CN103147867A - 用于确定在具有n个齿的音轮的每个齿事件发生时的内燃机的传动轴的角速度的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定在具有N个齿(6)的音轮(5)的每个齿事件发生时的内燃机(1)的传动轴(4)的角速度ω_i的方法；所述方法包括以下步骤：检测每个齿(6)的角位移幅值Δα_i；检测每个齿(6)的时间T_i；以及根据相应的角位移幅值Δα_i和时间T_i来确定每个齿(6)的原始角速度ω_raw，i；所述方法包括进一步的步骤：确定用于每个齿(6)的补偿值δμ_i，所述补偿值δμ_i表示所述齿(6)的实际角位移幅值和所述齿(6)的理论角位移幅值之间的差值；以及通过由相应的补偿值δμ_i校正所述原始角速度ω_raw，i来确定每个齿(6)的角速度ω_i。

Description

用于确定在具有N个齿的音轮的每个齿事件发生时的内燃机的传动轴的角速度的方法

本申请是申请人“玛涅蒂玛瑞利动力系公开有限公司”于2008年7月25日提交的、申请号为200810134756.X、名称为“用于估算气缸中已燃燃料量为50％时的曲柄转角的方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于估算混合物自燃式内燃机的气缸中已燃燃料量为50％时的曲柄转角的方法。

背景技术

多年来人们已经知道，在可控混合物点燃式内燃机中(即在加有汽油、甲烷、液化石油气等并根据“奥托”循环进行操作的内燃机中)，将燃烧指数MFB50(已燃量百分比为50％)作为控制量使用，燃烧指数MFB50代表气缸内已燃燃料量为50％时的曲柄转角。实际上，在可控混合物点燃式内燃机中，燃烧启动的瞬间(即火花点火的发火花的瞬间)是确定并精确获知的，而且是通过借助于点火提前控制的发动机控制策略而预先选择的。

替代地，在混合物自燃式内燃机中(即在加有油或类似物并根据“狄塞尔”循环进行操作的内燃机中)，燃烧指数MFB50不作为控制量使用，因为对该燃烧指数MFB50进行有效(即有足够的精确性)、高效(即快速且无需使用过多计算量)、且花费经济(即相对于常见的那些内燃机无需安装附加部件)的估算相当困难。

目前，使用能够直接测量气缸内压力的压力传感器来确定燃烧指数MFB50；然而，这种压力传感器非常昂贵并且表现为受时间影响可靠性有限，因而仅仅适合于实验室测试而不适合在标准生产的汽车上大量使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于对混合物自燃式内燃机的气缸中已燃燃料量为50％时的曲柄转角进行有效、高效且花费经济的估算的方法。

根据本发明，提供了一种用于估算混合物自燃式内燃机的气缸中已燃燃料量为50％时的曲柄转角方法，内燃机设置有传动轴，传动轴耦接到具有N个齿的音轮；所述方法包括以下步骤：

读取音轮的每个齿从传感器前面经过的情况；

确定在音轮的每个齿事件发生时的传动轴的角速度；

通过对所述传动轴的角速度进行频率分析来确定至少一个速度信号谐函数，所述速度信号谐函数由自身的模和自身的相位来表征；

确定传动的反力学模型，该模型表示在频域中内燃机的转矩和角速度的傅立叶变换之间的关系；

通过将传动的反力学模型运用到速度信号谐函数来确定至少一个转矩谐函数，所述转矩谐函数由自身的模和自身的相位所表征；

确定燃烧指数与第n转矩谐函数的相位之间关系的第一代数函数；以及

通过将第一代数函数运用到第n转矩谐函数来确定燃烧指数。

本发明还提供一种用于确定在具有N个齿的音轮的每个齿事件发生时的内燃机的传动轴的角速度的方法；所述方法包括以下步骤：

检测每个齿的角位移幅值；

检测每个齿的时间；以及

根据相应的角位移幅值和时间来确定每个齿的原始角速度；

所述方法的特征在于，其包括进一步的步骤：

确定用于每个齿的补偿值，所述补偿值表示所述齿的实际角位移幅值和所述齿的理论角位移幅值之间的差值；以及

通过由相应的补偿值校正所述原始角速度来确定每个齿的角速度。

附图说明

现在将参考示出本发明的非限定性实施方式的附图来描述本发明，附图中：

图1是设置有执行本发明估算方法目标的控制单元的内燃机的简图；和

图2是示出图1中用于估算燃烧指数MFB50的控制单元操作的方框图。

具体实施方式

在图1中，附图标记1总体标示加有油(即根据预期混合物自燃的狄塞尔循环进行操作)并安装在道路车辆(未示出)上的内燃机，车辆设置有用于将由内燃机1产生的转矩传递到地面的传动路线(未示出)。内燃机1包括四个气缸2，每个气缸容纳相应的活塞3，活塞3借助于连杆以机械方式连接到传动轴4，用于将由气缸2内的燃烧所产生的力传递到传动轴4本身。

设置有N个(例如60个)齿6的音轮5键连接到传动轴4上并耦接到传感器7，传感器适于检测经过两个连续的齿6的过程中所耗用的时间。除一对齿6外，音轮5的齿6等距离间隔开，这一对齿6以比其它齿6更大的距离相互布置以便组成允许准确识别每个齿6进而准确识别音轮5(即传动轴4)的角位置的奇点。发动机1还包括连接到传感器7的控制单元8，控制单元8适于估算每个气缸2的相应燃烧指数MFB50(已燃量百分比为50％)，燃烧指数MFB50表示气缸2内已燃燃料量为50％时的曲柄转角。

参考图2，其中描述了由控制单元8所使用的模式，该模式通过利用由耦接到音轮5上的传感器7提供的信息来估算每个气缸2中的燃烧指数MFB50。

如前文所述，音轮5设置有N个(例如60个)除一对齿6外等距离间隔开的齿6，该对齿6以比其它齿6更大的距离相互布置以便组成允许准确识别每个齿6的奇点；通过这种方式，由包含于1和N之间的特征序号i来识别每个齿6。

传感器7检测：当前齿6(第i个齿)的序号i；当前齿6的时间Ti，即在检测表征当前齿6的两个角事件期间所消耗的时间间隔；当前齿6的原始角速度(raw angular speed)ω_raw，i；以及传动角α(即传动轴4的包含在0和4π弧度之间的角位置)。通过以下公式给出第i个齿6的原始角速度ω_raw，i：

ω_i，raw＝Δα_i/T_i

ω_i，raw第i个齿6的原始角速度[弧度/秒]；

Δα_i第i个齿6的角位移幅值[弧度]；

T_i第i个齿6的时间[秒]。

将由传感器7检测到的在以上列出的量值传递到补偿块9，补偿块9校正每个原始角速度ω_raw，i以补偿由齿6的不可避免的制造公差带来的误差。原则上，所有齿6具有相同的角位移幅值，但实际上由于不可避免的制造公差使得每个齿6都具有特定的形状误差，即具有或多或少不同于理论角位移幅值的特定角位移幅值；因此，角速度ω_raw，i受强烈噪音影响，这样使得在没有适当补偿的情况下实际上它们就不可能使用。为了补偿齿6的形状误差，存储由N个补偿值δμ_i组成的向量(δμ₁、δμ₂、...δμ_i、...δμ_N)，每一个δμ_i与对应的第i个齿6相关联并表示第i个齿6的实际角位移幅值与第i个齿6的理论幅值之间的差值。

在补偿块9中通过使用以下公式来计算相应的经补偿的角速度ω_i：

ω_i＝(Δα_i +δμ_i)/T_i

ω_i第i个齿6的补偿后的角速度[弧度/秒]；

Δα_i第i个齿6的角位移幅值[弧度]；

δμ_i第i个齿6的补偿值δμi[弧度]；

T_i第i个齿6的时间[秒]。

下面描述用于确定齿6的补偿值δμ_i的校准模式。校准模式预期通过使用上述公式来计算第i个齿6的原始角速度ω_raw，i并通过对原始角速度ω_raw，i序列的N个值进行滑动平均滤波处理来计算第i个齿6的每转平均角速度ω_av，i；重要的是要注意对原始角速度ω_raw，i序列的N个值进行滑动平均滤波处理给平均角速度ω_av，i引入等于N/2个齿距的相位延迟。接着，通过使用以下公式来计算用于第i个齿6的延迟速度误差Δω_i-N/2：

Δω_i-N/2＝ω_av，i-ω_raw，i-N/2

Δω_i-N/2第i-N/2个齿6的延迟速度误差[弧度/秒]；

ω_av，i具有等于N/2个齿距的相位延迟的第i个齿6的每转平均角速度[弧度/秒]；

ω_raw，i-N/2第i-N/2个齿6的原始角速度ω_raw，i[弧度/秒]

用等于N/2个齿距的相位延迟来有意地延迟原始角速度ω_raw，i序列以与通过滑动平均滤波处理所引入的相位延迟相等。

接着，通过使用以下公式来确定用于第i个齿6的延迟角误差δα_i-N/2：

δα_i-N/2＝Δω_i-N/2＊T_i-N/2

δα_i-N/2第i-N/2个齿6的延迟角误差[弧度]；

Δω_i-N/2第i-N/2个齿6的延迟速度误差[弧度/秒]；

T_i-N/2第i-N/2个齿6的时间[秒]。

最终，可以使用延迟角误差向量δα_i-N/2来确定(在第一绝对校准操作的情况下)或者校正补偿值向量δμ_i。根据优选实施方式，在实际使用延迟角误差向量δα_i-N/2之前，先检查向量的每一个延迟角误差δα_i-N/2本身的绝对值是否低于指示齿6的最大容许形状公差的可接受阈值；只有当向量的每一个延迟角误差α_i-N/2的绝对值都低于可接受阈值时，才能够实际使用延迟角误差向量δα_i-N/2。如果校准补偿值向量δμ_i，优选使用介于在前补偿值δμ_i和相应的延迟角误差δα_i-N/2之间的加权平均值，通常给在前补偿值δμ_i分配较高的权数(例如，该值越高，在在前补偿值δμ_i中的置信度越高)。例如，可以使用如下公式：

δμ_i，j＝K＊(δα_i-δμ_i，j-1)+δμ_i，j-1

δμ_i，j校准后的第i个补偿值[弧度]；

k介于0和1之间的无量纲权数；

δαi第i个角误差[弧度]；

δμi，j-1在前的第i-1个补偿值[弧度]。

优选地，仅在出现特定情况时才进行上述用于确定/校正补偿值向量δμi的校准操作，例如，当内燃机1处于断开阶段并且传动轴4的转速包含在特定的校准范围内，使得往复的指示惯性转矩与处于断开阶段的内燃机1大致平衡时就是如此。

向分析块10提供由补偿块9计算出的补偿后角速度ω_i，在分析块10中，对补偿后的角速度ω_i执行已知类型的频率分析，以便确定至少一个速度信号谐函数Ω_n。第n速度信号谐函数类属Ω_n始终为复数，由它自己的模|Ω_n|和它自己的相位Arg(Ω_n)来表示。

向计算块11提供由分析块10计算出的速度信号谐函数Ω_n，在计算块11中，执行基于传动的反力学模型的算法，该算法符号化地由公式

示出，该公式表示在频域中内燃机1的角速度Ω和转矩T的傅立叶变换之间的关系。函数为复值函数且允许通过以下公式获得第n转矩谐函数T_n：

T_n＝H(jΩ_n)＊Ω_n

T_n第n转矩谐函数；

Ω_n第n速度信号谐函数。

和速度信号谐函数Ω_n一样，转矩谐函数T_n为复数，由它自己的模|T_n|和它自己的相位Arg(T_n)来表示。重要的是要注意，为了能够获得精确的估算，传动的反力学模型必须考虑由处于往复运动中的质量(例如，活塞3的质量)引起的惯性转矩。

向计算块12提供由计算块11计算出的转矩谐函数T_n的模|T_n|，在计算块12中执行代数函数Γ，代数函数Γ根据以下公式确定平均指示转矩T_ind与第n转矩谐函数T_n的模|T_n|之间的关系：

T_ind＝Γ(|T_n|，P)

T_ind平均指示转矩T_ind；

|T_n|第n转矩谐函数模|T_n|；

P内燃机1的工程参数组。

通常，内燃机1的工程参数P包括传动轴4的转速和进气压力(即进气管内部存在的压力)。

向计算块13提供由计算块11算出的转矩谐函数T_n的相位Arg(T_n)，在计算块13中执行代数函数Ψ，代数函数Ψ根据以下公式建立燃烧指数MFB50与第n转矩谐函数T_n的相位Arg(T_n)之间的关系。

MFB50＝Ψ(Arg(T_n)，P)

MFB50燃烧指数MFB50；

Arg(T_n)第n转矩谐函数T_n的相位；

P内燃机1的工程参数组。

作为非约束性示例，在频域中的传动的直接力学模型的公式可以如下：发动机侧转矩

$T_{e,n}=j{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_e\·\frac{J_1{J}_2{{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_e}^2-(J_1+J_2)(j{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_e{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{eb}}+K_{\mathrm{eb}})}{J_2{{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_e}^2-j{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_e{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{eb}}-K_{\mathrm{eb}}}\·{\mathrm{\ω}}_{e,n}$

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_e=\frac{n}{2}{\mathrm{\ω}}_e$

惯性转矩

$T_{\mathrm{alt},n}=\frac{m_{\mathrm{eq}}\·r^2}{2}\·{{\mathrm{\ω}}_e}^2\·e^{j{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{alt}}}$

气缸转矩

T_ind，n＝T_e，n-T_alt，n

J₁内燃机1的转动惯量；

J₂车辆传动轴4的转动惯量；

K_eb传动路线的刚度；

ρ_eb传动路线的阻尼系数；

j虚数单位；

n谐函数的阶；

脉冲；

ω_e传动轴4的角速度；

T_e由内燃机1产生的转矩；

T_alt，n由往复运动的质量引起的转矩；

m_eq往复运动质量；

θ_alt惯性转矩相位因数(往复运动)；

T_ind平均指示转矩。

根据以上示出的传动的直接力学模型的三个公式，通过将第一和第二公式在第三公式中进行代换，将平均指示转矩T_ind，n代入含有传动轴4角速度ω_e，n的关系式中，得到传动的反力学模型(上文已经通过公式

符号化地示出)；平均指示转矩T_ind，n和传动轴4的角速度ω_e，n之间的关系式提供传动的反力学模型(未示出传动的反力学模型的最终公式，因为它不增加信息而且注释起来复杂)。重要的是要注意，在实践中采用实验方法以便利用实验方法通过点得到传动的反力学模型的转换函数。

作为非约束性示例，代数函数Ψ建立燃烧指数MFB50与第n转矩谐函数T_n的相位Arg(T_n)之间的关系，代数函数Ψ可以表示如下：

MFB50＝c₀+c₁Φ+c₂Φ²+c₃PΦ+c₄P²Φ

MFB50燃烧指数；

Φ   第n转矩谐函数T_n的相位；

P    进气压力；

c_i   系数。

可以通过使燃烧指数MFB50的测量值序列和燃烧指数MFB50的相应估算值序列之间的均方误差最小化而实验性地得到系数c_i的值。

作为非约束性示例，代数函数Γ建立平均指示转矩T_ind与第n转矩谐函数T_n的模|T_n|之间的关系，代数函数Γ可以表示如下：

T_ind＝b₀+b₁|Tn|+b₂P+b₃N

T_ind平均指示转矩T_ind；

|T_n|第n转矩谐函数T_n的模；

P    进气压力；

N    传动轴4的转速；

b_i   系数。

可以通过使平均指示转矩T_ind的测量值序列和平均指示转矩T_ind的相应估算值序列之间的均方误差最小化而实验性地得到系数b_i的值。

上述每个气缸2中的燃烧指数MFB50的估算模式有许多优点，因为它有效(即它允许相当精确地估算燃烧指数MFB50)、高效(即它允许快速估算燃烧指数MFB50而无需使用过多计算量)、且花费经济(即相对于在根据“狄塞尔”循环进行操作的现有内燃机中常见的那些模式，它无需安装附加部件)。

由于能够估算每个气缸2中的燃烧指数MFB50，因此能够反馈控制燃烧过程，凭借对燃烧的反馈控制能够减少燃料消耗和污染排放，实施情况相同。例如，可以有利地利用每个气缸2中的燃烧指数MFB50控制爆燃现象和对连杆的作用力。

另外，上述每个气缸2中的燃烧指数MFB50的估算模式允许获得由每个气缸2产生的平均指示转矩T_ind，这样可以有效地用于进一步改善燃烧过程控制。

Claims (7)

1.一种用于确定在具有N个齿(6)的音轮(5)的每个齿事件发生时的内燃机(1)的传动轴(4)的角速度ω_i的方法；所述方法包括以下步骤：

检测每个齿(6)的角位移幅值Δα_i；

检测每个齿(6)的时间T_i；以及

根据相应的角位移幅值Δα_i和时间T_i来确定每个齿(6)的原始角速度ω_raw，i；

所述方法的特征在于，其包括进一步的步骤：

确定用于每个齿(6)的补偿值δμ_i，所述补偿值δμ_i表示所述齿(6)的实际角位移幅值和所述齿(6)的理论角位移幅值之间的差值；以及

通过由相应的补偿值δμ_i校正所述原始角速度ω_raw，i来确定每个齿(6)的角速度ω_i。

2.如权利要求1所述的方法，其中，根据以下公式来确定每个齿(6)的所述角速度ω_i：

ω_i＝(Δα_i+δμ_i)/T_i

ω_i第i个齿(6)的补偿后的角速度[弧度/秒]；

Δα_i第i个齿(6)的角位移幅值[弧度]；

δμ_i第i个齿(6)的补偿值δμ_i[弧度]；

T_i第i个齿(6)的时间[秒]。

3.如权利要求1所述的方法，其中，确定每个齿(6)的所述补偿值δμ_i的所述步骤包括进一步的步骤：

计算所述齿(6)的原始角速度ω_raw，i；

通过对原始角速度ω_raw，i序列的N个值进行滑动平均滤波处理来计算所述齿(6)的每转平均角速度ω_av，i；

计算所述齿(6)的延迟速度误差Δω_i-N/2作为每转平均角速度ω_av，i和等于N/2个齿距的相位延迟的已经延迟的原始角速度ω_raw，i之间的差值；

通过将所述齿(6)的由等于N/2个齿距的相位延迟而延迟的时间T_i乘以所述齿(6)的延迟速度误差Δω_i-N/2来确定延迟角误差δα_i-N/2；以及

利用所述延迟角误差α_i-N/2来确定或者校正所述齿(6)的补偿值δμ_i。

4.如权利要求3所述的方法，其中，利用以下公式来计算所述齿(6)的延迟速度误差Δω_i-N/2：

Δω_i-N/2＝ω_av，i-ω_raw，i-N/2

Δω_i-N/2第i-N/2个齿(6)的延迟速度误差[弧度/秒]；

ω_av，i第i个齿(6)的具有等于N/2个齿距的相位延迟的每转平均角速度[弧度/秒]；

ω_raw，i-N/2第i-N/2个齿(6)的原始角速度ω_raw，i[弧度/秒]

5.如权利要求3所述的方法，其中，利用以下公式来计算所述齿(6)的延迟角误差α_i-N/2：

α_i-N/2＝Δω_i-N/2＊T_i-N/2

δα_i-N/2第i-N/2个齿(6)的延迟角误差[弧度]；

Δω_i-N/2第i-N/2个齿(6)的延迟速度误差[弧度/秒]；

T_i-N/2第i-N/2个齿(6)的时间[秒]。

6.如权利要求3所述的方法，其中，只有当N维延迟角误差δα_i-N/2向量的每一个延迟角误差δα_i-N/2本身的绝对值都小于表示所述齿(6)的最大可能形状公差的可接受阈值时，才能够利用所述N维延迟角误差α_i-N/2向量来确定或者校正所述补偿值δμ_i。

7.如权利要求1所述的方法，其中，仅当所述内燃机(1)处于断开阶段并且所述传动轴(4)的转速包含在特定的校准范围内使得往复指示惯性转矩与处于断开阶段的所述内燃机(1)大致平衡时，才能够确定或者校正所述齿(6)的所述补偿值δμ_i。

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