CN103306817A - 用于识别汽油发动机中的早火的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于识别汽油发动机中的早火的方法，该早火与燃空混合物通过火花塞的点火无关地在汽油发动机（1）的燃烧室中出现。在该可靠地识别间或酝酿的早火的出现的方法中，评价在火花塞的点火时间点之前或者之后出现的燃烧室压力（p），用于确定早火。

Description

用于识别汽油发动机中的早火的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于识别汽油发动机中的早火（Vorentflammung）的方法以及用于识别汽油发动机中的早火的装置，该早火与燃空混合物通过火花塞的点火无关地在汽油发动机的燃烧室中出现。

背景技术

在汽油发动机中，供给的燃空混合物的燃烧导致车辆投入行驶运行中或者保持行驶运行。在现代汽油发动机的发展中，显示出与直喷和增压相组合的汽油发动机小型化趋势。增压能够减小汽油发动机的冲程空间而不降低功率水平，由此实现汽油发动机的相应小尺寸。由此，汽油发动机能够在较高负载情况下在部分负载中以较高的部分负载效率运行并且能够降低燃料消耗。然而，用于改善汽油发动机效率的增压压力提高在此受到早火现象的限制。即使在具有很高压缩比的自吸式发动机的情况下，也出现必须被识别的早火。

该早火与燃空混合物通过火花塞的点火无关地在汽油发动机的燃烧室中间或出现。用于改善汽油发动机效率的增压压力提高导致汽油发动机燃烧室的很高的热负载。这引起早火，该早火在汽油发动机燃烧室中的个别部件承受过高温度并且由此使燃空混合物不受控地点火时产生。

早火的识别通常通过爆震传感信号或者通过曲轴的转速信号实现。爆震传感器或者转速传感器通常装在汽油发动机上，但是通过这些传感器进行的早火识别不是特别高，特别是在识别阈值的区域中。此外，在爆震传感器或者转速传感器的信号中存在明显的干扰耦合。

发明内容

由此，本发明的任务在于，提出用于识别早火的方法，在该方法中确保在汽油发动机的燃烧室中的可靠的识别。

根据本发明，这样解决该任务：评价在火花塞的点火时间点之前或者之后出现的燃烧室压力，以确定早火。对直接来自汽油发动机燃烧室的压力信号的评价使得能够实现早火的显著更有效的识别质量，因为降低了干扰耦合。此外，对燃烧室压力信号的评价使得能够在汽油发动机的整个转速范围上可靠地识别汽油发动机的所有汽缸中的早火。通过这种显著更有效能的早火识别，能够效率更优地设计汽油发动机。同时提高针对发动机损害的发动机保护。

有利地实现燃烧室压力的直接评价，其方式是，确定和评价最大压力幅值和/或关于曲轴转角和/或预先给定的时间段的最大压力幅值位置。在此，最大压力幅值指的是由燃烧室压力传感器提供的绝对信号的最大压力或者峰值压力。通过评价该特征大大简化在机动车的发动机控制内部的应用。可观的应用时间被节省，因为燃烧室压力和固体声或者转速之间的相关性是不必要的。此外，可由压力信号可靠地推导出早火的强度。

在一个构型中，由燃烧室压力推导出由于燃烧而在曲轴的每度释放的能量并对其评价。由此，也能够基于由燃烧室压力推导出的、只需少的应用耗费的信号来实现可靠的早火识别。在此，在确定早火时利用该事实，即，在早火时，与正常燃烧相比，在相同的运行点中早火明显更早地发生。

在另一改进方案中，由燃烧室压力推导出在燃烧期间释放的能量并对其评价。该能量通常被称为总热变化，而由燃烧室压力推导出的由于燃烧而在每度曲轴转角释放的能量被称为热变化。热变化和总热变化都特别适用于借助控制器基于燃烧室压力来识别早火。

在一个变化方案中，为了识别早火，从一预先给定的、预计会早火的曲轴转角开始，评价汽油发动机的汽缸的优选经过滤的、高频的燃烧室压力信号，确定由该高频燃烧室压力信号推导出的能量，其中，在燃烧室压力信号的该能量超过预先给定的第一阈值时识别到早火。为了产生高频的燃烧室压力信号，将燃烧室压力信号提供给具有例如4到30kHz的通带范围的带通滤波器。一旦信号能量在预计开始正常燃烧之前超过一确定的值，则确定有早火。在此可以使用不同的方法用于计算信号能量，例如整流和求和或者平方和求和。替代地，也可以考察最大压力幅值的大小。这优选基于对压力信号的基于时间的采样来进行。

在一个变化方案中，将关于曲轴转角的燃烧室压力压缩变化与测量的、关于曲轴转角的燃烧室压力变化相比较并且就早火方面进行评价。在此，将燃烧室压力压缩变化基于已知的充气压力和/或由充气估计知道的充气来模型化，其中，尤其考察汽油发动机的汽缸中的一个活塞冲程的压缩阶段和膨胀阶段。通过这样的阈值方案能够简单地推断出早火。此外，借助这样的阈值方案可减少应用时间。

有利地将关于曲轴转角的、测量的燃烧室压力变化除以关于曲轴转角的、模型化的燃烧室压力压缩变化，其中，关于早火方面评价商变化，并且，如果在商变化的一个预期尚不燃烧的区域中该商变化大于第二阈值，则尤其识别到早火。在此，对于压缩应理解为这样的压力：该压力不仅在汽油发动机的汽缸中的活塞冲程的压缩阶段中、而且在膨胀阶段中被测量。尤其事先还平滑该测量的燃烧室压力变化，从而不由于高频干扰而引起错误识别。

替代地，从评估的燃烧室压力压缩变化求得

的第一变化，将该第一变化与从测量的燃烧室压力变化求得的

第二变化相比较，其中，将第二变化除以

第一变化并且关于早火方面来评价

商变化，如果在

商变化的一个预期尚不燃烧的区域中该

商变化大于第三阈值，则尤其识别到早火。有利的是，在计算

之前平滑燃烧室压力。

在另一构型中，分别连续地对于曲轴转角

比较

积分并且在偏差过大时推断出早火。在此有利的是，在高压回路的上死点前的180度到90度的区域中选择曲轴转角

在一个实施方式中，实施早火的多级识别，在该多级识别中，将多个早火阈值与一个为识别早火而引用的参量相比较，尤其视早火识别的级别而定选择至少一个合适的应对措施来抵抗早火的出现。通过早火识别的多级评价，能够在嫌疑早火和实际酝酿早火之间进行区分。由此，能够很早地采取措施，以便抑制早火。

在一个变化方案中，早火识别基于为识别早火而引用的参量与来自n个之前的、被衡量为正常燃烧的燃烧的相应参量相比较来进行。通过与多个被归类为正常燃烧的燃烧相比较，使酝酿中的早火的识别变得简单。

本方明的扩展方案涉及用于识别汽油发动机中的早火的装置，所述早火与通过火花塞进行的燃空混合物点火无关地在汽油发动机的燃烧室中出现。为了实现早火的特别准确并且可靠的识别，存在一些器件，它们从每个探测汽油发动机的一个汽缸的燃烧室中的燃烧室压力的压力传感器接收信号，并且根据由该压力传感器提供的信号来识别早火，其中，尤其评价在火花塞的点火时间点之前或者之后出现的燃烧室压力，用于确定早火。这具有优点，即，在实现汽油发动机的高度小型化的情况下还能够实现汽油发动机的更好的效率，而不损坏汽油发动机。

这些器件有利地包括信号感测单元和信号评价装置，其中，信号评价装置针对识别的早火采取应对措施。通过这些应对措施降低汽油发动机的功率，以便由此也降低汽油发动机中出现的温度。这样的应对措施例如可以是：降低充气，浓缩或者稀释燃空混合物，调节凸轮轴以及关闭喷射。

附图说明

本发明允许大量实施方式。其中一个要借助于在附图中示出的图详细阐明。示出：

图1：用于确定汽油发动机中的早火的装置，

图2：汽油发动机的汽缸中的燃烧室压力的不同变化曲线。

具体实施方式

图1示出用于确定汽油发动机1中的间或早火的装置。该汽油发动机1构造为自吸式发动机并且在该例中具有四个汽缸2，3，4，5，这些汽缸的未进一步示出的、在汽缸2，3，4，5中运动的活塞分别通过一连杆6，7，8，9与曲轴10连接并且基于通过燃烧造成的压力变化而驱动该曲轴。汽缸2，3，4，5与抽吸管11连接，该抽吸管通过一节流板12相对于吸气管13终止。用于喷入燃料的喷嘴14伸到吸气管13中，由此形成燃空混合物。替代地，汽油发动机1、尤其是小型发动机可以设计有直喷装置，该直喷装置对于每个气缸借助一喷射器将燃料直接地并且单独地喷入到汽油发动机1的燃烧室中。此外，一个重要的特征在于增压装置，该增压装置通常由未进一步示出的涡轮增压器组成，但是也可以是两级式的。

在汽油发动机1的燃烧室中，即在汽缸2，3，4，5中，分别布置有一一压力传感器15a，15b，15c，15d，它与控制器16连接。控制器16与节流板12和燃料喷射喷嘴14连接。

在节流板12打开时，燃空混合物流到抽吸管11中并且由此流到汽缸2，3，4，5中。通过被未进一步示出的火花塞触发的火花，在汽缸2，3，4，5中相继触发正常燃烧，该正常燃烧其后在汽缸2，3，4，5中引起压力上升，该压力上升通过活塞和连杆6，7，8，9传递到曲轴上，并且使曲轴、由此也使汽油发动机1运动。除了该被控制的正常燃烧外，还间或出现一些燃烧，这些燃烧还可被称为早火并且具有可能或者在正常点火燃烧之前、或者在正常点火燃烧之后并由此可能在正常点火的点火时间点之前或者之后的燃烧位置。

图2中示出在汽油发动机1的汽缸2，3，4，5中的燃烧过程期间可能出现的不同的压力变化曲线。在此，在曲轴转角

上方示出压力p。曲线A在此示出在汽缸中的燃空混合物被压缩而不发生燃烧时进行的压力变化。这样的压力变化曲线关于曲轴转角

很对称或者说相对于上死点对称地布置。第二曲线B示出在正常燃烧时进行的燃烧室压力的压缩。在此，最大压力在火花塞的点火时间点ZZP和一个延迟时间之后在汽缸中出现。接着，燃烧室中的压力逐渐地并且连续地随着曲轴转角

下降。曲线C表示无早火的爆震燃烧，在该燃烧中压力波动同样出现在点火时间点ZZP之后通过火花塞点火之后。在曲线D中展示汽油发动机1的汽缸2，3，4，5的燃烧室中的早火，该早火的最大值大大超出压力变化曲线A，B，C中的压力情况并且由于这种压力特性而使温度升高，并且由此潜在地可能造成汽油发动机1的损害。

如在曲线D中展示的早火间或地或者系列地出现，并且要借助还要进一步展示的参量识别。本解决方案的基本特征在于，压力传感器15a，15b，15c，15d直接在汽缸2，3，4，5的燃烧室中测量燃烧室压力。这种测量结果被传送给控制器16，该控制器为了识别该早火而具有一信号感测单元17，该信号感测单元接收压力传感器15a，15b，15c，15d的信号。接收的信号从信号感测单元17传送给控制器16的信号评价装置18。信号评价装置18与早火识别单元19连接，该早火识别单元又与一生成针对该间或早火的应对措施的单元连接。这些应对措施在此可以是：减少充气，浓缩或者稀释燃空混合物，调整凸轮轴或者关断喷射。为此，控制器16控制节流板12和/或喷射阀14。通过所有这些措施，降低了汽油发动机1的功率，由此，汽油发动机的燃烧室中的温度下降，这可抵制早火的形成。

为了借助于通过压力传感器15a，15b，15c，15d测量的燃烧室压力来识别早火，一方面存在这样的可能性：直接评价燃烧室压力或者通过由燃烧室压力推导出的参量进行间接评价。在直接评价燃烧室压力时，借助于最大压力幅值和/或该最大压力幅值相对于曲轴转角

的位置实现早火的识别。这两个参量既可以单独地、也可以共同地在评价早火时考虑。

在由燃烧室压力间接识别早火时，一方面存在这样的可能性：根据由燃烧室压力推导出的信号，如热变化曲线或者总热变化曲线，检查早火。在此利用这样的事实：在早火时，与正常燃烧不同，在相同的运行点中早火显著更早地发生。在此，更早触发的特征既能够通过曲轴转角

或者也能够通过确定的时间段来评价。

热变化曲线简化地描述曲轴的每度由于燃烧而释放的能量，总热变化曲线也称积分热变化曲线，描述在第一曲轴转角

从所考察的曲轴转角

或者时间t起通过燃烧而累积释放的能量。在此，在热变化曲线中，评价最大值的位置和/或这样的位置：在该位置中该热变化曲线在最大值前面的区域中或者在最大值后面的区域中达到最大值的一确定的百分比，例如50%。替代地，也可以使用其他的百分比值，例如10%。这也适用于总热变化曲线。基于总热变化曲线的最大值，该位置以曲轴转角度数确定，在该度数时达到总热变化曲线的最大值的50%。在此也可以替代地使用其他的百分比值，例如最大值的10%。

另一用于识别早火的参量基于实际测量的燃烧室压力变化曲线和燃烧室压力压缩变化曲线的比较。在此，燃烧室压力压缩变化曲线基于已知的充气压力和/或由充气估计知道的充气来建模。在此总是考虑从汽缸2，3，4，5中的活塞的下死点到上死点或者至少到汽缸2，3，4，5的点火时间点的曲轴转角的区间。然后，为了算出为识别早火而确定的参量，将所测量的燃烧室压力变化（曲线）除以模型化的燃烧室压力压缩变化（曲线）。在此有利的是，由压力传感器15a，15b，15c，15d提供的燃烧室压力信号在评价前被过滤，以便抑制干扰。然后将由该相除得到的商变化（曲线）通过控制器16在一尚不预期燃烧的区域中进行评价。如果在该尚不预计燃烧的区域中该商显著大于1，则识别到：早火在酝酿。

替代地，也可以由模型化的燃烧室压力压缩变化曲线算出pmi变化曲线并且将其与由所测量的燃烧室压力变化曲线算出的pmi变化曲线相比较。在此，将带角标的平均压力称作pmi。该平均压力由关于在一曲柄转角位置（分辨率例如为1°曲轴）时的燃烧室压力

乘以燃烧室容积的在该曲柄转角位置

和所选择的分辨率时计算出的容积变化

的乘积的正交积分计算出。

Pmi视需要而定从一起始转角

到一终点转角

计算出。归一化系数为1/冲程容积。

燃烧室压力变化曲线表明在燃烧期间燃烧室压力p的变化。根据评估的燃烧室压力压缩变化求得

的第一变化曲线，将该变化曲线与根据测量的燃烧室压力变化曲线求得的

第二变化曲线相比较，其中，将

第二变化曲线除以第一变化曲线并且就早火方面评价

商变化曲线，并且，如果在

商变化曲线的一个尚不预期燃烧的区域中，商变化曲线大于1，则尤其识别为早火。有利的是，在计算之前将燃烧室压力平滑。也存在这样的可能性：分别连续地针对曲轴转角

比较pmi-积分并且在偏差过大时推断出早火的结论。在此有利的是，在高压回路的上死点前在从180度到90度的范围中选择曲轴转角

一旦

商变化曲线在尚不预期燃烧的区域中具有显著大于1的偏差，则将这种燃烧识别为正在酝酿的早火。

另一种用于识别早火的可能性在于，基于由压力传感器15a，15b，15c，15d提供的燃烧室压力信号评价汽缸2，3，4，5的高频的燃烧室压力信号。在此，首先借助于具有4到30kHz的通带范围的带通滤波器过滤燃烧室压力信号并且从理论上可能开始早火的时间点（曲轴转角

或者时间t）开始考察该燃烧室压力信号。一旦信号能量在预计开始燃烧之前高于一确定的值，则在此判定早火。在此，通过整流和求和或者通过平方和求和来实现信号能量计算。但是替代地，也可以在这种高频的燃烧室压力信号的情况下，考察最大或者最小压力幅值的大小。这优选基于燃烧室压力信号的基于时间的采样来进行。

为了提高在识别早火时的可靠性，将用于识别早火的不同参量与在此前的被归类为正常燃烧的燃烧中确定的相应参量如压力幅值、热变化曲线、总热变化曲线等相比较。借助这样的比较，能够识别压力情况在多个彼此相继的燃烧中的发展并且能够可靠地探测间或出现的早火。替代地，也可以将这些参量与在相同运行条件下、即在相同运行点时在正常燃烧情况下在曲轴转角

或者时间段t的相同区域中出现的参量进行比较。在这些运行条件中首要应该考察转速，负载，点火角，凸轮轴位置，充气压力和温度。尤其有利的是，将这些参量在相同的点火角借助与运行点相关的阈值来比较。

在此，识别早火所基于的参量的确定基于燃烧室压力的基于曲轴的采样来进行。替代地，也可以基于燃烧室压力的基于时间的采样来实施参量确定。

此外，燃烧室压力的评价允许早火的多级识别。因此，考察第一早火阈值。如果超过了该第一早火阈值，则导致早火嫌疑。基于这种早火嫌疑则采用第一措施，以避免早火。如果然后还出现进一步的或者说真正的、通过超过第二早火阈值探测到的早火，则采取进一步的应对措施。在该例中存在三个类别：无早火、早火嫌疑和探测到早火。这三个类别通过不同大小的早火阈值分开，其中，将类别无早火和早火嫌疑分开的第一早火阈值小于将类别早火嫌疑和早火分开的第二早火阈值。通过这种措施保证，没有能够导致汽油发动机1损坏的严重早火产生。

基于评价燃烧室压力来识别早火具有优点，即在汽油发动机1的整个转速范围上可靠地识别所有汽缸中的早火。在此，在建立评价程序时节省应用时间，因为不需要燃烧室压力和固体声或者转速的相关。此外，在系列发展期间变换发动机发展中的发展阶段时省去对识别软件或者新应用的检验。

Claims (12)

1.用于识别汽油发动机中的早火的方法，该早火与燃空混合物通过火花塞的点火无关地在汽油发动机（1）的燃烧室中出现，其特征在于，评价在火花塞的点火时间点之前或者之后出现的燃烧室压力（p），用于确定早火。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，进行所述燃烧室压力（p）的直接评价，其方式是，确定最大压力幅值和/或最大压力幅值关于曲轴转角

和/或关于预先给定的时间段（t）的位置并进行评价。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，由所述燃烧室压力（p）推导出由于燃烧而在曲轴的每度释放的能量并进行评价。

4.根据权利要求1或3的方法，其特征在于，由所述燃烧室压力（p）推导出在燃烧期间释放的能量并进行评价。

5.根据权利要求3或4的方法，其特征在于，为了识别早火，从一预先给定的预期会发生早火的曲轴转角

起，评价汽油发动机（1）的汽缸（2，3，4，5）的优选被过滤的、高频的燃烧室压力信号，在一合适的窗口中评价由该高频的燃烧室压力信号推导出的能量，其中，在该高频的燃烧室压力信号的能量超过预先给定的第一阈值时识别到早火。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，将关于曲轴转角

的燃烧室压力压缩变化曲线与一测量的、关于曲轴转角

的燃烧室压力变化曲线相比较并且就早火而言进行评价。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于，将所述测量的、关于曲轴转角的燃烧室压力变化曲线除以关于曲轴转角

的、模型化的燃烧室压力压缩变化曲线，其中，就早火而言对商变化曲线进行评价，尤其当在商变化曲线的一个预期尚不燃烧的区域中该商变化曲线大于第二阈值时识别到早火。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，由评估的燃烧室压力压缩变化曲线求得

的第一变化曲线，将该第一变化曲线与由测量的燃烧室压力变化曲线求得的

第二变化曲线相比较，其中，将

第二变化曲线除以

第一变化曲线并且就早火而言评价

商变化曲线，尤其在

商变化曲线的一个预期尚不燃烧的区域中商变化曲线大于第三阈值时，识别到早火。

9.根据前述权利要求中至少一项的方法，其特征在于，对早火实施多级识别，其中，将多个早火阈值与一个为识别早火而引用的参量相比较，尤其根据早火识别的级别而定采取至少一个抵抗早火出现的、合适的应对措施。

10.根据前述权利要求中至少一项的方法，其特征在于，基于将为识别早火而引用的参量与来自n个之前的、被衡量为正常燃烧的燃烧中的相应参量的比较来进行早火的识别。

11.用于识别汽油发动机中的早火的装置，该早火与燃空混合物通过火花塞的点火无关地在汽油发动机（1）的燃烧室中出现，其特征在于，存在器件（18，19），所述器件从每个探测汽油发动机（1）的汽缸（2，3，4，5）的燃烧室中的燃烧室压力的压力传感器（15a，15b，15c，15d）接收信号并且根据由该压力传感器（15a，15b，15c，15d）提供的信号来识别早火，其中，尤其评价在火花塞的点火时间点之前或者之后出现的燃烧室压力（p），用于确定早火。

12.根据权利要求11的装置，其特征在于，所述器件包括信号感测单元（18）和信号评价装置（19），其中，所述信号评价装置（19）针对识别到的早火采取应对措施。

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