本發(fā)明涉及用于操作具有一個(gè)或多個(gè)氣缸的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法和裝置，該氣缸的每一個(gè)均配置有進(jìn)氣門。

背景技術(shù)：

關(guān)于其中布置有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)動(dòng)車輛的可允許污染物排放的甚至更嚴(yán)格的規(guī)定使得在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的操作期間污染物排放必須保持盡可能地低。這可首先通過減少在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的相應(yīng)氣缸中的空氣/燃料混合物的燃燒期間產(chǎn)生的污染物排放來實(shí)現(xiàn)。其次，在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，使用排氣后處理系統(tǒng)，其將在相應(yīng)氣缸中的空氣/燃料混合物的燃燒過程期間生成的污染物排放轉(zhuǎn)化成非有害物質(zhì)。出于該目的，使用將一氧化碳、烴和氮氧化物轉(zhuǎn)化成非有害物質(zhì)的廢氣催化轉(zhuǎn)化器。

在相應(yīng)氣缸中的燃燒期間生成污染物排放的有針對(duì)性的影響和借由排氣催化轉(zhuǎn)化器高效地轉(zhuǎn)化污染物組分，需要在相應(yīng)氣缸中非常精確地設(shè)定的空氣/燃料比。

例如，進(jìn)入管道模型在以下專業(yè)書籍中描述：“Handbuch Verbrennungsmotor，Grundlagen，Komponenten，Systeme，Perspektiven”[“Internal combustion engine compendium，principles，components，systems，perspectives”]，出版人Richard van Basshuysen / FredSch?fer，第二次改進(jìn)版，2002年6月，F(xiàn)riedrich Vieweg＆Sohn Verlagsgesellschaft mbH，Braunschweig / Wiesbaden，第557至559頁。此外，所述類型的進(jìn)入管道模型也在EP 0820559 B1和EP 0886725 B1中描述。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所基于的目標(biāo)是提供用于操作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法和裝置，該方法和裝置有助于在低排放的條件下的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠操作。

該目標(biāo)借由專利的獨(dú)立權(quán)利要求的特征實(shí)現(xiàn)。有利的改良在從屬權(quán)利要求中體現(xiàn)。

本發(fā)明的特征首先在于用于操作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，其次在于用于操作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)應(yīng)裝置，所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有進(jìn)入道（intake tract）和一個(gè)或多個(gè)氣缸，所述氣缸中的每個(gè)均分配有進(jìn)氣門和出氣門，其中氣體交換閥包括進(jìn)氣門和出氣門。

在第一操作狀態(tài)中，以取決于預(yù)先限定的進(jìn)入管道模型和獨(dú)立于被分配于當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的氣體的溫度測(cè)量值的方式，周期性地確定對(duì)于當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)所述進(jìn)入道中的氣體的模型溫度。以取決于已針對(duì)先前時(shí)間點(diǎn)確定的模型溫度的方式，確定針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型溫度。以取決于針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)確定的模型溫度的方式，在氣體交換閥關(guān)閉之后，確定位于相應(yīng)氣缸中的氣缸空氣質(zhì)量。

第一操作狀態(tài)具體地是瞬態(tài)操作狀態(tài)。先前時(shí)間點(diǎn)具體地分配于先前周期。

進(jìn)入道中的溫度傳感器通常呈現(xiàn)相對(duì)長(zhǎng)的延遲。由于獨(dú)立于被分配到當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的溫度測(cè)量值確定氣缸空氣質(zhì)量，因此可能非?？焖俚卮_定氣缸空氣質(zhì)量，并且促進(jìn)在低排放的條件下的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠操作，因?yàn)闅飧卓諝赓|(zhì)量能夠被用作燃料計(jì)量的基礎(chǔ)。

在又一有利改良中，在第二操作狀態(tài)中，提供氣體的溫度測(cè)量值，其表示當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)時(shí)氣體的溫度。以取決于針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型溫度和所提供的溫度測(cè)量值的方式，確定溫度校正值。所述溫度校正值被分配于所述進(jìn)入管道模型，并且，至少在第一操作狀態(tài)和第二操作狀態(tài)下，以取決于所述溫度校正值的方式借由所述進(jìn)入管道模型確定針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型溫度。

第二操作狀態(tài)具體地是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)操作狀態(tài)。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)操作狀態(tài)的特征例如在于以下事實(shí)：進(jìn)入管道模型的所有輸入信號(hào)在預(yù)先限定的時(shí)間（例如，若干秒）內(nèi)是實(shí)質(zhì)上恒定的。由于氣體的溫度在第二操作狀態(tài)中實(shí)質(zhì)上不變化，因此表示在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)時(shí)的氣體的溫度的氣體的溫度測(cè)量值是例如被分配于當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的氣體的溫度測(cè)量值或分配于先前時(shí)間點(diǎn)的氣體的溫度測(cè)量值。

例如，確定溫度校正值使得模型溫度和溫度測(cè)量值之間的差被最小化。例如，進(jìn)入管道模型的模型變量“節(jié)流閥（throttle flap）質(zhì)量流的溫度”借由溫度校正值來校正。替代性地或額外地，也可能引入其它模型輸入“通過進(jìn)入管道壁的熱流”，其不是物理模擬的，并且借由溫度校正值來校正，使得模型溫度和溫度測(cè)量值之間的差被最小化。以這種方式，可能以特別高的精度確定氣缸空氣質(zhì)量。

在又一有利改良中，在第二操作狀態(tài)中，提供氣體的溫度測(cè)量值，其表示當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)時(shí)氣體的溫度，并且以取決于所提供的溫度測(cè)量值的方式調(diào)整針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型溫度。

在第二操作狀態(tài)中，溫度傳感器的相對(duì)長(zhǎng)的延遲可能不起作用，因?yàn)閭鞲衅鞯闹祵?shí)質(zhì)上不改變。因此，在第二操作狀態(tài)中，模型溫度可能容易地適應(yīng)于溫度測(cè)量值?？梢韵鄳?yīng)地在改變到第一操作狀態(tài)時(shí)利用所述適應(yīng)，因?yàn)樵诘谝徊僮鳡顟B(tài)中，以取決于已經(jīng)針對(duì)先前點(diǎn)確定的模型溫度的方式確定當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型溫度。以此方式，因此可能以特別高的精度確定氣缸空氣質(zhì)量，并且在兩種操作狀態(tài)下都非?？?。

在又一有利改良中，以取決于所提供的溫度測(cè)量值的方式，借助于沿所述溫度測(cè)量值的方向通過預(yù)先限定的因子校正所述模型溫度，調(diào)整針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型溫度。

以此方式，氣缸空氣質(zhì)量的校正可能以特別穩(wěn)健和非常簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行，例如因?yàn)閷?duì)于校正需要非常少的計(jì)算步驟。

在又一有利改良中，以取決于所提供的溫度測(cè)量值的方式，借助于沿所述溫度測(cè)量值的方向以取決于所述模型溫度與所提供的溫度測(cè)量值的差異的大小的方式校正所述模型溫度，調(diào)整針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型溫度。

以此方式，因?yàn)獒槍?duì)校正以簡(jiǎn)單的方式利用該差異，因此氣缸空氣質(zhì)量的校正可能以特別穩(wěn)健和高度精確的方式進(jìn)行。

在又一有利改良中，以取決于預(yù)先限定的進(jìn)入管道模型和獨(dú)立于被分配于當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的氣體的壓力測(cè)量值的方式，針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)周期性地確定所述進(jìn)入道中的模型壓力。以取決于已經(jīng)針對(duì)先前時(shí)間點(diǎn)確定的模型壓力的方式，確定針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型壓力。以取決于針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)確定的模型壓力的方式確定氣缸空氣質(zhì)量。

進(jìn)入道中的壓力傳感器也可能呈現(xiàn)測(cè)量錯(cuò)誤。由于獨(dú)立于被分配于當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的壓力測(cè)量值確定氣缸空氣質(zhì)量，因此可能非?？焖俚卮_定氣缸空氣質(zhì)量，并且可能促進(jìn)在低排放下的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠操作，因?yàn)闅飧卓諝赓|(zhì)量能夠被用作燃料計(jì)量的基礎(chǔ)。

在又一有利改良中，在第二操作狀態(tài)中，提供氣體的壓力測(cè)量值，其表示當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)處氣體的壓力。以取決于針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型壓力和所提供的壓力測(cè)量值的方式確定壓力校正值。所述壓力校正值被分配于所述進(jìn)入管道模型,并且，至少在所述第一操作狀態(tài)和第二操作狀態(tài)下，以取決于所述壓力校正值的方式借由所述進(jìn)入管道模型確定針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型壓力。

例如，借由使模型壓力和壓力測(cè)量值之間的差異最小化來確定壓力校正值。例如，借由壓力校正值校正表示節(jié)流閥的有效橫截面面積的進(jìn)入管道模型的模型值，使得模型壓力和壓力測(cè)量值之間的差異被最小化。以此方式，氣缸空氣質(zhì)量能夠以特別高的精確度確定。

在又一有利改良中，在第二操作狀態(tài)中，提供氣體的壓力測(cè)量值，其表示當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)時(shí)氣體的壓力，并且以取決于所提供的壓力測(cè)量值的方式調(diào)整針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型壓力。

由于氣體的壓力在第二操作狀態(tài)中實(shí)質(zhì)上不變化，因此表示在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)時(shí)的氣體壓力的氣體的壓力測(cè)量值是例如被分配于當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的氣體的壓力測(cè)量值或分配于先前時(shí)間點(diǎn)的氣體的壓力測(cè)量值。

在第二操作狀態(tài)中，壓力傳感器的值實(shí)質(zhì)上不改變。因此，在第二操作狀態(tài)中，可能容易地使模型壓力適應(yīng)于壓力測(cè)量值?？梢韵鄳?yīng)地在改變到第一操作狀態(tài)時(shí)利用所述適應(yīng)，因?yàn)樵诘谝徊僮鳡顟B(tài)中，以取決于已經(jīng)針對(duì)先前時(shí)間點(diǎn)確定的模型壓力的方式確定模型壓力。以此方式，可能以特別高的精度確定氣缸空氣質(zhì)量，并且在兩種操作狀態(tài)下都非?？臁?/p>

在又一有利改良中，以取決于所提供的壓力測(cè)量值的方式，借助于沿所述壓力測(cè)量值的方向通過預(yù)先限定的因子校正所述模型壓力，調(diào)整針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型壓力。

以此方式，氣缸空氣質(zhì)量的校正可能以特別穩(wěn)健和非常簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行，例如因?yàn)樾Ｕ枰浅Ｉ俚挠?jì)算步驟。

在又一有利改良中，以取決于所提供的壓力測(cè)量值的方式，借助于沿所述壓力測(cè)量值的方向以取決于所述模型壓力與所提供的壓力測(cè)量值的差異的大小的方式校正所述模型壓力的方式，調(diào)整針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型壓力。

以此方式，因?yàn)獒槍?duì)校正以簡(jiǎn)單的方式利用該差異，因此氣缸空氣質(zhì)量的校正可能以特別穩(wěn)健和高度精確的方式進(jìn)行。

附圖說明

將在下文基于示意性附圖更加詳細(xì)地討論本發(fā)明的示例性實(shí)施例，附圖中：

圖1示出帶有相關(guān)聯(lián)的控制裝置的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，

圖2示出內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)入道的細(xì)節(jié)，以及

圖3示出應(yīng)用于函數(shù)x(t)的梯形積分公式。

貫穿附圖，具有等同構(gòu)造或功能的元件由相同的附圖標(biāo)記指代。

具體實(shí)施方式

內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括進(jìn)入道1、發(fā)動(dòng)機(jī)本體（engine block）2、氣缸蓋3以及排出道4。

進(jìn)入道1優(yōu)選地包括節(jié)流閥5、歧管6以及進(jìn)入管道7，該進(jìn)入管道7經(jīng)由進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)本體2的燃燒室9內(nèi)的進(jìn)入管通向氣缸Z1。發(fā)動(dòng)機(jī)本體2包括借由連接桿10聯(lián)接到氣缸Z1的活塞11的曲軸8。除氣缸Z1之外，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)選地還包括氣缸Z2、Z3、Z4。然而，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)也可以包括任何其它期望數(shù)量的氣缸。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)選地布置在機(jī)動(dòng)車輛中。

在氣缸蓋3中，優(yōu)選地布置有噴射閥18和火花塞19。替代性地，噴射閥18也可以布置在進(jìn)入管道7中。

在排出道4中，優(yōu)選地布置有呈三元催化轉(zhuǎn)化器形式的排氣催化轉(zhuǎn)化器21。

此外，也可以提供相調(diào)節(jié)器件，其例如聯(lián)接到曲軸8和聯(lián)接到進(jìn)氣凸輪軸。進(jìn)氣凸輪軸聯(lián)接到相應(yīng)氣缸的進(jìn)氣門12。相調(diào)節(jié)器件被設(shè)計(jì)成容許進(jìn)氣凸輪軸相對(duì)于曲軸8的相的調(diào)節(jié)。此外，相調(diào)節(jié)器件可以基本上替代性地或額外地也被設(shè)計(jì)成調(diào)節(jié)出氣凸輪軸相對(duì)于曲軸8的相，其中出氣凸輪軸聯(lián)接到出氣門13。

此外，也可能的是，在進(jìn)入道1中提供切換瓣（switching flap）或用于改變進(jìn)入管道有效長(zhǎng)度的一些其它切換機(jī)構(gòu)。此外，例如也可能提供一個(gè)或多個(gè)渦旋瓣。

此外，也可能提供增壓器，其可以例如呈排氣渦輪增壓器的形式并因此包括渦輪和壓縮機(jī)。

提供控制裝置25，其配置有傳感器，該傳感器檢測(cè)各種測(cè)量變量并在每種情況中確定測(cè)量變量的測(cè)量值。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的操作變量包括測(cè)量變量和源于測(cè)量變量的變量?？刂蒲b置25被設(shè)計(jì)成以取決于至少一個(gè)測(cè)量變量的方式確定控制變量，然后借由對(duì)應(yīng)的控制驅(qū)動(dòng)器將該控制變量轉(zhuǎn)化為用于控制控制元件的一個(gè)或多個(gè)控制信號(hào)?？刂蒲b置25也可以被稱為用于操作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的裝置。所述傳感器例如是：踏板位置變換器（transducer）26，其檢測(cè)加速器踏板27的加速器踏板位置；空氣質(zhì)量傳感器28，其檢測(cè)節(jié)流閥5的上游的空氣質(zhì)量流；節(jié)流閥位置傳感器30，其檢測(cè)節(jié)流閥5的打開程度；環(huán)境壓力傳感器32，其檢測(cè)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)周圍中的環(huán)境壓力；進(jìn)入管道壓力傳感器34，其檢測(cè)歧管6中的進(jìn)入管道壓力；曲軸角度傳感器36，其檢測(cè)曲軸角度，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的速度然后被賦予該曲軸角度。此外，提供排氣探針42，其布置在排氣催化轉(zhuǎn)化器21的上游并且其例如檢測(cè)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣的殘余氧含量，并且其測(cè)量信號(hào)表示在燃燒之前排氣探針42的上游的空氣/燃料比。對(duì)于進(jìn)氣凸輪軸和/或出氣凸輪軸的位置的檢測(cè)，可以提供進(jìn)氣凸輪軸傳感器和/或出氣凸輪軸傳感器。此外，優(yōu)選的是提供檢測(cè)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境溫度的溫度傳感器，和/或提供另一溫度傳感器，其測(cè)量信號(hào)表示進(jìn)入道1中的進(jìn)入氣體溫度，該溫度也能夠被稱為進(jìn)入管道溫度。此外，也可能的是提供排氣壓力傳感器，其測(cè)量信號(hào)表示排氣歧管壓力，也就是說排氣道4中的壓力。

取決于實(shí)施例，可以提供所陳述的傳感器中的任何期望子集，或者也可以提供額外傳感器。

控制元件例如是節(jié)流閥5、進(jìn)氣門12和出氣門13、噴射閥18或相調(diào)節(jié)器件或火花塞19或排氣再循環(huán)閥。

空氣-燃料比，（也就是說參與氣缸中的燃燒的空氣質(zhì)量m_air,cyl（其也能夠被稱為氣缸空氣質(zhì)量）與參與氣缸中的燃燒的燃料質(zhì)量m_fuel之比）對(duì)于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放而言是重要的影響因素?；诙鄠€(gè)可用變量在控制裝置（發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元）中估計(jì)氣缸空氣質(zhì)量m_air,cyl并且將其用作燃料計(jì)量的基礎(chǔ)。為了符合當(dāng)前和未來的污染物排放限制值，在所有穩(wěn)定狀態(tài)和瞬態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件下，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中氣缸空氣質(zhì)量必須精確已知到百分之幾內(nèi)。

位于進(jìn)入道1中的氣體的壓力和溫度（進(jìn)入管道壓力p_im和進(jìn)入管道溫度T_im）是由發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的氣缸空氣質(zhì)量m_air,cyl的主要影響因素，并且為了在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中準(zhǔn)確估計(jì)氣缸空氣質(zhì)量，其必須在最大的可能的精確性的條件下已知。

進(jìn)入管道壓力p_im也可以被稱為進(jìn)入道1中氣體的模型壓力。進(jìn)入管道溫度T_im也可以被稱為進(jìn)入道1中氣體的模型溫度。

現(xiàn)代內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)踐中通常裝備有其它溫度傳感器以便測(cè)量進(jìn)入道1中的氣體溫度，其也能夠被稱為進(jìn)入管道溫度傳感器。用于連續(xù)使用的通常的進(jìn)入管道溫度傳感器在時(shí)間常數(shù)處于5秒的范圍中的情況下呈現(xiàn)強(qiáng)PT1特性。此外，現(xiàn)代內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)踐中通常裝備有進(jìn)入管道壓力傳感器34和/或空氣質(zhì)量傳感器28，其中在每種情況下均帶有可忽略的時(shí)間常數(shù)（若干毫秒）。在此，或者可能將所測(cè)量的進(jìn)入管道壓力p_im,mes直接用作用于確定氣缸空氣質(zhì)量的模型輸入，或者借助于狀態(tài)觀察者建模（通常被稱為進(jìn)入管道模型），并且用所測(cè)量的進(jìn)入管道壓力p_im,mes調(diào)整的進(jìn)入管道壓力p_im,mdl或者所測(cè)量的空氣質(zhì)量流_air,mes用作用于確定氣缸空氣質(zhì)量的模型輸入。此外，進(jìn)入管道溫度能夠被用作用于確定氣缸空氣質(zhì)量的模型輸入。在此，或者直接使用所測(cè)量的進(jìn)入管道溫度T_im,mes，或者使用校正的進(jìn)入管道溫度T_im,mdl，為此測(cè)量值通過校正擴(kuò)大以便描述溫度傳感器與進(jìn)氣門之間的穩(wěn)態(tài)預(yù)熱（steady-state warm-up）效應(yīng)。

這具有以下結(jié)果：盡管進(jìn)入管道壓力的所有測(cè)量的/觀察的變化都迅速（也就是說帶有幾毫秒的延遲）結(jié)合到氣缸空氣質(zhì)量的建模中，然而進(jìn)入管道溫度的變化在若干秒的時(shí)間常數(shù)的情況下僅緩慢地與由傳感器預(yù)先限定的動(dòng)力學(xué)結(jié)合。

下文將解釋如何能夠促進(jìn)精確地和快速地對(duì)進(jìn)入管道壓力p_im和進(jìn)入管道溫度T_im由于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的波動(dòng)的致動(dòng)器位置導(dǎo)致的變化進(jìn)行建模，也就是說沒有由于溫度傳感器的長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)導(dǎo)致的延遲。具體地，以此方式建模的進(jìn)入管道溫度能夠比借由可用于成批生產(chǎn)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度傳感器檢測(cè)到的測(cè)量值更迅速地獲得。以此方式，改進(jìn)了氣缸空氣質(zhì)量m_air,cyl的建模，并且因此促進(jìn)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放的減少。

系統(tǒng)限制和先決條件

被考慮的系統(tǒng)包括內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)入道1，并且氣體位于進(jìn)入道1中。所述系統(tǒng)由進(jìn)入管道壁、內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸Z1到Z4的進(jìn)氣門13、節(jié)流閥5和諸如例如用于油箱通風(fēng)、曲軸箱通風(fēng)或燃油噴射的任何其它氣體質(zhì)量流的進(jìn)氣口界定。建模遵循0D考慮；在進(jìn)入道1的位置之間沒有差別。

在帶有恒定容積v_im的進(jìn)入道1中，存在帶有當(dāng)前進(jìn)入管道壓力p_im和當(dāng)前進(jìn)入管道溫度T_im（圖2）的氣體質(zhì)量m_im。應(yīng)用普適氣體方程：

。

考慮質(zhì)量流

在通常情況下，存在來自帶有已知?dú)怏w狀態(tài)的q源（也就是說源壓力p_0,1、p_0,2、…p_0,q和源溫度T_0,1、T_0,2、…T_0,q）的多個(gè)質(zhì)量流入_in,1、_in,2、…_in,q，其受到進(jìn)入管道壓力影響。所述q質(zhì)量流入經(jīng)由帶有有效橫截面面積A_in,1、A_in,2、…A_in,q的q節(jié)流點(diǎn)流入進(jìn)入道1中：

其中：_in,1-質(zhì)量流，T_0,1–節(jié)流點(diǎn)上游的溫度，p_0,1–經(jīng)由第i個(gè)節(jié)流點(diǎn)流入的氣體的節(jié)流點(diǎn)上游的壓力,

溫度因子，其中κ–等熵指數(shù)，R=c_p-c_v –比氣體常數(shù)，c_p –恒定壓力下的比熱容量，c_v –流入氣體的恒定體積下的比熱容量,

在第i個(gè)節(jié)流點(diǎn)處的壓力比，

。

對(duì)于操作點(diǎn)Π_i，在第i個(gè)節(jié)流點(diǎn)處的通流系數(shù)能夠被線性化為

為了簡(jiǎn)化，對(duì)于所有流入進(jìn)入道1的氣體，假設(shè)等熵指數(shù)、氣體常數(shù)和熱容量中的每一者均是一致的值。

進(jìn)入管道壓力影響所述質(zhì)量流入

? 因?yàn)榇┻^相應(yīng)節(jié)流點(diǎn)的壓力比Π_i可能至少在某些操作狀態(tài)下是亞臨界的，即其中Π_i≥0.53,

? 因?yàn)橛谑歉鶕?jù)方程((5))，通流系數(shù)Ψ(Π_i)取決于進(jìn)入管道壓力p_im，并且

? 因?yàn)樗鲑|(zhì)量流旨在作為進(jìn)入管道壓力的函數(shù)（不僅僅作為值）被結(jié)合在進(jìn)入管道模型中。

受進(jìn)入管道壓力影響的流入進(jìn)入道1中的流入的示例是外部排氣再循環(huán)布置的質(zhì)量流、曲軸箱通風(fēng)質(zhì)量流、油箱通風(fēng)質(zhì)量流以及節(jié)流閥質(zhì)量流，在實(shí)際中節(jié)流閥質(zhì)量流在所有操作狀態(tài)中均為主導(dǎo)。重要的是，所述流入根據(jù)進(jìn)入管道壓力p_im線性化，也就是說能夠以以下形式表示為進(jìn)入管道壓力的線性函數(shù)：_in,i=L_in,i*p_im+K_in,i,其中i∈1…q。

在一般情況下，存在受進(jìn)入管道壓力p_im影響的進(jìn)入s個(gè)不同槽（sink）中的多個(gè)質(zhì)量流出。來自進(jìn)入道1的流出的示例是在增壓操作期間的泄漏質(zhì)量流和進(jìn)氣門質(zhì)量流，其中在實(shí)際中進(jìn)氣門質(zhì)量流在所有操作狀態(tài)下均為主導(dǎo)。就實(shí)踐而言，在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)無故障地操作的情況下，僅存在一個(gè)質(zhì)量流流出進(jìn)入道1，即在進(jìn)氣沖程中相應(yīng)地進(jìn)入氣缸中的進(jìn)氣門質(zhì)量流。此后這將被稱為流出質(zhì)量流_out。這在相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)操作點(diǎn)處根據(jù)進(jìn)入管道壓力p_im被線性化，也就是說，被近似為帶有參數(shù)η_slope、η_offset（體積效率的梯度和偏移）的進(jìn)氣管壓力p_im的線性函數(shù):

偏移的負(fù)號(hào)不是必須的。

在一般情況下，存在其它質(zhì)量流入_{in, q+1}、_{in, q+2}…_{in, q+r}，其不受來自帶有已知?dú)怏w狀態(tài)（也就是說源壓力p_0,q+1、p_0,q+2、… p_0,q+r和源溫度T_0,q+1、T_0,q+2、… T_0,q+r）的r個(gè)源的進(jìn)入管道壓力 p_im的影響。為此對(duì)應(yīng)地應(yīng)用方程((2))到((6))。所述質(zhì)量流入不受進(jìn)入管道壓力 p_im影響

- 因?yàn)榛蛘叽┻^相應(yīng)節(jié)流點(diǎn)的壓力比在所有操作狀態(tài)下是超臨界的，即Π_i < 0.53，于是根據(jù)方程((5))通流系數(shù)Ψ是恒定的，并且能夠獨(dú)立于進(jìn)入管道壓力p_im（例如，在用于CNG的氣體噴射閥處）計(jì)算流入質(zhì)量流的相應(yīng)值，或者

– 因?yàn)楸M管在節(jié)流點(diǎn)處可能有亞臨界壓力比Π_i ≥ 0.53，但作為模型簡(jiǎn)化，基于進(jìn)入管道模型外側(cè)的進(jìn)入管道壓力p_{im, n-1}的舊值計(jì)算相關(guān)聯(lián)的質(zhì)量流，并且然后僅作為值（不作為進(jìn)入管道壓力的函數(shù)）結(jié)合入進(jìn)入管道模型中。

在進(jìn)入道1中，質(zhì)量守恒定律（質(zhì)量平衡）總體上適應(yīng)于s個(gè)流出且特別地適用于一個(gè)流出。下文在不限制一般性的情況下，將僅考慮一個(gè)流出：

。

建模

進(jìn)入道1中帶有恒定體積V_im的氣體的焓H_im等于進(jìn)氣管1中氣體的位移功V_im·p_im、熱能W_therm、勢(shì)能W_pot以及動(dòng)能W_kin的總和：

。

能夠忽略進(jìn)入道 1中氣體的勢(shì)能W_pot，因?yàn)檫M(jìn)氣管進(jìn)氣口和出氣口之間不存在顯著的高度差異，并且由于氣體的相對(duì)低的密度，氣體的勢(shì)能總體上可忽略。在與內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的操作相關(guān)的壓力和溫度范圍中，進(jìn)入管道中氣體的動(dòng)能W_kin比氣體的相應(yīng)位移功和熱能小至少100倍，并且因此也能夠被忽略。因此，進(jìn)入道1中氣體的焓可計(jì)算為

其中：T_im –溫度，m_im－進(jìn)入道1中氣體的質(zhì)量。

對(duì)于作為帶有q+r流入和一個(gè)流出的開放系統(tǒng)的進(jìn)氣道1而言，忽略通過進(jìn)入管道壁的熱傳遞（其將在下文再次進(jìn)一步討論），焓平衡為如下：

其中：h_in,i－比焓，v_in,i–流速，z_in,i –第i個(gè)質(zhì)量流入的高度，h_out －比焓，v_out –流速，z_out －質(zhì)量流出的高度，g –重力加速度。

由于上文所述的忽略進(jìn)氣道1中的氣體的動(dòng)能和勢(shì)能，因此忽略了流速和高度，并且方程((11))被簡(jiǎn)化為

。

流出質(zhì)量具有進(jìn)入管道溫度T_im，并且因此流出質(zhì)量流的比焓是

。

流入質(zhì)量在每種情況下均具有其源的溫度T_0,i，并且因此第i個(gè)流入質(zhì)量流的比焓是

。

將方程((10))、((13))和((14))插入方程((12))中產(chǎn)生

。

由于恒定進(jìn)入管道容積，因此p_im·=0?？紤]((1))、((2))、((4))和((8))的函數(shù)相關(guān)性，通過重新排列可從((15))獲得

變量進(jìn)入管道壓力p_im和進(jìn)入管道溫度T_im的第一隱式第一階微分方程。

針對(duì)進(jìn)入道1中的氣體的普適氣體方程((1))關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)產(chǎn)生

。

由于恒定進(jìn)入管道容積，因此p_im·=0?？紤]((1))、((2))、((4))和((8))的函數(shù)相關(guān)性，可從((17))獲得

變量進(jìn)入管道壓力p_im和進(jìn)入管道溫度T_im的第二隱式第一階微分方程。

模型的離散化

重新排列變量進(jìn)入管道壓力p_im和進(jìn)入管道溫度T_im的兩個(gè)一階微分方程((16))和((18))，使得一方面，進(jìn)入管道壓力梯度得以消除，并且另一方面，進(jìn)入管道溫度梯度得以消除。

方程((18)) - ((16))的差消除了進(jìn)入管道壓力梯度。在插入質(zhì)量平衡((8))之后，針對(duì)重新排列，產(chǎn)生

。

針對(duì)模型關(guān)于時(shí)間的離散化，將通常適用的梯形積分公式（參見圖3）應(yīng)用于進(jìn)入管道溫度T_im。

并且其中取樣時(shí)間t_s = t_n - t_n-1：

。

舊進(jìn)入管道溫度T_im,n-1和舊進(jìn)入管道溫度梯度是在時(shí)間點(diǎn)n處從先前計(jì)算步驟n-1已知的值。通過將方程((19))插入((21))中，進(jìn)入管道溫度梯度 也被消除:

。

針對(duì)時(shí)間點(diǎn)n，帶有在計(jì)算開始時(shí)已知的值的項(xiàng)被組合，以便進(jìn)一步簡(jiǎn)化推導(dǎo)：

。

根據(jù)方程((1))，替代方程((22))中進(jìn)入道1中的當(dāng)前氣體質(zhì)量

將使T_im的線性方程((22))復(fù)雜化為具有二次項(xiàng)T_im²。由于進(jìn)入道1中的氣體質(zhì)量不能夠突然變化并且在計(jì)算步驟中僅相對(duì)小地變化，因此為了簡(jiǎn)化方程((22))，在不極大地喪失精確性的情況下，可能用在先前計(jì)算步驟中確定的舊氣體質(zhì)量替代當(dāng)前未知?dú)怏w質(zhì)量m_im：

。

針對(duì)時(shí)間點(diǎn)n，帶有在計(jì)算開始時(shí)已知的值的項(xiàng)被組合，以便進(jìn)一步簡(jiǎn)化推導(dǎo)：

。

受進(jìn)入管道壓力影響的q個(gè)流入和不受進(jìn)入管道壓力影響的r個(gè)流入被分開書寫:

。

針對(duì)時(shí)間點(diǎn)n，帶有在計(jì)算開始時(shí)已知的值的項(xiàng)被組合，以便進(jìn)一步簡(jiǎn)化推導(dǎo)：

。

在((27))中按照方程((2))取代受到進(jìn)入管道壓力影響的流入，產(chǎn)生

。

在((30))中按照方程((4))和((6))取代第i個(gè)節(jié)流點(diǎn)處的通流系數(shù)，產(chǎn)生

和

。

針對(duì)時(shí)間點(diǎn)n，帶有在計(jì)算開始時(shí)已知的值的項(xiàng)被組合，以便進(jìn)一步簡(jiǎn)化推導(dǎo)：

。

方程((33))因此簡(jiǎn)化為

并進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

。

類似于在等式((19))以及下列等等中進(jìn)入管道壓力梯度的消除，在第二平行變換中從方程組((16)), ((18))消除進(jìn)入管道溫度梯度。將方程((16))乘以比氣體常數(shù)R，產(chǎn)生

。

將方程((18))乘以比熱容量c_v，產(chǎn)生

。

求方程((40))與((41))的和，產(chǎn)生

并且，考慮比氣體常數(shù)的定義R = c_p - c_v，

。

將通常適用的梯形積分公式((20))應(yīng)用于進(jìn)入管道壓力p_im，其中取樣時(shí)間t_s = t_n - t_n-1：

。

舊進(jìn)入管道壓力p_im,n-1和舊進(jìn)入管道壓力梯度是在時(shí)間點(diǎn)n處從先前計(jì)算步驟n-1已知的值。通過將方程((43))插入((44))中，進(jìn)入管道壓力梯度 也被消除：

。

針對(duì)時(shí)間點(diǎn)n，帶有在計(jì)算開始時(shí)已知的值的項(xiàng)被組合，以便進(jìn)一步簡(jiǎn)化推導(dǎo)：

。

受進(jìn)入管道壓力影響的q個(gè)流入和不受進(jìn)入管道壓力影響的r個(gè)流入被分開書寫:

按照方程((7))替代流出質(zhì)量流并按照方程((2))替代流入質(zhì)量流，產(chǎn)生

在((49))中按照方程((4))和((6))取代第i個(gè)節(jié)流點(diǎn)處的通流系數(shù)，產(chǎn)生

((50)) 和

。

針對(duì)時(shí)間點(diǎn)n，帶有在計(jì)算開始時(shí)已知的值的項(xiàng)被組合，以便進(jìn)一步簡(jiǎn)化推導(dǎo)：

。

方程((51)) 因此簡(jiǎn)化為

并進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

。

方程組的解

方程((39))和((58))形成呈以下形式的變量進(jìn)入管道壓力p_im和進(jìn)入管道溫度T_im的方程組

其中

。

方程((59))和((60))之差在當(dāng)前操作點(diǎn)處產(chǎn)生線性化進(jìn)入管道模型

。

對(duì)于b = e，根據(jù)方程((61))，任何進(jìn)入管道溫度變化均不將產(chǎn)生進(jìn)入管道壓力的變化，這與普適氣體方程((1))相矛盾。因此，b = e的情況在物理上不相關(guān)。對(duì)于b ≠ e，方程((61))能夠被重新排列為

。

將方程((62))插入方程((59))或((60))中的任一者中，在每種情況下均產(chǎn)生

。

對(duì)于a = d，根據(jù)方程((61))，任何進(jìn)入管道壓力變化均不將產(chǎn)生進(jìn)入管道溫度的變化，這與普適氣體方程((1))相矛盾。因此，a = d的情況也在物理上不相關(guān)。對(duì)于a ≠ d，方程((63))能夠被重新排列為

。

二次方程的解公式

總是針對(duì)時(shí)間點(diǎn)n對(duì)于實(shí)際相關(guān)情況產(chǎn)生兩個(gè)解。由于進(jìn)入管道壓力實(shí)際上存在連續(xù)性，作為對(duì)于時(shí)間點(diǎn)n進(jìn)入管道壓力的近似，在每種情況下使用更接近針對(duì)時(shí)間點(diǎn)n-1的舊解的解。

總之，針對(duì)時(shí)間點(diǎn)n，根據(jù)方程((60))、((62))和((65))，進(jìn)入管道壓力p_im和進(jìn)入管道溫度T_im被建模成

和

其中

。

用所測(cè)量的氣體狀態(tài)調(diào)整進(jìn)入管道模型

在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)操作中，也就是說，在進(jìn)入進(jìn)入管道模型中的所有輸入信號(hào)均已經(jīng)實(shí)質(zhì)上恒定若干秒之后，有利的是如果進(jìn)入管道模型輸出能夠借由傳感器測(cè)量的進(jìn)入管道壓力p_im,mdl = p_im,mes和能夠測(cè)量的進(jìn)入管道溫度T_im,mdl = T_im,mes的情況。由方程((66))和((67))提供的進(jìn)入管道模型的形式不能夠確保這些，因?yàn)檫@些形式不依賴于所測(cè)量的進(jìn)入管道壓力p_im,mes或測(cè)量的進(jìn)入管道溫度T_im,mes。具體地，如在方程((11))中假設(shè)的，忽略通過進(jìn)入管道壁的熱傳遞，在穩(wěn)態(tài)下顯著地歪曲了進(jìn)入管道模型。然而，為了在穩(wěn)態(tài)下調(diào)整測(cè)量值和模型輸出，三種方法是可能的：

1. 觀察者校正：例如，可以自動(dòng)校正模型的一個(gè)或多個(gè)輸入，使得模型偏差T_im,mes - T_im,mdl和/或p_im,mes - p_im,mdl最小化。

出于該目的，在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)操作中，提供氣體的溫度測(cè)量值，其代表當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)處的氣體的溫度。根據(jù)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型溫度和所提供的溫度測(cè)量值，確定溫度校正值。溫度校正值被分配于進(jìn)入管道模型，并且至少在瞬態(tài)操作和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)操作中，以取決于溫度校正值的方式借由進(jìn)入管道模型確定用于當(dāng)前狀態(tài)的模型溫度。

例如，確定溫度校正值使得模型溫度和溫度測(cè)量值之間的差異最小化。例如，借由溫度校正值校正進(jìn)入管道模型的模型變量“節(jié)流閥質(zhì)量流的溫度”。替代性地或額外地，也可能引入額外的模型輸入“通過進(jìn)入管道壁的熱流”，其不是物理建模的，并且借由溫度校正值來校正，使得模型溫度和溫度測(cè)量值之間的差異最小化。

替代性地或額外地，在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)操作中，提供氣體的壓力測(cè)量值，其代表當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)處的氣體的壓力。根據(jù)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型壓力和所提供的壓力測(cè)量值，確定壓力校正值。壓力校正值被分配于進(jìn)入管道模型，并且至少在第一操作狀態(tài)和第二操作狀態(tài)中，以取決于壓力校正值的方式借由進(jìn)入管道模型確定用于當(dāng)前狀態(tài)的模型壓力。

例如，確定壓力校正值使得模型壓力和壓力測(cè)量值之間的差異最小化。例如，借由壓力校正值校正表示節(jié)流閥的有效橫截面面積的進(jìn)入管道模型的模型變量，使得模型壓力和壓力測(cè)量值之間的差異最小化。

2. 增量式模型校正：替代性地或額外地，以取決于所提供的溫度測(cè)量值和/或壓力測(cè)量值的方式，借助于模型溫度和/或模型壓力沿溫度測(cè)量值和/或壓力測(cè)量值的方向校正預(yù)先限定的因子來調(diào)整針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型溫度和/或模型壓力。出于該目的，具體地，在每個(gè)采樣步驟中，使來自等式((66))、((67))的模型輸出T_im,mdl和p_im,mdl沿測(cè)量值的方向移動(dòng)待標(biāo)定的預(yù)先限定的增量T_im,inc和p_im,inc：

。

進(jìn)入管道模型((66))、((67))的參數(shù)必須被對(duì)應(yīng)地校正：

。

3. 比例式模型校正：替代性地或額外地，以取決于所提供的溫度測(cè)量值和/或壓力測(cè)量值的方式，借助于沿溫度測(cè)量值的方向以取決于模型溫度和所提供的溫度測(cè)量值的差的大小的方式校正模型溫度和/或借助于沿壓力測(cè)量值的方向以取決于模型壓力和所提供的壓力測(cè)量值的差的大小的方式校正模型壓力，調(diào)整針對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的模型溫度和/或模型壓力。因此，具體地，在每個(gè)采樣步驟中，使來自方程((66))、((67))的模型輸出T_im,mdl和p_im,mdl沿測(cè)量值的方向移動(dòng)模型誤差FT_im,inc和Fp_im,inc的待標(biāo)定部分：

。

進(jìn)入管道模型((66))、((67))的參數(shù)必須被對(duì)應(yīng)地校正：

。

相比于基于使用可用于成批生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度傳感器的測(cè)量可能實(shí)現(xiàn)的，用所提出的方法，在成批生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中可能更準(zhǔn)確地描述進(jìn)入道1中的氣體的溫度的快速變化對(duì)氣缸空氣質(zhì)量的影響。借由更精確的燃料計(jì)量（由于更準(zhǔn)確地確定氣缸空氣質(zhì)量），可能減少內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放。

控制裝置25被設(shè)計(jì)為執(zhí)行上文描述的過程，并且因此具體地確定在氣體交換閥關(guān)閉之后位于相應(yīng)氣缸中的氣缸空氣質(zhì)量。

在該背景中，所述控制裝置具體地被設(shè)計(jì)成在考慮到上文討論的其它方法的情況下執(zhí)行在“發(fā)明內(nèi)容”下描述的過程。出于該目的，所述控制裝置具體地具有程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及對(duì)應(yīng)的計(jì)算單元，諸如微處理器。