CN110719993B - 空气质量测量装置的可信度检验 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行内燃机(1)的方法，其中，通过空气质量测量装置测量吸入的燃烧用空气(11)的质量流m_A，其中，选择基于压力的空气质量测量装置(13)，其中，相对于流过连接在所述空气质量测量装置(13)与所述内燃机(1)的至少一个燃烧室(20)之间的进气管(15)的质量流m_s来对m_A的值进行可信度检验(140)，其中，在如下运行状态中求取质量流m_s：在所述运行状态中，废气(12)的质量流m_R再循环到所述进气管(15)中，其中，附加地求取(130)质量流m_R。本发明还涉及一种用于内燃机(1)的空气供应系统以及一种计算机程序产品。

Description

空气质量测量装置的可信度检验

技术领域

本发明涉及一种用于运行内燃机的方法，在该方法中可以识别空气质量测量装置的功能故障，本发明还涉及一种为此预先配备的用于内燃机的空气供应系统。

背景技术

在内燃机的进气通道中使用空气质量测量装置，以便确保燃烧室的最佳填充度，并且因此确保最佳燃烧。汽油发动机输出的功率与吸入的空气质量流成比例。正确地测量空气质量流是对于安全重要相关的。因此，法律规定应监测空气质量测量装置的正确功能。

由US 5 291 803 A、DE 199 46 874 Al以及DE 10 2010 044 164 Al已知，借助比较值对由空气质量测量装置求取的空气质量流进行可信度检验，该比较值由独立于空气质量测量装置的其他传感器获得。如果空气质量流偏离比较值太远，则可以将此评估为存在故障的表现。

发明内容

在本发明的范畴内已经研发出一种用于运行内燃机的方法。在此通过空气质量测量装置测量吸入的燃烧用空气(Verbrennungsluft)的质量流m_A。

根据本发明，选择基于压力的空气质量测量装置。相对于流过进气管的质量流m_S来对m_A的值进行可信度检验，该进气管连接在空气质量测量装置与内燃机的至少一个燃烧室之间。在此，在运行状态中求取质量流m_S，其中，在运行状态中将废气的质量流m_R再循环到进气管中，其中，附加地求取质量流m_R。

已经认识到，无论布置在空气质量测量装置与进气管之间的节流活门的位态如何，质量流m_S在名义上都应等于质量流m_A与再循环的废气质量流m_R之和。此外已经认识到，流过进气管的质量流m_S和废气质量流m_R都能够由在内燃机中在标准情况下存在的传感器所提供的参量(至少以对于可信度检验足够的准确性)推导出来。因此，可以省去冗余的传感器。因此，可以以较低开销满足监测空气质量测量装置的正确功能的这一规定。

根据现有技术，例如已经借助增压压力传感器测量在通过节流活门卸载压力之前的空气的压力和温度，并且已经通过节流方程对这种卸载压力进行建模。通过测量进气管压力，然后可以求取流过节流活门的质量流作为m_A的比较值。与此相反，根据本发明的可信度检验具有以下优点：不需要增压压力传感器，因此可以节省成本。

特别有利的是与基于压力的空气质量测量装置的组合，所述基于压力的空气质量测量装置例如是PFM(Pressure-based Flow Meter，基于压力的流量计)型。这种空气质量测量装置测量静态压力作为参考压力，以及测量通过质量流引起的压力差，还测量空气的温度。因此，这涉及开销较高的传感器，这种传感器为此可以同时承担增压压力传感器的功能，因为静态压力相应于增压压力，并且温度相应于增压空气温度。显然，可以将附加存在的增压压力传感器用于对空气质量测量装置进行可信度检验。然而如果仅仅用作这种控制机构，则增压传感器太过昂贵。

代替求取再循环的废气质量流m_R，原则上可以通过暂时禁用废气再循环来将废气质量流置于零。然而，与根据本发明实现的可信度检验相比，即使在主动废气再循环中，这也具有明显的缺点。尤其是在用于商用车的天然气发动机中，无法在发动机的每个工作点都关闭废气再循环，因为废气再循环在那里主要用于降低燃烧室温度或发动机排出口温度，并且对于保护涡轮增压机和其他部件而言是必要的。暂时不需要废气再循环的运行状态在行驶运行中很少出现。为了执行空气质量测量装置的规定的可信度检验，因此可能必需短暂地强制性进入如下运行状态：在该运行状态中，暂时禁用废气再循环。这例如可以意味着：必须减小发动机扭矩，以便避免内燃发动机或排气系过热。一方面，这可能会让驾驶员感到不愉快，因为有时无法获得全部要求的发动机扭矩。另一方面，在禁用废气再循环时，必要时还需要朝更晚的方向调整点火角，这会降低燃烧效率并增加燃料消耗。

在本发明的一种特别有利的构型中，由燃烧室中的空气质量和内燃机的转速n来求取质量流m_S。质量流m_S例如可以根据以下公式求取：

在此，分数表示在如下近似情况下的燃烧室中的空气质量：将空气视为理想气体。p_c、V_c和T_c分别是燃烧室中的空气的压力、体积和温度，R_c是燃烧室中的空气的特定的气体常数，n是发动机转速，F(n)是取决于发动机转速的乘法因子。

在燃烧室的进入阀打开的时刻求取p_c、V_c和T_c是特别容易的。然后，V_c相应于内燃机的有效工作容积，p_c近似相应于进气管中的在标准情况下测量的压力。

在标准情况下，在进气管中除压力之外还测量温度。如果燃烧室的进入阀是打开的，则燃烧室中的温度T_c至少近似地由进气管中的温度以及内燃机的同样在标准情况下测量的冷却水温度T_K得出。有利地，因此基于燃烧室中的温度T_c求取质量流m_S，由进气管中的温度T_M结合内燃机的冷却水温度T_K来求取所述燃烧室中的温度。

废气再循环通常不以恒定的流动阻力进行，而是通过废气再循环阀控制废气再循环，该废气再循环阀要么可以是打开要么可以是关闭的。该废气再循环阀在打开状态下也具有流动阻力，因此该废气再循环用作节流器。能够至少近似地确定再循环废气的质量流m_R的最重要参量是：节流器之前和之后的废气的压力和温度。因此有利地，通过废气再循环阀来控制废气的质量流m_R，并且考虑使用废气的在流动方向上处于废气再循环阀之前的压力pv和温度T_v来求取质量流m_R。

例如可以测量废气的压力pv和温度T_v。相应的传感器例如可以存在于在废气后处理的范畴内。然而为了废气后处理的目的，同样存在许多内燃机的特性曲线族或计算模型，这些特性曲线族或计算模型说明废气的压力pv和温度T_v作为内燃机的工作点的函数。因此，有利地，根据内燃机的工作点，从特性曲线族或计算模型中调用废气的压力pv和温度T_v。

有利地，通过对于所述质量流m_R的求取将废气再循环阀认定为节流器，能够显著地简化废气的质量流m_R的求取。因为在标准情况下测量进气管中的再循环废气的在流动方向上处于废气再循环阀之后的压力和温度，并且同时已知废气的在流动方向上处于废气再循环阀之前的压力pv和温度T_v，所以在附加地了解废气再循环阀的开口横截面和排放系数(Ausflusszahl)时，能够直接地计算出m_R。废气再循环阀的开口横截面和排放系数作为阀开口的函数所已知，或者例如可以在试验台上对其进行求取。

例如可以使用以下节流方程计算m_R：

其中

在此，A是废气再循环阀的开口横截面，μ是废气再循环阀的排放系数。p_M是进气管中的在标准情况下测量的压力，ρ_v是在流动方向上处于废气再循环阀之前的再循环废气的密度。在废气是理想气体的近似情况下，在流动方向上处于废气再循环阀之前的压力p_v和温度T_v通过下式相关联：

p_V·v_V＝R_V·T_V

在此，ν_v是再循环废气的比容，并且R_v是再循环废气的比气体常数。借助ν_v＝1/ρ_v得到：

现在，为了对m_A进行可信度检验，在上面推导的关于进入阀打开情况下通过进气管的质量流m_s的公式中，可以通过进气管压力取代压力pc，并且可以通过(空气与再循环废气构成的混合物的)气体常数Rv来取代气体常数R_c。然后，m_A应相应于m_s与m_R之差。如果m_A与此值的偏差在量值上超过预给定的极限值，则可以推断出借助空气质量测量装置测量的质量流m_A存在错误。对于基于压力的空气质量测量装置(该空气质量测量装置借助单独的传感器的测量静态压力、由质量流引起的压力差和温度)而言，这同样意味着这些传感器中的至少一个是有缺陷的。对此，一个可能的原因是由于环境影响或老化导致传感器特性曲线发生变化。

如上所述，本发明还涉及一种用于内燃机的空气供应系统。该空气供应系统包括：涡轮增压器、在流动方向上布置在涡轮增压器之后的空气质量测量装置、在流动方向上布置在空气质量测量装置之后的节流活门、在流动方向上布置在节流活门之后的并且连接在内燃机的燃烧室之前的进气管。附加地，(用于内燃机的废气的)废气再循环管线通到进气管中。

根据本发明，空气质量测量装置是基于压力的空气质量测量装置，并且该空气质量测量装置设置成用于测量增压压力和增压空气温度的唯一的传感器。

已经认识到，根据本发明的方法能够在所述配置中实现：对由空气质量测量装置所测量的燃烧用空气的质量流m_A进行可信度检验，而为此不需要增压压力传感器作为其他冗余的传感器。因此，可以省去增压压力传感器。这种省去又导致：使用更高品质的基于压力的空气质量测量装置最终不会在制造中产生任何额外费用。

在本发明的另一有利构型中，如下传感器被连接到废气再循环管线中：该传感器用于直接测量引导通过废气再循环管线的废气的质量流m_R。这可以是一种相对便宜的传感器，因为只需要用于可信度检验的足够准确性。

如上所述，存在根据本发明的方法的如下实施方式：所述实施方式单独地处理数据，所述数据可以由无论如何都存在的传感器所测量，或者可以从特性曲线族中调用。因此，这种实施方式尤其可以完全地以在控制设备上运行的软件实现。其他实施方式可以至少部分地以控制设备上的软件实现。这种软件例如可以作为对现有控制设备的更新来出售并且因此是独立的产品。因此，本发明还涉及一种具有机器可读的指令的计算机程序产品，当在计算机和/或控制设备上实施这些指令时，所述指令促使计算机和/或控制设备实施根据本发明的方法。

附图说明

以下根据附图，结合对本发明的优选实施例的描述更详细地示出改善本发明的其他措施。

附图示出：

图1以示意图示出所述空气供应系统的和所述方法的实施例；

图2示出能够在所述空气供应系统或所述方法中使用的废气再循环阀25的示例性图示。

具体实施方式

根据图1，通过废气涡轮增压器26吸入燃烧用空气11，该废气涡轮增压器由内燃机1的废气12所驱动。通过基于压力的空气质量测量装置13对燃烧用空气11的质量流m_A进行测量。

通过节流活门14将燃烧用空气11提供给进气管15，并且燃烧用空气从那里出发通过进入阀21到达内燃机1的在图1中示例性示出的气缸16的燃烧室20中。汽油燃料或气体燃料的燃烧驱动活塞17，该活塞通过连杆1耦合到未在图1中示出的曲轴，为清楚起见，在图1中未示出汽油燃料或气体燃料的输送。通过排出阀22将废气12从燃烧室20排出。气缸16由冷却水套19包围，对冷却水套19的温度T_K进行测量。

通过废气再循环管线28将废气12的一部分再循环到进气管15中。在废气再循环管线28中连接有温度传感器23，该温度传感器测量废气12的在流动方向上处于废气再循环阀25之前的温度T_v。在废气再循环管线28中还连接有压力传感器24，该压力传感器对废气12的在流动方向上处于废气再循环阀25之前的压力p_v进行测量。还可以可选地根据内燃机1的工作点从特性曲线族27中调用温度T_v和压力p_v。

对空气质量测量装置所测量的质量流m_A的可信度检验现在分多个步骤进行。首先，在步骤110中，由以下各项推导出燃烧室20中的温度T_c：借助进气管温度传感器15b测量的进气管温度T_M、冷却水套19的温度T_K以及(可选的)内燃机1的其他运行参量。在下一步骤120中，由温度T_c结合进气管中的压力p_M和内燃机1的转速n来确定流过进气管15的总质量流m_S，该进气管中的压力由进气管压力传感器15a所测量。

在主动废气再循环中，该质量流m_S由燃烧用空气11和再循环废气12的混合物构成。因此，在步骤130中，由以下各项求取再循环废气12的质量流：再循环废气12的在流动方向上处于废气再循环阀25之前的温度T_v和压力p_v、进气管压力p_M。可选地，也可以直接通过废气再循环管线28中的传感器29直接求取该质量流m_R。

最后，在步骤140中，通过对进气管15中的总质量流m_S和再循环废气12的质量流m_R作差来求取燃烧用空气11的质量流m_A的比较值m_A*。在空气质量测量装置13正常工作的情况下，除了由近似导致的不准确性之外，m_A*应该与m_A相同。如果m_A与m_A*之间的偏差在量值上大于预给定的极限值，则推断出空气质量测量装置13存在故障状态。

图2示意性地示出废气再循环阀25，该废气再循环阀能够用于图1中示出的空气供应系统。阀25由阀体25a构成，该阀体由通道25b穿过。通道25b在输入侧与废气再循环管线28连接，并且该通道在输出侧与进气管15连接。

通道25b能够通过与阀座25c共同作用的阀盘25d关闭。可以通过阀杆25e使该阀盘运动，该阀杆能够借助伺服电机25f移动。在阀25的打开状态下，废气12可以穿过由阀盘25d的位置所确定的打开区域A。该位置通过在阀杆25e上的行程测量25g来测量。阀25通过电子连接端25h与发动机控制设备连接。

Claims (9)

1.一种用于运行内燃机（1）的方法，在所述方法中，识别空气质量测量装置的功能故障，其中，通过所述空气质量测量装置测量吸入的燃烧用空气（11）的质量流mA，其中，选择基于压力的空气质量测量装置（13），并且相对于流过进气管（15）的质量流mS来对mA的值进行可信度检验，所述进气管连接在所述空气质量测量装置（13）与所述内燃机（1）的至少一个燃烧室（20）之间，其中，在运行状态中求取质量流mS，其中，在所述运行状态中废气（12）的质量流mR再循环到所述进气管（15）中，其中，附加地求取所述质量流mR，其中，求取质量流与mS质量流mR之间的差值并且将所述差值与质量流mA进行比较，其中，如果比较值大于预给定的边界值，则识别出所述空气质量测量装置的功能故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述燃烧室（20）中的空气质量以及所述内燃机的转速n求取所述质量流mS。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于所述燃烧室（20）中的温度TC来求取所述质量流mS，由所述进气管中的温度TM结合所述内燃机（1）的冷却水温度TK来求取所述燃烧室中的温度TC。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过废气再循环阀（25）控制废气的质量流mR，其中，考虑使用所述废气（12）的在流动方向上处于所述废气再循环阀（25）之前的压力pv和温度Tv来求取所述质量流mR。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述内燃机（1）的工作点，从特性曲线族或计算模型（27）调用所述废气（12）的压力pv和温度Tv。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于所述质量流mR的求取，将所述废气再循环阀（25）认定为节流器。

7.一种用于内燃机（1）的空气供应系统，所述空气供应系统包括：涡轮增压器（26）、空气质量测量装置（13）、节流活门（14）和进气管（15），所述空气质量测量装置在流动方向上布置在所述涡轮增压器（26）之后，所述节流活门在流动方向上布置在所述空气质量测量装置（13）之后，所述进气管在流动方向上布置在所述节流活门（14）之后并且连接在所述内燃机（1）的燃烧室（20）之前，其中，用于所述内燃机（1）的废气（12）的废气再循环管线（28）通入到所述进气管（15）中，其中，所述空气质量测量装置（13）是基于压力的空气质量测量装置（13），并且所述空气质量测量装置设置成用于测量增压压力和增压空气温度的唯一的传感器，其中，所述空气供应系统设置为用于实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。

8.根据权利要求7所述的空气供应系统，其特征在于，如下传感器（29）被连接到所述废气再循环管线（28）中：所述传感器用于直接测量引导通过所述废气再循环管线（28）的废气（12）的质量流mR。

9.一种机器可读的存储介质，在其上存储有计算机程序产品，该计算机程序产品包括机器可读的指令，当在计算机上和/或在控制设备上实施所述机器可读的指令时，所述机器可读的指令促使所述计算机和/或所述控制设备实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。

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