CN113056599B - 检测内燃发动机的气缸特定燃烧曲线参数值 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于检测内燃发动机的气缸特定燃烧曲线参数值的方法。该方法包括如下：(a)检测带齿的编码器信号，(b)基于所述带齿的编码器信号确定气缸特定的齿时间间隔，(c)基于所述带齿的编码器信号的与所述气缸特定的齿时间间隔相对应的部分的傅里叶变换确定气缸特定相位值，(d)基于所述气缸特定相位值和存储的传递函数确定所述燃烧曲线参数值，所述存储的传递函数表示所述燃烧曲线参数和所述相位值之间的关系。

Description

检测内燃发动机的气缸特定燃烧曲线参数值
技术领域
本发明涉及内燃发动机的技术领域，特别是涉及一种用于检测内燃发动机的气缸特定燃烧曲线参数值的方法。本发明还涉及用于内燃发动机的控制装置以及计算机程序。
背景技术
在内燃发动机中的发动机燃烧过程的领域中的开发工作的目的是提高效率。焦点集中在以下火花点火发动机技术上，用于通过进料稀释来提高效率：
(1)冷却的外部排气再循环(EGR)以及
(2)具有均匀稀薄操作的内燃发动机。
具有进料稀释的发动机的操作受到发动机特定最大稀释极限的限制。通过检测燃烧稳定变量“COV of IMEP”来确定最大稀释极限。
关于(1)的现有技术：借助于发动机控制通过使用预先限定的一组特性图来确定点火角(IGA)。IGA＝f(发动机温度或冷却剂温度、负载、旋转速度、λ、EGR…)。在此不考虑由燃烧产生的参数MFBxx相对于发动机的效率是否是最佳的。特别地，特性图的参数化中的不准确性和发动机之间的变化中的不准确性会导致发动机的实际操作中的非最优MFBxx(MFB＝燃烧的质量分数)值。
关于(2)的现有技术：存在在每个单独的气缸中配备有气缸内部压力传感器的发动机。这些发动机主要是柴油发动机。因此，可以确定每个气缸和每个单独的燃烧循环的参数MFBxx，并将它们考虑在内以优化燃烧。这种解决方案的缺点是将用于每个气缸的气缸压力传感器集成到发动机的气缸盖中的成本以及传感器成本。
一般现有技术：R.Pischinger,Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine[The Thermodynamics of the Internal Combustion Engine(内燃发动机的热力学)]，2002，Springer。在该文献中描述了根据气缸压力的测量和根据曲柄角信息计算MFBxx以及发动机效率与MFBxx之间的关系。
本发明基于如下目的：以简单的方式并且以高的精度、特别是在每个单独气缸中不使用气缸压力传感器的情况下确定气缸特定的燃烧曲线参数值。
发明内容
该目的通过根据本发明的主题来实现。本发明的有利实施例包括：所述气缸特定相位值的确定还包括用于确定经偏移校正的气缸特定相位值的偏移校正；所述偏移校正包括确定在超限阶段期间的多个气缸特定相位值的平均值；所述经偏移校正的气缸特定相位值通过从所述气缸特定相位值中减去所确定的平均值来确定；基于气缸的多个气缸特定相位值的平均值来确定所述燃烧曲线参数值；计算所述另一气缸的相位值的传递函数的值与所述参考气缸的相位值的传递函数的值之间的差，其中，通过将所述参考气缸的所述燃烧曲线参数值与所计算的差相加来确定所述另一气缸的所述燃烧曲线参数值；所述气缸特定燃烧曲线参数值是燃烧燃料质量分数MFBxx；所述气缸特定燃烧曲线参数值是MFB50值。
根据本发明的第一方面，描述了一种用于检测内燃发动机的气缸特定燃烧曲线参数值的方法。所述方法包括以下步骤：(a)检测带齿的编码器信号，(b)基于所述带齿的编码器信号确定气缸特定的齿时间间隔，(c)基于所述带齿的编码器信号的与所述气缸特定的齿时间间隔相对应的部分的傅里叶变换确定气缸特定相位值，(d)基于所述气缸特定相位值和存储的传递函数确定所述燃烧曲线参数值，所述存储的传递函数表示所述燃烧曲线参数和所述相位值之间的关系。
所述方法基于这样的认识，即，使用燃烧曲线参数的真实或实际值与由带齿编码器信号的与气缸相关的部分的相位谱确定的相位值之间的关系(呈存储的传递函数的形式)来确定气缸特定的燃烧曲线参数值，该关系是已知的(特别是从实验室测量中已知)。因此，本发明使得可以在不使用气缸压力传感器的情况下检测气缸特定燃烧曲线参数值。
在该文献中，术语“带齿的编码器信号”特别地表示借助于曲轴位置传感器和带齿的编码器轮(具体地60-2带齿的编码器轮)检测的电信号，所述带齿的编码器轮以已知的方式安装在曲轴上。因此，带齿的编码器信号通常允许确定曲轴的位置和旋转速度。
在该文献中，术语“齿时间(teeth time)”特别地表示通过曲轴位置传感器检测相邻的带齿的编码器轮齿的相应过程之间的时间段。齿时间可以特别是被确定为曲柄角的函数。
在该文献中，“气缸特定的齿时间间隔”特别地表示上述函数的一部分(即，齿时间与曲柄角的关系)，其中相应的气缸是活动的。换句话说，“气缸特定的齿时间间隔”表示在相应气缸的膨胀阶段开始时开始并在下一气缸的膨胀阶段开始时结束的时间间隔(对应于曲轴间隔)。
根据本发明的一个示例性实施例，气缸特定相位值的确定还包括用于确定经偏移校正的气缸特定相位值的偏移校正。
偏移校正特别用于补偿带齿的编码器轮中的容差和带齿的编码器信号检测中的容差。
根据本发明的另一示例性实施例，偏移校正包括确定在超限阶段(overrunphase)期间多个气缸特定相位值的平均值。
在该文献中，术语“超限阶段”特别表示一种阶段，在该阶段中，内燃发动机在(至少近似)恒定的发动机速度下操作而不燃烧。
在理想情况下，该平均值等于零。因此，不同于零的值构成容差引起的偏移。
根据本发明的另一示例性实施例，通过从气缸特定相位值中减去所确定的平均值来确定经偏移校正的气缸特定相位值。
根据本发明的另一示例性实施例，基于气缸的多个气缸特定相位值的平均值来确定燃烧曲线参数值。
换句话说，为相应气缸确定多个相位值。然后，该系列相位值的平均值用于借助于存储的传递函数确定气缸的燃烧曲线参数值。
根据本发明的另一示例性实施例，内燃发动机具有带有气缸压力传感器的参考气缸。该方法还包括以下步骤：(a)检测所述参考气缸的压力值，(b)基于所述压力值确定所述参考气缸的所述燃烧曲线参数值，(c)确定所述参考气缸和所述另一气缸的所述气缸特定相位值，(d)基于所述参考气缸的所述燃烧曲线参数值、所述参考气缸的所述相位值、所述另一气缸的所述相位值和所述存储的传递函数确定所述另一气缸的所述燃烧曲线参数值。
在本发明的该示例性实施例中，在参考气缸中设置气缸压力传感器，其中内燃发动机的其他气缸不具有这种传感器。首先，以本身已知的方式基于气缸压力信号确定参考气缸的燃烧曲线参数值。然后确定参考气缸和另一气缸的气缸特定相位值，并与参考气缸的先前确定的燃烧曲线参数值和存储的传递函数一起用于确定另一气缸的燃烧曲线参数值。
根据本发明的另一示例性实施例，该方法还包括计算用于另一气缸的相位值的传递函数的值与用于参考气缸的相位值的传递函数的值之间的差，其中通过将用于参考气缸的燃烧曲线参数值与计算的差相加来确定用于另一气缸的燃烧曲线参数值。
换句话说，对于两个相位值(即，对于另一气缸的相位值和参考气缸的相位值)计算并减去存储的传递函数的对应值。然后将该差与参考气缸的先前确定的燃烧曲线参数值相加，以便确定该另一气缸的燃烧曲线参数值。
根据本发明的另一示例性实施例，气缸特定燃烧曲线参数值是燃烧燃料质量分数MFBxx，特别是MFB50值。
然而，可以以类似的方式确定其他燃烧曲线参数值，诸如MFB10或MFB90。
根据本发明的第二方面，描述了一种用于内燃发动机的控制装置。所描述的控制装置具有处理单元，该处理单元被配置成执行根据第一方面或根据上文所描述的示例性实施例中的一者所述的方法。控制装置还具有数据存储器，在数据存储器中存储传递函数。
控制装置例如在机动车辆中提供上文所描述的方法的优点。
根据本发明的第三方面，描述了一种计算机程序，当由处理器执行时，所述计算机程序被设计为执行根据上文所描述的示例性实施例中的一者或第一方面所述的方法。
在本文献的含义内，这种计算机程序的名称等同于程序元件、计算机程序产品和/或计算机可读介质的概念，所述程序元件、计算机程序产品和/或计算机可读介质包含用于控制计算机系统的指令，以便以适当的方式协调系统或方法的操作方式，以便实现与根据本发明的方法相关联的效果。
计算机程序可以以任何适当的编程语言，诸如以JAVA、C++等，实现为计算机可读指令代码。计算机程序可以存储在计算机可读存储介质(CD-ROM、DVD、蓝光光盘、可移除驱动器、易失性或非易失性存储器、集成存储器/处理器等)上。指令代码可以对计算机或其他可编程装置，诸如特别是用于机动车辆的发动机的控制装置，进行编程，使得执行期望的功能。此外，计算机程序可以在诸如例如因特网之类的网络中被提供，用户可以根据需要从该网络下载该计算机程序。
本发明既可以借助于计算机程序(即软件)来实现，并且也可以借助于一个或多个特定电路(即作为硬件)来实现，或者以任何期望的混合形式(即借助于软件部件和硬件部件)来实现。
应当注意，已经参考本发明的不同主题描述了本发明的实施例。特别地，通过方法描述了本发明的一些实施例，并且通过设备描述了本发明的其他实施例。然而，本领域技术人员在阅读本申请时将立即清楚，除非另外明确说明，除了与本发明的一种类型的主题相关联的特征的组合之外，与本发明的不同类型的主题相关联的特征的任何组合也是可能的。
附图说明
本发明的其他优点和特征从优选实施例的通过示例给出的以下描述示例中是显而易见的。
图1示出了根据一个实施例的在三个齿时间间隔的情况下齿时间和曲柄角之间的关系。
图2示出了根据本发明确定的用于图1中的齿时间间隔的相位谱。
图3示出了用于本发明确定气缸的偏移校正值的一系列测量相位值。
图4示出了根据本发明的用于确定传递函数的测量相位值和燃烧曲线参数值的图示。
图5示出了实际燃烧曲线参数值和根据本发明确定的燃烧曲线参数值之间的比较。
具体实施方式
应当注意，下面描述的实施例仅仅是本发明的可能变型实施例的有限选择。
根据本发明，借助于曲轴位置传感器和安装在曲轴上的带齿的编码器轮(特别是60-2带齿编码器轮)来检测带齿的编码器信号，并且由此为每个气缸确定对应的齿时间间隔。
图1示出了根据一个实施例的在三个齿时间间隔1、2A、2B、3的情况下齿时间Zz(μs/°)和曲柄角KW(°)之间的对应关系。该描绘对应于三缸发动机的三转。第一齿时间间隔1(或曲柄角间隔)开始于TDC1处的膨胀阶段的开始，即，循环n中气缸1的上止点点火(对应于等于0°的曲柄角KW)，并且当达到下一个(第二)气缸的上止点TDC2(对应于等于240°的曲柄角KW)时结束。紧接着是第二齿时间间隔，在图示中，第二齿时间间隔由循环n中的部分2A(曲柄角KW在240°和360°之间)和前一循环n-1中的部分2B(曲柄角KW在-360°和-240°之间)组成。在图1中的图示中，第三齿时间间隔3在循环n-1中刚好位于第一齿时间间隔1之前，即在TDC3(KW等于-240°)和TDC1(KW等于0°)之间，对于本发明的三缸发动机，对于每个气缸和每个工作循环，存在具有240°曲柄角长度的相关联的齿时间间隔。在发动机处于操作中时在发动机控制中确定齿时间间隔。
然后，针对分配给气缸的每个工作循环的齿时间间隔执行傅里叶变换。作为所述变换的结果，针对基频(一次谐波频率)的每个整数倍获得振幅和相位信息。
图2示出了根据本发明确定的用于图1中齿时间间隔的相位谱，更具体地，用于对应于齿时间间隔3的带齿编码器信号的部分的相位谱。相位值P1对应于基频或第一谐波频率，相位值P2对应于第二谐波频率，而相位值P3对应于第三谐波频率。
根据本发明，第一谐波频率的相位信息，即图2中的值P1，用于确定MBxx燃烧参数。对于气缸i和燃烧循环n，该相位信息或该相位值通常表示为PHIcyl＝i_n。现在可以基于所述相位值和存储的传递函数确定期望的燃烧曲线参数值，例如MFB50。
优选地首先执行偏移校正以提高精度。为此，内燃发动机在没有燃烧的情况下以近似恒定的发动机速度操作，例如在超限阶段中。这导致针对PHIcyl＝i_n的取决于气缸和速度的值，其在下面被称为PHIcyl＝i_n_motorized。
由于曲轴信号检测和60-2带齿编码器轮中的容差，值PHIcyl＝i_n_motorized不同于零，并且呈现统计分布。这在图3中示出，其示出了在2000rpm的发动机速度下气缸3的相位值的测量。平均值MW(优选超过约100-200个循环/气缸)表示在确定PHIcyl＝i_n中的系统误差。虚线MW+和MW-示出了对应的标准偏差。图3中所示的一系列测量相位值可以用于气缸的偏移校正值的本发明的确定。
通过针对该系统偏移误差来校正所述值PHIcyl＝i_n来提高该方法的精度。通常，经由发动机控制装置在每个驱动循环确定一次偏差校正值。校正的相位值被表示为PHIcyl＝i_n_adapted并且如下确定：
上述传递函数被存储在发动机控制装置中，并且通常在实验室中被确定(针对相应的发动机类型)。图4示出了测量的相位值(在实验室中)和用于确定根据本发明的传递函数的燃烧曲线参数值的图示，特别是传递函数f_PHI_MBF50，其可以用于从确定的相位信息确定燃烧曲线参数值MBF50。
为了校准根据本发明的方法，在开发过程中使用代表性的车辆。替代地，如果能够确保传动系动态特性与车辆中的动态特性相对应，则发动机也能够用在发动机测试台上。发动机的每个气缸配备有参考气缸压力测量(例如，Kistler传感器)。在校准(MFBxxcyl＝i_n_Kalib)期间，使用商业索引系统，诸如AVL Indiset，确定参考MFB50值。在稳态发动机条件下，使用索引系统记录每个气缸大约200个燃烧循环。换句话说：
针对气缸i和燃烧循环n，MFBxxcyl＝i_n_Kalib＝来自Indiset的参考MFB_xx。
除了MFB_xxcyl＝i_n_Kalib的值之外，还记录PHIcyl＝i_n的值以用于校准。
校准过程包括以下发动机条件：
(a)稳态负载和速度点，在所述稳态负载和速度点处，在所述车辆的随后操作期间要检测所述变量MFB_xx。
(b)对于来自(a)的每个负载点，在若干步骤中改变进料稀释度(chargedilution)。
取决于应用，
(i)外部冷却的EGR率在EGR＝0％和最大可能EGR率之间以多个步变化，或者
(ii)对于均匀的稀薄操作，从λ＝1开始的燃烧λ以多个步变化直至最大可能的λ。
(c)对于来自(a)的每个负载点和来自(b)的每个稀释状态，通过改变点火角来改变燃烧特性MFBxx。
另外，在校准期间，如上所述，对每个速度进行阻力测量，并且基于记录的数据使用偏移校正来计算所述值PHIcyl＝i_n_adapted_Kalib。
在下一步骤中，针对来自(a)的每个负载点，针对来自(b)和(c)的测量，所记录的循环特定变量MFBxxcyl＝i_n_Kalib和气缸特定变量PHIcyl＝i_n_adapted_Kalib相对于彼此绘制，如图4中所示。
现在可以使用最小二乘法，针对来自(a)的每个负载点和来自(b)和(c)的相关变化确定线性传递函数f_PHI_MFBxx。在图4中，f_PHI_MFB50被示出为实线f。
根据本发明，该传递函数现在用于基于被确定的且经偏移校正的相位值PHIcyl＝i_n_adapted(如上所述)确定燃烧曲线参数值(特别是MFB50)。
因此，利用根据本发明的方法，可以精确地确定燃烧曲线参数值，而不使用增加成本的气缸内部压力传感器：
MFBxxcy1＝i_n＝f_PHI_MFBxx(PHIcy1＝i_n_adapted)。
为了减小循环到循环的分散，有利的是在M个燃烧循环上对该值求平均：
在另一实施例中，气缸内部压力传感器可以安装在发动机的单个气缸(参考气缸)中。变量MFBxxRef_n是利用传感器的压力信号和发动机控制中的燃烧曲线计算来确定的。对于参考气缸和另一气缸(没有内部压力传感器)都确定相位值，然后测量的参考变量MFBxxRef_n可以用于改进针对没有配备气缸内部压力传感器的每个/另一气缸的MFBxxcyl＝i_n的确定：
MFBxxcy1＝i_n＝MFBxxRef_n+f_PHI_MFBxx(PHIcy1＝i_n_adapted)-f_PHI_MFBxx(PHIRef_n_adapted)
在此，也可以通过求平均来减小分散(循环到循环)。
图5示出了实际燃烧曲线参数值和根据本发明确定的燃烧曲线参数值之间的比较。所有值在线L上或线L的紧邻处，因此指示非常好的匹配。
总之，本发明可以在完全没有气缸内部压力传感器或者仅有一个这样的传感器的情况下提供燃烧曲线参数值的精确确定。
附图标记列表
1 齿时间间隔
2A，2B 齿时间间隔
3 齿时间间隔
Zz 齿时间
KW 曲柄角
TDC1 上止点
TDC2 上止点
TDC3 上止点
P 相位值
P1 相位值
P2 相位值
P3 相位值
MFBxx xx％已燃烧的质量分数，燃料的已燃质量分数
MW 平均值
MW+ 标准偏差
MW+ 标准偏差
f 传递函数
L 线。

Claims (10)

1.一种用于检测内燃发动机的气缸特定燃烧曲线参数值的方法，其中所述内燃发动机具有带有气缸压力传感器的参考气缸和另一气缸，所述方法包括：
检测所述参考气缸的压力值，
基于所述压力值确定所述参考气缸的燃烧曲线参数值，
借助于安装在曲轴上的单个的带齿编码器轮和曲轴位置传感器检测带齿编码器信号，
基于所述带齿编码器信号确定气缸特定的齿时间间隔，
基于所述带齿编码器信号的与所述气缸特定的齿时间间隔相对应的部分的傅里叶变换来确定气缸特定相位值，其中确定所述参考气缸和另一气缸的气缸特定相位值，
基于所述参考气缸的燃烧曲线参数值，所述参考气缸的相位值，所述另一气缸的气缸特定相位值，和表示所述燃烧曲线参数与所述相位值之间的关系的存储的传递函数来确定所述另一气缸的燃烧曲线参数值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气缸特定相位值的确定还包括用于确定经偏移校正的气缸特定相位值的偏移校正。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述偏移校正包括确定在超限阶段期间的多个气缸特定相位值的平均值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述经偏移校正的气缸特定相位值通过从所述气缸特定相位值中减去所确定的平均值来确定。
5.根据前述权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，基于气缸的多个气缸特定相位值的平均值来确定所述燃烧曲线参数值。
6.根据前述权利要求1至4中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：
计算所述另一气缸的相位值的传递函数的值与所述参考气缸的相位值的传递函数的值之间的差，
其中，通过将所述参考气缸的所述燃烧曲线参数值与所计算的差相加来确定所述另一气缸的所述燃烧曲线参数值。
7.根据前述权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述气缸特定燃烧曲线参数值是燃烧燃料质量分数MFBxx。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述气缸特定燃烧曲线参数值是MFB50值。
9.一种用于内燃发动机的控制装置，所述控制装置具有处理单元和数据存储器，所述处理单元被配置为执行根据前述权利要求1至8中的任一项所述的方法，所述传递函数被存储在所述数据存储器中。
10.一种计算机可读存储介质，在该计算机可读存储介质上存储了计算机程序，当由处理器执行时，所述计算机程序被设计为执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法。
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