CN101405499B

CN101405499B - 传输关于内燃机操作的信息的方法和相关设备

Info

Publication number: CN101405499B
Application number: CN2007800098205A
Authority: CN
Inventors: P·阿维安; J·布兰克; F·加尔蒂尔; W·托林斯
Original assignee: Siemens VDO Automotive SAS
Current assignee: Continental Automotive France SAS
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2027-03-02
Also published as: CN101405499A; MX2008011991A; US7930929B2; FR2898640B1; FR2898640A1; WO2007107228A1; JP2009530533A; US20090217744A1; KR20090005006A

Abstract

本发明涉及传输关于内燃机操作的信息的方法，具体而言涉及一种传输可以监测内燃机操作的信息的方法，所述方法包括以下步骤：通过设置有数字输出的绝对位置传感器测量曲轴的角位置；和以频率f1将编码在含有N1位的数据串中的、所测量的角位置信息发送给发动机控制单元，其特征在于还包括步骤：以频率f2发送编码在含有N2位的数据串中的、所测量的角位置信息，位数N2大于数N1，频率f2小于或等于频率f1。以N1位编码允许以低分辨率传输角位置信息，而以N2位编码允许以能够检测不点火的高分辨率传输角位置信息。

Description

传输关于内燃机操作的信息的方法和相关设备

技术领域

本发明涉及用于监测内燃机操作的方法和设备。

背景技术

现代的内燃机配备有发动机控制单元(ECU)、曲轴、和当发动机运行时可以知道曲轴的角位置的设备。

当发动机运行时，发动机控制单元可以调节每个汽缸中的喷射和点火(对受控点火的发动机而言)。

因而，曲轴的角位置的了解可以确定汽缸中活塞的位置并知道4冲程发动机循环的状态(进气、压缩、燃烧、排气)。

测量曲轴角位置的通常方式为在与活塞的移动耦合的所述曲轴上设置目标，该目标带有标记(机械的、光学的、磁性的、等)并通过相关检测器元件(传感器)前面。这种位置传感器称为“增量式”，原因在于它没有给出绝对位置，而是允许ECU通过在每次标记通过时递增计数而确定。ECU然后可以通过对相对于参考标记看到的标记数进行计数而提取曲轴的绝对位置。

由于燃烧管理原因，特别是为了减少发动机的污染、燃料消耗和启动时间，因而需要以小于2°的精确度知道曲轴的位置，由此甚至在非常低或为0的速度，或甚至在曲轴的轴的负速度(对应于在例如在失速状态期间发动机旋转方向相反的负速度)下也如此。

当前，安装在曲轴上的目标包括60个相同且等距的齿，其允许6°的分辨率。由于机械约束，不能再增加齿的数量的来实现2°量级的精确度。

然而，在发动机控制单元中安装有计算算法，所述计算算法从来自于曲轴位置传感器的数据可以通过内插法获得大约2°的分辨率，但这些算法在曲轴旋转速度趋近于0或变为负值时不起作用。

此外，某些约束，例如在关于燃料消耗或污染物排放的问题中，使得更加必要知道和管理发动机控制单元中的事件和信息，尤其是关于不点火的检测。

不点火是发动机循环的燃烧状态，其中燃烧是不良的或没有达到燃烧，由此引起排气中的污染物或甚至损坏催化转换器。

不点火的存在的检测可以通过非常精确地监测曲轴旋转速度及其扰动实现。实际上，不点火将在曲轴旋转速度中产生瞬态变化，但该现象由所述曲轴的惯性质量所阻尼。因而，需要使传感器具有非常好的分辨率，以能够检测和测量旋转速度中的这些微小变化。

现在，对于给定的旋转速度，传感器的分辨率越好，发送的信息量越高，这导致高的数据传输速率。然而，发动机控制单元具有有限的数据读取速度，因而，该有限的数据读取速度逊于足够的分辨率需要的数据速率。

此外，通过常规的模拟信号编码在360°上的绝对位置是有问题的，因为使用模拟数据固有的噪音在发动机控制单元中关于曲轴的实际位置产生很大的不确定性。

例如，如果传感器的模拟输出对360°的角变化改变4V，该输出上的10mV峰到峰噪音表示位置的0.9°的不确定性。

因而，对需要小于2°的精确度的燃料喷射管理，噪音的随机性质使得不点火的检测变得不可能，且也增加大的误差给曲轴角位置的测量。

该模拟信号的随后过滤可以减少该噪音的效果，但将在传感器的角测量和发动机控制单元(ECU)的完整接收该测量之间引入大的迟延，迟延与高速旋转时的精确测量是不相容的。

发明内容

因而，本发明想要解决的问题在于能够在曲轴的位置传感器的绝对角位置中获得小于2°的分辨率，且能够检测不点火。这些目的必须对从反向方向几百转/分延伸到向前方向10,000转/分以上的发动机旋转速度范围实现，而不排除0旋转速度的情况。

考虑到该目的，根据本发明的方法包括以下步骤：

通过设置有数字输出的绝对位置传感器以至少N2位测量曲轴的角位置，和

以频率f1将编码在含有N1位的数据串中的所测量的角位置信息发送给发动机控制单元，

所述方法特征在于，它还包括步骤：以频率f2发送所测量的和编码在含有N2位的数据串中的角位置信息，数N2大于数N1，频率f2小于或等于频率f1。

在一个实施例中，频率f2至少由曲轴从对应于一个段开始的角位置开始到达对应于所述段结束的角位置花费的时间和待发送的位数N2限定。

优选地，测量步骤通过单个绝对位置传感器以至少N2位测量角位置实现，编码在含有N1位的数据串中的角位置的传输步骤通过含有N2位的数据串的舍位实现。

在一个实施例中，达到阈值或多个阈值将触发具有N2位的角位置的传输。

在一个实施例中，分别含有N1和N2位的数据串在两个分开的通道上传输。

可替换地，分别含有N1和N2位的数据串通过多路复用方法在单个通道上传输。

在优选实施例中，根据本发明的方法还包括步骤：

测量从对应于一个段开始的角位置开始到达对应于所述段结束的角位置花费的时间，

测量该时间值和参考值之间的差，和

如果所述差大于阈值，产生与不点火同义的信号。

本发明也涉及一种用于监测内燃机操作的设备，包括绝对曲轴位置传感器，所述绝对曲轴位置传感器设置为：

测量曲轴的角位置，和

以频率f1将编码在含有N1位的数据串中的所测量的角位置信息传输给发动机控制单元。

该设备特征在于，所述曲轴位置传感器也设置为：

以频率f2传输编码在含有N2位的数据串中的所测量的角位置信息，位数N2大于数N1，频率f2小于或等于频率f1。

在一个实施例中，所述曲轴位置传感器以至少N2位测量角位置，并将所述角位置信息编码在含有N2位的数据串中，所述传感器还设置有舍位手段，以便将角位置信息编码在含有N1和N2位(如果测量以N2位数字化)的数据串中。

每个数据串优选地在各自的通道上传输。

在一个实施例中，两个通道被多路复用，所述传感器设置有至少一个输出，能够传输含有N1位和舍位后的N2位的剩余部分的数据串。

可替换地，所述传感器设置有能够分别传输含有N1位的数据串和含有N2位的数据串的两个通道。

根据本发明的方法和设备有利地用于配备有所谓的“停走”系统的机动车辆中，其中当车辆短时期停止时，发动机不运转而发动机控制单元保持供电。

同样，由于测量的“绝对”性质(一旦其供电，传感器就提供关于曲轴角位置的信息)，甚至在较长的停止状态(在此期间发动机控制单元不再供电)之后，也可得到曲轴位置。由于该属性，甚至在无限的停止周期之后(冷启动)也可以实现最优的启动。

根据本发明的方案与适于四冲程内燃机同样地适于两冲程内燃机，但在此仅描述四冲程内燃机。

由于本发明，可以通过绝对位置传感器将能够检测到不点火的非常精细的位置信息发送给能够读取降低的数据速率的发动机控制单元。

附图说明

本发明的其它特征和优势在阅读作为示意性和非限定性示例结合单幅附图给出的以下说明之后更清楚，其中：

单幅附图是6缸发动机曲轴一转的角位置测量频率的象征性表示。

具体实施方式

根据本发明的第一特征，对于小于2°的分辨率的位置测量，关于上述噪音的随机性质的问题通过使用绝对角位置传感器的数字输出解决。

下文将阐述本发明的第二特征，其涉及更精确(即具有高的分辨率)的曲轴位置信息的传输，和涉及传输该数据需要的数据速率的问题(该数据速率与现代发动机控制单元的输入读取能力不相容)。

对四冲程发动机而言，发动机循环的四个冲程对应于曲轴的两转，即720°。因而，在曲轴的角位置中有360°的不确定性(活塞处于相同的位置，但循环的冲程不相同)，这可以通过设置在凸轮轴上的位置传感器消除，在发动机循环的四个冲程期间，凸轮轴仅产生一转。

在操作条件中，当发动机运行时，曲轴的绝对角位置可在传感器中直接获得，且不再通过发动机控制单元确定。然而，在失速状态时，发动机的旋转方向可能颠倒。

因而，只要其跟随的停止状态持续时间不长于几分钟，可以使用双向增量式传感器。然而，这样的双向传感器可以在计算机中具有角位置信息，该信息仅在发动机控制单元供电期间有效。实际上，在与这样的传感器相关的发动机控制单元中，角位置信息存储在发动机控制单元的易失性存储器中，即：当发动机关闭时(即发动机控制单元不再由车辆电池供电)，所述存储器清空。

因而，在每次冷启动时，即在每次长时间停止之后，实现双向增量式传感器和发动机控制单元的加电，且绝对角位置不可得。此外，增量式传感器的分辨率仅6°，而不是预期的2°。

另一方面，根据本发明的绝对位置传感器优选地嵌入专用集成电路(或“专用集成电路”的ASIC标准)，使得可以检测曲轴的绝对角位置并将所述绝对角位置传输给发动机控制单元ECU。

如下所述，至少一次每个段，比在该段其余期间传输的信息更精确的角位置信息被传输以便检测可能的不点火。

编码：分辨率/位数

为了获得在一转(360°)上的角分辨率RES(单位为度°)，需要在M个水平上编码信息，使得M＝360/RES；即以N位，其中N是满足2^N＞＝M的最接近的自然数。

因而，测量频率f2对应于每个角度值RES一次测量。

例如，对分辨率RES＝0.022°，

确定M＝360/0.022

即M＝16,363.64

已知2¹⁴＝16,384，因而N＝14。

因而，为了获得0.022°的分辨率，需要以至少14位测量和编码测量信息。

另一方面，为了获得小于2°的角分辨率，仅需要以N＞＝8位编码测量信息。

需要的数据速率的计算

以rpm表示的发动机速度REG为°/秒表示的REGI。

因而，REGI＝(360°/60秒)*REG

即，REGI＝6*REG

因而，旋转通过等于角分辨率REG的角度花费的时间为

t＝RES/REGI

即t＝RES/6*REG

同样，因而，通信数据速率必须为：D＝N/t

即D＝6*REG*N/RES

即，对于以下值：

REG＝10,000rpm

N＝14位

RES＝0.022°

允许以分辨率RES连续测量的数据速率必须为：

D＝6*10,000*14/0.022＝42M波特

由此，可以计算在给定发动机速度REG时以给定分辨率RES编码角测量需要的数据速率D和位数N。

这样的计算的示例在下表1给出，其中现代车辆的发动机速度处于大约10,000rpm的最大值。

表1

D(波特)	N(位)	REG(rpm)	RES(°)
				42,000,000	14	10,000	0.02
342,857	8	10,000	1.4
				7,000	14	10,000	120

现在，现代ECU的数字输入的最大读取速度为500k波特的量级。该数据速率与可以检测对应于0.02°量级的角分辨率的不点火的分辨率的连续传输不相容。

此外，二进制数据以高于500k波特的数据速率传输通过长连接系统包括与车辆其它设备发生电磁干扰的风险。

根据本发明的不点火的检测与点火同步，且通过检测和比较段的时间实现。实际上，不点火在曲轴旋转速度中强加暂态变化。

“段”是曲轴的角区域。更准确地，“段”是角周期。段时间是通过所述段的时间。因而，段由将按照点火次序的两个连续汽缸的两个参考位置分开的角限定。该角区域对应于活塞在其相应汽缸中的具体移动。

在汽缸中，活塞行进穿过两个特征点的路径：上止点(TDC)和下止点(BDC)。这两个特征点可以有利地用作限定段的参考点。为此，将按照点火次序的两个连续汽缸的两个连续上止点分开的时间可以例如限定段时间。

其中，曲轴横穿该角区域的段时间取决于在燃烧状态期间转换的能量等等。因而，不点火增大了段时间。

对具有规则分布的段的多缸发动机，段的值(单位为度)为SEG＝720/C，C为缸数。

即，对于四缸发动机，SEG＝180°，

对于6缸发动机，SEG＝120°，等。

根据本发明，高分辨率测量(N2位)的传输仅可以每段进行一次，即每720/C°。因而，在该实施例中，高分辨率(N2位)角位置信息的传输频率f2对应于仅在每段启动时发送角位置信息。

为了检测不点火，可以在曲轴的每转中将非所有连续段的段时间相对于彼此作比较而是对在两个或几个连续转之间的同一段比较。为此，所进行的每个绝对位置测量与参考值(对应于分开所述段的开始和结束位置的SEG度数)连续比较。

实际上，曲轴位置传感器以至少N2位测量曲轴的角位置，但大多数时间仅以N1位传输该信息，N2和N1之间的差由舍位产生。

具体的角位置与例如所述ASIC电路中具体的触发值相关，对应于一段的开始或结束(在单幅附图中为0°、120°、240°)。

当传感器达到对应于一个段的开始或结束的触发值时，它传输以N2位编码的角位置信号。

对其它角度值，传感器再次传输以N1位编码的角位置信号。

根据本发明，发动机控制单元包括发动机正常行为模型，即没有不点火。

通常，模型包括至少一个参考值，对给定段，所述参考值等于所述段没有不点火的段时间。段时间的测量与该参考值比较，且这两个值之间的差与阈值比较。如果差大于或等于阈值，发动机控制单元认为已经发生不点火，且例如产生带有这个意思的信号。

例如，给定段时间的参考值是该段在前一曲轴转期间的段时间。

参见单幅附图，这是将转T的段时间SEG1与转T-1的段时间SEG1比较的问题，对段SEG2和SEG3类似。

优选地，阈值取决于发动机的旋转速度，由于发动机速度变化(由驾驶者实施的车辆加速或制动)引起且可能干扰测量的曲轴旋转速度变化通过特定算法校正。

根据本发明的系统基于曲轴在360°上的绝对位置的传感器，所述传感器设置有构造为提供完全数字化输出信号的接口。

在一个实施例中，曲轴位置传感器设置有两个输出通道，每个所述通道传输数字信号。

第一通道用于传输对应于低分辨率时(N1位)关于曲轴角位置的信息的第一信号。低分辨率时(N1位)曲轴角位置以频率f1传输。

第二通道用于传输对应于关于不点火的信息(即，高分辨率时(N2位)的曲轴角位置)的第二信号。至少N2位的曲轴角位置以频率f2以N2位传输。

可替换地，两个信号通过多路复用方法在同一通道上传输。

优选地，传输速率(即，数据速率)固定。

例如，如先前表1所示，小于2°的分辨率(即，1.4°)可以以8位(N1)编码。从而，在10,000转/分的发动机速度REG时允许该信息传输需要的最小数据速率为342k波特。因而，低分辨率角位置信号大约每24us(1/324*8)发送一次，如单幅附图中实线f1所示。

对于6缸发动机而言，以14位(N2)编码的高分辨率角位置信号可以每120°传输一次，如单幅附图中虚线f2所示。

由于现代管理设备支持的数据速率为500k波特的量级，因而，可以增加补充信息到N1位(和如果必要对应于需要的N2位的其余部分)的二进制字。

由于该构造，由于高分辨率角位置信息仅需要在段开始时传输，如果因为发动机控制单元的数据速率N2位的数据串不能在分配给N1位传输的时间期间完全传输，其余位可以在所关注段的时间期间的至少一个随后N1位的串中传输。

所使用的和设置有高分辨率的绝对位置传感器类型需要“就地”校准，因为在所述传感器装配在内燃机期间引起定位不确定性。

Claims

1.一种传输可以监测内燃机操作的信息的方法，所述方法包括以下步骤：

通过设置有数字输出的绝对位置传感器测量曲轴的角位置，和

以频率f1将编码在含有N1位的数据串中的所测量角位置信息传输给发动机控制单元，

其特征在于还包括步骤：

以频率f2传输编码在含有N2位的数据串中的所测量角位置信息，位数N2大于数N1，频率f2小于或等于频率f1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，频率f2至少由曲轴从对应于一个段起始的角位置开始到达对应于所述段结束的角位置花费的时间和待发送的位数N2限定。

3.根据前述权利要求任何一项所述的方法，其特征在于，测量步骤通过单个绝对位置传感器以至少N2位测量角位置实现，编码在含有N1位的数据串中的角位置的传输步骤通过含有N2位的数据串的舍位实现。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，达到阈值将触发具有N2位的角位置的传输。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，含有N1和N2位的数据串分别在两个分开的通道上传输或通过多路复用方法在单个通道上传输。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：

测量从对应于一个段起始的角位置开始到达对应于所述段结束的角位置花费的时间，

测量该时间值和参考值之间的差，和

如果所述差大于阈值，产生与不点火同义的信号。

7.一种用于监测内燃机操作的设备，所述设备包括绝对曲轴位置传感器，所述绝对曲轴位置传感器设置为：

测量曲轴的角位置，和

其特征在于，所述曲轴位置传感器还设置为：

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述曲轴位置传感器以至少N2位测量角位置，所述传感器还设置有舍位手段，以便如果所述测量以大于N2位数字化，则将角位置信息编码在含有N1和N2位的数据串中。

9.根据权利要求7和8中任一项所述的设备，其特征在于，所述传感器设置有：至少一个输出，能够传输含有N1位和舍位后N2位的剩余部分的数据串；或两个输出，能够分别发送含有N1位的数据串和含有N2位的数据串。