CN102518521B - 一种车用发动机转矩估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用发动机转矩估计方法，包括以下步骤：先离线标定放热速率中的参数和转矩损失中的系数；再在线进行转矩估计，转矩估计是先确定发动机的指示转矩T_i，再确定发动机的损失转矩T_损，指示转矩与发动机损失转矩之差即为发动机的有效转矩估计值。本发明根据放热速率能计算气缸内压力，不需要气缸内压力传感器和扭矩传感器，降低了成本，克服了传感器安装困难、有效使用期短的弊端；本发明根据放热速率估计发动机转矩值，不仅能在稳态状态下估计出发动机的转矩值，而且在瞬态状态下也能估计出发动机的转矩值；同时，在满足实时性的条件下，能够获得更高的精度要求。

Description

一种车用发动机转矩估计方法

技术领域

本发明涉及汽车控制技术，特别涉及到一种车用发动机转矩估计方法。

背景技术

随着全球能源危机和环境的不断恶化，节能和环保已成为人们亟待解决的重要议题。混合动力汽车由于具有良好的燃油经济性和较低的排放，已成为当前解决能源和排放问题最具现实意义的途径之一。控制策略是决定混合动力汽车燃油经济性、排放、动力性和平顺性的关键。实时估计发动机的输出转矩是混合动力汽车控制策略开发必须解决的关键问题。利用转矩传感器直接测量转矩的方法成本很高，在实车上安装困难且有效使用期短；常用建立图表模型的方法依赖于对试验数据的查表只能满足对稳态工况的模拟；完全按照发动机的物理模型估计发动机转矩的方法模型结构复杂，需要大量的运算，不能满足控制运用中对实时性的要求。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种精度较高、成本较低且能实时估计发动机在稳态和瞬态条件下转矩的车用发动机转矩估计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种车用发动机转矩估计方法，包括以下步骤：

A、离线参数标定

根据发动机实验对有关的参数进行标定，为在线估计提供准备工作；

A1、标定放热速率中的参数

使用韦伯函数估计发动机的放热速率，韦伯函数的形式为：

式中，x为进入气缸内已燃的燃油量与总的燃油量的百分比；

为发动机的曲轴转角，单位为°；

为燃烧起始角，单位为°；

为以曲轴转角表示的燃烧持续期，单位为°；m为燃烧品质指数，无量纲；Q为每循环实际燃油燃烧的放热量，单位为kJ；Q_fuel为每循环进入气缸总的燃油完全燃烧放出的热量，单位为kJ；所述的循环是发动机工作的一个完整的周期；

Q_fuel＝m_f×H_μ                                            (2)

式中，m_f为每循环的喷油量，单位为kg；H_μ为燃油的低热值，单位为kJ/kg；

每循环的喷油量m_f由公式(3)确定：

m_f＝δ·p_f·t_f                                            (3)

式中，δ为喷油量系数，为定值，单位为kg/kP_a·s；p_f为喷油压力，单位为kP_a；t_f为喷油时间，单位为s；p_f、t_f由发动机控制单元得到；

公式(1)中需要确定的参数有m、

其中，对于汽油机，燃烧起始角

为点火提前角，对于柴油机，燃烧起始角为喷油提前角，无论是汽油机还是柴油机，

均可通过发动机的控制单元得到；标定参数m、

的具体步骤如下：

A11、根据发动机实验，测出气缸内指示压力p和曲轴转角

绘制成发动机

示功图；

A12、根据公式(2)计算出Q_fuel，然后根据下式(4)计算Q；接着，根据得到发动机燃烧特性曲线

式中，γ为可燃混合气比热容比，无量纲；V为气缸工作容积，单位为L；

为气缸工作容积的变化率；

$V=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^{2}S\×{10}^{-6}---\left(5\right)$

$\stackrel{\·}{V}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2\·\frac{S\·{\mathrm{\ω}}_e}{30}---\left(6\right)$

式中，ω_e为发动机的转速，单位为rad/s；D为气缸直径，单位为mm；S为活塞行程，单位为mm；

A13、对公式(1)两边取对数，得到如下方程：

由步骤A12得到的发动机燃烧特性曲线通过拟合直线得到参数m和

A2、标定转矩损失中的系数

发动机的转矩损失T_损与发动机的转速、进排气歧管压力有关，其估计的表达式为：

T_损＝d₀+d₁·ω_e+d₂·ω_e ²+d₃(p₂-p₁)+d₄(p₂-p₁)²                (8)

式中，d_i(i＝0，1，...，4)为待拟合的系数；p₁为进气歧管内气体压力，单位为kP_a；p₂为排气歧管内气体压力，单位为kP_a；

确定系数d_i的具体步骤如下：

A21、让发动机在给定的工况下运转，当冷却水和机油温度达到正常值时，立即切断供油，同时将电力测功机转换为电动机，以给定转速ω_e倒拖发动机，测出此时的进气歧管压力p₁和排气歧管压力p₂，此时的电力测功机转矩值为T_损；在该过程中尽可能维持冷却水和机油温度不变；

A22、用步骤A21同样的方法获得一系列的发动机转速ω_e、进气歧管压力p₁、排气歧管压力p₂、电力测功机的转矩值T_损；

A23、将步骤A21-A22获得的实验数据用matlab软件进行拟合，得到d_i的值；

B、在线转矩估计

通过计算发动机指示转矩T_i和转矩损失T_损，从而得到发动机的有效转矩估计值T_e；

B1、确定发动机的指示转矩T_i

根据公式(1)得到放热速率计算公式，其表达式为：

式中的参数在步骤A中已标定完，根据获得的喷油压力p_f、喷油时间t_f，

发动机转速ω_e得到放热速率

根据公式(4)就可以计算发动机缸内指示压力p；根据公式(10)计算出发动机的指示转矩T_i；

$T_i=p\frac{i\×V}{\mathrm{\π}\×\mathrm{\τ}}\×{10}^3---\left(10\right)$

式中，τ为发动机的行程数；i为发动机的气缸数；

B2、确定发动机的损失转矩T_损

根据由发动机控制单元读取的进气歧管压力p₁、排气歧管压力p₂、发动机转速ω_e，利用公式(8)得到发动机的损失转矩T_损；

B3、确定发动机的有效转矩

发动机的有效转矩估计值为指示转矩与发动机损失转矩之差，即

T_e＝T_i-T_损                                             (11)

所述的输入量p_f、t_f、ω_e、p₁、p₂均通过读取发动机控制单元得到，从而得到T_i和T_损的值，进而得到发动机的有效转矩估计值T_e。

与现有技术比，本发明的效果和益处如下：

1、本发明根据放热速率能计算气缸内压力，不需要气缸内压力传感器和扭矩传感器，降低了成本，克服了传感器安装困难、有效使用期短的弊端；

2、本发明根据放热速率估计发动机转矩值，不仅能在稳态状态下估计出发动机的转矩值，而且在瞬态状态下也能估计出发动机的转矩值；同时，在满足实时性的条件下，能够获得更高的精度要求。

附图说明

本发明共有附图2张，其中：

图1是本发明的总体框图；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例

以汽油机为例，本发明估计发动机转矩的方法包括离线和在线两部分，如图1所示，具体的流程如图2所示，详细步骤如下：

A、离线参数标定

根据发动机实验对有关的参数进行标定，为在线估计部分提供准备工作。首先，对放热速率中的参数进行实验标定。

A1、标定放热速率中的参数

本发明使用韦伯函数估计发动机的放热速率，韦伯函数的一般形式为：

式中，x为进入气缸内已燃的燃油量与总的燃油量的百分比；为发动机的曲轴转角，为发动机的转速与时间的乘积，单位为°；

为燃烧起始角，单位为°；

为以曲轴转角表示的燃烧持续期，单位为°；m为燃烧品质指数，无量纲；Q为每循环实际燃油燃烧的放热量，单位为kJ；Q_fuel为每循环进入气缸总的燃油完全燃烧放出的热量，单位为kJ。

Q_fuel＝m_f×H_μ                                            (2)

式中，m_f为每循环的喷油量，单位为kg；H_μ为燃油的低热值，其值与选定的发动机类型有关，在本例中该值为44100kJ/kg。

每循环的喷油量m_f由公式(3)确定：

m_f＝δ·p_f·t_f                                            (3)

式中，δ为喷油量系数，其值与选定的发动机类型有关，在本例中该值为11.2×10^-6kg/kP_a·s；p_f为喷油压力，单位为kP_a；t_f为喷油时间，单位为s；p_f、t_f由发动机控制单元得到。

公式(1)中需要确定的参数有m、其中，燃烧起始角

为点火提前角，

可通过发动机的控制单元得到；标定参数m、

的具体步骤如下：

A11、根据发动机实验，测出缸内指示压力p和曲轴转角

绘制成发动机示功图；

A12、根据公式(2)计算出Q_fuel、再根据下式(4)计算出Q；接着，根据

得到发动机燃烧特性曲线

式中，γ为可燃混合气比热容比，其值与选定的发动机类型有关，在本例中该值为1.39；V为气缸工作容积，单位为L；

为气缸工作容积的变化率。

$V=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^{2}S\×{10}^{-6}---\left(5\right)$

$\stackrel{\·}{V}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2\·\frac{S\·{\mathrm{\ω}}_e}{30}---\left(6\right)$

式中，ω_e为发动机的转速，单位为rad/s；D为气缸直径，其值与选定的发动机类型有关，在本例中该值为87.5mm；S为活塞行程，其值与选定的发动机类型有关，在本例中该值为92mm。

A13、对公式(1)两边取对数，得到如下方程：

令：

X＝ln[-ln(1-x)]-ln6.91                                    (I)

则公式(7)变为

$Y=\frac{1}{m+1}X+b---\left(\mathrm{III}\right)$

由步骤A12得到的发动机燃烧特性曲线

中的数据，取N个试验点，根据式(I)、(II)算出N个(X₁，Y₁)、(X₂，Y₂)、......(X_N，Y_N)，通过拟合直线式(III)得到参数m和

接下来，对转矩损失中的系数进行实验标定。

A2、标定转矩损失中的系数

发动机的转矩损失T_损与发动机的转速、进排气歧管压力有关，其估计的表达式为：

T_损＝d₀+d₁·ω_e+d₂·ω_e ²+d₃(p₂-p₁)+d₄(p₂-p₁)²              (8)

式中，d_i(i＝0，1，...，4)为待拟合的系数；p₁为进气歧管内气体压力，单位为kP_a；p₂为排气歧管内气体压力，单位为kP_a。

系数d_i确定的具体步骤如下：

A21、让发动机在给定的工况下运转，当冷却水和机油温度达到正常值时，立即切断供油，同时将电力测功机转换为电动机，以给定转速ω_e倒拖发动机，测出此时的进气歧管压力p₁和排气歧管压力p₂，此时的电力测功机转矩值为T_损；在该过程中尽可能维持冷却水和机油温度不变；

A22、用步骤A21同样的方法获得N个发动机转速ω_ei、进气歧管压力p_1i、排气歧管压力p_2i、电力测功机的转矩值T_损i(i＝1，2，...N)；

A23、将步骤A21-A22获得的实验数据用matlab软件对式(8)进行拟合，得到d_i的值。

B、在线转矩估计

本部分通过计算发动机指示转矩T_i和转矩损失T_损，从而得到发动机的有效转矩估计值T_e。

首先，确定发动机的指示转矩T_i。

B1、确定发动机的指示转矩T_i

根据公式(1)得到放热速率计算公式，其表达式为：

式中的参数在步骤A中已标定完，根据获得的喷油压力p_f、喷油时间t_f，发动机转速ω_e得到放热速率根据公式(4)就可以计算发动机缸内指示压力p；根据公式(10)计算出发动机的指示转矩T_i；

$T_i=p\frac{i\×V}{\mathrm{\π}\×\mathrm{\τ}}\×{10}^3---\left(10\right)$

式中，τ为发动机的行程数，其值与选定的发动机类型有关，在本例中该值为4；i为发动机的气缸数，其值与选定的发动机类型有关，在本例中该值为4。

B2、确定发动机的损失转矩T_损

根据由发动机控制单元读取的进气歧管压力p₁、排气歧管压力p₂、发动机转速ω_e，利用公式(6)得到发动机的损失转矩T_损；

最后，发动机的有效转矩估计值为指示转矩与发动机损失转矩之差，即

T_e＝T_i-T_损                                                (11)

上述中的输入量p_f、t_f、ω_e、p₁、p₂可通过读取发动机控制单元得到，从而得到T_i和T_损的值，进而得到发动机的有效转矩估计值T_e。

Claims (1)

1.一种车用发动机转矩估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、离线参数标定

根据发动机实验对有关的参数进行标定，为在线估计提供准备工作；

A1、标定放热速率中的参数

使用韦伯函数估计发动机的放热速率，韦伯函数的形式为：

式中，x为进入气缸内已燃的燃油量与总的燃油量的百分比；

为发动机的曲轴转角，单位为°；

为燃烧起始角，单位为°；

为以曲轴转角表示的燃烧持续期，单位为°；m为燃烧品质指数，无量纲；Q为每循环实际燃油燃烧的放热量，单位为kJ；Q_fuel为每循环进入气缸总的燃油完全燃烧放出的热量，单位为kJ；所述的循环是发动机工作的一个完整的周期；

Q_fuel＝m_f×H_μ    （2）

式中，m_f为每循环的喷油量，单位为kg；H_μ为燃油的低热值，单位为kJ/kg；

每循环的喷油量m_f由公式（3）确定：

m_f＝δ·p_f·t_f（3）

式中，δ为喷油量系数，为定值，单位为kg/kP_a·s；p_f为喷油压力，单位为kP_a；t_f为喷油时间，单位为s；p_f、t_f由发动机控制单元得到；

公式（1）中需要确定的参数有m、

其中，对于汽油机，燃烧起始角

为点火提前角，对于柴油机，燃烧起始角

为喷油提前角，无论是汽油机还是柴油机，

均可通过发动机的控制单元得到；标定参数m、

的具体步骤如下：

A11、根据发动机实验，测出气缸内指示压力p和曲轴转角绘制成发动机示功图；

A12、根据公式（2）计算出Q_fuel，然后根据下式（4）计算Q；接着，根据

得到发动机燃烧特性曲线

式中，γ为可燃混合气比热容比，无量纲；V为气缸工作容积，单位为L；为气缸工作容积的变化率；

$V=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^{2}S\×{10}^{-6}---\left(5\right)$

$\stackrel{.}{V}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2\·\frac{S\·{\mathrm{\ω}}_e}{30}---\left(6\right)$

式中，ω_e为发动机的转速，单位为rad/s；D为气缸直径，单位为mm；S为活塞行程，单位为mm；

A13、对公式（1）两边取对数，得到如下方程：

由步骤A12得到的发动机燃烧特性曲线通过拟合直线得到参数m和

A2、标定转矩损失中的系数

发动机的转矩损失T_损与发动机的转速、进排气歧管压力有关，其估计的表达式为：

T_损＝d₀+d₁·ω_e+d₂·ω_e ²+d₃(p₂-p₁)+d₄(p₂-p₁)²    （8）

式中，d_i(i＝0,1,...,4)为待拟合的系数；p₁为进气歧管内气体压力，单位为kP_a；p₂为排气歧管内气体压力，单位为kP_a；

确定系数d_i的具体步骤如下：

A21、让发动机在给定的工况下运转，当冷却水和机油温度达到正常值时，立即切断供油，同时将电力测功机转换为电动机，以给定转速ω_e倒拖发动机，测出此时的进气歧管压力p₁和排气歧管压力p₂，此时的电力测功机转矩值为T_损；在运转过程中维持冷却水和机油温度不变；

A22、用步骤A21同样的方法获得一系列的发动机转速ω_e、进气歧管压力p₁、排气歧管压力p₂、电力测功机的转矩值T_损；

A23、将步骤A21-A22获得的实验数据用matlab软件进行拟合，得到d_i的值；

B、在线转矩估计

通过计算发动机指示转矩T_i和转矩损失T_损，从而得到发动机的有效转矩估计值T_e；

B1、确定发动机的指示转矩T_i

根据公式（1）得到放热速率计算公式，其表达式为：

式中的参数在步骤A中已标定完，根据获得的喷油压力p_f、喷油时间t_f，发动机转速ω_e得到放热速率

根据公式（4）就可以计算发动机缸内指示压力p；根据公式（10）计算出发动机的指示转矩T_i；

$T_i=p\frac{i\×V}{\mathrm{\π}\×\mathrm{\τ}}\×{10}^3---\left(10\right)$

式中，τ为发动机的行程数；i为发动机的气缸数；

B2、确定发动机的损失转矩T_损

根据由发动机控制单元读取的进气歧管压力p₁、排气歧管压力p₂、发动机转速ω_e，利用公式（8）得到发动机的损失转矩T_损；

B3、确定发动机的有效转矩

发动机的有效转矩估计值为指示转矩与发动机损失转矩之差，即

T_e＝T_i-T_损    （11）

所述的输入量p_f、t_f、ω_e、p₁、p₂均通过读取发动机控制单元得到，从而得到T_i和T_损的值，进而得到发动机的有效转矩估计值T_e。

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