CN106246360B - 控制发动机的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种根据本发明的原理的系统包括发动机致动器控制模块，以及阀升程控制模块和汽缸启用模块中的至少一者。阀升程控制模块调节发动机的阀致动器的目标升程状态，以调节发动机汽缸的进气阀和汽缸的排气阀中的至少一个从阀座提升的量。汽缸启用模块确定发动机中启用汽缸的目标数量。发动机致动器控制模块基于在未来时刻的目标升程状态和在所述未来时刻的启用汽缸的目标数量中的至少一者来控制在当前时刻的发动机的第一致动器。第一致动器与阀致动器不同。

Description

控制发动机的系统和方法
技术领域
本发明涉及内燃机，并且更具体地，涉及使用模型预测控制来控制发动机以使阀升程状态的变化对发动机操作的影响最小化的系统和方法。
背景技术
这里提供的背景技术描述是出于一般性地呈现本发明的上下文的目的。当前署名的发明人的工作(就该工作在此背景技术部分所描述的程度而言)以及在提交时可能未以其他方式成为现有技术的所述描述的多个方面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。
内燃机使空气和燃料混合物在汽缸内燃烧以驱动活塞，这产生驱动扭矩。经由节流阀调整进入发动机的空气流量。更具体地，节流阀调节节流阀面积，这增加或减少进入发动机的空气流量。当节流阀面积增加，进入发动机的空气流量增加。燃料控制系统调节燃料喷射的速率，以向汽缸提供期望的空气/燃料混合物并且/或者实现期望的扭矩输出。增加提供给汽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，火花发起提供给汽缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压缩点火发动机中，汽缸中的压缩使提供给汽缸的空气/燃料混合物燃烧。火花定时和空气流量可以是用于调节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节压缩点火发动机的扭矩输出的主要机制。
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期望的扭矩。然而，传统的发动机控制系统不能如所期望的那样精确地控制发动机输出扭矩。进一步地，传统的发动机控制系统不提供对控制信号的快速响应或者协调影响发动机输出扭矩的各种装置之间的发动机扭矩控制。
发明内容
根据本发明原理的一种系统包括发动机致动器控制模块以及阀升程控制模块和汽缸启用模块中的至少一个。阀升程控制模块调节发动机的阀致动器的目标升程状态，以调节发动机汽缸的进气阀和汽缸的排气阀中的至少一者从阀座提升的量。汽缸启用模块确定发动机中的启用汽缸的目标数量。发动机致动器控制模块基于在未来时刻的目标升程状态和在所述未来时刻的启用汽缸的目标数量中的至少一者来控制在当前时刻的发动机的第一致动器。第一致动器与阀致动器不同。
本发明的其他应用领域将通过具体实施方式、权利要求和附图而变得显而易见。具体实施方式和特定示例旨在仅用于例示的目的，而并非旨在限制本发明的范围。
附图说明
通过具体实施方式和附图，将更充分地理解本发明，其中：
图1为根据本发明的示例发动机系统的功能框图；
图2为根据本发明的示例控制系统的功能框图；
图3为根据本发明的示例空气控制模块的功能框图；
图4为示出根据本发明的使用模型预测控制来控制发动机的示例方法的流程图；以及
图5为示出根据本发明的使用模型预测控制来控制发动机的示例信号的图。
在附图中，可以重复使用附图标号识别类似和/或相同的元件。
具体实施方式
发动机控制模块(ECM)控制发动机的扭矩输出。更具体地，ECM 基于所请求的扭矩量确定发动机致动器的目标值并且基于该目标值控制致动器。例如，ECM基于目标进气相位器角度和目标排气相位器角度控制进气和排气凸轮轴定相，基于目标节流阀开度控制节流阀，基于目标EGR开度控制排气再循环(EGR)，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)控制器单独地确定目标值。然而，当使用多个SISO控制器时，可将目标值设定为以可能的燃料消耗减少为代价来保持系统稳定性。另外，单独的SISO控制器的校准和设计可能是昂贵且耗时的。
本发明的ECM使用模型预测控制(MPC)生成目标值。更具体地，ECM基于发动机扭矩请求识别可能的目标值集合。ECM基于可能的集合的目标值和发动机的数学模型确定针对可能的集合中的每一个的预测参数。例如，ECM针对可能的目标值集合中的每一个确定预测的发动机输出扭矩和预测的每缸空气(APC)。ECM也可针对每个可能的目标值集合确定一个或多个其他预测参数。
ECM可确定与可能的集合中的每一个的使用相关联的成本。ECM基于针对所述可能的集合确定的预测的发动机输出扭矩与发动机扭矩请求之间的第一差确定成本。针对可能的集合确定的成本随着第一差的幅度增加而增加，并且反之亦然。
ECM可以选择具有最低成本的可能的集合中的一个。以这种方式，ECM可以选择被预测为最密切地追踪发动机扭矩请求的可能的集合中的一个。ECM使用所选择的可能的集合的目标值设定用于控制发动机致动器的目标值。在各种具体实施中，代替或者除了识别可能的目标值集合并确定所述集合中的每一组的成本，ECM可以生成表示可能的目标值集合的成本的面。然后，ECM可基于成本面的坡度识别具有最低成本的可能的集合。
ECM生成目标升程状态以调节汽缸的进气阀和排气阀从它们相应的阀座提升的量。例如，ECM可以在低升程状态与高升程状态之间切换目标升程状态。在低升程状态中，进气阀和排气阀从它们相应的阀座提升第一量。在高升程状态中，进气阀和排气阀从它们相应的阀座提升第二量，所 述第二量大于所述第一量。ECM也可以生成启用汽缸的目标数量以调节发动机中启用汽缸的数量。
如上所述，由ECM使用MPC生成的目标值可以包括目标空气致动器值，诸如目标进气相位器角度和目标排气相位器角度、目标节流阀开度、目标EGR开度以及目标废气门占空比。然而，一些ECM可以不使用MPC生成目标升程状态或启用汽缸的目标数量。因此，当升程状态改变时并且/或者当汽缸被停用或被启用时，使用MPC确定的目标值可以不像所期望的那样精确地控制穿过发动机的气流的量。进而，ECM可以不像所期望的那样精确地控制发动机的扭矩输出。另外，ECM可以不实现最佳的燃料经济性。
根据本发明的ECM确定目标升程状态和/或启用汽缸的目标数量的未来值，并且当使用MPC生成其他目标值时考虑这些未来值。在一个示例中，ECM针对可能的其他目标值集合、目标升程状态的未来值以及发动机的数学模型来确定预测参数。在另一个示例中，ECM针对可能的其他目标值集合、启用汽缸的目标数量的未来值以及发动机的数学模型来确定预测参数。在任一个示例中，ECM基于预测参数来确定与可能的其他目标值集合中的每一个相关联的成本并且选择具有最低成本的可能的集合中的一个。
ECM可以基于未来的若干(例如，10个)控制回路的升程状态和/或启用汽缸的数量的目标值以上文所述的方式来使用MPC生成当前控制回路的其他目标值。这允许ECM在升程状态和/或启用汽缸的数量发生变化之前对所述变化作出反应。例如，ECM可以增加当前时刻的目标节流阀开度，以补偿由于在未来时刻目标升程状态从高升程状态改变到低升程状态所导致的穿过发动机的气流的量的预期降低。由于ECM能够在升程状态和/或启用汽缸的数量发生变化之前对所述变化作出反应，所以在这些转变期间该ECM可以比其他ECM更精确地控制穿过发动机的气流的量。因此，该ECM可以比其他ECM更精确地控制发动机的扭矩输出。另外，与其他ECM相比，该ECM可以实现更好的燃料经济性。
现在参照图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产生的驱动扭矩的量基于来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入。发动机102可以为汽油火花点火式内燃机。
通过节流阀112将空气吸入到进气歧管110中。仅仅举例来说，节流阀112可包括具有可旋转叶片的蝶形阀。发动机控制模块(ECM)114控制节流阀致动器模块116，该节流阀致动器模块116调整节流阀112的开度以控制被吸入到进气歧管110中的空气的量。
来自进气歧管110的空气被吸入到发动机102的汽缸中。而发动机102可包括多个汽缸，为了说明性目的示出了单个代表性的汽缸118。仅仅举例来说，发动机102可包括2个、3个、4个、5个、6个、8个、10个和/或12个汽缸。ECM 114可指令汽缸致动器模块120选择性地停用汽缸中的一些，这在某些发动机操作工况下可以改进燃料经济性。
发动机102可以使用四冲程循环操作。以下所述的四个冲程可以被称为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴(未示出)的每个回转期间，在汽缸118内发生四个冲程中的两个冲程。因此，两次曲轴回转对汽缸118是必要的，以经历所有四个冲程。
在进气冲程期间，来自进气歧管110的空气通过进气阀122吸入到汽缸118中。ECM114控制燃料致动器模块124，该燃料致动器模块124调整燃料喷射以实现目标空气/燃料比。燃料可以在中心位置处或在多个位置处诸如汽缸中的每一个的进气阀122附近喷射到进气歧管110中。在各种具体实施(未示出)中，燃料可以直接喷射到汽缸中或喷射到与汽缸相关联的混合室中。燃料致动器模块124可以中止向停用的汽缸喷射燃料。
所喷射的燃料与空气混合并且在汽缸118中产生空气/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ECM114的信号给汽缸118中的火花塞128供能，这点燃了空气/燃料混合物。可以相对于活塞在其最顶部位置(称为上止点(TDC))时的时刻指定火花定时。
火花致动器模块126可以由指定在TDC之前或之后多久生成火花的 定时信号控制。因为活塞位置直接与曲轴旋转有关，所以火花致动器模块126的操作可以与曲轴角度同步。生成火花可以称为点燃事件。火花致动器模块126可以具有针对每个点燃事件改变火花定时的能力。当火花定时在上一个点燃事件与下一个点燃事件之间变化时，火花致动器模块126可以针对下一个点燃事件改变火花定时。火花致动器模块126可以中止向停用的汽缸提供火花。
在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞远离TDC，从而驱动曲轴。燃烧冲程可以被限定为活塞到达TDC与活塞到达下止点(BDC)时的时刻之间的时刻。在排气冲程期间，活塞开始移动远离BDC并且通过排气阀130排出燃烧的副产物。燃烧的副产物经由排气系统134从车辆排放。
进气阀122使用进气阀致动器136致动，而排气阀130使用排气阀致动器138致动。阀升程致动器模块139可以基于来自ECM 114的信号控制进气阀致动器136和排气阀致动器138。在各种具体实施中，进气阀致动器136可以致动汽缸118的多个进气阀(包括进气阀122)。类似地，排气阀致动器138可以致动汽缸118的多个排气阀(包括排气阀130)。另外，单个阀致动器可以致动汽缸118的一个或多个排气阀和汽缸118的一个或多个进气阀。进一步地，进气阀致动器136可以致动多个汽缸的多个进气阀，并且排气阀致动器138可以致动多个汽缸的多个排气阀。
在各种具体实施中，进气阀致动器136可以由进气凸轮轴140驱动，并且排气阀致动器138可以由排气凸轮轴142驱动。例如，进气阀致动器136可以包括摇臂和联接到摇臂的凸轮从动件。当凸轮从动件接合进气凸轮轴140上的凸角时，摇臂可以从其阀座提升进气阀122。类似地，排气阀致动器138可以包括摇臂和联接到摇臂的凸轮从动件。当凸轮从动件接合排气凸轮轴142上的凸角时，摇臂可以从其阀座提升排气阀130。
在其他具体实施中，进气阀致动器136和排气阀致动器138可以独立于凸轮轴致动进气阀122和排气阀130。例如，进气阀122和排气阀130可以是电磁或电液阀致动器。在这些具体实施中，进气阀致动器136和排气阀致动器138可以称为无凸轮阀致动器。
进气阀致动器136和排气阀致动器138可以改变进气阀122和排气阀130从其相应阀座提升的量。例如，进气阀致动器136和排气阀致动器138可以在第一升程状态与第二升程状态之间切换。当在第一升程状态下操作时，进气阀致动器136和排气阀致动器138可以致使进气阀122和排气阀130从其相应阀座提升第一量。当在第二升程状态下操作时，进气阀致动器136和排气阀致动器138可以致使进气阀122和排气阀130从其相应阀座提升第二量。第一量和第二量可以是预定非零值。另外，且第二量可以大于第一量。就此而言，第一升程状态可以称为低升程状态，且第二升程状态可以称为高升程状态。
当进气阀致动器136和排气阀致动器138为凸轮驱动时，进气阀致动器136和排气阀致动器138中的每一个可以包括具有可调节以改变进气阀122和排气阀130的升程的高度的凸轮从动件。另选地，进气阀致动器136和排气阀致动器138中的每一个可以包括螺线管，所述螺线管沿凸轮轴140和142中的一个的长度平移凸轮轴区段，以致使凸轮从动件接合凸轮轴区段上的不同凸角。凸角可以具有不同的高度，使得切换凸轮从动件接合的凸角中的哪一个凸角改变进气阀122和排气阀130的升程。阀致动器诸如以上这些阀致动器可以称为滑动凸轮致动器。
当进气阀致动器136和排气阀致动器138为无凸轮阀致动器时，阀致动器136和138也可分别调节进气阀122和排气阀130的定时。当进气阀致动器136和排气阀致动器138为凸轮驱动时，进气阀122和排气阀130的定时可以分别通过进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150调节。相位器致动器模块158可基于从ECM 114接收的信号调节进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150的位置。
汽缸致动器模块120可以通过指令阀升程致动器模块139禁止打开进气阀122和/或排气阀130来停用汽缸118。当进气阀致动器136为凸轮驱动时，进气阀致动器136可通过将进气阀122从进气凸轮轴140脱离来禁止打开进气阀122。类似地，当排气阀致动器138为凸轮驱动时，排气阀致动器138可通过将排气阀130从排气凸轮轴142脱离来禁止打开排气阀130。
在各种具体实施中，阀升程致动器模块139可通过将进气阀致动器136和排气阀致动器138切换到第三升程状态来禁止打开进气阀122和排气阀130。当在第三升程状态下操作时，进气阀致动器136和排气阀致动器138可将进气阀122和排气阀130从其相应阀座提升第三量。第三量可以为零。因此，第三升程状态可以称为零升程状态。
发动机系统100可包括具有热涡轮160-1的涡轮增压器，该热涡轮160-1由流经排气系统134的热排气提供动力。涡轮增压器也包括由涡轮160-1驱动的冷空气压缩机160-2。压缩机160-2压缩通向节流阀112的空气。在各种具体实施中，由曲轴驱动的机械增压器(未示出)可以压缩来自节流阀112的空气，并将压缩空气递送到进气歧管110。
废气门162可允许排气绕过涡轮160-1，从而减少由涡轮增压器提供的升压(进气压缩的量)。升压致动器模块164可通过控制废气门162的打开来控制涡轮增压器的升压。在各种具体实施中，两个或更多个涡轮增压器可以实现并可由升压致动器模块164控制。
空气冷却器(未示出)可将来自压缩空气充气的热量传递到冷却介质，诸如发动机冷却剂或空气。使用发动机冷却剂来冷却压缩空气充气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增压的空气冷却器可以称为增压空气冷却器。压缩空气充气可例如经由压缩接收热量和/或接收来自排气系统134的部件的热量。尽管出于说明目的示出为分开的，但涡轮160-1和压缩机160-2可以彼此附接，从而使进气紧邻热排气。
发动机系统100可包括排气再循环(EGR)阀170，该阀170选择性地将排气重新引导回到进气歧管110。EGR阀170可位于涡轮160-1的上游。EGR阀170可基于来自ECM 114的信号由EGR致动器模块172控制。
曲轴的位置可使用曲轴位置(CKP)传感器180测量。曲轴的旋转速度(发动机速度)可基于曲轴位置确定。发动机冷却剂的温度可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内或位于冷却剂循环通过的其他位置，诸如散热器(未示出)处。
进气歧管110内的压力可使用歧管绝对压力(MAP)传感器184测量。 在各种具体实施中，可以测量发动机真空度，其为环境空气压力与进气歧管110内的压力之间的差。流入进气歧管110中的空气的质量流率可使用质量空气流量(MAF)传感器186测量。在各种具体实施中，MAF传感器186可位于也包括节流阀112的壳体中。
节流阀致动器模块116可使用一个或多个节流阀位置传感器(TPS)190来监测节流阀112的位置。吸入到发动机102中的空气的环境温度可以使用进气温度(IAT)传感器192测量。ECM 114可以使用来自传感器的信号作出对发动机系统100的控制决定。
ECM 114可以与变速器控制模块194通信以协调变速器(未示出)中的换挡。例如，ECM 114可在换挡期间减小发动机扭矩。ECM 114可与混合控制模块196通信以协调发动机102和电动马达198的操作。电动马达198也可充当发电机，并可用于产生供车辆电气系统使用和/或储存在电池中的电能。在各种具体实施中，ECM 114、变速器控制模块194和混合控制模块196的各种功能可以集成到一个或多个模块中。
每个改变发动机参数的系统均可以被称为发动机致动器。例如，节流阀致动器模块116可调节节流阀112的开度以实现目标节流阀开度面积。火花致动器模块126控制火花塞以实现相对于活塞TDC的目标火花定时。燃料致动器模块124控制燃料喷射器以实现目标供给燃料参数。阀升程致动器模块139控制进气阀致动器136和排气阀致动器138以实现目标升程状态。相位器致动器模块158可控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以分别实现目标进气凸轮相位器角度和目标排气凸轮相位器角度。EGR致动器模块172可控制EGR阀170以实现目标EGR开度面积。升压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门开度面积。容量致动器模块120控制气缸停用以实现启用或停用的汽缸的目标数量。
ECM 114生成发动机致动器的目标值，以致使发动机102生成目标发动机输出扭矩。如下面进一步所论述的，ECM 114使用模型预测控制生成发动机致动器的目标值。
现在参照图2，ECM 114的示例具体实施包括驾驶员扭矩模块202、车轴扭矩仲裁模块204和推进扭矩仲裁模块206。ECM 114可包括混合优 化模块208。ECM 114也可包括储备/负载模块220、扭矩请求模块224、空气控制模块228、阀升程控制模块230、火花控制模块232、容量控制模块236和/或燃料控制模块240。
驾驶员扭矩模块202可基于来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入244确定驾驶员扭矩请求242。驾驶员输入244可基于例如加速踏板的位置和/或制动踏板的位置。驾驶员输入244也可基于巡航控制系统，该巡航控制系统可以是改变车辆速度来维持预定行车间距的自适应巡航控制系统。驾驶员扭矩模块202可存储加速踏板位置相对于目标扭矩的一个或多个映射，并可基于所选择的映射中的一个确定驾驶员扭矩请求242。
车轴扭矩仲裁模块204在驾驶员扭矩请求242和其他车轴扭矩请求246之间进行仲裁。车轴扭矩(车轮处的扭矩)可由各种源产生，包括发动机和/或电动马达。例如，车轴扭矩请求246可包括当检测到正车轮滑移时由牵引力控制系统所请求的扭矩减小。当车轴扭矩克服车轮与路面之间的摩擦且车轮开始相对于路面滑移时发生正车轮滑移。车轴扭矩请求246也可包括用于抵消负车轮滑移的扭矩增大请求，在负车轮滑移的情况下，因为车轴扭矩是负的，所以车辆的轮胎相对于路面在另一方向上滑移。
车轴扭矩请求246也可包括制动管理请求和车辆超速扭矩请求。制动管理请求可减小车轴扭矩，以确保车轴扭矩不超过车辆停止时制动器保持车辆的能力。车辆超速扭矩请求可减小车轴扭矩，以防止车辆超过预定速度。车轴扭矩请求246也可由车辆稳定性控制系统生成。
车轴扭矩仲裁模块204基于接收到的扭矩请求242和246之间的仲裁结果输出预测扭矩请求248和即时扭矩请求250。如下所述，来自车轴扭矩仲裁模块204的预测扭矩请求248和即时扭矩请求250可在用于控制发动机致动器之前由ECM 114的其他模块选择性地调节。
一般而言，即时扭矩请求250可为当前期望的车轴扭矩的量，而预测扭矩请求248可为在短时间内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250的车轴扭矩。然而，目标值的不同组合可导致相同的车轴扭矩。因此，ECM 114可调节目标值，以使在依然维持即时扭矩请求250处的车轴扭矩的同时，能够更快地转变到预 测扭矩请求248。
在各种具体实施中，预测扭矩请求248可基于驾驶员扭矩请求242进行设定。即时扭矩请求250在一些情况下可设定成小于预测扭矩请求248，诸如当驾驶员扭矩请求242在冰面上引起车轮滑移时。在这种情况下，牵引力控制系统(未示出)可经由即时扭矩请求250来请求减小，并且ECM114减小至即时扭矩请求250的发动机扭矩输出。然而，ECM 114执行所述减小，因此一旦车轮滑移停止，发动机系统100就可快速地重新开始产生预测扭矩请求248。
一般而言，即时扭矩请求250与(通常更高的)预测扭矩请求248之间的差可被称为扭矩储备。扭矩储备可表示发动机系统100可以最小延迟开始产生的附加扭矩的量(高于即时扭矩请求250)。快速发动机致动器用于以最小延迟增大或减小当前车轴扭矩。可与慢速发动机致动器相对比地限定快速发动机致动器。
一般而言，快速发动机致动器可比慢速发动机致动器更快速地改变车轴扭矩。慢速致动器可比快速致动器更慢地响应于它们相应的目标值的变化。例如，慢速致动器可包括机械部件，其需要时间响应于目标值变化而从一个位置移动到另一位置。慢速致动器的特征也可以在于，一旦慢速致动器开始实施改变的目标值，车轴扭矩就开始改变所花费的时间量。通常，慢速致动器的时间量比快速致动器的时间量长。此外，即使在开始改变之后，车轴扭矩可花费更长时间来完全响应于慢速致动器的变化。
仅举例而言，火花致动器模块126可以是快速致动器。火花点火发动机可通过施加火花来燃烧燃料，包括例如汽油和乙醇。相反，节流阀致动器模块116可以是慢速致动器。
例如，如上所述，当火花定时在上一个点燃事件和下一个点燃事件之间改变时，火花致动器模块126可针对下一个点燃事件改变火花定时。相反，节流阀开度的变化花费更长的时间影响发动机输出扭矩。节流阀致动器模块116通过调节节流阀112的叶片角度来改变节流阀开度。因此，当针对节流阀112的开度的目标值改变时，在节流阀112响应于该变化从其先前位置移动到新的位置时存在机械延迟。此外，基于节流阀开度的空气 流量变化经受进气歧管110中的空气输送延迟。进一步地，直到汽缸118在下一进气冲程中接收附加空气、压缩该附加空气并且开始燃烧冲程，进气歧管110中增加的空气流量才实现为发动机输出扭矩的增大。
将这些致动器用作示例，通过将节流阀开度设定为允许发动机102产生预测扭矩请求248的值可产生扭矩储备。同时，可基于比预测扭矩请求248小的即时扭矩请求250设定火花定时。虽然节流阀开度生成足够的空气流量以供发动机102产生预测扭矩请求248，但火花定时基于即时扭矩请求250而被延迟(这减小了扭矩)。因此，发动机输出扭矩将等于即时扭矩请求250。
当需要附加的扭矩时，火花定时可基于预测扭矩请求248或者在预测扭矩请求248和即时扭矩请求250之间的扭矩来设定。通过接下来的点燃事件，火花致动器模块126可使火花定时返回至最佳值，这允许发动机102产生可利用已经存在的空气流量实现的完全发动机输出扭矩。因此，在不经受因改变节流阀开度引起的延迟的情况下，发动机输出扭矩可快速地增大到预测扭矩请求248。
车轴扭矩仲裁模块204可将预测扭矩请求248和即时扭矩请求250输出到推进扭矩仲裁模块206。在各种具体实施中，车轴扭矩仲裁模块204可将预测扭矩请求248和即时扭矩请求250输出到混合优化模块208。
混合优化模块208可确定应由发动机102产生多少扭矩并且确定应由电动马达198产生多少扭矩。然后，混合优化模块208分别将修改的预测扭矩请求252和即时扭矩请求254输出到推进扭矩仲裁模块206。在各种具体实施中，混合优化模块208可在混合控制模块196中实施。
由推进扭矩仲裁模块206接收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)转换为推进扭矩阈(曲轴处的扭矩)。该转换可在混合优化模块208之前、之后、作为其一部分或者代替其发生。
推进扭矩仲裁模块206在包括经转换的预测扭矩请求和即时扭矩请求的推进扭矩请求156之间进行仲裁。推进扭矩仲裁模块206生成经仲裁的预测扭矩请求258和经仲裁的即时扭矩请求260。经仲裁的扭矩请求258 和260可通过从所接收的扭矩请求中选择胜出的请求来生成。另选地或另外地，经仲裁的扭矩请求可通过基于所接收的扭矩请求中的另一个或多个来修改所接收请求中的一个而生成。
例如，推进扭矩请求256可包括用于发动机超速保护的扭矩减小、用于防止失速的扭矩增大以及由变速器控制模块194请求的以适应换挡的扭矩减小。推进扭矩请求256也可由离合器燃料切断产生，当驾驶员在手动变速器车辆中压下离合器踏板以防止发动机速度突变时，离合器燃料切断减小发动机输出扭矩。
推进扭矩请求256也可包括发动机关闭请求，其可在检测到关键故障时发起。仅举例而言，关键故障可包括检测到车辆被盗、卡住的起动器马达、电子节流阀控制问题以及意外的扭矩增大。在各种具体实施中，当存在发动机关闭请求时，仲裁选择发动机关闭请求作为胜出的请求。当存在发动机关闭请求时，推进扭矩仲裁模块206可输出零作为经仲裁的预测扭矩请求258和即时扭矩请求260。
在各种具体实施中，发动机关闭请求可独立于冲裁程序而仅使发动机102停机。推进扭矩仲裁模块206仍可接收发动机关闭请求，使得例如适当的数据可被反馈回其他扭矩请求器。例如，所有其他扭矩请求器可被告知它们在仲裁中失败。
储备/负载模块220接收经仲裁的预测扭矩请求258和即时扭矩请求260。储备/负载模块220可调节经仲裁的预测扭矩请求258和即时扭矩请求260以产生扭矩储备和/或补偿一个或多个负载。然后，储备/负载模块220将经调节的预测扭矩请求262和即时扭矩请求264输出到扭矩请求模块224。
仅举例而言，催化剂起燃过程或冷起动减排过程可需要延迟的点火定时。因此，储备/负载模块220可将经调节的预测扭矩请求262增大到高于经调节的即时扭矩请求264，以产生用于冷起动减排过程的延迟的火花。在另一个示例中，可直接改变发动机的空气/燃料比和/或质量空气流量，诸如通过诊断侵入式当量比测试和/或新的发动机吹扫。在开始这些过程之前，可产生或增加扭矩储备，以快速抵消在这些过程期间由于使空气/燃料 混合物变稀所导致的发动机输出扭矩的减小。
储备/负载模块220也可在预期未来负载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时产生或增加扭矩储备。当驾驶员第一次请求空气调节时，可以产生用于接合A/C压缩机离合器的储备。在使经调节的即时扭矩请求264不改变时，储备/负载模块220可以增大经调节的预测扭矩请求262以产生扭矩储备。然后，当A/C压缩机离合器接合时，储备/负载模块220可通过所估计的A/C压缩机离合器的负载而增大经调节的即时扭矩请求264。
扭矩请求模块224接收经调节的预测扭矩请求262和即时扭矩请求264。扭矩请求模块224确定将如何实现经调节的预测扭矩请求262和即时扭矩请求264。扭矩请求模块224可以是发动机类型专用的。例如，对于火花点火发动机和压缩点火发动机，扭矩请求模块224可用不同方式实施或使用不同的控制方案。
在各种具体实施中，扭矩请求模块224可限定所有发动机类型通用的模块和发动机类型专用的模块之间的界限。例如，发动机类型可包括火花点火式和压缩点火式。扭矩请求模块224之前的模块，诸如推进扭矩仲裁模块206，可以是发动机类型通用的，而扭矩请求模块224以及随后的模块可以是发动机类型专用的。
扭矩请求模块224基于经调节的预测扭矩请求262和即时扭矩请求264确定空气扭矩请求265。空气扭矩请求265可为制动扭矩。制动扭矩可指在当前操作工况下曲轴处的扭矩。
基于空气扭矩请求265确定气流控制发动机致动器的目标值。更具体地，基于空气扭矩请求265，空气控制模块228确定目标废气门开度面积266、目标节流阀开度面积267、目标EGR开度面积268、目标进气凸轮相位器角度269以及目标排气凸轮相位器角度270。空气控制模块228使用模型预测控制确定目标废气门开度面积266、目标节流阀开度面积267、目标EGR开度面积268、目标进气凸轮相位器角度269以及目标排气凸轮相位器角度270，这将在下文中进一步讨论。空气控制模块228可以称为发动机致动器控制模块。
升压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门开度面积266。例如，第一转换模块272可将目标废气门开度面积266转换为目标占空比274以施加到废气门162，并且升压致动器模块164可基于该目标占空比274将信号施加到废气门162。在各种具体实施中，第一转换模块272可将目标废气门开度面积266转换为目标废气门位置(未示出)，并且将该目标废气门位置转换为目标占空比274。
节流阀致动器模块116控制节流阀112以实现目标节流阀开度面积267。例如，第二转换模块276可将目标节流阀开度面积267转换为目标占空比278以施加到节流阀112，并且节流阀致动器模块116可基于该目标占空比278将信号施加到节流阀112。在各种具体实施中，第二转换模块276可将目标节流阀开度面积267转换为目标节流阀位置(未示出)，并且将该目标节流阀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开度面积268。例如，第三转换模块280可将目标EGR开度面积268转换为目标占空比282以施加到EGR阀170，并且EGR致动器模块172可基于该目标占空比282将信号施加到EGR阀170。在各种具体实施中，第三转换模块280可将目标EGR开度面积268转换为目标EGR位置(未示出)，并且将该目标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度269。相位器致动器模块158也控制排气凸轮相位器150以实现目标排气凸轮相位器角度270。在各种具体实施中，第四转换模块(未示出)可被包括在内，并且可将目标进气凸轮相位器角度和目标排气凸轮相位器角度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可将目标进气占空比和目标排气占空比分别施加到进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。在各种具体实施中，空气控制模块228可确定目标重叠因子和目标有效排量，并且相位器致动器模块158可控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以实现目标重叠因子和目标有效排量。
阀升程控制模块230确定进气阀致动器36的目标升程状态284以及 排气阀致动器38的目标升程状态286。阀升程控制模块230可以基于空气扭矩请求265、发动机102中启用汽缸的目标数量以及发动机102上的负载量确定目标升程状态284、286。阀升程控制模块230可以基于这些使用预定关系的参数来确定目标升程状态284、286，所述关系可以体现在查找表和/或等式中。阀升程控制模块230可以使用来自MAF传感器186的进气的质量流率作为发动机负载的的近似值。阀升程致动器模块139控制进气阀致动器136和排气阀致动器138以分别实现目标升程状态284和286。
阀升程控制模块230可以在第一(低)升程状态和第二(高)升程状态之间切换目标升程状态284、286。阀升程控制模块230可通常将目标升程状态284、286调节到第一升程状态以改进燃料经济性，因为减少穿过汽缸的气流量使实现目标空气/燃料比所需要的燃料量减少。然而，当空气扭矩请求265增大时，阀升程控制模块230可将目标升程状态284、286从第一升程状态切换到第二升程状态以增加发动机102的扭矩容量，从而满足空气扭矩请求265。例如，当空气扭矩请求265大于阈值时，阀升程控制模块230可以将目标升程状态284、286从第一升程状态切换到第二升程状态，这可取决于启用汽缸的目标数量。另外，即使当该工况未被满足，当由于高发动机负载而需要大量升压来在第一升程状态下使汽缸填充有空气时将目标升程状态284、286调节到第二升程状态也可更具燃料效率。因此，如上所述，当调节目标升程状态284、286时，除了空气扭矩请求265和启用汽缸的数量之外，阀升程控制模块230还可以考虑发动机负载。
阀升程控制模块230可以基于空气扭矩请求265、发动机102中启用汽缸的目标数量以及发动机102上的负载量确定目标升程状态284、286的未来值。阀升程控制模块230可以基于空气扭矩请求265、发动机102中启用汽缸的目标数量以及发动机102上的负载量的未来值确定目标升程状态284、286的未来值。阀升程控制模块230可以基于这些参数是增加还是减少来确定这些参数的未来值，并且如果是这样，可确定所述参数增加或减少的速率。
扭矩请求模块224也可以基于预测扭矩请求262和即时扭矩请求264 生成火花扭矩请求288、扭矩容量请求290和燃料扭矩请求292。火花控制模块232可以基于火花扭矩请求288确定将火花定时从最佳火花定时延迟多少(这减小了发动机输出扭矩)。仅举例而言，扭矩关系可以被求逆以求解目标火花定时294。对于给定的扭矩请求(TReq)，目标火花定时(ST)294可以基于下式来确定：
(1)ST＝f-1(TReq,APC,I,E,AF,OT,#)
其中，APC是每缸空气，I是进气阀定相值，E是排气阀定相值，AF是空气/燃料比，OT是油温，以及#是启用汽缸的数量。该关系可以体现为等式和/或查找表。如燃料控制模块240所报告的那样，空气/燃料比(AF)可为实际空气/燃料比。
当火花定时被设定为最佳火花定时时，所得的扭矩可尽可能地接近最大最优扭矩(MBT)。MBT是指对于给定的空气流量，在使用具有比预定辛烷额定值更大的辛烷额定值的燃料并且使用化学计量供给燃料的情况下在火花定时被提前时所生成的最大发动机输出扭矩。该最大扭矩发生时的火花定时被称为MBT火花定时。由于例如燃料质量(诸如当使用较低的辛烷值燃料时)和环境因素诸如周围湿度和温度，最佳火花定时可稍微不同于MBT火花定时。因此，最佳火花定时处的发动机输出扭矩可小于MBT。仅举例而言，对应不同发动机操作工况的最佳火花定时的表可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工况从所述表中确定最佳值。
容量控制模块236可以基于扭矩容量请求290确定目标扭矩容量296。在一个示例中，目标扭矩容量296可指示启用汽缸的目标数量。在另一个示例中，可以使用停用汽缸的目标数量。在任一种情况下，容量控制模块236都可以称为汽缸启用模块。容量致动器模块120可基于启用汽缸的目标数量来使发动机102的一个或多个汽缸停用。容量致动器模块120可以指令阀升程致动器模块139禁止打开停用汽缸的进气阀122和/或排气阀130。容量致动器模块120可以指令燃料致动器模块12停止为停用汽缸提供燃料，并且可以指令火花致动器模块126停止为停用汽缸提供火花。一旦汽缸中已经存在的空气/燃料混合物已被燃烧，火花致动器模块126就可 以停止向汽缸提供火花。
容量控制模块236可基于扭矩容量请求290确定启用汽缸的目标数量的未来值。容量控制模块236可基于扭矩容量请求290的未来值确定启用汽缸的目标数量的未来值。阀升程控制模块230可基于扭矩容量请求290是增大还是减小来确定扭矩容量请求290的未来值，并且如果是这样，可确定扭矩容量请求290增大或减小的速率。
燃料控制模块240可基于燃料扭矩请求292改变提供给每个汽缸的燃料量。更具体地，燃料控制模块240可基于燃料扭矩请求292生成目标供给燃料参数298。目标供给燃料参数298可包括例如燃料目标质量、目标喷射开始定时以及燃料喷射目标次数。
在正常操作期间，燃料控制模块240可在空气引导模式下操作，在空气引导模式下，燃料控制模块240试图通过基于空气流量控制供给燃料来维持化学计量的空气/燃料比。例如，燃料控制模块240可确定当与当前的每缸空气(APC)的质量组合时将产生化学计量燃烧的目标燃料质量。
图3是空气控制模块228的示例具体实施的功能框图。现在参照图2和图3，如以上所讨论，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。由转换为基础扭矩产生的扭矩请求在本文被称为基础空气扭矩请求306。
基础扭矩可指当发动机102为暖的并且没有扭矩负载通过附件诸如交流发电机和A/C压缩机施加在发动机102上时在发动机102的操作期间在测力计上得到的曲轴处的扭矩。扭矩转换模块304可将空气扭矩请求265转换为基础空气扭矩请求306，例如，通过使用使制动扭矩与基础扭矩相关的映射或函数。在各种具体实施中，扭矩转换模块304可将空气扭矩请求265转换为另一合适类型的扭矩，诸如指示扭矩。指示扭矩可指由经由汽缸内的燃烧产生的功引起的曲轴处的扭矩。
预期扭矩请求模块308生成用于未来N(例如10)个控制回路的预期扭矩请求。预期扭矩请求可被统称为预期扭矩轨迹。预期扭矩请求模块308输出基础空气扭矩请求310，其包括用于当前控制回路的基础空气扭矩请 求306和用于N个控制回路的预期扭矩请求。
MPC模块312通过使用MPC(模型预测控制)方案来生成目标值266-270。MPC模块312可为单个模块或可包括多个模块。例如，MPC模块312可包括序列确定模块316。序列确定模块316确定可在N个控制回路期间一起使用的目标值266-270的可能序列。
由序列确定模块316识别的可能序列中的每一个包括用于目标值266-270中的每一个的N个值的一个序列。换句话说，每个可能序列包括用于目标废气门开度面积266的N个值的序列、用于目标节流阀开度面积267的N个值的序列、用于目标EGR开度面积268的N个值的序列、用于目标进气凸轮相位器角度269的N个值的序列，以及用于目标排气凸轮相位器角度270的N个值的序列。N个值中的每个值用于N个未来控制回路中的一个对应回路。N是大于或等于1的整数。
基于发动机102的(数学)模型324、外来外部输入328和反馈输入330，预测模块323预测发动机102对目标值266-270的可能序列和目标升程状态284、286的未来值的响应。更具体地，基于目标值266-270的可能序列、目标升程状态284、286的未来值、外来输入328和反馈输入330，通过使用模型324，预测模块323生成用于N个控制回路的发动机102的预测扭矩的序列、用于N个控制回路的预测APC的序列、用于N个控制回路的外部稀释预测量的序列、用于N个控制回路的残留稀释预测量的序列、用于N个控制回路的预测燃烧定相值的序列，以及用于N个控制回路的预测燃烧质量值的序列。目标升程状态284、286的未来值可包括用于N个控制回路中的每个控制回路的目标升程状态。
模型324可以是例如基于发动机102的特性来校准的函数或映射，所述特性包括进气阀致动器136和排气阀致动器138的特性。因此，模型324可限定发动机102的响应、目标值266-270、目标升程状态284、286的未来值、外来输入328和反馈输入330之间的关系。预测模块323可使用由模型324限定的此关系来基于外来输入328和反馈输入330预测发动机102对目标值266-270的可能序列和目标升程状态284、286的未来值的响应。
发动机102的响应、目标值266-270、目标升程状态284、286的未来 值、外来输入328和反馈输入330之间的关系在整个可能的发动机速度和发动机负载的范围内可以是非线性的。然而，模型324可包括各自对应于发动机速度和负载范围的多个线性模型。预测模块323可基于当前发动机速度和负载选择模型中的一个，并使用所选择的模型来预测发动机102的响应。例如，第一模型可用于每分钟1000转(RPM)至2000RPM的发动机速度范围以及100牛顿-米(Nm)至150Nm的发动机负载范围内。第二模型可用于100RPM至2000RPM的发动机速度范围以及150Nm至200Nm的发动机负载范围内。第三模型可用于2000RPM至3000RPM的发动机速度范围以及100Nm至150Nm的发动机负载范围内。
在各种具体实施中，除了或者替代预测发动机102对目标升程状态284、286的未来值的响应，预测模块323可使用模型324来预测发动机102对启用汽缸的目标数量的未来值的响应。如上所述，目标容量296可指示启用汽缸的目标数量。启用汽缸的目标数量的未来值可以包括用于N个控制回路中的每个控制回路的启用汽缸的目标数量。
稀释可以指来自先前燃烧事件的捕集在用于燃烧事件的汽缸内的排气的量。外部稀释可以指经由EGR阀170为燃烧事件提供的排气。残留稀释(也称为内部稀释)可以指遗留在汽缸内的排气和/或在燃烧循环的排气冲程之后推回到汽缸内的排气。
燃烧定相可以指曲轴位置，其中所喷射的预定量的燃料在相对于用于预定量的喷射燃料的燃烧的预定曲轴位置的汽缸内燃烧。例如，燃烧定相可以相对于预定CA50用CA50来表达。CA50可以指其中喷射燃料质量的50％已在汽缸内燃烧的曲轴角度(CA)。在各种具体实施中，预定CA50可对应于其中由所喷射的燃料产生最大量的功的CA50，并且可以为在TDC(上止点)之后的约8.5度至约10度。尽管燃烧定相将根据CA50值进行讨论，但可以使用指示燃烧定相的另一个合适的参数。此外，尽管燃烧质量将被讨论为指示平均有效压力(IMEP)值的变异系数(COV)，但可以使用指示燃料质量的另一个合适的参数。
外来输入328可包括不直接受节流阀112、EGR阀170、涡轮增压器、进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150影响的参数。例如，外来输入 328可包括发动机速度、涡轮增压器入口空气压力、IAT和/或一个或多个其他参数。反馈输入330可包括例如发动机102的估计扭矩输出、涡轮增压器的涡轮160-1下游的排气压力、IAT、发动机102的APC、所估计的残留稀释、所估计的外部稀释和/或一个或多个其他合适的参数。反馈输入330可使用传感器(例如，IAT)来测量和/或基于一个或多个其他参数来估计。
成本模块322基于针对可能序列确定的预测参数来确定目标值266-270的可能序列中的每个序列的成本值。示例成本确定在下文进一步讨论。选择模块344分别基于可能序列的成本选择目标值266-270的可能序列中的一个。例如，选择模块344可选择具有最低成本同时满足目标约束348和预测约束352的可能序列中的一个。
在各种具体实施中，目标约束348和预测约束352的满足可在成本确定中考虑。换句话说，成本模块332可进一步基于目标约束348和预测约束352来确定成本值。在各种具体实施中，成本模块332可基于目标值266-270中的每个目标值的参考值356来确定成本值。如下面进一步讨论，基于如何确定成本值，选择模块344将选择最佳地实现基础空气扭矩请求306同时最小化受限于目标约束348和预测约束352的APC的可能序列中的一个。
选择模块344可将目标值266-270设定为所选择序列的N个值中的相应第一值。换句话说，选择模块344可将目标废气门开度面积266设定为用于目标废气门开度面积266的N个值的序列中的N个值的第一值，将目标节流阀开度面积267设定为用于目标节流阀开度面积267的N个值的序列中的N个值的第一值，将目标EGR开度面积268设定为用于目标EGR开度面积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度269设定为用于目标进气凸轮相位器角度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度270设定为用于目标排气凸轮相位器角度270的N个值的序列中的N个值的第一值。
在接下来的控制回路期间，MPC模块312识别可能序列，生成可能序列的预测参数，确定可能序列中的每个序列的成本，基于所述成本选择可 能序列中的一个，并且在所选择的序列中将目标值266-270设定为第一目标值266-270集合。该过程持续用于每个控制回路。通过基于目标升程状态284、286的未来值或启用汽缸的目标数量预测可能序列的参数，确定可能序列中的每个序列的成本，并且基于所述成本选择可能序列中的一个，MPC模块312可以针对阀升程状态或启用汽缸的数目的转变优化目标值266-270。进而，ECM 114可以比其他发动机控制模块更精确地控制穿过发动机102的气流，这可以改进发动机扭矩控制并且改进燃料经济性。
目标约束模块360(参见图2)针对目标值266-270中的每个目标值设定目标约束348中的一个。换言之，目标约束模块360设定节流阀112的目标约束、EGR阀170的目标约束、废气门162的目标约束、进气凸轮相位器148的目标约束以及排气凸轮相位器150的目标约束。
针对目标值266-270中的每个目标值的目标约束348可以包括相关联的目标值的最大值以及所述目标值的最小值。目标约束模块360可以将目标约束348大体设定为相关联致动器的预定操作范围。更具体地，目标约束模块360可以将目标约束348分别大体设定为节流阀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，目标约束模块360可以在一些情况下选择性地调节目标约束348中的一个或多个。例如，当在发动机致动器中诊断到故障时，目标约束模块360可以调节给定致动器的目标约束以使所述发动机致动器的操作范围变窄。仅再举一例而言，例如对于故障诊断，诸如凸轮相位器故障诊断、节流阀诊断、EGR诊断等，目标约束模块360可以调节目标约束，使得给定致动器的目标值随时间遵循预定计划或者改变预定的量。对于随时间遵循预定计划或者改变预定的量的目标值，目标约束模块360可以将最小值和最大值设定为相同值。最小值和最大值被设定为相同值可以迫使对应目标值被设定为与最小值和最大值相同的值。目标约束模块360可以改变相同值，最小值和最大值随时间被设定为所述相同值，以致使目标值遵循预定计划。
预测约束模块362(参见图2)针对发动机102的预测扭矩输出、预 测CA50、IMEP的预测COV、预测的残留稀释以及预测的外部稀释来设定预测约束352。针对预测值中的每个预测值的预测约束352可以包括相关联的预测参数的最大值和所述预测参数的最小值。例如，预测约束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、最小残留稀释和最大残留稀释、以及最小外部稀释和最大外部稀释。
预测约束模块362可以将预测约束352分别大体设定为相关联的预测参数的预定范围。然而，预测约束模块362可以在一些情况下改变预测约束352中的一个或多个。例如，预测约束模块362可以使最大CA50延迟，例如当发动机102内发生爆震时。再举一例，预测约束模块362可以在低负载工况下，诸如在其中可需要IMEP的较高的COV来实现给定扭矩请求的发动机空转期间增大IMEP的最大COV。
参考模块364(参见图2)针对目标值266-270生成参考值356。参考值356包括针对目标值266-270中的每个值的参考。换句话说，参考值356包括参考废气门开度面积、参考节流阀开度面积、参考EGR开度面积、参考进气凸轮相位器角度和参考排气凸轮相位器角度。
参考模块364可以例如基于空气扭矩请求265、基础空气扭矩请求306和/或一个或多个其他合适的参数来确定参考值356。参考值356分别提供用于设定目标值266-270的参考。参考值356可以用于确定可能序列的成本值。也可出于一个或多个其他原因使用参考值356，例如通过序列确定模块316来确定可能序列。
代替或除了生成可能目标值的序列以及确定所述序列中的每一个的成本之外，MPC模块312可以使用凸优化技术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Dantzig QP解算器来确定目标值266-270。在另一个示例中，MPC模块312可以生成目标值266-270的可能序列的成本值的面，并且基于成本面的坡度来识别具有最低成本的可能目标值集合。然后MPC模块312可以测试所述可能目标值集合，以确定所述可能目标值集合是否将满足目标约束348和预测约束352。如果满足，则MPC模块312可以分别将目标值266-270 设定为所述所选择的可能序列的N个值的第一值，如上所述。
如果未满足目标约束348和/或预测约束352，则MPC模块312选择具有下一最低成本的另一可能目标值序列，并测试所述可能目标值序列以满足目标约束348和预测约束352。选择序列并测试该序列以满足目标约束348和预测约束352的过程可以称为迭代。在每个控制回路期间可以执行多次迭代。
MPC模块312执行迭代直至具有最低成本的满足目标约束348和预测约束352的序列被识别。以这种方式，MPC模块312选择具有最低成本且同时满足目标约束348和预测约束352的可能目标值的序列。
成本模块332可基于以下关系来确定目标值266-270的可能序列的成本：预测扭矩与基础空气扭矩请求之间的关系；可能目标值与相应目标约束348之间的关系；预测参数与相应预测约束352之间的关系；以及可能目标值与相应参考值356之间的关系。可以对这些关系(例如)进行加权以控制所述关系中的每一个对成本的影响。
仅举例而言，成本模块332可以基于或使用以下等式来确定目标值266、268-270和320的可能序列的成本：
其受限于目标约束348和预测约束352。成本为目标值266、268-270和320的可能序列的成本，TPi为N个控制回路中第i个控制回路的发动机102的预测扭矩，BATRi为N个控制回路中第i个控制回路的基础空气扭矩请求，以及wT为与预测扭矩和扭矩请求之间的关系相关联的加权值。BATR1为基础空气扭矩请求306。在各种具体实施中，还可以将BATR BATR2至BATRN设定为基础空气扭矩请求306，或者可以基于N个控制回路中未来控制回路的未来发动机扭矩请求来设定BATR2至BATRN。
ρ为与预测约束352的满足相关联的加权值。ε为成本模块332基于是否将满足预测约束352而设定的变量。例如，当预测参数大于或者小于对应的最小值或最大值(例如，大了或小了至少预定量)时，成本模块332可增大ε。当满足所有预测约束352时，成本模块332可以将ε设定为零。 ρ可以大于加权值wT和下面讨论的其他加权值(wPR、wWG、wEGR、wIP、wEP)，使得如果未满足预测约束352中的一个或多个，则针对可能序列确定的成本将是高的。这可以有助于防止选择其中并未满足预测约束352中的一个或多个的可能序列。
以上等式可以扩展(例如)为：
其受限于目标约束348和预测约束352。成本为目标值266-270的可能序列的成本，TPi为N个控制回路中第i个控制回路的发动机102的预测扭矩，BATR为基础空气扭矩请求306，以及wT为与预测扭矩和基础空气扭矩请求306之间的关系相关联的加权值。APCPi为N个控制回路中第i个控制回路的预测APC，MinAPC为预定最小APC，以及wA为与预测APC和预定最小APC之间的关系相关联的加权值。
PTTOi为N个控制回路中第i个控制回路的可能目标节流阀开度，TORef为参考节流阀开度，以及wTV为与可能目标节流阀开度和参考节流阀开度之间的关系相关联的加权值。PTWGOi为N个控制回路中第i个控制回路的可能目标废气门开度，WGORef为参考废气门开度，以及wWG为与可能目标废气门开度和参考废气门开度之间的关系相关联的加权值。
PTEGROi为N个控制回路中第i个控制回路的可能目标EGR开度，EGRRef为参考EGR开度，wEGR为与可能目标EGR开度和参考EGR开度之间的关系相关联的加权值。PTICi为N个控制回路中第i个控制回路的可能目标进气凸轮相位器角度，ICPRef为参考进气凸轮相位器角度，以及wIP为与可能目标进气凸轮相位器角度和参考进气凸轮相位器角度之间的关系相关联的加权值。PTECi为N个控制回路中第i个控制回路的可能目标排气凸轮相位器角度，ECPRef为参考排气凸轮相位器角度，以及wEP为与可能目标排气凸轮相位器角度和参考排气凸轮相位器角度之间的关系相关联的加权值。
加权值wT可以大于加权值wA以及加权值wTV、wWG、wEGR、wIP 和wEP。以这种方式，预测发动机扭矩与基础空气扭矩请求306之间的关系对成本有更大的影响，并且因此对以下进一步讨论的可能序列中的一个的选择也有更大的影响。成本随着预测发动机扭矩与基础空气扭矩请求306之间的差的增大而增大，并且反之亦然。
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。以这种方式，预测APC与零之间的关系对成本具有大的影响，但小于预测发动机扭矩与基础空气扭矩请求306之间的关系对成本的影响。成本随着预测APC与预定最小APC之间的差增加而增加，并且反之亦然。仅举例而言，预定最小APC可以是零或者另一个合适的值。
基于预测APC与预定最小APC之间的差来确定成本有助于确保APC将被最小化。减少APC将减少燃料消耗，因为供给燃料基于实际APC控制以实现目标空气/燃料混合物。因为选择模块344可选择具有最低成本的可能序列中的一个，选择模块344可选择最佳地实现基础空气扭矩请求306同时最小化APC的可能序列中的一个。尽管讨论了最小化APC的示例，但在各种具体实施中，效率参数可被预测和最大化。例如，效率参数可以是预测扭矩除以预测APC或预测燃料消耗。
加权值wTV、wWG、wEGR、wIP和wEP可以小于所有其他加权值。以这种方式，在稳态操作期间，目标值266-270可分别地设置接近于或为参考值356。然而，在瞬态操作期间，MPC模块312可调节目标值66-270远离参考值356，以便实现基础空气扭矩请求306，同时使APC最小化且满足目标约束348和预测约束352。
现在参照图4，控制节流阀112、进气凸轮相位器148、排气凸轮相位器150、废气门162(和因此涡轮增压器)、以及使用MPC(模型预测控制)的EGR阀170的示例方法在402处开始。该方法在图2和图3的模块的上下文中被描述。然而，执行该方法的步骤的特定模块可以是不同于以下提及的模块，并且/或者该方法可以在没有图2和图3的模块情况下实施。
在404处，扭矩请求模块224基于经调节的预测扭矩请求262和即时扭矩请求264来确定空气扭矩请求265。在406处，扭矩转换模块304将空气扭矩请求265转换为基础空气扭矩请求306或转换为供MPC模块312 使用的另一个合适类型的扭矩。在408处，序列确定模块316基于基础空气扭矩请求306来确定目标值266-270的可能序列。在410处，阀升程控制模块230确定用于未来N个控制回路的目标升程状态284、286。另外或另选地，容量控制模块236可确定用于N个控制回路的发动机102的启用汽缸的目标数量。
在412处，预测模块323预测发动机102针对目标升程状态和其他目标值的可能序列的每个可能序列的响应。基于发动机102的模型324、外来输入328和反馈输入330，预测模块323确定可能序列的预测参数。更具体地，基于目标升程状态284、286、目标值266-270的可能序列、外来输入328和反馈输入330，通过使用模型324，预测模块323生成用于N个控制回路的发动机102的预测扭矩的序列、用于N个控制回路的预测APC的序列、用于N个控制回路的外部稀释预测量的序列、用于N个控制回路的残留稀释预测量的序列、用于N个控制回路的预测燃烧定相值的序列，以及用于N个控制回路的预测燃烧质量值的序列。在各种具体实施中，除了或者代替预测发动机102对目标升程状态284、286的响应，预测模块323还可预测发动机102对启用汽缸的目标数量的响应。
在414处，成本模块332分别地确定可能序列的成本。仅举例而言，成本模块332可以以下等式来确定目标值266-270的可能序列的成本：
如以上讨论，其受限于目标约束348和预测约束352。
在416处，选择模块344基于可能序列的成本来选择目标值266-270的可能序列中的一个。例如，选择模块344可选择具有最低成本的可能序列中的一个。因此，选择模块344可选择最佳地实现基础空气扭矩请求306同时最小化APC的可能序列中的一个。代替或者除了确定408处目标值266-270的可能序列以及确定414处的序列的每个的成本，MPC模块312可通过使用如上所讨论的凸优化技术来识别具有最低成本的可能目标值的序列。
在418处，MPC模块312确定可能序列中的所选择的可能序列是否满足目标约束348。如果可能序列中的所选择的可能序列满足目标约束348，则该方法在420处继续。否则，该方法在422处继续，在422处MPC模块312选择了具有下一个最低成本的可能序列中的一个。该方法然后返回至步骤418。以这种方式，使用了满足目标约束348的具有最低成本的序列。
在420处，第一转换模块272将目标废气门开度面积266转换为目标占空比274以施加到废气门162，第二转换模块276将目标节流阀开度面积267转换为目标占空比278以施加到节流阀112。另外在420处，第三转换模块280将目标EGR开度面积268转换为目标占空比282以施加到EGR阀170。另外在420处，第四转换模块将目标进气凸轮相位器角度269和目标排气凸轮相位器角度270分别转换为目标进气占空比和目标排气占空比以施加到进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。
在424处，节流阀致动器模块116控制节流阀112以实现目标节流阀开度面积267，并且相位器致动器模块158控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以分别实现目标进气凸轮相位器角度269和目标排气凸轮相位器角度270。例如，节流阀致动器模块116可以在目标占空比278处将信号施加到节流阀112以实现目标节流阀开度面积267。
另外在424处，EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR开度面积268，并且升压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门开度面积266。例如，EGR致动器模块172可以在目标占空比282处将信号施加到EGR阀170以实现目标EGR开度面积268，并且升压致动器模块164可以在目标占空比274处将信号施加到废气门162以实现目标废气门开度面积266。虽然该方法被示为在426处结束，但是图4可以说明一个控制回路，且控制回路可以预定速率(例如，25毫秒)执行。
现在参照图5，相对于x轴520和y轴522绘制扭矩请求信号502、目标节流阀开度信号504-510以及目标升程状态信号512-518。x轴520表示时间步长或控制回路中的预测水平线。在一个示例中，每个控制回路的回路速率是25毫秒。y轴522表示扭矩请求信号502、目标节流阀开度信 号504-510以及目标升程状态信号512-518的幅度。
扭矩请求信号502在包括控制回路524-540的预测水平线上方保持恒定。目标节流阀开度信号504-510分别指示用于控制回路524-530的目标节流阀开度。例如，当控制回路524是当前控制回路时，当前控制回路的目标节流阀开度面积由目标节流阀开度信号504指示。
目标升程状态信号512指示当控制回路524是当前控制回路且控制回路526-540是未来控制回路时预测水平线上方的目标升程状态。目标升程状态信号514指示当控制回路526是当前控制回路且控制回路528-540是未来控制回路时预测水平线上方的目标升程状态。目标升程状态信号514指示当控制回路528是当前控制回路且控制回路530-540是未来控制回路时预测水平线上方的目标升程状态。目标升程状态信号514指示当控制回路530是当前控制回路且控制回路532-540是未来控制回路时预测水平线上方的目标升程状态。
根据本发明的系统和方法使用MPC(模型预测控制)以基于未来控制回路的扭矩请求和目标升程状态来调节当期控制回路的目标节流阀开度。例如，当控制回路524是当前控制回路时，目标升程状态信号512指示目标升程状态被调度为在控制回路538中从高升程状态切换为低升程状态，所述控制回路538是未来的7个控制回路。因此，目标节流阀开度信号504可以相对平坦。然而，当控制回路526是当前控制回路时，目标升程状态信号514指示目标升程状态被调度为在6个控制回路中从高升程状态切换为低升程状态。因此，目标节流阀开度信号506可以大于目标节流阀开度信号504。
类似地，当控制回路528是当前控制回路时，目标升程状态信号516指示目标升程状态被调度为在5个控制回路中从低升程状态切换为高升程状态。因此，目标节流阀开度信号508可以大于目标节流阀开度信号506。同样地，当控制回路530是当前控制回路时，目标升程状态信号518指示目标升程状态被调度为在4个控制回路中从高升程状态切换为低升程状态。因此，目标节流阀开度信号510可以大于目标节流阀开度信号508。以这种方式，该系统和方法响应于当前控制回路与其中升程状态切换的控 制回路之间的控制回路的数量的降低而增加目标节流阀面积。值得注意的是，因为扭矩请求信号502在预测水平线上方保持恒定，所以由目标节流阀开度信号504-510指示的目标节流阀开度的变化仅仅是起因于目标升程状态的预期变化。
前述描述本质上仅仅是例示性的并且决不意图限制本发明、其应用或用途。本发明的广泛教导可以通过各种形式来实施。因此，虽然本发明包括特定示例，但是本发明的真实范围不应被如此限制，因为在研究附图、说明书和随附权利要求书时其他修改将变得显而易见。应当理解的是，方法内的一个或多个步骤可以不同次序(或同时)执行而不更改本发明的原理。进一步地，虽然每个实施例在上面被描述为具有某些特征，但是关于本发明的任何实施例描述的那些特征中的任何一个或多个均可在其他实施例中的任何一个的特征中实施和/或结合其他实施例中的任何一个的特征实施，即便该组合没有明确描述。换句话说，所描述实施例并不相互排斥，且一个或多个实施例彼此的置换保留在本发明的范围内。
元件之间(例如，模块、电路元件、半导体层等之间)的空间和功能关系使用各种术语来描述，所述术语包括“连接”、“接合”、“联接”、“相邻”、“紧靠”、“在……顶部上”、“在……上方”、“在……下方”和“设置”。除非明确描述为“直接”，否则当在上述发明中描述第一元件与第二元件之间的关系时，该关系可为其中第一元件与第二元件之间不存在其他介入元件的直接关系，但是也可为其中第一元件与第二元件之间(空间上或功能上)存在一个或多个介入元件的间接关系。如本文所使用，短语A、B和C中的至少一个应被理解为意味着使用非排他性逻辑“或”的逻辑(A或B或C)，且不应被理解为意味着“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。
在包括以下定义的本申请中，术语“模块”或术语“控制器”可以用术语“电路”来代替。术语“模块”可以指代以下项或是以下项的一部分或包括以下项：专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合式模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合式模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器电路(共享、专用或成组)；存 储由处理器电路执行的代码的存储器电路(共享、专用或成组)；提供所述功能性的其他合适的硬件部件；或某些或所有上述的组合，诸如在片上系统中。
该模块可以包括一个或多个接口电路。在某些示例中，接口电路可以包括连接到局域网(LAN)、因特网、广域网(WAN)或其组合的有线或无线接口。本发明的任何给定模块的功能性可以分布在经由接口电路连接的多个模块中。例如，多个模块可以允许负载平衡。在进一步示例中，服务器(又称为远程或云服务器)模块可以完成代表客户端模块的某些功能性。
如上文所使用的术语代码可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指代程序、例程、功能、类别、数据结构和/或对象。术语共享处理器电路涵盖执行来自多个模块的某些或所有代码的单个处理器电路。术语成组处理器电路涵盖结合另外的处理器电路来执行来自一个或多个模块的某些或所有代码的处理器电路。对多个处理器电路的引用涵盖离散裸片上的多个处理器电路、单个裸片上的多个处理器电路、单个处理器电路的多个芯、单个处理器电路的多个线程或上述组合。术语共享存储器电路涵盖存储来自多个模块的某些或所有代码的单个存储器电路。术语成组存储器电路涵盖结合另外的存储器来存储来自一个或多个模块的某些或所有代码的存储器电路。
术语存储器电路是术语计算机可读介质的子集。如本文所使用的术语计算机可读介质并不涵盖(诸如在载波上)传播通过介质的暂时性电或电磁信号；术语计算机可读介质可以因此被视为有形且非暂时性的。非暂时性、有形计算机可读介质的非限制示例是非易失性存储器电路(诸如快闪存储器电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩码只读存储器电路)、易失性存储器电路(诸如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁性存储介质(诸如模拟或数字磁带或硬盘驱动)和光学存储介质(诸如CD、DVD或蓝光光盘)。
本申请中描述的设备和方法可以部分或完全由通过配置通用计算机以执行计算机程序中体现的一个或多个特定功能而创建的通用计算机来 实施。上述功能块、流程图部件和其他元件用作软件规范，其可通过本领域技术人员或程序员的常规工作而转译为计算机程序。
计算机程序包括存储在至少一个非暂时性、有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于所存储的数据。计算机程序可以涵盖与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定装置交互的装置驱动器、一个或多个操作系统、用户应用程序、背景服务、背景应用程序等。
计算机程序可包括：(i)待解析的描述性文本，诸如HTML(超文本标记语言)或XML(可扩展标记语言)，(ii)汇编代码，(iii)通过编译器从源代码产生的目标代码，(iv)由解释器执行的源代码，(v)由即时编译器编译且执行的源代码，等等。仅仅作为示例，可以使用来自包括以下各项的语言的语法编写源代码：C、C++、C#、Objective C、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、HTML5、Ada、ASP(动态服务器网页)、PHP、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、VisualLua和
在权利要求中所述的元件并不意在为美国法典第35章第112(f)节的含义之内的装置加功能元件，除非使用短语“用于……的装置”明确叙述元件，或者在方法权利要求的情况下，使用短语“用于……的操作”或“用于……的步骤”明确叙述该元件。

Claims (8)

1.一种用于控制发动机的方法，其包括：
以下各项中的至少一项：
调节发动机的阀致动器的目标升程状态以调节所述发动机的汽缸的进气阀和所述汽缸的排气阀中的至少一者从阀座提升的量；以及
确定所述发动机中的启用汽缸的目标数量；以及
基于在未来时刻的所述目标升程状态和在所述未来时刻的所述启用汽缸的目标数量中的至少一者来控制在当前时刻的所述发动机的第一致动器，其中所述第一致动器与所述阀致动器不同；
进一步包括：
针对所述致动器的可能目标值集合以及在所述未来时刻的所述目标升程状态和在所述未来时刻的所述启用汽缸的目标数量中的所述至少一者来预测所述发动机的操作参数；
基于所预测的操作参数来确定所述可能目标值集合的成本；
基于所述成本从多个可能目标值集合中选择所述可能目标值集合；
将目标值设定为所选择的所述可能目标值集合；以及
基于所述目标值中的至少一个来控制所述第一致动器；
进一步包括基于（i）所述发动机的预测扭矩输出与（ii）扭矩请求之间的差来确定所述可能目标值集合中的每一个的所述成本，其中所述发动机的所述预测扭矩输出与所述可能目标值集合中的每一个以及在所述未来时刻的所述目标升程状态和在所述未来时刻的所述启用汽缸的目标数量中的所述至少一者相对应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一致动器包括废气门、节流阀、排气再循环阀以及凸轮轴相位器中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于在所述未来时刻的所述目标升程状态来控制在所述当前时刻的所述第一致动器。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于在N个未来时刻的N个目标升程状态控制在所述当前时刻的所述第一致动器，其中N是大于1的整数。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于在所述未来时刻的所述启用汽缸的目标数量来控制在所述当前时刻的所述第一致动器。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于在N个未来时刻的启用汽缸的N个目标数量来控制在所述当前时刻的所述第一致动器。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于驾驶员扭矩请求、所述启用汽缸的目标数量以及所述发动机上的负载的量来确定所述目标升程状态。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述可能目标值与参考值之间的差来确定所述可能目标值集合中的每一个的所述成本。
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