CN102330595B - 用于确定内燃机中的增压器的旋转速度的方法 - Google Patents

Abstract

用于确定至少一个增压器的旋转速度的方法，所述增压器压缩内燃机(1)中的吸入空气；在内燃机(1)的正常运行过程中，控制方法包括步骤：通过麦克风(25)检测通过该增压器(14)的旋转产生的声音信号的强度；确定通过该增压器(14)的旋转产生的声音信号的频率含量；在通过该增压器(14)的旋转产生的声音信号的频率含量中辨识具有最大幅值的频率；识别具有最大幅值的频率，它们互相之间是倍数或约数；和排他地采用具有最大幅值的频率确定该增压器(14)的旋转速度，它们互相之间是倍数或约数。

Description

用于确定内燃机中的增压器的旋转速度的方法

技术领域

本发明涉及用于确定内燃机中的至少一个增压器的旋转速度的方法。

背景技术

增压的内燃机提供有涡轮增压器(或者通过废气运行的涡轮增压器或者通过驱动轴运行的容积式涡轮增压器)，其在一些情况下压缩吸入的空气以增加容积效率。由于涡轮增压器的作用，在增压的内燃机中，在进气歧管高压中可能发生或者轻微的真空，其通过由汽缸产生的吸入作用而确定(涡轮增压器不运行)，或者过压，其通过涡轮增压器的压缩作用而确定(涡轮增压器运行中)。相应地，在增压的内燃机中，能够精确地控制涡轮增压器的增压器的旋转速度，其决定了进气歧管高压中的过压是根本性的。大多数人已知的是，用于确定增压器的旋转速度所采用的方案包括设置位置传感器，其读取绕着增压器的旋转轴线的绝对角度位置，并确定增压器自身的角度旋转速度。该位置传感器通常固定到增压器的扩散体的壁上，在面向和靠近叶片的位置中。

然而该方案具有缺点，需要确保不令人满意的关于可靠性的性能，还要求在增压器上机械加工操作，这将是费时费钱的。

发明内容

本发明的目的在于提供用于确定内燃机中的增压器的旋转速度的方法，该确定方法没有现有技术中的缺点，并且特别地，能够容易的和成本有效地实施。

根据本发明，提供了用于确定内燃机中的增压器的旋转速度的方法，如同在后面的权利要求中所宣称的那样。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，这些附图示例了其非限制性的实施方式，其中：

图1是提供有控制单元的增压的内燃机的图解视图，其实施用于确定本发明目的的增压器的旋转速度的方法；

图2是图1中内燃机的涡轮增压器的图解视图；

图3表示图2中的增压器的运行特征；

图4是图表，其示例了通过图2的增压器的旋转产生的声音信号的强度的FFT。

具体实施方式

在图1中，数字1总体上指示通过具有涡轮增压器的增压系统2增压的内燃机。

该内燃机1包括四个汽缸3，每个通过至少一个各自的进气阀(未示出)连接到进气歧管(intake manifold)4，并通过至少一个各自的排气阀(未示出)连接到排气歧管5。进气歧管4通过进气导管6接收新鲜空气(也即来自外部环境的空气)，其提供有空气滤清器7，并通过蝶阀8调节。用于冷却吸入空气的内部冷却器9沿着进气导管6设置。排气导管10，其将通过燃烧产生的废气供应到排气系统，连接到排气歧管5；该排气导管将通过燃烧产生的气体排放到大气中，并通常包括至少一个催化转化器11和设置在催化转化器11的下游的至少一个消音器(未示出)。

内燃机1的增压系统2包括涡轮增压器12，其提供有涡轮13，该涡轮沿着排气导管10设置，以在从汽缸3喷射出的废气的偏压下高速旋转，和增压器14，其沿着进气导管6设置并机械地连接到涡轮13上，以通过涡轮机13自身可旋转地供应，从而增加供应到进气导管6内的空气的压力。

沿着排气管10提供有旁通管15，其平行于涡轮13连接，从而使其端部连接到涡轮13自身的上游和下游；沿着旁通管15设置有废气门阀16，其适于调节流过旁通管15的废气的流速并通过作动器17驱动。沿着进气管6提供有旁通管18，其平行于增压器14连接，从而使其端部连接到增压器自身的上游和下游；沿着旁通管18设置有Poff阀(Poff valve)19，其适于调节流过旁通管18的空气流速并通过作动器20驱动。

内燃机1通过电子控制单元21控制，其支配内燃机1的所有组件的运行。

内燃机1还包括滤毒器回路22，其起到回收在燃料箱23中扩展的燃料蒸汽和将这些燃料蒸汽引入汽缸3以用于燃烧的功能；从而防止在燃料箱23中扩展的燃料蒸汽从燃料箱23释放出去(特别地，当燃料加油口盖打开以加燃料的时候)并自由地分散到大气中。

如在图1中示出的，控制系统24提供的除了控制单元21外，还包括至少一个声压水平传感器25，也即麦克风25，其连接到控制单元21上并适于检测声音信号的强度S，该声音信号检测增压器14的运动。

如在图2中更加详细地示出的，增压器14包括绕着轴线X旋转的带叶片的圆盘26和固定的扩散器27。麦克风25设置用于检测通过叶片28的旋转发射的声音信号的强度S，并处于防护的位置，从而不过度地受到通过号角、通过爆炸现象的初动等产生的噪音的影响。

叶片28分为绕着轴线X交替的较长的五个叶片28A(所谓的完整叶片)组和较短的五个叶片28B(所谓的分流叶片)组。

麦克风25是全向型的，具有100kHz量级级别的相对高频的采样值，用于获取声音信号的强度S。

图4通过例子表示图表，其描述了声音信号的强度S的变量，作为以秒表示的时间的函数检测增压器14的声音含量。

通过麦克风25获得的未滤波的信号信息丰富，但是难以与增压器14的旋转速度相关联。为了获得该信息，需要运行快速傅立叶变换(FTT)以将获得的信号分解为谐频的和，所述谐频具有不同的频率、幅值和相位，如在图4的图表中示出的。在滤波后的声音信号的强度S的完整谱的较高量级的频率中，那些与在扩散器27内的带叶片的圆盘26的不同几何不规则的通道相关的被呈现出。特别地，检测到的几何不规则可以涉及形成增压器14的带叶片的圆盘26的单个叶片28，或者其他类型的不规则，例如不同长度的两组叶片28A和28B的出现。

图4的图表表示对应于增压器14的旋转频率的两个倍数的两个轨迹A和B，这两个轨迹A和B的每个与带叶片的圆盘26的各自的叶片28A和28B的组相关联。

当带叶片的圆盘26的几何已知时，旋转速度(单位：rpm)可以通过如下公式获得：

N＝(60*f)/z

其中：

f＝瞬时频率(Hz)；

z＝增压器用于每组叶片28A和28B的叶片28的数量；

N＝以rpm表达的增压器14的旋转速度。

与单个增压器14相关的滤波了的声音信号的强度S的完整谱上的轨迹A和B的呈现在改进信号识别算法的鲁棒性(robustness)和/或在多阶系统的情形下跟踪几个增压器组件的速度上是有用的。

当增压器14的速度信息已知时，增压器可以在超速条件下得到保护，其中切断涡轮增压器12的输入燃料的安全系统进入运行，或者增压控制可以得到改进，这通过减小涡轮增压器12响应于作动时由于涡轮13的惯性而引起的延迟而实现。

然后该方法包括估计增压器14的旋转速度的另一个值，特别地，该方法包括辨识增压器14的旋转速度的可能频率的区间，然后估计增压器14在该可能频率的区间内的旋转速度，这完全与滤波了的声音信号的强度S无关。

以完全无关的方式计算出的增压器在该可能频率的区间内的旋转速度的值用于验证增压器14的旋转速度的值，其作为滤波了的声音信号的强度S的频率含量(frequency content)的函数而估计，再次参考该可能频率的区间。

用于以完全不相关的方式估计增压器14的旋转速度的第一种方法包括采用从增压器14的运行特征校准了的数学函数，其通过增压器14的制造商提供并在图3中示出，其提供了增压器14的旋转速度，该旋转速度作为压缩比β和通过增压器14的空气流速AM_Compr的函数。

该估计模型这样表达了增压器14的旋转速度，其作为压缩比β和通过增压器14的空气流速AM_Compr和进气和传送温度的函数。

特别地，增压器14的旋转速度的值N可以表达如下：

N＝f(β，AM_Compr)

其中：

β：压缩比，也即增压器14的各个输出压力和输入压力的比；和

AM_Compr：通过增压器14的空气流量。

根据优选的变量，关于通过增压器14的空气流速AM_Compr，该值通过空气温度T_air校正。

增压器14的输入压力值P_inC作为大气压力值P_atm和通过内燃机1吸入并通过流量计(未示出)检测到的空气流速之间的差值的函数而得到估计。

估计模型允许获得增压器14在可能频率的区间内的旋转速度的估计值，从中增压器14的旋转速度的估计值可以得到验证，其从在可能频率的区间内的滤波了的声音信号的强度S的频率含量中获得。

而且，通过制造商提供的运行特征可以基于使用中的增压器14而适用；特别地，适应性传播根据通过等式(其在下文中没有描述)的系统的预定的数学规律而发生，其通过电子控制单元21而实施，以传播学习和巩固增压器14的运行特征图。

在增压器14基本上高的旋转速度的情形下，其比预定的门限值TV₁更高，通过滤波了的声音信号的强度S的频率含量提供的增压器14的旋转速度的第一估计值(first estimation)是可靠的，并用于适应图3中所示的增压器的运行特征。

替代地，在增压器14低的旋转速度的情形下，其比预定的门限值TV₁更低，通过滤波了的声音信号的强度S的频率含量提供的增压器14的旋转速度的第一估计值较不可靠，因此不用于适应图3中所示的增压器的运行特征。

至此描述的模型也可以有利地用作麦克风25的诊断工具，以评估由于麦克风25自身的陈旧而引起的可能的漂移。在该情形下，该模型包括，在初步建立和设计步骤中，对增压器14的旋转速度的两个估计的值之间的偏差建立初始的公差值(例如±10％)，其在麦克风25的有效生命的开始可接受，和完全比率的公差值(例如±20％)，其高于初始的公差值，以考虑到麦克风25不可避免的陈旧。如果在增压器14的这两个估计的旋转速度值之间的偏差高于该初始值或完全比率的公差值，该电子控制单元21信号表示麦克风25故障情况的出现。

这里描述的许多方法包括估计增压器14的旋转速度的另一个值的可能性，其与通过适应性模型的滤波了的声音信号的强度S完全无关，以使得增压器14的旋转速度的该估计在一些点处更加鲁棒，在这些点，声音信号的强度S更弱或者更容易受到噪音的干扰。

根据第一变化，该适应性模型基于非线性条件的数学公式。

特别地，增压器14的速度通过如下非线性公式估计：

N＝c2*(β-c1)^c3+(c4*β)+(c5*AM_Compr ^c6)+(AM_Compr/β)^c8/c7

其中：

β：压缩比；和

AM_Compr：经过增压器14的空气流量；

c1-c8：增压器14的特征系数。

特征系数c1-c8的初始值在初步建立和设计步骤中确定，从制造商提供的公称(nominal)运行特征和/和从实验的车下引擎数据(off-vehicle engine data)中获得，并对于每个增压器14适于之后在线使用。

该适应性模型包括在适应过程中相对于公称运行特征使得特征参数c3、c6和c8不改变，而特征系数c1、c2、c4、c5、c7得以更新。

为了更新五个特征c1、c2、c4、c5、c7系数的值，显然需要五个测量点的最小数目；这五个测量点存储在电子控制单元21内的存储器缓存中。当β、AM_Compr和N的值已知时，等式系统可以获得，通过其获得特征系数c1、c2、c4、c5、c7。

非线性系统的分辨率利用上述非线性公式的简化而是可能的，其获得用于中-低流速。事实上，在这些条件下，AM_Compr的特征乘数系数c5和c7可以认为等于零，而增压器14的速度通过如下简化的公式估计：

N＝f(β，AM_Compr)

＝c2*(β-c1)^c3+(c4*β)

根据变化，适应性模型的特征系数c1-c8的适应性也可以通过求助于误差最小方法(error minimization method)而得到，该方法通过电子控制单元21在正常运行过程中实施。还是在该情形下，特征系数c1-c8的初始值在初始建立和设计步骤中确定，来自通过制造商提供的公称运行特征和/或实验的车下引擎数据。

为了核对适应性的质量，需要确定在初始建立和设计步骤过程中的公差值TV₂。该适应性将认为是有效的，如果在另外的运行点处，适应值和开始值(也即通过制造商或在引擎车下测试中建立)之间的偏差低于公差值TV₂的话，该点不同于用于学习的所述至少一个运行点。

根据第二变化，适应性模型基于神经网络(neural network)。如同已知的，神经网络展现了称为人造神经元的元件之间的信息互联，和采用计算连接机制方法的处理。该神经网络本质上是非线性适应性结构，其根据外部或内部信息改变其结构，所述信息在学习步骤过程中流过网络。

特别地，为了估计增压器14的速度，采用具有非常简单的结构的神经网络(总共具有3-4个神经元的2或3个节点层)，从而电子控制单元21的计算负担不过多。

神经网络的每个特征参数NN的初始训练通过制造商的运行特征和/或在初始引擎车下测试步骤过程中获得的实验数据得到，然后适用于每个增压器14。特别地，在增压器14的正常运行过程中，神经网络的每个特征参数NN的适应性可以通过6-10个测量点的最小数目获得，所述测量点存储在电子控制单元21里面的存储器缓存中并均匀分布在增压器14的所有运行区域中。

也是在本情形下，为了核实适应性的质量，需要在初始建立和设计步骤过程中确定公差值TV₃。该适应性将认为是有效的，如果适应的值和开始值(也即通过制造商或通过引擎车下测试建立)之间的偏差在不同于用于学习的所述6-10个运行点的另外的运行点中小于公差值TV₃的话。

还有的变形包括不采用从上述类型的模型为验证而获得的信息，完全不顾滤波了的声音信号的强度S，作为所述强度S的频率含量的函数而估计的增压器14的旋转速度的值。特别地，该还有的变形有利地采用，如果内燃机1没有提供用于检测通过内燃机1吸入的空气流速的流量计或者建立用于检测增压器的输出压力P_outC或大气压力P_atm的压力传感器的话。

这样的变形包括采用信息的冗余，其可以从滤波了的声音信号的强度S的频率含量中获得。特别地，如在图4中示出的，两个轨迹A和B对应于增压器14的旋转频率的两个倍数而提供，两个轨迹A和B与每个与带叶片的圆盘26的各个叶片28A和28B的组关联。

在本情形下，更高幅值的频率在增压器的旋转速度的可能频率的区间内看到，且更高幅值的频率的倍数值得以选择。一旦获得了满足这样的标准的信息，研究可以在集中于前面的点的范围中继续，该范围相对于在用于傅立叶变换的采样数量所考虑的时间具有比涡轮机的最大正或负速度变化更高的幅值。

在本情形下，该方法首先通过识别在通过如图4中示出的增压器14的旋转产生的声音信号的频率含量中的最大幅值的频率，第二，通过识别最大幅值的频率，其互相之间是倍数或约数(each other’s multiples or submultiples)。增压器14的旋转速度采用最大幅值的频率排他地确定，其互相之间是倍数或约数。

在初始建立和设计步骤过程中，可能频率的区间得以确定，而通过增压器14的旋转产生的声音信号的频率含量中的最大幅值的频率排他地在可能频率区间内取得。

根据第一个变形，该方法然后通过计算增压器14的加速度而处理，其通过将增压器14的旋转速度的当前值和增压器14的旋转速度的先前值之间(也即增压器14的旋转速度的两个值之间，顺序确定)的差值除以在这两个时刻之间流逝的时间间隔，在该时间间隔内增压器14的这两个旋转速度得以确定。如果增压器14的加速度高于最大值TV_{acc_1}，该最大值在初始的建立步骤中已经预先确定，电子控制单元21产生错误信号。

根据第二变形，替代地，该方法通过确定研究区间而进行，该区间集中于在先前执行步骤中计算的增压器14的旋转速度的值上，并具有等于乘以时间间隔的最大可能加速度的半幅值(semi-amplitude)，该时间间隔处于分别确定增压器14的旋转速度的当前值和增压器14的旋转速度的先前值之间。增压器14的旋转速度的新的值通过排他地采用最大幅值的频率而看到，该最大幅值的频率在研究区间内互相之间是倍数或约数。

上述控制策略也可以有利地用于控制在内燃机1内的任何其他增压器，例如直接地连接到驱动轴上的增压器。

而且，上述控制策略也可以有利地用于控制多阶型的增压器。所述多阶型的增压器通常包括两个或更多个互相串联连接的单元；较小的涡轮具有快速响应和小的输出压力，而较大的涡轮具有倾向于慢的但是高输出压力的响应。

这两个增压器14显然具有各自互相不同的旋转速度，且不同的频率与之关联；因此，通过单个麦克风25，通过两个增压器发射的噪音可以得到检测，信号可以分解为两个轨迹，每个与各自的增压器14相关联。

至此描述的策略可以有利地通过电子控制单元21采用，该电子控制单元用于控制内燃机1的增压器14的旋转速度，并执行一系列的策略，这些策略适于尽可能多地推进涡轮增压器12的性能，而保持在涡轮增压器12自身的结构范围之内。而且，还有的优点在于电子控制单元21计算负载，其不过多地要求执行上述策略。

Claims (3)

1.用于确定至少一个增压器(14)的旋转速度的方法，所述增压器压缩内燃机(1)中的吸入空气；在内燃机(1)的正常运行过程中，控制方法包括步骤：

通过麦克风(25)检测通过该增压器(14)的旋转产生的声音信号的强度；

确定通过该增压器(14)的旋转产生的声音信号的频率含量；

在通过该增压器(14)的旋转产生的声音信号的频率含量中辨识具有最大幅值的频率；

识别具有最大幅值的频率，它们互相之间是倍数或约数；和

排他地采用具有最大幅值的频率确定该增压器(14)的旋转速度，它们互相之间是倍数或约数；

该方法的特征在于：其还包括步骤：

确定研究区间，该区间集中于该增压器(14)的旋转速度的先前值并具有半幅值，该半幅值等于可能的最大加速度乘以时间间隔，该时间间隔处于确定该增压器(14)的旋转速度的先前值的时刻和确定该增压器(14)的旋转速度的新值的时刻之间；和

采用具有最大幅值的频率研究该增压器(14)的旋转速度的新值，其是排他地在该研究区间内互相之间是倍数或约数。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：

这样计算该增压器(14)的加速度：令该增压器(14)的旋转速度的新值和该增压器(14)的旋转速度的先前值之间的差值除以时间间隔，该时间间隔处于确定该增压器(14)的旋转速度的先前值的时刻和确定该增压器(14)的旋转速度的新值的时刻之间；和

如果该增压器(14)的该加速度高于预定的最大值(TV_{acc_1})，产生错误信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中该内燃机(1)包括至少两个吸入空气的压缩阶段，每个提供有各自的增压器；该方法还包括步骤：

通过麦克风(25)检测通过每个压缩阶段的增压器的旋转产生的声音信号的强度；

通过分析该声音信号的强度确定每个压缩阶段的增压器的旋转速度。