CN113343406A - 基于物理学的充量温度模型 - Google Patents

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Abstract

一种用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型，包括多个变量。多个变量包括：限定发动机的发动机转速的第一变量，发动机转速限定发动机的曲轴的每分钟转数；限定凸轮位置的第二变量；限定发动机冷却剂温度的第三变量；限定进气温度的第四变量；限定发动机空气流量的第五变量；以及限定发动机的点火分数的第六变量。控制器提供多个查找表。控制器使用多个变量和多个查找表中的数据计算发动机的至少一个气缸的各个进气冲程的充气温度，来控制发动机的运行。

Description

基于物理学的充量温度模型
技术领域
本公开涉及汽车发动机的发动机充气温度预测。
背景技术
可以利用估算的充气温度和测得的进入气缸的空气质量计算各个进气冲程中需添加的燃料体积以及调节发动机正时，从而控制汽车发动机。由于无法直接在活塞室内测量温度，因此通过算法来估算充气温度。用于估算充气温度的现有算法依赖于以下变量，包括：进气温度、发动机空气质量流量、车速和用于估算传递到充气体积的热量的冷却剂温度。已发现，车速对新型空气动力学设计的汽车的影响很小，一方面是由于通过发动机舱的气流受发动机舱可用空间内发动机和组件尺寸增大的影响，另一方面在发动机舱内应用空气百叶窗也会限制气流。因此，通过发动机舱的气流基本上不随车速变化。
此外，现有算法没有精确地考虑在发动机进气口处发生的排气混合，这会增加平均充气温度。现有算法也没有精确地考虑到多种不同的发动机运行状态，包括停缸事件，或者使用凸轮相位器使得凸轮轴位置变化。
因此，虽然当前的汽车充气温度估计算法实现了其预期目的，但是仍需要一种用于估算充气温度的新的改进的系统和方法。
发明内容
根据若干方面，一种用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量(charge)温度模型包括多个变量：发动机转速；凸轮位置；以及发动机的点火分数。控制器控制发动机的运行，并利用多个变量计算汽车发动机的至少一个气缸的各个进气冲程的充气温度。
在本公开的另一方面，多个变量包括使用冷却剂温度传感器测量的发动机冷却剂温度。
在本公开的另一方面，多个变量包括使用在气缸进气管路的入口处的温度传感器测量的进气温度。
在本公开的另一方面，多个变量包括使用空气质量流量(MAF)传感器测量的发动机空气流量，单位为克/秒。
在本公开的另一方面，至少一个气缸包括多个气缸，其中发动机的点火分数限定了在各个发动机循环过程中点火的多个气缸的平均数量。
在本公开的另一方面，总端口流量确定为等于发动机空气流量除以点火分数。
在本公开的另一方面，应用发动机冷却剂温度和进气温度来确定Δ(delta)冷却剂充量，其中Δ冷却剂充量等于发动机冷却剂温度减去进气温度。
在本公开的另一方面，多个变量包括使用在中间冷却器的排放口处的温度传感器测量的进气温度。
在本公开的另一方面，将发动机转速和凸轮位置输入查找表中以确定影响传递至进气温度的热量的加热气缸气体混合量。
在本公开的另一方面，来自查找表的输出限定气缸气体影响(CGI)，其中如果存在发动机扫气，则将CGI设置为一(1)，否则从查找表中确定CGI的值。
根据若干方面，一种用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型包括多个变量。第一变量限定发动机的发动机转速，发动机转速限定发动机的曲轴的每分钟转数。第二变量限定与曲轴位置相关的凸轮位置。第三变量限定发动机冷却剂温度。第四变量限定进气温度。第五变量限定发动机空气流量。第六变量限定发动机的点火分数。控制器具有多个查找表。控制器利用多个查找表中的多个变量和数据计算发动机的至少一个气缸的各个进气冲程的充气温度，来控制发动机的运行。
在本公开的另一方面，控制器应用点火分数估算空气流量，空气流量用于确定由发动机传递的热量。
在本公开的另一方面，将发动机转速和凸轮位置输入至多个查找表中的第一查找表中，确定是否存在发动机气缸气体回流到进气管路中影响传递到进气管路的热量，从而影响进气温度。
在本公开的另一方面，从多个查找表中的第二查找表得到Δ温度影响。
在本公开的另一方面，Δ温度影响限定分别从基于发动机冷却剂温度的发动机冷却剂、从受进气温度影响的进气体积、从受发动机空气流量和点火分数影响的发动机传递到充气体积的热量。
在本公开的另一方面，Δ冷却剂充量由发动机冷却剂温度和进气温度限定。
在本公开的另一方面，Δ冷却剂充量等于发动机冷却剂温度减去进气温度。
根据若干方面，一种用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型的操作方法包括：获取多个变量，包括：测量限定发动机的发动机转速的第一变量，发动机转速限定发动机的曲轴的每分钟转数；确定凸轮位置作为第二变量；感测发动机冷却剂温度作为第三变量；将由温度传感器提供的进气温度限定为第四变量；接收来自空气质量流量传感器的数据，确定发动机空气流量作为第五变量；确定发动机的点火分数作为第六变量；以及使用具有多个查找表的控制器控制发动机的运行，控制器应用多个查找表中的多个变量和数据计算发动机的至少一个气缸的各个进气冲程的充气温度。
在本公开的另一方面，该方法还包括计算Δ冷却剂充量，其等于发动机冷却剂温度减去进气温度。
在本公开的另一方面，该方法还包括：将发动机转速和凸轮位置输入到多个查找表中的第一查找表中，确定是否存在发动机气缸回流到进气管路中的情况，影响传递至进气温度的热量；以及从多个查找表中的第二查找表中得到Δ温度影响。
根据本文提供的描述，其它适用领域将变得显而易见。应理解，描述和具体实例仅用于说明目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据示例性方面的用于汽车的基于物理学的充量温度模型的示意图；
图2是在图1的截面2处截取的截面正视图；以及
图3是使用图1的基于物理学的充量温度模型的方法步骤的流程图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。
参照图1，在汽车12中提供了基于物理学的充量温度系统和操作方法，在下文中称为基于物理学的充量温度模型10。汽车12包括具有多个气缸16的发动机14。在所示的实例中，标识了八个气缸16，然而发动机14可以包括任何数量的气缸16，包括但不限于2、4、6、8或10个气缸。各个气缸16包括将充气引导到气缸16中的至少一个进气阀18和将排气从气缸16向外引导的至少一个排气阀20。使用至少一个控制器或处理器，以下统称为动力系控制器22或发动机控制器22，来提供发动机运行控制。控制器22可以是能够处理电子指令的任何类型的装置，包括微处理器、微控制器、主处理器、车辆通信处理器和专用集成电路(ASIC)。
控制器22可以是用于控制发动机的专用控制器或处理器，或者可以与其它车辆系统共享。控制器22执行各种类型的数字化存储指令，例如存储在存储器24中的软件、查找表或固件程序，存储器24可保存多个预填充的查找表，指令使得控制器22能够提供各种服务。例如，控制器22可以执行程序和处理数据来实施至少一部分本文讨论的方法，并且可以与诸如变速器控制器26的其它装置通信并控制发动机输出扭矩。还提供了至少一个凸轮轴28用于致动该至少一个进气阀18和至少一个排气阀20。
在图1的示意图中，发动机14限定具有控制燃料流量的燃料喷射器30和由发动机控制器22控制的火花塞32的内燃机。发动机14包括曲轴34，速度和位置检测器36检测曲轴34的速度和位置，生成诸如脉冲串的信号至发动机控制器22。发动机14可包括汽油内燃机或本领域已知的任何其它内燃机。进气歧管38向气缸16提供空气。至少一个进气阀18和至少一个排气阀20联接到凸轮轴28，并且可以用于顶置气门构造或顶置凸轮构造，顶置气门构造或顶置凸轮构造可以物理方式与至少一个进气阀18和至少一个排气阀20联接或分开，以切断通过气缸16的气流和燃料流。空气流量传感器40和歧管空气压力(MAP)传感器42可以用于检测进气管路中的空气流量和进气歧管38中的空气压力，并生成信号至发动机控制器22。
可以使用具有由电子节气门控制器46控制的节气门板的电子节气门44，电子节气门44接收来自发动机控制器22的信号以控制进入进气歧管38的空气质量。电子节气门控制器46可包括调制电子节气门44的功率电路和接收来自电子节气门44的位置和指令速度输入的电路。电子节气门控制器46还可包括通信电路，例如串行链路或汽车通信网络接口，以通过汽车通信网络48与动力系控制器(未示出)通信。
根据若干方面，发动机14可以是吸气式发动机，或者具有涡轮增压器50的涡轮增压发动机，或者具有用于升高进气压力以实现充气供给的增压发动机。增压器50或涡轮增压器50可连接到中间冷却器51以预冷却增压的充气供给。
参照图2并再次参照图1，示出了单个气缸16。进气阀18将充气和燃料作为混合物经由进气管路52引导到气缸16内活塞56上方的燃烧室54中。根据其它方面，燃料可以独立于充气直接喷射到燃烧室54中。排气阀20经由排气通道58将排气从气缸16向外引导。火花塞60也由发动机控制器22控制，用于在发动机负荷范围内增强发动机14的点火正时控制。使用凸轮致动的气门系统为四冲程循环提供对进气阀18和排气阀20的运动控制。在图中，在曲轴34旋转期间排气阀20打开，即限定一个发动机循环。
在打开冲程或排气冲程的第一阶段，进气阀18关闭，排气阀20开启，燃烧后的气体从燃烧室54排出到排气通道58。在打开冲程或进气冲程的第二阶段，排气阀20关闭，进气阀18打开，燃料/空气充量通过进气管路52被吸入燃烧室54。在第三阶段，进气阀18受引导关闭，然后执行压缩冲程。在压缩冲程期间，在燃料/空气充量受压缩之后发生燃料/空气充量点火。在第四阶段，燃料/空气充量混合物燃烧使得气体在动力冲程中膨胀。然后，重新开始四冲程循环。如已知的，进气阀18和排气阀20的开闭时刻可以变为更早或更晚开闭，如下文所述。
如前所述，汽门机构(valve train)与发动机14的位置相关联，该位置由速度和位置检测器36测量。速度和位置检测器36连接到曲轴34，曲轴34通过连杆62连接到活塞56以使活塞56在气缸16中往复运动。
参照图3并再次参照图1和图2，根据若干方面，基于物理学的充量温度模型10可估算汽车充气温度64。发动机控制器22计算充气温度64并利用充气温度64计算要添加到进气管路52中的燃料体积66，以及气缸16的各个进气冲程的估算充气质量68。基于物理学的充量温度模型10包括多个变量。第一变量限定以发动机曲轴每分钟转数(rpm)方式测量的发动机转速70。发动机转速70可以是温度校正值。发动机转速70用于估算从气缸16至发动机进气歧管的进气管路52中的空气回流体积，因为该加热的空气体积会预热或影响随后进入气缸16的进气或充气的温度。较低发动机rpm下(例如低于约1400rpm)的空气回流体积与较高发动机rpm(例如高于1400rpm)下的空气回流体积相比有所增加，这是由于在较低的发动机rpm下，充气行进通过系统的可用时间增加。
第二变量限定凸轮位置72，如已知的，可使用凸轮相位器74确定凸轮位置。第三变量限定例如使用冷却剂温度传感器78测量的发动机冷却剂温度76。发动机冷却剂温度76确定气缸盖温度，气缸盖温度影响经过气缸盖的空气温度，从而确定了进气管路52的温度。基于物理学的充量温度模型10还考虑了在发动机加热之前当气缸盖处于或接近大气温度时的发动机启动条件，其中发动机冷却剂温度76因此处于或接近大气温度。
基于物理学的充量温度模型10的第四变量限定例如使用温度传感器82测量的进气温度80。确定进气温度80的位置可以改变。例如，可在参照图2描述的进气管路52的入口处确定自然吸气发动机内的进气温度80，其中可在中间冷却器51的排放口处确定具有参照图1描述的涡轮增压器50的涡轮增压发动机或增压发动机中的进气温度80。
基于物理学的充量温度模型10的第五变量限定进入发动机进气歧管38的发动机空气流量84或空气质量流率84。发动机空气流量84可以使用类似于参照图1所述的空气流量传感器40的空气质量流量(MAF)传感器86测量，单位为例如克/秒，MAF传感器86可位于自然吸气发动机中的进气管路52附近。
基于物理学的充量温度模型10的第六变量限定点火分数88，点火分数8确定在各个发动机循环期间点火的气缸16的平均数量。在示例性八缸发动机中，如果在每个发动机循环期间所有八个气缸都点火，则点火分数为1.0，如果八个气缸中仅有四个点火，则点火分数为0.5。因此，当在两个以上发动机循环期间点火气缸的平均数量在8和4之间变化时，点火分数为1.0到0.5之间。
发动机转速70和可限定凸轮相位器角度的凸轮位置72参照第一查找表90赋值，以确定在进气管路52中混合的加热气缸气体的影响大小。由于进气压力增加，发动机扫气或发动机扫气状况主要发生在增压发动机或涡轮增压发动机中。在某些增压发动机运行期间，进气阀18和排气阀20可以同时打开，使空气可通过燃烧室54而不发生燃烧。该过程可清除来自前一循环的未燃烧气体，从而可实现新的新鲜充气体积和燃料体积的喷射和燃烧，例如将节气门开启至最大。来自第一查找表90的输出限定气缸气体影响(CGI)值92，其可以为布尔值(零或一)。例如，如果存在发动机扫气，则将CGI 92的值设置为一(1)，否则CGI 92的值为在第一查找表90中确定的值。
CGI 92的值是输入到算法94中的多个值之一。算法94确定稳态充气温度，可用如下等式1表示：
等式1：
充量温度(开氏度)稳态＝
(Δ冷却剂充量96×Δ温度影响98+进气温度80)×(CGI)92
在上述等式1中，Δ冷却剂充量96由如下等式2确定：
等式2：
Δ冷却剂充量96＝冷却剂温度76－进气温度80
上述确定的Δ冷却剂充量96是用于计算Δ温度影响98的四个变量之一。Δ温度影响98从第二查找表中得到，并确定从基于发动机冷却剂温度76的发动机冷却剂、从受进气温度80影响的进气、从受发动机空气流量84和点火分数88影响的发动机传递至充气体积的热量。通过将Δ冷却剂充量96和总端口流量100的值输入到第二查找表中确定Δ温度影响98。
总端口流量100使用如下公式3计算：
等式3：
总端口流量100＝发动机空气流量84÷点火分数88
在确定Δ温度影响98的同时，还上面计算的总端口流量100输入到限定充量温度滤波器查找表102的第三查找表中。将包括稳态充气温度的输出和来自充量温度滤波器查找表102的输出输入到一阶滞后滤波器104。滞后滤波器104的系数可以基于影响充量温度滤波器查找表102的输出的发动机空气流量84而变化，以修改汽车充气温度64的值。在车辆运行期间，汽车充气温度64由控制器22重复计算，例如每一百(100)毫秒一次。
基于物理学的充量温度模型10使用物理模型通过以下步骤来预测汽车充气温度：1)使用发动机冷却剂温度和进气温度的差值作为热传递系数查找表的输入之一；2)将预测的空气流量乘以点火分数，获得根据有效点火的气缸数量而变化的相应流量值；3)利用发动机RPM和进气凸轮相位器角度来确定存在于进气管路中从而影响进气温度的热气缸气体回流量；4)基于物理学的进气温度模型10考虑扫气对充气温度和排气残余回流的影响；5)基于物理学的充量温度模型10将发动机冷却剂温度乘以热传递系数作为偏移量应用于进气温度(IAT)。
本公开的基于物理学的充量温度模型10具有很多优点。包括使用点火分数确定算法的相关空气流量，以用于确定来自歧管/端口壁的热传递。基于物理学的充量温度模型10考虑了涡轮增压应用中的扫气。发动机RPM和进气凸轮相位器角度也用于查表中，乘以基本充量温度预测，从而使得校准器可考虑在进气阀延迟关闭(LIVC)操作期间推入进气管路的排气残留。此外，基于物理建模，将基准温度增加作为偏移量应用于IAT。
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变化旨在落入本公开的范围内。这些变化不应视为偏离了本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型，包括：
多个变量，包括：
发动机转速；
凸轮位置；以及
发动机的点火分数；以及
控制器，其控制所述发动机的运行并利用所述多个变量计算汽车发动机的至少一个气缸的各个进气冲程的充气温度。
2.根据权利要求1所述的用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型，其中，所述多个变量包括使用冷却剂温度传感器测量的发动机冷却剂温度。
3.根据权利要求2所述的用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型，其中，所述多个变量包括使用在气缸进气管路的入口处的温度传感器测量的进气温度。
4.根据权利要求3所述的用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型，其中，所述多个变量包括使用空气质量流量(MAF)传感器测量的发动机空气流量，单位为克/秒。
5.根据权利要求4所述的用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型，其中，所述至少一个气缸包括多个气缸，并且其中，所述发动机的所述点火分数限定了在各个发动机循环期间点火的所述多个气缸的平均数量。
6.根据权利要求4所述的用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型，还包括总端口流量，所述总端口流量等于所述发动机空气流量除以所述点火分数。
7.根据权利要求3所述的用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型，其中，应用所述发动机冷却剂温度和所述进气温度确定Δ冷却剂充量，其中，所述Δ冷却剂充量等于所述发动机冷却剂温度减去所述进气温度。
8.根据权利要求3所述的用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型，其中，所述多个变量包括使用在中间冷却器的排放口处的温度传感器测量的进气温度。
9.根据权利要求1所述的用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型，其中，将所述发动机转速和所述凸轮位置输入查找表中以确定存在的加热气缸气体混合量。
10.根据权利要求9所述的用于计算汽车的充气温度的基于物理学的充量温度模型，其中，来自所述查找表的输出限定气缸气体影响(CGI)，并且其中，如果存在发动机扫气，则将所述CGI设定为一(1)，否则从所述查找表中确定所述CGI的值。
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