《使用模型预测控制的空气流控制系统和方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《使用模型预测控制的空气流控制系统和方法.pdf（40页完整版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 104121110 A (43)申请公布日 2014.10.29 C N 1 0 4 1 2 1 1 1 0 A (21)申请号 201410164392.5 (22)申请日 2014.04.23 61/815,002 2013.04.23 US 13/911,121 2013.06.06 US F02D 43/00(2006.01) (71)申请人通用汽车环球科技运作有限责任公 司 地址美国密执安州 (72)发明人 C.E.惠特尼 S.L.斯托奇 (74)专利代理机构中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人成城 谭祐祥 (54) 发明名称 使用模型预测控制。
2、的空气流控制系统和方法 (57) 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 转化模块将所述第一扭矩请求转化为第二扭矩请 求。设定点控制模块基于所述第二扭矩请求来生 成每缸空气质量（APC）设定点、排气再循环（EGR） 设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 模型预测控制（MPC）模块：基于所述APC设定点、 EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设 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。
3、的一个；以及基于所述集合中 的所选一个的可能目标值来设置目标值。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书26页 附图11页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书26页 附图11页 (10)申请公布号 CN 104121110 A CN 104121110 A 1/2页 2 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。
4、求来生成每缸空气质量 （APC）设定点、排气再循环（EGR）设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点； 模型预测控制（MPC）模块，所述MPC模块基于所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相 设定点和排气阀定相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。
5、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APC设 定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相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APC设定点、 EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相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。
6、求1所述的发动机控制系统，其中所述MPC模块： 基于下述来确定所述集合的成本： 所述APC设定点分别与针对所述集合确定的预测APC的第一比较； 所述EGR设定点分别与针对所述集合确定的预测EGR的第二比较； 所述进气阀定相设定点分别与针对所述集合确定的预测进气阀定相值的第三比较；以 及 所述排气阀定相设定点分别与针对所述集合确定的预测排气定相值的第四比较；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。 6.根据权利要求5所述的发动机控制系统，其中，所述MPC模块将第一、第二、第三和第 四权重值分别应用到所述第一、第二、第三和第四比较，以确定所述成本，并且 其中，所述第一权重值大于或。
7、者小于所有的所述第二、第三和第四权重值。 7.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。 8.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述设定点模块进一步基于期望燃 烧定相来生成所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 权 利 要 求 书CN 104121110 A 2/2页 3 9.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中，所述设定点模块分别进一步基于针 对所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点的预定范围而生成 所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定。
8、相设定点。 10.一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每缸空气质量（APC）设定点、排气再循环（EGR）设定点、 进气阀定相设定点和排气阀定相设定点； 使用模型预测控制（MPC）模块来执行下述操作： 基于所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点来识别可能 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。
9、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。 权 利 要 求 书CN 104121110 A 1/26页 4 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. 61/815,002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. 13/911,156。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。
10、 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。
11、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。
12、调 发动机扭矩控制。 发明内容 0008 在一个特征中，公开了一种用于车辆的发动机控制系统。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。扭矩转化模块将所述第一扭矩请求 转化为第二扭矩请求。设定点控制模块基于所述第二扭矩请求来生成每缸空气质量（APC） 设定点、排气再循环（EGR）设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。模型预测控制 （MPC）模块：基于所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点来识 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。
13、及基于所述集 说 明 书CN 104121110 A 2/26页 5 合中的所选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来 控制节气门的开度。 0009 在其它特征中：增压致动器模块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）致动器模块基于所述目标值中的第三个来控制EGR阀的开度；并且移 相器致动器模块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 在其它的特征中，所述MPC模块进一步基于所述APC设定点、EGR设定点、进气阀 定相设定点和排气阀定相设定点来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。 0011 在其它的特征中。
14、，所述MPC模块基于所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设 定点和排气阀定相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 在其它的特征中，所述MPC模块基于下述来确定所述集合的成本：所述APC设定点 分别与针对所述集合确定的预测APC的第一比较；所述EGR设定点分别与针对所述集合确 定的预测EGR的第二比较；所述进气阀定相设定点分别与针对所述集合确定的预测进气阀 定相值的第三比较；以及所述排气阀定相设定点分别与针对所述集合确定的预测排气定相 值的第四比较。所述MPC模块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 在其它的特征中，所。
15、述MPC模块将第一、第二、第三和第四权重值分别应用到所述 第一、第二、第三和第四比较，以确定所述成本。所述第一权重值大于或者小于所有的所述 第二、第三和第四权重值。 0014 在其它的特征中，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。 0015 在其它的特征中，所述设定点模块进一步基于期望燃烧定相来生成所述APC设定 点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 0016 在其它的特征中，所述设定点模块分别进一步基于针对所述APC设定点、EGR设定 点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点的预定范围而生成所述APC设定点、EGR设定 点、进气阀定相设定点和排气阀。
16、定相设定点。 0017 在其它的特征中，所述设定点模块进一步基于停用汽缸的数量来生成所述APC设 定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 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每缸空气质量（APC）设定点、排气再循环（EGR）设定点、进气阀定相设 定点和排气阀定相设定点。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APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点来识别可能目 标值的集合；分别基于所述。
17、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 述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。 说 明 书CN 104121110 A 3/26页 6 0020 在其它的特征中，该方法还包括：进一步基于所述APC设定点、EGR设定点、进气阀 定。
18、相设定点和排气阀定相设定点来选择可能目标值的所述集合中的所述一个。 0021 在其它的特征中，该方法还包括：基于所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设 定点和排气阀定相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 在其它的特征中，该方法还包括基于下列方式确定所述集合的成本：所述APC设 定点分别与针对所述集合确定的预测APC的第一比较；所述EGR设定点分别与针对所述集 合确定的预测EGR的第二比较；所述进气阀定相设定点分别与针对所述集合确定的预测进 气阀定相值的第三比较；以及所述排气阀定相设定点分别与针对所述集合确定的预测排气 定相值的第四比较。该方。
19、法还包括基于成本来选择可能目标值的集合中的一个。 0023 在其它的特征中，该方法还包括：将第一、第二、第三和第四权重值分别应用到所 述第一、第二、第三和第四比较，以确定所述成本。所述第一权重值大于或者小于所有的所 述第二、第三和第四权重值。 0024 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。 0025 在其它的特征中，该方法还包括：进一步基于期望燃烧定相来生成所述APC设定 点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 0026 在其它的特征中，该方法还包括：分别进一步基于针对所述APC设定点、EGR设定 点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定。
20、点的预定范围而生成所述APC设定点、EGR设定 点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 0027 在其它的特征中，该方法还包括：进一步基于停用汽缸的数量来生成所述APC设 定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 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每缸空气质量 （APC）设定点、排气再循环（EGR）设定点、。
21、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点； 模型预测控制（MPC）模块，所述MPC模块基于所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相 设定点和排气阀定相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。
22、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 说 明 书CN 104121110 A 4/26页 7 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APC设 定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相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APC设定点、 EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相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。 003。
23、3 5.根据方案1所述的发动机控制系统，其中所述MPC模块： 基于下述来确定所述集合的成本： 所述APC设定点分别与针对所述集合确定的预测APC的第一比较； 所述EGR设定点分别与针对所述集合确定的预测EGR的第二比较； 所述进气阀定相设定点分别与针对所述集合确定的预测进气阀定相值的第三比较；以 及 所述排气阀定相设定点分别与针对所述集合确定的预测排气定相值的第四比较；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。 0034 6.根据方案5所述的发动机控制系统，其中，所述MPC模块将第一、第二、第三和第 四权重值分别应用到所述第一、第二、第三和第四比较，以确定所述成本，并且 其中，。
24、所述第一权重值大于或者小于所有的所述第二、第三和第四权重值。 0035 7.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。 0036 8.根据方案1所述的发动机控制系统，其中，所述设定点模块进一步基于期望燃 烧定相来生成所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 0037 9.根据方案1所述的发动机控制系统，其中，所述设定点模块分别进一步基于针 对所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点的预定范围而生成 所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 0038 1。
25、0.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APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 0039 11.一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每缸空气质量（APC）设定点、排气再循环（EGR）设定点、 进气阀定相设定点和排气阀定相设定点； 使用模型预测控制（MPC）模块来执行下述操作： 基于所述APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点来识别可能 目标值的集合； 分别基于所述火花点火发。
26、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 说 明 书CN 104121110 A 5/26页 8 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APC设定点、 EGR。
27、设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相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APC设定点、EGR设定 点、进气阀定相设定点和排气阀定相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11所述的发动机控制方法，还包括： 基于下述来确定所述集合的成本： 所述APC设定点分别与针对所述集合确定的预测APC的第一比较； 所述EGR设定点分别与针对所述集合确定的预测EGR的第二比较； 所述进气阀定相设定点分别与针对所述集合确定的预测进气阀定相值的第三比较；以 及 所述排气阀定相设。
28、定点分别与针对所述集合确定的预测排气定相值的第四比较；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15所述的发动机控制方法，还包括：将第一、第二、第三和第四权重 值分别应用到所述第一、第二、第三和第四比较，以确定所述成本，并且 其中，所述第一权重值大于或者小于所有的所述第二、第三和第四权重值。 0045 17.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。 0046 18.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APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定。
29、点。 0047 19.根据方案11所述的发动机控制方法，还包括：分别进一步基于针对所述APC 设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点的预定范围而生成所述APC设 定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 0048 20.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APC设定点、EGR设定点、进气阀定相设定点和排气阀定相设定点。 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。 附图说明 0050 通过详细描述和附图将会更全面地。
30、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3A-3B是根据本公开的示例性空气控制模块的功能框图； 说 明 书CN 104121110 A 6/26页 9 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； 图5是根据本公开的示例性约束设置系统的功能框图； 图6是描绘根据本公开的设置致动器约束并根据该约束控制发动机致动器的示例性 方法的流程图； 图7是根据本公开的示例性燃料系统的功能框图； 图8是根据本公开的示例性真空和设定点控制系统的。
31、功能框图；以及 图9-10是根据本公开的选择性地调整输入到模型预测控制器的设定点中的一个或多 个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（SISO）控制器。
32、（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SISO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SISO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。在各种实施方式中，进气和排气定相设定点可以被生 成并代替外部和残余稀释设定点使用。 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。
33、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。
34、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 说 明 书CN 104121110 A 7/26页 10 择。
35、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。
36、（未示出）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。
37、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。
38、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。
39、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。
40、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 说 明 书CN 104121110 A 10 8/26页 11 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。
41、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18。
42、2 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。
43、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100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。
44、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 。
45、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 说 明 书CN 104121110 A 11 9/26页 12 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。
46、 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2。
47、04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。
48、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1。
49、00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 说 明 书CN 10412111。