專利名稱：車輛的內(nèi)燃發(fā)動機的延時補償燃/空控制的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及車輛的內(nèi)燃發(fā)動機的延時補償空/燃控制，特別是一種補償時間延時以提升排氣傳感器反饋響應速度的燃料控制方法。
背景技術(shù)：
與開關型排氣氧(EGO)傳感器相比，可以通過使用線性或?qū)捰蚺艢庋?UEGO)傳感器來在響應速度和精確性方面增強閉環(huán)空/燃控制。然而，本發(fā)明人已認識到這樣的方法所帶來的若干潛在問題。例如，使用UEGO傳感器的閉環(huán)空/燃控制仍被排氣路徑動力學所阻礙。特別地，存在相對長時間延時(燃料變化與被測量空燃比響應的首次指示之間的時間)，其破壞了閉環(huán)燃/空控制的穩(wěn)定，這會導致響應速度遲緩的低增益反饋控制。這限制了適當調(diào)整主動調(diào)制排氣進給氣體的的能力， 從而降低了催化劑的效率。此外，它損害了有助于拒絕干擾的能力，從而使控制方法對于駕駛性能降低的情況變得更弱。

發(fā)明內(nèi)容
在此，本發(fā)明人已經(jīng)研究了一種發(fā)動機的閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)，其補償時間延時以提高對于燃料控制的響應速度。例如，該系統(tǒng)包括產(chǎn)生理想燃/空信號的參考輸入；接收理想燃/空信號與來自比例積分控制器的燃/空控制信號輸出之和的延時補償過濾器，該延時補償過濾器提供延時補償信號，被過濾的理想燃/空信號用來計算誤差信號；排氣傳感器，其用來提供燃/空比信號，該信號被從被過濾的理想燃/空信號中減去，并且此結(jié)果被加到延時補償信號以產(chǎn)生提供給比例積分控制器的誤差信號從而產(chǎn)生燃/空控制信號； 以及瞬時燃料控制過濾器，其根據(jù)取決于發(fā)動機溫度的時間常量以及取決于發(fā)動機溫度的增益來調(diào)節(jié)燃/空控制信號從而產(chǎn)生取決于發(fā)動機溫度的延時補償燃/空控制信號。例如，延時補償過濾器可以是Smith預估器反饋控制環(huán)路(Smith，0. J.，"A controller to overcome dead-time," ISA Journal,Volume 6,pg 28-33,1959)。 Smith 預估器反饋控制環(huán)路包括分別表現(xiàn)控制系統(tǒng)的時間延時和被控制系統(tǒng)的連續(xù)時間動力學的特征的模型。Smith預估器反饋控制環(huán)路可以被改進以避免妨礙常規(guī)的燃料控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)基于參考改變(這是由于例如駕駛員需求的改變而造成的)使供給正向調(diào)節(jié)，而且 Smith預估器反饋控制環(huán)路還可以提供延時補償以保持具有高控制增益的閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這里所述的常規(guī)的Smith預估器以及被改進的版本允許控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng) 的連續(xù)動力學，即僅調(diào)節(jié)當被測量的信號與Smith預估器的估計不同時的延時。此外，通過經(jīng)由瞬時燃料控制過濾器饋送延時補償燃/空控制信號，該控制信號可以基于發(fā)動機溫度被調(diào)節(jié)，以便補償液體燃料聚積(puddle)動力學的影響。換句話說， 因為發(fā)動機的進氣口中燃料蒸發(fā)的速率隨發(fā)動機溫度而變化，所以燃料控制信號可以被調(diào)節(jié)以便保持精確的燃料控制。以此方法，燃料控制響應的精確性可以得到提高，從而使得排放控制設備效率和燃料經(jīng)濟性也得到提高。針對液體燃料聚積動力學的這種閉合調(diào)節(jié)不取決于任何常規(guī)的開環(huán)瞬時燃料補償加法器并且被附加于任何常規(guī)的開環(huán)瞬時燃料補償加法器，該加法器是標準的汽車控制方法。根據(jù)另一方面，用于發(fā)動機的閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)包括生成理想燃/空信號的參考輸入；延時補償過濾器，其包括預測塊和延時塊，該預測塊接收理想燃/空信號與延時補償燃/空控制信號之和并且基于控制系統(tǒng)的時間常量來調(diào)節(jié)該和以產(chǎn)生被提供到延時塊的無延時控制信號，該延時塊根據(jù)控制系統(tǒng)的延時將無延時控制信號調(diào)節(jié)成延時從而提供被延時控制信號，該無延時控制信號被從所述被延時控制信號中減去以產(chǎn)生系統(tǒng)延時補償信號；排氣傳感器，其提供燃/空比信號，該燃/空比信號從被過濾燃料控制信號中被減去并且被加到系統(tǒng)延時補償信號以產(chǎn)生被提供給比例積分控制器的誤差信號從而產(chǎn)生延時補償控制信號；瞬時燃料控制過濾器，其根據(jù)取決于發(fā)動機溫度的時間常量和取決于發(fā)動機溫度的增益來調(diào)節(jié)延時補償控制信號以產(chǎn)生取決于發(fā)動機溫度的延時補償燃料控制信號；以及，正向饋送控制，其基于控制系統(tǒng)事件的預期正時來調(diào)節(jié)理想燃/空信號與一個值 (燃/空比)加上取決于發(fā)動機溫度的延時補償燃/空控制信號的和的乘積。在一個實施例中，在控制系統(tǒng)第一操作模式過程中，延時補償控制信號被產(chǎn)生在燃/空比域中，而在控制系統(tǒng)第二操作模式過程中，延時補償控制信號被產(chǎn)生在燃料質(zhì)量域中。在另一實施例中，在控制系統(tǒng)第一操作模式過程中，延時補償控制信號被產(chǎn)生在燃/空比域中，而在控制系統(tǒng)第二操作模式過程中，延時補償控制信號被產(chǎn)生在燃料質(zhì)量域中；其中，在控制系統(tǒng)第二操作模式過程中，誤差信號被乘以被延時空氣質(zhì)量項以將該誤差信號轉(zhuǎn)換到燃料質(zhì)量域。在另一實施例中，在控制系統(tǒng)第一操作模式過程中，延時補償控制信號被產(chǎn)生在燃/空比域中，而在控制系統(tǒng)第二操作模式過程中，延時補償控制信號被產(chǎn)生在燃料質(zhì)量域中；其中，在控制系統(tǒng)第二操作模式過程中，誤差信號被乘以被延時空氣質(zhì)量項以將該誤差信號轉(zhuǎn)換到燃料質(zhì)量域；在第二模式過程中，延時補償控制信號除以空氣質(zhì)量項從而將該延時補償控制信號轉(zhuǎn)換到燃/空比域。 在另一實施例中，低通過濾器提供被過濾的燃料控制信號。在另一實施例中，燃/空比信號由線性排氣傳感器產(chǎn)生。在另一實施例中，瞬時燃料控制過濾器包括一階弓I導過濾器。在另一實施例中，瞬時燃料控制過濾器包括一階引導過濾器，其中延時補償燃/ 空控制信號 與來自一階引導過濾器的信號輸出的差被乘以取決于發(fā)動機溫度的增益以產(chǎn)生取決于發(fā)動機溫度的延時補償燃料控制信號。根據(jù)另一個方面，用于發(fā)動機的閉合燃料控制系統(tǒng)包括生成理想燃/空信號的參考輸入；延時補償過濾器，其包括預測塊和延時塊，該預測塊接收理想燃/空信號與延時補償燃/空控制信號之和并且基于控制系統(tǒng)的時間常量來調(diào)節(jié)該和以產(chǎn)生被提供到延時塊的無延時控制信號，該延時塊根據(jù)控制系統(tǒng)的延時將無延時控制信號調(diào)節(jié)成延時從而提供被延時的控制信號，該無延時控制信號被從所述被延時的控制信號中減去以產(chǎn)生系統(tǒng)延時補償信號；排氣傳感器，其提供燃/空比信號，該燃/空比信號從被過濾的燃料控制信號中被減去并且被加到系統(tǒng)延時補償信號以產(chǎn)生被提供給比例積分控制器的誤差信號從而產(chǎn)生延時補償控制信號，其中在控制系統(tǒng)第一操作模式過程中，系統(tǒng)延時補償控制信號被產(chǎn)生在燃/空比域中，而在控制系統(tǒng)第二操作模式過程中，系統(tǒng)延時補償控制信號被產(chǎn)生在燃料質(zhì)量域中；瞬時燃料控制過濾器，其根據(jù)取決于發(fā)動機溫度的時間常量和取決于發(fā)動機溫度的增益來調(diào)節(jié)延時所述系統(tǒng)延時補償燃料控制信號以產(chǎn)生取決于發(fā)動機溫度的延時補償燃/空控制信號；以及，正向饋送控制，其基于控制系統(tǒng)事件的預期正時來調(diào)節(jié)理想燃料控制信號與一個值(燃/空比)加上取決于發(fā)動機溫度的延時補償燃料控制信號的和的乘積。在一個實施例中，在控制系統(tǒng)第二操作模式過程中，誤差信號被乘以被延時空氣質(zhì)量項以將該誤差信號轉(zhuǎn)換到燃料質(zhì)量域，而延時補償控制項除以空氣質(zhì)量項從而將該延時補償控制信號轉(zhuǎn)換到燃/空比域。將被理解的是，提供上述發(fā)明內(nèi)容部分是為了簡要介紹在下文的詳細說明中得到進一步說明的發(fā)明構(gòu)思的選擇。其并非旨在等同于所要求保護的主題的關鍵或?qū)嵸|(zhì)特征， 而是其范圍由詳細說明后的權(quán)利要求所規(guī)定。此外，要求保護的主題不限于解決任何上文或此公開其他部分所提出的缺點。


通過參照附圖對下文非限制實施例的詳細說明的閱讀，本公開的主題將得到更好的理解，其中圖1是不具有延時補償?shù)某Ｒ?guī)閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)的方框圖。圖2是包括Smith預估器(SP)反饋控制環(huán)路的閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)的方框圖。圖3是具有經(jīng)改進的Smith預估器的閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)的方框圖，該Smith預估器包括瞬時燃料控制(TFC)補償器。圖4是圖3所示TFC補償器的方框圖。圖5是具有在燃料質(zhì)量模式中可操作的經(jīng)改進的Smith預估器、TFC引導補償?shù)拈]環(huán)燃料控制系統(tǒng)的方框圖。圖6顯示了閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)的不同版本對參考步驟改變和干擾步驟改變的響應。圖7顯示了在超出車輛速度范圍的情況下圖1所示閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)和圖5所示燃料控制系統(tǒng)的燃料控制的對比。圖8顯示了基于圖1所示閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)和圖5所示燃料控制系統(tǒng)的空/燃控制的碳氫化合物(HC)催化劑效率的對比。圖9顯示了基于圖1所示閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)和圖5所示燃料控制系統(tǒng)的空燃控制的 NOx催化劑效率的對比。圖10顯示了一種發(fā)動機系統(tǒng)，本公開的燃料控制系統(tǒng)可以在其中得到實現(xiàn)。
具體實施例方式圖1顯示了閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)100(本文中稱為“控制系統(tǒng)”)，其基于來自線性或?qū)捰蚺艢庋?UEGO)傳感器的反饋來操作而不補償UEGO傳感器的響應延時。控制系統(tǒng)100 基于工況改變?nèi)?空比(燃料/空氣比)。參考源114在控制系統(tǒng)100的輸入處生成理想信號，其由不同的中間控制塊來調(diào)節(jié)，從而在控制系統(tǒng)的輸出處向設備塊110提供理想燃料控制信號。理想燃料信號可以基于理想燃/空比由參考源生成，其由控制系統(tǒng)的另一個部分確定，以便優(yōu)化排放、燃料經(jīng)濟性以及駕駛性能。在這些附圖中，參考被假定為標準化的燃/空比，即當引入燃燒氣缸的燃料和空氣具有足夠精確的燃料和氧以便在沒有任何過剩燃料或氧的情況下燃燒時該標準化的燃/空比將為1(被稱為理論配比的混合物)?？刂葡到y(tǒng)100包括物理系統(tǒng)段102、反饋控制段104以及正向饋送控制段106。物理系統(tǒng)段102包括各種塊，這些塊表示針對燃料控制被模型化的車輛物理部件。物理系統(tǒng)段102包括燃/空干擾塊116、壁浸濕塊108、設備塊110以及UEGO傳感器塊112。干擾塊116表示存在于真正發(fā)動機中的燃料加入誤差，如不正確的燃料輸送(噴油器變異性、燃料壓力等)、與預期化學組分不匹配的燃料(例如汽油_乙醇混合物)、進入通過碳罐凈化閥的燃料、在瞬時燃料控制(TFC)未能完全解決的大氣流改變之后來自膠泥 (puddle)的燃料。干擾實際上是系統(tǒng)設計者未能精確預期并因此只能由閉環(huán)控制計算的任意誤差。壁浸濕塊108模擬了粘在進氣口壁的燃料的估計量，并且形成之后會蒸發(fā)以影響燃/空比的液體燃料聚積，并且作為一個示例可以被稱為所謂的X-Tau模型。壁浸濕塊 108被串聯(lián)地連接到設備塊并且向設備塊110提供輸入。設備塊110模擬車輛發(fā)動機的內(nèi)部燃燒和排氣流動力學。段102接收理想燃料信號以作為燃/空控制策略的一部分來命令燃料噴射。UEGO傳感器塊112測量來自內(nèi)燃發(fā)動機的排氣中的實際燃/空比，并且將被測量的值作為反饋提供到反饋控制段104中。反饋控制段104向比例積分(PI)控制器118提供來自參考源114的控制信號與來自UEGO傳感器塊112的反饋信號之間的差。PI控制器118基于誤差(控制系統(tǒng)的輸出和參考或理想信號之間的差)來驅(qū)動控制系統(tǒng)。因此理想燃/空信號控制發(fā)動機的操作以驅(qū)使所測量的燃/空比到理想燃/空比。正向饋送控制段106提供來自參考源114的控制信號以被一個燃/空比值加上PI 控制器118的誤差補償輸出(當不存在誤差時，PI控制器將值設定為0)所乘。當所述值為1時，正向饋送系統(tǒng)的這種表示指出了理論配比混合物。為了理解此結(jié)構(gòu)，當不存在誤差或理想調(diào)節(jié)時，整個控制系統(tǒng)將命令燃/空比為1，其為用于燃燒的燃料和空氣的最佳匹配 (其在控制系統(tǒng)的另一部分中將最終將此轉(zhuǎn)換到燃料控制命令)。正向饋送參考可以從一改變此燃/空比(通過將結(jié)果乘以大于一或小于一的值)，如閉環(huán)控制器所能夠做到的。正向饋送控制段106的目的在于允許不依賴于閉環(huán)系統(tǒng)來操作燃料系統(tǒng)。當發(fā)動機最初冷啟動時，并且當UEGO針對車上診斷測試和各種其他原因而被脫機時，閉環(huán)系統(tǒng)是不可行的。 因此，燃料控制器必須在沒有閉環(huán)輔助的情況下適當良好地針對一段時間操作。為了表現(xiàn)控制器如何與物理系統(tǒng)相互作用，燃/空控制加上參考信號之和與燃/空比干擾塊116的輸出相加并且被提供到為了物理系統(tǒng)段102的壁浸濕塊108。如上所示，通過以寬域排氣氧(UEGO)傳感器來取代開關式排氣氧(EGO)傳感器， 從而 使得汽車應用中的閉環(huán)燃料控制被制造得更具能力。借助UEGO傳感器，燃料噴射可以由標準反饋方法控制，如由控制系統(tǒng)100控制。然而，控制系統(tǒng)100不會補償從控制系統(tǒng)采取行動(噴射燃料)的時刻直到結(jié)果在UEGO處被看到之間的延時。該延時包括燃燒氣缸進氣的正時、用于將燃燒氣體傳送到達傳感器的傳送時間以及傳感器自身的延時。該延時破壞了控制系統(tǒng)100的穩(wěn)定，導致了響應遲緩的低增益反饋控制。遲緩的響應限制了控制系統(tǒng)100適當?shù)乜刂浦鲃诱{(diào)制排氣供給氣體的能力，其之后會損害催化劑效率，在某些情況下需要更大和更貴重的金屬加強催化劑，從而符合給定的排放標準。此外，遲緩的響應會損害控制系統(tǒng)100的抗干擾能力，從而使得系統(tǒng)對于駕駛性能來說更加脆弱，所述駕駛性能涉及碳罐凈化的過度使用、燃料暫停的情況、發(fā)動機冷操作期間過于破壞性駕駛等，在此液體燃料聚積是難于被補償?shù)摹D2顯示了閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)200，其包括Smith預估器(SP)控制段202用以補償UEGO傳感器的響應延時。SP控制段202作為引導過濾器以補償與控制系統(tǒng)時間的延時相關的干擾。SP控制段202包括SP過濾器或預估器塊204，其與SP延時塊206串聯(lián)相連， 以使得SP延時塊接收SP過濾器塊的輸出。SP控制段202包括內(nèi)反饋環(huán)，其中來自PI控制器118的控制信號輸出被反饋到SP過濾器塊204的輸入。塊204使用作為發(fā)動機速度和負荷(標準化的氣缸空氣吸氣)的函數(shù)的時間常數(shù)。塊206使用同樣作為發(fā)動機速度和負荷的函數(shù)的延時。Smith預估器提供兩個估計信號具有純延時(206的輸出)和不具有純延時(204的輸出)的系統(tǒng)的響應。Smith預估器將允許PI控制器實質(zhì)上操作為，只要206 的輸出和來自112的測量信號相互匹配則實際系統(tǒng)不具有純延時或無延時。在參考改變的情況下，假定沒有干擾且塊204和206具有被正確識別的實際系統(tǒng)SP模型，此假設被滿足且系統(tǒng)將響應為沒有延時存在。如果干擾發(fā)生，則該誤差在作為SP模型(206)和被測量系統(tǒng)(112)之間的差而被探測，控制器將試圖將其改正。以此方式，閉環(huán)系統(tǒng)通過延時補償器得以穩(wěn)定，到了這樣的程度以至于更高的增益可以被使用。由此，控制器對干擾的響應具有稍被減小的峰值誤差，并且該誤差的持續(xù)時間也被極大地減小。針對燃料控制的應用，這使得延時補償非常有價值，這是因為它最小化了去向催化劑的燃/空比的積分誤差，其只能吸收有限數(shù)量的背離理論配比的燃/空偏離。塊114、204、206、112的輸出借助適當?shù)姆柋患釉谝黄?，以便向PI控制器118提
供延時補償誤差信號。大體上與控制系統(tǒng)100的那些組件相同的控制系統(tǒng)200的組件以同樣方法被標識并且對其不再進行說明。然而，將被注意的是，本公開不同實施例中以相同方法所標識的組件可以至少部分地不同。圖2中控制系統(tǒng)200所具有的問題同時存在于正向饋送段106和常規(guī)Smith預估器(塊204、206)。參考改變將由兩段共同處理，從而導致系統(tǒng)過沖，即超過了參考目標且只在一定時間之后返回到預期值。避免此問題的優(yōu)選方法是使這兩個系統(tǒng)相互協(xié)作并且獲得兩者的優(yōu)點。圖3顯示了閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)300，其改變了 Smith預估器結(jié)構(gòu)。第一改變是，在 114處的參考現(xiàn)在被加到饋送給塊204的節(jié)點中。有效地，向Smith預估器通報，參考改變已發(fā)生并且由此產(chǎn)生的偏離將不被認為是誤差從而激烈地繼續(xù)(記住正向饋送段已采取行動，但反饋段將不會立即知道它而沒有此修改)。第二改變是，在輸入到PI控制器中的總計節(jié)點之前借助過濾器(304)對參考輸入進行過濾。這兩個改變允許正向饋送控制器支配對于參考改變的響應。如果出于某些原因，系統(tǒng)偏離此預期的參考響應，則Smith預估器的存在將依然對此進行處理。最終將304的時間常數(shù)設置為等于204中所用的值使得系統(tǒng)輸出(112處所測量的)響應于參考改變而不具有過沖。如果應用工程師能夠容忍某些過沖， 則可以通過減小304中的時間常數(shù)來增加參考響應，從而選擇適當?shù)恼壑?。著重需要注意的是，這些修改只影響Smith預估器相對于參考改變的響應，但不會改變其對干擾的響應。
圖3還包括瞬時燃料控制(TFC)引導補償器302以減少液體燃料聚積的阻力對變化的影響。閉環(huán)系統(tǒng)將最終克服液體燃料聚積的干涉，但這將增加額外的誤差持續(xù)時間。由于可以估計液體聚積的動力學影響，所以可以使用此知識來使得閉環(huán)控制輸出對控制信號改變作出更有力地反應，尤其是當發(fā)動機較冷時。圖4更詳細地顯示了 TFC引導補償器302。TFC引導補償器302引入取決于發(fā)動機溫度的修改器以便針對壁浸濕效應進行補償。這就是說，補償器被引入以消除或減小壁浸濕效應，在該效應中所噴射燃料的一小部分粘到燃料噴射端口壁并且形成之后蒸發(fā)的液體燃料聚積。蒸發(fā)的速率取決于發(fā)動機溫度，所以由蒸發(fā)燃料所引發(fā)的干擾可以基于發(fā)動機溫度而得以估計。TFC引導補償器302從PI控制器118的輸出接收延時補償控制信號。該控制信號被饋送通過低通過濾器402，其具有取決于發(fā)動機溫度的時間常數(shù)404。延時補償控制信號和第一階過濾器402之間的差可乘以基于發(fā)動機溫度的增益406。換句話說，TFC引導補償器302基于取決于發(fā)動機溫度的時間常數(shù)和取決于溫度的增益來調(diào)節(jié)從PI控制器118所接收的燃/空控制信號，以產(chǎn)生取決于發(fā)動機溫度的燃/空控制信號。由取決于發(fā)動機溫度的時間常數(shù)和高頻增益所改進的控制信號被饋送到正向饋送控制段106，該正向饋送控制段106向物理系統(tǒng)段102輸出理想燃料控制信號。TFC引導補償器302減小或補償壁浸濕效應，該壁浸濕被模擬在控制系統(tǒng)上的壁浸濕塊108中以提高反饋控制的精確性。與其他僅提供開環(huán)控制(所述開環(huán)控制忽略閉環(huán)作用)的補償器不同，TFC引導補償器302被限制成保持閉合穩(wěn)定性。此外，TFC引導補償器302不像其他這樣的補償器那般復雜。大體上與控制系統(tǒng)200和控制系統(tǒng)100的那些組件相同的控制系統(tǒng)200的組件以同樣方法標識并且對其不再進行說明。然而，將被注意的是，本公開不同實施例中以相同方法所標識的組件可以至少部分地不同?？刂葡到y(tǒng)300在燃/空比域內(nèi)操作，以便便利地變換空氣系統(tǒng)對空氣流的響應。然而，燃/空比域內(nèi)的操作在某些條件下可以或減緩控制系統(tǒng)的響應或使其過度反應。例如， 控制系統(tǒng)的動態(tài)元素(例如，如PI控制器中的積分控制項)可以在空氣流的突越后使不再適合的值繼續(xù)下去。通過在改變發(fā)生后使該值繼續(xù)下去，會導致反應不足或過度反應，這會阻礙控制系統(tǒng)300的反饋響應。此外，某些干擾控制系統(tǒng)被設計以抑制可以被表現(xiàn)為燃料質(zhì)量(燃料流)干擾。通過燃/空比域內(nèi)的操作，該干擾不容易被抑制并被加到整個響應誤差。圖5顯示了閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)500，其可以以燃料質(zhì)量模式進行操作?？刂葡到y(tǒng) 500包括動態(tài)元素，其在燃料質(zhì)量模式期間根據(jù)燃料質(zhì)量或燃料流進行操作，以針對空氣流的重大改變已發(fā)生之后的時間減輕與攜帶燃/空比值相關的延時。此外通過燃/空比域內(nèi)的操作，燃料流干擾可以得到調(diào)節(jié)同時維持針對整個反饋控制環(huán)的恒定反饋增益。被UEGO 傳感器塊112所測量的測量燃/空比輸出在控制器輸入處被轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)變到燃料質(zhì)量域內(nèi)， 這是通過如下方式來實現(xiàn)的，即使得來自節(jié)點(該節(jié)點加和了來自塊204、206、304和112 的輸出)的誤差信號與延時空氣質(zhì)量或空氣流(AM DEL)項502相乘。由于燃/空比借助延時被測量，等同地延時空氣質(zhì)量，AM DEL被用于變換向控制系統(tǒng)的輸入處的燃/空比。同樣地，作為來自PI控制器118的輸出的控制信號被項AM 504(未延時空氣質(zhì)量量)除。燃料質(zhì)量模式被限制成變換PI控制器，從而有效地將積分誤差變換到燃料質(zhì)量。作為一個示例，AM項504可以通過如下方式被計算，即將理論配比設定點506與 508中相應的值相乘，其中508指示了發(fā)動機排的數(shù)量?？諝饬黜?10 (進入到整個發(fā)動機內(nèi)的空氣)被所得結(jié)果值除，從而提供AM項504。該AM項被輸入到延時塊512，其以與206 相同的延時對該AM項進行延時，以產(chǎn)生AM DEL項502。通過將控制系統(tǒng)的動態(tài)或記憶元素(如積分控制)轉(zhuǎn)換到燃料質(zhì)量域內(nèi)，大負荷 (空氣流)改變可以發(fā)生且只具有很少或不具有反饋控制的過度校正或校正不足。此外，與燃料質(zhì)量相關的干擾可以在反饋環(huán)中被調(diào)節(jié)，以提供更精確且更少過沖的反饋控制。由此， 控制系統(tǒng)500可以提供延時補償控制信號，其考慮了壁浸濕的影響以及與燃料質(zhì)量相關的干擾。以此方式，反饋響應速度可以被提高以提供更精確的閉環(huán)反饋燃料控制。此外，被提高的響應速度促進了主動的燃/空調(diào)節(jié)，其提升了催化劑效率并減少了排放。應被理解的是，控制系統(tǒng)500在某些情況下可以以第一模式操作，在該模式中控制系統(tǒng)的動態(tài)元素被變換到燃/空比域內(nèi)。此外，控制系統(tǒng)500在某些情況下以第二模式操作，在該模式中控制系統(tǒng)的動態(tài)元素被變換到燃料質(zhì)量域內(nèi)。大體上與控制系統(tǒng)300、200和100的那些組件相同的控制系統(tǒng)500的組件以同樣方法標識并且對其不再進行說明。然而，將被注意的是，本公開不同實施例中以相同方法所標識的組件可以至少部分地不同。將被理解的是，本文中所公開的示例控制系統(tǒng)和估計流程可以以不同系統(tǒng)配置得以使用。這些控制系統(tǒng)和/或流程可以表示一個或多個不同的處理策略，如事件驅(qū)動、中斷驅(qū)動、多重任務處理、多線程及相似物。這樣，所公開的處理步驟(操作、功能和/或動作) 可以表示要被編程到電子控制系統(tǒng)中的計算機可讀存儲媒質(zhì)中的代碼。此外，盡管處理階段被表示為系統(tǒng)框圖的塊，不過在某些實施例中處理階段可以是反饋燃料控制的一個或多個方法的步驟的表示。這樣的方法可以被執(zhí)行以控制車輛的內(nèi)燃發(fā)動機。將被理解的是，本文中所述和/或所示的某些處理步驟在某些實施例中被省略， 且不會背離此公開的范圍。同樣地，處理步驟的所指示的順序通過不是被要求以達成所要的結(jié)果，而是被提供用于簡化顯示和說明。取決于所使用的特定策略，一個或多個被顯示的動作、功能或操作可以被重復執(zhí)行。圖6顯示了上述閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)的不同版本對參考輸出改變和干擾的標準化燃/空比響應。參考步驟發(fā)生在15秒時間處并由點虛線所標出。干擾步驟發(fā)生在25秒時間處并由雙點虛線所標出。由虛線所標出的響應對應于不補償UEGO傳感器信號的反饋延時的控制系統(tǒng)100。 此外，該控制系統(tǒng)不會抑制由于參考改變而造成的過沖。因此反饋響應超過理想?yún)⒖甲兓⑶艺加昧俗铋L的時間量以校正控制系統(tǒng)中不同版本的最長響應時間中的過沖結(jié)果。由點線所標出的響應對應于控制系統(tǒng)200，該系統(tǒng)通過常規(guī)的SP控制回路對與該控制系統(tǒng)相關的反饋延時進行補償。因此，該反饋響應比控制系統(tǒng)100的響應更快地發(fā)生， 但是控制系統(tǒng)200的響應在修正到理想?yún)⒖贾抵叭允浅^了理想?yún)⒖甲兓?，這延長了響應時間。由實線所標出的響應對應于控制系統(tǒng)500，該系統(tǒng)通過SP控制回流對與該控制系統(tǒng)相關的反饋延時進行補償。此外，控制系統(tǒng)500包括以TEC引導補償器形式的、針對壁浸濕干擾的、取決于發(fā)動機溫度的補償。更進一步，控制器500包括向控制系統(tǒng)的參考輸入， 其減輕SP控制回路對參考響應的影響。因此，與其他控制系統(tǒng)的響應相比，控制系統(tǒng)500 的反饋響應具有很小或不具有過沖，并且更精確地追蹤理想?yún)⒖疾襟E。被提高的精確性使得反饋響應相對于其他控制系統(tǒng)整體更快。圖7顯示了在車輛中執(zhí)行的控制系統(tǒng)100和控制系統(tǒng)500的燃/空比的對比(未標準化數(shù)據(jù)，理論配比=14.62)。在由點虛線示出的車輛速度的范圍上測量每一控制系統(tǒng)的燃/空比。控制系統(tǒng)100的燃/空比由點線示出?？刂葡到y(tǒng)500的燃/空比由實線示出。 控制系統(tǒng)500的上述特征提供了很小或沒有超過所期望標準的延時補償，其使得在車輛速度的整個范圍上的燃/空比控制更為嚴密。被提高的精確性促進了催化劑效率的提高，如圖8和圖9中所示。圖8顯示了控制系統(tǒng)100與控制系統(tǒng)500之間的碳化氫(HC)催化劑的催化劑效率隨時間的對比?？刂破?00的效率由點線示出?？刂葡到y(tǒng)500的效率由實線示出。如上文所述及圖9中所示，控制器500的響應精確性被提高使得HC催化劑的催化劑效率相對于控制器100得到提高。圖9顯示了控制系統(tǒng)100與控制系統(tǒng)500之間的NOx催化劑的催化劑效率隨時間的對比?？刂破?00的效率由點線示出?？刂葡到y(tǒng)500的效率由實線示出。如上文所述及圖9中所示，控制器500的響應精確性被提高使得NOx催化劑的催化劑效率相對于控制器 100得到提高。圖10顯示了多缸發(fā)動機的一個氣缸，以及與該氣缸相連接的進氣路徑和排氣路徑。本文中所示和所述的發(fā)動機10可以包括在車輛中，如路面機動車及其他種類車輛中。 雖然發(fā)動機10的示例應用參照車輛被說明，不過應被理解的是，發(fā)動機10可以被用在其他應用中，而無需受限于車輛推進系統(tǒng)。上文參照圖1-圖5所述的閉合燃料控制系統(tǒng)可以被作為發(fā)動機控制系統(tǒng)的一部分而被執(zhí)行，從而控制發(fā)動機10的運行。該發(fā)動機控制系統(tǒng)包括控制器12，該控制器12通過輸入裝置130從車輛操作者132接收輸入。在此示例中，輸入裝置130包括油門踏板和踏板位置傳感器134，用來生成成比例的踏板位置信號PP。發(fā)動機10的燃燒室(即氣缸)30 可以包括燃燒室壁32，其具有定位在其中的活塞36?；钊?6可以被連接到曲軸40，以使得該活塞的往復運動被傳輸成該曲軸的旋轉(zhuǎn)運動中。曲軸40可以通過中間傳動系統(tǒng)被連接到車輛的至少一個驅(qū)動輪。此外，啟動電動機可以通過飛輪被連接到曲軸40，以使得發(fā)動機 10的啟動操作成為可能。 燃燒室30可以通過進氣通道42從進氣歧管44接收進入空氣，并且可以通過排氣通道48排出燃燒氣體。進氣歧管44和排氣通道48可以選擇性地分別通過進氣門52和排氣門54與燃燒室30連通。在某些實施例中，燃燒室30可以包括兩個或多于兩個進氣門和 /或兩個或多于兩個排氣門。 在此示例中，進氣門52和排氣門54可以分別通過凸輪致動系統(tǒng)51和53由凸輪致動來控制。凸輪致動系統(tǒng)51和53可以各包括一個或多個凸輪，并且可以使用凸輪廓線變換(CPS)、可變凸輪軸正時(VCT)、可變氣門正時(VVT)和/或可變氣門升程(VVL)系統(tǒng)， 其可以由控制器12操作以改變氣門運行。進氣門52和排氣門54的位置可以分別由位置傳感器55和57確定。在可替換實施例中，進氣門52和/或排氣門54可以由電子氣門致動控制。例如，氣缸30可以可替換地包括通過電子氣門致動進行控制的進氣門和通過凸輪致動進行控制的排氣門，該凸輪致動包括CPS和/或VCT。燃料噴射器66如圖所示被布置在如下構(gòu)造的進氣通道44中，該構(gòu)造提供公知的燃料端口噴射，從而將燃料提供到燃燒室30上游的進氣口內(nèi)。燃料噴射器66可以與信號 FPff的脈沖寬度成比例地噴射燃料，該信號通過電驅(qū)動器68接收自控制器12。FPW控制信號可以如上文所述由燃料控制系統(tǒng)來控制。例如，控制系統(tǒng)500可以基于來自UEGO傳感器112的反饋來提供取決于延時補償發(fā)動機溫度的燃料控制信號。該控制系統(tǒng)有利于反饋響應速度的提升，并從而提升排放控制裝置效率以及提升燃料經(jīng)濟性。在某些情況下，控制系統(tǒng)500的至少某些動態(tài)元素(例如記憶元素)可以在燃料質(zhì)量域中操作以補償涉及與燃料質(zhì)量相關的干擾，從而提升反饋跟蹤精確性。在某些情況下，控制系統(tǒng)500的至少某些動態(tài)元素可以在燃/空比域中操作。燃料可以通過燃料系統(tǒng)(未顯示)被輸送到燃料噴射器66，所述燃料系統(tǒng)包括燃料箱、燃料泵和燃料導軌。在某些實施例中，燃燒室30可以可替換地或額外地包括被直接連接到燃燒室30的燃料噴射器以便用于以如直接噴射的已知方式將燃料直接噴入其內(nèi)。進氣通道48可以包括具有節(jié)流板64的節(jié)氣門62。在此特定的示例中，節(jié)流板64 的位置可以通過被提供到電子電動機或致動器的信號由控制器12改變，該電子電動機或致動器被包括在節(jié)氣門52中，這是通常被稱為節(jié)氣門電子控制(ETC)的構(gòu)造。以此方式， 節(jié)氣門62可以被操作成改變提供到除其他發(fā)動機氣缸之外的燃燒室30的進氣空氣。節(jié)流板64的位置可以由節(jié)氣門位置信號TP提供到控制器12。進氣通道42可以包括質(zhì)量空氣流傳感器120和歧管空氣壓力傳感器122以便用于向控制器12分別提供信號MAF (質(zhì)量空氣流)和MAP (歧管空氣壓力)。在選定操作模式下，點火系統(tǒng)88可以響應于來自控制器12的火花提前信號SA通過火花塞92為燃燒室30提供點火火花。盡管點火火花組件被顯示出，不過在某些實施例中，發(fā)動機10的燃燒室30或一個或多個其他燃燒室可以在具有或不具有點火火花的情況下以壓縮點火模式被運行。排氣傳感器112被顯示與排放控制裝置70上游的排氣通道相連。傳感器112可以是用于提供對于排氣空/燃比的指示的任意適當傳感器(如線性氧傳感器或UEGO (通用或?qū)捰蚺艢庋?)作為對控制系統(tǒng)的反饋。排放控制裝置70被顯示沿排氣傳感器112下游的排氣通道48布置。裝置70可以是三元催化劑(TWC)、NOx捕集器、各種其他排放控制裝置或其組合。在某些實施例中，在發(fā)動機10的運行期間，可以通過在特定空/燃比內(nèi)操作發(fā)動機的至少一個氣缸來周期性地重置排放控制裝置70。圖1中所示的控制器12作為微型計算機，其包括微處理器單元(CPU) 142、輸入/ 輸出端口 144、可執(zhí)行程序和校準值的電子存儲介質(zhì)(在此特定示例中被顯示為只讀存儲器芯片(ROM) 146)、隨機存取存儲器(RAM) 148、?；畲鎯ζ?KAM) 150以及數(shù)據(jù)總線?？刂破?2可以從連接到發(fā)動機10的各傳感器接收各種信號，除了之前討論過的信號以外還包括來自質(zhì)量空氣流傳感器120的被引入的質(zhì)量空氣流的測量、來自連接到冷卻套筒115的溫度傳感器126的發(fā)動機冷卻劑溫度(ECT)、來自連接到曲軸40的霍爾效應傳感器119 (或其他類型)的表面點火感測(PIP)信號、來自節(jié)氣門位置傳感器的節(jié)氣門位置(TP)以及來自傳感器122的絕對歧管壓力信號MAP。發(fā)動機速度信號PRM可以通過控制器12由信號PIP生成。來自歧管壓力傳感器的歧管壓力信號MAP可以被用來在提供進氣歧管中的真空或壓力的指示。要注意的是，可以使用上述各傳感器的不同組合，如無MAP傳感器情況下的 MAF傳感器，或反之。在理論配比運行期間，MAP傳感器可以給出對發(fā)動機扭矩的指示。此外，此傳感器連同被探測的發(fā)動機速度一起，可以提供對被引入到氣缸內(nèi)的填料(包括空氣)的估計。在一個示例中，也被用作發(fā)動機速度傳感器的傳感器119在曲軸每個回轉(zhuǎn)期間可以產(chǎn)生預設數(shù)量的等距脈沖。上面所述的包括傳感器和致動器的發(fā)動機系統(tǒng)可以被模擬為上述燃料控制系統(tǒng)中的物理系統(tǒng)段。壁浸濕塊108、設備塊110以及UEGO塊122得到了更詳細的說明，不過應被理解的是，任意適當?shù)陌l(fā)動機組件可以被模擬為燃料控制系統(tǒng)的物理系統(tǒng)，以便提供燃料控制信號。最后，將被理解的是，本文中所述的物品、系統(tǒng)和方法本質(zhì)上是示例性的。并且這些特定的實施例或示例不會被考慮為限制性含義，因為可以想到眾多變體。因此，本公開包括包括本文所述的各種系統(tǒng)和方法的所有新穎的且不明顯的組合和子組合，以及其任意和所有的等同物。
權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)動機的閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)，其包括參考輸入，其產(chǎn)生理想燃/空信號；延時補償過濾器，其接收所述理想燃/空信號與來自比例積分控制器的燃/空控制信號輸出之和，所述延時補償過濾器提供系統(tǒng)延時補償信號；排氣傳感器，其提供燃/空比信號，該燃/空比信號從被過濾的燃/空信號中減去，并且此結(jié)果被加到所述系統(tǒng)延時補償信號以產(chǎn)生提供給所述比例積分控制器的誤差信號從而產(chǎn)生所述延遲補償燃/空控制信號；以及瞬時燃料控制過濾器，其根據(jù)取決于發(fā)動機溫度的時間常量和取決于發(fā)動機溫度的增益對所述延遲補償燃/空控制信號進行調(diào)節(jié)從而產(chǎn)生取決于發(fā)動機溫度的延時補償燃/空控制信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述延時補償過濾器包括預測塊和延時塊，該預測塊接收所述所述理想燃/空信號與所述燃/空控制信號之和并且基于所述系統(tǒng)的時間常量來調(diào)節(jié)該和以產(chǎn)生被提供到所述延時塊的無延時控制信號；該延時塊根據(jù)所述控制系統(tǒng)的延時將所述無延時控制信號調(diào)節(jié)成延時從而提供被延時控制信號，該無延時控制信號被從所述被延時控制信號中減去以產(chǎn)生所述系統(tǒng)延時補償信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括正向饋送控制，其基于控制系統(tǒng)事件的預期正時來調(diào)節(jié)所述所期望燃/空信號與處于標準化燃/空比單元的一個值加上所述取決于發(fā)動機溫度的延時補償燃/空控制信號之和的乘積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在所述控制系統(tǒng)的第一操作模式過程中，所述延時補償控制信號被產(chǎn)生在燃/空比域中，而在所述控制系統(tǒng)的第二操作模式過程中，所述延時補償控制信號被產(chǎn)生在燃料質(zhì)量域中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，在所述控制系統(tǒng)的所述第二操作模式過程中，所述誤差信號被乘以被延時空氣質(zhì)量項以將所述誤差信號轉(zhuǎn)換到所述燃料質(zhì)量域。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，在所述第二操作模式過程中，來自所述比例積分控制器的所述延時補償控制信號被空氣質(zhì)量項除從而將所述延時補償控制信號轉(zhuǎn)換到所述燃/空比域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，低通過濾器提供所述被過濾的燃料控制信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述燃/空比信號由線性排氣傳感器產(chǎn)生。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述瞬時燃料控制過濾器包括具有取決于溫度的時間常量的一階低通過濾器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述延時補償燃/空控制信號與來自所述低通過濾器的信號輸出的差被乘以取決于發(fā)動機溫度的增益以產(chǎn)生取決于發(fā)動機溫度的延時補償燃/空控制信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于發(fā)動機的閉環(huán)燃料控制系統(tǒng)，其包括參考輸入，其產(chǎn)生理想燃/空信號；延時補償過濾器，其接收所述理想燃/空信號與來自比例積分控制器的燃/空控制信號輸出之和，所述延時補償過濾器提供系統(tǒng)延時補償信號；排氣傳感器，其提供燃/空比信號，該燃/空比信號從被過濾的燃/空信號中減去，并且此結(jié)果被加到所述系統(tǒng)延時補償信號以產(chǎn)生提供給所述比例積分控制器的誤差信號從而產(chǎn)生所述延遲補償燃/空控制信號；以及瞬時燃料控制過濾器，其根據(jù)取決于發(fā)動機溫度的時間常量和取決于發(fā)動機溫度的增益對所述延遲補償燃/空控制信號進行調(diào)節(jié)從而產(chǎn)生取決于發(fā)動機溫度的延時補償燃/空控制信號。以此方法，燃料控制響應的精確性得到提高。
文檔編號F02D41/14GK102220913SQ20111007837
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者A·R·多納, J·M·克恩斯, M·J·揚科維奇, S·W·馬格納 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司