CN101892914A - 基于模型的发动机瞬态进气量预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，其特征在于：由以下几个物理模型和计算方法组成；即进气压力传感器信号的采集与处理、基于速度密度法的主充气模型、基于节气门流量特性的次充气模型、节气门角度预估模型、进气管动态负荷模型、充量系数的预估计算；计算过程是在10ms任务中依次计算次充气模型，节气门角度预估模型，在缺齿中断计算当前进气压力、主充气模型、进气管动态负荷模型和充量系数预估模型。提高了控制精度，从而避免了瞬态工况下扭矩响应性差，排放恶化的现象。

Description

基于模型的发动机瞬态进气量预估方法

技术领域

本发明涉及一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，属于汽车电子软件开发领域。

背景技术

对于量调节发动机控制，一般是根据进气量的多少和目标空燃比来计算燃油量的。但是对于一般进气道喷射发动机，当前循环燃油喷射时刻要先于进气量完成时刻(一般认为在进气循环下止点完成进气，但为了预混合，燃料喷射一般提前喷入进气歧管)。如图1所示，在进气冲程下止点完成进气，在此之前就要完成喷油。如果发动机在稳态工况下运行，则可以精确保证燃料浓度。但如果发动机在急剧变化的瞬态工况下，则必须在油量计算前，要先大致估计出下一循环的进气量，然后再根据此进气量进行目标油量计算。只有这样，才能更好的保证空燃比，否则很容易出现发动机“加速偏稀，减速过浓”的现象，造成瞬态工况下扭矩响应性差，排放恶化的现象。由于车用发动机瞬态工况所占的比重很大，所以必须要提高瞬态工况下目标循环进气量的估计精度。

目前比较普遍的预估方法是监测进气压力的变化，根据进气压力的梯度，来确定是否进入瞬态工况。然后以此梯度为变化规律，估计出在进气行程下止点的进气压力。最后根据进气压力计算空气流量。

由于用已知梯度来直接代表发动机充气效率的变化趋势精度很差，并且必须需要一定时间进行工况确认，所以最终空气量估计的准确性比较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，是一种基于模型的预估方法，再结合基于传感器信号的预估方法，提高了控制精度，从而避免了瞬态工况下扭矩响应性差，排放恶化的现象。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，其特征在于：由以下几个物理模型和计算方法组成；即进气压力传感器信号的采集与处理、基于速度密度法的主充气模型、基于节气门流量特性的次充气模型、节气门角度预估模型、进气管动态负荷模型、充量系数的预估计算；计算过程是在10ms任务中依次计算次充气模型，节气门角度预估模型，在缺齿中断计算当前进气压力、主充气模型、进气管动态负荷模型和充量系数预估模型，如图1所示。

所述的充量系数的预估计算是把当前单缸进气质量和在标准条件下即P0＝101.325kPa，T0＝273K时气缸所能容纳的空气质量的比值定义为充量系数；发动机充量系数和空气流量具有一定的转化关系：空气流量＝MSTOVE×转速，MSTOVE为系统的标定量，它包含了标态空气密度、单位量纲转换参数、发动机排量等因素，经推导整理为

所述的进气压力传感器信号的采集与处理是系统每1ms采集一次传感器原始电压信号，在两个缺齿中断间做平均化处理，得到传感器信号平均值；当新的缺齿中断触发时，调用进气压力计算函数，即用平均电压值计算当前进气压力，两次相邻的缺齿中断计算的压力差为进气压力变化梯度dPes1。

所述的主充气模型是由传感器得到的进气压力和发动机充量系数的线性关系计算充量系数；用以转速为输入的脉谱来标定斜率和偏移量，再用发动机缸盖温度修正斜率项，用大气压力修正偏移量，此函数每10ms执行一次。

所述的次充气模型是：

1)应用相应流体力学原理，依据对于流过节气门的空气流量计算可以采用理想喷嘴处的可压缩气体方程：

${\stackrel{\·}{m}}_t=A_t\frac{p_a}{\sqrt{R{T}_a}}\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)---\left(1\right)$

当

时：

$\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)=\sqrt{\frac{2k}{k-1}[{\left(\frac{p_m}{p_a}\right)}^{2/k}-{\left(\frac{p_m}{p_a}\right)}^{(k+1)/k}]}---\left(2\right)$

其它情况下：

$\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)=\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{(k+1)/(k-1)}}---\left(3\right)$

(1)(2)(3)式中：

为流经节气门体的空气流量；k为绝热指数(k＝1.4)；p_a为节气门上游压力；T_a为节气门前温度；p_m为节气门下游压力；A_t为节气门处有效流通截面面积，具体只和节气门开度有关，一般用四次多项式表示二者关系：

A_t＝a₄×α4+a₃×α3+a₂×α2+a₁×α+α0    (4)

2)上述非线性数学公式非常复杂，不利于嵌入式系统微处理器的运算，所以在算法设计中进行了如下推导和处理：

a)定义了标准流量。

当如下3个条件全都满足时：

(1)节气门上游压力为标准大气压(101.325KPa)；

(2)节气门上游温度为0摄氏度(273K)；

(3)节气门下游、上游压力比小于此时的气体流速为音速；在一定开度下的空气流量称为此开度下的标准流量，此时，(1)式可以写成：

${\stackrel{\·}{m}}_0=A_t\frac{p_0}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_o}}\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{(k+1)/(k-1)}}---\left(5\right)$

(5)式中

即为定义的标准流量；可以推导出，实际流量和标准流量的转化关系如下：

${\stackrel{\·}{m}}_0=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_t}{\frac{p_a}{p_0}\sqrt{\frac{T_o}{T_a}}\frac{\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)}{\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{(k+1)/(k-1)}}}}---\left(6\right)$

b)将(6)中的非线性表达式用脉谱代替；

非线性表达式

用输入为一个一维脉谱代替，输入为

非线性表达式

同样用一个一维脉谱代替，输入为T_a；这样，可以使标准流量和实际流量具有线性化得转化关系；

c)定义节气门流量特性。

根据(5)式，如果工况一定，标准流量

和有效流通面积A_t具有线性关系。再结合(4)式，可以得出，标准流量是节气门开度的一维非线性函数，在系统中定义为节气门流量特性。具体同样用脉谱标定得出。

次充气模型函数每10ms调用一次。

所述的节气门角度预估模型是用两级低通滤波函数串联来模拟节气门开度的阶跃响应曲线。目的是在缺齿中断时预测进气行程下止点时刻的节气门开度。两级低通滤波的时间常数为标定量。

所述的进气管动态负荷模型是用微分方程(7)来描述进气管的压力变化：

将此方程离散化，并在缺齿中断下计算，可变型成方程(8)：

标定量KIVES包括了发动机相关基础信息，具体如下：

那么(8)的计算结果就是当前循环的进气压力变化率；进一步累加，就是当前循环下的进气压力。

所述的充量系数预估算法是在缺齿中断时以进气压力传感器值的变化梯度dPes1为趋势，预测进气行程下止点(BDC)时的进气压力Pes1；再用Pes1结合主充气模型算法计算BDC时刻充量系数vemp；

用节气门开度预估模型计算的进气行程下止点时的节气门开度，使用次充气模型原理，计算出BDC时刻进入进气管的充量系数verohmp；

依据动态负荷模型原理，用vemp，verohmp计算出BDC时刻的进气压力梯度dPes2；

取平均值

作为目标进气压力变化梯度；

以此变化梯度为趋势，计算出BDC时的进气压力Pesp，再结合主充气模型原理计算充量系数估计值vep。

本发明的积极效果是可以估计出进气压力的变化梯度，再结合当前测量得到的进气压力，预测出下一循环的发动机进气量；使发动机在瞬态工况下，可以更为精确的控制空燃比，提高控制效果，从而避免了瞬态工况下扭矩响应性差，排放恶化的现象。

附图说明：

图1为发动机喷油、进气顺序及部分函数计算顺序示意图；

图2为本发明的发动机充量系数预估算法示意图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述：一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，其特征在于：由以下几个物理模型和计算方法组成；即进气压力传感器信号的采集与处理、基于速度密度法的主充气模型、基于节气门流量特性的次充气模型、节气门角度预估模型、进气管动态负荷模型、充量系数的预估计算；计算过程是在10ms任务中依次计算次充气模型，节气门角度预估模型，在缺齿中断计算当前进气压力、主充气模型、进气管动态负荷模型和充量系数预估模型。

具体包含以下内容：

1、定义了充量系数

单缸进气质量和在标准条件下(P₀＝101.325kPa，T₀＝273K)气缸所能容纳的空气质量的比值定义为充量系数，充量系数和空气流量之间可以借助于一个基于发动机基础信息的标定量相互转化关系：空气流量＝MSTOVE×转速，MSTOVE为系统的标定量，它包含了标态空气密度、单位量纲转换参数、发动机排量等因素，经推导整理为

2、进气压力传感器信号的采集与处理：

系统每1ms采集一次传感器原始电压信号，在两个缺齿中断间做平均化处理，得到传感器信号平均值；当新的缺齿中断触发时，调用进气压力计算函数，即用平均电压值计算当前进气压力，两次相邻的缺齿中断计算的压力差为进气压力变化梯度dPes1。

3、主充气模型：

根据当前循环的进气压力计算发动机充量系数，用充量系数表示发动机负荷；是由传感器得到的进气压力和发动机充量系数的线性关系计算充量系数；用以转速为输入的脉谱来标定斜率和偏移量，再用发动机缸盖温度修正斜率项，用大气压力修正偏移量，此函数每10ms执行一次。

4、次充气模型：

根据可压缩气体方程，用已知的当前节气门开度计算出从流经节气门体进入进气管的空气流量；系统定义了标准流量的概念，应用两个脉谱表分别代替了两个非线性表达式，使问题得到简化。

1)应用相应流体力学原理，依据对于流过节气门的空气流量计算可以采用理想喷嘴处的可压缩气体方程：

${\stackrel{\·}{m}}_t=A_t\frac{p_a}{\sqrt{R{T}_a}}\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)---\left(1\right)$

当

时：

$\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)=\sqrt{\frac{2k}{k-1}[{\left(\frac{p_m}{p_a}\right)}^{2/k}-{\left(\frac{p_m}{p_a}\right)}^{(k+1)/k}]}---\left(2\right)$

其它情况下：

$\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)=\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{(k+1)/(k-1)}}---\left(3\right)$

(1)(2)(3)式中：

为流经节气门体的空气流量；k为绝热指数(k＝1.4)；p_a为节气门上游压力；T_a为节气门前温度；p_m为节气门下游压力；A_t为节气门处有效流通截面面积，具体只和节气门开度有关，一般用四次多项式表示二者关系：

A_t＝a₄×α4+a₃×α3+a₂×α2+a₁×α+α0    (4)

2)上述非线性数学公式非常复杂，不利于嵌入式系统微处理器的运算，所以在算法设计中进行了如下推导和处理：

d)定义了标准流量。

当如下3个条件全都满足时：

(4)节气门上游压力为标准大气压(101.325KPa)；

(5)节气门上游温度为0摄氏度(273K)；

(6)节气门下游、上游压力比小于

此时的气体流速为音速；在一定开度下的空气流量称为此开度下的标准流量，此时，(1)式可以写成：

${\stackrel{\·}{m}}_0=A_t\frac{p_0}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_o}}\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{(k+1)/(k-1)}}---\left(5\right)$

(5)式中即为定义的标准流量；可以推导出，实际流量和标准流量的转化关系如下：

${\stackrel{\·}{m}}_0=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_t}{\frac{p_a}{p_0}\sqrt{\frac{T_o}{T_a}}\frac{\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)}{\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{(k+1)/(k-1)}}}}---\left(6\right)$

e)将(6)中的非线性表达式用脉谱代替；

非线性表达式

用输入为一个一维脉谱代替，输入为

非线性表达式

同样用一个一维脉谱代替，输入为T_a；这样，可以使标准流量和实际流量具有线性化得转化关系；

f)定义节气门流量特性。

根据(5)式，如果工况一定，标准流量

和有效流通面积A_t具有线性关系。再结合(4)式，可以得出，标准流量是节气门开度的一维非线性函数，在系统中定义为节气门流量特性。具体同样用脉谱标定得出。

次充气模型函数每10ms调用一次。

所述的节气门角度预估模型是用两级低通滤波函数串联来模拟节气门开度的阶跃响应曲线。目的是在缺齿中断时预测进气行程下止点时刻的节气门开度。两级低通滤波的时间常数为标定量。

6、进气管动态负荷模型：

用进气管的数学模型来描述进气压力的变化情况；可以计算出压力变化梯度。也可以把压力梯度积分得到进气压力，这样可以和进气压力传感器信号一起互做冗余校验。

进气管动态负荷模型是用微分方程(7)来描述进气管的压力变化：

将此方程离散化，并在缺齿中断下计算，可变型成方程(8)：

标定量KIVES包括了发动机相关基础信息，具体如下：

那么(8)的计算结果就是当前循环的进气压力变化率；进一步累加，就是当前循环下的进气压力。

7、充量系数的预估算法：

运用上述提到的模型原理，在进气循环下止点(BDC)应用次充气模型原理和进气管动态负荷模型原理，计算出一个进气压力变化梯度，和基于传感器信号的压力梯度取平均值，作为最终的压力变化梯度。如附图2所示，具体计算步骤如下：

i.计算预估角度。T1为缺齿中断计算油量时刻，T1+pre_ang为进气循环下止点(BDC)时刻。那么pre_ang就是预估角度。

ii.基于进气压力传感器信号计算T1时刻的进气压力Pes及压力梯度dPes1，附图2中实际歧管压力曲线在W1处的斜率也就是图中红色切线的斜率。传感器处理函数每次缺齿中断调用一次，两次相邻中断内进气压力的增量就是梯度。

iii.以梯度dPes1为变化趋势，预测T1+pre_ang时刻的进气压力Pemp，Pemp＝Pes+dPes×pre_ang。再用主充气模型原理计算T1+pre_ang时刻的充量系数vemp。此充量系数即为T1+pre_ang时刻流出进气管进入发动机气缸的充量系数。

iv.基于节气门角度预估模型预估T1+pre_ang时刻的节气门开度throttle_ang。然后再基于次充气模型原理计算T1+pre_ang时刻的空气流量，最后转化成充量系数verohmp，即为T1+pre_ang时刻从节气门体进入进气管的充量系数。

v.在T1+pre_ang时刻运用进气管动态负荷模型原理，计算出BDC处的压力变化梯度dPs2：

此式中，P₀、T₀分别为标态下的压力和温度，KIVES为系统标定量，和发动机相关基础参数有关。

vi.2)和5)步骤计算的两个压力梯度取平均值。用此梯度预测BDC时刻的进气压力Pesp。Pesp＝Pes+dPesp*pre_ang。再用主充气模型原理计算BDC时刻的充量系数vep。

Claims (8)

1.一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，其特征在于：由以下几个物理模型和计算方法组成；即进气压力传感器信号的采集与处理、基于速度密度法的主充气模型、基于节气门流量特性的次充气模型、节气门角度预估模型、进气管动态负荷模型、充量系数的预估计算；计算过程是在10ms任务中依次计算次充气模型，节气门角度预估模型，在缺齿中断计算当前进气压力、主充气模型、进气管动态负荷模型和充量系数预估模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，其特征在于所述的充量系数的预估计算是把当前单缸进气质量和在标准条件下即P0＝101.325kPa，T0＝273K时气缸所能容纳的空气质量的比值定义为充量系数；发动机充量系数和空气流量具有一定的转化关系：空气流量＝MSTOVE×转速，MSTOVE为系统的标定量，它包含了标态空气密度、单位量纲转换参数、发动机排量等因素，经推导整理为

3.根据权利要求1所述的一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，其特征在于所述的进气压力传感器信号的采集与处理是系统每1ms采集一次传感器原始电压信号，在两个缺齿中断间做平均化处理，得到传感器信号平均值；当新的缺齿中断触发时，调用进气压力计算函数，即用平均电压值计算当前进气压力，两次相邻的缺齿中断计算的压力差为进气压力变化梯度dPes1。

4.根据权利要求1所述的一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，其特征在于所述的主充气模型是由传感器得到的进气压力和发动机充量系数的线性关系计算充量系数；用以转速为输入的脉谱来标定斜率和偏移量，再用发动机缸盖温度修正斜率项，用大气压力修正偏移量，此函数每10ms执行一次。

5.根据权利要求1所述的一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，其特征在于所述的次充气模型是：

1)应用相应流体力学原理，依据对于流过节气门的空气流量计算可以采用理想喷嘴处的可压缩气体方程：

${\stackrel{\·}{m}}_t=A_t\frac{p_a}{\sqrt{R{T}_a}}\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)---\left(1\right)$

当

时：

$\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)=\sqrt{\frac{2k}{k-1}[{\left(\frac{p_m}{p_a}\right)}^{2/k}-{\left(\frac{p_m}{p_a}\right)}^{(k+1)/k}]}---\left(2\right)$

其它情况下：

$\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)=\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{(k+1)/(k-1)}}---\left(3\right)$

(1)(2)(3)式中：为流经节气门体的空气流量；k为绝热指数(k＝1.4)；p_a为节气门上游压力；T_a为节气门前温度；p_m为节气门下游压力；A_t为节气门处有效流通截面面积，具体只和节气门开度有关，一般用四次多项式表示二者关系：

A_t＝a₄×α4+a₃×α3+a₂×α2+a₁×α+α0(4)

2)上述非线性数学公式非常复杂，不利于嵌入式系统微处理器的运算，所以在算法设计中进行了如下推导和处理：

a)定义了标准流量。

当如下3个条件全都满足时：

(1)节气门上游压力为标准大气压(101.325KPa)；

(2)节气门上游温度为0摄氏度(273K)；

(3)节气门下游、上游压力比小于

此时的气体流速为音速；

在一定开度下的空气流量称为此开度下的标准流量，此时，(1)式可以写成：

${\stackrel{\·}{m}}_0=A_t\frac{p_0}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_o}}\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{(k+1)/(k-1)}}---\left(5\right)$

(5)式中

即为定义的标准流量；可以推导出，实际流量和标准流量的转化关系如下：

${\stackrel{\·}{m}}_0=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_t}{\frac{p_a}{p_0}\sqrt{\frac{T_o}{T_a}}\frac{\mathrm{\ψ}(p_m,p_a,k)}{\sqrt{k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{(k+1)/(k-1)}}}}---\left(6\right)$

b)将(6)中的非线性表达式用脉谱代替；

非线性表达式

用输入为一个一维脉谱代替，输入为

非线性表达式

同样用一个一维脉谱代替，输入为T_a；这样，可以使标准流量和实际流量具有线性化得转化关系；

c)定义节气门流量特性。

根据(5)式，如果工况一定，标准流量

和有效流通面积A_t具有线性关系。再结合(4)式，可以得出，标准流量是节气门开度的一维非线性函数，在系统中定义为节气门流量特性。具体同样用脉谱标定得出。

次充气模型函数每10ms调用一次。

6.根据权利要求1所述的一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，其特征在于所述的节气门角度预估模型是用两级低通滤波函数串联来模拟节气门开度的阶跃响应曲线。目的是在缺齿中断时预测进气行程下止点时刻的节气门开度。两级低通滤波的时间常数为标定量。

7.根据权利要求1所述的一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，其特征在于所述的进气管动态负荷模型是用微分方程(7)来描述进气管的压力变化：

将此方程离散化，并在缺齿中断下计算，可变型成方程(8)：

标定量KIVES包括了发动机相关基础信息，具体如下：

那么(8)的计算结果就是当前循环的进气压力变化率；进一步累加，就是当前循环下的进气压力。

8.根据权利要求1所述的一种基于模型的发动机瞬态进气量预估方法，其特征在于所述的充量系数预估算法是在缺齿中断时以进气压力传感器值的变化梯度dPes1为趋势，预测进气行程下止点(BDC)时的进气压力Pes1；再用Pes1结合主充气模型算法计算BDC时刻充量系数vemp；

用节气门开度预估模型计算的进气行程下止点时的节气门开度，使用次充气模型原理，计算出BDC时刻进入进气管的充量系数verohmp；

依据动态负荷模型原理，用vemp，verohmp计算出BDC时刻的进气压力梯度dPes2；

取平均值

作为目标进气压力变化梯度；

以此变化梯度为趋势，计算出BDC时的进气压力Pesp，再结合主充气模型原理计算充量系数估计值vep。

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