CN101182809B - 用于使内燃机运转的方法 - Google Patents

Abstract

在用于使内燃机(10)运转的方法中，考虑处于内燃机(10)燃烧室(14)中充气的状态参量求得至少一个控制参数。建议考虑处于燃烧室(14)中的混合气体的假设的或者求得的组成来求得状态参量。

Description

用于使内燃机运转的方法

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的用于使内燃机运转的方法。

背景技术

通过优化燃料燃烧可以减少内燃机废气中有害物质的产生。但是对于这样的优化需要尽可能准确的了解内燃机燃烧室中充气的状态参量。目前要精准的求得这些状态参量不是需要传感器的巨大花费，比如通过安装探测燃烧室内当前压力的压力传感器，就是存在着一些公差，这样又使所述的优化变得更加困难。

发明内容

本发明的任务是提供一种开头所述类型的方法，该方法用简单的手段可以尽可能准确地求得内燃机燃烧室中充气当前的状态参量。

这个任务通过具有权利要求1特征的方法进行解决。

本发明优选的改进方案在从属权利要求中进行说明。提出的任务的其它解决方法在并列权利要求中，它们涉及到计算机程序、电存储介质以及控制和/或调节装置。除此以外，可以从下面的说明和附图中获知对于本发明重要的特征，其中即使没有单独明显指出，但本发明特征的完全不同的组合也可以是重要的。

按照本发明认为，特别是在现代的内燃机内不能假设内燃机燃烧室中的充气只包括空气。更确切地说在内燃机的很多运转状态下，燃烧室中存在混合气体，例如，当运行具有废气回流的内燃机或者当水或者水蒸汽喷射到燃烧室中时就是如此。按照本发明，首先假设或者求得当前在燃烧室中的混合气体的组成，即将混合气体分为有意义的气体成分。然后考虑到这样定义的混合气体来求得状态参量。

用这种方式可以实时计算发动机内的状态参量。以此可以改善燃烧和燃烧开始的控制，而又不使用昂贵的传感装置，比如说燃烧室压力传感器。在此可以预知地进行燃烧优化，因为根据内燃机的运转状态可以预测当前在燃烧室中的混合气体的组成。

特别是在具有废气回流的内燃机中可以优选使用本发明。因为如果假设燃烧室内只存在空气的话，那么随着废气回流率的不断增加，实际的情况和预测之间的偏差将越来越大。在此使用本方法不仅仅局限于应用在串联内燃机上。为了分析在压缩阶段(喷射)的功能和***以及接下去的过程(废气后处理)信息，本方法也同样可以有意义地使用于模拟中。

对于优化燃烧尤其重要的状态参量是压力和温度。

如果为了求得状态参量从已知的初始状态出发假设绝热的状态变化，那么在花费可接受的计算费用的同时可以得到良好的结果。虽然内燃机的压缩是多变的，也就是它和环境之间进行了不可逆的能量交换。但是如果这个能量流用压力损失的形式来描述，就可以计算关于绝热压缩的压力变化。

在此可以使用绝热指数，考虑混合气体各个成分的分压计算该绝热指数。在此分子的分压和混合气体的分压都可以是有意义的。这些分压可以作为加权因数用于在使用混合气体各个成分的绝热指数的情况下来计算平均绝热指数。

如果把那些对于内燃机特定运转状态典型的混合气体绝热指数保存，并可以根据当前的或者计划的运转状态调用这些绝热指数的话，那么会显著减少内燃机运转时的计算花费。即可以预先用适当的方法非常精确地求得绝热指数，也可以考虑在实验中求得绝热指数。然后可以按照运转状态(比如说没有、少量或者大量废气回流、水喷射、没有水喷射等等)例如从表格中选取相应的绝热指数。

为了计算绝热指数，也可以假设涉及一种理想的混合气体。在很多情况下这样的假设是允许的，并且得到足够准确的结果。同时以此减少计算绝热指数的费用。

另外按照本发明建议，首先从已知的部分起始状态出发为混合气体的每个成分计算部分状态参量，并且通过部分状态参量的求和计算混合气体的状态参量。

另外建议，本方法包括以下的步骤：

a)确定内燃机当前的运转状态，

b)必要时计算在当前运转状态中燃烧室内混合气体的典型的组成，

c)计算或者调用属于这种混合气体或者说这个运转状态的绝热指数，

d)计算在“关闭进气阀”时刻的初始状态参量，

e)根据曲轴转角或者活塞位置计算状态参量。

附图说明

以下参考附图详细描述本发明特别优选的实施方式。图示示出：

图1是内燃机的示意图；

图2是用于使图1的内燃机运转的第一种方法的流程图；

图3是描绘关于曲轴转角的燃烧室压力的图表；

图4是用于使图1的内燃机运转的第二种方法的流程图。

具体实施方式

图1中用附图标记10表示整个内燃机。它包括多个气缸，其中出于清楚的原因仅示出了一个用附图标记12表示的气缸。该气缸12又包括燃烧室14，该燃烧室14由燃烧室壁16和活塞18限定。活塞18与曲轴20相连，由传感器22检测曲轴20当前的位置和转速。

新鲜空气通过进气阀24和进气管26进入燃烧室14。燃烧废气通过排气阀28和排气管30从燃烧室14中排出。排气管30和进气管26可以通过废气回流管32和废气回流阀34连接。通过这种方式废气可以从排气管30导入进气管26中。燃料通过喷射器36直接被喷射到燃烧室14中，另外在特定的运转状态下水或者水蒸汽也可以通过喷射器38喷入到燃烧室14中。

内燃机14的运转由控制和调节装置40控制和调节。该控制和调节装置40收到不同传感器的信号，也有曲轴传感器22的信号。它控制内燃机10不同的调整机构，比如说废气回流阀34、用于燃料的喷射器36和用于水或者说水蒸气的喷射器38。

在压缩冲程期间燃烧室14中的压缩是多变的，也就是和环境进行不可逆的能量交换。当把这种不可逆的能量交换以压力损失的形式描述时，在压缩冲程期间通过绝热的压缩燃烧室14内的压力变化按照以下的公式(1)来计算：

P_Z＝P_气体-P_L    (1)

P_Z是气缸中的压力，P_气体是实际的气体压力，P_L指压力损失，例如由于与燃烧室壁16发生热交换，漏气(活塞18和燃烧室壁16之间的压力泄漏)等引起。

然而所述的公式(1)只适用于理想气体；对于不具有理想气体特性的混合气体，对求得的压力和温度变化会产生巨大的偏差。但根据活塞18的位置或者说曲轴20的曲轴转角尽量准确地了解压缩冲程期间在燃烧室14中存在的压力P和那里存在的温度T对于优化燃烧和减少有害物质非常重要。因此在图1所示的内燃机10中借助以下基于热力学考虑的方法求得燃烧室14中状态参量P和T。

在混合气体中，气体压力P_气体可以分成分压P_i。其中分子的分压和混合气体的分压都是有意义的。其基于下面的道尔顿公式：

(2)

在此分压P_i指气体成分i的分压。现在可以根据公式(3)首先计算加权因数x_i：

(3)

在该气体成分i的加权因数x_i和绝热指数κ_i的基础上现在可以根据公式(4)计算平均绝热指数κ_m：

κ_m＝f(x_i，κ_i)    (4)

然后可以用下面的公式(5)计算当前的气体压力P_气体：

(5)

P₀是在关闭进气阀24的时刻紧接着开始压缩冲程时燃烧室14内的压力，体积V₀是在相同的时刻气体的体积，并且体积V_Z是燃烧室14的随时间变化的体积，即在曲轴20一定的角度或者说活塞18一定的位置上的体积。与此相类似可以根据下面的公式(6)计算当前的气体温度T_气体：

(6)

公式6中温度T₀是压缩冲程开始时燃烧室14中相应的温度，即同样是关闭进气阀24时的温度。

在所述的物理和热力学关系的基础上使用现在根据图2解释的方法：

在42中开始后，在44中求得内燃机10当前的或者即将来临的运转状态。在此例如可以是具有/没有废气回流或者具有/没有喷水的运转状态。之后在46中根据运转状态求得相应的气体组成。由此获得各个气体成分i的对于这些特殊气体组成确定的典型分压。现在在此基础上又可以在48中求得平均绝热指数κ _m。

对于在燃烧室14中的混合气体的特定组成或者同样对于内燃机10特定的运转状态，在初步实验中也可以求得对于相应的内燃机类型的相应的绝热指数κ_m，并保存，并且可以在48中仅仅根据内燃机10当前的运转状态从存储器中调用相应的模块44。在50中借助相应的平均绝热指数κ_m可以根据曲轴20的角度或者说活塞18的位置计算气体压力P_气体和气体温度T_气体。本方法在52中结束。

从图3可以看出，用所述的方法可以非常准确的求得或者说预计出实际压力。图3中实线指在燃烧室14的压缩结束时实验中测出的压力变化，虚线显示的是借助以上方法求得的压力变化，点线是用传统的方法(假设：在燃烧室14中的是纯空气)确定的压力变化。可以看出用图2的方法求得的压力变化与测量的(实际的)压力变化非常好得一致。

代替平均绝热指数κ_m也可以首先为混合气体的每个成分i作为部分状态参量求得气体成分i的气体分压P_{气体_i}，更确切地说又从气体成分i的在“关闭进气阀24”的时刻的初始气体压力P_{0_i}出发。然后可以将这些气体分压P_{气体_i}相加，并且得到总-气体压力P_气体。相应的公式关系为：

(7)

对于总温度适用相同的公式：

(8)

在此显然温度T_{0_i}等于在“关闭进气阀24”时刻的总气体温度T₀。图4示出了相应的方法。

它相应于图2的方法，但是首先在54中求得气体分压P_{气体_i}，然后在56中相加，反之在58中直接通过求和形成总温度T_气体。因为其它方法步骤和图2的方法没有区别，所以具有相同的附图标记，在此不再重复叙述。

借助求得的曲轴转角特有的气体温度T_气体和求得的曲轴转角特有的气体压力P_气体又可以高精度地求得控制参数，例如喷入的燃料量，从而减少内燃机10的有害物质排放。

Claims (1)

1.用于使内燃机（10）运转的方法，其中考虑处于内燃机（10）燃烧室（14）中的充气的状态参量（P_气体、T_气体）求得至少一个控制参数，其特征在于，考虑处于燃烧室（14）中的混合气体的假设的或者求得的当前组成求得所述状态参量（P_气体、T_气体），其中，为了求得所述状态参量（P_气体、T_气体），从已知的初始状态（P₀、T₀）出发假设绝热状态变化，其中，首先从已知的部分起始状态(P_{0_i}、T_{0_i})出发，为混合气体的每个成分（i）计算部分状态参量（P_{气体_i} 、T_{气体_i}），并且然后通过将部分状态参量（P_{气体_i} 、T_{气体_i}）相加求得混合气体的状态参量（P_气体、 T_气体）。

2．按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述状态参量是压力（P_气体）和/或温度（T_气体）。

3．按权利要求1所述的方法，其特征在于：使用考虑混合气体各个成分（i）的分压（P_i）求得的绝热指数（κ_m）。

4．按权利要求3所述的方法，其特征在于：将对于确定的运转状态典型的混合气体绝热指数（κ_i）进行保存，并可以根据当前的或者计划的运转状态调用。

5．按权利要求3或者4所述的方法，其特征在于：为了计算绝热指数（κ_m）假设涉及理想的混合气体。

6．按上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：（a）确定（44）内燃机（10）当前的运转状态，必要时（b）计算（46）处于燃烧室（14）内的混合气体在此运转状态下典型的组成，（c）计算（48）或者调用属于此运转状态或者说混合气体的绝热指数（κ_m），（d）求得“关闭进气阀”时刻的初始状态参量（P₀ 、T₀），（e）根据曲轴（20）的角度或者活塞（18）的位置计算（50）状态参量（P_气体、 T_气体）。

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