CN104956049A - 用于控制具有可变压缩比的内燃机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行内燃机的方法，其中借助于调节机构调节压缩比至额定压缩，其中在内燃机的正常运行方式下所述额定压缩比根据内燃机的运行参量确定。在此设定，所述内燃机至少暂时地在预测运行方式下运行，在该预测运行方式下所述额定压缩比根据预估的估计运行参量确定，根据所述运行参量关于时间的当前梯度估算所述估计运行参量。本发明此外还涉及一种内燃机。

Description

用于控制具有可变压缩比的内燃机的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于运行内燃机的方法，其中借助于调节机构将压缩比调节至额定压缩比，其中，在内燃机的正常运行方式下根据内燃机的运行参量确定所述额定压缩比。本发明此外还涉及一种内燃机。

背景技术

内燃机例如用于驱动机动车。内燃机具有可变的压缩比，其中，调节机构用于在内燃机上调到规定的额定压缩比。也就是说，如果额定压缩比变化，那么借助于调节机构使得内燃机的当前的实际压缩比矫正为额定压缩比。然而，在此调节机构仅仅实现受限的调节速度。内燃机的额定压缩比如此确定，即实现尽可能少的燃料消耗。然而在此必须考虑燃料的爆震极限。因此在内燃机上存在小负荷力矩的情况下选择相比于在高负荷力矩情况下更大的额定压缩比。特别是在内燃机的发动机制动运行——其中内燃机由外扭矩带动——下、空转下以及在部分负荷直至确定的负荷力矩时，额定压缩比调节到内燃机的最大压缩比。

如果例如由于机动车驾驶员的给定，内燃机的负荷力矩增大，那么必须尽可能快速地减小实际存在的压缩比，以便可以提供该负荷力矩，而不会超过燃料的爆震极限。例如从实际压缩比直至达到从现在起减小的额定压缩比，由于受限的调节速度可以如此调节点火角，从而遵循爆震极限，因此避免内燃机的爆震运行。为此例如滞后调节点火角。如果相比之下减小负荷力矩，那么压缩比应尽可能快速地增大，以便降低燃料消耗。然而由于受限的调节速度，调节本身只可能以较高的燃料消耗实现。

在以较小的速度变换运行点时或者改变负荷力矩时这是没有问题的，因为调节机构的调节速度足够。在动态负荷变换、也就是运行点或负荷力矩快速变化时，相比之下实际压缩比远远落后于额定压缩比。特别是只有在达到新的运行点之后由内燃机的运行参量确定额定压缩比，并且随后借助于调节机构调节，因此在实际压缩比与原本最优的压缩比之间的时间偏差非常大。

由现有技术已知文献EP 1 293 659 B1。该文献描述一种用于内燃机的控制系统，该内燃机具有压缩比控制装置、加速度参数获取机构、加速度确定机构以及控制机构。现在提出：相比发动机在快速加速状态下压缩比在发动机加速期间降低的压缩比降低速度，在发动机缓慢的加速状态下，控制装置减小发动机压缩比在发动机加速期间降低的压缩比降低速度。此外，相比于如下压缩比降低开始时间，如果发动机在快速加速状态下，那么在该压缩比降低开始时间中在加速期间开始发动机压缩比的降低，控制机构应延迟压缩比降低开始时间，在该压缩比降低开始时间中如果发动机在缓慢的加速度状态下，在发动机加速期间开始发动机压缩比的降低。

此外文献DE 102 20 598 B3描述了一种用于匹配点火角与内燃机的压缩比的方法，文献DE 10 2004 031 288 A1描述了一种具有可变的压缩比的内燃机及其运行的方法，而文献DE 10 2011 017 181 A1描述了一种用于运行可变调节内燃机压缩比的调节机构的方法。

发明内容

本发明的任务在于，提出一种用于运行内燃机的方法，该方法不具有开始所述的缺点，而特别是即便在内燃机的运行点或负荷力矩快速变化时，也能实现通过快速调节压缩比到最佳值而实现燃料消耗的降低。

按照本发明所述任务通过具有权利要求1的特征的方法实现。在此规定，内燃机至少暂时地以预测运行方式运行，在该预测运行方式下根据预计的估计运行参量/预期运行参量确定额定压缩比，基于所述运行参量关于时间的当前梯度估算该估计运行参量。与在正常运行方式下的步骤不同，例如在运行参量恒定或运行参量只是缓慢变化的情况下考虑该正常运行方式，现在额定压缩比不由当前运行参量确定，而是由运行参量的预期值，亦即估计运行参量确定。

该估计运行参量例如根据运行参量的当前梯度估计。也就是考虑运行参量关于时间的时间曲线并且由该曲线在当前时刻的斜率计算运行参量的预估值。例如借助于以下数学关系式实现：

M_t+Δt＝M_t+dMt/dt·Δt

其中，M_t是当前时刻的运行参量，dM_t/dt是运行参量关于时间的梯度，而Δt是由当前时刻至一个将来时刻的时间段。由这些参量产生估计运行参量M_t+Δt，该估计运行参量是预计在将来时刻的。该估计运行参量是对于一个时刻所估计的，该时刻是确定的时间段Δt过后的将来。

现在根据该估计运行参量类似于在正常运行方式下对于运行参量的做法确定额定压缩比。例如出于该目的采用数学关系、表格或综合特性曲线，其中，在正常运行方式下运行参量用作输入参量，而在预测运行方式下估计运行参量用作输入参量，而额定压缩比是输出参量。运行参量例如是在内燃机上设定的当前额定运行参量；或者是内燃机当前实际上具有的实际运行参量。额定运行参量例如由预定运行参量确定，该预定运行参量又是由驾驶员设定和/或机动车的驾驶员辅助机构的设定而产生。随后在内燃机上被调节到额定运行参量，从而实际存在的运行参量、亦即实际运行参量朝额定运行参量的方向变化。而额定运行参量例如直接由预定运行参量确定，而实际运行参量跟随额定运行参量变化。

通过所述方法在动态过程中、亦即在快速负荷变换中——该负荷变换例如导致内燃机当前负荷力矩的快速变化——预测地确定额定压缩比，从而即使内燃机还没有处在新的运行点中，已经可以驱控调节机构。反之，在正常运行方式下通常只有在内燃机处在新的运行点时，才由运行参量确定额定压缩比。因此，额定压缩比并且相应地还有实际存在的实际压缩比总是滞后于内燃机的运行参量。通过内燃机在预测运行方式下的运行至少部分防止了这种情况。

在本发明的另一执行方案中规定，在操作元件参量关于时间的梯度和/或所述运行参量关于时间的梯度超过阈值的时开始/启动预测运行方式。通常在正常运行方式下运行内燃机。然而，如果满足所述条件中的至少一个，那么就切换到预测运行方式。操作元件参量在此是由操作元件反馈的值，其中，操作元件例如是机动车的加速踏板。直接易于理解的是，通过驾驶员快速操纵操作元件导致操作元件参量的高梯度。相应地可以从操作元件参量的梯度超过阈值推断出：运行参量快速变化。相应地适用于运行参量的梯度，其中，运行参量例如作为额定运行参量存在，该额定运行参量特别是通过驾驶员辅助机构预先给出。预测运行方式优选不仅是按照驾驶员期望启动，而且也在驾驶员辅助机构引起快速负荷转变的情况下启动或开始。

本发明的一种改进方案规定，将内燃机的当前负荷力矩用作运行参量。相应地，运行参量是内燃机的实际运行参量。通过采用当前负荷力矩或其梯度可以特别准确地确定未来需要的额定压缩比。

在本发明的一个改进方案中规定，在执行预测运行方式期间定期估算估计运行参量。在开始预测运行方式之后，不止一次地确定估计运行参量并且由该估计运行参量确定额定压缩比。而是规定，在执行预测运行方式期间，以确定的时间间隔更新估计运行参量以及额定压缩比。通过这种方式和方法实现对预计的估计运行参量的估算的最高可能的精度。这导致将压缩比快速调节到未来需要的压缩比，以该压缩比可以执行内燃机节省燃料的运行。

在估计运行参量的定期估计和相应确定额定压缩比时可以规定，不仅仅考虑运行参量的当前梯度，而是更要考虑其曲线。基于该曲线可以紧接着进行运行参量的推算/外插/外推，用于获得预期的估计运行变量。

本发明的一种改进方案规定，确定所述运行参量的梯度的导数并且在导数低于或超过极限值的情况下结束预测运行方式。那么不仅要确定运行参量梯度本身，而且附加地要确定其导数。在梯度的变化太强时，该变化通过导数超过极限值显示，基于运行参量的梯度不能可靠地确定估计运行参量。出于该原因，结束预测运行方式并且重新执行正常运行方式。如此可以避免估计运行参量的错误预测以及基于此的不正确的额定压缩比，否则该不正确的额定压缩比可能导致对内燃机运行性能的不利影响。另一方面，在梯度变化太弱的情况下，估算是不必要的，而是在正常运行方式下确定额定压缩比就足够了。对于该情况由此考虑如下，即，在低于极限值时结束预测运行方式。

有利地还可以规定，当所述操作元件参量的梯度和/或所述运行参量的梯度低于所述阈值时，结束所述预测运行方式。该条件可以附加或备选用于上述条件应用。而且在此在满足该条件时规定，结束预测运行方式并且重新执行正常运行方式。如果低于该阈值，那么这表示：现在运行参量仅仅缓慢地变化并因此产生额定压缩比。在该情况下，调节机构的调节速度足以使得压缩比在正常运行方式下也足够快速地调节到额定压缩比。因此估计运行参量的预测不再必要。

特别有利的是，在所述变量中之一超过第一阈值时开始预测运行方式并且在低于第二阈值时结束预测运行方式。第一阈值和第二阈值在此特别优选不同地选择。特别是第一阈值大于第二阈值，从而就此而言实现了迟滞式的性能。通过这种方式和方法，在与阈值比较的参量绕该阈值波动时不会引起在正常运行方式与预测运行方式之间不断的切换。

特别优选地规定，在预测运行方式期间最佳地选择点火角。在开头时阐明：在负荷快速变换时由于实际压缩比滞后于额定压缩比可能需要改变点火角，以便遵循爆震极限。因为通过预测地确定估计运行参量和由此确定额定压缩比，相比于已知方法更快速地通过内燃机达到期望的压缩比，所以可以省去变差的点火角。而是总是最佳地/优化地选择点火角。然而备选地也可以进行这样的点火角调节，不过是在相比于在由现有技术已知的方法中更小的范围内。

本发明的一个有利设计方案规定，采用操作元件的位置/姿态作为操作元件参量。该位置/姿态描述了操作元件通过使用者、例如通过机动车驾驶员使操作元件所处的位置。在适合地选择操作元件时，因此可以完成内燃机的运行参量期望的快速变化。

例如采用加速踏板、制动踏板或离合器作为操作元件。通过操作这些操作元件中的至少一个，机动车驾驶员引发不稳定的过程，例如起动、加速或减速。

本发明还涉及一种内燃机，特别是用于执行上述方法的内燃机，该内燃机具有用于将压缩比调节到额定压缩比的调节机构，其中，所述内燃机构成为在正常运行方式下根据内燃机的运行参量确定额定压缩比。在此规定，所述内燃机构成为至少暂时地在预测运行方式下运行，在该预测运行方式下根据预计的估计运行参量确定所述额定压缩比，所述估计运行参量基于所述运行参量关于时间的当前梯度估算出。已经指出内燃机的这种构成方式或这样的方法的优点。内燃机以及相应的方法可以按照上述实施方案进一步改进，从而就此而言参见这些实施方案。

附图说明

以下根据在附图中示出的实施例进一步阐明本发明，但本发明不限与此。其中：

图1示出记录操作元件参量、内燃机负荷力矩、额定压缩比以及实际压缩比关于时间的图形；以及

图2示出用于运行具有可变压缩比的内燃机的方法的流程图。

具体执行方式

图1示出一个图，在该图中记录了关于时间t的不同参量。曲线1描述了操作元件变量的曲线，其中，该操作元件变量描述机动车的操作元件、亦即例如加速踏板的位置。清楚的是，机动车驾驶员自时刻t₀改变加速踏板的位置，以便实现或补偿机动车内燃机的更高的负荷力矩。加速踏板的位置变化在时刻t₂完成。直至时刻t₃保持该位置不变。接着，驾驶员重新改变该位置直至时刻t₅，以便调节或补偿内燃机的较小的负荷力矩。负荷力矩的曲线通过曲线2描述。清楚的是，负荷力矩跟随操作元件参量变化。

内燃机具有调节机构，借助于该调节机构可在内燃机气缸中调节压缩比。在此，压缩比表示在压缩之前气缸容积与在实现压缩之后的气缸容积的比例。为了调节压缩比，在内燃机或调节机构上设定额定压缩比。该额定压缩比的曲线通过曲线3示出。清楚的是，额定压缩比在内燃机的负荷力矩变化时从最大值开始变化直至达到最小值，该负荷力矩用作运行参量。

然而，因为用于调节压缩比的调节机构仅仅具有受限的调节速度，所以实际存在的实际压缩比滞后于额定压缩比。实际压缩比的曲线通过曲线4描述。而且在额定压缩比的第一变化与实际压缩比的第一变化之间存在延迟。而额定压缩比已经自从时刻t₀改变，而这对于实际压缩比是自从时刻t₁才开始的情况。这同样类似地适用于操作元件参量自从时刻t₃的减小，对此实际压缩比自从时刻t₄才进行变化。

由该图可得知，实际压缩比的跟随比较快速地实现。这通过内燃机可在多种运行方式下运行来实现。在正常运行方式下，额定压缩比应根据内燃机的运行参量确定，其中例如考虑负荷力矩作为运行参量。反之，在预测运行方式下，应基于预期/预计的估计运行参量确定额定压缩比，其中，基于运行参量关于时间的当前梯度估算该估计运行参量。额定压缩比不是调节到内燃机的当前存在的运行点，而是调节到在将来的预期的运行点。通过这种方式和方法，在突然负荷变换时，相比于在正常运行方式下，可以显著更快地实现将实际压缩比调整到优化的压缩比，以该压缩比可以使内燃机燃料节省地运行。

图2示出一个流程图，在该流程图中描述了预测运行方式的步骤。该方法在起点5开始。在分支6的范围中检查：操作元件参量的梯度是否不等于零，该操作元件参量在这里所述的实施例中是加速踏板的位置。如果是不等于零，那么在分支7的范围中检查：该梯度是否大于一个阈值。在此考虑使用梯度绝对值，如果满足所述条件，从而不仅在位置的变化造成负荷力矩减小的情况下，而且在位置的变化造成负荷力矩增大的情况下，都可以由正常运行方式切换到预测运行方式。

如果实际上满足该条件，也就是说梯度大于阈值，那么在操作8的范围中确定运行参量的梯度、例如内燃机的当前负荷力矩的梯度。由此在操作9中确定估计运行参量，并且由该估计运行参量确定额定压缩比。估计运行参量在此对于如下时刻确定，该时刻位于确定的时间段后的未来中。操作8和9在此在通过框10标明的时刻t执行。

以下在操作11的范围中确定运行参量的梯度的导数，特别是也就是内燃机的负荷力矩的二阶导数。为了执行该计算，需要运行参量的梯度的至少两个值。例如，操作11，如通过框12标明，仅仅在紧接着时刻t的时刻t+Δt执行。在操作11之后，在分支13检查所述导数是否小于极限值/临界值。如果是，那么在操作14的范围中结束预测运行方式，并重新执行正常运行方式，因为在导数值小的情况下预测是不必要的。相反，如果运行参量的梯度的导数大于阈值，那么现在借助于运行参量在时刻t+Δt的当前的梯度在操作15的范围中更新估计运行参量和由此更新额定压缩比。

类似于在正常运行方式下的步骤，在预测运行方式下确定额定压缩比，然而其中代替运行参量采用估计运行参量作为基础。例如借助于数学关系式、表格或特性曲线进行所述计算，其中在正常运行方式下应用运行参量作为输入参量，而在预测运行方式下应用估计运行参量作为输入参量。之后产生的额定压缩比作为输出参量。借助于这样的方法可以在预测运行方式下实现实际压缩比与额定压缩比的快速匹配。因此，在借助于调节机构调节压缩比期间，在很大程度上或者甚至完全停止否则必要的点火角的匹配，从而总体上实现消耗以及有害物质排放的显著降低。

附图标记：

1 曲线

2 曲线

3 曲线

4 曲线

5 起点

6 分支

7 分支

8 操作

9 操作

10 框

11 操作

12 框

13 分支

14 操作

15 操作

Claims (10)

1.一种用于运行内燃机的方法，其中借助于调节机构将压缩比调节至额定压缩比，其中，在内燃机的正常运行方式下根据内燃机的运行参量确定所述额定压缩比，其特征在于，所述内燃机至少暂时地以预测运行方式运行，在该预测运行方式下根据预计的估计运行参量确定所述额定压缩比，根据所述运行参量关于时间的当前梯度估算所述估计运行参量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在操作元件参量关于时间的梯度和/或所述运行参量关于时间的梯度超过阈值时，开始所述预测运行方式。

3.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使用内燃机的当前负荷力矩作为运行参量。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在执行预测运行方式期间定期估算所述估计运行参量。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，确定所述运行参量的梯度的导数，在所述导数低于或超过极限值的情况下结束所述预测运行方式。

6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，当所述操作元件参量的梯度和/或所述运行参量的梯度低于所述阈值时，结束所述预测运行方式。

7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述预测运行方式期间最佳地选择点火角。

8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使用操作元件的位置作为操作元件参量。

9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，采用加速踏板、制动踏板或离合器作为操作元件。

10.一种具有用于将压缩比调节至额定压缩比的调节机构的内燃机，其中，所述内燃机设计为，在正常运行方式下根据内燃机的运行参量确定所述额定压缩比，其特征在于，所述内燃机设计为至少暂时地以预测运行方式运行，在该预测运行方式下，根据预计的估计运行参量确定所述额定压缩比，根据所述运行参量关于时间的当前梯度估算所述估计运行参量。