进气歧管内的压力。
4. 如方案3所述的系统，还包括进气歧管质量模块，该进气歧管质量模块基于进入所述进气歧管的空气的质量流速和离开所述进气歧管的空气的质量流速，预测所述进气歧管内的空气的质量。
5. 如方案4所述的系统，其中所述进气歧管质量模块基于流经所述发动机中的气缸的进气端口的空气的多个质量流速之和，确定离开所述进气歧管的质量流速。
6. 如方案5所述的系统，还包括进气端口流量模块，该进气端口流量模块基于所述进气歧管内的压力、所述气缸内的压力以及进气阀状态，确定流经所述气缸的进气端口的空气的质量流速。
7. 如方案6所述的系统，还包括气缸压力模块，该气缸压力模块基于所述气缸内的空气的质量和所述气缸中的空气的温度，确定所述气缸内的压力。
8. 如方案6所述的系统，还包括进气阀状态模块，该进气阀状态模块基于气缸停用指令、进气凸轮相位器位置以及曲轴位置，确定所述进气阀状态。
9. 如方案1所述的系统，还包括气缸质量模块，该气缸质量模块基于所述气缸的进气阀开启之前的所述气缸内的空气的质量和流经所述气缸的进气端口的空气的质量流速，预测在所述气缸的进气冲程期间的所述气缸内的空气的质量。
10. 如方案9所述的系统，其中所述气缸质量模块基于进气凸轮相位器位置和排气凸轮相位器位置，确定所述进气阀开启之前的所述气缸内的空气的质量。
11. 一种方法，包括：
以第一频率所测量的发动机空气参数，其中所述发动机空气参数包括流入发动机的进气歧管中的空气的质量流速、所述进气歧管内的压力、以及所述发动机的气缸内的空气的质量中的至少一个；
以大于所述第一频率的第二频率预测所述发动机空气参数；以及
基于所测量的发动机空气参数和所预测的发动机空气参数中的至少一个控制所述发动机的致动器。
12. 如方案11所述的方法，还包括基于所述进气歧管内的压力、环境空气压力以及所述气缸中的空气的温度，预测流入所述进气歧管中的空气的质量流速。
13. 如方案11所述的方法，还包括基于所述进气歧管内的空气的质量和所述气缸中的空气的温度，预测所述进气歧管内的压力。
14. 如方案13所述的方法，还包括基于进入所述进气歧管的空气的质量流速和离开所述进气歧管的空气的质量流速，预测所述进气歧管内的空气的质量。
15. 如方案14所述的方法，还包括基于流经所述发动机中的气缸的进气端口的空气的多个质量流速之和，确定离开所述进气歧管的质量流速。
16. 如方案15所述的方法，还包括基于所述进气歧管内的压力、所述气缸内的压力以及进气阀状态，确定流经所述气缸的进气端口的空气的质量流速。
17. 如方案16所述的方法，还包括基于所述气缸内的空气的质量和所述气缸中的空气的温度，确定所述气缸内的压力。
18. 如方案16所述的方法，还包括基于气缸停用指令、进气凸轮相位器位置以及曲轴位置确定所述进气阀状态。
19. 如方案11所述的方法，还包括基于所述气缸的进气阀开启之前的所述气缸内的空气的质量和流经所述气缸的进气端口的空气的质量流速，预测在所述气缸的进气冲程期间的所述气缸内的空气的质量。
20. 如方案19所述的方法，还包括基于进气凸轮相位器位置和排气凸轮相位器位置确定所述进气阀开启之前的所述气缸内的空气的质量。
根据具体实施方式、权利要求书和附图，本发明的另外的应用领域将变得显然。具体实施方式和特定示例只是预期用于例示的目的，并不意图限制本发明的范围。
附图说明
从具体实施方式和附图将更全面地理解本发明，在附图中：
图1为根据本发明原理的示例发动机系统的功能方框图。
图2为根据本发明原理的示例控制系统的功能方框图。
图3为气缸中的活塞的侧视图和例示根据本发明原理的用于所预测的发动机空气参数的示例系统和方法的曲线图。
图4和图5为图1和图2所示的发动机和控制系统的示例部件的功能方框图。
图6为例示根据本发明原理的示例控制方法的流程图。
在附图中，参考标记可以重复使用来标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
一些系统和方法基于发动机空气参数来控制发动机的致动器例如节流阀，发动机空气参数例如为进气歧管内的压力、流入进气歧管中的空气的质量流速以及气缸内的空气的质量。在一个示例中，该系统和方法基于期望扭矩输出来确定发动机空气参数的期望值，并且该系统和方法调整发动机致动器，以减小测量值与期望值之间的差异。通常，该系统和方法以预定间隔例如每90度的曲轴旋转，来所测量的发动机空气参数。所测量的发动机空气参数的频率可以称为采样率。
在某些发动机运转条件下，例如当停用发动机的一个或多个气缸时，采样率可能不足以根据期望精确地控制发动机致动器。因此，可以增加采样率。然而，增加采样率可能增加计算的数量以及所测量的发动机空气参数所需要的处理功率量。
一种系统和方法可以利用回归模型、均值模型、或纯物理模型在测量时刻之间的时间估算发动机空气参数。利用回归模型估算发动机空气参数可能需要大量的校验工作和复杂的数学函数，包括回归条件和非线性函数。利用均值模型估算发动机空气参数可能不能提供关于发动机气流行为的足够信息，以根据期望精确地控制发动机致动器。利用纯物理模型估算发动机空气参数可能需要复杂的模型和大量的计算工作。
根据本发明的一种系统和方法以大于采样率的频率所预测的发动机空气参数，使得能够进行更精确的发动机致动器控制。该系统和方法可以每6至10度的曲轴旋转所预测的发动机空气参数。所预测的发动机空气参数可以称为虚拟采样，并且所预测的发动机空气参数的频率可以称为虚拟采样率。该系统和方法利用具有由虚拟采样能够实现的一些简化的物理模型所预测的发动机空气参数，以减少所需要的计算工作量。
现在参考图1，发动机系统100包括燃烧空气/燃料混合物以产生用于车辆的驱动扭矩的发动机102。由发动机102产生的驱动扭矩量是基于来自驱动器输入模块104的驱动器输入的。驱动器输入可以是基于加速踏板的位置的。驱动器输入也可以是基于巡航控制系统的，该巡航控制系统可以是改变车速以维持预定跟随距离的适应性循环控制系统。
空气通过进气系统108吸入到发动机102中。进气系统108包括进气歧管110和节流阀112。节流阀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控制节流致动器模块116，节流致动器模块116调节节流阀112的开度以控制吸入到进气歧管110中的空气的量。
来自进气歧管110的空气被吸入到发动机112的气缸中。虽然发动机102可以包括多个气缸，但是为了例示之目的而示出了单个代表性气缸118。仅举例来说，发动机102可以包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。ECM 114可以停用一些气缸，这可以在某些发动机运转条件下提高燃料燃烧效率。
发动机102可以使用四冲程循环运转。下面描述的四冲程称为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程以及排气冲程。在曲轴（未示出）每旋转一周期间，在气缸118内发生四个冲程中的两个。因此，需要曲轴旋转两周以使气缸118经历所有四个冲程。
在进气冲程期间，来自进气歧管110的空气通过进气阀122被吸入到气缸118中。ECM 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空气/燃料比。燃料可以在中心位置或多个位置喷射到进气歧管110中，例如在每个气缸的进气阀122附近。在各个实施方式中，燃料可以直接喷射到气缸中或者喷射到与气缸相关联的混合腔室中。燃料致动器模块124可以暂停喷射燃料到被停用的气缸。
喷射的燃料与空气混合并且在气缸118中产生空气/燃料混合物。在压缩冲程期间，气缸118内的活塞125（图3）压缩空气/燃料混合物。发动机102可以是压燃发动机，在这种情况下，气缸118中的压缩点燃空气/燃料混合物。替代地，发动机102可以是火花点火发动机，在这种情况下，火花致动器模块126基于来自ECM 114的信号对火花塞128通电以在气缸118中产生火花，这将空气/燃料混合物点燃。可以相对于活塞位于其称为上止点（TDC）的最上部位置的时刻指定火花的定时。
火花致动器模块126可以由指定在TDC之前或之后多久以产生火花的火花定时信号来控制。因为活塞位置与曲轴旋转直接相关，所以火花致动器模块126的操作可以与曲轴角度同步。在各个实施方式中，火花致动器模块126可以暂停提供火花给被停用的气缸。
产生火花可以称为点火事件。火花致动器模块126可以具有改变每次点火事件的火花定时的能力。当在上一次点火事件与下一次点火事件之间火花定时信号改变时，火花致动器模块126可以甚至能够改变下一次点火事件的火花定时。在各个实施方式中，发动机102可以包括多个气缸，并且火花致动器模块126可以相对于TDC以对于发动机102中的所有气缸相同的量改变火花定时。
在压缩冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧向下驱动活塞，从而驱动曲轴。燃烧冲程可以定义为在活塞到达TDC的时刻与活塞返回下止点（BDC）的时刻之间的时间。在排气冲程期间，活塞开始从BDC向上移动，并且通过排气阀130排出燃烧副产物。燃烧副产物经由排气系统134从车辆排出。
进气阀122可以由进气曲轴140控制，而排气阀130可以由排气曲轴142控制。在各个实施方式中，多个进气曲轴（包括进气曲轴140）可以控制用于气缸118的多个进气阀（包括进气阀122）和/或可以控制多组气缸（包括气缸118）的进气阀（包括进气阀122）。相似地，多个排气曲轴（包括排气曲轴142）可以控制用于气缸118的多个排气阀和/或可以控制用于多组气缸（包括气缸118）的排气阀（包括排气阀130）。
可以由进气凸轮相位器148相对于活塞TDC改变打开进气阀122的时刻。可以由排气凸轮相位器150相对于活塞TDC改变打开排气阀130的时刻。阀致动器模块158可以基于来自ECM 114的信号控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。当实施时，可变阀升程（未示出）也可以由阀致动器模块158控制。
ECM 114可以通过指示阀致动器模块158禁止进气阀122和/或排气阀130的开启来停用气缸118。阀致动器模块158可以通过将进气阀122与进气凸轮轴140断开来禁止进气阀122的开启。相似地，阀致动器模块158可以通过将排气阀130与排气凸轮轴142断开来禁止排气阀130的开启。在各个实施方式中，阀致动器模块158可以使用除了凸轮轴之外的设备例如电磁或电动液压致动器来控制进气阀122和/或排气阀130。
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1示出了涡轮增压器，该涡轮增压器包括由流经排气系统134的热排气提供动力的热涡轮机160-1。涡轮增压器还包括由涡轮机160-1驱动的冷气压缩机160-2，压缩机160-2压缩通到节流阀112中的空气。在各个实施方式中，由曲轴驱动的增压器（未示出）可以压缩来自节流阀112的空气，并且将压缩的空气输送到进气歧管110。
废气门162可以允许排气旁通涡轮机160-1，从而减少涡轮增压器的增压（进入空气压缩量）。ECM 114可以经由增压致动器模块164控制涡轮增压器。增压致动器模块164可以通过控制废气门162的位置来调节涡轮增压器的增压。在各个实施方式中，多个涡轮增压器可以由增压致动器模块164控制。涡轮增压器可以具有可变的几何形状，其可以由增压致动器模块164控制。
中间冷却器（未示出）可以耗散包含在压缩空气充气部中的一些热量，该压缩空气充气部在压缩空气时生成。压缩空气充气部也可以已经从排气系统134的部件吸收了热量。虽然为了例示之目的而示出为分离的，但是涡轮机160-1和压缩机160-2可以彼此附接，从而使得进入空气非常接近热排气。
发动机系统100可以包括排气再循环（EGR）阀170，其选择性地再次引导排气回到进气歧管110。EGR阀170可以位于涡轮增压器的涡轮机160-1的上游。EGR阀170可以由EGR致动器模块172控制。
发动机系统100可以利用曲轴位置（CKP）传感器180测量曲轴的位置。发动机冷却剂的温度可以使用发动机冷却剂温度（ECT）传感器182测量。ECT传感器182可以位于发动机102内，或者位于冷却剂循环的其他位置例如散热器（未示出）处。
进气歧管110内的压力可以使用歧管绝对压力（MAP）传感器184测量。在各个实施方式中，可以测量发动机真空，发动机真空是环境空气压力与进气歧管110内的压力之间的差值。流入进气歧管110中的空气的质量流速可以使用空气质量流量（MAF）传感器186测量。MAF传感器186可以位于也包括节流阀112的壳体中。节流阀112的入口处的空气压力可以利用节流阀入口空气压力（TIAP）传感器188测量。TIAP传感器188可以位于节流阀112的上游和压缩机160-2的下游。歧管压力和进入空气的质量流速可以称为发动机参数，并且MAP传感器184、MAF传感器186和TIAP传感器188可以称为发动机空气传感器。
节流致动器模块116可以使用一个或多个节流位置传感器（TPS）190监控节流阀112的位置。被吸入到发动机102中的空气的环境温度可以使用进入空气温度（IAT）传感器192测量。进气凸轮相位器148的位置可以利用进气凸轮相位器位置（ICPP）传感器194测量。排气凸轮相位器150的位置可以利用排气凸轮相位器位置（ECPP）传感器196测量。
发动机系统100可以包括一个或多个其他传感器198以测量车辆的运转条件。其他传感器198可以包括环境空气温度传感器、环境空气压力传感器和/或车速传感器。ECM 114使用来自传感器的信号做出用于发动机系统100的控制决定。
现在参考图2，ECM 114的示例实施例包括进气歧管气流模块202。进气歧管气流模块202预测流入进气歧管110中的空气的质量流速。MAF传感器186可以在一段时间内M次测量进入空气的质量流速，并且进气歧管气流模块202可以在相同时段内N次预测进入空气的质量流速，其中M和N是整数，并且N大于M。换句话说，MAF传感器186可以以第一频率测量进入空气的质量流速，而进气歧管气流模块202可以以大于第一频率的第二频率预测进入空气的质量流速。
另外参考图3，MAF传感器186可以在时刻302、304、306以及308测量进入空气的质量流速，并且进气歧管气流模块202可以在时刻310、312、314、316、318和320预测进入空气的质量流速。进气歧管气流模块202可以在时刻302之后并且在时刻310之前的时刻310、312、314预测进入空气的质量流速。时刻302、304、306以及308之间的时段可以对应于90度的曲轴旋转，并且时刻310、312、314之间的时段可以对应于22.5度的曲轴旋转。在这点上，可以每22.5度的曲轴旋转测量或预测进入空气的质量流速。
进气歧管气流模块202可以在发动机102的气缸的进气冲程期间预测进入空气的质量流速。例如，进气歧管气流模块202可以在对应于发动机102的第一气缸和第二气缸的进气冲程的第一时段322和第二时段324期间，分别预测进入空气的质量流速。进而，进气歧管气流模块202可以在可以对应于气缸118的进气冲程的从时刻306到时刻302的时段期间预测进入空气的质量流速。
进气歧管气流模块202可以基于进气歧管110内的压力、节流阀112距离TPS传感器190的位置、环境空气压力和/或气缸中的空气的温度，来预测进入空气的质量流速。在一个示例中，进气歧管气流模块202可以基于进气歧管压力、环境空气压力、气缸空气温度、节流阀位置与进入气流之间的预定关系，来预测进入空气的质量流速。该预定关系可以体现在查找表和/或等式中并且可以通过实验来开发。
进气歧管内的压力可以如下面所讨论的那样测量和预测，并且用来预测进入空气的质量流速的进气歧管压力可以是进气歧管压力的最新测量值或预测值。环境空气压力可以基于来自TIAP传感器188的节流入口空气压力来测量和/或估算。气缸空气温度可以基于来自ECT传感器182的发动机冷却剂温度、来自MAF传感器186的进入空气的质量流速、和/或来自IAT传感器192的进入空气温度来估算。附加地或替代地，气缸空气温度可以基于环境空气压力和车速来估算，其可以基于其他参数测量和/或估算。
再次参考图2，进气阀状态模块204确定进气阀122的状态，例如进气阀122是开启的还是闭合的。进气阀状态模块204可以基于来自ICPP传感器194的进气凸轮相位器位置、来自CKP传感器180的曲轴位置和/或气缸停用指令，来确定进气阀状态。进气阀状态模块204可以基于进气凸轮相位器位置和曲轴位置，来确定气缸的进气阀何时开启和闭合。当气缸停用指令指示气缸被停用时，进气阀状态模块204可以确定气缸的进气阀的状态是闭合的。
气缸停用模块206生成气缸停用指令，以停用发动机102的一个或多个气缸和/或从一个点火顺序到下一个点火顺序改变其中哪（几）个气缸是有效的。在发动机102的一个或多个气缸被停用之后，当发动机102能够满足驱动器扭矩请求时，气缸停用模块206可以生成气缸停用指令。气缸停用模块206可以基于来自驱动器输入模块104的驱动器输入，来确定驱动扭矩请求。
进气端口流量模块208确定流经进气端口的空气的质量流速。经过进气端口的空气流量由进气阀122调节。发动机102如上面所讨论的那样可以包括多个气缸和/或用于每个气缸的多个进气端口，并且进气端口流量模块208可以确定流经与每个气缸相关联的（多个）进气端口的空气的质量流速。进气端口流量模块208可以基于进气歧管压力、气缸内的压力、以及与进气端口相关联的进气阀状态，确定流经气缸的进气端口的空气的质量流速。
在一个示例中，另外参考图4，发动机102可以包括气缸402、404、406，它们分别具有进气端口408、410和412。气缸402可以是有效的。因此，与进气端口408相关联的进气阀状态可以是开启的，并且空气可以如由箭头414所指示的那样流经进气端口408。因此，进气端口流量模块208可以基于跨过进气端口408的压降，确定流经进气端口408的空气的质量流速。进气端口流量模块208可以通过计算进气歧管压力与气缸404内的压力之间的差值，来确定跨过进气端口408的压降。可以测量和预测进气歧管压力和气缸压力，并且进气歧管压力和气缸压力的最新测量值或预测值可以用来确定跨过进气端口408的压降。
可以停用气缸404和406。因此，可以闭合与气缸404和406相关联的进气阀状态，并且空气可以如通过箭头416和418的X所指示的那样不流经进气端口410和412。在这种情况下，进气端口流量模块208可以确定流经进气端口408和410的空气的质量流速为零。
现在参考图2和图5，进气歧管质量模块210确定进气歧管110内的空气的质量。进气歧管质量模块210可以基于初始进气歧管质量和进气歧管质量在第一时段上的变化值之和，来确定进气歧管质量。进气歧管质量模块210可以以对应于第一时段的预定频率来确定进气歧管质量，并且初始进气歧管质量可以是由进气歧管质量模块210最新确定的进气歧管质量。进气歧管质量模块210可以通过确定在第一时段上进入进气歧管110的空气的质量与在第一时段上离开进气歧管110的空气的质量之间的差值，来确定进气歧管质量在第一时段上的变化值。进气端口流速在第一时段上的和。
进气歧管质量模块210可以基于如以上所讨论最近测量或预测的进气歧管流速，来确定进入进气歧管110的空气的质量。进气歧管质量模块210可以基于流经发动机102的进气端口的空气的质量流速之和，确定离开进气歧管110的空气的质量。在图5所示的示例中，发动机102的进气端口可以包括进气端口502、504、506和508。因此，进气歧管质量模块210可以确定在第一时段上流经进气端口502、504、506和508的空气的质量流速之和。
进气歧管质量模块210可以包括求和模块510、差分模块512和积分模块514。求和模块510可以确定在第一时段上流经进气端口502、504、506和508的空气的质量流速之和。进气端口流量模块208可以以预定频率确定流经进气端口502、504、506和508的空气的质量流速。求和模块510可以使用由进气端口流量模块208最新确定的进气端口流速，来确定进气端口流速在第一时段上的和。
差分模块512可以确定在第一时段上的进气歧管流速与在第一时段上流经进气端口502、504、506和508的空气的质量流速之和之间的差值。积分模块514可以通过将该差值乘以第一时段，来关于第一时段确定该差值的积分，以获得进气歧管质量在第一时段上的变化值。进气歧管质量模块210可以将进气歧管质量在第一时段上的变化值与初始歧管质量相加，以预测在第一时段结束时的进气歧管质量。
进气歧管压力模块212预测进气歧管110内的压力。进气歧管压力模块212可以包括预测模块516和校正模块518。预测模块516可以基于进气歧管110内的温度、进气歧管110的容积以及进气歧管质量，利用理想气体定律来预测进气歧管压力。例如，预测模块516可以使用一关系预测进气歧管压力，例如
其中Pim是进气歧管压力，Rim是与进气歧管110相关联的比气体常数，Tim是进气歧管温度，mim是进气歧管质量，并且Vim是进气歧管容积。预测模块516可以基于进入空气温度来估算进气歧管温度。
校正模块518基于预测歧管压力与测量歧管压力之间的先前差值，对预测歧管压力应用校正因子。例如，简要参考图3，MAP传感器184可以在时刻302、304、306和308测量歧管压力，并且预测模块516可以在时刻302－320预测歧管压力。因此，在MAP传感器184在时刻302、304、306和308测量歧管压力之前，预测模块516可以在时刻302、304、306和308预测歧管压力。校正模块518然后可以基于预测歧管压力与测量歧管压力之间的一个或多个差值来确定校正因子。例如，校正模块518可以基于差值的平均值调节校正因子。
再次参考图2，气缸质量模块214确定在气缸的进气冲程期间的发动机102的气缸内的空气的质量。气缸质量模块214可以基于气缸的进气阀开启之前的气缸空气质量和流经气缸的进气端口的空气的质量流速，来确定在气缸的进气冲程期间的气缸空气质量。气缸质量模块214可以基于进气凸轮相位器位置和排气凸轮相位器位置，来确定进气阀开启之前的气缸空气质量。气缸质量模块214可以从ICPP传感器194和ECPP传感器196分别接收进气凸轮相位器位置和排气凸轮相位器位置。气缸质量模块214可以使用最新确定的流经气缸的一个或多个进气端口的空气的质量流速，来确定气缸内的空气的质量。
另外参考图3，气缸质量模块214可以在时刻302－320确定气缸空气质量。曲线图326图示了在时刻302、310、312、314和304的气缸空气质量。如以上所讨论的那样，气缸质量模块214确定在进气冲程期间的气缸空气质量。因此，气缸空气质量从时刻302到时刻304增加。
更一般而言，模块202－216中的每个可以在时刻302－320确定或预测它们的相应参数。此外，MAP传感器184和MAF传感器186可以在时刻302、304、306、308测量歧管压力和歧管空气流速。为了确定或预测它们的相应参数，模块202－216可以使用最新测量或确定的参数。如果参数在给定时刻或给定曲柄角既测量又确定，那么模块202－216可以使用所测量的参数来确定或预测它们的相应参数。在各个实施方式中，模块202－216中的一个或多个可以停止确定或预测它们的相应参数，以减少ECM 114所需要的计算功率量。模块202－216可以称为发动机空气预测模块。
在各个实施方式中，气缸质量模块214可以基于预测歧管压力和发动机102的容积效率来确定气缸空气质量。容积效率是基于气缸容积的经过发动机的实际气流与经过发动机的理论气流量的比例。然而，因为预测了气缸压力和进气端口流速，所以气缸质量模块214可以不使用容积效率地确定气缸空气质量。
再次参考图2，气缸压力模块216确定发动机102的气缸内的压力。气缸压力模块216可以基于气缸内的空气的质量、气缸内的空气的温度、以及气缸的容积，利用理想气体定律来确定气缸内的压力。例如，预测模块516可以使用一关系预测进气歧管压力，例如：
其中Pcyl是气缸压力，Rcyl是与气缸相关联的比气体常数，Tcyl是气缸空气温度，mcyl是气缸空气质量，以及Vcyl是气缸空气体积。气缸压力模块216可以基于一个或多个测量参数，例如发动机冷却剂温度、进入空气的质量流速和/或进入空气温度，来估算气缸空气温度。
扭矩控制模块218基于来自驱动器输入模块104的驱动器输入，来控制由发动机102产生的扭矩量。扭矩控制模块218可以基于驱动器输入确定驱动器扭矩请求，并且基于驱动器扭矩请求控制发动机扭矩。扭矩控制模块218可以接收所预测的发动机空气参数，例如预测歧管流速、预测歧管压力以及预测气缸空气质量。扭矩控制模块218可以发送预测空气参数至节流控制模块220、燃料控制模块222、火花控制模块224和/或阀控制模块226。扭矩控制模块218还可以基于驱动器扭矩请求确定所预测的发动机空气参数的期望值，并且将该期望值发送至控制模块220－226。
节流控制模块220向节流致动器模块116输出节流控制信号，以控制节流阀112。燃料控制模块222向燃料致动器模块124输出燃料控制信号，以控制发动机102中的燃料喷射。火花控制模块224向火花致动器模块126输出火花控制信号，以控制火花塞128。阀控制模块226向阀致动器模块158输出阀控制信号，以控制进气阀122和排气阀130。
控制模块220－226可以基于所预测的发动机空气参数控制各自的发动机致动器。例如，当预测歧管流速、预测歧管压力和/或预测气缸空气质量大于期望值时，节流致动器模块116可以减小节流阀112的开口面积。相反，当预测歧管流速、预测歧管压力和/或预测气缸空气质量小于期望值时，节流致动器模块116可以增大节流面积。控制模块220－226可以称为发动机致动器模块。
现在参考图6，一种用于预测与经过发动机的气流相关联的参数的方法在602开始。在604，该方法测量流经发动机的进气歧管的空气的质量流速和进气歧管内的压力。该方法可以以第一频率测量歧管流速和歧管压力。例如，该方法可以每90度的曲轴旋转测量歧管流速和歧管压力。可以预先确定每次测量之间的曲轴旋转量，并且进行测量的第一频率可以取决于发动机的速度。
在606，该方法确定发动机的气缸内的活塞是否完成进气冲程。如果活塞完成进气冲程，那么该方法在608继续。否则，该方法在604继续。
在608，该方法以大于第一频率的第二频率预测歧管流速。例如，该方法可以每6至10度的曲轴旋转测量歧管流速和歧管压力。可以预先确定每次测量之间的曲轴旋转量，并且进行预测的第二频率可以取决于发动机速度。
如由在606的决定所指示的那样，该方法可以预测在气缸的进气冲程期间的歧管流速。因此，该方法可以在对应于进气冲程的时段期间M次测量歧管流速。并且该方法可以在相同时段期间N次预测歧管流速，其中M和N是整数，并且N大于M。该方法可以如以上参考图2的进气歧管气流模块202所讨论的那样，基于进气歧管内的压力、环境空气压力以及气缸中的空气的温度，来预测歧管流速。
在610，该方法确定进气阀的状态，该进气阀调节经过与气缸相关联的进气端口的流量。该方法以第二频率确定进气阀状态。该方法可以如以上参考图2的进气阀状态模块204所讨论的那样，基于气缸停用指令、进气凸轮相位器位置以及曲轴位置来确定进气阀状态。
在612，该方法预测在进气冲程期间的气缸内的空气的质量。该方法以第二频率预测气缸空气质量。该方法可以如以上参考图2的气缸质量模块214所讨论的那样，基于在进气阀开启之前的气缸空气质量和经过气缸的进气端口的气流的质量流速，来预测气缸空气质量。
在614，该方法以第二频率确定气缸内的压力。该方法可以如以上参考图2的气缸压力模块216所讨论的那样，基于气缸空气质量和气缸空气温度，来确定气缸压力。该方法可以对发动机中的每个气缸确定气缸空气质量、气缸压力以及气缸空气温度。
在616，该方法确定流经气缸的进气端口的空气的质量流速。该方法以第二频率确定进气端口流速。该方法可以如以上参考图2的进气端口流量模块208所讨论的那样，基于歧管压力、气缸压力以及进气阀状态，来确定进气端口流速。
在618，该方法预测进气歧管内的空气的质量。该方法以第二频率预测歧管空气质量。该方法可以如以上参考图2的进气歧管质量模块210所讨论的那样，基于进入进气歧管的空气的质量流速和离开进气歧管的空气的质量流速，来预测歧管空气质量。在620，该方法以第二频率预测歧管压力。该方法可以如以上参考图2的进气歧管压力模块212所讨论的那样，基于歧管空气质量和气缸空气温度来预测歧管压力。
前面的描述在本质上只是例示性的，而绝不意图以任何方式限制本发明、其应用或使用。本发明的广泛的教导可以以各种形式来实施。因此，虽然本发明包括具体示例，但是本发明的真正范围不应受此限制，因为其它修改将通过研究附图、说明书和所附权利要求变得显然。当在本文中使用时，短语A、B和C中的至少一个应该解释为表示使用非排他性逻辑“或”的逻辑（A或B或C）。应理解在不改变本发明的原理的情况下，可以以不同的次序（或同时地）执行方法内的一个或多个步骤。
在包括以下定义的本申请中，术语模块可以用术语电路代替。术语模块可以指下列内容，或者为下列内容的一部分，或者包括下列内容：专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合模拟/数字分立电路；数字、模拟或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器(共享的、专用的或成组的)；存储由处理器执行的代码的存储器(共享的、专用的或成组的)；提供所描述的功能性的其它适当的硬件部件；或者以上内容中的一些或全部的组合，例如在片上系统中。
如上文所使用的术语代码可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指程序、例程、函数、类别和/或对象。术语共享处理器包含执行来自多个模块的一些或所有代码的单个处理器。术语成组处理器包含与附加处理器结合执行来自一个或多个模块的一些或所有代码的处理器。术语共享存储器包含存储来自多个模块的一些或所有代码的单个存储器。术语成组存储器包含与附加存储器结合存储来自一个或多个模块的一些或所有代码的存储器。术语存储器可以是术语计算机可读介质的子集。术语计算机可读介质不包含通过介质传播的瞬时电信号和电磁信号，并且因此可以被认为是有形的且非瞬时的。非瞬时性有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器、易失性存储器、磁性存储装置和光学存储装置。
在本申请中描述的装置和方法可以部分地或完全地由一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序来实施。计算机程序包括存储在至少一个非暂时有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序也可以包括和/或依赖所存储的数据。

Claims (20)

1.一种用于预测与经过发动机的气流相关联的参数的系统，包括：
发动机空气传感器，以第一频率测量发动机空气参数，其中所述发动机空气参数包括流入发动机的进气歧管中的空气的质量流速、所述进气歧管内的压力和所述发动机的气缸内的空气的质量中的至少一个；
发动机空气预测模块，以大于所述第一频率的第二频率预测所述发动机空气参数；以及
发动机致动器模块，基于所测量的发动机空气参数和所预测的发动机空气参数中的至少一个控制所述发动机的致动器。
2.如权利要求1所述的系统，还包括进气歧管气流模块，该进气歧管气流模块基于所述进气歧管内的压力、环境空气压力以及所述气缸中的空气的温度，预测流入所述进气歧管中的空气的质量流速。
3.如权利要求1所述的系统，还包括进气歧管压力模块，该进气歧管压力模块基于所述进气歧管内的空气的质量和所述气缸中的空气的温度，预测所述进气歧管内的压力。
4.如权利要求3所述的系统，还包括进气歧管质量模块，该进气歧管质量模块基于进入所述进气歧管的空气的质量流速和离开所述进气歧管的空气的质量流速，预测所述进气歧管内的空气的质量。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述进气歧管质量模块基于流经所述发动机中的气缸的进气端口的空气的多个质量流速之和，确定离开所述进气歧管的质量流速。
6.如权利要求5所述的系统，还包括进气端口流量模块，该进气端口流量模块基于所述进气歧管内的压力、所述气缸内的压力以及进气阀状态，确定流经所述气缸的进气端口的空气的质量流速。
7.如权利要求6所述的系统，还包括气缸压力模块，该气缸压力模块基于所述气缸内的空气的质量和所述气缸中的空气的温度，确定所述气缸内的压力。
8.如权利要求6所述的系统，还包括进气阀状态模块，该进气阀状态模块基于气缸停用指令、进气凸轮相位器位置以及曲轴位置，确定所述进气阀状态。
9.如权利要求1所述的系统，还包括气缸质量模块，该气缸质量模块基于所述气缸的进气阀开启之前的所述气缸内的空气的质量和流经所述气缸的进气端口的空气的质量流速，预测在所述气缸的进气冲程期间的所述气缸内的空气的质量。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述气缸质量模块基于进气凸轮相位器位置和排气凸轮相位器位置，确定所述进气阀开启之前的所述气缸内的空气的质量。
11.一种用于预测与经过发动机的气流相关联的参数的方法，包括：
以第一频率测量发动机空气参数，其中所述发动机空气参数包括流入发动机的进气歧管中的空气的质量流速、所述进气歧管内的压力、以及所述发动机的气缸内的空气的质量中的至少一个；
以大于所述第一频率的第二频率预测所述发动机空气参数；以及
基于所测量的发动机空气参数和所预测的发动机空气参数中的至少一个控制所述发动机的致动器。
12.如权利要求11所述的方法，还包括基于所述进气歧管内的压力、环境空气压力以及所述气缸中的空气的温度，预测流入所述进气歧管中的空气的质量流速。
13.如权利要求11所述的方法，还包括基于所述进气歧管内的空气的质量和所述气缸中的空气的温度，预测所述进气歧管内的压力。
14.如权利要求13所述的方法，还包括基于进入所述进气歧管的空气的质量流速和离开所述进气歧管的空气的质量流速，预测所述进气歧管内的空气的质量。
15.如权利要求14所述的方法，还包括基于流经所述发动机中的气缸的进气端口的空气的多个质量流速之和，确定离开所述进气歧管的质量流速。
16.如权利要求15所述的方法，还包括基于所述进气歧管内的压力、所述气缸内的压力以及进气阀状态，确定流经所述气缸的进气端口的空气的质量流速。
17.如权利要求16所述的方法，还包括基于所述气缸内的空气的质量和所述气缸中的空气的温度，确定所述气缸内的压力。
18.如权利要求16所述的方法，还包括基于气缸停用指令、进气凸轮相位器位置以及曲轴位置确定所述进气阀状态。
19.如权利要求11所述的方法，还包括基于所述气缸的进气阀开启之前的所述气缸内的空气的质量和流经所述气缸的进气端口的空气的质量流速，预测在所述气缸的进气冲程期间的所述气缸内的空气的质量。
20.如权利要求19所述的方法，还包括基于进气凸轮相位器位置和排气凸轮相位器位置确定所述进气阀开启之前的所述气缸内的空气的质量。
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