CN101069077A - 确定平均发动机转矩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生值T的方法，该值T表示内燃机曲轴上生成的平均发动机转矩，包括以下步骤：产生速度向量，其包括表示发动机在采样周期内的瞬时速度的值；由速度向量确定所述采样时间内发动机转速的平均值n；确定在频率x*n处表示速度向量频率分量的值Px，其中x是预先选定的阶数，并且产生表示在所述采样周期内曲轴上的发动机转矩平均值T，其中T由数学表达式得来，所述表达式包括至少含有一k*n*Px项的多项式，其中k是一多项式常数。本发明还涉及一种计算T值的设备。

Description

确定平均发动机转矩的方法

技术领域

本发明涉及一种产生T值的方法，该T值表示在内燃机曲轴上生成的平均发动机转矩，本发明还涉及一种计算该值的设备。

背景技术

出于诊断发动机的目的，有效的参数是发动机曲轴上生成的发动机转矩。发动机的故障或不规则运行将会导致发动机转矩减小或不规则。在更详细的诊断中，一旦检测到错误的发动机转矩，就会对其进一步分析以提供关于误差可靠来源的信息，例如喷油器的故障或者其它的误差来源。因此，期望提供一种对车辆发动机曲轴上生成的平均发动机转矩进行测量的方法。之前，从精选的发动机测量方法中已经提出了很多种方法采用各种数学方法来确定发动机转矩。

Moine等人的专利文献US5771483中描述了这样一种现有技术的计算发动机转矩的方法，包括用传感器检测发动机的惯性飞轮的每一齿的经过，并用每一齿经过的时间计算发动机的转矩。Abida等人在专利文献EP1052488中对此类型的另一种方法有所描述。

本发明的目的是提供一种对车辆发动机曲轴生成的平均发动机转矩进行测量的方法，用于发动机诊断。本发明的另一目的是提供一种能够在发动机正常运行状态下诊断发动机的平均转矩的测量法。本发明的另一目的是在受限于处理器性能、存储空间等合理的必要条件的同时仍能提供一种的足够准确的测量发动机转矩平均值的测量法。

发明内容

通过一种产生采用T值的方法能够实现至少一个上述目的，所述T值表示内燃机曲轴生成的平均发动机转矩，所述方法包括下列步骤：

产生速度向量，其包括表示采样周期内的发动机瞬时速度值，

由该速度向量确定在所述采样周期内发动机速度的平均值n，

确定速度向量于频率x*n处的频率分量Px的值，其中x是预先选定的阶数，

并产生T值，其表示所述采样周期内的曲轴上生成的平均发动机转矩，其中T由数学表达式得来，所述表达式包括至少含有k*n*Px项的多项式，其中k是多项式常数。

本发明的方法提供有效的发动机转矩的测量法，其在车辆负载的情况下、也就是在正常驾驶的情况下有优势。它还具有的优势是可执行于数量相对少的采样并进行相对少的计算，因而不需要为车辆提供额外的处理能力就可以进行快速计算。

可以在车辆运行时定期的时间间隔中计算用该方法得到的平均发动机转矩，并将其记录以提供存储表反映车辆的时间特性。当维护车辆时，能够研究记录并且给出发动机状态的结论并得出修理或替换的可能必要性。

又一个优势是获得的平均发动机转矩测量法能够用于客观地评价发动机功能。对于某个发动机的状态可设定理想的发动机转矩测量法，并且在将计算得到的发动机转矩与理想转矩比较后给出发动机是否满足预期要求的指示。

内燃机可能被用于不同的应用，比如用于船或车辆。车辆包括例如小汽车、重型汽车或有轨车辆。

表达式优选包括多项式：k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px，其中k0、k1、k2和k3是多项式常数，并且有利的是T＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px。

有利的是，选定的阶数x等于发动机汽缸数量的二分之一。已发现，阶数的这种选择特别好地反映了四冲程发动机的效果。对二冲程发动机来说，选定阶数x替换为等于汽缸数量。

有利的是，采样周期相当于发动机的至少10转数。这样的采样周期足够长以保证平均发动机转矩包括所有发动机汽缸的作用。

有利的是，速度向量包括表示发动机瞬时速度的t值，所述t值是设置为与发动机飞轮或曲轴相连的连续旋转分度参考之间的推移时间。实施例提供了有效的且相对可靠的方法计算代表发动机速度的瞬时值。

具体的是，当利用飞轮时，旋转分度参考在某些位置处为不规律设置。在这种情况下，所述方法在生成速度向量时可包括补偿步骤，其中在旋转分度参考设定中的任何不规律的效果都能够被补偿。

表示频率为x*n的功率分量Px的值优选用速度向量的傅立叶级数分析加以确定。在这种情况下，速度向量优选包括至少500个采样以给出满意的结果。

可选择的是，对于速度向量的相幅变换采用快速傅立叶变换来确定Px值。

在这种情况下，采用相幅变换中位于频率n*x处的峰值区域的RMS值作为Px。

如果采用快速傅立叶变换与选择x阶峰值的RMS值相结合作为Px，那么会发现，当速度向量包括至少1000个采样、优选的包括至少2000个采样时可获得良好的结果。

不考虑相幅转换方法的使用，适宜的是t值在少于或等于10微秒、优选少于或等于1微秒的采样间隔内被采样。

在采样周期内选择载荷条件，使其相当于至少50％的载荷、优选相当于至少60％的载荷。既然该条件相当于车辆例如卡车正常行驶的条件，那么这就是有利的。

而且，采样周期内的发动机速度选择为至少1000rpm。对小汽车来说，使用更高的发动机速度，在采样周期内选择发动机速度选择为至少1500rpm。

有利的是，本发明产生的T值可与表示标准发动机的发动机转矩参考值Tref相比，从而能够对T值已定的发动机进行评估。

在本发明的第二方面，一种产生表示内燃机曲轴生成的平均发动机转矩的T值的设备包括：

测量在采样周期内的发动机瞬时速度的测量设备，

产生表示在所述采样周期内测得的发动机瞬时速度的速度向量值的计算装置，

采用速度向量获得所述采样时间内得出发动机速度平均值n的计算装置，

由速度向量计算表示频率为x*n时功率分量的Px值的计算装置，其中x是预先选定的阶数，以及

获得期望T值的计算装置，其中所述期望T值表示在所述采样周期内曲轴的平均发动机转矩，其中T值由数学表达式得出，所述数学表达式包括至少含有k*n*Px项的多项式，其中k是存储在存储器中的多项式常数。

本发明的设备具有相同优点，并且特别是可以与发明方法中的优势特征相结合。

计算装置可以包括但不是必须包括所有的一个计算单元和相同的计算单元，例如处理器单元、微处理器、嵌入式处理器或者其它适当的计算单元。

有利的是，测量设备可以包括设置为检测连接发动机的飞轮或曲轴的连续旋转分度参考推移的传感器，上述的推移时间即表示发动机瞬时速度的速度向量值t。

测量设备优选包括用于确定连续旋转分度参考之间速度的计算装置。计算装置可以包括但不必须包括与前述设备中的计算装置一样的计算单元。

附图说明

参考附图描述以下给出的作为非限制性举例的本发明的方法和设备的特定实施例，本发明的其它优势将会显而易见，其中：

附图1示意性地说明了根据本发明方法与设备的一个实施例。

附图2所示为在举例的测量法中采用根据本发明的一个实施例和装置的测量的负载和发动机速度的示意图。

附图3是根据本发明方法与装置的一个实施例计算得到的转矩相对于附图2的示例中测得的转矩的曲线图。

具体实施方式

附图1是本发明的方法与设备的实施例的示意图。所述设备包括用于检测齿形连续分度分度参考7的推移的传感器5，该齿与飞轮6相连，飞轮6顺次连接到内燃机的曲轴。在这种情况下，传感器5适于以持续时间为1微秒、频率等于1MHz的采样间隔测量该分度参考的推移。利用本发明的方法和设备，在频率为1MHz或以上会产生特别好的结果。

在计算设备/方法步骤1中，采用传感器产生的相当于分度参考连续旋转分度参考7之间的推移时间的值t表示发动机的瞬时速度，以形成速度向量V。

如图1中所示，分度参考7可以不规律地设置，使得在某些位置处的参考点之间有间隔。因此，通过计算遗漏参考和下一参考的平均值，来修正速度向量V的值以用于遗漏参考，并用平均值取代所有相关的值。

在图1的方法的步骤/计算设备2中，由速度向量V计算采样周期内发动机速度的平均值n，并用转数/秒来表示。

在方法步骤/计算设备3中，速度向量V用于产生相幅表示，其中计算出表示被选频率x*n处功率分量的值Px。

在优选的方法/设备中，选择用来确定幅值Px的方法是正弦和余弦的傅立叶级数。然而，也可采用其它傅立叶变换方法。不过，发明者发现正弦和余弦方法不需要过多数量的采样或者过高的计算能力就能提供有效的结果。

仅当包括所有的阶数时，正弦和余弦法是真正的相幅转换。在这种情况下，由于足以获得x阶的幅值，因而不需要包括所有的阶数。结果是可用最小二乘法解得的线性方程。

用正弦余弦方法解得的线性方程可写成[A]×[C]＝[V]，其中[V]速度向量，其包括：在发动机的2转数(2 revolutions of the engine)中的规律角度间隔处测得的f值v1，v2...，vf，并且[A]是正弦和余弦矩阵(f×(2j+1))。由方程解得[C]，其包括傅立叶级数中的常数a0、a1、b1、a2、b2...ak、bk。

$f\left(t\right)=\frac{1}{2}{a}_0+\underset{k=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\sin \left(\mathrm{k\Ωt}\right)+b_k\cos \left(\mathrm{k\Ωt}\right),\mathrm{\Ω}=2\mathrm{\π}/T$

由于f(t)是周期性的，其周期为T＝2π，特殊情况下：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2}{a}_0+\underset{k=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\sin \left(\mathrm{kt}\right)+b_k\cos \left(\mathrm{kt}\right)$

从而A矩阵的第一列是初始常数项列(如果在计算前从V向量值中减去了平均值n，就不需要这一项)。下一列是正弦阶数，其后接下来是余弦阶数。接下来的列是第三、第四周期等的正弦余弦。

$A=\left[\begin{array}{cccccc}1& \sin \left(\mathrm{\π}\right)& \cos \left(\mathrm{\π}\right)& \sin \left(2\mathrm{\π}\right)& \·\·\·& \cos \left(k2\mathrm{\π}\right)\\ 1& \sin (\mathrm{\π}/2)& \cos (\mathrm{\π}/2)& \sin (2\mathrm{\π}/2)& & \·\·\·\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ 1& \sin (\mathrm{\π}/f)& \cos (\mathrm{\π}/f)& \sin (2\mathrm{\π}/f)& \·\·\·& \cos (k2\mathrm{\π}/f)\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{c}{a}_0/2\\ a_1\\ b_1\\ a_2\\ b_2\\ \·\·\·\\ \·\·\·\\ a_k\\ b_k\end{array}\right]V=\left[\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ \\ \\ \\ \·\·\·\\ \·\·\·\\ \\ t_f\end{array}\right]$

解得方程，给出用于被选x阶数(即xn相位)的正弦余弦系数ax和bx。已知ax和bx，由勾股定理： ${\left(P_x\right)}^2=a_x^2+b_x^2$ 来给出幅值。

测得的速度向量V的必要长度依赖于在接下来的方法步骤中用于计算Px的方法，并且依赖于产生的转矩值T的所需精度。如果用FFT分析法计算得Px，则适当的向量长度大约为2000个采样。如果换作用正弦和余弦变换计算得到Px，向量的长度可能会得以极大缩短，约为600个采样。

最后，在方法步骤/计算设备4中，代表发动机转矩平均值的值T由T＝k0+k1*P3+k2*n+k3*n*P3得出，其中k0、k1、k2和k3都是存储在适当存储器中的多项式常数。

如果用快速傅立叶变换方法FFT代替如上所述的正弦和余弦方法，那么必须计算对应于频率为f＝x*n的幅相表中的幅值Px，其中x为选定的阶数。这可通过FFT变换曲线、并计算对应于幅值Px的相关频率处峰值区域的RMS值而有利地得到。

在FFT变换中采用峰值区域的RMS值的幅值，或者采用正弦和余弦方法中的幅值作为Px，将会得出不同的多项式系数k0、...、k3。然而，两种方法都会得出正确的结果。为了达到足够的精度，人们认为FFT方法比正弦和余弦方法需要更多的采样。

在驾驶车辆时，可定期计算T值并且将其存储在记录中，以在定期维护时或特别是当驾驶员怀疑车辆出现故障去修理厂时能进行测定。可选择地是，当对新生产的车辆进行性能评估的时候，T值可用来断定发动机转矩达到期望的规格。在两种情况下，T值可与参考值Tref比较，其中Tref通过生成用于多个参考车辆的T而确定。

如果记录了T值，则随时间出现的T值可被用于检测功率的损耗，并确定发动机是否达到预期要求。

需要确定不同情况下的多项式参数k0、k1、k2和k3。发动机和车辆可能成组放在一起，每一组包括的发动机和车辆具有相同的转矩性能并且使用相同的多项式常数。为了确定多项式参数，可采用例如测力计来测量实际的转矩T，并且在足以建立方程系统的多个测量点处将其与T的数学表达式相比较，从该方程中可得出常数值。

实施例：

为了评价提出的模型，在发动机测试单元中采用测力计来测量转矩，并且采用多项式T＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px计算多项式常数k0、k1、k2和k3，以及采用上述正弦余弦(傅立叶级数)方法计算Px。进行采用测力计的附加转矩测量，并且将其与用多项式常数得到的结果相比较。

因为在这种情况下，发动机是六缸四冲程的发动机，所以预选的阶数x＝3，其为缸数值的1/2。

在三种不同的检测条件下进行测量：

A)标准发动机，没有改装

B)在缸3中，一个喷油器改装为喷出低于20％的流量。这会引起约3.5％的转矩损失

C)在缸3和缸6中，两个喷油器改装为喷出低于20％的流量。这会引起约7％的转矩损失。

对于在64种不同的负荷条件下、速度从1000rpm以100rpm的步幅上升至1800rpm、负荷从65％以5％的步幅上升至100％的每种测试条件下，用测力计测量得到转矩，用飞轮上齿的推移时间的测量值得到速度向量。附图2是在不同的发动机速度下表示测得载荷的示意图。

由测量值确定表达式Tmeas＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px中的多项式常数。当x＝3时用正弦余弦方法计算Px。Tmeas是用测力计测得的转矩。为了提高系数的精度，建立用于多个测得转矩的方程，并且采用计算用于每一个测得转矩的多项式常数平均值，以确定多项式常数，以用于随后的转矩计算中。

通过将在发动机单元中用测力计测得的附加值与利用模型T＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px得到的计算值相比较来检测选定阶数x＝3的模型，并且再用正弦余弦方法由测得的发动机速度来确定Px。

图3中绘制了计算的转矩值与测量得的转矩值。如所见的，依照上述多项式计算得的值很好的代表了测量值。在发动机速度1000至1800rpm、并且65％至100％载荷的区域，当用本发明的模型时发现精度好于3％。多项式模型使没有改装的和改装的发动机产生了良好的效果，这显示了当一些类型的故障在发动机中出现时此方法对测量转矩也有用。

Claims (26)

1.一种产生值T的方法，该值代表内燃机曲轴上生成的平均发动机转矩，包括如下步骤：

生成速度向量，其包括代表在采样周期内发动机瞬时速度值的值，

由该速度向量确定所述采样周期内的平均发动机速度n，

确定在频率为x*n处表示速度向量的频率分量的值Px，其中x是一个预选的阶数，

并且产生在所述采样周期内表示曲轴上的平均发动机转矩的值T，其中T由包括多项式的数学表达式得出，所述多项式至少包括k*n*Px项，其中k是多项式常数。

2.如权利要求1所述的方法，其中T由包括多项式：k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px的数学表达式得出，其中k0、k1、k2和k3是多项式常数。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中T＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px，其中k0、k1、k2和k3是多项式常数。

4.如上述任一权利要求所述的方法，其中选定的阶数x＝(发动机汽缸的数量)/2。

5.如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其中发动机是二冲程发动机，并且选定的阶数x与汽缸数相等。

6.如上述任一权利要求所述的方法，其中所述采样周期相当于发动机的至少10个转数。

7.如上述任一权利要求所述的方法，其中所述的速度向量包括表示内燃机瞬时速度的值t，所述t值为与发动机飞轮或曲轴相连设置的分度参考连续旋转分度参考之间的推移时间。

8.如权利要求7所述的方法，其中该方法包括在生成速度向量时的补偿步骤，其中在该旋转分度参考设置中的任何不规律效果得以补偿。

9.如上述任一权利要求所述的方法，其中利用速度向量的相幅转换，确定出表示频率为x*n的功率分量的值Px。

10.如上述任一权利要求所述的方法，其中利用速度向量的傅立叶级数分析，确定出表示频率为x*n的功率分量的值Px。

11.如权利要求9所述的方法，其中幅值Px通过解方程：[A]×[C]＝[V]而确定，其中V是包含f个采样的速度向量，A是k阶矩阵

$A=\left[\begin{array}{cccccc}1& \sin \left(\mathrm{\π}\right)& \cos \left(\mathrm{\π}\right)& \sin \left(2\mathrm{\π}\right)& ...& \cos \left(k2\mathrm{\π}\right)\\ 1& \sin (\mathrm{\π}/2)& \cos (\mathrm{\π}/2)& \sin (2\mathrm{\π}/2)& & ...\\ ...& ...& ....& ...& ...& ...\\ 1& \sin (\mathrm{\π}/f)& \cos (\mathrm{\π}/f)& \sin (2\mathrm{\π}/f)& ...& \cos (k2\mathrm{\π}/f)\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{c}{a}_0/2\\ a_1\\ b_1\\ a_2\\ b_2\\ ...\\ ...\\ a_k\\ b_k\end{array}\right]V=\left[\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ \\ \\ \\ ...\\ ...\\ \\ t_f\end{array}\right]$

对于预选阶数x的系数ax和bx，并且得到幅值 ${\left(P_x\right)}^2=a_x^2+b_x^2$

12.如上述任一权利要求所述的方法，其中对于速度向量的相幅转换，采用快速傅立叶变换确定Px值。

13.如权利要求12所述的方法，其中通过绘制速度向量的快速傅立叶变换以及确定在频率为x*n时峰值区域的RMS值来确定Px。

14.如上述任一权利要求所述的方法，其中所述t值以采样间隔进行采样，所述采样间隔持续时间小于或等于10微秒，优选小于或等于1微秒。

15.如上述任一权利要求所述的方法，其中所述T值表示在载荷条件下采样周期内的平均发动机转矩，使选定的所述条件相当于至少50％的负荷、优选相当于至少60％的负荷。

16.如上述任一权利要求所述的方法，所述T值表示发动机在采样周期内所用速度的平均发动机转矩，选择所述发动机速度至少为1000rpm。

17.一种评估发动机功能的方法，包括如下步骤：

生成如权利要求1-16中任一项所述的T值，

将T值与表示标准发动机转矩的参考值Tref相比较。

18.一种产生表示内燃机曲轴上生成的平均发动机转矩的T值的设备，包括：

用于测量采样周期内的发动机瞬时速度的测量设备，

产生表示在所述采样周期内测得的发动机瞬时速度的速度向量的计算装置，

采用速度向量在所述采样时间内得出发动机速度平均值n的计算装置，

获得表示速度向量在频率为x*n处的功率分量的Px值的计算装置，其中x是预先选定的阶数，以及

获得所期望的T值的计算装置，所述T值表示在所述采样周期内曲轴上的平均发动机转矩，其中T值由数学表达式得出，所述数学表达式包括至少含有k*n*Px项的多项式，其中k是存储在存储器中的多项式常数。

19.如权利要求18所述的一种设备，其中测量设备包括传感器，所述传感器检测设置在与发动机飞轮或曲轴相连的连续转动分度参考的推移，所述推移时间为表示发动机瞬时速度的速度向量值t。

20.如权利要求19所述的设备，其中测量设备包括用于确定所述连续旋转分度参考之间速度的计算装置。

21.如权利要求18至20中任一权利要求所述的设备，包括当生成速度向量时用于计算补偿步骤的计算装置，其中所设定的旋转分度参考的任何不规律的效果得以补偿。

22.如权利要求18至21中任一权利要求所述的设备，其中所述t值在采样间隔内被采样，所述采样间隔持续时间小于或等于10微秒，优选小于或等于1微秒。

23.如权利要求18至22中任一权利要求所述的设备，其中T由包括多项式：k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px的数学表达式得出，其中存储在存储器中的k0、k1、k2和k3是多项式常数。

24.如权利要求18至23中任一权利要求所述的设备，其中T＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px，其中存储在存储器中的k0、k1、k2和k3是多项式常数。

25.如权利要求18至24中任一权利要求所述的设备，其中选定幅值的阶数为x＝(发动机汽缸的数量)/2。

26.如权利要求18至25中任一权利要求所述的设备，其中所述采样周期相当于发动机的至少10个转数。

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