CN102822504A - 用于调整在稀燃运行状态下内燃机的排气回收率的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于调整具有内燃机（2）的发动机系统（1）中的排气回收率的方法，其中，所述排气回收率反映了回收到所述内燃机（2）的汽缸（3）中的排气关于处于汽缸（3）中的全部气体量的比例，所述方法包括以下步骤：根据对所述排气回收率的预先设定值运行所述内燃机（2），其中，在确定的点火时刻点燃汽缸中的空气-燃料混合物；调整所述内燃机（2）的汽缸（3）中的点火时刻；根据所述内燃机（2）的运行特性由于点火时刻的调整而发生的变化，来修正所述排气回收率的预先设定值。

Description

用于调整在稀燃运行状态下内燃机的排气回收率的方法和装置
技术领域
本发明涉及内燃机，尤其是具有排气回收装置并且能够在稀燃运行状态下被运行的内燃机。
背景技术
除了传统的运行方法，汽油发动机还能够在所谓的稀燃运行状态下被运行。在所述稀燃运行中，燃烧在汽油发动机的汽缸中在空气过量的情况下进行，这是在柴油发动机中的规则。为了获得可燃性，在此将燃料如此喷入到所述汽缸中，从而在火花塞的点火时刻使得可燃的空气-燃料混合物处于火花塞的区域中。由于高空气过量和在燃烧时形成的高温，使空气中的氮气与空气中的氧气反应生成了氮氧化物。
氮氧化物在排气中被定级为有害。设置了氮氧化物储存催化剂，以便通过化学还原将氮氧化物分解。一直以来，所述氮氧化物储存催化剂必须要再生，以便分解积聚的氮氧化物。尤其是当内燃机的氮氧化物排放量高时，在单位时间内更多的氮氧化物储存在储存催化剂中。因此所述再生之间的时间间隔变短了。
所述储存催化剂的再生需要在燃料过剩的情况下进行燃烧（λ小于1）。在燃料过剩的情况下进行燃烧导致在燃烧排气中产生了较高比例的一氧化碳、氢气和/或碳氢化合物，所述碳氢化合物作为用于再生的还原剂。通过在燃料过剩的情况下进行燃烧形成了显著的消耗弊端。为了减少从内燃机中排放的氮氧化物的量，因而通常设置了排气回收装置，所述排气回收装置使输送到汽缸中的环境空气与燃烧排气混合。所述燃烧排气在汽缸的燃烧室中用作惰性气体，也就是说，其基本上表现为化学上的中性。
回收排气量的计量通常是预控制地进行的。实际输送到燃烧室中的回收排气的量基于空气和排气量的平衡借助设置在供气系统中的空气质量测量计和压力传感器来进行计算。然而该计算所基于的模型在完全、或者说几乎完全无节流（entdrosselt）的发动机运行中、如在稀燃运行中出现的情况中会造成过高的误差，从而使得计算得出的排气回收率会与实际的排气回收率形成强烈的偏差。该效应还通过如下方式被增强：所述内燃机设有增压装置、例如排气涡轮增压器，从而使得在计算排气回收率时有待估计的不准确度明显地限定了用于在稀燃运行状态下内燃机的运行的、有益的和消耗最优的范围。
对用于可调整的排气回收率有益的范围的限定是由此造成，即当排气回收率提高而略微超过其最佳值时，燃烧性能就已经显著变差直至燃烧中断。如果实际输送的排气回收率过低，则氮氧化物排放比例过大地急剧升高，这导致了具有显著消耗弊端的氮氧化物储存催化剂的频繁再生。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供用于将排气回收率调整到有益的或者说消耗最优的范围内的一种改进的方法和一种改进的装置。
该目的是通过根据权利要求1的、用于调整排气回收率的方法，以及根据从属权利要求的装置和发动机系统来实现的。
在从属权利要求中说明了其他有利的设计方案。
根据第一方面，规定了一种用于调整具有内燃机的发动机系统中的排气回收率的方法，其中，所述排气回收率反映了回收到所述内燃机的汽缸中的排气关于处于汽缸中的全部气体量的比例。所述方法包括以下步骤：
- 根据对所述排气回收率的预先设定值运行所述内燃机，其中，在确定的点火时刻点燃汽缸中的空气-燃料混合物；
- 调整所述内燃机的汽缸中的点火时刻；
- 根据所述内燃机的运行特性由于点火时刻的调整而发生的变化，来修正所述排气回收率的预先设定值。
上述方法的思路在于反作用以下这种运行情况：在所述运行情况中排气回收率过高，并由此产生危险，从而使得燃烧性能变差，并且增加了燃烧中断的频率。这是通过如下方法进行的，即调整所述点火时刻（点火提前角），并且根据转速信号、平稳运行信号或类似信号的变化来确定，是否使由内燃机提供的转动力矩升高、降低或保持不变。根据由于点火时刻的调整而引起的力矩变化能够识别出，用于内燃机的瞬时工作点的排气回收率是否正常、过低或过高。
此外，为了运行所述内燃机，能够借助于调整节流活门和/或发动机系统的供气部段中的增压压力和/或借助于调整排气回收阀和/或借助于调整凸轮轴位置来实施所述排气回收率的预先设定值。
根据一种实施方式，所述内燃机的运行特性的变化能够表现为所述内燃机的转速曲线的变化、所提供的平稳运行信号的变化，所述平稳运行信号反映了转速曲线的均匀性。
根据一种实施方式，当通过调整点火时刻而出现由所述内燃机提供的力矩减小时，修正所述排气回收率的预先设定值。
此外，当在点火时刻延迟的情况下出现由所述内燃机提供的力矩减小时，以及当在点火时刻提前的情况下出现由所述内燃机提供的力矩增大时，所述排气回收率的预先设定值能够通过施加修正值而降低。
能够规定，当在点火时刻延迟的情况下出现由所述内燃机提供的力矩增大时，以及当在点火时刻提前的情况下出现由所述内燃机提供的力矩减小时，所述排气回收率的预先设定值通过施加修正值而增加。
根据另一方面，设有用于调整具有内燃机的发动机系统中的排气回收率的装置，其中，所述排气回收率反映了回收到所述内燃机的汽缸中的排气关于处于汽缸中的全部气体量的比例。其中，构造所述装置：
- 以便根据对所述排气回收率的预先设定值运行所述内燃机（2），其中，在确定的点火时刻点燃汽缸中的空气-燃料混合物；
- 以便调整所述内燃机（2）的汽缸（3）中的点火时刻；
- 以便根据所述内燃机（2）的运行特性由于点火时刻的调整而发生的变化，来修正所述排气回收率的预先设定值。
根据另一方面，设有发动机系统。所述发动机系统包括：
- 内燃机；
- 上述装置。
根据另一方面，设有计算机程序产品，其包含程序代码，当在数据处理单元中执行所述程序代码时，所述计算机程序产品实施上述方法。
附图说明
以下根据附图对优选的实施例进行详细解释。附图示出了：
图1 是具有内燃机的发动机系统的示意图，所述内燃机能够在增压的稀燃运行状态下被运行；
图2 是用于表示点火延迟与内燃机的实际排气回收率之间关系的曲线图；
图3 是用于表示内部发动机力矩与点火提前角之间关系的曲线图；并且
图4是用于阐明调整排气回收率的方法的流程图。
具体实施方式
在图1中示出了具有内燃机2的发动机系统1。所述内燃机2优选设计为汽油发动机，所述汽油发动机在稀燃运行状态下是可运行的。所述内燃机能够被设计为吸气式发动机（非增压发动机）或增压内燃机。所述内燃机2在示出的实施方式中包括四个汽缸3。然而所述汽缸3的数量应不限于四个。
汽油发动机的稀燃运行相当于分层燃烧运行（Schichtbetrieb），在所述分层燃烧运行中，将燃料如此喷入到内燃机2的汽缸3的燃烧室中，从而在点火时刻使可燃的混合物处于火花塞16的区域中。
空气经由供气系统5输入到汽缸3中。空气的流动方向通过箭头指出。在所述供气系统5中设置了例如排气涡轮增压器形式的增压设备6。所述增压设备6包括空气压缩机61，所述空气压缩机抽吸环境空气，并且在增压压力下将环境空气提供至所述增压设备6和节流阀7之间的供气部段5的区域中。所述节流阀7被布置在增压设备6与内燃机2的汽缸3之间。
在所述增压设备6的上游设有空气质量传感器8，以便测量从环境抽吸的空气量，并且提供相应的空气量测量信号。
在所述增压设备6的空气压缩机61的下游以及节流阀7的上游还设有压力传感器9，以便测量增压压力，并提供相应的进气压力测量信号。在所述节流阀7与内燃机2的汽缸3之间的供气部段5的区域通常被称为进气管。
排气回收管路10通入到所述进气管中，在所述排气回收管路中布置有排气冷却器11和排气回收阀12。借助于所述排气回收阀12能够调整导入到进气管中的排气的量。
燃烧排气从汽缸3经由排气排出部段13被排出。所述排气排出部段13包括增压设备6的涡轮机62，以便驱动在供气部段5中的增压设备6的空气压缩机61。增压设备6的下游设有用于还原氮氧化物的氮氧化物储存催化剂14。
所述排气回收管路10从排气排出部段13分岔到汽缸3和增压设备6之间的区域中。所述每个汽缸3都具有喷油阀15，以便根据喷射控制信号喷射出燃料。此外，所述每个汽缸3还包括例如火花塞形式的点火设备16，以便受控地通过点火信号在所述汽缸3的燃烧室中产生点火火花。
此外，所述内燃机2还与转速传感器17耦连，利用所述转速传感器能够求得用于内燃机2的瞬时转速的参数，并且提供相应的转速测量信号。
设置控制设备20以便运行内燃机2。所述内燃机2基于预先设定的驾驶期望力矩FWM并根据瞬时运行状态进行触发。
为了求得所述发动机系统1的运行状态，控制设备20采集空气质量测量信号、增压压力测量信号、转速测量信号以及其他信号，并且通过调整节流活门7、排气回收阀12和增压设备6，以及通过确定点火时刻，并且通过触发喷油阀来运行发动机系统1以调整燃料喷射的喷射时刻及喷射持续时间。
能够设置所述控制设备20用于在稀燃运行状态下运行内燃机2。在这种情况下，由内燃机2输出的输出转矩基本上通过喷射的燃料量来确定。所述燃烧在氧气过量的情况下进行。特别地，在增压内燃机2的所示出的情况下对确定点火时刻来说重要的是，以高准确度识别汽缸3的燃烧室中的气体量。对此，借助于空气系统模型并基于空气质量测量信号、增压压力测量信号、转速测量信号以及节流活门7和排气回收阀12的位置对排气回收率进行建模或者说计算。所述排气回收率描述了回收到汽缸3的燃烧室中的排气的量。所述排气回收率相当于回收的排气与充入到汽缸中的全部进气的比例。
在设有增压设备时，以及由于在稀燃运行状态下较宽地打开的节流阀7，所述排气回收率的建模是不准确的，从而由于有待考虑的误差强烈地限制了用于调整点火时刻的有益的、消耗最优的范围。
现在规定，在所述内燃机2的运行过程中，在一个或者多个汽缸3上实施对点火提前角的调整，并探测对所述内燃机2的运行的影响。根据调整点火提前角对内燃机2运行的影响能够推断出，实际排气回收率是否过高、过低或最优。
所述汽缸3中的燃烧曲线随着不同的排气回收率而改变。如果例如排气回收率急剧地提高，则混合物的点燃则会被越来越强烈地延迟，这造成了燃烧重心后移的结果。所述排气回收率与以曲轴转角的角度（°KW）计量的点火延迟之间的关系在图2的曲线图中示出。
较晚的燃烧重心导致了低内燃机驱动力矩。在图3的曲线图中示出了内燃机内部力矩关于点火提前角ZW的曲线。可以看出，从最优点火提前角ZW_opt出发，不论是将点火提前角调整到较晚的点火提前角还是调整到较早的点火提前角，都会导致内部力矩的减小。与此相反，在点火提前角相对于最优点火提前角ZW_opt过早（在图3中最优点火提前角的左侧）的情况下，点火提前角的后调（点火提前角的延迟）导致了驱动力矩的提高，而点火提前角的前调（点火提前角的提前）导致了驱动力矩的降低。在点火提前角与最优点火提前角相比较晚（在图3中最优点火提前角的右侧）的情况下，可观察到相反的情形，即内部力矩在点火提前角进一步延迟（后调）时迅速降低。在进一步后调时出现了明显的点火中断。与此相反，在前调时所述内部力矩略微升高。
现在规定，充分利用该特性以调整最优排气回收率，并且对汽缸3中的一个气缸中、汽缸3中的多个气缸或所有汽缸3中的点火提前角进行暂时的调整，并且对所述内燃机运行特性的相应的反应进行评估。在上述实施例中，根据内燃机2的转速分析所述运行特性。代替所述转速，还可以评估由转速推导出的信号、例如平稳运行信号。这种平稳运行信号反映了转速的均匀性。
在图4的流程图中具体地示出了用于调整所述排气回收率的方法。
在步骤S1中，所述内燃机2在稀燃运行状态下以排气回收率运行，所述排气回收率通常通过预控制有利的设定值（Stellgeber）来调整。通过节流活门7的位置、排气回收阀12的位置、以及在可能的情况下对凸轮轴的调整形成影响排气回收率的技术方案，据此能够控制空气进入到汽缸3中的进气时间。
在步骤S2中，所述汽缸3上的点火提前角被向前调整，也就是说，在时间上向前移动确定的量。如此选择所述前调的量，从而当排气回收率未被最优地调整时，能够探测到驱动力矩的可测的变化。所述前调的量能够被规定为点火提前角的参数或者被规定为根据内燃机2的转速的时间偏移量。
接下来检查，由于所述点火提前角的前调是否导致了相关汽缸3的内部力矩的变化。在汽缸3中由于点火时刻的前调而提高的内部力矩（驱动力矩）可借助于转速测量信号进行探测，在所述汽缸中调整点火时刻。对于相关汽缸3来说，在此情况下分段时间（Segmentzeit）、也就是汽缸处于该工作冲程期间的持续时间变短了。因此在步骤S3中，首先输入转速测量信号，并由此推导出平稳运行信号、分段时间（汽缸中的活塞处于工作冲程期间的持续时间；尤其是上止点和下止点之间的持续时间）或者驱动力矩。
在步骤S4中检查，所述内部力矩是否由于前调而提高。如果是这种情况（可选：是），那么实际的排气回收率则过高，因为利用点火干涉（Zündeingriff）而使燃烧位置的点火延迟变小。
在此情况下，在步骤S5中需要降低所述排气回收率，如上所述，通过节流活门7或排气回收阀12的位置的变化能够影响排气回收率。
如果在步骤S4中确定了，所述内部力矩由于前调没有提高（可选：否），那么实际的排气回收率则不会过高。那么在步骤S6中检查，所述内部力矩由于前调是否降低。这可以根据所述汽缸3的分段时间的延长来确定。如果是这种情况（可选：是），那么实际的排气回收率则过低，并且必须在步骤S7中对其采取措施，以便提高所述排气回收率。如果在所述点火提前角前调时，相关汽缸3的内部力矩没有降低（可选：否），则能够由此得到如下结论，即所述排气回收率并未过高，并且因此能够被允许。
在步骤S5和步骤S7中，如此实施用于修正所述排气回收率的措施，从而增量地改变对一个或多个相关的设定值（Stellgeber）的预控制，或者说为该设定值施加相应的修正值，从而所述实际的排气回收率在步骤S3至S7的多级流程中能够移动至最优的排气回收率。
原则上，步骤S3中所述的方法也能够利用一个或多个汽缸3中的点火提前角的后调来实施，其中，在驱动力矩升高时能够确定过低的排气回收率，并且在驱动力矩降低时能够确定过高的排气回收率。如果所述排气回收率对于内燃机的瞬时工作点来说过高，则进一步的后调能够导致如下结果，即出现显著变差的性能以及点火中断，所述结果是能够被由内燃机驱动的汽车的驾驶员所察觉的。出于该原因有利的是，首先进行所述点火提前角的前调，进而检查，是否存在过高的排气回收率。

Claims (9)

1.用于调整具有内燃机（2）的发动机系统（1）中的排气回收率的方法，其中，所述排气回收率反映了回收到所述内燃机（2）的汽缸（3）中的排气关于处于汽缸（3）中的全部气体量的比例，所述方法包括以下步骤：
- 根据所述排气回收率的预先设定值运行（S1）所述内燃机（2），其中，在确定的点火时刻点燃汽缸中的空气-燃料混合物；
- 调整（S2）所述内燃机（2）的汽缸（3）中的点火时刻；
- 根据所述内燃机（2）的运行特性由于点火时刻的调整而发生的变化，来修正（S5、S7）所述排气回收率的预先设定值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，为了运行所述内燃机（2），借助于调整节流活门（7）和/或发动机系统（1）的供气部段中的增压压力和/或借助于调整排气回收阀（12）和/或借助于调整凸轮轴位置来实施所述排气回收率的预先设定值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述内燃机（2）的运行特性的变化表现为所述内燃机（2）的转速曲线的变化、所提供的平稳运行信号的变化，所述平稳运行信号反映了转速曲线的均匀性。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，当通过调整点火时刻而出现由所述内燃机（2）提供的力矩减小时，修正所述排气回收率的预先设定值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，当在点火时刻延迟的情况下出现由所述内燃机（2）提供的力矩减小时，以及当在点火时刻提前的情况下出现由所述内燃机（2）提供的力矩增大时，所述排气回收率的预先设定值通过施加修正值而降低。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，当在点火时刻延迟的情况下出现由所述内燃机（2）提供的力矩增大时，以及当在点火时刻提前的情况下出现由所述内燃机（2）提供的力矩减小时，所述排气回收率的预先设定值通过施加修正值而增加。
7.用于调整发动机系统（1）中的排气回收率的装置，所述发动机系统具有内燃机（2）、尤其是吸气式发动机或者增压内燃机（2），其中，所述排气回收率反映了回收到所述内燃机（2）的汽缸（3）中的排气关于处于汽缸（3）中的全部气体量的比例，其中，构造所述装置：
- 以便根据对所述排气回收率的预先设定值运行所述内燃机（2），其中，在确定的点火时刻点燃汽缸（3）中的空气-燃料混合物；
- 以便调整所述内燃机（2）的汽缸（3）中的点火时刻；
- 以便根据所述内燃机（2）的运行特性由于点火时刻的调整而发生的变化，来修正所述排气回收率的预先设定值。
8.内燃机系统（1），其包括：
- 内燃机（2）；
- 根据权利要求7所述的装置。
9.计算机程序产品，其包含程序代码，当在数据处理单元中执行所述程序代码时，所述计算机程序产品实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
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