調整發動機的目標緻動器值的系統和方法與流程
2023-05-11 03:21:11
本公開涉及內燃機，更具體地，涉及利用模型預測控制來調整發動機的目標緻動器值以滿足排放和駕駛性能目標並使燃料效率最大化。
背景技術：
本文提供的背景描述是為了實現一般地呈現本公開的上下文的目的。當前署名的發明人的工作就其在該背景部分所描述的以及在提交時可以不另外被作為是現有技術的多個方面的描述而言，既不明確也不隱含地被認可為是本公開的現有技術。
內燃機在汽缸中燃燒空氣和燃料混合物，以驅動產生驅動扭矩的活塞。進入發動機的氣流通過節流閥進行調節。更具體地，節流閥調節節流面積，這可增加或減少進入發動機的氣流。節流面積增加，進入發動機的氣流也隨之增加。燃料控制系統調節燃料噴射率，以為汽缸提供期望的空氣/燃料混合物和/或獲得期望的扭矩輸出。通過增加提供給汽缸的空氣與燃料量，發動機的扭矩輸出得以增加。
在火花點火式發動機中，火花引發了提供給汽缸的空氣/燃料混合物的燃燒。在壓縮點火式發動機中，汽缸中的壓縮使提供給汽缸的空氣/燃料混合物燃燒。火花正時和氣流可為用於調節火花點火式發動機的扭矩輸出的初級機構，而燃料流可為用於調節壓縮點火式發動機的扭矩輸出的初級機構。
發動機控制系統已被開發來控制發動機的輸出扭矩，以獲得期望扭矩。然而，傳統的發動機控制系統並不能如所期望的那樣精確地控制發動機的輸出扭矩。進一步地，傳統的發動機控制系統無法對控制信號做出快速響應，或無法在各種影響發動機的輸出扭矩的裝置之間協調發動機扭矩控制。
技術實現要素：
一種系統包括目標生成模塊、模型預測控制(MPC)模塊和致動器模塊。目標生成模塊生成用於發動機的致動器的目標值。MPC模塊生成對目標值的一組可能調整，並預測用於該組可能調整的操作參數。預測操作參數包括排氣系統的排放水平和/或操作參數。MPC模塊確定該組可能調整的成本，並基於成本從多組可能調整中選擇該組可能調整。MPC模塊確定用於所選組的預測操作參數是否滿足約束，並且當預測操作參數滿足約束時利用所選組的可能調整來調整目標值。致動器模塊基於經調整的目標值來控制致動器。
通過詳細說明、權利要求書和附圖，本公開的其他適用領域將變得顯而易見。詳細說明和特定示例僅僅是用於示例的目的，而不是為了限定本公開的範圍。
附圖說明
從詳細描述和附圖中將能夠更充分地理解本公開，其中：
圖1是示出了根據本公開的示例性發動機系統的功能框圖；
圖2是示出了根據本公開的示例性發動機控制系統的功能框圖；
圖3是示出了根據本公開的示例性目標生成模塊的功能框圖；
圖4是示出了根據本公開的示例性預測模塊的功能框圖；以及
圖5是示出了根據本公開的用於通過模型預測控制來控制節流閥、渦流閥、進氣及排氣閥定相、廢氣門、排氣再循環(EGR)閥、EGR冷卻器旁通閥、火花正時和燃料供給的示例性方法的流程圖。
在附圖中，參考標號可重複使用來識別類似和/或相同的元件。
具體實施方式
發動機控制模塊(ECM)控制發動機的扭矩輸出。更具體地，ECM基於請求量的扭矩控制基於目標值的發動機致動器。例如，ECM基於目標進氣和排氣相位器角度控制進氣和排氣凸輪軸定相、基於目標節流閥開度控制節流閥、基於目標EGR開度控制排氣再循環(EGR)閥以及基於目標廢氣門佔空比控制渦輪增壓器的廢氣門。
ECM可通過多個單輸入單輸出(SISO)控制器(例如，比例-積分-微分(PID)控制器)單獨地確定目標值。然而，當使用多個SISO控制器時，可以燃料消耗的可能降低為代價來設定目標值，以保持系統的穩定。另外，單獨的SISO控制器的校準和設計可能會比較昂貴且耗時。
本公開的ECM利用模型預測控制(MPC)模塊來生成目標值。MPC模塊基於發動機扭矩請求識別可能組的目標值。MPC模塊基於該可能組的目標值和發動機的數學模型預測每個可能組的參數。
MPC模塊也可確定與每個可能組的使用相關聯的成本。由於可能組的目標值與參考值之間的差值變大，因此為可能組確定的成本可能會增加，反之亦然。MPC模塊可選擇具有最低成本的可能組。代替或除了識別可能組的目標值及確定每一組的成本之外，MPC模塊還可生成代表可能組的目標值的成本的表面。MPC模塊隨後可基於該成本表面的斜率識別具有最低成本的可能組。
MPC模塊可確定所選擇組的預測參數是否滿足約束條件。如果滿足，則MPC模塊可基於所選擇組設定目標值；否則，MPC模塊可選擇具有次最低成本的可能組，並進行測試來確定該組是否滿足約束。選擇某一組並進行測試來確定該組是否滿足約束的過程可被稱為迭代。可在每一控制環期間執行多次迭代。
ECM可在單獨控制影響排放物水平和排氣系統操作參數的目標緻動器值的同時，利用MPC以如上所述的方式生成影響燃燒的目標緻動器值。一些影響燃燒的目標緻動器值也影響排放物水平和排氣系統參數。這些目標緻動器值的示例包括目標主噴射量和目標節流面積。其他目標緻動器值(例如，目標後噴射量)僅僅影響排放物水平和排氣系統參數。在任一情況下，單獨控制這些目標緻動器值需要進行校準來獲得這些目標緻動器值與排放物水平或排氣系統參數之間的關係，並且不優化這些目標緻動器值。
本公開的ECM協調地控制影響燃燒的目標緻動器值與影響排放物水平和排氣系統參數的目標緻動器值。ECM利用MPC模塊來實現這種協調控制，以預測用於對目標值的所選擇組的可能調整的某些參數，包括排放物水平和排氣系統參數。MPC模塊隨後確定預測參數是否滿足約束。如果滿足，則MPC模塊基於所選擇組設定目標值；否則，MPC模塊選擇具有次最低成本的可能組，並進行測試來確定該組是否滿足約束。MPC模塊以這種方式繼續，直至MPC模塊識別出具有最低成本的滿足約束的可能目標值的組。這樣一來，ECM可在無需付出較多校準努力的情況下利用MPC來最佳化影響排放物水平和排氣系統參數的目標緻動器值。
現參照圖1，發動機系統100包括發動機102，其燃燒空氣/燃料混合物以產生用於車輛的驅動扭矩。由發動機102產生的驅動扭矩量基於來自驅動器輸入模塊104的驅動器輸入之上。發動機102可為火花點火式發動機(例如，汽油發動機)或壓縮點火式發動機(例如，柴油發動機)。
通過節流閥112將空氣吸入至進氣歧管110中。節流閥112可包括具有可旋轉葉片的蝶閥。發動機控制模塊(ECM)114控制節流閥致動器模塊116，其調節節流閥112的開度以控制被吸入至進氣歧管110中的空氣量。
來自進氣歧管110的空氣被吸入至發動機102的汽缸中。雖然發動機102可包括多個汽缸，但是為了說明的目的，示出了單個代表性汽缸118。例如，發動機102可包括2、3、4、5、6、8、10和/或12個汽缸。ECM 114可指示汽缸致動器模塊119選擇性地禁用一些汽缸，這在某些發動機操作條件下可提高燃料經濟性。
來自進氣歧管110的空氣通過渦流閥120被吸入至發動機102的每一汽缸中。渦流閥120可包括具有可旋轉葉片的蝶閥。渦流閥120可小於位於設置有渦流閥120的進氣歧管110中的進氣流道，使得當渦流閥120關閉時，空氣可在渦流閥120周圍流動。ECM 114控制渦流致動器模塊121，其調節渦流閥120的開度，以控制進氣歧管110中的湍流量。當發動機102處於怠速時，渦流閥120可關閉，以在進氣歧管110中形成湍流。當發動機102的速度增加時，渦流致動器模塊121可逐漸打開渦流閥120，直至渦流閥120與進氣氣流平行。
發動機102可利用四衝程循環來進行操作。下文所述的四個衝程可被稱為進氣衝程、壓縮衝程、燃燒衝程和排氣衝程。在曲軸(未示出)的每一旋轉期間，四個衝程中的兩個在汽缸118內發生。因此，對於汽缸118而言，兩個曲軸旋轉是必要的，以便經歷所有四個衝程。
在進氣衝程期間，來自進氣歧管110的空氣通過進氣閥122被吸入至汽缸118中。ECM 114控制燃料致動器模塊124，其調節由燃料噴射器125a執行的燃料噴射，以獲得目標空氣/燃料比。燃料噴射器125a可執行預噴射、主噴射和後噴射。燃料噴射器125a可在中心位置或多個位置處(例如，靠近每一汽缸的進氣閥122的位置處)將燃料噴射到進氣歧管110中。在各種實施方式中，燃料噴射器125a可將燃料直接噴射到汽缸中或噴射到與汽缸相關聯的混合室中。燃料致動器模塊124可停止將燃料噴射到被禁用的汽缸中。燃料致動器模塊124還調節由燃料噴射器125b執行的燃料噴射。燃料噴射器125b將燃料噴射到發動機102產生的排氣中。由燃料噴射器125b執行的燃料噴射可被稱為排氣噴射。
所噴射的燃料與空氣混合，並在汽缸118中形成空氣/燃料混合物。在壓縮衝程期間，汽缸118內的活塞(未示出)壓縮空氣/燃料混合物。火花致動器模塊126基於來自ECM 114的信號使汽缸118中的火花塞128通電，這會點燃空氣/燃料混合物。火花正時可相對於活塞位於其最高位置(其被稱為上死點(TDC))時的時間進行指定。
火花致動器模塊126可由指定TDC之前或之後的距離的正時信號進行控制，以生成火花。由於活塞位置與曲軸旋轉直接相關，因此火花致動器模塊126的操作可與曲軸角度同步。生成火花的操作可被稱為點火事件。火花致動器模塊126能夠改變每一點火事件的火花正時。當火花正時在上一點火事件與下一點火事件之間改變時，火花致動器模塊126可改變下一點火事件的火花正時。火花致動器模塊126可停止為禁用汽缸提供火花。
在燃燒衝程期間，空氣/燃料混合物的燃燒驅動活塞遠離TDC，從而驅動曲軸。燃燒衝程可被定義為活塞到達TDC的時間與活塞到達下死點(BDC)的時間之間的時間。在排氣衝程期間，活塞開始移動遠離BDC，並通過排氣閥130排出燃燒的副產物。燃燒的副產物經由排氣系統132從車輛中排出。
排氣系統132可包括三元催化器(TWC)134、選擇性催化還原(SCR)催化器136和微粒過濾器(PF)138。當發動機102的空氣/燃料比為富或化學計量比時，TWC 134還原碳氫化合物、一氧化碳和氧化氮，並生成氨，且SCR催化器136將氨儲存起來。當空氣/燃料比為貧比時，TWC 134還原碳氫化合物和一氧化碳，且儲存在SCR催化器136中的氨用於還原氧化氮。
如果發動機102為火花點火式發動機，則可使用如上所述的排氣系統132。如果發動機102為壓縮點火式發動機，則TWC 134可從排氣系統132中省略掉。另外，配料系統(未示出)可將配料劑(例如尿素)噴射到排氣系統132中。配料劑分解來生成氨，其儲存在SCR催化器136中。
PF 138從流經排氣系統132的排氣中過濾微粒物，例如菸灰。ECM 114可經由燃料致動器模塊124控制燃料噴射器125a執行後噴射，以再生PF 138。另外或可選地，ECM 114可經由燃料致動器模塊124控制燃料噴射器125b將燃料噴射到排氣系統132中，以再生PF 138。
進氣閥122可由進氣凸輪軸140進行控制，而排氣閥130可由排氣凸輪軸142進行控制。在各種實施方式中，多個進氣凸輪軸(包括進氣凸輪軸140)可控制汽缸118的多個進氣閥(包括進氣閥122)和/或可控制多組汽缸(包括汽缸118)的進氣閥(包括進氣閥122)。類似地，多個排氣凸輪軸(包括排氣凸輪軸142)可控制汽缸118的多個排氣閥和/或可控制多組汽缸(包括汽缸118)的排氣閥(包括排氣閥130)。在各種其他實施方式中，進氣閥122和/或排氣閥130可由除了凸輪軸以外的裝置進行控制，例如，無凸輪式閥致動器。汽缸致動器模塊119可通過禁止打開進氣閥122和/或排氣閥130來禁用汽缸118。
進氣閥122打開時的時間可由進氣凸輪相位器148根據活塞TDC來進行改變。排氣閥130打開時的時間可由排氣凸輪相位器150根據活塞TDC來進行改變。相位器致動器模塊158可基於來自ECM 114的信號控制進氣凸輪相位器148和排氣凸輪相位器150。在實施時，可變閥升程(未示出)也可由相位器致動器模塊158進行控制。
發動機系統100可包括渦輪增壓器，其包括由流經排氣系統132的熱排氣提供動力的熱渦輪機160-1。渦輪增壓器還包括由渦輪機160-1驅動的冷空氣壓縮機160-2。壓縮機160-2壓縮引入至節流閥112的空氣。在各種實施方式中，由曲軸驅動的增壓器(未示出)可壓縮來自節流閥112的空氣，並將壓縮空氣輸送到進氣歧管110中。
廢氣門162可允許排氣繞過渦輪機160-1，從而降低由渦輪增壓器提供的增壓(進氣壓縮量)。增壓致動器模塊164可通過控制廢氣門162的開度來控制渦輪增壓器的增壓。在各種實施方式中，可實施兩個或更多的渦輪增壓器，且其可由增壓致動器模塊164進行控制。
空氣冷卻器(未示出)可將熱量從壓縮空氣增壓器傳遞到冷卻介質，例如發動機冷卻劑或空氣。利用發動機冷卻劑冷卻壓縮空氣增壓器的空氣冷卻器可被稱為中間冷卻器。利用空氣冷卻壓縮空氣增壓器的空氣冷卻器可被稱為增壓空氣冷卻器。例如，壓縮空氣增壓器可通過壓縮接收熱量，和/或可從排氣系統132的部件接收熱量。雖然為了說明的目的而單獨地示出，但是渦輪機160-1和壓縮機160-2可附接至彼此，進而將進氣設置成靠近熱排氣。
發動機系統100可包括高壓(HP)排氣再循環(EGR)閥170和低壓(LP)EGR閥171，其選擇性地使排氣改向回流至進氣歧管110。HP EGR閥170可位於渦輪增壓器的渦輪機160-1的上遊。LP EGR閥171可位於渦輪增壓器的渦輪機160-1的下遊。EGR致動器模塊172可基於來自ECM 114的信號控制EGR閥170和171。
發動機系統100還可包括EGR冷卻器174和EGR冷卻器旁通閥176。EGR冷卻器174可位於HP EGR閥170的下遊，並可冷卻流經HP EGR閥170的高壓排氣。當EGR冷卻器旁通閥176打開時，EGR冷卻器旁通閥176可允許高壓排氣繞過EGR冷卻器174。旁通致動器模塊178可基於來自ECM 114的信號控制EGR冷卻器旁通閥176。當發動機102初始啟動時，ECM 114可打開EGR冷卻器旁通閥176，以使發動機102和/或排氣系統的部件的溫度更快地提高至其操作溫度。
可利用曲軸位置傳感器180來測量曲軸的位置。可基於曲軸位置確定曲軸的轉速(發動機速度)。可利用發動機冷卻劑溫度(ECT)傳感器182來測量發動機冷卻劑的溫度。ECT傳感器182可位於發動機102內或可位於冷卻劑循環的其他地方，例如散熱器(未示出)。
可利用歧管絕對壓力(MAP)傳感器184來測量進氣歧管110內的壓力。在各種實施方式中，可測量發動機真空度，其為環境空氣壓力與進氣歧管110內的壓力之間的差值。可利用質量空氣流量(MAF)傳感器186來測量流入進氣歧管110的空氣的質量流率。在各種實施方式中，MAF傳感器186可位於還包括節流閥112的外殼中。
節流閥致動器模塊116可利用一個或多個節流閥位置傳感器(TPS)190來監測節流閥112的位置。可利用進氣溫度(IAT)傳感器192來測量被吸入至發動機102中的空氣的環境溫度。可利用氧化氮(NOx)傳感器194來測量排出排氣系統132的氧化氮的濃度。ECM 114可利用來自傳感器的信號來對發動機系統100做出控制決定。
ECM 114可與混合控制模塊196進行通信，以協調發動機102和電動機198的操作。電動機198還可用作為發電機，並可用於產生供車輛電氣系統使用和/或儲存於電池中的電能。在各種實施方式中，ECM 114和混合控制模塊196的各種功能可集成於一個或多個模塊中。
每一改變發動機參數的系統都可被稱為發動機致動器。例如，節流閥致動器模塊116可調節節流閥112的開度，以獲得目標節流閥打開面積。火花致動器模塊126控制火花塞，以獲得相對於活塞TDC的目標火花正時。燃料致動器模塊124控制燃料噴射器，以獲得目標燃料供給參數。相位器致動器模塊158可控制進氣凸輪相位器148和排氣凸輪相位器150，以分別獲得目標進氣凸輪相位器角度和目標排氣凸輪相位器角度。EGR致動器模塊172可控制EGR閥170和EGR閥171中的每一個，以獲得目標EGR打開面積。ECM 114可調節EGR閥170和EGR閥171中的每一個的目標EGR打開面積，以實現流經HP EGR閥170的高壓排氣與流經LP EGR閥171的低壓排氣之間的目標分流。增壓致動器模塊164控制廢氣門162，以獲得目標廢氣門打開面積。汽缸致動器模塊119控制汽缸的禁用，以獲得目標數量的啟用或禁用汽缸。
ECM 114生成用於發動機致動器的目標值，以使發動機102產生目標發動機輸出扭矩。如下面所進一步討論的，ECM 114利用模型預測控制來生成用於發動機致動器的目標值。
現參照圖2，ECM 114的示例性實施方式包括驅動器扭矩模塊202。驅動器扭矩模塊202基於來自驅動器輸入模塊104的驅動器輸入126確定驅動器扭矩請求204。例如，驅動器輸入206可基於加速器踏板的位置和制動器踏板的位置之上。驅動器輸入206還可基於巡航控制，其可為改變車速以維持預定行車間距的自適應巡航控制系統。驅動器扭矩模塊202可存儲一個或多個從加速器踏板位置到目標扭矩的映射，並可基於所選擇的一個映射確定驅動器扭矩請求204。驅動器扭矩模塊202還可將一個或多個過濾器應用於驅動器扭矩請求204的速率限制變化中。
輪軸扭矩仲裁模塊208在驅動器扭矩請求204與其他輪軸扭矩請求210之間進行仲裁。輪軸扭矩(車輪處的扭矩)可由包括發動機和/或電動機的各種源產生。例如，當檢測到車輪正向打滑時，輪軸扭矩請求210可包括由牽引控制系統請求的扭矩降低。當輪軸扭矩克服了車輪與路面之間的摩擦時，車輪發生正向打滑，且車輪開始相對於路面打滑。輪軸扭矩請求210還可包括扭矩增大請求，以抵消車輪的反向打滑，在車輪反向打滑的情況下，由於輪軸扭矩為負，因此車輛的輪胎在相對於路面的另一方向上打滑。
輪軸扭矩請求210還可包括制動器管理請求和車輛超速扭矩請求。制動器管理請求可降低輪軸扭矩，以確保當車輛停止時，輪軸扭矩不超出制動器制動車輛的能力。車輛超速扭矩請求可降低輪軸扭矩，以防止車輛超出預定速度。輪軸扭矩請求210還可由車輛穩定控制系統生成。
輪軸扭矩仲裁模塊208基於接收到的輪軸扭矩請求204與輪軸扭矩請求210之間的仲裁結果輸出輪軸扭矩請求212。如下所述，在用於控制發動機致動器之前，來自輪軸扭矩仲裁模塊208的輪軸扭矩請求212可由ECM 114的其他模塊進行選擇性的調節。
輪軸扭矩仲裁模塊208可將輪軸扭矩請求212輸出到推進扭矩仲裁模塊214。在各種實施方式中，輪軸扭矩仲裁模塊208可將輪軸扭矩請求212輸出到混合最佳化模塊216。混合最佳化模塊216可確定發動機102應該產生的扭矩量以及電動機198應該產生的扭矩量。混合最佳化模塊216隨後將修改後的輪軸扭矩請求218輸出到推進扭矩仲裁模塊214。
推進扭矩仲裁模塊214將來自輪軸扭矩域(車輪處的扭矩)的輪軸扭矩請求212(或修改後的輪軸扭矩請求218)轉換成推進扭矩域(曲軸處的扭矩)。推進扭矩仲裁模塊214在(被轉換的)輪軸扭矩請求212與其他推進扭矩請求220之間進行仲裁。推進扭矩仲裁模塊214生成作為仲裁結果的推進扭矩請求222。
例如，推進扭矩請求220可包括用於發動機超速保護的扭矩降低、用於防止失速的扭矩增大以及用於適應變速箱檔位的扭矩降低。推進扭矩請求220還可因離合器燃料切斷而生成，其在駕駛員踩下手動變速箱車輛的離合器踏板時降低發動機輸出扭矩，以防止發動機速度突然「爆發」。
推進扭矩請求220還可包括發動機關閉請求，其中可在檢測到致命故障時發起該發動機關閉請求。例如，致命故障可包括對車輛盜竊、被卡住的起動電機、電子節流閥控制問題及意外的扭矩增大的檢測。在各種實施方式中，當存在發動機關閉請求時，仲裁選擇該發動機關閉請求來作為獲勝請求。當存在發動機關閉請求時，推進扭矩仲裁模塊214可輸出零來作為推進扭矩請求222。
在各種實施方式中，發動機關閉請求可單獨從仲裁過程中簡單地關閉發動機102。例如，推進扭矩仲裁模塊214仍可接收發動機關閉請求，使得適當的數據可反饋給其他扭矩請求者。例如，所有其他扭矩請求者會被告知其已失去仲裁。
扭矩儲備模塊224產生扭矩儲備226以補償發動機操作條件的變化(該變化可能會降低發動機輸出扭矩)和/或補償一個或多個負載。例如，發動機102的空氣/燃料比和/或質量空氣流量可被直接改變，例如，被診斷性侵入當量比測試和/或新發動機吹掃改變。在開始這些過程之前，扭矩儲備模塊224可產生或增加扭矩儲備226，以快速地抵消在這些過程期間稀釋空氣/燃料混合物所導致的發動機輸出扭矩降低。
扭矩儲備模塊224還可在預期未來負載(例如，動力轉向泵操作或空調(A/C)壓縮機離合器的接合)時產生或增加扭矩儲備226。當駕駛員首次請求空調時，扭矩儲備模塊224可產生或增加用於A/C壓縮機離合器的接合的扭矩儲備226。然後，當A/C壓縮機離合器接合時，扭矩儲備模塊224可減少扭矩儲備226，減少量等於A/C壓縮機離合器的估計負載。
目標生成模塊228基於推進轉矩請求222、轉矩儲備226以及一個或多個發動機工況生成用於發動機致動器的目標值。目標調整模塊229利用模型預測控制(MPC)來調整目標值，並將經調整的目標值輸出到相應的發動機致動器。
目標生成模塊228可以利用將推進轉矩請求222、轉矩儲備226和發動機工況與目標值相關聯的函數或映射來生成目標值。發動機工況可以包括發動機速度、發動機冷卻劑溫度、進氣歧管壓力、進氣的質量流速和/或進氣溫度。
推進轉矩請求222可以是制動轉矩。制動轉矩可以指在當前工況下曲軸處的轉矩。目標生成模塊228可以利用將制動轉矩與基本轉矩相關聯的映射或函數將推進轉矩請求222從制動轉矩轉換為基本轉矩，並且基於基本轉矩生成目標值。
基本轉矩可以指發動機102在測功機上操作期間而引起的在曲軸處的轉矩，而發動機102是熱的，並且沒有轉矩負載由諸如交流發電機和A/C壓縮機的附件施加在發動機102上。在各種實施方式中，目標生成模塊228可以將推進轉矩請求222轉換成另一種合適類型的轉矩，例如指示轉矩，並且基於所轉換的轉矩請求生成目標值。指示轉矩可以指由於通過氣缸內的燃燒產生的功而引起的在曲軸處的轉矩。
目標值包括目標廢氣門打開面積230、目標節流閥打開面積232、目標渦流閥打開面積233、目標HP EGR打開面積234、目標LP EGR打開面積235、目標進氣凸輪相位器角度236和目標排氣凸輪相位器角度238。目標值還包括目標火花正時240、待啟動汽缸的目標數量242、目標燃料供給參數244和用於EGR冷卻器旁通閥176的目標旁通打開面積246。增壓致動器模塊164控制廢氣門162以獲得目標廢氣門打開面積230。例如，第一轉換模塊248可將目標廢氣門打開面積230轉換成目標佔空比250以應用於廢氣門162，增壓致動器模塊164可基於目標佔空比250將信號施加到廢氣門162。在各種實施方式中，第一轉換模塊248可將目標廢氣門打開面積230轉換成目標廢氣門位置(未示出)，並將目標廢氣門位置轉換成目標佔空比250。
節流閥致動器模塊116控制節流閥112以獲得目標節流閥打開面積232。例如，第二轉換模塊252可將目標節流閥打開面積232轉換成目標佔空比254以應用於節流閥112，節流閥致動器模塊116可基於目標佔空比254將信號施加到節流閥112。在各種實施方式中，第二轉換模塊252可將目標節流閥打開面積232轉換成目標節流閥位置(未示出)，並將目標節流閥位置轉換成目標佔空比254。
渦流致動器模塊121控制渦流閥120以獲得目標渦流閥打開面積233。在各種實施方式中，可包括第三轉換模塊(未示出)，其可將目標渦流閥打開面積233轉換成目標佔空比(未示出)以應用於渦流閥120。可選地，第三轉換模塊可將目標渦流閥打開面積233轉換成目標渦流閥位置(未示出)，並將目標渦流閥位置轉換成目標佔空比。
EGR致動器模塊172控制HP EGR閥170以獲得目標HP EGR打開面積234。例如，第四轉換模塊256可將目標HP EGR打開面積234轉換成目標佔空比258以應用於HP EGR閥170，EGR致動器模塊172可基於目標佔空比258將信號施加到HP EGR閥170。在各種實施方式中，第四轉換模塊256可將目標HP EGR打開面積234轉換成目標EGR位置(未示出)，並將目標EGR位置轉換成目標佔空比258。
EGR致動器模塊172控制LP EGR閥171以獲得目標LP EGR打開面積235。例如，第四轉換模塊256可將目標LP EGR打開面積235轉換成目標佔空比259以應用於LP EGR閥171，EGR致動器模塊172可基於目標佔空比259將信號施加到LP EGR閥171。在各種實施方式中，第四轉換模塊256可將目標LP EGR打開面積235轉換成目標EGR位置(未示出)，並將目標EGR位置轉換成目標佔空比259。
相位器致動器模塊158控制進氣凸輪相位器148以獲得目標進氣凸輪相位器角度236。相位器致動器模塊158還控制排氣凸輪相位器150以獲得目標排氣凸輪相位器角度238。在各種實施方式中，可包括第五轉換模塊(未示出)，其可將目標進氣凸輪相位器角度236和目標排氣凸輪相位器角度238分別轉換成目標進氣佔空比和目標排氣佔空比。相位器致動器模塊158可將目標進氣佔空比和目標排氣佔空比分別應用於進氣凸輪相位器148和排氣凸輪相位器150。在各種實施方式中，目標生成模塊228可確定目標閥重疊因數和目標有效位移，而相位器致動器模塊158可控制進氣凸輪相位器148和排氣凸輪相位器150以獲得目標重疊因數和目標有效位移。
目標廢氣門打開面積230、目標節流閥打開面積232、目標渦流閥打開面積233、目標HP EGR打開面積234、目標LP EGR打開面積235、目標進氣凸輪相位器角度236和目標排氣凸輪相位器角238可被稱為空氣控制設定點。如果發動機102為火花點火式發動機，則目標節流閥打開面積232僅可用作為空氣控制設定點。因此，如果發動機102為壓縮點火式發動機，則目標節流閥打開面積232可不用作為空氣控制設定點。相反，目標EGR流量、目標增壓量和/或目標發動機空氣流量可用作為空氣控制設定點。目標EGR流量、目標增壓量和/或目標發動機空氣流量可通過調節目標廢氣門打開面積230、目標可變幾何結構渦輪增壓器(VGT)位置(如果適用的話)、目標HP EGR打開面積234、目標LP EGR打開面積235、目標進氣凸輪相位器角度236和/或目標排氣凸輪相位器角度238來獲得。
火花致動器模塊126基於目標火花正時240提供火花。汽缸致動器模塊119基於目標汽缸數量242選擇性地啟動和禁用汽缸閥。還可停止為禁用的汽缸提供燃料和火花。目標燃料供給參數244可包括目標燃料軌道壓力、每一燃燒事件的目標燃料噴射次數、每一噴射的目標燃料質量和/或每一噴射的目標啟動正時。燃料致動器模塊124基於目標燃料供給參數244控制燃料供給。在一個示例中，燃料致動器模塊124可控制預噴射、主噴射、後噴射和排氣噴射，而目標燃料供給參數244可包括目標燃料質量和用於預噴射、主噴射、後噴射和排氣噴射中的每一個的目標啟動正時。
旁通致動器模塊178控制EGR冷卻器旁通閥176以獲得目標旁通打開面積246。在各種實施方式中，可包括第六轉換模塊(未示出)，其可將目標旁通打開面積246轉換成目標佔空比(未示出)以應用於EGR冷卻器旁通閥176。可選地，第六轉換模塊可將目標旁通打開面積246轉換成目標旁通閥位置(未示出)，並將目標旁通閥位置轉換成目標佔空比。
圖3是目標調整模塊229的示例實施方式的功能框圖。MPC(模型預測控制)模塊312利用MPC來生成對目標值230-246的調整。MPC模塊312可以是單個模塊或者可以包括多個模塊。例如，MPC模塊312可以包括序列確定模塊316。序列確定模塊316確定對可在N個未來控制循環期間一起使用的目標值230-246的可能調整序列。由序列確定模塊316識別的每個可能序列包括針對目標值230-246中的每一個的N個調整值的一個序列。換句話說，每個可能序列包括用於目標廢氣門開口區域230的N個調整值序列、用於目標節氣門開口區域232的N個調整值序列、用於目標旋流翼片開口區域233的N個調整值序列、用於目標HP EGR開口區域234的N個調整值序列、用於目標LP EGR開口區域235的N個調整值序列、用於目標進氣凸輪相位器角度236的N個調整值序列、以及用於目標排氣凸輪相位器角度238的N個調整值序列。每個可能序列還包括用於目標火花正時240、目標汽缸數242、目標燃料供給參數244和目標旁通開口區域246的N個調整值序列。N個調整值中的每一個對應於N個未來控制循環中的一個。N是大於1的整數。
預測模塊323基於發動機102的數學模型324、外源輸入328和反饋輸入330預測發動機102對目標值230～246的可能調整序列的響應。例如，根據目標值266～270的可能調整序列、外源輸入328和反饋輸入330，預測模塊323可利用模型324來生成用於N個控制環的發動機102的預測扭矩的序列、用於N個控制環的預測MAP的序列、用於N個控制環的預測APC的序列、用於N個控制環的預測外部稀釋量的序列、用於N個控制環的內部稀釋量的序列、用於N個控制環的預測燃燒定相值的序列、用於N個控制環的預測燃燒質量值的序列以及用於N個控制環的預測有效位移值的序列。
模型324可包括基於發動機102的特性進行校準的函數或映射。稀釋可指針對一個燃燒事件在汽缸內捕獲的先前燃燒事件的排氣量。外部稀釋可指經由EGR閥170和171為燃燒事件提供的排氣。內部稀釋(也稱為殘餘稀釋)可指保留在汽缸中的排氣和/或在燃燒循環的排氣衝程之後被推回到汽缸中的排氣。有效位移可指在汽缸中的活塞從TDC行進到BDC時被吸入發動機汽缸中的空氣體積減去由於活塞通過汽缸進氣閥將空氣推回至進氣歧管而導致的空氣體積損耗之後的值。
燃燒定相可指曲軸位置，在該位置上，預定量的噴射燃料相對於用於預定量的噴射燃料的燃燒的預定曲軸位置在汽缸內進行燃燒。例如，燃燒定相可相對於預定CA50以CA50表示。CA50可指曲軸角度(CA)，在該角度上，50％質量的噴射燃料已在汽缸內燃燒完畢。預定CA50可對應於CA50，在該CA50上，最大量的功由所噴射的燃料產生，且在各種實施方式中，其在TDC(上死點)之後的大小可在約8.5度至約10度之間。雖然燃燒定相將根據CA50值進行討論，但也可使用另一指示燃燒定相的合適參數。另外，雖然燃燒質量將作為指示平均有效壓力(IMEP)值的變動係數(COV)來進行討論，但也可使用另一指示燃燒質量的合適參數。
外源輸入328可包括不直接受發動機致動器影響的參數。例如，外源輸入328可包括發動機速度、渦輪增壓器進氣壓力、IAT和/或一個或多個其他參數。例如，反饋輸入330可包括發動機102的估計扭矩輸出、渦輪增壓器的渦輪機160-1下遊處的排氣壓力、IAT、發動機102的APC、估計內部稀釋、估計外部稀釋、MAF、發動機102的空氣/燃料比、火花正時和/或一個或多個其他合適的參數。可利用傳感器(例如，IAT傳感器192)來測量和/或基於一個或多個其他參數來估計反饋輸入330。
預測模塊323還針對目標值230～246的每一可能調整序列預測由發動機102產生的排氣中的排放物水平、排氣系統132的操作參數、與發動機102相關聯的燃燒噪聲水平和/或駕駛性能參數。預測排放物水平可包括發動機102所產生的排氣中的氧化氮(NOx)水平，其可被稱為發動機排出NOx。可選地或另外地，預測排放物水平可包括發動機102所產生的排氣中的菸灰水平，其可被稱為發動機排出菸灰。
排氣系統132的預測的操作參數可包括PF 138中的菸灰積聚量、儲存在SCR催化器136中的氨的水平、SCR催化器136的溫度和/或PF 138的溫度。PF 138中的菸灰積聚量可被稱為PF菸灰負載。預測駕駛性能參數可包括車輛速度和/或車輛躍度。車輛躍度是車輛速度相對於時間的二階導數。
例如，預測模塊323可基於外源輸入328和/或反饋輸入330預測排放物水平、排氣系統操作參數、燃燒噪聲水平和駕駛性能參數。預測模塊323可利用線性物理基模型進行這些預測。例如，根據目標值266～270的可能序列、外源輸入328和反饋輸入330，預測模塊323可利用物理基模型來生成用於N個控制環的預測發動機排出NOx水平的序列、用於N個控制環的預測發動機排出菸灰水平的序列、用於N個控制環的預測PF菸灰負載的序列、用於N個控制環的預測氨儲存水平的序列、用於N個控制環的預測SCR溫度的序列、用於N個控制環的預測PF溫度的序列、用於N個控制環的預測燃燒噪聲水平的序列、用於N個控制環的預測車輛速度的序列以及用於N個控制環的預測車輛躍度的序列。
由預測模塊323使用的預測排放水平、排氣系統操作參數、燃燒噪聲水平和駕駛性能參數的基於物理學的模型可以採取以下形式的關係式：
其中f(x)是用於預測參數的函數，K是激活函數，wi是加權值，xi是用於N個控制循環中的第i個的模型輸入，並且x平衡是表示對模型進行線性化的點的模型輸入的值。加權值wi和激活函數K可以取決於發動機速度和發動機負載，並且燃料量可以用作發動機負載的近似。因此，對於由發動機速度和燃料量指定的每個工作點，可以存在不同的函數f(x)。
成本模塊332基於針對可能序列進行確定的預測參數確定目標值230～246的每一可能調整序列的成本值，並可基於參考值340確定成本值。成本模塊332可基於預測參數與參考值340中的相應參考值之間的關係確定每一可能序列的成本值。例如，可對關係進行加權，以控制每一關係對成本的影響。
選擇模塊344基於可能序列的相應成本選擇目標值230～246的可能調整序列中的一個。例如，選擇模塊344可選擇可能序列中的一個，其不但具有最低成本，而且還滿足致動器約束348和輸出約束352。
在各種實施方式中，可在成本確定中考慮對致動器約束348和/或輸出約束352的滿足。例如，成本模塊332可基於預測參數與致動器約束348和輸出約束352中的相應約束之間的關係確定每一可能序列的成本值。
選擇模塊344可以基於所選擇的可能序列的N個調整值中的第一調整值來分別調整目標值230-246。換句話說，選擇模塊344利用用於目標廢氣門開口區域230的所選N個調整值序列中的第一個來調整目標廢氣門開口區域230，利用用於目標節氣門開口區域232的所選N個調整值序列中的第一個來調整目標節氣門開口區域232，利用用於目標旋流翼片開口區域233的所選N個調整值序列中的第一個來調整目標旋流翼片開口區域233，利用用於目標HP EGR開口區域234的所選N個調整值序列中的第一個來調整目標HP EGR開口區域234，利用用於目標LP EGR開口區域235的所選N個調整值序列中的第一個來調整目標LP EGR開口區域235，利用用於目標進氣凸輪相位器角度236的所選N個調整值序列中的第一個來調整目標進氣凸輪相位器角度236，以及利用用於目標排氣凸輪相位器角度238的所選N個調整值序列中的第一個來調整目標排氣凸輪相位器角度238。選擇模塊344還利用用於目標火花正時240的所選N個調整值序列中的第一個來調整目標火花正時240，利用用於目標氣缸數242的所選N個調整值序列中的第一個來調整目標氣缸數242，利用用於目標燃料供給參數244的所選N個調整值序列中的第一個來調整目標燃料供給參數244，並且利用用於目標旁路開口區域246的所選N個調整值序列中的第一個來調整目標旁路開口區域246。
在下一個控制循環期間，MPC模塊312識別調整的可能序列，生成可能序列的預測參數，確定每個可能序列的成本，選擇可能序列之一，以及利用所選可能序列中的對於目標值230-246的調整值中的第一個來調整目標值230-246。對於每個控制循環繼續該過程。
致動器約束模塊360(參見圖2)為每一目標值230～246設定致動器約束348。換言之，致動器約束模塊360為節流閥112設定致動器約束、為EGR閥170和171設定致動器約束、為廢氣門162設定致動器約束、為進氣凸輪相位器148設定致動器約束以及為排氣凸輪相位器150設定致動器約束。致動器約束模塊360還為火花致動器模塊126設定致動器約束、為汽缸致動器模塊119設定致動器約束以及為燃料致動器模塊124設定致動器約束。
用於每一目標值230～246的致動器約束348可包括相關聯目標值的最大值和該目標值的最小值。致動器約束模塊360通常可將致動器約束348設定為相關聯發動機致動器的預定操作範圍。更具體地，致動器約束模塊360通常可將致動器約束348分別設定為節流閥112、EGR閥170和171、廢氣門162、進氣凸輪相位器148、排氣凸輪相位器150、火花致動器模塊126、汽缸致動器模塊119和燃料致動器模塊124的預定操作範圍。因此，目標值的最大值可為相應致動器的最大限度，而目標值的最小值可為該致動器的最小限度。
輸出約束模塊364(參見圖2)為發動機102的預測扭矩輸出、預測MAP、預測APC、預測CA50、IMEP的預測COV、預測內部稀釋、預測外部稀釋和/或預測有效位移設定輸出約束352。每一預測參數的輸出約束352都可包括相關聯預測參數的最大值和該預測參數的最小值。例如，輸出約束352可包括最小扭矩、最大扭矩、最小MAP、最大MAP、最小APC、最大APC、最小CA50、最大CA50、IMEP的最小COV、IMEP的最大COV、最小內部稀釋、最大內部稀釋、最小外部稀釋、最大外部稀釋、最小有效位移和/或最大有效位移。
輸出約束模塊364通常可將輸出約束352分別設定為相關聯預測參數的預定範圍。然而，在某些情況下，輸出約束模塊364可改變輸出約束352中的一個或多個。例如，輸出約束模塊364可延遲最大CA50，例如當發動機102內發生爆震時。在另一示例中，輸出約束模塊364可在低負載條件下(例如，在可能需要IMEP的較高COV來實現給定扭矩請求的發動機空轉期間)增加IMEP的最大COV。
參考值模塊368(參見圖2)生成目標值230～246的參考值340。參考值340包括每一目標值230～246的參考。換言之，參考值340包括參考廢氣門打開面積、參考節流閥打開面積、參考EGR打開面積、參考進氣凸輪相位器角度和參考排氣凸輪相位器角度。參考值340還包括參考火花正時、參考汽缸數量和參考燃料供給參數。參考值340還可包括每一輸出約束352的參考。例如，參考值340可包括參考歧管絕對壓力(MAP)、每一汽缸的參考空氣品質(APC)、參考外部稀釋、參考內部稀釋和參考有效位移。
參考值模塊368可基於推進扭矩請求222和/或基本扭矩請求308確定參考值340。參考值340提供用於設定目標值266～270的參考。如下文所進一步討論的，參考值340可用於確定可能序列的成本值。參考值340還可用於一個或多個其他目標，例如，由序列確定模塊316用來確定可能序列。
代替或者除了生成對目標值的可能調整序列並確定每個序列的成本，MPC模塊312可以利用凸優化技術識別對具有最低成本的目標值的可能調整序列。例如，MPC模塊312可以利用二次規劃(QP)求解器(諸如Dantzig QP求解器)來確定對目標值230-246的調整。在另一示例中，MPC模塊312可以生成用於針對目標值230-246的可能調整序列的成本值的表面，並且基於成本表面的斜率來識別對具有最低成本的目標值的可能調整序列。MPC模塊312然後可以測試對目標值的該可能調整序列，以確定對目標值的該可能調整序列是否滿足致動器約束348和輸出約束352。如果是，則MPC模塊312可以利用如上所述的該所選可能序列的N個調整值中的第一個來分別調整目標值230-246。
如果不滿足致動器約束348或輸出約束352，則MPC模塊312選擇對具有下一最低成本的目標值的另一個可能調整序列，並測試對目標值的該可能調整序列是否滿足致動器約束348和輸出約束352。選擇序列並且測試序列以滿足致動器約束348和輸出約束352的過程可以稱為迭代。在每個控制循環期間可以執行多次迭代。
MPC模塊312執行迭代，直至識別出具有最低成本的滿足致動器約束348和輸出約束352的序列。如此，MPC模塊312選擇對目標值的可能調整序列，其不但具有最低成本，而且還滿足致動器約束348和輸出約束352。如果無法識別出序列，則MPC模塊312可發出解決方案不可用的指示。
成本模塊332可基於噴射到發動機102的汽缸和排氣系統132中的燃料總量以及發動機102的燃燒噪聲水平確定目標值230～246的可能調整序列的成本。例如，成本模塊332可基於以下等式確定目標值230～246的可能序列的成本：
其受制於致動器約束348和輸出約束352。Cost為目標值230～246的可能調整序列的成本，PFi為N個控制環中的第i個控制環的可能總燃料供給量，PCNi為N個控制環中的第i個控制環的預測燃燒噪聲水平，wCN為與預測燃燒噪聲水平相關聯的加權值。可能總燃料供給量PFi可包括在用於N個控制環中的第i個控制環的預噴射、主噴射、後噴射和排氣噴射期間進行噴射的燃料的總量。在各種實施方式中，預測燃燒噪聲水平和與其相關聯的加權值可從上述等式中省略，且預測燃燒噪聲水平可替代地受制於輸出約束352中的相應一個。
當成本模塊332使用上述等式來確定成本時，具有最低成本的目標值230～246的可能調整序列的選擇可能受制於輸出約束352中的與排放物水平、排氣系統參數和駕駛性能參數相關的約束。例如，輸出約束352可包括最大發動機排出NOx水平、最大發動機排出菸灰水平、最大PF菸灰負載、最大氨儲存水平、最大SCR溫度、最大PF溫度、最大燃燒噪聲水平、最小車輛速度、最大車輛速度、最小車輛躍度和最大車輛躍度。當相應的預測參數小於輸出約束中的最大值且大於輸出約束352中的最小值時，目標值230～246的可能調整序列可滿足輸出約束352。更具體地，當預測發動機排出NOx水平小於最大發動機排出NOx水平，預測發動機排出菸灰水平小於最大發動機排出菸灰水平，預測PF負載小於最大PF菸灰負載，預測氨儲存水平小於最大氨儲存水平，預測SCR溫度小於最大SCR溫度，預測PF溫度小於最大PF溫度，預測燃燒噪聲水平小於最大燃燒噪聲水平，預測車輛速度大於最小車輛速度且小於最大車輛速度，且預測車輛躍度大於最小車輛躍度且小於最大車輛躍度時，目標值230～246的可能調整序列可滿足輸出約束352。
在各種實施方式中，可在成本確定中考慮對與排放物水平、排氣系統參數和駕駛性能參數相關的輸出約束352的滿足。例如，成本模塊332可基於預測參數與上述輸出約束352中的對應輸出約束之間的關係確定目標值230～246的每一可能序列的成本值。更具體地，成本模塊332可基於以下項之間的關係確定目標值230～246的每一可能調整序列的成本值：預測發動機排出NOx與最大發動機排出NOX；預測發動機排出菸灰與最大發動機排出菸灰；預測氨儲存水平與最大氨儲存水平；預測SCR溫度與最大SCR溫度；預測PF溫度與最大PF溫度；預測燃燒噪聲水平與最大燃燒噪聲水平；預測車輛速度與最小及最大車輛速度；以及預測車輛躍度與最小及最大車輛躍度。
現參照圖4，預測模塊323的示例性實施方式包括發動機排出NOx模塊402、發動機排出菸灰模塊404、PF菸灰負載模塊406、SCR氨儲存模塊408和SCR/PF溫度模塊410。發動機排出NOx模塊402預測由發動機102產生的排氣中的氧化氮(NOx)水平，如上所述，其可被稱為發動機排出NOx。發動機排出NOx模塊402輸出指示預測發動機排出NOx水平的信號412。
發動機排出NOx模塊402可基於各種發動機參數預測發動機排出NOx水平。這些參數可包括進入發動機102的汽缸中的空氣流率、進氣歧管110中的氧濃度、燃料噴射正時和壓力、預噴射量和正時、進氣歧管110中的溫度、發動機冷卻劑溫度和/或渦流閥120的位置。發動機排出NOx模塊402可利用使上述參數中的一個或多個與發動機排出NOx水平相關的模型、等式和/或查找表來預測發動機排出NOx水平。
發動機排出菸灰模塊404預測由發動機102產生的排氣中的菸灰水平，如上所述，其可被稱為發動機排出菸灰。發動機排出菸灰模塊404輸出指示預測發動機排出菸灰水平的信號414。發動機排出菸灰模塊404可基於各種發動機參數預測發動機排出菸灰水平。這些參數可包括發動機102的空氣/燃料比、提供給發動機102的再循環排氣的總量和/或燃料噴射正時和壓力。發動機排出菸灰模塊404可利用使上述參數中的一個或多個與發動機排出菸灰水平相關的模型、等式和/或查找表來預測發動機排出菸灰水平。
PF菸灰負載模塊406預測PF 138中的菸灰積聚量，其可被稱為PF菸灰負載。PF菸灰負載模塊406輸出指示預測PF菸灰負載的信號416。PF菸灰負載模塊406可基於各種參數預測PF菸灰負載。這些參數可包括發動機排出NOx的流率、PF 138的過濾效率和PF 138內發生的反應的速率，例如以下兩個反應：
(1)C+O2＝CO2；以及
(2)C+2NO2＝CO2+2NO。
PF菸灰負載模塊406可利用使上述參數中的一個或多個與發動機排出菸灰水平相關的模型、等式和/或查找表來預測PF菸灰負載。
SCR氨儲存模塊408預測儲存在SCR催化器136中的氨的水平。SCR氨儲存模塊408輸出指示預測氨儲存水平的信號418。SCR氨儲存模塊408可基於各種參數預測發動機排出菸灰水平。這些參數可包括進入SCR催化器136的排氣中的氧水平、進入SCR催化器136的排氣中的NOx水平、進入SCR催化器136的排氣的質量流率、進入SCR催化器136的排氣的溫度和/或SCR催化器136中的底層的溫度。SCR氨儲存模塊408可利用使上述參數中的一個或多個與氨儲存水平相關的模型、等式和/或查找表來預測氨儲存水平。
SCR/PF溫度模塊410預測SCR催化器136的溫度和PF 138的溫度。SCR/PF溫度模塊410輸出指示預測SCR溫度的信號420和指示預測PF溫度的信號422。SCR/PF溫度模塊410可基於各種參數預測SCR溫度和PF溫度。這些參數可包括進入SCR催化器136的排氣的溫度、進入SCR催化器136的排氣的質量流率、排氣的比熱、SCR催化器136和PF 138 中的底層的質量以及這些底層的比熱。SCR/PF溫度模塊410可利用使上述參數中的一個或多個與SCR溫度和PF溫度相關的模型、等式和/或查找表來預測SCR溫度和PF溫度。
圖4所示的預測模塊323的示例性實施方式進一步包括燃燒噪聲模塊424和駕駛性能模塊426。燃燒噪聲模塊424預測由於提供給發動機102的汽缸的空氣/燃料混合物的燃燒而引起的噪聲水平。燃燒噪聲模塊424輸出指示預測燃燒噪聲水平的信號428。燃燒噪聲模塊424可基於各種發動機參數預測燃燒噪聲水平。這些參數可包括發動機速度、進氣的質量流率、燃料噴射正時、每次燃燒事件的燃料噴射次數和/或在每一噴射期間噴射的燃料量。發動機排出菸灰模塊404可利用使上述參數中的一個或多個與發動機排出菸灰水平相關的模型、等式和/或查找表來預測燃燒噪聲水平。
駕駛性能模塊426預測駕駛性能參數，包括車輛速度和車輛躍度。駕駛性能模塊426輸出指示預測車輛速度的信號430和指示預測車輛躍度的信號432。駕駛性能模塊426還可預測由發動機102產生的扭矩量，並輸出指示發動機102的預測扭矩輸出的信號(未示出)。駕駛性能模塊426可基於各種發動機參數預測車輛速度和車輛躍度。這些參數可包括當前車輛速度、發動機速度、進氣的質量流率、燃料噴射正時、每次燃燒事件的燃料噴射次數和/或在每一噴射期間噴射的燃料量。發動機排出菸灰模塊404可利用使上述參數中的一個或多個與車輛速度和車輛躍度相關的模型、等式和/或查找表來預測車輛速度和車輛躍度。
用於預測發動機排出NOx水平、發動機排出菸灰水平、PF菸灰負載、氨儲存水平、SCR溫度、PF溫度、燃燒噪聲水平、車輛速度和車輛躍度的參數可包括在外源輸入328和/或反饋輸入330中。可選地，這些參數可包括在發動機102的利用模型324基於目標值230～246的可能序列、外源輸入328和反饋輸入330進行預測的響應中。
現參照圖5，利用MPC(模型預測控制)控制節流閥112、渦流閥120、進氣凸輪相位器148、排氣凸輪相位器150、廢氣門162(亦即渦輪增壓器)、EGR閥170和171、EGR冷卻器旁通閥176、火花正時、燃料供給和啟動/禁用汽缸數量的示例性方法在502處開始。在504處，推進扭矩仲裁模塊214確定推進扭矩請求222。在506處，目標生成模塊228將推進扭矩請求222轉換成基本扭矩請求308或另一合適類型的扭矩。
在508處，參考值模塊368確定參考值340。如上文所討論的，設定點模塊368可基於推進扭矩請求222和/或基本扭矩請求308確定參考值340。在510處，序列確定模塊316確定目標值230～246的可能序列。
在512處，預測模塊323預測目標值230～246的每一可能調整序列的參數。例如，預測模塊323可利用線性物理基模型來預測排放物水平、排氣系統參數、燃燒噪聲水平和駕駛性能參數。更具體地，根據目標值266～270的可能調整序列、外源輸入328和反饋輸入330，預測模塊323可利用物理基模型來生成用於N個控制環的預測發動機排出NOx水平的序列、用於N個控制環的預測發動機排出菸灰水平的序列、用於N個控制環的預測PF菸灰負載的序列、用於N個控制環的預測氨儲存水平的序列、用於N個控制環的預測SCR溫度的序列、用於N個控制環的預測PF溫度的序列、用於N個控制環的預測燃燒噪聲水平的序列、用於N個控制環的預測車輛速度的序列以及用於N個控制環的預測車輛躍度的序列。
在514處，成本模塊332確定目標值230～246的可能調整序列的成本。例如，成本模塊332可基於以下等式確定目標值230～246的可能調整序列的成本：
如上文所討論的，其受制於致動器約束348和輸出約束352。
在516處，選擇模塊344基於可能序列的成本選擇目標值230～246的可能調整序列中的一個。例如，選擇模塊344可選擇可能序列中的具有最低成本的一個。因此，選擇模塊344可選擇可能序列中的一個，其不但最佳地實現基本扭矩請求308，而且還滿足排放和駕駛性能目標並使燃料效率最大化。代替或除了在510處確定目標值230～246的可能調整序列並在514處確定每一序列的成本之外，MPC模塊312還可利用上文所討論的凸型最佳化技術來識別具有最低成本的對目標值的可能調整序列。
在518處，MPC模塊312確定所選擇的可能序列中的一個是否滿足致動器約束348和輸出約束352。如果所選擇的可能序列中的一個滿足致動器約束348和輸出約束352，則該方法在520處繼續。否則，該方法在522處繼續，其中MPC模塊312在該處選擇可能序列中的具有次最低成本的一個。然後，該方法返回到518。如此，具有最低成本的滿足致動器約束348和輸出約束352的序列被使用。
在520處，第一轉換模塊248將目標廢氣門打開面積230轉換成目標佔空比250以應用於廢氣門162，第二轉換模塊252將目標節流閥打開面積232轉換成目標佔空比254以應用於節流閥112。此外，在520處，第四轉換模塊256將目標HP EGR打開面積234轉換成目標佔空比258以應用於HP EGR閥170。此外，在520處，第四轉換模塊256將目標LP EGR打開面積235轉換成目標佔空比259以應用於LP EGR閥171。第五轉換模塊還可將目標進氣凸輪相位器角度236和目標排氣凸輪相位器角度238轉換成目標進氣佔空比和目標排氣佔空比，以分別應用於進氣凸輪相位器148和排氣凸輪相位器150。
在524處，節流閥致動器模塊116控制節流閥112以獲得目標節流閥打開面積232。例如，節流閥致動器模塊116可以目標佔空比254將信號施加到節流閥112以獲得目標節流閥打開面積232。同樣在524處，渦流致動器模塊121控制渦流閥120以獲得目標渦流閥打開面積233，相位器致動器模塊158控制進氣凸輪相位器148和排氣凸輪相位器150以獲得目標進氣凸輪相位器角度236和目標排氣凸輪相位器角度238。
同樣在524處，EGR致動器模塊172控制EGR閥170和171以分別獲得目標HP EGR打開面積234和目標LP EGR打開面積235，增壓致動器模塊164控制廢氣門162以獲得目標廢氣門打開面積230。例如，EGR致動器模塊172可分別以目標佔空比258和259將信號施加到EGR閥170和171，以分別獲得目標EGR打開面積234和235，增壓致動器模塊164可以目標佔空比250將信號施加到廢氣門162，以獲得目標廢氣門打開面積230。同樣在524處，火花致動器模塊126基於目標火花正時240控制火花正時，汽缸致動器模塊119基於目標汽缸數量242控制汽缸的啟動和禁用，燃料致動器模塊124基於目標燃料供給參數244控制燃料供給。同樣在524處，旁通致動器模塊178控制EGR冷卻器旁通閥176以獲得目標旁通打開面積246。在526處，該方法可結束。可選地，圖5可示出一個控制環，且可以預定速率執行多個控制環。
上述描述本質上僅僅是說明性的，其並不旨在以任何方式限制本公開、其應用或用途。本公開的廣泛教導可以各種形式實現。因此，儘管本公開包括特定示例，但是本公開的真實範圍不應當如此限制，這是因為在研究附圖、說明書和所附權利要求書後，其他修改將變得顯而易見。應當理解，在不改變本公開的原理的情況下，方法中的一個或多個步驟可以不同的順序(或同時地)執行。此外，雖然每一實施例都在上文中被描述為具有某些特徵，但是參照本公開的任何實施例進行描述的那些特徵中的任何一個或多個可在任何其他實施例的特徵中實現和/或與其組合，即使該組合沒有被明確描述。換言之，所描述的實施例並不是相互排斥的，而且一個或多個實施例彼此之間的置換保持在本公開的範圍內。
使用各種術語來描述元件之間的空間和功能關係(例如，在模塊、電路元件、半導體層等之間)，這些術語包括「連接」、「接合」、「聯接」、「鄰近」、「緊挨著」、「在……之上」、「在……上方」、「在……下方」和「設置」。除非明確地描述為「直接的」，否則當在上述公開中描述第一元件與第二元件之間的關係時，該關係可以是在第一元件與第二元件之間不存在其他中間元件的直接關係，但其也可以是在第一元件與第二元件之間存在(在空間上或功能上)一個或多個中間元件的間接關係。如本文所使用的，短語「A、B和C中的至少一個」應當被解釋為意指使用非排他性邏輯OR的邏輯(A OR B OR C)，而不應被解釋為表示「A中的至少一個、B中的至少一個和C中的至少一個」。
在本申請中，包括以下定義，術語「模塊」或術語「控制器」可用術語「電路」代替。術語「模塊」可指代或包括以下項，或可為以下項的一部分：專用集成電路(ASIC)；數字、模擬或混合模擬/數字離散電路；數字、模擬或混合模擬/數字集成電路；組合邏輯電路；現場可編程門陣列(FPGA)；執行代碼的處理器電路(共享、專用或群組)；存儲由處理器電路執行的代碼的存儲器電路(共享、專用或群組)；其他提供所描述的功能的合適硬體部件；或上述的一些或全部的組合，例如在片上系統中。
模塊可包括一個或多個接口電路。在一些示例中，接口電路可包括連接到區域網(LAN)、網際網路、廣域網(WAN)或其組合的有線或無線接口。本公開的任何給定模塊的功能可分布在經由接口電路連接的多個模塊中。例如，多個模塊可允許負載平衡。在另一示例中，伺服器(也稱為遠程或雲)模塊可代表客戶端模塊來實現一些功能。
如上文所用的術語「代碼」可包括軟體、固件和/或微代碼，並可指程序、例程、函數、類、數據結構和/或對象。術語「共享處理器電路」包括執行來自多個模塊的一些或所有代碼的單個處理器電路。術語「群組處理器電路」包括與其他處理器電路聯合來執行來自一個或多個模塊的一些或所有代碼的處理器電路。對多個處理器電路的引用包括離散晶片上的多個處理器電路、單個晶片上的多個處理器電路、單個處理器電路的多個核、單個處理器電路的多個線程或上述的組合。術語「共享存儲器電路」包括存儲來自多個模塊的一些或所有代碼的單個存儲器電路。術語「群組存儲器電路」包括與其他存儲器聯合來存儲來自一個或多個模塊的一些或所有代碼的存儲器電路。
術語「存儲器電路」是術語「計算機可讀介質」的子集。如本文所使用的術語「計算機可讀介質」不包括通過介質(例如在載波上)進行傳播的瞬時電或電磁信號；術語「計算機可讀介質」因此可被認為是有形和非暫時的。非暫時性有形計算機可讀介質的非限制性示例為非易失性存儲器電路(例如，快閃記憶體存儲器電路、可擦除可編程只讀存儲器電路或掩模只讀存儲器電路)、易失性存儲器電路(例如，靜態隨機存取存儲器電路或動態隨機存取存儲器電路)、磁存儲介質(例如，模擬或數字磁帶或硬碟驅動器)和光存儲介質(例如，CD、DVD或藍光碟)。
本申請中描述的裝置和方法可部分或全部由通過配置通用計算機來執行在電腦程式中實現的一個或多個特定功能而創建的專用計算機來進行實現。上述功能塊、流程圖部件和其他元件用作為軟體規範，其可通過熟練技術人員或程式設計師的例行工作轉換成電腦程式。
電腦程式包括存儲在至少一個非暫時性有形計算機可讀介質上的處理器可執行指令。電腦程式還可包括或依賴於所存儲的數據。電腦程式可包括與專用計算機的硬體交互的基本輸入/輸出系統(BIOS)、與專用計算機的特定裝置交互的裝置驅動器、一個或多個作業系統、用戶應用程式、後臺服務、後臺應用程式等。
電腦程式可包括：(i)要解析的描述文本，例如HTML(超文本標記語言)或XML(可擴展標記語言)；(ii)彙編代碼；(iii)由編譯器從原始碼生成的目標代碼；(iv)由解釋器執行的原始碼；以及(v)由即時編譯器編譯和執行的原始碼等。僅作為示例，原始碼可使用來自以下語言的語法進行編寫：C、C++、C#、Objective C、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、HTML5、Ada、ASP(動態伺服器頁面)、PHP、Scala，Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、VisualLua和
在《美國法典》第35標題第112節(f)(35U.S.C.§112(f))的意義範圍內，除非使用短語「用於……的裝置」或在方法權利要求的情況下使用短語「用於……的操作」或「用於……的步驟」明確地指出元件，否則權利要求書中陳述的元件都不旨在成為裝置加功能元件。