基於發動機汽缸壓力估算發動機的系統參數的製作方法

2023-04-30 23:53:06 1

專利名稱：基於發動機汽缸壓力估算發動機的系統參數的製作方法
技術領域：
本披露總體上涉及的領域包括使用發動機汽缸壓力的測量值的發動
才/W空制和"^斷。
背景技術：
一臺內燃機包括多個發動機汽缸並且可包括與這些汽缸相聯通的多 個壓力傳感器，以便測量那些汽缸內的燃燒壓力。來自壓力傳感器的信號 由一個發動機控制器接收，該發動機控制器還接收來自多個其他的發動機 傳感器的信號。控制器使用不同的信號(包括壓力傳感器信號)來調節發 動機燃料供應、吸氣、以及點火正時，以便在燃料消耗、排氣排放、以及 輸出功率方面使發動機性能優化。

發明內容
一種方法的一個實施方案包括感測一個發動機汽缸內的壓力，並且 基於感測到的壓力估算至少一個其他的發動機系統參數。
一種方法的另一個實施方案包括i殳計一個發動才幾系統，該發動才幾系 統包括一個或多個發動機汽缸壓力傳感器以及一個或多個其他的發動機 系統傳感器。跟據該方法，4吏該發動機系統運行，用發動機汽缸壓力傳感 器來感測發動機汽缸壓力，這些發動機汽缸壓力傳感器與發動機系統的發 動機的一個發動機汽缸相聯通。同樣地，用這些其他的發動機系統傳感器 來感測至少一個其他的發動機系統參數。將發動機汽缸壓力與該至少一個 其他的發動機系統參數相關聯，並且用發動機汽缸壓力來替代或增強與發 動機汽缸壓力相關聯的至少 一個其他的發動機系統參數。該理解，儘管披露了本發明的多個示例性實施方案，這些詳細的說明和具 體的實例僅旨在用於說明的目的而並非旨在限制本發明的範圍。


從詳細的說明以及這些附圖中將會更加全面地理解本發明的示例性
實施方案，在附圖中
圖1展示了具有多個傳感器的內燃機系統的一個實施方案；以及 圖2展示了內燃機系統的另一實施方案，該系統具有與圖1實施方案
相比較少的傳感器。
具體實施例方式
以下實施方案的說明本質上僅僅是示例性的而絕對無意限制本發明、 其應用、或者用途。
根據一種方法的一個第一實施方案，對一個發動機汽缸內的壓力進行 感測，並且基於該感測的壓力估算至少一個其他的發動機系統參數。換言 之，發動機汽缸壓力可以被用作其他的發動機系統參數的代表。因此，用
行診斷。汽缸壓力數據也可以用來發動機系統部件的對故障、損毀、腐蝕 等等進行診斷。
現在參見圖1,該方法可以與內燃機系統10 —起使用。總之，系統 10包括一個內燃機12 (以便從空氣和燃料的混合物的燃燒中產生機械動 力)、 一個進氣或吸氣系統14 (以便為發動機12提供空氣)，以及一個排 氣系統16 (以便將燃燒氣體總體上從發動機12送出。同時，系統10可以 包括一個渦輪增壓器18,該渦輪增壓器聯通跨過吸氣系統14與排氣系統 16,以便壓縮用於燃燒的空氣以增加發動機的輸出。渦輪增壓器18可以 是一個可變幾何形狀渦輪機式的渦輪增壓器。那些本領域的技術人員將認 識到一個燃料系統(未示出)可以用來給發動機提供燃料，以及一個控制 器(未示出)可以包括一個或多個合適的處理器以及存儲器以執行至少在 此批露的方法的某些部分。
內燃機12可以是任何適當類型的發動機，如一臺自動點火發動機， 像柴油發動機。內燃機12可以使用任何合適類型的液體或氣體燃料。發動機12包括汽缸25以及在一個氣缸體中的多個活塞(未分別示出)，這 些活塞與一個汽缸蓋(未單獨示出) 一起限定了多個燃燒室(未示出)。 發動機12還可以包括幾個傳感器。例如，在汽缸體上可提供一個油壓傳 感器20以便測量發動機油壓力，連同一個發動機速度和/或位置傳感器22 以便測量發動機曲軸(未示出)的轉速和/或位置。同樣，汽缸體上的一個 冷卻液溫度傳感器24測量從中流過的發動才幾冷卻液的溫度。
最後，發動機12可以包括數個與這些發動機汽缸25相聯通的發動機 汽缸壓力傳感器26以測量其中的壓力。這些壓力傳感器26可以定位為直 接與發動機汽缸25,如用於估算與發動機燃燒曲線有關的參數。發動機汽 缸壓力傳感器26可以是分離的裝置或可以與其他的裝置一體化，如電熱 塞。
同樣，這些壓力傳感器26可以定位在這些發動機汽缸25的上遊或下 遊，如用於估算與發動機的氣體交換壓力曲線(如在進氣閥或排氣閥打開 時)相關的參數。例如，這些壓力傳感器26可以位於在吸氣系統14中的 任何合適的位置中而處於上遊聯通，如與進氣歧管36相聯通。在另一實 例中，這些壓力傳感器26可以位於在排氣系統16中的任何合適的位置中 而處於下遊聯通，如與排氣歧管50相聯通。
儘管這些汽缸壓力傳感器26可以根據在此說明的方法來使用，它們 典型地是用於加強發動機系統控制和/或診斷。例如，這些汽缸壓力傳感器 26可以加強汽缸間的正時和燃料供應的控制以補償單個汽缸差異。汽缸壓 力傳感器26還可以用來補償燃料辛烷和十六烷的差異，並且它們可以用 於使用先進的燃燒技術如均勻充氣壓縮點火(HCCI )來執行閉環點火控制。 如在此將在以下進一步說明，在此說明的方法利用這些汽缸壓力傳感器26 的存在來估算不同的其他發動機系統參數，如那些通常使用其他的專用發 動機傳感器來測量或估計的參數。
進氣系統14除適當的管道和連接器之外還可以包括用於過濾進入的 空氣的一個空氣濾清器28,用來壓縮過濾後的空氣的一個渦輪增壓器壓縮 機30，用來冷卻壓縮空氣的一個中冷器32，以及用來調節冷卻空氣的流 動的一個節流閥34。進氣系統14還可以包括一個進氣歧管36,以用來接 收節流的空氣並將其分配給發動機12的這些燃燒室。
進氣系統14還可以包括多個傳感器。例如，可提供與進氣歧管36相 聯通的一個進氣歧管壓力傳感器38以測量流向這些發動機汽缸25的空氣壓力，並且可提供一個溫度傳感器40以測量流向這些汽缸25的空氣溫度。 一個空氣流量傳感器42以及一個環境溫度傳感器44可以定位在空氣濾清 器28的下遊和渦輪增壓器壓縮機30的上遊。 一個速度傳感器46可以被 適當地連接到渦輪增壓器壓縮機30上，以測量其旋轉速度。 一個節流閥 位置傳感器48 (如一個一體化的角位置傳感器)可以用來測量節流閥34 的位置。
除了適當的管道和連接器之外，排氣系統16還可以包括一個排氣歧 管50以收集來自發動機12的這些燃燒室的排氣並且將它們傳輸下行至該 排氣系統16的其餘部分。排氣系統16還可以包括在排氣歧管50的下遊 與其相聯通的一個渦輪增壓器渦輪52， 一個催化轉換器54如一個封閉連 接的柴油氧化催化轉化器(DOC)裝置，以及一個渦輪排氣門閥56;,渦 輪排氣閥56用來控制排氣圍繞渦輪增壓器渦輪機52繞行到DOC單元。 同樣，排氣系統16可以在一個煙塵過濾器60的上遊包括一個氮的氧化物 (NOx)吸附器單元58,它可以是在尾部排氣管62的上遊。
此外，這個或這些排氣及/或吸氣系統16， 14可以包括一個排氣再循 環(EGR)裝置64,以使來自發動機12的排氣歧管50的排氣循環至自發 動機12的進氣歧管36。 EGR裝置64可以包括與排氣歧管50處於下遊聯 通以控制回到進氣歧管36的排氣再循環的一個EGR冷卻旁通閥66,在 EGR冷卻旁通閥66下遊以便冷卻EGR排氣的一個EGR冷卻器68，以及 用來控制EGR排氣流動的一個EGR閥70。 EGR裝置64還可以包括一個 EGR混合單元72，該EGR混合單元在節流閥34的下遊以及進氣歧管36 的上遊的一個位置與EGR閥70相聯通，以便將EGR排氣與節流的空氣 混合。
排氣系統16可以進一步包括多個傳感器。 一個位置傳感器74可;^文置 在渦輪增壓器18的附近以測量該可變幾何形狀渦輪機的位置，並且一個 NOx傳感器75可以放置在渦輪機52的下遊。多個溫度傳感器76、 78可 以放置在催化轉換器54的上遊和下遊以測量在催化轉化器54的進口和出 口處的排氣溫度。 一個氧氣(02)傳感器80可以放置在吸附器單元58的 上遊以測量排氣中的氧氣。 一個或多個壓力傳感器82可放置為橫跨煙塵 過濾器60以測量橫跨其上的壓降。 一個尾部排氣管溫度傳感器84可以放 置在一個尾部排氣管出口的正好上遊處以用來測量排出該排氣系統16的 排氣溫度。最後， 一個位置傳感器86可以用來測量EGR冷卻器旁通閥66的位置，並且另一個位置傳感器88可以用來測量EGR閥70的位置。
除了在此示出和討論的傳感器之外，在此披露的方法可以包含任何其 他的適當的傳感器及其有關參數。例如，這些傳感器還可以包括加速器踏 板傳感器、車速傳感器、動力傳動系速度傳感器、過濾器傳感器、流動傳 感器、震動傳感器、撞擊傳感器、進氣與排氣壓力傳感器、渦輪增壓器速 度及噪聲傳感器，以及/或類似的傳感器。而且，在此披露的方法可以包含 其他的發動機系統參數，包括渦輪增壓器效率、部件汙染或平衡問題、過 濾器載荷、柴油微粒過濾器(DPF)的再生狀況、EGR速率、HP/LPEGR 部分或比率、汽缸充氣分布不均，和/或類似的參數。換言之，可以使用任 何傳感器來感測任何適當的物理參數，包括電氣的、機械的，以及/或化學 參數。如在此所使用的，術語傳感器包括任何用來感測任何發動機系統參 數的適當的硬體和/或軟體。
同樣，如在此所使用的，HPEGR可以包括一個高壓排氣再循環通道， 該通道在渦輪增壓器渦輪的上遊的排氣子系統與進氣子系統之間並在渦 輪增壓器壓縮機的下遊，並且LP EGR可以包括一個低壓排氣再循環通道， 該通道在渦輪增壓器渦輪機下遊的排氣子系統與進氣子系統之間並在渦 輪增壓器壓縮機的上遊。可以確定符合排氣排放指標的一個目標總EGR 分數，並且可以確定一個目標HP/LPEGR比率以《更在所確定的目標總EGR 分數的約束下優化其他的發動機系統指標。
這些估算的參數可以是定量的、定性的、以及/或本質上與存在相關的。 更確切地說，可以估算數值的參數值，可以估算定性的參數如部件故障， 並且可以被估算與存在相關的的參數如部件或正品部件的缺失或存在。同 樣，這些參數的值可以是絕對的或相對的數字值，表示缺失或存在的數值 如O或l,或對於任何種類參數的任何適當表示。
根據另一實施方案，提供了用於設計發動機系統的一種方法。根據該 方法，可提供一個發動機系統，該發動機系統包括一個或多個發動機汽缸 壓力傳感器以及一個或多個其他的發動機系統傳感器。例如，可以使用上 面說明的發動才幾系統10。下一步，使該發動機系統運行。例如，可以在車 輛試車跑道上、在測力計上、在排放測試實驗室中和/或類似的場合中在加 裝了監測儀器的車輛上運行該發動機系統。在發動機系統運行過程中，可 以使用發動機汽缸壓力傳感器來感測汽缸壓力，這些傳感器與發動機系統 的一臺發動機的多個發動機汽缸相聯通。然後，可以使用其他的發動機系統傳感器來感測其他的發動機系統參數。任何或所有感測的參數值能夠以 任何適當的方式進行存儲用於後續的數據分析。
對這些參數進行分析或評價以使發動機汽缸壓力與其他的發動機系 統參數相互關聯。這種相關性可以用任何適當的方式進行。例如，汽缸壓 力可以公式化地與其他的發動機系統參數相關聯。在另一個實例中，汽缸 壓力能夠以經驗和統計方式與其他的發動機系統參數相關聯。在任何情況 下，在發現該汽缸壓力與任何其他的發動機系統參數可靠地互相關聯時， 這一相關性能夠以公式、經驗、聲學、和/或類似的方式來建立模型。例如， 可以從適當的測試中形成一些經驗模型，並且可包括一些查詢表、映射圖、 以及可以將汽缸壓力與其他的發動機系統參數進行交叉參照的類似形式。
因此，發動機汽缸壓力測量被用作一種代表並因此替代或增強其他的 發動機系統參數的測量結果，這些其他的發動機系統參數與發動機汽缸壓 力相關。儘管在發動機運行過程中的任何給定時刻均可以測量汽缸壓力， 一個首選方面包括使用非燃燒性汽缸壓力的測量值，如燃燒前和/或燃燒後 的壓力。更具體地說，發動機汽缸壓力可以在恰好燃燒前但空氣壓縮基本 上完成時進行感測，以便同與這種汽缸壓力相關的發動機系統參數一起使 用。
在第一個實例中，其他的發動機系統參數可以是一個機械裝置如一個 閥的位置。更具體地說，該機械裝置的位置可以是可變幾何形狀渦輪機的 位置，該位置與進氣歧管壓力成比例並且可以基於發動機汽缸壓力並使用
以下等式來公式化地進行估計或估算
formula see original document page 10
其中.-
Pcyl=壓縮之後燃燒之前的汽缸壓力[Pa];
Pintake=進氣歧管壓力[Pa]; CR =壓縮比=(Vs+Vec)/Vcc [無量綱],其中 Vs, Vcc=汽缸排量，以及燃燒室容積[m3];和 k=空氣比熱之比[無量綱]。 在一個第二實例中，可以基於發動機系統聲學估算發動機系統參數。 更具體地說，可以分析或評價汽缸壓力傳感器信號的頻率成分來估算這些其他的發動機系統參數。例如，使用傅立葉分析、拉普拉斯分析、小波分 析、以及/或類似分析方法可以分析汽缸壓力傳感器信號的頻鐠或其一部分 以用來確定一個機械閥門的位置。同樣，這樣的預處理可以與(例如)基 於模型或人工智慧(如神經網絡)的方法相結合來評價在感測的發動機汽 缸壓力與至少 一個其他的發動機系統參數之間的多種關係。
許多發動機系統的子系統和部件可以設計為通過它們的聲學反應行
徵。事實上，發動機系統部件可以設計為顯示一種特殊的聲學特徵，可將 這個或這些汽缸壓力傳感器設計成用來識別該特徵。該聲學特徵可以包括 一個或多個振幅、頻率、或瞬態特徵等特徵。還考慮了可將汽缸壓力傳感 器信號用來識別子系統和部件的聲學特徵變化並且因此檢測狀態變化。例 如，汽缸壓力波的頻率分析可以用來識別偽造的子系統和部件，或用來確 定何時一個子系統或部件是在發生故障或破裂。此外，這種頻率分析可以 用來感測在吸氣或排氣系統中就啟動、汙染、以及損壞而言在幾何形狀上 的任何變化。
在另一個實施方案中， 一個壓力傳感器或任何其他適合於監測壓力的 聲學測量裝置可以放置在其他位置或在不同發動機系統部件中(如在進氣 或排氣通道中)或在發動機艙內，以便估算不同的發動機系統參數。換言
在一個第三實例中，該其他的發動機系統參數可以是一種流體狀態。 更具體地說，該流體狀態可以是在發動機進氣歧管中空氣的溫度，這與汽
缸壓力有關並且是使用以下等式進行公式化估算
其中'.
屍f = w^7;
於是，其中
CR=壓縮比； k=空氣比熱之比；
R=空氣特有的氣體常數[kJ/(kg*K)〗；
P=燃燒室壓力[kPa];
V=汽缸間隙體積[m3];
p=空氣密度[kg/m3];及
P=燃燒室溫度[k]。 根據上述內容，發動機汽缸壓力傳感器可以用來作為對某些其他的發 動機系統傳感器，如用於發動機系統的診斷(如車載診斷-OBD)或類似 的傳感器的一種核查，或這些發動機汽缸壓力傳感器可以用來將那些其他 的發動機系統傳感器完全省略。換言之，發動機汽缸壓力可以用於不是必 需要改進發動機性能，而是加強發動機系統參數測量的可靠性和/或從發動 機系統中消除昂貴的傳感器，如以下在圖2中所描繪。
圖2展示了一個內燃機系統210的另一實施方案。此方案在許多方面 與圖l的實施方案相似，並且一般性的相同主題的描述在此不再重複。事 實上，除了基於以上描述的方法省略了圖1系統IO的這些傳感器之外， 系統210與圖1的系統IO近乎相同。 一個差異包括多個壓力傳感器26， 它們(代替了或附加於同發動機汽缸25直接相聯通的壓力傳感器26)在 這個或這些進氣和/或排氣系統14, 16中可以-故置於這些發動機汽缸25 的上遊和/或下遊。
因此，許多傳感器可以被省略，從而節省了它們的成本和重量。作為 替代，可以保留這些傳感器，並且這些傳感器的汽缸壓力估算的預計值可 以用作對其他的傳感器的診斷。在後一情況下，沒有實現直接的單件零件 的成本降低，然而，可以使用更簡單和更可靠的診斷算法，這可以節省開 發時間和測試連同發動機控制器內存和計算時間。
此，並不將其變體視為背離了本發明的精神和範圍。
權利要求
1. 一種方法，包括在一個發動機汽缸內感測壓力；並且基於該感測的壓力估算至少一個其他的發動機系統參數。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中該至少一個其他的發動機系統參 數是一個機械裝置的 一個位置。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中該機械裝置的位置是可變幾何形 狀渦輪的位置。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中該至少一個其他的發動機參數是 一種流體狀態。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中該流體狀態是一個發動機進氣歧 管中空氣的溫度。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中還使用在該感測的壓力與該至少 一個其他的發動機系統參數之間公式化地建立的關係來進行該估算。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中還使用在該感測的壓力與該至少 一個其他的發動機系統參數之間經驗性地估算的關係來進行該估算。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中還使用人工智慧方式評估在該感 測的壓力與該至少 一個其他的發動機系統參數之間的關係來進行該估算。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中該至少一個其他的發動機系統參 數是可變幾何形狀渦輪(VGT)的位置，該位置與進氣歧管壓力成比例並 且是基於發動機汽缸壓力並使用以下等式來公式化地進行估算p — p *— P *廠cy/ —廠inta/te —廠int血卩K + Y其中Peyl=壓縮之後燃燒之前的汽缸壓力[Pa]; Pintake=進氣歧管壓力[Pa];CR=壓縮比^Vs+Vce)/Vcc[無量綱]，其中Vs, Vce=汽缸排量，和燃燒室容積[m3];和 k=空氣比熱容之比[無量綱]。
10. 根據權利要求1所述的方法，其中該至少一個其他的發動機系統 參數是發動機進氣溫度，該溫度是使用以下等式公式化地進行估算其中附p「=滅77 p =—乂 〃"" 6e/附一c。附AWo" 並且 K 於是二 屍 —其中CR=壓縮比；k=空氣比熱容之比；R=空氣特有的氣體常數[kJ/(kg*K)];P=燃燒室壓力[kPa]V=汽缸餘隙容積[m3];p=空氣密度[kg/m3];以及T=燃燒室溫度[k]。
11. 根據權利要求1所述的方法，其中使用在該感測的壓力與該至少 一個其他的發動機系統參數之間聲學關係來進行該估算。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中通過分析該感測的壓力的頻率 來進行該估算。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中該感測是在該發動機汽缸上遊 的該進氣系統中進行。
14. 根據權利要求12所述的方法，其中該感測是在該發動機汽缸下遊 的該排氣系統中進行。
15. 根據權利要求11所述的方法，其中該感測是在該發動機汽缸上遊 的該進氣系統中進行。
16. 根據權利要求11所述的方法，其中該感測在該發動機汽缸下遊的 該排氣系統中進行。
17. 根據權利要求1所述的方法，其中該至少一個其他的發動機系統 參數是一個部件的一種聲學特徵，該部件被設計為顯示出 一種特別的聲學特徵。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中該聲學特徵包括振幅、頻率、 或瞬態特徵中的至少 一個。
19. 根據權利要求17所述的方法，其中對該聲學特徵進行估算以識別 一個部件，該部件至少是偽造、破裂或故障中的一種情況。
20. —種設計發動機系統的方法，包括提供一個發動機系統，該發動機系統包括一個或多個發動機汽缸壓力 傳感器以及一個或多個其他的發動機系統傳感器； 運4亍該發動才幾系統；用這些發動機汽缸壓力傳感器感測發動機汽缸壓力，這些發動機汽缸 壓力傳感器與該發動機系統的一臺發動機的一個發動機汽缸相聯通；用這些其他的發動機系統傳感器感測至少一個其他的發動機系統參數；使該發動機汽缸壓力與該至少一個其他的發動機系統參數相互關聯；並且用該發動機汽缸壓力來替代或增強與該發動機汽缸壓力相關聯的該 至少一個其他的發動機系統參數。
全文摘要
一種方法包括感測一個發動機汽缸內的壓力，並基於感測的壓力估算至少一個其他的發動機系統參數。另一種方法包括設計一個發動機系統，該系統包括一個或多個發動機汽缸壓力傳感器以及一個或多個其他的發動機系統傳感器。基於該方法，使發動機系統運行，並且利用這些發動機汽缸壓力傳感器來感測發動機的汽缸壓力，這些發動機汽缸壓力傳感器與發動機系統的發動機的一個發動機汽缸相聯通。同樣，利用這些其他的發動機系統傳感器來感測其他的發動機系統參數以獲得至少一個其他的發動機系統參數。將發動機的汽缸壓力與至少一個其他的發動機系統參數相關聯，並且用發動機汽缸壓力來替代或增強與發動機汽缸壓力相關的該至少一個其他的發動機系統參數。
文檔編號F02D35/02GK101523034SQ200780036633
公開日2009年9月2日 申請日期2007年10月5日 優先權日2006年10月13日
發明者J·舒蒂, O·韋伯, W·溫策爾 申請人:博格華納公司