CN106536906A - 用于确定发动机气缸中的总压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定发动机气缸中的总压力（P_cyl）的方法（45），其是根据曲轴（14）的角位置（crk）以及从在几次可能的喷射中待喷射的燃料量确定，其包括以下步骤：·确定没有燃烧时的气缸中的压力，所述压力称为无燃烧时的压力（P_{cyl_m}），·对于每次喷射（inj_i），确定由在所考虑的喷射（inj_i）期间喷射的燃料量的燃烧引起的压力子变化（ΔP_{comb_i}）曲线，根据待喷射的燃料量（MF_i）和相对应喷射的喷射开始的角位置（SOI_i）估计曲线的形状，·通过将无燃烧时的压力（P_{cyl_m}）与由每次喷射（inj_i）的压力子变化（ΔP_{comb_i}）曲线给出的压力相加来确定气缸中总压力（P_cyl）。

Description

用于确定发动机气缸中的总压力的方法

技术领域

本发明大体涉及一种用于确定发动机气缸中的总压力的方法。本发明还涉及对待喷射到发动机中的燃料量的控制。

本发明尤其应用于机动车辆领域，且更确切地，应用于直接喷射式发动机领域。

背景技术

直接喷射式发动机包括至少一个气缸，使用喷射器将燃料喷射到该气缸中。活塞在气缸中移动，并压缩位于气缸内部的气体混合物。为了更好地管理发动机的运转，必须以非常精确的方式控制待喷射的燃料量，以便一方面避免喷射过少的燃料，这将导致活塞上的燃烧作用低于预期，并且另一方面避免喷射过多的燃料，这将不必要地增加燃料的消耗。由喷射器喷射的燃料量一方面取决于供给喷射器的燃料的压力，且另一方面取决于喷射器的打开时间。然而，气缸中的压力阻碍燃料的喷射，并影响喷射燃料量。从喷射器的角度来看，气缸中的压力或反压力是通过活塞进行的空气压缩以及由于喷射燃料的燃烧引起的“过压”所同时造成的。

近年来，对于控制喷射器而言，大多数直接喷射式发动机没有考虑气缸中普遍存在的压力。实际上，忽略该参数是因为估计其对燃料的喷射影响很小。然而，新的发动机设计使得喷射到气缸中的燃料量变得对所述气缸中普遍存在的压力更加敏感。实际上，待喷射到气缸中的燃料量与供给轨道的压力和气缸中的压力之间的差值相关，供给轨道的压力例如对于柴油发动机而言根据发动机的负载在200巴到2000巴之间变化，而气缸中的压力在0巴到100巴之间变化。发动机的负载越大，因此供给轨道的压力越高，并且气缸中的压力相对于喷射燃料的压力越是可忽略的。相反，负载较小的区域，并因而压力较低的区域对气缸中普遍存在的压力非常敏感。因此，新的发动机因此必须考虑气缸中的压力，以便获得非常精确的喷射。

文献US 6,782,737提出一种用于估计气缸中的压力的最大峰值的系统，其包括压力传感器、温度传感器、用于确定负载和喷射的燃料量之间的比率的装置以及确定喷射开始的控制计算机。压力的最大峰值的估计是根据压力和燃料温度、所述比率和喷射的开始来进行的。此估计用作以便限制氮氧化物（NO_x）的排放的数据。

该文献关注在对应于主喷射的压力最大峰值的估计上。然而，目前的发动机包括多喷射系统，其中每次喷射影响随后的喷射。因此，能够提高由该文献的系统所提供的估计精度。

此外，由该文献公开的压力估计系统使用了事后测量压力的传感器。因此，由该文献提出的解决方案不能有效地用作预测性估计模型。

此外，该系统包括不适于进行实时估计的复杂计算。

文献WO2005/103640A2，FR2892459A3，DE102012221245A1和DE102008044013A1也是已知的，它们涉及用于评估内燃发动机的气缸中的压力的​​方法。

发明内容

本发明旨在消除或至少减少上述的现有技术的所有缺点或一部分缺点。

因此，本发明的目的是提出一种用于精确地并且预测性地确定在发动机循环的至少一部分期间气缸中的总压力的值的方法。

有利地，本发明还将允许实时工作，以便根据气缸中普遍存在的压力水平来精确地控制待喷射的燃料量。

根据本发明的方法还将优选地易于校准和/或具有较大的可靠性和/或具有合理的成本。

为此，本发明提出了一种用于确定发动机气缸中的总压力的方法，其是根据曲轴的角位置以及从在可能的几次喷射中待喷射的燃料量来进行确定。根据本发明，该方法包括以下步骤：

·确定没有燃烧时的所述气缸中的压力，所述压力称作无燃烧时的压力，

·对于每次喷射，确定由在所考虑的喷射期间所喷射的燃料量的燃烧引起的压力子变化的曲线，所述曲线的形状是根据待喷射的燃料量和相对应喷射的喷射开始的角位置所估计的，

·通过将所述无燃烧时的压力于由每次喷射的压力子变化的曲线所给出的压力相加来确定所述气缸中的总压力。

因此，该方法允许在直接喷射式发动机中可靠地确定气缸中的总压力。所进行的测试已经表明，这种方法尤其适合于精确地预测气缸中的压力并且特别适合于装载在发动机的计算机中。

此外，该方法有利地允许消除一些计算，例如热力学计算或焓平衡计算或能量平衡计算或质量平衡计算，其过长且与实时计算不兼容。

根据允许简化计算而不明显影响精度的有利的实施方式，通过考虑包含在气缸中的气体混合物的压缩和膨胀是绝热的并且将所述混合物视为理想气体来确定无燃烧时的压力，根据冷却温度和排气再循环率来线性地校正所述确定。

此外，在优选实施方式中，每个压力子变化的曲线的确定由燃烧效率、待喷射的燃料量、气缸的相对于曲轴的角位置的体积、压力子变化的曲线的燃烧开始的斜率、曲轴的燃烧开始的角位置、压力子变化的曲线的燃烧结束的斜率和曲轴的燃烧结束的角位置之间的关系来实现。

对于多次喷射系统，考虑到所有喷射的影响的该方法有利地允许对气缸中的压力的经验性的确定方式。

以单独的或结合的方式根据本发明的实施例，每个压力子变化的此类确定步骤例如可以是：

·由基值实现燃烧效率的确定，根据燃料的冷却温度和待喷射的燃料的压力来校正该基值，

·由基值实现每个燃烧开始的斜率的确定，根据待喷射的燃料量、排气再循环率以及前一次喷射与相对应喷射之间的时间来校正该基值，

·通过将喷射开始的角位置和时间常数的相加来实现曲轴的燃烧开始的角位置的确定，由基值来确定该时间常数，根据待喷射的燃料量和排气再循环率来线性地校正该基值，

·由根据喷射开始的角位置的线性关系来实现燃烧结束的斜率的确定，

·由燃烧开始的角位置、燃烧速率和待喷射的燃料量来实现燃烧结束的角位置的确定。

此处提出的计算的线性允许以简单且快速的方式确定气缸中的压力，因此降低了成本。

本发明还涉及一种用于根据曲轴的角位置来确定发动机气缸的总压力的装置，其包括用于实现根据本发明的方法的各个步骤的机构。直接装载在用于控制发动机的计算机中的该装置允许有利地提高估计计算的快速性。实际上，该装置允许在喷射之前实时并预测性地估计气缸中的总压力。有利地，该装置不需要在气缸内部的压力传感器。

最后，本发明涉及一种用于根据气缸中的总压力来控制待喷射到发动机气缸中的燃料量的控制装置，其包括上文描述的用于确定气缸中的总压力的装置。由于对气缸中的总压力的估计，该控制装置有利地允许实现更精细并可控的喷射。因此，这允许获得发动机更适合且更接近期望性能的燃烧，这样降低了损失并因此减少燃料的消耗。

附图说明

通过参照所附示意图来阅读下文的描述，本发明的细节和优点将更加清楚，其中：

- 图1是示出根据本发明的实施方式的确定装置的框图，

- 图2是根据本发明的实施例的根据曲轴的角位置的气缸中的压力的大体图示，

- 图3是本发明的验证图示，

- 图4是示出根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了确定装置10的实施方式的大体结构，其允许根据发动机的曲轴14的角位置crk来确定所述发动机中的气缸内的压力P_cyl。

图1还示意性地示出了控制装置11的实施方式的大体结构，其根据气缸中的压力P_cyl来控制待喷射到所述发动机气缸中的燃料量。

控制装置11包括控制单元12，例如微处理器，控制单元中嵌入有确定装置10。控制装置11通过命令13（例如车辆踏板）从用户接收信息，这些信息被传输到控制单元12。这些信息允许确定发动机所需的扭矩，并因此用于管理各种模块，例如喷射器15，以及可选地用于管理进气阀16和排气阀17。此外，控制单元12包括单元18，布置该单元用于限定对于每次喷射inj_i待喷射到气缸中的燃料量MF_i。

确定装置10包括：

·单元19，其布置成通过计算来确定对应于一次燃烧对于每次喷射inj_i的压力的子变化（sous-variation）ΔP_{comb_i}的曲线，

·单元20，其布置成通过计算来确定气缸中在没有燃烧时的压力，称为无燃烧时的压力P_{cyl_m}，以及

·单元22，其布置成根据由上述单元提供的信息通过计算来确定气缸中的压力P_cyl。

单元19优选地由若干模块形成，每个模块允许确定对于压力子变化ΔP_{comb_i}的曲线的确定所必需的参数。因此，其包括：

·模块23，其布置来确定燃烧效率η，

·模块24，其布置来确定对于每次喷射inj_i燃烧开始时曲轴14的角位置SOC_i，

·模块25，其布置来确定对于每次喷射inj_i燃烧结束时曲轴14的角位置EOC_i，

·模块26，其布置来确定对于每次喷射inj_i所述曲线的燃烧开始斜率σ_i，以及

·模块27，其布置来确定对于每次喷射inj_i所述曲线的燃烧结束斜率α_i。

图2示出了实现确定装置10的示例的结果。因此，此图2示出了根据曲轴14的角位置crk（以度为单位）的气缸中总压力P_cyl（以bar为单位）以及待喷射的燃料量MF_i（MF₁=0.8mg，MF₂=0.8mg，MF₃=14.2mg）（以mg为单位）的图。角位置的范围经选择，使得其仅表示关于燃料喷射的循环。因此，在该图2中（图3同样如此），曲轴14的角位置从-40°到+40°变化，且点0°对应于与所考虑的气缸对应的活塞的上死点（PMH）。

曲线30表示气缸中的总压力P_cyl，该压力在发动机循环运行之前由确定装置10所估计。引入到气缸中的气体混合物通过活塞进行压缩并且喷射燃料。在本示例性实施例中，假 设存在三次连续喷射：第一先导预喷射inj₁，第二先导预喷射inj₂，然后是主喷射inj₃。容易注意到，气缸中的总压力P_cyl随着每次喷射燃料增加，并且特别是在主喷射期间，然后在燃烧结束且活塞下降时减小，曲线30趋向于最小压力。

曲线30的估计是基于由曲线32示出的无燃烧时的压力P_{cyl_m}的计算以及基于由每次喷射所引起的压力子变化ΔP_{comb_i}的曲线的计算。

图2的每次喷射在燃烧时产生不可忽略的压力子变化。每次喷射inj₁、inj₂、inj₃在曲轴14的特定角位置处开始，它们分别对应于喷射开始的各个角位置SOI₁、SOI₂、SOI₃。在每次喷射之后不久，燃烧分别开始于燃烧开始的各个角位置SOC₁、SOC₂、SOC₃，随着压力增加到特定点，然后燃烧结束，分别在燃烧结束的各个角位置EOC₁、EOC₂、EOC₃，压力逐渐降低直到趋向于零。曲线33、34、35示出了由于喷射inj_i引起的压力子变化ΔP_{comb_i}。

由于喷射燃料的最大量，曲线35具有较大的压力变化。因此，主喷射对气缸中的压力P_cyl的​​状态具有更大的影响。然而注意到，在主喷射inj₃期间，曲线33、34的压力子变化不为零。因此，曲线33、34仍影响此次喷射，并因此影响气缸中的总体压力P_cyl。

为了计算气缸中的总压力P_cyl，在此提出一种用于确定该压力的方法45，其借助图4进行描述。

如该图4中所示，从待喷射的燃料量MF_i开始，第一步骤37是用于确定无燃烧时的压力P_{cyl_m}的步骤，接着是用于确定每个压力子变化ΔP_{comb_i}曲线的步骤38。步骤37和步骤38之间的时间次序可以变化：因为这些步骤是独立的，它们甚至可以并行进行。此外，根据曲轴14的角位置crk计算无燃烧时的压力P_{cyl_m}和压力子变化ΔP_{comb_i}的曲线。

步骤37旨在基于对应于绝热压缩和绝热膨胀的关系式50以及线性校正关系式51来计算无燃烧时的压力P_{cyl_m}。

关系式50考虑拉普拉斯系数γ，并且取决于所述气缸的进气口压力P_intake和与角位置crk相关的体积。在关系式50中，值V_IVC是指进气阀关闭时燃烧室的体积，并且值V（crk）是指与角位置crk相关的体积V。

关系式51由从对应于关系式50的结果的基值通过增加若干线性校正所形成。这些线性校正可以分别由常数和从与喷射inj_i参数相关的系数形成。此处，第一校正cor_TCO取决于冷却温度TCO，并且第二校正cor_EGR取决于排气再循环率EGR。

每个步骤38旨在计算压力子变化ΔP_{comb_i}的曲线，并且更确切地，旨在确定相对应曲线的形状。为此，由关系式52以相同的方式估计每条曲线，关系式52取决于燃烧效率η、待喷射的燃料量MF_i、与角位置crk相关的体积V、活塞处于上死点时的气缸体积V_PMH和所述曲线的燃烧开始斜率σ_i，燃烧开始角位置SOC_i，所述曲线的燃烧结束斜率α_i和燃烧结束角位置EOC_i。

方法45然后在每个步骤38内包括若干子步骤，每个子步骤旨在计算关系式52的参数之一。

子步骤39旨在根据线性关系式53计算以bar/mg为单位的燃烧效率η。该关系式包括增加了若干线性校正的基值cste_η。每个校正可以由常数和与喷射inj_i的参数相关的系数形成。此处，第一校正cor_FUP取决于喷射时的燃料压力FUP_i，并且第二校正cor_TCO取决于冷却温度TCO_i。实际上，发动机冷却程度越大，燃烧效率η减小越多，即未完全燃烧物的数量增加。

在该示例中，首先以秒为单位估计关系式55、关系式56、57以及关系式58的参数，以便简化计算，然后变换成角度。为此，在此由关系式54实现变换，其中N是指发动机转速。

燃烧开始的角位置SOC_i由关系式55确定，其中τ_i表示燃料的自点燃时间周期，如图2所示。

自点燃时间周期τ_i可以由关系式56以线性方式以秒为单位进行估计，关系式56包括增加了若干线性校正的基值cste_τ。每个校正可以由与喷射inj_i的参数相关的常数和系数形成。对于自点燃时间周期τ₁，第一校正cor_MF取决于燃料量MF_i，并且第二校正cor_EGR取决于排气再循环率EGR_i。这两个校正各自大约占总校正值的40％。自点燃时间周期τ_i还包括取决于前一次喷射inj_i-1和喷射inj_i之间的时间T_DIFFi的第三校正cor_TDIFF，取决于喷射时的燃料压力FUP_i的第四校正cor_FUP以及取决于冷却温度TCO_i的第五校正cor_TCO。

为了计算燃烧开始的角位置SOC_i，关系式56的自点燃时间周期τ_i可以通过关系式54变换成以度为单位。

用于确定燃烧结束的角位置EOC_i的子步骤41由关系式57确定，其中λ表示最初以mg.s ^-1为单位的燃烧速率并转换为以°crk.s ^-1为单位。

子步骤42旨在确定在燃烧开始时所考虑的子变化曲线的斜率σ_i。该斜率可以由关系式58以线性方式以秒为单位来进行估计，关系式58包括增加了若干线性校正的基值cste_σ。这些线性校正可以分别由与喷射inj_i的参数相关的常数和系数形成。此处，这些校正取决于燃料量MF_i、排气再循环率EGR_i以及前一次喷射inj_i-1和喷射inj_i之间的时间T_DIFFi。

子步骤43允许计算斜率α_i。该斜率根据用于所考虑的喷射inj_i的喷射开始的角位置SOI_i而变化。实际上，进行喷射的位置离活塞的位置PMH越远，则燃烧结束时的斜率α_i就越平缓。因此斜率α_i是可校准的。例如，借助插值表来计算该斜率。

然后，步骤44允许根据关系式59将无燃烧时的压力P_{cyl_m}和每个压力子变化ΔP_{comb_i}相加来估计最终压力，在关系式59中n是指喷射inj_i的总次数。

对于类似于图2的喷射，图3示出利用上述确定方法所获得的结果。然而，图3的喷射inj₁、喷射inj₂、喷射inj₃与图2的喷射略有不同。曲线28示出不同的喷射。如对于图2而言，该示例包括三次喷射：第一先导预喷射、第二先导预先喷射，然后是主喷射。

曲线29示出了用于验证所提出的方法的气缸中的压力P_cyl的​​测量结果。曲线30示意性地示出了在发动机循环运行之前由确定装置10所估计的气缸中的总压力P_cyl（预测性估计）。注意到曲线30非常接近曲线29。实际上，这两个曲线之间的差值在预喷射区域（又称为压缩区域）中不超过+/-5巴的阈值（在图中以区间31示出），并且在燃烧区域中不超过+/- 10巴的阈值。

因此，本发明允许简单地预测发动机气缸中的压力，同时获得非常好的精度。

本发明还允许在考虑到发动机循环的所有喷射（即，预喷射、主喷射或甚至在主喷射之后的喷射）的情况下来估计气缸中的压力。

在进行喷射命令时估计气缸中的压力允许通过例如作用于喷射器的打开持续时间来有效调节对喷射到发动机中的燃料量的控制。

本发明可应用于例如实施发动机的装置中，例如又称为柴油发动机的压燃式发动机，或还应用于又称为汽油发动机的点燃式发动机。因此，本发明可易于配合不同的发动机。

上文所描述的校正参数取决于发动机和期望的精度水平。因此，通过增加校正系数用以考虑到在此未陈述的参数并不偏离本发明的范围。

当然，本发明不限于通过以非限制性示例的方式在上文给出的实施方式。本发明还涉及本领域技术人员在所附权利要求的范围内所做出的变型实施例。

Claims (10)

1.一种用于确定发动机的气缸中的总压力（P_cyl）的方法，其是根据曲轴（14）的角位置（crk）以及从在可能的几次喷射中待喷射的燃料量进行确定，其特征在于，其包括以下步骤：

·确定没有燃烧时的所述气缸中的压力，所述压力称为无燃烧时的压力（P_{cyl_m}），

·对于每次喷射（inj_i），确定由在所考虑的喷射（inj_i）期间所喷射的燃料量的燃烧引起的压力子变化（ΔP_{comb_i}）的曲线，所述曲线的形状是根据待喷射的燃料量（MF_i）和相对应喷射的喷射开始的角位置（SOI_i）所估计的，

·通过将所述无燃烧时的压力（P_{cyl_m}）与由每次喷射（inj_i）的压力子变化（ΔP_{comb_i}）的曲线所给出的压力相加来确定所述气缸中的总压力（P_cyl）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过考虑包含在所述气缸中的气体混合物的压缩和膨胀是绝热的并且将所述混合物视为理想气体来确定所述无燃烧时的压力（P_{cyl_m}），根据冷却温度（TCO）和排气再循环率（EGR）来线性地校正所述确定。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每个压力子变化（ΔP_{comb_i}）的曲线的确定由燃烧效率（η）、待喷射的燃料量（MF_i）、气缸的相对于曲轴（14）的角位置（crk）的体积、压力子变化（ΔP_{comb_i}）的曲线的燃烧开始的斜率（σ_i）、曲轴（14）的燃烧开始的角位置（SOC_i）、压力子变化（ΔP_{comb_i}）的曲线的燃烧结束的斜率（α_i）以及曲轴（14）的燃烧结束的角位置（EOC_i）之间的关系来实现。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，从基值（ctse_η）来实现所述燃烧效率（η）的确定，根据燃料的冷却温度（TCO_i）和待喷射的燃料的压力（FUP_i）来校正所述基值（ctse_η）。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，从基值（ctse_σ）来实现每个燃烧开始的斜率（σ_i）的确定，根据待喷射的燃料量（MF_i）、排气再循环率（EGR）以及前一次喷射（inj_i-1）和相对应的喷射（inj_i）之间的时间（T_DIFFi）来校正所述基值（ctse_σ）。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述曲轴的燃烧开始的角位置（SOC_i）的确定是通过将喷射开始的角位置（SOI_i）与时间常数（τ_i）相加来实现的，从基值（ctse_τ）来确定所述时间常数（τ_i），以及根据待喷射的燃料量（MF_i）和排气再循环率（EGR）来线性地校正所述基值（ctse_τ）。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其特征在于，通过根据喷射开始的角位置（SOI_i）的线性关系来实现所述燃烧结束的斜率（α_i）的确定。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其特征在于，通过燃烧开始的角位置（SOC_i）、燃烧速率（λ）和待喷射的燃料量（MF_i）之间的线性关系来实现所述燃烧结束的角位置（EOC_i）的确定。

9.一种用于根据曲轴（14）的角位置（crk）来确定发动机的气缸的总压力（P_cyl）的装置，其特征在于，其包括用于实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法的各个步骤的机构。

10.一种用于根据气缸中的总压力（P_cyl）来控制待喷射到发动机气缸中的燃料量的控制装置，其特征在于，其包括根据权利要求9所述的装置。