实时确定气缸中的新鲜空气质量的制作方法

1.本发明涉及一种用于确定内燃机的气缸中的新鲜空气质量特征参量的方法和控制装置，并且涉及一种具有这样的控制装置的内燃机。


背景技术：

2.对内燃机的燃烧室中的新鲜空气质量的了解对于调节运行过程来说有核心意义。空气量影响能产生的压力曲线、扭矩输出(负载)、原始排放并且因此直接影响另外的控制参数，例如燃料混合、点火时刻等。
3.附加地，对内燃机进行预先的维护(“预测性维护”，也称为“健康功能”)的可行性越来越重要。这些可行性要将当前的性能状态——并且因此要将维护需求——尤其是关于需要的维护范围并且关于有利的时间线进行量化。
4.发动机均匀且持续运转的前提条件是在内燃机的每个运行状态中正确地计量要喷射的燃料量。必须喷射多少燃料以达到所期望的燃烧比，主要取决于在气缸的燃烧室中存在的用于点火的新鲜空气质量，所述新鲜空气质量本身决定了可供燃烧使用的氧气质量。
5.对于稳态运行来说，空气质量可被很好地测量，例如借助于挡板机构或热膜空气质量计。
6.而在发动机上的瞬态的、亦即非稳态的过程范围中，对空气质量的定量的测量是困难的，因为尤其在负载变换变化的情况下，一方面传感器离事件的地方太远(传感器在进气段中，但必须在燃烧室中对空气容积效率(luftfanggrad)做出说明)，并且另一方面传感器由于其热测量原理具有一定的物理上的时间常数直到其提供可靠的数值(振动特性、调整特性等)。
7.而恰恰在瞬态的运行范围内，对气缸中的空气质量的不够准确的计算会导致排放增加，并且在极端情况下会导致发动机运转不均匀和/或燃烧断火。


技术实现要素：

8.在这一背景下，本发明的任务是对内燃机的气缸中的新鲜空气质量特征参量的确定进行改进。
9.所述任务通过一种具有权利要求1的特征的方法、一种具有权利要求10的特征的控制装置以及一种具有权利要求14的特征的内燃机解决。从属权利要求涉及本发明的有利的拓展方案。
10.根据一方面，公开了一种用于确定机动车中的内燃机的气缸中的(尤其是相对的)新鲜空气质量特征参量的方法，该方法——按所给出的顺序或另外的对于技术人员来说合理的顺序——具有以下方法步骤中的至少一个、多个或所有方法步骤：
11.(i)识别在机动车行驶运行期间处于进气冲程结束或压缩冲程开始的气缸。尤其可通过从运行模型(尤其是发动机控制装置)中读出现有的信息来识别这个/这些气缸。进
气冲程应尤其理解为气缸的以下冲程，在所述冲程中为接下来的燃烧进行并且完成新鲜空气的填充。
12.(ii)确定诊断时间窗口，所述诊断时间窗口在已识别的气缸的进气门关闭之后在内燃机的(尤其是冲程中的一个冲程的)扭矩空隙(drehmomentloch)之内延伸。诊断时间窗口应尤其理解为作为内燃机中的压缩冲程(例如四冲程发动机中的四冲程燃烧的冲程之一)的部分的连续时间段。诊断时刻应尤其理解为诊断时间窗口内的以下时刻，对于所述时刻确定要确定的目标参量的一个、多个或所有确定性参量。当前，扭矩空隙应尤其理解为以下曲轴角度范围，在所述曲轴角度范围内，发动机的所观察的气缸和/或多个其他的气缸或所有其他的气缸没有对推进扭矩做出在上下文中重要的贡献。
13.(iii)尤其是以能实时的采样质量，确定内燃机在诊断时间窗口期间的转速变化。当前，转速变化应尤其理解为内燃机的曲轴上的转速在诊断时间窗口期间是如何变化的。为此，可使用在时间上相邻的数值之间采样频率高(例如在一毫秒(ms)的范围内或更快)的转速值。
14.(iv)根据所确定的转速变化确定所识别的气缸中的简化的气缸负载特征参量。
15.(v)根据一种实施方式，根据所确定的简化的气缸负载特征参量确定所识别的气缸中的新鲜空气质量特征参量。
16.本发明使得能够在少数工作循环内或甚至于在一个工作循环内快速地调节所需的燃料喷射量，即使在内燃机的运行状态是瞬态(亦即非稳态)的情况下。
17.因此，在内燃机的瞬态的运行状态中也可以高的预控制质量为所诊断的气缸的接下来的工作循环确定并且注入合适的燃料喷射量。在稳态的运行状态中，这对于传统的用于确定新鲜空气质量特征参量的方法来说也毫无问题是可行的，因为从一个工作循环到下一个工作循环的要注入的燃料量通常不会改变或仅微小地改变。
18.由于所述确定办法是从高分辨率的普遍能一直再以相同的方式分析处理的转速测量开始的，所述方法比已知的模型能更容易应用和/或能跨越不同的应用情况更好地再使用。
19.根据另一方面，公开一种用于确定内燃机的气缸中的(尤其是相对的)新鲜空气质量特征参量的控制装置，所述控制装置尤其在乘用车的内燃机的发动机控制器中构成和/或构成为乘用车的内燃机的发动机控制器的部分。该控制装置设计用于将尤其通过根据本发明的实施方式的方法所确定的和/或保存在存储器中的新鲜空气质量特征参量的数值传输到
20.(a)控制装置的控制部件上，以根据所传输的新鲜空气质量特征参量的数值实时调节内燃机的功能，和/或
21.(b)控制装置的诊断部件上用于另外的车载诊断功能。
22.根据一种实施方式，该控制装置具有控制部件，所述控制部件设计用于根据所识别的气缸或直接先前、尤其是最后诊断的气缸的以前的、尤其是最后一个工作循环的新鲜空气质量特征参量的数值为气缸的特定的工作循环确定并且尤其注入燃料喷射量。
23.尤其地，因此(i)要么可一直分析处理一确定的气缸并且然后在新的工作循环中使用其先前确定的空气质量以确定新鲜空气质量特征参量，要么(ii)可关于气缸的空气质量对气缸进行分析处理并且可将在此和/或最后确定的新鲜空气质量特征参量的数值传输
给下一个点火的气缸用于对其进行预控制。尤其地，后一种选择(ii)对于快速的瞬态的变化来说可以是有利的，以便仅有短的时间间隔处于新鲜空气质量特征参量的两个已知的数值之间。
24.根据一种实施方式，控制装置具有非易失性的存储器并且设计用于将新鲜空气质量特征参量的在一个或不同的诊断时刻的一个或多个数值、尤其是所确定的数值保存在存储器中。
25.根据一种实施方式，控制装置设计用于将保存在存储器中的新鲜空气质量特征参量的数值传输到非车载计算机上用于离线诊断功能。
26.根据另一方面，公开一种具有一个或多个气缸的内燃机，该内燃机具有根据本发明的实施方式的控制装置。
27.本发明尤其是基于以下考虑：已知的用于确定气缸中的新鲜空气质量(＝负载)的方法对于稳态的运行情况来说通常是足够的。
28.本发明还尤其基于以下考虑：不能直接确定燃烧室中的空气质量，因为几何上的布置结构以及运行的成本限制不允许相应地安装传感器。传统上与此相应地使用以下测量方式，所述测量方式要么“远离”气缸中的事件位置地进行质量流测量(例如进气管中的热膜空气质量计)，要么在压力的基础上并且以模型辅助的方式对所捕获的空气质量的估算进行估计。现有的方式的问题在于，其要么太迟钝、没有直接观察到空气容积效率对燃烧室的影响，要么需要应用太贵的传感机构。
29.本发明还尤其基于以下考虑：已知的用于稳态的、瞬态的运行情况的计算模型经常是非常复杂的，当其在瞬态的运行状态期间产生基于足够准确的新鲜空气质量能喷射所期望的燃料量的结果。
30.本发明现在尤其基于以下构思：将以高分辨率的方式检测到的曲轴的转速用作为用于确定气缸中的新鲜空气质量的基础。所述转速——至少在压缩的曲轴角度范围内——受填充(以及摩擦)直接影响。因此，证明将转速解释为填充函数是可行的办法。
31.本发明还尤其基于以下构思：创建具有仅少数个可变的参数的“物理”工作模型，所述模型是能实时的，并且尽管如此能够足够准确地确定气缸中存在的新鲜空气质量。这恰好是通过使用转速来实现的，所述转速在压缩范围中的微变化受气缸中的氧气量的影响比受其他变量的影响要大得多。
32.本发明还尤其基于以下构思：除了解决在内燃机运行中需要空气质量的调节任务之外，还可产生在时间上过滤的特征值，这些特征值阐明发动机的长期性能并且适合于诊断目的。
33.对此，根据一种实施方式，借助于热力学关系和图形上的简化(尤其通过去除图形建模中的弱影响的边)对负载参量进行建模，以便进行实时计算。根据一种实施方式，通过由高分辨率的转速信号确定气缸中的压力信号的方式来确定气缸中的诊断的气缸压力。根据一种实施方式，要在诊断时间窗口内确定压力信号，对于所诊断的气缸来说所述诊断时间窗口在进气阶段结束后处于压缩阶段内。
34.诊断时间窗口尤其是以如下条件选择的：(a)诊断时间窗口在进气门闭合后尽可能早地开始；然后在燃烧室中捕获有全部的气缸充量；(b)诊断时间窗口在不期望有明显的来自正在点火的气缸的扭矩贡献处进行。在此，诊断时间窗口的角度范围例如是30
°
kw-40
°
kw。
35.根据一种实施方式，在所计算的工作循环中为所计算的气缸计算负载值(＝新鲜空气质量特征参量)。计算出的负载值被传导到下一个工作循环中。对喷射器量的预控制必要时可附加地有超出本发明静态计算的负载值(来自先前的工作循环)的输入，并且必要时还可有瞬态超出本发明的瞬态预测的负载值偏移量的输入。
36.在本发明的背景下，能实时尤其意味着，通过特定的工作循环的测量值和计算值能够足够准确地操控下一个工作循环的或再下一个工作循环的燃料喷射。
37.根据一种实施方式，为了确定简化的气缸负载特征参量，除了转速变化之外，确定以下可变的参量：(1)诊断时刻的气缸体积，所述诊断时刻尤其中心地处于诊断时间窗口之内，和/或(2)诊断时间窗口中的简化的活塞加速度，和/或(3)诊断时间窗口中的进气管中的压力。
38.由于动用仅少数可变的影响量以及与此相关的不复杂的模型计算，这使得能够在简化的气缸负载特征参量的基础上快速确定新鲜空气质量特征参量。由于在该控制装置中的计算量减少，可达到所需的计算速度，以便在一个工作循环内以可接受的精度损失确定新鲜空气质量特征参量，并且因此即使是在瞬态运行中也能够直接操控下一个工作循环中所需的燃料量。根据一种实施方式，另外使用仅常数以确定简化的气缸负载特征参量，所述常数尤其存储在控制装置中和/或借助于研究用发动机上的以下工作步骤确定：(i)测量完整的特性曲线族(转速/负载)。(ii)分析处理气缸压力指示，通过气体交换分析来计算残余气体份额和温度。(iii)从这些结果中计算出相应的特征值，并通过发动机平均转速(特性曲线)保存。
39.通过在开发内燃机时仔细地填充相应的特性曲线族等，并且通过提供由标记产生的常数用于计算简化的气缸负载特征参量而达到简化的模型计算所需的速度。在计算速度、资源利用以及结果的准确度之间的目标冲突也可通过填充特性曲线族进行调解。
40.根据一种实施方式，根据所确定的转速变化和/或所确定的简化的活塞加速度确定所识别的气缸在诊断时间窗口内的压力特征数。根据一种实施方式，根据所确定的压力特征数和/或所确定的气缸体积确定简化的气缸负载特征参量。
41.通过确定压力特征参量(所述压力特征参量的直接的依赖关系可用于确定简化的气缸负载特征参量)，能使用以高分辨率的方式在控制器中提供的转速变化，并且因此在内燃机的瞬态运行中也能从工作循环到工作循环地对燃料喷射量进行实时调节或者说预控制。
42.根据一种实施方式，在另外的方法步骤之前确定内燃机是否存在至少近似的稳态运行或是否存在瞬态运行。
43.根据一种实施方式，该方法仅在确定存在内燃机瞬态运行(尤其亦即非稳态运行)时进行和/或只要确定存在内燃机瞬态运行(尤其亦即非稳态运行)就进行。根据一种实施方式，仅有当确定存在内燃机瞬态运行(尤其亦即非稳态运行)时和/或只要确定存在内燃机瞬态运行(尤其亦即非稳态运行)，保存和/或进一步使用所确定的残余气体份额。
44.因此，可保护控制器的计算资源，因为能决定在当前运行状态中是否完全需要根据本发明的方法。因为对于稳态运行来说，在现代的、已知的内燃机的发动机控制器中本来已经有足够的装置用于确定气缸中的新鲜空气质量。
45.根据一种实施方式，仅在所确定的、简化的气缸负载特征参量的基础上，或附加地在为稳态运行所确定的稳态气缸负载特征参量和/或新鲜空气质量特征参量的取决于稳态气缸负载特征参量(尤其是所述稳态气缸负载特征参量)的偏移量预测的基础上确定所识别的气缸中的新鲜空气质量特征参量。根据一种实施方式也可设置有叠合区域，在所述叠合区域中，新鲜空气质量特征参量例如由简化的气缸负载特征参量的、稳态气缸负载特征参量的以及必要时新鲜空气质量特征参量的偏移量预测的数值以加权的方式和/或以取平均值的方式确定。
46.根据内燃机的运行状态的情况——尤其根据发动机运行的瞬态程度——纯粹在所确定的、简化的气缸负载特征参量的基础上纯粹对要注入的燃料量进行控制可以是足够的；或者在已知的用于确定稳态运行中气缸中的新鲜空气量的或者说用于基于这样的值进行偏移量预测的方法的基础上已经对喷射量进行预控制。
47.根据一种实施方式，为所识别的气缸的确定的工作循环所确定的新鲜空气质量特征参量用作为基础用于确定气缸的或随后点火的气缸的接下来的工作循环的燃料喷射量。
48.因此可确保，不仅在内燃机的瞬态运行中而且在内燃机的稳态运行中能工作循环准确地且调节质量高地提供在所诊断的气缸中燃烧所需的燃料喷射量——更确切地说关于在发动机控制器中计算来说是高效的且资源优化的。
49.根据一种实施方式，以能实时的采样质量确定转速变化。这种基础首先提供了在瞬态运行中工作循环准确地计算气缸中存在的新鲜空气质量的可行性。
附图说明
50.本发明的其他优点和应用可行性从以下与附图有关的说明中得出。
51.图1a-c以示意图示出根据本发明的示例性的实施方式的具有发动机控制装置的内燃机，其中，在图1a中示出内燃机的安装环境，在图1b中示出相关参数并且在图1c中示出关于时间的内燃机曲轴传动装置上的扭矩贡献。
52.图2示出具有根据图1的内燃机的一个工作循环的转速变化图表以及各个气缸的冲程示图的图解。
53.图3示出根据图2的图表的放大的细节。
54.图4示出所选的气缸中的质量平衡的图解。
55.图5a-f对将残余气体质量与气缸中的温度的复杂关系简化为简单的公式的过程进行说明，所述公式使得能够在发动机控制器上进行实时计算。
具体实施方式
56.图1b以更详细的示意图示出内燃机1。内燃机1具有气缸z1、z2、z3和z4，所有气缸z都在曲轴传动装置kt的曲轴上提供它们的扭矩贡献m。附加地，内燃机1具有根据本发明的示例性的实施方式的控制装置2，如果控制装置2没有构成为发动机控制器的组成部分，则所述控制装置可选择地具有计算单元4。控制装置2还具有转速检测单元6以及用于确定来自环境和空气收集器或者说曲轴箱的基准压力的气缸压力确定单元7。控制装置2还具有气缸体积确定单元和气缸温度确定单元，并且该控制装置可获取内燃机1的所有λ传感器的测量值。
57.从图1b中尤其得到，每个气缸z可根据各自的气缸压力p周期性地将扭矩贡献m施加到曲轴传动装置kt上。扭矩贡献的总和使得曲轴传动装置kt的曲轴的转速n在时间上是变化的。
58.基准压力p可借助压力检测单元7、瞬态转速n可借助转速检测单元6并且借助计算单元4由装置2使用。
59.图1c中显示了扭矩变化m
ges
的图，其具有在正常运行的情况下关于曲轴角度kt的在曲轴传动装置kt上的示例性的扭矩曲线10。可看到的是，扭矩贡献m交替地来自不同的气缸z。在示图中画入有扭矩界限值14，所述扭矩界限值尤其是任意确定的且决定低于哪个扭矩时气缸的扭矩贡献被视为是不重要的，然后使得存在本发明的意义中的扭矩空隙12。因此，当每个气缸的扭矩贡献在特定的时间间隔上低于界限值14时，可识别本发明意义中的扭矩空隙12。
60.在图1c的示图中产生长度稍有不同的扭矩空隙12。在这些扭矩空隙12之内尤其可分别确定诊断时间窗口112，所述诊断时间窗口可包括扭矩空隙的整个时间段或者扭矩空隙的一部分。
61.在图2中显示了内燃机1的四冲程循环(＝工作循环(asp)：上止点换气(lot)
→
进气
→
下止点(ut)
→
气门关闭并且压缩
→
上止点点火(zot)
→
膨胀
→
ut
→
排气)的转速变化101的示例性图表150的草图。
62.过程图150示出发动机转速n在4气缸汽油机的一个工作循环(asp)上的曲线101。点火时刻(zzp)以及要诊断的气缸z1的在压缩阶段中的示例性的可行的诊断时间窗口112被标记出来。在该图下方示出物理气缸z1-z4的相配的工作冲程。
63.该四气缸的实施例阐明了曲轴角度刻度的哪个范围112可用于换气诊断。要诊断的气缸z1的诊断时间窗口112处于压缩阶段中，亦即当进气阶段已经结束并且还存在扭矩空隙(参照图1c中的界限值14)时。
64.诊断时间窗口112尤其必须选择为，使得最后做功的气缸不再实现对曲轴的加速，并且下一个做功的气缸还未点火。
65.在实施例中，诊断时间窗口包括以下时间间隔，在这个时间间隔中，要诊断的气缸z1的进气门在增压空气或者说燃烧混合物进入后又被关闭，并且还存在内燃机1的扭矩空隙。这些界限取决于施加的发动机运行点，并且可灵活地适应于此。对于动态的行驶运行来说也能根据边界条件(如点火角度和气缸压力曲线)对诊断时间窗口112的界限进行动态的适配。
66.因此在实施例中，与气缸z1的曲轴角度说明有关地，诊断时间窗口112被确定为660
°
kw至690
°
kw。在图1c和图2的示图中——所述示图与具有四个气缸的整个内燃机有关——这个曲轴角度值对应于点火的上止点(zot)前的-60
°
到-30
°
。接下来仅提及660
°
kw至690
°
kw。
67.在图3中显示了图2中的细节x，亦即气缸z1的在带有界限点p1和p2的诊断时间窗口112期间的关于曲轴角度kw的转速变化101。在该气缸中，在点p1存在压力p1，在点p2存在压力p2。
68.在诊断时间窗口112中确定诊断时刻113，例如在为675
°
kw的诊断时间窗口的中心。在这个时刻例如计算气缸z1的燃烧室中的温度t
*
。而为了根据转速变化101确定诊断的
气缸压力pdiag，需要诸如诊断时间窗口112的时间窗，因为是基于观察差异来确定诊断的气缸压力的。
69.图2至图6阐释了根据本发明的用于借助曲轴传动装置kt的曲轴转速n来确定行驶运行中的内燃机1的气缸z中的新鲜空气质量特征参量rf的方法的实施例。
70.如在图6中所示的那样，如下对在实施例中进行的方法进行描述：
71.s10：确定内燃机1是否存在至少近似的稳态运行sb或瞬态运行tb。
72.s20：当存在内燃机瞬态运行tb时，识别处于进气冲程结束或压缩冲程开始的气缸z1。
73.s30：在内燃机1的扭矩空隙12中确定所识别的气缸z1的诊断时间窗口112。
74.s40：以能实时的采样质量确定内燃机在所确定的诊断时间窗口112期间的转速变化101。实况发动机控制功能在行驶运行中连续读出曲轴kt的转速值n(由于气体摩擦的减速(以及对于当前目的来说忽略的由于机械摩擦的减速)要预料到在气缸的压缩阶段中从一个时刻到下一个时刻的转速下降是增加的)，并由此确定转速变化——参照图1-3。
75.s50：根据所确定的转速变化101确定气缸z1在诊断时间窗口112中的压力特征数
76.s60：根据气缸z1在诊断时间窗口112中所确定的压力特征数确定简化的气缸负载特征参量rf
*
。
77.s70：根据所确定简化的气缸负载特征参量rf
*
、在实施例中附加地根据以本身已知的方式本来借助发动机控制器为稳态运行所确定的稳态气缸负载特征参量rfsb和/或根据由此推导出的新鲜空气质量特征参量的偏移量预测rf
offset
(参见用于稳态运行sb的步骤s160)确定在所识别的气缸z1中的瞬态运行tb的新鲜气体质量特征参量rf。根据内燃机的运行状态的情况——尤其是根据发动机运行的瞬态程度——纯粹基于所确定的、简化的气缸负载特征参量来控制要注入的燃料量可以是足够的；或者在已知的用于确定在稳定的运行中气缸中的新鲜空气量的方法或者说用于基于这样的值预测偏移量的方法的基础上已经对喷射量进行预控制。
78.s160：以本身已知的方式借助发动机控制器确定稳态气缸负载特征参量rfsb和/或确定由此推导出的新鲜空气质量特征参量的偏移量预测rfoffset。如果存在瞬态运行tb，则也可进行该步骤以支持对燃料喷射量的预控制，参照根据步骤s70来确定新鲜空气质量特征参量rf的输入参量。
79.s170：根据(以本身已知的方式)本来借助发动机控制器为稳态运行所确定的稳态气缸负载特征参量r
fsb
和/或由此推导出的新鲜空气质量特征参量的偏移量预测rf
offset
确定在所识别的气缸z1中的稳态运行sb的新鲜空气质量特征参量rf。对于稳态运行sb来说不考虑简化的气缸负载特征参量rf
*
。
80.在实施例中，设置有不同的可行性以借助发动机控制装置2将所确定的新鲜空气质量特征参量rf的数值用于车载诊断装置204和/或非车载诊断装置208和/或调节任务206(参见图6)。
81.为此，将所确定的数值在机动车行驶运行中连续地保存在发动机控制器2的非易失性的存储器202中，或者说存储起来以便进一步使用。例如，如果对于每个气缸z在每次点
火时分析处理新鲜空气质量特征参量rf的相配值，则新鲜空气质量特征参量rf的新的数值在每次点火时被存储在存储器202中——尤其是带有时间戳和/或用于确定和/或指定被诊断的气缸(例如z1)的输出值。
82.所存储的新鲜空气质量特征参量rf的数值例如能实时、亦即尤其是在行驶运行中立即提供给在线诊断部件204和/或发动机控制装置2的发动机调节装置206。新鲜空气质量特征参量rf的数值也可在稍后的时刻(例如在车间里)提供给非车载诊断计算机208。
83.接下来——尤其借助于图4和图5的示图——将详细阐释如何在实施例中确定简化的气缸负载特征参量rf*并且由此确定新鲜空气质量特征参量rf。
84.如从图4中可见的那样，以下关系式适用于在诊断时间窗口112中在气缸z1中的气体质量的组成：
85.m＝m
tot
＝m
luft
+m
kraftstoff
+m
restgas
(1)
86.在此，气体质量与燃料质量之间存在以下关系式：
[0087][0088]
符号含义
[0089]
λ测量出的燃烧空气比(《1＝“燃料浓”，1＝化学计量，》1＝“燃料稀”)
[0090]
l
st
取决于燃料的化学常数，所谓化学计量的燃料空气比，典型地在14-16之间
[0091]
将方程(2)代入到(1)中得到：
[0092][0093]
在实施例中通过典型的发动机控制参量替换残余气体质量：
[0094]mrestgns
＝xrg
·
ln
tot
(4)
[0095]
残余气体质量可解释为总质量的分数xrg。
[0096]
为了能够在方程3中替换绝对空气质量，在典型的发动机控制参量的基础上引入以下关系式：
[0097][0098]
符号含义
[0099]
rf
sb
稳态新鲜空气质量特征参量，以％为单位的对气缸的充气
[0100]
p0标准条件下的大气压(1013hpa)
[0101]vmax
在曲轴的下止点中的最大的气缸体积
[0102]
r理想的空气常数
[0103]
t0标准条件下的环境温度(293k)
[0104]
为了正确地混合燃料，在发动机控制装置中预先将气缸中的当前空气质量确定为稳态新鲜空气质量特征参量rf
sb
。
[0105]
为此，本身已知的、已存在于发动机控制器中的功能是所谓的用于稳态的发动机运行状态的负载检测。其估计了以百分比为单位的相对的填充率。
[0106]
这里所描述的示例性的方法的目的是改进对填充参量rf的估计。(当在标准条件下最大气缸体积完全被空气填充时，填充率rf被定义为100％，参照理想气体方程)：
[0107][0108]
气缸总质量又由气缸压力p
*
、气缸体积v
*
和气缸中的温度t
*
的当前的热力学上的比得出，因为气缸并不是仅被空气填充且成分即燃料和残余气体导致压力增加：
[0109][0110]
符号含义
[0111]
p
*
诊断时间窗口中的气缸压力
[0112]v*
在诊断时刻的气缸体积
[0113]
r理想的空气常数
[0114]
t
*
在诊断时刻的气缸中的温度t
*
[0115]
将(6)(5.5)(4)插入(3)中(包括调整位置以及缩短)得到以下关系式：
[0116][0117]
根据图5a至e，接下来将解释如何基于方程(7)建立简化的关系式，所述关系式以少数可变的参量并且因此也以明显更低的计算功率在发动机控制器中完成，使得能实时地确定简化的气缸负载特征参量rf
*
。在所述实施例中，实时能力意味着可在所确定的工作循环的数值的基础上将简化的气缸负载特征参量rf
*
用于确定下一个工作循环的燃料喷射量。
[0118]
在图5中显示了关于气缸内容物的特征参量与状态参量之间关系的简化的假设的图形上的推导。
[0119]
从图5a中所示的完整的关系开始，通过另外的图5b、5c、5d和5e中的每一个图引入进一步的简化，使得最后在图5f中显示了简化的尽管如此还能实现对于本发明的目来说足够的陈述准确度的关系。
[0120]
在此，简化方程(7)的目的在于使残余气体含量xrg和气缸温度t
*
参数化。
[0121]
在图5a中显示了各变量的完整的关系。线条的粗细表示相关的强度。每条线在第一次近似中都被视为对比例关系的近似，以便之后又对现有的方程组进行简化。虚线指出反比例(并相应地用“间接”标记)。
[0122]
气缸z1被新鲜空气质量m
luft
填充，所述新鲜空气质量由新鲜空气质量特征参量rf代表。此外，该气缸被燃料质量m
kraftstoff
和残余气体质量m
restgas
填充，所述残余气体质量由残余气体分数xrg代表。
[0123]
气缸内容物的所有三个特征参量都间接或直接地影响气缸z1中的混合物的两个相关状态参量中的至少一个，即p
＊
和v
＊
。
[0124]
残余气体分数xrg对气缸中的总质量m
tot
有中等大小的影响；对温度t
＊
也有中等大小的影响。另外，残余气体分数xrg对气缸中的压力p
＊
有小的影响。这两者是由实验观察已知的并且被认为是能普及的。
[0125]
新鲜空气质量特征参量rf分别对气缸中的总质量m
tot
并且因此也对燃料质量m
kraftstoff
有大的影响。
[0126]
气缸中的总质量m
total
本身通过理想气体方程对气缸压力p
＊
有大的影响。
[0127]
气缸压力p
＊
又对气缸中的温度t
＊
有大的影响。
[0128]
在图5b中显示将残余气体分数xrg的使用转换为反比的考虑，以便能够实现之后其中引入残余气体分数对气缸压力的间接影响的简化步骤(参见图5d)。
[0129]
在图5c中除去“弱的”连接并且然后除去单独邻近的元素。
[0130]
在图5d中，如图所示的那样替换中间参量m
tot
。
[0131]
在图5e中除去由替换步骤所产生的“弱的”连接。
[0132]
在图5f中仅还显示对作为目标参量的温度t
＊
的转换。因为每条线都被看作为对比例关系的近似，所以从所示的图解中得出两个能借用的替换方程。第一个替换方程是：
[0133]
t
*
＝c2
·
p
*
(8)
[0134]
通过另外的关系式
[0135]
(t
*
)
c1
·
(1-xrg)1＝c0|c1＞1
[0136]
得到
[0137]
(c2
·
p
*
)
c1
·
(1-xrg)＝c0
[0138]
并且在合并常数的情况下得到
[0139][0140]
或者说转换为第二替换方程
[0141]
1-xrg＝c3，p
*-cl
(9)
[0142]
现在将方程(8)和(9)插入用于方程(7)的相应的参量并且另外合并常数：
[0143][0144]
借助于以下工作步骤在研究用发动机上确定实施例中的模型方程中的常数c4、c5等：测量完整的特性曲线族(转速/负载)；通过相应的气体变换分析对气缸指示p
*
和计算xrg和t
*
进行分析处理；然后相应地从结果中计算相应的特征值并通过发动机平均转速(特征曲线)保存。
[0145]
接下来，将常数c4与固定值p0，t0以及v
max
合并，得到：
[0146][0147]
最后，现在可按照rf转换并且因此可推导出相对负载的确定规则，在这里因此首先推导出简化的新鲜空气质量特征参量rf*：
[0148][0149]
随后在应用方程(12)中引入常数c7，以使模型能尽可能好地适应。(常数c7在第一次应用中也可以假设为c7＝0，并且之后可相应地取用其他值以提高模型准确度)。
[0150]
下面是用于确定rf估计的开放参数的表格：
[0151]
值单位说明c6[％/nm]缩放系数：工作项相对于负载c5[-]指数缩放：压力相对于负载c7[bar]偏移量：压力相对于负载(默认值＝0)
[0152]
λ、l
st
和v
*
的值可相应地在通过诊断时刻113的曲轴位置所限定的时刻从已知的发
动机控制器中获取，如此也可从实施例的发动机控制器中获取。
[0153]
对于诊断时间窗口112，将诊断气缸压力值确定为p
*
的值。
[0154]
这是如何做到的，可从接下来对方程(13)-(28)的描述中获取，其中，从所确定的诊断时间窗口来看(参见对图2的阐释)，对应于p1的曲轴角度kw＝660
°
，对应于p2的曲轴角度kw＝690
°
，并且相应地在所示出的实施例中适用。
[0155]
在基于所测量的转速曲线对所诊断的气缸进行压力平衡的基础上确定：
[0156][0157]
符号含义
[0158]
j0，j总体的/按比例的惯性矩
[0159]
曲轴的角度位置
[0160]
ω角速度
[0161]mtan
由于气缸中的气体力以及振荡的惯性力而产生的力矩
[0162]
mr由于摩擦损失而产生的力矩
[0163]ml
由于负载减少而产生的力矩
[0164]mm
由于旋转的惯性而产生的按比例的力矩
[0165]nmot
当前施加的发动机转速
[0166]
通过微分、替换并且引入惯性矩(惯性部分的划分)得到以下方程：
[0167][0168]
将该方程按意义分为“恒定部分”和“变化部分”，则得到以下子方程：
[0169]“恒定部分”：
[0170]
恒定部分的平衡从稳态的工作点开始。所提供的平均的力矩使平均转速保持恒定，因为该力矩与由负载和摩擦产生的力矩需求相对应。
[0171]“变化部分”：
[0172]
借助于以下关系式将基于时间的导数转换为基于曲轴角度的差分形成
[0173][0174][0175]
为了分析处理进一步详细说明方程(13)中的决定性的参量。由气缸内的气体力产生的力矩的关系并且得出：
[0176][0177]
符号含义
[0178]ak
活塞盖面积＝常数
[0179]rk
对应于半冲程的曲轴的作用半径＝常数
[0180]
l
pl
连杆长度＝常数
[0181]mosz
对应于活塞组件以及按比例的连杆质量的振荡的质量部分＝常数
[0182]
p
zyl
气缸中存在的压力
[0183]
p0基准压力、曲轴箱压力
[0184]
与曲轴角度位置有关的连杆摆动角
[0185]
与活塞位置有关的活塞加速度
[0186]
对方程(15)中的可变系数进行进一步详细说明得到：
[0187][0188]
假设平均转速n
mot
恒定，活塞加速度的关系式简化为：
[0189][0190]
这个假设导致的误差可忽略不计。角加速度的影响在整个特性曲线族上导致的偏差小得能忽略不计。
[0191][0192]
曲轴连杆比λ
pl
＝rk/l
pl
(17)
[0193][0194]
与环境压力的关系p0＝p
umg
(19)
[0195]
或如在下文中那样也使用与曲轴箱压力的关系
[0196]
p0＝p
kurbgeh
＝p
umg-dps(20)
[0197]
其中，dps代表进气管中的负压(压差)。
[0198]
方程(13)中的摩擦力矩可用不同的方式表示。要么可引入反映诊断的特定的运行点的测量数据的模型。在这种情况下，以目标为导向的方法是将该项与转速、负载以及油温通过函数联系起来。
[0199]
而在下文中假定在固定限定的稳态负载点中进行诊断。因此，对于该负载点，能假设摩擦力矩不可改变：
[0200][0201]
同样的方法也用于由于旋转的惯性而产生的按比例的力矩并且用于惯性矩。
[0202][0203]
在稳态运行点中适当地选择诊断常数能在后来简单地应用参数。
[0204]
对气体力矩求解方程(13)而得出：
[0205][0206]
在插入来自方程(21)到(23)的关系式之后可推断出如下带有应用常数k_rm的简化方程：
[0207]
[0208]
诊断的应用：
[0209]
在图3中显示了自图2的细节x，亦即在气缸z1压缩时在带有测量点p1和p2的诊断时间窗口112期间的关于曲轴角度kw的转速变化101。在该气缸中，在点p1存在压力p1，在点p2存在压力p2。
[0210]
对方程(14)中的角速度的梯度进行拓展。在此，必须对要确定的转速取平均值并且又标记常数。
[0211][0212][0213][0214][0215]
随后对方程(15)中的切向力矩的项进行拓展以包括来自方程(16)至(20)的关系式并且标记常数。
[0216][0217][0218]
其中有稳态点的运动学常数，在所述稳态点中进行诊断
[0219][0220]
在将方程(26)和(25)插入方程(24)、求解气缸压力并且合并所有常数之后得到：
[0221][0222]
方程(27)中的所有压力参量和转速能在时刻p1和p2被测量用于所示出的常数的数据化。合适的本身已知的指示测量技术以基于曲轴角度的方式或以至少关于几个工作循环取平均值的方式来求解必要的物理参量。附加于或替代于指示测量技术，可利用合适的运行模型(例如发动机控制装置)的数据。运动学常数kk可表格化并根据活塞位置使用。
[0223]
转速n
mot
关于振荡质量的影响例如能实时计算，或者以关于转速和负载的适当存储的运行模型的查找表的形式保存在控制器上。
[0224]
对于两个离散点，简化的活塞加速度(尤其参照方程(16))能表达为：
[0225][0226]
常数k1和k2可根据基准测量(发动机功能或者说换气为正常)来确定。
[0227]
在确定应用常数k1和k2之后，方程(27)可用于从压缩中的转速变化来确定诊断的气缸压力：
[0228][0229]
诊断的气缸压力是气缸的压缩冲程期间压力曲线的一个指标。
[0230]
通过这种方式，可在行驶运行中，为所诊断的气缸z的诊断时间窗口112确定关于时间间隔t12＝t[p1；p2]的诊断的气缸压力
[0231][0232]
在所计算的气缸的计算的工作循环中，对诊断的气缸压力的这种计算用于根据方程(12)估计下一个工作循环中的简化的气缸负载特征参量rf
*
。
[0233]
由此，必要时则也可根据为稳态运行所确定的稳态气缸负载特征参量rf
sb
和/或由此推导出的偏移量预测rf
offset
确定新鲜空气质量特征参量rf。通过其将简化的新鲜空气质量特征参量rf
*
、稳态新鲜空气质量特征参量rf
sb
和/或偏移量预测rf
offset
纳入到对瞬态的运行状态tb的rf的计算中的权重本身取决于瞬态的程度和/或其他单独考虑的专业的考量。
[0234]
在实施例中则基于在先前的工作循环所确定的新鲜空气质量特征参量rf的数值对进入到气缸z1中的燃料喷射量进行预控制。
[0235]
附图标记列表
[0236]
1内燃机
[0237]
2控制装置
[0238]
4计算单元
[0239]
6用于曲轴的转速的测量单元
[0240]
7气缸压力确定单元
[0241]
9进气系统
[0242]
10内燃机关于发动机循环的扭矩曲线
[0243]
12扭矩空隙
[0244]
14相关的扭矩贡献的预确定的界限
[0245]
16气缸温度确定单元
[0246]
18λ传感器
[0247]
150转速变化图表
[0248]
101转速曲线
[0249]
112诊断时间窗口
[0250]
113诊断时刻
[0251]
200发动机控制器
[0252]
202存储器
[0253]
204发动机控制装置的诊断部件
[0254]
206发动机控制装置的控制部件
[0255]
208非车载诊断计算机
[0256]
kt曲轴传动装置
[0257]
kw曲轴角度
[0258]
l
st
化学计量的燃料空气比，燃料比
[0259]mkraftstoff
气缸中的燃料质量
[0260]mluft
气缸中的空气质量
[0261]mrestgas
气缸中的残余气体质量
[0262]mtot
气缸中的气体质量
[0263]
m图1中的气缸的扭矩
[0264]
n转速
[0265]
p*诊断时刻的气缸压力
[0266]
p
zyl,diag
压力特征数，在这里是诊断的气缸压力
[0267]
p诊断时间窗口开始时和结束时的测量时刻
[0268]
p0标准条件下的大气压(1013hpa)
[0269]
r理想气体常数
[0270]
rf新鲜空气质量特征参量；以％为单位的相对的对气缸的充气
[0271]
rf
*
简化的气缸负载特征参量
[0272]
rf
sb
稳态气缸负载特征参量
[0273]
rf
offset
偏移量预测
[0274]
sb稳态运行
[0275]
t诊断时间窗口中的时间间隔
[0276]
t
*
气缸中的气体混合物在诊断时刻的温度
[0277]
t0标准条件下的环境温度(293k)
[0278]
tb瞬态运行
[0279]v*
在诊断时刻的气缸体积
[0280]vmax
曲轴的下止点中的最大的气缸体积
[0281]
xrg残余气体份额
[0282]
z气缸
[0283]
zzp气缸的点火时刻
[0284]
λ内燃机空气比

技术特征：
1.用于确定机动车中的内燃机(1)的气缸(z1、z2、z3、z4)中的新鲜空气质量特征参量(rf)的方法，该方法具有以下步骤：-识别在机动车行驶运行期间处于进气冲程结束的或处于压缩冲程开始的气缸(z1)，-确定诊断时间窗口(112)，所述诊断时间窗口在所识别的气缸(z1)的进气门关闭之后在内燃机(1)的扭矩空隙(12)之内延伸，-尤其是以能实时的采样质量，确定内燃机(1)在该诊断时间窗口期间的转速变化(101)，其特征在于具有以下步骤：-根据所确定的转速变化来确定所识别的气缸中的简化的气缸负载特征参量(rf
*
)，-根据所确定的简化的气缸负载特征参量来确定所识别的气缸中的新鲜空气质量特征参量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，除了转速变化之外确定以下可变的参量用于确定简化的气缸负载特征参量(rf
*
)：-在处于所述诊断时间窗口之内的诊断时刻(113)的气缸体积(v
*
)和/或-在所述诊断时间窗口中的简化的活塞加速度3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，另外仅使用常数以确定简化的气缸负载特征参量(rf
*
)。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，-根据所确定的转速变化和/或所确定的简化的活塞加速度在所述诊断时间窗口中确定所识别的气缸的压力特征数，-根据所确定的压力特征数和/或所确定的气缸体积来确定简化的气缸负载特征参量。5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在另外的方法步骤之前确定内燃机是否存在至少近似的稳态运行或是否存在瞬态运行。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，-该方法仅在确定存在内燃机瞬态运行时进行和/或只要确定存在内燃机瞬态运行就进行，和/或-仅有当确定存在内燃机瞬态运行时和/或只要确定存在内燃机瞬态运行，则保存和/或进一步使用所确定的残余气体份额。7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，-仅在所确定的简化的气缸负载特征参量(rf
*
)的基础上，或-附加地在为稳态运行所确定的稳态气缸负载特征参量和/或新鲜空气质量特征参量的取决于稳态气缸负载特征参量的偏移量预测的基础上确定所识别的气缸中的新鲜空气质量特征参量。8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将针对所识别的气缸的特定的工作循环所确定的新鲜空气质量特征参量作为基础用于确定该气缸或随后点火的气缸的接下来的工作循环的燃料喷射量。9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，以能实时的采样质量来确定转速变化。
10.用于确定内燃机(1)的气缸(z)中的新鲜空气质量特征参量(rf)的控制装置(2)，该控制装置尤其构成在乘用车的内燃机的发动机控制器中，该控制装置设计用于，将尤其是借助根据前述权利要求之一所述的方法所确定的和/或保存在存储器中的新鲜空气质量特征参量的数值传输到-该控制装置的控制部件(206)上以根据所传输的数值实时调节内燃机的功能，和/或-该控制装置的诊断部件(204)上用于另外的车载诊断功能。11.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述控制部件设计用于根据所识别的气缸的或直接在之前、尤其是最后的诊断的气缸的先前的工作循环的所确定的新鲜空气质量特征参量的数值来确定用于气缸的特定的工作循环的燃料喷射量。12.根据权利要求11所述的控制装置，其特征在于，(i)要么一直分析处理特定的气缸并且然后在新的工作循环中使用其先前所确定的空气质量以确定新鲜空气质量特征参量，要么(ii)关于气缸的空气质量对气缸进行分析处理并且将在此和/或最后确定的新鲜空气质量特征参量的数值传输给下一个点火的气缸以对其进行预控制。13.根据权利要求10至12之一所述的控制装置，该控制装置具有非易失性的存储器(202)，其特征在于，该控制装置设计用于将新鲜空气质量特征参量的在一个或者说不同的诊断时间窗口的一个或多个数值、尤其是所确定的数值保存在所述存储器中。14.根据权利要求13所述的控制装置，该控制装置设计用于将保存在所述存储器中的新鲜空气质量特征参量的数值传输到用于离线诊断功能的非车载计算机(208)上。15.内燃机(1)，该内燃机具有一个或多个气缸(z)，其特征在于，该内燃机具有根据权利要求10至14之一所述的控制装置(2)。

技术总结
本发明涉及一种用于确定机动车中的内燃机的气缸中的新鲜空气质量特征参量的方法，该方法具有以下步骤：识别在机动车行驶运行期间处于进气冲程结束的或处于压缩冲程开始的气缸，确定诊断时间窗口，所述诊断时间窗口在所识别的气缸的进气门关闭之后在内燃机的扭矩空隙之内延伸，确定内燃机在诊断时间窗口期间的转速变化，确定所识别的气缸中的新鲜空气质量特征参量。量特征参量。量特征参量。


技术研发人员：S
受保护的技术使用者：宝马股份公司
技术研发日：2022.01.12
技术公布日：2023/7/22