CN107269407A - 用于确定燃烧马达中的新鲜空气质量流量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定带有增压空气冷却器的增压的燃烧马达的新鲜空气质量流量的当前数值的方法，其中在新鲜空气质量流量的当前数值的基础上运行燃烧马达，所述方法具有以下步骤：‑确定增压空气冷却器上面的压差、在增压空气冷却器的进口侧或出口侧的进口侧或出口侧压力以及贯穿流过增压空气冷却器的新鲜空气的表示特征的温度；‑根据所确定的压差、根据所确定的进口侧或出口侧压力并且根据所确定的表示特征的温度借助于质量流量模型来计算新鲜空气质量流量的当前数值，从用于气体的密度方程、贝努利方程以及连续性方程中获取所述质量流量模型。

Description

用于确定燃烧马达中的新鲜空气质量流量的方法和装置

技术领域

本发明涉及燃烧马达，对于所述燃烧马达来说为了进行控制而需要关于所输入的新鲜空气的当前的质量流量（Massenstrom）的说明（Angabe）。尤其本发明涉及用于对燃烧马达中的新鲜空气质量流量进行测量的措施。

背景技术

现今的燃烧马达经常设有废气再循环机构，通过所述废气再循环机构能够将惰性的燃烧废气混合到被输送给燃烧马达的新鲜空气质量流量中。这可以有助于降低氮氧化物排放。为了调节合适的废气再循环率、也就是被导回的燃烧废气的特定的量，有必要知道当前输送给所述燃烧马达的新鲜空气质量流量。

为了测量新鲜空气质量流量，目前经常使用在废气驱动的增压机构的压缩机的进口侧的空气质量测量计，该空气质量测量计例如形式为热膜空气质量测量计。

因为一般来说必须为不同类型的燃烧马达设置不同的空气质量测量计，所以将热膜空气质量测量计用于测量新鲜空气质量流量的做法可能意味着提高的开销。因此，值得追求的是，尤其为具有更低要求的燃烧马达提供一种用于对燃烧马达中的新鲜空气质量流量进行测量的替代解决方案，该替代解决方案尤其可以以相同的方式用于不同类型或者配置的燃烧马达。

发明内容

按照本发明，设置了一种按照权利要求1所述的、用于确定进入到燃烧马达中的新鲜空气质量流量的方法以及按照并列的权利要求所述的装置和马达系统。

另外的设计方案在从属权利要求中得到了说明。

按照第一方面，设置了一种用于确定带有增压空气冷却器的增压的燃烧马达中的新鲜空气质量流量的当前数值的方法，其中在所述新鲜空气质量流量的当前数值的基础上运行所述燃烧马达，所述方法具有以下步骤：

-确定所述增压空气冷却器上面的压差、在所述增压空气冷却器的进口侧或出口侧的进口侧或出口侧压力以及贯穿流过所述增压空气冷却器的新鲜空气的表示特征的（charakteristisch）温度；

-根据所确定的压差、根据所确定的进口侧或出口侧压力并且根据所确定的表示特征的温度借助于质量流量模型来计算所述新鲜空气质量流量的当前数值，从用于气体的密度方程、贝努利方程以及连续性方程（Kontinuitätsgleichung）中来获取所述质量流量模型。

上述方法的构思在于，将燃烧马达的空气输送系统的增压空气区段中的增压空气冷却器的流动阻力用于测量所述新鲜空气质量流量的当前数值。为此，需要知道所述增压空气冷却器上面的压差以及在所述增压空气冷却器之前或者之后的绝对压力以及贯穿流过所述增压空气冷却器的新鲜空气的温度。

所述质量流量测量以用于气体的密度方程、贝努利方程以及连续性方程为基础。在例如不使用热膜空气质量测量计的情况下，通过对所述新鲜空气质量流量的测量的设置，可以实现成本节省并且可以提供一种更为稳健的传感器方案。因为针对不同类型的燃烧马达经常使用相同的增压空气冷却器，所以可以在不同类型的燃烧马达的较大的带宽的范围内通过相同的传感器布置结构或者设有传感器的增压空气冷却器来对所述新鲜空气质量流量的当前数值进行测量。由此能够在变型多样性较高的情况下降低传感器配置的数目。

此外，可以借助于压差传感器或者借助于处于所述增压空气冷却器的进口侧或出口侧的进口侧或出口侧压力来确定所述增压空气冷却器上面的压差。

可以规定，根据进口侧的和出口侧的温度的平均值来确定所述温度，其中借助于预先给定的压缩机模型根据环境温度和所述增压空气冷却器的进口侧的增压压力来确定所述进口侧的温度。

按照一种实施方式，可以借助于文丘里方程或者节流方程（Drosselgleichung）来确定所述新鲜空气质量流量的当前数值。

为了对所述新鲜空气质量流量的当前数值的确定进行校准，尤其可以用相应的加权参数对下述参量中的至少一个参量进行加权：所述温度T、所述增压空气冷却器的表示特征的面积以及作为文丘里方程或者节流方程的参数的等熵指数κ。

此外，能够针对所述新鲜空气质量流量的当前数值的测量而实施误差补偿，方法是：在废气再循环机构停用的情况下通过所述燃烧马达的预先给定的充气模型（Füllungsmodell）来确定所述新鲜空气质量流量的当前数值，并且根据在所述新鲜空气质量流量的、借助于所述充气模型确定的当前数值与所述新鲜空气质量流量的、根据所述质量流量模型确定的当前数值之间的偏差对所述增压空气冷却器的表示特征的横截面面积进行适应处理。

可以规定，为了确定所述进口侧或出口侧压力在所述燃烧马达关掉的情况下实施误差补偿。

按照另一个方面，设置了一种用于运行带有废气再循环机构的马达系统中的燃烧马达的装置，其中所述装置构造用于：

-确定所述增压空气冷却器上面的压差、在所述增压空气冷却器的进口侧或出口侧的进口侧压力或出口侧压力以及贯穿流过所述增压空气冷却器的新鲜空气的表示特征的温度；

-根据所确定的压差、根据所确定的进口侧压力或出口侧压力并且根据所确定的表示特征的温度借助于质量流量模型来计算新鲜空气质量流量的当前数值，从用于气体的密度方程、贝努利方程以及连续性方程中获取所述质量流量模型；并且

-在所述新鲜空气质量流量的当前数值的基础上运行所述燃烧马达。

按照另一个方面，设置了一种马达系统，该马达系统包括：

-燃烧马达；

-用于提供处于增压压力之下的新鲜空气的增压机构；

-用于对所提供的新鲜空气进行冷却的增压空气冷却器；

-上述的装置。

附图说明

下面借助于附图对实施方式进行详细解释。附图示出：

图1是具有燃烧马达的马达系统的示意图；并且

图2是用于对用来确定燃烧马达中的新鲜空气质量流量的方法进行说明的流程图。

具体实施方式

图1示出了具有燃烧马达2的马达系统1，所述燃烧马达一般来说包括多个汽缸3。所述燃烧马达2可以根据四冲程原理来工作并且尤其可以构造为燃料控制的（kraftstoffgeführt）燃烧马达、尤其是构造为柴油马达。

通过空气输送系统4来将新鲜空气输送给所述燃烧马达2的汽缸3。在运行中，根据负荷要求将燃料喷射到所述汽缸3的燃烧室中，在所述燃料燃烧之后将燃烧废气通过废气排放道（Abgasabführungstrakt）5来排出。

在所述空气输送系统4中并且在所述废气排放道5中设置了至少一个废气驱动的增压机构6。所述增压机构6包括涡轮机61，该涡轮机布置在所述废气排放道5中，以便将所述燃烧废气的废气焓转化为机械能。此外，设置了压缩机62，该压缩机通过轴63与所述涡轮机61例如机械地耦联，以便将借助于所述涡轮机61所获取的旋转能转化为用于将从环境中吸入的新鲜空气压缩到增压压力区段41中的压缩功率。

所述增压压力区段41可以定义所述空气输送系统4的一个区段，该区段处于所述压缩机62的出口与布置在所述空气输送系统4中的节气阀8之间。此外，可以在那里设置增压空气冷却器44。

所述空气输送系统4的进气管区段42于是就位于所述节气阀8与所述汽缸3的进气阀之间。对于无节气阀8的空气输送系统4来说，所述增压压力区段41相当于所述空气输送系统4在所述压缩机62的出口与所述汽缸3的（未示出的）进气阀之间的整个区段。

在所述增压压力区段41中可以设置压力传感器43，该压力传感器提供关于实际增压压力p_pos的说明。作为替代方案，可以在进气管区段42中设置压力传感器，借助于该压力传感器可以对所述实际增压压力p_pos进行建模。

此外，设置了至少一个增压调节器64，所述增压调节器能够可变地调节所提供的涡轮机功率的大小。所述增压调节器64例如可以构造为排气气门阀（Wastegateventil）、构造为VTG调节器（VTG：Variable Turbine Geometry（可变几何涡轮增压结构））或者以其它的方式来构成。所述增压调节器64可以借助于合适的调节量S在增压压力调节的基础来被调节，所述调节量例如表明用于所述增压调节器64的伺服马达的占空比。

此外，设置了废气再循环管路7，在该废气再循环管路中先后有用于对贯穿流过的被导回的燃烧废气进行冷却的废气冷却器71以及AGR阀72。借助于所述AGR阀72可以调节燃烧废气的被导入到所述空气输送系统4中的量。

被导回的燃烧废气在被输送给所述燃烧马达2的汽缸3的新鲜空气中的份额被称为废气再循环率（AGR率）。所述AGR率或者所述AGR质量流量或者所述新鲜空气质量流量借助于AGR调节系统根据所述燃烧马达2的运行状态通过借助于AGR调节量S_AGR来调节所述AGR阀62的方式来调节。所述AGR调节量S_AGR用于直接操控所述AGR阀72，以便调节所述AGR质量流量、所述AGR率或者所述新鲜空气质量流量。

在图1中示出的废气再循环管路相当于高压废气再循环机构，而下面所描述的方法也可以与低压废气再循环机构一起来使用。为此，低压废气再循环管路将所述涡轮机61的出口侧与所述压缩机62的进口侧连接起来，并且可以作为高压废气再循环机构的替代方案或者补充方案来设置。

设置了控制器10，为了运行所述燃烧马达2所述控制器操控所述AGR阀72、所述增压调节器64、所述节气阀8和另外的执行机构、例如用于确定有待喷射的燃料量的燃料喷射阀。总之，所述控制单元10根据从外部提供的关于额定转矩的说明并且根据关于燃烧马达2的当前的运行状态的说明、流经所述压缩机62的新鲜空气质量流量的当前数值和/或另外的运行状态参量来操控所述执行机构，所述关于燃烧马达的当前的运行状态的说明例如通过转速和负荷来说明（angegeben）。所述额定转矩可以从驾驶员愿望中产生，所述驾驶员愿望通过对加速踏板的操纵来说明。

现在规定，确定新鲜空气质量流量的当前数值，所述新鲜空气质量流量被引向所述废气再循环管路7的进入到所述进气管区段42中的汇入点处。为此而规定，设置具有显著的流动阻力的增压空气冷却器44，其设有另外的传感器，以便测量所述增压空气冷却器44上面的压差以及贯穿流过所述增压空气冷却器44的空气的温度。应该如此选择所述增压空气冷却器44的流动阻力，使得在最小的空气质量流量——该最小的空气质量流量在所述燃烧马达2运行时可能出现——的情况下在所述增压空气冷却器44上面存在着能够探测的压差。

为了测量所述增压空气冷却器44上面的压差以及贯穿流过所述增压空气冷却器44的空气的温度，可以在所述增压空气冷却器44中布置用于对所述增压空气冷却器44的出口侧与进口侧之间的压差进行测量的压差传感器46或者布置温度传感器47。此外，对于在所述增压空气冷却器44的进口侧或出口侧的绝对压力的说明是必要的。因此，例如可以将由压力传感器43测量的实际增压压力p_pos用作绝对压力说明。

也可以取代布置在所述增压空气冷却器44的出口侧的压力传感器43而在所述增压空气冷却器44的进口侧设置压力传感器。

此外，也可以通过在所述增压空气冷却器44处布置进口侧的和出口侧的压力传感器这种方式来确定所述压差Δp。

所述温度传感器47测量流入所述增压空气冷却器44的横截面狭窄处的新鲜空气的温度，并且所述压差传感器46测量所述增压空气冷却器44的进口侧与出口侧之间的压差。

为了确定新鲜空气质量流量，可以根据图2的流程图执行一种方法。

为此，在步骤S1中测量所述增压空气冷却器44上面的压差Δp、流经所述增压空气冷却器44的空气的温度以及所述增压空气冷却器44的出口侧的压力。

在步骤S2中，现在借助于气体的密度方程、贝努利方程以及连续性方程来确定新鲜空气质量流量。所述贝努利方程的内容是：

，

所述连续性方程的内容是：

，

并且理想气体的密度方程的内容是：

，

其中p_pre相当于所述增压空气冷却器44的进口侧的压力，p_pos相当于所述增压空气冷却器44的出口侧的压力，ρ_pre相当于所述增压空气冷却器44的进口侧的气体的密度，ρ_pos相当于所述增压空气冷却器44的出口侧的气体的密度，相当于所述增压空气冷却器44的进口侧的气体的流动速度，相当于所述增压空气冷却器44的出口侧的气体的流动速度，相当于质量流量，A_pre相当于在所述增压空气冷却器44的进口侧的流动的新鲜空气的有效的横截面面积，A_pos相当于在所述增压空气冷却器44的出口侧的流动的新鲜空气的有效的横截面面积，并且R_Gas相当于用于空气的气体常数。

通过对于如所述增压空气冷却器44所表示的那样的节流点上面的压差Δp的测量，可以借助于所谓的文丘里方程在简化地假设不可压缩的气体（恒定的密度）以及所述增压空气冷却器的进口侧的无限大的横截面v_pre=0的情况下以如下方式获取贯穿流过的质量流量：

，

其中，A_eff,LLK相当于所述增压空气冷却器44的有效的（表示特征的）面积，Δp相当于所述增压空气冷却器44上面的压差，T相当于所述节流点处的温度。

如果考虑到气体的可压缩性，则产生的节流方程形式为：

其中，T_pre是所述节流点之前的温度，并且ψ（π, κ）是取决于所述增压空气冷却器44上面的压力比π和所述等熵指数κ的流量函数。

带有所述项ψ（π, κ）的节流方程的使用具有以下优点：如果不存在理想的流动（对于不可压缩或者对于绝热）而是存在着普遍多变的流动，通过对于κ的有利的选择也可以描绘一些效应。

在上述方程中，除了所述压差Δp之外，温度T对于所述新鲜空气的密度的计算来说是重要的。因为所述温度在所述增压空气冷却器44中发生变化，所以应该将平均的或者表示特征的温度用于所述计算。这个温度可以由布置在所述增压空气冷却器44的进口侧或出口侧的温度传感器47从进口侧温度T_pre和出口侧温度T_pos的经过加权的平均值中来确定。所述进口侧的温度值也可以通过涡轮增压器压缩机模型来获取。所述涡轮增压器压缩机模型需要环境温度和增压压力作为输入参量。

为了获取所述出口侧的温度值T_pos，可以使用在所述燃烧马达2处的温度传感器。

因为车速决定性地确定所述增压空气冷却器44的冷却功率，所以可以将所述车速用于改进所述增压空气冷却器中的平均温度的精度。为此可以使用合适的冷却器模型。按照所需要的精度，所述一个或多个温度传感器可以被这样的冷却器模型所取代，该冷却器模型根据车速、进口侧的或者出口侧的温度和环境温度来指明在上述方程中所使用的温度T。

为了改进上述模型方程的精度，可以对所述参数进行加权，尤其可以用相应的加权参数对所述温度T、所述增压空气冷却器44的表示特征的面积进行加权并且在使用所述节流方程的情况下也对κ进行加权。

为了将质量流量计算的、由于压力传感器公差和所述增压空气冷却器44的状态引起的公差保持较小的程度，可以在马达停止时对所述压力传感器进行调准（abgeglichen）。在所述压力传感器之间测量的压力降的当前数值可以作为误差-偏移（Offset）保存在控制器中并且相应地从所述测量值中扣除。此外，可以记录多个测量值并且形成一个平均值，由此可以进一步提高所述误差-偏移的精度。由此可以显著地降低所述压差传感器46的公差或者在使用在所述增压空气冷却器44处的进口侧的和出口侧的压力传感器的情况下显著地降低所述压力传感器的公差。

在燃烧马达运行时，可以在没有废气再循环机构的工作点中或者在所述废气再循环机构停用时通过所述燃烧马达2的充气模型来算出所述新鲜空气质量流量的当前数值。所述充气模型的内容是：

其中，V_H相当于所述燃烧马达的工作容积（Hubraum），n相当于马达转速，p_Saugrohr相当于进气管压力并且T_Saugrohr相当于进气管温度。此外，在所述充气模型中可以考虑到输入参量、如涡流节气门位置（Drallklappenposition）和VVT操控位置（VVT：Variabler Ventiltrieb（可变的阀门传动机构））。然后，用适应处理函数（Adaptionsfunktion）使来自上述节流方程的新鲜空气质量流量的计算出的当前数值与作为所述燃烧马达2的充气模型的结果的新鲜空气质量流量相适应。所述适应处理通过对所述表示特征的面积A_eff的调整来调整性地进行。因此用仅仅一个测量的点可以在可能的新鲜空气质量流量的全部的范围内进行校正。由此可以学习所述增压空气冷却器44由于老化、例如沉积物引起的变化的状态并且将对所述质量流量计算的影响降低到最低限度。

Claims (11)

1. 用于确定带有增压空气冷却器（44）的增压的燃烧马达（2）的新鲜空气质量流量（）的当前数值的方法，其中在所述新鲜空气质量流量（）的当前数值的基础上运行所述燃烧马达（2），所述方法具有以下步骤：

-确定（S1）所述增压空气冷却器（44）上面的压差（Δp）、在所述增压空气冷却器（44）的进口侧或出口侧的进口侧或出口侧压力（p_pre、p_pos）以及贯穿流过所述增压空气冷却器（44）的新鲜空气的表示特征的温度；

-根据所确定的压差（Δp）、根据所确定的进口侧或出口侧压力（p_pre、p_pos）并且根据所确定的表示特征的温度（T）借助于质量流量模型来计算（S2）所述新鲜空气质量流量（）的当前数值，从用于气体的密度方程、贝努利方程以及连续性方程中获取所述质量流量模型。

2.按权利要求1所述的方法，其中借助于压差传感器（46）或者借助于在所述增压空气冷却器（44）的进口侧或出口侧的进口侧或出口侧压力来确定所述增压空气冷却器（44）上面的压差（Δp）。

3.按权利要求1或2所述的方法，其中根据进口侧的和出口侧的温度（T_pre、T_pos）的平均值来确定所述温度，其中借助于预先给定的压缩机模型根据环境温度和所述增压空气冷却器（44）的进口侧的增压压力来确定进口侧的温度（T_pre）。

4.按权利要求1到3中任一项所述的方法，其中借助于文丘里方程或者节流方程来确定所述新鲜空气质量流量（）的当前数值。

5.按权利要求4所述的方法，其中为了对所述新鲜空气质量流量的确定进行校准而用相应的加权参数对下述参量中的至少一个参量进行加权：所述温度（T）、所述增压空气冷却器（44）的表示特征的面积（A_eff）以及作为文丘里方程或者节流方程的参数的等熵指数（κ）。

6.按权利要求4和5中任一项所述的方法，其中针对所述新鲜空气质量流量（）的测量而实施误差补偿，方法是：在废气再循环机构停用的情况下通过所述燃烧马达（2）的预先给定的充气模型来确定所述新鲜空气质量流量（）的当前数值，并且根据所述新鲜空气质量流量（）的、借助于所述充气模型确定的当前数值与所述新鲜空气质量流量（）的、根据所述质量流量模型确定的当前数值之间的偏差来对所述增压空气冷却器（44）的表示特征的横截面面积进行适应处理。

7.按权利要求1到6中任一项所述的方法，其中为了确定所述进口侧或出口侧压力（p_pre、p_pos）在所述燃烧马达（2）关掉的情况下实施误差补偿。

8.用于运行带有废气再循环机构的马达系统（1）中的燃烧马达（2）的装置，其中所述装置构造用于：

-确定所述增压空气冷却器（44）上面的压差（Δp）、在所述增压空气冷却器（44）的进口侧或出口侧的进口侧或出口侧压力（p_pre、p_pos）以及贯穿流过所述增压空气冷却器（44）的新鲜空气的表示特征的温度；

-根据所确定的压差（Δp）、根据所确定的进口侧或出口侧压力（p_pre、p_pos）并且根据所确定的表示特征的温度（T）借助于质量流量模型来计算所述新鲜空气质量流量（）的当前数值，从用于气体的密度方程、贝努利方程以及连续性方程中获取所述质量流量模型；

-在所述新鲜空气质量流量（）的当前数值的基础上运行所述燃烧马达。

9.马达系统（1），包括：

-燃烧马达（2）；

-用于提供处于增压压力下的新鲜空气的增压机构（6）；

-用于对所提供的新鲜空气进行冷却的增压空气冷却器（44）；以及

-按权利要求8所述的装置。

10.计算机程序，该计算机程序被设立用于：执行按权利要求1到7中任一项所述的方法的所有步骤。

11.机器可读的存储介质，在该机器可读的存储介质上面保存了按权利要求10所述的计算机程序。