CN104268304A - 基于缸压确定发动机瞬时油耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于缸压确定发动机瞬时油耗的方法，通过采集发动机缸压传感器信号，计算出与之关联的燃烧状态指标，将其与发动机转速n一起作为自变量，发动机油耗作为因变量建立模型，上述燃烧状态指标包括平均指示压力IMEP、放热中点CA50及累计放热量AHR。本发明基于内燃机燃烧学原理，根据试验数据建模提出发动机瞬时油耗的估算方法，在不改变发动机燃油系统和排气系统的情况下，仅需加装一个缸压传感器即可实现对发动机瞬时油耗的精确估算。与现有方案相比，本发明无需对发动机排气进行检测，并且无需在发动机燃料切断状态期间额外向气缸喷射燃料，即可实现全工况下发动机油耗的实时估算，并且不会因为喷油器的老化影响估算结果。<i/>

Description

基于缸压确定发动机瞬时油耗的方法

技术领域

本发明涉及一种基于缸压确定发动机瞬时油耗的方法，特别是涉及装有电控高压共轨系统柴油机燃油消耗量的实时计算。

背景技术

本发明用于自主共轨发动机多参数数据采集分析系统，其中需要涉及发动机瞬时油耗的分析计算。

申请号CN201110164764.0的专利，基于碳平衡原理的汽车油耗快速检测系统。该发明通过采集并检测排放气体中CO₂、CO、HC等气体含量，判断其中C的含量，通过建模估算出车辆油耗量。

申请号CN201010554095.3的专利，内燃机中实际燃油喷射量的确定方法。该发明通过确定在发动机进气口处的空气质量流量MAF和排气管中的参数λ，并且通过在化学计量比下评估的关系计算实际燃料喷射量。

这两个发明都需要测量或采集发动机排气，而发动机在实际运行时，排气存在压力波动，温度很高，精确计量排放气体比较困难。申请号CN201110164764.0的专利对排气管密封性要求很高，并且通用性不强，整套设备成本较高。另外申请号CN201010554095.3的专利需要在发动机燃料切断状态期间额外向气缸喷射燃料，并且无法实现发动机瞬时油耗的实时估算。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种可进行实时在线的发动机瞬时油耗确定方法，利用发动机缸压传感器信号实现发动机瞬时油耗的实时估算。

按照本发明提供的技术方案，所述的基于缸压确定发动机瞬时油耗的方法包括以下步骤：

1)计算燃烧状态指标，包括平均指示压力IMEP、放热中点CA50及累计放热量AHR；

2)获取不同工况下的燃烧状态指标和发动机油耗作为建模数据；

3)发动机瞬时油耗估算值的数学模型的建立与优化：

A、将基于缸压信号计算得到的燃烧状态指标和发动机瞬时转速作为自变量，发动机油耗作为因变量建立数学模型，采用的建模工具是MATLAB MBC工具箱；

B、将自变量与应变量分别作为MBC一阶模型的输入和输出，并将步骤2获取的建模数据导入到Response模块，自动生成反应模型；将该模型定义为二次多项式线性模型；

C、通过剔除影响建模精度的坏点修正模型使预测因变量与实际因变量更加吻合，评价该线性模型精度的主要指标为均方根误差RMSE，发动机根据实时采集的缸压，计算得到燃烧状态指标并与转速一起代入所述线性模型，即得到瞬时油耗值。

其中，步骤2的具体方法为：选取各缸一致性较好的发动机，通过数据采集板卡实时采集发动机不同工况下的缸压并计算成与之对应的燃烧状态指标，同时记录发动机台架油耗仪采集的发送机油耗值；根据转速和扭矩从小到大的原则，将试验分为M个工况，对应收集M组试验数据，M取100～150个。

所述采集的发动机油耗为发动机各工况下台架油耗仪的稳定输出值。

所述平均指示压力IMEP是指示缸内气体做功情况的状态参数，具体定义为单位气缸工作容积所作的循环指示功，由于实际采集到的数据是离散的，因此数据采集板卡采用的是离散化后的IMEP

$\mathrm{IMEP}=\frac{1}{{2V}_S}{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^{m-1}(p_{k+1}+p_k)*(V_{k+1}-V_k)---\left(3\right)$

其中Vs为气缸工作容积，m为采样结束点，p_k，V_k分别表示采样得到的缸压与该相位下对应的气缸容积。

所述累计放热量表征在某个曲轴转角位置已累计放出的总热量，通过瞬时放热率累加得到

${\mathrm{AHR}}_k=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{ROHR}}_k& k=u\\ {\mathrm{AHR}}_{k-1}+({\mathrm{\&theta;}}_k-{\mathrm{\&theta;}}_{k-1})*{\mathrm{ROHR}}_k& k=u,u+1,u+2,...u+v\end{array}\right.---\left(5\right)$

缸内瞬时放热率公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{ROHR}}_k=\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}*\frac{1}{2}*p_k*(V_{k+1}-V_{k-1})+\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}*\frac{1}{2}*V_k*(p_{k+1}-p_{k-1})\\ k=u,u+1,u+2,...u+v\end{array}---\left(4\right)$

其中γ为绝热指数，u为计算区域始点，u+v为终点，p_k，V_k分别表示采样得到的缸压与该相位下对应的气缸容积，θ_k表示曲轴转角。

所述放热中点CA50是指总放热量50％对应的曲轴转角位置，用该位置表征燃烧相位。

本发明的优点是：本发明基于内燃机燃烧学原理，根据试验数据建模提出发动机瞬时油耗的估算方法，在不改变发动机燃油系统和排气系统的情况下，仅需加装一个缸压传感器即可实现对发动机瞬时油耗的精确估算。与现有方案相比，本发明无需对发动机排气进行检测，并且无需在发动机燃料切断状态期间额外向气缸喷射燃料，即可实现全工况下发动机油耗的实时估算，并且不会因为喷油器的老化影响估算结果。

附图说明

图1示意性的给出了高压共轨燃油系统结构简图。

图2示意性的给出了根据本发明估算发动机瞬时油耗的系统结构简图。

图3示出了使用根据本发明预测的发动机油耗与发动机实际油耗比较结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是高压共轨燃油系统结构简图。图中燃油从带有粗滤器的油箱1中吸入至燃油精滤器2，其中一部分燃油在高压油泵3的柱塞腔加压形成高压燃油并从油泵出油阀口流经高压油管汇集入共轨管5，为喷油器7的高压喷射提供稳定持续的高压燃油源，多余部分从油泵上的溢流阀处与喷油器7回油一起流回油箱1；高压燃油从共轨管5经高压油管分别流向各缸的喷油器7；喷油器7根据电子控制单元ECU 8输出的脉冲给定时刻和给定宽度，按特征喷射特性将燃油喷入发动机各缸的燃烧室中。共轨管5一端安装有轨压传感器6，实时监控共轨管内的轨压情况，当轨压超过允许的最高值时，泄压阀4打开，共轨管内的轨压迅速降低到安全范围内，以保证整个系统的安全。共轨系统的电子控制单元8采集各个传感器实时检测的柴油机和共轨系统状态参数，通过内置的控制策略及存储数据发出精确的电流脉冲信号，并使对应的共轨泵电磁阀、喷油器电磁阀等产生电磁力，以驱动对应的执行器进行动作，使供喷射量、轨压、喷油角度和喷喷射量按需求进行反馈调节。共轨喷油系统所采用的传感器9包括：转速传感器，共轨压力传感器，冷却液温度传感器，燃油温度传感器，曲轴转角传感器(或凸轮轴转角传感器)，加速踏板传感器等多种，有的发动机上还装有：车速传感器，空气流量传感器，大气压力传感器，增压压力传感器，大气温度传感器等其他传感器。电子控制单元8的执行器驱动信号10包括：喷油器电磁阀和高压油泵电磁阀驱动信号。本发明需要在发动机缸盖上加装缸压传感器来采集缸压信号，具体包括贯穿缸盖顶端和底端的筒体以及安装在筒体内腔底部的缸压传感器。

按照内燃机燃烧学的原理，喷入气缸内的燃油燃烧后将引起缸内压力的变化，而通过这些信息则可以计算出反映缸内燃烧状态的各项指标，因此本发明的思路就是通过构建燃烧状态指标与发动机燃油消耗量之间的关联模型，达到实时估算发动机油耗的目的。

解决方案是通过采集发动机缸压传感器信号，计算出与之关联的燃烧状态指标，将其与发动机转速n一起作为自变量，发动机油耗作为因变量建立模型，上述燃烧状态指标包括平均指示压力(IMEP)、放热中点(CA50)及累计放热量(AHR)。

图2为根据本发明用于估算发动机油耗的系统结构简图，发动机油耗估算系统11包括传感器输入模块12和发动机油耗估算模块13。发动机传感器输入量包括缸压信号p_k、曲轴转角传感器信号θ_k等相关信息，传感器输入模块12接收这些输入并通过数据采集板卡计算处理成建模所需的IMEP、CA50、AHR和转速n，最后经以下模型实时输出发动机瞬时油耗估算值BSFC。

BSFC＝f(IMEP,CA50,AHR,n)   (1)

发动机瞬时油耗具体估算方法的包括以下步骤：

1)燃烧状态指标计算

2)获取不同工况下的燃烧状态指标和发动机油耗作为建模数据

3)预测数学模型的建立与优化

A、将基于缸压信号计算得到的燃烧状态指标和发动机转速作为自变量，发动机油耗作为因变量建立预测数学模型，采用的建模工具是MATLAB MBC工具箱。

B、将自变量与应变量分别作为MBC一阶模型的输入输出，并将上述试验数据导入到Response模块，自动生成反应模型。将该模型定义为二次多项式线性模型，便于软件计算与输出。

C、通过剔除影响建模精度的坏点，修正模型使预测因变量与实际因变量更加吻合，评价该模型精度的主要指标为RMSE，该值越小于1越好，最终优化后的模型RMSE值为0.743。

以下是一个具体实施例。所使用的发动机传感器输入的数据采集板卡为NIPXIe-6356，可实时采集缸压和曲轴转角信号并计算为燃烧状态指标值。

1)燃烧状态指标计算。

A、IMEP计算

平均指示压力(IMEP)是指示缸内气体做功情况的状态参数，它可以用来衡量发动机的动力输出情况。具体可定义为单位气缸工作容积所作的循环指示功，如式(2)所示，Ws为循环指示功大小，可以通过对气缸压缩和做功冲程对应的的p-V曲线积分计算得到，Vs为气缸工作容积。

由于实际采集到的数据是离散的，因此数据采集板卡采用的是离散化后的公式(3)。

$\mathrm{IMEP}=\frac{1}{{2V}_S}{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^{m-1}(p_{k+1}+p_k)*(V_{k+1}-V_k)---\left(3\right)$

B、累计放热量计算

根据热力学第一定律，可以推导出缸内瞬时放热率公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{ROHR}}_k=\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}*\frac{1}{2}*p_k*(V_{k+1}-V_{k-1})+\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}*\frac{1}{2}*V_k*(p_{k+1}-p_{k-1})\\ k=u,u+1,u+2,...u+v\end{array}---\left(4\right)$

其中γ为绝热指数，可简化为固定值1.37。

累计放热量表征在某个曲轴转角位置已累计放出的总热量，可以通过瞬时放热率累加得到。

${\mathrm{AHR}}_k=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{ROHR}}_k\\ {\mathrm{AHR}}_{k-1}+({\mathrm{\&theta;}}_k-{\mathrm{\&theta;}}_{k-1})*{\mathrm{ROHR}}_k\end{array}\right.---\left(5\right)$

C、放热中点

放热中点(CA50)是指总放热量50％对应的曲轴转角位置，一般用该位置表征燃烧相位。

AHR_k≤0.5*THR   (6)

THR是发动机气缸单次循环的总放热量。

2)获取不同工况下的燃烧状态指标和发动机油耗作为建模数据。

选取各缸一致性较好的发动机，通过数据采集板卡实时采集发动机不同工况下的缸压并计算成与之对应的燃烧状态指标，同时记录发动机台架油耗仪采集的油耗值。根据转速和扭矩从小到大的原则，将试验分为80个工况(发动机万有特性各工况点)，对应收集80组试验数据。

3)预测数学模型的建立与优化。

A、将基于缸压信号计算得到的燃烧状态指标和发动机转速作为自变量，发动机油耗作为因变量建立预测数学模型，采用的建模工具是MATLAB MBC工具箱。

B、将自变量与应变量分别作为MBC一阶模型的输入输出，并将上述试验数据导入到Response模块，自动生成反应模型。将该模型定义为二次多项式线性模型，便于软件计算与输出。

C、通过剔除影响建模精度的坏点，修正模型使预测因变量与实际因变量更加吻合，评价该模型精度的主要指标为RMSE，该值越小于1越好，最终优化后的模型RMSE值为0.743。

图3示出了使用根据本发明预测的发动机油耗与发动机实际油耗比较结果。在该示例性曲线中，为了对比，示出了两个数据集：第一，建模时采集的发动机油耗值；第二，通过MBC一阶模型计算得到的油耗值。从结果可以看出，两组数据具有强相关性，且示出了与实际油耗测量值相比，该油耗模型计算得到的结果几乎全部在2％误差范围内。

Claims (6)

1.基于缸压确定发动机瞬时油耗的方法，其特征是，包括以下步骤：

1)计算燃烧状态指标，包括平均指示压力IMEP、放热中点CA50及累计放热量AHR；

2)获取不同工况下的燃烧状态指标和发动机油耗作为建模数据；

3)发动机瞬时油耗估算值的数学模型的建立与优化：

A、将基于缸压信号计算得到的燃烧状态指标和发动机瞬时转速作为自变量，发动机油耗作为因变量建立数学模型，采用的建模工具是MATLAB MBC工具箱；

B、将自变量与应变量分别作为MBC一阶模型的输入和输出，并将步骤2获取的建模数据导入到Response模块，自动生成反应模型；将该模型定义为二次多项式线性模型；

C、通过剔除影响建模精度的坏点修正模型使预测因变量与实际因变量更加吻合，评价该线性模型精度的主要指标为均方根误差RMSE，发动机根据实时采集的缸压，计算得到燃烧状态指标并与转速一起代入所述线性模型，即得到瞬时油耗值。

2.根据权利要求1所述的基于缸压确定发动机瞬时油耗的方法，其特征是，步骤2的具体方法为：选取各缸一致性较好的发动机，通过数据采集板卡实时采集发动机不同工况下的缸压并计算成与之对应的燃烧状态指标，同时记录发动机台架油耗仪采集的发送机油耗值；根据转速和扭矩从小到大的原则，将试验分为M个工况，对应收集M组试验数据，M取100～150个。

3.根据权利要求2所述的基于缸压确定发动机瞬时油耗的方法，其特征是，所述采集的发动机油耗为发动机各工况下台架油耗仪的稳定输出值。

4.根据权利要求1所述的基于缸压确定发动机瞬时油耗的方法，其特征是，所述平均指示压力IMEP是指示缸内气体做功情况的状态参数，具体定义为单位气缸工作容积所作的循环指示功，由于实际采集到的数据是离散的，因此数据采集板卡采用的是离散化后的IMEP

$\mathrm{IMEP}=\frac{1}{{2V}_S}{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^{m-1}(p_{k+1}+p_k)*(V_{k+1}-V_k)---\left(3\right)$

其中Vs为气缸工作容积，m为采样结束点，p_k，V_k分别表示采样得到的缸压与该相位下对应的气缸容积。

5.根据权利要求1所述的基于缸压确定发动机瞬时油耗的方法，其特征是，所述累计放热量表征在某个曲轴转角位置已累计放出的总热量，通过瞬时放热率累加得到

${\mathrm{AHR}}_k=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{ROHR}}_k& k=u\\ {\mathrm{AHR}}_{k-1}+({\mathrm{\&theta;}}_k-{\mathrm{\&theta;}}_{k-1})*{\mathrm{ROHR}}_k& k=u,u+1,u+2,...u+v\end{array}\right.---\left(5\right)$

缸内瞬时放热率公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{ROHR}}_k=\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&gamma;}-1}*\frac{1}{2}*p_k*(V_{k+1}-V_{k-1})+\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}-1}*\frac{1}{2}*V_k*(p_{k+1}-p_{k-1})\\ k=u,u+1,u+2,...u+v\end{array}---\left(4\right)$

其中γ为绝热指数，u为计算区域始点，u+v为终点，p_k，V_k分别表示采样得到的缸压与该相位下对应的气缸容积，θ_k表示曲轴转角。

6.根据权利要求1所述的基于缸压确定发动机瞬时油耗的方法，其特征是，所述放热中点CA50是指总放热量50％对应的曲轴转角位置，用该位置表征燃烧相位。