CN107110733B

CN107110733B - 校准汽缸压力传感器的方法和内燃活塞式发动机

Info

Publication number: CN107110733B
Application number: CN201480084085.4A
Authority: CN
Inventors: 汤姆·凯丝; M·尼隆德
Original assignee: Wartsila Finland Oy
Current assignee: Wartsila Finland Oy
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2034-12-22
Also published as: KR20170065670A; WO2016102741A1; KR101855067B1; EP3237871B1; CN107110733A; EP3237871A1

Abstract

校准汽缸压力传感器的方法和内燃活塞式发动机。发明涉及一种校准适于测量内燃活塞式发动机(12)中的压力的压力传感器(80)的方法，该方法在起动点火之前的压缩阶段期间包括至少以下步骤：i.在曲柄转角测量汽缸中的压力p_m，ii.确定在曲柄转角范围期间的放热值，iii.使用在步骤ii.中确定的放热值估计在步骤i.中测量的压力的压力偏移Δp，以及利用所估计的压力偏移校准汽缸压力测量。本发明还涉及一种内燃活塞式发动机(12)。

Description

校准汽缸压力传感器的方法和内燃活塞式发动机

技术领域

本发明涉及一种校准适于测量内燃活塞式发动机中的压力的压力传感器的方法。

本发明还涉及一种内燃活塞式发动机。

背景技术

内燃机的操作要求越来越高。内燃活塞式发动机的废气排放要求越来越严格。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。另一方面，所不期望的是，发动机的整体性能由于旨在减少排放的动作而将受到影响。汽缸压力给出关于内燃活塞式发动机的燃烧过程的有价值的信息。使用汽缸压力可以产生许多特征燃烧参数。因此，汽缸压力传感器需要非常精确，以便从发动机和燃烧过程获得可靠的数据。即使传感器的灵敏度的最小差异或变化也可能导致发动机的控制过程中的不准确的动作。这使得发动机以不符合要求的方式运行。因此，发动机可能不是以其最佳效率操作。特别是，传感器的校准需要非常小心谨慎。还存在可用的仅表示相对压力而不是绝对压力的传感器，并因此需要精确校准。

汽缸压力传感器在恶劣的环境中操作并且不完全燃烧可能会导致用以精确地测量压力的传感器或其灵敏度的损坏。因此，期望将压力传感器也设置在进气歧管或类似物(诸如储气器(receiver))中。

WO2010124758 A1公开了一种用于估计内燃机的进气歧管中普遍存在的压力的方法。使用进气阀关闭点处的压力的估计值来估计进气歧管的压力。根据曲轴的角位置而不是对应于进气阀关闭点的角度来测量压力。

在某些情况下，可以假设储气器和汽缸中的压力在进气阀关闭点处基本相同。在这种情况下，汽缸压力传感器可以根据所测量的储气器压力进行校准。然而，例如，如果储气器中的压力测量点与汽缸中的压力测量点之间的距离较长或在储气器中存在固定的振荡波，则进气阀关闭点处的汽缸压力和储气器压力可能会发生变化。因此，需要适当的方法来校准压力传感器。

本发明的目的是提供一种校准汽缸压力传感器的方法，该汽缸压力传感器适于测量内燃活塞式发动机中的压力，其中与现有技术方案相比，该内燃活塞式发动机的性能被大大提高。

发明内容

本发明的目的通过校准适于测量内燃活塞式发动机中的压力的汽缸压力传感器的方法来实现，该方法在起动点火之前的压缩阶段期间包括至少以下步骤：

i.在曲柄转角(crank angle)测量表示汽缸中的压力的压力p_m，

ii.确定在曲柄转角范围期间的放热特征，

iii.计算在曲柄转角范围汽缸的体积变化，

iv.使用在步骤ii.中确定的放热特征和在步骤iii.中确定的体积变化估计在步骤i.中测量的压力的压力偏移Δp，

v.利用所估计的压力偏移校准汽缸压力测量。

这提供了一种校准适于测量其性能被显著提高的内燃活塞式发动机中的压力的汽缸压力传感器的方法。因此，获得校准汽缸压力测量的有效方式、更精确的压力测量以控制发动机的操作。众所周知，汽缸压力是用于经由燃烧参数(诸如放热、最大压力和最大压力导数等，仅举几例)获得关于燃烧情况的信息的非常重要的手段。更具体地，精确的压力测量通过使得可以以更精确的方式控制发动机的操作来降低燃料消耗和减少气体排放。

根据本发明的实施方式，步骤ii.中的放热特征是放热值的曲柄转角导数。放热值的所述导数也可以称为放热率。因此，根据放热值的导数来估计压力偏移。

根据本发明的实施方式，步骤ii.中的放热特征是从放热率获得的放热值，并且根据放热值和汽缸体积变化来估计压力偏移。

由于对于经受热力学处理的***而言众所周知的是，构成热力学第一定律的内部能量的变化dU可以被获得为：

dU＝dQ-dW，

其中，dQ是传热，并且dW是机械功。在发动机的汽缸中进行的机械功可以利用压力和体积写为dW＝pdV。在理想气体的情况下，内部能量的变化是dU＝nC_vdT，其中n是在汽缸内捕获的摩尔数，C_v是恒定体积的热容量，dT是温度的变化，并且dV是体积变化。从理想的气体定律方程pV＝nRT求解T，上面的方程可以写为：

其中，R是通用气体常数。简化上述方程(取d(pV)的偏导数，也就是d(pV)＝Vdp+pd并且重排各项)，获得：

使用热容量比γ＝C_p/C_v，其中C_p是恒定压力下的热容量，上面的方程可以写为：

限定曲柄转角位置的变化为放热方程可以写为：

通常，压力p是测量的值，并且现在将指示发动机汽缸中的压力的测量压力表示为p_m。然而，测量的压力p_m通常包括偏移Δp，并因此测量的压力p_m可以表示为：

p_m＝p+Δp，

其中p是实际压力，并且Δp是所谓的压力偏移。将测量的压力p_m代入放热方程，如下获得偏移放热：

重排各项并使用放热方程获得：

最后，当假设汽缸压力偏移是常数(意味着其导数是常数)时，获得：

在点火之前的压缩阶段期间，释放到汽缸中的热量假设为零，这意味着也假设放热率为零。那么该放热可以写为：

因此，该方程描绘了放热与测量的压力的压力偏移之间的相关性。

根据本发明的实施方式，使用如下函数来估计压力偏移：

其中，是在步骤ii.中获得的确定值，γ是热容量比dV是汽缸中的体积的微分变化，是曲柄转角的变化。在该实施方式中，针对多个单独的曲柄转角增量来估计压力偏移，在此之后确定压缩阶段期间的压力偏移的平均值。

根据本发明的实施方式，确定在曲柄转角范围期间的放热值Q的步骤通过在曲柄转角范围上进行如下计算来实现：

根据本发明的实施方式，使用如下函数来估计压力偏移Δp：

其中

并且

在该实施方式中，首先获得在特定曲柄转角上的放热和汽缸体积的积分，并且基于这些确定偏移值。

根据本发明的实施方式，汽缸中的实际压力被获得为p＝p_m-Δp。

通常，一个汽缸的操作可以分为四个阶段，而发动机可以是四冲程或二冲程发动机：1)进气阶段，在此期间，允许燃烧空气进入汽缸，2)压缩阶段，其中活塞向其上止点位置移动并且汽缸中的压力增加，3)动力阶段，其中由燃料燃烧产生的膨胀气体迫使活塞在汽缸中向下移动，转动曲轴并且汽缸中的压力降低，以及4)排气阶段，用于从汽缸中排出废气。然后重复从1)到4)的一系列阶段。从1)到4)的一个系列阶段被称为一个循环。根据本发明的实施方式，逐循环地，使用来自前一循环的压力偏移来校准测量单元，以便逐循环地改进校准。因此，校准过程可以称为自动校准。

根据本发明的实施方式，在第一循环的第一压缩阶段，压力偏移Δp是预定值，在校准中考虑该预定值以便获得汽缸中的更好的压力信息。

根据本发明的实施方式，在起动点火之前的压缩阶段期间步骤i.到步骤iv.被进行一次以上。

根据本发明的实施方式，在起动点火之前的压缩阶段期间步骤i.到步骤iii.被进行一次以上，并且获得一个以上偏移压力Δp₁,…,Δp_n，其中n＞1，它们在步骤iv.中被用作响应值。

根据本发明的实施方式，步骤iv.使用偏移压力的平均值作为响应值，意味着在步骤iv.中估计的压力偏移是偏移压力Δp₁,…,Δp_k的平均值其中k＞1。

根据本发明的实施方式，表示汽缸中的压力的压力p_m是直接在汽缸中测得的压力。

根据本发明的实施方式，表示汽缸中的压力的压力p_m是在储气器(air receiver)(即，将燃烧空气分配到发动机汽缸的歧管)中测得的压力。在该实施方式中，压力偏移还考虑了发动机的燃烧储气器与汽缸之间的压力损失以及其它类似因素。

本发明的目的还通过内燃活塞式发动机来实现，所述内燃活塞式发动机包括：

a.至少一个汽缸，

b.活塞，所述活塞被设置成在汽缸内往复运动，

c.至少一个压力传感器，所述至少一个压力传感器被设置成与汽缸连接。

本发明的特征在于，发动机包括校准***，该校准***包括：测量单元，该测量单元被设置成在起动点火之前的压缩阶段期间利用发动机中的至少一个压力传感器测量表示汽缸中的压力的压力；放热确定单元，该放热确定单元被设置成确定放热特征；估计单元，该估计单元被设置成估计使用所述放热特征执行的测量的汽缸压力偏移；以及校准单元，该校准单元被设置成响应于所估计的汽缸压力偏移来校准汽缸压力传感器。

根据本发明的实施方式，发动机包括一个以上汽缸。

根据本发明的实施方式，放热确定单元包括用于确定放热值的指令。

根据本发明的实施方式，经由导管与汽缸连接的储气器包括至少一个压力传感器，以测量储气器中的压力并与校准***连接。

根据本发明的实施方式，内燃活塞式发动机的压力传感器校准***被提供有用于执行根据校准汽缸压力传感器的方法的指令。

附图说明

在下文中，将参考所附示例性示意图来描述本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的第一实施方式的校准适于测量内燃活塞式发动机中的压力的压力传感器的方法的图，

图2示出了根据本发明的第二实施方式的校准适于测量内燃活塞式发动机中的压力的压力传感器的方法的图，以及

图3示出了根据本发明的第三实施方式的具有拥有压力传感器的储气器的燃烧活塞式发动机。

具体实施方式

图1示意性地描绘了压力传感器校准***10，该压力传感器校准***10被设置成执行指令以实施根据本发明的实施方式的校准内燃活塞式发动机12中的压力传感器80的方法。发动机12通常包括几个汽缸30，在所述汽缸30的每一个中，活塞32被设置成在汽缸30内在上止点和下止点之间往复运动，并从而使发动机的曲轴(未示出)旋转。在图1中，示出了第一汽缸30.1、第二汽缸30.2、第三汽缸30.3、第四汽缸30.4和第n汽缸30.n。即使在图1中仅示出了一个具有活塞30的汽缸，但所述汽缸30.1...30.n中的每一个都设置有活塞。

发动机12的汽缸压力传感器校准***10包括测量单元40，该测量单元40被设置成使用压力传感器80在曲柄转角处在起动点火之前的压缩阶段期间测量汽缸30.1…30.n中的每一个中的压力。每个汽缸30.1、30.2、30.3、30.4...30.n的汽缸压力由测量单元40至少在一个预定的曲柄转角位置单独测量为40.1、40.2、40.3、40.4...40.n。每个汽缸30.1、30.2、30.3、30.4...30.n设置有压力传感器80.1、80.2、80.3、80.4...80.n以测量汽缸中的压力。特别是，可以通过曲柄转角确定***90检测曲柄转角，并且该位置可用于校准***10。了解发动机的细节，可以以相当高的精度针对任何曲柄转角位置计算汽缸中的燃烧室的体积。另选地，校准***可以设置有体积查找表，该体积查找表为特定的、不同的曲柄转角值提供汽缸体积的值。

校准***10还包括放热确定单元50，该放热确定单元50针对每个汽缸具有可选的单独确定单元50.1、50.2、50.3、50.4...50.n，该放热确定单元50被设置成确定在曲柄转角范围期间的放热特征。放热特征可以是放热值，该放热值可以通过任何传统方式(例如，通过使用最小二乘估计)来确定。

针对放热的通式如下：

其中，γ是热容量比p是压力，V是体积，dV是汽缸中的体积变化，是曲柄转角的变化并且dp是汽缸中的压力变化。将放热方程(1)相对于曲柄转角进行积分，这里，曲柄转角范围获得放热Q，也就是：

测量的压力p_m可以表示为：

p_m＝p+Δp， (2)

其中p是实际压力，并且Δp是所谓的压力偏移。压力偏移Δp是可以根据本发明确定的因子。将测量的压力方程(2)代入方程(1)中，偏移放热可以被写为：

重排各项并使用方程(1)获得：

最后，当假设汽缸压力偏移是常数时，意味着其导数是常数获得：

然而，在点火之前的压缩阶段期间，假设汽缸中的放热为零，因此该项分别为零。放热可以被称为偏移放热。

从方程(3)可以解出压力偏移Δp，并且可以写为下面的关系：

其中已假设在没有压力偏移的情况下放热为零，也就是

因此，根据本发明的实施方式，通过针对多个单独的曲柄转角增量获得放热和体积来确定压力偏移，在此之后确定压缩阶段期间的压力偏移的平均值。

具体地说，方程(4)给出了测量中可能的校准误差的信息，并且可以在闭环中使用方程(4)的值来校准压力传感器。在包括估计单元60.1、60.2、60.3、60.4...60.n的估计单元60处使用在放热确定单元50确定的放热值和汽缸体积的变化针对于每个汽缸30.1、30.2、30.3、30.4...30.n估计压力偏移。

根据本发明的另一个实施方式，在压缩阶段对放热率

和体积变化

执行积分，在此之后，压缩阶段期间的压力偏移被确定为放热值和体积变化的比率。

根据本发明的另一实施方式，同样可以使用已知的离散近似方法替代积分方法。测量、确定和计算可以例如在1度的曲柄转角分辨率(或者具有更高的分辨率)下进行。

在校准单元70利用估计的压力偏移Δp获得汽缸压力测量的校准。线72描绘了在测量单元40中考虑关于来自校准单元70的校准的信息。经由线72.1、72.2、72.3、72.4...72.n的校准信息针对每个汽缸30.1、30.2、30.3、30.4...30.n被单独传送。这意味着可以对压力传感器80进行校准，以指示汽缸中正确的普遍存在的实际压力。换句话说，汽缸中的实际压力p可以如下从方程(2)获得：

p＝p_m-Δp。 (5)

应当注意，可以从前一循环在测量单元40中使用所估计的压力偏移Δp。这通过使用利用偏移压力的循环到循环补偿针对压力传感器80提供自动校准方案。

根据本发明的实施方式，在点火之前的压缩阶段期间，在测量单元40处测量压力一次以上，在确定单元50处确定放热在估计单元60处估计压力偏移Δp，并且利用所估计的偏移压力Δp校准汽缸压力测量值。例如，如果对汽缸中的压力测量了三次，并获得三个压力值p₁、p₂和p₃。那么可以获得三个放热值Q₁、Q₂和Q₃、以及三个放热值和可以使用这三个放热值Q₁、Q₂和Q₃，或者优选地使用这三个放热值和将三个压力偏移值确定为Δp₁、Δp₂和Δp₃。当计算例如平均压力偏移时，得到对压力偏移的估计。然后在校准中使用平均值这意味着所估计的压力偏移是偏移压力Δp₁、Δp₂和Δp₃的平均值

图1示意性地示出了测量单元40、确定单元50、估计单元60和校准单元70是单独的单元。然而，应当理解，测量单元40、确定单元50、估计单元60和校准单元70可以被设置到一个物理单元中，该物理单元可以例如被称为调整单元，该调整单元包括用于以先前描述的方式进行测量、确定、估计和校准的指令。

图2示出了本发明的另一实施方式。在第一循环的第一压缩阶段，压力偏移Δp是预定值，在校准中考虑该预定值以便获得汽缸中的更好的压力信息。然而，从第二个循环向前，如前所述，在点火之前的每个压缩阶段期间确定压力偏移Δp，并且在校准前向测量值中使用来自前一循环的所确定的压力偏移Δp。

图3示意性地示出了内燃活塞式发动机12，该内燃活塞式发动机12包括设置成校准测量的压力值的压力传感器校准***10。发动机12包括储气器36，从该储气器36至少将燃烧空气经由导管14引入汽缸30.1、30.2、30.3、30.4、30.5和30.6。储气器36中的压力也由压力传感器82来监测。储气器36设置有连接到储气器36中的至少一个压力传感器82，以便测量该储气器36中普遍存在的压力。图3示出了连接到储气器36的两个压力传感器82.1、82.2，然而压力传感器的数量并不限于两个。同样，作为汽缸30中的压力传感器80，可以校准连接到储气器36中的压力传感器82。来自储气器36的压力信息经由测量单元40被传送，在确定单元50处获得储气器36中的放热，并且可以在估计单元60中估计储气器36中的压力偏移Δp_rec。最后，利用储气器36中的估计的压力偏移Δp_rec在校准单元70处获得储气器压力测量的校准。与之前类似地，线72描绘了在测量单元40中考虑关于来自校准单元70的校准的信息。图3示意性地示出了六个汽缸，但实际上汽缸的数量可能不同。

虽然本文通过结合现在被认为是最优选实施方式的实施方式的示例描述了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施方式，而是旨在覆盖其特征的各种组合或修改以及包括在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可以结合另一实施方式使用，当这种组合在技术上可行时。

Claims

1.一种校准汽缸压力传感器(80)的方法，该汽缸压力传感器(80)适于测量内燃活塞式发动机(12)中的压力，所述方法在起动点火之前的压缩阶段期间包括至少以下步骤：

i.在曲柄转角范围测量表示汽缸(30)中的压力的压力p_m，其中，所述曲柄转角范围为从θ₀至θ₁，

ii.确定在所述曲柄转角范围期间的放热特征，

iii.计算在所述曲柄转角范围的汽缸的体积变化，

iv.使用在步骤ii.中确定的所述放热特征和在步骤iii.中确定的所述体积变化估计在步骤i.中测量的所述压力的压力偏移Δp，

v.利用所估计的压力偏移Δp校准汽缸压力测量。

2.根据权利要求1所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其中，所述步骤ii.中的所述放热特征是放热值的曲柄转角导数，并且在步骤iv中，根据所述放热值的所述导数和所述汽缸的所述体积变化来估计所述压力偏移。

3.根据权利要求1所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其中，所述步骤ii.中的所述放热特征是从放热率获得的放热值。

4.根据权利要求2所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其中，使用以下函数来估计所述压力偏移Δp：

其中，是在所述步骤ii.中获得的放热率，γ是热容量比C_p是恒定压力下的热容量，C_v是恒定体积的热容量，dV是所述汽缸中的体积变化，dθ是曲柄转角的变化。

5.根据权利要求3所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其中，确定在所述曲柄转角范围期间的放热值Q的步骤通过在所述曲柄转角范围上进行如下计算来实现：

其中，γ是热容量比C_p是恒定压力下的热容量，C_v是恒定体积的热容量，p是压力，V是所述汽缸的体积，dV是所述汽缸中的体积变化，dθ是曲柄转角的变化，并且dp是所述汽缸中的压力变化。

6.根据权利要求5所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其特征在于，使用以下函数来估计所述压力偏移Δp：

其中

7.根据权利要求1-5中的任一项所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其中，通过从表示所述汽缸(30)中的压力的所述压力p_m减去所述压力偏移Δp获得所述汽缸(30)中的实际压力。

8.根据权利要求1所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其中，表示所述汽缸(30)中的压力的所述压力p_m是直接在所述汽缸(30)中测得的压力。

9.根据权利要求1所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其中，表示所述汽缸(30)中的压力的所述压力p_m是在所述发动机的储气器中测得的压力。

10.根据权利要求1-6中的任一项所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其中，逐个循环地，使用来自前一循环的压力偏移来校准测量单元(40)，以便逐个循环地改进校准。

11.根据权利要求1所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其中，在第一循环的第一压缩阶段，所述压力偏移Δp是预定值，在校准中考虑所述预定值以便获得所述汽缸(30)中的更好的压力信息。

12.根据权利要求1所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其中，步骤i.到步骤iv.在起动点火之前的压缩阶段期间执行一次以上。

13.根据权利要求9所述的校准汽缸压力传感器的方法，其中，步骤i.到步骤iii.在起动点火之前的压缩阶段期间被执行一次以上，并且获得一个以上的偏移压力Δp₁,…,Δp_k，其中k＞1，所述一个以上的偏移压力Δp₁,…,Δp_k在步骤iv.中被用作响应值。

14.根据权利要求10所述的校准汽缸压力传感器(80)的方法，其中，步骤iv.使用所述压力偏移的平均值作为响应值，意味着在所述步骤iv.中估计的压力偏移是压力偏移Δp₁,…,Δp_n的平均值其中n＞1。

15.一种内燃活塞式发动机(12)，所述内燃活塞式发动机(12)包括：

a.至少一个汽缸(30)，

b.活塞(32)，所述活塞(32)被设置成在所述汽缸(30)内往复运动，

c.至少一个压力传感器(80)，所述至少一个压力传感器(80)被设置成与所述汽缸(30)连接，

其特征在于，所述发动机包括压力传感器校准***(10)，所述压力传感器校准***(10)包括：测量单元(40)，所述测量单元(40)被设置成在所述汽缸中在起动点火之前的压缩阶段期间利用所述发动机中的所述至少一个压力传感器(80)测量表示所述汽缸中的压力的压力；放热确定单元(50)，所述放热确定单元(50)被设置成确定放热特征；估计单元(60)，所述估计单元(60)被设置成使用所述放热特征和汽缸的体积变化来估计所执行的压力测量的汽缸压力偏移；以及校准单元(70)，所述校准单元(70)被设置成响应于所估计的汽缸压力偏移来校准所述压力传感器(80)。

16.根据权利要求15所述的内燃活塞式发动机，其特征在于，经由导管(14)与汽缸(30)连接的储气器(36)包括至少一个压力传感器(82)，所述至少一个压力传感器(82)用于测量所述储气器(36)中的压力并与所述压力传感器校准***(10)连接。

17.根据权利要求15所述的内燃活塞式发动机，其特征在于，所述压力传感器校准***(10)被提供有用于执行根据权利要求1至14中的任一项所述的校准汽缸压力传感器的方法的指令。