CN104838116A - 喷射到发动机尤其柴油发动机中的燃料量的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种用于喷射到内燃发动机的气缸中的燃料质量的确定方法，所述气缸配备有压力传感器，所述方法包括以下步骤：从所测量的压力一方面确定在所述气缸中主要的相对应的温度，以及另一方面确定所释放的热量；对在预定区间上所释放的热量进行积分，以确定累积热量；估算热损失，通过一方面考虑由辐射引起的取决于所测量的温度的四次方的热损失，以及另一方面考虑由传导和/或对流引起的两者均取决于所测量的温度和相对应的发动机工况的热损失，根据下列公式：Q_P = HR_CUM其中：Q_P是对应于热损失的热量；HR_CUM是所述累积热量；是所述累积热量的校正因子；确定与所述累积热量加上热损失成正比的所喷射的燃料量。

Description

喷射到发动机尤其柴油发动机中的燃料量的确定方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定喷射到发动机，尤其柴油型发动机中的燃料量的方法。

背景技术

在柴油型发动机中，在燃烧室中对空气进行压缩然后在压力下将燃料喷射到该室中。然后在喷射期间燃烧室中的温度和压力情况使燃料得以燃烧。

为了更好地控制发动机而且还限制污染物的排放，更好地控制燃料在燃烧室内进行燃烧的条件是适合的。关于燃料喷射，优选地是不在单次喷射中喷射燃烧所必需的燃料量，而是实行称为“先导喷射”的第一次喷射，然后进行第二次喷射或者“主喷射”。在先导喷射期间，在一次喷射或者在若干连续“微喷射”中喷射少量燃料。此燃料燃烧使得在燃烧室内的温度和压力增加，以及由此促进在主喷射期间所喷射燃料的燃烧。此燃料喷射方法一方面使发动机噪声减小，且另一方面限制了氮氧化物（命名成NO_x的化合物）的排放，例如一氧化氮NO和二氧化氮NO₂。

本发明此处尤其关注在循环期间喷射到燃烧室中的燃料量的控制。

燃料借助于喷射器喷射到燃烧室中，该喷射器根据从发动机相对应的控制和命令装置所接收的信号来供应燃料量。这些喷射器具有根据老化程度、操作条件等随着其初始设计中固有的灵敏度变化的特性。

通过装载在各个喷射器中的功能来实现所喷射的燃料量的控制，这些功能是为了测量实际喷射的量，且如果在期望量与实际喷射量之间发现偏差，则其允许校正喷射量。此控制功能一般由喷射器制造商开发，并且如果发动机配备有λ探针（sonde lamda），则最通常基于在喷射实验期间对发动机工况的振荡分析和/或基于对富余度的分析。

文献FR 2 901 848描述了一种用于先导喷射流量校正的方法和设备。所描述的设备包括：用于在有或者没有先导喷射的情况下基于在气缸内的压力测量（通过该压力测量推导出热量释放值）或者基于发动机转数测量（通过发动机转数推导出旋转速度差）的流量值估算模块。

现有技术教导了根据由G. Woschni开发的考虑热损失的模型，其包括计算曲轴的所有程度的损失。由此类考虑热损失的方法产生的存储空间和计算时间与热机的连续发动机循环的运行快速性、发动机计算机的尺寸和成本很难兼容。

文献DE 10 2007 061225 A1和FR 2 846 373 A1教导了用于从气缸压力和对所释放热量的计算确定喷射到内燃发动机的气缸中的燃料质量的方法。这些模型未考虑到热损失。

发明内容

相对于现有技术已知的解决方案，本发明的目的在于提供一种更准确的用于确定由喷射器喷射的燃料量的方法。

由本发明所提出的解决方案优选地独立于联接至发动机的变速器。以此方式，可以减少在具有共用的发动机的车辆平台的管理中的成本。

为此，本发明提出了一种用于确定喷射到内燃发动机的气缸中的燃料质量的方法，所述气缸配备有能够检测在其内部的主导压力的传感器。

根据本发明，该方法包括以下步骤：

·从所测量的压力一方面确定在所述气缸中相对应的主导温度，以及另一方面确定所释放的热量；

·对在预定区间上所释放的热量进行积分，以确定累积热量；

·估算热损失，通过首先考虑由辐射引起的取决于所测量的温度的四次方的热损失，以及其次考虑由传导和/或对流引起的两者均取决于所测量的温度和相对应的发动机工况的热损失，根据下列公式：

Q_P =                                                HR_CUM

其中：

Q_P是对应于热损失的热量；

HR_CUM是所述累积热量；

是所述累积热量的校正因子；

·确定与所述累积热量加上热损失成正比的所喷射的燃料量。

以创造性的方式，此方法借助于基于由在燃烧室中的燃料燃烧所释放的总能量的模型进行估算。由于根据本发明所定义的模型使能考虑到热损失，因此其允许非常准确的结果。根据此模型，在发动机控制系统的背景下，随后进行尤其有利的选择来考虑热损失。特别地，根据本发明，对于与在所考虑的发动机循环整体上计算的热量释放成正比的热损失的公式的选择使得将累积热量的校正因子在所述发动机循环的燃烧循环期间视作常数。此校正因子因此独立于曲轴在所考虑的循环中的角位置。因此，特别地，使用此方法的计算机的存储空间和计算时间是有限的。

在根据本发明的此确定方法中，可以通过假设一方面压力和体积的乘积与另一方面温度的比值是常数，由此能够通过压力来计算温度。

例如，在完整的燃烧循环期间，对所释放热量进行积分针对四冲程发动机是在720°的区间上进行的。然而，也可以在更短区间上进行计算，以便例如控制在燃料喷射期间实施的先导喷射。还可以预见到，对于根据曲轴的旋转角度来跟踪在燃烧循环期间所喷射的质量的变化。

为了提高根据本发明的确定方法的准确度，热损失估算还有利地考虑气流在其进入气缸之前的密度增加。

为了实施喷射到燃烧室中的燃料质量的确定方法，本文中提出了优选实施例的变型，其借助于以下公式来估算由辐射引起的热损失：

Q_R = B HR_CUM (T_max ⁴ – T_CO ⁴) / T_CO ⁴

其中：

Q_R是由辐射所耗散的热量；

B是常数；

HR_CUM是累积热量；

T_max是在对于确定累积热量所考虑的预定区间上所确定的最大温度；

T_CO是发动机温度。

同样地，一个优选实施例的变型提供了借助于以下公式来估算由传导和/或对流引起的热损失：

Q_C = f(N) HR_CUM (T_max–T_CO) / T_CO

其中：

Q_C 是由传导和/或对流所耗散的热量；

f(N)是具有对应于发动机工况的变量N的函数；

T_max是在对于确定累积热量所考虑的预定区间上所确定的最大温度；

T_CO是发动机温度。

通过使用上面的优选变型，提出了借助于以下公式来估算热损失：

Q_P = A HR_CUM + Q_R + Q_C + C HR_CUM P_in / P_amb

其中：

Q_P是对应于热损失的热量；

A和C是常数；

P_in是气流正要进入气缸之前的压力；

P_amb是大气压力；

在此公式中，累积热量的所述校正因子因此写成如下形式：

=A + B (T_max ⁴–T_CO ⁴) / T_CO ⁴ + f(N) (T_max–T_CO) / T_CO + C P_in / P_amb。

本发明还涉及一种用于喷射至内燃发动机中的燃料流量的校正方法，其特征在于，其包括以下步骤：

·确定在如上所述的燃烧循环期间所喷射的燃料量；

·将在前述步骤中确定的燃料量与对应于在相同燃烧循环期间待喷射的燃料量的命令值进行比较；以及

·重复前述的确定和比较步骤；

·使用由如上所述的方法确定的燃料量与命令量之间的比较结果，用于限定出校正值以应用于对应于待喷射燃料量的命令值。

本发明还涉及一种用于确定喷射到内燃发动机的气缸中的燃料量的设备，其特征在于，该设备包括用于执行如上所描述的方法的各个步骤的装置。

本发明还涉及一种用于管理和控制内燃发动机的设备，其特征在于，该设备包括用于执行如上所描述的方法的各个步骤的装置。

附图说明

本发明的细节和优点将通过以下参照示意性附图的说明而变得更加清楚，在附图中：

唯一的附图示意性地表现根据本发明的用于确定喷射到内燃发动机的气缸中的燃料量的方法的步骤。

具体实施方式

在唯一的附图中图示的方法允许确定喷射到内燃发动机的气缸中的燃料的累积质量。本发明更具体地涉及通过压缩点火的发动机，也称作柴油发动机。在此类发动机中，气缸设置在发动机组中并且由气缸盖关闭。活塞在各个气缸中是可移动的并且利用相对应气缸的气缸盖和气缸壁限定出体积可变的燃烧室。在其气缸中进行平移运动的活塞连接至由旋转运动推动的曲轴。在下文中将根据本领域的技术人员所熟知的以四冲程循环运行的此类发动机。由此，为了实施气缸中的完整循环，曲轴旋转两圈，即720°。

为了实施本发明，合适的是至少一个气缸配备有测量在相对应压力室中的压力的压力传感器。

本发明提出借助于基于燃烧燃料所释放的总能量的模型在完整的燃烧循环期间对喷射到配备有压力传感器的气缸中的燃料质量进行估算。此总能量尤其通过由相对应气缸的压力传感器所提供的信息来计算。

在唯一的图中，第一曲线2图示根据曲轴的角位置所测量的测量压力P_cyl。此处，例如考虑曲轴旋转以从0°到720°的区间。曲线2仅示出了该区间的对应于压力变化最大的一部分上的此曲线的部分。

为了确定在所考虑的燃烧循环期间喷射的燃料量，需要计算由喷射燃料的燃烧所释放的总能量。此总能量E是释放热量HR与热损失Q的和，其一部分转换成做功的释放热量HR，以及另一部分是在气缸中的热损失Q。

E = HR + Q。

通过以下关系给出在对应于曲轴的位置的给定点处的热量释放HR：

其中：

g是理想气体的常数，例如，此处设置为1.32，以便获得表示气体在燃烧循环的膨胀相中的值；

dV / d是燃烧室的体积相对于曲轴的旋转角度的导数；

N是曲轴的旋转速度；

V是燃烧室的体积（同时取决于和P_cyl）；

dP_cyl/ d是燃烧室中的主导压力相对于曲轴的旋转角度的导数。

通过以下公式给出根据时间的热量释放HR：

HR(t) = HR(θ) × 6 × N

在唯一的图中，曲线图4示出了根据曲轴的角位置的热量释放HR通常具有的形态。

HR_CUM是在燃烧室处释放的总热量或者累积热量，自然不包括热损失，由于此热量是来自于气缸压力。因此具有：

提出用以下形式表示热损失Q：

Q =HR_CUM

然后得到：

E = (1+) HR_CUM

其中，> 0。

项可以视为校正项，或者以另一种形式表述，热损失是在气缸处发生的热损失的校正因子。

本发明考虑热损失主要是由与在气缸中的高温相关联的热辐射以及由在燃烧室壁处的热量的对流和/或传导所引起的。Q_R是与辐射相关联的热损失；以及Q_C是与在燃烧循环期间的与传导和/或对流相关联的热损失。

本发明采用以下公式表示Q_R：

Q_R = B HR_CUM (T_max ⁴–T_CO ⁴) / T_CO ⁴

其中：

B是待由校准确定的常数；

T_max是在所考虑的燃烧循环期间所确定的最大温度；

T_CO是发动机温度。在现代发动机中设有传感器，用于控制对应于冷却液体温度的此发动机温度。

燃烧室中的温度可以通过压力测量来确定。实际上，对于给定量的气体，商PV/T是常数，P代表气体压力，V是其体积，以及T是其温度。通过将引入到燃烧室中的气体（空气）的体积作为参考，得到以下等式：

P_in V_in / T_in = P_cyl() V() / T_cyl()

其中：

P_in是在燃烧室入口处的气压；

V_in对应于燃烧室的最大体积；

T_in对应于进入燃烧室的空气的温度。

因此得到：

T_cyl() = P_cyl() V() T_in / P_in V_in

此关系由此给出在气缸中的对于每次压力测量的相对应的温度，由于相对于曲轴位置体积的变化是已知的。在唯一附图中的曲线6图示温度根据曲轴角位置变化的曲线。

按照与由辐射引起的损失相同的方式，本发明提出采用以下公式表示Q_C：

Q_C = f(N) HR_CUM (T_max–T_CO) / T_CO

其中，f(N)是具有对应于发动机工况的变量N的函数。此函数通过校准来确定。它通常是递减函数。

为了获得对热损失的更准确的估计，还可优选地考虑相对于环境空气的空气密度增加。由此还提出引入校正项以考虑此密度增加。因此，应该将商P_in / P_amb引入给出校正项的公式中，其中，P_in是如上所限定的空气在进入气缸之前的压力，以及P_amb是大气压力。

总而言之，鉴于以上说明，在本发明的优选实施例的形式中，由此得到：

=A + B (T_max ⁴ – T_CO ⁴) / T_CO ⁴ + f(N) (T_max–T_CO) / T_CO + C P_in / P_amb

其中，A是常数，以及先前已经限定出了其它项。

在此公式中，常数A、B和C如函数f(N)一样通过校准得到。

如上面所指示的，通过积分得到对应于由发动机所提供的有用功的总热量或者累积热量HR_CUM。热损失对应于HR_CUM，以及由注入燃烧室中的燃料所提供的总能量E是有用功和损失的和。在唯一的附图上的曲线8示意性地图示了热量的积分，以及曲线10图示了总能量相对于曲轴旋转角度（(crk）的积分。

所燃烧的燃料质量与在燃烧循环期间释放的总能量成正比。LHV（低热值，英语是Lower Heating Value，法语是pouvoir calorifique inferieur）是指示在燃烧期间每单位质量燃料所释放的能量，由此得到：

MF = E / LHV

其中，MF是所需燃料质量。

在唯一的附图上，曲线12显示在燃烧循环期间MF的变化。

本领域的技术人员将理解，上面所描述的方法可以实施来在了解完整的燃烧循环中喷射的燃料量，或者来确定喷射的燃料量在燃烧循环期间的变化。在第一种情况下，可以在燃烧循环结束时进行单次计算。在第二种情况下，例如可以在曲轴的各个旋转度处进行计算。在后一种情况下，可以控制喷射到气缸中的先导喷射，但却要求大量的计算，以及因此必须提供能够实现所有这些计算的计算机。

在所有情况下，根据本发明的方法允许了解喷射到配备有压力传感器的气缸中的燃料总量。如果在通过上面所描述的方法测量得到的喷射的总燃料量与待喷射的燃料量（命令值）之间明显存在恒定的差异，则此了解允许诊断相对应的燃料喷射器的偏差。

因此，例如，一种用于校正喷射到内燃发动机中的燃料流量的方法包括以下步骤：

·确定在如上所描述的燃烧循环期间喷射的燃料量；

·将在前述步骤中确定的燃料量与对应于在相同燃烧循环期间待喷射的燃料量的命令值进行比较；以及

·重复前述的确定和比较步骤；

·使用在通过如上所描述的方法确定的燃料量与命令量之间的比较结果，用于限定出校正值以应用于对应于待喷射燃料量的命令值。

所实现的试验已经表明，使用根据本发明的方法确定喷射的燃料量是准确且稳健的。它可以在发动机的所有运行条件下使用：在启动时、在匀速工况时、具有冷的或者热的发动机时、在所有工况下以及在所有发动机载荷下等等。

本发明不限于上面作为非限制性示例所描述的优选实施例的形式，相反地其还涉及所提及的所有实施例的变型和在本领域的技术人员的范围内的实施例。

Claims (9)

1.一种用于喷射到内燃发动机的气缸中的燃料质量的确定方法，所述气缸配备有能够检测在其内部的主导压力的传感器，

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

·从所测量的压力一方面确定在所述气缸中相对应的主导的温度，以及另一方面确定所释放的热量；

·对在预定区间上所释放的热量进行积分，以确定累积热量；

·估算热损失，通过一方面考虑由辐射引起的取决于所测量的温度的四次方的热损失，以及另一方面考虑由传导和/或对流引起的两者均取决于所测量的温度和相对应的发动机工况的热损失，根据下列公式：

Q_P =                                                HR_CUM

其中：

Q_P是对应于热损失的热量；

HR_CUM是所述累积热量；

是所述累积热量的校正因子；

·确定与所述累积热量加上热损失成正比的所喷射的燃料量。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，通过一方面假设压力和体积的乘积与另一方面温度的比值是常数，由此通过所述压力来计算所述温度。

3.根据权利要求1或者2中任一项所述的确定方法，其特征在于，对所释放的热量进行积分是在完整的燃烧循环期间上实现，即，对于四冲程发动机的720°的区间上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的确定方法，其特征在于，热损失的估算还要考虑气流在其进入所述气缸之前的密度增加。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的确定方法，其特征在于，借助于以下公式来估算由辐射引起的热损失：

Q_R = B HR_CUM (T_max ⁴ – T_CO ⁴) / T_CO ⁴

其中：

Q_R是由辐射所耗散的热量；

B是常数；

HR_CUM是所述累积热量；

T_max是在对于确定所述累积热量所考虑的预定区间上所确定的最大温度；

T_CO是发动机温度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的确定方法，其特征在于，通过使用以下公式来估算由传导和/或对流引起的热损失：

Q_C = f(N) HR_CUM (T_max–T_CO) / T_CO

其中：

Q_C 是由传导和/或对流所耗散的热量；

f(N)是具有对应于所述发动机工况的变量N的函数；

T_max是在对于确定所述累积热量所考虑的预定区间上所确定的最大温度；

T_CO是发动机温度。

7.根据权利要求4、5和6中任一项所述的确定方法，其特征在于，借助于以下公式来估算热损失：

Q_P = A HR_CUM + Q_R + Q_C + C HR_CUM P_in / P_amb

其中：

Q_P是对应于热损失的热量；

A和C是常数；

P_in是气流在其正要进入所述气缸之前的压力；

P_amb是大气压力；

在此公式中，由此所述累积热量的所述校正因子写成如下形式：

=A + B (T_max ⁴–T_CO ⁴) / T_CO ⁴ + f(N) (T_max–T_CO) / T_CO + C P_in / P_amb。

8.一种用于喷射到内燃发动机中的燃料流量的校正方法，其特征在于，所述校正方法包括以下步骤：

·确定在根据权利要求1至7中任一项所述的燃烧循环期间所喷射的燃料量；

·将在前述步骤中确定的所述燃料量与对应于在相同燃烧循环期间待喷射的燃料量的命令值进行比较；以及

·重复前述的确定和比较步骤；

·使用在通过根据权利要求1至7中任一项所述的方法确定的所述燃料量与命令量之间的比较结果，以便于限定校正值来应用于与待喷射燃料量相对应的命令值。

9.一种用于确定喷射到内燃发动机的气缸中的燃料量的设备，所述气缸配备有允许了解在所述气缸中的主导压力的传感器，其特征在于，所述设备包括：包含用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的各个步骤的装置的计算机。