专利名称：用于确定在内燃机的一个气缸中燃烧的燃油量和供入该气缸中的燃油量之间的比率的方 ...的制作方法
用于确定在内燃机的 一 个气缸中燃烧的燃油量和 供入该气缸中的燃油量之间的比率的方法和装置
本发明涉及用于借助于气缸压力传感器确定在内燃机的 一个气缸 中燃烧的燃油量和供入该气缸中的燃油量之间的比率的方法和装置。
用于描述和控制在内燃机气缸内发生的燃烧过程的一个重要的参
量是燃烧函数(Brennfunktion)。该燃烧函数由被燃烧的燃油量与供入 的燃油量的比率(MBR (质量燃烧速率(Mass Burn Rate))依据曲轴 转角而形成。从燃烧函数中可以由燃烧的重心位置(Schwerpunktlage) 获得另 一个表征燃烧过程的参量。燃烧的重心位置标明了燃烧函数的工 作点，在该工作点处，供给的燃油量的50%被燃烧。内燃机的效率、声 学的和排放技术上的特性基本上通过燃烧函数确定。确定燃烧函数的前 提条件是要知道气缸压力随曲轴转角的变化。通过知道这种相互关系和 借助于压力变化曲线分析和工作过程计算可以计算出MBR并且由此通
过应用燃烧过程的热动力学模型计算出燃烧函数。
关于燃烧过程的热动力学模型的其他细节例如可以在由Richard 羅Basshuysen/Fred Schafer编著的"内燃机手册，，(Handbuch Verbrennungsmotor) ， 2002年4月第1版，第5.2和5.3章节中和在由 Bosch编著的"汽车技术口袋书"(Kmftfahrtechnches Taschenbuch ), 1995年8月第22版，第358至363页中找到。
在依据热动力学模型确定MBR和燃烧函数时出现这样的问题，即 所要求的计算运行非常复杂并且需要很高的扫描速率用于气缸压力传 感器和曲轴传感器的信号。由此在发动机控制装置中确定MBR和燃烧 函数只有在很高的成本下才能够实现。此外，尽管成本高，它们还常常 不能够实时地确定。
DE10237328A1公开了 一种用于调节内燃机的燃烧过程的方法，该 内燃机至少在一定的运行状态下可以以控制的自燃模式运行(HCCI模 式(均匀进气压燃模式)。在此，在HCCI模式下的燃烧过程基于循环 过程进行模型化，其中燃烧过程借助于内部状态参量如例如燃烧曲线， 压力曲线，温度曲线或燃烧的重心进行描述。模拟的和实际的燃烧过程 的输出参量如例如来自爆震传感器的信号，废气温度或空气/燃油比被输
入到 一个调节器中，其调节影响燃烧过程的控制参量如例如燃油喷射或 废气再循环。
本发明的任务是提供一种方法和 一种装置，其允许以很少的计算费 用确定在内燃机的 一个气缸中燃烧的燃油量和供入该气缸中的燃油量 之间的比率。
该任务由独立权利要求的特征解决。本发明的有利的实施例标明在 从属权利要求中。
本发明的突出之处在于借助于气缸压力传感器确定在内燃机的一 个气缸中燃烧的燃油量和供入该气缸中的燃油量之间的比率的方法和
相应的装置。为此，对于燃油在气缸中燃烧之前的过程，从气缸容积v
和相关联的气缸压力p的多个值对中确定一个等熵幂5Cv和一个常量kv。 此处，气缸容积由与曲轴相关联的曲轴传感器的信号确定，而气缸压力 由气缸压力传感器的信号确定。
在确定了两个参量Xv和kv之后，对于在其处应该确定在气缸中燃 烧的燃油量和供入该气缸中的燃油量之间的比率的工作点，根据参量5Cv 和kv确定燃油在气缸中燃烧之前的过程的气缸压力。
接着，对于上述工作点，记录燃油在气缸中燃烧期间气缸压力传感 器的测量值。随后，类似于燃油在气缸中燃烧之前的过程，对于燃油在 气缸中燃烧之后的过程，从气缸容积和相关联的气缸压力的多个值对中
确定一个等熵幂Xn和一个常量kn。
在确定了两个参量Xn和kn之后，对于在其处应该确定在气缸中燃 烧的燃油量和供入该气缸中的燃油量之间的比率的工作点，根据参量Xn 和kn确定燃油在气缸中燃烧之后的过程的气缸压力。
随后，借助于上面确定的在燃油燃烧之前、期间和之后的气缸压 力，对于上述工作点，确定在气缸中燃烧的燃油量和供入该气缸中的燃 油量之间的比率。
该方法可以确定对于任何工作点的在气缸中燃烧的燃油量和供入 该气缸中的燃油量之间的比率，尽管该方法根据气缸压力传感器和曲轴 传感器的通过测量技术测得的信号只需要几个气缸容积和相关联的气 缸压力的值对(最少4个)。按照本发明的方法具有的优点在于没有使 用昂贵的热动力学模型并且因此计算费用很低。这样，在气缸中燃烧的 燃油量和供入该气缸中的燃油量之间的比率可以在发动机的控制装置
中实时地确定，而不会由于对在发动机的控制装置中使用的硬件的要求 的提高而增加费用。
按照本发明的方法可以用于汽油机，柴油机，也可以用于煤气运行 的发动机。
在本发明的 一 个有利的实施例中，燃烧函数由对于多个工作点确定 的在气缸中燃烧的燃油量和供入该气缸中的燃油量之间的比率形成。燃 烧函数可以用于调节内燃机的燃烧过程。这样可以优化内燃机的效率和 声学特性和排放特性。
在另一个有利的实施例中，从燃烧函数中确定燃烧的重心位置。燃 烧的重心位置是用于描述内燃机的燃烧过程的一个特征参量并且能够 用于调节燃烧过程。内燃机的效率和声学特性和排放特性能够由此得到 优化。
在本发明的另 一个有利的实施例中，对于燃油在气缸中燃烧之前的
过程的等熵幂Xv和常量kv根据以下等式确定
<formula>formula see original document page 7</formula>(等式1 ),
其中用p表示气缸压力和用V表示气缸容积。对于燃油在气缸中燃烧之 后的过程(指数n)，等熵幂5(n和常量kn根据以下等式确定
<formula>formula see original document page 7</formula>" (等式2)。
等式1和等式2能够以很小的计算费用确定各自的等熵幂和各自的 常量。
在另 一个有利的实施例中，对于燃油在气缸中燃烧之前的过程的等 熵幂或对于燃油在气缸中燃烧之后的过程的等熵幂借助于以下等式确 定
<formula>formula see original document page 7</formula>
在等式3中，Pi和P2表示气缸压力传感器的测量值和Vi和V2表示
相关联的气缸压力容积，其根据曲轴传感器的信号确定。等式3能够以
很小的计算费用确定各自的等熵幂X。
在本发明的另 一个有利的实施例中，在气缸中燃烧的燃油量和供入 该气缸中的燃油量之间的比率(MBR)根据以下等式确定
柳/ = 。^^掘％ (等式4)。
在等式4中，MBR表示在气缸中燃烧的燃油量和供入该气缸中的 燃油量之间的比率，c表示一个常量，pw表示在燃油在气缸中燃烧期间 气缸压力传感器的测量值，pv表示借助于等式1确定的在燃油在气缸中 燃烧之前的气缸压力，和pn表示借助于等式2确定的燃油在气缸中燃烧 之后的气缸压力。根据等式4确定在气缸中燃烧的燃油量和供入该气缸 中的燃油量之间的比率所需要的计算费用很低。因此，为了进行这种确 定，只需要相对较小的储存器要求和较小的计算功率。
在本发明的另 一个有利的实施例中，在具有用于气缸容积和相关联 的气缸压力的两个以上的值对的情况下，确定等熵幂的平均值。该平均 值在用于确定燃油在气缸中燃烧之前或之后的气缸压力的相应的等式1 或2中使用。使用平均值减小了当记录曲轴传感器或气缸压力传感器的 测量值时单个测量误差对借助于等式1或2确定气缸压力的影响。
在本发明的另一个有利的实施例中，在具有用于气缸容积和相关联 的气缸压力的两个以上的值对的情况下，确定在等式1或2中给出的常
量的平均值。该平均值在用于确定燃油在气缸中燃烧之前或之后的气缸 压力的相应的等式1或2中使用。使用平均值减小了当记录曲轴传感器 或气缸压力传感器的测量值时单个测量误差对借助于等式1或2确定气 缸压力的影响。
在本发明的另 一 个有利的实施例中，依据在气缸中燃烧的燃油量和 供入该气缸中的燃油量之间的比率改变影响燃烧过程的内燃机控制参 量，如例如要喷入的燃油的数量或点火时刻。由此可以在燃油消耗，声 学特性和有害物质排放方面优化燃烧过程。
在另 一个有利的实施例中，在用按照本发明的方法确定的在气缸中
燃烧的燃油量和供入该气缸中的燃油量之间的比率和用存储在控制装 置中的特性曲线族确定的在气缸中燃烧的燃油量和供入该气缸中的燃 油量之间的比率之间实施比较。该比较的结果输入到一个调节器中，该 调节器确定影响燃烧过程的内燃机控制参量，如例如要喷入的燃油的数 量或点火时刻。由此，可以在燃油消耗，声学特性和有害物质排放方面 优化燃烧过程。
在另 一个有利的实施例中，本发明的方法应用于至少在 一定的运行
状态下能够以受控制的自燃模式(HCCI模式)运行的内燃机中。这种 内燃机的燃烧过程的调节由此能够得到优化。
在本发明的另 一个有利的实施例中，为内燃机的多个气缸确定在气 缸中燃烧的燃油量和供入该气缸中的燃油量之间的比率或燃烧函数或 燃烧的重心位置。由此能够最佳地调节在各个气缸中发生的燃烧过程。 由制造或老化引起的在气缸之间的偏差由此可以得到补偿。
在本发明的另一个有利的实施例中，在一个控制装置中，用于记录 气缸压力传感器的信号或记录曲轴传感器的信号的扫描速率依据按照
本发明的方法确定的在气缸中燃烧的燃油量和供入该气缸中的燃油量 之间的比率的结果进行改变。由此在气缸中的燃烧过程能够在相应的结 果下以提高的时间分辨率进行记录和由此能够优化对燃烧过程的调
"F 。
以下对照示意图说明本发明的实施例。附图中
图1显示了用于实施本发明的方法的装置的示意表示，和
图2显示了用于说明本发明的方法的流程图。
图1显示了用于实施本发明的方法的装置的示意表示。该装置具有 包括气缸2的发动机本体1。活塞3位于气缸2内，该活塞通过连杆4 连接到曲轴5上。通过发生在气缸2中的燃烧过程，活塞3在气缸2中 沿着垂直方向进行平移运动。气缸容积和气缸压力取决于活塞3在气缸 2中的位置。为了图示的清楚起见，附图中没有包含对于内燃机正常工 作所需要的其他部件如例如进排气阀，火花塞，进气歧管或排气歧管。 用于记录气缸压力的气缸压力传感器6设置在气缸2内。此外，用于记 录曲轴转角的曲轴传感器7设置在发动机本体1内。两个传感器的信号 被控制装置8记录。在控制装置8中，按照本发明借助于两个传感器的 信号和在控制装置中具有的其他信息如例如内燃机的转速来确定在气
缸2中燃烧的燃油量和供入气缸2中的燃油量之间的比率。由位于控制 装置8的右侧的箭头表明，控制装置8能够处理其他传感器的信号或者 能够与其他控制装置交换数据。此外，影响燃烧过程的内燃机控制参量
可以依据在气缸2中燃烧的燃油量和供入气缸2中的燃油量之间的比率 进行改变并且将相应的调节信号从控制装置8传送到相应的调节机构。 发动机的控制装置例如可以用作控制装置8。
图2显示了用于说明本发明的方法的流程图。在步骤S1中，记录 用于燃油在气缸2中燃烧之前的过程的曲轴传感器7和气缸压力传感器 6的测量值并且由此确定出一个用于气缸容积Vw和相关联的气缸压力 piv的值对。在步骤S2中，记录用于燃油在气缸2中燃烧之前的另一个 时刻的曲轴传感器7和气缸压力传感器6的测量值并且由此确定出另一 个用于气缸容积V2v和相关联的气缸压力ph的值对。在步骤S3中，借 助于在步骤S1和S2中确定的值对，对于在燃油在气缸2中燃烧之前的 过程，确定等式1的等熵幂Xv和常量kv。等熵幂5Cv借助于以下等式来 确定
ln、 、
常量kv根据具有的参量确定
/VK/、、 (等式6)。
在确定等熵幂Xv和常量kv之后，对于燃油在气缸2中燃烧之前的 每个工作点的气缸压力Pv可以借助于等式1确定。随后，在步骤S斗中， 对于一个选择的工作点，借助于等式1确定燃油在气缸2中燃烧之前的 气缸压力pv。在步骤S5中，对于上述工作点，记录气缸压力传感器6
的测量值Pw。
随后，在步骤S6中，记录燃油在气缸2中燃烧之后的过程的曲轴 传感器7和气缸压力传感器6的测量值并且由此确定气缸容积Vm和相 关联的气缸压力pin的值对。在步骤S7中，记录对于燃油在气缸2中燃
烧之后的另 一个时刻的曲轴传感器7和气缸压力传感器6的测量值并且
由此确定气缸容积Vh和相关联的气缸压力P2n的另一个值对。在步骤
S8中，借助于在步骤S6和S7中确定的值对，对于燃油在气缸2中燃烧 之前的过程，确定等式2中的等熵幂Xn和常量kn。等熵幂Xn通过以下 等式确定
(等式7)。
ln^
常量kn根据以下等式确定
(等式8)。
在确定了等熵幂Xa和常量K之后，对于燃油在气缸2中燃烧之后
的每个工作点可以借助于等式2确定气缸压力pn。随后，在步骤S9中， 对于上述工作点，借助于等式2确定燃油在气缸2中燃烧之后的气缸压 力pn。在步骤S10中，在内燃机气缸2中燃烧的燃油量和供入气缸2中 的燃油量之间的比率MBR借助于等式4确定。在等式4中，c表示一个常量。
权利要求
1.用于确定在内燃机的一个气缸(2)中燃烧的燃油量和供入该气缸(2)中的燃油量之间的比率(MBR)的方法，在该方法中，气缸容积(V)由与曲轴(5)相关联的曲轴传感器(7)导出和气缸压力(p)由与气缸(2)相关联的气缸压力传感器(6)测量，其特征在于，-对于燃油在气缸(2)中燃烧之前的过程，从气缸容积(V)和相关联的气缸压力(p)的多个值对中确定出一个等熵幂(χv)和一个常量(kv)，-对于一个工作点，在该工作点处需要确定在气缸(2)中燃烧的燃油量和供入气缸(2)中的燃油量之间的比率(MBR)，根据参量χv和kv确定出对于在燃油燃烧之前的过程的气缸压力(pv)，-在燃油在气缸(2)中燃烧期间，对于上述工作点，记录气缸压力传感器(6)的测量值(pw)，-对于燃油在气缸(2)中燃烧之后的过程，从气缸容积(V)和相关联的气缸压力(p)的多个值对中确定出一个等熵幂(χn)和一个常量(kn)，-对于上述工作点，根据参量χn和kn确定对于在燃油燃烧之后的过程的气缸压力(pn)，-对于上述工作点，借助于上面确定的在燃油燃烧之前(pv)、期间(pw)和之后(pn)的气缸压力确定出在气缸(2)中燃烧的燃油量和供入气缸(2)中的燃油量之间的比率(MBR)。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，确定对于多个工作 点的在气缸(2)中燃烧的燃油量和供入气缸(2)中的燃油量之间的比 率(MBR)并且由该结果确定出燃烧函数。
3. 按照权利要求2所述的方法，其特征在于，借助于燃烧函数确定出燃烧的重心位置。
4. 按照前述权利要求中之一所述的方法，其特征在于，对于燃油 在气缸(2)中燃烧之前的过程根据以下等式确定等熵幂(5Cv)和常量(kv):<formula>formula see original document page 2</formula>和对于燃油在气缸(2 )中燃烧之后的过程根据以下等式确定等熵幂(& ) 和常量(kn):<formula>formula see original document page 2</formula>
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，对于燃油在气缸(2) 中燃烧之前的过程和/或对于燃油在气缸(2)中燃烧之后的过程借助于 以下等式确定等熵幂(5C):其中X表示各自的等熵幂，Pi和P2表示气缸压力传感器(6)的测量值和V！和V2表示相关联的气缸压力容积。
6. 按照前述权利要求中之一所述的方法，其特征在于，在气缸(2) 中燃烧的燃油量和供入气缸(2)中的燃油量之间的比率(MBR)借助 于以下等式确定<formula>formula see original document page 3</formula> , P广A其中C表示一个常量。
7. 按照前述权利要求中之一所述的方法，其特征在于，在具有气 缸容积(V)和相关联的气缸压力(p)的两个以上的值对时，确定各自 的等熵幂(5Cv, Xn)的平均值并且将该平均值用于确定燃油在气缸(2)燃烧中之前(Pv)或之后(Pn)的气缸压力。
8. 按照前述权利要求中之一所述的方法，其特征在于，在具有气 缸容积(V)和相关联的气缸压力(p)的两个以上的值对时，确定各自的常量(kv, kn)的平均值并且将该平均值用于确定燃油在气缸(2)中 燃烧之前(Pv)或之后(Pn)的气缸压力。
9. 按照前述权利要求中之一所述的方法，其特征在于，依据在气 缸(2)中燃烧的燃油量和供入气缸(2)中的燃油量之间的比率(MBR) 来改变影响燃烧过程的内燃机的控制参量。
10. 按照前述权利要求中之一所述的方法，其特征在于，将在气缸 (2)中燃烧的燃油量和供入气缸(2)中的燃油量之间的比率(MBR)与由储存在一个控制装置(8)中的特性曲线族确定的在气缸(2)中燃 烧的燃油量和供入气缸(2)中的燃油量之间的比率(MBR)进行比较 并且依据该比较的结果改变影响燃烧过程的内燃机控制参量。
11. 按照前述权利要求中之一所述的方法，其特征在于，该方法应 用于至少在 一定的运行状态下能够以受控制的自燃方式运行的内燃机中。
12. 按照前述权利要求中之一所述的方法，其特征在于，对于内燃 机的多个气缸(2),确定在气缸(2)中燃烧的燃油量和供入气缸(2) 中的燃油量之间的比率(MBR)或燃烧函数或燃烧的重心位置。
13. 按照前述权利要求中之一所述的方法，其特征在于，在控制装 置(8)中，依据在气缸(2)中燃烧的燃油量和供入气缸(2)中的燃 油量之间的比率(MBR)来改变用于记录气缸压力传感器(6)的信号 或用于记录曲轴传感器(7)的信号的扫描速率。
14. 用于确定在内燃机的一个气缸(2)中燃烧的燃油量和供入该 气缸(2)中的燃油量之间的比率(MBR)的装置，在该装置中，气缸 容积(V)由与曲轴(5)相关联的曲轴传感器(7)导出和气缸压力(p) 由与气缸(2)相关联的气缸压力传感器(6)测量，其特征在于设有机 构，通过这些才几构，-对于燃油在气缸(2)中燃烧之前的过程，从气缸容积(V)和 相关联的气缸压力(p)的多个值对中确定出一个等熵幂(5Cv)和一个常 量(kv),-对于一个工作点，在该工作点处需要确定在气缸(2)中燃烧的 燃油量和供入气缸(2)中的燃油量之间的比率(MBR),根据参量Xv 和kv确定出对于在燃油燃烧之前的过程的气缸压力(pv)，-在燃油在气缸(2)中燃烧期间，对于上述工作点，记录气缸压 力传感器(6)的测量值(pw)，-对于燃油在气缸(2)中燃烧之后的过程，从气缸容积(V)和相关联的气缸压力(p)的多个值对中确定出一个等熵幂(Xn)和一个常 量(kn),_对于上述工作点，根据参量Xn和kn确定对于在燃油燃烧之后的 过程的气缸压力(Pn),-对于上述工作点，借助于上面确定的在燃油燃烧之前(Pv)、期 间(pw)和之后(Pn)的气缸压力确定出在气缸(2)中燃烧的燃油量和供入气缸(2)中的燃油量之间的比率(MBR)。
全文摘要
根据气缸压力传感器和曲轴传感器的信号，对于燃油在气缸中燃烧之后的过程和燃油在气缸中燃烧之后的过程，确定等式p·V<sup>x</sup>＝k的等熵幂(χ)和常量(k)。任何可以借助于等式用各个等熵幂(χ)和相应的常量(k)确定出在燃烧之前和之后的气缸压力(p)。在燃油燃烧期间通过气缸压力传感器测量气缸压力。根据上述参量确定在内燃机的气缸中燃烧的燃油量和供入气缸中的燃油量之间的比率(MBR)。该方法的优点是能够以很小的计算费用确定在内燃机的气缸中燃烧的燃油量和供入气缸中的燃油量之间的比率(MBR)。
文档编号F02D35/02GK101171412SQ200680015909
公开日2008年4月30日 申请日期2006年5月10日 优先权日2005年5月10日
发明者D·埃尔默, E·鲍尔, T·劳尔 申请人:西门子威迪欧汽车电子股份公司