CN102434296A - 一种主动抑制发动机曲轴扭振的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动抑制发动机曲轴扭振的方法和装置，首先，检测曲轴的瞬时转速，根据得到的曲轴瞬时转速信号计算得到对应的方波信号并计算出曲轴的共振点的共振谐次扭角和对应转速；根据曲轴的固有频率和振型以及曲轴的共振点的共振谐次扭角和对应转速，计算得到抑制所述共振点的喷油矢量并通过驱动电路向喷油器电磁阀输出控制信号控制喷油器。本发明的主动抑制发动机曲轴扭振的方法和装置，能够通过调整柴油机各缸的循环喷油量和喷油正时实现对曲轴扭振的实时闭环控制，从而保证发动机曲轴平稳可靠的工作运行。

Description

一种主动抑制发动机曲轴扭振的方法和装置

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体地，涉及一种主动抑制发动机曲轴扭振的方法和装置。

背景技术

扭振是发动机曲轴主要的疲劳破坏因素，而扭振的机理研究是发动机动力学研究的重要课题，对于曲轴扭振抑制和提高发动机工作可靠性、改善车辆的噪声振动和声振粗糙度性能具有重要意义。

扭振控制按照其控制方式来讲可以分为三类：被动控制、半主动控制和主动控制。

扭振被动控制通过改变曲轴轴系动力学固有特性，将扭振临界转速移出发动机工作转速范围，或者通过阻尼材料吸收激励能量。曲轴被动控制的方法很多，其中在曲轴自由端安装减振器是当今普遍使用的方法。其存在的根本问题是激励频率变化时减振器参数不能调节，只能依靠固定的设计参数使轴系在整个运行范围内的某一频率段限制系统的扭振振幅，而在其他频率处不能达到最佳的减振效果。

扭转振动半主动控制的基本原理是利用采集到曲轴扭转角位移信号，根据一定的控制算法输出控制信号给控制执行机构，通过调整曲轴系统的动力学参数(惯量、刚度、阻尼等)、吸收消耗扭转振动能量，实现对扭振的控制。常见的参数调节机构包括采用智能材料(记忆合金)、压电晶体、磁流体等的执行器，如磁粉离合器、干摩擦制动器、磁流体制动器等。

扭振主动控制主要是通过向轴系输入与扭振反相的激励实现对扭振的控制。各种控制方法是扭振主动控制的研究热点。

芬兰埃博学术大学的F.Ostman和H.T.Toivonen从控制的角度出发，认为目前的燃油供给系统及电子控制单元可以实现对循环喷油量的精确控制。通过检测和分析发动机的扭振信号，进而修正循环喷油量重新组织缸内燃烧过程，重构缸内燃气力矩，调整和减小扭振能量的输入来实现轴系扭振幅度的减小。但是该方法仅从修正循环喷油量的角度出发，而未涉及对喷油正时的因素。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中主动抑制发动机曲轴扭振的缺陷，提出一种主动抑制发动机曲轴扭振的方法和装置，通过采用本发明的方法和装置，能够以扭角观测器对发动机曲轴共振点的扭振进行监控，根据得到的扭振信息利用扭振信息解算模块解算出较佳的喷油矢量，通过调整柴油机各缸的循环喷油量和喷油正时实现对曲轴扭振的实时闭环控制，从而保证了曲轴平稳可靠的工作运行。

本发明的主要思想在于，通过检测曲轴的瞬时转速并利用瞬时转速计算出共振点的共振谐次的扭角，计算出优化的抑制该共振点较好的喷油矢量，包括喷油量和喷油提前角，喷油器以该喷油量和喷油提前角喷入气缸燃烧做功，从而实现了该共振点工况下作用在曲轴扭矩的闭环控制，最终达到降低轴系扭振的目标。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种主动抑制发动机曲轴扭振的方法。

根据本发明实施例的主动抑制发动机曲轴扭振的方法，包括步骤：

A.检测曲轴的瞬时转速，根据得到的曲轴的瞬时转速信号计算得到对应的方波信号；

B.根据得到的方波信号计算出曲轴的共振点的共振谐次扭角和对应转速；

C.根据曲轴的固有频率和振型以及曲轴的共振点的共振谐次扭角和对应转速，计算得到抑制所述共振点的喷油矢量；

D.根据得到的喷油矢量通过驱动电路向喷油器电磁阀输出控制信号控制喷油器。

优选地，所述步骤A还包括：

通过与曲轴直接相连转速传感器得到曲轴瞬时转速的原始信号；

对得到的曲轴瞬时转速的原始信号进行低通滤波，得到相应的正弦波信号；

通过信号调理电路将正弦波转换成相应的方波信号。

优选地，所述步骤B还包括：

通过以下公式计算曲轴的瞬时转速，

$\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}}{z(t_2-t_1)}$

其中，t₁、t₂为所述方波信号相邻两上升沿的时刻，z为信号齿盘的齿数；

通过以下公式计算曲轴的共振点的共振谐次扭角，

${\mathrm{\θ}}_i={\∫}_0^n(\mathrm{\ω}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}})\mathrm{dt}={\∫}_0^n\mathrm{\ωdt}-{\∫}_0^n\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}\mathrm{dt}$

$={\mathrm{\θ}}_0(n-\frac{t_n}{\stackrel{\‾}{t}})={\mathrm{\θ}}_0(n-\frac{k_n}{\stackrel{\‾}{k}})$

其中，θ₀—单位轮齿对应的转角，θ₀＝360°/Z，Z为齿盘齿数；

—转过一个齿的平均时间；

k_n—转过n个齿的晶振计数；

—转过一个齿的平均计数次数；

通过傅立叶变换模块对共振点的总扭角进行傅立叶变换得到共振谐次扭振振幅。

优选地，所述步骤C还包括：

对曲轴进行自由振动分析，找出曲轴的固有频率和各节点的振型；

根据扭振实时观测器测得的共振扭角信息，找出所述共振点对应的模态振型；

根据所述模态的振型和共振总扭角，在所述发动机输出功率不变和所述总扭角小于0.5°的情况下，在不大于所述发动机最高爆发压力或共振谐次转折频率对应的喷油矢量范围时，根据预设标准喷油矢量，计算得到抑制所述共振点的喷油矢量的调节量；

根据得到的抑制所述共振点的喷油矢量向喷油器电磁阀驱动电路输出控制信号。

为实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种主动抑制发动机曲轴扭振的装置。

根据本发明实施的主动抑制发动机曲轴扭振的装置，包括曲轴瞬时转速检测模块、扭振观测器、扭振解算控制模块和驱动电路，其中

所述曲轴瞬时转速检测模块，用于检测曲轴的瞬时转速并得到方波信号，将所述方波信号传送给扭振观测器；

所述扭振观测器，用于根据接收的方波信号计算曲轴的瞬时转速和曲轴共振点的共振谐次的扭角，并传送给扭振解算控制模块；

所述扭振解算控制模块，用于根据曲轴的固有频率和振型以及曲轴共振点的共振谐次的扭角计算出抑制所述曲轴共振点的喷油矢量，并传送给喷油器电磁阀驱动电路；

所述驱动电路，用于接收喷油矢量并向喷油器电磁阀输出控制信号控制喷油器以所述喷油矢量喷入发动机气缸燃烧做功。

优选地，所述曲轴瞬时转速检测模块，包括转速传感器、低通滤波电路和信号调理电路，其中

所述转速传感器与曲轴直接相连，用于得到曲轴瞬时转速的原始信号，并发送给低通滤波电路；

所述低通滤波电路用于对所述曲轴瞬时转速的原始信号进行低通滤波，得到正弦波信号并发送给信号调理电路；

所述信号调理电路用于将所述正弦波信号转换成方波信号。

优选地，所述扭振观测器，包括高频脉冲计数器、积分器和傅里叶变换模块，其中

所述高频脉冲计数器用于根据得到的方波信号计算出曲轴的瞬时转速传送给积分器；

所述积分器用于根据得到的曲轴瞬时转速计算出曲轴的总扭角；

所述傅立叶变换模块用于对测量的扭振时域信号进行傅立叶变换得到所述曲轴共振点的谐次扭振振幅。

优选地，所述扭振解算控制模块用于：

根据扭振实时观测器测得的共振扭角信息，计算出所述共振点对应的模态振型；

根据所述模态的振型和共振总扭角，在所述发动机输出功率不变和所述总扭角小于0.5°的情况下，在不大于所述发动机最高爆发压力或共振谐次转折频率对应的喷油矢量范围时，根据一预设标准喷油矢量，计算得到抑制所述共振点的喷油矢量的调节量。

本发明的主动抑制发动机曲轴扭振的方法和装置，以扭角观测器对发动机曲轴共振点的扭振进行监控，根据得到的扭振信息利用扭振信息解算模块解算出较佳的喷油矢量，通过调整柴油机各缸的循环喷油量和喷油正时实现对曲轴扭振的实时闭环控制，从而保证了曲轴平稳可靠的工作运行。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明主动抑制发动机曲轴扭振方法的流程图。

图2为本发明曲轴瞬时转速检测方法的流程图。

图3为本发明扭振实时观测方法的流程图。

图4为本发明扭振解算控制方法的流程图。

图5为本发明主动抑制发动机曲轴扭振装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种主动抑制发动机曲轴扭振的方法，包括：

步骤101.检测曲轴的瞬时转速，根据得到的曲轴瞬时转速信号转换成对应的方波信号；

步骤102.根据得到的方波信号计算出曲轴共振点的共振谐次扭角和对应转速；

步骤103.根据得到的曲轴的共振点的共振谐次扭角和对应转速，并分析找出对应的曲轴固有频率和振型，计算得到抑制所述共振点的喷油矢量；

步骤104.根据得到的喷油矢量通过驱动电路向喷油器电磁阀输出控制信号控制喷油器。

其中，如图2所示，步骤101还包括以下步骤：

步骤201.通过与曲轴直接相连转速传感器得到曲轴瞬时转速的原始信号；

步骤202.对得到的曲轴瞬时转速的原始信号进行低通滤波，得到相应的正弦波信号；

步骤203.通过信号调理电路将正弦波转换成相应的方波信号。

如图3所示，步骤102还包括以下步骤：

步骤301.通过曲轴瞬时转速信号检测模块得到的方波信号(PPM信号)，利用高频脉冲计数器对PPM信号的上升沿进行检测，分别记录相邻两上升沿的时刻t₁、t₂，两个时刻的时间间隔Δt即为信号齿盘单位轮齿所对应的时间，由式(1)即可计算出曲轴的瞬时转速ω，式中z为信号齿盘的齿数。

$\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}}{z(t_2-t_1)}---\left(1\right)$

步骤302.设齿盘转动n个齿的时间为t_n，ω为t_n时刻的瞬时角速度，为测量工况的平均转速，则在t_n时刻向前(或向后)的扭角为：

${\mathrm{\θ}}_i={\∫}_0^n(\mathrm{\ω}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}})\mathrm{dt}={\∫}_0^n\mathrm{\ωdt}-{\∫}_0^n\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}\mathrm{dt}$

$={\mathrm{\θ}}_0(n-\frac{t_n}{\stackrel{\‾}{t}})={\mathrm{\θ}}_0(n-\frac{k_n}{\stackrel{\‾}{k}})---\left(2\right)$

式中θ₀—单位轮齿对应的转角，θ₀＝360°/Z，Z为齿盘齿数；

—转过一个齿的平均时间；

K_n—转过n个齿的晶振计数；

—转过一个齿的平均计数次数。

测量出曲轴的瞬时转速后，由积分器通过式(2)计算出曲轴的总扭角；

步骤303.通过傅立叶变换模块对测量的扭振时域信号进行傅立叶变换即可获得特定谐次扭振振幅。这样做的优势是闭环控制共振谐次扭振时，大大减少傅立叶变换的计算量，从而保证共振谐次扭角反馈的实时性。

如图4所示，步骤103还包括以下步骤：

步骤401.对曲轴进行自由振动分析，计算曲轴的不少于前3阶模态，目的是找出内燃机曲轴的固有频率和振型，即曲轴各质量点在各固有频率共振时的相对振幅和相位；

步骤402.根据扭振实时观测器测得的共振点对应转速下的共振扭角信息，分析并找出这些共振点以哪个模态振动；

步骤403.曲轴共振时，各质量点是以该固有频率对应的振型振动。因此，根据这些模态的振型和喷油矢量对干扰力矩幅值和相位的影响规律的结论，以干扰力矩矢量和最小为优化指标，计算出抑制这些共振点的喷油矢量。即在没有超过最高爆发压力或共振谐次转折频率对应的喷油矢量范围时，为保证输出功率不变，减小相对振幅较大节点对应缸的喷油提前角，增加相对振幅较小节点对应缸的喷油量。

步骤404.以优化后的喷油量和喷油提前角向喷油器电磁阀驱动电路输出控制信号。

根据本发明实施例，还提供了一种主动抑制发动机曲轴扭振的装置。

如图5所示，为主动抑制发动机曲轴扭振的装置的结构示意图。主要包括曲轴，曲轴瞬时转速检测模块，扭振观测器，扭振解算控制模块，驱动电路和喷油器电磁阀。

主动抑制发动机曲轴扭振的控制流程是：由曲轴瞬时转速检测模块检测出曲轴的瞬时转速，通过扭振观测器利用瞬时转速计算出共振谐次的扭角，然后由扭振解算控制模块以干扰力矩矢量和最小为目标，计算出优化的抑制该共振点较好的喷油矢量(喷油量和喷油提前角)，喷油器以该喷油量和喷油提前角喷入气缸燃烧做功，从而实现了该共振点工况下作用在曲轴扭矩的闭环控制，最终达到降低轴系扭振的目标。

发动机曲轴作为发动机上主要的运动部件，它的性能优劣直接关系到发动机乃至整车的性能、可靠性和寿命。曲轴系的振动是引发内燃机振动的主要因素。曲轴上作用有大小、方向周期性变化的切向和法向作用力，故曲轴会产生扭转振动。由于曲轴较长、扭转刚度较小，且曲轴系的转动惯量较大，故曲轴扭振频率较低，在发动机工作转速范围内容易产生共振，从而引起较大噪声、加剧其它零件的磨损，甚至导致曲轴折断。曲轴的扭振信息在曲轴的瞬时转速中可以体现，轴系在旋转时，若没有扭振，则轴的各瞬时速度都等于其平均速度，当轴系发生扭振时，相当于在轴系平均速度上叠加了扭振的波动，轴系的瞬时转速不再均匀。因此可以通过检测曲轴旋转的瞬时转速来解算其中所蕴含的扭振信息。

曲轴瞬时转速信号检测模块的功能是实时精确的检测出曲轴的瞬时转速的信号，为扭振观测器提供形状规则的方波信号。该模块主要由转速传感器、低通滤波电路、信号调理电路等组成。转速传感器就是磁电式传感器，其与曲轴直接相连，得到的是瞬时转速的原始信号，就是一系列的正弦波，但由于干扰的作用，瞬时转速的原始信号上叠加了一些高频的杂波。因此，需要低通滤波电路对瞬时转速的原始信号进行低通滤波，使其变成光滑平顺的正弦波。最后通过信号调理电路是正弦波转换成形状规则的方波，曲轴的扭振信息就在方波的相位之中。

本发明抑制的是曲轴在共振谐次的扭转振动。扭振实时观测器功能是对曲轴共振点的共振谐次进行主动控制时检测该共振谐次扭角的变化情况，也就是给扭振闭环控制提供一个反馈。因此，就要要求扭振实时观测器准确快速的测出曲轴共振谐次扭角的变化。扭振实时观测器主要由高频脉冲计数器、积分器和傅里叶变换模块组成。

扭振解算控制模块的作用是依据扭振观测器提供的共振谐次的扭角信息，计算出抑制该共振谐次扭振的喷油矢量，以此向喷油器电磁阀驱动电路输出控制信号。扭振解算控制模块由扭振解算器和扭振控制器两部分组成。

喷油电磁阀驱动电路和喷油器是整个扭振闭环控制系统的执行器，由扭振解算控制模块优化的喷油量和喷油提前角的控制信号经过驱动电路驱动放大后，驱动喷油器的电磁阀以优化的喷油矢量向气缸内喷油燃烧，从而改变了作用在曲轴上的力矩，实现了对特定谐次扭转共振的有效控制。

由于本发明的主动抑制发动机曲轴扭振的方法和装置能够根据扭振实时观测器实时准确的检测轴系特定谐次扭角，扭振闭环控制系统通过检测计算得到的扭振信息计算出较佳的喷油矢量，通过喷油电磁阀驱动电路控制喷油器以得到的优化的喷油矢量，即喷油量和喷油提前角，向发动机气缸内喷油燃烧，从而改变作用在曲轴上的力矩，对曲轴扭振实现较好的抑制，能在一定程度上抑制曲轴在共振点的振动，能起到部分代替减振器的作用。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种主动抑制发动机曲轴扭振的方法，其特征在于，包括步骤：

A.检测曲轴的瞬时转速，根据得到的曲轴的瞬时转速信号计算得到对应的方波信号；

B.根据得到的方波信号计算出曲轴的共振点的共振谐次扭角和对应转速；

C.根据曲轴的固有频率和振型以及曲轴的共振点的共振谐次扭角和对应转速，计算得到抑制所述共振点的喷油矢量；

D.根据得到的喷油矢量通过驱动电路向喷油器电磁阀输出控制信号控制喷油器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A还包括：

通过与曲轴直接相连转速传感器得到曲轴瞬时转速的原始信号；

对得到的曲轴瞬时转速的原始信号进行低通滤波，得到相应的正弦波信号；

通过信号调理电路将正弦波转换成相应的方波信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B还包括：

通过以下公式计算曲轴的瞬时转速，

$\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}}{z(t_2-t_1)}$

其中，t₁、t₂为所述方波信号相邻两上升沿的时刻，z为信号齿盘的齿数；

通过以下公式计算曲轴的共振点的总扭角，

${\mathrm{\θ}}_i={\∫}_0^n(\mathrm{\ω}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}})\mathrm{dt}={\∫}_0^n\mathrm{\ωdt}-{\∫}_0^n\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}\mathrm{dt}$

$={\mathrm{\θ}}_0(n-\frac{t_n}{\stackrel{\‾}{t}})={\mathrm{\θ}}_0(n-\frac{k_n}{\stackrel{\‾}{k}})$

其中，θ₀—单位轮齿对应的转角，θ₀＝360°/Z，Z为齿盘齿数；

—转过一个齿的平均时间；

k_n—转过n个齿的晶振计数；

—转过一个齿的平均计数次数；

通过傅立叶变换模块对共振点的总扭角进行傅立叶变换得到共振谐次扭振振幅。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C还包括：

对曲轴进行自由振动分析，找出曲轴的固有频率和各节点的振型；

根据扭振实时观测器测得的共振扭角信息，找出所述共振点所对应的模态振型；

根据所述模态的振型和共振总扭角，在所述发动机输出功率不变和所述总扭角小于0.5°的情况下，在不大于所述发动机最高爆发压力或共振谐次转折频率对应的喷油矢量范围时，根据预设标准喷油矢量，计算得到抑制所述共振点的喷油矢量调节量；

根据得到的抑制所述共振点的喷油矢量向喷油器电磁阀驱动电路输出控制信号。

5.一种主动抑制发动机曲轴振动的装置，其特征在于，包括曲轴瞬时转速检测模块、扭振观测器、扭振解算控制模块和驱动电路，其中

所述曲轴瞬时转速检测模块，用于检测曲轴的瞬时转速并得到方波信号，将所述方波信号传送给扭振观测器；

所述扭振观测器，用于根据接收的方波信号计算曲轴的瞬时转速和曲轴共振点的共振谐次的扭角，并传送给扭振解算控制模块；

所述扭振解算控制模块，用于根据曲轴的固有频率和振型以及曲轴的共振点的共振谐次的扭角计算出抑制所述曲轴的共振点的喷油矢量，并传送给喷油器电磁阀驱动电路；

所述驱动电路，用于接收喷油矢量并向喷油器电磁阀输出控制信号控制喷油器以所述喷油矢量喷入发动机气缸燃烧做功。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述曲轴瞬时转速检测模块，包括转速传感器、低通滤波电路和信号调理电路，其中

所述转速传感器与曲轴直接相连，用于得到曲轴瞬时转速的原始信号，并发送给低通滤波电路；

所述低通滤波电路用于对所述曲轴瞬时转速的原始信号进行低通滤波，得到正弦波信号并发送给信号调理电路；

所述信号调理电路用于将所述正弦波信号转换成方波信号。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述扭振观测器，包括高频脉冲计数器、积分器和傅里叶变换模块，其中

所述高频脉冲计数器用于根据得到的方波信号计算出曲轴瞬时转速传送给积分器；

所述积分器用于根据得到曲轴的瞬时转速计算出曲轴的总扭角；

所述傅立叶变换模块用于对测量的扭振时域信号进行傅立叶变换得到所述曲轴共振点的谐次扭振振幅。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述扭振解算控制模块用于：

根据扭振实时观测器测得的共振扭角信息，找出所述共振点对应的模态振型；

根据所述模态的振型和共振总扭角，在所述发动机输出功率不变和所述总扭角小于0.5°的情况下，在不大于所述发动机最高爆发压力或共振谐次转折频率对应的喷油矢量范围时，根据预设标准喷油矢量，计算得到抑制所述共振点的喷油矢量的调节量。

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