CN102187074B - 在具有废气再循环的内燃机中确定总的气缸充气和/或当前的残余气体率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定在具有废气再循环的内燃机（2）的气缸中的总的气缸充气（rfrges）的方法，其中废气在导入位置（10）处回输到用于将气体混合物输入气缸（3）中的进气管（4）中，其中总的气缸充气（rfrges）说明瞬时的、在气缸（3）中的总的气体量，其中总的气缸充气（rfrges）根据输入进气管（4）中的气体质量流的和并根据描述进气管（4）关于在那里产生的进气管压力的动态特性的第一动态校正系数（fvisrm）求出。此外说明废气在位于气缸（3）中的总的气体中的瞬时份额的瞬时的残余气体率（rragrzw），可以根据废气-部分压力（psrext）以及根据瞬时的进气管压力（ps）确定，其中废气-部分压力根据输入进气管的废气质量流、根据描述进气管（4）在考虑导入位置（10）关于出现的废气-部分压力（psrext）的情况下的动态特性的第二动态校正系数，并且根据瞬时的废气-气缸充气确定。此外可以根据总的气缸充气（rfrges）和提供的残余气体率（rragrzw）确定瞬时的空气充气（rlfgsb）。

Description

在具有废气再循环的内燃机中确定总的气缸充气和/或当前的残余气体率的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种具有废气再循环的内燃机，它通过发动机控制单元控制，其中在发动机控制器中根据残余气体率求出当前的空气充气。 

背景技术

在内燃机中越来越多地设置废气再循环，以降低燃料消耗以及或许优化废气排放。在这种情况下从排气系统中提取废气并且通过废气再循环管利用废气再循环阀计量地与进气系统的进气管的新鲜空气混合。 

废气再循环阀由发动机控制器控制，这样可以调节出确定的残余气体率（废气再循环率）。混合的废气排挤新鲜空气，不参与燃烧。也就是说，为了保持发动机扭矩恒定，在一定的工作点上必须在增加的残余气体份额的情况下进一步打开节流阀。希望的效果是进气管压力的提高，而不提高发动机扭矩。由此可以降低内燃机的泵损失，提高效率并由此降低燃料消耗。 

此外可以通过废气在进气管中与新鲜空气的混合降低燃烧温度，这导致废气中减小的有害的氮氧化物的生成。 

因此为了保持发动机扭矩恒定，要求发动机控制单元识别出气缸当前的空气充气，以能够借助当前的空气充气确定相应的节气门位置或者相应的喷射量和点火角，这样可以保持需要的扭矩恒定。发动机转速、节气门位置、进气管压力、气缸总充气和气缸空气充气之间的关系利用迄今实现的在稳态条件下的函数正确地描述。也可以考虑动态的过程。 

除了在空气供应系统上的影响，如上面已经提及的，在废气再循环的情况下也需要在点火系统中的校正。通过燃烧室中的燃料-空气-混合物通过再循环的废气的稀释，燃烧速度会下降，这必须通过更早的点火补偿。为此残余气体量与燃烧室中的总的气体质量的比例的认识，即废气再循环率，是有决定意义的。 

在考虑动态的过程的情况下，迄今一般以此为基础，即导入到进气管中的废气均匀地分布，因为迄今废气导入位置通常位于节气门后面附近。不过测量证明，对于废气再循环的废气导入位置非常近地位于进气阀前面的内燃机，废气在进气管中的分布不均匀，而是在它们的从导入位置到气缸的进气阀的很短的路程中只占有很小的体积，它比整个进气管压力更快地建立和消除。由此空气系统关于再循环的废气的动态性与空气系统关于新鲜空气的动态性不同。 

因为发动机生产商一般自由选择废气再循环的导入位置，由此产生的关于再循环的废气和关于输入的新鲜空气的不同的动态性不是已知的。特别是再循环的废气的导入位置越靠近进气阀，这种区别就越严重。迄今的模型，对于再循环的废气和对于输入的新鲜空气都从相同的动态模型出发，它们两个从同一个作为依据的进气管体积出发，那么可能不足够精确地确定在动态的工作中的当前的充气和当前的残余气体率。 

因此根据传统的用于求出当前的空气充气的方法，可以对再循环的废气和输入的新鲜空气模拟两个部分压力，由它们相加产生测量的进气管压力。在此进气管动态考虑一个共同的动态校正系数，它确定残余气体率和进气管压力的时间特性。不过这由于上面考虑的特性只在这种情况下是描述正确的，即废气再循环的导入位置在节气门处或附近实现。 

发明内容

本发明的任务是，提供一种方法和装置，利用它们对具有废气再循环的内燃机可以不依赖废气进入进气管中的导入位置地更精确地确定在内燃机的气缸中的当前的空气充气和/或残余气体率。 

该任务通过一种用于确定在具有废气再循环的内燃机中的总的气缸充气空气充气的方法、用于确定当前的残余气体率的方法、用于确定瞬时的空气充气的方法以及通过根据并列权利要求的发动机系统解决。 

为此本发明提出一种用于确定在具有废气再循环的内燃机的气缸中的总的气缸充气的方法，其中废气在导入位置处回输到用于将气体混合物输入气缸中的进气管中，其中总的气缸充气说明瞬时的、在气缸中的总的气体量， 

其中总的气缸充气根据输入进气管中的气体质量流的和并根据描述进气管关于在那里产生的进气管压力的动态特性的第一动态校正系数求出，

其中总的气缸充气根据瞬时的进气管压力求出，其中瞬时的进气管压力通过利用第一动态校正系数作用的、在未过滤的说明充气的通过输入进气管的气体质量流所产生的气缸充气与总的气缸充气之间的差的积分确定，

其中总的气缸充气作为根据瞬时的进气管压力、根据瞬时的发动机转速和根据用于匹配环境压力的高度系数和用于考虑在气缸中的气体温度的燃烧室温度系数的校正系数的函数求出。此外本发明还提出一种用于确定在具有废气再循环的内燃机的气缸中的当前的残余气体率的方法，其中废气在导入位置处回输到用于将气体混合物输入气缸中的进气管中，其中残余气体率说明废气在位于气缸中的总的气体中的瞬时份额，该方法具有下面的步骤：

- 根据前述的方法，以确定瞬时的进气管压力；

- 根据废气-部分压力以及根据瞬时的进气管压力求出残余气体率，其中废气-部分压力根据输入进气管的废气质量流、根据描述进气管在考虑导入位置关于出现的废气-部分压力的情况下的动态特性的第二动态校正系数并且根据瞬时的废气-气缸充气确定。还提出了一种用于确定在具有废气再循环的内燃机的气缸中的瞬时的空气充气的方法，其中废气在导入位置处回输到用于将气体混合物输入气缸中的进气管中，该方法具有下面的步骤：

- 根据所述的方法求出总的气缸充气；

- 按照根据所述的方法提供残余气体率或者确定残余气体率；

- 根据总的气缸充气和残余气体率确定瞬时的空气充气。

此外总的气缸充气可以作为根据瞬时的进气管压力、根据瞬时的发动机转速和根据校正系数、特别是用于匹配环境压力的高度系数和用于考虑在气缸中的气体温度的燃烧室温度系数的校正系数的函数求出。 

根据一种另外的观点，设置一种用于确定在具有废气再循环的内燃机的气缸中的当前的残余气体率方法，其中废气在导入位置处回输到用于将气体混合物输入气缸中的进气管中，其中残余气体率说明废气在位于气缸中的总的气体中的瞬时份额，该方法具有下面的步骤： 

- 执行上述的方法，以确定瞬时的进气管压力；

- 根据废气-部分压力以及根据瞬时的进气管压力求出残余气体率，其中废气-部分压力根据输入进气管的废气质量流、根据描述进气管在考虑导入位置关于出现的废气-部分压力的情况下的动态特性的第二动态校正系数，并且根据瞬时的废气-气缸充气确定。

在现有技术中模拟部分压力，它总体产生实现的可测量的进气管压力，在上述的方法中建议，利用不同的时间常数考虑总的气缸充气以及废气份额（通过残余气体率说明）的动态特性。 

此外可以根据残余气体率和总的气缸充气确定瞬时的废气-气缸充气。 

此外可以设置，废气-部分压力通过利用第二动态校正系数作用的、在AGR-充气份额和（实际的）废气-气缸充气之间的差的积分确定，其中AGR-充气份额说明废气在气缸中的充气，它由于瞬时输入进气管的废气质量流产生。 

根据一种另外的观点，设置一种用于确定在具有废气再循环的内燃机的气缸中的瞬时的空气充气的方法，其中废气在导入位置处回输到用于将气体混合物输入气缸中的进气管中。该方法具有下面的步骤： 

- 根据上述的方法求出总的气缸充气；

- 按照上述的方法提供残余气体率或者确定残余气体率；

- 根据总的气缸充气和残余气体率确定当前的空气充气。

根据一种另外的观点，设置一种用于控制内燃机的方法。该具有下面的步骤： 

- 根据上述的方法确定瞬时的空气充气；

- 根据瞬时的空气充气控制内燃机的节气门的位置和/或燃料喷入内燃机的进气管中的喷射量和/或用于点燃空气/燃料混合物的点火角。

通过动态校正检测充气可以改善在动态工作情况下（过渡补偿）燃料路径对燃料计量校正的匹配。由此人们实现更好的废气排放和改善的驾驶性。通过确定动态校正的残余气体率此外可以校正地计算点火角。 

根据一种另外的观点，设置一种用于控制内燃机的发动机控制单元，它设计成用于执行上述的方法。 

根据一种另外的观点设置一种计算机程序，它包含程序代码，该代码如果在数据处理单元上执行，就执行上述的方法。 

附图说明

优选的实施方式接下来借助附图详细说明。图中示出： 

图1是具有具有废气再循环的内燃机的发动机系统的示意图，

图2是用于说明用于确定空气充气和残余气体率的函数的函数方块图；以及

图3是图2的函数方块图的特性曲线族模块的细节图。

实施方式说明

图1示意示出了具有具有例如四个气缸3的内燃机2的发动机系统1。内燃机2通过空气输入系统的进气管4输入空气。在进气管4中通过喷射阀5向进气管4中喷射燃料，以在那里形成用于进入内燃机2的气缸3中的空气-燃料-混合物。新鲜空气通过节气门11控制地输入进气管4。

气缸中的燃烧废气通过排气系统6排出。在排气系统6和进气管4之间设有废气再循环装置7，它具有废气再循环冷却器8和废气再循环阀9并且可以将废气从排气系统6导入进气管4中。废气再循环装置7在导入位置10处通到进气管4中。 

设有发动机控制器12，它控制节气门11的位置、废气再循环阀9的位置、喷射阀5的操作并通过确定每个气缸3的火花塞13的点火时刻控制空气-燃料-混合物在气缸3中的点火。为了进行这些部件的控制，发动机控制器12需要准确地确定在气缸3中的当前的空气充气以及残余气体率，也包括在发动机系统1的动态工作中。 

特别是发动机控制单元12必须将喷射的燃料量与瞬时在气缸3中的空气充气匹配。此外必须根据残余气体率相应地根据曲轴转角的位置匹配点火角，也就是说，点火时刻。此外可能需要，为了保持发动机扭矩恒定也必须相应地匹配节气门11的位置。这借助由现有技术已知的发动机控制和调节方法进行，在这点上不详细讨论。 

为了确定实际气缸充气rlfgsb和实际残余气体率rragrzw，在发动机控制器12中执行函数，它在图2中示意示出。该函数的一个输入量是由空气质量流计算出的未过滤的气缸充气rlroh。该空气质量流借助未示出的、布置在节气门11前面的热膜-空气质量传感器测量。另一个输入量是由再循环的、导入进气管4中的废气再循环质量流（AGR质量流）得出的未过滤的AGR-充气份额rfrexroh。该AGR质量流可以由排气系统6中的压力和进气管4中的压力之间的压力差以及由废气再循环阀9的位置根据模型求出。 

未过滤的气缸充气rlroh被输入第一加法元件21。此外未过滤的AGR充气份额rfrexroh被输入第一加法元件21。第一加法元件21的输出提供由未过滤的气缸充气rlroh和未过滤的AGR充气份额rfrexroh得出的和并且对应未过滤的总充气rges。未过滤的总充气rges被施加到微分元件22的不倒相的输入。在微分元件22的倒相的输入上施加关于总的气缸充气的数据rfrges。 

在未过滤的总充气rges和标准的充气rfrges之间的差通过第一乘法元件23施加到积分元件24上。第一乘法元件23将施加在微分元件22的输出上的充气差与第一动态校正系数fvisrm相乘，它是进气管的动态特性的第一时间常数。积分元件22对充气差积分。也就是说，因为该方法循环地执行，积分元件22将充气差相加。由此在积分元件的输出上提供解调的进气管压力ps。调制的进气管压力ps被输入特性曲线族模块25，在该块中在考虑另外的参数，例如发动机转速nmot、高度系数fho和燃烧室温度系数ftbr和特性曲线族的情况下，确定总的气缸充气rfrges。总的气缸充气rfrges也提供到微分元件22的不倒相的输入上。 

在图3中再次更详细地示出了特性曲线族模块25。人们认识到，在结果连同发动机转速nmot输送给特性曲线族之前，标准的进气管压力ps首先除以由环境压力除以1013hPa得到的高度系数fho。该特性曲线族根据转速模拟压力和充气之间的关系。由此可以，计算出实际的进气管压力。特性曲线族的寻址是必要的，因为压力与充气的非线性的关系不取决于绝对的进气管压力。为此决定在环境压力上标准化的进气管压力。出于这个原因标准化的进气管压力除以高度系数fho。 

由特性曲线族得出的结果，为了匹配实际的环境压力情况，现在重新与高度系数fho在乘法元件中相乘并且接着在另外的乘法元件中与燃烧室温度系数ftbr相乘，以获得总的气缸充气rfrges。燃烧室温度系数ftbr由模拟的燃烧室中的气体温度evtmod由公式ftbr=273K/（273K+evtmod）得出。 

总的气缸充气rfrges说明，哪些总的气体量流过气缸。总的气缸充气rfrges被输入第二乘法元件26，在该乘法元件中总的气缸充气rfrges与单独求出的残余气体率rragrzw相乘，以获得残余气体充气rfragr。 

接着相乘的结果被输入第二微分元件27。在第二微分元件27中，形成标准化的充气rfrges和与残余气体率rragrzw相乘的总的气缸充气rfrges的差值，以获得当前的空气充气rlfgsb作为在第二微分元件27的输出上的减法的结果。 

残余气体率rragrzw如下求出： 

未过滤的AGR充气rfrexroh被输入第三微分元件30的不倒相的输入。残余气体充气rfragr被输入第三微分元件30的倒相的输入。在第三微分元件30中形成的AGR充气差作为未过滤的AGR充气rfrexroh和残余气体充气rfragr的差在第三乘法元件31中与第二动态校正系数fvisragr相乘并且相乘结果被输入第二积分元件32。

在第二积分元件32的输出上产生关于AGR充气份额的部分压力作为AGR部分压力，它通过与第二动态校正系数fvisragr相乘的AGR充气差的积分得出。第二动态校正系数fvisragr是第二时间常数，它描述进气管关于再循环的废气的影响。AGR部分压力psrext除以模拟的进气管压力ps，以获得残余气体率rragrzw作为压力比例。 

图2的函数示意图从在现有技术中遵循的方式解算，即模拟的部分压力相加。换而言之，由输入侧提供的部分充气rlroh和rfrexroh相加并且在由第一微分单元22、第一乘法元件23、第一积分元件24和特性曲线族模块25构成的第一微分元件（上方的反馈环）中计算出总的气缸充气rfrges。在此以第一时间常数为基础，它通过第一动态校正系数fvisrm说明。 

第一微分元件22的应用使第一微分模块的简单的结构成为可能，其中部分充气rlroh和rfrexroh的和与气缸总充气rfrges相减。以这种方式可以实现进气管压力模型，它如迄今的低频滤波器效应一样由于进气管的体积利用确定的时间常数假设和模拟。 

在图2的函数示意图的下方部分（下方的反馈环）中，模拟进气管关于AGR充气份额rfrexroh的动态特性，其中第二微分元件由这些元件：第三微分元件30、第三乘法元件31、第二积分元件32、除法元件33和第二乘法元件26构成。通过第三乘法元件31，第二时间常数通过与第二动态校正系数fvisragr相乘实现。由此可以，模拟在进气管中的AGR体积的更快的动态特性。求出的部分压力psrext被应用，用于通过除以模拟的进气管压力ps求出残余气体率rragrzw。 

第二动态校正系数fvisragr可以通过下面的公式计算： 

其中Vh对应气缸的排量，Vagr接近对应在进气管4中存在的废气云的体积并且tagrisr对应模拟的AGR气体温度。

在构成体积比例时，现在应用较小的AGR混合体积代替进气管体积。这在应用时求出。体积比例对发动机工作点（进气管压力、AGR质量流、发动机转速）的函数关系是可以想象的并且可以通过合适的特性曲线族实现。 

函数示意图示出，在本方法中两个动态校正系数，也就是说，微分元件的两个时间常数，可以互相独立地调整，这样残余气体率rragrzw的计算可以在不依赖进气管时间常数的动态特性中模拟。 

在这个结构中可以，计算出动态正确的空气充气和残余气体率，以由此考虑废气再循环管进入进气管中的不同的导入位置。利用上述的方法求出的校正的空气充气和残余气体率允许，正确地调整喷入进气管4中的燃料量并给出正确的点火角。 

Claims (7)

1.用于确定在具有废气再循环的内燃机（2）的气缸中的总的气缸充气（rfrges）的方法，其中废气在导入位置（10）处回输到用于将气体混合物输入气缸（3）中的进气管（4）中，其中总的气缸充气（rfrges）说明瞬时的、在气缸（3）中的总的气体量，

其中总的气缸充气（rfrges）作为根据瞬时的进气管压力（ps）、根据瞬时的发动机转速（nmot）和根据用于匹配环境压力的高度系数（fho）和用于考虑在气缸（3）中的气体温度的燃烧室温度系数（ftbr）的校正系数的函数求出，其中瞬时的进气管压力（ps）通过利用第一动态校正系数（fvisrm）作用的、在未过滤的说明充气的通过输入进气管（4）的气体质量流所产生的气缸充气与总的气缸充气（rfrges）之间的差的积分确定。

2.用于确定在具有废气再循环的内燃机（2）的气缸（3）中的当前的残余气体率（rragrzw）的方法，其中废气在导入位置（10）处回输到用于将气体混合物输入气缸（3）中的进气管（4）中，其中残余气体率（rragrzw）说明废气在位于气缸（3）中的总的气体中的瞬时份额，该方法具有下面的步骤：

- 执行根据权利1的方法，以确定瞬时的进气管压力（ps）；

- 根据废气-部分压力（psrext）以及根据瞬时的进气管压力（ps）求出残余气体率（rragrzw），其中废气-部分压力根据输入进气管的废气质量流、根据描述进气管（4）在考虑导入位置（10）关于出现的废气-部分压力（psrext）的情况下的动态特性的第二动态校正系数并且根据瞬时的废气-气缸充气确定。

3.根据权利要求2所述的方法，其中瞬时的废气-气缸充气根据残余气体率（rragrzw）和总的气缸充气（rfrges）确定。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中废气-部分压力（psrext）通过利用第二动态校正系数作用的、在AGR-充气份额和废气-气缸充气之间的差的积分确定，其中AGR-充气份额说明废气在气缸（3）中的充气，它由于瞬时输入进气管（3）的废气质量流产生。

5.用于确定在具有废气再循环的内燃机（2）的气缸（3）中的瞬时的空气充气（rlfgsb）的方法，其中废气在导入位置（10）处回输到用于将气体混合物输入气缸（3）中的进气管（4）中，该方法具有下面的步骤：

- 根据按照权利要求1所述的方法求出总的气缸充气（rfrges）；

- 按照根据权利要求2所述的方法提供残余气体率（rragrzw）或者确定残余气体率（rragrzw）；

- 根据总的气缸充气（rfrges）和残余气体率（rragrzw）确定瞬时的空气充气（rlfgsb）。

6.用于控制内燃机（2）的方法，具有下面的步骤：

- 根据按照权利要求5的方法确定瞬时的空气充气；

- 根据瞬时的空气充气（rlfgsb）控制内燃机（2）的节气门（11）的位置和/或燃料喷入内燃机（2）的进气管（4）中的喷射量和/或用于点燃空气/燃料混合物的点火角。

7.用于控制内燃机（2）的发动机控制单元，它设计成用于执行根据权利要求1至6中任意一项所述的方法。