专利名称：用于确定多缸发动机的缸内压力曲线的方法
技术领域：
本发明涉及用 于确定多缸内燃机的缸内压力曲线的方法，特别是柴油发动机。
背景技术：
已知使用开环控制去控制柴油发动机每个缸内的燃料喷射。在这些传统系统中， 喷射器的喷射时间和脉冲宽度是从储存在发动机的电子控制单元(ECU)内的预定值中选 择的，以一个或者多个发动机特征参数为基础，如发动机速度、发动机载荷、环境温度和压 力。尽管这类系统展示出可接受的性能，但是它们显示出开环控制的典型缺陷和缺 点。例如，在柴油发动机内喷射器的流动特征由于老化现象可能改变持续时间，这样用于喷 射器的脉冲宽度将不再给缸提供所需数量的燃料，通常发动机的性能将退化，造成较高的 污染排放、较高的燃料消耗、噪音增加甚至有损坏发动机的可能。为了改善这种情况，最近的柴油发动机系统提供了对于代表发动机缸体内燃料燃 烧的参数的闭环控制，以便稳定燃烧和减少污染排放。控制柴油发动机燃烧的其中一个普遍使用的参数是MFB50的位置，即一曲柄转 角，在这个转角位置处注入到缸内的燃料质量的50%被燃烧。参数的确定需要ECU在发动机循环过程中对缸内的压力进行取样，因而确定缸内 压力曲线；使用缸内压力曲线用于计算在相同发动机循环内的放热曲线；并且以放热曲线 为基础最终计算MFB50的位置。借助设置在缸内部并且一般与缸本身相关的火花塞相结合的压力传感器对压力 进行取样，这类压力传感器经过模/数转换器与ECU相连。为了达到最佳的控制精度，柴油发动机控制系统被考虑设定用于独立和同时控制 在发动机每个缸内的燃烧。事实上，这类控制系统要求每个缸内至少一个传感器、每个压力传感器一个模/ 数转换器、以及具有提升处理/计算能力的ECU，以由此同时对每个缸的缸内压力曲线进行 取样。这类控制系统的一个严重缺点因此是电子部件的高成本，特别是压力传感器、模/ 数转换器和E⑶。为了减少全部成本，柴油发动机控制系统被考虑设定用于只使用一个压力传感 器，以便在发动机的单独的“引导缸(lead cylinder)”内对压力进行取样，并且用于应用由 这个压力传感器得出的信息也控制没有压力传感器的缸。事实上，这第二个方法让路于带有压力传感器的“引导缸”的闭环控制，该闭环控 制受到依赖“引导缸”的没有传感器的缸的开环控制的辅助。这第二个方法是在压力曲线在不同缸内是基本相同的假定下执行的。然而，所显示的是在柴油发动机中可能有一个或者多个缸，在其中燃烧与其它缸 相比是以不同的方式发生，导致不同的缸内压力曲线。
这种不同的行为可依赖于例如进气歧管道的几何形状，其设计可以这样的，在特 定发动机操作条件下，一个或者多个缸接收不同量的EGR。由此得出结论，在单独缸内取样的缸内压力曲线不总是恰当代表在其它缸内的燃 烧，因此没有传感器的缸的控制是有限的质量，导致增加燃料消耗、污染排放等等。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑多于一个缸的缸内压力曲线，以便适于执行闭环控 制，其比在单独缸内取样的缸内压力曲线为基础的相比具有更好的质量。本发明的另一目的是提供一种缸内压力曲线，与在每个缸内对缸内压力曲线取样 所需要的相比，其确定要求减少硬件资源并且包括减少用于ECU的输入量和/或计算载荷， 因此减少发动机系统的全部费用。发明的实施例的目的是通过在独立的权利要求所记载的发明的特征来获得。从属 权利要求叙述了发明的更优的和/或特别的优点。发明提供了用于确定缸内压力曲线的方法，该曲线代表了在多缸内燃机的缸内的 压力的演变。该方法包括以下步骤a)在发动机运行过程中设定时间帧(timeframe)；b)在发动机至少两个有传感器的缸内对压力取样，在假定的时间帧内在不同取样 周期的过程中执行取样，以便对每个所述装有传感器的缸获得部分缸内压力曲线；c)使用所述部分缸内压力曲线来构造完整的缸内压力曲线。因为方法包含在多于一个缸内取样的压力信息，所以其提供重构的缸内压力曲线 与在单独缸内取样的相比一般更加可靠。根据发明的实施例，该方法提供用于在发动机运行过程中循环重复至少阶段a)、 b)和c)，以便循环获得代表实际发动机行为的重构的缸内压力曲线。这个重构的缸内压力曲线可用于计算燃烧特征参数，如MFB50的位置，适于执行 燃烧的质量闭环控制。重构的缸内压力曲线也可用于其它目的，如用于估计进气歧管压力、用于估计排 气歧管压力、用于估计指示平均有效压力(IMEP)、用于估计脉冲平均有效压力(PMPE)、或 者用于估计指示扭矩。根据发明，在每个装有传感器的缸内的压力可以借助E⑶经过压力传感器来取 样，该压力传感器设置在缸内且最终并入到与缸本身相连的火花塞中。因为取样周期不是同时的，所以所有的压力传感器可以经过单个模/数转换器与 ECU相连，除此之外ECU与提供用于在所有缸内同时对压力进行取样的解决方法相比趋于 减少处理量/计算载荷，因此获得更便宜的发动机系统。在本发明中，假定的时间帧和在时间帧内的取样周期是根据曲柄的角度位置定义 的，所以其独立于发动机速度。特别是，每个取样周期是通过下述特征参数来定义的周期宽度、周期打开和周期 关闭。根据本发明的实施例，包含在该方法中的每个取样周期可以独立于其它进行调整，例如通过改变其特征参数中的一个或者多个。更 好的是，每个取样周期可以按实际发动机操作点函数进行调整，也就是以一个 或者多个实际发动机操作参数为基础，如发动机速度和发动机载荷。因此，可能对每个取样缸和对每个发动机操作点具有不同的取样周期。根据发明的实施例，在假定时间帧内的取样周期被选择，以使得获得的部分缸内 压力曲线是发动机循环的不同阶段的单独代表。在这种情况下，整个缸内压力曲线的重构更好的规定采用每个获得的部分缸内压 力曲线，其代表发动机循环的相应阶段，作为重建缸内压力曲线的部分。根据发明的另一实施例，在预定时间帧内的取样周期被选择，以使得至少两个所 获得的部分缸内压力曲线包含各自重叠部分和非重叠部分，其中重叠部分是发动机循环的 同一共同阶段的代表，非重叠部分是发动机循环的不同阶段的代表。在这种情况下，整个缸内压力曲线的重构更好的规定采用每个非重叠部分作为用 于发动机循环的相应阶段的重构的缸内压力曲线的部分，和共同处理重叠部分以便计算代 表共同阶段的重构的缸内压力曲线的部分。根据发明的方法可以以包含执行发明的方法的所有步骤的程序代码的计算机程 序的形式，和以包含用于执行计算机程序方法的计算机程序产品的方式来实现。根据发明的更优的实施例，计算机程序产品包括控制装置，其用于具有基于微处 理器的控制器的多缸内燃机，例如发动机的ECU，其中程序被储存为使得控制装置以与该方 法相同的方式定义本发明。在这种情况下，当基于微处理器的控制器执行计算机程序时，根 据发明的方法的所有步骤被执行。根据发明的方法也可以电磁信号的方式来实现，所述信号被调制以执行一系列的 数据位，其代表计算机程序以执行发明的方法的所有步骤。
本发明将被描述，该描述借助于实例且参考附图，其中图1显示压力/曲柄角度的图表，其表示在发动机循环过程中在内燃机的缸内的 理论缸内压力曲线；图2显示四个压力/曲柄角度的图表，其中每一个代表在曲柄旋转720°的过程中 四缸内燃机的各自缸内的理论缸内压力曲线；图3复制图2的图表用于阐明根据本发明的第一实施例的方法的最初阶段；图4显示压力/曲柄角度的图表，用于阐明根据本发明的第一实施例的方法的随 后阶段；图5显示压力/曲柄角度的图表，其阐明了根据本发明的第一实施例的方法所提 供的重构的缸内压力曲线；图6复制图2的图表用于阐明根据本发明的第二实施例的方法的初始阶段；图7显示压力/曲柄角度的图表，用于阐明根据本发明的第二实施例的方法的随 后阶段；图8显示压力/曲柄角度的图表，其阐明了根据本发明的第二实施例的方法所提 供的重构的缸内压力曲线。
具体实施例方式本发明参考四缸四冲程柴油发动机在下文进行披露。柴油发动机包括四个缸，其中每个缸容纳在其中定义燃烧室的往复活塞。活塞借 助各自连接杆与曲柄机械连接，由此以曲柄旋转方式传递活塞的往复运动。缸被各自提供 一个或者多个进气阀用于朝向发动机进气歧管循环打开燃烧室；一个或者多个排气阀用于 朝向发动机排气歧管循环打开燃烧室；和电控喷射器用于将燃料注射进燃烧室。柴油发 动机被设置为使得每个活塞在两个曲柄旋转(720° )过程中执行一发动 机循环，其对应于相应缸内的活塞本身的四个冲程进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气 冲程。在进气冲程过程中，进气阀被打开，排气阀被关闭，活塞从上死点(TDC，其是活塞 最接近缸的顶部的位置)下降到下死点(BDC，其是活塞最远离缸的顶部的位置)，因此从进 气歧管抽入气团进入到燃烧室。这种气团可以最终包含适当量的废气，该废气是由排气歧管经过EGR系统进入到 进气歧管。在随后的压缩冲程过程中，进气阀(一个或多个)关闭，活塞由其下死点(BDC)上 升到上死点(TDC)，因此将气团压缩进燃烧室内。在压缩冲程的最后阶段，喷射器将燃料直接喷入燃烧室，一般根据多点喷射模式。喷射继续越过活塞的上死点(TDC)，所以所喷射的燃料在燃烧室内彻底完全燃烧。燃料的燃烧产生高温高压气体，其膨胀直接将力应用到活塞用于推动其通过朝向 其下死点(BDC)的膨胀冲程，以便在曲柄产生扭矩。当活塞接近下死点时，排气阀(一个或多个)打开。在随后的排气冲程过程中，活塞从下死点上升到上死点，通过排气阀从燃烧室释 放废气进入到排气歧管。在排气冲程的最后阶段，排气阀关闭(一个或多个)，然后四冲程发动机循环再次 开始。从上面，得出结论在每个发动机循环过程中在缸内(也就是在燃烧室内)的压力 根据如图1所示的特征缸内压力曲线而变化。事实上，缸内压力在整个进气冲程过程中基本上恒定保持在低值；在压缩冲程过 程中，在进气阀关闭(IVC)后快速上升；越过活塞的上死点位置时有峰值，这是由于燃料在 燃烧室内燃烧；在膨胀冲程过程中，在排气阀打开(EVO)后快速下降，在整个排气冲程过程 中基本上恒定保持在低值。这个缸内压力曲线每两个曲柄旋转(720° )循环再现，基本上保持相同趋势，但 是相应于发动机操作参数的变化而变化，例如发动机速度、发动机载荷、喷射的开始、废气 再循环比例等等。柴油发动机被设置所以越过不同缸的燃烧连续发生，但是根据被恒定的曲柄角度 所分隔的预定的点火顺序按顺序发生。由此得出结论缸内压力曲线，代表被各自活塞所执行的发动机循环，彼此偏移 180°相位差，参考曲柄的角度位置。
柴油发动机的理论缸内压力曲线如图2所示，其中根据它们的点火顺序缸被指定 序号1-4。为了表示的目的，图2显示了在0°和1260°之间来自曲柄角度的角度窗口，其中 0°指示在第一缸1内进气冲程的开始，1260°指示在最后缸4内排气冲程的结束。 本发明提供了用于确定实际缸内压力曲线的方法，该曲线表示在发动机循环过程 中在柴油发动机缸内压力的演变。根据发明的第一实施例，方法规定为发动机的每个缸配备专用的压力传感器，其 设置在缸自身内部，以便直接测量其内的压力。如图3所示，在发动机运行过程中方法被执行并且规定考虑相应于曲柄旋转 1260°的时间帧。参考图3，在发明的当前实施例中所考虑的时间帧包括在0°和1260°之间的整 个角度窗口。在所述时间帧过程中，该方法规定对在发动机的所有缸内的缸内压力进行取样， 其中取样在时间帧内在连续取样周期过程中被执行，以便对每个缸获得部分缸内压力曲线 (在图3中的各自压力曲线的黑体部分所指)。根据当前实施例，在假定时间帧内的取样周期被选择为使得所取得的部分缸内压 力曲线分别表示发动机循环的不同阶段。事实上，该方法规定在近似包括在曲柄旋转的0°和180°之间的取样周期过程 中对第一缸1的缸内压力进行取样，以便获得代表在第一缸1内的活塞的进气冲程的部分 缸内压力曲线。然后，该方法规定在近似包括在曲柄旋转的360°和480°之间的取样周期 过程中对第二缸2的缸内压力进行取样，以便获得代表在第二缸2内的活塞的压缩冲程的 开始的部分缸内压力曲线。然后，该方法规定在近似包括在曲柄旋转的660°和860°之间 的取样周期过程中对第三缸3的缸内压力进行取样，以便获得代表在第三缸3内的活塞的 压缩冲程的结束、燃料燃烧和膨胀冲程的开始的部分缸内压力曲线。最后，该方法规定在近 似包括在曲柄旋转的1040°和1260°之间的取样周期过程中对第四缸4的缸内压力进行 取样，以便获得代表在第四缸4内的活塞的膨胀冲程的结束和整个排气冲程的部分缸内压 力曲线。这些取样周期明显仅借助于实例而非限定性地给出。根据发明，这些取样周期可以彼此独立地进行调整，通过改变一个或者多个它们 各自的特征参数，如周期宽度、周期打开和周期关闭，最终以实际发动机操作点为基础，即 以一个或者多个实际发动机操作参数为基础，如发动机速度和发动机载荷。根据发明的当前实施例的方法只要求在假定时间帧内的取样周期是连续的，更好 的是这个取样周期的总和相应于曲柄旋转720°。具有在各自缸内取样的部分缸内压力曲线，该方法规定使用它们以便重构代表单 个发动机循环的缸内压力曲线。如图4和5所示，根据当前实施例的方法规定不考虑没有压力被测量的周期，并且 规定连续连接在不同缸内取样的部分缸内压力曲线，以便获得在曲柄旋转720°上的整个 缸内压力曲线，那是发动机循环的长度。更详细的，该方法规定采纳每个获得的部分缸内压力曲线作为重构的缸内压力曲线的部分，其代表发动机循环的相应阶段的。根据当前 实施例的方法的相位可以重复用于1260°的随后的时间帧，等等，以便 循环获得代表实际发动机行为的重构的缸内压力曲线。在每个随后时间帧的过程中，与前面时间帧的最后取样缸(即图3中的缸4)相连 的压力传感器将被用于第一个，例如用于代表进气冲程的部分缸内压力曲线的取样；与前 面时间帧的第一取样缸(即图3中的缸1)相连的压力传感器将被用于第二个，例如用于代 表压缩冲程的开始的部分缸内压力曲线的取样；与前面时间帧的第二取样缸(即图3中的 缸2)相连的压力传感器将被用于第三个，例如用于代表压缩冲程的结束、燃料燃烧和膨胀 冲程的开始的部分缸内压力曲线的取样；和最终与前面时间帧的第三取样缸(即图3中的 缸3)相连的压力传感器将被用于第四个，例如用于代表膨胀冲程的结束和整个排气冲程 的部分缸内压力曲线的取样。根据发明的第二实施例，该方法规定只给两个缸配备专用的压力传感器。参考图6，该压力传感器被设置在缸2和3内部，其按点火顺序是连续的。根据当前实施例的方法在发动机运行过程中被执行，并规定考虑对应于曲柄旋转 720°的时间帧，那是发动机循环的长度。参考图6，所考虑的时间帧被近似包含在270°和990°之间，其中270°指在第二 缸2内的活塞的进气冲程的中点，990°指在第三缸3内的活塞的排气冲程的中点。在假定的时间帧过程中，该方法规定对缸2和3的缸内压力进行取样，其中取样 在时间帧内在不同取样周期的过程中执行取样，以便对每个取样缸获得部分缸内压力曲线 (图6中相应压力曲线的黑体部分所示)。事实上，该方法规定对在近似包括在曲柄旋转的270°和600°之间的取样周期 过程中的缸2的缸内压力进行取样，以便获得代表在缸2内的活塞的半个进气冲程、压缩冲 程、燃料燃烧和膨胀冲程的开始的部分缸内压力曲线。然后，该方法规定对在近似包括在曲 柄旋转的660°和990°之间的取样周期过程中的缸3的缸内压力进行取样，以便获得代表 在缸3内的活塞的压缩冲程的结束、燃料燃烧、膨胀冲程和半个排气冲程的部分缸内压力 曲线。因此，在缸2和3内取样的部分缸内压力曲线包括各自非重叠部分(其代表发动 机循环的不同阶段)，和各自重叠部分(其代表发动机循环的相同阶段，即压缩冲程的结 束、燃料燃烧和膨胀冲程的开始)(如图7)。先前披露的这些取样周期仅借助于实例而非限定性地给出。根据发明，该取样周期可以彼此独立调整，通过改变一个或者多个它们各自的特 征参数，如周期宽度、周期打开和周期关闭，最终以实际发动机操作点为基础，即以一个或 者多个实际发动机操作参数为基础，如发动机速度和发动机载荷。根据发明的当前实施例的方法只要求取样周期不是同时的。具有在缸2和3内取样的部分缸内压力曲线，该方法规定使用它们以便重构代表 单个发动机循环的缸内压力曲线。根据发明的当前实施例，重构的缸内压力曲线的初始部分(近似相应于进气冲程 的最后一半和压缩冲程的开始)，被设定为缸2的部分缸内压力曲线的非重叠部分；重构的 缸内压力曲线的最终部分(近似相应于膨胀冲程的结束和排气冲程的第一半)，被设定为缸3的部分缸内压力曲线的非重叠部分；而重构的缸内压力曲线的中间部分(近似相应于 压缩冲程的结束、燃料燃烧和膨胀冲程的开始)被以缸2和3的部分缸内压力曲线的两重 叠部分为基础进行计算。
例如，重构的缸内压力曲线的中间部分的每个点可以按在缸2和3的部分缸内压 力曲线的重叠部分的相应点之间的平均值进行计算。这个方法是以下面的实际说明为基础在进气冲程、压缩冲程的开始、膨胀冲程的结束和排气冲程中，低值的缸内压力对 于每个发动机缸实际上是完全相同的，在压缩冲程的结束、燃料燃烧和膨胀冲程的开始中，高值的缸内压力，通常是受许 多因素影响，包括例如EGR率，其实际上从一个缸到另一个可能完全不同。因此，虽然缸内压力曲线的初始和最终部分可以以在单独缸内执行的压力取样为 基础进行有效重构，缸内压力曲线的中间部分如果其以在多于一个缸内执行的取样为基础 进行重构则是更有效的。如此重构的缸内压力曲线缺少相应于进气冲程的第一半和排气冲程的最后一半 的部分。然而已知的是缸内压力在进气冲程和排气冲程过程中基本上保持恒定在低值。因此，根据发明的当前实施例，在进气冲程的第一半内的重构的缸内压力曲线被 假定成直的水平线，其具有缸2的部分缸内压力曲线的第一点的值，在排气冲程的第二半 内的重构的缸内压力曲线被假定成直的水平线，其具有缸3的部分缸内压力曲线的最后点 的值。根据发明的当前实施例的方法可以重复考虑曲柄旋转720°的随后时间帧，等等， 以便循环获得代表实际发动机行为的缸内压力曲线。虽然第二实施例被披露，其在点火顺序连续的两个缸内测量压力，发明的方法也 可以在点火顺序不连续的两个缸内执行测量压力。当当前发明相对于特定更优的实施例和特殊应用被描述，可以理解在上文中提出 的描述借助于并不局限于实例被考虑。那些本领域技术人员将认识到对特定实施例的各种 修改在所附权利要求的范围内。因此，意图是发明不局限于公布的实施例，而是其具有权利 要求的语言所允许的完整范围。
权利要求
1.一种用于确定缸内压力曲线的方法，该曲线代表在多缸内燃机的缸内压力的变化， 其特征在于，所述方法包括a)在所述发动机运行过程中设置时间帧，b)在所述发动机的至少两个装有传感器的缸内对压力取样，在假定的时间帧内在连续 的时间周期内执行所述取样，以便对于每个所述装有传感器的缸获得部分缸内压力曲线，c)使用所述部分缸内压力曲线来重构整个缸内压力曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个取样周期可以独立于其它取样周期 而被调整。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述调整规定改变周期宽度、周期打开和周 期关闭中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个取样周期可以以一个或者多个发动 机操作参数为基础进行调整。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述发动机操作参数在发动机速度和发 动机载荷的组中选择。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在假定的时间帧内的取样周期被选择为 使得获得的部分缸内压力曲线单独代表发动机循环的不同阶段。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述整个缸内压力曲线的所述重构规定 采用每个获得的部分缸内压力曲线作为所述重构的缸内压力曲线的部分，该部分代表所述 发动机循环的相应阶段。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在假定的时间帧内的取样周期被选择为 使得至少两个获得的部分缸内压力曲线包含各自的重叠部分和非重叠部分，其中所述重叠 部分代表发动机循环的同一公共阶段，所述非重叠部分代表发动机循环的不同阶段。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述整个缸内压力曲线的所述重构规定 采用每个非重叠部分作为所述重构的缸内压力曲线的部分，该部分代表所述发动机循环的 相应阶段，并且共同处理所述重叠部分，以便计算所述重构的缸内压力曲线的代表所述公 共阶段的部分。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法规定在所述发动机运行过程中 循环重复至少所述阶段a)、b)和c)。
11.计算机程序，其包括用于执行根据权利要求1所述方法的计算机代码。
12.计算机程序产品，其包括根据权利要求11所述的计算机程序。
13.如权利要求12所述的计算机程序产品，其包括所述计算机程序被储存在其中的控 制装置。
14.电磁信号，其被调制作为载体用于数据位序列，其代表根据权利要求11的所述计 算机程序。
全文摘要
用于确定缸内压力曲线的方法，该曲线代表在多缸内燃机的缸内压力的变化，其特征在于所述方法包括a)在发动机运行过程中设置时间帧，b)在所述发动机的至少两个装有传感器的缸内对压力取样，在假定的时间帧内在不同时的取样周期的过程中执行所述取样，以便对于每个装有传感器的缸获得部分缸内压力曲线，c)使用部分缸内压力曲线用于重构整个缸内压力曲线。
文档编号F02D41/38GK102042108SQ20101051178
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月14日 优先权日2009年10月16日
发明者亚历桑德罗·卡塔尼斯, 曼纽尔·图格诺洛, 西蒙·巴贝罗 申请人:通用汽车环球科技运作公司