CN112412645A - 确定燃烧发动机在未燃烧的运行中的气缸充气量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定燃烧发动机在未燃烧的运行中的气缸充气量的方法，其中执行用于确定在燃烧的运行中的气缸充气量的方法。根据本发明设置成，在用于确定在燃烧的运行中的气缸充气量的方法中设置有取决于发动机转速和发动机载荷的修正系数，该修正系数使通过该方法在燃烧的运行中确定的值匹配于相应于未燃烧的运行的气缸充气量。本发明此外涉及一种发动机控制器以及一种计算机程序产品，以用于执行该方法。通过根据本发明的方法可改善且更有效地设计到目前为止已知的方法，尤其鉴于针对在未燃烧的运行中的气缸充气量的值相比于燃烧的运行的模型化的值的直至30%的偏差。

Description

确定燃烧发动机在未燃烧的运行中的气缸充气量的方法
技术领域
本发明涉及一种带有专利权利要求1的前序部分的特征的用于确定燃烧发动机在未燃烧的运行中的气缸充气量(Zylinderluftfüllung)的方法。
背景技术
燃烧发动机的气缸的未燃烧的运行尤其出现在滑行运行中但是也出现在气缸关闭时。在燃烧发动机的情形中的气缸关闭提供了通过减少壁热量损失和换气损失提高内燃发动机的效率的可行性。在此特别有利的是，通过气缸关闭减少废气质量流且提高废气温度，这对废气后处理装置的保温(Warmhalten)产生积极的影响。这样可获得高的废气后处理效率。
现在的废气法规要求越来越精确地模型化气缸充气量。气缸充气量的单独的量是主要的参数之一，其影响现代的燃烧发动机的控制，以用于保障尽可能地有效的且优化废气的运行方式。然而所有到目前为止已知的用于确定气缸充气量的方法仅仅设置燃烧的运行，在该燃烧的运行中燃料被引入到气缸中，从而空气燃料混合物紧接着可燃烧。
例如DE 101 58 262 A1如此描述了一种用于借助于合适的模型确定多个参数的这种类型的方法，所述模型被引入到燃烧发动机的控制中且监视并优化其。尤其，利用供应的由新鲜空气和再循环的废气组成的气体混合物对燃烧发动机的燃烧室的填充也在此借助于基于物理的模型模仿。
DE 103 62 028 B4同样描述一种用于在考虑废气再循环量的情况下的确定新鲜气体量的方法，该废气再循环量包含基于温度的修正。
在另一基于模型的方法中，根据EP 2 098 710 B1估计在带有废气再循环的内燃机中的氧气浓度，其中作为主要的参数之一考虑了进入到气缸中的空气质量和对进入到气缸中的总气体流的估计。
在主要在滑行阶段和尤其在相应的气缸关闭时出现的未燃烧的运行中，换气(Ladungswechsel)在不引入燃料的情况下且由此也在没有紧接着的燃烧的情况下在气缸中发生。通过未完成的燃烧，与在另外类似条件的情形中的燃烧的运行中不同的充气量在气缸中出现。因为用于气缸充气量的到目前为止的模型仅仅模型化燃烧的运行，所述模型在未燃烧的运行中未描述准确的气缸充气量。该模型误差此外传递到在发动机控制器中的下游的系统处。可发现的是，这可导致模型值与实际值直至30%的偏差。
然而，为了遵守针对废气排放的法定的极限值需要针对在废气系统中的气体温度和零件温度的精确的模型。对于模型化所述温度而言，通过气缸的主要由气缸充气量确定的质量流形成主要影响因素，从而在确定气缸充气量时的不准确性导致在确定该温度时的不准确性。
发明内容
本发明的任务因此是，提供一种用于确定气缸充气量的方法供使用，通过该方法也可模仿气缸在未燃烧的状态中的运行。优选地，在此结合到现有的方法中应该是可行的。
此外，本发明的任务是，提供一种发动机控制器和还提供一种带有这样的发动机控制器的内燃发动机(Verbrennungskraftmaschine)，该发动机控制器能够以可靠的和足够精确的方式在按照条约的时间和成本耗费的情况下、也在考虑气缸的未燃烧的运行的情况下确定气缸充气量。
该任务根据本发明通过一种带有专利权利要求1的特征的方法解决。
本发明涉及一种用于确定燃烧发动机在未燃烧的运行中的气缸充气量的方法，其中执行用于确定在燃烧的运行中的气缸充气量的方法。根据本发明设置成，在用于确定在燃烧的运行中的气缸充气量的方法中设置有取决于发动机转速和发动机载荷的修正系数，该修正系数使通过该方法在燃烧的运行中确定的值匹配于相应于未燃烧的运行的气缸充气量。
气缸充气量的概念在本发明的主旨下尤其理解为在气缸中存在的空气量(尤其空气质量、空气粒子或类似物的数量、氧气量、氧气质量或者氧气粒子的数量)。
根据本发明首先利用一种以在燃烧的运行中的气缸为前提的方法确定针对气缸充气量的值。许多这样的用于确定气缸在燃烧的运行中的气缸充气量的方法是已知的。传统地，气缸充气量通常可由测量的或模型化的进气管压力(也称为增压压力(Ladedruck)，该增压压力相应于供应给气缸的空气的压力)、废气背压(也称为废气压力，该废气压力代表在废气管中的废气的压力)和针对在气缸中的残余气体份额的模型计算。
存在这样的计算算法，在所述计算算法中同样探究影响充气的执行器(例如进气和排气凸轮、充气运动阀门、阀冲程及其它)的当前的位置、以及进气温度和废气温度。模型的不准确性可通过以下方式来修正，即借助于发动机测试台测量数据化相应的发动机控制软件的修正范围。周围环境因素如压力和温度也可对实际的和计算出的气缸充气量有影响。例如也可通过基于模型的方法(例如如在DE 10 2015 210 761 A1中描述的那样)考虑周围环境因素如压力和温度。
针对用于确定在燃烧的运行中气缸充气量的合适的方法的另外的示例在下面的详细的附图描述中更详细地阐述。
根据本发明设置成，将从用于确定气缸充气量的方法中确定的值与修正系数相乘，该修正系数取决于发动机转速和发动机载荷使通过该方法在燃烧的运行中确定的值匹配于针对未燃烧的运行的气缸充气量。
在本发明的一种实施形式中，进气管压力被用作针对发动机载荷的特征值。
以公式的方式表达针对根据本发明的匹配步骤得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中
mLunbef：在未燃烧的气缸中的空气量
mLbef：在燃烧的气缸中的空气量
p2：进气管压力
Mn：发动机转速
Fkorr(Mn,p2)：取决于发动机转速Mn和进气管压力p2的修正系数。
可通过申请人的研究表明，未燃烧的运行可记录通过跨越进气阀的压差引起的剧烈的影响。在燃烧之后的状态“气缸压力>进气管压力”由于在未燃烧的运行中的不完全的燃烧未出现。结果，发动机可将来自废气管路的废气抽回到气缸中。气缸由此可完全填充有残余气体，该残余气体可又被推出。在针对废气压力p3的值的情形中在未燃烧的运行中可确定相对高的压力幅度。因为废气不可足够地通过关闭的排气阀被推出，在未燃烧的运行中气缸压力临近推出结束时也可升高，这最终可导致，气缸在随后的步骤中具有较小的空气需求。该对于确定气缸充气量的影响现在可利用根据本发明的方法考虑到，且这以非常有效的方式结合到用于气缸的燃烧的运行中的到目前为止已经执行的充气量计算算法中。
该方法例如可在内燃发动机的发动机控制器中、尤其在发动机控制器的(软件)模块中执行。该方法可构造为计算机实现的方法。例如在运行时可将该方法作为程序输入到发动机控制器中。为此发动机控制器可访问存储器，该存储器含有指令，所述指令构造成执行用于确定在燃烧和未燃烧的运行中的气缸充气量的方法。
修正系数到用于确定在燃烧的运行中的气缸充气量的方法中的结合可取决于开关或相应的数据位(Bit)的状态进行。
在本发明的一种优选的实施形式中，在燃烧的运行和未燃烧的运行之间转换时进行例如修正系数的积分器控制的斜坡控制(Verrampung)。在燃烧的运行和未燃烧的运行之间的斜坡控制尤其线性地进行。斜坡控制的速度可通过参数控制。斜坡控制也可通过特征线或直线方程呈现。
进气管压力(也称为增压压力)和/或废气压力可通过借助于合适的传感器的测量来确定或部分地也可通过模型化来确定。
除了发动机转速之外，进气管压力和废气压力可为用于根据本发明的方法的输入参量。
充气量计算算法不仅可在执行用于确定在燃烧的运行中的气缸充气量的方法方面而且在未燃烧的运行中可在传统的发动机控制器中执行。
充气量计算算法可由物理上的/启发式的模型在特征线的辅助下和在使用以实验的方式确定的数据的情况下产生。
本方法的充气量计算算法可具有一个或多个另外的输入参量：影响充气的执行器的位置、燃烧发动机的转速、进气凸轮位置、排气凸轮位置、充气运动阀门位置、至少一个阀冲程、废气温度、空气供应温度、在涡轮下游的测量的或模型化的废气压力和/或周围环境温度。
作为结果，充气量计算算法可在输入进气管压力和废气压力时得出在存在燃烧的运行时包含在气缸之内的空气量。如果针对一个或多个气缸确定了未燃烧的运行，例如在燃烧发动机的滑行运行中或在较小的载荷的情形中的气缸关闭中，如此确定的空气量以修正系数来匹配，该修正系数在存在的发动机转速和当前的进气管压力中作为特征值被存储或被计算。因此在该时间点位于气缸中的空气量明显更精确地确定且可用于随后的控制过程中。由此可实现气缸的随后又采纳的燃烧的运行的效率的改善。结果，然而也获得改善的废气净化效率，因为现在更精确的值也可有助于可更精确地探测和控制温度、流量、催化器元件的装载容量和废气净化的另外的因素。
在此非常有利的是，不需要另外的独立的控制算法和空气量确定算法，而是根据本发明的方法在现有的数据和测量设备的基础上和在使用现有的数据和测量设备的情况下可工作。
本发明的对象此外是一种用于控制带有至少一个气缸的内燃发动机的方法，其中该方法具有以下步骤：
- 执行用于确定在燃烧的运行中的气缸充气量的方法，
- 确定是否至少一个气缸变换到未燃烧的运行中，结合取决于发动机转速和发动机载荷确定的修正系数，且
- 将用于气缸充气量的修正值引入到发动机控制的另外的步骤中。
该方法也可选择性地支持残余气体再循环。
可实现对待供给的新鲜空气的量和/或回流到气缸中的废气的量进行调节，作为针对发动机控制的另外的步骤的示例。
根据本发明的发动机控制器具有输入模块和处理器(例如包括硬件和/或软件)。输入模块构造成，获得内燃发动机的气缸的至少一个进气管压力和废气压力和发动机转速或者使其在发动机控制器之内可供使用。处理器构造成执行充气量计算算法，该充气量计算算法确定在燃烧的运行中的气缸充气量。处理器此外构造成取决于发动机转速和发动机载荷(优选地通过进气管压力确定)修正气缸充气量，以便可确定用于未燃烧的运行的气缸充气量。最终处理器构造成，以一定的空气量为基础确定(尤其以确定的空气量的氧气量为基础确定)在再次进行燃烧的运行时待导入到气缸中的燃料量和/或新鲜空气量。
发动机控制器可构造成执行或控制根据上述实施形式中的一种的方法。
根据本发明的内燃发动机(例如包括奥托发动机、汽油发动机、柴油发动机或天然气发动机和可选地附加的电动马达)包括至少一个气缸，其带有进气管和废气管，和根据说明的实施形式中的一种的发动机控制器。在此该发动机仪器构造成确定在气缸中的空气量，且以此为基础确定燃料量和/或新鲜空气量，其最终为了在再次进行燃烧的运行的情形中的燃烧与空气量一起导入到气缸中。发动机控制器对此可控制例如燃料泵和进气阀。
本发明也包含带有程序编码的计算机程序产品，该程序编码存储在由计算机可读的介质上，以用于执行上述作为根据本发明描述的方法。
附图说明
存在多个设计且改进该方法的可行性方案。对此首先可参考排在专利权利要求1后面的权利要求。在下文中可借助于附图和对此从属的说明书更详细地阐述本发明的优选的设计方案。在附图中：
图1以极其示意性的示图显示了在本发明的一种优选的设计方案中的针对气缸充气量的修正步骤的流程图。
具体实施方式
在图1中显示了在本发明的一种优选的设计方案中针对在确定气缸充气量时的修正步骤的流程图的示意图。
本发明的实施形式针对方法和装置、尤其发动机控制器，其可确定在气缸之内的气缸充气量或者空气量。下面的等式、即等式1至等式7描述物理参量，其对于确定在燃烧的运行中在气缸之内的空气量是重要的。
等式1：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
等式2：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
等式3：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
等式4：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。
等式5：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。
等式6：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
。
等式7：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
。
在此，在等式、即等式1至等式7中出现的变量具有以下意义：
mRGres：剩余的残余气体
mRGreasp：可再次吸入的残余气体
p2：进气管压力
mLsca：扫气空气质量
p3：废气压力
T2：进气管温度
T3：废气温度
pzyl：在关闭进气阀时的气缸压力
Tzyl：在关闭进气阀时的气缸温度
pRG：残余气体分压
pL：空气分压
VAS：在关闭排气阀时的气缸容积
VES：在关闭进气阀时的气缸容积
Ra：特定的气体常数
A：阀溢流有效面积
C：常数
mL：在气缸中的空气质量
pu：周围环境压力。
等式1描述了基本上作为废气压力p3的函数的残余气体量。准确地探测残余气体量是精确地确定气缸充气量的前提条件；但是以传统的方式其对于通过传感装置的直接测量而言不可获得。
在死点容积中剩余的残余气体可由相应的气缸容积VAS、废气背压p3和废气温度T3根据等式1计算。在内部的残余气体再循环或者通过新鲜空气(扫气(Scavenging))冲扫残余气体量的在奥托发动机的领域中通用的方法中，在进气冲程的上死点中在进气阀和排气阀的开启时间的重叠相位期间在进气管容积和废气容积之间的残余气体或者新鲜空气流动穿过气缸。溢流的残余气体量(该残余气体在进气冲程的进一步的走向中又回收到气缸中)根据等式2基本上取决于在废气压力p3和进气管压力p2之间的压力比。
类似地这适用于在进气管压力和废气压力之间的正压差的情况中冲扫穿过气缸的新鲜空气量(参见等式3)。(等式4至等式7)可表明，在对进气管压力p2和废气背压p3统一地缩放比例时气缸充气量mL也以相同的程度线性地缩放比例。
如果例如等式1至等式7代替以p2,p3而是以p2'=f·p2和p3'=s·p3记录，那么等式7得出：mL'=f·mL。因此在进气阀关闭时位于气缸中的空气量与进气管压力p2和废气压力p3完全一样地缩放比例。
等式1在此描述在排气阀关闭时的残余气体量。在等式2和等式3中ψ标记节流阀流出函数，该节流阀流出函数作为sqrt(k/(k – 1)·(x2/k – xk+1/k)产生，其中k是绝热指数。等式5由近似法出发，在关闭进气阀时在进气管中的压力和在气缸中的压力之间存在压力平衡。
进气管压力、废气背压和气缸充气量以相同的方式线性地缩放比例的情况并非强制性地是用于确定在燃烧的运行中在内燃发动机的气缸之内的空气量的方法的基础。
用于确定在燃烧的运行中的气缸充气量的另外的方法例如也从DE 101 58 262A1、EP 2 098 710 B1中或从DE 103 62 028 B4中直接地或间接地已知。
图1以示意图显示了模块1，该模块构造成实施根据本发明的一种实施形式的用于确定在气缸之内的空气量的方法，且该模块例如可包括在根据本发明的一种实施形式的发动机控制器中。
模块1包括输入模块3，该输入模块构造成获得至少一个进气管压力p2和发动机转速Mn以及另外的对于在燃烧的运行mLbef中气缸充气量的模型化重要的参数。
另外的输入参量通过E1、E2和En标记且例如可包括废气压力p3、进气凸轮位置和排气凸轮位置或也可包括其它的输入参量如进气管温度和废气温度。
此外模块1包括处理器11，该处理器构造成从不同的输入参量中根据充气量计算算法12确定在燃烧的运行mLbef中的气缸充气量。
借助于计算元件14从发动机转速Mn和进气管压力p2的输入值出发计算修正系数Fkorr。现在根据本发明设置成，在气缸的未燃烧的运行的识别13中通过将修正系数Fkorr包括在内(例如通过两个值的乘法或除法23)使通过充气量计算算法12确定的值mLbef匹配于气缸的确定的未燃烧的状态且确定修正值mLunbef。
在一种优选的设计方案中，在数据位(Bit)21中检索，是否存在由气缸的未燃烧的运行到燃烧的运行中的过渡。在该背景下，可确定的是，在两种运行模式之间转换时出现不连续(Unstetigkeit)，可在确定这样的过渡的情况中进行修正系数Fkorr的积分器控制的斜坡控制22，在计算值mLunbef时在操作步骤23中使用修正系数Fkorr之前。以该方式可实现，避免或至少减少在从燃烧的运行转换到未燃烧的运行中或相反地从未燃烧的运行转换到燃烧的运行中的情形中的不连续。
参考标号列表
1 模块
3 输入模块
11 处理器
12 充气量计算算法
13 询问
14 计算元件
21 数据位
22 操作步骤
23 操作步骤
E1,E2,E3,En 输入参量
Mn 发动机转速
p2 进气管压力
Fkorr 修正系数
mLbef 在燃烧的运行中的气缸充气量
mLunbef 在未燃烧的运行中的气缸充气量。

Claims (12)

1.一种用于确定燃烧发动机在未燃烧的运行中的气缸充气量的方法，其中执行用于确定在燃烧的运行中的气缸充气量的方法，其特征在于，在用于确定在燃烧的运行中的气缸充气量的方法中设置有取决于发动机转速和发动机载荷的修正系数，所述修正系数使通过所述方法在所述燃烧的运行中确定的值匹配于针对所述未燃烧的运行的气缸充气量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进气管压力(p2)被用作针对所述发动机载荷的特征值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述修正系数到用于确定在所述燃烧的运行中的气缸充气量的方法中的结合取决于开关或相应的数据位21的状态进行。
4.根据两项前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在燃烧的运行和未燃烧的运行之间转换时进行所述修正系数的斜坡控制。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法的充气量计算算法具有一个或多个另外的输入参量：影响充气的执行器的位置、燃烧发动机的转速、进气凸轮位置、排气凸轮位置、充气运动阀门位置、至少一个阀冲程、废气温度、空气供应温度、在涡轮下游的测量的或模型化的废气压力和/或周围环境温度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法支持残余气体再循环。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，分别借助于压力测量或模型化、尤其借助于压力测量或模型化的平均值在进气管中或者在废气管中确定所述进气管压力(p2)和所述废气压力(p3)。
8.一种用于控制带有至少一个气缸的内燃发动机的方法，其中，所述方法具有：
执行用于确定在燃烧的运行中的气缸充气量的方法，确定是否至少一个气缸变换到未燃烧的运行中，结合取决于发动机转速和发动机载荷确定的修正系数，且将用于气缸充气量的修正值引入到发动机控制的另外的步骤中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进行对待供给的新鲜空气的量和/或回流到气缸中的废气的量的匹配。
10.一种发动机控制器，其构造成实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
11.一种带有程序编码的计算机程序产品，所述程序编码存储在由计算机可读的介质上，以用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
12.一种内燃发动机，其具有根据权利要求10所述的发动机控制器。
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