CN106948951B - 用于诊断将水喷射到内燃发动机的燃烧室中的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于诊断向内燃发动机的燃烧室(101)中的水喷射的方法，其中，由爆震传感器20的信号求得内燃发动机的爆震倾向，并且分析处理用于诊断喷水装置的爆震倾向。

Description

用于诊断将水喷射到内燃发动机的燃烧室中的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于将水喷射到内燃发动机的燃烧室中的方法和设备。

背景技术

由DE 39 28 611已经公开了一种用于将水喷射到内燃发动机的燃烧室中的方法或设备。

发明内容

与此相对，根据本发明的用于诊断将水喷射到内燃发动机的燃烧室中的方法或设备具有这样的优点：能够检验喷水的能运转性。因为，在大多数现代发动机中本来设置有爆震传感器，那么对于喷水装置的诊断不需要仅为此目的而设置其它传感器。由此，通过分析处理本来用于内燃发动机运行已存在的数据，喷水装置的诊断特别简单和低成本地进行。在此，特别简单地求得内燃发动机的爆震倾向，其中，这种程度与所使用的爆震传感器类型无关。因此，根据本发明的方法或根据本发明的设备能够在没有大的费用的情况下用于匹配不同传感器类型。由此，根据本发明的方法或根据本发明的设备是非常低成本的并且可靠地识别出喷水装置的故障。

其它优点和改进通过优选实施方式的措施得出。通过将内燃发动机的爆震倾向与对比值比较，喷水装置的诊断特别简单地进行。在此，对于内燃发动机的不同运行范围设置不同的对比值。通过这些相对较简单的措施已经能够以高质量来进行喷水装置的诊断。喷水装置的更好的诊断能够通过在预给定的运行范围中的第一和第二测量来进行。通过比较两个测量能够进行喷水装置的非常准确的诊断。当在两个测量中的一个中，喷射到燃烧室中的量为零，即当没有水喷射到燃烧室中时，该效果则特别强烈。当在爆震倾向的第一测量和爆震倾向的第二测量之间增加喷水量时，则在喷水装置正常运行情况下会减小爆震倾向。当根据测量不能确定这种情况时，则能够诊断出喷水装置的功能故障。当在爆震倾向的第一测量和爆震倾向的第二测量之间减少喷水量时，则会增大爆震倾向。当这被证实时，喷水装置则无缺陷地运行，而当这未被证实时，则认为喷水装置功能故障。两种做法允许具有高精确度的简单诊断，因为，通过两个测量的比较，爆震倾向的小的变化即可获知。在两种方法中，以减少的喷水量的运行应该仅短暂进行，以便避免内燃发动机的爆震运行。特别有利的是二级方法，在该方法中，具有减少的喷水量的内燃发动机运行仅在存在故障怀疑时进行。对此，首先将爆震倾向的绝对值与用于相关运行区域的对比值进行比较，并且在此，当超出对比值时，喷水装置则被诊断为有潜在故障。然后进行这样的方法：在该方法中比较具有不同喷水量的两个测量值。由于第二级只在故障怀疑时进行，则能够很大程度避免或者只在绝对必要时进行带有减少的喷水量的暂时运行，在该运行中存在增大的爆震倾向。在具有多气缸的内燃发动机中，能够对每个气缸单独执行用于诊断的该方法。在另一构型中，也能够在具有多气缸的内燃发动机中相互比较不同气缸的测量值，由此通过交叉比较改进单个气缸的喷水装置的诊断。燃烧噪声的强度或爆震燃烧频率或者由爆震调节装置求得的用于点火角度的爆震极限尤其适用于该爆震倾向。

附图说明

本发明的实施例在示图中示出并且在接下来的描述中详细阐述。本发明示出：

图1到图3具有喷水装置的内燃发动机的不同构型

图4用于诊断的第一方法

图5用于诊断的第二方法，和

图6用于诊断喷水装置的第三方法。

具体实施方式

在图1中示意性示出发动机，即具有气缸10的内燃发动机。在气缸10中，通过活塞100限定燃烧室101。用于燃烧的空气通过进气管11及用于在气缸10中燃烧的燃料通过燃料喷射器13输送给气缸10或燃烧室101。在此产生的废气通过排气管12从气缸10中排出。在此是常见的汽油发动机或柴油发动机，该发动机在图1中仅示意性示出。其它控制元件例如进气阀和排气阀、用于影响经过进气管11的空气流的器件(例如节气门)、火花塞或电热塞和其它常见的汽油发动机和柴油发动机的元件尤其未被示出，因为它们对于本发明的理解并不重要。此外，在图1中示出将水喷射到进气管11中的装置。喷水装置包括水箱2，该水箱通过连接管道5与电泵1连接。水能够经过连接管道5从水箱2流向电泵1或由电泵1从水箱中抽出。电泵1的借助连接管道5与水箱2连接的一侧在下面称为入口。此外，电泵1具有高压出口，该高压出口借助连接管道5与水轨3连接。水轨3是压力存储器，该压力存储器能够由电泵用水充注并且加载以压力。尤其在喷射到进气管中的情况下，压力相对较小，使得水轨3也能够构造为简单的软管或构造为软管分配器。水轨3之后借助另一连接管道5与喷水器4连接，该喷水器通向进气管11中。在水箱2中的水由此经过电泵1的入口被输送并且在泵1的高压出口处以增大的压力可供使用。之后，所述水被暂时存储在水轨3中，直至水通过喷水装置4的相应开口被喷射到进气管11中。

在水轨3上也能够连接多个喷水器4，这些喷水器用水供给多个气缸10。这尤其在多气缸发动机中(如目前在机动车中是常见的那样)是这样的构型，通过该构型能够个别地以匹配于该气缸的水量供应每个气缸。

通过将水喷射到进气管11中，在气缸10的燃烧室101中，与通过燃料喷射器13喷入的燃料一起产生空气、燃料和水的混合物。通过相应的点火，或者通过火花塞或者在柴油发动机中通过自燃过程，在气缸10的燃烧室中进行燃料-空气混合物的燃烧。通过在该空气-燃料混合物中包含的水进行气缸10中的燃烧室101的有效冷却，由此降低燃烧温度并且在汽油发动机的应用中减小爆震倾向。因此，对汽油发动机的效率或能耗有积极作用的优化点火时间点是可能的。此外，在汽油发动机和柴油发动机中也能够减少有害废气的产生。因此，将水引入到燃烧室中是一种能够对气缸10燃烧室中的燃烧质量产生积极影响的措施。通过该措施能够对废气质量和气缸10的热负载、功率和燃料需求产生积极影响。

在图2中同样示出具有将水喷射到气缸10的燃烧室中的装置的发动机。用参考标记10、11、12、13、1、2、3、4、5、100、101又表明与在图1中相同的物体。然而与图1不同的是，喷水器4不是这样布置，即该喷水器通入进气管11，而是直接通入气缸10的燃烧室101。直接将水喷射到气缸10的燃烧室中比喷射到进气管中需要明显更高的压力。为了将水喷射到进气管11中，几个bar的水压就足够了。由于在空气进气阀向着进气管11方向已关闭并且气缸处于压缩阶段时能够进行到气缸10的燃烧室中的喷射，为了将水喷射到燃烧室中则需要直至200bar数量级的明显更高的压力。因此，水必须以明显更高的压力储存在水轨3中，以便实现直接喷射到气缸10的燃烧室中。对此，高压泵6布置在电泵1后面。高压泵6的入口借助连接管道5与电泵1的高压出口连接。高压泵6的高压出口借助连接管道5与水轨3连接。这实现了这样的布置，在该布置中产生足够高的压力，以便实现将水直接喷射到发动机的燃烧室中。

在图3中示出具有喷水系统的发动机的另一形式。用参考标记1、2、3、4、5、10、11、12、13、100、101又表明与图1中相同的物体。此外，在图3中还示出具有燃料箱14的燃料供给系统，该燃料箱通过连接管道5与前级泵15连接。前级泵15借助连接管道5与高压泵6连接。高压泵6之后通过连接管道5与水轨3连接。这里，高压泵6具有两个入口接口，其中，一个入口接口与用于泵水的电泵1连接，并且高压泵6的另一个入口与燃料前级泵15连接。高压泵6泵吸两种介质并且在它的高压出口处提供两种液体的乳化液，该乳化液具有合适于直接喷射到燃烧室中的压力。由于燃料和水通常不混合，因而给水添加乳化剂，使得通过水和燃料的混合形成燃料和水的乳化剂。该乳化剂之后以相应的高压储存在水轨3中并且通过燃料/水喷射器4直接喷射到气缸10的燃烧室101中。

具有喷水装置的内燃发动机的其它变型方案同样是可能的并且通过在图1至3中示出的发动机的变型得出。例如，将燃料喷射到进气管中也能够伴随同样将水喷射到进气管中或同样将水直接喷射到气缸中进行。作为其它变型方案能够使用双燃料喷射，既喷射到进气管中也喷射到气缸中。在多气缸发动机中，可以仅个别气缸，尤其是高热负载的气缸，设置喷水。

在图1到3中附加地还示出爆震传感器20，该爆震传感器安装在气缸10的外侧上。这样的爆震传感器是固体声音传感器，该固体声音传感器能够探测在气缸中由于燃烧室101中的燃烧而引起的声波。这种固体声音传感器例如构造为压电固体声音传感器或加速度传感器，并且分析处理通过气缸的材料由燃烧室101传递到固体声音传感器20的声波。这种爆震传感器20目前设置在许多内燃发动机中，以便优化内燃发动机的运行。当燃烧室101中的运行条件尽可能地接近爆震运行而未出现爆震时，内燃发动机的燃烧特别有效。因此，为了尽可能有效的运行，内燃发动机尽可能接近发动机的爆震极限运行。由于运行条件的小的变化，例如燃料的稍微变化或发动机运行温度的稍微变化，已经引起未爆震燃烧和爆震燃烧之间的差别，因此需要通过这种爆震传感器20监控：是否达到爆震燃烧并且必要时通过相应的控制措施阻止爆震。

除了固体声音传感器也能够使用其它爆震传感器，尤其将燃烧室压力传感器或离子流传感器用作爆震传感器20。在燃烧室压力传感器的情况下直接测量燃烧室101中的压力。但这种传感器通常不布置在气缸10的侧壁上，而是布置在靠近燃料喷射阀13的上侧。替代地也能够使用离子流传感器，在离子流传感器情况下，两个电极伸进燃烧室101中，在该电极上接上测量电压。流过两个电极之间的离子的电流与压力关系以及也与在燃烧室中产生的压力波有关地变化，这样同样能够识别燃烧室101中的爆震过程。

通过对爆震传感器20的信号的处理，由测量的数据确定燃烧的爆震强度，并且由一次或多次燃烧的爆震强度确定内燃发动机的爆震倾向，即爆震传感器配属给的各气缸10的爆震倾向。爆震结果通常出现在传感器信号的确定的频率范围中。原因在于，通过爆震产生的在燃烧室101中的压力波与燃烧室的几何形状有关地仅出现在确定的频率范围中。传感器信号的进一步处理因此通常首先包含频率过滤，以便只研究在一定频率范围中的信号。当爆震传感器20构造为固体声音传感器时，所测量的固体声音信号则例如被整流并且被积分，以便确定燃烧室中爆震强度的程度。之后，该爆震强度与参考值比较，并且所测量的爆震强度和参考值之间的差别被评估。当爆震强度比参考值高出一个预给定的量值时，则判定了爆震燃烧。

当爆震传感器20构造为固体声音传感器时，爆震强度是燃烧噪声的强度。当爆震传感器20构造为燃烧室压力传感器时，爆震强度则由于燃烧室中的压力波动或压力强度而形成。当爆震传感器20构造为离子流传感器时，燃烧的爆震强度则通过离子流的强度和波动形成。在所有这些传感器中，爆震传感器的信号能够分别在时间区间中被积分，或者能够使用传感器信号的峰值来构成爆震强度。此外，已知通过信号的傅里叶变换和能量观测的复杂分析处理算法用于求得爆震强度。主要根据爆震强度能够简单地通过爆震强度评价：在燃烧室101中是否已出现爆震。

由这样求得的爆震强度之后能够求得相关气缸10的爆震倾向。爆震倾向也由于在气缸10上的多次燃烧得出。为此能够例如确定爆震频率，其中，爆震频率表明多久出现一次爆震燃烧，即相关气缸的爆震强度已被评估为爆震燃烧。在此，爆震频率能够与时间区间有关或与爆震燃烧相对于非爆震燃烧的比例有关。爆震倾向的替代量度也能够在爆震调节的调节进行中看到。爆震调节通常影响点火角度，以便阻止爆震的出现。为此，每次当爆震强度使燃烧被评估为爆震时，使点火角度向较晚的点火角度偏移，即向爆震出现可能性较小的运行范围偏移。当之后经过较长时间段未出现爆震时，点火角度小心地又向更有效运行的方向、即向较早点火角度的方向调节。由爆震调节所得出的点火角度由此同样是用于在燃烧室101中燃烧的爆震倾向的量度。

根据多个相互紧接着的燃烧的爆震强度能够求得爆震倾向，即求得在相关气缸中出现爆震的可能性。为此例如观察多个燃烧的爆震强度，其方法是，将这些爆震强度相加并且确定相对于燃烧数量的比例。这样也能够确定爆震倾向，而不出现爆震燃烧。这种方法替代地用于分析处理爆震燃烧的数量。

在图4中描述了用于诊断在图1到3中所描述的喷水装置的第一方法。为此，在第一步骤21中，内燃发动机在确定的运行范围中运行。在此，运行范围理解为对于内燃发动机运行的相关参数的确定范围，例如环境条件、相关传感器的测量值和影响发动机的促动器的调节值。范围是有意义的，因为，这样可以将彼此相继的测量相互比较并从而被共同考察。发动机运行条件的大的差别，例如一个约为1000转/分钟的空转转速和一个例如4000转/分钟的全负载转速之间的差别导致爆震倾向的明显差别并且因此不能被共同考察。因此，在步骤21中首先求得内燃发动机的运行参数，即转速、负载、空气温度等的值。之后，在接下来的步骤22中求得内燃发动机的爆震倾向。对此，进行多个燃烧的多个测量，其中，在每次测量时确定燃烧的爆震强度。在求得多个燃烧的爆震倾向时所必需的是：对于每个所述测量，内燃发动机处于相同的运行区域中。否则，由于不同的运行条件而不能相互比较这些测量。由此，在步骤22中，由爆震传感器20信号的多个测量求出爆震倾向。

步骤23紧随步骤22，在步骤23中评估这样求得的爆震倾向。在此，爆震倾向与用于爆震倾向的对比值比较。对此，对于各运行区域各存储一个用于爆震倾向的对比值，该对比值与是否进行喷水或者喷射多少水量有关。之后，在步骤23中基于该比较执行喷水装置的诊断。尤其能够确定，喷水装置是否正常运转。当爆震倾向不符合所期望的用于喷水的爆震倾向时，尤其当爆震倾向明显增大时，则能够确定：水喷射到燃烧室中明显不足。因此，在该结果的情况下，喷水装置被诊断为有故障的。

但借助该诊断不能确定故障原因，因为仅确定，是否进行喷水。在这种评估类型中，存在运行范围的选择和对比值之间的联系。当运行范围非常狭窄地或近似点状地被限定时，则能够为评估喷水装置是否正常运转而选择非常接近正常的爆震倾向运行的对比值，并且喷水装置的小的偏差已经能够被诊断出。当选择更宽的运行范围时，则对比值也必须包含与内燃发动机的预期的正常运行的相应更远的间距。相应合适的运行区域和对比值的考虑和设计必须分别与所期望的诊断频率有关地被确定。

在图5中描述用于诊断喷水装置的第二方法。在此，在第一步骤31中进行具有到燃烧室中的第一和第二水量的至少两个测量，并且相互比较这两个测量结果，即相互比较由测量求得的爆震倾向。在此，两个测量在内燃发动机的相同运行区域中进行，使得也给出这样求得的爆震倾向的可比性。

当一水量为零时，即在一个测量中没有水喷射到燃烧室中，而在另一测量中将水喷射到燃烧室中，则在第一和第二测量中分别求得的爆震倾向之间的差别特别大。在这种情况下，该差别特别好，并且因此可以特别简单地确定喷水装置的功能故障。由此，在第一步骤31中进行具有喷射到燃烧室中的第一和第二水量的第一和第二测量。两个测量在内燃发动机的相同运行范围中进行，使得分别求得的爆震倾向能相互比较。

步骤32紧随步骤31，在该步骤32中由具有喷射到燃烧室中的不同水量的两个测量确定第一爆震倾向和第二爆震倾向。步骤33紧随步骤32，在该步骤33中分析处理两个求得的爆震倾向，以便得到喷水装置的诊断。在步骤33中的具体分析处理与在哪个测量中使用较大或较小的水量有关。当第一喷水量小于第二喷水量时，则在第一测量和第二测量之间预期爆震倾向减小。此外，爆震倾向的减小应明显可见。因此，在喷水装置运转良好的情况下预望，第一爆震倾向大于第二爆震倾向，其中，该差别应大于预给定的阈值。当第一爆震倾向没有超过阈值或等于或甚至小于第二爆震倾向时，喷水装置则被诊断为有故障。

当在第一测量中的喷水量高于第二测量中的喷水量时，则在第一和第二测量之间预期爆震倾向增大。该爆震倾向的增大也应该超过阈值。当第二爆震倾向超过第一爆震倾向的量小于阈值或者第二爆震倾向等于或小于第一爆震倾向时，喷水装置则被诊断为有故障。当第二爆震倾向(较少水量)比第一爆震倾向(较多水量)高于一个阈值时，喷水装置则相应地被诊断为运转良好。

在根据图5的方法中允许这样的运行：在该运行中没有水被喷射，使得在此可能出现爆震燃烧，这在原则上是不期望的。与此相对，存在喷水装置的改进的诊断，因为通过在至少两个燃烧过程(一个具有喷水并且另一个没有或者具有减少的喷水)上的比较测量能够实现特别可靠和准确的诊断。在两个应用中必须相应地相互平衡根据图4的方法或根据图5的方法的这两种做法的优点和缺点。

在图6中描述这样的方法：在该方法中，两个优点相互组合并且该方法仅具有较少的缺点。

根据图6的方法的基本构思在于，首先执行根据图4的方法，并且仅当第一方法接近喷水装置的功能故障时才执行根据图5的方法。图6的方法步骤21至23在内容上相应于图4的方法步骤21至23。然而，图6的步骤23区别在于，不是确定喷水装置的功能故障而是确定潜在的故障作为结果。潜在的故障并不意味，喷水被干扰并且采取相应的替代措施，而是仅意味着，执行更准确的诊断方法，即执行根据图5的方法。这里，由于结果不是有故障而只是潜在有故障，相比在单独执行根据图4的方法时是有意义的情况，也能够更清楚地确定为了该方法而在步骤23中所使用的边界值(＝阈值)。也能够允许的是，根据步骤21至23的方法带有一定不准确性地过于频繁地将喷水装置诊断为潜在有故障。

当在步骤23中确定喷水装置潜在有故障时，那么紧接着进行步骤31到33，这些步骤又对应图5的相应步骤31至33。当在步骤33中最终已诊断出喷水装置的故障时，喷水装置才被诊断为有故障并且进行相应的对应措施。与持续执行根据图5的方法相比，在根据图6的方法中，由此相对更少地故意允许没有喷水的运行，这意味着具有增大的爆震倾向的运行。在根据图6的方法中，发动机由此更少地故意在具有增大的爆震倾向的运行中运行。

现在分别针对一个气缸描述图4、5和6的方法。在多气缸内燃机中，该方法对于每个气缸分别单独进行，因为每个气缸至少部分地仅具有配属给气缸的喷水装置组件。即喷水装置4通常单独配属给每个气缸，而泵1和水轨3通常是所有气缸的共用部件。当每个气缸具有自己的喷水器4时，则必须也为每个气缸单独执行诊断方法。然而能够为每个气缸依次进行诊断，使得并不是所有气缸同时以减少的喷水或没有喷水来运行，使得不是所有气缸同时以增大的爆震倾向来运行。这样能够减少爆震燃烧的出现，因为每次多个气缸中只有一个以增大的爆震倾向来运行。

Claims (9)

1.用于诊断向内燃发动机的燃烧室(101)中的水喷射的方法，其中，由爆震传感器(20)的信号求得所述内燃发动机的爆震倾向，并且所述爆震倾向被分析处理用于所述水喷射的诊断，其中，在所述内燃发动机的一个运行范围中，所述内燃发动机以喷射到所述燃烧室(101)中的第一水量和第二水量运行，所述第一水量和第二水量是不同的，并且将所述内燃发动机的在以喷射到所述燃烧室(101)中的第一水量和第二水量运行时的爆震倾向进行比较，其特征为：所述内燃发动机在第一步骤中以第一水量运行并且在第二步骤中以第二水量运行，所述第一水量小于所述第二水量，在所述第一步骤中确定第一爆震倾向并且在所述第二步骤中确定第二爆震倾向，当所述第一爆震倾向高出所述第二爆震倾向一个阈值时，所述水喷射被诊断为功能良好，并且，当所述第一爆震倾向高出所述第二爆震倾向的量小于所述阈值时或所述第一爆震倾向等于或小于所述第二爆震倾向时所述水喷射被诊断为有故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征为：喷射到所述燃烧室(101)中的第一水量或第二水量为零。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征为：在内燃发动机具有多个气缸的情况下针对每个气缸单独执行所述方法用于诊断。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征为：通过燃烧噪声，或通过爆震燃烧的频率或通过由爆震调节求得的用于点火角度的爆震极限，确定所述爆震倾向。

5.用于诊断向内燃发动机的燃烧室(101)中的水喷射的方法，其中，由爆震传感器(20)的信号求得所述内燃发动机的爆震倾向，并且所述爆震倾向被分析处理用于所述水喷射的诊断，其中，在所述内燃发动机的一个运行范围中，所述内燃发动机以喷射到所述燃烧室(101)中的第一水量和第二水量运行，所述第一水量和第二水量是不同的，并且将所述内燃发动机的在以喷射到所述燃烧室(101)中的第一水量和第二水量运行时的爆震倾向进行比较，其特征为：所述内燃发动机在第一步骤中以第一水量运行并且在第二步骤中以第二水量运行，所述第一水量高于所述第二水量，在所述第一步骤中确定第一爆震倾向，并且在所述第二步骤中确定第二爆震倾向，并且当所述第二爆震倾向高出所述第一爆震倾向一个阈值时所述水喷射被诊断为功能良好，并且当所述第二爆震倾向高出所述第一爆震倾向的量小于该阈值时或所述第二爆震倾向等于或小于所述第一爆震倾向时水喷射被诊断为有故障。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征为：喷射到所述燃烧室(101)中的第一水量或第二水量为零。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征为：在内燃发动机具有多个气缸的情况下针对每个气缸单独执行用于诊断的所述方法。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征为：通过燃烧噪声，或通过爆震燃烧的频率或通过由爆震调节求得的用于点火角度的爆震极限，确定所述爆震倾向。

9.用于诊断向内燃发动机的燃烧室中的水喷射的设备，其特征为：具有由爆震传感器的信号求得所述内燃发动机的爆震倾向并且分析处理爆震倾向用于诊断所述水喷射的器件，并且所述设备设置用于实施根据上述权利要求1至8之一所述的方法。

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