CN108350817A - 发动机控制方法和发动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将用于检测内燃机中的失火的发动机控制方法，该内燃机具有用于缸内压力检测的至少一个压力传感器和电子控制单元，其中，所述方法包括以下步骤：i)检测缸内压力，ii)确定发动机曲轴位置，iii)通过所述电子控制单元经由理想气体定律，基于所测量的缸内压力和根据所测量的发动机位置的缸容积，计算温度指数；以及iv)根据所述内燃机的当前膨胀冲程内的所计算温度指数，来确定燃烧事件是否发生在当前膨胀冲程中。

Description

发动机控制方法和发动机控制装置
技术领域
本发明涉及发动机控制方法和发动机控制装置、失火(misfire)检测方法和失火检测装置，并且具体涉及适于广泛用于船舶驱动应用的四冲程中速发动机的失火检测。
背景技术
失火检测系统例如因近来环境问题而变得越来越重要。一般来说，失火的发生降低发动机效率。早期失火诊断还允许防止对废气排放系统的损坏以及用户的后续费用。现今，存在少量低成本方法，以便实时精确地检测单次失火，大多数实际上需要使用昂贵的传感器(例如，压力传感器)或专用电路(例如，电离电流感测)。一种方法可以基于曲轴角速度及其变化的实时分析。这是可能的，因为每个失火事件都产生可以利用适当信号处理算法检测的曲轴角速度的突然扰动。
如上所述，对内燃机的失火检测通常还基于缸内压力测量。检测失火周期的一种方法是计算对应周期期间缸作出的功(work)。这可以通过计算总指示平均有效压力或净指示平均有效压力(IMEP)来实现。
指示平均有效压力(IMEP)通过将每周期每缸的指示功除以每缸的体积排量来计算。
泵送损失(泵唧功)PMEP通过将每周期每缸的泵唧功除以每缸的体积排量来计算。
因此，净IMEP通过从总IMEP中减去泵送损失PMEP来计算。
净IMEP＝总IMEP-PMEP
指示平均有效压力(IMEP)是根据缸内压力计算出的平均有效压力，其该平均有效压力由发动机周期(四冲程为720°、二冲程为360°)内的缸内压力求平均而得到。直接IMEP测量还需要燃烧压力感测设备。
该指示平均有效压力(IMEP)根据下式计算
其中，对于净IMEP，α为360，而对于总IMEP，α为180。
典型地，为了确保控制系统能够在下一个周期的喷射之前采取动作，在达到燃烧之后在下一个下止点之前需要失火状态。根据IMEP计算的性质，这是不可能的。在图1中，示出了基于IMEP的失火检测方法。
发明内容
1.本发明要解决的问题
为了改进发动机控制，需要针对传统技术的替代方法。
而且，为了克服检测失火周期太迟使得控制系统不能在下一个周期喷射开始之前采取对策的问题，需要一种用于失火检测的另选方法。
即，在图1中示出了基于本发明的问题。如上提到，为了例如计算总IMEP，需要从上止点/燃烧之前的-180度到上止点/燃烧之后的180度的(缸内)压力值。然而，如图1所示，该计算结果应当存在于位于上止点/燃烧之后大约120度的安全界线(dead line)处，以便确保适当发动机控制，从而防止在下一个周期中进一步失火。换句话说，如果检测或计算结果在安全界线(例如，TDC(上止点)之后120度)之后提供，那么不能保证发动机控制可以防止下一个周期中的失火。
鉴于上述问题想到本发明。
2.问题的解决方案
上面指出的问题通过根据权利要求1或权利要求2所述的发动机控制方法和根据权利要求9所述的发动机控制装置来解决。进一步有利开发是从属权利要求的主旨。
提供了一种将用于检测内燃机中的失火的发动机控制方法，该内燃机具有用于缸内压力检测的至少一个压力传感器和电子控制单元，该方法包括以下步骤：i)检测缸内压力，ii)确定发动机曲轴位置，iii)通过所述电子控制单元经由理想气体定律，基于所测量的缸内压力和根据所测量的发动机位置的缸容积，计算温度指数；iv)根据所述内燃机的当前膨胀冲程内的所计算温度指数来确定燃烧事件是否发生在当前膨胀冲程中。
与已知方法相比，本发明的另一方面还对应于用于检测更接近燃烧上止点的失火事件的算法，从而允许控制系统在下一个周期喷射命令之前采取针对失火的对策。
本发明可以取决于缸压力的测量、发动机位置以及发动机几何结构的知识，以便根据发动机位置计算缸容积。
本发明可以被用于生成已经接近点火缸的TDC的失火指示。利用该失火指示，可以在下一个燃烧周期之前，通过控制系统采取对策。对策例如可以是燃烧正时(火花正时、引燃正时以及燃油喷射正时)、燃料持续时间和/或气门正时。
本发明的另一方面提供了一种用于检测失火的发动机控制方法，该方法包括以下步骤：
检测缸内压力，
确定发动机位置，以及
如果基于所计算温度指数未检测到在对应缸的应当开始燃烧的上止点位置之后的显著温升，则确定一个周期中的失火。
该温度指数基于理想气体定律来计算。每个单个曲轴角处的温度可以基于测量的相应缸内压力和取决于曲轴角的相应缸容积来计算。由此，可以计算两个测量(即，压力测量)之间的温差和相应已知缸容积。因此，所计算温差和与缸内的截留质量有关的因子nR的乘积提供温度指数。
该温度指数可以被用于测量或者确切地说指示因燃料燃烧造成的与气体量成比例的温升。这意味着如果温度指数的变化>0，那么缸内燃料的燃烧使温度升高。如果温度指数的变化＝0，那么缸内燃料的燃烧不使温度升高。如果从缸中泄漏出比燃料燃烧产生的能量更多的能量，那么温度指数的变化<0。在任何情况下，温度指数的变化<＝0将被解释为失火，并且不存在因燃烧而造成的显著温升。
换句话说，与直接和所测量压力值相关联的常规失火检测相比，根据本发明的失火检测可以更快速地提供是否发生失火的确定。这可以通过利用基于实际缸容积计算的温度指数来实现。由此，可以因失火事件和非失火事件的温度指数紧接在TDC(或指示的点火正时)之后漂移的事实来进行早期辨别。“紧接在TDC之后”是指在TDC之后10度至100度曲轴角内、优选地10度-75度曲轴角内并且更优选地10度-50度曲轴角内，如可以从图3最佳地获得。
与上述IMEP检测相比，根据本发明的方法允许更快地确定当前周期中是否发生失火。详细地说，因此可以在预测燃烧之后大约120度的安全界线之前实现失火检测，该安全界线基本上等于上止点(TDC)之后120度。在二冲程发动机中，无论是通过自点火还是通过火花点火得到，每个上止点都应提供燃烧开始。在四冲程发动机中，仅每第二次经过上止点才能提供燃烧开始。关于火花点火发动机，在应该已由火花塞对燃料点火之前确定或计算出显著温升的情况下，失火确定方法也可以被用于提前点火检测。
与仅在TDC之后经过180度曲轴角之后执行的常规IMEP计算相比，本发明允许在TDC与TDC之后已经假定点火/开始燃烧的至少120度曲轴角之间的失火检测。因此，与包括IMEP计算的常规技术相比，本发明的失火检测可以更早进行。
显著温升可以与缸内的绝热温升明显区分。
所述发动机控制方法优选地包括以下步骤：在下一个周期喷射命令之前，采取防止失火的多个对策中的至少一个对策。这种对策可以包括：燃烧正时或火花正时的调整，和/或引燃喷射正时和/或主燃料喷射正时的调整，燃料喷射量和/或燃料喷射持续时间和/或气门正时的调整。基本上，根据发动机的基本结构，可能对策稍微不同。换句话说，针对四冲程汽油发动机的对策可能与针对二冲程柴油发动机的对策有些不同。
曲轴角可以由曲轴角传感器检测。然而，发动机位置也可以由其它测量(例如，缸压力测量)来确定。
用于检测失火的发动机控制方法还可以优选地提供：确定当前周期中是否发生失火的步骤在对应缸的上止点到位于上止点或燃烧之后大约120度的安全界线的角度范围内进行，以便确保适当发动机控制，优选地在对应缸的上止点到上止点之后120度的范围内进行，并且更优选地在对应缸的上止点至上止点之后100度的范围内进行，并且最优选地在对应缸的上止点至上止点之后75度的范围内进行。图1中在右上侧示出该安全界线处于TDC与180度曲轴角之间，例如，TDC之后大约120度。
与压力变化序列必须持续到TDC之后180度(参见总IMEP)的现有技术相比，可以在TDC之后达到120度之前进行根据本发明的确定。因此，与现有技术相比，本发明的用于控制发动机的电子控制单元具有足够时间来采取措施，使得在随后周期中不发生进一步失火。在根据IMEP计算的失火检测中，所述电子控制单元没有足够时间来采取措施使得在随后周期中不发生进一步失火。因此，不能及时针对下一个周期来改变发动机状态，致使下一个周期很可能也会显示失火。所述电子控制单元用于防止失火的改变不会影响下一个周期。换句话说，与本发明的发动机控制方法相比，常规发动机控制在本发明的发动机控制中包括两个失火周期而不是一个失火周期。
在实际周期中检测到失火的情况下，用于检测失火的所述发动机控制方法可以提供所述发动机控制保持进气门和/或排气门关闭，以便将实际空气燃料混合物保持在缸内，并且尝试通过校正燃料喷射量来实现下一个周期中的燃烧。由于根据本发明的早期失火检测，可以实现对随后周期的这种快速控制。这种发动机控制提供在下一个周期取消失火条件并且发动机效率提高，因为失火周期的未燃烧空气燃料混合物不是仅被排出，而是随着所述发动机控制在随后周期内的一些调整而在随后周期中被重新使用，例如，将额外燃料喷射到现有空气-燃料混合物中，以便在下一个周期中获得可燃混合物。因此，与常规技术相比，这种控制实现了更大效率。
作为本发明的第二方面，提供一种用于检测失火的发动机控制装置，该发动机控制装置包括：具有至少一个缸的发动机；发动机曲轴位置确定装置；压力传感器，该压力传感器能够感测所述发动机的所述至少一个缸内的缸内压力；以及电子控制单元。所述电子控制单元能够基于由所述电子控制单元根据所述缸内压力和所述发动机曲轴位置计算的温度指数，来确定当前膨胀冲程内的失火，使得所述电子控制单元可以防止下一个周期中的失火。
所述发动机位置确定装置可以是曲轴角传感器，或者可以推断与缸内压力一致的缸位置的装置。然而，应注意到，发动机位置(即，曲轴的当前状态或者相应缸的当前状态)也可以通过分析压力传感器的检测结果来确定。例如，因为所述电子控制单元能够计算绝热温度变化，所以所述电子控制单元可以根据压力传感器的检测结果来确定发动机位置，该压力传感器与取决于曲轴角的变化缸容积相关地设定。为此，“发动机位置确定装置”可以由电子控制单元和缸内压力传感器构成。这些排布适于确定发动机位置，尤其是上止点和下止点。换句话说，提供曲轴角传感器不是必需的。因为进气门通常在下止点或上止点处打开或关闭，所以当“发动机位置确定装置”识别出相应发动机位置时，可以获取用于气门致动(即，气门打开或关闭)的相应控制信号。换句话说，曲轴角传感器不是必需的，并且可以基于缸内温度计算进行相当多控制工作。
所述发动机也可以是二冲程发动机。在二冲程发动机中，两个随后喷射命令或点火命令(即，两个随后燃烧)之间的完整时间比四冲程发动机小得多。即，在四冲程发动机中，每720度执行一次燃烧，而在二冲程发动机中，每360度执行一次燃烧。
所述发动机可以是中速发动机。在本上下文中，“中速”是指具有每分钟转速500-1500转的发动机。所述发动机也可以是低速发动机。在本上下文中，“低速”是指小于每分钟500转的发动机。例如，用于诸如油轮或散装货轮的大型船舶并且本发明非常适用于的船用发动机通常是具有每分钟60到250转的低速发动机。由于燃烧事件之间的相对较长时间段，与具有每分钟几千转的高速发动机相比，所述电子控制单元可以以规则缸内压力测量速率跟随缸内的温度变化，以便提供用于进行失火确定的适当分辨力。
附图说明
图1是根据本发明和根据现有技术的IMEP计算的指示失火状态的可用性的示意图；
图2示出了针对在发动机周期期间的温度指数的典型信号轨迹；
图3示出了来自没有失火的正常燃烧周期与具有失火的倒拖(motored)周期的温度指数的信号轨迹的比较；
图4示出了用于说明本发明的结构的流程图和视图；以及
图5示出了利用温度指数的进气门正时估计。
具体实施方式
根据本发明的发动机控制方法包括基于与缸内压力测量一致地计算的温度指数的失火检测方法。缸内的温度随着截留物质被压缩和燃烧而升高。如果忽略来自缸壁的传热，那么在该工作周期的一小段内的温度增加可以表达为
(2)ΔT＝ΔTcombustion+ΔTvolchonge
已知用于理想气体的绝热过程的Poisson方程可以被用于描述在压缩和膨胀期间缸内的压力和温度。因此，在压缩和膨胀期间，以下关系应用
(3)TVγ-1＝C
因此，由容积变化引起的缸内温度增加可以表达为
来自燃烧的温度增加可以被计算为总体温度变化减去因容积变化而造成的温度变化。
根据理想气体定律，可以获知，
插入针对由燃烧引起的温升的公式中，得到
由于缸内的截留物质未知，因而将该方程乘以因子nR。
方程(8)提供了针对温度指数Tindex的最终表达。在图2中，示出了针对正常发动机周期的温度指数的典型信号轨迹。
此外，方程(8)提供了温度指数Tindex通过将来自燃烧的温升ΔTcombustion与因子nR相乘而获取。换句话说，温度指数Tindex能够反映或指示与发动机的任何几何尺寸(即，燃烧室参数)无关的燃烧。
如果在一个周期期间出现失火，那么不出现温度指数从压缩移向膨胀的等级变化。在图3中，示出了针对燃烧周期(＝无失火)和倒拖周期(＝失火)的所计算温度指数之间的比较。
如图3所示，即使燃烧应该已经发生而温度指数轨迹的等级也不改变的事实应当被解释为失火指示。应注意到，可以检测到已经接近燃烧上止点(TDC)的失火事件。接近TDC意味着检测或确定可以在TDC之后120度的范围内进行，优选地在100度的范围内进行，更优选地在75度的范围内进行。
接下来，将解释将温度指数用于气门正时估计。如可以从图2中的温度指数信号轨迹看出，温度指数的等级在压缩(燃烧前)期间和膨胀(燃烧后)期间是恒定的。通过检查温度指数轨迹的早期部分(-360曲轴角至-200曲轴角)，显然存在从上升温度指数到恒定温度指数的状态变化。由于在燃烧周期的该特定时间间隔内没有发生燃烧，所以该状态变化很可能源自进气门关闭。因此，利用同一温度指数，如用于早期失火检测，可以实现气门正时估计。在图5中，针对典型发动机周期的温度指数的信号轨迹随着所估计进气门正时示出。
作为进一步扩展，也可以利用类似技术来估计排气门正时。
通过评估温度指数可以获得的信息也可以提供关于进气门和/或排气门的状态的关联信息。例如，该信息可能给出有关进气门和/或排气门的任何故障的信息。换句话说，使用所计算温度指数可以导致省略反馈控制的进气门和排气门。因此，可以将单个控制气门用作进气门和排气门，而关于该气门的打开和关闭状态的信息可以通过解释温度指数-曲轴角曲线来获得，如可以在图5中看出的。
除了可以在任何发动机控制中有利地使用的有关进气门和排气门的打开和关闭状态的附加信息之外，具有失火检测的发动机控制也可以利用该信息。即，在当前周期中检测到早期出现在该周期中的失火(例如，在预期燃烧(TDC)之后的第一个100度曲轴角内)的情况下，发动机控制仍有足够时间来采取措施，以使在随后周期中不发生失火。在失火周期期间，电子控制单元可以保持关闭进气门和/或排气门，使得在可以进行调整的随后周期内基本上相同空气-燃料混合物存在于对应缸中，以便实现随后周期中的燃烧。这些调整可以包括：将针对随后周期额外喷射的燃料喷射量喷射到先前失火周期的未燃烧空气-燃料混合物中。与先前失火周期的未燃烧空气-燃料混合物通常被排出并且将全新(调整后)空气-燃料混合物喷射到先前周期中发生失火的缸中的发动机控制相比，这改进了发动机效率。

Claims (10)

1.一种将用于检测内燃机中的失火的发动机控制方法，所述内燃机具有用于缸内压力检测的至少一个压力传感器和电子控制单元，所述发动机控制方法包括以下步骤：
检测缸内压力，
确定发动机曲轴位置，
通过所述电子控制单元，经由理想气体定律，基于所测量的缸内压力和根据所测量发动机位置的缸容积，计算温度指数；
根据所述内燃机的当前膨胀冲程内的所计算温度指数来确定燃烧事件是否发生在当前膨胀冲程中。
2.一种用于检测失火的发动机控制方法，所述发动机控制方法包括以下步骤：
检测缸内压力，
确定发动机位置，以及
如果在对应缸的应当开始燃烧的上止点位置之后的显著温升不被假定基于所计算温度指数，则确定膨胀冲程中的失火。
3.根据权利要求2所述的用于检测失火的发动机控制方法，其中，所述显著温升能够与所述缸内的绝热温升明显区分开。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于检测失火的发动机控制方法，所述方法还包括以下步骤：
在下一个周期喷射命令之前，采取用于防止失火的多个对策中的至少一个对策。
5.根据权利要求4所述的用于检测失火的发动机控制方法，其中，所述多个对策包括：燃烧正时或火花正时的调整，和/或引燃喷射正时和/或主燃料喷射正时的调整，燃料喷射量和/或燃料喷射持续时间和/或气门正时的调整。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的用于检测失火的发动机控制方法，其中，确定所述当前膨胀冲程中是否发生失火的步骤在从对应缸的上止点到位于所述上止点或燃烧之后大约120度的安全界线的角度范围内进行，以便确保适当发动机控制，所述步骤优选地在所述对应缸的所述上止点到所述上止点之后80度的范围内进行，并且更优选地在所述对应缸的所述上止点到所述上止点之后50度的范围内进行。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的用于检测失火的发动机控制方法，其中，在所述当前膨胀冲程中检测到失火的情况下，所述发动机控制尝试通过校正燃料喷射量来实现下一个周期中的燃烧。
8.根据权利要求7所述的用于检测失火的发动机控制方法，其中，所述发动机控制保持换气门关闭直到下一个膨胀冲程为止，并且适当修正已检测到失火的相应缸内的空燃比。
9.根据权利要求7所述的用于检测失火的发动机控制方法，其中，所述发动机控制从所述缸排出未燃空气燃料混合物，并且在所述缸中装载针对下一个燃烧事件的调整的空气燃料混合物。
10.一种用于检测失火的发动机控制装置，所述发动机控制装置包括：
具有至少一个缸的发动机；
发动机曲轴位置确定装置；
压力传感器，所述压力传感器能够感测所述发动机的所述至少一个缸内的缸内压力；以及
电子控制单元；
其中，所述电子控制单元能够基于由所述电子控制单元根据所述缸内压力和所述发动机曲轴位置计算的温度指数来确定当前膨胀冲程内的失火，使得所述电子控制单元能够防止下一个周期中的失火。
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