CN105275634A - 用于估计动力总成中容积效率的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于实时地估计内燃机中容积效率的方法，包括以下步骤：(a)使用联接到进气歧管的氧传感器监测进气歧管中气体的氧气百分比；和(b)经由控制模块至少部分地基于进气歧管中气体的氧气百分比实时地确定内燃机的容积效率。

Description

用于估计动力总成中容积效率的方法

技术领域

本发明涉及用于实时地估计内燃机中容积效率的方法以及包括能实时地估计容积效率的控制模块的动力总成。

背景技术

一些车辆包括用于推进的动力总成。动力总成可以包括用于产生输出扭矩的内燃机。具体地说，内燃机燃烧空气/燃料混合物以便产生输出扭矩。

发明内容

本发明涉及一种用于实时地估计内燃机中容积效率的方法，内燃机是动力总成的一部分，动力总成包括与内燃机流体连通的进气歧管，该方法包括：

使用联接到进气歧管的氧传感器监测进气歧管中的气体的氧气百分比；和

经由控制模块至少部分地基于被监测的进气歧管中气体的氧气百分比而实时地确定内燃机的容积效率。

在该方法中，进一步包括使用歧管绝对压力(MAP)传感器监测进气歧管压力。

在该方法中，进一步包括使用联接到进气歧管的歧管空气流量(MAF)传感器监测进气歧管中的质量空气流量。

在该方法中，进一步包括使用联接到进气歧管的歧管空气温度(MAT)传感器监测进气歧管温度。

在该方法中，其中动力总成进一步包括与进气歧管选择性流体连通的排气歧管，且该方法进一步包括使用空气/燃料比传感器监测离开排气歧管的排气的空气/燃料比。

在该方法中，进一步包括经由控制模块至少部分地基于离开排气歧管的排气中的空气/燃料比确定排气歧管已燃烧气体分数。

在该方法中，进一步包括经由控制模块至少部分地基于进气歧管中气体的氧气百分比确定进气歧管已燃烧气体分数。

在该方法中，进一步包括经由控制模块至少部分地基于进气歧管温度和进气歧管压力确定汽缸充气的质量。

在该方法中，其中经由控制模块实时地确定容积效率包括，经由控制模块至少部分地基于排气歧管已燃烧气体分数、进气歧管已燃烧气体分数和进气歧管中汽缸充气的质量实时地确定内燃机的容积效率。

本发明还涉及一种动力总成，其包括:

进气歧管；

氧传感器，操作性地联接到进气歧管，使得氧传感器能监测进气歧管中气体的氧气百分比；

内燃机，与进气歧管流体连通；

排气歧管，与内燃机流体连通，其中排气歧管与进气歧管选择性地流体连通；和

控制模块，与氧传感器通信，其中控制模块被编程为至少部分地基于被监测的进气歧管中气体中的氧气百分比而实时地确定内燃机的容积效率。

在该动力总成中，进一步包括歧管绝对压力(MAP)传感器，其操作性地联接到进气歧管，使得MAP传感器能监测进气歧管压力。

在该动力总成中，进一步包括歧管空气流量(MAF)传感器，其操作性地联接到进气歧管，使得MAF传感器能监测进气歧管中的质量空气流量。

在该动力总成中，进一步包括歧管空气温度(MAT)传感器，其操作性地联接到进气歧管，使得MAT传感器能监测进气歧管温度。

在该动力总成中，进一步包括排气歧管和空气/燃料比传感器，所述排气歧管与进气歧管选择性地流体连通，且所述空气/燃料比传感器操作性地联接到排气歧管，使得空气/燃料比传感器能监测离开排气歧管的排气中的空气/燃料比。

在该动力总成中，其中控制模块被编程为至少部分地基于离开排气歧管的排气中的空气/燃料比确定排气歧管已燃烧气体分数。

在该动力总成中，其中控制模块配置为至少部分地基于进气歧管中气体的氧气百分比确定进气歧管已燃烧气体分数。

在该动力总成中，其中控制模块被编程为至少部分地基于进气歧管温度和进气歧管压力确定汽缸充气的质量。

在该动力总成中，其中控制模块被为编程至少部分地基于排气歧管已燃烧气体分数、进气歧管已燃烧气体分数和进气歧管中的汽缸充气质量确定容积效率。

在火花点火式内燃机中，有用的是实时地确定容积效率以便调整汽缸充气。在本发明中，术语“容积效率”是指汽缸中理论和实际的空气质量之间的比，且术语“汽缸充气”是指将在特定时刻供应到发动机汽缸的进气歧管中的气体量(新鲜空气和/或排气)。有用的是根据估计的容积效率调整汽缸充气，以便使得燃料效率最大化且使得燃料排放最小化。为此，汽缸充气可被调整以便维持内燃机中化学计量的空气/燃料比。术语“空气/燃料比”是指存在于内燃机中空气对燃料的质量比。当内燃机在化学计量的空气/燃料比下运行时，内燃机被供应正好足够的空气以完全地燃烧可用燃料。

本发明涉及用于实时地估计内燃机中容积效率的方法。内燃机限定至少一个汽缸且是动力总成的一部分。动力总成包括与内燃机流体连通的进气歧管和与内燃机流体连通的排气歧管。排气歧管与进气歧管选择性地流体连通。用于实时地估计内燃机中容积效率的方法包括以下步骤：(a)使用联接到进气歧管的氧传感器监测进气歧管中气体的氧气百分比；和(b)经由控制模块，至少部分地基于进气歧管中气体的氧气百分比实时地确定内燃机的容积效率。

本发明还涉及动力总成，包括能执行如上所述方法步骤的控制模块。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是包括内燃机的动力总成的框图；和

图2是用于实时地估计图1的内燃机的容积效率的方法的流程图。

具体实施方式

参见附图，其中相同的附图标记指示相同的部件，图1示意性地示出了包括用于推进的动力总成102的车辆100。动力总成102包括进气歧管104，其能从大气接收新鲜空气A。进气歧管104与内燃机106流体连通。因此，新鲜空气A可从进气歧管104流动到内燃机106。内燃机106是动力总成102的一部分且限定至少一个汽缸108。在所示实施例中，内燃机106限定多个汽缸108。每一个汽缸108可接收燃料F，例如汽油，以便燃烧汽缸108内部的空气/燃料混合物。汽缸108中的空气/燃料混合物的燃烧随后转换成扭矩，以推进车辆100。

动力总成102另外包括与内燃机106流体连通的排气歧管110。因此，从汽缸108的燃烧生成的排出气体E可从内燃机106流动到排气歧管110。排出气体E的至少一部分可随后离开排气歧管110，而排出气体E的另一部分可在称为废气再循环(EGR)的过程中再循环到进气歧管104。为此，排气歧管110选择性地与进气歧管104流体连通。EGR阀112可控制再循环到进气歧管104的排出气体E的量。排出气体E随后与进气歧管104内的新鲜空气A混合且随后该混合物(即汽缸充气AC)可供应到内燃机106。由此，在本发明中，术语“汽缸充气”是指将在特定时刻供应到汽缸108的进气歧管104内的气体(新鲜空气A和/或排出气体E)的量。

动力总成102进一步包括与内燃机106、进气歧管104和排气歧管110电子通信的控制模块114。术语“控制模块”、“控制”、“控制器”、“控制单元”、“处理器”和相似的术语是指专用集成电路(一个或多个)(ASIC)、电子电路(一个或多个)、执行一个或多个软件或固件程序或例行程序的中央处理单元(一个或多个)(优选是微处理器(一个或多个))和相关的存储器和存储部分(只读的、可编程只读的、随机存取的、硬件驱动的等)、组合逻辑电路(一个或多个)、时序逻辑电路(一个或多个)、输入/输出电路(一个或多个)和装置、适当的信号调节和缓存电路、和其他部件中的一个或多个的一个或各种组合，以提供所述的功能。“软件”、“固件”、“程序”、“指令”、“例行程序”、“代码”、“算法”和相似的术语是指任何控制器可执行的指令集，包括标定和查找表。在所示实施例中，控制模块114包括至少一个处理器116和至少一个存储器118(或任何非瞬时实体计算机可读存储介质)。存储器118可存储控制器可执行指令集，且处理器116可执行存储在存储器118中的控制器可执行的指令集。

控制模块114与歧管空气流量(MAF)传感器120、歧管绝对压力(MAP)传感器122、歧管空气温度(MAT)传感器124、氧传感器126和宽范围空气/燃料比传感器128通信(例如电子通信)。MAF传感器120操作性地联接到进气歧管104且可因此测量和监测进入进气歧管104的新鲜空气A的质量空气流量(MAF)(即质量空气流量MAF)。控制模块114可从MAF传感器120接收输入信号并且基于该输入信号确定质量空气流量MAF。MAP传感器122操作性地联接到进气歧管104且可因此测量和监测进气歧管104内的气体压力(即进气歧管压力P_m)。控制模块114可从MAP传感器122接收输入信号并随后基于该输入信号确定进气歧管压力P_m。氧传感器126可以是二氧化诰、或氧化诰、lamda传感器且操作性地联接到进气歧管104，且可因此测量和监测进气歧管104内的气体中氧气的百分比(氧气百分比O₂)。例如，氧传感器126可测量和监测进气歧管104内的气体的氧气百分比或进气歧管104内的气体的氧气质量百分比。控制模块114可从氧传感器126接收输入信号且随后基于该输入信号确定氧气百分比O₂。MAT传感器124操作性地联接到进气歧管104且可因此测量和监测进气歧管104内的气体温度(即进气歧管温度T)。控制模块114可从MAT传感器124接收输入信号且基于该输入信号确定进气歧管温度T。空气/燃料比传感器128操作性地联接到排气歧管110且可因此测量和监测排气歧管110中排出气体E的空气/燃料比(即空气/燃料比λ)。控制模块114可从空气/燃料比传感器128接收输入信号且基于该输入信号确定空气/燃料比λ。

参考图2，控制模块114具体被编程为执行方法200的指令，用于实时地估计内燃机106的容积效率。方法200在步骤202开始，且使用氧传感器126测量和监测进气歧管104内的气体的氧气百分比(即氧气百分比O₂)。在本发明中，术语“氧气百分比”是指与进气歧管104内氧气关于进气歧管104内的总气体的氧气百分数。作为非限制性的例子，氧气百分比O₂可以以体积(即氧气体积百分比)或质量(氧气质量百分比)来表示。氧传感器126可产生表示氧气百分比O₂的输入信号且随后将该输入信号发送到控制模块114。控制模块114被编程且配置为从氧传感器O₂接收输入信号且基于该输入信号确定氧气百分比O₂。方法200随后前进到步骤204。

步骤204测量和监测进入进气歧管104的新鲜空气A的质量空气流量(即质量空气流量MAF)。MAF使用MAF传感器120。如上所述，MAF传感器120可测量和监测MAF且随后产生表示MAF的输入信号且随后将该输入信号发送到控制模块114。控制模块114配置且编程为从MAF传感器120接收输入信号且基于该输入信号确定MAF。方法200随后继续到步骤206。

步骤206使用MAP传感器122测量和监测进气歧管104内的的气体压力(即进气歧管压力P_m)。MAP传感器122可产生表示进气歧管压力P_m的输入信号且随后将该输入信号发送到控制模块114。控制模块114配置且编程为从MAP传感器122接收输入信号且随后基于该输入信号确定进气歧管压力P_m。方法200随后继续到步骤208。

步骤208使用MAT传感器124测量和监测进气歧管104内的的气体温度(即进气歧管温度T)。MAT传感器124可产生表示进气歧管温度T的输入信号且随后将该输入信号发送到控制模块114。控制模块114配置且编程为从MAT传感器124接收输入信号且基于该输入信号确定进气歧管温度T。

步骤210使用空气/燃料比传感器128测量和监测排气歧管110中的排出气体E的空气/燃料比(即空气/燃料比λ)。空气/燃料比传感器128可产生表示空气/燃料比λ的输入信号且随后将该输入信号发送到控制模块114。控制模块114配置且编程为从空气/燃料比传感器128接收输入信号且基于该输入信号确定空气/燃料比λ。步骤202、204、206、208和210不是必须以特定时间顺序执行。接下来，方法200继续到步骤212。

步骤212经由控制模块114连续确定排气歧管已燃烧气体分数(exhaustmanifoldburnedgasfraction)f_exh。在本发明中，术语“排气歧管已燃烧气体分数”是指排气歧管110内由于内燃机106中的燃烧过程而已燃烧的气体的总气体的分数。内燃机106中的燃烧不是完美的，且一些未燃烧燃料(例如汽油)和氧气可能在燃烧之后保留。未燃烧燃料和氧气可能流动到排气歧管110中。因而，排气歧管110中的气体包括未燃烧气体和已燃烧的气体。排气歧管已燃烧气体分数f_exh是排气歧管110中相对于总气体质量的已燃烧的气体的质量分数。

$f_{\mathrm{exh}}=\frac{1+{\mathrm{\λ}}_s}{1+\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中:

f_exh是排气歧管已燃烧气体分数；

λ是排气歧管110中气体的空气/燃料比；和

λs是已知且存储在存储器118中的化学计量的空气/燃料比。

在步骤212，控制模块114配置且编程为使用等式(1)实时地计算排气歧管已燃烧气体分数f_exh。由此，控制模块可以以预定时间间隔计算排气歧管已燃烧气体分数f_exh，例如每隔10毫秒。排气歧管已燃烧气体分数f_exh至少部分地基于通过空气/燃料比传感器128测量和监测的空气/燃料比λ。随后，方法前进到步骤214。

步骤214经由控制模块114连续确定进气歧管已燃烧气体分数f_i。在本发明，中，术语“进气歧管已燃烧气体分数”是指进气歧管104内由于内燃机106中的燃烧过程而已燃烧的气体的总气体的分数。如上所述，至少一些排出气体E再循环到进气歧管104，且一部分排出气体E是已燃烧的气体，而剩余部分是未燃烧气体。控制模块114配置且编程为使用等式(2)计算进气歧管已燃烧气体分数f_i：

其中:

f_i是进气歧管已燃烧气体分数；且

进气O₂是通过氧传感器126监测和测量的氧气的体积百分比。

在确定进气歧管已燃烧气体分数f_i之后，方法200前进到步骤216。步骤216经由控制模块114确定汽缸充气AC的质量。如上所述，术语“汽缸充气”是指将在特定时刻供应到汽缸108的进气歧管104内的气体(新鲜空气A和/或排出气体E)的量。控制模块114可使用等式(3)确定汽缸充气AC：

$m=\frac{P_{m}V}{\mathrm{RT}}---\left(3\right)$

其中:

m是汽缸充气AC；

P_m是通过MAP传感器122测量和监测的进气歧管压力；

V是进气歧管体积，其是已知值且存储在存储器118中；

R是理想气体常数；和

T是通过MAT传感器124测量和监测的进气歧管温度。

汽缸充气AC因此至少部分地基于通过MAP传感器122监测和测量的进气歧管压力P_m和通过MAT传感器124测量和监测的进气歧管温度T。

接下来，方法200继续到步骤218。步骤218经由控制模块114实时地确定容积效率η。在本发明中，术语“容积效率”是指汽缸108中理论和实际的空气质量之间的比且可用于测量发动机的效率。在步骤218，控制模块114可使用等式(4)确定(或至少估计)容积效率η：

$\begin{array}{c}{P}_m\left(k\right)-P_m(k-1)-\frac{\mathrm{RT}}{V}\mathrm{MAF}(k-1)\mathrm{\Δt}-\frac{\mathrm{RT}}{V}\frac{f_i\left(k\right)-f_i(k-1)+\frac{\mathrm{MAF}(k-1)}{m(k-1)}{f}_i(k-1)\mathrm{\Δt}}{\frac{-f_i(k-1)}{m(k-1)}+\frac{f_{\mathrm{exh}}(k-1)}{m(k-1)}}\\ =-\left(P_m(k-1)\frac{V_{\mathrm{dis}}}{V}\frac{\mathrm{RPM}}{30}\mathrm{\Δt}\right)\mathrm{\η}(k-1)\end{array}---\left(4\right)$

其中:

η是内燃机106的容积效率；

k-1是在通过MAF传感器120、MAP传感器122、MAT传感器124、氧传感器126和宽范围空气/燃料比传感器128测量时的第一时刻；

k是在通过MAF传感器120、MAP传感器122、MAT传感器124、氧传感器126和宽范围空气/燃料比传感器128测量时的第二时刻；

MAF是通过MAF传感器120测量和监测的质量空气流量；

P_m是通过MAP传感器122测量和监测的进气歧管压力；

R是理想气体常数；

T是通过MAT传感器124测量和监测的进气歧管温度。

V是进气歧管体积，其是已知值且存储在存储器118中；

Δt是当通过MAF传感器120、MAP传感器122、MAT传感器124、氧传感器126和宽范围空气/燃料比传感器128测量时的第一时刻(k-1)和第二时刻k之间的时间差；

f_i是进气歧管已燃烧气体分数；

m是汽缸充气AC；

f_exh是排气歧管已燃烧气体分数；

V_dis是发动机排量，其是已知值且存储在存储器118；和

RPM发动机转速。

等式(4)是标准形式且控制模块114可产生图表，以便使用等式(4)确定容积效率η。等式(4)从差分方程(5)和(6)获得。

$\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\·}{f}}_i=-\frac{\mathrm{MAF}+W_{\mathrm{EG}}}{m}{f}_i+\frac{W_{\mathrm{EGR}}}{m}{f}_{\mathrm{exh}}& \left(5\right)\\ {\stackrel{\·}{P}}_m=\frac{\mathrm{RT}}{V}\mathrm{MAF}+\frac{\mathrm{RT}}{V}{W}_{\mathrm{EGR}}-\mathrm{\η}{P}_m\frac{V_{\mathrm{dis}}}{V}\×\frac{\mathrm{RPM}}{30}& \left(6\right)\end{array}\right.$

其中:

η是内燃机106的容积效率；

MAF是通过MAF传感器120测量和监测的质量空气流量；

P_m是通过MAP传感器122测量和监测的进气歧管压力；

R是理想气体常数；

T是通过MAT传感器124测量和监测的进气歧管温度。

V是进气歧管体积，其是已知值且存储在存储器118中；

f_i是进气歧管已燃烧气体分数；

m是汽缸充气AC；

f_exh是排气歧管已燃烧气体分数；

V_dis是发动机排量，其是已知值且存储在存储器118；

RPM发动机转速；和

W_EGR是排气再循环量。

对于等式(4)，步骤218经由控制模块114、至少部分地基于由氧传感器126测量的进气歧管104中气体的氧气百分比(例如氧气体积百分比或氧气质量百分比)而实时地确定内燃机106的容积效率η。具体地说，步骤218经由控制模块114至少部分地基于排气歧管已燃烧气体分数f_exh、进气歧管已燃烧气体分数f_i和进气歧管中汽缸充气AC质量而实时地确定内燃机106的容积效率η。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于实时地估计内燃机中容积效率的方法，内燃机是动力总成的一部分，动力总成包括与内燃机流体连通的进气歧管，该方法包括：

使用联接到进气歧管的氧传感器监测进气歧管中的气体的氧气百分比；和

经由控制模块至少部分地基于被监测的进气歧管中气体的氧气百分比而实时地确定内燃机的容积效率。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用歧管绝对压力(MAP)传感器监测进气歧管压力。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括使用联接到进气歧管的歧管空气流量(MAF)传感器监测进气歧管中的质量空气流量。

4.如权利要求3所述的方法，进一步包括使用联接到进气歧管的歧管空气温度(MAT)传感器监测进气歧管温度。

5.如权利要求4所述的方法，其中动力总成进一步包括与进气歧管选择性流体连通的排气歧管，且该方法进一步包括使用空气/燃料比传感器监测离开排气歧管的排气的空气/燃料比。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括经由控制模块至少部分地基于离开排气歧管的排气中的空气/燃料比确定排气歧管已燃烧气体分数。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括经由控制模块至少部分地基于进气歧管中气体的氧气百分比确定进气歧管已燃烧气体分数。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括经由控制模块至少部分地基于进气歧管温度和进气歧管压力确定汽缸充气的质量。

9.如权利要求8所述的方法，其中经由控制模块实时地确定容积效率包括，经由控制模块至少部分地基于排气歧管已燃烧气体分数、进气歧管已燃烧气体分数和进气歧管中汽缸充气的质量实时地确定内燃机的容积效率。

10.一种动力总成，包括:

进气歧管；

氧传感器，操作性地联接到进气歧管，使得氧传感器能监测进气歧管中气体的氧气百分比；

内燃机，与进气歧管流体连通；

排气歧管，与内燃机流体连通，其中排气歧管与进气歧管选择性地流体连通；和

控制模块，与氧传感器通信，其中控制模块被编程为至少部分地基于被监测的进气歧管中气体中的氧气百分比而实时地确定内燃机的容积效率。