使用模型預測控制增加催化劑的溫度的系統和方法
【專利說明】使用模型預測控制増加催化劑的溫度的系統和方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 此申請涉及2014年3月26日提交的美國專利申請號14/225, 502、2014年3 月26日提交的美國專利申請號14/225, 516、2014年3月26日提交的美國專利申請號 14/225,569、2014年3月26日提交的美國專利申請號14/225,626、2014年3月26日提交 的美國專利申請號14/225, 817、2014年3月26日提交的美國專利申請號14/225, 53U2014 年3月26日提交的美國專利申請號14/225, 507、2014年3月26日提交的美國專利申請號 14/225,808、2014年3月26日提交的美國專利申請號14/225,587、2014年3月26日提交 的美國專利申請號14/225,492、2014年3月26日提交的美國專利申請號14/226,006、2014 年3月26日提交的美國專利申請號14/226, 12U2014年3月26日提交的美國專利申請號 14/225,496以及2014年3月26日提交的美國專利申請號14/225,891。以上申請的全部 披露內容以引用的方式并入本文。
技術領域
[0003] 本公開涉及內燃發動機，并且更具體來說，涉及使用模型預測控制增加催化劑的 溫度的系統和方法。
【背景技術】
[0004] 本文所提供的【背景技術】描述的目的在于從總體上介紹本公開的背景。當前提及 的發明人的工作一一以在此【背景技術】部分中所描述的為限一一以及在提交時否則可能不 構成現有技術的該描述的各方面，既不明示地也不默示地被承認為是針對本公開的現有技 術。
[0005] 內燃發動機在汽缸內燃燒空氣與燃料混合物以驅動活塞，這產生驅動扭矩。進入 發動機的空氣流量通過節氣門來調節。更具體來說，節氣門調整節氣門面積，這增加或減少 進入發動機的空氣流量。當節氣門面積增加時，進入發動機的空氣流量增加。燃料控制系 統調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/或實現所需的扭 矩輸出。增加提供到汽缸的空氣與燃料的量增加發動機的扭矩輸出。
[0006] 在火花點火發動機中，火花開始提供到汽缸的空氣/燃料混合物的燃燒。在壓縮 點火發動機中，汽缸中的壓縮燃燒提供到汽缸的空氣/燃料混合物。火花正時和空氣流量 可以是用于調整火花點火發動機的扭矩輸出的主要機構，而燃料流可以是用于調整壓縮點 火發動機的扭矩輸出的主要機構。
[0007] 已經開發出發動機控制系統來控制發動機輸出扭矩以實現所需扭矩。然而，傳統 的發動機控制系統并不如需要一樣精確地控制發動機輸出扭矩。另外，傳統的發動機控制 系統并不對控制信號提供快速響應或者在影響發動機輸出扭矩的各種設備之間協調發動 機扭矩控制。
【發明內容】
[0008] 根據本公開的原理的系統包括第一模型預測控制（MPC)模塊和發動機致動器模 塊。第一 MPC模炔基于發動機的模型和可能目標值組產生預測參數并且基于預測參數和所 需排氣焓產生用于可能目標值組的成本。第一 MPC模塊還基于成本從多個可能目標值組中 選擇所述可能目標值組。發動機致動器模炔基于目標值中的至少一個來調整發動機的致動 器。
[0009] 本發明包括以下方案：
[0010] 1. 一種系統，包括：
[0011] 第一模型預測控制（MPC)模塊，所述第一 MPC模塊：
[0012] 基于發動機的模型和可能目標值組產生預測參數；
[0013] 基于所述預測參數和所需排氣焓產生用于所述可能目標值組的成本；以及
[0014] 基于所述成本從多個可能目標值組中選擇所述可能目標值組；以及
[0015] 發動機致動器模塊，所述發動機致動器模炔基于目標值中的至少一個來調整所述 發動機的致動器。
[0016] 2.如方案1所述的系統，其中：
[0017] 所述預測參數包括預測排氣焓；以及
[0018] 所述第一 MPC模炔基于所述所需排氣焓與所述預測排氣焓之間的差異來確定所 述成本。
[0019] 3.如方案2所述的系統，其中所述成本隨著所述所需排氣焓與所述預測排氣焓之 間的所述差異增加而增加。
[0020] 4.如方案3所述的系統，其中所述第一 MPC模塊選擇所述可能目標值組中具有最 低成本的一個。
[0021] 5.如方案1所述的系統，其進一步包括設定值模塊，所述設定值模炔基于所述發 動機的排氣系統中的催化劑的溫度、所述催化劑中氧氣的濃度以及所述催化劑下游的所述 排氣系統中的排放物濃度中的至少一個來產生所述所需排氣焓。
[0022] 6.如方案5所述的系統，其中所述設定值模塊調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所述發動機時開始并且在所述催化劑溫度等于熄 燈溫度時結束。
[0023] 7.如方案6所述的系統，其中所述設定值模塊調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動機產生的排氣中的排放物的量。
[0024] 8.如方案1所述的系統，其進一步包括排氣焓估計模塊，所述排氣焓估計模炔基 于由所述發動機產生的排氣的質量流率、所述排氣的溫度以及所述排氣的化學成分來估計 當前排氣焓，其中所述第一 MPC模炔基于所述當前排氣焓產生所述預測參數。
[0025] 9.如方案1所述的系統，其進一步包括第二MPC模塊，所述第二MPC模塊：
[0026] 基于催化劑的模型和可能目標排氣焓產生所述發動機的排氣系統中的所述催化 劑的預測狀態；
[0027] 基于預測催化劑狀態產生用于所述可能目標排氣焓中的每一個的成本；以及
[0028] 基于與所述可能目標排氣焓中的每一個相關的所述成本來選擇所述可能目標排 氣焓中的一個。
[0029] 10.如方案9所述的系統，其中所述預測催化劑狀態包括所述催化劑的預測溫度、 所述催化劑中氧氣的預測濃度以及所述催化劑下游的所述排氣系統中排放物的預測濃度。
[0030] 11. 一種方法，包括：
[0031] 基于發動機的模型和可能目標值組產生預測參數；
[0032] 基于所述預測參數和所需排氣焓產生用于所述可能目標值組的成本；
[0033] 基于所述成本從多個可能目標值組中選擇所述可能目標值組；以及
[0034] 基于目標值中的至少一個來調整所述發動機的致動器。
[0035] 12.如方案11所述的方法，其中所述預測參數包括預測排氣焓，所述方法進一步 包括基于所述所需排氣焓與所述預測排氣焓之間的差異來確定所述成本。
[0036] 13.如方案12所述的方法，其中所述成本隨著所述所需排氣焓與所述預測排氣焓 之間的所述差異增加而增加。
[0037] 14.如方案13所述的方法，其進一步包括選擇所述可能目標值組中具有最低成本 的一個。
[0038] 15.如方案11所述的方法，其進一步包括基于所述發動機的排氣系統中的催化劑 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中的排放物濃度中 的至少一個來產生所述所需排氣焓。
[0039] 16.如方案15所述的方法，其進一步包括調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所述發動機時開始并且在所述催化劑溫度等于熄燈溫 度時結束。
[0040] 17.如方案16所述的方法，其進一步包括調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動機產生的排氣中的排放物的量。
[0041] 18.如方案11所述的方法，其進一步包括：
[0042] 基于由所述發動機產生的排氣的質量流率、所述排氣的溫度以及所述排氣的化學 成分來估計當前排氣焓；以及
[0043] 基于所述當前排氣焓產生所述預測參數。
[0044] 19.如方案11所述的方法，其進一步包括：
[0045] 基于催化劑的模型和可能目標排氣焓產生所述發動機的排氣系統中的所述催化 劑的預測狀態；
[0046] 基于預測催化劑狀態產生用于所述可能目標排氣焓中的每一個的成本；以及
[0047] 基于與所述可能目標排氣焓中的每一個相關的所述成本來選擇所述可能目標排 氣焓中的一個。
[0048] 20.如方案19所述的方法，其中所述預測催化劑狀態包括所述催化劑的預測溫 度、所述催化劑中氧氣的預測濃度以及所述催化劑下游的所述排氣系統中排放物的預測濃 度。
[0049] 本公開的其他適用領域將從詳細描述、權利要求書以及圖變得顯而易見。詳細描 述和具體實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】
[0050] 本公開將從詳細描述和附圖變得更完整理解，其中：
[0051] 圖1是根據本公開的示例性發動機系統的功能方框圖；
[0052] 圖2是根據本公開的示例性發動機控制系統的功能方框圖；
[0053] 圖3是根據本公開的示例性目標產生模塊的功能方框圖；
[0054] 圖4是根據本公開的示例性目標排氣焓模塊的功能方框圖；以及
[0055] 圖5是描繪根據本公開的使用模型預測控制來控制節氣門閥、進氣門和排氣門定 相、廢氣門、排氣再循環（EGR)閥、火花正時以及加燃料的示例性方法的流程圖。
[0056] 圖中，可以重復使用參考數字以指示類似和/或相同元件。
【具體實施方式】
[0057] 發動機控制模塊（ECM)控制發動機的扭矩輸出。更具體來說，ECM基于所請求的 扭矩量分別基于目標值來控制發動機的致動器。例如，ECM基于目標進氣和排氣相位器角 來控制進氣和排氣凸輪軸定相、基于目標節氣門開度來控制節氣門閥、基于目標EGR開度 控制排氣再循環（EGR)閥并且基于目標廢氣門占空比控制渦輪增壓器的廢氣門。ECM還基 于目標火花正時來控制火花正時并且基于目標加燃料參數來控制加燃料。
[0058] ECM可以單獨地使用多個單輸入單輸出（SISO)控制器（諸如比例積分微分（PID) 控制器）來確定目標值。然而，當使用多個SISO控制器時，可以設置目標值以在有損可能 的燃料消耗減少和顆粒排放物減少的情況下維持系統穩定性。此外，個別SISO控制器的校 準和設計可能是昂貴且耗時的。
[0059] 本公開的ECM使用模型預測控制（MPC)模塊來產生目標值。MPC模塊識別目標值 的可能組。MPC模炔基于可能組的目標值和發動機的數學模型來確定用于每個可能組的預 測參數。例如，MPC模塊可以確定預測發動機扭矩和用于每個可能目標值組的一個或多個 其他預測參數。
[0060] MPC模塊還可以確定與每個可能組的使用相關的成本。例如，被預測更緊密追蹤發 動機扭矩請求的可能組的成本可以低于不被預期如此緊密地追蹤發動機扭矩請求的其他 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器的各個約束的可能組。 在各個實施中，作為識別目標值的可能組并且確定每個組的成