CN112041550B - 管理火花点火式内燃发动机的燃料供应的方法及实施所述方法的供应系统 - Google Patents

管理火花点火式内燃发动机的燃料供应的方法及实施所述方法的供应系统 Download PDF

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Abstract

用于对火花点火式内燃发动机(E)的供应进行管理的方法，该方法包括下述过程：基于二进制传感器(B)的两个逻辑条件之间的切换来控制所述发动机的供应，使得所述燃料围绕化学计量燃料条件震荡，该方法包括在内燃发动机的固定操作条件下执行的第一过程，该第一过程由以下步骤形成：第一步骤，为许多的其他连续切换记录所述空气/燃料比的至少两个值(λ1和λ2)，第二步骤，计算所述两个记录的值的平均值(λm)，第三步骤，将所述计算的平均值设定为空气/燃料比的参考值(Ref)。

Description

管理火花点火式内燃发动机的燃料供应的方法及实施所述方 法的供应系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月8日提交的意大利专利申请No.102018000003377的优先权，该申请的公开内容通过参引并入本文。
技术领域
本发明涉及用于对火花点火式发动机的供应进行管理的方法及系统的领域。
背景技术
在火花点火式发动机——其也被称为奥托(Otto)发动机——中，为了遵守法律对污染排放设定的极限，遵守化学计量比至关重要。
无论所使用的燃料的量是否会发生不可预测的变化，当试图确保扭矩传递方面的均匀性能时，这一点也很重要。
这个问题在使用气体供应发动机的领域中是特别迫切的，气体例如是通常被称为甲烷的天然气，甲烷可以以气态形式(CNG)或以液态形式(LNG)被存储在箱中。
气态或液态燃料具有强的成分可变性，这经常使得难以甚至不可能获得、尤其在短时间内获得正确的燃烧的化学计量。
驾驶员仅需要改变加油站，以找到彼此非常不同的燃料，并且因此，在进入到内燃发动机的气缸中的相关的注射期间需要不同的计量。
将被注射的燃料的量取决于被引入到发动机内的新鲜空气的质量，新鲜空气的质量通过布置在进气歧管上的专用传感器来测量。
内燃发动机的燃料供应可以通过闭环控制来操作，该闭环控制使用线性拉姆达传感器作为反馈信号，以获得正确的空气/燃料比(A/F)。
线性拉姆达传感器是精确且快速的，允许内燃发动机的供应被合适地校正并且确保了燃烧的化学计量。
但是，线性拉姆达传感器在技术上是复杂的，并且因此是昂贵的。此外，线性拉姆达传感器需要专用软件，以对相关的所生成的信号进行调节。
还已知的是通常被称为开/关传感器的二进制拉姆达传感器。二进制拉姆达传感器不需要专用的传感器，并且它们的实现当然也更便宜。
这些开/关传感器也需要闭环控制方案，迫使空气/燃料比(A/F)围绕化学计量值振荡，因此获得——作为反馈的——由二进制传感器生成的信号的切换。这个A/F强制操作对燃料的供应进行调节，增加或减少了将注射的燃料的量，从而替代性地导致在气缸中发生的燃烧i缺乏氧气或氧气过多。
这个强制操作可以是对对要被注射的燃料的质量进行控制的参考信号的倍增无量纲校正。如果其值为1，则基本上不进行校正，然而，如果其值大于1或小于1，则相对于参考值对将被注射的燃料的质量进行校正，以达到参考空气/燃料比。
因此，三效催化剂被迫使在双稳态情况下在化学计量条件下起作用，即在氧化操作与还原操作之间连续振荡。
可以在US 2008319634和WO 2010097267中找到这个概念的各示例。
闭环控制借助于PI(比例和积分)控制器执行，该PI控制器基于由三效催化剂上游的二进制拉姆达传感器执行的切换来对内燃发动机的供应进行校正。
US 4655188示出了一种反馈控制，在该反馈控制中，阿尔法在以下公式中是反馈校正控制
Ti＝Tp×系数×α+Ts与Tp＝K×Q/N
其中，Tp是“基本”燃料注射信号以及Ts是对其他因素导致的电信号的校正。
阿尔法是接近二进制传感器的切换的多个阿尔法_零校正值的中值。
发明内容
本发明的目的是提供用于对火花点火式发动机的燃料供应进行管理的方法，该方法能够使用二进制拉姆达传感器更好地调节燃料成分的可变性。
本发明所基于的思想是，对在二进制传感器的至少两个连续的切换中测量的空气/燃料比进行采样并且计算平均值。迫使闭环控制使空气/燃料比朝向所述平均值收敛。
因此，根据本发明，在两个连续的切换中对空气/燃料比进行采样，上述采样对应于对注射器的控制信号进行采样，上述采样与反馈变量的采样没有共同之处。
换句话说，尽管在本发明中控制是基于空气/燃料比进行的，但是在US 4655188中，控制是基于反馈变量进行的。另外，本发明独立于对其可能的特征的反馈控制的实施。
实际上，没有获取在排气管线上测量的变量，而是仅获取了二进制传感器的切换时刻。因此，根据本发明的控制，尽管能够与传统的反馈控制相组合，但是实际上可以与开环控制相比较。
如果流动到发动机中的空气质量由驾驶员决定，那么该控制基于流动到发动机中的空气对燃料的供应进行管理。另一方面，如果节气门是马达驱动的，那么该控制除了对燃料的注射进行管理之外还可以对节气门的打开进行管理。
当处理通过处理单元和通过电动注射器所执行的控制时，燃料的量明显地对应于注射器的电控制信号。
将燃料注射到气缸内的注射器的(电)控制信号取决于控制收敛所朝向的化学计量值。
因此，在下文中被称为“学习化学计量”的这个平均值在发动机的预定操作条件中改变将被注射的燃料的平均量。
燃料的成分相对于理想成分的变化越多，相对于理想条件将被注射燃料的质量的上述变化就越大。
换句话说，将被注射燃料的参考量在理想条件下被预先计算，并且因此被称为“标称化学计量”。
当闭环控制涉及使用被称为A/F强制因子的倍增系数来校正空气/燃料比时，该方法可以替代性地包括在二进制传感器的所述两个切换期间对所述倍增系数进行采样以及随后对倍增系数的相对平均值进行计算。
在二进制传感器切换期间对空气/燃料比进行采样的事实与所采用的开环控制的类型无关。
当发动机点在预定量的时间内保持固定时，优选地将所述“学习化学计量”计算为多个连续切换，优选为偶数个连续切换的移动平均值。偶数个切换产生有利的效果，其允许学习策略被简化。实际上，以这种方式，在A/F强制因子的计算与传感器本身的过浓/稀薄切换的瞬间之间的可能的延迟得以消除。这些延迟影响过浓状态，因此导致空气/燃料比的高估，以及影响稀薄状态，因此导致空气/燃料比的低估。偶数个样本引起两个延迟，从而使得空气/燃料比的高估和低估相互补偿。
根据本发明的第一方面，所述“学习化学计量”是在发动机的操作点上被计算并且反映在内燃发动机的整个工作间隔中。
例如，空气/燃料比的变化可以相对于计算发动机点的参考值被计算，并且该变化可以应用于发动机的整个操作间隔，或者如果系统根据A/D强制因子工作，发动机的整个操作间隔可以根据A/F强制因子经受干预。
这有利地引起发动机的注射时间的快速调节，从而改变了燃料的化学成分变化，使得内燃发动机可以跨化学计量燃烧而完美地工作。
优选地，一检测到用气态CNG燃料或液态LNG燃料填充箱，便对调节进行操作。
根据本发明的优选变型，二维映射被存储在对内燃发动机的燃料供应进行控制的处理单元的存储分配中。这个二维映射根据“发动机点”、即驱动轴的转数/分钟和所传递的扭矩来表达参考空气/燃料比或空气/燃料比的校正。
因此，二维映射设置有多个单元。类似地，所述二维映射可以存储所述A/F强制因子的中心值，所述A/F强制因子围绕该中心值振荡，以确定空气/燃料比的振荡。
有利地，当检测到续加燃料过程时，燃料通过均一的化学成分被更新并且上述过程被执行，因此在内燃发动机的整个操作区域中改变空气/燃料比或A/F强制因子的中心值，因此，在构成所述二维映射的所有单元中改变空气/燃料比或A/F强制因子的中心值。
根据本发明的优选变型，当发动机在固定条件下操作预定量的时间时，第二校正进程在每个发动机点、例如在上述二维映射的每个单元中被执行。这个第二校正并非以不加区别的方式应用于二维映射的所有单元，而是仅仅应用于与发动机点相对应的单元，在该发动机点处，用以计算上述平均值的进程被执行，并且如果需要的话，该第二校正通过使加权因子减小而扩展到与所述单元相邻单元。
因此，尽管第一进程优选地在续加燃料操作之后发生并且影响整个映射，但是第二进程在第一进程已经结束时发生并且影响与相关的发动机点相对应的单个单元，或者最多影响附近的单元。
各权利要求描述了本发明的优选实施方式，因此形成了本描述的组成部分。
附图说明
参照仅示出非限制性示例的附图，通过精读以下对本发明的实施方式(以及其相应的变型)的详细描述，将会更好地理解本发明的其他目的和优点，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的火花点火式内燃发动机，该火花点火式内燃发动机设置有相关的供应装置且具有排气管线，在排气管线上布置有三效催化剂和二进制拉姆达传感器；
图2示出了由于实施二进制拉姆达传感器以及实施根据本发明的方法而进行的切换的时序图；
图3示出了其中存储有参考值的二维映射，参考值涉及注射时间或在气缸的每个燃烧循环中将被注射的燃料的质量；
图4示出图3的二维映射，图4显示计算单元和相关的相邻单元；
图5、图5a和图5b分别示出了对根据本发明的控制方法进行解释的流程图，下降到图5a和图5b的两种变型中，其中，当检测到续加燃料过程时，优选地执行图5a的变型，而当图5a的变型失效时，执行图5b的变型。
在附图中，相同的数字和相同的参考字母表示相同的元件或部件。
图2中用虚线表示的框被认为是可选的。
图1的虚线连接表示模拟或数字电线。
为了本发明的目的，术语“第二”部件并不意味着“第一”部件的存在。实际上，这些术语仅仅用于更清楚地使用，而不应以限制性的方式被解释。
具体实施方式
图1示意性地示出了火花点火式内燃发动机E，其设置有供应装置J，例如燃料注射器。
发动机E设置有排气管线，在排气管线上容纳有三效催化剂3WC。在催化剂的上游，具有沿着排气管线的二进制拉姆达传感器B，该二进制拉姆达传感器适于在分别指示稀薄燃烧和过浓燃烧的两个逻辑条件之间进行切换。
处理单元CPU对内燃发动机E的控制进行监控，并且特别地，处理单元CPU对借助于相关的注射器J将燃料注射到发动机的气缸内进行控制。
所述处理单元对所述二进制拉姆达传感器B实施闭环控制，使得内燃发动机的供应围绕化学计量的空气/燃料比(A/F)连续地振荡。
当检测到由拉姆达传感器产生的信号电平的切换时，处理单元借助于上述“A/F强制因子”使校正的符号反转，直到其检测到由传感器产生的信号电平的新的切换为止。强制因子在被表示为倍增系数的情况下相对于中心值振荡，该中心值在理想条件下为1。因此，1.01和0.99确定空气/燃料比的过浓状态或稀薄状态。
在处理单元中存储有将被注射到内燃发动机中的燃料的参考值。
根据本发明的供应管理方法包括对由二进制拉姆达传感器产生的二进制信号(开/关)的比例/积分闭环控制，该方法包括用于连续地改变稀薄燃烧条件与过浓燃烧条件之间的以及过浓燃烧条件与稀薄燃烧条件之间的空气/燃料比的过程，当检测到所述二进制信号的切换时，该方法包括在内燃发动机的固定操作条件下执行的过程，并且该过程包括：
-第一步骤，为许多的连续切换记录所述空气/燃料比的至少两个值λ1和λ2；
-第二步骤，计算所述两个记录的值的平均值λm；
-第三步骤，将所述计算的平均值设定为空气/燃料比的参考值Ref。
当在某些处理循环中重复执行该方法时，这个设定可能显然是渐进的，因此确定收敛性。
换句话说，结果是零值，或者在通过倍增系数执行校正的情况下，结果为中立的值、即等于1。
将所述平均值设置为参考值的事实对应于计算变化量D_Ref＝λm-Ref。
图2示出了内燃发动机的供应信号随时间变化的示意图。基于由二进制拉姆达传感器产生的二进制信号的闭环控制确定围绕参考值Ref的振荡，该参考值Ref先前已经存储在处理单元中。
在图2的情况下，供应信号的参考值大于当前实施的燃料成分的化学计量值λm。
在该示例中，二进制拉姆达传感器的切换在λ1和λ2中进行，λ1和λ2与λm等距地间隔开。因此，考虑到燃料的实际成分，在先前存储的A/F比参考值Ref与当前的A/F比之间存在差异。
当发动机长时间保持在固定条件下时，可以通过计算传感器的开/关切换的空气/燃料比之间的移动平均值来对这些情况加以利用。
处理单元优选地使用在反馈支路上的比例和积分控制器PI来实施闭环控制方案，如现有技术文件中的火花点火式奥托发动机所建议的。然而，这个方案如上所述被改变。
参考值Ref随着发动机点的变化而改变并且参考值Ref是理想值，因为其取决于理想燃料。
图3示出了二维映射的示例。
传感器L1能够检测箱S1的续加燃料操作，且传感器L2能够检测箱S2的使用气态燃料的续加燃料操作，所述气态燃料对内燃发动机进行供应。所述传感器可以检测包括燃料气体的箱中的突然的压力增加，或者所述传感器可以检测包含液相燃料的箱中的液位传感器的升高。
当在已经检测到所述续加燃料操作之后执行所述第一过程以监控发动机点时，并且当发动机点被认为是稳定时，执行内燃发动机的A/F比的所述校正。
当所述过程被续加燃料过程触发时，该校正优选地以相同程度应用于发动机的操作区的所有参考值，并且因此，应用于以上所描述的整个二维映射，因此定义了所谓的“第一进程”。
根据本发明的优选变型，在已经使由续加燃料过程触发的第一过程结束之后，开始第二过程，该第二过程优选地以恒定的方式执行，直到随后的续加燃料操作为止。
根据本发明的优选变型，该优选变型可以与先前的变型组合，提供了“第二进程”，该“第二进程”在所述第一进程已经结束时执行，并且涉及逐个单元地对参考值Ref进行类似的校正。
换句话说，与在第一进程中所发生的校正不同，该校正不应用于整个映射，而是应用于发动机在其中进行操作的单个单元C，并且仅可选地应用于附近的单元。所述单元C在图3中为黑色。另一方面，图示出了与单元C相邻的各单元。
这是“单点校正”，与在整个映射上执行的“全局校正”相反。
根据所采用的解决方案、即根据发动机的操作区域的划分程度，可以获得有点密集的映射，即具有较小尺寸单元的映射。
在非常密集的映射的情况下，该方法可以包括在限定第一等级的紧邻地包围的单元中进行校正，以及在与第一等级的各单元紧邻地相邻的其他单元中进行校正。这些另外的单元限定第二等级等等。
在这种情况下，校正再次优选地被加权，即当逐渐移动离开与当前发动机点相对应的单元时，校正成比例地减小。
这是“区域”校正方案且比“全局校正”慢。
根据本发明的另外的优选变型，对内燃发动机进行控制的处理单元包括第二二维映射，该第二二维映射被实施成用于在内燃发动机由第二箱S2供应时对内燃发动机的供应进行管理，第二箱S2填充有与先前的箱S1中的燃料不同的燃料。
因此，当供应在两个不同的燃料源之间切换时，相关的二维映射被实施成以便首先避免第一进程的过长收敛时间，并且然后避免第二进程的过长收敛时间。
因此，车辆可以实施LNG液态甲烷箱以及CNG气态甲烷箱(所谓的“双重燃料”系统)。
换句话说，当供应从CNG切换到LNG以及从LNG切换到CNG时，处理单元开始在对应的二维映射上工作。
该变型可以基于安装在车辆的箱的数量进行扩展。换句话说，对于在车辆上使用的每个箱来说，都可以具有二维学习映射。
本发明可以通过计算机程序被有利地实施，该计算机程序包括编码方式即编码手段/装置，当程序在计算机上运行时，该编码方式用于执行该方法的一个或更多个步骤。因此，保护范围扩展到所述计算机程序，并且此外，扩展到可以被计算机读取并包括记录信息的装置，可以被计算机读取的所述装置包括程序编码方式，当程序在计算机上运行时，程序编码方式用于执行该方法的一个或更多个的步骤。
图5示出了步骤0，在该步骤0期间，发动机处于固定条件下，这意味着转数和传递的扭矩在预定量的时间内是恒定的。
随后，执行上述步骤1至3，并且该进程再次从头开始。
在实施图5a所示的第一进程的情况下，刚刚已经通过步骤F初步地执行了续加燃料过程。
该方法借助于具有计数器的内部循环仅可以被执行一次或可以被执行预定的次数，该计数器将步骤3-1的输入连接到步骤0的输入。
步骤3-1具体地涉及在发动机的整个操作区中对空气/燃料比的参考值的改变。
相反，表示第二进程的图5b的过程3-2仅涉及在执行第二过程的同时，在发动机在固定条件下操作的情况下对单元C的空气/燃料比的参考值的改变。
图5b示出了步骤F的相对于彼此相反的是/否输出，因为该步骤在第一进程未被执行或已经结束时被执行。
可以对上述的非限制性示例做出变型，而不会由于这个原因而超出本发明的保护范围，本发明包括本领域技术人员已知的所有等效实施方式。
当阅读以上描述时，技术人员可以在不引入另外的制造细节的情况下执行本发明的主题。在包括附图的不同的优选实施方式中所包含的元件和特征可以彼此组合，而不会因此超出本专利申请的保护范围。包含在与现有技术相关的部分中的信息仅用于更好地理解本发明的目的，并不表示宣布所描述项目的存在。此外，如果没有通过详细的描述被具体排除，则包含在与现有技术相关的部分中的信息应被认为是本发明的组成部分。

Claims (11)

1.一种对火花点火式的内燃发动机(E)的供应进行管理的方法，所述内燃发动机(E)设置有
燃料供应系统(J)，所述燃料供应系统(J)适于响应于供应信号而计量燃料，
三效催化剂(3WC)，所述三效催化剂(3WC)连接至所述内燃发动机的出口歧管，
二进制拉姆达传感器(B)，所述二进制拉姆达传感器(B)适于在分别指示稀薄燃烧和过浓燃烧的两个操作条件之间进行切换，所述二进制拉姆达传感器被布置在所述三效催化剂(3WC)的上游，
所述方法包括下述过程：基于所述两个操作条件之间的切换来控制所述燃料供应系统，使得燃烧在化学计量燃烧条件下振荡，并且使得空气/燃料比围绕处理单元中存储的参考值(Ref)振荡，所述方法包括在所述内燃发动机的固定操作条件下执行的第一过程，所述第一过程由以下步骤形成，
第一步骤，通过对所述供应信号进行采样，为所述两个操作条件之间的许多的连续切换记录空气/燃料比的两个值(λ1、λ2)，
第二步骤，计算记录的所述两个值的平均值(λm)，
第三步骤，将计算的所述平均值设定为所述空气/燃料比的所述参考值(Ref)，
其中，所述第一过程在检测到对供应所述燃料供应系统(J)的箱(S)进行供应的过程时被激活，
其中，在执行所述第一过程的所述第三步骤之前，所述参考值(Ref)与所述平均值(λm)之间的差(Ref-λm)被称为误差(Δλ)，并且其中，所述参考值在所述第一过程中被映射于所述内燃发动机的整个操作区，并且其中，所述第一过程的所述第三步骤包括对于所述映射的参考值的所有值，借助于所述误差对所述参考值进行校正，
所述方法还包括第二过程，所述第二过程包括上述的第一步骤、第二步骤和第三步骤，其中，仅对与所述内燃发动机的所述固定操作条件相对应的参考值(Ref)执行所述第二过程的所述第三步骤，并且其中，所述第二过程在所述第一过程已经终止时才被执行，
其中，所述内燃发动机的所述操作区还被映射在二维映射中，并且其中，在所述映射的每个单元中，示出了所述空气/燃料比的参考值，并且其中，所述第二过程的所述第三步骤包括在所述内燃发动机的所述固定操作条件下对所述二维映射的第一单元(C)的所述参考值进行校正。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述平均值是借助于多个连续切换的移动平均值来计算的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述内燃发动机的所述操作区被映射在二维映射中，并且其中，所述第一过程的所述第三步骤包括对于所述二维映射的单元中的所有值，借助于所述误差对所述参考值进行校正。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一过程被执行预定数量的循环，并且然后被终止。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，仅对与所述内燃发动机的所述固定操作条件相对应的参考值(Ref)执行所述第一过程的所述第三步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过借助于系数P对所述误差进行加权来对与所述第一单元相邻的单元执行校正。
7.一种用于对内燃发动机的供应进行管理的管理系统，所述内燃发动机设置有
燃料供应系统(J)，所述燃料供应系统(J)适于响应于供应信号而计量燃料，
三效催化剂(3WC)，所述三效催化剂(3WC)连接至所述内燃发动机的出口歧管，
二进制拉姆达传感器(B)，所述二进制拉姆达传感器(B)适于在分别指示稀薄燃烧和过浓燃烧的两个逻辑条件之间进行切换，所述二进制拉姆达传感器被布置在所述三效催化剂(3WC)的上游，
所述管理系统包括处理单元(ECU)，所述处理单元(ECU)配置成执行根据权利要求1-6中的任一项所述的对火花点火式的内燃发动机(E)的供应进行管理的方法的所有步骤。
8.一种陆地车辆，所述陆地车辆设置有内燃发动机(E)，所述内燃发动机(E)具有
适于响应于供应信号而计量燃料的燃料供应系统(J)，
三效催化剂(3WC)，所述三效催化剂(3WC)连接至所述内燃发动机的出口歧管，
二进制拉姆达传感器(B)，所述二进制拉姆达传感器(B)适于在分别指示稀薄燃烧和过浓燃烧的两个逻辑条件之间进行切换，所述二进制拉姆达传感器被布置在所述三效催化剂(3WC)的上游，
根据权利要求7所述的用于对内燃发动机的供应进行管理的管理系统。
9.根据权利要求8所述的陆地车辆，还包括具有气体燃料的箱(S1、S2)，所述箱(S1、S2)设置有传感器(L1、L2)，所述传感器(L1、L2)适于检测向所述箱供应燃料的过程。
10.一种计算机程序，所述计算机程序包括程序编码方式，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述程序编码方式适于执行根据权利要求1-6中的任一项所述的对火花点火式的内燃发动机(E)的供应进行管理的方法的所有步骤。
11.一种计算机可读装置，所述计算机可读装置包括记录程序，所述计算机可读装置包括程序编码方式，当所述记录程序在计算机上运行时，所述程序编码方式适于执行根据权利要求1-6中的任一项所述的对火花点火式的内燃发动机(E)的供应进行管理的方法的所有步骤。
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