CN111156097A - 用于确定在内燃发动机的每个气缸中捕获的空气量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定在内燃发动机(1)的每个气缸(3)中捕获的空气量(m)的方法，该方法包括基于使用测量和/或估算的物理量的模型来确定用于第一组参考量的值；基于所述模型根据内燃发动机(1)的旋转速度(n)和进气阀(5)的关闭延迟角(IVC)来确定每个气缸(3)的实际内部体积(V)；并根据第一组参考量和每个气缸(3)的实际内部体积(V)来计算在每个气缸(3)中捕获的空气量(m)。

Description

用于确定在内燃发动机的每个气缸中捕获的空气量的方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2018年11月8日提交的、号为102018000010164的意大利专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于确定在内燃发动机的每个气缸中捕获的空气量的方法。
背景技术
如已知的那样，借助于涡轮增压器增压系统增压的内燃发动机包括多个喷射器，它们将燃料喷射到相应的气缸中，每个气缸通过至少一个相应的进气阀与进气歧管相连，并通过至少一个相应的排气阀与排气歧管相连。
进气歧管接收包含废气和新鲜空气(即通过进气管道从外部进入的空气)的气体混合物，该进气管道设置有用于新鲜空气流的空气过滤器并由节流阀调节。沿着进气管道，优选地在空气过滤器的下游，还提供空气流量计。
空气流量计是连接到电子控制单元并设计成检测由内燃发动机吸入的新鲜空气流量(flow rate)的传感器。由内燃发动机吸入的新鲜空气流量对于发动机控制而言是非常重要的参数，特别是用于确定要喷射到气缸中的燃料量，以便在排气歧管下游的排气管道中获得给定的空气/燃料比。然而，空气流量计通常是非常昂贵且相当精密的部件，因为油蒸气和灰尘会弄脏空气流量计，从而改变由内燃发动机吸入的新鲜空气流量值的读数。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定在内燃发动机的每个气缸中捕获的空气量的方法，该方法易于实施且经济。
根据本发明，提供一种用于确定在内燃发动机的每个气缸中捕获的空气量的方法，其中内燃发动机包括多个气缸，每个气缸连接至进气歧管，每个气缸通过至少一个相应的进气阀从进气歧管接收新鲜的空气，并且每个气缸连接至排气歧管，每个气缸通过至少一个相应的排气阀将由燃烧产生的废气引入到排气歧管中；并且其中控制进气阀和/或排气阀以改变其定时；该方法包括：
检测进气歧管内部的压力P、内燃发动机的旋转速度n和进气阀的关闭延迟角IVC；
确定在前一工作循环中由燃烧产生的并存在于气缸内部的气体量OFF；
根据内燃发动机的旋转速度n和进气阀的关闭延迟角IVC确定每个气缸的内部体积V；以及
通过压力P与每个气缸的内部体积V的乘积确定在每个气缸中捕获的空气量，从中减去气体量OFF；
其中确定气体量OFF的步骤包括以下子步骤：
通过以下方程式计算气体量MOVL，气体量MOVL在每个进气阀和相应的排气阀同时打开的重叠阶段期间从排气到进气流动并且在随后的进气阶段期间通过进气阀被重新吸入到气缸内，其中气缸的燃烧室代表通道段：
Figure BDA0002266402790000021
Sid理想通道段的面积；
n内燃发动机的速度；
P0_REF通道段上游的参考压力；
T0_REF通道段上游的参考温度；
T0通道段上游的温度；
P0，P分别为通道段上游和下游的压力；
其中通过在第一函数和第二函数之间的乘积计算理想通道段的面积Sid，第一函数是内燃发动机速度n和重叠阶段的持续时间OVL的第一函数，第二函数是内燃发动机速度n和在上止点PMS与重叠阶段的重心G之间的角度差异的第二函数；以及
根据量MOVL计算气体量OFF。
附图说明
现在将参考示出其非限制性实施例的附图来描述本发明，其中：
-图1示意性地示出设置有实施根据本发明方法的电子控制单元的内燃发动机的优选实施例；
-图2详细示出图1的发动机的气缸；
-图3和图4示意性地示出图1发动机的进气阀和排气阀的重叠阶段；以及
-图5示出在根据本发明的方法中使用的函数β的发展。
具体实施方式
在图1和图2中，附图标记1指示作为总体的内燃发动机，优选地其借助于涡轮增压器增压系统进行增压。
内燃发动机1包括多个喷射器2，所述喷射器2将燃料直接喷射到四个气缸3(优选地成一直线布置的四个气缸)中，每个气缸均通过至少一个相应的进气阀5连接到进气歧管4(图3中所示)，以及通过至少一个相应的排气阀7连接到排气歧管6(图2中所示)。对于每个气缸3，设置有相应的喷射器2；根据图2中所示的实施例，喷射是间接喷射，并且因此，每个喷射器2在将进气歧管4连接到气缸3的进气管道8中布置在气缸3的上游。在本文未示出的替代实施例中，喷射是直接喷射，并且因此，每个喷射器2通过气缸3的冠端部分地布置在气缸3内部。
根据图1，每个气缸3容纳有相应的活塞9，该活塞9通过连杆机械地连接至驱动轴10，从而以已知的方式将由气缸3内部的燃烧产生的力传递至驱动轴10本身。
进气歧管4接收包含排放气体(如下文中更详细描述的那样)和新鲜空气的气体混合物，新鲜空气即通过进气管道8来自外部的空气，该进气管道8优选地设置有用于新鲜空气流的空气过滤器并由节流阀12调节，节流阀12优选为电子控制阀，并且可在关闭位置和最大打开位置之间移动。此外，沿进气管道8未设置空气流量计。
进气阀5和/或排气阀7由VVT(可变阀定时)装置控制，该装置相应地液压地作用在使进气阀5和/或排气阀7运行的轴上，从而改变其相对于驱动轴的倾斜度。
特别地，每个排气阀7的位置直接由凸轮轴13控制，凸轮轴13接收驱动轴10的运动；类似地，每个进气阀5的位置由凸轮轴14直接控制，凸轮轴14接收驱动轴10的运动。
沿着进气管8优选地布置有中间冷却器，该中间冷却器执行冷却所吸入空气的功能并且优选地内置于进气歧管4中。排气歧管6连接到排气管道18，排气管道18将由燃烧产生的排放气体供给到排气系统，该系统将由燃烧产生的气体释放到大气中，并且通常包括至少一个催化转化器(如有必要，设置有柴油颗粒过滤器)和设置在催化转化器下游的至少一个消音器。
内燃发动机1的增压系统包括涡轮增压器和压缩机，所述涡轮增压器设置有涡轮机，该涡轮机沿着排气管道18布置以便由于从气缸3排出的排放气体的作用而以高速旋转，而所述压缩机沿进气管道8布置并且机械地连接至涡轮机，以便由涡轮机自身而导致旋转，从而增加存在于供给管道8中的空气的压力。
上面的描述明确地涉及借助于涡轮增压器增压的内燃发动机1。可替代地，上述控制方法可以在任何增压的内燃发动机中发现有利的应用，例如借助动态或体积式压缩机增压的发动机。
根据一个优选的变型，沿着排气管道18设置有旁路管道，该旁路管道与涡轮机并联连接，以使其端部连接在涡轮机自身的上游和下游。
内燃发动机1还有利地包括高压排放气体再循环回路EGRHP，该高压排放气体再循环回路EGRHP又包括与由四个气缸3、进气歧管4和排气歧管6构成的组合件并联连接的旁路管道。沿旁路管道设置有EGR阀，该EGR阀设计成调节流经旁路管道的排放气体的流量，并由电动马达控制。沿着旁路管道，在EGR阀的下游，设置有热交换器，该热交换器执行冷却从排气歧管流出的气体的功能。
可替代地，沿着进气管道8设置有旁路管道，该旁路管道与压缩机并联连接，以使其端部连接在压缩机本身的上游和下游；沿着旁路管道设置有阀Poff，该阀Poff设计成调节流过旁路管道道的空气的流量并且由电动致动器控制。
内燃发动机1由电子控制单元30控制，该电子控制单元30控制内燃发动机1的所有部件的操作。特别地，该电子控制单元30连接至沿着进气管道8的处于压缩机上游的测量温度To和压力Po的传感器，并且连接到沿着进气管道8的处于节流阀12上游的测量温度和压力的传感器，以及连接到测量存在于进气歧管4中的气体混合物的温度和压力的传感器31。此外，电子控制单元30连接到测量驱动轴10的角位置(从而测量驱动轴10的旋转速度)的传感器，并连接到测量催化转化器上游的排放气体的空气/燃料比的传感器(通常是UHEGO或UEGO线性氧传感器-其是已知的且不详细描述)，以及最后连接到测量进气阀和/或排气阀的冲程的传感器。
根据一个优选的变型，内燃发动机1最终包括低压排放气体再循环回路EGRLP，该低压排放气体再循环回路EGRLP又包括旁路管道，该旁路管道源自排气管道18，优选地在催化转化器的下游，并且通向进气管道8，优选在压缩机的上游；旁路管道与涡轮增压器并联连接。沿着旁路管道设置有EGR阀，该EGR阀设计成调节流过旁路管道的排放气体的流量。沿着旁路管道，在EGR阀的上游，还提供热交换器，该热交换器实现冷却从排气歧管6流出并进入压缩机的气体的功能。
在电子控制单元30中存储有计算模型，该计算模型除了其它方面外用于确定在每个气缸3中捕获的空气量m(对于每个循环)以及由内燃发动机1吸入的空气量MTOT。
该模型包括多个输入参数，其中包括有：转数(rpm)、在进气歧管4中的压力值和其他侧面条件(诸如像，在进气歧管4内部的温度和在增压内燃发动机1中使用的冷却剂流体的温度。
由于VVT装置改变进气阀5的定时以及它们与排气阀7交叉的定时(即进气阀5和排气阀7同时打开的阶段)，因此模型也需要获知对于每个气缸3的输入参数；图5中示意性地说明了一些参数(关于上止点(top dead center)TDC和下止点(bottom dead center)BDC)：
IVCref进气阀5的参考关闭角；
IVOref进气阀5的参考开度角；
EVCref排气阀7的参考关闭角；
EVOref排气阀7的参考开度角；
IVC进气阀5的关闭提前角；
IVO进气阀5的开度提前角；
EVC排气阀7的关闭提前角；以及
EVO排气阀7的开度提前角。
通过上面列出的输入参数，定义了以下量：
VVTI＝IVC-IVCref＝IVO-IVOref[1]
VVTE＝EVO-EVOref＝EVC-EVCref[2]
VVTI相对于关于进气阀5的参考值的开度或关闭差异的角度范围；以及
VVTE相对于关于排气阀7的参考值的开度或关闭差异的角度范围。
为了确定对于每个循环的在每个气缸3中捕获的空气量m，模型使用理想气体定律(从文献中得知)，根据该定律
m＝(P*V)/(R*T)[3]
P在进气歧管4内部的发动机循环的平均压力；
T在进气歧管4内部的新鲜空气和/或排放气体的混合物的温度；
R新鲜空气和/或排放气体的混合物的常数；
V当相应的进气阀5和相应的排气阀7关闭时气缸3的内部体积。
通过并入新鲜空气和/或排放气体的混合物的常数R，针对模型对理想气体定律[3]进行实验调整，以使对于每个循环而言在每个气缸3中捕获的空气量m表示如下：
m＝P*V*f1(T，P)*f2(TH2O，P)[4]
其中，TH2O是内燃发动机1的温度(优选通过内燃发动机1的冷却剂流体的温度来表示)。
另一方面，参数P，V，T具有上面针对方程式[3]所述的含义。
最后，进一步针对填充模型对理想气体定律[4]进行实验调整，以使对于每个循环而言在每个气缸3中捕获的空气量m考虑到前一个工作循环中燃烧产生的并存在于气缸3内部的气体(因为它们没有从气缸3流出，或者因为它们被重新吸入到气缸3中)：
m＝(P*V-OFF)*f1(T，P)*f2(TH2O，P)[5]
其中OFF是变量(量)，其中考虑了在前一个工作循环中燃烧产生的并存在于气缸3内的气体(因为它们没有从气缸3中流出，或者因为它们被重新吸入到气缸3中)。
参数P，V，T再次具有以上针对方程式[3]所述的含义。
在参考条件下，为了校准模型，假定内燃发动机1的温度TH2O，即内燃发动机1的冷却剂流体温度等于90℃，并且假定温度T等于40℃
在实验阶段分别根据下述通过(2d)映射来定义上述函数f1和f2，对于函数f1而言根据在进气歧管4内部的压力P和在进气歧管4内部的温度T通过(2d)映射来定义，以及对于函数f2而言根据在进气歧管4内部的压力P和内燃发动机1的温度TH2O通过(2d)映射来定义。显然，在参考条件下(例如在进气歧管4内部的参考温度等于25℃)，函数f1和f2具有单一值。
气缸3的内部体积V是根据相应的进气阀5的关闭提前角IVC的变量(从几何学的角度来看)。实际上，气缸3的实际内部体积V是由气缸3的燃烧室的死体积(dead volume)VCC(即未被相应的活塞9排除的体积)和直到相应的进气阀5关闭(即，曲柄相对于上止点PMS的旋转角度)被相应的活塞9排除的体积VC的总和得出的。
在下文中，您可以发现用于计算气缸3的内部体积V在由α表示的曲柄角区域内的运动定律(从文献中得知且不详细描述)：
V(α)＝VCC+VC(α)
Figure BDA0002266402790000081
V气缸3的内部体积；
VCC气缸3的燃烧室的死体积；
α曲柄相对于上止点PMS的旋转角度；
r曲柄半径；
S活塞9的表面积；
L连杆的长度；
d在气缸3的轴线与驱动轴10的旋转轴线之间的偏移；
λr/L比；以及
δd/L比。
一般而言，按照优选的变型，根据由相应进气阀5的关闭提前角IVC表示的几何因子、由由内燃发动机1的旋转速度n(或转数rpm)表示的动态因子以及由在进气歧管4内部针对发动机循环测得的压力P，气缸3的内部体积V是可变的。
特别地，通过引入两个函数fv和fp针对模型对用于确定气缸3的内部体积V的定律[6]进行实验调整，并且定律[6]表示为如下：
V＝fV(IVC,n)*fP(P,n)[7]
参数P，n，IVC具有上面已经讨论的含义。
此外，我们应考虑下述事实，即在任何发动机循环的进气冲程开始时，在气缸3内部还存在前一发动机循环燃烧的剩余气体。
从几何学的观点来看，由前一发动机循环的燃烧剩余气体所占的体积可以通过气缸3的燃烧室的死体积VCC和由在气缸3内部的相应活塞9排除的体积VC的总和表示。
由在气缸9内部的活塞9排除的体积VC可根据参数TVC而变化，这将在下面更好地描述。
特别地，根据第一变型，在相应的排气阀7关闭之后相应的进气阀5打开的情况下，由在气缸3内部的活塞9排除的体积VC对应于直到相应的排气阀7关闭的瞬间为止由所述活塞9排除的体积。
根据第二变型，在相应的进气阀5打开之后相应的排气阀7关闭的情况下，由气缸3内部的活塞9排除的体积VC对应于直到相应的进气阀5打开的瞬间为止由所述活塞9排除的体积。
根据第三变型，在相应进气阀5的打开时刻在所述上止点PMS之前的情况下，由在气缸3内部的活塞排除的体积VC对应于直到上死(dead)点PMS的由所述活塞9排除的体积。显然，在这种情况下，由在气缸3内部的相应活塞排除的体积VC为零，并且气缸3的内部体积V对应于气缸3的燃烧室的死体积VCC。
换言之，参数TVC可以替代地对应于排气阀7的关闭提前角EVC，或者对应于在零与最小值之间的最大值，所述最小值是在排气阀7的关闭提前角EVC和进气阀5的开度提前角IVO之间的最小值。
因为VVT系统改变了进气阀5的定时以及它们与排气阀7的重叠的定时，所以该模型还允许确定在重叠阶段期间在每个进气阀5和相应的排气阀7之间流动的量流量。在下面的描述中，术语“重叠”定义每个进气阀5和相应的排气阀7同时打开的阶段(时间间隔)。
根据图4中示意性所示，定义了以下几何量(相对于上止点TDC和下止点BDC)：
OVL包括在排气阀7的关闭提前角EVC和进气阀5的打开提前角IVO之间的重叠阶段的持续时间；
G在每个进气阀5与相应排气阀7之间的重叠阶段的重心；
g在上止点PMS与重心G之间的差异。
在下文中，您可以发现用于计算通过管道段(或通过孔口)的量流量的定律(从文献中得知且不详细描述)。在这种情况下，使用该定律来计算从排气通过进气阀5和排气阀7流向进气的量MOVL：
Figure BDA0002266402790000091
A通道段的面积；
CD排放系数；
P通道段下游的压力；
P0通道段入口处的压力；
T0通道入口处的温度；
R在通道段中流动的流体的常数；
B由以下方程式[8']表示的流量可压缩函数(flow compressibility function)：
Figure BDA0002266402790000101
其中K表示在恒定压力下的比热Cp与恒定体积下的比热Cv之比。
根据以下方程式[9]，通过在时刻t1和时刻t2之间对其进行积分，针对模型对定律[8]进行实验调整，在时刻t1时重叠阶段开始，在时刻t2时重叠阶段结束：
Figure BDA0002266402790000102
如果我们将变量dt替换为dθ/ω(其中θ代表发动机角度，以及ω代表内燃发动机1的旋转速度)，我们将获得以下方程式[10]：
Figure BDA0002266402790000103
最后，假设内燃发动机1的旋转速度ω在重叠阶段是恒定的，则方程式[10]可以简化为以下方程式[11]：
Figure BDA0002266402790000104
在前面的方程式中，AIS表示等熵区域(isentropic area)。
在电子控制单元30内，进一步针对模型对方程式[11]进行实验调整，以便获得量MOVL，如下所示：
Figure BDA0002266402790000111
Sid理想段；
n内燃发动机(1)的速度；
P0_REF通道段上游的参考压力；
T0_REF通道段上游的参考温度；
T0通道段上游的温度；
P0，P通道段上游和下游的压力；以及
Β压缩比。
通道的理想段Sid是从两个函数的乘积获得的，其中第一函数A是根据内燃发动机1的速度n和参数OVL通过(2d)映射变量来实验确定的，而第二函数G是根据内燃发动机1的速度n和参数g通过(2d)映射变量来实验确定的。
气缸3的燃烧室被认为是通道段(优选在相应阀5、7的上游和下游)。在进气压力大于排气压力的情况下，要考虑的“上游”压力和温度是进气阀5上游的压力和温度(并且因此由进气歧管4中存在的传感器测得)；而要考虑的“下游”压力和温度是排气阀7下游的压力和温度，并且因此是排放气体的压力和温度(通常从模型中获得，或者如果可能的话，通过专用传感器测得)。
如果排气压力大于进气压力，则采用相反的逻辑；也就是说，要考虑的“下游”压力和温度是进气阀5上游的压力和温度(因此由进气歧管4中存在的传感器测得)；而要考虑的“上游”压力和温度是排气阀7下游的压力和温度，因此是排放气体的压力和温度(通常从模型中获得，或者如果可能的话，通过专用传感器测得)。
在这两种情况下，我们都涉及在发动机周期期间的平均值，即在驱动轴10旋转720°期间的平均值。
在排气歧管6中的压力大于进气歧管4中的压力的情况下，由燃烧产生的一部分排放气体从燃烧室流向进气歧管4；在接下来的燃烧循环期间，所述排放气体部分随后将通过进气阀5被重新引入到燃烧室中。该运行模式表示为“内部EGR”，并且通过用排气压力PEXH代替上游压力P0并通过用排气温度TEXH代替上游温度T0来调整方程式[12]。因此，在这种情况下，量MOVL表示为如下：
Figure BDA0002266402790000121
“内部EGR”的量MEGRI可以表示为如下：
MEGRI＝MOVL+PEXH*VCC/(R*TEXH) [14]
量MOVL，PEXH，VCC，R和TEXH具有上面已经讨论的含义。
在进气歧管4中的压力大于排气歧管6中的压力的情况下，在重叠阶段期间，在进气歧管4内部的由MSCAV表示的新鲜空气的部分通过相应的排气阀7直接引向排气歧管6，还将存在于燃烧室内部的排放气体的剩余流量MEXH_SCAV朝向排气歧管6拖动。另一方面，将该现象被表示为“除气(scavenging)”，并且通过用流入(流入进气歧管4)的空气的压力P来代替上游压力P0，通过用排气压力PEXH来代替下游压力P，并通过用流入(流入进气歧管4)的空气的温度TAIR来代替上游温度T0对方程式[12]进行调整。因此，在这种情况下，量MOVL表示为如下：
Figure BDA0002266402790000122
存在于燃烧室内部并被朝向排气歧管6拖动的排放气体的剩余流量MEXH_SCAV可以表示为如下：
MEXH_SCAV＝fSCAV(MOVL,n)*PEXH*VCC/(R*TEXH) [16]
量MOVL，n，PEXH，VCC，R和TEXH具有上面已经讨论的含义。根据内燃发动机1的速度n和量MOVL通过(2d)映射变量来实验确定函数fSCAV。
在重叠阶段期间通过相应的排气阀7直接引向排气歧管6的在进气歧管4内部的新鲜空气部分MSCAV可以表示为如下：
MSCAV＝MOVL-MEXH_SCAV [17]
换言之，直接引向排气歧管6的在进气歧管4内部的新鲜空气部分MSCAV等于量MOVL减去存在于燃烧室内部并被拖向排气歧管6的排放气体的剩余流量MEXH_SCAV。
该模型最终适合确定变量OFF，该变量考虑了在前一个工作循环中由燃烧产生的并存在于气缸3内部的气体(因为它们没有从气缸3流出或因为它们被重新吸入到气缸3内)。变量OFF的计算根据工作条件而变化，尤其是根据在进气歧管4中的压力和排气歧管6中的压力之间的比而变化。
在排气歧管6中的压力大于进气歧管4中的压力的情况(“内部EGR”操作模式)下，变量OFF对应于通过方程式[14]表示的“内部EGR”的总量MEGRI。
另一方面，在进气歧管4中的压力大于排气歧管6中的压力的情况(“清洗”运行模式)下，变量OFF通过以下方程式[16]表示：
OFF＝PEXH*VCC/(R*TEXH)-MEXH_SCAV [18]
实际上，在进气歧管4中的压力大于排气歧管6中的压力的情况下，在前一个工作循环中由燃烧产生的并且存在于气缸3内部的气体(因为它们没有从气缸3中流出)在重叠阶段期间通过相应的排气阀7至少部分地直接引向排气歧管6。在前一工作循环中由燃烧产生的并且存在于气缸3内部的气体的整个流量在重叠阶段期间直接引向排气歧管6的情况下，由变量OFF所取的值基本上为正或等于零；电子控制单元30配置为将变量OFF饱和至零值。
根据另一种变型，在由于气缸3的燃烧室的动态和冷却作用而使变量OFF取负值的情况下，电子控制单元30配置为使变量OFF饱和为负值。
根据另一种变型，可以由下面的方程式[19]和[20]表示的方式进一步概括理想气体定律[5]，以便估算在气缸3中捕获的空气量m：
m＝(P*V-OFF)*Kt*K1(VVTI,VVTE)*K2(VVTE,n) [19]
m＝(P*V(IVC,n)*K(P,n)-OFF)*Kt*K1*K2 [20]
Kt代表先前讨论的函数f1(T，P)和f2(TH2O，P)的乘积；
OFF考虑了在前一个工作循环中由燃烧产生的并存在于气缸3内部的气体(因为它们没有从气缸3流出，或者因为它们被重新吸入到气缸3内)的变量(量)；
K1(VVTI,VVTE)考虑了相对于进气阀5的参考值的差异的角度范围VVTI和相对于排气阀7的参考值的差异的角度范围VVTE的倍增系数；以及
K2(VVTE，n)考虑了相对于排气阀7的参考值的差异的角度范围VVTE和内燃发动机1的旋转速度n(或转数rpm)的倍增系数。
用于获得在气缸3中捕获的空气量m的定律[19]被用作模型来计算要喷射到气缸3中的燃料量，以获得排放气体的空气/燃料比的目标值。换言之，一旦通过该模型已经确定了针对每个循环而言在每个气缸3中捕获的空气量m，则电子控制单元30配置为确定将被喷射到所述气缸3中的燃料量，从而达到排放气体的空气/燃料比的目标值。
根据优选实施例，在电子控制单元30中还存储有计算链，该计算链借助用户通过作用在加速器踏板上产生的扭矩请求而能够提供由每个气缸3所需以满足扭矩请求的燃烧空气的量mobj。计算链要求用户作用在加速器踏板上，从而通过存储在电子控制单元30中的映射并获知内燃发动机1的旋转速度n(或转数)来确定驱动轴10所需的扭矩Cr；然后优选地，将驱动轴10所需的扭矩Cr加到泵送扭矩和辅助元件的扭矩上，以获得驱动轴10所需的总扭矩Ct；然后计算每个气缸3所需的扭矩Ct*。一旦确定了每个气缸3所需的扭矩Ct*，则计算链配置成确定每个气缸3所需的燃烧空气的量mobj以获得所述扭矩值Ct*。
一旦获得了每个气缸3所需的以获得所述扭矩值Ct*的燃烧空气的量mobj，就将电子控制单元30设计成以相对于以上讨论方式相反的方式使用模型的定律[19]或[20]。换言之，对于每个气缸3所需的燃烧空气量mobj的给定值(在这种情况下，其对应于方程式[19]或[20]中针对每个循环而言在每个气缸3中捕获的空气量m)，使用定律[19]或[20]来计算进气歧管4内部的目标压力值POBJ。特别是，在方程式[20]中通过将针对每个循环而言的在每个气缸3中捕获的空气量m替换为由每个气缸3所需的空气燃烧量mobj，以及通过将进气歧管4内部的针对发动机循环的压力的平均值P替换为进气歧管4内部的目标压力值POBJ，可获得以下定律[21]：
POBJ＝[mobj/(Kt*K1*K2)+OFF]/(V(IVC,n)*K(P,n)) [21]
节流阀12由电子控制单元30控制，以便在进气歧管4内部获得通过定律[21]确定的目标压力值POBJ。
存储在电子控制单元30内部的模型使用测量的和/或估算的物理量(诸如像温度和压力值)以及测量的和/或目标物理量(诸如像进气阀5的VVT定时以及它们与排气阀7的重叠的VVT定时)。
在内燃发动机1包括低压排放气体再循环回路EGRLP的情况下，通过方程式[8]计算通过低压回路EGRLP再循环的总量MEGR_TOT，这已在上面的描述中进行了讨论。
另一方面，通过以下方程式计算针对每个气缸3而言通过低压回路EGRLP再循环的量MEGR：
MEGR＝MEGR_TOT/(n*120*NCYL) [22]
N内燃发动机1的旋转速度(或转数rpm)；
NCYL气缸3的数量；以及
MEGR_TOT通过电子控制单元30用模型计算的或者替代地通过专用传感器测量的通过低压回路EGRLP再循环的总量；
MEGR针对每个气缸3通过低压回路EGRLP再循环的量。
因此，定律[19]和[20]可以进一步概括如下，以便还考虑通过低压回路EGRLP再循环的量MEGR：
m＝(P*V-OFF)*Kt*K1*K2-MEGR [23]
m＝(P*V(IVC,n)*K(P,n)-OFF)*Kt*K1*K2-MEGR[24]
Kt代表先前讨论的函数f1(T，P)和f2(TH2O，P)的乘积；
OFF考虑了在前一个工作循环中由燃烧产生的并存在于气缸3内部的气体(因为它们没有从气缸3流出，或者因为它们被重新吸入到气缸3内)的变量(量)；
MEGR针对每个气缸3通过EGR回路再循环的量；
K1K2考虑了相对于进气阀5的参考值的差异的角度范围VVTI、相对于排气阀7的参考值的差异的角度范围VVTE以及内燃发动机1的转速n(或转数rpm)的经验倍增系数。
上面的描述在高压排放气体再循环回路EGRHP的情况下也可以等同的方式适用，所述上面的描述涉及针对每个气缸3通过低压回路EGRLP再循环的量MEGR的计算。
最后，通过以下方程式计算由内燃发动机1吸入的空气的总量MTOT：
MTOT＝(m+MSCAV+MEXH_SCAV)*NCYL [23]
MTOT由内燃发动机1吸入的总空气量；
M在每个气缸3中捕获的空气量；
MSCAV在重叠阶段期间通过相应的排气阀7直接引向每个气缸3的排气歧管6并通过方程式[17]获得的在进气歧管4内部的新鲜空气部分；以及
MEXH_SCAV从前一个循环存在于气缸3中且在排气时被排除流排出的排放气体量；
NCYL气缸3的数量。
另一方面，在进气歧管4的压力大于排气歧管6的压力的情况下，通过前一个工作循环中的燃烧产生的并存在于气缸3内部的气体量OFF可通过以下方程式计算得出：
OFF＝PEXH*VCC/(R*TEXH)-MEXH_SCAV
PEXH排气中气体流的压力；
TEXH排气中气体流的温度；
VCC气缸3的燃烧室的死体积；
MEXH_SCAV存在于在气缸3的燃烧室内并通过相应的排气阀7直接引向排气歧管6的排放气体的剩余量；以及
R新鲜空气和/或排放气体的混合物的常数。
如果内燃发动机1包括低压气体再循环回路，则该方法还包括以下步骤：计算量REGR，该量指示低压回路对进气管道6中流动的气体混合物的影响：
REGR＝MEGR_LP/MTOT
MTOT流过进气管道6的气体混合物的量；
MEGR_LP通过低压回路再循环的排放气体量，其在进气管道6中流动；并通过以下方程式计算在前一工作循环中燃烧产生的并存在于气缸3内部的气体量OFF：
OFF＝PEXH*VCC/(R*TEXH)-MEXH_SCAV*(1-REGR)
在前一工作循环中由燃烧产生的并且存在于气缸3内部的气体的整体流量在重叠阶段期间通过相应的排气阀7直接引向排气歧管6的情况下，使得在前一工作循环中由燃烧产生的并且存在于气缸3内部的气体量OFF等于零(饱和)。
另一方面，根据从进气通过进气阀5和排气阀7流到排气的量MOVL来计算所述排放气体的剩余量MEXH_SCAV。根据内燃发动机1的旋转速度n来计算排放气体的所述剩余量MEXH_SCAV。根据排气中的气流的压力PEXH和温度TEXH以及气缸3的燃烧室的死体积VCC来有利地计算排放气体的所述剩余量MEXH_SCAV。
排放气体的所述剩余量MEXH_SCAV具体是通过以下方程式计算：
MEXH_SCAV＝f(MOVL,n)*PEXH*VCC/(R*TEXH) [14]
PEXH，TEXH排气中气流的压力和温度；
VCC气缸3的燃烧室的死体积；
n内燃发动机1的旋转速度；
MOVL从排气流向进气并且在进气冲程期间通过进气阀5再次吸入气缸3内的量；
排放气体的所述剩余量MEXH_SCAV通过以下方程式计算：
MEXH_SCAV＝MOVL*f(MOVL,n)*g1(G,n)
n内燃发动机1的旋转速度；
MOVL通过进气阀5和排气阀7从进气流到排气的量；以及
G重叠阶段的重心。
函数g1在实验阶段分别根据内燃发动机1的旋转速度n和重叠阶段的重心G通过(2d)映射定义。
所述量MOVL通过以下方程式确定：
Figure BDA0002266402790000181
Sid理想段；
n内燃发动机(1)的速度；
P0_REF通道段(或重叠)上游的参考压力；
T0_REF通道段(或重叠)上游的参考温度；
T0通道段(或重叠)上游的温度；以及
P0，P分别在通道段(或重叠)的上游和下游的压力。
在图5中示出函数β根据可压缩系数P/P0的发展。根据内燃发动机1的速度n实验地表征函数β。
通过第一函数A和第二函数G之间的乘积来计算理想段S，第一函数A是内燃发动机1的速度n和重叠阶段的持续时间OVL的第一函数，在该重叠阶段期间，每个进气阀5和相应的排气阀7同时打开，第二函数G是内燃发动机1的速度n和在上止点PMS与重叠阶段的重心G之间的角度差异的第二函数。
根据多个(两个)倍增系数K1，K2来进一步计算在每个气缸3中捕获的空气量(m)，这些系数考虑了相对于进气阀5的参考值的差异的角度范围VVTI、相对于排气阀7的参考值的差异的角度范围VVTE和内燃发动机1的旋转速度n。
特别地，在每个气缸3中捕获的空气量m根据第一倍增系数K1和第二倍增系数K2来计算，该第一倍增系数K1考虑了相对于进气阀5的参考值的差异的角度范围VVTI和相对于排气阀7的参考值的差异的角度范围VVTE，该第二倍增系数K2考虑了内燃发动机1的旋转速度n和相对于排气阀7的参考值的差异的角度范围VVTE。
在内燃发动机1还包括排放气体再循环回路EGRLP，EGRHP的情况下，该方法包括还根据针对每个气缸3通过回路EGRLP，EGRHP再循环的量MEGR来确定在每个气缸3中捕获的空气的量m。
因此，通过以下方程式计算在每个气缸3中捕获的空气量m：
m＝(P*V-OFF)*f1(T,P)*f2(TH2O,P)*-MEGR[22]
f1f2函数考虑了进气歧管4内部的温度T、进气压力P和内燃发动机1的冷却液流体的温度TH2O；
OFF在前一工作循环中由燃烧产生的并存在于气缸3内部的气体量；
MEGR针对每个气缸3通过EGR回路再循环的量；
气缸3的燃烧室的死体积VCC是内燃发动机1的旋转速度n和第一参数TVC的函数，该第一参数TVC可替代地等于排气阀7的关闭延迟角EVC，或等于在零与最小值之间的最大值，所述最小值是在排气阀7的关闭延迟角EVC和乘以了-1的进气阀5的打开提前角IVO值之间的最小值。该体积根据内燃发动机1的旋转速度n和第一参数TVC通过映射以及根据内燃发动机1的旋转速度n和重叠阶段的持续时间OVL通过映射来确定。
该方法还包括基于使用测量和/或估算的物理量的计算模型来确定由每个气缸3所需的以便满足扭矩要求Ct*的燃烧空气的量mobj；并基于所述模型根据由每个气缸3所需的以便满足扭矩要求Ct*的燃烧空气的量mobj、每个气缸3的实际内部体积V和第一组参考量来确定进气歧管4内部的目标压力值POBJ。该方法还包括控制节流阀12以获得进气歧管4内部的目标压力值POBJ。
最后，该方法包括：检测相对于与进气阀5有关的参考值的开度或关闭差异的第一角度范围VVTI；获取进气阀5的参考关闭角IVCref；以及通过相应的参考角IVCref和通过所述第一角度范围VVTI来确定进气阀5的关闭延迟角IVC。此外，该方法包括：检测相对于与排气阀7有关的参考值的开度或关闭差异的第二角度范围VVTE；获取排气阀7的参考关闭角EVCref；以及通过相应的参考角EVCref和根据所述第二角度范围VVTE来确定排气阀7的关闭延迟角EVC。
借助于在流过重叠部分的量MOVL与存在于气缸3的燃烧室内部并且通过相应的排气阀7直接引向排气歧管6的排放气体的剩余量MEXH_SCAV之间的差来计算直接引向排气歧管6的在进气歧管4内部的新鲜空气量MSCAV。
在内燃发动机1包括低压排放气体再循环回路的情况下，该方法包括通过以下方程式计算量REGR并计算直接引向排气歧管6的进气歧管4内部的新鲜空气的量MSCAV：
MSCAV＝(MOVL-MEXH_SCAV)*(1-REGR)
然后可以考虑气缸3的数量和发动机速度n(特别是将气缸3的数量乘以乘以了1/2的发动机旋转速度n)使用针对每个气缸3和针对每个发动机循环的量以便计算内燃发动机1的流量。
上面的描述明确地涉及增压的内燃发动机1，但是本文描述的策略也可以在没有设置增压系统的内燃发动机1中发现有利的应用。
从上面的描述，本文所述模型的优点是显而易见的。
特别地，本文所述的模型代表一种方法，该方法以一种被认为是有效的(即具有足够的精度)、高效的(即快速且不需要对于电子控制单元30而言的过多计算能力)和经济(即无需安装昂贵的附加部件和/或传感器，诸如像空气流量计)的方式允许制造商确定在每个气缸3中捕获的空气量m、由内燃发动机1吸入的空气的总量MTOT、排除量MSCAV和内部EGR量MEGRI。

Claims (14)

1.一种用于确定在内燃发动机(1)的每个气缸(3)中捕获的空气量(m)的方法，其中内燃发动机(1)包括多个气缸(3)，每个气缸(3)连接至进气歧管(4)，每个气缸(3)通过至少一个相应的进气阀(5)从进气歧管(4)接收新鲜的空气，并且每个气缸(3)连接至排气歧管(6)，每个气缸(3)通过至少一个相应的排气阀(7)将由燃烧产生的废气引入到排气歧管(6)中；并且其中控制进气阀(5)和/或排气阀(7)以改变其定时；所述方法包括：
检测在进气歧管(4)内部的压力P、内燃发动机(1)的旋转速度n和进气阀(5)的关闭延迟角IVC；
确定在前一工作循环中由燃烧产生的并存在于气缸内部(3)的气体量OFF；
根据内燃发动机(1)的旋转速度n和进气阀(5)的关闭延迟角IVC确定每个气缸(3)的内部体积V；以及
通过压力P与每个气缸(3)的内部体积V的乘积来确定在每个气缸(3)中捕获的空气量，从中减去气体量OFF；
所述方法的特征在于确定气体量OFF的步骤包括以下子步骤：
通过以下方程式计算以下气体的量MOVL，该气体在每个进气阀(5)和相应的排气阀(7)同时打开的重叠阶段期间从排气到进气流动，并且在随后的进气阶段期间通过进气阀(5)被重新吸入到气缸(3)内，其中气缸(3)的燃烧室代表通道段：
Figure FDA0002266402780000011
Sid理想通道段的面积；
n内燃发动机(1)的速度；
P0_REF通道段上游的参考压力；
T0_REF通道段上游的参考温度；
T0通道段上游的温度；
P0，P分别为通道段上游和下游的压力；
其中通过在第一函数和第二函数之间的乘积来计算理想通道段的面积Sid，第一函数是内燃发动机(1)的速度n和重叠阶段的持续时间OVL的函数，第二函数是内燃发动机(1)的速度n与在上止点PMS和重叠阶段的重心G之间的角度差异的函数；以及
根据量MOVL计算气体量OFF。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：
检测排气中气流的压力PEXH和排气中气流的温度TEXH；
通过以下方程式计算气体量OFF：
OFF＝PEXH*VCC/R*TEXH+MOVL
VCC气缸(3)的燃烧室的死体积；以及
R新鲜空气和/或排放气体混合物的常数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：在进气歧管(4)内部的P大于排气中气流的压力PEXH的情况下通过以下方程式计算气体量OFF
OFF＝PEXH*VCC/(R*TEXH)-MEXH_SCAV[16]
VCC气缸(3)的燃烧室的死体积；
MEXH_SCAV存在于气缸(3)燃烧室内部的并通过相应的排气阀(7)直接引向排气歧管(6)的排放气体的剩余量；以及
R新鲜空气和/或排放气体混合物的常数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述内燃发动机(1)包括低压排放气体再循环回路；所述方法包括进一步的步骤：计算指示低压回路对进气管道(6)中流动的气体混合物的影响的量(REGR)；以及根据指示低压回路的影响的所述量来计算气体量OFF。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还通过第一映射和第二映射来计算每个气缸(3)的内部体积V，所述第一映射是进气阀(5)的关闭延迟角(IVC)和内燃发动机(1)的旋转速度n的函数，所述第二映射是进气歧管(4)内部的压力P和内燃发动机(1)的旋转速度的函数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在每个气缸(3)中捕获的空气量m乘以第一因子和第二因子，所述第一因子是进气歧管(4)内部的温度(T)和压力P的函数，所述第二因子是内燃发动机(1)的冷却剂流体的温度(TH2O)和压力(P)的函数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于根据一对倍增系数(K1，K2)来计算在每个气缸(3)中捕获的空气量m，所述一对倍增系数(K1，K2)考虑了相对于进气阀(5)的参考值的差异的角度范围(VVTI)、相对于排气阀(7)的参考值的差异的角度范围(VVTE)和内燃发动机(1)的旋转速度(n)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于根据第一倍增系数(K1)以及第二倍增系数(K2)来计算在每个气缸(3)中捕获的空气的量(m)，所述第一倍增系数(K1)考虑了相对于进气阀(5)的参考值的差异的角度范围(VVTI)和相对于排气阀(7)的参考值的差异的角度范围(VVTE)，所述第二倍增系数(K2)考虑了内燃发动机(1)的旋转速度(n)和相对于排气阀(7)的参考值的差异的角度范围(VVTE)。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述内燃发动机(1)还包括EGR排放气体再循环回路(EGRLP，EGRHP)，其依次包括旁路管道(34、26)；沿着旁路管道(34、26)布置有EGR阀(35、27)，EGR阀(35、27)设计成调节流过旁路管道(34、26)的排放气体的流量；所述方法包括根据针对每个气缸(3)通过EGR回路(EGRLP，EGRHP)再循环的量(MEGR)来确定在每个气缸(3)中捕获的空气量(m)。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述气缸(3)的燃烧室的死体积VCC是内燃发动机(1)的旋转速度n和第一参数(TVC)的函数，第一参数(TVC)可选地等于排气阀(7)的关闭提前角(EVC)，或者等于在零与最小值之间的最大值，所述最小值是排气阀(7)的关闭提前角(EVC)和乘以了-1的进气阀(5)的开度提前角(IVO)值之间的最小值。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过第三映射和第四映射来确定所述气缸(3)的燃烧室的体积(VCC)，所述第三映射是内燃发动机(1)的旋转速度(n)和第一参数(TVC)的函数，第一参数(TVC)可选地等于排气阀(7)的关闭提前角(EVC)，或者等于在零与最小值之间的最大值，所述最小值是在排气阀(7)的关闭提前角(EVC)和乘以了-1的进气阀(5)的开度提前角(IVO)值之间的最小值，所述第四映射是内燃发动机(1)的旋转速度(n)和重叠阶段(OVL)的持续时间的函数。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：
基于使用测量和/或估算的物理量的计算模型来确定由每个气缸(3)所需的以满足扭矩要求(Ct*)的燃烧空气的量(mobj)；以及
基于所述模型，根据由每个气缸(3)以满足扭矩要求(Ct*)所需的燃烧空气的量(mobj)、每个气缸(3)的实际内部体积(V)和第一组参考量来确定在进气歧管(4)内部的目标压力值(POBJ)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述内燃发动机(1)包括阀(12)，所述阀(12)设计成调节包含排放气体和新鲜空气的气体混合物的流量，所述新鲜空气来自外部，通过进气管道(8)被引向进气歧管(4)；所述方法包括控制所述阀(12)以便获得在进气歧管(4)内部的目标压力值(POBJ)。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法进一步包括以下步骤：通过在流过重叠部分即流过进气阀(5)和排气阀(7)的量(MOVL)和存在于气缸(3)的燃烧室内部并通过相应的排气阀(7)直接引向排气歧管(6)的剩余气体(MEXH_SCAV)之间的差异来计算直接引向排气歧管(6)的在进气歧管(4)内部的新鲜空气的量(MSCAV)。
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