CN102510941A - 用于预测在旋转的最后阶段发动机曲轴的旋转速度的方法以及该方法对预测制动汽缸的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在旋转的最后阶段中预测发动机的曲轴的转速的方法，为此：确定并记录在曲轴(2)的角位置范围(T)内曲轴(2)的实际旋转转速(N)，所述范围由第一角位置和第二角位置确定；根据对第一角位置和第二角位置确定的实际转速平方差确定常数(C₀)；根据该常数和在包括在该范围(T)内的第四角位置处确定的实际转速(N)来对不包括在该范围(T)内的第三角位置确定预测旋转转速(N)，使得第三角位置和第四角位置之间的间距是大于或等于所述范围的倍数。本发明还涉及该方法应用于预测制动汽缸。

Description

用于预测在旋转的最后阶段发动机曲轴的旋转速度的方法以及该方法对预测制动汽缸的应用

发明领域

本发明要求2009年9月23日提交的法国申请0956536的优先权，其内容(正文、附图和权利要求)通过引用被并入本文。

本发明涉及内燃机的领域，尤其是涉及在发动机的停止阶段中旋转速度的预期的确定。

背景技术

为了了解和跟踪在一个循环中每个汽缸的位置，电子计算机主要拥有由两个传感器提供的信息，这两个传感器分别以发动机曲轴的旋转(于是称为转速传感器)和可能至少一个凸轮轴的旋转(于是称为AAC或凸轮轴位置传感器)为特征。

在4冲程发动机循环的过程中，曲轴完成2圈，即，720℃的旋转。为了清楚的原因，根据使用，我们提出，一个循环在给定汽缸的压缩阶段开始时以0°的曲轴角开始，并在这同一汽缸的进气阶段结束时以720°终止。

与发动机的曲轴联结的发动机方向盘在其周边上具有称为靶的一组齿，在其对面安置转速传感器。它传送呈现上升的电前沿和下降的电前沿的以锯齿形式的交变电压，且其频率随着发动机的转速而改变。一般，发动机方向盘可例如具有58个齿和两个空隙(即，60个齿的轮齿，其中两个齿缺少)。传感器将探测这些空隙，因此提供关于曲轴的位置和发动机的旋转速度或转速的信息。

通过测量齿间持续时间，即，分开两个上升的前沿或两个下降的前沿的时间来确定瞬时发动机转速是已知的。可在各种发动机控制和命令例如内燃机的重新起动的改善中有利地利用发动机转速的知识，例如以控制制动汽缸，特别是在配备有行驶/停车自动控制的机动车中。

然而，上面讨论的命令或控制显然不可在不知道发动机转速的情况下实现，面对配备有利用起动器的行驶/停车自动控制的机动车的问题可能是令人尴尬的。

本发明目的在于解决这些缺点中的一个或多个。本发明因此涉及在旋转的最后阶段中预测内燃机的曲轴的转速的方法，特征在于：

-确定并记录在曲轴的角位置范围内的曲轴的多个角位置处的曲轴的实际旋转转速，所述范围由第一角位置和第二角位置确定，其相应于由于曲轴的旋转速度的减小而产生的角度上的周期性振荡。

-根据对第一角位置和第二角位置确定的实际转速的平方差来确定一个常数。

-根据所述常数和在包括在所述范围内的第四角位置处确定的实际转速来对不包括在曲轴的角位置范围内的曲轴的第三角位置确定曲轴的预测旋转转速，使得第三角位置和第四角位置之间的间距等于所述范围或是所述范围的倍数。

因此利用在给定的角位置范围上测量的实际转速的大小来预测曲轴的未来的角位置。

另外，本发明可包括下列特征中的一个或多个：

-优选地，第二角位置相应于在曲轴的当前时刻的位置，该位置是能够对其确定实际转速的最后一个角位置。

-在发动机包括四个汽缸的一种变形中，曲轴的角位置范围有利地是分别相应于发动机相、发动机周转、发动机循环的180℃、360℃或720℃。该范围表示进气、压缩阶段的损耗转矩的周期、发动机的膨胀和排气、以及汽缸的相差。优选地，曲轴的角位置范围是360℃，以便有转速的最佳预测精确度。

-在发动机包括三个汽缸的一种变形中，由于汽缸的相差，该范围是240℃或720℃。

-在发动机包括六个汽缸的一种变形中，由于汽缸的相差，该范围是120℃、240℃或720℃。

-与包括齿的齿轮旋转地联结的曲轴用于确定所述曲轴的角位置，在每个齿之间的角宽度是6℃，通过应用下面的关系式根据实际转速来确定对曲柄的第三角位置的曲轴的预测旋转转速：

${\tilde{N}}_{n+d}=\sqrt{N_{n-\frac{T}{6}+B}^2-(A+1)\·C_0}$

其中：

A和B是变量，例如：

$A=\mathrm{INT}\left(\frac{6d}{T}\right)$ 并且 $B=d-\frac{T}{6}\·A$

n是定位曲轴的第二角位置的齿的下标，

n+d是定位曲轴的第三角位置的齿的下标，

是定位曲轴的第四角位置的齿的下标，

以及INT是取整函数。

因此得到在58个齿和两个空隙的经典齿轮(即，60个齿的轮齿，其中两个齿缺少)的情况下的一般公式，假设一个齿用于标记曲轴的6℃旋转。

-该方法还包括下列步骤：

-确定在下标为n+1的齿处预测的转速，

-从在下标为n+1的齿处预测的转速计算齿间时间，

-使所计算的齿间时间的时间计数器递增，

-对随后下标的齿重复前面的步骤，只要时间计数器的值低于一固定时间，

-通过对最后两个下标预测的转速之间的插值法来确定对固定时间预测的转速。

这允许提前知道在所确定的时间之后的未来转速，并可允许预见发动机控制装置的行动。

另外，本发明目的还在于将本发明的方法应用于内燃机的制动汽缸的预测，其特征在于，曲轴的第三角位置相应于上燃烧死点。对相应于也称为燃烧PMH的上燃烧死点的曲轴的角位置的转速的估计实际上允许确定所估计的转速将不为零的最后一个PMH，并从其推断被指定为制动汽缸的相应的压缩汽缸。

附图说明

在阅读了参考附图进行的本发明的非限制性特定实施方式的下面描述时，其它特征和优点将明显，其中：

-图1是内燃机1的示意图。

-图2是示出曲轴旋转的最后阶段的曲线图。

-图3示出在固定角的发动机转速的预测的过程。

-图4示出在固定时间的发动机转速的预测的过程。

-图5示出制动汽缸的预测的过程。

详细描述

图1示意性示出包括曲轴2的内燃机1。内燃机配备有用于确定曲轴2的旋转位置的设备3。该设备包括齿轮4、连接到也称为ECU的电子控制单元6的转速传感器5。齿轮4在旋转中连带地连接到曲轴2，以便当内燃机1运行时，齿轮4相对于发动机1旋转。齿轮4的周边包括相应于3°的角宽度的齿7和由3°角宽度的坑分开的两个齿。在周边的一部分中，消除两个相邻的齿7，以便有称为间隔9的增大的齿间距。在齿7和坑8之间的每个通道或间隔9处，有齿侧10。ECU 6包括根据本发明确定实际发动机转速和预测的发动机转速所必要的计算和存储装置。

将分开连续的两个相同前沿的齿的时间定义为齿间持续时间t_id。前沿可以是上升部分12或下降部分13。以度/秒表示的瞬时或实际转速N于是可通过下面的关系式表示：

$N=\frac{6}{t_{\mathrm{id}}}$

传感器5是相对于内燃机1以固定的方式安装的霍尔效应传感器。传感器5捕获在其前面经过的一系列齿7和齿间隙8或间隔9，并产生呈现上升的电前沿12和下降的电前沿13的锯齿形电信号11，其频率随着发动机旋转的转速N而改变。

根据本发明，我们可在内燃机的曲轴旋转的最后阶段的过程中通过利用基于实际瞬时转速的平方与以前瞬时转速的平方之间的差的信息来预测发动机转速。措辞“旋转的最后阶段”意指在内燃机1的运行由于通过ECU6中断喷射和点火而停止之后的时期。

图2在转速N的变化与曲轴2的角θ的关系的曲线形式下示出内燃机1的曲轴2的旋转的最后阶段。图2示出在最后旋转阶段期间，曲轴2的旋转速度N减小。事实上，内燃机1由于摩擦力而不提供能量和损耗转矩，但不仅仅阻止发动机1的曲轴2的旋转并减慢曲轴2的旋转速度N。图2还示出曲轴的旋转速度N的减小不是单调的，而是在角度上，即，在角位置范围T上呈现周期性振荡。事实上，这些振荡是由于某些损耗转矩导致的，例如作为发动机的每个汽缸的发动机循环之间的相差由周期性的进气、压缩、膨胀和排气的影响而产生的损耗转矩。

在下面的说明之后将更好地理解本发明：

我们给出应用于旋转的动力学基本原理：

$J\·\frac{d^2\mathrm{\θ}\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}=\mathrm{\ΣC}\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)---\left(2\right)$

其中：

-J是连接到齿轮4的发动机的元件的惯性矩，

-θ(t)是作为时间的函数的曲轴2的角，

-∑C(θ(t))是在发动机旋转的最后阶段负责发动机的旋转停止的损耗转矩的和。

通过使关系式(2)的每项乘以也由下面的关系式确定的转速N：

$N=\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

得到：

$J\·\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\·\frac{d^2\mathrm{\θ}\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}=\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\·C\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)---\left(4\right)$

通过继续进行在第一时刻t₁和第二时刻t₂之间的关系式(4)的积分，其中曲轴角θ1在时刻t₁被记下，例如：

θ(t₁)＝θ₁                            (5)

且曲轴角θ₂在第二时刻t₂被记下，例如：

θ(t₂)＝θ₂                            (6)

于是得到：

$\frac{J}{2}\·{\left[{\left(\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^2\right]}_{t_1}^{t_2}={[\∫C\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)]}_{t_1}^{t_2}---\left(7\right)$

或者还有：

$\frac{J}{2}\·{\left[{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)}^2\right]}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_2}={[\∫C\left(\mathrm{\θ}\right)]}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_2}---\left(8\right)$

假设，借助于关系式(3)：

$N_{{\mathrm{\θ}}_2}^2-N_{{\mathrm{\θ}}_1}^2=\frac{2}{J}\·(\∫C\left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\∫C\left({\mathrm{\θ}}_1\right))---\left(9\right)$

于是合理地注意到，当θ₁和θ₂之间的间隔相应于角位置范围T时，关系式(9)是特别有利的。

因此，优选地，对于包括四个汽缸的发动机，曲轴2的角位置范围T是180℃、360℃或720℃。

优选地，该范围是360℃，以便有转速的最佳预测精确度。

因此，由于损耗力矩的角周期，关系式(9)的第二项有利地是常数C₀并可因此写为：

$|N_{{\mathrm{\θ}}_1+T}^2-N_{{\mathrm{\θ}}_1}^2|=N_{{\mathrm{\θ}}_2-T}^2-N_{{\mathrm{\θ}}_2}^2=C_0---\left(10\right)$

如果考虑在齿轮4的每个齿7之间的角宽度是6℃，可因此根据齿的数量j对关系式(10)加下标：

$N_{j-\frac{T}{6}}^2-N_j^2=C_0---\left(11\right)$

其中j是任一齿的下标。于是有可能根据第一方式预测在曲轴2的确定的角处或根据第二方式预测在固定时间的发动机转速。

用于预测在曲轴2的确定的角处的发动机转速，即，齿轮4的确定的齿的数量d的过程如下：

-确定并记录在曲轴2的角位置范围T内的曲轴的角位置处的所述曲轴的实际旋转转速，该范围由第一角位置和第二角位置确定。为此，在所考虑的时期T内执行齿间持续时间t_id的记录，记数因此在我们的例子中是最后30个齿间持续时间t_id，即，在180℃的范围上的记录。优选地，在这里第二角位置因此相应于曲轴2的在当前时刻的位置。

图3以实线示出所记录的角周期T，并以虚线指示未来旋转转速的变化。通过关系式(1)对每个齿间持续时间t_id确定实际旋转转速。实际转速的值存储在ECU 6中，用于在该过程的后续部分中的未来使用。

-根据对第一和第二角位置确定的实际转速的平方差，即，通过在前一记录的瞬时转速平方和后一记录的瞬时转速平方之间的差异来确定常数C₀。

-根据常数C₀和包括在所述范围T内的第四角位置处确定的实际转速N来对不包括在曲轴2的角位置的范围T内的曲轴2的第三角位置确定曲轴2的预测旋转转速

使得第三和第四角位置之间的间距是大于或等于所述范围(T)的倍数。事实上，预测转速

基于一般公式来确定，该公式的表达现在被展示：

为了展示的需要且如图3所示，给最后一个记录分配下标n。第一个记录因此有下标(n-T/6)。

力求预测在最后一个记录之后的齿d的转速，可写为：

$N_{n-\frac{T}{6}+d}^2-N_{n+d}^2=C_0---\left(12\right)$

在该展示的后续部分中，为了区分从未知的齿间时间确定的转速的值并因此预测，将N记为第一个，而将

为第二个。

因此对于0＜d≤T/6，例如对于d＝20(见图3)，关系式(12)变成：

$N_{n-\frac{T}{6}+20}^2-{\tilde{N}}_{n+20}^2=C_0---\left(13\right)$

假设：

${\tilde{N}}_{n+20}^2=N_{n-\frac{T}{6}+20}^2-C_0---\left(14\right)$

对于T/6＜d≤2T/6，例如对于d＝50(见图3)，关系式(12)变成：

${\tilde{N}}_{n+50}^2={\tilde{N}}_{n-\frac{T}{6}+50}^2-C_0={\tilde{N}}_{n+20}^2-C_0=(N_{n-\frac{T}{6}+20}^2-C_0)-C_0=N_{n-\frac{T}{6}+20}^2-2C_0---\left(15\right)$

对于2T/6＜d≤3T/6，例如对于d＝80(见图3)，关系式(12)变成：

${\tilde{N}}_{n+80}^2={\tilde{N}}_{n-\frac{T}{6}+80}^2-C_0={\tilde{N}}_{n+50}^2-C_0=(N_{n-\frac{T}{6}+20}^2-{2C}_0)-C_0=N_{n-\frac{T}{6}+20}^2-3C_0---\left(16\right)$

从这三个例子中，观察到，可因此获得在n次获取之后的齿d的预测转速

的一般表达式。事实上，我们提出：

$A=\mathrm{INT}\left(\frac{6d}{T}\right)---\left(17\right)$

$B=d-\frac{T}{6}\·A---\left(18\right)$

对于配备有58个齿的齿轮(即，60个齿的轮齿，其中2个齿缺少)的包括四个汽缸的内燃机，导出下面的一般公式：

${\tilde{N}}_{n+d}=\sqrt{N_{n-\frac{T}{6}+B}^2-(A+1)\·C_0}---\left(19\right)$

我们现在描述用于预测在旋转的最后阶段期间在固定时间tp的发动机转速的补充方法。

重述前面描述的步骤，也就是说：

-在所考虑的时期T内记录齿间持续时间t_id的步骤。

-从所记录的齿间持续时间t_id确定瞬时转速的步骤。

-确定常数C₀的步骤。

然后逐步继续，如图4所示：

转速直到下标为n的齿为止是已知的，对下标为n的齿将时间计数器的值S初始化为0。

-借助于一般关系式(19)确定在下标为n+1的随后的齿处预测的在图4中标注为

的转速，

-从在下标为n+1的齿处预测的转速计算齿间时间t_id，其根据关系式(1)相应于在图4中标注的t_n+1，

-使所计算的齿间时间的时间计数器S递增。

-对随后下标的齿重复前面的步骤，使得时间计数器的值S低于固定时间tp。因此，如图4所示，在下标n+2处，从下标n开始累加的齿间时间的累加低于固定时间tp，然而在下标n+3处的随后重复中，齿间时间t_id的累加高于固定时间tp。于是这样继续该过程：

-通过对最后两个下标预测的在图4中分别被标注为

的转速之间的插值法来确定对固定时间tp预测的转速。因此得到在固定时间tp的预测转速

有利地，这个过程可允许确定制动汽缸。制动汽缸意指在发动机循环的压缩阶段中的汽缸。

为此，这样继续：

重述前面描述的步骤，也就是说：

-在所考虑的时期T内记录齿间持续时间t_id的步骤。

-借助于关系式(1)从所记录的齿间持续时间t_id确定实际转速的步骤。

-确定常数C₀的步骤。

-从相应的齿间时间的记录计算在称为N_PMH的上燃烧死点(或PMH)处的实际转速。

然后如下对角位置范围T继续：

-逐步预测针对相应于下一燃烧PMH的角位置的转速，如图5所示，在第k个燃烧PMH中的转速的估计由下面的关系式给出：

${\tilde{N}}_{\mathrm{PMH}\_k}^2=N_{\mathrm{PMH}}^2-k{C}_0---\left(21\right)$

这一直到不可再越过燃烧PMH的时刻为止，这相应于k的最小值，例如：

$N_{\mathrm{PMH}}^2-k{C}_0<0---\left(22\right)$

假设

$k=\mathrm{INT}\left(\frac{N_{\mathrm{PMH}}^2}{C_0}\right)---\left(23\right)$

INT(x)是取整函数。

在这种情况下，从中计算出发动机在停止之前将传递第k个燃烧PMH，这允许推断出制动汽缸。

本发明不限于特定类型的内燃机。在内燃机包括三个汽缸的情况下，由于不同汽缸的发动机循环的相差，曲轴2的角位置范围T优选地是240℃或720℃。

在内燃机包括六个汽缸的情况下，由于不同汽缸的发动机循环的相差，曲轴2的角位置范围T优选地是120℃、240℃或720℃。

本发明具有在ECU的编程数据处理例程的形式下建立起来简单且不需要任何特定的校准的优点。

Claims (9)

1.一种在旋转的最后阶段预测内燃机(1)的曲轴(2)的转速的方法，特征在于：

-确定并记录在所述曲轴(2)的角位置范围(T)内的所述曲轴的多个角位置处的所述曲轴(2)的实际旋转转速(N)，所述范围由第一角位置和第二角位置确定，相应于由于所述曲轴(2)的旋转速度(N)的减小而产生的角度上的周期性振荡；

-根据对所述第一角位置和第二角位置确定的实际转速的平方差来确定常数(C₀)；

-根据所述常数(C₀)和在包括在所述范围(T)内的第四角位置处确定的实际转速(N)来对不包括在所述曲轴(2)的角位置范围(T)内的所述曲轴(2)的第三角位置确定所述曲轴(2)的预测旋转转速，使得第三角位置和第四角位置之间的间距等于所述范围(T)或是所述范围(T)的倍数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二角位置相应于在所述曲轴(2)的当前时刻的位置，该位置是能够对其确定实际转速的最后一个角位置。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发动机包括四个汽缸，所述曲轴(2)的角位置范围(T)是180℃、360℃或720℃。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述范围(T)是360℃。

5.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发动机包括三个汽缸，所述范围是240℃或720℃。

6.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发动机包括六个汽缸，所述范围是120℃、240℃或360℃。

7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述曲轴(2)与包括齿(7)的齿轮(4)旋转地联结，用于确定所述曲轴(2)的角位置，在每个齿(7)之间的角宽度是6℃，其特征在于，通过应用下面的关系式根据实际转速(N)来确定对所述曲柄(2)的第三角位置的所述曲轴(2)的预测旋转转速

${\tilde{N}}_{n+d}=\sqrt{N_{n-\frac{T}{6}+B}^2-(A+1)\&CenterDot;C_0}$

其中：

A和B是变量，例如：

$A=\mathrm{INT}\left(\frac{6d}{T}\right)$ 并且 $B=d-\frac{T}{6}\&CenterDot;A$

n是定位所述曲轴(2)的第二角位置的所述齿(7)的下标，

n+d是定位所述曲轴(2)的第三角位置的所述齿(7)的下标，

是定位所述曲轴(2)的第四角位置的所述齿(7)的下标，以及INT是取整函数。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，其还包括下列步骤：

-确定在下标为n+1的齿(7)处的预测转速

-从在下标为n+1的齿(7)处的预测转速

计算齿间时间(t_id)，

-使所计算的齿间时间(t_id)的时间计数器(S)递增，

-对随后下标的齿(7)重复前面的步骤，只要所述时间计数器(S)的值低于一固定时间(tp)，

-通过对最后两个下标的预测转速之间的插值法来确定对固定时间(tp)预测的转速。

9.根据权利要求1到7中的任一项的方法应用于预测内燃机的制动汽缸，其特征在于，所述曲轴(2)的第三角位置相应于上燃烧死点。

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