CN1514124A - 调节或控制在循环过程中工作的内燃机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用一计算模型来调节或控制内部燃烧的在一循环过程(20；30)内工作的内燃机(1)的方法，采用该模型内燃机(1)的循环过程(20；30)或循环过程(20；30)长度被细分成多个部分过程(21至28；31至38)，而且，在每一部分过程(21至28；31至38)内根据测量值确定储存和/或应用的数据，以求得内燃机运行的可调参数。用于各个部分过程(21至28；31至38)的计算模型从至少部分地不相同的假定出发，和/或具有不同的简化。部分过程(21至28；31至38)的时间限至少部分地根据至少一个可变的发动机运行参数进行计算。由此，可十分简单和快捷，并可足够精确地确定内燃机(1)的运行状态，以便也能应用连续运行中可供使用的电子控制单元来获得适用于内燃机(1)调节或控制的可调参数。

Description

调节或控制在循环过程中工作的内燃机的方法

技术领域

本发明涉及一种应用一计算模型来调节或控制内部燃烧的在循环过程中工作的内燃机的方法，采用该模型内燃机的循环过程或循环过程的长度细分成多个部分过程，而且，在每一部分过程内根据测量值确定储存和/或应用的数据，以求得内燃机运行的可调参数。

背景技术

近年来，内燃机引入诸如涡轮增压器、废气再循环、多次喷油，和/或部分变化/全变化的阀门控制的技术革新，对于可供使用的可调参数的控制数量明显地提高。由可调参数组合得出的各种可能性一般来说非常复杂，采用诸如中间值模型或基于特性曲线族的模型的传统的整体估算不能充分地予以掌握。

涉及燃耗、排放和行驶特性的高要求的现代内燃机要求有调节控制的概念，不掌握发动机的实际状态，则该控制概念是不可行的。因为控制所需的许多值不能或只有通过应用昂贵(即，不适用于系列生产)的传感器才能测得，所以，迫切需要应用新颖的计算模型。

发动机控制内的计算容量非常受限制，由此，产生对这种计算模型实时性(Echtzeitfahigkeit)的要求。

目前可供采用的用于内燃机运行状态计算的方法不能满足或只能不尽人意地满足对现代控制概念的要求。所应用的计算方法可分成三组：

—数值方法涉及到对于循环过程(例如，四冲程＝720°曲柄转角)的持续时间内对循环过程的特征关系的数值积分。通过大量的计算耗时，这种类型的方法在系列使用的条件下不能实现实时性。

—气缸压力控制方法，应用由合适的传感器测量和采用合适的热动力学方法估算得到的气缸压力过程，用于实际发动机状态的计算。然而，用于这种方法中的可供的传感器在系列的使用中太昂贵，或只适用于试验状态的使用。

—其它已知方法涉及到基于内燃机确定的配置(Konfiguration)的假定和/或限制。这种类型的模型只针对部分的功能，而不能普遍推广。

发明内容

本发明的任务在于研究一种方法，该方法十分简单和快捷，然而，可足够精确地确定内燃机的运行状态，以便能应用在连续运行中可供使用的电子控制单元(ECU)获得适用于内燃机调节或控制的可调参数。

根据本发明可通过下列手段实现上述任务：用于各个部分过程(Teilprozesse)的计算模型从至少部分地不相同的假定出发，和/或具有不同的简化，以及部分过程的时间限(zeitlichen Grenzen)至少部分地根据至少一个可变的发动机运行参数进行计算。该至少一个可变的发动机运行参数可进行测量，或者(依赖于发动机的运行状态)例如通过电子控制单元(ECU)给出。

本发明的重要性在于：不简单地缩短了实施个别计算所需的时间间隔。部分过程的时间限不固定地与预定的曲柄转角相联系，而取决于预定的发动机运行参数。由此达到的优点在于：特性曲线族控制的内燃机也以合适的方式描绘出变化的阀动装置(Ventiltrieb)、变化的喷油时间点等。在个别的部分过程内可进行合适的简化，这种简化使完整分析性的描述成为可能。然而，这种基于与工作循环的部分范围精确一致简化不会干扰变坏描述的质量。起决定作用的是，在部分过程内运行条件基本上不改变。

例如，当一部分过程描述一吸入冲程的时间段时，该冲程以进气阀的完全打开为起始并在一时间点上结束，此时，进气阀完全关闭，它应用总的部分过程作为对进气截面的中间值的简化，以此，便于描述气体运动模型的建立。此外，对于每一部分过程，为了简化起见假定活塞速度近似为不变。由于这种假定产生的误差将在以后追溯性地予以补偿。

部分过程可由进气和/或排气阀的完全的打开状态、燃烧过程、活塞的运动方向、压缩过程和/或膨胀过程来进行限定。部分过程的时间限可通过控制进气和/或排气阀以及燃烧过程或全部燃烧过程的开始和结束来加以确定。对于求解可实施为每个任意的曲柄转角的计算，逐步地产生以循环过程的任意的交替步骤开始定义的初始状态，其中，在一计算步骤中计算一时间段终结时的运行状态。但同样也可对时间段内的每一曲柄转角求得运行状态。这样，也可获得运行状态的时间过程。

由于通过比较过程描述的关系已经是分析性地，尤其是代数地予以确定，所以，有可能实时地求得每个部分过程的运行状态。

这样，在本发明的另一实施例中，前一个部分过程终结时的运行状态归入到下一个部分过程的初始条件。

归入到运行状态的至少的参数选自下面的组群：转矩、质量流量、气缸的加载状态、废气的能量，以及气缸的热流(Warmestrom)。

根据每次获得的运行状态，至少可从下面的组群中求得发动机运行参数：进气压力、进气温度、吸气管内气体的合成、废气压力、废气温度、废气弯管内废气的合成、阀动装置的参数、燃烧参数及一般的发动机运行参数，以及转数和壁温。但不必测定其中所有的发动机运行参数，因为部分结果也可出自算法而加以应用。为了改善计算方法的精度，可以这样规定：至少一个发动机运行参数由分析法和测量技术予以确定，且计算值以熟悉的方式进行调整，其中，较佳地至少一个发动机参数由质量流量、气缸压力、空气燃料比以及转矩等组成的组群以分析法和测量技术确定。

为了简化计算过程，阀的有效的流量截面较佳地用矩形或阶梯状曲线作近似处理。

通过对循环过程的灵活的划分，本计算方法不与阀动装置的形式(固定的、部分/全部可变的；进气阀和排气阀)相联系。不同的燃烧过程(自燃或外燃；不完全燃烧的数量)只在描绘燃烧的时间段内的计算结果有所区别。计算过程不依赖于内燃机的配置，既不受压力级应用(压缩机、涡轮机等)也不受内部或外部废气再循环装置的不利影响。

本方法还包括一种方法，借助于该方法不需实施积分即可成功地计算各种状态，而这种状态在传统的方法中则需进行数值积分。加载变化或燃烧进行过程通常用时间变化的参数来加以表征(例如，阀升程、燃烧分布、...)。这些随时间变化的参数将通过简化的过程(例如，矩形曲线)作近似处理，由此，可顺利地定义被互相清晰地界定的部分过程。间隔的时限是灵活的，但通过间隔的定义可予先知道。部分过程不再依赖于可调参数的时间分布，即，加载的变化和燃烧的过程，因此，可用分析方法计算求得。

附图说明

下面将根据附图详细地描述本发明。其中：

图1是实施本发明方法的一内燃机的示意图；

图2是根据本发明的方法的第一实施例；

图3是根据本发明的方法的第二实施例；以及

图4是阀升程的曲线图。

具体实施方式

实例：用于可变化阀动装置的充气模型(Fullungsmodel)

采用以下假定和简化方法：

—观察进气冲程；排气口的气体状态是初始条件(也可采用排气冲程)

—对于任意的曲柄转角(也即其运动过程)，根据阀控制时间和实际的发动机运行点(转数、壁温)计算加载状态(总质量、温度、合成、压力)

—通过矩形/阶梯状曲线近似有效的阀截面

—分别处理具有进气/排气阀的不同的开/合配置时间段

—每一时间段可在一计算步骤内由运行参数和前一个时间段的结束状态进行计算

—时间段内的中间值模型(Mittelwertmodel)(在一时间段内不进行积分)

该方法涉及对于一气缸的焓的时间变化的微分方程：

dH_cyl/dt＝Q^* _wall+V_cyl d_pcyl/dt+∑H^* ₁(1)

或者，根据变换可得到：

dP_cyl/dt＝1/V_cyl(-kp_cyl dV_cyl/dt+(k-1)Q^* _wall+kR∑T₁ m^* ₁)    (2)

在简化的情形中，可得出：

首先引入下面的简化式：

—衡量活塞速度：dV_cyl/dt＝A_o c_m(3)

—质量流量的线性项(Linearer Ansatz)：m^* ₁＝k_T，1(p-p_cyl)(4)

—热流的线性项：Q^* _wall＝k_w A_cyl p_cyl(5)

代入后可得：

d p_cyl/dt＝p_cyl/V_cy1(-kA_oc_m+(k-1)k_wA_cyl-kR∑T₁k_T，1)+kR/V_cyl∑p₁T₁k_T，1(6)

式中：

H_cyl     气缸焓

Q^* _wall   壁热流(Wandwarmestrom)

V_cyl     气缸容积

H^* ₁     经i阀的焓流(Enthalplestrom)

k         等熵指数

R         气体常数

T₁       经i阀流入的气体的温度

A_o       活塞面积

c_m       活塞平均速度

p_cyl      气缸压力

k_w       热传导系数

k_T，1     线性因子

m^* ₁      经i阀的质量流(Massenstrom)

简化P的微分方程的解是：

p_cyl＝(p_cyl，0 -p_∞)(V_cyl/V_cyl，0)^k～+p_∞(7)

其中：p_∞＝-(kR)/(k～A_oc_m)∑p₁T₁k_T，1(8)

k^～＝-k+(k-1)(k_wA_cyl)/(c_mA_o)-(kR)/(c_mA_o)∑T₁k_T，1    (9)

气缸压力的解由两部分组成：

—恒定压力(维持质量流量的低压)

—初始条件偏移的‘多变量’

对于通过气缸(2)的总的空气质量m_cyl的解，可借助于方程(4)的积分求得

m_cyl＝∫∑m^* ₁dt＝∫∑k_T，1(p₁-p_cyl)dt(10)

对于其导数，应用简化方法，它偏离实际的系统特性，由此，必须逆转地进行修正：

—恒定的活塞速度

—线性的节流平衡(Drosselgleichung)

修正的啮合点可根据近似解与对应的简单的微分方程的数值解比较而进行定义。

i)实际的活塞速度(对于线性的节流平衡)

如果在上面给出的求解方程(7)中，实际的活塞速度代替活塞的平均速度c_m，则对于低转数的数值解可以相当精确地作近似处理。一般来说，当然，会产生依赖于转数进行修正(drehzahlabhangigen Korrektur)的必要性，该修正模仿由活塞速度的时间变化造成的延迟(Verzogerung)。

ii)节流平衡(对于恒定的活塞速度)

按照线性化的规程k_T，1，对于节流平衡(4)产生不同的对于保持质量流量所必要的压差。同样体积下的不同的压力导致空气质量的偏差。可借助于对线性化情形计算得到的压差进行换算的规程进行修正。

图4举例地示出有效的阀截面如何通过一平均阀截面作近似处理。由此，有效的阀升程H通过一矩形等面积的升程曲线H_m作近似处理。作为部分过程的起点和终点例如可定义为时间点t₁和t₂，在该时间点上气体交换阀(Gaswechselventil)的阀升程H是总的升程的10％。

图1中示意地示出的内燃机1具有一为实施本方法在气缸2内往复运动的活塞3，该活塞与一燃烧室4接界，至少一进气通道5和至少一排气通道6汇合在该燃烧室。进气通道5经一进气阀7，排气通道6经一排气阀8而受到控制。直接汇合在燃烧室4内的是用来喷油的喷油装置9。一点火装置还可被代用或附加于喷油装置9，汇合在燃烧室4内。标号″10″表示压缩机部分，标号″11″表示废气涡轮增压器的涡轮机部分。在吸入管12内装有一节流装置13。在涡轮机11的下游设置有一在排气管段14内的废气净化装置15。涡轮机11的上游从排气管段14分支出一废气返回装置17的废气返回引导管16，并在压缩机10和节流装置13的下游汇合到吸入管12内。标号″18″表示一废气返回阀。

废气返回装置17、压缩机10、节流装置13、涡轮机11和废气净化装置15，这些可选部件的布置的变化对于计算过程没有影响。

在吸入管12内，测量压力p_L、温度T_L和/或吸入气体的混合。在排气管段14的排气弯头内，测量压力p_A、温度T_A和/或排出气体的混合。此外，获得进气阀7和排气阀8的阀动装置的参数，也就是说控制时间、进气阀7和排气阀的有效流动截面(作为阀升程曲线的函数)。还需确定燃烧的参数，即，控制时间(喷油时间点、点火时间点)以及燃料量。此外，还获取一般的发动机运行参数，例如发动机转数n和气缸壁温度T_w。有些运行参数可通过计算确定，这样，并不是所有的运行参数真正必须进行测量。不要求测量气缸压力p_cyl。内燃机1的运行状态用转矩、质量流量、气缸的加载状态(空气质量、压力、温度和混合)、废气的能量含量以及壁热流等运行参数描绘。

根据该方法，为了计算内燃机1的循环过程，通过简化后的关系，循环过程分为上述的部分过程21至28、31至38，并根据各部分过程1至28、31至38的初始状态和运行参数，用分析的方法计算部分过程21至28、31至38内的每一状态。用逐步预先求得的诸积分的组合来代替总的循环过程的数值积分。

计算模型从不同的假定出发和/或具有不同的简化方法。部分过程21至28、31至38的时间限根据至少一个测得的发动机参数进行计算。根据进气/排气阀7、8的位置以及不完全燃烧的顺序，适当地给出部分过程21至28、31至38的合适的定义。由此，得出如下的可能性：进气阀7和/或排气阀8打开，或多个进气/排气阀7、8同时打开；一个燃烧或多个燃烧重叠；被封闭在气缸内的气体的压缩/膨胀。

图2示意地示出带有内部废气返回和一次燃烧的四冲程内燃机的一个分成多个部分过程21至28的循环过程20的第一实施例。部分过程21至28通过下列过程来表征：燃烧过程B、膨胀过程E、排气阀8的打开过程O、进气阀7和排气阀8的重叠过程OI、进气阀7的打开I和燃烧室4内气体的压缩C。图2中示出的循环过程20具有在进气阶段I与压缩阶段C之间通过排气阀8的再次打开而实现的剩余气体的返回。

图3示出带有固定的阀动装置的四冲程内燃机的一个分成多个部分过程31至38的循环过程30的第二实施例。循环30在此情形中具有两个不完全燃烧过程B₁和B₂，其中，在两个不完全燃烧过程B₁与B₂之间部分过程32定义为介于第一燃烧过程B₁与第二燃烧过程B₂之间的重叠阶段B_1，2。

根据本发明的方法可在不同的配置或燃烧工艺中作为物理的充气模型，例如，既可在标准的阀动装置，也可在部分变化或全变化的阀动装置，以及在不同的燃烧模型中应用。此外，模型还可用于求得吸入管12内的气体状态以及排气管段14内的气体状态。所述模型可单独地或互相组合地应用。

在本方法的范围内，也可通过针对阀控制时间的变化来调节气体的状态。

此外，通过针对其余气体部分和/或燃烧参数的变化，鉴于CO₂、NO_x、颗粒等的情况，可调节燃烧和废气的混合。

如果调整计算的参数和测量的参数，则基本上可提高计算方法的精度。这样，有意义的做法是：将质量流量m_cyl、气缸压力p_cyl、空气/燃料比和转矩的计算值与测量值进行比较和调整。

通过上述的方法可不依赖于内燃机1的配置而以简单的方式实时地求得对于任意的曲柄转角的运行状态。

Claims (27)

1.一种应用一计算模型来调节或控制内部燃烧的循环工作的内燃机(1)的方法，采用该模型内燃机(1)的循环过程(20；30)或循环过程(20；30)的长度被细分成多个部分过程(21至28；31至38)，而且，在每一部分过程(21至28；31至38)内根据测量值确定储存和/或应用的数据，以求得内燃机运行的可调参数，其特征在于，用于各个部分过程(21至28；31至38)的计算模型从至少部分地不相同的假定出发和/或具有不同的简化，以及，部分过程(21至28；31至38)的时间限至少部分地根据至少一个可变的发动机运行参数进行计算。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于各个部分过程(21至28；31至38)的计算模型从一初始状态出发，在部分过程的时间内在一个步骤中用代数方法计算出计算值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个部分过程(21至28；31至38)的至少一个时间限由进气和/或排气阀(7，8)的位置进行定义。

4.如权利要求1至3中任何一项所述的方法，其特征在于，至少一个部分过程(21；31，32，33)由进气和/或排气阀(7，8)的较佳的完全打开状态进行定义。

5.如权利要求1至4中任何一项所述的方法，其特征在于，至少一个部分过程(28，21；38，31，32，33)的至少一个时间限由燃烧过程(B；B₁，B₂)的起始或通过燃料的点火过程进行定义。

6.如权利要求1至5中任何一项所述的方法，其特征在于，至少一个部分过程(28，21；38，31，32，33)的至少一个时间限由燃烧过程(B；B₁，B₂)的结束进行定义。

7.如权利要求1至6中任何一项所述的方法，其特征在于，至少一个部分过程(21；31，32，33)由至少一个燃烧过程(B；B₁，B₁₂，B₂)进行定义。

8.如权利要求1至7中任何一项所述的方法，其特征在于，至少一个部分过程由活塞(3)的运动方向进行定义。

9.如权利要求1至8中任何一项所述的方法，其特征在于，至少一个部分过程的一时间限由活塞(3)的上或下死点进行定义。

10.如权利要求1至9中任何一项所述的方法，其特征在于，至少一个部分过程(28；38)由封闭在气缸(2)内的气体的压缩过程(C)进行定义。

11.如权利要求1至10中任何一项所述的方法，其特征在于，至少一个部分过程(22；34)由封闭在气缸(2)内的气体的膨胀过程(E)进行定义。

12.如权利要求1至11中任何一项所述的方法，其特征在于，实时地计算每个部分过程(21至28；31至38)的计算参数。

13.如权利要求1至12中任何一项所述的方法，其特征在于，部分过程(21至28；31至38)结束时的运行状态用作下一个部分过程(21至28；31至38)的计算的初始条件。

14.如权利要求1至13中任何一项所述的方法，其特征在于，每一个运行状态通过选自下面组群中的至少一个参数进行定义，这些参数是转矩、质量流量(m_cyl)、气缸(2)的加载状态、废气的能量含量以及至少一个气缸(2)的壁热流(Q^× _wall)。

15.如权利要求1至14中任何一项所述的方法，其特征在于，取自下列组群的运行参数被理解为发动机的运行参数，该组群包括进气压力(p_L)、进气温度(T_L)以及在吸入管(12)内的气体的混合。

16.如权利要求1至15中任何一项所述的方法，其特征在于，取自下列组群的运行参数被理解为发动机的运行参数，该组群包括排气压力(p_A)、排气温度(T_A)以及在排气弯头管内的废气的混合。

17.如权利要求1至16中任何一项所述的方法，其特征在于，阀动装置的至少一个参数被理解为发动机的运行参数，即进气和/或排气阀(7，8)的控制时间和/或进气和/或排气阀(7，8)的有效的流通截面。

18.如权利要求1至17中任何一项所述的方法，其特征在于，燃烧的至少一个参数被理解为发动机的运行参数，即喷油控制时间和/或点火时间点和/或喷入的燃料量。

19.如权利要求1至18中任何一项所述的方法，其特征在于，转数(n)和/或气缸壁温度(T_w)被理解为发动机的运行参数。

20.如权利要求1至19中任何一项所述的方法，其特征在于，至少一个发动机的运行参数用分析方法确定。

21.如权利要求1至20中任何一项所述的方法，其特征在于，至少一个发动机的运行参数用测量方法确定。

22.如权利要求20或21所述的方法，其特征在于，至少一个发动机的运行参数用分析方法和测量方法确定，并调整计算值和测量值。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，取自组群质量流量(m_cyl)、气缸压力(p_cyl)、空气燃料比以及转数中的至少一个发动机运行参数用分析方法和测量方法确定。

24.如权利要求17所述的方法，其特征在于，进气和/或排气阀(7，8)的有效的流通截面通过矩形或阶梯状曲线作近似处理。

25.如权利要求17或24所述的方法，其特征在于，进气和/或排气阀(7，8)的有效的流通截面通过一平均的流通截面作近似处理。

26.如权利要求1至25中任何一项所述的方法，其特征在于，为导出用于计算参数的方程(7，10)，在至少一个部分过程内的有效的活塞速度通过一平均活塞速度作近似处理。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，通过选用平均活塞速度的假定产生的误差，在求解计算参数的方程(7，10)中予以补偿。

Images