本发明属于汽油机控制领域，涉及一种配置有进气门可变正时和排气门可变正时(variablevalvetiming，vvt)的增压直喷汽油机新鲜气量计算方法。
背景技术：
缸内直喷汽油机由于在输出功率和扭矩方面所能取得的效益以及在降低燃油消耗和污染物方面所存在的巨大潜力而得到广泛的应用，缸内直喷、涡轮增压与双vvt的组合可以充分挖掘缸内直喷在节能减排方面的潜力，并且能够减小爆震倾向、改善低速加速时的响应性，但这种组合也使得汽油机的进气过程变得复杂，缸内新鲜气量和进气歧管压力之间的线性关系被破坏，并且有可能存在更加复杂的扫气工况，使得准确计算汽油机的新鲜进气量变得困难，而准确计算汽油机的新鲜气量是空燃比闭环控制、vvt控制和增压控制等控制功能准确实施的前提条件，也是增压直喷汽油机控制的基础。因此，如何准确计算汽油机的新鲜气量对于准确控制喷油量、点火角等关键参数变得尤其重要。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明提供一种双vvt增压直喷汽油机的新鲜气量计算方法，该方法能够准确计算汽油机的新鲜气量。
本发明采用的技术方案为：
本发明实施例提供一种双vvt增压直喷汽油机的新鲜气量计算方法，包括：将缸内总气体压力与标准状况下的气体压力的比值、缸内总气体体积与标准状况下的缸内气体体积的比值、以及标准状况下的气体温度与缸内总气体温度的比值相乘得到的积确定为缸内总气体的相对质量；将缸内滞留废气压力与标准状况下的气体压力的比值、缸内滞留废气体积与标准状况下的缸内气体体积的比值、以及标准状况下的气体温度与缸内滞留废气温度的比值相乘得到的积确定为缸内滞留废气的相对质量；将缸内回流废气压力与标准状况下的气体压力的比值、缸内回流废气体积与标准状况下的缸内气体体积的比值、以及标准状况下的气体温度与缸内回流废气温度的比值相乘得到的积确定为缸内回流废气的相对质量；基于确定的缸内总气体的相对质量、缸内滞留废气的相对质量和缸内回流废气的相对质量确定新鲜气量。
可选地，所述方法包括对回流工况下的新鲜气量和对扫气工况下的新鲜气量进行计算；
其中，所述回流工况下的新鲜气量为缸内新鲜气量，所述缸内新鲜气量等于所述缸内总气体的相对质量减去所述缸内滞留废气的相对质量和所述缸内回流废气的相对质量；
所述扫气工况的新鲜气量包括缸内新鲜气量与缸外新鲜气量，所述扫气工况的缸内新鲜气量等于所述缸内总气体的相对质量，所述缸外新鲜气量等于所述缸内回流废气的相对质量减去所述缸内滞留废气的相对质量。
可选地，还包括基于进气门移动角度和排气门移动角度确定vvt权重因子，所述vvt权重因子用于对所述缸内总气体压力和所述缸内回流废气体积进行修正。
可选地，所述vvt权重因子等于排气门移动角度除以进气门移动角度和排气门移动角度的和得到的商。
可选地，所述缸内总气体压力基于进气歧管压力和预设的压力修正值确定，其中，所述预设的压力修正值基于当前的发动机转速和重叠角确定的第一压力修正值和第二压力修正值、当前的进气门移动角度和排气门移动角度确定的vvt权重因子确定；
所述缸内总气体体积基于所述标准状况下的缸内气体体积、当前的进气门关闭角度、发动机压缩比、连杆长度和曲轴半径确定；
所述缸内总气体温度等于当前的进气温度。
可选地，所述预设的压力修正值基于当前的发动机转速和重叠角确定的第一压力修正值和第二压力修正值、当前的进气门移动角度和排气门移动角度确定的vvt权重因子确定，具体包括：
基于当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第一特性表确定所述第一压力修正值，所述预设的第一特性表表征在vvt权重因子为1时不同的发动机转速和重叠角与第一压力修正值之间的对应关系；
基于当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第二特性表确定所述第二压力修正值，所述预设的第二特性表表征在vvt权重因子为0时不同的发动机转速和重叠角与第二压力修正值之间的对应关系；
将当前的排气门移动角度除以进气门移动角度和排气门移动角度的和所得到的商值确定为所述vvt权重因子；
将所确定的第一压力修正值与所确定的第二压力修正值进行相减，得到修正差值；
将所得到的修正差值乘以所确定的vvt权重因子得到的积与所确定的第二压力修正值进行相加，将相加得到的和值确定为所述预设的压力修正值。
可选地，所述缸内滞留废气压力等于当前的排气压力；
所述缸内滞留废气温度等于当前的排气温度；
所述缸内滞留废气体积基于缸内滞留废气基准体积和预设的体积修正值确定，其中，所述缸内滞留废气基准体积基于所述标准状况下的缸内气体体积、当前的排气门关闭角度、发动机压缩比、连杆长度和曲轴半径确定，所述预设的体积修正值基于当前的发动机转速和排气门关闭角度查阅预设的第三特性表确定，所述预设的第三特性表表征不同的发动机转速和排气门关闭角度与预设的体积修正值之间的对应关系。
可选地，所述缸内回流废气压力基于当前的排气压力确定；
所述缸内回流废气温度等于当前的排气温度；
所述缸内回流废气体积基于缸内回流废气基准体积和预设的体积修正值确定，其中，所述缸内回流废气基准体积基于所述标准状况下的缸内气体体积、当前的进气门开启角度、发动机压缩比、连杆长度和曲轴半径确定，所述预设的体积修正值基于当前的发动机转速和重叠角确定的第一体积修正值和第二体积修正值、当前的进气门移动角度和排气门移动角度确定的vvt权重因子、当前的发动机转速与进排气压力比确定的第三体积修正值确定。
可选地，所述预设的体积修正值基于当前的发动机转速和重叠角确定的第一体积修正值和第二体积修正值、当前的进气门移动角度和排气门移动角度确定的vvt权重因子、当前的发动机转速与进排气压力比确定的第三体积修正值确定，具体包括：
基于当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第四特性表确定第一体积修正值，所述预设的第四特性表表征在vvt权重因子为1时不同的发动机转速和重叠角与第一体积修正值之间的对应关系；
基于当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第五特性表确定第二体积修正值，所述预设的第五特性表表征在vvt权重因子为0时不同的发动机转速和重叠角与第二体积修正值之间的对应关系；
将当前的排气门移动角度除以进气门移动角度和排气门移动角度的和所得到的商值确定为vvt权重因子；
基于当前的发动机转速和进排气压力比查阅预设的第六特性表确定第三体积修正值，所述预设的第六特性表表征不同的发动机转速和进排气压力比与第三体积修正值之间的对应关系；
将所确定的第一体积修正值与所确定的第二体积修正值进行相减，得到修正差值；
将所得到的修正差值乘以所确定的vvt权重因子得到的积与所确定的第二体积修正值进行相加，得到修正和值；
将所得到的修正和值与所确定的第三体积修正值进行相乘，将相乘得到的积确定为所述预设的体积修正值。
本发明实施例提供的双vvt增压直喷汽油机的新鲜气量计算方法，利用进气冲程结束时的缸内气体简化为三部分：新鲜空气、滞留废气和回流废气，利用缸内总气体相对质量、滞留废气相对质量和回流废气相对质量以及标准状况下的气体压力、气体体积和气体温度来计算新鲜空气的相对质量，参与计算的是压力比值、温度比值和体积比值，能够弱化实际气体状态方程中与物理性质有关的常数的影响，从而提高新鲜气量的计算精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双vvt增压直喷汽油机的新鲜气量计算方法的流程示意图；
图2是本发明实施例确定的vvt权重因子示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明实施例提供的双vvt增压直喷汽油机的新鲜气量计算方法用于对回流工况和扫气工况下的新鲜空气量进行计算。在回流工况下，进排气门叠开时，由于排气压力会大于进气压力，因而部分废气流入进气道然后又随着进气气流返回到气缸而参与到下一个工作循环，此时，缸内会存在直到排气冲程结束仍然留在气缸中的滞留废气和回流废气，该工况下的新鲜气量为缸内新鲜空气量。扫气工况与回流工况是两个相反的过程，即进排气门叠开时，进气压力会大于排气压力，通过新鲜空气将滞留废气扫出缸内，这样，部分新鲜空气会跑到缸外，这种情况下，扫气工况的新鲜气量包括缸内新鲜气量与缸外新鲜气量，这样，即可得到缸内新鲜气量，又可得到扫气区的总新鲜气量。
在回流工况下，将进气冲程结束时缸内气体简化为三部分：新鲜空气、滞留废气和回流废气；由于缸内气体并非理想气体，无论何种型式的实际气体状态方程中都包含两个或多个与物理性质有关的常数，这些常数计算复杂且很难测得，为了解决这一问题，本发明采用对比态原理，引入对比态方程，用百分比的形式反映缸内新鲜空气相对质量，定义该百分比形式的缸内新鲜空气质量为相对充气量，其具体概念为进气门关闭时实际吸入气缸内的新鲜空气质量与标准状况下充满气缸工作容积的气体质量的比值，参与计算的是压力比值、温度比值和体积比值，弱化实际气体状态方程中与物理性质有关的常数的影响，从而提高模型的计算精度。
在扫气工况下，由于扫气工况与回流工况是两个相反的过程，本发明将扫出缸内滞留废气的新鲜空气看作是回流工况下的回流废气，因此，在计算扫气工况的新鲜气量时，可利用回流工况下的滞留废气和回流废气的相对质量进行计算。
此外，为了提高对物理工况的覆盖度，在计算缸内气体和回流废气时必须同时考虑进排气vvt的影响，常规的做法是用进排气vvt的全因子组合来考虑进排气vvt的影响，这种做法的缺点是会引入很多图表，不利于后期的标定，本发明引入了vvt权重因子，对当前工况的进排气vvt的配比进行反映。
以下，参考图1和图2对本发明实施例提供的双vvt增压直喷汽油机的新鲜气量计算方法进行介绍。
图1为本发明实施例提供的双vvt增压直喷汽油机的新鲜气量计算方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例提供的双vvt增压直喷汽油机的新鲜气量计算方法包括以下步骤：
s101、将缸内总气体压力与标准状况下的气体压力的比值、缸内总气体体积与标准状况下的缸内气体体积的比值、以及标准状况下的气体温度与缸内总气体温度的比值相乘得到的积确定为缸内总气体的相对质量。
s102、将缸内滞留废气压力与标准状况下的气体压力的比值、缸内滞留废气体积与标准状况下的缸内气体体积的比值、以及标准状况下的气体温度与缸内滞留废气温度的比值相乘得到的积确定为缸内滞留废气的相对质量。
s103、将缸内回流废气压力与标准状况下的气体压力的比值、缸内回流废气体积与标准状况下的缸内气体体积的比值、以及标准状况下的气体温度与缸内回流废气温度的比值相乘得到的积确定为缸内回流废气的相对质量。
s104、基于所确定的缸内总气体的相对质量、缸内滞留废气的相对质量和缸内回流废气的相对质量确定新鲜气量。进一步地，在回流工况下，新鲜气量等于所述缸内总气体的相对质量减去所述缸内滞留废气的相对质量和所述缸内回流废气的相对质量，即回流工况下的新鲜空气的相对质量可通过下述公式(1)进行确定：
其中，mfr表示回流工况下的新鲜空气的相对质量，pa、va、ta分别表示缸内总气体压力、缸内总气体体积、缸内总气体温度；pr、vr、tr分别表示缸内滞留气体压力、缸内滞留气体体积、缸内滞留气体温度；pe、ve、te分别表示缸内回流气体压力、缸内回流气体体积、缸内回流气体温度；p0、v0、t0分别表示标准状况下的气体压力、气体体积和气体温度，其中，p0为标准大气压，t0为273k，v0为单缸的发动机排气量。
上述公式(1)可基于下述推导得到：
进一步地，在扫气工况下，新鲜气量包括缸内新鲜空气量与缸外新鲜空气量，所述扫气工况的缸内新鲜空气量等于所述缸内总气体的相对质量，所述缸外新鲜空气量等于所述缸内回流废气的相对质量减去所述缸内滞留废气的相对质量，即扫气工况下的新鲜空气的相对质量可通过下述公式(2)进行确定：
上述公式(2)中的mfc表示扫气工况下的新鲜空气的相对质量，其余参数定义与上述公式(1)相同，为避免赘述，省略具体介绍。
在计算新鲜空气的相对质量时，上述公式(1)和(2)中的一些参数可以直接测量或者经过简单换算得到，如pe、pr、va、ta、te、tr，而有些参数并不能直接测量或者经过简单换算就可以得到，而是需要对这些参数的对应基准值进行修正得到，如pa、vr和ve。本发明实施例中利用vvt权重因子和预设的特性表来对pa、vr和ve的基准值进行修正，预设的特性表可包括6个特性表，分别为预设的第一特性表、预设的第二特性表、预设的第三特性表、预设的第四特性表、预设的第五特性表和预设的第六特性表，均可通过试验标定。以下，分别对本实施例的vvt权重因子和各个特性表的确定进行描述。
vvt权重因子确定
在本发明实施例中，vvt权重因子用于对所述缸内总气体压力和所述缸内回流废气体积进行修正，可基于进气门移动角度与排气门移动角度确定，具体地，可分为四种情况：
第一种情况：进气门和排气门同时移动时，即进气门和排气门都存在移动角度，此时的vvt权重因子为排气门移动角度与进气门移动角度和排气门移动角度的和值的商，例如，在排气门移动角度为10℃a，进气门移动角度为20℃a时，相应的vvt权重因子为10/(10+20)＝0.33；
第二种情况：只有进气门移动而排气门不动或者进气门移动到最大位置排气门处于除最大位置的任意位置，vvt权重因子为0；
第三种情况：只有排气门移动而进气门不动或者排气门移动到最大位置进气门处于除最大位置的任意位置，vvt权重因子为1；
第四种情况：进气门和排气门都不动或进气门和排气门都移动到最大位置，vvt权重因子为0。
由于进气门角度变化对充气的影响要大于排气门角度变化对充气的影响，以进排气vvt角度可变范围都为0-50℃a(曲轴转角)为例，按照上述vvt权重因子确定方式得到的vvt权重因子可如图2所示，其中图2中的每条斜线表示相同的vvt重叠角，重叠角等于进气门移动角度和排气门移动角度之和。在图2中，以重叠角0℃a和100℃a的连线为分界，下半区为进气vvt影响较大的区域，上半区为排气vvt影响较大的区域，相同vvt重叠角下随着vvt权重因子的增大，排气vvt所占的比重越来越大，vvt权重因子为0时，该vvt重叠角全部来自进气vvt的动作，vvt权重因子为1时，该vvt重叠角全部来自排气vvt的动作。
预设的特性表确定
在本发明中，预设的6个特性表可基于上述图2确定的vvt权重因子来进行试验标定。其中，预设的第一特性表和预设的第二特性表用于对缸内总气体压力pa的基准值进行修正，预设的第一特性表表征在权重因子为1时不同的发动机转速和重叠角与第一压力修正值之间的对应关系，预设的第二特性表表征在vvt权重因子为0时不同的发动机转速和重叠角与第二压力修正值之间的对应关系。预设的第三特性表用于对缸内滞留气体体积的基准值进行修正，表征不同的发动机转速和排气门关闭角度与预设的体积修正值之间的对应关系。预设的第四特性表、预设的第五特性表和预设的第六特性表用于对缸内回流气体体积的基准值进行修正，预设的第四特性表表征在权重因子为1时不同的发动机转速和重叠角与第一体积修正值之间的对应关系，预设的第五特性表表征在权重因子为0时不同的发动机转速和重叠角与第二体积修正值之间的对应关系，预设的第六特性表表征不同的发动机转速和进排气压力比与第三体积修正值之间的对应关系。这6个特性表可通过采集不同转速、不同进排气vvt组合(即不同的进气门移动角度和排气门移动角度的组合)时发动机的进气歧管压力、进气歧管温度、排气温度、排气压力、空燃比、喷油量等数据，然后将采集的数据导入专门的计算软件中(本实施例中为digtam)进行计算，然后得到预设的第一特性表至第六特性表中的相应的修正值。
本发明通过利用确定的vvt权重因子和上述6个特性表，可以完全覆盖各种vvt组合的工况，从而保证缸内新鲜气量计算的准确性，并且能够有效减少数据采集量，节约标定时间。
以下，结合上述vvt权重因子和6个特性表对用于计算新鲜气量的各参数的确定进行描述。
在本实施例中，缸内总气体压力pa可基于进气歧管压力pe和预设的压力修正值cfp确定，具体地，缸内总气体压力pa等于进气歧管压力pe和预设的压力修正值cfp的乘积，即pa＝pe×cfp。其中，所述预设的压力修正值cfp基于当前的发动机转速和重叠角确定的第一压力修正值cfp1和第二压力修正值cfp2、当前的进气门移动角度和排气门移动角度确定的vvt权重因子f以及预设的运算关系确定。具体可通过如下步骤确定：
(1)基于当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第一特性表确定第一压力修正值cfp1，即可通过当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第一特性表得到相应的第一压力修正值；
(2)基于当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第二特性表确定第二压力修正值cfp2，即可通过当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第二特性表得到相应的第二压力修正值；
(3)将当前的排气门移动角度除以进气门移动角度和排气门移动角度的和所得到的商值确定为vvt权重因子f；
(4)将所确定的第一压力修正值与所确定的第二压力修正值进行相减，得到修正差值；
(5)将所得到的修正差值乘以步骤(3)所确定的vvt权重因子得到的积与所确定的第二压力修正值进行相加，将相加得到的和值确定为所述预设的压力修正值。
即预设的压力修正值cfp可通过下述公式(3)得到：
cfp＝(cfp1-cfp2)×f+cfp2(3)
在一具体示例中，假设发动机运行在2000pm，此时进气vvt角度移动了30°，排气vvt移动了20°，那么vvt重叠角就是50°(30°+20°)，通过查阅第一特性表得到第一修正值为1.0423，查第二特性表得到第二修正值为1.0268，此时的vvt权重因子为0.4(20°/(30°+20°)＝0.4)，那么压力修正值cfp＝(1.0423-1.0268)*0.4+1.0268＝1.033。
缸内总气体体积va可基于所述标准状况下的缸内气体体积v0、当前的进气门关闭角度α1、发动机压缩比ε、连杆长度l和曲轴半径r确定，具体可通过下述公式(4)确定：
当前的进气门关闭角度等于初始进气门关闭角度减去进气门移动角度得到的差值，初始进气门关闭角度为发动机的设计参数，可通过参阅确定。
缸内总气体温度可等于当前的进气温度，即可等于当前的进气歧管的进气温度。
进一步地，在本实施例中，缸内滞留废气压力pr可等于当前的排气压力，即可等于当前的排气歧管的排气压力。缸内滞留废气温度tr可等于当前的排气温度，即可等于当前的排气歧管的排气温度。
缸内滞留废气体积vr可基于缸内滞留废气基准体积vro和预设的体积修正值cfvr确定，具体地，缸内滞留废气体积vr等于缸内滞留废气基准体积vro和预设的体积修正值cfvr的乘积，即vr＝vro×cfvr。
其中，所述缸内滞留废气基准体积vro可基于所述标准状况下的缸内气体体积v0、当前的排气门关闭角度α2、发动机压缩比ε、连杆长度l和曲轴半径r确定，具体可通过下述公式(5)确定：
其中，当前的排气门关闭角度等于初始排气门关闭角度与排气门移动角度相加得到的和值，初始排气门关闭角度为发动机的设计参数，可通过参阅该设计参数确定。
所述预设的体积修正值cfvr可基于当前的发动机转速和排气门关闭角度查阅预设的第三特性表确定，即可通过当前的发动机转速和排气门关闭角度查阅预设的第三特性表得到相应的体积修正值cfvr。
进一步地，在本实施例中，缸内回流废气压力pe可等于当前的排气压力，即可等于当前的排气歧管的排气压力。缸内回流废气温度te可等于当前的排气温度确定，即可等于当前的排气歧管的排气温度。
缸内回流废气体积ve可基于缸内回流废气基准体积veo和预设的体积修正值cfve确定，具体地，缸内回流废气体积ve等于缸内回流废气基准体积veo和预设的体积修正值cfve的乘积，即ve＝veo×cfve。
其中，所述缸内回流废气基准体积veo可基于所述标准状况下的缸内气体体积v0、当前的进气门开启角度α3、发动机压缩比ε、连杆长度l和曲轴半径r确定，具体可通过下述公式(6)确定：
其中，当前的进气门开启角度等于初始进气门开启角度减去进气门移动角度得到的差值，初始进气门开启角度为发动机的设计参数，可通过参阅该设计参数确定。
所述预设的体积修正值cfve可基于当前的发动机转速和重叠角确定的第一体积修正值cfve1和第二体积修正值cfve2、当前的进气门移动角度和排气门移动角度确定的vvt权重因子f、当前的发动机转速与进排气压力比确定的第三体积修正值cfve3以及预设的运算关系确定。具体可通过下述步骤确定：
1)基于当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第四特性表确定第一体积修正值，即可通过当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第四特性表得到相应的第一体积修正值；
2)基于当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第五特性表确定第二体积修正值，即可通过当前的发动机转速和重叠角查阅预设的第五特性表得到相应的第二体积修正值；
3)将当前的排气门移动角度除以进气门移动角度和排气门移动角度的和所得到的商值确定为vvt权重因子f；
4)基于当前的发动机转速和进排气压力比查阅预设的第六特性表确定第三体积修正值，即可通过当前的发动机转速和进排气压力比查阅预设的第六特性表得到相应的第三体积修正值；
5)将所确定的第一体积修正值与所确定的第二体积修正值进行相减，得到修正差值；
6)将所得到的修正差值乘以步骤3)所确定的vvt权重因子得到的积与所确定的第二体积修正值进行相加，得到修正和值；
7)将所得到的修正和值与所确定的第三体积修正值进行相乘，将相乘得到的积确定为所述预设的体积修正值。
即，预设的压力修正值cfp可通过下述公式(7)得到：
cfve＝[(cfve1-cfve2)×f+cfve2]×cfve3(7)
综上，本发明实施例提供的双vvt增压直喷汽油机的新鲜气量计算方法采用对比态原理，即缸内气量质量与标准状况下充满气缸工作容积的气体质量做对比，参与计算的是压力比值、温度比值和体积比值，弱化实际气体状态方程中与物理性质有关的常数的影响，从而提高了新鲜气量的计算精度；为了提高对物理工况的覆盖度，本发明引入了vvt权重因子，对某一vvt状态时进排气vvt的配比进行反映。此外，本发明利用扫气与回流是两个相反的过程这一原理进行了算法设计，使得该计算方法在扫气区可以同时计算出总的新鲜气量和缸内新鲜气量，满足扫气区控制的需求。
以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。