CN104948314A - 使用模型预测控制的诊断系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了使用模型预测控制的诊断系统和方法。燃料控制模块将发动机加燃料从富油转变到贫油。催化剂故障检测模块基于氧气传感器对转变的响应诊断排气催化剂中是否存在故障。预测模块基于模型和可能目标值组产生预测。成本模块基于预测与最小值和最大值的比较确定用于可能目标值组的成本。在转变之前，约束模块选择性地调整最小值和最大值中的至少一个以用于故障诊断。基于该成本，选择模块从可能目标值组的群组选择可能目标值组，并且基于选定的可能目标值组来设置目标值。致动器模块基于目标值中的第一值控制发动机致动器。

Description

使用模型预测控制的诊断系统和方法
相关申请的交叉引用
此申请涉及2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,502、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,516、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,569、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,626、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,817、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,896、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,507、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,808、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,587、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,492、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/226,006、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/226,121、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,496以及2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,891。以上申请的全部披露内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开涉及内燃发动机，并且更具体来说，涉及用于车辆的发动机控制系统和方法。
背景技术
本文所提供的背景技术描述的目的在于从总体上介绍本公开的背景。当前提及的发明人的工作——以在此背景技术部分中所描述的为限——以及在提交时否则可能不构成现有技术的该描述的各方面，既不明示地也不默示地被承认为是针对本公开的现有技术。
内燃发动机在汽缸内燃烧空气与燃料混合物以驱动活塞，这产生驱动扭矩。进入发动机的空气流量通过节气门来调节。更具体来说，节气门调整节气门面积，这增加或减少进入发动机的空气流量。当节气门面积增加时，进入发动机的空气流量增加。燃料控制系统调整燃料被喷射的速率从而将所需的空气/燃料混合物提供到汽缸和/或实现所需的扭矩输出。增加提供到汽缸的空气与燃料的量增加发动机的扭矩输出。
在火花点火发动机中，火花开始提供到汽缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压缩点火发动机中，汽缸中的压缩燃烧提供到汽缸的空气/燃料混合物。火花正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构，而燃料流可以是用于调整压缩点火发动机的扭矩输出的主要机构。
已经开发出发动机控制系统来控制发动机输出扭矩以实现所需扭矩。然而，传统的发动机控制系统并不如需要一样精确地控制发动机输出扭矩。另外，传统的发动机控制系统并不对控制信号提供快速响应或者在影响发动机输出扭矩的各种设备之间协调发动机扭矩控制。
发明内容
燃料控制模块将发动机加燃料从富油转变到贫油。催化剂故障检测模块基于氧气传感器对转变的响应来诊断排气催化剂中是否存在故障，其中氧气传感器位于排气催化剂的上游和下游之一处。预测模块基于发动机的模型和基于发动机扭矩请求确定的可能目标值组来产生发动机的预测操作参数。成本模块基于预测操作参数与预定最小值和最大值的比较来确定用于可能目标值组的成本。在转变之前，约束模块选择性地调整预定最小值和最大值中的至少一个以用于故障诊断。基于该成本，选择模块从包括该可能目标值组和基于发动机扭矩请求确定的N个其他可能目标值组的群组中选择该可能目标值组，其中N是大于零的整数，并且基于选定的可能目标值组来设置目标值。致动器模块基于目标值中的第一值控制发动机致动器。
在其他特征中，传感器故障检测模块基于氧气传感器对转变的响应来诊断氧气传感器中是否存在第二故障。
在另外其他特征中，当在以下各项中的至少一项时，成本模块增加用于可能目标值组的成本：预测操作参数小于预定最小值；以及预测操作参数大于预定最大值。
在另外其他特征中，约束模块在转变过程中在发动机的加燃料是贫油时维持预定最小值和最大值中的至少一个。
在其他特征中：预测模块基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的每汽缸空气（APC）的预测量；成本模块基于APC的预测量与APC的预定最小量和APC的预定最大量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及约束模块选择性地调整APC的预定最小量和APC的预定最大量中的至少一个以用于故障诊断。
在另外其他特征中：预测模块基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的指示的平均有效压力（IMEP）的预测变化系数（COV）；成本模块基于IMEP的预测COV与预定最小值和预定最大值的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及约束模块选择性地调整预定最小值和预定最大值中的至少一个以用于故障诊断。
在另外其他特征中：预测模块基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的剩余稀释的预测量；成本模块基于剩余稀释的预测量与预定最小剩余稀释量和预定最大剩余稀释量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及约束模块选择性地调整预定最小剩余稀释量和预定最大剩余稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
在其他特征中：预测模块基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的外部稀释的预测量；成本模块基于外部稀释的预测量与预定最小外部稀释量和预定最大外部稀释量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及约束模块选择性地调整预定最小外部稀释量和预定最大外部稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
在另外其他特征中：节气门致动器模块基于目标值中的第一值控制节气门阀的开度；升压致动器模块基于目标值中的第二值控制涡轮增压器的废气门的开度；排气再循环（EGR）致动器模块基于目标值中的第三值控制EGR阀的开度；以及相位器致动器模块基于目标值中的第四值和第五值控制进气门和排气门定相。
在另外其他特征中：预测模块进一步基于发动机的模型和N个其他可能目标值组分别产生发动机的N个其他预测操作参数；成本模块基于N个其他预测操作参数与预定最小和最大值的比较来分别确定用于N个其他可能目标值组的N个其他成本；以及当用于该可能目标值组的成本小于N个其他成本中的每一个时，选择模块从包括该可能目标值组和N个其他可能目标值组的群组中选择该可能目标值组。
一种用于车辆的发动机控制方法包括：将发动机加燃料从富油转变到贫油；基于氧气传感器对转变的响应来诊断排气催化剂中是否存在故障，其中氧气传感器位于排气催化剂的上游和下游之一处；基于发动机的模型和基于发动机扭矩请求确定的可能目标值组来产生发动机的预测操作参数；基于预测操作参数与预定最小值和最大值的比较来确定用于可能目标值组的成本；在转变之前，选择性地调整预定最小值和最大值中的至少一个以用于故障诊断；基于该成本：从包括该可能目标值组和基于发动机扭矩请求确定的N个其他可能目标值组的群组中选择该可能目标值组，其中N是大于零的整数；以及基于选定的可能目标值组来设置目标值；以及基于目标值中的第一值控制发动机致动器。
在其他特征中，发动机控制方法进一步包括基于氧气传感器对转变的响应来诊断氧气传感器中是否存在第二故障。
在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括当在以下各项之一时增加用于可能目标值组的成本：预测操作参数小于预定最小值；以及预测操作参数大于预定最大值。
在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括在转变过程中在发动机的加燃料是贫油时维持预定最小和最大值中的至少一个。
在其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的每汽缸空气（APC）的预测量；基于APC的预测量与APC的预定最小量和APC的预定最大量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及选择性地调整APC的预定最小量和APC的预定最大量中的至少一个以用于故障诊断。
在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的指示的平均有效压力（IMEP）的预测变化系数（COV）；基于IMEP的预测COV与预定最小值和预定最大值的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及选择性地调整预定最小值和预定最大值中的至少一个以用于故障诊断。
在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的剩余稀释的预测量；基于剩余稀释的预测量与预定最小剩余稀释量和预定最大剩余稀释量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及选择性地调整预定最小剩余稀释量和预定最大剩余稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
在其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的外部稀释的预测量；基于外部稀释的预测量与预定最小外部稀释量和预定最大外部稀释量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及选择性地调整预定最小外部稀释量和预定最大外部稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于目标值中的第一值控制节气门阀的开度；基于目标值中的第二值控制涡轮增压器的废气门的开度；基于目标值中的第三值控制排气再循环（EGR）阀的开度；以及基于目标值中的第四值和第五值控制进气门和排气门定相。
在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于发动机的模型和N个其他可能目标值组分别产生发动机的N个其他预测操作参数；基于N个其他预测操作参数与预定最小和最大值的比较来分别确定用于N个其他可能目标值组的N个其他成本；以及当用于该可能目标值组的成本小于N个其他成本中的每一个时，从包括该可能目标值组和N个其他可能目标值组的群组中选择该可能目标值组。
本发明包括以下方案：
1. 一种用于车辆的发动机控制系统，包括：
燃料控制模块，所述燃料控制模块将发动机加燃料从富油转变到贫油；
催化剂故障检测模块，所述催化剂故障检测模块基于氧气传感器对所述转变的响应来诊断排气催化剂中是否存在故障，其中所述氧气传感器位于所述排气催化剂的上游和下游之一处；
预测模块，所述预测模块基于所述发动机的模型和基于发动机扭矩请求确定的可能目标值组来产生所述发动机的预测操作参数；
成本模块，所述成本模块基于所述预测操作参数与预定最小值和最大值的比较来确定用于所述可能目标值组的成本；
约束模块，所述约束模块在所述转变之前选择性地调整所述预定最小值和最大值中的至少一个以用于所述故障诊断；
选择模块，所述选择模块基于所述成本从包括所述可能目标值组和基于所述发动机扭矩请求确定的N个其他可能目标值组的群组中选择所述可能目标值组，其中N是大于零的整数，并且其基于选定的可能目标值组来设置目标值；以及
致动器模块，所述致动器模块基于所述目标值中的第一值控制发动机致动器。
2. 如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括传感器故障检测模块，所述传感器故障检测模块基于所述氧气传感器对转变的响应来诊断所述氧气传感器中是否存在第二故障。
3. 如方案1所述的发动机控制系统，其中当以下各项中的一个时，所述成本模块增加用于所述可能目标值组的所述成本：
所述预测操作参数小于所述预定最小值；以及
所述预测操作参数大于所述预定最大值。
4. 如方案1所述的发动机控制系统，其中所述约束模块在所述转变过程中在所述发动机的所述加燃料是贫油时维持所述预定最小和最大值中的所述至少一个。
5. 如方案1所述的发动机控制系统，其中：
所述预测模块基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的每汽缸空气（APC）的预测量；
所述成本模块基于APC的预测量与APC的预定最小量和APC的预定最大量的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及
所述约束模块选择性地调整APC的预定最小量和APC的预定最大量中的至少一个以用于所述故障诊断。
6. 如方案1所述的发动机控制系统，其中：
所述预测模块基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的指示的平均有效压力（IMEP）的预测变化系数（COV）；
所述成本模块基于IMEP的预测COV与预定最小值和预定最大值的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及
所述约束模块选择性地调整所述预定最小值和所述预定最大值中的至少一个以用于所述故障诊断。
7. 如方案1所述的发动机控制系统，其中：
所述预测模块基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的剩余稀释的预测量；
所述成本模块基于剩余稀释的预测量与预定最小剩余稀释量和预定最大剩余稀释量的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及
所述约束模块选择性地调整所述预定最小剩余稀释量和所述预定最大剩余稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
8. 如方案1所述的发动机控制系统，其中：
所述预测模块基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的外部稀释的预测量；
所述成本模块基于外部稀释的预测量与预定最小外部稀释量和预定最大外部稀释量的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及
所述约束模块选择性地调整所述预定最小外部稀释量和所述预定最大外部稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
9. 如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括：
节气门致动器模块，所述节气门致动器模块基于所述目标值中的第一值控制节气门阀的开度；
升压致动器模块，所述升压致动器模块基于所述目标值中的第二值控制涡轮增压器的废气门的开度；
排气再循环（EGR）致动器模块，所述EGR致动器模块基于所述目标值中的第三值控制EGR阀的开度；以及
相位器致动器模块，所述相位器致动器模块基于所述目标值中的第四值和第五值控制进气门和排气门定相。
10. 如方案1所述的发动机控制系统，其中：
所述预测模块进一步基于所述发动机的模型和N个其他可能目标值组分别产生所述发动机的N个其他预测操作参数；
所述成本模块基于所述N个其他预测操作参数与所述预定最小和最大值的比较来进一步分别确定用于所述N个其他可能目标值组的N个其他成本；以及
当用于所述可能目标值组的所述成本小于所述N个其他成本中的每一个时，所述选择模块从包括所述可能目标值组和所述N个其他可能目标值组的所述群组中选择所述可能目标值组。
11. 一种用于车辆的发动机控制方法，包括：
将发动机的加燃料从富油转变到贫油；
基于氧气传感器对所述转变的响应来诊断排气催化剂中是否存在故障，其中所述氧气传感器位于所述排气催化剂的上游和下游之一处；
基于所述发动机的模型和基于发动机扭矩请求确定的可能目标值组来产生所述发动机的预测操作参数；
基于所述预测操作参数与预定最小值和最大值的比较来确定用于所述可能目标值组的成本；
在所述转变之前，选择性地调整所述预定最小值和最大值中的至少一个以用于所述故障诊断；
基于所述成本：
　　从包括所述可能目标值组和基于所述发动机扭矩请求确定的N个其他可能目标值组的群组中选择所述可能目标值组，其中N是大于零的整数；以及
　　基于选定的可能目标值组来设置目标值；以及
基于所述目标值中的第一值控制发动机致动器。
12. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括基于所述氧气传感器对所述转变的响应来诊断所述氧气传感器中是否存在第二故障。
13. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括当以下各项中的一个时增加用于所述可能目标值组的所述成本：
所述预测操作参数小于所述预定最小值；以及
所述预测操作参数大于所述预定最大值。
14. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括在所述转变过程中在所述发动机的所述加燃料是贫油时维持所述预定最小和最大值中的至少一个。
15. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的每汽缸空气（APC）的预测量；
基于APC的预测量与APC的预定最小量和APC的预定最大量的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及
选择性地调整APC的预定最小量和APC的预定最大量中的至少一个以用于所述故障诊断。
16. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的指示的平均有效压力（IMEP）的预测变化系数（COV）；
基于IMEP的预测COV与预定最小值和预定最大值的比较来确定用于所述可能目标值组的成本；以及
选择性地调整所述预定最小值和所述预定最大值中的至少一个以用于故障诊断。
17. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的剩余稀释的预测量；
基于剩余稀释的预测量与预定最小剩余稀释量和预定最大剩余稀释量的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及
选择性地调整所述预定最小剩余稀释量和所述预定最大剩余稀释量中的至少一个以用于所述故障诊断。
18. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的外部稀释的预测量；
基于外部稀释的预测量与预定最小外部稀释量和预定最大外部稀释量的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及
选择性地调整所述预定最小外部稀释量和所述预定最大外部稀释量中的至少一个以用于所述故障诊断。
19. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
基于所述目标值中的第一值控制节气门阀的开度；
基于所述目标值中的第二值控制涡轮增压器的废气门的开度；
基于所述目标值中的第三值控制排气再循环（EGR）阀的开度；以及
基于所述目标值中的第四值和第五值控制进气门和排气门定相。
20. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
基于所述发动机的模型和所述N个其他可能目标值组分别产生所述发动机的N个其他预测操作参数；
基于所述N个其他预测操作参数与所述预定最小值和最大值的比较来分别确定用于所述N个其他可能目标值组的N个其他成本；以及
当用于所述可能目标值组的所述成本小于所述N个其他成本中的每一个时，从包括所述可能目标值组和所述N个其他可能目标值组的所述群组中选择所述可能目标值组。
本公开的其他适用领域将从详细描述、权利要求书以及图变得显而易见。详细描述和具体实例仅意欲用于说明目的而非意欲限制本公开的范围。
附图说明
本公开将从详细描述和附图变得更完整理解，其中：
图1是根据本公开的示例性发动机系统的功能方框图；
图2是根据本公开的示例性发动机控制系统的功能方框图；
图3是根据本公开的示例性空气控制模块的功能方框图；
图4包括描绘根据本公开的使用模型预测控制来控制节气门阀、进气门和排气门定相、废气门以及排气再循环（EGR）阀的示例性方法的流程图；
图5是根据本公开的催化剂监控系统的示例性实施的功能方框图；
图6是根据本公开的传感器监控模块的示例性实施的功能方框图；
图7是描绘根据本公开的诊断催化剂中是否存在故障的示例性方法的流程图；
图8是描绘根据本公开的诊断催化剂下游的氧气传感器中是否存在故障的示例性方法的流程图；以及
图9包括用于示例性催化剂和下游氧气传感器诊断的等值比对时间的示例性图表。
图中，可以重复使用参考数字以指示类似和/或相同元件。
具体实施方式
发动机控制模块（ECM）控制发动机的扭矩输出。更具体来说，ECM基于所请求的扭矩量分别基于目标值来控制发动机的致动器。例如，ECM基于目标进气和排气相位器角来控制进气和排气凸轮轴定相、基于目标节气门开度来控制节气门阀、基于目标EGR开度控制排气再循环（EGR）阀并且基于目标废气门占空比控制涡轮增压器的废气门。
ECM可以单独地使用多个单输入单输出（SISO）控制器（诸如比例积分微分（PID）控制器）来确定目标值。然而，当使用多个SISO控制器时，可以设置目标值以在有损可能的燃料消耗减少的情况下维持系统稳定性。此外，个别SISO控制器的校准和设计可能是昂贵且耗时的。
本公开的ECM使用模型预测控制（MPC）来产生目标值。ECM可以基于发动机扭矩请求来识别可以使用的可能目标值组。ECM可以基于可能组的目标值和发动机的数学模型来确定用于每个组的预测参数。例如，ECM确定用于每个可能目标值组的预测发动机输出扭矩、预测每汽缸空气（APC）、预测剩余稀释、预测外部稀释以及指示的平均有效压力（IMEP）的预测变化系数（COV）。ECM可以确定用于每个可能目标值组的一个或多个其他预测参数。
ECM可以基于每个组的预测参数和用于预测参数的预定最小和最大值来确定用于该组的成本值。当对于该组确定的预测参数大于用于那个预测参数的预定最大值或者小于用于那个预测参数的预定最小值时，ECM可以增加用于该组的成本值。ECM可以选择所述组中具有最低成本值的一个组并且基于选定组的目标值来控制节气门阀、EGR阀、涡轮增压器以及进气和排气凸轮轴定相。在各个实施中，作为识别目标值的可能组并且确定每个组的成本的替代或添加，ECM模块可以产生代表目标值的可能组的成本的面。ECM模块随后可以基于成本面的斜率来识别具有最低成本的可能组。
发动机将排气输出到催化剂。催化剂与排气的一个或多个成分反应。当相对于化学计量而言排气是氧气富足（贫油）时，催化剂可以将氧气存储在排气中。然而，催化剂存储氧气的能力可能随时间恶化。
在某些情况下，ECM可以将发动机的加燃料从富油转变为贫油和/或从贫油转变为富油以确定催化剂中是否存在故障并确定位于催化剂的上游和/或下游的一个或多个氧气传感器中是否存在故障。例如，当存在切断到发动机的燃料的一个或多个条件时，ECM可以转变发动机的加燃料以用于故障确定。
本公开的ECM设置用于故障确定的用于预测参数的预定最小值和最大值中的一个或多个。这可以增加确定催化剂和氧气传感器中是否存在故障的精确度，同时使用MPC控制节气门阀、EGR阀、涡轮增压器以及进气和排气凸轮定相。
现在参照图1，呈现示例性发动机系统100的功能方框图。发动机系统100包括基于来自驾驶者输入模块104的驾驶者输入燃烧空气/燃料混合物以产生用于车辆的驱动扭矩的发动机102。发动机102可以是汽油火花点火内燃发动机。
空气通过节气门阀112被吸入到进气歧管110中。仅举例而言，节气门阀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控制调节节气门阀112的开度以控制吸入到进气歧管110中的空气量的节气门致动器模块116。
来自进气歧管110的空气被吸入到发动机102的汽缸中。虽然发动机102可以包括多个汽缸，但是为了说明目的，示出单个代表性汽缸118。仅举例而言，发动机102可以包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个汽缸。ECM 114可以指示汽缸致动器模块120选择性地停用一些汽缸，这在某些发动机操作条件下可以提高燃料经济性。
发动机102可以使用四冲程循环来操作。以下描述的四冲程可以被称为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程以及排气冲程。在曲轴（未示出）的每个旋转过程中，四个冲程中的两个在汽缸118内发生。因此，汽缸118经历所有四个冲程必需两次曲轴旋转。
在进气冲程期间，来自进气歧管110的空气通过进气门122被吸入到汽缸118中。ECM 114控制调节燃料喷射以实现目标空气/燃料比的燃料致动器模块124。燃料可以在中心位置或者在多个位置（诸如靠近每个汽缸的进气门122）喷射到进气歧管110中。在各个实施（未示出）中，燃料可以直接喷射到汽缸中或者喷射到与汽缸相关的混合腔室中。燃料致动器模块124可以暂停对被停用的汽缸的燃料喷射。
在汽缸118中，喷射的燃料与空气混合并且产生空气/燃料混合物。在压缩冲程期间，汽缸118内的活塞（未示出）压缩空气/燃料混合物。火花致动器模块126基于来自ECM 114的点燃空气/燃料混合物的信号来激励汽缸118中的火花塞128。火花的正时可以相对于活塞位于其最顶部位置（称为上止点（TDC））的时间来指定。
火花致动器模块126可以由指定在TDC之前或之后多久的正时信号来控制产生火花。因为活塞位置与曲轴旋转直接有关，所以火花致动器模块126的操作可以与曲轴角同步。产生火花可以称为点火事件。火花致动器模块126可以具有对于每次点火事件改变火花正时的能力。当火花正时在最后一次点火事件与下一次点火事件之间变化时，火花致动器模块126可以对于下一次点火事件改变火花正时。火花致动器模块126可以暂停对被停用的汽缸的火花提供。
在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞离开TDC，由此驱动曲轴。燃烧冲程可以被定义为活塞到达TDC与活塞到达下止点（BDC）的时间之间的时间。在排气冲程期间，活塞开始移动离开BDC，并且通过排气门130排出燃烧副产物。燃烧副产物通过排气系统134从车辆排出。排气系统134包括催化剂136，诸如三元催化剂（TWC）。催化剂136与流动穿过催化剂136的排气的一个或多个成分反应。当排气是贫油（氧气富足）时，催化剂136存储氧气。
进气门122可以由进气凸轮轴140控制，而排气门130可以由排气凸轮轴142控制。在各个实施中，多个进气凸轮轴（包括进气凸轮轴140）可以控制用于汽缸118的多个进气门（包括进气门122）和/或可以控制多排汽缸（包括汽缸118）的进气门（包括进气门122）。类似地，多个排气凸轮轴（包括排气凸轮轴142）可以控制用于汽缸118的多个排气门和/或可以控制用于多排汽缸（包括汽缸118）的排气门（包括排气门130）。在各个其他实施中，进气门122和/或排气门130可以由除凸轮轴以外的设备（诸如无凸轮的阀致动器）控制。汽缸致动器模块120可以通过使得进气门122和/或排气门130不能打开来停用汽缸118。
进气门122打开的时间可以通过进气凸轮相位器148相对于活塞TDC而改变。排气门130打开的时间可以通过排气凸轮相位器150相对于活塞TDC而改变。相位器致动器模块158可以基于来自ECM 114的信号来控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。在实施时，可变气门升程（未示出）也可以由相位器致动器模块158来控制。
发动机系统100可以包括涡轮增压器，该涡轮增压器包括由流过排气系统134的热排气供以动力的热涡轮160-1。涡轮增压器还包括由涡轮160-1驱动的冷空气压缩机160-2。压缩机160-2压缩引入节气门阀112中的空气。在各个实施中，由曲轴驱动的增压器（未示出）可以压缩来自节气门阀112的空气并且将压缩的空气传递到进气歧管110。
废气门162可以允许排气绕开涡轮160-1，由此减少由涡轮增压器提供的升压（进气空气压缩的量）。升压致动器模块164可以通过控制废气门162的开度来控制涡轮增压器的升压。在各个实施中，两个或更多个涡轮增压器可以被实施并且可以由升压致动器模块164来控制。
空气冷却器（未示出）可以将来自压缩空气充量的热量转移到冷却介质（诸如发动机冷却液或空气）。使用发动机冷却液来冷却压缩空气充量的空气冷却器可以称为中间冷却器。使用空气来冷却压缩空气充量的空气冷却器可以称为充量空气冷却器。压缩空气充量可以例如通过压缩和/或从排气系统134的部件接收热量。尽管为了说明目的分开展示，但是涡轮160-1和压缩机160-2可以彼此附接，从而将进气空气置于紧密接近热排气。
发动机系统100可以包括选择性地将排气重新引导回至进气歧管110的排气再循环（EGR）阀170。EGR阀170可以位于涡轮增压器的涡轮160-1的上游。EGR阀170可以由EGR致动器模块172基于来自ECM 114的信号来控制。
上游氧气传感器176测量流动到催化剂136中的排气中的氧气的量（例如，浓度）。下游氧气传感器177测量催化剂136下游的排气中的氧气的量（例如，浓度）。ECM 114可以使用来自所述传感器和/或一个或多个其他传感器的信号来进行用于发动机系统100的控制决策。
曲轴的位置可以使用曲轴位置传感器180来测量。曲轴的旋转速度（发动机速度）可以基于曲轴位置来确定。发动机冷却液的温度可以使用发动机冷却液温度（ECT）传感器182来测量。ECT传感器182可以位于发动机102内或者在冷却液循环的其他位置处，诸如散热器（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来测量。在各个实施中，可以测量发动机真空（其是周围空气压力与进气歧管110内的压力之间的差）。流入到进气歧管110中的空气的质量流率可以使用空气质量流量（MAF）传感器186来测量。在各个实施中，MAF传感器186可以位于壳体（其也包括节气门阀112）中。
节气门致动器模块116可以使用一个或多个节气门位置传感器（TPS）190来监控节气门阀112的位置。吸入到发动机102中的空气的周围温度可以使用进气温度（IAT）传感器192来测量。发动机系统100还可以包括一个或多个其他传感器193，诸如周围湿度传感器、一个或多个爆震传感器、压缩机出口压力传感器和/或节气门入口压力传感器、废气门位置传感器、EGR位置传感器和/或一个或多个其他适合的传感器。ECM 114可以使用来自传感器的信号来做出用于发动机系统100的控制决策。
ECM 114可以与变速器控制模块194通信以协调变速器（未示出）中的调档。例如，ECM 114可以在换档期间减少发动机扭矩。ECM 114可以与混合控制模块196通信以协调发动机102和电动机198的操作。
电动机198也可以用作发电机，并且可以用来产生电能以供车辆电气系统使用和/或以供存储在电池中。在各个实施中，ECM 114、变速器控制模块194以及混合控制模块196的各种功能可以集成到一个或多个模块中。
改变发动机参数的每个系统都可以称为发动机致动器。例如，节气门致动器模块116可以调整节气门阀112的开度以实现目标节气门打开面积。火花致动器模块126控制火花塞以实现相对于活塞TDC的目标火花正时。燃料致动器模块124控制燃料喷射器以实现目标加燃料参数。相位器致动器模块158可以分别控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以实现目标进气凸轮相位器角和目标排气凸轮相位器角。EGR致动器模块172可以控制EGR阀170以实现目标EGR打开面积。升压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门打开面积。汽缸致动器模块120控制汽缸停用以实现目标数量的启用的或停用的汽缸。
ECM 114产生用于发动机致动器的目标值以使得发动机102产生目标发动机输出扭矩。ECM 114使用模型预测控制来产生用于发动机致动器的目标值，如以下进一步论述。
现在参照图2，呈现示例性发动机控制系统的功能方框图。ECM 114的示例性实施包括驾驶者扭矩模块202、车轴扭矩仲裁模块204以及推进扭矩仲裁模块206。ECM 114可以包括混合优化模块208。ECM 114还可以包括储备/负载模块220、扭矩请求模块224、空气控制模块228、火花控制模块232、汽缸控制模块236以及燃料控制模块240。
驾驶者扭矩模块202可以基于来自驾驶者输入模块104的驾驶者输入255来确定驾驶者扭矩请求254。驾驶者输入255可以基于例如加速踏板的位置和制动踏板的位置。驾驶者输入255还可以基于巡航控制，该巡航控制可以是改变车辆速度以维持预定跟车间距的自适应巡航控制系统。驾驶者扭矩模块202可以存储加速踏板位置到目标扭矩的一个或多个映射并且可以基于选定的一个映射来确定驾驶者扭矩请求254。
车轴扭矩仲裁模块204在驾驶者扭矩请求254与其他车轴扭矩请求256之间进行仲裁。车轴扭矩（车轮处的扭矩）可以由各种源（包括发动机和/或电动机）产生。例如，车轴扭矩请求256可以包括在检测到正车轮滑移时由牵引控制系统请求的扭矩减少。当车轴扭矩克服车轮与路面之间的摩擦时发生正车轮滑移，并且车轮开始与路面相反地滑移。车轴扭矩请求256还可以包括抵消负车轮滑移的扭矩增加请求，其中因为车轴扭矩为负而使得车辆的轮胎相对于路面沿另一方向滑移。
车轴扭矩请求256还可以包括制动管理请求和车辆超速扭矩请求。制动管理请求可以减少车轴扭矩以确保车轴扭矩不会超出当车辆停止时保持住车辆的制动能力。车辆超速扭矩请求可以减少车轴扭矩以防止车辆超出预定速度。车轴扭矩请求256还可以由车辆稳定性控制系统产生。
车轴扭矩仲裁模块204基于接收到的扭矩请求254与256之间的仲裁结果输出预测扭矩请求257和即时扭矩请求258。如以下所描述，来自车轴扭矩仲裁模块204的预测扭矩请求257和即时扭矩请求258可以在用于控制发动机致动器之前选择性地由ECM 114的其他模块来调整。
一般而言，即时扭矩请求258可以是当前所需的车轴扭矩的量，而预测扭矩请求257可以是忽然可能需要的车轴扭矩的量。ECM 114控制发动机系统100以产生等于即时扭矩请求258的车轴扭矩。然而，目标值的不同组合可以产生相同的车轴扭矩。因此，ECM 114可以调整目标值以使得能够快速过渡到预测扭矩请求257，同时仍将车轴扭矩维持在即时扭矩请求258。
在各个实施中，预测扭矩请求257可以基于驾驶者扭矩请求254来设置。即时扭矩请求258在一些情况下（诸如当驾驶者扭矩请求254使得车轮在冰面上滑移时）可以被设置成小于预测扭矩请求257。在此状况下，牵引控制系统（未示出）可以通过即时扭矩请求258请求减少，并且ECM 114减少到即时扭矩请求258的发动机扭矩输出。然而，一旦车轮滑移停止则ECM 114执行减少，因此发动机系统100可以迅速地恢复产生预测扭矩请求257。
一般而言，即时扭矩请求258与（通常较高的）预测扭矩请求257之间的差异可以称为扭矩储备。扭矩储备可以代表发动机系统100可以开始以最小延迟产生的额外扭矩的量（高于即时扭矩请求258）。快速发动机致动器用来以最小延迟增加或减少当前车轴扭矩。快速发动机致动器与慢速发动机致动器相反地定义。
一般而言，快速发动机致动器可以比慢速发动机致动器更迅速地改变车轴扭矩。慢速致动器可以比快速致动器更慢地响应于其相应的目标值的改变。例如，慢速致动器可以包括需要时间来响应于目标值的改变而从一个位置移动到另一个位置的机械部件。慢速致动器的特征还可以在于一旦慢速致动器开始实施改变的目标值则其使得车轴扭矩开始改变而花费的时间量。通常，此时间量对于慢速致动器而言将比对于快速致动器而言长。此外，即使在开始改变之后，车轴扭矩可能花费更长时间来完全响应慢速致动器中的改变。
仅举例而言，火花致动器模块126可以是快速致动器。火花点火发动机可以通过施加火花来燃烧燃料，燃料包括例如汽油和乙醇。作为对比，节气门致动器模块116可以是慢速致动器。
例如，如以上所描述，当火花正时在最后一次点火事件与下一次点火事件之间变化时，火花致动器模块126可以改变用于下一个点火事件的火花正时。作为对比，节气门开度的改变花费较长时间来影响发动机输出扭矩。节气门致动器模块116通过调整节气门阀112的叶片的角来改变节气门开度。因此，当用于节气门阀112的开度的目标值被改变时，由于节气门阀112响应于该改变从其前一位置移动到新位置而存在机械延迟。此外，基于节气门开度的空气流量改变在进气歧管110中经历空气输送延迟。此外，进气歧管110中增加的空气流量直到汽缸118在下一个进气冲程中接收额外空气、压缩额外空气并且开始燃烧冲程才被实现为发动机输出扭矩的增加。
使用这些致动器作为实例，扭矩储备可以通过将节气门开度设置为将会允许发动机102产生预测扭矩请求257的值来产生。同时，火花正时可以基于即时扭矩请求258来设置，该即时扭矩请求小于预测扭矩请求257。尽管节气门开度产生足够发动机102产生预测扭矩请求257的空气流量，但是火花正时基于即时扭矩请求258而受到延迟（这减少扭矩）。因此，发动机输出扭矩将等于即时扭矩请求258。
当需要额外扭矩时，火花正时可以基于预测扭矩请求257或预测扭矩请求257与即时扭矩请求258之间的扭矩来设置。通过随后的点火事件，火花致动器模块126可以将火花正时返回到允许发动机102产生可通过已经存在的空气流量实现的全部发动机输出扭矩的最佳值。因此，发动机输出扭矩可以被快速增加到预测扭矩请求257，而不会由于改变节气门开度而经历延迟。
车轴扭矩仲裁模块204可以将预测扭矩请求257和即时扭矩请求258输出到推进扭矩仲裁模块206。在各个实施中，车轴扭矩仲裁模块204可以将预测扭矩请求257和即时扭矩请求258输出到混合优化模块208。
混合优化模块208可以确定发动机102应产生多少扭矩和电动机198应产生多少扭矩。混合优化模块208随后分别将修改后的预测扭矩请求259和修改后的即时扭矩请求260输出到推进扭矩仲裁模块206。在各个实施中，混合优化模块208可以在混合控制模块196中实施。
推进扭矩仲裁模块206接收到的预测扭矩请求和即时扭矩请求从车轴扭矩域（车轮处的扭矩）转换为推进扭矩域（曲轴处的扭矩）。此转换可以在混合优化模块208之前、之后、作为其一部分或替代其发生。
推进扭矩仲裁模块206在推进扭矩请求290（包括转换后的预测扭矩请求和即时扭矩请求）之间进行仲裁。推进扭矩仲裁模块206产生仲裁的预测扭矩请求261和仲裁的即时扭矩请求262。仲裁的扭矩请求261和262可以通过从接收到的扭矩请求中选择获胜的请求来产生。替代地或额外地，仲裁的扭矩请求可以通过基于接收到的扭矩请求中的另一个或多个来修改接收到的请求中的一个来产生。
例如，推进扭矩请求290可以包括用于发动机超速保护的扭矩减少、用于失速防止的扭矩增加以及由变速器控制模块194请求适应换档的扭矩减少。推进扭矩请求290还可以由离合器燃油切断导致，离合器燃油切断在驾驶者踩下手动变速器车辆中的离合器踏板以防止发动机速度的突变时减少发动机输出扭矩。
推进扭矩请求290还可以包括在检测到致命故障时可以开始的发动机关闭请求。仅举例而言，致命故障可以包括车辆盗窃、卡住起动器电机、电子节气门控制问题以及非预期的扭矩增加的检测。在各个实施中，当存在发动机关闭请求时，仲裁选择发动机关闭请求作为获胜的请求。当存在发动机关闭请求时，推进扭矩仲裁模块206可以输出零作为仲裁的预测扭矩请求261和仲裁的即时扭矩请求262。
在各个实施中，发动机关闭请求可以与仲裁过程分开地仅关闭发动机102。推进扭矩仲裁模块206仍可以接收发动机关闭请求，这样使得例如适当的数据可以被反馈到其他扭矩请求者。例如，所有其他扭矩请求者可以被通知他们已输掉仲裁。
储备/负载模块220接收仲裁的预测扭矩请求261和仲裁的即时扭矩请求262。储备/负载模块220可以调整仲裁的预测扭矩请求261和仲裁的即时扭矩请求262来创建扭矩储备和/或补偿一个或多个负载。储备/负载模块220随后将调整后的预测扭矩请求263和调整后的即时扭矩请求264输出到扭矩请求模块224。
仅举例而言，催化剂熄灯过程或冷启动减排过程可能要求延迟的火花正时。因此，储备/负载模块220可以将调整后的预测扭矩请求263增加到高于调整后的即时扭矩请求264以创建用于冷启动减排过程的延迟的火花。在另一个实例中，发动机的空气/燃料比和/或空气质量流量可以直接改变，诸如通过诊断侵入等值比测试和/或新发动机净化。在开始这些过程之前，扭矩储备可以被创建或增加以迅速弥补在这些过程期间由于稀化空气/燃料混合物导致的发动机输出扭矩的减少。
储备/负载模块220还可以在预期未来负载的情况下创建或增加扭矩储备，诸如动力转向泵操作或空气调节（A/C）压缩机离合器的接合。当驾驶者首次请求空气调节时，可以创建用于A/C压缩机离合器的接合的储备。储备/负载模块220可以增加调整后的预测扭矩请求263同时使得调整后的即时扭矩请求264不变以产生扭矩储备。随后，当A/C压缩机离合器接合时，储备/负载模块220可以通过A/C压缩机离合器的估计出的负载来增加调整后的即时扭矩请求264。
扭矩请求模块224接收调整后的预测扭矩请求263和调整后的即时扭矩请求264。扭矩请求模块224确定将如何实现调整后的预测扭矩请求263和调整后的即时扭矩请求264。扭矩请求模块224可以是发动机型号专有的。例如，扭矩请求模块224可以不同地实施或者对于火花点火发动机相对压缩点火发动机使用不同的控制方案。
在各个实施中，扭矩请求模块224可以定义横跨所有发动机型号共用的模块与发动机型号专有的模块之间的界线。例如，发动机型号可以包括火花点火和压缩点火。扭矩请求模块224之前的模块（诸如推进扭矩仲裁模块206）可以是横跨发动机型号共用的，而扭矩请求模块224和随后的模块可以是发动机型号专有的。
扭矩请求模块224基于调整后的预测扭矩请求263和调整后的即时扭矩请求264确定空气扭矩请求265。空气扭矩请求265可以是制动扭矩。制动扭矩可以指代在当前操作条件下曲轴处的扭矩。
基于空气扭矩请求265确定用于控制发动机致动器的空气流的目标值。更具体来说，基于空气扭矩请求265，空气控制模块228确定目标废气门打开面积266、目标节气门打开面积267、目标EGR打开面积268、目标进气凸轮相位器角269以及目标排气凸轮相位器角270。空气控制模块228使用模型预测控制来确定目标废气门打开面积266、目标节气门打开面积267、目标EGR打开面积268、目标进气凸轮相位器角269以及目标排气凸轮相位器角270，如以下进一步论述。
升压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门打开面积266。例如，第一转换模块272可以将目标废气门打开面积266转换为目标占空比274以应用于废气门162，并且升压致动器模块164可以基于目标占空比274将信号应用于废气门162。在各个实施中，第一转换模块272可以将目标废气门打开面积266转换为目标废气门位置（未示出），并且将目标废气门位置转换为目标占空比274。
节气门致动器模块116控制节气门阀112以实现目标节气门打开面积267。例如，第二转换模块276可以将目标节气门打开面积267转换为目标占空比278以应用于节气门阀112，并且节气门致动器模块116可以基于目标占空比278将信号应用于节气门阀112。在各个实施中，第二转换模块276可以将目标节气门打开面积267转换为目标节气门位置（未示出），并且将目标节气门位置转换为目标占空比278。
EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR打开面积268。例如，第三转换模块280可以将目标EGR打开面积268转换为目标占空比282以应用于EGR阀170，并且EGR致动器模块172可以基于目标占空比282将信号应用于EGR阀170。在各个实施中，第三转换模块280可以将目标EGR打开面积268转换为目标EGR位置（未示出），并且将目标EGR位置转换为目标占空比282。
相位器致动器模块158控制进气凸轮相位器148以实现目标进气凸轮相位器角269。相位器致动器模块158还控制排气凸轮相位器150以实现目标排气凸轮相位器角270。在各个实施中，可以包括第四转换模块（未示出）并且其可以将目标进气和排气凸轮相位器角分别转换为目标进气占空比和目标排气占空比。相位器致动器模块158可以分别将目标进气占空比和目标排气占空比应用于进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。在各个实施中，空气控制模块228可以确定目标重叠因数和目标有效位移，并且相位器致动器模块158可以控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以实现目标重叠因数和目标有效位移。
扭矩请求模块224还可以基于预测扭矩请求263和即时扭矩请求264产生火花扭矩请求283、汽缸关闭扭矩请求284和燃料扭矩请求285。火花控制模块232可以基于火花扭矩请求283来确定使得火花正时从最佳火花正时延迟多少（这减少发动机输出扭矩）。仅举例而言，可以反转扭矩关系以求解目标火花正时286。对于给定扭矩请求（TReq），可以基于以下公式确定目标火花正时（ST）286：
(1)       ST = f-1 (TReq, APC, I, E, AF, OT, #)，
其中APC是APC，I是进气门定相值，E是排气门定相值，AF是空气/燃料比，OT是油温，并且#是启动的汽缸的数量。此关系可以实施为方程和/或查找表。空气/燃料比（AF）可以是实际空气/燃料比，如由燃料控制模块240所报告的。
当火花正时被设置为最佳火花正时时，所得的扭矩可以尽可能接近用于最佳扭矩的最小火花提前（MBT火花正时）。最佳扭矩是指在使用具有比预定辛烷额定值大的辛烷额定值的燃料并且使用化学计量加燃料时，由于火花正时提前而对于给定空气流量产生的最大发动机输出扭矩。此最佳发生的火花正时称为MBT火花正时。最佳火花正时可能由于例如燃料质量（诸如当使用较低辛烷燃料时）和环境因素（诸如周围湿度和温度）而与MBT火花正时稍微不同。因此，最佳火花正时的发动机输出扭矩可以小于MBT。仅举例而言，对应于不同发动机操作条件的最佳火花正时的表可以在车辆设计的校准阶段期间确定，并且基于当前发动机操作条件从该表确定最佳值。
汽缸关闭扭矩请求284可以由汽缸控制模块136用来确定将禁用的汽缸的目标数量287。在各个实施中，可以使用将启动的汽缸的目标数量。汽缸致动器模块120基于目标数量287来选择性的启动和禁用汽缸的阀。
汽缸控制模块236还可以指示燃料控制模块240以停止对禁用的汽缸提供燃料并且可以指示火花控制模块232以停止对禁用的汽缸提供火花。一旦已经存在于汽缸中的燃料/空气混合物被燃烧，则火花控制模块232可以停止对汽缸提供火花。
燃料控制模块240可以基于燃料扭矩请求285来改变提供给每个汽缸的燃料的量。更具体来说，燃料控制模块240可以基于燃料扭矩请求285来产生目标加燃料参数288。目标加燃料参数288可以包括例如目标等值比、目标喷射起动正时以及燃料喷射的目标数量。
在正常操作过程中，燃料控制模块240可以在空气引导模式下操作，其中燃料控制模块240试图通过基于空气流量控制加燃料来维持化学计量的空气/燃料比。例如，燃料控制模块240可以确定在与当前每汽缸空气（APC）质量相组合时将产生化学计量的燃烧的目标燃料质量。
图3是空气控制模块228的示例性实施的功能方框图。现在参照图2和3，如以上所论述，空气扭矩请求265可以是制动扭矩。扭矩转换模块304将空气扭矩请求265从制动扭矩转换为基础扭矩。由于转换为基础扭矩而产生的扭矩请求将被称为基础空气扭矩请求308。
基础扭矩可以指代当发动机102温热并且附件（诸如交流发电机和A/C压缩机）不对发动机102施加扭矩负载时，测力计上的在发动机102的操作过程中产生的曲轴上的扭矩。扭矩转换模块304可以例如使用将制动扭矩与基础扭矩相关联的映射或函数来将空气扭矩请求265转换为基础空气扭矩请求308。在各个实施中，扭矩转换模块304可以将空气扭矩请求265转换为另一种适合类型的扭矩（诸如指示的扭矩）。指示的扭矩可以指代由于通过汽缸内的燃烧产生的功而导致的曲轴处的扭矩。
MPC模块312使用模型预测控制（MPC）产生目标值266至270。MPC模块312可以是单个模块或者可以包括多个模块。例如，MPC模块312可以包括序列确定模块316。序列确定模块316确定可以在N个未来的控制回路期间一起使用的目标值266至270的可能序列。
预测模块323分别基于发动机102的（数学）模型324、外源输入328和反馈输入330来确定发动机102对目标值266至270的可能序列的预测响应。更具体来说，基于目标值266至270的可能序列、外源输入328和反馈输入330，预测模块323使用模型324产生用于N个控制回路的发动机102的预测扭矩序列、用于N个控制回路的预测APC序列、用于N个控制回路的预测量外部稀释序列、用于N个控制回路的预测量剩余稀释序列、用于N个控制回路的预测燃烧定相值序列以及用于N个控制回路的预测燃烧质量值序列。
模型324可以例如基于发动机102的特征校准的一个或多个函数或映射。稀释可以指代被捕捉在汽缸内以用于燃烧事件的来自先前燃烧事件的排气量。外部稀释可以指代通过EGR阀170提供以用于燃烧事件的排气。剩余稀释可以指代在燃烧周期的排气冲程之后汽缸中剩余的排气和/或被推回到汽缸中的排气。剩余稀释也可以称为内部稀释。
燃烧定相可以指代相对于用于燃烧预定量的喷射燃料的预定曲轴位置的在汽缸内燃烧预定量的喷射燃料的曲轴位置。例如，燃烧定相可以按照相对于预定CA50的CA50来表达。CA50可以指代在汽缸内已经燃烧喷射燃料质量的50%情况下的曲轴角（CA）。预定CA50可以对应于由喷射燃料产生最大量的功的CA50并且在各个实施中可以为在TDC（上止点）之后的约8.5至约10度。虽然将就CA50值来论述燃烧定相，但是可以使用指示燃烧定相的另一个适合的参数。此外，虽然燃烧质量将被论述为指示的平均有效压力（IMEP）值的变化系数（COV），但是可以使用指示燃烧质量的另一个适合的参数。
外源输入328可以包括不直接受节气门阀112、EGR阀170、涡轮增压器、进气凸轮相位器148以及排气凸轮相位器150影响的参数。例如，外源输入328可以包括发动机速度、涡轮增压器入口空气压力、IAT、目标空气/燃料混合物和/或一个或多个其他参数。反馈输入330可以包括例如发动机102的估计出的扭矩输出、涡轮增压器的涡轮160-1下游的排气压力、IAT、发动机102的APC、估计出的剩余稀释、估计出的外部稀释和/或一个或多个其他适合的参数。反馈输入330可以使用传感器（例如，IAT）来测量和/或基于一个或多个其他参数来估计。
由序列确定模块316识别出的每个可能序列包括用于目标值266至270中的每一个的N个值的一个序列。换言之，每个可能序列包括用于目标废气门打开面积266的N个值的序列、用于目标节气门打开面积267的N个值的序列、用于目标EGR打开面积268的N个值的序列、用于目标进气凸轮相位器角269的N个值的序列以及用于目标排气凸轮相位器角270的N个值的序列。N个值中的每一个是用于N个未来控制回路中的对应回路。N是大于或等于一的整数。
成本模块332基于对于可能序列确定的预测参数和输出参考值356确定用于目标值266至270的每个可能序列的成本值。以下进一步论述示例性成本确定。
选择模块344分别基于可能序列的成本来选择目标值266至270的可能序列中的一个。例如，选择模块344可以选择可能序列中具有最低成本、受制于致动器约束348和输出约束352的一个序列。在各个实施中，模型324可以选择可能序列中具有最低成本同时满足致动器约束348和输出约束352的一个序列。
在各个实施中，可以在成本确定中考虑到致动器约束348和输出约束的满足。换言之，成本模块332可以进一步基于致动器约束348和/或输出约束352来确定成本值。如以下进一步论述，基于如何确定成本值，选择模块344将选择可能序列中最佳实现基础空气扭矩请求308同时最小化APC受制于致动器约束348和输出约束352的一个序列。
选择模块344可以分别将目标值266至270设置为选定可能序列的N个值中的第一值。换言之，选择模块344可以将目标废气门打开面积266设置为用于目标废气门打开面积266的N个值的序列中的N个值的第一值，将目标节气门打开面积267设置为用于目标节气门打开面积267的N个值的序列中的N个值的第一值，将目标EGR打开面积268设置为用于目标EGR打开面积268的N个值的序列中的N个值的第一值，将目标进气凸轮相位器角269设置为用于目标进气凸轮相位器角269的N个值的序列中的N个值的第一值，并且将目标排气凸轮相位器角270设置为用于目标排气凸轮相位器角270的N个值的序列中的N个值的第一值。
在下一个控制回路期间，MPC模块312识别可能序列、产生用于可能序列的预测参数、确定可能序列中的每一个的成本、选择可能序列中的一个并且将目标值266至270设置为选定可能序列中的第一组目标值266至270。此过程继续用于每一个控制回路。
致动器约束模块360（参见图2）设置用于目标值266至270中的每一个的致动器约束348中的一个。换言之，致动器约束模块360设置用于节气门阀112的致动器约束、用于EGR阀170的致动器约束、用于废气门阀162的致动器约束、用于进气凸轮相位器148的致动器约束以及用于排气凸轮相位器150的致动器约束。
用于目标值266至270中的每一个的致动器约束348包括用于相关目标值的最大值和用于那个目标值的最小值。致动器约束模块360通常可以将致动器约束348设置为用于相关致动器的预定操作范围。更具体来说，致动器约束模块360通常可以分别将致动器约束348设置为用于节气门阀112、EGR阀170、废气门162、进气凸轮相位器148以及排气凸轮相位器150的预定操作范围。
然而，致动器约束模块360在某些情况下可以选择性地调整致动器约束348中的一个或多个。例如，当在给定发动机致动器中诊断出故障时，致动器约束模块360可以调整用于那个给定致动器的致动器约束以使得用于那个发动机致动器的操作范围变窄。仅举另一个实例而言，例如，对于故障诊断（诸如凸轮相位器故障诊断、节气门诊断或EGR诊断），致动器约束模块360可以调整致动器约束以使得用于给定致动器的目标值遵循随时间的预定时间表或者改变预定量。对于遵循随时间的预定时间表或者改变预定量的目标值而言，致动器约束模块360可以将最小和最大值设置为相同的值。被设置为相同值的最小和最大值可以迫使对应的目标值被设置为与最小和最大值相同的值。致动器约束模块360可以随时间改变最小和最大值被设置为的值以使得目标值遵循预定排程。
输出约束模块364（参见图2）设置用于发动机102的预测扭矩输出、预测CA50、IMEP的预测COV、预测剩余稀释以及预测外部稀释的输出约束352。用于每一个预测值的输出约束352可以包括用于相关的预测参数的最大值和用于那个预测参数的最小值。例如，输出约束352可以包括最小扭矩、最大扭矩、最小CA50和最大CA50、IMEP的最小COV和IMEP的最大COV、最小剩余稀释和最大剩余稀释以及最小外部稀释和最大外部稀释。
输出约束模块364通常可以分别将输出约束352设置为用于相关的预测参数的预定范围。然而，输出约束模块364在一些情况下可以改变输出约束352中的一个或多个。例如，输出约束模块364可以延迟最大CA50，诸如当发动机102内发生爆震时。举另一个实例，输出约束模块364可以在低负载条件下增加IMEP的最大COV，诸如在可能需要IMEP的较高COV来实现给定扭矩请求的发动机怠速过程中。也可以调整输出约束352中的一个或多个以用于催化剂136、上游氧气传感器176和/或下游氧气传感器177的诊断，如下文进一步论述。
参考模块368（参见图2）分别产生用于目标值266至270的参考值356。参考值356包括用于目标值266至270中的每一个的参考。换言之，参考值356包括参考废气门打开面积、参考节气门打开面积、参考EGR打开面积、参考进气凸轮相位器角以及参考排气凸轮相位器角。
参考模块368可以例如基于空气扭矩请求265、基础空气扭矩请求308和/或一个或多个其他适合的参数来确定参考值356。参考值356分别提供用于设置目标值266至270的参考。参考值356可以用来确定用于可能序列的成本值。还可以鉴于一个或多个其他原因来使用参考值356，诸如由序列确定模块316用来确定可能序列。
作为产生可能目标值的序列和确定每个序列的成本的替代或添加，MPC模块312可以使用凸优化技术来识别具有最低成本的可能目标值的序列。例如，MPC模块312可以使用二次规划（QP）解算器（诸如丹齐格QP解算器）来确定目标值266至270。在另一个实例中，MPC模块312可以产生用于目标值266至270的可能序列的成本值的面，并且基于成本面的斜率来识别具有最低成本的一组可能目标值。MPC模块312随后可以测试那组可能目标值以确定那组可能目标值是否满足致动器约束348和/或其他约束。MPC模块312选择具有最低成本同时满足致动器约束348和/或其他约束的可能目标值组。
成本模块332可以基于以下各项之间的关系来确定用于目标值266至270的可能序列的成本：预测扭矩与基础空气扭矩请求308；预测APC与零；可能目标值与相应致动器约束348；其他预测参数与相应输出约束352；以及可能目标值与相应参考值356。所述关系可以例如被加权以控制每个关系对成本的影响。
仅举例而言，成本模块332可以基于以下方程来确定用于目标值266至270的可能序列的成本：
 ，
其中Cost是用于目标值266至270的可能序列的成本，TPi是用于N个控制回路中的第i个控制回路的发动机102的预测扭矩，BATR是基础空气扭矩请求308，并且wT是与预测发动机扭矩与参考发动机扭矩之间的关系相关的加权值。APCPi是用于N个控制回路中的第i个控制回路的预测APC，并且wA是与预测APC与零之间的关系相关的加权值。
成本模块332可以基于以下更详细的方程来确定用于目标值266至270的可能序列的成本：
，
该方程受制于致动器约束348和输出约束352。Cost是用于目标值266至270的可能序列的成本。TPi是用于N个控制回路中的第i个控制回路的发动机102的预测扭矩，BATR是基础空气扭矩请求308，并且wT是与预测发动机扭矩与参考发动机扭矩之间的关系相关的加权值。APCPi是用于N个控制回路中的第i个控制回路的预测APC，并且wA是与预测APC与零之间的关系相关的加权值。
PTTOi是用于N个控制回路中的第i个控制回路的可能目标节气门开度，TORef是参考节气门开度，并且wTV是与可能目标节气门开度与参考节气门开度之间的关系相关的加权值。PTWGOi用于N个控制回路中的第i个控制回路的可能目标废气门开度，WGORef是参考废气门开度，并且wWG是与可能目标废气门开度与参考废气门开度之间的关系相关的加权值。
PTEGROi是用于N个控制回路的第i个控制回路的可能目标EGR开度，EGRRef是参考EGR开度，并且wEGR是与可能目标EGR开度与参考EGR开度之间的关系相关的加权值。PTICi是用于N个控制回路的第i个控制回路的可能目标进气凸轮相位器角，ICPRef是参考进气凸轮相位器角，并且wIP是与可能目标进气凸轮相位器角与参考进气凸轮相位器角之间的关系相关的加权值。PTECi是用于N个控制回路的第i个控制回路的可能目标排气凸轮相位器角，ECPRef是参考排气凸轮相位器角，并且wEP是与可能目标排气凸轮相位器角与参考排气凸轮相位器角之间的关系相关的加权值。
ρ是与输出约束352的满足相关的加权值。?是成本模块332可以基于输出约束352是否将被满足来设置的变量值。例如，当预测参数大于或小于对应的最小或最大值（例如，至少预定量）时，成本模块332可以增加?。当满足所有输出约束352时，成本模块332可以将?设置为零。ρ可以大于加权值wT、加权值wA和其他加权值（wTV、wWG、wEGR、wIP、wEP），这样使得如果未满足输出约束352中的一个或多个则对于可能序列确定的成本将是巨大的。这可以帮助防止选择其中未满足输出约束352中的一个或多个的可能序列。
加权值wT可以大于加权值wA以及加权值wTV、wWG、wEGR、wIP和wEP。以此方式，预测发动机扭矩与基础空气扭矩请求308之间的关系之间的关系对成本具有较大影响，且因此对可能序列中的一个的选择具有较大影响，如以下进一步论述。成本随着预测发动机扭矩与基础空气扭矩请求308之间的差异增加而增加，且反之亦然。
加权值wA可以小于加权值wT并且大于加权值wTV、wWG、wEGR、wIP和wEP。以此方式，预测APC与零之间的关系对成本具有较大影响，但是小于预测发动机扭矩与基础空气扭矩请求308之间的关系的影响。成本随着预测APC与零之间的差异增加而增加，且反之亦然。虽然示出并且已经论述零的示例性使用，但是可以使用预定最小APC来取代零。另外，虽然论述了最小化APC的实例，但是在各个实施中，可以确定并最大化效率参数。例如，效率参数可以是预测扭矩除以预测APC。
因此，基于预测APC与零之间的差异确定成本有助于确保APC将被最小化。当基于实际APC控制加燃料以实现目标空气/燃料混合物时，减少APC减少燃料消耗。由于选择模块344可以选择可能序列中具有最低成本的一个序列，所以选择模块344可以选择可能序列中最佳实现基础空气扭矩请求308同时最小化APC的一个序列。
加权值wTV、wWG、wEGR、wIP和wEP可以小于所有其他加权值。以此方式，在稳态操作过程中，目标值266至270可以分别设置接近参考值356或者处于所述参考值。然而，在瞬间操作过程中，MPC模块312可以调整目标值266至270远离参考值356以实现基础空气扭矩请求308，同时最小化APC并且满足致动器约束348和输出约束352。
在操作中，MPC模块312可以确定用于可能序列的成本值。MPC模块312随后可以选择可能序列中具有最低成本的一个。MPC模块312接下来可以确定选定可能序列是否满足致动器约束348。如果满足，则可以使用可能序列。如果不满足，则MPC模块312基于选定的可能序列来确定满足致动器约束348并且具有最低成本的可能序列。MPC模块312可以使用满足致动器约束348并且具有最低成本的可能序列。
现在参照图4，呈现描绘使用MPC（模型预测控制）来控制节气门阀112、进气凸轮相位器148、排气凸轮相位器150、废气门162（且因此涡轮增压器）以及EGR阀170的示例性方法的流程图。控制可以从404开始，其中扭矩请求模块224基于调整后的预测扭矩请求263和调整后的即时扭矩请求264来确定空气扭矩请求265。
在408，扭矩转换模块304可以将空气扭矩请求265转换为基础空气扭矩请求308或者转换为另一种适合的类型的扭矩以供MPC模块312使用。在412，序列确定模块316基于基础空气扭矩请求308来确定目标值266至270的可能序列。
在416，预测模块323确定用于目标值的每个可能序列的预测参数。预测模块323基于发动机102的模型324、外源输入328和反馈输入330来确定用于可能序列的预测参数。更具体来说，基于目标值266至270的可能序列、外源输入328和反馈输入330，预测模块323使用模型324产生用于N个控制回路的发动机102的预测扭矩序列、用于N个控制回路的预测APC序列、用于N个控制回路的预测量外部稀释序列、用于N个控制回路的预测量剩余稀释序列、用于N个控制回路的预测燃烧定相值序列以及用于N个控制回路的预测燃烧质量值序列。
在420，成本模块332分别确定用于可能序列的成本。仅举例而言，成本模块332可以基于以下方程来确定用于目标值266至270的可能序列的成本
或者基于以下方程
,
该方程受制于致动器约束348和输出约束352，如以上所描述。
在424，选择模块344分别基于可能序列的成本来选择目标值266至270的可能序列中的一个序列。例如，选择模块344可以选择可能序列中具有最低成本同时满足致动器约束348和输出约束352的一个。因此，选择模块344可以选择可能序列中最佳实现基础空气扭矩请求308同时最小化APC并满足输出约束352的一个序列。作为在412确定目标值230至244的可能序列并且在420确定每个序列的成本的替代或添加，MPC模块312可以使用如以上论述的凸优化技术来识别具有最低成本的可能目标值序列。
在425，MPC模块312可以确定可能序列中的选定序列是否满足致动器约束348。如果425为真，则控制可以通过428继续。如果425为假，则在426，MPC模块312可以基于选定的可能序列来确定满足致动器约束348并且具有最低成本的可能序列，并且控制可以通过428继续。可以使用满足致动器约束348并且具有最低成本的可能序列，如以下论述。
在428，第一转换模块272将目标废气门打开面积266转换为目标占空比274以应用于废气门162，第二转换模块276将目标节气门打开面积267转换为目标占空比278以应用于节气门阀112。在428，第三转换模块280还将目标EGR打开面积268转换为目标占空比282以应用于EGR阀170。第四转换模块还可以分别将目标进气凸轮相位器角269和目标排气凸轮相位器角270转换为目标进气占空比和目标排气占空比以用于进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。
在432，节气门致动器模块116控制节气门阀112以实现目标节气门打开面积267，并且相位器致动器模块158分别控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以实现目标进气凸轮相位器角269和目标排气凸轮相位器角270。例如，节气门致动器模块116可以目标占空比278将信号应用于节气门阀112从而实现目标节气门打开面积267。另外在432，EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR打开面积268，并且升压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门打开面积266。例如，EGR致动器模块172可以目标占空比282将信号应用于EGR阀170从而实现目标EGR打开面积268，并且升压致动器模块164可以目标占空比274将信号应用于废气门162从而实现目标废气门打开面积266。虽然图4被示出为在432之后结束，但是图4可以示出一个控制回路，并且可以在预定速率下执行控制回路。
返回参照图2，ECM 114包括催化剂监控模块504（也参见图5）和传感器监控模块508（也参见图6）。如以上所述，当提供到催化剂136的排气是氧气富足（贫油）时，催化剂136存储氧气。催化剂监控模块504监控催化剂136存储氧气的能力并基于催化剂136存储氧气的能力来选择性地诊断催化剂136中故障的存在。
氧气存储能力（OSC）周期可以指示催化剂136存储氧气的能力。催化剂监控模块504可以使用上游氧气传感器176和/或下游氧气传感器177对加燃料的一个或多个改变的响应来确定用于催化剂136的OSC周期。更具体来说，催化剂监控模块504可以基于上游氧气传感器176响应从富油加燃料到贫油加燃料的转变时的第一时间与下游氧气传感器177响应该转变时的第二时间之间的周期来确定用于催化剂136的OSC周期。
当OSC周期大于预定周期时，催化剂监控模块504可以确定催化剂136中不存在故障。相反，当OSC周期小于预定周期时，催化剂监控模块504可以确定催化剂136中存在故障。
然而，下游氧气传感器177产生指示排气的氧气浓度改变的其输出的延迟可能导致下游氧气传感器177比其应有的迟地响应转变。因此，下游氧气传感器177的延迟导致OSC周期增加。因此，下游氧气传感器177的延迟可能导致催化剂监控模块504不正确地确定催化剂136中不存在故障。
传感器监控模块508监控下游氧气传感器177对从富油加燃料到贫油加燃料的转变的响应。基于下游氧气传感器177对该转变的响应，传感器监控模块508确定对应于下游氧气传感器177的延迟的参数。传感器监控模块508还可以确定下游氧气传感器177中是否存在故障。
催化剂监控模块504基于该参数来确定下游氧气传感器177的延迟。催化剂监控模块504基于下游氧气传感器177的延迟来校正OSC周期并且使用校正后的OSC周期来确定催化剂136中是否存在故障。
现在参照图5，呈现催化剂监控系统的示例性实施的功能方框图。当满足一个或多个启用条件时，触发模块512产生用于催化剂诊断、下游氧气传感器诊断和/或上游氧气传感器诊断的执行的触发信号516。例如，当在车辆行驶时存在用于切断发动机102的加燃料的一个或多个条件时，诸如对于减速燃料切断（DFCO）事件，触发模块512可以产生触发信号516。DFCO事件可以例如在驾驶者释放加速踏板以允许车辆减速时发生。
燃料命令模块520选择性地命令扭矩请求模块224产生燃料扭矩请求285，这样使得目标等值比遵循用于催化剂诊断和下游氧气传感器诊断的执行的预定分布图。预定分布图可以包括从富油加燃料到贫油加燃料的一个或多个转变和/或从贫油加燃料到富油加燃料的一个或多个转变。发动机102的加燃料可以在贫油加燃料的周期过程中被切断。
例如，图9包括用于示例性催化剂和下游氧气传感器诊断的等值比524对时间528的示例性图表。线532对应于示例性化学计量等值比。当在车辆行驶时发生用于切断对发动机102的加燃料的一个或多个条件时，触发模块512可以在时间536产生触发信号516。
在时间540，燃料命令模块520调整加燃料以便比化学计量等值比更加富油。燃料命令模块520在时间544将加燃料从富油（比化学计量等值比更富油）转变到贫油（化学计量等值比）。更具体来说，燃料命令模块520可以在时间544切断加燃料。燃料命令模块520在时间548将加燃料从贫油转变到富油。稍后，诸如在时间552，燃料命令模块520可以将加燃料转变回到贫油（例如，切断）。可以继续贫油加燃料，例如直到存在用于结束燃料切断事件的一个或多个条件。
返回参照图5，当产生触发信号516时，约束命令模块556产生用于催化剂和氧气传感器诊断的一个或多个命令的约束560。输出约束模块364根据命令的约束560来设置对应的输出约束352。
例如，命令的约束560可以包括用于将最小APC设置为预定最小APC、将最小和最大剩余稀释设置为剩余稀释的预定最小量、将最小和最大外部稀释设置为外部稀释的预定最小量的约束。仅举例而言，预定最小APC可以是约30克或另一个适合的值，剩余稀释的预定最小量可以是零，并且外部稀释的预定最小量可以是零。此外，命令的约束560可以包括用于将最小和最大COV设置为预定最小COV以便在诊断过程中尽可能最小化IMEP的COV的约束。仅举例而言，预定最小COV可以是约3%或另一个适合的值。
命令的约束560可以额外地或替代地包括用于目标值266至270中的一个或多个的致动器约束，诸如目标进气凸轮相位器角269和排气凸轮相位器角270和/或目标废气门打开面积266。仅举例而言，约束命令模块556可以设置用于目标进气凸轮相位器角269和目标排气凸轮相位器角270的致动器约束以最小化剩余稀释并最大化有效位移。约束命令模块556可以设置用于目标废气门打开面积266的致动器约束以维持废气门162的开度以便不会导致排气流的改变。
约束命令模块556在催化剂和氧气传感器诊断期间维持命令的约束560以用于诊断的稳定性。在诊断过程中维持命令的约束560确保条件保持大约恒定以增加确定催化剂136和/或下游氧气传感器177中是否存在故障的精确度。命令的约束560还确保诊断期间的良好燃烧，这也有助于增加诊断的精确度。
当产生触发信号516时，参考模块368可以设置用于诊断的参考值356中的一个或多个。例如，参考模块368可以基于最小化剩余稀释和最大化有效位移来设置参考进气和排气凸轮相位器角。
基于命令的约束560，可能序列的成本将在诊断期间预测该可能序列导致以下各项中的一个或多个时增加：APC小于预定最小APC；剩余稀释大于预定最小值；外部稀释大于预定最小值；以及IMEP的COV大于预定最大值。这将确保在诊断期间，APC、剩余稀释、外部稀释以及IMEP的COV尽可能紧密地追踪预定最小APC、预定最小剩余稀释、预定最小外部稀释以及IMEP的预定最大COV。
如以上所述，外源输入328可以包括目标空气/燃料混合物。如以下所描述，加燃料从富油转变到贫油以及从贫油转变到富油以用于诊断。发动机102可以在增加加燃料时产生较多扭矩，并且可以在加贫油时产生较少扭矩。MPC模块312对此进行综合并设置目标值266至270以便不管加燃料的改变而尽可能紧密地实现基础空气扭矩请求308。
当产生触发信号516时，燃料命令模块520可以命令扭矩请求模块224产生燃料扭矩请求285以使得加富油。稍后，诸如在产生触发信号516之后的预定周期，燃料命令模块520命令扭矩请求模块224产生燃料扭矩请求285以转变到贫油加燃料，诸如通过切断加燃料。
当燃料命令模块520命令从富油到贫油的转变时，燃料命令模块520产生富油到贫油（R到L）转变指示符608。当执行转变时，上游氧气传感器176在催化剂136和下游氧气传感器177之前接收贫油排气。因此，基于由上游氧气传感器176产生的信号产生的上游氧气浓度612应在下游氧气传感器177之前响应转变。
上游氧气监控模块616可以响应于正产生富油到贫油转变指示符608来重置并起动上游定时器值。因此，上游定时器值对应于从命令富油到贫油的转变开始过去的周期。
上游氧气监控模块616监控上游氧气浓度612。上游氧气监控模块616可以将上游氧气浓度612与第一预定值相比较。当上游氧气传感器176处的排气是富油时，上游氧气浓度612可以大于第一预定值。
当上游氧气浓度612从大于第一预定值转变为小于第一预定值时，上游氧气监控模块616可以将上游转变周期620设置为等于上游定时器值。以此方式，上游转变周期620指示当命令从富油到贫油的转变时的时间与上游氧气传感器176指示排气是贫油时的时间之间的周期。
下游氧气监控模块624可以响应于正产生富油到贫油转变指示符608来重置并起动下游定时器值。因此，下游定时器值也对应于从命令富油到贫油的转变开始过去的周期。
下游氧气监控模块624监控下游氧气浓度628。下游氧气浓度628是基于由下游氧气传感器177产生的信号而产生。下游氧气监控模块624可以将下游氧气浓度628与第二预定值相比较。当下游氧气传感器177处的排气是富油时，下游氧气浓度628可以大于第二预定值。第二预定值可以与第一预定值相同或不同。
当下游氧气浓度628从大于第二预定值转变为小于第二预定值时，下游氧气监控模块624可以将下游转变周期632设置为等于下游定时器值。以此方式，下游转变周期632指示当命令从富油到贫油的转变时的时间与下游氧气传感器177指示排气是贫油时的时间之间的周期。
氧气存储能力（OSC）确定模块636基于上游转变周期620和下游转变周期632来确定用于催化剂136的OSC周期640。OSC周期640对应于催化剂136能够存储的氧气的量。OSC确定模块636可以基于上游转变周期620与下游转变周期632之间的差异来设置OSC周期640。仅举例而言，OSC确定模块636可以将OSC周期640设置为等于下游转变周期632减去上游转变周期620。
校正模块644基于OSC周期640和传感器延迟周期652来确定校正后的OSC周期648。校正模块644基于OSC周期640与传感器延迟周期652之间的差异来确定校正后的OSC周期648。仅举例而言，校正模块644可以将校正后的OSC周期648设置为等于OSC周期640减去传感器延迟周期652。传感器延迟周期652对应于当将贫油排气提供到下游氧气传感器177时与当下游氧气传感器177产生指示排气是贫油的信号时之间的周期。
延迟确定模块656可以基于面积660和面积660的过滤后的版本中的一个来确定传感器延迟周期652。面积660的过滤后的版本将称为过滤后的面积664。延迟确定模块656可以基于过滤器状态668来选择面积660和过滤后的面积664中的一个以用于确定传感器延迟周期652。下文结合图6来进一步论述面积660、过滤后的面积664和过滤器状态668。
当过滤器状态668是第一状态时，延迟确定模块656可以选择面积660。当过滤器状态668是第二状态时，延迟确定模块656可以选择过滤后的面积664。延迟确定模块656使用将面积与传感器延迟周期相关联的函数和映射（例如，查找表）中的一个基于面积660和过滤后的面积664中的选定一个来确定传感器延迟周期652。
标准化模块672可以标准化校正后的OSC周期648并产生OSC比率676。标准化模块672可以根据催化剂136的温度和发动机气流（例如，MAF）来标准化校正后的OSC周期648。
比率过滤模块677可以将过滤器应用于OSC比率676以产生过滤后的OSC比率678。仅举例而言，过滤器可以是指数地加权的移动平均（EWMA）过滤器。比率过滤模块677可以分别基于OSC比率676的当前值和从M个先前富油到贫油转变的OSC比率676的M个先前值的EWMA来产生过滤后的OSC比率678。M是大于零的整数。
催化剂故障检测模块680可以基于过滤后的OSC比率678来确定催化剂138中是否存在故障。仅举例而言，当过滤后的OSC比率678小于预定值时，催化剂故障检测模块680可以确定催化剂136中存在故障。相反，当过滤后的OSC比率678大于预定值时，催化剂故障检测模块680可以确定催化剂136中不存在故障。故障可以指示催化剂136存储氧气的能力小于可接受水平。在各个实施中，预定值可以是0.0与1.0之间的值。
当催化剂136中存在故障时，催化剂故障检测模块680可以采取一个或多个矫正动作。仅举例而言，催化剂故障检测模块680可以选择性地调整一个或多个发动机操作参数（例如，目标等值比）。催化剂故障检测模块680可以额外地或替代地将催化剂故障指示符684存储在内存688中。催化剂故障指示符684可以包括例如预定诊断故障码（DTC）。催化剂故障指示符684指示催化剂136中存在故障。故障监控模块692可以监控内存688并且在催化剂136中存在故障时点亮指示器，诸如故障指示灯（MIL）696。
现在参照图6，呈现传感器监控模块508的示例性实施的功能方框图。面积确定模块704可以响应于正产生富油到贫油转变指示符608来监控下游氧气浓度628。
面积确定模块704可以基于在产生富油到贫油转变指示符608时的时间与下游氧气浓度628变得小于第三预定值时的后一时间之间的下游氧气浓度628的一个或多个数学积分来确定面积660。面积660可以对应于在产生富油到贫油转变指示符608时的时间与下游氧气浓度628变得小于第三预定值时的后一时间之间的下游氧气浓度628形成的曲线下的面积。第三预定值可以与第一预定值相同或不同并且可以与第二预定值相同或不同。
面积过滤模块708可以将过滤器应用于面积660以产生过滤后的面积664。仅举例而言，过滤器可以是指数地加权的移动平均（EWMA）过滤器。加权可以与由比率过滤模块677施加的EWMA过滤器的加权相同或不同。面积过滤模块708可以分别基于面积660的当前值和从N个先前富油到贫油转变的面积660的N个先前值的EWMA来产生过滤后的面积664。N是大于零的整数。N可以与M相等或不同。
最初，诸如在起动时（例如，钥匙接通），用于产生过滤后的面积664的面积660的先前值可以被设置为预定初始化值。面积过滤模块708可以基于面积660的先前值来产生过滤器状态668。更具体来说，面积过滤模块708可以基于从面积660的先前值最后一次被设置为预定初始化值开始是否已经获得面积660的至少N个值来产生过滤器状态668。如果已经获得，则面积过滤模块708可以将过滤器状态668设置为第二状态。如果未获得，则面积过滤模块708可以将过滤器状态668设置为第一状态。
以此方式，延迟确定模块656可以使用面积660来确定传感器延迟周期652直到从面积660的先前值最后一次被设置为预定初始化值开始已经获得面积660的至少N个值。在从面积660的先前值最后一次被设置为预定初始化值开始已经获得面积660的至少N个值之后，延迟确定模块656可以使用过滤后的面积664来确定传感器延迟周期652。
传感器监控模块508还可以包括传感器故障检测模块712。传感器故障检测模块712可以基于过滤器状态668来选择面积660和过滤后的面积664中的一个。传感器故障检测模块712可以在过滤器状态668处于第一状态下时选择面积660并且可以在过滤器状态668处于第二状态下时选择过滤后的面积664。
传感器故障检测模块712基于面积660和过滤后的面积664中选定的一个来确定下游氧气传感器177中是否存在故障。传感器故障检测模块712可以基于面积660和过滤后的面积664中选定的一个与预定面积的比较来确定下游氧气传感器177中存在的故障。例如，当面积660和过滤后的面积664中选定的一个大于预定面积时，传感器故障检测模块712可以确定下游氧气传感器177中存在故障。故障可以指示与下游氧气传感器177相关的延迟大于可接受水平。
当下游氧气传感器177中存在故障时，传感器故障检测模块712可以采取一个或多个矫正动作。仅举例而言，传感器故障检测模块712可以选择性地调整一个或多个发动机操作参数。传感器故障检测模块712可以额外地或替代地将下游传感器故障指示符716存储在内存688中。下游传感器故障指示符716可以包括例如预定DTC。下游传感器故障指示符716指示下游氧气传感器177中存在故障。故障监控模块692可以在下游氧气传感器177中存在故障时点亮指示器。虽然示出诊断下游氧气传感器177中的故障的实例，但是可以类似地或同样地诊断上游氧气传感器176中的故障。
现在参照图7，呈现描绘诊断催化剂136中是否存在故障的示例性方法的流程图。控制可以通过804开始，其中控制确定是否满足用于执行催化剂和/或下游传感器诊断的一个或多个条件，诸如是否存在用于执行减速燃料切断的条件。如果为是，则控制通过806继续；如果为否，则控制保持在804。
在806，约束命令模块556产生用于诊断的命令的约束560。根据命令的约束560，致动器约束模块360设置对应的致动器约束348和/或输出约束模块364设置对应的输出约束352。
例如，约束命令模块556可以产生用于将最小APC设置为预定最小APC、将最小和最大剩余稀释设置为剩余稀释的预定最小量、将最小和最大外部稀释设置为外部稀释的预定最小量并且将IMEP的最大COV设置为预定最大值的约束。仅举例而言，预定最小APC可以是约100毫克或另一个适合的值，剩余稀释的预定最小量可以是零，外部稀释的预定最小量可以是零，并且预定最大值可以是约3%。约束命令模块556可以例如设置用于参考值356和/或目标值266至270中的一个或多个的约束，如以上所论述。
通过使用命令的约束560，可能序列的成本将在预测可能序列导致以下各项中的一个或多个时增加：在诊断期间APC小于预定最小APC；剩余稀释大于预定最小值；外部稀释大于预定最小值；以及IMEP的COV大于预定最大值。这将确保在诊断期间，实际APC、实际剩余稀释、实际外部稀释以及IMEP的实际COV尽可能紧密地追踪预定最小APC、预定剩余稀释、预定外部稀释以及IMEP的预定最大COV。
约束命令模块556在催化剂和/或氧气传感器诊断期间维持命令的约束560以用于诊断的稳定性。在诊断过程中维持命令的约束560确保在诊断期间条件保持大约恒定。在806，燃料命令模块520还可以使得富油加燃料比化学计量更富油。
在808，燃料命令模块520产生富油到贫油转变指示符608。在812，燃料命令模块520可以命令发动机102的加燃料从富油转变到贫油。例如，燃料命令模块520可以命令切断加燃料。在816，上游氧气监控模块616确定上游氧气浓度612是否大于第一预定值。如果为是，则控制通过820继续；如果为否，则控制保持在816。
上游氧气监控模块616可以将上游转变周期620设置为等于命令富油到贫油转变时的时间与当前时间之间的周期。在824，下游氧气监控模块624确定下游氧气浓度628是否小于第二预定值。如果为是，则控制可以通过828继续；如果为否，则控制可以保持在824。
在828，下游氧气监控模块624可以将下游转变周期632设置为等于命令富油到贫油转变时的时间与当前时间之间的周期。在832，OSC确定模块636基于上游转变周期620和下游转变周期632来确定用于催化剂136的OSC周期640。OSC确定模块636基于上游转变周期620与下游转变周期632之间的差异来确定OSC周期640。例如，OSC确定模块636可以将OSC周期640设置为等于下游转变周期632减去上游转变周期620。
在836，延迟确定模块656确定过滤器状态668是否指示第一状态。如果为是，则控制通过840继续；如果为否，则控制通过844继续。在840，延迟确定模块656基于面积660来确定传感器延迟周期652。在844，延迟确定模块656基于过滤后的面积664来确定传感器延迟周期652。延迟确定模块656可以使用面积660和过滤后的面积664中选定的一个和将面积与传感器延迟周期相关联的函数和映射中的一个来确定传感器延迟周期652。在840或844之后，控制通过848继续。
在848，校正模块644基于传感器延迟周期652校正OSC周期640以产生校正后的OSC周期648。校正模块644可以基于OSC周期640与传感器延迟周期652之间的差异来设置校正后的OSC周期648。举例而言，校正模块644可以将校正后的OSC周期648设置为等于OSC周期640减去传感器延迟周期652。
在852，标准化模块672标准化校正后的OSC周期648以产生OSC比率676。在852，比率过滤模块677可以将过滤器应用于OSC比率676以产生过滤后的OSC比率678。仅举例而言，过滤器可以包括EWMA过滤器，并且可以使用来自发动机加燃料从富油到贫油的先前转变的OSC比率676的一个或多个先前值来产生过滤后的OSC比率678。
在856，催化剂故障检测模块680可以确定过滤后的OSC比率678是否小于预定值。如果856为否，则在860，催化剂故障检测模块680可以产生催化剂故障指示符684以指示催化剂136中不存在故障，并且控制可以结束。如果856为是，则在864，催化剂故障检测模块680可以产生催化剂故障指示符684以指示催化剂136中存在故障。控制可以通过868继续，其中可以采取一个或多个矫正动作，诸如点亮MIL 696、在内存688中设置指示催化剂136中存在故障的DTC、调整一个或多个发动机操作参数和/或一个或多个其他适合的矫正动作。控制可以在868或860之后结束。虽然控制被展示和论述为结束，但是图7可以示出一个控制回路，并且控制可以返回到804。例如，一旦在贫油到富油转变之后下游氧气传感器177指示富油状态，则约束命令模块560可以释放命令的约束560。
现在参照图8，呈现描绘产生传感器延迟周期652的示例性方法的流程图。控制可以通过904继续，其中面积确定模块704确定是否在产生富油到贫油转变指示符608。如果为是，则控制通过908继续。如果为否，则控制可以保持在904。
在908，面积确定模块704可以重置定时器并且取样下游氧气浓度628。在912，面积确定模块704可以确定下游氧气浓度628是否小于第三预定值。如果912为是，则控制可以通过932继续，下文进一步论述。如果912为否，则控制可以通过916继续。
在916，面积确定模块704确定定时器是否对应于预定的取样周期。如果916为是，则控制可以通过920继续。如果916为否，则控制可以返回到912。在920，面积确定模块704可以重置定时器并且取样下游氧气浓度628。在924，面积确定模块704可以基于下游氧气浓度628的样本和下游氧气浓度628的最后一个值来确定部分面积。在首次执行924时，下游氧气浓度628的最后一个值可以用作在908获得的下游氧气浓度的值。在924已经被执行至少一次之后，下游氧气浓度628的最后一个值可以是来自920的最后一次执行的下游氧气浓度628的值。面积确定模块704可以基于在样本与取样周期过程中最后一个值之间的改变的积分来确定部分面积。在928，面积确定模块704可以将部分面积添加到积累的面积（与之求和），并且控制可以返回到912。
返回参照932（当在912，下游氧气浓度628小于第三预定值时），面积确定模块704可以取样下游氧气浓度628。在936，面积确定模块704可以基于下游氧气浓度628的样本和下游氧气浓度628的最后一个值来确定部分面积。在936的下游氧气浓度628的最后一个值可以是在920的最后一次执行期间获得的下游氧气浓度的值。面积确定模块704可以基于在932获得的样本与在对应于定时器的周期内的最后一个值之间的改变的积分来确定部分面积。在940，面积确定模块704可以将部分面积添加到积累的面积（与之求和）。
在944，面积确定模块704可以将积累的面积设置为等于面积660。在940，面积过滤模块708可以将过滤器应用于面积660以产生过滤后的面积664。还可以使用来自先前富油到贫油转变的面积660的一个或多个先前值来产生过滤后的面积664。面积过滤模块708可以应用例如EWMA过滤器以产生过滤后的面积664。
传感器故障检测模块712可以基于过滤后的面积664和面积660中的一个来确定和指示下游氧气传感器177中是否存在故障。控制可以在948后结束。虽然控制被展示和论述为结束，但是图8可以示出一个控制回路，并且控制可以返回到904。图7和8的实例可以响应于富油到贫油转变而并行执行（例如，同时）。图4的实例与图7和图8并行执行。以此方式，在催化剂和传感器诊断过程中，命令的约束560组由MPC模块312使用以设置目标值266至270。
以上描述实质上仅是说明性的，而绝不意欲限制本公开、其应用或使用。本公开的广泛教示可以各种形式来实施。因此，虽然本公开包括具体实例，但是本公开的真实范围不应限于此，因为其他修改将在学习附图、说明书以及随附权利要求之后变得显而易见。如本文所使用，短语A、B和C中的至少一个应解释为意味着使用非排他性的逻辑或的逻辑（A或B或C）。应理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法内的一个或多个步骤可以不同的次序（或同时地）执行。
在包括以下定义的此申请中，术语模块可以由术语电路取代。术语模块可以指代以下内容、是其一部分或者包括以下内容：特定应用集成电路（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；场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器（共享、专用或集群）；存储由处理器执行的代码的内存（共享、专用或集群）；提供所描述的功能性的其他适合的硬件部件；或者以上内容中的一些或所有的组合，诸如片上系统。
如以上所使用的术语代码可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指代程序、例程、功能、分类和/或目标。术语共享处理器涵盖执行来自多个模块的一些或所有代码的单个处理器。术语集群处理器涵盖与额外处理器组合执行来自一个或多个模块的一些或所有代码的处理器。术语共享内存涵盖存储来自多个模块的一些或所有代码的单个内存。术语集群内存涵盖与额外内存组合存储来自一个或多个模块的一些或所有代码的内存。术语内存可以是术语计算机可读介质的子集。术语计算机可读介质并不涵盖通过介质传播的暂时电信号和电磁信号，并且因此可以被认为是有形且永久的。永久的有形计算机可读介质的非限制性实例包括非易失性内存、易失性内存、磁性存储器和光学存储器。
此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所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永久的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/或依赖于所存储的数据。

Claims (10)

1.一种用于车辆的发动机控制系统，包括：
燃料控制模块，所述燃料控制模块将发动机加燃料从富油转变到贫油；
催化剂故障检测模块，所述催化剂故障检测模块基于氧气传感器对所述转变的响应来诊断排气催化剂中是否存在故障，其中所述氧气传感器位于所述排气催化剂的上游和下游之一处；
预测模块，所述预测模块基于所述发动机的模型和基于发动机扭矩请求确定的可能目标值组来产生所述发动机的预测操作参数；
成本模块，所述成本模块基于所述预测操作参数与预定最小值和最大值的比较来确定用于所述可能目标值组的成本；
约束模块，所述约束模块在所述转变之前选择性地调整所述预定最小值和最大值中的至少一个以用于所述故障诊断；
选择模块，所述选择模块基于所述成本从包括所述可能目标值组和基于所述发动机扭矩请求确定的N个其他可能目标值组的群组中选择所述可能目标值组，其中N是大于零的整数，并且其基于选定的可能目标值组来设置目标值；以及
致动器模块，所述致动器模块基于所述目标值中的第一值控制发动机致动器。
2.如权利要求1所述的发动机控制系统，其进一步包括传感器故障检测模块，所述传感器故障检测模块基于所述氧气传感器对转变的响应来诊断所述氧气传感器中是否存在第二故障。
3.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中当以下各项中的一个时，所述成本模块增加用于所述可能目标值组的所述成本：
所述预测操作参数小于所述预定最小值；以及
所述预测操作参数大于所述预定最大值。
4.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述约束模块在所述转变过程中在所述发动机的所述加燃料是贫油时维持所述预定最小和最大值中的所述至少一个。
5.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中：
所述预测模块基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的每汽缸空气（APC）的预测量；
所述成本模块基于APC的预测量与APC的预定最小量和APC的预定最大量的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及
所述约束模块选择性地调整APC的预定最小量和APC的预定最大量中的至少一个以用于所述故障诊断。
6.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中：
所述预测模块基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的指示的平均有效压力（IMEP）的预测变化系数（COV）；
所述成本模块基于IMEP的预测COV与预定最小值和预定最大值的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及
所述约束模块选择性地调整所述预定最小值和所述预定最大值中的至少一个以用于所述故障诊断。
7.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中：
所述预测模块基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的剩余稀释的预测量；
所述成本模块基于剩余稀释的预测量与预定最小剩余稀释量和预定最大剩余稀释量的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及
所述约束模块选择性地调整所述预定最小剩余稀释量和所述预定最大剩余稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
8.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中：
所述预测模块基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的外部稀释的预测量；
所述成本模块基于外部稀释的预测量与预定最小外部稀释量和预定最大外部稀释量的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及
所述约束模块选择性地调整所述预定最小外部稀释量和所述预定最大外部稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
9.如权利要求1所述的发动机控制系统，其进一步包括：
节气门致动器模块，所述节气门致动器模块基于所述目标值中的第一值控制节气门阀的开度；
升压致动器模块，所述升压致动器模块基于所述目标值中的第二值控制涡轮增压器的废气门的开度；
排气再循环（EGR）致动器模块，所述EGR致动器模块基于所述目标值中的第三值控制EGR阀的开度；以及
相位器致动器模块，所述相位器致动器模块基于所述目标值中的第四值和第五值控制进气门和排气门定相。
10.一种用于车辆的发动机控制方法，包括：
将发动机的加燃料从富油转变到贫油；
基于氧气传感器对所述转变的响应来诊断排气催化剂中是否存在故障，其中所述氧气传感器位于所述排气催化剂的上游和下游之一处；
基于所述发动机的模型和基于发动机扭矩请求确定的可能目标值组来产生所述发动机的预测操作参数；
基于所述预测操作参数与预定最小值和最大值的比较来确定用于所述可能目标值组的成本；
在所述转变之前，选择性地调整所述预定最小值和最大值中的至少一个以用于所述故障诊断；
基于所述成本：
　　从包括所述可能目标值组和基于所述发动机扭矩请求确定的N个其他可能目标值组的群组中选择所述可能目标值组，其中N是大于零的整数；以及
　　基于选定的可能目标值组来设置目标值；以及
基于所述目标值中的第一值控制发动机致动器。
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