CN104568445A - 发动机负荷检测装置及发动机负荷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关一种发动机负荷检测装置及发动机负荷检测方法。该装置包括：发动机平均转速计算模块；发动机瞬时转速计算模块；标准负荷计算模块；负荷斜率计算模块；以及实际负荷计算模块，根据发动机瞬时转速波动量计算负荷差值，并与该标准负荷相加计算出发动机实际负荷。该方法包括，发动机平均转速计算步骤；发动机瞬时转速计算步骤；标准负荷计算步骤，根据车辆转速、整车质量、车辆加速度，计算标准负荷；负荷斜率计算步骤；以及实际负荷计算步骤。本发明能够准确、稳定的检测出发动机的负荷。

Description

发动机负荷检测装置及发动机负荷检测方法

技术领域

本发明涉及发动机控制技术领域，特别涉及一种发动机负荷检测装置及发动机负荷检测方法。 

背景技术

目前通常基于节气门位置传感器、进气压力传感器或进气质量流量传感器检测发动机负荷。此类方法使用的传感器导致系统的成本显著增加。 

由天津大学硕士研究生严玉苹发表的名称为《单缸发动机点火调试系统的研制》的Y1045524硕士论文（文献1），公开了发动机的瞬时转速与平均转速的差值的绝对值积分，得到瞬时转速波动值，以此计算发动机负荷的方法。该发动机负荷的检测方法没有考虑发动机所应用的车辆状态，尤其是车辆惯量、档位对转速波动量的影响。 

公开号为CN102589888A的中国专利申请（文献2），公开了一种发动机负荷检测装置以及发动机负荷检测方法。该方法，利用转速波动量作为发动机负荷计算初始依据，存在测量误差较大、从而导致后续修正结果也不具有实用价值的风险。例如，在复杂路面状态下，如果实际发动机的负荷没有显著变化，转速波动量仍可能处于频繁变动中，文献2提供的方法难以穷尽不同特征路面导致的不同干扰；从该文献提供的实施例也可以看出，对于点火角的控制采取了根据节气门开度、转速计算初步点火角，然后根据由转速波动率得到的负荷率计算修正量，对点火角度进行修正得到最终点火角的方法。根据该专利提供的技术思路所得到的负荷率仅用于对点火提前角进行修正计算，而没有直接利用该参数进行计算。因此，此类方法存在计算不稳定性的问题。并且，发动机转速波动量与整车质量有较大关系，对于在实际使用过程中整车质量有较大幅度变化的车辆，如货运车辆，需要针对整车质量的变化进行进一步的修正才能得到准确的发动机负荷。文献2也没有能够提供针对整车质量的修正方法。 

上述文献也都没有利用所检测的信号对车辆换档、发动机冷却风扇等做出反馈控制。 

发明内容

有鉴于上述现有技术所存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种发 动机负荷检测装置以及发动机负荷检测方法，使其准确、稳定的检测出发动机的负荷。 

为了实现上述目的，依据本发明提出的一种发动机负荷检测装置，其包括：发动机平均转速计算模块；接收发动机转速信号，计算发动机平均转速；发动机瞬时转速计算模块；接收发动机转速信号，计算发动机瞬时转速；标准负荷计算模块，根据车辆转速、整车质量、车辆加速度，计算标准负荷；负荷斜率计算模块，通过发动机平均转速和当前档位传动比，查负荷斜率与转速、档位关系表插值得到当前的负荷斜率；以及实际负荷计算模块，根据发动机瞬时转速波动量计算负荷差值，并与该标准负荷相加计算出发动机实际负荷。 

本发明还可采用以下技术措施进一步实现。 

前述的发动机负荷检测装置，其中所述的标准负荷=9550*功率/转速；其中，该功率由汽车驱动力与车速相乘得到；该汽车驱动力=道路阻力+惯性力，该道路阻力=A+C*V²，其中A、C为道路阻力系数，V为车速；该惯性力由整车质量与加速度相乘得到。 

前述的发动机负荷检测装置，其中所述的负荷斜率与转速、档位关系表是在标准测试状态下测试并存储于ECU中。 

前述的发动机负荷检测装置，其中所述的实际负荷计算模块，首先，根据发动机瞬时转速计算实际瞬时转速波动量；其次，根据发动机当前转速、档位信号查表得到标准瞬时转速波动量；之后，计算转速波动量差值，所述转速波动量差值是指实际转速波动量与标准瞬时转速波动量之差；再后，计算负荷差值，所述负荷差值是根据负荷斜率与转速波动量差值相乘得到；最后，计算发动机实际负荷，发动机实际负荷是标准负荷与负荷差值之和。 

前述的发动机负荷检测装置，其中所述的实际负荷计算模块，在计算实际负荷之前，以车辆实际质量与预定车辆质量之比作为修正系数，乘以负荷差值得到修正后的负荷差值；之后，计算该发动机实际负荷。 

为了实现上述目的，依据本发明还提出一种发动机控制装置，其包括前述的发动机负荷检测装置；该发动机控制装置根据该发动机实际负荷控制发动机的冷却和/或发动机的点火。 

为了实现上述目的，依据本发明另外还提出一种发动机负荷检测方法，其包括以下步骤：发动机平均转速计算步骤，接收发动机转速信号，计算发动机平均转速；发动机瞬时转速计算步骤，接收发动机转速信号，计算发动机瞬时转速；标准负荷计算步骤，根据车辆转速、整车质量、车辆加速度，计算标准负荷；负荷斜率计算步骤，通过发动机平均转速和当前档位传动比，查负荷斜率与转速、档位关系表插值得到当前的负荷斜率；以 及实际负荷计算步骤，根据发动机瞬时转速波动量计算负荷差值，并与该标准负荷相加计算出发动机实际负荷。 

前述的发动机负荷检测方法，其中所述的实际负荷计算步骤，首先，根据发动机瞬时转速计算实际瞬时转速波动量；其次，根据发动机当前转速、档位信号查表得到标准瞬时转速波动量；之后，计算转速波动量差值，所述转速波动量差值是指实际转速波动量与标准瞬时转速波动量之差；再后，计算负荷差值，所述负荷差值是根据负荷斜率与转速波动量差值相乘得到；最后，计算发动机实际负荷，发动机实际负荷是标准负荷与负荷差值之和。 

前述的发动机负荷检测方法，其中所述的实际负荷计算步骤，在计算实际负荷之前，以车辆实际质量与预定车辆质量之比作为修正系数，乘以负荷差值得到修正后的负荷差值；之后，计算该发动机实际负荷。 

本申请与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案,本申请的发动机负荷检测装置及发动机负荷检测方法，至少具有下列优点： 

一.本发明采用基于档位传感器与转速传感器计算得到发动机实际负荷，与目前通常基于节气门位置传感器(或进气压力传感器)与转速传感器检测发动机负荷的方法比较，成本更低。 

二.本发明利用变速机构档位、传动系统的速比、车辆的标准重量首先计算出发动机的标准负荷（所谓基于标准测试状态下的发动机负荷），再根据发动机瞬时转速变化量、档位位置、平均转速、整车质量计算得到发动机负荷修正量和实际发动负荷。这种方法一方面降低了基于转速波动量检测发动机负荷的不稳定性，同时由于引入了负荷斜率的概念和整车质量信号简化了计算，提高了计算的准确性。 

三.本发明利用所检测得到的发动机负荷对变速机构档位、发动机点火提前角和冷却风扇的运转等做反馈控制，省略了发动机负荷传感器，可以实现发动机的低成本控制。 

四.本发明发动机负荷检测装置及发动机负荷检测方法，能够准确、稳定的检测出发动机的负荷。 

附图说明

图1是本申请的发动机负荷检测装置使用示意图。 

图2是本申请的发动机负荷检测装置的模块化示意图。 

图3是本申请的利用发动机负荷控制发动机的模块化示意图。 

图4是本申请的发动机工作过程的状态变化示意图。 

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的发动机负荷检测装置及发动机负荷检测方法其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。 

请参阅图1所示，是使用本发明的发动机负荷检测装置的发动机控制系统示意图。 

本实施例的发动机控制系统包括发动机3、变速器30及发动机控制装置（ECU）11。 

所述的发动机3可以是一个单缸四冲程发动机。发动机3包括，在发动机3的气缸内进行往复运动的活塞17、通过连杆16与活塞17连接的曲轴15、火花塞20、进气道19、排气道1，以及与曲轴15的旋转同步地进行开关动作的进气门18与排气门2。 

在曲轴15上安装与曲轴15同步旋转的飞轮6。在飞轮6的外周有向外突出一定高度的凸台5。固定在发动机3上的转速传感器4设置在飞轮16附近，飞轮16旋转时凸台5经过转速传感器4使得转速传感器得到感应信号，输出凸台的前边沿脉冲和后边沿脉冲信号。为便于描述前边沿脉冲和后边沿脉冲信号统称为发动机转速信号。 

所述的变速器30与发动机3的输出端相连。变速器30包括变速器主轴7、变速器副轴8、以及档位星轮12，档位星轮12上安装有档位传感器，该档位传感器在不同的档位向发动机负荷检测装置40提供不同的档位信号。例如，变速器有1、2、3、4、5档及空档共6个档位，所述的档位信号是指不同的档位位置对应的传动比G(j)。 

所述的发动机控制装置11,包括：接收并处理来自转速传感器4的发动机转速信号的转速信号处理模块111；接收并处理来自档位传感器12的档位信号处理模块113；接收来自整车质量检测模块23（本实施例为手动开关）的车辆质量信号的车辆质量信号接收模块；发动机负荷检测装置40；点火角MAP图115；至少基于发动机的负荷T、发动机平均转速N及点火角MAP图决定点火提前角的点火控制模块118；冷却风扇MAP图117；至少基于发动机的负荷T、发动机平均转速N及冷却风扇MAP图控制冷却风扇转速的风扇控制模块119。冷却风扇包括电机22、风扇叶片21，根据风扇控制模块向发动机提供冷却风。 

所述的发动机负荷检测装置40，接收变速箱的档位信号、发动机的转速信号及整车质量信号，计算发动机实际负荷。所述发动机控制装置11根 据计算出的发动机负荷T控制发动机的冷却、控制发动机的点火。 

请同时参阅图2所示，是本发明发动机负荷检测装置40较佳实施例的方框示意图。 

本发明较佳实施例的发动机负荷检测装置40，包括:发动机平均转速计算模块41；发动机瞬时转速计算模块43；标准负荷计算模块45；负荷斜率计算模块49；实际负荷计算模块47。 

如图4所示，上述的发动机平均转速计算模块41与发动机瞬时转速计算模块43，接收曲轴脉冲信号，分别计算发动机平均转速N(i)和发动机瞬时转速n(i)。所述的发动机平均转速N(i)是指按照发动机每旋转两圈(720°曲轴转角)的时间周期计算得到的转速，例如单位为r/min，N(i)=2/(t_f(i)-t_f(i-2))。所述的发动机瞬时转速n(i)是指按照凸台前后缘对应的曲轴转角(凸台角)除以凸台通过转速传感器所需的时间得到的转速，例如单位为r/min，n(i)=凸台角/（t_r(i)-t_f(i))。 

上述的标准负荷计算模块45，根据车辆行驶速度转速、整车质量、车辆加速度，计算标准负荷。 

标准负荷（或称为标准扭矩）T_st=功率/转速；其中，功率由车辆驱动力与车辆行驶速度相乘得到；车辆驱动力F=道路阻力+惯性力，该道路阻力F_road=A+C*V²，其中A、C为道路阻力系数，V为车速；该惯性力可由整车质量与加速度相乘计算出来；该加速度可以由经过前后缘的瞬时转速变化率转换得到，或者通过单位时间内车辆行驶速度的变化率计算得到。 

负荷斜率计算模块，通过发动机平均转速N(i)和当前档位速比G(j)查负荷斜率与转速、档位关系表插值得到当前的负荷斜率T_ratio(i,j)。负荷斜率是指发动机负荷与转速波动量的比值,该比值与发动机转速、整车质量成正比，与系统速比的平方成反比，即：当整车质量一定时，负荷斜率仅与转速和档位有关。负荷斜率与转速、档位关系表，是在标准测试状态下测试并存储于ECU11中。 

负荷斜率与转速、档位关系表 

上述的实际负荷计算模块，根据发动机瞬时转速波动量计算负荷差值，并与标准负荷相加计算实际负荷。首先，根据发动机瞬时转速计算实际瞬时转速波动量δ(i)。该实际瞬时转速波动量可以是相邻发动机瞬时转速n(i)与n(i-1)的差值，或者可以是多个差值的算数平均值，即δ(i)=（|n(i)-n(i-1)|+|n(i-1)-n(i-2)|）/2，或者可以是多个差值的加权平均值δ(1)=(|n(1-2)-n(1-1)|+2*|n(1)-n(1-1)|)/3。加权计算方式进一步消除不平坦路面对转速波动量产生的随机影响。其次，根据发动机当前转速N(i)、档位信号查“标准瞬时转速变化量表”得到标准瞬时转速波动量δ_st(1，1)。之后，计算转速波动量差值，所述转速波动量差值是指实际转速波动量δ_act与标准瞬时转速波动量δ_st(1，1)之差。再后，计算负荷差值，所述负荷差值是根据负荷斜率与转速波动量差值相乘得到，即负荷差值=[δ-δ_st(1，1)]*T_rato，负荷差值反应的是目前发动机实际负荷与发动机标准负荷的差。之后，根据车辆实际质量修正负荷差值，具体为车辆实际质量与预定车辆质量之比作为修正系数，乘以负荷差值得到修正后的负荷差值T_corr，即T_corr=[δ-δst(1，1)]*Tratio*m(k)/mo。最后，计算发动机实际负荷，发动机实际负荷是标准发动机标准负荷T_st与修正后的负荷差值T_corr之和，即T_act=T_st+T_corr 

前述的标准瞬时转速变化量表，是指在标准测试状态下得到的不同转速、不同档位时的发动机标准瞬时转速波动量δ_st。通过预先测量，可以得到发动机标准瞬时转速波动量δ_st与发动机平均转速N、档位j对应的数据表格，如下所示：δ_st(n，T) 

发动机标准瞬时转速变化量表 

所述的标准测试状态，是指在标准路面上车辆匀速行驶，并且车辆、测试环境（包括风速、温度、湿度、气压等）与驾驶员满足指定要求的状态。 

标准路面是指宽广、水平、笔直、平坦的铺装道路，道路表面干燥， 无任何可能对行驶阻力造成影响的障碍物。距离超过2米的任意两点之间的坡度不超过0.5%。 

请同时参阅图3所示，是利用发动机负荷控制发动机的模块化示意图。基于上述检测得到发动机实际负荷T_act，控制发动机点火提前角。更详细为，基于计算得到的平均转速N，发动机实际负荷T_act，以及预置在ECU11中的点火角MAP图（点火提前角与发动机平均转速N和实际负荷T_act的MAP表），查表并插值得到对应的点火提前角，通过点火控制模块对点火提前角进行控制。 

基于上述检测得到发动机实际负荷T_act，控制风扇转速。更详细为，基于计算得到的平均转速N，发动机实际负荷T_act，以及预置在ECU11中的冷却风扇MAP图，查表并插值得到对应的风扇转速，通过风扇控制模块对风扇转速进行控制。冷却风扇MAP图是指风扇转速（在其他实施例中也可以是风扇电机的驱动电流）与发动机平均转速N和实际负荷T_act的MAP表。 

基于上述检测得到发动机实际负荷T_act，控制变速箱换档。更详细为，基于计算得到的平均转速N，发动机实际负荷T_act以及预置在ECU11中的目标档位与发动机平均转速N和实际负荷T_act的MAP表，查表计算得到对应的目标档位，对比当前档位与目标档位的区别，通过档位控制模块对档位变换进行控制。 

虽然本申请已以优选实施例揭露如上，然并非用以限定本申请实施的范围，依据本申请的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本申请技术方案的范围。例如，在某些整车质量变化幅度不大的应用中，省略整车质量检测模块；或者在发动机不工作的状态下，在一短暂时间内控制ECU模块与蓄电池连接次数，通过检测电压变化次数由软件设定整车质量等级；或者将整车质量检测模块由手动开关换成连续可调的可变电阻器等。或者，为了简化计算工作量，也可将部分计算转换成数组，通过查表插值的方式得到相关计算结果。或者，将凸台的布置形式由上止点附近的单个凸台改为多个的凸台等等。 

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (9)

1.一种发动机负荷检测装置，其特征在于包括：

发动机平均转速计算模块；接收发动机转速信号，计算发动机平均转速；

发动机瞬时转速计算模块；接收发动机转速信号，计算发动机瞬时转速；

标准负荷计算模块，根据车辆转速、整车质量、车辆加速度，计算标准负荷；

负荷斜率计算模块，通过发动机平均转速和当前档位传动比，查负荷斜率与转速、档位关系表插值得到当前的负荷斜率；以及

实际负荷计算模块，根据发动机瞬时转速波动量计算负荷差值，并与该标准负荷相加计算出发动机实际负荷。

2.如权利要求1所述的发动机负荷检测装置，其特征在于其中所述的标准负荷=9550*功率/转速；其中，该功率由汽车驱动力与车速相乘得到；该汽车驱动力=道路阻力+惯性力，该道路阻力=A+C*V²，其中A、C为道路阻力系数，V为车速；该惯性力由整车质量与加速度相乘得到。

3.如权利要求1所述的发动机负荷检测装置，其特征在于其中所述的负荷斜率与转速、档位关系表是在标准测试状态下测试并存储于ECU中。

4.如权利要求1所述的发动机负荷检测装置，其特征在于其中所述的实际负荷计算模块，首先，根据发动机瞬时转速计算实际瞬时转速波动量；其次，根据发动机当前转速、档位信号查表得到标准瞬时转速波动量；之后，计算转速波动量差值，所述转速波动量差值是指实际转速波动量与标准瞬时转速波动量之差；再后，计算负荷差值，所述负荷差值是根据负荷斜率与转速波动量差值相乘得到；最后，计算发动机实际负荷，发动机实际负荷是标准负荷与负荷差值之和。

5.如权利要求4所述的发动机负荷检测装置，其特征在于其中所述的实际负荷计算模块，在计算实际负荷之前，以车辆实际质量与预定车辆质量之比作为修正系数，乘以负荷差值得到修正后的负荷差值；之后，计算该发动机实际负荷。

6.一种发动机控制装置，其特征在于包括如权利要求1至5中任一所述的发动机负荷检测装置；该发动机控制装置根据该发动机实际负荷控制发动机的冷却和/或发动机的点火。

7.一种发动机负荷检测方法，其特征在于包括以下步骤：

发动机平均转速计算步骤，接收发动机转速信号，计算发动机平均转速；

发动机瞬时转速计算步骤，接收发动机转速信号，计算发动机瞬时转速；

标准负荷计算步骤，根据车辆转速、整车质量、车辆加速度，计算标准负荷；

负荷斜率计算步骤，通过发动机平均转速和当前档位传动比，查负荷斜率与转速、档位关系表插值得到当前的负荷斜率；以及

实际负荷计算步骤，根据发动机瞬时转速波动量计算负荷差值，并与该标准负荷相加计算出发动机实际负荷。

8.如权利要求7所述的发动机负荷检测方法，其特征在于其中所述的实际负荷计算步骤，首先，根据发动机瞬时转速计算实际瞬时转速波动量；其次，根据发动机当前转速、档位信号查表得到标准瞬时转速波动量；之后，计算转速波动量差值，所述转速波动量差值是指实际转速波动量与标准瞬时转速波动量之差；再后，计算负荷差值，所述负荷差值是根据负荷斜率与转速波动量差值相乘得到；最后，计算发动机实际负荷，发动机实际负荷是标准负荷与负荷差值之和。

9.如权利要求8所述的发动机负荷检测方法，其特征在于其中所述的实际负荷计算步骤，在计算实际负荷之前，以车辆实际质量与预定车辆质量之比作为修正系数，乘以负荷差值得到修正后的负荷差值；之后，计算该发动机实际负荷。