CN107975418A - 用于内燃机的多变量发动机转矩和排放闭环控制 - Google Patents

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Abstract

公开了发动机转矩和排放控制(ETEC)系统、使用这种系统的方法以及具有采用ETEC方案的发动机的机动车辆。公开了一种用于操作内燃机(ICE)组件的ETEC系统。该系统包括：用于监测发动机转矩的发动机传感器；用于监测ICE组件的氮氧化物(NOx)输出的排气传感器；以及通信地连接到发动机传感器、排气传感器和ICE组件的发动机控制单元(ECU)。ECU被编程为：接收期望发动机转矩和期望NOx输出数据；从当前发动机转矩和当前NOx输出数据、期望发动机转矩和期望NOx输出确定期望发动机操作参考和排气操作参考；从期望发动机操作参考和排气操作参考确定发动机操作控制命令和排气操作控制命令；以及经由发动机操作控制命令和排气操作控制命令调节ICE组件的操作。

Description

用于内燃机的多变量发动机转矩和排放闭环控制
技术领域
本公开一般涉及用于调节发动机排放的排气后处理系统。更具体地，本公开的各方面涉及用于内燃机组件的后处理NOx还原的预测控制策略。
背景技术
目前生产的机动车(诸如现代的汽车)最初配备有操作以推进车辆并为车载电子设备供电的动力系统。动力系统包括在动力传动系统内并经常被误分类为动力传动系统，通常由通过多速动力传动将驱动动力传递给车辆的最终驱动系统(例如，后差速器、车轴和车轮)的原动机构成。汽车通常由往复活塞式内燃机(ICE)提供动力，因为其随时可用性且成本相对便宜、重量轻且总体高效。作为一些非限制性示例，这种发动机包括二冲程和四冲程压缩点火(CI)柴油发动机、四冲程火花点火(SI)汽油发动机、六冲程架构和旋转发动机。另一方面，混合动力车辆利用诸如电池供电的电动发电机之类的替代电源来推进车辆，使得对发动机功率的依赖性最小化，从而提高了总体燃料经济性。
典型的顶置阀内燃机包括具有一系列气缸孔的发动机缸体，每个气缸孔具有可在其中往复运动的活塞。联接到发动机缸体的顶表面的是气缸盖，气缸盖与活塞和气缸孔配合以形成可变容积的燃烧室。这些往复活塞用于将通过点燃燃烧室中的燃料-空气混合物而产生的压力转换为旋转力以驱动曲轴。气缸盖限定有进气口，由进气歧管提供的空气通过所述进气口被选择性地引入到每个燃烧室。气缸盖中还限定有排气口，废气和燃烧副产物通过所述排气口从燃烧室选择性地排出到排气歧管。排气歧管进而将废气收集并组合以便再循环进入进气歧管，输送到涡轮机驱动的涡轮增压器，和/或经由排气系统从ICE排出。
在ICE组件的每个燃烧工作循环期间产生的废气通常包括颗粒物质和其他已知的燃烧副产物，例如一氧化碳(CO)、烃类(HC)、挥发性有机化合物(VOC)和氮氧化物(NOx)。废气后处理系统用于将未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳氧化成二氧化碳和水，并在气体释放到大气中之前将氮氧化物与氮气和水的混合物减少。排气处理可以单独地和任何组合地包括氧化催化剂(OC)、NOx吸收剂/吸附剂、废气再循环(EGR)、选择性催化还原(SCR)系统、颗粒物质(PM)过滤器、催化转化器和其他排放控制装置。选择性催化还原是一种先进的主动排放控制技术，其将诸如无水或氨水(NH3)或汽车级尿素(也称为柴油机排气处理液(DEF))之类的计量剂喷射到废气流中。这种计量剂包括与废气中的NOx反应并混合的还原剂，并且混合物可以被吸收到SCR催化剂上。然后，SCR催化剂可以分解所吸收的混合物以形成水蒸气(H2O)和氮气(N2)。
发明内容
本文公开了用于内燃机(ICE)组件的多变量发动机转矩和排放控制系统，用于制造这种控制系统的方法和用于使用这种控制系统的方法，以及具有闭环转矩和排放控制能力的ICE组件和排气后处理系统的机动车辆。作为示例而非限制，提出了一种新颖的多变量发动机转矩和排放闭环控制策略和架构，其具有实时转矩和排放传感器反馈，以提供基于转矩和闭环的空气和燃烧控制以最小化排放。在一些示例中，控制设计基于发动机转矩和发动机排出NOx模型，以及发动机空气路径模型。例如，作为由汽车的车载发动机控制单元执行的处理器可执行指令组成的模型预测控制(MPC)算法实施，MPC策略利用例如涡轮增压器废气门(WG)或可变几何涡轮增压器(VGT)位置、进气节流阀(ITV)、喷射开始(SOI)(或火花正时(Spk))，以及具有约束燃料经济性优化的凸轮相位器(CP)数据来控制多输入和多输出燃烧系统，使得发动机可以实现高转矩跟踪性能，同时提高了燃烧效率并减少了NOx、PM和HC排放。转矩数据可以经由安装在发动机侧的转矩传感器或具有估计发动机转矩的模型提供。后处理系统数据可以经由选择性催化还原(SCR)入口处的发动机输出NOx传感器提供。
对于所公开实施例中的至少一些的伴随益处包括优化燃烧效率的能力，同时伴随地提供快速的转矩响应跟踪并使燃料消耗最小化。其他潜在益处包括提供实时NOx反馈控制，以提供燃烧和后处理系统的最佳集成，以在后处理NOx还原过程中获得更多的燃料经济性。所公开的系统、方法和设备还有助于减少气体增压系统校准时间和相关成本。所公开的算法和架构可以用于使用实时转矩传感器或存储的模型数据以及实时NOx输出传感器数据来应用闭环转矩和排放控制。所公开的算法和架构可以扩展到包括实时颗粒传感器反馈控制。
本公开的各方面涉及用于具有EGR和SCR功能的往复活塞式内燃机组件的多变量发动机转矩和排放闭环控制系统。例如，公开了一种用于ICE组件的发动机转矩和排放控制(ETEC)系统，其用与排气后处理系统流体联接的多个可变容积的燃烧室制造。ETEC系统包括：发动机传感器，其检测ICE组件的当前发动机转矩并输出指示其的一个或多个信号；以及排气传感器，其检测ICE组件的当前氮氧化物(NOx)输出并输出指示其的一个或多个信号。ETEC系统还包括与发动机传感器、排气传感器和ICE组件通信连接的可编程发动机控制单元。发动机控制单元被配置为：接收期望发动机转矩和期望NOx输出的指示；从当前发动机转矩、当前NOx输出、期望发动机转矩和期望NOx输出确定期望发动机操作参考和期望排气操作参考；从期望发动机操作参考和期望排气操作参考确定发动机操作控制命令和排气操作控制命令；以及将发动机操作控制命令和排气操作控制命令输出到ICE组件。
在上述示例中，期望发动机操作参考可以包括：期望发动机增压压力参考、期望发动机进气歧管压力(MAP)参考、期望可变阀致动(VVA)参考和/或期望喷射开始(SOI)参考。同样地，期望排气操作参考可以包括期望废气再循环(EGR)参考。按照同样的思路，发动机操作命令可以包括：涡轮增压器废气门(WG)命令、节流阀(Thr)命令、涡轮喷嘴命令和/或可变阀致动(VVA)命令。排气操作控制命令可以包括废气再循环(EGR)阀命令和/或选择性催化还原(SCR)还原剂喷射命令。
本公开的其他方面涉及具有多变量发动机转矩和排放闭环控制能力的往复活塞式发动机组件的机动车辆。本文使用的“机动车辆”可以包括任何相关的车辆平台，例如客车(内燃机、混合动力、燃料电池、全部或部分自动等)、商用车辆、工业车辆、跟踪车辆、越野车和全地形车辆(ATV)、农用设备、船只、飞机等。在示例中，展示了包括具有发动机舱的车身和完全或部分地装载在发动机舱内的内燃机(ICE)组件的机动车辆。ICE组件包括具有一系列气缸孔的发动机缸体和可在每个气缸孔内往复运动的活塞。废气再循环(EGR)系统流体地联接到ICE组件并且被配置为将来自ICE组件的废气再循环回到一个或多个气缸孔中。
继续上述示例，机动车辆还包括：一个或多个发动机传感器，用于实时监测ICE组件的当前发动机转矩；以及一个或多个排气传感器，用于实时监测ICE组件的的当前NOx输出。可编程的发动机控制单元通信地连接到ICE组件、排气传感器和发动机传感器。发动机控制单元被编程为：接收指示当前发动机转矩、当前NOx输出、期望发动机转矩和期望NOx输出的信号；从当前发动机转矩和当前NOx输出以及期望发动机转矩和期望NOx输出确定一个或多个期望发动机操作参考和一个或多个期望排气操作参考；从期望发动机操作参考和期望排气操作参考确定一个或多个发动机操作控制命令和一个或多个排气操作控制命令；以及根据发动机操作控制命令和排气操作控制命令调节ICE组件和EGR系统的操作。
本公开的其他方面涉及制造用于具有EGR和SCR功能的往复活塞式内燃机组件的多变量发动机转矩和排放闭环控制系统的方法及其使用方法。例如，公开了一种用于操作用于ICE组件的发动机转矩和排放控制系统的方法。该方法以任何顺序和任何组合包括：接收期望发动机转矩和期望NOx输出的指示；从安装到发动机部件的发动机传感器接收ICE组件的当前发动机转矩；从安装到排气后处理系统的部件的排气传感器接收ICE组件的当前NOx输出；从当前发动机转矩、当前NOx输出、期望发动机转矩和期望NOx输出确定期望发动机操作参考和期望排气操作参考；从期望发动机操作参考和期望排气操作参考确定发动机操作控制命令和排气操作控制命令；以及将发动机操作控制命令和排气操作控制命令传送到ICE组件。
上述发明内容不旨在表示本公开的每个实施例或每个方面。相反，前面的发明内容仅提供了本文所阐述的一些新颖方面和特征的示例。从以下结合附图和所附权利要求书的用于实施本公开的代表性实施例和代表性模式的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将显而易见。此外，本公开明确地包括上述和下述的元件和特征的任何组合和所有组合以及子组合。
附图说明
图1是代表性机动车辆的前透视图，具有代表性火花点火往复活塞式内燃机(ICE)组件的插图示意图，该组件具有根据本公开各方面的多变量转矩和排放闭环控制能力。
图2是根据本公开各方面的代表性多变量发动机转矩和排放闭环控制架构的示意图。
图3是示出针对图2的代表性发动机转矩和排放反馈控制架构的标准效应(发动机转矩响应)示例的帕累托图。
图4是示出根据本公开各方面的具有实际转矩(Nm)对估计转矩(Nm)的代表性多区域转矩回归模型的图表。
图5是用于根据所公开概念的各方面的可以与机载车辆的车载控制逻辑电路或其他基于计算机的装置执行的指令对应的多变量发动机转矩和排放闭环控制方案或算法的流程图。
本公开容许各种修改和替代形式，并且一些代表性实施例已经通过附图中的示例示出并且将在下文详细描述。然而，应当理解，本公开的新颖方面不限于附图中示出的特定形式。相反，本公开旨在涵盖落入由所附权利要求限定的本公开的范围和精神内的所有修改、等同、组合、子组合、排列、分组和替代。
具体实施方式
本公开容许多种不同形式的实施例。在附图中示出并且将在本文中详细描述本公开的代表性实施例，应当理解这些代表性实施例被认为是本公开的原理的示例，并且不旨在将本公开的广泛方面限于所示出的实施例。在这个意义上，例如在说明书摘要、发明内容和具体实施方式部分中公开但未在权利要求中明确阐述的元件和限制不应通过暗示、推断或以其他方式单独地或集体地并入权利要求中。为了本详细描述的目的，除非特别声明，否则单数包括复数，反之亦然；词语“和”和“或”应该既是联结的又是分离的；词语“所有”是指“任何和所有”；词语“任何”是指“任何和所有”；并且词语“包括”、“包含”和“具有”是指“包括但不限于”。此外，诸如“约”、“几乎”、“基本上”、“近似”等的近似词语可以在本文中以“在、附近或接近于”或“...的3-5％内”或“在可接受的制造公差内”或其任何逻辑组合的意义上使用。
现在参考附图，其中相同的附图标记在整个几幅视图中指代相同的特征，图1中示出了代表性汽车的透视图，其总体上以10表示，并且为了讨论的目的而被描述为四门轿车式乘客车辆。安装在汽车10的前部(例如前保险杠和格栅的后方以及乘客舱的前方)的是容纳在由发动机罩14覆盖的发动机舱内的内燃机(ICE)组件12。所示出的汽车10——在本文中也简称为“机动车辆”或“车辆”——仅仅是可以实践本公开的新颖方面和特征的示例性应用。按照同样的思路，将本发明概念实施为火花点火直接喷射(SIDI)发动机配置也应当理解为本文所公开的新颖概念的示例性应用。因此，应当理解，本公开的方面和特征可以应用于其他发动机架构，实施为其他排气后处理系统，并且用于任何逻辑相关类型的机动车辆。最后，本文提供的附图不一定按比例绘制，并且仅仅用于指导目的。因此，附图中所示的具体和相对尺寸不应被解释为限制性的。
图1中示出了多气缸、双顶置凸轮(DOHC)、直列式ICE组件12的示例。示出的ICE组件12是四冲程往复活塞发动机构造，其操作以推进车辆10，例如作为直接喷射式汽油发动机，包括机动燃料车辆(FFV)及其混合动力车辆变型。ICE组件12可以可选地以各种各样的可选择燃烧模式中的任一种操作，包括均质压缩点火(HCCI)燃烧模式和其他压缩点火(CI)燃烧模式。另外，ICE组件12可以以化学计量的空气/燃料比和/或主要不以化学计量的空气/燃料比操作。该发动机12包括在发动机缸体13的气缸孔15内可滑动地移动的一系列往复活塞16。每个活塞16的顶表面与其对应的气缸15的内周面和气缸盖25的凹入室表面19配合，以限定可变容积的燃烧室17。每个活塞16连接到旋转曲轴11，活塞16的线性往复运动通过曲轴输出到例如经由曲轴11做旋转运动的动力传动装置(未示出)。
进气系统将吸入空气通过进气歧管29传送到气缸15，进气歧管将空气经由气缸盖25的进气流道引导并分配到燃烧室17中。发动机的进气系统具有气流管道系统以及用于监测和控制气流的各种电子设备。作为非限制性示例，进气装置可以包括用于监测质量气流(MAF)33和进气温度(IAT)35的质量气流传感器32。节流阀34响应于来自可编程发动机控制单元(ECU)5的控制信号(ETC)120控制进入ICE组件12的气流。进气歧管29中的压力传感器36监测例如歧管绝对压力(MAP)37和大气压力。外部流动通道将废气从发动机排气再循环到进气歧管29，例如经由具有废气再循环(EGR)阀38性质的控制阀。可编程的发动机控制单元5通过经由EGR命令139控制EGR阀38的打开来控制废气进入进气歧管29的质量流量。在图1中，连接ECU 5与ICE组件12的各个部件的箭头是数据和/或控制命令从一个部件传送到另一个部件的电子信号或其他通信交换的象征。
从进气歧管29进入每个燃烧室17的气流由一个或多个专用进气发动机阀20控制。废气经由排气歧管39从燃烧室17到排气后处理系统55的排出由一个或多个专用排气发动机阀18控制。根据所公开实施例中的至少一些，排气后处理系统55包括废气再循环(EGR)系统和/或选择性催化还原(SCR)系统。发动机阀18、20在本文被示出为弹簧偏置提升阀；然而，可以采用其他已知类型的发动机阀。ICE组件12阀机构系统被配备为控制并调节进气和排气阀20、18的打开和关闭。根据一个示例，可以通过控制进气和排气可变凸轮相位/可变升程控制(VCP/VLC)装置22和24来分别调节进气阀和排气阀20、18的启动。这两个VCP/VLC装置22、24被配置为分别控制并操作进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。这些进气凸轮轴21和排气凸轮轴23的旋转与曲轴11的旋转关联和/或指引，从而将进气阀20和排气阀18的打开和关闭关联到曲轴11和活塞16的位置。进气VCP/VLC装置22可以制造有可操作以响应于控制信号(iVLC)125切换和控制进气阀20的阀升程的机构，并响应于控制信号(iVCP)126可变地调节并控制每个气缸15的进气凸轮轴21的相位。按照同样的思路，排气VCP/VLC装置24可以包括可操作以响应于控制信号(eVLC)123可变地切换并控制排气阀18的阀升程的机构，并且响应于控制信号(eVCP)124可变地调节并控制每个气缸15的排气凸轮轴23的相位。VCP/VLC装置22、24可以响应于相应的控制信号eVLC123、eVCP124、iVLC125和iVCP126利用电液压、液压、机电和电控制力中的任何一种来致动。
继续参考图1的代表性构造，ICE组件12采用具有多个高压燃料喷射器28的汽油直接喷射(GDI)燃料喷射子系统，其将燃料脉冲直接喷射到燃烧室17中。每个气缸15设置有一个或多个燃料喷射器28，其响应于来自ECU 5的喷射器脉冲宽度命令(INJ_PW)112而致动。这些燃料喷射器28由燃料分配系统供给加压燃料。燃料喷射器28中的一个或多个或全部可以在被致动时操作以将每个工作循环的多个燃料脉冲(例如，一连串的第一、第二、第三等燃料质量的喷射)喷射到相应的一个ICE组件气缸15中。ICE组件12采用火花点火子系统，通过该火花点火子系统，经由火花塞26提供通常具有突然放电性质的燃料起燃能量，用于响应于来自ECU 5的火花命令(IGN)118点燃或协助点燃每个燃烧室17中的气缸增压器。本公开的各方面可以类似地应用于压缩点燃(CI)柴油发动机。
ICE组件12配备有用于监测发动机操作的各种感测装置，包括具有指示曲轴旋转位置(例如曲轴角度和/或速度(RPM)信号43)的输出的曲轴传感器42。温度传感器44被配置为监测例如一个或多个与发动机相关的温度(例如，冷却剂温度、燃料温度、排气温度等)并输出指示其的信号45。缸内燃烧传感器30被配置为监测燃烧相关的变量(例如缸内燃烧压力、增压器温度、燃料质量、空气-燃料比等)并输出指示其的信号31。废气传感器40被配置为监测废气相关的变量(例如，实际空气/燃料比(AFR)、燃烧气体组分等)并输出指示其的信号41。燃烧压力和曲轴速度可以由ECU 5监测，例如，以确定燃烧正时，即，对于每个工作燃烧循环，每个气缸15的燃烧压力相对于曲轴11的曲轴角度的正时。应当理解，燃烧正时可以通过其他方法确定。燃烧压力可以由ECU 5监测，以确定对于每个工作燃烧循环每个气缸15的指示平均有效压力(IMEP)。ICE组件12和ECU 5在每个气缸点火事件期间协调地监测并确定每个发动机气缸15的IMEP的状态。可替代地，可以使用其他感测系统来监测本公开范围内的其他燃烧参数的状态，例如离子感测点火系统、EGR组分和非侵入式气缸压力传感器。
控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器和类似术语是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如，微处理器)、以及相关联的存储器和储存器(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)中的一个或多个的任何一种或各种组合，存储器和储存器执行一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、适当的信号调节和缓冲电路，以及提供所描述功能的其他部件。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语是指包括校准和查找表的任何控制器可执行指令集。ECU可以设计成具有被执行以提供所需功能的一组控制例程。控制例程例如通过中央处理单元执行，并且可操作以监测来自感测装置和其他网络控制模块的输入，并执行控制和诊断例程以控制设备和致动器的操作。例程可以在运转的发动机和车辆操作期间以规律的间隔执行，例如每100微秒、3.125毫秒、6.25毫秒、12.5毫秒、25毫秒和100毫秒。可替代地，可以响应于事件的发生来执行例程。
图2中示出了代表性多变量发动机转矩和排放控制(ETEC)架构，通常以100表示，其可操作例如以提供基于闭环的燃料控制，以实现最佳的发动机转矩和基于闭环的空气和燃烧控制，从而使燃烧产生的排放最小化。如下面将进一步详细描述的，ETEC架构100可以有助于优化燃烧效率，并且可以有助于提供快速的转矩响应跟踪同时使燃料消耗最小化。ETEC架构100还可以有助于提供实时氮氧化物(NOx)反馈控制，以有助于确保燃烧和后处理系统的最佳集成，从而在后处理NOx还原过程中获得更大的燃料经济性，并有助于减少空气增压系统校准。闭环ETEC架构100可以使用加法和乘法的发动机转矩模型，以及使用涡轮增压器废气门(WG)的多输入和多输出燃烧系统的模型预测控制(MPC)、进气节流阀(ITV)、喷射开始(火花正时)(SOI(Spk))和凸轮相位器(CP)数据，具有约束燃料经济性优化。
在示出的示例中，ETEC架构100的各部分通常被示出实施为可互操作的控制模块——转矩排放反向(TEI)模块102、模型预测控制(MPC)模块104和多输入多输出(MIMO)模块106，这些模块可以各自包括具有例如由图1所示的机动车辆10的车载发动机控制单元(ECU)5实行的处理器可执行指令的相应软件应用。对于至少一些应用而言，MPC模块104可被比例积分微分(PID)模块替代或补充。按照同样的思路，可以设想，每个控制模块可以包括离散控制器、微处理器或其他集成电路(IC)装置，所有这些都可操作地互连以执行本文公开的任何功能和特征。作为闭环系统，通过经由ECU 5实现的TEI、MPC和MIMO控制模块102、104、106基于来自ICE和排气系统的反馈感测数据来调节ICE组件12和排气后处理系统55的操作(即，输出量影响到控制过程的输入量)。
为了提供闭环反馈数据，ETEC系统100可以与各种各样的车载和车外感测装置通信，包括图1所示和如上所述的装置，以聚集发动机和排气系统的操作和优化的相关信息。在图2中，ECU 5与一个或多个发动机传感器108通信，发动机传感器可以具有安装在曲轴11或ICE组件12的其他适当部件上的磁弹性旋转转换器型或表面声波(SAW)转矩传感器的性质。发动机传感器108可操作以例如实时地监测、系统地/随机地跟踪或者以其他方式选择性地检测ICE组件的当前发动机转矩(Tq)，并且发送指示其的一个或多个信号。替代的系统架构可以通过利用例如存储的数学模型来估计发动机转矩而消除或补充发动机传感器108的数据。对于后处理系统控制，ECU 5与一个或多个排气传感器110通信，排气传感器可以具有固态电化学或电流式NOx传感器的性质，例如高温陶瓷金属氧化物NOx传感器，其灵敏度范围为约百万分之100-2000(ppm)，安装在排气后处理系统55的选择性催化还原(SCR)装置上。排气传感器110可操作以例如实时地监测、系统地/随机地跟踪或者以其他方式选择性地检测当前NOx发动机输出，并且发送指示其的一个或多个信号。
模型预测控制(MPC)模块104，如图2所示通信地连接到ICE组件12、排气后处理系统55以及发动机和排气传感器108、110，其接收操作者输入、闭环反馈数据和预定系统参数以执行内燃机的面向控制建模。作为示例而非限制，MPC模块104接收指示期望发动机转矩(Tq_des)和期望NOx输出(NOx_des)的信号，以及分别表示当前发动机转矩(Tq_ms)和当前NOx输出(NOx_ms)的转矩反馈控制(TFC)信号和排放反馈控制(EFC)信号。期望发动机转矩(Tq_des)可以以例如通过油门踏板传感器和/或制动踏板传感器以及其他可能的装置获得的操作者转矩请求的形式出现。相反，期望NOx输出(NOx_des)可以从存储的查找表中提取，查找表为各种瞬态发动机运行条件(例如，不同的发动机转速、不同的发动机加速度等)中的每个瞬态发动机运行条件提供被认为是“可接受的NOx排放水平”的预定参数值)。这个期望NOx输出(NOx_des)也可以基于后处理系统的当前操作条件进行修改。
转矩排放反向(TEI)模块102可以被表征为存储或以其他方式访问一个或多个查找表的前馈块，并且基于发动机转速(rpm)输入和转矩需求(Tq_des)输入，产生由MIMO模块106(例如，燃料喷射器、凸轮相位器和/或可变阀致动器)使用的空气增压参考以调节ICE组件12和SCR/EGR系统55的操作。根据图2所示的示例，TEI模块102例如经由感应曲轴位置传感器接收当前发动机转速的指示，并且访问存储的查找表以从当前发动机转速(rpm)和期望发动机转矩(Tq_des)来确定一个或多个增压参考。由TEI 102生成的空气增压参考的非限制性示例包括：发动机增压压力参考(Boost_ref)、发动机进气歧管压力参考(MAP_ref)、废气再循环参考(EGR_ref)、可变值致动参考(VVA_ref)和/或喷射开始参考(SOI_ref)。在至少一个特殊情况下，由TEI块生成的所有参考也可以设定为零。在所公开的至少一些控制算法中，这些参考用于建立由空气增压系统和燃烧系统跟踪的设定点。
从所接收的操作员输入、反馈控制数据、空气增压参考，以及期望参数(例如当前发动机转矩和当前NOx输出、期望发动机转矩和期望NOx输出)、TEI参考值等，MPC模块104计算用于传送到MIMO控制模块106或直接传送到发动机组件12的一个或多个期望发动机操作参考以及一个或多个期望排气操作参考。根据所示的示例，期望发动机操作参考可以单独地或以任何组合的方式包括期望发动机增压压力参考(Boost_des)、期望发动机进气歧管压力参考(MAP_des)、期望可变阀致动参考(VVA_des)，以及期望喷射开始参考(SOI_des)。作为另一示例，期望排气操作参考可以包括期望EGR参考(EGR_des)。以下将详细说明可以确定这些值的方式。
多输入多输出(MIMO)控制模块106与TEI模块102和MPC模块104有线或无线地通信，以从所接收输入的任何适当组合建立发动机和排放控制命令，例如一个或多个发动机操作控制命令以及一个或多个排气操作控制命令。MIMO控制模块106可以例如经由涡轮增压器废气门(WG)命令、进气节流阀(Thr)命令、可变几何涡轮喷嘴(VG)命令、可变阀致动(VVA)命令或废气再循环(EGR)阀命令或者其任何组合调节燃烧和后处理系统，例如，以传递实际增压压力、EGR、歧管压力、喷射开始和VVA位置。由于该系统是闭环控制的，因此发动机转矩响应更快，攻击力更小，从而不会浪费燃料。
继续图2所示的代表性架构，ETEC系统100利用例如模型预测控制算法或多变量PID来提供闭环转矩和排放反馈控制。闭环反馈控制可以跟踪期望转矩性能并跟踪期望排放目标，以有助于确保更有效的燃烧，从而提高燃料经济性并改善驾驶员体验。基于期望转矩和排放以及测量转矩和排放，MPC模块可以进一步将空气增压和燃烧参考修改为期望参考：pb，des——发动机增压压力参考；pi，des——发动机进气歧管压力参考；——EGR参考；VVAdes——可变值致动参考；SOIdes——注射开始参考。然后，空气增压和燃烧系统控制可以使增压压力、进气歧管压力、EGR和SOI以及可变阀致动器位置跟踪这些期望设定点而不是参考点。这种修改可以基于使用模型预测控制的优化策略，使得进一步优化燃烧并且转矩和排放跟踪期望目标。
MPC控制算法可以确定期望空气增压和燃烧设定点，如通过找到最佳控制U所限定的，即用于空气增压和燃烧的期望设定点，其中：
其中pi，des是期望进气歧管压力，是期望EGR质量空气流量，SOIdes是期望喷射正时开始，VVAdes是期望可变阀致动器位置。U可以设定为最小化由以下成本函数定义的转矩和NOx跟踪误差：
其中Pi，ref是进气歧管压力参考，是EGR质量空气流量参考，SOIref是喷射开始参考，VVAref是可变阀致动器位置参考，NOx是当前发动机输出NOx测量，NOx，des是期望发动机输出NOx，R1、R2、S1、S2、S3和S4各自是成本函数J的相应权重，Tq是当前发动机转矩测量，并且Tq，des是期望发动机转矩。成本函数J可能受制于发动机系统约束dTq/dt和dNOx/dt，其中：
其中pi是当前进气歧管压力，px是当前排气压力，prail是当前轨道压力(例如，高压共轨燃料喷射系统的当前轨道压力)，是当前新鲜质量空气流量，是当前燃料质量流量，SOI是当前喷射开始，VVA是当前可变阀致动器位置，rpm是当前发动机转速，Ti是当前发动机温度，RH是当前相对湿度，并且Tcoolant是当前冷却剂温度。优化期间的其他约束可能包括
以及
||ΔU||＝||Uref-Udes||＜Umax
最后的约束可能要求控制向量Udes不偏离远离从前馈控制生成的Uref。对于至少一些实施例，该算法可以在离散状态空间中执行。通过解决这个最优控制问题，控制向量将成为期望发动机转矩和发动机NOx以及测量发动机转矩和发动机NOx的函数。
可以应用任何非线性优化算法来解决这个MPC问题，以找到最优控制U，例如使用极限搜索算法、牛顿广义最小残差法。MPC问题也可以通过使用线性参数变化MPC算法等来解决。
图3是示出针对图2的代表性发动机转矩和排放反馈控制架构的一些标准效应(附图中标记为“PCSE”)的示例的帕累托图。基于实验和统计分析，发现发动机转矩产生通常取决于例如进气歧管压力(pi)、空气/燃料比(AFR)、发动机转速(rpm)、PR(发动机δ压力px/pi，有时定义为差Δp＝px-pi)，质量气流(MAF)、喷射开始(SOI)和发动机(进气歧管)温度(Ti)。通过分析发动机转矩相对于各种参数的灵敏度，例如，基于使用统计分析的丰富的实验数据，置信水平为95％(α＝0.05)，确定了低于标准效应1.97的参数可能被认为是“噪音”。相反，参数的标准效应越高，其对发动机转矩的影响越大。从这个代表性图示，确定进气歧管压力pi对发动机转矩贡献最大，然后是AFR、RPM、发动机δ压力＝Px/Pi，再然后是MAF(相当于EGR)、SOI等。利用回归，可以建立线性参数变化发动机转矩模型：
加性模型
积性模型
包括NOx LPV模型，
其中QLH表示燃料能量低热值，Tqs是回归转矩，并且Tq是动态转矩。作为非限制性示例，对发动机转矩建模的物理意义在于，在乘法转矩模型中，转矩＝(燃料能量)*(燃烧效率)+泵送转矩+摩擦转矩：
泵送转矩＝a7(t)Δp
摩擦转矩＝a8(t)·rpm2
其中IMOP代表进气阀最大打开位置，并且EMOP代表排气阀最大打开位置。这仅仅是回归的一个示例。有不同的回归组合也可以被采用。这种回归模型的优点是它们是输入的线性函数；可以基于转矩操作范围来识别“慢”时变系数a1(t)、a2(t)，...a8(t)。例如，在图4中，转矩操作范围被示出分为三个范围——低、中、高转矩范围。在每个范围内，这些回归系数是常数。
图4是示出根据上述乘法回归模型以牛顿米(Nm)为单位的实际转矩(AT)对估计转矩(ET)绘制的代表性多区域转矩回归模型的图表。在示出的示例中，区域1(Z1)可以被认为是“低范围”转矩，区域2(Z2)可以被认为是“中范围”转矩，而区域3(Z3)可以被认为是“高范围”转矩。如果存在转矩传感器或高保真转矩估计，则可以通过使用递归最小二乘算法来去除区域，以识别参数a1至a8从而识别LPV转矩模型。该图表绘制了从乘法转矩模型估计的转矩与实际测量转矩的关系；如果结果是对角线(如图所示)，则Torque_est＝Torque_actual(估计的转矩等于实际的转矩)。绘图线PL1有助于仅用一个区域来验证转矩模型(例如，无论转矩变得多大，所有系数a1、a2，...a8都是常数)。绘图线PL2有助于验证在每个操作区域Z1、Z2、Z3中由三个子模型组成的转矩模型，其中转矩系数在每个区域Z1、Z2、Z3中保持恒定。在该代表性模型中，三个区域是区域1(例如，0至50Nm)，区域2(例如，50～250Nm)和区域3(例如，250NM及以上)。这有助于表明三区域转矩模型提高了模型精度。除了该回归转矩模型之外，可以采用不同的转矩模型，其中在每个操作区域中，可以基于影响指示转矩的输入u以及影响泵送转矩和摩擦转矩的输入d来识别状态空间转矩模型，其中
在该示例中，瞬态转矩模型可以使用任何系统ID方法(例如，MATLAB子空间IDn4sid)，其中，
Tq＝Cixi+Diu
其中i＝1、2、3等。瞬态LPV转矩模型可以通过重新布置状态空间模型来实现，使得
并且
Tq＝Cixi+D(ρ)iu
现在参考图5的流程图，根据本公开各方面的一种用于在机动车辆(诸如汽车10)的内燃机(诸如图1的ICE组件12)的操作期间操作多变量发动机转矩和排放闭环控制系统的改进的方法或控制策略，例如通常以200描述。图5可以代表与可以存储在例如主存储器或辅助存储器中并且例如由ECU、CPU、车载或远程车辆控制逻辑电路或其他设备执行的至少一些指令对应的算法，以执行与所公开概念相关联的上述和/或下面描述的功能中的任何一个或全部。
图5的方法200开始于框201，例如经由图2的转矩排放反向(TEI)模块102)接收指示当前发动机转速(rpm)的一个或多个信号。框201还可以包括TEI模块102接收指示转矩命令(Tq_des)的一个或多个信号。在框203，方法200包括例如经由TEI模块102传送或以其他方式输出一个或多个空气增压参考，例如图2所示和如上所述的那些。图5的方法200继续到框205，例如经由图2的模型预测控制(MPC)模块104接收指示期望发动机转矩(Tq_des)和期望NOx输出(NOx_des)的一个或多个信号。然后，在框207，方法200包括例如经由MPC模块104传送或以其他方式输出一个或多个期望发动机操作和期望排气操作值。
继续参考图5，方法200继续到框209，例如经由图2的多输入多输出(MIMO)控制模块106计算一个或多个发动机操作控制命令以及一个或多个排气操作控制命令。这些可以单独地和以任何组合方式包括WG命令、Thr命令、VVA命令、EGR命令和VG命令。在框211，方法200将这些控制命令传送或以其他方式输出到发动机和排气系统(例如，图2的ICE组件12和排气后处理55)。在框213，将TFC和EFC反馈控制数据传送到ECU 5，以便随后修改MPC和MIMO控制。
在一些实施例中，可以通过诸如程序模块(通常被称为由车载车辆计算机执行的软件应用或应用程序)之类的计算机可执行程序来实现本公开的各方面。在非限制性示例中，软件可以包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件和数据结构。软件可以形成接口以允许计算机根据输入源作出反应。软件还可以与其他代码段协作以响应于接收到的数据并结合接收数据的源来发起各种任务。软件可以存储在各种存储介质中的任一种上，诸如CD-ROM、磁盘、磁泡存储器和半导体存储器(例如，各种类型的RAM或ROM)。
而且，本公开的各方面可以通过各种计算机系统和计算机网络配置来实施，包括多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子设备、小型计算机、大型计算机等。此外，本公开的各方面可以在任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行的分布式计算环境中实施。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和远程计算机存储介质中，包括存储器存储设备。因此，本公开的各方面可以在计算机系统或其他处理系统中结合各种硬件、软件或其组合来实现。
本文描述的任何方法可以包括由以下设备执行的机器可读指令：(a)处理器，(b)控制器，和/或(c)任何其他合适的处理设备。本文公开的任何算法、软件或方法可以体现在存储于有形介质上的软件中，例如闪存、CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字通用盘(DVD)或其他存储设备，但是本领域普通技术人员将容易理解的是，整个算法和/或其部分可以替代地由除控制器之外的设备执行和/或以公知方式在固件或专用硬件(例如，它可以由专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、离散逻辑等)中实现。此外，虽然参考本文示出的流程图描述了特定算法，但是本领域普通技术人员将容易理解，可以替代地使用实现示例性机器可读指令的许多其他方法。例如，可以改变框的执行顺序，和/或可以改变、消除或组合所描述的框中的一些。
虽然已经参考所示实施例详细描述了本公开的各方面，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开范围的情况下，可以对其进行许多修改。本公开不限于本文公开的精确构造和组成；从前面描述中显而易见的任何和所有修改、变化和变型都在所附权利要求限定的本公开的精神和范围内。此外，本发明概念明确地包括前述元件和特征的任何和所有组合和子组合。

Claims (10)

1.一种用于内燃机(ICE)组件的发动机转矩和排放控制系统，所述ICE组件包括流体地联接到排气后处理系统的一个或多个燃烧室，所述发动机转矩和排放控制系统包括：
发动机传感器，其被配置为检测所述ICE组件的当前发动机转矩并输出指示其的信号；
排气传感器，其被配置为检测所述ICE组件的当前氮氧化物(NOx)输出并输出指示其的信号；以及
可编程的发动机控制单元，其通信地连接到所述发动机传感器、所述排气传感器和所述ICE组件，所述发动机控制单元被配置为：
接收期望发动机转矩和期望NOx输出的指示；
从所述当前发动机转矩、所述当前NOx输出、所述期望发动机转矩和所述期望NOx输出确定期望发动机操作参考和期望排气操作参考；
从所述期望发动机操作参考和所述期望排气操作参考确定发动机操作控制命令和排气操作控制命令；以及
将所述发动机操作控制命令和排气操作控制命令输出到所述ICE组件。
2.根据权利要求1所述的发动机转矩和排放控制系统，其中，所述发动机控制单元还被配置为：
接收当前发动机转速的指示；以及
从所述当前发动机转速和所述期望发动机转矩确定空气增压参考，
其中，确定所述发动机操作控制命令或所述排气操作控制命令或两者都进一步基于所述空气增压参考。
3.根据权利要求2所述的发动机转矩和排放控制系统，其中，所述空气增压参考包括发动机增压压力参考、发动机进气歧管压力(MAP)参考、废气再循环(EGR)参考、可变值致动(VVA)参考或喷射开始(SOI)参考，或者其任何组合。
4.根据权利要求1所述的发动机转矩和排放控制系统，其中，所述期望发动机操作参考包括期望发动机增压压力参考、期望发动机进气歧管压力(MAP)参考、期望可变阀致动(VVA)参考或期望喷射开始(SOI)参考，或者其任何组合。
5.根据权利要求1所述的发动机转矩和排放控制系统，其中，所述期望排气操作参考包括期望废气再循环(EGR)参考。
6.根据权利要求1所述的发动机转矩和排放控制系统，其中，所述发动机控制单元包括模型预测控制(MPC)模块，其通信地连接到所述发动机传感器和排气传感器，并且被配置为确定所述期望发动机操作参考和所述期望排气操作参考并输出指示其的信号。
7.根据权利要求6所述的发动机转矩和排放控制系统，其中，所述发动机控制单元还包括多输入多输出(MIMO)控制模块，其通信地连接到所述MPC模块并且被配置为确定所述发动机操作控制命令和排气操作控制命令。
8.根据权利要求7所述的发动机转矩和排放控制系统，其中，所述发动机控制单元还包括转矩排放反向(TEI)模块，其存储查找表并且被配置为基于当前发动机转速和所述期望发动机转矩从所述查找表中确定空气增压参考。
9.根据权利要求1所述的发动机转矩和排放控制系统，其中，所述发动机控制单元还被配置为确定最优控制参数U以最小化由成本函数J定义的转矩和NOx跟踪误差，其中：
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并且其中，Pi，des是期望进气歧管压力，是期望EGR质量空气流量，SOIdes是期望喷射开始，VVAdes是期望可变阀致动器位置，Pi，ref是进气歧管压力参考，是EGR质量气流参考，SOIref是喷射开始参考，VVAref是可变阀执行器位置参考，NOx是当前发动机输出NOx，NOx，des是期望发动机输出NOx，R1、R2、S1、S2、S3和S4各自是成本函数J的相应权重，Tq是当前发动机转矩，并且Tq，des是期望发动机转矩。
10.根据权利要求9所述的发动机转矩和排放控制系统，其中，所述成本函数J受制于发动机系统约束dTq/dt和dNOx/dt，其中：
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其中pi是当前进气歧管压力，px是当前排气压力，Prail是当前燃料轨道压力，是当前新鲜质量空气流量，是当前燃料质量空气流量，SOI是当前喷射开始，VVA是当前可变阀致动器位置，rpm是当前发动机转速，Ti是当前发动机温度，RH是当前相对湿度，并且Tcoolant是当前冷却剂温度。
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