CN102782296B - 发动机运行参数的调节方法和实施所述方法的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃发动机(2)的运行参数的调节方法，其包括以下步骤：建立稳定性定值(Cs)，计算发动机稳定性指数(Is)，计算稳定性偏差(Es)，所述稳定性偏差等于稳定性定值(Cs)与稳定性指数(Is)之间的差，通过调节装置(6)处理稳定性偏差(Es)，所述调节装置(6)提供待应用于发动机(2)运行参数的发动机控制定值(OA，FE)。本发明的特征在于，稳定性指数(Is)是计算时刻时发动机转速的测量值对时间的导数与根据发动机扭矩和阻碍旋转速度变化的惯性所估计的发动机转速的估计值对时间的导数之间的差的函数。

Description

发动机运行参数的调节方法和实施所述方法的控制系统

本发明要求于2010年2月9日递交的法国专利申请1050874的优先权，其内容(正文、附图和权利请求)并入该处引作参考。

技术领域

本发明涉及对内燃发动机运行稳定性进行控制的领域。

背景技术

强制点火的燃烧式发动机尤其是在部分负荷运行时的吸入压力小于大气压。产生的这种小于大气压的吸入压力被称为由于泵送导致的损失，所述损失导致碳氢燃料的过度消耗，其主要原因是在吸入冲程的过程中发动机活塞被强制额外做功。

已知的是，在强制点火的发动机中，运用气门的“重叠”，即进气气门和排气气门同时打开的时间段，用于减少与低负荷和部分负荷时泵送所导致的损耗相关的碳氢燃料的过度消耗。

更具体地说，为了限制泵送损失，可以采用凸轮轴相位调节装置来适应进气气门和排气气门的重叠。所述气门重叠是排气延迟和进气提前所导致的特殊效果。这是为了便于吸入新鲜气体并使这些气体更好地燃尽从而方便汽缸的填充。

然而，所述重叠对发动机的稳定性产生影响。在强制点火的燃烧式发动机的运行控制方面，能够用特征表示运行稳定性是很重要的。尤其是，强行进行较长时间的气门重叠会严重降低发动机的稳定性，这就会同时损害车辆驾驶员的舒适感、发动机的良好运行状态及其使用寿命。为了使发动机处于最佳运行状态就必须对其稳定性进行考虑。

目前，在通常情况下串联使用的发动机的计算器中，重叠的水平被校准从而能够在保持发动机稳固与碳氢燃料消耗水平之间找到折衷。这涉及在图线中进行固定的调节，这种情况下不考虑发动机的实时运行，因此所述调节准确性较差，不能达到最优的消耗水平，即最低的消耗水平。

此外，通过法国专利申请FR2909722已知的是，喷油式内燃发动机运行参数的调节方法包括，计算发动机稳定性的代表指数和将其与定值进行比较，从而通过使控制参数接近稳定性定值以实现其优化。所述提出的方法在转速稳定时对参数的调节是使人满意的，但在所述专利请求中所构建的稳定性指数在发动机运行状态过渡时可靠性较差。

发明内容

在本发明中，提出了调节方法，其中以更准确的方式表征内燃发动机的稳定性，尤其是在过渡运行阶段(发动机旋转速度的变化阶段)时的内燃发动机的稳定性。所述方法能够适用对发动机的稳定性有影响的发动机运行参数例如点火提前或余气系数，所述方法对于气门重叠的应用特别有利且因此在过渡时能够使发动机碳氢燃料的消耗实现优化。

更具体地说，本发明涉及内燃发动机的运行参数的调节方法，其包括以下步骤：

-建立稳定性定值，

-计算发动机稳定性指数，

-计算稳定性偏差，所述稳定性偏差等于稳定性定值与稳定性指数之间的差，

-通过调节装置处理稳定性偏差，所述调节装置提供待应用于发动机运行参数的发动机控制定值，

其中，稳定性指数是计算时刻时发动机转速的测量值对时间的导数与根据发动机扭矩和阻碍旋转速度变化的惯性所估计的发动机转速的估计值对时间的导数之间的差的函数。也可以调节对发动机稳定性有影响的发动机控制参数，尤其是余气系数、点火提前和气门重叠。根据调节后参数所提供的定值可以提高排气温度、减少发动机污染排放甚至减少碳氢燃料的消耗。在本发明中，发动机燃烧稳定性的代表指数的确定是发动机转速的测量值对时间的导数与估计的发动机转速对时间的导数之差的函数，即可以预计到其尤其是由发动机控制系统所估计的发动机扭矩和阻碍发动机旋转速度变化的惯性的函数，其优势在于允许在发动机过渡运行阶段中获得可靠指数。

在本发明优选的变型中，发动机控制定值有助于优化气门的重叠从而在保持稳定性定值的同时减少发动机对碳氢燃料的消耗。事实上，根据本发明所述的方法对于(尤其是在低负荷和中等负荷下的发动机运行阶段中)调节气门重叠从而减少发动机的消耗特别的有利。实践中，气门重叠的优化在于应用进气气门打开定值和排气气门关闭定值，通过将进气气门和排气气门同时打开的重叠阶段最大化和将所述打开和关闭在发动机循环中更好地设置来最大化减少碳氢燃料消耗。所述方法可以应用于对发动机运行稳定性有影响的其它参数的调节(点火提前和余气系数)，但这不是所述方法的优选应用，因为对于上述调节存在有可靠和更简单的其它方法：对于发动机的稳定阶段，尤其是发动机启动之后随即的阶段通过构建例如在现有技术中已知的稳定性指数或通过在过渡阶段中使用特殊探头来进行调节。

优选地，在稳定性偏差大于预先确定的限值的情况下实施应急策略。发动机非常不稳定可能导致发动机的损坏。应急策略能够确保发动机的可靠性。所述策略在于，例如通过应用为零的气门重叠和提前点火和余气系数的保守定值，快速地将发动机带回到能够保证稳定性的运行点上。

优选地，所述方法的步骤在发动机中每次燃烧时进行重复。因而可以对考察参数进行快速地调节，这就尤其允许通过可以在发动机运行的任何时刻都具有与稳定性定值非常接近的稳定性指数而对参数进行优化。

优选地，所述方法在发动机的过渡运行阶段中进行实施。在发动机稳定运行阶段也可以实施所述方法。事实上，本发明中研发的方法主要期望在过渡运行阶段中实施。事实上，使用代表发动机转速发展的发动机转速导数的函数允许在转速发展期间(即过渡运行阶段期间)建立发动机运行稳定性的代表指数。

优选地，稳定性指数通过以下公式计算获得：

其中，Is是稳定性指数，是在计算时刻时发动机转速的测量值对时间的导数，所述计算时刻对应于发动机汽缸中产生燃烧的时刻，是根据在计算时刻时估计的发动机扭矩和阻碍其旋转速度变化的惯性所估计的发动机转速估计值对时间的导数，ω_Mesuree是在计算时刻时测量到的发动机转速，T_PMH是从上一次燃烧开始到计算时刻所过去的时间。所述计算模式允许在发动机过渡运行阶段中获得发动机运行稳定性的无量纲代表指数。

优选地，发动机转速的估计值对时间的导数通过以下公式计算获得：

其中，Couple_Estime是发动机扭矩的估计值，T_PMH是从上次燃烧开始所过去的时间，J_equivalent表示的是与阻碍发动机旋转速度变化的惯性等价的惯性矩。因而其涉及根据啮合变速比在发动机轴上带来的发动机惯性或车辆惯性。将在发动机轴上带来的车辆的惯性考虑进来允许在过渡和车辆行进时使用稳定性指数。

优选地，发动机转速的测量值对时间的导数根据以下公式计算得出：

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{mesuree}}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{PMH}\_n}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{PMH}\_n-1}}{T_{\mathrm{PMH}}}$

其中，ω_{PMH_n}是计算时刻时的发动机转速，ω_{PMH_n-1}是上次燃烧时刻时的转速。通过对两次燃烧之间转速变化的研究表明，转速的时间导数的近似提供了很好的精确度，这是由于时间间隔小和对两次燃烧之间的研究，这是发动机转速变化的引发原因。

本发明同样涉及能够实施根据上述权利要求其中之一项所述方法的内燃发动机的控制系统。

附图说明

下面将参考示意地示出的附图对本发明进行更详细地描述，所述附图示出的是本发明优选实施方式中对气门重叠以及稳定性的影响参数的调节。

图1是根据本发明所述的方法的总框图，

图2示出的是通过根据本发明所述的方法实现的调节策略的例子，

图3示出的是图1中调节装置的计算模块。

具体实施方式

借助于框图，图1描述了根据本发明所述的方法的实施。监控器1例如根据发动机2的运行情况确定是否必须实施根据本发明所述的方法。在根据本发明所述的方法中，发动机2的稳定性根据稳定性指示器3的计算函数来确定，所述稳定性指示器提供计算结果：稳定性指数Is。计算机4例如通过适用于发动机2的图线提供稳定性定值Cs。比较装置5计算Cs和Is两个值的差从而提供称之为稳定性偏差或稳定性误差的输出信号Es。

稳定性偏差Es随后被提供给调节装置6，在本例中是P.I.D(比例积分微分)类型的调节装置，但也完全可以采用其它种类的调节装置(LQ、Hinfini等等)。

调节装置考虑用稳定性偏差Es来计算气门重叠定值，即实践中的进气气门打开定值OA和排气气门关闭定值FE。所述定值被传送至发动机的控制部件从而应用于进气和排气的相位调节装置。

稳定性指示器必须能够快速且可靠地检测到甚至是转速过渡时的燃烧质量。

为此，在本发明中的燃烧稳定性指示器3采用以下主要输入数据：

-发动机转速的测量值，

-发动机扭矩的估计值，

-啮合变速比。

在本发明中，稳定性是通过指数来表征的，该指数是例如测量出的(或更具体地说，例如是借助于发动机转速的测量值计算出的)发动机转速的导数与由计算时的发动机扭矩估计出的发动机将具有的导数之间的差的函数。这就允许在发动机的过渡运行阶段中获得稳定性代表指数。

发动机转速的测量值对时间的导数根据以下公式计算得出：

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{mesuree}}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{PMH}\_n}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{PMH}\_n-1}}{T_{\mathrm{PMH}}}$

其中：

-ω_{PMH_n}(rad/s)是计算时刻时的发动机转速，该时刻对应于一次燃烧的时刻；

-ω_{PMH_n-1}(rad/s)是上次燃烧时刻时的转速；

-T_PMH(s)是从上次燃烧开始所过去的时间(即计算时刻时产生的燃烧和上次燃烧之间的持续时间)。

所述计算优选地在发动机每次燃烧时进行。发动机转速同样在每次燃烧时进行测量。

发动机转速的估计值对时间的导数通过以下公式计算获得：

其中：

-Couple_Estime(N.m)是发动机扭矩的估计值，由发动机控制系统给出；

-J_equivalent(kg.m²)表示的是与阻碍发动机旋转速度变化的惯性等价的惯性矩。其涉及根据啮合变速比在发动机轴上带来的发动机惯性或车辆惯性。

由发动机控制所给出的发动机扭矩的估计值可以根据复杂度和精确度不一的不同模型来实施。发动机控制可以例如利用基于以下公式的模型来实现：

其中：

-ηavance：点火提前率，

-ηindiqué：作为转速和进气压力函数的指定效率，

-Pci：下部发热能力，

-Estimation du remplissage：基于转速、进气压力、进气气门打开角和排气气门关闭角的估计值，

-Pco：燃烧能力，

-CMF：发动机摩擦图线。

变速箱的输入轴(因而发动机)上带来的车辆的等价惯性矩J_equivalent本身可以通过以下公式计算获得：

$J_{\mathrm{equivalent}}=I_{\mathrm{moteur}}+\frac{\mathrm{Masse}\_\mathrm{Vehicule}\×R_{\mathrm{Roue}}\×(1+\mathrm{\ϵ})}{R_{\mathrm{bv}}\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{bv}}}$

其中：

-I_moteur：发动机的惯性，

-R_roue：车轮半径，

-Rbv：变速比(啮合比的函数)和桥总成比，

-ηbv：变速效率(啮合比的函数)，

-ε：传动装置(输入轴、输出轴、传动轴、齿轮轴)的旋转元件的惯性。其是啮合比的函数。

稳定性指数Is以以下方式计算获得：

该计算可以在多个点上取平均值从而实现低通过滤。

图2示出了根据本发明所述方法实现的发动机控制策略的进展例子。例子中的情况是发动机在启动之后立即稳定。实现根据本发明所述方法的发动机控制装置将根据计算好的第一稳定性指数来计算阀动分配装置的重叠定值。因此实现的调节将增加气门的重叠同时保持发动机稳定(相对于稳定性定值)，根据本发明的一个变型所述，这在预先确定的特定限度中。

在发动机非常不稳定的情况下(例如通过稳定性误差Es的限值水平所定义的标准)，在示出的本发明的变型中，可以采用应急策略，所述应急策略例如在于能够采用预先限定的阀动分配装置的重叠定值并且以特定方式，例如为零的重叠(发动机的快速“脱离重叠”的要求)保证稳定性，必要时可以同时采用提前点火和余气系数(richesse)的导控定值。

当实施应急策略允许重新恢复可接受的稳定性水平时，系统重新应用根据本发明所述的方法。

图3示出了在调节装置6中实施的气门重叠调节的函数。调节装置6对能够将三个函数的输出信号考虑在内的加和函数F1求积分：

-用于确定气门重叠基础定值的函数F2；

-定值的修正函数F3，是稳定性偏差Es的函数；

-应急策略的实施函数F4。

这些函数中的一个或多个根据由监控器1所确定的运行策略被激活。

根据由监控器1所发出的指令，加和函数F1输出的气门重叠定值(形式为进气气门的打开导控定值和排气气门的关闭导控定值)可以通过以下方式被确定：

-通过简单的开环(例如水温的函数图线)。在这种情况下，加和函数F1只考虑基础定值的确定函数F2的输出信号；

-通过开环和例如PID类型的根据稳定性误差确定修正的调节。在这种情况下，加和函数F1考虑基础定值的确定函数F2的输出信号和定值修正函数F3的信号；

-通过应急策略，所述应急策略在于例如在开环上的大的增量或减量。在这种情况下，加和函数F1考虑三个函数的信号，即基础定值的确定函数F2、定值的修正函数F3和应急策略的实施函数F4。

本发明因而提出了允许根据发动机稳定性估计其阀动分配装置重叠水平的方法，以进行调节从而通过重叠获得能量消耗的最大化利益。换言之，可以使重叠符合想要的稳定性水平以便对发动机能量消耗进行最大程度地限制。

本发明同样可以应用于对发动机稳定性有影响的其它参数的调节中，例如余气系数或点火提前，同时在排气时获得大量可用的能量和/或减少污染的排放。

Claims (9)

1.内燃发动机(2)的运行参数的调节方法，其包括以下步骤：

建立稳定性定值(Cs)，

计算发动机稳定性指数(Is)，

计算稳定性偏差(Es)，所述稳定性偏差(Es)等于稳定性定值(Cs)与稳定性指数(Is)之间的差，

通过调节装置(6)处理稳定性偏差(Es)，所述调节装置(6)提供待应用于发动机(2)运行参数的发动机控制定值(OA，FE)，

其特征在于，稳定性指数(Is)是计算时刻时的发动机转速的测量值对时间的导数与根据发动机扭矩和阻碍旋转速度变化的惯性所估计的发动机转速的估计值对时间的导数之间的差的函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发动机控制定值有助于优化气门的重叠从而在保持稳定性定值(Cs)的同时减少发动机对碳氢燃料的消耗。

3.根据上述权利要求其中之一项所述的方法，其特征在于，在稳定性偏差(Es)大于预先确定的限值的情况下实施应急策略。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法的步骤在发动机(2)中每次燃烧时进行重复。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法在发动机(2)的过渡运行阶段中进行实施。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，稳定性指数(Is)通过以下公式计算获得：

$\mathrm{Is}=|T_{\mathrm{PMH}}\·\frac{\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{Estimee}}}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{Mesuree}}}{\mathrm{dt}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mesuree}}}|$

其中，Is是稳定性指数，是在计算时刻时的发动机转速的测量值对时间的导数，所述计算时刻对应于发动机汽缸中产生燃烧的时刻，是根据在计算时刻时的估计的发动机扭矩和阻碍其旋转速度变化的惯性所估计的发动机转速估计值对时间的导数，ω_Mesuree是在计算时刻时测量到的发动机转速，T_PMH是从上一次燃烧开始到计算时刻所过去的时间。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，发动机转速的估计值对时间的导数通过以下公式计算获得：

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{Estimee}}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{Couple}\_\mathrm{Estime}}{J_{\mathrm{equivalent}}}$

其中，Couple_Estime是发动机扭矩的估计值，J_equivalent表示的是与阻碍发动机旋转速度变化的惯性等价的惯性矩。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，发动机转速的测量值对时间的导数根据以下公式计算得出：

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{mesuree}}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{PMH}\_n}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{PMH}\_n-1}}{T_{\mathrm{PMH}}}$

其中，ω_{PMH_n}是计算时刻时的发动机转速，ω_{PMH_n-1}是上次燃烧时刻时的转速，T_PMH是从上次燃烧开始所过去的时间。

9.能够实施根据上述权利要求其中之一项所述方法的内燃发动机的控制系统。