CN102445349B - 发动机的燃烧检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机的燃烧检测方法。一种发动机的燃烧阶段检测方法，具有的优点是通过使用不受气缸压强的偏移值影响的发动机的燃烧压强和带动压强差，能够减少废气并提高燃烧稳定性，补偿燃烧室之间以及周期之间的喷射和点火延迟时间，并且实时检测燃烧阶段，从而通过简单的计算方法在燃烧的早期阶段有效地计算发热率和放热，以便控制发动机的燃烧。为此所述燃烧阶段检测方法可以包括通过使用以下定义的DRdV的特定点来检测燃烧阶段：<maths num="0001"></maths>在此，P_diff是气缸测量燃烧压强和带动压强之差，V是燃烧室体积。

Description

发动机的燃烧检测方法

相关申请的交叉引用

本发明要求2010年9月30日提交的韩国专利申请10-2010-0094890的优先权和权益，其全部内容为各种目的通过引用而包含于此。

技术领域

本发明涉及一种燃烧阶段(combustionphase)检测方法，其使用燃烧室的体积变化率和压强。

背景技术

在内燃机中，火焰还未到达的未燃混合物的自燃可能导致异常燃烧过程，例如爆震(knocking)。长时间的持续爆震可能由于热负荷以及压力冲击的增大而破坏燃烧室的部件。

影响内燃机的爆震可能性的重要参数是点火正时。如果燃烧室中的燃料/空气混合物被过早点火，就可能产生爆震。相应地，在内燃机中检测到爆震过程之后，用延迟点火正时的方法来防止在下一个燃烧冲程中出现爆震。

过度延迟的点火与效率损耗有关，相应地，使用爆震控制装置来检测内燃机燃烧过程中的爆震。这一部分爆震控制就是爆震检测。同时，调节爆震控制过程中的点火角。在国际专利申请PCT/DE91/00170中公布了类似的爆震控制。也可以改变例如燃料/空气混合物、充气(charging)、压缩比、发动机操作点等其他调节参数来减小内燃机的爆震敏感性。

此外，对于每个气缸独立地执行爆震控制，除了爆震检测之外，还公布了对于每个气缸独立地调节点火角。由于气缸的结构差异、爆震传感器的不均等分布、以及气缸的相关爆震信号产生气缸在爆震控制中的差异，因此对于每个气缸使用独立的爆震控制以便优化其效率同时相应地降低爆震敏感性。

基于点火和爆震控制的同步的信号在阶段检测部分中传输，如果该阶段检测部分失效，新的需求条件被赋给为每个气缸独立执行的爆震控制。由于内燃机和燃烧稳定性有可能损坏，以最高的安全性和最高的准确度来执行爆震控制，以便获得最高效率。

由于这一原因，为了获得燃烧稳定性以及减少有害废气，越来越需要燃烧阶段控制。

通常，燃烧阶段控制方法包括通过使用以下公式1和燃烧室内的压强来计算总放热(参考图1的总放热)，以及通过使用总放热的特定点(例如总放热的50％，MFB50：图1的y轴坐标上的值0.5)来检测燃烧阶段。

公式1 $\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\&theta;}}=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}V\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{d\&theta;}}+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}P\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}}$

但是，由于上述发热分析方法基于热动力学规律，其在数学上非常复杂，计算工作量大，因此在有足够的时间从理论方面进行分析的情况下是有效的，但是其缺点在于难以应用于实时执行的发动机燃烧。

此外，如图2所示，在使用发热的50％点(MFB50)的燃烧阶段检测方法中，在测量气缸燃烧压力时，在热冲击在传感器测量值中形成偏移的情况下，存在在检测燃烧阶段时产生较大误差的问题，如图3的方形图案标记坐标所示(与正常的圆形标记坐标相比)。

公开于本背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的各个方面用于提供一种发动机的燃烧阶段检测方法，其优点是通过使用不受气缸压强的偏移值影响的发动机的燃烧压强和带动压强(motoringpressure)差，能够减少废气并提高燃烧稳定性，补偿燃烧室之间以及周期之间的喷射和点火延迟时间，实时检测燃烧阶段，从而通过简单的计算方法在燃烧的早期阶段有效地计算发热率(heatgenerationrate)和放热(heatrelease)，以便控制发动机的燃烧。

本发明的一方面涉及一种燃烧阶段检测方法，可以包括通过使用以下公式定义的DRdV的特定点来检测燃烧阶段：

$\mathrm{DRdV}:\frac{P_{\mathrm{diff}}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}}}{\max \left(P_{\mathrm{diff}}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}}\right)}$

在此，P_diff(P-P_motoring)是气缸测量燃烧压强(P)和带动压强(P_motoring)之差，V是燃烧室体积。

用于检测燃烧阶段的特定点可以在DRdV0-50％之内，并且在基于曲柄角的0-20°之内。

用于检测燃烧阶段的特定点可以是DRdV50％和曲柄角20°。

DRdV的归一化方法可以包括：通过在传统放热中应用由燃烧形成的带动压强和压强差来代替气缸测量压强P来进行计算；通过忽略具有很小量的带动压强所导致的放热率来计算近似放热值；以及归一化，如以下公式所示：

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\&theta;}}=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}V\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{d\&theta;}}+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}P\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}}+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}P\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}}$

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\&theta;}}=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}V\frac{d(P_{\mathrm{diff}}+P_{\mathrm{motoring}})}{\mathrm{d\&theta;}}+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}(P_{\mathrm{diff}}+P_{\mathrm{motoring}})\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}},$ 其中P_diff＝P-P_motoring

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\&theta;}}=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}(V\frac{d{P}_{\mathrm{diff}}}{\mathrm{d\&theta;}}+\mathrm{\&gamma;}{P}_{\mathrm{diff}}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}})+\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}(V\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{motoring}}}{\mathrm{d\&theta;}}+\mathrm{\&gamma;}{P}_{\mathrm{motoring}}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}})$

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\&theta;}}\&cong;\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}(V\frac{d{P}_{\mathrm{diff}}}{\mathrm{d\&theta;}}+\mathrm{\&gamma;}{P}_{\mathrm{diff}}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}})$

本发明的其他方面涉及一种初始燃烧发热率检测方法和一种燃烧阶段检测方法，其中与传统的发热率检测方法相比，可以通过少量计算来检测初始发热率，并且可以通过使用初始发热率的特定点实时检测燃烧阶段。其可以有效地应用于燃烧阶段控制系统中，从而补偿燃烧室之间或者周期之间的喷射和点火延迟时间，减少废气，以及提高燃烧稳定性。

通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将变得清楚或更为具体地得以说明。

附图说明

图1是显示传统的用于控制燃烧阶段的总放热的图；该图显示了总放热(量)。

图2显示在测量气缸燃烧压强时，在热冲击导致传感器测量值产生偏移的情况下，在燃烧阶段中产生较大误差，其中上方的曲线是正常的气缸压强，下方的曲线是出现偏移的情况下的气缸压强；该图显示了气缸压强偏移。

图3显示燃烧阶段检测的结果，其利用放热的50％点(例如50％的燃料质量被燃烧，或者MFB50)，其中上端的方形标记是出现气缸压强偏移时的燃烧阶段，下端的圆形标记是正常条件下的MFB50，该图显示了在燃烧阶段检测中存在与两侧之间的高度差大小相等的误差；该图显示了当形成气缸压强偏移时的燃烧阶段检测误差。

图4是燃烧压强和带动压强的曲线图；该图显示了燃烧压强和带动压强。

图5是比较作为本发明的放热的DRdV与传统放热的曲线图；该图显示了传统放热(量)和本发明的DRdV。

图6是显示曲柄角和本发明的DRdV的归一化值之间的关系的曲线图；该图显示了DRdVx。

图7是显示根据本发明的燃料喷射正时被归一化的DRdV的40％点的曲线图；该图显示了根据燃料喷射正时的DRdVx。

具体实施方式

现在，将详细参考本发明的不同实施例，其实例显示在附图和以下描述中。虽然将结合示例性的实施例描述本发明，但应当理解该描述并非要把本发明限制于该示例性的实施例。相反，本发明将不仅覆盖该示例性的实施例，而且还覆盖各种替换的、改变的、等效的和其他实施例，其可包含在所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内。

传统的燃料喷射系统使用前馈控制。但是，尽管具有相等的燃料喷射顺序，在通过前馈控制来控制燃料喷射的情况下，喷射和点火可能根据发动机的驱动条件而被延迟，从而燃烧阶段改变。由于燃烧阶段的改变增大废气或减小燃烧稳定性，因此通过反馈控制来准确地控制燃烧阶段。

为此，传统的用于控制燃烧阶段的燃烧阶段检测方法通过使用放热的特定点(例如50％的燃料质量被燃烧，或MFB50)来检测燃烧阶段，但是在气缸压强传感器产生偏移以及计算工作量大从而难以实现实时控制时，这可能导致燃烧阶段误差。

考虑到这一点，由于本发明中使用燃烧压强和带动压强的差，因此其不受气缸压强偏移的影响，而且与传统方法相比，其计算工作量低，从而能够简便地在燃烧的早期阶段估计发热率和放热，下面将描述该方法。

使用以下公式1来计算发热率，传统的气缸测量燃烧压强P减去压强(P_motoring)是压强差(P_diff)，压强差(P_diff)由燃烧产生并用于有效地控制燃烧，即P_diff＝P-P_motoring或者P＝P_diff+P_motoring，在传统公式中，应用P_diff+P_motoring来代替P，获得根据本发明的公式2的发热率。

公式1：

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\&theta;}}=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}V\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{d\&theta;}}+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}P\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}}$

公式2：

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\&theta;}}=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}V\frac{d(P_{\mathrm{diff}}+P_{\mathrm{motoring}})}{\mathrm{d\&theta;}}+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}(P_{\mathrm{diff}}+P_{\mathrm{motoring}})\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}},$

P_diff＝P-P_motoring

其中

以上公式2被变换为以下公式3。

公式3：

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\&theta;}}=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}(V\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{diff}}}{\mathrm{d\&theta;}}+\mathrm{\&gamma;}{P}_{\mathrm{diff}}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}})+\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}(V\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{motoring}}}{\mathrm{d\&theta;}}+\mathrm{\&gamma;}{P}_{\mathrm{motoring}}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}})$

但是，在公式3中由带动压强导致的发热率是可以忽略的值，因此，发热率可以通过以下公式4的近似值来表达。

公式4：

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\&theta;}}\&cong;\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}(V\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{diff}}}{\mathrm{d\&theta;}}+\mathrm{\&gamma;}{P}_{\mathrm{diff}}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}})$

下面，通过以下公式5对公式4的γ/γ-1＊P_diffdV/dθ进行归一化，(以下，该归一化值或者“归一化放热”即DRdV(利用dV项的差异压强放热率(DifferencepressurerateofheatreleaseusingdVterm)))，根据燃料喷射利用DRdV的特性来检测燃烧阶段。

公式5：

$\mathrm{DRdV}:\frac{P_{\mathrm{diff}}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}}}{\max \left(P_{\mathrm{diff}}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\&theta;}}\right)}$

下面，将参考附图进一步描述所述计算方法。

图1是显示通过检测燃烧室内的燃烧压强并将检测的压强替换到公式1中而计算的总放热结果的曲线图。这是用于燃烧阶段控制的传统方法，其中使用总放热的特定点(例如y轴上的0.5，即50％点)来检测燃烧阶段，但是如上所述，这在数学上非常复杂，其计算工作量大，因此难以实时应用该方法。

此外，如图2所示，在测量气缸燃烧压强时，在热冲击导致传感器测量值产生偏移的情况下，在燃烧阶段中形成较大误差。上方的曲线是正常的气缸燃烧压强，下方的曲线是出现偏移的情况下的气缸压强，两条曲线之间的差异就是误差。

图3显示燃烧阶段检测的结果，其利用放热的50％点(例如50％燃料质量被燃烧，或者MFB50)，其中上端的方形标记是出现气缸压强偏移时的燃烧阶段，下端的圆形标记是正常条件下的MFB50，该图显示了在燃烧阶段检测中存在与两侧之间的高度差大小相等的误差。

图4是燃烧压强和带动压强的曲线图，其中在峰值点的左侧，气缸燃烧压强曲线与带动压强曲线重合，在峰值点的右侧，气缸燃烧压强曲线与带动压强曲线之间存在小差异。

图5是显示传统放热与作为本发明的放热的DRdV之间的关系的曲线图，该曲线图比较了通过公式5对公式4的γ/γ-1＊P_diffdV/dθ进行积分而计算的归一化放热(DRdV)与通过对传统公式1进行积分计算的归一化放热。

如图5所示，在执行燃烧时，DRdV和传统放热几乎具有相同的特性(即两条曲线几乎重合)，直到放热达到50％(大致为y轴上的0.5，x轴上的曲柄角20°)，其中如果使用根据本发明的DRdV的特性，能够准确简单地根据燃料喷射检测燃烧阶段。

图6是本发明的DRdV曲线图，如果使用DRdV的特定点(其被标记为DRdVx，例如50％点表示DRdV50，75％点表示DRdV75)，则可以检测燃烧阶段，检测的值有效地用于燃烧阶段控制中，例如，图7显示了根据燃料喷射正时的DRdV的75％点(DRdV75)，其中可以证实，燃烧阶段根据燃料喷射正时的变化而变化。

虽然已经结合目前认为的实用性示例性实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明还覆盖各种改变和等效设置，其包含在所附权利要求的精神和范围内。

为了便于在所附权利要求中解释和精确定义，术语上或下等等用于参考在图中所示的示例性实施方案的特征的位置来对这些特征进行描述。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为穷尽性的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其各种选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (8)

1.一种燃烧阶段检测方法，包括：

发动机控制单元确定气缸测量燃烧压强P与带动压强P_motoring之间的压强差P_diff，其中，P_diff＝P–P_motoring；

所述发动机控制单元通过以下公式计算归一化的放热DRdV的特定点

$DRdV:\frac{P_{diff}\frac{dV}{d\mathrm{\&theta;}}}{\max \left(P_{diff}\frac{dV}{d\mathrm{\&theta;}}\right)}$

其中，V是燃烧室体积，θ是曲柄角；

所述发动机控制单元基于计算的DRdV的特定点来检测燃烧阶段；

其中用于检测燃烧阶段的特定点在DRdV0-50％之内，并且在曲柄角0-20°之内。

2.根据权利要求1所述的燃烧阶段检测方法，其中所述归一化的放热被分为峰值前区域和峰值后区域，从而所述峰值前区域涉及燃烧的前半阶段DRdV0-50％，所述峰值后区域涉及燃烧的后半阶段DRdV51-100％。

3.根据权利要求1所述的燃烧阶段检测方法，其中用于检测燃烧阶段的特定点是DRdV50％和曲柄角20°。

4.根据权利要求1所述的燃烧阶段检测方法，其中DRdV的归一化方法包括：

公式1

$\frac{dQ}{d\mathrm{\&theta;}}=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}V\frac{dP}{d\mathrm{\&theta;}}+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}P\frac{dV}{d\mathrm{\&theta;}}$

公式2

其中P_diff＝P-P_motoring

公式3

$\frac{hQ}{d\mathrm{\&theta;}}=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}(V\frac{{\mathrm{dP}}_{diff}}{d\mathrm{\&theta;}}+{\mathrm{\&gamma;P}}_{diff}\frac{dV}{a\mathrm{\&theta;}})+\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}(V\frac{{\mathrm{dP}}_{motoring}}{d\mathrm{\&theta;}}+{\mathrm{\&gamma;P}}_{motoring}\frac{dV}{d\mathrm{\&theta;}})$

公式4

通过在所述公式1中应用由燃烧形成的带动压强和压强差来代替气缸测量压强P，来计算公式2和公式3；

通过忽略在所述公式3中具有很小值的带动压强所导致的放热率，计算公式4作为近似放热值；以及

使用权利要求1的公式来归一化所述公式4。

5.一种燃烧阶段检测系统，包括：

发动机，所述发动机使用燃烧能来产生动力；以及

ECU，所述ECU检测燃烧正时并且执行：

确定气缸测量燃烧压强P与带动压强P_motoring之间的压强差P_diff，其中，P_diff＝P–P_motoring；以及

通过以下公式计算归一化的放热DRdV的特定点

$DRdV:\frac{P_{diff}\frac{dV}{d\mathrm{\&theta;}}}{\max \left(P_{diff}\frac{dV}{d\mathrm{\&theta;}}\right)}$

其中，P_diff＝P–P_motoring是气缸测量燃烧压强P和带动压强P_motoring之间的差，V是燃烧室体积，θ是曲柄角；以及

基于计算的DRdV的特定点来检测燃烧阶段；

其中用于检测燃烧阶段的特定点在DRdV0-50％之内，并且在曲柄角0-20°之内。

6.根据权利要求5所述的燃烧阶段检测系统，其中所述归一化的放热被分为峰值前区域和峰值后区域，从而所述峰值前区域涉及燃烧的前半阶段DRdV0-50％，所述峰值后区域涉及燃烧的后半阶段DRdV51-100％。

7.根据权利要求5所述的燃烧阶段检测系统，其中用于检测燃烧阶段的特定点是DRdV50％和曲柄角20°。

8.根据权利要求5所述的燃烧阶段检测系统，其中所述ECU执行DRdV的归一化方法，所述ECU包括：

通过在下述公式1中应用由燃烧形成的带动压强和压强差来代替气缸测量压强P来计算公式2和公式3的装置；

通过忽略在下述公式3中具有很小值的带动压强所导致的放热率计算公式4作为近似放热值的装置；以及

使用权利要求5的公式来归一化下述公式4的装置；

公式1

$\frac{dQ}{d\mathrm{\&theta;}}=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}V\frac{dP}{d\mathrm{\&theta;}}+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}P\frac{dV}{d\mathrm{\&theta;}}$

公式2

其中P_diff＝P-P_motoring

公式3

$\frac{dQ}{d\mathrm{\&theta;}}=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}(V\frac{{\mathrm{dP}}_{diff}}{d\mathrm{\&theta;}}+{\mathrm{\&gamma;P}}_{diff}\frac{dV}{d\mathrm{\&theta;}})+\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}(V\frac{{\mathrm{dP}}_{motoring}}{d\mathrm{\&theta;}}+{\mathrm{\&gamma;P}}_{motoring}\frac{dV}{d\mathrm{\&theta;}})$

公式4