CN103452687B - 一种识别往复式内燃机中燃烧开始的方法，其中燃料通过电晕放电点燃 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定往复式内燃机中燃烧开始的方法，其中通过电晕放电点燃燃料/空气混合物，其中，激励一电气谐振电路以产生电晕放电，其中相对燃烧室壁电气绝缘的点火电极与燃烧室壁一起构成一电容器，以及，计算谐振电路的一电气变量的值以识别燃烧的开始。根据本发明，评估一极值的位置，该极值产生于电晕放电点火后和熄灭前的电气变量的变化过程中，或者将电气变量的变化过程与一基准变化过程比较，其中预设一阈值且根据超过该阈值的偏差来推断出燃料的燃烧。

Description

一种识别往复式内燃机中燃烧开始的方法，其中燃料通过电晕放电点燃

技术领域

本发明涉及一种识别往复式内燃机开始燃烧的方法，在内燃机中燃料/空气混合物通过电晕放电点火。

背景技术

让燃料/空气混合物由电晕放电点火的点火装置包括电谐振电路，其中相对燃烧室壁电气绝缘的点火电极与燃烧室壁一起构成一电容器。通过激励谐振电路，可在点火电极产生电晕放电，然后点燃贮存在燃烧室的燃料/空气混合物。这样的电晕放电点火装置例如在专利WO2010/011838中有所描述。燃烧室的内容物为由点火电极和燃烧室壁构成的电容器的电介质。电晕放电点火装置的谐振电路的电气变量因此尤其适用于获取关于燃烧室和燃料燃烧过程的信息。

发明内容

本发明的目的是说明一种可以识别燃烧开始的方法。

根据本发明的方法，判定一极值的位置，该极值产生于电晕放电点火之后和其熄灭之前的期间内。特别地，燃烧过程的开始导致燃烧室条件的急剧变化。燃烧的开始因此与电晕放电装置的谐振电路的各种电气变量的变化过程中的极值关联。由此可以探悉燃烧已开始。燃烧开始的时间是重要信息，其用于有效率的发动机控制。燃烧开始的时间可以给定为曲柄轴在那一时刻的角度。

谐振电路的电气变量可以是，例如，谐振电路的共振频率、谐振电路的阻抗或电流和电压之间的相位。与燃烧过程的开始关联的极值为一最大或最小值，其根据所考虑的变量而定。

当一电晕放电生成时，最初谐振电路的共振频率升高。由于电晕放电的形成，共振频率下降，因为发生了预反应以及燃料/空气混合物的电离增加。一旦燃料/空气混合物点燃，共振频率升高。相应地，电晕放电装置的谐振电路的阻抗的变化过程，最初表现出一最小值，然后在燃烧开始的时刻，表现出一最大值。

一般地，电晕放电在发动机的每一循环周期内重新点火。然而，还可以使电晕放电在整个周期期间内燃烧，也就是说仅当发动机起动时点燃电晕放电。还可以让一减小的电压实现燃烧以作为在整个周期期间内的诊断电压，且仅在电晕放电点火时施加完全的点火电压。特别是在这种情况下，可通过预设的曲柄轴角来限制时间窗口，其中可以根据本发明的方法检查该时间窗口。因此能更容易地发现和判定由燃烧开始所引起的极值。

因此，燃料燃烧的开始能在电气变量的变化过程中的一极值处被识别，此极值可以是，例如，谐振电路的共振频率、谐振电路的阻抗或电流和电压之间的相位。极值的位置可直接 地在被检查的电气变量的变化过程中确定和评估，或间接地基于时间导数的多个极值来确定和评估。

例如，通过频率控制的谐振电路，尤其是闭环频率控制的谐振电路，共振频率可作为基于本发明的方法的电气变量来检查，例如通过锁相环路。通过使用频率控制的谐振电路，电流和电压之间的相位尤其适用。

由于噪声或干扰脉冲，在电晕放电的开始和燃烧过程的开始之间可能额外地出现多个极值。特别是，电晕放电的点火经常伴生扰动效应和额外的多个极值，因为电晕放电装置的谐振电路经常不在该时刻以稳定的方式谐振。由此，使用根据本发明的方法，只评估被检查的电气变量距离第一极值一预设的时间间隔的变化过程，可能是恰当的。例如，为了确定燃烧的开始，可计算电气变量在其变化过程中在电晕放电点火后的一预设的最小时间间隔上的一极值的位置。可不考虑在先的多个极值，因为在电晕放电引入足够的能量到燃料/空气混合物中以使该混合物起燃之前，需经过一些时间。

例如，随着电晕放电的点火之后的一些极值的产生，可以检验这些极值是否与电晕放电的点火时刻点保持一预设的最小时间间隔。不遵从此预设最小时间间隔的那些极值可在进一步的判定中保持不予以考虑。另一可能性是仅检查电气变量距离电晕放电一段最小时间间隔的变化过程。

通过非常慢的点火，例如，点燃很难起燃的混合物，在燃烧过程的开始之前可能会产生额外的多个极值，因为在燃烧室内对燃料/空气混合物的压缩还可能导致谐振电路的电气变量的变化。额外的多个极值还可能由一爆震燃烧生成。然而，对比与燃烧过程的开始有关的极值，一般地这样的额外极值弱得多，且仅在燃烧开始很久以后才产生。如果在检查范围内产生有一些极值，则此评估可由此被限定于对全局极值的评估，也就是说被限定为对在检查范围内的最大和/或最小的极值的评估。换句话说，燃烧的开始与电晕放电的点火和熄灭之间的一些极值的产生有关，也就是说，与某一极值有关，该极值为全局的极值。如果该极值为，例如阻抗的最大值，由此，相比在被检查范围内在先或之后产生的任何最大值，属于燃烧的开始的最大值通常具有更大的量值。如果该极值为，例如共振频率的最小值，由此，相比在被检查范围内的在先产生的任何最小值，属于燃烧的开始的最小值通常具有更小的量值。

一般地，与燃烧过程的开始有关的极值的特征还在于，其跟随在一阶导数的一个显著极值之后。典型地，与燃烧过程的开始有关的极值跟随在一阶导数的一个全局极值之后。可替代地或额外地，属于燃烧过程开始的极值还可由此通过对一阶导数的计算来识别。换句话说，燃烧的开始可因此与跟随在一阶导数的极值之后的极值有关，该一阶导数的极值比一阶导数的另外多个极值具有更强烈的显著性，该一阶导数的多个极值跟随在判定范围内的电气变量的其他多个极值之后。

理论上，也许在非常罕见的情况下，例如由于测量误差，这两个判断标准传递不同的结果。因此合并这两个判断标准可能是有益的，例如通过量化一个极值相比其他的极值更显著的程度。为此目的的一个可能性是，计算一个极值偏离下一个最明显极值的因子，也就是说，例如，确定最显著最大值超过次最大值的百分比，或确定最显著最小值低于次最小值的量。然后，比另一个标准更明显地表征一极值的标准将用于将此极值关联到燃烧的开始。

如果电气变量的一极值由此偏离下一个最明显极值第一因子，这个第一因子可与，一阶导数的一极值偏离一阶导数的另一极值的第二因子，相比较。如果第一因子大于第二因子，第一标准，也就是电气变量的极值的标准，比第二标准，也就是导数的标准，更为显著。

根据本发明有益的改良，随着一些极值的产生，考虑到该极值的显著性有多强烈以及考虑到一阶导数在先的极值的显著性有多强烈，由此把一个极值与燃烧的开始关联。在这种情况下，由于有时候把燃烧的开始指派到在检查范围内比其他极值更强烈地显著的极值，而有时候将燃烧的开始指派到时间导数的变化过程中的极值(其中，对应电晕放电的点火与熄灭之间的电气变量的变化过程中的多个极值的产生，将燃烧的开始指派到电气变量的一极值，该极值跟随在比位于检查范围内随后的电气变量的其他极值更强烈地显著的导数的极值之后)，该方法可同时利用以上两个技术主题。

根据本发明的方法而确定的燃烧开始可受由测量误差引起的波动影响。由此优选地计算出对应内燃机的多个周期的燃烧的开始的滑移平均值。该平均值能被，例如，发动机控制单元使用。此平均值可对应三个或以上的周期来计算，优选地为五个或以上的周期。超过10个周期的计算，尤其是超过20周期的计算，通常不带来额外的好处。

该平均值还可以用作用于识别燃烧开始的额外标准，这是因为燃烧的开始无法从一个周期到下一周期间仅以较小的程度变化。因此该平均值可用来限制需要评估的范围，其中在该范围内检查电气变量的变化过程。放弃偏离该平均值超过一个预设阈值的结果也是可能的，因为此类结果是不准确的。这个阈值可预设为标准偏差函数。

本发明还涉及一种用于确定往复式内燃机的燃烧开始的方法，其中燃料/空气混合物通过电晕放电点火，其中，为产生电晕放电，激励一电气谐振电路，其中相对燃烧室壁电气绝缘的点火电极与燃烧室壁一起构成一电容器。以及，为确定燃烧的开始，计算谐振电路的一电气变量的值，其中把电气变量的变化过程与一基准变化过程比较，该基准变化过程为，例如对若干周期求平均的变化过程，以及其中，预设一阈值并根据超过该阈值的偏差来推断燃料燃烧。

电晕放电装置的谐振电路的电气变量初期的变化过程大体上不受任何较大波动的影响，由此很难区分一个周期和另一个周期。仅通过可能在不同的瞬间发生的燃烧开始，不同的周期之间出现显著差异。通过与一平均化的变化过程比较，燃烧的开始可因此而确定。

附图说明

下文将在实施例的基础上参照附图对本发明更详细的内容和优点进行说明，其中：

图1a、1b和1c所示为电晕放电装置的谐振电路的共振频率的三个示意性的变化过程；

图2a、2b和2c所示为电晕放电装置的谐振电路的阻抗的三个示意性的变化过程，以及；

图3所示为根据本发明的方法的一示范实施例的流程图，用于确定燃烧的开始。

具体实施方式

图1a所示为，在可迅速点燃的混合物的最理想燃烧下，电晕放电装置的电气谐振电路的共振频率f的变化过程的示意图。如图所示，共振频率f随时间t，并由此也是随曲柄轴角，明显地变化。图示的变化过程，开始于上止点前的约25°到20°的曲柄轴角，直至上止点。根据发动机的运行、燃烧点以及电晕放电的持续时间可以稍有不同。因此在附图的示意图中，横坐标并没有设有单位。

在图1a的区域A，在电晕放电形成前，谐振电路的瞬态伴随有共振频率的上升。区域A可称为调谐阶段。在随后的区域B中，电晕放电形成且共振频率下降。在区域B中，作为电晕放电的形成的结果，发生燃料/空气混合物的预反应和电离的开始。频率的下降延续到随后的区域C，其中燃料/空气混合物的电离有所增加。在区域C的末端，燃料/空气混合物被点燃，以及燃料开始燃烧。区域C邻接区域D，其中共振频率在燃烧过程期间上升，或可由于断路处理而上升。在区域C和D之间共振频率具有一最小值。该最小值一般上为全局最小值。

图2a相应地显示了，在理想的燃料燃烧下，电晕放电装置的谐振电路的阻抗Z随时间t的变化。图1a和图2a的对比显示了与共振频率f的最大值对应的阻抗Z的最小值，以及与阻抗的最大值对应的共振频率的最小值。

图1b所示为在延迟的点火下，电晕放电装置的电气谐振电路的共振频率f是如何随时间t变化的。其区域A和B与理想燃烧状态下的区域A和B至多有略微的区别，理想燃烧的共振频率的变化过程在图1a中得到了示意性的显示。在邻接区域B的区域C1中，其共振频率实际上恒定。然后仅在区域C2那里，存在有渐增的共振频率剧降，以及燃料/空气混合物的点燃。图2b相应地显示了电晕放电装置的谐振电路的阻抗Z在这种情况下随时间t的变化。

图1c以示意图的方式显示了在长得多的点火延迟下，例如在点燃很难点燃的混合物的情况下，电晕放电装置的电气谐振电路的共振频率f的变化过程。在区域A、B以及C1的起始区域，变化过程实质上如图1b显示的一样。然后在C1的末端区域，在频率上有一临时的升高。然后仅在区域C2，存在着渐增的频率剧降，以及最终燃料/空气混合物点燃。

图1c中共振频率f的变化过程因此具有两个额外的极值，即在C1开始时的额外最小值以及C1和C2之间的额外最大值。在十分缓慢的点火下，电晕放电装置的电气谐振电路的阻抗Z相应地在图2c中所示的变化过程同样地显示有两个额外的极值。

图3所示为用于确定往复式内燃机的燃烧开始的方法的一个实施例的流程图。

在该方法的开始处，在步骤1中，确定相关的时间间隔的开始和结束，或至少进行一个预选，其中，在该时间间隔内寻找爆震燃烧的发生。例如，电晕放电的开始以及燃料燃烧的结束可从电压信号、电流信号和/或另一电气变量中确定。也可以通过发动机控制单元预设需要检查的时间间隔的开始和结束。

作为步骤2，可执行原始数据的准备，例如可通过插值来确定电晕放电装置的谐振电路的电气变量的测定值的中间值。在步骤2中，可对测量信号进行滤波，例如使用低通滤波器。根据电压信号和/或电流信号是否转换为RMS(均方根)值或转换为原始数据，可取不同的阈值用于低通滤波。在转换RMS值时，例如可取从1Khz到500Khz的临界频率。在转换高频原始数据时，例如按1Mhz到20Mhz的区间中的阈值来进行低通滤波是有益的。谐振电路的特征变量，比如其中的共振频率或阻抗，可在步骤2中，例如，经由求取零点或通过变换从电压原始数据和电流原始数据中计算得出。然而，对于此类谐振电路特征变量，在该方法的开始处就存在也是可能的。

在步骤3中，可确定该方法的计算范围。电气变量，例如共振频率、阻抗或电流和电压之间的相位，在其变化过程中具有第一极值的时间可以作为该范围的开始。然而，需要检查的范围的开始还可以在稍后选定，因为电晕放电的开始伴有升高的扰动信号的强度和频率。例如，可通过在第一极值出现的时刻或曲柄轴角上增加一固定的、预设的时间跨度，特别是一曲柄轴角的时间跨度，以确定范围的开始。电晕放电的切断或一预设的曲柄轴角，例如上止点，可以作为该范围的结束。该范围的结束还可以是预设的，例如，通过对应电气变量或电气变量的变化的阈值。

例如，随着频率从一达到的最小值上升至少1kHz，优选地至少2kHz，可大体上认为燃料/空气混合物被点燃，且随后频率的更进一步的变化过程不再用于对燃烧开始的识别。一阈值还可相应地预设为，例如0.2欧姆，以对应阻抗达到一最大值后的变化，且可认为燃料/空气混合物的点燃伴随着阻抗从达到的最大值下降所述阈值的量。当然，具体的数值依赖于所使用的电晕放电装置的设计，因此不能以一般方式简单地指定。

在随后的步骤4中，从已测量的电气变量中产生一运算对象，例如频率、阻抗或电流和电压之间的相位。该运算对象优选地为已测量的电气变量的一阶时间导数，但也可以是和例如基准变量的差分。

然后在步骤5中，求取运算对象的第一极值，而在步骤6中求取运算对象的第二极值。

然后在步骤7.1中，校验运算对象的第二极值，也就是说例如导数的第二极值，是否在检查范围内有效。检查范围优选地开始于图1a-1c和图2a-2c的区域B。在理想的变化过程下，如图1a和2a所示，燃烧的开始位于作为最小值的导数的第一极值与作为最大值的导数的第二极值之 间。然而在根据图1b、1c和2b或2c的变化过程下，产生导数的多个额外极值，因此导数的第二极值位于燃烧开始前。这样的情况将在步骤7.1中得到识别。为此，需要校验该第二极值是否在期望的时间窗口内，而该时间窗口可从经验数值或从先前工作周期中收集的数据确定。

作为步骤7.1的结果，如果导数的第二极值被判断为太前，则在步骤7.4中求取测定范围内电气变量的第一极值。在图示的实施例中，计算范围在步骤3中确定，因此该第一极值位于图1a和图2a的区域A和B之间。然后在步骤7.5中，校验导数的第二极值是否与这个电气变量，例如频率的第一最大值，保持一预设的最小时间间隔。

如果求导出来的第二极值太接近所考虑的电气变量的第一极值，则在步骤7.5.1中求取导数的下一个更后的极值。然后在步骤7.5.2中，校验该更后的极值是否具有正确的正负号。正确的正负号视考虑的是哪个电气变量而定。例如，如果考虑共振频率作为电气变量，一最小值标记燃烧的开始，而因此导数的在前的极值同样地必须是一最小值，也就是说，负号为正确的正负号标记。相反，如果考虑阻抗作为电气变量，燃烧的开始与一最大值有关，而因此导数的在前的极值同样地为一最大值从而具有一正号，也就是说大于零。

如果在步骤7.5.2中，发现不正确的正负号，则在步骤7.5.3求取导数的下一个更后的极值。

然后在步骤8中，检查二阶导数的该极值的量值，其中可直接由步骤7.1、7.5和7.5.2按照对应的结果到达步骤8。

如果其量值位于一预设的阈值之上，则导数的该极值和导数的第一极值之间的一数值，例如这两个极值所处时刻之间的平均值，在步骤8.2中指派为燃烧的开始。可替换地，对应燃烧开始的数值还可以设为交点或达到两个电气变量于其导数的极值处的数值的预设的差数。进而，当电气变量的极值前后的导数陡峭时，使用步骤8.2。在这种情况下，电气变量的极值显然为明显的。

如果在步骤8中所考虑的导数极值的量值低于预设的阈值，而且此极值仅具有较弱的显著性，则在步骤8.3.1中校验较早的极值是否具有同样的量值。如果情况如此，假设一误差，并由此在步骤8.3.2.2中求取该导数的极值的一个稍后的量值，且还在步骤8.3.2.1中重新确定所考虑的电气变量的第一极值，也就是说求取一个稍后的极值。然后与步骤7.5.2类似地，在步骤8.3.2.4中校验导数的该极值是否具有正确的正负号，如果不是，则继续搜索。然后在步骤8.3.2.5中，上一次发现的导数的极值被确定为对应随后燃烧开始计算的导数的“第二”极值。在步骤8.3.3中，在有效的导数极值之间求取所考虑的电气变量的第二极值，其中步骤8.3.3还可以直接地从步骤8.3.1或8.3.2.4按照对应的结果到达。然后在步骤8.3.5中，将电气变量的第二极值与在前的导数极值之间的一数值指派给燃烧的开始，例如 通过求平均、交点或达到预设的差值这一手段。

从步骤8到8.2和8.3.5中的多个阈值可以是匹配的。然而，优选地，阈值为不同的阈值。在步骤8中，如果确定了所考虑的导数极值的量值位于这两个阈值之间，则燃烧的开始可被指派到所示实施例中的这个导数极值的时刻。

Claims (10)

1.一种用于确定往复式内燃机中燃烧开始的方法，其中通过电晕放电点燃燃料/空气混合物，其中，

激励一电气谐振电路以产生电晕放电，其中相对燃烧室壁电气绝缘的点火电极与燃烧室壁一起构成一电容器，以及

计算谐振电路的一电气变量的值以识别燃烧的开始，

其特征在于，计算一极值位置，该极值产生于电晕放电点火后和熄灭前的电气变量的变化过程中，

谐振电路的电气变量为谐振电路的共振频率、谐振电路的阻抗或电流和电压之间的相位，以及

将电气变量的变化过程中的第一极值指派到电晕放电的开始，且求取进一步的极值以确定燃烧的开始。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预设一阈值，且对电气变量的变化过程的求值限于第一极值与达到阈值的点之间的数值范围。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对应电晕放电点火后的多个极值的产生，校验这些极值是否位于距离电晕放电开始的一预设的最小时间间隔内，且在进一步的评估中保持不考虑位于预设的最小时间间隔外的极值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对应电晕放电的开始与熄灭之间的多个极值的产生，把燃烧的开始指派到在检查范围内比其他极值更强烈地显著的极值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立电气变量的时间导数并求取在所述时间导数的变化过程中的极值，其中，对应电晕放电的点火与熄灭之间的电气变量的变化过程中的多个极值的产生，将燃烧的开始指派到电气变量的一极值，该极值跟随在比位于检查范围内随后的电气变量的其他极值更强烈地显著的导数的极值之后。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对应多个极值的产生，把一极值指派到燃烧的开始，其中同时考量该极值的量值以及一阶导数在前极值的量值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对应内燃机的多个周期，计算燃烧开始的平均值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，燃烧的开始的平均值用于确定求取极值的范围，在所述极值的范围中求出该极值的位置以确定燃烧的开始。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，预设一用于在达到一极值时对电气变量进行改变的阈值，而对电气变量的变化过程的评估，仅从一极值开始直到由所述阈值进行电气变量改变的点为止。

10.一种用于确定往复式内燃机中建立燃烧开始的方法，其中通过电晕放电点燃燃料/空气混合物，其中，

激励一电气谐振电路以产生电晕放电，其中相对燃烧室壁电气绝缘的点火电极与燃烧室壁一起构成一电容器，以及

计算谐振电路的一电气变量的值以识别燃烧的开始，

其特征在于，将电气变量的变化过程与一基准变化过程比较，其中预设一阈值且根据超过该阈值的偏差来推断出燃料的燃烧，

谐振电路的电气变量为谐振电路的共振频率、谐振电路的阻抗或电流和电压之间的相位，

预设一用于在达到一极值时对电气变量进行改变的阈值，而对电气变量的变化过程的评估，仅从一极值开始直到由所述阈值进行电气变量改变的点为止。