使用模型预测控制的汽油发动机中的催化剂熄灯过渡的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 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, 53U2014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。以上申请的全部披露 内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本公开涉及内燃发动机，并且更具体来说，涉及使用模型预测控制增加催化剂的 温度的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 排气系统包括催化剂，诸如三元催化剂。催化剂与流过催化剂的排气的一个或多 个成分反应以减少排气中的排放物。当催化剂温度低于阈值时，催化剂不会有效地减少排 放物。在催化剂熄灯周期期间，催化剂的温度增加到预定催化剂温度。
[0008] 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】
[0009] -种系统包括：催化剂熄灯模块，所述催化剂熄灯模炔基于发动机冷却液温度和 估计的排气焓选择性地产生第一信号；设定值模块，所述设定值模块响应于接收到第一信 号来选择性地开始催化剂熄灯周期并且产生所需排气焓；以及第一模型预测控制（MPC)模 块，所述第一 MPC模炔基于发动机的模型和可能目标值组产生预测参数、基于预测参数和 所需排气焓产生用于可能目标值组的成本并且基于成本从多个可能目标值组中选择所述 可能目标值组。该系统还包括发动机致动器模块，所述发动机致动器模炔基于目标值中的 至少一个来调整发动机的致动器。
[0010] 本发明包括以下内容：
[0011] 1. 一种系统，包括：
[0012] 催化剂熄灯模块，所述催化剂熄灯模炔基于发动机冷却液温度和估计的排气焓选 择性地产生第一信号；
[0013] 设定值模块，所述设定值模块响应于接收到所述第一信号选择性地开始催化剂熄 灯周期并且产生所需排气焓；
[0014] 第一模型预测控制（MPC)模块，所述第一 MPC模块：
[0015] 基于发动机的模型和可能目标值组产生预测参数；
[0016] 基于所述预测参数和所述所需排气焓产生用于所述可能目标值组的成本；以及
[0017] 基于所述成本从多个可能目标值组中选择所述可能目标值组；以及
[0018] 发动机致动器模块，所述发动机致动器模炔基于目标值中的至少一个来调整所述 发动机的致动器。
[0019] 2.如方案1所述的系统，其中：
[0020] 所述预测参数包括预测排气焓；以及
[0021] 所述第一 MPC模炔基于所述所需排气焓与所述预测排气焓之间的差异来确定所 述成本。
[0022] 3.如方案2所述的系统，其中所述成本随着所述所需排气焓与所述预测排气焓之 间的差异增加而增加。
[0023] 4.如方案3所述的系统，其中所述第一 MPC模块选择可能目标值组中具有最低成 本的一个。
[0024] 5.如方案1所述的系统，其中所述设定值模炔基于所述发动机的排气系统中的催 化剂的温度、所述催化剂中氧气的浓度以及所述催化剂下游的所述排气系统中的排放物浓 度中的至少一个来产生所述所需排气焓。
[0025] 6.如方案5所述的系统，其中所述设定值模块调整所述所需排气焓以最小化催化 剂熄灯周期，所述催化剂熄灯周期在起动所述发动机时开始并且在所述催化剂温度等于熄 灯温度时结束。
[0026] 7.如方案6所述的系统，其中所述设定值模块调整所述所需排气焓以最小化在所 述催化剂熄灯周期期间由所述发动机产生的排气中的排放物的量。
[0027] 8.如方案1所述的系统，其进一步包括排气焓估计模块，所述排气焓估计模炔基 于由所述发动机产生的排气的质量流率、排气的温度以及排气的化学成分来估计当前排气 焓，其中所述第一 MPC模炔基于所述当前排气焓产生所述预测参数。
[0028] 9.如方案1所述的系统，其进一步包括第二MPC模块，所述第二MPC模块：
[0029] 基于催化剂的模型和可能目标排气焓产生所述发动机的排气系统中的催化剂的 预测状态；
[0030] 基于预测催化剂状态产生用于所述可能目标排气焓中的每一个的成本；以及
[0031] 基于与所述可能目标排气焓中的每一个相关的所述成本来选择所述可能目标排 气焓中的一个。
[0032] 10.如方案9所述的系统，其中所述预测催化剂状态包括催化剂的预测温度、催化 剂中氧气的预测浓度以及催化剂下游的排气系统中排放物的预测浓度。
[0033] 11. 一种方法，包括：
[0034] 基于发动机冷却液温度和估计的排气焓选择性地产生第一信号；
[0035] 响应于接收到所述第一信号来选择性地开始催化剂熄灯周期；
[0036] 选择性地产生所需排气焓；
[0037] 产生可能目标值组；
[0038] 基于发动机的模型和所述可能目标值组产生预测参数；
[0039] 基于所述预测参数和所述所需排气焓产生用于所述可能目标值组的成本；以及
[0040] 基于所述成本从多个可能目标值组中选择所述可能目标值组；以及
[0041] 基于目标值中的至少一个来调整发动机的致动器。
[0042] 12.如方案11所述的方法，其进一步包括：
[0043] 所述预测参数包括预测排气焓；以及
[0044] 基于所述所需排气焓与所述预测排气焓之间的差异来确定所述成本。
[0045] 13.如方案12所述的方法，其进一步包括所述成本随着所述所需排气焓与所述预 测排气焓之间的所述差异增加而增加。
[0046] 14.如方案13所述的方法，其进一步包括选择所述可能目标值组中具有最低成本 的一个。
[0047] 15.如方案11所述的方法，其进一步包括基于所述发动机的排气系统中的催化剂 的温度、所述催化剂中氧气的浓度以及所述催化剂下游的排气系统中的排放物浓度中的至 少一个来产生所述所需排气焓。
[0048] 16.如方案15所述的方法，其进一步包括调整所述所需排气焓以最小化催化剂熄 灯周期，所述催化剂熄灯周期在起动所述发动机时开始并且在所述催化剂温度等于熄灯温 度时结束。
[0049] 17.如方案16所述的方法，其进一步包括调整所述所需排气焓以最小化在所述催 化剂熄灯周期期间由所述发动机产生的排气中的排放物的量。
[0050] 18.如方案11所述的方法，其进一步包括：基于由所述发动机产生的排气的质量 流率、所述排气的温度以及所述排气的化学成分来估计当前排气焓；以及基于所述当前排 气焓产生所述预测参数。
[0051] 19.如方案11所述的方法，其进一步包括：
[0052] 基于催化剂的模型和可能目标排气焓产生所述发动机的排气系统中的催化剂的 预测状态；
[0053] 基于预测催化剂状态产生用于所述可能目标排气焓中的每一个的成本；以及
[0054] 基于与所述可能目标排气焓中的每一个相关的所述成本来选择所述可能目标排 气焓中的一个。
[0055] 20.如方案19所述的方法，其进一步包括所述预测催化剂状态包括所述催化剂的 预测温度、所述催化剂中氧气的预测浓度以及所述催化剂下游的所述排气系统中排放物的 预测浓度。
[0056] 本公开的其他适用领域将从详细描述、权利要求书以及图变得显而易见。详细描 述和具体实例仅意欲用于说明目的而非意欲限制本公开的范围。
【附图说明】
[0057] 本公开将从详细描述和附图变得更完整理解，其中：
[0058] 图1是根据本公开的示例性发动机系统的功能方框图；
[0059] 图2是根据本公开的示例性发动机控制系统的功能方框图；
[0060] 图3是根据本公开的示例性目标产生模块的功能方框图；
[0061] 图4是根据本公开的替代示例性目标产生模块的功能方框图；以及
[0062] 图5是描绘根据本公开的使用模型预测控制来控制节气门阀、进气门和排气门定 相、废气门、排气再循环（EGR)阀、火花正时以及加燃料的示例性方法的流程图。
[0063] 图中，可以重复使用参考数字以指示类似和/或相同元件。
【具体实施方式】
[0064] 发动机控制模块（ECM)控制发动机的扭矩输出。更具体来说，ECM基于所请求的 扭矩量分别基于目标值来控制发动机的致动器。例如，ECM基于目标进气和排气相位器角 来控制进气和排气凸轮轴定相、基于目标节气门开度来控制节气门阀、基于目标EGR开度 控制排气再循环（EGR)阀并且基于目标废气门占空比控制涡轮增压器的废气门。ECM还基 于目标火花正时来控制火花正时并且基于目标加燃料参数来控制加燃料。
[0065] ECM可以单独地使用多个单输入单输出（SISO)控制器（诸如比例积分微分（PID) 控制器）来确定目标值。然而，当使用多个SISO控制器时，可以设置目标值以在有损可能 的燃料消耗减少和颗粒排放物减少的情况下维持系统稳定性。此外，个别SISO控制器的校 准和设计可能是昂贵且耗时的。
[0066] 本公开的ECM使用模型预测控制（MPC)模块来产生目标值。MPC模块识别目标值 的可能组。MPC模炔基于可能组的目标值和发动机的数学模型来确定用于每个可能组的预 测参数。例如，MPC模块可以确定预测发动机扭矩和用于每个可能目标值组的一个或多个 其他预测参数。
[0067] MPC模块还确定与每个可能组的使用相关的成本。例如，被预测更紧密追踪发动机 扭矩请求的可能组的成本可以低于不被预期如此紧密地追踪发动机扭矩请求的其他可能 组。MPC模块可以选择具有最低成本并且满足用来控制致动器的各个约束的可能组。
[0068] ECM试图尽可能地增加发动机的排气系统中的催化剂温度同时最小化在催化剂熄 灯周期期间发动机输出的排放物。催化剂熄灯周期在起动发动机时开始，同时催化剂温度 小于熄灯温度。直到催化剂温度大于或等于熄灯温度，催化剂才有效地减少排放物。催化 剂熄灯周期在催化剂温度等于熄灯温度时结束。
[0069] 本公开的ECM使用MPC模块来优化最小化催化剂熄灯周期与最小化在催化剂熄灯 周期期间发动机输出的排放物之间的平衡。因此，减少了在起动发动机时从发动机的排气 系统输出的排放物的总量。MPC模块可以预测对于目标值的每个可能组而言由发动机产生 的排气的焓并且基于预测排气焓与所需排气焓之间的差异来确定每个组的成本。排气焓可 以指代每单位时间由发动机产生的排气中的能量总量。
[0070] 目标值的每个可能组的成本可以随着预测排气焓与所需排气焓之间的差异之间 的差异增加而增加，且反之亦然。在催化剂熄灯周期期间，MPC模块可以将所需排气焓设置 为使得选择具有最低成本的可能组最大化排气焓的值。在催化剂熄灯周期期间最大化排气 焓减少排气管排放物的