專利名稱：Sbs邏輯生物柴油傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種名為SBS(軟件生物柴油傳感器)的內(nèi)燃機(壓燃式或火花塞點 燃式)的邏輯傳感器，用于識別存在于車輛油箱內(nèi)的柴油/生物柴油混合物，其使用基于軟 件的算法來識別FAME (脂肪酸甲酯)植物基油組分或由混入基于柴油的原油中的有機廢物 (平均化學式C12H23)所產(chǎn)生的油組分，然后將發(fā)動機控制策略作為這些組分的函數(shù)進行調(diào)
背景技術(shù)：
在柴油機或壓燃(Cl)式發(fā)動機中，空氣(通常由很少的受控組分的殘余氣體稀 釋)受到大約12到20的容積比的壓縮，在壓縮沖程接近活塞的上止點(TDC)位置時，液態(tài) 燃料噴入汽缸。由于在注入時汽缸內(nèi)容物的壓力和溫度非常高，第一滴注入的燃油一進入汽缸就 開始化學反應。圖1示出了在現(xiàn)代壓燃式發(fā)動機中完成燃燒過程的主要部件。燃料從油箱1經(jīng)適 合的濾清器2傳送到高壓泵3，高壓泵將壓力130到200MPa的燃料運送到所有燃油噴射器 (6a到d)共用的燃油軌4中。電控單元7(ECU)收集發(fā)動機速度、溫度、油壓5和載荷目標 的信息，并調(diào)整發(fā)動機控制參數(shù)以優(yōu)化噴射的數(shù)量和其持續(xù)時間，從而實現(xiàn)載荷目標和廢 棄污染的要求。燃油噴霧器產(chǎn)生適合各燃燒室?guī)缀涡螤?的霧化狀態(tài)8。但是，在壓燃式發(fā)動機中，化學反應開始很慢，以至于只有在被稱作燃燒滯后的一 段可感知的時間之后才發(fā)生燃燒的通常表現(xiàn)，例如可測壓力升高。噴射和燃燒滯后的組合 體現(xiàn)了燃燒第一階段的特征。緊隨燃燒滯后期的是壓力升高，其取決于所用的燃油、相對于汽缸所獲得的空氣 的燃油噴射的總量(空氣_燃油比A/F)、分配全部燃油的噴射次數(shù)和噴射發(fā)生時的曲軸角 (CA)值。被稱做階段3的燃燒的第三階段在到達最大的燃燒室壓力后開始。排氣階段將決 定廢氣(NOx、顆粒物、乙醛等)中不同后燃燒產(chǎn)品的性質(zhì)和容積，該階段同樣在很大程度上 受到適當?shù)亩鄧娚洳呗缘挠绊?。圖2示出了柴油發(fā)動機的典型的通用壓力_曲軸角圖表，其中在壓縮沖程上死點 (TDC)之前，只在40°到20°曲軸角之間的周期內(nèi)發(fā)生一次噴射。虛線表示僅有空氣壓縮 和膨脹而沒有燃燒。實線表示壓縮和膨脹同時燃燒。噴射周期后是滯后周期，二者組合等 同于相位一。主燃燒發(fā)生在壓力升高階段，被成為相位二，其終止于最高燃燒壓力。對于給定的 固定定義的A/F比、噴射策略、燃燒室?guī)缀涡螤詈腿加统煞?，相位一和相位二的曲軸角長度 及最大功率值(壓力升高的斜度)參數(shù)在給定的載荷點的周期對周期變化小于。相位三(排氣)通過燃燒室溫度分布(絕對水平和均勻)大大影響廢氣中最終不 希望出現(xiàn)的后燃燒產(chǎn)品的產(chǎn)量。
重要的是需要明白，對于給出的一組固定邊界條件(發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負載、噴射戰(zhàn) 略、發(fā)動機總體溫度、定義明確的標準燃油成分)，完整的壓力-曲軸角圖表和感應的廢氣 溫度表示完全的化學和熱動力學的燃燒過程(壓力-曲軸角圖表)的單方信號和廢氣中 (溫度)污染物的潛在平衡。典型的商用柴油(平均化學式C12H23)的重要特性是點火性能、密度、燃燒熱量、揮 發(fā)性(相位一和相位二以及最高壓力(Pamx))、清潔和耐腐蝕性。除了最后兩個特性，其它 都是完全相關(guān)的。這就是商用柴油的燃燒特性由十六烷值來分級的原因。如同汽油的辛 烷值分級，柴油關(guān)于燃燒特征的分級通過用參考燃油(如美國材料實驗協(xié)會(ASTM)標準 D613)進行發(fā)動機測試比較的方法來進行。主要的參考燃油為標準的十六辛烷(C16H34)(具有極佳點火性能的開鏈烷烴)和 α -甲基萘(CltlH7CH3)(具有極差點火性能的環(huán)烷混合物)。具有壓燃汽缸的專用發(fā)動機是 用于這種測試的標準設(shè)備。上面指出的參考燃油(給出與測試燃油相同的點火延遲)的混合中十六烷的百分 比被取作測試中燃油的十六烷值。由于壓力_曲軸角圖表是燃燒過程的一個單邊信號，因 此十六烷值是燃油燃燒性能的單邊信號。重要的結(jié)論是，如果所有發(fā)動機參數(shù)保持不變，使用不同十六烷值的燃油，當相位 一、二和最高壓力值改變時，壓力_曲軸角圖表信號也改變。最近幾年里，火花塞點燃式(Si)發(fā)動機使用的生物燃油混合(純汽油和不同餾分 的乙醇的混合-彈性燃油)作為一種非常有效和實用的減少大氣中永久儲存的CO2量的方 法而流行。因此，有人建議將現(xiàn)有柴油和FAME(脂肪酸甲酯)植物基油的一種餾分混合。 FAME油的百分比越高，大氣中永久增加的C02量的減少就越大。包含“X” ％的FAME油和 (100-x) %石油燃料的混合物被稱作“Bx”混合物?，F(xiàn)在的商用柴油機可以接受低于20%的FAME油餾分，而基于CR軌基的噴射策略 不會有大的改變。不幸的是，組分在20-100%時，燃燒過程的反應變得不可控制，燃燒模式 逐漸顯現(xiàn)出極端爆震條件的特征。直接的結(jié)果是燃油消耗率和廢氣污染物大量增加，最終 導致全部熄火，更極端的情況下導致發(fā)動機的損壞。事實上，純商用柴油具有大約42的平均十六烷值，而100% FAME油的十六烷值通 常在60左右。20% FAME油組分的十六烷值為大約48到49，這就解釋了超過上述這種百分 率燃燒變得不可控制和必須采取行動的原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種識別生物柴油組分、混入基于柴油的原油的FAME油的Bx的戰(zhàn)略，并提議基于軟件的傳感技術(shù)來創(chuàng)建當時燃燒特性(壓力_曲軸角)的圖像，其使 用已經(jīng)在現(xiàn)有的CR混合物制備系統(tǒng)使用的傳感器。因此，本發(fā)明建議的基本方法不需要增 加輔助的傳感器，僅使用目前用于專用的CR發(fā)動機的傳感器。


下面通過表示非限定性例子的附圖，更好地理解本發(fā)明。
圖1為一實施例，其示出了在現(xiàn)代CI發(fā)動機中完成燃燒過程的主要部件。圖2為一實施例，其示出了典型的通用壓力_曲軸角圖表。圖3a為一實施例，其示出了本發(fā)明中使用的邏輯數(shù)據(jù)流的框圖。圖3b為一實施例，其示出了本發(fā)明中使用的邏輯數(shù)據(jù)流的框圖。圖4為一實施例，其示出了通過智能軟件傳感器方法產(chǎn)生的發(fā)動機控制調(diào)整的3D 圖。圖5為一實施例，其示出了在邏輯扭矩傳感器系統(tǒng)的參數(shù)中的數(shù)據(jù)處理框圖。
具體實施例方式正如先前說明的CA解決一樣，壓力_曲軸角表為一套給定的燃油、混合物準備系 統(tǒng)和發(fā)動機負載參數(shù)提供了完全的化學和熱力學燃燒過程的單邊信號。換句話說，如果發(fā)動機負載和混合物制備系統(tǒng)參數(shù)保持不變，如上面在壓力_曲 軸角表圖(噴射持續(xù)時間和燃燒延遲、壓力升高/傾斜和最高壓力值的總和，其后被稱作3 個燃燒關(guān)鍵參數(shù))中指出的變化是燃油組分(十六烷值)的表示，從而是混入基于柴油的 原油的FAME油的百分比的指示。根據(jù)本發(fā)明完成的主要動作是確定混入常規(guī)柴油中的生物燃油的組分，對這個動 作本發(fā)明建議一逆向工程技術(shù)，來確定在壓力-曲軸角表或該表的代表性的影像的說明基 礎(chǔ)上的3個燃燒關(guān)鍵參數(shù)。該主要動作是燃油識別階段(圖3a)。由于這些已經(jīng)由SI彈性燃油車輛(馬瑞利 公司專利PI020226-5，Cl 0202226_5e PI 0405357-5)完成，所以相位一開始于學習過程， 該過程在重新給油箱供油后執(zhí)行系統(tǒng)測試。在這個階段，E⑶重新獲得十六烷值的參考值，該值對應于標準燃油組分 (reference fuel composition)。針對該標準燃油提供一套相應的發(fā)動機控制戰(zhàn)略，該控 制策略是發(fā)動機/車輛的特征且位于ECU的儲存區(qū)，并在發(fā)動機特性校準開始時從那里過 程中調(diào)取。此外，ECU將標準燃油組分和3個燃燒關(guān)鍵參數(shù)(參考關(guān)鍵參數(shù))的指定的參考 配置連接起來，該三個燃燒關(guān)鍵參數(shù)也是發(fā)動機/車輛的特征且位于E⑶的儲存區(qū)，并在發(fā) 動機特性校準開始過程中從那里調(diào)取。燃燒一種具有不同于標準燃料的組分的燃油，發(fā)動機的燃燒性能將會改變，并從 而引起所述3個關(guān)鍵燃燒參數(shù)相對于參考值的成比例的變化。3個燃燒關(guān)鍵參數(shù)的改變的識別是根據(jù)下表(圖3b)來實現(xiàn)的。3個燃燒關(guān)鍵參 數(shù)201的每一個列在兩維的查閱表202、203、204中。斷點在發(fā)動機轉(zhuǎn)速軸(χ)和發(fā)動機負 載軸(y)上。發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負載的最大和最小值Nmin、Nmax, Lmin和Lmax限定空間窗口 205，窗口中進行識別。參考關(guān)鍵參數(shù)以相同的格式存在，如上文所述它們是發(fā)動機/車輛 的特征且位于E⑶的儲存區(qū)，在發(fā)動機特性校準的開始過程中可以調(diào)取。通常存在一整套 參考燃燒關(guān)鍵參數(shù)圖用于發(fā)動機熱操作(水溫>水臨界溫度值)，而存在另一套用于發(fā)動 機冷操作(水溫<水臨界溫度值)，這些既不是強制的也不是限定的。只有滿足下面兩個條件，才能確認瞬間燃燒關(guān)鍵參數(shù)狀態(tài)的測量。發(fā)動機功能速 度和負載條件必須在限定的空間窗口 205內(nèi)且值的擺動梯度(dN/dt和dL/dt)必須在預先設(shè)定的發(fā)動機特性等級(OSCILmaxland OSCILmax2)以下206。授權(quán)測量時，它將持續(xù)若干個根 據(jù)發(fā)動機特性預先設(shè)定的發(fā)動機循環(huán)(Niw)。然后被記錄的值被過濾208并確認每個燃燒 關(guān)鍵參數(shù)的平均值209.接著將燃燒關(guān)鍵參數(shù)相對于參考值的改變被轉(zhuǎn)變成十六烷值的相應演變。將這些 演變與發(fā)動機/車輛特性功能圖比較，該圖在發(fā)動機特性校準的最初過程中位于ECU的儲 存區(qū)。用這種方法，將3個燃燒關(guān)鍵參數(shù)相對于參考值的改變與相對于原始的參考值 103的新的十六烷值聯(lián)系上。本發(fā)明的再一個優(yōu)點是，可以檢測特定類型的FAME植物基油或來自用在混合物 (如大豆、棕櫚油或其它的)中的有機廢物的油產(chǎn)品的特定型號。這一功能需要兩個特定的 條件。當不同于標準FAME油的植物基油燃燒時，對于給定的植物基的Bx百分比，3個燃燒 參數(shù)中的一個或多個相對于參考的FAME油條件改變。這意味著Bx的十六烷值相對于參考 的FAME油條件改變。因此，第一個條件是必須在發(fā)動機/車輛特定的初始校準期間在發(fā)動機上測試每 個不同于參考FAME油的植物基油，所獲得的燃燒關(guān)鍵參數(shù)的圖和十六烷值必須在發(fā)動機 特性校準的最初過程中位于ECU的儲存區(qū)。第二個條件是使用過的ECU必須提供存儲容量，其足以允許不僅涉及標準FAME油 的圖永久存在，而且允許涉及補充植物基油制劑的平行圖或乘法表的永久存在，所述補充 植物基油制劑容易用于特定的區(qū)域/國家邊界內(nèi)。如果這兩個條件滿足了，可以在確認一個新的十六烷值之前插入一輔助學習回 路。圖3a示出了在哪個位置進行此補充測試104。已知新的十六烷值103后(圖3a)，柴油中新的FAME油的Bx百分比就知道了 105。在此點上進行第二個動作(圖4)，即，調(diào)整發(fā)動機控制戰(zhàn)略。在這個階段，根據(jù)最 近的預先繪制的控制戰(zhàn)略"X"和"x+1"之間的插入值來調(diào)整控制參數(shù)，該控制參數(shù)優(yōu) 選以3D圖表示。由于燃油從油箱到發(fā)動機的傳送需要時間，只有在經(jīng)過一定預先設(shè)定的發(fā)動機/ 車輛特征延遲Tstabilizati。n后才能到達穩(wěn)定的燃油組分B%stabilized。因此，重新注入燃油后立 即開始的學習過程持續(xù)規(guī)定的預設(shè)發(fā)動機特性間隔，直到學習推遲Tstabilizati。n的整個時間。動作一和動作二都是只有當具有壓力-曲軸圖表的信息的發(fā)動機循環(huán)可以由ECU 檢測到時才能執(zhí)行。執(zhí)行檢測可以有幾種方法。一種方法是在每個氣缸內(nèi)執(zhí)行一個快速壓力傳感器，該方法直接且實驗車輛測試 過，該車輛由以(Si)和可控自動點火(CAI)兩種方式工作的火花塞點燃式發(fā)動機提供動 力。然而，單個汽缸壓力傳感器是一個受到嚴酷環(huán)境條件(壓力、振動和溫度)影響的 部件，而且精確度要求為滿量程的誤差小于5%。這就意味著這種裝置里有一個高成本部 件，即便是大規(guī)模生產(chǎn)。為了克服這個問題，本發(fā)明提出一種不同的傳感器技術(shù)，創(chuàng)造一種基于瞬間曲軸加速的智能傳感(專利PI9204450)的燃燒過程的影像。圖5給出了理解這種軟件傳感器的工作原理的必要基本信息，這種傳感器提供需要的燃燒參數(shù)信息。ECU510連接到脈沖傳感器522 (如可變磁阻或霍爾傳感器“HALL”)，該 傳感器用于測量固定在發(fā)動機曲軸(如，在飛輪上)上的齒輪512的加速度和角位置。齒 輪的角度輪廓被分成N(如60)個等長的齒516和孔514。在齒輪2的一點上，齒520轉(zhuǎn)成 孔，這些區(qū)域定位在飛輪上來識別汽缸(如汽缸1)的上死點。用來測量通過一個齒所需的持續(xù)時間Cli是由基于模塊526 (信號整形)、530(屯的 時間測量)，532(比較時鐘)和534(緩沖存儲器)的軟件算法處理的數(shù)據(jù)。
通過對一個燃燒循環(huán)(對4汽缸4沖程發(fā)動機而言，一個回轉(zhuǎn)兩個循環(huán))進行的 實時傅立葉分析，從Cli的緩沖值提取相等數(shù)量的時間組T4,每個時間組代表燃燒的一個小 的時間窗口。這些值在模塊538中緩沖。第二項D4通過由模塊541協(xié)助的模塊540計算 出且在模塊542中緩沖，此項指的是飛輪(曲軸)瞬間角速度的交變分量在燃燒頻率的旋 轉(zhuǎn)向量上的投影。最后，模塊544將項T4和D4與發(fā)動機從屬常量A和B組合起來。周期性的扭矩 變化一般是通過表達式Tg = AxD4/T43+B/T42來表達。常量A和B必須針對每個發(fā)動機應用進行校準，Tg的計算值也必須針對高速發(fā)動 機速度畸變進行修正。齒輪僅在一對汽缸(如四汽缸發(fā)動機)時做為參考，汽缸各自的解析度通過與基 于相位傳感器的凸輪軸結(jié)合來獲得。使用用于檢測燃燒參數(shù)的這種傳感器的好處是他們已 經(jīng)應用于發(fā)動機上來控制CR混合物的制備系統(tǒng)。不需要增加輔助傳感器，如各汽缸燃燒壓 力傳感器。為了評估廢氣中的污染物含量，本發(fā)明提出的檢測步驟可以與增加的廢氣溫度傳 感器(低成本)結(jié)合。瞬時的Tg值和一定數(shù)量循環(huán)的進程之間的對比使這稱為可能，因為 排氣階段微粒物質(zhì)和NOx值依賴于汽缸氣體的溫度。
權(quán)利要求
一種內(nèi)燃機的邏輯傳感技術(shù)，所述內(nèi)燃機使用壓縮點火方法啟動燃燒過程，且能燃燒基于燃油和植物基或有機生物燃油的原油混合物，其特征在于包括以下步驟開始一學習過程(200)；取回來自ECU內(nèi)的預先注冊的圖的十六烷值的參考值(100)；施加對應于特定發(fā)動機和車輛的發(fā)動機控制策略；從壓力-曲軸角圖表或從由發(fā)動機傳感器產(chǎn)生的相等的圖像中提取主要燃燒參數(shù)(201)；將提取的主要燃燒參數(shù)與ECU中預先注冊的值比較(207)；識別新的相應的十六烷值(105)；改變發(fā)動機控制戰(zhàn)略。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器技術(shù)，其特征在于在電子發(fā)動機控制單元內(nèi)執(zhí)行軟件 算法，將完整的壓力_曲軸角圖表或其等同的圖像分離成參數(shù)(201)，所述參數(shù)用于識別點 火延遲周期(相位一)(202)和壓力升高階段(相位二)(203)的持續(xù)時間以及曲軸角位置 和燃燒的最大壓力值(Pmax) (204)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的傳感技術(shù)，其特征在于將汽缸各自的識別的燃燒參數(shù)與 發(fā)動機特性預先校正圖(205)比較，每個發(fā)動機特性預先校正圖對應于特定發(fā)動機速度、 負載和燃油混合狀況，圍繞實時記錄的燃燒參數(shù)，在這些圖之間插入N個命令，并計算與存 在于原油基的主燃料中的生物柴油的組分成比例的數(shù)據(jù)組，該生物燃油基的主燃料由十六 烷值限定。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感技術(shù)，其特征在于識別特定型號的植物基油或混合物104 中存在的有機油。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感技術(shù)，其特征在于通過將汽缸各自的識別的燃燒參數(shù)與 發(fā)動機特性預先校正的代表不同型號油(207)的圖進行比較，來完成特定型號植物基油或 有機油的檢測，然后修正測定的十六烷值(105)。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感技術(shù)，其特征在于在計算出的燃燒參數(shù)數(shù)據(jù)組、預先繪制 的結(jié)果校正的噴射戰(zhàn)略基礎(chǔ)上優(yōu)化燃燒過程。
7.如權(quán)利要求1所述的傳感技術(shù)，其特征在于使用一種傳感方法，該方法基于使用一 脈沖傳感器(522)來形成燃燒過程的一表征圖像，所述脈沖傳感器的定位適合于測量齒輪 (512)的角位置和加速度，該齒輪直接連接于發(fā)動機曲軸，通過軟件執(zhí)行指令，從這些信息 提取每個汽缸的瞬間修正的氣壓扭矩Tg。
8.如權(quán)利要求1所述的傳感器技術(shù)，其特征在于比較來自一增加的廢氣溫度傳感器 與瞬間壓力_曲軸角圖表或超過一定數(shù)量的發(fā)動機循環(huán)的Tg值，來預測產(chǎn)生的大量微粒物 質(zhì)和NOx之間的平衡，并應用這些信息來修正用過的噴射戰(zhàn)略。
全文摘要
本發(fā)明申請涉及基于軟件算法(SBS)的內(nèi)燃機(壓燃式或火花塞點燃式)邏輯傳感器。這種算法能識別存在于車輛油箱內(nèi)的柴油/生物柴油混合物，并能將發(fā)動機控制策略作為FAME(脂肪酸甲酯)植物基油組分或由混入基于柴油的原油中的有機廢物(平均化學式C12H23)所產(chǎn)生的油組分的函數(shù)進行調(diào)整。
文檔編號F02B9/02GK101832193SQ20101013382
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者基諾·蒙特納利, 邁克爾·蓬托皮丹 申請人:瑪涅蒂瑪瑞利塞斯特默汽車工商有限公司