技术领域
[0001] 本
发明大体涉及
内燃机。尤其本发明涉及用于求取排气区段中的物理参量的一个或者多个模拟值。
背景技术
[0002] 现代的内燃机包括废气再循环系统，所述废气再循环系统不仅可以构造在高压侧而且也可以构造在低压侧。对于高压侧的废气再循环系统来说，将从内燃机中流出的燃烧废气导回到进气系统的进气管区段中。对于低压侧的废气再循环系统来说，将燃烧废气在经过废气驱动的
增压装置的
涡轮机之后从所述排气区段中取出并且将其导回到所述增压装置的
压缩机的
输入侧上。
[0003] 为遵守废气规定，对与进气系统和排气区段有关的物理参量的了解很重要。尤其低压侧的废气再循环系统的废气再循环率的确定和调整，要求正确地确定所述排气区段中的低压侧的分支部位上的废气压
力和气体
质量流。所述废气压力和气体质量流虽然可以借助于合适的
传感器来测量，但是由于所需要的传感器的数目的最小化而在必要时要合适地模拟物理参量。
发明内容
[0004] 按本发明，设置了一种按
权利要求1所述的用于确定具有增压的内燃机和低压侧的废气再循环的发动机系统的排气区段中的一个或者多个物理参量的方法以及按并列的权利要求所述的装置、发动机系统以及
计算机程序产品。
[0005] 本发明的其它有利的设计方案在
从属权利要求中得到说明。
[0006] 按照第一方面，设置了一种用于确定具有内燃机的发动机系统的气体导引区段中的物理参量的模拟值的方法。该方法包括以下步骤：
[0007] -运行所述发动机系统（1），从而在所述气体导引区段中存在着空气质量流；
[0008] -确定其它的物理参量的瞬时值；
[0009] -通过解差分方程式来确定所述物理参量的模拟值，所述差分方程式作为微分方程式的离散而获得,借助于所述其它的物理参量的之前求得的瞬时值。
[0010] 以往对于发动机系统的运行来说对不是通过相应的传感器来测量的物理参量进行模拟或者借助于所述物理参量的额外的模拟来对相应的传感器的测量值进行可信性检测。为了描述进气系统或者说排气区段中的物理的状态，通常在使用节流模型和/或理想气体方程式和/或质量守恒定律和/或类似方法的情况下建立方程组。对于有待建模的物理参量来说获得微分方程式。所述微分方程式通常借助于
控制器通过离散来解。以往所述微分方程式借助于显式的方法来离散。在此会出现以下问题：
[0011] -在特定的运行范围内尤其对于调节
阀上面的在方程组中已经得到考虑的微小的压力降来说出现动态的不精确性或者说不
稳定性；
[0012] -根据气体体积的应用而出现动态的不精确性或者说不稳定性；
[0013] -为了避免不稳定性，必须减少所述离散的计算的周期时间，由此所需要的计算功率上升；
[0014] -为了避免不稳定性问题而对所述方程组的函数进行的可能的近似导致静态的不精确性。
[0015] 因为在所述低压侧的气体导引系统中通常预料到很小的压力降，所以所使用的模型的稳定性和
精度在该区域中特别重要。
[0016] 上述方法的构思正是在于，借助于合适的模型和计算方法来确定在所述低压侧的废气再循环的分支部位上存在的物理参量。与在
现有技术中设置的借助于显式的离散来确定物理参量的处理方式相对比，现在规定，通过借助于隐式的方法的离散来计算所述物理参量并且借助于合适的计算顺序来保证，模型方程式的时间离散的实现在不依赖于应用或者运行范围的情况下总是稳定的。由此可以做到的是，所述物理参量的瞬时值的计算可以借助于离散的微分方程式以较大的时间步距来进行，由此可以减少所述控制器中的必要的计算时间。
[0017] 除此以外，所述低压侧的废气再循环的分支部位上的所计算的废气压力以及流经所述低压侧的废气再循环阀的气体质量流的静态的和动态的精度可以得到改进。
[0018] 通过所述隐式的方法的使用得到的方程的解经常不能直接地得到确定。因此规定，通过
迭代方法来求得所述物理参量。对于所选择的方法来说，搜索区间的确定是必要的。为了使所述迭代方法
加速，将所述搜索区间选择得尽可能地小。可以求得所述搜索区间的上面的和下面的边界，其措施是使压缩机的入口侧的压力等于环境压力并且使环境压力等于压缩机的入口侧的压力，用于确定所述物理参量的最大的或者说最小的数值。
[0019] 此外，所述微分方程式可以在方程组的
基础上在使用节流模型和/或理想气体方程式和/或质量守恒定律的情况下形成。
[0020] 按照一种实施方式，所述物理参量可以相当于用于在废气驱动的增压装置的
涡轮机的下游的废气再循环管路的分支部位上的压力和/或气体质量流。
[0021] 此外，所述其它的物理参量可以包括布置在低压侧的废气再循环管路中的废气再循环阀的
位置、布置在用于所述废气再循环管路的分支部位的下游的废气阀的位置、环境压力、流向所述分支部位的废气流、所述分支部位上的废气的
温度以及在废气驱动的增压装置的压缩机的上游的废气再循环管路的导入部位上的压力。
[0022] 可以规定，所述差分方程式的离散按照隐式的方法来实施。
[0023] 此外，所述物理参量的模拟值可以用在调节中，尤其用在废气再循环率调节或者空气质量调节或者类似调节中。
[0024] 按照一种实施方式，所述差分方程式可以通过迭代的方法来解，用于确定所述物理参量。
[0025] 尤其所述迭代的方法可以在用于所述物理参量的第一与第二边界值之间实施。
[0026] 所述其它的物理参量可以包括气体导引系统的第一体积中的第一压力以及所述气体导引系统的第二体积中的第二压力，其中所述第一和第二体积通过
流动阻力彼此分开，其中确定用于所述物理参量的第一边界值，其措施是使所述第一压力等于所述第二压力，并且其中确定用于所述物理参量的第二边界值，其措施是使所述第二压力等于所述第一压力。
[0027] 作为替代方案或者补充方案，确定所述物理参量的模拟值，用于对所述物理参量进行可信性检测。
[0028] 按照另一方面，设置了一种用于确定具有内燃机的发动机系统的气体导引区段中的物理参量的模拟值的装置。该装置构造用于：
[0029] -运行所述发动机系统，从而在所述气体导引区段中存在着空气质量流；
[0030] -确定其它的物理参量的瞬时值；
[0031] -通过解差分方程式来确定所述物理参量的模拟值，所述差分方程式作为微分方程式的离散而获得,借助于所述其它的物理参量的之前求得的瞬时值。
[0032] 按照另一方面，设置了一种发动机系统（1），其具有内燃机，其中通过进气区段将空气输送给具有所述内燃机并且通过排气区段将燃烧废气从所述内燃机上排走，其中所述废气再循环管路将设置在废气驱动的增压装置的下游的分支部位与布置在所述进气区段中的废气驱动的增压装置的上游的导入部位连接起来；还具有按权利要求8所述的装置，所述装置用于求取所述物理参量的在所述分支部位上存在的数值。
[0033] 按照另一方面，设置了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含程序代码，该程序代码在其在
数据处理仪器上执行时实施上述方法。
附图说明
[0034] 下面借助于附图对本发明的优选的实施方式进行详细解释。附图示出如下：
[0035] 图1是具有增压的内燃机和低压侧的废气再循环的发动机系统的示意图；并且[0036] 图2是用于对用于求取图1的发动机系统中的物理参量的模拟值的方法进行说明的
流程图。
具体实施方式
[0037] 图1示出了具有比如可以构造为柴油机或者
汽油机的内燃机2的发动机系统1。所述内燃机2在所示出的
实施例中具有四个
气缸3。但是，对于下面所描述的方法的可运用性来说，气缸3的数目不重要。
[0038] 此外，所述发动机系统1具有进气区段4，用于将新鲜空气输送给所述内燃机2的气缸3。所述新鲜空气通过相应的进气阀（未示出）进入到所述气缸3的
燃烧室中。在所述发动机系统1的进气区段4中，布置了废气驱动的增压装置6的
压气机5、在所述压气机5的下游的增压空气冷却器7以及在所述增压空气冷却器7的下游的节气阀8。
[0039] 在所述节气阀8的下游，第一废气再循环管路9汇入到所述节气阀8与所述内燃机2的气缸3的进气阀之间的称为进气管10的区段中。
[0040] 在此设置了排气区段11，用于将燃烧废气排出，所述燃烧废气通过排气阀（未示出）从所述气缸3中排出。在所述排气区段11中布置了所述增压装置6的涡轮机12，所述增压装置通过利用燃烧废气的废气
焓来驱动。所述涡轮机12与所述增压装置6的压气机5相耦合，用于驱动该压气机，从而从环境中吸入新鲜空气并且在所述压气机5的下游在
增压压力p21下提供所述新鲜空气。在排气阀与涡轮机12之间，所述第一废气再循环管路9从所述排气区段11中分支出来。
[0041] 在所述第一废气再循环管路9中，设置了第一废气冷却器13和第一旁通管路14，所述第一旁通管路使所述第一废气冷却器13
短路。在所述第一旁通管路14中布置了第一
旁通阀15，用该第一旁通阀可以调整所述第一废气冷却器13的效率。
[0042] 此外，在所述第一废气冷却器13与所述第一废气再循环管路9的进入到所述进气区段4的进气管10中的入口之间设置了第一废气再循环阀16。通过所述第一废气再循环16的可变的调整，可以调整或者说影响废气再循环率。所述废气再循环率一般表明输送给气缸3的混合气中的燃烧废气的份额。
[0043] 此外，在所述进气区段4中设置了空气滤清器18和空气质量传感器19，用于探测流入到所述进气区段4中的空气量 。
[0044] 在此设置了第二废气再循环管路20，该第二废气再循环管路20将所述排气区段11中的在涡轮机12下游的分支部位21与所述压气机5的上游的导入部位（也就是说在所述空气质量传感器19与所述涡轮机12之间）连接起来。在所述第二废气再循环管路20中设置了第二废气冷却器22。在此设置了第二旁通管路23，该第二旁通管路使所述第二废气冷却器22短路。在所述第二旁通管路23中布置了旁通阀24，用该旁通阀可以调整所述第二废气冷却器22的效率。
[0045] 此外，在所述第二废气冷却器22与所述第二废气再循环管路20的进入到所述进气系统4的在所述压气机5的上游的区段中的入口之间设置了第二废气再循环阀25。通过所述第二废气再循环阀25的调整，可以继续影响有待调整的废气再循环率。通常，整个所期望的废气再循环率通过所述第一和/或第二废气再循环阀16、25的相应的调整来调整。
[0046] 在所述分支部位21的下游，设置了废气调节阀26，用于能够调整在所述分支部位21上存在的废气压力p4。此外，在所述废气调节阀26的下游还可以设置消声器27。在所述分支部位21的上游，可以设置催化器28和微粒滤清器29。
[0047] 此外设置了控制器30，该控制器运行所述内燃机2。比如所述控制器30执行增压压力调节和空气质量调节以及废气再循环调节，用于以优化的方式来运行所述内燃机2。用于运行内燃机2的调节措施的实施已从现有技术中充分地为人所知。
[0048] 为了得到所述发动机系统1的对于所述调节措施的实施来说所需要的物理参量，设置了合适的传感器。尤其通过传感器来检测环境压力p0、所述第二废气再循环阀25的位置PosEGRLP以及所述废气调节阀26的位置PosExhFlp并且将其提供给所述控制器30。此外，可以在所述增压空气冷却器7与所述节气阀8之间设置温度传感器17，用于检测所述节气阀8之前的增压空气的增压空气温度T21。此外，所述压气机5的上游的空气质量传感器19用于检测被所述发动机系统1吸入的新鲜空气质量流 。
[0049] 此外，设有（未示出的）装置，用于探测所述内燃机2的转速n。根据所述转速n、气缸数目、空气消耗量（所述内燃机2中的实际上的与理论上可能的气体质量之间的比例）以及所述进气管10中的进气管压力p22，可以求得进入到所述内燃机2中的体积流 。作为替代方案或者补充方案，可以在所述增压空气冷却器7与所述节气阀8之间的区域中设置
压力传感器33，用于检测增压空气压力p21。作为替代方案，也可以在所述进气管10中设置压力传感器33，用于直接检测进气管压力p22。
[0050] 此外，设置了
定位器或者说
致动器，用于影响所述内燃机2的运行。通常，作为定位器，设置了所述节气阀8、所述第一和第二废气再循环阀16、25、所述第一和第二旁通阀15、24、用于以比如能够通过所述涡轮机12的可变的涡轮机几何形状来调整的方式对所述增压装置6的效率进行调整的装置、所述进气阀和排气阀以及所述废气调节阀26。此外，所述相应的定位器的调整在所述控制器30中已熟知。尤其单个阀
门或者说定位器的位置可以通过合适的传感器来回读，用于始终提供当前的关于单个定位器的位置的信息。
[0051] 为了在具有高压侧的和低压侧的废气再循环的发动机系统1中实施废气再循环调节，有必要知道所述第二废气再循环管路20的分支部位21上的一个或者多个物理参量。尤其需要知道所述分支部位上的分支部位压力p4以及流入到所述第二废气再循环管路20中的再循环质量流 。这些物理参量通常不是测量获得，而是必须通过模型来求取并且在控制器30中实时地计算。
[0052] 图2示出了用于对用于求取物理参量比如所述分支部位21上的分支部位压力p4和流入到所述第二废气再循环管路20中的再循环质量流 的方法进行说明的流程图。
[0053] 上述的物理参量的计算在导入部位31上的导入部位压力p1的传感器参量或者模型参量的基础上进行，在所述导引部位31上所述第二废气再循环管路20汇入到所述进气区段4中。
[0054] 所述废气调节阀26后面的与所述发动机系统1的环境压力相当的压力p0、在所述低压侧的分支部位21上的温度T4、所述低压侧的第二废气再循环阀25前面的气体温度T41以及所述废气调节阀26前面的气体温度T40、进入到低压侧的与在所述分支部位21上存在的体积相当的体积V4中的分支部位气体质量流 以及所述第二废气再循环阀25的位置PosEGRLP和所述废气调节阀26的位置PosExhFlp在这里的情况中是所使用的传感器参量及模型参量。
[0055] 在步骤S1中以合适的方式求得也就是测量或者按照计算模型来计算上述参量。
[0056] 为了对所述分支部位废气压力p4和分支部位气体质量流 进行模拟，可以建立以下微分代数方程式：
[0057]
[0058] 上面的函数f()、g()、h()相当于用于对所述物理参量之间的关联进行描述的模型函数。在此，所述函数f()相当于本身已知的理想气体方程式、所述函数g()和h()是本身已知的节流方程式，所述节流方程式表明所述分支部位21的区域中的气体体积V4的物理参量之间的关系，以及所述分支部位21上的质量流平衡的函数。
[0059] 通过上述微分代数方程式（1）预先给定的模型可以如以下方式来离散：
[0060]
[0061] 其中l()相当于质量守恒函数。
[0062] 在按照隐式的方法进行这种离散时，与从现有技术中知道的根据显式的用于计算当前的分支部位废气压力p4(tk)的方法的离散相对比，使用在所述分支部位21上的体积V4中的当前所保存的气体质量m4(tk)。在上面的方程组中，其它的状态可以彼此独立地具有每个任意的数值也就是瞬时值或者以前检测到的数值。这种方法称为隐式的离散。
[0063] 如果变换上面的非线性的方程组，则得到以下非线性的方程式：
[0064]
[0065] 在每个时刻tk来解这个非线性的方程组。可以发现，m4(tk)存在于所述方程式的两边并且由此所述方程式不能直接求解出m4(tk)。根据所述函数l()、g()、f()、h()，虽然有时候可以用分析法来解上述方程式，但是通常有必要的是，将迭代的方法比如
牛顿方法用于确定解。这种迭代的方法由于上述方程式的函数g()和h()中的奇异性对于较小的压力降来说也会导致不稳定性。为了避免这一点，可以将包围法（Einschlussverfahren）用于解这个非线性的方程式。
[0066] 下面借助于具体的用于求取进气系统中的废气压力p4(tk)的实施例来对所述包围法的运用进行描述。所述分支部位21由具有两个出口的体积构成，所述两个出口将一部分质量流导送给所述废气调节阀26并且另一部分质量流导送到第二废气再循环管路20中。每个出口都包含
节流阀，也就是所述废气调节阀26和所述第二废气再循环阀25。
[0067] 下面的方程组描述所述分支部位21上的压力p4(tk)。
[0068]
[0069] 其中ψ(Π)相当于流量函数。对于该流量函数ψ(Π)来说可以使用近似，比如在公开文献DE 10 2008 043965 A1中详细地描述了：
[0070]
[0071] 因而适用：
[0072] 。
[0073] 温度仅仅非常缓慢地变化。因此简化地在两次测量 之间将其视为恒定的：。对于 适用：
[0074] 。
[0075] 为了在p4(t)中为t=ti来解这个微分方程式，首先在步骤S2中为p4(t)确定一个区间。在此一般适用 。
[0076] 1. 如果将p1,max(t)=p0(t)代入上面的方程式中，那么作为微分方程式[0077]
[0078] 的解获得用于p4(t)的最大值，也就是p4,max(t)。
[0079] 2. 如果将p0,min(t)=p1(t)代入上述方程式中，那么作为微分方程式[0080]
[0081] 的解获得用于p4(t)的最小值，也就是p4,min(t)。
[0082] 用于解上述微分方程式的方法同样在公开文献DE 10 2008 043965 A1中得到描述。
[0083] 因此对于用于 的解p4(t)来说适用：
[0084] 。
[0085] 为了最终确定p4(t)，隐式地使上述微分方程式离散。比如运用隐式的欧拉方法：
[0086]
[0087] 前面所计算的用于p4(t)的区间还总是适用于p4(ti)。寻找这个非线性的方程式的解与以下函数的零位搜索（Nullstellensuche）等同：
[0088]
[0089] 对于函数f(p4)来说适用： 并且在区间中对于f(p4)只有一个零位。
[0090] 随后在步骤S3中用迭代的方法来解上述非线性的方程式。为了用迭代的方法来解这个非线性的方程式，使用包围法，也就是说以在步骤S2中确定的区间来实施所述迭代。属于此的是这样的方法，比如二分法（Bisektion）、试位法（Regula falsi）或者更为有效的方法比如Pegasus方法、Illinois方法或 Anderson-Björck方法。
[0091] 在步骤S4中将步骤S3的迭代的结果提供给相应的布置在后面的函数，比如废气再循环调节或者类似。
[0092] 上面所描述的方法也能够用于具有不同流动阻力的系统配置或者也能够用于节流阀的温度有别于所述体积V4中的温度这种情况。
[0093] 如果比如所述第二废气再循环冷却器22处于所述第二废气再循环阀25之前（T41≠T4）或者如果气体温度T40和T4有别于彼此，那就必须在方程组中考虑到所述温度T40和T41。
[0094] 可以对这些温度T40和T41进行测量（传感器）或者模拟。
[0095] 由此获得：
[0096]
[0097] 其中
[0098]
[0099] 获得以下方程式：
[0100]
[0101] 该方程式可以根据上面所描述的方法来解。
[0102] 如果通过额外的流动阻力而存在着压力损失，那么在有效的面积中可以对所述压力损失一同加以考虑。在此假设，所述节流方程式的物理参量之间的关系满足：
[0103] 。
[0104] 有效的面积Aeff而后可以在发动机试验台上来确定。在此在所述体积V4中需要额外的压力传感器并且在所述废气调节阀26的后面并且在所述第二废气再循环阀25的后面需要压力传感器。在所述第一废气再循环阀16关闭时，可以借助于CO2测量技术在进气弯管中来计算经过所述第二废气再循环阀25再循环的质量流。
[0105] 可以比如在不同的工作点上实施固定的测量。在每个所测量的工作点上使用以下方程式，用于计算所述有效的面积：
[0106]
[0107] 因为对所述阀的位置进行测量，所以所计算的有效的面积可以作为位置的函数来描述并且比如借助于特性曲线来进行近似。
