CN105275615A - 用于控制内燃发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制至少部分地利用气态燃料工作的往复式内燃发动机(100)的方法。该方法可包括接收(步骤402)燃烧事件的压力数据集。该方法还可包括由所接收的压力数据集来推导燃烧事件的实际燃烧持续时间(步骤420)，并且判断(步骤428)所推导的燃烧事件的燃烧持续时间是否比预设的燃烧持续时间短。该方法还可包括提供控制信号(步骤440)以调整内燃发动机(100)的工作。

Description

用于控制内燃发动机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制往复式内燃发动机的方法、一种构造成执行所述方法的控制系统和一种包括所述控制系统的往复式内燃发动机。
背景技术
往复式内燃发动机中的燃烧过程可能受各种现象影响，这些现象导致内燃发动机的降低的功率输出、增加的磨损和/或轻微和大的损坏。所述现象的示例包括提前点火事件和爆震事件(也称为爆燃和延后点火)。在提前点火和爆震事件中，燃烧室中在内燃发动机的点火系统产生的期望点火之前或之后产生至少一个第二火焰前沿。第二火焰前沿可由于例如热点和过度压缩所导致的自燃而在燃烧室中产生。源自期望的点火的第一火焰前沿和至少一个第二火焰前沿甚至可能在燃烧室中相撞。结果，可能产生过高的温度和气缸压力。
燃烧过程中可能发生的又一种现象是燃烧速度的突然和非期望的升高。燃烧速度的突然升高能先于爆震事件发生并可能引起爆震事件。燃烧速度升高的现象尤其可能在利用气态燃料运行的往复式内燃发动机如奥托式燃气发动机、柴油燃气发动机和双燃料发动机(DF发动机)的高负荷运转中发生。
燃烧速度升高带来的一个问题是大部分燃料在活塞向下止点(BDC)行进的过程中仍接近上止点(TDC)时燃烧。与由于接近TDC的活塞位置而有限的空间相结合地引起燃烧气体的膨胀的所释放的热会引起高气缸压力，这可能损坏受影响的气缸。
本发明旨在至少部分地改善或克服现有技术系统的一个或多个方面。
发明内容
在本发明的一个方面，公开了一种用于控制往复式内燃发动机的方法，该内燃发动机至少部分地利用气态燃料工作。该方法可包括接收燃烧事件的压力数据集(数据组)，该压力数据集对应于在燃烧事件期间气缸压力的时间演化(时间发展)。该方法还可包括判断所接收的压力数据集是否指示处于预设的点火正时窗口内的实际点火正时。该方法还可以包括从所接收的压力数据集来推导燃烧事件的实际燃烧持续时间，并且判断所推导的燃烧事件的燃烧持续时间是否比预设的燃烧持续时间短。该方法还可包括提供控制信号以调节内燃发动机的工作。
例如，提供控制信号可包括降低与实际燃烧持续时间比预设的燃烧持续时间短的判断(确定)相关联的气缸的负荷。又例如，提供控制信号可包括延迟与实际燃烧持续时间比预设的燃烧持续时间短的判断相关联的气缸的期望点火正时。
在本发明的另一方面，公开了一种用于内燃发动机的控制系统。该控制系统可包括压力传感器和控制单元，所述压力传感器构造成测量气缸压力的时间演化，所述控制单元与所述压力传感器连接并且构造成执行如文中示例性地公开的方法。
在本发明的又一方面，公开了一种往复式内燃发动机，该内燃发动机至少部分地利用气态燃料工作。该往复式内燃发动机可包括如文中示例性地公开的控制系统。
本发明的其它特征和方面将从下文的描述和附图而显而易见。
附图说明
结合在本文中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的示例性实施例，并连同说明一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1示出了可至少部分地利用气态燃料工作的示例性内燃发动机的示意图；
图2示出了DF内燃发动机的气缸的示意性的截面图；
图3示出了气态燃料内燃发动机的气缸的示意性的截面图；
图4示出了用于控制内燃发动机的示例性方法的流程图；
图5示出了内燃发动机的各种工况期间的气缸压力的示例性时间-压力图；以及
图6示出了可用来确定燃烧事件的燃烧持续时间的时间-燃烧能量图。
具体实施方式
以下是对本发明的示例性实施例的详细描述。文中所述和附图所示的示范性的实施例旨在教导本发明的原理，从而使本领域的普通技术人员能够在许多不同的环境中并针对许多不同应用实施并使用本发明。因此，示例性实施例并非旨在成为且不应该被认为是对专利保护范围的限制性说明。确切而言，专利保护范围应该通过所附权利要求来限定。
本发明部分地基于这样的认识，即，用于内燃发动机的控制策略可包括判断是否发生突然提高的燃烧速度。为了可靠地确定过快的燃烧并将其与燃烧期间可能发生的其它现象进行区分，可能需要判断要评估的燃烧事件是否不存在任何提前点火事件和/或任何爆震事件。这种区分允许在发生所监视的现象之一的情况下对内燃发动机进行针对现象的控制。特别地，本发明着重于在判断出所评估的燃烧事件中发生突然提高的燃烧速度的情况下可执行的控制步骤。
本发明还部分地基于这样的认识，即，以稳健和可靠的方式推导燃烧持续时间可以通过评估气缸压力在燃烧事件期间的时间演化来实现。具体地，从气缸压力的时间演化迂回推导燃烧能量的时间演化的判断可允许以可靠地评估燃烧事件所需的准确度来检测燃烧持续时间。特别地，发现上文指出的迂回易于允许在较早阶段将燃烧事件与升高的燃烧速度相关联。这可允许相当快地采取对策，从而实现高响应性的控制系统。
再者，本发明部分地基于以下认识：在燃烧事件与升高的燃烧速度相关联的情况下，控制内燃发动机回到受影响气缸的正常工作可包括延迟受影响气缸的点火正时和/或减轻其负荷。文中公开的控制步骤也可受益于如文中公开的对燃烧事件的评估以产生协同效应。例如，基于上文指出的检测出的燃烧持续时间的高准确度，可以计算要修正的燃烧事件与期望的预设燃烧持续时间之间的偏差。该偏差可被用作以改进方式选择和调整控制内燃发动机的对策的输入。这样，所执行的对策可仅为最小侵入性的。但是，内燃发动机也可在无任何外部影响的情况下恢复正常工作。不过，在此情况下，对燃烧事件的监控特别重要。
在下文中分别结合图1至4和图4至6描述可至少部分地利用气态燃料工作的内燃发动机及其示例性控制方法。
图1示意性地示出了至少部分地利用气态燃料工作的示例性内燃发动机100，例如DF发动机(在图2中示意性地示出)或气态燃料发动机(在图3中示意性地示出)。
内燃发动机100包括发动机缸体2、进气系统4、排气系统5、包括吹扫气体系统7的气态燃料系统6和/或液态燃料系统8。内燃发动机100可在液态燃料模式(LFM)下利用诸如柴油的液态燃料工作，而在气态燃料模式(GFM)下利用诸如例如由LNG系统提供的天然气的气态燃料工作。
发动机缸体2包括多个气缸。示例性地，图1中示出了四个气缸9。发动机缸体2可具有任何尺寸，包括任何数量的气缸，例如6、8、12、16或20个，并呈任何构型，例如“V”形、直列或放射状构型。
每个气缸9都配备有至少一个进气门16和至少一个排气门18。进气门16与进气系统4流体连接并且构造成向气缸9中提供进气(增压空气，chargeair)或进气和气态燃料的混合物。类似地，排气门18与排气系统5流体连接并且构造成将废气从相应气缸9引出。
进气由进气系统4提供，该进气系统4包括进气管20、用于充入空气的压缩机22和进气冷却器24。进气歧管26在进气冷却器24的下游流体连接并且经由气缸专用输入通道28将进气引导到相应气缸9中。
排气系统5包括经由轴32与压缩机22连接的排气涡轮30和将排气从各个排气输出通道35引导到排气涡轮30的排气歧管34。
进气系统4可包括一个或多个进气歧管26。类似地，排气系统5可包括一个或多个排气歧管34。
此外，进气门16和排气门18可分别安装在输入通道28和输出通道35内。输入通道28以及输出通道35可设置在共同的气缸盖或覆盖气缸9的单独的气缸盖内。
气态燃料系统6包括与气态燃料管道42连接的气态燃料源36。气态燃料源36构成用于在GFM下供给燃烧用的气态燃料的气态燃料供应。例如，气态燃料源36包括气体阀单元和容纳处于加压状态的天然气的气态燃料罐。
气体阀单元构造成允许、阻止和控制从气态燃料罐到气态燃料管道42中的流动。该气体阀单元可包括气态燃料控制阀、气态燃料截止阀(切断阀)和通气阀。
气态燃料管道42与分割成多个气态燃料通道56的气态燃料歧管54流体连接。每个气态燃料通道56都与多个输入通道28中的一个流体连接。为了将气态燃料计量供给到各个输入通道28中，在各气态燃料通道56中安装有气态燃料进入阀58。在一些实施例中，内燃发动机100可包括多于一个的气态燃料歧管54。
每个气态燃料进入阀58都构造成允许或阻止气态燃料流入各输入通道28中以在GFM下与来自进气系统4的压缩进气混合。因而，产生位于各气态燃料进入阀58下游的气缸指定混合区。例如，气态燃料进入阀58可以是螺线管致动的盘状阀，其中弹簧保持可动盘的下表面靠在静止的盘或板的上表面上，这两个表面构造成在气态燃料进入阀58的关闭状态下提供密封关系。每个气态燃料进入阀58都可安装在覆盖至少一个气缸9的气缸盖上。
吹扫气体系统7(图1中用点划线框表示)包括串联连接的吹扫气罐60、吹扫气体控制阀62和吹扫气体截止阀64。吹扫气罐60构成用于使用吹扫气体如处于加压状态的氮气冲洗气态燃料管道42、气态燃料歧管54等的吹扫气源。
吹扫气体系统7可在不同位置与气态燃料系统6流体连接。例如，在图1中，在气态燃料歧管54的近侧配置有第一连接部66。在气态燃料源36的近侧配置有第二连接部70。第一截止阀68和第二截止阀72可以分别阻止或允许吹扫气体流经第一连接部66和第二连接部70。在气态燃料源36的气体阀单元中可以集成有另外的连接部。
如上所述，图1示出了DF内燃发动机以及气态燃料发动机。在DF内燃发动机中，液态燃料系统8包括与液态燃料管道44连接的液态燃料罐40。液态燃料罐40可包括用于储存第一液态燃料例如重燃料油(HFO)的第一液态燃料罐和用于储存第二液态燃料例如柴油的第二液态燃料罐。液态燃料罐40构成用于在LFM下供给燃烧用的液态燃料的液态燃料源。此外，液态燃料罐40可构成用于在GFM下供给点火用燃料的液态燃料源。
液态燃料管道44与分割成多个液态燃料输入通道48的液态燃料歧管46流体连接。为了将液态燃料计量供给到气缸9的燃烧室中，在每个液态燃料输入通道48中都安装有燃料喷射系统50。
在诸如火花点火式气态燃料内燃系统的气态燃料内燃发动机中，燃料喷射系统50与气态燃料源36(以虚线49表示)而不是液态燃料罐40流体连接。在此实施例中，燃料喷射系统50可包括用于提供火花点火的先导火焰91(参看图3)以点燃气态燃料和空气的混合物的预燃室。
分别参照图2和3更详细地描述用于DF的燃料喷射系统50和气态燃料内燃发动机的示例性实施例。
如图1所示，内燃发动机100还包括安装在各气缸9上的多个压力传感器77。每个压力传感器77都构造成产生对应于在发动机工作期间—例如在燃烧期间—气缸内部压力的时间演化的信号。参照图2进一步描述压力传感器。
为了控制发动机100的工作，设置了控制单元76。控制单元76构成发动机的控制系统的一部分。控制单元76构造成经由读取连接线102来接收压力传感器77的数据。控制单元76还可构造成控制发动机100的各种构件，例如经由控制连接线104来控制气态燃料进入阀58，并经由控制连接线106来控制燃料喷射系统50。控制单元76还可构造成控制吹扫气体系统7的控制阀。替代地，第二控制单元(未示出)可构造成控制发动机100的运转。将在图2和3中提供对控制系统和控制单元76与发动机的其它构件如燃料喷射系统50之间的附加控制线的进一步描述。
控制单元76还可与图1中未示出的其它传感器如针对每个单独的气缸或针对多个气缸设置的发动机负荷传感器、发动机转速传感器、温度传感器、NOx传感器或空燃比传感器连接。控制单元76还可与用于向操作人员发出指示发动机的故障等的警告的操作人员面板(未示出)连接。
图2示出了DF内燃发动机200的气缸9，该内燃发动机是图1的内燃发动机100的一个示例性实施例。已经结合图1描述的元件具有相同的附图标记，例如发动机缸体2、控制单元76、压力传感器77和气缸9。
气缸9提供用于燃烧气态燃料和空气的混合物的至少一个燃烧室10、活塞84和经由活塞杆82与活塞84驱动连接的曲轴80。活塞84构造成在气缸9内往复运动。
气缸9经由输入通道28与进气歧管26连接并经由输出通道35与排气歧管34(参看图1)连接。进气门16设置在输入通道28中，而排气门18设置在输出通道35中。气态燃料进入阀58可以向气缸9的燃烧室10供给气态燃料。
图2通过虚线框进一步示出了燃料喷射系统50。当DF内燃发动机200在LFM下工作时，燃料喷射系统50用来将液态燃料喷射到燃烧室10中，液态燃料是唯一的能量源。当DF内燃发动机200在GFM下工作时，燃料喷射系统50可用来将液态燃料的先导量喷射到燃烧室10中以点燃气态燃料和空气的混合物。在GFM下，燃料喷射系统50因此可用作气态燃料点火系统。
在图2中，诸如气态燃料点火系统的一个示例性实施例基于主液态燃料喷射器38，该主液态燃料喷射器用于在LFM下喷射大量液态燃料并在GFM下将液态燃料的先导量喷射到燃烧室10中以点燃气态燃料和空气的混合物。在例如用于重负荷DF内燃发动机的其它实施例中，气态燃料点火系统可包括用于在GFM下将液态燃料的先导量喷射到燃烧室10中的单独的点火液态燃料喷射器39。
气缸9还包括用于测量气缸内部压力在发动机工作期间—例如在燃烧期间—的时间演化的压力传感器77。压力传感器77可以是电容式压力传感器、电磁式压力传感器、压电式压力传感器、光学压力传感器或本领域中已知的任何其它压力传感器。压力传感器77可安装在气缸9的便于在燃烧期间测量气缸压力的任何位置。例如，压力传感器77可安装在气缸侧壁内或气缸盖表面中。压力传感器77可例如经气缸侧壁中的孔至少部分地到达气缸9的燃烧室中。
压力传感器77还可设置在燃烧室10的外部以间接检测气缸压力。例如，压力传感器77可安装在发动机的已有构件如螺栓头、火花塞凸台等上。压力传感器77可感测该构件在燃烧期间的应力，该应力对应于燃烧期间的气缸内部压力。
DF内燃发动机200还包括控制系统，该控制单元包括控制单元76。控制单元76经由控制连接线108与主燃料喷射器38连接，并且在重负荷DF内燃发动机的情况下还经由单独的控制连接线(未示出)与点火用液态燃料喷射器39连接。
图3示出了作为图1的内燃发动机100的另一示例性实施例的气态燃料内燃发动机300的气缸9。已经结合图1和2描述的元件具有相同的附图标记。气态燃料内燃发动机300与图2的DF内燃发动机200相似，在下文中描述的构件除外。
燃料喷射系统50包括预燃室90。预燃室构造成在燃烧室10的外部接收气态燃料和空气的预混物。气态燃料和空气的预混物例如通过火花塞点燃，以提供分配到燃烧室10中的先导火焰91。先导火焰91用来点燃燃烧室10中的气态燃料和空气的混合物。控制单元76经由控制连接线110与预燃室90连接。替代地，燃料喷射系统50可以是用于经由放电来点燃气态燃料和空气的混合物的火花塞。
一般而言，结合图1至3公开的发动机的控制单元76可以是单个微处理器或多个微处理器，它包括用于控制DF内燃发动机200的各种构件的工作的装置。控制单元76可以是能控制与DF内燃发动机200和/或其相关构件相关联的许多功能的普通发动机控制单元(ECU)。控制单元76可包括运行应用所需的所有构件，例如存储器、二次存储装置和诸如中央处理单元的处理器或本领域中已知的用于控制DF内燃发动机200及其构件的任何其它装置。各种其它公知的电路可以与控制单元76相关联，包括供电电路、信号调节电路、通信电路和其它合适的电路。控制单元76可分析和比较所接收和存储的数据，并基于存储在存储器中或由使用者输入的指令和数据来判定是否需要动作。例如，控制单元76可将从压力传感器77接收的压力数据与存储在存储器中的目标值进行比较，并基于比较结果来将信号传输到发动机的一个或多个构件以改变其工作。
工业适用性
适合所公开的方法的示例性内燃发动机例如是由德国CaterpillarMotorenGmbH&Co.KG，Kiel制造的M46DF和M34DF系列的DF内燃发动机或GCM34系列的气态燃料内燃发动机。但是，本领域技术人员将了解，所公开的方法可以进行调整以便也适合其它内燃发动机。
在下文中，结合图4至6参考图1至3描述内燃发动机100的工作和控制。出于说明的目的，参考结合图1至3公开的结构元件公开该方法。但是，本领域技术人员将会理解，相应步骤也可以在其它实施例中执行。
图4示出了该控制方法的流程图。参考图5和6描述图4的流程图中包括的具体方法步骤。具体地，图5示出了在不同燃烧事件期间气缸压力的多种时间演化。另外，图6示出了用于描述可由控制单元76执行的燃烧持续时间的提取的曲线图。
在详细讨论图4所示的控制方法之前，下文描述图5的图表。通常，在图5中，用曲线502、504、506、508和510示出五种压力时间演化。
曲线502(图5中以实线表示)表示内燃发动机100的马达起转。在马达起转中，不发生燃烧。如在图5中可见的，曲线502示出了特定最大压缩压力512之前的压力上升，接着是压力衰减回到初始压力。例如约100bar的最大压缩压力512之前的压力上升对应于仅进气或未点燃的燃料-空气混合物在活塞84在气缸9中向上移动期间的压缩。当活塞84到达上止点(TDC)时，该压力接近其最大值。时间-压力曲线502可以基于热力学方程如用于绝热压缩或多变压缩的方程由气缸9内的气态燃料-空气混合物的压缩来测量或推导或可以作为推定或模拟而被提供。控制单元76可存储用于内燃发动机的马达起转的气缸压力的时间演化，例如曲线502。
此外，曲线504(图5中以虚线表示)表示正常工作期间的燃烧事件的压力时间演化。与通过曲线502示出的马达起转相比，燃烧放热致使气缸压力一直上升到远高于马达起转的最大压缩压力512的最大燃烧压力514。此外，由于有限的燃烧时间，压力峰在比TDC迟的时间发生。最大燃烧压力514的示例值可以是180bar。
此外，在图5中，曲线506(图5中以虚点划线表示)表示发生爆震的燃烧事件。最初，压力与曲线504相当相似地上升。在516处达到最大压力后不久，压力以波动方式降低。
再者，曲线508(图5中以虚双点划线表示)表示提前点火燃烧事件。与其它曲线502、504、506和510相比，初始压力上升开始得更早。具体地，曲线508的压力上升在气缸9的相关点火装置的期望点火正时(图5中表示为IGN)之前开始。同样，该压力在达到最大值518之后以波动方式降低。
最后，曲线510(图5中以虚线表示)表示代表燃烧速度升高的燃烧事件的压力时间演化。如与爆震事件(参看曲线508)相比可见的，曲线510不包括压力波动。另外，曲线510的最大压力514可分别低于曲线506所示的爆震燃烧和曲线508所示的提前点火燃烧的最大压力516和518。
现在参照图4，该控制方法包括分析部分400和控制部分440。在分析部分400中，例如通过控制单元76来执行用于判断是否发生了正确燃烧的方法步骤。随后，在将燃烧事件与分析部分400中的正确燃烧相关联的情况下，例如再次通过控制单元76在控制部分440中执行用于控制内燃发动机100的方法步骤。
参照分析部分400，在方法步骤402中，控制单元76可经由读取线102从压力传感器77接收压力数据集。该压力数据集对应于待评估的燃烧事件期间气缸压力的时间演化、例如如图5所示关于时间或曲柄角演化。视压力传感器77的时间分辨率而定，可针对燃烧事件期间的离散时间—例如以0.1°曲柄角的间隔—或准连续地获得该压力数据。
在步骤404中，控制单元76判断所接收的压力数据集是否指示处于预设的点火正时窗口内的实际点火正时。例如，所述判断可辅助判断是否发生提前点火事件。为了执行步骤404，需要待评估的燃烧事件的实际点火正时和点火正时窗口。
控制单元76可通过相对于马达起转评估初始压力上升的时点(参看图5中的曲线502)来由所接收的压力数据集推导所述实际点火正时。由于所述初始压力上升由归因于燃烧的放热引起，所以可以对相应点火正时下结论。例如，如在图5中可见的，曲线508相对于曲线502所示的马达起转具有相当早的压力上升。因而，控制单元76确定实际点火正时在期望点火正时IGN之前。另一方面，指示正常燃烧的曲线504、指示爆震燃烧的曲线506和指示燃烧速度升高的燃烧的曲线510具有相似的相对于马达起转(参看曲线502)的初始压力上升的时点。该初始压力上升指示与期望点火正时IGN一致的相应实际点火正时。
另外，该点火正时窗口被设定为包括围绕期望点火正时IGN的一个范围(参看图5)，以允许可例如由测量误差和/或发动机100的相应点火机构固有的延迟而引起的公差。例如，该点火正时窗口可在TDC之前达到期望点火正时IGN。
如果在404A所接收的压力数据集指示处于预设的点火正时窗口之外的实际点火正时(参看图4)，则可在步骤406中将燃烧事件与提前点火事件相关联。然后，可执行后续分析和控制步骤以对这种判断作出反应，如图4中以虚线框408示意性地表示的。替代地，如果在404B所接收的压力数据集指示实际点火正时处于预设的点火正时窗口内，则将相应压力数据集转送到步骤408以用于进一步的分析。步骤408可包括将相应燃烧事件关联为无任何提前点火。
在可接在步骤410之后的步骤412中，控制单元76判断所接收的压力数据集是否指示处于预设的压力波动内的实际压力波动。例如，所述判断可辅助判断燃烧事件中是否发生爆震。为了执行所述判断，需要实际压力波动和预设的压力波动。
控制单元76可在开始于相应压力曲线的相应最大压力514、516、518和520(参看图5)之后的部分中由所接收的压力数据来推导实际压力波动。例如，如图5中可见的，曲线506和508包括明显的压力波动，而曲线504和510基本不存在压力波动。
为了应对测量不一致等，预设的波动范围可允许例如在最高2bar的范围内的轻微波动。
若在412A所接收的压力数据集指示实际压力波动超过预设的压力波动范围(见图4)，则可在步骤414中将燃烧事件与爆震事件相关联。然后，可执行后续分析和控制步骤以对这种判断作出反应，如图4中以虚线框416示意性表示的。替代地，如果控制单元76在412B判断出推导的实际压力波动处于预设的压力波动范围内，则将相应压力数据集转送到步骤418以用于进一步分析。这里，可将相应燃烧事件关联为不存在爆震。
在步骤420中，控制单元76可由所接收的压力数据集来推导实际燃烧持续时间，如在下文中特别参考图6所述的。在该示例性方法中，步骤420包括三个子步骤422、424和426。可执行替代步骤或附加步骤以推导实际燃烧持续时间。
在图6中，针对两种工况的关于时间/曲柄角的示例性燃烧能量演化各自以相对燃烧能量演化(以曲线602和604表示)和绝对(累计)燃烧能量演化(以曲线606和608表示)被示出。注意，曲线602和604的零点在图6中的左纵轴上示出，而曲线606和608的零点在图6中的右纵轴上示出。两个零点在纵轴方向间隔开以增加单独的曲线演化的可视性。
例如，指示相对燃烧能量值的参数可以是所谓的燃烧质量份数(以单位曲柄角/时间百分比表达)，而指示累计燃烧能量值的参数可以是燃烧质量份数的积分。
在步骤422中，控制单元76针对例如以曲线602和604示例性表示的燃烧事件来推导相对燃烧能量演化。可由与待评估的燃烧事件相关联的压力数据、例如图5中的曲线510和与发动机100的马达起转相关联的压力数据、例如图5中的曲线502之间的压力差来推导相对燃烧能量演化。替代地，例如，通过利用相应方程使所接收的压力数据与对应的燃烧室容积相乘，可以将相对燃烧能量推导为燃烧的放热率。
对于本发明，将曲线602(图6中以实线表示)考虑为包括诸如图5中以曲线510表示的升高的燃烧速度的燃烧事件的相对燃烧能量演化。另一方面，将曲线604(图6中以虚点划线表示)考虑为代表例如图5中以曲线504表示的正常燃烧事件的相对燃烧能量演化。曲线602和604两者都表示相对燃烧能量的时间演化增加到或多或少位于TDC附近的相应最大值610、612为止。在最大值610和612处，最大单位曲柄角的相对燃料量被燃烧。尽管曲线602的最大值610大于曲线604的最大值612，但最大值610和612之差可能出于说明的目的而被过分强调，或者可能根本不存在。随后，在曲线602和604两者中，相对燃烧能量随着要燃烧的剩余燃料越来越少而稳定地减少。
在步骤424(参看图4)中，控制单元76基于在步骤422中确定的相对燃烧能量演化并因而基于在步骤402中接收的压力数据来确定燃烧事件的累计燃烧能量的时间演化。具体地，曲线606(图6中以虚线表示)表示以曲线602表示的单位曲柄角的相对燃烧能量所引起的累计燃烧能量关于曲柄角的演化。在加以必要的变通后，这同样适用于相对于曲线604的曲线608(图6中以点划线表示)。
如在图6中可见的，以曲线606和608表示的累计燃烧能量的演化起初可以以指数方式增加，而后在中段以准直线方式增加。随后，累计燃烧能量的增加渐近地变平。在将关于由燃烧室10中的燃料量提供的最大可用燃烧能量来考虑累计燃烧能量的情况下，所述关系可按照曲线606和608增加，直至燃料量的95％通常在现场应用中未完全燃烧。
基于累计燃烧能量曲线606和608，可通过控制单元76在步骤426中分别确定燃烧持续时间D1和D2。具体地，各燃烧持续时间D1和D2分别沿时间轴(横坐标)在起点S1和S2与端点E1和E2之间的部分延伸。起点S1和S2可与在例如通过针对起点S1和S2的下阈值T1和针对端点E1和E2的上阈值T2示例性地表示的特定预设阈值的相应累计燃烧能量值对应。
为更好地应对测量不确定性并因而更可靠的评估，T1可接近但不等于累计燃烧能量的0％。基于相同的考虑，阈值T2可接近但不等于最大累计燃烧能量。例如，起点S1和S2可以在与处于最大累计燃烧能量的5％到15％之间的范围内、特别是最大累计燃烧能量的10％的累计燃烧能量对应的时刻。同样，端点E1和E2可以在与处于最大累计燃烧能量的80％到95％之间的范围内、特别是最大累计燃烧能量的90％的累计燃烧能量对应的时刻。
如上所述，控制单元76可推导燃烧持续时间D1和D2在相应起点S1、S2与端点E1、E2之间延伸。燃烧持续时间D1和D2可在时间跨度或曲柄角间隔方面进行表达。
再参照图4，在步骤428中，控制单元76判断所推导的燃烧持续时间D1是否比预设的燃烧持续时间例如燃烧持续时间D2短。
在控制单元76在步骤428中判断出待评估的燃烧事件的燃烧持续时间D1比代表正常燃烧事件的预设的燃烧持续时间短的情况下，控制单元76在步骤436中将所评估的燃烧事件与升高的燃烧速度相关联。在示例性地假设图6中的燃烧持续时间D2将是预设的燃烧持续时间的情况下，燃烧持续时间D1将被确定为比燃烧持续时间D2短，并且因而将被与升高的燃烧速度相关联。
另一方面，假设控制单元76在步骤428A中判断出燃烧持续时间D1不比燃烧持续时间D2短(等于或大于燃烧持续时间D2)，则控制单元76在步骤430中将所评估的燃烧事件与正常燃烧持续时间相关联。这还可以表示内燃发动机100的正常工作。从步骤430开始，该方法可如图4所示循环回到方法步骤402。
例如，可基于如步骤434所示的预定特征脉谱图来设定预设的燃烧持续时间。预定的特征脉谱图可存储在控制单元76的存储器中，并且可包括在特定发动机试验—包括所有类型可想到的条件—中确定的多个预设的燃烧持续时间，和/或可基于经验数据。附加地或替代地，可如步骤432所示基于检测出的一系列在先燃烧持续时间来设定预设的燃烧持续时间。由于预定的特征脉谱图可包括若干输入参数，例如发动机转速、负荷、进气压力等，所以发现如果基于与一系列在先燃烧事件的燃烧持续时间的比较来评估燃烧持续时间，则可以降低控制系统的复杂性。
例如，可将燃烧持续时间D1和与正常燃烧速度相关联的燃烧事件的一系列在先燃烧持续时间的平均值进行比较。例如，该系列可包括在先燃烧事件的5到100个之间、尤其是10到50个之间的燃烧持续时间。
在至少部分基于与正常燃烧速度相关联的一系列在先燃烧事件来设定预设的燃烧持续时间的情况下，每当将要评估的燃烧事件与正常燃烧速度相关联时，可在步骤432中连续更新该系列。
如果控制单元76在步骤436中将所评估的燃烧持续时间与升高的燃烧速度相关联，则控制单元76还可在步骤438中计算所评估的燃烧持续时间与预设的燃烧持续时间之间的偏差。所述偏差可用相对值例如以百分比或绝对值例如以毫秒或曲柄角间隔来表达。
如图4所示，如果在步骤436中将燃烧事件与升高的燃烧速度相关联，则该方法可从分析部分400过渡到控制部分440。在控制部分440中，可提供控制信号以调整内燃发动机100的工作，从而使受影响的气缸9中的燃烧过程返回到燃烧速度正常的燃烧过程。
在控制步骤442中，控制单元76可调整例如与升高的燃烧速度相关联的气缸9的点火用燃烧喷射器38的点火正时。具体地，该点火正时可在0.1°曲柄角(CA)与2℃A之间的范围内延迟。
此外，点火正时的调整程度可结合例如在分析部分400中的步骤438中推导或计算出的评估的燃烧持续时间与预设的燃烧持续时间之间的偏差。更大的偏差会引起期望点火正时IGN的更大调整。
与方法步骤442并列或作为其替代，控制单元76可在步骤444中减轻内燃发动机100的受影响的气缸9的负荷。
例如，在步骤444中，控制单元76可缩短与受影响的气缸9相关联的气态燃料进入阀58的打开持续时间，以减少相应燃烧室10中的燃料量。同样，气态燃料进入阀58的打开持续时间的调整可加入推导的实际燃烧持续时间与预设的燃烧持续时间之间的偏差。结果，可相对于在正常工况下将被供给的燃料量减少针对单个燃烧事件供给到受影响的气缸9的气态燃料量。
此外，在步骤446中，控制单元76可增加与升高的燃烧速度不相关联的其余气缸9的负荷以补偿在步骤444中执行的负荷减轻。可对其余气缸9的子组执行负荷增加，该子组包括一个到全部剩余气缸9。此外，负荷增加可在该子组的各气缸9之间被均匀地共享。由于该补偿，可维持总体的发动机负荷。
在步骤448中，控制单元76可调整用于内燃发动机100的总体空气供给。具体地，可基于与升高的燃烧速度不相关联的多个气缸9的负荷来计算总体空气供给。如果例如在步骤444中同时减少供给到燃烧速度升高的受影响的气缸9的燃料量，则气缸9被供给大于所供给的燃料的燃烧所需的相对大的进气量。增加的进气量可在后续燃烧循环中帮助使燃烧过程回到正常燃烧。
由于分析部分400过渡到控制部分440中的闭环设计，以及控制部分440循环回到分析部分400，可反复调整内燃发动机100的工作以使受影响的气缸9的燃烧过程经后续燃烧循环回到燃烧速度正常的具有正常工作的燃烧过程。
尽管文中已描述本发明的优选实施例，但可加入改进和修改而不脱离附后权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种用于控制至少部分地利用气态燃料工作的往复式内燃发动机(100)的方法，所述方法包括：
接收(步骤402)燃烧事件的压力数据集，该压力数据集与气缸压力在所述燃烧事件期间的时间演化对应；
判断(步骤404)所接收的压力数据集是否指示处于预设的点火正时窗口内的实际点火正时；
由所接收的压力数据集来推导(步骤420)该燃烧事件的实际燃烧持续时间(D1)；
判断(步骤428)推导出的所述燃烧事件的燃烧持续时间(D1)是否比预设的燃烧持续时间短；以及
提供(步骤440)控制信号以调整所述内燃发动机(100)的工作。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括基于检测出的一系列在先燃烧持续时间来设定(步骤432)所述预设的燃烧持续时间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括基于预定的特征脉谱图来设定(步骤434)所述预设的燃烧持续时间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所接收的压力数据来推导(步骤420)该燃烧事件的实际燃烧持续时间(D1)包括：
由所接收的压力数据集推导(步骤424)所述燃烧事件的累计燃烧能量的时间演化；以及
将所述燃烧事件的累计燃烧能量的时间演化的一部分与所述燃烧持续时间(D1)相关联(步骤426)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述部分在起点(S1)与端点(E1)之间延伸；并且
所述起点(S1)是与处于最大累计燃烧能量的5％到15％之间的范围内、特别是所述最大累计燃烧能量的10％的累计燃烧能量对应的时刻；和/或
所述端点(E1)是与处于最大累计燃烧能量的80％到95％之间的范围内、特别是所述最大累计燃烧能量的90％的累计燃烧能量对应的时刻。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括由所述压力数据集来推导(436)检测出的实际燃烧持续时间(D1)与所述预设的燃烧持续时间之间的偏差。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，提供(步骤440)控制信号包括：
减轻(步骤444)与实际燃烧持续时间(D1)比预设的燃烧持续时间短的判断相关联的气缸(9)的负荷；和/或
延迟(步骤442)与实际燃烧持续时间比预设的燃烧持续时间短的判断(步骤428)相关联的气缸(9)的期望点火正时(IGN)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，减轻(步骤444)所述气缸(9)的负荷包括缩短所述气缸(9)的气态燃料进入阀(58)的打开持续时间。
9.根据权利要求7或8所述的方法，还包括通过借助于增加其余气缸(9)的子组的负荷补偿与实际燃烧持续时间(D1)比预设的燃烧持续时间短的判断(步骤428)相关联的气缸(9)的负荷减轻来维持(步骤446)总体发动机负荷。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于：
减轻(步骤444)所述气缸(9)的负荷是基于检测出的实际燃烧持续时间(D1)与预设的燃烧持续时间之间的偏差进行的；和/或
延迟(步骤442)所述气缸(9)的期望点火正时(IGN)是基于检测出的实际燃烧持续时间(D1)与预设的燃烧持续时间之间的偏差进行的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括基于与实际燃烧持续时间比预设的燃烧持续时间短的判断不相关联的多个气缸(9)的负荷来设定(步骤448)用于所述内燃发动机(100)的总体空气供给。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：
所述预设的点火正时窗口在期望的点火正时(IGN)处或该期望的点火正时之后开始；和/或
提供(步骤440)控制信号以调整所述内燃发动机(100)的工作是基于检测出的实际燃烧持续时间(D1)与所述预设的燃烧持续时间之间的偏差进行的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括判断(步骤412)所接收的压力数据集是否指示处于预设的压力波动内的压力波动。
14.一种用于内燃发动机(100)的控制系统，所述控制系统包括：
压力传感器(77)，该压力传感器构造成测量气缸压力的时间演化；和
控制单元(76)，该控制单元与所述压力传感器(77)连接并且构造成执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
15.一种往复式内燃发动机(100)，该内燃发动机至少部分地利用气态燃料工作并且包括根据权利要求14所述的控制系统。
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