CN109819665B - 用于控制内燃机的气缸中的残余气体质量和/或排气歧管中的冲刷空气质量的方法和装置 - Google Patents

用于控制内燃机的气缸中的残余气体质量和/或排气歧管中的冲刷空气质量的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于控制在换气过程之后在内燃机的气缸中残留的残余气体质量和/或在换气过程期间冲入内燃机的排气歧管中的冲刷空气质量的方法和装置。所述方法具有以下步骤：‑预先给定内燃机的气缸的期望的残余气体质量和/或期望的冲刷空气质量；‑在使用预先给定的残余气体质量和/或冲刷空气质量以及逆残余气体模型的情况下，获取影响残余气体质量和/或冲刷空气质量的执行器的额定位置；‑调节影响残余气体质量和/或冲刷空气质量的执行器的、所获取的额定位置。

Description

用于控制内燃机的气缸中的残余气体质量和/或排气歧管中 的冲刷空气质量的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于控制在换气过程之后在内燃机的气缸中残留的残余气体质量和/或在换气过程期间冲入内燃机的排气歧管中的冲刷空气质量的方法和装置。
背景技术
在运行四冲程内燃机时，在排气和进气冲程期间更换在气缸中的气体通常是不完整的。通常，在关闭排气阀之后，燃烧气体的一部分残留在气缸中并且作为所谓的残余气体参与到随后的燃烧循环中，所述燃烧气体通过燃料的燃烧而产生。对于没有气门重叠的内燃机，残余气体质量（即，在关闭排气阀之后残留在气缸中的残余气体的质量）除其他外由在活塞的上死点中的气缸的死点容积并且由排气凸轮轴的相位以及由排气歧管压力和废气温度来确定。就具有气门重叠的内燃机而言，在气门重叠期间，残余气体量附加地受在吸气管和排气歧管中的气体压力和气体温度影响。
在内燃机的满负荷运行中，残余气体是不希望的，因为它挤出了在气缸中的相应体积的新鲜空气，利用所述新鲜空气能够燃烧额外的燃料量并且因而能够提升发动机功率。
在内燃机的大多数运行点中，排气歧管压力都高于吸气管压力。在这些运行点中，通过借助于凸轮轴相位调整来调节或者增加气门重叠，相对于无气门重叠或者具有低气门重叠的运行点能够提高残余气体质量。
然而，在内燃机的其他一些运行点中，吸气管压力能够高于排气歧管压力，在这些运行点中，通过借助于凸轮轴相位调整来调节或者增加气门重叠，相对于无气门重叠或者具有低气门重叠的运行点能够减少残余气体质量。
在具有正扫气压力降的满负荷运行点中（即，位于在气门重叠期间吸气管压力大于排气歧管压力的运行点中），通过有针对性地调节或者增加气门重叠来将燃烧气体冲出到排气歧管中，由此减少了残余气体质量并且由此增加了气缸空气质量以及内燃机的功率。这种措施被称作冲出（Ausspülen）或者扫气（Scavenging）。在气门重叠增加或者正扫气压力降增加时，燃烧气体被完全冲出并且一部分新鲜空气被立即冲入排气歧管中。这部分新鲜空气被称作冲刷空气。在换气期间流入排气歧管中的新鲜空气的质量被称作冲刷空气质量。用于计算残余气体质量和冲刷空气质量的数学模型被称作残余气体模型。
为了最大化气缸空气质量并且因而最大化内燃机的功率，应当有针对性地减少残余气体质量，并且直至能够将其减低为零。为此需要控制残余气体质量。如果如此多的空气由于冲出而进入到排气歧管中，使得催化器的功能暂时受限，则内燃机的污染物排放急剧上升。为了能够控制扫气对排放的影响，需要控制在废气中的空气质量。
已知的是，通过内燃机的全局运行参数（例如转速、力矩期望等）来预先控制内燃机的、控制扫气的执行器，所述执行器尤其是包括凸轮轴相位调整器。
发明内容
本发明的任务是，说明一种用于控制在内燃机的气缸中的残余气体质量和/或在内燃机的废气中的冲刷空气质量的方法，在其应用中，到内燃机的所有周围环境和运行条件中的废气排放足够低，以满足法定排放规定，并且，气缸空气质量以及因此内燃机的功率均是最大的。
该任务通过具有在权利要求1中所说明的特征的方法来解决。本发明的有利的方案和改进方案在从属权利要求中得到说明。权利要求9的主题是一种用于控制残余气体质量和/或在内燃机的废气中的冲刷空气质量的装置。
根据本发明，用于控制残余气体质量和/或冲刷空气质量的方法具有以下步骤：
- 预先给定内燃机的气缸的期望的残余气体质量和/或期望的冲刷空气质量；
- 在使用预先给定的残余气体质量和/或冲刷空气质量以及逆残余气体模型的情况下，获取影响残余气体质量和/或冲刷空气质量的执行器的额定位置；
- 调节影响残余气体质量和/或冲刷空气质量的执行器的、所获取的额定位置。
“逆残余气体模型”能够被理解为如此构造的、残余气体模型的反转，使得从要求的残余气体质量或者要求的冲刷空气质量的预先给定中能够获取为此需要的、影响残余气体质量和/或冲刷空气质量的执行器的位置。
所述方法提供了控制在排气歧管中的残余气体质量和/或冲刷空气质量的可能性，并且，它允许了例如在扫气-运行中保持期望的废气组成，并且将到内燃机的所有周围环境和运行条件中的废气排放限制于法律上预先给定的极限值。布置在排气管段中的催化器总是保持在其有效的运行范围内。
附图说明
本发明的、另外有利的特性由其以下示例性的、参照附图的阐述中得出。附图示出：
图1具有配属的控制设备的内燃机，
图2用于阐述用于控制在气缸中的残余气体质量和/或排放到排气歧管中的空气质量的方法的流程图，以及
图3在图1中所示出的控制设备的、更详细的图示。
具体实施方式
图1示出了内燃机，所述内燃机包括进气管段1、发动机缸体2、气缸头3和排气管段4。控制设备25配属于该内燃机。
进气管段1包括节流阀5、收集器6和吸气管7，所述吸气管朝向气缸Z1地通过进气通道被导入到发动机缸体2的燃烧室9中。
发动机缸体2包括曲轴8，所述曲轴通过连杆10与气缸Z1的活塞11耦接。除了气缸Z1之外，内燃机优选地还包括另外的气缸Z2、Z3、Z4。然而，内燃机也能够包括任何其他数量的气缸。内燃机布置在机动车中。
在气缸头3中布置有喷射阀18和火花塞19。可替代地，喷射阀18也能够布置在吸气管7中。
在排气管段4中布置有废气催化器21，所述废气催化器优选构造为三元催化器。
此外，设置有进气凸轮相位调整器，所述进气凸轮相位调整器与曲轴8和进气凸轮轴耦接。进气凸轮轴与相应气缸的气体进口阀耦接。进气凸轮相位调整器构造用于，实现关于曲轴8地调整进气凸轮轴的相位。从外，设置有排气凸轮相位调整器，所述排气凸轮相位调整器构造用于，关于曲轴8地调整排气凸轮轴的相位，其中，排气凸轮轴与气体出口阀13耦接。
此外，也设置了开关式进气门或者其他开关机构，以改变在进气管段1中的有效吸气管长度。此外，也能够设置一个或者多个涡流节气门（Drallklappen）。
此外，也能够设置有增压器，所述增压器能够构造为例如废气涡轮增压器并且包括涡轮机和压缩机。
下述传感器配属于控制设备25，所述传感器检测不同的测量量并且分别获取测量量的测量值。内燃机的运行量包括测量量以及由测量量导出的量。控制设备25构造用于，根据至少一个测量量获取控制量，然后所述控制量被转化为一个或者多个控制信号，以借助于相应的控制驱动器来控制调整机构。
传感器例如是踏板位置传感器26、空气质量传感器28、节流阀位置传感器30、环境压力传感器32、吸气管压力传感器34、曲轴角度传感器36，所述踏板位置传感器检测油门踏板27的油门踏板位置，所述空气质量传感器检测节流阀5上游的空气质量流，所述节流阀位置传感器检测节流阀5开度，所述环境压力传感器检测内燃机的周围环境的环境压力，所述吸气管压力传感器检测在收集器中的吸气管压力，所述曲轴角度传感器检测曲轴角度，然后内燃机的转速配属于所述曲轴角度。此外，设置有废气探测仪42，所述废气探测仪布置在废气催化器21的上游并且检测内燃机的废气的残余氧含量，并且，所述废气探测仪的测量信号代表燃烧之前在废气探测仪42上游的空气/燃料比。为了检测进气凸轮轴和进气凸轮轴的位置，设置有进气凸轮轴传感器和排气凸轮轴传感器。此外，设置有一温度传感器，该温度传感器检测内燃机的环境温度，以及设置有另一温度传感器，所述温度传感器的测量信号代表在进气管段1中的吸入空气温度。此外，也能够设置有废气压力传感器，所述废气压力传感器的测量信号代表排气歧管压力、即在排气管段4中的压力。
调整机构例如是以下部件中的一个或者多个：节流阀5、气体进口阀和气体出口阀12、13、喷射阀18、进气凸轮相位调整器、排气凸轮相位调整器、火花塞19、废气阀门调整器、涡流节气门、排气门和排气循环阀。
在进气冲程期间，根据四冲程原理运行的内燃机将确定用于燃烧燃料的空气通过为此目的而打开的气体进口阀12吸入到相应的气缸Z1至Z4中。由于燃料正在气缸Z1至Z4中的燃烧而产生的废气以排气冲程通过为此目的而打开的气体出口阀13被推入到排气管段14中。在此，理论上最大可能包含的气缸空气质量被称作这种空气质量，该空气质量以在内燃机周围的环境压力和在内燃机周围的环境温度恰好填充气缸Z1至Z4的总行程容积（即，在下死点和上死点处的气缸容积之间的差），同时以废气填充在上死点中残留的气缸容积。
在实际的发动机运行中，出于各种原因，除其他外基于当前吸气管压力与环境压力的偏差以及当前吸气管温度与环境温度的偏差，参与燃料燃烧的新鲜空气填充量偏离理论上最大可能包含的新鲜空气填充量。
另一个原因在于，在前一工作循环中所产生的废气没有完全从相应的气缸Z1至Z4中被推出。在关闭气体出口阀13之后残留在内燃机的气缸Z1至Z4中或者在进气管段1中的燃烧气体被称作残余气体。
另一个原因在于，在具有气门重叠的运行点中，在出现从吸气管到排气歧管的压力降时，燃烧气体被部分地或者完全从死点容积中冲出到排气歧管中。由此增加了气缸空气质量，能够燃烧更多的燃料，发动机功率上升。
另一个原因在于，在具有气门重叠的运行点中，在出现从吸气管到排气歧管的压力降时，在内燃机的气体进口阀打开阶段期间通过气体进口阀吸入的进入空气质量的一部分能够冲刷通过气缸Z1进到排气歧管中。这被称作扫气。
如果如此多的空气由于这种扫气而进入到排气歧管中，使得布置在排气管段中的催化器的功能暂时受限，则内燃机的污染物排放急剧上升。
就根据本发明的方法而言，通过以下方式阻止了污染物排放的、这种不希望的急剧上升：执行对排放到内燃机的排气歧管中的空气质量流的控制。
这将参照其他附图来阐述。
图2示出了用于说明用于控制残余气体质量和/或排放到内燃机的排气歧管中的空气质量流的方法的流程图。
根据该方法，在第一步骤S1中，预先给定内燃机的气缸的期望的残余气体质量和/或期望的冲刷空气质量。如果内燃机当前例如在满负荷运行中，则期望的残余气体质量为气缸的总气体质量的0%。如果内燃机反之在部分负荷运行中，则预先给定的残余气体质量在气缸的总气体质量的0%和30%的范围内。
在随后的第二步骤S2中，在使用预先给定的残余气体质量或者预先给定的冲刷空气质量以及逆残余气体模型的情况下，获取影响残余气体质量和/或冲刷空气质量的执行器的额定位置。影响残余气体质量和/或冲刷空气质量的执行器尤其是进气凸轮相位调整器、排气凸轮相位调整器、用于影响吸气管压力的调节器（例如节流阀）和用于影响排气歧管压力的调节器（例如废气阀门位置调整器）。在第二步骤中，能够获取影响残余气体质量和冲刷空气质量的执行器中的一个的额定位置，或者，能够获取影响残余气体质量和冲刷空气质量的执行器中的两个或者多个的额定位置。
在随后的第三步骤S3中，调节影响残余气体质量和/或冲刷空气质量的执行器的、所获取的额定位置，或者，调节影响残余气体质量和/或冲刷空气质量的执行器的、所获取的额定位置。
此后，在第四步骤S4中，在气缸中执行燃烧过程。
随后，在第五步骤S5中，在结束燃烧过程之后，将气缸的燃烧气体推入到内燃机的排气歧管中。
例如，在存在内燃机的部分负荷运行时，如此预先给定残余气体质量，使得进行气缸的冲出，而不出现扫气。
此外，在存在满负荷运行时，将残余气体质量预先给定为零。
原则上，通过增加在气缸中的、预先给定的残余气体质量能够实现，由于随后产生的挤气效应，在气缸中出现了空气质量的减少。这在汽油发动机中导致转矩的减小，并且，通过避免对新鲜空气供应的、可能必要的节流而提高了发动机的效率。
图3示出了在图1中所示出的控制设备25的、更详细的图示。输入信号s1至sx被输送至该控制设备，所述输入信号为上述传感器信号、由此导出的信号、另外的传感器信号和/或由这些另外的传感器信号导出的信号。控制设备使用这些信号，以用于识别内燃机的瞬时运行状态并且为内燃机的执行器提供控制信号st1至sty。为了识别内燃机的瞬时运行状态并且提供所提到的控制信号，控制设备除其他外使用残余气体模型RGM和逆残余气体模型IRGM。
在使用输入信号s2、s3、s4和s5以及所存储的软件的情况下，借助于残余气体模型来获取残余气体质量mRG。输入信号s2例如是由进气凸轮相位传感器导出的信号，所述信号描述进气凸轮轴的相位。输入信号s3例如是由排气凸轮相位传感器导出的信号，所述信号描述排气凸轮轴的相位。输入信号s4例如是由吸气管压力传感器导出的信号，所述信号描述吸气管压力。输入信号s5例如是由废气阀门位置传感器导出的信号，所述信号描述废气阀门的位置。
在所示出的实施例中，输入信号mRG,REQ、s3、s4和s5被输送至逆残余气体模型IRGM。输入信号mRG,REQ是预先给定的期望的残余气体质量。输入信号s3例如是由排气凸轮相位传感器导出的信号，所述信号描述排气凸轮轴的相位。输入信号s4例如是由吸气管压力传感器导出的信号，所述信号描述吸气管压力。输入信号s5例如是由废气阀门位置传感器导出的信号，所述信号描述废气阀门的位置。
在使用这些输入信号的情况下，逆残余气体模型IRGM获取控制信号，以调节影响残余气体质量的一个或者多个执行器的额定位置，尤其是预先给定的期望的残余气体质量属于所述输入信号。尤其是进气凸轮相位调整器、排气凸轮相位调整器、用于影响吸气管压力的调节器（例如节流阀）和用于影响排气歧管压力的调节器（例如废气阀门位置调整器）属于这些执行器。
因此，逆残余气体模型IRGM被设置用于，在使用预先给定的期望的残余气体质量和/或冲刷空气质量、另外的输入信号和所存储的软件的情况下，获取控制信号，以调节影响残余气体质量和/或冲刷空气质量的一个或者多个执行器，以便如此影响残余气体质量，使得期望的气缸空气质量和期望的冲刷空气质量得到调节。
附图标记列表
1 进气管段
2 发动机缸体
3 气缸头
4 排气管段
5 节流阀
6 收集器
7 吸气管
8 曲轴
9 燃烧室
10 连杆
11 活塞
12 气体进口阀
13 气体出口阀
18 喷射阀
19 火花塞
21 废气催化器
25 控制设备
26 踏板位置传感器
27 油门踏板
28 空气质量传感器
30 节流阀位置传感器
32 环境压力传感器
34 吸气管压力传感器
36 曲轴角度传感器
IRGM 逆残余气体模型
RGM 残余气体模型
mRG 预先给定的残余气体量
s1-sx 传感器信号
st1-sty 控制信号
S1-S5 方法步骤
Z1-Z4 气缸

Claims (9)

1.用于控制在换气过程之后在内燃机的气缸中残留的残余气体质量和/或在换气过程期间冲入内燃机的排气歧管中的冲刷空气质量的方法，具有以下步骤：
- 预先给定所述内燃机的气缸的期望的残余气体质量和/或期望的冲刷空气质量；
- 在使用预先给定的残余气体质量和/或冲刷空气质量以及逆残余气体模型的情况下，获取影响所述残余气体质量和/或所述冲刷空气质量的执行器的额定位置；
- 调节影响所述残余气体质量和/或所述冲刷空气质量的所述执行器的、所获取的额定位置，
其中，借助于残余气体模型使用由进气凸轮相位传感器导出的信号、由排气凸轮相位传感器导出的信号、由吸气管压力传感器导出的信号和由废气阀门位置传感器导出的信号来获取残余气体质量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取影响所述残余气体质量和/或所述冲刷空气质量的多个执行器的额定位置，并且，执行对影响所述残余气体质量和/或所述冲刷空气质量的所述执行器的、所获取的额定位置的调节。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，影响所述残余气体质量和/或所述冲刷空气质量的执行器是进气凸轮相位调整器。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，影响所述残余气体质量和/或所述冲刷空气质量的执行器是排气凸轮相位调整器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，影响所述残余气体质量和/或所述冲刷空气质量的执行器是用于影响吸气管压力的调节器。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，影响所述残余气体质量和/或所述冲刷空气质量的执行器是用于影响排气歧管压力的调节器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述内燃机的满负荷运行中，所述预先给定的残余气体质量在所述气缸的总气体质量的0%的范围中。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述内燃机的部分负荷运行中，所述预先给定的残余气体质量在所述气缸的总气体质量的0%至30%的范围中。
9.用于控制在换气过程之后在内燃机的气缸中残留的残余气体质量和/或在换气过程期间冲入内燃机的排气歧管中的冲刷空气质量的装置，其特征在于，所述装置具有控制设备，所述控制设备构造用于执行具有在权利要求1至8中任一项所说明的特征的方法。
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