CN104854329A - 通过估算内部汽缸压力信号来测量新鲜空气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定内燃发动机的汽缸中的空气质量m_air的方法。在所述汽缸的压缩阶段期间确定第一填充当量FA_comp，其中，所述第一填充当量对应于压缩阶段中的曲柄角的第一角范围中的第一平均压力差。在汽缸的膨胀阶段期间确定第二填充当量FA_exp，其中，所述第二填充当量对应于膨胀阶段的曲柄角的第二角范围中的第二平均压力差。通过从第二填充当量减去第一填充当量，来计算差分填充当量FA_diff。在所述差分填充当量的基础上确定所述汽缸中的空气质量。本发明还涉及一种相应的控制设备，并且涉及一种用于执行所述方法的相应的计算机程序。

Description

通过估算内部汽缸压力信号来测量新鲜空气的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定内燃发动机的汽缸中的空气质量的方法。另外，本发明涉及一种用于操作内燃发动机的方法和一种用于内燃发动机的控制设备。

背景技术

世人期望改进用化石燃料操作的内燃发动机，以便减少排放限值和燃料消耗。结果是，内燃发动机的机械设计不断地变得更加复杂。具体来说，通过将空气质量馈送至汽缸中的方式，可以改进内燃发动机的效率。依据发动机设计，例如，可以控制用于调节入口阀和出口阀的冲程和相位的复杂凸轮轴调节系统，其控制的方式使得汽缸的填充损耗减少。例如，还可以不同地致动各个汽缸的入口阀和出口阀。

在发动机控制领域，通常通过给吸气区部建模（即，通过所谓的容器模型）来确定汽缸中新鲜空气的填充量。用相同的方式使用基于模型的值对所有汽缸执行要喷射的燃料量的计算。这里，只有用高成本才能考虑到各个汽缸之间的差异。具体来说，在负荷迅速变化的情况下（在这个过程中，从一个工作循环到另一个工作循环，填充发生显著改变，或者在主动调节凸轮轴相位或阀冲程的过程中），校正时要求特性图的非常复杂的功能和校准。尤其是在阀冲程调节系统（其持续地并且在一些情况下是在特定汽缸的基础上调节）的情况下，由于吸气区部的机械设计和阀驱动件的多种变量，所以在吸入新鲜空气的过程中，在特定汽缸之间可能产生差异。例如，这也可能是因为吸气歧管中的脉冲导致的。在这个背景下，尤其是机械部件公差是连续制造中的一项影响因素，并且可能导致个体汽缸的新鲜空气供给发生故障，并且即使是用最好的应用也无法排除。

各阀的变化性很大，还会导致这样一种情形：在负荷动态地改变的情况下，汽缸中吸入的空气质量或汽缸中由涡轮增压器吹入的空气质量，可能越来越难用上文提到的模型来确定。

例如，还可以使用基于吸气歧管压力传感器、空气质量计、温度传感器的测量数据或拉姆达探针测量到的值的计算模型。例如，可以通过填充当量（Füllungs?quivalent）来确定汽缸中的填充量（根据Jippa，由新鲜空气、残余气体和燃料构成），其中，填充当量是在汽缸的压缩阶段期间的汽缸压力的基础上确定的。可以由填充当量来推断位于汽缸中的总气体质量，推断的方法是通过除了汽缸压力曲线之外，还使用各种其他特性参数，诸如（例如）发动机转速、空气比率、冷却剂温度、周围温度和周围压力（Jippa, Kai-Nicolas: “用于估算汽缸压力曲线的能联机的热力学方法（Online-capable, thermodynamic approaches for evaluating cylinder pressure profiles）”, dissertation, University of Stuttgart, 2002）。

要使用填充的测量值和使用填充当量来这样测量汽缸中的新鲜空气，必然需要复杂的模型（尤其是因为必需的许多参数），所述模型会使得发动机控制系统极其复杂。此外，还必然需要许多另外的传感器。

发明内容

本发明的目的是确定一种用于确定内燃发动机的汽缸中的空气质量的简单的方法。

这个目的是通过下面的方式实现的：根据独立权利要求的一种用于确定内燃发动机的汽缸中的空气质量的方法、一种用于操作内燃发动机的方法、和一种用于内燃发动机的控制设备。

根据本发明的第一方面，说明了一种用于确定内燃发动机尤其是机动车辆的内燃发动机的汽缸（即，汽缸的燃烧室）中的空气质量的方法。根据所述方法，在汽缸的压缩阶段期间确定第一填充当量。第一填充当量对应于压缩阶段中曲柄角的第一角范围中的第一平均压力差。

另外，在汽缸的膨胀阶段期间确定第二填充当量。第二填充当量对应于膨胀阶段中内燃发动机的曲柄角的第二角范围中的第二平均压力差。

通过从第二填充当量减去第一填充当量，形成差分填充当量。在差分填充当量的基础上确定汽缸中的空气质量。差分填充当量表示汽缸中的空气质量，结果是，可以在差分填充当量的基础上确定汽缸中的空气质量。

根据本发明的另一个方面，说明一种用于操作内燃发动机的方法，其中，首先将执行上文所述的用于确定汽缸中的空气质量的方法。在内燃发动机的汽缸中的所确定的空气质量的基础上，例如在吸气歧管喷射内燃发动机的情况下在吸气冲程中、或者在直接喷射内燃发动机的情况下直接在汽缸中设置内燃发动机中的燃料/空气混合物。

内燃发动机的汽缸中布置有活塞，所述活塞联接至曲柄轴。根据曲柄轴沿着其圆周方向的位置来预定义汽缸活塞在汽缸中的位置。曲柄轴的一次旋转说明360°曲柄角的曲柄轴间隔。通过曲柄角来表示曲柄角沿着其圆周方向的位置。在示例性标度中，在0°位置上，汽缸例如处在上止点。上止点也称为点火上止点（点火TDC）。

点火TDC是活塞处在最高位并且汽缸容积最小的位置。点火TDC是使压缩冲程与膨胀冲程分开的那个上止点。这个上止点之所以称为点火TDC，是因为点火就发生在这个上止点附近。

如果曲柄角为（例如）±180°，则活塞是在下止点处。

换而言之，在上止点（TDC）（活塞的上侧位于汽缸头附近）与下止点（BDC）（活塞的上侧远离汽缸头）之间进行区分。上止点用作曲柄轴位置的参考的一个示例。可以将0°的曲柄轴位置限定为点火TDC。

压缩阶段位于（例如）-180°与0°之间的曲柄角的角范围中。在曲柄角的-180°与0°之间的角范围中，曲柄轴以使得活塞从下止点移动至上止点的方式转动。结果是，汽缸中的容积减小，并且执行压缩功。

膨胀阶段限定在曲柄角的从0°至180°的角范围中。在膨胀阶段中，曲柄轴以使得活塞从点火上止点移动至下止点的方式转动。

在压缩阶段开始时，依据曲柄轴调节系统，汽缸的入口阀仍然能够打开，结果是馈入新鲜空气、燃料和/或燃料/空气混合物。在曲柄角的某个曲线之后，入口阀关闭，并且汽缸中的气体压缩，结果是执行压缩功。一般规律是，在点火上止点之前，燃料/空气混合物在压缩阶段中仍然被点火。

在膨胀阶段中，汽缸中的气体混合物在下止点的方向上挤压活塞。在膨胀阶段中的曲柄角的某个曲线之后，出口阀打开，结果是燃烧的气体可以从汽缸中逸出。出口阀通常在整个气体混合物都已经燃烧之后打开。在许多操作状态中，例如在发动机冷启动之后，燃料/空气混合物点火较晚，其点火的方式使得当出口阀打开时，汽缸中仅有90%的气体混合物燃烧，还有10%的气体混合物只有在后面的区中（例如在排气气体区中，或在机动车辆的催化转换器处）才燃烧，以便在此处产生燃烧温度。

空气可以理解成是新鲜空气或周围空气。在汽缸的燃烧室的气体体积中，在膨胀阶段中存在气体混合物，该气体混合物中含有某些空气质量、某些数量的燃料和某些残余数量的气体。该空气质量由诸如（例如）21%的氧气和79%的氮气之类的周围空气构成。该数量的燃料由汽缸中馈入的燃料构成。残余数量的气体由诸如（例如）一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等等之类的惰性气体成分构成，由于前面的燃烧过程，这些惰性气体成分仍然位于汽缸容积中。本发明的目的是确定内燃发动机的汽缸中的空气质量。

本发明是基于这样的认识：汽缸压力取决于释放的燃烧热。在内燃发动机中，尤其是在火花点火发动机中，释放的燃烧热又通过燃烧/空气比率取决于位于汽缸的气体混合物中的空气质量。汽缸压力与汽缸中的空气质量之间存在直接关系。

换而言之，通过相应地估算压缩阶段的压力曲线和估算膨胀阶段中的压力曲线，可以确定释放的燃烧热，并且因此又确定位于汽缸中的空气质量。用本发明的方法确定的空气质量是在入口阀关闭之后位于汽缸中的新鲜空气的质量。

通过比较压缩阶段中的压力曲线和膨胀阶段中的压力曲线，可以推断释放的燃烧热。为了获得释放的燃烧热，将汽缸的压缩阶段期间的第一填充当量与膨胀阶段期间的第二填充当量比较。首先在压缩阶段期间确定第一填充当量，并且在膨胀阶段期间确定第二填充当量。

压缩阶段期间的第一填充当量表示压缩阶段中的曲柄角的第一角范围中的平均压力差。第一角范围是处在-180°与0°之间的曲柄角的范围内的区。可以通过下列公式确定第一填充当量：

首先，在压缩阶段中确定曲柄角的第一角范围。第一角范围应当在入口阀已经关闭并且汽缸执行压缩功时开始。第一角范围的末端还应当与点火时间隔开某段距离，使得燃烧尚未起始，并且尚未释放热量。

通常在第一角范围的开始或末尾限定参考压力p_i,ref，并且通过压力传感器测量参考压力p_i,ref（见图1）。

在第一角范围中，在第一角范围内的某些曲柄角执行某个数目n的压力测量值p_i。这些压力测量值对应于第一角范围内的某个曲柄角下的相对压力测量值。从参考压力分别减去这些压力测量值，并且对差值求和。随后，用求和得到的总差分压力除以测量值数目，以便因此得到第一角范围中的第一平均压力差。第一角范围中的第一平均压力差对应于第一填充当量FA_comp。压缩阶段中的第一填充当量的值基本上与压缩功成正比，而在给定常数转速和吸入空气温度的情况下，压缩功又与汽缸中的总气体质量成正比。

随后，在汽缸的膨胀阶段中，在曲柄角的第二角范围期间确定第二填充当量。第二填充当量对应于膨胀阶段的曲柄角的第二角范围中的第二平均压力差。可以用下列公式计算第二填充当量：

第二角范围应当选择成在点火TDC之后的某个距离（曲柄角间隔）处，并且应当在燃烧已经完全结束或者已经进展很久因此已经释放最大燃烧热时开始。另外，在第二角范围末尾，出口阀应当仍然关闭。

通常在第二角范围的开始或末尾限定参考压力p_i,ref，并且通过压力传感器测量参考压力p_i,ref。

在第二角范围中，在第二角范围内的某些曲柄角执行某个数目n的压力测量值p_i。这些压力测量值对应于第二角范围内的特定曲柄角下的相对压力测量值。从参考压力分别减去这些压力测量值并且对差值求和。然后用求和得到的总差分压力除以测量值数目，以便因此得到第二角范围中的第二平均压力差。第二角范围中的第二平均压力差对应于第二填充当量FA_exp。

第二角范围中的汽缸压力取决于汽缸中的总气体质量和释放的燃烧热。就像开头提到的一样，释放的燃烧热又取决于位于汽缸中的可供燃烧的空气质量。为了推断汽缸中的空气质量，从膨胀阶段的第二填充当量减去压缩阶段的第一填充当量，并且形成差分填充当量：

FA_diff = FA_exp - FA_comp

因此，差分填充当量是说明膨胀阶段中已经燃烧的空气质量。结果是，例如对燃烧未起作用的残余气体质量的影响也减小，因为残余气体既会压缩也会膨胀，因此通过形成差值而从计算中去除了残余气体。

因此，每个差分填充当量代表汽缸中的特定空气质量成分或特定的空气质量。因此，差分填充当量表示释放的燃烧热，释放的燃烧热又表示汽缸中的空气质量。对特定差分填充当量分配空气质量的情况，对于每个设计系列的内燃发动机是特定的，并且可以例如通过内燃发动机的实验室试验凭经验一次性确定。可以例如使得空气质量相对于差分填充当量的数据记录可供内燃发动机的发动机控制器使用，以便因此改进发动机控制和/或空气质量的确定，并且因此改进燃料的确定。

可以规定，在差分填充当量的基础上通过这些变量之间的预定义的关系来确定汽缸中的空气质量。可以例如凭经验或通过模型并且尤其是限定这个关系。这个关系可以是对发动机类型或发动机规范特定的。这个关系可以是对期望的驾驶风格或发动机行为特定的，例如是对节油型驾驶风格或运动型驾驶风格特定的，或者总体上是对有不同的性能特性曲线的驾驶风格、驾驶行为或内燃发动机的反应行为特定的。这个关系可以通过特性曲线或特性曲线图、或者通过函数、或者通过代表多个不同的差分填充当量或空气质量的关系的函数的参数给出。该函数或特性曲线优选地形成一种行为，这种行为是单调的，或者是严格单调的，优选地至少在某些区部中是连续的，并且代表差分填充当量与空气质量之间的关系。这种关系可以通过多个空气质量值或其值的区间表示，这些空气质量值或其值的区间每一个都被分配给至少一个差分填充当量值或其至少一个值的区间。可以根据这里呈现的分配情况来提供这种关系。可以用查询表的形式提供这种关系，该查询表尤其存储在这里说明的控制设备的存储器中。

根据另外的示例性实施例，第一角范围具有与曲柄角的点火上止点（点火TDC）相距的第一角间隔。第二角范围具有与曲柄角的点火上止点相距的第二角间隔。这里，第一角间隔的大小与第二角间隔相同。

对于这个示例性实施例，第一角范围的接近于点火TDC的结尾离点火TDC的角间隔与第二角范围的接近于点火TDC的开始离点火TDC的角间隔相同。举例而言，第一角范围在-40°曲柄角结束，而第二角范围在+40°曲柄角开始。

在另外的示例性实施例中，第一角范围的大小与第二角范围相同。例如，第一角范围在大概-120°的曲柄角与大概-20°的曲柄角之间，尤其是在大概-100°的曲柄角到大概-40°的曲柄角之间。相应地，第二范围可以在大概20°的曲柄角到大概120°的曲柄角之间，尤其是在大概40°的曲柄角与大概100°的曲柄角之间。

换而言之，第一角范围离点火TDC的曲柄角间隔可以与第二角范围离点火TDC的曲柄角间隔相同，并且第一角范围的宽度或大小可以与第二角范围相同。如果在膨胀阶段中第一角范围离点火TDC的间隔与第二角范围相同，并且如果第一角范围的大小与第二角范围相同，则在压缩阶段中的压力变化或其相对于曲柄角绘制的压力曲线几乎与膨胀阶段中的压力变化或其相对于曲柄角绘制的压力曲线对称，结果是可以用更好的比较值形成差分填充当量。

根据另外的示例性实施例，第一角范围是在汽缸的入口阀关闭时的曲柄角范围内。因此，入口阀打开导致的可能的偏差，不会伪造出第一角范围中的曲柄角范围内的压力变化。

根据另外的示例性实施例，在膨胀阶段的第二角范围开始时，与使用汽缸中的空气质量完全地彻底燃烧燃料比较地确定燃烧百分比。另外，确定一个表示燃烧百分比的校正因子。

确定第二填充当量还包括确定未经校正的第二填充当量。未经校正的第二填充当量（例如）对应于曲柄角的第二角范围中的第二平均压力差，其中，通过上面针对第二填充当量提到的公式计算未经校正的第二填充当量。然而，用于执行计算的测量到的压力值是在尚未彻底完成燃烧的状态下测量到的。因此，即使膨胀阶段期间燃料燃烧和汽缸中的热的产生尚未彻底结束，未经校正的第二填充当量也会构成第二角范围内的第二平均压力差。

为了校正这个未经校正的第二填充当量，随后在下列公式的基础上确定对应于第二填充当量的第二参考填充当量：

其中：

FA_exp,Ref = 第二参考填充当量，

FA_uncor,exp = 未经校正的第二填充当量，

并且

f = 校正因子。

例如用所谓的累积加热曲线来说明膨胀阶段期间汽缸中的燃料的燃烧程度。累积加热曲线表示在膨胀阶段中用空气质量完全燃烧燃料时（即，当汽缸中发生了100%的燃烧时）产生的热量。由于热量根本上取决于有多少空气与燃料发生反应，所以就像开头解释的一样，膨胀阶段中的热量或热释放表示汽缸中的空气质量。第二填充当量是基于膨胀阶段的曲柄角的第二角范围中的各种压力值，第二填充当量又取决于在膨胀阶段中汽缸中的燃烧过程中产生的热量。如果在第二角范围开始时或在第二角范围过程中燃料燃烧尚未彻底完成，则产生的热量比燃料完全燃烧的情况下少并且相应地压力也与燃料完全燃烧的情况下不同，结果是无法100%正确地确定空气质量。

在第二角范围开始时尚未彻底完成燃烧的情况下，使用上文说明的校正因子f。通过作为汽缸的膨胀阶段中的曲柄角的函数的加热曲线，首先可以确定在第二角范围开始时已经发生了多大百分比的完全燃烧。这对应于燃烧百分比。

例如，可以将完全燃烧（即，累积加热曲线）标准化成1或100%，其中，在第二角范围开始时内燃发动机处在某个操作状态的情况下，燃烧百分比仅对应于完全燃烧的0.9或90%（对应于热量的90%）。

可以（例如）根据借助下列公式通过Rassweiler/Withrow执行计算，来计算汽缸中的燃烧过程的累积加热曲线Q_H：

随曲柄角而变的加热曲线ΔQ_H对应于累积加热曲线的衍生，并且针对随曲柄角而变的加热曲线可以用下列公式来计算：

其中

n = 多方指数（Polytropenexponent）（例如1.32），

κ = 等方指数（Isentropenexponent），并且

φ(i) = 曲柄角位置。

向不完全燃烧百分比的每个值分配一个特定的校正因子f。例如，在90%燃烧比例的情况下，校正因子f = 0.15（见下面的图5）。可以凭经验为每个内燃发动机和相应的操作状态确定给汽缸中的燃烧过程的各个燃烧比例（图5中的X轴）相应地分配校正因子f值（图5中的Y轴）。

现在通过校正因子来校正未经校正的第二填充当量，未经校正的第二填充当量是基于在发生不完全的燃烧过程时存在的相应压力测量值。

根据上文针对第二参考填充当量提到的公式对未经校正的第二填充当量执行校正。

通过第二参考填充当量，可以由此形成校正后的差分填充当量，校正后的差分填充当量对应于完全燃烧过程的情况下的压力值，并且因此对应于汽缸中的实际空气质量。因此，即使第二角范围中的燃料的燃烧过程尚未彻底结束，也可以关于汽缸中的空气质量进行校正后的评定。

根据本发明的另一个方面，说明了一种用于机动车辆的内燃发动机的控制设备，其中，所述控制设备配置成使得能执行上文说明的用于确定内燃发动机的汽缸中的空气质量的方法和/或上文说明的用于操作内燃发动机的方法。

例如，所述控制设备可以具有可编程的过程。另外，所述控制单元可以具有一个数据库，在所述数据库中，例如存储着如下内容：差分填充当量与汽缸中的由此产生的相应空气质量之间的凭经验确定的比率的数据；曲柄角的第一角范围和第二角范围的数据；和/或在内燃发动机的特定操作状态下和/或在膨胀阶段中的燃烧状态下的特定曲柄角下的校正因子的比率的数据。例如处理器可以调用这些数据。另外，节流阀或内燃发动机的点火时间的控制坐标可以作为参数存储在数据库中。另外，控制单元可以自动地开始上文说明的方法。

根据本发明的另一个方面，说明一种用于确定内燃发动机的汽缸中的空气质量的计算机程序。所述计算机程序配置成在处理器执行计算机程序时执行上文说明的方法。

根据本文档，这个计算机程序的提法就等效于计算机程序产品和/或计算机可读介质的程序元素的概念，该计算机程序产品和/或计算机可读介质包含一些指令，用于控制计算机系统以便合适地协调系统或方法的操作方法以便实现与根据本发明的方法相关的效果。

可以将计算机程序实施为用诸如（例如）JAVA、C++等等之类的任何合适的程序设计语言编写的计算机可读指令代码。计算机程序可以存储在计算机可读存储介质（CD-Rom、DVD、蓝光光盘、可装卸式驱动器、易失性或非易失性存储器、内置存储器/处理器等等）上。指令代码可以对机动车辆的内燃发动机的计算机或其他可编程设备（诸如，尤其是控制单元或上述控制设备）进行程序设计，其程序设计的方式使得能执行期望的功能。另外，可以在诸如（例如）因特网之类的网络中提供计算机程序，必要时，使用者可以从该网络上下载该计算机程序。

可以通过计算机程序（即，软件）或通过一个或多个特殊电路（即，用硬件的形式或用任何期望的混合形式，即通过软件部件和硬件部件）来实施本发明。

使用上文说明的方法，因此即使在发动机有复杂的阀的变动的情况下，也可以在测量到的汽缸压力信号的基础上确定汽缸中的新鲜空气质量，而且不必在计算和校准方面有相对高的支出。因此也可以用简单的方式在发动机控制器中实施上文说明的方法。由于可以针对汽缸中的任何曲柄轴通道确定驱动，所以即使在瞬时发动机操作模式的情况下，也可以动态地确定新鲜空气质量。另外，上述方法也可以用于具有复杂的阀调节系统的内燃发动机中，因为计算过程简单，而且只使用汽缸压力信号。

膨胀阶段中的第二角范围中的汽缸压力取决于释放的燃烧热。在内燃发动机中，尤其是在火花点火型发动机中，燃烧热又取决于位于汽缸中的新鲜空气质量的品质控制。为了实现与转换的燃烧能量更好的相关，从膨胀阶段的估算值（第二填充当量）减去压缩阶段的相应估算值（第一填充当量）。结果是，残余气体的影响也会减小，因为残余气体在压缩阶段中压缩而且在膨胀阶段中膨胀，因此由于两个填充当量相减，所以在计算中无需考虑进去。虽然残余气体在膨胀阶段中的膨胀过程中更热，并且因此产生的压力比压缩阶段中大，但是通过燃烧馈入残余气体的这个热量，这个热量又取决于转换的空气质量。因此，残余气体的加热的影响在空气质量计算中同样不起作用。

请注意，这里说明的实施例仅构成本发明的可能实施例变型的有限选择。因此，可以用合适的方式将各个实施例的特征相互组合，结果是，对于本领域的技术人员而言，将这里明确的实施例变型视为构成多个不同实施例的公开。

附图说明

在下面的正文中，参照附图更具体地说明示例性实施例，目的是为了更好地解释和更好地理解本发明。图中：

图1示出了根据本发明的示例性实施例的图表，其中示出了压缩阶段中对照曲柄角绘制的压力曲线，

图2示出了根据本发明的示例性实施例的图表，其中示出了压缩阶段中对照压缩功绘制的第一填充当量，

图3示出了根据本发明的示例性实施例的图表，其中示出了膨胀阶段中对照曲柄角绘制的压力曲线，

图4示出了根据本发明的示例性实施例的图表，其中图解说明了对照空气质量曲线绘制的差分填充当量，

图5示出了根据本发明的示例性实施例的图表，其中示出了对照在点火TDC之后的40°曲柄角下的标准化加热曲线绘制的校正因子f，并且

图6示出了根据本发明的示例性实施例的图表，其中图解说明了对照在基于燃烧曲线的校正之后的空气质量流量绘制的差分填充当量。

具体实施方式

图中用相同的参考符号表示相同的或相似的部件。图中的图解说明是示意性的，而不是按比例的。

图1示出了在压缩阶段过程中内燃发动机的汽缸中的总气体质量m_Cyl的压力曲线。X轴上表示的是-180°与0°之间的曲柄角。-180°与0°曲柄角之间存在汽缸的吸气阶段和压缩阶段的一部分。例如，到110°的曲柄角为止，吸入诸如（例如）空气和/或燃料之类的气体混合物，并且从110°起入口阀关闭。随后，在110°的曲柄角与0°的曲柄角之间，压缩功起动，其中，汽缸中的活塞使汽缸中的总气体质量m_Cyl压缩。

在图1中的示例中，确定压缩阶段中曲柄角的第一角范围在大概100°与-40°之间。在第一范围中，通过下列公式计算第一平均压力差：

在汽缸的压缩阶段中，这个第一平均压力差对应于第一填充当量FA_comp。

通过压力传感器在第一角范围的一个末端测量参考压力p_i,ref。在当前的示例中，在第一角范围的最靠近点火TDC的末端（=0°曲柄角）测量参考压力p_i,ref。

还用如下方式选择第一角范围：使得在第一角范围的离点火TDC最远的末端处（在当前的示例中，是在-100°的曲柄角），入口阀已经关闭，并且活塞已经执行压缩功。

第一角范围中的第一平均压力差某种程度上是说明压力曲线的压力的平均变化。由于形成了平均值偏移，所以可以忽略校正。

第一平均压力差对应于第一填充当量FA_comp。填充当量FA_comp与压缩功成比例（例如，成正比）。

图2示出了（例如）填充当量FA_comp与压缩功成比例。在图2中的图表中，图解说明了对照压缩功绘制的第一填充当量FA_comp，其中，图解说明了操作或点燃后的发动机的值和未点燃并且正在拖拉（PUC）的发动机的值，并且这些值相应地成比例。另外，压缩功与汽缸中的总气体质量m_cyl成正比。因此，第一引导当量FA_comp同样与汽缸中的总气体质量m_cyl成比例。

汽缸中的总气体质量m_cyl由残余气体质量m_AGR、燃料质量m_fuel和空气质量m_air构成：

m_cyl = m_air + m_fuel + m_AGR

残余气体质量m_AGR例如由前面的燃烧过程在汽缸中剩余的惰性气体成分构成。燃料质量m_fuel是燃料在总气体质量m_cyl中构成的比例。空气质量m_air是点火TDC处汽缸中存在的空气质量。现在将在下文确定空气质量m_air。

图3示出了在汽缸的膨胀阶段中对照曲柄角绘制的汽缸中的压力的压力曲线。

在汽缸的膨胀阶段期间确定第二填充当量FA_exp，其中，第二填充当量FA_exp对应于膨胀阶段的曲柄角的第二角范围中的第二平均压力差。在图3的示例中，确定第二角范围是在40°的曲柄角与100°的曲柄角之间。在0°与180°之间的曲柄角处，燃料发生燃烧，并且排气气体开始排出。

例如通过下列公式计算膨胀阶段的曲柄角的第二角范围中的第二平均压力差：

测量第二角范围的一个末端处存在的压力，作为膨胀阶段中的参考压力p_i,ref。在当前的示例中，选择第二角范围的末端处的参考压力p_i,ref，这个末端最靠近点火TDC。

图1与图3之间的比较显示出，膨胀阶段中的压力水平比压缩阶段中高很多。这是因为，在膨胀阶段中，气体混合物燃烧并且变热。膨胀阶段中的汽缸压力不但取决于总气体质量m_cyl，而且也取决于释放出的燃烧热。第一填充当量FA_comp的值，第二填充当量FA_exp的值，因此还有差分填充当量FA_diff的值，都取决于内燃发动机的操作状态。这意味着（例如在满负荷操作模式的情况下），在膨胀阶段中在汽缸中产生的压力水平高于（例如）空转模式。

比较压缩阶段和膨胀阶段中的汽缸压力，会得出释放出的燃烧热的具体量，这又取决于空气质量。

通过差分填充当量FA_diff说明压缩阶段和膨胀阶段中的压力水平之间的这个相关。通过从第二填充当量FA_exp减去第一填充当量FA_comp，确定差分填充当量FA_diff：

FA_diff = FA_exp - FA_comp

在一个有利实施例中，可以选择第一角范围和第二角范围，第一角范围和第二角范围从点火TDC具有相同的间隔。另外，第一角范围和第二角范围可以选择成具有相等的大小。这使得第一角范围中的压力曲线和第二角范围中的压力曲线几乎对称（见图1与图3的比较）。在图1和图3中的示例性实施例中，显然（例如）压缩阶段中的第一角范围从点火TDC具有40°的曲柄角间隔，并且在膨胀阶段中，第二角范围也具有40°的曲柄角间隔。第一角范围和第二角范围在60°的曲柄角上延伸（在压缩阶段中是-100°至-40°，在膨胀阶段中是40°至100°）。

图4示出了估算图表，其中对照空气质量流量绘制未经校正的差分填充当量FA_diff。

图4中以mg（毫克）每冲程（mg每冲程（活塞冲程））为单位绘制空气质量m_air。例如凭经验为每台内燃发动机分别确定与具体差分填充当量FA_diff有关的空气质量m_air。这例如可以在测试台上或实验室里确定。

在诸如（例如）内燃发动机的空转状态之类的低负荷状态下，空气质量确定的准确度可能会受到影响。如例如图4中图解说明的，在差分填充当量FA_diff大概是2巴的情况下，测量到空气质量m_air有大幅波动。

这是因为，在内燃发动机负荷较低的情况下，膨胀阶段中的燃烧减慢。于是可能发生这样的状态：在曲柄角已经在第二角范围的情况下，尚未燃烧100%的燃料。因此，尚未释放完全的燃烧热，结果是，测量到的压力是在燃烧热不完全时测量的。这又导致这样的情形：由此确定的空气质量m_air不是正确地确定的。

在第二角范围中燃烧尚未完全结束的情况下，例如可以进行校正计算。在这个背景下，在膨胀阶段的第二角范围开始时，检测燃料在汽缸中完全燃烧的燃烧百分比。这里，第二角范围的开始是在第二角范围的最靠近点火TDC的末端处。

例如，检测到在第二角范围开始时（在图4的示例中在40°的曲柄角下），只完成了90%的燃烧，即燃料m_fuel与空气质量m_air之间尚未发生完全反应。例如通过上文针对加热曲线ΔQ_H说明的公式，计算随曲柄角而变的燃烧过程的加热曲线或热量。

如图5中图解说明的，可以使完全燃烧过程标准化。这对应于所谓的标准化累积加热曲线Q_H。在图1中，在x轴上绘制标准化的累积加热曲线Q_H，其中1表示完全燃烧，0表示未燃烧。在0值与1值之间表示燃烧百分比（对应于加热曲线ΔQ_H）。为完全燃烧过程的每个燃烧比例分配某一个校正因子f。例如，当存在90%的燃烧比例时的情况下，校正因子f=0.15（见图5）。图5中在Y轴上绘制校正因子f的值的相应分配。可以凭经验为任何内燃发动机并为内燃发动机的任何操作状态确定与汽缸中的燃烧的各个燃烧比例（X轴）有关的校正因子f的值。

可以使用校正因子f来校正第二未经校正的填充当量FA_uncor,exp，其是基于燃烧尚未100%完成时的测量到的压力值p_i,ref, p_i，结果是可以确定校正后的第二参考填充当量FA_exp,Ref。为了确定第二校正后的参考填充当量FA_exp,Ref，可以使用下列公式：

又可以从校正后的第二参考填充当量FA_exp,Ref减去第一填充当量FA_comp，以便获得校正后的差分填充当量FA_diff。

图6示出了甚至在内燃发动机的低负荷范围中（其中存在2巴与4巴之间的小的差分填充当量FA_diff），可以通过校正因子f更精确地说明汽缸中的空气质量m_air。在小的差分填充当量（通过第二参考填充当量计算的）的情况下，值的变动在从-3%至+3%的变动范围内。

另外，请注意，“包括”并不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”并不排除复数。另外，请注意，还可以配合上文说明的其他示例性实施例的其他特征或步骤，使用参照上面的示例性实施例中的一个说明的特征或步骤。权利要求中的参考符号不应被视为是限制性的。

附图标记列表

              第一平均压力差

                第二平均压力差

p_i,ref                   参考压力

p_i                       测量到的压力

FA_comp               第一填充当量

FA_exp                 第二填充当量

FA_diff                 差分填充当量

FA_uncor,exp           未经校正的第二填充当量

FA_exp,Ref            第二参考填充当量

m_cyl                     总气体质量

m_AGR                   残余气体质量

m_fuel                    燃料质量

m_air                      空气质量

f                           校正因子

Q_H                       累积加热曲线

ΔQ_H                   加热曲线。

Claims (8)

1. 一种用于确定内燃发动机的汽缸中的空气质量（m_air）的方法，其中，所述方法包括：

在所述汽缸的压缩阶段期间确定第一填充当量（FA_comp），

其中，所述第一填充当量（FA_comp）对应于所述压缩阶段中的曲柄角的第一角范围中的第一平均压力差（                                               ），

在所述汽缸的膨胀阶段期间确定第二填充当量（FA_exp），

其中，所述第二填充当量（FA_exp）对应于所述膨胀阶段的所述曲柄角的第二角范围中的第二平均压力差（），

通过从所述第二填充当量（FA_exp）减去所述第一填充当量（FA_comp），形成差分填充当量（FA_diff），以及

在所述差分填充当量（FA_diff）的基础上确定所述汽缸中的所述空气质量（m_air）。

2. 根据权利要求1所述的方法，

其中，所述第一角范围具有与所述曲柄角的点火上止点相距的第一角间隔，

其中，所述第二角范围具有与所述曲柄角的所述点火上止点相距的第二角间隔，并且其中，所述第一角间隔与所述第二角间隔的大小相同。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，

其中，所述第一角范围与所述第二角范围的大小相同。

4. 根据权利要求1至3中的一项所述的方法，

其中，在所述第一角范围中，所述汽缸的入口阀关闭。

5. 根据权利要求1至4中的一项所述的方法，还包括：

确定在所述膨胀阶段的所述第二角范围开始时所述汽缸中的燃料的完全燃烧的燃烧百分比，

确定表示所述燃烧百分比的校正因子（f），

其中，确定所述第二填充当量（FA_exp）包括：

确定未经校正的第二填充当量（FA_uncor,exp），以及

在下列公式的基础上确定所述第二填充当量（FA_exp）：

其中，

FA_exp = 第二填充当量，

FA_uncor,exp = 未经校正的第二填充当量，

并且

f = 校正因子。

6. 一种用于操作内燃发动机的方法，所述方法包括：

执行根据权利要求1至5中的一项所述的方法，以及

在所述内燃发动机的所述汽缸中所确定的空气质量（m_air）的基础上，设置所述内燃发动机的燃料/空气混合物。

7. 一种用于机动车辆的内燃发动机的控制设备，其中，所述控制设备配置成使得能够执行根据权利要求1至5中的一项所述的方法和/或根据权利要求6所述的方法。

8. 一种用于确定内燃发动机的汽缸中的空气质量（m_air）的计算机程序，所述程序在由处理器执行时配置成执行根据权利要求1至5中的一项所述的方法和/或根据权利要求6所述的方法。