专利名称：通过分析汽缸压力信号的燃料系统诊断的制作方法
技术领域：
本公开涉及内燃机，包括压燃式发动机，的操作和控制。
背景技术：
这一部分的内容仅仅是提供与本公开相关的背景技术，并不构成现有技术。在发动机由电动机带动时和在发动机点火时，已知多种插入式和非插入式压力感 测装置用来感测内燃机汽缸中的压力。燃烧正时或相位对于诊断燃烧过程中的问题是有用的。检查质量分率燃烧是检查 汽缸燃烧相位的的一种已知方法。质量分率燃烧是对汽缸燃烧室内的充量在给定曲柄角有 多少已经被燃烧的估计。对于在一组特定参数下操作的正常燃烧过程，可以预料质量分率 燃烧在小范围内。显示偏离该小范围的质量分率燃烧值表明燃烧室内的条件在预期参数之 外。质量分率燃烧以多种方法来估计。估计质量分率燃烧的一种已知方法包括检查来自燃烧室的压力数据，包括分析可 归因于燃烧的室内压力上升。存在多种方法来量化可归因于燃烧的缸内压力上升。压力比 管理(PRM)是基于Rassweiler方法的方法，该方法规定可通过因燃烧产生的分率压力上升 来近似质量分率燃烧。在已知条件下已知时间的已知充量的燃烧往往在汽缸内产生一贯可 预测的压力上升。PRM根据在给定曲柄角的燃烧下的测量汽缸压力与在给定曲柄角的计算 带动压力(如果汽缸内没有燃烧发生则估计一个压力值)的比导出压力比。超过带动压力 的任何压力上升都可归因于燃烧带来的能量。因此，该方法描述了汽缸内的燃烧过程，包括 燃烧相位信息、和将在给定曲柄角的压力比值相对于完整燃烧循环规范化，产生估计质量 分率燃烧的分率压力比。Rassweiler方法还可直接用于确定质量分率燃烧。该方法量化可归因于燃烧的燃 烧室压力上升，并将曲轴角的一定范围内的上升相加。当前燃烧循环上的可归因于燃烧的 压力上升的累计和可与预期总和相比较，以获得已经燃烧的充量的分率部分或质量分率燃烧 。估计质量分率燃烧的另一方法是基于热力学第一定律的经典热释放模型。已知的 公式将燃烧中的放热率等同于测量的汽缸读数。积分该放热率获得了给定曲柄角的净能量 释放。该净能量释放可与预期能量释放作比较，以获得已经燃烧的充量的分率部分或质量 分率燃烧。压燃式发动机及其它发动机控制策略在广泛的发动机条件下运行。包括燃料控 制、燃料调节、充量点火正时控制、废气再循环(EGR)控制的有效控制对于满足操作员对性 能和燃料经济性的需求以及符合排放要求来说是必须的。另外，有很多的可变性，包括涉 及部件，例如燃料喷射器；系统，例如燃料管路和压力；操作条件，例如环境压力和温度； 以及燃料，例如，十六烷值和酒精含量的可变性。燃烧的可变性影响了各汽缸的热量释放和 做功输出，导致发动机的非最优性能。发动机性能的任何变化都显现在汽缸压力比中。燃 烧可变性的测量可用于诊断燃烧过程中的不稳定性，提供用于缩短低效或高排放操作的时间段的信息。
发明内容
一种用于诊断包括多个燃烧室并以贫理想配比运行的直喷式内燃机中的燃烧的 方法，包括监测燃烧室内的燃烧和估计其中的质量分率燃烧。比较所述多个燃烧室中的按 顺序的各燃烧室的质量分率燃烧，并确定基于所述质量分率燃烧比较的所述多个燃烧室的 按顺序的各燃烧室之间的燃烧相位差。
现在参考附图，通过实例描述一个或多个实施例，其中图1为根据本公开具体实施例构造的内燃机的截面图；图2为根据本公开的质量分率燃烧曲线的曲线图；图3为根据本公开的在压缩/膨胀事件期间可在燃烧室中观察的示例性压力的曲 线图，包括燃烧循环常见的汽缸压力和无燃烧的汽缸循环常见的带动压力；图4是根据本公开的在一组按顺序的汽缸上的与为百分之五十的质量分率燃烧 相关联的曲柄角值的示例性比较的曲线；以及图5为根据本公开的在多个发动机循环持续期间内的在一组按顺序的汽缸上的 与为百分之五十的质量分率燃烧相关联的曲柄角值的示例性比较的曲线。
具体实施例方式参考附图，其中附图仅仅是示出特定具体实施例的目的，不是限制为具体实施例 的目的，图1为示意图，示出了根据本公开的实施例构造的内燃机10、控制模块5和废气后 处理系统15。示例性发动机包括多缸直喷压燃式内燃机，该内燃机具有连接至曲轴M并可 在汽缸20内移动的往复式活塞22，所述汽缸20限定了可变容积的燃烧室34。曲轴M可 操作地连接至车辆变速器和传动系，以响应于操作员扭矩需求(T0_REQ)向变速器和传动 系传送牵引扭矩，发动机优选使用四冲程操作，其中每个发动机燃烧循环都包括720度角 的曲轴M旋转，该720度分为四个180度阶段(进气-压缩-膨胀-排气)，描述了活塞 22在发动机汽缸20内的往复运动。多齿目标轮沈连接至曲轴并随其旋转。发动机包括监 测发动机操作的感测装置和控制发动机操作的致动器。感测装置和致动器信号地或操作地 连接至控制模块5。发动机优选包括直喷四冲程内燃机，该内燃机包括由汽缸内在上止点与下止点之 间往复运动的活塞限定的可变容积燃烧室、和包括进气门及排气门的汽缸盖。活塞以重复 的循环往复运动，每个循环都包括进气、压缩、膨胀和排气冲程。发动机优选具有空气/燃料运行形态，该状态主要是贫理想配比的。本领域的普 通技术人员可理解，本公开的各方面可应用于主要以贫理想配比运行的其它发动机构造， 例如贫燃火花点燃式发动机。在压燃式发动机的正常操作期间，在每个发动机循环期间当 燃料充量被喷入燃烧室以与进气形成汽缸充量时都发生燃烧事件。所述充量随后在压缩冲 程期间被发动机的压缩动作燃烧。发动机适于在宽的温度、汽缸充量(空气、燃料和EGR)及喷射事件的范围上运行。这里描述的方法特别适于以贫理想配比运行的直喷压燃式发动机的运行，以确定当前运行 期间与各燃烧室内的热量释放相关的参数。所述方法进一步可适用于其它发动机构造，包 括火花点燃式发动机，包括那些适于使用均质压燃(HCCI)策略的发动机。所述方法可应用 于每发动机循环每汽缸使用多燃料喷射事件的系统，例如采用用于燃料重整的引燃喷射、 用于发动机功率的主喷射事件、和可应用的情况下用于后处理管理的后燃烧燃料喷射事件 的系统，这些事件的每个都会影响汽缸压力。感测装置安装在发动机上或附近，以监测物理特性和产生与发动机和环境参数相 关的信号。所述感测装置包括曲轴旋转传感器，包括用于通过感测多齿目标轮26上的齿的 边缘来监测曲轴速度(RPM)的曲轴传感器44。曲轴传感器是已知的，可包括，例如霍尔效率 传感器、感应式传感器或磁阻效应传感器。曲轴传感器44的信号输出(RPM)被输入至控制 模块5。设有燃烧压力传感器30，包括适于监测缸内压力(C0MB_PR)的压力感测装置。燃 烧压力传感器30优选包括非侵入装置，该非侵入装置包括具有环形横截面的测力传感器， 该环形横截面适于在用于电热塞观的开口处安装进汽缸盖内。燃烧压力传感器30与电热 塞观联合安装，燃烧压力通过电热塞机械地传递至传感器30。传感器30的感测元件的输 出信号C0MB_PR与汽缸压力成比例。传感器30的感测元件包括压电陶瓷或适用于上述目 的的其它装置。其它感测装置优选包括用于监测歧管压力(MAP)和环境大气压力(BARO) 的歧管压力传感器、用于监测进气质量空气流量(MAF)和进气温度(Tin)的质量型空气流 量传感器和冷却剂传感器(COOLANT)。所述系统可包括用于监测一个或多个废气参数(例 如，温度、空气/燃料比和成分)的状态的废气传感器(未示出)。本领域的技术人员可理 解，可存在其它感测装置和方法用于控制和诊断的目的。操作员扭矩需求形式的操作员输 入(T0_REQ)除了其它装置以外通常通过节气门踏板和制动踏板来获得。发动机优选配备 有用于监测运行并用于系统控制目的的其它传感器(未示出)。每个感测装置都信号地连 接至控制模块5，以提供由控制模块转换为表示各被监测参数的信息的信号信息。可理解， 该构造是示意性的，不是限制性的，包括各种感测装置可被功能相同的装置和算法替代。致动器安装在发动机上，由控制模块5响应于操作员输入来控制，以实现各种性 能目标。致动器包括响应于至指令输入(ETC)控制节气门开度的电控节气门装置、和响应 于指令输入(INJ_PW)将燃料直接喷入各燃烧室的多个燃料喷射器12，所有这些都响应于 操作员扭矩需求(T0_REQ)而被控制。设有废气再循环阀32和冷却器(未示出)，其响应于 控制模块的控制信号(EGR)控制到发动机进气的外部再循环废气的流动。电热塞观包括 安装在各燃烧室中适于与燃烧压力传感器30 —起使用的已知装置。燃料喷射器12为燃料喷射系统的元件，包括多个高压燃料喷射器装置，每个都适 于响应控制模块的指令信号INJ_PW将包括大量燃料的燃料充量直接喷进一个燃烧室中。 每个燃料喷射器12都从燃料分配系统(未示出)被供应加压燃料，并具有包括最小脉宽及 相关联的最小可控燃料流率和最大燃料流率的操作特性。发动机可配备有操作以调节各汽缸的进、排气门的开和关的可控气门系，包括气 门正时、相位(即，相对于曲柄角和活塞位置的正时)和气门开启提升量中的任意一个或多 个。一个示例性系统包括可变凸轮相位器，其可应用于压燃式发动机、火花点燃式发动机和 均质充量压燃式发动机。控制模块5优选包括一个或多个通用数字计算机，通常包括微处理器或中央处理单元，包括非易失性存储器的存储介质，非易失性存储器包括只读存储器(ROM)和电可编 程只读存储器(EPROM)、随机存取存储器(RAM)、高速时钟、模数(A/D)和数模(D/A)电路、 输入/输出电路和装置(I/O)及适当的信号处理和缓冲电路。控制模块具有一组控制算 法，包括存储在非易失性存储器中并被执行以提供各计算机的相应功能的常驻程序指令和 标准。所述算法通常在预定循环期间执行，使得每个算法在各循环执行至少一次。算法由 中央处理单元执行，并可操作以监测来自前述感测装置的输入，执行控制和诊断程序以使 用预定标准控制致动器的操作。循环通常以规则的间隔执行，例如在正在运行的发动机和 车辆操作期间每3. 125,6. 25、12. 5、25和100毫秒。另选地，算法可响应于事件的发生而执 行。控制模块5执行存储在其中的算法代码，以控制前述致动器，从而控制发动机操 作，包括节气门位置、燃料喷射量和正时、控制再循环废气流动的EGR阀位置、电热塞操作、 对进气和/或排气门正时、相位、及这样配备的系统的升程的控制。控制模块构造成从操 作员接收输入信号(例如，节气门踏板位置和制动踏板位置)，以确定操作员扭矩需求Τ0_ REQ，并从指示发动机速度(RPM)和进气温度(Tin)、冷却剂温度及其它环境条件的传感器 接收输入信号。发动机内发生的燃烧难以直接监测。传感器可检测和测量进入汽缸的燃料流和空 气流，传感器可监测应用于火花塞的特定电压，或者处理器可集合信息的总和，预测产生自 燃所必需的条件，但是这些读数一起仅仅是预测燃烧，而不是测量实际的燃烧结果。汽缸压 力读数提供描述燃烧室内条件的切实读数。基于对燃烧过程的理解，可分析汽缸压力以估 计特定汽缸内的燃烧过程状态，在燃烧相位和燃烧强度方面描述燃烧。在已知条件下已知 正时的已知充量的燃烧在汽缸内产生可预料的压力。通过描述在特定曲柄角的燃烧的相位 和强度，特定燃烧循环的开始和进程可描述为燃烧的估计状态。通过估计汽缸燃烧过程的 状态并将所述状态与预期汽缸读数或其它汽缸的读数作比较，可在故障、缺火、或低效运行 方面来评价汽缸。由于汽缸条件中的小变化会与产生高效和有序自燃所必需的条件相冲 突，这种评价对在HCCI或压缩点火下运行的发动机尤其重要，其中所述高效有序自燃对在 正常运作的发动机中得到高效率、燃料经济性和低排放是必需的。用于监测燃烧相位的一种已知方法是基于已知参数估计给定曲柄角的质量分率 燃烧比。质量分率燃烧比描述了燃烧室内的充量的多少百分比已经燃烧，并用作燃烧相位 的良好估计。图2示出了示例性质量分率燃烧曲线。对于给定曲柄角，所示曲线描述了在 该燃烧循环已经燃烧的充量中的燃料空气混合物的估计百分比。为了用作燃烧相位的度 量，已知确定所关注的特定质量分率燃烧百分比或所关注的特定曲柄角。图2用CA50%显 示质量分率燃烧等于50 %的曲柄角。通过在多个燃烧循环过程中检查该汽缸中的该特定度 量或在多个汽缸中检查该特定度量，可描述特定燃烧循环的比较相位。如上所述，燃烧相位可用于估计特定燃烧循环的状态。公开了一种用于监测燃烧 相位以诊断无效燃烧的示例性方法，借此可以监测发动机中的燃烧，对每个汽缸燃烧循环 产生质量分率燃烧比，并比较各汽缸的燃烧相位。如果作为第一汽缸的一个汽缸在特定曲 柄角的燃烧相位相比作为第二汽缸的另一汽缸在相同曲柄角的燃烧相位的相位差超过阈 值相位差，那么可推断为异常燃烧。通过该方法可诊断许多种异常燃烧的起因。例如，如果 某些条件引起燃烧室内的过早点火或爆震，汽缸压力读数会展现与正常燃烧不同的值。而且，引起在不正确正时的充量喷射的燃料系统喷射正时故障会造成异常汽缸压力读数。另 外，如果汽缸缺火或从未实现燃烧，那么汽缸压力读数会展现与正常燃烧不同的值。类似 地，压力曲线可用于诊断其它异常燃烧情形，例如空气燃料混合物的变化、凸轮轴相位的变 化、和相关部件的维护故障。已知许多方法来估计质量分率燃烧。一种方法是检查来自燃烧室内的压力数据， 包括分析燃烧室内可归因于燃烧的压力上升。存在多种方法来量化汽缸内可归因于燃烧的 压力上升。压力比管理(PRM)为基于Rassweiler方法的方法，其陈述了可通过因燃烧产生 的分率压力上升近似质量分率燃烧。在已知条件下已知时间的已知充量的燃烧往往在汽缸 内产生一贯可预料的压力上升。PRM从在给定曲柄角(Pm(9))的燃烧下的测量汽缸压力 与计算带动压力(如果汽缸内没有发生燃烧则估计在给定曲柄角(PMQT(9))的压力值)的 比率得到压力比(PR)，得到下列公式
权利要求
1.一种用于诊断直喷内燃机中的燃烧的方法，所述直喷内燃机包括多个燃烧室并且以 贫理想配比运行，所述方法包括监测所述多个燃烧室中的燃烧； 估计所述多个燃烧室中的质量分率燃烧；比较所述多个燃烧室的按顺序的各燃烧室的所述质量分率燃烧；以及 基于所述质量分率燃烧比较确定所述多个燃烧室的按顺序的各燃烧室之间的燃烧相 位差。
2.如权利要求1所述的方法，其中估计质量分率燃烧包括在一定曲柄角范围上测量所述多个燃烧室的其中之一内的汽缸压力；根据所述汽缸压力计算所述曲柄角范围上的净燃烧压力相对于带动压力的压力比；以及将所述压力比相对于估计的完全燃烧压力比进行规范化，以估计所述质量分率燃烧。
3.如权利要求2所述的方法，其中计算压力比包括从所述汽缸压力减去所述带动压力，以确定所述净燃烧压力；以及 将所述净燃烧压力除以所述带动压力；
4.如权利要求2所述的方法，其中所述估计的完全燃烧压力比被估计为在上止点之后 九十度的汽缸压力除以上止点之后九十度的带动压力。
5.如权利要求1所述的方法，其中估计质量分率燃烧包括在一定曲柄角范围上测量所述多个燃烧室的其中之一内的汽缸压力读数；为每个汽缸压力读数都确定各自的净燃烧压力；基于所述净燃烧压力计算各自的基本能量释放；将所述基本能量释放相加以产生分率能量释放；以及将所述分率能量释放与预期总能量释放作比较，以估计所述质量分率燃烧。
6.如权利要求1所述的方法，其中估计质量分率燃烧包括在一定曲柄角范围上测量所述多个燃烧室的其中之一内的汽缸压力； 估计在所述曲柄角范围上的能量释放率；在所述曲柄角范围上积分所述能量释放率，以产生分率能量释放；以及 将所述分率能量释放与预期总能量释放作比较，以估计所述质量分率燃烧。
7.如权利要求1所述的方法，其中比较所述多个燃烧室的按顺序的各燃烧室的所述质 量分率燃烧包括为所述多个燃烧室的每一个确定曲柄角，在所述曲柄角，预定分率的燃烧充量已基于 对应的燃烧质量分率燃烧而被燃烧掉；以及比较所述多个燃烧室的按顺序的各燃烧室的所确定的曲柄角。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述预定分率为百分之五十。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述预定分率为百分之二十。
10.如权利要求1所述的方法，其中比较所述多个燃烧室的按顺序的各燃烧室的所述 质量分率燃烧包括确定燃烧充量的分率，该燃烧充量在特定曲柄角上已基于对应的质量分率燃烧而被燃 烧掉；以及比较所述多个燃烧室的按顺序的各燃烧室的所确定的分率。
11.如权利要求1所述的方法，还包括比较所述多个燃烧室的不按顺序的各燃烧室的 所述质量分率燃烧。
12.如权利要求1所述的方法，还包括基于所述质量分率燃烧比较确定所述发动机的 长期燃烧趋势。
13.一种用于诊断直喷内燃机中的燃烧问题的方法，所述直喷内燃机包括多个燃烧室 并以贫理想配比运行，所述方法包括在多个发动机曲柄角上监测所述多个燃烧室中的压力读数； 估计每个压力读数的质量分率燃烧百分比； 为每个燃烧室确定对应于预定质量燃烧百分比的各自的曲柄角； 比较所述多个燃烧室的按顺序的各燃烧室的所述确定的曲柄角；以及 如果被比较的曲柄角相差预定的角度，那么显示异常燃烧事件。
14.如权利要求13所述的方法，其中所估计质量分率燃烧百分比包括在对应的曲柄角上计算作为被监测的压力读数相对于预定的带动燃烧室压力的比率 的第一压力比；计算作为在预定曲柄角上对应于完全燃烧燃料充量的预期燃烧室压力相对于在所述 预定曲柄角上的预定带动压力的比率的第二压力比；计算作为所述第一压力比减一相对于所述第二压力比减一的比率的分率压力比；以及 基于所述分率压力比估计所述质量分率燃烧百分比。
15.如权利要求13所述的方法，其中估计质量分率燃烧百分比包括 计算对应于各压力读数的分率热量释放；将每个分率热量释放与预期总热量释放作比较；以及 基于所述比较估计所述质量分率燃烧百分比。
16.一种用于诊断以贫理想配比运行的直喷发动机内的燃烧的设备，包括 多个燃烧室；与所述多个燃烧室的每个燃烧室都连接的压力传感器；以及 与所述压力传感器连接的控制模块，所述控制模块构造成分析来自所述压力传感器的数据，以产生所述多个燃烧室的每个燃烧室的燃烧相位信 息；并且比较所述多个燃烧室的按顺序的各燃烧室的燃烧相位信息。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述控制模块以质量分率燃烧曲线的形式产生所 述多个燃烧室的每个燃烧室的所述燃烧相位信息。
18.如权利要求16所述的设备，其中所述控制模块通过确定分率能量释放、将所述分 率能量释放与预期总能量释放作比较、和基于所述比较估计所述质量分率燃烧曲线来产生 所述多个燃烧室的每个燃烧室的所述燃烧相位信息。
全文摘要
一种用于诊断包括多个燃烧室并以贫理想配比运行的直喷内燃机中的燃烧的方法，包括监测所述燃烧室中的燃烧和估计其中的质量分率燃烧。比较所述多个燃烧室的按顺序的各燃烧室的所述质量分率燃烧，并基于所述质量分率燃烧比较确定所述多个燃烧室的按顺序的各燃烧室之间的燃烧相位差。
文档编号F02D41/22GK102066728SQ200980122424
公开日2011年5月18日 申请日期2009年4月6日 优先权日2008年4月14日
发明者C-B·M·关, F·A·马特库纳斯, I·哈斯卡拉, P·A·巴蒂斯顿, Y·王 申请人:通用汽车环球科技运作公司