利用基于几何结构的排放混合模型的控制系统和方法 相关申请的交叉引用
本申请要求 2009 年 9 月 30 日提交的美国临时申请 No.61/247049 的权益。
本申请与 2009 年 9 月 30 日提交的美国专利申请 No.12/570251 和 2009 年 9 月 30 日提交的美国专利申请 No.12/570280 有关。以上申请公开的内容以引用的方式完整地结 合于本文中。
技术领域 本发明涉及发动机控制系统和方法， 更具体地， 涉及基于排放系统的几何结构来 控制发动机。
背景技术 这里提供的背景描述是为了总体地介绍发明的背景。 就本背景部分描述的程度以 及在申请时没有以其它方式构成现有技术的描述的多个方面来说， 目前署名的发明者的工 作既不明确地也不隐含地被承认为相对于本发明的现有技术。
内燃发动机在气缸内燃烧空气 / 燃料 (A/F) 混合物， 以驱动活塞并产生驱动扭矩。 在 A/F 混合物中的空气对燃料的比率可称为 A/F 比。A/F 比可以通过控制节气门和燃料控 制系统中的至少一个来调节。例如， 可以调节 A/F 比以控制发动机的扭矩输出和 / 或控制 由发动机产生的排放物。
燃料控制系统可包括内反馈环和外反馈环。更具体地说， 内反馈环可使用来自位 于发动机系统的排放系统中的催化转换器上游的排气氧 (EGO) 传感器 ( 即， 催化剂前 EGO 传感器 ) 的数据。内反馈可使用来自催化剂前 EGO 传感器的数据来控制提供给发动机的所 需量的燃料 ( 即， 燃料命令 )。
例如， 当催化剂前 EGO 传感器感测到由发动机产生的排气中的浓 A/F 比时， 内反馈 环可降低燃料命令。或者， 例如， 当催化剂前 EGO 传感器感测到排气中的稀 A/F 比时， 内反 馈环可增加燃料需求。换句话说， 内反馈环可将 A/F 比保持在或接近理想的 A/F 比 ( 例如， 对于汽油发动机来说是 14.7 ∶ 1)。
外反馈环可使用来自布置在催化转换器之后的 EGO 传感器 ( 即， 催化剂后 EGO 传 感器 ) 的信息。外反馈环可使用来自催化剂后 EGO 传感器的数据来修正 ( 即， 校准 ) 来自 催化剂前 EGO 传感器、 催化剂后 EGO 传感器、 和 / 或催化转换器的非预期的读数。例如， 外 反馈环可使用来自催化剂后 EGO 传感器的数据将催化剂后 EGO 传感器保持在希望的电压水 平。换句话说， 外反馈环可保持所需量的氧存储在催化转换器中， 从而改善排放系统的性 能。
发明内容 一种系统包括气缸当量比 (EQR) 模块， 位置估计模块， 传感器模块， 和燃料控制模 块。 气缸 EQR 模块确定与从第一气缸排出的第一排气对应的第一 EQR， 并且确定与从第二气
缸排出的第二排气对应的第二 EQR。位置估计模块确定所述第一和第二排气何时在排放歧 管中混合以形成具有第三 EQR 的第三排气。 传感器模块基于第三 EQR 估计第四排气的 EQR。 第四排气位于排放歧管的氧传感器处。燃料控制模块基于估计的 EQR 和与氧传感器的测量 对应的 EQR 之间的差来控制供应至发动机的燃料的量。
一种方法包括确定与从第一气缸排出的第一排气对应的第一 EQR， 并且确定与从 第二气缸排出的第二排气对应的第二 EQR。该方法还包括确定所述第一和第二排气何时在 排放歧管中混合以形成具有第三 EQR 的第三排气。该方法还包括基于第三 EQR 来估计第四 排气的 EQR。第四排气位于排放歧管中的氧传感器处。另外， 该方法包括基于估计的 EQR 和 与氧传感器的测量对应的 EQR 之间的差来控制供应至发动机的燃料的量。
本发明提供以下技术方案 ：
方案 1. 一种系统， 包括 ：
气缸当量比 (EQR) 模块， 所述气缸当量比模块确定与从第一气缸排出的第一排气 对应的第一 EQR， 并且确定与从第二气缸排出的第二排气对应的第二 EQR ；
位置估计模块， 所述位置估计模块确定所述第一和第二排气何时在排放歧管中混 合以形成具有第三 EQR 的第三排气 ； 传感器模块， 所述传感器模块基于所述第三 EQR 估计第四排气的 EQR， 其中所述第 四排气位于所述排放歧管中的氧传感器处 ； 和
燃料控制模块， 所述燃料控制模块基于所述估计的 EQR 和与所述氧传感器的测量 对应的 EQR 之间的差来控制供应至发动机的燃料的量。
方案 2. 根据方案 1 所述的系统， 其特征在于， 所述第四排气包括所述第三排气。
方案 3. 根据方案 1 所述的系统， 其特征在于， 所述第一排气排放到所述排放歧管 的第一管道， 所述第二排气排放到所述排放歧管的第二管道， 并且所述第一和第二排气在 所述第一和第二管道的结合部混合。
方案 4. 根据方案 3 所述的系统， 其特征在于， 所述位置估计模块将所述第一管道 建模为一组离散的单元， 其中每个单元对应于所述排放歧管的体积的一部分， 并且每个单 元包括相应的 EQR 值。
方案 5. 根据方案 4 所述的系统， 其特征在于， 所述位置估计模块基于曲轴的位置 和发动机的气缸的点火中的至少一个来更新所述单元的 EQR 值。
方案 6. 根据方案 4 所述的系统， 其特征在于， 还包括混合模块， 所述混合模块基于 混合系数和邻近所述第一和第二管道的结合部的所述第一管道的单元的 EQR 值估计所述 第三 EQR。
方案 7. 根据方案 3 所述的系统， 其特征在于， 所述位置估计模块基于所述第一管 道的体积和所述第二管道的体积确定所述第一和第二排气何时混合。
方案 8. 根据方案 1 所述的系统， 其特征在于， 所述气缸 EQR 模块基于在所述第一 气缸中燃烧的空气和燃料的量确定所述第一 EQR。
方案 9. 根据方案 1 所述的系统， 其特征在于， 还包括混合模块， 所述混合模块基于 所述第一和第二 EQR 和混合系数估计所述第三 EQR。
方案 10. 根据方案 1 所述的系统， 其特征在于， 所述第四排气的估计的 EQR 是所述 氧传感器的估计的响应， 其中所述氧传感器的估计的响应基于所述氧传感器的模型。
方案 11. 一种方法， 包括 ： 确定与从第一气缸排出的第一排气对应的第一 EQR ； 确定与从第二气缸排出的第二排气对应的第二 EQR ； 确定所述第一和第二排气何时在排放歧管中混合以形成具有第三 EQR 的第三排气； 基于所述第三 EQR 估计第四排气的 EQR， 其中所述第四排气位于所述排放歧管中 的氧传感器处 ； 和
基于所述估计的 EQR 和与所述氧传感器的测量对应的 EQR 之间的差来控制供应至 发动机的燃料的量。
方案 12. 根据方案 11 所述的方法， 其特征在于， 所述第四排气包括所述第三排气。
方案 13. 根据方案 11 所述的方法， 其特征在于， 所述第一排气排放到所述排放歧 管的第一管道， 所述第二排气排放到所述排放歧管的第二管道， 并且所述第一和第二排气 在所述第一和第二管道的结合部混合。
方案 14. 根据方案 13 所述的方法， 其特征在于， 还包括将所述第一管道建模为一 组离散的单元， 其中每个单元对应于所述排放歧管的体积的一部分， 并且每个单元包括相 应的 EQR 值。
方案 15. 根据方案 14 所述的方法， 其特征在于， 还包括基于曲轴的位置和所述发 动机的气缸的点火中的至少一个更新所述单元的 EQR 值。
方案 16. 根据方案 14 所述的方法， 其特征在于， 还包括基于混合系数和邻近所述 第一和第二管道的结合部的所述第一管道的单元的 EQR 值估计所述第三 EQR。
方案 17. 根据方案 13 所述的方法， 其特征在于， 还包括基于所述第一管道的体积 和所述第二管道的体积确定所述第一和第二排气何时混合。
方案 18. 根据方案 11 所述的方法， 其特征在于， 还包括基于在所述第一气缸中燃 烧的空气和燃料的量确定所述第一 EQR。
方案 19. 根据方案 11 所述的方法， 其特征在于， 还包括基于所述第一和第二 EQR 和混合系数估计所述第三 EQR。
方案 20. 根据方案 11 所述的方法， 其特征在于， 所述第四排气的估计的 EQR 是所 述氧传感器的估计的响应， 其中所述氧传感器的估计的响应基于所述氧传感器的模型。
本发明的其他应用领域将从以下提供的详细描述中变得明显。 应当理解的是详细 描述和具体示例仅是用于说明的目的， 并不意图限定本发明的范围。
附图说明
本发明将从详细描述及附图中更充分地理解， 其中 ： 图 1 是根据本发明的发动机系统的功能性方框图 ； 图 2 示出了根据本发明的排放模型 ； 图 3 示出了根据本发明的排放模型的三段之间的示例性交汇结合部 ； 图 4A 示出了根据本发明的排气在交汇结合部混合之前排气的组成 ； 图 4B 示出了根据本发明的排气在交汇结合部 J 混合之后排气的组成 ； 图 5 是根据本发明的排放模型校准系统的功能性方框图 ；图 6 是根据本发明的实现排放模型的发动机控制模块的功能性方框图 ； 图 7 是根据本发明的设备响应模块的功能性方框图 ； 图 8 示出了根据本发明的基于排放模型控制发动机系统的方法。具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的， 并不意图限制本发明， 其应用或用途。 为了清楚 起见， 相同的附图标记将在附图中用于表示相似的元件。这里使用的， 短语 A、 B 和 C 中的至 少一个应被理解为意指一种逻辑 (A 或 B 或 C)， 其使用非排他的逻辑 “或” 。应该懂得， 在不 改变本发明原理的情况下， 可以以不同的顺序执行方法内的步骤。
这里使用的， 术语模块指专用集成电路 (ASIC)、 电子电路、 执行一个或多个软件或 固件程序的处理器 ( 共享处理器， 专用处理器， 或处理器组 ) 和存储器， 组合逻辑电路， 和/ 或提供所描述的功能的其他合适部件。
根据本发明的发动机控制系统可基于排放系统的模型 ( 以下称为 “排放模型” )控 制发动机， 以维持所需的性能和 / 或排放水平。排放模型可基于排放歧管的几何结构 ( 例 如， 体积 ) 对排放歧管中的排气的传输和混合进行建模。更具体地， 排放模型可使用活塞流 方法来对排气通过排放歧管的管道的传输进行建模。 排放模型可基于混合等式对排气在排 放歧管的管道之间的结合部的混合进行建模。发动机控制系统可基于发动机事件 ( 例如， 气缸的点火 ) 更新排放模型。 参考图 1， 发动机系统 20 包括驱动变速器 24 的燃烧式发动机 22。 虽然示出了火花 点火式发动机， 但也可以设想压缩点火式发动机。 节气门 26 可调节进入进气歧管 28 的空气 流。进气歧管 28 中的空气被分配到气缸 30-1、 30-2、 30-3 和 30-4( 以下称为 “气缸 30” )。 发动机控制模块 32 促动燃料喷射器 34 将燃料喷射到气缸 30 中。各气缸 30 可包括火花塞 36， 用于点燃空气 / 燃料混合物。或者， 空气 / 燃料混合物可由压缩点火式发动机内的压缩 而点燃。虽然图 1 描绘了四个气缸 30， 但发动机 22 可包括额外的或更少的气缸 30。发动 机 22 还可设有主动燃料管理系统 ( 未示出 )， 其去除对进气阀 38 和排气阀 40 的促动。
发动机控制模块 32 与发动机系统 20 的各部件连通。发动机系统 20 的各部件包 括这里论述的发动机 22、 传感器、 以及促动器。
空气从入口 42 传递通过质量空气流量 (MAF) 传感器 44。MAF 传感器 44 产生指示 流入进气歧管 28 的空气质量的 MAF 信号。歧管压力 (MAP) 传感器 46 位于节气门 26 和发 动机 22 之间的进气歧管 28 中。MAP 传感器 46 产生指示歧管绝对空气压力的 MAP 信号。位 于进气歧管 28 中的进气温度 (IAT) 传感器 48 产生指示进气温度的 IAT 信号。发动机曲轴 ( 未示出 ) 以发动机速度或与发动机速度成比例的速度旋转。 曲轴传感器 50 产生可指示曲 轴的旋转速度和位置的曲轴位置 (CSP) 信号。
进气阀 38 选择性地打开和关闭以使空气进入气缸。进气凸轮轴 ( 未示出 ) 调节 进气阀 38 的位置。活塞 ( 未示出 ) 压缩气缸 30 内的空气 / 燃料混合物。活塞驱动曲轴以 产生驱动扭矩。当排气阀 40 处于打开位置时， 气缸 30 内的燃烧排气通过排放歧管而被强 制排出。排气凸轮轴 ( 未示出 ) 调节排气阀 40 的位置。虽然示出了单个的进气阀 38 和排 气阀 40， 但发动机 22 的每个气缸可包括多个进气阀 38 和排气阀 40。
发动机系统 20 包括排放歧管。排放歧管表示为段 52-1、 52-2、 52-3、 52-4、 52-5、
52-6、 52-7( 总体称为 “段 52” ) 和交汇结合部 54-1、 54-2、 54-3( 总体称为 “结合部 54” )。 每个段 52 可单独地称为段 52。每个结合部可单独地称为结合部 54。
段 52 可表示排放歧管的管道。因此， 段 52 可将排气从各自的气缸 30 引导到催化 剂 ( 例如三通催化剂 )56。例如， 段 52-1、 52-5 和 52-7 可将排气从气缸 30-1 引导到催化剂 56。段 52-3， 52-6 和 52-7 可将排气从气缸 30-3 引导到催化剂 56。
段 52 在结合部 54 连接。结合部 54 由图 1 中的阴影区域表示。每个结合部 54 可 表示排放歧管的一部分， 在该处， 两个段 52 结合。因此， 来自多个段 52 的排气可在结合部 54 混合。例如， 来自段 52-1、 52-2 和 52-5 的排气可在结合部 54-1 混合。
图 1 所示的排放歧管是 4-2-1 歧管构造。换句话说， 图 1 所示的排放歧管包括 4 个段 52-1、 52-2、 52-3 和 52-4， 它们将排气引导到两个分开的结合部 54-1 和 54-2， 这两个 结合部将排气进一步引导到单个的结合部 54-3。 虽然本发明的排放模型校准系统 100 被描 述为使用包括四个气缸 30 的发动机 22， 但排放模型校准系统 100 可应用于包括多于或少于 四个气缸 30 的发动机系统。虽然排放模型校准系统 100 被描述为使用 4-2-1 型的歧管构 造， 但校准系统可应用于其它的歧管构造 ( 例如， 4-1 型歧管构造 )。
催化剂前氧传感器 58( 以下称为 “催化剂前传感器 58” ) 位于段 52-7 中， 催化剂 56 的上游。催化剂前传感器 58 可产生指示排气中的氧的量相对于大气中的氧的量的信号 ( 例如， 电压 )。发动机控制模块 32 可基于由催化剂前传感器 58 产生的信号确定当量比 (EQR)。EQR 可指示在气缸 30 内燃烧的空气 / 燃料混合物的空气 / 燃料比。因此， 由催化剂 前传感器 58 产生的信号可被称为 “测量的 EQR” 。 发动机系统 20 可包括催化剂 56 下游的氧传感器 60( 以下称为 “催化剂后传感器 60” )， 其产生催化剂后信号。发动机控制模块 32 可基于从催化剂前传感器 58 和催化剂后 传感器 60 接收到的信号确定催化剂 56 的效率。
发动机控制模块 32 接收来自发动机系统 20 的输入信号。输入信号可包括但不限 于， MAF、 MAP、 IAT、 催化剂前传感器 58 以及催化剂后传感器 60 的信号。发动机控制模块 32 处理输入信号， 并产生输出给发动机系统 20 的定时的发动机控制命令。例如， 发动机控制 命令可促动节气门 26、 燃料喷射器 34 以及火花塞 36。
发动机控制模块 32 可基于测量的 EQR 和对排气在排放歧管中的传输和混合进行 建模的排放模型来控制发动机 22 的各部件。例如， 发动机控制模块 32 可基于测量的 EQR 和排放模型控制燃料喷射器 34。排放模型可在催化剂前传感器 58 处对 EQR 进行建模。换 句话说， 排放模型可在催化剂前传感器 58 处预测 EQR。在催化剂前传感器 58 处预测的 EQR 以下可被称为 “期望 EQR” 。
发动机控制模块 32 可基于测量的 EQR 和期望 EQR 控制燃料喷射器 34。例如， 发动 机控制模块 32 可控制燃料喷射器 34， 以将测量的 EQR 和期望 EQR 之间的差最小化。
排放模型可对流过排放歧管的排气的组成进行建模。具体而言， 排放模型可在排 放歧管中的不同位置对排气所指示的 EQR( 以下称为 “排气的 EQR” ) 进行建模。排放模型 可基于在燃烧过程中喷射到气缸 30 中的燃料的量和气缸 30 中的空气的量对排放歧管中的 排气的 EQR 进行建模。
排放模型可基于排放歧管的几何结构 ( 以下称为 “排放几何结构” ) 对排放歧管中 的排气的传输进行建模。例如， 排放模型可基于段 52 的几何结构对通过排放歧管的段 52
的排气的传输进行建模。更具体地， 排放模型可基于排放歧管的几何结构对排放歧管中的 排气的 EQR 进行建模。例如， 排放模型可基于段 52-1 的几何结构对从气缸 30-1 排出通过 段 52-1 的排气的 EQR 进行建模。
排放模型可对在结合部 54 处的排气的混合进行建模。例如， 排放模型可对在结合 部 54-1 处的段 52-1、 52-2 和 52-5 的排气的混合进行建模。排放模型可被称为 “气体混合 和传输模型” ， 因为排放模型对排气的传输和混合这两者进行建模。
参考图 2， 示出了用于四气缸发动机的示例性排放几何结构。 排放几何结构可基于 图 1 的排放歧管。因此， 发动机控制模块 32 可包括基于图 2 的排放几何结构的排放模型。 虽然图 2 的排放模型基于 4-2-1 型排放几何结构， 但排放模型可基于其他排放几何结构。 例 如， 可对应于 4-1 型排放歧管构造来构造其他排放几何结构。
排放模型将每个段 52 作为一组单元建模。例如， 段 52-1 包括 18 个单元。排放模 型可对排气从排气口 1-4 通过相应的段 52 的流动进行建模。排放模型可在每个结合部 54 处对排气的混合进行建模。排放模型还可对在段 52-7 的最后一个单元之后的催化剂前传 感器的响应进行建模。
每个单元代表排放歧管的体积的一部分。 排放歧管的体积可以是从排气口到催化 剂前传感器 58 位置处的排放歧管的体积。每个单元可基于段 52 的体积对排放歧管的总体 积的比率。 图 2 的排放模型包括 100 个单元。 因此， 每个单元可代表排放歧管的体积的 1/100。 具体地， 段 52-1 包括 18 个单元， 因为段 52-1 占排放歧管的体积的 18％。
排放模型对通过段的排气的流动进行建模。 排放模型可使用活塞流方法对通过段 52 的排气的流动进行建模。活塞流方法可假定排气关于发动机事件以包 (packet) 的形式 移动， 直到排气到达结合部 54 之一。例如， 可假定通过段 52 的排气的流动和在结合部 54 处的排气的混合是基于各个单元进行建模的。
燃烧之后， 一定质量的排气可从气缸 30 排放到段 52 中。该一定质量的排气可基 于气缸 30 中的空气的量和喷射到气缸 30 中的燃料的量。因此， 该一定质量的排气可基于 每气缸空气量 (APC) 值。从气缸 30 排出的该一定质量的排气可占据根据排放模型的一定 的体积 ( 即， 多个单元 )。具体地， 排放模型可基于 APC 和喷射到气缸 30 中的燃料量对从气 缸 30 排出的排气所填充的多个单元进行建模。排放模型可基于 APC 值和喷射到气缸 30 中 的燃料的量确定从气缸 30 排出的排气的 EQR。
排放模型可当对应于段 52 的气缸 30 将排气排放到段 52 中时对通过段 52 的排气 的移动进行建模。例如， 排放模型可当气缸 30-1 将排气排放到段 52-1 中时对通过段 52-1 的排气的移动进行建模。
排放模型可以下述方式对移动通过段的排气进行建模。以气缸 30-1 和段 52-1 为 例， 排放模型可确定从气缸 30-1 排放到段 52-1 的第一质量的排气和相应的第一体积的排 气。例如， 第一体积的排气可填充段 52-1 的 10 个单元。由第一质量的排气填充的 10 个单 元可被称为 “第一组单元” 。排放模型可确定对应于第一体积的排气的第一 EQR。排放模型 可将第一组单元中的各单元建模为具有第一 EQR。
第二质量的排气可在随后被排放到段 52-1 中。排放模型可基于排放到段 52-1 的 第二质量的排气确定排气的第二体积。例如， 第二体积的排气可填充段 52-1 的 12 个单元。
由第二质量的排气填充的 12 个单元可被称为 “第二组单元” 。排放模型可确定对应于第二 体积的排气的第二 EQR。排放模型可将第二组单元中的各单元建模为具有第二 EQR。
当第一体积的排气被排出时， 第一组单元可填充前 10 个单元 ( 即， 排气口 1 之后 的前 10 个单元 )。当第二体积的排气被排出时， 第二组单元可替换第一组单元。当第二组 单元排放到段 52-1 中时， 第一组单元的前 4 个单元可被移动到段 52-5 中。因此， 段 52-1 可包括第二组单元以及与第一组单元对应的 6 个单元。移动到段 52-5 中的 4 个单元可与 这里所描述的段 52-2 的单元混合。
仅举例而言， 排放模型可基于以下等式确定在排气冲程期间从特定的气缸 30 排 出的气体所占据的单元的个数 ：
( 等式 1)其中， Airest 是停留在正在排气的气缸 30 中的空气的量的估计值， Texh 是排放系统 的平均温度， Pexh 是排放歧管中的平均压力， R 是气体常数。
排放模型对段 52 之间的排气在各结合部 54 的混合进行建模。排放模型对进入结 合部 54 的段 52 的最后的单元与离开结合部 54 的段 52 的第一单元之间的混合进行建模。 换句话说， 排放模型对邻近各自的结合部 54 的单元的混合进行建模。
单元可用数字表示以指示单元在段 52 中的位置。例如， 段 52-1 的单元 18 和段 52-2 的单元 5 可以是邻近结合部 54-1 的单元。段 52-1 的单元 18 和段 52-2 的单元 5 可 以分别被称为段 52-1 和 52-2 的最后的单元。段 52-5 的单元 1 和段 52-6 的单元 1 可以分 别是邻近结合部 54-1 和 54-2 的单元。段 52-5 的单元 1 和段 52-6 的单元 1 可以分别被称 为段 52-5 和 52-6 的第一单元。段 52-5 的单元 17 和段 52-6 的单元 17 可以是邻近结合部 54-3 的单元。段 52-5 的单元 17 和段 52-6 的单元 17 可以分别被称为段 52-5 和 52-6 的最 后的单元。段 52-7 的单元 1 可以是邻近结合部 54-3 的单元。段 52-7 的单元 1 可以称为 段 52-7 的第一单元。
段 52-7 的单元 20 可以是邻近传感器模型的单元。段 52-7 的单元 20 可以称为段 52-7 的最后的单元。相对于结合部 54-1， 排放模型对段 52-1 和 52-2 的最后的单元与段 52-5 的第一单元的混合进行建模。相对于结合部 54-2， 排放模型对段 52-3 和 52-4 的最后 的单元与段 52-6 的第一单元的混合进行建模。相对于结合部 54-3， 排放模型对段 52-5 和 52-6 的最后的单元与段 52-7 的第一单元的混合进行建模。
排放模型可在基于曲柄角的域中对排气的传输和混合进行建模。例如， 排放模型 可基于离散的发动机事件对排气的传输进行建模。离散的发动机事件可包括气缸 30 的点 火。因此， 排放模型可基于气缸 30 的点火时间对排气的传输和混合进行建模。或者， 排放 模型可基于其它的发动机事件对排气的传输和混合进行建模。 其它的发动机事件可包括活 塞通过预定的位置 ( 例如， 上止点或下止点 ) 或曲轴的角度。
排放模型可对在催化剂前传感器 58 处检测的 EQR 进行建模。排放模型的对催化 剂前传感器 58 处的 EQR 建模的部分可称为 “传感器模型” 。传感器模型可在基于曲柄角的 域中确定在催化剂前传感器 58 处的 EQR。
传感器模型可基于各种参数对在催化剂前传感器 58 处的 EQR 进行建模。参数可 包括但不限于， 传感器的时间常数、 发动机速度和发动机事件。在催化剂前传感器 58 处检测的建模的 EQR 可基于一阶系统进行建模。仅举例而 言， 在催化剂前传感器 58 处建模的 EQR 可使用用于图 2 的四气缸发动机 22 的排放几何结 构的以下等式来建模 ： ( 等式 2)
其中， EQRmeas(k) 是期望 EQR( 即， 由催化剂前传感器 58 检测的 EQR 的基于模型的 预测值 )。τSensor 可代表催化剂前传感器 58 的时间常数。τSensor 可以基于催化剂前传感 器 58 对 EQR 的变化的响应。例如， τSensor 可以基于催化剂前传感器 58 对阶跃输入 EQR 的 一阶时间响应。τSensor 可以是由催化剂前传感器 58 的制造商提供的值。或者， τSensor 可以 是近似的 ( 例如， .06)。N 是单位为转 / 分钟的发动机速度。
EQRmeas(k-1) 对应于之前的发动机事件的 EQRmeas。EQR@EGO(k) 是由排放模型确定的 催化剂前传感器 58 处的 EQR( 即， 段 52-7 的单元 20 之后的 EQR)。因此， 排放模型的几何结 构部分确定 EQR@EGO(k)， 并且传感器模型基于 EQR@EGO(k) 和 EQRmeas(k-1) 确定 EQRmeas(k)。
排放模型可对排气在结合部 54 处的混合进行建模。排放模型的对排气在结合部 54 处的混合建模的部分可称为 “混合模型” 。混合模型可在基于曲柄角的域中基于邻近结 合部 54 的单元处的 EQR 以及描述邻近结合部 54 的单元之间的相互作用的系数对结合部 54 处的混合进行建模。 现在参考图 3， 在段 A、 B 和 C 之间的示例性的结合部 J 示出了可应用于结合部 54 的通用混合模型。混合模型基于哪个结合部包括排气流而对排气在结合部 J 的混合进行建 模。例如， 混合模型对由排气流通过段 A 引起的段 A、 B 和 C 之间的排气在结合部 J 的混合 进行建模。混合模型还对由排气流通过段 B 引起的段 A、 B 和 C 之间的排气在结合部 J 的混 合进行建模。
混合模型可使用以下等式对由排气流通过段 A 引起的段 A、 B 和 C 之间的排气在结 合部 J 的混合进行建模 ：
EQRC， 1(k) ＝ αA， CEQRC， 1(k-1)+βA， BEQRB， last(k)+(1-αA， C-βA， B)EQRA， last(k)( 等式 3)
其中， k 是当前发动机事件的索引， EQRC， EQRB，last 是段 1 是段 C 的第一单元的 EQR， B 的最后单元的 EQR， EQRA，last 是段 A 的最后单元的 EQR。αA，C 可以是对从段 A 进入段 C 的 气体混合建模的混合模型的系数。 EQRC， 1(k-1) 可以是前一个发动机事件之后的段 C 的第一 单元的 EQR。因此， αA， C 可以递归的形式来描述混合。βA， B 可以是描述段 A 和段 B 之间的 混合的系数。
混合模型可将等式 3 应用于从段 A 通过结合部 J 移到段 C 的每个单元。例如， 如 果 5 个单元从段 A 移动到段 C， 则混合模型可将等式 3 应用于移动到段 C 的 5 个单元中的每 个。
混合模型可使用以下等式对由排气流通过段 B 引起的段 A、 B 和 C 之间的排气在结 合部 J 的混合进行建模 ：
EQRC， 1(k) ＝ αB， CEQRC， 1(k-1)+βB， AEQRA， last(k)+(1-αB， C-βB， A)EQRB， last(k)( 等式 4)
αB， EQRC， C 可以是对从段 B 进入段 C 的气体混合建模的混合模型的系数。 1(k-1) 可 以是前一个发动机事件之后的段 C 的第一单元的 EQR。因此， αB，C 可以递归的形式来描述 混合。βB， A 可以是描述段 B 和段 A 之间的混合的系数。
混合模型可将等式 4 应用于从段 B 通过结合部 J 移动到段 C 的每个单元。例如， 如果 5 个单元从段 B 移动到段 C， 则混合模型可将等式 4 应用于移动到段 C 的 5 个单元中的 每个。
对应于结合部 J 的系数 ( 即， αA， βA， αB， C、 B、 C 和 βB， A) 可以基于这里所述的校准 操作确定。
将等式 3 应用于图 2 的段 52-1、 52-2 和 52-5 的结合部 54-1， 由通过段 52-1 的流 引起的排气在结合部 54-1 的混合可使用以下等式建模 ：
EQR5， 1(k) ＝ α1， 5EQR5， 1(k-1)+β2， 5EQR2， 5(k)+(1-α1， 5-β2， 5)EQR1， 18(k)( 等式 5)
其中， EQR5， EQR2， EQR1， 1 是段 52-5 的第一单元的 EQR， 5 是段 52-2 的最后单元的 EQR， 5 可以是对从段 52-1 流入段 52-5 的排气的混合进行建 18 是段 52-1 的最后单元的 EQR。α1， 模的混合模型的系数。EQR5， 1(k-1) 可以是前一个发动机事件之后的段 52-5 的第一单元的 EQR。β2， 5 可以是描述段 52-1 和段 52-2 之间的混合的系数。
在每个结合部 54 处的混合可由 2 个等式描述， 一个等式用于引起通过排放歧管的 流动的每个段 52。两个等式中的每个包括 α 和 β 系数。因此， 在图 2 的 4-2-1 排放构造 的三个结合部处的混合可使用 12 个系数建模。 现在参考图 4A-4B， 示出了混合等式 ( 例如， 等式 3 和等式 4) 的实施。图 4A 示出 了单元在结合部 J 处混合之前的每个段的单元的 EQR。 示出了段 A 的单元的 EQR(A2， A2， A1)， 段 B 的单元的 EQR(B2， B2， B1) 和段 C 的单元的 EQR(C1， C2， C3)。例如， 具有值 A1 和 A2 的单元 在排气口 1 从不同的排气冲程排出， 具有值 B1 和 B2 的单元在排气口 2 从不同的排气冲程排 出。
图 4B 示出了在排气流进入单元段 A 之后的单元的 EQR。排放进入段 A 的单元具 有相同的 EQR(A4)， 因为三个单元是从同一燃烧事件排出的。所得到的与段 C 相关联的 EQR 是如下获得的。第一混合单元 (A1/B1/C1) 由单元 A1、 单元 B1 和单元 C1 的混合得到。然后， 第一混合单元被第二混合单元 (A2/B1/C1) 向前移动。第二混合单元由单元 A2、 单元 B1 和单 元 C1 的混合得到。然后， 第二混合单元被第三混合单元 (A2/B1/C1) 向前移动。第三混合单 元由单元 A2、 单元 B1 和单元 C1 的混合得到。图 4A-4B 所示的排放模型可对于引起段 A 或段 B 中的排气流的每个发动机事件更新。
现在参考图 5， 排放模型校准系统 100 包括排放模型校准模块 102， 第一氧传感器 104， 和第二氧传感器 106。第一和第二氧传感器 104， 106 可分别位于段 52-1， 52-3 的排气 口附近。因此， 第一和第二氧传感器 104， 106 可分别测量从气缸 30-1， 30-3 排放的排气的 EQR。
排放模型校准模块 102 执行校准操作， 以便确定排放模型的混合系数 (α 和 β)。 校准操作可包括通过在改变对气缸 30 的燃料供给的同时测量在第一氧传感器 104， 第二氧 传感器 106 和催化剂前传感器 58 的位置处的排气的 EQR 来确定混合系数。例如， 校准操作 可包括在操作条件的范围内操作发动机 22 的同时测量在传感器 104， 106， 58 位置处的排气 的 EQR。 仅举例而言， 校准操作可包括在联邦测试程序 (FTP) 的驾驶循环过程中测量排气的 EQR。
设备响应模块 108 可接收包括在校准操作期间确定的混合系数 (α 和 β) 的排放 模型。当排放模型包括在校准程序中确定的混合系数 (α 和 β) 时， 排放模型可称为校准
的排放模型。
现在参考图 6， 发动机控制模块 32 包括 APC 确定模块 110， 目标燃料确定模块 111， 设备响应模块 108， 差模块 112， 开环燃料模块 113， 和燃料控制模块 114。APC 确定模块 110 确定吸入气缸 30 中的空气的量。例如， APC 确定模块 110 可基于 MAP 和 RPM 信号中的至少 一个确定吸入气缸 30 的空气的量。目标燃料确定模块 111 基于所期望的发动机系统 20 的 性能和 / 或所期望的发动机系统 20 的排放水平确定喷射到气缸 30 内的目标燃料。
设备响应模块 108 基于喷射到气缸 30 的目标燃料和吸入气缸 30 的空气的量确定 催化剂前传感器 58 处的期望 EQR。设备响应模块 108 实现校准的排放模型。设备响应模块 108 基于校准的排放模型确定期望 EQR。因此， 设备响应模块 108 可基于 CSP 信号更新曲柄 角域中的校准的排放模型。
差模块 112 确定催化剂前传感器 58 处的期望 EQR 和从催化剂前传感器 58 接收的 测量的 EQR 之间的差 ( 即， 误差 )。燃料控制模块 114 可基于误差控制喷射进入气缸 30 的 燃料的量。例如， 燃料控制模块 114 可产生燃料命令以控制喷射进入气缸 30 的燃料的量， 以便最小化误差。开环燃料模块 113 可基于查询表确定开环燃料命令。因此， 燃料控制模 块 114 可基于开环燃料命令和误差确定燃料命令。 再次参考图 5， 排放模型校准模块 102 可使用各种校准操作确定混合系数。 所使用 的校准操作可取决于排放模型校准系统 100 的构造。排放模型校准系统 100 的构造可以指 第一和第二氧传感器 104， 106 的放置位置和 / 或用于确定排放歧管中的 EQR 的氧传感器的 数量。尽管图 5 的排放模型校准系统 100 示出了三个氧传感器 58、 104、 106， 但可将更多的 氧传感器加到排放模型校准系统 100 中。例如， 排放模型校准系统 100 可包括每个段 52 和 结合部 54 中的氧传感器。因此， 排放模型校准模块 102 可基于包括每个段 52 和结合部 54 中的氧传感器的校准程序确定混合系数。然而， 将氧传感器放置于每个段 52 和结合部 54 中可能是不必要或不可行的。因此， 根据本发明的排放模型校准系统 100 可使用三个氧传 感器 58、 104、 106 确定混合系数。
排放模型校准系统 100 可基于由第一氧传感器 104、 第二氧传感器 106、 和催化剂 前传感器 58 确定的 EQR 确定混合系数。排放模型校准模块 102 可在假设没有装备氧传感 器的段 52-2、 52-4 与装备了氧传感器 104、 106 的段 52-1、 52-3 的行为相似的基础上确定混 合系数。
然而， 没有装备氧传感器的段 52-2、 52-4 与装备了氧传感器 104、 106 的段 52-1、 52-3 的行为可能不相似。 因此， 排放模型校准模块 102 可包括其他建模参数 ( 例如， 吸气排 气模型 ) 以补偿各个段 52 的不对等的行为。
吸气排气模型 (breathing model) 可包括补偿各个段 52 的不对等行为的参数。 例 如， 排放模型校准模块 102 可基于由第一氧传感器 104、 第二氧传感器 106、 和催化剂前传感 器 58 所确定的 EQR 以及吸气排气模型确定混合系数。例如， 吸气排气模型可由以下等式描 述：
APC2 ＝ APC+ΔAPC2( 等式 6)
APC4 ＝ APC+ΔAPC4( 等式 7)
其中， APC2 和 APC4 是分别对应于气缸 30-2 和气缸 30-4 的 APC 值。APC2 和 APC4 可基于对应于气缸 30-2 和 30-4 中的各个气缸的测量的 APC(APC) 以及校准变量 ΔAPC2 和
ΔAPC4。在校准操作过程中校准排放模型时可以调整校准变量 ΔAPC2 和 ΔAPC4， 以解决气 缸 30 之间的吸气排气差异。校准参数 ΔAPC2 和 ΔAPC4 可基于 MAP 信号和 RPM 信号。下面 的等式可描述校准变量 ：
ΔAPCA ＝ cA1MAP+cA2RPM+cA3MAP×RPM+cA4MAP2+cA5RPM2( 等式 8)
其中， cA1-cA5 是在校准操作过程中可调整的常数。除了 ΔAPC2 和 ΔAPC4， 对应于 装备了氧传感器的段 52-1、 52-3 的校准参数可被建模。因此， 吸气排气模型可包括以下的 等式 ：
APC1 ＝ APC+ΔAPC1( 等式 9)
APC3 ＝ APC+ΔAPC3( 等式 10)
吸气排气模型可基于来自具有氧传感器的段的测量值估计不具有传感器的气缸 的 EQR。例如， 估计可以基于以下等式 ：
( 等式 11)包括吸气排气模型的校准操作可使用优化算法诸如遗传算法执行。 遗传算法优化 的代价函数可以是由排放模型预测的 EQR 和在催化剂前传感器 58 处测量的 EQR 之间的差 的第二范数。
在一些情况下， 排放模型可被进一步简化。 从实验的角度来说， 校准的排放模型可 包括相似的混合系数。例如， αA，C 可以粗略地等于 αB，C。因此， 在排放模型中可用单个值 (αC) 来代替 αA， βA， 在排放模型 C 和 αB， C。在一些情况下， B 可以粗略地等于 βB， A。因此， 中可用单个值 βC 来代替 βA， B 和 βB， A。
在一些情况下， 排放模型可以被进一步简化。例如， αAC 和 αB，C 可能不会显著影 响由排放模型确定的期望 EQR。因此， αA，C 和 αB，C 可从等式 3 和等式 4 中除去， 得到以下 简化的混合等式 ：
EQRC， 1(k) ＝ βcEQRB， last(k)+(1-βc)EQRA， last(k)( 等式 12)
EQRC， 1(k) ＝ βcEQRA， last(k)+(1-βc)EQRB， last(k)( 等式 13)
现在参考图 7， 设备响应模块 108 可包括气缸 EQR 模块 120、 位置估计模块 122、 混 合模块 124 和传感器模块 126。设备响应模块 108 可根据本发明实施校准的排放模型。
气缸 EQR 模块 120 可基于 APC 值和喷射到气缸 30 中的燃料的量估计从气缸 30 排 出的排气的 EQR。位置估计模块 122 可基于段 52 的几何结构估计排气在排放歧管的段 52 中的位置。混合模块 124 可估计在结合部 54 处混合的排气的 EQR。传感器模块 126 可实 现传感器模型。因此， 传感器模块 126 可基于传感器模型确定催化剂前传感器 58 处的期望 EQR。 现在参考图 8， 基于排放模型控制发动机系统的方法开始于 200。在 200 处， 控制 确定排放歧管的体积。在 202 处， 控制确定排放歧管的各段的体积。在 204 处， 控制确定在 排放歧管的各个段中的单元的数量。在 206 处， 控制基于段 52 和结合部 54 构建排放模型。 在 208 处， 控制利用第一氧传感器 104、 第二氧传感器 106 和催化剂前传感器 58 装备排放歧 管。在 210 处， 排放模型校准模块 102 基于来自第一氧传感器 104、 第二氧传感器 106、 和催 化剂前传感器 58 的反馈来校准排放模型的混合系数。在 212 处， 排放模型校准模块 102 基 于混合系数确定校准的排放模型。在 214 处， 控制在发动机控制模块 32 中实施校准的排放
模型。 在 216 处， 气缸 EQR 模块 120 确定从发动机 22 的气缸 30 排出的排气的 EQR。在 218 处， 位置估计模块 122 更新对应于气缸 30 的单元的 EQR。在 220 处， 混合模块 124 确定 在结合部 54 处混合的单元的 EQR。例如， 混合模块 124 可确定在结合部 54 处混合的单元 的 EQR， 同时位置估计模块 122 更新单元的 EQR。在 222 处， 传感器模块 126 基于传感器模 型确定催化剂前传感器 58 位置处的期望 EQR。在 224 处， 燃料控制模块 114 基于期望 EQR 和由催化剂前传感器 58 测量的 EQR 之间的差来控制燃料喷射。
在 214 处， 设备响应模块 108 基于校准的排放模型确定期望 EQR。在 216 处， 燃料 控制模块 114 基于期望 EQR 和测量的 EQR 之间的差来控制燃料喷射量。在 218 处， 设备响 应模块 108 基于发动机事件 ( 例如， 气缸 30 的点火 ) 更新校准的排放模型。
本发明的广泛教导可以以多种不同形式实施。 因此， 虽然本发明包括特定的例子， 但本发明的真实范围不应受到此限制， 因为在对附图、 说明书和所附权利要求研究后， 其他 变型对熟练的从业者将变得明显。