CN101995314B - 用于确定内燃机的燃烧室的压力值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定内燃机(10)的燃烧室(12)的压力值的方法，其中借助压力传感器(24)来测量压力测量值，其中，一方面根据所述压力测量值并且另一方面根据所述内燃机(10)的燃烧室(12)的工作循环情况和/或燃烧情况来获取用于确定压力值的校正值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定内燃机的燃烧室中的压力值的方法，其中借助压力传感器来测量压力值。
此外，本发明还涉及一种计算机程序以及一种用于内燃机的控制装置。
背景技术
在柴油内燃机和汽油内燃机中使用用于确定内燃机的燃烧室中的压力的压力传感器，以便获得改善的关于内燃机的燃烧室中运行的燃烧过程的回馈。这尤其在内燃机的较新的操作方法方面意义重大，例如在均质压缩燃烧(亦被称为HCCI)方面意义重大。
已证实，为了获得充分准确的压力测量值而应当使用具有较高信号质量的压力传感器。然而在大批量生产方面值得追求的是，同样能够使用具有较低信号质量的压力传感器。
发明内容
本发明提出，一方面根据压力测量值并且另一方面根据内燃机的燃烧室的工作循环情况和/或燃烧情况来获取用于确定压力值的校正值。
在从属权利要求中给出了有利的改进方案。此外，在以下描述中并且在附图中可找到对于本发明而言重要的特征，其中这些特征既可独立地又可不同组合地对于本发明而言是重要的，对此不再明确地指出。
根据本发明的方法使得能够校正压力传感器的压力测量值。此校正是借助校正值来实现的，这些校正值则是根据压力测量值和内燃机的工作循环情况来确定的。在根据本发明的方法的范围内认识到，测得的压力测量值与实际压力值的偏差取决于内燃机的分别被观察的燃烧室的工作循环情况。取决于燃烧室的工作循环情况，某些干扰因数仅短暂地出现。例如，随着燃烧，燃烧室的温度显著上升。此温度上升会引起对压力传感器的短时干扰。此干扰亦可被称为“温度突变”或“短时漂移(Kurzzeitdrift)”。
在本发明的范围内，工作循环被理解为一种循环，在该循环期满之后，内燃机的燃烧室再度经历另一次工作循环。在四冲程往复活塞式内燃机中，一个工作循环与内燃机的曲轴旋转两圈以及经历四个阶段(进气、压缩、膨胀、排气)相对应。内燃机的不同燃烧室的这些阶段是分别彼此偏置的。在二冲程往复活塞式内燃机中，一个工作循环与内燃机的曲轴旋转一圈相对应。
工作循环情况指示燃机的燃烧室(尤其是气缸)的工作循环进展如何。例如，一个工作循环可延伸通过0°到720°的曲轴转角区间。工作循环情况可以通过指示所提及的区间中的角度来确定。
燃烧情况指示送入燃烧室(尤其是气缸)的燃料转换成热量的进展如何。例如，燃烧情况可以通过预定部分的燃料被完全燃烧掉来表征。
根据本发明的对有误差的压力测量值的补偿使得使用具有较低信号质量的压力传感器成为可能。但是替换地或补充地，还可以在使用具有较高信号质量的压力传感器情况下确定较准确的压力值。
由于校正值是分别根据内燃机的燃烧室的当前工作循环情况和/或燃烧情况以及根据压力测量值来确定的，因而可以为燃烧室的每个工作循环或每个循环重新确定校正。这实现了对有缺陷的压力信号的实时补偿。
在最简单的情形中，校正值对应于对于某个工作循环情况/燃烧情况和测得的压力测量值来说所预期的误差，该误差可以以反置的符号加给测得的压力测量值。
有利地，将不同的校正值分配给燃烧室的工作循环内的不同情况，以便根据内燃机的燃烧过程来补偿有误差的压力测量值。
特别有利地，设置用于根据燃烧室的工作循环的变化和/或燃烧情况的变化来分配校正值的校正函数。此类校正函数使得能够特别容易地且准确地预先规定跨越工作循环的变化的校正值。
有利地，通过不同的函数段来定义校正函数。这实现了能够设置在其不同的函数段中最优地与燃烧过程相匹配的校正函数。同时，不同的函数段能够不以始终可区分的方式彼此转变，由此同样在这些转变区域中和转变区域相邻处达成精确且快速的补偿。
特别优选地，将至少一个带有校正值的数值上升的第一函数段与燃烧室内的温度上升联系起来(korreliert)。
以相应方式有利地，将至少一个带有校正值的数值下降的第二函数段与燃烧室内的温度下降联系起来(korreliert)。
为了确定校正函数的至少一个函数段的开始和/或结束而有利的是，为此使用至少一个表征燃烧室的预定燃烧状况的参量。此类参量的一个示例为燃烧重心位置(Verbrennungsschwerpunktlage)，在其处送入燃烧室的燃料的一部分(例如50％)被完全燃烧掉。待使用的参量的另一示例为在工作循环内测得的最大压力。此最大压力也可被用来确定燃烧重心位置。在此情况下，尤其使用由于燃烧(而非压缩)引起的最大压力。
如果将第一校正最大值分配给燃烧室中由于燃烧过程引起的压力上升，那么可在燃烧重心位置的区域中实现特别准确的误差补偿。
如果将第二校正最大值分配给燃烧室中由于气体交换引起的压力上升，那么也可以在此关键区域中实现准确的误差补偿。
特别有意义的是以计算机程序的形式来实现根据本发明的方法，该计算机程序可存储在电子的存储器介质上并且能够以此形式向控制内燃机的控制装置指派该计算机程序。
从以下参照附图来描绘本发明的不同实施例的描述中得到本发明其他的优点、特征和细节。在此，在权利要求和说明书中所提及的特征可以分别各自独立地或任意组合地对于本发明而言是重要的。
附图说明
以下参照附图来说明本发明的实施方式。在附图中示出：
图1示意性地示出了具有燃烧室和用于检测燃烧室中的压力的压力传感器的内燃机的一个实施例；
图2示意性地示出了用于补偿压力传感器的误差的过程的一个实施例；
图3示出了校正函数的一个实施例；
图4是根据图1的压力传感器的、标绘在内燃机的一个工作循环上的、带有和不带有误差补偿的压力值以及参考压力传感器的参考压力值的图示；
图5是在其中示出压力传感器的分别带有和不带有误差补偿的压力值相对于参考压力传感器的参考值之差的图示；
图6示出了图4中用VI标记的部分的放大图；以及
图7是根据图6的部分的与图5对应的图示。
具体实施方式
图1中示意性地示出了内燃机并且总体地用附图标记10来表示该内燃机。内燃机10具有多个燃烧室，在该附图中示出了其中的一个燃烧室12。
内燃机10尤其是具有活塞14的往复活塞式内燃机，该活塞14通过连杆16对曲轴18起作用。
内燃机10尤其是四冲程内燃机，其中一个工作循环伴随着曲轴18旋转两圈，由此活塞14在每个工作循环(亦被称为周期)中在上止点位置与下止点位置之间往返运动两次。在内燃机10的四个工作冲程期间，从下止点位置起经历排气冲程、进气冲程、压缩冲程和膨胀冲程。
可以用所谓的HCCI方法来操作内燃机，在该HCCI方法中，还可以可选地在气体交换阶段在排气冲程与进气冲程之间的转变中发生燃烧。
内燃机10具有示意性示出的分配给每个燃烧室12的进气口20，通过该进气口20可将燃烧空气、必要时还将燃料送入燃烧室12。在HCCI方法中，直接喷射是有利的，但是附加地或替换地，吸管喷射(Saugrohreinspritzung)也是可行的。
此外，内燃机10具有分配给每个燃烧室12的排气口22，借助该排气口22可将废气从燃烧室12排出。
为了监视内燃机12的压力而设置压力传感器24，该压力传感器24按需要还可用于爆燃识别。压力传感器24通过数据线26与控制装置28相连接。优选地，控制装置28还用于控制内燃机10的燃料喷射装置(未示出)、内燃机10的必要时存在的点火装置、必要时能够可变地控制的阀门系统、至少一个可控制的涡轮增压器和/或必要时存在的用于控制回引到内燃机10的废气流的装置。
借助压力传感器24来测量压力测量值，可以借助控制装置28来读取这些压力测量值。对压力测量值的读取对应于图2中所示的用于补偿有误差的压力测量值的过程的步骤30。
步骤30之后为任选的数据处理步骤32、24和36，其中可以对压力测量数据进行滤波、校正灵敏度误差和执行偏移补偿。接着以上提及的步骤30到36之一，在阶段38中对测得的压力值进行校正。在该校正的范围内尤其校正所谓的“温度突变误差”。
对测得的压力测量值的校正是借助图3中所示的校正模型40来实现的。在阶段38的范围内可以执行图2中所示的步骤42、44、46和48或者这些步骤中的一部分。
例如，可以在步骤42中确定校正模型40的固定参数。在步骤44中可以确定一个工作循环(其中曲轴18旋转两圈)内测得的最大压力值pMax以及燃烧重心位置ΦMFB50。燃烧重心位置ΦMFB50指示该工作循环内的情况，其中送入燃烧室12的燃料的50％被完全燃烧掉。
在步骤46中，可以计算真正的校正值K。
在步骤48中，可以将计算出的校正值K与测得的压力测量值相加。在步骤50中，可以计算用于控制内燃机10的燃烧特征。
校正模型40包括具有多个函数段的校正函数52。这些函数段彼此拐入，然而并不可始终微分。
校正函数52尤其具有四个或五个函数段。因此，设置具有陡峭的校正值上升的第一函数段54，具有缓慢下降的校正值的第二函数段56、具有校正值上升的第三函数段60、具有下降的校正值的第四函数段62以及具有尤其等于0的恒定校正值的第五函数段64。函数段54到64分别对应于内燃机10的工作循环中的一个子部分。如以上所说明的，一个工作循环延伸通过曲轴18旋转两圈并且因此通过720°曲轴转角。在图3到图7中，0°曲轴转角(℃A＝°曲轴转角)与活塞14的上止点相对应，在该上止点处进行点火(点火OT)或者至少开始膨胀冲程。
在负的或正的温度突变误差的情况下，从温度影响的时刻起直至温度下降到正常水平结束，测得的压力传感器24的压力测量值过小或过大。借助所示的校正函数52可以补偿这些误差。函数段54、56、60和62可以分别线性地或指数地上升或下降。然而特别优选地，为函数段54、56、60和62的定义考虑以下关系。
以下内容尤其适用于与内燃机10的压缩冲程和膨胀冲程对应的函数段54和56的定义：
温度突变误差直接取决于燃烧室中的温度并且因此取决于燃烧的时刻。相对于燃烧开始，误差的出现要略微延迟一些。一旦燃烧的温度到达压力传感器24的敏感部件，压力信号就会在曲轴18的较小度数的曲柄转角内产生最大误差值的失真。接着，温度突变误差指数地衰减直至排气冲程结束。
为每个周期重新确定校正模型40。该校正模型——在此处描述的实施方式中——描绘了负值形式的预期的温度突变误差并且被添加至测得的压力测量值。最大校正值ThermosHD(Cycl)取决于燃烧室中的温度并且该温度又取决于燃烧强度。各个工作循环的最大压力pMax(Cycl)提供了良好的用于估计燃烧强度并且因此估计最大误差值的依据。例如，根据作为最大压力的函数的线性方程来确定函数段54的校正值(替换地，也可以根据最大的压力上升和/或根据多个参数来确定这些校正值)。
ThermosHD(Cycl)＝pMax(Cycl)*steigHD+offsetHD
该线性方程的斜率由steigHD来定义并且可以如同偏移值offsetND那样基于传感器特性来确定。
校正的开始是固定给定的或者取决于燃烧时刻。由于燃烧重心位置(ΦMFB50)在未经校正的压力信号情况下已具有了良好的准确性，因而该燃烧重心位置被用作开始的参考。校正相对于参考点的开始是由参数VersatzHD定义的并且可以基于传感器24的特性来确定：
替换地，可以取代燃烧重心位置(ΦMFB50)或者除了燃烧重心位置(ΦMFB50)之外还使用其他特征，例如其他的转换位置(例如，在其处燃烧掉送入燃烧室12的燃料的10％的位置)、最大压力梯度的位置、或者通过计算从多个单一特征确定的特征。
为了计算直至最大校正值的线性上升，对于从到的角度而言适用：
通过改变因子可以影响上升的斜率。
温度突变误差的指数衰减延伸直至进入下一工作循环。对于结束而言，可以选择固定的点或者根据或来选择点，例如
其中可以如以下所描述的那样来定义。
如果(例如，在内燃机10的SI运行期间)不将校正模型用于低压循环(函数段60、62和64)，那么就位于下一循环或工作循环的气体交换OT的区域中。根据要求和应用，可以例如根据可变阀门系统的控制时间而偏离于该区域。
对于从到的角度，如下来计算在最大校正值之后的指数下降(函数段56)：
下降曲线的形状由因子shapeHD来描述。但是，也可以使用其他单调下降的曲线形状，该曲线形状例如被存储在控制装置28的存储器中。
当将压力传感器24用于为了将废气保持在气体交换OT处而进行中间压缩的HCCI燃烧方法时，会产生测量信号的进一步失真。由于较高的废气份额和中间压缩，因而燃烧室12中的温度在气体交换OT处上升并且同样导致温度突变误差。气体交换OT处的误差的形状在斜率和最大误差值方面相对于点火OT而言是不同的。由于较缓慢的并且还较小的温度上升，因而斜率和最大误差值均小于点火OT处的斜率和最大误差值。该误差的指数衰减在紧接着关闭进气口20的进气阀之后结束。
因此，优选同样为每个工作循环重新确定的函数段60和62描绘了负值形式的预期的温度突变误差并且被添加至测得的压力测量值。最大校正值ThermosND(Cycl)取决于燃烧室12中的温度并且该温度又取决于前一工作循环的燃烧强度以及操作策略(阀门策略、操作方式、......)。前一工作循环的最大压力pMax(Cycl-1)提供了良好的用于估计燃烧强度并且因此估计最大误差值的依据(此处例如如此执行对最大压力的计算，以便确定由燃烧本身引起的而不是由压缩引起的最大压力)。在此适用的是，气体交换OT中的气体的温度是由前一燃烧的剩余气体并且在此情况下尤其是由燃烧情况和喷入的量以及所作的功来确定的。根据作为最大压力的函数的线性方程来确定校正值，该最大压力已被证明为是合适的：
ThermosND(Cycl)＝pMax(Cycl-1)*steignd+offsetND
该线性方程的斜率由steigND来定义、在正常情形中是负的并且可以如同偏移值offsetND那样基于传感器24的特性来确定。
对于校正的开始，可以将排气口22的排气阀的关闭时刻用作参考。如果阀门打开时刻的数据不可用，那么也可以固定地预先规定校正的开始，因为中间压缩总是至少在气体交换OT的区域中进行。
校正相对于参考点的开始是由参数VersatzND定义的并且可以基于传感器24的特性来确定。
为了计算直至最大校正值的上升，对于到的角度而言适用于函数段60的是：
通过改变因子可以影响上升的斜率。
对于结束可以选择固定地预先规定的点或者根据或来选择事件或点(例如，打开燃烧室12的进气阀)，例如：
对于从到的角度，如下来计算函数段62在最大校正值之后的指数下降：
下降曲线的形状由因子shapeND来描述。
如果计算出校正值那么将从到的校正值添加至当前循环的压力信号在下一循环(0°KW到)添加从到的校正值，以便获得经校正的压力值。替换地，如此在时间上执行校正，以使得实时地根据控制装置28的实际情况来循环同步地调节燃烧。
所描述的校正模型40涉及负的温度突变误差。然而，在匹配了相应的符号之后(对应于校正函数52的径迹的围绕X轴的镜像)
待补偿的温度突变的数额还可以附加地或者替换地根据喷射量、压力上升梯度、工作点(由内燃机10的负载、转速和/或温度)、空气系统尤其是阀门系统的控制量来计算。该相关性可以例如通过特性曲线族来描绘。
图4和图6中示出了三条压力曲线，其被标绘在内燃机10的720°KW的一个工作循环的上方。第一压力曲线66对应于借助压力传感器24测得的未经补偿的压力测量值的变化。第二曲线68标出了经校正的压力值的变化。第三曲线70标出了参考压力传感器的变化。
从图4可见，尤其在工作循环的跟随着压力最大值的区域中，所测得的压力测量值66偏离于参考压力传感器的参考值70。在图5和图7中根据曲线“70-66”示出了此偏差。
与之相反，经修正的曲线68的压力值在很大程度上对应于参考压力传感器的参考值70。这在图5和图7中根据曲线“70-68”来说明。此曲线在零偏差周围仅具有非常小的波动并且说明了相对于曲线“70-66”的显著改善。
Claims (10)
1.一种用于确定内燃机（10）的燃烧室（12）中的压力值（68）的方法，其中借助压力传感器（24）来测量压力测量值（66），其特征在于，一方面根据所述压力测量值（66）并且另一方面根据所述内燃机（10）的所述燃烧室（12）的工作循环情况和/或燃烧情况来获取用于确定所述压力值（68）的校正值（K）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，向所述燃烧室（12）的工作循环内的不同情况分配不同的校正值（K）。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于校正函数（52），所述校正函数（52）用于根据所述燃烧室（12）的工作循环的变化和/或所述燃烧情况的变化来分配校正值（K）。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述校正函数（52）是由不同的函数段（54，56，60，62，64）来定义的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，向所述燃烧室（12）的工作循环内的不同部分分配不同的函数段（54，56，60，62，64）。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将至少一个带有所述校正值（K）的数值上升的第一函数段（54）与所述燃烧室（12）内的温度上升联系起来。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将至少一个带有所述校正值（K）的数值下降的第二函数段（56）与所述燃烧室（12）内的温度下降联系起来。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，为了确定所述校正函数（52）的至少一个函数段（54）的开始和/或结束而使用至少一个表征所述燃烧室（12）的预定的燃烧状态的参量。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，向所述燃烧室（12）中由于燃烧过程引起的压力上升分配第一校正最大值（Thermos HD（Cycl））。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，向所述燃烧室（12）中由于气体交换引起的压力上升分配第二校正最大值（Thermos ND（Cycl））。
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