CN104675531B - 用于调节内燃机的气缸内的充气量的方法和装置 - Google Patents

用于调节内燃机的气缸内的充气量的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于调节内燃机的气缸内的充气量的方法和装置。用于在预定额定充气量（rlsol）时用凸轮轴相位调整对内燃机（2）的充气量（rl）进行充气量调节的方法包括下列步骤：‑在压力差异数据的基础上执行充气量调节，以便获得用于调整到内燃机（2）的空气质量输入的调整参数（）；以及‑求出压力差异数据（△pSR）作为在所预测的进气管压力（psrpred）和实际的进气管压力（pSR）之间的差异，其中，所预测的进气管压力（psrpred）对应于为在针对预定的时间常量（）进行预测的吸收曲线中达到额定充气量（rlsol）而必需的进气管压力。

Description

用于调节内燃机的气缸内的充气量的方法和装置
技术领域
本发明涉及内燃机，尤其是汽油机，它们的运行工况能够通过预定气缸内的空气充气量被调整。
背景技术
在当前的发动机控制机构中，内燃机的气缸内的空气充气量通常通过调整节气门来调整。原则上以此为出发点，即，通过节气门的质量流量在进气管压力起振后对应流入气缸的新鲜空气质量。
充气量调节通常规定，在节气门上仅调整质量流量，其被静态地用来达到额定充气量。在一个与总系统的结构相关的进气管-时间常量中，进气管压力达到了期望的额定值或与此相关的气缸充气量达到了相应的充气量额定值。进气管-时间常量取决于进气管容积、进气管温度和发动机吸收曲线以及可以从状态方程通过计算得出。
用于调节内燃机的气缸中的空气充气量的充气量调节器的目的在于，这样来影响直至达到进气管压力额定值或气缸充气量额定值的持续时间，使得这个持续时间变得最小。但迄今为止的充气量调节器的基础，即利用在节气门上的质量流量作为针对气缸充气量的尺度，并不精确，因为对气缸充气量起决定性作用的参数，亦即进气管压力，在进气门关闭时保持不引人注意。这就是说，当人们有针对性地将在节气门上的质量流量调整到静态的额定值之上或之下时，进气管压力形成或进气管压力下降以及因此充气量形成或充气量下降可能被加速。为此建立了一个与时间相关的差分的状态方程，在该方程中应当实现压力形成，其中，进行了一种简化，在简化之后，瞬态的吸收值对应额定的吸收值以及瞬态的剩余气体份额对应额定的剩余气体份额。
但在凸轮轴相位调整对内燃机的吸收曲线有重大影响的发动机中，这种简化是不允许的。若同样在简化的做法中例如在恒定不变的充气量要求下来调节凸轮轴，那么吸收特性以及因此充气量都会改变。但充气量调节器在迄今为止的设计方案中都被构造成，使这个充气量调节器在空气充气量偏离额定空气充气量时才可以进行干预。
发明内容
按照本发明，规定了一种调节在内燃机的气缸内的空气充气量的方法以及一种相应的装置、发动机系统和计算机程序产品。
本发明还给出了其它的设计方案。
按照第一个方面，规定了一种在预定额定充气量时用凸轮轴相位调节对内燃机的充气量进行充气量调节的方法，其包括下列步骤:
- 在压力差异数据的基础上执行充气量调节，以便获得用于调整到内燃机的空气质量输入的调整参数；以及
- 求出压力差异数据以作为在所预测的进气管压力和实际的进气管压力之间的差异，其中，所预测的进气管压力对应于为在针对预定的时间常量进行预测的吸收曲线中达到额定充气量而必需的进气管压力。
用于内燃机的充气量调节器通常作为输入参数获得了一个针对在额定进气管压力和实际进气管压力之间的差的压力差异数据，并且此外还根据预定的额定充气量产生了相应的调整参数，该调整参数说明调整。若发生了凸轮轴相位调节器的调整，那么就从凸轮轴相位调节器的有待出发的额定位置求出了迄今为止的额定进气管压力，这可能导致在凸轮轴相位调整时充气量调节器的调整过度。
上述方法的思想在于，充气量调节器提供了一个压力差异数据作为输入参数，其说明了在达到额定充气量所需的、在针对期望的时间常量所预测的吸收曲线中得出的进气管压力和实际进气管压力之间的差异，例如差。为此必需的是，为每一个调节循环求出所预测的吸收曲线和所预测的剩余气体份额，其中，可以执行对时间水平的预测，时间水平对应充气量调节器的调节持续时间。预测具有这样的目的，即，根据在特定持续时间后凸轮轴相位调整器的所预测的位置来确定所预测的吸收曲线。
由此可以提供一种用于充气量调节的方法，充气量调节即使在凸轮轴相位调整中也提供了对充气量的一种令人满意的调节。
通过这样修正充气量调节，即，仅根据一种基于凸轮轴相位调整变化的吸收特性来修正充气量调节的输入参数，也能以简单的方式在即使伴随凸轮轴相位调节的内燃机中使用充气量调节器。
此外可以规定，压力差异数据被作为压差求出。
可以规定，所预测的吸收曲线的至少一个斜率在所预测的凸轮轴相位调整的基础上被调适，它尤其在考虑到凸轮轴调节速度的情况下被作为在通过所预定的时间常量确定的循环持续时间期间的变化求出。
按照一种实施形式，吸收曲线的斜率可以在燃烧室的容积与关闭内燃机的气缸的进气门的时间点的关系的基础上在所预测的以及当前的凸轮轴相位调整下被求出。
可以规定，剩余气体份额作为所预测的吸收曲线的偏移量在所预测的凸轮轴相位调整的基础上被调适，其中，所预测的剩余气体份额（借助剩余气体份额的压力说明）在内燃机的气缸的进气门的关闭时间点上在当前的以及所预测的凸轮轴相位调整下被求出。
此外，所预测的进气管压力可以从所预测的吸收曲线和预定的额定充气量求出。
按照另一个方面，规定了一种用于在预定额定充气量时用凸轮轴相位调整对内燃机的充气量进行充气量调节的装置，其中，该装置被构造用于：
- 在压力差异数据的基础上执行充气量调节，以便获得用于调整到内燃机的空气质量输入的调整参数；以及
- 求出作为在所预测的进气管压力和实际进气管压力之间的差异的压力差异数据，其中，所预测的进气管压力对应这样一个进气管压力，其在针对预定的时间常量进行预测的吸收曲线中是达到额定充气量必需的。
按照另一个方面，设置计算机程序产品，其包含程序编码，当程序编码在计算装置，特别是上述装置中被实施时，该程序编码执行上述方法。
附图说明
接下来借助附图详细阐释本发明的优选的实施形式。附图中：
图1示意性示出了有内燃机的发动机系统；
图2是用于说明执行在按图1的发动机系统中的充气量调节的功能图表；以及
图3是用于示出在两个负荷更换时状态参数的变化的时间变化图。
具体实施方式
图1示意性地示出了一种带有内燃机2，尤其是汽油机的发动机系统1，内燃机具有多个，在所示实施例中为四个气缸3。气缸3配设有进气门4，空气可以通过这些进气门对应内燃机的各气缸的工作冲程循环地从进气系统6的进气管区段5进入气缸3。
进气门4与凸轮轴6联接，凸轮轴通过内燃机2的曲轴8被驱动。通过凸轮轴7的转动来控制进气门，因而这些进气门对应升程曲线根据曲轴8的曲轴角打开和关闭。
此外设置一个凸轮轴相位调整单元10，用其可以与曲轴8的转动角位置相关地，也就是说根据活塞在气缸3内的各相位，有控制地调整进气门4的打开和关闭时间，也就是说进气门的相位。
凸轮轴相位调整说明了一种用于改变运行中汽油机的气门控制的控制时间的方法。在此，相关的气门的升程曲线（参照曲轴角）的长度不被改变，而是仅它们的关于曲轴角的相位被调适。进气门和排气门的打开和关闭时间的调适根据各负荷情况允许了内燃机的效率提升。这种提升可以起到获得功率和扭矩的作用或起到节省燃油的作用。
所有通过进气门4流入气缸3的空气都通过进气管区段5被提供。通过进气门4流入气缸3的空气量，被称为充气量rl以及决定性地由在关闭进气门4的时间点上在进气管区段5内的实际进气管压力pSR决定。实际进气管压力pSR可以借助进气管压力传感器11被测得或者通过以其它系统参数为基础借助进气管压力模型建模。
为了影响进气管压力pSR，在进气系统6中布置一个节气门12，它的位置，尤其是它的角位置DW，确定了在进气系统6中的流动阻力以及因此可以决定性地调整进气管压力pSR。
设控制单元15，该控制单元通过调整位置编码器，如节气门、凸轮轴相位调整器10、用于喷射燃油的喷油阀和类似物，来控制内燃机2的运行。
在控制单元15中执行充气量调节，充气量调节根据负荷预值V来预定针对气缸3的额定充气量rlsol，额定充气量应当通过充气量调节尽可能快地被达到。
对传统的充气量调节器适用的是：
用
得出
其中，pSR表示进气管压力，V表示进气管容积，R表示气体常数，T表示在进气管中的空气温度，m表示空气质量，dm/dt表示空气质量流量，msdk表示通过节气门12的空气质量流量，pbrint表示在气缸3中的剩余气体的压力，fupsrl表示内燃机2的吸收特征线的斜率，fupsrls表示内燃机2的吸收特征线的斜率的额定值，pbrints表示在气缸3中的剩余气体的压力的额定值以及umsrln表示预定的换算因数。
充气量调节的干预基于节气门12的调整，其中，针对节气门12的调整角如下得出：
其中，rlsol表示充气量额定值，rl表示充气量，表示针对节气门12的调整角作为充气量调节的调整参数以及g ( )表示图像函数。
不过因为凸轮轴相位调整对内燃机2的吸收曲线有很大的影响，所以基于在额定进气管压力pSRsol和实际进气管压力pSR之间的简单的差的充气量调节是不精确的。当实际充气量rl偏离额定充气量rlsol时，充气量调节器在恒定不变的充气要求下在调整凸轮轴7的相位角时才进行干预，不过这种偏离应当被充气量调节器阻止。在极为缓慢地被调整或未被调整的凸轮轴7中，充气量调节器过早以及过于强烈地反应，这会造成充气量调整过度或充气量调整不足。因此上述的简化在考虑到吸收特性时基于凸轮轴7的相位调整的额定值时，但在凸轮轴相位调整对吸收曲线有巨大影响的内燃机中，是不允许的。
若人们忽略上述简化，那么可以避免在实际充气量rl与额定充气量rlsol之间的偏差。
为了在考虑到变化的吸收特性曲线的情况下来运行充气量调节器，必须取代传统的进气量调节器的针对在额定进气管压力和实际进气管压力之间的压差的压力差异数据地使用经调适的压力差异数据。
接下来参考图2的功能图表详细说明充气量调节。
额定进气管压力pSRsol由此计算：
但上述公式并没有观察到实际控制时间的协调所需的改变，因而规定，pbrint和fupsrls说明了针对新的额定控制时间的发动机吸收曲线。
为此，必须预测针对时间水平的吸收特性曲线，时间水平对应充气量调节器21的调节持续时间，也就是说其时间常量。为此需要预测，在这个时间点上凸轮轴7处在哪个位置上。
所预测的凸轮轴相位调整在凸轮轴调整单元22中被确定以及可以由被预定的本身公知的运动方程根据当前的凸轮轴相位（凸轮轴角）wnw以及凸轮轴调整速度vwnw和预测水平△t的积求出，其中，wnwpred对应所预测的凸轮轴相位调整，wnw对应凸轮轴相位调整（Nockenwellen-Phasenverstellung），vwnw对应凸轮轴相位调整速度。
在此，必须考虑的是，凸轮轴7不能超过其机械止挡地被调整。凸轮轴调整速度vwnw在此通常可以从每个计算网格的当前的凸轮轴角的变化wmw新– wnw旧求出。
若凸轮轴相位调整的检测消失，那么得出的速度就可以例如借助低通滤波器被过滤。此外，过滤可以被这样设计，使得在很大的实际的凸轮轴调整速度下完成很小的过滤干预以及在近似静态的运行下完成很高的过滤干预。
若凸轮轴7从静止位置起被调整，那么就产生了在额定值的输出和凸轮轴7的实际的运动之间的一个静止时间。倘若上述用于求出凸轮轴调整速度的方法尽管由于凸轮轴7的运动但仍求出了调整速度为0，那么在静止时间期间凸轮轴7的调整速度就应当借助凸轮轴模型被模型化。
为了在吸收曲线调适方块23中计算所预测的吸收曲线，原则上存在这样的可能性，即，重新为所预测的凸轮轴相位调整预计充气量检测。不过因为预测水平△t较长（典型地为50至500毫秒），粗略的计算已经足够。例如构造成假设线性的发动机吸收曲线的斜率fupsrl按照气缸容积与关闭进气门4的时间点的关系在当前的和所预测的凸轮轴相位调整wnw、wnwpred之间发生变化：
其中，FVBR对应在特定的凸轮轴相位调整wnwpred、wnw下的燃烧室容积，h ( )对应预定的计算规则以及fupsrlpred对应所预测的吸收曲线的斜率。
假设，不是剩余部分压力，而是剩余气体含量保持近似恒定不变，那么也可以计算所预测的剩余气体部分压力pbrintpred
伴有预定的计算规则j ( )。
所预测的额定进气管压力然后在进气管压力调适块24中基于吸收曲线得出
伴有预定的吸收曲线函数k ( )。
所预测的空气充气量rlpred由所预测的实际进气管压力psrpred和所预测的吸收曲线计算得出。时间水平在这种情况下是在实施对所预测的空气充气量rlpred以及进气门4的关闭的时间点的计算之间的时间间隔。针对这个时间水平，再次借助凸轮轴调整速度来计算所预测的凸轮轴角。
由此可以如下求出在每一个计算时间点上的调整参数：
伴随
其中，r( )对应预定的调整参数函数。压力差异数据可以通过的差计算在微分器25中求出。
为了使总系统协调，可能必需的是，尽管是基于压力（P-basiert）的充气量调节器，但当凸轮轴7的调整改变充气量要比节气门12在最快的情形下对此作出的反应来得强烈时，对凸轮轴7的额定值进行过滤。
在图3中示出了时间变化图表以说明在两个负荷更换下状态参数的时间变化。人们看到参数空气充气量rl、进气管压力pSR，凸轮轴位置wnw，充气量调节器的调整参数以及节气门角度DW在经过时间t时的变化。

Claims (9)

1.用于在预定额定充气量（rlsol）时用凸轮轴相位调整对内燃机（2）的充气量（rl）进行充气量调节的方法，包括下列步骤：
- 在压力差异数据的基础上执行充气量调节，以便获得用于调整到内燃机（2）的空气质量输入的调整参数（）；以及
- 求出压力差异数据（△pSR）作为在所预测的进气管压力（psrpred）和实际的进气管压力（pSR）之间的差异，其中所预测的进气管压力（psrpred）对应于为在针对预定的时间常量（）进行预测的吸收曲线中达到额定充气量（rlsol）所必需的进气管压力。
2.按权利要求1所述的方法，其中，压力差异数据（△pSR）被作为压差求出。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中，所预测的吸收曲线的至少一个斜率（fupsrl）在所预测的凸轮轴相位调整的基础上被调适，它在考虑到凸轮轴调节速度（vwnw）的情况下被作为在通过所预定的时间常量确定的循环持续时间期间的变化求出。
4.按权利要求3所述的方法，其中，吸收曲线的斜率（fupsrlpred）在燃烧室的容积与关闭内燃机（2）的气缸（3）的进气门（4）的时间点的关系的基础上在所预测的以及当前的凸轮轴相位调整下被求出。
5.按权利要求3所述的方法，其中，剩余气体份额作为所预测的吸收曲线的偏移量在所预测的凸轮轴相位调整的基础上被调适，其中所预测的剩余气体份额在内燃机（2）的气缸（3）的进气门（4）的关闭时间点上在当前的以及所预测的凸轮轴相位调整下被求出。
6.按权利要求1或2所述的方法，其中，从所预测的吸收曲线和预定的额定充气量（rlsol）中求出所预测的进气管压力（psrpred）。
7.用于在预定额定充气量（rlsol）时用凸轮轴相位调整对内燃机（2）的充气量进行充气量调节的装置，其中，该装置被构造用于：
- 在压力差异数据（△pSR）的基础上执行充气量调节，以便获得用于调整到内燃机（2）的空气质量输入的调整参数（）；以及
- 求出压力差异数据（△pSR）作为在所预测的进气管压力（psrpred）和实际的进气管压力（pSR）之间的差异，其中所预测的进气管压力（psrpred）对应于为在针对预定的时间常量进行预测的吸收曲线中达到额定充气量（rlsol）而必需的进气管压力。
8.电子存储介质，带有程序编码工具的计算机程序被储存在该电子存储介质上，用于当该计算机程序在计算机上或按权利要求7所述的装置上被实施时执行按权利要求1至6任一项所述的方法的所有步骤。
9.电子控制器，其具有按权利要求8所述的电子存储介质。
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