CN105074177B - 确定涡轮增压器的废气上游压力和流经所述涡轮增压器中涡轮机的流量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定涡轮增压器(14)的上游压力(P3)和流经所述涡轮增压器中涡轮机(20)的气体流量的方法，所述涡轮增压器(14)包括的旁通管(22)包括控制气体通道的控制部件(23)，其中：通过求解方程组确定下游压力(P4)、气体总流量部件(23)的开口量、流经涡轮机(20)的流量和上游压力(P3)，其中：上游压力(P3)为下游压力(P4)和流经涡轮机(20)的流量的函数，流经涡轮机(20)的流量为总流量与流经所述管路(22)的随开口量变化的气体流量的差值、下游压力(P4)和上游压力(P3)的函数。

Description

确定涡轮增压器的废气上游压力和流经所述涡轮增压器中涡 轮机的流量的方法
技术领域
本发明涉及增压式内燃机的领域。更具体地，本发明涉及一种确定涡轮增压器的废气上游压力和流经所述涡轮增压器中涡轮机的流量的方法。
背景技术
出于与由内燃机运行产生的污染的排放水平有关的标准(例如欧洲标准Euro VI)的约束变得越来越严格。
因此控制发动机的功能所需的性能水平越来越高，很好地获知要控制的系统的状态是有利的。这种获知目前通过植入由现有物理现象建模辅助的传感器来实现。因此系统的特殊量(grandeur spécifique)可通过传感器的测量和建模的结果估算。
更具体地，在受控点火内燃机装配有增压系统(如涡轮增压器)的情况中，流经涡轮增压器中涡轮机的废气流量的估算能够运行控制发动机的主要功能中一个功能，即填充新鲜空气的估算。
尤其使用该估算以确定喷射的汽油量以及要控制的提前点火量。流经涡轮机的排气量的估算对于操控增压的压力同样是必需的。在集气管位置处的平均排气压力的估算对于操控增压的压力同样是必需的。
例如从文件FR2947589A1已知一种软件装置被应用于发动机的工作台以根据进气测定(relevé)量确保涡轮增压器的调节和提供排气流量的模型。然而该文件未考虑排气旁通阀(在发动机生产商中通常由英文术语“Wastegate”表示)存在于涡轮增压器上和所述涡轮增压器的运行改变实际流经所述涡轮增压器中涡轮机的流量的情况的存在。
因此当涡轮增压器装配有由排气旁通阀控制的废气旁通管时，存在精确估算实际流经涡轮增压器中涡轮机的流量的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够改善估算实际流经涡轮增压器中涡轮机的流量的精确度的方法。
为达到该目的，根据本发明提供一种确定由内燃机产生的废气的流经涡轮增压器中降压部分中涡轮机的废气流量和确定所述涡轮增压器中降压部分的废气上游压力的方法，所述降压部分由涡轮机和废气旁通管形成，所述旁通管装配有控制所述管路中废气通道的开口量的控制部件，在所述方法中：
确定涡轮增压器中降压部分的下游压力，
确定由内燃机产生的废气的总废气流量，
确定控制开口量的控制部件的开口量，
其特征在于，所述方法包括通过求解方程组确定流经涡轮机的废气流量和涡轮增压器中降压部分的废气上游压力的方法，所述方程组包括：
-在第一表达式中，涡轮增压器中降压部分的废气上游压力通过涡轮增压器中降压部分的下游压力和流经涡轮机的废气流量表达，
-在第二表达式中，流经涡轮机的废气流量通过由内燃机产生的废气的总废气流量与流经所述管路的废气流量的差值表达，所述流经所述管路的废气流量由控制部件的开口量、涡轮增压器中降压部分的下游压力和涡轮增压器中降压部分的废气上游压力限定。
优选地，涡轮增压器中降压部分的废气上游压力被定义为：
P3＝P4×Cdet
其中P3为涡轮增压器中降压部分的上游压力，P4为涡轮增压器中降压部分的下游压力，Cdet对应于随流经涡轮机的废气流量和内燃机转速变化的系数。
还优选地，所述系数Cdet由确立随流经涡轮机(20)的标准化废气流量和内燃机转速变化的所述系数Cdet的映射量(cartographie)定义。
在一种变型中，流经旁通管的废气流量由第一关系式确定：
其中：
·为由第一关系式得到的流经旁通管的废气流量值，
·SWG为旁通管中废气管路的控制废气通道的开口量的控制部件的有效截面面积。
·为涡轮增压器中降压部分的废气上游压力和涡轮增压器中降压部分的废气下游压力之间的Barré de St Venant函数。
·T3为涡轮增压器中降压部分的确定的上游温度。
优选地，所述截面面积SWG借助于随确立控制所述旁通管中气体通道的控制部件的开口量和内燃机转速变化的所述有效截面面积的映射量确立。
还优选地，当涡轮增压器中降压部分的废气上游压力和涡轮增压器中降压部分的废气上游压力之间的差值小于确定的阈值时，流经旁通管的废气流量也由第二关系式确定：
其中：
·为由该第二关系式得到的流经旁通管的废气流量值，
·为流经涡轮增压器中降压部分的内燃机产生的废气的流量，
·RMF为占流经排气旁通阀的总废气流量的分数量，所述分数量由确立随控制旁通管中气体通道的控制部件的开口量和内燃机转速变化的所述废气分数量的映射量确立。
优选地，所述确定的阈值在2500Pa和5000Pa之间。
在一种变型中，预设的流经旁通管的废气流量对应于：
其中：Maximum()对应于取得由第一关系式和第二关系式得到的两个流经旁通管的废气流量中最大值的函数。
在另一种变型中，控制旁通管中废气通道的开口量的控制部件包括排气旁通阀。
附图说明
通过阅读下文本发明非限制性实施例的详细说明和附图，本发明的其它特征和优点将更加清楚，在附图中：
-图1为适于实施本发明方法的内燃机的示意性视图。
-图2为涡轮增压器中包括涡轮机和旁通管的降压部分的示意性视图。
具体实施方式
图1示意性示出了装配有内燃机的车辆1。例如，车辆1为机动车辆(如轿车)。
车辆1的发动机装配有多个气缸。然而，为了简化插图，图1上仅示出一个内燃机气缸2。在气缸2的内部，活塞3装配成可在上止点(PMH)和下止点(PMB)之间平移移动。该活塞3由连杆6驱动曲轴5的曲柄4的旋转。曲轴5由未示出的机构驱动车辆2的驱动轮(如车轮7)的旋转。
气缸2限定了由活塞3的上部和未示出的气缸盖划定界限的燃烧室8。新鲜空气的进气管9通过进气口通入腔室8。进气阀10在闭合位置和开启位置之间移动，所述进气阀在闭合位置上以密封新鲜空气的气密方式闭合进气口，和在开启位置上，新鲜空气可通过进气口进入到腔室8的内部。阀门10通过进气阀的致动器11在开启位置和闭合位置之间移动。
在此处所示中，发动机为间接喷射碳氢燃料型，换句话说，碳氢燃料喷嘴12设置在管路9中以将所述碳氢燃料喷射到输入腔室8内部的新鲜空气中。这样，新鲜空气/碳氢燃料的混合物开始在进气管的内部产生。然而内燃机可为直接喷射汽油型，即使用植入的碳氢燃料喷嘴以直接在燃烧室中喷射碳氢燃料。
管路9与涡轮增压器14的增压器13连接并且内通流体，所述涡轮增压器适于压缩进入腔室8内部的新鲜空气。这里被压缩的新鲜空气被称为增压的新鲜空气。
火花塞15适于点燃通入腔室8的新鲜空气/碳氢燃料的混合物。该火花塞由点火装置16控制。
排气管17还通过排气口通入腔室8的内部。该排气口可由在闭合位置和开启位置之间移动的排气阀18阻塞，在所述开启位置上，在腔室8内部包括的烟气可由管路17排气。阀门18可通过阀门致动器19在开启位置和闭合位置之间移动。
阀门致动器11和19可为机械的阀门致动器。
与通入腔室18的开口端相反的管路17的端部与涡轮增压器13中涡轮机20连接并且内通流体。所述涡轮机20尤其能够在将废气传送到排气线路21中之前使废气降压。为了限制压力，涡轮增压器装配有涡轮机20的废气旁通管22。该旁通管22本身装配有控制旁通管22中废气通道的开口量的控制部件23。控制部件23例如可为排气旁通阀(还由英文术语“Wastegate”表示)。涡轮机20、旁通管22和控制旁通管22中废气通道的开口量的控制部件23形成的组件以涡轮增压器14中所述降压部分表示。
易于控制的不同发动机设备(如致动器11、19，点火装置16又或碳氢燃料喷嘴12)与发动机或计算机的控制单元24连接。为了简化图1，该单元24和不同控制设备之间的连接未示出。
计算机24还与多个传感器(例如曲轴5的角位置DV的传感器25和发动机转速N的传感器26)连接。于此处发动机转速N定义为例如由发动机驱动轴实施的每分钟转数。计算机24包括实施本发明方法所需的采集和处理部件。计算机24尤其包括本文下文中提及的映射量。
本发明涉及确定由内燃机产生的废气的流经涡轮机20的废气流量和确定涡轮增压器14中降压部分的上游压力的方法。
现在阐述本发明的方法：
结合示出了废气在涡轮机20和旁通管22之间的流量分配的图2，努力估算的流经涡轮机20的废气流量以下述方式表达：
其中：
为流经涡轮机的废气流量，
为由内燃机产生的废气的流经涡轮增压器中降压部分的总废气流量，
为流经旁通管22的废气流量。
涡轮增压器14中降压部分的废气上游压力以下述方式表达：
P3＝P4×Cdet
其中：
P3为在涡轮增压器14中降压部分输入口处的废气平均压力。事实上该压力为排气集气管中的压力，
P4为在涡轮增压器14中降压部分输出口处的废气平均压力。事实上该压力P4可测量或估算，
Cdet为随涡轮机流量和发动机转速N变化的系数。
流经旁通管22的废气流量可由基于Barréde St Venant方程式的第一关系式表达：
其中：
·SWG为排气旁通阀23的有效截面面积。优选地，SWG以确立随排气旁通阀的开口量Op和发动机转速N变化的有效截面面积的映射量的形式呈现，SWG可测量或估算。
·为涡轮增压器14的废气上游压力P3和涡轮增压器14的平均压力P4之间的Barréde St Venant函数。
·T3为涡轮增压器14中降压部分的上游平均温度。实际上，该温度T3可测量或估算。
于此处想起如何定义任意两个压力P1和P2之间的Barre Saint Venant函数
如果
如果
其中γ为恒定压力下的热容与恒定体积下的热容的比率。传统地，γ视为恒定并且等于1.44。
然而，对于当压力P3和P4值对于使用Barre Saint Venant函数来说过于接近时的运行点，将有利地使用该第二关系式：
其中：
RMF为占流经排气旁通阀23的总废气流量的分数量。优选地，该分数量RMF由随排气旁通阀23的可被测量和估算的开口量Op和发动机转速N变化的映射量确立。
优选地，当涡轮增压器14中降压部分的废气上游压力P3与涡轮增压器14中降压部分的废气上游压力P4之间的差值小于确定的阈值ΔΡ时，该第二关系式预设用于同样确定流经旁通管22的废气流量。实际上，该阈值ΔΡ在2500Pa和5000Pa之间。
因此预设的旁通管22中的废气流量为两个得到的流量中最大值，即：
因此两个方程式被不断地计算。最大函数Maximum()的使用能够避免流量的计算中的不连续性。
选择映射量的参数SWG和RMF以在排气旁通阀23的开口量较大和发动机转速较小时不使用Barré de St Venant函数式，这是因为在该情况下：
为了确定在涡轮增压器14输入口处的废气平均压力P3，需要根据涡轮增压器14的外部压力和温度条件实施流经涡轮机20的废气流量的标准化。流经涡轮机20的废气标准化流量表示为：
其中：
·PRef为参考大气压(通常1013hPa)
·ΡAtmo为可测量或估算的当前大气压，
·T3为涡轮增压器14中降压部分的上游平均温度。实际上，该温度为排气集气管中的温度。
·T0为参考温度(273.15K)
根据标准化流量涡轮增加器14中降压部分的上游平均压力P3可表示为：
而并且其中Rp是随流经涡轮20的废气标准化流量和发动机转速N变化的映射量。
由此得到带有两个方程式的方程组和两个未知数(P3和)：
通过迭代和朝向唯一解的收敛求解该方程组。有利地，以计算根据P3的第一强加值的流经涡轮机20的废气流量开始。
求解该方程组最后能够确定涡轮增压器14中降压部分的上游平均压力值P3和流经涡轮机20的废气流量值
本发明的方法还适用于可包括以下特征的内燃机：
内燃机可包括或不包括进气凸轮轴的移相器，
内燃机可包括或不包括排气凸轮轴的移相器。移相器是指允许升程规则保持不变的发动机循环中的角度偏移的装置。
内燃机可为直接或间接喷射碳氢燃料型。
内燃机可包括朝向进气端排气的烟气再循环回路，通常表示为EGR回路。
本发明的优点在于可精确估算实际流经涡轮机的废气流量和废气集气管中的废气压力变化，并且由此得到用于控制发动机的运行的可靠数据。

Claims (9)

1.一种确定由内燃机产生的废气的流经涡轮增压器(14)中降压部分中涡轮机(20)的废气流量和确定所述涡轮增压器(14)中降压部分的废气上游压力P3的方法，所述降压部分由涡轮机(20)和废气旁通管(22)形成，所述旁通管装配有控制所述废气旁通管(22)中废气通道的开口量的控制部件(23)，在所述方法中：
确定涡轮增压器中降压部分的下游压力P4，
确定由内燃机产生的废气的总废气流量
确定控制开口量的控制部件(23)的开口量Op，
其特征在于，所述方法包括通过求解方程组确定流经涡轮机(20)的废气流量和涡轮增压器中降压部分的废气上游压力P3的方法，所述方程组包括：
-在第一表达式中，涡轮增压器中降压部分的废气上游压力P3通过涡轮增压器中降压部分的下游压力P4和流经涡轮机(20)的废气流量表达，
-在第二表达式中，流经涡轮机(20)的废气流量通过由内燃机产生的废气的总废气流量与流经所述废气旁通管(22)的废气流量的差值表达，所述流经所述废气旁通管的废气流量由控制部件的开口量Op、涡轮增压器(14)中降压部分的下游压力P4和涡轮增压器中降压部分的废气上游压力P3限定；
通过迭代和朝向唯一解的收敛求解该方程组，开始计算根据废气上游压力P3的第一值的流经涡轮机(20)的废气流量
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡轮增压器(14)中降压部分的废气上游压力P3被定义为：
P3＝P4×Cdet
其中Cdet为随流经涡轮机(20)的废气流量和内燃机转速变化的系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述系数Cdet由映射量定义：
所述映射量RP根据流经涡轮机(20)的标准化废气流量和内燃机转速N确立。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，流经旁通管(22)的废气流量由第一关系式确定：
其中：
·为由第一关系式得到的流经旁通管(22)的废气流量值，
·SWG为旁通管(22)中控制废气通道的开口量的控制部件(23)的有效截面面积，
·为涡轮增压器(14)中降压部分的废气上游压力P3和涡轮增压器(14)中降压部分的废气下游压力P4之间的Barréde St Venant函数，
·T3为涡轮增压器(14)中降压部分的确定的上游温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述有效截面面积SWG借助于映射量确立，所述映射量根据控制所述旁通管(22)中气体通道的控制部件(23)的开口量Op和内燃机转速确立。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当涡轮增压器(14)中降压部分的废气上游压力P3和涡轮增压器(14)中降压部分的废气下游压力P4之间的差值小于确定的阈值ΔΡ时，流经旁通管(22)的废气流量也由第二关系式确定：
其中：
·为由该第二关系式得到的流经旁通管(22)的废气流量值，
·RMF为流经所述控制部件(23)的废气流量占总废气流量的分数量，所述分数量由映射量确立，所述映射量根据控制旁通管(22)中气体通道的控制部件(23)的开口量Op和内燃机转速N确立。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述确定的阈值ΔΡ在2500Pa和5000Pa之间。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，预设的流经旁通管(22)的废气流量对应于：
其中：Maximum()对应于取得由第一关系式和第二关系式得到的两个流经旁通管(22)的废气流量中最大值的函数。
9.根据权利要求1所述的方法，其中控制旁通管(22)中废气通道的开口量的控制部件(23)包括排气旁通阀。
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