CN105443253A - 一种基于自学习的多缸柴油机分缸均衡控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多缸电控柴油机分缸均衡控制装置及方法，其方法是通过对转速传感器输出的瞬时转速信号进行能量归一化处理，来消除不同条件下获得的信号强弱对不均匀程度的影响，提出了一种评价柴油机工作不均匀程度的方法。当柴油机处于倒拖状态并满足自学习工况条件时，通过自学习的方法修正飞轮信号分度加工误差和曲轴扭转振动误差等导致的信号误差，利用低通滤波和增量式比例积分(PI)分缸均衡控制算法，对各缸燃料喷射量进行补偿调节来均衡各缸工作不均匀度，不仅有利于进一步提高发动机的动力性和经济性，而且有效改善整机的振动和噪声，有利于整车的舒适性。

Description

一种基于自学习的多缸柴油机分缸均衡控制装置及方法

技术领域

本发明涉及多缸电控柴油机分缸均衡控制方法及装置，特别涉及一种基于自学习的多缸柴油机分缸燃料喷射量均衡控制装置及方法。

背景技术

四冲程多缸发动机工作不均匀性是指在各缸工作过程中以及对外表现出的差异。发动机在使用过程中,由于各种因素的影响，可能会导致各缸工作状态差别较大。这种差别除了导致车辆的振动、噪声恶化外,还会显著影响发动机的排放和经济性等性能指标。柴油机工作过程不均匀的原因有进气不均匀、供油提前角不均匀、供油规律不均匀、各缸几何因素的差异等。

现有方法一般通过安装气缸压力传感器、振动传感器、排温传感器等进行各缸工作不均匀性分析，由于需要增加传感器或传感器可靠性较低、更换周期较短、成本较高；也有直接通过发动机的转速传感器信号计算来评估各缸工作不均匀性，以提高发动机运行稳定性。例如中国申请公布专利CN201410401150，其方法主要关注的是瞬时转速信号的采集和处理，对于飞轮信号分度加工误差和各缸工作过程中曲轴扭转振动导致的信号误差等没有考虑，这类信号误差会导致瞬时转速计算偏差，此偏差无法通过常规控制消除，进而影响到实际发动机分缸均衡控制的效果。

本发明通过能量归一化处理，提出了一种评价柴油机工作不均匀程度的方法，通过自学习的方法修正飞轮信号分度加工误差和曲轴扭转振动误差，实时检测和均衡柴油机的各缸工作不均匀程度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一在于针对现有技术的不足而提供一种基于自学习的多缸柴油机分缸燃料喷射量均衡控制装置。

本发明所要解决的技术问题之二在于提供上述基于自学习的多缸柴油机分缸燃料喷射量均衡控制方法。该多缸柴油机分缸均衡控制方法提出了一种评价柴油机工作不均匀程度的方法，通过能量归一化处理来消除不同条件下获得的信号强弱对不均匀程度的影响；通过自学习的方法识别飞轮信号分度加工误差、曲轴扭转振动等导致的信号误差，对各缸燃料喷射量进行补偿调节来均衡各缸工作不均匀度，不仅有利于进一步提高发动机的动力性和经济性，而且有效改善整机的振动和噪声，有利于整车的舒适性。

作为本发明第一方面的多缸电控柴油机分缸均衡控制装置，其特征在于，包括：

发动机与整车，在所述发动机与整车中安装有转速传感器、油门开度传感器、冷却水温传感器、燃油温度传感器、车速传感器、离合器状态传感器、档位状态传感器；

一执行器，所述执行器为电控喷油泵或电控喷油器；

一处理器，所述处理器中设置有滤波和转速计算模块、不均匀程度评估模块、自学习模块、分缸均衡控制模块；

所述滤波和转速计算模块的两个输入端分别与所述转速传感器的输出端和所述自学习模块中的输出端相连，接受所述转速传感器送出的转速信号、自学习模块送出的各缸自学习偏差值信号；所述滤波和转速计算模块的输出端输出瞬时转速信号；所述不均匀程度评估模块的输入端与所述滤波和转速计算模块的输出端相连，接受所述滤波和转速计算模块的输出端输出的瞬时转速信号；所述不均匀程度评估模块具有三个输出端，其中所述不均匀程度评估模块的第一输出端输出柴油机工作不均匀程度信号，不均匀程度评估模块的第二输出端输出各缸工作不均匀程度信号，不均匀程度评估模块的第三输出端输出各缸工作均匀性指标信号；所述自学习模块具有若干个输入端，其中两个输入端分别与所述不均匀程度评估模块的第一输出端和第二输出端相连，接受所述不均匀程度评估模块的第一输出端输出的柴油机工作不均匀程度信号和第二输出端输出的各缸工作不均匀程度信号，所述自学习模块的其余输出端分别与所述油门开度传感器的输出端、冷却水温传感器的输出端、燃油温度传感器的输出端、车速传感器的输出端、离合器状态传感器的输出端、档位状态传感器的输出端相连，接受所述油门开度传感器输出端输出的油门开度信号、冷却水温传感器输出端输出的冷却水水温信号、燃油温度传感器输出端输出的燃油温度信号、车速传感器输出端输出的车速信号、离合器状态传感器输出端输出的离合器状态信号、档位状态传感器输出端输出的档位信号，所述自学习模块的另外一些输入端还接受倒拖状态判定信号、不均匀度限值信号、故障信号和自学习周期条件，所述自学习模块所接受的油门开度信号、冷却水水温信号、燃油温度信号、车速信号、离合器状态信号、档位信号对倒拖状态进行判定；所述自学习模块的输出端送出各缸子学习偏差值信号；所述分缸均衡控制模块具有若干输入端，其中所述分缸均衡控制模块的第一输入端与所述不均匀程度评估模块的第三输出端相连，接受所述不均匀程度评估模块的第三输出端输出的各缸工作均匀性指标信号；所述分缸均衡控制模块的第二、三输入端接受ECU给定的目标值信号和目标油量信号，所述分缸均衡控制模块的输出端输出各缸修正后喷油量信号至所述执行器。

作为本发明第二方面的多缸电控柴油机分缸均衡控制方法，其特征在于，包括：

发动机与整车，在所述发动机与整车中安装有转速传感器、油门开度传感器、冷却水温传感器、燃油温度传感器、车速传感器、离合器状态传感器、档位状态传感器；

一执行器，所述执行器为电控喷油泵或电控喷油器；

一处理器，所述处理器中设置有滤波和转速计算模块、不均匀程度评估模块、自学习模块、分缸均衡控制模块；

所述滤波和转速计算模块的两个输入端分别与所述转速传感器的输出端和所述自学习模块中的输出端相连，接受所述转速传感器送出的转速信号、自学习模块送出的各缸自学习偏差值信号；所述滤波和转速计算模块的输出端输出瞬时转速信号；所述不均匀程度评估模块的输入端与所述滤波和转速计算模块的输出端相连，接受所述滤波和转速计算模块的输出端输出的瞬时转速信号；所述不均匀程度评估模块具有三个输出端，其中所述不均匀程度评估模块的第一输出端输出柴油机工作不均匀程度信号，不均匀程度评估模块的第二输出端输出各缸工作不均匀程度信号，不均匀程度评估模块的第三输出端输出各缸工作均匀性指标信号；所述自学习模块具有若干个输入端，其中两个输入端分别与所述不均匀程度评估模块的第一输出端和第二输出端相连，接受所述不均匀程度评估模块的第一输出端输出的柴油机工作不均匀程度信号和第二输出端输出的各缸工作不均匀程度信号，所述自学习模块的其余输出端分别与所述油门开度传感器的输出端、冷却水温传感器的输出端、燃油温度传感器的输出端、车速传感器的输出端、离合器状态传感器的输出端、档位状态传感器的输出端相连，接受所述油门开度传感器输出端输出的油门开度信号、冷却水温传感器输出端输出的冷却水水温信号、燃油温度传感器输出端输出的燃油温度信号、车速传感器输出端输出的车速信号、离合器状态传感器输出端输出的离合器状态信号、档位状态传感器输出端输出的档位信号，所述自学习模块的另外一些输入端还接受倒拖状态判定信号、不均匀度限值信号、故障信号和自学习周期条件，所述自学习模块所接受的油门开度信号、冷却水水温信号、燃油温度信号、车速信号、离合器状态信号、档位信号对倒拖状态进行判定；所述自学习模块的输出端送出各缸子学习偏差值信号；所述分缸均衡控制模块具有若干输入端，其中所述分缸均衡控制模块的第一输入端与所述不均匀程度评估模块的第三输出端相连，接受所述不均匀程度评估模块的第三输出端输出的各缸工作均匀性指标信号；所述分缸均衡控制模块的第二、三输入端接受ECU给定的目标值信号和目标油量信号，所述分缸均衡控制模块的输出端输出各缸修正后喷油量信号至所述执行器；

该方法的具体步骤如下：

(1)所述滤波和转速计算模块以所述转速传感器输送过来的转速信号进行低通滤波计算处理后，结合所述自学习模块输出的各缸自学习偏差值进行瞬时转速计算，输出瞬时转速信号至所述不均匀程度评估模块；

(2)所述不均匀程度评估模块根据所述滤波和转速计算模块输出的瞬时转速信号，通过能量归一化处理对不均匀程度进行评估，输出柴油机工作不均匀程度信号和各缸工作不均匀程度信号到所述自学习模块，输出各缸工作均匀性指标信号到所述分缸均衡控制模块；

(3)所述自学习模块根据所述不均匀程度评估模块输出的柴油机工作不均匀程度信号和各缸工作不均匀程度信号和是否满足自学习条件进行判定进而完成自学习过程，输出各缸自学习偏差值至所述滤波和转速计算模块。

(4)所述分缸均衡控制模块根据给定的目标值和不均匀程度评估模块输出的各缸工作均匀性指标进行比较，通过比例积分控制器将自动修正喷油量的系数，使得实际的各缸工作均匀性指标向目标值逼近并最终达到该值。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(1)中，所述以所述转速传感器输送过来的信号进行低通滤波计算处理的具体计算公式如下：

y₁(n)＝x(n)

y₇(n)＝y₁(n-1)

y₅(n)＝y₆(n-2)

y₂(n)＝y₁(n)-y₅(n)

y₃(n)＝a×y₂(n)

y₄(n)＝y₃(n)-y₅(n)

y₆(n)＝y₁(n)+y₃(n)

y₈(n)＝y₄(n)+y₇(n)

y₉(n)＝b×y₈(n)

y(n)＝y₉(n)

式中，n＝0，1，2，Λ；y₁(-1)＝0；y₆(-1)＝0；y₆(-2)＝0；a和b为系数；x(n)为输入序列；y(n)为经过低通滤波后的输出序列；y_i(n)为辅助序列。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(1)中，所述结合所述自学习模块输出的各缸自学习偏差值进行瞬时转速计算是：利用柴油机飞轮处的瞬时转速信号来间接检测发动机各缸工作不均匀程度，瞬时转速指柴油机在转过一个微小曲轴转角时的转速，通常测量的飞轮瞬时转速n_i是指第i缸通过测量计数器在飞轮每转过角度期间的计数值来间接测量转速；

瞬时角速度为

式中，为齿间夹角，单位℃A；ΔT_i为第i缸曲轴转过的时间，单位为s；ω_i为第i缸转过角度时的瞬时角速度，单位为°CA/s；

瞬时转速为

$n_i=\frac{60{\mathrm{\ω}}_i}{360}=6{\mathrm{\ω}}_i$

式中，n_i为第i缸瞬时转速，单位为r/min；

在柴油机理想均匀的条件下，各缸的做功一致，但由于飞轮信号分度加工误差和各缸工作过程中曲轴扭转振动导致的信号误差等导致测量计数器计数值与实际值之间存在误差，此误差通过后面自学习修复：

式中，为第i缸曲轴转过的测量时间，单位为s；δ_i为第i缸自学习偏差值，％；

实际柴油机由于各缸不均匀的存在，各缸的指标不相等；而且由于喷射、燃烧等环节有随机波动，同一缸中不同循环间的指标n_i稍有差别；采用m个循环平均的方法来克服循环之间的随机波动误差的影响

$\stackrel{\‾}{n_i}=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{n_i}^{\left(k\right)}$

式中：m为循环次数；为第i缸m个循环的平均瞬时转速，单位为r/min；

柴油机各缸平均瞬时转速为

$\stackrel{\‾}{n}=\frac{1}{Z}\underset{k=1}{\overset{Z}{\Σ}}\stackrel{\‾}{n_i}$

式中：Z为柴油机的总缸数；为柴油机各缸平均瞬时转速，单位r/min。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(2)中，所述不均匀程度评估模块根据所述滤波和转速计算模块输出的瞬时转速信号，通过能量归一化处理对不均匀程度进行评估是：

柴油机各缸工作不均匀程度的计算公式如下：

第i缸工作均匀性指标Δn_i为

${\mathrm{\Δn}}_i=\stackrel{\‾}{n_i}-\stackrel{\‾}{n}$

式中，Δn_i为第i缸工作均匀性指标，单位为r/min；

第i缸工作不均匀度δ_Δni为

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Δ}ni}=\frac{\stackrel{\‾}{n_i}-\stackrel{\‾}{n}}{\stackrel{\‾}{n}}$

式中，δ_Δni为第i缸工作不均匀度，％；

为了消除不同条件下获得的信号强弱的影响，对进行能量归一化处理，即

$X_i=\frac{\stackrel{\‾}{n_i}}{\sqrt{E}}$

式中：为各缸平均瞬时转速的能量和；X_i为第i缸能量归一化值；经过能量归一化处理后，可以保证各缸归一化值X_i(i＝1，2，…Z)的能量和为1；X_i的标准差为

${\mathrm{\δ}}_X=\sqrt{\frac{1}{Z-1}\underset{i=1}{\overset{Z}{\Σ}}{(X_i-\stackrel{\‾}{X_i})}^2}$

式中：为X_i的均值；δ_X为柴油机工作不均匀程度的总指标，δ_X越小，说明各缸工作越均匀。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(3)中，发动机运行过程中，为了保证自学习精度，必须判定发动机是否处于倒拖状态；所述倒拖状态判定条件包括：油门踏板位置为0％；喷油量为0mm³；冷却水温和燃油温度处于正常的工作范围；转速位于设定区间且转速变化率小于设定值；对于共轨系统：要求轨压相对稳定，波动值不超过限值；对于整车倒拖：要求离合器保持闭合，发动机由车辆惯性带动其运转；车速不能过低，应大于一定的阈值；车辆处于非空档，最好处于低档位(保证小传动比)。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(3)中，自学习分为两个模式：

临时自学习：从非自学习状态到初级自学习状态，通过自学习来设定学习值；所述非自学习状态为初始状态或再学习状态；

增强自学习：通过满足严格的学习条件，消除转速、负载波动的影响来自学习进而设定学习值；当油泵、喷油器或ECU更换时，推荐采用增强自学习模式；所述严格的学习条件为发动机台架倒拖；

分为五个状态：

初始状态：值为0xFF，表示未记录自学习值；

临时自学习状态：值为0x00，表示正在进行临时自学习；

临时自学习完成状态：值为0x01，表示已经完成临时自学习；

增强自学习状态：值为0x02，表示正在进行增强自学习；

增强自学习完成状态：值为0x03，表示已经完成增强自学习；

再学习状态：值为0x04，表示增强自学习完成后，根据老化或变化程度可进行再学习；

自学习使能条件包括：确保喷油器、油泵、转速传感器、油门开度传感器、冷却水温传感器、燃油温度传感器、车速传感器、离合器状态传感器、档位状态传感器和共轨系统中的轨压传感器无故障；发动机进入倒拖状态；柴油机工作不均匀程度δ_X超过预设值；第i缸工作不均匀度δ_Δni与上次自学习偏差值δ_i之差超过预设值。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(4)中，所述分缸均衡控制模块根据给定的目标值和不均匀程度评估模块输出的各缸工作均匀性指标进行比较，通过比例积分控制器将自动修正喷油量的系数，使得实际的各缸工作均匀性指标向目标值逼近并最终达到该值是指：分缸均衡控制采用增量式PI控制算法；某缸自学习值通过公式①对计数时间进行修正后得到瞬时转速，给定的目标值Δn_iDes与计算得到的实际不均匀程度Δn_i进行比较，比例积分(PI)控制器将自动修正喷油量的系数k_i，使得实际的Δn_i向目标值Δn_iDes逼近近并最终达到该值。

e_i ^r＝Δn_iDes-Δn_i ^r

Δe_i＝e_i ^r-e_i ^r-1

$\left.\begin{array}{c}{{\mathrm{\Δk}}_i}^r=K_P{\mathrm{\Δe}}_i+K_I{e_i}^r\\ {k_i}^r={k_i}^{r-1}+{{\mathrm{\Δk}}_i}^r\\ {Q_i}^r={{\mathrm{Qk}}_i}^r\end{array}\right\},i=1~Z$

式中：r为控制的次数；K_P和K_I分别为比例和积分的增益；Q为柴油机目标喷油量；Q_i为第i缸修正后喷油量；

为了防止喷油系统过度老化以及零部件过度磨损时，出现燃烧恶化、排放变差等情况，当柴油机工作不均匀程度δ_X和各缸工作不均匀度δ_Δni分别超过限制值时，分缸均衡终止。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明不必采用气缸压力传感器、振动传感器和排温传感器，而直接采用电控柴油机已有转速传感器作为各缸均衡控制信号源，可以降低应用成本和维修成本。2、通过能量归一化处理来消除不同条件下获得的信号强弱对不均匀程度的影响，可以较精确评价柴油机工作不均匀程度。3、通过自学习的方法识别飞轮信号分度加工误差、曲轴扭转振动等导致的信号误差，对各缸燃料喷射量进行补偿调节来均衡各缸工作不均匀度，不仅有利于进一步提高发动机的动力性和经济性，而且有效改善整机的振动和噪声，有利于整车的舒适性。

附图说明

图1是自学习过程状态示意图。

图2是自学习流程示意图。

图3是本发明系统结构示意图。

具体实施方式

为了详细地介绍本发明的内容，对倒拖状态进行定义：

倒拖状态是指通过发动机台架拖动或整车行驶中车辆运动惯性，在没有喷油燃烧的情况下，使发动机在某一转速维持一定时间的状态。

本发明基于如下原理：

通过瞬时转速的能量归一化处理来消除不同条件下获得的信号强弱对不均匀程度的影响，进而评估柴油机工作不均匀程度。当柴油机处于倒拖状态并满足自学习工况条件时，通过自学习的方法修正飞轮信号分度加工误差和曲轴扭转振动误差，利用低通滤波和增量式比例积分(PI)分缸均衡控制算法，实时监测和均衡柴油机的各缸工作不均匀程度。

发动机处于倒拖状态时没有喷油燃烧，由发动机台架或车辆运动惯性拖动其运转，从宏观角度来看，发动机的转速相对比较平稳，但从微观角度来看，当发动机处于压缩冲程时，由于需要压缩空气而做功，阻碍发动机的运转，发动机的转速就会降低，而在做功冲程，由于压缩空气的推动，发动机的转速就会升高，因此发动机的转速就会出现波动。理想状态下，各缸特定角度范围内的瞬时转速理论值应相等，因此通过发动机瞬时转速信号可以准确估算出飞轮信号分度加工误差、曲轴扭振等导致的各缸工作不均匀度。此值作为自学习值存储在系统EEPROM中。当某缸计算瞬时转速时，以时间修正的形式体现在瞬时转速中。

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示和实施例，对本发明进行详细的描述。

如图3所示，本发明的多缸电控柴油机分缸均衡控制装置包括发动机与整车、执行器140和处理器200；执行器140为电控喷油泵或电控喷油器；在发动机与整车中配置有转速传感器、油门开度传感器、冷却水温传感器、燃油温度传感器、车速传感器、离合器状态传感器、档位状态传感器。

处理器200中有滤波和转速计算模块210、不均匀程度评估模块220、自学习模块230、分缸均衡控制模块240。

滤波和转速计算模块210的两个输入端分别与发动机与整车100中转速传感器的输出端和自学习模块230中各缸自学习偏差值信号的输出端相连，接受转速传感器送出的信号、自学习模块230送出的各缸自学习偏差值信号，滤波和转速计算模块210的输出端输出瞬时转速信号。

不均匀程度评估模块220的输入端与滤波和转速计算模块210的输出端相连，接受滤波和转速计算模块210送出的瞬时转速信号，不均匀程度评估模块220的输出端输出柴油机工作不均匀程度信号、各缸工作不均匀程度信号和各缸工作均匀性指标信号。

自学习模块230的输入端分别与不均匀程度评估模块220的输出端、发动机与整车100的输出端相连，接受不均匀程度评估模块220输出的柴油机工作不均匀程度信号和各缸工作不均匀程度信号，接受油门开度传感器送出的油门开度信号、冷却水温传感器送出的冷却水温信号、燃油温度传感器送出的燃油温度信号、车速传感器送出的车速信号、离合器状态信号、档位状态信号用于倒拖状态判定，接受不均匀度限值信号、故障信号和其它条件(例如自学习周期条件)。自学习模块230的输出端输出各缸自学习偏差值信号。

分缸均衡控制模块240的输入端分别与不均匀程度评估模块220的输出端、给定的目标值信号和目标油量信号相连，接受不均匀程度评估模块220送出的各缸工作均匀性指标信号、给定的目标值信号和目标油量信号，分缸均衡控制模块240输出端输出各缸修正后喷油量信号。

因此基于上述装置的多缸电控柴油机分缸均衡控制方法为：

滤波和转速计算模块210中滤波算法计算公式如下：

y₁(n)＝x(n)

y₇(n)＝y₁(n-1)

y₅(n)＝y₆(n-2)

y₂(n)＝y₁(n)-y₅(n)

y₃(n)＝a×y₂(n)

y₄(n)＝y₃(n)-y₅(n)

y₆(n)＝y₁(n)+y₃(n)

y₈(n)＝y₄(n)+y₇(n)

y₉(n)＝b×y₈(n)

y(n)＝y₉(n)

式中，n＝0，1，2，Λ；y₁(-1)＝0；y₆(-1)＝0；y₆(-2)＝0；a和b为系数；x(n)为输入序列；y(n)为经过低通滤波后的输出序列；y_i(n)为辅助序列。

滤波和转速计算模块210中，利用柴油机飞轮处的瞬时转速信号来间接检测发动机各缸工作不均匀程度。瞬时转速指柴油机在转过一个微小曲轴转角时的转速，通常测量的飞轮瞬时转速n_i是指第i缸通过测量计数器在飞轮每转过角度期间的计数值来间接测量转速。

瞬时角速度为

式中，为齿间夹角，°CA；ΔT_i为第i缸曲轴转过的时间，s；ω_i为第i缸转过角度时的瞬时角速度，°CA/s。

瞬时转速为

$n_i=\frac{60{\mathrm{\ω}}_i}{360}=6{\mathrm{\ω}}_i$

式中，n_i为第i缸瞬时转速，r/min。

在柴油机理想均匀的条件下，各缸的做功一致，但由于飞轮信号分度加工误差和各缸工作过程中曲轴扭转振动导致的信号误差等导致测量计数器计数值与实际值之间存在误差，此误差通过后面自学习修复：

式中，为第i缸曲轴转过的测量时间，s；δ_i为第i缸自学习偏差值，％。

实际柴油机由于各缸不均匀的存在，各缸的指标不相等；而且由于喷射、燃烧等环节有随机波动，同一缸中不同循环间的指标n_i稍有差别。可采用m个循环平均的方法来克服循环之间的随机波动误差的影响

$\stackrel{\‾}{n_i}=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{n_i}^{\left(k\right)}$

式中：m为循环次数；为第i缸m个循环的平均瞬时转速，r/min。

柴油机各缸平均瞬时转速为

$\stackrel{\‾}{n}=\frac{1}{Z}\underset{k=1}{\overset{Z}{\Σ}}\stackrel{\‾}{n_i}$

式中：Z为柴油机的总缸数；为柴油机各缸平均瞬时转速，r/min

不均匀程度评估模块220中，柴油机各缸工作不均匀程度的计算公式如下：

第i缸工作均匀性指标Δn_i为

${\mathrm{\Δn}}_i=\stackrel{\‾}{n_i}-\stackrel{\‾}{n}$

式中，Δn_i为第i缸工作均匀性指标，r/min。

第i缸工作不均匀度δ_Δni为

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Δ}ni}=\frac{\stackrel{\‾}{n_i}-\stackrel{\‾}{n}}{\stackrel{\‾}{n}}$

式中，δ_Δni为第i缸工作不均匀度，％。

为了消除不同条件下获得的信号强弱的影响，对进行能量归一化处理，即

$X_i=\frac{\stackrel{\‾}{n_i}}{\sqrt{E}}$

式中：为各缸平均瞬时转速的能量和；X_i为第i缸能量归一化值。经过能量归一化处理后，可以保证各缸归一化值X_i(i＝1，2，…Z)的能量和为1。X_i的标准差为

${\mathrm{\δ}}_X=\sqrt{\frac{1}{Z-1}\underset{i=1}{\overset{Z}{\Σ}}{(X_i-\stackrel{\‾}{X_i})}^2}$

式中：为X_i的均值；δ_X为柴油机工作不均匀程度的总指标，δ_X越小，说明各缸工作越均匀。

自学习模块230中，发动机运行过程中，为了保证自学习精度，必须判定发动机是否处于倒拖状态。

倒拖状态判定条件包括：油门踏板位置为0％；喷油量为0mm³；冷却水温和燃油温度处于正常的工作范围；转速位于设定区间且转速变化率小于设定值；对于共轨系统：要求轨压相对稳定，波动值不超过限值；对于整车倒拖：要求离合器保持闭合，发动机由车辆惯性带动其运转；车速不能过低，应大于一定的阈值；车辆处于非空档，最好处于低档位(保证小传动比)。

自学习模块230中，自学习分为两个模式：

临时自学习：从非自学习状态(初始状态或再学习状态)到初级自学习状态，通过自学习来设定学习值。

增强自学习：通过满足严格的学习条件(一般为发动机台架倒拖)，消除转速、负载波动等的影响来自学习进而设定学习值。当油泵、喷油器或ECU更换时，推荐采用增强自学习模式

分为五个状态：

初始状态：值为0xFF，表示未记录自学习值；

临时自学习状态：值为0x00，表示正在进行临时自学习；

临时自学习完成状态：值为0x01，表示已经完成临时自学习；

增强自学习状态：值为0x02，表示正在进行增强自学习；

增强自学习完成状态：值为0x03，表示已经完成增强自学习；

再学习状态：值为0x04，表示增强自学习完成后，根据老化或变化程度可进行再学习；

自学习使能条件包括：确保喷油器、油泵、传感器(冷却水温、燃油温、轨压(对于共轨系统)、转速，油门位置)无故障；发动机进入倒拖状态；柴油机工作不均匀程度δ_X超过预设值；第i缸工作不均匀度δ_Δni与上次自学习偏差值δ_i之差超过预设值；

分缸均衡控制模块240中，分缸均衡控制采用增量式PI控制算法。分缸均衡控制原理如图3所示，某缸自学习值通过公式①对计数时间进行修正后得到瞬时转速，给定的目标值Δn_iDes与计算得到的实际不均匀程度Δn_i进行比较，比例积分(PI)控制器将自动修正喷油量的系数k_i，使得实际的Δn_i向目标值Δn_iDes逼近近并最终达到该值。

e_i ^r＝Δn_iDes-Δn_i ^r

Δe_i＝e_i ^r-e_i ^r-1

$\left.\begin{array}{c}{{\mathrm{\Δk}}_i}^r=K_P{\mathrm{\Δe}}_i+K_I{e_i}^r\\ {k_i}^r={k_i}^{r-1}+{{\mathrm{\Δk}}_i}^r\\ {Q_i}^r={{\mathrm{Qk}}_i}^r\end{array}\right\},i=1~Z$

式中：r为控制的次数；K_P和K_I分别为比例和积分的增益；Q为柴油机目标喷油量；Q_i为第i缸修正后喷油量；

为了防止喷油系统过度老化以及零部件过度磨损时，出现燃烧恶化、排放变差等情况，当柴油机工作不均匀程度δ_X和各缸工作不均匀度δ_Δni分别超过限制值时，分缸均衡终止。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明不必采用缸压传感器、振动传感器和排温传感器，而直接采用电控柴油机已有传感器作为各缸均衡控制信号源，可以降低应用成本和维修成本。2、通过能量归一化处理来消除不同条件下获得的信号强弱对不均匀程度的影响，可以较精确评价柴油机工作不均匀程度。3、通过自学习的方法识别飞轮信号分度加工误差、曲轴扭转振动等导致的信号误差，对各缸燃料喷射量进行补偿调节来均衡各缸工作不均匀度，不仅有利于进一步提高发动机的动力性和经济性，而且有效改善整机的振动和噪声，有利于整车的舒适性。

上述图示和实例仅用于说明本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.多缸电控柴油机分缸均衡控制装置，其特征在于，包括：

发动机与整车，在所述发动机与整车中安装有转速传感器、油门开度传感器、冷却水温传感器、燃油温度传感器、车速传感器、离合器状态传感器、档位状态传感器；

一执行器，所述执行器为电控喷油泵或电控喷油器；

一处理器，所述处理器中设置有滤波和转速计算模块、不均匀程度评估模块、自学习模块、分缸均衡控制模块；

所述滤波和转速计算模块的两个输入端分别与所述转速传感器的输出端和所述自学习模块中的输出端相连，接受所述转速传感器送出的转速信号、自学习模块送出的各缸自学习偏差值信号；所述滤波和转速计算模块的输出端输出瞬时转速信号；所述不均匀程度评估模块的输入端与所述滤波和转速计算模块的输出端相连，接受所述滤波和转速计算模块的输出端输出的瞬时转速信号；所述不均匀程度评估模块具有三个输出端，其中所述不均匀程度评估模块的第一输出端输出柴油机工作不均匀程度信号，不均匀程度评估模块的第二输出端输出各缸工作不均匀程度信号，不均匀程度评估模块的第三输出端输出各缸工作均匀性指标信号；所述自学习模块具有若干个输入端，其中两个输入端分别与所述不均匀程度评估模块的第一输出端和第二输出端相连，接受所述不均匀程度评估模块的第一输出端输出的柴油机工作不均匀程度信号和第二输出端输出的各缸工作不均匀程度信号，所述自学习模块的其余输出端分别与所述油门开度传感器的输出端、冷却水温传感器的输出端、燃油温度传感器的输出端、车速传感器的输出端、离合器状态传感器的输出端、档位状态传感器的输出端相连，接受所述油门开度传感器输出端输出的油门开度信号、冷却水温传感器输出端输出的冷却水水温信号、燃油温度传感器输出端输出的燃油温度信号、车速传感器输出端输出的车速信号、离合器状态传感器输出端输出的离合器状态信号、档位状态传感器输出端输出的档位信号，所述自学习模块的另外一些输入端还接受倒拖状态判定信号、不均匀度限值信号、故障信号和自学习周期条件，所述自学习模块所接受的油门开度信号、冷却水水温信号、燃油温度信号、车速信号、离合器状态信号、档位信号对倒拖状态进行判定；所述自学习模块的输出端送出各缸子学习偏差值信号；所述分缸均衡控制模块具有若干输入端，其中所述分缸均衡控制模块的第一输入端与所述不均匀程度评估模块的第三输出端相连，接受所述不均匀程度评估模块的第三输出端输出的各缸工作均匀性指标信号；所述分缸均衡控制模块的第二、三输入端接受ECU给定的目标值信号和目标油量信号，所述分缸均衡控制模块的输出端输出各缸修正后喷油量信号至所述执行器。

2.多缸电控柴油机分缸均衡控制方法，其特征在于，包括：

发动机与整车，在所述发动机与整车中安装有转速传感器、油门开度传感器、冷却水温传感器、燃油温度传感器、车速传感器、离合器状态传感器、档位状态传感器；

一执行器，所述执行器为电控喷油泵或电控喷油器；

一处理器，所述处理器中设置有滤波和转速计算模块、不均匀程度评估模块、自学习模块、分缸均衡控制模块；

所述滤波和转速计算模块的两个输入端分别与所述转速传感器的输出端和所述自学习模块中的输出端相连，接受所述转速传感器送出的转速信号、自学习模块送出的各缸自学习偏差值信号；所述滤波和转速计算模块的输出端输出瞬时转速信号；所述不均匀程度评估模块的输入端与所述滤波和转速计算模块的输出端相连，接受所述滤波和转速计算模块的输出端输出的瞬时转速信号；所述不均匀程度评估模块具有三个输出端，其中所述不均匀程度评估模块的第一输出端输出柴油机工作不均匀程度信号，不均匀程度评估模块的第二输出端输出各缸工作不均匀程度信号，不均匀程度评估模块的第三输出端输出各缸工作均匀性指标信号；所述自学习模块具有若干个输入端，其中两个输入端分别与所述不均匀程度评估模块的第一输出端和第二输出端相连，接受所述不均匀程度评估模块的第一输出端输出的柴油机工作不均匀程度信号和第二输出端输出的各缸工作不均匀程度信号，所述自学习模块的其余输出端分别与所述油门开度传感器的输出端、冷却水温传感器的输出端、燃油温度传感器的输出端、车速传感器的输出端、离合器状态传感器的输出端、档位状态传感器的输出端相连，接受所述油门开度传感器输出端输出的油门开度信号、冷却水温传感器输出端输出的冷却水水温信号、燃油温度传感器输出端输出的燃油温度信号、车速传感器输出端输出的车速信号、离合器状态传感器输出端输出的离合器状态信号、档位状态传感器输出端输出的档位信号，所述自学习模块的另外一些输入端还接受倒拖状态判定信号、不均匀度限值信号、故障信号和自学习周期条件，所述自学习模块所接受的油门开度信号、冷却水水温信号、燃油温度信号、车速信号、离合器状态信号、档位信号对倒拖状态进行判定；所述自学习模块的输出端送出各缸子学习偏差值信号；所述分缸均衡控制模块具有若干输入端，其中所述分缸均衡控制模块的第一输入端与所述不均匀程度评估模块的第三输出端相连，接受所述不均匀程度评估模块的第三输出端输出的各缸工作均匀性指标信号；所述分缸均衡控制模块的第二、三输入端接受ECU给定的目标值信号和目标油量信号，所述分缸均衡控制模块的输出端输出各缸修正后喷油量信号至所述执行器；

该方法的具体步骤如下：

(1)所述滤波和转速计算模块以所述转速传感器输送过来的转速信号进行低通滤波计算处理后，结合所述自学习模块输出的各缸自学习偏差值进行瞬时转速计算，输出瞬时转速信号至所述不均匀程度评估模块；

(2)所述不均匀程度评估模块根据所述滤波和转速计算模块输出的瞬时转速信号，通过能量归一化处理对不均匀程度进行评估，输出柴油机工作不均匀程度信号和各缸工作不均匀程度信号到所述自学习模块，输出各缸工作均匀性指标信号到所述分缸均衡控制模块；

(3)所述自学习模块根据所述不均匀程度评估模块输出的柴油机工作不均匀程度信号和各缸工作不均匀程度信号和是否满足自学习条件进行判定进而完成自学习过程，输出各缸自学习偏差值至所述滤波和转速计算模块。

(4)所述分缸均衡控制模块根据给定的目标值和不均匀程度评估模块输出的各缸工作均匀性指标进行比较，通过比例积分控制器将自动修正喷油量的系数，使得实际的各缸工作均匀性指标向目标值逼近并最终达到该值。

3.如权利要求2所述的多缸电控柴油机分缸均衡控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述以所述转速传感器输送过来的信号进行低通滤波计算处理的具体计算公式如下：

y₁(n)＝x(n)

y₇(n)＝y₁(n-1)

y₅(n)＝y₆(n-2)

y₂(n)＝y₁(n)-y₅(n)

y₃(n)＝a×y₂(n)

y₄(n)＝y₃(n)-y₅(n)

y₆(n)＝y₁(n)+y₃(n)

y₈(n)＝y₄(n)+y₇(n)

y₉(n)＝b×y₈(n)

y(n)＝y₉(n)

式中，n＝0，1，2，Λ；y₁(-1)＝0；y₆(-1)＝0；y₆(-2)＝0；a和b为系数；x(n)为输入序列；y(n)为经过低通滤波后的输出序列；y_i(n)为辅助序列。

4.如权利要求3所述的多缸电控柴油机分缸均衡控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述结合所述自学习模块输出的各缸自学习偏差值进行瞬时转速计算是：利用柴油机飞轮处的瞬时转速信号来间接检测发动机各缸工作不均匀程度，瞬时转速指柴油机在转过一个微小曲轴转角时的转速，通常测量的飞轮瞬时转速n_i是指第i缸通过测量计数器在飞轮每转过角度期间的计数值来间接测量转速；

瞬时角速度为

式中，为齿间夹角，单位℃A；ΔT_i为第i缸曲轴转过的时间，单位为s；ω_i为第i缸转过角度时的瞬时角速度，单位为℃A/s；

瞬时转速为

$n_i=\frac{60{\mathrm{\ω}}_i}{360}=6{\mathrm{\ω}}_i$

式中，n_i为第i缸瞬时转速，单位为r/min；

在柴油机理想均匀的条件下，各缸的做功一致，但由于飞轮信号分度加工误差和各缸工作过程中曲轴扭转振动导致的信号误差等导致测量计数器计数值与实际值之间存在误差，此误差通过后面自学习修复：

①

式中，为第i缸曲轴转过的测量时间，单位为s；δ_i为第i缸自学习偏差值，％；

实际柴油机由于各缸不均匀的存在，各缸的指标不相等；而且由于喷射、燃烧等环节有随机波动，同一缸中不同循环间的指标n_i稍有差别；采用m个循环平均的方法来克服循环之间的随机波动误差的影响

$\stackrel{\‾}{n_i}=\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{n_i}^{\left(k\right)}$

式中：m为循环次数；为第i缸m个循环的平均瞬时转速，单位为r/min；

柴油机各缸平均瞬时转速为

$\stackrel{\‾}{n}=\frac{1}{Z}\underset{k=1}{\overset{Z}{\Σ}}\stackrel{\‾}{n_i}$

式中：Z为柴油机的总缸数；为柴油机各缸平均瞬时转速，单位r/min。

5.如权利要求4所述的多缸电控柴油机分缸均衡控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述不均匀程度评估模块根据所述滤波和转速计算模块输出的瞬时转速信号，通过能量归一化处理对不均匀程度进行评估是：

柴油机各缸工作不均匀程度的计算公式如下：

第i缸工作均匀性指标Δn_i为

${\mathrm{\Δn}}_i=\stackrel{\‾}{n_i}-\stackrel{\‾}{n}$

式中，Δn_i为第i缸工作均匀性指标，单位为r/min；

第i缸工作不均匀度δ_Δni为

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Δ}ni}=\frac{\stackrel{\‾}{n_i}-\stackrel{\‾}{n}}{\stackrel{\‾}{n}}$

式中，δ_Δni为第i缸工作不均匀度，％；

为了消除不同条件下获得的信号强弱的影响，对进行能量归一化处理，即

$X_i=\frac{\stackrel{\‾}{n_i}}{\sqrt{E}}$

式中：为各缸平均瞬时转速的能量和；X_i为第i缸能量归一化值；经过能量归一化处理后，可以保证各缸归一化值X_i(i＝1，2，…Z)的能量和为1；X_i的标准差为

${\mathrm{\δ}}_X=\sqrt{\frac{1}{Z-1}\underset{i=1}{\overset{Z}{\Σ}}{(X_i-\stackrel{\‾}{X_i})}^2}$

式中：为X_i的均值；δ_X为柴油机工作不均匀程度的总指标，δ_X越小，说明各缸工作越均匀。

6.如权利要求5所述的多缸电控柴油机分缸均衡控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，发动机运行过程中，为了保证自学习精度，必须判定发动机是否处于倒拖状态；所述倒拖状态判定条件包括：油门踏板位置为0％；喷油量为0mm³；冷却水温和燃油温度处于正常的工作范围；转速位于设定区间且转速变化率小于设定值；对于共轨系统：要求轨压相对稳定，波动值不超过限值；对于整车倒拖：要求离合器保持闭合，发动机由车辆惯性带动其运转；车速不能过低，应大于一定的阈值；车辆处于非空档，最好处于低档位。

7.如权利要求6所述的多缸电控柴油机分缸均衡控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，自学习分为两个模式：

临时自学习：从非自学习状态到初级自学习状态，通过自学习来设定学习值；所述非自学习状态为初始状态或再学习状态；

增强自学习：通过满足严格的学习条件，消除转速、负载波动的影响来自学习进而设定学习值；当油泵、喷油器或ECU更换时，推荐采用增强自学习模式；所述严格的学习条件为发动机台架倒拖；

分为五个状态：

初始状态：值为0xFF，表示未记录自学习值；

临时自学习状态：值为0x00，表示正在进行临时自学习；

临时自学习完成状态：值为0x01，表示已经完成临时自学习；

增强自学习状态：值为0x02，表示正在进行增强自学习；

增强自学习完成状态：值为0x03，表示已经完成增强自学习；

再学习状态：值为0x04，表示增强自学习完成后，根据老化或变化程度可进行再学习；

自学习使能条件包括：确保喷油器、油泵、转速传感器、油门开度传感器、冷却水温传感器、燃油温度传感器、车速传感器、离合器状态传感器、档位状态传感器和共轨系统中的轨压传感器无故障；发动机进入倒拖状态；柴油机工作不均匀程度δ_X超过预设值；第i缸工作不均匀度δ_Δni与上次自学习偏差值δ_i之差超过预设值。

8.如权利要求7所述的多缸电控柴油机分缸均衡控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述分缸均衡控制模块根据给定的目标值和不均匀程度评估模块输出的各缸工作均匀性指标进行比较，通过比例积分控制器将自动修正喷油量的系数，使得实际的各缸工作均匀性指标向目标值逼近并最终达到该值是指：分缸均衡控制采用增量式PI控制算法；某缸自学习值通过公式①对计数时间进行修正后得到瞬时转速，给定的目标值Δn_iDes与计算得到的实际不均匀程度Δn_i进行比较，比例积分(PI)控制器将自动修正喷油量的系数k_i，使得实际的Δn_i向目标值Δn_iDes逼近近并最终达到该值；

e_i ^r＝Δn_iDes-Δn_i ^r

Δe_i＝e_i ^r-e_i ^r-1

$\left.\begin{array}{c}{{\mathrm{\Δk}}_i}^r=K_P{\mathrm{\Δe}}_i+K_I{e_i}^r\\ {k_i}^r={k_i}^{r-1}+{{\mathrm{\Δk}}_i}^r\\ {Q_i}^r={{\mathrm{Qk}}_i}^r\end{array}\right\},i=1~Z$

式中：r为控制的次数；K_P和K_I分别为比例和积分的增益；Q为柴油机目标喷油量；Q_i为第i缸修正后喷油量；

为了防止喷油系统过度老化以及零部件过度磨损时，出现燃烧恶化、排放变差等情况，当柴油机工作不均匀程度δ_X和各缸工作不均匀度δ_Δni分别超过限制值时，分缸均衡终止。