CN101725420A - 确定燃料的十六烷值cn的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及确定燃料的十六烷值CN的方法，所述燃料喷射到具有发动机控制系统的内燃发动机的至少一个汽缸(3)中用于燃烧，排气通过至少一个排气管(2)排出至少一个汽缸(3)，提供一种方法，该方法成本有效地同时在内燃发动机操作时比通过现有技术所知的方法更精确地确定燃料的十六烷值CN。这可以通过上述类型的方法实现，所述方法包括：借助于在至少一个排气管(2)中提供的传感器(1)通过测量检测排气成分的浓度C，及该浓度C用作存储在发动机控制系统中的特征图的输入变量，以便从该特征图读出使用的燃料的十六烷值CN作为输出变量。

Description

确定燃料的十六烷值CN的方法
技术领域
本发明涉及确定燃料的十六烷值CN的方法，该燃料喷射到具有发动机控制系统的内燃发动机的至少一个汽缸中用于燃烧，排气通过至少一个排气管排出至少一个汽缸。
背景技术
在本发明的范围内，术语“内燃发动机”包括柴油发动机，以及混合内燃发动机(hybrid internal combustion engines)。由于矿物油作为获得燃料的原材料的存在有限，使用替代燃料，及因此使用混合内燃发动机或混合燃烧(hybrid combustion)方法日益被认为有助于实现相关的目标。因此在本发明的范围内，柴油发动机基本上操作所用的所有燃料可以表示为柴油燃料或燃料。
常规的柴油发动机方法在该情况中由空气压缩、不均匀混合物、自动点火及品质控制确定。
要求空燃混合物的自动点火以柴油燃料的高点火性能为前提。若使用的燃料的点火性能过低，在汽缸中会累积大量的处理的空燃混合物，并在自动点火的情况中导致在燃烧始点处急剧的压力上升，或不能点火。
燃料的点火性能通过相关于点火延迟时间的十六烷值CN显示，该点火延迟时间是在燃料喷射到汽缸的开始即喷射始点SOI和由于空燃混合物的燃烧导致压力上升之间的时间测量。
燃料的十六烷值CN表示十六烷和α-甲基萘的混合物中包含的十六烷的体积百分比，该十六烷和α-甲基萘的混合物在另外相等的边界条件下与将确定十六烷值的测试燃料具有相同的点火延迟时间。燃料的十六烷值越高，其点火性能越高，或点火延迟时间越短。
柴油燃料或具体类型燃料的十六烷值CN可以改变，因此，当内燃发动机在操作时，不能假定使用的燃料的十六烷值始终不变。因此，不仅杂质而且生产公差导致在同一车辆市场上燃料品质特别是十六烷值的波动。各种国际规范性条款表明在各个国家中的柴油燃料可以具有不同的十六烷值。
不同的十六烷值导致不同的点火延迟，即点火延迟时间。为考虑这种情况，对用于操作内燃发动机的即刻使用的燃料的车载诊断是必要，以便使内燃发动机的操作参数特别是喷射始点适应于燃料的十六烷值。
根据现有技术，试图直接或间接地通过测量检测汽缸中发生的燃料过程，以便在达到关于即刻使用的燃料的点火性能的发现。
因此，可借助于压力传感器直接地通过测量检测汽缸压力，压力曲线用于确定燃烧始点SOC，进而与喷射始点SOI一起使用SOC以确定点火延迟即点火延迟时间。以此方式确定的点火延迟时间表示燃料的特征，且类似于十六烷值，点火延迟时间是燃料点火性能的测量。该方法的缺点是必须提供成本较高的测量技术的压力传感器。
根据另一种方法，爆震传感器或加速传感器即应变仪固定到内燃发动机的汽缸体，以便间接地通过测量检测在汽缸中发生的燃烧过程，并确定燃烧始点SOC。间接测量由于采用的原理产生更大的不精确，即比直接测量的质量低。必须考虑间接测量受到外部因素影响较大，例如在其他汽缸中发生的燃烧过程。
间接地通过测量检测燃烧过程的又一种可能是测量曲轴的转速，通过曲轴的加速可以推测在汽缸中发生的燃烧过程。其缺点与上述缺点相同。
发明内容
在所述的背景下，本发明的目标是提出一种方法，通过该方法可以成本有效地确定燃料的十六烷值CN，同时当内燃发动机在操作中时，可以比现有技术所知的方法更精确。
该目标通过确定燃料的十六烷值的方法实现，该燃料喷射到具有发动机控制系统的内燃发动机的至少一个汽缸中用于燃烧，排气通过至少一个排气管排出至少一个汽缸，该方法包括：
借助于在至少一个排气管中提供的传感器通过测量检测排气成分的浓度C，及
该浓度C用作存储在发动机控制系统中的特征图(characteristic map)的输入变量，以便从该特征图读出使用的燃料的十六烷值CN作为输出变量。
根据本发明的方法利用如下情况：在相等的边界条件下，即也以内燃发动机的相等操作参数为前提，不同的十六烷值CN导致不同的点火延迟，因此在至少一个汽缸中发生的燃烧过程受到关键影响，且在空燃混合物的化学反应中形成的燃烧气体即排气中的燃烧产物的浓度发生变化。
若在内燃发动机的实际操作点，具体地在固定的喷射时间点喷射相等燃料量的不同燃料到汽缸中，由于不同的十六烷值产生的不同的点火延迟导致较早或较晚的燃烧始点。这导致燃烧室中不同的压力和温度曲线，关键性地影响燃烧产物或排气成分的浓度。
根据本发明，借助于在至少一个排气管中提供的传感器通过测量检测至少一种排气成分的浓度C。该浓度C用作在发动机控制系统中存储的特征图的输入变量，从该特征图读出即刻使用的燃料的十六烷值CN作为输出变量。
特征图是例如在发动机试验台上对于内燃发动机的实际操作状态即实际操作点预先建立的，该实际操作点视为适合于确定燃料的十六烷值CN，然后内燃发动机切换或必须切换到真实的操作以在特征图基于的操作点上确定十六烷值，以便实施边界条件，即在建立特征图时优先适用的操作参数。
或者，内燃发动机的又一些操作参数用作输入变量，以便在发动机控制系统中存储和使用多维特征图或一组特征图，且不必将内燃发动机切换到实际的单个操作点，也就是特征图基于的操作点，以便确定十六烷值。通过该过程，可以执行尽可能独立于根据本发明的方法的执行的内燃发动机操作。
该方法的有利实施例因此包括，内燃发动机的至少一个其他操作参数用作特征图的附加输入变量，以便作为输出变量读出十六烷值CN。
具体地，该方法的有利实施例在该方面包括，喷射到至少一个汽缸的燃料的喷射始点SOI用作特征图的附加输入变量。
喷射时间点如同燃料的十六烷值或点火性能，对燃烧曲线或在空燃混合物的燃烧中形成的污染物质或排气成分具有关键影响。在采用排气浓度作为使用的燃料的十六烷值的一组标准的情况下，使用喷射始点作为又一个输入变量是有利的。
喷射始点影响点火延迟，且喷射始点的变化即喷射始点与基于特征图的期望值的偏差导致确定十六烷值的较大的不精确，因此若考虑可能的不精确，使用喷射始点作为变量即附加输入变量即将不使用或将不采用固定的喷射始点是有利的。
因此，根据所述的实施例，使用三维特征图或一组n个特征图，一组n个特征图包括对于n个不同的喷射时间点SOI的n个特征图，每个特征图再现排气浓度C与对应于实际喷射始点和实际排气成分的十六烷值之间的关系。
通过根据本发明的方法，实现基于本发明的目标，更精确地说，提供成本有效地确定燃料的十六烷值CN的方法，同时，可以比从现有技术所知的方法具有更高的精确度。
当已确定即刻使用的燃料的十六烷值时，内燃发动机的操作参数特别是燃料喷射的参数根据该方法的优选实施例调节为适用于使用的燃料，即适用于确定的十六烷值，以便确保内燃发动机的操作在燃料消耗和/或污染物排放特性方面优化。
在下文讨论如其他方案所述的根据本发明的方法的又一些有利的变体。
基本上有利的是在内燃发动机的操作点实施该方法，在内燃发动机的该操作点实施相对稳定的边界条件，从而这特别适合于确定十六烷值。
稳定的边界条件提高该方法的质量即精确度，且优选地产生十六烷值的可重复的实证结果。稳定的边界条件确保确定的十六烷值的差异实际上由不同燃料品质造成且不是由边界条件即测量条件的变化产生。
例如，这种操作点的特征在于在内燃发动机的该操作点的空气路径不易于受到不期望的变化影响，即内燃发动机的进气端或新鲜汽缸进气具有尽可能的稳定状态，特别是可重复的成分，新鲜汽缸进气的压力和温度同样极为重要。
为此，为实施该方法，例如有利地具有无排气再循环发生的操作点。这是因为即使在再循环排气量中的不明显的变化也会改变新鲜汽缸进气的成分和温度，因此对点火延迟具有可检测的影响。
由于上述原因，具体地，该方法的有利实施例包括，当内燃发动机在超速模式(overrun mode)中操作时，实施十六烷值CN的确定。
超速操作模式的特征在于尽可能稳定的空气路径。无排气再循环，且基本上不喷射燃料，若合适的话存在节气门挡板(throttle flap)关闭，从而甚至差值(spreads)即在节气门挡板位置中不期望的变化也不会共同决定结果即十六烷值。在超速操作模式中，消除了由多种操作参数变化引起的在确定十六烷值中的不精确。
根据本发明，然后，不同于常规的超速操作模式，喷射预定燃料量到内燃发动机的至少一个汽缸且燃烧，因为采用燃烧气体和/或至少一种排气成分的浓度以便确定十六烷值。
执行根据本发明的方法的框架中的燃料喷射通常导致内燃发动机及由内燃发动机驱动的车辆在超速操作模式中的不期望的加速。该加速还取决于喷射的燃料量。为实施该方法或产生足够大的排气量，有必要喷射最小的燃料量。
因此，在超速模式中，若合适的话，该方法的有利实施例包括，制动发动机以防止由于燃料的喷射和燃烧在超速操作模式中导致内燃发动机的加速。
该方法的有利实施例包括，为了确定十六烷值CN，在时间点SOI喷射燃料到内燃发动机的至少一个汽缸，在该时间点SOI燃烧过程对于十六烷值的变化反应特别敏感。
例如，若在上止点(TDC)附近即在高汽缸压力和高汽缸温度下喷射燃料，则与在较晚的时间点喷射燃料相比，不同的十六烷值对燃烧过程具有较不显著的影响，因为点火延迟和因此燃烧过程在上止点的附近由高汽缸压力和高汽缸温度关键性地共同决定，十六烷值对燃烧曲线的影响降低。
因此十六烷值主导决定点火延迟，从而燃烧曲线和不同的十六烷值导致燃烧曲线中的可检测即可测量的变化，有利地若实施该方法，在膨胀阶段喷射燃料，优选地在TDC之后超过30°CA或60°CA处。
该方法的有利实施例包括，借助于NOx传感器通过测量检测排气中包含的氮氧化物NOx的浓度CNOX作为排气成分的浓度C。
该方法变体利用如下情况：具体地，由汽缸中的温度关键性地确定氮氧化物的形成或在燃烧中形成的氮氧化物的量，对此十六烷值具有关键影响。十六烷值越高，点火延迟越短，燃烧的喷射的燃料的百分率(fraction)就越大，因此导致汽缸中压力和温度更高，从而促进氮氧化物的形成。
氮氧化物因此是对十六烷值的变化造成的点火延迟的改变反应特别敏感的排气成分。达到那样的程度，当十六烷值变化时，在排气中的氮氧化物浓度提供有利于根据本发明的方法的较大波动宽度并因此提供可测量的差异。
此外，氮氧化物传感器具有较高的测量精确度和快速的响应特性。若合适的话，为实施该方法变体，可以利用已在排气管中提供且例如用于监测存储式催化转化器的工作容量的氮氧化物传感器，因此降低实施该方法的成本。不管传感器类型或排气成分的性质，后者基本上适用，只要使用已经存在的传感器。
该方法的有利实施例还包括，借助于HC传感器通过测量检测排气中包含的未燃的碳氢化合物HC的浓度CHC作为排气成分的浓度C。
该方法变体利用以下的情况：当燃烧的喷射的燃料较多时，在排气中的未燃的碳氢化合物的浓度下降。如之前结合氮氧化物的形成所述，燃烧的喷射的燃料的百分率随着十六烷值的上升而增加。
该方法的有利实施例还包括，借助于O2传感器通过测量检测排气中包含的氧O2的浓度CO2作为排气成分的浓度C。随着十六烷值的增加，燃烧更多喷射的燃料，消耗更大部分供应到汽缸的氧。在排气中的氧浓度因此随着十六烷值上升而降低。
若使用氧传感器，必须考虑传感器本身发生的氧化过程影响传感器信号。传感器提供的氧浓度因此不成比例于在汽缸中实际燃烧的燃料量，而是成比例于喷射的整体燃料量。
将被氧化的排气成分的至少部分即一氧化碳(CO)和未燃的碳氢化合物(HC)当通过传感器时在传感器上氧化。这些氧化过程类似于在氧化催化转化器上发生的那些反应；还因为传感器至少部分地涂覆有类似于或相同于氧化催化转化器的材料。然而，在传感器上发生的氧化过程不应达到无限制大小的程度。若传感器的上游的HC浓度超过特定的阈值，传感器不能氧化所有未燃的碳氢化合物。
此外，该方法的有利实施例包括，借助于用作传感器的1ambda探针通过测量检测排气成分的浓度C。
有关空气系数(air ratio)λ的知识在内燃发动机的操作或控制的框架内特别重要，因此内燃发动机无例外地装备有所知的lambda探针，使用该探针适合于实施根据本发明的方法。
固定喷射的燃料量、喷射时间点和/或控制排气再循环，及监测和操作根据现有技术用于减少污染物的各种排气处理系统，基本上都需要该空气系数λ。
然而，必须再次考虑在探针上发生的氧化过程及其对探针提供的信号的影响。可参考结合氧传感器作出的说明。
lambda探针对上述氮氧化合物传感器具有类似的快速响应特性。可以实施在百毫秒及更少的区间中的响应时间。
在至少一个排气管中提供至少一个排气处理系统的内燃发动机中，该方法的有利实施例包括，在至少一个排气处理系统的上游设置检测排气成分的浓度C的传感器。
因为，在排气处理的框架内，排出汽缸且引入到排气管中的排气由于排气成分的转化而改变其成分，有利地设置传感器检测该排气处理的上游的排气成分的浓度。
然而，基本上还有可能在至少一个排气处理系统的下游设置传感器。然而，在该方法变体中，在排气处理系统中发生的反应(具体地还包括吸附(uptake)即排气成分的吸收或释放)若合适的话发生，然后必须考虑这些反应以便基于借助于传感器在下游检测的浓度，推测在系统的上游的排气成分的浓度，在系统上游的排气成分的浓度对于根据本发明的方法是关键的。
因为通常在该种模型、过程的支持下实施对排气处理系统的考虑，其中必须考虑排气处理，导致所确定的排气浓度存在一些不确定即不精确。在排气处理的上游设置传感器因此增加该方法的精确度。
在至少一个排气管中提供至少一个涡轮的内燃发动机中，该方法的有利实施例包括，检测排气成分的浓度C的传感器设置在至少一个涡轮的下游。
附图说明
图1示意性地示出实施该方法的内燃发动机的实施例，及
图2示意性地示出十六烷值CN和喷射始点SOI对氮氧化物NOx的影响。
参考符号
1传感器
2排气管
3汽缸
4进气管
5排气涡轮增压器
5a涡轮
5b压缩机
6a排气处理系统
6b排气处理系统
C排气成分的浓度
CNOX排气中包含的氮氧化物的浓度
CHC排气中包含的未燃的碳氢化合物的浓度
CO2排气中包含的氧浓度
CO一氧化碳
CN十六烷值
HC未燃的碳氢化合物
°CA曲轴转角的度数
n特征图的数目
NOX氮氧化物
O2氧
TDC上止点
SOC燃烧始点
SOI喷射始点
具体实施方式
参考图1和图2在下文更详细描述本发明。
图1示意性地示出实施该方法的内燃发动机的实施例。内燃发动机具有向汽缸3供应新鲜空气或新鲜混合物的进气管4和排放热燃烧气体的排气管2。
内燃发动机装备有增压装置，排气涡轮增压器5的涡轮5a设置在排气管2中，关联的压缩机5b设置在进气管4中。此外，对于排气的处理，两个排气处理系统6a、6b提供在涡轮5a的下游。
如图1所知，传感器1设置在涡轮5a的下游和两个排气处理系统6a、6b的上游，借助于传感器1通过测量检测排气成分的浓度C。以此方式确定的浓度C用作存储在发动机控制系统(未示出)中的特征图的输入变量，以便从该特征图读出使用的燃料的十六烷值CN作为输出变量。
图2示意性地示出在该情况中重现十六烷值CN和喷射始点SOI对氮氧化物NOx的影响的这样的特征图的示例，即使用氮氧化物浓度CNOx和喷射始点SOI作为输入变量用于读出十六烷值CN作为输出变量。
在纵坐标上以百万分比(ppm)绘制氮氧化物浓度CNOx，沿着横坐标以曲轴转角的度数(°CA)绘制喷射始点SOI。不同的十六烷值CN形成双曲线，且以相同的喷射始点SOI为前提，氮氧化物浓度CNOx随着十六烷值CN上升而增加。

Claims (10)

1.一种确定燃料的十六烷值CN的方法，所述燃料喷射到具有发动机控制系统的内燃发动机的至少一个汽缸(3)中用于燃烧，排气通过至少一个排气管(2)排出至少一个汽缸(3)，其特征在于，
借助于在至少一个排气管(2)中提供的传感器(1)通过测量检测排气成分的浓度C，及
该浓度C用作存储在发动机控制系统中的特征图的输入变量，以便从该特征图读出使用的燃料的十六烷值CN作为输出变量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，喷射到至少一个汽缸(3)的燃料的喷射始点SOI用作特征图的附加输入变量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当内燃发动机在超速模式中操作时，实施十六烷值CN的确定。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，制动内燃发动机以防止由于燃料的喷射和燃烧在超速操作模式中导致内燃发动机的加速。
5.如权利要求1至4中的一个所述的方法，其特征在于，借助于NOx传感器(1)通过测量检测排气中包含的氮氧化物NOx的浓度CNOX作为排气成分的浓度C。
6.如权利要求1至4中的一个所述的方法，其特征在于，借助于HC传感器(1)通过测量检测排气中包含的未燃的碳氢化合物HC的浓度CHC作为排气成分的浓度C。
7.如权利要求1至4中的一个所述的方法，其特征在于，借助于O2传感器(1)通过测量检测排气中包含的氧O2的浓度CO2作为排气成分的浓度C。
8.如权利要求1至4中的一个所述的方法，其特征在于，借助于用作传感器(1)的lambda探针通过测量检测排气成分的浓度C。
9.如权利要求1至4中的一个所述的方法，所述方法用于确定燃料的十六烷值CN，所述燃料喷射到内燃发动机的至少一个汽缸(3)中用于燃烧，排气通过至少一个排气管(2)排出至少一个汽缸(3)，至少一个排气处理系统(6a、6b)提供在至少一个排气管(2)中，其特征在于，用于检测排气成分的浓度C的传感器(1)设置在至少一个排气处理系统(6a、6b)的上游。
10.如权利要求1至4中的一个所述的方法，所述方法用于确定燃料的十六烷值CN，所述燃料喷射到内燃发动机的至少一个汽缸(3)中用于燃烧，排气通过至少一个排气管(2)排出至少一个汽缸(3)，至少一个涡轮(5a)提供在至少一个排气管(2)中，其特征在于，用于检测排气成分的浓度C的传感器(1)设置在至少一个涡轮(5a)的下游。
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