CN112267948B - 一种确定发动机循环氧气质量的方法和喷油量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定发动机循环氧气质量的方法和喷油量控制方法，其获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量mxo，获取第N次循环的缸内残余氧气质量mco，进而获取第N+1次循环的缸内氧气质量mo＝mxo+mco，N≥0。本发明分别计算进入缸内的新鲜空气中的氧气质量和缸内残余废气里的氧气质量，然后，将两部分氧气质量相加，即为缸内的循环氧气质量，从而精确地实时计算柴油机瞬态工况时缸内的循环氧气质量。
Description
技术领域
本发明属于柴油机控制技术领域，具体公开了一种确定发动机循环氧气质量的方法和喷油量控制方法。
背景技术
目前，柴油机一般采用废气涡轮增压中冷技术，此技术存在涡轮迟滞的现象，再加上空气滤清系统、中冷器和进气管路等阻力的影响，导致司机在猛踩油门或者高速突然松开油门再猛踩油门(这里称“瞬态工况”)时，进入发动机缸内的空气量明显偏低且上升相对缓慢，在此过程中，如果不相应地调整喷油量，会导致发动机空燃比(更具体地说是参与燃烧的柴油与氧气的比例)与实际燃烧需求比例的偏差变大，实际燃烧恶化，不利的后果表现为柴油机颗粒物排放升高，导致排放恶化，燃油经济性变差。避免上述不利后果的必要手段之一就是控制缸内氧气与燃油比例。现有柴油机控制技术中，一般是计量或计算实际空气量，再根据空气量调整喷油量，其一般只考虑了循环新鲜氧气质量(进气)，从而造成瞬态工况时发动机缸内的循环氧气质量计算不精确的问题。
发明内容
为消除背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种确定发动机循环氧气质量的方法和喷油量控制方法，其分别计算进入缸内的新鲜空气中的氧气质量和缸内残余废气里的氧气质量，然后，将两部分氧气质量相加，即为缸内的循环氧气质量，从而精确地实时计算柴油机瞬态工况时缸内的循环氧气质量。
本发明公开了一种确定发动机循环氧气质量的方法，其用于非ERG(EGR指废气再循环技术)柴油机，获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量mxo，获取第N次循环的缸内残余氧气质量mco，进而获取第N+1次循环的缸内氧气质量mo＝mxo+mco，N≥0。
本发明的一种优选实施方案中，第N+1次循环的循环新鲜氧气质量mxo的确定方法包括：获取第N+1次循环的空气质量流量和发动机转速，基于空气质量流量和发动机转速获取第N+1次循环的循环空气质量，基于第N+1次循环的循环空气质量获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量mxo。
本发明的一种优选实施方案中，第N次循环的缸内残余氧气质量mco的确定方法包括：获取第N次循环的缸内残余废气质量，基于第N次循环的缸内氧气质量mo、第N次循环的燃烧消耗氧气质量、第N次循环的排气质量获取第N次循环的废气残余氧气质量占比，基于第N次循环的废气残余氧气质量占比和第N次循环的缸内残余废气质量获取第N次循环的缸内残余氧气质量mco。
本发明的一种优选实施方案中，第N次循环的缸内残余废气质量的确定方法包括：获取第N次循环的排气温度、第N次循环的排气压力和发动机气缸余隙容积，基于第N次循环的排气温度、第N次循环的排气压力和发动机气缸余隙容积和气体状态方程获取第N次循环的缸内残余废气质量。
本发明的一种优选实施方案中，第N次循环的废气残余氧气质量占比的确定方法为：获取第N次循环的排气质量、第N次循环的燃烧消耗氧气质量和第N次循环的缸内氧气质量，将第N次循环的缸内氧气质量与第N次循环的燃烧消耗氧气质量的差除以第N次循环的排气质量，计算结果作为第N次循环的废气残余氧气质量占比。
本发明的一种优选实施方案中，第N次循环的排气质量的确定方法为：获取第N次循环的循环喷油量和第N次循环的循环空气质量，将第N次循环的循环喷油量与第N次循环的循环空气质量的和作为第N次循环排气质量。
本发明的一种优选实施方案中，第N次循环的燃烧消耗氧气质量的确定方法包括：获取第N次循环的循环喷油量、理论氧燃比和氧燃比修正系数，基于第N次循环的循环喷油量、理论氧燃比和氧燃比修正系数三者的乘积获取第N次循环的燃烧消耗氧气质量。
本发明的一种优选实施方案中，其具体步骤包括：
S10，获取第N+1次循环空气质量；
S20，获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量；
S30，获取第N次循环的缸内残余废气质量；
S40，获取废气残余氧气质量占比
S50，将第N次循环的缸内残余废气质量和第N次循环的残余氧气质量占比的乘积作为第N次循环的缸内残余氧气质量；
S60，将第N+1次循环的循环新鲜氧气质量与第N次循环的缸内残余氧气质量的和作为第N+1次循环的缸内氧气质量。
本发明的一种优选实施方案中，其具体步骤包括：
S10，获取第N+1次循环空气质量；
S101，获取第N+1次循环的空气质量流量和发动机转速；
S102，获取第N+1次循环的循环空气质量；
S20，获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量；
S201，将第N+1次循环的循环空气质量与0.2319的乘积作为循环新鲜氧气质量；
S30，获取第N次循环的缸内残余废气质量；
S301，获取第N次循环的排气温度和排气压力，气缸余隙容积；
S302，基于气体状态方程获取缸内第N次循环残余废气质量；
S40，获取第N次循环的废气残余氧气质量占比；
S401，获取第N次循环的循环喷油量和第N次循环的循环空气质量；
S402，将第N次循环的循环喷油量与第N次循环的循环空气质量的和作为第N次循环排气质量；
S403，获取预先设置的氧燃比修正系数；
S404，将理论氧燃比和修正系数的乘积作为新氧燃比；
S405，获取第N次循环的燃烧消耗氧气质量，其计算原理为第N次循环的循环喷油量、理论氧燃比和氧燃比修正系数三者的乘积；
S50，将第N次循环的缸内残余废气质量和第N次循环的残余氧气质量占比的乘积作为第N次循环的缸内残余氧气质量；
S60，将第N+1次循环的循环新鲜氧气质量与第N次循环的缸内残余氧气质量的和作为第N+1次循环的缸内氧气质量。
本发明的一种优选实施方案中，发明的发动机可以是汽油发动机或柴油发动机，优选为柴油发动机。
本发明还公开了一种发动机喷油量控制方法，发动机的每一循环均根据确定发动机循环氧气质量的方法计算出的缸内氧气质量mo，利用缸内氧气质量mo控制喷油量。
本发明的有益效果是：本发明在柴油机瞬态工况时，分别计算进入缸内的新鲜空气中的氧气质量和缸内残余废气里的氧气质量，然后，将两部分氧气质量相加，即为缸内的循环氧气质量，从而精确地计算缸内循环氧气质量，然后再根据循环氧气质量实时地调整最合适的喷油量，可以有效地控制颗粒物排放，避免经济性恶化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的柴油机氧气质量虚拟算法中各参数的计算关系图；
图2为本发明实施例提供的柴油机氧气质量虚拟算法的算法流程图；
图3为本发明实施例提供的柴油机氧气质量虚拟算法的另一算法流程图。
具体实施方式
下面通过图1～图3以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种确定发动机循环氧气质量的方法，其用于非ERG(EGR指废气再循环技术)柴油机，获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量mxo，获取第N次循环的缸内残余氧气质量mco，进而获取第N+1次循环的缸内氧气质量mo＝mxo+mco，N≥0。
本发明的一种优选实施方案中，第N+1次循环的循环新鲜氧气质量mxo的确定方法包括：获取第N+1次循环的空气质量流量和发动机转速，基于空气质量流量和发动机转速获取第N+1次循环的循环空气质量，基于第N+1次循环的循环空气质量获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量mxo。
本发明的一种优选实施方案中，第N次循环的缸内残余氧气质量mco的确定方法包括：获取第N次循环的缸内残余废气质量，基于第N次循环的缸内氧气质量mo、第N次循环的燃烧消耗氧气质量、第N次循环的排气质量获取第N次循环的废气残余氧气质量占比，基于第N次循环的废气残余氧气质量占比和第N次循环的缸内残余废气质量获取第N次循环的缸内残余氧气质量mco。
本发明的一种优选实施方案中，第N次循环的缸内残余废气质量的确定方法包括：获取第N次循环的排气温度、第N次循环的排气压力和发动机气缸余隙容积，基于第N次循环的排气温度、第N次循环的排气压力和发动机气缸余隙容积和气体状态方程获取第N次循环的缸内残余废气质量。
本发明的一种优选实施方案中，第N次循环的废气残余氧气质量占比的确定方法为：获取第N次循环的排气质量、第N次循环的燃烧消耗氧气质量和第N次循环的缸内氧气质量，将第N次循环的缸内氧气质量与第N次循环的燃烧消耗氧气质量的差除以第N次循环的排气质量，计算结果作为第N次循环的废气残余氧气质量占比。
本发明的一种优选实施方案中，第N次循环的排气质量的确定方法为：获取第N次循环的循环喷油量和第N次循环的循环空气质量，将第N次循环的循环喷油量与第N次循环的循环空气质量的和作为第N次循环排气质量。
本发明的一种优选实施方案中，第N次循环的燃烧消耗氧气质量的确定方法包括：获取第N次循环的循环喷油量、理论氧燃比和氧燃比修正系数，基于第N次循环的循环喷油量、理论氧燃比和氧燃比修正系数三者的乘积获取第N次循环的燃烧消耗氧气质量。
本发明的一种优选实施方案中，其具体步骤包括：
S10，获取第N+1次循环空气质量；
S20，获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量；
S30，获取第N次循环的缸内残余废气质量；
S40，获取废气残余氧气质量占比
S50，将第N次循环的缸内残余废气质量和第N次循环的残余氧气质量占比的乘积作为第N次循环的缸内残余氧气质量；
S60，将第N+1次循环的循环新鲜氧气质量与第N次循环的缸内残余氧气质量的和作为第N+1次循环的缸内氧气质量。
本发明的一种优选实施方案中，其具体步骤包括：
S10，获取第N+1次循环空气质量；
S101，获取第N+1次循环的空气质量流量和发动机转速；
S102，获取第N+1次循环的循环空气质量；
S20，获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量；
S201，将第N+1次循环的循环空气质量与0.2319的乘积作为循环新鲜氧气质量；
S30，获取第N次循环的缸内残余废气质量；
S301，获取第N次循环的排气温度和排气压力，气缸余隙容积；
S302，基于气体状态方程获取缸内第N次循环残余废气质量；
S40，获取第N次循环的废气残余氧气质量占比；
S401，获取第N次循环的循环喷油量和第N次循环的循环空气质量；
S402，将第N次循环的循环喷油量与第N次循环的循环空气质量的和作为第N次循环排气质量；
S403，获取预先设置的氧燃比修正系数；
S404，将理论氧燃比和修正系数的乘积作为新氧燃比；
S405，获取第N次循环的燃烧消耗氧气质量，其计算原理为第N次循环的循环喷油量、理论氧燃比和氧燃比修正系数三者的乘积；
S50，将第N次循环的缸内残余废气质量和第N次循环的残余氧气质量占比的乘积作为第N次循环的缸内残余氧气质量；
S60，将第N+1次循环的循环新鲜氧气质量与第N次循环的缸内残余氧气质量的和作为第N+1次循环的缸内氧气质量。
本发明还公开了一种发动机喷油量控制方法，柴油发动机的每一循环均根据确定发动机循环氧气质量的方法计算出的缸内氧气质量mo，利用缸内氧气质量mo和氧燃比获取喷油量并实现控制。
本发明的一种优选实施方案中，当发动机从停机状态下起动，其第一个循环(即N＝0时)的缸内残余氧气质量mco为预设标定值(单位为：毫克)，具体是1125.4与发动机余隙容积(单位为：立方米)的乘积，其计算原理为气体状态方程。
下面结合本发明的附图对本发明做出进一步具体的解释：
本发明实施例提供一种柴油机循环氧气质量虚拟算法，该算法应用于柴油机控制器，控制流程图如图2所示，包括如下步骤：
S10，计算第N+1次循环空气质量。
在执行步骤S10的过程中，循环空气质量不是直接获取的，需要先获取柴油机相关传感器的读数和变量，作为输入，进行处理获得。步骤S10“计算第N+1次循环空气质量”可以采用如下步骤，此时柴油机控制方法的方法流程图如图3所示：
S101，获取第N+1次循环的空气质量流量和发动机转速。
空气质量流量是柴油机控制里的一个变量，一般是通过对柴油机相关传感器的读数进行计算处理得到，本专利不涉及其具体算法，仅读取其值作为本专利算法的输入变量之一。通过获取发动机转速传感器读数，作为本专利的发动机转速。
S102，计算第N+1次循环的循环空气质量，其计算原理为因为发动机一个工作循环内转两圈，根据发动机转速可以计算出单位时间内发动机工作的总循环数，根据空气质量流量可以计算出单位时间内进入气缸内空气的总质量，从而计算出每循环的空气质量，具体可按公式102计算：
其中，m1为第N+1次循环的循环空气质量(mg)；
A为第N+1次循环的空气质量流量(kg/min)；
n为第N+1次循环的发动机转速(rev/min)；
S20，计算第N+1次循环的循环新鲜氧气质量。
在具体实现过程中，步骤S20“计算第N+1次循环的循环新鲜氧气质量”可以采用如下步骤，此时柴油机控制方法的方法流程图如图3所示：
S201，将第N+1次循环的循环空气质量与0.2319的乘积作为循环新鲜氧气质量。
需要说明一下，空气中氧气的质量占比约为23.19％。
S30，计算第N次循环的缸内残余废气质量。
在执行步骤S30的过程中，需要先获取排气压力和排气温度两个柴油机控制变量，作为本专利的输入，进行处理得到缸内残余废气质量。在具体实现过程中，步骤S30“计算第N次循环的缸内残余废气质量”可以采用如下步骤，此时柴油机控制方法的方法流程图如图3所示：
S301，获取第N次循环的排气温度和排气压力，气缸余隙容积。
排气温度、排气压力是柴油机控制里的两个变量，作为本专利步骤的计算输入，余隙容积是发动机的一个结构参数(其定义为：活塞在上止点时活塞顶部上方整个空间的容积称为气缸余隙容积)，为预设值。
S302，计算缸内第N次循环残余废气质量，其计算原理为气体状态方程，具体可按公式302计算：
V＝L×(CR-1)……公式302-1
其中，m2为第N次循环的缸内残余废气质量(mg)；
P为第N次循环的排气压力(Pa)；
V为发动机余隙容积(m3)；
μ为排气摩尔质量，取27.7752(g/mol)；
T为第N次循环的排气温度(K)；
R为气体常数，取8.31(J/mol·K)；
L为发动机排量(m3)；
CR为活塞压缩比。
S40，计算第N次循环的废气残余氧气质量占比。
在执行步骤S40的过程中，需要获取第N次循环的循环喷油量、循环空气质量和缸内氧气质量三个变量，作为本步骤的计算输入，进行处理得到第N次循环的残余氧气质量占比，其中第N次循环的缸内氧气质量这一变量是后续步骤S60的输出物，在这里，步骤S40、步骤S50和步骤S60形成一个闭环算法，这有利于提高计算精度。在具体实现过程中，步骤S40“计算第N次循环的废气残余氧气质量占比”可以采用如下步骤，此时柴油机控制方法的方法流程图如图3所示：
S401，获取第N次循环的循环喷油量和第N次循环的循环空气质量。
循环喷油量是柴油机控制里的一个变量，一般是通过对柴油机相关传感器的读数进行计算处理得到，本专利不涉及其具体算法，仅读取其值作为本专利算法的输入变量之一。第N次循环的循环空气质量是步骤S102的输出，本步骤通过延时控制后直接借用。
S402，将第N次循环的循环喷油量与第N次循环的循环空气质量的和作为第N次循环排气质量。
需要说明的是，本步骤里的第N次循环的循环喷油量和第N次循环的循环空气质量是步骤S401的输出，本步骤通过延时控制后直接借用。
S403，获取预先设置的氧燃比修正系数。
按照理论氧燃比计算得到的氧气质量是柴油完全燃烧状态下所需，但发动机的实际燃烧不可能达到完全燃烧，即是不完全燃烧，实际所需氧气量与完全燃烧所需氧气量之间存在偏差，因此，需要对理论氧燃比进行修正。在预先设置氧燃比修正系数的过程中，将柴油机的转速和进气量作为输入，可以通过发动机台架试验来标定修正系数表，建立不同柴油机的转速、进气量与修正系数之间的关系，进而确定与当前空气量和当前转速相对应的氧燃比修正系数。
S404，将理论氧燃比和氧燃比修正系数的乘积作为新氧燃比。
需要说明的是，本步骤里的修正系数是步骤S403计算的输出。
S405，计算第N次循环的燃烧消耗氧气质量，其计算原理为第N次循环的循环喷油量、理论氧燃比和氧燃比修正系数三者的乘积，具体可按公式405计算：
其中，
为第N次循环的燃烧消耗氧气质量(mg)；
m油量为第N次循环的喷油量(mg/stroke)；
l0为单位质量柴油完全燃烧所需的理论氧气质量，即理论氧燃比，取3.31617；
δ为氧燃比修正系数，即S403的输出。
S406，将第N次循环的缸内氧气质量与第N次循环的燃烧消耗氧气质量的差除以第N次循环的排气质量，计算结果作为第N次循环的废气残余氧气质量占比。
需要说明的是，本步骤里的第N次循环的缸内氧气质量是后续步骤S60的输出，再通过延时控制后得到的。本步骤里的第N次循环的燃烧消耗氧气质量是步骤S405的输出。
S50，将第N次循环的缸内残余废气质量和第N次循环的残余氧气质量占比的乘积作为第N次循环的缸内残余氧气质量。
需要说明的是，本步骤里的第N次循环的缸内残余废气质量是步骤S30计算的输出，第N次循环的残余氧气质量占比是步骤S40计算的输出。
S60，将第N+1次循环的循环新鲜氧气质量与第N次循环的缸内残余氧气质量的和作为第N+1次循环的缸内氧气质量。
需要说明的是，本步骤里的第N+1次循环的循环新鲜氧气质量是步骤S20计算的输出，第N次循环的缸内残余氧气质量是步骤S50计算的输出。
本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种确定发动机循环氧气质量的方法，其特征在于：获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量mxo，获取第N次循环的缸内残余氧气质量mco，进而获取第N+1次循环的缸内氧气质量mo＝mxo+mco，N≥0；第N+1次循环的循环新鲜氧气质量mxo的确定方法包括：获取第N+1次循环的空气质量流量和发动机转速，基于空气质量流量和发动机转速获取第N+1次循环的循环空气质量，基于第N+1次循环的循环空气质量获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量mxo；根据空气质量流量可以计算出单位时间内进入气缸内空气的总质量，从而计算出每循环的空气质量，
其中，m1为第N+1次循环的循环空气质量(mg)；
A为第N+1次循环的空气质量流量(kg/min)；
n为第N+1次循环的发动机转速(rev/min)；
第N次循环的缸内残余氧气质量mco的确定方法包括：获取第N次循环的缸内残余废气质量，基于第N次循环的缸内氧气质量mo、第N次循环的燃烧消耗氧气质量、第N次循环的排气质量获取第N次循环的废气残余氧气质量占比，基于第N次循环的废气残余氧气质量占比和第N次循环的缸内残余废气质量获取第N次循环的缸内残余氧气质量mco；
S10，获取第N+1次循环空气质量；
S20，获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量；
S30，获取第N次循环的缸内残余废气质量；
S40，获取废气残余氧气质量占比
S50，将第N次循环的缸内残余废气质量和第N次循环的残余氧气质量占比的乘积作为第N次循环的缸内残余氧气质量；
S60，将第N+1次循环的循环新鲜氧气质量与第N次循环的缸内残余氧气质量的和作为第N+1次循环的缸内氧气质量；
在执行步骤S40的过程中，需要获取第N次循环的循环喷油量、循环空气质量和缸内氧气质量三个变量，作为步骤S40的计算输入，进行处理得到第N次循环的残余氧气质量占比，其中第N次循环的缸内氧气质量这一变量是后续步骤S60的输出物，在这里，步骤S40、步骤S50和步骤S60形成一个闭环算法。
2.根据权利要求1的确定发动机循环氧气质量的方法，其特征在于：第N次循环的缸内残余废气质量的确定方法包括：获取第N次循环的排气温度、第N次循环的排气压力和气缸余隙容积，基于第N次循环的排气温度、第N次循环的排气压力和气缸余隙容积和气体状态方程获取第N次循环的缸内残余废气质量。
3.根据权利要求1的确定发动机循环氧气质量的方法，其特征在于：第N次循环的废气残余氧气质量占比的确定方法为：获取第N次循环的排气质量、第N次循环的燃烧消耗氧气质量和第N次循环的缸内氧气质量，将第N次循环的缸内氧气质量与第N次循环的燃烧消耗氧气质量的差除以第N次循环的排气质量，计算结果作为第N次循环的废气残余氧气质量占比。
4.根据权利要求3的确定发动机循环氧气质量的方法，其特征在于：第N次循环的排气质量的确定方法为：获取第N次循环的循环喷油量和第N次循环的循环空气质量，将第N次循环的循环喷油量与第N次循环的循环空气质量的和作为第N次循环排气质量。
5.根据权利要求3的确定发动机循环氧气质量的方法，其特征在于：第N次循环的燃烧消耗氧气质量的确定方法包括：获取第N次循环的循环喷油量、理论氧燃比和氧燃比修正系数，基于第N次循环的循环喷油量、理论氧燃比和氧燃比修正系数三者的乘积获取第N次循环的燃烧消耗氧气质量。
6.根据权利要求1的确定发动机循环氧气质量的方法，其特征在于：
S10，获取第N+1次循环空气质量；
S101，获取第N+1次循环的空气质量流量和发动机转速；
S102，获取第N+1次循环的循环空气质量；
S20，获取第N+1次循环的循环新鲜氧气质量；
S201，将第N+1次循环的循环空气质量与0.2319的乘积作为循环新鲜氧气质量；
S30，获取第N次循环的缸内残余废气质量；
S301，获取第N次循环的排气温度和排气压力，气缸余隙容积；
S302，基于气体状态方程获取缸内第N次循环残余废气质量；
S40，获取第N次循环的废气残余氧气质量占比；
S401，获取第N次循环的循环喷油量和第N次循环的循环空气质量；
S402，将第N次循环的循环喷油量与第N次循环的循环空气质量的和作为第N次循环排气质量；
S403，获取预先设置的氧燃比修正系数；
S404，将理论氧燃比和修正系数的乘积作为新氧燃比；
S405，获取第N次循环的燃烧消耗氧气质量，其计算原理为第N次循环的循环喷油量、理论氧燃比和氧燃比修正系数三者的乘积；
S50，将第N次循环的缸内残余废气质量和第N次循环的残余氧气质量占比的乘积作为第N次循环的缸内残余氧气质量；
S60，将第N+1次循环的循环新鲜氧气质量与第N次循环的缸内残余氧气质量的和作为第N+1次循环的缸内氧气质量。
7.一种发动机喷油量控制方法，其特征在于：发动机的每一循环均根据如权利要求1-6任意一项权利要求所述的确定发动机循环氧气质量的方法计算出的缸内氧气质量mo，利用缸内氧气质量mo控制喷油量。
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