CN109268163B - 用于运行具有进气管喷射的内燃机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种根据燃料校正参量运行具有进气管喷射的内燃机（10）的方法，其中所述燃料校正参量表明所述内燃机（10）的空气输入部中的壁膜效应，具有以下步骤：‑借助于第一非参数的基于数据的函数模型，根据所述内燃机（10）的运行点周期性地计算表明沉积在所述空气输入部中的燃料的量的稳态的壁膜燃料量（WKstat）；‑提供定义壁膜燃料量的变化曲线的时间常数（τ），‑获取取决于或对应于动态的壁膜燃料量（WKdyn）的燃料校正参量，其中所述动态的壁膜燃料量（WKdyn）由在时间上彼此相继的两个稳态的壁膜燃料量（WKstat）和所述时间常数（τ）确定；并且‑根据所述燃料校正参量运行所述内燃机（10）。

Description

用于运行具有进气管喷射的内燃机的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种具有进气管喷射的内燃机、尤其其中燃料仅被喷射到进气管中的PFI发动机或者其中燃料被输送到进气管中与直接喷射组合的P-DI-发动机。本发明还涉及一种用于确定沉积在通入到气缸中的空气输入部的壁上的燃料的量的方法。
背景技术
在燃料至少部分地被喷射到进气管中的内燃机中、例如在PFI发动机或P-DI-发动机中，在进气管中发生混合物形成。在进气管中的混合物形成中会导致燃料沉积到通入到气缸中的空气输入部的壁上、也就是说进气管和进气通道的壁上。沉积在那里的燃料被称为壁膜，其中沉积的燃料的量显著地取决于内燃机的运行点。
虽然在稳态的发动机运行过程中，在空气输入部中的作为壁膜沉积的燃料部分与由所述壁膜在空气输入部中蒸发到输送的空气-燃料-混合物中的以及引入到气缸的燃烧室中的燃料部分之间形成平衡，然而在非稳态的发动机运行过程中动态地产生不平衡。所述不平衡导致设定用于燃烧的空气燃料比例偏差了从壁膜蒸发的/沉积在壁膜上的燃料的燃料部分。为了对此进行补偿，该效应在发动机控制中被建模并用作喷射量的校正值。
由现有技术已知具有集成的控制模块的控制设备，该控制模块具有用于计算基于数据的函数模型的主计算单元和单独的模型计算单元。因此，例如文献DE 10 2010 028266 A1显示了具有附加的逻辑电路的控制模块作为模型计算单元，该模型计算单元被构造用于以纯基于硬件的方式计算指数函数以及加法和乘法运算。这实现了支持在硬件单元中计算尤其用于计算高斯过程模型所需的贝叶斯回归方法。
模型计算单元总体设计用于实施基于参数和结点或者说训练数据以计算基于数据的函数模型的数学过程。尤其纯粹以硬件实现模型计算单元的用于有效计算指数函数以及和函数（Summenfunktion)的功能，从而能够实现以比软件控制的主运算单元中更高的运算速度来计算高斯过程模型。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于借助于校正参量来运行内燃机以考虑在带有进气管喷射的内燃机中的壁膜效应的方法和控制设备和进一步改进的控制设备和发动机系统。
其他的设计方案在下文中给出。
根据第一方面，提出了一种用于在带有进气管喷射的内燃机中借助于用于待喷射的燃料量的燃料校正参量来运行内燃机的方法，其中所述燃料校正参量表明所述内燃机的空气输入部中的壁膜效应，具有以下步骤：
- 借助于第一非参数的基于数据的函数模型，根据内燃机的运行点周期性地计算表明沉积在所述空气输入部中的燃料的量的稳态的壁膜燃料量；
- 提供定义壁膜燃料量的变化曲线的时间常数、尤其针对PT1特性，
- 获取取决于或对应于动态的壁膜燃料量的燃料校正参量，其中所述动态的壁膜燃料量由在时间上彼此相继的两个稳态的壁膜燃料量和时间常数确定；并且
- 根据所述燃料校正参量运行所述内燃机。
在内燃机中，存储在空气输入部的壁膜中的燃料量取决于进气管中的气体压力、流动和进气管的流动湍流、进气管中的气体温度、所喷射的燃料的燃料温度、进气管的温度、燃料的乙醇含量的燃料质量以及其他参数。然而，这些参量通常不能通过测量或建模作为发动机系统中的状态参量以供使用，或者仅能费事地由已知的参量导出。因此，壁膜中的燃料量由其他的状态参量导出。
虽然迄今为止，壁膜中的燃料量在第一近似中仅基于建模的空气填充量和发动机温度来进行建模，该方法随着当前内燃机的日益增加的复杂性、尤其在带有进气和排气凸轮轴的控制时间调整的、带有充气运动阀门的气门升程切换以及类似机构的内燃机中已不再足够。为了确定所述壁膜必须考虑所述其他状态参量的影响，这会明显地增加复杂性并且使得物理的建模更加困难。
根据上述方法，用于燃料喷射量的燃料校正参量依赖于稳态的壁膜燃料量和时间常数来建模，其中，至少稳态的壁膜燃料量由训练的非参数的基于数据的函数模型建模。因此，可以在考虑主要的影响参量的情况下来建模用于燃料喷射的燃料校正参量。基于数据的建模实现来训练基于当前系统的函数模型，而不用详细描述物理关系。
第一统计的基于数据的函数模型尤其可以对应于高斯过程模型。
基于数据的函数模型的变体是非参数的模型，所述模型可以在没有特定的预值的情况下由训练数据、即一定量训练数据点建立。基于数据的函数模型的示例为所谓的基于高斯过程回归的高斯过程模型。高斯过程回归是一种基于通常大量训练数据来以数据的方式建模复杂的物理系统的多用途统计方法。
上述方法用于在当前的运行状态中确定用于建模壁膜中的燃料量的第一基于数据的函数模型并且随后给出关于运行状态的变化的关联性。这例如可以借助于时间常数给出，利用该时间常数壁膜燃料量在给定的运行状态中对应于PT1或类似的特性进行变化。通过使用用于获取稳态的壁膜燃料量的第一基于数据的函数模型可以避免高耗费的应用方法。
此外，时间常数可以由第二非参数的基于数据的函数模型来获取，其中尤其第二统计的基于数据的函数模型对应于高斯过程模型。
通过第二基于数据的函数模型可给出尤其针对PT1特性的时间常数，其中在壁膜量发生变化之后可以通过改变运行点或者切换执行器来形成壁膜燃料量的动态的曲线。由此，必需的混合物校正可以作为壁膜燃料量的变化得到。
可以规定，内燃机的运行点由内燃机的以下的状态参量中的两个或两个以上来确定：
- 发动机转速，
- 进气管压力，
- 进气管温度，
- 进气凸轮轴的位置，
- 排气凸轮轴的位置，
- 进气凸轮轴的气门升程，
- 排气凸轮轴的气门升程，
- 充气运动阀门的位置，
- 发动机温度，以及
- 分配因子，所述分配因子针对P-DI-发动机表明进气管喷射和直接喷射的燃油量的分配。
此外，为了根据燃料校正参量来运行内燃机，向在喷射周期中待考虑的燃料量累加地加载所述燃料校正参量。
根据另一方面，提出了一种用于具有内燃机的发动机系统的控制模块，其中，所述控制模块被构造用于执行上述方法。
附图说明
接下来借助于附图更详细地解释实施方式。其中：
图1示出了具有基于硬件的模型计算单元的集成的控制模块的示意图；
图2示出了具有内燃机的发动机系统的示意图，该内燃机利用集成的控制模块被如此运行，使得在实行燃料量校正时，其考虑到进气管中的壁膜效应；以及
图3示出了用于说明借助于基于数据的函数模型来获取燃料校正参量的工作原理的框图的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于例如呈微控制器的形式的集成的控制模块1的硬件体系架构的示意图，其中以集成的方式提供了主计算单元2和模型计算单元3用于以纯基于硬件的方式计算基于数据的函数模型。主计算单元2和模型计算单元3经由内部的通信连接4、例如系统总线而处于相互通信连接中。
原则上，模型计算单元3基本上是硬接线的并且未与之相应地不像所述主计算单元2那样被构造用于实施软件代码。替代性地，可能的解决方案是模型计算单元3用于计算基于数据的函数模型而提供受限制的、高度专业化的指令集以供使用。在模型计算单元3中未设置处理器。这使得这种模型计算单元3的资源优化的实现或以集成的构造方式的面优化的构造成为可能。
模型计算单元3具有计算核心31，该计算核心纯粹以硬件实现预先给定的算法的计算。
模型计算单元3还可以包括用于存储配置数据的本地SRAM 33。模型计算单元3同样可以包括本地DMA单元34（DMA =直接存储器访问）。借助于DMA单元34可以访问控制模块1的集成的资源、尤其内部的存储器5。
控制模块1可以包括一个内部的存储器5和另一个DMA单元6（DMA =直接存储器访问）。内部的存储器5和DMA单元6以适宜的方式例如通过内部的通信连接4相互连接。内部的存储器5可以包括用于配置数据（参数和结点数据）的（对于主计算单元2、模型计算单元3以及必要时其它的单元）共同的SRAM存储器和闪存存储器。
使用非参数的、基于数据的函数模型基于贝叶斯回归方法。例如，在C.E.Rasmussen等人，“Gaussian Processes for Machine Learning”，MIT 出版社2006中描述了贝叶斯回归基础。贝叶斯回归是基于模型的基于数据的方法。为创建模型，需要训练数据的测量点以及待建模的输出参量的相关的训练数据。借助于使用结点数据创建模型，所述结点数据完全或部分对应于训练数据或者由这些训练数据生成。此外，确定抽象的超参数，所述超参数参数化模型函数的空间并有效地加权训练数据的各个测量点对后期的模型预测的影响。
抽象的超参数由优化方法确定。针对这样的优化方法的可行方案存在于边缘概率p（Y|H，X）的优化中。所述边缘概率P（Y|H，X）描述了示为向量Y的训练数据的测量的y值的可信性，给定模型参数H和训练数据的x值。在模型训练中，通过搜索适宜的超参数来最大化P（Y|H，X），这会导致通过超参数和训练数据所确定的模型函数的曲线并且尽可能精确地映射训练数据。
为了创建非参数的、基于数据的函数模型，通常以公式描述的方式得到以下函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
由此得到函数值z。在此，D对应于输入数据/训练数据/结点数据空间的维度，ud对应于在测试点u（维度D的输入参量向量）上的模型值（输出值），xi或（xi）d对应于结点数据的一个结点，N对应于结点数据的结点的数量，以及ld、σf和参数向量Qy对应于来自模型训练的超参数。
此外，由于高斯过程模型的计算通常发生在标准化空间中，因此可以执行输入和输出标准化。
为了开始计算，尤其计算单元2可以指令DMA单元34或其他的DMA单元6将涉及待计算的函数模型的配置数据传输到模型计算单元3中并且开始借助于所述配置数据来执行的计算。所述配置数据包括高斯过程模型的超参数以及结点数据，该结点数据优选借助于地址指针在内部的存储器5的配属于模型计算单元3的地址范围上给出。特别地，也可以为此目的而使用用于模型计算单元3的SRAM存储器33，该存储器尤其可以被布置在模型计算单元3中或模型计算单元3上。内部的存储器5和SRAM存储器33也可以组合使用。
所述模型计算单元3中的计算可以例如在模型计算单元3的由下面的伪代码实现的硬件体系构架中被执行。从所述伪代码中能够看到，所述计算在内部的循环和外部的循环中实现并且对其部分结果进行累积。在模型计算开始时，计数器起始参量的典型值为Nstart 0。
/ *计算外部的循环* /
Figure DEST_PATH_IMAGE002
/ *计算内部的循环* /
Figure DEST_PATH_IMAGE003
/ *计算指数函数* /
Figure DEST_PATH_IMAGE004
/ *求和* /
Figure DEST_PATH_IMAGE005
因此，用于计算基于数据的函数模型所需的模型数据包括存储在存储器单元中的配属于所涉及的基于数据的函数模型的存储区域中的参数向量和结点数据。根据上述伪代码，基于数据的函数模型的参数向量包括参数向量Qy和长度刻度向量I、即用于输入参量向量的输入参量的每个维度索引（Dimensionsindex）d的ld。此外，在重新开始计算内部的循环（通常= 0）的情况下预先给定结点数据点的数量N、外部的循环的开始值Nstart和循环索引（Schleifenindex）vlnit。
图2示出了具有控制模块1和内燃机10的发动机系统的示意图，所述内燃机由控制模块操纵并且其运行是基于理论预值进行控制。内燃机10具有多个气缸11（在本实施例中为四个），所述气缸与曲轴13联接以通过所述曲轴提供发动机力矩。
气缸11分别设有一个点火装置12。内燃机10的气缸11以本身已知的方式设有进气门14和排气门15以通过空气输入系统16将空气燃料混合物引入到气缸11中并将燃烧废气排出到废气输出系统中。空气输入系统16包括用于调节输送的新鲜空气的量的节流阀17。
此外，在空气输入系统16中进气管区段18被定义为空气输入部，其定义了节气阀17和内燃机10的气缸11的进气门14之间的区段。在进气管区段18中设置有喷射阀19以将燃料喷射到进气管区段18中，从而在那里形成空气燃料混合物，该空气燃料混合物在内燃机10的运行过程中通过所涉及的进气门14而被引入到所述气缸11中的一个中。在替代性的实施方式中，内燃机10可附加具有气缸11上的喷射阀，使得内燃机被构造为P-D1-发动机。
在内燃机10运行期间，喷射的燃料的一部分沉积在进气管区段18的壁上。所述沉积到进气管区段的壁上的燃料量通常在稳态的发动机运行过程中保持恒定，然而在内燃机的运行状态的变化的情况下由于蒸发或沉积而发生变化。蒸发或沉积过程具有显着的时间上的曲线，在内燃机10的运行过程中必须考虑该时间上的曲线。所述考虑通过借助于燃料校正参量来校正由控制设备1来调整的待喷射的燃料量而实现。
燃料校正参量可以基于用于壁膜燃料量WK的模型值和时间常数τ来给出，所述壁膜燃料量对应于在内燃机的稳态的运行情况下沉积到进气管区段的壁上的燃料的量。针对所述沉积和蒸发过程大致假定PT1特性。时间常数τ定义在运行状态改变时壁膜燃料量的改变的PT1特性。在更精确的模型中，假定PT2特性或更高阶的特性，使得可以通过相应的函数模型相应地预先给定多个时间常数。
在图3中，示意性地示出用于获取燃料校正参量的工作原理，其中，由在第一模型块21中获取的稳态的壁膜燃料量WKstat和在第二模型块22中获取的时间常数τ来获取动态的壁膜燃料量WKdyn作为燃料校正参量。这给出了必须添加到待喷射的燃料的量中的燃料的增加量或减少量。图3的功能图说明了用于在所述模型块21中计算出的第一基于数据的函数模型的和在所述第二模型块22中计算出的第二基于数据的函数模型的输入参量，其中，所述输入参量可包括以下参量中的部分或全部：发动机转速n、进气管压力p22、进气管温度T22、进气凸轮轴的位置PEN、排气凸轮轴的位置PAN、进气凸轮轴的气门升程HEN以及排气凸轮轴的气门升程HAN、充气运动阀门的位置d、发动机温度TMOT和表明用于进气管喷射和直接喷射（用于P-Dl-发动机）的燃料量的分配的分配因子。
在周期性的计算中，在PT1元件23中可以在彼此相继的周期中在不同的运行点上获取的稳态的壁膜燃料量WKstat和时间常数的情况下获取壁膜燃料量WKdyn的变化，其表明前面获取的稳态的壁膜燃料量WKstat到最后计算的壁膜燃料量WKstat之间的过渡：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
为了获取第一和第二基于数据的函数模型，可以基于上述输入参量来训练函数模型。为了训练第一基于数据的函数模型，可以通过间接的方法确定沉积的壁膜燃料量。这可以针对具有纯进气管喷射的内燃机在稳态的发动机运行期间在打开和关闭的喷射的情况下在气缸上得到确定。
由废气中的氧含量的动态的曲线、即借助于λ值的曲线可以确定未参与燃烧的并因此沉积在壁膜中的壁膜燃料量。在具有组合的喷射的内燃机中，可以通过在进气管和直接喷射之间的切换由废气中的氧含量的动态的曲线来确定未参与燃烧的并因此沉积在壁膜中的燃料量或者说来自于壁膜附加地有助于燃烧的过量的燃料量。
由λ值的测量的曲线可以相应地确定对应于运行点的壁膜量并且训练相应的基于数据的函数模型。
因此通过燃烧废气中的氧含量的曲线由在运行状态的变化时的瞬时响应得到配属于相应的稳态的运行状态的壁膜燃料量WK。氧含量在利用具有预先给定的空气燃料比例的空气燃料混合物的运行过程中借助于氧气缺乏和氧气盈余来显示从壁膜蒸发的或沉积到壁膜上的燃料量。
由λ值的测量的曲线可以因此确定壁膜燃料量的对应的变化并且训练第一基于数据的函数模型以确定相应的稳态的壁膜燃料量WK。
通过同样的方式，可以训练第二基于数据的函数模型以确定时间常数τ。因此，可以通过壁膜燃料量WK和时间常数τ针对输入参量的任意的组合在内燃机10的运行范围内确定壁膜燃料量WK的变化或者将壁膜燃料量WK的变化确定为动态的壁膜燃料量WKdyn。
在运行内燃机10时，在运行点发生变化的情况下，在待喷射的燃料量中考虑所述动态的壁膜燃料量WKdyn，从而平衡壁膜效应的影响、也就是说待喷射的燃料量可以在从壁膜蒸发的燃料的情况下相应地被减少并且在沉积的燃料的情况下相应地被增加。

Claims (9)

1.一种根据燃料校正参量运行具有进气管喷射的内燃机（10）的方法，其中所述燃料校正参量表明所述内燃机（10）的空气输入部中的壁膜效应，具有以下步骤：
- 借助于第一非参数的基于数据的函数模型，根据所述内燃机（10）的运行点周期性地计算表明沉积在所述空气输入部中的燃料的量的稳态的壁膜燃料量（WKstat）；
- 提供定义壁膜燃料量的变化的曲线的时间常数（τ），
- 获取取决于或对应于动态的壁膜燃料量（WKdyn）的燃料校正参量，其中所述动态的壁膜燃料量（WKdyn）由在时间上彼此相继的两个稳态的壁膜燃料量（WKstat）和所述时间常数（τ）确定；并且
- 根据所述燃料校正参量运行所述内燃机（10）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一非参数的基于数据的函数模型对应于高斯过程模型。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述时间常数（τ）通过第二非参数的基于数据的函数模型来获取。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过所述内燃机（10）的以下状态参量中的两个或两个以上来确定所述内燃机（10）的运行点：
- 发动机转速（n），
- 进气管压力（p22），
- 进气管温度（T22），
- 进气凸轮轴的位置（PEN），
- 排气凸轮轴的位置（PAN），
- 进气凸轮轴的气门升程（HEN）；
- 排气凸轮轴的气门升程（HAN），
- 充气运动阀门的位置（d），
- 发动机温度（TMOT），以及
- 分配因子，所述分配因子针对进气道喷油-缸内直喷组合式发动机表明进气管喷射和直接喷射的燃油量的分配。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，为了根据所述燃料校正参量来运行所述内燃机（10），向在喷射周期中待考虑的燃料量累加地加载所述燃料校正参量。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二非参数的基于数据的函数模型对应于高斯过程模型。
7.一种用于具有内燃机（10）的发动机系统的控制模块（1），其中，所述控制模块（1）被构造为具有主计算单元（2）和模型计算单元（3），从而执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
8.一种机器可读的存储介质，在其上存储有计算机程序，所述计算机程序被设置用于实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
9.一种电子控制单元，其具有根据权利要求8所述的机器可读的存储介质。
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