控制內燃機的方法和裝置的制作方法

專利名稱：控制內燃機的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種按照獨立權利要求的前序部分所述的用于控制內燃機，尤其是控制一種具有燃料直接噴射系統的奧托發動機的方法和裝置。
在例如減少燃料消耗和有害物質的排放以及無故障運行方面，人們對現代內燃機提出了越來越高的要求。而且這些要求應該在內燃機的任何負荷狀態下以及在不同負荷狀態之間發生變化時都能得到滿足。各種不同的負荷狀態是在考慮由一個具有內燃機的汽車的司機希望的、要求降低或提高由內燃機提供的扭矩的情況下，主要由實際的行駛狀況產生的。
在此處所考慮的類型的控制裝置中，求得一個與司機要求相符的希望扭矩或扭矩理論值是基于至少一個可以被司機操縱的操作部件的位置實現的，該操作部件通常是加速踏板。在具有奧托發動機的汽車中，該扭矩理論值被轉換成一個節氣門的理論開度，對于帶有電子式發動機功率控制裝置(EGas)的汽車來說，上述轉換是通過電動的節氣門調節實現的。此外，在可能的情況下，除了要調節的點火角或噴射角外，還要例如通過計算求得產生希望扭矩所需的、要向內燃機計量配給的燃料量。然后通過向內燃機計量配給所求得的燃料量和在可能的情況下通過相應調節點火角或噴射角和/或其它控制參數產生一個與希望扭矩相符的扭矩。最好是通過燃料噴射，尤其是通過向內燃機燃燒室中的直接噴射實現燃料的計量配給。
在常規的控制裝置中，由內燃機吸入的空氣或一個代表該吸入空氣的空氣量信號或空氣質量信號用作確定要計量配給的燃料量的指示參數。一個空氣測量器將有關吸入的空氣量的信息發送給控制裝置。其它測量器或傳感器檢測所有其它對燃料配給所必需的數據并將這些數據傳給控制裝置，尤其是有關內燃機的轉速和負荷狀態的數據。從這些輸入參數中求得尤其是要噴射的燃料量或噴射時間、在可能的情況下要調節的點火角和/或要計量配給的空氣充填量的最佳參數。這些控制參數與輸入參數的匹配在現代控制裝置中是通過控制裝置的相應的發動機綜合特性曲線實現的。
除了控制燃料-空氣混合物的量以外，為了與內燃機的各種工況相適應，必須精確控制混合物的成分，亦即控制燃料-空氣混合物中燃料的增富情況。燃料-空氣的混合比例公知地是以過量空氣系數λ為特征的，即它表示供入的空氣量和完全燃燒所需的理論空氣量之間的比。其中λ＝1對應于一個理想值(均勻混合物)，值λ＜1對應于一種空氣不足或一種濃混合物的情況，并且例如在發動機起動時和在全負荷范圍中被調節，值λ＞1對應于一種空氣過量或一種稀混合物的情況，如在部分負荷范圍中為了達到一種尤其經濟的運行時所追求的那樣。
在具有燃料直接噴射系統的現代內燃機中，基于各種不同的發動機綜合特性曲線，求出一個與負荷狀態相匹配的要計量配給的燃料量，其中每個發動機綜合特性曲線對應一個特定的工作模式。選擇作為工作模式的例如有一種采用極稀的、僅在火花塞附近才能點燃的混合物的分層工作模式，一種采用空氣過量的均勻稀燃的工作模式(經濟行駛)和一種均勻工作模式(λ＝1)。在這些工作模式之間，依據司機的要求和實際的駕駛情況進行轉換。這種轉換可能導致內燃機發出的扭矩的跳變，它使得在駕駛操縱中可以覺察到干擾性的沖擊。
本發明的任務是避免現有技術的缺陷。尤其是使帶燃料直接噴射系統的內燃機在工作模式轉換時可以無沖擊地運行。
為了解決該任務，本發明提出了一種具有權利要求1的特征的方法以及一種具有權利要求7的特征的裝置。各項從屬權利要求中給出了一些優選的具體方案。所有權利要求的全文將通過參引作為說明書的內容。
根據本發明，在這種方法中，在求出要計量配給的、尤其是要噴射的燃料量時，要實施多個步驟。其中作為指示參數的不是象目前那樣采用被吸入的空氣量，而是將燃料計量配給的效率用作確定正確的燃料計量配給量的指示參數。首先，作為針對由司機要求而產生的扭矩需要的反映，基于一個假設的或者預先設定的額定效率，求出一個與該效率相符的額定燃料量或者一個代表該額定燃料量的數值。術語“效率”在本申請中的意義表示這樣的效率，即通過該效率將一個例如通過噴射計量配給的燃料量轉換成一個由內燃機根據該燃料量所產生的扭矩。應該理解，該效率不僅取決于計量配給的燃料量，而且尤其取決于在一個工作過程中燃料量計量配給的時刻和實際的混合物成分。該可以作為無量綱值出現的效率依據工作點的不同而變化。該額定效率構成一個原始值，它對應于一個假定的工作模式，例如對應于所述的λ＝1的均勻工作模式。對于定義工作模式(工況)的其它影響參數同樣可以假定一些額定值或最佳值。在輸入參數(希望扭矩)和該求出的輸出參數(額定燃料量或相應的信號)之間的匹配可以在一個用于該基準工作模式的一個基礎發動機綜合特性曲線中實施。
此外，在本發明的方法中，根據內燃機實際的運行條件求出一種所謂的相對效率η。該相對效率η的求出可以與測得由司機要求而導致的扭矩需求的同時或基本同時地進行。在求出實際效率或相對效率η時，尤其可以考慮由相應的傳感器探測的噴射角或點火角的實際值、廢氣再循環的實際值和/或通過節流和/或進氣調節的吸入的新鮮空氣質量的實際值。該相對效率本身常常會與額定效率不同，但是當實際的工作模式與這樣的一種工作模式相符時，即這種工作模式作為計算額定效率的基礎時，相對效率也可以與額定效率相同。
在求出的相對效率η的基礎上，對額定燃料量的值進行一種修正，以便求出實際要計量配給的燃料量。實際要計量配給的燃料量一般與作為計算數量給出的額定燃料量是不同的，但是當相對效率與作為基礎的、假定的額定效率相符時，它也可以與額定燃料量是相同的，因此，按照本發明，在作為基礎的額定運行中的效率的偏差將由一種“相對效率模型”進行計算并利用一個修正函數對該效率偏差進行考慮。在適當選擇用于計算額定效率的基礎工作模式的情況下，可以使額定效率和相對效率之間的偏差相當小并且例如最大可以小于額定效率的20％至25％。由此在效率模型中計算相對效率η時可能存在或出現的錯誤，對計算出的、在作為第一近似值的額定燃料量和與實際的工作模式較好匹配的、實際要計量配給的“理想”燃料量之間的燃料計量配給的變化只有相當小的影響。
本發明的相對效率η的模型化和在燃料計量配給時對該相對效率η的考慮具有這樣特別的結果，即在各種工作模式之間進行轉換時保證了扭矩的連續性和避免了扭矩跳變。亦即使內燃機的工作模式(燃料-空氣比，噴射角或點火角)的轉換受到燃燒過程方面的限定時。本發明也可以實現連續地或無級地、基本上無沖擊地提供或準備所要求的扭矩。
在與求出實際要計量配給的燃料量的同時或基本同時，可以依據所要求的內燃機工作模式，按照預先給定的發動機綜合特性曲線，控制噴射角或點火角的、廢氣再循環和/或通過節流和/或進氣調節的吸入的新鮮空氣質量的和可能的其它參數的理論值。此時空氣質量可以保持相對不變。
在現代控制裝置中，經常由于燃燒方法的原因或廢氣后處理的原因，在內燃機的一個工作沖程中除了燃料的一個主計量配給外，還至少附加地進行燃料的一個副計量配給。例如可以采用一種二次噴射，以便為了改善廢氣后處理而提高廢氣溫度。本發明的具體方案對于這種情況設定，對用于求出每個燃料計量配給(主計量配給、副計量配給)的相對效率的值是分開進行的，并且在從求出的主燃料量中求出實際要計量配給的燃料量時，對至少與一個副計量配給相符的、求出的要計量配給的副燃料量進行考慮。該措施考慮到例如在不同的點火角時用于燃料計量配給的效率的計量基礎是不同的情況。一個預先噴射和/或二次噴射的評價效率的噴射量可以從求出的主噴射量中減去，以便使要產生的扭矩總體上不改變并且保持在希望扭矩值上。
在一個控制裝置中，為了使行駛性能與行駛動力相匹配，可以設置一些措施，以便例如執行一種沖擊緩沖和/或一種負荷沖擊緩沖。因此在一個具體方案中規定，在求出要計量配給的燃料量之前，根據與行駛性能相匹配的參數，對從操縱部件位置導出的希望扭矩進行修正，由此可以改變用于所述的效率優化的燃料量計量配給計算的輸入參數。
而且對外部扭矩的作用，例如它們是由一個加速防側滑控制裝置(ASR)、一個發動機牽引力矩調節裝置(MSR)或其它的牽引系統作用的，可以以合適的方式在根據效率求出要計量配給的燃料量之前加以考慮。因此例如可以在一個加速防側滑控制裝置作用時對對應于一個扭矩的、用于效率優化的燃料量計量配給的輸入參數進行修正，以便與表達的司機要求相偏離地、以這樣一種方式產生扭矩，即考慮了滑動的情況。
在一個具體方案中設定，在為燃燒提供的、可以通過合適的傳感器測得的空氣質量的基礎上，求出一個用于一個基本上無煙燃燒的、最大允許的、要計量配給的最大燃料量，并且將實際要計量配給的燃料量限制在該最大燃料量上。該適用于煙氣限制的措施可以考慮一些動態影響，這些動態影響例如由此產生，即在一種行駛情況下，短時間地將不充足的空氣提供給為了產生希望扭矩所需要的燃燒。由此可以使內燃機有害物質的排放即使在極端情況下也達到最少。在激活煙氣限制時，實際噴射的燃料量可以小于基于效率模型求出的、對應于司機要求的燃料量。
通過本發明尤其可以避免所述的帶有直接噴射系統的奧托發動機在運行時的缺陷。但是，本發明也可以以有利的方式應用于其它種類的燃料計量配給，尤其是進氣管噴射的情況。在將噴射的效率作為限制參數的本發明的方法也可以用于柴油內燃機。
上述特征和其它特征除了可從說明書中得到外，也可從權利要求書和附圖中得到。在附圖中示出了本發明的一個實施形式并在下面對其進行詳細說明。附圖所示為

圖1是按照一種框圖形式的流程圖，用于說明一個本發明的用于控制內燃機的方法的優選實施形式。
在圖1中示意地示出了一個電子控制單元1的一個局部，該控制單元1用于控制一個帶有燃料直接噴射系統的奧托發動機結構的內燃機。該控制單元有一個未示出的輸入電路、至少一個用于處理數據信號的微型計算機和一個未示出的輸出電路，其中這些部件通過一種合適的通信連接相互連接起來，用于相互間的數據交換。在輸入電路上連接了未示出的、通向各個測量裝置的輸入電路，以便將所有用于實現最佳燃燒過程所需的參數以合適的信號的形式輸入到控制裝置中，以進行計算。在輸入電路上尤其連接一個用于檢測發動機轉速的測量裝置、一個用于檢測供入內燃機的新鮮空氣量的測量裝置和一個用于檢測內燃機節氣門開度的測量裝置。通過其它未示出的測量裝置可以將內燃機和/或汽車的其它運行參數的信號輸入到輸入電路中，這些用于控制內燃機的參數將被計算。這種運行參數例如是進氣溫度、環境壓力、進氣管壓力、廢氣成分或類似參數。一個示意示出的連接的測量裝置2用于檢測加速踏板的位置，用于將一個信號輸入到控制單元，該信號代表了司機的要求，亦即司機對內燃機的瞬時扭矩的減小或增大的要求。
通過輸出電路，控制單元發出用于控制內燃機功率的輸出信號。利用這些輸出信號控制尤其是通過一個噴射時間表示的燃料計量配給的量、點火時刻或點火角和通過調節內燃機的節氣門控制內燃機的進氣。
為了求出燃料量的計量配給，在一個優選的實施形式中，采用一個對照圖1詳細說明的本發明的燃料量計量裝置3，該裝置與控制單元1結合成一體。為簡明起見，該燃料量計量裝置的工作方式將以一個流程圖的形式示出。實現本發明的控制方法在優選的實施形式中是作為控制單元的一個微型計算機的程序完成的。在圖1中示出的部件由此代表了這樣一種實現的程序、程序部分或者程序步驟以及相應的信號線的線路。
在控制系統的工作中設定，至少基于通過測量裝置2(例如油門踏板量傳感器)檢測的加速踏板的位置和實際的發動機轉速，預先給定一個內燃機扭矩的理論值。為了引出一個對應于希望扭矩或扭矩理論值的信號，在所示的實施形式中，設有一個第一發動機綜合特性曲線4，該特性曲線4也稱為行駛性能特性曲線，并且從加速踏板位置的信號和發動機轉速的信號求出與這些值相符的理論扭矩或希望扭矩并且發出一個相應的信號D1。
如果在汽車上有用于動態地影響駕駛性能的裝置，例如一個沖擊緩沖裝置，一個變速器控制裝置和/或其它在傳動系統中的裝置，就可以在一個第二發動機綜合特性曲線5中從相應的測量值或控制參數中求出它對希望扭矩的影響，并且為了產生一個相對于信號D1的可能時被修改的信號D2，在第二發動機綜合特性曲線5的輸出上對這些影響進行修改。
如果具有內燃機的汽車具有這樣的裝置，即該裝置與司機的要求相偏離地改變由內燃機要求的扭矩(所謂的外部扭矩作用，例如加速防側滑控制(ASR)、發動機牽引力矩調節(MSR)，則一個希望扭矩信號D2根據該作用在信號處理裝置的合適位置6處被修改成一個希望扭矩信號D3，該信號D3考慮了外部扭矩作用。
該對應于可能時被修改的希望扭矩的信號D3，用作燃料量計量裝置3的一個第一裝置10的一個輸入信號。該第一裝置10根據一個假設的和通過相應的程序化預定的燃料量計量配給的額定效率，從代表一個扭矩需求的輸入信號D3中求出一個額定燃料量的值，該額定燃料量在假設的額定效率下將產生對應于輸入的希望扭矩的扭矩。一個代表該額定燃料量的第一信號K1被發出。該第一裝置10最好包括一個發動機綜合特性曲線，該發動機綜合特性曲線可以用于計算例如內燃機的一個均勻運行的(過量空氣系數λ＝1)和一個合適的額定點火角的額定效率。作為計算基礎也可以采用λ＜1或λ＞1的工作模式。
由于在內燃機運行時一般經常發生不同工作模式之間的交替轉換，因此基于第一信號K1的一個燃料噴射僅在一定的情況下導致產生實際的司機要求的扭矩，而在一些情況下，實際的工作模式與作為基礎的額定工作模式是偏離的，由此產生錯誤的燃料量，從而產生錯誤的扭矩。
為了避免或減小這種與司機要求不同的偏差，燃料量計量裝置具有一個第二裝置11，該裝置在至少一個表示內燃機實際運行條件的運行信號作為確定燃料量的原始值的基礎上計算一個所謂的“相對效率”η并且發出一個表示相對效率η的第二信號K2。該相對效率η此時是在一個合適的效率模型中從存在于控制單元中的測量和控制參數中求出的。尤其是噴射角或點火角、廢氣再循環率、過量空氣系數λ以及進氣壓力和/或進氣管壓力的實際的實際值作為計算的基礎，這些值對應于通過節流和/或增壓調節的吸入的新鮮空氣量并且是通過實際的節氣門開度共同確定的。最好是經常地，例如以每幾個微秒的間隔來求得實際的相對效率。
對于在工作模式之間進行轉換時所希望的扭矩連續性，現在關鍵的是，對根據在實際運行條件下可以通過這些燃料量，即在一個假設的額定效率的基礎上求出的、要噴射的燃料量(通過第一信號K1表示)實際獲得的扭矩進行檢測和在可能時進行修正。為此設置一個修正裝置12，用于在第二信號K2的基礎上修正第一信號K1和產生一個代表實際要計量配給的燃料量的真實的燃料量信號K3。在一個發動機綜合特性曲線12中，根據為一個額定運行而計算的額定燃料量(信號K1)和相對效率η(信號K2)確定一個對應于實際要噴射的燃料量的燃料量信號K3。這在與作為基礎的額定工作模式(通常λ＝1)相偏離的工作模式中導致一個與因數1不同的修正因數，該修正因數在由(假設的)額定燃料量計算實際要噴射的燃料量時被考慮。效率模型以這樣的方式負責產生的扭矩在一個工作模式轉換之前和之后基本上是相同的，由此可以防止扭矩跳變。
已經表明，這個與假設的額定效率和效率模型有關的修正因數一般在大約0.8和大約1.2之間。相對效率的模型化和在計算噴射量時對它的考慮由此一般導致與額定燃料量的偏差不大于20-25％。這意味著本發明的方法相對于在效率模型中考慮基本假設和相應的計算算法以及在以測量作為基礎的原始值(例如點火角、進氣壓力或類似參數)時可能出現的錯誤是相對不敏感的。
因此當在常規的控制裝置中一個被檢測的空氣質量信號(或者空氣量信號)在控制內燃機時用作計算燃料量、點火時刻等的指示參數時，在本發明的方法中則是這樣的，作為指示參數，一個噴射的效率在給定的運行條件下被用作極限給定參數和指示量，并且用于求出實際要計量配給的燃料量。
為了進一步改善有害物質的排放，在對照圖1所說明的實施形式中，還設置了一個裝置13，用于利用一個相應的發動機綜合特性曲線進行煙氣限制。該裝置在通過一個合適的測量裝置測得的、為燃燒實際提供的空氣量的基礎上求出一個用于基本上無煙燃燒的最大允許的、要計量配給的最大燃料量。將該最大燃料量與通過信號K3表示的、根據效率計算求得的、效率優化的燃料量進行比較。在效率優化的要計量配給的燃料量(信號K3)大于最大燃料量的情況下，將有一個對應于該最大燃料量的信號S4被讀出或發出，否則保留信號S3。由此可以考慮動態影響，如例如由于短時間的空氣不足可能出現的動態影響。
燃料量計量裝置的代表特定的要噴射的燃料量的輸出信號最后用作另一個發動機綜合特性曲線14的輸入信號，它依據要求的燃料量計算與該燃料量相符的噴射時間Ti。
在舉例說明的用于控制內燃機的方法和相應的裝置中，由此設定，從一個針對司機要求的希望扭矩出發，基于一個假定的燃料噴射的額定效率，求出一個用于產生希望扭矩所需要的、要噴射的額定燃料量，并且接著對該燃料量進行修正，以便在考慮內燃機的實際的、所謂的相對效率下計算一個實際要給內燃機計量配給的燃料量。考慮在一個效率模型中計算的相對效率的作用是，可以在很大程度上防止在內燃機的工作模式之間進行轉換時的扭矩跳變。
權利要求
1.用于控制一種內燃機、尤其是一種帶有燃料直接噴射系統的奧托發動機的方法，該方法包括以下步驟根據至少一個可以由司機操縱的操作部件的位置求出一個希望扭矩；求出一個產生希望扭矩所需的、要向內燃機計量配給的燃料量；通過向內燃機計量配給該求出的燃料量而產生一個與希望扭矩相符的內燃機扭矩；其特征在于，求出要計量配給的燃料量包括以下步驟根據一個預先給定的額定效率，求出一個額定燃料量；根據內燃機的實際的工作條件，求出一個相對效率；通過相對效率修正額定燃料量，以求出一個實際要計量配給的燃料量。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，在內燃機的一個工作沖程期間，除了進行燃料的一個主計量配給以外，還至少附加地進行燃料的一個副計量配給，每個計量配給的相對效率的求出是分開進行的，并且在從求出的主燃料量中求出實際要計量配給的燃料量時，尤其是通過從主燃料量中減去副燃料量時，考慮至少與一個副計量配給相符的、要計量配給的副燃料量。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在根據效率求出要計量配給的燃料量之前，根據影響駕駛性能的參數對希望扭矩進行修正。
4.按照前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在根據效率求出要計量配給的燃料量之前，根據至少一個外部扭矩作用參數對希望扭矩進行修正，其中一個扭矩作用參數尤其由一個加速防側滑控制裝置和/或一個發動機牽引力矩調節裝置提供。
5.按照前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，根據為了燃燒而提供的空氣量，求出一個用于基本上無煙燃燒的最大允許的、要計量配給的最大燃料量，并且將實際要計量配給的燃料量限制為該最大燃料量。
6.按照前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過將燃料量直接噴射到內燃機的一個燃燒室中對實際要計量配給的燃料量進行計量配給和/或該內燃機是一種奧托發動機。
7.用于控制一種內燃機、尤其是一種帶有燃料直接噴射系統的奧托發動機的裝置，該裝置包括一個電子控制單元，該控制單元具有至少一個用于求出一個產生一個希望扭矩所需的、要向內燃機實際計量配給的燃料量的燃料量計量裝置，其中，該希望扭矩至少根據至少一個可以由一個司機操縱的操作部件的位置求出，其特征在于，該燃料量計量裝置(3)具有一個第一裝置(10)，該第一裝置(10)用于根據一個預先給定的額定效率求出一個額定燃料量并發出至少一個代表該額定燃料量的第一信號(K1)；一個第二裝置(11)，該第二裝置(11)用于根據至少一個代表內燃機的實際的工作條件的工作信號求出一個相對效率并發出一個代表該相對效率的第二信號(K2)；和一個修正裝置(12)，該修正裝置(12)用于根據第二信號(K2)修正第一信號(K1)和用于產生一個代表實際要計量配給的燃料量的燃料量信號(K3)。
全文摘要
在一種控制內燃機的方法和裝置中,根據司機要求的希望扭矩,在一個假設的燃料噴射的額定效率的基礎上測得一個用于產生希望扭矩所需的要被噴射的額定燃料量,并且隨后對該額定燃料量進行修正,以便在考慮內燃機的實際的、所謂的相對效率的情況下計算出一個實際要向內燃機計量配給的燃料量。考慮在一種效率模型中計算的相對效率,可以在很大的程度上防止當內燃機的工作模式改變時發生扭矩跳變。
文檔編號F02D29/02GK1423728SQ00818376
公開日2003年6月11日 申請日期2000年12月20日 優先權日2000年1月12日
發明者W·舒塔伯斯, H·耶登, R·克雷布斯 申請人:大眾汽車有限公司