連續計算每汽缸截留和掃氣空氣的方法與流程

本公開涉及改進與內燃機中每汽缸截留空氣(apc)有關的計算法，并且更具體地涉及改進與在內燃機中掃氣和非掃氣操作模式期間的每汽缸截留和掃氣空氣有關的計算模型和計算法。

背景技術：

此章節的陳述僅旨在提供與本公開相關的背景信息，而且可以構成或者可以不構成現有技術。

在現代內燃機中，尤其是在那些采用渦輪增壓器和可變閥門正時的內燃機中，通過進氣歧管進入發動機的一定百分比的空氣在進氣沖程期間將完全穿過汽缸，即從進氣閥到排氣閥，并且由此將不會參與燃燒循環。這種情況能夠在高凸輪(及閥門開度)重疊期間發生在升壓應用上，特別是在較高的壓力比下。這種完全穿過汽缸的截留空氣被稱為掃氣空氣。

盡管人們在進行初次分析時可能認為這種掃氣空氣是不利的，但是它的確使得渦輪增壓器更快地旋轉，由此改進升壓響應。掃氣空氣真正的難點在于，在掃氣模式下操作的發動機毫不意外地也在更常規的非掃氣模式下操作，在該非掃氣模式下，所有穿過進氣閥的空氣截留在汽缸中用于壓縮沖程和做功沖程，而在此之后排出空氣。盡管這種發動機通常為掃氣模式和非掃氣模式下的操作采用了單獨的控制模式，但是，非掃氣模式(通常在較低的rom下)與掃氣模式(在較高的rpm下)之間的過渡可能較突然，并且能夠在燃料、空氣流和點火系統的監測和操作這兩方面造成不連續性。

因此，在掃氣模式和非掃氣模式這兩種模式下操作的內燃機和控制裝置中存在有公認的問題。本發明解決了該問題。

技術實現要素：

通過改進與在掃氣和非掃氣操作模式期間的每汽缸截留和掃氣空氣有關的計算模型和計算法以及這些操作模式之間的無縫過渡，本發明旨在改進內燃機的操作。將來自傳感器(其包括發動機速度(rpm)傳感器、歧管空氣壓力傳感器、大氣壓力傳感器、曲軸位置傳感器、進氣閥最大開度位置傳感器、排氣閥最大開度位置傳感器和閥狀態傳感器)的數據提供給一對人工神經網絡(ann)。第一神經網絡(截留容積效率ann)利用該數據計算氣體(即截留在汽缸中的空氣)的標稱容積。第二截留比ann利用該數據計算截留比。結合理想氣體定律，利用第一ann的輸出來計算每汽缸截留空氣(apc)的實際質量。每汽缸截留空氣的實際質量還除以由第二ann計算出的截留比來確定每汽缸總空氣，并且還進一步用于通過每汽缸總空氣減去每汽缸截留空氣來計算出每汽缸掃氣空氣。將會認識到的是，前述計算是實時完成的，并且因此這三個數據輸出(每汽缸總空氣、每汽缸截留空氣和每汽缸掃氣空氣)是連續地提供且可以并將會由各個發動機和車輛控制模塊和系統利用來提升整體發動機和車輛性能。

因此，本發明的一個方面在于提供一種改進在掃氣和非掃氣模式下操作的內燃機的操作的方法。

本發明的另一個方面在于提供一種掃氣和非掃氣內燃機的操作的方法，其提供了這種掃氣操作模式與非掃氣操作模式之間的無縫過渡。

本發明的又一個方面在于提供一種利用人工神經網絡改進在掃氣和非掃氣模式下操作的內燃機的操作的方法。

本發明的又一個方面在于提供一種利用人工神經網絡和傳感器改進在掃氣和非掃氣模式下操作的內燃機的操作的方法，其中這些傳感器包括歧管空氣壓力傳感器、大氣壓力傳感器、發動機速度傳感器和曲軸角度和閥狀態傳感器。

本發明的又一個方面在于提供一種用于利用人工神經網絡和傳感器改進在掃氣和非掃氣模式下操作的內燃機的操作的裝置，其中這些傳感器包括歧管空氣壓力傳感器、大氣壓力傳感器、發動機速度傳感器和曲軸角度傳感器和閥狀態傳感器。

本發明的又一個方面在于提供一種通過計算每汽缸截留空氣、每汽缸掃氣空氣和每汽缸總空氣的實時值并將這些實時值提供給相關發動機和車輛控制系統來改進在掃氣和非掃氣模式下操作的內燃機的操作的方法。

本發明的又一個方面在于提供一種通過利用人工神經網絡和傳感器來將每汽缸截留空氣、每汽缸掃氣空氣和每汽缸總空氣的實時值提供給相關發動機和車輛控制系統而改進具有掃氣和非掃氣模式的內燃機的操作的方法，其中這些傳感器包括歧管空氣壓力傳感器、大氣壓力傳感器、發動機速度傳感器和曲軸角度傳感器以及閥狀態傳感器。

本發明的又一個方面在于提供一種用于通過利用人工神經網絡和傳感器來將每汽缸截留空氣、每汽缸掃氣空氣和每汽缸總空氣的實時值提供給相關發動機和車輛控制系統而改進具有掃氣和非掃氣模式的內燃機的操作的裝置，其中這些傳感器包括歧管空氣壓力傳感器、大氣壓力傳感器、發動機速度傳感器和曲軸角度傳感器以及閥狀態傳感器。

通過在此提供的描述，其他方面、優點和適用范圍將變得顯而易見。應該理解的是，本描述以及具體示例僅僅是用于說明的目的，而不是旨在限制本公開的范圍。

附圖說明

在此所描述的附圖僅僅出于說明的目的，并不旨在以任何方式來限制本公開的范圍。

圖1是根據本發明的具有傳感器的內燃機以及掃氣和非掃氣操作的示圖；

圖2是根據本發明的掃氣和非掃氣內燃機控制系統的各部件和操作步驟的示意圖；以及

圖3是示出了根據本發明的掃氣和非掃氣內燃機控制系統的若干操作參數的圖表。

具體實施方式

以下的描述在本質上僅是示例性的，并不旨在限制本公開、應用或使用。

參照圖1，示出了根據本發明的系統的內燃機、傳感器和相關部件的示圖，并且總地用附圖標記10對該系統進行標示。系統10包括具有多部分主體的內燃機12，該多部分主體包括發動機缸體14和一個或多個汽缸蓋16(該一個或多個汽缸蓋接納、定位和支撐設置在相同多個汽缸20中的多個往復活塞18，多個汽缸中的每一個在圖1中示出)、旋轉曲軸22和飛輪24、進氣歧管26(包括與第一或進氣凸輪軸30相關聯的多個進氣閥28，第一或進氣凸輪軸由曲軸22驅動)、排氣歧管32(包括與第二或排氣凸輪軸36相關聯的多個排氣閥34，第二或排氣凸輪軸也由曲軸22驅動)。本領域技術人員將會理解的是，所示出的示例性內燃機12包括其他的細節和部件，例如燃料供給系統和點火系統(均未示出)。

系統10還包括多個傳感器。第一歧管絕對壓力(map)傳感器42存在于進氣歧管24中并且感測其中的絕對瞬時空氣壓力。第二大氣壓力傳感器44可以位于機動車輛(未示出)上的任意方便位置處并且感測當前的周圍大氣壓力。第三速度和旋轉(角度)位置傳感器46與曲軸22上的飛輪24上的齒48相關聯并且提供關于曲軸22的旋轉速度和角度位置這兩者的數據。關于進氣凸輪軸30和排氣凸輪軸36的旋轉位置的數據由第四進氣凸輪軸位置傳感器52和第五排氣凸輪軸位置傳感器54提供。來自前述所有傳感器42、44、46、52和54的輸出提供至控制模塊60，該控制模塊可以是獨立的設備，或者可以是發動機控制模塊(ecm)或其他具有輸入和輸出特征、用于軟件的固定存儲器和用于這類輸入數據的瞬時存儲器、處理器或微處理器以及相關電路的類似電子控制器的一部分。可以提供至控制模塊60、在其中產生的或者在相關聯的ecm中的第六數據流56涉及進氣閥28和排氣閥34的操作狀態，該操作狀態由三個操作模式或狀態來定義和確定：高升程、低升程、或禁用(即，既不是高升程狀態，也不是低升程狀態)。

現在參照圖2，示出了掃氣和非掃氣內燃機控制系統的部件和方法步驟的示意性框圖，并且總地用附圖標記100對其進行標示。方法100包括在步驟104中收集來自歧管絕對壓力(map)傳感器42、大氣壓力傳感器44、曲軸(發動機)速度和旋轉傳感器46、進氣最大開度位置(imop)傳感器52、排氣最大開度位置(emop)傳感器54和閥狀態數據流56的數據。imop傳感器52和emop傳感器54提供它們相應的曲軸的旋轉度(從0°到360°)的數據，并且該數據與來自第三速度和旋轉位置傳感器46的數據相結合地利用來確定曲軸22的從0°到720°的旋轉(角度)位置。

六次傳感器輸出或數據流均提供至第一容積效率(ve)人工神經網絡(ann)106和第二截留比人工神經網絡(ann)108。第一人工神經網絡106和第二人工神經網絡108均是單層網絡且均含有一組自適應權重(即，在校準過程期間由學習算法調節的數值參數)，并且還能夠近似或估計六次輸入的非線性函數。神經網絡106和108的其中一個特點在于，在考慮某一組輸入值的情況下，網絡106和108將總是會返回相同的輸出值。

根據向其提供的數據，第一容積效率(ve)人工神經網絡(ann)106以0.0到1.0的分值提供每汽缸截留空氣(apc)的當前容積效率的值。

在ve校準過程期間，所采用的等式為：

其中，r為8.314lkpa/(kmol)的理想氣體常數，摩爾質量為28970lkpa/(mg·k)，v汽缸為每個汽缸20以升計的容積，并且chrgtemp為進入汽缸20的空氣以凱氏度數計的溫度。

隨后將該值提供給計算步驟110，該步驟將理想氣體定律應用至容積效率值，以便實時地確定每個汽缸20中截留的空氣(apc)的實際質量。采用來確定每汽缸20的空氣的質量的等式為：

所得出的m汽缸為每個汽缸20中的空氣以毫克計的截留質量。

之后，在線條112上將該數據或信息提供至車輛中的各個數據系統和控制器(例如發動機控制模塊(ecm))，以便調節燃料流和點火正時以及估計排氣溫度和壓力等操作參數。

根據提供至第二截留比人工神經網絡(ann)108的數據，生成每汽缸20截留的空氣的容積與每汽缸20提供的空氣的總容積的比值。該數據或信息由網絡或步驟114提供至除數運算。在從計算步驟110知曉每汽缸20截留的空氣的實際質量并且還知曉每汽缸20截留的空氣的質量與每汽缸20提供的空氣的總質量的比值的情況下，計算出每汽缸20的空氣的總質量，并且在數據或信息線條116上將其提供至車輛中的各個數據系統和控制器，例如發動機控制模塊(ecm)。最后，在減法步驟或網絡118中，從線條116中的每汽缸總空氣的瞬時值中減去線條112中的每汽缸20截留空氣的瞬時值。線條120中所得到的值為每汽缸20掃氣空氣，也就是由于進氣閥28和排氣閥34的開度重疊而在不參與燃燒過程的情況下直接從進氣歧管26穿過汽缸20到達排氣歧管32的空氣。

現在參照圖3，多曲線圖表150示出了掃氣和非掃氣內燃機控制系統10的性能。首先，應理解的是，被橢圓形虛線152包圍的區域一般表示非掃氣操作(在圖表150的左側)向掃氣操作(在圖表150的右側)過渡的區域。最上面的線條或跡線154表示每汽缸20總空氣(apc)。第二條基本上水平的線條或跡線156表示每汽缸20截留空氣。需要注意，在非掃氣操作(在圖表150的左側)期間，跡線154和156彼此疊置。第三條線條或跡線158表示節氣門面積，其當然會隨著速度和負荷的增加而增加。第四條線條或跡線162表示每汽缸20掃氣空氣。需要注意該值在操作從非掃氣移動至虛線152所包圍的區域中的掃氣時的急劇增加。最后，第五條線條或跡線164表示截留比。需要注意，該值從掃氣操作到非掃氣操作變化得相對平緩，這正是掃氣和非掃氣內燃機控制系統10的重要目標。

本發明的描述在本質上僅僅是示例性的，并且不脫離本發明要旨的變型都認為落在本發明的范圍內。這些變化不應視為脫離本發明的精神和范圍。