CN101581254B - 内燃机进气流量的估算方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种带有进气系统(2)的内燃机(1)进气流量的估算方法,其中所述系统包括控制进气流量的节流阀装置(6),其特征在于,其包括应用第一算法和第二算法阶段,适合分别测定第一(MAF_SV)和第二(MAF_FE)发动机进气流量;以及在预先设定的选择标准的基础上选择第一(MAF_SV)流量或第二(MAF_FE)流量。

Description

内燃机进气流量的估算方法与装置
技术领域
本发明涉及内燃机进气流量的估算方法与装置。
背景技术
正如已有技术所述,为了满足新一代汽车,特别是装有采用三效催化剂的现代间接汽油喷射发动机的汽车的强制性污染排放要求,空气-燃油比必须精确控制,以便使其始终接近化学计量值,目的是减少尾气排放。
为此,现代汽车通常都装有空气流量计(debimeter),其一般都位于发动机的进气系统内,用来给出一个电信号,表示供给发动机的新鲜空气的流量情况,在打开进气阀之前,同时根据所要求的空气-燃油比,电子控制装置在这个信号的基础上计算出应向发动机气缸内喷射的燃油流量。
另一选择方式是,新一代汽车现都提供有一个电子控制装置,该装置的其中一个功能就是应用一种算法,以估算发动机内的进气流量。
特别是,在装有连续可变进气正时系统的新一代汽车内,是很难以按接近化学计量值来精确控制空气-燃油比。
在这种类型的发动机中,测量或精确估算进入到气缸内的空气的瞬时质量是特别复杂的,这主要是因为固有增压效应所致,而这类发动机内出现的这种固有增压效应则是由于进气阀打开时进气歧管内压力波的正时作用所引起的。
特别是,在带有可变正时系统的发动机内使用空气流量计时,进入气缸的空气质量得不到精确测量,这是因为空气流量计的动态缓慢,所以,不能对流过进气管的空气的极端非线性动态作出反应,甚至在正常驱动情况下,其特征是快速瞬间变化。
另外,本申请者所进行的研究还表明,甚至在使用了已知算法时,也不能确切估算进入可变正时发动机的空气质量。实际上,这种算法并没有考虑发动机速度变化时发动机正排量泵的效应,发动机速度变化会对进气流量产生明显影响,特别是在高压区域,例如,油门处的压力比在0.9-0.95的区域内时,或者任何机械正时误差,或者进气正时的任何突然变化等,另外,在线控驱动系统的情况下,这些算法也不能正确地再现扭矩定律和机械定律之间的过渡情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种可估算内燃机内进气流量的方法,从而至少部分地解决已有技术装置和方法中的缺陷。
本发明提出了一种可估算带有进气系统的内燃机进气流量的方法,所述系统包括控制流入进气管(4)所述空气流量的油门装置;
其特征在于,其包括如下步骤:
-应用一个基于“圣凡南”模型的第一算法和一个基于“容积法”模型的第二算法,分别适合测定所述进气管(4)内的第一(MAF_SV)和第二(MAF_FE)进气流量;
-如果所述油门装置(6)输出端和输入端处的所述压力(Pdown,Pup)之间的所述比值(β)小于预先设定的门限值(βtsh)时,选择所述第一(MAF_SV)进气流量,所述预先设定的门限值(βtsh)在0.9到0.95之间;或者
-如果所述油门装置输出端和输入端处的所述压力(Pdown,Pup)之间的所述比值(β)大于预先设定的门限值(βtsh)时,选择所述第二(MAF_FE)进气流量。
附图说明
为了更好地理解本发明,下面参照附图并通过示例的形式介绍本发明的最佳实施例,但本发明并不仅限于所示实施例,附图如下:
-图1为内燃机进气系统的示意图;
-图2为根据本发明所提出的内燃机进气流量估算方法功能流程图。
具体实施方式
在图1中,参考号1表示内燃机整体,该内燃机装有进气系统2和控制进气系统的电子系统3。
特别是,进气系统2包括一个进气管4,空气经由空气滤清器5流入该管路,还包括一个节流阀(throttle valve)6,后者布置在进气管4上,向发动机1的气缸(图中未示)提供空气。
尤其是,节流阀(throttle valve)6经由特定执行装置一例如直流电机(图中未示)一来操纵。
电子控制系统3包括:一个温度传感器7,布置在进气管4的输入端并用来产生一个电输出信号,表示进气管4输入端的进气温度T0;一个压力传感器8,布置在节流阀6的上游并用来产生一个电输出信号,表示节流阀6输入端的空气压力Pup;一个压力传感器9,布置在节流阀6的下游端并用来产生一个电输出信号,表示节流阀6输出端的空气压力Pdown;一个检测节流阀6打开角α的装置,例如,一对电位计(图中未示);一个发动机转速测量装置RPM(图中未示);一个电子控制装置10,连接到温度传感器7、压力传感器8和9、发动机转速测量装置RPM和操纵节流阀6的执行机构上,为发动机1提供输出控制信号,并用来实施本发明提出的进气流量估算方法,所述方法将在下面参考图2功能流程图介绍。
特别是,在初始系统校准阶段,为应用进气流量估算方法而必需的若干个修正系数都储存在电子控制装置10内,特别是:
·非线性修正系数KTO,与进气温度相关(作为进气温度的函数);
·乘法修正系数KPup,与节流阀6输入端的空气压力相关(作为节流阀6输入端的空气压力的函数);
·一个第一表(图2中未示),包含有若干节流阀(油门)6打开角α值,这些值的变化是由发动机转速RPM决定的;一个第二表(图2中未示),包含有若干个节流阀6输出端和输入端之间空气压降β值,这些值的变化是由发动机转速RPM决定的;以及一个第三表(图2中未示),包含有若干个节流阀6的泄漏系数Cl,每个系数都根据节流阀6打开角α给定值和给定压降值β的变化情况采用实验方法测定。
基准值βref也储存在电子控制装置10内,所述值表示节流阀6输出端和输入端之间的空气压降,当流经进气管4最窄部分的空气到达理想速度,等于0.5283时,压降门限值-例如-0.9到0.95之间,而常数γ则与恒定压力下的空气比热和恒定容积下的比热之间的比值相关,即等于1.4。
为了实施本发明所提出的方法,控制装置10通过上面所列各个传感器不断地获取如下值,即:
·进气温度T0
·节流阀6输入端的空气压力Pup
·节流阀6输出端的空气压力Pdown
·发动机转速RPM。
再参照图2,在所获得的各值、所存储表内的各个系数和测量值的基础上,电子控制装置10应用两种不同的算法,每个算法都适合计算发动机的进气流量。
电子控制装置10在预先设定值标准的基础上,选择两个空气流量中的一个,并使用所选择的值来计算需向发动机气缸喷射的燃油流量。
特别是,如图2所示,在方框11中,电子控制装置10计算Pdown/Pup压力比,该比值等于油门6输出和输入端之间的空气压降β,并在空气压降β和节流阀6打开角α的基础上,电子控制装置10在方框12中根据称之为“圣凡南(Saint-Venant)”方程式的数学模型来应用一个算法,这种数学模型在如下文件中进行了详细介绍:“先进汽油发动机空气管理的综合呼吸模型和多变量控制方法”,A.Miotti,R.Scattolini,A.Musi和C.Siviero著,2006年美国汽车工程学会国际会议暨展览会,美国密歇根州底特律,2006年4月3日至6日,论文号No.2006-01-0658;和“内燃机基础”,J.B.Heywood著,第一版,麦格劳-希尔出版公司,美国纽约州,1988。众所周知,“圣凡南”方程式说明的是流经喷嘴的流体流量,因而,用来测定进入歧管和流过节流阀6的空气的瞬时质量。
为此,在特定情况下,电子控制装置10可以根据压降β和常数γ的变化情况按如下公式计算声波因子fs
f s ( &beta; ) = &gamma; 1 / 2 &CenterDot; ( 2 &gamma; + 1 ) ( &gamma; + 1 ) / 2 ( &gamma; - 1 ) = 0.6847 , if &beta; < 0.5283 ; &beta; 1 / &gamma; &CenterDot; 2 &gamma; &gamma; - 1 ( 1 - &beta; ( &gamma; - 1 ) / &gamma; ) , if &beta; > 0.5283 ;
然后,电子控制装置10可按如下公式计算“圣凡南”方程式:
m &CenterDot; man 1 = p up &CenterDot; M R &CenterDot; T 0 &CenterDot; C 1 ( &alpha; , &beta; ) &CenterDot; A eq ( &alpha; ) &CenterDot; f s ( &beta; )
式中:
·
Figure GSB00001103496600053
是进入歧管的空气的瞬时质量;
·M是空气的分子量;
·R是比气体常数
·Cl是所述油门装置的泄漏系数;
·Aeq是所述进气空气流经的所述油门装置的截面的总等效面积;
·fs是表示所述压力比(β)的因子。
不论可能会出现任何机械正时误差和任何突然进气正时变化,只要油门处的压力比β低于门限值时,即典型情况下在0.9范围内时,“圣凡南”方程式就可以用来精确估算进气流量。
在方框13和14中,电子控制装置10使用修正系数KPup和KT0来对方框12内计算的空气质量值
Figure GSB00001103496600054
进行修正,并在方框14的输出端,电子控制装置10可以提供流入进气管4的空气的瞬时质量MAF_SV。
与方框11到14所述程序相平行的是,在方框15到17中,电子控制装置10应用另一种基于所谓“容积法(Filling&Emptying)”模型的算法,该模型适合根据节流阀6的打开情况和发动机的转速RPM变化测定流入发动机气缸的空气,这种算法在如下文件中给予详细介绍:“使用二次节流门的发动机空气-燃油比和扭矩控制”,IEEE控制与决策年会文集,A.G.Stefanopoulou,J.W.Grizzle和J.S.Freudenberg著,美国,奥兰多,1994年,第2748-2753页;和“内燃机基础”,J.B.Heywood著,第一版,麦格劳-希尔出版公司,美国纽约州,1988年。
为此,特别是,电子控制装置10首先按如下公式计算节流阀6输出端处的空气压力Pdown的修正系数KPatm
K Patm = P rif P atm
式中,Prif是基准大气压力,Patm是大气压力,后者可以-例如-通过电子控制装置10内的特别传感器来测量。
然后,在方框15中,电子控制装置10可以使用修正系数KPatm来修正压力Pdown,并在节流阀6的打开角α和修正压力值Pdown和发动机转速RPM的基础上,电子控制装置10在方框16内可以按如下
公式计算进入发动机每个气缸的空气质量
Figure GSB00001103496600062
和流过进气管4的空气质量
Figure GSB00001103496600063
dp down dt = R &CenterDot; T 0 M &CenterDot; V 0 &CenterDot; ( p up &CenterDot; M R &CenterDot; T 0 &CenterDot; f ( &alpha; ) &CenterDot; g ( &beta; ) - RPM &CenterDot; V cyl &CenterDot; M &CenterDot; &eta; vol 120 &CenterDot; R &CenterDot; T 0 &CenterDot; p down )
m &CenterDot; cyl = N &CenterDot; V cyl &CenterDot; M &CenterDot; &eta; vol 120 &CenterDot; R &CenterDot; T 0 &CenterDot; p down
dp dt = R &CenterDot; T 0 M &CenterDot; V 0 &CenterDot; ( m &CenterDot; man 2 - m &CenterDot; cyl )
式中:
·T0是进气温度;
·V0是进气管容积;
·Vcyl是气缸内活塞的排量;
·RPM是发动机转速;
·ηvol是发动机的容积效率;
·f是以泄漏系数Cl部分乘以等效面积Aeq后获得的多项式函数,而泄漏系数Cl仅取决于节流阀6的角度α;
·g是以泄漏系数Cl部分乘以声波因子fs后获得的多项式函数,而泄漏系数Cl仅取决于压力降β;
当发动机转速变化时,“容积法”模型可以用来测定进气情况,考虑了正排量泵的工作特性变化。所述变化对进气流量会有显著影响,特别是压力值β几乎为1时。
“容积法”模型可以用来正确再现“线控”驱动节流阀的变化情况,即从随扭矩定律变化的节流阀控制(在这种情况下,节流阀通过实际扭矩值间接控制,而实际扭矩值是根据驾驶员对功率需求变化情况计算得出,而功率需求则又是从加速踏板位置开始计算)到随机械定律变化情况的节流阀控制(在这种情况下,节流阀是根据加速踏板位置的变化情况直接控制的)之间的过渡。
在方框17中,电子控制装置10使用修正系数KT0来对方框16中计算的空气质量值进行修正,并在方框17的输出端,电子控制装置10可提供流入进气管4内的空气瞬时质量MAF_FE。
如图2所示,在方框18内,电子控制装置10根据上述算法来选择空气流量值MAF_SV和MAF_FE中的其中一个,并在图2未示出的后续阶段,电子控制装置10可以使用所选择的值来计算应喷射到发动机气缸内的燃油流量。
特别是,其中一个空气流量值MAF_SV或MAF_FE的选择可以在方框11内测定的当前压降β和预先设定的压降门限值βtsh之间比较的基础上来进行。
在特定情况下,如果当前压降β低于门限值βtsh,即小于0.9时,电子控制装置10选择在“圣凡南”方程式基础上估算的空气流量值MAF_SV。相反,如果当前压降β大于门限值βtsh,即大于0.9时(除了滞后情况外,后者也可以进行校正),电子控制装置10可以选择在“容积法”模型基础上估算的空气流量值MAF_FE。
从本发明的特性分析来看,采用本发明可以实现的优点是显而易见的。
首先,由于使用了两种不同的计算算法和修正因子,本发明所提出的方法始终可以使得进气流量得以精确估算,不论发动机的工作状况和油门处的压力比β如何。此外,通过适当选择压降门限值βtsh,本发明所提出的方法可以将估算的总均方偏差降到最小,例如,小于2%的值,并可使得误差范围大大小于使用空气流量计测量时的最小误差。
此外,本发明所提出的方法应用相对简单,其特征在于,它不需要大量的系数值,这些系数都直接存储在中央控制装置内。本发明所提出的方法还可以不需要使用空气流量计。
最后,从上述说明和图示中,可以很清楚地看到,任何改进和修改都是可行的,但这都没有脱离所附权利要求中规定的本发明的范围。
除了分别布置在节流阀上游和下游的两个压力传感器外,也可以只使用一个传感器来-例如-直接检测油门输入端和输出端之间的空气压降β。
电子控制装置10在所存储的参考值的基础上还可以选择每次对系数KT0、KPup进行重新计算。
特别是,本发明很显然并不仅限于间接汽油喷射发动机内使用,而且可以应用于带有进气系统的任何内燃机上。

Claims (11)

1.一种估算带有进气系统(2)的内燃机(1)进气流量的方法,所述系统包括控制流入进气管(4)的空气的流量的油门装置(6),其特征在于,其包括如下阶段:
-应用一个基于“圣凡南”模型的第一算法和一个基于“容积法”模型的第二算法,分别适合测定所述进气管(4)内的第一(MAF_SV)和第二(MAF_FE)进气流量;
-如果所述油门装置(6)输出端和输入端处的压力(Pdown,Pup)之间的比值(β)小于预先设定的门限值(βtsh)时,选择所述第一(MAF_SV)进气流量,所述预先设定的门限值(βtsh)在0.9到0.95之间;或者
-如果所述油门装置输出端和输入端处的所述压力(Pdown,Pup)之间的所述比值(β)大于预先设定的门限值(βtsh)时,选择所述第二(MAF_FE)进气流量。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一算法的应用包括:
-测定所述油门装置输出端和输入端处所述压力(Pdown,Pup)之间的所述比值(β);
-测定所述油门装置的打开角度(α);
-在所述油门装置的所述比值(β)和所述打开角(α)的基础上,测定第一进气流量(MAF_SV)。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述第一进气流量(MAF_SV)是在下述公式的基础上测定的:
m &CenterDot; man 1 = p up &CenterDot; M R &CenterDot; T 0 &CenterDot; C 1 ( &alpha; , &beta; ) &CenterDot; A eq ( &alpha; ) &CenterDot; f s ( &beta; )
式中:
·是进入所述系统组成部分的进气管(4)内的瞬时进气质量;
·M是空气的分子量;
·R是比气体常数
·C1是所述油门装置的泄漏系数;
·Aeq是所述进气空气流经的所述油门装置的截面的总等效面积;
·fs是表示所述压力比(β)的因子。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述第一算法的应用还包括:
-测定所述油门装置输入端的所述压力(Pup)和/或进气温度(TO)的至少一个第一修正因子(Kpup,KTO);
-在所述第一修正因子(Kpup,KTO)和第一瞬时进气质量
Figure FSB00001103496500022
的基础上测定所述第一进气流量(MAF_SV)。
5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的方法,其特征在于,所述第二算法的应用包括:
-测定所述油门装置(6)的所述打开角(α);
-测定发动机的转速(RPM);
-在所述油门装置输出端的所述压力(Pdown),所述油门装置的所述打开角(α)和所述发动机的所述转速(RPM)的基础上测定第二进气流量(MAF_FE)。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述第二算法的应用还包括:
-测定所述油门装置输出端的所述压力(Pdown)的至少一个第二修正因子(KPdown);
-使用所述第二修正因子(KPdown)对所述油门装置输出端的所述压力(Pdown)进行修正;
-使用所述第二修正因子(KPdown)、所述油门装置的所述打开角(α)和所述发动机的所述转速(RPM)所修正的所述油门装置的输出端的所述压力(Pdown)的基础上,测定所述第二(MAF_FE)进气流量。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述第二(MAF_FE)进气流量是在如下公式的基础上测定的;
dp down dt = R &CenterDot; T 0 M &CenterDot; V 0 &CenterDot; ( p up &CenterDot; M R &CenterDot; T 0 &CenterDot; f ( &alpha; ) &CenterDot; g ( &beta; ) - RPM &CenterDot; V cyl &CenterDot; M &CenterDot; &eta; vol 120 &CenterDot; R &CenterDot; T 0 &CenterDot; p down )
m &CenterDot; cyl = N &CenterDot; V cyl &CenterDot; M &CenterDot; &eta; vol 120 &CenterDot; R &CenterDot; T 0 &CenterDot; p down ,
dp dt = R &CenterDot; T 0 M &CenterDot; V 0 &CenterDot; ( m &CenterDot; man 2 - m &CenterDot; cyl )
式中:
·T0为所述进气温度;
·V0为所述空气进气道的容积,所述进气道为所述系统组成部分;
·Vcyl为所述发动机气缸容积;
·RPM为所述发动机转速;
·ηvol为所述发动机容积效率;
·
Figure FSB00001103496500033
为进入所述气缸内的空气质量;
·
Figure FSB00001103496500034
为进入所述进气管内的第二进气质量;
·f为随所述油门装置(6)的所述等效面积(Aeq)、所述泄漏系数(C1)和所述打开角(α)变化的第一值;
·g为随所述油门装置的输出端的所述压力(Pdown)和所述油门装置的输入端的所述压力(Pup)之间所述比值(β)的所述泄漏系数(C1)和表示所述压力比(β)的所述因子(fs)变化的第二值。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述第二(MAF_FE)进气流量是在如下公式的基础上测定的;
dp down dt = R &CenterDot; T 0 M &CenterDot; V 0 &CenterDot; ( p up &CenterDot; M R &CenterDot; T 0 &CenterDot; f ( &alpha; ) &CenterDot; g ( &beta; ) - RPM &CenterDot; V cyl &CenterDot; M &CenterDot; &eta; vol 120 &CenterDot; R &CenterDot; T 0 &CenterDot; p down )
m &CenterDot; cyl = N &CenterDot; V cyl &CenterDot; M &CenterDot; &eta; vol 120 &CenterDot; R &CenterDot; T 0 &CenterDot; p down ,
dp dt = R &CenterDot; T 0 M &CenterDot; V 0 &CenterDot; ( m &CenterDot; man 2 - m &CenterDot; cyl )
式中:
·T0为所述进气温度;
·V0为所述空气进气道的容积,所述进气道为所述系统组成部分;
·Vcyl为所述发动机气缸容积;
·RPM为所述发动机转速;
·ηvol为所述发动机容积效率;
·
Figure FSB00001103496500038
为进入所述气缸内的空气质量;
·
Figure FSB00001103496500041
为进入所述进气管内的第二进气质量;
·f为随所述油门装置(6)的所述等效面积(Aeq)、所述泄漏系数(C1)和所述打开角(α)变化的第一值;
·g为随所述油门装置的输出端的所述压力(Pdown)和所述油门装置的输入端的所述压力(Pup)之间所述比值(β)的所述泄漏系数(C1)和表示所述压力比(β)的所述因子(fs)变化的第二值。
9.根据权利要求7或8所述的方法,其特征在于,
-所述第一值(f)是以泄漏系数(C1)第一部分乘以所述等效面积(Aeq)而测定的,而泄漏系数(C1)仅取决于所述油门装置(6)的所述打开角度;
-所述第二值(g)是以所述泄漏系数(C1)第二部分乘以表示所述压力比(β)的所述因子(fs)而测定的,而泄漏系数(C1)仅取决于所述油门装置的输出端的所述压力(Pdown)和所述油门装置的输入端的所述压力(Pup)之间的所述比(β)。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述第二算法的应用还包括:
-在所述温度(TO)的所述修正因子(KTO)和所述第二进气质量
Figure FSB00001103496500042
的基础上,测定所述第二进气流量(MAF_FE)。
11.内燃机(1),包括进气系统(2)以及用以实施如权利要求1-10中任一项权利要求所述的进气流量评估方法的装置。
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