CN114320642A - 发动机扭矩估计和控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了发动机扭矩估计和控制系统及方法。一种发动机控制系统，包括:归一化模块，被配置为将发动机的火花正时和发动机的至少一个其他参数归一化到预定值范围内，从而分别产生归一化火花正时和至少一个归一化其他参数；处理模块，其被配置为通过将(a) sigmoidal函数和正弦函数之一应用于归一化火花正时来生成sigmoidal火花正时；以及估计模块，其被配置为使用数学模型基于归一化火花正时和至少一个归一化其他参数来估计发动机的扭矩输出。

Description

发动机扭矩估计和控制系统及方法
技术领域
本公开涉及内燃机，并且更具体地，涉及用于车辆的发动机控制系统和方法。
背景技术
本部分中提供的信息旨在概括介绍本公开的背景。在本部分中描述的范围内，当前指定的发明人的工作，以及在提交时可能不符合现有技术的描述方面，既不明确也不隐含地被认为是针对本公开的现有技术。
内燃机燃烧气缸内的空气和燃料混合物来驱动活塞，从而产生驱动扭矩。进入发动机的空气流量经由节气门调节。更具体地，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。随着节气门面积的增加，进入发动机的空气流量增加。燃料控制系统调整燃料喷射速率，以向气缸提供期望的空气/燃料混合物和/或实现期望的扭矩输出。增加提供给气缸的空气和燃料量会增加发动机的扭矩输出。
在火花点燃式发动机中，火花引发提供给气缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压燃式发动机中，气缸中的压缩使提供给气缸的空气/燃料混合物燃烧。火花正时和空气流量可能是调整火花点燃式发动机扭矩输出的主要机制，而燃料流量可能是调整压燃式发动机扭矩输出的主要机制。
发明内容
在一个特征中，一种发动机控制系统包括:归一化模块，其被配置为将发动机的火花正时和发动机的至少一个其他参数归一化到预定值范围内，从而分别产生归一化火花正时和至少一个归一化其他参数；处理模块，其被配置为通过将(a)sigmoidal函数和正弦函数之一应用于归一化火花正时来生成sigmoidal 火花正时；以及估计模块，其被配置为使用数学模型基于归一化火花正时和至少一个归一化其他参数来估计发动机的扭矩输出。
在进一步的特征中，致动器模块被配置成基于发动机的估计扭矩输出来调整发动机致动器。
在进一步的特征中，发动机的至少一个其他参数包括发动机速度。
在进一步的特征中，发动机的至少一个其他参数包括发动机的每气缸空气质量(APC)。
在进一步的特征中，发动机的至少一个其他参数包括进气凸轮相位器角度。
在进一步的特征中，发动机的至少一个其他参数包括排气凸轮相位器角度。
在进一步的特征中，发动机的至少一个其他参数包括发动机的当量比(EQR)。
在进一步的特征中，发动机的至少一个其他参数包括发动机的最大制动扭矩(MBT)火花正时。
在进一步的特征中，发动机的至少一个其他参数包括:发动机速度；发动机的每气缸空气质量(APC)；进气凸轮相位器角度；排气凸轮相位器角度；发动机的当量比(EQR)；和发动机的最大制动扭矩(MBT)火花正时。
在进一步的特征中，sigmoid函数包括logistic函数 。
在进一步的特征中，发动机的至少一个其他参数包括发动机的燃料喷射开始的正时。
在进一步的特征中，发动机的至少一个其他参数包括发动机的燃料喷射结束的正时。
在进一步的特征中，处理模块还被配置为通过将指数函数应用于发动机速度来生成指数发动机速度，并且估计模块被配置为使用数学模型进一步基于指数发动机速度来估计发动机的扭矩输出。
在进一步的特征中，处理模块还被配置为通过将指数函数应用于负发动机速度来生成负发动机速度的指数，并且估计模块被配置为使用数学模型进一步基于负发动机速度的指数来估计发动机的扭矩输出。
在进一步的特征中，处理模块还被配置为通过将指数函数应用于发动机的MBT火花正时来产生指数最大制动扭矩(MBT)火花正时，并且估计模块被配置为使用数学模型进一步基于指数MBT火花正时来估计发动机的扭矩输出。
在进一步的特征中，处理模块还被配置为通过将指数函数应用于发动机的负MBT火花正时来产生负最大制动扭矩(MBT)火花正时的指数，并且估计模块被配置为使用数学模型进一步基于负MBT火花正时的指数来估计发动机的扭矩输出。
在一个特征中，一种发动机控制系统包括:归一化模块，其被配置为将发动机的最大制动扭矩(MBT)火花正时和发动机的至少一个其他参数归一化到预定值范围内，从而分别产生归一化MBT火花正时和至少一个归一化其他参数；以及估计模块，其被配置为使用数学模型基于归一化MBT火花正时和至少一个归一化其他参数来估计发动机的扭矩输出。
在进一步的特征中，处理模块被配置为通过将指数函数应用于发动机的MBT火花正时来生成指数MBT火花正时，并且估计模块被配置为使用数学模型进一步基于指数MBT火花正时来估计发动机的扭矩输出。
在进一步的特征中，处理模块被配置成:通过将指数函数应用于发动机的MBT火花正时来生成指数MBT火花正时；以及通过将指数函数应用于发动机的负MBT火花正时来产生负MBT火花正时的指数，其中估计模块被配置成使用数学模型进一步基于指数MBT火花正时和负MBT火花正时的指数来估计发动机的扭矩输出。
在进一步的特征中，MBT模块被配置成基于每气缸空气量、APC的倒数、发动机速度、进气凸轮相位器角度、排气凸轮相位器角度、当量比和EGR 阀的开度来产生MBT火花正时。
本发明可以包括以下方案：
1. 一种发动机控制系统，包括:
归一化模块，其被配置为将发动机的火花正时和发动机的至少一个其他参数归一化到预定值范围内，从而分别产生归一化火花正时和至少一个归一化其他参数；
处理模块，其被配置为通过将(a)sigmoidal 函数和正弦函数之一应用于所述归一化火花正时来生成sigmoidal火花正时；和
估计模块，其被配置为使用数学模型基于所述归一化火花正时和所述至少一个归一化其他参数来估计所述发动机的扭矩输出。
2. 根据方案1所述的发动机控制系统，还包括致动器模块，所述致动器模块被配置为基于所述发动机的估计扭矩输出来调整发动机致动器。
3. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括发动机速度。
4. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括所述发动机的每气缸空气质量(APC)。
5. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括进气凸轮相位器角度。
6. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括排气凸轮相位器角度。
7. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括所述发动机的当量比(EQR)。
8. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括所述发动机的最大制动扭矩(MBT)火花正时。
9. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括:
发动机速度；
所述发动机的每气缸空气质量(APC)；
进气凸轮相位器角度；
排气凸轮相位器角度；
所述发动机的当量比(EQR)；和
所述发动机的最大制动扭矩(MBT)火花正时。
10. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述sigmoid函数包括logistic函数。
11. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括所述发动机的燃料喷射开始的正时。
12. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的所述至少一个其他参数包括所述发动机的燃料喷射结束的正时。
13. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述处理模块还被配置为通过将指数函数应用于发动机速度来生成指数发动机速度，并且
其中所述估计模块被配置成使用所述数学模型进一步基于所述指数发动机速度来估计所述发动机的扭矩输出。
14. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述处理模块还被配置为通过将指数函数应用于负发动机速度来生成负发动机速度的指数，并且
其中所述估计模块被配置成使用所述数学模型进一步基于所述负发动机速度的指数来估计所述发动机的扭矩输出。
15. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述处理模块还被配置成通过将指数函数应用于所述发动机的MBT火花正时来产生指数最大制动扭矩(MBT)火花正时，并且
其中所述估计模块被配置成使用所述数学模型进一步基于所述指数MBT火花正时来估计所述发动机的扭矩输出。
16. 根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述处理模块还被配置成通过将指数函数应用于所述发动机的负MBT火花正时来产生负最大制动扭矩(MBT)火花正时的指数，并且
其中所述估计模块被配置成使用所述数学模型进一步基于负MBT火花正时的指数来估计所述发动机的扭矩输出。
17. 一种发动机控制系统，包括:
归一化模块，其被配置为将发动机的最大制动扭矩(MBT)火花正时和发动机的至少一个其他参数归一化到预定值范围内，从而分别产生归一化MBT火花正时和至少一个归一化其他参数；和
估计模块，其被配置为使用数学模型基于所述归一化MBT火花正时和所述至少一个归一化其他参数来估计所述发动机的扭矩输出。
18. 根据方案17所述的发动机控制系统，还包括处理模块，所述处理模块被配置为通过将指数函数应用于所述发动机的MBT火花正时来生成指数MBT火花正时，并且
其中所述估计模块被配置成使用所述数学模型进一步基于所述指数MBT火花正时来估计所述发动机的扭矩输出。
19. 根据方案17所述的发动机控制系统，还包括处理模块，所述处理模块被配置成:
通过将指数函数应用于所述发动机的MBT火花正时来产生指数MBT火花正时；和
通过将指数函数应用于所述发动机的负MBT火花正时来产生负MBT火花正时的指数，
其中所述估计模块被配置成使用所述数学模型进一步基于所述指数MBT火花正时和负MBT火花正时的指数来估计所述发动机的扭矩输出。
20. 根据方案17所述的发动机控制系统，还包括MBT模块，所述MBT模块被配置为基于每气缸空气量、APC的倒数、发动机速度、进气凸轮相位器角度、排气凸轮相位器角度、当量比和EGR阀的开度来产生所述MBT火花正时。
从详细描述、权利要求和附图中，本公开的进一步的应用领域将变得显而易见。详细描述和具体示例仅旨在说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
从详细描述和附图中，将会更全面地理解本公开，其中:
图1是示例发动机系统的功能框图；
图2是示例发动机控制系统的功能框图；
图3是扭矩估计模块的功能框图；和
图4是描绘估计发动机扭矩输出和控制发动机致动器的示例方法的流程图。
在附图中，附图标记可以重复使用来标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
内燃机在气缸内燃烧空气和燃料的混合物来产生扭矩。在某些情况下，发动机控制模块(ECM)可能会停用发动机的一个或多个气缸。当发动机可以使用少于发动机的所有气缸来实现扭矩请求时，ECM可以停用一个或多个气缸，例如，以减少燃料消耗。例如，当扭矩请求增加时，ECM可启用一个或多个停用的气缸。
根据本申请，ECM使用发动机扭矩模型估计发动机的扭矩输出(例如，制动扭矩)。对发动机扭矩模型的输入可以包括，例如，通过将sigmoid(例如，logistic)函数或正弦变换应用于归一化火花正时而产生的sigmoid火花。附加地或替代地，可以确定最大制动扭矩(MBT)火花正时，并将其输入到发动机扭矩模型，以估计发动机的扭矩输出。对发动机扭矩模型输入的预处理改进了模型输入与估计扭矩之间的相关性。发动机扭矩模型也可以被反演以基于发动机的扭矩(例如，扭矩请求)来估计参数和对发动机扭矩模型的其他输入。
现在参考图1，呈现了示例发动机系统100的功能框图。发动机系统100包括发动机102，发动机102基于来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入燃烧空气/燃料混合物以产生车辆的驱动扭矩。空气通过节气门阀112被吸入进气歧管110。仅举例而言，节气门阀112可以包括具有可旋转叶片的蝶阀。发动机控制模块（ECM）114控制节气门致动器模块116，节气门致动器模块116调节节气门阀112的开度以控制吸入进气歧管110的空气量。
来自进气歧管110的空气被吸入发动机102的气缸。虽然发动机102可以包括多个气缸，但是为了说明的目的，示出了单个代表性气缸118。仅举例而言，发动机102可以包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。ECM 114可指示气缸致动器模块120选择性地停用这些气缸中的一些气缸，这可在某些发动机操作条件下提高燃料经济性。
发动机102可以使用四冲程循环或另一种合适的燃烧循环操作。如下文所描述的，四冲程循环的四个冲程可称为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴(未示出)每次转动期间，四个冲程中的两个发生在气缸118内。因此，汽缸118经历全部四个冲程需要两次曲轴转动。
在进气冲程期间，来自进气歧管110的空气通过进气阀122被吸入气缸118。ECM114控制燃料致动器模块124，燃料致动器模块124调节燃料喷射以实现目标空燃比。燃料可在中央位置或多个位置喷射到进气歧管110中，例如在气缸中的每一个的进气阀122附近。在各种实施方式(未示出)中，燃料可以直接喷射到气缸中或者喷射到与气缸相关联的混合腔室中。燃料致动器模块124可以停止向停用的气缸喷射燃料。
喷射的燃料与空气混合，并在气缸118中产生空气/燃料混合物。在压缩冲程期间，气缸118内的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。虽然未示出，但是发动机102可以是压燃式发动机，在这种情况下，气缸118内的压缩点燃空气/燃料混合物。替代地，如图所示，发动机102可以是火花点燃式发动机，在这种情况下，火花致动器模块126基于来自ECM 114的信号激励气缸118中的火花塞128，从而点燃空气/燃料混合物。火花的正时可以相对于活塞处于其最高位置(称为上止点(TDC))的时间来规定。
火花致动器模块126可以由正时信号控制，该正时信号规定在TDC之前或之后多远产生火花。因为活塞位置与曲轴旋转直接相关，所以火花致动器模块126的操作可以与曲轴角度同步。火花致动器模块126可以停止向停用的气缸提供火花。产生火花可被称为点火事件。火花致动器模块126可以具有为每个点火事件改变火花正时的能力。当火花正时在上一次点火事件与下一次点火事件之间改变时，火花致动器模块126可以改变下一次点火事件的火花正时。
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，活塞开始远离BDC移动，并通过排气阀130排出燃烧副产物。燃烧副产物经由排气系统134从车辆排出。
进气阀122可由进气凸轮轴140控制，而排气阀130可由排气凸轮轴142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)可以控制气缸118的多个进气阀(包括进气阀122)和/或可以控制多组气缸(包括气缸118)的进气阀(包括进气阀122)。类似地，多个排气凸轮轴(包括排气凸轮轴142)可以控制气缸118的多个排气阀和/或可以控制多组气缸(包括气缸118)的排气阀(包括排气阀130)。气缸致动器模块120可以通过禁止进气阀122和/或排气阀130打开来停用气缸118。在各种其他实施方式中，进气阀122和/或排气阀130可以由除凸轮轴之外的设备控制，例如无凸轮阀致动器。
进气阀122打开的时间可以通过进气凸轮相位器148相对于活塞TDC变化。排气阀130打开的时间可以通过排气凸轮相位器150相对于活塞TDC变化。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。当实施时，可变气门升程(未示出)也可以由相位器致动器模块158控制。
发动机系统100可包括向进气歧管110提供加压空气的增压设备。例如，图1示出了包括热涡轮160-1的涡轮增压器，热涡轮160-1由流经排气系统134的热废气提供动力。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的空气。在各种实施方式中，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，从而减少涡轮增压器提供的增压(进气压缩量)。ECM 114可以经由增压致动器模块164控制涡轮增压器。增压致动器模块164可以通过控制废气门162的开度来调整涡轮增压器的增压。在各种实施方式中，多个涡轮增压器可以由增压致动器模块164控制。涡轮增压器可以具有可变的几何形状，其可以由增压致动器模块164控制。
中间冷却器(未示出)可以消散压缩空气充量中包含的热量中的一些热量，这些热量是在空气被压缩时产生的。压缩空气充量也可以具有从排气系统134的部件吸收的热量。尽管出于说明的目的示出为分开的，但是涡轮160-1和压缩机160-2可以彼此附连，将进气置于紧邻热排气。
发动机系统100可包括排气再循环(EGR)阀170，其选择性地将排气重导向回进气歧管110。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控制。
发动机系统100可以使用每分钟转数(RPM)传感器180以每分钟转数测量曲轴的旋转速度。曲轴的速度可以称为发动机速度。发动机冷却剂的温度可以使用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182来测量。ECT传感器182可位于发动机102内或循环冷却剂的其他位置，例如散热器(未示出)处。
进气歧管110内的压力可以使用歧管绝对压力(MAP)传感器184来测量。在各种实施方式中，可以测量发动机真空度，发动机真空是环境空气压力与进气歧管110内的压力之间的差值。流入进气歧管110的空气的质量流速可以使用质量空气流量(MAF)传感器186来测量。在各种实施方式中，MAF传感器186可以位于也包括节气门阀112的壳体中。
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来监测节气门阀112的位置。被吸入发动机102的空气的环境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。ECM 114可以使用来自传感器的信号来为发动机系统100做出控制决策。
ECM 114可以与变速器控制模块194通信，以协调变速器(未示出)中的换档。例如，ECM 114可以在换档期间降低发动机扭矩。ECM 114可与混合动力控制模块196通信，以协调发动机102和电动马达198的操作。虽然提供了一个电动马达的示例，但是车辆可以包括一个以上的电动马达。
电动马达198也可用作发电机，并可用于产生电能供车辆电气系统使用和/或储存在电池中。在各种实施方式中，ECM 114、变速器控制模块194和混合动力控制模块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可以被称为致动器。每个系统接收目标致动器值。例如，节气门致动器模块116可以被称为致动器，并且目标节气门开度(例如，面积)可被称为目标致动器值。在图1的示例中，节气门致动器模块116通过调整节气门阀112的叶片角度来实现目标节气门开度。
类似地，火花致动器模块126可以被称为致动器，而相对应的目标致动器值可以是例如相对于活塞TDC的目标火花正时。其他致动器可包括气缸致动器模块120、燃料致动器模块124、相位器致动器模块158、增压致动器模块164和EGR致动器模块172。对于这些致动器，目标致动器值可分别包括目标启用气缸数、目标加燃料参数、目标进气和排气凸轮相位器角度、目标废气门占空比和目标EGR 阀打开面积。ECM 114可产生目标致动器值，以使发动机102产生目标发动机输出扭矩。
现在参考图2，呈现了示例发动机控制系统的功能框图。ECM 114的示例性实施方式包括驾驶员扭矩模块202和扭矩仲裁模块204。ECM 114可以包括混合动力优化模块208。ECM 114可包括扭矩请求模块224、空气控制模块228、火花控制模块232、气缸控制模块236和燃料控制模块240。ECM 114还包括扭矩估计模块244、增压控制模块248、相位器控制模块252和EGR控制模块253。
驾驶员扭矩模块202可以基于来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入255来确定驾驶员扭矩请求254。驾驶员输入255可以基于或包括例如加速踏板的位置和制动踏板的位置。驾驶员输入255也可以基于或包括巡航控制输入，该巡航控制输入可以由自适应巡航控制系统基于变化的车辆速度产生，以维持预定的跟随距离。驾驶员扭矩模块202可以包括加速踏板位置到目标扭矩的一个或多个映射，并且可以基于映射中选定的一个映射来确定驾驶员扭矩请求254。
扭矩仲裁模块204可以在驾驶员扭矩请求254与其他扭矩请求258之间进行仲裁。轮轴扭矩仲裁模块204基于接收的扭矩请求254和258之间的仲裁结果输出一个或多个扭矩请求257。
扭矩仲裁模块204可以向混合动力优化模块208输出一个或多个扭矩请求257。混合动力优化模块208可以确定发动机102应该产生多少扭矩以及电动马达198应该产生多少扭矩。混合动力优化模块208输出一个或多个修改的发动机扭矩请求260和马达扭矩请求261。混合动力控制模块196基于(例如，为了实现)马达扭矩请求261控制（一个或多个）电动马达的扭矩输出。发动机102基于(例如，为了实现)一个或多个修改的发动机扭矩请求260进行控制。在各种实施方式中，混合动力优化模块208可以在混合动力控制模块196中实施。在各种实施方式中，一个或多个修改的发动机扭矩请求260可以基于扭矩储备和/或扭矩负荷来调整。在各种实施方式中，可以执行从轮轴扭矩(车轮处的扭矩)到推进扭矩(曲轴处的扭矩)的一个或多个转换。
扭矩请求模块224接收一个或多个修改的发动机扭矩请求260。扭矩请求模块224确定发动机102将如何实现一个或多个修改的发动机扭矩请求260。扭矩请求模块224可以是特定于发动机类型的。例如，扭矩请求模块224可以不同地实施，或者对火花点燃式发动机与压燃式发动机使用不同的控制方案。
在各种实施方式中，扭矩请求模块224可以基于一个或多个修改的发动机扭矩请求260产生空气扭矩请求265。气流控制致动器的目标致动器值可以基于空气扭矩请求265来确定。仅举例而言，空气控制模块228可确定目标歧管绝对压力(MAP)266、目标节气门开度(例如，面积)267、目标每气缸空气量(APC) 268和基于空气扭矩请求265的目标APC(APC) 291。空气控制模块228可以使用将空气扭矩请求与目标266-268和291的值相关的一个或多个方程式和/或查找表来确定目标266-268和291。
增压控制模块248可基于目标MAP 266确定废气门162的目标占空比269。虽然将讨论目标占空比269，但是增压控制模块248可以确定用于控制废气门162的另一个合适的值。相位器控制模块252可基于目标APC 268确定目标进气凸轮相位器角度270和排气凸轮相位器角度271。EGR控制模块253基于目标APC 291确定目标EGR开度292。目标269-271和292可以由相应的模块使用一个或多个方程式和/或查找表来确定，这些方程式和/或查找表使相应的输入与相应的目标269-271和292相关。
扭矩请求模块224还可以产生火花扭矩请求272、气缸关闭扭矩请求273和燃料扭矩请求274。火花控制模块232可基于火花扭矩请求272确定使火花正时从最大制动扭矩(MBT)火花正时延迟多少(这降低了发动机输出扭矩)。仅举例而言，扭矩模型，例如下面讨论的扭矩模型，可以被反演以求解目标火花正时299。MBT火花正时可以指用于为预定操作条件产生最大制动扭矩的估计火花正时。MBT火花正时将在下面进一步讨论。
气缸关闭扭矩请求273可由气缸控制模块236用来确定要停用的气缸的目标数量276。气缸控制模块236还可以指示燃料控制模块240停止向停用的气缸提供燃料，并且可以指示火花控制模块232停止向停用的气缸提供火花。一旦气缸中已经存在的燃料/空气混合物已经燃烧，火花控制模块232则可以停止向气缸提供火花。
燃料控制模块240可以基于燃料扭矩请求274以预定点火顺序控制燃料喷射到下一个气缸中。更具体地，燃料控制模块240可以基于燃料扭矩请求274生成目标加燃料参数277。目标加燃料参数277可包括例如目标当量比(EQR)、目标燃料质量、目标喷射开始(SOI)正时、目标喷射结束(EOI)正时和目标燃料喷射次数。
空气控制模块228基于估计扭矩278产生目标MAP 266、目标节气门开度267、目标APC 268和目标APC 291。估计扭矩278可以是当前发动机扭矩输出(即，发动机102的扭矩输出)的估计值并如下文所描述地确定。
空气控制模块228可以向节气门致动器模块116输出目标节气门开度267。节气门致动器模块116调节节气门阀112以产生目标节气门开度267。空气控制模块228向增压控制模块248输出目标MAP 266。增压控制模块248基于(例如，为了实现)目标MAP 266来控制废气门162。空气控制模块228向相位器控制模块252输出目标APC 268。基于目标APC 268，相位器控制模块252可以控制进气凸轮相位器148和/或排气凸轮相位器150的位置。
如下文进一步讨论的，扭矩估计模块244基于当前发动机速度(RPM)280、当前EQR281、当前每气缸空气量(APC) 282、当前火花正时283、当前进气凸轮相位器角度284和当前排气凸轮相位器角度285使用扭矩模型来确定估计扭矩278。扭矩估计模块244可另外基于加燃料的当前SOI正时308和加燃料的当前EOI正时312来确定估计扭矩278。在各种实施方式中，扭矩估计模块244可以另外基于当前MBT火花正时316来确定估计扭矩278。
图3是扭矩估计模块244的示例实施方式的功能框图。归一化模块304接收APC282、发动机速度280、进气凸轮相位器角度284、排气凸轮相位器角度285、火花正时283和EQR 281。归一化模块304还可以接收加燃料的当前喷射开始(SOI)正时308和加燃料的当前喷射结束(EOI)正时312。归一化模块304还可以接收当前MBT火花正时316。
MBT模块320(图2)可以确定MBT火花正时316。MBT火花正时316可以是用于为预定操作条件产生MBT的火花正时。使用燃烧测量并扫描固定发动机速度、APC、进气凸轮相位角和排气凸轮相位角的火花正时，最接近MBT的火花是产生最接近8.5度的CA50(50%喷射燃料被消耗/燃烧的TDC后曲轴角度)的火花。MBT模块320可以使用以下方程式来确定MBT火花正时316:
MBT = C _火花+(C _ CA50–8.5)+补偿值，
其中MBT是MBT火花正时316，C_火花和C_CA50是火花正时和火花正时扫描中的CA50值，其中CA50最接近8.5度。补偿值是预定值，并且可以基于对MBT火花正时与8.5度的CA50值不一致的操作条件进行补偿来校准。作为替代，MBT模块320可基于APC、APC的倒数、发动机速度、进气凸轮相位器角度和排气凸轮相位器角度、当量比和EGR 阀的开度来确定MBT火花正时316。可以使用一个或多个方程式(例如，神经网络或另一种合适类型的模型)和/或一个或多个查找表来进行确定。MBT火花正时316可以与APC 282具有相反关系。
总的来说，APC 282、发动机速度280、进气凸轮相位器角度284、排气凸轮相位器角度285、火花正时283和EQR 281、SOI正时308(如果包括)、EOI正时312(如果包括)和MBT火花正时316将被称为输入参数322。归一化模块304将输入参数322中的每一个归一化到预定范围内。预定范围可以是例如0至1(包括0和1)、-1至+1(包括-1和+1)或另一个合适的范围。归一化模块304使用该输入参数的预定最小值与最大值之间的插值来归一化输入参数322中给定的一个输入参数。例如，当输入参数等于预定最小值时，归一化模块304可以将归一化参数设置为预定范围的下限值(例如，0或-1)。当输入参数等于预定最大值时，归一化模块304可以将归一化参数设置为预定范围的上限值(例如，1)。当输入参数在预定的最小值与最大值之间时，归一化模块304可以经由插值，例如线性插值，将归一化参数设定在预定范围的上限值与下限值之间。归一化模块304对输入参数322中的每一个进行这种操作，以产生归一化参数324。归一化参数324包括归一化APC、归一化发动机速度、归一化进气凸轮相位器角度、归一化排气凸轮相位器角度、归一化火花正时、归一化EQR、归一化SOI正时(如果包括)、归一化EOI正时(如果包括)和归一化MBT火花正时。
处理模块326对归一化参数324中的一个或多个执行一个或多个信号处理功能，以分别产生一个或多个处理的参数328。例如，处理模块326可以将sigmoid函数应用于归一化参数324中的一个或多个，以分别产生一个或多个sigmoid参数。例如，处理模块326可以将sigmoid函数应用于归一化火花正时，以产生sigmoid火花正时。sigmoid函数可以是例如logistic函数或另一种合适类型的sigmoid函数。处理模块326可以将指数函数应用于归一化参数324中的一个或多个，以分别产生一个或多个指数参数。例如，处理模块326可将指数函数应用于归一化进气凸轮相位器角度、归一化排气凸轮相位器角度、归一化发动机速度、归一化MBT火花正时、归一化SOI正时和归一化EOI正时，以分别产生指数进气凸轮相位器角度、指数排气凸轮相位器角度、指数发动机速度、指数MBT火花正时、指数归一化SOI正时和指数归一化EOI正时。处理模块326可以将负指数函数应用于归一化参数324中的一个或多个，以分别产生一个或多个负指数参数。例如，处理模块326可以将负指数函数应用于归一化发动机速度、归一化MBT火花正时、归一化SOI正时和归一化EOI正时，以分别产生负指数发动机速度、负指数MBT火花正时、负指数SOI正时和负指数EOI。处理模块326可以将正弦函数应用于归一化参数324中的一个或多个，以分别产生一个或多个正弦参数。例如，处理模块326可将正弦函数应用于归一化进气凸轮相位器角度、归一化排气凸轮相位器角度、归一化发动机速度、归一化MBT火花正时、归一化SOI正时和归一化EOI正时，以分别产生正弦进气凸轮相位器角度、正弦排气凸轮相位器角度、正弦发动机速度、正弦MBT火花正时、正弦归一化SOI正时和正弦归一化EOI正时。
指数函数可以描述为y=ex，其中y为指数参数，e为指数函数，并且x为归一化参数。负指数函数可以描述为y = e-x，其中y是指数参数，e是指数函数，并且x是归一化参数。sigmoid函数可以描述为y=1/(1+e-mx)，其中y是指数参数，e是指数函数，m是预定的乘数值，并且x是归一化参数。m可以是校准值。
估计模块332使用数学模型336基于输入参数322中的一个或多个、归一化参数324中的一个或多个和/或处理参数328中的一个或多个来确定估计扭矩278。例如，估计模块332可基于以下输入(x)，x =[归一化进气凸轮相位器角度、指数进气凸轮相位器角度、归一化排气凸轮相位器角度、指数排气凸轮相位器角度、sigmoidal火花正时、归一化APC、归一化发动机速度、指数发动机速度、负指数发动机速度、归一化EQR、归一化MBT火花正时、指数MBT火花正时、负指数火花正时]来确定估计扭矩278。例如，对于输入(x)中的每一个，该模型可以是二阶或三阶多项式。三阶多项式的一个示例是:
f(x1, x2, x3) = ax1 3 + b x2 3 + cz3 + dx1 2 + e x1 2 x2 + fx1 2z + gx2 2 + hx2 2x1 + ix2 2x3 + jx3 2 + kx3 2 x1 + lz2x2 + mx1x2 + nx1x3 + ox2x3 + px1 + qx2 + rx3 + s,
其中a-s是预定值，x1-x3是输入参数之一。使用上述三阶多项式方程可以得到具有559项的模型336。可以使用一种或多种方法来消除多项式方程中任何表现不佳的项，例如经由套索回归或以其他合适的方式。
可以基于估计扭矩278来控制一个或多个致动器。例如，空气控制模块228可以基于估计扭矩278来控制废气门162的开度。空气控制模块228可以基于估计扭矩278来控制节气门阀112的开度。空气控制模块228可以基于估计扭矩278来控制EGR 阀170的开度。空气控制模块228可基于估计扭矩278控制进气凸轮相位器148和/或排气凸轮相位器150的致动。火花控制模块232可以基于估计扭矩278控制火花正时。燃料控制模块240可以基于估计扭矩278控制燃料喷射。气缸控制模块236可以基于估计扭矩278来控制气缸的启用/停用。上述反演有助于从扭矩请求中获得目标空气和火花值，并且正向估计提供反馈以评估是否正在实现扭矩请求。
图4是描绘估计发动机102的扭矩输出和控制发动机致动器的示例方法的流程图。控制从404开始，其中归一化模块304接收输入参数322。在408，归一化模块304使输入参数322归一化，以分别产生归一化参数324。
在412，处理模块326接收归一化参数324，并对归一化参数324中的一个或多个执行信号处理，以分别产生一个或多个处理的参数328。在416，如上文所讨论的，估计模块332使用模型336基于归一化参数和一个或多个处理的参数328来确定估计扭矩278。例如，估计模块332可以使用模型336基于归一化进气凸轮相位器角度、指数进气凸轮相位器角度、归一化排气凸轮相位器角度、指数排气凸轮相位器角度、sigmoidal火花正时、归一化APC、归一化发动机速度、指数发动机速度、负指数发动机速度、归一化EQR、归一化MBT火花正时、指数MBT火花正时和负指数火花正时来确定估计扭矩278。
在420，基于估计扭矩278调整一个或多个致动器。例如，空气控制模块228可以基于估计扭矩278来调整废气门162的开度。空气控制模块228可以基于估计扭矩278来调整节气门阀112的开度。空气控制模块228可以基于估计扭矩278来调整EGR 阀170的开度。空气控制模块228可以基于估计扭矩278来调整进气凸轮相位器148和/或排气凸轮相位器150的定位。火花控制模块232可以基于估计扭矩278来调整火花正时。燃料控制模块240可以基于估计扭矩278来调整燃料喷射。气缸控制模块236可以基于估计扭矩278来调整气缸的启用/停用。虽然控制被示为在420之后结束，但是控制可以返回到404，并且404-420可以每隔预定时间段开始。
返回参考图3，参数估计模块350可以估计输入参数322之一。更具体地，参数模块352可以通过反演模型336基于扭矩354和输入参数322中的其他参数来估计输入参数322中的一个参数351。反演模块358可以反演模型336以确定输入参数322之一。扭矩354可以是例如上文所讨论的扭矩请求之一、期望扭矩、目标扭矩等。
当请求扭矩并且规定了除一个输入之外的所有输入时，模型336可用于求解一个未规定的输入。模型336中的一阶、二阶、三阶和常数项可以被分组以形成方程式:
ax3 + bx2 + cx + d = 0。
解一个三阶方程可以得到1或3个实根。首先，三次的一般形式可以被修改以移除首项系数(a)。x3 + c1x2 + c2x + c3 = 0，其中c1= b/a，c2=c/a 和c3=d/a。然后可以计算判别式(M)。如下:
Q=( c1 2 −3 c2)/9,
R=(2c1 3− 9c1c2 +27c3)/54,
M = R2 – Q3
如果M < 0，则有三个根，并且如果M > 0，则只有一个根。如果存在3个实际输入，则反演模块358选择这3个根中的哪一个用为发动机控制目标。
例如，反演模块358可以通过为模型336正被反演以寻找的变量(一个未规定的输入)创建补充前向回归量来选择一个根。例如，给定一组进气凸轮相位器角度和排气凸轮相位器角度、发动机速度、火花正时和扭矩请求，前向APC回归量可用于估计目标APC。另外，反演模块358可以使用被求解的三次方程式的特性来创建回归量，包括系数(a，b，c，d)、拐点和转折点。在3根情况下，可以选择最接近前向回归量的输出的根作为控制目标。
反演模块358可以基于预定的控制限制排除不可行的根。例如，当求解火花正时时，找到的任何根必须小于MBT火花正时。MBT火花可以如上所描述或者通过使用关于火花正时的单变量三阶多项式的一阶和二阶导数来确定。在变化率等于零的情况下求解一阶导数可以产生导致最小扭矩和最大扭矩(转折点)的火花正时值。
3ax2 + 2bx + c = 0
求解二次方程式后，可以用二阶导数来区分根。
d2f/dx = 6ax + 2b
求解二阶导数等于零的x，产生拐点的x坐标(x=-b/3a)。如果一个根的二阶导数大于零，那就是产生最小扭矩的火花提前。如果一个根的二阶导数小于零，那就是产生MBT的火花。
为了避免与3根示例相关联的复杂性，反演模块358可以实施回归约束，该回归约束将仅允许三次公式具有单根解。反演模块358可以约束系数，使得M > 0，使得只有单根解是可能的。替代地，反演模块358可以消除模型336正被反演以寻找的输入的三阶项，使得二次公式可以用于寻找至多2个实根。反演模块358可以确定选择2个根中的哪一个。
先前的描述本质上仅仅是说明性的，决不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以多种形式实施。因此，虽然本公开包括特定的示例，但是本公开的真实范围不应该被如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求后，其他修改将变得显而易见。应当理解，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时)执行，而不改变本公开的原理。此外，尽管这些实施例中的每一个在上面被描述为具有某些特征，但是关于本公开的任何实施例描述的那些特征中的任何一个或多个可以在其他实施例中的任何实施例中实施和/或与其他实施例中的任何实施例的特征组合，即使该组合没有被明确描述。换句话说，所描述的实施例不是互斥的，并且一个或多个实施例彼此的置换仍然在本公开的范围内。
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，包括“连接的”、“接合的”、“联接的”、“相邻的”、“紧邻”、“在...的顶部上”、“在...上方”、“在...下方”和“设置在”。除非明确描述为“直接”，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和第二元件之间不存在其他中间元件的直接关系，但是也可以是在第一元件与第二元件之间存在一个或多个中间元件(空间上或功能上)的间接关系。如本文所用的，短语“A、B和C中的至少一个”应该被解释为使用非排他性逻辑“或”来表示逻辑(A或B或C)，并且不应该被解释为表示“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。
在附图中，箭头头部所指的箭头方向通常表示图示感兴趣的信息流(例如数据或指令)。例如，当元件A和元件B交换各种信息，但是从元件A传送到元件B的信息与图示相关时，箭头可以从元件A指向元件B。这个单向箭头并不意味着没有其他信息从元件B传送到元件A。此外，对于从元件A传送到元件B的信息，元件B可以向元件A发送对信息的请求或收到确认。
在本申请中，包括下面的定义，术语“模块”或术语“控制器”可以用术语“电路”代替。术语“模块”可以指、是其一部分或包括：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、专用或组)；提供所描述功能的其他合适的硬件部件；或上述的一些或全部的组合，例如在片上系统中。
该模块可以包括一个或多个接口电路。在一些示例中，接口电路可以包括连接到局域网(LAN)、互联网、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以分布在经由接口电路连接的多个模块中。在另一示例中，服务器(也称为远程或云)模块可以代表客户端模块完成一些功能。
如上文所使用，术语“代码”可以包括软件、固件和/或微码，并且可以指程序、例程、函数、类、数据结构和/或对象。术语“共享处理器电路”涵盖执行来自多个模块的一些或全部代码的单个处理器电路。术语“组处理器电路”涵盖与附加的处理器电路结合来执行来自一个或多个模块的一些或全部代码的处理器电路。对多个处理器电路的引用涵盖离散管芯上的多个处理器电路、单个管芯上的多个处理器电路、单个处理器电路的多个内核、单个处理器电路的多个线程或者上述的组合。术语“共享存储器电路”涵盖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“组处理器电路”涵盖与附加的存储器结合来存储来自一个或多个模块的一些或全部代码的存储器电路。
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，术语“计算机可读介质”不涵盖通过介质(例如载波)传播的暂时电信号或电磁信号；因此，术语计算机可读介质可以被认为是有形的和非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器电路(例如闪存电路、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或蓝光光盘)。
本申请中描述的装置和方法可以部分或全部由专用计算机实施，该专用计算机通过配置通用计算机来执行体现在计算机程序中的一个或多个特定功能而创建。上面描述的功能框、流程图组件和其他元件用作软件规范，其可以通过熟练的技术人员或程序员的日常工作翻译成计算机程序。
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设备交互的设备驱动程序、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。
计算机程序可以包括：(i)要被解析的描述性文本，例如HTML(超文本标记语言)、XML(可扩展标记语言)或JSON (JS 对象简谱)，(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，(v)由即时编译器编译和执行的源代码，等等。仅作为示例，源代码可以使用包括下列在内的语言的语法编写：C、C++、C#、Objective-C、Swift、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Java®、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、Javascript®、HTML5(超文本标记语言第5版)、Ada、ASP(活动服务器页面)、PHP (PHP：超文本预处理器)、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、Flash®、Visual Basic®、Lua、MATLAB、SIMULINK和Python®。

Claims (10)

1.一种发动机控制系统，包括:
归一化模块，其被配置为将发动机的火花正时和发动机的至少一个其他参数归一化到预定值范围内，从而分别产生归一化火花正时和至少一个归一化其他参数；
处理模块，其被配置为通过将(a)sigmoidal 函数和正弦函数之一应用于所述归一化火花正时来生成sigmoidal火花正时；和
估计模块，其被配置为使用数学模型基于所述归一化火花正时和所述至少一个归一化其他参数来估计所述发动机的扭矩输出。
2.根据权利要求1所述的发动机控制系统，还包括致动器模块，所述致动器模块被配置为基于所述发动机的估计扭矩输出来调整发动机致动器。
3.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括发动机速度。
4.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括所述发动机的每气缸空气质量(APC)。
5.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括进气凸轮相位器角度。
6.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括排气凸轮相位器角度。
7.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括所述发动机的当量比(EQR)。
8.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括所述发动机的最大制动扭矩(MBT)火花正时。
9.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述发动机的至少一个其他参数包括:
发动机速度；
所述发动机的每气缸空气质量(APC)；
进气凸轮相位器角度；
排气凸轮相位器角度；
所述发动机的当量比(EQR)；和
所述发动机的最大制动扭矩(MBT)火花正时。
10.一种发动机控制系统，包括:
归一化模块，其被配置为将发动机的最大制动扭矩(MBT)火花正时和发动机的至少一个其他参数归一化到预定值范围内，从而分别产生归一化MBT火花正时和至少一个归一化其他参数；和
估计模块，其被配置为使用数学模型基于所述归一化MBT火花正时和所述至少一个归一化其他参数来估计所述发动机的扭矩输出。
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