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用于使用空气流量 致动器控制 发动机的方法

阅读：369发布：2023-02-12

专利汇可以提供用于使用空气流量致动器控制发动机的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且转矩请求模块基于驾驶员输入产生对发动机的转矩请求。模型预测控制(MPC)模块：基于转矩请求识别可能目标值集合，每个可能目标值集合包括目标有效节气门面积百分比；确定分别用于可能目标值集合的预测操作参数；确定分别用于可能目标值集合的成本值；基于成本值来选择一个可能目标值集合；并且分别基于一个选定集合的可能目标值来设定目标值，这些目标值包括节流阀两端的目标压力比。目标面积模块基于目标有效节气门面积百分比来确定节流阀的目标开度面积。节气门致动器模块基于目标开度来控制节流阀。，下面是用于使用空气流量致动器控制发动机的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于控制车辆的发动机系统的方法，所述方法包括：
基于驾驶员输入产生对发动机的空气转矩请求；
使用模型预测控制：
基于所述空气转矩请求来识别多个可能目标值集合，所述多个可能目标值集合中的每一个包括可能目标有效节气门面积百分比；
确定用于所述多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合；
基于所述多个可能目标值集合中的每一个的所述预测操作参数集合来分别确定所述多个可能目标值集合中的每一个的成本值；
基于所述成本值来选择所述多个可能目标值集合中的一个；并且
基于所述多个可能目标值集合中的所述一个选定目标值集合来选择目标值集合，所述目标值集合包括目标有效节气门面积百分比；
基于所述目标有效节气门面积百分比来确定节流阀的目标开度面积；以及基于所述目标开度面积来控制所述节流阀。
2.根据权利要求1所述的用于控制发动机系统的方法，其中基于所述空气转矩请求来识别多个可能目标值集合(所述多个可能目标值集合中的每一个包括可能目标有效节气门面积百分比)进一步包括基于所述空气转矩请求来识别多个可能目标值集合(所述多个可能目标值集合中的每一个包括可能目标有效节气门面积百分比和可能目标有效废气门面积百分比)。
3.根据权利要求2所述的用于控制发动机系统的方法，其中基于所述多个可能目标值集合中的所述一个选定目标值集合来选择目标值集合(所述目标值集合包括目标有效节气门面积百分比)进一步包括基于所述多个可能目标值集合中的所述一个选定目标值集合来选择目标值集合(所述目标值集合包括目标有效节气门面积百分比和目标有效废气门面积百分比)。
4.根据权利要求1所述的用于控制发动机系统的方法，其中基于所述空气转矩请求来识别多个可能目标值集合(所述多个可能目标值集合中的每一个包括可能目标有效节气门面积百分比)进一步包括基于所述空气转矩请求来识别多个可能目标值集合(所述多个可能目标值集合中的每一个包括可能目标有效节气门面积百分比、可能目标排气凸轮最大开度位置以及可能目标进气凸轮最大开度位置)。
5.根据权利要求4所述的用于控制发动机系统的方法，其中基于所述多个可能目标值集合中的所述一个选定目标值集合来选择目标值集合(所述目标值集合包括目标有效节气门面积百分比)进一步包括基于所述多个可能目标值集合中的所述一个选定目标值集合来选择目标值集合(所述可能目标值集合包括可能目标有效节气门面积百分比、可能目标排气凸轮最大开度位置以及可能目标进气凸轮最大开度位置)。
6.根据权利要求1所述的用于控制发动机系统的方法，其中确定分别用于所述多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合进一步包括基于多个测量干扰来分别确定所述多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合。
7.根据权利要求6所述的用于控制发动机系统的方法，其中基于多个测量干扰来确定分别用于所述多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合进一步包括基于多个测量干扰和多个反馈输入来分别确定所述多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合。
8.根据权利要求7所述的用于控制发动机系统的方法，其中基于多个测量干扰和多个反馈输入来分别确定用于所述多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合进一步包括基于多个测量干扰、爆震受限火花下的当前标准化空气流转矩、当前歧管压力、当前捕获比以及当前标准化泵平均有效压力来分别确定所述多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合。
9.根据权利要求7所述的用于控制发动机系统的方法，其中基于多个测量干扰和多个反馈输入来分别确定用于所述多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合进一步包括基于一半质量燃烧(CA50)的当前曲轴角度、当前汽缸停用状态和缩放发动机转速以及多个反馈输入来分别确定所述多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合。
10.根据权利要求9所述的用于控制发动机系统的方法，进一步包括：
基于所述目标有效废气门面积百分比来确定废气门的目标开度面积；
基于所述废气门的所述目标开度面积来控制废气门阀。
分别基于所述目标进气凸轮最大开度位置和所述目标排气凸轮最大开度位置来控制进气阀定相和排气阀定相。

说明书全文

用于使用空气流量致动器控制 发动机的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及内燃机，并且更具体地涉及用于车辆的发动机控制系统和方法。

背景技术

[0002] 此处提供的背景描述的目的在于总体地呈现本发明的背景。当前署名的发明人的工作就其在该背景部分中所描述的以及在提交时可以不另外被作为是现有技术的多个方面的描述而言既不明确地也不隐含地被认可为是本发明的现有技术。

[0003] 内燃机在汽缸内燃烧空气和燃料混合物以驱动产生驱动转矩的活塞。经由节气门调节进入发动机的空气流量。更具体地，节气门调整节气门面积，从而增加或减少进入发动机的空气流量。随着节气门面积的增加，进入发动机的空气流量也增加。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/或实现期望的转矩输出。增加被提供给汽缸的空气和燃料的量会增加发动机的转矩输出。

[0004] 在火花点火发动机中，火花起始被提供给汽缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压缩点火发动机中，汽缸中的压缩燃烧被提供给汽缸的空气/燃料混合物。火花正时和空气流量可为用于调整火花点火发动机的转矩输出的主要机制，而燃料流量可为用于调整压缩点火式发动机的转矩输出的主要机制。

[0005] 已经开发了发动机控制系统来控制发动机输出转矩以实现期望转矩。然而，传统的发动机控制系统不会如期望那样准确地控制发动机输出转矩。例如，用于控制变量的反馈循环中的一些响应输出不能足够快地更新来提供接近实时反馈以允许准确发出命令。另外，传统的发动机控制系统不提供对控制信号的快速响应，也无法在影响发动机输出转矩的各种装置之间协调发动机转矩控制。因此，需要一种改进的发动机控制方法，其包括更快的响应变量和改进的控制精度。

发明内容

[0006] 一种用于控制车辆的发动机系统的方法包括基于驾驶员输入产生对发动机的空气转矩请求并且使用模型预测控制(MPC)用于基于空气转矩请求来识别多个可能目标值集合。多个可能目标值集合中的每一个包括可能目标有效节气门面积百分比。使用MPC以确定用于多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合。使用MPC以基于多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合来分别确定多个可能目标值集合中的每一个的成本值。使用MPC以基于成本值来选择多个可能目标值集合中的一个。基于多个可能目标值集合中的一个选定目标值集合来选择目标值集合，这些目标值集合包括目标有效节气门面积百分比。基于目标有效节气门面积百分比来确定节流阀的目标开度面积。基于目标开度面积来控制节流阀。

[0007] 在本发明的一个示例中，基于空气转矩请求来识别多个可能目标值集合(多个可能目标值集合中的每一个包括可能目标有效节气门面积百分比)进一步包括基于空气转矩请求来识别多个可能目标值集合(多个可能目标值集合中的每一个包括可能目标有效节气门面积百分比和可能目标有效废气门面积百分比)。

[0008] 在本发明的另一个示例中，基于多个可能目标值集合中的一个选定目标值集合来选择目标值集合(目标值集合包括目标有效节气门面积百分比)进一步包括基于多个可能目标值集合中的一个选定目标值集合来选择目标值集合(目标值集合包括目标有效节气门面积百分比和目标有效废气门面积百分比)。

[0009] 在本发明的又另一个示例中，基于空气转矩请求来识别多个可能目标值集合(多个可能目标值集合中的每一个包括可能目标有效节气门面积百分比)进一步包括基于空气转矩请求来识别多个可能目标值集合(多个可能目标值集合中的每一个包括可能目标有效节气门面积百分比、可能目标排气凸轮最大开度位置以及可能目标进气凸轮最大开度位置)。

[0010] 在本发明的又另一个示例中，确定分别用于多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合进一步包括基于多个测量干扰来分别确定多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合。

[0011] 在本发明的又另一个示例中，基于多个测量干扰来确定分别用于所述多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合进一步包括基于多个测量干扰和多个反馈输入来分别确定所述多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合。

[0012] 在本发明的又另一个示例中，基于多个测量干扰和多个反馈输入来分别确定用于多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合进一步包括基于多个测量干扰、爆震受限火花下的当前标准化空气流转矩、当前歧管压力、当前捕获比以及当前标准化泵平均有效压力来分别确定多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合。

[0013] 在本发明的又另一个示例中，基于多个测量干扰和多个反馈输入来分别确定用于多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合进一步包括基于一半质量燃烧(CA50)的当前曲轴角度、当前汽缸停用状态和缩放发动机转速以及多个反馈输入来分别确定多个可能目标值集合中的每一个的预测操作参数集合。

[0014] 在本发明的又另一个示例中，该方法进一步包括基于目标有效废气门面积百分比来确定废气门的目标开度面积并且基于废气门的目标开度面积来控制废气门阀，并且分别基于目标进气凸轮最大开度位置和目标排气凸轮最大开度位置来控制进气阀定相和排气阀定相。

[0015] 通过参考以下描述和附图，本发明的其它目的、方面和优点将变得更加明显，在附图中相同的附图标记指代相同的部件、元件或特征。

附图说明

[0016] 通过详细说明和附图将更完全地理解本发明，其中：

[0017] 图1是根据本发明的示例性发动机系统的功能框图；

[0018] 图2是根据本发明的示例性发动机控制系统的功能框图；

[0019] 图3是根据本发明的示例性发动机系统的功能框图；

[0020] 图4是根据本发明的示例性发动机系统的功能框图；并且

[0021] 图5是描绘根据本发明的使用模型预测控制来控制节流阀、进气阀和排气阀致动以及涡轮增压器的废气门的示例性方法的流程图。

具体实施方式

[0022] 发动机控制模块(ECM)控制发动机的转矩输出。更具体地，ECM基于根据所请求的转矩量推导的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凸轮最大开度位置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流阀，并且基于目标有效废气门面积百分比来控制涡轮增压器的废气门。

[0023] ECM可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)单独确定目标值。然而，当使用多个SISO控制器时，可设定目标值以保持系统稳定性，但是会以降低可能的燃料消耗为代价。另外，单独SISO控制器的校准和设计可能是昂贵和耗时的。

[0024] 本发明的ECM使用模型预测控制(MPC)模块来产生目标值。MPC模块识别可能目标值集合并且选择具有最低成本的一个可能目标值集合。MPC模块将目标值设定为一个选定集合的相应可能目标值。

[0025] 根据本发明，由MPC模块产生的目标值包括目标有效节气门面积百分比。更具体地，MPC模块确定可能目标值集合，其包括可能进气和排气凸轮最大开度位置、可能目标有效节气门面积百分比，以及可能目标有效废气门面积百分比。MPC模块选择这些可能目标值集合中的一个，并且将目标有效节气门面积百分比设定为一个选定集合的可能目标有效节气门面积百分比。MPC模块还将目标进气凸轮最大开度位置、目标排气凸轮最大开度位置以及目标有效废气门面积百分比分别设定为一个选定集合的可能目标进气凸轮最大开度位置、可能目标排气凸轮最大开度位置以及可能目标有效废气门面积百分比。

[0026] ECM将目标有效节气门面积百分比转换为目标节气门开度。产生目标有效节气门面积百分比和被转换成目标节气门开度的目标有效节气门面积百分比的MPC模块可提供比产生目标节气门开度的MPC模块更好的转矩响应特性。

[0027] 现在转向图1，提出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，其燃烧空气/燃料混合物以基于驾驶员输入模块104中的驾驶员输入产生用于车辆的转矩。发动机102可为汽油火花点火内燃机。

[0028] 空气通过节流阀112被吸入到进气歧管110中。仅作为示例，节流阀112可包括具有可旋转叶片的蝶形阀。发动机控制模块(ECM)114控制节气门致动器模块116，其调节该节流阀112的开度以控制吸入到进气歧管110中的空气的量。

[0029] 进气歧管110中的空气被吸入到发动机102的汽缸中。虽然发动机102可包括多个汽缸，但是为了说明目的，示出单个代表性汽缸118。仅作为示例，发动机102可包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个汽缸。ECM 114可指示汽缸致动器模块120选择性地停用一些汽缸，这在某些发动机操作条件下可提高燃料经济性。

[0030] 发动机102可使用四冲程循环来操作。下文描述的四个冲程可为称为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴(未示出)的每次转动期间，四个冲程中的两个冲程发生在汽缸118内。因此，汽缸118要经历所有四个冲程必须有两次曲轴转动。

[0031] 在进气冲程期间，进气歧管110中的空气通过进气阀122吸入到汽缸118中。ECM 114控制燃料致动器模块124，其调节燃料喷射器以实现目标空燃比。燃料可在中心位置处或诸如靠近每个汽缸的进气阀122的多个位置处喷射到进气歧管110中。在各种实施方案(未示出)中，燃料可被直接喷射到汽缸中或喷射到与汽缸相关联的混合室中。燃料致动器模块124可停止向已停用的汽缸喷射燃料。

[0032] 喷射的燃料与空气混合并且在汽缸118中形成空气/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。火花致动器模块126基于来自ECM 114的信号激励汽缸118中的火花塞128，从而点燃空气/燃料混合物。可相对于当活塞在其最顶部位置(称为上止点(TDC))的时间指定火花的正时。

[0033] 火花致动器模块126可受指定TDC之前或之后多久才产生火花的正时信号控制。因为活塞位置直接与曲轴旋转有关，所以火花致动器模块126的操作可与曲轴角度同步。产生火花可被称为点火事件。火花致动器模块126可具有改变每个点火事件的火花正时的能力。火花致动器模块126甚至可在火花正时在上一次点火事件与下一次点火事件之间发生改变时改变下一个点火事件的火花正时。火花致动器模块126可停止向已停用汽缸提供火花。

[0034] 在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧将活塞驱动离开TDC，由此驱动曲轴。燃烧冲程可被限定为活塞到达TDC与活塞返回到下止点(BDC)的时间之间的时间。在排气冲程期间，活塞开始从BDC移开并且通过排气阀130排出燃烧副产物。燃烧副产物经由排气系统134从车辆中排出。

[0035] 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。在各种实施方案中，多个进气凸轮轴(包括进气凸轮轴140)可控制汽缸118的多个进气阀(包括进气阀122)和/或可控制多组汽缸(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)可控制汽缸118的多个排气阀和/或可控制多组汽缸(包括汽缸118)的排气阀(包括排气阀130)。在各种其它实施方案中，进气阀122和/或排气阀130可由除凸轮轴以外的装置(诸如无凸轮阀致动器)控制。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将汽缸118停用。

[0036] 可由进气凸轮相位器148改变进气阀122相对于活塞TDC的打开时间。可由排气凸轮相位器150改变排气阀130相对于活塞TDC的打开时间。相位器致动器模块158可基于ECM 114中的信号来控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。在实施时，可变阀升程(未示出)还可受相位器致动器模块158控制。

[0037] 发动机系统100可包括涡轮增压器，其包括由流过排气系统134的热废气驱动的热涡轮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压缩通向节流阀112的空气。在各种实施方案中，由曲轴驱动的增压器(未示出)可压缩来自节流阀阀112的空气并且将压缩空气输送到进气歧管110。

[0038] 废气门162可允许排气绕过涡轮160-1，由此减少由涡轮增压器提供的增压(进气压缩的量)。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。在各种实施方案中，两个或更多个涡轮增压器可被实施并且可由增压致动器模块164控制。

[0039] 空气冷却器(未示出)可将热量从压缩充气传递到诸如发动机冷却剂或空气等冷却介质。使用发动机冷却剂来冷却压缩充气的空气冷却器可被称为中间冷却器。使用空气冷却压缩充气的空气冷却器可被称为增压空气冷却器。压缩充气可例如经由压缩和/或从排气系统134的部件接收热量。虽然为了说明目的而被示为分离的，但是涡轮160-1和压缩机160-2可彼此附接，从而将进气紧邻热排气。

[0040] 发动机系统100可包括废气再循环(EGR)阀170，其选择性地将废气重新引导回到进气歧管110。EGR阀170可位于涡轮增压器的涡轮160-1上游。EGR阀170可由EGR致动器模块172基于来自ECM 114的信号来控制。

[0041] 可使用曲轴位置传感器180来测量曲轴位置。可基于曲轴位置来确定曲轴转速(发动机转速)。可使用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182来测量发动机冷却剂的温度。ECT传感器182可位于发动机102内或其中有冷却剂循环的其它位置(诸如散热器(未示出))处。

[0042] 可使用歧管绝对压力(MAP)传感器184来测量进气歧管110内的压力。在各种实施方案中，可测量发动机真空，其是周围空气压力与进气歧管110内的压力之间的差值。可使用质量空气流量(MAF)传感器186来测量流入进气歧管110中的空气的质量流量。在各种实施方案中，MAF传感器186可位于也包括节流阀112的壳体中。

[0043] 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来监控节流阀112的位置。可使用节气门进气压力(TIAP)传感器191来测量输入到节流阀112的空气压力。可使用进气温度(IAT)传感器192来测量被吸入到发动机102中的空气的周围温度。发动机系统100还可包括一个或多个其它传感器193，诸如环境湿度传感器、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。

[0044] ECM 114可与变速器控制模块194进行通信以协调变速器(未示出)中的换挡。例如，ECM 114可减小换挡期间的发动机转矩。ECM 114可与混合动力控制模块196通信以协调发动机102和电动机198的操作。

[0045] 电动机198也可用作发电机，并且可用于产生电能以供车辆电气系统使用和/或存储在电池中。在各种实施方案中，ECM 114、变速器控制模块194和混合动力控制模块196的各种功能可被集成到一个或多个模块中。

[0046] 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可调整节流阀112的开度以实现目标节气门开度面积。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。相位器致动器模块158可控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以分别实现目标进气凸轮最大开度位置和目标排气凸轮最大开度位置。增压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门开度面积。汽缸致动器模块120控制汽缸停用以实现目标数量的启动或停用的汽缸。

[0047] ECM 114产生用于发动机致动器的目标值以使发动机102产生目标发动机输出转矩。如下面进一步讨论，ECM 114使用模型预测控制来产生用于发动机致动器的目标值。

[0048] 现在参考图2，提出了示例发动机控制系统的功能框图。ECM 114的示例实施方案包括驾驶员转矩模块202、车轴转矩仲裁模块204以及推进转矩仲裁模块206。ECM 114可包括混合动力优化模块208。ECM 114还包括储备/负载模块220、转矩请求模块224、空气控制模块228、火花控制模块232、汽缸控制模块236以及燃料控制模块240。

[0049] 驾驶员转矩模块202可基于来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入255来确定驾驶员转矩请求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，该巡航控制可为改变车速以维持预定跟随距离的自适应巡航控制系统。驾驶员转矩模块202可存储加速器踏板位置与目标转矩的一个或多个映射，并且可基于一个选定映射来确定驾驶员转矩请求254。驾驶员转矩模块202还可对驾驶员转矩请求254中的限速变化施加一个或多个滤波器。

[0050] 车轴转矩仲裁模块204在驾驶员转矩请求254与其它车轴转矩请求256之间做出仲裁。车轴转矩(车轮处的转矩)可通过包括发动机和/或电动机的各种来源产生。例如，车轴转矩请求256可包括在检测到正向车轮滑移时由牵引力控制系统请求的转矩减小。当车轴转矩克服车轮与路面之间的摩擦时，发生正向车轮滑移，且车轮开始滑向路面。车轴转矩请求256还可包括转矩增加请求以抵消负向车轮滑移，其中由于车轴转矩为负，车辆轮胎相对于路面沿着另一个方向滑移。

[0051] 车轴转矩请求256还可包括制动管理请求和车辆超速转矩请求。制动管理请求可减小车轴转矩以确保车轴转矩不超过制动器在车辆停止时保持车辆的能力。车辆超速转矩请求可减小车轴转矩以防止车辆超过预定速度。车轴转矩请求256也可由车辆稳定性控制系统来产生。

[0052] 车轴转矩仲裁模块204基于接收到的转矩请求254和256之间的仲裁结果来输出预测转矩请求257和即时转矩请求258。如下所述，来自车轴转矩仲裁模块204的预测转矩请求257和即时转矩请求258可在用于控制发动机致动器之前由ECM 114的其它模块选择性地调整。

[0053] 一般而言，即时转矩请求258可为当前期望的车轴转矩的量，而预测转矩请求257可为临时通知时可能需要的车轴转矩的量。ECM 114控制发动机系统100以产生等于即时转矩请求258的车轴转矩。然而，目标值的不同组合可能导致相同的车轴转矩。ECM 114因此可调整目标值以使得能够更快地转变到预测转矩请求257，同时仍将车轴转矩维持在即时转矩请求258处。

[0054] 在各种实施方案中，可基于驾驶员转矩请求254来设定预测转矩请求257。在一些情况下，诸如当驾驶员转矩请求254使车轮在结冰路面上滑移时，即时转矩请求258可被设定为小于预测转矩请求257。在此情况下，牵引力控制系统(未示出)可经由即时转矩请求258请求减小，并且ECM 114将发动机转矩输出减小到即时转矩请求258。然而，ECM 114执行减小，因此一旦车轮停止滑移，发动机系统100可快速恢复产生预测转矩请求257。

[0055] 一般而言，即时转矩请求258与(通常较高的)预测转矩请求257之间的差值可被称为快速转矩储备。快速转矩储备可表示发动机系统100可开始例如通过调整火花正时以最小延迟开始产生的附加转矩的量(高于即时转矩请求258)。快速发动机致动器用于以最小延迟增加或减少当前的车轴转矩。快速发动机致动器的定义与慢速发动机致动器相反。

[0056] 一般而言，快速发动机致动器可比慢速发动机致动器更快地改变车轴转矩。与快速致动器相比，慢速致动器对它们相应的目标值的变化反应可能会更慢。例如，慢速致动器可包括响应于目标值的变化而需要时间来从一个位置移动到另一个位置的机械部件。慢速致动器的特征还可在于车轴转矩在一旦慢速致动器开始实施改变的目标值就立即开始改变所花费的时间量。通常，慢速致动器的时间量将会长于快速致动器。另外，即使在开始改变之后，车轴转矩可能花费更长的时间来完全响应慢速致动器的变化。

[0057] 仅作为示例，火花致动器模块126可为快速致动器。火花点火发动机可通过施加火花来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可为慢速致动器。

[0058] 例如，如上所述，火花致动器模块126甚至可在火花正时在上一次点火事件与下一次点火事件之间发生改变时改变下一个点火事件的火花正时。相比之下，节气门开度的变化需要更长的时间来影响发动机输出转矩。节气门致动器模块116通过调整节流阀112的叶片的角度来改变节气门开度。因此，当节流阀112的开度的目标值改变时，随着节流阀112响应于该改变而从其前一个位置移动到新位置，存在机械延迟。另外，基于节气门开度的空气流量变化受制于进气歧管110中的空气运输延迟。另外，进气歧管110中增加的空气流量不能被实现为发动机输出转矩的增加，直到汽缸118在下一个进气冲程中接收到附加的空气，压缩附加的空气并开始燃烧冲程为止。

[0059] 使用这些致动器作为示例，通过将节气门开度设定为将允许发动机102产生预测转矩请求257的值，可产生快速转矩储备。同时，可基于小于预测转矩请求257的即时转矩请求258来设定火花正时。虽然节气门开度产生足够的空气流量以使发动机102产生预测转矩请求257，但是基于即时转矩请求258将火花正时延迟(从而减小了转矩)。发动机输出转矩因此将等于即时转矩请求258。

[0060] 当需要附加转矩时，可基于预测转矩请求257或预测转矩请求257与即时转矩请求258之间的转矩来设定火花正时。通过随后的点火事件，火花致动器模块126可将火花正时恢复到最佳值，这允许发动机102产生可用已经存在的空气流量实现的全发动机输出转矩。
发动机输出转矩因此可快速地增加到预测转矩请求257而不经历从改变节气门开度的延迟。

[0061] 车轴转矩仲裁模块204可将预测转矩请求257和即时转矩请求258输出到推进转矩仲裁模块206。在各种实施方案中，车轴转矩仲裁模块204可将预测转矩请求257和即时转矩请求258输出到混合动力优化模块208。

[0062] 混合动力优化模块208可确定发动机102应当产生多少转矩以及电动机198应当产生多少转矩。混合动力优化模块208然后分别将修改的预测转矩请求259和即时转矩请求260输出到推进转矩仲裁模块206。在各种实施方案中，混合动力优化模块208可在混合动力控制模块196中实施。

[0063] 由推进转矩仲裁模块206接收的预测和即时转矩请求从车轴转矩域(车轮处的转矩)转换成推进转矩域(曲轴处的转矩)。该转换可发生在混合动力优化模块208之前、之后、作为其一部分或代替混合动力优化模块208。

[0064] 推进转矩仲裁模块206在推进转矩请求290(包括转换的预测转矩请求和即时转矩请求)之间进行仲裁。推进转矩仲裁模块206产生仲裁的预测转矩请求261和仲裁的即时转矩请求262。仲裁转矩请求261和262可通过从接收的转矩请求中选择获胜请求来产生。替代地或另外，仲裁转矩请求可通过基于一个接收的请求来修改另外的一个或多个接收的转矩请求。

[0065] 例如，推进转矩请求290可包括用于发动机超速保护的转矩减小、用于失速防止的转矩增加以及由变速器控制模块194请求以适应换挡的转矩减小。推进转矩请求290也可由离合器燃料切断引起，该离合器燃料切断在驾驶员踩下手动变速器车辆中的离合器踏板时减小发动机输出转矩以防止发动机转速的剧增。

[0066] 推进转矩请求290还可包括发动机关闭请求，该发动机关闭请求可在检测到严重故障时起始。仅作为示例，严重故障可包括检测车辆盗窃、起动电动机卡住、电子节气门控制问题以及意外的转矩增加。在各种实施方案中，当存在发动机关闭请求时，仲裁选择发动机关闭请求作为获胜请求。当发动机关闭请求存在时，推进转矩仲裁模块206可输出零作为仲裁的预测转矩请求261和即时转矩请求262。

[0067] 在各种实施方案中，发动机关闭请求可简单地独立于仲裁过程而关闭发动机102。推进转矩仲裁模块206仍然可接收发动机关闭请求，使得例如可将适当的数据反馈给其它转矩请求器。例如，可通知所有其它转矩请求器它们已经输了仲裁。

[0068] 储备/负载模块220接收仲裁的预测转矩请求261和即时转矩请求262。储备/负载模块220可调整仲裁的预测转矩请求261和即时转矩请求262以产生快速转矩储备和/或补偿一个或多个负载。储备/负载模块220然后将调整的预测转矩请求263和即时转矩请求264输出到转矩请求模块224。

[0069] 仅作为示例，催化剂起燃过程或冷起动排放减少过程可能需要延迟的火花正时。储备/负载模块220因此可将调整的预测转矩请求263增加到调整的即时转矩请求264之上，以为冷启动排放减少过程产生延迟的火花。在另一个示例中，发动机的空燃比和/或质量空气流量可(诸如通过诊断侵入式当量比测试和/或新型发动机净化)直接改变。在开始这些过程之前，可产生或增加快速转矩储备以快速抵消在这些过程期间由于空气/燃料混合物稀薄而引起的发动机输出转矩的降低。

[0070] 储备/负载模块220还可在预期未来负载(诸如动力转向泵操作或空调(A/C)压缩机离合器的接合)的情况下产生或增加快速转矩储备。当驾驶员首先请求进行空气调节时，可产生用于A/C压缩机离合器的储备。储备/负载模块220可增加调整的预测转矩请求263，同时使调整的即时转矩请求264不变以产生转矩储备。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转矩请求264。

[0071] 转矩请求模块224接收调整的预测转矩请求263和即时转矩请求264。转矩请求模块224确定将如何实现调整的预测转矩请求263和即时转矩请求264。转矩请求模块224可为发动机类型所特有的。例如，转矩请求模块224可不同地实施，或针对火花点火发动机相对于压缩点火发动机使用不同的控制方案。

[0072] 在各种实施方案中，转矩请求模块224可限定在所有发动机类型中所共有的模块与发动机类型所特有的模块之间的边界。例如，发动机类型可包括火花点火和压缩点火。在转矩请求模块224之前的模块(诸如推进转矩仲裁模块206)可在整个发动机类型中是共有的，而转矩请求模块224和随后的模块可为发动机类型所特有的。

[0073] 转矩请求模块224基于调整的预测转矩请求263和即时转矩请求264来确定空气转矩请求265。空气转矩请求265可为制动转矩。制动转矩可指代在当前操作条件下曲轴处的转矩。

[0074] 空气流量控制发动机致动器的目标值是基于空气转矩请求265来确定。更具体地，空气控制模块228基于空气转矩请求265确定目标有效废气门面积百分比266、目标有效节气门面积百分比267、目标进气凸轮最大开度位置269以及目标排气凸轮最大开度位置270。空气控制模块228使用如下文进一步讨论的模型预测控制来确定目标有效废气门面积百分比266、目标有效节气门面积百分比267、目标进气凸轮最大开度位置269以及目标排气凸轮最大开度位置270。

[0075] 增压致动器模块164控制废气门162以实现目标有效废气门面积百分比266。例如，第一转换模块272可将目标有效废气门面积百分比266转换成要施加到废气门162的目标占空比274，并且增压致动器模块164可基于目标占空比274向废气门162施加信号。在各种实施方案中，第一转换模块272可将目标有效废气门面积百分比266转换成目标废气门位置(未示出)，并且将目标废气门位置转换成目标占空比274。

[0076] 节气门致动器模块116控制节流阀112以实现目标有效节气门面积百分比267。例如，第二转换模块276可将目标有效节气门面积百分比267转换成要施加到节流阀112的目标占空比278，并且节气门致动器模块116可基于目标占空比278向节流阀112施加信号。在各种实施方案中，第二转换模块276可将目标有效节气门面积百分比267转换成目标节气门位置(未示出)，并且将目标节气门位置转换成目标占空比278。

[0077] EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR开度面积268。例如，第三转换模块280可将目标EGR开度面积268转换成要施加到EGR阀170的目标占空比282，并且EGR致动器模块172可基于目标占空比282向EGR阀170施加信号。在各种实施方案中，第三转换模块280可将目标EGR开度面积268转换成目标EGR位置(未示出)，并且将目标EGR位置转换成目标占空比282。

[0078] 相位器致动器模块158控制进气凸轮相位器148以实现目标进气凸轮最大开度位置269。相位器致动器模块158还控制排气凸轮相位器150以实现目标排气凸轮最大开度位置270。在各种实施方案中，可包括第四转换模块(未示出)并且可分别将目标进气和排气凸轮最大开度位置转换成目标进气占空比和目标排气占空比。相位器致动器模块158可分别将目标进气占空比和目标排气占空比施加到进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。在各种实施方案中，空气控制模块228可确定目标重叠因子和目标有效排量，并且相位器致动器模块158可控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150，以实现目标重叠因子和目标有效排量。

[0079] 转矩请求模块224还可基于预测转矩请求263和即时转矩请求264产生火花转矩请求283、汽缸关闭转矩请求284以及燃料转矩请求285。火花控制模块232可基于火花转矩请求283确定从最佳火花正时延迟多少时间(其降低发动机输出转矩)。例如，转矩关系可进行逆运算以求解目标火花正时286。对于给定的转矩请求(TReq)，可基于以下关系式来确定目标火花正时(ST)286：

[0080] (1)ST＝f-1(TReq,PC,I,E,AF,OT,#)，

[0081] 其中APC是APC，I是进气阀定相值，E是排气阀定相值，AF是空燃比，OT是油温，并且#是启动汽缸的数量。这种关系可被实施为方程和/或查找表。如由燃料控制模块240报告的，空燃比(AF)可为实际的空燃比。

[0082] 在火花正时被设定为最佳火花正时的情况下，所得转矩可尽可能接近最佳转矩的最小火花提前(MBT火花正时)。最佳转矩是指在使用辛烷值大于预定辛烷值的燃料并且使用化学计量燃料供给的同时在火花正时提前的情况下针对给定的空气流量产生的最大发动机输出转矩。该最佳转矩出现的火花正时被称为MBT火花正时。由于例如燃料质量(诸如当使用较低辛烷值燃料时)和环境因素(诸如环境湿度和温度)，最佳火花正时可能与MBT火花正时略有不同。最佳火花正时处的发动机输出转矩因此可能小于MBT。仅作为示例，可在车辆设计的校准阶段期间确定与不同的发动机操作条件对应的最佳火花正时的表格，并且基于当前的发动机操作条件来根据该表格确定最佳值。

[0083] 汽缸控制模块236可使用汽缸关闭转矩请求284来确定停用的汽缸的目标数量287。在各种实施方案中，可使用要启动的目标数量的汽缸。汽缸致动器模块120基于目标数量287选择性地启动和停用汽缸的阀。

[0084] 汽缸控制模块236还可指示燃料控制模块240停止为停用汽缸提供燃料，并且可指示火花控制模块232停止为停用汽缸提供火花。一旦已经存在于汽缸中的燃料/空气混合物已经燃烧，火花控制模块232就可停止向汽缸提供火花。

[0085] 燃料控制模块240可基于燃料转矩请求285改变被提供给每个汽缸的燃料的量。更具体地，燃料控制模块240可基于燃料转矩请求285产生目标燃料供给参数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。

[0086] 在正常操作期间，燃料控制模块240可以空气提前模式操作，其中燃料控制模块240通过基于空气流量控制燃料供给来试图维持化学计量的空燃比。例如，燃料控制模块
240可确定与当前单缸空气质量(APC)结合时将产生化学计量的燃烧的目标燃料质量。

[0087] 现在参考图3，说明且现在将描述MPC模块312和发动机102的示例实施方案的功能框图。MPC模块312具有若干输入，向发动机102的空气致动器提供若干命令，并且接收测量的发动机102输出。MPC模块312将空气致动器命令输出到发动机102的特定致动器。更具体地，在若干输入中有参考输出设定点602、参考输入设定点604以及测量干扰606。参考输出设定点602包括用于在爆震受限火花下的标准化空气流量转矩、标准化MAP、捕获比以及标准化泵平均有效压力(PMEP)的参考输出参数。测量的发动机输出608包括在爆震受限火花下的标准化空气流量转矩、标准化MAP、捕获比和标准化PMEP的实际或估计测量值。

[0088] 测量干扰606包括例如缩放发动机转速、汽缸停用状态以及CA50(对于特定汽缸，喷射燃料质量的50％已被燃烧时的曲轴角度)。在MPC的计算中使用测量干扰来提供空气致动器命令ucom，其比单独的模型发动机更准确地预测发动机102的模型。空气致动器命令610包括进入空气致动器的占空比命令612、614、616、618，这些命令实现目标有效节气门面积百分比267、目标废气门面积百分比266、目标排气凸轮最大开度位置270以及目标进气凸轮最大开放位置269。

[0089] 图4是空气控制模块228的示例实施方案的功能框图。现在参考图2和4，如上文所讨论，空气转矩请求265可为制动转矩。转矩转换模块304将空气转矩请求265从制动转矩转换成基本转矩。将空气转矩请求265转换为基本转矩所产生的转矩请求将被称为基本空气转矩请求308。

[0090] 基本转矩可指代当发动机102暖和时在发动机102的操作期间以测力计取得的曲轴处的转矩，且没有配件(诸如交流发电机和A/C压缩机)在发动机102上施加转矩负载。转矩转换模块304可例如使用使制动转矩与基本转矩相关的映射或函数将空气转矩请求265转换为基本转矩请求308。在各种实施方案中，转矩转换模块304可将空气转矩请求265转换为另一种合适类型的转矩，诸如所指示的转矩。所指示的转矩可指代归因于经由汽缸内的燃烧产生的功在曲轴处取得的转矩。

[0091] MPC模块312使用MPC(模型预测控制)产生目标值266、267、269、270和目标压力比320。MPC模块312可为单个模块或可包括多个模块。例如，MPC模块312可包括序列确定模块
316。

[0092] 序列确定模块316确定可在N个未来控制循环期间一起使用的可能目标值序列。由序列确定模块316识别的每个可能序列包括N个目标值的一个序列。更具体地，每个可能序列包括用于目标有效废气门面积百分比266的N个值的序列、用于目标压力比320的N个值的序列、用于目标进气凸轮最大开度位置269的N个值的序列，以及用于目标排气凸轮最大开度位置270的N个值的序列。N个值中的每一个用于N个未来控制循环中的一个对应未来控制循环。N是大于或等于1的整数。

[0093] 预测模块323基于发动机102的数学模型324、测量干扰328以及反馈输入330来分别确定发动机102对可能目标值序列的预测响应。更具体地，基于可能目标值序列、测量干扰328以及反馈输入330，预测模块323使用模型324产生用于N个控制循环的发动机102的N个预测转矩的序列、用于N个控制循环的N个预测APC的序列、用于N个控制循环的N个预测捕获比的序列、用于N个控制循环的N个预测燃烧定相值的序列，以及用于N个控制循环的N个预测燃烧质量值的序列。

[0094] 虽然描述了产生预测转矩、预测APC、预测捕获比、预测燃烧定相以及预测燃烧质量的示例，但是预测参数也可包括一个或多个其它预测发动机操作参数。例如，可预测效率参数来代替预测的APC，并且效率参数可为预测转矩除以预测的APC。

[0095] 模型324可包括例如基于发动机102的特性校准的一个或多个函数或映射。扫气可指代吸入的空气在由进气阀与排气阀之间的正压力梯度引起的进气冲程期间流入进气阀并且然后离开排气阀的现象。捕获比可指代在进气冲程期间在汽缸中捕获的空气量与在同一进气冲程期间流过所有进气阀的空气总量的比。燃烧定相可指代曲轴位置相对于预定曲轴位置，在曲轴位置中，喷射的预定量的燃料在汽缸内燃烧，该预定曲轴位置燃烧预定量的喷射燃料。例如，燃烧定相可以CA50相对于预定CA50来表达。预定CA50可对应于其中从喷射的燃料产生最大功量的CA50，并且在各种实施方案中在TDC(上止点)之后可为大约8.5度到大约10度。虽然燃烧定相将根据CA50值进行讨论，但是也可使用指示燃烧定相的另一个合适的参数。另外，虽然燃烧质量将被讨论为指示平均有效压力(IMEP)值的变化系数(COV)，但是也可使用指示燃烧质量的另一个合适的参数。

[0096] 测量干扰328可包括不直接受节流阀112、涡轮增压器、进气凸轮相位器148以及排气凸轮相位器150影响的参数。例如，测量干扰328可包括缩放发动机转速、IAT、CA50、汽缸停用状态(AFM)和/或一个或多个其它参数。

[0097] 反馈输入330可包括例如发动机102的爆震受限火花下的标准化空气流量转矩、估计或测量的捕获比、标准化为大气压力的歧管压力184、标准化泵平均有效压力(PMEP)和/或一个或多个其它合适的参数。可使用传感器(例如，MAP)来测量和/或基于一个或多个其它参数来估计反馈输入330。

[0098] 例如，预测模块323可基于以下关系为可能目标值的给定序列产生预测参数：

[0099] x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)；以及

[0100] y(k)＝Cx(k)

[0101] 其中x(k+1)是具有指示用于下一个控制循环k+1的发动机102的状态的条目的向量，A是包括基于发动机102的特性校准的常数值的矩阵，x(k)是具有指示用于第k个控制循环的发动机102的状态的条目的矢量，B是包括基于发动机102的特性校准的常数值的矩阵，u(k)是包括用于第k个控制循环的可能目标值的条目的向量，y(k)是包括用于第k个控制循环的预测参数的向量，并且C是包括基于发动机102的特性校准的常数值的矩阵。在第k个控制循环期间确定的向量x(k+1)将用作下一个控制循环k+1的向量x(k)。

[0102] 该关系也可被写为：

[0103] x(k)＝Ax(k-1)+Bu(k-1)；以及

[0104] y(k)＝Cx(k).

[0105] 其中k是控制循环，x(k-1)是具有指示用于上一个控制循环的发动机102的状态的条目的向量，A是包括基于发动机102的特性校准的常数值的矩阵，x(k)是具有指示用于第k个控制循环的发动机102的状态的条目的矢量，B是包括基于发动机102的特性校准的常数值的矩阵，u(k-1)是包括用于上一个控制循环的可能目标值的条目的向量。

[0106] 预测模块323为N个未来控制循环中的M个未来控制循环中的每一个未来控制循环产生预测参数，其中M是大于零并且小于或等于N的整数(即，k＝0、1、…M)。换言之，用于确定预测参数的控制循环的数量可小于或等于目标值中的控制循环的数量。

[0107] 现在将描述可如何针对包括预测转矩、预测的外部稀释度、预测的残余稀释度、预测的燃烧定相以及预测的燃烧质量的预测参数的示例重写上述关系的组成。向量x(k+1)可被重写为：

[0108]

[0109] 其中x1(k+1)是用于下一个控制循环的发动机102的第一状态参数，x2(k+1)是用于下一个控制循环的发动机102的第二状态参数，x3(k+1)是用于下一个控制循环的发动机102的第四状态参数，x5(k+1)是用于下一个控制循环的发动机102的第五状态参数，并且x6(k+1)是用于下一个控制循环的发动机102的第六状态参数。

[0110] 矩阵A可被重写为：

[0111]

[0112] 其中a11到a66是基于发动机102的特性校准的常数值。

[0113] 向量x(k)可被重写为：

[0114]

[0115] 其中x1(k)是用于第k个控制循环的发动机102的第一状态参数，x2(k)是用于第k个控制循环的发动机102的第二状态参数，x3(k)是用于第k个控制循环的发动机102的第三状态参数，x4(k)是用于第k个控制循环的发动机102的第四状态参数，x5(k)是用于第k个控制循环的发动机102的第五状态参数，并且x6(k)是用于第k个控制循环的发动机102的第六状态参数。向量x(k)的条目是针对上一个控制循环计算的向量x(k+1)的条目。针对第k个控制循环计算的向量x(k+1)的条目作为向量x(k)的条目用于下一个控制循环。

[0116] 矩阵B可被重写为：

[0117]

[0118] 其中b11到b65是基于发动机102的特性校准的常数值。

[0119] 向量u(k)可被重写为：

[0120]

[0121] 其中PTTB(k)是用于第k个控制循环的可能序列的可能目标节气门面积百分比，PTWG(k)是用于第k个控制循环的可能序列的可能目标废气门面积百分比，PTICOP(k)是用于第k个控制循环的可能序列的可能目标进气凸轮最大开度位置，并且PTECOP(k)是用于第k个控制循环的可能序列的可能目标排气凸轮最大开度位置。

[0122] 向量y(k)可被重写为：

[0123]

[0124] 其中PT(k)是用于第k个控制循环的发动机102的预测转矩，PMAP(k)是用于第k个控制循环的被标准化为大气压力的预测歧管压力184，PTRAP(k)是用于第k个控制循环的预测捕获比，并且PPL(k)是用于第k个控制循环的预测标准化泵平均有效压力(PMEP)。矩阵C可被重写为：

[0125]

[0126] 其中c11到c46是基于发动机102的特性校准的常数值。

[0127] 对于不同的操作条件，模型324包括A、B和C矩阵的若干不同集合。预测模块323基于发动机转速、发动机负载和/或一个或多个其它参数来选择使用A、B和C矩阵的哪个集合。

[0128] 对于包括预测的转矩预测APC、预测的外部稀释度、预测的残余稀释度、预测的燃烧定相以及预测的燃烧质量的预测参数的示例，上述关系因此可被重写为：

[0129]

[0130] 以及

[0131]

[0132] 成本模块332基于针对可能序列和输出参考值356确定的预测参数来确定每个可能目标值序列的成本值。下面将进一步讨论示例性成本确定。

[0133] 选择模块344分别基于可能序列的成本来选择一个可能目标值序列。例如，选择模块344可选择具有最低成本同时满足目标约束348和预测约束352的一个可能序列。在各种实施方案中，模块324可选择具有最低成本同时满足目标约束348和预测约束352的一个可能序列。

[0134] 在各种实施方案中，在成本确定中可视为满足预测约束352。换言之，成本模块332可进一步基于预测约束352来确定成本值。

[0135] 选择模块344可将目标值266、267、269、270分别设定为选定可能序列的N个值中的第一个。换言之，选择模块344可将目标有效废气门面积百分比266设定为用于目标有效废气门面积百分比266的N个值的序列中的N个值中的第一个，将目标有效节气门面积百分比267设定为用于目标有效节气门面积百分比267的N个值的序列中的N个值中的第一个，将目标进气凸轮最大开度位置269设定为用于目标进气凸轮最大开度位置269的N个值的序列中的N个值中的第一个，并且将目标排气凸轮最大开度位置270设定为用于目标排气凸轮最大开度位置270的N个值的序列中的N个值中的第一个。

[0136] 在下一个控制循环期间，MPC模块312识别可能序列，产生可能序列的预测参数，确定每个可能序列的成本，一个可能序列的选择，并且将目标值266、267、269、270分别设定为选定可能序列中的那些目标值中的第一个。该过程针对每个控制循环而继续进行。

[0137] 目标约束模块360(参见图2)为目标值266、267、269、270中的每一个设定目标约束348。换言之，目标约束模块360设定用于目标有效节气门面积百分比267的目标约束、用于目标有效废气门面积百分比266的目标约束、用于目标进气凸轮最大开启位置269的目标约束以及用于目标排气凸轮最大开度位置270的目标约束。

[0138] 目标值266、267、269、270中的每一个的目标约束348可包括相关目标值的最大值和该目标值的最小值。目标约束模块360通常可将目标约束348分别设定为节流阀112、废气门162、进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150的预定操作范围。然而，在一些情况下，目标约束模块360可改变一个或多个目标约束348。

[0139] 对于目标有效节气门面积百分比267，最大值可对应于节流阀112的最大可能有效节气门面积百分比267。仅作为示例，有效目标节气门面积百分比267的最大值可为大约100％或另一个合适的值。

[0140] 预测约束模块364(参见图2)为发动机102的预测转矩输出、预测CA50、IMEP的预测COV、预测的捕获比设定预测约束352。每一个预测值的预测约束352可包括相关预测参数的最大值和该预测参数的最小值。例如，预测约束352可包括最小转矩、最大转矩、最小CA50和最大CA50、IMEP的最小COV以和IMEP的最大COV，以及最小捕获比和最大捕获比。

[0141] 预测约束模块364通常可将预测约束352分别设定为相关预测参数的预定范围。然而，在一些情况下，预测约束模块364可改变一个或多个预测约束352。

[0142] 参考模块368(参见图2)产生分别用于目标值266、267、269、270的参考值356。参考值356包括用于对目标值266、267、269、270中的每一个的参考。换言之，参考值356包括参考有效废气门面积百分比、节流阀112的参考有效节气门面积百分比、参考进气凸轮最大开度位置以及参考排气凸轮最大开度位置。

[0143] 参考模块368可例如基于空气转矩请求265和/或基本空气转矩请求308来确定参考值356。参考值356提供用于分别设定目标值266、267、269、270的参考。如下面进一步讨论，参考值356可用于确定可能序列的成本值。参考值356也可用于一个或多个其它原因，诸如由于序列确定模块316确定可能序列。

[0144] 代替或者除了产生可能目标值的序列并且确定每个序列的成本之外，MPC模块312可使用凸优化技术来识别具有最低成本的可能目标值的序列。例如，MPC模块312可使用诸如Dantzig QP求解器等二次规划(QP)求解器来确定目标值266、267、269、270。在另一个示例中，MPC模块312可产生目标值266、267、269、270的可能序列的成本值的表面，并且基于成本表面的斜率来识别具有最低成本的可能目标值的序列。MPC模块312然后可测试该可能目标值序列以确定该可能目标值序列是否满足目标约束348。如上面所讨论，如果满足目标约束348，则选择模块312可将目标值266、267、269、270分别设定为该选定可能序列的N个值中的第一个。

[0145] 如果不满足目标约束348，则MPC模块312选择具有次最低成本的可能目标值的另一个序列，并且测试该可能目标值序列以满足目标约束348。选择序列和测试序列以满足目标约束348的过程可被称为迭代。在每个控制循环期间可执行多次迭代。

[0146] MPC模块312执行迭代直到识别具有满足目标约束348的最低成本的序列。以此方式，MPC模块312选择具有最低成本同时满足目标约束348和预测约束352的可能目标值序列。如果序列不能被识别，则MPC模块312可指示没有解可用。

[0147] 成本模块332可基于以下各项之间的关系来确定目标值266、267、269、270的可能序列的成本：预测转矩与转矩请求；可能目标值与相应的目标约束348；预测参数与相应的预测约束352；以及可能目标值与相应的参考值356。例如，可对关系进行加权以控制每个关系对成本的影响。

[0148] 仅作为示例，成本模块332可基于或使用以下方程式来确定目标值266、267、269、270的可能序列的成本：

[0149]

[0150] 该方程受制于目标约束348和预测约束352。Cost是266、267、269、270的可能序列的成本值，TPi是N个控制循环中的第i个控制循环的发动机102的预测转矩，BTRi是N个控制循环中的第i个控制循环的基本空气转矩请求，并且wT是和预测转矩与转矩请求之间的关系相关联的加权值。BATR1是基本空气转矩请求308。在各种实施方案中，BATR BATR2到BATRN也可被设定为基本空气转矩请求308，或者BATR BATR2到BATRN可基于对N个控制循环中的未来控制循环的未来发动机转矩请求来设定。

[0151] ρ是与满足预测约束352相关联的加权值。ε是可基于是否将满足预测约束352而设定成本模块332的变量。例如，当预测参数大于或小于对应的最小值或最大值(例如，大或小至少预定量)时，成本模块332可增加ε。成本模块332可在满足所有预测约束352时将ε设定为零。ρ可大于加权值wT和下面讨论的其它加权值(wTB、wWG、wIP、wEP)，使得如果不满足一个或多个预测约束352，则针对可能序列确定的成本将较大。这可有助于防止在不满足一个或多个预测约束352的情况下选择可能序列。

[0152] 例如，上述方程可被扩展为：

[0153]

[0154] 该方程再次受制于目标约束348和预测约束352。PTTBi是用于N个控制循环中的第i个控制循环的节流阀112的可能目标有效节气门面积百分比，TBRef是节流阀112的参考有效节气门面积百分比，并且wTB是与以下各项之间的关系相关联的加权值：可能目标有效节气门面积百分比与参考有效节气门面积百分比。PTWGOi是用于N个控制循环中第i个控制循环的可能目标有效废气门面积百分比，WGORef是参考有效废气门面积百分比，wWG是与以下各项之间的关系相关联的加权值：可能目标有效废气门面积百分比与参考有效废物门面积百分比。

[0155] PTICi是用于N个控制循环中的第i个控制循环的可能目标进气凸轮最大开度位置，ICPRef是参考进气凸轮最大开度位置，并且wIP是与以下各项之间的关系相关联的加权值：可能目标进气凸轮最大开度位置与参考进气凸轮最大开度位置。PTECi是用于N个控制循环中的第i个控制循环的可能目标排气凸轮最大开度位置，ECPRef是参考排气凸轮最大开度位置，并且wEP是与以下各项之间的关系相关联的加权值：可能目标排气凸轮最大开度位置与参考排气凸轮最大开度位置。

[0156] 加权值wT可大于加权值wPR、wWG、wIP和wEP。以此方式，预测的发动机转矩与基本空气转矩请求之间的关系对成本有较大影响，并且因此对如下面进一步讨论的一个可能序列的选择有较大影响。随着预测发动机转矩与基本空气转矩请求之间的差值增加，成本增加，且反之亦然。加权值wTB、wWG、wIP和wEP可小于所有其它加权值。以此方式，在稳态操作期间，目标值266、267、269、270可分别稳定在参考值356附近或稳定为参考值356。然而，在瞬态操作期间，MPC模块312可将目标值266、267、269、270调整为远离参考值356以实现基本空气转矩请求308，同时满足目标约束348和预测约束352。

[0157] 节气门致动器模块116基于目标节气门开度面积百分比267来控制节流阀112。MPC模块312确定目标压力比320并且基于目标压力比320确定目标节气门开度面积百分比267可提供比MPC模块312确定目标节气门开度面积百分比267的实施方案更好的转矩响应特性(例如，更快且更少的过冲和/或欠冲)。

[0158] 现在参考图5，提出了描绘使用MPC(模型预测控制)来控制节流阀112、进气凸轮相位器148、排气凸轮相位器150和废气门162(并且因此控制涡轮增压器)的示例方法的流程图。控制可开始于504，其中转矩请求模块224基于调整的预测转矩请求263和即时转矩请求264来确定空气转矩请求265。

[0159] 在508处，转矩转换模块304可将空气转矩请求265转换成基本空气转矩请求308或由MPC模块312使用的另一个适当类型的转矩。

[0160] 序列确定模块316在512处确定目标值266、267、269、270的可能序列。在516处，预测模块323确定目标值266、267、269、270的每个可能序列的预测参数。预测模块323基于发动机102的模型324、测量干扰328以及反馈输入330来确定可能序列的预测参数。更具体地，基于目标值266、267、269、270的可能序列、测量干扰328以及反馈输入330，预测模块323使用模型324可产生用于N个控制循环的发动机102的N个预测转矩的序列、用于N个控制循环的N个预测APC的序列、用于N个控制循环的外部稀释度的N个预测量的序列、用于N个控制循环的残余稀释度的N个预测量的序列、用于N个控制循环的N个预测燃烧定相值的序列以及用于N个控制循环的N个预测燃烧质量值的序列。

[0161] 成本模块332在520处确定分别用于可能序列的成本。仅作为示例，成本模块332可使用方程

[0162]

[0163] 或方程：

[0164]

[0165] 来确定目标值266、267、269、270的可能序列的成本，这些方程受制于如上面讨论的目标约束348和预测约束352。

[0166] 在524处，选择模块344基于可能序列的成本来分别选择目标值266、267、269、270的一个可能序列。例如，选择模块344可选择具有最低成本的一个可能序列。代替或者除了在524处确定可能目标值序列并且确定每个序列的成本之外，如上面所讨论，MPC模块312可使用凸优化技术来识别具有最低成本的可能目标值的序列。

[0167] 在528处，MPC模块312可确定一个选定可能序列是否满足目标约束348。如果528为真，则控制继续进行到536。如果528为假，则MPC模块312可在532处选择具有次最低成本的另一个可能序列，并且控制可返回到528。以此方式，将使用具有满足目标约束348的最低成本的序列。

[0168] 在552处，第一转换模块272将目标废气门开度面积266转换成要施加到废气门162的目标工作循环274，第二转换模块276将目标节气门开度面积百分比267转换成要施加到节流阀112的目标工作循环278。第三转换模块还可将目标进气凸轮最大开度位置269和目标排气凸轮最大开度位置270转换成分别要施加到进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150的目标进气工作循环和排气工作循环。

[0169] 在556处，节气门致动器模块116控制节流阀112以实现目标节气门开度区域267，并且相位器致动器模块158控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以实现目标进气凸轮最大开度位置269和目标排气凸轮最大开度位置270。例如，节气门致动器模块116可以目标工作循环278向节流阀112施加信号以实现目标节气门开度面积百分比267。

[0170] 虽然图5被示为在552之后结束，但是图5可说明一个控制循环，并且控制循环可以预定速率执行。

[0171] 以上描述的本质仅仅是说明性的并且决不旨在限制本发明、其应用或用途。本发明的广泛教导可通过各种形式来实施。因此，虽然本发明包括特定示例，但是本发明的真实范围不应当局限于此，因为当研究图式、说明书和以下权利要求书之后将明白其它修改。如本文所使用，短语A、B和C中的至少一个应被理解为意味着使用非排他性逻辑OR的逻辑(A OR B OR C)，且不应被理解为意味着“至少一个A、至少一个B和至少一个C”。应当理解的是，方法内的一个或多个步骤可以不同顺序(或同时)执行且不更改本发明的原理。

[0172] 在包括以下定义的本申请中，术语“模块”或术语“控制器”可用术语“电路”来代替。术语“模块”可指代以下项或是以下项的部分或包括以下项：专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合式模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合式模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器电路(共享、专用或成组)；存储由处理器电路执行的代码的存储器电路(共享、专用或成组)；提供所述功能性的其它合适的硬件部件；或某些或所有上述的组合，诸如在片上系统中。

[0173] 该模块可包括一个或多个接口电路。在某些示例中，接口电路可以包括连接到局域网(LAN)、因特网、广域网(WAN)或其组合的有线或无线接口。本发明的任何给定模块的功能性可分布在经由接口电路连接的多个模块中。例如，多个模块可允许负载平衡。在进一步示例中，服务器(又称为远程或云服务器)模块可完成代表客户端模块的某些功能性。

[0174] 如上文所使用的术语代码可包括软件、固件和/或微代码，并且可指代程序、例程、函数、类、数据结构和/或对象。术语共享处理器电路涵盖执行来自多个模块的某些或所有代码的单个处理器电路。术语成组处理器电路涵盖结合另外的处理器电路来执行来自一个或多个模块的某些或所有代码的处理器电路。对多个处理器电路的引用涵盖离散裸片上的多个处理器电路、单个裸片上的多个处理器电路、单个处理器单元的多个核心、单个处理器电路的多个线程或上述组合。术语共享存储器电路涵盖存储来自多个模块的某些或所有代码的单个存储器电路。术语成组存储器电路涵盖结合另外的存储器来存储来自一个或多个模块的某些或所有代码的存储器电路。

[0175] 术语存储器电路是术语计算机可读介质的子集。如本文所使用的术语计算机可读介质并不涵盖(诸如在载波上)传播通过介质的暂时性电或电磁信号；术语计算机可读介质可以因此被视为有形且非暂时性的。非暂时性、有形计算机可读介质的非限制示例是非易失性存储器电路(诸如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩码只读存储器电路)、易失性存储器电路(诸如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁性存储介质(诸如模拟或数字磁带或硬盘驱动)和光学存储介质(诸如CD、DVD或蓝光光盘)。

[0176] 本申请中描述的设备和方法可部分或完全由通过配置通用计算机以执行计算机程序中实施的一个或多个特定功能而创建的专用计算机来实施。上述功能块和流程图元件用作软件规范，其可通过本领域技术人员或编程者的常规作业而转译为计算机程序。

[0177] 计算机程序包括存储在至少一个非暂时性、有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包括或依赖于所存储的数据。计算机程序可涵盖与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定装置交互的装置驱动器、一个或多个操作系统、用户应用程序、背景服务、背景应用程序等。

[0178] 计算机程序可包括：(i)待剖析的描述性文本，诸如HTML(超文本标记语言)或XML(可扩展标记语言)、(ii)汇编代码、(iii)由编译器从源代码产生的目标代码、(iv)由解译器执行的源代码、(v)由即时编译器编译并执行的源代码，等。仅作为示例，源代码可使用来自包括以下项的语言的语法写入：C、C++、C#、Objective C、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、 HTML5、Ada、ASP(活动服务器页面)、PHP、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、 Lua和

[0179] 在35U.S.C.§112(f)的含义内，权利要求书中叙述的元件均不旨在是装置加功能元件，除非元件使用短语“用于……的装置”明确叙述或在使用短语“用于……的操作”或“用于……的步骤”的方法权利要求书的情况中。

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