CN101832193A - Sbs逻辑生物柴油传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明申请涉及基于软件算法(SBS)的内燃机(压燃式或火花塞点燃式)逻辑传感器。这种算法能识别存在于车辆油箱内的柴油/生物柴油混合物，并能将发动机控制策略作为FAME(脂肪酸甲酯)植物基油组分或由混入基于柴油的原油中的有机废物(平均化学式C12H23)所产生的油组分的函数进行调整。

Description

SBS逻辑生物柴油传感器
技术领域
本发明涉及一种名为SBS(软件生物柴油传感器)的内燃机(压燃式或火花塞点燃式)的逻辑传感器，用于识别存在于车辆油箱内的柴油/生物柴油混合物，其使用基于软件的算法来识别FAME(脂肪酸甲酯)植物基油组分或由混入基于柴油的原油中的有机废物(平均化学式C12H23)所产生的油组分，然后将发动机控制策略作为这些组分的函数进行调整。
背景技术
在柴油机或压燃(CI)式发动机中，空气(通常由很少的受控组分的残余气体稀释)受到大约12到20的容积比的压缩，在压缩冲程接近活塞的上止点(TDC)位置时，液态燃料喷入汽缸。
由于在注入时汽缸内容物的压力和温度非常高，第一滴注入的燃油一进入汽缸就开始化学反应。
图1示出了在现代压燃式发动机中完成燃烧过程的主要部件。燃料从油箱1经适合的滤清器2传送到高压泵3，高压泵将压力130到200MPa的燃料运送到所有燃油喷射器(6a到d)共用的燃油轨4中。电控单元7(ECU)收集发动机速度、温度、油压5和载荷目标的信息，并调整发动机控制参数以优化喷射的数量和其持续时间，从而实现载荷目标和废弃污染的要求。燃油喷雾器产生适合各燃烧室几何形状9的雾化状态8。
但是，在压燃式发动机中，化学反应开始很慢，以至于只有在被称作燃烧滞后的一段可感知的时间之后才发生燃烧的通常表现，例如可测压力升高。喷射和燃烧滞后的组合体现了燃烧第一阶段的特征。
紧随燃烧滞后期的是压力升高，其取决于所用的燃油、相对于汽缸所获得的空气的燃油喷射的总量(空气-燃油比A/F)、分配全部燃油的喷射次数和喷射发生时的曲轴角(CA)值。
被称做阶段3的燃烧的第三阶段在到达最大的燃烧室压力后开始。排气阶段将决定废气(NOX、颗粒物、乙醛等)中不同后燃烧产品的性质和容积，该阶段同样在很大程度上受到适当的多喷射策略的影响。
图2示出了柴油发动机的典型的通用压力-曲轴角图表，其中在压缩冲程上死点(TDC)之前，只在40°到20°曲轴角之间的周期内发生一次喷射。虚线表示仅有空气压缩和膨胀而没有燃烧。实线表示压缩和膨胀同时燃烧。喷射周期后是滞后周期，二者组合等同于相位一。
主燃烧发生在压力升高阶段，被成为相位二，其终止于最高燃烧压力。对于给定的固定定义的A/F比、喷射策略、燃烧室几何形状和燃油成分，相位一和相位二的曲轴角长度及最大功率值(压力升高的斜度)参数在给定的载荷点的周期对周期变化小于+/-3％。
相位三(排气)通过燃烧室温度分布(绝对水平和均匀)大大影响废气中最终不希望出现的后燃烧产品的产量。
重要的是需要明白，对于给出的一组固定边界条件(发动机转速、负载、喷射战略、发动机总体温度、定义明确的标准燃油成分)，完整的压力-曲轴角图表和感应的废气温度表示完全的化学和热动力学的燃烧过程(压力-曲轴角图表)的单方信号和废气中(温度)污染物的潜在平衡。
典型的商用柴油(平均化学式C12H23)的重要特性是点火性能、密度、燃烧热量、挥发性(相位一和相位二以及最高压力(Pamx))、清洁和耐腐蚀性。除了最后两个特性，其它都是完全相关的。这就是商用柴油的燃烧特性由十六烷值来分级的原因。如同汽油的辛烷值分级，柴油关于燃烧特征的分级通过用参考燃油(如美国材料实验协会(ASTM)标准D613)进行发动机测试比较的方法来进行。
主要的参考燃油为标准的十六辛烷(C16H34)(具有极佳点火性能的开链烷烃)和α-甲基萘(C10H7CH3)(具有极差点火性能的环烷混合物)。具有压燃汽缸的专用发动机是用于这种测试的标准设备。
上面指出的参考燃油(给出与测试燃油相同的点火延迟)的混合中十六烷的百分比被取作测试中燃油的十六烷值。由于压力-曲轴角图表是燃烧过程的一个单边信号，因此十六烷值是燃油燃烧性能的单边信号。
重要的结论是，如果所有发动机参数保持不变，使用不同十六烷值的燃油，当相位一、二和最高压力值改变时，压力-曲轴角图表信号也改变。
最近几年里，火花塞点燃式(SI)发动机使用的生物燃油混合(纯汽油和不同馏分的乙醇的混合-弹性燃油)作为一种非常有效和实用的减少大气中永久储存的CO2量的方法而流行。
因此，有人建议将现有柴油和FAME(脂肪酸甲酯)植物基油的一种馏分混合。FAME油的百分比越高，大气中永久增加的CO2量的减少就越大。包含“x”％的FAME油和(100-x)％石油燃料的混合物被称作“Bx”混合物。
现在的商用柴油机可以接受低于20％的FAME油馏分，而基于CR轨基的喷射策略不会有大的改变。不幸的是，组分在20-100％时，燃烧过程的反应变得不可控制，燃烧模式逐渐显现出极端爆震条件的特征。直接的结果是燃油消耗率和废气污染物大量增加，最终导致全部熄火，更极端的情况下导致发动机的损坏。
事实上，纯商用柴油具有大约42的平均十六烷值，而100％FAME油的十六烷值通常在60左右。20％FAME油组分的十六烷值为大约48到49，这就解释了超过上述这种百分率燃烧变得不可控制和必须采取行动的原因。
发明内容
本发明的目的是设计一种识别生物柴油组分、混入基于柴油的原油的FAME油的Bx的战略，并提议基于软件的传感技术来创建当时燃烧特性(压力-曲轴角)的图像，其使用已经在现有的CR混合物制备系统使用的传感器。因此，本发明建议的基本方法不需要增加辅助的传感器，仅使用目前用于专用的CR发动机的传感器。
附图说明
下面通过表示非限定性例子的附图，更好地理解本发明。
图1为一实施例，其示出了在现代CI发动机中完成燃烧过程的主要部件。
图2为一实施例，其示出了典型的通用压力-曲轴角图表。
图3a为一实施例，其示出了本发明中使用的逻辑数据流的框图。
图3b为一实施例，其示出了本发明中使用的逻辑数据流的框图。
图4为一实施例，其示出了通过智能软件传感器方法产生的发动机控制调整的3D图。
图5为一实施例，其示出了在逻辑扭矩传感器系统的参数中的数据处理框图。
具体实施方式
正如先前说明的CA解决一样，压力-曲轴角表为一套给定的燃油、混合物准备系统和发动机负载参数提供了完全的化学和热力学燃烧过程的单边信号。
换句话说，如果发动机负载和混合物制备系统参数保持不变，如上面在压力-曲轴角表图(喷射持续时间和燃烧延迟、压力升高/倾斜和最高压力值的总和，其后被称作3个燃烧关键参数)中指出的变化是燃油组分(十六烷值)的表示，从而是混入基于柴油的原油的FAME油的百分比的指示。
根据本发明完成的主要动作是确定混入常规柴油中的生物燃油的组分，对这个动作本发明建议一逆向工程技术，来确定在压力-曲轴角表或该表的代表性的影像的说明基础上的3个燃烧关键参数。
该主要动作是燃油识别阶段(图3a)。由于这些已经由SI弹性燃油车辆(马瑞利公司专利PI020226-5，C1 0202226-5e PI 0405357-5)完成，所以相位一开始于学习过程，该过程在重新给油箱供油后执行系统测试。
在这个阶段，ECU重新获得十六烷值的参考值，该值对应于标准燃油组分(reference fuel composition)。针对该标准燃油提供一套相应的发动机控制战略，该控制策略是发动机/车辆的特征且位于ECU的储存区，并在发动机特性校准开始时从那里过程中调取。
此外，ECU将标准燃油组分和3个燃烧关键参数(参考关键参数)的指定的参考配置连接起来，该三个燃烧关键参数也是发动机/车辆的特征且位于ECU的储存区，并在发动机特性校准开始过程中从那里调取。
燃烧一种具有不同于标准燃料的组分的燃油，发动机的燃烧性能将会改变，并从而引起所述3个关键燃烧参数相对于参考值的成比例的变化。
3个燃烧关键参数的改变的识别是根据下表(图3b)来实现的。3个燃烧关键参数201的每一个列在两维的查阅表202、203、204中。断点在发动机转速轴(x)和发动机负载轴(y)上。发动机转速和负载的最大和最小值Nmin、Nmax、Lmin和Lmax限定空间窗口205，窗口中进行识别。参考关键参数以相同的格式存在，如上文所述它们是发动机/车辆的特征且位于ECU的储存区，在发动机特性校准的开始过程中可以调取。通常存在一整套参考燃烧关键参数图用于发动机热操作(水温＞水临界温度值)，而存在另一套用于发动机冷操作(水温＜水临界温度值)，这些既不是强制的也不是限定的。
只有满足下面两个条件，才能确认瞬间燃烧关键参数状态的测量。发动机功能速度和负载条件必须在限定的空间窗口205内且值的摆动梯度(dN/dt和dL/dt)必须在预先设定的发动机特性等级(OSCILmax1and OSCILmax2)以下206。授权测量时，它将持续若干个根据发动机特性预先设定的发动机循环(N循环)。然后被记录的值被过滤208并确认每个燃烧关键参数的平均值209.
接着将燃烧关键参数相对于参考值的改变被转变成十六烷值的相应演变。将这些演变与发动机/车辆特性功能图比较，该图在发动机特性校准的最初过程中位于ECU的储存区。
用这种方法，将3个燃烧关键参数相对于参考值的改变与相对于原始的参考值103的新的十六烷值联系上。
本发明的再一个优点是，可以检测特定类型的FAME植物基油或来自用在混合物(如大豆、棕榈油或其它的)中的有机废物的油产品的特定型号。这一功能需要两个特定的条件。当不同于标准FAME油的植物基油燃烧时，对于给定的植物基的Bx百分比，3个燃烧参数中的一个或多个相对于参考的FAME油条件改变。这意味着Bx的十六烷值相对于参考的FAME油条件改变。
因此，第一个条件是必须在发动机/车辆特定的初始校准期间在发动机上测试每个不同于参考FAME油的植物基油，所获得的燃烧关键参数的图和十六烷值必须在发动机特性校准的最初过程中位于ECU的储存区。
第二个条件是使用过的ECU必须提供存储容量，其足以允许不仅涉及标准FAME油的图永久存在，而且允许涉及补充植物基油制剂的平行图或乘法表的永久存在，所述补充植物基油制剂容易用于特定的区域/国家边界内。
如果这两个条件满足了，可以在确认一个新的十六烷值之前插入一辅助学习回路。图3a示出了在哪个位置进行此补充测试104。
已知新的十六烷值103后(图3a)，柴油中新的FAME油的Bx百分比就知道了105。
在此点上进行第二个动作(图4)，即，调整发动机控制战略。在这个阶段，根据最近的预先绘制的控制战略″x″和″x+1″之间的插入值来调整控制参数，该控制参数优选以3D图表示。
由于燃油从油箱到发动机的传送需要时间，只有在经过一定预先设定的发动机/车辆特征延迟Tstabilization后才能到达稳定的燃油组分B％stabilized。因此，重新注入燃油后立即开始的学习过程持续规定的预设发动机特性间隔，直到学习推迟Tstabilization的整个时间。
动作一和动作二都是只有当具有压力-曲轴图表的信息的发动机循环可以由ECU检测到时才能执行。执行检测可以有几种方法。
一种方法是在每个气缸内执行一个快速压力传感器，该方法直接且实验车辆测试过，该车辆由以(SI)和可控自动点火(CAI)两种方式工作的火花塞点燃式发动机提供动力。
然而，单个汽缸压力传感器是一个受到严酷环境条件(压力、振动和温度)影响的部件，而且精确度要求为满量程的误差小于5％。这就意味着这种装置里有一个高成本部件，即便是大规模生产。
为了克服这个问题，本发明提出一种不同的传感器技术，创造一种基于瞬间曲轴加速的智能传感(专利PI9204450)的燃烧过程的影像。
图5给出了理解这种软件传感器的工作原理的必要基本信息，这种传感器提供需要的燃烧参数信息。ECU510连接到脉冲传感器522(如可变磁阻或霍尔传感器“HALL”)，该传感器用于测量固定在发动机曲轴(如，在飞轮上)上的齿轮512的加速度和角位置。齿轮的角度轮廓被分成N(如60)个等长的齿516和孔514。在齿轮2的一点上，齿520转成孔，这些区域定位在飞轮上来识别汽缸(如汽缸1)的上死点。
用来测量通过一个齿所需的持续时间di是由基于模块526(信号整形)、530(di的时间测量)，532(比较时钟)和534(缓冲存储器)的软件算法处理的数据。
通过对一个燃烧循环(对4汽缸4冲程发动机而言，一个回转两个循环)进行的实时傅立叶分析，从di的缓冲值提取相等数量的时间组T4，每个时间组代表燃烧的一个小的时间窗口。这些值在模块538中缓冲。第二项D4通过由模块541协助的模块540计算出且在模块542中缓冲，此项指的是飞轮(曲轴)瞬间角速度的交变分量在燃烧频率的旋转向量上的投影。
最后，模块544将项T4和D4与发动机从属常量A和B组合起来。周期性的扭矩变化一般是通过表达式Tg＝AxD4/T4 3+B/T4 2来表达。
常量A和B必须针对每个发动机应用进行校准，Tg的计算值也必须针对高速发动机速度畸变进行修正。
齿轮仅在一对汽缸(如四汽缸发动机)时做为参考，汽缸各自的解析度通过与基于相位传感器的凸轮轴结合来获得。使用用于检测燃烧参数的这种传感器的好处是他们已经应用于发动机上来控制CR混合物的制备系统。不需要增加辅助传感器，如各汽缸燃烧压力传感器。
为了评估废气中的污染物含量，本发明提出的检测步骤可以与增加的废气温度传感器(低成本)结合。瞬时的Tg值和一定数量循环的进程之间的对比使这称为可能，因为排气阶段微粒物质和NOx值依赖于汽缸气体的温度。

Claims (8)

1.一种内燃机的逻辑传感技术，所述内燃机使用压缩点火方法启动燃烧过程，且能燃烧基于燃油和植物基或有机生物燃油的原油混合物，其特征在于：包括以下步骤：
开始一学习过程(200)；
取回来自ECU内的预先注册的图的十六烷值的参考值(100)；
施加对应于特定发动机和车辆的发动机控制策略；
从压力-曲轴角图表或从由发动机传感器产生的相等的图像中提取主要燃烧参数(201)；
将提取的主要燃烧参数与ECU中预先注册的值比较(207)；
识别新的相应的十六烷值(105)；
改变发动机控制战略。
2.如权利要求1所述的传感器技术，其特征在于：在电子发动机控制单元内执行软件算法，将完整的压力-曲轴角图表或其等同的图像分离成参数(201)，所述参数用于识别点火延迟周期(相位一)(202)和压力升高阶段(相位二)(203)的持续时间以及曲轴角位置和燃烧的最大压力值(Pmax)(204)。
3.如权利要求1或2所述的传感技术，其特征在于：将汽缸各自的识别的燃烧参数与发动机特性预先校正图(205)比较，每个发动机特性预先校正图对应于特定发动机速度、负载和燃油混合状况，围绕实时记录的燃烧参数，在这些图之间插入N个命令，并计算与存在于原油基的主燃料中的生物柴油的组分成比例的数据组，该生物燃油基的主燃料由十六烷值限定。
4.如权利要求1所述的传感技术，其特征在于：识别特定型号的植物基油或混合物104中存在的有机油。
5.如权利要求1所述的传感技术，其特征在于：通过将汽缸各自的识别的燃烧参数与发动机特性预先校正的代表不同型号油(207)的图进行比较，来完成特定型号植物基油或有机油的检测，然后修正测定的十六烷值(105)。
6.如权利要求1所述的传感技术，其特征在于：在计算出的燃烧参数数据组、预先绘制的结果校正的喷射战略基础上优化燃烧过程。
7.如权利要求1所述的传感技术，其特征在于：使用一种传感方法，该方法基于使用一脉冲传感器(522)来形成燃烧过程的一表征图像，所述脉冲传感器的定位适合于测量齿轮(512)的角位置和加速度，该齿轮直接连接于发动机曲轴，通过软件执行指令，从这些信息提取每个汽缸的瞬间修正的气压扭矩Tg。
8.如权利要求1所述的传感器技术，其特征在于：比较来自一增加的废气温度传感器与瞬间压力-曲轴角图表或超过一定数量的发动机循环的Tg值，来预测产生的大量微粒物质和NOx之间的平衡，并应用这些信息来修正用过的喷射战略。
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