CN1406315A - 控制多汽缸内燃机的方法及装置 - Google Patents

Abstract

在用于控制多汽缸内燃机的方法中，进行汽缸均衡调节，用于均衡各个汽缸转矩相对内燃机总转矩的份额，本发明提出：进行用于汽缸均衡调节的效果监测；及在汽缸均衡调节的区域中受到干扰时产生至少一个指示干扰出现的故障信号。

Description

控制多汽缸内燃机的方法及装置

本发明涉及根据独立权利要求的用于控制多汽缸内燃机的方法及装置。

现有技术

在根据上述类型的用于控制多汽缸内燃机的方法及装置中设有汽缸均衡调节，用于补偿或均衡各个汽缸转矩相对内燃机总转矩的份额。该内燃机例如可涉及奥托发动机或柴油发动机。对于汽缸均衡功能特别需要的是直接喷射式奥托发动机。在这种发动机上由于层状运行中燃烧方法的很小容差协调性和/或由于所使用的高压喷射阀的容差或燃料在各个汽缸中的分配的容差可引起运行不平稳性的增大。并且由于老化引起的高压喷射阀流量特性的改变对此也可起到一定作用。汽缸均衡调节可起到改善运行不平稳性的作用。

在汽缸均衡调节的范围内最好通过对曲轴或凸轮轴转动的时间变化曲线的分析计算进行相对一个汽缸的点火过程的汽缸当前转矩输出份额(实际值)的检测，即不是确定绝对转矩值。以各个汽缸转矩输出份额均衡为目标的转矩校正可通过对至少一个确定燃烧的参数的干预来实现，这些参数尤其是喷入的燃料量、奥托发动机上的点火时刻、废气再循环率或喷射位置。这里喷射位置的概念涉及一个喷射脉冲相对一个参考点的角度位置，该参考点例如为一个汽缸的活塞在其燃烧冲程中的上死点。

在实践中这样的汽缸均衡调节被证明是特别有利的，即其中为了分析曲轴或凸轮轴旋转运动的时间变化曲线对所谓的弧段时间进行检测。弧段时间是曲轴或凸轮轴超过一个分配给一个确定汽缸的预定角度范围的时间。发动机运转得愈均匀，所获得的各个汽缸的弧段时间之间的区别就愈小。因此由所述弧段时间可构成用于发动机运行不稳定的一个量度。在公知的方法中对内燃机的每个汽缸配置了单独的调节部分，对它输入一个作为输入信号的个别汽缸运行不稳定实际值。基于该运行不稳定实际值将求得一个调节给定值。例如可对多个汽缸的运行不稳定值求平均值来构成调节给定值。调节部分将在输出侧这样影响汽缸专用喷射时间及由此影响单个汽缸的转矩输出份额，即使得单个汽缸运行不稳定实际值向给定值接近。有效的汽缸均衡调节例如已由EP 140 065或DE 198 28 279公开。在该申请中对于运行不稳定值的构成将明确地参考所述后一篇公开文献。

本发明的目的是在汽缸均衡调节区域中作出改进。本发明的优点

根据本发明，在汽缸均衡调节区域中的改进将这样地实现：设置用于汽缸均衡调节的效果监测；及在汽缸均衡调节的区域中受到干扰时产生至少一个指示干扰出现的故障信号。由此将可以识别出：汽缸均衡调节是否真正以预期的方式施加了它所准备的功能。

例如在直接喷射的奥托发动机上传统的汽缸均衡调节不能保证：一种调节干预措施、例如通过超比例的燃料配量改变燃烧混合气的含油量真正地实现所需的功能，即导致转矩输出份额的所需升高。通过根据本发明的效果监测可以识别出该情况及可通过至少一个故障信号的释放导入适当的辅助措施。该效果监测在一定程度上可作为外围监测设置在汽缸均衡调节的外围及监测它的按规定的功能。由此可保证在汽缸均衡调节时的调节稳定性及调节器的功能。

在一个有利的进一步构型中设计了：在用于内燃机每个汽缸的汽缸均衡调节中，在一个确定的工作区域中进行至少一个影响燃烧的工作参数的个别调节。该调节最好涉及燃料的配量，即喷入燃料的量，这尤其在奥托发动机的层状运行方式中实际上唯一地决定了各个汽缸的转矩。还设计了：当至少一个汽缸个别调节达到该确定工作区域的边缘或界限时，产生出一个故障信号。将使用离开调节的一个或多个工作区域作为可能存在问题的标志。这里的出发点是，汽缸均衡调节按规定的任务是：对在内燃机常规工作中不可避免地出现的各个汽缸之间转矩的差别进行平衡。如所述地，这些转矩的差别例如是通过各个高压喷射阀的流量特性的与容差有关的不同引起的。对此，目前对喷射平均值的典型容差在20％至25％的范围内是不少见的。由于高压喷射阀的发散而预期的转矩误差相应地大。这将在内燃机初始应用时通过调节装置工作区域的相应设计来加以考虑。在此情况下例如对每个调节器确定一个干预界限，该干预界限将使用所预期的最大转矩误差的至少两倍。由此使调节装置得到一定的安全余量或稳定性，及保证了正常的调节工作。该调节装置的工作区域将设置得这样大，即一般的容差将位于该工作区域内及相对工作区域的边界留有一定的安全距离。如果现在在至少一个调节中达到了工作区域的界限(即调节器工作到其预定干预界限)，则用所提供的、有限的调节干预显然不能实现该汽缸均衡调节的目的，即消除各个汽缸对角加速度的作用。这将导致一个故障信号的产生。

在另一个进一步构型中设计了：作为对故障信号的响应，首先产生调节装置的调节特性的一个确定改变，尤其通过调节回路放大系数的合适的预定减小来实现。根据该构型设计的、最好自动地以及可在内燃机工作期间通过调节参数的改变进行的调节工作特性的重新确定将有利地考虑到这样的认识，即调节界限的原因可能存在于不同的范围中。一方面，在调节本身的范围中可能出现误差(这里称为调节器故障)；另一方面，在待调节的功能的范围中可能出现误差(这里称为汽缸故障)。这些故障类型可能交替地或累积地出现。调节器故障通常可被看作“较小的故障”。例如，由于调节路径内不可预料的参数变化可能产生调节的不稳定，它构成了达到调节界限的原因。例如还可能产生发动机摩擦转矩的改变。如果对于达到的调节界限，其构成的原因基本上仅是由老化引起的调节范围中区段参数的改变，则该原因可通过工作特性、尤其是调节回路放大系数的重新确定来处治，由此可增大调节的稳定性。在该适配后，通常的波动将会处于具有重新确定的调节放大系数的调节工作范围内及该调节又重新无干扰地工作。

一个优选的构型在于，所述调节特性的适配、尤其是通过减小调节回路放大系数的适配在第一次改变后又重新达到调节界限及由此产生一个故障信号时至少再一次地被执行。也就是在调节特性的第一次改变后作为对新的故障信号的响应，至少又一次产生调节特性的改变，尤其通过调节器放大系数的进一步减小来实现。例如，在第一步骤中可使其下降到原始设定的调节回路放大系数的一半，在下一步骤中减到三分之一，再减到四分之一等。通过调节回路放大系数的相继减小直到一个可预定的终点值为止，通常用各个PI调节器工作的调节将更稳定，但动态性能减缓，这即为其代价。

作为调节界限的原因也可考虑实际的汽缸故障。下面在本申请的范围中该故障被理解为汽缸的喷射装置和/或点火装置上的机械故障。例如可能会这样：通过(有限的)升高含油量即增大燃料配给量不再能达到一个汽缸的期望转矩值，因为譬如由于阀流量和/或阀射束中较大的改变，燃料混合气不能足够地进入汽缸或不能正确地燃烧。对于这种情况尤其可考虑：作为对故障信号的响应，最好在调节特性的至少一次改变后通过效果监测进行调节的关断。在此情况下合乎要求的是，将调节特性复位到原始确定的工作区域上。由此通过效果监测使调节装置停止工作及复位到其原始状态。在作为基础的故障被消除后调节功能可立即发挥其原来的性能。

为了允许有适应于所产生的故障的实时恢复可能性，最好考虑，作为对故障信号的响应，最好在调节特性的至少一次改变后输出一个外部警报信号。它譬如可接通一个可被操作者直接感觉到的、最好是光学的警报显示器和/或产生在一个诊断系统的存储器中的一个相应的存储，由此在随后的诊断中可排除所出现的及可能精确被确定的故障。

也可以是，作为对故障信号的响应，最好在调节特性的至少一次改变后通过效果监测在保持当前调节特性的情况下进行调节的中止。这里，最好通过输出相应的外部警报信号指示故障的出现及由此给出解决故障的请求。

因此本发明实现了对汽缸均衡调节中出现的问题的多级即分级的响应。在一个必要时多次重复的第一步骤中，通过适当地自动的可在内燃机运行期间进行的重新设定调节数据这样地改变调节特性，即首先考虑到调节路径中由老化引起的改变。仅当该调节特性适配后再继续通过效果监测显示出误差时，则为由汽缸区域中的实际故障引起的，它们必要时需要进行修理。该第一步骤可不用操作人员注意地进行，而第二步骤将合乎目的地产生警报信号，它指示需要进行维护或修理。

附图

这些特征及其它的特征除从权利要求书外还可从说明书及附图中得到。唯一的附图表示由试验得到的测量曲线图，它用于说明汽缸均衡调节的效果监测方法。

图1是用于说明在一个设有四个汽缸的汽油直接喷射式发动机上汽缸均衡调节效果监测的一个优选实施形式的、通过一个共同的时间轴(X轴)表示的三个曲线图。各个Y轴上配置的值是由试验求得的，在该试验中内燃机以约1.400转/分钟运行在层状运行方式(15％)中。

在上面的曲线图中的四个曲线K1，K2，K3，K4，作为Y值表示了内燃机曲轴上各汽缸个体的角加速度值K。与最高运行稳定性相对应的给定值(汽缸均衡调节的调节给定值)对于选择的定义应位于值K1＝K2＝K3＝K4＝0上。在时间坐标区段的开始5秒中通过汽缸均衡调节近似地调节在该理想值上。对于角加速度K1至K4中的至少一个来说一个偏离零的值意味着：需要进行汽缸均衡调节的干预。

在中间的曲线图中，其Y轴上记录了对四个汽缸配置的汽缸均衡调节的PI调节器的调节干预系数R。代表调节干预的坐际值R可理解为关于相应汽缸上喷射时间的系数。例如，一个R1＝1.2的值表示在汽缸1上通过调节喷射时间相对一个参考时间增大了20％，这相应于理想上喷入的燃料量增加了20％。因此R＞1的值相应于混合气的含油量超过了平均的混合气组分，而R＜1的值意味着含油量变稀。最好总体调节是这样的，即在一个时间单位中总的喷射量基本上是相等的。

如开始部分所述的，对于喷射平均值相差20％至25％范围的容差是不少见的。这种发散尤其可以通过由容差引起的各个高压喷射阀的流量特性的区别而引起。为了使在该范围上的波动不被效果监测部分判读为汽缸区域和/或调节装置中有超出范围的故障的指示，在所示出的例子中，调节装置的工作范围将通过相应的调节数据设置这样地调整，即在对干预系数1偏差30％的情况下调节装置达到其调节界限(值R＝1.3)。在预计的最大容差如25％与该干预系数界限EA之间还具有一定的安全储备或稳定性，它可保证正常的调节工作，尽管各个喷射彼此之间存在由容差引起的偏差。

在下面的曲线图中，三个矩形波状的曲线代表数字式发动机控制装置的控制比特B，该控制装置也包括了调节器。其中上曲线B1表示调节器时钟脉冲及基本上以均匀间隔出现的矩形脉冲，其脉冲宽度即相应的调节时钟比特约为200毫秒，它们将导致各调节器以脉冲方式进行校正。

中间的曲线B2代表效果监测部分的误差指示。一个相应的误差比特、如在时刻t＝7.2上出现的误差比特相应于效果监测部分的一个故障信号及在一定条件下出现，这些条件在开始部分已描述并在下面还要详细说明。

与横坐标大部分相重合的下曲线B3代表由效果监测部分调节的关断功能，及它是被这样定义的，即在未置位的比特(横坐标上的直线)时调节被接通及在置位的比特时调节被关断。相应地，在所示图中约在21.2秒后发生调节的关断。

以下将借助这些曲线图来详细说明效果监测部分的性能。在上面的曲线，即代表发动机在其运行稳定方面的实际值状态的曲线图中，在达到时刻t＝5秒前的运行稳定性是最佳的，因为所有汽缸个体的角加速度值位于调节给定值K＝0的附近。在时刻t＝5秒上这样地出现了一个干扰，即第一汽缸的喷射阀上的燃料输出少了50％。这就引起了：该汽缸的转矩输出值或者说其角加速度值(曲线K1)偏离了给定值，及在随后约5秒内上升到约为2.5的一个值上。与此同时地，其余三个汽缸的角加速度值(曲线K2，K3，K4)以基本上相同的量逐渐偏离调节给定值。偏离的值主要这样来确定，即调节总体上被设计成：所有汽缸的总燃料消耗基本上保持相同。

在中间曲线图中，可以看出汽缸个体的调节器对第一汽缸喷射阀上的故障的反应。借助曲线R1可清楚看到：对第一汽缸配置的PI调节器将尝试，通过喷射时间的增加来补偿由调节器识别出的误差(喷射阀1上少了50％的燃料)。该喷射时间将按照调节器的时钟节拍(曲线B1)逐步地每次以原始值的10％的步距增加。在时间t＝7.2秒上喷射时间增加约30％，它相应于预设定的调节器干预界限。因此达到了调节器工作范围的边界。由于调节器的预规定，总的喷射量应为恒定值，因此其余三个汽缸的喷射时间或喷射量(R2，R3，R4)将相应地逐步下降。

在时间t＝7.2时达到干预界限EA将引起向控制装置输出一个故障信号，即这时使第一误差比特B21置位。

借助与值K＝0偏离很大的曲线K1至K4可以看出，在达到干预界限的时刻未能恢复发动机的运行稳定。因此调节目标未被实现。

调节工作范围的边界(干预界限EA)的达到将导致对第一汽缸配置的PI调节器的调节特性的改变。一方面，调节器将回调或复位，尤其使得调节器的I-分量(积分分量)置成零，由此在复位后上述的调节偏差不再影响调节器的特性。另一方面，使调节回路的放大系数减小，在所示的例子中将下降到位于t＝0时原始调节器回路放大系数的一半。这意味着在损失调节动态性能的同时增强了调节的稳定性。换言之，调节器变得缓慢及对调节偏差的反应变慢。

因为尽管在发生干扰(t＝5秒)及达到干预界限(t＝7.2秒)之间的调节器干预但未能产生稳定运行的改善(曲线K1以更大的趋势偏离曲线K2至K4)，调节器在T＝7.2秒上首次达到干预界限后的时间区间中将重新尝试：所发出的故障信号(第一喷射阀上燃料减小)通过按调节器时钟节拍逐步地增加配置的喷射时间来进行补偿。在4个增加步子或约3.5秒的时间间隔后，调节器在t＝11秒上达到其预定的干预界限，而未消除运行稳定的干扰。这将引起第二故障信号(误差比特B22)的产生，及以所述方式再次使调节复位(Reset)并进一步减小调节回路的放大系数。例如现在减小到原始调节回路放大系数的三分之一及由此再增加调节稳定性。

可以看出，该过程(调节器在达到干预界限时的复位及调节回路放大系数的再减小)在所示的实施例中又继续地进行了两次，其中每次在随后的调节周期中达到干预界限后重新达到干预界限的时间将增长及相应地进行了更多的喷射时间的增加步子。

还可以看出，在调节回路放大系数三次减小后调节器又达到其干预界限(t＝21.2秒)。在该调节的所示实施形式中，这将被估值为这样一个标志，即干预界限的达到不是归结于调节的不稳定性(例如由于调节路径的参数变化)，而应真正归结于一种汽缸的故障，该故障在该例中引起第一汽缸上喷射燃料量的显著减小。该调节被这样地设计，即在第四次达到干预界限(t＝21.2秒)后，通过效果监测使调节功能关断(在曲线B3上置位功能关断比特)。在此情况下使所有调节器的干预系数复位到值1上。

在曲线B3中t＝21.2秒时导致效果监测关断的最后误差比特或故障信号和/或关断信号可用来产生一个外部警报显示，例如开启一个警报灯和/或存入一个诊断存储器，以便在下次发动机诊断时给此指示：存在一个通过汽缸均衡调节不再可被补偿的汽缸故障。该故障信息可以专门到这样的程度，即可推断出该故障发生在汽缸1的区域中。因此可以采取合乎要求的辅助措施，例如更换该汽缸的喷射阀。

Claims (7)

1.用于控制多汽缸内燃机的方法，其中进行汽缸均衡调节，用于均衡各个汽缸转矩相对内燃机总转矩的份额，其特征在于：进行用于汽缸均衡调节的效果监测；及在汽缸均衡调节的区域中有干扰时产生至少一个指示存在干扰的故障信号。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：在用于内燃机每个汽缸的汽缸均衡调节中，在一个确定的工作区域内进行至少一个影响燃烧的工作参数的单个调节；及当至少一个汽缸单个调节达到该确定工作区域的界限时，产生出一个故障信号。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：作为对故障信号的响应，产生调节装置的调节特性的一个确定改变，尤其通过调节回路放大系数的减小来实现。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于：在调节特性的第一次改变后作为对新的故障信号的响应，至少又一次进行调节特性的改变，尤其通过调节回路放大系数的进一步减小来实现。

5.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于：作为对故障信号的响应，最好在调节特性的至少一次改变后通过效果监测进行调节的关断，其中尤其是将调节特性复位到原始确定的工作特性上；或作为对故障信号的响应，最好在调节特性的至少一次改变后通过效果监测在保持当前调节特性的情况下进行调节的中止。

6.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于：作为对故障信号的响应，最好在调节特性的至少一次改变后输出一个外部警报信号，尤其接通一个可被操作者直接感觉到的、最好是光学的警报显示器和/或存储在一个可从外部询问的诊断系统的存储器中。

7.用于控制多汽缸内燃机的装置，它具有汽缸均衡调节，用于均衡各个汽缸转矩相对内燃机总转矩的份额，其特征在于：设有用于汽缸均衡调节的效果监测装置，它是这样构成的，即在汽缸均衡调节的区域中有干扰时产生至少一个指示存在干扰的故障信号。