CN101694185B - 控制内燃机中的燃烧以及预测性能和排放物的方法 - Google Patents

Abstract

这个公开讲授了一种控制直喷式内燃机以及预测直喷式内燃机的工作情况的方法。初始气缸压力、空气流量和EGR流量(如果可应用的话)的估计用来建立这样的系统，其通过集成喷射模块、燃烧模块和发动机控制模块来提供发动机工作情况，以提供指示诸如制动扭矩和功率、空气流量、EGR流量、气缸压力、制动专用燃料消耗、燃烧开始、放热率、涡轮增压器速度及其他变量之类的发动机工作情况的数据。随后，这些值能用于调整诸如开始之类的命令的变量。

Description

控制内燃机中的燃烧以及预测性能和排放物的方法

本申请是以下发明专利申请的分案申请：

申请号：200480031142.9

申请日：2004年9月23日

发明名称：控制内燃机中的燃烧以及预测性能和排放物的方法

技术领域

本发明涉及用于控制直喷式(direct injection)内燃机的燃烧、性能和排放物，以及预测直喷式内燃机的工作情况的方法。该主题方法的实施例对于以气体为燃料的直喷式内燃机来说尤其有用。

背景技术

精确预测内燃机的工作情况而不用发动机测试是有价值的。首先，预测发动机将如何在一组条件下工作可以揭露有价值的信息，而不必须引起测试实际发动机所涉及的成本和时间。其次，当测试新的发动机设计时，昂贵的原型(prototype)改进并不是不寻常的。在由预测发动机工作情况的方法所包含的发动机研究中，预测构思的工作情况而不必须管理原型开发可以是有帮助的步骤。在对昂贵的原型部件或者费时的测试室(test cell)工作的任何投资之前，精确的发动机工作情况预测帮助克服由最初为新的发动机设计测试新想法、或仿真现有的发动机架构所导致的这些问题。最后，预测发动机工作情况的方法可以允许加速潜在系统的测试、而无人力和设施可用性的限制。虽然不是实际测试的替代，但精确预测可以在构造昂贵的测试发动机之前、或在将宝贵的测试室时间用于测试现有的发动机之前，消除许多否则会认为合理的想法。

另外，随着计算机处理能力不断提高，使用发动机预测数据的开环控制可消除闭环控制方法、以及对昂贵的监控设备和相关联的昂贵的电气系统的依赖两者，其中昂贵的监控设备和相关联的昂贵的电气系统都是易于损耗的。

最后，因为由于环境的原因而使排放物控制变为越来越重要，所以，提供用于闭环板上控制的控制器是有价值的，其中，所述控制器响应于为一组用户要求的工作条件所预测的工作情况而调整排放物。此外，如在上述发动机设计的情况中那样，预测系统可以帮助滤出未能满足可接受的排放水平的新设计。

通常，在这个领域的现有技术已提供了预测发动机操作的一些方面、但未能令人满意地集成这些方面以提供预测性的发动机的系统。例如，已开发了燃烧模型，其基于操作者输入的值而预测燃烧室内的燃烧。这对于排放模型、喷射器模型和发动机循环模型来说也是一样。

在Heywood，J.B.所著的Internal Combustion Engine Fundamentals(NewYork：McGraw-Hill，1988(纽约：美麦克劳-希尔出版公司，1988年))中概述了发动机燃烧模型开发的示例。典型地，将燃烧模型集成到发动机循环模型中。经常伴随着这些燃烧模型的是排放物形成模型，其提供NOx和颗粒物排放的指示。发动机循环仿真用来计算发动机中的热力学和气体动力学。GT-Power^TM是发动机循环处理建模模块的示例。对于发动机循环预测，在诸如StarCD^TM、Fluent^TM、FIRE^TM和VECTIS^TM之类的系统中已提供了几种方法。Hydsim^tm软件是现有技术喷射器仿真模型的示例。该软件可以通过对包括喷射器的液压系统、机械系统和电子系统的喷射器的细节进行建模，来计算喷射延迟、喷射速率形状。

这些部件中的每一个都已经发展了或多或少的程度，但通常仍为发动机工作情况一个方面的独立模型。例如，考虑A.Chow等人所著的Thermodynamic modeling of complete engine systems-a review(London：Professional Engineering Publishing，1999)和T.Morel等人所著的“VirtualEngine/Powertrain/Vehicle”Simulation Tool Solves Complex Interacting SystemIssues(Warrendale，PA：Society ofAutomotive Engineers International，2003)2003-01-0372。在每种情况下，都提供了用来描述发动机一些方面的模型的示例。

Chow论述了为指定的燃烧率而确定发动机工作情况的模型的系统集成。这些模型定量地表示了传热、流体流动、涡轮机、以及排放物产生。作为系统集成的一个示例，Morel描述了这样的软件，其为特定的燃烧率而提供用于传热、流体流动、涡轮机、以及发动机系统的液力、电力、热、机械、以及控制元件的单独模型的系统集成。由Morel论述的其它预测方法包括：具有涡轮增压器、增压器和中间冷却器支持的部件；共同仿真选项；瞬态导管温度分析；可变导管长度；多用户数据库和动力阀运动。这些方法示教强调了发动机阀与其它部件之间的关系。

通常，所论述的集成未明确地包括在燃料喷射工作情况和燃烧率之间的交互作用。如果该方法允许喷射器性能、燃烧压力和燃烧率的互相依赖，则完全发动机仿真集成是有益的。

通常，在用于直喷式发动机的集成发动机预测方法方面的有限发展已部分归咎于：用于直喷式柴油发动机的单独部件建模已满足了对这样的发动机建模的目的。例如，主要由于喷射柴油时极高的压力而造成了由柴油发动机中的燃烧所引起的燃烧室内部的条件改变对柴油的喷射具有有限的影响，于是，忽略气缸内的燃料燃烧并未使响应于气缸压力而调整向气缸供给的燃料的集成模型受到的任何显著程度的影响。也就是说，与作为燃烧事件的结果而在燃烧室中建立的压力相比，喷射柴油时的压力高出许多倍，并且，因此，其较少受到燃烧室压力的改变的影响。

然而，当使用气体燃料来操作高压缩比直喷式发动机时，对于预测模型而忽略发动机系统的这个部分可能是个问题。对于基于气体燃料工作的柴油发动机，燃料喷射速率通常取决于燃烧室中的压力；然而，气缸压力的改变率取决于喷射速率、以及涡轮机和传热部件。因此，对于完全的系统集成，用于预测喷射器工作情况和燃烧发展的单独模型是重要的。这些模型独立地存在，但未被充分集成到可应用于柴油发动机、或者具有柴油发动机压缩比的发动机(其中，那些发动机在气体燃料上进行操作)中的完全系统中。

大多数的部件模型仿真从作为一个整体的发动机系统的操作中移出的发动机的一些方面。在所仿真的部件和该系统其余部分之间的接口基于发动机测试测量或者数据。因此，该模型不是自我支持的完全预测模型。应用这些模型是为了诊断目的而理解发动机过程。

如上所述，在喷射器计算中，诸如轨道压力和温度之类的模型上游(upstream)条件来自于测量，而且所述测量通常没有考虑压力的波动，所述波动有时候可能是相当重要的。当涉及气体燃料喷射时，这是尤其重要的。在燃烧模型中，入口(intake)条件通常来自于在功能发动机上的测试测量。几乎不考虑喷射和燃烧之间的交互作用。同样地，在发动机循环仿真中，燃烧过程经常从在实际发动机上测量的放热率中导出。这忽略了入口条件对燃烧过程的影响，并简化了在喷射、燃烧和进气口和管理过程之间的交互作用。人们相信在发动机系统中的部件之间的交互作用是非常重要的，而且需要对齐良好理解，以便缩短发动机开发期。然而，它也是非常复杂的。大多数的发动机模型未反映发动机系统中复杂的交互作用。模型与系统分离降低了模型的预测性能。

此外，直到最近，计算机能力对于在对所考虑的目的有用的期限内精确地集成建模部件、以预测总体的发动机工作情况来说还不是足够的。计算机处理能力的发展已经提供了对集成的发动机建模所需要的计算性能。

通常，将子模型集成在一起的努力未产生集成的燃料系统、燃烧系统和发动机换气(breathing)系统(以及排放物系统)。特别地，还没有为用于气体燃料发动机的这样的预测集成系统进行建模努力。此外，虽然创建发动机预测方法的努力重点已经导向提供发动机诊断工具和预测发动机工作情况的目的，但几乎未进行使用用于发动机控制的这样的方法的努力。

当前方法公开了用于控制和预测发动机性能以及排放物的集成的发动机预测工具。

发明内容

本发明提供了用于预测和控制直喷供应燃料的发动机、尤其是以气体为燃料的直喷式发动机的集成发动机模型和方法。

本发明的进一步实施例包括所公开的、用于通过根据系统数据而计算输出数据来控制直喷式内燃机的方法。该方法包含使用系统数据，该系统数据包括由与发动机的燃烧室流动连接的燃料喷射器定义的喷射器几何形状、由发动机定义的发动机几何形状、发动机操作命令、初始喷射器命令、以及发动机转速，其中发动机操作命令基于期望的发动机输出，其指示命令的用于发动机的扭矩。输出数据包含指示由发动机传递的制动扭矩的发动机输出值、以及指示气缸压力值的输出控制参数。当输出数据不满足预定的关系时，用确定的后续喷射器命令来重新计算该输出数据。这个预定关系将输出数据、发动机操作命令和所要求的控制参数进行比较。所要求的控制参数指示最大气缸压力值。当输出数据满足预定关系时，根据最后的喷射器命令、命令喷射器将燃料提供给燃烧室。

在本方法的进一步实施例中，系统数据还可以包含环境温度、环境压力和发动机转速，在优选实施例中，在计算输出数据之前测量这些系统数据。在本方法的进一步实施例中，基于操作者所选择的踏板位置将发动机操作命令转换为所命令的扭矩。

在本方法的进一步实施例中，从发动机操作命令中确定所要求的控制参数。同样，输出控制参数指示所计算的排放物，而所要求的控制参数指示所要求的排放物。所计算的排放物和所要求的排放物指示NOx和/或颗粒物浓度。

本方法的进一步实施例公开了预定的关系，该关系包含将输出数据与使用初始或者后续的喷射器命令而根据系统数据确定的先前计算的燃料消耗进行比较。输出数据还包含所计算的燃料消耗。为了满足该预定关系，所计算的燃料消耗小于先前计算的燃料消耗。

在本方法的进一步实施例中，初始喷射器命令包含命令喷射的初始开始、初始脉冲宽度和初始轨道压力。后续喷射器命令包含命令喷射的后续开始、后续脉冲宽度和后续轨道压力。并且，最后的喷射器命令包含命令喷射的最后开始、最后脉冲宽度和最后轨道压力。

本方法的进一步实施例公开了可变几何形状的涡轮。系统数据可以包含可变的涡轮几何形状位置。喷射器命令包括当输出数据满足预定的关系时、最后的可变几何形状涡轮位置。当输出数据不满足预定的关系时，后续可变几何形状涡轮位置与后续的喷射器命令一起用来重新计算输出数据。

在本方法的进一步实施例中，发动机包含废气再循环(EGR)系统。系统数据还包含初始的有效EGR阀门流面积，该方法还包含：当输出数据不满足预定的关系时，利用后续的有效EGR阀门流面积和后续喷射器命令确定后续的有效EGR阀门流面积。当输出数据满足预定关系时，重新计算输出数据，导致根据最后的有效EGR阀门流面积而命令EGR系统。

在本方法的进一步实施例中，使用用于根据估计的初始气缸压力和IM系统数据而计算IM/CM数据和IM/ECM数据的喷射器模块，来计算输出数据。IM系统数据是系统数据的子集。此外，使用了用于根据估计的初始入口流速、IM/CM数据和CM系统数据而计算CM/ECM数据的燃烧模块。CM系统数据是系统数据的子集。此外，使用了用于根据CM/ECM数据、IM/ECM数据和ECM系统数据而计算输出数据的发动机循环模块。ECM系统数据是系统数据的子集。在计算输出数据之前，使用在燃烧模型和发动机循环模块之间的小循环，来提供收敛的入口流速。在喷射、燃烧和发动机循环模块之间的大循环用来提供收敛的气缸压力，其随后提供气缸压力值。

在当前方法的进一步实施例中，IM/CM数据可以包含IM喷射速率和IM喷射开始。还可以使用IM燃料流量和IM喷射开始。同样，CM/ECM数据可以包含CM放热率和CM燃烧开始。

使用用于根据ECM/EM数据、IM/ECM数据和系统数据而计算排放物数据的排放物模块，来进一步计算输出数据。输出控制参数指示所计算的排放物，而所要求的控制参数指示所要求的排放物。

本方法的进一步实施例包括IM系统数据，其包含环境压力、喷射器几何形状、发动机转速和喷射器命令。CM系统数据还可以包含发动机转速和发动机几何形状。ECM系统数据包含环境压力、环境温度、发动机几何形状和发动机转速。

本方法可以在其中至少部分地由气体燃料提供燃料的发动机中实践，而且，在优选实施例中，该气体燃料是天然气。该气体燃料还可以包含甲烷、乙醇和丙烷。在另一个优选实施例中，该燃料是氢。

公开了一种用于预测由直喷式发动机生成的输出数据的方法，该输出数据包括发动机扭矩、燃料消耗、功率和气缸压力中的至少一个。该方法包含选择系统数据，其包含指示所选燃料喷射器的喷射器几何形状、指示发动机的发动机几何形状、发动机转速、以及喷射器命令。该方法还包含估计初始数据，该初始数据包含初始的气缸压力和初始的入口流量。使用系统数据和收敛的气缸压力和收敛的入口流量来计算输出数据。初始数据用来根据初始的气缸压力而提供收敛的气缸压力，以根据初始的入口流量而提供收敛的入口流量。

在进一步的实施例中，系统数据可以包含环境压力和/或环境温度，而输出数据可以包含NOx和/或颗粒物浓度。同样，喷射器命令可以包含所命令的轨道压力、所命令的喷射开始以及所命令的脉冲宽度。

在本方法的进一步实施例中，系统数据可以包含命令的可变几何形状涡轮位置以及有效的EGR阀门流面积。当包括有效的EGR阀门流面积时，系统数据还包含初始的EGR流量。

在进一步的实施例中，使用用于根据初始气缸压力和IM系统数据而计算IM/CM数据和IM/ECM数据的喷射器模块，来计算输出数据。IM系统数据是系统数据的子集。并且，燃烧模块用于根据初始入口流量、IM/CM数据和CM系统数据而计算CM/ECM数据。CM系统数据是系统数据的子集。并且，发动机循环模块用于根据CM/ECM数据、IM/ECM数据和ECM系统数据而计算输出数据。ECM系统数据是系统数据的子集。据此，在燃烧模型和发动机循环模块之间的小循环用来收敛到收敛的入口流量。同样，在喷射、燃烧和发动机循环模块之间的大循环用来收敛到收敛的气缸压力。

在本方法的进一步实施例中，还使用用于根据ECM/EM数据、IM/ECM数据和EM系统数据而计算排放物数据的排放物模块，来计算输出数据。EM系统数据是系统数据的子集。输出数据包含排放物数据，其在优选实施例中指示NOx浓度和/或颗粒物浓度。

在进一步的实施例中，ECM/EM数据包含收敛的气缸压力、收敛的入口流量、进气阀关闭时间气缸压力和进气阀关闭时间气缸温度。由发动机循环模块提供进气阀关闭时间气缸压力和温度。

在本主题发明的进一步实施例中，IM/CM数据包含IM喷射速率和IM喷射开始。IM/ECM数据包含IM燃料流量和IM喷射开始。CM/ECM数据包含CM放热率和CM燃烧开始。IM系统数据可以包含喷射器几何形状、发动机转速、环境压力和喷射器命令。CM系统数据包含发动机转速和发动机几何形状。ECM系统数据包含发动机几何形状、环境压力、环境温度、以及发动机转速。

本方法可以在其中至少部分由气体燃料供燃料的发动机中实践，而且在优选的示例中，该气体燃料是天然气。该气体燃料还可以包含甲烷、乙醇和丙烷。在另一个优选的示例中，该气体燃料是氢。

附图说明

图1示出了在发动机控制或者预测发动机工作情况中使用的集成发动机模型的流程图。

图2示出了说明小迭代循环的流程图。

图3示出了说明大迭代循环的流程图。

图4示出了如图3所示的初始大循环的数据流路径。

图5示出了用于在图4的初始大循环之后的后续大循环的数据流路径(多个)。

图6示出了其中集成的发动机模型用于发动机控制的数据流路径。

具体实施方式

在当前的公开中，讲授了一种方法以帮助发动机控制，特别是用于以气体为燃料的直喷式内燃机的发动机控制。该方法预测内燃机的工作情况。

参见图1，该流程图说明了集成的发动机方法(IEM)8。该流程图示出了喷射器模块(IM)10、燃烧模块(CM)12、发动机循环模块(ECM)14和排放物模块(EM)16的集成，这些模块中的每个都基于所提供的输入数据而计算输出数据，其中输出数据是喷射器的工作情况、用于所选燃料的所选燃烧模式、发动机工作情况和由所关注的发动机生成的排放物的描述。系统数据18包括要在下面更详细描述的几何形状参数和操作参数。系统数据18用来启动IEM 8的操作。系统数据18列出用于IEM 8的全部数据。系统数据18的子集(即IM系统数据20b、CM系统数据21b、ECM系统数据31和EM系统数据39)各自提供用于每个模块的系统数据18。

同样，初始数据，即初始气缸压力(P_cyl ⁰)数据19和初始入口空气流动速率(Q_in ⁰)。在使用或考虑废气再循环(EGR)的那些情况下，还提供了废气再循环流动速率(Q_egr ⁰)作为初始数据。在使用EGR时，Q_in ⁰和Q_egr ⁰一起为CM输入数据21，而在不使用EGR时，仅单独的Q_in ⁰为CM输入数据21。

带箭头的线代表：用于在模块10、12、14和16之间在整个IEM 8中路由数据、以及将系统数据18、P_cyl ⁰数据19以及CM输入数据21路由到IEM 8中的数据路径。数据路径20、22和24b分别将IM系统数据20b、P_cyl ⁰数据19、P_cyl ⁿ数据23导向IM 10。如所示出的，数据路径26和28分别从IM 10中导出IM/ECM/EM数据25和IM/CM数据27。将IM/ECM/EM数据25导向ECM14和EM 16。将IM/CM数据27导向CM 12。IM系统数据20b(即系统数据18的子集)包含喷射器几何形状数据(GEO_inj)、在该实施例中示出为轨道压力(rail pressure)(P_rail)的喷射器命令、所命令的燃烧开始(SOI_cmd)和所命令的脉冲宽度(PW_cmd)，以及所关注发动机的发动机转速(RPM_eng)和环境压力(P_amb)。

数据路径24b源自路径24，并且，如下面将要论述的，在大循环的迭代完成之后、将P_cyl ⁿ数据23导向IM 10。

连同如上所述的IM/CM数据27和CM输入数据21(通过路径40而引导)一起，CM 12还通过路径30c取得CM系统数据，并生成CM/ECM数据29。如下面将要描述的，在通过ECM 14的迭代之后，在后续迭代上，CM 12还使用通过路径34引导的ECM/CM数据35来代替CM输入数据21。

ECM 14使用分别来自路径26b、32和30a的IM/ECM数据25、CM/ECM数据29和ECM系统数据31，以提供分别通过路径24b、24a和34而导向IM10、EM 16和CM 12的P_cyl ⁿ数据23、ECM/EM数据33和ECM/CM数据35。ECM系统数据31是系统数据18的子集。路径36提供了发动机输出数据38，如下所述，其可通过每次迭代而被生成，或在多次迭代完成时被生成。如上所述，路径34连同路径40、路径28和路径30c一起，将ECM/CM数据35、CM输入数据21、IM/CM数据27和CM系统数据21b传递到CM 12。

路径24a、26a和30b分别从ECM 14、IM 10和系统数据18将ECM/EM数据33、IM/ECM/EM数据25和EM系统数据39分别导向EM 16，其中，EM 16通过线路42生成排放物数据41。EM系统数据39是系统数据18的子集。

连同如上所述的IM系统数据20b一起，从系统数据18中选择其它数据，即ECM系统数据31、CM系统数据21b和EM系统数据39。ECM系统数据31包括发动机几何形状(GEO_eng)、RPM_eng、P_amb和环境温度(T_amb)。当在所考虑或控制的发动机中使用EGR和可变几何形状涡轮(VGT)这些特征时，还可包括EGR阀门流面积(A_egr)和可变几何形状涡轮位置(VGT_pos)。如本领域中的技术人员所理解的那样，取决于发动机还，可以包括其它变量。

注意，虽然P_amb和T_amb是到IM 10和ECM 14两者的系统数据18的组成部分，但它们可以是假定或校准的值，并被因子化到IM10和ECM 14两者的计算算法中，由此避免实际上必须作为值而提供这些参数。这还可适用于GEO_eng、GEO_inj和RPM_eng，然而，通过将这些参数设置为常量而限制了系统的灵活性。为了这个应用的目的，即使这三个参数被“硬连线(hardwire)”到使用它们的模块中，也将考虑作为系统数据的子集提供这三个参数。

在所述两种情况下，CM系统数据21b和EM系统数据39都包括GEO_eng和RPM_eng。取决于诸如在EM 16的情况中的后处理、以及EM 16的适用性之类的因素，可采用其它变量。

如本领域的技术人员所理解的那样，GEO_eng是由多个变量定义的参考值，所述多个变量包括诸如发动机气缸直径、气缸数、活塞冲程、连杆长度、净空高度、压缩比、每循环的冲程数(两冲程循环或者四冲程循环)、每个气缸的入口及排气阀的数目、阀门的直径、阀门升程和时序图、压缩机和涡轮的数目(如果有的话——尽管为了这个公开的目的而假定这些是发动机的特征)、压缩机的大小和属性、任意涡轮的大小和属性之类的因素。

如本领域的技术人员所理解的那样，GEO_inj是由包括喷射器喷针、柱塞(plunger)大小、流道和储存器(reservoir)的大小、喷射器孔的大小以及喷射器孔的数目在内的变量所定义的参考值。

输出数据(即，发动机输出数据38和排放物数据41)包括功率(P_brake)和扭矩(τ_brake)、燃料经济性(BSFC)、废气排放(NO_X，PM)、入口空气流量(Q_in)、P_cyl和涡轮进口(inlet)的温度和压力(T_ti，P_ti)和压缩器出口(outlet)的温度和压力(T_co，P_co)、涡轮转速(v_turb)。在使用时，还可与发动机输出数据38一起提供EGR率(Q_egr)。如本领域的技术人员所理解的那样，可发现诸如排气流量(Q_exh)之类的变量的重要性。放热率(HRR)(即，最初从CM 12与CM/ECM数据29一起递交到ECM的来自ECM 14的中间参数)也可被发动机循环模型使用，以生成诸如P_brake和τ_brake、BSFC、Q_in、Q_egr、P_cyl、T_co、以及T_ti之类的发动机性能参数。

在IM/CM数据27的情况下，IM/CM数据27、IM/ECM/EM数据25和CM/ECM数据29包括喷射速率(ROI)、所确定的喷射的开始(SOI)。在IM/ECM/EM数据25的情况下，包括SOI和供给燃料速率(Q_fuel)。在CM/ECM数据29的情况下，提供了HRR和燃烧的开始(SOC)。这些数据集27、25和29形成了用来收敛到数据P_cyl ⁿ23的集合和ECM/CM数据35的集合的两个迭代循环的基础，其中ECM/CM数据35的集合更精确地反映和改进初始输入数据，即P_cyl ⁰数据19和CM输入数据12。ECM/CM数据35包括被称为Q_in ⁿ的Q_in的当前迭代，并且，取决于Q_egr是否为所使用的发动机特征，可以或者可以不包括被称为Q_egrn的Q_egr的当前迭代。

ECM/EM数据33包括进气阀关闭时间气缸压力(P_ivc)、进气阀关闭时间气缸温度(T_ivc)以及Q_in、P_cyl和在为系统特征时的Q_egr。利用燃料、空气和EGR的流动速率，以及进气阀关闭时的压力和温度，IEM 8模块，EM 16计算诸如NOx排放物之类的排放物数据41。

参见图2和3，如下面将要论述的那样，小循环98和大循环118是这样的迭代算法，其用来建立具有足够精度的初始输入数据，以允许IEM 8开始自支持(self support)操作，并生成发动机输出数据38和排放物数据41。

参见图2，分别通过流动路径40、30c、2而8将小循环98迭代、初始数据、CM输入数据21、CM系统数据21b和IM/CM数据27导向CM 12。CM 12计算通过路径32到ECM 14的CM/ECM数据29，其中，使用ECM系统数据31，以关闭的启动算法提供ECM/CM数据35，并将其导回到CM 12。如在小循环收敛步骤200中看到的，将用于每次迭代的ECM/CM数据35，Q_in ⁿ(以及在使用EGR时的Q_egr ⁿ)与为ECM/CM数据35提供的先前值，Q_in ^n-1(以及在使用EGR时的Q_egr ^n-1)进行比较。

在图3中，大循环118迭代示出了在大循环118和小循环98之间的交互作用。大循环118包括IM系统数据20b和P_cyl ⁰数据19，以及最终来自P_cyl ⁿ数据23的P_cyl的当前迭代值即P_cyl ⁿ，将所有这些值通过路径20、22、24b导向IM 10。通过路径28将所产生的IM/CM数据27传递到CM 12。CM 12使用这些数据，即通过路径30c、40、34传递的CM系统数据21b、CM输入数据21和最终的ECM/CM数据35，以生成CM/ECM数据29。通过路径32将CM/ECM数据29传递到ECM 14。ECM 14执行小循环98，以生成Q_in ⁿ(以及在适当时的Q_egr ⁿ)，直到如下所述这个值收敛为止，之后，ECM 14生成P_cyl ⁿ数据23，该P_cyl ⁿ数据23在完成大循环收敛步骤202之后通过路径24b而被递交到IM 10。

图4和5示出了用于大循环118的数据流路径。参见图4，提供了初始流程160，其中，大循环118从IM 10开始，通过气流循环，从而返回到IM 10。图5示出了后续的大循环流路径162。这里，顺序地循环通过IM 10、CM 12和ECM 14。

实际上，参见图1，模块10、12、14和16中的每个都需要输入数据，以生成指示所考虑的发动机的那个方面的结果。各个模块的输入数据取决于诸如寻求的控制精度、用户或操作员的要求、以及可用于开环控制或发动机工作情况预测的时间之类的因素。通常，如本领域的技术人员所理解的那样，需要特定数据以便实践控制和发动机预测。取决于用户的需要，所讨论的发动机以及所寻求的关于结果数据的精度，有可能向控制和发动机预测算法补充附加数据。

需要初始估计来开始本主题方法。本公开利用了在图2到5中说明的两个迭代过程，每个所述迭代过程通过将此初始估计限制为相对易于初始估计的数据、并使用大循环118和小循环98以通过对此估计值执行收敛步骤来校正初始估计中的不精确，来限制此初始估计的影响。

IEM 8使用系统数据18，即几何形状数据GEO_inj、GEO_eng，操作数据P_rail、SOI_cmd、PW_cmd、RPM_eng、T_amb、P_amb，连同初始数据P_cyl ⁰数据19和CM输入数据21一起，以生成输出数据，即发动机输出数据38、以及在关注的情况下的排放物数据41。在不使用EGR时，CM输入数据21可限于单独的Q_in ⁰。并且，在发动机控制中使用时，本主题方法本身可以不使用GEO_inj、GEO_eng，而是根据GEO_inj、GEO_eng计算输出数据。也就是说，这些几何形状“变量”可以不是发动机控制器中的变量，因为这样的发动机将一直维持相同的GEO_inj和GEO_eng。然而，同样可得到灵活性，以允许产生可变的GEO_inj的可变的阀门动作(actuation)、以及产生GEO_eng的可变压缩比。每个都会是难以映射以便允许IEM 8提供用于发动机控制的实时映射的变量。

可以测量T_amb、P_amb和RPM_eng，并将它们发送到用于发动机的控制的控制器。可以为发动机工作情况预测而预定这些变量。操作数据P_rail、SOI_cmd、PW_cmd是如由控制器翻译或考虑到所寻求的发动机工作情况预测而预定的操作员所命令的变量，其指示操作者所需要的对发动机的要求。

如本领域的技术人员所理解的那样，取决于控制的发动机或者要被预测的发动机，可以添加附加变量。如图1所示，示例包括VGT_pos和A_egr，其反映具有可选组件VGT和EGR的发动机。当其它变量用于所讨论的发动机时，会需要包含所述其它变量。

IEM 8依赖于由模型IM 10、CM 12和ECM 14生成的IM/ECM/EM数据25、CM/ECM数据29、ECM/EM数据33，以提供发动机输出数据38和排放物数据41。然而，这些数据集25、29和33中的每一个都取决于由利用大循环118和小循环98执行的迭代所生成的P_cyl ⁿ数据23和ECM/CM数据35。也就是说，IM 10在大循环118的后续循环上需要用于P_cyl ⁿ数据23的收敛值，以便生成对于提供输出数据38和41来说有用的用于P_cyl的数据集。同样地，CM在小循环98的后续循环上需要用于ECM/CM数据35的收敛值，以便生成用于Q_in(以及在使用EGR时的Q_egr)的数据集，其对于导出输出数据38和41、以及支持通过大循环118的P_cyl ⁿ数据23的收敛两者都是有用的。

在所示教的方法中，ECM 14和EM 16需要初始数据，该初始数据不可通过该方法的启动而得到。在ECM 14可以生成任何有用的数据之前，它需要CM/ECM数据29。同样地，EM 16在生成排放物数据41之前需要ECM/EM数据33。因而，在所示教的方法内存在：必须在将作为整体而执行集成系统之前执行的步骤。最初，如下所述，在IEM 8内的大循环118和小循环98中，IM 10和CM 12与ECM一起操作，以生成所生成数据的第一集合，即P_cyl ⁿ数据23、CM/ECM数据29、ECM/EM数据33、ECM/CM数据35。

参见图2和3，大循环118和小循环98通过逐步执行两个循环来启动IEM8。该方法首先执行通过收敛于Q_in(以及在使用Q_egr时的Q_egr)的小循环98的迭代。一旦完成了该小循环迭代，便继续进行大循环迭代，从而收敛于P_cyl。

启动大循环，作出P_cyl的估计，即P_cyl ⁰。这允许生成IM/CM数据27。随后，CM 12能够取得初始可用的估计的CM输入数据21即Q_in ⁰(以及在使用EGR时的Q_egr ⁰)、以及CM系统数据21b连同IM/CM数据27，以启动小循环98。CM 12生成CM/ECM数据29，其随之允许ECM使用这个数据加上ECM系统数据31，以提供Q_in的第一迭代值(具体地说是Q_in ¹)、以及用于每次后续迭代的Q_in ⁿ。同样，在使用EGR时，提供第一迭代值Q_egr(即Q_egr ¹)、以及用于每次后续迭代的Q_egr ⁿ。

执行收敛步骤200，其中考虑了所示的关系。如果该关系是真的，则完成收敛步骤。一般地说，这个步骤涉及将Q_in的第一迭代值Q_in ¹与Q_in ⁰进行比较。然而，通常，该迭代步骤涉及将Q_in的当前值Q_in ⁿ与Q_in的先前值Q_in ^n-1进行比较。将在Q_in ⁿ和Q_in ^n-1之间的差的绝对值ΔQ_in与预定为该应用可接收的误差ε_Q进行比较。当满足下式时，执行另外的迭代

$\left|\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{in}}\right|=|Q_{\mathrm{in}}^n-Q_{\mathrm{in}}^{n-1}|>{\mathrm{\ϵ}}_Q---1$

并且，当满足下式时，设置Q_in，使得 $Q_{\mathrm{in}}=Q_{\mathrm{in}}^n:$

$\left|\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{in}}\right|=|Q_{\mathrm{in}}^n-Q_{\mathrm{in}}^{n-1}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_Q---2$

此时，为大循环118的第一次循环完成了小循环迭代。

为了这个应用的目的，Q_in是Q_in ⁿ的收敛值，其被定义为当 $|Q_{\mathrm{in}}^n-Q_{\mathrm{in}}^{n-1}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_Q$ 时的Q_in ⁿ。

当 $|Q_{\mathrm{in}}^n-Q_{\mathrm{in}}^{n-1}|>{\mathrm{\ϵ}}_Q$ 时，通过CM 12将这些值导回，以用于后续的迭代。CM12再次根据IM/CM数据27、SOI和ROI、以及GEO_eng和RPM_eng而计算新的CM/ECM数据29、HRR和SOC，其中IM/CM数据27、SOI和ROI、以及GEO_eng和RPM_eng中的全部在小循环98的每次迭代中都保持相同。

在使用EGR时，执行相同的处理来确定Q_egr。也就是说，将在Q_egr ⁿ和Q_egr ^n-1之间的差的绝对值ΔQ_egr与作为该应用可接受的值而预定的误差ε_Qegr进行比较。当满足下式时执行另外的迭代：

$\left|\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{egr}}\right|=|Q_{\mathrm{egr}}^n-Q_{\mathrm{egr}}^{n-1}|>{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Qegr}}---3$

并且，当满足下式时，设置Q_egr，使得 $Q_{\mathrm{egr}}=Q_{\mathrm{egr}}^n:$

$\left|\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{egr}}\right|=|Q_{\mathrm{egr}}^n-Q_{\mathrm{egr}}^{n-1}|{\≤\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Qegr}}---4$

为了这个应用的目的，Q_egr是Q_egr ⁿ的收敛值，其被定义为当 $|Q_{\mathrm{egr}}^n-Q_{\mathrm{egr}}^{n-1}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Qegr}}$ 时的Q_egr ⁿ。

当其中 $Q_{\mathrm{in}}=Q_{\mathrm{in}}^n$ (以及适当时， $Q_{\mathrm{egr}}=Q_{\mathrm{egr}}^n$ )的步骤完成时，随着通过小循环98的初始迭代循环完成，继续进行通过大迭代循环的迭代。这里，通过其中考虑所示出的关系的收敛步骤202而发送所得到的P_cyl的第一迭代，在这种情况下为P_cyl ¹，但一般来说是P_cyl ⁿ。如果该关系是真的，则完成该收敛步骤。更一般地说，这涉及将P_cyl的第一迭代值P_cyl ¹与P_cyl ⁰进行比较。然而，一般说来，该迭代步骤涉及将当前的P_cyl即P_cyl ⁿ与P_cyl的先前值P_cyl ^n-1进行比较。将P_cyl ⁿ和P_cyl ^n-1之间的差的绝对值ΔP_cyl与作为本应用可接受的值而预定的误差ε_P进行比较。当满足下式时执行另外的迭代：

$\left|\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{cyl}}\right|=|P_{\mathrm{cyl}}^n-P_{\mathrm{cyl}}^{n-1}|>{\mathrm{\ϵ}}_P---5$

并且，当满足下式时，设置P_cyl，使得 $P_{\mathrm{cyl}}=P_{\mathrm{cyl}}^n:$

$\left|\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{cyl}}\right|=|P_{\mathrm{cyl}}^n-P_{\mathrm{cyl}}^{n-1}|{\≤\mathrm{\ϵ}}_P---6$

此时，大循环118的迭代完成，其中，确定了允许IEM 8完成的P_cyl和Q_in(以及在使用了EGR时的Q_egr)。注意，P_cyl的每次迭代，其中：

$|P_{\mathrm{cyl}}^n-P_{\mathrm{cyl}}^{n-1}|>{\mathrm{\ϵ}}_P---7$

要求如上所述通过小循环98的迭代步骤的进一步的集合，以生成用于Q_in的越来越精确的值。

为了这个应用的目的，P_cyl为P_cyl ⁿ的收敛值，其被定义为当 $|P_{\mathrm{cyl}}^n-P_{\mathrm{cyl}}^{n-1}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_P$ 时的P_cyl ⁿ。

还要注意，可以通过用于比较P_cyl和Q_in的迭代值、从而产生值已经收敛的确定的等价手段，而确定有关|ΔP_cyl|和|ΔQ_in|的收敛。这包括迭代值的直接比较、而不用确定绝对值、或值的差。如本领域的技术人员所理解的那样，其它方法也可用于评定所寻求值的收敛。

用于ε_Q、ε_Qegr、ε_P的适当值的示例为小于所产生的Q_in ⁿ、Q_egr ⁿ、P_cyl ⁿ的2％。取决于操作者的需要，该值可以高很多、或低很多。

一般说来，通过大循环118或者小循环98的迭代数目由用户和可用于每次迭代的时间而确定，以与为所考虑应用的结果所寻求的精度保持平衡。这在所提供的示例方法中，由为ε_P和ε_Q中的每个预定的值所提供。

示教方法优点是初始估计的数据限于P_cyl ⁰和(在使用EGR时，加上Q_egr ⁰)。由于对于发动机控制或发动机工作情况预测来说，这两个值是相对容易估计的，所以，如本领域的技术人员应当理解的那样，控制的效果或预测的精度在很大程度上决定于这些估计和每个模块的精度。

虽然P_cyl ⁰一般是时间的函数(一般用曲柄(crank)旋转角度表示)，但还可以将P_cyl ⁰估计为单个恒定压力，其通常在通过后续大循环流程162的大循环118的一些迭代的完成之后产生精确的结果。在发动机控制的情况下，P_cyl ⁰可以来自上次完成的预测数据集。

考虑每个模块，IM 10连同在第一次迭代中的P_cyl ⁰数据19和在后续迭代中的P_cyl ⁿ一起，使用某些系统数据18，即GEO_inj、P_rail、SOI_cmd、PW_cmd、RPM_eng、以及P_amb，以生成数据27，即ROI和SOI。由用户作为命令、或者期望或预定的值而提供IM系统数据20b值中的每一个。

然而，转向ECM 14，除了从系统数据18中选择数据，即GEO_eng、T_amb、P_amb和RPM_eng之外，ECM 14还需要CM/ECM数据29，即HRR和SOC，以及IM/ECM/EM数据25，即SOI和Q_fuel。这些是相对难以初始估计的值，因为它们假定由发动机的上游工作情况所规定的值，即例如，实际的SOI而非SOI_cmd。然而，CM 12可以连同IM 10一起提供这样的数据。CM 12使用CM输入数据21(以及使用了Q_egr ⁰时的Q_egr ⁰)。连同这个值一起，CM 12也使用IM/CM数据27，即SOI和ROI，以及系统数据18，即GEO_eng和RPM_eng，以提供HRR和SOC的第一次迭代。这开始了小的循环98，其中，如上所述，提供了HRR和SOC以启动ECM 14。

再次参见图1、连同图4和5，数据流过初始的大循环流路径160和后续大循环流路径162，参见图5，其中说明了ECM/EM数据33的导出，ECM/EM数据33连同EM系统数据39、以及IM 10生成的IM/ECM/EM数据25即Q_fuel和SOI一起由EM 16使用，以生成排放物数据41。因为IM 10、CM 12和ECM14没有一个使用EM 16生成的数据，所以，EM 16作为模块可以从迭代过程中移除，并且，当确定了P_cyl和Q_in(以及在使用EGR时的Q_egr)时，取回EM16。

IEM 8的结果是排放物数据41和发动机输出数据38的生成，即NO_x、PM、P_brake、τ_brake、BSFC、Q_in、P_cyl、v_turb、T_co、T_ti、P_co、P_ti、以及使用了EGR时的Q_egr。取决于所考虑的发动机和所使用的ECM、CM、IM或EM模块，可以生成其它数据。可将该结果值与期望值进行比较，并且，可以执行第三次迭代过程，从而收敛诸如NO_x、PM、P_brake、τ_brake、BSFC之类的变量，以选择不同的IM系统数据20b和不同的ECM系统数据31，直到实现了所寻求的结果为止。实际上，这是实践中使用的迭代处理，其中操作者将继续要求例如更多的功率，以在可以调整诸如P_rail、SOI_cmd和PW_cmd之类的变量时继续调整这些值。例如，命令来自发动机的不断增加的功率的驾驶员将以设法满足他或她的需要的速率来调整踏板位置。如本领域的技术人员将理解的那样，实际上，油门转换成给定的SOI_cmd和PW_cmd，而且在某些发动机中，在使用P_rail或者Q_egr时，可以允许在P_rail或Q_egr的改变。在这个示例中，这些改变的变量允许驱使发动机到达驾驶员所寻求的要求。类似地，可以通过在处理了P_rail、SOI_cmd和PW_cmd的第一集合之后考虑由EM 16提供的结果、然后调整这些值以在仍然考虑到操作者的其它要求的同时满足所寻求的排放，来满足所寻求的排放水平。在控制器的情况下，一旦预期的输出数据与具有ECM输出数据38和排放物数据41的实际输出数据匹配，控制器便将命令发动机用所确定的P_rail、SOI_cmd和PW_cmd来操作。下面提供了进一步的论述。

当指示发动机工作情况的输出数据在某些方面满足IEM操作者的目标时，发动机预测应用将提供该数据。

以下的表格提供了可以被认为是为特定发动机设计提供发动机输出数据38和排放物数据41的变量类型的概述：

名称	影响：
		喷射器喷针直径	SOI，ROI，脉冲宽度(PM)，Qfuel
喷射器顶端孔的大小/孔的数目	ROI，Qfuel
		喷射器控制室柱塞直径	SOI，ROI，PM，Qfuel
喷射器喷针/活塞行程长度	ROI，PM，Qfuel
		喷射器喷针/活塞弹性/刚性	SOI，ROI，PM，Qfuel
喷射器囊容积	SOI，PM
		燃烧室净空高度-压缩比	Pcyl，BSFC

涡轮增压器涡轮大小	Qin，vturb，入口歧管压力(Pim)，Pcyl，Qegr
		涡轮增压器压缩机大小	Qin，vturb，Pim，Qegr
EGR配置	Qegr，BSFC，NOx，PM
		EGR阀门大小	Qegr
进气/排气阀定时、升程、有效面积	有效容积(Veff)，Qin，BSFC
		后处理设备-管道线路布局	排气温度(Texh)，Pcyl
命令SOI和PW	SOI，ROI，PM，Qfuel，NOx，PM
		燃料轨道压力	SOI，ROI，PM，Qfuel，NOx，PM
EGR阀门开度	Qegr，NOx，PM
		EGR冷却剂温度	EGR温度(Tegr)，NOx，PM
EGR冷却器大小	Tegr，Qegr，NOx，PM
		进气/排气限制	进气和排气的流动限制(Δr)、Qegr、空气燃料比(λ)，BSFC，NOx，PM
高程(elevation)/环境温度	Pbrake，τbrake，λ，BSFC，NOx，PM
		VGTpos	Δr，Qegr，λ，BSFC，NOx，PM
废气门开启度	Δr，Qegr，λ，BSFC，NOx，PM
		后处理装置的阀门开度	排气流和温度的分布

注意，对于以气体为燃料的发动机，利用CM 12来管理典型以气体为燃料的直喷式高压缩比发动机类型的天然气/引燃燃料燃烧，可以在IM 10内实现引燃喷射特征。如本领域的技术人员所理解的那样，可以生成所产生的CM/ECM数据29，以支持该方法的剩余部分。

参见图6，利用在发动机控制环境中使用的一个实施例描述了本发明的主题。这里，来自操作者或者驾驶员的操作员命令300提供了发动机操作命令。在这个示例中，由ECU 302中的查找表将典型来自驾驶员踏板位置转换为扭矩命令τ_cmd。将这个τ_cmd与参见数据文件304、从发动机305到ECU 302的发动机转速RPM_eng一起导向监控单元(SCU)308，这些数据被统称为SCU输入数据306。SCU 308从τ_cmd提供用于发动机操作的操作边界数据310给ECU 302。这些数据包括最大气缸压力(P_cyl ^max)，并可包括所要求的特定排放物(PM^dmd)、所要求的NOx排放物(NO_x ^dmd)、所要求的涡轮入口处的温度(T_ti ^dmd)、以及所要求的压缩机出口处的温度(T_co ^dmd)。当要将扭矩保持在某一范围内时，还可包括修改的扭矩。

然后，将系统数据提供给IEM 8，以允许它计算输出数据。具体地，ECU302向IEM 8提供输入数据312的子集，即初始喷射器命令，在这种情况下，为初始的喷射开始(SOI_cmd ⁰)、初始轨道压力(P_rail ⁰)、初始脉冲宽度(PW_cmd ⁰)，以及来自SCU输入数据306的τ_cmd和RPM_eng。可选地，在初始可变几何形状涡轮位置(VGT_pos ⁰)和初始有效EGR阀门流面积(A_egr ⁰)反映主题发动机的特征时，可以提供这些变量。IEM 8还馈送或存储基础数据314，即GEO_inj、GEO_eng、T_amb和P_amb，后两个变量由适当的传感器提供。为给定T_amb和P_amb校准发动机也是有可能的，而在这样的情况下，将不需要T_amb和P_amb的实际测量或估计。

利用系统数据，即输入数据312和基础数据314，随后，IEM 8可以提供输出(预测)数据316。为了控制的目的，通常，输出数据应包含包括τ_brake在内的发动机输出数据、包括P_cyl并可包括T_ti、T_co、NO_x、v_turb和PW在内的输出控制参数，并且可以包括通常为BSFC的燃料消耗。然后将这些值与所寻求的扭矩τ_cmd，以及数据310中由SCU 308指示的任何操作边界数据进行比较。一般说来，将作为某些操作边界数据310的函数的所要求的控制参数CONP^dmd与在第一次迭代中提供的所生成的控制参数CONPⁿ进行比较。通过步骤318产生两个结果。当所寻求的、在作为参数数据319而通过ECU 302提供的CONP^dmd和CONPⁿ之间，以及在τ_cmd和τ_brake之间的关系不满足在步骤318提供的条件时，所述条件即：

τ_brake≈τ_cmd    8

CONPⁿ≤CONP^dmd    9

其中

CONPⁿ＝f(NO_x，PM，P_cyl，T_co，T_ti)    10

${\mathrm{CONP}}^{\mathrm{dmd}}=f({\mathrm{NO}}_x^{\mathrm{dmd}},{\mathrm{PM}}^{\mathrm{dmd}},P_{\mathrm{cyl}}^{\max },T_{\mathrm{co}}^{\mathrm{dmd}},T_{\mathrm{ti}}^{\mathrm{dmd}})---11$

当所确定的燃料消耗BSFC满足最小值以符合上述条件(min(BSFC))时，通过步骤320执行进一步的迭代，以确定新的预测数据集316。具体地说，诸如简单仿真(simplex)322之类的用于导出多维解的收敛算法用来生成新的输入数据324集，其连同τ_cmd和RPM_eng一起，传递到IEM 8，以允许它生成预测数据集316。通过输入数据324的每n次迭代而提供后续的喷射器命令，在这种情况下，其再次是喷射开始(SOI_cmd ⁿ，n＝1，2，...，最后的值)、轨道压力(P_rail ⁿ，n＝1，2，...，最后的值)、脉冲宽度(PW_cmd ⁿ，n＝1，2，...，最后的值)以及适当时的可变几何形状涡轮位置(VGT_pos ⁿ，n＝1，2，...，最后的值)和有效的EGR阀门流面积(A_egr ⁿ，n＝1，2，...，最后的值)。

注意，一般说来，CONP^dmd是P_cyl ^max的函数，因为气缸压力总是受气缸的物理限制并且需要被监控。取决于所使用的发动机和所关注的变量，可以添加等式11中注明的其它变量。此外，尽管SCU 308提供了用于确定CONP^dmd的参数，但SCU 308还可将该关系直接提供到ECU 302或IEM 8，以便在步骤318中使用。

最终，将满足步骤318，其导致通向ECU 302的步骤326，其中，传递为输入数据324生成的最后的值，以允许ECU 302随后引导发动机305使用最后导出的喷射器命令(即喷射开始(SOI_eng)、导轨压力(P_rail ^eng)和脉冲宽度(PW_eng))以及在适当时的可变几何形状涡轮位置(VGT_pos ^eng)和有效的EGR阀门流面积(A_egr ^eng)而进行操作，其中，所述参数中的每个被设置为相应的、为SOI_cmd ⁿ、P_rail ⁿ、PW_cmd ⁿ和在适当时的VGT_pos ⁿ和A_egr ⁿ而确定的最后值。也就是说，

${\mathrm{SOI}}_{\mathrm{eng}}={\mathrm{SOI}}_{\mathrm{cmd}}^{\mathrm{last}}---12$

${\mathrm{PW}}_{\mathrm{eng}}={\mathrm{PW}}_{\mathrm{cmd}}^{\mathrm{last}}---13$

$P_{\mathrm{rail}}^{\mathrm{eng}}=P_{\mathrm{rail}}^{\mathrm{last}}---14$

${\mathrm{VGT}}_{\mathrm{pos}}^{\mathrm{eng}}={\mathrm{VGT}}_{\mathrm{pos}}^{\mathrm{last}}---15$

$A_{\mathrm{egr}}^{\mathrm{eng}}=A_{\mathrm{egr}}^{\mathrm{last}}---16$

实际上，考虑诸如踏板位置改变率之类的变量。可以在一系列不同的踏板位置上执行上面论述的迭代处理，其应该提供由操作者命令的踏板位置的改变率。

在操作员命令或操作者的需要和作为满足操作员的需要的可能手段的由IEM 8所确定的条件之间进行比较是在可用于发动机操作的范围内的近似。也就是说，虽然操作者通常为了他或她的目的而要求给定的扭矩，但发动机的物理限制或者为其它原因而由SCU 308设置的限制可能禁止在一组发动机命令下所寻求的扭矩。因而，如上所述，ECU 302可以使用诸如修改的扭矩之类的另外的边界数据，该边界数据能够逼近操作者的要求，并仍然在发动机和车辆或者涡轮设计的物理边界内进行操作。

实际上，ECU 302可以包括图6中物理上独立的全部部件。换句话说，ECU 302、SCU 308、IEM 8和Simplex 322可以如所建议那样在物理上是分离的，但是也可能是在ECU 302自身内的独立例程。

控制策略的再一个实施例可以包括诊断能力，其使用指示发动机中状态的发动机状态值来监控发动机中的实际传感器。这里，在预测的操作状态和测量的操作状态之间的变化可识别在诸如排放传感器、EGR流量监控器、爆震传感器及其它燃烧质量传感器之类的部件中的故障，对于这样的诊断分析，所有这些可以与满足步骤3 1 8的预测数据3 16和输入数据324一起馈送给ECU 302。然后，可以由ECU 302为了将来的循环而发现并忽略有故障的传感器。板上诊断功能可以为有故障传感器的存在而告警，而且根据板上诊断规定(regulation)而采取适当的动作。同样，用IEM 8生成值来替换那些有故障的传感器输入可以用于受限的、基于模型的发动机控制。

为利用气缸内压力传感器工作的控制策略提供了再一个实施例。可以在由IEM 8所预测的、在燃烧时或接近燃烧开始时的气缸条件的预测值和所测量的气缸内压力传感器之间进行比较。这可以帮助对用于调整燃烧开始或燃烧阶段的变量的补充控制。

类似地，可以由IEM 8预测和控制在可变速率喷射器中的扰动，以有助于增强这样的喷射器的可靠性，这可以有助于实现这样的喷射器的价值。

对于控制或预测模型，如本领域的技术人员所理解的那样，诸如输入数据3 12或者IM系统数据20b之类的、最初由IEM 8使用的变量可以是其它有效地提供相同信息的数据。例如，虽然输入数据312中的喷射器命令包括SOI_cmd ⁰、P_rail ⁰和PW_cmd ⁰，但所述喷射器命令还可以由具有相同或者类似结果的初始SOI_cmd、ROI_cmd、以及Q_fuel所反映。其它的变量可用于确定和控制燃料喷射和燃烧特性。

IEM操作示例

IEM 8集成了IEM的4个模块IM 10、CM 12、ECM 14和EM 16中的每一个，而且包含多个数据文件，这些数据文件取决于它们的属性和功能可以保持在独立的目录中。

提供了用于发动机工作情况预测的发明主题方法的示例。该示例不限制本发明的范围，而是仅为用于说明本发明实施例的目的。对于IM 10，使用的数据文件包括控制文件、P_cyl ⁰和P_cyl文件、命令文件、以及输出文件。控制文件定义了喷射信号中的SOI_cmd和PW_cmd，并且，因此是IM系统数据20b的子集。举例来说，以下是这个文件结构的典型：

12

    0.0      0.0    0.0    0.0

    1.000    0.0    0.0    0.0

    1.010    1.0    0.0    50.0

    1.100    1.0    0.0    50.0

    1.110    1.0    0.0    0.0

    1.140    1.0    0.0    0.0

    1.150    1.0    0.0    9.0

    1.700    1.0    0.0    9.0

    1.701    1.0    2.0    9.0

    3.000    1.0    2.0    9.0

    3.010    0.0    0.0    0.0

    10.000   0.0    0.0    0.0

其定义了时间(第一列以ms为单位)和所命令的打开和关闭定时(第二列)，其中0表示关闭，1表示打开。在这个示例中，参见IM系统数据20b，P_rail是常量，用于以气体为燃料的发动机的值示例是185e5Pa。

另外，IM 10需要P_cyl ⁰数据文件，即保持P_cyl ⁰数据19的文件。举例来说，背压(backpressure)文件看起来可以像：

       1440    0.5

0.0      41.173    745.985

0.5      42.314    751.362

1.0      43.493    756.802

1.5      44.711    762.306

2.0      45.969    767.871

2.5      47.269    773.498

3.0      48.611    779.186

717.0    35.070    715.074

717.5    36.005    720.065

718.0    36.971    725.121

718.5    37.970    730.240

719.0    39.002    735.424

719.5    40.069    740.671

第一行提供了在该文件中的P_cyl ⁰数据点的总数、以及在数据点之间的曲柄角间隔。从第二行向前，作为初始的读数，在第一列中提供了曲柄角(CA)，而在第二列中提供了以bar为单位测量的P_cyl ⁰。在这个示例中，P_cyl ⁰从零度CA开始，其对应于控制文件的零定时。P_cyl ⁰文件中0CA的读取不意指发动机循环的TDC，而是意指控制文件的开始点。可以通过改变P_cyl ⁰的起点来改变与发动机循环相对应的喷射定时。

同样要注意到，如上所述，P_cyl ⁰是在所讨论的系统中的背压估计。一般说来，这个估计可以来自在具有类似操作和物理规范的实际发动机上生成的数据。并且，可以将P_cyl ⁰设置为等于从先前收敛的压力值中确定的气缸压力(参见下文，如同用于Q_in ⁰的情况那样)。然而，在不可得到这样的文件时，作为粗略估计的恒压可以用于P_cyl ⁰。在大循环118的迭代之后，P_cyl将在所讨论的发动机的发动机循环过程期间提供更具指示性的背压度量。常量P_cyl ⁰的示例可以是：10.0e5kPa。

用于IM 10的命令文件(即IM系统数据20b)定义了喷射器设置和操作条件。这些由操作者驱动，并提供所考虑的系统或所控制的系统的参数。所述数据包括在IM系统数据20b和IM输入数据19中找到的变量和常量以及典型规范，该典型规范为模块进行操作所需要、并定义了迭代的边界，例如运行了模型多久、以及输出结果时所允许的最大时间步长。

此外，使用了用于RPM_eng的测量或者预定义值，以及用于P_amb的测量值。RPM_eng的示例是1740，并且，P_amb的示例是1.0e5Pa。这将允许大循环118通过启动IM 10开始。

并且，在文件将通常包括如下信息时，将该文件称为GEO_inj文件，这些信息为：

喷针直径	[mm]
		喷针质量	[克]
喷针硬度	[N/m]
		柱塞直径	[mm]
柱塞质量	[克]
		柱塞硬度	[N/m]
喷射器孔有效流截面	[mm^2]
		喷射器孔L/D比
喷针座角	[度]
		喷针弹簧质量	[克]
喷针弹簧硬度	[N/m]
		柱塞弹簧质量	[克]
柱塞弹簧硬度	[N/m]

在右手列中提供了典型的单位。

利用全部如上所述的SOI_cmd、PW_cmd、P_cyl ⁰、P_rail、P_amb、RPM_eng加上GEO_inj，可以从IM 10中生成典型的输出数据文件。由IEM 8使用的主文件是格式化的文件，下面提供了其中的示例：

1740.0    -4.8    164.34

-30.0   0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

-29.0   0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

-28.0   0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

-27.0   0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

-26.0   0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

-25.0   0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

-5.0    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

-4.0    0.26492E-06    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

-3.0    0.18489E-05    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

-2.0    0.38032E-05    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

-1.0    0.50160E-05    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

0.0     0.56768E-05    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

1.0     0.61400E-05    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

2.0     0.65121E-05    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

3.0     0.68056E-05    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

4.0     0.68804E-05    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

5.0     0.69018E-05    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

65.0    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

66.0    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

67.0    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

68.0    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

69.0    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

70.0    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00    0.00000E+00

第一个数是RPM_eng，继之以SOI(以相对于上死点(top dead center)的曲柄角旋转度为单位度量)，以及总燃料供应(以mg/喷射为单位度量)。第一列是曲柄角旋转度而且第二列是ROI(在这种情况下以[kg/ca]为单位度量)。如本领域的技术人员所理解的那样，Q_fuel从ROI数据的集成中导出。为了节约篇幅起见，给出了在曲柄角-25和-5以及5和65之间的数据间隙。数据文件将不会包括这些间隙。

结果是IM 10生成IM/CM数据27和IM/ECM/EM数据25。

在已经生成了IM/CM数据27之后，CM 12使用这个数据加上它自身拥有的数据文件，即CM输入数据21(以及如果在所考虑的发动机中考虑了EGR的情况下的Q_egr ⁰)以及CM系统数据21b、RPM_eng和GEO_eng。具有EGR的初始CM输入数据21的示例是：对于天然气， $Q_{\mathrm{in}}^0=1500.0\mathrm{kg}/\mathrm{hr},$ 并且， $Q_{\mathrm{egr}}^0=300.0\mathrm{kg}/\mathrm{hr}.$

CM 12在用于由ECM 14使用的文件中提供了CM/ECM数据29。这样的文件的示例为：

-20	0
		-19	0
-18	0
		-17	0
-16	0
		-15	0
......
		-5	5.36444E-08
4	1.42945E-05
		-3	0.00012872
-2	0.00034991
		-1	0 000618775
0	0.000939128
		1	0.001366183
2	0.00197213
		3	0.002863935
4	0.00416602
		5	0.006229198
......
		95	0
96	0
		97	0
98	0
		99	0
100	0

在左手列中提供了相对于上死点的CA旋转，并且在右手列中提供了HRR。如本领域的技术人员所理解的那样，向SOC提供从HRR数据导出的CM/ECM数据12。

利用小循环98运行通过CM 12和ECM 14的迭代，以如上面的示教所述，用收敛到Q_in、Q_egr的Q_in ⁿ、Q_egr ⁿ来替换估计的Q_in ⁰、Q_egr ⁰。在小迭代循环完成之后的Q_in ⁿ的示例为1661.9kg/hr。提供给IM 10以用于后续大循环162的结果数据文件的示例为：

符号	值
		RPMeng	1740.0rpm
τbrake	1493.4Nm
		Pbrake	281.5kW
BSFC	0.2177kg/kWh
		Pco	3.05bar
Tco	441.8 K
		Qin	1661.9kg/h
Qfuel	51.500kg/h
		SOI	-30.0 CA
Qegr	415.0kg/hr
		Tti	818.0K
Pti	2.855bar

如上所述，不是所有数据都由IM 10在每个循环期间使用。上面还指示如果大循环的迭代结束时由ECM生成的数据。

ECM 14利用HRR和SOC提供P_cyl，其示例为：

-150	3.02653
		-149.5	3.03322
-149	3.04004
		-148.5	3.047
-148	3.0541
		...	...
567	2.99286
		567.5	2.99874
568	3.00475
		568.5	3.01089
569	3.01716
		569.5	3.02357

其中，在第一列中提供了CA，而在第二列中提供了以bar为单位的P_cyl。在如P_cyl ⁿ与P_cyl ^n-1的比较之后由ε_P所确定的那样、不需要进一步的大循环的迭代时，提供发动机性能数据、发动机输出数据38、ECM/EM数据33和IM/ECM/EM数据25，其示例为：

符号	值
		RPMeng	1740.0rpm
τbrake	1493.4Nm
		Pbrake	28 1.5kW
BSFC	0.2177k/kWh
		Pco	3.05bar
Tco	441.8 K
		Qin	1661.9kg/h
Qfuel	51.500kg/h
		SOI	-30.0 CA
Qegr	415.0kg/hr
		Tti	818.0K
Pti	2.855bar
		Pivc	2.969bar

在通过大循环118的迭代之后，当如上所述把P_cyl设置为P_cyl ⁿ时，来自ECM14的P_cyl的示例为：

-360.000    1.749

-359.500    1.751

-359.000    1.756

-358.500    1.762

-358.000    1.770

-357.500    1.778

-357.000    1.786

        ---

357.000     1.784

357.500     1.773

358.000     1.764

358.500     1.757

359.000     1.752

359.500     1.749

360.000     1.749

利用IM/ECM/EM数据25、ECM/EM数据16和EM系统数据39的完全集合，从EM 16生成排放物数据41。基于上述内容的NO_x的示例是295.3ppm。

通过大循环118的较高迭代次数有助于在从ECM 14和EM 16中完全生成最终的输出数据，即发动机输出数据38和排放物数据41之前改进精度。同样，也改进了这个输出数据的基础，来自IM 10和CM 12的数据，即IM/ECM/EM数据25、IM/CM数据27和CM/ECM数据29。通常，对于如上的示例，大循环的四次迭代将是适当的。

为直接喷射的气体燃料燃烧开发的CM 12对于本发明主题是有用的。与用于液体直喷式发动机的情况相比，将气体燃料喷射到内燃机燃烧室中时的期望压力依赖于P_cyl到更进一步的程度。柴油在可以比用于天然气的情况高出一个量级的压力进行喷射。因而，P_cyl的范围对于IM 10精度来说不是那么重要。因此，当考虑以气体为燃料的发动机时，IEM 8在大循环118的完成之后并入从ECM 14导出的P_cyl，以允许改善的IM 10的精度、以及改善的IEM8的功能。然而，在使用液体燃料时，较不需要如上所述通过迭代进行的那样来改进P_cyl的值。因而，较不需要处理液体直喷式发动机的这个方面。

为了这个应用的目的，子模块，即IM 10、CM 12、ECM 14和EM 16包括上述的现有技术示例，并且可以取决于用户的应用而改变：参见背景技术的论述。

虽然已经示出和描述了本发明的特定单元、实施例和应用，但是应当理解：本发明不局限与此，因此。可以由本领域的技术人员，特别是根据上述示教进行修改而没有背离当前公开的范围。

术语表

缩写    定义

IEM     集成发动机模型

IM      喷射器模块

CM       燃烧模块

ECM      发动机循环模块

EM       排放物模块

P_cyl ⁰    初始气缸压力

Q_in ⁰     初始入口流速

Q_egr ⁰    初始EGR速率

GEO_inj   喷射器几何形状

P_cyl ⁿ    迭代气缸压力

P_rail    轨道压力

SOI_cmd   命令或者期望的喷射开始

PW_cmd    命令或者期望的脉冲宽度

RPM_eng   发动机转速

P_amb     环境压力

GEO_eng   发动机几何形状

T_amb     环境温度

A_egr     有效的EGR阀门流面积

VGT_pos   可变几何形状涡轮位置

P_brake   制动功率

τ_brake  制动扭矩

BSFC     制动器专用燃料消耗(brake specific fuel consumption)

NO_x      氮氧化物排放物

PM       颗粒物排放物

Q_in      入口流速

P_cyl     气缸压力

T_ti      涡轮入口温度

P_ti      涡轮入口压力

T_co      压缩器出口温度

P_co      压缩器出口压力

v_turb    涡轮转速

Q_egr     EGR流速

Q_exh     排气流速

HRR     放热率

ROI     喷射速率

SOI     喷射开始

Q_fuel   燃料供应速率

SOC     燃烧开始

Q_in ⁿ    迭代的入口流速

Q_egr ⁿ   迭代的EGR流速

P_ivc    进气阀关闭时间气缸压力

T_ivc    进气阀关闭时间气缸温度

Q_in ^n-1  先前循环的入口流速

Q_egr ^n-1 先前循环的EGR流速

ε_Q     入口空气流速误差

ε_Qegr  EGR流速误差

ε_P     气缸压力误差

PW      脉冲宽度

P_im     入口歧管压力

V_eff    气缸的有效容积

T_exh    废气温度

T_egr    温度EGR

Δr     进气和排气流动限制

λ      空气燃料比

T_co ^dmd  所要求的压缩器出口温度限制

T_ti ^dmd  所要求的涡轮入口温度限制

P_cyl ^max 最大气缸压力

PM^dmd   所要求的颗粒物排放物

NO_x ^dmd  所要求的氮氧化物排放物

τ_cmd   所命令的制动扭矩

SOI_cmd ⁰ 初始命令的喷射开始

PW_cmd ⁰  初始命令的燃料喷射的脉冲宽度

P_rail ⁰  初始命令的轨道压力

VGT_pos ⁰ 初始命令的可变几何形状涡轮位置

A_egr ⁰         初始命令的有效EGR阀门流面积

CONP          控制参数

CONP^dmd       所要求的控制参数

SOI_cmd ⁿ       迭代中的命令的喷射开始

PW_cmd ⁿ        迭代中的命令的燃料喷射的脉冲宽度

P_rail ⁿ        迭代中的命令的轨道压力

VGT_pos ⁿ       迭代中的命令的可变几何形状涡轮位置

A_egr ⁿ         迭代中的命令的有效EGR阀门流面积

SOI_eng        到发动机的喷射开始控制命令

PW_eng         到发动机的燃料喷射脉冲宽度命令

P_rail ^eng      到发动机的轨道压力命令

VGT_pos ^eng     到发动机的可变几何形状涡轮位置命令

A_egr ^eng       向发动机的有效EGR阀门流面积命令

SOI_cmd ^last    最终迭代中的、命令的喷射开始

PW_cmd ^last     最终迭代中的、命令的燃料喷射脉冲宽度

P_rail ^last     最终迭代中的、命令的轨道压力

VGT_pos ^last    最终迭代中的、命令的可变几何形状涡轮位置

A_egr ^last      最终迭代中的、命令的有效EGR阀门流面积

Claims (19)

1.一种预测由直喷式内燃发动机生成的输出数据的方法，所述输出数据包含发动机扭矩、燃料消耗、功率和气缸压力中的至少一个，所述方法包含：

a.选择系统数据，所述系统数据包含：

i.指示所选燃料喷射器的喷射器几何形状，

ii.指示所述发动机的发动机几何形状，

iii.发动机转速，

iv.喷射器命令，

b.估计初始数据，所述初始数据包含初始气缸压力和初始气缸入口流量，

c.使用所述系统数据和收敛的气缸压力和收敛的气缸入口流量，来计算所述输出数据，其中所述初始数据用来：

i.根据所述初始气缸压力而提供所述收敛的气缸压力，

ii.根据所述初始气缸入口流量而提供所述收敛的气缸入口流量。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述系统数据还包含环境压力和环境温度中的至少一个。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述输出数据还包含NOx浓度和颗粒物浓度中的至少一个。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述喷射器命令包含命令的轨道压力、命令的喷射开始和命令的脉冲宽度。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述系统数据还包含可变几何形状涡轮位置和有效EGR阀门流面积中的至少一个，其中，如果包含了有效的EGR阀门流面积，则所述系统数据还包含初始EGR流量。

6.如权利要求2所述的方法，其中使用以下部件来计算所述输出数据：

a.喷射器模块，用于根据所述初始气缸压力和喷射器模块系统数据而计算喷射器模块/燃烧模块数据和喷射器模块/发动机循环模块数据，所述喷射器模块系统数据是所述系统数据的子集；

b.燃烧模块，用于根据所述初始入口流速、所述喷射器模块/燃烧模块数据和燃烧模块系统数据而计算燃烧模块/发动机循环模块数据，所述燃烧模块系统数据是所述系统数据的子集；

c.发动机循环模块，用于根据所述燃烧模块/发动机循环模块数据、所述喷射器模块/发动机循环模块数据和所述发动机循环模块系统数据而计算所述输出数据，所述发动机循环模块系统数据是所述系统数据的子集，

其中，在所述燃烧模块和所述发动机循环模块之间的小循环用来收敛到所述收敛的气缸入口流量，并且，在所述喷射模块、所述燃烧模块和所述发动机循环模块之间的大循环用来收敛到所述收敛的气缸压力。

7.如权利要求6所述的方法，其中，还使用排放物模块来计算所述输出数据，所述排放物模块用于根据发动机循环模块/EM数据、所述喷射器模块/发动机循环模块数据和EM系统数据而计算排放物数据，所述EM系统数据是所述系统数据的子集，所述输出数据还包含所述排放物数据。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述排放物数据指示NOx浓度和颗粒物浓度中的至少一个。

9.如权利要求6所述的方法，其中，所述发动机循环模块/EM数据包含所述收敛的气缸压力、所述收敛的气缸入口流量、进气阀关闭时间气缸压力和进气阀关闭时间气缸温度，所述进气阀关闭时间气缸压力和所述进气阀关闭时间气缸温度由所述发动机循环模块提供。

10.如权利要求6所述的方法，其中，所述喷射器模块/燃烧模块数据包含喷射器模块喷射速率和喷射器模块喷射开始。

11.如权利要求6所述的方法，其中，所述喷射器模块/发动机循环模块数据包含喷射器模块燃料流量和喷射器模块喷射开始。

12.如权利要求6所述的方法，其中所述燃烧模块/发动机循环模块包含燃烧模块放热率和燃烧模块燃烧开始。

13.如权利要求6所述的方法，其中，所述喷射器模块系统数据包含所述喷射器几何形状、所述发动机转速、所述环境压力和所述喷射器命令。

14.如权利要求6所述的方法，其中，所述燃烧模块系统数据包含所述发动机转速和所述发动机几何形状。

15.如权利要求6所述的方法，其中，所述发动机循环模块系统数据包含所述发动机几何形状、所述环境压力、所述环境温度和所述发动机转速。

16.如权利要求1到15中任何一个所述的方法，其中所述发动机至少部分由气体燃料提供燃料。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述气体燃料是天然气。

18.如权利要求16所述的方法，其中，所述气体燃料包含甲烷、氢、乙烷和丙烷中的至少一个。

19.如权利要求16所述的方法，其中所述气体燃料是氢。

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