CN103590958A - 控制内燃发动机点火系统的方法和点火系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制内燃发动机点火系统的方法和点火系统。控制其中提供熄火检测装置的内燃发动机点火系统的方法，包括在校准模式下运转内燃发动机，其中校准模式包括通过从初始值开始改变点火参数而逐步降低点火能量，基于检测装置的信号检测燃烧失败极限的达到，并且如果还未达到燃烧失败极限，则再次降低点火能量，和存储达到燃烧失败极限的时间点的点火参数。未处于校准模式时，根据存储的点火参数进行点火系统的运转。通过这种反馈控制，减少火花塞的电极烧蚀，导致火花塞使用寿命延长。

Description

控制内燃发动机点火系统的方法和点火系统

相关申请

本申请要求2012年8月15日提交的德国专利申请号102012214518.4的优先权，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。

发明领域

本发明涉及控制内燃发动机点火系统的方法和用于实施该方法的点火系统。

背景和概述

机动车的经济学标准是必要维护间隔的频率。为了降低成本和鉴于长保修期的趋势，现代机动车的倾向趋于极长的维护间隔。对于电子控制火花点火系统而言，维护间隔受到火花塞磨损显著影响。火花塞失效具体是通过电极烧蚀和压力条件导致的电极间隙加宽而发生。所述电极烧蚀伴随每次点火过程使用的点火能量而大幅增加。

为了延长火花塞的一般使用寿命，例如，关于大于100000km的里程，由EP0640761A2得知，取决于各种发动机参数改变点火能量，即，火花点火电流和火花燃烧时间，以使点火能量取决于所述发动机运转条件在各种情况下均最小化，因此减少电极烧蚀。点火参数的调节通过已知点火系统的发动机参数依赖性特征场进行。

由于实际火花塞取决于其实际条件（例如，积炭）而在其点火行为方面相对不同并且燃烧过程遭受某种程度的随机变化，一般为已知点火系统选择高点火能量，使得一切可以想到的边界条件下的熄火均被防止。

因此，已知点火系统可实现的电极烧蚀减少是有限的。

因此，本发明的目标包括提供控制点火系统的方法和用于实施该方法的点火系统，借此火花塞的使用寿命可最大限度地进一步增加，而无需另外的设计工作，且具有相同的点火可靠性。

所述目标通过根据本发明所述的控制具有至少一个火花点火气缸的内燃发动机的点火系统的设备和/或方法实现，其中影响点火能量的点火参数可被控制，并且其中提供检测熄火装置，提供校准模式下的内燃发动机运转，其中校准模式包括下列步骤：

a）通过从初始值开始改变点火参数，逐步降低点火能量，

b）基于检测装置的信号检测燃烧失败极限的达到，如果还未达到燃烧失败极限则进一步降低点火能量，和

c）存储达到燃烧失败极限时间点的点火参数——在一些实施方式中考虑运转补偿值。

方法还包括在非校准模式时基于存储的点火参数运转点火系统。

附图简述

图1显示与点火系统一起运转的燃烧室的示意图。

图2显示运转点火系统以获得点火参数最小稳定值的实例方法。

图3显示运转点火系统以获得点火系统最小稳定停顿值的实例方法。

发明详述

与其他点火系统相反，关于根据本发明的方法，点火功率可适应于火花塞的实际点火特征。其通过连续降低点火参数和观察发动机响应所述变化的燃烧行为，在所述校准模式中确定。最后，点火参数可从而在校准模式期间、在反馈控制循环运转的背景下至少暂时被优化。

可存储以这种方式确定的点火参数，并且在一些实施方式中，可考虑运转补偿值存储以这种方式确定的点火参数。可通过运转补偿值指定特定的安全间距，该运转补偿值可被另外考虑，使得点火可以可靠地在燃烧失败极限以上发生。但是，所需运转补偿值明显低于根据其他点火系统的纯粹的特征场方案所需的安全间距。作为在另外考虑运转补偿值下的存储点火参数的替代方式，显然也可首次在随后的发动机运转中考虑这样的运转补偿值。

图1显示内燃发动机10的燃烧室或气缸的实例实施方式。在一个实例中，发动机10可以是涡轮增压发动机。发动机10可接收来自控制系统包括控制器12的控制参数和来自车辆操作人员130通过输入装置132的输入。在此实例中，输入装置132包括加速器踏板和用于生成成比例踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的气缸（在此也是“燃烧室’）14可包括燃烧室壁136，并且其中布置活塞138。活塞138可耦联于曲轴140，使得活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动。曲轴140可通过传导系统耦联于客运车辆的至少一个驱动轮。进一步，起动马达可通过飞轮耦联于曲轴140，从而能够实现发动机10的起动运转。

气缸14可通过一系列进气道142、144和146接收进气。除气缸14外，进气道146还可与发动机10的其他气缸连通。在一些实施方式中，进气道中的一个或多个可包括增压装置，如涡轮增压器或机械增压器（supercharger）。例如，图1显示发动机10，其配置有涡轮增压器，包括布置在进气道142和144之间的压缩机174；和排气涡轮176，沿排气道148布置。压缩机174可至少部分地被排气涡轮176通过轴180驱动，其中增压装置被配置为涡轮增压器。但是，在其他实例中，如发动机10配置有机械增压器的实例中，排气涡轮176可被任选地省略，其中压缩机174可被来自马达或发动机的机械输入驱动。包括节流板164的节气门20可沿发动机进气道提供，用于改变供向发动机气缸的进气的流速和/或压力。例如，节气门20可布置在压缩机174下游，如图1所示，或可选地可提供在压缩机174上游。

排气道148还可接收除气缸14外来自发动机10其他气缸的排气。排气传感器128显示耦联于排放控制装置178上游的排气道148。传感器128可从多种适于提供排气的空气/燃料比指示的传感器中选择，如例如线性氧传感器或UEGO（通用或宽范围排气氧）、双态氧传感器或EGO（如述）、HEGO（加热式EGO）、NOx、HC或CO传感器。排放控制装置178可以是三元催化剂（TWC）、NOx捕集器、多种其他排放控制装置或其组合。

排气温度可通过一个或多个位于排气道148中的温度传感器（未显示）估测。可选地，排气温度可基于发动机运转条件推断，如速度、负荷、空气燃料比（AFR）、火花延迟等。进一步，排气温度可通过一个或多个排气传感器128计算得出。可以理解，排气温度可以可选地通过本文列举的温度估测方法的任意组合被估测。

发动机10各气缸可包括一个或多个进气门和一个或多个排气门。例如，气缸14显示包括位于气缸14上部的至少一个进气提升阀150和至少一个排气提升阀156。在一些实施方式中，发动机10各气缸——包括气缸14，可包括位于气缸上部的至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。

进气门150可通过凸轮致动系统151的凸轮致动被控制器12控制。类似地，排气门156可通过凸轮致动系统153被控制器12控制。凸轮致动系统151和153均可包括一个或多个凸轮，并且可利用如下中的一个或多个：可通过控制器12运转以改变气门运转的凸轮轮廓转换（CPS）、可变凸轮正时（VCT）、可变气门正时（VVT）和/或可变气门升程（VVL）系统。进气门150和排气门156的位置分别可通过气门位置传感器155和157确定。在可选的实施方式中，可通过电力气门致动控制进气门和/或排气门。例如，气缸14可以可选地包括通过电力气门致动控制的进气门和通过包括CPS和/或VCT系统的凸轮致动控制的排气门。在另外其他实施方式中，可通过共同的气门致动器或致动系统或可变气门正时致动器或致动系统控制进气门和排气门。

气缸14可具有压缩比，压缩比是活塞138处于下止点（bottom center）与处于上止点（top center）的体积比。常规而言，压缩比在9：1至10：1的范围内。但是，在一些使用不同燃料的实例中，压缩比可增加。这可发生在，例如，使用较高辛烷燃料或使用潜在气化焓较高的燃料时。如果应用直接喷射，由于其对发动机爆震的影响，压缩比也可增加。

在一些实施方式中，发动机10各气缸可包括火花塞192，用于启动燃烧。点火系统190可在选定运转模式下响应来自控制器12的火花提前信号SA通过火花塞192向燃烧室14提供点火火花。

在一些实施方式中，发动机10各气缸可配置有一个或多个燃料喷射器，用于向其提供燃料。作为非限制性实例，气缸14显示包括一个燃料喷射器166。燃料喷射器166显示直接耦联于气缸14，用于通过电子驱动器168与从控制器12接收的信号的脉冲宽度FPW成比例在其中直接喷射燃料。以这种方式，燃料喷射器166提供所谓燃料在燃烧气缸14中的直接喷射（在下文中被称为“DI”）。燃料可从包括燃料箱、燃料泵和燃料轨的高压力燃料系统8输送至燃料喷射器166。可选地，燃料可通过处于较低压力的单级燃料泵输送，在这种情况下压缩冲程期间的直接燃料喷射正时可比应用高压力燃料系统时更加有限。进一步，虽然未显示，但燃料箱可具有压力传感器，向控制器12提供信号。要理解，在可选的实施方式中，喷射器166可以是进气道喷射器，提供燃料到气缸14上游进气口中。

燃料可在气缸单个周期期间通过喷射器输送至气缸。进一步，从喷射器输送的燃料分配和/或相对量可随运转条件改变。此外，对于单个燃烧事件而言，每个周期可进行输送燃料的多次喷射。多次喷射可在压缩冲程、进气冲程或其任意适当组合期间进行。

如上所述，图1仅显示多气缸发动机的一个气缸。如此，各气缸可类似地包括其自己的一组进气门/排气门、燃料喷射器（一个或多个）、火花塞等。

虽然未显示，但要理解，发动机10可进一步包括一个或多个排气再循环通道，用于从发动机排气向发动机进气分流至少部分排气。如此，通过再循环一些排气，可引起发动机稀释，其可通过减少发动机爆震、峰值气缸燃烧温度和压力、节流损失和NOx排放提高发动机性能。一个或多个EGR通道可包括连接在涡轮增压器压缩机上游的发动机进气和涡轮下游的发动机排气之间并且被配置以提供LP-EGR的低压(LP)-EGR通道。一个或多个EGR通道可进一步包括连接在压缩机下游的发动机进气和涡轮上游的发动机排气之间并且被配置以提供HP-EGR的高压力(HP)-EGR通道。在一个实例中，HP-EGR流动可在诸如涡轮增压器提供的增压不存在的条件下提供，而LP-EGR流动可在诸如涡轮增压器增压存在的条件期间和/或排气温度在阈值以上时提供。经过LP-EGR通道的LP-EGR流动可通过LP-EGR气门调节，而经过HP-EGR通道的HP-EGR流动可通过HP-EGR气门调节（未显示）。

控制器12在图1中显示为微型计算机，包括微处理器单元106、输入/输出端口108、存储可执行程序和校准值的电子存储介质——在此具体实例中显示为只读存储器芯片110、随机存取存储器112、保活存储器114和数据总线。除前述那些信号外，控制器12还可接收来自耦联于发动机10的传感器的各种信号，包括如下测量：感应空气质量流量（MAF），来自空气质量流量传感器122；发动机冷却剂温度（ECT），来自耦联于冷却套筒118的温度传感器116；表面点火感测信号（PIP），来自耦联于曲轴140的霍尔效应传感器120（或其他类型）；节气门位置（TP），来自节气门位置传感器；和绝对歧管压力信号（MAP），来自传感器124。发动机速度信号RPM可通过控制器12由信号PIP生成。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可用于提供进气歧管中的真空或压力指示。

存储介质只读存储器110可用计算机可读数据编程，该计算机可读数据表达处理器106可执行的用于实施下述方法以及其他预期的但未具体列举的变型的指令。

图2是运转内燃发动机点火系统以确定对于发动机给定运转条件提供最小量点火能量的点火参数的方法200的流程图。方法200包括，在202进入校准模式，和在204确定点火参数初始值。为确定点火参数的最小稳定值（例如，不导致熄火的值），点火参数通过从初始值改变至当前值而逐步减少，如在206所示。在208，确定是否检测到熄火。如果未检测到熄火，在210更新初始值至等于当前值，并且方法返回步骤206，以使更新后的初始值变成新当前值。如果检测到熄火，则在212存储当前值。由于当前值导致熄火，在214可通过运转补偿补偿当前值，确保将来运转可无熄火风险地进行。在216，方法200包括退出校准模式。在退出校准模式后，点火系统采用存储的点火参数运转，如在218所示。

在根据本发明的方法的一些实施方式中，可进行在特征场中存储点火参数，其取决于各种发动机运转参数，如发动机转速、发动机负荷和/或发动机温度。此外，可应用进一步的参数依赖性，例如，取决于火花塞的在前运转时间、当前燃料-空气比、发动机运转模式（稀燃）等。特征场存储伴随各个参数在特定值范围中的划分而发生，其中值范围宽度被或大或小地选择——这取决于点火参数在所述参数范围中的变化，使得全部有限的、不太高数量的特征场点可从而被确定。为避免不连续性和参数步进（parameter steps），特征场值可被线性内插在一些实例中的特定点之间。

通过单独校准的点火参数的特征场依赖性存储，可考虑如下事实：所需最小点火能量取决于发动机运转参数而改变，其方式不同于取决于火花塞的各自性质。

此外，在本方法的一些实施方式中，提出多气缸内燃发动机各气缸的校准可单独进行，因此各火花塞的校准可单独进行。因此，同样可考虑各个火花塞各自的状态。全部气缸的校准可在校准模式中共同的程序期间进行。校准和/或校准模式可在全部气缸的各个燃烧失败极限均已被检测时结束。气缸选择性关闭时间调节也可由此进行，只要每个火花塞或气缸使用一个点火线圈。

本发明范围内用于影响点火能量的点火参数可以是停顿时间。停顿时间是火花点火系统的特征变量，其对于常规机械点火系统和简单电子点火系统而言对应于点火线圈的充电时间，在本文中也被称为点火接触的闭合时间（或，关于曲轴，称为闭合角）。通过点火线圈中磁场的时间延迟累积，这种点火系统的所述闭合时间是充电点火能量和在点火回路打开时通过点火火花流出的点火能量的直接测量。对于已建立的点火系统而言，点火线圈的感应率通过多种手段被降低，使得点火线圈的饱和非常迅速地发生。在这种情况下，点火能量的控制可在点火过程期间进行，例如通过控制点火电流的方式。对于这种点火系统而言，例如从EP0640761A2得知，例如，点火电流将作为点火参数进行控制。

曲轴角传感器在根据本发明的方法的实施方式中可用于检测熄火。这种传感器已被提供于现代内燃发动机，用于控制燃烧正时和检测燃烧异常，而独立于根据本发明的本方法，从而不需要另外的传感器系统以实施本发明。已知熄火检测利用熄火相关的角速度波动进行。

可选地，然而，也可设计其他检测方法，如燃烧的声学或光学监测或经过火花塞的燃烧相关电离电流检测。

在一些实施方式中，根据本发明的校准模式可在内燃发动机一定的运转小时数后激活，例如，每10个运转小时后。此外，校准还可在检测到点火问题后或在（例如，通过维护定时器的重设可检测的）检验后触发，从而立即考虑任何更换的火花塞。

为缩短校准过程，提出校准过程开始时的点火参数初始值对应于上次存储的点火参数，其中允许指定的校准补偿值考虑同时已经出现的漂移。所述校准补偿值对应于各个校准过程之间点火参数的预期最大偏差，并且不必与前述运转补偿值相同。

所述校准补偿值同样允许关于火花塞（一个或多个）的使用寿命做出结论。因此，可确定火花塞各自的使用寿命，其取决于使用记录（usage profile）。这可用作给予驾驶员的信息，例如，通过控制灯或显示器指示请求换塞的方式。

在定制发动机控制器时，点火参数的守恒值被指定为出厂值（ex works），然后其可在车辆运转期间被连续分别校准，因此被优化——例如，取决于发动机参数。

为在点火特征方面考虑特别稳定或不稳定的发动机运转状态，还可提出运转补偿值，即安全间距，在接近燃烧失败极限地运转发动机时改变，其同样取决于任选的发动机运转参数。这些可以是例如，发动机转速、发动机负荷和/或发动机温度。所述可变运转补偿值或者可在校准期间被考虑，并可被考虑在特征场中直接相加或相减，或者可选地可在随后的发动机运转期间被考虑。

通过根据本发明的方法，实现点火能量的反馈控制，使得电极烧蚀减少，因此火花塞的一般使用寿命可增加至处于大于100000km的范围内。

下文利用图3所示流程图作为实例详细说明根据本发明实施方式的方法。

图3显示实施方法的实例算法300的流程图。所示算法可在步骤顺序方面改变——只要这是适当的，并且可扩展以进一步的步骤。进一步，非必需的步骤可省略。

算法的实施通过普通微处理器控制的发动机控制器进行，该发动机控制器包含电子点火控制器，其中各个单独气缸的点火能量可受停顿时间影响。较长停顿时间在此——至少在限定的极限内——对应于较高点火能量。取决于点火回路，不同点火能量相关变量也可以可选地被调节。例如，点火电流可在处于点火参数指定的极限值的能量流经功率半导体后被中断。

在固定间隔下，例如在10小时发动机运转时间后的每种情况下，可发生正常发动机运转至校准模式的转变，如步骤302所示。在此，在问询304中首次确定发动机是否处于稳定运转状态，即每个时间单位的转速变化和负荷变化是否处于特定阈值以下。如果不是，则系统等待实际校准模式，其中当然继续内燃发动机的正常运转。

在步骤306，如果检测到稳定发动机运转，则确定采用内燃发动机实际运转所处的特征场运转点的发动机运转参数，如发动机转速、发动机负荷或发动机温度。

然后，读入处于通过在前校准预先确定的此运转点的点火参数值或对于首次校准而言所述运转状态的出厂时预先确定的点火参数值（步骤308）。在此进行过程中，增加或减去校准补偿值，通过该校准补偿值限定校准过程起始点。所述校准补偿值原则上也可以为零。

因此，通过如下进行校准过程：迭代地递减停顿值，即减少点火能量，和对于至少一个燃烧周期利用以这种方式获得的停顿值，运转内燃发动机（步骤310）。

然后询问是否已经发生熄火（问询312）。因此，评价高分辨率曲轴传感器的角速度。如果仍未检测到熄火，则进一步递减停顿值，直到最后检测到熄火。

可选地，停顿值也可限于指定的下限（未显示），该过程在下限处终止，如果——无论什么原因——甚至在最小点火能量处仍未检测到熄火。例如，如果停顿值达到阈值最小值并且未检测到熄火，则系统可退出校准模式并存储当前停顿值（例如，阈值最小值）。

此外，在根据本发明的方法的变型（未显示）中，可能必须检测多次连续熄火，以使此被认为燃烧失败极限，从而特别可靠地检测燃烧失败极限。

通过步骤312的燃烧失败极限检测，在步骤314进行当前发动机运转参数点的当前停顿值在特征场中的存储，其中加上运转补偿，作为安全间距，其依次可取决于发动机运转条件。

可选地，显然还可以将最初确定的点火运转参数值存放在特征场中，而不考虑补偿，然后随后在发动机运转期间考虑适当的补偿。

因此，对于当前发动机运转点终止校准模式（步骤316）。构成校准基础的运转条件下的发动机运转从此基于考虑在特征场中存储的气缸特定点火参数值而进行，直到在各个发动机运转点实施重新校准。

因此，优选还对于其他发动机运转点实施校准模式。这可例如被控制，使得对于各发动机运转点而言，存储器中存在单独的信号标（或标记），显示在当前校准模式中是否已经对于该点实施校准。然后校准整体等待，直到所有点的校准均已实施，即一旦处于稳定状态所有预期运转点必须转变。

为使时间保持在这里的界限内，保持所要校准的运转点数量相对较小，并且可通过运转补偿值的可变适应（variable adaptation）考虑燃烧失败极限的已知发动机参数依赖性变化。

本文描述中的上述优势和其他优势及特征将单独或结合附图通过详细描述而显而易见。

应当理解，上文概述被提供以简化形式描述思路选择，其将在详述中得到进一步描述。这不意为确定保护主题的关键或必需特征，其范围仅由所附权利要求限定。此外，保护主题不限于解决上文或本公开任何部分描述的任何缺陷的实施方式。

Claims (20)

1.控制具有至少一个火花点火气缸的内燃发动机的点火系统的方法，其中影响点火能量的点火参数可被控制，并且其中提供熄火检测装置，所述方法包括：

在校准模式下运转所述内燃发动机，其中所述校准模式包括：

通过从初始值开始改变所述点火参数，逐步降低所述点火能量，

基于所述检测装置的信号检测何时达到燃烧失败极限，并且如果燃烧失败极限还未达到，则再次降低所述点火能量，和

存储达到所述燃烧失败极限的时间点的点火参数；和

退出所述校准模式，并且根据存储的点火参数运转所述点火系统。

2.权利要求1所述的方法，其中实施所述点火参数在特征场中的存储，其取决于各种发动机运转参数，特别是取决于发动机转速、发动机负荷和/或发动机温度。

3.权利要求1所述的方法，其中多气缸内燃发动机各气缸的所述校准在所述校准模式下在共同运转期间单独进行，所述校准模式持续进行，直到全部汽缸的熄火极限均已被检测。

4.权利要求1所述的方法，其中影响所述点火能量的所述点火参数是停顿时间。

5.权利要求1所述的方法，其中所述熄火检测装置包括高分辨率曲轴角传感器。

6.权利要求1所述的方法，其中所述校准模式在所述内燃发动机的指定运转小时数后在每种情况下激活。

7.权利要求1所述的方法，其中所述校准模式开始时的所述点火参数的初始值对应于经校准补偿值校准的上次存储的点火参数。

8.权利要求1所述的方法，其中存储所述点火参数包括通过运转补偿值补偿所述点火参数，所述运转补偿值是变化的，其取决于每种情况下存在的发动机运转参数，特别是取决于发动机转速、发动机负荷和/或发动机温度。

9.内燃发动机系统，包括：

点火系统，其包括熄火检测装置；和

控制器，其被配置以：

在校准模式下运转所述内燃发动机，包括控制所述点火系统，以：

通过从初始值开始改变所述点火参数，实施逐步降低所述点火能量，

基于所述检测装置的信号，检测何时达到燃烧失败极限，并且如果还未达到所述燃烧失败极限，则再次降低所述点火能量，和

选择性地考虑运转补偿值，存储达到所述燃烧失败极限的时间点的点火参数；和

退出所述校准模式，并且基于存储的点火参数运转所述点火系统。

10.权利要求9所述的内燃发动机系统，其中所述熄火检测装置包括高分辨率曲轴角传感器。

11.权利要求9所述的内燃发动机系统，进一步包括一个或多个用于测量发动机运转参数的传感器，所述发动机运转参数包括发动机转速、发动机负荷和发动机温度中的一个或多个。

12.权利要求11所述的内燃发动机系统，其中所述运转补偿值是变化的，其取决于所述一个或多个传感器测量的所述发动机运转参数中的至少一个。

13.控制发动机点火系统的方法，所述方法包括：

在校准模式下运转所述发动机，所述校准模式包括：

通过将点火参数从初始值改变至当前值，实施逐步降低点火能量；

确定所述点火参数每次改变后是否检测到熄火；

响应检测到熄火，存储所述当前值并退出所述校准模式。

14.权利要求13所述的方法，其中所述校准模式进一步包括，将所述初始值更新为所述当前值，并且响应未检测到熄火，将所述点火参数从所述更新的初始值改变至新的当前值。

15.权利要求13所述的方法，其中存储所述当前值进一步包括通过运转补偿值补偿所述当前值，以产生补偿后的当前值，并且存储所述补偿后的当前值。

16.权利要求15所述的方法，其中所述运转补偿值基于一个或多个发动机运转参数确定，所述发动机运转参数包括发动机转速、发动机负荷和发动机温度中的至少一个。

17.权利要求13所述的方法，进一步包括，响应退出所述校准模式，根据存储的点火参数运转所述点火系统。

18.权利要求13所述的方法，进一步包括通过校准补偿而补偿所述初始值。

19.权利要求18所述的方法，其中所述校准补偿对应于各个校准过程之间所述点火参数的预期最大偏差。

20.权利要求13所述的方法，进一步包括，响应确定所述当前值处于阈值并且未检测到熄火，退出所述校准模式并存储所述当前值。

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