CN109653890A - 用于获取内燃机的空气质量流量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于获取内燃机（10）的空气质量流量（）的方法，其中，沿着新鲜空气管路（60）和/或排气管路（70）获取至少一个第一和第二压力信号，其中，由此根据第一和第二压力信号获取压力波的时间偏移（）并且根据该时间偏移（）获取用于控制内燃机（10）的空气质量流量（）。
Description
技术领域
本发明涉及一种按照独立权利要求所述的用于获取内燃机的空气质量流量的方法。此外，本发明还涉及一种设置用于执行所述方法之一的计算机程序。
背景技术
考虑到降低燃耗及减少有害排放物的排放，对现代内燃机的要求变得越来越高。为了满足这些要求，必须愈加精确地规定对内燃机的电子控制，特别是对有待喷射的燃料、有待调整的喷射角和/或有待计量的空气填充的控制。在此，用于控制内燃机的最重要的参量之一就是空气填充的参量。
这个参量通常借助特意为此所设的传感器、例如热膜式空气质量传感器（HFM）或基于压力的空气流量测量传感器（PFM）确定。这些用于确定空气质量流量的传感器经常构造用于确定新鲜空气质量流量并且可能出于物理的原因而无法安装在内燃机的新鲜空气管路中的能自由选择的位置上。在带有仅1至2个气缸的内燃机中，传感器由于进气管路中的高脉动而非常不准确地工作，因而必须找到其它用于确定空气质量流量的技术方案。
DE 100 39 785 B4公开了一种用于运行内燃机的方法，在该方法中，根据代表新鲜空气填充的信号来影响内燃机的至少一个控制参量，其中，获取节气门角度和进气管压力，在节气门角度和进气管压力的基础上分别形成代表所述填充的信号，其中，在节气门角度的基础上形成的填充信号借助至少一个修正因数与在进气管压力传感器的基础上形成的信号相匹配。
发明内容
本发明涉及用于获取内燃机的空气质量流量的方法和装置以及在存储介质上实施所述方法的计算机程序。有利的扩展设计是独立权利要求的主题。
在第一个方面中，本发明涉及一种用于获取内燃机的空气质量流量的方法，其中，沿着新鲜空气管路和/或排气管路获取至少一个第一和第二压力信号，其中，由此根据第一和第二压力信号获取压力波的时间偏移并且根据该时间偏移获取用于控制内燃机的空气质量流量。
这样做的优点是，可以借助模型确定空气质量流量，其中，仅需两个压力信号和两个温度信号来获取空气质量流量。这些压力传感器和温度传感器反正常常已经安装在进气管路或排气管路中，因而不必额外安装传感器。
因此可以取消在系统内仅安装用于获取空气质量流量的传感器，例如热膜式空气质量传感器或基于压力的空气流量测量传感器，因而获得成本优势。
在带有仅1至2个气缸的内燃机中，由于空气质量流量的系统引起的高脉动，迄今为止尤其用HFM传感器来确定新鲜空气质量流量特别不准确。这可以通过基于时间偏移获取空气质量流量来去除。
所述方法此外还节约资源地在计算单元中，例如在发动机控制器上实施和计算。
压力波在此由于内燃机的进气阀或排气阀的打开和关闭而产生。
在此，由于进气阀的打开和关闭产生的压力波的大部分，尤其逆着空气进入进气管路的流动方向传播。
由于排气阀的打开和关闭产生的压力波的大部分，则尤其沿着废气进入排气管路的流动方向传播。
特别有利的是，根据在新鲜空气管路中的由于进气阀的打开和关闭产生的压力波获取在新鲜空气管路中的空气质量流量。
这种压力波可以以简单的方式通过在进气管路中的压力传感器获取并且在该压力波的基础上可以确定空气质量流量。
此外还有利的是，根据在排气管路中的由于排气阀的打开和关闭产生的压力波获取在新鲜空气管路中的空气质量流量。
这种压力波可以以简单的方式通过在排气管路中的压力传感器获取并且在该压力波的基础上可以确定空气质量流量。
特别有利的是，空气质量流量是在新鲜空气管路中的新鲜空气质量流量。
借助所获取的新鲜空气质量流量能准确地计量燃料以及精确地确定针对内燃机燃烧的点火角。因此可以调整到最优的燃烧并且可以避免有害的排放物以及节省燃料。
此外，第一和第二压力信号的时间偏移可以由压力波的第一压力信号的第一测量点和第二压力信号的第二测量点的差获取，优选由带过零的测量点或者由最大值或最小值测量点获取。
这可以特别简单且节省资源地计算单元中、例如在控制器中实施。
此外有利的是，根据第一和第二压力信号的相位偏移借助快速傅里叶变换或密度傅里叶变换获取第一和第二压力信号的时间偏移。
由此可以更为精确地确定时间偏移以及最终确定模型化的空气质量流量。此外，可以简单且特别节省资源地在计算单元中、例如在控制器中实施计算。
在另一种设计方案中，在能预定的频率中、优选在内燃机的点火频率中获取第一和第二压力信号的相位偏移。
这一点可以特别节省资源地在计算单元中、例如在控制器中实施。
特别有利的是，可以借助至少一个干扰量，优选根据在进气管路和/或排气管路中获取的温度来修正时间偏移和/或所获取的空气质量流量。
借助所述温度可以执行特别精确的修正。这在借助所述方法确定空气质量流量时提高了准确度。
在另一个方面中，本发明涉及一种装置，特别是控制单元和计算机程序，其被设置用于、特别是经编程用于实施所述方法之一。在再另一个方面中，本发明涉及一种可以机读的存储介质，所述计算机程序存储在该存储介质上。
附图说明
接下来参考附图并且借助实施例详细说明本发明。图中:
图1是内燃机10的示意图；
图2是压力波的示例性测量，其中，压力波借助两个压力传感器p1和p2测量；
图3借助在第一种实施方式中的流程图示出了所述方法的示例性流程；
图4借助在第二种实施方式中的流程图示出了所述方法的示例性流程。
具体实施方式
图1在示意图中示出了带有新鲜空气管路60和排气管路70的内燃机10，通过新鲜空气管路将空气50输送给内燃机10，通过排气管路沿流动方向将废气51从内燃机10排出。在此，当前所示仅限于与接下来所示相关的部件。
在新鲜空气管路60中沿空气50的流动方向观察布置着下列元件：空气过滤器1；新鲜空气质量传感器2，优选热膜式空气质量传感器；废气涡轮增压器9的压缩机3；增压空气冷却器6；以及节气门7。沿空气50的流动方向在压缩机3的后方布置着第一压力传感器4以及在增压空气冷却器6前方布置着第二压力传感器5。除了压力外，压力传感器4和5还分别获取了在围绕压力传感器的邻近的周边环境中的温度T1和T2。压力传感器4；5 也可以被这样构造，使得它们还获取在邻近的周边环境中的空气湿度。
为了获取温度T3和T4，也可以备选或附加地在排气管路中安装两个独立的温度传感器。这些温度传感器优选安装在第三和第四压力传感器的邻近的周边环境中。
由压力传感器4和5获取的信号由控制器100接收和存储。在此优选有线或无线地进行信号的传递。
在排气管路70中，从内燃机10出发，沿废气51的流动方向布置着下列元件：废气涡轮增压器9的废气涡轮16，氧化型催化器（DOC）17、柴油颗粒过滤器18和选择性催化系统20。
氧化型催化器17、柴油颗粒过滤器18和SCR系统20的废气后处理系统的布置在此仅是示例性的并且可以视内燃机的设计变化。
在废气涡轮增压器9的废气涡轮16的流动上游，也就是说在废气管路70的高压侧上，从废气管路70分支出了废气再循环管路24，该废气再循环管路在内燃机10的流动上游以及在节气门7的流动下游通入新鲜空气管路60。在内燃机10的流动下游沿着废气再循环管路有HD-AGR阀23、HD-AGR冷却器22和HD-AGR旁路21。废气的再循环用于减少内燃机10的排放。
作为压力传感器4和5的备选或者除了压力传感器外，可以沿废气51的流动方向将第三压力传感器11安装在到废气再循环装置24的分支部位12上以及将第四压力传感器13安装在压缩机16之前。
除了压力之外，压力传感器11和13还分别获取在围绕压力传感器的邻近的周边环境中的温度T3和T4。
为了获取温度T3和T4，也可以备选或附加地在排气管路中安装两个独立的温度传感器。这些温度传感器优选安装在第三和第四压力传感器的邻近的周边环境中。
由压力传感器11和13获取的信号被控制器100接收和存储。在此优选有线或无线地进行信号的传递。
至少两个压力传感器在此至少彼此这样远离地安装在系统中，使得由所获取的压力信号还可以数字地确定或获取时间偏移或运行时间差。
内燃机10在下面的例子中被构造成4缸内燃机。4缸分别包括至少一个没有详细在图中示出的进气和排气阀。所述方法也能套用到有其它数量的气缸的内燃机，特别是套用到有1、2、3、6和8个气缸的内燃机上。
在内燃机10运行时，由于内燃机10的进气和排气阀的打开和关闭产生了压力波。这些压力波可以例如借助在进气路径和排气路径中的压力传感器探测。
在发动机试验台上的试验中可以确定，通过用至少两个传感器在进气或排气管路中的两个不同的位置上获取压力波，可以获取各压力波的时间偏移或运行时间差，以及通过所获取的时间偏移可以获取内燃机10的模型化的空气质量流量、优选内燃机10的新鲜空气质量流量。
在图2中示出了在预定的时间范围内的压力波的示例性测量，其中，借助两个压力传感器p1和p2测量压力波。压力传感器在此安装在进气或排气管路中的两个不同的位置上。由于位置不同，两个压力信号p1和p2表明了不一样大的幅度和在压力信号之间的相位偏移。时间偏移可以例如通过第一压力传感器在时间点t1上的压力信号p1和第二压力传感器在时间点t2上的压力信号p2的两个最大值的时间点的差计算得出。那么就得出了时间偏移=t2-t1。那么由时间偏移可以用下列假设确定空气质量流量。时间偏移也可以备选或附加地借助过零或最小值的时间点的差获取。
为了由至少两个压力信号的时间偏移或运行时间差计算空气质量流量，必须做出特定的假设。因此做出这样的假设：空气质量流量的方向和在阀、优选进气阀打开和关闭时产生的压力波的方向彼此相反地展开。在此，空气质量流量的方向沿空气50的流动方向沿着进气管路60展开，并且压力波的方向主要从进气阀逆着空气50的流动方向展开。另一个压力波则在排气阀打开和关闭时产生并且沿排气51的流动方向传播。
因此在压力传感器的压力信号的时间偏移和压力波的所观察到的速度vp、质量流量的所观察到的速度和普遍的声速v声之间存在下列相互关系：
（1）
vp是压力波的速度，v声是声速，是空气质量流量的速度，s是在两个压力传感器之间的管路间距以及是由两个传感器获取的压力波的时间偏移。
两个压力信号的时间偏移或运行时间差在此也可以通过两个压力信号的相位信息获取：
，是第一和第二压力信号的相位以及f是压力信号的频率。
声速在此为：
（2）
v声是在理想气体中的声速，k是各向同性系数，R是通用气体常数，T是气体温度，p是气体压力以及ρ是气体密度。气体在此优选是在进气管路中或新鲜空气管路60中的新鲜空气或在排气管路70中的废气。
用由方程式（1）和（2）得出的想法获得了针对空气质量流量的速度的下列相互关系：
（3）。
因此由质量流量方程针对空气质量流量得出了下列相互关系：
（4）
是质量流量以及A是管横截面、优选是新鲜空气管路60的横截面，ρ是气体密度以及是空气质量流量的速度。
现在可以借助方程式3和4推导出针对质量流量的下列相互关系：
（5）。
这就是说，质量流量或新鲜空气质量流量取决于管路的横截面A、气体密度ρ、气体压力p、距离s或在两个传感器之间的管路间距以及两个压力信号的时间偏移或两个压力信号的运行时间差。
由于干扰量，如压力波在管路上的反射、在管路内的构件上如空气过滤器上的反射、管路的不同的结构形式、温度、空气湿度、构件，必须对模型化的质量流量执行修正。这种修正可以一方面直接使用于所获取的相位偏移，或者另一方面在获取标称的空气质量流量后才使用。在对标称的空气质量流量使用修正后，得到了经修正的空气质量流量。
图3在流程图中示出了针对用于获取内燃机10的空气质量流量的方法的第一个实施例。
在第一个步骤500中，优选在带有能预定的开始时间点和能预定的结束时间点的时间范围内，获取并且由控制器100接收和存储第一和第二压力传感器4；5的压力信号和温度信号。压力传感器4；5在此获取了由进气阀在打开和关闭时产生的压力波。
紧接着可以对所获取的压力信号进行滤波，以便例如借助高频滤波器去除高频的噪音部分，并且可以额外修正偏移。偏移修正在此修正了，两个压力传感器安装在管路中的不同的安装位置上以及因此无法探测到在不同位置上的压力波的相同的信号部分。此外，压力传感器的制造公差可能导致偏移。
在步骤510中，获取两个压力信号的、优选所测量的压力波的压力信号的时间偏移或者运行时间差。
可以例如通过在不同的测量点上评估在步骤500中获取的信号执行两个压力信号的时间偏移。例如在压力信号过零时的测量点或在压力信号的最大部位和最小部位上的测量点特别良好地适用于获取时间偏移。也可以通过不同的测量点评估多次测量以及紧接着对测量求平均值。
下述压力信号优选用于评估，在这些压力信号中存在内燃机10的静态的或近似静态的运行。这例如是内燃机10的滑行运行。
在步骤520中，根据干扰量执行对所获取的时间偏移的修正。干扰量例如是在压力传感器的测量位置上的温度或温度差，在管路上和构件上、例如增压空气冷却器6上的反射，以及例如由节气门7的运行产生的其它的波。修正在此优选通过借助温度传感器记录的温度T1和T2进行。
然后在步骤530中借助方程（5）获取空气质量流量或新鲜空气质量流量并且紧接着可以用来控制内燃机10。
接着在步骤500中从头开始。
作为对在步骤510中的修正的备选方案，可以由所获取的时间偏移的未经修正的值也直接获取标称的空气质量流量。借助干扰量然后可以执行对标称的空气质量流量的修正以及得到了经修正的空气质量流量。
也可以备选或附加地用在排气管路70中的压力传感器来确定空气质量流量。不过在此获取了由于内燃机10的排气阀打开和关闭产生的压力波。在此使用在排气管路中的第三压力传感器11和第四压力传感器13来获取压力波。
图4在流程图中示出了针对用于获取内燃机10的空气质量流量的方法的第二个实施例。
在步骤600中，优选在带有能预定的开始时间点和能预定的结束时间点的时间范围内，获取并且由控制器100接收和存储第一和第二压力传感器的压力信号和温度信号。压力传感器（4；5）在此获取了由进气阀在打开和关闭时产生的压力波。
紧接着可以对所获取的压力信号进行滤波，以便例如借助高频滤波器去除高频的噪音部分，并且可以额外修正偏移。偏移修正在此修正了，两个压力传感器安装在管路中的不同的安装位置上以及因此无法探测到在不同位置上的压力波的相同的信号部分。此外，压力传感器的制造公差可能导致偏移。
在步骤610中例如借助快速傅里叶变换或者密度傅里叶变换将在步骤600中获取的压力信号变换成频域。紧接着在能预定的频率中确定了第一和第二压力信号的相位和。在此特别有利的是，为两个压力信号选择点火频率作为所选择的频率。傅里叶变换的计算优选在控制器100内执行。
在步骤620中由带有预定的频率f的第一和第二压力信号的相位和相位的差获取了时间偏移：
f是所选择的频率，并且、是第一和第二压力信号的相位。
在步骤630中，可以根据干扰量执行对时间偏移的修正。干扰量例如是在压力传感器的测量位置上的温度或温度差，在管路上和构件上、例如增压空气冷却器6上的反射，例如由节气门7触发的其它的振动。
在步骤640中借助方程（5）获取空气质量流量并且可以用来控制内燃机10。
紧接着在步骤600中继续所述方法。
作为对在步骤620中的修正的备选方案，可以由所获取的时间偏移的未经修正的值也直接获取标称的空气质量流量。借助干扰量然后可以执行对标称的空气质量流量的修正以及得到了经修正的空气质量流量。
也可以备选或附加地用多个压力传感器来确定空气质量流量。为此，可以分别成对地计算时间偏移，以便获取空气质量流量。紧接着可以通过所有所获取的质量流量来执行平均值计算。
也可以备选或附加地用在排气管路70中的压力传感器来确定空气质量流量。不过在此获取了由于内燃机10的排气阀打开和关闭产生的压力波。在此使用在排气管路中的第三压力传感器11和第四压力传感器13来获取压力波。
倘若系统中安装了热膜式空气质量传感器2，那么可以借助通过时间偏移获取的模型化的空气质量流量备选地或附加地执行对热膜式空气质量传感器信号的修正或诊断。
在没有激活废气再循环的运行点中，还可以执行所计算的空气质量或新鲜空气质量与所计算的发动机排量特性的平衡。在此，可以例如确定和修正或调整基于模型的所计算的新鲜空气质量流量的例如偏移误差或传感器漂移。
Claims (12)
1.用于获取内燃机（10）的空气质量流量（）的方法，其特征在于，沿着新鲜空气管路（60）和/或排气管路（70）获取至少一个第一和第二压力信号，其中，由此根据第一和第二压力信号获取压力波的时间偏移（）并且根据该时间偏移（）获取用于控制内燃机（10）的空气质量流量（）。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，压力波由于所述内燃机（10）的进气阀或排气阀的打开和关闭而产生。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，根据在所述新鲜空气管路（60）中的由于进气阀的打开和关闭产生的压力波获取在所述新鲜空气管路（60）中的空气质量流量（）。
4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，根据在所述排气管路（70）中的由于排气阀的打开和关闭产生的压力波获取在所述新鲜空气管路中的空气质量流量（）。
5.按照前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述空气质量流量（）是在所述新鲜空气管路（60）中的新鲜空气质量流量。
6.按照前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，第一和第二压力信号的时间偏移（）由压力波的第一压力信号的第一测量点和第二压力信号的第二测量点的差获取，优选由带过零的测量点或者由最大值测量点或最小值测量点获取。
7.按照前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，根据第一和第二压力信号的相位偏移借助快速傅里叶变换或密度傅里叶变换获取第一和第二压力信号的时间偏移（）。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，在能预定的频率中、优选在所述内燃机（10）的点火频率中获取第一和第二压力信号的相位偏移。
9.按照前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，借助至少一个干扰量，优选根据在进气管路和/或排气管路中获取的温度来修正所述时间偏移（）和/或所获取的空气质量流量（）。
10.计算机程序，其被设置用于执行按照权利要求1至9任一项所述的方法。
11.电子存储介质，其带有按照权利要求10所述的计算机程序。
12.装置、特别是控制器（100），其被设置用于实施按照权利要求1至9任一项所述的方法。
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