CN1423728A - 控制内燃机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在一种控制内燃机的方法和装置中,根据司机要求的希望扭矩,在一个假设的燃料喷射的额定效率的基础上测得一个用于产生希望扭矩所需的要被喷射的额定燃料量,并且随后对该额定燃料量进行修正,以便在考虑内燃机的实际的、所谓的相对效率的情况下计算出一个实际要向内燃机计量配给的燃料量。考虑在一种效率模型中计算的相对效率,可以在很大的程度上防止当内燃机的工作模式改变时发生扭矩跳变。

Description

控制内燃机的方法和装置

本发明涉及一种按照独立权利要求的前序部分所述的用于控制内燃机，尤其是控制一种具有燃料直接喷射系统的奥托发动机的方法和装置。

在例如减少燃料消耗和有害物质的排放以及无故障运行方面，人们对现代内燃机提出了越来越高的要求。而且这些要求应该在内燃机的任何负荷状态下以及在不同负荷状态之间发生变化时都能得到满足。各种不同的负荷状态是在考虑由一个具有内燃机的汽车的司机希望的、要求降低或提高由内燃机提供的扭矩的情况下，主要由实际的行驶状况产生的。

在此处所考虑的类型的控制装置中，求得一个与司机要求相符的希望扭矩或扭矩理论值是基于至少一个可以被司机操纵的操作部件的位置实现的，该操作部件通常是加速踏板。在具有奥托发动机的汽车中，该扭矩理论值被转换成一个节气门的理论开度，对于带有电子式发动机功率控制装置(EGas)的汽车来说，上述转换是通过电动的节气门调节实现的。此外，在可能的情况下，除了要调节的点火角或喷射角外，还要例如通过计算求得产生希望扭矩所需的、要向内燃机计量配给的燃料量。然后通过向内燃机计量配给所求得的燃料量和在可能的情况下通过相应调节点火角或喷射角和/或其它控制参数产生一个与希望扭矩相符的扭矩。最好是通过燃料喷射，尤其是通过向内燃机燃烧室中的直接喷射实现燃料的计量配给。

在常规的控制装置中，由内燃机吸入的空气或一个代表该吸入空气的空气量信号或空气质量信号用作确定要计量配给的燃料量的指示参数。一个空气测量器将有关吸入的空气量的信息发送给控制装置。其它测量器或传感器检测所有其它对燃料配给所必需的数据并将这些数据传给控制装置，尤其是有关内燃机的转速和负荷状态的数据。从这些输入参数中求得尤其是要喷射的燃料量或喷射时间、在可能的情况下要调节的点火角和/或要计量配给的空气充填量的最佳参数。这些控制参数与输入参数的匹配在现代控制装置中是通过控制装置的相应的发动机综合特性曲线实现的。

除了控制燃料-空气混合物的量以外，为了与内燃机的各种工况相适应，必须精确控制混合物的成分，亦即控制燃料-空气混合物中燃料的增富情况。燃料-空气的混合比例公知地是以过量空气系数λ为特征的，即它表示供入的空气量和完全燃烧所需的理论空气量之间的比。其中λ＝1对应于一个理想值(均匀混合物)，值λ＜1对应于一种空气不足或一种浓混合物的情况，并且例如在发动机起动时和在全负荷范围中被调节，值λ＞1对应于一种空气过量或一种稀混合物的情况，如在部分负荷范围中为了达到一种尤其经济的运行时所追求的那样。

在具有燃料直接喷射系统的现代内燃机中，基于各种不同的发动机综合特性曲线，求出一个与负荷状态相匹配的要计量配给的燃料量，其中每个发动机综合特性曲线对应一个特定的工作模式。选择作为工作模式的例如有一种采用极稀的、仅在火花塞附近才能点燃的混合物的分层工作模式，一种采用空气过量的均匀稀燃的工作模式(经济行驶)和一种均匀工作模式(λ＝1)。在这些工作模式之间，依据司机的要求和实际的驾驶情况进行转换。这种转换可能导致内燃机发出的扭矩的跳变，它使得在驾驶操纵中可以觉察到干扰性的冲击。

本发明的任务是避免现有技术的缺陷。尤其是使带燃料直接喷射系统的内燃机在工作模式转换时可以无冲击地运行。

为了解决该任务，本发明提出了一种具有权利要求1的特征的方法以及一种具有权利要求7的特征的装置。各项从属权利要求中给出了一些优选的具体方案。所有权利要求的全文将通过参引作为说明书的内容。

根据本发明，在这种方法中，在求出要计量配给的、尤其是要喷射的燃料量时，要实施多个步骤。其中作为指示参数的不是象目前那样采用被吸入的空气量，而是将燃料计量配给的效率用作确定正确的燃料计量配给量的指示参数。首先，作为针对由司机要求而产生的扭矩需要的反映，基于一个假设的或者预先设定的额定效率，求出一个与该效率相符的额定燃料量或者一个代表该额定燃料量的数值。术语“效率”在本申请中的意义表示这样的效率，即通过该效率将一个例如通过喷射计量配给的燃料量转换成一个由内燃机根据该燃料量所产生的扭矩。应该理解，该效率不仅取决于计量配给的燃料量，而且尤其取决于在一个工作过程中燃料量计量配给的时刻和实际的混合物成分。该可以作为无量纲值出现的效率依据工作点的不同而变化。该额定效率构成一个原始值，它对应于一个假定的工作模式，例如对应于所述的λ＝1的均匀工作模式。对于定义工作模式(工况)的其它影响参数同样可以假定一些额定值或最佳值。在输入参数(希望扭矩)和该求出的输出参数(额定燃料量或相应的信号)之间的匹配可以在一个用于该基准工作模式的一个基础发动机综合特性曲线中实施。

此外，在本发明的方法中，根据内燃机实际的运行条件求出一种所谓的相对效率η。该相对效率η的求出可以与测得由司机要求而导致的扭矩需求的同时或基本同时地进行。在求出实际效率或相对效率η时，尤其可以考虑由相应的传感器探测的喷射角或点火角的实际值、废气再循环的实际值和/或通过节流和/或进气调节的吸入的新鲜空气质量的实际值。该相对效率本身常常会与额定效率不同，但是当实际的工作模式与这样的一种工作模式相符时，即这种工作模式作为计算额定效率的基础时，相对效率也可以与额定效率相同。

在求出的相对效率η的基础上，对额定燃料量的值进行一种修正，以便求出实际要计量配给的燃料量。实际要计量配给的燃料量一般与作为计算数量给出的额定燃料量是不同的，但是当相对效率与作为基础的、假定的额定效率相符时，它也可以与额定燃料量是相同的，

因此，按照本发明，在作为基础的额定运行中的效率的偏差将由一种“相对效率模型”进行计算并利用一个修正函数对该效率偏差进行考虑。在适当选择用于计算额定效率的基础工作模式的情况下，可以使额定效率和相对效率之间的偏差相当小并且例如最大可以小于额定效率的20％至25％。由此在效率模型中计算相对效率η时可能存在或出现的错误，对计算出的、在作为第一近似值的额定燃料量和与实际的工作模式较好匹配的、实际要计量配给的“理想”燃料量之间的燃料计量配给的变化只有相当小的影响。

本发明的相对效率η的模型化和在燃料计量配给时对该相对效率η的考虑具有这样特别的结果，即在各种工作模式之间进行转换时保证了扭矩的连续性和避免了扭矩跳变。亦即使内燃机的工作模式(燃料-空气比，喷射角或点火角)的转换受到燃烧过程方面的限定时。本发明也可以实现连续地或无级地、基本上无冲击地提供或准备所要求的扭矩。

在与求出实际要计量配给的燃料量的同时或基本同时，可以依据所要求的内燃机工作模式，按照预先给定的发动机综合特性曲线，控制喷射角或点火角的、废气再循环和/或通过节流和/或进气调节的吸入的新鲜空气质量的和可能的其它参数的理论值。此时空气质量可以保持相对不变。

在现代控制装置中，经常由于燃烧方法的原因或废气后处理的原因，在内燃机的一个工作冲程中除了燃料的一个主计量配给外，还至少附加地进行燃料的一个副计量配给。例如可以采用一种二次喷射，以便为了改善废气后处理而提高废气温度。本发明的具体方案对于这种情况设定，对用于求出每个燃料计量配给(主计量配给、副计量配给)的相对效率的值是分开进行的，并且在从求出的主燃料量中求出实际要计量配给的燃料量时，对至少与一个副计量配给相符的、求出的要计量配给的副燃料量进行考虑。该措施考虑到例如在不同的点火角时用于燃料计量配给的效率的计量基础是不同的情况。一个预先喷射和/或二次喷射的评价效率的喷射量可以从求出的主喷射量中减去，以便使要产生的扭矩总体上不改变并且保持在希望扭矩值上。

在一个控制装置中，为了使行驶性能与行驶动力相匹配，可以设置一些措施，以便例如执行一种冲击缓冲和/或一种负荷冲击缓冲。因此在一个具体方案中规定，在求出要计量配给的燃料量之前，根据与行驶性能相匹配的参数，对从操纵部件位置导出的希望扭矩进行修正，由此可以改变用于所述的效率优化的燃料量计量配给计算的输入参数。

而且对外部扭矩的作用，例如它们是由一个加速防侧滑控制装置(ASR)、一个发动机牵引力矩调节装置(MSR)或其它的牵引系统作用的，可以以合适的方式在根据效率求出要计量配给的燃料量之前加以考虑。因此例如可以在一个加速防侧滑控制装置作用时对对应于一个扭矩的、用于效率优化的燃料量计量配给的输入参数进行修正，以便与表达的司机要求相偏离地、以这样一种方式产生扭矩，即考虑了滑动的情况。

在一个具体方案中设定，在为燃烧提供的、可以通过合适的传感器测得的空气质量的基础上，求出一个用于一个基本上无烟燃烧的、最大允许的、要计量配给的最大燃料量，并且将实际要计量配给的燃料量限制在该最大燃料量上。该适用于烟气限制的措施可以考虑一些动态影响，这些动态影响例如由此产生，即在一种行驶情况下，短时间地将不充足的空气提供给为了产生希望扭矩所需要的燃烧。由此可以使内燃机有害物质的排放即使在极端情况下也达到最少。在激活烟气限制时，实际喷射的燃料量可以小于基于效率模型求出的、对应于司机要求的燃料量。

通过本发明尤其可以避免所述的带有直接喷射系统的奥托发动机在运行时的缺陷。但是，本发明也可以以有利的方式应用于其它种类的燃料计量配给，尤其是进气管喷射的情况。在将喷射的效率作为限制参数的本发明的方法也可以用于柴油内燃机。

上述特征和其它特征除了可从说明书中得到外，也可从权利要求书和附图中得到。在附图中示出了本发明的一个实施形式并在下面对其进行详细说明。附图所示为：

图1是按照一种框图形式的流程图，用于说明一个本发明的用于控制内燃机的方法的优选实施形式。

  在图1中示意地示出了一个电子控制单元1的一个局部，该控制单元1用于控制一个带有燃料直接喷射系统的奥托发动机结构的内燃机。该控制单元有一个未示出的输入电路、至少一个用于处理数据信号的微型计算机和一个未示出的输出电路，其中这些部件通过一种合适的通信连接相互连接起来，用于相互间的数据交换。在输入电路上连接了未示出的、通向各个测量装置的输入电路，以便将所有用于实现最佳燃烧过程所需的参数以合适的信号的形式输入到控制装置中，以进行计算。在输入电路上尤其连接一个用于检测发动机转速的测量装置、一个用于检测供入内燃机的新鲜空气量的测量装置和一个用于检测内燃机节气门开度的测量装置。通过其它未示出的测量装置可以将内燃机和/或汽车的其它运行参数的信号输入到输入电路中，这些用于控制内燃机的参数将被计算。这种运行参数例如是进气温度、环境压力、进气管压力、废气成分或类似参数。一个示意示出的连接的测量装置2用于检测加速踏板的位置，用于将一个信号输入到控制单元，该信号代表了司机的要求，亦即司机对内燃机的瞬时扭矩的减小或增大的要求。

通过输出电路，控制单元发出用于控制内燃机功率的输出信号。利用这些输出信号控制尤其是通过一个喷射时间表示的燃料计量配给的量、点火时刻或点火角和通过调节内燃机的节气门控制内燃机的进气。

为了求出燃料量的计量配给，在一个优选的实施形式中，采用一个对照图1详细说明的本发明的燃料量计量装置3，该装置与控制单元1结合成一体。为简明起见，该燃料量计量装置的工作方式将以一个流程图的形式示出。实现本发明的控制方法在优选的实施形式中是作为控制单元的一个微型计算机的程序完成的。在图1中示出的部件由此代表了这样一种实现的程序、程序部分或者程序步骤以及相应的信号线的线路。

在控制系统的工作中设定，至少基于通过测量装置2(例如油门踏板量传感器)检测的加速踏板的位置和实际的发动机转速，预先给定一个内燃机扭矩的理论值。为了引出一个对应于希望扭矩或扭矩理论值的信号，在所示的实施形式中，设有一个第一发动机综合特性曲线4，该特性曲线4也称为行驶性能特性曲线，并且从加速踏板位置的信号和发动机转速的信号求出与这些值相符的理论扭矩或希望扭矩并且发出一个相应的信号D1。

如果在汽车上有用于动态地影响驾驶性能的装置，例如一个冲击缓冲装置，一个变速器控制装置和/或其它在传动系统中的装置，就可以在一个第二发动机综合特性曲线5中从相应的测量值或控制参数中求出它对希望扭矩的影响，并且为了产生一个相对于信号D1的可能时被修改的信号D2，在第二发动机综合特性曲线5的输出上对这些影响进行修改。

如果具有内燃机的汽车具有这样的装置，即该装置与司机的要求相偏离地改变由内燃机要求的扭矩(所谓的外部扭矩作用，例如加速防侧滑控制(ASR)、发动机牵引力矩调节(MSR)，则一个希望扭矩信号D2根据该作用在信号处理装置的合适位置6处被修改成一个希望扭矩信号D3，该信号D3考虑了外部扭矩作用。

该对应于可能时被修改的希望扭矩的信号D3，用作燃料量计量装置3的一个第一装置10的一个输入信号。该第一装置10根据一个假设的和通过相应的程序化预定的燃料量计量配给的额定效率，从代表一个扭矩需求的输入信号D3中求出一个额定燃料量的值，该额定燃料量在假设的额定效率下将产生对应于输入的希望扭矩的扭矩。一个代表该额定燃料量的第一信号K1被发出。该第一装置10最好包括一个发动机综合特性曲线，该发动机综合特性曲线可以用于计算例如内燃机的一个均匀运行的(过量空气系数λ＝1)和一个合适的额定点火角的额定效率。作为计算基础也可以采用λ＜1或λ＞1的工作模式。

由于在内燃机运行时一般经常发生不同工作模式之间的交替转换，因此基于第一信号K1的一个燃料喷射仅在一定的情况下导致产生实际的司机要求的扭矩，而在一些情况下，实际的工作模式与作为基础的额定工作模式是偏离的，由此产生错误的燃料量，从而产生错误的扭矩。

为了避免或减小这种与司机要求不同的偏差，燃料量计量装置具有一个第二装置11，该装置在至少一个表示内燃机实际运行条件的运行信号作为确定燃料量的原始值的基础上计算一个所谓的“相对效率”η并且发出一个表示相对效率η的第二信号K2。该相对效率η此时是在一个合适的效率模型中从存在于控制单元中的测量和控制参数中求出的。尤其是喷射角或点火角、废气再循环率、过量空气系数λ以及进气压力和/或进气管压力的实际的实际值作为计算的基础，这些值对应于通过节流和/或增压调节的吸入的新鲜空气量并且是通过实际的节气门开度共同确定的。最好是经常地，例如以每几个微秒的间隔来求得实际的相对效率。

对于在工作模式之间进行转换时所希望的扭矩连续性，现在关键的是，对根据在实际运行条件下可以通过这些燃料量，即在一个假设的额定效率的基础上求出的、要喷射的燃料量(通过第一信号K1表示)实际获得的扭矩进行检测和在可能时进行修正。为此设置一个修正装置12，用于在第二信号K2的基础上修正第一信号K1和产生一个代表实际要计量配给的燃料量的真实的燃料量信号K3。在一个发动机综合特性曲线12中，根据为一个额定运行而计算的额定燃料量(信号K1)和相对效率η(信号K2)确定一个对应于实际要喷射的燃料量的燃料量信号K3。这在与作为基础的额定工作模式(通常λ＝1)相偏离的工作模式中导致一个与因数1不同的修正因数，该修正因数在由(假设的)额定燃料量计算实际要喷射的燃料量时被考虑。效率模型以这样的方式负责产生的扭矩在一个工作模式转换之前和之后基本上是相同的，由此可以防止扭矩跳变。

已经表明，这个与假设的额定效率和效率模型有关的修正因数一般在大约0.8和大约1.2之间。相对效率的模型化和在计算喷射量时对它的考虑由此一般导致与额定燃料量的偏差不大于20-25％。这意味着本发明的方法相对于在效率模型中考虑基本假设和相应的计算算法以及在以测量作为基础的原始值(例如点火角、进气压力或类似参数)时可能出现的错误是相对不敏感的。

因此当在常规的控制装置中一个被检测的空气质量信号(或者空气量信号)在控制内燃机时用作计算燃料量、点火时刻等的指示参数时，在本发明的方法中则是这样的，作为指示参数，一个喷射的效率在给定的运行条件下被用作极限给定参数和指示量，并且用于求出实际要计量配给的燃料量。

为了进一步改善有害物质的排放，在对照图1所说明的实施形式中，还设置了一个装置13，用于利用一个相应的发动机综合特性曲线进行烟气限制。该装置在通过一个合适的测量装置测得的、为燃烧实际提供的空气量的基础上求出一个用于基本上无烟燃烧的最大允许的、要计量配给的最大燃料量。将该最大燃料量与通过信号K3表示的、根据效率计算求得的、效率优化的燃料量进行比较。在效率优化的要计量配给的燃料量(信号K3)大于最大燃料量的情况下，将有一个对应于该最大燃料量的信号S4被读出或发出，否则保留信号S3。由此可以考虑动态影响，如例如由于短时间的空气不足可能出现的动态影响。

燃料量计量装置的代表特定的要喷射的燃料量的输出信号最后用作另一个发动机综合特性曲线14的输入信号，它依据要求的燃料量计算与该燃料量相符的喷射时间Ti。

在举例说明的用于控制内燃机的方法和相应的装置中，由此设定，从一个针对司机要求的希望扭矩出发，基于一个假定的燃料喷射的额定效率，求出一个用于产生希望扭矩所需要的、要喷射的额定燃料量，并且接着对该燃料量进行修正，以便在考虑内燃机的实际的、所谓的相对效率下计算一个实际要给内燃机计量配给的燃料量。考虑在一个效率模型中计算的相对效率的作用是，可以在很大程度上防止在内燃机的工作模式之间进行转换时的扭矩跳变。

Claims (7)

1.用于控制一种内燃机、尤其是一种带有燃料直接喷射系统的奥托发动机的方法，该方法包括以下步骤：

根据至少一个可以由司机操纵的操作部件的位置求出一个希望扭矩；

求出一个产生希望扭矩所需的、要向内燃机计量配给的燃料量；

通过向内燃机计量配给该求出的燃料量而产生一个与希望扭矩相符的内燃机扭矩；

其特征在于，求出要计量配给的燃料量包括以下步骤：

根据一个预先给定的额定效率，求出一个额定燃料量；

根据内燃机的实际的工作条件，求出一个相对效率；

通过相对效率修正额定燃料量，以求出一个实际要计量配给的燃料量。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在内燃机的一个工作冲程期间，除了进行燃料的一个主计量配给以外，还至少附加地进行燃料的一个副计量配给，每个计量配给的相对效率的求出是分开进行的，并且在从求出的主燃料量中求出实际要计量配给的燃料量时，尤其是通过从主燃料量中减去副燃料量时，考虑至少与一个副计量配给相符的、要计量配给的副燃料量。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在根据效率求出要计量配给的燃料量之前，根据影响驾驶性能的参数对希望扭矩进行修正。

4.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在根据效率求出要计量配给的燃料量之前，根据至少一个外部扭矩作用参数对希望扭矩进行修正，其中一个扭矩作用参数尤其由一个加速防侧滑控制装置和/或一个发动机牵引力矩调节装置提供。

5.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据为了燃烧而提供的空气量，求出一个用于基本上无烟燃烧的最大允许的、要计量配给的最大燃料量，并且将实际要计量配给的燃料量限制为该最大燃料量。

6.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过将燃料量直接喷射到内燃机的一个燃烧室中对实际要计量配给的燃料量进行计量配给和/或该内燃机是一种奥托发动机。

7.用于控制一种内燃机、尤其是一种带有燃料直接喷射系统的奥托发动机的装置，该装置包括一个电子控制单元，该控制单元具有至少一个用于求出一个产生一个希望扭矩所需的、要向内燃机实际计量配给的燃料量的燃料量计量装置，其中，该希望扭矩至少根据至少一个可以由一个司机操纵的操作部件的位置求出，其特征在于，该燃料量计量装置(3)具有一个第一装置(10)，该第一装置(10)用于根据一个预先给定的额定效率求出一个额定燃料量并发出至少一个代表该额定燃料量的第一信号(K1)；一个第二装置(11)，该第二装置(11)用于根据至少一个代表内燃机的实际的工作条件的工作信号求出一个相对效率并发出一个代表该相对效率的第二信号(K2)；和一个修正装置(12)，该修正装置(12)用于根据第二信号(K2)修正第一信号(K1)和用于产生一个代表实际要计量配给的燃料量的燃料量信号(K3)。