技术领域
[0001] 本
发明涉及内燃发动机的发动机控制领域，尤其涉及应用在该控制中的节气
门空气
质量流量的估计。
背景技术
[0002] 多数
汽油机应用中，
燃料计量的基本目的在于按预定化学计量比来追踪
气缸中的空气量。因此，在这种发动机应用中，对于任何可行的开环燃料控制策略，精确的充气估计是关键的预处理过程。由于所述充气不能直接测量，在某些方式中，其估计量要依靠包括进气
歧管压
力传感器，节流
阀片上游的空气质量流量传感器、或两者的感应信息。特殊的传感器配置的选择反映了在最终系统成本和最小性能要求之间折中。当前，包括两个传感器的高成本解决方案出现在具有严格排放标准的市场，而低成本解决方案，通常仅仅包括一个
压力传感器，正瞄准低需求的发展中市场。
[0003]
现有技术中已知了计算发动机进气口的空气质量的速度-
密度方法。然而，结合更复杂的发动机应用，例如具有
凸轮相变和/或可变
气门升程能力的速度-密度方法还没有实际应用或经济上的可行性。
[0004] 因此，需要一种方法在不利用空气质量流量传感器的条件下提供低成本的充气估计器以得到气缸空气估计来满足发展中市场的需求。
发明内容
[0005] 内燃发动机系统包括与发动机和燃料输送系统
信号交流的
控制器，燃烧气缸及其内的往复
活塞，引导空气流量进入至少一个燃烧气缸的
进气歧管，和引导空气质量流量进入所述进气歧管的具有节流孔的空气节气门。估计至少一个发动机燃烧气缸的充气的方法包括：基于修正的容积效率参数计算气缸空气质量流量；基于节气门空气流量排出参数和燃料富集因子计算进气节气门空气质量流量；和利用所述气缸空气质量流量和节气门空气质量流量估计至少一个燃烧气缸内的所述充气量。提供包括均值气缸流量模型、歧管动力学模型和节气门流量模型的三种模型来估计在至少一个燃烧气缸中的充气量并控制燃料输送至燃料输送系统。
附图说明
[0006] 本发明可就某些零件和零件的布置给出实际的形式，以下将结合附图对优选的
实施例进行描述和说明，其中：
[0007] 图1是
火花塞点火内燃发动机系统的图示模型；
[0008] 图2图示了无需空气质量流量传感器的估计气缸充气方法；
[0009] 图3图示了图1所述内燃发动机系统中从大气向气缸所述的空气的流动。
[0010] 图4是方
框图，示出了图1所述的火花塞点火内燃发动机系统产生的信号流。
[0011] 图5是用于确定所述节气门排出系数修正的修正查询表。
具体实施方式
[0012] 现参照图1，示出了火花塞点火内燃发动机系统(简称为系统)20的图示模型。所述系统20，就最普通的意义而言，包括影响气体质量流量或被其影响的所有发动机的相关装置并包括操作环境或大气，气体质量来自或流至该大气。所述内燃发动机包括自然吸气或
增压内燃发动机。所述大气66被示出在新鲜空气入口22处进入所述系统。
[0013] 所述系统包括多个
气动元件，一般地，每一个都构造有至少一对可供气体质量流过的端口。例如，包括新鲜空气入口22、
空气净化器24和进气管26的空气吸气口是第一普通气动元件，在其一端具有一般地对应于所述空气入口22的端口且在其另一端具有一般地对应于所述进气管26的另一端口。另一个气动元件的例子是具有的端口与进气管34和进气通路38相接的进气歧管36。所述系统中的气动元件的其它普通例子包括：包括节流
阀体28和
节流阀片32的进气节流孔86；
曲柄箱50，包括
燃烧室48和进气阀40及凸轮72的燃烧气缸46；包括排气管52和排气口54的排气。
[0014] 图1所示的不同元件是示例性的，且本发明绝不仅限于那些特别的实施方式。一般的，与本发明相关的元件可以为简单的管道或孔口(例如：排气)，可变几何形状的阀86(例如：节流孔)，压力调节器阀(例如：PCV阀)，主要容积(例如：进气和
排气歧管)36，
44，或气动
泵(例如：燃烧气缸)46。
[0015] 在内燃发动机系统20的不同元件和流动路径的相互关系的图示中，
大气压下的气体质量(气体)经新鲜空气入口22进入，流经进气空气
温度传感器58，进而穿过空气净化器24。气体流经进气管26并通过节流阀体28。在给定的发动机速度下，由节气门
位置传感器30监测的节流阀片32的位置是判断通过所述节流阀体并进入所述进气管34的气体量的一个参数。经进气管34，气体进入进气歧管36，在那里，单独的进气通路38指引气体进入单独的燃烧气缸46。在活塞向下的冲程期间，气体由凸轮驱动的进气阀40引入气缸46并在活塞向上的冲程期间，废气通过排气通路42排出。在完全四冲程运转时，这些进气和排气事件当然由压缩和燃烧过程来分开，引起
曲轴60的旋转，产生由
发动机转速传感器
62来监测的发动机速度。气体继续通过排气歧管44，经过所述排气温度传感器64，并最后通过排气出口54进入大气66。
[0016] 本发明的一个实施例中，当所述气体穿过单独的进气通路38时，喷射器56将燃料68与所述气体混合。在本发明的另一个实施例中，燃料68可在其他位置与所述气体混合。
[0017] 根据本发明的实施例，将各种相对较大的内燃发动机系统的容积区域
指定为气动体积
节点，在此，可理想地估计各自的气动状态。所述气动状态用来确定有利于内燃发动机控制函数的气体质量流动。例如，采用已知的燃料控制手段，可利用通过进气系统的空气质量流量来对适当的供油指令进行改进。
[0018] 根据本发明的实施例，所述系统可包括用以监测冷却剂温度的冷却温度传感器70。
[0019] 在本发明的另一个实施例中包括可变凸轮
相位调整装置，使得提供凸轮致动进气阀40致动的凸轮72的
角位置可由凸轮传感器85来确定。
[0020] 在本发明的实施例中包括可变凸轮提升装置，使得提供凸轮致动进气阀40致动的凸轮72所产生的升程量由可变凸轮升程
位置传感器82确定。
[0021] 现参照图2，描述根据本发明实施例不采用空气质量流量传感器96估计气缸充气的方法。图2示出了均值气缸流量模型76，歧管动力学模型78和节气门流量模型80的方框图。
[0022] 一种在不采用空气质量流量(MAF)传感器96的内燃发动机气缸充气估计方法，其满足了设置中等排放标准的低成本控制系统的市场需求。该方法利用速度-密度方式来估计所述气缸充气。所述方式包括针对进气歧管动力学和通过所述节流孔86的所述空气质量流量的物理模型，和包括用来调整所述节气门空气流量排出参数和容积效率参数的调节图表。所述方法可用于具有可变阀正时和/或可变阀升程的发动机。所述方法也适于各种燃料特征变量的调整。
[0023] 所述方法不使用空气质量流传感器(MAF)且不直接使用
氧(O2)传感器或宽范围空-燃比传感器(WAFR)的测量值。然而，现有技术中已知的是利用基于O2或WAFR测量值来修正所述燃料喷射量的闭环燃料控制运
算法则。
[0024] 图2示出了模拟所述歧管压力动力学和所述通过节流孔86的气体流量的均值模型。图4示出了经控制器94来调整的修正因子修正的发动机容积效率系数(ηeff)和节气门排出系数(Cd)的标称静态模型。
[0025] 所述容积效率修正的更新是通过现有的方法来实施的。在本发明的一个实施例中，可利用卡尔曼
滤波器，其将所述测量的和模拟的歧管压力之间的差值作为误差测度。
[0026] 利用图5所示的修正查询表100来进行所述节气门排出系数的修正。所述修正查询表100成为运行工况的函数，且基于根据闭环燃料因子的化学计量偏差来推导所得的空气流量估计的误差测度。
[0027] 图2是不具有空气质量流量传感器的气缸空气估算的
流程图。图2示出了表示三个物理模型的方框流程图，包括：均值气缸流量模型76，歧管动力学模型78，和节气门流量模型80。通过测量除了所述空气质量流量的普通发动机信号，该系统利用所述三个物理模型，修正容积效率系数和节气门空气流量系数的两个调整回路90，92，和来自已知产生的闭环
空燃比控制算法的信息，来计算所述气缸空气质量流量和所述节气门空气质量流量。
[0028] 本发明需要的普通发动机测量输入装置包括：节气门位置传感器30，歧管空气压力传感器(MAP)84，发动机速度传感器(RPM)62，气压传感器或MAP传感器84接通大气压力的读数装置，若可适用的可变凸轮相位(进气和排气)85，若可适用的可变凸轮升程位置82(进气或排气)，进气温度传感器(IAF)58，冷却温度传感器70，和排气温度传感器64。
[0029] 图3示出了当空气从大气向所述气缸46运动时，通过所述节流孔86和进气歧管36的空气流量102。
[0030] 图4一般地示出了由先前元件产生的信号流98和通过描述它们之间交换的信息来表示所述不同部件间的相互关系。
[0031] 所述歧管动力学模型78利用了均值气缸空气流量和节门气流一起来判定歧管压力误差。所述节气门空气流量由节气门流量模型80来决定。通过利用现有技术中已知的空燃比闭环燃料控制算法得到的燃料修正信息来修正所述节气门排出系数从而提高所述节气门流量模型80的
精度。所述节气门排出系数修正限定了第二调节回路92。
[0032] 在本发明中，根据这种气动电容元件中固定容积的的纯气体质量来模拟存储于气动电容元件的足够的空间中，例如，进气歧管36中的气体质量的瞬态效应。在任何瞬态，包含在气动电容元件中的所述有限气体质量Mnet可按照已知的
理想气体定律表示：
[0033] PV＝Mnet RT (1)
[0034] 这里，P是所述容积内的平均压力，V是所述气动电容元件的容积，R是针对空气的通用气体常数，和T是在所述容积内的气体平均温度。通过气体方程(1)可得到所述歧管压力与歧管质量(mm)的关系：
[0035]
[0036] 对方程(2)关于时间求导可得到均值质量守恒，相对歧管容积Vm而言，该守恒限定了经过所述节气门和进入歧管( )的，以及流出歧管和进入气缸 的气体质量流量的差值：
[0037]
[0038] 因此，将方程(2)代入方程(3)可得到歧管质量流量(mm)和压力变化率 之间的关系：
[0039]
[0040] 将
能量守恒原理应用到所述进气歧管体积可得到：
[0041]
[0042] 这里cv和cp是空气的等容和等
热容量，且Tth是在所述节流孔的气体温度。合并(2)和(5)的得出方程(6)：
[0043]
[0044] 将方程(6)代入方程(4)得到歧管压力变化率
[0045]
[0046] 均值气缸流量模型76包括利用测量的输入值计算标称容积效率ηeff。所述均值气缸流量模型还包括基于估计歧管压力(从歧管动力学模型得到)78和利用MAP传感器84测量获得的测定歧管压力的差值的容积效率修正。利用第一调整回路进行容积效率修正。
[0047] 容积效率通过利用由实际测量歧管压力和估计歧管压力之差确定歧管压力误差测度来修正，并被输入所述均值气缸流量模型76。
[0048] 均值气缸流量是从所述进气歧管36进入所有气缸46的平均空气质量流量，其由气缸充气来导出。每个循环累计的气缸充气(mairc)是在进气阀打开(IVO)和进气阀关闭(IVC)之间的时期内，经过所述进气阀40的压力和温度环境的函数。更特别的，计算每个循环的累计气缸充气(mairc)可表示为：
[0049]
[0050] 其中，pm是进气歧管压力，Tm是所述歧管空气温度，R是所述歧管入口混合气体的气体常数，Vd是整个气缸工作容积，ηeff是容积效率系数，其与实际新鲜空气充气量和假如在歧管条件下，整个工作容积(Vd)完全由新鲜空气所替代时能够占据气缸46的新鲜空气量相关。容积效率系数(ηeff)的值取决于在空气吸入过程的
热力学条件和气门正时及提升轮廓。
[0051] 所述容积效率系数(ηeff)可通过查询表或基于物理的分析函数来确定。
[0052] 限定了均值气缸流量( )的提供燃料计量计算
基础的速度-密度方程可由方程(9)导出：
[0053]
[0054] 其中，n是发动机转速且 是流出歧管36并进入气缸46的质量流量。符号pm，和Tm分别是环境和歧管压力和温度，R是专门的气体常数(specific gasconstant)和空气等熵膨胀，Vd是气缸工作容积，n是发动机转速，ηeff是发动机容积效率系数。进气口空气质量流量的流动源泵送作用，例如在进气歧管处的所述发动机和所述空气质量流量的影响，可以由已知的速度密-度方程来逼近。
[0055] 所述发动机和歧管压力参数被分成已知的标称部分(上标为0)和未知的修正部分(表示为Δ)。容积效率和节气门的排出系数的标称部分通过静态发动机图数据(表查询方式)或者通过回归函数来计算。
[0056] 以下是对根据已知方法中的利用非最小命令模式表征歧管压力的动力学描述：
[0057]
[0058]
[0059]
[0060] 参数ks是在所述非最小命令模式中用来得到理想的瞬态特性的随机设计参数。
[0061] 歧管压力动力学的非最小表征模式是以分别基于已知的输入和输出 和pm，用于未知状态的 ，根据
扩展卡尔曼滤波器原理来设计状态估计器，特别地，其中，是通过所述节气门28流至所述歧管36的空气质量流量。以下给出了所述卡尔曼滤波器状态估计器方程：
[0062] 估计器推断步骤
[0063] (11)
[0064]
[0065] 估计器更新步骤：
[0066]
[0067]
[0068]
[0069] 符号∑表示状态协方差矩阵，特别地，K是卡尔曼增益，Q和S是滤波器设计参数。所述
过滤器设计参数Q和S大体上表示所述状态和所述输出噪音协方差(且因此由下面的过程信号统计特性来决定)，在达到理想滤波器性能时，它们被随机地关闭。所述卡尔曼滤波器得到了所述参数θ的精确的估计值从而提供了所述精确的节气门流量。由此所述容积效率修正Δηeff可通过估计值θ来计算得出：
[0070]
[0071] 可见所述容积效率估计值可有标称容积效率参数Δη0eff和所述容积效率修正参数 计算得出：
[0072] (14)
[0073] 分别地，所述气缸充气(8)和所述气缸空气流量(9)可利用所述容积效率的估计值来计算：
[0074] (15)
[0075]
[0076] 经过节流孔86进入所述进气歧管36的空气质量流量( )可以按照可压缩
流体方程(16)来表示：
[0077]
[0078] 其中，Ath是节流孔面积，Cd是所述节气门排出系数，pa和Ta分别是环境压力和温度，且ψ是无量纲可压缩流体系数，其定义为：
[0079]
[0080]
[0081] 其中，κ是空气等熵系数。
[0082] 类似于所述容积效率参数的表示，所述节气门排出系数(Cd)按照方程(18)中已知的标称部分( )和未知部分(ΔCd)来定义：
[0083]
[0084] 将方程(18)代入方程(16)，所述节气门空气质量流量 可特别地按照公式(19)来表示：
[0085]
[0086] 作为ΔCd的估计值，节气门空气质量流量估计值 可由方程(19)导出：
[0087]
[0088] 假设所述节气门排出系数的标称值是错误的，如果确定了修正项ΔCd，就可得到所述节气门质量流量的精确估计值。为了确定修正项ΔCd，首先，要定义标称空-燃(A/F)比λ：
[0089]
[0090] 标称A/F比λ作为气缸空气量( )与气缸燃料量(mfc)的比值而给出，且与所述燃料的化学计量因子(Fst)成比例。
[0091] 所述标称A/F比(λ)假设为低于化学计量混合工况下的值。典型地，所述燃料计量通过充气( )和燃料富集因子(fλ)的估计函数来测量，其表示为：
[0092]
[0093] 将(22)代入(21)得到所述标称A/F比(λ)：
[0094]
[0095] 假设所述燃料富足因子(fλ)通过闭环A/F比控制算法来调整，因此发动机始终在化学计量混合比下运转，表达式(23)可表示为：
[0096]
[0097] 由此，所述燃料富足因子(fλ)描述了气缸46(或流入气缸46的空气流量)中实际空气量和气缸46中估计的空气量(或流入气缸46的空气流量)的比值。因此，由所述富足因子(fλ)与1的偏差精确地描述所述空气流量(或充气)的估计误差(emair)可由方程(25)来定义：
[0098]
[0099] 在稳定状态工况时，通过所述节流孔86的质量流量( )和流经发动机的质量流量( )相等：
[0100] (26)
[0101]
[0102] 因此，将方程(26)代入方程(25)可得到：
[0103]
[0104] 用方程(19)减去方程(20)可得到方程(28)：
[0105]
[0106] 结果(27)最后变为：
[0107]
[0108] 由此，如果所述排出修正参数 等于实际值ΔCd，那么在随机节气门和压力条件下的空气流估计误差(emair)可以被消除。对于未知的节气门空气排出参数 的离散调节图表就可以从方程(29)推导得出：
[0109] (30)
[0110]
[0111] 由于两个原因，包括可调节增益在内的更复杂的调节原则是不利的：1)与方程(30)有关的假设和模拟误差，与分离所述容积效率修正和所述排放修正的调节率的需要一起，仅仅能在非常低的调节频带宽度下较好地运行，和2)因为所述排放误差ΔCd可能不是常数，而是所述节气门位置αth和所述节气门压力降rp的函数，所以所述调节是通过模
块学习表的形式来执行。
[0112] 节气门排出修正100的模块学习表是按照图5来定义的。图5中引入的每个术语和调节图表与方程(30)合并，下面来推算图表的更新：
[0113] 1)根据方程(31)来计算当前操作点的所述增量修正：
[0114]
[0115] 2)围绕气流操作点来标识的四个栅格点并计算每个栅格点的重量因子：
[0116]
[0117] gij(1-fi)(1-fj)，gi+1，j＝fi(1-fj)，gi，j+1＝(1-f1)fj，gi+1，j+1＝fifj[0118] 其中，αth是所述节流阀片32的角度，rp是修
正压力与环境压力的比值。
[0119] 3)根据下式在所述四个气流栅格点的每一处更新所述表值：
[0120]
[0121] 在没有质量流量传感器时，针对未知的排放修正利用调节方案来逐步确定这个信号的精确度：
[0122]
[0123] 这里，符号fλ表示闭环燃油修正因子，和kcd是调节增益。该增益是自选(discrctionary)参数，并要选择足够的小以达到稳定的调节，可是也要足够的大以获得明显适合的响应时间。由于所述调节频带宽度相当窄，方程(3)所述的更新规律可以与所述流量修正的闭环查询表100一并使用。更新表的使用表明了这样的事实，即通过整个发动机操作包络线的流量误差不是典型的常数，而是通过节流孔86的节气门位置和环境压力的函数。所述查询表在实际操作点(从穿过节流阀片32的节气门位置αth和压力比πth)的四个相邻栅格点进行更新，因此：
[0124]
[0125] 标号i和j分别表示在所述节气门位置轴上第i个栅格点和在所述压力比轴上的第j个栅格点。所述参数gm，n是与具有标号(m，n)的相关的栅格点的更新相关的加权因子，表明了实际操作点至特定的栅格点(所有四个栅格点的加权因子相加之和)的距离。
[0126] 然后，所述连续更新查询表用来计算用于(19)的排出修正项ΔCd。使用以上引入的符号，描述该步骤的所述化学计量形式为：
[0127]
[0128] 对于节气门流量模式80的缓慢调节回路90，假设了激活的闭环燃料控制，准确掌握的化学计量因子Fst，和精确的燃料测量。实际上，当这些假设不成立时，通过关闭图2中的
开关SWCD88使得节气门流量调节回路92需要失效。这些情况的例子包括，但不局限于，通过加燃料事件来监测燃料特性的变化，通过燃料喷射器诊断来监测燃料喷射故障，及由排放诊断来监测氧传感故障。
[0129] 在所述节气门模型调节失效的时间里，Fst的值是基于已知的燃料类型监测算法。同时，所述节气门流量模型80使用流量系数CD的标称值。
[0130] 所述排出系数的修正值构成了所述第二调节回路92。
[0131] 在高负载工况时，当通过节流阀片的压力比接近1时，可压缩流体方程越来越不适于表征通过所述节流孔的质量流量。基于这样的目的，在高负载的工况下，节气门流量计算方程(20)修正为：
[0132] (37)
[0133]
[0134]
[0135] 更特别地，当压力比超过某一限值 时，通过基于可压缩流体方程的方法的质量流量值的重量平均值 和质量流量值 来计算节气门质量流量。质量流量值基于速度-密度方程方法。所述随机因子karb∈[01]是标定参数且根据与压力比相关的查询表来实施。排出修正估计值 是独立于负载情况并且保持为方程36的描述。类似地，所述排出误差查询表的更新不依赖于负载情况，且保持为方程(35)的描述。
[0136] 此处，特别参照实施例和其改型已经描述了本发明。在阅读和理解
说明书的基础上可以有其它的改型和变化。本发明将包括不脱离其发明范围的所有的改型和变化。
