CN1782352A - 可调式发动机扭矩控制 - Google Patents

Abstract

一种用于调节发动机运转的扭矩控制系统包括调节进入该发动机的气流的节气门和调节该发动机的扭矩输出的装置。第一模块基于所希望的歧管绝对压力(MAP)和所希望的歧管气流(MAF)确定节气门区域，第二模块基于所希望的每气缸空气(APC)和发动机速度确定装置设定点。第三模块基于该节气门区域产生控制该节气门的节气门控制信号，并且基于该装置设定点产生控制该装置的装置控制信号。

Description

可调式发动机扭矩控制

技术领域

本发明涉及发动机，尤其涉及发动机的可调式扭矩控制。

背景技术

内燃机在气缸内燃烧空气和燃油混合物以驱动活塞，该活塞可产生驱动扭矩。进入发动机的气流通过节气门调节。更具体地讲，该节气门调整节气门区域(throttle area)，从而增加或减少进入发动机的气流。当节气门区域增加时，进入发动机的气流增加。燃油控制系统调整燃油喷射速度，以给气缸提供所希望的空气/燃油混合物。可以理解的是，给气缸的空气和燃油的增加会增加发动机的扭矩输出。

发动机控制系统已经开发出来，以精确地控制发动机的扭矩输出并获得所希望的扭矩。然而，传统的发动机控制系统并不如所希望的那样精确地控制发动机的扭矩输出。进一步地，传统的发动机控制系统并不如所希望的那样快速地提供对控制信号的反应，或者在影响发动机的扭矩输出的各种装置中调整发动机扭矩控制。

发明内容

因此，本发明提供一种用于调节发动机运转的扭矩控制系统。该扭矩控制系统包括调节进入发动机的气流的节气门和调节发动机的扭矩输出的装置。第一模块基于所希望的歧管绝对压力(MAP)和所希望的歧管气流(MAF)确定节气门区域，第二模块基于所希望的每气缸空气(APC，air per cylinder)和发动机速度确定装置的设定点。第三模块基于该节气门区域产生控制该节气门的节气门控制信号，并且基于该装置的设定点产生控制该装置的装置控制信号。

在其它特征中，该装置包括调节凸轮轴相对于发动机转动位置的相位角的凸轮相位器。该凸轮轴包括进气门凸轮轴。该凸轮轴包括排气门凸轮轴。

在另一特征中，该装置包括调节进入该发动机的进气歧管的排气的流量的排气再循环(EGR)阀。

在另一特征中，该装置包括选择性地分割该进气歧管的容量的进气歧管阀。

在另一特征中，该装置包括给该发动机提供压缩空气的涡轮。

在另一特征中，该扭矩控制系统进一步包括基于该发动机速度和扭矩需要确定所希望的MAP的第四模块。

在另一特征中，该扭矩控制系统进一步包括基于所希望的APC确定所希望的MAF的第四模块。

在依然的另一特征中，该扭矩控制系统进一步包括基于扭矩需要和装置进度反馈信号确定所希望的APC的第四模块。

在还有的其它特征中，该所希望的APC基于APC的校正系数被校正。该APC的校正系数基于扭矩需要和扭矩估计被确定。

通过在下文中提供的详细说明，本发明的进一步的应用领域将变得明显。应该理解的是，在指出本发明的优选实施方案时，该详细的说明和具体的实施例只是用于说明的目的，而不是用于限定本

发明的范围。

附图说明

通过详细说明和附图将更充分地理解本发明，其中：

图1是依照本发明的示范性的发动机系统的示意图；

图2是显示由本发明的可调式扭矩控制系统执行的步骤的流程图；

图3是显示执行本发明的可调扭矩控制系统的模块的方块图；和

图4是显示执行本发明的可调式扭矩控制系统的图3的模块的替代性的配置的方块图。

具体实施方式

以下优选实施方案的说明本质上只是示范，决不是为了限制该发明、该发明的应用或使用。为了清楚的目的，相同的参考标号在图中用以标识近似的元件。如此处所用到的，模块这一术语指的是特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或群组)和存储器、结合的逻辑电路或者其它提供所述的功能的适合的元件。

现在参考图1，发动机系统10包括燃烧空气和燃油的混合物以产生驱动扭矩的发动机12。空气由节气门16吸入进气歧管14。该节气门16调节进入该进气歧管14的气流量。该进气歧管14内的空气分配到气缸18中。尽管图示了一个单一的气缸18，但是可以理解本发明的可调式扭矩控制系统可以应用在具有包括但不限于2、3、4、5、6、8、10和12个的多个气缸的发动机中。

喷油器(图未示)喷射燃油，其可与通过入口吸入气缸18的空气结合。该喷油器可以是联合电子式或机械式燃油喷射系统20的喷油器、化油器的喷嘴或出口，或者另一用于混合燃油与进气的系统。控制该喷油器以在各个气缸18内提供所希望的空燃(A/F)比。

进气门22选择性地开关以使该空气/燃油混合物进入该气缸18。该进气门位置由进气门凸轮轴24调节。活塞(图未示)压缩该气缸18内的空气/燃油混合物。火花塞26启动空气/燃油混合物的燃烧，其驱动该气缸18内的活塞。该活塞反过来驱动曲轴(图未示)产生驱动扭矩。该气缸18内的燃烧排气在排气门28位于打开位置时从排气口抽出。该排气门位置由排气门凸轮轴30调节。该排气在排气系统中处理并释放到大气中。尽管图示了单一进气门22和排气门28，但是可以理解该发动机12的每个气缸18可以包括多个进气门22和排气门28。

该发动机系统10可以包括分别调节进气门凸轮轴24和排气门凸轮轴30的转动时间的进气凸轮相位器32和排气凸轮相位器34。更具体地讲，各个进气门凸轮轴24和排气门凸轮轴30的时间或相位可以相对于对方或相对于气缸18内活塞的位置或者曲轴位置进行延迟或者提前。如此，该进气门22和排气门28的位置可以相对于对方或相对于气缸18内活塞的位置进行调节。通过调节该进气门22和排气门28的位置、吸入气缸18内的空气/燃油混合物的量，该发动机扭矩因此得到调节。

该发动机系统10还可以包括排气再循环(EGR)系统36。该EGR系统36包括调节回流入该进气岐管14的排气流量的EGR阀38。该EGR系统36通常用于调节排放物。然而，再循环回入该进气岐管14的排气量也影响发动机的扭矩输出。

控制模块40基于本发明的可调式扭矩控制方法来操作该发动机。更具体地讲，该控制模块40基于发动机扭矩需要(T_REQ)和由节气门位置传感器(TPS)42产生的节气门位置信号产生节气门控制信号。T_REQ基于操作员输入43例如加速器踏板位置而产生。该控制模块40控制该节气门16到稳态位置，以获得有效的节气门区域(A_THR)。节气门致动器(图未示)基于该节气门控制信号调整该节气门位置。该节气门致动器可以包括电动机或步进电动机，其对该节气门位置提供有限的和/或粗略的控制。该控制模块40还调节该燃油喷射系统20，该凸轮轴相位器32、34和该EGR系统36，以获得T_REQ。

进气温度(IAT)传感器44对该进入气流的温度做出响应并产生进气温度信号。气流量(MAF)传感器46对该进入气流的量做出响应并产生MAF信号。歧管绝对压力(MAP)传感器48对该进气岐管14内的压力做出响应并产生MAP信号。发动机冷却剂温度传感器50对冷却剂温度做出响应并产生发动机温度信号。发动机速度传感器52对发动机12的转动速度(即RPM)做出响应并产生发动机速度信号。由传感器产生的各个信号都被该控制模块40接收。

该发动机系统10还可以包括由该发动机12或发动机排气驱动的涡轮或增压器54。该涡轮54压缩从该进气岐管14吸入的空气。更具体地讲，空气被吸入该涡轮54的中间室。该中间室内的空气被吸入压缩机(图未示)并在其内压缩。该压缩空气通过导管56流回到该进气岐管14以用于在该气缸18内燃烧。旁通阀58置于该导管56内并调节流回到该进气岐管14内的压缩空气的流量。

该进气岐管14可以是多集气室、主动进气岐管(AIM)。该进气岐管14可以是分立定位型或连续可变型。分立定位型进气岐管包括由调谐阀60或设计有关闭阀的长/短滑槽(runner)分开的多集气室。连续可变型进气岐管包括可变的滑槽长度设计。尽管图1显示了分立定位型进气岐管，可以预料本发明的发动机控制也可以应用在连续可变型AIM上。该进气岐管14的谐振几何学配置基于该发动机10的操作种类进行调整，这在共同转让的申请于2004年1月23日的美国专利申请序列号10/763518中有详细论述，其内容通过引用明确地结合于本文中。该谐振几何学配置包括调谐的配置和解谐的配置。

该进气岐管调谐阀60选择性地将该进气岐管分成第一和第二集气室(图未示)。当该调谐阀60位于打开位置时，流体通道在该整个进气岐管14内连通，而该进气岐管14位于解谐状态。当该调谐阀60位于关闭位置时，该进气岐管14被分成第一和第二集气室，流体通道被限制在该第一和第二集气室之间，而该进气岐管14位于调谐状态。在调谐状态，对于同样的MAP，该容积效率(V_EFF)大于解谐状态的。结果是，加入并保留在调谐状态的气缸20内的空气和燃油更大于在解谐状态的。因此，进气岐管调谐是改善发动机10在满载条件下的功率密度的有效方式。该控制模块40也可以调节该调谐阀60以获得T_REQ。

本发明的可调式扭矩控制系统基于A_THR调节发动机的扭矩输出，并基于应用在发动机12上的装置调节一个或多个装置设定点(D_X)。示范性的装置包括但不限于进气凸轮相位器32、排气凸轮相位器34、EGR系统36、涡轮54和进气岐管调谐阀60。该装置设定点包括但不限于进气相位器设定点(D_IPHSR)、排气相位器设定点(D_EPHSR)、EGR设定点(D_EGR)、旁通阀设定点(D_BPV)和进气岐管调谐阀设定点(D_IMTV)。该节气门16基于A_THR被调节，而该装置中的一个或多个基于其各自的装置设定点(即D_IPHSR、D_EPHSR、D_EGR、D_BPV和D_IMTV)被调节以获得T_REQ。

A_THR基于所希望的岐管气流(MAF_DES)和所希望的歧管绝对压力(MAP_DES)进行确定。MAF_DES基于所希望的每气缸空气(APC_DES)进行确定，并具有以下关系式的特征：

${\mathrm{APC}}_{\mathrm{DES}}=T_{\mathrm{APC}}^{-1}(T_{\mathrm{REQ}},S,I,E,\mathrm{AF},\mathrm{OT},N);$ 和

${\mathrm{MAF}}_{\mathrm{DES}}=\frac{{\mathrm{APC}}_{\mathrm{DES}}\·R}{k_{\mathrm{CYL}}}$

其中：S是点火火花正时；

I是进气凸轮相位角；

E是排气凸轮相位角；

AF是空气/燃油比；

OT是油温；和

N是气缸数量。MAP_DES基于RPM和T_REQ进行确定，并具有以下关系式的特征：

${\mathrm{MAP}}_{\mathrm{DES}}=T_{\mathrm{MAP}}^{-1}((T_{\mathrm{REQ}}+f\left(\mathrm{\ΔT}\right)),S,I,E,\mathrm{AF},\mathrm{OT},N)$

其中：ΔT是第一和第二扭矩估计之差。MAF_DES、APC_DES和MAP_DES的计算在共同转让的申请于2003年9月17日的美国专利申请序列号10/664172中有进一步的详细论述，其内容通过引用明确地结合于本文中。该装置设定点(D_X)基于发动机速度和APC_DES进行确定。通常，D_X可以从一检查表进行确定，或者可以基于发动机速度和APC_DES进行计算。

现在参考图2，将进一步详细论述该发动机扭矩控制系统。在步骤100，控制确定该发动机12是否在运行。如果该发动机12没有在运行，控制结束。如果该发动机12在运行，在步骤102，控制基于操作者输入43产生T_REQ。在步骤104，控制测量当前的RPM和MAP。在步骤106，控制基于T_REQ和RPM确定MAP_DES。在步骤108，控制基于T_REQ和D_X确定APC_DES。

在步骤110，控制确定扭矩估计(T_EST)。T_EST基于RPM、火花和使用稳态扭矩估计量的匀减估计(dilution estimate)进行确定，其在共同转让的授权于2004年3月9日的美国专利No.6704638中有详细论述，其内容通过引用明确地结合于本文中。在步骤112，控制基于T_REQ和T_EST计算每气缸空气校正(APC_CORR)。在步骤114，控制基于APC_CORR校正APC_DES。在步骤116，控制基于校正的APC_DES确定MAF_DES。在步骤118，A_THR基于MAP_DES和MAF_DES进行确定。在步骤120，控制基于RPM和APC_DES确定D_X(例如D_IPHSR、D_EPHSR、D_EGR、D_BPV和D_IMTV)。在步骤122，控制基于A_THR和D_X操作该发动机并循环回步骤100。

现在参考图3，将进行论述示范性的模块，其可执行本发明的可调式扭矩控制。该模块包括装置进度模块200、T_EST计算模块202、MAP_DES计算模块204、APC_DES计算模块210、校正模块212、MAF_DES计算模块214、A_THR计算模块216和发动机控制模块218。

该装置进度模块200基于APC_DES和RPM确定D_X。D_X通过滤波器220(例如低通滤波器)提供给MAP_DES计算模块204和APC_DES计算模块210。该MAP_DES计算模块204基于D_X、RPM和T_REQ计算MAP_DES。MAP_DES提供给A_THR计算模块216。该APC_DES计算模块210基于T_REQ和D_X计算APC_DES。

该T_EST计算模块202计算T_EST并将其提供给加法器222。该加法器222提供T_REQ和T_EST之间的差值，并将其提供给该校正模块212。APC_CORR由校正模块212确定并提供给加法器224。该加法器224提供基于APC_DES和APC_CORR总和的校正APC_DES，并通过滤波器226(例如低通滤波器)将其提供给该MAF_DES计算模块214和装置进度模块200。

该MAF_DES计算模块214基于校正APC_DES计算MAF_DES，并将其提供给A_THR计算模块216。A_THR和D_X都被提供给发动机控制模块218，其产生基于此的控制信号。一个控制信号启动该节气门以获得A_THR，而另一控制信号或其它控制信号启动该装置或多个装置(例如进气凸轮相位器32、排气凸轮相位器34、EGR系统36和进气岐管调谐阀60)以获得T_REQ。

现在参考图4，显示了图3的示范性的模块的替代性配置。该替代性配置基于T_EST校正T_REQ。更具体地讲，该校正模块212基于T_EST确定扭矩校正系数(T_CORR)。加法器225基于T_REQ和T_CORR提供校正的T_REQ。该校正的T_REQ被提供给该MAP_DES计算模块204和APC_DES计算模块210。这样，来自APC_DES计算模块的APC_DES被没校正地直接提供给该MAF_DES计算模块214。其它模块的作用与上述的相对于图3说明的相同。

本领域技术人员现在从上述的说明中可以理解本发明广泛的内容能够以多种形式实施。因此，虽然本发明已经结合具体的实施例进行了说明，但本发明的真正范围不应该如此限定，这是因为其它的修改对那些熟练的专业人员在研究其图示、说明书和以下的权利要求后将是明显的。

Claims (48)

1.一种用于调节发动机运转的扭矩控制系统，包括：

调节进入所述发动机的气流的节气门；

调节所述发动机的扭矩输出的装置；

基于所希望的歧管绝对压力和所希望的歧管气流确定节气门区域的第一模块；

基于所希望的每气缸空气和发动机速度确定装置设定点的第二模块；和

基于所述节气门区域产生控制所述节气门的节气门控制信号并且基于所述装置设定点产生控制所述装置的装置控制信号的第三模块。

2.根据权利要求1所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述装置包括调节凸轮轴相对于所述发动机的转动位置的相位角的凸轮相位器。

3.根据权利要求2所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述凸轮轴包括进气门凸轮轴。

4.根据权利要求2所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述凸轮轴包括排气门凸轮轴。

5.根据权利要求1所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述装置包括调节进入所述发动机的进气歧管的排气流量的排气再循环阀。

6.根据权利要求1所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述装置包括选择性地分割所述进气歧管的容量的进气歧管阀。

7.根据权利要求1所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述装置包括给所述发动机提供压缩空气的涡轮。

8.根据权利要求1所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述扭矩控制系统进一步包括基于所述发动机速度和扭矩需要确定所述希望的歧管绝对压力的第四模块。

9.根据权利要求1所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述扭矩控制系统进一步包括基于所述所希望的每气缸空气确定所述所希望的歧管气流的第四模块。

10.根据权利要求1所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述扭矩控制系统进一步包括基于所述扭矩需要和装置进度反馈信号确定所述所希望的每气缸空气的第四模块。

11.根据权利要求1所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述所希望的每气缸空气基于每气缸空气校正系数被校正。

12.根据权利要求11所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述每气缸空气校正系数基于扭矩需要和扭矩估计被确定。

13.一种基于可调式扭矩控制系统调节发动机运转的方法，包括：

基于所希望的歧管绝对压力和所希望的歧管气流确定节气门区域；

基于所希望的每气缸空气和发动机速度确定装置设定点；

基于所述节气门区域产生节气门控制信号；

基于所述装置设定点产生装置控制信号；

基于所述节气门控制信号调节节气门以调整进入所述发动机的气流；和

基于所述装置控制信号调节装置以调整所述发动机的扭矩输出。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述装置包括调节凸轮轴相对于所述发动机的转动位置的相位角的凸轮相位器。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述凸轮轴包括进气门凸轮轴。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述凸轮轴包括排气门凸轮轴。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述装置包括调节进入所述发动机的进气歧管的排气流量的排气再循环阀。

18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述装置包括选择性地分割所述进气歧管的容量的进气歧管阀。

19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述装置包括给所述发动机提供压缩空气的涡轮。

20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括基于所述发动机速度和扭矩需要确定所述所希望的歧管绝对压力。

21.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括基于所述所希望的每气缸空气确定所述所希望的歧管气流。

22.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括基于所述扭矩需要和装置进度反馈信号确定所述所希望的每气缸空气。

23.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述所希望的每气缸空气基于每气缸空气校正系数被校正。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述每气缸空气校正系数基于扭矩需要和扭矩估计被确定。

25.一种用于调节发动机运转的扭矩控制系统，包括：

调节进入所述发动机的气流的节气门；

调节所述发动机的扭矩输出的装置；

控制模块，其基于所希望的歧管绝对压力和所希望的歧管气流确定节气门区域、基于所希望的每气缸空气和发动机速度确定装置设定点、基于所述节气门区域产生控制所述节气门的节气门控制信号，并且基于所述装置设定点产生控制所述装置的装置控制信号。

26.根据权利要求25所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述装置包括调节凸轮轴相对于所述发动机的转动位置的相位角的凸轮相位器。

27.根据权利要求26所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述凸轮轴包括进气门凸轮轴。

28.根据权利要求26所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述凸轮轴包括排气门凸轮轴。

29.根据权利要求25所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述装置包括调节进入所述发动机的进气歧管的排气流量的排气再循环阀。

30.根据权利要求25所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述装置包括选择性地分割所述进气歧管的容量的进气歧管阀。

31.根据权利要求25所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述装置包括给所述发动机提供压缩空气的涡轮。

32.根据权利要求25所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述控制模块基于所述发动机速度和扭矩需要确定所述所希望的歧管绝对压力。

33.根据权利要求25所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述控制模块基于所述所希望的每气缸空气确定所述所希望的歧管气流。

34.根据权利要求25所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述控制模块基于所述扭矩需要和装置进度反馈信号确定所述所希望的每气缸空气。

35.根据权利要求25所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述所希望的每气缸空气基于每气缸空气校正系数被校正。

36.根据权利要求35所述的扭矩控制系统，其特征在于，所述每气缸空气校正系数基于扭矩需要和扭矩估计被确定。

37.一种基于可调式扭矩控制系统调节发动机运转的方法，包括：

基于所希望的歧管绝对压力和所希望的歧管气流确定节气门区域；

基于所希望的每气缸空气和发动机速度确定凸轮相位器设定点；

基于所希望的每气缸空气和发动机速度确定装置设定点；

基于所述节气门区域产生节气门控制信号；

基于所述凸轮相位器设定点产生凸轮相位器控制信号；

基于所述装置设定点产生装置控制信号；

基于所述节气门控制信号调节节气门以调整进入所述发动机的气流；

基于所述凸轮相位器控制信号调节凸轮相位器以调整所述发动机的扭矩输出；和

基于所述装置控制信号调节装置以调整所述发动机的扭矩输出。

38.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述凸轮相位器调节凸轮轴相对于所述发动机的转动位置的相位角。

39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，所述凸轮轴包括进气门凸轮轴。

40.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，所述凸轮轴包括排气门凸轮轴。

41.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述装置包括调节进入所述发动机的进气歧管的排气流量的排气再循环阀。

42.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述装置包括选择性地分割所述进气歧管的容量的进气歧管阀。

43.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述装置包括给所述发动机提供压缩空气的涡轮。

44.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括基于所述发动机速度和扭矩需要确定所述所希望的歧管绝对压力。

45.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括基于所述所希望的每气缸空气确定所述所希望的歧管气流。

46.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括基于所述扭矩需要和装置进度反馈信号确定所述所希望的每气缸空气。

47.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述所希望的每气缸空气基于每气缸空气校正系数被校正。

48.根据权利要求47所述的方法，其特征在于，所述每气缸空气校正系数基于扭矩需要和扭矩估计被确定。

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