CN104603433A - 通过对与曲轴连接的感应轮的轮齿时间的分析来确定在内燃机的气缸中释放的能量 - Google Patents

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Abstract

介绍用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的一种方法以及一种装置(100)。该方法包括：(a)借助轮齿时间来检测内燃机曲轴转速的时间变化曲线，所述轮齿时间分别是一段持续时间，在这段持续时间内，感应轮的两个相邻的轮齿经过参考位置，该感应轮与曲轴连接且沿着其圆周具有交替地布置的轮齿和齿隙；(b)分别给内燃机的所选气缸的做功冲程指配轮齿时间；(c)求取在指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间内的特定于气缸的平均值；(d)求取特定于气缸的在分别指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间与所求取的特定于气缸的平均值之间的轮齿时间偏差；(e)由所求取的特定于气缸的轮齿时间偏差求取几何总和，由此求取特定于气缸的独特的轮齿时间；(f)根据所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间，确定在内燃机的所选气缸的做功冲程中释放的能量，其中，释放的能量间接地与所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间成比例。

Description

通过对与曲轴连接的感应轮的轮齿时间的分析来确定在内燃机的气缸中释放的能量
本发明普遍地涉及机动车中内燃机工作的技术领域。本发明尤其涉及：(a)用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的方法；(b)用于调节内燃机的运行平稳性的方法；(c)用于确定在带有至少两个气缸的内燃机的不同气缸中的气缸压力的方法，其中，一个气缸是配备有气缸压力传感器的主导气缸，至少一个其它的气缸是辅助气缸；(d)用于检查内燃机的气缸压力传感器的测量信号的可信度的方法，该内燃机具有至少两个分别配备有气缸压力传感器的气缸。本发明还涉及：(e)用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的装置；(f)带有这种装置的发动机控制机构；以及(g)一种被设计用于实施上述方法的计算机程序。
内燃机的在每个工作循环喷入到各个气缸中的燃油质量，由于燃油喷射系统的制造公差以及由于燃油喷射系统的组件出现老化而明显地改变。喷射的燃油质量差异却导致各个气缸之间的扭矩差异，这对内燃机的运行平稳性造成不利影响。现代内燃机尤其是柴油机因而配备有至少一个所谓的气缸压力传感器，其检测气缸内部空间中的压力随时间的变化曲线。在进行燃油燃烧的所谓的做功冲程期间，由该压力变化曲线，特别是由压力大小，可以估计出由相关气缸提供的扭矩。基于对这种扭矩差异的了解，于是可以借助于调整后的特定于气缸的燃油喷射来实现气缸均衡，即所有气缸的扭矩贡献都相同。
然而，气缸压力传感器的输出信号出于多种原因可能有错误。只要未识别出这种错误，其通常就会导致对燃油喷射的错误的特定于气缸的调整。于是，内燃机的运行平稳性不仅得不到改善，反而有时甚至显著恶化。
由DE 197 20 009 A1已知一种用于在喷入到内燃机的不同气缸中的燃油喷射量方面实现所谓的气缸均衡化的方法。按照这种方法，针对每个气缸都计算出在膨胀期间的转速或旋转速度和在压缩期间的转速或旋转速度。在膨胀和压缩之间的转速差通过平滑式的(gleitend)平均值求取来予以滤波。基于这种经滤波的转速差，针对每个独立的气缸都计算出各自的燃油量矫正，并在计算全部要喷入的燃油量时考虑所述各自的矫正。由此可以通过相当复杂的数学算法来改善内燃机的运行平稳性。
由DE 197 00 711 A1已知一种用于消除内燃机喷射过程的系统性错误的方法。按照这种方法，根据运行平稳性采用喷射时间的矫正值。
由DE 10 2005 047 829 B3已知用于通过调节出曲轴转速的一致分量来对往复活塞式发动机进行气缸均衡化的方法和系统。按照这种方法，考察凸轮轴旋转至少一圈或者曲轴旋转两圈所用的时间，并在这段时间内对曲轴的转速信号进行傅立叶分析。
然而，如上已述，内燃机运行不平稳的最频繁也最根本的原因在于，喷入到不同气缸中的燃油质量发生改变。在燃油完全燃烧的前提条件下，不同的燃油喷射量却会导致在四冲程内燃机气缸的做功冲程中通过燃油燃烧而释放的不同的能量。
本发明的目的在于，尽可能精确地确定在内燃机的做功冲程中释放的能量，而无需繁琐的传感机构。
所述目的通过独立权利要求的主题得以实现。本发明的有利的实施方式、其它特征和细节可由从属权利要求、说明书和附图得到。在此，结合所述方法公开的特征和细节当然也适合于与装置、发动机控制机构以及计算机程序相结合，反之亦然，本发明的公开内容因此始终都可以针对各个发明方面相互交叉引用。
根据本发明的第一方面，介绍一种用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的方法。该方法包括：(a)借助轮齿时间来检测内燃机曲轴转速的时间变化曲线，所述轮齿时间分别是一段持续时间，在这段持续时间内，感应轮的两个相邻的轮齿经过参考位置，该感应轮与曲轴连接且沿着其圆周具有交替地布置的轮齿和齿隙；(b)分别给内燃机的所选气缸的做功冲程指配轮齿时间；(c)求取在指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间内的特定于气缸的平均值；(d)求取特定于气缸的在分别指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间与所求取的特定于气缸的平均值之间的轮齿时间偏差；(e)由所求取的特定于气缸的轮齿时间偏差求取几何总和，由此求取特定于气缸的独特的轮齿时间；(f)根据所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间，确定在内燃机的所选气缸的做功冲程中释放的能量，其中，释放的能量间接地与所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间成比例。
所述方法基于如下构思：由针对所选气缸的做功冲程求取的特定于气缸的轮齿时间偏差的几何的(或毕达哥拉斯的)总和得到的独特的轮齿时间，是在所选气缸的做功冲程中释放的能量的直接量度。这意味着，这里规定的独特的轮齿时间是分别释放的能量的等效量。因此，采用这里所述的方法，针对在相应气缸的做功冲程中释放的能量，并不确定绝对值，而是仅仅确定相对值。然而，在相对值与相应的绝对能量之间的比例因数对于所有气缸来说都是相同的，因此，不同气缸的相对值可以彼此相关，在这种情况下可以获取关于内燃机运行状态特别是关于各个气缸的扭矩贡献的重要信息。
这里所述的方法相比于已知的方法具有如下优点：只需计算几何总和，因而不必对分别指配给内燃机的所选气缸的做功冲程的轮齿时间进行相当繁琐的数学傅立叶分析。而且，这里所述的方法既适用于汽油机，又适用于具有四冲程内燃机的柴油机。
需要指出，所释放的能量以及独特的轮齿时间是在所选气缸的相关的做功冲程中产生的扭矩的直接量度或等效量。为了减小内燃机的有时存在的运行不平稳性，可以基于采用这里所述的方法针对不同的气缸确定的所释放的能量，至少近似实现气缸的均衡化，其方式为，针对各个气缸，特定于气缸地调整与燃烧相关的参数特别是描述喷射过程的参数，结果，每个气缸都对内燃机的全部扭矩做出尽可能相同大小的贡献。
为了实施所述方法所采用的感应轮可以按公知的方式具有一种边缘结构，这种边缘结构包括分别交替地布置的轮齿和齿隙。配属于感应轮的感应器检测在参考位置是否存在轮齿，该感应器可以产生一个信号，这个信号可以处于至少两个信号电平，一个信号电平对应于轮齿，另一个信号电平对应于齿隙。信号或不同的信号电平可以采用任意物理方式来产生。信号尤其可以是电信号，其例如由磁传感器(感应式传感器)产生，优选由霍尔传感器产生。但也可以采用其它的信号产生方式，例如借助光电栅栏光学地产生。
需要指出，为了确定曲轴的绝对的角度位置，感应轮可以具有参考标记，其能够被合适的传感机构例如所谓的磁传感器检测到。按照公知的方式，该标记的产生方式可以为，例如去掉两个轮齿，而在其余之处则按常规交替地布置轮齿和齿隙。这样一来，感应轮例如就可以有60-2＝58个轮齿。相关地不言而喻的是，与去除两个轮齿相对应的轮齿时间要么采用适当的方式予以矫正，要么不再被考虑用于后续方法。
直观地说，可以采用所述方法来分析内燃机的转速信号，从而能以特别简单的数学方式估计出能量含量或者在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量。于是，对这种能量的了解可以被用于通过特定于气缸的对喷射参数的调整来至少近似地实现内燃机的各个气缸的均衡化。在此，所述方法使用在轮齿时间内的高分辨率的信息，所述轮齿时间在预定的考察时段内按照一定的样式被采样，并存储在特别是发动机控制机构的缓存器中。
根据本发明的另一实施例，在所选气缸的做功冲程内，检测所出现的全部轮齿时间，并指配给所选气缸的相关的做功冲程。其优点是，在所选气缸的相应的做功冲程期间能以尽可能高的精确度检测曲轴转速的时间变化曲线。由此也能以特别高的精确度确定在所选气缸的相关的做功冲程中释放的能量。
优选地，以例如在至少几个μs(1μs＝10-6秒)范围内的高的时间分辨率来检测轮齿时间。随后优选以相同高的时间分辨率求取或计算特定于气缸的平均值、特定于气缸的轮齿时间偏差以及特定于气缸的独特的轮齿时间。这也导致所述方法的在确定所释放的能量方面的精确度特别高。
下面使用的术语“工作循环”在本文中指的是四冲程发动机的全部四个冲程，按照公知方式，其包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在一个工作循环期间，内燃机的曲轴转两圈。
对于有60个轮齿的感应轮来说，(四冲程)内燃机的每个工作循环因而总共有120个在两个相邻的轮齿之间的过渡部或轮齿时间。对于四气缸发动机而言，因而总是有30个轮齿时间指配给总共四个气缸中的一个气缸的做功冲程。因此，在确定所释放的能量时能达到最佳的精确度，如果按照所述方法考虑全部30个轮齿时间用来确定在所选气缸的相关做功冲程中释放的能量。
相关地需要指出，至少对于现代内燃机来说，在发动机控制机构中本来就有关于各个轮齿时间的精确的高时间分辨率的信息。这样就可以在不改变设备的情况下通过对内燃机发动机控制机构的适当编程来实施所述方法。
根据本发明的另一实施例，基于在内燃机的先前的工作循环的做功冲程期间检测的轮齿时间，求取在指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间内的特定于气缸的平均值。这意味着，采用这里所述的方法进行的数学计算的一部分已经在内燃机的先前的工作循环中事先完成。这样就能降低对数据处理机构的要求，在该数据处理机构中进行这里所述方法的数学计算。所述方法因而已经可以利用具有一般的计算能力的发动机控制机构来实施。
优选地，在紧接于当前的工作循环之前的那个工作循环内检测轮齿时间，在所述轮齿时间内求取特定于气缸的平均值。由比避免了在检测仅用于特定于气缸的平均值的轮齿时间和检测(与仅用于特定于气缸的平均值的轮齿时间一起还)用于求取特定于气缸的轮齿时间偏差之间的不必要地漫长的时间。因此，由于使用了指配给不同工作循环的轮齿时间，精确度的恶化被减小至最低程度。
根据本发明的另一实施例，在求取特定于气缸的平均值时，在特别是由于提高或减小内燃机曲轴的转速而引起的轮齿时间变化方面考虑现有的趋势。其优点是，即使在例如因用内燃机驱动的机动车加速或减速而引起轮齿时间发生系统性的变化时，特定于气缸的平均值已经可以事先在先前的工作循环期间求得，而不必担心所述方法的精确度恶化。
根据本发明的另一方面，介绍一种用于调节具有多个气缸的内燃机的运行平稳性的方法。该方法包括：(a)采用用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的上述方法，针对内燃机的每个气缸确定在该气缸的做功冲程中释放的能量；(b)调整至少一个与燃烧相关的参数，从而使得在不同气缸中释放的能量至少近似地相等。
所述方法基于如下构思：所估计的特定于气缸的在相应的做功冲程中释放的能量是各个气缸的扭矩贡献的直接量度，基于对所述能量的了解，可以调整在各个气缸中的燃油燃烧，从而所有气缸都提供至少近似相等的扭矩贡献，进而可以实现最大程度的运行平稳性。
根据本发明，调整与在相应气缸中的燃油燃烧相关的参数，由此均衡各个扭矩贡献。与燃烧相关的参数可以涉及内燃机的空气供应线路，或者优选涉及内燃机的燃油供应线路。
涉及空气供应线路的与燃烧相关的参数例如可以是增压压力，利用该增压压力把对于燃烧过程必需的空气压入到内燃机的相关气缸中。该增压压力可以按公知方式例如由涡轮增压器产生。与燃烧相关的参数还可以是废气反馈率，其按照公知的方式负责代替纯净的空气而把来自先前的燃烧过程的空气和废气的混合物供应给相关的气缸。需要指出，这里列举的涉及空气供应线路的与燃烧相关的参数并非穷尽。
根据本发明的一个实施例，至少一个与燃烧相关的参数涉及内燃机的燃油供应线路。
至少一个涉及燃油供应线路的与燃烧相关的参数例如可以是燃油喷射开始、燃油喷射压力、燃油喷射量、离散喷射过程(预喷射)的数量和/或在采用至少一个预喷射时除了主喷射外的相应的喷射量。喷射压力可以按公知的方式在燃油供应系统例如在所谓的共轨系统上测得和/或产生。但需要指出，这里列举的与燃烧相关的参数并非穷尽。
采用至少一个这里所述的与燃烧相关的涉及燃油供应线路的参数具有如下优点：本文中所述的方法可以利用通常的内燃机和通常的用于燃油供应的系统来实现，而无需为此在硬件技术方面重新设计内燃机和/或燃油供应系统。
根据本发明的另一方面，介绍一种用于确定在带有至少两个气缸的内燃机的不同气缸中的气缸压力的方法，其中，一个气缸是配备有气缸压力传感器的主导气缸，至少一个其它的气缸是辅助气缸。该方法包括：(a)采用用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的上述方法，针对内燃机的每个气缸确定在该气缸的做功冲程中释放的能量的相对值；(b)借助气缸压力传感器来测量主导气缸中的气缸压力的绝对值；(c)求取在(c1)在主导气缸的做功冲程中释放的能量的所确定的相对值与(c2)主导气缸中的气缸压力的绝对值之间的定量关系；(d)针对内燃机的至少一个辅助气缸，基于(d1)所求取的定量关系与(d2)所释放的能量的针对相应的至少一个辅助气缸确定的相对值，计算至少一个辅助气缸中的气缸压力的绝对值。
用于确定气缸压力的所述方法基于如下构思：在具有至少一个安置在所谓的主导气缸上的气缸压力传感器的系统中，(a)通过建立起在(a1)用气缸压力传感器测得的绝对气缸压力与(a2)采用上述方法确定的在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量之间的关系，且(b)通过把所建立的关系传递至例如出于成本原因未配备有气缸压力传感器的辅助气缸，能够计算出辅助气缸中的绝对气缸压力或气缸压力值。
基于对全部气缸的(在做功冲程期间的)绝对的气缸压力值的了解，于是可以按公知的方式确定出各个气缸的绝对的或相对的扭矩贡献。如上已述，于是可以通过调整至少一个与燃烧相关的参数来调节在不同气缸中释放的能量，从而各个气缸对总扭矩做出的扭矩贡献至少近似相等。于是内燃机将采用有利的方式以最大程度的运行平稳性或者以最小程度的运行不平稳性工作。
按照所述方法，直观地说，首先确定至少两个气缸的相对的能量的无量纲的量度。然后，针对两个气缸中被称为主导气缸的那个气缸，借助气缸压力传感器测量绝对的气缸压力，该气缸压力传感器测量主导气缸中的压力变化曲线，并输出相应的气缸压力测量信号。该气缸压力测量信号是主导气缸对内燃机的总扭矩做出的扭矩贡献。随后确定的在所释放的能量的相对值与测得的气缸压力之间的关系也称为定量关系，且可以通过简单的比例因数来确定，该关系于是应用于辅助气缸。在此，基于(a)所述关系和(b)分别释放的能量的分别确定的相对值，计算出在至少一个辅助气缸中的气缸压力的绝对值。
相关地，术语“气缸压力”尤其可以理解为在相关气缸的做功冲程期间引起的所谓的平均压力。但术语“气缸压力”也可以是作为时间函数或者作为曲轴角度函数的压力变化曲线，该压力变化曲线在相关气缸的做功冲程期间产生。
采用用来确定在内燃机的不同气缸中的(绝对)气缸压力的所述方法，利用简单的只有一个气缸压力传感器的气缸压力传感机构，通过估计如上所述与分别释放的能量相关的相对的单扭矩，基于唯一的一次绝对气缸压力确定，因而已经可以计算出内燃机的所有气缸的扭矩贡献的绝对值。由此已经可以仅利用一个唯一的气缸压力传感器，通过适当地特定于气缸地调整与燃烧相关的参数，实现完全的气缸压力调节，进而实现对各个扭矩贡献的精确控制。这样就能以简单的方式例如补偿燃油喷射器的制造公差。还可以通过分析特定于气缸的在轮齿时间或由此导出的扭矩贡献方面的差异，诊断出不允许地高的偏差。在不同气缸之间的差异太大时，于是有时可以推断出内燃机的有故障的工作状态。
直观地说，基于对各个扭矩贡献的了解，针对各个扭矩，无论在其应尽可能避免的相互差异方面(力求气缸均衡化)，还是在其绝对值方面，都可以进行调节。由此产生的控制干预比如调整喷射，可以被考虑用于诊断内燃机的工作状态。这例如可以通过监视所需控制干预的极限值来进行。
此外，可以通过有利的方式采用所述方法实现诊断功能，借助于这种诊断功能可以例如在相应的(i)轮齿时间、(ii)扭矩和/或(iii)由轮齿时间导出的值方面探测出在各个气缸之间的不允许地大的差异。如果探测到了太大的差异，就可以推断出内燃机的有故障的工作状态，并且例如引入维修措施或维护工作。
根据本发明的另一方面，介绍一种用于检查内燃机的气缸压力传感器的测量信号的可信度的方法，该内燃机具有至少两个分别配备有气缸压力传感器的气缸。该方法包括：(a)采用用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的上述方法，针对内燃机的至少两个气缸中的每个气缸，确定在该气缸的做功冲程中释放的能量的值；(b)针对内燃机的至少两个气缸中的每个气缸，借助相应的气缸压力传感器，测量在相应气缸中的气缸压力的值；(c)针对内燃机的至少两个气缸中的每个气缸，分别求取在(c1)在相应气缸的做功冲程中释放的能量的所确定的值和(c2)在相应气缸中的气缸压力的测得值之间的定量关系；(d)如果至少两个求取的定量关系在预定的公差内是相同的，就把相应气缸压力的至少两个测得值视为正确的测量值。
用于检查内燃机的气缸压力传感器的测量信号的可信度的所述方法基于如下构思：通过比较在(a)在相应气缸的做功冲程中释放的能量的每一估计的(相对)值和(b)在相应气缸中的气缸压力的每一测得的(相对的或绝对的)值之间的定量关系，可以采用简单的方式确定出这些定量关系对于内燃机的所有气缸来说在预定的被视为可允许的偏差内是否相同，所述定量关系尤其可以分别是一种简单的比例因数。如果情况如此，那就以较高的可靠性认为，整个气缸压力传感机构特别是全部与此相关的气缸压力传感器都无故障地工作。如果在比较不同的所求取的定量关系时得知，至少一个关系与其它一个或多个关系相差太大，那就可以认为至少一个气缸压力传感器有一定的故障。
如上已述，术语“气缸压力”可以理解为在相关气缸的做功冲程期间引起的平均压力。但术语“气缸压力”也可以是作为时间函数或者作为曲轴角度函数的压力变化曲线，该压力变化曲线在相关气缸的做功冲程期间产生。
根据本发明的另一方面，所述方法还包括：(a)如果至少两个求取的定量关系相比于预定的公差彼此相差很大，就把相应气缸压力的至少两个测得值中的相应气缸压力的至少一个值视为有错误的测量值；(b)把被视为有错误的至少一个测量值转变为相应气缸中的气缸压力的修改后的测量值，从而(b1)在(i)在相应气缸的做功冲程中释放的能量的一定值与(ii)修改后的测量值之间的修改后的定量关系与(b2)在(i)在相应气缸的做功冲程中释放的能量的一定值与(ii)在相应气缸中的气缸压力的相关的测量值之间的至少一个定量关系在预定的公差内相同，其中，所述至少一个定量关系涉及配备有气缸压力传感器的气缸，该气缸压力传感器的用于气缸压力的测量值被视为正确的测量值。这样就可以在气缸压力传感器有故障的情况下针对一个或多个所述气缸压力传感器进行矫正，其方式例如为，以适当的方式调整传感器特征曲线。
直观地说，对于配备了具有多个气缸压力传感器的气缸压力传感机构的内燃机来说，可以借助于测得的气缸压力来确定出对内燃机的总扭矩做出的特定于气缸的扭矩贡献。于是通过特定于气缸的对与燃烧相关的参数的调整，可以使得不同的气缸在其相应的扭矩贡献方面均衡化。但如果气缸压力传感机构例如由于生产故障和/或老化效应而有故障，那就可以采用这里所述的用于检查内燃机的气缸压力传感器的测量信号的可信度的方法以高的可靠性识别出这些故障，必要时利用以适当方式修改的传感器特征曲线甚至予以补偿。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：(a)使内燃机在稳定的工作状态下运行，在这种工作状态下，所有气缸对内燃机的总扭矩都做出至少近似相等的扭矩贡献；(b)在稳定的工作状态下，针对内燃机的至少两个气缸中的每个气缸，借助相应的气缸压力传感器测量相应气缸中的气缸压力的值；(c)对在稳定的工作状态下测得的值进行相互比较；(d)如果在稳定的工作状态下测得的值相比于另一预定的公差彼此相差很大，就调整至少一个气缸压力传感器的传感器特征曲线，从而在考虑至少一个调整后的传感器特征曲线的情况下，使得不同气缸中的气缸压力的相关测量值至少在所述另一预定的公差内相同。这具有的优点是，在内燃机工作期间可以对各个传感器特征曲线进行均衡。只需要使得内燃机的所述稳定的工作状态至少存在比较短暂的一段时间。由此可以诊断出气缸压力测量技术中的故障，同时通过适当地调整至少一个传感器特征曲线予以补偿。
稳定的工作状态例如可以是内燃机的推力阶段，在该推力阶段期间，在气缸中并不进行燃油喷射。亦即推力阶段通常以最大程度的平稳运行为特点。其原因在于，在推力阶段根本就不进行燃油燃烧。在不同气缸中释放的能量因此也不会出现差异。所以，在传感器特征曲线正确的情况下，在运行不平稳性较小的这种稳定的工作状态下，基本上能工作的所有气缸都提供类似的测量信号。
调整传感器特征曲线例如可以是改变斜率或者改变在相关气缸压力传感器的物理输出信号与描述相应的实际存在的气缸压力的气缸压力测量信号之间的比例因数。替代地或者组合地，调整传感器特征曲线也可以包含使用一个新的偏差值。
根据本发明的另一方面，介绍一种用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的装置。所述装置具有：(a)检测单元，用于借助轮齿时间检测内燃机曲轴转速的时间变化曲线，所述轮齿时间分别是一段持续时间，在这段持续时间内，感应轮的两个相邻的轮齿经过参考位置，该感应轮与曲轴连接且沿着其圆周具有交替地布置的轮齿和齿隙；(b)数据处理机构，用来(b1)分别给内燃机的所选气缸的做功冲程指配轮齿时间；(b2)求取在指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间内的特定于气缸的平均值；(b3)求取特定于气缸的在分别指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间与所求取的特定于气缸的平均值之间的轮齿时间偏差；(b4)由所求取的特定于气缸的轮齿时间偏差求取几何总和，由此求取特定于气缸的独特的轮齿时间；(b5)根据所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间，确定在内燃机的所选气缸的做功冲程中释放的能量，其中，释放的能量间接地与所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间成比例。
所述装置也基于如下认识：由针对所选气缸的做功冲程求取的特定于气缸的每一轮齿时间偏差的几何的(或毕达哥拉斯的)总和得到的独特的轮齿时间，是在内燃机的所选气缸的做功冲程中释放的能量的直接量度。如上所述，这里规定的独特的轮齿时间是在所选气缸的相关的做功冲程中产生的扭矩的直接量度或等效量。因此，为了减小内燃机的有时存在的运行不平稳性，可以基于所释放的能量调整特定于气缸的与燃烧相关的参数，由此来实现气缸的至少近似的均衡。
根据本发明的另一方面，介绍一种用于机动车内燃机的发动机控制机构。所述发动机控制机构具有上述类型的用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的装置。为了实施和/或控制至少一种上述方法，所述发动机控制机构适合于：(a)确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量；(b)调节具有多个气缸的内燃机的运行平稳性；(c)确定在具有至少两个气缸的内燃机的不同气缸中的气缸压力，其中，一个气缸是配备有气缸压力传感器的主导气缸，至少一个其它的气缸是辅助气缸；(d)检查内燃机的气缸压力传感器的测量信号的可信度，该内燃机具有至少两个分别配备有气缸压力传感器的气缸。
所述发动机控制机构基于如下认识：上述装置可以在机动车内燃机的发动机控制机构中实施，由此能够通过简单的方式例如借助合适的软件来确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量。
相关地需要指出，所述发动机控制机构也与内燃机的或机动车的其它组件配合作用，以便实施这里所述的方法的一些方法步骤。因此，发动机控制机构例如可以与用来检测轮齿时间的感应传感器和/或与用来测量相关气缸中的气缸压力的至少一个气缸压力传感器配合作用。
根据本发明的另一方面，介绍一种用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的计算机程序。该计算机程序在其由处理器执行时被设计用来实施上述方法。
在本文中，这种计算机程序的名称与术语“程序组元”、“计算机程序产品”和/或“计算机可读的介质”具有同等含义，所述介质含有用于控制计算机系统的指令，以便通过合适的方式协调系统的或方法的工作方式，以便实现与本发明的方法相关联的效果。
计算机程序可以是计算机可读的使用任何合适的编程语言比如JAVA、C++等编写的指令代码。计算机程序可以存储在计算机可读的存储介质(CD-Rom、DVD、蓝光磁盘、可移动磁盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器或处理器等)上。指令代码可以对计算机或其它可编程的设备比如特别是用于机动车内燃机的控制设备进行编程，从而实施所希望的功能。计算机程序还可以在网络比如因特网上提供，其在需要时可以由用户从网络上下载。
本发明既可以用计算机程序即用软件来实现，又可以借助一个或多个专门的电路即用硬件来实现，或者也可以采用混合方式即借助软件组元和硬件组件来实现。
本发明的其它优点和特征可由对当前优选的实施方式的如下示范性说明得到。
图1示出用于确定在内燃机的气缸的做功冲程中释放的能量的装置；
图2为曲线图，其中绘出了与四气缸-四冲程发动机的曲轴耦接的感应轮的高分辨率地测得的轮齿时间的时间变化曲线；
图3所示为图2中示出的变化曲线的放大地示出的局部；
图4示出比如对于只有一个气缸配备有气缸压力传感器的内燃机来说，通过建立由各个气缸释放的能量的关系，可以对各个气缸压力进行绝对计算；
图5示出基于对测得的轮齿时间的分析，借助与对在做功冲程中释放的每一个能量的估计的比较，对每一个气缸压力传感器的多个测量信号的可信度检查；
图6示出用于基于在(a)在相关气缸的做功冲程中释放的能量的估计值和(b)相关气缸中的气缸压力的由气缸压力传感器检测的测量值之间的对选定气缸的比较，调整气缸压力传感器的传感器特征曲线的方法的一种可行的流程。
需要指出，下述实施方式仅仅是对本发明的可行变型设计的有限选择。尤其可行的是，以适当的方式将各个实施方式的特征相互组合，从而对于本领域技术人员来说可以利用这里明确介绍的变型设计将多个不同的实施方式视为显然公开。
图1示出用于确定在内燃机的气缸的做功冲程中释放的能量的装置100。该装置100或者装置100的某些组件可以在用于机动车的发动机控制机构中实施。装置100具有检测单元102，用于借助轮齿时间(Zahnzeit)检测内燃机曲轴转速的时间变化曲线，所述轮齿时间分别是一段持续时间，在这段持续时间内，感应轮(Geberscheibe)的两个相邻的轮齿经过参考位置，该感应轮与曲轴连接且具有沿着其圆周交替地布置的轮齿和齿隙。该装置还具有数据处理机构104。数据处理机构104经过设计或编程，用来(a)分别给内燃机的所选气缸的做功冲程指配轮齿时间；(b)求取在指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间内的特定于气缸的平均值；(c)求取特定于气缸的在分别指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间与所求取的特定于气缸的平均值之间的轮齿时间偏差；(d)由所求取的特定于气缸的轮齿时间偏差求取几何总和，由此求取特定于气缸的独特的轮齿时间；(e)根据所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间，确定在内燃机的所选气缸的做功冲程中释放的能量，其中，释放的能量间接地与所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间成比例。
图2为曲线图，其中绘出了与四气缸-四冲程发动机的曲轴耦接的感应轮的高分辨率地测得的轮齿时间的时间变化曲线。在此，所述轮齿时间是一段持续时间，在这段持续时间内，感应轮的两个相邻的轮齿经过参考位置，该感应轮与相关内燃机的曲轴耦接并且沿着其圆周具有交替地布置的轮齿和齿隙。轮齿时间例如可以按公知的方式借助磁传感器来确定，该轮齿时间因此在高的时间分辨率中就是曲轴的当前旋转速度或转速。在此，长的轮齿时间相应于低转速，而短的轮齿时间则相应于高转速。
由轮齿时间的所示的时间变化曲线，可以采用简单的方式对内燃机的各个气缸的做功冲程进行指配。在此可以考虑如下事实：四气缸内燃机的恰好处于做功冲程中的气缸在做功冲程开始时从相对低的转速起使得曲轴加速。当在该做功冲程内已达到最大转速之后，转速又略微下降，然后下一个气缸进入其做功冲程，并在那里以类似的方式首先负责提高转速，并在超过最大值之后又负责减小转速。
由于转速间接地与轮齿时间成比例，在图2的曲线图中对于气缸的每个做功冲程都产生了一种独特的形状，该形状与向上开口的抛物线形状类似，且在水平方向上分别被两条竖直虚线(一条位于左侧，一条位于右侧)限定。
图2中所示的曲线是针对四气缸内燃机得到的。出于这个原因，所示曲线也有由四个这种独特形状构成的周期。在图2中，每个这种独特形状都指配于四气缸内燃机的一个气缸Z1、Z2、Z3或Z4。
水平的虚线表示轮齿时间的在相关气缸的相应的做功冲程内产生的平均值。
图3所示为图2中所示的曲线的局部放大图。就这里所述的实施例而言，在一定的观察时段内例如在相关内燃机的两个工作循环内，以一定的样式对高分辨率的轮齿时间采样，并存储在缓存器或数据存储器特别是发动机控制机构的数据存储器内。相关气缸的每个做功冲程例如就可以将30个轮齿时间存储到数据存储器内。
与目前公知的方法相反，按照这里所述的方法，并不对数据存储器的内容进行繁琐的频率分析。仅仅算出在不同的轮齿时间内的平均值，并将其分别从各个轮齿时间中减去。接下来求得在用平均值矫正后的这些轮齿时间内的几何总和。如下方程采用数学方式描述了该过程：
ZZ char = Σ i = 1 N ZZ i 2 .
在此，ZZi表示数据存储器中的在位置i用平均值矫正后的轮齿时间。N是数据存储器中的轮齿时间或部件的数量。该数据存储器是轮齿时间中间存储器。表达式“ZZchar”是所谓的独特的轮齿时间，它是在相关气缸的相应的做功冲程内释放的能量的等效量。
根据本发明的这里未详细介绍的一种变型，在求得几何总和之前，也可以(例如从最近的循环或工作循环中)消除一个恒定量，或者(在曲轴有时略微加速或减速的情况下)消除可能存在的轮齿时间趋势。
这里规定的独特的轮齿时间ZZchar是由相关气缸利用相应的做功冲程对总扭矩做出的扭矩贡献的等效量(间接地成比例)。可以借助等效函数并适当地改变喷射参数(进而改变相应的扭矩贡献)，由此使得各个气缸的扭矩贡献一致，结果是，显著地改善了内燃机的运行平稳性。
按照这里所述的方法，消除轮齿时间缓存中的平均值，求得几何总和，这样就能省去繁琐的FFT分析。
有些内燃机只有一个气缸配备有气缸压力传感器，比如对于这种内燃料来说，据图4所示，建立起由各个气缸释放的能量的关系，这样就能对各个气缸压力进行绝对计算。图4的上面的曲线图与图2的曲线图相同。在图4的下面的曲线图上，针对相关内燃机的气缸之一的每个做功冲程都示出了相应的独特的轮齿时间，如上所述，这些轮齿时间是在相应的做功冲程内释放的能量的间接地成比例的等效量。
由于在计算独特的轮齿时间之前必须首先求得在相关轮齿时间内的平均值，所以，这些独特的轮齿时间在相应的做功冲程结束时相比于上述独特的公式的最小值略微向右偏移。
按照这里所述的实施例，第二气缸Z2是所谓的主导气缸。其它气缸Z1、Z3和Z4是所谓的辅助气缸。这意味着，例如出于成本原因，仅仅该主导气缸配备有气缸压力传感器。因此，也可以借助于由气缸压力传感器提供的测量数据来直接地仅确定该主导气缸的扭矩贡献。然而，在不同的气缸的做功冲程中释放的且在图4中用圆圈示出的各个能量相互关联。在作为一方面的主导气缸Z2与作为另一方面的其它气缸Z1、Z3和Z4之间的相应关系在图4中用弯曲的虚线箭头示出。
为了间接地确定气缸Z1、Z3和Z4中的气缸压力，假定所释放的能量和各相关的气缸压力对于所有气缸来说都彼此相同。直观地说，在只有一个气缸压力传感器的系统中，通过建立起在各个气缸中释放的能量的相互关系(例如通过比例方程)来计算各个气缸扭矩。
基于这些信息，然后例如可以对相关的气缸扭矩进行调节，以图减小各个气缸扭矩之间的差异(均衡化)。此外，基于对主导气缸中绝对气缸压力的了解，也可以将其它气缸的气缸压力的绝对值调节至预定的给定值。由此得到的控制干预(Stelleingriffe)例如通过调整燃油喷射参数还可以被考虑用于诊断内燃机的运行(状态)。此点的实现方式例如可以为，在规定的一段时间内监视控制干预的极限。还可以提供诊断功能，其可以检测各个气缸的差异(例如轮齿时间、扭矩或者由轮齿时间导出的值)，并可靠地识别出不允许地大的偏差。
这里所述的方法尤其具有如下优点：
(A)所有气缸中的气缸压力也可以在只有一个(主导)气缸配备有气缸压力传感器时以高精度求得。这样就能省去给每个气缸都完全配备相应的气缸压力测量技术；
(B)气缸压力调节允许精确地控制各个气缸的扭矩贡献。这样就能例如在使用燃油喷射器时以简单而有效的方式补偿制造公差。
(C)在独特的轮齿时间方面或者在由此导出的扭矩贡献方面适当地分析气缸差异，由此可以诊断出不允许地大的偏差。这样就能在很多情况下，即在内燃机可能出现其它损坏之前，引起对内燃机的维护。
(D)可以把描述各气缸间差异的参数比如特别是独特的轮齿时间用作调节的输入量，然后该调节作用于合适的调节件(比如喷射机构)。由此特别是可以减小内燃机的运行不平稳性。
需要指出，代替第二气缸Z2，每个其它气缸当然也可以是配备有气缸压力传感器的主导气缸。
图5示出基于对测得的轮齿时间的分析，借助与对在做功冲程中释放的每一个能量的估计的比较，对每一个气缸压力传感器的多个测量信号的可信度检查。与图4不同，在图5的下面的曲线图上不再有虚线箭头。此外，在附加的右边的纵坐标轴上绘出了相应的气缸压力，该气缸压力在相应的气缸中在相应的做功冲程期间产生。分别利用特定于气缸的气缸压力传感器测得的气缸压力分别用三角形标出。
如由图5可见，对于气缸Z1、Z2和Z4来说，按照两个纵坐标轴的随意选取的标度，三角形都大致位于圆圈的一半高度。只有气缸Z3的三角形明显高于相应圆圈的一半高度。假设对独特的轮齿时间或所释放的能量的确定没有错误，这可以认为，气缸Z3的气缸压力传感器有故障，或者置于该气缸压力传感器下游的用于气缸压力传感器的测量信号的分析机构有故障。在用于第二气缸的气缸压力测量信号中的错误必要时可以通过调整相应的传感器特征曲线予以补偿。
图6示出用于基于在(a)在相关气缸的做功冲程中释放的能量的估计值和(b)相关气缸中的气缸压力的由气缸压力传感器检测的测量值之间的对选定气缸的比较，调整气缸压力传感器的传感器特征曲线的方法的一种可行的流程。
按照这里所述的方法，在步骤S2中首先检查是否存在内燃机的稳定的运行点或负载点。这种稳定的运行点或负载点例如在燃油喷射质量在工作循环之间具有小的波动(喷射质量具有小的动态性)时存在，和/或在外界条件比如内燃机的特别是可以由机油温度产生的发动机温度处于一定的极限内时存在。如果不存在稳定的运行点或负载点，就一直等待，直到在以后的时刻出现这种稳定的运行点或负载点。如果不存在稳定的运行点或负载点，就在步骤S4中针对相关的气缸如上所述地确定独特的轮齿时间或所释放的能量。然后在步骤S6中针对相关的气缸借助于安置在气缸上的气缸压力传感器来确定内部扭矩。在随后的步骤S8中检查：(a)基于对相关轮齿时间的分析的各气缸的扭矩贡献的估计结果和(b)由气缸压力测量技术提供的扭矩贡献测量结果在预定的极限内是否相同。如果情况如此，就不存在错误。如果并非如此，那就存在错误嫌疑，该错误嫌疑可以任选地(在图6中未示出)在内燃机的另一稳定的运行点或负载点得到证实。根据这里所示的实施例，在步骤S10中，在有错误的情况下，改变斜率，或者改变在相关气缸压力传感器的物理输出信号与相应的表示实际存在的气缸压力的气缸压力测量信号之间的比例因数，和/或使用新的偏差值，由此来调整传感器特征曲线。利用该调整后的传感器特征曲线，相关的气缸压力传感器于是又可以按通常的方式用于发动机控制。
这里所述的方法具有如下优点：可以在内燃机工作期间对气缸压力传感机构进行矫正。只需使得内燃机至少在短暂的时间内在稳定的运行点或负载点工作。此外，采用所述方法能够可靠地识别出气缸压力测量技术中的故障，必要时还能予以诊断。

Claims (13)

1.一种用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的方法。该方法包括：
借助轮齿时间来检测内燃机曲轴转速的时间变化曲线，所述轮齿时间分别是一段持续时间，在这段持续时间内，感应轮的两个相邻的轮齿经过参考位置，该感应轮与曲轴连接且沿着其圆周具有交替地布置的轮齿和齿隙；
分别给内燃机的所选气缸的做功冲程指配轮齿时间；
求取在指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间内的特定于气缸的平均值；
求取特定于气缸的在分别指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间与所求取的特定于气缸的平均值之间的轮齿时间偏差；
由所求取的特定于气缸的轮齿时间偏差求取几何总和，由此求取特定于气缸的独特的轮齿时间；
根据所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间，确定在内燃机的所选气缸的做功冲程中释放的能量，其中，释放的能量间接地与所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间成比例。
2.如前述权利要求所述的方法，其中，在所选气缸的做功冲程内，检测所出现的全部轮齿时间，并指配给所选气缸的相关的做功冲程。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于在内燃机的先前的工作循环的做功冲程期间已检测的轮齿时间，求取在指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间内的特定于气缸的平均值。
4.如前述权利要求所述的方法，其中，在求取特定于气缸的平均值时，在特别是由于提高或减小内燃机曲轴的转速而引起的轮齿时间变化方面考虑现有的趋势。
5.一种用于调节具有多个气缸的内燃机的运行平稳性的方法，该方法包括：
采用根据权利要求1-4中任一项的方法，针对内燃机的每个气缸确定在该气缸的做功冲程中释放的能量；
调整至少一个与燃烧相关的参数，从而使得在不同气缸中释放的能量至少近似地相等。
6.如前述权利要求所述的方法，其中，至少一个与燃烧相关的参数涉及内燃机的燃油供应线路。
7.一种用于确定在带有至少两个气缸的内燃机的不同气缸中的气缸压力的方法，其中，一个气缸是配备有气缸压力传感器的主导气缸，至少一个其它的气缸是辅助气缸，该方法包括：
采用根据权利要求1-4中任一项的方法，针对内燃机的每个气缸确定在该气缸的做功冲程中释放的能量的相对值；
借助气缸压力传感器来测量主导气缸中的气缸压力的绝对值；
求取在(a)在主导气缸的做功冲程中释放的能量的所确定的相对值与(b)主导气缸中的气缸压力的绝对值之间的定量关系；
针对内燃机的至少一个辅助气缸，基于(a)所求取的定量关系与(b)所释放的能量的针对相应的至少一个辅助气缸确定的相对值，计算至少一个辅助气缸中的气缸压力的绝对值。
8.一种用于检查内燃机的气缸压力传感器的测量信号的可信度的方法，该内燃机具有至少两个分别配备有气缸压力传感器的气缸，该方法包括：
采用根据权利要求1-4中任一项的方法，针对内燃机的至少两个气缸中的每个气缸，确定在该气缸的做功冲程中释放的能量的值；
针对内燃机的至少两个气缸中的每个气缸，借助相应的气缸压力传感器，测量在相应气缸中的气缸压力的值；
针对内燃机的至少两个气缸中的每个气缸，分别求取在
(a)在相应气缸的做功冲程中释放的能量的所确定的值和
(b)在相应气缸中的气缸压力的测得值
之间的定量关系；
如果至少两个求取的定量关系在预定的公差内是相同的，就把相应气缸压力的至少两个测得值视为正确的测量值。
9.如前述权利要求所述的方法，还包括：
如果至少两个求取的定量关系相比于预定的公差彼此相差很大，就把相应气缸压力的至少两个测得值中的相应气缸压力的至少一个值视为有错误的测量值；
把被视为有错误的至少一个测量值转变为相应气缸中的气缸压力的修改后的测量值，从而
(i)在相应气缸的做功冲程中释放的能量的一定值与(ii)修改后的测量值之间的修改后的定量关系与
(i)在相应气缸的做功冲程中释放的能量的一定值与(ii)在相应气缸中的气缸压力的相关的测量值之间的至少一个定量关系
在预定的公差内相同，其中，所述至少一个定量关系涉及配备有气缸压力传感器的气缸，该气缸压力传感器的用于气缸压力的测量值被视为正确的测量值。
10.如前述两个权利要求中任一项所述的方法，还包括：
使内燃机在稳定的工作状态下运行，在这种工作状态下，所有气缸对内燃机的总扭矩都做出至少近似相等的扭矩贡献；
在稳定的工作状态下，针对内燃机的至少两个气缸中的每个气缸，借助相应的气缸压力传感器测量相应气缸中的气缸压力的值；
对在稳定的工作状态下测得的值进行相互比较；
如果在稳定的工作状态下测得的值相比于另一预定的公差彼此相差很大，就调整至少一个气缸压力传感器的传感器特征曲线，从而在考虑至少一个调整后的传感器特征曲线的情况下，使得不同气缸中的气缸压力的相关测量值至少在所述另一预定的公差内相同。
11.一种用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的装置，所述装置(100)具有：
检测单元(102)，用于借助轮齿时间检测内燃机曲轴转速的时间变化曲线，所述轮齿时间分别是一段持续时间，在这段持续时间内，感应轮的两个相邻的轮齿经过参考位置，该感应轮与曲轴连接且沿着其圆周具有交替地布置的轮齿和齿隙；
数据处理机构(104)，用来
-分别给内燃机的所选气缸的做功冲程指配轮齿时间；
-求取在指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间内的特定于气缸的平均值；
-求取特定于气缸的在分别指配给所选气缸的做功冲程的轮齿时间与所求取的特定于气缸的平均值之间的轮齿时间偏差；
-由所求取的特定于气缸的轮齿时间偏差求取几何总和，由此求取特定于气缸的独特的轮齿时间；
-根据所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间，确定在内燃机的所选气缸的做功冲程中释放的能量，其中，释放的能量间接地与所求取的特定于气缸的独特的轮齿时间成比例。
12.一种用于机动车内燃机的发动机控制机构，所述发动机控制机构具有
根据前述权利要求的用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的装置(100)，其中，所述发动机控制机构被设计用于实施和/或控制如下方法中的至少一种方法：
根据权利要求1-4中任一项的用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的方法；
根据权利要求5-6中任一项的用于调节具有多个气缸的内燃机的运行平稳性的方法；
根据权利要求7的用于确定在具有至少两个气缸的内燃机的不同气缸中的气缸压力的方法，其中，一个气缸是配备有气缸压力传感器的主导气缸，至少一个其它的气缸是辅助气缸；
根据权利要求8-10中任一项的用于检查内燃机的气缸压力传感器的测量信号的可信度的方法，该内燃机具有至少两个分别配备有气缸压力传感器的气缸。
13.一种用于确定在内燃机气缸的做功冲程中释放的能量的计算机程序，其中，该计算机程序在其由处理器执行时被设计用来实施根据权利要求1-10中任一项的方法。
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