基于相位和频率偏差的不对称AFR脉冲基准跟踪算法

摘要

本发明涉及基于相位和频率偏差的不对称AFR脉冲基准跟踪算法，具体而言一种发动机系统的燃料控制系统包括催化剂前废气氧(EGO)传感器和控制模块。催化剂前EGO传感器根据废气的氧浓度确定催化剂前EGO信号。控制模块确定颤动信号。控制模块根据催化剂前EGO信号和颤动信号确定燃料指令。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年8月17日提交的美国临时申请No.60/956,590为优先权。以上申请的全部内容在此结合作为参考。

技术领域

本申请涉及发动机控制系统，并且更具体地涉及内燃机的燃料控制系统。

背景技术

在此提供的背景技术的说明是为了概述本发明的背景。本背景技术部分在一定程度上描述了目前指定的发明人的工作，并且描述的特征并不当作提交申请时的现有技术，这些描述既不明示也不暗示为本发明的现有技术。

燃料控制系统减少了汽油机的排放。燃料控制系统可包括内反馈回路和外反馈回路。内反馈回路可利用来自布置在发动机系统的催化转化器之前的废气氧(EGO)传感器(即，催化剂前EGO传感器)的数据来控制输送到发动机的燃料量。

例如，当催化剂前EGO传感器检测到废气中的浓空/燃比(即，未燃尽的燃料蒸汽)时，内反馈回路可减小输送到发动机的期望燃料量(即，减小燃料指令)。当催化剂前EGO传感器检测到废气中的稀空/燃比(即，氧过剩)时，内反馈回路可增大燃料指令。这就将空/燃比保持在实际的当量比，或理想空/燃比，从而改善燃料控制系统的性能(例如，燃料经济性)。

内反馈回路可采用比例-积分控制方案来修正燃料指令。还可根据短期燃料调整或长期燃料调整进一步修正该燃料指令。该短期燃料调整可通过根据发动机工作条件改变比例-积分控制方案的增益来修正燃料指令。当短期燃料调整不能在期望时间间隔内完全修正燃料指令时，该长期燃料调整可修正燃料指令。

当出现未预料到的读数时，外反馈回路可利用布置在转化器之后的EGO传感器(即，催化剂后EGO传感器)的信息来修正EGO传感器和/或转化器。例如，外反馈回路可利用催化剂后EGO传感器的信息来将催化剂后EGO传感器保持在所需的电压电平。同样地，转化器保持储有期望量的氧，从而改善燃料控制系统的性能。外反馈回路可通过改变内反馈回路所用的阈值控制内反馈回路来确定空/燃比是浓还是稀。

废气组分影响EGO传感器的性能，由此影响EGO传感器数值的精确性。因此，已将燃料控制系统设计成根据与所报告的不同的数值进行操作。例如，已将燃料控制系统设计成“不对称地”操作(即，用于指示稀空/燃比的阈值与用于指示浓空/燃比的阈值不同)。

由于不对称度是废气组分的函数且废气组分是发动机工作条件的函数，所以通常将不对称度设计成发动机工作条件的函数。通过调整内反馈回路的增益和阈值可间接达到该不对称度，从而需要在每种发动机工作条件下进行大量测试。而且，对每种动力系和车辆类别需要大量标定并且不易于适应其它技术，包括但不限于，可变气门正时和升程。

发明内容

一种发动机系统的燃料控制系统包括催化剂前废气氧(EGO)传感器和控制模块。催化剂前EGO传感器根据废气的氧浓度确定催化剂前EGO信号。控制模块确定颤动信号。控制模块根据催化剂前EGO信号和颤动信号确定燃料指令。

一种操作发动机系统的燃料控制系统的方法包括根据废气的氧浓度确定催化剂前EGO信号；确定颤动信号；以及根据催化剂前EGO信号和颤动信号确定燃料指令。

从下文提供的详细描述中可以显而易见地看到本发明的进一步应用领域。应当明白，详细描述和特定例子只是用于解释的目的并不限制本发明的范围。

附图说明

从详细描述和附图中可以更完整地理解本发明，其中：

图1是根据本发明原理的发动机系统的示例性实施方式的原理框图；

图2是根据本发明原理的控制模块的示例性实施方式的原理框图；

图3是根据本发明原理的修正系数模块的示例性实施方式的原理框图；

图4是根据本发明原理的燃料确定模块的示例性实施方式的原理框图；

图5是根据本发明原理的线性补偿模块的示例性实施方式的原理框图；

图6是根据本发明原理的饱和补偿模块的示例性实施方式的原理框图；以及

图7是根据本发明原理的控制模块所执行的示例性步骤的流程图。

具体实施方式

下列描述实际上只是示例性的并且决不用于限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，附图中用相同的附图标记表示相同的部件。本文所用的语句“A、B和C中的至少一个”应当解释成意味着使用非排他逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解，方法内的步骤可以按不同顺序执行，只要不改变本发明的原理。

本文所用的术语“模块”是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或其它的提供所述功能的适当部件。

为了降低与传统燃料控制系统有关的标定成本，本发明的燃料控制系统考允许直接达到期望特性，包括不对称特性。换句话说，燃料控制系统是通过开环控制代替闭环控制来达到期望特性。开环控制可包括应用使期望特性与达到期望特性所需的燃料指令或颤动信号相关联的模型，代替闭环控制增益的标定。

具体而言，燃料控制系统通过开环控制达到发动机系统的废气的振荡氧浓度级的期望特性。这种振荡改善了燃料控制系统的性能(即，避免发动机系统的催化转化器中的低或高氧浓度值)。燃料控制系统通过根据使振荡氧浓度值与颤动信号相关联的模型确定颤动信号来达到振荡氧浓度值。燃料控制系统将颤动信号施加给燃料指令以引起振荡。另外，燃料控制系统根据本文所述振荡氧浓度值跟踪和修正信号的频率和占空系数(DC)。

现在参照图1，示出了示例性发动机系统10。发动机系统10包括发动机12、进气系统14、燃料系统16、点火系统18和排气系统20。发动机12可以是任何一种带有燃料喷射的内燃机。例如，发动机12可包括燃料喷射式发动机、汽油直喷式发动机、均质充气压燃式发动机或其它类型的发动机。

进气系统14包括节气门22和进气歧管24。节气门22控制进入发动机12的空气流量。燃料系统16控制进入发动机12的燃料流量。点火系统18点燃由进气系统14和燃料系统16供给发动机12的空气/燃料混合物。

空气/燃料混合物燃烧所产生的废气通过排气系统20排出发动机12。排气系统20包括排气岐管26和催化转化器28。催化转化器28接收来自排气岐管26的废气并且在其离开发动机系统10之前降低废气的毒性。

发动机系统10还包括控制模块30，其根据发动机的各种操作参数调节发动机12的运转。控制模块30与燃料系统16和点火系统18通信。控制模块30还与质量空气流量(MAF)传感器32和布置在排气岐管26中的废气氧(EGO)传感器(即，催化剂前EGO传感器34)通信。

MAF传感器32根据流入进气歧管24的空气量产生MAF信号。催化剂前EGO传感器34根据排气岐管26中的废气的氧浓度值产生催化剂前EGO信号。催化剂前EGO传感器34包括切换EGO传感器，其以电压单位的形式产生催化剂前EGO信号。当氧浓度值为稀或浓时，切换EGO传感器就分别将催化剂前EGO信号切换到低或高电压。

现在参照图2，示出了控制模块30。控制模块30包括颤动模块102、修正系数模块104和燃料确定模块106。颤动模块102接收关于发动机工作条件的数据。

仅仅作为举例，发动机工作条件可包括但不限于，发动机12的曲轴(未示出)的旋转速度、进气歧管24中的空气压力和/或发动机冷却液的温度。颤动模块102是开环指令发生器，其根据发动机工作条件确定颤动信号。控制模块30利用颤动信号对排气岐管26中的废气的氧浓度值的振荡发出指令。

修正系数模块104接收颤动信号和催化剂前EGO信号。修正系数模块104确定颤动信号的频率和DC。颤动信号的DC是颤动信号周期中颤动信号的电压是高(即，非零值)的比例。

修正系数模块104将颤动信号的频率和DC延迟一个延时时段(即，直到控制模块30的燃料指令影响了催化剂前EGO信号)。修正系数模块104根据发动机12的气缸数和催化剂前EGO传感器34的位置确定该延时时段。修正系数模块104还根据从控制模块30输出燃料指令给燃料系统16的时间到催化剂前EGO传感器34产生催化剂前EGO信号的时间之间的测定时段来确定该延时时段。延时时段period_delay是根据下式确定：

(1)period_delay＝f(#，location，period_measure)，

式中，#是气缸数，location是催化剂前EGO传感器34的位置，并且period_measure是测定时段。

修正系数模块104将催化剂前EGO信号量化(即，转换成离散和/或数字信号)并且确定该量化催化剂前EGO信号的频率和DC。修正系数模块104比较颤动信号的延迟频率与该量化催化剂前EGO信号的频率从而确定频率修正系数。修正系数模块104比较颤动信号的延迟DC与该量化催化剂前EGO信号的DC从而确定DC修正系数。

修正系数模块104采用比例(P)控制方案来满足颤动信号的延迟频率和延迟DC。频率修正系数包括基于颤动信号的延迟频率与该量化催化剂前EGO信号的频率之间的差值的比例补偿。频率修正系数P_f是根据下式确定：

(2)P_f＝K_pf(f_dither(k-n)-f_measured(k-n))，

式中，K_pf是预定比例常数，f_dither(k-n)是颤动信号的延迟频率，f_measured(k-n))是量化催化剂前EGO信号的频率。DC修正系数包括基于颤动信号的延迟DC与该量化催化剂前EGO信号的DC之间的差值的比例补偿。DC修正系数P_DC是根据下式确定：

(3)P_DC＝Kp_DC(DC_dither(k-n)-DC_measured(k-n))，

式中，Kp_DC是预定比例常数，DC_dither(k-n)是颤动信号的延迟DC，DC_measured(k-n))是量化催化剂前EGO信号的DC。

燃料确定模块106接收频率修正系数、DC修正系数、颤动信号的DC、颤动信号的频率、颤动信号以及催化剂前EGO信号。燃料确定模块106还接收MAF信号。燃料确定模块106确定这两个修正系数中的任何一个是否饱和。当数值非常小以至于实际上没有修正颤动信号的切换电压时，频率修正系数就饱和了。当数值几乎为1或0以至于实际上没有修正颤动信号的切换电压时，DC修正系数就饱和了。

如果这两个修正系数都没有饱和(即，处于其线性范围内)，燃料确定模块106就分别用频率修正系数和DC修正系数对颤动信号的频率和DC进行补偿。通过补偿颤动信号的频率和DC，燃料确定模块106就分别修正了颤动信号的延迟频率和延迟DC与量化催化剂前EGO信号的频率和DC之间的小偏差。燃料确定模块106根据颤动信号的补偿频率、颤动信号的补偿DC、颤动信号以及MAF信号确定期望燃料指令。

如果这两个修正系数中的任何一个饱和，燃料确定模块106就对频率修正系数进行离散积分。燃料确定模块106用量化催化剂前EGO信号的符号对积分频率修正系数定比例以确定期望燃料修正系数。燃料确定模块106采用比例-积分控制方案来确定期望燃料修正系数。

期望燃料修正系数包括基于对颤动信号的延迟频率与量化催化剂前EGO信号的频率之间的差值的离散积分的补偿。期望燃料修正系数Fuel_pf是根据下式确定：

(4)Fuel_pf＝ΣKi_f×P_f×sign(EGO_quant)，

式中，Ki_f是预定积分常数且sign(EGO_quant)是量化催化剂前EGO符号。燃料确定模块106用期望燃料修正系数补偿期望燃料指令以确定燃料系统16的补偿期望燃料指令。通过补偿期望燃料指令，燃料确定模块106修正了颤动信号与量化催化剂前EGO信号之间的大偏差。

现在参照图3，示出了修正系数模块104。修正系数模块104包括颤动频率/DC模块202、延迟模块204、量化模块206、催化剂前EGO频率模块208和催化剂前EGO DC模块210。修正系数模块104还包括减法模块212、减法模块214、P模块216和P模块218。颤动频率/DC模块202接收颤动信号并且确定颤动信号的频率(即，颤动频率)。颤动频率/DC模块202还确定颤动信号的DC(即，颤动DC)。

延迟模块204接收颤动频率和颤动DC并且确定延时时段。延迟模块204将颤动频率和颤动DC延迟该延时时段以确定延迟颤动频率和延迟颤动DC。量化模块206接收催化剂前EGO信号并且将催化剂前EGO信号量化以确定量化催化剂前EGO信号。催化剂前EGO频率模块208接收该量化催化剂前EGO信号并且确定该量化催化剂前EGO信号的频率(即，催化剂前EGO频率)。催化剂前EGO DC模块210接收该量化催化剂前EGO信号并且确定该量化催化剂前EGO信号的DC(即，催化剂前EGO DC)。

减法模块212接收催化剂前EGO频率和延迟颤动频率并且从延迟颤动频率中减去催化剂前EGO频率以确定频率偏差。减法模块214接收催化剂前EGODC和延迟颤动DC并且从延迟颤动DC中减去催化剂前EGO DC以确定DC偏差。P模块216接收频率偏差并且根据该频率偏差确定频率修正系数。P模块218接收DC偏差并且根据该DC偏差确定DC修正系数。

现在参照图4，示出了燃料确定模块106。燃料确定模块106包括饱和检测模块302、线性补偿模块304、期望催化剂前EGO模块306、加法模块308、定比例模块310以及饱和补偿模块312。饱和检测模块302接收频率和DC修正系数并且确定这两个修正系数中的任何一个是否饱和。当这两个修正系数都没有饱和，饱和检测模块302就将修正系数输出给线性补偿模块304。当这两个修正系数中的任何一个饱和，饱和检测模块302就将频率修正系数输出给饱和补偿模块312。

线性补偿模块304接收频率修正系数、DC修正系数、颤动信号、颤动频率和颤动DC。线性补偿模块304分别用频率修正系数和DC修正系数补偿颤动频率和颤动DC。线性补偿模块304根据补偿颤动频率和补偿颤动DC确定单位补偿颤动信号(即，幅值数值为1)。单位补偿颤动信号Dither_unity是根据下式确定：

(5)Dither_unity＝f(f_dither+P_f，DC_dither+P_DC)，

线性补偿模块304还确定颤动信号的幅值。线性补偿模块304根据单位补偿颤动信号和颤动信号的幅值确定补偿颤动信号。通过对颤动频率和颤动DC进行补偿，线性补偿模块304修正了颤动信号与量化催化剂前EGO信号的幅值之间的小偏差。这是因为颤动频率和颤动DC与颤动信号的幅值均值之间的直接关系。

期望催化剂前EGO模块306接收关于发动机工作条件的数据。期望催化剂前EGO模块306是开环指令发生器。期望催化剂前EGO模块306根据排气岐管26中的废气的期望氧浓度值确定期望催化剂前EGO信号。期望催化剂前EGO模块306根据发动机工作条件确定期望氧浓度值。期望催化剂前EGO模块306以当量比为单位确定期望催化剂前EGO信号。

加法模块308接收期望催化剂前EGO信号和补偿颤动信号。加法模块308将补偿颤动信号加到期望催化剂前EGO信号上以确定颤动期望催化剂前EGO信号。该颤动期望催化剂前EGO信号围绕期望氧浓度值振荡。该补偿颤动信号引起振荡，而期望催化剂前EGO信号引起围绕期望氧浓度值的振荡。

定比例模块310接收颤动期望催化剂前EGO信号和MAF信号。定比例模块310根据颤动期望催化剂前EGO信号和MAF信号确定期望燃料指令。该期望燃料指令Fuel是根据下式确定：

(6)Fuel＝AFR_stoich×MAF(EGO_des+A_dither×Dither_unity)，

式中，AFR_stoich是化学当量的预定空燃比(即，通常燃料所用的1：14.7)，MAF是MAF信号，EGO_des是期望催化剂前EGO信号，且A_dither是颤动信号的幅值。由颤动期望催化剂前EGO信号的振荡引起了期望燃料指令的振荡。

饱和补偿模块312接收期望燃料指令、频率修正系数和量化催化剂前EGO信号。饱和补偿模块312对频率修正系数进行积分。饱和补偿模块312用量化催化剂前EGO信号的符号对积分频率修正系数定比例以确定期望燃料修正系数。饱和补偿模块312用期望燃料修正系数补偿期望燃料指令以确定燃料系统16的补偿期望燃料指令。补偿期望燃料指令Fuel_comp是根据下式确定：

(7)Fuel_comp＝Fuel+Fuel_pf

现在参照图5，示出了线性补偿模块304。线性补偿模块304包括加法模块402、加法模块404、颤动发生模块406、颤动幅值模块408以及乘法模块410。加法模块402接收频率修正系数和颤动频率。加法模块402将频率修正系数加到颤动频率上以确定补偿颤动频率。

加法模块404接收DC修正系数和颤动DC并且将DC修正系数加到颤动DC上以确定补偿颤动DC。颤动发生模块406接收补偿颤动频率和补偿颤动DC。颤动发生模块406根据补偿颤动频率和补偿颤动DC产生单位补偿颤动信号。

颤动幅值模块408接收颤动信号并且确定颤动信号的幅值(即，颤动幅值)。乘法模块410接收颤动幅值和单位补偿颤动信号。乘法模块410用颤动幅值对单位补偿颤动信号定比例以确定补偿颤动信号。

现在参照图6，示出了饱和补偿模块312。饱和补偿模块312包括离散积分模块412、催化剂前EGO符号模块414、乘法模块416以及加法模块418。离散积分模块412接收频率修正系数。离散积分模块412对频率修正系数进行积分以确定积分频率修正系数。催化剂前EGO符号模块414接收催化剂前EGO信号，对离散催化剂前EGO信号进行量化并且确定该量化催化剂前EGO信号的符号。

乘法模块416接收积分频率修正系数和量化催化剂前EGO信号的符号。乘法模块416用量化催化剂前EGO信号的符号对积分频率修正系数定比例以确定期望燃料修正系数。加法模块418接收期望燃料修正系数和期望燃料指令。加法模块418将期望燃料修正系数加到期望燃料指令上以确定补偿期望燃料指令。

现在参照图7，流程图描述了由控制模块30执行的示例性步骤。在步骤502处开始该控制。在步骤504处，确定颤动信号(即，Dither)。在步骤506处，根据颤动信号确定颤动频率和颤动DC。

在步骤508处，确定延时时段。在步骤510处，根据颤动频率和延时时段确定延迟颤动频率，根据颤动DC和延时时段确定延迟颤动DC。在步骤512处，确定催化剂前EGO信号(即，Pre-Catalyst EGO)。

在步骤514处，根据催化剂前EGO信号确定量化催化剂前EGO信号(即，Quantized Pre-Catalyst EGO)。在步骤516处，根据量化催化剂前EGO信号确定催化剂前EGO频率和催化剂前EGO DC。在步骤518处，根据延迟颤动频率和催化剂前EGO频率确定频率偏差，根据延迟颤动DC和催化剂前EGO DC确定DC偏差。

在步骤520处，根据频率和DC偏差分别确定频率和DC修正系数。在步骤522处，控制确定频率修正系数是否饱和。如果否，控制则继续到步骤524。如果是，控制则继续到步骤526。

在步骤524处，控制确定DC修正系数是否饱和。如果是，控制则继续到步骤526。如果否，控制则继续到步骤528。在步骤526处，根据频率修正系数确定积分频率修正系数。

在步骤530处，根据催化剂前EGO信号确定量化催化剂前EGO信号的符号。在步骤532处，根据积分频率修正系数和量化催化剂前EGO信号的符号确定期望燃料修正系数。控制继续到步骤534。

在步骤528处，根据颤动频率和频率修正系数确定补偿颤动频率，根据颤动DC和DC修正系数确定补偿颤动DC。在步骤536处，根据补偿颤动频率和补偿颤动DC确定单位补偿颤动信号(即，Unity Compensated Dither)。在步骤538处，根据颤动信号确定颤动幅值。

在步骤540处，根据单位补偿颤动信号和颤动幅值确定补偿颤动信号(即，Compensated Dither)。在步骤542处，确定期望催化剂前EGO信号(即，DesiredPre-Catalyst EGO)。在步骤544处，根据补偿颤动信号和期望催化剂前EGO信号确定颤动期望催化剂前EGO信号(即，Dithered Desired Pre-Catalyst EGO)。

在步骤546处，确定MAF信号(即，MAF)。在步骤548处，根据颤动期望催化剂前EGO信号和MAF信号确定期望燃料指令(即，Desired Fuel)。在步骤534处，根据期望燃料修正系数和期望燃料指令确定补偿期望燃料指令(即，Compensated Desired Fuel)。控制回到步骤504。

现在本领域技术人员能够从上文的描述知道，可以以多种形式实施本发明的宽泛教导。因此，尽管本发明包含特定例子，但是，本发明的实际范围不会因此受到限制，因为对本领域技术人员来说通过研究附图、说明书和权利要求可以显而易见地得到其它变型。