CN105408604B - 用于操作内燃机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机，其设有多个汽缸（Z1‑Z4），相应的进气阀（12）和出气阀（13）与所述汽缸相关联。取决于内燃机的当前操作点，针对内燃机的至少一个环境变量的当前环境值确定阻滞空气线的斜率。阻滞空气线表征当在处于操作温度的指定内燃机的情况下，所述内燃机在未发生燃料计量和燃烧的情况下短暂操作时，在换气阀关闭之后位于相应汽缸中的空气质量。取决于阻滞空气线的斜率和受到环境变量影响的特征变量的当前特征值，针对当前操作点和至少一个环境变量的相应当前环境值，确定在包括进气阀和出气阀的换气阀已经关闭之后，位于相应汽缸（Z1‑Z4）中的汽缸空气质量。

Description

用于操作内燃机的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于操作设有一个或更多个汽缸的内燃机的方法和装置，所述一个或更多个汽缸的每个分配有进气阀。
背景技术
由于布置有内燃机的机动车辆的可容许污染排放方面的规定越来越严厉，所以内燃机操作期间的污染排放必须尽可能少。这种效果的实现首先可以是通过减少内燃机的相应汽缸中的空气/燃料混合物燃烧期间出现的污染排放。其次，在内燃机中利用排气后处理系统，其将空气/燃料混合物在相应汽缸中燃烧的过程中产生的污染排放转换成无害物质。为此目的，利用排气催化转换器，其将一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物转换成无害物质。
无论是有目的地影响相应汽缸中的燃烧期间的污染排放的产生，还是通过排气催化转换器高效率地转换污染成分，都必然需要非常精确地设置相应汽缸中的空气/燃料比。
例如在专业书籍《内燃机概述、原理、部件、系统、透视图（"HandbuchVerbrennungsmotor, Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven"）》（修订版第二版，出版社为Richard van Basshuysen/Fred Schäfer，修订版第二版，2002年6月，作者为Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbden，第557页到559页）中描述了一种吸气管充气模型。此外，EP 0820559 B1和EP 0886725 B1中也描述了这种类型的吸气管模型。
发明内容
本发明所基于的目的是提供一种用于操作内燃机的方法和装置，所述装置能实现内燃机在低排量下的可靠操作。
通过根据本发明的用于操作设有一个或更多个汽缸的内燃机的方法，可以实现该目的。优选实施方案表征了有利的改进方案。
本发明的特征首先在于一种方法，其次是一种相应的装置，其用于操作设有一个或更多个汽缸的内燃机，所述一个或更多个汽缸每个被分配有进气阀和出气阀。换气阀包括进气阀和出气阀。
以取决于内燃机的当前操作点的方式，为内燃机的至少一个环境变量的当前环境值确定溢流空气线的梯度。相应当前操作点尤其是通过内燃机的操作变量元组来表征，这些操作变量尤其代表负荷。所述操作变量可以包括（例如）发动机速度和/或吸气管压力和/或靠近汽缸的致动器的调整特征，所述致动器诸如例如是凸轮轴相位和/或升力调整器、漩涡片、可调吸气管和类似物。相应的环境变量尤其不同于用于表征操作点的变量。
溢流空气线能表征如果在内燃机预先限定为处在操作温度的情况下，所述内燃机在没有燃料计量和燃烧的条件下短暂地操作时，在换气阀关闭之后位于相应汽缸中的空气质量。
具体以取决于溢流空气线的梯度和受到环境变量影响的特征变量的当前特征值的方式，针对相应的当前操作点和至少一个环境变量的相应当前环境值确定换气阀关闭之后相应汽缸中的汽缸空气质量。特征变量可以例如是相应进气阀的区域中的吸入空气温度和/或吸气管压力。
以此方式，有可能用节省存储容量的方式特别精确地确定汽缸质量。
在一项有利的改进方案中，环境变量是环境温度和/或环境压力和/或排气歧管压力。以此方式，能用特别简单的方式使用例如在发动机测试台上实现确定的数据并根据相应环境温度和相应环境压力加以简单的调适来精确地确定汽缸空气质量。
在另一项有利的改进方案中，以取决于当前操作点的方式，在相对于至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定相应汽缸的残余气体质量。
以取决于当前操作点的方式，在考虑到至少一个环境变量的相应当前环境值的情况下，确定相应汽缸的残余气体质量。
以取决于预定义的基准条件下相应汽缸的残余气体质量，以及取决于考虑到至少一个环境变量的相应当前环境值的情况下的相应汽缸的残余气体质量的方式，确定汽缸空气质量。以此方式，可以用对数据存储器资源的经济性使用以特别精确的方式确定汽缸空气质量。
在另一项有利的改进方案中，以取决于当前操作点的方式，在相对于至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定基准吸气管温度。以取决于基准吸气管温度的方式来确定汽缸空气质量。
在另一项有利的改进方案中，以取决于当前操作点的方式，在相对于至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定基准排气歧管温度。以取决于基准排气歧管温度的方式来确定汽缸空气质量。
在另一项有利的改进方案中，以取决于当前操作点的方式，在相对于至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定基准排气歧管压力。以取决于基准排气歧管压力的方式来确定汽缸空气质量。
在另一项有利的改进方案中，以取决于当前操作点的方式，在相对于至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定基准进气质量。以取决于基准进气质量的方式来确定汽缸空气质量。
在另一项有利的改进方案中，以取决于当前操作点的方式，在相对于至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定基准扫气质量。以取决于基准扫气质量的方式来确定汽缸空气质量。
具体来说，在确定汽缸空气质量时，利用的是基于模型的方法。
本发明及其改进方案尤其具有如下优点。通过一组公式而不是通过数据驱动式局部校正，可以确定环境压力影响的校正，这个事实有助于节约相应数据和/或程序存储器中的大量存储容量。
此外，尤其可以保持极低的校准开支，其大量降低尤其是因为可以考虑到发动机的几何形状，在变化的环境条件下相应内燃机的测量可以降低到更粗糙得多的栅格。
此外，所谓的部件衍生物的再现，具体而言是车辆衍生物中的不同的排气系统的再现，能用特别简单的方式实现，同时尤其在现有的软件实施方案中维护基础数据集。
附图说明
下面，将根据示意图更具体地论述本发明的示例性实施例，其中：
图1示出了设有相关联的控制装置的内燃机，
图2示出了内燃机的空气质量流曲线，
图3示出了溢流空气线，
图4示出了另一条溢流空气线，以及
图5示出了又一条溢流空气线。
各图中用相同的参考符号表示构造或功能相同的元件。
具体实施方式
内燃机包括吸气管道1、发动机块2、汽缸头3和排气管道4。
吸气管道1优选地包括节流阀5、歧管6和吸气管7，吸气管7经由进入发动机块2的燃烧室9的入口导管通往汽缸Z1。发动机块2包括曲轴8，曲轴8通过连接杆10联接至汽缸Z1的活塞11。内燃机除了汽缸Z1之外优选地包括另外的汽缸Z2、Z3、Z4。然而，内燃机还可以包括任何其他期望数量的汽缸。内燃机优选地布置在机动车辆中。
汽缸头3中优选地布置有喷射阀18和火花塞19。替代地，喷射阀18还可以布置在吸气管7中。
排气管道4中优选地布置着排气气体催化转换器21，其优选地采用三路催化转换器的形式。
此外，还可以提供相位调整装置，其例如联接至曲轴8并且联接至入口凸轮轴。入口凸轮轴联接至相应汽缸的进气阀。相位调整装置设计成准许调整入口凸轮轴相对于曲轴8的相位。此外，相位调整装置可以基本上替代地或者另外地也设计成调整出口凸轮轴相对于曲轴8的相位，其中，出口凸轮轴联接至出气阀13。
此外，还可以在吸气管道1中提供切换片或某种其它切换机构以便改变吸气管有效长度。此外，例如还可以提供一个或更多个漩涡片。
此外，还可以提供增压器，其例如可以采用排气气体涡轮增压器的形式，因此包括涡轮机和压缩机。
提供控制装置25，其被分配多个传感器，这些传感器测量各种测量变量并且在每种情况下确定测量变量的测量值。内燃机的操作变量包含测量变量和从测量变量推导出的变量。控制装置25设计成以取决于至少一个测量变量的方式来确定控制变量，这些控制变量然后转换成一个或更多个控制信号，以通过相应的控制驱动器来控制控制元件。控制装置25也可以称为用于操作内燃机的装置。传感器例如是踏板位置感应器26，其检测加速器踏板27的加速器踏板位置；空气质量传感器28，其检测节流阀5上游的空气质量流；节流阀位置传感器30，其检测节流阀5的打开程度；环境压力传感器32，其检测内燃机环境中的环境压力；吸气管压力传感器34，其检测歧管中的吸气管压力；曲轴角传感器36，其检测曲轴角，然后向曲轴角分配内燃机速度。此外，提供排气气体探头42，其布置在排气气体催化转换器21上游，并且检测例如内燃机的排气气体的残余氧气含量，并且排气气体探头42的测量信号代表燃烧前排气气体探头42上游的空气/燃料比。为了检测入口凸轮轴和/或出口凸轮轴的位置，可以提供入口凸轮轴传感器和/或出口凸轮轴传感器。此外，优选的是提供温度传感器，其检测内燃机的环境温度，和/或提供另一个温度传感器，其测量信号代表吸气管道1中的吸气温度。此外，还可以提供排气气体压力传感器，其测量信号代表排气歧管压力，也就是说排气管道4中的压力。
取决于实施例而定，可以提供所述传感器的任何期望的子组，或者还可以提供另外的传感器。
控制元件例如是节流阀5、进气阀12和出气阀13、喷射阀18，或者相位调整装置或火花塞19或排气气体再循环阀。
在四冲程原理的基础上操作的内燃机在吸气冲程期间，通过进气阀12（其为此目的而打开）将意在用于燃烧燃料的空气抽吸到相应汽缸Z1到Z4中。在排气冲程中，通过出气阀13（其为此目的而打开）将因为燃料在汽缸Z1到Z4中燃烧而产生的排气气体排放到排气管道4中。在这种情况下，理论上的可能的最大封闭汽缸空气质量mair,cyl,th是指，在内燃机周围普通存在的环境压力p0和内燃机周围普遍存在的环境温度T0下，当保持在上止点处的汽缸死区体积填满了排气气体时，将恰好填满汽缸Z1到Z4的整个扫掠体积vdisp的空气质量，也就是说下止点和上止点处的汽缸体积之间的差值；
，其中是空气的比气体常数。
在发动机真正操作期间，出于各种原因，燃料燃烧中涉及的新鲜空气充入量mair,cyl不同于可能的理论最大封闭新鲜空气充入量mair,cyl,th。
一个原因是，进气阀12上游普遍存在的吸气管压力pim可能在环境压力以下，原因在于内燃机的空气路径组件（诸如例如空气过滤器或节流阀）处的节流作用，或者在例如通过涡轮增压器增压的情况下，在环境压力以上。
另一个原因是进气阀12上游普遍存在的吸气管温度Tair,im总体上在环境温度T0以上，这是因为热量从内燃机引入到新鲜空气中。
另一个原因是已经流到相应汽缸Z1到Z4中的空气的温度Tair,cyl总体上在吸气管温度Tair,im以上，这是因为从汽缸壁引入了热量。
另一个原因是吸气管道（尤其是相应吸气管）和排气管道4（也可以称为排气歧管）中的压力振荡导致偏离稳态/暂时平均状态。
另一个原因是，前面的工作循环中产生的排气气体（部分地是无意的）未从相应汽缸Z1到Z4中完全排放出来。出气阀13关闭之后在内燃机的汽缸Z1到Z4或吸气管道1中剩余的气体称为残余气体。在稀空气/燃料混合物的情况下，残余气体不但包括排气气体，而是还包括燃烧未消耗掉的空气，或者在稀空气/燃料混合物的情况下，残余气体包括碳氢化合物。针对下面的观察结果，假设一种化学计量空气/燃料混合物。因此，残余气体完全由排气气体（也称为燃烧气体）构成。相应汽缸中的残余气体质量称为mbg,cyl。
对于稀空气/燃料混合物，通过考虑残余气体中的空气，可以相应地扩展下面的观察结果。对于浓空气/燃料混合物，通过考虑残余气体中的未燃烧的燃料，可以相应地扩展下面的观察结果。
又一个原因是，在有外部排气气体再循环功能的内燃机的情况下，经由进气阀12从吸气管道1抽吸到相应汽缸Z1到Z4中的不是纯空气，而是排气气体与空气的混合物，因此会出现空气被排气气体有意取代的情况。针对下面的观察结果，假设是没有外部排气气体再循环功能的内燃机。针对具有外部排气气体再循环功能的发动机，通过考虑到吸气管气体混合物中的排气气体，可以相应地扩展下面的观察结果。
另一个原因是，在具有吸气管燃料喷射功能的内燃机的情况下，液体燃料蒸发或气体燃料膨胀会使相应汽缸Z1到Z4中的气体混合物冷却，并且在气体混合物封闭在相应汽缸Z1到Z4中之前，气体混合物的密度已经提高。针对下面的观察结果，假设是具有直接喷射功能的发动机，也就是说未发生吸气管燃料喷射。针对具有吸气管喷射功能的内燃机，通过考虑到汽缸气体混合物中的燃料，可以相应地扩展下面的观察结果。
又一个原因是，在进气阀打开阶段期间，在发生阀重叠的操作点时，经由进气阀通过内燃机抽入的进气质量mair,inv从吸气管到排气歧管存在压力梯度pim > pem的情况下（其中，缩写INV代表进气阀），则mair,scav这个部分可以穿过汽缸Z1被清扫到排气歧管中。这也称为清扫，并且只有mair,cyl这个部分封闭在相应汽缸Z1中且称为汽缸空气质量。
mair,inv = mair,cyl + mair,scav （（2））。
汽缸Z1中封闭的汽缸空气质量与经由进气阀12抽入的进气质量之间的比率称为捕集效率α，
（（3））。
相应汽缸Z1到Z4中封闭的汽缸空气质量mair,cyl与理论上可能的最大抽入空气质量mair,cyl,th之间的比率也称为体积效率η：
（（4））。
体积效率η通过如下各项确定：曲轴8的速度Neng（也称为发动机速度），吸气管压力pim（其中，进气阀12关闭时进气阀12上游的压力在这里非常重要），吸气管道1中的温度，尤其是相应进气阀12上游的温度- 也称为吸气管温度Tair,im，具体而言尤其是出气阀13关闭时的排气管道4中的排气气体压力pem，排气管道4中的排气气体温度Tbg,em，所有充入量影响致动器（诸如用于调整进气阀12和/或出气阀13的升力的升力调整装置的相位调整装置、漩涡片或可调吸气管）的位置，还有燃料喷射数量、方式和时间，可能还有另外的影响性变量，诸如例如冷却剂温度、空气/燃料比或类似物。
抽入相应汽缸Z1到Z4中的空气质量（也称为汽缸空气质量）的估计值mair,cyl是确定燃料计量用的一个主要输入变量，并且在控制装置25中在所有发动机操作条件下应当精确地知道这个估计值（尤其是精确到几个百分点以内），这样才能符合污染排放限值。
在发动机测试台上，在所有相关发动机操作点，例如通过空气质量传感器，在已知环境条件（基准环境压力和基准环境温度）下，针对基准发动机测量经由进气阀12抽入的进气质量。这里，一般情况是在整个调整范围上改变发动机速度、吸气管压力和所有n个充入量影响致动器的位置，并且作为所述参数的组合确定发动机操作点。在这种情况下，这里测量到的基准进气质量（（5））和这里测量到的基准扫气质量（（6））以高准确度存储在模型中。因此能确保在接近于基准条件的发动机操作点以高准确度给汽缸空气质量建模。这个函数总体上是指发动机速度和致动器位置下的发动机空气质量流曲线。下文中，假设作为针对不同的吸气管压力存储的多个进气质量的线性内插值，来存储一种发动机速度和致动器位置下的发动机空气质量流曲线。其它模型并不限制下面的观察结果。
针对每个这样的发动机操作点和每种吸气管压力，以取决于安装在基准发动机上的排气系统（=基准排气系统）和所使用的吸气空气温度调节的方式，并且在稳态条件下，代表发动机操作点的基准吸气管温度、基准排气歧管压力和基准排气歧管温度生效。为了能够给当前发动机操作条件相对于基准条件的偏差定量，将同样在基准条件下测量到的下面各项也存储在模型中：
- 基准吸气管温度（（7））
- 基准排气歧管温度（（8））
- 基准排气歧管压力（（9））。
下文中假设发动机的基准状态的精确建模是给定的，并且对于所论述的方法并不重要。下文描述的方法的目标是描述通过因为进气阀上游的气体状态和出气阀下游的气体状态偏离基准状态而使得汽缸空气质量减少或增加。由于吸气管压力（=进气阀上游的压力）的变化已经是基准发动机的测量值的一部分，并且它的影响已经通过基准进气质量和基准扫气质量予以描述，所以目标缩减为描述因为吸气管温度、排气歧管压力和排气歧管温度偏离基准状态而引起汽缸空气质量减少或增加。
要使基准发动机的测量值扩展为包括影响性变量（吸气管温度、排气歧管压力和排气歧管温度）的完整变化实际上是不可能的。这就使得以下做法成为必要：
1. 使测量延长几倍，
2. 在非常昂贵且罕见的环境氛围和高度模拟测试台上执行完整测量，以及
3. 在这个过程中，逐个测试影响到所述三个影响性变量并且在不同车辆中将与发动机类型潜在地相互作用的所有发动机部件（例如排气系统、涡轮增压器、吸气路径、充入空气冷却器）的完整变化。
由于这个原因，下面的方法是可能的：
- 首先，在发动机测试台上在基准条件下从进气质量和扫气质量确定汽缸空气质量，以及
- 稍后，基于冷/热/高度测试期间的车辆测量值以及环境氛围和/或高度模拟测试台上的少量测量值，确定吸气管温度、排气歧管压力和排气歧管温度偏离基准条件所造成的影响。
对应于测量的这个时间和结构分支，在发动机控制单元中，一般将吸气管温度、排气歧管压力和排气歧管温度对汽缸空气质量模型的影响配置成校正值，其在基准条件下具有中性影响（也就是说没有影响），而其对建模的汽缸空气质量的影响随着从基准条件的偏差的增加而增加。
基本上可以遵照下面的方法：
1. 全局方法，其是基于发动机操作点处的基准进气质量的模型的线性化，以及以取决于吸气管温度、排气歧管压力和排气歧管温度的方式对所述线性化的梯度和偏移的校正。这种传统的方法对于没有增压功能的发动机以及没有大的致动器调整范围的发动机可能是够用的，但是事实证明，这种传统方法在阀重叠较大的增压发动机的情况下可能太不准确。
2. 局部方法，其中，可以先用数据密集型方式，以取决于吸气管温度、排气歧管压力、排气歧管温度和被识别为相关的致动器调整的方式，逐个校正基准进气质量的存储在发动机控制单元中的数据，然后针对当前发动机操作点内插进气质量。这种方法甚至能准确地描述阀重叠较大的增压发动机，但是在下面的情况会达到必需准确度的限值：使用相同的基准进气质量数据集，仅在校正值的辅助下，试图以取决于吸气管温度、排气歧管压力和排气歧管温度的方式，描述其它排气系统的影响。
溢流空气线定义
为了将残余气体取代新鲜空气对汽缸空气质量的变量的影响与其它影响分开，定义了“溢流空气线”这种表述：在未发生燃料喷射和燃烧的基准条件下，热发动机的短暂溢流操作期间，不会产生燃烧排气气体，也就是说在任何时间点汽缸中只有空气。吸气管与汽缸之间的不完全的压力均衡和从热汽缸壁向汽缸中的空气引入热量的影响，非常类似于点燃操作期间的影响。通过溢流操作期间的当前汽缸体积（包含死区体积=上止点处的汽缸体积）、当前汽缸内部温度和当前汽缸压力，确定进气阀关闭时于是封闭在汽缸中的汽缸空气质量（包含死区体积=上止点处的汽缸体积）：
（（10））。
具体而言通过进气阀关闭时的阀控制，也就是说通过汽缸体积的尺寸是否仍然在增加，还是尺寸已经减小，来确定进气阀关闭时汽缸压力与吸气管压力之间的比率。如下针对发动机速度和致动器位置来近似汽缸压力：
，其中c1=常数≈1（（11））。
进气阀关闭时的当前汽缸体积完全取决于致动器位置，因此不是专门针对溢流操作。因此，在溢流操作期间，针对发动机速度/致动器位置，通过下式描述汽缸空气质量：
，其中常数（（12））。
所述函数在下文中将称为溢流空 气线。
如果作为第一近似，针对发动机速度/致动器位置将汽缸内部温度描述为
，其中c2=常数>1，（（13）），
则溢流操作中的情况是，针对发动机速度/致动器位置，汽缸空气质量与吸气管压力成比例：
（（14））。
所述函数，作为溢流空气线的特殊情况，在下文中将称为具有溢流梯度的溢流空气线。
溢流操作期间，在进气阀关闭时汽缸中的空气密度确定为：
（（15））。
超过等式（（11））的汽缸压力的可能更精确的近似，或者超过等式（（13））的汽缸内部温度的可能更精确的近似，以及由此得出的非线性溢流空气线，并不限制下面的观察结果。因为溢流空气线明确地意在描述正在溢流但是仍然处在燃烧温度的发动机的行为，所以它不能在稳态下直接测量。下文将描述线性溢流空气线的参数化。
根据溢流空气线方法的残余气体模型
针对任意的发动机速度/致动器位置，溢流空气线描述对汽缸空气质量的所有上述物理影响，只有先前工作循环中汽缸中剩余的排气气体（残余气体）对空气的取代除外。
- 吸气管压力的影响，
- 吸气管温度的影响，
- 吸气管与汽缸之间的不完全压力均衡的影响，
- 热量引入到汽缸中的空气中，
- 阀控制对进气阀关闭时的当前汽缸体积的影响。
这样得出汽缸空气质量，它是短暂溢流操作期间的汽缸空气质量与残余气体取代的空气质量（取代空气）之间的差值
（（16））。
在未发生清扫的发动机操作点，等式（（2））针对点燃操作得出。
图4示出了未发生清扫的发动机操作点时典型的溢流空气线（短暂溢流发动机操作期间的汽缸空气质量）和进气质量=汽缸空气质量。
在发生了清扫的发动机操作点，进气质量大于汽缸空气质量。针对所述发动机操作点，汽缸空气质量是溢流操作期间的相应汽缸空气和进气质量中的最小值。
（（17））。
图5示出了发生了清扫的发动机操作点时的典型的溢流空气线（短暂溢流发动机操作期间的汽缸空气质量）和进气质量=汽缸空气质量。
在点燃操作期间，直到进气阀关闭为止，汽缸体积的一部分在相等压力下被排气气体占据，而新鲜空气被取代。
（（18）），
其中=排气气体的比气体常数，这得出
，（（19））
因为在有两个空间上未混合的不同密度的气体包的受限体积中，生效的压力与所述气体包任意混合的情况下相同（也就是说因为混合程度对于体积中的压力没有影响），所以随后可以假设，在进气阀关闭时，汽缸中的空气在与短暂溢流发动机操作期间相同的温度下作为紧凑数量的气体位于接近进气阀之处，而汽缸中的排气气体（如果有的话）作为紧凑数量的气体位于接近出气阀之处。
（（20））。
由于汽缸中的空气和排气气体的明显存在且期望的混合的这个抽象概念不会改变汽缸压力因而不会改变经由进气阀和出气阀的质量流，所以能容许计算汽缸中的空气和排气气体质量。
在未发生阀重叠的发动机操作点，在出气阀关闭时（排气阀关闭点- EXVCLP），处在排气气体歧管压力和排气歧管温度下的排气气体被封闭在汽缸中。不管汽缸壁与排气气体之间的传热，排气气体通过活塞移动而被等熵地膨胀/压缩，直到就在进气阀打开（进气阀打开点- IVOP）之前为止。进气阀打开时，排气气体膨胀/压缩成进气阀关闭时的汽缸压力，这近似于吸气管压力。所述两个等熵的状态变化可以描述成排气歧管压力和排气歧管温度处在初始状态和进气阀关闭时的汽缸压力时的等熵的状态变化。
在发生阀重叠的发动机操作点，在进气阀打开时，用排气歧管压力和排气歧管温度下的排气气体充入汽缸和排气歧管。如果在发动机操作点，排气歧管与吸气管之间出现压力梯度，则在阀重叠期间排气气体膨胀，并且在吸气管的方向上流动。如果在发动机操作点，吸气管与排气歧管之间出现压力梯度，则排气气体在阀重叠期间压缩，并且在排气歧管的方向上流动。在清扫的极端情况下，排气气体被完全清扫出去。不管汽缸壁与排气气体之间的传热，所述状态变化也可以视为排气歧管压力和排气歧管温度处在初始状态和进气阀关闭时的汽缸压力时的等熵的状态变化。经历这个状态变化的排气气体质量根据压力条件而改变的程度远大于未发生阀重叠的情况。
对于等熵的状态变化适用下面的等式：
，其中=排气气体的等熵指数，（（21））,
这得出
（（22））。
将（（20））和（（22））插入（（19））中，通过排气气体取代的空气质量（取代空气）mair,dpl确定为：
（（23））。
将（（23）） 插入到（（16））中得到
（（24））。
假设线性模型（（10））和（（13）），则（（24））得到
（（25）），
，其中（（26）），
或者简化为：
（（27））。
假设模型（（2））和（（14）），则（（27））得到：
（（28））。
假设已知的溢流梯度（关于其推导过程，见下文），则通过插入等式（（2）），可以重新安排等式（（28））以计算在汽缸中封闭的排气气体质量 （残余气体质量）：
（（29））。
下文中将把等式（（29））称为根据溢流空气线方法（“OAL”方法）的残余气体模型。
根据溢流空气线方法的汽缸空气质量模型
等式（（29））总体上描述任何发动机操作点在汽缸中封闭的排气气体质量（残余气体质量），特别也描述基准条件下任意的发动机速度/致动器位置在汽缸中封闭的排气气体质量 （残余气体质量）：
（（30）），
其中
- 在根据等式（（5））的模型中在发动机控制单元中存储基准进气质量，
- 在根据等式（（6））的模型中在发动机控制单元中存储基准扫气质量，
- 在根据等式（（7））的模型中在发动机控制单元中存储基准吸气管温度，
- 在根据等式（（8））的模型中在发动机控制单元中存储基准排气歧管温度，和
- 在根据等式（（9））的模型中在发动机控制单元中存储基准排气歧管压力。
要在吸气管压力下的基准条件下确定残余气体质量，仍然未得到基准条件下的溢流梯度, ref（其推导过程见下文）。
等式（（28））总体上描述任何发动机操作点的汽缸空气质量，具体也描述任意的当前条件下的相同发动机速度/致动器位置的汽缸空气质量：
（（31）），
其中
- 当前吸气管温度，
- 当前排气歧管温度和
- 当前排气歧管压力
是在持续的基础上在控制单元中测量/建模的，也就是说是已知的。可以自由选择用于与当前吸气管压力比较的基准吸气管压力，因为基准模型描述的是任何吸气管压力下的发动机行为。因此，对于吸气管压力，不必区分基准条件与当前条件，因此
（（32））。
假设当前条件下的已知溢流梯度（其推导过程见下文），当前条件下的汽缸空气质量可以计算为：
（（33））。
通过等式（（33））描述的模型在下文中将称为根据溢流空气线方法（“OAL”方法）的汽缸空气质量模型。
因此，要确定当前条件下的汽缸空气质量，仍然未得到当前条件下的溢流梯度和残余气体质量。
由此得出，要计算当前条件下的汽缸空气质量，必须确定
- 基准条件下的溢流梯度，
- 当前条件下的溢流梯度，和
- 从基准条件到当前条件的残余气体质量变化：
（（34））。
FVV残余气体模型扩展
燃烧发动机研究协会（Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen，FVV）在其740号建议“内燃机总体上适用的残余气体模型的开发”（2002）中开发了一种残余气体模型，下文中称为FVV残余气体模型。在总结报告（第61-65页）中，内燃机的残余气体质量
- 具有化学计量燃料/空气混合物，
- 燃料数量对汽缸空气质量没有影响，也就是说使用直接喷射，
- 在发生了阀重叠的操作点和
- 未发生清扫的操作点，
并且转换成本文中目前使用的命名方法，指定为总和：
（（35）），其中Opp的意思是打开点，
- 进气阀打开时汽缸中的排气气体质量：
（（36）），
其中=进气阀打开时的汽缸体积，
- （在排气的有效排放为负值的情况下）由于汽缸体积的变化（），在阀重叠期间通过活塞移动从排气歧管有效地抽吸到汽缸中的排气气体质量：
（（37）），
其中=当前曲轴角，=进气阀打开时的曲轴角，=出气阀关闭时的曲轴角，=当前汽缸体积，=进气阀的当前有效的开口横截面，=出气阀的当前有效的开口横截面，=曲轴的角速度，
- 被清扫回到汽缸中并且在阀重叠期间由于从排气歧管压力到吸气管压力的压力梯度（）可能被清扫回到吸气管中的排气气体质量：
（（38）），
其中 =曲轴的角速度。
关于这些等式（（35-38））的推导，请参照FVV 740号建议“内燃机总体上适用的残余气体模型的开发”（2002）的总结报告，其中关于这个方面的内容结合在此。
针对特定发动机速度和致动器位置，=进气阀打开时的曲轴角，=出气阀关闭时的曲轴角，=进气阀打开时的汽缸体积，=进气阀的当前有效的开口横截面，并且=出气阀的当前有效的开口横截面，因此限定了常数和。
针对从排气歧管到吸气管有压力梯度的发动机操作点，等式（（38））描述了阀重叠期间在吸气管方向上的排气气体质量流：
（（39））。
针对从吸气管到排气歧管有压力梯度的发动机操作点，等式（（38））描述了在阀重叠期间在排气歧管方向上的作为负值的排气气体质量流：
（（40））。
吸气管压力增加，因此从吸气管到排气歧管的压力梯度增加，使得根据等式 （（40））在阀重叠期间在排气歧管方向上的排气气体质量流增加，并且对根据等式（（36））在进气阀打开时位于汽缸中的排气气体质量没有很大影响，或者对根据等式（（37））在阀重叠期间通过活塞移动从排气歧管有效地抽入汽缸中的排气气体质量没有很大影响。等式（（35）） = 0的极限情况：
（（41））
描述了残余气体被空气完全清扫出去到排气歧管中并且没有空气被清扫到排气歧管中的状态。
如果空气被清扫到排气歧管中，则等式（（35））会得出实际上没有意义的负的残余气体质量。根据前提要求，重叠期间的残余气体（排气气体）的气体状态始终与排气歧管中的排气气体相同，因此具有如下密度
（（42））
因此具有如下体积
（（43））。
这个“不存在的”残余气体体积可以解释为已经被清扫到排气歧管中的扫气体积。
如果扫气被视为位于排气歧管中并且未与排气气体混合的气体包，则在清扫工艺期间，虽然它具有排气歧管压力，但是它并不具有排气歧管中的排气气体的高温。所述扫气的温度可以描述为等于根据等式（（13））的短暂溢流操作情况下汽缸中的空气温度。
，其中c2=常数>1（（44）），
用简化：
（（45））。
扫气因此具有如下密度
（（46））
因此具有如下体积
（（47））。
使来自等式（（43））和（（47））的体积相等，则得出：
（（48））。
总而言之，描述残余气体质量用的等式（（35））被限制为正值：
（（49）），并且等式（（35））的负值描述用扫气质量发生清扫，根据等式（（48））：
（（50））。
通过等式（（49））描述的模型在下文中将称为根据FVV方法的扩展残余气体模型。通过等式（（50））描述的模型在下文中将称为根据FVV方法的扫气质量模型。
模型的按比例缩放
通过选择模型的数据的结构和范围，可以用基准条件下可用的测量值的任何期望的准确度来对准根据等式（（5））的基准进气质量和根据等式（（6））的基准扫气质量的模型。以此为基础的根据OAL方法的汽缸空气质量模型，等式（（33）），准确地描述基准汽缸空气质量。这是OAL方法的一个优点。然而，根据OAL方法的汽缸空气质量模型不足以描述根据等式（（34））从基准条件到当前条件的残余气体质量变化，因此不足以描述不同于基准条件的当前条件下的汽缸空气质量；
→OAL方法的缺点。
扩展FVV残余气体和扫气质量模型实际上正确地反映了可变的环境条件对残余气体和扫气质量的影响的特点，也就是说它倾向于为发生的单调性和加强正确地建模。这是FVV方法的一个优点。
然而，由于推导过程中进行的简化，这种方法在任意地选择的基准条件下，尤其是对于发动机测量期间在发动机测试台上普遍存在的条件，不如根据等式（（5））的基准进气质量和根据等式（（6））的基准扫气质量的模型准确。这是FVV方法的一个缺点。
扩展FVV残余气体模型（（49））以取决于环境条件吸气管压力、排气歧管压力、排气歧管温度和排气歧管压力的方式将发动机操作点的残余气体质量描述为。
与根据OAL方法的等式（（30））相似，根据FVV方法的基准条件下的发动机的残余气体质量，等式（（49））可以写成（（51））。
与等式（（51））相似，根据FVV方法的当前条件下的发动机的残余气体质量等式（（49））可以写成 （（52））。
因此，在等式（（34））中抽象地描述的从基准条件到当前条件的残余气体质量变化，可以表达成
（（53））。
FVV残余气体模型为OAL残余气体模型提供校正。通过等式（（53））描述的模型在下文中将称为根据按比例缩放后的溢流空气线方法（“SOAL”方法）的残余气体质量模块。将（（30,53））插入到（（33））中得到：
，
（（54））。
通过等式（（54））描述的模型在下文中将称为根据按比例缩放后的溢流空气线方法（“SOAL”方法）的汽缸空气质量模型。
这种方法组合了OAL方法和FVV方法的优点：
- 在近似于基准条件时，汽缸空气质量的准确度取决于基准进气质量和基准扫气质量，因为残余气体质量的校正较小。
- 在从基准条件的偏差相对较大的情况下，它实际上为可变环境条件对汽缸空气质量的影响的特征正确地建模-也就是说，反映了发生的单调性和强化。
溢流梯度的确定
到现在为止，一直假设相应发动机操作点的溢流梯度的值是已知的。在没有更多校准数据的情况下，应当由针对相应发动机操作点存储的下面各项的模型来确定溢流梯度的值：
- 根据等式（（5））的基准进气质量，
- 根据等式（（6））的基准扫气质量，和
- 根据等式（（7- 9））的描述基准状态的吸气管温度、排气歧管温度和排气歧管压力。
针对每个发动机速度/致动器位置，为了能够计算溢流梯度，对于吸气管压力，只要知道通过残余气体取代的空气质量就够了，所述空气质量与残余气体质量成比例。如果残余气体对于所述吸气管压力是尽可能最小的，则计算时的误差极小。如下情况下，残余气体质量极小：
- 发生清扫时的发动机速度/致动器位置，具体是在稍高于发生清扫的环境压力的那些吸气管压力下。残余气体质量于是为。
- 没有发生清扫的发动机速度/致动器位置，在稍高于环境压力的那些吸气管压力下（在这些压力下，从吸气管到排气歧管的压力梯度普遍存在，或者至少从排气歧管到吸气管的压力梯度尽可能小）。
确定溢流梯度时的所述溢流梯度吸气管压力可以全局地相对于相应环境压力来选择：
，其中，全局常数 （（55））
针对这个溢流梯度吸气管压力，根据扩展FVV残余气体模型的残余气体质量等式（（49））确定为
（（56））。
具体来说，依据根据等式（（56））的扩展FVV残余气体模型的所述残余气体质量适用于基准条件：
（（57））
并且适用于当前条件：
（（58））。
针对在发动机测试台上的发动机测量期间普遍存在的基准条件，从根据等式（（5））的基准进气质量、根据等式（（6））的扫气质量和根据等式（（7））的基准吸气管温度的所存储的模型得到基准溢流梯度。
等式（（27））用总体上有效的方式将短暂溢流发动机操作期间的汽缸空气质量描述为
（（59））。
具体来说，在基准条件下，针对溢流梯度吸气管压力，下式适用：
（（60））。
在基准条件下发生清扫的操作点，根据等式（（2）），下式适用：
（（61）），
并且不产生残余气体。在基准条件下的清扫操作点，（（61）） → （（60）），这会得出：
（（62））。
在基准条件下，在未发生清扫的操作点，产生残余气体，并且根据等式（（17）），下式适用：
（（63））。
在基准条件下的未发生清扫的操作点，（（63）） → （（60）），这会得出：
（（64））。
由于残余气体质量和扫气质量从来不会同时大于0，所以用于发生清扫和未发生清扫的操作点的等式（（62））和（（64））可以组合得到：
（（65））。
对于基准条件下的溢流梯度，等式（（14））得出：
（（66）），
其中
- = 根据等式（（5））的基准进气质量，
- = 根据等式（（6））的基准扫气质量，
- =根据等式（（56））的基准残余气体质量。
等式（（66））描述基准条件下的溢流梯度，也就是说在的溢流梯度。根据等式（（14）），发动机速度/致动器位置的溢流梯度与吸气管温度间接成比例：
（（67））
这既适用于基准条件也适用于任何当前条件：
（（68）），
这得出
（（69））
将（（66））插入到（（69））中会得到：
（（70））。
简而言之，获得下面的根据按比例缩放后的溢流空气线方法确定当前发动机操作条件下的汽缸空气质量的方法：
在发动机测试台上的发动机测量期间，针对所选择的发动机速度/致动器位置，将
- 根据等式（（5））的基准进气质量，
- 根据等式（（6））的基准扫气质量和
- 根据等式（（7- 9））的描述基准状态的吸气管温度、排气歧管温度和排气歧管压力，
存储在模型中。
针对当前发动机操作条件下的持续时间，在控制装置25中，针对当前操作点（发动机速度/致动器位置/吸气管压力），
1. 读出/内插下面的基准模型：
i. 根据（（7））的基准吸气管温度
ii. 根据（（8））的基准排气歧管温度
iii. 根据（（9））的基准排气歧管压力
iv. 根据（（5））的基准进气质量
v. 根据（（6））的基准扫气质量
2. 根据（（57））计算的基准条件下的残余气体质量
3. 根据（（58））计算的当前条件下的残余气体质量
4. 根据（（70））计算的当前条件下的溢流空气线梯度
5. 根据（（54））计算的当前条件下的汽缸空气质量
变量的缩写：
m = 质量
p = 压力
R = 比气体常数
T = 温度
V = 体积
= 等熵系数，取决于气体成份和温度
=气体密度
=直线梯度
下标的缩写：
air = 可以总体上由FG和BG构成
bg = 排气气体（燃烧气体）
CLP = 与阀的关闭时间（关闭点）相关的变量
cur = 当前操作条件，校正总体上促成了对所述结果
dpl = 取代 =通过RG取代（请勿与位移量（扫掠体积）混淆）
em = 排气歧管
EXV = 与出气阀（排气阀）相关的变量
im = 吸气歧管
INV = 与进气阀相关的变量
OPP = 与阀的打开时间（打开点）相关的变量
ref= 发动机测试台上的发动机测量期间普遍存在的基准条件
rg = 残余气体
s = 与短暂溢流发动机操作相关的变量；没有的变量，s涉及正常的点燃发动机操作
scav = 清扫，其描述从IM抽入的空气质量直接传导到排气管道4中而并未参与燃烧的发动机操作状态。
所述方法得出下面的优点：
- 因为现在是从一组公式而不是通过数据驱动式局部校正来计算环境压力影响的校正，所以节省了控制装置的大量存储容量- 几个kB。
- 此外，校准开支大幅减少，这是因为，由于发动机几何形状被纳入考虑，所以变化的环境条件下的发动机的测量可以降低为更粗糙很多的栅格。
- 因此，第一次在维护基本数据集（在现有的软件方案中）的同时，能实现部件衍生品（具体是车辆衍生品中的不同的排气系统）的映射。
- 基础FVV残余气体方法的问题是，在某些情况下，只能对绝对残余气体数量进行非常不准确的确定。这样会在真正发动机操作期间引起问题。与考虑到理论充入的用于映射基本空气质量流曲线的数据驱动方法结合，能得到一种非常好的使FVV方法的相对残余气体曲线标准化成绝对值的按比例缩放工具。
控制装置25设计成执行上文说明的方法，因此，尤其是具体而言以取决于受到环境变量影响的溢流空气线梯度和特征变量的当前特征值的方式，针对当前操作点和至少一个环境变量确定在换气阀关闭之后在相应汽缸中的汽缸空气质量。
在这个背景下，控制装置尤其设计成执行在“发明内容”部分下描述的方法，并且考虑到上文论述的方法的其余部分。为此目的，控制装置尤其具有程序和数据存储器以及相应的处理单元，例如微处理器。

Claims (9)

1.一种用于操作设有一个或更多个汽缸（Z1-Z4）的内燃机的方法，所述汽缸各自被分配有进气阀（12）和出气阀（13），其中，换气阀包括进气阀（12）和出气阀（13），在所述方法中，
- 以取决于所述内燃机的当前操作点的方式，为所述内燃机的至少一个环境变量的当前环境值确定溢流空气线的梯度，其中，所述溢流空气线表征如果在所述内燃机被预先限定在操作温度处的情况下，所述内燃机在未发生燃料计量和燃烧的条件下短暂地操作时，所述换气阀关闭之后位于相应汽缸中的空气质量，以及
- 具体以取决于所述溢流空气线的梯度和受到所述环境变量影响的特征变量的当前特征值的方式，针对相应的当前操作点和所述至少一个环境变量的相应当前环境值确定所述换气阀关闭之后位于相应汽缸中的汽缸空气质量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个环境变量是环境温度和/或环境压力。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
- 以取决于所述当前操作点的方式，在相对于所述至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定相应汽缸的残余气体质量，
- 以取决于所述当前操作点的方式，在考虑到所述至少一个环境变量的相应当前环境值的情况下，确定相应汽缸的残余气体质量，以及
- 以取决于预定义的基准条件下相应汽缸的残余气体质量以及考虑到所述至少一个环境变量的相应当前环境值的情况下的相应汽缸的残余气体质量的方式，确定所述汽缸空气质量。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
- 以取决于所述当前操作点的方式，在相对于所述至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定基准吸气管温度，以及
- 以取决于所述基准吸气管温度的方式来确定所述汽缸空气质量。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
- 以取决于所述当前操作点的方式，在相对于所述至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定基准排气歧管温度，以及
- 以取决于所述基准排气歧管温度的方式来确定所述汽缸空气质量。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
- 以取决于所述当前操作点的方式，在相对于所述至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定基准排气歧管压力，以及
- 以取决于所述基准排气歧管压力的方式来确定所述汽缸空气质量。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
- 以取决于所述当前操作点的方式，在相对于所述至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定基准进气质量，以及
- 以取决于所述基准进气质量的方式来确定所述汽缸空气质量。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
- 以取决于所述当前操作点的方式，在相对于所述至少一个环境变量的预定义的基准条件下，确定基准扫气质量，以及
- 以取决于所述基准扫气质量的方式来确定所述汽缸空气质量。
9.一种用于操作设有多个汽缸（Z1-Z4）的内燃机的装置，所述汽缸各自被分配有进气阀（12），其中，所述装置设计成执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
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