CN101598070A - 用于获得内燃机气缸中燃烧开始的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于获得内燃机气缸中燃烧开始的方法和装置。本发明的用于确定在内燃机(3)气缸(4)中燃烧开始的时刻的包括步骤:提供基础-压缩压力模型,它根据运行点给出气缸(4)中的压缩压力(pkomp)曲线;通过测量内燃机(3)的至少一个运行状态的气缸压力使基础-压缩压力模型与时刻匹配(S2),在这些时刻在气缸(4)中不发生燃烧,用于获得匹配的压缩压力模型;和借助于通过匹配的压缩模型确定的压力曲线确定燃烧开始的时刻。
Description
技术领域
本发明整体上涉及内燃机和用于使内燃机运行的方法,其中由提供的气缸压力曲线获得在内燃机气缸中的一个或多个燃烧开始。
背景技术
在内燃机运行时可以控制气缸中的燃烧。但是为此需要分析在气缸中进行的燃烧过程。最好通过评价气缸压力在相关气缸中的变化实现燃烧分析。由此可以推导出气缸中的燃烧开始。
例如为了计算加热曲线可以利用气缸压力曲线,加热曲线描述通过燃烧的热量释放。分析在气缸中燃烧的结果例如是标识的平均压力、转换的热量、燃烧开始、燃烧结束和燃烧持续时间。
例如由文献DE 102 004 072 A1已知方法,它们由此定义燃烧开始,加热或总加热变化超过给定的阈值,例如总共释放热量的5%。但是主要是对于小的喷射量不是总能无疑问地由加热变化确定燃烧开始。
在上述的燃烧分析结果情况下确定燃烧开始是用于改善气缸中燃烧控制的重要措施。尤其是识别燃烧开始用于下面的目的:
1.未来由于法定的规定需要监控喷射开始。由此可以识别喷射系统的故障,在故障中系统不处于以确定的曲轴角提供燃料的位置,该曲轴角是必需的,用于以给定的或给定以上的水平保持废物排放。通过燃烧开始可以获得并监控喷射开始(喷射开始的曲轴角,燃烧开始的曲轴角和点火延迟的曲轴角)。由此可以识别太早()或太迟()喷射。其前提是,足够精确地识别或者利用点火延迟模型计算取决于参数矢量θ的点火延迟
可以将实际燃烧开始与理论燃烧开始的偏差输送到调节器,它可以相应地偏移用于喷射阀的开始控制和/或给司机示出故障通知和/或将相应的信息储存在故障储存器中,用于在车间里诊断。
2.此外可以在了解燃烧开始时监控点火延迟由此可以识别并补偿气缸进气度(例如氧气或剩余气体含量、温度)或者燃料点火能力(十六烷值)的变化,它们可能导致更快()或更慢()的点火。其前提是,足够精确地识别喷射开始由控制开始和喷射延迟(电控制与打开喷嘴之间的运行时间)能够计算喷射开始()(控制开始时的曲轴角)。喷射延迟通常与假设恒定的时间上喷射延迟(τEV≈恒定)的速度成比例。可以将实际点火延迟与理论点火延迟的偏差输送到调节器,它使运行参数如开始控制、蓄压管压力或进气压力相应地匹配和/或显示给司机(作为故障通知)和/或储存在故障储存器中,用于在车间里诊断。
3.为了在激活废气后处理时再生可以使用以后的再喷射,其目的是提高废气温度。因为这种再喷射可能加强气缸壁上不利的油稀薄,因此必需在提高温度方面尽可能晚地选择喷射开始和燃烧而在油稀薄程度方面尽可能早地选择喷射开始和燃烧开始。这需要使燃烧开始调节到确定的时刻,它考虑到可能相反的目的。为此一般对于燃烧开始确定取决于运行点的理论值,使实际燃烧开始调节到理论值。
目前已知一系列方法,用于由提供的气缸压力曲线确定燃烧开始。燃烧开始通常对应于气缸中的第一明显压力升高或者定义气缸中纯压缩状态的结束。
由气缸压力曲线获得燃烧开始的方法在于,使气缸压力曲线分成压缩分量和燃烧分量并由此推导燃烧开始。例如由DE 10 2005 026 724 A1已知这一点。在其中描述到,在对数变换曲线中换算气缸压力曲线。
文献Assanis,D.N.;Z.S.;Fiveland,S.B.;SYRIMIS,M.:“直接喷射式柴油机稳态和瞬态运行下预测点火延迟相关关系”,ASME-ICE FallTechnical Conference,Ann,Arbor,Michigan,1999建议利用气缸压力曲线二次导数的最大值作为燃烧开始的判据。在文献Katrasnik,T,et al,“确定柴油机中燃烧开始的新标准”,Journal of Engineering for GasTurbines and Power,No.4,928-933页中描述了类似的方法,其中作者以三次导数的最大值作为燃烧开始的时刻。
在US 6,840,218 B2中建议,使气缸压力曲线置于波-转化,它能够实现发生频率的时间配置。在此在波系数绝对值中的突然升高作为燃烧开始时刻的指示。
由燃烧或加热曲线确定一个或多个燃烧开始的方法没有足够的用于可靠地识别整个发动机运行平面中的点火延迟的可靠度。首先在具有微少喷射量的工作点中以及在气缸压力信号的信号干扰时出现问题。这些问题在上面的方法中被避免,它们直接利用气缸压力信号。
发明内容
本发明的目的是,提供一种由提供的气缸压力曲线获得一个或多个燃烧开始的方法和装置。
上述目的通过如权利要求1所述的由提供的气缸压力曲线获得一个或多个燃烧开始的方法以及通过如并列权利要求所述的装置得以实现。
在从属权利要求中给出本发明的其它有利扩展结构。
按照第一方面规定一种用于确定在内燃机气缸中燃烧开始时刻的方法。该方法包括步骤:
-提供基础-压缩压力模型,它根据运行点给出气缸中的压缩压力曲线;
-通过测量的内燃机的至少一个运行状态的气缸压力使基础-压缩压力模型与时刻匹配,在这些时刻在气缸中不发生燃烧,用于获得匹配的压缩压力模型;和
-借助于通过匹配的压缩模型确定的压力曲线确定燃烧开始的时刻。
此外可以在阈值比较中使用通过匹配的压缩压力模型确定的压力曲线,用于根据阈值确定在气缸中的燃烧开始的时刻。
上述方法涉及到通过使压缩压力曲线匹配由近似描述压缩压力曲线的基础-压缩压力模型尽可能精确地获得压缩压力曲线借助于在运行时刻测量的气缸压力曲线实现匹配,其中为了匹配只使用在气缸中不发生燃烧的曲轴角下测量的气缸压力。本方法也涉及到压缩压力曲线的工作点特有的匹配性。
接着借助于阈值比较引用这个压缩压力曲线以获得燃烧开始。由此能够可靠地检测部分喷射的燃烧开始。与已知的方法比较尤其在运行时刻中以非常微少的能量转换率并且在预燃烧时实现更好的结果。
上述方法对于运行点也提供有意义的价值,其中通过获得燃烧曲线由于更多的局部最大值或者太小的转换率不能实现关于燃烧开始的明确预言。
此外可以获得匹配的压差曲线作为测得的气缸压力曲线与通过匹配的压缩压力模型确定的压缩压力曲线之间的差值并且在阈值比较中使用压差曲线。
按照一个实施例可以确定预燃烧开始的时刻,通过使匹配的压差曲线与预燃烧阈值进行比较,用于根据与预燃烧阈值的比较确定预燃烧开始的时刻。
按照一个实施例获得预燃烧开始的时刻作为匹配的压差曲线曲率的局部最大值,其中通过压差曲线例如迭代地获得从达到或超过预燃烧阈值时刻开始的局部最大值。
也可以备选地或附加地通过确定匹配的压差曲线的曲率的最大值、通过匹配的压缩压力模型确定的压力曲线的曲率的最大值或测得的气缸压力曲线的曲率的最大值获得内燃机气缸中燃烧开始的时刻、尤其是主燃烧开始的时刻。这尤其在已经借助于阈值比较获得燃烧开始的时候是适宜的。
此外可以确定地获得主燃烧开始的时刻作为测得的气缸压力曲线的曲率曲线的全程最大值的时刻。
此外可以通过将表示提供的气缸压力曲线与按照多变模型的气缸压力曲线之间的差值的差值变化与给定的再燃烧阈值进行比较,确定在内燃机气缸中再燃烧开始的时刻,用于根据再燃烧阈值确定再燃烧开始的时刻。
按照一个实施例,使多变模型通过测得的内燃机至少一个运行状态的气缸压力匹配结束气缸中燃烧的时刻,用于得到匹配的多变模型,其中借助于气缸压力曲线按照匹配的多变模型获得差值曲线。
此外可以通过在匹配时通过一个选择矩阵只考虑在气缸中不发生燃烧的时刻和由提供的气缸压力和通过匹配的压缩压力模型确定的压缩压力的压差小于压差阈值的时刻的气缸压力,使基础-压缩压力模型通过提供的气缸压力曲线在内燃机的至少一个运行状态时匹配。
此外可以使基础-压缩压力模型对应于滑移压力模型,该模型描述在滑移运行(惯性运行)时气缸中的压力曲线。
由此可以借助于尽可能精确地获得滑移压力提供基础-压缩压力模型,由此通过紧接着工作点特有的匹配可以确定压缩压力曲线的变化。
按照另一方面规定一种用于确定内燃机中燃烧开始时刻的装置。该装置这样构成:
-用于提供基础-压缩压力模型,它根据运行点给出在内燃机气缸中的压缩压力曲线;
-用于使基础-压缩压力模型通过测得的内燃机的至少一个运行状态的气缸压力与在气缸中不发生燃烧的时刻匹配,用于得到匹配的压缩压力模型;
-用于借助于通过匹配的压缩压力模型确定的压力曲线确定在气缸中的燃烧开始时刻。
按照另一方面规定一种计算机程序,用于执行上述方法,如果该计算机程序在数据处理装置上执行的时候。
按照另一方面规定一种程序技术控制的装置,它这样构成,执行上述的计算机程序。
附图说明
下面借助于附图详细解释本发明的优选实施例。附图中:
图1简示出发动机系统,其中由气缸压力曲线获得燃烧开始,
图2示出用于由提供的气缸压力曲线确定一个或多个燃烧开始的方法的流程图,
图3以曲线图示出曲轴角与按照基础-压缩压力模型的压缩压力曲线、测得的气缸压力曲线以及模拟的压差,
图4以曲线图示出在多次迭代时曲轴角与按照匹配的压缩压力模型的模拟压缩压力曲线、气缸压力曲线以及按照基础-压缩压力模型和匹配的压缩压力模型的模拟压差曲线,
图5示出用于由压差曲线和测得的气缸压力曲线确定燃烧开始的曲率曲线图,
图6示出用于确定截获的再喷射的燃烧开始的模拟和测得的压差的随时间的变化曲线。
具体实施方式
在图1中简示出具有发动机控制单元2和内燃机3的发动机系统1。该发动机控制单元2用于控制或运行内燃机3。在所示示例中内燃机3配有四个气缸4,由发动机控制单元2控制地通过各喷射阀5喷射燃料到气缸中。所述内燃机3是至少部分地可以自点火运行的内燃机,例如柴油发动机。
用于改善在气缸4中的燃烧过程控制的主要参数是主燃烧的燃烧开始时刻以及如果执行预喷射时的预喷射的燃烧开始时刻。
为了可以确定燃烧开始,在气缸4中安置气缸压力传感器6,用于检测气缸4的各气缸压力的变化。分别由气缸4在发动机控制器2上获得气缸压力信号。
在发动机控制器2中借助于在每个气缸中检测的气缸压力曲线获得在每个气缸4中的燃烧开始时刻作为显著的燃烧压力升高的时刻。
在图2中示出流程图,它表示一种方法,通过它可以确定在一定的气缸4中的燃烧开始。
在图2中示出流程图,用于表示用于在选择的气缸4中确定预燃烧、主燃烧和再燃烧的燃烧开始的方法。循环地执行该方法并且一般考虑气缸4的阀门关闭的曲轴角范围上的气缸压力的整个变化。
在执行本方法时在步骤S1中持久地测量并且使用气缸4中的压力,事先在发动机控制器2中提供的基础-压缩压力模型匹配内燃机3的各个气缸4,用于保持匹配的压缩压力模型。在步骤S2中实现匹配。
在图3中示出按照提供的基础-压缩压力模型测得的气缸压力、压缩压力曲线的随时间的变化以及作为气缸压力曲线与压缩压力曲线的差值的压差曲线。下面的视图以放大图示出压差曲线。可以看出测得的气缸压力从约160°KW曲轴角开始的偏差。
匹配是必需的,因为对于具有非常微小的喷射燃料转换的工作点通过燃烧引起的压力变化是非常微小的,因此在阈值比较时对于微小的模型不准确在压差推测中在缓慢的压力升高时、例如在预燃烧时已经可能产生在检测的燃烧开始的曲轴角方面的较大偏差。此外在压力曲线中信号故障同样导致在确定燃烧开始时的不准确性。
初始提供的基础-压缩压力模型例如可以对应于滑移压力曲线pschub。对于不同的转速可以测得滑移压力曲线pschub并且相应地将其曲线寄存在特征曲线中并且对应于在关闭阀门并没有喷射燃料时气缸中的压力。
备选地,也可以由对于不同转速的滑移压力曲线推导出用于描述滑移压力模型的参数,它能够计算对于一定的运行参数的滑移压力曲线。其它方法是通过热动力学单区模型或者通过一次多变方程或绝热方程计算滑移压力曲线。该滑移压缩率曲线通常不完全与燃烧运行中的压缩压力曲线一致,因为剧烈地产生效应例如由于较高的质量平均温度引起的壁体热传递。因此必需实现相关工作点的匹配。通过以最小平方(KQ)方法推测参数矢量θ。
其中pkomp对应于在滑移运行中测得的气缸压力,其中如下所述,只考虑这个范围,在该范围中在相关气缸中不发生燃烧。仅仅通过滑移压力曲线的模型曲线的刻度和偏移通过参数矢量θ实现匹配。可以考虑更高阶。但是它们太强烈地提高自由度并且可能使结果虚假。因此较高阶的参数矢量通常是不适宜的。对于匹配的基础-压缩压力模型适用的是:
在这个状态中在气缸中的压力仅仅通过压缩压力确定。常数30°KW描述了至之间的窗口长度。作为曲轴角范围开始的150°KW和作为曲轴角范围长度的30°KW数值是经验值并且可以变化。在150°KW前的燃烧开始在常规燃烧的实际应用中通常不发生。
其中Q对应于一个选择矩阵,而pkomp,mod对应于按照匹配的压缩模型的压缩压力曲线。
如下选择该选择矩阵:
在常规燃烧的实际应用中通常不产生在150°KW前的燃烧开始。因此在选择矩阵中位于这个范围中的、由基础-压缩压力模型确定的值以Qi=1加权。
-可能由模型误差或实际的燃烧引起负的偏差尤其有意义的是第一显著压力变化的角度值。由此负的偏差只直到确定的极限以Qi=1加权,较高的偏差对应于Qi=1。作为极限已经证实确认绝对压力极限例如-1bar是可靠的。
作为上述计算的结果得到αc1,αc2的数值。上述匹配导致在模拟的压缩压力时微小的偏差补偿。
已经证实,在应用迭代的、加权的最小平方方法时三至五次迭代对于基础-压缩压力模型的匹配是足够的。当然,在可选择的实施例中可以持久地或对于其它次数的步骤执行步骤S2的压缩压力模型的匹配。
在步骤S4中确定,在气缸4中是否发生预喷射。如果是(选择:是),则燃烧开始的时刻的获得涉及的是预燃烧。
如果借助于匹配的压差曲线检测到预燃烧的燃烧开始,则按照步骤S5确定预燃烧阈值,它可以在预燃烧时确认为恒定的、对于每个工作点有效的绝对压力值,例如0.25bar。如果压差曲线超过预燃烧阈值,则这一点被视为预燃烧的开始时刻。
上述的以匹配的压缩压力曲线Pkomp,mod为基础的阈值比较方法也能够在获得主燃烧的燃烧开始时使用。尤其在只发生主燃烧而不发生预燃烧时是适用的。
对于内燃机的所有运行点,其中已经发生预喷射、即,通常也发生预燃烧,必需附加地由推测的压差曲线pdiff,mod、即以匹配的压缩压力模型pkomp,mod为基础的压差曲线获得主燃烧的燃烧开始。为此计算曲率k的特征(步骤S6),它能够由压差pdiff,mod的变化可靠地识别燃烧开始的时刻。它适用于:
在图5中示出曲率相对于测得的气缸压力pgem曲线的变化和压差pdiff,mod相对于基础-压缩压力模型的变化。如同由图5的视图可以看到的那样,在主燃烧的燃烧开始范围中产生曲率k的明显的最大值。这个值可以通过在步骤S7中进行的方法获得并且作为燃烧开始时刻的判据。
下面检验,是否发生再燃烧(步骤S8)。在再喷射时在接近完全完成主燃烧后喷射燃料。同样由压差曲线获得后移的再喷射的燃烧开始的时刻。在比在上死点以后40°KW更迟的喷射开始情况下通常可以开始主燃烧的几乎完全的能量转换。相对于匹配的压缩压力模型pdiff,mod的压差曲线相应地在这个范围也接近跟随多变方程pdiff,poly。
为了获得再燃烧的燃烧开始,对于每个工作点在确定的角度范围中在再燃烧的喷射开始之前通过最小平方方法获得多变模型的参数C(常数)和m(多变指数)。它适用于:
其中V对应于与曲轴角相关联的燃烧室容积。
现在由压差ΔpNE2=pgem-pdiff,mod(步骤9)并将压差ΔpNE2与给定的再燃烧阈值(步骤S10)进行比较可以确定再喷射的燃烧开始。在图6中示出压差ΔpNE2、pdiff,mod、pdiff,poly的变化曲线。
作为变型方案也可以使所述的迭代最小平方算法用于推测pdiff,poly的事后精细匹配。它适用于:
借助于曲率k也可以识别第一燃烧开始,即,预燃烧的燃烧开始。如同例如在图5中所示的那样,在第一压力变化的时刻范围中通常产生明显的曲率最大值。在这里作为优点可以利用,在确定压差曲线时曲率k相对不受较小的误差的影响。但是在预燃烧的范围中可能产生多个局部最大值,因为函数的曲率对应于压差曲线的一次和二次导数并因此可以在压力曲线中受到干扰影响。
此外对于具有两级预喷射转换的运行点通常在预燃烧角度范围(在其中产生预燃烧的曲轴角范围)产生两个显著的局部最大值。
此外对于具有非常微小的预燃烧转换的工作点,曲率的局部最大值在预燃烧范围中在各种情况下都不是明显的。
因此为了更精确地确定预燃烧的燃烧开始时刻将测得的气缸压力与绝对压力阈值对应于匹配的压缩压力模型进行比较,用于确定角度值,在该角度已经识别到显著的压力增加。接着寻找在获得的角度值的附近周围、例如在围绕获得的角度值的±10°的曲轴角范围中的曲率局部最大值。
代替通过压差曲线也可以直接对于整个压力曲线pgem计算曲率k用于确定主燃烧的燃烧开始。与由压差的曲率计算相比趋于约1°的曲轴角更迟地检测主燃烧的燃烧开始,这可以由用压缩压力的影响说明。但是获得总压力曲线pgem的曲率k的最大值是一种非常简单且可靠的检测燃烧开始的方法。
Claims (14)
1.用于确定在内燃机(3)的气缸(4)中的燃烧开始的时刻的方法,具有下面的步骤:
-提供基础-压缩压力模型,它根据运行点给出气缸(4)中的压缩压力(Pkomp)曲线;
-通过测量的内燃机(3)的至少一个运行状态的气缸压力使基础-压缩压力模型与时刻相匹配(S2),在这些时刻在气缸(4)中不发生燃烧,用于获得匹配的压缩压力模型;和
-依据通过匹配的压缩模型确定的压力曲线确定燃烧开始的时刻。
2.如权利要求1所述的方法,具有另一步骤:
-在阈值比较(S4)中使用通过匹配的压缩压力模型确定的压力曲线,用于根据阈值确定气缸(4)中燃烧开始的时刻。
3.如权利要求2所述的方法,其中获得(S3)匹配的压差曲线(Pdiff)作为测得的气缸压力(Pgem)曲线与通过匹配的压缩压力模型确定的压缩压力曲线(Pkomp,mod))之间的差值并且在阈值比较中使用压差曲线(Pdiff)。
4.如权利要求3所述的方法,其中通过使匹配的压差曲线(Pdiff)与预燃烧阈值进行比较,确定预燃烧开始的时刻,用于根据与预燃烧阈值的比较确定预燃烧开始的时刻。
7.如权利要求6所述的方法,其中确定主燃烧开始的时刻作为测得的气缸压力曲线的曲率曲线的全程最大值的时刻。
8.如权利要求1至5中任一项所述的方法,其中通过将给出在提供的气缸压力曲线与按照多变模型的气缸压力曲线之间的差值的差值曲线与给定的再燃烧阈值进行比较,确定在内燃机(3)气缸(4)中再燃烧开始的时刻,用于根据再燃烧阈值确定再燃烧开始的时刻。
9.如权利要求8所述的方法,其中使多变模型通过测得的内燃机(3)的至少一个运行状态的气缸压力与气缸(4)中燃烧结束的时刻相匹配,用于得到匹配的多变模型,其中借助于气缸压力曲线按照匹配的多变模型获得差值曲线。
10.如权利要求1至5中任一项所述的方法,其中通过在匹配时通过一个选择矩阵只考虑在气缸(4)中不发生燃烧的时刻和由提供的气缸压力和通过匹配的压缩压力模型确定的压缩压力(Pkomp,mod)的压差小于压差阈值的时刻的气缸压力,使基础-压缩压力模型通过提供的气缸压力曲线在内燃机(3)的至少一个运行状态时匹配。
11.如权利要求1至5中任一项所述的方法,其中使基础-压缩压力模型对应于滑移压力模型,该模型描述在滑移运行时气缸(4)中的压力曲线。
12.用于确定内燃机(3)中燃烧开始时刻的装置,其中该装置这样构成:
-用于提供基础-压缩压力模型,它根据运行点给出在内燃机(3)气缸(4)中的压缩压力(Pkomp)曲线;
-用于使基础-压缩压力模型通过测得的内燃机(3)的至少一个运行状态的气缸压力(Pgem)与在气缸(4)中不发生燃烧的时刻相匹配,用于得到匹配的压缩压力模型;
-用于借助于通过匹配的压缩压力模型确定的压力曲线确定在气缸(4)中的燃烧开始的时刻。
13.一种计算机程序,该计算机程序在数据处理装置上执行的时候用于执行如权利要求1至11中任一项所述方法。
14.一种程序技术控制的装置,它设计成用于执行如权利要求13所述的、执行如权利要求1至11中任一项所述的方法的计算机程序。
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