使用模型預(yù)測(cè)控制的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的催化劑熄燈過渡的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 此申請(qǐng)涉及2014年3月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/225, 502、2014年3 月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/225, 516、2014年3月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?14/225,569、2014年3月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/225,626、2014年3月26日提交 的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/225,817、2014年3月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/225,896、2014 年3月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/225, 53U2014年3月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?14/225,507、2014年3月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/225,808、2014年3月26日提交 的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/225, 587、2014年3月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/225, 492、2014 年3月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/226,006、2014年3月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?14/226, 12U2014年3月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/225,496。以上申請(qǐng)的全部披露 內(nèi)容以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開涉及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，并且更具體來說，涉及使用模型預(yù)測(cè)控制增加催化劑的 溫度的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 本文所提供的【背景技術(shù)】描述的目的在于從總體上介紹本公開的背景。當(dāng)前提及 的發(fā)明人的工作一一以在此【背景技術(shù)】部分中所描述的為限一一以及在提交時(shí)否則可能不 構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)的該描述的各方面，既不明示地也不默示地被承認(rèn)為是針對(duì)本公開的現(xiàn)有技 術(shù)。
[0005] 內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)在汽缸內(nèi)燃燒空氣與燃料混合物以驅(qū)動(dòng)活塞，這產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)扭矩。進(jìn)入 發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量通過節(jié)氣門來調(diào)節(jié)。更具體來說，節(jié)氣門調(diào)整節(jié)氣門面積，這增加或減少 進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量。當(dāng)節(jié)氣門面積增加時(shí)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量增加。燃料控制系 統(tǒng)調(diào)整燃料被噴射的速率從而將所需的空氣/燃料混合物提供到汽缸和/或?qū)崿F(xiàn)所需的扭 矩輸出。增加提供到汽缸的空氣與燃料的量增加發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出。
[0006] 在火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中，火花開始提供到汽缸的空氣/燃料混合物的燃燒。在壓縮 點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中，汽缸中的壓縮燃燒提供到汽缸的空氣/燃料混合物?；鸹ㄕ龝r(shí)和空氣流量 可以是用于調(diào)整火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出的主要機(jī)構(gòu)，而燃料流可以是用于調(diào)整壓縮點(diǎn) 火發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出的主要機(jī)構(gòu)。
[0007] 排氣系統(tǒng)包括催化劑，諸如三元催化劑。催化劑與流過催化劑的排氣的一個(gè)或多 個(gè)成分反應(yīng)以減少排氣中的排放物。當(dāng)催化劑溫度低于閾值時(shí)，催化劑不會(huì)有效地減少排 放物。在催化劑熄燈周期期間，催化劑的溫度增加到預(yù)定催化劑溫度。
[0008] 已經(jīng)開發(fā)出發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)來控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩以實(shí)現(xiàn)所需扭矩。然而，傳統(tǒng) 的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)并不如需要一樣精確地控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩。另外，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制 系統(tǒng)并不對(duì)控制信號(hào)提供快速響應(yīng)或者在影響發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的各種設(shè)備之間協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng) 機(jī)扭矩控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] -種系統(tǒng)包括：催化劑熄燈模塊，所述催化劑熄燈模炔基于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度和 估計(jì)的排氣焓選擇性地產(chǎn)生第一信號(hào)；設(shè)定值模塊，所述設(shè)定值模塊響應(yīng)于接收到第一信 號(hào)來選擇性地開始催化劑熄燈周期并且產(chǎn)生所需排氣焓；以及第一模型預(yù)測(cè)控制（MPC)模 塊，所述第一 MPC模炔基于發(fā)動(dòng)機(jī)的模型和可能目標(biāo)值組產(chǎn)生預(yù)測(cè)參數(shù)、基于預(yù)測(cè)參數(shù)和 所需排氣焓產(chǎn)生用于可能目標(biāo)值組的成本并且基于成本從多個(gè)可能目標(biāo)值組中選擇所述 可能目標(biāo)值組。該系統(tǒng)還包括發(fā)動(dòng)機(jī)致動(dòng)器模塊，所述發(fā)動(dòng)機(jī)致動(dòng)器模炔基于目標(biāo)值中的 至少一個(gè)來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的致動(dòng)器。
[0010] 本發(fā)明包括以下內(nèi)容：
[0011] 1. 一種系統(tǒng)，包括：
[0012] 催化劑熄燈模塊，所述催化劑熄燈模炔基于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度和估計(jì)的排氣焓選 擇性地產(chǎn)生第一信號(hào)；
[0013] 設(shè)定值模塊，所述設(shè)定值模塊響應(yīng)于接收到所述第一信號(hào)選擇性地開始催化劑熄 燈周期并且產(chǎn)生所需排氣焓；
[0014] 第一模型預(yù)測(cè)控制（MPC)模塊，所述第一 MPC模塊：
[0015] 基于發(fā)動(dòng)機(jī)的模型和可能目標(biāo)值組產(chǎn)生預(yù)測(cè)參數(shù)；
[0016] 基于所述預(yù)測(cè)參數(shù)和所述所需排氣焓產(chǎn)生用于所述可能目標(biāo)值組的成本；以及
[0017] 基于所述成本從多個(gè)可能目標(biāo)值組中選擇所述可能目標(biāo)值組；以及
[0018] 發(fā)動(dòng)機(jī)致動(dòng)器模塊，所述發(fā)動(dòng)機(jī)致動(dòng)器模炔基于目標(biāo)值中的至少一個(gè)來調(diào)整所述 發(fā)動(dòng)機(jī)的致動(dòng)器。
[0019] 2.如方案1所述的系統(tǒng)，其中：
[0020] 所述預(yù)測(cè)參數(shù)包括預(yù)測(cè)排氣焓；以及
[0021] 所述第一 MPC模炔基于所述所需排氣焓與所述預(yù)測(cè)排氣焓之間的差異來確定所 述成本。
[0022] 3.如方案2所述的系統(tǒng)，其中所述成本隨著所述所需排氣焓與所述預(yù)測(cè)排氣焓之 間的差異增加而增加。
[0023] 4.如方案3所述的系統(tǒng)，其中所述第一 MPC模塊選擇可能目標(biāo)值組中具有最低成 本的一個(gè)。
[0024] 5.如方案1所述的系統(tǒng)，其中所述設(shè)定值模炔基于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中的催 化劑的溫度、所述催化劑中氧氣的濃度以及所述催化劑下游的所述排氣系統(tǒng)中的排放物濃 度中的至少一個(gè)來產(chǎn)生所述所需排氣焓。
[0025] 6.如方案5所述的系統(tǒng)，其中所述設(shè)定值模塊調(diào)整所述所需排氣焓以最小化催化 劑熄燈周期，所述催化劑熄燈周期在起動(dòng)所述發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)開始并且在所述催化劑溫度等于熄 燈溫度時(shí)結(jié)束。
[0026] 7.如方案6所述的系統(tǒng)，其中所述設(shè)定值模塊調(diào)整所述所需排氣焓以最小化在所 述催化劑熄燈周期期間由所述發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的排氣中的排放物的量。
[0027] 8.如方案1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括排氣焓估計(jì)模塊，所述排氣焓估計(jì)模炔基 于由所述發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的排氣的質(zhì)量流率、排氣的溫度以及排氣的化學(xué)成分來估計(jì)當(dāng)前排氣 焓，其中所述第一 MPC模炔基于所述當(dāng)前排氣焓產(chǎn)生所述預(yù)測(cè)參數(shù)。
[0028] 9.如方案1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括第二MPC模塊，所述第二MPC模塊：
[0029] 基于催化劑的模型和可能目標(biāo)排氣焓產(chǎn)生所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中的催化劑的 預(yù)測(cè)狀態(tài)；
[0030] 基于預(yù)測(cè)催化劑狀態(tài)產(chǎn)生用于所述可能目標(biāo)排氣焓中的每一個(gè)的成本；以及
[0031] 基于與所述可能目標(biāo)排氣焓中的每一個(gè)相關(guān)的所述成本來選擇所述可能目標(biāo)排 氣焓中的一個(gè)。
[0032] 10.如方案9所述的系統(tǒng)，其中所述預(yù)測(cè)催化劑狀態(tài)包括催化劑的預(yù)測(cè)溫度、催化 劑中氧氣的預(yù)測(cè)濃度以及催化劑下游的排氣系統(tǒng)中排放物的預(yù)測(cè)濃度。
[0033] 11. 一種方法，包括：
[0034] 基于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度和估計(jì)的排氣焓選擇性地產(chǎn)生第一信號(hào)；
[0035] 響應(yīng)于接收到所述第一信號(hào)來選擇性地開始催化劑熄燈周期；
[0036] 選擇性地產(chǎn)生所需排氣焓；
[0037] 產(chǎn)生可能目標(biāo)值組；
[0038] 基于發(fā)動(dòng)機(jī)的模型和所述可能目標(biāo)值組產(chǎn)生預(yù)測(cè)參數(shù)；
[0039] 基于所述預(yù)測(cè)參數(shù)和所述所需排氣焓產(chǎn)生用于所述可能目標(biāo)值組的成本；以及
[0040] 基于所述成本從多個(gè)可能目標(biāo)值組中選擇所述可能目標(biāo)值組；以及
[0041] 基于目標(biāo)值中的至少一個(gè)來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的致動(dòng)器。
[0042] 12.如方案11所述的方法，其進(jìn)一步包括：
[0043] 所述預(yù)測(cè)參數(shù)包括預(yù)測(cè)排氣焓；以及
[0044] 基于所述所需排氣焓與所述預(yù)測(cè)排氣焓之間的差異來確定所述成本。
[0045] 13.如方案12所述的方法，其進(jìn)一步包括所述成本隨著所述所需排氣焓與所述預(yù) 測(cè)排氣焓之間的所述差異增加而增加。
[0046] 14.如方案13所述的方法，其進(jìn)一步包括選擇所述可能目標(biāo)值組中具有最低成本 的一個(gè)。
[0047] 15.如方案11所述的方法，其進(jìn)一步包括基于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中的催化劑 的溫度、所述催化劑中氧氣的濃度以及所述催化劑下游的排氣系統(tǒng)中的排放物濃度中的至 少一個(gè)來產(chǎn)生所述所需排氣焓。
[0048] 16.如方案15所述的方法，其進(jìn)一步包括調(diào)整所述所需排氣焓以最小化催化劑熄 燈周期，所述催化劑熄燈周期在起動(dòng)所述發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)開始并且在所述催化劑溫度等于熄燈溫 度時(shí)結(jié)束。
[0049] 17.如方案16所述的方法，其進(jìn)一步包括調(diào)整所述所需排氣焓以最小化在所述催 化劑熄燈周期期間由所述發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的排氣中的排放物的量。
[0050] 18.如方案11所述的方法，其進(jìn)一步包括：基于由所述發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的排氣的質(zhì)量 流率、所述排氣的溫度以及所述排氣的化學(xué)成分來估計(jì)當(dāng)前排氣焓；以及基于所述當(dāng)前排 氣焓產(chǎn)生所述預(yù)測(cè)參數(shù)。
[0051] 19.如方案11所述的方法，其進(jìn)一步包括：
[0052] 基于催化劑的模型和可能目標(biāo)排氣焓產(chǎn)生所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中的催化劑的 預(yù)測(cè)狀態(tài)；
[0053] 基于預(yù)測(cè)催化劑狀態(tài)產(chǎn)生用于所述可能目標(biāo)排氣焓中的每一個(gè)的成本；以及
[0054] 基于與所述可能目標(biāo)排氣焓中的每一個(gè)相關(guān)的所述成本來選擇所述可能目標(biāo)排 氣焓中的一個(gè)。
[0055] 20.如方案19所述的方法，其進(jìn)一步包括所述預(yù)測(cè)催化劑狀態(tài)包括所述催化劑的 預(yù)測(cè)溫度、所述催化劑中氧氣的預(yù)測(cè)濃度以及所述催化劑下游的所述排氣系統(tǒng)中排放物的 預(yù)測(cè)濃度。
[0056] 本公開的其他適用領(lǐng)域?qū)脑敿?xì)描述、權(quán)利要求書以及圖變得顯而易見。詳細(xì)描 述和具體實(shí)例僅意欲用于說明目的而非意欲限制本公開的范圍。
【附圖說明】
[0057] 本公開將從詳細(xì)描述和附圖變得更完整理解，其中：
[0058] 圖1是根據(jù)本公開的示例性發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的功能方框圖；
[0059] 圖2是根據(jù)本公開的示例性發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的功能方框圖；
[0060] 圖3是根據(jù)本公開的示例性目標(biāo)產(chǎn)生模塊的功能方框圖；
[0061] 圖4是根據(jù)本公開的替代示例性目標(biāo)產(chǎn)生模塊的功能方框圖；以及
[0062] 圖5是描繪根據(jù)本公開的使用模型預(yù)測(cè)控制來控制節(jié)氣門閥、進(jìn)氣門和排氣門定 相、廢氣門、排氣再循環(huán)（EGR)閥、火花正時(shí)以及加燃料的示例性方法的流程圖。
[0063] 圖中，可以重復(fù)使用參考數(shù)字以指示類似和/或相同元件。
【具體實(shí)施方式】
[0064] 發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（ECM)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出。更具體來說，ECM基于所請(qǐng)求的 扭矩量分別基于目標(biāo)值來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的致動(dòng)器。例如，ECM基于目標(biāo)進(jìn)氣和排氣相位器角 來控制進(jìn)氣和排氣凸輪軸定相、基于目標(biāo)節(jié)氣門開度來控制節(jié)氣門閥、基于目標(biāo)EGR開度 控制排氣再循環(huán)（EGR)閥并且基于目標(biāo)廢氣門占空比控制渦輪增壓器的廢氣門。ECM還基 于目標(biāo)火花正時(shí)來控制火花正時(shí)并且基于目標(biāo)加燃料參數(shù)來控制加燃料。
[0065] ECM可以單獨(dú)地使用多個(gè)單輸入單輸出（SISO)控制器（諸如比例積分微分（PID) 控制器）來確定目標(biāo)值。然而，當(dāng)使用多個(gè)SISO控制器時(shí)，可以設(shè)置目標(biāo)值以在有損可能 的燃料消耗減少和顆粒排放物減少的情況下維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，個(gè)別SISO控制器的校 準(zhǔn)和設(shè)計(jì)可能是昂貴且耗時(shí)的。
[0066] 本公開的ECM使用模型預(yù)測(cè)控制（MPC)模塊來產(chǎn)生目標(biāo)值。MPC模塊識(shí)別目標(biāo)值 的可能組。MPC模炔基于可能組的目標(biāo)值和發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型來確定用于每個(gè)可能組的預(yù) 測(cè)參數(shù)。例如，MPC模塊可以確定預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和用于每個(gè)可能目標(biāo)值組的一個(gè)或多個(gè) 其他預(yù)測(cè)參數(shù)。
[0067] MPC模塊還確定與每個(gè)可能組的使用相關(guān)的成本。例如，被預(yù)測(cè)更緊密追蹤發(fā)動(dòng)機(jī) 扭矩請(qǐng)求的可能組的成本可以低于不被預(yù)期如此緊密地追蹤發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩請(qǐng)求的其他可能 組。MPC模塊可以選擇具有最低成本并且滿足用來控制致動(dòng)器的各個(gè)約束的可能組。
[0068] ECM試圖盡可能地增加發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中的催化劑溫度同時(shí)最小化在催化劑熄 燈周期期間發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的排放物。催化劑熄燈周期在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)開始，同時(shí)催化劑溫度 小于熄燈溫度。直到催化劑溫度大于或等于熄燈溫度，催化劑才有效地減少排放物。催化 劑熄燈周期在催化劑溫度等于熄燈溫度時(shí)結(jié)束。
[0069] 本公開的ECM使用MPC模塊來優(yōu)化最小化催化劑熄燈周期與最小化在催化劑熄燈 周期期間發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的排放物之間的平衡。因此，減少了在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)從發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣 系統(tǒng)輸出的排放物的總量。MPC模塊可以預(yù)測(cè)對(duì)于目標(biāo)值的每個(gè)可能組而言由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生 的排氣的焓并且基于預(yù)測(cè)排氣焓與所需排氣焓之間的差異來確定每個(gè)組的成本。排氣焓可 以指代每單位時(shí)間由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的排氣中的能量總量。
[0070] 目標(biāo)值的每個(gè)可能組的成本可以隨著預(yù)測(cè)排氣焓與所需排氣焓之間的差異之間 的差異增加而增加，且反之亦然。在催化劑熄燈周期期間，MPC模塊可以將所需排氣焓設(shè)置 為使得選擇具有最低成本的可能組最大化排氣焓的值。在催化劑熄燈周期期間最大化排氣 焓減少排氣管排放物的