CN102628407A - 用于适配地调整内燃机的运行状态的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于改变内燃机的运行状态的方法。由至少一个传感器来检测那些代表内燃机的运行状态的数据，并把这些数据传递至调节设备。由该调节设备根据这些数据来确定出内燃机的最佳的运行区域，并使得内燃机的运行状态目标明确地适配于最佳的运行区域，其方式为，至少为指定用于燃烧过程的发动机运行参数确定用来保持或达到最佳的运行区域的给定值，并把发动机运行参数的实际值调节至给定值。

Description

用于适配地调整内燃机的运行状态的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的用于改变内燃机的运行状态的方法。本发明还涉及根据权利要求9的对该方法的应用，也涉及根据权利要求10的用于实施该方法的装置以及根据权利要求11的为其使用的调节设备。 

背景技术

优选在与发动机的使用目的相适应的最佳的运行区域内对内燃机加以利用。通常的最佳的运行区域的特点例如是，运行时的燃油消耗最小。内燃机的运行状态因此优选保持在该最佳的运行区域中。但所用燃油-空气混合物的燃烧质量进而运行状态取决于众多的并不能持续地保持恒定的运行条件，例如燃油组分、抽吸空气温度、燃油品质、气缸中的剩余燃气含量等。 

因而在发动机运行期间可能会偏离最佳的运行区域。如果偏离了最佳的运行区域，有时就会出现并非所愿的现象，例如发动机爆震。在这种前提下，已知有一些方法允许识别出偏离了最佳的运行区域。为了避免发动机受损，重要的是，尽快地制止爆震。因此在已知内燃机的运行中采用了用于调节爆震的方法和抗爆震装置，其例如已在DE10360022A1中公开。 

按照所述方法，如果发生了爆震，就把点火角延迟推移到抗爆震区域中，然后从一系列措施中引入至少一种措施，以便在最初的运行点制止爆震。如果确定出一种措施未达到所希望的目标，致使爆震在最初的运行点仍然存在，就把这种措施从所述系列措施中删除，并尝试该系列措施中的替代的后续措施。已知方法的目标是，回到最初的运行状态，并使得内燃机在无爆震现象的情况下继续工作。 

按照已知的方法，暂时改变内燃机的运行状态，试图消除爆震起因，在该方法进展顺利的情况下，回到最初的运行状态。这种方法的缺点是，未考虑到运行条件的持久变化。因而可能无法实现在最初的运行状态下制止爆震，从而所述方法没有效果。在运行条件变化的情况下，无法实现再次产生最初的运行状态。发动机因而在爆震情况下工作，或者可能以减小的功率在非最佳的运行区域中工作，或者必须切断发动机。 

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种方法，借此能对运行条件的暂时性的或持久性的变化做出反应。即使运行条件持久地变化且无法再次产生最初的运行状态，也能使得如此运行的内燃机最佳地工作。还将提出一种指定用于实施该方法的装置和一种适合于此的调节设备。 

有关该方法的目的，本发明利用权利要求1的特征予以实现。在从属权利要求9和10中记载了对该方法的应用以及用于实施该方法的装置，在权利要求11中给出了一种调节设备。有利的设计方案在其它权利要求中有所述及。 

依据本发明的方法提出，借助至少一个传感器和调节设备来改变内燃机的运行状态，为此利用传感器来检测那些代表内燃机运行状态的数据，并把这些数据传递至调节设备，利用调节设备根据这些数据来确定出内燃机的最佳的运行区域，并使得运行状态适配于最佳的运行区域。进行这种适配性调整的方式为，调节设备至少为指定用于燃烧过程的发动机运行参数确定用来保持或达到最佳的运行区域的给定值，并把发动机运行参数的实际值调节至给定值。 

若在发动机运行参数（例如点火时刻、燃烧空气比、点火持续时间、空气质量流量）保持相同的情况下确定出发动机的燃烧突然出现变化，则可以断定，有一个或多个运行条件（例如燃油组分）发生了变化。但如果运行条件已发生了变化，最佳的运行区域就所考察的发动机运行参数而言也发生了偏移，也就是说，例如可以断定燃油组分发生了变化。 

根据本发明，调节设备例如在考虑到已知的发动机特性曲线簇的情况下求得一个新的最佳的运行区域，所述发动机特性曲线簇例如利用各种不同的参照燃油来求得，或者适应于其它运行条件。如果内燃机如同以前那样在最佳的运行区域中工作，调节设备就保持当前的最佳的运行区域。如果就待考察的发动机运行参数而言偏离了最佳的运行区域，就针对新的最佳的运行区域求得最佳的发动机运行参数，并使得作为实际值的当前的发动机运行参数跟随作为给定值的新的最佳的发动机运行参数。 

作为调节设备，例如采用发动机控制机构，必要时在可用的发动机控制机构的基础上补充相应的功能，从而实现成本低廉地且可附加式地实施。 

在执行上述做法时，调节设备为指定用于燃烧过程的至少一个发动机运行参数求得给定值。根据本发明，选择给定值的方式为，若当前所确定的运行状态已处于最佳的运行区域中，就保持最佳的运行区域，而若当前运行状态不在最佳的运行区域中，就把它直接地或逐步地转入最佳的运行区域，具体为，将发动机运行参数的实际值调节至给定值。其优点在于，通过对发动机运行参数的这种适配调整，能让内燃机最佳地运行所在的应用区域得到了拓展。而按照现有技术，根据持久改变的运行条件对发动机运行参数的持续的适配性调整只能通过手动干预来进行。 

根据一种优选的实施方式，作为数据，求取爆震值或与其相关的参量。为此使用爆震传感器例如这种类型的压电的振动传感器―例如带有用于信号增强的集成器。因而为了实施要求权利保护的方法，可以使用通常已有的传感器。该方法能以成本低廉的方式为了在可用的内燃机上应用而加以实施。因而如果例如确定出爆震，则其可用作用来改变运行状态的缘由。本发明的方法可以补充或者替代在发动机控制中实施的方法。 

另一种方案是使用压力传感器，例如用来检测点火压力值。在这种情况下，代表发动机运行状态的数据包括点火压力值，即快速变化的点火压力的所测实际值（即时采样）、与其相关的参量或整个点火压力过程。除了压力传感器外，还可以使用其它传感器，可以根据与特定内燃机配合地提供的传感器来适应性地调整该方法。 

内燃机的运行状态可以基于一个或多个参量来确定。有用的参量是发动机转速、转矩值、点火压力值、在点火过程中产生的平均压力、燃烧空气比λ、点火时刻t、点火持续时间、点火压力曲线、点火能量、火花燃烧持续时间、温度等。以此方式能使得该方法适应于各种不同的发动机，其中例如利用已有的传感器来确定运行状态。 

发动机的与相应的运行条件如燃油组分相关的运行区域根据由其内燃机使用目的导致的规定被适配性地调整。作为最佳的运行区域，例如根据运行条件来规定效率区域。针对每个运行条件例如都存在一个燃油消耗最小的运行点。在这种情况下，能让燃油消耗充分地接近设定的最小值的所在运行区域可以设成效率区域。因而针对每个运行条件都设定一个最佳的运行区域。另一个范例是，使得运行时的排放值必须处于规定的间隔内，由此来规定效率区域。为了求得最佳的运行区域，尤其可以考虑经验数据如发动机特性曲线簇。 

根据本发明，作为指定用于燃烧过程的发动机运行参数，利用燃烧空气比λ、点火时刻t、发动机转速、转矩、点火能量、火花燃烧持续时间和/或与这些发动机运行参数中的至少一个发动机运行参数相关的参量。所使用的那些发动机运行参数又可以适应于一定的内燃机和/或对内燃机的特定应用。 

针对至少一个发动机运行参数，调节设备规定了给定值。这些给定值可以在需要时局限于设定的值范围。有限的值范围是有益的，这是因为一定的发动机运行参数比如点火时刻t应处于规定的界限内，以便保护发动机免于受到不允许的调节，或者遵守排放规定。不允许的调节例如是过早的点火时刻，其肯定会引发爆震式的燃烧。排放规定例如在工业用的静止的大型燃气发动机中起到特殊的作用。 

根据本发明的一种优选的实施方式，根据内燃机的运行状态为待确定的给定值确定出设定好的值间隔。在某些运行状态下，最好能允许较大的值间隔，而针对其它运行状态适宜采用较小的值间隔。如果允许用于给定值的较大的值间隔，则能以较大的增量（给定值与当前的实际值的差）来改变实际值。在确定出爆震时此点特别有益。于是若内燃机在危险区域中工作，运行状态就会很快地发生变化。相关地重要的一定的参量例如是点火时刻。如果发动机开始爆震，则可以把用于点火时刻的设定好的给定值的间隔选择得较大，且将点火时刻快速地确定为延迟很多的值。变化的增量因而较大。如果发动机已偏离危险区域，且将确定一个新的给定值，则可以开始精细调节，因而可以选择一个小很多的用于改变点火时刻的增量，于是将逐步地、缓慢地及早地改变点火时刻。在这个第二调节阶段，将设定用于给定值的较小的值间隔，发动机运行参数的实际值被连续地、分多个步骤地调节至一系列给定值。 

如果确定内燃机运行状态已处于与当前运行条件适配的最佳的运行区域内，则可以对给定值进行很小的改变，或者甚至根本就不改变，于是把间隔选择得很小。以此方式使得调节过程最佳。这还随之使得内燃机的效率最佳，此外预防了高度磨损或其它风险。 

为了确定发动机运行参数特别是点火时刻t和/或燃烧空气比λ的给定值，可以考虑发动机特性曲线簇。这种发动机特性曲线簇特别是取决于燃油参数。发动机特性曲线簇因而可以用各种不同的参照燃油来求得。为此例如也可以使用按照合同得到保证的燃油。因而例如可以使用利用各种不同的具有不同组分的燃油求得的发动机特性曲线簇。通过不同的发动机特性曲线簇可以在运行状态改变时快速地找到给定值，且可以连续地调节至一个给定值或整个系列的给定值。以此方式对运行状态进行正确的适配性调整，其中可以同时考虑任何已知的经验数据。因而无需试图依次地试验各种措施和有缺陷的方法，而是基于对相应内燃机的精确认识进行精确的调节。 

该方法能应用于各种不同的内燃机，特别是也可应用于燃气发动机，或者特别地应用于燃气-汽油机。燃气发动机有一种常见的现象，即，所用燃气的组分随着时间的推移而发生变化。采用本发明的方法能动态地针对任何燃气组分来调节发动机的最佳的运行区域。 

为了实施该方法，优选使用一种具有传感器和调节设备的装置。传感器测得能代表内燃机运行状态的数据，并把这些数据传递至调节设备。调节设备根据这些数据持续地求得内燃机的最佳的运行区域，并至少为指定用于燃烧过程的发动机运行参数确定例如用来保持或达到最佳的运行区域的给定值，并把发动机运行参数的实际值调节至给定值。 

本发明的调节设备特别是使用了一种运算器，该运算器根据由传感器传递的能代表内燃机运行状态的数据来求得最佳的运行区域。此外，该运算器至少为指定用于燃烧过程的发动机运行参数确定用来保持或达到最佳的运行区域的给定值，并输出用来把发动机运行参数的实际值调节至给定值的信号。视实施方式而定，该运算器可以随之考虑内燃机的差别很大的特征参量，且可以利用全部设定的经验数据。优选该运算器使用各种不同的发动机特性曲线簇，这些发动机特性曲线簇例如可以适应于各种不同的燃油或各种不同的燃油组分。 

附图说明

下面对照附图示范性地详细介绍本发明。附图示出： 

图1为本发明的用于改变内燃机的运行状态的方法的一个实施方式的示意性的方框图；

图2a-2d为内燃机的各种不同的运行状态和运行区域的视图；

图3为用于改变内燃机的运行状态的装置的一个实施方式的方框图。

具体实施方式

图1结合图3示出根据本发明的一个实施方式的用于调节内燃机的运行状态的方法和装置的方框图。在第一步骤S1中，传感器2检测数据，在下面将予以详述的后续步骤中，基于所述数据借助发动机控制器1进行调节过程。 

在所示实施方式中，该装置具有发动机控制器1和多个传感器2。根据由传感器2传递的数据，发动机控制器1求得发动机（W）的运行状态（Z1）以及最佳的运行区域，并调节所设定的发动机运行参数，以便运行状态（Z1）保持在最佳的运行区域（W），或者进入最佳的运行区域（Wn）。 

在所示实施方式中，未详细示出的内燃机是一种静止运行的燃气-汽油机。在所示实施方式中，传感器2包括形式为压电振动传感器的带有集成器的爆震传感器3，还包括发动机转速传感器4、用于测量点火压力值的压力传感器5和转矩传感器6。 

爆震传感器测得代表发动机运行状态（Z1）的数据，在这种情况下作为数据来检测爆震值。由传感器2测得的数据通过数据连接线7传递至发动机控制器1。采用运算器8由发动机控制器1中的所传递的数据求得当前的发动机运行状态（Z1）。 

当前的燃气发动机运行状态（Z1）在图2a中表示成点（Z1）。所示图中的两个坐标轴表示不同的参量，这些参量代表燃气发动机的运行状态，且例如是发动机转速、发动机转矩、燃烧空气比λ、点火时刻、点火持续时间等。 

图3中所示的发动机控制器1的运算器8还求得与由传感器2传递的数据有关的最佳的运行区域W。图2a中用带阴影线的圆形区域来表示所述运行区域。在该运行区域W中，燃气发动机最佳地工作。最佳的运行区域W在此是在最佳运行点周围的足够小的区域。在当前情况下，可以对该区域做如下理解，即燃油消耗在该区域中最小。因而，图2a表示了所希望的运行状况，燃气发动机的对于最佳的运行区域W至关重要的发动机运行参数被发动机控制器正确地适应性地调整，如此达到的运行状态Z1便处于最佳的运行区域W中。 

图1示意性地示出用于改变运行状态的方法。上述对传感器信号的检测在图1中表示成步骤S1。对当前运行状态Z1和最佳运行状态W的求取在步骤S2中进行。在下一步骤S3中，发动机控制器1的运算器8判定运行状态Z1是否处于最佳的运行区域W中。如果情况如此，如图2a中所示，就保持运行状态Z1，或者按照精细调节对其略微改动，具体为，发动机控制器1保持发动机运行参数恒定，或者对其略微精细地调节，且该方法重新开始同样的过程。这用从步骤S3到步骤S1的返回线来表示。 

为了实施所述方法，在所示实施方式中，发动机控制器1使用点火时刻t和燃烧空气比λ作为发动机运行参数。在所述的这种情况下―运行状态处于最佳的运行区域中―发动机控制器1可以使得用于点火时刻t和燃烧空气比λ的给定值不变。对这两个参数的调节在图3中用数据和控制导线9和10示出―两个箭头方向表示进行调节―且这种调节借助于相应的发动机或机器组件11来进行，在所示情况下借助于用于测量和改变点火时刻t的装置12与用于测量废气或确定燃烧空气比λ的装置13来进行。 

但如果运算器8确定出燃气发动机的运行状态Z1处于最佳的运行区域W之外，就必须改变并相应地适配调整运行状态Z1。在所示实施方式中，利用两个对于燃料来说起决定作用的发动机运行参数来改变运行状态，其一为点火时刻t，另一个为燃烧空气比λ。进行调节的方式为，对用于点火时刻t和燃烧空气比λ的给定值进行调节。 

为了阐述所示实施方式，假定所用燃气的燃气组分已改变，因而点火时刻t以及燃烧空气比λ不再适合于最佳燃烧。燃气的变化例如涉及碳氢化合物或惰性气体的份额等。这些组成部分或其在燃气中的份额的变化对甲烷数、燃烧速度、热值等有影响。最佳的运行区域W曾适应于以前的燃气组分，而新的燃气组分需要最佳的运行区域Wn（Wn表示“W新”）。这种情况下的最初位置（Ausgangslage）在图2b中示出。运行状态Z1位于最佳的运行区域Wn之外。 

在论述时还要假定燃气发动机已经开始爆震。如图2b中所示，运行状态Z1现在落入运行区域K中，该运行区域是危险区，即发动机发生爆震所在的区域。如图1中所示，该方法并不从步骤S3回到步骤S1，而是过渡至步骤S4，其将借助运算器8来确定用于点火时刻t和燃烧空气比λ的其它给定值。优选为此考虑经验数据特别是发动机特性曲线簇―其例如根据转速和点火压力来表示最佳的点火时刻和燃烧空气比―并在运算器8中予以利用。 

在步骤S4中确定新的给定值时，运算器8检查给定值是否保持在设定的值间隔中。由此防止进行不允许的调节，例如使用富油过度的混合物，这种混合物会导致运行的排放物过多。这些给定值必须位于设定的值间隔中，所述值间隔还取决于燃气发动机的当前运行状态Z1。在所示情况下（见图2b），Z1处于爆震区域K中，值间隔因而被选择得较大，因为将实现给定值即点火时刻t和燃烧空气比λ的较大的变化增量。 

把点火时刻t和燃烧空气比λ的实际值调节至给定值，这样就能快速地达到新的运行状态Z2。这在图2c中示出。运行状态Z2现在处于爆震区域K之外，但尚未处于最佳的运行区域Wn中。在一个调节步骤中，将对发动机运行参数进行较大的改变，进而对运行状态进行较大改变。将求得用于给定值的较大的值间隔，进而实现较大的变化增量。 

在上述调节过程的范畴内，在该方法的步骤S5中检查用于两个发动机运行参数的实际值是否等于给定值。一旦情况如此，就返回到步骤S3，并检查运行状态Z2是否处于新的最佳的运行区域Wn中。如果情况如此，就回到步骤S1：该方法从头开始。在图2c所示的状况下，情况并非如此，Z2并不位于新的最佳的运行区域Wn中，该方法又到达步骤S4：给定值被重新设定。 

由于发动机现在不再位于爆震区域中，故在所示实施方式中所用的发动机运行参数的给定值的值间隔被选择地较小。后续的调节过程是对发动机运行参数进行精细调节。与增量较大的调节相反，精细调节的首要目标并不是把运行状态尽快地从并非所愿的运行条件改变为所希望的运行条件以避免危险，而是要精确地直截了当地实现最佳的运行区域Wn。为此设定用于给定值的较小的值间隔，由此实现较小的变化增量。因而将确定一系列给定值，发动机运行参数的实际值被连续地调节至这些给定值。也可以在达到相应的给定值之后重新或第一次确定下一个给定值。以此方式使得燃气发动机的运行状态连续地过渡至状态Z3。这种连续的过程的目标状态在图2d中示出，运行状态Z3也处于最佳的运行区域Wn中。 

燃气发动机现在可以继续工作，且不存在试图再次产生最初的运行状态Z1的缘由。最佳的运行区域由于燃气组分改变而最终推移。以前的运行区域W对于以前的燃气组分来说是最佳的，而运行区域Wn对于新的燃气组分来说是最佳的。所述方法考虑到了这种变化，且根据动态变化的运行条件使得发动机的运行持续地最佳。 

附图标记清单 

1  发动机控制器、调节设备

2  传感器

3  爆震传感器

4  发动机转速传感器

5  压力传感器

6  转矩传感器

7  数据连接线

8  运算器

9  数据和控制导线

10  数据和控制导线

11  发动机或机器组件

12  用于测量和改变点火时刻的装置

13  用于测量废气的装置。

Claims (11)

1. 一种用于改变内燃机的运行状态的方法，其特征在于，由至少一个传感器（2）来检测那些代表内燃机的运行状态（Z1）的数据，并把这些数据传递至调节设备（1），由该调节设备（1）根据这些数据来确定出内燃机的最佳的运行区域（W），并使得内燃机的运行状态（Z1）适配于最佳的运行区域（W），其方式为，至少为指定用于燃烧过程的发动机运行参数确定用来保持或达到最佳的运行区域（W）的给定值，并把发动机运行参数的实际值调节至给定值。

2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，作为数据，检测爆震值、点火压力值、点火压力曲线和/或与其相关的参量。

3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于选自如下组的至少一个参量来确定内燃机的运行状态（Z1），所述组包括转速、转矩、平均压力、燃烧空气比λ、点火时刻t、点火压力曲线、点火能量、火花燃烧持续时间或与其相关的参量。

4. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为最佳的运行区域（W），确定与数据相关的效率区域。

5. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定用于至少一个发动机运行参数特别是燃烧空气比λ、点火时刻t、发动机转速、转矩、点火能量、火花燃烧持续时间的给定值。

6. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在设定的值间隔内确定发动机运行参数的给定值。

7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据当前的运行状态（Z1）来选择所述设定的值间隔。

8. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在考虑到预定的特别是与燃油参数相关的发动机特性曲线簇的情况下来确定用于点火时刻t和/或燃烧空气比λ的给定值。

9. 根据前述权利要求中任一项的方法用于调节燃气-汽油机的运行状态的应用。

10. 一种用于实施根据前述权利要求中任一项的方法的装置，其特征在于至少一个传感器（2）和调节设备（1），所述传感器用来检测那些代表内燃机的运行状态（Z1）的数据，所述调节设备确定出与这些数据相关的最佳的运行区域（W），并至少为指定用于燃烧过程的发动机运行参数确定用来保持或达到最佳的运行区域（W）的给定值，并把实际值调节至给定值。

11. 一种用于根据数据来改变内燃机的运行状态的调节设备（1）所述数据代表所述运行状态，所述调节设备（1）确定最佳的运行区域（W），并确定指定用于燃烧过程的发动机运行参数的、用来保持或达到最佳的运行区域（W）的至少一个给定值，并输出用来把发动机运行参数的实际值调节至给定值的信号。

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