CN102003298A - 一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置及方法。装置包括：单片机，与单片机信号输入端相连的信号处理单元，以及与信号处理单元相连的ECU通信接口电路，信号处理单元的输入端通过传感器线束连接采集发动机信号的传感器，ECU通信接口电路连接发动机中的控制装置。方法是：构建计算和采集任务的调度机制，利用对map在线修正算法，经过燃烧信息有效性检测，通过通信接口向车载ECU发送数据，同时接受车载ECU指令。本发明以体积小、成本低、实时性强的单片机为计算平台，实现了可以与实车ECU直接集成使用的燃烧信息观测单元，为未来发动机燃烧闭环控制的实现提供了重要的反馈信息。

Description

一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置及方法

技术领域

本发明涉及一种车用发动机燃烧检测装置。特别是涉及一种可以与实车ECU直接集成使用的一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置及方法。

背景技术

随着发动机技术的发展，人们对其经济性、动力性、舒适性和排放特性提出了越来越高的要求，内燃机的优化已经从机械结构的优化改善逐渐转变到燃烧过程的优化。对燃烧的闭环控制成为发动机性能改善的重要手段，燃烧闭环控制已经成为内燃机领域的研究热点，然而，实现燃烧闭环控制最重要的前提之一是对燃烧过程的观测，如果应用于实车控制，则需要体积小易集成、可以实时、在线运行的观测手段和装置，进而燃烧过程做成分析并实施控制。进行燃烧信息观测可以采用不同类型的传感器，相比而言，气缸压力信号具有更高的精度，并且随着成本的降低，气缸压力传感器应用于燃烧闭环控制受到本领域研究人员越来越多的重视。许多国际大公司以及国内外高校都对此进行了大量相关研究，2003年ETAS公司在“Advantages of Diesel Engine Control Using In-Cylinder Pressure Information forClosed Loop Control”一文中提到，采用Digital Cylinder Pressure Analyzer进行了基于气缸压力信号的燃烧闭环控制，分析了其在发动机改善油耗、降低排放、提高舒适性方面的优势。2006年，美国通用公司在“Reducing Diesel Emissions Dispersion by CoordinatedCombustion Feedback Control”一文中，提到通过配置一台EMS控制原型采集气缸压力信号进行了在柴油机上进行燃烧反馈算法实施的研究。2009年韩国汉阳大学在“Real-time IMEPEstimation for Torque-based Engine Control using an In-cylinder Pressure Sensor”一文中，提到采用dSPACE MicroAutoBox快速原型进行了IMEP的简化算法的研究，以上文献中的计算平台并没有使用单片机，而是发动机控制快速原型(dSPACE是其中一种)，该平台主要用于发动机控制策略的开发，具有大量的AD通道资源和定时器资源，是一个通用平台，体积较大、成本较高，一般不用于与车载控制器集成。除此之外，还有两类系统可以进行燃烧信息反馈：

A.燃烧分析仪：这类系统精度高，但是成本高体积大，主要用来做实验室中的测试设备，用于实验环境下的燃烧诊断分析，一般不用于实车的燃烧信息反馈。

B.基于PC机的燃烧分析系统：借助PC的强大计算能力以及高性能采集卡的采集能力对燃烧信息进行计算分析，但主要应用于实验室中进行数据分析研究，由于PC机的体积大和稳定性以及实时性限制，目前没有见到在实车控制中使用。

以上三类系统并不是为实车控制设计的，大多只用于实验分析或策略开发。

另外，为达到热力学分析精度的要求，气缸压力信号的采集需要较高的角度分辨率，如每1°CA或更小采集一次，实验环境下的采集多依赖于光电编码器(每圈有1000,720齿等)，而实车用的曲轴码盘通常为6°CA(每圈有60-2齿等)，分辨率远远达不到对气缸压力信号的采集要求，这也为实车中进行燃烧观测带来了困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种与车载ECU直接集成的小巧廉价的燃烧信息观测单元，为后续发动机的燃烧闭环控制的实施提供有力支撑的一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置及方法。用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置，包括：单片机，与单片机信号输入端相连的信号处理单元，以及与信号处理单元相连的ECU通信接口电路，其中，所述的信号处理单元的输入端通过传感器线束连接采集发动机信号的传感器，所述的ECU通信接口电路连接发动机中的控制装置。

所述的信号处理单元包括有气缸压力传感器信号滤波电路、曲轴信号脉冲转换电路和凸轮轴信号脉冲转换电路。

所述的传感器线束包括有气缸压力传感器线束、曲轴位置传感器线束和凸轮轴位置传感器线束。

所述的曲轴位置传感器所对应的码盘为发动机电控系统的常规车用码盘。

一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈方法，采用采集和计算的任务调度机制，包括如下步骤：

1)对气缸瞬时容积、动态上止点修正和有效计算区间的脉谱表格进行初始化，并采集曲轴信号和凸轮轴信号；

2)将曲轴信号和凸轮轴信号转换成脉冲信号，并判断凸轮轴是否故障，有故障进入第3步骤，无故障进入第4步骤；

3)采集气缸压力信号，并根据气缸压力信号确定辅助发动机位置；

4)构建微齿信号；

5)在采集计算窗口高度定时器中断函数中为计算任务变量N赋值，其中N取0～2×气缸数；

6)根据任务分配进行计算，并根据任务采集气缸压力信号，然后分别进入第7步骤和第10步骤；

7)判断毛指示平均有效压力是否在有效范围内，是进入第9步骤，否则进入第8步骤；

8)写入故障码并判断；毛指示平均有效压力是否小于失火门槛值，是进入第11步骤，否则进入第14步骤；

9)清零故障码后进入第15骤；

10)判断放热率50％对应的曲轴转角、最大爆发压力、最大爆发压力对应的曲轴转角和最大压升率是否在有效范围内，是清零故障码后进入第15步骤，否则写入故障码后进入第14步骤；

11)启动失火诊断算法；

12)计算上止点后10°CA“倒拖压力”；

13)判断实际缸内压力减去倒拖压力是否小于门槛值，是写入失火故障码后进入第14步骤以及返回第1步骤利用多变指数去进行动态上止点和气缸容积的修正，否则清零失火故障码；

14)判断是否为传感器故障，是进入第15步骤，否则清零传感器故障码后进入第15步骤；

15)进行燃烧信息或故障码发送；

16)判断是否接收到车载控制器发送的命令，是执行配置参数修改后返回第5步骤，否则返回第5步骤。

第4步骤所述的构建微齿信号包括：对信号的高频干扰进行滤除，对脉冲信号的相邻上升沿或下降沿的时间间隔进行检测，并对本次时间间隔进行保存，经过脉宽检测模块检测后，信号进入倍频模块，按照相邻两个齿间转速近似稳定的假设，对6°CA的角度间隔进行倍频，得到小于0.5°CA分辨率的时钟信号，将该分辨率的时钟信号作为整个系统的角度域时钟信号，将该信号作为A/D模块的采样时钟。

第6步骤所述的根据任务分配进行计算包括，分别对1-N缸的毛指示平均有效压力进行计算；分别对1-N缸的放热率50％对应的曲轴转角、最大爆发压力、最大爆发压力对应的曲轴转角和最大压升率进行计算，计算完成后将N置零并返回第1步骤修正有效计算区间。

在分别对1-N缸的放热率50％对应的曲轴转角进行计算前，先进行对气缸压力的递推均值滤波，放热率计算完成后，再对放热率进行递推均值滤波。

第16步骤所述的配置参数包括：气缸直径、连杆长度、压缩比、发动机排量、曲轴缺齿到第一缸上止点的角度差、气缸压力滤波次数、放热率滤波次数、冲程以及气缸压力传感器的增益和偏移量。

本发明的一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置及方法，以体积小、成本低、实时性强的单片机为计算平台，通过简单的计算方法加速计算，借助计算可靠性提高机制实现了燃烧信息的快速准确输出，通过配套软件实施监控，最终实现了可以与实车ECU直接集成使用的燃烧信息观测单元，为未来发动机燃烧闭环控制的实现提供了重要的反馈信息。

附图说明

图1是本发明的电路构成框图；

图2是本发明方法的流程图；

图3是计算和采集窗口示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置及方法做出详细说明。

为实现与实车控制ECU直接集成实现高角度分辨率的气缸压力信号采集并完成燃烧信息的实时观测，本发明的一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置及方法，以车用60-2齿的码盘信号(间隔为6°CA)为角度触发信号，经过插齿算法产生间隔小于1°CA的高角度分辨率时钟信号，并用此时钟信号进行气缸压力传感器信号采集，采用以map在线修正为核心的计算加速算法，借助计算可靠性保障机制，完成毛指示平均有效压力(gross IMEP)、质量燃烧率达到50％时的曲轴位置(CA50)、峰值压力、峰值压力位置、最大压力升高率、燃烧信息故障码、传感器故障码的计算，通过CAN通信或串口通信发送给车载ECU，用于发动机燃烧闭环控制，同时该装置接收来自ECU的标定和参数回传指令，对该装置内部数据进行修改和对应数据的回传。

如图1所示，本发明的用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置，包括：单片机4，与单片机4信号输入端相连的信号处理单元9，以及与信号处理单元9相连的ECU通信接口电路5，其中，所述的信号处理单元9的输入端通过传感器线束连接采集发动机信号的传感器，所述的ECU通信接口电路5连接发动机中的控制装置。

所述的信号处理单元9包括有气缸压力传感器信号滤波电路1、曲轴信号脉冲转换电路2和凸轮轴信号脉冲转换电路3。

所述的传感器线束包括有气缸压力传感器线束6、曲轴位置传感器线束7和凸轮轴位置传感器线束8。所述的曲轴位置传感器所对应的码盘为发动机电控系统的常规车用码盘。

曲轴信号脉冲转换电路2和凸轮轴信号脉冲转换电路3可以接收电磁信号或霍尔信号两种类型的信号，转换成为脉冲信号并经过电压转换后进入单片机4中的定时器阵列对应的管脚，通过倍频操作实现从较低的6°CA分辨率到0.5°CA以内的高分辨率转换，简称“微齿”信号。另外，为保证各个气缸传感器信号的采集与曲轴信号同步，将微齿信号作为内部时钟同步触发A/D模块进行气缸压力传感器的电压采集。气缸压力信号的调理电路主要为RC低通滤波电路。单片机选用型号为英飞凌TriCore1766的32位单片机。ECU通信接口电路5由CAN通信和串口通信构成，一方面向发动机控制单元(ECU)发送各种燃烧信息和故障信息，一方面接受ECU发送来的标定及参数回传指令。

曲轴和凸轮轴信号在单片机内的外围设备管理模块(PCP)中进行，并非在CPU中进行，这样降低了CPU的中断负担，提高了计算速度。另外，本发明采用的英飞凌TriCore1766单片机为3核单片机，具有擅长复杂数学运算的DSP核，能够大大提高计算速度，通过调用英飞凌公司提供的DSP函数库，实现了利用DSP核进行乘除和指数等复杂运算的任务。

本发明的用于发动机控制的燃烧信息实时反馈方法主要包括：计算加速算法和计算可靠性提高机制。

计算加速算法主要包括：气缸瞬时容积的在线map修正算法，有效计算区间选择的map在线修正算法，动态上止点确定的map在线修正算法。

计算可靠性提高机制主要包括：三阶段滤波机制，基于微齿信号的采集与计算窗口分配机制，燃烧信息有效性判断和处理机制，失火诊断机制，传感器故障检测机制，气缸压力辅助的发动机位置确定机制。

本发明的用于发动机控制的燃烧信息实时反馈方法，包括如下步骤：

1)对气缸瞬时容积、动态上止点修正和有效计算边界的脉谱表格进行初始化，并采集曲轴信号和凸轮轴信号；

由于单片机的计算能力有限，要实现实时计算必须进行计算简化和加速，因此首先需要在初始化中对气缸瞬时容积、动态上止点修正以及有效计算边界的脉谱表格(map)进行初始化。本发明提出了以map在线修正算法为核心的计算加速算法。所谓map在线修正算法，就是将部分复杂、冗余并且结果基本不变的计算过程，通过制作map表格的形式存储在单片机中，当需要使用该结果时之需从内存中调用即可，当该结果需要做部分修改时，只需将map表格中的对应数值进行改动并重新保存即可。该算法的效果是避免了重复复杂的计算过程，适合单片机运行。在该发明的燃烧信息计算中，主要有以下三个方面用到map在线修正算法：气缸瞬时容积的计算、计算有效区间的截取、动态上止点的修正。

根据本领域技术人员熟知的公式，可以计算出曲轴旋转到任意位置时的气缸容积瞬时V，公式如下：

$V=V_c+(l-\sqrt{l^2-a^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}+a-a\cos \mathrm{\θ})\frac{\mathrm{\π}}{4}{B}^2---\left(1\right)$

式中：Vc是气缸余隙容积，l为连杆长度，a为曲柄半径，B为气缸直径，θ为曲柄和气缸轴线的夹角(锐角)；

瞬时气缸容积V将被运用在gross IMEP(毛指示平均有效压力)和CA50的计算中，在计算过程中有大量乘除以及正弦余弦和指数运算，这些计算不适合在普通单片机中运行，因此给单片机带来了巨大的计算负担，特别是对于多个气缸的发动机，会出现一个气缸计算完成气缸瞬时容积V后，另一个气缸又会进行重复冗余计算的情况，大大降低了计算效率，因此需要采用map在线修正算法：在单片机初始化中，读取发动机的各项配置参数，见公式(1)，通过计算将-180°CA到180°CA ATDC区间内的不同曲轴转角下的气缸瞬时容积V保存在数组Cyl_Volume[n]中，如角度分辨率为0.36°CA，则数组为1000元素数组。当需要计算grossIMEP和CA50时，只需按照数组的元素编号读取对应的气缸容积，比如需要计算-180°CA处的气缸瞬时容积，只需调用Cyl_Volume[0]即可。但是由于在计算过程中需要对动态上止点进行修正时，也就是曲轴转角会发生变化，这是需要通过平行移动该数组的方法实现对动态上止点的修正，即通过Cyl_Volume[n]＝Cyl_Volume[n-1]或Cyl_Volume[n]＝Cyl_Volume[n+1]的方法实现气缸容积与曲轴转角之间对应关系的调整，不再重新进行从曲轴转角到气缸瞬时容积的转换。

在燃烧信息计算中，对峰值压力、峰值压力位置和CA50的计算过程只要在燃烧发生到主燃烧结束的区间内进行即可，尽早开启计算过程一方面可以提高计算实时性，另一方面也可以减少无效计算过程。一般而言，燃烧发生和主燃烧结束的时刻有一个经验区间，但是该区间会随着发动机运行工况的不同而改变。因此，对于燃烧信息有效边界的截取同样可以使用map在线修正算法。对于CA50的计算，本发明采用了本领域技术人员所熟知的最大净放热率法进行，公式如下：

$\frac{{\mathrm{dQ}}_{\mathrm{chem}}}{\mathrm{d\θ}}=\frac{k}{k-1}P\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\θ}}+\frac{1}{k-1}V\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{d\θ}}---\left(2\right)$

始终：Q_chem为能量中用于做功的部分，θ为曲轴转角，p为气缸压力，k为绝热指数，v为气缸容积。

在计算初始化化中，首先制作有效计算边界的map表格，该表格与发动机的转速和负荷有关，比如从-30°CA到30°CA ATDC，在进行CA50计算时，只需对该区间内的气缸压力P和气缸容积V以及绝热指数进行乘除运算，区间之外的数据不予考虑。如本次计算的CA50在5°CA ATDC，远远在计算有效区间后边界的设定值30°CA ATDC之前，则可以将后边界重新修正为10°CA，这样实现了将有效计算区间的进一步缩减，降低计算负担。对于峰值压力、峰值压力对应曲轴转角以及最大压升率的计算可以采用类似算法。

如本领域技术人员所熟知的，在燃烧信息计算过程中，找到各个气缸的准确的上止点位置对提高计算的可靠性具有重要意义，在实验环境下，该上止点的标定方法常见的是多变指数法，基本原理为在发动机的倒拖工况(不喷油、不着火、只被拖动旋转)下，测取一组气缸压力数据，按照理想假设，在该倒拖工况下，压缩和膨胀过程近似满足绝热过程，通过热力学关系式，如下：

PV^k＝const   (3)

通过相邻两点的压力P和气缸容积V，可以计算出该点的绝热指数K，而K在上止点附近应该是一个不会突变的值。根据上述假设，可以通过查询的办法找到最佳上止点，称之为动态上止点，该上止点和发动机制造完成后设定的上止点略有差别，并且在不同转速下差别不同。但是，在发动机实车运行过程中，司机不会有意制造倒拖工况，更不会轻易在不同的转速下进行倒拖，为上止点的标定带来了困难。然而，该动态上止点时有经验值可以参考的，因此，我们也可以采用map在线修正算法，即：首先按照经验值，依据不同的转速区间设定一个动态上止点的初始值，制作map表格，在进行各种燃烧信息计算中先按照此初始值进行基本修正，在检测到发生倒拖工况时，即使将压力曲线进行保存并开启动态上止点修正计算，修正结束后，对原有map的数据进行重新修改和保存。

2)将曲轴信号和凸轮轴信号转换成脉冲信号，并判断凸轮轴是否故障，有故障进入第3步骤，无故障进入第4步骤；

利用施密特比较电路或者过零检测电路，将曲轴信号和凸轮轴信号转换成脉冲信号，根据本领域技术人员熟知的传感器开路、对地短接、对电源短接的方法进行传感器故障诊断。

3)采集气缸压力信号，并根据气缸压力信号确定辅助发动机位置；

如本领域内技术人员所熟知的，发动机控制中发动机位置确定，也即同步过程是控制策略可靠运行的重要基础，本发明提出了气缸压力辅助的发动机位置确定机制。实施方法如下：如果检测到凸轮轴故障报告，而没有检测到第一缸气缸压力传感器故障，则随机选择曲轴一圈中的缺齿位置作为始点，假设该始点以后的设定角度(CrSCD_phiGap2Zero_C)为第一缸的压缩上止点，并在该点采集第一缸气缸压力，如果该压力值在设定的阀值(该值与发动机压缩比以及发动机形式有关)以上，则认为假设正确，完成同步过程，否则需要将曲轴的位置作360°CA调整，再次重复上述过程，直到实现同步为止。通过这个方法，实现了即使在凸轮轴位置传感器失效时，也能够实现发动机位置确定的功能。

4)构建微齿信号；

所述的构建微齿信号是：以英飞凌TriCore1766单片机为例，曲轴和凸轮轴信号经曲轴信号滤波电路转换成脉冲信号，由给单片机通用定时器阵列(GPTA模块)对应的输入管脚接收，首先进入滤波与预分频模块(FPC)，对信号的高频干扰进行滤除，滤波方式可以选择延时滤波，延时时间一般在2微秒左右。滤波之后信号进入脉宽检测模块(DCM)，在该模块中对脉冲信号的相邻上升沿或下降沿的时间间隔进行检测，并对本次时间间隔进行保存，同时实现在信号跳变沿产生中断服务请求，在中断服务请求中完成本领域技术人员熟悉的发动机位置判断过程。经过脉宽检测模块(DCM)检测后，信号进入倍频模块(PLL)，按照相邻两个齿间转速近似稳定的假设，对6°CA(以60-2齿的码盘为例，但是本发明不仅仅限于60-2齿的码盘)的角度间隔进行倍频，得到高分辨率的时钟信号，即进行插齿操作(如进行512插齿，即倍频)，插齿个数记为Multiple_MicroTooth，经过倍频，6°CA的角度间隔可以转换为0.1°CA或更低的角度间隔。将该高分辨率的时钟信号作为整个系统的角度域时钟信号，将该信号作为A/D模块的采样时钟，并通过时钟分配模块(CDU)将此微齿信号赋给通过定时器模块(GT1)。至此，整个燃烧信息检测装置的高分辨率的角度时钟信号建立完毕，以下简称微齿信号。

5)在采集计算窗口高度定时器中断函数中为计算任务变量N赋值，其中N取0～2×气缸数；

对于多种燃烧信息的计算过程，特别是多气缸的发动机，会出现多气缸同时进行采集，多种计算任务同时需要调度的情况，如图3所示，对于4冲程发动机一个工作循环对应曲轴旋转两圈，即720°CA，在多个气缸的发动机(图中以4缸机为例)中，需要在这720°CA的区间内，完成数据的采集以及不同气缸的各个燃烧信息的计算、有效性判断和信息发送。一旦出现采集和计算的调度出错，就会造成结果错误，分析如下：以第一缸的CA50和毛指示平均有效压力(gross IMEP)为例，CA50要在第1号气缸上止点后的主燃烧完成之后才能具备计算条件，如A点的位置，计算过早会因为数据没有采集而造成计算错误，计算过晚又会造成实时性不能满足要求，同时也跟后面马上就要进行的IMEP的计算冲突，如B点位置，另外计算过晚还会造成本循环数据被A/D采集的下一个循环的数据覆盖而出错，综上，需要为不同的计算任务划分不同的计算角度区间，避免相互重叠和冲突。

为此，本发明采用了基于微齿时钟的“非抢占式”任务调度机制，具体流程如下(以4缸机为例，不仅仅限于4缸机，以60-2齿的曲轴码盘为例，也不仅限于60-2齿码盘)：

a)选择定时器1个或多个，设定为与通用定时器(即微齿信号，每720°CA该通用定时器清零一次)相关的比较模式，即当通用定时器达到某一个值时，该定时器即产生中断请求

b)依此类推……，Timer1到Timer8分表代表用于任务调度的8个定时器(当然，也可以采用更少的定时器，甚至一个定时器，之需要不断更改标志寄存器的值即可)以上8个定时器会对应图中8个位置的中断请求：第1缸进气下止点对应Timer1的时间值T1，第1缸压缩上止点对应的Timer2时间值T2，第一缸压缩上止点后90°CA(在主燃烧结束之后即可，也可以是其他角度)对应Timer3的时间值T3，第1缸排气下止点对应的Timer4的时间值T4，以此类推，对于4缸机，总共有8个点需要由定时器产生中断请求。

c)8个中断在中断请求中对负责任务调度的变量N赋值为n，表示允许计算任务进入第n阶段，对于四缸机可以设置从0到8总共9个状态，分别对应不同的计算任务。

d)在8个中断请求中，分别对数据采集使能进行开启和关闭操作，如图中，在T1时刻产生的中断中负责关闭对4缸气缸压力传感器采集的使能，同时开启对1缸气缸压力传感器信号的采集，以此类推。

e)在主函数中，设置死循环，在死循环中构建任务调度状态机，设置0，1，2，3，4，5，6，7，8九个状态，分别在N等于对应数值时进入不同的计算函数，待该计算任务完成后，将N赋值为0，此后主函数不再进入其他计算函数，直到N再次被赋予其他的非零值。

经过上述配置，整个计算系统实现了以微齿信号为时钟，也就是在曲轴转角角度域内进行任务调度的功能，不同的N值将720°CA区间划分成了不同的采集窗口和计算窗口，保证了每个缸的燃烧信息能够在本循环内有条不紊的完成计算和发送。

以下对具体的任务分配关系归纳如下：

以4缸发动机，发火顺序为1-3-4-2的发火顺序为例，不限于4缸发动机和1-3-4-2的发火顺序。

a)在第1缸压缩上止点前180°曲轴转角处，将N赋值为1

b)在第1缸压缩上止点前120°曲轴转角处(该位置可以变化，以发动机的主燃烧结束位置加10°CA为准)，将N赋值为2

c)在第1缸压缩上止点处，将N赋值为3

d)在第1缸压缩上止点后60°曲轴转角处(该位置可以变化，以发动机的主燃烧结束位置加10°CA为准)，将N赋值为4

e)在第1缸压缩上止点后180°曲轴转角处，将N赋值为5

f)在第1缸压缩上止点前120°曲轴转角处(该位置可以变化，以发动机的主燃烧结束位置加10°CA为准)，将N赋值为6

g)在第4缸压缩上止点处，将N赋值为7

h)在第4缸压缩上止点后60°CA处(该位置可以变化，以发动机的主燃烧结束位置加10°CA为准)，将N赋值为8.

6)根据任务分配进行计算，并根据任务采集气缸压力信号，然后分别进入第7步骤和第10步骤；

所述的根据任务分配进行计算包括，分别对1-N缸的毛指示平均有效压力进行计算；分别对1-N缸的放热率50％对应的曲轴转角、最大爆发压力、最大爆发压力对应的曲轴转角和最大压升率进行计算，计算完成后将N置零并返回第1步骤修正有效计算边界。

在分别对1-N缸的放热率50％对应的曲轴转角进行计算前，先进行对气缸压力的递推均值滤波，放热率计算完成后，再对放热率进行递推均值滤波。

由于气门落座、压力传感器热冲击、测压通道的压力波震荡和电磁信号干扰等原因，压力传感器信号中掺杂有各种干扰信号，如不经滤波处理，会造成IMEP和瞬时放热率计算误差过大甚至错误，因此可靠的滤波是非常必要的。如图4所示：本发明采用了3阶段滤波法对气缸压力信号和放热率进行滤波，主要包括：硬件RC滤波阶段22，软件递推均值滤波阶段23，软件瞬时放热率递推均值阶段24。压力传感器的信号首先在调理电路中进行硬件RC低通滤波，该截止频率视发动机转速而定，一般在50KHz以上，过低则造成信号失真，过高则滤波效果不佳。由于硬件滤波的截止频率是确定的，所以需要对气缸压力信号进行软件滤波，以便对某些情况下较强的干扰进行补充，为了不降低采样频率率，使用递推均值滤波法，表达式如下：

Y[i]＝{Y[i-n]+Y[i-n+1]+……+Y[i+n-1]+Y[i+n]}/(2n+1)    (1)

对n到N-n项气缸压力信号进行滤波处理，滤波次数可以选择一次或两次，以消除干扰。随着n或滤波次数的增加，所需计算时间也会延长，中间要作折中考虑。有些情况下，特别是在采用低成本的气缸压力传感器时，干扰会更剧烈，此时，还需要对放热率曲线进行递推均值滤波，以便顺利找到瞬时放热率的峰值，完成CA50的计算。其中，本发明采用的放热率计算公式为公式(2)。另外，对于三个阶段的滤波强度，可以通过发动机ECU发送的指令，进行在线修改。

具体的任务执行方式如下：

a)如果N为1，关闭4缸采集任务，同时开启1缸采集任务，在主函数中进行4缸毛指示平均有效压力的计算，计算完成后将N赋值为0。

b)如果N为2，在主函数中进行2缸放热率50％对应曲轴转角，最大爆发压力，最大爆发压力对应曲轴转角，最大压力升高率计算，计算完成后将N赋值为0。

c)如果N为3，关闭2缸采集任务，同时开启3缸采集任务，在主函数中进行2缸毛指示平均有效压力的计算，计算完成后将N赋值为0。

d)如果N为4，在主函数中进行1缸放热率50％对应曲轴转角，最大爆发压力，最大爆发压力对应曲轴转角，最大压力升高率计算，计算完成后将N赋值为0。

e)如果N为5，关闭1缸采集任务，同时开启3缸采集任务，在主函数中进行1缸毛指示平均有效压力的计算，计算完成后将N赋值为0。

f)如果N为6，在主函数中进行3缸放热率50％对应曲轴转角，最大爆发压力，最大爆发压力对应曲轴转角，最大压力升高率计算，计算完成后将N赋值为0。

g)如果N为7，关闭3缸采集任务，同时开启2缸采集任务，在主函数中进行3缸毛指示平均有效压力的计算，计算完成后将N赋值为0。

h)如果N为8，在主函数中进行4缸放热率50％对应曲轴转角，最大爆发压力，最大爆发压力对应曲轴转角，最大压力升高率计算，计算完成后将N赋值为0。

7)判断毛指示平均有效压力是否在有效范围内，是进入第9步骤，否则进入第8步骤；

所述的范围值与发动机的排量和类型有关。

8)写入故障码并判断指示平均有效压力是否小于失火门槛值，是进入第11步骤，否则进入第14步骤；

所述的失火门槛值与发动机的排量和类型有关。

9)清零故障码后进入第15骤；

10)判断放热率50％对应的曲轴转角、最大爆发压力、最大爆发压力对应的曲轴转角和最大压升率是否在有效范围内，是清零故障码后进入第15步骤，否则写入故障码后进入第14步骤；

所述的有效范围值与发动机的排量和类型有关。

11)启动失火诊断算法；

12)计算上止点后10°CA“倒拖压力”；

根据本领域技术人员熟知的关系，在压缩膨胀冲程，如果没有燃烧过程发生，则该过程可以近似表示为绝热压缩过程，公式如下：

PV^k＝const    (4)

式中P为气缸压力，V为气缸容积，k为绝热指数；

采集压缩过程一点的压力和气缸容积，通过公式(4)可以计算出压缩上止点后10°CA的“倒拖压力”，这是在没有发生燃烧时气缸内应有的最低压力。

13)判断实际缸内压力减去倒拖压力是否小于门槛值，是写入失火故障码后进入第14步骤以及返回第1步骤利用多变指数去进行动态上止点和气缸容积的修正，否则清零失火故障码；

计算该点的实际气缸压力和该倒拖压力的最差值，若该差值为负值或在设定的最小门槛值(该门槛值使发动机类型和排量而定，以4冲程0.5L单缸汽油机为例，可以选择1巴)内，则判定为失火。

14)判断是否为传感器故障，是进入第15步骤，否则清零传感器故障码后进入第15步骤；

传感器的诊断逻辑如下：如果发现5个燃烧信息中，有4个或以上的故障，而且没有曲轴和凸轮轴位置传感器故障报告，则认为是气缸压力传感器故障，或者求取采集到的压力求平均值，如果为A/D模块采集电压的上限或下限则也认为是传感器故障。

15)进行燃烧信息或故障码发送；

16)判断是否接收到车载控制器发送的命令，是执行配置参数修改后返回第5步骤，否则返回第5步骤。

所述的配置参数包括：气缸直径、连杆长度、压缩比、发动机排量、曲轴缺齿到第一缸上止点的角度差、气缸压力滤波次数、放热率滤波次数、冲程以及气缸压力传感器的增益和偏移量。

Claims (9)

1.一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置，其特征在于，包括：单片机(4)，与单片机(4)信号输入端相连的信号处理单元(9)，以及与信号处理单元(9)相连的ECU通信接口电路(5)，其中，所述的信号处理单元(9)的输入端通过传感器线束连接采集发动机信号的传感器，所述的ECU通信接口电路(5)连接发动机中的控制装置。

2.根据权利要求1所述的一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置，其特征在于，所述的信号处理单元(9)包括有气缸压力传感器信号滤波电路(1)、曲轴信号脉冲转换电路(2)和凸轮轴信号脉冲转换电路(3)。

3.根据权利要求1所述的一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置，其特征在于，所述的传感器线束包括有气缸压力传感器线束(6)、曲轴位置传感器线束(7)和凸轮轴位置传感器线束(8)。

4.根据权利要求1所述的一种用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置，其特征在于，所述的曲轴位置传感器所对应的码盘为发动机电控系统的常规车用码盘。

5.一种用于权利要求1所述的用于发动机控制的燃烧信息实时反馈装置的反馈方法，其特征在于，采用采集和计算的任务调度机制，包括如下步骤：

1)对气缸瞬时容积、动态上止点修正和有效计算区间的脉谱表格进行初始化，并采集曲轴信号和凸轮轴信号；

2)将曲轴信号和凸轮轴信号转换成脉冲信号，并判断凸轮轴是否故障，有故障进入第3步骤，无故障进入第4步骤；

3)采集气缸压力信号，并根据气缸压力信号确定辅助发动机位置；

4)构建微齿信号；

5)在采集计算窗口高度定时器中断函数中为计算任务变量N赋值，其中N取0～2×气缸数；

6)根据任务分配进行计算，并根据任务采集气缸压力信号，然后分别进入第7步骤和第10步骤；

7)判断毛指示平均有效压力是否在有效范围内，是进入第9步骤，否则进入第8步骤；

8)写入故障码并判断；毛指示平均有效压力是否小于失火门槛值，是进入第11步骤，否则进入第14步骤；

9)清零故障码后进入第15骤；

10)判断放热率50％对应的曲轴转角、最大爆发压力、最大爆发压力对应的曲轴转角和最大压升率是否在有效范围内，是清零故障码后进入第15步骤，否则写入故障码后进入第14步骤；

11)启动失火诊断算法；

12)计算上止点后10°CA“倒拖压力”；

13)判断实际缸内压力减去倒拖压力是否小于门槛值，是写入失火故障码后进入第14步骤以及返回第1步骤利用多变指数去进行动态上止点和气缸容积的修正，否则清零失火故障码；

14)判断是否为传感器故障，是进入第15步骤，否则清零传感器故障码后进入第15步骤；

15)进行燃烧信息或故障码发送；

16)判断是否接收到车载控制器发送的命令，是执行配置参数修改后返回第5步骤，否则返回第5步骤。

6.根据权利要求5所述的用于发动机控制的燃烧信息实时反馈方法，其特征在于，第4步骤所述的构建微齿信号包括：对信号的高频干扰进行滤除，对脉冲信号的相邻上升沿或下降沿的时间间隔进行检测，并对本次时间间隔进行保存，经过脉宽检测模块检测后，信号进入倍频模块，按照相邻两个齿间转速近似稳定的假设，对6°CA的角度间隔进行倍频，得到小于0.5°CA分辨率的时钟信号，将该分辨率的时钟信号作为整个系统的角度域时钟信号，将该信号作为A/D模块的采样时钟。

7.根据权利要求5所述的用于发动机控制的燃烧信息实时反馈方法，其特征在于，第6步骤所述的根据任务分配进行计算包括，分别对1-N缸的毛指示平均有效压力进行计算；分别对1-N缸的放热率50％对应的曲轴转角、最大爆发压力、最大爆发压力对应的曲轴转角和最大压升率进行计算，计算完成后将N置零并返回第1步骤修正有效计算区间。

8.根据权利要求7所述的用于发动机控制的燃烧信息实时反馈方法，其特征在于，在分别对1-N缸的放热率50％对应的曲轴转角进行计算前，先进行对气缸压力的递推均值滤波，放热率计算完成后，再对放热率进行递推均值滤波。

9.根据权利要求5所述的用于发动机控制的燃烧信息实时反馈方法，其特征在于，第16步骤所述的配置参数包括：气缸直径、连杆长度、压缩比、发动机排量、曲轴缺齿到第一缸上止点的角度差、气缸压力滤波次数、放热率滤波次数、冲程以及气缸压力传感器的增益和偏移量。

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