CN107949692A - 用于确定与曲柄角测量有关的偏移的方法和控制系统 - Google Patents

用于确定与曲柄角测量有关的偏移的方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及结合内燃活塞式发动机(10)的汽缸(12)来确定有关曲柄角测量的偏移(38)的方法，在该方法中，所述发动机(10)旋转并且抑制所述汽缸中的燃料燃烧，确定标示平均有效压力的基准值，在所述汽缸的所有气体交换阀保持关闭期间，在曲柄角范围内确定所述汽缸中的标示平均有效压力的积分值，并且其中，所述活塞的死点位置位于所述范围内，基于标示平均有效压力的所确定的积分值和所述标示平均有效压力的基准值来确定曲柄角位置偏移值。

Description

用于确定与曲柄角测量有关的偏移的方法和控制系统
技术领域
本发明涉及结合内燃活塞式发动机的汽缸来确定有关曲柄角测量的偏移的方法。本发明还涉及用于结合内燃活塞式发动机的汽缸来确定有关曲柄角测量的偏移的控制系统。
背景技术
内燃活塞领域的环境问题在该领域的发展中的作用越来越大。现行规定的严格要求和期望要求使用准确的控制系统来操作发动机。为了提供准确的控制系统，需要有来自发动机环境的可靠信息作为控制反馈。
与内燃发动机相关的最有价值的燃烧参数之一是标示平均有效压力(IMEP:indicated mean effective pressure)。常常基于对汽缸压力的测量而以汽缸方式计算IMEP。
在文献US 4944271中，描述了一种用于控制内燃发动机的燃烧的控制器。该控制器基于诸如点火正时和空燃比的特定驱动控制参数来控制燃烧，以优化驱动性能的某些燃烧参数的值和波动范围。用于控制内燃发动机中的燃烧过程的燃烧参数例如包括最大燃烧压力、实现最大燃烧压力时的曲柄角、燃烧压力的最大上升率以及标示平均有效压力。这些燃烧参数由控制器基于通过压力传感器检测到的发动机的汽缸中的压力分布来确定。
因为压力传感器被直接附接至发动机，所以压力传感器经受温度的显著变化，从而导致随着使用年限而劣化的趋势。有鉴于此及其初始不稳定性，由传感器实现的压力准确检测实际上是麻烦的。
US 4944271公开了一种按照压力感测装置的偏移来校正压力测量的方式，该偏移通过比较汽缸内的压力(在曲柄处于由曲柄角传感器所检测到的上死点位置时的时刻，由压力感测装置检测到)与发动机的压缩比和由歧管压力传感器检测到的歧管压力的乘积来确定。还公开了用于补偿温度效应的附加过程。
本发明的目的是提供一种用于结合内燃活塞式发动机的汽缸来确定有关曲柄角测量的偏移的方法，根据该发动机，与现有技术解决方案相比显著改进了性能。
而且，本发明的目的是提供一种用于结合内燃活塞式发动机的汽缸来确定有关曲柄角测量的偏移的控制系统，其与现有技术解决方案相比显著改进了性能。
发明内容
本发明的目的可以基本上如在独立权利要求和描述本发明不同实施方式的更多细节的其它权利要求中所公开的那样得到实现。
在实践结合内燃活塞式发动机的汽缸来确定有关曲柄角测量的偏移的方法时，根据该发动机
-所述发动机旋转，并且被抑制所述汽缸中的燃料燃烧，
-确定标示平均有效压力的基准值，
-在汽缸的燃烧室关闭期间，在曲柄角范围内确定所述汽缸中的标示平均有效压力的积分值，并且其中，所述活塞的死点位置对称地位于所述范围内，以及
-基于标示平均有效压力的所确定的积分值和所述标示平均有效压力的所述基准值来确定曲柄角位置偏移值。
所述曲柄角位置偏移值使得可以提高限定实际IMEP值的准确度，由此可以进一步改进内燃机中燃烧过程的控制。具体来说，可以解决汽缸压力传感器的动态之间的差异。
抑制汽缸中的燃料燃烧的步骤可以包括主动控制燃料燃烧的停止，或者利用发动机循环的不发生燃烧的阶段，这稍后将在本公开中变得明显。
根据本发明的实施方式，所述方法被用于校准曲柄角位置测量，使得所述曲柄角位置偏移值被用于校正曲柄角位置测量值。
根据本发明的实施方式，所述方法被用作诊断所述汽缸压力测量中的所述位置偏移。
根据本发明的实施方式，所述死点位置是上死点位置，并且在所述方法期间，抑制燃料进入所述汽缸和/或开始燃烧。
当所述死点位置是上止点位置时，可以在所述发动机的停止过程中同时所述发动机因其惯性而仍在旋转时实施所述方法。这种方式不需要特定排布结构。上死点有利地是压缩冲程与动力冲程期间/之间的上死点。
当四冲程发动机中的汽缸的所有气体交换阀保持关闭时，所述汽缸的燃烧室在该发动机中关闭。所述燃烧室是由汽缸侧壁、汽缸顶壁或汽缸盖以及活塞顶部所限定的空间。
根据本发明的实施方式，所述死点位置是下死点位置，并且所述汽缸的所有进气阀关闭，使得在所述方法期间，所述气体交换阀全部保持关闭。
根据本发明的实施方式，所述汽缸中的所述标示平均有效压力的所述积分值利用下面的公式来确定
其中，
IMEP＝所述标示平均有效压力的所述积分值
θ1＝所述范围的起始角
θ2＝所述范围的结束角
VR＝当所述发动机在曲柄角θ1到θ2的范围内旋转时，所述活塞扫过的汽缸容积
p＝所述汽缸中的测量压力(汽缸容积的导数)
根据本发明的实施方式，所述起始角与结束角之间的曲柄角范围在死点位置上是对称的。这样，由于所述标示平均有效压力的所述基准值为零，因此容易确定所述偏移值。
当所述死点位置是上死点位置时，所述范围的所述起始角在上死点之前小于或等于180度，并且所述范围的所述结束角在上死点之后小于或等于180度。根据本发明的特定实施方式，所述范围的所述起始角在上死点之前小于或等于100度，并且所述范围的所述结束角在上死点之后小于或等于100度。
当所述死点位置是下死点位置时，所述范围的起始角在下死点之前小于或等于100度，并且所述范围的结束角在下死点之后小于或等于100度。下死点有利地是进气冲程与压缩冲程期间/之间的下死点。
这提供了一种性能得到显著改进的装置。通常情况下，位置校准，即，汽缸压力与汽缸容积之间的相位同步根据飞轮的位置完成，然而，这种校准仅仅在一定程度上是准确的。可以影响校准的其它因素例如是测量系统中的测量延迟。利用本发明，可以显著改进准确度。
附图说明
下面，参照所附的示例性示意图对本发明进行描述，其中，
图1例示根据本发明实施方式的内燃活塞式发动机中的控制系统，
图2例示根据本发明另一实施方式的内燃活塞式发动机中的控制系统，
图3例示本发明的操作的示例，并且
图4例示本发明的操作的另一示例。
具体实施方式
图1和图2示意性地描绘了根据本发明实施方式的适于结合内燃活塞式发动机10的控制系统。发动机10仅参照该发动机的一个汽缸以极其简化的方式加以描绘。本发明提供了一种用于结合发动机的燃烧控制系统来确定有关曲柄角测量的偏移的方法和控制系统，其可以被用于提供对发动机的更准确控制。
如已知的那样，发动机的主要组件是一个或更多个汽缸12和被设置成在汽缸12中往复运动的活塞14。汽缸12中的气体交换由气体交换阀22、24控制，气体交换阀22、24包括至少一个进气阀24和至少一个排气阀22。活塞14中的每一个都通过连杆18连接至曲柄轴16。因此，部件的机械尺寸限定了燃烧室20的几何形状以及当活塞在其上死点与下死点之间移动时所扫过的容积。
用于结合发动机10的燃烧控制系统来确定与曲柄角测量有关的偏移的控制系统11包括汽缸压力传感器26，汽缸压力传感器26适于测量汽缸12的燃烧室20中的压力并提供压力信号。还存在曲柄轴位置传感器，即，设置在控制系统中的曲柄角传感器28，用于提供指示曲柄轴16的位置的信号。
该控制系统还设置有汽缸容积确定单元30，汽缸容积确定单元30适于从曲柄角传感器28接收指示曲柄轴16的位置的信号。汽缸容积确定单元30包括用于将位置信号转换成相应汽缸容积的可执行指令。这可以基于预定的查寻表或者属于所述指令的用于数值计算的功能。汽缸容积确定单元30适于在相应曲柄角提供指示汽缸容积的信号。
控制系统11还包括标示平均有效压力(IMEP)确定单元32，其在下面被称作IMEP单元32。IMEP单元32连接至汽缸压力传感器26，并且适于从汽缸压力传感器26接收压力信号。IMEP单元32还连接至汽缸容积确定单元30，并且适于接收指示汽缸容积的信号。IMEP单元32还连接至曲柄角传感器28，并且适于从曲柄角传感器28接收指示曲柄轴16的位置的信号。IMEP单元32设置有用于确定汽缸12中的标示平均有效压力的积分值的可执行指令。具体来说，所述指令包括通过利用下面的公式来确定标示平均有效压力的积分值的指令
其中，
IMEP＝标示平均有效压力的积分值
θ1＝使用范围的起始曲柄角
θ2＝使用范围的结束曲柄角
VR＝当发动机在曲柄角θ1到θ2的范围内旋转时，由活塞所扫过的汽缸容积(其可从汽缸容积确定单元30获取)
p＝所述汽缸中的测得压力(可从汽缸压力传感器26获取)
控制系统还设有控制器单元36和设定点单元34。设定点单元34适于为控制器单元36提供基准值。控制器单元36连接至设定点单元34和IMEP单元32。控制器单元36适于从IMEP单元32接收标示平均有效压力的积分值和由设定点单元34提供的基准值。控制器单元36设置有用于提供曲柄角位置偏移值作为其输出38的可执行指令。由设定点单元提供的基准值表示针对给定曲柄角范围的标示平均有效压力的目标积分值，而来自IMEP单元32的标示平均有效压力的积分值表示来自发动机的反馈值。
图1涉及控制系统11，控制系统11用于确定与活塞经过上死点位置的曲柄角范围有关的偏移。为了在活塞经过上死点时使用控制系统，在确定偏移期间向控制系统提供指令以禁止燃料进入汽缸12。根据本发明的实施方式，IMEP单元32适于提供输出信号，输出信号由从IMEP单元延伸至燃料喷射器23的线33描绘，基于输出信号，发动机的燃烧控制系统(未示出)省略燃料进入燃烧室和/或在燃烧室内点火。这可以通过控制燃料喷射器23在所讨论循环期间不喷射任何燃料来实现。因此，在实施该方法时，抑制使燃料进入汽缸和/或引发燃烧。
还可设想的是，当发动机因其惯性而仍在旋转但为了停止发动机已停止供油时，执行本方法。因此，在进气阀24和排气阀22同时关闭期间执行偏移确定，并且在该方法期间不发生燃烧和/或燃料的燃烧被禁止。
图2涉及用于确定与活塞经过下死点的曲柄角范围有关的偏移的控制系统11。根据本发明的第一实施方式，为了在活塞经过下死点时利用控制系统，控制系统设置有用于关闭进气阀24并在确定偏移期间保持阀门24关闭的指令。现在，汽缸12处于进气-压缩冲程阶段，并因此基于气体交换阀的正常控制在任何情况下关闭排气阀22。根据本发明该实施方式，IMEP单元32适于提供输出信号，该输出信号由在控制系统的IMEP单元32与进气阀24之间延伸的线33’描绘，基于输出信号，发动机的燃烧控制系统(未示出)在实施该方法的同时控制进气阀24关闭。因此，在进气阀24和排气阀22(即，所有气体交换阀)同时关闭期间执行偏移确定，并且在该方法期间不发生燃烧和/或燃料的燃烧被禁止。
根据本发明的第二实施方式，为了在活塞正经过下死点时利用控制系统，控制系统设置有用于在进气阀24和排气阀22同时关闭期间执行偏移确定的指令。因为汽缸12处于进气压缩冲程阶段，基于气体交换阀的正常控制在任何情况下关闭排气阀22。在这个实施方式中，出于其它原因，进气阀24在下死点之前提前关闭，并且阀门被关闭的信息经由通信线路33'传送至IMEP单元32，并且被用作允许开始确定偏移值的信号。
即使单独地公开了用于确定上死点和下死点附近的偏移值的实施方式，也可以设想提供具有两种替代方案的发动机。在该情况下，偏移值的确定可以利用例如取决于发动机的运行情况的任一种方式来实施。例如，在发动机的高负载下，进气阀提前关闭比在汽缸中设置不发火更合适。
该控制系统如在下面说明的结合内燃活塞式发动机的汽缸来确定有关曲柄角测量的偏移的方法中所公开的那样操作。在结合内燃活塞式发动机的汽缸来确定有关曲柄角测量的偏移的方法中，涉及以下步骤。首先，必要的是，发动机旋转或者至少在预定曲柄角范围内并且至少结合实施该方法的汽缸旋转，使得在实施该方法期间抑制燃料燃烧。出于实施该方法的目的，通过设定点单元34确定标示平均有效压力的基准值。在曲柄角范围内确定汽缸内的标示平均有效压力的积分值，在此期间，燃烧室关闭，即，汽缸的所有气体交换阀保持关闭，其中，活塞的死点位置利用该范围定位，并且基于标示平均有效压力的所确定的积分值和标示平均有效压力的基准值来确定曲柄角位置偏移值。
下面，参照图3，对该方法的基本原理进行说明。在这种情况下，在活塞的上死点TDC所在的范围内实施该方法。图3示出了图表，其中，水平轴以度描绘曲柄角(CA)，而垂直轴表示变量的归一化值，所述变量是汽缸容积的导数42和在实施该方法期间在抑制燃料燃烧的同时汽缸在三种不同情况下的所测量压力40.1、40.2、40.3。换句话说，发动机是所谓机动的。作为示例，这里，该范围的起始角θ1在上死点之前为180度，并且该范围的结束角θ2在上死点之后为180度。应注意，只要燃烧室被气体交换阀关闭，所使用的范围就可以变化。然而，如果该范围太窄，那么计算对干扰的灵敏度会增加。标示平均有效压力的积分值由上面的公式确定。
当曲柄角范围在死点位置上对称时实施该方法。在这种情况下，起始曲柄角在死点位置之前和结束曲柄角在死点位置之后同样大，并且基准值为零。因此，标示平均有效压力的积分值相对于零的偏差显示偏移状态。该公式可以被解释为汽缸压力与汽缸容积导数的乘积之和，并且可以看出，当压力40.1与容积处于同一相位时，才可以达到零IMEP。使压力向左移位至40.2的相移意味着负IMEP，而向右移位至40.3意味着正IMEP。
该范围也可以不同地选择。例如，当该范围在上死点附近时，该范围在机动运转该发动机时，因四冲程发动机在压缩和动力冲程阶段期间的气门正时而可以相当宽。已经发现，为了充分准确的计算，起始角θ1在上死点之前至少为100度，并且该范围的结束角θ2在上死点之后至少为100度。
在图4中示出了类似于图3中的图表，但在这里，角范围在四冲程发动机的进气压缩阶段期间处于汽缸的下死点附近。此外，水平轴以度描绘了曲柄角(CA)，而垂直轴表示变量的归一化值，所述变量是汽缸容积42的导数和汽缸在三种不同情况下的所测量压力40.1、40.2、40.3。
而且，在这种情况下，当曲柄角范围在死点位置上对称时实施该方法。在这种情况下，起始曲柄角在死点位置之前和结束曲柄角在死点位置之后同样大，并且基准值为零。因此，标示平均有效压力的积分值相对于零的偏差显示偏移状态。该公式可以被解释为汽缸压力与汽缸容积导数的乘积之和，并且可以看出当压力40.1与容积处于同一相位时，才可以达到零IMEP。使压力向左移位至40.2的相移意味着负IMEP，而向右移位至40.3意味着正IMEP。
该范围也可以不同地选择。例如，当范围在下死点附近时，可用范围大部分受到进气冲程期间进气阀需要打开的所需时间的限制。然而，可以在下死点之前完全关闭进气阀，特别是在发动机增压时，在这种情况下，升高的充填压力(charge pressure)补偿较短的进气阀打开时间，即，更早的关闭正时。已经发现，为了充分准确的计算，起始角θ1在下死点之前至少为100度，并且该范围的结束角θ2在上死点之后至少为100度。应注意到，在该实施方式中，只要燃烧室被气体交换阀关闭，所使用范围就可以变化。然而，进气阀实际上应当尽可能早地打开，因为如果范围太窄就无法避免宽泛地增加计算对干扰的灵敏度。
虽然本发明已经结合当前认为最优的实施方式，通过示例的方式进行了描述，但要明白的是，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在覆盖其特征的各种组合或修改，以及包括在本发明范围内的几个其它应用，如所附权利要求书中所限定的。结合上述任何实施方式所提及的细节可以在与另一实施方式的组合于技术上可行时结合该实施方式来加以使用。

Claims (12)

1.一种结合内燃活塞式发动机(10)的汽缸(12)来确定有关曲柄角测量的偏移(38)的方法，在该方法中：
-所述发动机(10)旋转，并且在所述方法期间被抑制所述汽缸中的燃料燃烧，
-确定(34)标示平均有效压力的基准值，
-在汽缸的燃烧室关闭期间，在曲柄角范围内确定(32)所述汽缸中的标示平均有效压力的积分值，并且其中，所述活塞的死点位置对称地位于所述曲柄角范围内，
-基于标示平均有效压力的所确定的积分值和所述标示平均有效压力的所述基准值来确定曲柄角位置偏移值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法被用于校准所述曲柄角位置测量，使得所述曲柄角位置偏移值被用于校正曲柄角位置测量值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法被用于诊断所述汽缸压力测量中的位置偏移。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述死点位置是上死点位置，并且在所述方法期间，抑制燃料进入所述汽缸和/或开始燃烧。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述发动机的停止过程期间同时所述发动机因其惯性而仍在旋转时，实施所述方法。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述死点位置是下死点位置，并且所述汽缸的进气阀关闭，使得在所述方法期间，气体交换阀全部保持关闭。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述汽缸中的标示平均有效压力的积分值利用下面的公式来确定
<mrow> <mi>I</mi> <mi>M</mi> <mi>E</mi> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>V</mi> <mi>R</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msubsup> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mi>d</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mi>V</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow>
其中，
IMEP＝标示平均有效压力的积分值
θ1＝所述范围的起始角
θ2＝所述范围的结束角
VR＝当所述发动机在曲柄角θ1到θ2的范围内旋转时，所述活塞扫过的所述汽缸的容积
p＝所述汽缸中的测得压力
8.根据权利要求4或7所述的方法，其特征在于，所述范围的起始角(θ1)在上死点之前小于或等于180度，并且所述范围的结束角(θ2)在上死点之后小于或等于180度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述范围的起始角(θ1)在上死点之前小于或等于100度，并且所述范围的结束角(θ2)在上死点之后小于或等于100度。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述范围的起始角(θ1)在下死点之前小于或等于100度，并且所述范围的结束角(θ2)在下死点之后小于或等于100度。
11.一种结合内燃活塞式发动机(10)的汽缸来确定有关曲柄角测量的偏移的控制系统，该控制系统包括：
-汽缸压力传感器(26)，该汽缸压力传感器适于测量所述汽缸(12)的燃烧室(20)中的压力并提供压力信号，
-曲柄轴位置传感器(28)，该曲柄轴位置传感器提供表示所述发动机(10)的曲柄轴(16)的位置的信号，
其特征在于：
-汽缸容积确定单元(30)，该汽缸容积确定单元适于从所述曲柄角传感器(28)接收所述表示所述曲柄轴(16)的位置的信号，并且适于提供表示所述汽缸在相应曲柄角的容积的信号，并且该汽缸容积确定单元(30)包括用于将所述位置信号转换成相应汽缸容积的可执行指令，并且特征在于
-标示平均有效压力(IMEP)确定单元(32)，该标示平均有效压力(IMEP)确定单元连接至所述汽缸压力传感器(26)和所述汽缸容积确定单元(30)，并且适于从所述汽缸压力传感器(26)接收所述压力信号并接收所述表示所述汽缸的容积的信号，该平均有效压力(IMEP)确定单元(32)还连接至曲柄角传感器(28)并适于接收所述表示所述曲柄轴(16)的位置的信号，并且所述标示平均有效压力(IMEP)确定单元(32)被提供有用于确定所述汽缸(12)中的标示平均有效压力的积分值的可执行指令，以及
-控制器单元(36)和设定点单元(34)，其中，所述设定点单元适于为所述控制器单元(36)提供基准值，并且所述控制器单元(36)连接至所述设定点单元(34)和所述标示平均有效压力(IMEP)确定单元(32)，并且所述控制器单元(36)适于从所述标示平均有效压力(IMEP)确定单元(32)接收标示平均有效压力的积分值并且接收由所述设定点单元(34)提供的基准值，并且所述控制器单元(36)还被提供有用于提供曲柄角位置偏移值的可执行指令。
12.根据权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统被设置成执行根据前述权利要求1至10中任一项所述的方法。
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