CN104515648A

CN104515648A - 补偿内燃发动机内的压力测量装置的信号的方法

Info

Publication number: CN104515648A
Application number: CN201410516466.7A
Authority: CN
Inventors: C.迪舍曼
Original assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: US20150100265A1; FR3011581B1; FR3011581A1; CN104515648B

Abstract

本发明涉及一种用于处理来自于内燃发动机的气缸燃烧室中的压力测量装置（Dp）的信号（S_B）的方法，包括：检测平稳阶段（S_P1）的开始的步骤；计算逼近在平稳阶段（S_P1）期间由处理单元获取的信号（S_B）的值的直线的斜率（ax₀,…,ax_N）和截距（bx₀,…,bx_N）的一对值的步骤；基于所计算的每对斜率（ax₀,…,ax_N）和截距（bx₀,…,bx_N）值来确定信号（S_B）的电压补偿值的步骤；基于所确定的电压补偿值来补偿压力传感器的输出信号（S_B）的步骤；检测平稳阶段（S_P1）之后的电压峰值阶段（P2）的开始的步骤；以及在所检测的峰值阶段（P2）期间，基于在平稳阶段（S_P1）期间计算的最后一对斜率（ax_N）和截距（bx_N）值来补偿信号（S_B）的步骤。

Description

补偿内燃发动机内的压力测量装置的信号的方法

技术领域

本发明涉及内燃发动机的气缸中的压力测量的领域，且更具体地涉及用于补偿压力测量传感器的输出信号的漂移的装置和方法。

背景技术

内燃发动机常规地包括气缸，活塞在气缸中滑动，每个气缸限定燃烧室，燃料和氧化剂引入燃烧室中，以便进行混合物的燃烧。发动机将由该燃烧释放的能量转换为机械能。

已知内燃发动机配备有测量气缸燃烧室内盛行的压力的装置，包括压力测量传感器和相关电子器件。

该压力值允许安装在配备有这种类型的内燃发动机的机动车辆上的电子计算系统（或ECU：“发动机控制单元”）以最佳方式调节用于调整所述发动机的参数，例如燃料喷射参数或污染排放物后处理参数。

这种类型的压力测量传感器可以是压电传感器，通过经受压力的敏感性压电元件的电荷变化以相对的方式提供气缸中盛行的压力的指示。

这种类型的压力测量传感器提供表示这些压力变化的输出电压。通常，由这种类型的压力测量传感器提供的电压信号应当大约具有带有常量值（即，具有零斜率（例如，y=0伏））的直线形状，且是可重复的，电压峰值周期性地间置在其上，表示在压缩和气体燃烧阶段期间气缸的燃烧室内发生的压力峰值。

然而，除了其它之外，由于所述压力测量传感器经受的热电现象和/或振动，该电压信号经受噪音和漂移。具体地，气缸中气体燃烧释放的热量加热陶瓷会形成电流，在传感器中产生附加的电荷，称为“热电”。

在这种情况下，由压力测量传感器提供的信号不同于气缸的燃烧室内盛行的压力的实际曲线。具体地，在压力峰值之外，信号不具有常量值直线的形状，而是相反，大约具有非零斜率直线的形状，即，其值随着时间漂移，从而产生相对于直线斜率为零的参考值的偏移或漂移。

这在图1中示出。根据时间单位t的压力测量传感器的电压V的输出信号S_B是有噪音的，且根据具有斜率A的直线漂移，相对于参考值V_REF漂移，且根据时间t变化，在t＝0时为值B且t0>0时为值B'，B'>B。信号S_B可以等同于“平稳”阶段S_P1、S_P2、S_P3的交替，在此期间，电压相对于参考电压V_REF偏移，且根据正斜率直线变化，其随着时间大约为线性，电压峰值P1、P2、P3表示燃烧压力峰值。

然而，需要信息的处理，从而由这种类型的压力测量传感器提供的输出电压信号可使用。在此，压力测量装置以已知的方式包括滤波器和旨在补偿该漂移且应用于电压信号的算法。

滤波器消除了来自于信号的噪音且漂移或“偏移”补偿算法校正输出信号值，以便防止该值偏离常量的参考值V_REF。该滤波器和该偏移校正算法集成到形成压力测量装置的一部分的处理单元内，且位于与压力测量传感器有关且连接到压力测量传感器上的专门集成电路或“ASIC”（“专用集成电路”）内。滤波器和偏移补偿允许气缸的燃烧室内的压力值基于以这种方式处理的信号以精确的方式确定，因而适当地调节用于调整内燃发动机操作的参数。

现有技术已知的基于“卡尔曼”滤波器的方法采用递归方法来校正输出信号及其通过增益衰减的预测值之间的误差。信号预测值然后基于在先前获取时间滤波和校正的信号来计算。更具体地，根据文献FR2938645A1，已知使用两个卡尔曼滤波器：“快速”卡尔曼滤波器，即，包括用于属于压力峰值的点的高值斜率和常量增益；以及“缓慢”卡尔曼滤波器，即，包括低值斜率和常量增益，用于确定平稳阶段期间的信号漂移，即偏移。

FR2938645A1中所述的方法然后依照其是否属于根据快速卡尔曼滤波器检测的压力峰值且依照根据缓慢卡尔曼滤波器确定的补偿值来校正每个点。然而，这种类型的信号处理方法的缺陷如下：

●由于每个信号点使用卡尔曼滤波器通过复杂计算来处理，这种类型的信号处理方法难处理，且使用大量的ASIC电路存储器，

●该方法难以标定，因为其包括要参数化的四个变量：用于快速卡尔曼滤波器的一个斜率和常量增益以及用于缓慢卡尔曼滤波器的不同斜率增益和不同常量增益，

●在低于1000 rpm的发动机速度时，该处理方法得到的已处理信号显著地变形且因而难以使用。

该最后情况在图2中示出。根据FR2938645A1中所述的信号处理方法处理的压力信号S_K具有常量压力参考值V_REF，且不再在时间t漂移。然而，在时间t0和t1之间的压力峰值P_K之后，该信号处理方法形成气缸中盛行的压力值相对于实际曲线S_R的低估值S_U。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种用于补偿车辆气缸中的气体压力测量中的漂移的简单和可靠方案来克服这些缺陷。

为此目的，本发明涉及一种用于处理来自于内燃发动机的气缸燃烧室中的压力测量装置的信号的方法，所述装置包括：

●压力测量传感器，提供表示所述燃烧室内的压力的输出电压信号，所述信号交替地包括“平稳”阶段，在所述平稳阶段期间，电压随着时间根据大约线性的函数变化，电压峰值阶段表示燃烧室中的压力峰值，以及

●处理单元，所述处理单元连接到所述压力测量传感器且配置成周期性地获取传感器输出电压信号的多个值，

所述方法值得注意之处在于，其包括如下步骤：

●基于由处理单元获取的至少一个信号值检测平稳阶段的开始的步骤，

●对于在所检测的平稳阶段期间获取的传感器输出处的每个信号值：

－计算逼近在平稳阶段期间由处理单元获取的信号值的直线的斜率和截距的一对值的步骤，

－基于所计算的每对斜率和截距值来确定信号电压补偿值的步骤，

－基于所确定的电压补偿值来补偿来自于压力传感器的信号的步骤，

●检测平稳阶段之后的电压峰值阶段的开始的步骤，

●在所检测的峰值阶段期间，基于在平稳阶段期间计算的最后一对斜率和截距值的信号补偿步骤。

有利地，在时间n时获取的传感器输出电压信号值的斜率值ax_n和截距值bx_n分别通过如下公式给出，其中，n从0变化至N：

其中，，且

并且

其中：

，其中，

且其中：

Yavg_n是在时间n时由处理单元获取的传感器输出电压信号的平均值，

Yavg_n是在时间n-1时由处理单元获取的传感器输出电压信号的平均值，

Y_n是在时间n时获取的传感器输出电压信号的值，

Δt对应于由处理单元获取传感器输出处的电压信号值的周期。

因而，本发明允许信号在平稳阶段和峰值阶段的每个时间被可靠和精确地补偿，特别是通过在平稳阶段之后的峰值阶段内使用在所述平稳阶段期间计算的最后一对斜率和截距值。

优选地，计算逼近在平稳阶段期间由处理单元获取的信号值的直线的斜率和截距的一对值的步骤通过线性回归执行，例如通过使用最小二乘法。

这种类型的线性回归允许精确逼近与平稳阶段相对应的直线的斜率和截距值，以便对于获取传感器输出电压信号值的每个时间以可靠和精确的方式补偿传感器输出电压信号，特别是对于平稳阶段期间。

与获取时间n有关的斜率和截距值的线性回归仅仅基于之前计算和存储的系数值a_n-1和Yavg_n-1以及在所述时间n获取的对应传感器输出电压信号值Y_n来执行，这需要获取单元中的很少存储器空间，因而是有利的。

此外，借助于这种类型的线性回归，不需要存储针对平稳阶段的每个获取时间计算的所有斜率和截距值，也不需要存储在平稳阶段的先前时间时获取的传感器输出电压信号值Y_i的所有值（0 ≤ i < n）。

此外，当执行线性回归计算时，补偿被精炼，这在例如补偿值针对传感器输出电压信号的单个值计算时不是如此。

根据本发明的一个方面，在所检测的峰值阶段期间补偿传感器输出电压信号的步骤对于获取所述信号的每个时间执行。

根据本发明的一个特征，信号值每1/804Hz＝1.24 ms获取一次。

本发明还涉及测量内燃发动机的气缸的燃烧室中的压力的装置，用于执行前述方法，所述装置包括：

所述装置值得注意之处在于，所述处理单元配置成：

●基于由处理单元获取的至少一个信号值检测平稳阶段的开始，

●对于在所检测的平稳阶段期间获取的每个传感器输出信号值：

　　－计算逼近在平稳阶段期间由处理单元获取的信号值的直线的斜率和截距的一对值，

　　－基于所计算的每对斜率和截距值来确定信号电压补偿值，

　　－基于所确定的电压补偿值来补偿压力传感器信号，

●检测平稳阶段之后的电压峰值阶段的开始，

●在所检测的峰值阶段期间，基于在平稳阶段期间计算的最后一对斜率ax_N和截距值来补偿信号。

最后，本发明涉及一种车辆，特别是机动车辆，包括这种类型的装置。

附图说明

本发明的其它特征和优点将从结合附图进行的说明清楚，作为非限制性示例给出，且其中，相同的附图标记给予类似的物体。

已经讨论的图1示出了在没有信号处理方法的情况下传感器输出处的信号，

已经讨论的图2示出了由现有技术的信号处理方法处理的信号，

图3是示出了根据本发明的气缸压力测量装置的示意图，

图4示意性地示出了在处理之前的传感器输出信号，

图5示出了根据本发明的方法的应用示例，

图6示出了通过根据本发明的信号处理方法处理的第一信号。

具体实施方式

图3示出了根据本发明的压力测量装置Dp的实施例。这种测量装置Dp包括连接到处理单元500的压力测量传感器800。

仍参考图3，压力测量传感器800的输出信号S_B通过处理单元500获取和处理，处理单元500例如构建在集成电路（ASIC，图3中未示出）中，以便提供已处理输出信号S。

在该示例中，处理单元500包括电荷放大器100、第一模拟/数字转换器201、第二数字/模拟转换器202、第三数字/模拟转换器203、滤波器件300以及信号处理器件400。

第一模拟/数字转换器201一方面连接到电荷放大器100，另一方面连接到滤波器件300以及信号处理器件400。

滤波器件300滤波信号S_B上存在的噪音，且连接到第二数字/模拟转换器202，第二数字/模拟转换器202本身连接到电荷放大器100。滤波器件300通过将补偿电荷增加到电荷放大器100的输入信号S_B或者从电荷放大器100的输入信号S_B去除补偿电荷来滤波信号S_B上存在的噪音。

信号处理器件400包括连接到第三数字/模拟转换器203的偏移校正算法，从而将已处理输出信号S提供给电子计算器（未示出）。

如前文所述，来自于压力传感器800的信号S_B可以等同于“平稳”阶段S_P1、S_P2、S_P3的交替（参考图1和4），在此期间，电压相对于参考电压V_REF偏移，且随着时间根据大约线性的斜率函数变化，电压峰值P1、P2、P3表示燃烧压力峰值（参考图1和4）。

根据本发明，偏移校正算法包括用于检测表示燃烧压力峰值的电压峰值的开始和结束的算法。

更准确地说，参考图4，信号处理器件400配置成基于由处理单元500获取的信号S_B的至少一个值Y₀,…, Y_N检测平稳阶段S_P1, S_P2, S_P3的开始。

需要该检测以便将属于平稳阶段的电压值从属于燃烧压力峰值的电压值区分。

实际上，确定信号偏移仅仅在平稳阶段期间是可能的，燃烧压力峰值的异常高的值不允许确定偏移。

用于检测电压峰值的开始或结束的该算法例如基于信号斜率从一个获取时间X_n到下一个X_n+1的变化。

于是，任何异常地和突变地增加的斜率表示燃烧压力峰值的开始。类似地，在检测陡斜率之后的任何平缓斜率是峰值结束的特征，即平稳阶段的开始。显然，其它信号电压峰值检测算法是可能的且是本领域技术人员已知的，将不在本文更详细描述。

为了改进该检测，已知通过使用低通滤波器预先滤波信号S_B以便去除潜在的干扰和噪音。还已知以比由处理单元500获取传感器800的输出信号的频率更低的频率来取样。

该取样允许减少专用于处理信号S_B的方法的ASIC的存储器大小。滤波和取样可以通过滤波器件300实施。

此外，仍参考图4，对于在所检测的平稳阶段S_P1, S_P2, S_P3获取的传感器800的输出信号S_B的每个值Y₀,…, Y_N，信号处理器件400配置成：

●计算逼近在平稳阶段S_P1, S_P2, S_P3期间由处理单元获取的信号S_B值Y₀,…, Y_N的直线的斜率ax₀,…, ax_N和截距bx₀,…, bx_N的一对值，

●基于所计算的每对斜率ax₀,…, ax_N和截距bx₀,…, bx_N值来确定信号S_B的电压补偿值Comp(Y_n)，

●基于所确定的电压补偿值Comp(Y_n)来补偿来自于压力传感器800的信号S_B。

信号处理器件400还配置成检测平稳阶段S_P1, S_P2, S_P3之后的电压峰值阶段P1, P2, P3的开始，且在所检测的峰值阶段P1, P2, P3期间，基于在平稳阶段S_P1, S_P2, S_P3期间计算的最后一对斜率ax_N和截距bx_N值来补偿信号。

本发明提出一种处理压力测量装置Dp的信号S_B的方法。该方法采用可以例如以非限制性的方式集成到上述信号处理器件400中的算法的形式。

处理信号S_B的方法目的在于校正信号相对于参考值V_REF的偏移。

信号S_B值通过处理单元500周期性地获取，例如每Δt = 1/804 Hz = 1.24 ms一次。

根据本发明，参考图1、4和5，在步骤E1中基于由处理单元500获取的信号S_B的至少一个值检测平稳阶段S_P1的开始，即第一峰值P1的结束。

如上所述，该检测例如基于信号斜率从一个获取时间X_n到下一个X_n+1的变化。于是，任何异常地和突变地增加的斜率表示燃烧压力峰值P1, P2, P3的开始，在陡斜率之后的任何平缓斜率是峰值P1, P2, P3结束的特征，即平稳阶段S_P1, S_P2, S_P3的开始。

参考图4和5，对于与所检测的平稳阶段S_P1每个获取时间X_n（在平稳阶段期间，n从0变化至N）相对应的由处理单元500在传感器800的输出处获取的信号S_B的每个值，所述方法包括：

●计算逼近在平稳阶段S_P1期间由处理单元获取的信号值Y₀,…, Y_n的直线的斜率ax_n和截距bx_n的一对值的步骤E21，

●基于所计算的每对斜率ax_n和截距值bx_n来确定信号S_B的电压补偿值Comp(X_n)的步骤E22，

●基于所确定的电压补偿值Comp(Y_n)来补偿来自于压力传感器的信号S_B的步骤E23。

对于在平稳阶段S_P1期间测量且与n+1个获取时间X_n（在平稳阶段期间，n从0变化至N）相对应的信号S_B的每个电压值Y_n，实施这三个步骤E21、E22和E23允许通过线性回归确定所有这些值的斜率。

与在平稳阶段S_P1的n+1个测量点的获取时间X_n时的线性回归获得的斜率相对应的补偿值因而对应于测量点X₀至X_n的斜率的平均值，而不是值可能不正确（因为其偏离测量点X₀至X_n的平均斜率直线太远）的测量点的单个斜率。

已知的线性回归公式将这些系数定义如下：

(1)

(2)

其中：

ax_n是在时间X_n时直线的斜率，

bx_n是在时间X_n时直线的截距，

X_n是由(X_n-1 + Δ t)限定的时间，且X₀ = 0，

Y_n 是在时间X_n时传感器800的输出处测量的电压信号的值，

Xavg_n是信号X_i的n个样本的平均值，以及

Yavg_n是信号Y_i的n个样本的平均值。

为了确定这些系数，斜率ax_n定义如下：

(3)

其中：

(4)

Δt是传感器800的输出信号的两个获取时间之间的测量时间间隔。

Yavg_n和Yavg_n-1 通过如下公式定义：

且，n>0 (5)

如下通过递归获得：

(6)。

类似地，定义如下：

对于i从0变化至n，，，，因此，

即：

(7)

由此推导出如下公式：

(8)

且

(9)

方程（4）的展开给出如下：

即：

因而

因此：

(10)

类似地，考虑a_n-1：

因而

，

因此，

(11)

方程（10）和（11）的总和允许如下推导：

(12)

因而：

(其中，a₀= 0)。

此外，获得如下公式：

(2)

由此通过展开推导如下：

即，通过(n+1)简化：

(13)

在平稳阶段S_P1期间，对于在平稳阶段S_P1的时间X_n时获得的信号S_B的值Y_n，传感器输出信号的电压补偿值Comp(Y_n)通过Comp(Y_n) = Y_n给出。

换句话说，在平稳阶段期间，传感器的信号S_B通过值Comp(Y_n) = Y_n来补偿。

在处理单元500的输出处，这样补偿的信号（即，已处理信号S）的值因而通过如下给出：

(14)。

例如，在500 mV的区域中，偏移电压Vref可以增加到已处理信号S的值，来自于传感器800的该值是任意的，假定传感器是相对压力传感器。

该补偿步骤E23可以跟随有低通滤波步骤，以便消除残余噪音。

与步骤E21、E22和E23并行地，检测平稳阶段S_P1之后的第二峰值P2的开始的步骤E3被执行，以便确定平稳阶段的结束，为此，在时间X_n时由处理单元500实施最后获取时间，通过处理单元500计算斜率ax_N和截距bx_N。

当在最后获取时间X_N之后检测到跟随P2的峰值的开始时，在步骤E4中基于在平稳阶段S_P1的最后获取时间X_n计算的最后斜率和截距值实施输出信号S_B的补偿。

因而，通过在针对N+1个测量点测量的N+1个电压值上进行线性回归获得的正斜率直线具有斜率ax_N。在峰值阶段P2期间要减去以补偿所述偏移的信号值如下：

(15)。

处理单元500的已处理输出信号S的值通过如下给出：

(16)。

因而，在峰值阶段期间基于由处理单元500在平稳阶段SP₁期间通过线性回归计算的最后参数ax _N和bx _N来执行插值。

该补偿步骤E4可以跟随有低通滤波步骤，以便消除残余噪音。

根据本发明的方法针对每个平稳阶段且针对每个峰值阶段重复，从而处理单元500连续地补偿传感器800的输出信号S_B，如图6中示意性地所示。

Claims

1.一种用于处理来自于内燃发动机的气缸燃烧室中的压力测量装置（Dp）的信号的方法，所述装置包括：

●压力测量传感器（800），提供表示所述燃烧室内的压力的输出电压信号（S_B），所述信号（S_B）交替地包括“平稳”阶段（S_P1, S_P2, S_P3），在所述平稳阶段期间，电压随着时间根据大约线性的函数变化，电压峰值阶段（P1, P2, P3）表示燃烧室中的压力峰值，以及

●处理单元（500），所述处理单元连接到所述压力测量传感器（800）且配置成周期性地获取传感器（800）的输出电压信号（S_B）的多个值（Y₀,…, Y_N），

所述方法包括如下步骤：

●基于由处理单元（500）获取的信号（S_B）的至少一个值（Y₀,…, Y_N）检测平稳阶段（S_P1, S_P2, S_P3）的开始的步骤（E1），

●对于在所检测的平稳阶段（S_P1, S_P2, S_P3）期间获取的传感器（800）的输出信号（S_B）的每个值（Y₀,…, Y_N）：

　　－计算逼近在平稳阶段（S_P1, S_P2, S_P3）期间由处理单元（500）获取的信号（S_B）的值（Y₀,…, Y_N）的直线的斜率（ax₀,…, ax_N）和截距（bx₀,…, bx_N）的一对值的步骤（E21），

　　－基于所计算的每对斜率（ax₀,…, ax_N）和截距（bx₀,…, bx_N）值来确定信号（S_B）的电压补偿值（Comp(Y_n)）的步骤（E22），

　　－基于所确定的电压补偿值（Comp(Y_n)）来补偿来自于压力传感器（800）的信号（S_B）的步骤（E23），

●检测平稳阶段（S_P1, S_P2, S_P3）之后的电压峰值阶段（P1, P2, P3）的开始的步骤（E3），以及

●在所检测的峰值阶段（P1, P2, P3）期间，基于在平稳阶段（S_P1, S_P2, S_P3）期间计算的最后一对斜率（ax_N）和截距（bx_N）值来补偿信号的步骤（E4），

所述方法特征在于，对于在时间n时获取的传感器（800）的输出信号（S_B）的值（Y₀,…, Y_N），斜率值（ax₀,…, ax_N）和截距值（bx₀,…, bx_N）分别通过如下公式给出，n从0变化至N：

其中，

且并且

其中：

，其中，

且其中：

Yavg_n是在时间n时由处理单元（500）获取的传感器（800）的输出信号（S_B）的平均值，

Yavg_n-1是在时间n-1时由处理单元（500）获取的传感器（800）的输出信号（S_B）的平均值，

系数a_n通过如下给出：，

Y_n是在时间n时获取的传感器（800）的输出信号（S_B）的值，

Δt对应于由处理单元（500）获取传感器（800）的输出信号（S_B）的值（Y₀,…, Y_N）的周期。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算步骤（E21）通过线性回归执行。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所检测的峰值阶段（P1, P2, P3）期间补偿传感器（800）的输出信号（S_B）的步骤（E4）对于所述信号（S_B）的每个获取时间（X₀,…, X_N）执行。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，信号（S_B）的值每1/804Hz＝1.24 ms获取一次。