CN105626291B - 内燃机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制具有多个气缸的内燃机、尤其是固定不动的内燃机的方法以及一种用于执行该方法的内燃机，其中，内燃机的促动器能与曲轴角度相关地控制和/或内燃机的传感器信号能与曲轴角度相关地求得，所述方法用于补偿曲轴的扭转，通过所述扭转发生在曲轴的状态之间的曲轴角度偏差，对于所述气缸之中的至少两个气缸求得因气缸而异的角度偏差值，并且根据求得的角度偏差修正与曲轴角度相关的促动器信号或传感器信号。

Description

内燃机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制内燃机的方法以及一种内燃机。

背景技术

已知的是，由于内燃机曲轴的扭转，与曲轴角度相关的信号例如点火控制时间、燃料喷入或类似信号具有误差，该误差损害内燃机的功率和/或效率。因此在现有技术中有补偿或考虑期望控制时间的由曲轴扭转引起的偏差。例如由DE19722316已知一种用于控制内燃机的方法，其中，由表征轴的优选位置(气缸的上死点)的信号出发，规定控制参量，在此得到该信号的因气缸而异的修正。在此，这些修正存储在修正值特性场中。控制参量在此可以是燃料喷入，特别是喷入时刻。由于曲轴/凸轮轴的扭转振动，在参考脉冲R的位置与实际的曲轴上死点之间产生偏差。按照该文献规定，修正值被求得，被存储在存储器中并且在计算控制信号时予以考虑。在此，这些修正值与每个气缸的工作条件相关地存储在存储器中。

DE69410911说明一种用于补偿曲轴扭转干扰的装置和方法。在此说明的方法涉及在内燃机中的点火故障的识别以及用于补偿测量的发动机转速的有规律的不规则性的系统，这些不规则性通过曲轴的由扭转决定的弯曲触发。为此利用离线产生的并且存储在存储装置中的因气缸而异的用于点火脉冲的修正因子，以便补偿变化式点火测量间隔的同步中的不规则性。修正因子的该特性场在此在校准发动机类型时通过试验发动机或者通过模拟来确定。

DE112005002642说明一种基于旋转位置传感器的发动机控制系统。在此，该发动机控制系统包括两个用于发动机旋转部件的角度位置传感器，以便确定这些部件的扭转偏差。在此，发动机控制装置如此对扭转偏差做出反应：该发动机控制装置改变发动机的运行。在此规定，曲轴在其前端和后端分别具有一个传感器，以便确定前端和后端的彼此相对的角度位置。

由现有技术已知的解决方案的缺陷在于，仅仅确定或者计算关于单个气缸的局部扭转或者关于曲轴角度的全局曲轴扭转。

由现有技术已知的解决方案的另一缺陷也在于，曲轴角度信息仅对于唯一一个选出的曲轴角度位置(通常在上死点或下死点处)来求得。这是特别不利的，因为不是所有传感器事件和/或促动器事件都必然与上死点关联。

发明内容

因此本发明的目的在于，提出一种方法和一种内燃机，借此能够以因气缸而异并且按曲轴角度分辨的方式确定用于单个气缸或所有气缸的曲轴角度偏差，并且因此能够修正相应的与曲轴角度相关的传感器信号和/或与曲轴角度相关的促动器信号。

这在本发明的方法中如此实现：对于其中至少两个气缸求得因气缸而异的角度偏差值并且根据求得的角度偏差来修正与曲轴角度相关的促动器信号或传感器信号。

换言之，也就是说，其中至少两个气缸被分配因气缸而异的按曲轴角度分辨的角度偏差值，并且根据角度偏差来修正与曲轴角度相关的传感器信号和/或与曲轴角度相关的促动器信号。

因气缸而异地求得曲轴角度位置意味着，在与气缸相配的每一个曲轴位置确定或者可以确定曲轴角度位置。

按曲轴角度分辨意味着，曲轴角度信息不是仅如在现有技术中说明的那样对于一个唯一的选出的曲轴角度位置存在，而是对于一个工作循环(在四冲程发动机时为720°)的每个曲轴角度存在。

因气缸而异的值对于多个气缸之中的单个气缸表明以度为单位的角度偏差，有关气缸相对于其在曲轴不受载荷即不受扭转影响时的角度位置具有该角度偏差。

因此本申请人在试验和计算中已证实，单个气缸的由扭转决定的角度偏差不对应于由全局扭曲插值的角度偏差。而是与该理想化的考察存在明显偏差，这种偏差一方面通过附加的叠加于扭转的扭转振动引起。这例如可能导致，相对于借助于对全局扭曲进行插值而计算的值的角度偏差具有不同符号，即相应的曲轴位置的期望的通过时间可以不是提前而是延后地进行，或者可以不是延后地而是提前地进行。

本发明方法的特别优点也在于，实际曲轴角度的信息不仅因气缸而异地即对于沿着曲轴纵轴线的每个气缸位置存在，而且也按曲轴角度分辨地存在。这是特别关注的，因为不是所有传感器事件和/或促动器事件都必然一定与上死点关联。不在上死点处发生的与曲轴角度相关的事件的例子例如是点火、喷入、预喷入以及基于曲轴角度的特征参数的评价例如气缸压力的评价。因此重要的是，也对于与上死点不同的其他曲轴角度位置识别实际的曲轴角度偏差。

按照另一优选实施方式规定，测量因气缸而异的角度偏差值。这种例子涉及对于多个气缸之中的至少一个气缸直接测量角度尺寸值的情况。这例如可以如此实现，使得在与有关气缸相配的曲轴位置上设置测量装置，该测量装置提供表征曲轴变形的信号。

特别优选以下情况：在曲轴的靠近端部的位置上测量曲轴变形。靠近端部的位置意味着，关于曲轴的纵轴线在第一个气缸之前的测量位置和在最后一个气缸之后的第二测量位置。第一个气缸和最后一个气缸的称呼涉及内燃机气缸的通常的编序。

在曲轴的靠近端部的位置上的测量用于校准通过计算求得的角度偏差值。

按照另一优选实施方式可以实现，计算因气缸而异的角度偏差值。

在此规定，对于n个气缸之中的至少一个气缸通过计算方法求得角度偏差值。对此的可能性是根据当前存在的工作条件例如产生的功率和/或转矩来解析式求解曲轴变形。

按一实施例构成等效函数，该等效函数从存在的输入值出发，输出在发动机循环上的传播的扭转振动的所有存在的支点的曲轴扭转。

作为曲轴扭转的等效函数的输入参量利用按照以下参量的举例：

-点火顺序，

-点火间隔，

-在气缸位置与曲轴上的测量位置之间的间距，

-在限定负荷点时的最大扭转幅值(在给定扭转时用模型计算曲轴变形而求得，或者由在曲轴相反端部上的参考测量来求得)，

-发动机负荷(用于缩放在工作时的幅值)。

在计算中首选对于所有气缸确定因气缸而异的加权因子，该加权因子考虑彼此相继地点火的气缸的点火间隔。点火间隔是在彼此相继地点火的两个气缸的点火时刻的角度差。

然后可以确定每个气缸的扭转特征数值。扭转特征数值由与前一气缸的点火间隔(按点火顺序)乘以与轴参考点的间距以及加权因子而得到。

扭转特征数值在最大扭转幅值上缩放。这意味着，计算的扭转特征数值的绝对值利用通过测量求得的用于一个选出的位置的扭转的绝对值来校准。有利的是，该校准利用最大扭转值来实现。

现在扭转特征数值可以通过考虑用于不同负荷点的发动机负荷来缩放。

接着，基于彼此相继地点火的气缸的点火间隔的关系限定支点的加权因子。借助彼此相继地点火的两个气缸之间的角度间隔、与轴参考点的间距以及支点的计算的加权因子来计算每个气缸的扭转特征数值。该特征数值利用测量的、建模的或者计算的最大扭转幅值来缩放。

现在旋转在点火顺序中的下一个气缸。该气缸被分配一个因子，该因子与该气缸的曲轴的相应曲拐至出发气缸的几何间隔即间距成比例。该因子代表相对于参考点例如齿圈的扭曲的程度，在该参考点上能够容易地测量扭曲，因为在相同扭矩时，两个气缸分开得越远，则两个气缸彼此相对扭曲越大。

在下一步骤中又选出在点火顺序中的下一个气缸，并且与上一个点火的气缸的几何间隔利用作为因子。

以相同方式对于所有剩余的气缸求得该因子。然后该因子的绝对值利用在曲轴上的测量的第二值校准，使得在第二测量位置上通过应用相乘因子得到角度偏差的修正值。换言之，需要通过第一气缸的角度偏差与最后一个气缸的因子相乘得到最后一个气缸的角度偏差。经由通过测量可得到的这两个位置的关系，现在可以校准所有气缸的相乘因子。

等效函数的作用通过例子进行解释：点火顺序是各个气缸的点火时刻的时间顺序，该时间顺序通过曲轴的曲拐即以机械方式为当前发动机规定的。

如果现在该因子对于所有气缸按点火顺序描述，则对于每个气缸可见通过扭转引起的角度偏差。

对于等效函数，对于至少一个气缸，求得幅值(扭曲的绝对值)，计算结果可以利用该幅值缩放。扭曲的绝对值是曲轴的弹性特征值和刚度的尺度。其起点离得越远，绝对值越大。

为了正确地描述曲轴的扭转行为，下面考虑点火顺序和点火间隔。在V型发动机时，点火间隔例如为60°和30°的曲轴角度，使得所有气缸划分到720°曲轴角度的工作循环上。点火间隔是扭转或扭转振动输入到曲轴中的不规则性的尺度。

在下一步骤中考察跟随在参考气缸之后的气缸：该气缸对扭曲的贡献通过为参考气缸求得的值与几何的长度间隔相乘来确定。

优选可以规定，因气缸而异的偏差值通过模型函数计算。这涉及模型函数建立用于曲轴变形的情况，由该模型函数对于与气缸i相配的曲轴位置可以求得角度偏差值在模型函数中一方面输入曲轴的几何和弹性参量，另一方面也输入当前存在的工作条件例如产生的功率和/或转矩。包含曲轴的所有相关的几何和弹性参量的模型函数现在可以容易地经由此前求得的修正函数来校准。作为边界条件，对于零负荷，扭曲也必然是零。

按照一种优选的进一步方案规定，因气缸而异的角度偏差值实时地基于发动机输出信号进行计算。因此确定以下情况：角度偏差的计算实时地发生，也就是说，不追溯角度偏差的事先完成的解法，而是立即也就是说直接地在当前发动机循环中进行计算。该实施方式的特别的优点在于，在分析中可以考虑快速改变的参数例如波动的发动机负荷。

优选可以规定，至少一个发动机调节参量根据至少一个因气缸而异的角度偏差值改变。这说明以下情况：至少一个发动机调节参量得到求得的角度偏差作为另外的输入参量，并且可以补偿所述至少一个气缸的度偏差。发动机调节参量例如可以是点火时刻或者燃料喷入时刻或燃料输入装置的打开时间。例如在对于一个气缸Z_i求得正角度偏差时(也就是说具有标记i的气缸Z比规定更早地到达其位置)，将该气缸的点火时刻提前。

按照另一优选实施方式规定，至少一个发动机测量信号经由至少一个因气缸而异的角度偏差值修正。因此意味着，发动机的测量信号例如气缸压力检测信号借助于求得的角度偏差值修正。修正意味着，通过考虑角度偏差，测量信号可以明显更精确地与考察的活塞-气缸单元的活塞的实际位置相配。这特别是对于气缸压力检测是关注的，因为曲轴角度确定活塞在气缸中的空间位置。在角度偏差时，检测的气缸压力与错误的活塞空间位置相配。因此因一般性而言修正对于发动机诊断是特别有利的，因为传感器信号现在总是可以与正确的曲轴位置相配。

附图说明

下面借助附图详细地解释本发明的优点。附图如下：

图1a和1b显示内燃机的示意图；

图2显示对于90°点火间隔的由扭转引起的曲轴角度偏差图；

图3显示对于120°/60°点火间隔的由扭转引起的曲轴角度偏差图。

具体实施方式

图1a示意性显示具有八个气缸的内燃机，在驱动侧(在此情况下通过发电机G标记)在左侧气缸列上开始计数。在V型发动机时，气缸Z1～Z4处在左侧气缸列上，气缸Z5～Z8处在右侧气缸列上。也示意性表示曲轴K，气缸Z1～Z8经由连杆与该曲轴连接。气缸Z1，也就是说通过连杆由气缸Z1导入力的位置，非常靠近假定为夹紧的输出侧。

图1b显示具有八个气缸成列布置的内燃机。在该直列式发动机中，计数从Z1至Z8。

在该例子中点火顺序为Z1→Z6→Z3→Z5→Z4→Z7→Z2→Z8。

在图1b中点火间隔表示为90°的曲轴角度差。在气缸Z8点火之后，又以气缸Z1开始。对于该例子，点火间隔关于曲轴角度以气缸上的相同间隔分布。每90°曲轴角度发生一次点火事件。

图2显示曲线图，在一个完整个工作循环即720°曲轴角度上在纵坐标上描述在气缸Z8位置上的由扭转决定的曲轴角度偏差

如果现在经历刚刚解释的点火顺序，则得到下面讨论的所示出的角度偏差为了更好地理解，在平行错开的副轴线上画出在相应曲轴位置上点火的气缸。首先气缸Z1在0°曲轴角度上点火。因为气缸Z1非常靠近假定为刚性的输出侧，所以气缸Z1的点火事件关于气缸Z8的曲轴位置能像没有引起曲轴扭曲一样。

90°曲轴角度之后的下一个点火事件在气缸Z6上发生。由于与输出侧的距离，这引起对曲轴扭绞的较大贡献。

换言之，在90°曲轴位置上的曲线峰值等于曲轴在气缸Z6位置上的由气缸Z6引起的角度偏差。

下一个点火事件是在气缸Z3发生，在180°曲轴角度发生。该气缸(更准确地说属于该气缸的连杆在曲轴上的作用点)没有气缸Z8离输出侧远，并且因此对于曲轴在气缸Z8位置上的扭绞仅会有较小的贡献。下一个点火事件(气缸Z5)在270°曲轴角度发生，并且由于与输出端更近而例如与气缸Z8和Z3相比对于在气缸Z8的曲轴位置上的扭绞具有明显更低的贡献。接下来气缸Z4点火并且引起较强的扭绞(可与气缸Z8相比)，因为它与气缸Z8离输出端类似地远。下一个点火事件是气缸Z7在450°曲轴角度时的点火。接着的点火事件是气缸Z2在540°曲轴角度时的点火和气缸Z8在630°曲轴角度时的点火。720°又对应于刻度开始0°，即气缸Z1点火。

如果将用于其他气缸的由扭转决定的角度偏差画成曲线图，则最大值处于为气缸Z8画出的曲线以下，以它们到假定为固定夹紧的输出侧的相应的距离进行缩放。

可见，气缸由于它们与输出侧的不同距离而对曲轴在气缸位置Z8上的扭绞有完全不同的贡献。因此产生的曲线以按曲轴角度分辨和因气缸而异的方式(在此对于气缸Z8的曲轴位置进行显示)描述由扭转决定的曲轴扭绞。角度偏差的该特征(i作为相应气缸的计数)现在可以在每个任意的气缸上或者在每个任意的曲轴轴向位置上进行外插，因为作为其他边界条件，由扭转引起的对于气缸Z1的角度偏差为零是已知的。

通过等距地选择点火间隔(都是90°)，在扭转振动传播方面对于所有气缸得到相同的时间间隔，这意味着，扭转振动对于所有气缸具有相同的传播时间。角度偏差的高度单纯地经由气缸在曲轴上的轴向位置得到。

图3以与图2类似的曲线图显示在图1a中显示的但具有不同点火间隔的八缸发动机的气缸Z8的角度偏差点火顺序保持Z1→Z6→Z3→Z5→Z4→Z7→Z2→Z8，但是用曲轴角度表示的点火间隔为120°、60°、120°、60°、120°、60°、120°等等。如借助图2解释的，在气缸Z1与Z3以及Z4与Z2之间的点火间隔也是180°，但是在气缸Z6→Z3、Z4→Z7以及Z8→Z1之间的点火事件之间时间间隔仅为60°。改变的点火间隔影响角度偏差的图形，该图形在此为气缸Z8的曲轴位置画出。在0°曲轴角度上气缸Z1点火又对于在气缸Z8位置上的曲轴扭绞没有明显影响。对扭绞的影响与点火间隔成比例，因为120°的点火间隔引起，与60°的点火间隔时的情况相比，导入的扭转振动可以更久地传播。

在按图2的点火间隔的例子中所有气缸以相同的点火间隔点火并且因此产生的扭转振动分别具有相同的传播时间，而在图3的120°/60°的点火间隔的例子中得到角度偏差的不同图形。在120°点火间隔点火的那些气缸对扭转振动的贡献与在60°点火间隔点火的那些气缸对扭转振动的贡献相比为2∶1，贡献比例表达为加权因子，即2/3对1/3。

加权因子考虑，多久以后进行下一个力导入。

产生的角度偏差的图形现在又可传递到每个任意的曲轴轴向位置，因为作为边界条件又确定，在气缸Z1在输出侧上不产生扭曲。

按照方法可能的是，在不测量的情况下并且仅仅由点火间隔和点火顺序以及气缸彼此相对距离的认识，按曲轴角度分辨的方式对于每一个气缸确定通过扭转或扭转振动造成的角度偏差的绝对值。本发明利用以下知识：在720°曲轴角度的时间段上，固定不动的轴受到扭转或扭转振动的影响。

通过加权因子考虑，点火顺序是否是和谐的(在所有气缸上相同的点火间隔)，或者点火间隔是否在不同大小的间隔中(表示为曲轴角度)进行。在两个点火事件之间的曲轴角度与振动影响的时间是相同意的。均匀的点火间隔解释为波，所有点火事件在相中出现，在不同大小的点火间隔时得到多个波(在两个不同点火间隔时为两个波)，它们彼此有相位差。

通过本发明的方法可以特别有利地运行发动机诊断，因为传感器信号现在可以始终与正确的曲轴位置相配。例如气缸压力监控的传感器信号可以关于扭转角度偏差进行修正。总之可以实现对燃烧的更高品质的控制并且因此更高效率和更高功率密度。通过点火时刻和在气缸中测量例如气缸压力检测的改进的精度，该方法是尤其有利的。

Claims (12)

1.用于控制具有多个气缸的内燃机的方法，所述方法包括：

提供所述内燃机，所述内燃机在曲轴的固定夹紧的输出侧处连接到发电机；

通过多个连杆将所述内燃机的多个气缸连接在所述内燃机的曲轴上；

使用测量装置为工作循环的每个曲轴角度测量发生在曲轴的扭转与未扭转状态之间的扭转偏差，以使所述多个气缸中的每个气缸获得测量角度偏差，

基于所述测量角度偏差对于所述多个气缸之中的至少两个气缸中的每一个计算出因气缸而异的、按曲轴角度分辨的角度偏差值，并且

根据所述角度偏差值修正所述内燃机的促动器的促动信号，以及根据所述角度偏差值修正来自所述内燃机中的传感器的信号，以控制所述内燃机。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于工作循环的每个曲轴角度的所述测量角度偏差计算所述角度偏差值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述测量角度偏差来计算所述角度偏差值是根据工作条件进行的。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，为了计算所述角度偏差值，考虑各个气缸与所述曲轴的假定为固定夹紧的输出侧的几何间隔。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，为了计算所述角度偏差值，考虑气缸的点火间隔。

6.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述角度偏差值通过模型函数进行计算。

7.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述角度偏差值实时地基于发动机输出信号进行计算。

8.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，至少一个发动机调节参量根据至少一个因气缸而异的、按曲轴角度分辨的角度偏差值改变。

9.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，至少一个发动机测量信号通过至少一个因气缸而异的、按曲轴角度分辨的角度偏差值进行修正。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，发动机测量信号是气缸压力测量结果。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内燃机为固定不动的内燃机。

12.具有多个气缸的内燃机，所述内燃机构造成用于执行按权利要求1至11中任一项所述的方法。