CN111794869A - 用于控制内燃发动机的燃烧的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于控制内燃发动机(1)的燃烧的方法，所述方法包括：根据表示低压EGR回路的影响的量的目标值(REGR)、旋转速度(n)、进气效率(ηASP)和燃烧指数(MFB50)的开环贡献(MFB50OL)来确定提供火花提前值(SAmodel)的燃烧模型；根据燃烧指数(MFB50)来计算火花提前的第一闭环贡献(ΔSAMFB50)；根据指示爆震能量的量来计算火花提前的第二闭环贡献(ΔSAKNOCK)；并通过由燃烧模型提供的火花提前值(SAmodel)和第一闭环贡献(ΔSAMFB50)或替代地第二闭环贡献(ΔSAKNOCK)之和来计算将被操作的火花提前角的目标值(SAobj)。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2019年4月1日提交的、号外为102019000004879的意大利专利申请的优先权，该意大利专利申请的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控制内燃发动机的燃烧的方法。
背景技术
如已知的那样，在内燃热发动机中，还建议将除燃料之外的水供给到在气缸内限定的燃烧室内。
在内燃发动机中，水喷射系统包括将水以喷雾或与燃料混合的形式通过进气管道引入到发动机内或直接引入到燃烧室内，以冷却空气/燃料混合物，因此提高对爆震现象的抵抗力。典型地，水供给系统包括储箱，该储箱中装有去矿物质的水(以避免形成水垢)。通常，储箱可从车辆外部来再填充，或者储箱也可以采用来自空调系统的冷凝水来再填充，采用来自排气的冷凝水或甚至通过输送雨水来再填充。此外，储箱优选设置有电加热装置(即，设置有在电流流过时通过焦耳效应产生热量的电阻)，其用于在外部温度特别恶劣时融化任何冰。
水具有高的汽化潜热；换句话说，水从液态转变为气态需要大量的能量。当室温下的水喷射到进气管道内时，它会从进入的空气和金属壁吸收热量，从而蒸发，从而冷却进料。因此，发动机吸入较冷的空气，换句话说，发动机吸入较浓的空气，提高容积效率并降低爆震的可能性，此外还可以喷射更多的燃料。在压缩过程中，以非常小的液滴形式存在的水蒸发并从被压缩的空气中吸收热量，从而将被压缩的空气冷却并降低其压力。在压缩后，发生燃烧，并产生进一步的有益效果：在燃烧过程中，会形成大量的热量，这些热量被水吸收，从而降低循环的峰值温度，并从而减少氮氧化物(NOx)的形成以及必将被发动机壁吸收的热量。这种蒸发也将发动机的一部分热量(否则其会浪费掉)转化为压力，这恰好是由所形成的蒸汽导致的，因此增加对活塞的推力，并且还增加进入涡轮机到排气的任何能量流(此外，由于热量被额外的水吸收，涡轮机将受益于排气气体温度的降低)。
然而，在不损害热力学效率的情况下，仍然越来越需要避免车辆上存在过于庞大的水供给系统。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于控制内燃发动机的燃烧的方法，该方法没有上述缺点，并且特别容易且廉价地实施。
根据本发明，一种用于控制具有多个气缸和低压EGR回路的内燃发动机的燃烧的方法，其设置有以下步骤：
获取内燃发动机的旋转速度和进气效率；
通过控制映射图并根据旋转速度和进气效率来确定表示低压EGR回路对进气管道中流动的混合气体的影响的第一开环量；
根据指示爆震能量的量来确定表示低压EGR回路对进气管道中流动的气体混合物的影响的第一闭环量；
通过第一开环量和第一闭环量之和来计算表示低压EGR回路对进气管道中流动的气体混合物的影响的所述量的目标值；
根据所述量的目标值来确定表示低压EGR回路对进气管道中流动的气体混合物的影响的量；
通过控制映射图并根据旋转速度和进气效率来确定表示在气缸内燃烧了50％的燃料质量的发动机角的开环燃烧指数；
在设计阶段，根据所述量、旋转速度、进气效率和开环燃烧指数来确定提供火花提前值的燃烧模型；
根据开环燃烧指数来计算适合于优化内燃发动机效率的第一闭环火花提前；
根据指示爆震能量的量来计算适于避免爆震现象发生的第二闭环火花提前；以及
通过由燃烧模型提供的火花提前值、第一闭环火花提前和第二闭环火花提前的总和来计算将被操作的火花提前角的目标值。
附图说明
现在将参考示出本发明非限制性实施例的附图来描述本发明，其中：
-图1是实施本发明燃烧控制方法主题的设置有电子控制单元的内燃发动机的示意图；以及
-图2是表示由图1的发动机控制单元实施的燃烧控制策略的框图。
具体实施方式
在图1中，附图标记1表示作为整体的用于道路车辆(汽车或摩托车)(未示出)的内燃发动机，该内燃发动机设置有多个(具体是四个)气缸2，在气缸2中限定相应的可变容积的燃烧室和四个喷射器3，这些喷射器将燃料(优选地汽油)直接喷射到气缸2中，每个气缸2经过至少一个相应的进气阀(未示出)连接到进气歧管4，并经过至少一个相应的排气阀(未示出)连接到排气歧管5。
进气歧管4接收包括排气气体(如下文更好地描述)和新鲜空气的气体混合物，新鲜空气即通过进气管道6来自外部环境的空气，进气管道6设置有用于新鲜空气流的空气过滤器7并且由节气阀8控制。在空气过滤器7的下游，沿进气管道6还布置有质量流量传感器7*(更好地称为空气流量计)。
中间冷却器9(其功能是冷却进气)沿进气管道6布置(优选地集成到进气歧管4中)。中间冷却器9连接到在中间冷却器9中使用的冷却剂调节回路，该冷却剂调节回路包括沿着与中间冷却器9平行的管道布置的热交换器、供给泵和调节阀。排气歧管5连接到排气管道10，该排气管道10将由燃烧产生的排气气体供给到排气系统，该排气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剂11和布置在催化剂11下游的至少一个消音器(未示出)。
内燃发动机1的增压系统包括：涡轮增压器12，其设置有涡轮机13，该涡轮机13沿着排气管道10布置，以在从气缸3排出的排气气体的作用下以高速旋转；以及涡轮增压器14，其沿进气管道6布置，并且机械地连接至涡轮机13，以由涡轮机13自身驱动旋转，以增加进料管道6中的空气压力。
内燃发动机1由ECU电子控制单元控制，该ECU电子控制单元监控内燃发动机1的所有部件的操作。
根据一个优选的变型，内燃发动机1最后包括低压EGRLP回路，该低压EGRLP回路又包括旁路管道15，其源自排气管道10、优选地在催化剂11的下游并且流入在空气流量计7下游的进气管道6；旁路管道15与涡轮增压器12并联连接。EGR阀16沿着旁路管道15布置，前者即EGR阀16适于调节流过旁路管道15的排气气体的流量。热交换器17也沿着旁路管道15布置在阀16的上游，热交换器17的功能是冷却离开排气歧管5并进入增压器14的气体。
下面描述由ECU电子控制单元实施的用于优化内燃发动机1内部的燃烧的策略。
具体地，以下量定义为：
ηASP进气效率(并表示发动机负载或替代地表示指示的平均压力或指示的驱动扭矩或驱动制动扭矩)，并由在针对每个燃烧循环所捕获在气缸2中的空气质量mAIR和针对在参考条件下(即在298°K的温度和一个大气压的压力下)的每个燃烧循环所捕获在气缸2中的空气质量mAIR_REF之间的比来定义；
n内燃发动机1的旋转速度；
Edet爆震能量(优选由在燃烧噪声和极限燃烧噪声(limit combustionnoise)之间的差异定义，燃烧噪声是通过接近上死点TDC点的角度检测窗口中的麦克风或加速度计信号的适当处理而确定的，以及极限燃烧噪声是与非爆震燃烧循环的第九十八个百分点相对应，并由存储在ECU电子控制单元内部的映射图根据发动机点和气缸2提供)；
Edet-obj根据发动机点确定的爆震能量的极限值；
MAPO由气缸2内的燃烧所产生的压力波的强度的最大幅度(最大幅度压力振荡)；
MAPOobj根据发动机点确定的由气缸2中的燃烧所产生的压力波的强度的最大幅度的极限值；
MFB50表示在气缸2内燃烧了50％的燃料质量的发动机角(即曲柄角)的燃烧指数(50％燃烧质量分数)；
SA火花提前角；以及
SAobj将被操作的火花提前角的目标值。
指示(表示)低压EGR回路EGRLP对进气管道6中流动的气体混合物的影响的REGR量(或比率)也被定义如下：
REGR＝MEGR_LP/MTOT
MTOT在进气管道6中流动的混合气体的质量，其计算为在进气管道6中流动的来自外部环境的新鲜空气的质量MAIR和在进气管道6中流动的通过低压回路EGRLP再循环的排气气体的质量MEGR_LP之和；以及
MEGR_LP在进气管道6中流动的通过低压回路EGRLP再循环的排气气体的质量。
在下面的描述中，REGR量(例如在燃烧模型中使用的，如在下面的描述中更好地描述的那样)可以替代地通过文献EP-A1-3040541，EP-B1-3128159，IT2016000115146，IT2016000115205或通过EGR阀16的流出模型来确定。
更详细地，如图2中所示，REGR量表示相对于在进气管道6中流动的(全部)气体混合物的来自低压回路EGRLP的气流的影响的直接测量或估计；来自低压回路EGRLP的气流由EGR阀16的位置和内燃发动机1的条件(特别是压力，温度)来限定；EGR阀16的位置由发动机控制单元根据如下所示计算出的REGR_OBJ量(或比率)的目标值来确定。在替代形式中，根据REGR_OBJ量的目标值(例如，通过借助一阶过滤器对REGR_OBJ量的目标值进行过滤)来确定(估计)REGR量。
如图2中所示，所使用的燃烧模型根据(已知)进气效率ηASP，内燃发动机1的(已知)速度n，燃烧指数MFB50和REGR量来计算火花提前SAmodel。换句话说，计算火花提前SAmodel的燃烧模型可以表示为：
SAmodel＝f(MFB50，ηASP，n，REGR)
根据第一实施例，燃烧模型可以通过抛物线来表示，该抛物线的公式如下：
SAmodel＝a2*MFB502+a1*MFB50+a0
其中SAmodel和MFB50具有前面介绍的含义，而ai系数可以表示为如下：
ai＝fi(ηASP,n)*ki(REGR,ηASP)[i＝0,1,2]
其中REGR，n和ηASP具有先前介绍的含义。电子控制单元已知n和ηASP值。
而fi和ki表示在初始阶段通过实验建立的映射图，其可以相对于ηASP，n和REGR进行改变。
根据第二实施例，燃烧模型可以通过抛物线来表示，该抛物线的公式如下：
SAmodel＝a5*MFB502+a4*MFB50+a3+fEGR(REGR,ηASP)
其中SAmodel和MFB50具有前面介绍的含义，而ai系数可以表示为：
ai＝fi(ηASP,n)[i＝3,4,5]
其中REGR，n和ηASP具有先前介绍的含义。电子控制单元已知n和ηASP值；fi表示在初始阶段通过实验建立的映射图，其可以相对于ai系数进行改变。
fEGR函数还表示在初始阶段通过实验建立的映射图，其可以相对于REGR和ηASP量进行改变。
根据第三实施例，燃烧模型可以表示如下：
SAmodel＝MFB50+f6(ηASP,n)+f7(REGR,ηASP)*f8(ηASP,n)
其中SAmodel，MFB50，REGR，n和ηASP具有先前介绍的含义，并且电子控制单元已知n和ηASP值。
f6和f8函数表示在初始阶段通过实验建立的映射图，其可以相对于n e和ηASP量进行改变。
f7函数还表示在初始阶段通过实验建立的映射图，其可以相对于REGR和ηASP量进行改变。
现在描述如何确定燃烧指数MFB50和REGR_OBJ量。
燃烧指数MFB50是通过开环贡献来确定的；具体地，MFB50OL映射图存储在ECU电子控制单元内，该映射图根据内燃发动机1的进气效率ηASP和旋转速度n提供燃烧指数MFB50。
相反，通过将开环贡献和闭环贡献(即在反馈中)相加来确定量REGR_OBJ。
开环贡献提供量REGR_OL；具体地，REGROL映射图存储在ECU电子控制单元内，该映射图根据内燃发动机1的进气效率ηASP和旋转速度n提供REGR_OL量。
根据第一变型，通过将刚刚发生的燃烧循环的爆震能量Edet与爆震能量的极限值Edet-obj进行比较来获得REGR_OBJ量的闭环贡献。
可替代地，通过将由气缸3中的燃烧所产生的压力波的强度的最大幅度MAPO与由气缸3中的燃烧所产生的压力波的强度的最大幅度的极限值MAPOobj进行比较来获得REGR_OBJ量的闭环贡献。
根据刚刚发生的燃烧循环的爆震能量Edet和爆震能量的极限值Edet-obj之间的比较结果(或相应地将由气缸3中的燃烧所产生的压力波的强度的最大幅度MAPO和由气缸3中的燃烧所产生的压力波的强度的最大幅度的极限值MAPOobj进行比较)来区分要实施的控制类型；例如，控制类型是通过区分PID(或PI)调节器(PID(or PI)regulator)的干预常数来完成的。
具体地，该策略包括调整器块(governor block)3，该调整器块3接收通过在刚刚发生的燃烧循环的爆震能量Edet和爆震能量的极限值Edet-obj之间的差(或相应地在将由气缸3中的燃烧所产生的压力波的强度的最大幅度MAPO和由气缸3中的燃烧所产生的压力波的强度的最大幅度的极限值MAPOobj之间的差)乘以由PID调节器的相应干预常数而计算得到的贡献作为输入。根据所述贡献的值，调整器块3决定如何干预以降低爆震的风险。具体地，如果贡献小于阈值S3(优选地根据发动机点可调节和改变)，则这意味着需要减少的校正以避免发生爆震现象。在这种情况下，调整器块3计算出ΔREGR-KNOCK量的微分，该微分适于避免爆震现象的发生。
另一方面，如果该贡献超过阈值S3，则这意味着需要大的校正以避免发生爆震现象。在这种情况下，调整器块计算出火花提前ΔSAKNOCK的微分，该微分适于避免发生爆震现象。在这种情况下，如在下面的描述中更好地描述的那样，REGR-OBJ量被四舍五入到极限值。
最后，如果检测到爆震事件(DET)，则无需等待PID调节器的响应就立即将其四舍五入到最大值，从而使调整器块3计算出火花提前ΔSAKNOCK的微分，该微分适于避免爆震现象的发生。
一个优选的变型包括另外的开环贡献，其提供自适应量REGR-ADT；具体地，在ECU电子控制单元内存储有映射图，该映射图根据内燃发动机1的进气效率ηASP和速度n而提供自适应量REGR-ADT。优选地，根据在闭环贡献中使用的PID或PI控制器的积分部分来更新所述REGRADT映射图，以确定在静态条件下的ΔREGR-KNOCK量的微分。
因此，通过将两个开环贡献REGR-ADT(如果存在)和REGR-OL与闭环贡献ΔREGR-KNOCK相加来确定REGR_OBJ量。
该策略还包括优化效率的闭环贡献。具体地，通过比较借助于开环贡献确定的燃烧指数MFB50和燃烧指数的估计值MFB50est来实现所述闭环贡献。
根据燃烧指数MFB50与燃烧指数的估计值MFB50est之间的比较结果来区分要实施的控制的类型。例如，控制类型是通过区分PID(或PI)调节器的干预常数来完成的。
具体地，该策略包括调整器块4，该调整器块4接收通过在燃烧指数MFB50(或更确切地说，开环燃烧指数MFB50OL)和燃烧指数的估计值MFB50est之间的差乘以PID或PI调节器的干预常数而计算得出的贡献作为输入。根据所述贡献的值，调整器块4决定如何干预以优化内燃发动机1的效率。具体地，如果贡献大于阈值S4(优选根据发动机点可调节和改变)，这意味着需要进行大的校正才能优化内燃发动机1的效率。在这种情况下，调速器块4计算火花提前ΔSAMFB50的微分，该微分适于优化内燃发动机1的效率。
显然，在这种情况下，同样为了控制爆震并避免发生爆震现象，火花提前ΔSAKNOCK的微分减小由燃烧模型提供的火花提前SAmodel。相反，为了优化内燃发动机1的效率，火花提前ΔSAMFB50的微分增加由燃烧模型提供的火花提前SAmodel。为了避免爆震现象的发生，对内燃发动机1的保护优于内燃发动机1的效率；因此，当适于避免发生爆震现象的火花提前ΔSAKNOCK的微分干预以减少由燃烧模型提供的火花提前SAmodel时，将适于优化内燃发动机1的效率的火花提前ΔSAMFB50的微分设为零(或大幅度降低)。换句话说，该策略包括，一旦火花提前ΔSAKNOCK的微分开始减小由燃烧模型提供的火花提前值SAmodel，就将火花提前ΔSAMFB50的微分归零(或四舍五入到接近零的值)。
因此，要实现的目标提前SAobj是通过两个不同的贡献(由燃烧模型提供的火花提前SAmodel和适于优化内燃发动机1的效率的火花提前ΔSAMFB50的差，或替代地适于避免爆震现象发生的火花提前ΔSAKNOCK的微分)之和得出。
如前面的讨论中所预期的那样，进气效率ηASP可以替代地由所指示的平均压力或所指示的驱动扭矩或驱动制动扭矩或者通常由表示发动机负载的任何量代替。
上述燃烧控制方法具有许多优点，因为它不需要高的计算负担，是鲁棒的，并且在不损害热力学效率的情况下尤其是允许避免车辆上存在水，同时允许以可靠的方式避免爆震现象的发生。
Claims (13)
1.一种用于控制内燃发动机(1)的燃烧的方法，所述内燃发动机(1)具有多个气缸(3)和低压EGR回路(EGRLP)，所述方法包括有以下步骤：
获取内燃发动机(1)的旋转速度(n)和进气效率(ηASP)；
通过控制映射图并根据旋转速度(n)和进气效率(ηASP)来确定表示低压EGR回路(EGRLP)对进气管道(6)中流动的混合气体的影响的第一开环量(REGR-OL)；
根据指示爆震能量的量(Edet,MAPO)来确定表示低压EGR回路(EGRLP)对进气管道(6)中流动的气体混合物的影响的第一闭环量(ΔREGR-KNOCK)；
通过第一开环量(REGR-OL)和第一闭环量(ΔREGR-KNOCK)之和来计算表示低压EGR回路(EGRLP)对进气管道(6)中流动的气体混合物的影响的所述量的目标值(REGR-obj)；
根据所述量的目标值(REGR-obj)来确定表示低压EGR回路(EGRLP)对进气管道(6)中流动的气体混合物的影响的量(REGR)；
通过控制映射图并根据旋转速度(n)和进气效率(ηASP)来确定表示在气缸内燃烧了50％的燃料质量的发动机角的开环燃烧指数(MFB50)；
在设计阶段，根据所述量(REGR)、旋转速度(n)、进气效率(ηASP)和开环燃烧指数(MFB50)来确定提供火花提前值(SAmodel)的燃烧模型；
根据开环燃烧指数(MFB50)来计算适合于优化内燃发动机(1)的效率的第一闭环火花提前(ΔSAMFB50)；
根据指示爆震能量的量(Edet`,MAPO)来计算适于避免爆震现象发生的第二闭环火花提前(ΔSAKNOCK)；以及
通过由燃烧模型提供的火花提前值(SAmodel)、第一闭环火花提前(ΔSAMFB50)和第二闭环火花提前(ΔSAKNOCK)的总和来计算将被操作的火花提前角的目标值(SAobj)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第二闭环火花提前(ΔSAKNOCK)减小由燃烧模型提供的火花提前值(SAmodel)，并且所述第一闭环火花提前(ΔSAMFB50)增大或减小由燃烧模型提供的火花提前值(SAmodel)；所述方法包括：当第二闭环火花提前(ΔSAKNOCK)开始减小由燃烧模型提供的火花提前值(SAmodel)时，将第一闭环火花提前(ΔSAMFB50)归零、冻结或四舍五入到当前值。
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：
根据在静止状态下第一闭环量(ΔREGR-KNOCK)中使用的PID/PI控制器的积分部分的进气效率(ηASP)和旋转速度(n)，借助于自适应控制映射图来确定第二开环量(REGR-ADT)；以及
通过第一开环量(REGR-OL)，第二开环量(REGR-ADT)和第一闭环量(ΔREGR-KNOCK)之和来计算所述量的目标值(REGR-obj)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于指示用于确定第二闭环火花提前(ΔSAKNOCK)的爆震能量的量(Edet，MAPO)是由在燃烧噪声和燃烧噪声的极限值之间的差限定的爆震能量(Edet)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于指示用于确定第二闭环火花提前(ΔSAKNOCK)的爆震能量的量(Edet，MAPO)是由气缸(3)中的燃烧所产生的压力波的强度的最大幅度(MAPO)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：
计算在指示刚刚发生的燃烧循环的爆震能量的量(Edet，MAPO)和相应的爆震能量极限值之间的差；以及
在所述差或所述贡献小于第一阈值(S3)的情况下，确定第一闭环量(ΔREGR-KNOCK)；或者
在所述差或所述贡献大于或等于第一阈值(S3)的情况下，确定第二闭环火花提前(ΔSAKNOCK)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述差乘以PID或PI调节器的干预常数，所述PID或PI调节器的干预常数根据所述差而变化。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于其进一步包括以下步骤：在检测到爆震事件的情况下，将第二闭环火花提前(ΔSAKNOCK)四舍五入到最小值。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述燃烧模型通过抛物线表示，所述抛物线的公式如下：
SAmodel＝a2*MFB502+a1*MFB50+a0
MFB50燃烧指数；
SAmodel由燃烧模型提供的火花提前值。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于ai系数表示如下：
ai＝fi(ηASP,n)*gi(REGR,ηASP)[i＝0,1,2]
REGR表示低压EGR回路(EGRLP)的影响的量；
n旋转速度；
ηASP进气效率。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述燃烧模型通过抛物线表示，所述抛物线的公式如下：
SAmodel＝a5*MFB502+a4*MFB50+a3+fEGR(REGR,ηASP)
MFB50燃烧指数；
REGR表示低压EGR回路(EGRLP)的影响的量；
ηASP进气效率；以及
SAmodel由燃烧模型提供的火花提前值。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于ai系数表示如下：
ai＝fi(ηASP,n)[i＝3,4,5]
n旋转速度；以及
ηASP进气效率。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述燃烧模型如下表示：
SAmodel＝MFB50+f6(ηASP,n)+f7(REGR,ηASP)*f8(ηASP,n)
MFB50燃烧指数；
REGR表示低压EGR回路(EGRLP)的影响的量；
ηASP进气效率；
n旋转速度；以及
SAmodel由燃烧模型提供的火花提前值。
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