CN102062023B - 用于确定及调节内燃机的废气再循环率的方法及装置 - Google Patents

用于确定及调节内燃机的废气再循环率的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于确定内燃机中废气再循环率的方法及装置，该方法包括以下步骤：求得关于内燃机的汽缸中的燃烧分布的燃烧分布数据；借助废气再循环率函数由燃烧分布数据求得实际的废气再循环率。此外本发明还涉及用于调节内燃机中废气再循环率的方法及装置，其中废气再循环率给出输入到内燃机的汽缸的气体量中的废气份额，其中在内燃机的汽缸中周期地在燃烧阶段期间进行燃烧。该方法包括以下步骤：求得关于内燃机的汽缸中的燃烧分布的燃烧分布数据；提供一个与内燃机的工作点相关的给定数据(AGR_给定，ZV_给定)；进行用于补偿调节偏差的调节，该调节偏差由给定数据(AGR_给定，ZV_给定)与燃烧分布数据得出。

Description

用于确定及调节内燃机的废气再循环率的方法及装置
技术领域
本发明涉及具有废气再循环的内燃机。本发明尤其涉及内燃机中废气再循环率的确定及调节。
背景技术
在低混合比的内燃机、如分层充气的内燃机上在每个汽缸的燃烧室中具有过量的空气。通过低混合比工作可作到：使内燃机以高效率运行。但低混合比工作将导致氧化氮排放量的增高，其通常超过允许的氧化氮的极限值。因此为了减小氧化氮的排放设有一个外部废气再循环装置，在此情况下由内燃机产生的废气的一部分被回馈到内燃机的吸气管中，以便由那里重新进入内燃机的汽缸。
在氧化氮排放的一个优化方案中回馈由工作点确定的废气量。该废气量通常由所谓的废气再循环率来指示，该废气再循环率给出输入新鲜空气中废气的份额。回馈的废气量的定量配给通常在考虑到用于废气再循环的进气阀的位置响应信号的情况下预控制地进行。
因为废气再循环率不可直接地测量，至今它必需根据一个适合的模型来计算。该模型化的废气再循环率然后被用来使废气再循环率调节到一个由工作点确定的给定值上。真实回馈到汽缸的废气量的计算是基于以压力传感器的空气质量流为基础的流入/流出的空气/废气质量的平衡来实现的。在尤其低混合比工作时所采用的完全去节流的发动机运行中，实际回馈废气量或实际废气再循环率的模型计算的误差显著地上升。
尤其在内燃机的低混合比工作中燃烧特性随着废气再循环率的升高急剧地变差及可能在通过预给定的给定值稍微增高的废气再循环率的情况下导致燃烧的中止。如果实际输入的废气再循环率下降到为实现最小氧化氮排放而优化的废气再循环率以下，则氧化氮排放超正比地升高，这将导致显著消耗的缺点，因为所使用的氧化氮存储器式催化器必需频繁地再生。
发明内容
因此本发明的任务在于，提供一种用于确定废气再循环率的方法及装置，其中废气再循环率的误差很小。本发明的另一任务是提供用于调节内燃机中废气再循环率的方法及装置，其中相对废气再循环率的预给定的给定值的调节偏差可被减小。
这些任务将通过根据本发明的用于确定废气再循环率的方法及通过根据本发明的用于调节废气再循环率的方法及装置来解决。
根据本发明的第一方面设置了一个用于确定内燃机中废气再循环率的方法，其中废气再循环率给出输入到内燃机的一个汽缸中的气体量中的废气份额，其中在内燃机的汽缸中在燃烧阶段期间周期地进行燃烧。该方法包括以下步骤：
求得关于内燃机的汽缸中的燃烧分布的燃烧分布数据；
借助一个预给定的废气再循环率函数由该燃烧分布数据求得实际的废气再循环率。
为了确定废气再循环率还可设置：废气再循环率函数考虑内燃机的至少一个另外的工作状态量，尤其内燃机的转速、所要求的驾驶员目标转矩及关于燃料质量的数据。
根据本发明的另一方面设置了一个用于调节内燃机中废气再循环率的方法，其中废气再循环率给出输入到内燃机的一个汽缸中的气体量中的废气份额，其中在内燃机的汽缸中在燃烧阶段期间周期地进行燃烧。该方法包括以下步骤：
求得关于内燃机的汽缸中的燃烧分布的燃烧分布数据；
提供一个与内燃机的工作点相关的给定数据；
进行用于补偿调节偏差的调节，该调节偏差由该给定数据与该燃烧分布数据得出。
本发明的构思在于，由汽缸中燃烧的燃烧分布数据确定和/或调节废气再循环率。本发明基于这样的观察：在废气再循环率与燃烧分布、尤其点火延迟之间存在一个指数函数关系，点火延迟为点火火花停止与由其引起的燃料的燃烧重心之间的时间。因此通过表征燃烧分布或燃烧的时间位置及持续时间的燃烧分布数据的求得可得到当前废气再循环率的数据。燃烧分布例如可通过借助燃烧室压力传感器对燃烧室压力的直接测量来检测。由此一方面通过燃烧分布数据确定废气再循环率或另一方面将废气再循环率调节到一个预给定值上。
此外可设置：相应于给定废气再循环率的数据的给定数据根据一个或多个工作状态量、尤其转速和/或所要求的驾驶员目标转矩由给定值特性曲线族求得，其中借助废气再循环率函数由燃烧分布数据求得实际的废气再循环率。
根据一个变换的实施形式给定数据可相应于给定燃烧位置的数据—尤其是给定点火延迟或给定燃烧重心，及由一个给定值特性曲线族根据一个或多个工作状态量–尤其转速和/或所要求的驾驶员目标转矩–来求得，其中求得一个燃烧位置的数据作为燃烧分布数据。
此外可测量汽缸中的燃烧室压力，其中燃烧分布数据作为汽缸中燃烧阶段期间与燃烧室压力相应的燃烧室压力数据的分布的局部最大值的时刻来求得。
变换地，燃烧分布数据给出燃烧重心的数据，其中测量汽缸中的燃烧室压力，其中与燃烧室压力相应的燃烧室压力数据的分布、尤其在燃烧阶段期间的微分的热分布被积分，以便得到积分的热值，其中燃烧重心相应于：积分的热值相当于积分的热值的最终值的一半(MFB50％)的时刻，该最终值在汽缸中整个燃烧阶段上积分的情况下得到。
根据一个实施形式燃烧分布数据根据一个点火时刻来求得，该点火时刻给出汽缸的燃烧室中点火火花触发的时刻，由此提供一个点火延迟作为燃烧分布数据。
根据本发明的另一方面设置了一个用于确定内燃机中废气再循环率的装置，其中废气再循环率给出输入到内燃机的一个汽缸的气体量中的废气份额，其中在内燃机的汽缸中周期地在燃烧阶段期间进行燃烧。该装置包括：
一个检测器、尤其一个燃烧室压力传感器，用于求得给出内燃机的汽缸中的燃烧分布的量作为燃烧分布数据；
一个控制装置，用于借助一个预给定的废气再循环率函数由燃烧分布数据求得实际的废气再循环率。
根据本发明的又一方面设置了一个用于调节内燃机中废气再循环率的装置，其中废气再循环率给出输入到内燃机的一个汽缸的气体量中的废气份额，包括：
一个检测器、尤其一个燃烧室压力传感器，用于求得给出内燃机的汽缸中的燃烧分布的量作为燃烧分布数据；
一个控制装置，它被构成来：
-提供一个与内燃机的工作点相关的给定数据，及
-进行用于补偿调节偏差的调节，该调节偏差由给定数据与燃烧分布数据得出。
附图说明
以下参照附图来详细地描述本发明的优选实施形式。附图表示：
图1：一个废气再循环的内燃机的概图；
图2：点火延迟与废气再循环率之间关系的分布图；
图3：根据一个实施形式的废气再循环率的调节装置的概图；及
图4：根据另一实施形式的废气再循环率的调节装置的概图。
实施形式的说明
图1表示设有一个内燃机2的发动机系统1的概图，其中空气通过空气输入区段3输入内燃机。内燃机2被作成直喷式奥托发动机及具有一个或多个汽缸4，在汽缸中设有一个用于喷射燃料的喷射阀5。
此外设有一个废气排出区段6，以便由汽缸4中排出燃烧的废气。在废气排出区段6中设有一个废气涡轮增压器7的涡轮，以便通过废气的热含量来驱动空气输入区段3中的一个压缩机。借助该压缩机可提供处于增压压力下的空气。空气通过(未示出的)进气阀进入汽缸4及通过(未示出的)排气阀排出到废气排出区段6中。
废气涡轮增压器7的涡轮的下游设有一个氧化氮存储器式催化器8。该氧化氮存储器式催化器8使氧化氮还原成氮及CO2。
设有一个废气再循环导管10，它使涡轮7的上游的废气排出区段6与一个吸气管区段11连接，该吸气管区段被设置在节流阀12与汽缸4的进气阀之间。废气再循环导管10包括一个废气再循环阀13，借助该废气再循环阀可调节回馈的废气量。在废气再循环导管10中还设有一个废气冷却器14，该废气冷却器的效率可由一个选择的旁路导管15调节，该旁路导管使废气冷却器短路。在旁路导管15中设有一个可调节的旁路阀16，由此可调节废气冷却器14的冷却作用(效率)。
发动机系统1借助一个控制装置20来控制。为此该控制装置20控制发动机系统1的调节单元。尤其是该控制装置20可根据预给定的目标转矩及其它预给定参数来调节废气涡轮增压器7的压缩功率(例如通过一个可变的涡轮几何参数的调节)、节流阀12的位置、废气再循环阀13的位置、旁路阀16的位置、喷射时刻及喷射持续时间，在该喷射持续时间中燃料通过喷射阀5喷射到汽缸中及该喷射持续时间确定了喷射的燃料量，及根据凸轮轴(未示出)的位置来调节进气阀及排气阀的功能。对于控制及调整所需的系统状态量通过适当的检测器来检测。为了检测系统状态量，控制装置20例如可借助空气质量传感器21来确定流入空气输入区段3的空气质量，借助一个增压压力传感器22来确定空气输入区段的一个在废气涡轮增压器7与节流阀12之间的区间的增压压力，借助一个废气温度传感器23来检测废气涡轮增压器7的涡轮前的废气温度，及由此来确定用于上述调节单元的调节量。
这种奥托发动机可以工作在低混合比工况中，在该工况中在汽缸中具有过量的空气(Lambda值>1)。转矩仅通过燃料量来调节。在此工况中节流阀几乎完全打开。废气再循环率–它表明添加到流经吸气管的新鲜空气中的废气量–将借助参数诸如废气涡轮增压器前面的空气质量流、增压压力、废气温度等来模拟计算。如果节流阀12几乎完全打开，则在废气再循环率的模拟计算(确定)时相对实际(真实)废气再循环率的误差很强地增高。
因为带有误差的废气再循环率的测定可导致相对真实废气再循环率过高或过低的估算，当基于该测定的废气再循环率进行调节时，这可导致内燃机工作特性的变差。由此实际的废气再循环率可偏离废气再循环率给定值。在一个过高的废气再循环率时燃烧特性明显地变差，而当废气再循环率低于废气再循环率给定值时氧化氮排放将超正比地强烈上升。这将导致显著消耗的缺点，因为氧化氮存储器式催化器8必需频繁地再生。氧化氮存储器式催化器的再生必需通过输入用于氧化氮还原的未燃烧尽的燃料来实现。
因为在输入汽缸的新鲜空气中直接测量废气量是不可能的，因此建议：借助燃烧参数来确定废气再循环率或至少定性给出废气再循环率的上升或下降。为此提出，选择一个表征燃烧分布的燃烧参数。作为该燃烧参数的例子可测定汽缸4中或一个有代表性的汽缸4中的燃烧重心。
如由图2中可看出的，点火延迟、即点火火花停止与燃烧重心之间的持续时间与实际的废气再循环率相关，燃烧重心即相关汽缸中由其产生的燃烧的能量转换的重心。该分布可通过一个指数函数来近似。我们知道，通过发动机全局的不同废气再循环率可改变汽缸的燃烧室中的燃烧分布。如果例如强烈地增高废气再循环率，则混合物的点火的延迟愈长，这将导致燃烧重心较迟的位置，并反之亦反。
为了确定燃烧重心，例如可在汽缸4中设置一个燃烧室压力传感器19，它连续地检测相应的燃烧室压力。在控制装置20中由燃烧室压力的分布可求得微分的热分布，例如基于一个滤平的燃烧室压力信号。然后该微分的热分布可在一个发生燃烧的时间间隔上(例如由点火火花停止时刻到燃烧结束，但至迟当活塞在汽缸的燃烧室中的运动达到下死点时)被积分成一个积分的热值及将微分的热分布的积分的积分值达到对于整个燃烧所达到的积分的热值的一半的时刻假定为燃烧重心。也可使用其它的用于测定燃烧重心的数据的方法。
也可测定一个局部的燃烧室压力最大值来作为表征燃烧分布的一个变换的燃烧分布的数据。其求值例如也可在控制装置20中进行，对该控制装置提供相应的当前燃烧室压力的数据。控制装置20监测燃烧压力的分布并例如可求得达到燃烧室压力的局部最大值的时刻作为燃烧重心。
借助一个存储的废气再循环率函数由点火延迟可求得废气再循环率，该废气再循环率函数例如以查找表或废气再循环率特性分布或类似的形式存储。借助其使相应的点火延迟与废气再循环率相对应的废气再循环率特性曲线族还可考虑其它的参数，例如内燃机的转速，所要求的驾驶员目标转矩，燃料种类或燃料品质等。
变换地，为此也可使用由控制装置20求得的燃烧分布数据、尤其是由燃烧重心得到的点火延迟来将废气再循环率调节到一个恒定的工作点上。通常通过基于一个相应的预控制特性曲线族的预控制来调节废气再循环率。这样调节的废气再循环率可通过对燃料质量的监控并考虑校正系数来进行校正。
如图3中概要表示地，废气再循环率的调节30最好在控制装置20中进行，借助该调节可将废气再循环率调节到由一个给定值特性曲线族31给出的给定废气再循环率AGR_给定上。可使用根据一个燃烧分布数据函数33由燃烧室压力信号BDS得到的点火延迟ZV来作为用于调节的反馈量。借助废气反馈率特性曲线族32可由点火延迟ZV求得实际废气再循环率AGR_实际。这可如上所述地在考虑其它工作状态量BDS，如内燃机转速、发动机负载、燃料类型等的情况下求得。给定废气再循环率AGR_给定与实际废气再循环率AGR_实际输送给一个调节器34，该调节器根据一个调节方案求得用于内燃机2的工作的一个或多个调节量SG，作为调节方案可用适当方式组合比例、微分及积分调节。控制装置20的用于干预内燃机2工作的可能的调节量为涉及节流阀12的位置、废气再循环阀13的位置及凸轮轴的位置的量。
此外借助点火延迟的监测将易于识别废气再循环率的增大或降低及可采取相应的措施来减小或增大废气再循环率。
图4中概要地表示用于废气再循环率的调节40的另一实施形式。与图3的例子不同地在该实施形式中通过燃烧重心来实现调节。为此设有一个点火延迟模型41，它根据上述工作状态量求得用于点火延迟的给定值ZV_给定及传送到调节器42。此外这里也设有所述燃烧分布数据函数33，用于求得实际点火延迟的数据值ZV_实际。也可求得关于燃烧重心的相应数据(给定值，实际值)来取代给定点火延迟ZV_给定及实际点火延迟ZV_实际并传送给调节器42。调节器42基本上如上述那样地构成及提供一个或多个调节量SG，用于运行内燃机2。

Claims (9)

1.用于确定内燃机中废气再循环率的方法，其中，该废气再循环率给出输入到该内燃机(2)的汽缸(4)的气体量中废气的份额，其中在该内燃机(2)的汽缸(4)中在燃烧阶段期间周期地进行燃烧，该方法包括以下步骤：
求得关于所述内燃机(2)的所述汽缸中的燃烧分布的燃烧分布数据；
借助一预给定的废气再循环率函数由所述燃烧分布数据求得实际的废气再循环率，
其中，测量所述汽缸(4)中的燃烧室压力，并且
要么所述燃烧分布数据作为所述汽缸(4)中在燃烧阶段期间与所述燃烧室压力相应的燃烧室压力数据的分布的局部最大值的时刻来求得；
要么所述燃烧分布数据给出燃烧重心的数据，其中在燃烧阶段期间的与所述燃烧室压力相应的燃烧室压力数据的分布被积分，以便得到积分的热值，其中，所述燃烧重心相应于积分的热值相当于积分的热值的最终值的一半的时刻，该最终值在对所述汽缸(4)中整个燃烧阶段积分的情况下得到。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述废气再循环率函数考虑所述内燃机(2)的至少一个另外的工作状态量、所要求的驾驶员目标转矩及关于燃料质量的数据。
3.根据权利要求1的方法，其中，所述燃烧分布数据根据一个点火时刻来求得，该点火时刻给出所述汽缸(4)的燃烧室中点火火花触发的时刻，从而提供点火延迟作为燃烧分布数据。
4.根据权利要求1的方法，其中，所述燃烧室压力数据的分布是微分的热分布。
5.根据权利要求2的方法，其中，所述内燃机(2)的所述至少一个另外的工作状态量是所述内燃机(2)的转速。
6.用于确定内燃机(2)中废气再循环率的装置，其中，所述废气再循环率给出输给所述内燃机(2)的汽缸(4)的气体量中的废气份额，其中，在所述内燃机(2)的所述汽缸(4)中在燃烧阶段期间周期地进行燃烧，该装置包括：
检测器(19)，用于求得给出所述内燃机(2)的所述汽缸(4)中的燃烧分布的量作为燃烧分布数据；
控制装置(20)，用于借助预给定的废气再循环率函数由所述燃烧分布数据求得实际的废气再循环率。
7.根据权利要求6的装置，其中，所述检测器(19)是燃烧室压力传感器。
8.具有内燃机(2)及根据权利要求6或7的装置的发动机系统。
9.控制装置(20)，该控制装置被设置用于执行根据权利要求1至5中任一项的方法的所有步骤。
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