用于确定内燃机进气的方法和装置 技术水平
本发明涉及用于确定内燃机的进气的方法和装置。本发明可以特别是在车辆技术领域中使用，例如是用于轿车的内燃机中。
通常的内燃机具有一个进气管，由新鲜气体和废气组成的混合气体位于进气管中。在内燃机运行期间，这些混合气体被吸入内燃机汽缸，并且紧接着被压缩和燃烧。流入汽缸里的气体体积、特别是其中的新鲜气体部分必须被确定，以便根据此确定要用来燃烧的燃油量。
DE 32 38 190 C2说明了一种用于控制或者调节内燃机工作特性参数的电子系统。在这里，在转速和进气管内空气流量的基础上确定进气管内的压力或者在转速和压力的基础上确定空气流量。
在申请号为197 13 379.7的专利申请中说明了一种用来确定到达装有增压器的内燃机汽缸中的空气量的装置。这个系统也考虑到了由于进气过程附加出现地物理情况。特别是通过考虑到物理和流动技术的关系来良好地掌握在装有增压器的内燃机进气管内进行的物理过程。
所公知的方法和装置，关于内燃机进气量的确定，统一处理位于进气管内的混合气体。特别是在混合气体中，不能在新鲜气体部分和废气部分之间区分。因此，求出的进气量是有缺陷的。每个冲程进气量的测量数值和目标数值之间的非线性关系以及废气再循环的影响被采取经验方式直接校正。这种校正只是在稳定时是准确的。此外，没有考虑进气和进气管压力之间的可变关系，这种变化关系例如在油箱正在排气或者凸轮调整时出现。
因此，本发明的目的是，提供一种可以克服上述缺点的、用来确定内燃机进气的方法和装置。特别是，这个问题应这样解决，求出充入气体容积中的新鲜空气部分。此外，在所使用的输入端参数方面，本发明应该具有很大的灵活性。另外，按照本发明的方法应该可以稳固而可靠地运行，以及所属的装置在制造、运行和维护方面应该是成本低的。
采用在独立权利要求中公开的方法和装置可以解决这个问题。在从属权利要求中公开了本发明的特别的实施形式。
在说明书的结尾汇总了在下列的说明和权利要求中使用的缩写。
前述问题通过确定具有一个进气管的内燃机的进气的方法来解决，其中，由新鲜气体和废气组成的混合气体位于进气管中，在这里，从进气管流出一个气体质量流量mp_ab，而且在进气管中笼罩着一个进气管—压力(ps)，该方法具有以下步骤：通过进行新鲜气体—质量流量mp_fg的质量平衡求出气体质量流量mp_ab中的新鲜气体部分的分压力ps_fg和通过进行废气—质量流量mp_ag的质量平衡求出气体质量流量mp_ab中的废气部分的分压力ps_ag。在这里，进行质量平衡是指将一般气体方程式
m×R×T＝p×V
对时间求导。因此，对于新鲜气体部分的质量平衡得出：mp_fg＝mp_fg_zu-mp_fg_ab=ddt(m_fg)=ddt(ps_fg×VS×1R×TS)]]>
与此相应，对于废气—部分的质量平衡是：mp_ag＝mp_ag_zu-mp_ag_ab=ddt(m_ag)=ddt(ps_ag×VS×1R×TS)]]>
新鲜气体和废气的这种分开平衡提供的优点是，可以精确地计算充入的新鲜气体容积。通过此，可以有利地精确和可靠的确定要输入的燃油量。这使得内燃机可以不污染环境和节省能源地运行。通过此可以降低内燃机的运行费用和提高内燃机的使用寿命。另外有利的是，在内燃机配置不同时、比如说采用废气循环或者没有废气循环、增压或者不增压等等，也能够精确地确定要输入的燃油量。
在本发明的一个特别的实施形式中，该方法由新鲜气体部分的分压力ps_fg和废气部分的分压力ps_ag的和计算出进气管压力。这个计算通过加法来进行：
ps＝ps_fg+ps_ag
进气管压力ps的这种计算方法提供的优点是，可以借助于计算出的值检验可能附加测量的进气管压力值。另外的优点是，采用这种方式在不用另外增加压力量值传感器的费用情况下也能确定进气管压力。进一步的优点是，采用这种方式在现有的压力量值传感器出现故障时也能确定进气管压力。
本发明的一个特别实施形式，通过使用适当的量值传感器求出进气管压力ps。在这里，作为压力量值传感器，可以考虑使用任意的、商业上流行的压力量值传感器，特别是电阻应变片、薄膜式压力传感器或者是共振的压力传感器。压力可以直接或者间接地通过中间介质来测定。由压力量值传感器提供的信号还可以通过适当的线路布置来处理，比如说可以设置一个温度补偿或者一个偏置—补偿。在使用量值传感器的情况下求出进气管压力ps的优点是，这样可以很精确地确定进气管压力ps。另外的优点是，借助于测量的进气管压力可以检验用分压力计算出的进气管压力，并且在必要情况下修正和校准计算。
本发明的一个特别实施形式，由进气管压力求出气体质量流量mp_ab。这种计算是在考虑到内燃机转速n以及可能存在的内燃机凸轮轴调节NWS的情况下进行的，由此考虑到内部废气循环的修正值p_iagr。因此，特别是可以根据下列方程式确定由进气管流出的气体质量流量mp_ab：
mp_ab＝(ps-p_iagr)×K
在这种情况下，K值涉及到了一个计算常数，泵方程式并且必要情况下根据经验求出的脉动效应算入这个计算常数。气体质量流量mp_ab的这种计算的优点是，不用提供测量的进气管压力、只在计算出的分压力基础上也可以计算。这可以成本较低和可靠地实现按照本发明的方法。
在本发明的一个特别实施形式中，在使用新鲜气体部分分压力ps_fg、废气部分分压力ps_ag和气体质量流量mp_ab情况下计算出气体质量流量mp_ab中的从进气管流出的新鲜气体部分mp_fg_ab。为此，首先引用一个分量系数c_agr，分量系数被计算如下：c_agr=ps_agps_ag+ps_fg]]>
为了确定在这个质量流量中的新鲜气体部分，出发点是，划分汽缸中的质量流量(新鲜气体和废气)，类似于分压力的划分。根据此计算从进气管流出的新鲜气体—质量流量mp_fg_ab：
mp_fg_ab＝(1-c_agr)×mp_ab
与此相应，从进气管流出的废气—质量流量mp_ag_ab也是如此计算：
mp_ag_ab＝(1-c_agr)×mp_ab
有利的是，通过这种简单和可靠的计算不仅可以确定出从进气管中流出的气体质量流量中的新鲜气体部分而且可以确定废气部分。通过分开地掌握新鲜气体部分和废气部分可以使内燃机不污染环境并且节省能源地分别在其最佳工作点运行。
在本发明的一个特别实施形式中，在利用新鲜气体部分mp_fg_ab以及常设内燃机数据ML THZ和瞬时内燃机数据nmot、ZYLZA下计算内燃机的相对新鲜气体进气rl。这样计算相对新鲜气体进气rl的优点是，可以总是根据实际的内燃机数据、比如说根据内燃机目前正在工作的汽缸数量进行燃油输入。通过此可以在内燃机运行期间进一步提高节省燃油效果和环境相容性以及进一步改善内燃机的使用寿命和有效功率。
在本发明的一个特别实施形式中，利用由伯努利—方程式推导出的函数来计算通过节气阀气体质量流量，在这里，节流阀后的压力总是相当于进气管压力ps。它的优点是，可以有选择的使用一些在原理上适用的测量值并且可以借助于这个推导出的函数计算当时不可得到的参数。它使得本发明的方法不仅在该方法的装置技术方面的实现中而且在这种方法运行期间可以有很大的灵活性。此外，由于这个配置的灵活性，也提高了本发明方法的工作可靠性。
在本发明的一个特别实施形式中，也考虑到通过怠速调节器的气流量mp_lls通过油箱排气阀的气流量mp_tev、通过废气循环阀的气流量mp_agr，对于增压的内燃机来说，在确定内燃机进气时也要考虑到增压压力pld。它的优点是，可以进一步提高求出的内燃机新鲜气体进气的精确度，从而加强了上述优点。
本发明的教导也包括了用于确定具有一个进气管的内燃机的进气的装置，在这里，该装置具有量值传感器和电子计算装置，本发明的装置通过进行新鲜气体—质量流量mp_fg的质量平衡计算进气管中新鲜气体部分的分压力ps_fg，通过进行废气—质量流量mp_ab的质量平衡计算进气管中废气部分的分压力ps_ab，并且在利用新鲜气体部分分压力ps_fg和废气部分分压力ps_ab下求出内燃机的新鲜气体进气rl。特别是，本发明包括了实施上述方法的一个装置。这种按照本发明的装置提供了上面已知的本发明方法的所有优点。特别是该装置提供了燃油消耗量少、内燃机不污染环境的运行以及本发明装置和内燃机的效率高和使用寿命长的优点。
本发明的教导也包括了装有上述装置的机动车或者装有可以实施上述方法的装置的机动车。这种机动车也相应地具有上面所了解的本发明装置的优点。
本发明的教导也包括了一个含有用于实施上述方法的控制程序的数据载体以及一个含有参数的数据载体，为了实施一种这样的方法或者控制上述装置，这些参数是需要的或者有利的。特别是，这样的数据载体可以做成存储器的形式，在这里，可以以机械、光学、电磁、电子或者其他的方式进行存储。特别是电子式存储器，比如说，可以采用一个ROM(只读存储器)、PROM、EPROM、EEPROM，他们可以放入或者插入相应的控制装置。
由从属权利要求以及下列说明中可以得到本发明的其他优点、特征和细节，在下面的说明中借助于附图详细地介绍了多个实施例。在这里，在权利要求中和在说明中提到的特点可以单个使用或者任意组合。
下面借助于附图详细地介绍了本发明的实施例。
图1：示出了系统配置的一览图；
图2：示出了进气确定模型；
图3：示出了在无增压发动机中流入进气管的新鲜气体—质量流量。
图4：示出了在透平发动机中进气管内的新鲜气体—质量流量；
图5：示出了流入进气管的废气质量流量；
图6：示出了相对进气量的计算。
图1示出了系统配置的一览图。周围空气在入口侧在压力pu和温度tu下进入进气管100里。一个热薄膜—空气质量传感器101测定在进气管这个部位的气体质量流量mp_hfm。在热薄膜—空气质量传感器(HFM)之后是一个涡轮增压器102。在涡轮增压器102和节气阀103之间，进气管100具有一个容积VLD。在这个容积里笼罩着一个压力pld以及温度tld。在节气阀103和进气阀104之间，进气管的容积是VS。在这个部位具有一个压力ps以及温度ts。在进气管节气阀103和进气阀104之间的这个区域内流入的气体量是由通过节气阀103气流的气流量mp_dk、怠速调节器105的气流量mp_lls、油箱排气阀106的气流量mp_tev以及废气循环阀107的气流量mp_agr组成。在进气阀104打开时，气体从进气管的这个区域流入汽缸111的燃烧室108。在排气侧，在排气阀109和废气催化剂110之间有一个区域，在这个区域里连接有废气循环阀107并且具有压力pag。在催化剂110之后又笼罩着环境压力pu。油箱排气阀106与燃油箱112相连接。
图2示出了进气测定的模型。在201中流入的新鲜气体—质量流量mp_fg_zu被通过时间求积分和紧接着在202中根据气体方程式相乘，这样计算新鲜气体—分压力ps_fg。与此相应，流入的废气—质量流量mp_ag_zu在203中被求积分并且在204中根据气体方程式相乘，这样计算废气—分压力ps_ab。由新鲜气体ps_fg和废气ps_ag的两个分压力在开关B_fe_dss所示出的部位通过加法在205中计算进气管中的压力ps。与此同时，在206中由转速n和凸轮轴调节NWS计算修正值p_iagr。这个修正值在内燃机工作循环期间根据阀位置考虑到了系统内部废气循环。这样求出的修正值p_iagr在207中与进气管—压力ps相减。紧接着，这样得出的有效进气管压力在208中用一个系数相乘，在这里，这个系数由泵方程式和一个根据经验获得的函数组成，这个函数根据转速n和凸轮轴调节MWS组成了脉动效应。泵方程式考虑到了活塞工作容积VH、转速n、气体常数R和进气管内的温度ts。作为208中这个乘法结果，得到了汽缸中的整个质量流量mp_ab。与此同时，在209中由新鲜气体分压力ps_fg和废气分压力ps_ag计算一个分量系数c_agr。利用这个分量系数c_agr，由流出的气体质量流量mp_ab在210中计算流出的新鲜气体—质量流量mp_fg_ab并且在211中计算流出的废气—质量流量mp_ag_ab。
对于在测量技术方面使用进气管压力这个情况来说，可以通过条件B_fe_dss和所属开关使用测量的进气管压力ps_dss来代替由分压力ps_fg和ps_ag计算出的进气管压力。因为在这种情况下，由于中断反馈不能自动保证积分器的不变的稳定性，所以有必要补充，在这里，通过将计算出的进气管压力与测量的进气管压力进行对比来说明得出的、作为误差的差，并且将这个差通过一个积分调节器算入到流出的新鲜气体—质量流量mp_fg_ab的反馈支路上。
在上述函数所需要的输入端参数计算中、即在计算流入进气管的新鲜气体—质量流量mp_fg_zu以及流入进气管的废气质量流量mp_ag_zu时的方法，是以由文献中知道的节流函数为基础，节流函数是从可压缩介质的伯努利-方程式中推导出来的。按照这个节流函数：
这个节流函数意味着，通过节流部位的空气质量流量mp是由自由横截面积f(A)乘一个温度补偿系数ft乘一个压力补偿系数fp和乘一个标准化的流量函数psi_n计算出的，它考虑到了高于临界的和低于临界的流动速度的影响。在这里，节流部位后的压力pn总是等于进气管的压力ps。
在新鲜气体侧，在自吸式发动机、增压发动机和所谓的透平式发动机之间必须是有区别的。在这里，共同点是，为每个节流机构通过一条特性曲线求出气体流量，它在有关节流阀前的压力和温度的正常条件下流过所观察的节流阀。
图3示出了在自吸式发动机中流入进气管的新鲜气体—质量流量。如在图3中按照开关部位B_fe_wdk也示出的那样，首先能够直接借助于一个热薄膜式空气质量传感器HFM测量mp_hfm流入的新鲜气体—质量流量mp_fg_zu。然后，在所示出的开关部位只还有油箱排气ta_te具有一个影响，在这里，这个影响通过节流函数在301中换算成气体质量流量mp_tev_max，紧接着用环境温度加权因子ftu、环境压力加权因子fpu和标准化流量函数psi_n在304中加权。如果开关B_fe_wdk换位，流入的新鲜气体—质量流量mp_fg_zu计算如下：节气阀位置wdk通过一个节流函数在302中换算成通过节气阀的最大流量mp_dk_max；同样，经过可能情况下存在的怠速调节器的流量通过一个节流函数在303中换算成经过怠速调节器的最大气流量mp_lls_max。两个最大气流量相加，并且紧接着与通过油箱排气阀的最大气流量mp_tev_max相加。紧接着，这样相加的气体质量流量用温度加权因子ftu、压力加权因子fpu和标准化流量函数psi_n304加权。在这种计算的最后，得出流入的新鲜气体—质量流量mp_fg_zu。
图4示出了在透平式发动机中流入进气管的新鲜气体—质量流量。在这里，与图3的区别是，在增压器和节气阀之间的容积作为附加动态系统具有状态参数增压压力pld。对于这个容积来说，同样可以通过一个平衡方程式推导出用于该容积里的压力、在这里是增压压力的微分方程式。节流函数可以同样又被利用，现在，不过鉴于节气阀前的压力要考虑到变化的状态，使用增压压力来代替环境压力。另一个显著的区别是，采用图4的配置，由计算出的气体质量流量mp_dk+mp_lls和热薄膜式—空气质量传感器mp_hfm的信号在401中通过适当的减法和随后的402中对时间的积分在403中根据气体方程式的加权可以求出增压压力pld。不过，另一个主要的结果是，在输出端采用图4示出的配置时，流入的新鲜气体—质量流量mp_fg_zu也可以作为输出端信号来继续处理。
图5示出了流入进气管的废气质量流量。废气质量流量mp_ag_zu由废气循环阀ta_agr信号通过节流函数501转换成通过废气阀的最大质量流量mp_ag_max，紧接着用相应的温度加权因子ftag，压力加权因子fpag和标准化流量函数psi_n加权。一个简单的模型用来确定流入废气的温度tag_zu，这个模型考虑了与进气管连接的连接管壁的热量传递。首先废气的温度tag在502中借助于流出的新鲜气体—质量流量mp_fg_ab通过节流函数来求出。紧接着在507中利用环境温度tu作减法得到了一个差值tag-tu。这个差值借助在503中由函数计算出的流入废气质量流量mp_ag_zu在504中来加权，紧接着在505中与废气温度tag相减。最后，由此调节的值在506中借助一个函数计算并且得到流入废气的温度tag_zu。
图6示出了由流出的新鲜气体—质量流量mp_fg_ab计算相对进气量rl。流出的新鲜气体—质量流量mp_fg_ab在601中被发动机转速nmot除，紧接着在602中同一个系数相乘，在这里，这个系数考虑到在正常条件下(T＝273开氏温度，P＝1013毫巴)一个汽缸里的空气质量MLTHZ以及发动机正在工作的汽缸数量ZYLZA。从这个计算中得出了一个汽缸新鲜气体的相对进气量rl。
缩写B_fe_wdk 开关，开关信号c_agr 新鲜气体/废气的分量系数f(A) 节流部位的自由横截面积fp 压力补偿系数fpag 废气压力的加权因子fpu 环境压力的加权因子fpld 增压压力的加权因子ft 温度补偿系数ftag 废气温度的加权因子ftu 环境温度的加权因子ftld 增压温度的加权因子K 计算常数m 气体质量(克分子)m_ag 废气质量m_fg 新鲜气体质量mp 通过节流部位的空气—质量流量mp_ab 从进气管流出的气体—质量流量mp_ag 废气质量流量mp_ag_ab 流出的废气—质量流量mp_ag_max 最大流入的废气—质量流量mp_ag_zu 流入的废气—质量流量mp_agr 通过废气—循环阀的气流量mp_dk_max 通过节气阀的最大流量mp_fg 新鲜气体—质量流量mp_fg_ab 流出的新鲜气体—质量流量mp_fg_zu 流入的新鲜气体—质量流量mp_hfm 由热薄膜—传感器测量的空气质量流量mp_lls 通过怠速调节器的气流量mp_lls_max 通过怠速调节器的最大气流量mp_max 通过节流部位的最大空气质量流量mp_tev 通过油箱排气阀的气流量mp_tev_max 通过油箱排气阀的最大气流量MLTHZ 在正常条件下一个汽缸里的空气质量n，nmot 转速NWS 凸轮轴调节P 压力p_iagr 内部废气循环的修正值pld 增压压力pn 节流部位后的压力ps 进气管里的压力ps_ab 废气—分压力ps_fg 新鲜气体—分压力psi_n 标准化的流量函数(0＜psi_n＜1)pv 节流部位前的压力PV_NORM 参考值rl 相对进气量R 气体常数tld 增压器温度T 温度TS，ts 进气管温度tv 节气阀前的温度TV_NORM 参考值V 容积VH 活塞工作容积VLD 增压器容积VS 进气管容积wdk 节气阀—位置ZYLZA 正在工作的汽缸数量