用於在發動機啟動時控制發動機的致動器以調整進氣氣流的系統和方法與流程

2023-12-09 05:09:26 3

本發明涉及內燃機，且更具體地說，涉及用於在發動機啟動時控制發動機的致動器以調整進氣氣流的系統和方法。

背景技術：

本文提供的背景描述旨在一般地呈現本發明的上下文。當前署名的發明人的著作就其在此背景部分所描述的以及在提交時可不另外被作為現有技術的多個方面的描述而言，既不明確地也不隱含地被認可為本發明的現有技術。

內燃機燃燒氣缸內的空氣和燃料混合物以驅動活塞，產生驅動轉矩。進入發動機的空氣流量經由節流閥來調節。更具體地說，節流閥調整節流閥面積，其增加或減小進入發動機的空氣流量。當節流閥面積增大時，進入發動機的空氣流量增加。燃料控制系統調整燃料噴射的速度以向氣缸提供期望的空氣/燃料混合物和/或以實現期望的轉矩輸出。增加提供至氣缸的空氣和燃料的量便增加發動機的轉矩輸出。

在火花點火式發動機中，火花啟動了提供至氣缸的空氣/燃料混合物的燃燒。在壓縮點火式發動機中，氣缸中的壓縮使提供至氣缸的空氣/燃料混合物燃燒。火花正時和空氣流量可能是用於調整火花點火式發動機的轉矩輸出的主要機制，而燃料流量可能是用於調整壓縮點火式發動機的轉矩輸出的主要機制。

已經開發出發動機控制系統，以控制發動機輸出轉矩來實現期望的轉矩。然而，傳統的發動機控制系統不像所期望的那樣精確地控制發動機輸出轉矩。另外，傳統發動機控制系統不提供控制信號的快速響應或不協調影響發動機輸出轉矩的各個裝置之間的發動機轉矩控制。

技術實現要素：

一種根據本發明原理的系統包括目標面積模塊和節流閥致動器模塊。目標面積模塊在發動機正在啟動時基於發動機的進氣歧管內的第一目標壓力來確定發動機的節流閥的目標開口面積。節流閥致動器模塊基於目標開口面積致動節流閥。

本發明的其它應用領域從具體實施方式、權利要求書和附圖說明中將變得顯而易見。具體實施方式以及特定示例僅僅是用於示例目的，而不是為了限定本發明的範疇。

附圖說明

本發明從具體實施方式和附圖中將變得更易理解，其中：

圖1是根據本發明的實例發動機系統的功能框圖；

圖2是根據本發明的實例發動機控制系統的功能框圖；

圖3是根據本發明的實例空氣控制模塊的功能框圖；

圖4是根據本發明的實例面積模塊的功能框圖；

圖5是描繪使用根據本發明的模型預測控制來控制節流閥、進氣閥和排氣閥定相、廢氣門以及排氣再循環(EGR)閥的實例方法的流程圖；

圖6是描繪根據本發明的在發動機啟動期間控制致動器以調整進氣氣流的實例方法的流程圖；及

圖7是說明根據本發明的發動機啟動期間的實例控制信號和實例傳感器信號的圖。

在附圖中，可重複使用參考標記以識別類似和/或相同元件。

具體實施方式

發動機控制模塊(ECM)控制發動機的轉矩輸出。更具體地說，ECM分別基於目標值控制發動機的致動器，所述目標值基於所請求的轉矩量。例如，ECM基於目標進氣和排氣相位器角控制進氣和排氣凸輪軸定相、基於目標節流閥開口控制節流閥、基於目標EGR開口控制排氣再循環(EGR)閥，以及基於目標廢氣門開口或位置控制渦輪增壓器的廢氣門。

ECM可使用多個單輸入單輸出(SISO)控制器(例如，比例積分微分(PID)控制器)來單獨地確定目標值。然而，當使用多個SISO控制器時，以可能燃料消耗量減少為代價，可設定目標值以保持系統的穩定性。另外，單個SISO控制器的校準和設計可能成本昂貴並且耗時。

本發明的ECM使用模型預測控制(MPC)模塊來產生目標值。MPC模塊基於例如轉矩請求來識別多組可能目標值，且選擇可能目標值的集合中的具有最低成本的一集合。MPC模塊將目標值設定為所選集合中的一集合的相應的可能目標值。

根據本發明，由MPC模塊產生的目標值包括跨節流閥的目標壓力比。更具體地說，MPC模塊確定包括可能進氣和排氣相位器角、跨節流閥的可能目標壓力比、可能目標EGR閥開口和可能目標廢氣門開口的可能目標值的集合。MPC模塊選擇可能目標值的這些組中的一組，且在某些條件下將跨節流閥的目標壓力比設定為集合中的所選擇集合的可能目標壓力比。ECM接著將目標壓力比轉換為目標節流閥開口。MPC模塊還分別將目標進氣相位器角、目標排氣相位器角、目標廢氣門開口和目標EGR閥開口分別設定為集合中的所選擇集合的可能目標進氣相位器角、可能目標排氣相位器角、可能目標廢氣門開口和可能目標EGR閥開口。

如上所述，MPC模塊可基於轉矩請求識別可能值的集合。然而，在發動機啟動期間，基於轉矩請求控制發動機可能並非所期望的，因為燃燒尚未建立或穩定且由發動機輸出的轉矩難以確定。因此，當啟動發動機時，一些ECM基於校準值以開環方式控制發動機的致動器。舉例來說，在發動機啟動期間，一些ECM可基於節流閥位置的校準值控制節流閥。ECM接著可在發動機啟動之後轉變為基於期望轉矩控制發動機。產生校準值需要時間和精力，且從開環控制到基於轉矩的控制的轉變可使發動機轉速產生突變。

根據本發明的ECM通過在發動機啟動時基於發動機的進氣歧管中的目標壓力控制發動機的致動器來減小校準時間。在一個實例中，在發動機啟動時，ECM基於目標進氣歧管壓力確定發動機的節流閥兩端的第一目標壓力比，且基於目標壓力比控制節流閥。ECM還使用MPC確定節流閥兩端的第二目標壓力比。接著，在發動機啟動之後的轉變時段期間，ECM基於第一目標壓力比和第二目標壓力比中的無論哪個具有較大值均控制氣流致動器。因此，如果駕駛員在轉變時段期間踩下加速器踏板，那麼ECM響應於加速請求。

當轉變時段結束時，ECM可初始化用於識別可能值的集合的轉矩請求來避免發動機轉速突變。在一個實例中，ECM使用MPC基於第一目標壓力比預測發動機的轉矩輸出，且將轉矩請求設定為等於發動機的預測轉矩輸出。ECM接著可按照預定速率調整初始化後的轉矩請求以逐漸地減小轉矩請求的未初始化值與初始化後的轉矩請求之間的差。

現在參考圖1，呈現實例發動機系統100的功能框圖。發動機系統100包括發動機102，所述發動機102燃燒空氣/燃料混合物以基於來自於駕駛員輸入模塊104的駕駛員輸入為車輛產生驅動轉矩。發動機102可為汽油火花點火式內燃機。

空氣通過節流閥112吸入到進氣歧管110中。僅舉例來說，節流閥112可包括具有可旋轉葉片的蝶形閥。發動機控制模塊(ECM)114控制節流閥致動器模塊116，所述節流閥致動器模塊116調節節流閥112的開口以控制被吸入到進氣歧管110中的空氣的量。

來自於進氣歧管110的空氣被吸入到發動機102的氣缸中。雖然發動機102可包括多個氣缸，但出於說明目的，示出單一代表性氣缸118。僅舉例來說，發動機102可包括2個、3個、4個、5個、6個、8個、10個和/或12個氣缸。ECM 114可指示氣缸致動器模塊120選擇性地停用某些氣缸，這可在某些發動機操作條件下改善燃料經濟性。

發動機102可使用四衝程循環進行操作。下文所描述的四個衝程可稱為進氣衝程、壓縮衝程、燃燒衝程和排氣衝程。在曲軸(圖中未示出)的每個迴轉期間，四個衝程中的兩個發生在氣缸118內。因此，兩個曲軸迴轉對於氣缸118體驗所有四個衝程來說是必要的。

在進氣衝程期間，來自於進氣歧管110的空氣通過進氣閥122吸入到氣缸118中。ECM 114控制燃料致動器模塊124，所述燃料致動器模塊124調節燃料噴射以實現目標空氣/燃料比。燃料可在中心位置處或多個位置處(例如每個氣缸的進氣閥122附近)噴射到進氣歧管110中。在各種實施方案(圖中未示出)中，燃料可被直接噴射到氣缸中或被噴射到與氣缸相關聯的混合室中。燃料致動器模塊124可停止向已停用的氣缸噴射燃料。

所噴射的燃料與空氣混合且在氣缸118內產生空氣/燃料混合物。在壓縮衝程期間，氣缸118內的活塞(圖中未示出)壓縮空氣/燃料混合物。火花致動器模塊126基於來自於ECM 114的信號使氣缸118中的火花塞128通電，從而點燃空氣/燃料混合物。火花的正時可相對於活塞處於其最頂部位置(稱為上止點(TDC))的時間而指定。

火花致動器模塊126可由指定在TDC之前或之後還有多久產生火花的定時信號來控制。由於活塞位置與曲軸旋轉直接地相關，因此，火花致動器模塊126的操作可與曲軸角同步。產生火花可稱為點火事件。火花致動器模塊126可具有改變每次點火事件的火花的定時的能力。火花致動器模塊126可在火花定時於上一點火事件與下一點火事件之間變化時，改變下一點火事件的火花定時。火花致動器模塊126可停止向失活汽缸提供火花。

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。燃燒衝程可定義為活塞到達TDC之間的時間和活塞到達下止點(BDC)的時間。在排氣衝程期間，活塞開始遠離BDC移動且通過排氣閥130排出燃燒的副產物。燃燒的副產物經由排氣系統134從車輛中排出。

進氣閥122可由進氣凸輪軸140控制，而排氣閥130可由排氣凸輪軸142控制。在各種實施方案中，多個進氣凸輪軸(包括進氣凸輪軸140)可控制氣缸118的多個進氣閥(包括進氣閥122)和/或可控制多組氣缸(包括氣缸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)可控制氣缸118的多個排氣閥和/或可控制多組氣缸(包括氣缸118)的排氣閥(包括排氣閥130)。在各種其它實施方案中，進氣閥122和/或排氣閥130可由除了凸輪軸以外的裝置控制，例如無凸輪式閥致動器。氣缸致動器模塊120可通過禁止打開進氣閥122和/或排氣閥130來停用氣缸118。

進氣閥122打開的時間可由進氣凸輪相位器148相對於活塞TDC進行改變。排氣閥130打開的時間可由排氣凸輪相位器150相對於活塞TDC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，可變閥門升程(圖中未示出)還可由相位器致動器模塊158控制。

發動機系統100可包括渦輪增壓器，所述渦輪增壓器包括熱渦輪160-1，熱渦輪160-1由流經排氣系統134的熱排放氣體提供動力。渦輪增壓器還包括由渦輪160-1驅動的冷空氣壓縮機160-2。壓縮機160-2對通向節流閥122中的空氣進行壓縮。在各種實施方案中，由曲軸驅動的增壓器(圖中未示出)可對來自節流閥112的空氣進行壓縮且將經過壓縮的空氣輸送至進氣歧管110。

廢氣門162可允許排氣繞過渦輪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的打開來控制渦輪增壓器的增壓。在各種實施方案中，兩個或多個渦輪增壓器可被實施，且可由增壓致動器模塊164控制。

空氣冷卻器(圖中未示出)可將熱量從壓縮空氣充入轉移至冷卻介質，例如，發動機冷卻劑或空氣。使用發動機冷卻劑對壓縮空氣充入進行冷卻的空氣冷卻器可稱為中間冷卻器。使用空氣對壓縮空氣充入進行冷卻的空氣冷卻器可稱為增壓空氣冷卻器。壓縮空氣充入可例如經由壓縮和/或從排氣系統134的組件接收熱量。儘管出於說明的目的分開地示出，但是，渦輪160-1和壓縮機160-2可彼此附接，從而將進入空氣放置於熱排氣附近。

發動機系統100可包括排氣再循環(EGR)閥170，EGR閥170將排氣選擇性地重新定向回進氣歧管110。EGR閥170可位於渦輪增壓器的渦輪160-1的上遊。EGR閥170可基於來自ECM 114的信號由EGR致動器模塊172控制。

曲軸的位置可使用曲軸位置(CKP)傳感器180進行測量。曲軸的旋轉速度(發動機轉速)可基於曲軸位置進行確定。發動機冷卻劑的溫度可使用發動機冷卻劑溫度(ECT)傳感器182進行測量。ECT傳感器182可位於發動機102內或者位於冷卻劑循環的其它位置處，例如散熱器(圖中未示出)處。

進氣歧管110內的壓力可使用歧管絕對壓力(MAP)傳感器184進行測量。在各種實施方案中，可測量發動機真空，其為環境空氣壓力與進氣歧管110內的壓力之間的差。流入進氣歧管110中的空氣的質量流率可使用質量空氣流率(MAF)傳感器186進行測量。在各種實施方案中，MAF傳感器186可位於還包括節流閥112的殼體中。

節流閥致動器模塊116可使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。輸入至節流閥112的空氣的壓力可使用節流閥入口空氣壓力(TIAP)傳感器191來測量。吸入發動機102中的空氣的環境溫度可使用進入空氣溫度(IAT)傳感器192進行測量。發動機系統100還可包括一個或多個其它傳感器193，例如環境壓力傳感器、發動機油溫傳感器、一個或多個爆振傳感器、壓縮機出口壓力傳感器和/或節流閥入口壓力傳感器。ECM 114可使用來自傳感器的信號來為發動機系統100制定控制決策。

ECM 114可與變速箱控制模塊194通信以協調變速箱(圖中未示出)中的換檔齒輪。舉例來說，ECM 114可減小齒輪換檔期間的發動機轉矩。ECM 114可與混合控制模塊196通信以協調發動機102和電動機198的操作。電動機198還可用作發電機，且可用於產生供車輛電氣系統使用和/或存儲在電池中的電能。在各種實施方案中，ECM 114、變速箱控制模塊194和混合控制模塊196的各種功能可集成到一個或多個模塊中。

改變發動機參數的每個系統可稱為發動機致動器。舉例來說，節流閥致動器模塊116可調整節流閥112的開口以獲得目標節流閥開口面積。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和目標排氣凸輪相位器角。EGR致動器模塊172可控制EGR閥170以獲得目標EGR開口面積。增壓致動器模塊164控制廢氣門162以獲得目標廢氣門開口面積。氣缸致動器模塊120控制氣缸停用以獲得目標數量的激活或停用的氣缸。

ECM 114產生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轉矩。ECM 114使用模型預測控制產生發動機致動器的目標值，如下文進一步所論述。

現在參考圖2，呈現實例發動機控制系統的功能框圖。ECM 114的實例實施方案包括驅動器轉矩模塊202、車軸轉矩仲裁模塊204和推進轉矩仲裁模塊206。ECM 114可包括混合優化模塊208。ECM 114還包括速度控制模塊210、速度軌跡模塊212、儲備/負載模塊220、、空氣控制模塊228、火花控制模塊232、氣缸控制模塊236和燃料控制模塊240。

驅動器轉矩模塊202可基於來自於驅動器輸入模塊104的驅動器輸入255確定驅動器轉矩請求254。驅動器輸入255可基於(例如)加速器踏板的位置和制動器踏板的位置。驅動器輸入255還可基於巡航控制，所述巡航控制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。驅動器轉矩模塊202可存儲加速器踏板位置到目標轉矩的一個或多個映射且可基於所述映射中的所選擇一個映射確定驅動器轉矩請求254。驅動器轉矩模塊202還可將一個或多個濾波器應用於驅動器轉矩請求254中的速度限制變化。

車軸轉矩仲裁模塊204在驅動器轉矩請求254與其它車軸轉矩請求256之間作出仲裁。車軸轉矩(車輪處的轉矩)可由包括發動機和/或電動機的各種來源產生。舉例來說，車軸轉矩請求256可包括檢測到正車輪滑移時由牽引力控制系統請求的轉矩減小。當車軸轉矩克服車輪與路面之間的摩擦力時發生正車輪滑移，且車輪開始抵著路面滑移。車軸轉矩請求256還可包括轉矩增大請求以抵消負車輪滑移，其中車輛的輪胎因為車軸轉矩為負而在另一方向上相對於路面滑移。

車軸轉矩請求256還可包括制動器管理請求和車輛超速轉矩請求。制動器管理請求可減小車軸轉矩以確保車軸轉矩不會超過制動器的能力以在車輛停止時固定車輛。車輛超速轉矩請求可包括車軸轉矩以防止車輛超過預定速度。車軸轉矩請求256還可由車輛穩定性控制系統產生。

車軸轉矩仲裁模塊204基於在所接收的轉矩請求254與256之間仲裁的結果輸出預測轉矩請求257和即時轉矩請求258。如下所描述，來自於車軸轉矩仲裁模塊204的預測轉矩請求257和即時轉矩請求258可在ECM 114用於控制發動機致動器之前由ECM 114的其它模塊選擇性地調整。

一般地說，即時轉矩請求258可為當前預期車軸轉矩的量，而預測轉矩請求257可為可能短時間內需要的車軸轉矩的量。ECM 114控制發動機系統100以產生等於即時轉矩請求258的車軸轉矩。然而，目標值的不同組合可產生相同的車軸轉矩。ECM 114可因此調整目標值以使得更快地轉變為預測轉矩請求257，同時仍將車軸轉矩維持在即時轉矩請求258處。

在各個實施方案中，預測轉矩請求257可基於驅動器轉矩請求254設定。即時轉矩請求258在某些情況下(例如當驅動器轉矩請求254導致車輪在結冰表面上滑移時)可設定為小於預測轉矩請求257。在這種情況下，牽引力控制系統(圖中未示出)可經由即時轉矩請求258請求減小，且ECM 114減小到即時轉矩請求258的發動機轉矩輸出。然而，ECM 114執行減小，因此一旦車輪滑移停止，發動機系統100可快速地恢復產生預測轉矩請求257。

一般地說，即時轉矩請求258與(通常更高的)預測轉矩請求257之間的差可稱為快速轉矩儲備。快速轉矩儲備可表示發動機系統100可以最小的延遲例如通過調整火花正時來開始產生的額外轉矩(大於即時轉矩請求258)的量。快速發動機致動器用於以最小的延遲增大或減小當前車軸轉矩。快速發動機致動器定義為與慢速發動機致動器相反。

一般地說，與慢速發動機致動器相比，快速發動機致動器可更快地改變車軸轉矩。與快速致動器相比，慢速致動器對其各自目標值的改變的響應要更加慢。舉例來說，慢速致動器可包括機械組件，所述機械組件響應於目標值的改變而需要時間來從一個位置移動至另一個位置。慢速致動器的特徵還可在於，一旦慢速致動器開始實施所改變的目標值，由車軸轉矩開始改變所需的時間量。通常，此時間量對於慢速致動器比對於快速致動器將更加長。另外，就慢速致動器而言，即便在開始改變之後，車軸轉矩仍然可能需要較長的時間來對改變作出完全的響應。

僅舉例來說，火花致動器模塊126可為快速致動器。火花點火式發動機可通過應用火花來燃燒燃料，包括，例如，汽油和乙醇。通過對比，節流閥致動器模塊116可為慢速致動器。

舉例來說，如上文所描述，火花致動器模塊126可在火花正時於上一點火事件與下一點火事件之間改變時，改變下一點火事件的火花正時。通過對比，節流閥開口的改變需要較長的時間去影響發動機輸出轉矩。節流閥致動器模塊116通過調整節流閥112的葉片的角來改變節流閥開口。因此，當節流閥112的開口的目標值發生改變時，由於節流閥112響應於改變而從先前位置移動至新位置上，因此存在機械性延遲。此外，基於節流閥開口的氣流改變受制於進氣歧管110中的空氣傳輸延遲。另外，在氣缸118於下一進氣衝程中接收到額外空氣，對其額外空氣進行壓縮並開始燃燒衝程之前，進氣歧管110中增加的氣流不被實現為發動機輸出轉矩的增大。

以這些致動器為實例，快速轉矩儲備可通過將節流閥開口設定為可允許發動機102生成預測轉矩請求257的值來產生。同時，火花正時可基於小於預測轉矩請求257的即時轉矩請求258進行設定。雖然節流閥開口為發動機102生成預測轉矩請求257產生了足夠的氣流，但是火花正時基於即時轉矩請求258延遲(其減小轉矩)。因此，發動機輸出轉矩將等於即時轉矩請求258。

在需要額外的轉矩時，火花正時可基於預測轉矩請求257或預測轉矩請求257和即時轉矩請求258之間的轉矩進行設定。通過以下點火事件，火花致動器模塊126可將火花正時恢復至最佳值，這允許發動機102產生可通過已存在的氣流獲得的全發動機輸出轉矩。因此，發動機輸出轉矩可快速增大至預測轉矩請求257，而不會經歷節流閥開口改變所引起的延遲。

車軸轉矩仲裁模塊204可將預測轉矩請求257和即時轉矩請求258輸出至推進轉矩仲裁模塊206。在各種實施方案中，車軸轉矩仲裁模塊204將預測轉矩請求257和即時轉矩請求258輸出至混合優化模塊208。

混合優化模塊208可確定應由發動機102產生的轉矩的大小，以及應由電動機198產生的轉矩的大小。隨後，混合優化模塊208將修改過的預測轉矩請求259和即時轉矩請求260分別輸出至推進轉矩仲裁模塊206。在各種實施方案中，混合優化模塊208可在混合控制模塊196中實施。

由推進轉矩仲裁模塊206接收到的預測轉矩請求和即時轉矩請求從車軸轉矩域(車輪處的轉矩)轉化至推進轉矩域(曲軸處的轉矩)中。此轉化的發生可在混合優化模塊208之前、之後、作為其一部分，或可取代其。

推進轉矩仲裁模塊206在推進轉矩請求290(包括轉化的預測轉矩請求和即時轉矩請求)之間進行仲裁。推進轉矩仲裁模塊206生成仲裁預測轉矩請求261和仲裁即時轉矩請求262。仲裁轉矩請求261和262可通過從接收到的轉矩請求中選擇獲勝的請求來生成。替代地或另外，仲裁轉矩請求可通過基於接收到的請求中的另一個或多個修改接收到的請求中的一個來生成。

舉例來說，推進轉矩請求290可包括用於發動機超速保護的轉矩減小、用於失速防止的轉矩增大和由變速箱控制模塊194請求以適應齒輪換檔的轉矩減小。推進轉矩請求290還可因離合器燃料切斷而生成，其在駕駛員按下手動變速箱車輛中的離合器踏板時減小發動機輸出轉矩，以防止發動機轉速突然暴增。

推進轉矩請求290還可包括發動機關閉請求，所述發動機關閉請求在檢測到嚴重故障時可啟動。僅舉例來說，嚴重故障可包括車輛盜竊檢測、啟動器馬達阻塞、電子節流閥控制問題和意料不到的轉矩增大。在各種實施方案中，當發動機關閉請求存在時，仲裁選擇發動機關閉請求來作為獲勝的請求。當發動機關閉請求存在時，推進轉矩仲裁模塊206可輸出零來作為仲裁轉矩請求261和262。

在各種實施方案中，發動機關閉請求可僅僅獨立於仲裁過程關閉發動機102。推進轉矩仲裁模塊206仍然可接收發動機關閉請求使得(例如)適當數據可反饋到其它轉矩請求器。例如，所有其它轉矩請求器可被告知它們輸掉了仲裁。

速度控制模塊210還可將預測和直接轉矩請求輸出至推進轉矩仲裁模塊206。當ECM 114處於速度模式中時，來自於速度控制模塊210的轉矩請求可在仲裁中獲勝。當駕駛員的腳沒有壓下加速器踏板時(例如當車輛空轉或利用較高速度滑行時)可選擇速度模式。替代地或另外，當來自於車軸轉矩仲裁模塊204的預測轉矩請求小於預定轉矩值時可選擇速度模式。

速度控制模塊210從速度軌跡模塊212接收期望發動機轉速，且控制預測和直接轉矩請求以減小期望發動機轉速與當前發動機轉速之間的差。僅舉例來說，速度軌跡模塊212可針對車輛滑行而輸出線性降低期望發動機轉速直到達到控制速度為止。速度軌跡模塊212接著可繼續輸出空轉速度作為期望發動機轉速。

儲備/負載模塊220接收仲裁後的轉矩請求261和262。儲備/負載模塊220可調整仲裁後的轉矩請求261和262以創建快速轉矩儲備和/或補償一個或多個負載。儲備/負載模塊220接著將調整後的預測轉矩請求263和直接轉矩請求264輸出至轉矩請求模塊224。

僅舉例來說，催化劑點火過程或冷啟動排放物減少過程可需要延遲的火花正時。儲備/負載模塊220因此可將調整後的預測轉矩請求263增大到調整後的直接轉矩請求264之上以為冷啟動排放物減小過程產生延遲的火花。在另一實例中，可例如通過診斷侵入等效比測試和/或新發動機清洗直接改變發動機的空氣/燃料比和/或質量氣流。在開始這些過程之前，可創建或增加快速轉矩儲備以快速地偏移起因於這些過程期間的空氣/燃料混合物變稀薄的發動機輸出轉矩降低。

儲備/負載模塊220還可創建或增大預期未來負載的快速轉矩儲備，例如空氣調整(A/C)壓縮機離合器的動力轉向泵操作或接合。當駕駛員首先請求空氣調整時可創建用於A/C壓縮機離合器的接合的儲備。儲備/負載模塊220可增大調整後的預測轉矩請求263，同時使調整後的直接轉矩請求264保持不變以產生轉矩儲備。接著，當A/C壓縮機離合器接合時，儲備/負載模塊220可通過A/C壓縮機離合器的估計負載增大調整後的直接轉矩請求264。

轉矩請求模塊224接收調整後的預測轉矩請求263和調整後的直接轉矩請求264。轉矩請求模塊224確定將如何實現調整後的預測轉矩請求263和調整後的直接轉矩請求264。轉矩請求模塊224可為發動機類型所特有的。舉例來說，對於火花點火式發動機與壓縮點燃發動機，轉矩請求模塊224可採用不同方式實施或使用不同控制方案。

在各種實施方案中，轉矩請求模塊224可界定所有發動機類型共有的模塊與發動機類型所特有的模塊之間的邊界。舉例來說，發動機類型可包括火花點火式和壓縮點火式。轉矩請求模塊224之前的模塊(例如推進轉矩仲裁模塊206)可為發動機類型所共有，而轉矩請求模塊224和後續模塊可為發動機類型所特有。

轉矩請求模塊224基於調整後的預測轉矩請求263和調整後的直接轉矩請求264確定空氣轉矩請求265。空氣轉矩請求265可為制動轉矩。制動轉矩可指代在當前操作條件下曲軸處的轉矩。

用於氣流控制發動機致動器的目標值基於空氣轉矩請求265而確定。更具體地說，基於空氣轉矩請求265，空氣控制模塊228確定目標廢氣門開口面積266、目標節流閥開口面積267、目標EGR開口面積268、目標進氣凸輪相位器角269和目標排氣凸輪相位器角270。空氣控制模塊228使用模型預測控制確定目標廢氣門開口面積266、目標節流閥開口面積267、目標EGR開口面積268、目標進氣凸輪相位器角269和目標排氣凸輪相位器角270，如下文進一步所論述。

增壓致動器模塊164控制廢氣門162以實現目標廢氣門開口面積266。例如，第一轉換模塊272可將目標廢氣門開口面積266轉換為將應用於廢氣門162的目標佔空比274，且增壓致動器模塊164可基於目標佔空比274將信號應用於廢氣門162。在各種實施方案中，第一轉換模塊272可將目標廢氣門開口面積266轉換為目標廢氣門位置(圖中未示出)，且將目標廢氣門位置轉換為目標佔空比274。

節流閥致動器模塊116控制節流閥112以實現目標節流閥開口面積267。舉例來說，第二轉換模塊276可將目標節流閥開口面積267轉換為將應用於節流閥112的目標佔空比278，且節流閥致動器模塊116可基於目標佔空比278將信號應用於節流閥112。在各種實施方案中，第二轉換模塊276可將目標節流閥開口面積267轉換為目標節流閥位置(圖中未示出)，且將目標節流閥位置轉換為目標佔空比278。

EGR致動器模塊172控制EGR閥170以實現目標EGR開口面積268。舉例來說，第三轉換模塊280可將目標EGR開口面積268轉換為將應用於EGR閥170的目標佔空比282，且EGR致動器模塊172可基於目標佔空比282將信號應用於EGR閥170。在各種實施方案中，第三轉換模塊280可將目標EGR開口面積268轉換為目標EGR位置(圖中未示出)，且將目標EGR位置轉換為目標佔空比282。

相位器致動器模塊158控制進氣凸輪相位器148以實現目標進氣凸輪相位器角269。相位器致動器模塊158還控制排氣凸輪相位器150以實現目標排氣凸輪相位器角270。在各種實施方案中，還可包括第四轉換器模塊(圖中未示出)，且其可將目標進氣和排氣凸輪相位器角分別轉換為目標進氣和排氣佔空比。相位器致動器模塊158可將目標進氣和排氣佔空比分別應用於進氣和排氣凸輪相位器148和150。在各種實施方案中，空氣控制模塊228可確定目標重疊因子和目標有效排量，並且相位器致動器模塊158可控制進氣凸輪相位器148和和排氣凸輪相位器150以實現目標重疊因子以及目標有效排量。

轉矩請求模塊224還可基於調整後的預測轉矩請求263和即時轉矩請求264產生火花轉矩請求283，氣缸關閉轉矩請求284和燃料轉矩請求285。火花控制模塊232可基於火花轉矩請求283確定從最優火花正時延遲多少火花正時(其減小發動機輸出轉矩)。僅舉例來說，可反演轉矩關係以求解目標火花正時286。對於給定的轉矩請求(TReq)，目標火花正時(ST)286可基於以下公式確定：

ST＝f-1(TReq，APC，I，E，AF，OT，#)，

其中APC是每氣缸空氣，I是進氣閥定相值，E是排氣閥定相值，AF是空氣/燃料比，OT是油溫，以及#是激活油缸的數量。此關係可體現為等式和/或查找表。空氣/燃料比(AF)可為如由燃料控制模塊240報告的實際空氣/燃料比。

當將火花正時設定為最優火花正時時，所產生的轉矩可儘可能接近最大轉矩的最小點火提前(MBT火花正時)。最佳轉矩是指，當使用具有大於預定辛烷值的辛烷值的燃料並使用化學計量加燃料方式時，火花正時提前時為給定的氣流產生的最大發動機輸出轉矩。最佳轉矩發生的火花正時稱為MBT火花正時。由於，例如，燃料質量(例如當使用較低辛烷值時)以及環境溼度和溫度等環境因素，最優點火正時可與MBT火花正時有稍許不同。因此，在最優火花正時時的發動機輸出轉矩可小於MBT。僅舉例來說，可於車輛設計的校準階段期間確定與不同發動機運行條件對應的最優火花正時表，且基於當前發動機操作條件從所述表確定最優值。

氣缸關閉轉矩請求284可由氣缸控制模塊236用於確定待停用氣缸的目標數量287。在各種實施方案中，可使用待激活氣缸的目標數量。氣缸致動器模塊12基於目標數量287選擇性地激活及停用氣缸的閥門。

氣缸控制模塊236還可命令燃料控制模塊240停止提供燃料給停用的氣缸且可命令火花控制模塊232停止提供火花給停用的氣缸。一旦已存在於氣缸中的空氣/燃料混合物已經燃燒，火花控制模塊232可停止提供火花給氣缸。

燃料控制模塊240可基於燃料轉矩請求285改變提供到每個氣缸的燃料的量。更具體地，燃料控制模塊240可基於燃料轉矩請求285產生目標加燃料參數288。目標加燃料參數288可包括(例如)燃料的目標質量、目標噴射開始定時以及燃料噴射的目標數量。

在正常操作期間，燃料控制模塊240可在空氣引導模式下操作，在所述模式中，燃料控制模塊240試圖基於氣流通過控制加燃料來維持化學計量空氣/燃料比。舉例來說，燃料控制模塊240可確定當與每缸空氣(APC)的當前質量相結合時可產生化學計量燃燒的目標燃料質量。

圖3是空氣控制模塊228的實例實施方案的功能框圖。現在參考圖2和3，如上文所討論，空氣轉矩請求265可為制動轉矩。轉矩轉換模塊302將空氣轉矩請求265從制動轉矩轉換為基礎轉矩。由空氣轉矩請求265轉換成基礎轉矩而產生的轉矩請求將稱為基礎空氣轉矩請求304。

基礎轉矩可指，當發動機102發熱且例如交流發電機和A/C壓縮機等附件沒有強加轉矩負載到發動機102上時，在發動機102運行期間測力計上顯示的曲軸處的轉矩。轉矩轉換模塊302可(例如)使用使制動轉矩和基礎轉矩相關的映射或函數將空氣轉矩請求265轉換為基礎空氣轉矩請求304。在各種實施方案中，轉矩轉換模塊302可將空氣轉矩請求265轉換為另一適當類型的轉矩，例如指示轉矩。指示轉矩可指可經由氣缸內燃燒所產生的功而引起的曲軸處的轉矩。

目標壓力比模塊306確定穿過節流閥112的第一目標壓力比308。當發動機102起動時，空氣控制模塊228可基於第一目標壓力比308且不依賴於基礎空氣轉矩要求304確定目標節流閥開口面積267。目標壓力比模塊306基於第一目標MAP 310和和節流閥進氣壓力(TIAP)312確定第一目標壓力比308。目標壓力比模塊306使用使第一目標MAP 310和TIAP 312與第一目標壓力比308相關的函數或映射確定第一目標壓力比308。舉例來說，目標壓力比模塊306可使用以下等式確定第一目標壓力比308：

TPR＝目標MAP/TIAP，

其中TPR是第一目標壓力比308，目標MAP是第一目標MAP 310，且TIAP是TIAP 312。可使用TIAP傳感器191測量TIAP 312。在第一目標壓力比308以百分比表示的實施方案中，上述等式的結果可乘以100。

目標MAP模塊313確定所述第一目標MAP310。舉例來說，第一目標MAP 310可通過(例如)在試圖啟動發動機102期間測量實際MAP且將第一目標MAP 310設定為等於在成功啟動發動機102期間測量到的實際MAP來預定。另外或替代地，目標MAP模塊313可基於大氣壓力和發動機冷卻劑溫度來確定所述第一目標MAP 310。在一個實例中，目標MAP模塊313可基於大氣壓力和發動機冷卻劑溫度調整第一目標MAP 310的預定值，以補償例如發動機摩擦和泵送損失等因素。可使用傳感器193中的一個測量大氣壓力。可使用ECT傳感器193測量發動機冷卻劑溫度。

MPC模塊314使用MPC(模型預測控制)產生目標值266和268至270，以及第二目標壓力比320。MPC模塊314可為單個模塊或可包含多個模塊。舉例來說，MPC模塊314可包括序列確定模塊316。

這些序列確定模塊316確定可能目標值序列，所述目標值在N個未來控制迴路期間一起使用。由序列確定模塊316識別的可能序列中的每一者包括N個目標值的一個序列。更具體地說，每一可能序列包括目標廢氣門開口面積266的N個值的一個序列、節流閥112的第二目標壓力比320的N個值的一個序列、目標EGR開口面積268的N個值的一個序列、目標進氣凸輪相位器角269的N個值的一個序列，以及目標排氣凸輪相位器角270的N個值的一個序列。N個值中的每一者用於N個未來控制迴路中相應的一者。N是大於等於一的整數。節流閥112的壓力比是指節流閥112輸出側的壓力與節流閥112輸入側的壓力的比。MAP可用作節流閥112輸出側的壓力，TIAP可用作節流閥112輸入側的壓力，且壓力比可由商式(例如MAP/TIAP)表示。

預測模塊323基於發動機102的數學模型324、外部輸入328和反饋輸入330確定發動機102分別對可能的目標值序列的預測響應。更具體地說，基於可能的目標值序列、外部輸入328和反饋輸入330，使用模型324，預測模塊323產生用於N個控制迴路的發動機102的N個預測轉矩的序列、用於N個控制迴路的N個預測APC的序列、用於N個控制迴路的外部稀釋物的N個預測量的序列、用於N個控制迴路的剩餘稀釋物的N個預測量的序列、用於N個控制迴路的N個預測燃燒相位值的序列以及用於N個控制迴路的N個預測燃燒質量值的序列。

當描述生成的預測轉矩、預測APC、預測外部稀釋物、預測剩餘稀釋物、預測燃燒相位和預測燃燒質量的實例時，預測參數可包括一個或多個其它預測發動機操作參數。舉例來說，預測APC可用預測效率參數來代替，而效率參數是預測轉矩除以預測APC。

模型324可包括(例如)基於發動機102的特性校準後的一個或多個函數或映射。稀釋物可指前一個燃燒過程產生的，被捕集在用於燃燒的氣缸內的廢氣量。外部稀釋物可指經由EGR閥170給燃燒過程提供的廢氣。剩餘稀釋物可指殘留氣缸內的廢氣和/或在燃燒循環的排氣衝程之後被推回氣缸的廢氣。剩餘稀釋物還稱為內部稀釋物。

燃燒相位可指曲軸位置，其中預定量的噴射燃料在用於燃燒預定量的噴射燃料的汽缸內相對於預定曲軸位置燃燒。舉例來說，燃燒相位可用相對於預定CA50的CA50來表示。CA50可指曲軸角(CA)，其中在汽缸內已經有50％的噴射燃料燃燒。預定CA50可對應於噴射燃料產生的功的最大值CA50，且在各種實施方案中可為TDC(上止點)後大約8.5度到大約10度。儘管燃燒相位將用CA50值來論述，但可使用表示燃燒相位的另一合適參數。另外，儘管燃燒質量將論述為指示平均有效壓力(IMEP)值的變化係數(COV)，但可使用表示燃燒質量的另一合適參數。

外部輸入328可包括不直接受節流閥112、EGR閥170、渦輪增壓器、進氣凸輪相位器148和排氣凸輪相位器150影響的參數。舉例來說，外部輸入328可包括發動機轉速、IAT和/或一個或多個其它參數。反饋輸入330可包括例如發動機102的估計轉矩輸出、渦輪增壓器的渦輪160-1下遊的排氣壓力、IAT、發動機102的APC、估計剩餘稀釋物、估計外部稀釋物和/或一個或多個其它合適參數。反饋輸入330可使用傳感器(例如，IAT)來測量和/或基於一個或多個其它參數來估計。

成本模塊332基於針對可能序列和輸出參考值356確定的預測參數來確定目標值的可能序列中的每一者的成本值。下文進一步論述實例成本確定。

選擇模塊344基於可能序列的成本分別選擇目標值的可能序列中的一個。舉例來說，在滿足目標約束348和預測約束352的同時，選擇模塊344可選擇具有最低成本的可能序列中的一個。在各種實施方案中，在滿足目標約束348和預測約束352的同時，模塊324可選擇具有最低成本的可能序列中的一個。在各種實施方案中，預測約束352的滿足可考慮成本確定。換句話說，成本模塊332可進一步基於預測約束352來確定成本值。

選擇模塊344可將目標值266、268至270和320分別設定為所選擇的可能序列的N個值中的第一者。換句話說，選擇模塊344可將目標廢氣門開口面積266設定為目標廢氣門開口面積266的N個值的序列中的N個值中的第一者，將節流閥112的第二目標壓力比320設定為第二目標壓力比320的N個值的序列中的N個值中的第一者，將目標EGR開口面積268設定為目標EGR開口面積268的N個值的序列中的N個值中的第一者，將目標進氣凸輪相位器角269設定為目標進氣凸輪相位器角269的N個值的序列中的N個值中的第一者，以及將目標排氣凸輪相位器角270設定為目標排氣凸輪相位器角270的N個值的序列中的N個值中的第一者。

在下一個控制迴路中，MPC模塊314識別可能序列，生成可能序列的預測參數，確定可能序列中的每一者的成本，選擇可能序列中的一個，以及將目標值266、268至270和320分別設定為所選擇的可能序列中的這些值中的第一者。此過程持續用於每個控制迴路。

目標約束模塊360(參見圖2)設定目標值266、268至279和320中的每一者的目標約束348。換句話說，目標約束模塊360設定第二目標壓力比320的目標約束，目標EGR開口面積268的目標約束，目標廢氣門開口面積266的目標約束，目標進氣凸輪相位器角269的目標約束和目標排氣凸輪相位器角270的目標約束。

目標值266、268至270和320中的每一者的目標約束348可包括相關目標值的最大值和所述目標值的最小值。目標約束模塊360可大致將目標約束348分別設定為第二目標壓力比320、EGR閥170、廢氣門162、進氣凸輪相位器148和排氣凸輪相位器150的預定操作範圍。然而，目標約束模塊360可在一些情況下改變目標約束348中的一個或多個。

對於等二目標壓力比320，最小值可對應於節流閥112的最大可能壓力比。僅舉例來說，當壓力比以百分比(即，入口壓力×100/出口壓力)表示時，最大值可為大約99.7或另一合適值。第二目標壓力比320的最大值可基於節流閥112的最大壓力比來設定，以維持適當燃燒。第二目標壓力比320的最大值可改變。目標約束模塊360可使用函數或映射例如基於一個或多個發動機運行條件來確定目標壓力比的最小值。

預測約束模塊364(參見圖2)設定發動機102的預測轉矩輸出、預測CA50、IMEP的預測COV、預測剩餘稀釋物和預測外部稀釋物的預測約束352。預測值中的每一個值的預測約束352可包括相關預測參數的最大值和所述預測參數的最小值。舉例來說，預測約束352可包括最小轉矩、最大轉矩、最小CA50和最大CA50、IMEP的最小COV和IMEP的最大COV、最小剩餘稀釋物和最大剩餘稀釋物，以及最小外部稀釋物和最大外部稀釋物。

預測約束模塊364可大致地將預測約束352分別設定為相關參數的預定範圍。然而，預測約束模塊364可在一些情況下改變預測約束352中的一個或多個。

參考模塊368(參見圖2)分別產生目標值266、268至279和320的參考值356。參考值356包括目標值266、268至270和320中的每一個的參考值。換句話說，參考值356包括參考廢氣門開口面積、節流閥112的參考壓力比、參考EGR開口面積、參考進氣凸輪相位器角和參考排氣凸輪相位器角。

參考模塊368可例如基於空氣轉矩請求265和/或基礎空氣轉矩請求304來確定參考值356。參考值356提供分別用於設定目標值266、268至270和320的參考。參考值356可用於確定可能序列的成本值，如下文進一步所論述。參考值356還可用於一個或多個其它原因，例如通過序列確定模塊316確定可能序列。

為了確定節流閥112的參考壓力比，參考模塊368可首先基於空氣轉矩請求265或基礎空氣轉矩請求304來確定參考APC，且然後基於參考APC來確定節流閥112的參考壓力比。參考模塊368可基於空氣轉矩請求265和/或基礎空氣轉矩請求304使用以下關係來確定參考APC：

APC＝f-1(TA,RPM,S,I,E,AF,OT,#)，

其中APC為參考APC，ATR為空氣轉矩請求265或基礎空氣轉矩請求304，I為進氣閥定相值，E為排氣閥定相值，AF為空氣/燃料比，OT為油溫，且#為激活油缸的數量。此關係可體現為等式和/或查找表。空氣/燃料比(AF)可為實際空氣/燃料比，如由燃料控制模塊240所報告。參考模塊368可基於參考APC使用查找表來確定節流閥112的參考壓力比。

代替或者除了產生可能目標值的序列以及確定序列中的每一個的成本，MPC模塊314可使用凸優化技術來識別具有最小成本的可能目標值的序列。舉例來說，MPC模塊314可使用二次程序(QP)解算器(例如丹齊格(Dantzig)QP解算器)來確定目標值266、268至270和320。在另一實例中，MPC模塊314可產生目標值266、268至270和320的可能序列的成本值的表面，並基於成本值的斜率來識別具有最低值的可能目標值的序列。MPC模塊314可隨後測試可能目標值的序列以確定可能目標值的序列是否滿足目標約束348。如果滿足，則MPC模塊314可將目標值266、268至270和320分別設定為所選擇的可能序列的N個值中的第一者，如上文所論述。

如果不滿足目標約束348，則MPC模塊314選擇具有次最低成本的可能目標值的另一序列，且測試滿足目標約束348的可能目標值的序列。選擇序列以及測試滿足目標約束348的序列的過程可稱為迭代。在每個控制迴路期間可執行多次迭代。

MPC模塊314執行迭代直至具有滿足目標約束348的最低成本的序列被識別。以此方式，在滿足目標約束348和預測約束352的同時，MPC模塊314選擇具有最低成本的可能目標值的序列。如果無法識別序列，則MPC模塊314可指示沒有解決方案。

成本模塊332可基於預測轉矩與轉矩請求之間的關係；可能目標值與相應目標約束348之間的關係；預測參數和相應預測約束352之間的關係；以及可能目標值和相應參考值356之間的關係來確定目標值266、268至270和320的可能序列的成本。所述關係可經加權(例如)以控制關係中的每一者對成本的影響。

僅舉例來說，成本模塊332可基於或使用以下等式來確定目標值266、268至270和320的可能序列的成本：

受限於目標約束348和預測約束352。成本為目標值266、268至270和320的可能序列的成本，TPi為N個控制迴路的第i個迴路的發動機102的預測轉矩，BATRi為N個控制迴路的第i個迴路的基礎空氣轉矩請求，wT為與預測轉矩和轉矩請求之間的關係相關的加權值。BATR1為基礎空氣轉矩請求304。在各種實施方案中，BATRBATR2–BATRN還可設定為基礎空氣轉矩請求304，或者BATR2–BATRN還可基於N個控制迴路的未來迴路的未來發動機轉矩請求來進一步設定。

ρ為與預測約束352的滿足相關的加權值。∈為成本模塊332可基於是否滿足預測約束352來設定的變量。舉例來說，當預測參數大於或小於對應最小或最大值(例如，至少達預定量)時成本模塊332可增加∈。當滿足所有預測約束352時，成本模塊332可將∈設定為零。ρ可大於加權值wT和下文所論述的其它加權值(wPR、wWG、wEGR、wIP、wEP)，使得如果未滿足預測約束352中的一個或多個，則確定用於可能序列的成本將較大。這可有助於防止其中未滿足預測約束352中的一個或多個的可能序列的選擇。

以上公式可例如擴展為：

再次受限於目標約束348和預測約束352。PTPRi是用於N個控制迴路中的第i個的節流閥112的可能目標壓力比，PRRef是節流閥112的參考壓力比，且wPR是與可能目標壓力比和參考壓力比之間的關係相關的加權值。PTWGOi是用於N個控制迴路中第i個的可能目標廢氣門開口，WGORef是參考廢氣門開口，且wWG是與可能目標廢氣門開口和參考廢氣門開口之間的關係相關的加權值。

PTWGOi是用於N個控制迴路中的第i個的可能目標EGR開口，EGRRef是參考EGR開口，且wEGR是與可能目標EGR開口和參考EGR開口之間的關係相關的加權值。PTICi是用於N個控制迴路中的第i個的可能目標進氣凸輪相位器角，ICPRef是參考進氣凸輪相位器角，且wIP是與可能進氣凸輪相位器角和參考進氣凸輪相位器角之間的關係相關的加權值。PTECi是用於N個控制迴路中第i個的可能目標排氣凸輪相位器角，ECPRef是參考排氣凸輪相位器角，且wEP是與可能排氣凸輪相位器角和參考排氣凸輪相位器角之間的關係相關的加權值。

加權值wT可大於加權值wPR、wWG、wEGR、wIP和wEP。以此方式，預測發動機轉矩和基礎空氣轉矩請求之間的關係對成本有更大的影響，並因此影響如下文將進一步論述的可能序列中的一者的選擇。成本隨著預測發動機轉矩和基礎空氣轉矩請求之差的增加而增加，反之亦然。

加權值wPR、wWG、wEGR、wIP和wEP可小於其它所有加權值。以此方式，在穩態操作期間，目標值266、268至270和320可分別接近或等於參考值356。然而在瞬態操作期間，MPC模塊314可調整目標值266、268至270和320遠離參考值356以實現基礎空氣轉矩請求304，同時滿足目標約束348和預測約束352。

目標面積模塊372(圖3)基於節流閥112的第一目標壓力比308和/或節流閥112的第二目標壓力比320確定目標節流閥開口面積267。當發動機102起動時，目標面積模塊372可基於第一目標壓力比308確定目標節流閥開口面積267。此外，MPC模塊314可調整目標值266和268至270，以便將進氣凸輪相位器148和排氣凸輪相位器150保持在固定位置，打開廢氣門162，且關閉EGR閥170。

在發動機102啟動後的第一時段(例如0.5秒)，目標面積模塊372可基於第一目標壓力比308和第二目標壓力比320中的任何一個具有較大值而確定目標節流閥開口面積267。當(例如)駕駛員踩下加速器踏板時，第二目標壓力比320可大於所述第一目標壓力比308。因此，在發動機102啟動後的第一時段期間，目標面積模塊372可基於第一目標壓力比308確定目標節流閥開口面積267，除非駕駛員踩下加速器踏板。當駕駛員在發動機102啟動後的第一時段期間踩下加速器踏板時，目標面積模塊372可基於第二目標壓力比320確定目標節流閥開口面積267。

目標面積模塊372可基於發動機轉速確定發動機102何時啟動。舉例來說，目標面積模塊372可確定發動機轉速大於預定轉速時啟動發動機102。預定轉速可在400RPM(轉每分鐘)到600RPM的範圍內。目標面積模塊372可基於來自CKP傳感器180的曲軸位置確定發動機轉速。

當發動機102啟動時，發動機102的轉速可在降低(減小)為怠速前突然上升(增大)。發動機轉速的此突然上升和下降可稱為發動機爆發。目標面積模塊372可在第一時段結束前調整第一時段的長度，以確保發動機轉速在發動機爆發期間達到其最大值。為了實現此目的，目標面積模塊372可基於發動機油溫和/或大氣壓力確定第一時段的持續時間。為此，發動機102中的機械磨擦可與發動機油溫和轉矩輸出成反比，且發動機102可與大氣壓力成正比。因此，在發動機啟動期間發動機轉速達到其最大值所需的時間可隨著發動機油溫下降和/或大氣壓力下降而增加。因此，所述目標面積模塊372可在發動機油溫下降和/或大氣壓力下降時延長第一時段的持續時間。相反地，在發動機啟動期間發動機轉速達到其最大值所需的時間可隨著發動機油溫上升和/或大氣壓力上升而減少。因此，目標面積模塊372可在發動機油溫上升和/或大氣壓力上升時縮短第一時段的持續時間。可使用傳感器193中的一個測量發動機油溫。發動機102開始起動前可使用MAP傳感器184和/或TIAP傳感器191測量大氣壓力。

當第一時段結束時，目標面積模塊372可基於第一目標壓力比308停止確定目標節流閥開口面積267且基於第二目標壓力比確定目標節流閥開口面積267。如上文所論述，第一目標壓力比308獨立於基礎空氣轉矩請求304而確定，且第二目標壓力比320基於基礎空氣轉矩請求304而確定。因此，當第一時段結束時，目標面積模塊372可開始基於基礎空氣轉矩請求304第一次確定目標節流閥開口面積267。

如果當第一時段結束時第一目標壓力比308和第二目標壓力比330顯著不同，則以確定目標節流閥開口面積267的方式的轉變可產生顯著發動機爆發或急拉。為了防止此情況，當第一時段結束時，轉矩初始化模塊374可基於參考轉矩376來初始化基礎空氣轉矩請求304以產生初始化基礎空氣轉矩請求378。儘管在圖3單獨示出，但參考轉矩376可為從參考模塊368(圖2)發送到空氣控制模塊228的參考值356中的一個。參考模塊368可使用用於基於空氣轉矩請求265和基礎空氣轉矩請求308確定節流閥112的參考壓力比的關係(的倒數)來基於第一目標壓力比308確定參考轉矩376。轉矩初始化模塊374可通過將基礎空氣轉矩請求304設定為等於參考轉矩376來初始化基礎空氣轉矩請求304。轉矩初始化模塊374可隨後以預定速度調整初始化基礎空氣轉矩請求378以逐漸減小基礎空氣轉矩請求304(的未初始化值)與初始化基礎空氣轉矩請求378之間的差。

在各種實施方案中，轉矩初始化模塊376可駐留於速度控制模塊210(圖2)中，而不是空氣控制模塊228中。另外或替代地，轉矩初始化模塊376可初始化由速度控制模塊210輸出的預測和即時轉矩，而不是初始化基礎空氣轉矩請求304。轉矩初始化模塊376可隨後以預定速度調整初始化預測和即時轉矩請求以逐漸減小預測和即時轉矩請求的未初始化值與初始化預測和即時轉矩請求之間的差。預測和即時轉矩請求的未初始化值可為基於所需發動機轉速和當前發動機轉速確定的預測的和即時轉矩請求的值。轉矩初始化模塊376可以轉矩初始化模塊376初始化基礎空氣轉矩請求304的方式來初始化由速度控制模塊210輸出的預測轉矩請求。轉矩初始化模塊376可通過將即時轉矩請求設定為等於當前轉矩輸出來初始化由速度控制模塊210輸出的即時轉矩請求。轉矩初始化模塊376可基於命令的火花正時和當前APC使用用於基於火花轉矩請求283來確定目標火花正時286的關係的倒數來確定當前轉矩。

現參考圖4，目標面積模塊372的實例實施方案包括目標MAP模塊404。目標MAP模塊404選擇節流閥112的第一目標壓力比308和節流閥112的第二目標壓力比320中的一者，且基於所選擇的目標壓力比來確定目標MAP 408。目標MAP模塊404使用使所選擇的目標壓力比和TIAP 312與目標MAP 408相關的函數或映射來確定目標MAP 408。舉例來說，目標MAP模塊404可基於或使用以下等式來確定目標MAP 408：

目標MAP＝TPR×TIAP，

其中目標MAP為目標MAP408，TPR為所選擇的節流閥112的目標壓力比，且TIAP為TIAP 312。在所選擇的目標壓力比以百分比表示的實施方案中，以上等式的結果可除以100。

當發動機102起動時，目標MAP模塊404可選擇第一目標壓力比308。當發動機轉速大於零且小於或等於預定轉速時，目標MAP模塊404可確定發動機102正在起動。在發動機102啟動後的第一時段，目標MAP模塊404可選擇第一目標壓力比308和具有較大值的第二目標壓力比320中的一者。

目標APC模塊416基於目標MAP 408、目標進氣凸輪相位器角269和目標排氣凸輪相位器角270來確定每氣缸空氣(APC)420的目標質量。舉例來說，目標APC模塊416使用使目標MAP、目標進氣凸輪相位器角和目標排氣凸輪相位器角與目標APC相關的函數和映射中的一者來確定目標APC 420。

目標MAF模塊424基於目標APC 420、發動機轉速432和發動機102的激活氣缸436的數量來確定進入到發動機102中的目標質量空氣流率(MAF)428。激活氣缸436的數量對應於激活的發動機102的氣缸的數量。發動機轉速432可基於使用CKP傳感器180測量的曲軸位置來確定。目標MAF模塊424使用使目標APC、發動機轉速和激活氣缸的數量與目標MAF相關的函數和映射中的一者來確定目標MAF 428。舉例來說，目標MAP模塊424可基於或使用以下等式來確定目標MAP 428：

其中，目標MAF為目標MAF 428，TAPC為目標APC 420，Cyls為激活氣缸436的數量，且RPM為以每分鐘轉數計的發動機轉速432。值120000為實例值，且可因發動機的不同而不同。燃燒時間或者氣缸燃燒事件之間的時間可為120000/(cyls×RPM)。目標MAF 428(如，以g/s為單位)可基於被燃燒時間除的目標APC 420來確定，其構成了以上等式。

目標面積模塊440基於目標MAF 428確定節流閥112的目標節流閥開口面積267。目標面積模塊440進一步基於節流閥112的第二目標壓力比320和TIAP 312確定目標節流閥開口面積267。目標面積模塊440使用使目標MAF、目標壓力比和TIAP與目標節流閥開口相關的函數或映射中的一者確定目標節流閥開口面積267。舉例來說，目標面積模塊440可使用以下等式確定目標節流閥開口面積267：

其中，TTO為目標節流閥開口面積267，TIAT為節流閥進氣溫度(TIAT)，TMAF為目標MAF 428，R為理想氣體常數，TIAP為TIAP 312，TPR為第二目標壓力比320，且Φ表示空氣密度函數。TIAT可使用傳感器來測量，或基於一個或多個其它參數(例如，使用函數或映射)來確定。

如上所述，節流閥致動器模塊116基於目標節流閥開口面積267控制節流閥112。通過基於基礎空氣轉矩請求304確定第二目標壓力比320及基於第二目標壓力比320確定目標節流閥開口面積267，MPC模塊314可提供比實施方案更佳的轉矩響應特性(例如，速度更快且過衝和/或下衝更低)，在所述實施方案中，MPC模塊314基於基礎空氣轉矩請求304直接確定目標節流閥開口面積267。

現在參考圖5，一種使用MPC(模型預測控制)控制節流閥112、進氣凸輪相位器148、排氣凸輪相位器150、廢氣門162(和因此渦輪增壓器)以及EGR閥170的實例方法從502處開始。在504處，轉矩請求模塊224基於調整後的預測轉矩請求263和即時轉矩請求264確定空氣轉矩請求265。在508處，轉矩轉換模塊302可將空氣轉矩請求265轉換為基礎空氣轉矩請求304或另一適合類型的轉矩以供MPC模塊314使用。

在512處，序列確定模塊316確定目標值266、268至270以及320的可能序列。在516處，預測模塊323確定可能的目標值序列中的每一者的預測參數。預測模塊323基於發動機102的模型324、外部輸入328和反饋輸入330確定可能序列的預測參數。更具體地說，基於可能的目標值序列、外部輸入328和反饋輸入330，使用模型324，預測模塊323可產生用於N個控制迴路的發動機102的N個預測轉矩的序列、用於N個控制迴路的N個預測APC的序列、用於N個控制迴路的外部稀釋物的N個預測數量的序列、用於N個控制迴路的剩餘稀釋物N個預測數量的序列、用於N個控制迴路的N個預測燃燒相位值的序列以及用於N個控制迴路的N個預測燃燒質量值的序列。

在520處，成本模塊332分別確定可能序列的成本。舉例來說，成本模塊332可使用以下等式確定目標值266、268至270以及320的可能序列的成本：

或使用以下等式確定：

受限於目標約束348和預測約束352，如上文所論述。

在524處，選擇模塊344基於可能序列的成本分別選擇目標值266、268至270以及320的可能序列中的一者。舉例來說，選擇模塊344可選擇具有最低成本的可能序列中的一者。在524處，代替或者除了確定目標值的可能序列及確定序列中的每一者的成本，MPC模塊314還可使用凸優化技術確定具有最小成本的可能目標值的序列。

在528處，MPC模塊314可確定所選擇的可能序列中的一者是否滿足目標約束348。如果528為真，控制可繼續進行至536。如果528為假，在532處，MPC模塊314可選擇具有次最低成本的可能序列中的另一者，且控制可返回到528。以此方式，將使用滿足目標約束348的具有最低成本的序列。

在536處，目標MAP模塊404基於節流閥112的第二目標壓力比320和TIAP 312確定目標MAP 408。在540處，目標APC模塊416基於目標MAP 408、目標進氣凸輪相位器角269和目標排氣凸輪相位器角270確定目標APC 420。

在544處，目標MAF模塊424基於目標APC 420、發動機轉速432和激活氣缸436的數量確定目標MAF 428。在548處，目標面積模塊440基於目標MAF 428、第二目標壓力比320和TIAP 312確定目標節流閥開口面積267。

在552處，第一轉換模塊272將目標廢氣門開口面積266轉換為將應用於廢氣門162的目標佔空比274，第二轉換模塊276將目標節流閥開口面積267轉換為將應用於節流閥112的目標佔空比278。在540處，第三轉換模塊280還將目標EGR開口面積268轉換為將應用於EGR閥的目標佔空比282。第四轉換模塊還可將目標進氣凸輪相位器角269和目標排氣凸輪相位器角270分別轉換為經應用於進氣凸輪相位器148和排氣凸輪相位器150的目標進氣和排氣佔空比。

在556處，節流閥致動器模塊116控制節流閥112以實現目標節流閥開口面積267，且相位器致動器模塊158控制進氣凸輪相位器148和排氣凸輪相位器150以分別實現目標進氣凸輪相位器角269和目標排氣凸輪相位器角270。舉例來說，節流閥致動器模塊116可以目標佔空比278將信號應用於節流閥112以實現目標節流閥開口面積267。

又在556處，EGR致動器模塊172控制EGR閥170以實現目標EGR開口面積268，且增壓致動器模塊164控制廢氣門162以實現目標廢氣門開口面積266。舉例來說，EGR致動器模塊172可以目標佔空比282將信號應用於EGR閥170以實現目標EGR開口面積268，且增壓致動器模塊164可以佔空比274將信號應用於廢氣門162以實現目標廢氣門開口面積266。雖然圖5的方法被示為結束於560處，但是圖5可說明一個控制迴路，且控制迴路可以預定速率執行。

現在參考圖6，一種控制發動機102的致動器以調整發動機啟動期間的進氣氣流的實例方法開始於602處。在604處，目標面積模塊372確定發動機102是否起動。當發動機102的啟動器接合且發動機轉速大於零且小於或等於預定轉速(例如，400RPM與500RPM之間的速度)時，目標面積模塊372可確定發動機102正在起動。如果發動機102正在起動，那麼所述方法在606處繼續。否則，目標面積模塊372繼續確定發動機102是否正在起動。

在606處，目標壓力比模塊306基於如上文參考圖3所論述的第一目標MAP 310和TIAP 312確定節流閥112的第一目標壓力比308。在608處，節流閥致動器模塊116基於第一目標壓力比308致動節流閥112。舉例來說，目標面積模塊372可基於第一目標壓力比308確定目標節流閥開口面積267，且節流閥致動器模塊116可基於目標節流閥開口面積267致動節流閥112。

在610處，目標面積模塊372確定發動機102是否啟動。當發動機轉速大於預定轉速時，目標面積模塊372可確定發動機102正在啟動。如果發動機102啟動，那麼所述方法在612處繼續。否則，所述方法在606處繼續。

在612處，MPC模塊314使用MPC(模型預測控制)確定節流閥112的第二目標壓力比320。舉例來說，MPC模塊314可基於基礎空氣轉矩請求304識別第二目標壓力比320以及目標值266和268至270的可能值的集合。MPC模塊314接著可響應於可能目標值的每個集合預測發動機102的操作參數(例如發動機102的轉矩輸出)，且確定預測操作參數的成本值。MPC模塊314可接著選擇具有最低成本且同時滿足目標約束348和預測約束352的可能目標值的集合，且將第二目標壓力比320設定為等於所選擇的集合中的第二目標壓力比320的可能值。

在614處，目標面積模塊372基於發動機油溫和/或大氣壓力確定第一時段的持續時間。舉例來說，目標面積模塊372可隨著大氣壓降低而增加第一時段的持續時間，且反之亦然。在發動機102開始起動之前，大氣壓力可使用MAP傳感器184和/或TIAP傳感器191來測量。

在616處，目標面積模塊372確定自從發動機102啟動以來的時段是否小於第一時段。如果自從發動機102啟動以來的時段小於第一時段，那麼所述方法在618處繼續。否則，所述方法在620處繼續。

在618處，節流閥致動器模塊116基於第一目標壓力比308和第二目標壓力比320中的最大值致動節流閥112。舉例來說，目標面積模塊372可基於第一目標壓力比308和第二目標壓力比320中的最大值確定目標節流閥開口面積267，且節流閥致動器模塊116可基於目標節流閥開口面積267致動節流閥112。

在620處，參考模塊368基於第一目標壓力比308確定參考轉矩376。在622處，轉矩初始化模塊374基於參考轉矩376初始化基礎空氣轉矩請求304。舉例來說，轉矩初始化模塊374可通過將基礎空氣轉矩請求304設定為等於參考轉矩376而初始化基礎轉矩請求304。轉矩初始化模塊374可接著按照預定速度調整初始化的基礎空氣轉矩請求以逐漸降低初始化的基礎空氣轉矩請求與基礎空氣轉矩請求304的未初始化值之間的差。所述方法在624處結束。

圖5和6的方法可彼此獨立或結合實施。在後者的實例中，圖6的方法可用於在圖5的548處確定目標節流閥開口面積267。圖5和6的方法在圖2到4的模塊的背景下描述。然而，執行所述方法的步驟的特定模塊可不同於上文所提及的模塊和/或所述方法可與圖2到4的模塊分開實施。

現在參考圖7，發動機控制模式信號702、發動機轉速信號704、燃料啟用信號706、實際MAP信號708和目標MAP信號710關於x軸712和y軸714繪製。x軸表示時間。y軸表示信號702至710的量級。

發動機控制模式信號702經調整以將空氣控制模塊228在起動模式和運行模式之間切換。在起動模式下，空氣控制模塊228基於第一目標MAP310且不依賴於基礎空氣轉矩請求304控制發動機102的氣流致動器。在運行模式下，空氣控制模塊228基於基礎空氣轉矩請求304且不依賴於第一目標MAP 310控制發動機102的氣流致動器。

燃料啟用信號706經調整以將燃料控制模塊240在禁用模式和啟動模式之間切換。在禁用模式下，燃料控制模塊240不向發動機102的氣缸提供燃料。在啟用模式下，燃料控制模塊240向發動機102的氣缸提供燃料。

發動機轉速信號704表示基於使用CKP傳感器180測量的曲軸位置所確定的發動機轉速。實際MAP信號708表示使用MAP傳感器184測量的進氣管壓力。目標MAP信號710表示由目標MAP模塊313產生的第一目標MAP 310。

在716之前的時段中，發動機102被停止。因此，發動機轉速信號704為0RPM，且實際MAP信號708為大氣壓力。此外，發動機控制模式信號702經調整為對應於起動模式的值，且目標MAP信號710經調整為大約40千帕斯卡。

在716處，發動機102開始起動。因此，在716和718之間，發動機轉速信號704增大到大約150RPM。另外，在718處，燃料啟用信號706經調整為對應於啟動模式的值。

在720處，提供到發動機102氣缸內的燃料開始燃燒。因此，發動機轉速信號704快速增大，且實際MAP信號708開始減小。在722處，發動機轉速信號704在400RPM和500RPM之間，且目標面積模塊372確定發動機102啟動。

在724處，發動機轉速信號704達到峰值1600RPM並且開始減小。在722和726之間的時段對應上文如圖3、4和6所述的第一時段。因此，在726處，第一時段結束，發動機控制模式信號702經調整為對應於運行模式的值，且目標MAP模塊313停止生成目標MAP信號710。如上所述，目標面積模塊372可基於發動機油溫和實際MAP確定第一時段，使得在發動機轉速信號704在達到其峰值並開始減小之後第一時段才結束。在728處，實際MAP信號708停止減小並保持處於穩態值。在730處，發動機轉速信號704達到空轉轉速800RPM。

上述內容僅僅是本質上的說明，且絕不意圖限制本發明、其應用或使用。本發明的廣泛教導可通過各種形式來實現。因此，儘管本發明包括特定實例，但本發明的真實範圍不應局限於此，因為在研讀附圖、說明書和所附權利要求之後其它修改將變得顯而易見。應當理解，在不改變本發明的原理的情況下，方法中的一個或多個步驟可以不同順序(或同時)執行。而且，雖然所述實施例中的每一個經描述為具有某些特徵，關於本發明的任何實施例所描述的特徵中的任何一個或多個可在其它任何實施例的特徵中實施和/或結合其它任何實施例的特徵實施，即使沒有明確描述組合。換句話說，所述實施例不相互排斥，且一個或多個實施例彼此之間排列組合仍在本發明的範疇內。

元件之間(例如，模塊、電路元件、半導體層等之間)的空間關係和功能關係使用各種術語進行描述，所述術語包括「連接」、「結合」、「聯接」、「鄰近」、「緊鄰」、「在頂部」、「上方」、「下方」以及「設置」。除非明確描述為「直接」，當第一和第二元件之間的關係經描述於以上公開內容中時，所述關係可為直接關係，其中在第一和第二元件之間不存在其它中間元件，但也可為間接關係，其中在第一和第二元件之間存在(或者空間上或功能上)一個或多個中間元件。如本文所使用，術語A、B和C中的至少一個應被認為意味著使用非排他性的邏輯OR的邏輯(A OR B OR C)，不應該被理解為表示「A中的至少一個，B中的至少一個和C中的至少一個」。

再所述應用中，包括以下這些定義，術語「模塊」或術語「控制器」可與術語「電路」替換。術語「模塊」可指以下各者，作為以下各者的一部分，或包括以下各者：專用集成電路(ASIC)；數字、模擬或或混合模擬/數字離散電路；數字、模擬或或混合模擬/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、專用或集群)；存儲有處理器電路執行的代碼的存儲器電路(共享、專用或集群)；提供所述功能性的其它適合的硬體組件，；或上述組件中的一些或全部的組合，例如片上系統。

模塊可包括一個或多個接口電路。在一些實例中，接口電路可包括連接至區域網(LAN)，網際網路，廣域網(WAN)及其組合的有線或者無線接口。本發明的任何給定模塊的功能性可分配在經由接口電路連接的多個模塊之間。舉例來說，多個模塊可允許負載平衡。在進一步實例中，伺服器(被稱為遠程或雲)模塊可實現代表客戶端模塊的一些功能性。

如上文所使用，術語「代碼」可包括軟體、固件和/或微代碼，且可指代程序、例程、功能、類別、數據結構和/或對象。術語「共享處理器電路」涵蓋執行來自多個模塊的某些或所有代碼的單個處理器電路。術語「集群處理器電路」涵蓋結合額外處理器電路來執行來自一個或多個模塊的某些或所有代碼的處理器電路。參考「多個處理器電路」涵蓋離散裸片上的多個處理器電路、單個裸片上的多個處理器電路、單個處理器單元的多個核心、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」涵蓋存儲來自多個模塊的某些或所有代碼的單個存儲器電路。術語「集群存儲器電路」涵蓋結合額外存儲器來存儲來自一個或多個模塊的某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。如本文中所使用，術語「計算機可讀介質」並不涵蓋經由介質(例如在載波上)傳播的暫時性電或電磁信號。術語「計算機可讀介質」可因此被視為有形且非暫時性的。非暫時性、有形計算機可讀介質的非限制實例是非易失性存儲器電路(例如快閃記憶體電路、可擦除可編程只讀存儲器電路或掩碼只讀存儲器電路)、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)、磁性存儲介質(例如模擬或數字磁帶或硬碟驅動)和光學存儲介質(諸如CD、DVD或藍光光碟)。

本申請案中所描述的設備和方法可部分或完全由通過配置通用計算機以執行電腦程式中體現的一個或多個特定功能而創建的專用計算機來實施。上述功能塊、流程圖組件和其它元件用作軟體規範，其可通過本領域技術人員或編程者的常規作業而轉譯為電腦程式。

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。電腦程式可涵蓋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、背景服務、背景應用程式等。

電腦程式可包括：(i)待解析的描述性文本，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)由編譯器從原始碼產生的目標代碼；(iv)供解譯器執行的原始碼；(v)供即時編譯器編譯並執行的原始碼，等。僅作為實例，原始碼可使用來自包括以下項的語言的語法寫入：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、Lua和

在35U.S.C.§112(f)的含義內，權利要求書中敘述的元件均不旨在是裝置加功能元件，除非元件使用短語「用於……的裝置」明確敘述或在使用短語「用於……的操作」或「用於……的步驟」的方法權利要求書的情況中。