CN101652550A - 用于确定发动机特性参数的指示装置及方法 - Google Patents

Abstract

为了减少内燃发动机上的指示装置6测定参数的繁杂程度，本发明建议在指示装置6的计算单元8中根据某一测量参数计算曲轴转角数据，然后根据算出的曲轴转角数据以及测量参数算出某一个特性参数。

Description

用于确定发动机特性参数的指示装置及方法

技术领域

本发明涉及用来确定至少一个发动机特性参数的指示装置，包括：传感器单元，用来记录随曲轴转角变化的测量参数；以及通过输入端与传感器单元相连的计算单元。本发明还涉及一种相应的参数计算方法以及一种在发动机控制系统中的应用。

背景技术

在发动机试验台上可能要使用成本昂贵的传感装置和指示设备来获得或者根据测量值算出所有所需的发动机特性参数-其中包括被检内燃发动机(例如柴油发动机或汽油发动机)或者其工作特性(例如工作循环过程中的工作特性)的特征值和参数。指示装置通常也包括一个信号放大器，可对传感器信号进行处理以供继续使用，例如可对信号进行放大、调整、滤波以及/或者数字化。某些传感器(例如对于指示设备而言特别重要的压电式气缸压力传感器)通常使用电荷放大器作为信号放大器。但也可以使用例如具有相应的信号放大器的应变片、压阻式压力传感器、固体声爆震传感器、用于分析声发射及超声波发射的传感器、离子流探针、火光传感器、针阀升程传感器、气门升程或活塞冲程传感器等。之后通常可在后续的独立处理单元中根据测量参数(例如气缸压力，曲轴转角等等)计算所需的发动机特性参数，或者对基于时间或所测定的曲轴转角的所测定的参数(例如气缸压力)进行分析，从而确定发动机特性参数，可以采用在线方式(也就是在发动机工作过程中)或者离线方式(也就是事后)进行计算和分析。因此处理单元需要有一个独立的曲轴转角信号输入端，用于例如输入角度传感器的信号。但也可以不使用曲轴转角数据来算出某些特征值。例如即使没有曲轴转角数据，也可根据所测定的气缸压力时间关系曲线来算出特征值，例如峰值压力、燃烧噪声、爆震强度、频率分量、显著信号特征之间的时间差等等。其它一些重要的参数(例如平均指示压力，质量交换点(massconversion point)，燃烧过程，燃烧重心位置，阶次分析的分量，以曲轴转角度数表示的点火延时等等)为了其即使大致的确定，除了气缸压力之外还需要曲轴转角数据，例如转速、曲轴旋转一圈的时间、当前角速度、工作循环持续时间、工作循环持续时间除以气缸数所得的商或者任意角度分辨率的当前旋转角度。测量曲轴角度数据当然会增大传感装置的花费。在发动机试验台上通常需要花费，以便尽可能精确地测定某些参数，以及尽可能准确地分析发动机工况，但出于成本方面的考虑，通常也要将这种应用过程中的花费保持在尽可能少的程度。当然还有另一个问题，即传感装置和指示设备需要占用空间，且事后通常要花费大量花费将所需的传感器安装在发动机上。

已知原则上也可根据周期性测量信号(例如气缸压力传感器的信号)推导出曲轴转角数据。例如AT 388 830 B就描述了根据测量信号的周期触发电荷放大电路的电荷漂移补偿装置的方法。可以从内部测量信号、或者从所连接的外部信号发生器获得用于触发装置的周期性触发信号(即某个曲轴转角数据)。

Gheorghiu V.于1998年在编号为E-30-202-056-8的大会上发表了题为“内燃发动机实时应用仿真模型”的文章，探讨如何根据所测定的压力变化来计算曲轴转角数据，并且也考虑到了曲轴旋转的不均匀性。

这些根据基本上周期性的测量信号来算出曲轴转角数据的方法仅可得出所需曲轴转角数据的近似值。所引起的误差主要源于所使用的曲轴转角数据计算方法。这些近似方法通常不适合应用于发动机试验台，因此迄今为止并未得到重视。对于车载测量或指示技术或者低端指示器市场而言，这些繁琐的指示技术成本过于高昂，且过于复杂。

已知的电荷放大器具有根据测量信号确定峰值的功能。但是仅可在一定条件下使用这些电荷放大器，因为只能算出唯一一个发动机特性参数，并且不具备灵活性。对于一种有价值的应用而言，通常需要各种不同的发动机特性参数。

发明内容

因此本发明的目的在于，阐述一种结构特别简单紧凑、成本低廉、便于安装和使用、能够计算若干重要发动机特性参数的指示装置，并且阐述一种相应的方法。

按照本发明所述，采用下述方式即可实现这种指示装置以及相应的方法：利用计算单元根据传感器单元所记录的测量参数计算曲轴转角数据，然后根据测量参数以及算出的曲轴转角数据算出以了解曲轴转角数据为前提条件的至少一个发动机特性参数，然后将其作为输出信号在输出端上输出。

不同于在发动机试验台领域的高端指示设备的应用，低端指示设备市场的应用(例如用于对内燃发动机进行参数设置、校准、诊断、检测、控制的低成本试验台，或者量产汽车的车载测量设备)，指示设备的花费与成本应当很少。鉴于上述原因，使用传统型指示装置或传感装置无法做到这一点。迄今为止需要使用已知的指示设备(例如气缸压力传感器)记录测量值，并且将其提供给发动机控制单元(ECU)或者处理单元，在这里测量值通常在考虑其它测量值(例如所测定的曲轴转角)的情况下并且必要时借助于所保存的综合特性曲线对测量值进行分析。所要使用的传感装置当然会增大对传感器和发动机控制单元或处理单元进行安装、调试、维护以及参数设置所需的时间和成本。现在可采用本发明所述的指示装置来避免这些缺点：即在指示装置中没有整合附加的曲轴转角输入端的情况下计算所需的特性参数(否则就要添置昂贵的传感装置以及信号输入端)，因为如此获得的精度足以用来计算车载测量设备或者低端指示设备范围内的应用以及其它低精度要求的应用的特性参数。尤其是利用本发明所述的指示装置能够实现较低的投资成本、更容易安装在汽车之中、更容易进行参数设置、节约调试和测量时间、可以传输到外部系统、提高发动机研发质量同时节约时间(避免重复循环)。此外根本不需要深奥的专业知识即可操作这种指示装置。通过这种应用也可以有针对性地查找故障(发动机控制系统部件或者软件结构的故障)。此外由于几乎能够任意计算参数，因此这种指示装置的应用方式十分灵活。

对于某些传感器单元而言，在指示装置中最好在传感器单元和计算单元之间配置信号放大器、尤其是电荷放大器，其能够对传感器信号进行处理(例如放大、调整、滤波和/或数字化)。

如果在计算单元中能够单纯根据测量参数、也就是不使用曲轴转角数据就能算出附加的特性参数(例如峰值压力，燃烧噪声或爆震强度)，则可以进一步提高本发明所述指示装置的灵活性和优点。

此外最好给分析单元配置多个用于不同测量通道的输入端，并且给每一个测量通道或者具有至少一个测量通道的每一组测量通道配置一个独立的计算单元。可以设定成使得多个计算单元能够相互通信，也就是相互交换数据。最好也可以将唯一一个计算单元用于所有测量通道。

例如对于多缸发动机上的指示装置而言，多个测量通道的重要性毋庸置疑：每一个气缸均配有一个独立的气缸压力传感器，且应以所有共同有效的曲轴转角数据为基础，对多个气缸压力变化进行分析。这种情况下如果不仅存在一个、而是存在多个随曲轴转角变化的信号，同时还可以利用发动机几何以及存在于各信号之间的时间或曲轴转角偏差方面的经验知识，则特别有助于计算曲轴转角数据。

如果将指示装置的所有单元均布置在同一个外壳之中，就能获得一种特别紧凑、易于应用且尤其可以减少布线花费的设备。可以将这种设备作为“智能传感器”，因为能够提供所需的信号或数据以及发动机特性参数，且根本不需要后续的分析单元。

如果在指示装置中配置滤波单元和/或信号调整装置和/或放大器，则可以进一步减少后续单元的花费，因为指示装置已经能够提供按照要求放大的信号。

如果将发动机控制单元整合在指示装置之中，从而进一步减少硬件花费，就能够进一步提高集成度。

这种指示装置特别适宜整合在发动机控制系统之中，因为可以直接给发动机控制系统提供所需的特性参数，这样可减少发动机控制系统中的时间花费，另一方面也可以减少发动机控制系统的传感装置的花费。

附图说明

以下将根据附图1～4所示的有利实施例，对本发明进行详细解释，但本发明并不限于这些实施例。其中：

附图1本发明所述指示装置在发动机上的设置，

附图2各种不同指示装置的示意图，以及

附图3和4分别示出本发明所述指示装置的另一个示例。

具体实施方式

附图1所示为内燃发动机气缸1的局部视图。活塞2在缸腔3内运动，在气缸1上以已知的方式安装气门4以及用于汽油发动机的火花塞5，当然本发明也适用于其它燃烧方法的内燃发动机。此外在气缸1上还安装有传感器单元10和分析单元8构成的指示装置6，其在此情况下例如用来测量、分析气气缸压力力。所谓指示装置通常以已知的方式理解成这样的装置，即指以很好的精度测量和/或分析在工作中例如在一个工作循环过程中随时间或曲轴转角变化的发动机测量参数的装置，但所述测量参数并非仅指燃烧情况。如本实施例所示，指示装置6或者指示装置6的分析单元8可以与发动机控制系统的发动机控制单元7或者与其它处理单元相连。

如附图2a的详图所示，指示装置6包括一个用来检测测量参数的传感器单元10(例如压电式压力传感器，应变片，压阻式压力传感器，固体声爆震传感器，用于分析声发射及超声发射的传感器，离子流探针，火光传感器，针阀升程传感器，气门升程或活塞冲程传感器等)以及一个分析单元8。传感器单元10和分析单元8通过适当的导线相连，通过输入端14将传感器单元10的信号提供给分析单元8。在分析单元8中安装有计算单元12，例如微处理器或者DSP(Digital Signal Processor数字信号处理器)，可利用计算单元将所测定的测量参数(例如气缸1中的压力)处理成为发动机特性参数。可以直接在计算单元12中对测量信号进行模数转换，或者在此之前进行转换。在输出端13上以模拟或数字方式输出经过分析单元8的计算单元12处理过的信号。最为简单的实施型式是将分析单元8和计算单元12设计成唯一的一个单元。

同样也可以在分析单元8上安装一个可以显示所计算的发动机特性参数的显示装置15。

也可以按照已知方式在传感器单元10和计算单元12之间安装一个信号放大器，尤其是用于压电式传感器的电荷放大器11，如附图2b所示。视传感器的类型而定，可以使用各种不同的已知信号放大器电路。对于主要用来测量压力、力、扭矩和加速度的压电式传感器而言，电荷放大器(狭义)的原理与静电计放大器和跨阻放大器(例如电压-电流变换器或者电荷-电流变换器)相比更加适用。已知有各种不同的电路可用于电荷放大器(狭义)。

此外还可以在指示装置6中，例如在分析单元8中或者在传感器单元10和分析单元8之间配置图中并未绘出的滤波单元和/或信号调整装置。

计算单元12根据所测定的测量参数计算曲轴转角数据(例如转速，曲轴旋转一圈的持续时间，当前角速度，工作循环持续时间，工作循环持续时间除以气缸数所得的商，或者任意角度精度的当前旋转角)，并且根据所测定的测量参数和算出的曲轴转角数据确定发动机特性参数或者指示参数(例如平均指示压力，质量交换点，燃烧过程，燃烧重心位置，阶次分析的分量，以曲轴转角度数为单位的点火延时等等)。指示装置6或分析单元8自身并不需要曲轴转角输入端，因此对所需传感装置的要求很少。例如如附图1所示，可以通过适当的导线，将所算出的以及在输出端13上输出的发动机特性参数提供给发动机控制单元7或者其它处理单元进行继续处理。分析单元8既可以输出模拟输出信号，也可以输出数字输出信号。

也可以对计算单元12进行任意编程，使得用户可以任意分析测量参数。这既包括计算曲轴转角数据的方式，也包括计算哪一个发动机特性参数。当然根据一个测量参数也可以推导多个不同的曲轴转角数据，例如不同近似精度的曲轴转角数据，可以将其与测量参数一起进行分析，得出不同的发动机特性参数。

原则上任何包含随曲轴转角变化的分量的参数(也就是随时间或曲轴转角变化并且可以用来推导曲轴转角数据的参数)可作为测量参数。尤其是具有循环周期特性(4冲程发动机为720°，2冲程发动机为360°)或者至少具有这种信号分量的参数是有利的。其它信号分量(尤其是发动机瞬变工况或者外部影响引起的信号分量)不适宜用来计算曲轴转角数据。例如可以使用下列参数：气缸压力、气缸内的火光、气缸内的离子流、点火电压、点火电流、喷油压力、(例如气缸盖或者耐火盖上的)机械振动、固体声、空气噪声以及吸入空气或废气的压力脉动。已有可用来检测这些参数的传感器。当发动机处在稳定工况时，这些参数基本上是周期性的信号。但在真实的发动机运转过程中，发动机工况会因为加速或减速而不断变化。例如在发动机起动或者急加速过程中，转速或工作循环内的角速度就会发生变化，因此用于分析测量参数的常规FFT分析方法通常不起作用，必须使用经过改进的方法，例如AT 001 519 U所公开的内燃发动机转速测定方法。

可以将如此算出的发动机特性参数保持在后续处理单元中作为指示变量，从而可以事后分析所记录的测量数据和发动机运行参数。可想而知，同样也可在发动机研发或者发动机校准以及发动机测试过程中用来设计例如极限范围内的燃烧(如在柴油发动机的爆震或满负荷的情况下)，或者用来改善舒适性(例如在燃烧噪声方面)，或者仅用来监测连续运转情况。但也可将这种发动机特性参数用于车载测量设备以及发动机控制系统。例如可以使用发动机特性参数来控制发动机或者发动机的某些方面(例如燃烧)，或者根据变化的发动机状态适配发动机控制系统(例如根据所保存的发动机综合特性曲线)。同样也可以通过监测某些发动机特性参数来识别、显示发动机内的问题。

特别重要的是分析完成内燃发动机组合系统的能量流或调整能量或功率平衡。对于电动机而言，可以比较简单地根据例如可电气测量的参数来测定输入或输出功率；而对于内燃发动机而言，通常需要使用时间精度相对较高的机械和/或热力学测量装置，也就是能够计算所需要的当前的或者在一个燃烧循环过程中产生的平均功率和能量并且可将其用于进行分析的指示装置。因此也可有利地将本发明所述的指示装置用于这些应用。

显而易见，除了用来计算曲轴转角数据的发动机特性参数之外，还可以任意计算其它发动机特性参数，即没有曲轴转角数据也能直接根据所测量的测量参数推导出来的发动机特性参数。可以通过输出端13将这些发动机特性参数传输给发动机控制单元7或者另一个处理装置。

同样也可以考虑，也可将发动机控制单元7整合在指示装置6之中。分析单元8可以对传感器信号进行分析，同时还起到控制发动机的作用，或者直接由通常包含一个计算单元(例如微处理器)的发动机控制单元7对这些信号进行分析，从而能够省去指示装置6中的附加分析单元8。

当然同样也可以在分析单元8中配置多个用于各种测量参数的测量通道，如附图3所示。为此可以在分析单元8上给每一个测量通道安排一个自身的输入端14。这样就可以利用一个指示装置6或者利用分析单元8对多个传感器单元10的测量参数进行处理和分析。例如可以将不同的传感器单元10布置在发动机的不同部位上，或者在每一个气缸上安装一个用来检测气缸压力的压力传感器。这些其它的测量参数在指示装置6中可以根据曲轴转角进行分析(其中根据至少一个测量参数推导出所需的曲轴转角数据)或者不根据曲轴转角数据进行分析。当然只要根据一个测量参数就足以计算出曲轴转角数据。但同样也可以针对任何一个测量参数来计算曲轴转角数据。

同样也可以在分析单元8中给每一个测量通道配置一个计算单元12，如附图3所示，或者也可以给一个测量通道或由至少一个测量通道构成的一组测量通道配置一个计算单元，如附图4所示。当然同样也可以将所需的电荷放大器11直接安装在传感器单元10之中。

指示装置6的各个部件当然也可以安装在一个共同的外壳9之中，如附图2c)所示，从而构成特别便于使用的“智能传感器”。这种封闭的外壳9当然也可以省去传感器10和计算单元12之间所需要的外部的布线。指示装置6已包含分析测量信号所需的所有单元。

可以按照早已为人所知的方式，预先通过相应的软件对指示装置6或分析单元8或者计算单元12进行参数设置，例如传感器单元10的灵敏度或分辨率。可想而知，也可以自动进行参数设置，即在学习过程中对指示装置6或其部件进行自动参数设置。

上述指示装置可以用于任意配置和环境下的内燃发动机，尤其可用于任何试验台，例如可安装在F&E试验台或者生产试验台上，可单独安装在内燃发动机上例如作为驱动装置、辅助驱动装置或者作发电机，或者与其它部件组合使用，例如与传动系的部件、整个传动系组合使用，或者安装在汽车之中。可想而知，当然也可用于常规应用(道路或水上应用等等)，也可以在车间、船坞等等中使用。

Claims (13)

1.用来确定至少一个发动机特性参数的指示装置，包括：传感器单元(10)，该传感器单元用来记录具有随曲轴转角变化的分量的测量参数；以及计算单元(12)，该计算单元通过输入端(14)与传感器单元(10)相连接；其特征在于，计算单元(12)根据利用传感器单元(10)记录的测量参数计算曲轴转角数据，并且根据所述测量参数以及算出的曲轴转角数据确定所述至少一个以了解曲轴转角数据为前提条件的发动机特性参数，然后将其作为输出信号在输出端(13)上输出。

2.根据权利要求1所述的指示装置，其特征在于，在指示装置(6)中在传感器单元(10)和计算单元(12)之间设置信号放大器(11)、尤其是电荷放大器。

3.根据权利要求1或2所述的指示装置，其特征在于，在计算单元(12)中单纯根据所述测量参数就能够确定附加的特性参数。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的指示装置，其特征在于，设置具有多个用于各种不同测量通道的输入端(14)的分析单元(8)，且为每一个测量通道设置一个自身的计算单元(12)。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的指示装置，其特征在于，设置具有多个用于各种不同测量通道的输入端的分析单元(8)，且这些测量通道或者一组测量通道具有唯一一个计算单元(12)。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的指示装置，其特征在于，在指示装置(6)中设置滤波单元和/或信号调整装置和/或放大器。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的指示装置，其特征在于，指示装置(6)安装在一个共同的外壳(9)之中。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的指示装置，其特征在于，指示装置(6)包括一个发动机控制单元(7)。

9.根据权利要求8所述的指示装置，其特征在于，以发动机控制单元(7)的计算单元作为分析单元。

10.具有权利要求1～7中任一项所述指示装置的发动机控制系统，其特征在于，指示装置(6)与发动机控制单元(7)相连，并且向发动机控制单元(7)提供至少一个发动机特性参数，在发动机控制单元(7)中使用所述发动机特性参数时发动机进行控制。

11.用于确定至少一个发动机特性参数的方法，将指示装置(6)安装在发动机或者发动机总成上，并且利用指示装置(6)的传感器单元(10)检测具有随曲轴转角变化的分量的测量参数，其特征在于，指示装置(6)的计算单元(8)根据所述测量参数计算出曲轴转角数据，并且根据所述测量参数以及算出的曲轴转角数据确定发动机特性参数。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，确定单纯根据测量参数就能够确定的附加的特性参数。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在发动机控制系统的发动机控制单元(7)中使用发动机特性参数来控制发动机。

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