CN102042110A - 汽缸压力测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽缸压力测量系统和方法。具体地，一种发动机控制系统包括活塞运动建模模块、汽缸容积确定模块和汽缸压力估计模块。活塞运动建模模块基于发动机曲轴的角变化对相应汽缸中的活塞的运动进行建模。汽缸容积确定模块基于所述发动机曲轴的角位置和所述活塞的经建模的运动来确定所述汽缸的容积。汽缸压力估计模块基于所确定的容积、进气歧管绝对压力(MAP)、进气阀正时、排气阀正时和排气回压(EBP)来估计所述汽缸中的压力。

Description

汽缸压力测量系统和方法

技术领域

本公开涉及发动机系统，更具体地涉及用于测量汽缸压力的系统和方法。

背景技术

本文所提供的背景技术描述目的在于从总体上呈现本公开的背景。当前署名的发明人的工作，在本背景技术部分所描述的范围内以及在申请日时可能不作为现有技术的那些描述的方面，都既不明示也不暗示地确认为是相对本公开而言的现有技术。

内燃发动机的操作循环可包括多个发动机冲程。例如，操作循环可包括不同的发动机冲程。在“进气冲程”中，发动机可通过进气歧管和进气阀将空气吸入汽缸。然后，空气可与燃料混合以形成空气-燃料(A/F)混合物。在“压缩冲程”中，活塞可在汽缸内对A/F混合物进行压缩。

在“做功冲程”中，火花塞可在汽缸内点燃被压缩的A/F混合物以驱动活塞，可旋转地转动曲轴以产生发动机功率。在“排气冲程”中，A/F混合物的燃烧(即在做功冲程期间)所产生的排气可通过排气阀和排气歧管从汽缸排出。

操作循环也可被分为“膨胀循环”和“非膨胀发动机循环”。更特别地，非膨胀循环可包括进气冲程和排气冲程(即泵送冲程)，以及压缩冲程的第一部分。替代地，膨胀循环可包括压缩冲程的剩余部分和燃烧冲程。换句话说，非膨胀循环可包括出现负功(即未通过燃烧释放热量)的冲程(或其部分)。

“虚拟”(即，软件)汽缸压力传感器可基于各种发动机参数估计汽缸内的压力。然而，由于非膨胀发动机循环期间的能量损失(即，泵送损失)，虚拟汽缸压力传感器可能不准确。现在参见图1，示出了常规虚拟压力传感器的不准确性的图。该图包括来自仪器质量传感器的压力轨迹(即，近似为实际压力)和来自产品质量虚拟压力传感器的压力轨迹。如可以看出的，由于非膨胀发动机循环期间的增大的噪声，产品质量虚拟压力传感器的测量值通常与仪器质量压力传感器的测量值相差20-40kPa。此外，在一个点上，产品质量虚拟压力传感器的测量值与仪器质量压力的测量值相差超过80kPa。

发明内容

一种发动机控制系统包括活塞运动建模模块、汽缸容积确定模块和汽缸压力估计模块。活塞运动建模模块基于发动机曲轴的角变化对相应汽缸中的活塞的运动进行建模。汽缸容积确定模块基于所述发动机曲轴的角位置和所述活塞的经建模的运动来确定所述汽缸的容积。汽缸压力估计模块基于所确定的容积、进气歧管绝对压力(MAP)、进气阀正时、排气阀正时和排气回压(EBP)来估计所述汽缸中的压力。

一种方法，包括：基于发动机曲轴的角变化对相应汽缸中的活塞的运动进行建模；基于所述发动机曲轴的角位置和所述活塞的经建模的运动来确定所述汽缸的容积；并且基于所确定的容积、进气歧管绝对压力(MAP)、进气阀正时、排气阀正时和排气回压(EBP)来估计所述汽缸中的压力。

通过本文提供的详细描述将明了本公开进一步的应用领域。应当理解的是，这些详细描述和特定示例仅仅用于说明的目的，而并不旨在限制本公开的范围。

本发明还提供了以下方案：

1.一种发动机控制系统，包括：

活塞运动建模模块，其基于发动机曲轴的角变化对相应汽缸内的活塞的运动进行建模；

汽缸容积确定模块，其基于所述发动机曲轴的角位置和所述活塞的建模的运动来确定所述汽缸的容积；和

汽缸压力估计模块，其基于所确定的容积、进气歧管绝对压力(MAP)、进气阀正时、排气阀正时和排气回压(EBP)来估计所述汽缸中的压力。

2.如方案1所述的发动机控制系统，其特征在于，在每个发动机循环期间，所述汽缸的容积被确定并且所述汽缸压力被估计预定次数，其中，所述预定次数对应于预定采样时间段。

3.如方案2所述的发动机控制系统，其特征在于，所述预定时间段对应于所述发动机曲轴的一度旋转。

4.如方案1所述的发动机控制系统，还包括：

汽缸压力传感器，其测量所述汽缸中的压力。

5.如方案4所述的发动机控制系统，还包括：

汽缸压力比较模块，其基于所估计的压力和所测得的压力产生所述汽缸的校正的压力。

6.如方案5所述的发动机控制系统，其特征在于，当所测得的压力和所估计的压力之间的差异大于预定压力阈值时，所述汽缸压力比较模块基于所估计的压力产生所述校正的压力。

7.如方案6所述的发动机控制系统，其特征在于，当所测得的压力和所估计的压力之间的差异小于或等于所述预定压力阈值时，所述汽缸压力比较模块基于所测得的压力产生所述校正的压力。

8.如方案5所述的发动机控制系统，还包括：

燃烧控制模块，其基于所述校正的汽缸压力进行如下之一：产生警告信号，以及控制所述发动机的A/F比和火花正时中的至少一个。

9.如方案1所述的发动机控制系统，还包括：

能量损失估计模块，其基于所估计的压力估计所述汽缸的进气冲程、排气冲程和压缩冲程第一部分之一期间的能量损失。

10.如方案9所述的发动机控制系统，还包括：

燃烧控制模块，其基于所估计的能量损失进行如下之一：产生警告信号，以及控制所述发动机的A/F比和火花正时中的至少一个。

11.一种方法，包括：

基于发动机曲轴的角变化对相应汽缸内的活塞的运动进行建模；

基于所述发动机曲轴的角位置和所述活塞的建模的运动来确定所述汽缸的容积；并且

基于所确定的容积、进气歧管绝对压力(MAP)、进气阀正时、排气阀正时和排气回压(EBP)来估计所述汽缸中的压力。

12.如方案11所述的方法，其特征在于，在每个发动机循环期间，所述汽缸的容积被确定并且所述汽缸中的压力被估计预定次数，其中，所述预定次数对应于预定采样时间段。

13.如方案12所述的方法，其特征在于，所述预定时间段对应于所述发动机曲轴的一度旋转。

14.如方案11所述的方法，还包括：

利用汽缸压力传感器测量所述汽缸中的压力。

15.如方案14所述的方法，还包括：

基于所估计的压力和所测得的压力产生所述汽缸的校正的压力。

16.如方案15所述的方法，其特征在于，当所测得的压力和所估计的压力之间的差异大于预定压力阈值时，基于所估计的压力产生所述校正的压力。

17.如方案16所述的方法，其特征在于，当所测得的压力和所估计的压力之间的差异小于或等于所述预定压力阈值时，基于所测得的压力产生所述校正的压力。

18.如方案15所述的方法，还包括：

基于所述校正的汽缸压力进行如下之一：产生警告信号，以及控制所述发动机的A/F比和火花正时中的至少一个。

19.如方案11所述的方法，还包括：

基于所估计的压力估计所述汽缸的进气冲程、排气冲程和压缩冲程第一部分之一期间的能量损失。

20.如方案19所述的方法，还包括：

基于所估计的能量损失进行如下之一：产生警告信号，以及控制所述发动机的A/F比和火花正时中的至少一个。

附图说明

根据详细描述和附图，本公开将得到更加全面的理解，附图中：

图1是曲线图，示出了根据现有技术的常规虚拟压力传感器的不准确性；

图2A是根据本公开的发动机系统的功能方框图；

图2B是根据本公开的发动机系统的汽缸的剖视图；

图3是根据本公开的控制模块的功能方框图；

图4A是根据本公开的汽缸压力估计模块的功能方框图；

图4B是曲线图，示出了根据本公开的虚拟汽缸压力传感器的输出对实际的压力轨迹；并且

图5是用于操作本公开发动机系统的方法的流程图。

具体实施方式

下面的描述本质上仅仅是示例性的，并不试图以任何方式限制本公开、其应用或用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同附图标记来表示相似元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当解释为指的是逻辑表达式“A或B或C”的含义，该表达式中使用了非排他的逻辑或。应当理解的是，在不改变本公开原理的情况下，方法内的步骤可按照不同顺序执行。

如本文所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用处理器、专用处理器或组处理器)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他适合部件。

由于非膨胀发动机循环期间的能量损失(即，泵送损失)，常规虚拟汽缸压力传感器可能不准确。更特别地，所产生的发动机功率(在做功冲程期间)的一部分可用于为进气/排气冲程以及压缩冲程的第一部分提供动力。因此，非膨胀发动机循环期间的汽缸压力的不准确测量可导致性能下降和/或排放物增多(即，由于低效率的燃烧)。

因此，提出了用于虚拟压力传感器的系统和方法，补偿了非膨胀发动机循环期间的负功。例如，非膨胀循环的负功可按照特定的计算间隔(例如每一曲柄角度，或CAD)而建模。更特别地，发动机曲轴旋转期间的活塞运动可利用曲轴角变化基于三角方程而建模。例如，该模型可称为“活塞滑动体”方程。

对于任何活塞位置，活塞的被建模的线性运动可被转换为汽缸容积。然后，汽缸容积可与进气/排气阀正时以及进气/排气压力一起用于计算非膨胀发动机循环期间的汽缸压力。换句话说，可计算低压力区域的汽缸压力，在该低压力区域，尚未通过燃烧释放热量(即，负功)。仅作为示例，进气压力可基于进气歧管绝对压力(MAP)，而排气压力可基于排气回压(EBP)。

汽缸压力可用于压力传感器故障诊断。换句话说，汽缸压力可与已有的汽缸压力传感器一起用于合理解释所测得压力的变化和/或用于过滤这些区域中所测得的压力(即，低压)，因为可能发生无理输入谐振。例如，可通过处理多个不同的测量值来估计整个发动机操作循环中的汽缸压力。仅作为示例，可处理数以百计的测量值，以便产生各个汽缸压力估计。

此外，汽缸压力可用作控制应用的估计。更特别地，汽缸压力可在每个发动机位置被用于估计，以便估计泵送和压缩功(即，能量损失)。最后，校正的/过滤的汽缸压力和/或估计的能量损失可于是被用于控制燃烧(即，空气/燃料/火花)。

现在参见图2A，示出了包括发动机12的发动机系统10。发动机12包括示例性汽缸14。应当意识到，虽然示出了一个示例性汽缸14，但发动机12也可包括多个汽缸14。例如，也可使用2、3、4、5、6、8、10、12和16个汽缸的实施方式。

空气被吸入发动机12并经过进气口18进入进气歧管16，进气口18由节气门20调节。进气MAP传感器22测量进气歧管16中的压力。被吸入发动机12的空气通过进气阀24被分配到汽缸14，并与来自燃料箱(未示出)的燃料混合。例如，可通过燃料喷射器26将燃料喷入汽缸14。虽然所示汽缸14包括燃料喷射器26(即，直接燃料喷射)，但应当意识到，燃料喷射器26也可位于进气歧管20中或者位于在进气阀24之前的进气端口(未示出)中(即端口燃料喷射)。在一个实施例中，汽缸14也可包括压力传感器32，压力传感器32测量汽缸14内的压力。

汽缸14中的空气/燃料(A/F)混合物被活塞(未示出)压缩并且被火花塞28点燃。A/F混合物的燃烧驱动活塞(未示出)，活塞可旋转地转动曲轴34以产生驱动扭矩。曲轴传感器36可测量曲轴34的旋转位置和/或速度(RPM)。排气可从汽缸14排出，经过排气阀30、排气歧管38和排气系统40。在一个实施例中，EBP传感器42测量排气歧管38内的压力。替代性地，例如，也可基于排气流计算EBP。

控制模块44调节发动机12的操作。例如，控制模块44可控制节气门20、进气阀24、排气阀30和/或燃料喷射器26，以控制发动机12中的A/F比。另外，例如，控制模块44可控制火花塞28以控制发动机12的点火正时。控制模块44还从MAP传感器22、曲轴传感器36和EBP传感器42接收信号。

现在参见图2B，示出了示例性汽缸14的剖视图。汽缸14包括进气阀24、火花塞28、排气阀30和汽缸压力传感器32。虽然汽缸14没有示出为包括燃料喷射器26(即，端口燃料喷射)，但应当意识到，燃料喷射器26也可位于汽缸14中(即，直接燃料喷射)。

凸轮轴50、进气摇臂52和排气摇臂54在汽缸14上面。虽然示出了单一的凸轮轴50，但应当意识到，也可实施多个凸轮轴50(例如双顶置凸轮轴)。进气摇臂52连接到进气阀24并从而控制进气阀24的运动。类似地，排气摇臂54连接到排气阀30并从而控制排气阀30的运动。凸轮轴50包括不规则的凸角，该凸角分别致动摇臂52、54之一来打开对应的阀24、30。此外，当摇臂52、54之一以及对应的阀24、30被致动时，另一个摇臂52、54上的弹簧关闭对应的阀24、30。换句话说，例如，在一个特定时间，仅仅阀24、30中的一个可以打开。如图2B所示，例如，凸轮轴50致动进气摇臂52和进气阀24，而排气阀30保持关闭。

汽缸14还包括活塞56。活塞56经由连接杆58附接到曲轴34。曲轴34也附接配重60。曲轴34、配重60和连接杆58的一部分位于曲轴箱62内。曲轴箱62可进一步包括润滑剂槽64(例如，油)，用于润滑运动部件。汽缸14的容积可指的是在活塞56上方的空间(即，当进气/排气阀24、30均关闭时)。

现在参见图3，更详细地示出了控制模块44。控制模块44可包括虚拟汽缸压力传感器70、汽缸压力比较模块72、能量损失估计模块74和燃烧控制模块76。

虚拟汽缸压力模块70从曲轴传感器36接收信号。虚拟汽缸压力模块70基于(来自曲轴传感器36的)曲轴34的位置和非膨胀发动机循环(下面将更详细地说明)的高分辨率(例如，每一曲轴角度)模型来估计汽缸14之一中的压力。

汽缸压力比较模块72和能量损失估计模块74各自接收所估计的汽缸压力。汽缸压力比较模块72还从汽缸压力传感器32接收测得的汽缸压力。汽缸压力比较模块72比较测得的汽缸压力和所估计的汽缸压力。

汽缸压力比较模块72可基于所估计的汽缸压力验证测得的汽缸压力。例如，汽缸压力比较模块72可确定测得的汽缸压力和所估计的汽缸压力之间的差异是否小于预定压力差阈值。

汽缸压力比较模块72也可利用所估计的汽缸压力来过滤测得的汽缸压力。更特别地，由于可能出现的无理输入谐振，可在低压区域中使用所估计的汽缸压力来代替测得的汽缸压力。

能量损失估计模块74可估计汽缸在特定发动机循环期间的能量损失。更特别地，能量损失估计模块74可估计进气/排气冲程(即，泵送冲程)之一或者压缩冲程的第一部分期间的负功的量。负功可对应于相应发动机冲程期间的能量损失。

燃烧控制模块76从汽缸压力比较模块72接收汽缸压力并且从能量损失估计模块74接收所估计的能量损失。燃烧控制模块76可基于所接收的信号控制发动机的燃烧。更特别地，燃烧控制模块76可产生用于节气门20、燃料喷射器26和火花塞28中的至少一个的控制信号。换句话说，燃烧控制模块76可有效地控制发动机12的A/F比和点火正时。仅作为示例，当进气冲程期间的汽缸压力低于预定压力阈值时，燃烧控制模块76可经由节气门20增大空气流。

另外，燃烧控制模块76可控制发动机12的A/F比和点火正时以补偿包括能量损失的汽缸14中的一个或多个。仅作为示例，燃烧控制模块76可(经由燃料喷射器26)增加进入其他汽缸14的燃料，来补偿包括能量损失的一个或多个汽缸14。替代性地，在一个实施例中，当汽缸14中的一个或多个包括大于预定能量损失阈值的能量损失时，燃烧控制模块76也可产生警告信号(例如检查发动机标志)。

现在参见图4A，更详细地示出了虚拟汽缸压力模块60。虚拟汽缸压力模块60可包括活塞运动建模模块70、汽缸容积确定模块72以及汽缸压力估计模块74。

活塞运动建模模块70从曲轴传感器36接收信号。活塞运动建模模块70基于来自曲轴传感器36的信号对特定汽缸14的活塞的运动进行建模。更特别地，活塞运动建模模块70可基于发动机曲轴34的RPM对活塞运动(即向上和向下)有多快进行建模。例如，在一个实施例中，活塞运动建模模块70可对于一个发动机循环从曲轴传感器36接收数据，然后基于在该发动机循环期间所接收的数据来产生活塞运动模型。

汽缸容积确定模块72从活塞运动建模模块70接收活塞运动模型。汽缸容积确定模块72可利用活塞运动模型确定对应于当前活塞位置的汽缸容积。更特别地，汽缸容积确定模块72可基于活塞位置的预定采样率以及活塞运动模型来产生多个汽缸容积。仅作为示例，预定采样率可以是曲轴的每一曲轴角度(CAD)。

汽缸压力估计模块74从汽缸容积确定模块72接收汽缸容积。汽缸压力估计模块74还接收进气/排气阀24、30的正时，从MAP传感器22接收MAP，并且从EBP传感器42接收EBP。汽缸压力估计模块74基于所接收的信号/测量值估计对应汽缸的压力。更特别地，汽缸压力估计模块74可基于汽缸之前/之后的压力(即，MAP和EBP)和当前汽缸容积(基于活塞位置)来估计汽缸压力，而不论汽缸阀是否打开/关闭(进气/排气阀24、30正时)。

如前面提及的，虚拟汽缸压力模块70产生汽缸压力的高分辨率估计。换句话说，虚拟汽缸压力模块70以高采样率(例如，一CAD)操作，从而可提供汽缸压力的准确估计。

现在参见图4B，示出了表示本公开虚拟压力传感器的准确度的曲线图。如可以看出的，在整个非膨胀发动机循环中，虚拟压力传感器测量值大致与实际压力测量值相同。

现在参见图5，操作发动机系统10的方法始于步骤100。在步骤102，控制模块44确定发动机12是否启动。如果是，则控制可进行到步骤104。如果否，则控制可返回到步骤102。

在步骤104中，控制模块44对汽缸14之一中的活塞的运动进行建模。在步骤106中，控制模块44基于活塞的当前位置以及该模型确定汽缸容积。在步骤108中，控制模块44基于阀正时、汽缸14之前/之后的压力以及所确定的汽缸容积来估计汽缸14的压力。

在步骤110中，控制模块44利用所估计的汽缸压力来校正来自汽缸压力传感器32的测得的汽缸压力，和/或基于所估计的汽缸压力来估计汽缸14的能量损失。

在步骤112中，控制模块44基于汽缸14的所校正的汽缸压力和/或所估计的能量损失来执行补救动作。例如，该补救动作可产生空气/燃料/火花控制信号和/或产生警告信号(例如，检查发动机标志)。然后，控制可返回到步骤102。

本领域技术人员现在将从前面的描述意识到本公开的广泛教导可按照多种形式实施。因此，虽然本公开包括了具体示例，但本公开的真实范围却不应当限于这些具体示例，因为其他修改在本领域技术人员研究了附图、说明书和所附权利要求书后将会变得明显。

Claims (10)

1.一种发动机控制系统，包括：

活塞运动建模模块，其基于发动机曲轴的角变化对相应汽缸内的活塞的运动进行建模；

汽缸容积确定模块，其基于所述发动机曲轴的角位置和所述活塞的建模的运动来确定所述汽缸的容积；和

汽缸压力估计模块，其基于所确定的容积、进气歧管绝对压力(MAP)、进气阀正时、排气阀正时和排气回压(EBP)来估计所述汽缸中的压力。

2.如权利要求1所述的发动机控制系统，其特征在于，在每个发动机循环期间，所述汽缸的容积被确定并且所述汽缸压力被估计预定次数，其中，所述预定次数对应于预定采样时间段。

3.如权利要求2所述的发动机控制系统，其特征在于，所述预定时间段对应于所述发动机曲轴的一度旋转。

4.如权利要求1所述的发动机控制系统，还包括：

汽缸压力传感器，其测量所述汽缸中的压力。

5.如权利要求4所述的发动机控制系统，还包括：

汽缸压力比较模块，其基于所估计的压力和所测得的压力产生所述汽缸的校正的压力。

6.如权利要求5所述的发动机控制系统，其特征在于，当所测得的压力和所估计的压力之间的差异大于预定压力阈值时，所述汽缸压力比较模块基于所估计的压力产生所述校正的压力。

7.如权利要求6所述的发动机控制系统，其特征在于，当所测得的压力和所估计的压力之间的差异小于或等于所述预定压力阈值时，所述汽缸压力比较模块基于所测得的压力产生所述校正的压力。

8.如权利要求5所述的发动机控制系统，还包括：

燃烧控制模块，其基于所述校正的汽缸压力进行如下之一：产生警告信号，以及控制所述发动机的A/F比和火花正时中的至少一个。

9.如权利要求1所述的发动机控制系统，还包括：

能量损失估计模块，其基于所估计的压力估计所述汽缸的进气冲程、排气冲程和压缩冲程第一部分之一期间的能量损失。

10.如权利要求9所述的发动机控制系统，还包括：

燃烧控制模块，其基于所估计的能量损失进行如下之一：产生警告信号，以及控制所述发动机的A/F比和火花正时中的至少一个。

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