用于估算机动车辆动力装置的内燃发动机的燃烧室中气体混合物的富燃料度的系统和方法

摘要

在此披露了一种用于估算机动车辆动力装置的内燃发动机(1)的燃烧室中气体混合物的富燃料度的系统，该系统包括用于将一股额外可燃烧气体喷射到该发动机的新鲜空气进入回路(3)中的装置(43)、对应地用于测量该新鲜空气进入回路(3)和一个发动机排气回路(4)中的该额外气体的浓度的装置(36，44)、用于确定在该进入回路中该额外气体的浓度测量值与该排气回路中该额外气体的浓度测量值之间的比率的装置(46)、以及用于根据这个确定的比率来估算该发动机的燃烧室中该气体混合物的富燃料度的装置(47)。

说明书

本发明涉及对机动车辆动力装置的内燃发动机的、特别是二冲程式的发 动机的燃烧室中气体混合物的富燃料度进行估算。

对于任何类型的直喷二冲程或四冲程发动机而言，发动机在一个燃烧周 期中都具有相同数目的阶段，即进气、排气、压缩以及膨胀。然而，二冲程 发动机的燃烧周期与四冲程发动机的不同，因为在二冲程发动机的曲轴旋转 一周而不是两周。因此在二冲程发动机中进气和排气可供使用的时间周期较 短。此外，在二冲程发动机中进气阶段和排气阶段相重合到显蓍程度，这种 重合也被称为重叠，并且发生扫气现象。

该扫气现象相对应的事实是，部分气体被吸入到这些发动机汽缸的燃烧 室中的短回路并且直接通入气体排放回路而不被燃烧。换言之，不是该发动 机吸入的所有的新鲜空气的量都被截留在燃烧室中。如果四冲程发动机在进 气阶段与排气阶段之间具有小的重叠，则在此类发动机中也会发生扫气的现 象。具体地讲，扫气在四冲程发动机中可能是明显的，这些四冲程发动机具 有，例如在多个策略(在这些策略中，排气阀门在进气阶段被重新打开) 中，进气阀门和排气阀门同时打开的时期。

不知道实际被截留在燃烧室中的空气的量或剩余气体(称作IGR)的量 使得难以精确地控制发动机(例如，确定合适的设置以便响应驾驶员的需 求)。还难以优化效率、特别是发动机的燃料消耗，并且难以控制污染物排 放水平，污染物排放高度地取决于空气和剩余气体在燃烧室中混合的条件。

此外，这些污染物排放掺入有从扫气现象得到的空气量。这种掺入然后 干扰一个富燃料度探头的常规使用。具体地讲，在发动机排气中的气体混合 物的富燃料度的测量值不对应于在发动机的燃烧室内的气体混合物的富燃料 度。在发动机的燃烧室内的气体混合物的富燃料度是本领域技术人员已知的 一个参数并且一般对应于燃料的量与发动机吸入的新鲜空气的量的比率，即 燃料的量与吸入到这些汽缸的燃烧室的新鲜空气的量的比率。

特别困难的是确定实际被截留在燃烧室中的新鲜空气的量以及剩余气体 的量，因为这样做将需要从燃烧室分接出气体样本，这在大批量生产的发动 机中是不可想象能完成的事情。

因此，确定有待喷射的燃料的量以便获得希望的发动机扭矩水平并且符 合就碳烟、氮的氧化物、烃类和一氧化碳而言的污染标准是困难的。

这是因为这些污染物排放高度地依赖于燃烧室中的热力学条件。例如， 在碳烟的情况下，至关重要的是对发动机燃烧室中气体混合物的富燃料度加 以控制，因为一旦超过某一富燃料度阈值，碳烟水平的提高极快。具体地 讲，如果对一个发动机运行点而言燃料的量过高，或者被截留在燃烧室中的 空气质量过低，或者甚至是剩余气体的量过高，则存在碳烟水平将过高的风 险。

此外，对于氮氧化物的排放而言，由于剩余气体的比例具有非常强的影 响，不能够准确地确定这个比例水平使得从使这种类型的污染物排放最小化 的角度来控制发动机是非常困难的。

因此，提出了一种用于估算燃烧周期开始时发动机燃烧室中气体混合物 的富燃料度的系统和方法，以便值得注意地能够控制机动车辆发动机同时使 燃料消耗和污染物排放最优。

还提出了一种用于估算燃烧周期开始时剩余气体的量的装置。

本发明的一个方面提出了一种用于估算机动车辆动力装置的内燃发动机 的燃烧室中气体混合物的富燃料度的系统。

该系统包括用于将一股额外可燃烧气体喷射到该发动机的新鲜空气进入 回路中的装置、对应地用于测量该发动机的新鲜空气进入回路和气体排放回 路中的该额外气体的浓度的装置、用于确定在该进入回路中该额外气体的浓 度测量值与该排放回路中该额外气体的浓度测量值之间的比率的装置、以及 用于根据这个确定的比率来估算该发动机的燃烧室中该气体混合物的富燃料 度的装置。

这种系统生产简单并且特别好地适合于任何类型的发动机，二冲程或四 冲程。

该发动机可以包括若干个汽缸，并且该估算装置还被配置成根据这个确 定的比率来估算这些汽缸中剩余气体的一个流量、并且用于根据这个估算的 剩余气体的流量来估算该发动机的燃烧室中该气体混合物的富燃料度。

提供了一个用于估算剩余气体的量的装置以便能够更准确地控制该发动 机的污染物排放。

该额外气体可以是一种烃，该烃的碳链包含少于5个的碳原子，该额外 气体优选是甲烷。

该动力装置可以包括被连接到该新鲜空气进入回路上的一个部分排气再 循环回路。

该内燃发动机可以是二冲程式的。

该估算装置可以被进一步配置成根据该发动机速度、一个新鲜空气流 量、一个喷射到该发动机中的燃料的流量、以及一个再循环排气的流量的一 个函数来建立这个确定比率的一个图谱。

本发明的另一个方面提出了一种用于估算机动车辆动力装置的内燃发动 机的燃烧室中气体混合物的富燃料度的方法。

该方法包含将一股额外可燃烧气体喷射到该发动机的一个新鲜空气进入 回路中、确定在该新鲜空气进入回路中该额外气体的一个浓度测量值与该发 动机的气体排放回路中该额外气体的一个浓度测量值之间的比率、并且根据 这个确定的比率来估算该发动机的燃烧室中该气体混合物的富燃料度。

该发动机可以包括若干个汽缸，该方法包含根据这个确定的比率对这些 汽缸中剩余气体的一个流量进行的一次中间估算，并且这个估算该发动机的 燃烧室中该气体混合物的富燃料度的步骤包括根据这个估算的剩余气体的流 量对所述富燃料度进行的一次估算。

该动力装置可以包括被连接到该新鲜空气进入回路上的一个用于排气的 部分再循环的回路，并且该方法可以进一步包含根据该发动机速度、一个新 鲜空气流量、一个喷射到该发动机中的燃料的流量、以及一个再循环排气的 流量的一个函数来制定这个确定比率的一个图谱。

通过阅读以下仅仅通过非限制性举例的方式给出的并且参照附图作出的 说明，本发明的其他目的、特征和优点将会变得清楚，在附图中：

-图1是用于内燃发动机的扫气现象的示意图；

-图2是一种根据本发明的用于估算发动机的燃烧室中气体混合物的富 燃料度的方法的一个实施例的关键步骤的示意图；并且

图3示意性地展示了一种根据本发明的用于估算内燃发动机的燃烧室中 气体混合物的富燃料度的系统的一个实施例。

图1示意地描绘了针对一台机动车辆内燃发动机1的扫气现象。发动机 1可以是一台四冲程发动机、优选是二冲程发动机，以柴油或汽油或任何其他 燃料运行。此外，发动机1可以被装配到机动车辆、海上船舶、摩托车上。

发动机1包括若干个汽缸，并且为了简洁起见已经描绘了一个汽缸的一 个燃烧室2。燃烧室2首先是被连接到一个进气歧管3上并且其次被连接到一 个排气歧管4上，该进气歧管用于将可能混合有一些排气的新鲜空气喷射到 燃烧室2中。

发动机1还可以包括一个用于排气部分再循环的回路5，该回路被分接 在排气歧管4与进气歧管3之间。

图1还描绘了一个参考标记为6的短回路，仅仅通过示意性展示的方 式，该短回路展示了在扫气现象中气体从进气歧管3直接通到排气歧管4的 循环。

此外，已经描绘了一个参考标记为7的内部再循环，并且单纯地通过示 意性展示的方式，这种内部再循环展示了被称作剩余气体的部分排气的内部 再循环，这部分排气在气体排放阶段中被继续截留在燃烧室2中。

发动机1还包括一个喷射器8，该喷射器通过一个喷射管9将在此以阴 影线描绘的一定量的燃料并且可能连同未以阴影线描绘的一定量的空气一起 喷射到燃烧室2中，该空气是与进气歧管3中吸入的新鲜空气分开的。

总体上，图1中的这些箭头描绘了流体流动的方向，并且这些带阴影线 的部分除了描绘燃料喷射的部分之外代表燃烧过的气体的流动，而这些未带 阴影线的部分描绘了新鲜空气的循环。

燃烧室2中的气体的燃烧也已经被描绘出，并且这加有参考标记10。

为了指示燃烧周期中发动机1内的气体的质量流量，已经在图1上加注 有以下数据：

-Qair(单位kg/h)：吸入到燃烧室2的新鲜空气的质量流量；

-Qtrap(单位kg/h)：吸入到燃烧室2的气体的质量流量；

-Qscav(单位kg/h)：发动机1扫除的气体的质量流量；

-Qair_scav(单位kg/h)：发动机1扫除的新鲜空气的质量流量，或 者换言之，在气体进入阶段直接通入排气歧管4中的新鲜空气的量；

-Qair_trap(单位kg/h)：截留在燃烧室2中的新鲜空气的质量流 量；

-Qegr(单位kg/h)：再循环排气(新鲜空气和燃烧过的气体)的质 量流量；

-Qegr_scav(单位kg/h)：发动机1扫除的再循环排气的质量流 量；

-Qegr_trap(单位kg/h)：截留在燃烧室2中的再循环排气的质量流 量；

-Qair_egr_trap(单位kg/h)：截留在燃烧室2中的再循环排气中包 含的新鲜空气的质量流量；

-Qfuel(单位kg/h)：吸入到燃烧室2的燃料的质量流量；

-Qair_fuel(单位kg/h)：与燃料一起喷射到燃烧室2的空气的质量 流量；

-Qigr(单位kg/h)：剩余气体的质量流量，或者换言之，在气体排 放阶段中保留在燃烧室2中的气体(新鲜空气和燃烧过的气体)的量；

-Qair_igr(单位kg/h)：剩余气体中包含的新鲜空气的质量流量；

-Qexh(单位kg/h)：排气的质量流量；

-Qair_exh(单位kg/h)：排气中包含的新鲜空气的质量流量；

-Qexh’’’(单位kg/h)：在排气的部分再循环5之前排气的质量流 量；

-Qexh’’(单位kg/h)：在排气的部分再循环5之前并且在短回路循 环6之前排气的质量流量；以及

-Qexh’(单位kg/h)：在内部再循环7之前排气的质量流量。

上述数据产生了以下等式：

Qair＝Qair_scav+Qair_trap(等式1)

Qegr＝Qegr_scav+Qegr_trap(等式2)

Qtrap＝Qair_trap+Qegr_trap(等式3)

Qscav＝Qair_scav+Qegr_scav(等式4)

图2示意性地描绘了一种估算图1中描述的内燃发动机1的燃烧室中的 气体混合物的富燃料度的方法中的主要步骤。

在第一步骤SI中，额外的可燃烧气体被喷射到进气歧管3中。在发动机 1的上游、例如在部分排气再循环回路5与进气歧管3之间的接合处上游充分 地执行喷射，以确保额外的可燃烧气体与该新鲜空气的均匀混合。因此，在 扫气阶段中，该额外气体的部分质量被截留在燃烧室2中并且另一个比例的 额外气体进入排气歧管4。因为新鲜空气与额外气体的混合物的均匀性，该额 外气体的这些质量比例的比率等于被截留在燃烧室2中的新鲜空气的质量与 进入排气歧管4的扫除的新鲜空气的质量之间的比率。该额外可燃烧气体可 以是乙烷、丙烷或丁烷，并且优选是甲烷CH4。该额外气体是一种适用于允 许这个被截留比例在燃烧过程中被燃烧的燃料。

在第二步骤S2中，测量该额外可燃烧气体在发动机的进入侧的浓度％ GCadm和在排放侧的浓度％GCexh，然后在S3计算这些浓度的比率RC＝％ GCadm/％GCexh。在S4，通过使用以下等式(5)根据这个计算出的这些浓 度的比率RC来确定一个截留空气比率TA：

$\mathrm{TA}=1-\frac{\mathrm{Qair}+\mathrm{Qfuel}+\mathrm{Qair}\_\mathrm{fuel}+\mathrm{Qegr}}{\mathrm{Qair}·(\frac{\%\mathrm{GCadm}}{\%\mathrm{GCexh}}+\frac{\mathrm{Qegr}}{\mathrm{Qair}})}$(等式5)

其中：

-％GCadm：进气歧管3中额外可燃烧气体的浓度；以及

-％GCexh：排气歧管4中该额外可燃烧气体的浓度。

将注意到的是对某些喷射系统而言，一定量的空气Qair_fuel被添加到该 燃料流量Qfuel。对其他系统而言，这个喷射的空气的质量流量Qair_fuel为 零。

截留空气比率TA对应于截留在燃烧室的空气质量除以吸入到燃烧室2 的新鲜空气的质量所得的商。截留空气比率TA还可以根据发动机速度、新鲜 空气流量Qair的测量值、喷射到发动机中的燃料的流量Qfuel的测量值、同 燃料一起喷射的空气的流量Qair_fuel的测量值以及再循环排气的流量Qegr的 测量值的一个函数来绘制图谱(cartographié)。比率TA的图谱然后可以在该 车辆运行时被用来确定其他发动机控制参数。

具体地讲，根据以下等式(6)，对于发动机1的进入侧的和排放侧的二 氧化碳浓度％CO2的测量值而言可以计算再循环排气的质量流量Qegr：

$\mathrm{Qegr}=\mathrm{Qair}·\frac{\%\mathrm{CO}2\mathrm{adm}-\%\mathrm{CO}2\mathrm{atm}}{\%\mathrm{CO}2\mathrm{exh}-\%\mathrm{CO}2\mathrm{adm}}$(等式6)

其中：

-％CO2adm：进气歧管3中二氧化碳的浓度；

-％CO2exh：排气歧管4中二氧化碳的浓度；以及

-％CO2atm：大气中的并且在标准温度和压力条件下的二氧化碳的 浓度。

在第五步骤S5中，通过使用以下等式(7)，剩余气体的质量流量Qigr 是根据步骤S4中确定的截留空气比率TA来估算的：

$\mathrm{Qigr}=\frac{{\mathrm{cp}}_{\mathrm{adm}}·n·N·60·P_{\mathrm{RFA}}·V_{\mathrm{RFA}}}{r·{\mathrm{cp}}_{\mathrm{exh}}·{T3}^{\prime }}-\frac{{\mathrm{cp}}_{\mathrm{adm}}·\mathrm{Qair}\_\mathrm{trap}·T2}{{\mathrm{cp}}_{\mathrm{exh}}·{T3}^{\prime }}-\frac{\mathrm{Qegr}\_\mathrm{trap}·T4}{{T3}^{\prime }}$(等式 7)

其中：

-Qair_trap＝TA·Qair(等式8)；

-Qegr_trap＝TA·Qegr(等式9)；

-cp_adm(kJ/(kg-K))：进气的热值；

-n：发动机1的汽缸数目；

-N(每分钟的转数)：发动机速度；

-P_RFA：在进气阀门或进气口关闭时刻的燃烧室2中的压力；

-V_RFA：在进气阀门或进气口关闭时刻的燃烧室2的体积；

-r＝287J/(kg-K)：理想气体常数；以及

-cp_exh(kJ/(kg-K))：排气的热值；

$-{T3}^{\prime }=\frac{{\mathrm{cp}}_{\mathrm{exh}}·{\mathrm{Qexh}}^{\prime \prime \prime }·T3-{\mathrm{cp}}_{\mathrm{scav}}·(1-\mathrm{TR})·(\mathrm{Qair}+\mathrm{Qegr})·{T4}^{\prime }}{{\mathrm{cp}}_{\mathrm{exh}}·{\mathrm{Qech}}^{\prime \prime }}$等式10)

$-{T4}^{\prime }=\frac{{\mathrm{cp}}_{\mathrm{adm}}·\mathrm{Qair}\_\mathrm{scav}·T2-{\mathrm{cp}}_{\mathrm{exh}}·\mathrm{Qegr}\_\mathrm{scav}·T4}{{\mathrm{cp}}_{\mathrm{adm}}·\mathrm{Qair}\_\mathrm{scav}+{\mathrm{cp}}_{\mathrm{exh}}·\mathrm{Qegr}\_\mathrm{scav}}$等式11)

$-{\mathrm{cp}}_{\mathrm{adm}\_\mathrm{scav}}=\frac{{\mathrm{cp}}_{\mathrm{adm}}·\mathrm{Qair}\_\mathrm{scav}+{\mathrm{cp}}_{\mathrm{exh}}·\mathrm{Qegr}\_\mathrm{scav}}{\mathrm{Qscav}}$等式12)

$-{\mathrm{cp}}_{\mathrm{adm}\_\mathrm{trap}}=\frac{{\mathrm{cp}}_{\mathrm{adm}}·\mathrm{Qair}\_\mathrm{trap}+{\mathrm{cp}}_{\mathrm{exh}}·\mathrm{Qegr}\_\mathrm{trap}}{\mathrm{Qtrap}}$等式13)

-Qexh’’＝Qfuel+Qair_fuel+TA·(Qair+Qegr)(等式14)；

-Qexh’’’＝Qexh+Qegr(等式15)；

-T2(K)：发动机进气温度；

-T3(K)：发动机排气温度；以及

-T4(K)：冷却的再循环排气的温度。

温度T2至温度T4是通过使用多个温度传感器来测量的。

一旦已经估算出剩余气体的质量流量Qigr，就可以使用以下等式(14) 计算出剩余气体的水平Tigr：

$\mathrm{Tigr}=\frac{\mathrm{Qigr}}{\mathrm{Qigr}+\mathrm{Qair}\_\mathrm{trap}+\mathrm{Qegr}\_\mathrm{trap}}$等式16)

接下来，通过使用以下等式(15)来计算发动机的燃烧室中的气体混合 物的富燃料度Rmot：

$\mathrm{Rmot}=\frac{\mathrm{PCO}·\mathrm{Qfuel}}{\mathrm{Qair}\_\mathrm{trap}+\mathrm{Qair}\_\mathrm{egr}\_\mathrm{trap}+\mathrm{Qair}\_\mathrm{igr}+\mathrm{Qair}\_\mathrm{fuel}}$(等式17)

其中：

-PCO＝14.7：针对该燃料的化学计量的量；

$-\mathrm{Qair}\_\mathrm{egr}\_\mathrm{trap}=\frac{\mathrm{Qair}\_\mathrm{exh}}{\mathrm{Qexh}}·\mathrm{Qegr}\_\mathrm{trap}$(等式18)；

-Qair_exh＝Qexh-Qfuel·(1+PCO·FMB)(等式19)；

-FMB：燃烧过的质量分数或燃烧效率；

$-\mathrm{Qair}\_\mathrm{igr}=\frac{\mathrm{Qair}\_\mathrm{exh}-\mathrm{Qair}\_\mathrm{scav}+\mathrm{Qair}\_\mathrm{egr}\_\mathrm{trap}}{\mathrm{Qair}\_\mathrm{trap}+\mathrm{Qegr}\_\mathrm{trap}+\mathrm{Qfuel}+\mathrm{Qair}\_\mathrm{fuel}}·\mathrm{Qigr}$(等式20)。

图3示意性地描绘了一种用于估算图1中描述的内燃发动机1的燃烧室 中的气体混合物的富燃料度Rmot的系统20。该估算系统20还被配置成用于 执行以上估算方法。

内燃发动机1包括若干个汽缸，为了简洁起见已经描绘出其中一个汽缸 21，该汽缸中一个连杆23移动一个活塞22，该连杆将该活塞22连接到一个 曲轴24上。发动机1的燃烧室2是由所述汽缸21、所述活塞22以及一个汽 缸盖25限定的。根据一个第一实施例，汽缸盖25装备有至少两个阀门26、 27，这些阀门对应地允许将燃烧室2连接到进气歧管3和排气歧管4上。在 第二实施例中，汽缸盖25不具有多个阀门但代替它们具有用于将该燃烧室2 连接到进气歧管3上的一个进气口或管道以及将该燃烧室2连接到排气歧管4 上的一个排气口或管道。该第二实施例特别适用于二冲程发动机，其运行方 式对本领域技术人员而言是已知的，特别是其中移动活塞22以在燃烧阶段和 膨胀阶段关闭这些进气口和排气口以及另一方面在进气阶段和排气阶段允许 这些口与燃烧室2相联通。

用于排气部分再循环的回路5包括一个被称作EGR阀的阀门28、一个 用于冷却这些气体的装置29、以及一个用于测量流量Qegr的流量计30。流 量Qegr的测量值由一个连接件31传递到一个电子控制单元ECU。

该估算系统1此外包括多个传感器32、33，这些传感器用于对应地测量 进入侧的二氧化碳质量浓度％CO2adm以及排放侧的质量浓度％CO2exh、并 且将这些信息通过对应的连接件34、35而传递到ECU。

该系统包括一个传感器36，该传感器用于测量进气歧管3中额外可燃烧 气体的浓度％GCadm并且将这个浓度由连接件37传递到ECU。

位于排气歧管4下游的一个流量计38测量该排气流量Qexh并且将这个 测量值经由一个连接件m1传递到ECU。

位于进气歧管3上游的一个流量计39测量新鲜空气流量Qair并且将该 测量值经由一个连接件40传递到ECU。联接到燃料喷射器8上的一个流量计 41测量燃料流量Qfuel并且并且将该测量值沿一个连接件42传递到ECU。

一个喷射器43将该额外可燃烧气体喷射到该发动机新鲜空气进气回路 中。喷射器43是位于进气歧管3的上游、例如在流量计39与进气歧管3之 间。联接到额外可燃烧气体43上的一个流量计44测量该额外气体的流量并 且将该测量值沿一个连接件45传递到ECU，使得ECU可以计算进气歧管3 中该额外可燃烧气体的浓度％GCadm。

ECU包括一个确定装置46，该确定装置被配置成用于根据由传感器36 传送的测量值以及由流量计44传送的测量值来确定这些浓度的比率RC＝％ GCadm/％GCexh。ECU还包括一个估算装置47，该估算装置用于根据这些浓 度的比率RC估算该流量Qigr并且根据该流量Qigr估算该发动机的燃烧室中 气体混合物的富燃料度Rmot。

刚刚阐述的方法和系统允许以一种使燃料消耗和污染物排放最优化的方 式来控制内燃发动机。具体的说，该发动机的燃烧室中气体混合物的富燃料 度Rmot的估算值和流量Qigr的估算值是根据简单的流量测量值和温度测量 值来产生的。截留空气比率TA的图谱以及上述这些估算值允许对发动机参数 (例如涡轮增压和喷射)进行调节以便限制污染物排放和发动机燃料消耗。