CN102667112A - 识别内燃机中不受控燃烧的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于识别内燃机中不依赖于火花塞点火所发生的不受控燃烧的方法，其中，对所述燃烧室中因燃烧引起的压力振动进行侦测和求值。为了能够在用火花塞点燃前和/或在任何时间的给定点燃时间上的正常燃烧开始前确定不受控燃烧，对内燃机(1)的曲轴(10)的受压力振动影响的转速(n)进行求值。

Description

识别内燃机中不受控燃烧的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于识别内燃机中发生的不依赖于火花塞点火的不受控燃烧的方法，其中，对所述燃烧室中因燃烧引起的压力振动进行侦测和求值。本发明还涉及一种执行所述方法的装置。
背景技术
在汽油机中，输送的燃料-空气混合物的燃烧导致汽车在行驶中移动或者维持正常运行。此时，燃料-空气混合物的燃烧利用火花塞的点火火花引起。在火焰前端在燃烧室中扩散期间，在端部气体区域中通过高压和高温形成自燃。然后，突然爆发的燃烧在内燃机的燃烧室中引起强烈的压力增加，产生压力波，压力波扩散并且碰到界定燃烧室的壁上，高频振动在界定燃烧室的壁上转变成固体声。这个振动能够用爆震传感器(固体声传感器)侦测并且在控制汽油机时要考虑爆震控制，以阻止损坏发动机。所述汽油机在效率优化方面总是运行在爆震界限，因此通过爆震避免损坏汽油机。
除上述爆震燃烧外，还出现自燃，即因燃烧室中的高温位置，燃料-空气混合物中的油滴或高温残余气体区被引起燃烧。这种自燃能够在出现点火火花前提前点燃和在出现点火火花后延迟点燃。所述自燃的特性是因燃烧压力而具有高压力幅值，这能够导致发动机非常快地损坏。
根据EP 1715179A2，借助于爆震传感器测定提前燃烧。但是，因为这种自燃的必要条件只是由于高频压力部分引起爆震燃烧，使具有占优势的低频压力曲线的自燃不被爆震传感器侦测到，具有低频压力曲线的爆震燃烧不对燃烧室壁的固体声产生影响。
发明内容
根据本发明的、具有权利要求1的特征的、用于识别内燃机中不受控燃烧的方法具有如下优点：任何时候都能够可靠地侦测不通过火花塞的点火火花引起的自燃，所述自燃是具有优化的高频压力部分的低频压力曲线引起的。由此，为了确定在所述火花塞点火以前和/或在给定的点火时间的正常开始燃烧之前的不受控燃烧，因压力振动影响的内燃机曲轴的转速被求值，不需要用于求值的爆震传感器。所述不受控燃烧的识别只基于曲轴转速曲线的求值。因为测量控制和/或调节发动机的曲轴的转速，不需要附加的依赖硬件测量转速的费用。
有利地，测定曲轴的转速，并且依赖于所测量的转速确定燃烧的特征参数，该特征参数与在受控燃烧时因为火花塞的点火火花而被测定的相应参数相比较，在所述参数偏离参考参数时，使存在的不受控燃烧结束。这种方法在采用其特征是通过高功率密度，尤其是通过缩小结构尺寸制造的构思时是尤其有利的。因为基于燃烧压力部分的变化的自燃引起燃烧室中压力曲线不同，这能够使曲轴转速信号得到简化。
在一个设计方案中，所述依赖于转速的参数是气体力矩，气体力矩通过因燃烧引起的燃烧室中的压力振动而作用到曲轴上。因为所述通过汽油机活塞的连杆上的压力曲线而作用的力使曲轴的速度发生变化，这在内燃机气缸密封的状态下导致曲轴速度减小，而在燃烧时使曲轴的速度增加。这种曲轴的速度变化是用气体力矩引起的，使因速度变化而变化的转速良好地显示出来。
在一个改进方案中，所述依赖于转速的参数是变化的燃烧位置。
有利地，所述测定的气体力矩和/或所述测定的燃烧位置与在受控燃烧中因为通过火花塞的点火火花测定的参考值相比，在比较时，要考虑实际的位置大小和内燃机的运行点。由此，所述参考值分别在关于内燃机的实际状态进行选择时，与从转速推导的参数的比较尤其准确，因为所述参数测定的时间点要考虑实际存在的内燃机的运行条件。
在一个变型中，在比较所述通过燃烧引起的燃烧位置与通过火花塞的点火火花引起的受控燃烧得到的燃烧位置时，要考虑点火角度、负荷和转速作为实际位置大小。
在一个设计方案中，所述从燃烧得到的燃烧位置借助于至少一个包括实际位置大小的特性曲线和/或包括实际位置大小的基于物理的数学模型测定。特性曲线允许在开始测量内燃机的所有可以想象的运行状态前进行简化的测定，因此在比较时提供快速地测定实际取得的燃烧位置。
在一个改进方案中，所述气体力矩测定为交变力矩，所述气体力矩通过因燃烧引起的燃烧室中的压力振动而出现在曲轴上。所述交变力矩允许从转速曲线中简单地测定，因为它是通过曲轴的减速或加速引起的。
有利地，所述交变力矩关于振荡质量和/或交变力矩的曲线和/或传感轮误差校正。所述振荡质量主要通过内燃机气缸活塞构成，所述交变力矩曲线对这些应用产生有害影响，因此，它的从交变力矩计算得到的部分被消除。由此，在测定不受控燃烧时得到更精确的结果。
在一个变型中，分别对每个气缸的交变力矩的曲线在适当的区域中积分得到在适当的曲轴窗的各积分值，由此使各内燃机气缸在单个气缸的气体力矩上关闭。从这种单个气缸的气体力矩出发测定在内燃机的气缸中出现的不受控燃烧，因为这对各气缸的积分是单独进行的。
替代地，交变力矩的曲线划分成至少两个区域，其中，对于每个区域计算积分值并将各积分值与参考积分值相比较或者在两个积分值之间相互比较，其中，在出现交变时结束不受控燃烧。所述两个区域有利地位于所述从第一区域测定的积分值对火花塞的点火火花引起的燃烧很敏感，而所述第二区域表示具有非正常提前燃烧位置的燃烧所代表的积分值。所述区域在这里至少依赖于发动机的运动点和点火角。
在一个设计方案中，为了侦测存在不受控燃烧，从在前燃烧位置测定的值中引入参考值。由此，在因火花塞的点火火花引起的受控燃烧期间，所述参考值代表发动机特有的关于实际燃烧位置的结论被具体化。在测定不受控引起的燃烧时，这个参考值有助于在与所述检查的依赖于转速的燃烧位置相比较时提高精度。
在一个改进方案中，转速的求值基于安装在曲轴上的传感轮的齿轮时间。因此，在确定内燃机中不受控燃烧的方法中使用常用的测定转速的方法。可替代地，也能够使用包括多个齿轮时间的部段。
本发明的一个进一步改进方案涉及一种用于识别内燃机中不依赖于火花塞的点火火花产生的不受控燃烧的装置，其中，在燃烧室中因燃烧引起的压力振动被求值。为了在任何时候都能够可靠地侦测非因火花塞的点火火花引起的自燃，使用如下设备，即为了侦测在因火花塞的点火火花前的不受控燃烧，因所述压力振动影响的内燃机曲轴的转速被求值。因此，在根据本发明的方法中，用于求值的爆震传感器不是必需的，这是因为识别曲轴转速的求值根据作为已存在的发动机控制和喷射的其他目的而进行测量的。通过所述使用的设备侦测能够具有低频压力变化历程和还包括有任意的高频压力部分的燃烧。
附图说明
本发明允许许多实施方式。根据附图中所示的视图详细地描述其中的一个实施方式。在附图中：
图1显示测定在汽油机中不受控燃烧的装置；
图2显示不受控燃烧与正常燃烧的比较；
图3显示用于确定不受控燃烧的方法的原理图；
图4显示一种用于确定不受控燃烧的算法的实施例。
具体实施方式
相同的特征用相同的附图标记表示。
图1显示一种用于测量汽油机1中的燃烧的装置。在这个实例中，汽油机1具有四个气缸2、3、4和5，在这里没有显示在气缸2、3、4和5中运动的活塞，气缸2、3、4和分别经曲柄连杆6、7、8和9与曲轴10相连接并且曲轴10受到燃烧所造成的压力变化的驱动。气缸2、3、4和5与一个进气歧管11相连接，进气歧管11通过节气阀12相对于进气管13封闭。喷射燃料的喷嘴14伸入到进气管13中，由此形成燃料-空气混合物。可替代地，汽油机1，尤其是以较小尺寸制造的发动机，能够提供利用喷射器对每个气缸单独喷射燃料的直接喷油。此外，在增压时存在一个基本特征，增压一般用未进一步显示的涡轮增压机构成，但也能够是二级的涡轮增压机。
转速传感器15布置在曲轴10上，侦测曲轴10的转速并且传输到控制器16上，控制器16根据所测定的转速对燃烧进行分类。而且，控制器16与节气阀12和燃料喷嘴14相连接。
在节气阀12打开时，燃料-空气混合物流入进气歧管11中，进而流入气缸2、3、4和5中。利用未进一步显示的火花塞引起的火花在气缸2、3、4和5中依次引起燃烧，这引起气缸中压力升高，压力经活塞和曲柄连杆6、7、8和9传递到曲轴10上使其运动。图2中的曲线A表示压力与在这种正常的受控燃烧时产生的变化的曲轴角之间的关系。
除受控燃烧外，还在所述火花塞的点火时间点之前发生非常提前开始燃烧的燃烧或具有燃烧位置的燃烧。这种燃烧称为超级爆震。这种超级爆震在图2的曲线B中显示，从此可以清楚地看到与正常燃烧相比，超级爆震产生对汽油机1有害的基本上更高的压力。
如图3所示，控制器16具有一种算法17，用来将燃烧分成正常燃烧和超级爆震。曲轴10的转速作为输入量用于所述算法。此后，压力作用在气缸的活塞和曲柄连杆6、7、8和9上，驱动曲轴10的力改变。曲轴10此时加速或者曲轴10的运动减速。在密封阶段，即活塞逆着上止点运动，气缸2、3、4和5使曲轴10的速度减速。在燃烧阶段，气缸2、3、4和5使活塞因发生爆炸燃烧而离开上止点运动，提高曲轴10的速度。这通过振荡质量引起的振动叠加到转速n上。为了协调汽油机的实际运行状态得到曲轴10的转速，汽油机1的点火角δ和运行点C考虑作为运行参数，以能够侦测是否存在超级爆震。
根据图4解释用来测定不受控燃烧的算法的实施例。首先，用转速传感器15确定的曲轴10的转速n在块100中以不依赖于曲轴角ψ的方式换算成角速度。在块101中补偿主要通过气缸2、3、4和5引起的振荡质量的作用。此外，在这个块101中还校正因所谓齿轮误差引起的角速度误差。例如因传感轮不精确的装配和制造所造成的齿轮误差，并且能够通过从现有技术中已知的方法确定。由此得到校正的角速度ωkoor，在块102中首先对曲轴角ψ求导，接着与曲轴10的总惯性矩相乘。由此得到汽油机1燃烧运行的气体扭矩曲线T(ψ)。
在块103中，从增压p22和环境压力p0及实际曲轴角ψ平行地测得剪力气体力矩TSchub(ψ)，其中，环境参数的变化，如发动机和/或冷却水温度，也考虑利用校正进行改正。
从气体扭矩曲线T(ψ)中减去所述剪力气体力矩TSchub(ψ)，由此得到燃烧的气体扭矩曲线T Diff(ψ)。因此考虑被动运行和负载压力的效果。在块104中滤波后得到单个气缸的特征。在块105中计算作为第一特征的燃烧位置POS，同时在块106中测定中间指示的气体力矩Tind。其中，被滤波的微分气体力矩曲线T diff(ψ)在曲轴角ψ的角度范围ψ1到ψ2上进行积分。
接着，比较燃烧位置POS与在块107中根据特性曲线确定的参考值PosRef，其中，正常燃烧的燃烧位置，即这种因火花塞的点火火花引起的燃烧，取决于转速n和总燃料量q。
所述确定的中间指示的气体力矩Tind与参考值TindRef进行比较，参考值TindRef在特性曲线中同样取决于曲轴10的转速n和燃料量q(块108)。在燃料状态POS或中间指示的气体力矩Tind时或者在分别测定参考值PosRef或TindRef的两个差出现时，控制器16根据比较结果E识别超级爆震，还有具有提前燃烧位置的燃烧。

Claims (15)

1.一种识别内燃机中不依赖于火花塞的点火火花发生的不受控燃烧的方法，其中，在燃烧室中因燃烧引起的压力振动被侦测和求值，其特征在于，
为了侦测在所述火花塞的点火火花前和/或在给定点火时间点的正常燃烧前的不受控燃烧，所述因压力振动影响的内燃机(1)的曲轴(10)的转速被求值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
测定所述曲轴(10)的转速(n)，并且依赖于所述测量的转速(n)确定燃烧的特征参数(POS、Tind)，所述燃烧的特征参数(POS、Tind)与在因火花塞的点火火花引起的受控燃烧时测定的相应参考参数(PosRef，TindRef)进行比较，并且在所述参数(POS，Tind)偏离参考参数(PosRef，TindRef)时结束存在的不受控燃烧。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述依赖于转速(n)的参数是因燃烧引起燃烧室中的压力振动而作用在曲轴(10)上的气体力矩(Tind)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
所述依赖于转速(n)的参数是变化的燃烧位置(POS)。
5.根据权利要求2、3或4所述的方法，其特征在于，
所述测定的气体力矩(Tind)和/或测定的燃烧位置(POS)与在受控燃烧时因火花塞的点火火花所确定的参考值(PosRef，TindRef)相比较，其中，在比较时考虑实际位置大小(δ，C)和/或燃烧点(n，Last)内燃机(1)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
在比较因燃烧引起的燃烧位置(POS)与从所述火花塞的点火火花引起的受控燃烧得到的燃烧位置(PosRef)时，考虑所述点火角(δ)、负荷(C)和转速(n)作为实际位置大小。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述从燃烧得到的燃烧位置(POS)借助于至少一个包括实际位置大小(δ，C)的特性曲线和/或包括实际位置大小(δ，C)的基于物理的数学模型测定。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述因燃烧引起的燃烧室中的压力振动而在所述曲轴(10)上出现的所述气体力矩(Tind)确定为交变力矩。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述交变力矩关于所述振荡质量和/或交变力矩的曲线和/或传感轮误差进行校正。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，
分别用于每个气缸(2、3、4、5)的所述交变力矩(Tind)的曲线在合适的区域中分别进行积分得到积分值，从此分别对于内燃机(1)的每个气缸(2、3、4、5)在单个气缸的气体力矩上关闭。
11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，
所述交变力矩(Tind)的曲线划分成至少两个区域，其中，对于每个区域计算积分值，比较每个积分值与参考积分值或者两个积分值相互比较和/或与一个参考比较值进行比较，其中，在出现不受控燃烧的偏差时关闭。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
所述至少两个区域依赖于所述内燃机(1)的点火角(δ)和/或运行点(C)。
13.根据权利要求2或5所述的方法，其特征在于，
为了确定存在不受控燃烧，引入从在前的燃烧位置测定的参考值(PosRef，TindRef)。
14.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，
所述转速(n)的求值基于安装在曲轴(10)上的传感轮的齿轮时间得到。
15.一种用于识别内燃机中不受控燃烧的装置，所述不受控燃烧尤其是不依赖于火花塞的点火火花发生的燃烧，其中，在燃烧室中，所述因燃烧引起的压力振动被求值，其特征在于，
存在如下装置(16)，即为了确定在火花塞的点火火花前的不受控燃烧，坠所述因压力振动影响的内燃机(1)曲轴(10)的转速(n)求值。
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