CN108301908B - 用于计算液体在内燃机的废气装置中的分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明建议一种用于计算液体在道路机动车的内燃机（10）的废气装置（14）中的分布的方法，其中，在所述计算时考虑在所述废气装置（14）内发生的、出自废气的液体的凝结和在所述废气装置内发生的、所述液体的蒸发对所述分布的影响。其它独立权利要求分别提出一种控制器、一种计算机程序和一种计算机程序产品。

Description

用于计算液体在内燃机的废气装置中的分布的方法

技术领域

本发明涉及一种用于计算液体在道路机动车的内燃机的废气装置中的分布的方法。除此之外，本发明还涉及一种被设置用于执行该方法的控制器、一种计算机程序和一种计算机程序产品。

背景技术

在内燃机的废气系统中，水根据压力和温度凝结和蒸发。水的蒸发从废气和/或该废气装置的构件中带走相对多的热量。相反，当水凝结时释放相对多的热量。此外，液态水的热容量明显大于该废气的热容量。这导致在所述废气装置中的水量对该废气装置内的温度特性具有强烈的影响。迄今为止未设置：测量这样的水量和其在所述废气装置中的分布。

了解水在所述废气装置中的分布是有利的，以便例如在该内燃机启动之后能够尽可能早地打开废气传感器陶瓷（Abgassondenkeramik）的电加热，该废气传感器陶瓷需要一定的运行温度以实现其正常的功能。在此，如果在所述废气装置中的废气传感器的安装位置处还出现液态水，则不能打开所述加热，因为热的废气传感器陶瓷通过与液态水接触能够由于热冲击（Thermoschock）而被损坏。

发明内容

本发明在其方法方面的突出之处在于，考虑在该废气装置内发生的、出自废气的液体的凝结和在所述废气装置内发生的、所述液体的蒸发对水在所述废气装置内的分布的影响。

一种优选的构型方案突出之处在于，附加地考虑液体的运输对所述分布的影响，所述运输在所述废气装置内发生。

液态水在内燃机的废气装置中的分布由在所述废气装置的相应的位置处蒸发的和凝结的水量并且必要时附加地由液态水在所述废气装置中的流动得出，所述流动由作用在所述液体上的力所驱动。

在这种关联中，本发明允许计算水在所述废气装置中的分布。这导致产生传感器加热的更准确的释放，而无需像在常见的方法中所使用的那样绕道（Umweg）通过热量阈值。此外，能够更准确地计算该废气装置的构件的温度，所述温度出于避免损坏构件的原因而应该在预先给定的限度内。这尤其对于具有混合动力驱动和/或启-停-功能的新型车辆概念而言是令人感兴趣的，在这些概念中更频繁地导致内燃机的关闭。通过关闭该内燃机，所述废气装置对应地更频繁地冷却，并且待建模的效应与此对应地进一步地增加。

该方法的一种优选的构型方法的突出之处在于，所述液体是水，并且首先确定以气态的形式从该内燃机的燃烧室中流出的水的量。

还优选的是，在直接作为燃烧产物生成的水量和环境空气的相对空气湿度的基础上确定所述量。

还优选的是，所述废气装置被划分为n多个以区段的形式的平衡元件，所述废气依次流过所述区段；并且，用于第i个平衡元件的气态水的输入浓度由直接布置在所述第i个平衡元件上游的第i-1个平衡元件的输入浓度和通过在所述第i-1个平衡元件中发生的、由于凝结和蒸发造成的所述浓度的变化来确定。

另一种优选的构型方法的突出之处在于，为每个平衡元件计算在相应的平衡元件中存在多少水。

还优选的是，为每个平衡元件计算在所述平衡元件中有多少水蒸发并且在所述平衡元件中有多少水凝结。

还优选的是，在平衡元件中的水量由在那里蒸发或者凝结的水的量得出，所述水的量由液态水的另一量确定，所述液态水的另一量从所述平衡元件的相邻的平衡元件流向所述平衡元件或者从所述平衡元件流出到它的相邻的平衡元件中。还优选的是，首先作用到所述液态水上的力被确定为在所述废气与所述液态水之间起作用的摩擦力和/或作用到所述液态水上的惯性力。

还优选的是，计算从所述平衡元件的相邻的平衡元件流向所述平衡元件或者从所述平衡元件流出到它的相邻的平衡元件中的液态水的量，并且然后考虑所述液态水的流动，所述流动在这些力的作用下并且在考虑由该废气装置的几何形状导致的约束条件的情况下产生。

还优选的是，为每个平衡元件计算至少一个温度，其中，在所述平衡元件中发生的凝结增加地影响所计算的温度，并且在所述平衡元件中发生的蒸发减少地影响所计算的温度。

优选地，为每个平衡元件计算该废气装置的配属的区段的管壁的温度和充斥在所述配属的区段中的废气的温度。

其它优点由说明书和所附附图得出。

应当理解，上文所提到的和下文待阐述的特征不仅能够以分别给出的组合还能够以其它组合地或者单独地被使用，而不脱离本发明的框架。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在下文的说明书中进一步阐述。在此，相同的附图标记在不同的附图中分别表示相同的或者至少在其功能方面类似的元件。附图分别以示意图的形式示出：

图1本发明的技术环境；

图2在本发明中所使用的平衡元件；和

图3根据本发明的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

图1详细地示出具有进气系统12、废气装置14和控制器16以及不同的传感器和执行器的内燃机10。所述内燃机10与电机18耦接，所述电机优选能够作为发动机或者电动机被运行。图1在这方面还示出混合动力驱动器，其中，内燃机10和电机18的耦接不应局限在图1所简化示出的方式和方法内。该电机18的存在对于本发明而言不重要。

所述控制器16在图1中处理空气质量测量计20的、必要时可选地安装在该进气系统的壁中的并且检测空气的相对湿度的湿度传感器22的信号、其它传感器24的信号以及必要时安装在该废气装置的壁中的并且突出到废气流中的至少一个废气传感器26的信号，所述其它传感器提供该内燃机的其它运行参数，例如，仅作为示例，该内燃机的转速和冷却剂温度；所述废气传感器例如测量废气成分的浓度或者温度。驾驶员期望传感器28检测转矩要求并且将其传递给所述控制器16。附加地，在所示出的例子中，加速度传感器27和车辆倾斜传感器29与所述控制器16连接。当不存在湿度传感器时，对所述相对湿度进行建模。

所述控制器16由这些信号和必要时其它的或者别的信号形成用于该内燃机的和/或该电机的执行器30的操控信号。该内燃机的执行器尤其是、但不仅仅是燃料喷射阀或者多个燃料喷射阀的组件。

除此之外，所述控制器16被设置用于、尤其是被编程用于计算液体在该内燃机10的废气装置中的分布，其中，所述控制器被编程用于考虑在该废气装置内发生的液体的凝结和蒸发对所述分布的影响。为此，所述控制器16尤其具有计算机程序产品31，该计算机程序产品具有以机器可读的形式的计算机程序，其中，所述计算机程序形成根据本发明的方法的和/或该方法的一个或者多个构型方案的实施例。所述计算机程序产品例如是该控制器的存储器。

所述废气装置14、或者该废气装置14的至少一个废气支线（Abgasstrang）具有n多个区段14.i，i是1、2、……n，所述废气在其到该废气支线的排出口的路径上依次流过所述区段。直接位于该内燃机的排气阀下游的区段14.i在此是n个区段14.i的第一区段。

每个区段14.i都具有入口和出口。除了最后的区段14.n以外，第i个区段的出口分别形成直接相继的第（i+1）个区段的入口。

假设废气装置14从所述第一区段14.1到第n个区段14.n的末端全都超过100℃，则在所述废气装置中的气态水的浓度通过在所述废气流中的再反应（Nachreaktion）最多不显著地发生改变，所述再反应释放其它水，如它例如在催化器中出现的那样。在图1中，所述区段14.4例如是催化器或者颗粒过滤器。

然而通常不满足这种温度条件。因此，起初为气态的水的一部分从所述废气中凝结，并且在对应量的情况下在该废气装置14的内壁上形成水膜，该水膜的厚度能够是不同的。一旦在所述废气装置14中形成了这样的膜或者甚至更大量的液态水，则每单位时间这个凝结物的一部分也会再次蒸发。

此外，液态水也能够根据该废气装置14的几何形状和在行驶运行时作用到所述液态水上的力以液态的形式从一区段流到另一区段中。

根据本发明的方法例如在用于控制该内燃机的主程序的子程序中被执行。

该废气装置的计算模型被用于执行该方法。在这个计算模型中，所述废气装置14关于待计算的温度被划分为n个平衡元件32.i，该内燃机的废气依次流过所述平衡元件。具有索引编号i的平衡元件32.i在此配属于具有相同索引编号i的区段14.i。优选地，这适用于所有区段14.1至14.n。所述第一平衡元件在此配属于该废气装置14的区段14.1，所述区段比其它区段更靠近该内燃机10的排气阀。

在根据本发明的方法的第一实施例中，重复地在用于发动机控制的主程序的子程序中执行所述方法。所述重复优选时间同步地进行。在此优选为每个平衡元件32.i执行必需的计算。

图2以示意性的方式示出被气体从左向右流过的这样的平衡元件32.i。在该平衡元件32.i的左侧入口34处，由所述废气质量流输送的气态水36进入到所述平衡元件32.i中。然后，在所述入口34处存在在所述废气质量流中的气态水的输入浓度。由此，连同该废气的输入质量流一起产生气态水36在计算间隔中流入到所述平衡元件32.i中的量。在相同的计算间隔中，该废气的近似相同的输出质量流向右从所述平衡元件中流出并且作为输入质量流流入到下一个相邻的平衡元件中。在最初观察的平衡元件32.i中，在所述废气质量流中的气态水的浓度由于水的凝结量38的凝结和水的蒸发量40的蒸发而能够发生改变，所述水来自于在所述平衡元件32.i中可能存在的液态水42。所述液态水例如作为在该废气装置的内壁44上的水膜出现。吸收热能的蒸发和释放热能的凝结影响该废气质量流的和该平衡元件的壁44的温度。

液态水42的量影响所述蒸发量40并且根据所述凝结量38和所述蒸发量40发生改变。除此之外，所述液态水42的量另一方面也根据有多少水47以液态的形式从相邻的平衡元件中流进和/或流出到平衡元件中而发生改变。

在该平衡元件32.i的右侧出口处，由所述废气质量流输送的气态水48从所述平衡元件32.i中逸出。然后，在所述出口46处存在在所述废气质量流中的气态水的输出浓度。由此，连同该废气的输出质量流一起产生在所述计算间隔中流入到下游最接近的平衡元件中的、气态水47的量。

在根据本发明的方法的实施例中使用下述量用于计算液态水在该内燃机的废气装置中的分布：

- 以气态的形式流出该内燃机的燃烧室的水的量；

- 直接作为燃烧产物产生的水量作为这个量的子量；

- 环境空气的相对空气湿度，由所述相对空气湿度产生这个量的另外的子量；

- 用于每个平衡元件32.i的气态水36的输入浓度；

- 通过在各个平衡元件32.i中水的凝结量38的凝结和水的蒸发量40的蒸发造成的浓度的变化；

- 液态水42的量，所述液态水分别位于相应的平衡元件32.i中；

- 液态水47的另一量，所述液态水的另一量在两次方法过程之间从该平衡元件的相邻的平衡元件流向所述平衡元件32.i或者从所述平衡元件32.i流出到它的相邻的平衡元件中。

这些量的值在重复运行该方法时被持续更新。在该内燃机10启动之后进行的该方法的第一过程中，部分地还不存在当前所计算的值。在这种情况下，首先将预先确定的起始值用于所述计算，所述值存储在执行所述方法的控制器16的存储器中。这些起始值能够取决于先前的历史。当机动车例如在较长时间的行驶后以高的废气温度停下时，能够以此为出发点：在所述废气装置14中不存在液态水42的较大的量。一旦存在通过所述第一方法过程获取的当前的值，则在随后的计算使用这些值。

图3示出作为根据本发明的实施例的计算机程序49的流程图。

在下文中列举的步骤也能够以不同于图3的图示的顺序被实施并且也不必直接依次被实施。因此，每当所述控制器16不完成高级别的和通过方框50代表的发动机控制程序的优先级更高的、程序部分时，所述步骤能够例如由所述控制器16来实施。重要的是，按照所示出的或者别的顺序以足够高的频率重复所述步骤顺序，所述频率例如对应于该内燃机的转速。

在部分程序52中，为第一平衡元件确定气态水36的输入浓度。对于所述第一平衡元件而言，所述输入浓度是在所述废气质量流中以气态的形式从该内燃机10的燃烧室流出的水的浓度。

为了获取该第一平衡元件的输入浓度，首先确定以气态的形式从该内燃机10的燃烧室中流出的水的量。为此，在直接作为燃烧产物产生的水量和环境空气的相对空气湿度的基础上确定这个量。作为燃烧产物产生的水量通过在所述控制器16中进行的计算由被喷入的燃料的量和参与该燃料的燃烧的空气的量得出。两个值存在在现代的控制器16中。所述相对空气湿度优选利用湿度传感器22来检测。所述湿度传感器22例如如此布置在该内燃机10的进气系统12的壁中，使得它检测流入所述内燃机10中的新鲜空气的相对空气湿度。然后，通过下述方式获取所述输入浓度：以气态的形式从该内燃机10中流出的水的值除以该废气质量的配属的值。该废气质量流的值由被抽吸的空气量和被喷入的燃料得出。

对于随后的平衡元件来说，所述输入浓度分别是上游直接相邻的平衡元件的输出浓度。以下述方式得出这样的上游直接相邻的平衡元件的输出浓度：

在部分程序54中，为每个平衡元件计算在相应的平衡元件中存在多少水。平衡元件中的水量，从这个水量的起始值出发，由在那里蒸发的水的蒸发量40、在那里凝结的水的凝结量38和液态水的另一量得出，所述液态水的另一量从该平衡元件的相邻的平衡元件流向所述平衡元件或者从所述平衡元件流出到它的相邻的平衡元件中。所述起始值首先是可信的、取决于所述先前的历史的值，所述值能够例如等于零（在热的平衡元件中）。

在部分程序54中，从所述起始值和最后所确定的该平衡元件的或者在所述平衡元件中的废气的温度出发，计算在所述平衡元件中在该方法的两次过程之间有多少水蒸发作为蒸发量40和在所述平衡元件中有多少水凝结作为凝结量38。所述温度越高，在所述平衡元件中的水量越大，蒸发的水越多，凝结的水越少。定量关系优选以特性曲线或者特性场的形式存储在所述控制器中，并且从而能够被所述控制器获取。

在部分程序56中，首先确定作用到所述液态水42上的力，作为在所述废气与所述液态水42之间起作用的摩擦力和/或作用到所述液态水42上的惯性力。所述摩擦力由在所述平衡元件中的液态水42的表面的大小和由该废气质量流的大小得出。所述废气质量流和所述表面越大，所述摩擦力也越大，所述摩擦力作用在所述表面上并且驱动或者制动水流动。所述惯性力优选通过加速度传感器来检测，如在装备有行驶动态调节系统的现代机动车中本来就存在的那样。车辆倾斜优选通过倾斜传感器来检测或者由该机动车的导航系统的数据得出。定量关系优选以特性曲线或者特性场的形式存储在所述控制器中，并且从而能够被所述控制器求取。

在部分程序58中计算从一平衡元件的相邻的平衡元件流向所述平衡元件或者从所述平衡元件流出到它的相邻的平衡元件中的的液态水47的量，所述量作为在所述部分程序56中所确定的力的、并且在考虑由所述废气装置的几何形状导致的约束条件和惯性力的情况下的和重力的结果得出。根据配属于所述平衡元件的区段的倾斜（相对于车道）、例如向上引导的梯级（Stufen）的障碍（如例如在引导废气的横截面减小时能够出现的那样）和加速力和离心力的不同，在彼此相邻的平衡元件之间交换液态水。在一种优选的构型方案中，所交换的水的量的计算附加地根据该液态水的黏度来进行，其中，所述黏度优选由所述控制器根据在所述平衡元件中的温度来求取。温度升高，所述黏度降低。定量关系优选以特性曲线或者特性场的形式存储在所述控制器中，并且从而能够被所述控制器求取。

在实施例中，由当前的数据为每个平衡元件计算至少一个温度。

在部分程序60中，为此首先确定该区段的温度的、例如该区段的内壁44（管壁）的温度的基础值。这个基础值例如根据其来自之前进行的程序过程的前值和在所述平衡元件中的当前的废气温度来确定。对于所述第一平衡元件，当前的废气温度是直接在该内燃机的排气阀上游的废气的温度。这个废气温度例如由该内燃机的当前的运行参数来确定。例如已知的是，所述废气温度与由所述内燃机当前所产生的转矩有预先给定的关联。所述转矩是在现代发动机控制中存在于所述控制器中的量，从而使得所述控制器也能够确定配属的废气温度。对于位于所述第一平衡元件下游的平衡元件而言，所述当前的废气温度例如基于一废气温度，该废气温度在对应于从所述排气阀到相应的平衡元件的气体行进时间的时间间隔之前直接存在于所述排气阀的下游，所述时间间隔的振幅在到相应的平衡元件的路径上增加地衰减。

然后，在部分程序62中，计算由所述废气产生的水的凝结量的、发生在该平衡元件内在两次计算过程之间的凝结的影响。这样的凝结通过释放的凝结热增加地影响所述废气温度。与此类似地，计算由必要时存在在所述平衡元件中的液态水的水的蒸发量的、发生在两次计算过程之间的蒸发的影响。这样的蒸发减少地影响所述废气温度。计算该凝结和蒸发的影响的顺序不重要。

结果，由此计算在道路机动车的内燃机10的废气装置14中的温度，其中，在计算所述温度时考虑在该废气装置内发生的、由废气产生的水的凝结和在该废气装置内发生的、水的蒸发对所述温度的影响。

Claims (12)

1.用于计算液体在道路机动车的内燃机（10）的废气装置（14）中的分布的方法，其中，在所述计算时考虑在所述废气装置（14）内发生的、出自废气中的液体的凝结和在所述废气装置内发生的、所述液体的蒸发对所述分布的影响，

其中，所述液体是水，并且首先确定以气态的形式从所述内燃机（10）的燃烧室中流出的水的量，

其中，所述废气装置（14）被划分为n多个以区段（14.1）为形式的平衡元件（32.i），所述废气依次流过所述区段；并且，用于第i个平衡元件（32.i）的气态水的输入浓度由直接布置在所述第i个平衡元件上游的第i-1个平衡元件的输入浓度和通过在所述第i-1个平衡元件中发生的、由于凝结和蒸发造成的所述浓度的变化来确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，附加地考虑液体的运输对所述分布的影响，所述运输在所述废气装置内发生。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在直接作为燃烧产物生成的水量和环境空气的相对空气湿度的基础上确定以气态的形式从所述内燃机（10）的燃烧室中流出的水的量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为每个平衡元件（32.i）计算在涉及的平衡元件（32.i）中存在多少水。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，为每个平衡元件（32.i）计算在所述平衡元件（32.i）中有多少水蒸发并且在所述平衡元件（32.i）中有多少水凝结。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在平衡元件（32.i）中的水量由在那里蒸发或者凝结的水的量得出，并且所述水的量由液态水的另一量确定，所述液态水的另一量从所述平衡元件（32.i）的相邻的平衡元件流向所述平衡元件（32.i）或者从所述平衡元件（32.i）流出到它的相邻的平衡元件中。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，首先作用到所述液态水（42）上的力被确定为在所述废气与所述液态水（42）之间起作用的摩擦力和/或作用到所述液态水（42）上的惯性力。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，计算从所述平衡元件（32.i）的相邻的平衡元件流向所述平衡元件（32.i）或者从所述平衡元件（32.i）流出到它的相邻的平衡元件中的液态水的量，并且然后考虑所述液态水的流动，所述流动在这些力的作用下并且在考虑由所述废气装置的几何形状导致的约束条件的情况下产生。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为每个平衡元件（32.i）计算至少一个温度，其中，在所述平衡元件（32.i）中发生的凝结增加地影响所计算的温度，并且在所述平衡元件（32.i）中发生的蒸发减少地影响所计算的温度。

10.控制器（16），其被设置用于计算液体在道路机动车的内燃机的废气装置（14）中的分布，其中，所述控制器（16）被编程用于在所述计算时考虑在所述废气装置（14）内发生的、出自废气的液体的凝结和在所述废气装置内发生的、所述液体的蒸发对所述分布的影响，

其中，所述液体是水，并且首先确定以气态的形式从所述内燃机（10）的燃烧室中流出的水的量，

其中，所述废气装置（14）被划分为n多个以区段（14.1）为形式的平衡元件（32.i），所述废气依次流过所述区段；并且，用于第i个平衡元件（32.i）的气态水的输入浓度由直接布置在所述第i个平衡元件上游的第i-1个平衡元件的输入浓度和通过在所述第i-1个平衡元件中发生的、由于凝结和蒸发造成的所述浓度的变化来确定。

11.根据权利要求10所述的控制器（16），其特征在于，所述控制器被设置用于控制根据权利要求1至9中任一项所述的方法的运行。

12.计算机程序产品（31），其具有计算机程序（49），所述计算机程序被编程用于控制根据权利要求1至9中任一项所述的方法的运行，其特征在于，所述计算机程序产品（31）具有以机器可读的形式的计算机程序。

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