CN101326359A - 用于确定燃油喷射压力的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于确定燃油喷射压力或检测内燃发动机的燃油喷射过程中的偏差的方法,所述内燃发动机包括凸轮轴(10),所述凸轮轴(10)促动发动机的燃油喷射设备的至少一个燃油喷射器。所述方法包括如下步骤:确定值T,该值T代表了在凸轮轴(10)上生成的转矩,例如是凸轮轴(10)的瞬时转矩或转速,所述转矩是由所述的至少一个燃油喷射器在所述的内燃发动机的运行阶段期间施加在凸轮轴(10)上的加速力和减速力的结果。所述方法还包括对于任何增加、减少或不规则性,监测值T的步骤。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定燃油喷射压力或检测内燃机的燃油喷射设备中的偏差的方法。
背景技术
燃油喷射设备使用在内燃机中,以输送燃油且帮助正确地形成进气/燃油的混合物。燃油变为细微的喷雾且直接喷射到内燃机的气缸(多个气缸)内。以正确的方式喷射燃油对于维持有效的燃烧、良好的燃油经济性和低的污染物排放是重要的。例如燃油喷射设备的燃油喷射器的阻塞、磨损和泄漏的问题难于检测,且拆卸燃油喷射设备以检测其是否正确地运行是耗时且昂贵的。
发明内容
本发明的目的是提供用于确定燃油喷射压力或检测内燃机的燃油喷射过程中的偏差的方法,所述内燃机包括至少一个凸轮轴,该凸轮轴例如通过摇臂促动至少一个燃油喷射器。
此目的通过包括以下步骤的方法实现:确定,即测量或计算代表了在凸轮轴上生成的转矩的值T。值T例如是凸轮轴的瞬时转矩或转速,且所述的转矩部分地是由所述的至少一个燃油喷射器在所述的内燃机的运行阶段期间施加在凸轮轴上的加速力和减速力的结果。所述方法也包括监测值T的步骤,即确定至少一个值T,以检测任何增加、减少或不规则性,这是因为如果燃油喷射设备正确地运行,则所述的至少一个值应对应于新制造的或调试的发动机的转矩。
在燃油喷射设备功能中的故障或不规则性将导致在凸轮轴上生成的转矩的降低、增加或不规则性,这是因为用于喷射燃油的能量与通过凸轮轴传递的机械能成比例。在燃油从燃油喷射器排出到内燃机的一个或多个气缸内之前在燃油喷射器内建立了喷射压力。当燃油喷射器内的压力增加时,在凸轮轴上施加了减速力,从而导致凸轮轴减速。一旦燃油从燃油喷射器排出,则在燃油喷射器内侧的压力降低,且在驱动系统内的能量释放,从而导致凸轮轴加速。
根据本发明的实施例,所述方法包括使用值T来确定由所述的至少一个燃油喷射器施加在凸轮轴上的力是否对应于指示燃油喷射设备的正确运行的预先确定的值的步骤。
根据本发明的实施例,所述的预先确定的值是代表了当所述的至少一个燃油喷射器正确地运行时在凸轮轴上的转矩的参考值Tref。可以对于某些发动机情况建立理想的转矩。确定的转矩(即T的测量值或计算值)与理想的转矩的对比给出了对于内燃机的燃油喷射设备是否完成了希望的要求的指示。
根据本发明的另一个实施例,所述方法包括如下步骤,即:为凸轮轴或布置为与凸轮轴一起旋转的部件提供例如沟槽或齿的至少一个旋转参考物,且感测所述的至少一个旋转参考物的通过以测量凸轮轴的转速。
在发动机具有多于一个的燃油喷射器的情况中,T值的曲线,即凸轮轴速度/转矩的曲线将包括峰值,该峰值的最大值对应于燃油从每个燃油喷射器的释放。通过确定或描绘值T作为凸轮轴转角的函数,可以确定在给定的凸轮轴转角下哪个燃油喷射器正在向内燃机的气缸(多个气缸)内喷射燃油,这是因为内燃机的气缸的发火次序是已知的,且特定的燃油喷射器将燃油喷射到特定的气缸或特定的多个气缸内。单独的T值可以因此分配到燃油喷射器的每个。本发明的方法因此可以不仅用于指示内燃机的一个或多个燃油喷射器是否存在故障,而且可以用于严格地指示哪个燃油喷射器(多个燃油喷射器)处于故障,这便于维修和维护工作。
根据本发明的进一步的实施例,T值被持续地确定或在凸轮轴的一个或多个转角处被确定。例如,多个T值,例如最大T值或最小T值,可以在凸轮轴的一个完整转的至少一部分期间确定,或在多个转期间确定。根据本发明的实施例,转矩(T值)可以在内燃机的使用期间规则地或不规则地被测量或计算,且被记录以提供涉及燃油喷射设备的性能与时间关系的信息。当内燃机使用时,可以研究记录以确认是否需要对燃油喷射设备进行任何维修工作。
根据本发明的实施例,T值通过如下方式确定:产生包括所述内燃机的所述运行阶段的采样周期期间的凸轮轴的瞬时速度的代表值的速度向量;从该速度向量确定在所述采样周期期间的凸轮轴平均速度n;确定代表了速度向量在x*n的频率下的频率贡献(contribution)的值Px,其中x是预先选定的阶次;和产生代表了在所述采样周期期间凸轮轴上的转矩的所述的T值,其中T从包括多项式的数学表达式中得到,所述的多项式具有至少k*n*Px的项,其中k是多项式常数。
这提供了转矩的有益的测量值,其优点是可应用于其中内燃机处于使用中的情况,例如当包含所述内燃机的车辆处于负载下,例如在正常的驱动情况期间。该转矩测量值提供的优点还有可使用相对地小的采样数且使用相对地少的计算来执行,这意味着计算可以迅速地进行而不要求不合理的处理器容量、存储空间等。
根据本发明的另一个实施例,表达式包括多项式:k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px,其中k0、k1、k2和k3是多项式常数,且有利地为:T=k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px。根据本发明的另一个实施例,选定的阶次x可以等于发动机的气缸数,或气缸数除以2。对阶次的该选定被发现特别好地反应了四冲程内燃机的效果。应注意的是本发明可应用于具有任何个数的气缸和凸轮轴的内燃机。
根据本发明的再另一个实施例,采样周期对应于发动机的至少10转。这样的采样周期足够长以保证转矩值包括发动机的所有喷射器的效果。
根据本发明的实施例,速度向量包括代表了在相继的旋转参考物之间的通过时间的凸轮轴的瞬时速度的值t,旋转参考物例如为一个或多个相同的或不同的齿、沟槽或标记,它们与凸轮轴相关地布置,即直接设置在凸轮轴上或设置在与凸轮轴一起旋转的部件上。在传感器前方的旋转参考物的速度的瞬时改变对应于凸轮轴上的瞬时转矩的测量值。此实施例提供了有效的且相对可靠的用于计算代表了瞬时凸轮轴速度的值的方法。
根据本发明的实施例,多个旋转参考物的布置在一些位置处是不规则的。在这样的实施例中,所述方法可以包括当生成速度向量时的补偿步骤,其中补偿了在旋转参考的布置中的任何不规则性的影响。然而,旋转参考物可以规则地绕凸轮轴或布置在凸轮轴上的部件的圆周间隔开。
根据本发明的另一个实施例,代表了对于频率x*n的转矩贡献的值Px使用速度向量的傅立叶变换来确定。在此情况中,速度向量应优选地包括至少500个样本,以给出满意的分辨率。
可替代地,值Px可以使用对于速度向量的相位-幅值变换的快速傅立叶变换来确定。在此情况中,在相位-幅值变换内的频率n*x处的峰值下的区的RMS值用作Px。如果快速傅立叶变换与选择第x阶峰值的RMS值作为Px来组合使用,则已发现当速度向量包括至少1000个样本时获得了良好的结果,优选地至少2000个样本。
与所使用的相位-幅值变换方法无关,值t,即两个旋转参考物之间的Δ时间可以有利地以小于等于10微秒的持续时间的采样间隔来采样,优选地所述的持续时间小于等于1微秒。
本发明也涉及一种计算机程序产品,该产品包括存储在计算机可读取的介质上或载波上的包含了计算机程序代码方法的的计算机程序,以使计算机或处理器执行根据本发明的实施例的任何实施例的方法的步骤的至少一个。此外,本发明涉及包括所述的计算机程序产品的电子控制单元(ECU)。根据本发明的实施例,ECU布置为在检测到发动机燃油喷射设备内的故障时向使用者提供听觉、视觉或可读的信号或报警,使用者例如为包括本发明的内燃机的车辆/船舶的驾驶员。视觉或听觉信号例如可以用于立即警示驾驶员或机械师发动机的燃油喷射设备的严重故障,而可读的信号可用于记录涉及小故障的信息,使得此信息可以在内燃机停止工作或调试时被读取。
根据本发明的另一个实施例,ECU布置为控制燃油喷射设备的燃油喷射器,控制的方式使得由燃油喷射器施加在凸轮轴上的力波动最小化,例如通过迅速地打开和/或关闭燃油喷射器来控制,使得作为结果的施加在凸轮轴上的力被平衡,这相应地消除或最小化了由燃油喷射器生成的振动和噪声。只要当凸轮凸起上的滚子从动件通过燃油喷射器柱塞的最大上升点时,或在燃油喷射器内的大的压力波动的情况下,作用在凸轮驱动齿轮齿上的力可能改变方向且这样的力的方向改变导致了由于凸轮和小齿轮之间的反冲引起的可听到的敲击声。本发明的方法适合于检测到内燃机的气缸内的燃油喷射,且可以因此用于预测何时燃油喷射器将在凸轮轴上施加加速力和减速力。本发明因此可以用于预测作为这样的加速力和减速力的结果的噪声和振动的出现。因此,可以采取预防性措施来最小化噪声和振动,例如对喷射器阀的打开和关闭进行正时以最小化由燃油喷射器施加在凸轮轴上的力的幅值。
本发明进一步包括车辆,例如轿车、卡车、重载车辆或牵引车辆,该车辆包括根据本发明的任何实施例中的ECU。
附图说明
本发明的其他优点将在对如下给出的作为非限制性例子的根据本发明的方法的特定实施例的描述中结合参考附图变得更显见,各图为:
图1示意性地示出了六缸四冲程内燃机的凸轮轴和气缸盖,
图2示意性地图示了根据本发明的实施例的方法的实施例,
图3示意性地示出了根据本发明的实施例的凸轮轴的部分的俯视图,和
图4是示出了在六缸内燃机的凸轮轴上生成的转矩的曲线图。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有六个气缸12、14、16、18、20和22的四冲程内燃机的凸轮轴10。凸轮轴10安装在气缸盖25的上表面上的滑动轴承24内。凸轮轴10由曲轴(未示出)通过齿轮传动装置26驱动,且在图示的实施例中以发动机速度的一半旋转。凸轮轴10包括对于每个气缸的三个凸轮凸起;两个凸轮凸起28控制气门,第三个凸轮凸起30控制燃油喷射系统的燃油喷射器。燃油供给到气缸12、14、16、18、20和22的每个。图2示意性地图示了根据本发明的方法的实施例。传感器32用于感测以设置在部件34上的齿的形式的相继的参考物36的通过,所述的部件34例如是安装在内燃机的凸轮轴10上的凸缘。齿36在传感器32前方的通过周期的瞬时值对应于凸轮轴的瞬时速度的测量值。由传感器32生成的信号被传递到计算装置,例如计算机或微处理器,它们使用此信息来计算在凸轮轴上生成的转矩。传感器32例如适合于测量参考物36的通过,测量以1毫秒持续时间的采样间隔进行,这等于1MHz的频率,这是因为已发现使用本发明的方法,1MHz或更高的频率特别地给出了良好的结果。
由传感器32提供的对应于在相继的旋转参考物36之间的通过时间的值t然后作为凸轮轴瞬时速度的代表性值来使用,以在方法步骤(a)中形成速度向量V。
如在图2中图示,参考物36可以不规则地布置,使得在参考物之间、在围绕参考物布置在其上的部件34的圆周的某些点处存在间隙。对于错过的参考物,通过计算错过的参考物和下一个参考物的平均值且以平均值替换所有的相关值来修正速度向量V的值。
在方法步骤(b)中,从速度向量V计算在采样周期期间的平均凸轮轴速度n,且以转/秒来描述。
在方法步骤(c)中,速度向量V用于产生相位-幅值表示,其中计算了值Px,该值Px代表了在选定的频率x*n下的转矩贡献。
根据本发明的实施例,选定用来确定幅值Px的方法是正弦和余弦傅立叶级数。然而,也可以使用其他傅立叶变换方法。然而,已发现正弦和余弦方法提供了有用的结果而不需要过多个数的样本或计算容量。
正弦和余弦方法仅当包括所有阶次时才是真正的相位-幅值变换。在此情况中,不需要包括所有阶次,这是因为足以得知对于阶次x的幅值。结果是线性方程系统,可以通过最小二乘方对其求解。
在正弦余弦方法中待求解的线性方程系统可以写作[A]×[C]=[V],其中[V]是速度向量,它包括以规则的角度间隔在发动机曲轴的两转内测量的f个值V1、V2...Vf,且[A]是正弦和余弦矩阵(f×(2j+1))。方程对于[C]求解,[C]包括傅立叶级数的常数a0、a1、b1、a2、b2...ak、bk。
因为f(t)以T=2π为周期,所以:
使得A矩阵的第一列是一列“1”,以考虑到初始的常数项(如果在计算前将均值n从V向量的值中减去,则此项不需要)。下一列是一阶的正弦,然后是一阶的余弦。然后的列是三阶、四阶周期的正弦和余弦等。
将方程系统求解,对于选定的第x阶正弦和余弦系数ax和bx,即相位xn。已知ax和bx,则通过勾股定理得到幅值:
测量的速度向量V的所需的长度在如下的方法步骤中取决于用于计算Px的方法,且取决于对结果转矩值T的希望的精确性。如果Px使用FFT分析来计算,则合适的向量长度将大约为2000个样本。如果Px替代地使用正弦和余弦变换计算,则向量的长度可能显著地缩短,如缩短到大约600个样本。
最后,在方法步骤(d)中,表示转矩的值T从T=k0+k1*P3+k2*n+k3*n*P3中导出,其中k0、k1、k2和k3都是存储在合适的存储器内的多项式常数。
如果如上所述作为正弦和余弦方法的替代来使用快速傅立叶变换FFT方法,则必须计算对应于频率f=x*n的幅值-相位图的幅值Px,其中x是选定的阶次。这可有利地从FFT变换的图中且计算在对应于幅值Px的相关的频率处的峰值区的RMS值进行。使用在FFT变换的峰值区的RMS值幅值,或使用来自正弦和余弦方法的幅值作为Px,将导致不同的多项式系数k0...k3。然而,两个方法都将提供精确的结果。已发现,FFT方法要求更多的样本以实现比正弦和余弦方法更充分的精度。
在内燃机使用期间,值T可以定期地计算且存储在记录中以用于当发动机被维护或特别是使用者怀疑某些与燃油喷射设备相关的问题期间的可能的估算。可替代地,在评估新制造的发动机的性能时值T可以用于保证发动机转矩达到了希望的规格。在两个情形中,值T可以与通过对于多个参考发动机测试或计算T确定的参考值Tref进行对比。
需要对于不同的情况确定多项式参数k0、k1、k2和k3。发动机可以分组构造,每组包含具有相同的转矩行为且使用相同的多项式常数的发动机。为确定多项式参数,可以测量实际转矩T且将其与在多个测量点处的T的数学表达式对比,该数学表达式足以建立方程系统,从该方程系统可以得到常数的值。
在图示的实施例中,步骤(a)至(d)的任何或全部可以在电子控制单元(ECU)31内执行。
图3描绘了在其外周表面上包括多个齿36的凸缘34,凸缘34安装在凸轮轴上。传感器32用于感测相继的齿36的通过。这样的布置可以用于确定凸轮轴10的转角和速度。
图4是六缸发动机的凸轮轴上的典型的转矩测量值(T值),发动机包括具有六个燃油喷射器的燃油喷射设备,其中每个气缸与向其供给燃油的一个燃油喷射器相关。转矩示出为凸轮轴从TDC的转角的函数。当每个燃油喷射器将燃油排出到发动机的气缸内时,凸轮轴上的转矩增加,达到峰值且然后下降。因为发动机的气缸的发火次序已知,且因为燃油从特定的燃油喷射器在气缸发火前喷射到每个气缸内,所以测量到的转矩的曲线图中的每个转矩峰值可以与特定的燃油喷射器相关。与第五燃油喷射器#5相关的最大转矩然后可以与参考值Tref对比,以检查燃油喷射设备的所述的燃油喷射器#5是否正确地运行。在内燃机的凸轮轴上而非在曲轴上测量转矩,消除了其他情况/系统在燃烧效率上的影响,且因此消除了在测量到的转矩值上的影响。应注意的是本发明的方法也可应用于其中一个燃油喷射器向一个以上气缸供给燃油的内燃机。
本发明的在权利要求的范围内的进一步的修改对于本领域一般技术人员是显而易见的。例如,虽然已在本发明的实施例的详细描述中例示了每气缸包括用于促动气门和燃油喷射器的三个凸起的凸轮轴,但本发明可应用于具有任何个数或每气缸任何个数的用于促动气门和燃油喷射器或用于仅促动燃油喷射器的凸起的凸轮轴。
Claims (24)
1.一种用于确定燃油喷射压力或检测内燃发动机的燃油喷射过程中的偏差的方法,所述发动机包括凸轮轴(10),该凸轮轴(10)促动发动机的燃油喷射设备的至少一个燃油喷射器,其特征在于所述的方法包括如下步骤:确定值T,该值T代表了在凸轮轴(10)上生成的转矩,例如凸轮轴(10)的瞬时转矩或转速,所述转矩是由所述至少一个燃油喷射器在所述内燃发动机的运行阶段期间施加在凸轮轴(10)上的加速力和减速力的结果;和对于任何增加、减少或不规则性,监测值T。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:使用值T来确定由所述至少一个燃油喷射器施加在凸轮轴(10)上的力是否对应于指示燃油喷射设备正确运行的预先确定的值。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述预先确定的值是代表了在所述至少一个燃油喷射器正确运行时的发动机转矩的参考值Tref。
4.根据前述权利要求的任一项所述的方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:为凸轮轴(10)或布置为与凸轮轴(10)一起旋转的部件提供例如沟槽或齿的至少一个旋转参考物(34);和感测所述至少一个旋转参考物(34)的通过以确定凸轮轴(10)的转速。
5.根据前述权利要求的任一项所述的方法,其特征在于:内燃机的燃油喷射设备包括多个燃油喷射器,且值T被持续地或在凸轮轴(10)的一个或多个转角处确定,以确定特定的燃油喷射器是否正确地运行。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:值T通过如下方式确定:产生包括所述内燃机的所述运行阶段的采样周期期间的凸轮轴的瞬时速度的代表值的速度向量;从该速度向量确定在所述采样周期期间的凸轮轴平均速度n;确定代表了速度向量在x*n的频率下的频率贡献的值Px,其中x是预先选定的阶次;和产生代表了在所述采样周期期间凸轮轴(10)上的转矩的值T,其中T从包括多项式的数学表达式中得到,所述多项式具有至少k*n*Px的项,其中k是多项式常数。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:值T从包括如下多项式的数学表达式中得到:k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px,其中k0、k1、k2和k3是多项式常数。
8.根据权利要求6或7所述的方法,其特征在于:T=k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px,其中k0、k1、k2和k3是多项式常数。
9.根据权利要求6至8的任何一项所述的方法,其特征在于:选定的阶次x等于(发动机的气缸(12、14、16、18、20、22)的个数)/2。
10.根据权利要求6至8的任何一项所述的方法,其特征在于:内燃发动机是二冲程发动机,且选定的阶次x等于气缸(12、14、16、18、20、22)的个数。
11.根据权利要求6至10的任何一项所述的方法,其特征在于:所述采样周期对应于发动机的至少10转。
12.根据权利要求6至11的任何一项所述的方法,其特征在于:所述速度向量包括代表了在相继的旋转参考物(36)之间的通过时间的凸轮轴的瞬时速度的值t,所述的旋转参考物(36)与内燃机的凸轮轴(10)相关地布置。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于:所述方法包括当生成速度向量时的补偿步骤,其中补偿了在旋转参考物(36)的布置中的任何不规则性的影响。
14.根据权利要求6至13的任何一项所述的方法,其特征在于:代表了对于频率x*n的转矩贡献的值Px使用速度向量的相位-幅值变换来确定。
15.根据权利要求6至14的任何一项所述的方法,其特征在于:代表了对于频率x*n的转矩贡献的值Px使用速度向量的傅立叶级数分析来确定。
16.根据权利要求14所述的方法,其特征在于:幅值Px通过求解方程系统[A]×[C]=[V]来确定,其中V是包含了f个样本的速度向量,且A是对于预先选定的阶次x的系数ax和bx的k阶矩阵,即
且得到幅值Px为:
17.根据权利要求6至16的任何一项所述的方法,其特征在于:所述值Px通过使用对于速度向量的相位-幅值变换的快速傅立叶变换来确定。
18.根据权利要求17所述的方法,其特征在于:Px通过描绘速度向量的快速傅立叶变换和确定在频率x*n的峰值下的区的RMS值来确定。
19.根据权利要求6至18的任何一项所述的方法,其特征在于:所述值t以小于等于10微秒的持续时间的采样间隔来采样,优选地所述持续时间小于等于1微秒。
20.一种计算机程序产品,其特征在于:该计算机程序产品包括存储在计算机可读取的介质上或载波上的包含了计算机程序代码方法的计算机程序,其设置为使计算机或处理器执行根据权利要求1至19的任何一项所述的方法的步骤的至少一个。
21.电子控制单元(ECU)(31),其特征在于:所述电子控制单元(ECU)(31)包括根据权利要求20所述的计算机程序产品。
22.根据权利要求21所述的ECU(31),其特征在于:所述ECU(31)布置为在检测到内燃机燃油喷射设备内的故障时提供听觉、视觉或可读的信号。
23.根据权利要求21或22所述的ECU(31),其特征在于:所述ECU(31)布置为控制燃油喷射设备的至少一个燃油喷射器,控制的方式使得由燃油喷射器施加在内燃机的凸轮轴上的力最小化,从而最小化由所述至少一个燃油喷射器生成的噪声和振动。
24.车辆,其特征在于:该车辆包括根据权利要求21至23的任何一项所述的ECU(31)。
Applications Claiming Priority (1)
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