CN102787927B - 确定内燃发动机的气缸空气充量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及确定内燃发动机的气缸空气充量的方法和装置，具体地，一种确定内燃发动机的气缸空气充量的方法，包括：确定发动机操作参数，包括进气空气充量密度、发动机增量压力和发动机速度，发动机增量压力为进气歧管压力与排气压力之比。确定与所述发动机操作参数对应的打开节气门容积效率，还确定与所述发动机操作参数对应的关闭的节气门容积效率。使用所述打开节气门容积效率和关闭的节气门容积效率中的所选择的一个确定所述气缸空气充量。

Description

确定内燃发动机的气缸空气充量的方法和装置
技术领域
本发明涉及内燃发动机。
背景技术
本部分说明仅提供关于本发明的背景信息。因此，这些陈述不用来构成对现有技术的承认。
已知的内燃发动机系统在气缸中燃烧空气和燃料的混合物，以产生机械能来驱动活塞，从而产生转矩。发动机控制系统控制发动机操作以产生发动机功率，其响应操作者的转矩请求，同时解决燃料经济性和排气需求。已知的发动机控制系统监测控制和操作参数来估算或以其他方式确定发动机质量空气流量并控制发动机供料。
发动机供料通过这样被控制：确定发动机质量空气流量；基于此确定单个气缸的气缸空气充量；在考虑燃料经济性和排气需求的情况下，计算对应气缸空气充量的优选的燃料质量以满足操作者的转矩请求。
发明内容
一种确定内燃发动机的气缸空气充量的方法，包括：确定发动机操作参数，包括进气空气充量密度、发动机增量压力和发动机速度，发动机增量压力为进气歧管压力与排气压力之比。确定与所述发动机操作参数对应的打开节气门容积效率，还确定与所述发动机操作参数对应的关闭的节气门容积效率。使用所述打开节气门容积效率和关闭的节气门容积效率中的所选择的一个确定所述气缸空气充量。
本发明提供如下方案：
1. 一种确定内燃发动机的气缸空气充量的方法，包括：
确定发动机操作参数，包括进气空气充量密度、由排气歧管压力与进气歧管压力之比构成的发动机增量压力和发动机速度；
确定与所述发动机操作参数对应的打开节气门容积效率；
确定与所述发动机操作参数对应的关闭的节气门容积效率；以及
使用所述打开节气门容积效率和关闭的节气门容积效率中的所选择的一个确定气缸空气充量。
2. 根据方案1所述的方法，其中确定打开节气门容积效率包括：
确定对应进气空气充量密度和发动机速度的初始容积效率；和
确定对应所述初始容积效率和发动机增量压力的打开节气门容积效率。
3. 根据方案2所述的方法，其中所述初始容积效率对于进气歧管压力被标准化。
4. 根据方案2所述的方法，其中确定所述初始容积效率包括：从所述进气空气充量密度和所述发动机速度之间的预定关系确定所述初始容积效率。
5. 根据方案1所述的方法，其中确定关闭的节气门容积效率包括：
确定对应进气空气充量密度和发动机增量压力的初始容积效率；和
确定对应初始容积效率和发动机速度的关闭的节气门容积效率。
6. 根据方案5所述的方法，其中确定初始容积效率包括：从进气空气充量密度和发动机增量压力之间的预定关系中选择初始容积效率。
7. 根据方案1所述的方法，其中所述打开节气门容积效率和关闭的节气门容积效率被同时确定。
8. 根据方案1所述的方法，其中确定所述气缸空气充量包括：使用所述容积效率中的所选择的一个执行速度密度方程来估算气缸空气充量。
9. 一种确定内燃发动机的气缸空气充量的方法，包括：
确定进气空气充量密度、由排气歧管压力与进气歧管压力之比构成的发动机增量压力和发动机速度；
确定对应进气空气充量密度和发动机速度的第一初始容积效率；
确定对应第一初始容积效率和发动机增量压力的打开节气门容积效率；
确定对应进气空气充量密度和发动机增量压力的第二初始容积效率；
确定对应第二初始容积效率和发动机速度的关闭的节气门容积效率；和
使用所述打开节气门容积效率和关闭的节气门容积效率中的所选择的一个确定气缸空气充量。
10. 根据方案9所述的方法，其中所述第一初始容积效率对于进气歧管压力被标准化。
11. 一种确定内燃发动机的气缸空气充量的方法，包括：
确定进气空气充量密度、由排气歧管压力与进气歧管压力之比构成的发动机增量压力和发动机速度；
确定作为进气空气充量密度和发动机速度的函数并且对于进气歧管压力被标准化的第一初始容积效率；
确定作为第一初始容积效率和发动机增量压力的函数的打开节气门容积效率；
确定作为进气空气充量密度和发动机增量压力的函数的第二初始容积效率；
确定作为第二初始容积效率和发动机速度的函数的关闭的节气门容积效率；
基于发动机节气门位置选择所述打开节气门容积效率和所述关闭的节气门容积效率中的一个；和
使用所述打开节气门容积效率和所述关闭的节气门容积效率中的所述所选择的一个执行速度密度方程以估算气缸空气充量。
附图说明
现在通过举例方式结合附图描述一个或多个实施方案，
图1表示根据本发明的包括进气系统和废气再循环（EGR）系统的内燃发动机的进气歧管；
图2表示根据本发明的用于确定容积效率的多区非线性模型的结构；
图3表示根据本发明的用于确定在进行中的发动机操作期间的容积效率的控制方案；
图4表示根据本发明的第一初始容积效率，其与进气空气充量密度和发动机速度有关；
图5表示根据本发明的有效容积效率，其与第一初始容积效率和发动机增量压力有关；
图6表示根据本发明的第二初始容积效率，其与进气空气充量密度和发动机增量压力有关；以及
图7表示根据本发明的有效容积效率，其与第二初始容积效率和发动机速度有关。
具体实施方式
现在参考附图，其中图示仅用于解释某些代表性实施方案，而不用于限制这些代表性实施方案，图1示意性地描述内燃发动机的进气歧管10，包括进气系统20和废气再循环（EGR）系统30。输入和操作参数包括进气流速22、进气温度24、EGR流速32和EGR温度34。正如所意识到的，输入和操作参数可使用车载传感器直接地监测，或可以其他方式来确定。例如，发动机速度、节气门位置、温度和压力（包括对于进气歧管和排气歧管以及周围环境的）可以通过本领域公知的部件直接感测。其他发动机参数可通过这些感测量的各种关系来很好地确定。进气系统20可自然进气，或者可使用如涡轮增压器或增压机的空气压缩机装置以及伴随的用于冷却进气歧管10的上游进气温度的中间冷却器。与进气歧管10中的进气充量关联的参数包括歧管空气压力12和进气空气充量温度14。进气和再循环废气穿过进气歧管10被引导至发动机气缸40，并由气缸空气充量流42来表征。
进气歧管10中的压力动态特性可通过基于系统热焓导出的由如下等式1表示的以下等式来表达：
其中Pi是歧管空气压力12，
是歧管空气压力12中的变化率，
Vi是进气歧管10的排出气体体积，
Ta是进气温度24, 包括在如此装配的系统上的中间冷却器后的进气温度，
Tegr是EGR温度34，
Wa是进气流量22，
Wegr是EGR流速32，
Ti是进气空气充量温度14，
We是气缸空气充量流量，
R是理想气体常数，和
γ是气体的比热。
式1可以变形为速度密度公式以估算气缸空气充量流量We，如下：
其中Vd是发动机气缸的容积排量，
N是发动机的转速，和
ηv是发动机的容积效率。
确定在使用涡轮增压器或增压机以及关联的中间冷却器的系统上的气缸空气充量流量We与自然吸气式发动机的区别可在于：空气的质量空气流由压缩机来增压并且质量空气温度由中间冷却器降低，EGR流速可变，进气歧管压力可被提高并可大于环境气压。而且，排气压力基于涡轮增压器或增压机的操作状态如可变门涡轮增压器的打开位置可以高度地可变，从而影响发动机换气动态特性。因此，容积效率可取决于包括排气温度和排气压力的排气参数。排气温度和排气压力可受与排气后处理系统的交互作用相关联的因素的影响。
容积效率用于量化空气引入的效率。对于以化学计量操作的自然吸气式发动机，容积效率可关于发动机速度和进气歧管压力来建模。对于其他发动机系统，如以通过EGR系统的高速率的再循环废气的涡轮增压柴油机，容积效率可关于发动机操作参数以如下表达来建模，这些发动机操作参数包括发动机速度N、进气歧管压力Pi、进气歧管温度Ti、排气歧管压力Px和排气歧管温度Tx，模型如下所示：
包括进气空气充量密度x1、发动机增量压力x2和发动机速度x3的发动机输入参数，可通过使用包括发动机速度N、进气歧管压力Pi、进气空气充量温度Ti和排气歧管压力Px的发动机操作参数对于容积效率模型来形成，所述发动机输入参数如下面等式4到6计算：
已发现包括进气空气充量密度x1、发动机增量压力x2和发动机速度x3的发动机输入参数支配容积效率模型，因此允许确定与这些发动机输入参数有关的容积效率值的范围。
图2图示地表示确定容积效率的多区非线性模型的结构。非线性模型被分成第一区和第二区，它们基于发动机速度202和发动机负荷204而可区分。第一区和第二区基于节气门位置被区分，其中第一区（区1）210与任意的打开节气门条件相关，而第二区（区2）220与关闭的节气门条件相关。区1 210中的发动机操作优选地与打开节气门条件下一组已知的燃烧模式如化学计量的或贫操作的发动机操作相关。
区2 220中的发动机操作与另一组已知的燃烧和发动机操作模式的发动机操作相关，如冷启动和发动机预热、发动机怠速操作、微粒过滤器再生、LNT再生和低温燃烧。在区1 210和区2 220中，容积效率模型被分解成两个阶段，其中每个阶段都展示出平滑表面。该平滑表面对于估计容积效率允许相对的平滑过渡，从而使容积效率不连续性和相关的燃烧不稳定性最小化。可以意识到，区1 210和区2 220任一个可被进一步细分。
当在与打开节气门条件相关的区1 210中操作时，第一初始容积效率对应于进气空气充量密度x1和发动机速度x3，并被标准化为进气歧管压力Pi，其可包括与操作涡轮增压器或增压机相关的升压，如图4图形地和以下关系所示。
有效容积效率对应于第一初始容积效率和发动机增量压力x2，如下。
图5图示地描述了这种关系的例子。与打开节气门条件相关联的区1 210的容积效率分解成与进气空气充量密度x1和发动机速度x3相关联以及对于进气歧管压力Pi被标准化的第一初始容积效率，其可用来确定与第一初始容积效率和发动机增量压力x2对应的有效容积效率，允许图4和5描述的关系以表格形式表达为在发动机控制模块中的多维查找表。
当在与关闭的节气门条件相关联的区2 220中操作时，第二初始容积效率对应于进气空气充量密度x1和发动机增量压力x2，如在图6中图示地描述并具有以下关系。
有效容积效率与第二容积效率和发动机速度x3对应。
图7图示地描述了这种关系的例子。与关闭的节气门条件相关联的区2 220的容积效率分解成与进气空气充量密度x1和发动机增量压力x2相关联并且考虑发动机速度x3的第二初始容积效率，其可用来确定与第二初始容积效率和发动机速度x3对应的有效容积效率，允许图6和7描述的关系以表格形式表达为在发动机控制模块中的多维查找表。
图4、5、6和7描述的关系中的参数的特定状态优选地在预生产开发期间对于特定发动机系统预确定。这允许参数在发动机控制模块中表达为可执行公式或以表格形式表达为多维查找表，以便在发动机操作期间易于实施。
图3示意性地表示了用于使用在此描述的容积效率和与节气门位置即打开和关闭的节气门位置之一相关联的区1 210、区2 220在正在进行的发动机操作期间确定容积效率的控制方案300。关注的发动机参数包括进气歧管压力302、进气歧管温度304、排气歧管压力306、发动机速度308和节气门位置310。如上所示，进气歧管压力302和进气歧管温度304被组合以确定进气空气充量密度x1 312。进气歧管压力302和排气歧管压306被组合，如上，以确定发动机增量压力x2 314。发动机速度308是发动机速度x3 316。
进气空气充量密度312和发动机速度x3 316被输入给第一校准400以确定第一参数319，其为进气歧管压力302和初始容积效率320的组合，其中第一校准400优选地是以表格形式或作为可执行公式的在图4所示关系的算法实施方式。第一参数319由进气歧管压力302算术地求除以计算初始容积效率。初始容积效率和发动机增量压力x2 314被输入给第二校准500以确定打开节气门的容积效率322，其中第二校准500优选地是以表格形式或作为可执行公式的在图5所示关系的算法实施方式。当节气门位置310指示发动机当前在打开节气门条件操作时，打开节气门容积效率322被选择为操作容积效率350，以例如使用此处描述的等式2计算气缸空气充量。
同样，进气空气充量密度x1 312和发动机增量压力x2 314被输入给第三校准600以确定第二初始容积效率330，其中第三校准600优选地是以表格形式或作为可执行公式的在图6所示关系的算法实施方式。第二初始容积效率330和发动机速度x3 316被输入给第四校准700以确定关闭的节气门容积效率332，其中第四校准700优选地是以表格形式或作为可执行公式的在图7所示关系的算法实施方式。当节气门位置310指示发动机目前在关闭的节气门条件操作时，关闭的节气门容积效率332被选择为操作容积效率350，以例如使用此处所述的等式2计算气缸空气充量。
此处描述的方法按照功能和/或逻辑块部件和各种处理步骤。应想到，这些块部件可以通过任意数量的构造成执行特定功能的硬件、软件和/或固件来实现。例如，系统或部件的实施方案可以采用各种集成电路部件，如存储元件、信号处理元件、逻辑元件、查找表等，其可以在一个或多个微处理器或其他控制装置的控制下执行多种功能。另外，本领域技术人员可以想到实施方案可以在任意数量的数据传输协议下实践，并且此处描述的系统仅是一个合适的例子。
可以想到，控制模块、模块、控制器、控制单元、处理器和类似术语指的是，任何适当的一种或多种如下的组合：专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的中央处理器（优选地微处理器）和相关储存器和存储器（只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等）、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、合适的信号调节和缓冲电路，以及提供所述功能的其他合适的部件。控制模块具有一组控制算法，包括储存在储存器中并执行成提供所述供能的驻存软件程序指令和校准。算法优选地在预设循环周期中执行。算法例如通过中央处理器执行，并且可操作以监测来自感测设备和其他联网控制模块的输入，并执行控制和诊断程序来控制致动器的操作。循环周期在正在进行的发动机和车辆操作中可以规则间隔来执行，如每3.125、6.25、12.5、25和100微秒。替代地，算法可响应于事件的发生来执行。
本发明描述了特定的优选实施方案和对其的变形。其他变形和改变在阅读和理解说明书后可以发生。因此，本发明目的不是被限制到作为实施本发明而构思的最佳模式所公开的具体实施方案，而是本发明将包括落在随附权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (11)

1.一种确定内燃发动机的气缸空气充量的方法，包括：
确定内燃发动机操作参数，包括进气空气充量密度、由排气歧管压力与进气歧管压力之比构成的内燃发动机增量压力和内燃发动机速度；
确定与所述内燃发动机操作参数对应的打开节气门容积效率；
确定与所述内燃发动机操作参数对应的关闭的节气门容积效率；以及
使用所述打开节气门容积效率和关闭的节气门容积效率中的所选择的一个确定气缸空气充量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定打开节气门容积效率包括：
确定对应进气空气充量密度和内燃发动机速度的初始容积效率；和
确定对应所述初始容积效率和内燃发动机增量压力的打开节气门容积效率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述初始容积效率对于进气歧管压力被标准化。
4.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述初始容积效率包括：从所述进气空气充量密度和所述内燃发动机速度之间的预定关系确定所述初始容积效率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定关闭的节气门容积效率包括：
确定对应进气空气充量密度和内燃发动机增量压力的初始容积效率；和
确定对应初始容积效率和内燃发动机速度的关闭的节气门容积效率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中确定初始容积效率包括：从进气空气充量密度和内燃发动机增量压力之间的预定关系中选择初始容积效率。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述打开节气门容积效率和关闭的节气门容积效率被同时确定。
8.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述气缸空气充量包括：使用所述容积效率中的所选择的一个执行速度密度方程来估算气缸空气充量。
9.一种确定内燃发动机的气缸空气充量的方法，包括：
确定进气空气充量密度、由排气歧管压力与进气歧管压力之比构成的内燃发动机增量压力和内燃发动机速度；
确定对应进气空气充量密度和内燃发动机速度的第一初始容积效率；
确定对应第一初始容积效率和内燃发动机增量压力的打开节气门容积效率；
确定对应进气空气充量密度和内燃发动机增量压力的第二初始容积效率；
确定对应第二初始容积效率和内燃发动机速度的关闭的节气门容积效率；和
使用所述打开节气门容积效率和关闭的节气门容积效率中的所选择的一个确定气缸空气充量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一初始容积效率对于进气歧管压力被标准化。
11.一种确定内燃发动机的气缸空气充量的方法，包括：
确定进气空气充量密度、由排气歧管压力与进气歧管压力之比构成的内燃发动机增量压力和内燃发动机速度；
确定作为进气空气充量密度和内燃发动机速度的函数并且对于进气歧管压力被标准化的第一初始容积效率；
确定作为第一初始容积效率和内燃发动机增量压力的函数的打开节气门容积效率；
确定作为进气空气充量密度和内燃发动机增量压力的函数的第二初始容积效率；
确定作为第二初始容积效率和内燃发动机速度的函数的关闭的节气门容积效率；
基于内燃发动机节气门位置选择所述打开节气门容积效率和所述关闭的节气门容积效率中的一个；和
使用所述打开节气门容积效率和所述关闭的节气门容积效率中的所选择的一个执行速度密度方程以估算气缸空气充量。
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