专利名称：修正内燃机内汽缸不平衡的方法
技术领域：
本发明涉及内燃机内的汽缸平衡控制，特别地涉及机动车用柴油共轨发动机。更具体地，本发明涉及如权利要求1的前述部分所述的修正汽缸不平衡的方法。
背景技术：
在传统内燃机内，实际在每次喷射时喷射入每个汽缸内的燃油数量可能和由电子 控制单元(ECU)要求的，以及被用来确定喷射器的激发时间的名义燃油数量不同。有若干因素导致了这一不同，特别是由生产过程扩大引起的喷射器特征的偏离以 及由于喷射系统老化造成的同样特征的时间漂移变化。事实上，现有的喷射器生产过程不 够精确到生产具有窄公差的喷射器；此外，这些公差随着在喷射器寿命内的老化越来越恶 化。因此，对给定的激发时间和给定的轨道压力，实际喷射的燃油数量可能因喷射器而异。这一喷射燃油数量不同导致了因汽缸而异的扭矩不平衡，引发了诸如压力峰值不 同，放热以及作用在被用来和传感器或检波器一起测定曲柄轴转动的曲柄轴轮上的动力学 影响的不同。已知的用来修正汽缸不平衡的控制系统包括测定因汽缸而异的不平衡幅度，以及 通过闭环控制修正因气缸而异的喷射燃油数量的步骤。特别地，传统的控制系统是基于对 曲柄轴轮信号的分析的。在往复运动的内燃机中，每个汽缸的气压扭矩是周期函数，这是由热力学特质造 成的。因此，在4冲程发动机中，该气压扭矩的周期为720° CA(曲柄轴角度)。用另一种 方式表达，如果ω是曲柄轴旋转频率，则在4冲程发动机中该气压扭矩的频率为0.5ω。4冲程发动机的气压扭矩可被通过傅立叶级数的方式表达，包括作为基础频率的 频率 0. 5 ω，以及其谐波频率(1·0ω、1·5ω、2·0ω、2·5ω、3·0ω 等)。频率为0. 5 ω的谐波分量被定义为阶数为0. 5的分量。如上所述，该分量的周期 为720° CA且其频率和曲柄轴旋转频率相同。频率为1. 0ω的谐波分量被定义为阶数为1的分量，且周期为360° CA ；其频率等 于曲柄轴旋转频率。频率为1. 5ω的谐波分量被定义为阶数为1. 5的分量，且周期为CA。频率为2. O ω的谐波分量被定义为阶数为2的分量，且周期为180° CA ；在4冲程 发动机中该频率和喷射频率相同(每180° CA喷射一次)(因冲程而异的)；在四冲程发动 机中，该频率及其倍数Ο.0ω、4.0ω、6.0ω等)被定义为主谐波或主阶数。频率为3. O ω的谐波分量被定义为阶数为3的分量，且周期为120° CA ；在6汽缸 发动机中该频率和喷射频率相同(每120° CA喷射一次)(因冲程而异的)；在6汽缸发动 机中该频率和其倍数(3.0ω，6.0ω，9.0ω等)被定义为主谐波或主阶数。曲柄轴轮被安装在曲柄轴上；其被大致沿周边分隔成预设数目个区域，每个区域 具有精确的角宽度，典型地所有区域的角宽度相同。在典型实施例中，曲柄轴轮沿其周边具有预设数目个齿，或预设数目个磁体。这种选择取决于用来测定曲柄轴轮信号的传感器的种类。该传感器被安装在发动机体上。在曲 柄轴旋转时，该区域和传感器相遇，且该传感器能测定每个区域的持续时间。预设数目个区域构成一个分区(segment)；因此，每个分区具有精确的角宽度。有若干个系统化误差，其产生不由实际曲柄轴动力学推导得出的系统化动力学分 量。一个典型的系统化误差的例子是由曲柄轴轮生产公差或安装公差造成的集合误差。系 统误差在寿命中的幅度不尽相同，而会发生幅度偏移。为了获得准确的曲柄轴轮信号，必须知道不由实际曲柄轴动力学推导得出的系统 化动力学分量的影响。由下文描述可变得清晰，本发明主要是基于对发动机速度信号的处理，以获得可 被用来控制由每个喷射器喷射的燃油数量的燃油数量修正值。美国专利6，250，I44B1公开了一种在传动轮上修正公差的方法。
发明内容
如此发明所述，上述的已知燃油喷射系统的问题被具有由权利要求1设定的特征 的方法所解决。
本发明的其他特征和优点将由下文参照附图对非限制性示例的描述而显得明显，其中图1是内燃机的示意图和被用来实施根据本发明的方法的ECU的流程图；图加和2b是施行根据本发明方法的操作的流程图；图3是曲柄轴轮信号的示意图；图4是现有技术的滤波器的转换函数的图表；图5是根据本发明的方法中使用的滤波器的转换函数的图表；图6示出了与图加中评价滤波阶段相关的两幅图表；图7是图2b中T控制计算模块的示意图。具体实施方法在附图1的视图1中示出了一种适用于机动车的内燃机，特别是一种柴油共轨发 动机。发动机1特别地是四冲程发动机，其在示例性实施例中被示出具有四个汽缸，每 一个汽缸分别有相应电子控制燃油喷射器11-14与其相关联。在已知的方式中，所述发动机1包括其上固定有齿轮3的曲柄轴2。该轮3示例性 地具有60个等角度隔开的齿，其名义角宽度相同，且其上连接有提供曲柄轴或发动机速度 信号的接收设备4.燃油喷射器11-14恰当地由发动机1的E⑶6的燃油喷射控制模块5驱动，其被设 置为设定在所述发动机1的每个循环中向每个汽缸提供的名义燃油数量。在如本发明所述的系统中，该由传感器或探测器4提供的曲柄轴速度信号被按预 定的方式获得且处理，其在图1中被块7表示，以提供由每一个喷射器喷射入的燃油数量的 预测值。该预测由汽缸平衡控制模块8处理，其输出为被燃油喷射控制5用来控制喷射器11-14的燃油数量修正，以补偿(特别是)最初讨论的燃油喷射系统中的偏移和公差的影 响。图加和2b示出了 ECU6进行的如本发明的方法所述的操作的流程图的两部分。本发明的方法包括第一步骤，在其中获取由传感器3、4提供的曲柄轴速度信号， 同时一个预先设定的燃油注入器被在一段预先设定的时间周期内激发而在该时间周期内 其他所有燃油注入器未被激发。这将引发不平衡，分析了由此引起的对曲柄轴轮3的动力 学的影响。本发明的方法还包括处理获取的曲柄轴速度信号的步骤，以获得代表所述速度信 号的预设谐波分量振幅的信号或数据。特别地，对4冲程内燃机来说，0. 5阶的发动机速度 和汽缸不平衡幅度相关度最高。由于在本发明的上述第一步骤中在720° CA中仅加压一个 喷射器，这可被解释。在该方法的第一步骤中，如上所述，会引发不平衡，且为了测定所述不平衡的幅 度，可分析由曲柄轴轮3和相关的传感器4提供的发动机速度的谐波分量。特别地，0. 5阶 和0. 5的倍数的阶的该发动机速度谐波分量最适合测定该不平衡的幅度。 总体来说，对谐波分量的分析应集中在0. 5阶、1. 0阶、1. 5阶、2. 0阶...Z/4阶上， 其中Z是发动机的汽缸的数量。当所有的发动机汽缸越被大致平衡后，这些谐波分量的振幅变的非常小；当汽缸 未被平衡时，这些谐波分量的振幅变得非常大。0. 5阶和0. 5的倍数的阶的发动机速度分量 的振幅可被作为评价不平衡幅度的基础。在分析60齿周期时，有作用的阶数为60.这一限制导致不能轻易分析所有60 个齿，因为带通滤波器具有如图4示出的形状。这种滤波器很难被有效的实施，因为其 具有过大的“死带”，从而最好分析曲柄轴速度信号的部分(分区)。出于这个原因，如 图加所示，由传感器4提供的曲柄轴速度信号被进行第一周期-求和阶段(组合)10 处理，以获得所述信号的部分。当齿持续时间被彼此相加以获得所述信号部分时，出现 了混叠现象(phenomenology of alias)，这是由于该求和阶段操作等于进行数据抽取 (datadecimation)最高阶被映射在较低阶上。本发明的方法因此包括进行数字化抗混叠滤波12的步骤，特别是通过使用HR滤 波器，且在第二周期-求和阶段14。图3示出了表现具有预设周期102的方波信号的曲柄 轴轮信号100的示意性代表。毗邻周期(例如3个周期)102的预设数字被在第一周期-求 和阶段10中相加，以获得第一信号部分或分区104，其又被在第二周期-求和阶段14中相 加(例如，两两相加)以获得第二分区106。该第二周期-求和阶段14的输出值又被在阶 数为0. 5,1. 0,1. 5的谐波分量上进行带通滤波处理16 (图2a)，以获得中间值17.带通滤波的理论可被方便地应用，以评价与被激发喷射器对应的汽缸不平衡的幅 度。在阶数域中进行的计算都使用了具有下列标准差公式的带通滤波器aj (η) = Id1X (η) +. . . +bnb+1x (n-nb) -a2y (n-1) _. . . -ana+1y (n-na)带通滤波器是让一定范围内的频率通过而拒绝(减弱)此范围之外的频率的滤波 器。由于有求和阶段10和14的存在，使得使用具有如图5中定性的图表中示出的频率或 阶数域的带通特征的滤波器成为可能，其中图5中定性的图表示出了 1阶谐波分量附近的 通带。时间域内带通滤波器的输出(理想地)为正弦曲线。
第二周期-求和阶段14的输出值又被作为参照模型计算阶段18的输入值(参见 图1和2a)。在机动车中，曲柄轴轮速度信号不仅反映了发动机动力学，也受一些几何-机械 误差的影响。因此，需要理想曲柄轴轮模型。在参照模型计算阶段18，按照下列公式施行分 区106的求和
k+z
^ Segmenti
Segmentmoi el = —-— (1)
J + z + l其中k是模型的计算针对的一般分区106。该模型没有任何几何-机械误差。在 参照模型计算阶段18计算出的kgmentm。del分区随后被经受带通滤波处理20，该滤波处理 因试样不同而不同，且该处理被施加在阶数为0. 5,1. 0,1. 5. . . K0. 5的谐波分量上。中间值17和带通滤波处理20的输出值被在比较阶段22进行比较，以获得粗略修 正值23，所述粗略修正值为中间值17和带通滤波处理20的输出值之间的差值，因试样而 异。该比较阶段22的输出值被低通滤波处理M处理，以获得被滤波的修正值25，其在评价 滤波阶段26被和粗略修正值23进行比较。在评价滤波阶段沈，使用了 “评价滤波器”，所述“评价滤波器”为初始值不为零的 低通滤波器，其被设置为用来获得被定义为在粗略修正值23和被滤波修正值25之间差值 的即时差值，其因试样而异。该“评价滤波器”随后被设置为收敛于所述差值。图6中显示出了示出了代表粗略修正值的第一曲线152以及代表被滤波修正值的 第二曲线154的第一图表150。第二图表156示出了代表“评价滤波器”输出值的曲线158，该输出值趋向于粗略 修正值23和被滤波修正值25之间的差值。当该“评价滤波器”的输出值达到第一预设阈 值THl时，该过程停止。现在回到图加，在评价滤波处理沈结束时，即，当“评价滤波器”的输出值达到第 一阈值THl时，滤波后修正值25被选择在其后的步骤中使用。滤波后修正值25在修正阶段观中被用来修正中间值17以获得最终值30，其因试 样而异，每一个最终值30对应着阶数为0. 5,1. 0,1. 5. . . K0. 5的谐波分量。该获得的最终 值30为中间值23和滤波后修正值25之间的差值。考虑到阶数为0. 5和0. 5的倍数的曲柄轴轮速度信号分量和汽缸不平衡幅度相 关，可执行闭环控制。本发明的方法因此包括PI控制阶段32，其中使用了比例和积分控制。该控制的输 入值为由修正阶段观得到的最终值30，且使用了零不平衡作为控制的参照。该PI控制阶 段32因阶数而异，且其输出值在求和阶段34被全部相加到一起。该求和阶段34的输出是 被燃油喷射控制5用来控制喷射器11-14的燃油数量修正35。特别地，该燃油数量修正35被加在由发动机1的E⑶6请求的名义燃油数量上。本发明的方法消去了贡献于汽缸扭矩不平衡的汽缸不平衡的阶数为0.5、1.0、 1. 5. . . K0. 5的谐波成分。图7示出了显示有所述修正阶段观的输出值的第一图表160，显示有PI控制模块 参照的第二图表162，其对所有阶数来说都为零，S卩，被完美平衡的发动机，以及显示有PI控制阶段32的输出值的第三图表164。在时间域内，对发动机的影响是具有不同周期的正弦信号的叠加；在总体平衡时 所有正弦值信号的结果将为零。显然地，对实施例和产品的细节可在前述描述和通过非限制性示例示出的内容的 基础上进行显著的变化而不改变本发明的原理，其并未偏离本发明由所附权利要求限定的 保护范围。
权利要求
1. 一种修正内燃机内汽缸不平衡的方法，所述内燃机具有多个各自配置有相应电子控 制燃油喷射器(11-14)的汽缸，以及具有相关联的角速度传感器(3、4)的曲柄轴O)，所述 角速度传感器包括设置有多个具有相同角宽度的等距标示的轮(3)；所述方法包括-在一个燃油喷射器在设定的时间周期内被激发而所有其他燃油喷射器未被激发时， 获得曲柄轴或发动机速度信号；-通过使用传感器(3、4)扫描所述标示来产生方波信号，所述信号具有预设的周期 (102)；-施行第一周期-求和步骤(10)以获得所述周期(102)的第一分区(104)； -施行所述第一分区(104)的数字化抗混叠滤波(12)； -施行分区求和步骤(14)以获得第二个、更大的分区(106)； -在预设谐波分量上施行带通滤波步骤(16)以获得中间值(17)； -创立代表理想曲柄轴轮速度信号的滤波后修正值05)； -使用所述滤波后修正值0 修正所述中间值(17)以获得最终值(30)； -基于所述最终值(30)施行因分量而异的比例和积分控制(32)； -将所有谐波分量求和(34)以获得燃油数量修正值(3 ；和-根据所述燃油数量修正值(35)，通过控制所述燃油喷射器(11-14)来修正汽缸不平
2.如权利要求1所述的方法，使用在4冲程内燃发动机(1)上，所述谐波分量为阶数为 0. 5或0. 5的倍数的分量，该阶数直到Z/4，其中Z是所述发动机的汽缸数目。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中施行数字化抗混叠滤波的步骤(1 包括使用 HR滤波器。
4.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中创立滤波后修正值0 的步骤包括 -根据以下公式对所有第二分区(106)求和，
5.如权利要求4所述的方法，其中所述粗略修正值03)为所述中间值(17)和所述比 较值之间的差值。
6.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中所述最终值(30)为因分量而异的所述 中间值(17)和所述滤波后修正值05)之间的差值。
全文摘要
一种方法，包括步骤获得一个燃油喷射器在设定的时间周期内被激发而其他所有燃油喷射器未被激发时的曲柄轴或发动机速度；通过使用传感器(3、4)扫描所述标记产生方波信号，此信号具有预设周期(102)；施行第一周期求和步骤(10)以获得周期(102)第一分区(104)；施行第一分区(104)的数字化抗混叠滤波(12)；施行分区求和步骤(I4)以获得第二个、更大的分区(106)；在预设的谐波分量施行带通滤波步骤(16)以获得中间值(17)；创立代表理想曲柄轴轮速度信号的滤波后修正值(25)；使用滤波后修正值(25)修正中间值(17)以获得最终值(30)；基于最终值(30)，施行因分量而异的比例和积分控制；将所有谐波成分相加(34)以获得燃油数量修正值(35)；并根据该燃油数量修正值(35)，通过控制燃油喷射器(I1-I4)来修正汽缸不平衡。
文档编号F02D41/14GK102137996SQ200980133661
公开日2011年7月27日 申请日期2009年7月27日 优先权日2008年8月28日
发明者乔瓦尼.罗瓦蒂, 托马索.德法齐奥, 米歇尔.巴斯蒂亚内利 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司