使用模型预测控制的诊断系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用 此申请涉及2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225, 502、2014年3月26日 提交的美国专利申请号14/225, 516、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225, 569、 2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225, 626、2014年3月26日提交的美国专利申 请号14/225,817、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,896、2014年3月26日 提交的美国专利申请号14/225, 507、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225, 808、 2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225, 587、2014年3月26日提交的美国专利申 请号14/225,492、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/226,006、2014年3月26日 提交的美国专利申请号14/226, 12U2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225, 496 以及2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,891。以上申请的全部披露内容以引 用的方式并入本文。
技术领域
[0002] 本公开涉及内燃发动机，并且更具体来说，涉及用于车辆的发动机控制系统和方 法。
【背景技术】
[0003] 本文所提供的【背景技术】描述的目的在于从总体上介绍本公开的背景。当前提及 的发明人的工作一一以在此【背景技术】部分中所描述的为限一一以及在提交时否则可能不 构成现有技术的该描述的各方面，既不明示地也不默示地被承认为是针对本公开的现有技 术。
[0004] 内燃发动机在汽缸内燃烧空气与燃料混合物以驱动活塞，这产生驱动扭矩。进入 发动机的空气流量通过节气门来调节。更具体来说，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。当节气门面积增加时，进入发动机的空气流量增加。燃料控制系 统调整燃料被喷射的速率从而将所需的空气/燃料混合物提供到汽缸和/或实现所需的扭 矩输出。增加提供到汽缸的空气与燃料的量增加发动机的扭矩输出。
[0005] 在火花点火发动机中，火花开始提供到汽缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压缩 点火发动机中，汽缸中的压缩燃烧提供到汽缸的空气/燃料混合物。火花正时和空气流量 可以是用于调整火花点火发动机的扭矩输出的主要机构，而燃料流可以是用于调整压缩点 火发动机的扭矩输出的主要机构。
[0006] 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所需扭矩。然而，传统 的发动机控制系统并不如需要一样精确地控制发动机输出扭矩。另外，传统的发动机控制 系统并不对控制信号提供快速响应或者在影响发动机输出扭矩的各种设备之间协调发动 机扭矩控制。
【发明内容】
[0007] 燃料控制模块将发动机加燃料从富油转变到贫油。催化剂故障检测模炔基于氧气 传感器对转变的响应来诊断排气催化剂中是否存在故障，其中氧气传感器位于排气催化剂 的上游和下游之一处。预测模炔基于发动机的模型和基于发动机扭矩请求确定的可能目标 值组来产生发动机的预测操作参数。成本模炔基于预测操作参数与预定最小值和最大值的 比较来确定用于可能目标值组的成本。在转变之前，约束模块选择性地调整预定最小值和 最大值中的至少一个以用于故障诊断。基于该成本，选择模块从包括该可能目标值组和基 于发动机扭矩请求确定的N个其他可能目标值组的群组中选择该可能目标值组，其中N是 大于零的整数，并且基于选定的可能目标值组来设置目标值。致动器模炔基于目标值中的 第一值控制发动机致动器。
[0008] 在其他特征中，传感器故障检测模炔基于氧气传感器对转变的响应来诊断氧气传 感器中是否存在第二故障。
[0009] 在另外其他特征中，当在以下各项中的至少一项时，成本模块增加用于可能目标 值组的成本：预测操作参数小于预定最小值；以及预测操作参数大于预定最大值。
[0010] 在另外其他特征中，约束模块在转变过程中在发动机的加燃料是贫油时维持预定 最小值和最大值中的至少一个。
[0011] 在其他特征中：预测模炔基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的每汽缸 空气（APC)的预测量；成本模炔基于APC的预测量与APC的预定最小量和APC的预定最大 量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及约束模块选择性地调整APC的预定最小量 和APC的预定最大量中的至少一个以用于故障诊断。
[0012] 在另外其他特征中：预测模炔基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的指 示的平均有效压力αΜΕΡ)的预测变化系数（C0V);成本模炔基于MEP的预测COV与预定最 小值和预定最大值的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及约束模块选择性地调整预 定最小值和预定最大值中的至少一个以用于故障诊断。
[0013] 在另外其他特征中：预测模炔基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的剩 余稀释的预测量；成本模炔基于剩余稀释的预测量与预定最小剩余稀释量和预定最大剩余 稀释量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及约束模块选择性地调整预定最小剩余 稀释量和预定最大剩余稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
[0014] 在其他特征中：预测模炔基于发动机的模型和可能目标值组产生发动机的外部稀 释的预测量；成本模炔基于外部稀释的预测量与预定最小外部稀释量和预定最大外部稀释 量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及约束模块选择性地调整预定最小外部稀释 量和预定最大外部稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
[0015] 在另外其他特征中：节气门致动器模炔基于目标值中的第一值控制节气门阀的开 度；升压致动器模炔基于目标值中的第二值控制涡轮增压器的废气门的开度；排气再循环 (EGR)致动器模炔基于目标值中的第三值控制EGR阀的开度；以及相位器致动器模炔基于 目标值中的第四值和第五值控制进气门和排气门定相。
[0016] 在另外其他特征中：预测模块进一步基于发动机的模型和N个其他可能目标值组 分别产生发动机的N个其他预测操作参数；成本模炔基于N个其他预测操作参数与预定最 小和最大值的比较来分别确定用于N个其他可能目标值组的N个其他成本；以及当用于该 可能目标值组的成本小于N个其他成本中的每一个时，选择模块从包括该可能目标值组和 N个其他可能目标值组的群组中选择该可能目标值组。
[0017] 一种用于车辆的发动机控制方法包括：将发动机加燃料从富油转变到贫油；基于 氧气传感器对转变的响应来诊断排气催化剂中是否存在故障，其中氧气传感器位于排气催 化剂的上游和下游之一处；基于发动机的模型和基于发动机扭矩请求确定的可能目标值组 来产生发动机的预测操作参数；基于预测操作参数与预定最小值和最大值的比较来确定用 于可能目标值组的成本；在转变之前，选择性地调整预定最小值和最大值中的至少一个以 用于故障诊断；基于该成本：从包括该可能目标值组和基于发动机扭矩请求确定的N个其 他可能目标值组的群组中选择该可能目标值组，其中N是大于零的整数；以及基于选定的 可能目标值组来设置目标值；以及基于目标值中的第一值控制发动机致动器。
[0018] 在其他特征中，发动机控制方法进一步包括基于氧气传感器对转变的响应来诊断 氧气传感器中是否存在第二故障。
[0019] 在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括当在以下各项之一时增加用于可 能目标值组的成本：预测操作参数小于预定最小值；以及预测操作参数大于预定最大值。
[0020] 在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括在转变过程中在发动机的加燃料 是贫油时维持预定最小和最大值中的至少一个。
[0021] 在其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于发动机的模型和可能目标值组 产生发动机的每汽缸空气（APC)的预测量；基于APC的预测量与APC的预定最小量和APC 的预定最大量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及选择性地调整APC的预定最小 量和APC的预定最大量中的至少一个以用于故障诊断。
[0022] 在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于发动机的模型和可能目标 值组产生发动机的指示的平均有效压力（MEP)的预测变化系数（COV);基于頂EP的预测 COV与预定最小值和预定最大值的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及选择性地调 整预定最小值和预定最大值中的至少一个以用于故障诊断。
[0023] 在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于发动机的模型和可能目标 值组产生发动机的剩余稀释的预测量；基于剩余稀释的预测量与预定最小剩余稀释量和预 定最大剩余稀释量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及选择性地调整预定最小剩 余稀释量和预定最大剩余稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
[0024] 在其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于发动机的模型和可能目标值组 产生发动机的外部稀释的预测量；基于外部稀释的预测量与预定最小外部稀释量和预定最 大外部稀释量的比较来确定用于可能目标值组的成本；以及选择性地调整预定最小外部稀 释量和预定最大外部稀释量中的至少一个以用于故障诊断。
[0025] 在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于目标值中的第一值控制节 气门阀的开度；基于目标值中的第二值控制涡轮增压器的废气门的开度；基于目标值中的 第三值控制排气再循环（EGR)阀的开度；以及基于目标值中的第四值和第五值控制进气门 和排气门定相。
[0026] 在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于发动机的模型和N个其他 可能目标值组分别产生发动机的N个其他预测操作参数；基于N个其他预测操作参数与预 定最小和最大值的比较来分别确定用于N个其他可能目标值组的N个其他成本；以及当用 于该可能目标值组的成本小于N个其他成本中的每一个时，从包括该可能目标值组和N个 其他可能目标值组的群组中选择该可能目标值组。
[0027] 本发明包括以下方案： 1. 一种用于车辆的发动机控制系统，包括： 燃料控制模块，所述燃料控制模块将发动机加燃料从富油转变到贫油； 催化剂故障检测模块，所述催化剂故障检测模炔基于氧气传感器对所述转变的响应来 诊断排气催化剂中是否存在故障，其中所述氧气传感器位于所述排气催化剂的上游和下游 之一处； 预测模块，所述预测模炔基于所述发动机的模型和基于发动机扭矩请求确定的可能目 标值组来产生所述发动机的预测操作参数； 成本模块，所述成本模炔基于所述预测操作参数与预定最小值和最大值的比较来确定 用于所述可能目标值组的成本； 约束模块，所述约束模块在所述转变之前选择性地调整所述预定最小值和最大值中的 至少一个以用于所述故障诊断； 选择模块，所述选择模炔基于所述成本从包括所述可能目标值组和基于所述发动机扭 矩请求确定的N个其他可能目标值组的群组中选择所述可能目标值组，其中N是大于零的 整数，并且其基于选定的可能目标值组来设置目标值；以及 致动器模块，所述致动器模炔基于所述目标值中的第一值控制发动机致动器。
[0028] 2.如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括传感器故障检测模块，所述传 感器故障检测模炔基于所述氧气传感器对转变的响应来诊断所述氧气传感器中是否存在 第二故障。
[0029] 3.如方案1所述的发动机控制系统，其中当以下各项中的一个时，所述成本模块 增加用于所述可能目标值组的所述成本： 所述预测操作参数小于所述预定最小值；以及 所述预测操作参数大于所述预定最大值。
[0030] 4.如方案1所述的发动机控制系统，其中所述约束模块在所述转变过程中在所 述发动机的所述加燃料是贫油时维持所述预定最小和最大值中的所述至少一个。
[0031] 5.如方案1所述的发动机控制系统，其中： 所述预测模炔基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的每汽缸 空气（APC)的预测量； 所述成本模炔基于APC的预测量与APC的预定最小量和APC的预定最大量的比较来确 定用于所述可能目标值组的所述成本；以及 所述约束模块选择性地调整APC的预定最小量和APC的预定最大量中的至少一个以用 于所述故障诊断。
[0032] 6.如方案1所述的发动机控制系统，其中： 所述预测模炔基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的指示的 平均有效压力（MEP)的预测变化系数（COV); 所述成本模炔基于頂EP的预测COV与预定最小值和预定最大值的比较来确定用于所 述可能目标值组的所述成本；以及 所述约束模块选择性地调整所述预定最小值和所述预定最大值中的至少一个以用于 所述故障诊断。
[0033] 7.如方案1所述的发动机控制系统，其中： 所述预测模炔基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的剩余稀 释的预测量； 所述成本模炔基于剩余稀释的预测量与预定最小剩余稀释量和预定最大剩余稀释量 的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及 所述约束模块选择性地调整所述预定最小剩余稀释量和所述预定最大剩余稀释量中 的至少一个以用于故障诊断。
[0034] 8.如方案1所述的发动机控制系统，其中： 所述预测模炔基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的外部稀 释的预测量； 所述成本模炔基于外部稀释的预测量与预定最小外部稀释量和预定最大外部稀释量 的比较来确定用于所述可能目标值组的所述成本；以及 所述约束模块选择性地调整所述预定最小外部稀释量和所述预定最大外部稀释量中 的至少一个以用于故障诊断。
[0035] 9.如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括： 节气门致动器模块，所述节气门致动器模炔基于所述目标值中的第一值控制节气门阀 的开度； 升压致动器模块，所述升压致动器模炔基于所述目标值中的第二值控制涡轮增压器的 废气门的开度； 排气再循环（EGR)致动器模块，所述EGR致动器模炔基于所述目标值中的第三值控制 EGR阀的开度；以及 相位器致动器模块，所述相位器致动器模炔基于所述目标值中的第四值和第五值控制 进气门和排气门定相。
[0036] 10.如方案1所述的发动机控制系统，其中： 所述预测模块进一步基于所述发动机的模型和N个其他可能目标值组分别产生所述 发动机的N个其他预测操作参数； 所述成本模炔基于所述N个其他预测操作参数与所述预定最小和最大值的比较来进 一步分别确定用于所述N个其他可能目标值组的N个其他成本；以及 当用于所述可能目标值组的所述成本小于所述N个其他成本中的每一个时，所述选择 模块从包括所述可能目标值组和所述N个其他可能目标值组的所述群组中选择所述可能 目标值组。
[0037] 11. -种用于车辆的发动机控制方法，包括： 将发动机的加燃料从富油转变到贫油； 基于氧气传感器对所述转变的响应来诊断排气催化剂中是否存在故障，其中所述氧气 传感器位于所述排气催化剂的上游和下游之一处； 基于所述发动机的模型和基于发动机扭矩请求确定的可能目标值组来产生所述发动 机的预测操作参数； 基于所述预测操作参数与预定最小值和最大值的比较来确定用于所述可能目标值组 的成本； 在所述转变之前，选择性地调整所述预定最小值和最大值中的至少一个以用于所述故 障诊断； 基于所述成本： 从包括所述可能目标值组和基于所述发动机扭矩请求确定的N个其他可能目标值组 的群组中选择所述可能目标值组，其中N是大于零的整数；以及 基于选定的可能目标值组来设置目标值；以及 基于所述目标值中的第一值控制发动机致动器。
[0038] 12.如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括基于所述氧气传感器对所 述转变的响应来诊断所述氧气传感器中是否存在第二故障。
[0039] 13.如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括当以下各项中的一个时增 加用于所述可能目标值组的所述成本： 所述预测操作参数小于所述预定最小值；以及 所述预测操作参数大于所述预定最大值。
[0040] 14.如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括在所述转变过程中在所述 发动机的所述加燃料是贫油时维持所述预定最小和最大值中的至少一个。
[0041] 15.如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括： 基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的每汽缸空气（APC)的预 测量； 基于APC的预测量与APC的预定最小量和APC的预定最大量的比较来确定用于所述可 能目标值组的所述成本；以及 选择性地调整APC的预定最小量和APC的预定最大量中的至少一个以用于所述故障诊 断。
[0042] 16.如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括： 基于所述发动机的模型和所述可能目标值组产生所述发动机的指示的平均有效压力 (MEP)的预测变化系数（COV); 基于頂EP的预测COV与预定最小值和预定最大值的比较来确定用于所述可能目标值 组的成本；以及 选择性地调整所述预定最小值和所述预定最大值中的至少一个以用于故障诊断。
[0043] 17.如方案11所述的发动机控制方法，其进一步