CN102667112B - 识别内燃机中不受控燃烧的方法和装置 - 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装置
技术领域
本发明涉及一种用于识别内燃机中的不受控燃烧的方法，这些不受控燃烧尤其与火花塞的点火无关地发生，其中，对所述燃烧室中因这些燃烧引起的压力振动进行侦测和评价，本发明还涉及一种用于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。所述汽油机效率优化方面地总是运行在爆震极限处，因此避免通过爆震损坏汽油机。
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EP1715179A2，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分量引起爆震燃烧，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，所述自燃具有带可选的高频压力分量的低频压力曲线。由此，为了确定在所述火花塞点火以前和/或针对给定的点火时间点的正常燃烧开始之前的不受控燃烧，内燃机曲轴的因压力振动被影响的转速被评价，不需要用于评价的爆震传感器。所述不受控燃烧的识别只基于曲轴转速曲线的评价。因为为了控制和/或调节发动机而测量的是曲轴的转速，所以省去了附加的用于测量转速的硬件方面的耗费。
根据本发明提出一种用于识别内燃机中的不受控燃烧的方法，这些不受控燃烧与火花塞的点火无关地发生，其中，在燃烧室中因燃烧引起的压力振动被侦测和评价，其特征在于，为了确定在所述火花塞的点火前和/或针对给定点火时间点的正常燃烧开始前的不受控燃烧，内燃机的曲轴的因压力振动被影响的转速被评价，其中，确定所述曲轴的转速，并且与测量到的转速相关地确定表征燃烧的参数，所述表征燃烧的参数与在因火花塞的点火引起的受控燃烧时确定的相应参考参数进行比较，并且在所述参数偏离参考参数时推断出存在不受控燃烧，其中，所述与转速相关的参数是因燃烧引起燃烧室中的压力振动而作用在曲轴上的气体力矩，其中，所述与转速相关的参数是变化的燃烧位置，其中，所述确定的气体力矩和/或确定的燃烧位置与在因火花塞的点火的受控燃烧时所确定的参考值相比较，其中，在比较时考虑内燃机的当前调节参量和/或运行点，其中，在比较因燃烧引起的燃烧位置与从所述火花塞的点火引起的受控燃烧得到的燃烧位置时，考虑点火角度、负荷和转速作为当前调节参量。
有利地，确定曲轴的转速并且与测量到的转速相关地确定表征燃烧的参数，所述表征燃烧的参数与在因为火花塞的点火的受控燃烧时被确定的相应参数相比较，在所述参数偏离参考参数时推断出存在不受控燃烧。这种方法能够这样的发动机方案的情况下特别有利，这些发动机方案的特征是高功率密度，尤其是缩小结构尺寸的方案。因为基于燃烧压力分量的变化的自燃引起燃烧室中的压力曲线移动，所以这些自燃能够简单地通过评价曲轴转速信号来检测。
在一个设计方案中，所述与转速相关的参数是气体力矩，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。因为通过所述压力曲线作用到所述汽油发动机活塞的连杆上的力使曲轴的速度发生变化，所以这在压缩汽油发动机气缸的状态下导致曲轴速度减缓，而在燃烧时使曲轴的速度增加。这种速度变化是通过气体力矩引起的，这样的速度变化可以良好地从因速度变化而变化的转速中显示出来。
在一个改进方案中，所述与转速相关的参数是变化的燃烧位置。
有利地，所述确定的气体力矩和/或所述确定的燃烧位置与在因火花塞的点火的受控燃烧时所确定的参考值相比较，在比较时考虑当前调节参量和内燃机的运行点。通过所述参考值分别与内燃机的当前状态相关地被选出，与从转速推导出的参数的比较尤其可靠，这些因为内燃机的在确定所述参数的时间点上当前存在的运行条件被连带考虑。
在一个变型方案中，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引起的受控燃烧得到的燃烧位置时，考虑点火角度、负荷和转速作为当前调节参量。
在一个设计方案中，从燃烧得到的燃烧位置借助于至少一个包括当前调节参量的特性曲线和/或借助于至少一个包括当前调节参量的基于物理的数学模型确定。特性曲线可以简单地在开始测量时针对内燃机的所有可以考虑的运行状态来测定，因此在比较时提供了当前得到的燃烧位置的快速测定。
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。所述交变力矩可以从转速曲线中简单地测定，因为这些交变力矩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/或传感轮误差进行校正。所述振荡质量主要通过内燃机气缸活塞形成，这些振荡质量对于该应用而言不利地影响所述交变力矩曲线，因此，这些振荡质量的部分在计算时从交变力矩中消除。由此，在确定不受控燃烧时得到更精确的结果。
在一个变型中，交变力矩的曲线对应针对每个气缸在一适当的区域中累积出在一适当的曲轴窗中的各一个积分终值，由这些积分终值，分别对于内燃机的每个气缸推断出对每个气缸个别的气体力矩。从这样的对每个气缸个别的气体力矩出发可以确定在内燃机的哪个气缸中出现不受控燃烧，这是因为所述积分对每个气缸单独进行。
替代地，交变力矩的曲线划分成至少两个区域，其中，对于每个区域计算出一积分终值并将每个积分终值与一参考积分终值相比较或者在两个积分终值之间相互比较，其中，在出现偏离时推断出不受控燃烧。所述两个区域有利地这样设计，使得由所述第一区域确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这样的积分值，该积分值代表具有非正常提前燃烧位置的燃烧。这些区域在这里至少与发动机的运行点和点火角度相关。
在一个设计方案中，为了判定存在不受控燃烧，引入从先前的燃烧位置的值测定的参考值。由此，在因火花塞的点火火花引起的受控燃烧期间，通过所述参考值代表的发动机特有的关于实际燃烧位置的结论被具体化。在与待研究的与转速相关的燃烧位置相比较时，这些参考值有助于在测定不受控引起的燃烧时提高精度。
在一个改进方案中，转速的评价基于安装在曲轴上的传感轮的齿时间(Zahnzeiten)进行。因此，在用于测定汽油发动机中不受控燃烧的方法中使用常用的确定转速的方法。可替代地，也能够使用包括多个齿时间的部段。
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的不受控燃烧的装置，所述不受控燃烧与火花塞的点火相关地产生，其中，在燃烧室中因燃烧引起的压力振动被评价。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，存在有这样的器件，这些器件为了确定在火花塞的点火前的不受控燃烧而评价内燃机曲轴的受压力振动影响的转速。因此，为了根据本发明的方法的评价不需要爆震传感器，这是因为所述识别基于曲轴转速的评价，该评价作为用于发动机控制和喷射的其他目的而已被测量。通过被使用的这些器件来侦测这样的燃烧，这些燃烧可以具有低频压力变化曲线并且可选地可以包括高频压力分量。
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显示确定在汽油发动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显示用于测定不受控燃烧的方法的原理图；
图4显示一种用于测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发动机1中的燃烧的装置。在这个实例中，汽油发动机1具有四个气缸2、3、4和5，气缸的在这里没有进一步显示的在气缸2、3、4和5中运动的活塞，分别通过连杆6、7、8、9与曲轴10连接并且基于通过燃烧所造成的压力变化来驱动所述曲轴。气缸2、3、4、5与一个进气管11连接，进气管11通过节流翻板12相对于吸气管13封闭。喷射燃料的喷嘴14伸入到吸气管13中，由此形成燃料-空气混合物。可替代地，汽油发动机1，尤其是以较小尺寸制造的发动机可以配备直接喷射装置，所述直接喷射装置借助于喷射器对每个气缸单独喷射燃料。此外，增压装置中的主要特征是，增压装置一般包括一未进一步显示的涡轮增压器，所述增压装置但也能够是二级式的。
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，控制器根据所测定的转速对燃烧进行分类。而且，控制器16与节流翻板12和燃料喷嘴14连接。
在节流翻板12打开时，燃料-空气混合物流入进气管11中，进而流入气缸2、3、4、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、5中依次引起燃烧，燃烧引起气缸中压力升高，压力升高通过活塞和连杆6、7、8、9传递到曲轴10上并使其运动。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度之间的关系。
除受控燃烧外发生这样的燃烧，这些燃烧具有非常提前的开始燃烧或具有如下的燃烧位置，这些燃烧位置还处在所述火花塞的点火时间点之前。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，由此可以清楚地看到与正常燃烧相比，超级爆震产生对汽油发动机1有害的明显更高的压力。
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n作为输入参量用于所述算法。根据哪个压力作用到气缸2、3、4、5的活塞和连杆6、7、8、9上，驱动所述曲轴10的力发生变化。曲轴10在此被加速或者曲轴10的运动被减速。如果气缸2、3、4、5处在压缩阶段中，即活塞相对上止点运动，那么曲轴10的速度减速。如果气缸2、3、4、5处在燃烧阶段中，那么活塞因发生爆炸燃烧而运动离开上止点，由此提高了曲轴10的速度。这通过振荡质量引起的振动叠加到转速n上。为了使曲轴10的转速的估算有目的地与汽油发动机的当前运行状态相协调，汽油发动机1的点火角度δ和运行点C被考虑作为运行参数，以能够确定是否存在超级爆震。
根据图4应解释了用来确定不受控燃烧的算法的实施例。首先，由转速传感器15测定的曲轴10的转速n与曲轴角度相关地在块100中被换算成角速度。在块101中补偿主要通过气缸2、3、4、5的活塞引起的振荡质量的作用。此外，在这个块101中还校正因所谓的齿误差引起的角速度上的误差。例如因传感轮不精确的装配和制造造成齿误差并且所述齿误差能够通过从现有技术中已知的方法测定。由此得到校正后的角速度ωkoor，在块102中首先对曲轴角度求微分，接着与曲轴10的总旋转惯性矩相乘。由此得到汽油发动机1的燃烧运行的气体扭矩曲线
与此平行地，在块103中，从增压压力p22和环境压力p0及当前曲轴角度的测量中确定推动气体力矩其中，也借助于校正考虑环境参数的变化，如发动机和/或冷却水温度的变化。
从气体扭矩曲线中减去所述推动气体力矩由此得到燃烧的气体力矩曲线因此考虑了牵引运行和增压压力的作用。在块104中滤波后得到对每个气缸个别的特征。在块105中计算作为第一特征的燃烧位置POS，而在块106中确定平均的指示气体力矩Tind。在此，被滤波的微分气体力矩曲线在曲轴角度的从到的角度范围上进行积分。
接着，将燃烧位置POS与在块107中从特性曲线测定的参考值PosRef进行比较，在该特性曲线中，正常燃烧的燃烧位置，即因火花塞的点火火花引起的燃烧的燃烧位置与转速n和总燃料量q相关地被存储。
将测定的平均指示气体力矩Tind与参考值TindRef进行比较，该参考值同样与曲轴10的转速n和燃料量q相关地被存储在一特性曲线中(块108)。如果在燃烧位置POS或平均的指示气体力矩Tind的情况下或者在两者的情况下出现了与分别确定的参考值PosRef或TindRef的区别，那么控制器16根据比较结果E识别出超级爆震，因此识别出具有太提前的燃烧位置的燃烧。

Claims (10)

1.一种用于识别内燃机中的不受控燃烧的方法，这些不受控燃烧与火花塞的点火无关地发生，其中，在燃烧室中因燃烧引起的压力振动被侦测和评价，其特征在于，
为了确定在所述火花塞的点火前和/或针对给定点火时间点的正常燃烧开始前的不受控燃烧，内燃机(1)的曲轴(10)的因压力振动被影响的转速(n)被评价，其中，
确定所述曲轴(10)的转速(n)，并且与测量到的转速(n)相关地确定表征燃烧的参数，所述表征燃烧的参数与在因火花塞的点火引起的受控燃烧时确定的相应参考参数进行比较，并且在所述参数偏离参考参数时推断出存在不受控燃烧，其中，
与转速(n)相关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)和/或是变化的燃烧位置(POS)，其中，
确定的气体力矩(Tind)和/或确定的燃烧位置(POS)与在因火花塞的点火的受控燃烧时所确定的参考值相比较，其中，在比较时考虑内燃机(1)的当前调节参量和/或运行点，其中，
在比较因燃烧引起的燃烧位置(POS)与从所述火花塞的点火引起的受控燃烧得到的燃烧位置(PosRef)时，考虑点火角度(δ)、负荷(C)和转速(n)作为当前调节参量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
从燃烧得到的所述燃烧位置(POS)借助于至少一个包括当前调节参量的特性曲线和/或借助于至少一个包括当前调节参量的基于物理的数学模型确定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
由于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。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述交变力矩关于振荡质量和/或交变力矩的曲线和/或传感轮误差进行校正。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，
所述交变力矩(Tind)的曲线对应针对每个气缸(2、3、4、5)在一适当的区域中累积出各一个积分终值，由这些积分终值，分别对于内燃机(1)的每个气缸(2、3、4、5)推断出一个对每个气缸个别的气体力矩。
6.根据权利要求3或4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，对于每个区域计算出一积分终值，将每个积分终值与一参考积分终值进行比较或者将两个积分终值相互比较和/或将两个积分终值与一个参考比较值进行比较，其中，在出现偏差时推断出不受控燃烧。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述至少两个区域与所述内燃机(1)的点火角度(δ)和/或运行点相关。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，
为了判定存在不受控燃烧，引入从所述火花塞的点火引起的受控燃烧得到的燃烧位置(PosRef)作为从先前的燃烧位置(POS)的值测定的参考值。
9.根据前述权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，
所述转速(n)的评价基于安装在曲轴(10)上的传感轮的齿时间进行。
10.一种用于识别内燃机中不受控燃烧的装置，所述不受控燃烧与火花塞的点火无关地发生，其中，在燃烧室中，因该燃烧引起的压力振动被评价，其特征在于，存在如下器件(16)，这些器件为了确定在火花塞的点火前的不受控燃烧而以根据权利要求1至9中任一项所述的方法评价内燃机(1)的曲轴(10)的因压力振动被影响的转速(n)。
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