CN108979880B - 用于确定内燃机的燃烧室中的气体份额的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定内燃机的燃烧室中的气体份额的方法，所述内燃机具有进气阀和排气阀，具有在换气之后能够变化的阀驱动器，其中，根据用于穿过所述进气阀的质量流（

_E）的节流模型来确定来自于第一阶段（P₁）的气体份额，在所述第一阶段期间，所述排气阀和所述进气阀同时打开，并且在所述第一阶段中，位于所述燃烧室的气体混合物的质量减少，在所述燃烧室中的质量变化（

）在数量上比从所述燃烧室流出穿过所述进气阀的质量流（

_E）大。

Description

用于确定内燃机的燃烧室中的气体份额的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定内燃机的燃烧室中的气体份额的方法，以及一种用于执行该方法的计算单元和计算机程序。

背景技术

在现代内燃机中能够使用所谓的能够变化的阀驱动器，由此能够与凸轮轴位置无关地控制进气阀和排气阀的打开和关闭时间。这能够使燃料消耗和污染物排放最优化。在所谓的重叠部中、即当进气阀和排气阀同时打开时，从燃烧室中的前次燃烧中还存在的残余气体在此能够部分地预先存储到进气管中，该进气管经由所述进气阀与所述燃烧室连接。同样地，废气能够从排气管中再次被引入到所述燃烧室中或者也能够穿过所述燃烧室而被引入到所述进气管中，所述排气管经由所述排气阀与所述燃烧室连接。所有这些都在所谓的换气过程的框架中实现。在此，通过特别长的重叠部，尤其是在汽油机中能够实现被优化的燃烧，在柴油机中能够实现较少的污染物排放。

为了尽可能好地利用这些优点，必要的是，尽可能准确地识别在换气过程之后在所述燃烧室中的残余气体份额、即残余气体占该燃烧室的全部填充物（其余部分在此是所吸入的新鲜空气）的份额以及该内燃机的容积效率，以便由此能够对应地调节阀控制或者别的运行参数。

对此，由DE 102 13 138 A1例如已知一种模型，利用该模型能够确定在换气过程之后在燃烧室中的残余气体份额。在此，考虑在所述换气过程中残余气体的不同份额，尤其是在所述燃烧室中剩余的残余气体（残留的残余气体）和从所述排气管中流出穿过所述排气阀经由所述燃烧室并且然后穿过所述进气阀的残余气体或者废气，该残余气体或者废气在下一个进气冲程中被再次吸入（呼吸式残余气体）。

发明内容

根据本发明，现在提出用于确定内燃机的燃烧室中的气体份额的方法以及用于执行该方法的计算单元和计算机程序。

根据本发明的方法用于确定内燃机的燃烧室中的气体份额，该内燃机具有在换气过程之后能够变化的阀驱动器，如果在该换气过程期间该燃烧室的排气阀和进气阀暂时同时打开的话。为此，持续时间（该持续时间能够例如作为持续时长或者曲轴或者凸轮轴的角度差被给出）被划分为第一阶段和优选地第二阶段，在该持续时间中，所述排气阀和所述进气阀同时打开。

所述第一阶段的特征在于，位于所述燃烧室中的气体混合物的质量减少并且在所述燃烧室中的（气体混合物的）（时间上的）质量变化在数量上比从所述燃烧室流出穿过所述进气阀的（气体混合物的）质量流大。这也意味着，存在从所述燃烧室流出穿过所述排气阀的质量流。然后，在所述第二阶段中，在所述燃烧室中的（气体混合物的）质量变化在数量上比从所述燃烧室流出穿过所述进气阀的（气体混合物的）质量流小。对应地，这也意味着，存在穿过所述排气阀流入所述燃烧室的质量流。即，与所述第一阶段相比，该质量流穿过所述排气阀的方向反转。

根据用于穿过所述进气阀的质量流的节流模型来确定来自于所述第一阶段的气体份额。根据本发明的一种优选的改型方案，附加地能够根据用于穿过所述排气阀经由所述燃烧室并且然后穿过所述进气阀的质量流的节流模型以及根据气体方程式、尤其是理想的气体方程式来确定来自于所述第二阶段的气体份额。在此，能够分别使用节流模型，因为打开的阀基本上等同于节流阀。尤其是，在此也能够考虑该第一阶段的持续时间和/或在打开该进气阀时的时间点或者曲轴角度。为了确定穿过所述进气阀的质量流（也在使用所提到的节流模型时），能够尤其考虑下述参量中的至少一个参量：进气管压力、排气背压、废气温度和该进气阀的流动有效的横截面积。然后叠加两个阶段的气体份额，以便获得在所述换气过程之后的总气体份额。

在此，在所述燃烧室中的残余气体份额和/或引入到所述燃烧室中的新鲜空气份额和/或该内燃机的容积效率能够分别作为气体份额被确定。例如，首先，能够确定所述残余气体份额；然后，由此能够确定在所述燃烧室中的残余气体部分压力并且从而能够确定该内燃机的容积效率以及别的相关运行参数，并且用于进一步地运行该内燃机。然而，也能够考虑的是，不明确地确定所述残余气体份额，而只是在确定该新鲜空气份额或者该容积效率时间接地确定所述残余气体份额。

在此，尤其能够以与DE 102 13 138 A1相同的方式来确定来自于所述第二阶段的残余气体份额。即，也能够使用在那里提到的方程式和模型。在这方面，更详细的阐述也参考DE 102 13 138 A1。

然而，现在通过引入该第一阶段或者划分为两个阶段能够比通过由DE 102 13138 A1公开的方法本身明显更准确地确定所述总残余气体份额。尤其是对于具有强的消除节流和大重叠部的阀驱动器而言，这种已知的方法导致不准确并且导致残余气体份额过大，该过大的残余气体份额会使该燃烧室填充物的总模型化变差。

优选地，现在根据在由该燃烧室的活塞引起的质量流与从所述燃烧室流出穿过所述进气阀的质量流之间的比较来确定从所述第一阶段到所述第二阶段的过渡。这个过渡在此能够尤其在时间点或者（例如曲轴或者凸轮轴的）角度位置方面给出。在此，分别对应地将所述质量流模型化。这个原理在此基于，在所述第一阶段中该残余气体量的减少（即所提到的质量变化）主要由通过所述活塞挤压气体混合物引起，尤其是当没有残余气体借助于新鲜气体而从所述燃烧室冲到所述排气管中（所谓的除气法:Scavenging）时。当通过活塞挤压的质量流小于穿过所述进气阀的质量流时，残余气体不再从所述燃烧室流出穿过所述排气阀，因为排气背压高于在所述燃烧室中的压力（所谓的气缸压力）。在这方面，所述过渡能够优选被选择为由所述燃烧室的活塞引起的质量流在数量上与从所述燃烧室流出穿过所述进气阀的质量流在数值上相同时的时间点或者（例如所述曲轴或者凸轮轴的）角度位置。在此，有利地根据零位搜索、尤其是数字的零位搜索来确定被如此限定的过渡。可能的用于所述零位搜索的方法在这里例如是试位法（Regula-falsi-Verfahren）、牛顿法或者二分法（Bisektions-Verfahren）。

在此也有利的是，只有当进气管压力与排气背压之间的比例小于预先给定的第一阈值和/或大于预先给定的第二阈值时，才确定所述过渡，所述第一阈值尤其小于1。对此背景是，在穿过所述进气阀经由所述燃烧室并且然后穿过所述排气阀的质量流（即所谓的除气法）中，通过所提到的比较通常不能够确定交叉点。在此，通过所提到的阈值保证，流动比例是对应地合适的。当不再利用所提到的方法确定所述过渡时，这个过渡还能够例如以其它方式来确定或者估计。也能够考虑的是，在所述排气阀和所述进气阀同时打开的总持续时间中只使用用于所述第二阶段的方法，即不区分两个阶段。

替代地，也优选的是，根据基于数据的模型来确定所述过渡，其中，在这种情况下尤其考虑下述参量中的至少一个参量：该内燃机的转速、打开该进气阀时的时间点或者角度位置和进气管压力与排气背压之间的比例。根据情况的不同，这种变型方案在此能够更有效或者，当由于所提到的压力比例而不再使用前文提到的方法时，也能够作为替代方案来使用。

根据本发明的计算单元、例如机动车的控制器尤其是在程序技术上设置用于执行根据本发明的方法。

以计算机程序的形式执行该方法是有利的，因为这产生特别少的成本，尤其是当进行实施的控制器还用于其它任务并且因此本来就存在时。合适的用于提供该计算机程序的数据载体尤其是磁的、光学的和电存储器，诸如例如硬盘、闪存、EEPROM、DVD以及其它等等。经由电脑网络（互联网、内联网等等）下载程序也是可能的。

本发明的其它优点和构型方案由说明书和附图得出。

根据实施例在附图中示意性地示出本发明，并且在下文参照附图说明本发明。

附图说明

图1示意性地示出具有燃烧室的内燃机，在所述内燃机中能够执行根据本发明的方法。

图2示意性地示出在内燃机中的阀的行程曲线和配属的质量流，用于在优选的实施方式中阐述根据本发明的方法。

图3示意性地示出根据本发明的方法的流程。

图4示意性地示出内燃机的活塞的图示，用于在优选的实施方式中阐述根据本发明的方法。

具体实施方式

图1示意性地示出内燃机100，其中，详细地示出了具有配属的活塞115的燃烧室或者气缸110，该活塞能够经由连杆116与曲轴耦接。应当理解是，这样的内燃机能够具有多个这样的燃烧室，例如三个、四个、六个或者八个。对于这些燃烧室中的每个燃烧室，能够执行根据本发明的方法，在这里示例性地在所示出的燃烧室上来阐述该方法。

此外，所述内燃机还具有带有节气门121的进气管120，该进气管经由进气阀125与所述燃烧室110连接。此外，还设置有排气管130，该排气管经由排气阀135与所述燃烧室110连接。在多个燃烧室中，每个燃烧室都具有至少一个进气阀和至少一个排气阀。根据该内燃机类型的不同，所述进气管和/或所述排气管在此能够设置用于多个具有相应的接口的燃烧室。借助于构造为控制器的计算单元180能够操控该内燃机。

在图2中示意性地并且示例性地示出了在例如图1中所示的内燃机中进气阀的行程曲线h_E和排气阀的行程曲线h_A。为此，在上面的图表中绘制了关于曲轴角度KW的行程h。在下面的图表中—同样示意性地并且示例性地—绘制了穿过所述进气阀的配属的质量流

_E和穿过所述排气阀的配属的质量流

_A，用于在优选的实施方式中阐述根据本发明的方法。

为此，绘制了关于所述曲轴角度KW的质量流

。在这种情况下，正值对于所述排气阀而言表示从所述燃烧室流出穿过所述排气阀流入所述排气管的质量流，对于所述进气阀而言相反表示从所述进气管流出穿过所述进气阀流入所述燃烧室的质量流。在

_A处的正值例如表示，气体混合物从所述燃烧室流出穿过所述排气阀流入所述排气管。与此相反，在

_E处的负值例如表示气体混合物从所述燃烧室流出穿过所述进气阀流入所述进气管。

现在，所述质量流

_E和

_A在两个阀同时打开的持续时长或者角度持续时间中重叠。在示例中，这个重叠持续时间在角度位置

₁处开始，并且持续到角度位置

₃处。

这个持续时间现在被划分为两个阶段P₁和P₂，其中，在角度位置

₂处发生从所述第一阶段P₁到所述第二阶段P₂的过渡。

现在在所述第一阶段P₁中，所述进气阀和所述排气阀同时打开，并且位于所述燃烧室中的气体混合物的质量减少，其中，在所述燃烧室中的质量变化在数量上比从所述燃烧室流出穿过所述进气阀的质量流大。在所述燃烧室中的质量减少能够由此看出：通过两个阀将气体混合物从所述燃烧室中压出，这由活塞行程引起。因为直到所述角度位置

₂为止气体混合物从所述燃烧室流出穿过所述排气阀（

_A为正值），所以在所述燃烧室中的质量的减少在数量上比从所述燃烧室流出穿过所述进气阀的质量流大。

与此相反，在所述第二阶段P₂中，在所述燃烧室中的质量变化在数量上比从所述燃烧室流出穿过所述进气阀的质量流小。由于自所述角度位置

₁起气体混合物穿过所述排气阀流入所述燃烧室，这能够从

_A的负值看出，所述整体上仍然出现在所述燃烧室中的质量减少，然而该减少在数量上比穿过所述进气阀的质量流小。

在所述第二阶段P₂中，气体混合物从所述排气管穿过所述燃烧室流入所述进气管。这种情况在此对应于在DE 102 13 138 A1中所假设的情况。在这方面，为了更详细地说明根据用于穿过所述排气阀经由所述燃烧室并且然后穿过所述进气阀的质量流的节流模型以及根据气体方程式来确定用于所述第二阶段的气体份额G₂、在这里是残余气体份额，参考DE 102 13 138 A1。

现在在所述第一阶段中，根据用于穿过所述进气阀的质量流的节流模型M来确定所述气体份额G₁、在这里是残余气体份额。为此，首先，能够确定从所述第一阶段到所述第二阶段的过渡、即在这里是所述角度位置

₂。尤其是在无除气法的运行点处，在所述第一阶段中该残余气体量的减少主要由所述活塞挤压引起。

如果通过所述活塞挤压引起的质量流小于穿过所述进气阀的质量流，则残余气体不再经由所述排气阀流出，因为所述排气背压高于所述气缸压力（参见图2中的角度位置≥

₂）。到所述第二阶段的过渡因此与该活塞挤压的质量流与穿过所述进气阀的质量流的交叉点相同，并且能够至少近似地例如借助于数字的零位搜索来确定。在此为

_E和所述活塞挤压的差分质量流确定所述零位。替代地，也能够经由基于数据的模型来计算所述过渡，其中，在这种情况下，尤其考虑下述参量中的至少一个参量：该内燃机的转速、打开所述进气阀时的时间点或者角度位置和进气管压力与排气背压之间的比例。然后，穿过所述进气阀的质量流

_E能够例如借助于节流方程式根据关于所述曲轴角度

的所述进气管压力p_S、排气背压p_A、废气温度T_A以及该进气阀的流动有效的横截面积A_E以下述方式来计算：

其具有：

（标准压力）和绝热指数κ。

如文献中公开的那样，能够一般性描述并且利用下述方程式来计算该活塞挤压的质量流：

。

在此，D是在所述燃烧室中的缸径（Bohrung），n是该内燃机的以1/min为单位的转速，p _A 是排气背压，T _A 是废气温度，R _S 是特定气体常数，l是连杆长度，r是曲轴半径，d是扭曲，

是曲轴角度，其中，

。

如果合适的话，也在图4中示出所述参量用于更详细的阐述，图4示出内燃机的活塞115。

现在，根据这些方程式能够确定来自于所述第一阶段的残余气体份额G₁，从而使得通过叠加两个单独的残余气体份额G₁和G₂能够得出总残余气体份额G_ges。替代地，如所提到的那样，也能够经由基于数据的方法或者基于数据的模型根据所述转速来确定所述残余气体份额G₁。所述总残余气体份额也能够例如转换为分压力（Partialdruck），该分压力减少在所述气缸或者燃烧室中的新鲜空气填充物。

Claims (13)

1.用于确定内燃机（100）的燃烧室（110）中的气体份额的方法，所述内燃机具有进气阀和排气阀，具有在换气之后能够变化的阀驱动器，

其中，根据用于穿过所述进气阀（125）的质量流（

_E）的节流模型（M）来确定来自于第一阶段（P₁）的气体份额（G₁），在所述第一阶段期间，所述排气阀（135）和所述进气阀（125）同时打开，并且在所述第一阶段中，位于所述燃烧室（110）中的气体混合物的质量减少，在所述燃烧室（110）中的质量变化（

）在数量上比从所述燃烧室流出穿过所述进气阀（125）的质量流（

_E）大。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据用于穿过所述排气阀（135）经由所述燃烧室（110）并且然后穿过所述进气阀（125）的质量流的节流模型以及根据气体方程式来确定来自于第二阶段（P₂）的气体份额（G₂），在所述第二阶段期间，所述排气阀（135）和所述进气阀（125）同时打开，并且在所述第二阶段中，在所述燃烧室（110）中的质量变化（

）在数量上比从所述燃烧室流出穿过所述进气阀（125）的质量流（

_E）小。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，根据在由所述燃烧室（110）的活塞（115）引起的质量流与从所述燃烧室流出穿过所述进气阀的质量流（

_E）之间的比较来确定从所述第一阶段（P₁）到所述第二阶段（P₂）的过渡。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述过渡被选择为由所述燃烧室（110）的活塞（115）引起的质量流在数量上与从所述燃烧室流出穿过所述进气阀的质量流（

_E）相同时的时间点或者角度位置（

₂）。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，根据零位搜索来确定所述过渡。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，只有当进气管压力与排气背压之间的比例小于预先给定的第一阈值和/或大于预先给定的第二阈值时，才确定所述过渡。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，根据基于数据的模型来确定所述过渡。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在根据所述基于数据的模型确定所述过渡时考虑下述参量中的至少一个参量：所述内燃机（100）的转速、打开所述进气阀（125）时的时间点或者曲轴角度（

₁）和在进气管压力与排气背压之间的比例。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述燃烧室中的残余气体份额和/或能够引入到所述燃烧室中的新鲜空气份额和/或所述内燃机的容积效率分别作为气体份额进行确定。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，在考虑下述参量中的至少一个参量的情况下确定穿过所述进气阀的质量流（

_E）：进气管压力、排气背压、废气温度和所述进气阀（125）的流动有效的横截面积。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，在为所述第一阶段（P₁）确定所述气体份额（G₁）时，考虑所述第一阶段（P₁）的持续时间和/或在打开所述进气阀时的时间点或者角度位置（

₁）。

12.计算单元（180），其设置用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。

13.机器可读的存储介质，其具有存储在其上的计算机程序，当在计算单元（180）上实施所述计算机程序时，所述计算机程序促使计算单元（180）执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。

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