CN116892458A - 用于适配要喷入的燃料质量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于适配要喷入到内燃机中的燃料质量的方法，其中内燃机包括进气道(2)、至少一个气缸(1)和排气道(9)。在该方法中，求出引入内燃机中的空气质量并且确定要喷入到内燃机中的燃料质量此外，确定内燃机的排气道(9)中的空燃比λsens，该空燃比随时间进行适配。根据经时间适配的空燃比(λcorr)和所计算的要喷入的燃料质量计算第一壁膜燃料质量并且基于第一壁膜燃料质量适配要喷入的燃料质量

Description

用于适配要喷入的燃料质量的方法
技术领域
本发明涉及一种用于适配要喷入到内燃机中的燃料质量的方法，以及一种用于执行该方法的计算单元和计算机程序。
背景技术
为了避免有害排放物，需要喷入到内燃机中的燃料也完全燃烧。对于这种完全燃烧需要内燃机气缸中的化学计量的空燃比。空燃比例如借助于内燃机排气道中的Lambda探测器检测，并且借助于通过发动机控制设备中的所谓的Lambda控制进行调节。然而，由于负载切换过程中的Lambda控制只会由于空燃比的测量偏差(Lambda偏差)而延迟地做出反应，所以刚好在瞬态范围内造成测量的Lambda值与化学计量空燃的偏差。动态预控制可以确保瞬态范围内的Lambda偏差同样被最小化。在此，可以使用所谓的过渡补偿。
在DE 10 2007 005 381 A1中公开一种用于适配内燃机中的过渡补偿的方法，其中根据校正的喷入量将燃料喷入到进气管中，以形成空气燃料混合物，空气燃料混合物被输送给内燃机的燃烧室，其中对对应于内燃机的空气质量的喷入量加载补偿量，以获得校正的喷入量。
必须在多个工作点仔细适配过渡补偿。这在控制设备的应用阶段的范围中通常仅在一些少量的车辆处发生。由于车队中的构件公差以及用于老化效应，在实践中造成如下情况，即以这种方式适配的过渡补偿并没有在每个车辆中并且并没有随时地尽可能好地校正瞬态的Lambda偏差。
发明内容
根据本发明，提出一种用于适配要喷入到内燃机中的燃料质量的方法以及用于执行该方法的一种计算单元和一种计算机程序。有利的设计方案是以下描述的主题。
借助根据本发明的方法，可以在车辆运行中适配和跟踪所谓的过渡补偿，过渡补偿用于尤其在发动机负载切换时适配燃料质量。在开发阶段期间，可以借助于该方法减小应用耗费，并且本发明在车辆的持续运行中确保在负载切换过程期间也可靠地保持化学计量空燃比，从而可靠地使瞬态的混合偏差最小化。
内燃机包括进气道、至少一个气缸和排气道。优选地，内燃机是具有进气管喷入装置的奥托发动机，即燃料被喷入到发动机的进气道中。特别优选地，汽油被喷入到奥托发动机的进气道中。
本发明基于以下措施：通过确定燃烧的燃料质量并与喷入的燃料质量进行比较的方式来确定要喷入的燃料质量的校正值。所述值之间的差与实际的壁膜质量相关联，然后可以基于壁膜质量来校正要喷入的燃料质量或系统中以其他方式确定的壁膜质量。燃烧的燃料质量优选地从所输送的空气质量和当前测量的Lambda值中确定，其中优选地还考虑：所测量的当前的Lambda值与提前特定时间喷入的燃料质量相关联。如果此处或下文提及质量，则总是也包括质量流，即每单位时间的质量。
详细地，求出引入到内燃机的至少一个气缸中的空气质量。“引入”到内燃机中的空气质量应理解为由内燃机吸入的空气质量和/或借助压缩机输送到内燃机中的空气质量。例如，可以借助安装在内燃机进气道中的热膜空气质量计(HFM)测量空气质量，或者可以借助于在进气道中在内燃机的进气阀之前测量的压力来确定空气质量。替代地或附加地，可以基于位于进气道中的节气门的位置根据质量流模型来确定空气质量。此外，确定要喷入到内燃机中的燃料质量。相应的确定或计算函数在本领域中是充分已知的。
空气和燃料必须以特定的比例引入内燃机的气缸中，以便在那里可以进行完全(化学计量)燃烧。适用的是：
其中λ表示空燃比，表示空气质量流，/>表示燃料质量流和Lst表示化学计量空气需求。例如，汽油的化学计量的空气需求量Lst为14.7，即完全燃烧1千克汽油需要14.7千克空气。在化学计量燃烧的这种情况下，空燃比为λ＝1。如果燃料多于可燃烧的燃料(λ<1)，则称为浓的空气燃料混合物，而在空气过量(λ>1)的情况下称为稀的空气燃料混合物。
基于所求出的、引入内燃机的至少一个气缸中的空气质量，在空燃比λ已知时，因此同样可以从等式(1)中确定实际燃烧的燃料质量。
排气道中的空燃比的测量例如可以借助Lambda探测器进行，Lambda探测器求出排气中的残余氧气，并且然后输出与空燃比成比例的电压信号。Lambda探测器的信号被发送给发动机控制设备，在发动机控制设备中，所谓的Lambda调节器确保在与预设值偏差的情况下相应地通过以下方式校正空燃比，即目标导向地适配燃料质量。
在根据本发明的方法的范围中，所确定的(特别是测量的)空燃比现在用于计算第一(实际)壁膜燃料质量。术语“壁膜燃料质量”表示存储在进气道的壁膜中的或从进气道的壁膜中蒸发的燃料质量。通过喷入内燃机进气道中的燃料部分没有直接到达一个/多个气缸中而是首先聚集在进气道的壁处的方式，形成所述壁膜。燃料根据发动机的运行条件(进气道中的转速、温度、压力)从那里蒸发，并且时间延迟地到达气缸中。有利地，应当在每次喷入时都考虑这种壁膜燃料质量，即应根据工作点，比根据等式(1)从空气质量中得出的量更多或更少地喷入。特别地，壁膜效应在负载切换过程期间发挥作用。例如，通过关闭节气门来降低负荷导致进气管压力降低，压力降低促进壁膜中储存的燃料质量的蒸发。因此，在这种情况下，进入气缸的燃料多于当前工作循环中喷入的燃料。由于用于校正这种壁膜效应的Lambda控制太慢，因此可以根据壁膜模型借助于动态预控制来校正Lambda控制。
在本发明的范围内，始终可以考虑当前的壁膜燃料质量。如果在系统中已经使用了壁膜燃料质量，例如借助于壁膜模型确定的、也成为第二壁膜燃料质量的壁膜燃料质量，则可以借助于所测量的空燃比适配/校正所述壁膜燃料质量。为此，首先随时间或以时间标度适配测量的空燃比，即考虑时间延迟，时间延迟通过以下形成：即仅在排气道中确定空燃比，并且尚未在内燃机气缸中借助于真实的测量机构(例如Lambda探测器)确定空燃比。使用所测量并经时间适配的空燃比λcorr，可以如下确定第一壁膜燃料质量
在此，表示当前喷入的燃料质量流。
这意味着，可以将从所测量并经时间适配的空燃比λcorr中求出的燃料质量(即实际燃烧的燃料质量)与喷入的燃料质量比较，并且从这两个变量的差中可以确定第一壁膜燃料质量/>根据差运算中形成的符号，可以是首先储存在壁膜中的燃料质量/> 或者是从壁膜中蒸发的燃料质量/>
基于例如根据等式(2)计算出的第一壁膜燃料质量，适配所计算的要喷入的燃料质量。换言之，例如可以使用第一壁膜燃料质量来增加或减少为随后的工作间隙计算的燃料质量，或者通常来说未来的燃料质量流。
由于在现代的发动机控制中通常已经确定壁膜燃料质量，例如借助于壁膜模型确定，所以可以根据第一壁膜燃料质量来针对动态预控制适配所确定的所述第二壁膜燃料质量。因此，本发明实现了在车辆持续运行中基于测量的空燃比连续适配预控制的壁膜燃料质量。
优选地，根据排气道的计算模型来求出所测量的空燃比的时间偏差。为此，内燃机的排气道的一部分可以使用例如容器模型在数学上表示，容器模型考虑了发动机的排气阀和测量空燃比的位置之间的排气路径的存储行为。后者优选是排气道中的测量机构、即Lambda探测器的位置。除了排气路径的存储行为之外，在求出所测量的空燃比的时间偏差时优选地还考虑测量机构的响应行为。两个模型参数都与发动机各自的工作点相关联(例如，与发动机转速相关联)。
根据一个优选的实施方式，借助于排气道模型将所测量的空燃比的时间偏差分为通过排气道引起的死区时间和通过确定引起的时间延迟(特别是LZI传递行为)。在此，死区时间可以与排气在排气路径中的停留时间、例如在排气阀和Lambda探测器之间的停留时间相关联，并且时间延迟可以测量机构的响应行为相关联。
优选地，借助于预定的特征数据来适配死区时间和/或借助于滤波器传递函数来适配时间延迟。
预定的特征数据可以是可以存储在发动机控制设备中的特征曲线和/或特征曲线族，其中根据预定的特征数据补偿死区时间。例如，死区时间可以根据特征曲线根据发动机的排气质量流存储在发动机控制设备中。例如，可以在发动机试验台上求出死区时间。
为了补偿由于测量机构的响应行为(例如具有时间常数τexh的PT1行为)引起的时间延迟，例如可以使用根据以下等式(3)的滤波器传递函数G(s)，该等式包含测量机构的延迟行为的倒数。为了获得可实现的传递函数G(s)(分母≠0)，该传递函数还包括具有预定滤波器时间常数τflt的延迟环节。
优选地，借助于壁膜模型来确定第二壁膜燃料质量。如上所述，发动机控制中传统的Lambda控制过慢，而无法补偿由于壁膜效应引起的空燃比偏差。因此，优选地根据壁膜模型借助于动态预控制来校正空燃比偏差，动态预控制周期同步地适配要喷入的燃料质量，使得可以遵守期望的空燃比。术语“周期同步”应理解为针对内燃机的每个工作周期计算第二壁膜燃料质量。替代地，壁膜模型也可以以恒定的时间间距计算，例如以1ms或5ms的间距计算。
壁膜模型例如可以包括特征曲线族，在特征曲线族中存储位于壁膜中的燃料质量，例如根据发动机转速和发动机温度来存储。通过借助具有另外的预定的滤波器时间常数的滤波器传递函数对所述燃料质量时间求导，可以从壁膜中求出燃料质量流。在壁膜燃料质量流中在快速流入气缸中的份额和以显着延迟流入气缸中的份额之间进行区分。该事实可以借助于两个并联的滤波器传递函数来映射，滤波器传递函数具有一个慢速和一个快速的预定的滤波器时间常数。
根据一个优选的实施方式，第二壁膜燃料质量借助适应因子适配于第一壁膜燃料质量，以便补偿建模的第二壁膜燃料质量与在个体车辆中出现的实际壁膜燃料质量的偏差，尤其在车辆使用寿命期间。
例如，可以根据等式(4)通过将第一壁膜燃料质量除以第二壁膜燃料质量来求出适应因子fcorr,adp。
在此，表示第二壁膜燃料质量，第二壁膜燃料质量借助于预定的滤波器时间常数τflt与第一壁膜燃料质量/>同步。
然而，特别优选地使用递归的最小二乘估计器(最小二乘法)来求出适应因子。借助最小二乘估计器，可以进一步提高计算的数值稳定性。
根据本发明的计算单元、例如机动车辆的发动机控制设备特别是在程序方面被设计用于执行根据本发明的方法。
根据本发明的内燃机包括进气道、至少一个气缸、排气道和根据本发明的计算单元。
以具有用于执行所有方法步骤的程序代码的计算机程序或计算机程序产品的形式来实施根据本发明的方法是有利的，因为这产生特别低的成本，特别是如果进行执行的控制设备还用于其他任务进而总归存在时是如此。最后，提出机器可读存储介质，其具有存储在其上的如上所述的计算机程序。用于提供计算机程序的合适的存储介质或数据载体尤其是磁、光和电存储器，例如硬盘驱、闪存存储器、EEPROM、DVD等。也可以经由计算机网络下载程序(Internet因特网、Intranet内联网等)。在此，这种下载可以有线或线缆连接或无线地(例如，经由WLAN网络、3G、4G、5G或6G连接等)进行。
本发明实现了适配和跟踪用于在车辆运行中切换负载时适配燃料质量的过渡函数。在开发阶段期间，借助该方法可以减少使用耗费，并且在车辆持续运行中，本发明确保在负载切换期间也可靠地保持化学计量空燃比，进而可靠地使瞬态的Lambda偏差最小化。
本发明的其他优点和改进形式从说明书和所附的附图中得出。
本发明借助于附图中的实施例示意性地表示，并且在下面参考附图进行描述。
附图说明
图1示意性并且部分地示出本发明的一个优选的实施方式的内燃机，
图2a和图2b示意性地示出根据本发明的一个优选的实施方式的壁膜模型和排气道模型，
图3示出根据本发明的方法的一个优选的实施方式的方块图。
具体实施方式
图1示意性并且部分地示出本发明的一个优选的实施方式的内燃机。所示出的内燃机具有进气道2、气缸1和排气道9。进气阀5和排气阀7设置在气缸1中，进气阀和排气阀将气缸1相对于进气道2和排气道9隔开。节气门6和喷入阀4设置在进气道2中。喷入阀4将燃料喷入到进气阀5前方。在进气阀打开时，喷入的燃料的一部分与流经节气门6的空气质量流一起直接到达气缸1中，而另一部分则积聚在进气道2的壁处。
Lambda探测器8设置在所示出的内燃机的排气道9中，Lambda探测器确定发动机排气中的残余氧，以确定燃烧的混合物的空燃比。
此外，内燃机包括计算单元3，计算单元例如可以是发动机控制设备，计算单元与节气门6、喷入阀4和Lambda探测器8连接。计算单元3可以接收内燃机的传感器(例如Lambda探测器8)的信号并控制内燃机的执行器(例如节气门6和喷入阀4)。
计算单元3可以例如接收Lambda探测器8的输出信号，基于输出信号计算第一壁膜燃料质量并且相应地适配要借助于喷入阀4喷入的燃料质量。
根据图1显而易见的是：在出口阀7和Lambda探测器8之间存在存储体积，该存储体积导致气缸1中存在的空气燃料混合物的延迟测量。
图2a示意性地示出喷入到进气道2中的燃料的壁膜行为的模型介绍(壁膜模型)。根据该模型，喷入的燃料质量流被分为在发动机的当前工作间隙中直接到达气缸1中的份额/>和暂存在壁膜10中且时间延迟地作为壁膜燃料质量/>到达气缸1中的份额/>基于燃料特性(快和慢蒸发的份额)，在更快地从壁膜10蒸发进而更早到达气缸1中的份额/>和更慢蒸发并且较晚到达气缸1中的份额/>之间进行区分。从壁膜10蒸发的或存储在壁膜中的燃料质量流/>被加到燃料质量流/>上，从中得出到达气缸1中的总质量流/>根据工作点，更多或更少的燃料从壁膜10蒸发或储存在壁膜中。通过在发动机控制设备中考虑壁膜燃料质量流/>喷入燃料质量流/>被相应地校正，并且燃料质量流/>到达气缸1中，其导致所期望的空燃比。
在发动机控制应用期间，壁膜模型通常适配于有限数量的车辆。为了在车辆使用寿命期间且在不同的车辆处正确地考虑壁膜效应，本发明在此描述的有利的实施方式包括对借助壁膜模型计算出的壁膜燃料质量流进行适配，该适配在下文结合图3来描述。
该适配使用所测量的空燃比λsens，以确定实际进入气缸中的燃料质量。由于Lambda探测器的所测量的信号λsens时间延迟地反应气缸中的空燃比λ，所以在该适配的范畴中必须考虑时间延迟。
图2b示意性地示出排气道模型，在排气道模型中将排气阀7和Lambda探测器8之间的路径建模为容器，以映射排气道2的存储行为。在Lambda探测器8处测量的空燃比λsens相对于在排气阀处存在的空气燃料混合物λ具有死区时间τdel和借助于具有时间常数τexh的延迟函数来描述的时间延迟。死区时间τdel可以例如根据与发动机的排气质量流相关的特征曲线来映射，特征曲线例如可以在发动机测试台上求出。两个模型参数τdel和τexh都与发动机的工作点(例如发动机转速)相关。
图3示出根据本发明的方法的一个优选的实施方式的方块图。在此，功能块21和22描述受控系统，即所测量的空燃比λsens的形成和延迟行为，并且(虚线包围的)功能块10至16以及23和30描述壁膜燃料质量流的预控制和适配。
在功能块21中，基于输入变量空气质量流燃料质量流/>和化学计量空气需求Lst，计算气缸1中主导的空燃比λ。在此，进入气缸1的燃料质量流/>由从当前喷入中到达气缸中的燃料质量流/>和壁膜燃料质量流/>组成。
空燃比的延迟行为λ→λsens在此借助于具有时间常数τexh的PT1环节在功能块22中映射。由于死区时间被单独考虑(经由值在时间尺度上的简单移动)并且不包含在适应模型30的传递函数23中，所以其没有在本方块图中示出。
在功能块10至14中映射用于动态预控制壁膜燃料质量流的壁膜模型。优选地，位于壁膜10中的燃料质量存储在发动机控制设备中的取决于发动机转速neng和发动机温度tmot的相应的特征曲线族10中。特征曲线族10的输入变量不限于所示的变量，可以考虑附加的或其他的边界条件，例如发动机的进气道2中的压力和/或温度。
功能块11描述具有滤波器时间常数τwf的滤波器传递函数，滤波器时间常数借助于壁膜燃料质量的时间导数计算壁膜燃料质量流。如此计算的壁膜燃料质量流随后被分成快速流入气缸中的份额和显著延迟地流入气缸中的份额。这经由两个并联的功能块12和13实现，这些功能块具有带有慢时间常数τslow和快时间常数τfast的滤波器传递函数。
因为除了壁膜行为与发动机转速和发动机温度的上述相关性之外，在燃料质量流中还可以存在其他的相关性(例如，进入或离开壁膜的质量流的方向相关性)，所以由功能块12和13产生的燃料质量流在此有利地借助于乘法器14再乘以校正因子fcorr。
块10至14通常没有针对具体的发动机单独参数化，使得所确定的第二壁膜燃料质量流不(总是)最佳的。
因此，所确定的第二壁膜燃料质量流现在有利地随后与适应因子fcorr,adp相乘，适应因子在功能块30中尤其从所测量并经时间适配的空燃比λcorr中求出。从乘法器15处的这种乘法中产生第一(正或负)壁膜燃料质量流/>第一壁膜燃料质量流在加法点20处被加至燃料质量流/>
在功能块30中，尤其还同样使用第一壁膜燃料质量流计算适应因子fcorr,adp，然而其计算方式与15中不同。第一壁膜燃料质量流/>可以根据例如等式(2)计算，并且适应因子fcorr,adp可以例如根据等式(4)计算。适应因子fcorr,adp也可以优选地借助递归的最小二乘估计器来确定，由此增加了计算的数值稳定性。
为了能够执行根据等式(2)和(4)的计算步骤，功能块30获得所测量并经时间适配的空气比λcorr、空气质量流燃料质量流/>和从壁膜模型中求出的、经滤波的壁膜质量流/>作为输入变量。
在功能块23中示出的并在等式(3)中描述的滤波器传递函数用于将所测量的空燃比λsens随时间适配于在气缸中存在的空燃比λ。滤波器传递函数产生经时间适配的空气比λcorr，该经时间适配的空气比在功能块30中用于根据等式(2)计算第一壁膜燃料质量流
从功能块22和23的比较中显而易见的是：在功能块23中示出的滤波器传递函数包含所测量的空燃比λsens的在功能块22中示出的时间延迟的倒数。附加地，传递函数23在分母中具有带有预定的时间常数τflt的另一滤波函数。
在功能块16中将时间常数τflt以相同的方式用于对第一壁膜燃料质量流进行滤波，使得输入变量/>和λcorr时间同步地进入功能块30中，该功能块具有适应因子fcorr,adp作为输出变量。
借助于在功能块30中例如根据等式(2)和(4)计算出的适应因子，可以在车辆运行中将壁膜燃料质量流连续适配于实际发动机条件。借此，在负载切换过程期间也可以可靠地保持化学计量的空燃比，进而可以可靠地使瞬态的混合偏差最小化。

Claims (11)

1.一种用于适配要喷入到内燃机中的燃料质量的方法，其中所述内燃机包括进气道(2)、至少一个气缸(1)和排气道(9)，所述方法包括如下步骤：
求出引入所述内燃机的所述至少一个气缸(1)中的空气质量
确定要喷入所述内燃机的所述至少一个气缸(1)中的燃料质量
确定所述内燃机的所述排气道(9)中的空燃比(λsens)，
随时间适配所确定的空燃比，以获得经时间适配的空燃比(λcorr)；
根据所述经时间适配的空燃比(λcorr)、所求出的引入的空气质量和所确定的要引入的燃料质量/>确定第一壁膜燃料质量/>和
基于所计算的第一壁膜燃料质量适配要喷入的燃料质量/>
2.根据权利要求1所述的方法，其中根据所述排气道(9)的模型来求出所确定的空燃比(λsens)的随时间的适配。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所确定的空燃比(λsens)的随时间的适配包括：通过所述排气道(9)引起的死区时间和通过所述确定引起的时间延迟。
4.根据权利要求3所述的方法，其中借助于预定的特征数据适配所述死区时间和/或借助于滤波器传递函数适配所述时间延迟。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中基于所计算的第一壁膜燃料质量适配要喷入的燃料质量包括：从所述第一壁膜燃料质量/>和第二壁膜燃料质量中确定适应因子(fcorr,adp)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中从壁膜模型中确定所述第二壁膜燃料质量
7.根据权利要求6所述的方法，其中为了求出所述适应因子，使用最小二乘估计器。
8.一种计算单元(3)，所述计算单元被设计用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的所有方法步骤。
9.一种内燃机，包括进气道(2)、至少一个气缸(1)、排气道(9)和根据权利要求8所述的计算单元(3)。
10.一种计算机程序，当所述计算机程序在计算单元上执行时，所述计算机程序促使所述计算单元执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的所有方法步骤。
11.一种机器可读存储介质，具有存储在所述机器可读存储介质上的根据权利要求10所述的计算机程序。
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