專利名稱：修正內燃機內汽缸不平衡的方法
技術領域：
本發明涉及內燃機內的汽缸平衡控制，特別地涉及機動車用柴油共軌發動機。更具體地，本發明涉及如權利要求1的前述部分所述的修正汽缸不平衡的方法。
背景技術：
在傳統內燃機內，實際在每次噴射時噴射入每個汽缸內的燃油數量可能和由電子 控制單元(ECU)要求的，以及被用來確定噴射器的激發時間的名義燃油數量不同。有若干因素導致了這一不同，特別是由生產過程擴大引起的噴射器特征的偏離以 及由于噴射系統老化造成的同樣特征的時間漂移變化。事實上，現有的噴射器生產過程不 夠精確到生產具有窄公差的噴射器；此外，這些公差隨著在噴射器壽命內的老化越來越惡 化。因此，對給定的激發時間和給定的軌道壓力，實際噴射的燃油數量可能因噴射器而異。這一噴射燃油數量不同導致了因汽缸而異的扭矩不平衡，引發了諸如壓力峰值不 同，放熱以及作用在被用來和傳感器或檢波器一起測定曲柄軸轉動的曲柄軸輪上的動力學 影響的不同。已知的用來修正汽缸不平衡的控制系統包括測定因汽缸而異的不平衡幅度，以及 通過閉環控制修正因氣缸而異的噴射燃油數量的步驟。特別地，傳統的控制系統是基于對 曲柄軸輪信號的分析的。在往復運動的內燃機中，每個汽缸的氣壓扭矩是周期函數，這是由熱力學特質造 成的。因此，在4沖程發動機中，該氣壓扭矩的周期為720° CA(曲柄軸角度)。用另一種 方式表達，如果ω是曲柄軸旋轉頻率，則在4沖程發動機中該氣壓扭矩的頻率為0.5ω。4沖程發動機的氣壓扭矩可被通過傅立葉級數的方式表達，包括作為基礎頻率的 頻率 0. 5 ω，以及其諧波頻率(1·0ω、1·5ω、2·0ω、2·5ω、3·0ω 等)。頻率為0. 5 ω的諧波分量被定義為階數為0. 5的分量。如上所述，該分量的周期 為720° CA且其頻率和曲柄軸旋轉頻率相同。頻率為1. 0ω的諧波分量被定義為階數為1的分量，且周期為360° CA ；其頻率等 于曲柄軸旋轉頻率。頻率為1. 5ω的諧波分量被定義為階數為1. 5的分量，且周期為CA。頻率為2. O ω的諧波分量被定義為階數為2的分量，且周期為180° CA ；在4沖程 發動機中該頻率和噴射頻率相同(每180° CA噴射一次)(因沖程而異的)；在四沖程發動 機中，該頻率及其倍數Ο.0ω、4.0ω、6.0ω等)被定義為主諧波或主階數。頻率為3. O ω的諧波分量被定義為階數為3的分量，且周期為120° CA ；在6汽缸 發動機中該頻率和噴射頻率相同(每120° CA噴射一次)(因沖程而異的)；在6汽缸發動 機中該頻率和其倍數(3.0ω，6.0ω，9.0ω等)被定義為主諧波或主階數。曲柄軸輪被安裝在曲柄軸上；其被大致沿周邊分隔成預設數目個區域，每個區域 具有精確的角寬度，典型地所有區域的角寬度相同。在典型實施例中，曲柄軸輪沿其周邊具有預設數目個齒，或預設數目個磁體。這種選擇取決于用來測定曲柄軸輪信號的傳感器的種類。該傳感器被安裝在發動機體上。在曲 柄軸旋轉時，該區域和傳感器相遇，且該傳感器能測定每個區域的持續時間。預設數目個區域構成一個分區(segment)；因此，每個分區具有精確的角寬度。有若干個系統化誤差，其產生不由實際曲柄軸動力學推導得出的系統化動力學分 量。一個典型的系統化誤差的例子是由曲柄軸輪生產公差或安裝公差造成的集合誤差。系 統誤差在壽命中的幅度不盡相同，而會發生幅度偏移。為了獲得準確的曲柄軸輪信號，必須知道不由實際曲柄軸動力學推導得出的系統 化動力學分量的影響。由下文描述可變得清晰，本發明主要是基于對發動機速度信號的處理，以獲得可 被用來控制由每個噴射器噴射的燃油數量的燃油數量修正值。美國專利6，250，I44B1公開了一種在傳動輪上修正公差的方法。
發明內容
如此發明所述，上述的已知燃油噴射系統的問題被具有由權利要求1設定的特征 的方法所解決。
本發明的其他特征和優點將由下文參照附圖對非限制性示例的描述而顯得明顯，其中圖1是內燃機的示意圖和被用來實施根據本發明的方法的ECU的流程圖；圖加和2b是施行根據本發明方法的操作的流程圖；圖3是曲柄軸輪信號的示意圖；圖4是現有技術的濾波器的轉換函數的圖表；圖5是根據本發明的方法中使用的濾波器的轉換函數的圖表；圖6示出了與圖加中評價濾波階段相關的兩幅圖表；圖7是圖2b中T控制計算模塊的示意圖。具體實施方法在附圖1的視圖1中示出了一種適用于機動車的內燃機，特別是一種柴油共軌發 動機。發動機1特別地是四沖程發動機，其在示例性實施例中被示出具有四個汽缸，每 一個汽缸分別有相應電子控制燃油噴射器11-14與其相關聯。在已知的方式中，所述發動機1包括其上固定有齒輪3的曲柄軸2。該輪3示例性 地具有60個等角度隔開的齒，其名義角寬度相同，且其上連接有提供曲柄軸或發動機速度 信號的接收設備4.燃油噴射器11-14恰當地由發動機1的E⑶6的燃油噴射控制模塊5驅動，其被設 置為設定在所述發動機1的每個循環中向每個汽缸提供的名義燃油數量。在如本發明所述的系統中，該由傳感器或探測器4提供的曲柄軸速度信號被按預 定的方式獲得且處理，其在圖1中被塊7表示，以提供由每一個噴射器噴射入的燃油數量的 預測值。該預測由汽缸平衡控制模塊8處理，其輸出為被燃油噴射控制5用來控制噴射器11-14的燃油數量修正，以補償(特別是)最初討論的燃油噴射系統中的偏移和公差的影 響。圖加和2b示出了 ECU6進行的如本發明的方法所述的操作的流程圖的兩部分。本發明的方法包括第一步驟，在其中獲取由傳感器3、4提供的曲柄軸速度信號， 同時一個預先設定的燃油注入器被在一段預先設定的時間周期內激發而在該時間周期內 其他所有燃油注入器未被激發。這將引發不平衡，分析了由此引起的對曲柄軸輪3的動力 學的影響。本發明的方法還包括處理獲取的曲柄軸速度信號的步驟，以獲得代表所述速度信 號的預設諧波分量振幅的信號或數據。特別地，對4沖程內燃機來說，0. 5階的發動機速度 和汽缸不平衡幅度相關度最高。由于在本發明的上述第一步驟中在720° CA中僅加壓一個 噴射器，這可被解釋。在該方法的第一步驟中，如上所述，會引發不平衡，且為了測定所述不平衡的幅 度，可分析由曲柄軸輪3和相關的傳感器4提供的發動機速度的諧波分量。特別地，0. 5階 和0. 5的倍數的階的該發動機速度諧波分量最適合測定該不平衡的幅度。 總體來說，對諧波分量的分析應集中在0. 5階、1. 0階、1. 5階、2. 0階...Z/4階上， 其中Z是發動機的汽缸的數量。當所有的發動機汽缸越被大致平衡后，這些諧波分量的振幅變的非常小；當汽缸 未被平衡時，這些諧波分量的振幅變得非常大。0. 5階和0. 5的倍數的階的發動機速度分量 的振幅可被作為評價不平衡幅度的基礎。在分析60齒周期時，有作用的階數為60.這一限制導致不能輕易分析所有60 個齒，因為帶通濾波器具有如圖4示出的形狀。這種濾波器很難被有效的實施，因為其 具有過大的“死帶”，從而最好分析曲柄軸速度信號的部分(分區)。出于這個原因，如 圖加所示，由傳感器4提供的曲柄軸速度信號被進行第一周期-求和階段(組合)10 處理，以獲得所述信號的部分。當齒持續時間被彼此相加以獲得所述信號部分時，出現 了混疊現象(phenomenology of alias)，這是由于該求和階段操作等于進行數據抽取 (datadecimation)最高階被映射在較低階上。本發明的方法因此包括進行數字化抗混疊濾波12的步驟，特別是通過使用HR濾 波器，且在第二周期-求和階段14。圖3示出了表現具有預設周期102的方波信號的曲柄 軸輪信號100的示意性代表。毗鄰周期(例如3個周期)102的預設數字被在第一周期-求 和階段10中相加，以獲得第一信號部分或分區104，其又被在第二周期-求和階段14中相 加(例如，兩兩相加)以獲得第二分區106。該第二周期-求和階段14的輸出值又被在階 數為0. 5,1. 0,1. 5的諧波分量上進行帶通濾波處理16 (圖2a)，以獲得中間值17.帶通濾波的理論可被方便地應用，以評價與被激發噴射器對應的汽缸不平衡的幅 度。在階數域中進行的計算都使用了具有下列標準差公式的帶通濾波器aj (η) = Id1X (η) +. . . +bnb+1x (n-nb) -a2y (n-1) _. . . -ana+1y (n-na)帶通濾波器是讓一定范圍內的頻率通過而拒絕(減弱)此范圍之外的頻率的濾波 器。由于有求和階段10和14的存在，使得使用具有如圖5中定性的圖表中示出的頻率或 階數域的帶通特征的濾波器成為可能，其中圖5中定性的圖表示出了 1階諧波分量附近的 通帶。時間域內帶通濾波器的輸出(理想地)為正弦曲線。
第二周期-求和階段14的輸出值又被作為參照模型計算階段18的輸入值(參見 圖1和2a)。在機動車中，曲柄軸輪速度信號不僅反映了發動機動力學，也受一些幾何-機械 誤差的影響。因此，需要理想曲柄軸輪模型。在參照模型計算階段18，按照下列公式施行分 區106的求和
k+z
^ Segmenti
Segmentmoi el = —-— (1)
J + z + l其中k是模型的計算針對的一般分區106。該模型沒有任何幾何-機械誤差。在 參照模型計算階段18計算出的kgmentm。del分區隨后被經受帶通濾波處理20，該濾波處理 因試樣不同而不同，且該處理被施加在階數為0. 5,1. 0,1. 5. . . K0. 5的諧波分量上。中間值17和帶通濾波處理20的輸出值被在比較階段22進行比較，以獲得粗略修 正值23，所述粗略修正值為中間值17和帶通濾波處理20的輸出值之間的差值，因試樣而 異。該比較階段22的輸出值被低通濾波處理M處理，以獲得被濾波的修正值25，其在評價 濾波階段26被和粗略修正值23進行比較。在評價濾波階段沈，使用了 “評價濾波器”，所述“評價濾波器”為初始值不為零的 低通濾波器，其被設置為用來獲得被定義為在粗略修正值23和被濾波修正值25之間差值 的即時差值，其因試樣而異。該“評價濾波器”隨后被設置為收斂于所述差值。圖6中顯示出了示出了代表粗略修正值的第一曲線152以及代表被濾波修正值的 第二曲線154的第一圖表150。第二圖表156示出了代表“評價濾波器”輸出值的曲線158，該輸出值趨向于粗略 修正值23和被濾波修正值25之間的差值。當該“評價濾波器”的輸出值達到第一預設閾 值THl時，該過程停止。現在回到圖加，在評價濾波處理沈結束時，即，當“評價濾波器”的輸出值達到第 一閾值THl時，濾波后修正值25被選擇在其后的步驟中使用。濾波后修正值25在修正階段觀中被用來修正中間值17以獲得最終值30，其因試 樣而異，每一個最終值30對應著階數為0. 5,1. 0,1. 5. . . K0. 5的諧波分量。該獲得的最終 值30為中間值23和濾波后修正值25之間的差值。考慮到階數為0. 5和0. 5的倍數的曲柄軸輪速度信號分量和汽缸不平衡幅度相 關，可執行閉環控制。本發明的方法因此包括PI控制階段32，其中使用了比例和積分控制。該控制的輸 入值為由修正階段觀得到的最終值30，且使用了零不平衡作為控制的參照。該PI控制階 段32因階數而異，且其輸出值在求和階段34被全部相加到一起。該求和階段34的輸出是 被燃油噴射控制5用來控制噴射器11-14的燃油數量修正35。特別地，該燃油數量修正35被加在由發動機1的E⑶6請求的名義燃油數量上。本發明的方法消去了貢獻于汽缸扭矩不平衡的汽缸不平衡的階數為0.5、1.0、 1. 5. . . K0. 5的諧波成分。圖7示出了顯示有所述修正階段觀的輸出值的第一圖表160，顯示有PI控制模塊 參照的第二圖表162，其對所有階數來說都為零，S卩，被完美平衡的發動機，以及顯示有PI控制階段32的輸出值的第三圖表164。在時間域內，對發動機的影響是具有不同周期的正弦信號的疊加；在總體平衡時 所有正弦值信號的結果將為零。顯然地，對實施例和產品的細節可在前述描述和通過非限制性示例示出的內容的 基礎上進行顯著的變化而不改變本發明的原理，其并未偏離本發明由所附權利要求限定的 保護范圍。
權利要求
1. 一種修正內燃機內汽缸不平衡的方法，所述內燃機具有多個各自配置有相應電子控 制燃油噴射器(11-14)的汽缸，以及具有相關聯的角速度傳感器(3、4)的曲柄軸O)，所述 角速度傳感器包括設置有多個具有相同角寬度的等距標示的輪(3)；所述方法包括-在一個燃油噴射器在設定的時間周期內被激發而所有其他燃油噴射器未被激發時， 獲得曲柄軸或發動機速度信號；-通過使用傳感器(3、4)掃描所述標示來產生方波信號，所述信號具有預設的周期 (102)；-施行第一周期-求和步驟(10)以獲得所述周期(102)的第一分區(104)； -施行所述第一分區(104)的數字化抗混疊濾波(12)； -施行分區求和步驟(14)以獲得第二個、更大的分區(106)； -在預設諧波分量上施行帶通濾波步驟(16)以獲得中間值(17)； -創立代表理想曲柄軸輪速度信號的濾波后修正值05)； -使用所述濾波后修正值0 修正所述中間值(17)以獲得最終值(30)； -基于所述最終值(30)施行因分量而異的比例和積分控制(32)； -將所有諧波分量求和(34)以獲得燃油數量修正值(3 ；和-根據所述燃油數量修正值(35)，通過控制所述燃油噴射器(11-14)來修正汽缸不平
2.如權利要求1所述的方法，使用在4沖程內燃發動機(1)上，所述諧波分量為階數為 0. 5或0. 5的倍數的分量，該階數直到Z/4，其中Z是所述發動機的汽缸數目。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中施行數字化抗混疊濾波的步驟(1 包括使用 HR濾波器。
4.如前述任意一項權利要求所述的方法，其中創立濾波后修正值0 的步驟包括 -根據以下公式對所有第二分區(106)求和，
5.如權利要求4所述的方法，其中所述粗略修正值03)為所述中間值(17)和所述比 較值之間的差值。
6.如前述任意一項權利要求所述的方法，其中所述最終值(30)為因分量而異的所述 中間值(17)和所述濾波后修正值05)之間的差值。
全文摘要
一種方法，包括步驟獲得一個燃油噴射器在設定的時間周期內被激發而其他所有燃油噴射器未被激發時的曲柄軸或發動機速度；通過使用傳感器(3、4)掃描所述標記產生方波信號，此信號具有預設周期(102)；施行第一周期求和步驟(10)以獲得周期(102)第一分區(104)；施行第一分區(104)的數字化抗混疊濾波(12)；施行分區求和步驟(I4)以獲得第二個、更大的分區(106)；在預設的諧波分量施行帶通濾波步驟(16)以獲得中間值(17)；創立代表理想曲柄軸輪速度信號的濾波后修正值(25)；使用濾波后修正值(25)修正中間值(17)以獲得最終值(30)；基于最終值(30)，施行因分量而異的比例和積分控制；將所有諧波成分相加(34)以獲得燃油數量修正值(35)；并根據該燃油數量修正值(35)，通過控制燃油噴射器(I1-I4)來修正汽缸不平衡。
文檔編號F02D41/14GK102137996SQ200980133661
公開日2011年7月27日 申請日期2009年7月27日 優先權日2008年8月28日
發明者喬瓦尼.羅瓦蒂, 托馬索.德法齊奧, 米歇爾.巴斯蒂亞內利 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司