內燃機進氣流量的估算方法與裝置的製作方法
2023-05-06 17:35:36
專利名稱：內燃機進氣流量的估算方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及內燃機進氣流量的估算方法與裝置。
技術背景正如已有技術所述，為了滿足新一代汽車，特別是裝有採用三效 催化劑的現代間接汽油噴射發動機的汽車的強制性汙染排放要求，空 氣-燃油比必須精確控制，以便使其始終接近化學計量值，目的是減少 尾氣排放。為此，現代汽車通常都裝有空氣流量計(debimeter)，其一般都位 於發動機的進氣系統內，用來給出一個電信號，表示供給發動機的新 鮮空氣的流量情況，在打開進氣閥之前，同時根據所要求的空氣-燃油 比，電子控制裝置在這個信號的基礎上計算出應向發動機氣缸內噴射 的燃油流量。另一選擇方式是，新一代汽車現都提供有一個電子控制裝置，該 裝置的其中一個功能就是應用一種算法，以估算發動機內的進氣流量。特別是，在裝有連續可變進氣正時系統的新一代汽車內，是很難 以按接近化學計量值來精確控制空氣-燃油比。在這種類型的發動機中，測量或精確估算進入到氣缸內的空氣的 瞬時質量是特別複雜的，這主要是因為固有增壓效應所致，而這類發 動機內出現的這種固有增壓效應則是由於進氣閥打開時進氣歧管內壓 力波的正時作用所引起的。特別是，在帶有可變正時系統的發動機內使用空氣流量計時，進 入氣缸的空氣品質得不到精確測量，這是因為空氣流量計的動態緩 慢，所以，不能對流過進氣管的空氣的極端非線性動態作出反應，甚 至在正常驅動情況下，其特徵是快速瞬間變化。另外，本申請者所進行的研究還表明，甚至在使用了已知算法時， 也不能確切估算進入可變正時發動機的空氣品質。實際上，這種算法 並沒有考慮發動機速度變化時發動機正排量泵的效應，發動機速度變 化會對進氣流量產生明顯影響，特別是在高壓區域，例如，油門處的壓力比在0.9 - 0.95的區域內時，或者任何機械正時誤差，或者進氣 正時的任何突然變化等，另外，在線控驅動系統的情況下，這些算法 也不能正確地再現扭矩定律和機械定律之間的過渡情況。發明內容本發明的目的是提供一種可估算內燃機內進氣流量的方法，從而至少 部分地解決已有技術裝置和方法中的缺陷。本發明提出了一種可估算帶有進氣系統的內燃機進氣流量的方法，所 述系統包括控制所述空氣流量的油門裝置；其特徵在於，其包括如下步驟-應用第一和第二算法，分別適合測定所述發動機內的第一和第二進 氣流量；-在預先設定的選擇標準的基礎上，選擇所述第一或第二空氣流量。
為了更好地理解本發明，下面參照附圖並通過示例的形式介紹本 發明的最佳實施例，但本發明並不僅限於所示實施例，附圖如下 -圖1為內燃機進氣系統的示意圖；-圖2為根據本發明所提出的內燃機進氣流量估算方法功能流程 圖。
具體實施方式
在圖1中，參考號1表示內燃機整體，該內燃機裝有進氣系統2 和控制進氣系統的電子系統3。特別是，進氣系統2包括一個進氣管4，空氣經由空氣濾清器5 流入該管路，還包括一個節流閥(throttle valve) 6，後者布置在進氣 管4上，向發動機1的氣缸(圖中未示)提供空氣。尤其是，節流閥(throttle valve) 6經由特定執行裝置一例如直流 電機(圖中未示)一來操縱。電子控制系統3包括 一個溫度傳感器7，布置在進氣管4的輸 入端並用來產生一個電輸出信號，表示進氣管4輸入端的進氣溫度r。； 一個壓力傳感器8，布置在節流閥6的上遊並用來產生一個電輸出信 號，表示節流閥6輸入端的空氣壓力屍— 一個壓力傳感器9，布置在 節流閥6的下遊端並用來產生一個電輸出信號，表示節流閥6輸出端 的空氣壓力P^"; —個檢測節流閥6打開角"的裝置，例如， 一對電位7計(圖中未示)； 一個發動機轉速測量裝置i PM (圖中未示)； 一個 電子控制裝置10，連接到溫度傳感器7、壓力傳感器8和9、發動機 轉速測量裝置i PM和操縱節流閥6的執行機構上，為發動機1提供輸 出控制信號，並用來實施本發明提出的進氣流量估算方法，所述方法 將在下面參考圖2功能流程圖介紹。
特別是，在初始系統校準階段，為應用進氣流量估算方法而必需 的若干個修正係數都儲存在電子控制裝置10內，特別是
非線性修正係數&。，與^進氣溫度相關(作為進氣溫度的函數)；
，乘法修正係數K ，與節流閥6輸入端的空氣壓力相關(作為節流 閥6輸入端的空氣壓力的函數)；
一個第一表(圖2中未示)，包含有若干節流閥(油門)6打開角《 值，這些值的變化是由發動機轉速i PM決定的； 一個第二表(圖2中 未示)，包含有若干個節流閥6輸出端和輸入端之間空氣壓降"值，這 些值的變化是由發動機轉速i^M決定的；以及一個第三表(圖2中未 示)，包含有若干個節流閥6的洩漏係數C,，每個係數都根據節流閥6 打開角"給定值和給定壓降值-的變化情況採用實驗方法測定。
基準值A《也儲存在電子控制裝置10內，所述值表示節流閥6輸 出端和輸入端之間的空氣壓降，當流經進氣管4最窄部分的空氣到達 理想速度，等於0.5283時，壓降門限值一例如一0.9到0.95之間，而 常數y則與恆定壓力下的空氣比熱和恆定容積下的比熱之間的比值相 關，即等於1.4。
為了實施本發明所提出的方法，控制裝置IO通過上面所列各個傳 感器不斷地獲取如下值，艮P:
進氣溫度7;，-
節流閥6輸入端的空氣壓力^; 節流閥6輸出端的空氣壓力7^ ; 發動機轉速i M。
再參照圖2,在所獲得的各值、所存儲表內的各個係數和測量值 的基礎上，電子控制裝置IO應用兩種不同的算法，每個算法都適合計算發動機的進氣流量。
電子控制裝置10在預先設定值標準的基礎上，選擇兩個空氣流量 中的一個，並使用所選擇的值來計算需向發動機氣缸噴射的燃油流量。
特別是，如圖2所示，在方框11中，電子控制裝置10計算/^ /; 壓力比，該比值等於油門6輸出和輸入端之間的空氣壓降"，並在空
氣壓降々和節流閥6打開角"的基礎上，電子控制裝置10在方框12 中根據稱之為"聖凡南(Saint-Venant)"方程式的數學模型來應用一個 算法，這種數學模型在如下文件中進行了詳細介紹"先進汽油發動機 空氣管理的綜合呼吸模型和多變量控制方法"，A. Miotti, R. Scattolini， A. Musi禾B C. Siviero著，2006年美國汽車工程學會國際會議暨展覽 會，美國密西根州底特律，2006年4月3日至6日，論文號No. 2006-01-0658;和"內燃機基礎"，J.B. Hey wood著,第一版，麥格勞-希爾出版公司，美國紐約州，1988。眾所周知，"聖凡南"方程式說 明的是流經噴嘴的流體流量，因而，用來測定進入歧管和流過節流閥 6的空氣的瞬時質量。
為此，在特定情況下，電子控制裝置10可以根據壓降々和常數y的 變化情況按如下公式計算聲波因子/"formula see original document page 9
然後，電子控制裝置IO可按如下公式計算"聖凡南"方程式:
formula see original document page 9
式中:，^^是進入歧管的空氣的瞬時質量； ，M是空氣的分子量；
"是比氣體常數(gas specific constant); ，q是洩漏係數；
，《是空氣流經節流閥截面的總等效面積；
，y;是聲波因子。
不論可能會出現任何機械正時誤差和任何突然進氣正時變化，只
要油門處的壓力比-低於門限值時，即典型情況下在0.9範圍內時,"聖
凡南"方程式就可以用來精確估算進氣流量。
在方框13和14中，電子控制裝置10使用修正係數K 和&。來 對方框12內計算的空氣品質值^。"進行修正，並在方框14的輸出端， 電子控制裝置10可以提供流入進氣管4的空氣的瞬時質量M^F一sr。
與方框11到14所述程序相平行的是，在方框15到17中，電子控制裝 置10應用另一種基於所謂"容積法(Filling & Emptying)"模型的算法， 該模型適合根據節流閥6的打開情況和發動機的轉速/ PM變化測定流入發 動機氣缸的空氣，這種算法在如下文件中給予詳細介紹"使用二次節流門 的發動機空氣-燃油比和扭矩控制"，IEEE控制與決策年會文集，A.G. Stefanopoulou, J.W. Grizzle和J.S. Freudenberg著，美國，奧蘭多，1994年， 第2748-2753頁；和"內燃機基礎"，J.B. Heywood著,第一版，麥格勞-希爾出版公司，美國紐約州，1988年。
為此，特別是，電子控制裝置10首先按如下公式計算節流閥6 輸出端處的空氣壓力屍"的修正係數K一
式中，々是基準大氣壓力，P自^大氣壓力，後者可以一例如一 通過電子控制裝置10內的特別傳感器來測量。
然後，在方框15中，電子控制裝置10可以使用修正係數^^來 修正壓力戶& ，並在節流閥6的打開角"和修正壓力值i^"和發動機轉速i PM的基礎上，電子控制裝置IO在方框16內可以按如下公式計算 進入發動機每個氣缸的空氣品質；^,和流過進氣管4的空氣品質
附
化
M《
/("). gW--——-——--戶,
=-
120H
A
附應2 —附cy/,
式中 r。是進氣溫度；
K是進氣管容積； )^是氣缸內活塞的排量；
i 屍M是發動機轉速；
L是發動機的容積效率；
/是以洩漏係數c,部分乘以等效面積《後獲得的多項式函數，
而洩漏係數q僅取決於節流閥6的角度"；
g是以洩漏係數q部分乘以聲波因子y;後獲得的多項式函數，而
洩漏係數q僅取決於壓力降"；
當發動機轉速變化時，"容積法"模型可以用來測定進氣情況， 考慮了正排量泵的工作特性變化。所述變化對進氣流量會有顯著影響， 特別是壓力值"幾乎為1時。
"容積法"模型可以用來正確再現"線控"驅動節流閥的變化情 況，即從隨扭矩定律變化的節流闊控制(在這種情況下，節流闊通過 實際扭矩值間接控制，而實際扭矩值是根據駕駛員對功率需求變化情 況計算得出，而功率需求則又是從加速踏板位置開始計算)到隨機械 定律變化情況的節流閥控制(在這種情況下，節流閥是根據加速踏板 位置的變化情況直接控制的)之間的過渡。
11在方框17中，電子控制裝置10使用修正係數&。來對方框16中 計算的空氣流量<。 值進行修正，並在方框17的輸出端，電子控制裝 置IO可提供流入進氣管4內的空氣瞬時質量M4F一F五。
如圖2所示，在方框18內，電子控制裝置IO根據上述算法來選 擇空氣流量值M4F—W和M4F—F五中的其中一個，並在圖2未示出的後 續階段，電子控制裝置10可以使用所選擇的值來計算應噴射到發動機 氣缸內的燃油流量。
特別是，其中一個空氣流量值M4i^^或M4F—i^的選擇可以在方
框11內測定的當前壓降-和預先設定的壓降門限值A力之間比較的基 礎上來進行。
在特定情況下，如果當前壓降A低於門限值y^，即小於0.9時， 電子控制裝置10選擇在"聖凡南"方程式基礎上估算的空氣流量值 SF。相反，如果當前壓降々大於門限值A化，即大於0.9時(除了 滯後情況外，後者也可以進行校正)，電子控制裝置IO可以選擇在"容 積法"模型基礎上估算的空氣流量值M^—F￡。
從本發明的特性分析來看，採用本發明可以實現的優點是顯而易 見的。
首先，由於使用了兩種不同的計算算法和修正因子，本發明所提 出的方法始終可以使得進氣流量得以精確估算，不論發動機的工作狀 況和油門處的壓力比/ 如何。此外，通過適當選擇壓降門限值A^，本 發明所提出的方法可以將估算的總均方偏差降到最小，如小於2%的 值，並可使得誤差範圍大大小於使用空氣流量計測量時的最小誤差。
此外，本發明所提出的方法應用相對簡單，其特徵在於，它不需 要大量的係數值，這些係數都直接存儲在中央控制裝置內。本發明所 提出的方法還可以不需要使用空氣流量計。
最後，從上述說明和圖示中，可以很清楚地看到，任何改進和修 改都是可行的，但這都沒有脫離所附權利要求中規定的本發明的範圍。除了分別布置在節流閥上遊和下遊的兩個壓力傳感器外，也可以 只使用一個傳感器來一例如一直接檢測油門輸入端和輸出端之間的空 氣壓降"。
電子控制裝置10在所存儲的參考值的基礎上還可以選擇每次對 係數^。、《 進行重新計算。
特別是，本發明很顯然並不僅限於間接汽油噴射發動機內使用， 而且可以應用於帶有進氣系統的任何內燃機上。
權利要求
1.一種估算帶有進氣系統(2)的內燃機(1)進氣流量的方法，所述系統包括控制所述空氣流量的油門裝置(6)，其特徵在於，其包括如下階段-應用一個第一算法和一個第二算法，分別適合測定所述發動機內的第一(MAF_SV)和第二(MAF_FE)進氣流量；-在預先設定的選擇標準的基礎上，選擇所述第一(MAF_SV)或第二(MAF_FE)空氣流量。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一(M4i^SO或所述第二(M4F—i^)空氣流量的所述選擇是在所述油門裝置(6)輸入端空氣 壓力(；)和所^油門裝置(6)輸出端空氣壓力(U的基礎上進行的。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述第一(M4F—SK)或 所述第二(M4F—F5)空氣流量的所述選擇是在所述油門裝置(6)輸乂端和輸 出端處所述壓;(4,& )之比(")的基礎上進行的。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述第一(M4F—Sr)或 所述第二(M4F—FE)空氣流量的選擇包括-如果所述油門裝置輸入端和輸出端處所述壓力(^,/^ )之間的所述比值(")小於預先設定的門限值UJ時，選擇所述第一(扁F—W)空氣流 量；或者-如果所述油門裝置輸入端和輸出端處所述壓力(；，P^")之間的所述 比值(々沐於預先設定的門限值UJ時，選擇所述第二(雄F—w)空氣流量。
5. 根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述預先設定的門限 值(&)在0.9到0.95之間。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一算法的應用 包括-測定所述油門裝置輸入端和輸出端處所述壓力(；,/U之間的所述 比值(外-測定所述油門裝置的打開角度(")；-在所述油門裝置的所述比值("和所述打開角(")的基礎上，測定所 述第一進氣流量(M4F一SF)。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述第一空氣流量 (M4F—SO是在下述公式的基礎上測定的 .formula see original document page 3式中 ^^是進入所述系統組成部分的進氣管(4)內的瞬時空氣流量； M是空氣的分子量； i 是比氣體常數 q是所述油門裝置的洩漏係數； 《是所述進氣空氣流經的所述油門裝置的截面的總等效面積； y;是表示所述壓力比(")的因子。
8. 根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述第一算法的應用還 包括-測定所述油門裝置輸入端的所述壓力(；)和/或所述進氣溫度(r。)的至少一個第一修正因子(《 ，^。)；-在所述第一修正因子(《 ，^。)和所述第一瞬時進氣流量( 。w )的 基礎上測定所述第一空氣流量(爐屍_50。
9. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一算法基於"聖凡南"模型。
10. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第二算法的應用包括-測定所述油門裝置(6)的所述打開角0); -測定所述發動機的轉速(及PM);-在所述油門裝置輸出端的所述壓力(P^n)，所述油門裝置的所述打開 角(")和所述發動機的所述轉速(i^M)的基礎上測定所述第二進氣空氣流 量(M4F—剛。
11. 根據權利要求IO所述的方法，其特徵在於，所述第二算法的應用還 包括-測定所述油門裝置輸出端的所述壓力(P^n)的至少一個第二修正因 子(《iv畫》-使用所述第二修正因子(^v)對所述油門裝置輸出端的所述壓力(P")進行修正；-使用所述第二修正因子(&&。)、所述油門裝置的所述打開角(a)和所 述發動機的所述轉速(i PM)所修正的所述油門裝置的輸出端的所述壓力 (U的基礎上，測定所述第二(M4F—F^)進氣流量。
12.根據權利要求IO所述的方法，其特徵在於，所述第二(M4F-FE)空 氣流量是在如下公式的基礎上測定的；& M《尺, F^T剖',12017; "《，和12017; "c/屍 " .一1附- ,—附,& — M《、畫2 "〃式中 r。為所述進氣溫度； K為所述空氣進氣道的容積，所述進氣道為所述系統組成部分； ^,為所述發動機氣缸容積； i PM為所述發動機轉速； ;^為所述發動機容積效率； < 為進入所述氣缸內的空氣流量； ^w為進入所述進氣管內的第二空氣流量； /為隨所述油門裝置(6)的所述等效面積(《)、所述洩漏係數(C,)和所述打開角(")變化的第一值； g為隨所述第二壓力(i^n)和所述第一壓力(^)之間所述比值(")的所述洩漏係數(q)和表示所述壓力比(^)的所述因子(y;)變化的第二值。
13.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，-所述第一值(/)是以洩漏係數(C,)第一部分乘以所述等效面積(《) 而測定的，而洩漏係數(q)僅取決於所述油門裝置(6)的所述打開角度；-所述第二值(y)是以所述洩漏係數(c,)第二部分乘以表示所述壓力比("的所述因子a)而測定的，而洩漏係數(q)僅取決於所述第二壓力(u 和所述第一壓力(&)之間的所述比(")。
14. 根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述第二算法的應用還包括-在所述溫度(r。)的所述修正因子(^。)和所述第二進氣流量(^^)的基礎上，測定所述第二進氣流量(M4F—F￡)。
15. 根據權利要求IO所述的方法，其特徵在於，所述第二算法基於 "容積法"模型。
16. 可以裝載到數字處理器存儲器內的電腦程式，所述電腦程式 包括了當其在所述數字處理器上運行時能夠應用權利要求1所述方法的軟 件代碼部分。
17. 內燃機(l)，其包括了用來應用根據權利要求1所述的進氣流量 評估方法的進氣系統(2)和裝置。
全文摘要
本發明提出了一種帶有進氣系統(2)的內燃機(1)進氣流量的估算方法，其中所述系統包括控制進氣流量的節流閥裝置(6)，其特徵在於，其包括應用第一算法和第二算法階段，適合分別測定第一(MAF_SV)和第二(MAF_FE)發動機進氣流量；以及在預先設定的選擇標準的基礎上選擇第一(MAF_SV)流量或第二(MAF_FE)流量。
文檔編號F02D41/18GK101581254SQ200810173258
公開日2009年11月18日 申請日期2008年10月31日 優先權日2007年10月31日
發明者多米尼克·泰維拉, 艾萊薩多·裡爾蓋, 費迪南多·德克裡斯託法羅 申請人:菲亞特集團汽車股份有限公司