依據模型確定流入內燃機氣缸中的空氣量的方法
2023-05-20 12:30:21
專利名稱：依據模型確定流入內燃機氣缸中的空氣量的方法
技術領域：
本發明涉及依據模型確定流入權利要求1前序部分所述的內燃機氣缸中的空氣量的方法。
用燃料噴射進行工作的內燃機的發動機配氣系統需要將發動機吸入的空氣量mzy1作為發動機負荷的一個參數。這個參數構成實現要求的燃料-空氣比例地基礎。由於對發動機配氣系統不斷增加的要求，例如要求減少汽車有害物質的排放量，所以確定的穩定和不穩定過程的負荷參數必須保持很小的容許誤差。除上述運行情況外，內燃機熱態運轉過程中的精確的負荷檢測提供了減少有害物質的很大可能性。
在空氣量控制的發動機配氣系統中，在不穩定運行情況下，作為內燃機負荷信號用的、布置在進氣管上遊的空氣流量計的信號不是表示氣缸實際充氣的尺度，因為節流閥下遊的進氣管的容積起著必須充滿和排空的空氣存儲器的作用。但對計算噴射時間起決定性作用的空氣量是從進氣管流出並流入相應汽缸中的空氣量。
在用進氣管壓力控制的發動機配氣系統中，雖然壓力傳感器的輸出信號反映進氣管中的實際壓力狀況，但有時由於必要對測量值進行平均計算，所以只有在時間上相對推遲以後才提供出測量值。
引用變化的吸氣系統和變化的閥門調節時，用測量信號得出的負荷參數對經驗獲得的模型出現很多的影響因素，它們影響著相應的模型參數。
建立在物理假設條件基礎上的、用模型支持的計算方法是精確地確定空氣量mzy1的良好開端。
DE 39 19 448 C2公知了一種調節和預先確定進氣管壓力控制的內燃機吸氣量的裝置，該裝置將節流閥開度和發動機轉數作為內燃機燃燒室吸入空氣的現時值的計算根據，然後把這個計算出的現時吸氣量作為對進行計算到一定時間點吸入內燃機燃燒室中的吸氣量的預先確定值的計算根據。在節流閥下遊測出的壓力信號用理論的關係式修正，這樣就達到了吸入的空氣量的計算改進，從而可能比較精確地計算噴射時間。
但在內燃機不穩定的運行中，最好對流入氣缸中的空氣量進行更精確地確定。
本發明的任務在於，提出一種能以高精度確定流入內燃機氣缸中的實際空氣量的方法。此外，還可補償由於燃料推進和在計算噴射時間時計算時間可能出現的系統引起的無效時間。
這個任務是按權利要求1所述的特徵來實現的。
其他的有利改進將在從屬權利要求中敘述。
根據一種已知的假設條件得出一種建立在一個非線性微分方程基礎上的模型描述。下面將演示這個非線性方程的近似計算法。在這種近似計算的結果中可用一個雙線性方程來描述系統特性，該方程可快速求解在實時條件下汽車發動機控制器的關係式。在這種情況下，選擇的模型假設條件包含變化進氣系統和變化閥門調節系統的模型化。由於這種假設和由於氣態補充充氣亦即由於壓力波的反射在進氣管中所引起的效應便可通過模型穩態確定的參數選擇來予以很好地考慮。全部模型參數一方面用在物理方面是可以解釋的，而另一方面又必須從穩態的測量中獲得。
描述這裡使用模型的特點的微分方程的時間離散解所用的大多數計算法大都需要在節流閥很小壓差即在滿負荷情況下有一個很小的計算步距才能得出穩定的數字。其結果是，在確定負荷參數時勢必導致不可接受的計算費用。由於負荷探測系統通常是按分段同步工作的，即在四缸發動機時，全部180°曲軸轉角都取樣一個測值，所以模型方程同樣也是分段同步求解的。下面用一個絕對穩定的差分法來求解微分方程，該差分法保證任意計算步距時數值的穩定性。
此外，本發明建立在模型基礎上的計算方法可提供一個按可選擇的取樣信號數得出負荷信號預測的可能性，亦即提供一個具有變化預測範圍的負荷信號的預測。在恆定轉數情況下，如果與預測範圍成比例的預測時間不太長，則可得出一個高精度的預測負荷信號。
因為在相關測量值的探測和負荷值的計算之間存在一個無效時間，所以這樣的預測是必要的。此外，由於混合處理的原因，在相應氣缸吸氣階段實際開始前必須通過噴射閥儘可能精確地計算在即將進行的吸氣階段的過程中與空氣量mzy1保持要求比例的燃料量。在不穩定的發動機運行中，一個變化的預測範圍可改善燃油計量的質量。由於在不斷增加轉數時分段時間減少，所以噴射過程必須比在低轉數時大量分段之前開始。為了能夠儘可能精確地確定待計量的燃料量，負荷變量的預測需按燃料推進的分段數進行，以便在這種情況中保持要求的燃料-空氣比例。所以在不穩定的發動機運行中，顯著改善的要求的燃料空氣比例的保持有助於負荷變量的預測。依據模型的這個負荷探測系統在已知的發動機配氣系統中即在空氣量控制的或進氣管壓力控制的發動機配氣系統中，在下面以模型調整迴路的形式提出一個修正計算法。這個修正計算法在模型參數出現不精確的情況下可實現精確度的永久改善，亦即可實現在穩定和不穩定運行情況下的模型調整。
下面結合附圖來說明本發明方法的一個實施例。附圖表示
圖1表示四衝程循環內燃機的進氣系統的示意圖，包括相應的模型變量和測試變量；
圖2表示氣流函數和相應的多邊形折線近似法；
圖3表示空氣量控制的發動機配氣系統的模型調整迴路方框圖4表示進氣管壓力控制的發動機配氣系統的模型調整迴路方框圖。
在依據模型的負荷變量
的計算是以圖1所示的原理圖為根據的。為清晰起見，圖中只示出了內燃機的一個氣缸。標號10表示內燃機的一根進氣管，在該進氣管中布置有一個節流閥11。節流閥11與一個用來確定節流閥開度的節流閥位置傳感器14連接。在空氣量控制的發動機配氣系統中，節流閥11上遊布置一個空氣流量計12，而在進氣管壓力控制的發動機配氣系統中則在進氣管內配置一個進氣管壓力傳感器13。所以根據負荷探測的類型只用這兩個元件12和13中的一個。空氣流量計12，節流閥位置傳感器14和代替空氣流量計12的進氣管壓力傳感器13的輸出端都與圖中未示出的內燃機電子控制裝置的輸入端連接。此外，圖1中還示出了一個進氣閥15、排氣閥16和在氣缸17中運動的活塞18。
圖1中還標出了進氣系統選出的變量和參數。其中，在變量的上方加有一個脫字符「＾」的變量表示模型變量，而沒有加脫字符「＾」的變量則表示測試變量。詳細表示為
PU-環境壓力，PS-進氣管壓力，TS-進氣管內的空氣溫度，VS-進氣管的容積。
帶有一個圓點符號的變量表示相應變量的一階時間導數。所以
是節流閥的空氣流量，
是實際流入內燃機氣缸中的空氣流量。發動機負荷情況依據模型計算的基本任務是，求解進氣管壓力的微分方程
這個微分方程在進氣管空氣溫度TS恆定的前提下可從理想氣體的狀態方程中導出。
式中RL叫做一般氣體常數。負荷變量
通過對氣缸氣流
進行積分來確定。由(2.1)式描述的工況適用於帶有擺管(開關進氣管)和/或共振進氣系統的多缸內燃機，而無需結構的改變。
對燃料計量由多個噴射閥進行的多點噴射系統，(2.1)式描述的工況比單點噴射即燃料用唯一的一個燃料噴射閥進行計量時精確。在前一種燃料計量時，幾乎整個進氣系統都被空氣充滿。只有進氣閥前面的一個小的區段內充滿燃料-空氣混合氣。而在單點噴射系統時，由於噴射閥布置在節流閥之前，所以從節流閥至進氣閥的整個進氣管都充滿燃料-空氣混合氣。在這種情況中，理想氣體的假定比多點噴射時更接近。在單點噴射時，燃料計量按
進行，而在多點噴射時則按
進行。
下面將較詳細描述空氣流量
和
的計算。在節流閥處的空氣流量的模型變量
通過節流點的理想氣體的流量方程來描述。在節流點產生的流動損失用減小的流通橫截面來考慮。所以空氣流量
按下式計算
式中為超臨界壓力比例
或
Ψ＝常數，為臨界壓力比例。節流閥處的空氣流量的模型變量減小的流通橫截面
K絕熱指數
RL一般氣體常數
TS進氣管內的空氣溫度環境壓力的模型變量進氣管壓力的模型變量
Ψ流量函數
在節流點亦即在節流閥處產生的流動損失通過適當選擇
來考慮。在節流點前後已知壓力和已知通過節流點的空氣流量的情況下，從穩態測量中可在由節流閥位置傳感器14測得的節流閥角度和相應減小的橫截面
之間得出一個對應值。
如果在節流閥處的空氣流量
用式(2.2)描述，則在微分方程(2.1)的數字正確求解時出現複雜的運算。為了減少運算工作，可用多邊形折線近似計算流量函數Ψ。
圖2表示流量函數Ψ的曲線和所用的近似原理。在區段i＝(1…k)，流量曲線為一條直線。所以用可接受的直線段數目便可達到令人滿意的接近。通過這種假設，在i＝1…k時用來計算節流閥處的空氣流量
的方程(2.2)可按下式近似計算
此式中的mi描述該直線段的斜率，ni描述絕對項。斜率值和絕對項的值作為進氣管壓力與環境壓力比
的函數存儲在表中。圖2的橫坐標繪出壓力比
，縱坐標繪出流量函數Ψ的函數值(0-0.3)。
在壓力比
時，Ψ＝常數，即節流點的流動只與橫截面有關而不再與壓力比有關。流入內燃機相應汽缸中的空氣量是很難用分析法確定的，因為它與換氣密切相關。氣缸的充氣在很大程度上是由進氣管壓力、轉數和閥門調節時間來確定的。
所以為了儘可能精確計算相應氣缸中的空氣流量
，一方面需要用偏微分方程來描述內燃機進氣衝程的比例，另一方面又需按流量方程作為必要的邊界條件來計算進氣閥處的空氣流量。只有這種複雜的近似法才可考慮主要受轉數、進氣管幾何尺寸、氣缸數和閥門調節時間影響的動態補充充氣效應。
由於按上述假設條件不可能在內燃機的電子控制裝置中進行計算，所以用進氣管壓力
和氣缸空氣流量
之間的簡單關係來進行可能的近似計算。為此，在意義重大的閥門調節時間的一個大的範圍內都可按下式獲得很好的一次近似，即
式(2.4)的斜率r1和絕對項r0在考慮全部重要影響因素的情況下為轉數、進氣管幾何尺寸、氣缸數、閥門調節時間和進氣管中的空氣溫度Ts的函數。此時與轉數、進氣管幾何尺寸、氣缸數和閥門調節時間及閥門上升曲線這些影響因素有關的r1和r0的值可通過靜態測定求得。通過這種數值確定同樣可清楚反映出擺管和/或共振進氣系統對內燃機吸入的空氣量的影響。數值r1和r0存儲在電子的發動機控制裝置的特性曲線族中。
選擇進氣管壓力PS作為確定發動機負荷的待確定的變量。用模型微分方程可儘可能精確和快速估算這個變量。估算
需要求解方程(2.1)。
藉助於結合式(2.2)和(2.3)引用的簡化，在i＝(1…k)時式(2.1)可用下式近似計算
根據推導方程式(2.1)的前提，進氣管中的空氣溫度TS作為緩慢變化的測試變量和
作為輸入值，則微分方程式(2.1)的非線性形式可用雙線性方程(2.5)近似計算。
為了求解方程(2.5)，必須將此式變換成一個適當的差分方程。
下面提出待形成的差分方程的求解特點的原則要求作為適當的差分格式的選擇標準
1.即使在極端的動態要求情況下，也必須保持差分格式，即差分方程的解必須符合微分方程的解；
2.在取樣時間儘可能符合分段時間的情況下，必須保證整個工作範圍內進氣管壓力的數字穩定性。
要求1可用隱函數計算法來滿足。由於非線性微分方程(2.1)用雙線性方程進行近似計算，所以待形成的隱函數法解算不用迭代法即可求解，因為差分方程可變換成一種顯函數的形式。
由於微分方程(2.1)的處理及其近似計算式(2.5)所以只通過一個運算規則來形成運算絕對穩定的差分方程便可滿足第二要求。這種方法也叫做絕對穩定法。這種絕對穩定法的特點是，計算法的特性在取樣時間即分段時間TA任意值時的穩定的初始問題在數值上都是穩定的。用來數字求解微分方程的一個可能的、滿足上述兩個要求的運算規則為梯形規則。
在這種情況中，當N＝(1…∞)時，通過動用梯形規則產生的差分方程可定義成
將這個規則應用到式(2.5)，即得下式
式中N＝(1…∞)，i＝(1…k)。此式用於計算作為發動機負荷度量標準的進氣管壓力 在這裡表示現在分段或現在計算步距，[N+1]表示下一個分段或下一個計算步距。
下面來描述現在和預測負荷信號的計算。從算出的進氣管壓力
可通過式(2.4)計算流入氣缸中的空氣流量
用一個簡化的積分運算則得N＝(1…∞)時在一個進氣衝程中被內燃機吸入的空氣量的計算式
這裡假定負荷變量的初始值為零。在分段同步的負荷探測時，分段時間隨轉數的不斷上升而下降，而燃料推進所需的分段數則必須增加。由於這個原因，必須設計變化的預測範圍H即一定的、主要取決於轉數的分段數H的負荷信號的預測。在考慮這個變化的預測範圍H的情況下，可將N＝(1…∞)時的方程(2.8)寫成下式
在進一步的考慮中，假定用於由進氣管壓力
確定空氣流量
所需的方程式(2.4)的分段時間TA、參數r1和r0在整個預測時間內都不變化。
在這個前提下，通過相應壓力值
的預測而可達到對
值的預測，從而可將N＝(1…∞)的方程式(2.9)假設成下式
由於在上述方法中進氣管壓力
的時間變化是以分析的形式出現的，所以下面通過H次應用梯形規則便可得出壓力值
的預測。在這種情況下得出N＝(1…∞)時的關係式為
如用類似的方式確定壓力
，則可列出N＝(1…∞)時的預測負荷信號的方程式為
如果預測範圍H值選定為1…3分段數量級，則可用式(2.12)得出一個滿意的預測負荷信號。
下面說明空氣量控制和進氣管壓力控制的發動機配氣系統用的模型調整原理。
由於採用變化的閥門調節和/或變化的進氣管幾何尺寸的發動機、由於製造誤差和老化現象以及由於溫度影響，引起了r1和r0值一定程度的不可靠性。如上所述，用來確定氣缸中空氣流量的方程式的參數是各種影響因素的函數。其中，只有最重要的影響因素可以進行探測。
在計算節流閥處的空氣流量時，節流閥角度探測時的測量誤差和流量函數Ψ的多邊形折線近似法引起的近似計算誤差對模型參數有影響。特別是，在小的節流閥角度時，系統對前面提到的誤差特別敏感。由此而產生這樣的結果節流閥位置的微小變化都會對空氣流量或進氣管壓力產生巨大的影響。為了減少這種影響的後果，下面提出一種方法來對模型計算有影響的一些參數進行這樣的修正，即對穩態和不穩態的發動機運行都可進行改善精確度的模型匹配。用來確定內燃機負荷變量用的模型的主要參數的匹配可通過由測出的節流閥角度確定的減小橫截面
用修正值
進行修正來實現。
所以用於計算修正的進氣管壓力的輸入值
可用下式描述
然後用
代替方程(2.2)中和以後公式中的
為了改進調節迴路的跟蹤特性，把從節流閥角度的測量值中推導出的減小的節流閥橫截面
考慮在模型計算中。修正值
通過模型調節迴路的實現來構成。
在空氣量控制的發動機配氣系統中，用節流閥處的空氣流量計測出的空氣流量
作為這個調節迴路的基準參數，而在進氣管壓力控制的系統中則用測出的進氣管壓力PS作為基準參數。通過一個跟蹤調節來這樣確定
的值，即把基準參數和相應調節參數之間的調節誤差減小到最低限度。
為了在動態運行中也能用上述方法達到改善精確度，必須儘可能精確地模擬基準參數的測量值的探測。在大多數情況中，必須考慮傳感器的動態特性，亦即必須考慮空氣流量計或進氣管壓力傳感器的動態特性和隨後進行的平均值計算。
相應傳感器的動態特性可用一次近似作為具有可能與工作點有關的滯後時間T1的一階系統。在空氣量控制的系統情況中，描述傳感器特性的一個可能的方程式為
環境壓力
是一個在選擇假設條件時對最大可能的空氣流量
且有顯著影響的一個變量。由於這個原因，不可能根據這個變量的一個恆定值，而是按下述的方式方法來進行匹配。
當修正值ΔARED的值超過一定的閾值時，或當壓力比
大於一個可選擇的恆定值時，環境壓力
的值產生變化。這樣就保證了在部分負荷範圍內和滿負荷範圍內都可進行環境壓力匹配。
下面來說明空氣量控制的發動機配氣系統的模型調整。對這個系統可用圖3所示的模型結構來說明。
節流閥位置傳感器14(圖1)發出一個與節流閥11開度一致的信號例如一個節流閥打開角度。在電子的發動機控制裝置的一個特性曲線族中存儲了與這個節流閥打開角度的不同數值對應的節流閥的減小橫截面值
這種對應通過圖3和圖4的「靜態模型」的方框圖來表示。圖3和圖4的部分系統「進氣管模型」表示式(2.7)描述的特性。這個模型調節迴路的基準參數是節流閥上整個分段平均得出的空氣流量的測量值
如果在這個模型調節迴路中用比例積分調節器作為調節器，則剩餘調節誤差為零，亦即節流閥處空氣流量的模型變量和測試變量完全相等。節流閥中空氣流量的脈動現象會在顯示數值的空氣流量計上導致明顯的正測量誤差，所以會導致一個具有明顯誤差的基準參數。特別是四缸發動機會出現這種脈動現象。通過調節器的斷開，亦即調節器參數的減少可過渡成調節的以模型支持的運行。所以在產生上述脈動的範圍內，例如那些存在一個幾乎無擾動的基準參數的範圍內可用相同的方法在考慮動態關係的情況下來進行處理。當只考慮在穩態運行點相應測量值的方法比較，上述系統幾乎保持不受限制的運行能力。在空氣量信號或節流閥位置傳感器信號失效時，該系統可構成一個相應的等效信號。在基準變量失效時可實現控制運行，而在另一種情況中，調節運行則保證系統幾乎不受影響地完成功能的能力。
「進氣管模型」方框圖表示用方程(2.7)描述的工況，因此作為輸出變量有模型變量
以及時間導數
和變量
在傳感器傳遞特性模型化以後，亦即在空氣流量計的傳遞特性和取樣模型化以後，進行模型變量
的平均值計算，所以將平均變量
和由空氣流量計測得的平均氣流量
輸入一個比較器中。兩個信號的差得出減小的流量橫截面ARED的變化
於是可進行穩定和不穩定的模型調整。
對進氣管壓力控制的發動機配氣系統則用圖4所示的模型結構來說明，其中，與圖3相同的方框用相同的符號表示。與空氣量控制的發動機配氣系統一樣，部分系統「進氣管模型」表示用差分方程(2.7)描述的特性。這個模型調節迴路的基準變量為通過一個分段平均得出的進氣管壓力Ps-s的測量值。如果也象圖3那樣用比例積分調節器，則在穩定情況下進氣管的壓力測量值與模型變量
完全相等。如上所述，這個系統也保持幾乎不受限制的工作能力，因為在進氣管壓力信號或節流閥開度的測量值失效時可形成一個相應的等效信號。
通過進氣管模型獲得的模型變量
被輸入一個「預測」方框中。由於用模型也可計算出進氣管中的壓力變化，所以可用這種壓力變化來估算進氣管中的將來的壓力變化，從而也可用來估算下一個分段[N+1]或下面的分段[N+H]的氣缸空氣量。然後變量
或變量
用來精確計算燃料噴射的噴射時間。
權利要求
1.確定流入內燃機氣缸中的空氣量的方法，具有
-一個吸氣系統，該系統具有一根進氣管(10)和設置在該管中的一個節流閥(11)以及一個探測節流閥(19)的開度的節流閥位置傳感器(14)，
-一個產生內燃機負荷信號(
)的傳感器(12；13)；一個根據測得的負荷信號(
)和內燃機轉數來計算基本噴射時間的電子控制裝置，其特徵是
-用一個進氣管充氣模型來模擬進氣系統中的工況，其中用節流閥(11)的開度、環境壓力PU和表示閥門位置的參數作為模型的輸入變量；
-用通過節流點的理想氣體的流量方程(方程(2.2))來描述節流閥(11)的空氣的流量(
)的模型變量；
-用空氣流量(
)的質量平衡作為進氣管壓力(
)的線性函數來描述進入氣缸(17)中的空氣流量(
)的模型變量(方程2.1)；
這些模型變量通過一個微分方程(方程2.5)組合，從中算出進氣管壓力(
)作為計算內燃機實際負荷的確定變量(方程2.7)；
-從計算出的進氣管壓力(
)與流入一個或多個氣缸(17)中的空氣流量(
)的模型變量之間的線性關係(方程2.4)中通過積分求出流入一個或多個氣缸(17)中的空氣量(
)。
2.按權利要求1的方法，其特徵是，用負荷傳感器(12；13)測得的負荷信號(
)來修正和調整閉合調節迴路中的模型變量(
)，其中負荷信號(
)作為調節迴路的基準變量。
3.按權利要求2的方法，其特徵是，在內燃機的穩定和/或不穩定運行中進行調整，並考慮負荷傳感器(12；13)的傳遞特性。
4.按權利要求2的方法，其特徵是，節流閥的一個減小橫截面的一個值(
)對應節流閥開度的一個測量值，並通過修正變量(
)修正的減小橫截面(
)來調整模型變量，使基準變量和相應模型變量之間的調整誤差減小到最低限度。
5.按權利要求4的方法，其特徵是，減小的橫截面(
)由發動機試驗臺上進行的穩定測量來確定，並存儲在電子控制裝置的一個存儲器的一個特性曲線族中。
6.按權利要求1的方法，其特徵是，在表示節流閥(11)中的空氣流量(
)的模型變量時，將流量方程(方程2.2)中的流量函數(Ψ)分成單獨的區段(i＝1…k)，這些區段用直線段近似，其中相應直線段的斜率(mi)和絕對項(ni)作為進氣管壓力(
)和環境壓力(
)之比的函數來確定，並存儲在一個特性曲線族中。
7.按權利要求1的方法，其特徵是，相應氣缸中的空氣流量的模型變量(
)的線性函數的斜率(r1)和絕對項(r0)根據內燃機的轉數、氣缸數、進氣管幾何尺寸、進氣管(10)空氣溫度(TS)和閥門調節信號這些參數中的至少一個來確定。
8.按權利要求7的方法，其特徵是，這些參數由發動機試驗臺上進行穩定測量來確定，並存儲在特性曲線族中。
9.按權利要求1的方法，其特徵是，流入氣缸中的空氣量(
)用下式計算
式中TA取樣時間或分段時間；
在現時取樣步距或分段過程中的空氣流量的模型變量；
在過去取樣步距或分段過程中的空氣流量的模型變量。
10.按權利要求1的方法，其特徵是，流入一個或多個氣缸中的空氣量(
)在一個相對於現時負荷探測在取樣時刻(N)位於將來確定的預測範圍(H)通過相應壓力值的估算用下式進行估算式中TA取樣時間或分段時間；H預測範圍，位於將來的取樣步距數；r1線性方程的斜率；
r0確定
的絕對項；
N現時取樣步距。
11.按權利要求10的方法，其特徵是，用於估算將來負荷信號的分段數(H)根據轉數變化進行確定。
全文摘要
本發明涉及依據模型確定流入內燃機氣缸中的空氣量的方法。計算流入氣缸中的實際空氣量用一個進氣管充氣模型來進行,該模型由節流閥開度、環境壓力和表示閥門調節的參數的輸入變量中提供一個負荷變量,並根據該負荷變量來確定噴射時間。此外,這個負荷變量用來進行預測,以便估算在此噴射時間現時計算遲後至少一個取樣步距的時刻的負荷變量。
文檔編號F02D41/14GK1181124SQ9619324
公開日1998年5月6日 申請日期1996年4月9日 優先權日1995年4月10日
發明者S·特雷尼斯, M·恩格, G·羅塞爾 申請人:西門子公司