基于转矩的曲柄控制的制作方法

专利名称：基于转矩的曲柄控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机，并且尤 及发动机的基于總巨的控制。
背景技术：
内燃机燃烧汽缸内的空气燃料混合物从而驱动活塞，产生驱动转矢巨。通过 节流阀调节进入发动机的空气流。更具体的，节流阀调节节流面积，节流面积 增加或M^进入发动机的空气流。当节流面积增加时，进入发动机的空气流增 加。燃糾空制系统调节喷射的燃料速率，从而向汽缸劍共所需的空^/燃料混合 物。容易理解，增加至l」汽缸中的空气和燃料会增加发动机的输出转矩。
发动机控制系统被开发出用于精确控制发动机的速度输出，从而得到所需 的发动机速度。然而，传统的发动机控制系统不能做到所希望的精确地控制发 动禾腿度。而且，传统发动机控制系统不能如所希望iW控制信号进行快速响 应，或者在影响发动机转矩输出的不同體之间协调控制发动机转矩。

发明内容
因此，本发明魁共一种调节发动机操作的控审係统和方法。该控审係统包 括最小總巨模块，该模块根据所测的发动机每併中繊(RPM)、大气压和发动 禾几7令却液温叟中的至少两个而确定需要的转矩。第一发动机空气，莫i央根据预定 的致动器值而确定第一所需发动机空气值和基于所需的转矩而确定转矩值。该 预定致动器值包 舒页定发动机的预定RPM。节流面积模i央根据第一所需发动机 空气值和预定RPM而确定所需节流面积。
根据附加特征，第一所需发动机空气i直包括发动机的歧管压力。第一所需 发动机空气值可包括发动机每个汽缸的空气值和发动机的空气流的量的其中之
第二发动机空气模±央可基于预定致动器值和转矩值确定第二所需发动机空气值。节流面积模±，于第一和第二所需发动机空气值和预定RPM确定所需节 流面积。第一和第二所需发动机空气值可分别包括歧管压力和空气流。
一个混合优化模块可基于戶万需的转矩产生转矩值，并且基于所需的转矩产 生电机转矩值。所述转矩值和电机转矩值之和近似等于所需的转矩。混合优化 模块可基于所需的辩巨和估,矩产生總巨值。
转矩估算模块可基于估算发动机空气fl^生估算转矩。估算发动机空气值
可为齡汽缸的估算空气值。相位器控制模块可基于观糧的RPM和所需节流面
积确定进气凸轮相位器和排气凸轮相位器中至少其一的隨。
调节发动机操作的方》雄括基于领糧的发动机每分钟转数(RPM)、大
气压和发动机冷却液温度中的至少其中两个而确定所需转矩。根据预定致动器 值可确定第一所需发动机空气值，基于所需的转矩可确定转矩值。预定致动器
值可包括预定的RPM。基于第一所需发动机空气值和预定RPM可确定所需节 流面积。
根据附加特征，第一所需发动机空气值可包括发动机的歧管压力。仍然根 据其它特征，第一所需发动机空气值可包括发动机^"汽缸的空气值和发动机 的空气流的量中的其中之一。
可基于预定致动器值和转矩值而确定第二所需发动机空气值。节流面积模 土據于第一和第二所需发动机空气值和预定RPM而确定所CT流面积。第一和 第二所需发动机空气值可分别包括歧管压力和空气流。
可基于所需的转矩而产生转矩值。电机转矩值可基于所需的转矩而产生。 戶M转矩值和电机转矩值之和可近似等于所需的转矩。估算襟巨基于估算发动 机空气值而产生。估算发动机空气值可为每个汽缸的估算空气值。基于测量的 RPM和所需节流面积可确定进气凸轮相位器和排气凸轮相位器中至少其一的位 置。
本发明公开的其他有益效果和应用领敏每通过以下掛共的详细说明而变得 明显。尽管以实施例进行说明，但应该理解详细说明和具体实施例仅为了说明 的目的，而不能用于限制本发明的范围。


通过详细说明和相关附图，将更能充分働率本发明，其中 图1是根据本发明的示例性发动机系统的简图；图2是方框图，图示了用于具有混合动力传动系的本发明的汽车的执行基 于转矩控制的模块；
图3是方框图，图示用于具有内燃机传动系的本发明的汽车的执行基于转 矩控制的模块；
图4是方框图，图示图2中的转矩估算模块的示例性模块； 图5是方框图，图示图2和图3中的转矢鹏制模块的示例性模块；和 图6是一个流程图，图示根据本发明的基于转矩的曲柄控制的执行步骤。 具体实施例
下面的说明实际上仅仅是示例性，而绝不是为了限审体发明、其应用或使 用。为了清楚起见，在附图中使用相同的附图标记表示相同部件。这里所使用 的名词"模±央"指的是特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、可执行一个或多 个软件或固件程序的处理器(公用、专用或成组的)和内存、组合逻辑电路， 或其它能衛共所描述功能的适合部件。
现在参看图1，发动机系统10包括发动机12，其燃烧空气和燃料的混合物 从而产生驱动辯巨。空气通过节流阀16被引入到进气歧管14中。节流阀16调 节进入到进气歧管14的空气流的量。进入到进气歧管14的空气被分配到汽缸 18中。尽管图示为单个汽缸18，但是可以理解本发明的联动控制系统也可以应 用在多汽缸的发动t几中，该多汽缸发动机可包括2,3,4， 5， 6,8， 10和12个汽缸， 但不仅限于此。
燃料喷射器(未显示)喷射燃料，M料当MM3S气口弓I入到汽缸18中时 与空气混合。燃料喷lt器可以是与电子^t几W^斗喷射系统20、汽化器的喷口 或出口或其它混合燃料与进气空气的系统相关联的喷射器。燃料喷射器皮控制 掛共旨汽缸18所需的空气燃料比(A/F)。
进气阀22可选择的打开和关闭，使得空^7燃料混合物进入到汽缸18中。 进气阀的位置由进气凸轮轴24控制。活塞(未显示)压縮汽缸18中的空，燃 料混合物。火M 26点燃使得空，燃料混合物燃烧，从而驱动汽缸18中的活 塞。活塞依次驱动曲轴(未显示)从而掛共驱动總巨。当拥忾阀28处于打开位 置时，汽缸18中的燃^n从排气口被强帝鹏咄。排气阀隨由排气凸轮轴30 调节。废气在排气系统中进行处理并被释放到大气中。尽管图示为单个进气和 排气阀22,28，但可以理解发动机12的針汽缸18可包括多儒气禾站一气阀22,28。
发动机系统10包繊气凸轮相位器32和S^凸轮相位器34，其分别调节 进气和S汽凸轮轴24,30的旋转定时。更具体的，相对彼lt域相对汽缸18中活 塞隨或相对曲轴^g，鹏或提前进气和排气凸轮轴24,30各自的定时或相位 角。通腿种方式，进气和拥汽阀22,28的位置可相对彼此或相对汽缸18中活 塞的位置而调节。M31调节进气阀22禾鹏,气阀28的體，可调节弓l入到汽缸 18中的空^/燃料混合物的量，并由此调节发动机的辦巨。
发动机系统10也可包括废气^t盾环(EGR)系统36。 EGR系统36包括 EGR阀(未显示)，该阀调节废气回流到进气歧管14中。EGR系统一般用于调 节排放物。但是，可回流到进气歧管14的S汽的量中也会影响发动机转矩输出。
控制模±央40根据本发明基于转矩的发动机控制而操作发动机12。更具体 的，控制模块40产生节流控制信号和点火提前控制信号。节流4體传麟(TPS) 42产生节流^S信号。操作输入43，比如加速踏板，产生操作输入信号。控制 模块40命令节流阀16处于稳态位置从而得到所需节流面积(Athrdes)，并且命 令点火定时而得到所需点火定时(Sdes)。节流致动器(未显示)基于节流控制 信号调^流l^g。
进气空气温度(IAT)传感器44对进气空气流的^t进行响应，而产生进 气空气温度(IAT)信号。空气流的量(MAF)传感器46对进气空气流的M 行响应，而产生MAF信号。歧管乡fe(^压力(MAP)传繊48对歧管14内的 压力进行响应，而产生MAP信号。发动机7转卩液鹏传繊50对冷却液》鹏 进行响应，并产生发动机鹏信号。发动m3Iit传繊52对发动机12的旋转 速度(即RPM)进行响应，并产战动l腿度信号。^M专li^产生的信号都 由控制模块40所接收。
发动机系统10也可包括由发动机12或发动机iTt驱动的涡轮或涡轮增压 器54。涡轮54压縮来自进气歧管14的空气。更具体的，空气被弓l入到涡轮54 的中间室。中间室的空气被引入到压縮机(未显示)中，并在其内被压缩。压 縮空气M导管56回流到进气歧管14，以用于在汽缸18中燃烧。旁通阀58 设置在导管56内，并且调节回流到进气歧管14中的压縮空气的气流。
根据附加的技术特征，发动机系统10可具有混合动力传动系(以虚线^H只 的)。4顿传动器72，比如带传动器、謝专动器、离合器系统或倒可其它驢，电动发电机70可Mil电力剤^S 74掛共 动力。汽车既可通过发动机12或电动发电机70驱动也可iffil两者混合方式驱 动前进。
参看图2，显示了根据本发明教导的用于混合动力汽车的基于转矩的控制 模块，其通常以附图标己40A禾gi只。控制模块40A可包括MAF估^I莫块82， 转矩估^t莫块84、轴转矩判断模块85、混合优化模块86，最小转矩计嶽莫块 88、 力判断模块90和襟巨控制模±央92。
MAF估^l莫块82基于测量的或实际的MAP (MAPACT)、 MAF信号、大 气压和环徵鹏确定发动机12的估算的針汽缸的空气值(APCest)。更具体 的，〗顿基于MAP的转矩f難确定基于MAP的转矩(Tmap)，并且以如下关 系式描述
r雕^(fl尸,(/ /w,/，五,s;rM4/^ + 。(i /w,/，五,。 ①
其中S是点火定时；
I ^ia气凸轮的相位角
E是排气凸轮的相位角 B是大气压；和
"是根据IAT所确定的热效率因子。
系数ap是预定值。基于APC辩巨模块可用于确定基于APC转矩(Tapc)，并且
以如下絲式描述
L尸c :^i(^^^义五，S"爿尸C + a屈(i^M,/,五，S) (2) 系数aA是预定值。由于Tmap等于Tapc，因此基于APC辯封IM可根据以下关
系式基于MAPAcr反向计算APCest:
^pc= apl *7/*A^Acr + ( 。+ ~2 *万)*7 — o (3)
i
如果发动机12以稳态进行操作，以测量或实际的APC (APCact)修正 APCest而J^共一个修正的APCest。 APC肌M下面关系式进行修正 APCsr = ^PC^w + ^ * J"(爿PC忍r — ^PCjCT)& (4)
^是预定的修正系数。监控MAPAcr从而确定发动机12是否处于稳态。例如， 如果当前MAPAcr和以前记录的MAPAcr的差别小于差别极值，那么发动机12
8处于稳态状态。然后通过下列关系式基于APCEST而确定VE:
<formula>formula see original document page 9</formula> (5)
k是基于IAT使用比如预存的查找表，而确定的系数。适合的MAF估算模块的 其它细节可以在共同拥有和共同未决的，于2007年4月19日申请的美国专利 申请第11/737190号文献中找到，在这里ail参考将其離弓l入。然后，APCes丁 可以输出至鹏矩估^^莫块84中。
现在参考图4，显示了执行MAF估算82的示例性模块的细节。示例性模 块包括基于證的转矩模块110，基于APC反向總欧難的模块112，修正模 块114，稳态确定模决116，和加法模±央120。基于MAP转矩的模块110使用 上述的基于MAP转矩模i央而确定Tmap。基于APC反向總巨模型的模决112根 据基于MAP转矩禾IM的模i央110的转矩输出而确定APCest。
修正模土央114根据APCest而摘定APCcorr，根据来自稳态确定模块116的 信号而确定APCAcr。更具体的，稳态确定模块116基于MAPAcr确定发动机12 是否处于稳态。如果发动机12在稳态下运行，贝岫修正模土央114输出修正因子。 如果发动机12不在稳态下运行，那么修正因子设定为零。加法模±央120计算 APCest和修正因子之和，从而iif共修正的APCest。在不同应用中，可不使用修 正模决114。 APC输入到转矩估算模决84中(图2)。
基于转矩的APC确定控制能够4顿已知,繊定APC值。在开发发动 机的过程中使用例如DYNA-AIR的工具产生1^集。由于这^ft可以通过已知 值确定，在开发发动禾鹏程中APC值并不需要发动机12在功率计上运行而得 至U，因此M^了4顿功率计的量。这有助于M^开发发动机的辦时间和费用。 而且，基于转矩的APC确定控制掛共用于估算APC值的自动过程。
转矩估穀势央84确定根据MAF估算模块82输出的APC产生的估算辯巨。 辦巨估^1t块84的细节描述可以在共同拥有的美国专利第6,704,638号文献中 找到，在这里M51参考将其離引入。
最小總巨计^i块88基于发动机RPM、大气压和^4卩液，而确定发动 机12起动所需的一^小转矩。在一个实施例中，发动机RPM的空瓶行速 度可以为550RPM。其它值可以 页先确定。
轴转矩判断模块85在驾驶员输入和其它轴需求徵E之间謝于判断。例如，驾驶员输入可包括加^m板位置。其它轴需求转矩可包括在通过传递控制模
块进行变速的时候需要的斷氐转矩，在M牵弓腔审孫统进行车轮滑动时候需 要的斷氏转矩，和iliM船空审孫统的控制速度的需求襟巨。
轴转矩判断模i央85输出估计辦巨和即时總巨。估计转矩是在将来满足司机 转矩和/或皿要求的所需的转矩量。即时转矩是现时需要满足即时转矩要求的 转矩量，例如当变速或当牵弓腔制感则到车轮滑动的时候的斷氐转矩。
M:发动ira动器的快速反应而得到即时转矩，而较墁的发动ira动器用 于得到估计转矩。例如，点，动器能够快速改变点火提前，而凸轮相位器或
节 繊动器则反应较慢。轴转矩判断模±央85榭古计總巨和即时總薛俞出至,合
优化模块86中。
混合优化模土央86根据转矩估算模块84输出的估算转矩，车由判断模土央85 输出的估计和即时裙矩，以及最小總巨计鋭莫块88输出的最小转矩，来确定应 该有多少转矩量由发动机12产生，和应该有多少转矩量由电动发电机70产生。 然后混合优化模块86将修改的估计禾卿时转矩值输出到繊力判断模块90。
繊力判断模块90在估计和即时转矩与需求繊力转矩之间进行判断。推 进力转矩需求包括发动机在超速防护时的斷氐转矩和失速防护的增加转矩。转 矩控制模块92接ttt自推进力判断模块90的估计辩巨和即时辦巨。
参看图3，显示根据本发明教导的、用于逾il内燃机^^虫驱动的汽车的基 于转矩的控制系统，该控帝係统以附图标己40B表示。控制模块40B可包括最 小转矩计算模块98, 力判断模块100，和转矩控制模块102。基于转矩的控 制模i夫40B的操作与前述的基于转矩的控制模t央40A的操作基本相同，但是由 于动力传动系不具有电动机，因lt頃小辦巨计算模块98将估计转矩和g卩时转矩 输出到繊力判断模块脂中。
现在参考图5，襟巨控制模块92 (图2)和102 (图3)将在以下进行更详 细的描述。转矢^$制模±央92和102可包括反向MAP裕巨模±央150，反向APC 转矩模块154，压缩气流(节流面积)模块158，相位时序安排和致动模块162， 和点，动器模块166。
概力判断模块90糊古计襟薛俞出到反向MAP转矩模块150和反向APC 转矩模块154中。 力判断模块90也将即时转矩输出到点^1:动器模块166 中。存在各种不同的预定致动器输入，比如点火提前(S)、进气(1)、排气(E)，并且RPM输入到反向MAP转矩模块150和反向APC转矩模决154中。注意 至廿，这些致动器输入可根据校准值而不是测量值而预定。
反向APC模±央154可基于所需转矩和预定致动器输入通过计算而确定 APC。反向APC模块154可应用襟巨模块，该總巨模i據于预定致动器输入， 例如S、 I、 E禾口RPM，而估難矩。可l柳其它预定致动器输入，其包括空气 /燃料比(AF)，油温(OT)和多个正在输/Jt料的汽缸(#)。如果假设所需转 矩4等于转矩模型的输出，并且接收的致动皿置可替换，那么反向APC模 块154可解刺又仅未知APC的转矩模型。这种反向〈OT的转矩模型可Sil以下
K^-dA/,五，磨) (7)
反向APC模块154将计算的APC输出到压縮流动模块158中。反向MAP 模块150根据来自 力判断模块90的所需转矩和预定致动器输入而确定所需 MAP。所需MAP可3M:下面等式确定
似《+/(綠—70)，丽,(8) 其中如dta一T)是基于MAP与基于APC转矩估算器之间的过滤差。反向MAP 模±央150将所需MAP输出到压縮流动模决158中。
压縮流动模块158基于所需MAF (其与所需APC成比例)和所需MAP 确定所3^节流面积。所需面积使用下列等式进纟于计算
，&'V^，其中尸=^ (9)
并且Rgas是理想气体常量，T题气空气驗，和P』是大气压。P』可直接用
传ii^l糧，比如IAT传麟44，或可4顿其它测量或估算参数进行计算。
^函数可以表明由于节流阀16两边压力差导致的空气流的变化。^函数可 用下式表示
尸/ )如果尸,尸*。，
_ 其中 (10)
,2 ^
w 广如果尸,尸
对于空气尸由,、^尸=0.528 (11) 并且^是比热常数，该常数对于空气而言大概在1.3到1.4之间。Pc^定义为在空气流经节流阀16的速度等于声速处的压力比，这被称为阻流或临界流。压縮
流动模块158将所需面积输出到节流阀16以提供所需开口面积，并且将所需面 积输出到相位时序安排和致动模土央162中。
根据所需面积和RPM信号，相位时序安排和致动模±央162命令进气和/或 排气凸轮相位器32和34的校准值。根据来自M力判断模i央90的即时转矩输 出、点，动激莫块166激发汽缸18中的火，26，从而点燃空~燃料混合 物。点火定时可指定为相对活塞达至撮高点的时候，也称为上死点(TOC)的 时候，在这点空，燃料混合物得到最大压縮。
现在参看图6，该流程示出预定转矩控制模i央40A或40B执行的示例 性步骤。控制在步骤202中开始，在这里测量发动机的运行参数。控制继续到 步骤206，在这里控制根据领糧的运纟豫数确定转矩需求。控制继续到步骤210， 在这里控制根据预定致动器值而确定所需发动机空气值，基于转矩需求的转矩 而确定转矩。控制继续到步骤214，在这里控制根据所需发动机空气《直和预定 RPM而确定所需节流面积。然后，控制循环返回步骤202。
本领域技术人员从本发明的，说明和广泛教导，容易得知其可以有各禾中 形式实施。因此，尽管本发明以结合其具体实施例的形式进行说明，但是本发 明的真实范围不应以此为限制，因为其它的变型对于研究过本发明附图、说明 书以及下列权利要求的本领驗术人员而言题而易见的。
权利要求
1、一种发动机控制系统，包括最小转矩模块，其根据测量的发动机每分钟转速(RPM)、大气压和发动机冷却液温度中的至少两个来确定需求转矩；第一发动机空气模块，其根据预定致动器值来确定第一所需发动机空气值，并且基于所述需求转矩来确定转矩值，其中所述预定致动器值包括发动机的预定RPM；和节流面积模块，其根据所述第一所需发动机空气值和所述预定RPM而确定所需节流面积。
2、 如权利要求1的发动机控制系统，其中戶脱第一所需发动机空气值包括 发动机的歧管压力。
3、 如权利要求1的发动机控制系统，其中戶腿第一所需发动机空气值包括 戶，发动机每个汽缸的空气值和发动机空气流的量中的一个。
4、 如权利要求1的发动^f空制系统，进一步包括第二发动机空气模块，该 模i央根据戶脱预定致动器值和戶脱转矩值确定第二所需发动机空气值，其中所 述节流面积模i，于戶，第一和第二所需发动机空气值和戶;M预定RPM确定 所述所需节流面积，其中所述第一和第二所需发动机空气值可分别包括歧管压 力和空气流。
5、 如权利要求1的发动机控制系统，进一步包括混合优化模块，该模±央根据所述所需的辦巨产生戶;M總封直，和根据戶，所需的襟巨产生电动机转矩值。
6、 如权利要求5的发动机控审孫统，其中戶做转矩值和戶诚电动机转矩值 之和近似等于戶，所需的转矩。
7、 如权利要求5的发动禾鹏制系统，其中戶腿混合优化模块可根据戶;M^ 需的转矩和估算转矩产生戶;M转矩值。
8、 如权利要求7的发动机控制系统，进一步包括總巨估難块，该模块可根据估算发动机空气,鈔脱估難矩。
9、 如权利要求S发动禾鹏制系统，其中戶舰估算发动机空气f战齡汽缸的估算空气值。
10、 如权利要求1的发动禾，制系统，进一步包括相位，制模块，该模块可根据戶腿测量RPM和戶腿所需节流面积而确定进气凸轮相位器和排气凸轮相位器中至少其一的位置。
11、 一种控制发动机的方法，包括根据测量的发动机每併中转数(RPM)、 大气压和发动机冷却液，中的至少两个而确定所需的徵巨；根据预定致动器值而确定第一所需发动机空气值，禾噻于戶舰所需的转矩而确定转矩it，其中戶/M预定致动器值包括戶，发动机的预定RPM;禾口根据戶;M第一所需发动机空气值和戶;M预定RPM确定所需节流面积。
12、 如权利要求ll的方法，其中所述第一所需发动机空气值包括戶，发动 机的歧管压力。
13、 如权禾腰求ll的方法，其中戶腐第一所需发动机空气值包括戶腐发动 机每个汽缸的空气值和戶，发动机空气流的量中的其中之一。
14、 如权利要求n的方法，进一步包括根据戶;M预定致动器值和戶;M转矩 值确定第二所需发动机空气值，其中所述节流面积模±央根据戶腿第一和第二所需发动机空气值和戶，预定RPM而确定戶皿所需节流面积，其中所述第一和第二所需发动机空气值分别包括歧管压力和空气流。
15、 如权利要求n的方法，进一步包括根据戶;M所需的转矩产生戶;M转矩 值，和根据戶腐所需的转矩产生电动机转矩值。
16、 如权利要求15的方法，其中戶腿l^巨值和戶脱电动机转矩值之和近似等于爿;M^需的转矩。
17、 如权利要求i5的方法，其中戶;M總巨值可根据戶腿所需的徵巨和估算 转矩产生。
18、 如权利要求17的方法，进一步包括根据估算发动机空气{1^生戶皿估算转矩。
19、 如权利要求18的方法，其中所^i古算发动机空气值是^^汽击工的估算 空气值。
20、 如权利要求ll的方法，进一步包括根据戶腿测量RPM和戶腿所需节 流面积而确定进气凸轮相位器和排气凸轮相位器中至少其一的位置。
全文摘要
本发明总体上涉及基于转矩的曲柄控制，提供一种调节发动机操作的控制系统和方法，包括最小转矩模块，该模块根据测量的发动机每分钟转速(RPM)、大气压和发动机冷却液温度中的至少两个而确定所需要的转矩。第一发动机空气模块根据预定致动器值而确定第一发动机所需空气值，和基于所需的转矩而确定转矩值。该预定致动器值可包括发动机的预定RPM。节流面积模块根据所述第一发动机所需空气值和预定RPM而确定所需节流面积。
文档编号F02D41/14GK101457702SQ20081018879
公开日2009年6月17日 申请日期2008年10月31日 优先权日2007年11月2日
发明者C·E·怀特尼, J·M·凯泽, M·利夫什茨 申请人:通用汽车环球科技运作公司