用于控制内燃发动机的方法和设备与流程

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的操作内燃活塞发动机的方法。

本发明还涉及一种内燃活塞发动机。

背景技术：

内燃机的操作要求变得越来越苛刻。内燃活塞发动机的废气排放要求变得越来越严格。另一方面，不可取的是发动机的整体性能将受到由旨在减少排放的动作导致的影响。为了应对这些要求，存在各种可用的技术，通过这些技术可以在发动机运行时控制气体排放。例如，进气阀的关闭定时在发动机性能和燃烧过程中起重要作用。即，进气阀的操作对气缸中当时的温度和压力有影响，因此对诸如nox排放的气体污染物的形成有影响。因此，在对气缸压力影响深远的进气阀的操作中发生故障是极其不希望的。

特别地，气缸压力给出关于内燃活塞发动机的燃烧过程的有价值的信息，并且进气阀控制气缸中的压力。ep2570637a2公开了一种用于使至少进气阀或排气阀的开口面积或工作角度变化的可变阀机构。基于由可变阀机构变化的至少进气阀或排气阀的开口面积或工作角度来计算气缸中的压力，并且基于气缸中的压力来控制内燃机。

wo2014/126737a1公开了一种具有用于改进发动机启动的凸轮相位器的气体燃料发动机的控制系统。该控制系统可具有可变进气阀定时装置，其被配置为调节进气阀的循环打开和关闭定时。控制器可被配置为选择性地发起第一米勒循环定时和第二米勒循环定时。

us2012279218a1公开了一种米勒循环发动机，其包括用于控制打开或关闭进气阀的定时的进气可变单元。阀关闭定时控制单元被配置为基于检测到的压力值来计算关闭进气阀的最佳定时，并且向进气阀可变单元输出控制信号。

然而，由于进气阀在恶劣环境中操作的事实，在进气阀操作中可能发生故障。在进气阀系统的操作(特别是控制进气阀的关闭定时)中发生故障的情况下，气缸中的压力可能显著增加，这有不希望的结果。特别地，如果进气阀关闭太晚，例如当活塞处于下死点位置时，气缸中的压力可能显著增加，这甚至可能损坏进气阀系统以及与气缸连接的部件。气缸中的压力增加超过不希望的极限是极其不希望的。

本发明的目的在于提供一种与现有技术的方案相比操作安全性显著改善的操作内燃活塞发动机的方法。

技术实现要素：

本发明的目的可如独立权利要求以及描述本发明的不同实施方式的更多细节的其它权利要求中所公开的基本上满足。

根据本发明，在操作内燃活塞发动机的方法中，在发动机运行期间并且在气缸的循环期间，通过在压缩阶段期间至少在一个预定曲柄角位置(θ)测量在关闭进气阀之后气缸中的压力来确定气缸的估计的压缩压力，将估计的压缩压力与预设的参考压力进行比较，并且在估计的压缩压力大于参考压力的情况下，在压缩阶段期间在气缸中的充气(charge)点火之前容许部分气体离开气缸。

这提供了以更可靠和安全的方式操作内燃活塞发动机的方法。通过本发明，可在气缸压力上升太高之前采取必要的措施。有利地，可能的高气缸压力情形在其实际发生之前被估计，从而执行必要步骤以防止在气缸中的充气点火之前压力上升太高。这根据本发明通过在点火开始之前容许部分气体离开气缸来实现。

通过本发明，可补救例如由进气阀关闭太晚而导致的可能问题。这将改进并使燃烧过程稳定。另外，气缸中当时的压力保持在不大于参考设定压力的适当水平。本发明对气缸中的压力有影响，以使得峰值压缩也保持在适当水平。可以说，该方法为过高压缩压力提供了预防性保护。应该注意，在本发明的上下文中，短语“容许部分气体离开气缸”中的术语“气体”可以是纯空气或者空气和燃料的混合物、或者空气、燃料和其它气体(例如，发动机的再循环废气)的混合物。这取决于本发明的实际应用。

作为本发明的进一步发展，还考虑了由燃料的燃烧引起的压力上升。由于燃烧对气缸中的压力的影响加到压缩压力上，所以也可避免气缸中的总峰值压力过高。

根据本发明的实施方式，当实际曲柄角位置小于第一曲柄角位置(θ1)时，针对第一曲柄角位置(θ1)确定估计的压缩压力，并且将估计的压缩压力与针对第一曲柄角位置(θ1)设定的预设参考压力进行比较，并且在估计的压缩压力大于参考压力的情况下，在压缩阶段期间在循环到达第一曲柄角位置(θ1)之前容许部分气体离开气缸。

这提供了能够在可能过高的压力出现之前对其作出反应的效果。

根据本发明的实施方式，该方法包括以下步骤：以受控方式容许部分气体，以使得所述部分气体是在压缩阶段期间在气缸中的充气点火之前容许离开气缸的受控量的气体。这样，可将气缸中的压力尽可能控制为最佳。

根据本发明的实施方式，所述参考压力是针对压缩压力预定的，使得考虑燃烧的影响并且甚至在燃烧之后，气缸中的峰值压力保持在适当水平。

根据本发明的实施方式，估计的压缩压力是峰值压缩压力。因此，如果估计峰值压缩压力大于预设压缩压力，则容许气体离开气缸。这使燃烧过程稳定并且将峰值压缩压力控制在可取的水平。

根据本发明的有利实施方式，将气缸的估计峰值压缩压力与作为预设参考峰值压力的预设压缩压力进行比较。这意指对于峰值压缩压力存在不允许超过的设定最大值。这保护了进气阀、被设置为与气缸连接的部件、和发动机。

根据本发明的实施方式，针对各个气缸单独地确定估计的压缩压力。这将提供发动机的准确操作和稳定操作。

在压缩阶段期间，即，在bdc之后所有气体交换阀被关闭时，确定估计的压缩压力。这里，bdc是指活塞的下死点位置，tdc是指活塞的上死点位置。

根据本发明的实施方式，该方法包括以下步骤：在压缩阶段期间在将燃料引入气缸之前，容许部分气体离开气缸。本发明的此实施方式可被应用在不同类型的发动机中。首先，这可被应用于直喷式气体发动机，其中气体燃料不是与燃烧空气预混合而被引入的，而是直接喷射。

其次，发动机可以是气体发动机，其中气体燃料与燃烧空气预混合，并且直接引入到气缸的纯燃料用于点火目的，即，所谓的引燃燃料。

作为燃料直接喷射的可选措施，在应用该方法的气缸中并且在其循环期间可减少喷射的燃料的量或者甚至可禁止喷射。

作为预混合气体发动机的可选措施，在应用该方法的气缸中并且在其循环期间，可禁止施加点火能量(例如，形成火花)。

作为引燃喷射预混合气体发动机的可选措施，在应用该方法的气缸中并且在其循环期间，可禁止施加点火能量(例如，形成火花)。

根据本发明的方法适用于液体和气体燃料发动机二者，并且适用于压缩或者自动点火燃烧和利用附加能源(例如，火花或等离子体点火)的点火二者。

根据本发明的实施方式，通过在关闭进气阀之后在压缩阶段期间至少在一个预定曲柄角位置测量气缸中的压力来确定估计的压缩压力。

根据本发明的实施方式，通过在关闭进气阀之后在压缩阶段期间在不止一个预定曲柄角位置测量气缸中的压力来确定估计的压缩压力。实际上，进行多次测量，将改进对压缩压力的估计。

根据本发明的实施方式，基于在压缩阶段期间在少于十个不同的预定曲柄角位置(θ)测量的压力测量值来确定估计的压缩压力。

根据本发明的另外的实施方式，基于在压缩阶段期间在不止一个但少于十个不同的预定曲柄角位置(θ)测量的压力测量值来确定估计的压缩压力，以用于提供一个估计的压缩压力。

根据本发明的另外的实施方式，在压缩阶段期间在上死点之前至少在80度的曲柄角(θ)确定估计的压缩压力。

根据本发明的另外的实施方式，在气缸的循环期间，气缸的进气阀在bdc之前关闭，并且在该方法中，利用气缸的先前循环的估计峰值压缩压力来控制进气阀的关闭定时，并且在气缸的循环期间在关闭气缸的进气阀之后，确定气缸的新的估计峰值压缩压力，并将所述新的估计峰值压缩压力与预设参考峰值压力进行比较，并且在估计的压缩压力大于参考压力的情况下，在压缩阶段期间在气缸中的充气点火之前容许部分气体离开气缸。

根据本发明的另外的实施方式，将气缸的先前循环的多个估计峰值压缩压力值存储在可读存储器单元中。

根据本发明的另外的实施方式，气缸的先前循环的估计峰值压缩压力值作为以下状态参数中的一个或更多个的函数被存储在可读存储器单元中：发动机转速、发动机负荷、充气压力、进气阀关闭曲柄角度；并且用于执行关闭进气阀的步骤的先前循环的估计的压缩压力峰值通过在当前循环中定义条件参数并使用来自所述可读存储器单元的与当前循环中的所述条件参数最匹配的估计的压缩压力峰值来选择。

根据本发明的实施方式，利用测量的压力值和气缸的体积信息如下获得估计峰值压缩压力：首先，在特定曲柄角位置下根据气缸中的压力p和体积v将多变关系写为：

pv^γ＝c

其中，γ是所谓的多变指数，c是常数(实数)。此外，可如下写出多变关系：

其中，pn是气缸中在特定体积vn下在压缩阶段期间的测量压力，ptdc是在上死点位置的气缸压力，vtdc是在上死点位置的气缸体积。重新排列项，发现峰值压缩压力(在上死点位置的压力)的估计为：

可通过增加压力测量次数来改进估计精度。在气缸压力进行多次测量的情况下，使用例如最小二乘估计获得对峰值压缩压力ptdc的更好估计。

根据本发明的实施方式，多变指数γ是预先配置的值。

根据本发明的实施方式，通过被设置为通向气缸的安全阀装置来容许部分气体离开气缸。

在气缸中的压力水平保持在安全水平的发动机的正常操作中，安全阀保持关闭，但是在异常操作条件的情况下，当气缸中的压力趋于超过预定压缩压力时，安全阀被设置为打开。

根据本发明的实施方式，被容许离开气缸的气体在容许到周围空气之前被冷却。

根据本发明的实施方式，在容许到周围空气之前降低被容许离开气缸的气体的压力。

根据本发明的内燃活塞发动机包括：至少一个压力传感器，所述至少一个压力传感器与气缸连接；测量单元，其被设置为在进气阀关闭之后并且在燃料点燃之前利用所述至少一个压力传感器至少在一个预定曲柄角位置测量压力；确定单元，其被设置为利用至少一个测量的气缸压力确定至少在第二曲柄角位置的估计的压缩压力；以及控制单元，其被设置为响应于估计的压缩压力来控制适于与气缸连接的安全阀装置的操作。

根据实施方式，该内燃活塞发动机是气体发动机或双燃料发动机。

根据本发明的实施方式，安全阀装置包括用于冷却并降低被容许离开气缸的部分气体的压力的处理单元。

根据本发明的实施方式，安全阀装置包括设置在气缸的缸套(liner)中的至少一个安全阀。

根据本发明的实施方式，安全阀装置包括设置在气缸盖中的至少一个安全阀。

根据本发明的另一实施方式，安全阀包括可足够快速地操作的阀。

根据本发明的实施方式，安全阀是启动阀，即，发动机的现有加压空气启动系统的气体进入阀。启动阀例如是电磁阀。在这种情况下，启动阀主要用作启动阀，其次用作安全阀。在启动阀充当安全阀的情况下，容许部分气体经由启动阀离开气缸进入启动空气通道，气体从该通道离开。

根据本发明的实施方式，安全阀装置包括具有压电晶体传感器的安全阀。压电晶体传感器被设置为操作安全阀。

内燃机的控制单元被提供用于执行根据所附方法权利要求中的任一项所述的方法的可执行指令。

附图说明

在下文中，将参照示例性、示意性的附图描述本发明，附图中：

图1示出根据本发明的实施方式的操作内燃活塞发动机的流程图，

图2示出根据本发明的实施方式的具有安全阀装置的内燃活塞发动机，

图3示出根据本发明的实施方式的具有安全阀装置的内燃活塞发动机，以及

图4示出根据本发明的实施方式的一个气缸中的两条压力曲线(测量的压力曲线和估计的压力曲线)的曲线图。

具体实施方式

图1示意性地描绘了操作内燃活塞发动机的流程图。在气缸的操作循环期间，在关闭进气阀之后，该方法包括步骤10：确定气缸中的估计的压缩压力。在该方法的下一步骤12中，将估计的压缩压力与预设的参考压力进行比较。有利地，估计的压缩压力是估计的峰值压缩压力，预设的参考压力是峰值压缩压力极限值，即，提供发动机的最佳安全运行的最大压力或压力极限。在该预设的压力极限下操作时，防止气缸及其部件发生损坏。如果估计的压缩压力低于或等于预设的参考压力，则采取流程图中的主路径13，并继续发动机的正常运行14。在气缸的下一循环中，该方法经由线路19返回到步骤10，以确定气缸中的估计的压缩压力(有利地，估计的峰值压缩压力)。

如果估计的压缩压力高于预设的参考压力，则采取流程图中的辅路径15，并且该方法包括步骤16：在压缩阶段期间并且在气缸中的充气点火之前容许部分气体离开气缸。这将防止气缸中发生超压(例如，在发生故障的情况下)。根据本发明的实施方式，该方法包括步骤16：以受控方式容许所述部分气体。换言之，所述部分气体是受控量的气体。因此，在压缩阶段期间并且在气缸中的充气点火之前容许受控量的气体离开气缸。

有利地，容许部分气体离开气缸的步骤16包括以下步骤：首先打开17并随后关闭18安全阀装置的安全阀。安全阀装置适于与气缸连接。有利地，在发起点火(例如，在燃气发动机或双燃料发动机的情况下，通过触发火花或开始注入引燃燃料)之前打开安全阀。另外，在发起可燃气体混合物(即，气缸中的充气)的点火之前关闭安全阀。在容许部分气体离开气缸的步骤16之后，该方法返回到继续发动机的正常运行14的步骤。在气缸的下一循环中，该方法经由线路19返回到步骤10，以确定气缸中的估计的压缩压力(有利地，估计的峰值压缩压力)。该方法被分别应用于一个或更多个气缸，优选应用于所有气缸，因此，容许部分气体离开一个气缸中未必导致发动机的停止。

应该注意，在进气阀或增压器的故障或不期望的操作条件以及不期望的压力增加的情况下，采取辅路径15。如早前提及的，进气阀的太晚关闭定时可能导致气缸中的压力增加，并且通过本发明，可使这种情况的不期望的影响最小。

在正常操作条件下，即，当估计的压缩压力低于或等于预设的压缩压力时，安全阀保持关闭。有利地，针对各个气缸在各个循环中单独地确定估计的压缩压力。

图2示意性地示出内燃活塞发动机40。为了清晰起见，这里仅示出发动机的一个气缸44。发动机还包括被设置为在气缸44内往复运动的活塞46，并且还包括被设置为与气缸44连接的至少一个进气阀42和排气阀43。在图2中，进气阀42和排气阀43处于关闭位置。图2具体地描绘了压缩阶段，其中活塞46朝其上死点位置移动。

发动机40设置有安全阀装置20，该安全阀装置20被设置为与气缸44连接。安全阀装置20包括至少一个压力传感器30，其与气缸44连接，用于检测气缸40中当时的压力。有利地，安全阀装置20包括测量单元26.1，其被设置为在进气阀42关闭之后并且在发动机的燃烧室中点燃燃料之前利用所述至少一个压力传感器30测量气缸44中的压力。来自压力传感器的信号经由通信线路28传送到测量单元26.1。根据本发明的实施方式，至少在一个预定曲柄角位置测量压力。根据本发明的实施方式，压力传感器30包括压电晶体传感器，其提供指示气缸中的压力并且可由控制单元26使用的信号

与气缸44连接的压力传感器30未必仅专用于安全阀装置20，该方法中可以使用由与气缸44连接的任何传感器提供的压力信息。在这种情况下，气缸中当时的压力的信息可通过传送装置被传送到安全阀装置20。换言之，设置传送装置以用于将气缸的压力信息提供给安全阀装置20。

根据本发明的另一实施方式，在不止一个曲柄角位置测量气缸中的压力。有利地，在进气阀关闭之后并且在循环中活塞已经过其下死点位置之后进行压力测量。

安全阀装置20还包括确定单元26.2，其被设置为利用至少一个测量的气缸压力确定至少在第二曲柄角位置的估计的压缩压力。

在活塞的不止一个曲柄角位置测量气缸中的压力的情况下，各个压力测量值用于形成精度增加的估计的压缩压力。这是因为可使用例如最小二乘估计来获得压缩压力的估计的精度。这样，估计的压缩压力基于多次测量，并且它被确定并可用于在估计所涉及的曲柄角之前采取动作。

根据本发明的实施方式，第二曲柄角位置是零曲柄角位置，即，上死点位置，因此，估计的压缩压力是估计峰值压缩压力。在这种情况下，压缩压力意指在充气压力和活塞的压缩作用的组合影响下导致的气缸的燃烧室中的压力。因此，从术语压缩压力排除由燃料的燃烧导致的压力上升。

另外，确定单元26.2包括将估计的压缩压力与预设参考压缩压力进行比较的指令。安全阀装置20设置有控制系统26.3，其通过通信线路27与安全阀22连接。安全阀适于与气缸44连接。安全阀设置有开口，其在活塞的上下死点位置之间的位置处设置到气缸的缸套。根据本发明的实施方式，安全阀设置有开口，其在与活塞的下死点位置相比更靠近上死点的位置处被设置到气缸的缸套。有利地，当安全阀被设置到气缸的顶部时，有更多时间用来测量、计算、激活安全阀装置，并且在压缩阶段期间并在气缸中的充气点火之前容许部分气体离开气缸。

控制系统响应于估计的压缩压力来控制安全阀22的操作。在估计的压缩压力大于预设参考压力的情况下，控制单元打开安全阀22并容许部分气体离开气缸44。特别地，以受控的方式容许部分气体离开气缸44，使得所述部分气体是受控量的气体。安全阀22的操作被定时以在压缩阶段期间在气缸44中的充气点火之前进行。在图2中，安全阀22被设置到气缸44的缸套中。然而，安全阀阀22可被设置在气缸盖(未示出)中。应该注意的是，可存在一个或更多个安全阀(其被设置为与气缸连接)，但是本文中仅示出一个安全阀22。

根据本发明的实施方式，测量单元26.1、确定单元26.2和控制系统26.3可被设置成一个物理单元，其可被称为控制单元26。有利地，控制单元26可被设置为经由通信线路29检测曲柄角位置。利用曲柄角位置信息，可确定对应气缸体积或活塞的位置，其目的将稍后结合图4来说明。

当安全阀22打开时，容许部分气体从气缸44离开。因此，控制单元26包括确定阀维持打开的时段的指令，以在气缸44中获得期望的压力。该装置包括气体处理单元24，其被设置到排气管线23。排气管线23从安全阀22引出并且被设置为最终通向周围环境。经由安全阀22和排气管线23将气体引导到气体处理单元24。气体处理单元被设置为使气体冷却。气体处理单元也可被设置为减小气体的压力。由发动机的气缸中的气体组分所组成的气体从处理单元24排出到发动机外部(例如，排出到环境中)。标号48描绘了壁结构，例如安装有发动机40的安装设施(例如，船舶或建筑物)的壁。因此，容许部分气体到设施的外部。

图3示意性地示出安全阀装置20的另一实施方式。安全阀装置包括用对应数字引用的与图2对应的元件。有利地，在此实施方式中，安全阀22包括控制安全阀22的操作的压电晶体传感器30’。压电晶体传感器30’被设置为检测气缸44中的压力或压力差。在此实施方式中，压电晶体传感器被集成到安全阀22中。来自压电晶体传感器30’的信号经由通信线路28被传送到测量单元26.1。图3的实施方式的操作与图2所示的操作对应，使得在估计的压缩压力大于参考压力的情况下，在压缩阶段期间在气缸44中的充气点火之前容许部分气体经由安全阀22离开气缸44。

图4示意性地示出示例性曲线200，该曲线200示出以曲柄角为函数的气缸压力的行为。存在与一个气缸有关的两条曲线：第一曲线222显示估计的压缩压力(没有燃烧)，第二曲线226显示包括燃料在气缸中的燃烧的影响的气缸压力。第一曲线222被描绘为估计的动力压力曲线，意指发动机在没有点火和燃料的燃烧的情况下启动。在估计的压缩压力曲线222中估计的峰值压缩压力224被示出为其最大值。横轴示出曲柄角位置θ，纵轴示出气缸中的压力p。横轴上的标记228描绘零角度，即，tdc位置。可以看出，估计的峰值压缩压力224位于tdc位置处。

图4示意性地示出在关闭气缸44的进气阀22之后气缸44中的点220.1、220.2、220.3、220.4、...、220.n处的测量压力值p1，...，pn。具体地，从压缩阶段并且优选当活塞46接近bdc位置和在bdc位置之后时，获得点220.1、220.2、220.3、220.4、...、220.n处的测量的压力值p1，...，pn。这示出了本发明的以下方面：基于与点220.1、220.2、220.3、220.4、...、220.n对应的多个曲柄角位置来确定估计的压缩压力。当实际曲柄角位置小于第一曲柄角位置时，在针对第一曲柄角位置的测量之后确定估计的压缩压力。现在将估计的压缩压力与针对第一曲柄角位置(θ1)设定的预设参考压力进行比较，并且在估计的压缩压力大于参考压力的情况下，在压缩阶段期间并且在循环到达第一曲柄角位置之前容许部分气体离开气缸44。

应该注意，实际上存在用于确定峰值压缩压力的各种方法。本文所示出的一个方法是在对估计的峰值压缩值进行估计时使用测量的气缸压力值和相应气缸体积值。在此实施方式中，利用点220.1、220.2、220.3、220.4、...、220.n处的测量的压力值p1，...，pn和对应气缸体积信息v1，...，vn来估计峰值压缩压力224。测量的压力值p1，...，pn与体积值v1，...，vn对应。为了使用气缸压力和体积值确定估计的峰值压缩压力，所谓的多变(polytrophic)关系可被写为：

pv^γ＝c

其中，p涉及在气缸中在特定体积v下的压力，γ是所谓的多变指数，c是常数(实数)。此外，可如下写出多变关系：

其中，pn是气缸中在特定体积vn下在压缩阶段期间的测量的压力，ptdc是在上死点位置的气缸压力，vtdc是在上死点位置的气缸体积。气缸压力pn和气缸体积vn可被定义在压缩阶段期间的任何点。重新排列项，发现峰值压缩压力(在上死点位置的压力)的估计为：

清楚的是，pn、vn、vtdc和γ是已知的和/或可测量的，或者可以用其它方式确定的值，峰值压缩压力ptdc是可解的未知项。可通过增加压力测量次数来改进估计精度。在气缸压力进行多次测量的情况下，使用例如最小二乘估计获得对峰值压缩压力ptdc的更好估计。

通常，还需要对多变指数γ的估计。根据本发明的实施方式，多变指数γ是预先配置的值，并且在这种情况下，对多变指数γ的实时估计未必需要，但仍可进行。在这种情况下，控制单元26包括将预配置的值用于多变指数γ的指令。

根据本发明的另一实施方式，多变指数γ未预先配置。相反，多变指数γ通过任何合适的方法(例如以下过程中所公开的)来估计：

i.设定多变指数的初始值，

ii.基于多变指数的初始值来计算模型压力曲线，

iii.计算各个曲柄角的模型失配，

iv.计算相对于平方失配之和的多变指数的导数，

v.基于前一步骤的结果，使多变指数增大或减小预定量，

vi.针对多变指数的减小或增大的值来重复步骤ii至iv，

vii.计算相对于平方失配之和的多变指数的二阶导数，

viii.使多变指数的值改变与所述导数除以所述二阶导数带负号对应的量，以及

ix.重复步骤ii、iii、iv、vii和viii，直到与所述导数除以所述二阶导数的绝对值对应的量小于预定值。

尽管本文中结合目前所认为的最优选实施方式作为示例描述了本发明，将理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在涵盖其特征的各种组合或修改，以及包括在如所附权利要求书中限定的本发明的范围内的若干其它应用。结合上述任何实施方式提及的细节当这样的组合在技术上可行时可结合另一实施方式使用。