减小内燃发动机振动的设备和方法 【技术领域】
本发明涉及用至少一个有源振动阻尼器(active vibrationdamper)减小内燃发动机的振动的设备和方法，该有源振动阻尼器通过控制信号激活，以便内燃发动机的振动被减小或消除，所述控制信号是基于至少一个传感器的测量数据获得的，该测量数据与内燃发动机的振动关联。
背景技术
有源振动阻尼器类型的设备可从DE 102004062471B3中了解。在这种系统中，有源振动阻尼器的控制信号是基于曲轴旋转速度信号和曲轴相位的同步化信号获得的。
该类设备也可从DE 19842729C1中了解。在这种系统中，有源振动阻尼器的控制信号是基于上止点(top dead center)传感器获得的。
减振系统用于内燃发动机或其传动元件中，如动力传动系，以便减少机动车中令人不快的噪声和通常被称为NVH(噪声、振动和刺耳声振)的其他现象。
电机驱动或电磁或液压致动器被用作有源振动阻尼器，该致动器是利用开环或闭环控制系统激活的，其方式是激发内燃发动机或传动元件反相以便减小或消除其振动。以压电效应工作的致动器也可用作振动阻尼器。
良好的NVH系统的目标应该是最小化发动机半阶谐波(enginehalf-order)的机械振动，发动机半阶谐波被理解为指的是内燃发动机上的非平衡力或动量，非平衡力或动量每两个轴旋转周期性地变化一次。因而阶谐波相应于内燃发动机的旋转速度。在这一背景下也指内燃发动机的同步性。发动机半阶谐波源自各汽缸中不均衡(unequal)燃烧特征曲线，并在优化汽缸同步性的过程中相对彼此达到最小。各汽缸的不均衡燃烧可由在制造期间出现的各组件和致动器的分散引起。
上述已知系统从曲轴旋转速度和曲轴相位或从上止点获得有源振动阻尼器的控制信号，因此仅发动机阶谐波自身的频率能够被或多或少地有效补偿，但发动机半阶谐波的频率仍未被补偿或可能仅被近似补偿。
已知系统进一步的缺点是上止点传感器仅产生上止点，而非再现实际发生的振动的测量，且有源振动阻尼器的任何控制信号可从曲轴旋转速度和曲轴相位获得，例如，仅有不可避免的延迟。因此，不能获取且更别说补偿内燃发动机的振动状态的快速变化，这种快速变化可能发生在空转过程中，例如从一次回转到另一次回转或甚至在各独立汽缸的直接连续点火之间。
【发明内容】
因此，本发明的目的是提供用有源振动阻尼器减小内燃发动机的振动的特别有效的设备和方法。
根据本发明，在普通设备的情形中，该目的是通过一种设备和方法实现的，其中至少一个传感器提供测量数据，该测量数据即时再现内燃发动机的汽缸中正在进行的燃烧的状态。
通过实时指示汽缸中最大燃烧状态的时间和强度的测量数据，还可以实时获得用于有源振动阻尼器的合适控制信号。这进而使得可以更快地响应有源振动阻尼器的控制系统并因此改善减振。
在优选实施例中，至少一个传感器包括汽缸压强传感器，或传感器检测的状态是汽缸内压。汽缸压强传感器通常出现在任何情况下的当前内燃发动机中，因此可以以极小的额外成本和复杂度实施本发明。然而，在汽缸内部测量并可即时检测燃烧状态的其他传感器在理论上也是适合的，例如，记录汽缸内的光强度和/或光谱的光学传感器，其产生与压强相关的温度测量结果。
因为除了有源振动阻尼器的控制信号外，控制一个或更多个汽缸中燃烧的进一步的控制信号基于内燃发动机的汽缸中正在进行的燃烧的状态的测量数据获得，所以本发明可有利地被这些进一步的信号补充或与这些进一步的信号结合，从而获得自动燃烧控制系统。
虽然例如汽缸中的压强或温度等传感器信号的最大值代表发动机振动的主要原因，即所谓的最大汽缸内压或与其基本成比例的温度，并且所述传感器信号的最大值即时地且适当地与通常支配性的发动机半阶谐波的频率成比例，然而内燃发动机特定组件或传动元件的实际发生的振动可能不与其成比例。
因此，在优选实施例中，除了即时检测内燃发动机汽缸中正在进行的燃烧的状态的传感器外，还提供了检测内燃发动机或其组件之一的振动的至少一个进一步的传感器。例如，该进一步的传感器的形式为结构相关的噪声传感器(如爆震传感器)和/或检测曲轴角速度变化的高分辨率传感器，借助该传感器可确定曲轴的扭转振动。
通过联合评估燃烧状态的测量数据和由进一步的传感器检测的内燃发动机振动或其组件之一的测量数据，可以获得用于有源振动阻尼器的控制信号，借助该控制信号可最佳地减小内燃发动机或其组件的振动。
控制一个或更多个汽缸内的燃烧的控制信号优选为同样通过燃烧状态的测量数据和利用进一步的传感器检测的振动的测量数据的联合评估而获得。
有源振动阻尼器的控制信号和燃烧控制的控制信号优选是通过关联内燃发动机汽缸中正在进行的燃烧的状态的测量数据和至少一个进一步的传感器的测量数据获得的。即时可用的燃烧状态的测量数据与实际但延迟的振动测量数据的结合且优选关联允许可靠地计算预测值，与传统燃烧控制系统相比，利用该预测值可通过适当地激活有源振动阻尼器而有效地抵消随后的振动，并额外地允许改进的燃烧控制。
有源振动阻尼器优选是利用控制信号激活的，以便特别地使发动机半阶谐波的通常支配性的振动被减小或消除。特别地，内燃发动机汽缸中正在进行的燃烧的状态的测量数据和至少一个进一步的传感器的测量数据以及由此获得的预测值可用来计算发动机半阶谐波的水平，从而比较发动机半阶谐波的水平和参考值，且如果发动机半阶谐波的水平在参考值以上，则改变有源振动阻尼器的控制信号，直到发动机半阶谐波的水平在参考值以下。
以这种方式，各独立汽缸中的空转振动和燃烧噪声可以特别地被充分减小。这样的振动和噪声特别易于在压缩点火的内燃发动机中发生，如具有较高的最大汽缸内压的柴油发动机。
如果内燃发动机是多汽缸发动机，则根据本发明的优选实施例，为每个汽缸提供传感器，例如汽缸压强传感器，该传感器提供即时再现内燃发动机汽缸中正在进行的燃烧的状态的测量数据。以这种方式，每个独立的汽缸引起的振动能被有效抵消。这对发动机状态的快速改变特别有用，例如在从行驶状态到空转状态的转换中和相反的转换中，这不能由传统的反相振动阻尼在无合适测量数据的情况下被恰当管理。
实施本发明或从属权利要求中规定的本发明的改进所需的软件可控制的所有传感器、致动器和电子器件通常都出现在任意情况下的当前机动车辆中，因此本发明的所有实施例均可以以非常低的复杂度和成本实施。
【附图说明】
本发明进一步的特征和优点可参考附图从示例性实施例的下述说明中明显看出，其中：
图1是减小内燃发动机的振动的设备的方框图；以及
图2是图1中的部件的更详细说明的方框图。
【具体实施方式】
在图1中，在横截面图中由汽缸模块示意性表示的内燃发动机4具有多个汽缸1、2、3、......、i和有源振动阻尼器6，该有源振动阻尼器在此处采用用于内燃发动机4的电机驱动或电磁驱动或液压操作的有源悬架的形式。然而，有源振动阻尼器也可以以不同于发动机悬架的其他方式实施。例如，可以采用平衡锤(counterweight)的形式，其连接到发动机悬架并可相对于彼此移动。
至少第一汽缸1具有检测即时汽缸内压p的压强传感器8。如图所示，其他汽缸也可具有压强传感器。
检测汽缸模块的总体振动的爆震传感器10固定在汽缸模块上或在汽缸模块中，所述总体振动包括内燃发动机4中产生的所有振动和噪声，其作为叠加的机械振动的混合，特别是作为加速度信号a。
带有多个标记的飞轮12固定在内燃发动机4的曲轴(未示出)一端，所述多个标记实际上比示意性所示的明显更紧密地间隔，以便曲轴的即时角位置和角速度可用扫描这些标记的光学或磁性传感器14高精度地确定。对于此处所述的系统特别重要的是作为曲轴的任何扭转振动的测量的角速度dψ/dt的变化。
虽然示例性实施例中使用爆震传感器10和高分辨率角度传感器14的信号，但可以仅使用这些传感器中的一个传感器的信号。可替换地或额外地，也可检测能够推导出振动信息的其他传感器信号。
角速度的变化可以仅以一定的延迟被测量，这是由于在可以从测量数据确定角速度及其变化之前，传感器14必须扫描大量标记。这类延迟也发生在从爆震传感器10的加速度信号确定振动时，因为为此目的必须评估大量振荡周期。
依赖于时间和/或曲轴角度ψ的角速度dψ/dt和加速度信号a被提供给包含预测器(predictor)的信号处理单元16，该预测器是用于预测预期的加速度A且同时考虑依赖传感器的反应时间或各独立汽缸的止动时间ti的预测设备。该预测器提供关于未来期望的受控可变曲线的预测。
由压强传感器8检测的即时汽缸内压p和信号处理单元16的输出信号A被提供给模块18，该即时汽缸内压p和输出信号A均依赖于时间和/或曲轴角度ψ，在这里它们或者从时域变换到频域，例如通过FFT(快速傅立叶变换)或DFT(离散傅立叶变换)或通过小波或Wigner-Ville分析，并且然后经受光谱色散和分析，或者它们经受时域中的峰值和微分信号分析。
模块18中包含的信息被提供给自学习设备20，该自学习设备20确定用于各独立汽缸的参数的校准因子以便获得最低发动机半阶谐波的水平或各独立汽缸的水平。为此，预测值与实际值比较并继续用于控制系统中。这可用例如所谓的史密斯预测器实现(参考VanDoren，Vance J，“The Smith Predictor：A Process Engineer’s Crystal Ball”，Control Engineering，1996年5月)。其他的可能性是，例如，如(a)Tan，W.W.；Dexter，A.L.：“A self-learning fuzzy controller for embeddedapplication”，Automatica 36(2000)，1189-1198，或(b)Grancharova，A.等人：“Explicit stochastic predictive control of combustion plants basedon Gaussian process models”，Automatic 44(2008)，1621-1631所述的自学习模糊控制器。还执行模块20中的计算，同时考虑当前扭矩要求ΔMt，该扭矩要求是在模块21中参考车辆的加速器踏板位置的变化确定的。
通过关联即时出现的汽缸内压的信号和延迟出现的一个或两个测量值，即曲轴的角加速度和/或来自爆震传感器的加速度信号，信号处理单元16可实现更好的预测。
如内燃发动机4上和内燃发动机4中的虚线所示，该内燃发动机4可具有额外的压强传感器和爆震传感器。提供这种额外的压强传感器和/或爆震传感器(优选为每个汽缸提供一个传感器)也使得能够减小各独立汽缸的NVH。
在设备20中获得的发动机半阶谐波的水平与决策模块22中的参考值比较。如果其低于参考值，则不要求干扰。如果发动机半阶谐波的水平在参考值以上，则将该发动机半阶谐波的水平作为控制变量zi提供给修改器24，并根据稍后解释的变量被修改。
在修改器24中修改的受控变量yi被提供给分支(branching)26，这里其被分成3个受控变量。第一受控变量经分支28激活有源振动阻尼器6。第二控制变量经分支30激活发动机控制单元32以便控制汽缸参数并执行相位对准。为此，分支28和30可包含解释器，其用于有源振动阻尼器6和燃烧控制系统的受控变量的信号处理。
第三受控变量是经分支34提供给减法器36的再循环变量，在减法器36中将其从依赖频率或依赖时间的参考值谱中减去。该参考值谱可被模块38利用并含有例如补偿发动机阶谐波(engine order)的因子，发动机阶谐波包括偶/奇阶(even/odd order)和半阶或参考时间信号。
在减法器36中修改的再循环变量ei被提供给模块40，其中致动变量(actuating variable)被计算，首先用于有源振动阻尼器的反相控制以便抑制或减少与发动机半阶谐波关联的激励，以及抑制或减少发动机主阶谐波和谐波的激励，其次用于各独立汽缸的燃烧控制，如最大压强、最大压强位置、最大压强及其位置的变化、燃烧开始等，以便实现完美补偿的燃烧和可重复性。特别地，模块40中的计算可如Tao，Frampton，J.Dyn Sys.Meas.&Ctrl.，Vol.130，061006-1-061006-8所述的那样执行。
以这种方式计算的致动变量被提供给模块42，其中根据参考值(点火、空气、废气再循环等)产生调整的致动器被激活。通过将在模块42中产生的致动变量经修改器24反馈到控制系统中，依据适当并可实现的燃烧、排放法规、消耗等，为此所需的致动和作为示例引用的被初始化的致动变量来检查模块40中计算的致动变量ui的适应性。
图2示出了用于图1的模块16-21中的压强、结构相关的噪声和发动机速度的传感器信号的类似信号处理和分析系统，两个图中类似的模块由类似的参考标记标示。
在部分16’的三个模块中，压强、结构相关的噪声和发动机速度的信号分别被分离地处理(例如滤波)，并且结构相关的噪声和发动机速度信号是在预测器中额外预测的，该预测器为例如Grimble，Hearns，Automatica，Vol.34，No.10，pp.1169-1184中所述的LQG控制器。
部分16’中处理的压强、结构相关的噪声和发动机速度信号在模块18’中进行频率分析，例如经FFT、小波或Wigner-Ville分析。在模块18’中，噪声水平的参考谱和实际谱是基于三倍频程的频率绘制的。
参考在模块18中获得的受控变量，在模块21’中确定的扭矩要求ΔMt与该受控变量相加，自学习算法在模块20’中执行，例如如上面提到的文献中所述的那样。这是通过与目标输入-输出映射(参考-实际对准)进行比较而实现的。
然后该过程从图1中的模块22继续。