BR122018074529B1 - método para determinar a velocidade angular média do virabrequim de um motor a combustão interna - Google Patents

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Abstract

Trata-se de um método para determinar a velocidade angular (i) de um eixo de acionamento (4) de um motor de combustão interna (1) em cada evento de dente de uma roda fónica (5) representando uma série N de dentes (6); o método compreendendo as etapas de: detectar a amplitude angular (ai) para cada dente 6; detectar o tempo (Ti) de cada dente (6); determinar a velocidade angular bruta (i,raw,i) de cada dente (6); determinar, um valor de compensação (dpi) que representa a diferença entre a amplitude angular real do dente (6) e a amplitude angular teórica do dente (6); e determinar a velocidade angular de cada dente (6) corrigindo a velocidade angular bruta (raw,i) por meio do valor de compensação correspondente (dpi). O valor de compensação (dpi) para cada dente (6) compreende as etapas adicionais de: calcular a velocidade angular bruta (craw.i) do dente (6); calcular uma velocidade angular média (av.i) por rotação; calcular um erro de velocidade retardado (N/2); e determinar um erro angular retardado (dai - N/2).

Description

CAMPO TÉCNICO
[0001] A presente invenção se refere a um método para estimar a velocidade angular média do virabrequim, ou eixo motor, de um motor a combustão interna a cada evento de dente de uma roda fônica apresentando um número de dentes.
ESTADO DA TÉCNICA
[0002] Nos motores a combustão interna com ignição controlada da mistura (ou seja, motores a combustão interna que operam de acordo com o ciclo de "otto" e são alimentados com gasolina, metano, GLP, entre outros), utiliza-se há muitos anos como grandeza de controle o índice de combustão MFB50 (50% da Fração de Massa de Combustível Queimada), que representa a posição angular do virabrequim na qual 50% da massa de combustível já foi queimada dentro de um cilindro. De fato, nos motores a combustão interna com ignição controlada da mistura, o instante de início da combustão (isto é, o instante de centelhamento da centelha de ignição) é conhecido de forma exata e precisa, sendo escolhido de antemão pela estratégia de controle do motor por meio do controle do avanço de centelha.
[0003] Já os motores a combustão interna com ignição espontânea da mistura (quer dizer, motores a combustão interna operando conforme o ciclo "Diesel" e alimentados com óleo ou similar), o índice de combustão MFB50 não é utilizado como grandeza de controle face às consideráveis dificuldades em se estimar tal índice de combustão MFB50 de maneira eficiente (isto é, com precisão suficiente), eficaz (isto é, com rapidez e sem exigir muita capacidade de cálculo) e com boa relação custo/benefício (ou seja, sem exigir a instalação de componentes adicionais aos normalmente presentes).
[0004] Nos dias atuais, utilizam-se sensores de pressão capazes de medir diretamente a pressão dentro dos cilindros para a determinação do índice de combustão MFB50; porém, tais sensores de pressão são extremamente caros e apresentam confiabilidade limitada com o tempo, sendo assim adequados apenas a testes em laboratórios e impróprios para uso extensivo nos carros de produção convencionais.
[0005] O documento US 6363318 descreve um método para compensação de erros na medição de velocidade do motor e em particular erros na medição da velocidade do motor induzidos pela não-injeção de combustível. Esta invenção ensina um meio de calcular uma regressão de mínimos quadrados dos dados de medição de velocidade do motor quando o motor está rodando sem combustível ou carga; o teste de rodagem serve para evitar o efeito de poder de cilindro desequilibrado, detectando assim apenas os erros estáticos nas medições de velocidade do motor.
REVELAÇÃO DA INVENÇÃO
[0006] O objetivo da presente invenção é o de oferecer um método para estimar com eficácia, eficiência e boa relação custo/benefício a velocidade angular média do virabrequim de um motor a combustão interna a cada evento de dente de uma roda fônica apresentando um número de dentes.
[0007] De acordo com a presente invenção, propõe-se um método para estimar a velocidade angular média do virabrequim de um motor a combustão interna a cada evento de dente de uma roda fônica apresentando um número de dentes conforme reivindicado nas reivindicações apensas.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0008] A presente invenção é descrita a seguir, com referência aos desenhos que acompanham, os quais ilustram uma forma de realização não restritiva da mesma, nos quais:- a figura 1 é uma vista diagramática de um motor a combustão interna provido de uma unidade de controle que implementa o método de estimação de velocidade angular média de um virabrequim objeto da presente invenção; e- a figura 2 é um diagrama de blocos que ilustra a operação da unidade de controle na figura 1 para estimar o índice de combustão MFB50.
FORMAS DE REALIZAÇÃO PREFERIDAS DA INVENÇÃO
[0009] Na figura 1, o número 1 indica, como um todo, um motor a combustão interna alimentado com óleo (isto é, operando conforme o ciclo Diesel que contempla a ignição espontânea da mistura) e montado a bordo de um veículo de estrada (não ilustrado) que é provido de um trem de transmissão (não ilustrado) para transmitir o torque gerado pelo motor a combustão interna 1 ao solo. O motor a combustão interna 1 compreende quatro cilindros 2, cada um dos quais acomoda um correspondente pistão 3 mecanicamente conectado, por meio de uma biela, a um eixo motor 4 para transmitir a força gerada pela combustão dentro do cilindro 2 ao próprio eixo motor 4.
[0010] Uma roda fônica 5 provida de uma série N (por exemplo, 60) de dentes 6 é engrenada no eixo motor 4 e acoplada a um sensor 7, que é adaptado para detectar o tempo decorrido entre a passagem de dois dentes 6 consecutivos. Os dentes 6 da roda fônica 5 são igualmente espaçados, com a exceção de um par de dentes 6 que são dispostos mutuamente a uma distância maior do que os demais para constituir uma singularidade que permite identificar de forma precisa cada um dos dentes 6 e, dessa forma, a posição angular da roda fônica 5 (isto é, do eixo motor 4). O motor 1 compreende ainda uma unidade de controle 8 que é conectada ao sensor 7 e adaptada para estimar, para cada cilindro 2, o índice de combustão MFB50 (50% de fração de massa de combustível queimada) correspondente, o qual representa a posição angular do virabrequim na qual 50% da massa de combustível foi queimada dentro do cilindro 2.
[0011] Com referência à figura 2, é descrito o modo usado pela unidade de controle 8 para estimar o índice de combustão MFB50 em cada cilindro 2 utilizando-se da informação fornecida pelo sensor 7 acoplado à roda fônica 5.
[0012] Conforme mencionado anteriormente, a roda fônica 5 é provida de uma série N (por exemplo, 60) de dentes 6, que são igualmente espaçados, com a exceção de um par de dentes 6 que são mutuamente dispostos a uma distância maior do que os demais para constituir uma singularidade que permite identificar com precisão cada dente 6; dessa forma, cada dente 6 é identificado par um número sequencial característico i compreendido entre 1 e N.
[0013] O sensor 7 detecta o número i do dente atual 6 (i-ésimo dente), o tempo Ti do dente atual 6, isto é, o intervalo do tempo decorrido entre as detecções dos dois eventos angulares que caracterizam o dente atual 6, a velocidade angular bruta ωraw,i do dente atual 6, e o ângulo de acionamento α (isto é, a posição angular do eixo motor 4 que estáé fornecida pela seguinte equação:
Figure img0001
ωraw,i " velocidade angular bruta do i-ésimo dente 6 [rad/s];Δαi - amplitude angular do i-ésimo dente 6 [rad];Ti - tempo do i-ésimo dente 6 [s].
[0014] As grandezas detectadas pelo sensor 7 e listadas acima são transmitidas a um bloco de compensação 9, que corrige cada velocidade angular bruta ωraw,i para compensar os erros provenientes das inevitáveis tolerâncias de fabricação dos dentes 6. Em princípio, todos os dentes 6 tem a mesma amplitude angular, mas na verdade, devido às inevitáveis tolerâncias de fabricação, cada dente 6 apresenta um erro de forma característico, isto é, apresenta uma amplitude angular característica mais ou menos diferente da amplitude angular teórica; como consequência, as velocidades angulares ωraw,i são afetadas por um ruído intenso que torna praticamente impossível seu uso sem uma compensação apropriada. Com o objetivo de compensar os erros de forma dos dentes 6, é armazenado um vetor (δpi, δp2,..., δpi,..., ÕPN) composto de N valores de compensação δpi, cada um dos quais está associado a um i-ésimo dente 6 correspondente e representa a diferença entre a amplitude angular real do i-ésimo dente 6 e a amplitude teórica do i-ésimo dente 6.
[0015] A velocidade angular media compensada correspondente é calculada para cada dente 6 no bloco de compensação 9 utilizando-se a seguinte equação:
Figure img0002
(Oi - velocidade angular média compensada do i-ésimo dente 6 [rad/s];Δαi - amplitude angular do i-ésimo dente 6 [rad];δpi - valor de compensação δpi do i-ésimo dente 6 [rad];Ti - tempo do i-ésimo dente 6 [s].
[0016] O modo de calibração utilizado para determinar os valores de compensação δpi do dente 6 é descrito a seguir. O modo de calibração contempla calcular a velocidade angular bruta ωraw,i do i-ésimo dente 6 utilizando a equação 2 supra descrita e calculando a velocidade angular média ωav,i por rotação do i-ésimo dente 6 por meio de um filtro deimportante observar que o filtro de média de N valores da sequência de velocidades angulares brutas ωraw,i introduz um retardo de fase igual a N/2 intervalos de dente nas velocidades angulares médias. Em seguida, calcula-se o erro de velocidade retardado Δωi- N/2 para o i-ésimo dente 6 utilizando-se a seguinte equação:
Figure img0003
Δωi-N/2 - erro de velocidade retardado do i-N/2-ésimo dente 6 [rad/s];o)av,i - velocidade angular média por rotação do i-ésimo dente 6 [rad/s] apresentando um retardo de fase igual a N/2 intervalos de dente;o)raw,i - N/2 - velocidade angular bruta ωraw,i do i-N/2-ésimo dente 6 [rad/s],
[0017] A sequência de velocidades angulares brutas ωraw,i é retardada propositalmente por um retardo de fase igual a N/2 intervalos de dente para se igualar ao retardo de fase introduzido pelo filtro de média móvel.
[0018] Em seguida, determina-se o erro angular retardado ÕOÍ - N/2 para o i-ésimo dente 6 utilizando-se a seguinte equação:
Figure img0004
δαi - N/2 - erro angular retardado do i-N/2-ésimo dente 6 [rad/s];Δωi-N/2 - erro angular retardado do i-N/2-ésimo dente 6 [rad/s];Ti - N/2 - tempo do i-N/2-ésimo dente 6 [s].
[0019] Finalmente, o vetor de erros angulares retardados δαi - N/2 pode ser utilizado tanto para determinar (no caso da primeira operação de calibração absoluta) quanto para atualizar o vetor de valores de compensação δpi. De acordo com uma forma de realização preferida, antes de efetivamente utilizar um vetor de erros angulares retardados verifica- se cada erro angular retardado δαi - N/2 do próprio vetor é inferior, como valor absoluto, a um limiar de aceitabilidade que indica a tolerância máxima possível para a forma do dente 6; somente se cada um dos erros angulares retardados δαi - N/2 do vetor for inferior, como valor absoluto, ao limiar de aceitabilidade e que o vetor de erros angulares δαi - N/2 poderá ser efetivamente usado. Se um vetor de valores de compensação δpi for atualizado, utiliza-se, de preferência, uma média ponderada entre os valores de compensação anteriores δpi e os erros angulares retardados correspondentes δαi - N/2 que normalmentemaior o valor, maior a confiabilidade dos valores de compensação anteriores δpi). Por exemplo, podemos utilizar a seguinte equação:
Figure img0005
δpi,j - i-ésimo valor de compensação atualizado [rad];K - peso adimensional compreendido entre 0 e 1;δαi - i-ésimo erro angular [rad];δpij -1 - i-1-ésimo valor de compensação anterior [rad].
[0020] De preferência, a operação de calibração descrita acima para determinação/atualização do vetor de valores de compensação δpi é realizada apenas diante certas circunstâncias, como por exemplo, quando o motor a combustão interna 1 está na fase de corte (cut-off) e a velocidade de rotação do eixo motor 4 está dentro em uma certa faixa de calibração, de modo que os torques inerciais recíprocos indicados sejam aproximadamente equilibrados com o motor a combustão interna 1 na fase de corte.
[0021] As velocidades angulares médias compensadas ωi, calculadas pelo bloco de compensação 9, são fornecidas para um bloco de análise 10, no qual é realizada uma análise de frequência do tipo conhecido para as velocidades angulares compensadas ωi para determinar pelo menos um harmônico do sinal de velocidade Ωn. O valor genérico do harmônico Ωndo n-ésimo sinal de velocidade é sempre um número complexo, caracterizado por seu próprio módulo |Ωn| e sua própria fase Arg(Ωn).
[0022] Os harmônicos Ωndo sinal de velocidade calculados pelo bloco de análise 10 são fornecidos a um bloco de cálculo 11, no qual é implementado um algoritmo baseado no modelo mecânico inverso da transmissão que é simbolicamente indicado pela equação H(jω) = T/Ω e representa, no domínio de frequência ω, a relação entre as transformações de Fourier da velocidade angular Ω e do torque T do motor a combustão interna 1. A função H(jω) é uma função de valor complexo e permite a obtenção do n-ésimo harmônico de torque Tn por meio da equação:
Figure img0006
Tn - n-ésimo harmônico de torque;
[0023] Assim como o sinal harmônico Ωn, o harmônico do torque Tné um número complexo caracterizado por seu próprio módulo |Tn| e por sua própria fase Arg(Tn). É importante observar que de modo a ser capaz de obter estimativas precisas, o modelo mecânico inverso da transmissão deve considerar os torques inerciais causados pelas massas em movimento recíproco (isto é, as massas dos pistões 3).
[0024] O módulo |Tn| do harmônico do torque Tn calculado pelo bloco de cálculo 11 é fornecido a um bloco de cálculo 12, no qual é implementada uma função algébrica r que coloca o torque médio indicado Tind em relação com o módulo |Tn| do n-ésimo harmônico do torque Tn de acordo com a seguinte equação:
Figure img0007
Tind - torque médio indicado Tind;|TnI - n-ésimo módulo harmônico do torque Tn;P - conjunto de parâmetros de engenharia do motor a combustão interna 1.
[0025] Normalmente, os parâmetros de engenharia P do motor a combustão interna 1 compreendem a velocidade de rotação do eixo motor 4 e a pressão de admissão (isto é, a pressão presente dentro de um dubo de admissão).
[0026] A fase Arg(Tn) dos harmônicos de torque Tn calculado pelo bloco de calculo 11 é fornecida a um bloco de cálculo 13, no qual é implementada uma função algébrica ψ que coloca o índice de combustão MFB50 em relação com o a fase Arg(Tn) do n-ésimo harmônico de torque Tn de acordo com a seguinte equação:
Figure img0008
MFB50 - índice de combustão MFB50;Arg(Tn) - fase do n-ésimo harmônico de torque Tn;P - conjunto de parâmetros de engenharia do motor a combustão interna 1.
[0027] A título de exemplo não restritivo, as equações do modelo mecânico direto da transmissão no domínio de frequência podem ser as seguintes: Lado do motor de torque
Figure img0009
Figure img0010
Torque inercial
Figure img0011
Torque do Cilindro
Figure img0012
Ji - momento de inércia do motor a combustão interna 1;j2 - momento de inércia do veículo em relação ao eixo motor 4;Keb - rigidez do trem de transmissão;peb - coeficiente de amortecimento do tem de transmissão;j - unidade imaginária;n - ordem do harmônico;toe - pulso;(De - velocidade angular do eixo motor 4;Te - torque gerado pelo motor a combustão interna 1;Tait,n - torque devido às massas em movimento recíproco;nrieq - massas em movimento recíproco;θait - fator de fase do torque inicial (movimento recíproco);Tind - torque médio indicado.
[0028] O modelo mecânico inverso da transmissão (indicado simbolicamente antes pela equação H(jω) = T / Ω) é obtido a partir das três equações do modelo mecânico direto da transmissão ilustrada substituindo-se a primeira e a segunda equações na terceira equação e de modo a colocar o torque médio indicado Tind,n em relação com a velocidade angular ωe,n do eixo motor 4; a relação entre o torque médio indicado Tind,n e a velocidade angular ωe,n do eixo motor 4 fornece o modelo mecânico inverso da transmissão (a fórmula final do modelo mecânico inverso da transmissão não é ilustrada pois ela não acrescenta informações e é complexa de ser anotada). É importante observar que, na prática, realiza-se uma metodologia experimental para obter experimentalmente
[0029] A título de exemplo não restritivo, a função algébrica ψ que coloca o índice de combustão MFB50 em relação com a fase Arg(Tn) do harmônico Tn do n-ésimo torque poderia ser a seguinte:
Figure img0013
MFB50 - índice de combustão;O - fase do n-ésimo harmônico de torque Tn;P - pressão de admissão;o - coeficientes.
[0030] Os valores dos coeficientes Q podem ser obtidos experimentalmente minimizando-se 0 erro quadrado médio entre uma serie de valores medidos do índice de combustão MFB50 e uma série correspondente de valores estimados do índice de combustão MFB50.
[0031] A título de exemplo não restritivo, a função algébrica r que coloca 0 torque médio indicado Tmd em relação com 0 módulo |Tn| do harmônico Tn do n-ésimo torque poderia ser a seguinte:
Figure img0014
Tind - torque médio indicado Tmd;|TnI - n-ésimo módulo harmônico do torque Tn;P - pressão de admissão;N - velocidade de rotação do eixo motor 4;bi - coeficientes.
[0032] Os valores dos coeficientes bi podem ser obtidos experimentalmente minimizando-se 0 erro quadrado médio entre uma série de valores medidos do torque médio indicado Tind e uma série correspondente de valores estimados do torque médioindicado Tnd-
[0033] O modo de estimação descrito acima do índice de combustão MFB50 em cada cilindro 2 apresenta muitas vantagens por ser eficiente (isto é, permite estimar 0 índice de combustão MFB50 com precisão considerável), eficaz (isto é, permite estimar 0 índice decombustão MFB50 com rapidez e sem exigir muita capacidade de cálculo) e ter boa normalmente presentes em um motor a combustão interna moderno operando de acordo com o ciclo "Diesel").
[0034] Em virtude da possibilidade de se estimar o índice de combustado MFB50 em cada cilindro 2, é possível controlar por realimentação o processo de combustão, em virtude do que se torna possível reduzir o consumo de combustível e as emissões poluentes, com o mesmo desempenho. Por exemplo, o índice de combustão MFB50 em cada cilindro 2 pode ser utilizado de forma vantajosa para controlar a forca sobre as bielas e o fenômeno de batimento do motor.
[0035] Além disso, o modo de estimação descrito acima do índice de combustão MFB50 em cada cilindro 2 permite obter o torque médio indicado Tind produzido por cada cilindro 2, que pode ser usado de forma eficaz para melhorar ainda mais o controle do processo de combustão.

Claims (6)

1. Método para determinar a velocidade angular média (CÜÍ)do eixo motor (4) de um motor de combustão interna (1) em cada evento de dente de uma roda fônica (5) representando uma série N de dentes (6); o método compreendendo as etapas de: detectar a amplitude angular (Δαi) para cada dente (6);detectar o tempo (Ti) de cada dente (6);determinar a velocidade angular bruta (ωraw,i) de cada dente (6) de acordo com a amplitude angular correspondente (Δαi) e o tempo (T);determinar, para cada dente (6), um valor de compensação (δpi) que representa a diferença entre a amplitude angular real do dente (6) e a amplitude angular teórica do dente (6); edeterminar a velocidade angular média (ωi) de cada dente (6) corrigindo a velocidade angular bruta (ωraw,i) por meio do valor de compensação correspondente (δpi);o método sendo caracterizado por a etapa de determinar o valor de compensação (δpi) para cada dente (6) compreender as etapas adicionais de:- calcular a velocidade angular bruta (ωraw,i) do dente (6);- calcular uma velocidade angular média (ωav,i) por rotação do dente (6) por meio de um filtro de média móvel de N valores da sequência de velocidades angulares brutas (Cüraw,i))- calcular um erro de velocidade retardado (Δωi - N/2) do dente (6) como a diferença entre a velocidade angular média (ωav,i) por rotação e a velocidade angular bruta retardada (ωraw,i) de um retardo de fase igual a N/2 intervalos de dente;- determinar um erro angular retardado (δαi - N/2) do dente (6) multiplicando o erro de velocidade retardado (Δωi - N/2) do dente (6) pelo tempo (T) do dente (6) retardado por um retardo de fase igual a N/2 intervalos de dente; e- utilizar 0 erro angular retardado (δαi - N/2) tanto para determinar como para atualizar 0 valor de compensação (δpi) do dente (6).
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a velocidade angular média (ωi) de cada dente (6) ser determinada de acordo com a equação:
Figure img0015
cos - velocidade angular média compensada do i-ésimo dente (6) [rad/s];Δαi - amplitude angular do i-ésimo dente (6) [rad];δpi - valor de compensação δpi do i-ésimo dente (6) [rad];Ti - tempo do i-ésimo dente (6) [s].
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o erro de velocidade retardado (Δωi-N/2) do dente (6) ser calculado utilizando-se a equação:
Figure img0016
Δωi - N/2 - erro de velocidade retardado do i-N/2-ésimo dente (6) [rad/s];coavj - velocidade angular média por rotação do i-ésimo dente (6) [rad/s] apresentando um retardo de fase igual a N/2 intervalos de dente;cüraw,i-N/2 - velocidade angular bruta ωraw,i do i-N/2-ésimo dente (6) [rad/s].
4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por 0 erro angular retardado (δαi-N/2) do dente (6) ser calculado utilizando-se a equação:
Figure img0017
δαi - N/2 - erro angular retardado do i-N/2-ésimo dente (6) [rad];Δωi - N/(2) - erro de velocidade retardado do i-N/2-ésimo dente (6) [rad/s];TI-N/(2) - tempo do i-N/2-ésimo dente (6) [s].
5. Método, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado por um vetor de N erros angulares retardados (δαi - N/2) ser utilizado tanto para determinar quanto para atualizar um vetor de valores de compensação (δpi) apenas se cada erro angular retardado (δαi - N/2) do próprio vetor for inferior, como valor absoluto, a um limiar de aceitabilidade que indica a tolerância máxima possível sobre a forma do dente (6).
6. Método, de acordo com qualquer uma dentre as reivindicações de 1 a 5, caracterizado por os valores de compensação (δpi) dos dentes (6) serem determinados ou atualizados somente quando 0 motor a combustão interna (1) está na fase de corte e a velocidade de rotação do eixo motor (4) está compreendida em uma faixa de calibração, de modo que os torques inerciais indicados recíprocos sejam aproximadamente equilibrados com 0 motor de combustão interna (1) na fase de corte.
BR122018074529-0A 2007-07-25 2008-07-24 método para determinar a velocidade angular média do virabrequim de um motor a combustão interna BR122018074529B1 (pt)

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EP07425457.4 2007-07-25
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BRPI0803875-9A BRPI0803875B1 (pt) 2007-07-25 2008-07-24 método para estimar a posição angular do virabrequim na qual 50% da massa de combustível foi queimada em um cilindro de um motor de combustão interna com ignição espontânea da mistura

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