使用模型预测控制的空气流控制系统和方法

使用模型预测控制的空气流控制系统和方法
【专利摘要】本发明涉及使用模型预测控制的空气流控制系统和方法。扭矩请求模块基于驾驶员输入来生成用于火花点火发动机的第一扭矩请求。扭矩转化模块将第一扭矩请求转化为第二扭矩请求。设定点控制模块基于第二扭矩请求来生成用于火花点火发动机的空气和排气设定点。模型预测控制（MPC）模块执行下述操作：基于空气和排气设定点来识别可能目标值的集合；分别基于火花点火发动机的模型和可能目标值的集合来生成预测参数；基于预测参数来选择可能目标值的集合中的一个；并且基于所述集合中所选的一个的可能目标值来设置目标值。节气门致动器模块基于目标值中的第一个控制来节气门的开度。
【专利说明】使用模型预测控制的空气流控制系统和方法
[0001] 相关申请的交叉引用 本申请要求提交于2013年4月23日的美国临时申请No. 61/815,068的权益。以上 申请的公开内容以引用方式全文并入本文中。
[0002] 本申请与下列美国专利申请有关：2013年6月6日提交的No. 13/911，148 ;2013 年6月6日提交的No. 13/911，132;以及2013年6月6日提交的No. 13/911，121。上述 申请的全部公开内容以引用方式并入本文中。

【技术领域】
[0003] 本公开涉及内燃发动机，并且更特别地涉及用于车辆的发动机控制系统和方法。

【背景技术】
[0004] 在此提供的【背景技术】描述用于总体上介绍本公开的背景的目的。当前署名发明人 的工作(在【背景技术】部分描述的程度上）以及本描述中否则不足以作为申请时现有技术的 各方面，既不明显地也非隐含地被承认为与本公开相抵触的现有技术。
[0005] 内燃发动机在汽缸内燃烧空气和燃料混合物以驱动活塞，这产生驱动扭矩。进入 发动机的空气流经由节气门被调节。更具体而言，节气门调整节流面积，这增加或减小进入 发动机的空气流。随着节流面积的增加，进入发动机的空气流增加。燃料控制系统调整燃 料喷射的速率以向汽缸提供期望的空气/燃料混合物和/或实现期望的扭矩输出。增加提 供至汽缸的空气和燃料的量增加了发动机的扭矩输出。
[0006] 在火花点火发动机中，火花引发提供给汽缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压缩 点火发动机中，汽缸中的压缩燃烧了提供给汽缸的空气/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制，而燃料流量可以是用于调整压 缩点火发动机的扭矩输出的主要机制。
[0007] 已开发出发动机控制系统，以控制发动机输出扭矩从而实现期望扭矩。然而，传统 的发动机控制系统不能如所期望的那样准确地控制发动机输出扭矩。此外，传统的发动机 控制系统不能提供对控制信号的快速响应或在影响发动机输出扭矩的各种装置之间协调 发动机扭矩控制。


【发明内容】

[0008] 在一个特征中，一种用于车辆的发动机控制系统包括：扭矩请求模块、扭矩转化模 块、设定点控制模块、模型预测控制（MPC)模块和节气门致动器模块。所述扭矩请求模块基 于驾驶员输入来生成用于火花点火发动机的第一扭矩请求。所述扭矩转化模块将所述第一 扭矩请求转化为第二扭矩请求。所述设定点控制模块基于所述第二扭矩请求来生成用于所 述火花点火发动机的空气和排气设定点。所述MPC模块基于所述空气和排气设定点来识别 可能目标值的集合、分别基于所述火花点火发动机的模型和可能目标值的所述集合来生成 预测参数、基于所述预测参数来选择可能目标值的所述集合中的一个、以及基于所述集合 中的所选一个的所述可能目标值来设置目标值。所述节气门致动器模块基于所述目标值中 的第一个来控制节气门的开度。
[0009] 在其它特征中：增压致动器模块，其基于所述目标值中的第二个来控制废气门的 开度；排气再循环（EGR)致动器模块，其基于所述目标值中的第三个来控制EGR阀的开度； 以及移相器致动器模块，其基于所述目标值中的第四个和第五个来控制进气阀定相和排气 阀定相。
[0010] 在其它特征中，所述MPC模块进一步基于所述空气和排气设定点来选择可能目标 值的所述集合中的所述一个。
[0011] 在其它特征中，所述MPC模块基于所述空气和排气设定点分别与所述预测参数的 比较来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。
[0012] 在其它特征中，所述MPC模块基于所述空气和排气设定点分别与所述预测参数的 所述比较来确定可能目标值的所述集合的成本，并且基于所述成本来选择可能目标值的所 述集合中的所述一个。
[0013] 在其它特征中，所述MPC模块将所述目标值分别设置到针对所述目标值的预定范 围内。
[0014] 在其它特征中，所述设定点模块进一步基于期望燃烧定相来生成所述空气和排气 设定点。
[0015] 在其它特征中，所述设定点模块分别进一步基于所述空气和排气设定点的预定范 围来生成所述空气和排气设定点。
[0016] 在其它特征中，所述设定点模块进一步基于停用汽缸的数量来生成所述空气和排 气设定点。
[0017] 在其它特征中，所述设定点包括进气歧管压力设定点、每缸空气质量(APC)设定 点、外部稀释设定点、残余稀释设定点、以及压缩比设定点。
[0018] 在一个特征中，一种用于车辆的发动机控制方法包括：基于驾驶员输入来生成用 于火花点火发动机的第一扭矩请求；将所述第一扭矩请求转化为第二扭矩请求；基于所述 第二扭矩请求来生成用于所述火花点火发动机的空气和排气设定点。该方法还包括使用模 型预测控制（MPC)模块来执行下述操作：基于所述空气和排气设定点来识别可能目标值的 集合；分别基于所述火花点火发动机的模型和可能目标值的所述集合来生成预测参数；基 于所述预测参数来选择可能目标值的所述集合中的一个；以及基于所述集合中的所选一个 的所述可能目标值来设置目标值。该方法还包括：基于所述目标值中的第一个来控制节气 门的开度。
[0019] 在其它特征中，该方法还包括：基于所述目标值中的第二个来控制废气门的开度； 基于所述目标值中的第三个来控制排气再循环（EGR)阀的开度；以及基于所述目标值中的 第四个和第五个来控制进气阀定相和排气阀定相。
[0020] 在其它特征中，该方法还包括：进一步基于所述空气和排气设定点来选择可能目 标值的所述集合中的所述一个。
[0021] 在其它特征中，该方法还包括：基于所述空气和排气设定点分别与所述预测参数 的比较来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。
[0022] 在其它特征中，该方法还包括：基于所述空气和排气设定点分别与所述预测参数 的所述比较来确定可能目标值的所述集合的成本；以及基于所述成本来选择可能目标值的 所述集合中的所述一个。
[0023] 在其它特征中，该方法还包括：将所述目标值分别设置到针对所述目标值的预定 范围内。
[0024] 在其它特征中，该方法还包括：进一步基于期望燃烧定相来生成所述空气和排气 设定点。
[0025] 在其它特征中，该方法还包括：分别进一步基于所述空气和排气设定点的预定范 围来生成所述空气和排气设定点。
[0026] 在其它特征中，该方法还包括：进一步基于停用汽缸的数量来生成所述空气和排 气设定点。
[0027] 在其它特征中，所述设定点包括进气歧管压力设定点、每缸空气质量(APC)设定 点、外部稀释设定点、残余稀释设定点、以及压缩比设定点。
[0028] 本发明还可包括下列方案。
[0029] 1. 一种用于车辆的发动机控制系统，包括： 扭矩请求模块，所述扭矩请求模块基于驾驶员输入来生成用于火花点火发动机的第一 扭矩请求； 扭矩转化模块，所述扭矩转化模块将所述第一扭矩请求转化为第二扭矩请求； 设定点控制模块，所述设定点控制模块基于所述第二扭矩请求来生成用于所述火花点 火发动机的空气和排气设定点； 模型预测控制（MPC)模块，所述MPC模块基于所述空气和排气设定点来识别可能目标 值的集合、分别基于所述火花点火发动机的模型和可能目标值的所述集合来生成预测参 数、基于所述预测参数来选择可能目标值的所述集合中的一个、以及基于所述集合中的所 选一个的所述可能目标值来设置目标值；以及 节气门致动器模块，所述节气门致动器模块基于所述目标值中的第一个来控制节气门 的开度。
[0030] 2.根据方案1所述的发动机控制系统，还包括： 增压致动器模块，其基于所述目标值中的第二个来控制废气门的开度； 排气再循环（EGR)致动器模块，其基于所述目标值中的第三个来控制EGR阀的开度；以 及 移相器致动器模块，其基于所述目标值中的第四个和第五个来控制进气阀定相和排气 阀定相。
[0031] 3.根据方案1所述的发动机控制系统，其中，所述MPC模块进一步基于所述空气和 排气设定点来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。
[0032] 4.根据方案3所述的发动机控制系统，其中，所述MPC模块基于所述空气和排气设 定点分别与所述预测参数的比较来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。
[0033] 5.根据方案4所述的发动机控制系统，其中，所述MPC模块基于所述空气和排气设 定点分别与所述预测参数的所述比较来确定可能目标值的所述集合的成本，并且基于所述 成本来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。
[0034] 6.根据方案1所述的发动机控制系统，其中，所述MPC模块将所述目标值分别设置 到针对所述目标值的预定范围内。
[0035] 7.根据方案1所述的发动机控制系统，其中，所述设定点模块进一步基于期望燃 烧定相来生成所述空气和排气设定点。
[0036] 8.根据方案1所述的发动机控制系统，其中，所述设定点模块分别进一步基于所 述空气和排气设定点的预定范围来生成所述空气和排气设定点。
[0037] 9.根据方案1所述的发动机控制系统，其中，所述设定点模块进一步基于停用汽 缸的数量来生成所述空气和排气设定点。
[0038] 10.根据方案1所述的发动机控制系统，其中，所述设定点包括进气歧管压力设定 点、每缸空气质量（APC)设定点、外部稀释设定点、残余稀释设定点、以及压缩比设定点。
[0039] 11. -种用于车辆的发动机控制方法，包括： 基于驾驶员输入来生成用于火花点火发动机的第一扭矩请求； 将所述第一扭矩请求转化为第二扭矩请求； 基于所述第二扭矩请求来生成用于所述火花点火发动机的空气和排气设定点； 使用模型预测控制（MPC)模块执行下述操作： 基于所述空气和排气设定点来识别可能目标值的集合； 分别基于所述火花点火发动机的模型和可能目标值的所述集合来生成预测参数； 基于所述预测参数来选择可能目标值的所述集合中的一个；以及 基于所述集合中的所选一个的所述可能目标值来设置目标值；以及 基于所述目标值中的第一个来控制节气门的开度。
[0040] 12.根据方案11所述的发动机控制方法，还包括： 基于所述目标值中的第二个来控制废气门的开度； 基于所述目标值中的第三个来控制排气再循环（EGR)阀的开度；以及 基于所述目标值中的第四个和第五个来控制进气阀定相和排气阀定相。
[0041] 13.根据方案11所述的发动机控制方法，还包括：进一步基于所述空气和排气设 定点来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。
[0042] 14.根据方案13所述的发动机控制方法，还包括：基于所述空气和排气设定点分 别与所述预测参数的比较来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。
[0043] 15.根据方案14所述的发动机控制方法，还包括： 基于所述空气和排气设定点分别与所述预测参数的所述比较来确定可能目标值的所 述集合的成本；以及 基于所述成本来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。
[0044] 16.根据方案11所述的发动机控制方法，还包括：将所述目标值分别设置到针对 所述目标值的预定范围内。
[0045] 17.根据方案11所述的发动机控制方法，还包括：进一步基于期望燃烧定相来生 成所述空气和排气设定点。
[0046] 18.根据方案11所述的发动机控制方法，还包括：分别进一步基于所述空气和排 气设定点的预定范围来生成所述空气和排气设定点。
[0047] 19.根据方案11所述的发动机控制方法，还包括：进一步基于停用汽缸的数量来 生成所述空气和排气设定点。
[0048] 20.根据方案11所述的发动机控制方法，其中，所述设定点包括进气歧管压力设 定点、每缸空气质量（APC)设定点、外部稀释设定点、残余稀释设定点、以及压缩比设定点。 [0049] 通过详细描述、权利要求和附图，本公开的其它应用领域将变得显而易见。详细描 述和具体示例仅意图用于举例说明的目的，而并非意图限制本公开的范围。

【专利附图】

【附图说明】
[0050] 通过详细描述和附图将会更全面地理解本公开，附图中： 图1是根据本公开的示例性发动机系统的功能框图； 图2是根据本公开的示例性发动机控制系统的功能框图； 图3是根据本公开的示例性空气控制模块的功能框图；以及 图4包括描绘根据本公开的使用模型预测控制来控制节气门、进气阀和排气阀定相、 废气门以及排气再循环（EGR)阀的示例性方法的流程图。
[0051] 在附图中，附图标记可再次使用，以标示类似的和/或相同的元件。

【具体实施方式】
[0052] 发动机控制模块（ECM)控制发动机的扭矩输出。更具体而言，ECM分别基于目标值 来控制发动机的致动器，以产生请求量的扭矩。例如，ECM基于目标进气和排气移相器角度 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、基于目标EGR开度来 控制排气再循环（EGR)阀、并且基于目标废气门占空比来控制涡轮增压器的废气门。
[0053] ECM可以使用多个单输入单输出（SIS0)控制器(例如比例积分微分（PID)控制器） 单独地确定目标值。然而，当使用多个SIS0控制器时，目标值可以被设置以便以可能的燃 料消耗减少为代价来维持系统稳定性。另外，各个SIS0控制器的标定和设计可能是成本高 昂和耗时的。
[0054] 本公开的ECM使用模型预测控制（MPC)来生成目标值。更具体而言，ECM生成各种 发动机空气和排气设定点，例如，进气歧管压力设定点、每缸空气质量(APC)设定点、外部和 残余稀释设定点、以及压缩比设定点。
[0055] ECM识别用于实现设定点的目标值的可能集合。ECM基于可能集合的目标值和发 动机的模型针对可能集合中的每一个来确定预测参数(响应)。约束也被考虑。ECM分别基 于预测参数与各设定点的比较来确定与可能集合中的每一个的使用相关联的成本。例如， ECM可以分别基于预测参数多快地达到设定点和/或预测参数超出设定点多远来确定与可 能集合相关联的成本。ECM可以选择具有最低成本的可能集合中的一个，并且使用所选的可 能集合的目标值来设定目标值。
[0056] 现在参看图1，提供了示例性发动机系统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的驾驶员输入来燃烧空气/燃料混合 物，以产生用于车辆的驱动扭矩。发动机102可以是汽油火花点火的内燃发动机。
[0057] 空气通过节气门112被吸入进气歧管110中。仅仅是举例，节气门112可包括具 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112的开度，以控制吸入进气歧管110的空气的量。
[0058] 来自进气歧管110的空气被吸入发动机102的汽缸中。虽然发动机102可包括多 个汽缸，但为了说明目的，示出单个代表性汽缸118。仅仅是举例，发动机102可包括2个、 3个、4个、5个、6个、8个、10个和/或12个汽缸。ECM 114可指令汽缸致动器模块120选 择性地停用汽缸中的一些，这在某些发动机操作条件下可以改善燃料经济性。
[0059] 发动机102可使用四冲程循环来操作。以下描述的四个冲程可以被称为进气冲 程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴(未示出）的每周旋转期间，在汽缸118内进行 四个冲程中的两个。因此，汽缸118经历所有四个冲程需要两周的曲轴旋转。
[0060] 在进气冲程期间，来自进气歧管110的空气通过进气阀122被吸入汽缸118中。 ECM 114控制燃料致动器模块124,该燃料致动器模块调节燃料喷射以实现目标空燃比。燃 料可以在中央位置处或在多个位置处(例如，在每个汽缸118的进气阀122附近）喷入进气 歧管110中。在各种实施方式(未不出）中，燃料可以直接喷入汽缸中或喷入与汽缸相关联 的混合室中。燃料致动器模块124可以停止向停用的汽缸喷射燃料。
[0061] 喷射的燃料在汽缸118中与空气混合并产生空气/燃料混合物。在压缩冲程期间， 汽缸118内的活塞(未示出）压缩空气/燃料混合物。基于来自ECM 114的信号，火花致动 器模块126激励汽缸118中的火花塞128,火花塞128点燃空气/燃料混合物。可相对于活 塞处于其称为上止点（TDC)的最高位置的时间来规定火花的正时。
[0062] 火花致动器模块126可由规定在TDC之前或之后多远处的正时信号控制，以生成 火花。由于活塞位置与曲轴旋转直接相关，因此火花致动器模块126的操作可以与曲轴角 度同步。生成火花可被称为点火事件。火花致动器模块126可具有针对每个点火事件改变 火花正时的能力。当火花正时在上一点火事件和下一点火事件之间变化时，火花致动器模 块126可以针对下一点火事件改变火花正时。火花致动器模块126可以停止向停用的汽缸 提供火花。
[0063] 在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞以使其远离TDC，从而驱动曲 轴。燃烧冲程可被定义为在活塞到达TDC的时刻和活塞达到下止点（BDC)的时刻之间的时 间。在排气冲程期间，活塞开始移动成远离BDC并且使得燃烧副产物通过排气阀130排出。 燃烧副产物从车辆经由排气系统134排出。
[0064] 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)可以控制汽缸118的多个进气 阀(包括进气阀122)和/或可以控制多组汽缸(包括汽缸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)可以控制汽缸118的多个排气阀和/或可 以控制多组汽缸(包括汽缸118)的排气阀(包括排气阀130)。在各种其它实施方式中，可由 除凸轮轴之外的装置(诸如无凸轮的阀致动器)来控制进气阀122和/或排气阀130。汽缸 致动器模块120可通过禁止打开进气阀122和/或排气阀130而停用汽缸118。
[0065] 进气阀122打开的时刻可由进气凸轮移相器148相对于活塞TDC而改变。排气阀 130打开的时刻可由排气凸轮移相器150相对于活塞TDC而改变。移相器致动器模块158 可基于来自ECM 114的信号而控制进气凸轮移相器148和排气凸轮移相器150。当实施时， 可变阀升程(未示出）也可由移相器致动器模块158控制。
[0066] 发动机系统100可包括涡轮增压器，涡轮增压器包括由流过排气系统134的热排 气供能的热的涡轮160-1。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112中的空气。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112的空气并将压缩空气输送至进气歧管110。
[0067] 废气门162可允许排气绕过涡轮160-1，从而减少由涡轮增压器提供的增压(或进 气空气压缩量)。增压致动器模块164可通过控制废气门162的开度来控制涡轮增压器的 增压。在各种实施方式中，两个或更多个涡轮增压器可以被实施并且可由增压致动器模块 164来控制。
[0068] 空气冷却器(未示出）可以将热从压缩空气充气传递到冷却介质，例如，发动机冷 却剂或空气。使用发动机冷却剂来冷却压缩空气充气的空气冷却器可被称为中间冷却器。 使用空气来冷却压缩空气充气的空气冷却器可被称为充气空气冷却器。压缩空气充气可以 例如经由压缩和/或从排气系统134的部件来接收热。虽然为了说明的目的而示出为分开 的，但涡轮160-1和压缩机160-2可附接到彼此，从而使进气空气紧邻热排气。
[0069] 发动机系统100可包括排气再循环（EGR)阀170,该阀将排气选择性地重新导向回 进气歧管110中。EGR阀170可位于涡轮增压器的涡轮160-1的上游。EGR阀170可基于 来自ECM 114的信号由EGR致动器模块172控制。
[0070] 曲轴的位置可使用曲轴位置传感器180来测量。曲轴的旋转速度(发动机速度)可 以基于曲轴位置来确定。发动机冷却剂的温度可使用发动机冷却剂温度（ECT)传感器182 测量。ECT传感器182可位于发动机102内或位于冷却剂循环所处的其它位置，例如散热器 (未示出）。
[0071] 进气歧管110内的压力可使用歧管绝对压力（MAP)传感器184测量。在各种实施 方式中，可测量发动机真空度，所述发动机真空度为环境空气压力与进气歧管110内的压 力之差。可使用空气质量流量(MAF)传感器186测量流入进气歧管110中的空气的质量流 率。在各种实施方式中，MAF传感器186可位于还包括节气门112的外壳中。
[0072] 节气门致动器模块116可使用一个或多个节气门位置传感器（TPS) 190来监测节 气门112的位置。可使用进气空气温度（IAT)传感器192测量吸入发动机102的空气的环 境温度。发动机系统100也可包括一个或多个其它传感器193,例如，环境湿度传感器、一个 或多个爆震传感器、压缩机出口压力传感器和/或节气门入口压力传感器、废气门位置传 感器、EGR位置传感器、和/或一个或多个其它合适的传感器。ECM 114可使用来自传感器 的信号来为发动机系统1〇〇做出控制决策。
[0073] ECM 114可与变速器控制模块194通信，以协调变速器(未示出）中的换档。例如， ECM 114可以在换档期间减小发动机扭矩。ECM 114可与混合控制模块196通信，以协调发 动机102和电动马达198的操作。
[0074] 电动马达198也可充当发电机，并可用来产生电能以便由车辆的电气系统使用和 /或储存在蓄电池中。在各种实施方式中，ECM 114、变速器控制模块194和混合控制模块 196的各种功能可以一体化到一个或多个模块中。
[0075] 改变发动机参数的每个系统可被称为发动机致动器。例如，节气门致动器模块116 可以调整节气门112的开度，以实现目标节气门打开面积。火花致动器模块126控制火花 塞，以实现相对于活塞TDC的目标火花正时。燃料致动器模块124控制燃料喷射器，以实现 目标燃料供给参数。移相器致动器模块158可以分别控制进气凸轮移相器148和排气凸轮 移相器150,以实现目标进气和排气凸轮移相器角度。EGR致动器模块172可以控制EGR阀 170,以实现目标EGR打开面积。增压致动器模块164控制废气门162,以实现目标废气门打 开面积。汽缸致动器模块120控制汽缸停用，以实现启用或停用的汽缸的目标数量。
[0076] ECM 114生成用于发动机致动器的目标值，以使得发动机102生成目标发动机输 出扭矩。ECM 114使用模型预测控制来生成用于发动机致动器的目标值，如下文进一步讨论 的。
[0077] 现在参看图2,提供了示例性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、轮轴扭矩仲裁模块204和推进扭矩仲裁模块206。ECM 114 可包括混合优化模块208。ECM 114也包括储备/负载模块220、扭矩请求模块224、空气控 制模块228、火花控制模块232、汽缸控制模块236和燃料控制模块240。
[0078] 驾驶员扭矩模块202可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可基于例如加速器踏板的位置和制动器踏板的位置。 驾驶员输入255还可基于巡航控制，该巡航控制可以是改变车辆速度以保持预定跟随距离 的自适应巡航控制系统。驾驶员扭矩模块202可存储加速器踏板位置与目标扭矩的一个或 多个映射并可基于映射中选定的一个来确定驾驶员扭矩请求254。
[0079] 轮轴扭矩仲裁模块204在驾驶员扭矩请求254和其它轮轴扭矩请求256之间进行 仲裁。轮轴扭矩(车轮处的扭矩）可由包括发动机和/或电动马达的各种源产生。例如，轮 轴扭矩请求256可包括当检测到正向车轮打滑（positive wheel slip)时由牵引控制系统 请求的扭矩减小。当轮轴扭矩克服车轮与路面之间的摩擦并且车轮开始抵靠路面打滑时， 发生所述正向车轮打滑。轮轴扭矩请求256还可包括用于抵消负向车轮打滑的扭矩增加请 求，在负向车轮打滑的情况下，因为轮轴扭矩为负，所以车辆的轮胎沿相对于路面的另一方 向打滑。
[0080] 轮轴扭矩请求256还可包括括制动管理请求和车辆超速扭矩请求。制动管理请求 可在车辆停止时减小轮轴扭矩以确保轮轴扭矩不超过制动器固定住车辆的能力。车辆超速 扭矩请求可减小轮轴扭矩以防止车辆超过预定速度。轮轴扭矩请求256还可通过车辆稳定 性控制系统产生。
[0081] 轮轴扭矩仲裁模块204基于在接收的扭矩请求254和256之间的仲裁结果来输出 预测扭矩请求257和即时扭矩请求258。如下所述，来自轮轴扭矩仲裁模块204的预测扭矩 请求257和即时扭矩请求258在被用于控制发动机致动器之前可选择性地由ECM 114的其 它模块调整。
[0082] 一般而言，即时扭矩请求258可以是当前期望轮轴扭矩的量，而预测扭矩请求257 可以是在短时间内可能需要的轮轴扭矩的量。ECM 114控制发动机系统100以产生等于即 时扭矩请求258的轮轴扭矩。然而，目标值的不同组合可导致相同的轮轴扭矩。ECM 114可 因此调整目标值以便能够较快地转变到预测扭矩请求257,同时使轮轴扭矩仍保持在即时 扭矩请求258。
[0083] 在各种实施方式中，预测扭矩请求257可基于驾驶员扭矩请求254被设置。即时 扭矩请求258在某些情况下可设置成小于预测扭矩请求257,例如当驾驶员扭矩请求254正 使得车轮在结冰路面上打滑时。在这种情况下，牵引控制系统(未示出）可通过即时扭矩请 求258来请求减小，并且ECM 114将发动机扭矩输出减小到即时扭矩请求258。然而，ECM 114执行所述减小，使得一旦车轮停止打滑，发动机系统100就可以迅速重新开始产生预测 扭矩请求257。
[0084] 一般而言，即时扭矩请求258和（通常更高的）预测扭矩请求257之差可被称为扭 矩储备。扭矩储备可表示发动机系统100可以最小延迟开始产生的额外的扭矩(超过即时 扭矩请求258)的量。快速发动机致动器用来以最小的延迟增加或减小当前轮轴扭矩。快 速发动机致动器相对于慢速发动机致动器而定义。
[0085] 一般而言，快速发动机致动器能比慢速发动机致动器更快速地改变轮轴扭矩。与 快速致动器所做的相比，慢速致动器可以更慢地响应于其相应目标值的变化。例如，慢速致 动器可包括机械部件，该机械部件需要时间以响应于目标值的变化而从一位置移动至另一 位置。慢速致动器还可由在慢速致动器开始实施变化的目标值之后轮轴扭矩开始变化所花 费的时间量来表征。通常，慢速致动器的这个时间量将比快速致动器的更长。此外，甚至在 开始变化之后，轮轴扭矩也可能花费更长时间以完全响应慢速致动器的变化。
[0086] 仅仅是举例，火花致动器模块126可以是快速致动器。火花点火发动机可以通过 施加火花而燃烧包括例如汽油和乙醇的燃料。相比之下，节气门致动器模块116可以是慢 速致动器。
[0087] 例如，如上所述，当火花正时在上一点火事件和下一点火事件之间改变时，火花致 动器模块126可能改变下一点火事件的火花正时。相比之下，节气门开度的变化花费更长 时间来影响发动机输出扭矩。节气门致动器模块116通过调整节气门112的叶片的角度来 改变节气门开度。因此，当节气门112的开度的目标值改变时，当节气门112响应于该变化 而从其先前位置移动至新位置时，存在机械延迟。此外，基于节气门开度的空气流变化经受 进气歧管110中的空气传输延迟。此外，直到汽缸118在下一进气冲程接收额外空气、压缩 该额外空气并且开始燃烧冲程，才将进气歧管110中增加的空气流实现为发动机输出扭矩 的增加。
[0088] 使用这些致动器作为例子，能够通过将节气门开度设置为允许发动机102产生预 测扭矩请求257的值来形成扭矩储备。同时，可基于小于预测扭矩请求257的即时扭矩请 求258设置火花正时。虽然节气门开度产生用于发动机102的足够的空气流以产生预测扭 矩请求257,但基于即时扭矩请求258来延迟火花正时(这减小扭矩)。发动机输出扭矩将因 此等于即时扭矩请求258。
[0089] 当需要额外的扭矩时，可基于预测扭矩请求257或在预测扭矩请求257和即时扭 矩请求258之间的扭矩来设置火花正时。通过后面的点火事件，火花致动器模块126可以 使火花正时返回至最佳值，这允许发动机102产生借助于已经存在的空气流能够获得的全 部发动机输出扭矩。发动机输出扭矩可因此快速增加至预测扭矩请求257,而不经历由改变 节气门开度导致的延迟。
[0090] 轮轴扭矩仲裁模块204可将预测扭矩请求257和即时扭矩请求258输出到推进扭 矩仲裁模块206。在各种实施方式中，轮轴扭矩仲裁模块204可将预测扭矩请求257和即时 扭矩请求258输出到混合优化模块208。
[0091] 混合优化模块208可确定应该由发动机102产生多少扭矩和应该由电动马达198 产生多少扭矩。混合优化模块208接着分别将修改后的预测扭矩请求259和即时扭矩请求 260输出至推进扭矩仲裁模块206。在各种实施方式中，混合优化模块208可在混合控制模 块196中执行。
[0092] 由推进扭矩仲裁模块206接收的预测扭矩请求和即时扭矩请求从轮轴扭矩域(车 轮处的扭矩)被转换成推进扭矩域（曲轴处的扭矩)。这种转换可在混合优化模块208之前、 之后、作为其一部分发生，或者替代混合优化模块208而发生。
[0093] 推进扭矩仲裁模块206在包括转换后的预测扭矩请求和即时扭矩请求的推进扭 矩请求290之间进行仲裁。推进扭矩仲裁模块206生成仲裁的预测扭矩请求261和仲裁的 即时扭矩请求262。仲裁的扭矩请求261和仲裁的扭矩请求262可通过从接收的扭矩请求 中选择胜出的请求而生成。替代地或另外地，仲裁的扭矩请求可通过基于接收的扭矩请求 中的另一个或多个来修改接收的请求中的一个而生成。
[0094] 例如，推进扭矩请求290可包括针对发动机超速保护的扭矩减小、针对失速预防 的扭矩增加、以及为适应换档而由变速器控制模块194请求的扭矩减小。推进扭矩请求290 还可由离合器燃料切断产生，当驾驶员踩下手动变速器车辆中的离合器踏板以防止发动机 转速猛增(急剧升高）时，所述离合器燃料切断减小发动机输出扭矩。
[0095] 推进扭矩请求290还可包括发动机停止请求，其在检测到重大故障时可以被启 动。仅仅是举例，重大故障可包括检测到车辆被盗、起动马达卡住、电子节气门控制问题和 意外的扭矩增加。在各种实施方式中，当存在发动机停止请求时，仲裁会选择发动机停止请 求作为胜出的请求。当存在发动机停止请求时，推进扭矩仲裁模块206可以输出零作为仲 裁的预测扭矩请求261和仲裁的即时扭矩请求262。
[0096] 在各种实施方式中，发动机停止请求可以独立于仲裁过程而简单地关闭发动机 102。推进扭矩仲裁模块206仍然可以接收发动机停止请求，以便例如适当的数据能够反馈 给其他的扭矩请求者。例如，可以通知所有其他扭矩请求者：它们已经输掉了仲裁。
[0097] 储备/负载模块220接收仲裁的预测扭矩请求261和仲裁的即时扭矩请求262。储 备/负载模块220可调整仲裁的预测扭矩请求261和仲裁的即时扭矩请求262以产生扭矩 储备和/或补偿一个或多个负载。储备/负载模块220然后将调整后的预测扭矩请求263 和调整后的即时扭矩请求264输出到扭矩请求模块224。
[0098] 仅仅是举例，催化剂起燃过程或冷启动排放降低过程可能需要延迟的火花正时。 储备/负载模块220可因此将调整后的预测扭矩请求263增加成高于调整后的即时扭矩请 求264,以便为冷启动排放降低过程形成延迟的火花。在另一示例中，可以直接改变发动机 的空燃比和/或空气质量流量，例如通过诊断侵入式当量比试验和/或新发动机净化实现。 在开始这些过程之前，可以形成或增加扭矩储备，以迅速弥补由在这些过程期间稀的空气/ 燃料混合物引起的发动机输出扭矩的降低。
[0099] 储备/负载模块220还可在诸如动力转向泵操作或空气调节（A/C)压缩机离合器 的接合的将来负载的预期下产生或增加扭矩储备。用于A/C压缩机离合器的接合的储备可 在驾驶员第一次请求空气调节时产生。储备/负载模块220可增加调整的预测扭矩请求 263,同时使调整的即时扭矩请求264保持不变以产生扭矩储备。然后，当A/C压缩机离合 器接合时，储备/负载模块220可通过A/C压缩机离合器的估计负载来增加调整的即时扭 矩请求264。
[0100] 扭矩请求模块224接收调整的预测扭矩请求263和调整的即时扭矩请求264。扭 矩请求模块224确定将如何获得调整的预测扭矩请求263和调整的即时扭矩请求264。扭 矩请求模块224可以是因发动机类型而异的。例如，扭矩请求模块224可以针对火花点火 发动机对比于压缩点火发动机而不同地实施或者使用不同的控制方案。
[0101] 在各种实施方式中，扭矩请求模块224可以限定全部发动机类型所共用的模块与 因发动机类型而异的模块之间的界线。例如，发动机类型可包括火花点火和压缩点火。在 扭矩请求模块224之前的模块(例如推进扭矩仲裁模块206)可以是全部发动机类型所共用 的模块，而扭矩请求模块224和随后的模块可以是因发动机类型而异的。
[0102] 扭矩请求模块224基于调整的预测扭矩请求263和调整的即时扭矩请求264来确 定空气扭矩请求265。空气扭矩请求265可以是制动器扭矩。制动器扭矩可以指在当前操 作条件下在曲轴处的扭矩。
[0103] 空气流控制发动机致动器的目标值基于空气扭矩请求265被确定。更具体而言， 基于空气扭矩请求265,空气控制模块228确定目标废气门打开面积266、目标节气门打开 面积267、目标EGR打开面积268、目标进气凸轮移相器角度269和目标排气凸轮移相器角 度270。空气控制模块228使用模型预测控制来确定目标废气门打开面积266、目标节气门 打开面积267、目标EGR打开面积268、目标进气凸轮移相器角度269和目标排气凸轮移相 器角度270,如下文进一步讨论的。
[0104] 增压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门打开面积266。例如，第 一转化模块272可以将目标废气门打开面积266转化为将施加到废气门162的目标占空比 274,并且增压致动器模块164可以基于目标占空比274将信号施加到废气门162。在各种 实施方式中，第一转化模块272可以将目标废气门打开面积266转化为目标废气门位置(未 示出），并且将目标废气门位置转化为目标占空比274。
[0105] 节气门致动器模块116控制节气门112以实现目标节气门打开面积267。例如，第 二转化模块276可以将目标节气门打开面积267转化为将施加到节气门112的目标占空比 278,并且节气门致动器模块116可以基于目标占空比278将信号施加到节气门112。在各 种实施方式中，第二转化模块276可以将目标节气门打开面积267转化为目标节气门位置 (未示出），并且将目标节气门位置转化为目标占空比278。
[0106] EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR打开面积268。例如，第三转 化模块280可以将目标EGR打开面积268转化为将施加到EGR阀170的目标占空比282,并 且EGR致动器模块172可以基于目标占空比282将信号施加到EGR阀170。在各种实施方 式中，第三转化模块280可以将目标EGR打开面积268转化为目标EGR位置(未示出），并且 将目标EGR位置转化为目标占空比282。
[0107] 移相器致动器模块158控制进气凸轮移相器148以实现目标进气凸轮移相器角度 269。 移相器致动器模块158也控制排气凸轮移相器150以实现目标排气凸轮移相器角度 270。 在各种实施方式中，第四转化模块(未示出)可以被包括并且可以将目标进气和排气凸 轮移相器角度分别转化为目标进气和排气占空比。移相器致动器模块158可以将目标进气 占空比和目标排气占空比分别施加到进气凸轮移相器148和排气凸轮移相器150。
[0108] 扭矩请求模块224也可以基于预测扭矩请求263和即时扭矩请求264而生成火花 扭矩请求283、汽缸关闭扭矩请求284和燃料扭矩请求285。火花控制模块232可基于火花 扭矩请求283确定将火花正时从最佳火花正时起延迟(这减小发动机输出扭矩)多少。仅仅 是举例，扭矩关系可被颠倒以求解目标火花正时286。对于给定的扭矩请求（Τ_)，目标火花 正时（S T) 286可以基于下式被确定： (1)ST = Γ1 (TEeq, APC, I, E, AF, 0T, #). 这种关系可具体化为公式和/或查找表。空燃比（AF)可以是由燃料控制模块240报 告的实际空燃比。
[0109] 当火花正时被设定为最佳火花正时时，所得的扭矩可尽可能接近最大最佳扭矩 (MBThMBT是指在使用具有大于预定辛烷值的辛烷值的燃料并使用化学计量比燃料供给的 情况下在火花正时提前时针对给定空气流生成的最大发动机输出扭矩。该最大扭矩发生时 的火花正时被称为MBT火花正时。由于例如燃料质量(例如，当使用较低辛烷值的燃料时） 和诸如环境湿度和温度的环境因素，最佳火花正时可以略微不同于MBT火花正时。因此，在 最佳火花正时时的发动机输出扭矩可小于MBT。仅仅是举例，在车辆设计的标定阶段期间可 以确定对应于不同的发动机操作条件的最佳火花正时的表，并且基于当前发动机操作条件 从表中确定最佳值。
[0110] 汽缸关闭扭矩请求284可由汽缸控制模块236用来确定要停用的汽缸的目标数量 287。在各种实施方式中，可以使用要启用的汽缸的目标数量。汽缸致动器模块120基于目 标数量287选择性地启用和停用汽缸的阀。
[0111] 汽缸控制模块236还可指令燃料控制模块240停止向停用的汽缸提供燃料，并可 指令火花控制模块232停止向停用的汽缸提供火花。一旦汽缸中已存在的空气/燃料混合 物被燃烧，火花控制模块232就可以停止向汽缸提供火花。
[0112] 燃料控制模块240可基于燃料扭矩请求285改变提供至每个汽缸的燃料的量。更 具体而言，燃料控制模块240可基于燃料扭矩请求285生成目标燃料供给参数288。目标燃 料供给参数288可包括例如目标燃料质量、目标喷射开始正时和目标燃料喷射次数。
[0113] 在正常操作期间，燃料控制模块240可以空气主导模式操作，在该模式下，燃料控 制模块240试图通过基于空气流控制燃料供给来保持化学计量空燃比。例如，燃料控制模 块240可确定目标燃料质量，该目标燃料质量在与当前的每缸空气质量(APC)结合时将产 生化学计量比燃烧。
[0114] 图3是空气控制模块228的示例性实施方式的功能框图。现在参看图2和图3， 如上文所讨论的，空气扭矩请求265可以是制动扭矩。扭矩转化模块304将空气扭矩请求 265从制动器扭矩转化为基本扭矩。由转化为基本扭矩产生的扭矩请求将被称为基本空气 扭矩请求308。
[0115] 基本扭矩可以指在发动机102暖机并且没有扭矩负载通过诸如交流发电机和空 调压缩机的附件方式施加在发动机102上时在发动机102在测功器上操作期间在曲轴处得 到的扭矩。扭矩转化模块304可以例如使用将制动器扭矩与基本扭矩关联的映射或函数将 空气扭矩请求265转化为基本空气扭矩请求308。
[0116] 在各种实施方式中，扭矩转化模块304可以将空气扭矩请求265转化为诸如指示 扭矩的另一种扭矩，这种扭矩适合由设定点模块312使用。指示扭矩可以指可归因于经由 在汽缸内的燃料产生的功的在曲轴处的扭矩。
[0117] 设定点模块312生成设定点值以用于控制节气门112、EGR阀170、废气门162、进 气凸轮移相器148和排气凸轮移相器150,以便在当前发动机速度316下实现基本空气扭矩 请求308。设定点可以被称为发动机空气和排气设定点。发动机速度316可以例如基于使 用曲轴位置传感器180测量的曲轴位置来确定。
[0118] 例如，设定点模块312可以生成歧管压力（例如，MAP)设定点318、每缸空气质量 (APC)设定点320、外部稀释设定点324、残余稀释设定点328和有效压缩比设定点332。设 定点模块312可以使用将基本空气扭矩请求308和发动机速度316关联到设定点的一个或 多个函数或映射生成歧管压力设定点318、APC设定点320、外部稀释设定点324、残余稀释 设定点328和有效压缩比设定点332。设定点模块312也可以基于基本空气扭矩请求308 和发动机速度316生成一个或多个其它设定点。
[0119] 歧管压力设定点318可以指进气歧管110内的目标压力。APC设定点320可以指 用于燃烧事件的将吸入汽缸内的目标空气质量。有效压缩比也可以被称为动态压缩比。
[0120] 稀释可以指用于燃烧事件的捕集在汽缸内的来自前一燃烧事件的排气的量。外部 稀释可以指经由EGR阀170被提供用于燃烧事件的排气。内部稀释可以指保持在汽缸中的 排气和/或在燃烧循环的排气冲程之后推回到汽缸中的排气。外部稀释设定点324可以指 外部稀释的目标量。内部稀释设定点328可以指内部稀释的目标量。
[0121] 设定点模块312可以进一步基于期望燃烧定相336和汽缸模式340来生成设定点 318-332中的一个或多个。汽缸模式340可以指例如在一个或多个汽缸(例如，一半或其他 比例）被停用时被停用（或启用）的汽缸的数量和/或发动机102的操作模式。
[0122] 当一个或多个汽缸被停用时，启用的每个汽缸负责产生更大量的扭矩以便实现基 本空气扭矩请求308。因此，设定点模块312可以基于汽缸模式340调整设定点318-332中 的一个或多个。例如，设定点模块312可以基于汽缸模式340增加 APC设定点320。设定点 模块312可以附加地或备选地基于汽缸模式340来调整其它设定点318-332中的一个或多 个。
[0123] 燃烧定相可以指相对于用于预定量的喷射燃料的燃烧的预定曲轴位置而言当该 预定量的喷射燃料在汽缸内燃烧时的曲轴位置。例如，燃烧定相可以以相对于预定CA50来 说的CA50来表达。CA50可以指当喷射燃料的质量的50%已在汽缸内燃烧时的曲轴位置(或 角度，从而CA)。预定CA50可以对应于其中从喷射的燃料产生最大量的功时的CA50,并且 可以为在TDC之后大约8. 5至大约10度。
[0124] 燃烧定相模块344 (图2)可以大体上设置期望燃烧定相336,使得CA50发生在预 定CA50处。换言之，燃烧定相模块344可以大体上设置期望燃烧定相336,使得发生零燃烧 定相以实现最大功和因此实现最大燃料效率。然而，燃烧定相模块344在某些情况下可以 选择性地调整期望燃烧定相336。
[0125] 例如，燃烧定相模块344可以将期望燃烧定相设置成使得当检测到爆震时CA50发 生在预定CA50之后。爆震可以例如使用一个或多个爆震传感器来检测。附加地或备选地， 燃烧定相模块344可以将期望燃烧定相设置成使得当存在可能导致发生爆震的一个或多 个条件时CA50发生在预定CA50之后。例如，当车辆的燃料箱内的燃料质量小于预定质量 和/或环境温度大于预定温度且环境湿度小于预定值时，可能发生爆震。
[0126] 当燃烧被延迟以使得CA50发生在预定CA50之后时，进入汽缸的空气流应增加，以 实现基本空气扭矩请求308。因此设定点模块312可以基于期望燃烧定相336来调整设定 点318-332中的一个或多个。例如，当期望燃烧定相336被延迟以提供在预定CA50之后的 CA50时，设定点模块312可以增加 APC设定点320。
[0127] 设定点模块312也基于一个或多个设定点约束348生成设定点318-332。约束设 置模块352可以将用于设定点318-332的设定点约束348分别设置到预定的可接受范围。 设定点模块312分别设置设定点318-332以使其保持在设定点约束348内。
[0128] 然而，约束设置模块352在一些情况下可以选择性地调整设定点约束。仅仅是举 例，约束设置模块352可以设置禁止稀释的设定点约束。设定点模块312可以响应于禁止 稀释的设定点约束而将外部稀释设定点324和残余稀释设定点328限制为零。
[0129] 设定点模块312也可以基于设定点的限制来调整其它设定点中的一个或多个。例 如，当外部稀释设定点324和残余稀释设定点328被限制时，设定点模块312可以增加 APC 设定点320以实现基本空气扭矩请求308。
[0130] 模型预测控制（MPC)模块360使用MPC基于设定点318-332、感测值368、实际燃 烧定相372和发动机102的模型376来生成经受致动器约束364的目标值266-270。MPC 包括：使得所述MPC模块识别在N个将来控制循环期间可以一起使用的目标值266-270的 可能序列、经受致动器约束364、并且被给出感测值368和实际燃烧定相372,以实现设定点 318-332。
[0131] 每个可能序列包括用于目标值266-270中的每一个的N个值的一个序列。换言之， 每个可能序列包括用于目标废气门打开面积266的N个值的序列、用于目标节气门打开面 积267的N个值的序列、用于目标EGR打开面积268的N个值的序列、用于目标进气凸轮移 相器角度269的N个值的序列、以及用于目标排气凸轮移相器角度270的N个值的序列。N 个值中的每一个用于N个控制循环中的对应一个。
[0132] MPC模块360使用发动机102的模型376来确定发动机102分别对目标值266-270 的识别的可能序列的预测响应。MPC模块360基于目标值266-270的给定的可能序列来生 成与设定点318-332相对应的参数的预测。更具体而言，基于目标值266-270的给定的可能 序列，借助于使用模型376，MPC模块360生成用于N个控制循环的预测的歧管压力的序列、 用于N个控制循环的预测的APC的序列、用于N个控制循环的外部稀释的预测量的序列、用 于N个控制循环的残余稀释的预测量的序列、以及用于N个控制循环的预测的压缩比的序 列。模型376可以是例如基于发动机102的特性标定的函数或映射。
[0133] MPC模块360基于设定点318-332与预测之间的关系分别确定目标值266-270的 可能序列中每一个的成本(值)。例如，MPC模块360可以基于预测参数分别达到各个设定点 318-332的时期和/或预测参数分别超出各个设定点318-332的量来确定目标值266-270 的可能序列中的每一个的成本。仅仅是举例，成本可以随着预测参数达到设定点的时期增 加和/或随着预测参数超出设定点的量增加而增加。
[0134] 每一对预测参数和设定点可以被加权以影响预测参数和设定点之间的关系影响 成本的程度。例如，预测APC和APC设定点320之间的关系可以被加权，以比另一个预测参 数和对应设定点之间的关系更多地影响成本。
[0135] MPC模块360基于目标值266-270的可能序列的成本来选择目标值266-270的可 能序列中的一个。例如，MPC模块360可以选择可能序列中的具有最低成本的那一个。
[0136] MPC模块360可以接着将目标值266-270分别设置到所选的可能序列的N个值中 的第一个。换言之，MPC模块360可以将目标废气门打开面积266设置到用于目标废气门 打开面积266的N个值的序列中的N个值中的第一个、将目标节气门打开面积267设置到 用于目标节气门打开面积267的N个值的序列中的N个值中的第一个、将目标EGR打开面 积268设置到用于目标EGR打开面积268的N个值的序列中的N个值中的第一个、将目标 进气凸轮移相器角度269设置到用于目标进气凸轮移相器角度269的N个值的序列中的N 个值中的第一个、以及将目标排气凸轮移相器角度270设置到用于目标排气凸轮移相器角 度270的N个值的序列中的N个值中的第一个。在下一控制循环期间，MPC模块360识别 可能序列、生成可能序列的预测响应、确定可能序列中每一个的成本、选择可能序列中的一 个、并且将目标值266-270设置到所选可能序列中的目标值266-270的第一集合。
[0137] 约束设置模块352可以设置致动器约束364。通常，约束设置模块352可以将用于 节气门112、EGR阀170、废气门162、进气凸轮移相器148和排气凸轮移相器150的致动器 约束364分别设置到预定的可接受范围。MPC模块360识别可能序列，使得目标值266-270 分别保持在致动器约束364内。
[0138] 然而，约束设置模块352在一些情况下可以选择性地调整致动器约束。例如，约束 设置模块352可以为给定的发动机致动器调整致动器约束，以便在该发动机致动器中诊断 出故障时缩窄该发动机致动器的可能的目标的范围。仅仅作为另一示例，约束设置模块352 可以调整致动器约束，使得给定致动器的目标值遵循用于诸如凸轮移相器故障诊断或EGR 诊断的故障诊断的预定计划。
[0139] 感测值368可以使用传感器来测量，或基于使用一个或多个传感器测量的一个或 多个值来确定。可以例如基于在前一预定时期内相对于预定CA50而言的实际CA50来确定 实际燃烧定相372。在预定时期内CA50相对于预定CA50的延迟可以表明：多余的能量已 输入到排气系统134。因此MPC模块360可以增加目标废气门打开面积266,以抵消排气系 统134中多余的能量。否则，多余的能量会导致涡轮增压器的增压增加。
[0140] 现在参看图4,提供了描绘使用MPC (模型预测控制）来控制节气门112、进气凸轮 移相器148、排气凸轮移相器150、废气门162和EGR阀170的示例性方法的流程图。控制 过程可以始于404,其中，扭矩请求模块224基于调整的预测扭矩请求263和调整的即时扭 矩请求264来确定空气扭矩请求265。
[0141] 在408中，扭矩转化模块304可以将空气扭矩请求265转化为基本空气扭矩请求 308或适合由设定点模块312使用的另一种扭矩。在412中，设定点模块312基于基本空气 扭矩请求308和发动机速度316生成经受设定点约束348的设定点318-332。设定点模块 312可以进一步基于汽缸模式340和/或期望燃烧定相336来生成设定点318-332。
[0142] 在416中，MPC模块360基于设定点318-332使用MPC来生成经受致动器约束364 的目标值266-270。更具体而言，如上所述，MPC模块360识别目标值266-270的可能序列 并且使用模型376来生成预测响应。MPC模块360也分别基于预测响应来确定可能序列的 成本、基于该成本来选择可能序列中的一个、并且基于所选的可能序列中的目标值中的第 一个来设置目标值266-270。
[0143] 在420中，第一转化模块272将目标废气门打开面积266转化为将施加到废气门 162的目标占空比274,第二转化模块276将目标节气门打开面积267转化为将施加到节气 门112的目标占空比278。在420中，第三转化模块280也将目标EGR打开面积268转化为 将施加到EGR阀170的目标占空比282。第四转化模块也可以将目标进气凸轮移相器角度 269和目标排气凸轮移相器角度270分别转化成将施加到进气凸轮移相器148和排气凸轮 移相器150的目标进气占空比和目标排气占空比。
[0144] 在424中，节气门致动器模块116控制节气门112以实现目标节气门打开面积 267,并且移相器致动器模块158分别控制进气凸轮移相器148和排气凸轮移相器150以实 现目标进气凸轮移相器角度269和目标排气凸轮移相器角度270。例如，节气门致动器模 块116可以以目标占空比278将信号施加到节气门112,以实现目标节气门打开面积267。 同样在424中，EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR打开面积268,并且增 压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门打开面积266。例如，EGR致动器模块 172可以以目标占空比282将信号施加到EGR阀170,以实现目标EGR打开面积268,并且增 压致动器模块164可以以目标占空比274将信号施加到废气门162,以实现目标废气门打开 面积266。虽然图4示出为在424之后结束，但是图4可以是一个控制循环的示例，并且控 制循环可以以预定速率被执行。
[0145] 以上描述在本质上仅是说明性的，并且决不意在限制本公开、其应用或用途。本公 开的宽泛教导可以以多种方式实现。因此，尽管本公开包括特定的例子，但是本公开的真实 范围不应该受限于此，这是因为其它修改通过研究附图、说明书和所附权利要求将变得显 而易见。如本文使用的，短语A、B和C中的至少一个应该被解释为意味着使用非排他性逻 辑或（0R)的逻辑（A或B或C)。应该理解，在不改变本公开的原理的情况下，可以以不同的 顺序(或并行地）执行方法中的一个或多个步骤。
[0146] 在本申请中，包括以下的定义，术语"模块"可以替换为术语"电路"。术语"模块" 可以指代以下器件、是以下器件的一部分或包含以下器件：专用集成电路（ASIC);数字、模 拟或混合模/数离散电路；数字、模拟或混合模/数集成电路；组合逻辑电路；现场可编程 门阵列（FPGA);执行代码的处理器(共享、专用或成组）；存储由处理器执行的代码的存储器 (共享、专用或成组）；提供描述的功能的其他合适的硬件部件；或上述器件的一些或全部的 组合，诸如在片上系统中。
[0147] 上面使用的术语"代码"可以包含软件、固件和/或微代码，并且可以涉及程序、例 程、函数、类和/或对象。术语"共享的处理器"涵盖执行来自多个模块的一些或全部代码 的单个处理器。术语"成组的处理器"涵盖与附加处理器一起执行来自一个或多个模块的 一些或全部代码的处理器。术语"共享的存储器"涵盖存储来自多个模块的一些或全部代 码的单个存储器。术语"成组的存储器"涵盖与附加存储器一起存储来自一个或多个模块 的一些或全部代码的存储器。术语"存储器"可以是术语"计算机可读介质"的子集。术语 "计算机可读介质"不涵盖通过介质传播的瞬态电气和电磁信号，并且因此可被认为是有形 的且非瞬态的。非瞬态有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器、易失性 存储器、磁存储装置和光学存储装置。
[0148] 本申请中描述的设备和方法可以通过由一个或更多个处理器执行的一个或更多 个计算机程序被部分或全部地实现。计算机程序包含存储在至少一个非瞬态有形计算机可 读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包含和/或依赖于存储的数据。
【权利要求】
1. 一种用于车辆的发动机控制系统，包括： 扭矩请求模块，所述扭矩请求模块基于驾驶员输入来生成用于火花点火发动机的第一 扭矩请求； 扭矩转化模块，所述扭矩转化模块将所述第一扭矩请求转化为第二扭矩请求； 设定点控制模块，所述设定点控制模块基于所述第二扭矩请求来生成用于所述火花点 火发动机的空气和排气设定点； 模型预测控制（MPC)模块，所述MPC模块基于所述空气和排气设定点来识别可能目标 值的集合、分别基于所述火花点火发动机的模型和可能目标值的所述集合来生成预测参 数、基于所述预测参数来选择可能目标值的所述集合中的一个、以及基于所述集合中的所 选一个的所述可能目标值来设置目标值；以及 节气门致动器模块，所述节气门致动器模块基于所述目标值中的第一个来控制节气门 的开度。
2. 根据权利要求1所述的发动机控制系统，还包括： 增压致动器模块，其基于所述目标值中的第二个来控制废气门的开度； 排气再循环（EGR)致动器模块，其基于所述目标值中的第三个来控制EGR阀的开度；以 及 移相器致动器模块，其基于所述目标值中的第四个和第五个来控制进气阀定相和排气 阀定相。
3. 根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述MPC模块进一步基于所述空气和 排气设定点来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。
4. 根据权利要求3所述的发动机控制系统，其中，所述MPC模块基于所述空气和排气设 定点分别与所述预测参数的比较来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。
5. 根据权利要求4所述的发动机控制系统，其中，所述MPC模块基于所述空气和排气设 定点分别与所述预测参数的所述比较来确定可能目标值的所述集合的成本，并且基于所述 成本来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。
6. 根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述MPC模块将所述目标值分别设置 到针对所述目标值的预定范围内。
7. 根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述设定点模块进一步基于期望燃 烧定相来生成所述空气和排气设定点。
8. 根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述设定点模块分别进一步基于所 述空气和排气设定点的预定范围来生成所述空气和排气设定点。
9. 根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述设定点模块进一步基于停用汽 缸的数量来生成所述空气和排气设定点。
10. -种用于车辆的发动机控制方法，包括： 基于驾驶员输入来生成用于火花点火发动机的第一扭矩请求； 将所述第一扭矩请求转化为第二扭矩请求； 基于所述第二扭矩请求来生成用于所述火花点火发动机的空气和排气设定点； 使用模型预测控制（MPC)模块执行下述操作： 基于所述空气和排气设定点来识别可能目标值的集合； 分别基于所述火花点火发动机的模型和可能目标值的所述集合来生成预测参数； 基于所述预测参数来选择可能目标值的所述集合中的一个；以及 基于所述集合中的所选一个的所述可能目标值来设置目标值；以及 基于所述目标值中的第一个来控制节气门的开度。
【文档编号】F02D13/00GK104121105SQ201410164590
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2013年4月23日
【发明者】C.E.惠特尼, K.C.王, P.R.纳拉, J.R.维尔德霍 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司