CN106870179A - 调整发动机的目标致动器值的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括目标生成模块、模型预测控制(MPC)模块和致动器模块。目标生成模块生成用于发动机的致动器的目标值。MPC模块生成对目标值的一组可能调整，并预测用于该组可能调整的操作参数。预测的操作参数包括排放水平和/或排气系统操作参数。MPC模块确定该组可能调整的成本，并基于所述成本从多组可能调整中选择该组可能调整。MPC模块确定用于所选组的预测的操作参数是否满足约束，并且当预测的操作参数满足约束时利用所选组的可能调整来调整目标值。致动器模块基于如此调整过的目标值来控制致动器。

Description

调整发动机的目标致动器值的系统和方法
技术领域
本公开涉及内燃机，更具体地，涉及利用模型预测控制来调整发动机的目标致动器值以满足排放和驾驶性能目标并使燃料效率最大化。
背景技术
本文提供的背景描述是为了实现一般地呈现本公开的上下文的目的。当前署名的发明人的工作就其在该背景部分所描述的以及在提交时可以不另外被作为是现有技术的多个方面的描述而言，既不明确也不隐含地被认可为是本公开的现有技术。
内燃机在汽缸中燃烧空气和燃料混合物，以驱动产生驱动扭矩的活塞。进入发动机的气流通过节流阀进行调节。更具体地，节流阀调节节流面积，这可增加或减少进入发动机的气流。节流面积增加，进入发动机的气流也随之增加。燃料控制系统调节燃料喷射率，以为汽缸提供期望的空气/燃料混合物和/或获得期望的扭矩输出。通过增加提供给汽缸的空气与燃料量，发动机的扭矩输出得以增加。
在火花点火式发动机中，火花引发了提供给汽缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压缩点火式发动机中，汽缸中的压缩使提供给汽缸的空气/燃料混合物燃烧。火花正时和气流可为用于调节火花点火式发动机的扭矩输出的初级机构，而燃料流可为用于调节压缩点火式发动机的扭矩输出的初级机构。
发动机控制系统已被开发来控制发动机的输出扭矩，以获得期望扭矩。然而，传统的发动机控制系统并不能如所期望的那样精确地控制发动机的输出扭矩。进一步地，传统的发动机控制系统无法对控制信号做出快速响应，或无法在各种影响发动机的输出扭矩的装置之间协调发动机扭矩控制。
发明内容
一种系统包括目标生成模块、模型预测控制(MPC)模块和致动器模块。目标生成模块生成用于发动机的致动器的目标值。MPC模块生成对目标值的一组可能调整，并预测用于该组可能调整的操作参数。预测操作参数包括排气系统的排放水平和/或操作参数。MPC模块确定该组可能调整的成本，并基于成本从多组可能调整中选择该组可能调整。MPC模块确定用于所选组的预测操作参数是否满足约束，并且当预测操作参数满足约束时利用所选组的可能调整来调整目标值。致动器模块基于经调整的目标值来控制致动器。
通过详细说明、权利要求书和附图，本公开的其他适用领域将变得显而易见。详细说明和特定示例仅仅是用于示例的目的，而不是为了限定本公开的范围。
附图说明
从详细描述和附图中将能够更充分地理解本公开，其中：
图1是示出了根据本公开的示例性发动机系统的功能框图；
图2是示出了根据本公开的示例性发动机控制系统的功能框图；
图3是示出了根据本公开的示例性目标生成模块的功能框图；
图4是示出了根据本公开的示例性预测模块的功能框图；以及
图5是示出了根据本公开的用于通过模型预测控制来控制节流阀、涡流阀、进气及排气阀定相、废气门、排气再循环(EGR)阀、EGR冷却器旁通阀、火花正时和燃料供给的示例性方法的流程图。
在附图中，参考标号可重复使用来识别类似和/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基于请求量的扭矩控制基于目标值的发动机致动器。例如，ECM基于目标进气和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)阀以及基于目标废气门占空比控制涡轮增压器的废气门。
ECM可通过多个单输入单输出(SISO)控制器(例如，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，可以燃料消耗的可能降低为代价来设定目标值，以保持系统的稳定。另外，单独的SISO控制器的校准和设计可能会比较昂贵且耗时。
本公开的ECM利用模型预测控制(MPC)模块来生成目标值。MPC模块基于发动机扭矩请求识别可能组的目标值。MPC模块基于该可能组的目标值和发动机的数学模型预测每个可能组的参数。
MPC模块也可确定与每个可能组的使用相关联的成本。由于可能组的目标值与参考值之间的差值变大，因此为可能组确定的成本可能会增加，反之亦然。MPC模块可选择具有最低成本的可能组。代替或除了识别可能组的目标值及确定每一组的成本之外，MPC模块还可生成代表可能组的目标值的成本的表面。MPC模块随后可基于该成本表面的斜率识别具有最低成本的可能组。
MPC模块可确定所选择组的预测参数是否满足约束条件。如果满足，则MPC模块可基于所选择组设定目标值；否则，MPC模块可选择具有次最低成本的可能组，并进行测试来确定该组是否满足约束。选择某一组并进行测试来确定该组是否满足约束的过程可被称为迭代。可在每一控制环期间执行多次迭代。
ECM可在单独控制影响排放物水平和排气系统操作参数的目标致动器值的同时，利用MPC以如上所述的方式生成影响燃烧的目标致动器值。一些影响燃烧的目标致动器值也影响排放物水平和排气系统参数。这些目标致动器值的示例包括目标主喷射量和目标节流面积。其他目标致动器值(例如，目标后喷射量)仅仅影响排放物水平和排气系统参数。在任一情况下，单独控制这些目标致动器值需要进行校准来获得这些目标致动器值与排放物水平或排气系统参数之间的关系，并且不优化这些目标致动器值。
本公开的ECM协调地控制影响燃烧的目标致动器值与影响排放物水平和排气系统参数的目标致动器值。ECM利用MPC模块来实现这种协调控制，以预测用于对目标值的所选择组的可能调整的某些参数，包括排放物水平和排气系统参数。MPC模块随后确定预测参数是否满足约束。如果满足，则MPC模块基于所选择组设定目标值；否则，MPC模块选择具有次最低成本的可能组，并进行测试来确定该组是否满足约束。MPC模块以这种方式继续，直至MPC模块识别出具有最低成本的满足约束的可能目标值的组。这样一来，ECM可在无需付出较多校准努力的情况下利用MPC来最佳化影响排放物水平和排气系统参数的目标致动器值。
现参照图1，发动机系统100包括发动机102，其燃烧空气/燃料混合物以产生用于车辆的驱动扭矩。由发动机102产生的驱动扭矩量基于来自驱动器输入模块104的驱动器输入之上。发动机102可为火花点火式发动机(例如，汽油发动机)或压缩点火式发动机(例如，柴油发动机)。
通过节流阀112将空气吸入至进气歧管110中。节流阀112可包括具有可旋转叶片的蝶阀。发动机控制模块(ECM)114控制节流阀致动器模块116，其调节节流阀112的开度以控制被吸入至进气歧管110中的空气量。
来自进气歧管110的空气被吸入至发动机102的汽缸中。虽然发动机102可包括多个汽缸，但是为了说明的目的，示出了单个代表性汽缸118。例如，发动机102可包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个汽缸。ECM 114可指示汽缸致动器模块119选择性地禁用一些汽缸，这在某些发动机操作条件下可提高燃料经济性。
来自进气歧管110的空气通过涡流阀120被吸入至发动机102的每一汽缸中。涡流阀120可包括具有可旋转叶片的蝶阀。涡流阀120可小于位于设置有涡流阀120的进气歧管110中的进气流道，使得当涡流阀120关闭时，空气可在涡流阀120周围流动。ECM 114控制涡流致动器模块121，其调节涡流阀120的开度，以控制进气歧管110中的湍流量。当发动机102处于怠速时，涡流阀120可关闭，以在进气歧管110中形成湍流。当发动机102的速度增加时，涡流致动器模块121可逐渐打开涡流阀120，直至涡流阀120与进气气流平行。
发动机102可利用四冲程循环来进行操作。下文所述的四个冲程可被称为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴(未示出)的每一旋转期间，四个冲程中的两个在汽缸118内发生。因此，对于汽缸118而言，两个曲轴旋转是必要的，以便经历所有四个冲程。
在进气冲程期间，来自进气歧管110的空气通过进气阀122被吸入至汽缸118中。ECM 114控制燃料致动器模块124，其调节由燃料喷射器125a执行的燃料喷射，以获得目标空气/燃料比。燃料喷射器125a可执行预喷射、主喷射和后喷射。燃料喷射器125a可在中心位置或多个位置处(例如，靠近每一汽缸的进气阀122的位置处)将燃料喷射到进气歧管110中。在各种实施方式中，燃料喷射器125a可将燃料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可停止将燃料喷射到被禁用的汽缸中。燃料致动器模块124还调节由燃料喷射器125b执行的燃料喷射。燃料喷射器125b将燃料喷射到发动机102产生的排气中。由燃料喷射器125b执行的燃料喷射可被称为排气喷射。
所喷射的燃料与空气混合，并在汽缸118中形成空气/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的信号使汽缸118中的火花塞128通电，这会点燃空气/燃料混合物。火花正时可相对于活塞位于其最高位置(其被称为上死点(TDC))时的时间进行指定。
火花致动器模块126可由指定TDC之前或之后的距离的正时信号进行控制，以生成火花。由于活塞位置与曲轴旋转直接相关，因此火花致动器模块126的操作可与曲轴角度同步。生成火花的操作可被称为点火事件。火花致动器模块126能够改变每一点火事件的火花正时。当火花正时在上一点火事件与下一点火事件之间改变时，火花致动器模块126可改变下一点火事件的火花正时。火花致动器模块126可停止为禁用汽缸提供火花。
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。燃烧冲程可被定义为活塞到达TDC的时间与活塞到达下死点(BDC)的时间之间的时间。在排气冲程期间，活塞开始移动远离BDC，并通过排气阀130排出燃烧的副产物。燃烧的副产物经由排气系统132从车辆中排出。
排气系统132可包括三元催化器(TWC)134、选择性催化还原(SCR)催化器136和微粒过滤器(PF)138。当发动机102的空气/燃料比为富或化学计量比时，TWC 134还原碳氢化合物、一氧化碳和氧化氮，并生成氨，且SCR催化器136将氨储存起来。当空气/燃料比为贫比时，TWC 134还原碳氢化合物和一氧化碳，且储存在SCR催化器136中的氨用于还原氧化氮。
如果发动机102为火花点火式发动机，则可使用如上所述的排气系统132。如果发动机102为压缩点火式发动机，则TWC 134可从排气系统132中省略掉。另外，配料系统(未示出)可将配料剂(例如尿素)喷射到排气系统132中。配料剂分解来生成氨，其储存在SCR催化器136中。
PF 138从流经排气系统132的排气中过滤微粒物，例如烟灰。ECM 114可经由燃料致动器模块124控制燃料喷射器125a执行后喷射，以再生PF 138。另外或可选地，ECM 114可经由燃料致动器模块124控制燃料喷射器125b将燃料喷射到排气系统132中，以再生PF138。
进气阀122可由进气凸轮轴140进行控制，而排气阀130可由排气凸轮轴142进行控制。在各种实施方式中，多个进气凸轮轴(包括进气凸轮轴140)可控制汽缸118的多个进气阀(包括进气阀122)和/或可控制多组汽缸(包括汽缸118)的进气阀(包括进气阀122)。类似地，多个排气凸轮轴(包括排气凸轮轴142)可控制汽缸118的多个排气阀和/或可控制多组汽缸(包括汽缸118)的排气阀(包括排气阀130)。在各种其他实施方式中，进气阀122和/或排气阀130可由除了凸轮轴以外的装置进行控制，例如，无凸轮式阀致动器。汽缸致动器模块119可通过禁止打开进气阀122和/或排气阀130来禁用汽缸118。
进气阀122打开时的时间可由进气凸轮相位器148根据活塞TDC来进行改变。排气阀130打开时的时间可由排气凸轮相位器150根据活塞TDC来进行改变。相位器致动器模块158可基于来自ECM 114的信号控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。在实施时，可变阀升程(未示出)也可由相位器致动器模块158进行控制。
发动机系统100可包括涡轮增压器，其包括由流经排气系统132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驱动的冷空气压缩机160-2。压缩机160-2压缩引入至节流阀112的空气。在各种实施方式中，由曲轴驱动的增压器(未示出)可压缩来自节流阀112的空气，并将压缩空气输送到进气歧管110中。
废气门162可允许排气绕过涡轮机160-1，从而降低由涡轮增压器提供的增压(进气压缩量)。增压致动器模块164可通过控制废气门162的开度来控制涡轮增压器的增压。在各种实施方式中，可实施两个或更多的涡轮增压器，且其可由增压致动器模块164进行控制。
空气冷却器(未示出)可将热量从压缩空气增压器传递到冷却介质，例如发动机冷却剂或空气。利用发动机冷却剂冷却压缩空气增压器的空气冷却器可被称为中间冷却器。利用空气冷却压缩空气增压器的空气冷却器可被称为增压空气冷却器。例如，压缩空气增压器可通过压缩接收热量，和/或可从排气系统132的部件接收热量。虽然为了说明的目的而单独地示出，但是涡轮机160-1和压缩机160-2可附接至彼此，进而将进气设置成靠近热排气。
发动机系统100可包括高压(HP)排气再循环(EGR)阀170和低压(LP)EGR阀171，其选择性地使排气改向回流至进气歧管110。HP EGR阀170可位于涡轮增压器的涡轮机160-1的上游。LP EGR阀171可位于涡轮增压器的涡轮机160-1的下游。EGR致动器模块172可基于来自ECM 114的信号控制EGR阀170和171。
发动机系统100还可包括EGR冷却器174和EGR冷却器旁通阀176。EGR冷却器174可位于HP EGR阀170的下游，并可冷却流经HP EGR阀170的高压排气。当EGR冷却器旁通阀176打开时，EGR冷却器旁通阀176可允许高压排气绕过EGR冷却器174。旁通致动器模块178可基于来自ECM 114的信号控制EGR冷却器旁通阀176。当发动机102初始启动时，ECM 114可打开EGR冷却器旁通阀176，以使发动机102和/或排气系统的部件的温度更快地提高至其操作温度。
可利用曲轴位置传感器180来测量曲轴的位置。可基于曲轴位置确定曲轴的转速(发动机速度)。可利用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182来测量发动机冷却剂的温度。ECT传感器182可位于发动机102内或可位于冷却剂循环的其他地方，例如散热器(未示出)。
可利用歧管绝对压力(MAP)传感器184来测量进气歧管110内的压力。在各种实施方式中，可测量发动机真空度，其为环境空气压力与进气歧管110内的压力之间的差值。可利用质量空气流量(MAF)传感器186来测量流入进气歧管110的空气的质量流率。在各种实施方式中，MAF传感器186可位于还包括节流阀112的外壳中。
节流阀致动器模块116可利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。可利用进气温度(IAT)传感器192来测量被吸入至发动机102中的空气的环境温度。可利用氧化氮(NOx)传感器194来测量排出排气系统132的氧化氮的浓度。ECM 114可利用来自传感器的信号来对发动机系统100做出控制决定。
ECM 114可与混合控制模块196进行通信，以协调发动机102和电动机198的操作。电动机198还可用作为发电机，并可用于产生供车辆电气系统使用和/或储存于电池中的电能。在各种实施方式中，ECM 114和混合控制模块196的各种功能可集成于一个或多个模块中。
每一改变发动机参数的系统都可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，以获得目标节流阀打开面积。火花致动器模块126控制火花塞，以获得相对于活塞TDC的目标火花正时。燃料致动器模块124控制燃料喷射器，以获得目标燃料供给参数。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，以分别获得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和EGR阀171中的每一个，以获得目标EGR打开面积。ECM 114可调节EGR阀170和EGR阀171中的每一个的目标EGR打开面积，以实现流经HP EGR阀170的高压排气与流经LPEGR阀171的低压排气之间的目标分流。增压致动器模块164控制废气门162，以获得目标废气门打开面积。汽缸致动器模块119控制汽缸的禁用，以获得目标数量的启用或禁用汽缸。
ECM 114生成用于发动机致动器的目标值，以使发动机102产生目标发动机输出扭矩。如下面所进一步讨论的，ECM 114利用模型预测控制来生成用于发动机致动器的目标值。
现参照图2，ECM 114的示例性实施方式包括驱动器扭矩模块202。驱动器扭矩模块202基于来自驱动器输入模块104的驱动器输入126确定驱动器扭矩请求204。例如，驱动器输入206可基于加速器踏板的位置和制动器踏板的位置之上。驱动器输入206还可基于巡航控制，其可为改变车速以维持预定行车间距的自适应巡航控制系统。驱动器扭矩模块202可存储一个或多个从加速器踏板位置到目标扭矩的映射，并可基于所选择的一个映射确定驱动器扭矩请求204。驱动器扭矩模块202还可将一个或多个过滤器应用于驱动器扭矩请求204的速率限制变化中。
轮轴扭矩仲裁模块208在驱动器扭矩请求204与其他轮轴扭矩请求210之间进行仲裁。轮轴扭矩(车轮处的扭矩)可由包括发动机和/或电动机的各种源产生。例如，当检测到车轮正向打滑时，轮轴扭矩请求210可包括由牵引控制系统请求的扭矩降低。当轮轴扭矩克服了车轮与路面之间的摩擦时，车轮发生正向打滑，且车轮开始相对于路面打滑。轮轴扭矩请求210还可包括扭矩增大请求，以抵消车轮的反向打滑，在车轮反向打滑的情况下，由于轮轴扭矩为负，因此车辆的轮胎在相对于路面的另一方向上打滑。
轮轴扭矩请求210还可包括制动器管理请求和车辆超速扭矩请求。制动器管理请求可降低轮轴扭矩，以确保当车辆停止时，轮轴扭矩不超出制动器制动车辆的能力。车辆超速扭矩请求可降低轮轴扭矩，以防止车辆超出预定速度。轮轴扭矩请求210还可由车辆稳定控制系统生成。
轮轴扭矩仲裁模块208基于接收到的轮轴扭矩请求204与轮轴扭矩请求210之间的仲裁结果输出轮轴扭矩请求212。如下所述，在用于控制发动机致动器之前，来自轮轴扭矩仲裁模块208的轮轴扭矩请求212可由ECM 114的其他模块进行选择性的调节。
轮轴扭矩仲裁模块208可将轮轴扭矩请求212输出到推进扭矩仲裁模块214。在各种实施方式中，轮轴扭矩仲裁模块208可将轮轴扭矩请求212输出到混合最佳化模块216。混合最佳化模块216可确定发动机102应该产生的扭矩量以及电动机198应该产生的扭矩量。混合最佳化模块216随后将修改后的轮轴扭矩请求218输出到推进扭矩仲裁模块214。
推进扭矩仲裁模块214将来自轮轴扭矩域(车轮处的扭矩)的轮轴扭矩请求212(或修改后的轮轴扭矩请求218)转换成推进扭矩域(曲轴处的扭矩)。推进扭矩仲裁模块214在(被转换的)轮轴扭矩请求212与其他推进扭矩请求220之间进行仲裁。推进扭矩仲裁模块214生成作为仲裁结果的推进扭矩请求222。
例如，推进扭矩请求220可包括用于发动机超速保护的扭矩降低、用于防止失速的扭矩增大以及用于适应变速箱档位的扭矩降低。推进扭矩请求220还可因离合器燃料切断而生成，其在驾驶员踩下手动变速箱车辆的离合器踏板时降低发动机输出扭矩，以防止发动机速度突然“爆发”。
推进扭矩请求220还可包括发动机关闭请求，其中可在检测到致命故障时发起该发动机关闭请求。例如，致命故障可包括对车辆盗窃、被卡住的起动电机、电子节流阀控制问题及意外的扭矩增大的检测。在各种实施方式中，当存在发动机关闭请求时，仲裁选择该发动机关闭请求来作为获胜请求。当存在发动机关闭请求时，推进扭矩仲裁模块214可输出零来作为推进扭矩请求222。
在各种实施方式中，发动机关闭请求可单独从仲裁过程中简单地关闭发动机102。例如，推进扭矩仲裁模块214仍可接收发动机关闭请求，使得适当的数据可反馈给其他扭矩请求者。例如，所有其他扭矩请求者会被告知其已失去仲裁。
扭矩储备模块224产生扭矩储备226以补偿发动机操作条件的变化(该变化可能会降低发动机输出扭矩)和/或补偿一个或多个负载。例如，发动机102的空气/燃料比和/或质量空气流量可被直接改变，例如，被诊断性侵入当量比测试和/或新发动机吹扫改变。在开始这些过程之前，扭矩储备模块224可产生或增加扭矩储备226，以快速地抵消在这些过程期间稀释空气/燃料混合物所导致的发动机输出扭矩降低。
扭矩储备模块224还可在预期未来负载(例如，动力转向泵操作或空调(A/C)压缩机离合器的接合)时产生或增加扭矩储备226。当驾驶员首次请求空调时，扭矩储备模块224可产生或增加用于A/C压缩机离合器的接合的扭矩储备226。然后，当A/C压缩机离合器接合时，扭矩储备模块224可减少扭矩储备226，减少量等于A/C压缩机离合器的估计负载。
目标生成模块228基于推进转矩请求222、转矩储备226以及一个或多个发动机工况生成用于发动机致动器的目标值。目标调整模块229利用模型预测控制(MPC)来调整目标值，并将经调整的目标值输出到相应的发动机致动器。
目标生成模块228可以利用将推进转矩请求222、转矩储备226和发动机工况与目标值相关联的函数或映射来生成目标值。发动机工况可以包括发动机速度、发动机冷却剂温度、进气歧管压力、进气的质量流速和/或进气温度。
推进转矩请求222可以是制动转矩。制动转矩可以指在当前工况下曲轴处的转矩。目标生成模块228可以利用将制动转矩与基本转矩相关联的映射或函数将推进转矩请求222从制动转矩转换为基本转矩，并且基于基本转矩生成目标值。
基本转矩可以指发动机102在测功机上操作期间而引起的在曲轴处的转矩，而发动机102是热的，并且没有转矩负载由诸如交流发电机和A/C压缩机的附件施加在发动机102上。在各种实施方式中，目标生成模块228可以将推进转矩请求222转换成另一种合适类型的转矩，例如指示转矩，并且基于所转换的转矩请求生成目标值。指示转矩可以指由于通过气缸内的燃烧产生的功而引起的在曲轴处的转矩。
目标值包括目标废气门打开面积230、目标节流阀打开面积232、目标涡流阀打开面积233、目标HP EGR打开面积234、目标LP EGR打开面积235、目标进气凸轮相位器角度236和目标排气凸轮相位器角度238。目标值还包括目标火花正时240、待启动汽缸的目标数量242、目标燃料供给参数244和用于EGR冷却器旁通阀176的目标旁通打开面积246。增压致动器模块164控制废气门162以获得目标废气门打开面积230。例如，第一转换模块248可将目标废气门打开面积230转换成目标占空比250以应用于废气门162，增压致动器模块164可基于目标占空比250将信号施加到废气门162。在各种实施方式中，第一转换模块248可将目标废气门打开面积230转换成目标废气门位置(未示出)，并将目标废气门位置转换成目标占空比250。
节流阀致动器模块116控制节流阀112以获得目标节流阀打开面积232。例如，第二转换模块252可将目标节流阀打开面积232转换成目标占空比254以应用于节流阀112，节流阀致动器模块116可基于目标占空比254将信号施加到节流阀112。在各种实施方式中，第二转换模块252可将目标节流阀打开面积232转换成目标节流阀位置(未示出)，并将目标节流阀位置转换成目标占空比254。
涡流致动器模块121控制涡流阀120以获得目标涡流阀打开面积233。在各种实施方式中，可包括第三转换模块(未示出)，其可将目标涡流阀打开面积233转换成目标占空比(未示出)以应用于涡流阀120。可选地，第三转换模块可将目标涡流阀打开面积233转换成目标涡流阀位置(未示出)，并将目标涡流阀位置转换成目标占空比。
EGR致动器模块172控制HP EGR阀170以获得目标HP EGR打开面积234。例如，第四转换模块256可将目标HP EGR打开面积234转换成目标占空比258以应用于HP EGR阀170，EGR致动器模块172可基于目标占空比258将信号施加到HP EGR阀170。在各种实施方式中，第四转换模块256可将目标HP EGR打开面积234转换成目标EGR位置(未示出)，并将目标EGR位置转换成目标占空比258。
EGR致动器模块172控制LP EGR阀171以获得目标LP EGR打开面积235。例如，第四转换模块256可将目标LP EGR打开面积235转换成目标占空比259以应用于LP EGR阀171，EGR致动器模块172可基于目标占空比259将信号施加到LP EGR阀171。在各种实施方式中，第四转换模块256可将目标LP EGR打开面积235转换成目标EGR位置(未示出)，并将目标EGR位置转换成目标占空比259。
相位器致动器模块158控制进气凸轮相位器148以获得目标进气凸轮相位器角度236。相位器致动器模块158还控制排气凸轮相位器150以获得目标排气凸轮相位器角度238。在各种实施方式中，可包括第五转换模块(未示出)，其可将目标进气凸轮相位器角度236和目标排气凸轮相位器角度238分别转换成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应用于进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。在各种实施方式中，目标生成模块228可确定目标阀重叠因数和目标有效位移，而相位器致动器模块158可控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以获得目标重叠因数和目标有效位移。
目标废气门打开面积230、目标节流阀打开面积232、目标涡流阀打开面积233、目标HP EGR打开面积234、目标LP EGR打开面积235、目标进气凸轮相位器角度236和目标排气凸轮相位器角238可被称为空气控制设定点。如果发动机102为火花点火式发动机，则目标节流阀打开面积232仅可用作为空气控制设定点。因此，如果发动机102为压缩点火式发动机，则目标节流阀打开面积232可不用作为空气控制设定点。相反，目标EGR流量、目标增压量和/或目标发动机空气流量可用作为空气控制设定点。目标EGR流量、目标增压量和/或目标发动机空气流量可通过调节目标废气门打开面积230、目标可变几何结构涡轮增压器(VGT)位置(如果适用的话)、目标HP EGR打开面积234、目标LP EGR打开面积235、目标进气凸轮相位器角度236和/或目标排气凸轮相位器角度238来获得。
火花致动器模块126基于目标火花正时240提供火花。汽缸致动器模块119基于目标汽缸数量242选择性地启动和禁用汽缸阀。还可停止为禁用的汽缸提供燃料和火花。目标燃料供给参数244可包括目标燃料轨道压力、每一燃烧事件的目标燃料喷射次数、每一喷射的目标燃料质量和/或每一喷射的目标启动正时。燃料致动器模块124基于目标燃料供给参数244控制燃料供给。在一个示例中，燃料致动器模块124可控制预喷射、主喷射、后喷射和排气喷射，而目标燃料供给参数244可包括目标燃料质量和用于预喷射、主喷射、后喷射和排气喷射中的每一个的目标启动正时。
旁通致动器模块178控制EGR冷却器旁通阀176以获得目标旁通打开面积246。在各种实施方式中，可包括第六转换模块(未示出)，其可将目标旁通打开面积246转换成目标占空比(未示出)以应用于EGR冷却器旁通阀176。可选地，第六转换模块可将目标旁通打开面积246转换成目标旁通阀位置(未示出)，并将目标旁通阀位置转换成目标占空比。
图3是目标调整模块229的示例实施方式的功能框图。MPC(模型预测控制)模块312利用MPC来生成对目标值230-246的调整。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确定对可在N个未来控制循环期间一起使用的目标值230-246的可能调整序列。由序列确定模块316识别的每个可能序列包括针对目标值230-246中的每一个的N个调整值的一个序列。换句话说，每个可能序列包括用于目标废气门开口区域230的N个调整值序列、用于目标节气门开口区域232的N个调整值序列、用于目标旋流翼片开口区域233的N个调整值序列、用于目标HP EGR开口区域234的N个调整值序列、用于目标LP EGR开口区域235的N个调整值序列、用于目标进气凸轮相位器角度236的N个调整值序列、以及用于目标排气凸轮相位器角度238的N个调整值序列。每个可能序列还包括用于目标火花正时240、目标汽缸数242、目标燃料供给参数244和目标旁通开口区域246的N个调整值序列。N个调整值中的每一个对应于N个未来控制循环中的一个。N是大于1的整数。
预测模块323基于发动机102的数学模型324、外源输入328和反馈输入330预测发动机102对目标值230～246的可能调整序列的响应。例如，根据目标值266～270的可能调整序列、外源输入328和反馈输入330，预测模块323可利用模型324来生成用于N个控制环的发动机102的预测扭矩的序列、用于N个控制环的预测MAP的序列、用于N个控制环的预测APC的序列、用于N个控制环的预测外部稀释量的序列、用于N个控制环的内部稀释量的序列、用于N个控制环的预测燃烧定相值的序列、用于N个控制环的预测燃烧质量值的序列以及用于N个控制环的预测有效位移值的序列。
模型324可包括基于发动机102的特性进行校准的函数或映射。稀释可指针对一个燃烧事件在汽缸内捕获的先前燃烧事件的排气量。外部稀释可指经由EGR阀170和171为燃烧事件提供的排气。内部稀释(也称为残余稀释)可指保留在汽缸中的排气和/或在燃烧循环的排气冲程之后被推回到汽缸中的排气。有效位移可指在汽缸中的活塞从TDC行进到BDC时被吸入发动机汽缸中的空气体积减去由于活塞通过汽缸进气阀将空气推回至进气歧管而导致的空气体积损耗之后的值。
燃烧定相可指曲轴位置，在该位置上，预定量的喷射燃料相对于用于预定量的喷射燃料的燃烧的预定曲轴位置在汽缸内进行燃烧。例如，燃烧定相可相对于预定CA50以CA50表示。CA50可指曲轴角度(CA)，在该角度上，50％质量的喷射燃料已在汽缸内燃烧完毕。预定CA50可对应于CA50，在该CA50上，最大量的功由所喷射的燃料产生，且在各种实施方式中，其在TDC(上死点)之后的大小可在约8.5度至约10度之间。虽然燃烧定相将根据CA50值进行讨论，但也可使用另一指示燃烧定相的合适参数。另外，虽然燃烧质量将作为指示平均有效压力(IMEP)值的变动系数(COV)来进行讨论，但也可使用另一指示燃烧质量的合适参数。
外源输入328可包括不直接受发动机致动器影响的参数。例如，外源输入328可包括发动机速度、涡轮增压器进气压力、IAT和/或一个或多个其他参数。例如，反馈输入330可包括发动机102的估计扭矩输出、涡轮增压器的涡轮机160-1下游处的排气压力、IAT、发动机102的APC、估计内部稀释、估计外部稀释、MAF、发动机102的空气/燃料比、火花正时和/或一个或多个其他合适的参数。可利用传感器(例如，IAT传感器192)来测量和/或基于一个或多个其他参数来估计反馈输入330。
预测模块323还针对目标值230～246的每一可能调整序列预测由发动机102产生的排气中的排放物水平、排气系统132的操作参数、与发动机102相关联的燃烧噪声水平和/或驾驶性能参数。预测排放物水平可包括发动机102所产生的排气中的氧化氮(NOx)水平，其可被称为发动机排出NOx。可选地或另外地，预测排放物水平可包括发动机102所产生的排气中的烟灰水平，其可被称为发动机排出烟灰。
排气系统132的预测的操作参数可包括PF 138中的烟灰积聚量、储存在SCR催化器136中的氨的水平、SCR催化器136的温度和/或PF 138的温度。PF 138中的烟灰积聚量可被称为PF烟灰负载。预测驾驶性能参数可包括车辆速度和/或车辆跃度。车辆跃度是车辆速度相对于时间的二阶导数。
例如，预测模块323可基于外源输入328和/或反馈输入330预测排放物水平、排气系统操作参数、燃烧噪声水平和驾驶性能参数。预测模块323可利用线性物理基模型进行这些预测。例如，根据目标值266～270的可能序列、外源输入328和反馈输入330，预测模块323可利用物理基模型来生成用于N个控制环的预测发动机排出NOx水平的序列、用于N个控制环的预测发动机排出烟灰水平的序列、用于N个控制环的预测PF烟灰负载的序列、用于N个控制环的预测氨储存水平的序列、用于N个控制环的预测SCR温度的序列、用于N个控制环的预测PF温度的序列、用于N个控制环的预测燃烧噪声水平的序列、用于N个控制环的预测车辆速度的序列以及用于N个控制环的预测车辆跃度的序列。
由预测模块323使用的预测排放水平、排气系统操作参数、燃烧噪声水平和驾驶性能参数的基于物理学的模型可以采取以下形式的关系式：
其中f(x)是用于预测参数的函数，K是激活函数，wi是加权值，xi是用于N个控制循环中的第i个的模型输入，并且x平衡是表示对模型进行线性化的点的模型输入的值。加权值wi和激活函数K可以取决于发动机速度和发动机负载，并且燃料量可以用作发动机负载的近似。因此，对于由发动机速度和燃料量指定的每个工作点，可以存在不同的函数f(x)。
成本模块332基于针对可能序列进行确定的预测参数确定目标值230～246的每一可能调整序列的成本值，并可基于参考值340确定成本值。成本模块332可基于预测参数与参考值340中的相应参考值之间的关系确定每一可能序列的成本值。例如，可对关系进行加权，以控制每一关系对成本的影响。
选择模块344基于可能序列的相应成本选择目标值230～246的可能调整序列中的一个。例如，选择模块344可选择可能序列中的一个，其不但具有最低成本，而且还满足致动器约束348和输出约束352。
在各种实施方式中，可在成本确定中考虑对致动器约束348和/或输出约束352的满足。例如，成本模块332可基于预测参数与致动器约束348和输出约束352中的相应约束之间的关系确定每一可能序列的成本值。
选择模块344可以基于所选择的可能序列的N个调整值中的第一调整值来分别调整目标值230-246。换句话说，选择模块344利用用于目标废气门开口区域230的所选N个调整值序列中的第一个来调整目标废气门开口区域230，利用用于目标节气门开口区域232的所选N个调整值序列中的第一个来调整目标节气门开口区域232，利用用于目标旋流翼片开口区域233的所选N个调整值序列中的第一个来调整目标旋流翼片开口区域233，利用用于目标HP EGR开口区域234的所选N个调整值序列中的第一个来调整目标HP EGR开口区域234，利用用于目标LP EGR开口区域235的所选N个调整值序列中的第一个来调整目标LPEGR开口区域235，利用用于目标进气凸轮相位器角度236的所选N个调整值序列中的第一个来调整目标进气凸轮相位器角度236，以及利用用于目标排气凸轮相位器角度238的所选N个调整值序列中的第一个来调整目标排气凸轮相位器角度238。选择模块344还利用用于目标火花正时240的所选N个调整值序列中的第一个来调整目标火花正时240，利用用于目标气缸数242的所选N个调整值序列中的第一个来调整目标气缸数242，利用用于目标燃料供给参数244的所选N个调整值序列中的第一个来调整目标燃料供给参数244，并且利用用于目标旁路开口区域246的所选N个调整值序列中的第一个来调整目标旁路开口区域246。
在下一个控制循环期间，MPC模块312识别调整的可能序列，生成可能序列的预测参数，确定每个可能序列的成本，选择可能序列之一，以及利用所选可能序列中的对于目标值230-246的调整值中的第一个来调整目标值230-246。对于每个控制循环继续该过程。
致动器约束模块360(参见图2)为每一目标值230～246设定致动器约束348。换言之，致动器约束模块360为节流阀112设定致动器约束、为EGR阀170和171设定致动器约束、为废气门162设定致动器约束、为进气凸轮相位器148设定致动器约束以及为排气凸轮相位器150设定致动器约束。致动器约束模块360还为火花致动器模块126设定致动器约束、为汽缸致动器模块119设定致动器约束以及为燃料致动器模块124设定致动器约束。
用于每一目标值230～246的致动器约束348可包括相关联目标值的最大值和该目标值的最小值。致动器约束模块360通常可将致动器约束348设定为相关联发动机致动器的预定操作范围。更具体地，致动器约束模块360通常可将致动器约束348分别设定为节流阀112、EGR阀170和171、废气门162、进气凸轮相位器148、排气凸轮相位器150、火花致动器模块126、汽缸致动器模块119和燃料致动器模块124的预定操作范围。因此，目标值的最大值可为相应致动器的最大限度，而目标值的最小值可为该致动器的最小限度。
输出约束模块364(参见图2)为发动机102的预测扭矩输出、预测MAP、预测APC、预测CA50、IMEP的预测COV、预测内部稀释、预测外部稀释和/或预测有效位移设定输出约束352。每一预测参数的输出约束352都可包括相关联预测参数的最大值和该预测参数的最小值。例如，输出约束352可包括最小扭矩、最大扭矩、最小MAP、最大MAP、最小APC、最大APC、最小CA50、最大CA50、IMEP的最小COV、IMEP的最大COV、最小内部稀释、最大内部稀释、最小外部稀释、最大外部稀释、最小有效位移和/或最大有效位移。
输出约束模块364通常可将输出约束352分别设定为相关联预测参数的预定范围。然而，在某些情况下，输出约束模块364可改变输出约束352中的一个或多个。例如，输出约束模块364可延迟最大CA50，例如当发动机102内发生爆震时。在另一示例中，输出约束模块364可在低负载条件下(例如，在可能需要IMEP的较高COV来实现给定扭矩请求的发动机空转期间)增加IMEP的最大COV。
参考值模块368(参见图2)生成目标值230～246的参考值340。参考值340包括每一目标值230～246的参考。换言之，参考值340包括参考废气门打开面积、参考节流阀打开面积、参考EGR打开面积、参考进气凸轮相位器角度和参考排气凸轮相位器角度。参考值340还包括参考火花正时、参考汽缸数量和参考燃料供给参数。参考值340还可包括每一输出约束352的参考。例如，参考值340可包括参考歧管绝对压力(MAP)、每一汽缸的参考空气质量(APC)、参考外部稀释、参考内部稀释和参考有效位移。
参考值模块368可基于推进扭矩请求222和/或基本扭矩请求308确定参考值340。参考值340提供用于设定目标值266～270的参考。如下文所进一步讨论的，参考值340可用于确定可能序列的成本值。参考值340还可用于一个或多个其他目标，例如，由序列确定模块316用来确定可能序列。
代替或者除了生成对目标值的可能调整序列并确定每个序列的成本，MPC模块312可以利用凸优化技术识别对具有最低成本的目标值的可能调整序列。例如，MPC模块312可以利用二次规划(QP)求解器(诸如Dantzig QP求解器)来确定对目标值230-246的调整。在另一示例中，MPC模块312可以生成用于针对目标值230-246的可能调整序列的成本值的表面，并且基于成本表面的斜率来识别对具有最低成本的目标值的可能调整序列。MPC模块312然后可以测试对目标值的该可能调整序列，以确定对目标值的该可能调整序列是否满足致动器约束348和输出约束352。如果是，则MPC模块312可以利用如上所述的该所选可能序列的N个调整值中的第一个来分别调整目标值230-246。
如果不满足致动器约束348或输出约束352，则MPC模块312选择对具有下一最低成本的目标值的另一个可能调整序列，并测试对目标值的该可能调整序列是否满足致动器约束348和输出约束352。选择序列并且测试序列以满足致动器约束348和输出约束352的过程可以称为迭代。在每个控制循环期间可以执行多次迭代。
MPC模块312执行迭代，直至识别出具有最低成本的满足致动器约束348和输出约束352的序列。如此，MPC模块312选择对目标值的可能调整序列，其不但具有最低成本，而且还满足致动器约束348和输出约束352。如果无法识别出序列，则MPC模块312可发出解决方案不可用的指示。
成本模块332可基于喷射到发动机102的汽缸和排气系统132中的燃料总量以及发动机102的燃烧噪声水平确定目标值230～246的可能调整序列的成本。例如，成本模块332可基于以下等式确定目标值230～246的可能序列的成本：
其受制于致动器约束348和输出约束352。Cost为目标值230～246的可能调整序列的成本，PFi为N个控制环中的第i个控制环的可能总燃料供给量，PCNi为N个控制环中的第i个控制环的预测燃烧噪声水平，wCN为与预测燃烧噪声水平相关联的加权值。可能总燃料供给量PFi可包括在用于N个控制环中的第i个控制环的预喷射、主喷射、后喷射和排气喷射期间进行喷射的燃料的总量。在各种实施方式中，预测燃烧噪声水平和与其相关联的加权值可从上述等式中省略，且预测燃烧噪声水平可替代地受制于输出约束352中的相应一个。
当成本模块332使用上述等式来确定成本时，具有最低成本的目标值230～246的可能调整序列的选择可能受制于输出约束352中的与排放物水平、排气系统参数和驾驶性能参数相关的约束。例如，输出约束352可包括最大发动机排出NOx水平、最大发动机排出烟灰水平、最大PF烟灰负载、最大氨储存水平、最大SCR温度、最大PF温度、最大燃烧噪声水平、最小车辆速度、最大车辆速度、最小车辆跃度和最大车辆跃度。当相应的预测参数小于输出约束中的最大值且大于输出约束352中的最小值时，目标值230～246的可能调整序列可满足输出约束352。更具体地，当预测发动机排出NOx水平小于最大发动机排出NOx水平，预测发动机排出烟灰水平小于最大发动机排出烟灰水平，预测PF负载小于最大PF烟灰负载，预测氨储存水平小于最大氨储存水平，预测SCR温度小于最大SCR温度，预测PF温度小于最大PF温度，预测燃烧噪声水平小于最大燃烧噪声水平，预测车辆速度大于最小车辆速度且小于最大车辆速度，且预测车辆跃度大于最小车辆跃度且小于最大车辆跃度时，目标值230～246的可能调整序列可满足输出约束352。
在各种实施方式中，可在成本确定中考虑对与排放物水平、排气系统参数和驾驶性能参数相关的输出约束352的满足。例如，成本模块332可基于预测参数与上述输出约束352中的对应输出约束之间的关系确定目标值230～246的每一可能序列的成本值。更具体地，成本模块332可基于以下项之间的关系确定目标值230～246的每一可能调整序列的成本值：预测发动机排出NOx与最大发动机排出NOX；预测发动机排出烟灰与最大发动机排出烟灰；预测氨储存水平与最大氨储存水平；预测SCR温度与最大SCR温度；预测PF温度与最大PF温度；预测燃烧噪声水平与最大燃烧噪声水平；预测车辆速度与最小及最大车辆速度；以及预测车辆跃度与最小及最大车辆跃度。
现参照图4，预测模块323的示例性实施方式包括发动机排出NOx模块402、发动机排出烟灰模块404、PF烟灰负载模块406、SCR氨储存模块408和SCR/PF温度模块410。发动机排出NOx模块402预测由发动机102产生的排气中的氧化氮(NOx)水平，如上所述，其可被称为发动机排出NOx。发动机排出NOx模块402输出指示预测发动机排出NOx水平的信号412。
发动机排出NOx模块402可基于各种发动机参数预测发动机排出NOx水平。这些参数可包括进入发动机102的汽缸中的空气流率、进气歧管110中的氧浓度、燃料喷射正时和压力、预喷射量和正时、进气歧管110中的温度、发动机冷却剂温度和/或涡流阀120的位置。发动机排出NOx模块402可利用使上述参数中的一个或多个与发动机排出NOx水平相关的模型、等式和/或查找表来预测发动机排出NOx水平。
发动机排出烟灰模块404预测由发动机102产生的排气中的烟灰水平，如上所述，其可被称为发动机排出烟灰。发动机排出烟灰模块404输出指示预测发动机排出烟灰水平的信号414。发动机排出烟灰模块404可基于各种发动机参数预测发动机排出烟灰水平。这些参数可包括发动机102的空气/燃料比、提供给发动机102的再循环排气的总量和/或燃料喷射正时和压力。发动机排出烟灰模块404可利用使上述参数中的一个或多个与发动机排出烟灰水平相关的模型、等式和/或查找表来预测发动机排出烟灰水平。
PF烟灰负载模块406预测PF 138中的烟灰积聚量，其可被称为PF烟灰负载。PF烟灰负载模块406输出指示预测PF烟灰负载的信号416。PF烟灰负载模块406可基于各种参数预测PF烟灰负载。这些参数可包括发动机排出NOx的流率、PF 138的过滤效率和PF 138内发生的反应的速率，例如以下两个反应：
(1)C+O2＝CO2；以及
(2)C+2NO2＝CO2+2NO。
PF烟灰负载模块406可利用使上述参数中的一个或多个与发动机排出烟灰水平相关的模型、等式和/或查找表来预测PF烟灰负载。
SCR氨储存模块408预测储存在SCR催化器136中的氨的水平。SCR氨储存模块408输出指示预测氨储存水平的信号418。SCR氨储存模块408可基于各种参数预测发动机排出烟灰水平。这些参数可包括进入SCR催化器136的排气中的氧水平、进入SCR催化器136的排气中的NOx水平、进入SCR催化器136的排气的质量流率、进入SCR催化器136的排气的温度和/或SCR催化器136中的底层的温度。SCR氨储存模块408可利用使上述参数中的一个或多个与氨储存水平相关的模型、等式和/或查找表来预测氨储存水平。
SCR/PF温度模块410预测SCR催化器136的温度和PF 138的温度。SCR/PF温度模块410输出指示预测SCR温度的信号420和指示预测PF温度的信号422。SCR/PF温度模块410可基于各种参数预测SCR温度和PF温度。这些参数可包括进入SCR催化器136的排气的温度、进入SCR催化器136的排气的质量流率、排气的比热、SCR催化器136和PF 138 中的底层的质量以及这些底层的比热。SCR/PF温度模块410可利用使上述参数中的一个或多个与SCR温度和PF温度相关的模型、等式和/或查找表来预测SCR温度和PF温度。
图4所示的预测模块323的示例性实施方式进一步包括燃烧噪声模块424和驾驶性能模块426。燃烧噪声模块424预测由于提供给发动机102的汽缸的空气/燃料混合物的燃烧而引起的噪声水平。燃烧噪声模块424输出指示预测燃烧噪声水平的信号428。燃烧噪声模块424可基于各种发动机参数预测燃烧噪声水平。这些参数可包括发动机速度、进气的质量流率、燃料喷射正时、每次燃烧事件的燃料喷射次数和/或在每一喷射期间喷射的燃料量。发动机排出烟灰模块404可利用使上述参数中的一个或多个与发动机排出烟灰水平相关的模型、等式和/或查找表来预测燃烧噪声水平。
驾驶性能模块426预测驾驶性能参数，包括车辆速度和车辆跃度。驾驶性能模块426输出指示预测车辆速度的信号430和指示预测车辆跃度的信号432。驾驶性能模块426还可预测由发动机102产生的扭矩量，并输出指示发动机102的预测扭矩输出的信号(未示出)。驾驶性能模块426可基于各种发动机参数预测车辆速度和车辆跃度。这些参数可包括当前车辆速度、发动机速度、进气的质量流率、燃料喷射正时、每次燃烧事件的燃料喷射次数和/或在每一喷射期间喷射的燃料量。发动机排出烟灰模块404可利用使上述参数中的一个或多个与车辆速度和车辆跃度相关的模型、等式和/或查找表来预测车辆速度和车辆跃度。
用于预测发动机排出NOx水平、发动机排出烟灰水平、PF烟灰负载、氨储存水平、SCR温度、PF温度、燃烧噪声水平、车辆速度和车辆跃度的参数可包括在外源输入328和/或反馈输入330中。可选地，这些参数可包括在发动机102的利用模型324基于目标值230～246的可能序列、外源输入328和反馈输入330进行预测的响应中。
现参照图5，利用MPC(模型预测控制)控制节流阀112、涡流阀120、进气凸轮相位器148、排气凸轮相位器150、废气门162(亦即涡轮增压器)、EGR阀170和171、EGR冷却器旁通阀176、火花正时、燃料供给和启动/禁用汽缸数量的示例性方法在502处开始。在504处，推进扭矩仲裁模块214确定推进扭矩请求222。在506处，目标生成模块228将推进扭矩请求222转换成基本扭矩请求308或另一合适类型的扭矩。
在508处，参考值模块368确定参考值340。如上文所讨论的，设定点模块368可基于推进扭矩请求222和/或基本扭矩请求308确定参考值340。在510处，序列确定模块316确定目标值230～246的可能序列。
在512处，预测模块323预测目标值230～246的每一可能调整序列的参数。例如，预测模块323可利用线性物理基模型来预测排放物水平、排气系统参数、燃烧噪声水平和驾驶性能参数。更具体地，根据目标值266～270的可能调整序列、外源输入328和反馈输入330，预测模块323可利用物理基模型来生成用于N个控制环的预测发动机排出NOx水平的序列、用于N个控制环的预测发动机排出烟灰水平的序列、用于N个控制环的预测PF烟灰负载的序列、用于N个控制环的预测氨储存水平的序列、用于N个控制环的预测SCR温度的序列、用于N个控制环的预测PF温度的序列、用于N个控制环的预测燃烧噪声水平的序列、用于N个控制环的预测车辆速度的序列以及用于N个控制环的预测车辆跃度的序列。
在514处，成本模块332确定目标值230～246的可能调整序列的成本。例如，成本模块332可基于以下等式确定目标值230～246的可能调整序列的成本：
如上文所讨论的，其受制于致动器约束348和输出约束352。
在516处，选择模块344基于可能序列的成本选择目标值230～246的可能调整序列中的一个。例如，选择模块344可选择可能序列中的具有最低成本的一个。因此，选择模块344可选择可能序列中的一个，其不但最佳地实现基本扭矩请求308，而且还满足排放和驾驶性能目标并使燃料效率最大化。代替或除了在510处确定目标值230～246的可能调整序列并在514处确定每一序列的成本之外，MPC模块312还可利用上文所讨论的凸型最佳化技术来识别具有最低成本的对目标值的可能调整序列。
在518处，MPC模块312确定所选择的可能序列中的一个是否满足致动器约束348和输出约束352。如果所选择的可能序列中的一个满足致动器约束348和输出约束352，则该方法在520处继续。否则，该方法在522处继续，其中MPC模块312在该处选择可能序列中的具有次最低成本的一个。然后，该方法返回到518。如此，具有最低成本的满足致动器约束348和输出约束352的序列被使用。
在520处，第一转换模块248将目标废气门打开面积230转换成目标占空比250以应用于废气门162，第二转换模块252将目标节流阀打开面积232转换成目标占空比254以应用于节流阀112。此外，在520处，第四转换模块256将目标HP EGR打开面积234转换成目标占空比258以应用于HP EGR阀170。此外，在520处，第四转换模块256将目标LP EGR打开面积235转换成目标占空比259以应用于LP EGR阀171。第五转换模块还可将目标进气凸轮相位器角度236和目标排气凸轮相位器角度238转换成目标进气占空比和目标排气占空比，以分别应用于进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。
在524处，节流阀致动器模块116控制节流阀112以获得目标节流阀打开面积232。例如，节流阀致动器模块116可以目标占空比254将信号施加到节流阀112以获得目标节流阀打开面积232。同样在524处，涡流致动器模块121控制涡流阀120以获得目标涡流阀打开面积233，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以获得目标进气凸轮相位器角度236和目标排气凸轮相位器角度238。
同样在524处，EGR致动器模块172控制EGR阀170和171以分别获得目标HP EGR打开面积234和目标LP EGR打开面积235，增压致动器模块164控制废气门162以获得目标废气门打开面积230。例如，EGR致动器模块172可分别以目标占空比258和259将信号施加到EGR阀170和171，以分别获得目标EGR打开面积234和235，增压致动器模块164可以目标占空比250将信号施加到废气门162，以获得目标废气门打开面积230。同样在524处，火花致动器模块126基于目标火花正时240控制火花正时，汽缸致动器模块119基于目标汽缸数量242控制汽缸的启动和禁用，燃料致动器模块124基于目标燃料供给参数244控制燃料供给。同样在524处，旁通致动器模块178控制EGR冷却器旁通阀176以获得目标旁通打开面积246。在526处，该方法可结束。可选地，图5可示出一个控制环，且可以预定速率执行多个控制环。
上述描述本质上仅仅是说明性的，其并不旨在以任何方式限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以各种形式实现。因此，尽管本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应当如此限制，这是因为在研究附图、说明书和所附权利要求书后，其他修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以不同的顺序(或同时地)执行。此外，虽然每一实施例都在上文中被描述为具有某些特征，但是参照本公开的任何实施例进行描述的那些特征中的任何一个或多个可在任何其他实施例的特征中实现和/或与其组合，即使该组合没有被明确描述。换言之，所描述的实施例并不是相互排斥的，而且一个或多个实施例彼此之间的置换保持在本公开的范围内。
使用各种术语来描述元件之间的空间和功能关系(例如，在模块、电路元件、半导体层等之间)，这些术语包括“连接”、“接合”、“联接”、“邻近”、“紧挨着”、“在……之上”、“在……上方”、“在……下方”和“设置”。除非明确地描述为“直接的”，否则当在上述公开中描述第一元件与第二元件之间的关系时，该关系可以是在第一元件与第二元件之间不存在其他中间元件的直接关系，但其也可以是在第一元件与第二元件之间存在(在空间上或功能上)一个或多个中间元件的间接关系。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当被解释为意指使用非排他性逻辑OR的逻辑(A OR B OR C)，而不应被解释为表示“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。
在本申请中，包括以下定义，术语“模块”或术语“控制器”可用术语“电路”代替。术语“模块”可指代或包括以下项，或可为以下项的一部分：专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合模拟/数字离散电路；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)；执行代码的处理器电路(共享、专用或群组)；存储由处理器电路执行的代码的存储器电路(共享、专用或群组)；其他提供所描述的功能的合适硬件部件；或上述的一些或全部的组合，例如在片上系统中。
模块可包括一个或多个接口电路。在一些示例中，接口电路可包括连接到局域网(LAN)、因特网、广域网(WAN)或其组合的有线或无线接口。本公开的任何给定模块的功能可分布在经由接口电路连接的多个模块中。例如，多个模块可允许负载平衡。在另一示例中，服务器(也称为远程或云)模块可代表客户端模块来实现一些功能。
如上文所用的术语“代码”可包括软件、固件和/或微代码，并可指程序、例程、函数、类、数据结构和/或对象。术语“共享处理器电路”包括执行来自多个模块的一些或所有代码的单个处理器电路。术语“群组处理器电路”包括与其他处理器电路联合来执行来自一个或多个模块的一些或所有代码的处理器电路。对多个处理器电路的引用包括离散芯片上的多个处理器电路、单个芯片上的多个处理器电路、单个处理器电路的多个核、单个处理器电路的多个线程或上述的组合。术语“共享存储器电路”包括存储来自多个模块的一些或所有代码的单个存储器电路。术语“群组存储器电路”包括与其他存储器联合来存储来自一个或多个模块的一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”不包括通过介质(例如在载波上)进行传播的瞬时电或电磁信号；术语“计算机可读介质”因此可被认为是有形和非暂时的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例为非易失性存储器电路(例如，闪存存储器电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩模只读存储器电路)、易失性存储器电路(例如，静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质(例如，模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光存储介质(例如，CD、DVD或蓝光盘)。
本申请中描述的装置和方法可部分或全部由通过配置通用计算机来执行在计算机程序中实现的一个或多个特定功能而创建的专用计算机来进行实现。上述功能块、流程图部件和其他元件用作为软件规范，其可通过熟练技术人员或程序员的例行工作转换成计算机程序。
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。计算机程序还可包括或依赖于所存储的数据。计算机程序可包括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、后台服务、后台应用程序等。
计算机程序可包括：(i)要解析的描述文本，例如HTML(超文本标记语言)或XML(可扩展标记语言)；(ii)汇编代码；(iii)由编译器从源代码生成的目标代码；(iv)由解释器执行的源代码；以及(v)由即时编译器编译和执行的源代码等。仅作为示例，源代码可使用来自以下语言的语法进行编写：C、C++、C#、Objective C、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、HTML5、Ada、ASP(动态服务器页面)、PHP、Scala，Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、VisualLua和
在《美国法典》第35标题第112节(f)(35U.S.C.§112(f))的意义范围内，除非使用短语“用于……的装置”或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”明确地指出元件，否则权利要求书中陈述的元件都不旨在成为装置加功能元件。

Claims (10)

1.一种方法，其包括：
生成用于发动机的致动器的目标值；
生成对所述目标值的一组可能调整；
预测用于对目标值的所述一组可能调整的操作参数，其中所述预测的操作参数包括排放水平和排气系统操作参数中的至少一者；
确定对所述目标值的所述一组可能调整的成本；
基于所述成本从对所述目标值的多组可能调整中选择对所述目标值的所述一组可能调整；
确定用于所述所选组的所述预测的操作参数是否满足约束；
当所述预测的操作参数满足所述约束时，利用所述所选组的所述可能调整来调整所述目标值；以及
基于如此调整过的所述目标值来控制所述发动机的所述致动器。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
预测用于对所述目标值的所述一组可能调整的燃烧噪声水平；以及
基于所述所预测的燃烧噪声水平来确定用于对所述目标值的所述一组可能调整的所述成本。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述预测的操作参数包括由所述发动机产生的排气中的氧化氮的水平。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预测的操作参数包括由所述发动机产生的排气中的烟灰的水平。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述预测的操作参数包括在所述排气系统的微粒过滤器中的烟灰积聚量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述预测的操作参数包括储存在所述排气系统的选择性催化还原(SCR)催化器中的氨的水平。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述预测的操作参数包括所述排气系统中的选择性催化还原(SCR)催化器的温度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述预测的操作参数包括所述排气系统中的微粒过滤器的温度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述预测的操作参数进一步包括由所述发动机推进的车辆的速度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述预测的操作参数进一步包括由所述发动机推进的车辆的跃度。
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