专利名称：在燃烧期间估计和控制声学噪声的方法
技术领域：
本公开涉及先进柴油机燃烧。
背景技术：
本部分的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并可能不构成现有技术。采用高排气再循环(EGR)速率和提早喷射策略的先进柴油机燃烧模式可用于满足排放规定。提早喷射策略可包括预混合充量压缩点火(PCCI)和均质充量压缩点火(HCCI)。 先进柴油机燃烧模式还可以包括有限温度燃烧(LTC)。目前认为在高EGR速率和喷射不精确的情况下，预混合燃烧的噪声可能达到不可接受的水平。例如，已知在基本发动机校准期间对空气和/或燃料施加限制以控制发动机噪声。然而，这些限制不可避免地保守并牺牲效率。另外，已知在燃烧校准期间使用模拟燃烧噪声计和/或专用燃烧分析工具以便基于缸内压力测量值的频谱分析来计算声学燃烧噪声的度量。尽管燃烧噪声计和分析工具在发动机校准过程中是有用的，但由于例如硬件成本或计算能力要求，它们可能不能实际地直接用于实时闭环控制的车载应用。
发明内容
一种用于控制能够以贫燃烧模式操作的直喷内燃发动机中的燃烧的方法，所述方法包括监测缸内压力，采用基于时间的滤波器基于所监测的缸内压力而计算实际燃烧噪声，监测由所述发动机所采用的燃烧控制参数，基于所述监测的燃烧控制参数确定预期的燃烧噪声，将所述实际燃烧噪声与所述预期燃烧噪声进行比较，以及，基于所述比较而调整所述燃烧控制参数。本发明还涉及以下技术方案。1. 一种用于控制能够以贫燃烧模式操作的直喷内燃发动机中的燃烧的方法，所述方法包括
监测缸内压力；
采用基于时间的滤波器基于所监测的缸内压力而计算实际燃烧噪声； 监测由所述发动机所采用的燃烧控制参数； 基于所述监测的燃烧控制参数确定预期的燃烧噪声； 将所述实际燃烧噪声与所述预期燃烧噪声进行比较；以及基于所述比较而调整所述燃烧控制参数。
2.如技术方案1所述的方法，其中，所述基于时间的滤波器包括有限脉冲响应滤波
ο
3.如技术方案1所述的方法，其中，所述基于时间的滤波器包括离散时间传递函数， 所述离散时间传递函数包括基于来自所述发动机的期望频率响应的基于时间的滤波器系数。
4.如技术方案3所述的方法，其中，所述期望的频率响应对应于与发动机结构衰减和听觉相关联的频率响应。
5.如技术方案4所述的方法，其中，与发动机结构衰减和听觉相关联的频率响应包括具有依赖于发动机构造的结构衰减和听觉的特定频率响应。
6.如技术方案4所述的方法，其中，与发动机结构衰减和听觉相关联的频率响应包括具有通用结构衰减和听觉的默认频率响应。
7.如技术方案1所述的方法，其中，所述预期的燃烧噪声用作阈值，以判断是否是过度的燃烧噪声。
8.如技术方案1所述的方法，其中，基于所述监测的缸内压力利用基于时间的滤波器来计算所述实际燃烧噪声包括
确定所监测的缸内压力的带通滤波轨迹；以及基于所述带通滤波轨迹计算所述实际燃烧噪声。
9.如技术方案1所述的方法，其中，基于比较而调整所述燃烧控制参数包括调整燃料喷射正时、燃料喷射量、空气/燃料比、以及EGR质量流率。
10.一种用于控制能够以贫燃烧模式操作的直喷内燃发动机中的燃烧的方法，所述方法包括
监测缸内压力；
采用有限脉冲响应滤波器基于所监测的缸内压力而计算实际燃烧噪声； 监测包括操作员扭矩请求的燃烧控制参数； 基于所述监测的燃烧控制参数确定预期的燃烧噪声； 将所述实际燃烧噪声与所述预期燃烧噪声进行比较；以及
基于所述比较而在接下来的发动机燃烧循环中调整燃料喷射正时、燃料轨压力、喷射燃料量、阀正时、空气-燃料比、以及EGR质量流率中的至少一个。
11.如技术方案10所述的方法，其中，所述有限脉冲响应滤波器包括离散时间传递函数，所述离散时间传递函数包括基于来自所述发动机的期望频率响应的基于时间的滤波器系数。
12.如技术方案11所述的方法，其中，所述期望的频率响应对应于与发动机结构衰减和听觉相关联的频率响应。
13.如技术方案10所述的方法，其中，所述操作员扭矩请求包括加速踏板和制动踏板输入。
14.如技术方案10所述的方法，其中，所述发动机是均质充量压缩点火发动机。
15.如技术方案10所述的方法，其中，所述发动机是预混合充量压缩点火发动机。
16.如技术方案10所述的方法，其中，所述发动机是分层充量压缩点火发动机。
17.一种用于控制能够以贫燃烧模式操作的直喷内燃发动机中的燃烧的装置，所述装置包括
监测缸内压力的压力传感器；以及控制模块，该控制模块
采用基于时间的滤波器基于缸内压力而计算实际燃烧噪声； 监测由所述发动机所采用的燃烧控制参数； 基于所述监测的燃烧控制参数确定预期的燃烧噪声；将所述实际燃烧噪声与所述预期燃烧噪声进行比较；以及基于所述比较而调整所述燃烧控制参数。
现在参考附图，通过实例描述一个或多个实施例，其中 图1是根据本公开构造的内燃发动机的截面图2是燃烧噪声系统的示意图，基于缸内压力轨迹测量值在车内估计燃烧噪声，用于根据本公开进行实时燃烧控制和诊断；
图3是根据本公开的图2中的燃烧噪声系统的步骤M的详细视图； 图4是示出了根据本公开的在缸内压力水平和发出的声音水平之间的期望滤波器频率响应的图5是描述根据本公开的与用于计算滤波的缸内压力的频率响应对应的有限脉冲响应滤波器的计算的系数的图；以及
图6是示出验证根据本公开的在发动机校准期间图2中所示的步骤M的计算的燃烧噪声水平与由燃烧噪声计测量的发出的声音水平的比较的图。
具体实施例方式现在参考附图，其中所示的内容仅仅是为了说明某些示例性实施例，而不是为了限制本发明，图1是示出了根据本公开的实施例构造的示例性内燃发动机10、控制模块5和排气后处理系统15的示意图。示例性发动机包括具有连接到曲轴24并且可在气缸20内运动的往复活塞22的多缸直接喷射压缩点火内燃发动机，气缸20限定可变容积燃烧室34。 曲轴M可操作地连接到车辆变速器和传动系以便响应于操作员扭矩请求(To_REQ)而将牵引扭矩传递到车辆变速器和传动系。发动机优选采用四冲程操作，其中，每个发动机燃烧循环包括曲轴M的720度的角度旋转，其被分为四个180度的阶段(进气-压缩-膨胀-排气)，其描述了活塞22在发动机气缸20内的往复运动。多齿目标轮沈连接到曲轴并随着曲轴一起旋转。发动机包括监测发动机操作的传感装置，以及控制发动机操作的致动器。传感装置和致动器信号地或可操作地连接到控制模块5。发动机优选包括直喷四冲程内燃发动机，其包括可变容积燃烧室，该燃烧室由活塞和气缸盖限定，其中活塞在气缸内的上止点和下止点之间往复运动，气缸盖包括进气阀和排气阀。活塞以重复的循环往复运动，每个循环包括进气、压缩、膨胀和排气冲程。发动机优选具有主要在化学计量比的贫侧的空气/燃料操作工况。本领域技术人员懂得，本公开的方面可应用于主要在化学计量比的贫侧操作的其它发动机构造，例如贫燃火花点火发动机。在压缩点火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射到燃烧室以与进气形成气缸充量时，发生燃烧事件。充量接下来通过在压缩冲程期间的压缩行为而被燃烧。发动机适于在宽范围的温度、气缸充量(空气、燃料和EGR)和喷射事件上操作。本文描述的方法特别适用于直喷压缩点火发动机在化学计量比的贫侧的操作，以在进行着的操作期间确定与每个燃烧室的热释放相关的参数。所述方法还适用于其它发动机构造，包括火花点火发动机，包括适于使用均质充量压缩点火(HCCI)策略的发动机。所述方法可应用于每个发动机循环每缸采用多个燃料喷射事件的系统，例如，采用预喷射用于燃料重整、 主喷射事件用于发动机功率以及可能的情况下的后燃烧燃料喷射事件用于后处理管理的系统，这些喷射事件的每一个都影响气缸压力。传感装置安装在发动机上或发动机附近以监测物理性质并产生信号，这些信号与发动机参数和环境参数相关。传感装置包括曲轴旋转传感器，其包括曲柄传感器44，用于通过感测多齿目标轮16的齿上的边缘而监测曲轴速度。曲柄传感器是已知的，可包括例如， 霍尔效应传感器、感应传感器、或磁阻传感器。从曲柄传感器44输出的信号(RPM)输入到控制模块5。具有燃烧压力传感器30，其包括压力传感装置，该压力传感装置适于监测缸内压力(C0MB_PR)。燃烧压力传感器30优选地包括非侵入式装置，该非侵入式装置包括具有环形横截面的力传感器，该力传感器适于在用于电热塞观的开口处安装到气缸盖中。燃烧压力传感器30与电热塞观关联地安装，燃烧压力机械地通过电热塞传递到传感器30。传感器30的传感元件的输出信号C0MB_PR与气缸压力成比例。传感器30的传感元件包括压电陶瓷或适于进行该操作的其它装置。其它传感装置优选地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)的质量空气流量传感器以及冷却剂传感器35(C00LANT)。系统可包括用于监测一个或多个排气参数(例如温度、空气/燃料比和成分)的状态的排气传感器。本领域技术人员将理解，可以存在其它传感装置和方法，用于控制和诊断目的。操作员扭矩请求形式的操作员输入T0_REQ通常通过节气门踏板和制动踏板以及其它装置来获得。发动机优选地设有其它传感器，用于监测操作和系统控制的目的。每个传感装置信号地连接到控制模块5以提供信号信息，该信号信息被控制模块转换为代表相应监测参数的信息。应该理解的是，该配置是说明性的，不是限制性的，包括能够用功能等价的装置代替的各种传感装置以及算法。致动器安装在发动机上并且由控制模块5控制，响应于操作员输入而实现各种性能目标。致动器包括电控制的节气门装置，其响应于命令的输入(ETC)而控制节气门开度， 以及多个燃料喷射器12，用于响应于命令的输入(INJ_PW)而直接喷射燃料到各个燃烧室， 所有这些都响应于操作员扭矩请求T0_REQ而被控制。具有排气再循环阀32和冷却器，用于响应于来自控制模块的控制信号(EGR)而控制至发动机进气的外部再循环排气的流量。 电热塞观包括已知装置，安装在每个燃烧室中，适用于燃烧压力传感器30。燃料喷射器12是燃料喷射系统的元件，其包括多个高压燃料喷射器装置，每个高压燃料喷射器装置适于响应于来自于控制模块的命令信号INJ_PW将燃料充量(包括一定质量的燃料)直接喷射到一个燃烧室中。每个燃料喷射器12被从燃料分配系统供给加压燃料，并具有包括最小脉冲宽度和相关联的最小可控制燃料流率和最大燃料流率的操作特性。发动机可设有可控制的阀系统，该阀系统操作为调节每个气缸的进气和排气阀的打开和关闭，包括阀正时、相位(即，相对于曲柄角和活塞位置的正时)以及阀打开升程的幅度中的任何一个或多个。一种示例性系统包括可变凸轮定相，其可应用于压缩点火发动机、 火花点火发动机和均质充量压缩点火发动机。控制模块、模块、控制器、控制单元、处理器及类似的术语意味着下列项中的一个或多个的任意恰当的一种或各种组合专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的中央处理单元(优选为微处理器)和相关联的存储器和储存器(只读、可编程只读、随机存取、硬盘等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、恰当的信号调节和缓冲电路、及提供所述功能的其它适当部件。控制模块5具有一组控制算法，包括存储在存储器中并被执行以提供所需功能的常驻软件程序指令和校准。算法优选地在预设循环周期期间执行。可以通过例如中央处理单元来执行算法，并且该算法可操作以监测来自传感装置和其它联网控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程从而控制致动器的操作。循环周期能以规则的时间间隔执行，例如在进行中的发动机和车辆操作期间每3. 125,6. 25,12. 5、25 和100毫秒。可替代地，算法可以响应事件的发生而执行。在操作中，控制模块5监测来自于前述传感器的输入以确定发动机参数状态。控制模块5被构造成接收来自操作员的输入信号(例如，通过加速踏板和制动踏板)，从而确定操作员扭矩请求To_REQ。另外，控制模块5监测指示发动机速度和进气温度、以及冷却剂温度和其它环境状况的传感器。控制模块5执行存储在其中的算法代码以控制上述致动器从而控制发动机操作， 包括节气门位置、燃料喷射质量和正时、控制再循环排气流量的EGR阀位置、电热塞操作、 控制进气和/或排气阀的正时和相位、以及如此装配的系统中的升程。控制模块构造成接收来自操作员的输入信号(例如，节气门踏板位置和制动踏板位置)以确定操作员扭矩请求 To_REQ，和来自传感器的指示发动机速度(RPM)和进气温度(Tin)和冷却剂温度及其它环境条件的输入信号。发动机10的操作可以采取多种形式，如上所述，不同的空气/燃料比、喷射器正时、阀正时和设定、EGR%以及其它燃烧控制参数影响所得到的燃烧。然而，应该认识到的是， 燃烧是复杂的过程，并且多种因素能够影响燃烧所获得的发动机实际输出。因此，要求对所得到的燃烧过程的精细控制的燃烧策略中的操作不能总是仅通过监测燃烧过程的受控输入而被充分地控制。如上所述，燃烧噪声水平可以基于多种因素改变，这些因素包括EGR% 的意外改变以及喷射正时误差。可以通过控制模块5来命令一组燃烧参数，导致预期的燃烧噪声水平，但未包含在命令的燃烧参数中的影响燃烧噪声水平的因素能够造成燃烧噪声水平的不期望的升高。然而，缸内压力测量值可以监测包括影响燃烧噪声水平的因素的燃烧过程的实际结果。通过监测压力测量值并且基于该压力测量值计算或估计噪声水平，可以将计算的噪声水平与期望或阈值噪声水平进行比较并基于该比较控制发动机。现在参照图2，显示出了根据本公开的示例性实施例的燃烧噪声系统48。将清楚的是，燃烧噪声系统48提供基于缸内压力轨迹测量值的车载燃烧噪声估计，用于进行实时燃烧控制和诊断。具体而言，可以从缸内压力轨迹提取噪声指数。噪声指数可以包括最大压力上升速率和激振强度。激振强度在特定的范围内与燃烧造成的辐射声音水平具有合理相关性。燃烧噪声系统48包括补偿模块105、未修改的燃烧控制参数50、燃烧模块59、发动机10、燃烧传感器30、燃烧噪声水平(CNL)估计过程M、差异单元55、燃烧控制参数单元 56、以及燃烧校正反馈单元58。应该认识到，未修改的燃烧控制参数50基于期望的发动机操作，例如，操作员扭矩请求T0_REQ，其中，T0_REQ可包括操作员对致动器的输入，致动器包括加速踏板和制动踏板，如上所述。另外，应该认识到，补偿模块105与控制模块5相关联。参照图1和图2，未修改的燃烧控制参数50被输入到补偿模块105并被监测，其中，未修改的燃烧控制参数50传递与操作发动机10的合适燃烧模式相关的信息。如上所述，发动机的燃烧模块可以包括柴油燃烧和先进柴油燃烧。未修改的燃烧控制参数50和对燃烧控制参数的调整61被输入燃烧模块59，其中，补偿模块105控制以上所述的致动器来形成给发动机10的补偿的燃烧控制参数63。补偿的燃烧控制参数63可包括用于发动机 10的适当燃烧模式的燃料喷射正时、空气/燃料比、轨压力、阀正时控制和EGR质量流率，同时实时地维持燃烧的目标燃烧噪声水平。在本公开的示例性实施例中，监测的缸内燃烧压力(Ρ(Θ)μ)52由燃烧传感器30测量。应该认识到，θ对应于燃烧循环的曲柄角。然后， Ρ(θ )-52被输入到补偿模块105并由补偿模块105监测，其中，Ρ(θ ) 52用于CNL估计过程M的基于时间的滤波器，以估计实际声学CNL输出57。将清楚的是，采用基于时间的滤波器来处理Ρ( θ )μον52并由此估计实际CNL输出57适用于实时车载燃烧控制。已知操作于贫燃烧模式的发动机基于发动机速度和负荷来调度，其中，未修改的燃烧控制参数50和补偿的燃烧控制参数63根据发动机操作的发动机速度和负荷而改变。 因此，缸内燃烧压力将根据发动机速度和负荷而改变。采用CNL估计算法M来估计实际CNL 输出57使得能够基于来自每个发动机循环的测量的缸内压力轨迹而实时地车载估计每个燃烧循环的燃烧噪声，以便基于发动机速度和负荷而识别什么样的燃烧控制参数50造成了不可接受的燃烧噪声。根据本公开的示例性实施例，图3进一步详细地示出了 CNL估计过程M。CNL估计过程M在步骤60采用基于时间的滤波器并且在步骤62采用CNL等式来基于Ρ( θ ) 52 估计实际CNL输出57。参照步骤60，采用基于时间的滤波器来处理Ρ( θ )Μ52，其中，确定滤波后的缸内燃烧压力P ( θ )filt65信号。基于时间的滤波器包括应用发动机结构衰减和对P ( θ ) 52输入的听觉响应的计算，使得Ρ( θ )filt65信号代表了发动机对由Ρ( θ ) 52输入所表示的缸内压力情况的相似响应。因此，采用了发动机结构衰减和听觉响应的基于时间的滤波器能够得到缸内压力水平和辐射的声音水平之间的关系。因此，缸内压力与燃烧事件造成的噪声有关，并且辐射的声音水平实际上就是以分贝为单位的听到的声音水平。在步骤60中的基于时间的滤波器与离散时间传递函数(H(q))相关联，其中，q代表单位延迟算子。采用H(q)来获得与测试发动机相关联的缸内压力和辐射声音水平之间的频率响应。类似地， H(q)能够获得与测试发动机相关联的缸内压力轨迹范围和辐射声音水平之间的频率响应。 与测试发动机相关联的缸内压力轨迹范围和辐射声音水平之间的频率响应可以通过燃烧噪声计来获得，其中，频率响应对应于发动机结构衰减和听觉并与其相关联。与基于时间的滤波器相关联的基于时间的滤波器系数，如以下更详细所述，被用于操作基于时间的滤波器，使得发动机结构衰减和听觉响应被应用于Ρ( θ ) 52，从而确定Ρ( θ )mT65。利用H(q) 来复制与来自测试发动机的结构衰减和听觉相关联的频率响应，以匹配由Ρ( θ ) 52提供的频率响应，从而确定Ρ( θ )mT65。包括在步骤60使用H(q)的计算可以通过查询表、访问存储设备中的函数关系或通过本领域已知的其它方法来进行。在本公开的示例性实施例中，基于时间的滤波器是有限脉冲响应(HR)滤波器，其中，Ρ( θ k)mT可以通过以下卷积公式实时地计算
权利要求
1.一种用于控制能够以贫燃烧模式操作的直喷内燃发动机中的燃烧的方法，所述方法包括监测缸内压力；采用基于时间的滤波器基于所监测的缸内压力而计算实际燃烧噪声； 监测由所述发动机所采用的燃烧控制参数； 基于所述监测的燃烧控制参数确定预期的燃烧噪声； 将所述实际燃烧噪声与所述预期燃烧噪声进行比较；以及基于所述比较而调整所述燃烧控制参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述基于时间的滤波器包括有限脉冲响应滤波器。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述基于时间的滤波器包括离散时间传递函数，所述离散时间传递函数包括基于来自所述发动机的期望频率响应的基于时间的滤波器系数。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述期望的频率响应对应于与发动机结构衰减和听觉相关联的频率响应。
5.如权利要求4所述的方法，其中，与发动机结构衰减和听觉相关联的频率响应包括具有依赖于发动机构造的结构衰减和听觉的特定频率响应。
6.如权利要求4所述的方法，其中，与发动机结构衰减和听觉相关联的频率响应包括具有通用结构衰减和听觉的默认频率响应。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述预期的燃烧噪声用作阈值，以判断是否是过度的燃烧噪声。
8.如权利要求1所述的方法，其中，基于比较而调整所述燃烧控制参数包括调整燃料喷射正时、燃料喷射量、空气/燃料比、以及EGR质量流率。
9.一种用于控制能够以贫燃烧模式操作的直喷内燃发动机中的燃烧的方法，所述方法包括监测缸内压力；采用有限脉冲响应滤波器基于所监测的缸内压力而计算实际燃烧噪声； 监测包括操作员扭矩请求的燃烧控制参数； 基于所述监测的燃烧控制参数确定预期的燃烧噪声； 将所述实际燃烧噪声与所述预期燃烧噪声进行比较；以及基于所述比较而在接下来的发动机燃烧循环中调整燃料喷射正时、燃料轨压力、喷射燃料量、阀正时、空气-燃料比、以及EGR质量流率中的至少一个。
10.一种用于控制能够以贫燃烧模式操作的直喷内燃发动机中的燃烧的装置，所述装置包括监测缸内压力的压力传感器；以及控制模块，该控制模块采用基于时间的滤波器基于缸内压力而计算实际燃烧噪声； 监测由所述发动机所采用的燃烧控制参数； 基于所述监测的燃烧控制参数确定预期的燃烧噪声； 将所述实际燃烧噪声与所述预期燃烧噪声进行比较；以及基于所述比较而调整所述燃烧控制参数。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制能够以贫燃烧模式操作的直喷内燃发动机中的燃烧的方法，所述方法包括监测缸内压力，采用基于时间的滤波器基于所监测的缸内压力而计算实际燃烧噪声，监测由所述发动机所采用的燃烧控制参数，基于所述监测的燃烧控制参数确定预期的燃烧噪声，将所述实际燃烧噪声与所述预期燃烧噪声进行比较，以及，基于所述比较而调整所述燃烧控制参数。
文档编号F02D43/00GK102374060SQ20111023575
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者M. 宽 C-B., A. 马特库纳斯 F., 哈斯卡拉 I., 王 Y-Y. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司