用于检测周期性脉动的工作参数的方法 技术领域 本发明涉及一种用于检测内燃机的周期性脉动的工作参数的方法， 该方法包括以 下步骤 ： 检测内燃机的周期性脉动的工作参数的测量参量， 以便产生周期性脉动的测量信 号； 在时域中以固定的时间增量来离散化该测量信号， 其中在该测量信号的一个周期上分 别按照该周期的时间增量的数目来获得大量离散测量值， 其中这些测量值分别被认为代表 各个时间增量中的测量信号 ； 以及通过从这些离散测量值计算平均值的方式来求出该测量 信号周期上的平均值。此外， 本发明还涉及一种被设置成执行此类方法的装置以及一种用 于执行此类方法的所有步骤的计算机程序。
背景技术 在内燃机运行时检测不同的工作参数是必需的， 其中这些工作参数中的一些工作 参数是周期性脉动的。 因此， 例如检测引入内燃机的燃烧室的空气质量流量是必需的， 其中 此空气质量流量因活塞式内燃机的不连续运行而脉动。那么， 仅当内燃机的进气阀之一被 打开时才吸入空气。 然而， 尽可能精确地确定该空气质量流量是必需的， 以便确保内燃机的 经济的且低排放的运行。DE 19933665 A1 中描述了用于确定空气质量流量的传感器的操 作。 内燃机的其他脉动的工作参数例如是燃料高压蓄能器中的压力或者内燃机曲轴的角速 度。
在用于分析周期性脉动的测量信号的传统方法中， 用时间标度线来检测和离散化 该测量信号。在此， 向时间标度线的各个后续的时间增量分配与该时间增量开始时的测量 值对应的离散测量值。 此后， 在一个周期的两个半波上从这些测量值求出平均值， 其中对所 有测量值进行相同的加权。 随后， 再次对该周期的各个半波的这两个平均值取平均， 以计算 最后结果。
在由现有技术所描述的方法中， 如果各个时间增量的边界在该周期的开始处或者 在该周期的末尾处不与该周期的边界一致， 那么会出现误差。 这是不利的， 因为以此方式不 能精确地确定空气质量流量， 从而可能出现对燃料的错误计量。这可能导致不期望的废气 排放以及内燃机的不经济的运行。同样成问题的是错误地确定燃料高压蓄能器中的压力， 因为在假定错误的压力值的情况下， 由喷入阀喷入燃烧室的燃料量不符合所要求的标称燃 料量。
发明内容
本发明的任务在于， 改进现有技术中已知的装置和方法， 其中应当尤其说明使得 能够更好地对内燃机的检测出的脉动工作参数进行平均值计算的方法和装置。
此问题是通过一种用于检测内燃机的周期性脉动的工作参数的方法来解决的， 该 方法包括以下步骤 ： 检测内燃机的周期性脉动的工作参数的测量参量， 以便产生周期性脉 动的测量信号 ； 在时域中以固定的时间增量来离散化该测量信号， 其中在该测量信号的一 个周期上分别按照该周期的时间增量的数目来获得大量离散测量值， 其中这些测量值分别被认为代表各个时间增量中的测量信号 ； 以及通过从这些离散测量值计算平均值的方式 来求出该测量信号周期上的平均值， 其中对于这些离散测量值中的至少一个离散测量值来 说， 用多项式来逼近该测量信号在对应的时间增量上的波形以便获得该离散测量值。在时 域中对测量信号的离散化是通过以下方式进行的 ： 在新的时间增量处通过在此时间增量开 始时对该测量信号进行采样并将该测量信号暂时存储为第一测量值以及随后在每个后续 时间增量开始时通过对该测量信号进行采样来确定其他测量值的方式开始所述离散化， 其 中当一个周期贯穿结束时不再执行对测量值的确定。在此， 在基本上正弦形的脉动测量信 号的情况下可以通过以下方式来识别一个周期的贯穿 ： 该测量信号第一次以与记录该周期 开始处的第一测量值时相同指向的斜率超过第一时间增量开始时所检测出的测量值。此 外， 还可以构想检测一个周期的开始和一个周期的结束的其他可能性， 例如在接近估计平 均值的测量值的开始之后第二次超过该估计平均值。在此， 可以从先前的计算获得该估计 平均值。所述时间增量是固定的时间增量， 其中在内燃机的框架下也可以将固定的时间增 量理解为曲轴的确定的角度变化。然而优选地， 固定的时间增量具有 0.1ms 和 10ms 之间的 值， 优选具有 0.5ms 和 3ms 之间的值。根据本发明， 在所述离散测量值的至少一个离散测量 值中， 用多项式来逼近测量信号在对应的时间增量上的波形。这提供了以下优点 ： 在时间 增量位于周期的开始处或者末尾处的情况下， 能够从该多项式的连续曲线获得对应的测量 值， 其中可以考虑位于边缘处的时间增量不完全位于该周期内。这在计算周期性脉动的工 作参数时提供了更好的近似的优点。 所述多项式优选至少是 1 阶的。在此可以考虑， 在本申请中一般将多项式理解为 至少 1 阶的多项式。在提及 0 阶多项式时将会对此明确说明。所述多项式也可以是 2 阶或 3 阶或者更高阶。1 阶多项式提供了仅需要较小计算功率的优点。所述多项式是通过使用 测量信号在时间增量开始处的采样值以及在该时间增量末尾处的采样值以便在这些采样 值之间构成作为逼近的直线的方式来形成的。
优选地， 在所述离散测量值中的对应的时间增量超过周期边界的离散测量值上用 多项式来逼近所述波形。如果获得超过周期边界的时间增量的测量值， 那么在确定平均值 时可能会出现误差。 通常这是最后一个时间增量， 因为在典型方法中， 所观察的周期以时间 增量的开始为起点。由于一个周期通常不具有时间增量持续时间的倍数的周期长度， 因而 在周期末尾处会出现时间增量被 “截断” 的情况。在此， 如果在不继续观察平均值计算的情 况下使用从离散化获得的对应于此时间增量的测量值， 那么在稍后的平均值计算中可能会 出现很大的取整误差。
优选地， 在计算平均值时， 以比用于计算该平均值的其他测量值中的至少一个测 量值更小的份额来对对应的时间增量超过周期边界的测量值进行加权。 由于与不完全位于 周期内的时间增量对应的离散测量值仅代表比对应的时间增量完全位于周期内的其他测 量值的周期份额更小的周期份额， 因而相应的计算改进了平均值的计算。 通常， 超过周期边 界的时间增量是位于周期末尾处且超过周期末尾的时间增量。
优选地， 在借助多项式来确定对应的时间增量超过周期边界的测量值时， 确定测 量信号在周期边界上的近似值， 其中在确定该测量值时使用该近似值。该超过周期边界的 时间增量在周期边界之前开始并且在周期边界之后结束。 在时间增量的这两个末端处可以 分别对测量信号进行采样并且用多项式来近似这两个末端之间的信号波形。 由于周期边界
的时刻是已知的， 因而可以从此近似地用多项式所确定的波形来获得测量信号在周期边界 上的近似值。对此近似值的考虑， 例如通过在使用时间增量开始处被采样的测量信号的情 况下进行平均值计算的方式， 改进了对应于此时间增量的测量值的准确性。因此改进了所 述方法的总体准确性。
优选地， 对于所述测量值中的对应的时间增量位于周期内的测量值而言， 将测量 信号在该时间增量的边缘处的值用作离散测量值。因此， 可以例如在该时间增量的开始处 对测量信号进行采样并将此采样值用作测量值。同样， 可以在该时间增量的末尾处对测量 信号进行采样以获得测量值。在此， “位于周期内” 意味着时间增量不超过周期边界。此特 征提供了如下优点 ： 对于位于周期内的时间增量而言不需要或者仅需要非常小的用于确定 测量值的计算功率。检测离散测量值的这种形式也可被理解为具有 0 阶多项式的逼近。
优选地， 脉动的工作参数是空气质量流量或者压力。 例如， 可以用热膜传感器 (HFM 传感器 ) 来测量空气质量流量。内燃机的高压蓄能器中的压力可以用布置在该高压蓄能器 上的压力传感器来测量。
优选地， 全部或者部分位于周期内的所有时间增量均属于该周期。 在此优选地， 将 周期的开始放置在时间增量的开始处。以此方式虽然由于时间增量可能在周期末尾处被 “截断” 而不可能在每种情形中都直接相继地确定平均值。 但是， 此特征提供了如下优点 ： 可 以可靠地为该周期进行非常准确的平均值确定。
本发明的另一方面涉及一种装置， 尤其是一种控制器或内燃机， 其被设置成执行 根据以上描述的设计方案之一的方法。在此， 根据本发明的装置在必要时使用以上描述的 优选特征中的一个或更多个。
本发明的另一方面涉及一种具有程序代码的计算机程序， 当在计算机中执行该计 算机程序时， 该程序代码用于执行根据本发明的方法的所有步骤。 附图说明
以下根据附图来详细描述本发明的至少一个实施例。附图示出 ： 图 1 示意性地示出了可以用其来实施根据本发明的方法的内燃机 ； 图 2 根据脉动信号的平均值计算示出了根据本发明的方法的示意图 ； 图 3 在略图中示意性地示出了图 2 的根据本发明的方法的流程。具体实施方式
图 1 示意性地示出了内燃机 10。该内燃机 10 包括具有多个气缸 12 的发动机组， 在图 1 中仅示出了一个气缸 12。在气缸 12 中存在燃烧室 14， 该燃烧室 14 在区域上由活塞 16 限制。活塞 16 通过连杆 18 与曲轴 20 相连接。
通过进气管 28 和进气阀 30 将燃烧空气输入燃烧室 14。通过排气阀 32 和废气管 34 从燃烧室 14 排出燃烧废气。节气阀 36 使得能够调节通过进气管 28 进入燃烧室 14 的 空气量。节气阀 36 的运动是通过伺服电动机 38 来实现的。由热膜传感器 40(“HFM 传感 器” ) 来测量进入燃烧室 14 的空气量。
由图 1 中仅象征性示出的燃料系统 46 将燃料输入燃烧室 14。此类燃料系统 46 可 包括燃料容器、 电气的预输送泵和机械的主输送泵。此外， 燃料系统 46 包括被称为 “轨道”或高压蓄能器 47 的燃料集流管， 在该燃料集流管中存储高压下的燃料。直接将燃料喷入内 燃机 10 的燃烧室 14 的喷入阀 48 与此燃料集流管相连接。测量高压蓄能器中的压力的压 力传感器 49 与高压蓄能器 47 相连接。该压力传感器 47 用于通过调节装置来控制高压泵 ( 未示出 ) 的阀门， 以便在高压蓄能器 47 中保持基本上恒定的压力。对存在于燃烧室 14 中 的空气 - 燃料混合物的点火是通过火花塞 50 来实现的， 该火花塞 50 由点火系统 52 提供电 能。
内燃机 10 的运行由控制设备 56 控制或调节。此控制设备在输出端与点火系统 52、 喷入阀 48、 以及节气阀 36 的伺服电动机 38 相连接， 并且除了其他传感器之外， 控制设备 56 在输入端还与热膜传感器 40 和压力传感器 49 相连接。
如由图 1 得知， 直接从喷入阀 48 将燃料喷入燃烧室 14。内燃机 10 可以取决于例 如转速和转矩而以不同的工作方式来工作。例如， 可以在进气冲程期间， 即在喷入阀 30 打 开的时间段期间， 将燃料喷入燃烧室 14。在此情形中， 燃料与位于燃烧室 14 中的空气一起 构成基本上均匀的燃料 - 空气混合物。此类喷射也被称为 “均匀喷射” ， 相应的工作方式则 被称为 “均匀” 。
但是， 也可以在压缩阶段期间， 即在进气阀 30 和排气阀 32 关闭时， 在紧临达到活 塞 16 的上止点之前喷入燃料。由于喷入阀 48 的特殊构造， 在此情形中仅在紧邻火花塞 50 的地方存在可燃的燃料层， 与此相反， 在气缸 12 的其余燃烧室 14 中仅存在少量或者根本不 存在燃料。此类喷射被称为 “分层喷射” ， 相应的工作方式则被称为 “分层” 。这两种工作方 式的任意组合也是可能的。 对于所有所描述的工作方式而言， 对进气系统中的空气质量流量的准确知识是必 需的。进气管 28 是进气系统的一部分， 其中由于缺少支路， 因而通过进气管 28 去往燃烧室 14 的空气质量流量等于由热膜传感器 40 检测的空气质量流量。
图 2 中示意性地示出了根据本发明的方法在对脉动信号进行平均值计算时的应 用。在此， 参照图 1 的布置以及图 1 的相应描述。
热膜传感器 40 检测内燃机 10 的进气系统中的空气质量流量。由于进气阀 30 的 运行， 因而进气系统中的空气质量流量是脉动的。因此， 通过热膜传感器 40 还产生了脉动 信号并且该脉动信号还被传输给控制设备 56。 图 2 中部分地且示例性地示出了此信号的波 形， 其中图中的横轴表示时间并且图中的竖轴表示信号的振幅。此外， 图 2 中示出了时间标 度线， 用该时间标度线来离散化脉动信号。 该时间标度线是通过垂直的细虚线示出的， 其中 这些时间标度线中的每两个时间标度线之间的间距为 1ms。所述方法始于直接在从下向上 超过估计的平均值 60( 具有附图标记 60 的线条 ) 之后离散化该脉动信号。在图 2 中， 时间 标度线偶然地与该脉动信号通过估计平均值 60 的穿越相一致。
随后紧跟着脉动的信号波形， 其中在该信号波形与固定的时间标度线的每个交点 处， 即在每个时间增量的开始处， 设置测量点。在进行平均值计算时， 对于各个时间增量而 言 ( 该时间增量是图 2 的图示中的两个垂直的虚线之间的时间间距 )， 将时间增量开始时的 测量信号用作整个时间增量的测量值。以此方式得到图 2 中所示的粗的阶梯曲线， 该阶梯 曲线示出了通过所述方法首先逼近的信号波形。在此， 阶梯曲线下面的区域表示对脉动的 信号波形的假定积分。这将一直进行下去， 直至该脉动的信号波形再次从下向上超过估计 平均值 60。在此， 为了进行近似计算而以不同于先前时间增量的方式来处置最后一个时间
增量。在本发明的其他实施方式中， 以与对最后一个时间增量所进行的处置相同的方式来 处置所有时间增量的所有近似值， 并且在下文中描述该处置方式。在图 2 中， 最后一个时间 增量设有附图标记 61。因此， 最后一个时间增量 61 延伸通过脉动信号的周期的边界。
在最后一个时间增量 61 中为了进行近似计算而使用 1 阶多项式。这对应于时间 增量 61 开始处的测量点与时间增量 61 末尾处的测量点之间的直线。在此， 这两个测量点 简单地彼此连接。从中可以用比例法则运算来计算信号波形通过估计平均值 60 的假定穿 越。在时间轴上通过粗的垂直线 62 标出了该假定穿越或者交点。在根据本发明的方法中， 现在在最后一个增量 61 处不将矩形的区域用于积分， 而是使用位于最后一个增量内的上 方由点虚线限制的四边形。此点虚线表示以上所提及的两个测量点之间的 1 阶多项式。随 后， 通过位于附图标记 65 与 62 之间的时间来划分从周期检测的开始 ( 在时间轴上用 65 来 表示 ) 直至意料中的估计平均值 60 的穿越的积分区域 (aufintegrierteBereich)， 以便计 算出脉动的信号波形的平均值的近似。
在本发明的其他实施方式中， 不仅在最后一个增量 61 处而且在所有时间增量处 均用 1 阶多项式来进行逼近。这可能提供对平均值计算的进一步改进。在本发明的其他实 施方式中使用更高阶多项式， 例如 2 阶多项式， 以便逼近脉动的测量信号的波形。这会导致 准确性提升， 但是却需要增加的计算功率。 图 3 中在图示中概述了根据本发明的方法的流程。图 3 的根据本发明的方法对应 于图 2 中所应用的根据本发明的方法。该方法始于步骤 70。随后， 该方法在步骤 71 中一直 等待， 直至发生了对估计平均值的穿越为止， 该估计平均值例如是从先前的计算获得的。 在 步骤 72 中， 该方法一直等待， 直至下一时间增量开始为止。在从下向上穿越平均值后的下 一时间增量开始之后， 该方法开始记录测量点， 其中首先记录第一时间增量开始时的测量 点 ( 步骤 73)。在随后的步骤 74 中检查是否已再次发生了脉动信号从下向上的对估计平 均值的穿越。这可以通过以下方式来检测 ： 比较脉动信号在时间增量开始和末尾处的两个 相继的值。如果脉动信号在时间增量的末尾处的第二值大于该时间增量开始处的第一值， 此外如果该第二值大于估计平均值 ( 即， 在其处开始检测周期的值 ) 并且另外脉动信号在 该时间增量开始处的第一值小于该估计平均值， 那么就认为再次发生了脉动信号从下向上 的对该估计平均值的穿越。在此， 必须满足所有以上提及的条件。如果这些条件尚未得到 满足， 那么该方法在步骤 74 之后跳回到步骤 73， 在步骤 73 中检测其他测量值。相反， 如果 所有条件均得到满足并且可以认为完全穿过了该周期， 那么该方法跳到步骤 75。现在在步 骤 75 中执行结合图 2 所描述的近似计算， 其中尤其借助 1 阶多项式近似地通过最后一个时 间增量 ( 图 2) 的近似来确定该周期在时间轴上的终点。在计算结束时输出该计算的结果。 该方法随后结束于步骤 76。