CN101952577A - 根据发动机运行阶段启用或停用滤波器的内燃发动机气缸压力测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种内燃发动机的气缸压力测量装置，包括：至少一个压力传感器(1)，所述压力传感器由至少一个与电容元件连接的压电元件和产生代表施加在压电元件上的压力(F)的第一电压(V1)的输出(10)构成；能够滤除低频寄生电压且能够产生第二电压(V2)的滤波模块(2)；可以启用或停用滤波模块的切换模块(4)；命令模块(3)，其能够输出用于以与发动机运行阶段相关联的方式命令切换模块(4)的命令信号(Scom)；输出(5)，其产生在压缩阶段或燃烧-膨胀阶段中等于第一电压(V1)而在吸气阶段或排气阶段中等于第二电压(V2)的输出电压(Vout)。

Description

根据发动机运行阶段启用或停用滤波器的内燃发动机气缸压力测量方法和装置
技术领域
本发明涉及尤其用于汽车领域中的压力测量方法和装置。本发明尤其涉及用于测量在内燃发动机气缸中主导的压力的测量装置。通常用于该领域的测量装置包括至少一个由与电容元件连接的压电元件构成的压力传感器，其产生代表施加于所述压电元件上的压力的电压。
背景技术
通常情况下，压电元件(例如，石英)是对其上所施加的应力(这里即为压力F)敏感的元件。在压力传感器中使用这样的压电元件可以产生与所施加的压力成比例的电荷Q。与压电元件连接的电荷转换器(例如，电容为C的电容器)将电荷Q转换为与该电荷Q成比例的第一电压V1，其中V1＝Q/C。因此电压V1代表所施加的压力。
如图1a中所示，电容器可以是纳入在压电元件中的内部电容器(例如，压电元件的电容)，于是第一电压V1直接取自所述压电元件的端子。
电容器还可以为外部电容器C。如图1b中所示，外部电容器C与放大器AOP连接(也被称作电荷放大器)，且第一电压V1取自放大器AOP的输出。
三个特征需要被实施以便保证压力检测信号被正确处理：
i.对低频和直流分量进行良好的抑制。这一点是必须的，因为否则就会出现信号的不稳定，而这表现为输出信号的饱和。
ii.对检测到的压力信号的通频带的保留。如果这一点没有保证，将会出现信号失真，这会导致信号的易用性降低。
iii.对作为参考值的信号最小值的保留。
因此，在现有技术中已经提出通过使用纯积分电路(参见图1a和图1b)来应对该问题。这种类型的电路可以具有宽的通频带(事实上是满通频带)，这使得可以通过整个有用信号通频带来转换源自压电元件的电荷，因此没有失真。但通频带的这种保留的缺点是不能抑制低频分量。其结果是使得源自温度效应的噪音通过。所述温度效应由热电效应(温度变化导致压电晶体的电极化发生变化)和构成敏感元件的机械元件的膨胀效应所形成。另外，所述类型的积分电路不能够摆脱由压电元件的端子绝缘不良所引起的泄漏电流，这会引起信号漂移。因此，这种可选方法既不是最佳的，甚至也不是让人满意的。
为了稳定第一电压V1，另一种可选方法旨在设置与电容为C的电容器并联的电阻R(或任何其他允许获得用于电压电荷的包括积分函数在内的传递函数以及允许对低频进行滤除的滤波器)，如图2a和2b所示。由于与电容器连接的电阻R表现为高通滤波器，故寄生低频电压被滤除，从而所得到的第一电压V1摆脱了这些寄生电压。
在执行一连串循环的四冲程内燃发动机情形下，每个循环分解为四个也被称为“冲程”的阶段(所述四个冲程通常被称为“吸气冲程”、“压缩冲程”、“燃烧-膨胀冲程”、“排气冲程”)。在压缩阶段和燃烧-膨胀阶段中，气缸压力可能达到数百巴以上，而在吸气阶段和排气阶段中，气缸压力只有几巴。为了矫正燃料喷射参数和燃料/助燃剂混合物的点火标准，该混合物的燃烧起始时刻必须准确地确定。另外，当发动机在压缩和燃烧-膨胀阶段运行时，施加在压电元件上的应力在时间上的变化粗略地来说可与如图3a中示出的脉冲信号相当。然而，通过电阻R来稳定压力传感器的输出电压的方案有几个缺点，尤其是当应力的变化可与如图3a所示的以零为参考的脉冲相当时。事实上，由于电阻R实现了高通滤波器，故第一电压V1(压力传感器的输出电压)具有为零的直流分量。这样，对于可与由以零为参考、频率为f、占空比为Δ的脉冲重复所构成的信号相当的应力，第一电压V1将具有可变的低水平且随占空比Δ变化，如图3b所示。另外，在脉冲结束时，第一电压V1并不立即恢复到参考水平。事实上，在脉冲的持续过程中，输入电荷并不是全部被转移到电容器中，而是有一部分被转移到电阻中，这就导致了表现为电压偏移的电荷损失且导致了压力传感器输出电压的失真。
如所看到的，在内燃发动机的情形下，利用通过高通滤波器抑制低频的结果导使了压力检测信号的失真。事实上，该信号具有包括非常低频率(大约0.5赫兹)的通频带。因此，通频带的保留不再能够被保证。另外，高通滤波器具有改变信号平均值的特征，因为该滤波器去除了也被称作直流分量的零赫兹频率。由于平均值回到零值，故该平均值歪曲了信号的最小值。然而，由于所述最小值代表了大气压力，故该最小值不能再用作可靠的参考。因此，该可选方法也是不可接受的。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提出一种摆脱了至少一个上述局限性的压力测量装置。
本发明尤其提出了将代表所施加压力的信号分为两个区域，且对每个信号区域进行合适的处理以减弱测量装置的输出信号失真，一种特殊的处理例如旨在应用或不应用用于消除传感器输出信号的低频寄生电压的滤波器。判别所述两个信号区域及因此是否要应用对寄生电压的处理(如滤波器)的标准，例如可以是阈值电压水平、同步到输入信号的时间窗口(相位锁定系统)、或由另一个传感器限定的时间窗口(例如内燃发动机的活塞或任何其它活动系统元件的位置传感器)。因此，本发明使得可以获得没有失真、没有低频寄生电压、且代表了施加在压电元件上的压力的测量装置输出信号。
附图说明
将在以下参照附图、非限制性地给出的本发明优选实施例的描述中更详细地阐述本发明的目的、特征和优点，在附图中：
-图1a和1b示出了将由压电元件输出的电荷转换为电压的原理图，如上所述；
-图2a和2b示出了电压稳定装置，如上详细所述；
-图3a示出了以零为参考的脉冲信号随时间(横坐标表示)的变化；
-图3b示出了图3a中的脉冲信号的失真；
-图4a示出了根据本发明具体实施例所述的测量装置的原理图；和
-图4b更详细地示出了根据本发明具体实施例所述的测量装置。
具体实施方式
如图4a所示，本发明涉及内燃发动机的气缸压力测量装置，所述内燃发动机的运行包括多个相继的循环，每个循环至少分解为第一阶段和第二阶段，所述测量装置包括至少一个压力传感器1，该压力传感器1由与电容元件连接的至少一个压电元件和产生代表施加在压电元件上的压力的第一电压V1的输出10构成。
该装置还包括：
-包括至少一个输入20和一个输出21的滤波模块2，该滤波模块2能够滤除存在于输入20上的低频寄生电压，且能够在其输出21上产生没有所述低频寄生电压的第二电压V2；
-命令模块3，该命令模块3能够输出命令信号Scom，命令信号Scom取决于与发动机运行所在的发动机阶段(在第一阶段和第二阶段当中)相关联的切换参数；
-切换模块4，作为对命令信号的响应，该切换模块4能够在第一阶段中将滤波模块2的输入20与压力传感器1的输出10断开，且能够在第二阶段中将滤波模块2的输入20与压力传感器1的输出10连接；和
-输出5，其产生在第一阶段中等于第一电压V1而在第二阶段中等于第二电压V2的输出电压Vout。
例如，第一阶段与压缩阶段或燃烧-膨胀阶段相对应，第二阶段与吸气阶段或排气阶段相对应。
所述装置还可包括放大器，该放大器的第一输入与压电元件的第一端子连接，其第二输入与压电元件的第二端子连接，而其输出与压力传感器的输出连接，电容元件设置在压力传感器的输出与放大器的第一输入之间。
图4b示出了本发明的具体实施例，其中压电元件、电容为C的电容器和放大器AOP组成了压力传感器1，与放大器连接的电容器把由压电元件输出的电荷Q转换为第一电压V1。
切换参数例如是第一电压V1与阈值电压Vth进行比较的结果，当第一电压至少等于阈值电压时，发动机运行在第一阶段中；当第一电压小于阈值电压时，发动机运行在第二阶段中。
优选地是，在第一阶段中，所施加的压力与持续短的脉冲相当，且第一电压V1大于阈值电压Vth，而在在第二阶段中，所施加的第一电压小于阈值电压Vth，如图3a所示。在这些条件下，在第一阶段中使用没有滤波模块的电容器可以产生没有失真的输出电压Vout，电容器起到了截止频率为零赫兹的滤波器的作用。在第二阶段中，滤波模块与压力传感器的连接可以产生没有低频寄生电压的输出电压。例如，阈值电压Vth可代表五巴(5巴)的压力。
在图4b的具体实施例中，命令模块3是用于将第一电压V1与阈值电压Vth进行比较的比较器Comp，例如，Vth＝5伏特。当第一电压V1大于或等于阈值电压Vth时，在该具体实施例中，认为应力与一脉冲相当，或认为发动机在压缩阶段或燃烧-膨胀阶段中运行，比较器于是产生命令信号Scom以命令切换模块4(这里是开关)不要将滤波模块2和压力传感器1连接。因此，产生在测量装置的输出5处的输出电压Vout将等于第一电压V1。当第一电压V1小于阈值电压Vth时，在该具体实施例中，认为应力不再与脉冲相当，或认为发动机在吸气阶段或排气阶段中运行，由比较器Comp产生的命令信号Scom命令切换模块4将滤波模块2和压力传感器1连接。于是存在于第一电压V1(压力传感器的输出电压)中的低频寄生电压被滤波模块2滤除，因此产生于测量装置的输出5处的输出电压Vout将等于第二电压V2，该第二电压V2代表没有所述低频寄生电压的第一电压V1。
切换参数可以是根据发动机活塞位置和与发动机相关联的参考压力曲线所界定的时间窗口，在该时间窗口之内时，发动机运行在第一阶段中，而在该时间窗口之外时，发动机运行在第二阶段中。
事实上，气缸中的压力取决于活塞在所述气缸中的位置，该位置的确定(例如，借助于曲轴位置传感器)使得可以通过参考气缸中压力的参考曲线来决定时间窗口，在该时间窗口中，压力与以零为参考的脉冲信号相当。
滤波模块2可以是与电容元件并联的n阶低通滤波器6，其中n为正整数。
滤波模块2还可以是与电容元件并联的电阻R。
优选地，滤波模块2与电容元件并联且由与n阶低通滤波器6连接的电阻R构成，与电阻R连接的n阶低通滤波器6形成了n+1阶低通滤波器。
在图4b的具体实施例中，所使用的低通滤波器6尤其包括第一电容器C1、第一电阻R1和第二电阻R2。
在绝非仅限于其自身的说明性示例中，R＝10MΩ，R1＝1MΩ，R2＝300KΩ，C＝1200pF，C1＝2μF。
本发明的主题还包括内燃发动机的气缸压力测量方法，所述内燃发动机的运行包括多个相继的循环，每个循环至少分解为第一阶段和第二阶段，所述测量方法旨在至少产生一代表施加在与电容元件连接的压电元件上的压力F的第一电压V1。
该方法包括以下步骤：
-输出命令信号Scom，命令信号Scom取决于与发动机运行所在的发动机阶段(在第一阶段和第二阶段当中)相关联的切换参数；
-当切换参数与第一阶段相关联时，作为对命令信号Scom的响应，产生等于第一电压V1的输出信号Vout；
-当切换参数与第二阶段相关联时，作为对命令信号Scom的响应，滤除存在于第一电压V1中的低频寄生电压，且产生等于第二电压V2的输出信号Vout，所述第二电压代表没有低频寄生电压的第一电压V1。

Claims (8)

1.一种内燃发动机的气缸压力测量装置，所述内燃发动机的运行包括多个相继的循环，每个循环至少分解为第一阶段和第二阶段，所述测量装置包括至少一个压力传感器(1)，所述至少一个压力传感器(1)由至少一个与电容元件连接的压电元件和产生第一电压(V1)的输出(10)构成，所述第一电压(V1)代表施加在所述压电元件上的压力(F)，所述装置还包括：
-滤波模块(2)，包括至少一个输入(20)和一个输出(21)，所述滤波模块(2)能够滤除存在于其输入(20)上的低频寄生电压，且能够在其输出(21)上产生没有所述低频寄生电压的第二电压(V2)；
-命令模块(3)，能够输出命令信号(Scom)，所述命令信号(Scom)取决于与发动机运行所在阶段相关联的切换参数，所述阶段在所述第一阶段和所述第二阶段当中；
-切换模块(4)，作为对所述命令信号(Scom)的响应，所述切换模块(4)能够在所述第一阶段中将所述滤波模块(2)的输入(20)与所述压力传感器(1)的输出(10)断开，且能够在所述第二阶段中将所述滤波模块(2)的输入(20)与所述压力传感器(1)的输出(10)连接；和
-输出(5)，所述输出(5)产生在所述第一阶段中等于所述第一电压(V1)而在所述第二阶段中等于所述第二电压(V2)的输出电压(Vout)，
其特征在于，所述第一阶段对应于压缩阶段或燃烧-膨胀阶段，并且其中，所述第二阶段对应于吸气阶段或排气阶段。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述切换参数是所述第一电压(V1)与阈值电压(Vth)进行比较的结果，当所述第一电压(V1)至少等于所述阈值电压(Vth)时，发动机运行在所述第一阶段中，当所述第一电压(V1)小于所述阈值电压(Vth)时，发动机运行在所述第二阶段中。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述切换参数是根据发动机的活塞位置和与发动机相关联的参考压力曲线所界定的时间窗口，在所述时间窗口之内时发动机运行在所述第一阶段中，而在所述时间窗口之外时发动机运行在所述第二阶段中。
4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其中，所述滤波模块(2)是与所述电容元件并联的n阶低通滤波器，n为正整数。
5.根据权利要求1至3之一所述的装置，其中，所述滤波模块(2)是与所述电容元件并联的电阻。
6.根据权利要求1至3之一所述的装置，其中，所述滤波模块(2)与所述电容元件并联且由所连接的电阻构成。
7.根据权利要求1至7之一所述的装置，其中，所述装置还包括放大器(AOP)，所述放大器(AOP)的第一输入与所述压电元件的第一端子连接，所述放大器(AOP)的第二输入与所述压电元件的第二端子连接，而所述放大器(AOP)的输出(10)与所述压力传感器(1)的输出(10)连接，所述电容元件设置在所述压力传感器的输出(10)与所述放大器(AOP)的第一输入之间。
8.一种内燃发动机的气缸压力测量方法，所述内燃发动机的运行包括多个相继的循环，每个循环至少分解为第一阶段和第二阶段，所述测量方法在于，至少产生一代表施加在与电容元件连接的压电元件上的压力(F)的第一电压(V1)，所述方法的特征是，所述方法还在于：
-输出命令信号(Scom)，所述命令信号(Scom)取决于与发动机运行所在阶段相关联的切换参数，所述阶段在所述第一阶段和所述第二阶段当中；
-当所述切换参数与所述第一阶段相关联时，作为对所述命令信号(Scom)的响应，产生等于所述第一电压(V1)的输出电压(Vout)；和
当所述切换参数与所述第二阶段相关联时，作为对所述命令信号(Scom)的响应，滤除存在于所述第一电压(V1)中的低频寄生电压，并产生等于第二电压(V2)的输出信号(Vout)，所述第二电压(V2)代表没有低频寄生电压的第一电压(V1)。
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