估计和控制内燃机的进气效率的方法与流程
发明技术背景
应用领域
本发明涉及一种通过电子处理实现的用于估计和控制内燃机的进气效率的方法。
特别地，本发明涉及一种用于确定在内燃机的每个汽缸中捕获的空气质量的方法，并且涉及一种用于控制和实现内燃机的至少一个汽缸的运行的方法。
现有技术的描述
众所周知，通过涡轮增压器增压系统增压的内燃机包括多个喷射器，其将燃料喷射到相应的汽缸中，每个汽缸通过至少一个相应的进气阀连接到进气歧管，并通过至少一个相应的排气阀连接到排气歧管。
进气歧管接收气体混合物，该气体混合物既包含废气又包含新鲜空气(即通过进气管道的来自外部环境的空气)，该进气管道配有用于新鲜空气流的空气滤清器，并由节流阀调节。空气流量计也沿进气管道布置，优选地布置在空气滤清器的下游。
空气流量计是连接到电子控制单元的传感器，并且设计成检测通过内燃机吸入的新鲜空气的流量。通过内燃机吸入的新鲜空气流量对于发动机控制来说是非常重要的参数，尤其是确定要喷射到汽缸中的燃油量，以便在排气歧管的下游的排气管道中获得给定的空燃比。
然而，通常地，空气流量计是非常昂贵并且也是相当精密的部件，因为油蒸气和灰尘会污染空气流量计，从而改变了由内燃机吸入的新鲜空气流量值的读数。
因此，出现了这样的需求：确定由内燃机吸入的新鲜空气流量(即，在每个汽缸中捕获的质量)，从而可能会避免使用空气流量计，但要保持高精度，以符合该技术领域的性能要求。
在这方面，已知的解决方案不满足上述要求，特别是在应用vvh(variablevalveheight)(可变阀高度)控制技术或应用vvh和vvt(variablevalvetiming)(可变阀正时)技术的内燃机领域中。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于确定在内燃机的每个汽缸中捕获的空气质量的方法，该方法允许至少部分地解决以上参照现有技术描述的缺点并响应在考虑的技术领域中特别感受到的上述需求。
该目的通过根据权利要求1的方法解决。
这种方法的其他实施例在权利要求2-35中定义。
本发明的另一个目的是一种根据权利要求36或权利要求37所述的用于控制和实现内燃机的至少一个汽缸的运行的方法。
附图说明
在下面的描述中，根据本发明的方法的其他特征和优点将变得显而易见，下面的描述通过参考附图的说明性的非限制性示例的方式说明了优选实施例，其中：
-图1示意性地示出了配备有实现根据本发明的方法的电子控制单元的内燃机的优选实施例；
-图2更详细地示出了图1中的发动机的汽缸；
-图3-5是分别在仅vvh升程控制、仅vvt正时控制以及同时vvh升程控制和vvt正时控制的应用条件下排气阀(左侧曲线)和进气阀(右侧曲线)的打开和关闭规律的示意图。
-图6示意性地示出了图1中发动机的进气阀和排气阀的相交步骤；
-图7示出了根据在孔口之后和之前的压力之间的关系，通过半径r的孔口的等熵流的压缩因子的趋势的已知规律。
具体实施方式
在描述方法之前，为了清楚说明起见，下面参照图1和图2以图解和简化的方式描述其中可以应用根据本发明的方法的发动机1的示例。
发动机1是内燃机。
优选地，这种发动机1是借助于涡轮增压器增压系统增压的内燃机。
发动机1包括给定数量的喷射器，其将燃料喷射到它们各自的汽缸2中(例如，四个汽缸，优选地成直线布置)；通常，为每个汽缸2提供相应的喷射器。每个汽缸2通过至少一个相应的进气阀5连接到进气歧管4，并且通过至少一个相应的排气阀7连接到排气歧管6。根据几种可能的实施方案，喷射可以是间接类型的(其中每个喷射器放置在将进气歧管连接到汽缸的进气管中在相应汽缸的上游)，或可以是直接类型的(其中每个喷射器部分放置在汽缸内)。
每个汽缸2包括各自的活塞3，活塞3通过连杆机械地连接至驱动轴11，用于将在汽缸3中的燃烧产生的力传递至驱动轴11(以本身已知的方式)。
进气歧管4接收包括废气和通过进气管道8来自外部环境的新鲜空气的气体混合物，该进气管道优选地设有用于新鲜空气流的空气滤清器并且由节流阀12调节，优选节流阀在关闭位置和最大打开位置之间是移动的。在此处示出的解决方案中，沿进气管线8未设置空气流量计。
每个排气阀7的位置和每个进气阀5的位置例如由接收驱动轴11的运动的各个凸轮轴控制。
优选地，沿着进气管道8放置中间冷却器，该中间冷却器可以集成到进气歧管4中并且执行冷却进气的功能。排气管9连接到排气歧管6，其中排气管9将由燃烧产生的废气供给至排气系统，该排气系统将由燃烧产生的气体排放到大气中。排气系统通常包括催化转化器以及在其下游的消声器。
内燃机1的增压系统包括设有涡轮的涡轮增压器和压缩机，该涡轮增压器沿着排气管9布置成在从汽缸3排出的废气的偏压下高速旋转，该压缩机沿着进气管道8布置并且机械地连接至涡轮以由涡轮自身旋转地供给，从而增加进气管道8中的气压。
在上面的描述中，已经提到了通过涡轮增压器增压的内燃机1。可替代地，本发明的方法可以有利地应用于任何内燃机。根据另一个示例，该方法可以应用于通过动态或容积式压缩机增压的内燃机。
在这里考虑的内燃机1中执行可变阀高度(vvh)控制。
通过本身已知的(例如，meta或valvtronic类型的，以提及本领域技术人员众所周知的解决方案)vvh设备或vvh致动器来执行这种vvh控制。vvh致动器在图2中以附图标记50象征性地表示为方框。
vvh致动器允许连续改变进气阀的升程规律。通常，每个可能的升程值h(可由vvh致动器设置)也意味着进气阀打开提前的相应值和进气阀关闭延迟的相应值。
如下面将更详细地说明的，vvh致动器包括例如进气阀升程移位器，该进气阀升程移位器可以从最大升程曲线开始并确定不同的曲线，以减小的升程h和宽度来修改升程定律，即延迟进气阀的打开并预期其关闭。通常，阀升程的变速驱动器通过特定的机械/几何特性起作用，并且具有与变速驱动器/致动器的位置对应的自由度γ，其与升程h(γ)一一对应。
内燃机1由电子控制单元10控制，该电子控制单元控制内燃机1的所有部件的操作。特别地，电子控制单元10连接到多个传感器，例如：沿着压缩机上游的进气管道8测量温度和压力的传感器，沿着节流阀12上游的进气管8测量温度和压力的传感器，测量进气歧管4中存在的混合气体的温度t和压力p的传感器。
此外，电子控制单元10可以连接至传感器，该传感器测量驱动轴11的角位置，从而测量发动机的转速n(例如，发动机的每分钟转数，rpm)。
此外，电子控制单元10可以连接至测量催化转化器上游的废气的空燃比的传感器(例如，uhego或uego型的线性氧探头，其本身是已知的，而不用在这里详细描述)和测量进气阀相位和/或排气阀相位的传感器。
在图2中，上述传感器中的一些以图解方式显示为黑圈，每个都命名为它可以检测的变量。
在电子控制单元10中存储前述“填充模型”或计算模型，通过该模型，尤其，确定(对于每个周期)在每个汽缸2中捕获的空气质量m和由内燃机1吸入的空气质量mtot。
值得注意的是，如上所述，电子控制单元10可操作地连接到所有发动机汽缸的所有致动器(例如，图2中由附图标记50、51、52表示的块)和所有传感器(例如，图2中由参考号p，t，vvti，vvte，h，texh,pexh表示的块)。这些明显的链接未在图1和2中显示，这使其他方面的说明更加清晰。
参考图1-7，现在描述一种用于确定在包括多个汽缸2的内燃机1的每个汽缸2中捕获的空气质量m的方法。每个汽缸2连接到进气歧管4并且连接到排气歧管6，汽缸从进气歧管4通过至少一个相应的进气阀5接收新鲜空气，汽缸通过至少一个相应的排气阀7将燃烧产生的废气引入到排气歧管6。驱动至少一个进气阀5以受控的方式改变进气阀5的升程h。
该方法首先包括以下步骤：基于使用测量的和/或估计的物理量的填充模型，确定第一组参考量的每个量的值。
这样的第一组参考量包括：在进气歧管4内部测得的进气压力p；和发动机转速n；在先前的运行周期中由燃烧产生的并且存在于汽缸2中的气体质量(off)，其根据上述升程h和取决于上述升程h的进气阀的关闭延迟角ivc估算。
该方法然后基于上述填充模型提供根据所述发动机转速n、进气阀的前述升程h和进气阀的前述关闭延迟角ivc来确定每个汽缸2的实际内部体积v。
该方法最后通过以下关系根据第一组参考量和在每个汽缸2内部的实际体积v确定在每个汽缸2中捕获的空气质量m：
m＝(p*v)–off[1]
根据优选的实施方案，在电子控制单元10中存储上述“填充模型”或计算模型，该模型尤其允许确定(对于每个周期)在每个汽缸2中捕获的空气质量m。
根据实施例(在图3中报告的示意图中示出)，该方法进一步包括以下步骤：借助于进气阀升程移位器50以受控方式通过改变进气阀的升程规律来驱动进气阀5，以便根据单个自由度γ来定义升程h以及进气阀的打开提前角ivo和进气阀的关闭延迟角ivc。
根据该实施例的实施方式，上述驱动步骤包括通过以下关系式确定进气阀打开提前角ivo：
ivo(h)＝ivohmax-δivo(h)[2]
其中ivohmax是对应于最大升程(在图3中表示为hmax)的进气阀打开提前角，以及δivo(h)是取决于受控升程h的进气阀打开提前角的变化。
此外，上述驱动步骤包括通过以下关系确定进气阀关闭延迟角ivc：
ivc(h)＝ivchmax-δivc(h)[3]
其中ivchmax是对应于最大升程hmax的进气阀关闭延迟角，以及δivc(h)是取决于受控升程h的进气阀关闭延迟角的变化。
依赖于升程h的上述量(ivo(h),ivc(h),δivo(h),δivc(h))也取决于上述自由度γ，因为如上所述，h取决于γ。
在图3中，参考号“bdc”和“tdc”分别指示下止点和上止点。
根据实施方式，自由度γ与vvh致动器的位置有关。
根据实施例，该方法应用于还执行可变阀正时(vvt)控制的内燃机1。因此，该实施例在同时存在vvh和vvt控制的情况下工作。
在这种情况下，进气阀5和/或排气阀7由vvt装置，或vvt致动器，或vvt移相器驱动，vvt装置、vvt致动器或vvt移相器例如以液压方式作用在驱动进气阀5和/或排气阀7的轴上，修改相对于驱动轴的正时。
特别地，根据在此考虑的方法的实施例，至少一个进气阀5进一步被驱动以便以受控方式改变进气阀角位移vvti，和/或至少一个排气阀7被驱动以便以受控的方式改变排气阀角位移vvte。
确定第一组参考量的值的步骤包括基于进气阀的升程h和进气阀的位移vvti两者来确定进气阀的关闭延迟角ivc。
在本说明书中，术语“vvti进气阀位移(或位移角)”用于表示(相对于与零vvti对应的进气阀参考值的)偏差的角幅度，等于vvti进气致动器的角位置变化(相对于发动机(曲柄)角度)。
类似地，术语“vvti排气阀位移(或位移角)”用于表示(相对于与零vvte对应的排气阀参考值的)偏差的角幅度，等于vvte排气致动器的角位置变化(相对于发动机(曲柄)角度)。
因此，如上面所提到的，位移是指vvt致动器位置的变化。
根据该实施例的实施方式，该方法还包括以下步骤：借助于进气阀移相器51以受控的方式通过改变进气阀的位移vvti来驱动进气阀5，使得进气阀打开提前角ivo和进气阀关闭延迟角ivc都不仅取决于升程h，而且取决于进气阀的位移vvti；以及借助排气阀移相器52以受控方式通过改变排气阀位移vvte来驱动排气阀7，使得排气阀打开提前角evo和排气阀关闭延迟角evc均取决于排气阀正时的位移vvte。
更详细地，上述驱动步骤包括通过以下关系确定进气阀打开提前角ivo：
ivo(h)＝ivoref-δivo(h)–vvti[4]
其中ivoref是在没有相移的情况下进气阀打开提前角的参考值，vvti是进气阀移相器51相对于对应于上述参考值ivoref的相应参考位置的位移角。
驱动步骤还包括借助于以下关系确定进气阀的关闭延迟角ivc：
ivc(h)＝ivcref-δivc(h)+vvti[5]
其中ivcref是在没有相移的情况下进气阀的关闭延迟角的参考值。
驱动步骤还包括通过以下关系确定排气进气阀打开延迟角evo：
evo＝evoref–vvte[6]
其中evoref是在没有相移的情况下排气阀打开提前角的参考值，vvte是排气阀移相器52相对于由上述参考值evoref表示的相应参考位置的位移角。
驱动步骤还包括借助于以下关系确定排气阀关闭延迟角evc：
evc＝evcref+vvte[7]
其中evcref是在没有相移的情况下排气阀关闭延迟角的参考值。
由于vvt控制会改变进气阀5的正时及其与排气阀7相交的正时(相交步骤是这样的步骤，在该步骤期间进气阀5和排气阀7同时打开)，因此填充模型还应包括以下内容：对上述参数的了解。这些参数(相对于上止点tdc和下止点bdc在图4中显示)总结如下：
ivcref排气阀5的参考关闭角；
ivoref进气阀5的参考开度角；
evcref排气阀7的参考关闭角；
evoref排气阀7的参考开度角；
ivc进气阀5的关闭延迟角；
ivo进气阀5的打开提前角；
evc排气阀7的关闭延迟角；
evo排气阀7的开度提前角。
如前所述，位移角vvti和vvte也可以定义为：
vvti：相对于进气阀5的参考值的打开或关闭偏差的角宽度，等于进气致动器vvt的相位变化；
vvte：相对于排气阀7的参考值的打开或关闭偏差的角宽度，等于排气致动器vvt的相位变化。
vvt和vvh控制的组合操作以及相应的参数如图5所示。
现在考虑确定汽缸2的实际内部体积v的步骤，值得注意的是，该体积v在几何上变化是相应进气阀的关闭延迟角ivc的函数：v＝f(ivc)。实际上，汽缸2的实际内部体积v由汽缸3的燃烧室vcc的体积与相应活塞3直至相应的进气阀5关闭所扫过的体积vc(即曲柄相对于上止点pms的旋转角度)之和得出。
下面给出了用于计算在曲柄角α处的汽缸2的有效内部体积v的运动规律，但没有提供进一步的细节(因为在文献中是众所周知的)：v(α)＝vcc+vc(α)，在使vc(α)明确后，其变成：
v(α)＝vcc+s*r*[(1+1/λ)*(1-(δ/(1+λ)2)1/2-cosα-1/λ*(1-(λ*senα-δ)2)1/2][8]
其中v是汽缸的实际内部体积；vcc是汽缸燃烧室的体积；α是曲柄相对于上止点pms的旋转角度；r是曲柄半径；l是连杆的长度；s是活塞的表面；d是在汽缸轴线与驱动轴旋转轴线之间的偏移；λ表示比率r/l；δ表示比率d/l。
通常，用于汽缸填充计算的体积是进气阀关闭延迟角ivc、进气阀升程h、发动机转速n、进气压力p的函数。
申请人基于实验和计算已经确定了以下方式以更有效的方式来表达上述相关性(以非常普遍的方式定义，在操作上不是很有用)，例如构成良好的近似值并允许更简单的模型校准。
根据该方法的实施例，确定每个汽缸的实际内部体积v的步骤包括借助于第一映射fv(ivc,n)、第二映射fh(h,n)和第三映射fp(p,n)计算每个汽缸2的实际内部体积v。
第一映射fv(ivc,n)是进气阀的关闭延迟角ivc和发动机转速n的函数。
第二映射fh(h,n)是进气阀升程h和发动机转速n的函数。
第三映射fp(p,n)是进气压力p和发动机转速n的函数。
根据更具体的实施方案，每个汽缸2的实际内部体积v通过以下关系式计算：
v＝fv(ivc,n)*fh(h,n)*fp(p,n)[9]
应当注意，根据一种实施方式，在该方法中计算和使用的实际体积v(也可以定义为“有效体积v”)结合了量纲常数(dimensionalconstant)，该量纲常数使乘积p*v在量纲上对应于质量。换句话说，实际体积v是以体积单位(例如cm3)测量的体积和量纲常数的乘积，在所有使用的公式中都以一致的方式考虑其值。
现在考虑对在汽缸中捕获的空气质量的计算的进一步可能的改进，其还考虑了温度参数。
根据该方法的实施例，上述第一组参考量还包括在进气歧管4内检测到的温度t和发动机的冷却液温度th2o。
确定在每个汽缸2中捕获的空气质量m的步骤包括通过以下关系根据第一组参考量和每个汽缸2内的实际体积v来计算在每个汽缸2中捕获的空气质量m：
m＝[(p*v)–off]*f1(t,p)*f2(th2o,p)[10]
其中f1(t,p)和f2(th2o,p)是属于上述填充模型的已知函数。
前述实施例基于以下考虑。填充模型从众所周知的理想气体规律开始，从中可以得出：
m＝(p*v)/(r*t)[11]
其中p是在进气歧管中为发动机周期测得的平均压力；t是进气歧管4中的新鲜空气和/或废气混合物的温度；r是气体常数，对于理想气体等于287[j/kg*k]；v是相应的气阀5和排气阀7关闭时的汽缸的内部体积。
理想气体定律[11]通过结合新鲜空气和/或废气混合物的常数r在实验上适用于填充模型，从而对于每个周期在每个汽缸2中捕获的空气质量m表示为：m＝p*v*f1(t,p)*f2(th2o,p)，其中th2o是发动机1的温度，即发动机1的冷却液的温度。
然后，对于填充模型，通过实验进一步调整理想气体规律，以便针对每个周期的在每个汽缸2中捕获的空气质量m的计算考虑了在先前的工作周期中通过燃烧产生的以及在汽缸中存在的气体(由于它们没有从汽缸3自身逸出或由于它们被吸回到汽缸中)，因此获得了上述公式[10]，其中off是一个变量(质量)，该变量考虑了在先前的工作周期中通过燃烧产生的以及在汽缸2中存在的气体。
实验是在温度t和th2o的参考值下进行的以便校准填充模型。例如，参考温度t可以选择为40℃，温度th2o可以选择为90℃。在这种参考温度(用于校准)下，上述功能f1和f2假设值为1。
下面描述适用于能够在内部废气再循环(egri)和/或排除废气条件下运行的发动机的方法的实施例。这样的运行条件是已知的，就像允许内燃机在上述条件下运行的装置和特征(这里未进一步描述)也是已知的。
必须考虑的是，在任何发动机周期的进气阶段开始时，在汽缸2中还存在来自先前的发动机周期的残余燃烧气体。
在几何上，来自先前的发动机周期的由残余燃烧气体所占据的体积(即“死体积”)可以表示为汽缸燃烧室的标称几何体积与在汽缸内部由相应活塞所扫过的体积vc的和。
该“死体积”是“实际燃烧室体积”的一种，并且为了简单起见在以下称为“燃烧室体积vcc”。从几何学的角度来看，使用上述公式[8]，这样的体积可以与曲柄α的旋转角度相关。
根据可能的不同运行条件，在汽缸2内部由活塞3所扫过的体积vc是可变的，其可以通过参数tvc来描述，稍后将对此进行更好地说明。
特别地，根据不同的可能变体，在汽缸内部由活塞所扫过的体积vc对应如下：
-如果在排气阀7关闭之后进气阀5打开，则对应于直到排气阀7的关闭瞬间为止由活塞所扫过的体积；或
-如果在进气阀5打开之后排气阀7关闭，则对应于直至到达进气阀5打开时刻为止由活塞所扫过的体积；或
-如果进气阀5的打开时刻早于上止点pms，则对应于直至上止点pms为止由活塞所扫过的体积；在这种情况下，在汽缸中由活塞所扫过的体积vc为零，并且汽缸的实际内部体积v恰好对应于汽缸的燃烧室的体积vcc。
在给定上述可能情况的情况下，如下所述，参数tvc可以可替代地对应于不同的值(不同的角度)。
根据一个实施例，适用于以下情况，其中：发动机1在内部废气再循环条件egri下运行，该方法包括进一步的步骤：基于第四映射fe(tvc,n)、第五映射ge(ovl,n)和第六映射he(h,n)计算汽缸2的燃烧室的体积vcc(即由先前的发动机周期的残留燃烧气体所占的体积vcc)，第四映射fe(tvc,n)是第一tvc参数和发动机转速n的函数，第五映射ge(ovl,n)是第二参数ovl和发动机转速n的函数，以及第六映射he(h,n)是升程h和发动机转速n的函数。
替代性地，上述第一参数tvc等于排气阀7的关闭延迟角evc，或者等于在零与在排气阀7的关闭延迟角evc和进气阀5的打开提前角ivo乘以-1的值之间的最小值之间的最大值。
前述第二参数ovl代表在进气和排气曲线之间的相交步骤的持续时间(其中进气和排气阀同时打开)，并且被定义为排气阀关闭延迟角evc和进气阀打开提前角ivo的和。
参数ovl如图6所示。
根据更具体的实施方案，燃烧室的上述体积vcc使用以下公式计算：
vcc＝fe(tvc,n)*ge(ovl,n)*he(h,n)[12]
其中fe,ge,he是属于上述填充模型的已知函数。
根据另一个实施例，适用于以下情况：其中发动机1被配置为在进气压力大于排气压力的排除废气条件(scav)下操作，从而导致新鲜空气进气带走燃烧室中的残余废气，该方法还包括以下步骤：基于第四映射fs(tvc,n)、第五映射gs(ovl,n)和第六映射hs(h,n)计算汽缸2的燃烧室的体积vcc，第四映射fs(tvc,n)是第一参数tvc和发动机转速n的函数，第五映射gs(ovl,n)是第二参数ovl和发动机转速n的函数，以及第六映射hs(h,n)是升程h和发动机转速n的函数.
在这种情况下，前述第一参数tvc可替代地等于排气阀7的关闭延迟角evc，或者等于在零与在排气阀7的关闭延迟角evc和进气阀5的打开提前角ivo乘以-1的值之间的最小值之间的最大值。
在这种情况下，上述第二参数ovl代表在进气和排气曲线之间的相交步骤的持续时间，并且被定义为排气阀关闭延迟角evc和进气阀打开提前角evc之和，即ovl＝evc+ivo。
根据更具体的实施方案，燃烧室的上述体积vcc使用以下公式计算：
vcc＝fs(tvc,n)*gs(ovl,n)*hs(h,n)[13]
其中fs,gs,hs是属于上述填充模型的已知函数。
根据另一个实施例，该方法提供进一步的步骤：在废气内部再循环egri或排除废气scav的情况下，基于下述关系，计算流动通过相交步骤(即通过进气阀5和排气阀7)的气体流的质量movl：
movl＝perm*β(p/p0,n)*p0/p0_ref*(t0_ref/t0)1/2/n[14]
其中perm是交叉点的水力渗透率；n是发动机转速；p0_ref是通道段或交叉点的上游的参考压力；t0_ref是通道段或交叉点的上游的参考温度；t0是在通道段或交叉口的上游测得的温度。
β(p/p0,n)是流通过孔口的压缩因子，取决于孔口下游和上游压力之间的比率以及发动机转速(n)；在等熵的情况下，只有在上游和下游压力之间的比率p/po是已知的。
在内部废气再循环的条件下，p0是废气压力(exhaustpressure)，p是进气压力。
或者，在排除废气条件下，p0是进气压力，p是废气压力。
根据更具体的实施方案，上述水力渗透率交叉点perm通过以下关系式计算：
perm＝a(ovl,n)*fo(h,n)*g(g,n)[15]
a(ovl,n)是第一函数，取决于发动机转速n和相交步骤的持续时间ovl，在该相交步骤的持续时间ovl期间进气阀5和排气阀7同时打开。
fo(h,n)是第二函数，取决于升程h和发动机转速n。
g(g,n)是第三函数，代表交叉区域(即，在每个进气阀5和相应的排气阀7之间的相交步骤)的重心，取决于发动机转速n和几何参数g。几何参数g代表上止点pms和前述重心g之间的角度偏差。
参数g和g如图6所示。
交叉点从上止点pms的偏移量可以用参数g表示，如：
g＝(evc–ivo)/2.
仅出于说明目的，下面显示了用于计算用于确定上述质量movl的通过管道(或通过孔口)部分的质量流量m的规律(文献中已知，因此未详细描述)：
m＝cd*a*p0/(r/t0)1/2*b(p/p0)[16]
其中a是通道段的面积；cd是流出系数；p是通道段下游的压力；p0是通道段的进气压力；t0管道段的进气温度；r是相对于在导管段中流动的流体的气体常数；b是本身已知的可压缩流体函数(例如在图7中示出)。
根据以下关系，通过在相交步骤的开始时刻t1和相交步骤的结束时刻t2之间进行积分，公式[16]在实验上适用于填充模型：
其中ais代表等熵区域。
将变量dt替换为dθ/ω(其中θ是电动机角度，ω是电动机转速)具有以下关系：
最后，假设在相交步骤期间内燃发动机1的转速ω恒定，则先前的关系可以简化如下：
根据实施例，适用于废气内部再循环egri的条件，其中排气压力pexh大于进气压力p，该方法还包括以下步骤：根据下述公式，计算在汽缸内部存在的气体的总质量megri，作为在废气内部再循环的条件下燃烧室中的废气的估计质量mexh_egr与流过相交步骤的上述气体流的估计质量movl(即从排气到进气通过进气阀5和排气阀7流动的然后在进气步骤中通过进气阀5吸回汽缸2的气体流质量)之和：
megri＝movl+mexh_egr[17]
根据特定的实施方案，通过以下关系计算在废气内部再循环条件下在燃烧室中存在的废气的估计质量mexh_egr：
mexh_egr＝(pexh*vcc)/(r*texh)[18]
其中pexh是检测到的废气流的压力；texh是检测到的废气流温度；vcc是汽缸2燃烧室的估计体积或计算体积；r是新鲜空气和/或废气混合物的常数。
根据该方法的另一实施例，适用于排除废气条件(scav)，其中排气压力pexh小于进气压力p，并且在交叉期间来自进气的新鲜空气直接流向排气，带走燃烧室中的残留废气，该方法包括进一步的步骤：计算在相交步骤期间从进气歧管流向排气歧管的总空气质量mscav，作为在流过相交步骤的上述气体流的估计质量movl与在汽缸2的燃烧腔室内部的并通过相应的排气阀7直接导向排气歧管6的废气的残余质量mexh_scav之间的差。
可以使用以下公式进行这种计算：
mscav＝movl-mexh_scav[19]
根据实施例的可能示例，上述废气残余质量mexh_scav通过以下公式计算：
mexh_scav＝[(pexh*vcc)/(r*texh)]*fscav(movl,n)[20]
其中pexh是检测到的废气流的压力；texh是检测到的废气流温度；vcc是汽缸2的燃烧室的估计体积或计算体积；r是新鲜空气和/或废气混合物的常数。
fscav(movl,n)是倍增因子(multiplicationfactor)，它是流过相交步骤的气体流质量movl和发动机转速n的函数。
根据实施例的另一个可能的例子，上述废气残余质量mexh_scav通过以下公式计算：
mexh_scav＝movl*fscav(movl,n)*g2(g,n)[21]
其中movl是流过相交步骤的气体流质量；fscav(movl,n)是倍增因子，它是流过相交步骤的气体流质量(movl)和发动机转速n的函数；g2(g,n)是相交步骤的重心g的位置和发动机转速n的函数。
现在将描述该方法的实施例，其更详细说明如何确定上述off变量，该off变量代表在先前的工作周期中由燃烧产生的并且存在于汽缸3中的气体质量(因为它们没有从汽缸3逸出，或者因为他们被吸回汽缸3)。
填充模型被设计成确定变量off，变量off根据工作条件而变化，特别是根据在进气歧管4中的压力和排气歧管6中的压力之间的比率而变化。
如果排气歧管6中的压力高于进气歧管4中的压力(“内部egr”模式)，则变量off对应于根据前述公式[17]表示的“内部egr”的总质量megri。
如果进气歧管4中的压力高于排气歧管6中的压力(“排除废气”模式)，则off变量将由以下公式[22]表示(其包含变量的含义已在上面说明)：
off＝(pexh*vcc)/(r*texh)–mexh_scav[22]
实际上，在这种情况下，在先前的工作周期中由燃烧产生的并且存在于汽缸2中的气体(由于它们没有逸出)是在相交步骤期间通过相应的排气阀7至少部分地直接导向排气歧管6。off变量假定的值为正或为零(null)；如果在先前的工作周期中由燃烧产生的并且汽缸3中存在的全部气流在相交步骤期间通过排气阀7直接导向到排气歧管6，则电子控制单元10被配置成将off变量饱和为零值。
如果例如由于在汽缸3的燃烧室中的动态和冷却效果而使off变量取负值，则电子控制单元10可被配置成将off变量饱和为负值。
注意，上述模型已在控制单元中实现，并通过实验验证了令人满意的结果，即与发动机台架处的空气质量的测量相比，具有估计精度低于3％的绝对误差。
换句话说，根据该方法的实施例，确定在先前的运转周期中由燃烧产生的并且存在于汽缸2中的气体质量off的步骤首先提供识别在排气歧管6中的废气流压力pexh是否大于或小于在进气歧管4中的进气流压力。
如果排气歧管中的压力pexh大于进气歧管中的压力p，提供以下步骤：基于填充模型，确定用于第二组参考量中每一个的测量值或估计值，第二组参考量包括废气流压力pexh，废气流的温度texh，汽缸的燃烧室的体积vcc以及从排气到进气通过进气阀5和排气阀7流动的然后在进气步骤中通过进气阀5吸回汽缸2的质量movl，然后，根据上述第二组参考量，计算在先前的工作周期中由燃烧产生的并且存在于汽缸2中的气体质量off。
如果排气歧管中的压力pexh低于进气歧管中的压力p，提供以下步骤：基于填充模型，确定用于第二组参考量中每一个的测量值或估计值，第二组参考量包括废气流压力pexh，废气流的温度texh，汽缸的燃烧室的体积vcc以及存在于汽缸2的燃烧室中的并通过相应的排气阀7直接导向到排气歧管6的废气的残留质量mexh_scav；然后，根据上述第二组参考量，计算在先前的运转周期中由燃烧产生的并且存在于汽缸2中的气体质量off。
根据实施方案，如果排气歧管中的压力pexh大于进气歧管中的压力p，通过以下关系计算在先前的运行周期中由燃烧产生的并存在于汽缸2中的气体质量off：
off＝movl+(pexh*vcc)/(r*texh)[23]
其中r是新鲜空气和/或废气混合物的常数。
根据实施方案，考虑到上面的公式[15]，量movl使用公式[14]来计算。
根据另一种实施方案，如果排气歧管中的压力pexh低于进气歧管中的压力p，通过前面的关系[22]计算在先前的运行周期中由燃烧产生的并存在于汽缸2中的气体质量off：
off＝(pexh*vcc)/(r*texh)-mexh_scav
其中r是新鲜空气和/或废气混合物的常数。
根据实现的选项，量mexh_scav使用上式[20]或上式[21]计算。
根据该方法的另一实施方式，考虑到经验校正因子来改进在汽缸中捕获的空气质量的估计。
特别地，根据这样的实施例，根据多个倍增系数(k1,k2)计算捕获在每个汽缸2中的空气质量m，所述倍增系数考虑了进气阀5的角位移vvti的角度，排气阀7的角位移(vvte)的角度和内燃机1的转速n。
根据实施方式，根据第一倍增系数k1(其考虑了进气阀位移角vvti和排气阀位移角vvte)以及根据第二倍增系数k2(其考虑了内燃机的转速n和排气阀位移角vvte)来计算在每个汽缸2中捕获的空气质量m。
根据具体的实施示例，通过以下关系[24]计算在每个汽缸2中捕获的空气质量m：
m＝[(p*v)–off]*kt*k1(vvti,vvte)*k2(vvte,n)
其中kt是取决于在进气歧管4中检测到的温度t和发动机的冷却液的温度th2o的第三系数。
根据实施方案，参考上述函数f1和f2，系数kt根据以下公式计算：
kt＝f1(t,p)*f2(th2o,p)[25]
现在将描述该方法的实施例，该方法的实施例可应用于包括具有已知流量的废气的外部再循环回路egre(对应于每个周期的用于每个汽缸由外部回路再循环的质量megre)的内燃机1。
根据该实施例，计算在每个汽缸2中捕获的空气质量m的步骤包括通过以下公式计算在每个汽缸2中捕获的空气质量m：
m＝(p*v-off)*f1(t,p)*f2(th2o,p)-megre[26]
根据实施方案，计算在每个汽缸2中捕获的空气质量m的步骤包括通过以下公式[27]计算在每个汽缸2中捕获的空气质量m：
m＝[(p*v)–off]*kt*k1(vvti,vvte)*k2(vvte,n)–megre
根据实施方案，如果外部egr质量流量
从而得到公式：
现在将描述该方法的实施例，该方法的实施例可应用于排除废气条件发生在其中的情况，并且其中内燃机1还包括具有已知流量的废气的外部再循环回路egre，其对应于每个周期针对每个汽缸由外部回路再循环的质量megre。
在这样的实施例中，该方法包括进一步的步骤：计算在每个周期每个汽缸由外部回路再循环的上述质量megre与每个周期每个汽缸由发动机吸入的总质量mtot(即在缸2的进气管6中流动的气体混合物的总质量)之间的比率regr。所以，regr＝megre/mtot。
此外，计算在相交步骤期间从进气歧管流向排气歧管的空气质量mscav的步骤包括通过以下等式计算汽缸内部的总气体质量mscav：
mscav＝(movl-mexh_scav)*(1–regr)[28]
现在将描述该方法的实施例，该方法的实施例可以应用于排除废气条件发生在其中的情况，并且此外，其中内燃机1包括具有已知流量的废气的外部再循环回路egre，其对应于每个周期针对每个汽缸由外部回路再循环的质量megre。
在这样的实施例中，该方法包括进一步的步骤：计算在每个周期每个汽缸由外部回路再循环的上述质量megre与每个周期每个汽缸由发动机吸入的总质量mtot(即在缸2的进气管6中流动的气体混合物的总质量)之间的比率regr。
此外，计算在先前的工作周期中由燃烧产生的并存在于汽缸2中的气体质量off的步骤通过以下公式[29]计算：
off＝(pexh*vcc)/(r*texh)-[mexh_scav*(1–regr)]
根据该方法的实施例，通过以下公式[30]表示在汽缸2中捕获的质量与进气管道4中的进气压力p之间的上述关系：
m＝[(p*fv(ivc,n)*fh(h,n)*fp(p,n))–off]*kt*k1(vvti,vvte)*k2(vvte,n)
根据该方法的不同可能的实施方式，进气歧管的进气压力p和/或升程h和/或所述进气阀角位移vvti和/或所述排气阀角位移vvte和/或进气歧管4中的所述温度t和/或发动机冷却液的所述温度th2o和/或在排气歧管6中的所述排气压力pexh和/或废气流的所述检测到的温度texh是通过放置在相应位置的相应传感器检测的。
根据该方法的不同实施例，上述系数或映射或函数fv(ivc,n)和/或fh(h,n)和/或fp(p,n)和/或f1(t,p)和/或f2(th2o,p)和/或fe(tvc,n)和/或ge(ovl,n)和/或he(ovl,n)和/或fs(tvc,n)和/或gs(ovl,n)和/或hs(ovl,n)和/或β(p/p0,n)和/或a(ovl,n)和/或fo(h,n)和/或g(g,n)和/或fscav(movl,n)和/或g2(g,n)和/或k1和/或k2和/或kt是在使用之前在运行条件下通过已知理论关系或通过由在发动机1上进行的实验或表征的步骤而获得的关系确定的，并且上述系数或映射或函数被保存在用于控制发动机1运行的装置10能够访问的存储装置中。
计算或确定步骤的前述步骤由包括在用于控制发动机1运行的装置10(例如，前述控制单元10)中的一个或多个处理器执行。
根据上述任一实施例，可以许多有用的方式来使用在汽缸3中捕获的空气质量的估计值，例如以便获得废气的空燃比(或标题)的目标值。换句话说，一旦针对每个周期通过填充模型已经确定了在每个汽缸3中捕获的空气质量m，则电子控制单元30被配置成确定将被喷射到汽缸3中的燃料量，其允许得到废气的空燃比的目标值。
同样有利地，可以将在汽缸中捕获的空气质量m与进气压力p(或其他量)之间的上述关系表示为进气压力p(或其他量)的函数，以获得“目标值”。
在这方面，这里描述了也包括在本发明中的一种用于控制和实现内燃机1的至少一个汽缸2的运行的方法(为简洁起见，在下文中将这种方法称为“命令和控制模型”或“命令模型”)。
这种方法包括以下步骤：基于使用测量和/或估计的物理量的计算模型，确定针对每个汽缸2为满足发动机扭矩要求所需的燃烧空气的目标质量mobj；然后，通过执行根据本说明书先前描述的任何实施例的确定在每个汽缸2中捕获的空气的质量m的方法，来推导在汽缸2中捕获的质量与进气管道4中的进气压力p之间的关系。
用于控制和实现至少一个汽缸的运行的方法还提供：基于汽缸2中捕获的质量与进气压力p之间的上述关系，根据进气阀5的进气阀升程h的测量值、估计值或施加值和/或进气阀位移角vvti和/或排气阀位移角vvte，计算进气歧管4中必须存在的目标压力值pobj以便获得在汽缸2中的上述目标质量mobj；最后启动进气管路4的压力和流量控制阀，从而获得在进气管路4中的上述目标压力pobj和在汽缸2中的上述目标质量mobj。
根据实施方案，在汽缸2中捕获的目标质量mobj与进气管道4中的目标进气压力pobj之间的上述关系通过以下公式[31]表示：
mobj＝[(pobj*fv(ivc,n)*fh(h,n)*fp(p,n))–off]*kt*k1(vvti,vvte)*k2(vvte,n)
其中off是在先前的运行周期中由燃烧产生的并存在于汽缸中的气体质量；fv(ivc,n),fh(h,n),fp(p,n)是映射，其乘积表示在每个汽缸2内部的实际体积v，其中第一映射fv(ivc,n)是进气阀关闭延迟角ivc和发动机转速n的函数，第二映射fh(h,n)是进气阀升程h和发动机转速n的函数，第三映射fp(p,n)是进气压力p和发动机转速n的函数。
k1和k2是倍增系数，其考虑了进气阀角位移vvti的角度、排气阀角位移vvte的角度和发动机1的转速n。
kt是系数，其取决于在进气歧管4中检测到的温度t和发动机冷却液的温度th2o。
根据上面已经说明的示例，kt可以用以下公式表示：
kt＝f1(t,p)*f2(th2o,p).
作为示例，下面给出关于控制和实现内燃机汽缸的运行的上述方法的更多细节。
根据实施方式，在电子控制单元10中还存储有计算链，从使用者作用在加速踏板上所要求的发动机扭矩开始，该计算链可以提供每个汽缸2为满足这种发动机扭矩需求所需的燃烧空气质量mobj。该计算链提供如下，在使用者在加速踏板的动作之后，通过存储在电子控制单元10中的映射并获知发动机1的转速n(或rpm)，确定在驱动轴11处所需的发动机扭矩cr，然后基于发动机扭矩cr确定在驱动轴11处所需的总驱动扭矩ct，然后计算针对每个汽缸2所需的发动机扭矩ct,cyl。计算链还配置成确定针对每个汽缸2为获得上述发动机扭矩值ct,cyl所需的燃烧空气的质量mobj。
一旦已计算上述质量mobj以获得所述发动机扭矩值ct,cyl，电子控制单元30准备以逆向的方式(关于不同于m的变量明确表示)使用先前描述的在m和p之间的公式(例如，填充模型的上述公式[1]或[10]或[24]或[27])。
换句话说，对于每个汽缸2所需的燃烧空气的质量mobj的给定值(在这种情况下，对应于针对每个周期在每个汽缸2中捕获的空气的质量m，根据上述公式之一)，从相同的公式计算在进气歧管4内部的目标压力值pobj。例如，从公式[24]开始，将m解释为mobj以及将p解释为pobj给出了以下公式[32]：
pobj＝[mobj/(kt*k1*k2)+off]/v
因此，节流阀12由电子控制单元10控制以达到在进气歧管4内部的由公式[32]确定的目标压力值pobj。
通常，节流阀动态比vvh动态要快，vvh动态快于vvt动态或与其相当，因此上面显示的命令控制原理可以正常工作。
如果vvh动态高于节流阀(或进气歧管)的动态，或者在没有节流阀的情况下，在给定目标空气质量的情况下，可以使用命令模型计算目标h升程。
如上所述，存储在电子控制单元10内部的填充模型使用测量的和/或估计的物理量(例如温度和压力值)。填充模型也可以使用其他测量的物理量和/或目标物理量，例如：vvt位置(其可被测量用于m的估计，并且其对于控制和命令模型是测量的或“目标的”)和/或vvh位置(其可被测量用于m的估计，并且其对于控制和命令模型是测量的或“目标的”)。
例如，在具有vvh和vvt进气和排气的1500cc涡轮发动机上对此处描述的命令和控制模型进行了测试，在为此类型的控制定义的性能指标(即±3％)内获得了令人满意的精度。
在上述所有情况下，从每个汽缸和每个发动机周期的质量估计值开始，考虑汽缸数和发动机速度n(特别是从每个发动机周期每个汽缸的质量估计值开始，并且乘以汽缸数，乘以发动机转速n，再乘以1/2)，可以计算内燃机1的流量。
可以看出，本发明的目的是通过上述估计和控制方法完全实现的，其优点是从以上讨论中显而易见。
特别地，所描述的方法以及相关的填充模型允许确定每个汽缸中捕获的空气质量m以及由内燃机吸入的总空气质量mtot和/或排除废气质量mscav和/或内部egr质量megri。
上述变量的确定通过该方法高效地、有效地、成本有效地执行，高效地，即以足够的精度(如前所述，基于实验)，有效地，即快速且不需要在电子控制单元10中的过多计算能力，成本有效地，因为它不需要安装昂贵的附加部件和/或传感器，例如空气流量计。
对于用于确定在内燃机的每个汽缸中捕获的空气质量的实施方式和方法以及控制和实现内燃机的至少一个汽缸的运行的方法，如上所述，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员可以用功能上等效的其他元件进行元件的修改，改编和替换，以满足可能发生的要求。
所有以上公式中使用的所有符号规则旨在与附图中显示的图保持一致。
在以上所有公式中，所有以函数表示的量都可以理解为映射和/或存储的向量。
上面描述的属于一个可能实施例的所有特征可以独立于其他描述的实施例来实现。进一步值得注意的是，单词“包括(comprising)”不排除其他元件或步骤，并且冠词“一(a)”不排除多个。这些图不是按比例绘制的，因为它们优先考虑了适当突出显示各个部分的要求以使说明更加清晰。
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