CN104653319A - 用于确定活塞式发动机的当前的气缸冲程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定活塞式发动机（100）的气缸（113）的当前冲程的方法，所述活塞式发动机具有曲轴（110）和凸轮轴（120），其中将燃料输送到所述活塞式发动机（100）的燃料管路（230）中，从所述燃料管路能够将燃料喷射到所述气缸（113）中，检测所述燃料管路（230）中燃料的压力的压力曲线（420），由曲轴传感轮传感器（118）来检测所述曲轴（100）的旋转并且产生曲轴信号，并且由所述燃料管路（230）中燃料的压力曲线（420）和所述曲轴信号中反推出所述气缸（113）的当前冲程。

Description

用于确定活塞式发动机的当前的气缸冲程的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定活塞式发动机的当前的气缸冲程的方法。

背景技术

在起动静止的活塞式发动机（下面也称为内燃机）时，必须获取所述内燃机的各个气缸的气缸活塞位置。气缸的气缸活塞位置在此根据曲轴角度来确定。所述曲轴角度表明所述内燃机的曲轴相对于参考位置的当前的旋转角，所述参考位置处于被定义为气缸1的气缸的上死点（OT）处。通过气缸数目及其点火顺序，基于其他气缸彼此间固定的并且已知的偏置关系得到所述其他气缸的当前的气缸活塞位置。通过所述曲轴角知道气缸活塞处于何种位置中。但是并不知道，该气缸活塞处于哪个气缸冲程中。

气缸活塞位置的确定以及气缸冲程的区分必须在每次起动内燃机时一次性地实现，从而能够针对每个气缸确定喷射的时刻。因为每旋转两圈仅向四冲程内燃机的气缸中进行一次主喷射，所以必须知道所有的气缸活塞位置及其气缸冲程。为了确定合适的喷射时刻（并且对于汽油来说为了确定点火时刻）必须存在以下信息：各个气缸处于哪个冲程中。如果一个气缸例如当前处于上死点（OT）中，那么该气缸刚好处于压缩阶段结束时或者排气阶段结束时。

所述当前的曲轴角能够借助不可相对转动地与所述曲轴处于连接之中的曲轴传感轮来确定。常规的曲轴传感轮能够典型地具有58个一样大的齿和一个两齿大小的间隙（所谓的60-2齿）。所述曲轴传感轮的齿圈由曲轴传感轮传感器来扫描，其中检测电曲轴信号。借助所述当前的曲轴角度也能够确定各个气缸的气缸位置。

为了额外地确定各个气缸所在的冲程，能够使用凸轮轴传感轮，所述凸轮轴传感轮与所述内燃机的凸轮轴不可相对转动地处于连接之中。所述凸轮轴传感轮同样具有标记（例如齿和间隙或者磁性的以及非磁性的区段），所述标记用于识别所述凸轮轴传感轮的旋转位置。在此必须如此制造所述凸轮轴传感轮，使得所述表面特征相对于所述凸轮轴传感轮的中心没有点对称性。所述凸轮轴传感轮也能够由凸轮轴传感轮传感器来扫描，其中产生凸轮轴信号。所述凸轮轴，在不管可能出现的凸轮轴调整的情况下，不可相对转动地与曲轴如此连接，使得所述曲轴每旋转两圈相当于所述凸轮轴旋转一圈。由所述曲轴信号和凸轮轴信号能够确定各个气缸的气缸位置和当前冲程。

首先在起动内燃机时需要凸轮轴传感轮和相应的传感器来得知各个气缸的气缸位置和冲程。在获取气缸位置和气缸冲程之前，不得将燃料喷射到内燃机的气缸中，因为否则会存在燃烧停止的危险以及废气排放相应地增加的情况。因此只要内燃机通过外部做功机械、例如电运行的起动机来牵引，就要获取气缸位置和气缸冲程。在所述内燃机的后来的连续运行中，大多数仅仅将曲轴传感器信号和曲轴角与凸轮轴角之间的已知关联（凸轮轴旋转一圈相当于曲轴旋转两圈）用于停止喷射并且对于汽油机来说用于停止点火。可是仍然必须以极高的精确性将凸轮轴传感轮及其传感器安装在所述内燃机中，虽然在不管可能的凸轮轴调整的情况下仅仅在起动内燃机时一次性地需要所述凸轮轴传感轮及其传感器。

一般来说值得追求的是，提供一种得到改进的可行方案，以能够在尽可能早的时刻确定活塞式发动机的当前的气缸冲程。

发明内容

按照本发明提出一种具有权利要求1的特征的、用于确定活塞式发动机的气缸冲程的方法。有利的设计方案是从属权利要求以及以下说明的主题。

燃料能够通过燃料管路、例如像共轨系统一样的高压储存器泵吸或者说输送给各个气缸。所述燃料管路在此尤其与各个气缸或者说与用于各个气缸的燃料喷射装置（例如喷射器）连接。尤其首先将燃料输送到所述燃料管路中。能够借助合适的燃料喷射装置将燃料从所述燃料管路喷射到各个气缸或者进气管中。所述燃料管路在此尤其布置在燃料泵与所述燃料喷射装置之间。

尤其在将燃料输送到所述燃料管路中之前，借助燃料泵首先对所述燃料进行压缩。由此所述燃料在所述燃料管路中处于压力之下、尤其处于高压之下。在此，燃料在燃料管路中对于汽油机来说尤其处于50bar及更大的压力之下，对于柴油机来说则尤其处于1000bar及更大的压力之下。

在此尤其能够在直接朝气缸中进行燃料直喷或者共轨喷射的过程中，或者在例如朝空气进气管中进行进气管喷射的过程中将燃料喷射到各个气缸中。所述燃料管路在此尤其是相应的燃料-计量-系统、例如共轨系统的一部分，对于所述燃料-计量-系统来说所述燃料输送泵不可相对转动地与所述凸轮轴连接。在进行燃料直喷的情况下，燃料管路中的燃料尤其处于至少20bar的压力之下。在进行柴油共轨喷射的情况下，燃料管路中的燃料尤其处于大约1600bar或者更大的压力之下。所述燃料由通过凸轮轴驱动的燃料泵抽吸到所述燃料管路中。因此，所述燃料管路中的燃料压力与凸轮轴旋转之间的关联能够被推导出来并且能够在本发明的范围内使用。

燃料输送泵能够以不同的方式构造。燃料输送泵例如能够具有1到n个活塞，所述活塞又通过1到m个凸轮来运动。常见的用于柴油输送泵的实施方式例如是具有一到三根活塞和一个凸轮的径向柱塞泵，所述凸轮通过旋转运动交替地朝所述活塞挤压，或者对于汽油输送泵而言则具有一个活塞，所述活塞由一到三个凸轮提升。按本发明的方法不取决于燃料输送泵的构造方式。

按照本发明，当前的气缸冲程并不借助以传感的方式检测凸轮轴传感轮的表面来确定。而是对燃料管路中被压缩的燃料的压力曲线进行检测和分析。由所述压力曲线借助曲轴角反推出当前的气缸冲程，利用所述曲轴角能够如上面所描述的那样来获取活塞位置。所述压力曲线以及当前的气缸冲程在此彼此有关系。所述压力曲线在此代表着一种（测量）参量，该参量就像所述气缸冲程一样受到凸轮轴角度的影响或者说取决于所述凸轮轴角度。所述压力曲线由此取代凸轮轴传感轮传感器的凸轮轴信号。

按本发明的方法也能够作为对检测凸轮轴传感轮位置的补充用于附加地确认凸轮轴位置并且冗余地设计气缸冲程识别方案。

通过本发明，不再需要将凸轮轴传感轮和相应的用于对凸轮轴传感轮进行扫描的传感器安装到内燃机中或者说安置在所述内燃机上。因为凸轮轴传感轮和相应的传感器依照传统必须以很高的精度来制成和安装，所以这引起较高的人工成本和较高的制造成本。在本发明的意义上不再需要具有传感器的凸轮轴传感轮，由此能够降低内燃机的制造成本。

尽管如此能够通过按本发明的方法来精确地确定当前的气缸冲程。因为通常本来就要（尤其借助适宜的传感器）检测所述燃料管路中的压力曲线并且将其例如用于调整燃料喷射，所以不必对内燃机实施改装，并且不必集成附加的元件。本发明能够用内燃机的传统的元件来实施。

按本发明的方法在此适合于不仅具有一个而且具有多个凸轮轴的内燃机。通过本发明能够确定每个单个的气缸的冲程。此外，按本发明的方法适合于所有类型的内燃机、尤其适合于四冲程内燃机。

由于降低了所述内燃机的制造成本，本发明尤其适合于低成本领域内的车辆或者说内燃机。但是本发明同样适合于高成本领域内的车辆或者说内燃机。在此，按本发明的方法没有不利地影响到对于废气规定的遵守。由此不仅欧洲的而且严格的北美的义务和规定都一如既往地得到履行。

在本发明的一种有利的设计方案中，由所检测到的压力曲线反推出燃料泵的活塞的冲程。因为所述燃料泵的凸轮或者说活塞的位置从设计来说是已知的，所以能反推出当前的气缸冲程，因为所述气缸冲程就像所述燃料泵的活塞冲程一样取决于凸轮轴角度。所述凸轮轴尤其与燃料泵的驱动轴处于不可相对转动的连接之中，或者说所述凸轮轴本身驱动着所述燃料泵。所述燃料泵将燃料从燃料箱中输送出来并且对所述燃料进行压缩。随后所述燃料泵将经过压缩的燃料输送或者说泵吸到所述燃料管路中。通过所述燃料泵来输送的燃料在此能够通过另一电运行的燃料输送泵已经被预压缩到3bar到7bar的压力并且从所述燃料箱中输送出来。

所述凸轮轴在此与所述燃料泵的驱动轴机械地尤其如此连接，使得所述凸轮轴旋转一圈相当于所述燃料泵的驱动轴旋转一圈。按所述燃料泵的活塞的数目n和凸轮的数目m，所述凸轮轴每旋转一圈就通过所述燃料泵对燃料进行n*m次压缩，并且将其输送或者说泵吸到所述燃料管路中。这种通过所述燃料泵来将燃料输送到所述燃料管路中的情况在所述燃料管路的压力曲线中得到反映，并且能够明确地得到识别。通过对于所述压力曲线的分析，由此能够反推出，燃料泵的活塞何时处于（压缩）冲程中。尤其通过所述燃料管路中燃料的压力曲线与所述曲轴传感轮传感器的信号的比较，也能够反推出所述燃料泵的驱动轴的旋转角，因为所述曲轴相对于所述燃料泵的驱动轴处于恒定的旋转比中。通过所述不可相对转动的连接以及曲轴角、凸轮轴角与燃料泵的驱动轴之间的已知的关联，能够由所述压力曲线和所述曲轴传感轮传感器的电信号最终反推出当前的气缸冲程。

尤其按本发明的方法的可运用性不取决于所述燃料泵的结构形式。但是优选使用一种燃料泵，该燃料泵在凸轮轴每旋转一圈时引起奇数数目的燃料冲程（Kraftstoffhub）。

因为凸轮轴和所述燃料泵的驱动轴不可相对转动地彼此连接，所以也自动地对所述凸轮轴的相位调整加以考虑。借助这样的相位调整，能够实施有意的凸轮轴调整，例如用于通过所述气缸的进气阀和排气阀的控制时间来影响用新鲜空气对气缸进行的充气。在此，实施所述凸轮轴相对于所述曲轴的有意的相对扭转。由此相对于所述曲轴角可变地调整所述凸轮轴角。

尤其也确定内燃机曲轴的曲轴角。所述曲轴角在此能够以足够熟知的方式（也像开头详细解释的那样）借助曲轴传感轮和相应的传感器来确定。所述曲轴角由此能够借助曲轴传感轮来确定，并且借助按本发明的方法由所述燃料管路中燃料的压力曲线确定所属的气缸冲程（也就是说，尤其所述曲轴是处于0°KW到360KW°之间还是处于360°KW到720°KW之间）。

尤其根据所述曲轴角来检测所述燃料管路中燃料的压力曲线。此外尤其根据所述曲轴角和所述燃料管路中燃料的压力曲线来检测所述凸轮轴角。借助曲轴角与凸轮轴角之间的已知关联能够将特定的凸轮轴角与曲轴角置于相互关联之中。由此也能够将所述气缸活塞位置或者说所述气缸的冲程与所述曲轴角置于相互关联之中，并且根据特定的曲轴角来确定或者说预测所述气缸活塞位置或者所述气缸的冲程。

优选在启动的过程中在内燃机的点火释放之前确定所述气缸冲程。在此在释放朝各个气缸中的燃料喷射过程之前确定所述气缸冲程。为了遵守废气法规，只有知道曲轴角和各个气缸的气缸冲程之后才进行燃料喷射并且必要时进行点火。因为各个气缸的气缸冲程彼此间处于固定的并且已知的关系中，所以仅必须确定一个气缸冲程，而后能够反推出各个其他气缸的冲程。只要还没有释放所述燃料喷射，那就能够基本上仅仅通过所述燃料泵来影响所述燃料管路中燃料的压力。在此能够容易地识别所述燃料泵的各个活塞的冲程。由此能够在释放所述燃料喷射过程之前特别容易并且精确地由所述燃料管路中燃料的压力曲线反推出活塞的冲程。

尤其在此同样能够借助所述曲轴传感轮传感器来确定当前的曲轴角。由此保证，知道当前的曲轴位置并且由此尤其知道所述气缸活塞位置并且由此知道各个气缸的冲程。由此能够释放所述燃料喷射过程，并且必要时能够释放点火，并且最终能够起动所述内燃机。

在所述燃料泵的机械设计中，关于凸轮/活塞的定位存在着自由度。通过所述燃料泵的驱动轴的相对转动，能够使所述燃料冲程相对于所述曲轴角扭转。因为在起动内燃机时要注意在所述曲轴传感轮传感器的信号中的特征（2个齿大小的间隙）以及燃料压力信号（压力冲程）的特征并且此外对于这些特征中的两个特征的识别足以用于识别气缸冲程，所以起作用的是：使所述燃料泵的驱动轴相对于所述曲轴如此定位，从而能够尽快地识别这些特征中的至少两个特征并且就这样能够保证尽快地起动所述内燃机。

优选在所述内燃机的连续运行期间确定或者说算出所述凸轮轴角。如在传统的内燃机中一样，在此能够在内燃机的连续运行期间借助所述曲轴传感轮传感器来确定当前的曲轴角。通过在起动内燃机时确定气缸冲程这种方式（如上面所解释的那样）并且根据曲轴角与凸轮轴角之间的已知关联，除了凸轮轴调整的情况之外，能够在连续运行期间由所确定的曲轴角同样确定当前的凸轮轴角。由此能够确认由所述凸轮轴操纵的气缸进气阀或者气缸排气阀的打开或者关闭的时刻。

在进行凸轮轴调整时相对于所述曲轴角来调整所述凸轮轴角，在进行凸轮轴调整的情况下由于凸轮轴与燃料泵的驱动轴之间的不可相对转动的连接，曲轴角与燃料泵的驱动轴的角度之间的比例也发生变化。由此所述曲轴信号与燃料管路中燃料的压力冲程的比例也发生变化。由于这种变化，因而不再能直接由所述曲轴角来反推出所述凸轮轴角。但是，借助按本发明的方法，能够算出凸轮轴角与曲轴角之间的新的关联。因此，尤其能够在进行凸轮轴调整之后反推出气缸阀的正确的打开及关闭时刻。

一种按本发明的计算单元，例如机动车的控制器，尤其在程序技术方面设置用于实施按本发明的方法。

以软件的形式来实现所述方法是有利的，因为这引起的成本特别小，尤其当执行用的控制器还用于其他任务并且因此本来就存在时。合适的用于提供所述计算机程序的数据载体尤其是硬盘、闪存盘、EEPROM、CD-ROM、DVD及更多类似的数据载体。也能够通过计算机网络（互联网、内联网等等）来下载程序。

本发明的其他优点和设计方案从说明书和附图中获得。

不言而喻，前面所提到的和下面还要解释的特征不仅能够在相应所说明的组合中使用，而且也能够在其他组合使用或者单独地使用，而不离开本发明的范围。

附图说明

本发明借助实施例在附图中示意性地示出并且下面参照附图得到详细描述。

图1示出具有燃料喷射系统的内燃机的示意图，所述燃料喷射系统设置用于实施按本发明的方法的一种优选的实施方式；并且

图2示出燃料管路中的燃料的压力曲线的示意图，所述压力曲线能够在按本发明的方法的一种优选的实施方式的过程中得以检测。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了构造为活塞式发动机100的内燃机，其具有燃料喷射系统200。

所述内燃机100具有曲轴110。该曲轴110通过连杆111与处于气缸113中的活塞112连接。在图1中仅仅示意性地示出了两个气缸113，但是所述内燃机100能够具有适宜数目的气缸113。

曲轴传感轮116不可相对转动地与所述曲轴110连接。所述曲轴传感轮116在其表面上具有标记117。所述曲轴传感轮116作为标记例如能够具有58个齿和一个大小为两个齿的间隙。

曲轴传感轮传感器118对所述曲轴传感轮116的表面进行扫描并且在此产生电的曲轴信号。控制器300对这种信号进行分析并且由此确定作为曲轴110的旋转角的曲轴角。

所述曲轴110在这里通过皮带119不可相对转动地与凸轮轴120连接。所述凸轮轴120具有适宜数目的凸轮121。借助所述凸轮121能够打开各个气缸的进气阀114和排气阀115。

借助相位调整装置123能够实施有意的凸轮轴调整。在此，能够相对于所述曲轴110的旋转角可变地调整所述凸轮轴120的旋转角。

所述凸轮轴120在这里另一方面也通过皮带125不可相对转动地与高压泵210连接。所述高压泵210在此是所述燃料喷射系统200的一部分。所述燃料喷射系统200在这种特定的实施例中构造为共轨系统200。所述燃料泵210在此构造为具有三根活塞212的径向柱塞泵210。此外，所述径向柱塞泵210具有驱动轴211，该驱动轴通过所述皮带125不可相对转动地与所述凸轮轴120连接。

所述径向柱塞泵210将燃料从燃料箱240中输送出来、对所述燃料进行压缩并且将经过压缩的燃料泵吸到在这里构造为共轨高压储存器230的燃料管路中。所述经过压缩的燃料能够从这个共轨高压储存器230中经过其他燃料管路和喷射器231被喷射到所述气缸113中。

燃料管路230中的燃料关于时间的压力借助压力传感器221作为压力曲线来检测并且被传输给控制器300。

所述控制器300设置用于实施按本发明的方法的一种优选的实施方式。为此，所述控制器300借助通过所述压力传感器221来检测的、所述燃料管路230中的压力曲线以及通过所述曲轴传感轮传感器118检测的曲轴角来确定所述气缸113的当前冲程。

在按本发明的方法的过程中能够检测到的示例性的压力曲线在图2中示意性地与所述曲轴传感轮传感器的电信号一起在图表400中示出。

所述图表400的第一曲线410在此示出了关于时间t的曲轴信号，所述曲轴信号能够通过曲轴传感轮传感器118检测。所述曲轴信号410的顶点431在此表示所述曲轴传感轮116的58个齿。在所述曲轴信号410中缺少顶点432则表示所述曲轴传感轮116的间隙。在该实施例中如此定义所述角度系统，使得在具有两个齿大小的间隙之后第二曲轴齿的上升沿相当于φ=0°。

图表400的第二曲线420关于时间t示出了所述燃料管路230中的压力曲线。

在接下来的实施例中应该起动内燃机100。在此还没有释放燃料喷射过程。所述控制器300由所检测到的曲轴信号410确定当前的曲轴角。此外，所述控制器300借助所述曲轴角和所检测到的压力曲线420来确定当前的气缸冲程。随后释放所述燃料喷射过程并且起动所述内燃机100。

区段411在此相当于曲轴110旋转的第一圈旋转了360°KW（曲轴角）。区段412相当于曲轴110旋转的第二圈总共旋转了720°KW。区段411和412由此分别相当于所述凸轮轴120旋转了半圈，并且由此分别相当于所述径向柱塞泵210的驱动轴211旋转了半圈。

对于曲轴角φ1来说，压力从数值p0变化到数值p1。这意味着，燃料通过所述径向柱塞泵210的活塞212中的第一活塞被压缩。在此实施所述第一活塞212的第一活塞冲程421。

对于曲轴角φ2来说，压力从数值p1变化到数值p2。这意味着，燃料通过所述径向柱塞泵210的活塞212中的第二活塞被压缩。在此实施所述第二活塞212的第二活塞冲程422。

对于曲轴角φ3来说，压力从数值p2变化到数值p3。这意味着，燃料通过所述径向柱塞泵210的活塞212中的第三活塞被压缩。在此实施所述第三活塞212的第三活塞冲程423。

因此，通过用当前的曲轴角410进行校准由所述压力曲线420、准确地说由压力上升的位置反推出当前的气缸冲程。尤其能够识别，在具有两个齿大小的间隙之后的第12个齿处出现压力上升时，所述曲轴处于0°KW与360°KW之间，并且能够识别，不是在具有两个齿大小的间隙之后的第12个齿处而是该间隙之后的第32个齿处出现压力上升时，所述曲轴处于360°KW与720°KW之间。由此、也就是由处于0°KW与720°KW之间的精确的曲轴角也直接获得各个气缸的冲程，因为所述气缸活塞彼此间处于固定的并且已知的角度关系中。

由于所述径向柱塞泵210的驱动轴211与所述凸轮轴120之间不可相对转动的连接，也能够由所述曲轴角和所述凸轮轴角确定所述气缸冲程，例如用于获取有意的凸轮轴调整的量度。

Claims (9)

1. 用于确定活塞式发动机（100）的气缸（113）的当前冲程的方法，所述活塞式发动机具有曲轴（110）和凸轮轴（120），其中

-将燃料输送到所述活塞式发动机（100）的燃料管路（230）中，从所述燃料管路能够将燃料喷射到所述活塞式发动机（100）的气缸（113）中，

-检测所述燃料管路（230）中燃料的压力的压力曲线（420），

-由曲轴传感轮传感器（118）来检测所述曲轴（100）的旋转并且产生曲轴信号，并且

-由所述燃料管路（230）中燃料的压力曲线（420）和所述曲轴信号反推出所述气缸（113）的当前冲程。

2. 按权利要求1所述的方法，其中所述凸轮轴（120）与燃料泵（210）的驱动轴（211）处于不可相对转动的连接之中，其中所述燃料泵（210）对燃料进行压缩并且将其输送到所述燃料管路（230）中，其中由所检测到的压力曲线（420）反推出所述燃料泵（210）的输送运动（421、422、423）并且由此反推出所述气缸（113）的当前冲程。

3. 按权利要求1或2所述的方法，其中所述燃料泵（210）在凸轮轴每旋转一圈时实施奇数次数的输送运动。

4. 按前述权利要求中任一项所述的方法，其中在释放向各个气缸（113）中的燃料喷射过程之前，确定所述气缸（113）在所述内燃机（100）起动期间的冲程。

5. 按前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述凸轮轴（120）在所述内燃机（100）连续运行期间的凸轮轴角，并且由此对由所述凸轮轴操纵的气缸进气阀或者气缸排气阀的打开或者关闭的时刻进行确认。

6. 按前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述内燃机的曲轴（100）的曲轴角。

7. 控制器（300），所述控制器设置用于实施按前述权利要求中任一项所述的方法。

8. 计算机程序，所述计算机程序促使控制器（300）在所述计算机程序在尤其按权利要求7所述的控制器（300）上执行时实施按权利要求1到6中任一项所述的方法。

9. 机器可读的存储介质，具有保存在其上的、按权利要求8所述的计算机程序。