CN105736206B - 一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测方法及装置，其根据进气动态压力、排气动态压力和气缸动态压力，计算出瞬时进气压力和排气压力与缸压的比值，并结合进、排气阀处的瞬时流通面积以及进气侧工质的温度和出气侧工质的温度，计算进入、排出气缸的气体的瞬时流量；对进入、排出气缸的气体的瞬时流量进行积分，得到进气门关闭时气缸内累积的气体量；根据当前循环进气门关闭时气缸内积累的气体量及过量空气系数，计算循环喷油量。本发明能够解决至今为止内燃机在瞬变工况下的循环喷油量难以精确在线检测的难题，并且可精确测出各缸进气量、喷油量的细微差别。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机测试技术领域，尤其涉及一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测技术。
背景技术
随着汽车工业的快速发展，汽车保有量也得到大幅度增加，随之也出现了环境污染和能源紧缺等重大的问题。节能减排已经成为全世界的共识和发展趋势，提高汽车发动机缸内燃烧效率和热功转换效率，控制污染物生成，是汽车节能减排最直接、最有效的技术方案。而发动机在实际运行状态下对油气混合比的精确实时监测控制技术是实现节能减排的关键。
发动机在整车状态下通常是变工况下运行的，因此瞬变工况下的性能决定了发动机的实际使用性能。而在瞬变工况下发动机的循环喷油量、排放等性能参数是很难实现直接检测，其原因主要是车用发动机在实际使用状态下的工况是按毫秒级时间尺度瞬时变化的。同时，发动机的性能开发与运行的参数优化、标定，通常是在稳态试验台上完成。那么，发动机在实际运行状态下对其循环喷油量的精确实时监测控制技术具有重要的实用价值。
目前，国内外整车状态下燃油消耗量的测量方法，主要有直接测量法和间接测量法。
直接测量法多是用油耗仪来直接测量燃油消耗的体积或者质量，主要有容积法、重量法、流量计法和流速计法等。传统常用的汽车油耗检测方法多是用油耗仪来测量燃油消耗的体积或者质量，尤其是发动机台架等稳态工况下燃油消耗量的检测仍沿用传统的质量法或体积法。
上述重量法是釆用质量式油耗传感器对所消耗燃油的重量进行检测，先测定消耗一定质量燃油所需的时间，然后求得单位时间的燃油消耗量。上述容积法是采用容积式油耗传感器测定发动机所消耗燃油的体积。需要把所消耗的燃油体积与燃油密度相乘，而燃油密度与同温度有较大关系，这样就增加了出现误差的可能。
间接测量法主要包括碳平衡法、喷油脉宽法和空燃比测定法等。
碳平衡油耗计算法是目前国际上通行的实验室内车辆工况法油耗试验方法，被认为是间接快速测量汽车油耗的有效方法之一。在实验室内测量整车排放时，可以通过碳平衡法计算出整车油耗。但是此方法局限性较大，只能在室内测量，无法进行随车检测。
喷油脉宽法是通过测定喷油器的喷油脉冲信号，得到喷油脉冲宽度，结合喷油器的喷油系数算出单次喷油量，累加后得到燃油消耗量。但是此方法暂时没有得到很好地运用。
空燃比测定方法是通过测定发动机吸入的空气量，然后通过空燃比推算出每个测量循环的燃油消耗量，再将各测量循环的耗油量累加即可计算出整个测试过程的燃油消耗量。空燃比测定变工况下发动机的循环喷油量的局限在于难以精确测定瞬态的循环空气量。
现在国内乃至世界上，企业，高校以及科研机构一般通过扭矩仪检测整车运行状态下发动机的扭矩，而油耗则是利用瞬时油耗仪，但扭力仪和瞬态油耗仪一方面价格昂贵，另一方面要安装在一辆实际运行的车上也有一定难度，另外扭力仪也不能兼容每台发动机，故此种检测方法具有一定的局限性。同时，也有其他的方法来测量整车运行状态下发动机的扭矩与油耗，但是在精度方面都不太令人满意。
结合实测压力、温度信号与气阀处流动方程求解计算来确定发动机的循环进气量与循环喷油量是近年发展起来的一项新技术。通过模拟发动机缸内容积以及气阀处流通面积随曲轴转角的变化规律，采用经验公式或简化模型来实现发动机循环进气量和循环喷油量的预测计算。这类方法的问题是：该计算方法完全忽略了对发动机进、排气过程产生重大影响的压力波动现象，从而导致计算结果存在很大误差。
上述测量方法使用的仪器种类繁多，体积庞大，操作相对比较复杂，检测时间较长，测量精度不高，受地域的局限性较大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测方法，其能够解决现有技术不能精准地在线检测发动机变工况下循环喷油量的问题。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
本发明提供一种发动机机变工况下循环喷油量的在线检测方法，其包括：
步骤S102，获取发动机转速、进气动态压力、排气动态压力、气缸动态压力、进气侧工质的温度和出气侧工质的温度；以及获取过量空气系数、进气门关闭时刻的曲轴转角；
步骤S103，根据进气动态压力、排气动态压力和气缸动态压力，计算出瞬时进气压力和排气压力与缸压的比值，并结合进、排气阀处的瞬时流通面积以及进气侧工质的温度和出气侧工质的温度，计算进入、排出气缸的气体的瞬时流量；
步骤S104，对进入、排出气缸的气体的瞬时流量进行积分，得到进气门关闭时气缸内累积的气体量；
步骤S105，判断气缸的当前循环是否结束，若是，则执行步骤S106；若否，则返回步骤S102；
步骤S106，根据当前循环进气门关闭时气缸内积累的气体量及过量空气系数，计算循环喷油量。
更进一步地，所述步骤S102具体包括：
通过转速传感器读取发动机转速；
通过进气侧温度传感器和排气侧温度传感器分别测得进气侧工质的温度和出气侧工质的温度；
通过进气侧动态压力传感器、气缸动态压力传感器和排气侧动态压力传感器读取出气缸的进气侧压力、气缸动态压力以及排气侧压力；
通过氧传感器以及与其连接的信号放大器和过量空气系数分析仪，从过量空气系数分析仪中读出过量空气系数；
通过进气凸轮轴位置传感器及其连接的ECU，实时耦合曲轴位置传感器的曲轴转角信号，获取到进气门关闭时刻的曲轴转角。
更进一步地，所述步骤S103中的进入、排出气缸的气体的瞬时流量采用如下公式计算：
进入气缸的气体的瞬时流量：
n为发动机转速，μs为进气门流量系数，Fs为进气阀瞬时流通面积，ps为进气门前工质的进气侧压力，Ts为进气侧工质的温度；Rs为进气门前工质气体常数，ks为进气门前工质的绝热指数；p为缸内动态压力。
排出气缸的气体的瞬时流量：
在排气初期，缸内压力与排气歧管内的压差较大，处于超临界流动，即当时，排气阀的瞬时流量为：
在排气中后期，缸内压力与排气歧管内的压差较小，处于亚临界流动，即时，排气阀的瞬时流量为：
n为发动机转速，μe为排气门流量系数，Fe为排气阀瞬时流通面积，p为缸内动态压力，pe为排气门后工质排气侧压力，Te为排气门后工质排气侧的温度，Re为缸内工质气体常数，k为缸内工质的绝热指数。
更进一步地，步骤S104中具体包括：
积分计算进气门关闭时进气阀处的气体量为：
积分计算排气门关闭时排气阀处的气体量为：
其中，和分别代表进气阀的流量变化率和排气阀的流量变化率；IVO、IVC分别表示进气门打开时对应的曲轴转角和进气门关闭时对应的曲轴转角；
气缸内积累的气体量计算公式如下：
其中为进气瞬时流量，为排气瞬时流量，为进气门关闭时刻缸内气体量，为曲轴转角为时进气门关闭时刻的缸内气体质量，为进气门打开到关闭时的曲轴转角；
气缸内积累的残余废气量的计算公式如下所示：
其中为曲轴转角为时的缸内残余废气质量，RGFs为进气系统残余废气系数，RGFIVC为曲轴转角为进气门关闭时刻的残余废气系数。
更进一步地，步骤S106具体包括：
根据当前循环气缸内积累的气体量和气缸内积累的缸内残余废气量，计算气缸内循环新鲜空气进气量，如下公式：
Δmair＝Δmgas-ΔmRGF (8)
其中Δmair表示当前循环气缸内新鲜空气进气量，Δmgas表示当前循环气缸内积累的气体量，ΔmRGF表示当前循环气缸内积累的缸内残余废气量。
根据当前循环气缸内新鲜空气进气量及从排气系统实测的过量空气系数间接求解循环喷油量；循环喷油量的计算公式为：
Δmfuel＝Δmair/(AFR0·λ) (9)
其中Δmfuel表示循环喷油量；Δmair表示当前循环气缸内循环新鲜空气进气量；AFR0表示化学计量空燃比、λ表示过量空气系数。
本发明还提供一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测装置，其包括：
进气凸轮轴相位传感器，进气侧动态压力传感器，进气侧温度传感器，气缸动态压力传感器，排气侧动态压力传感器，排气侧温度传感器，氧传感器、电子控制单元ECU、信号放大器、过量空气系数分析仪和计算器；
所述进气凸轮轴相位传感器设置在进气凸轮轴处，其通过线路连接ECU，实时耦合曲轴位置传感器的曲轴转角信号，得到进气门关闭时刻的曲轴转角；
所述进气侧动态压力传感器安装在进气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧，用来测量发动机进气侧压力；
所述排气侧动态压力传感器安装在排气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧，用来测量发动机排气侧压力；
所述气缸动态压力传感器安装在火花塞处，用来实时测量气缸的压力值；
进气侧温度传感器设置在进气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧，用来测量进气侧温度；
排气侧温度传感器安装在排气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧，用来测量排气侧温度；
氧传感器设置在排气总管，其通过线路依次连接信号放大器和空气系数分析仪，用来测量过量空气系数；
所述计算器通过总线获取发动机转速、进气动态压力、排气动态压力、气缸动态压力、进气侧工质的温度和出气侧工质的温度；以及获取过量空气系数、进气门关闭时刻的曲轴转角；根据进气动态压力、排气动态压力和气缸动态压力，计算出瞬时进气压力和排气压力与缸压的比值，并结合进、排气阀处的瞬时流通面积以及进气侧工质的温度和出气侧工质的温度，计算进入、排出气缸的气体的瞬时流量；对进入、排出气缸的气体的瞬时流量进行积分，得到进气门关闭时气缸内累积的气体量；根据进气门关闭时气缸内累积的气体量及过量空气系数，计算循环喷油量。
由上述本发明的技术方案可以看出，本发明进排气系统中利用压力传感器上游对压力的影响可集中反映到进排气压力传感器测量的压力波上。进排气压力传感器之间的流动部分(进歧管、进气道、气缸、排气道和排气歧管)则用简化的发动机工作过程仿真程序进行模拟。通过对ECU(电子控制单元)的破解，实时耦合曲轴位置传感器的曲轴转角信号，检测到进气门关闭时刻对应的曲轴转角。对进入、排出气缸的气体的瞬时流量和成分进行积分，得到进气门关闭时气缸内的气体量。根据当前循环缸内新鲜空气进气量及从排气系统实测的过量空气系数间接求解循环喷油量。本发明的有益效果在于：
1)针对发动机工作过程的特点，应用先进传感器技术、发动机工作过程的数值仿真技术与控制技术创建一种发动机精准控制方法，为发动机瞬态工况下循环喷油量的在线检测提供一种切实可行的解决方案，并用于分析、理解瞬态过程中循环喷油量的标定结果、以及控制器的实际执行情况；
2)解决至今为止内燃机在瞬变工况下的循环喷油量难以精确在线检测的难题，并且可精确测出各缸进气量、喷油量的细微差别；
3)采用三个动态压力传感器，降低了仿真运算的范围，结果更加精准，运算速度更快；
4)无需停缸即可在线检测，可用于整车测量，应用范围更加广泛；
5)通过对比稳态map插值的差异，更好地验证了本发明的精度，也为发动机的工作循环的运行参数以及控制参数的调整提供了数据支持，为发动机的控制策略提供了更为精确以及快速的技术方案。
附图说明
图1是本发明在线检测装置结构示意图；
图2是气缸的换气过程示意图；
图3是进气凸轮轴脉冲信号曲线图；
图4是本发明在线检测方法的流程图；
图5是稳态map插值在线检测方法流程图；
图6是样机1在转速4000rpm下瞬态结果与稳态map插值结果对比；
图7是样机2在转速4000rpm下瞬态结果与稳态map插值结果对比。
具体实施方式
为使本发明的结构更为清晰，下面结合附图对本发明做更详细的描述。
本发明提供一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测装置，其结构如图1所示，包括如下零部件：
进气凸轮轴相位传感器1，进气侧动态压力传感器2，进气侧温度传感器3，气缸动态压力传感器4，排气侧动态压力传感器5，排气侧温度传感器6，氧传感器7、ECU(电子控制单元)、信号放大器、过量空气系数分析仪和计算器。
图2是气缸的换气过程示意图，进入气缸时的气体成分是新鲜空气；排出气缸时的气体成分为废气。为了精确测得循环空气量和循环喷油量，需要检测进气门关闭时气缸内的新鲜空气量；那么，精确检测进气门关闭时刻的曲轴转角就至关重要。进气凸轮轴相位传感器1为一个，设置在进气凸轮轴的用来测量进气凸轮轴相位的传感器。进气凸轮轴位置传感器1通过线路连接ECU。进气凸轮轴位置传感器1感知的信号通过ECU进行参数的破解，读取出进气凸轮轴的相位值，然后通过与曲轴位置传感器信号的耦合，得到进气门关闭时刻的曲轴转角。
进气侧动态压力传感器2、气缸动态压力传感器4和排气侧动态压力传感器5均为Kistler(瑞士奇石乐传感器制造公司)动态压力传感器。其中进气侧动态压力传感器2安装在进气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧10～20mm，用来测量发动机进气侧压力。排气侧动态压力传感器5安装在排气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧10～20mm，用来测量发动机排气侧压力。气缸动态压力传感器4安装在火花塞，其采用火花塞式动态压力传感器，用来实时测量气缸的压力值。通过这三个Kistler动态压力传感器，可以直接读取出压力值。
进气侧温度传感器3和排气侧温度传感器6，分别设置在进气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧10～20mm、排气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧10～20mm，用来测量进、排气侧温度。通过上述进气侧温度传感器3和排气侧温度传感器6这些动态温度传感器可以直接读出发动机进排气歧管侧的温度值。
氧传感器7设置在排气总管，其通过线路依次连接信号放大器和空气系数分析仪。氧传感器读取的信号需要经过信号放大器经信号放大处理后传给过量空气系数分析仪，并经过量空气系数分析仪最终读出过量空气系数。
计算器，通过总线与上述进气凸轮轴相位传感器1，进气侧动态压力传感器2，进气侧温度传感器3，气缸动态压力传感器4，排气侧动态压力传感器5，排气侧温度传感器6，氧传感器7、ECU(电子控制单元)、信号放大器和过量空气系数分析仪连接，接收对应的读值，并利用这些读值计算出变工况下循环喷油量。
本发明还提供一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测方法，其利用上述的一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测装置，采用现代先进检测技术与仿真技术相结合的方法来解决发动机在变工况下循环喷油量难以准确测量的难题，其能够准确地检测发动机运行中每一工作循环的进气量和喷油量。
在实施本实施例之前，需要事先做好以下工作：
按照如图1所示的一种发动机机变工况下循环喷油量的在线检测装置的结构，布置好各个传感器，以及ECU(电子控制单元)、信号放大器和过量空气系数分析仪等各个信号处理器。具体设置位置在前面已经描述清楚，这里不再详细描述。安装好调试好各个传感器及信号传感器。
本发明的一种发动机机变工况下循环喷油量的在线检测方法的实施流程如图4所示，包括如下步骤：
步骤S101，启动发动机以及各个信号处理器运行。
启动发动机，根据试验规范和标准调整发动机转速和负荷，使其在预定实验工况下运行；调节发动机的各项实验参数指标，记录试验数据。启动检测仪，确认上述对应的传感器与检测仪的端口一一接好，在检测仪中输入发动机基本结构参数。
步骤S102，检测发动机转速、进气动态压力、排气动态压力、进气动态温度、排气动态温度、气缸动态压力，以及检测过量空气系数、进气门关闭时刻的曲轴转角。
通过进气侧动态压力传感器2、气缸动态压力传感器4和排气侧动态压力传感器5读取出进气侧压力、气缸动态压力以及排气侧压力。
通过进气侧温度传感器3和排气侧温度传感器6，直接读出进排气侧的温度值。
通过氧传感器7以及与其连接的信号放大器和过量空气系数分析仪，从过量空气系数分析仪读出过量空气系数。
通过进气凸轮轴位置传感器1及其连接的ECU，实时耦合曲轴位置传感器的曲轴转角信号，读取出进气门关闭时刻的曲轴转角。通过对ECU进行参数的破解，读取出进气凸轮轴的相位值。进气凸轮轴相位传感器通过连续检测凸轮轴特定的位置，从而得到连续的脉冲信号，通过对ECU输出参数的破解，就能读出相关控制参数。如附图3所示，图中脉冲信号的上升沿对应的曲轴转角代表进气凸轮轴的正时信号。通过对ECU的破解，确定进气凸轮轴的筛选区域，从而得到进气凸轮轴的相位，通过与曲轴位置传感器信号的实时耦合，达到连续检测进气门关闭时刻的曲轴转角的目的。
步骤S103，计算进入、排出气缸的气体的瞬时流量。
根据进气侧动态压力传感器2、气缸动态压力传感器4和排气侧动态压力传感器5测得的压力信号，计算出瞬时进排气压力与缸压的压差，以及进、排气阀处的瞬时流通面积，计算进入、排出气缸的气体的瞬时流量。具体公式如下：
1、进入气缸的气体的瞬时流量：
n为发动机转速(由转速传感器测得)，μs为进气门流量系数，Fs为进气阀瞬时流通面积，ps为进气门前工质的压力，Ts为进气门前工质的温度，Rs为进气门前工质气体常数，ks为进气门前工质的绝热指数，p为缸内动态压力。
2、排出气缸的气体的瞬时流量
在排气初期，缸内压力与排气歧管内的压差较大，处于超临界流动，即当时，通过排气阀处的气体瞬时流量为(即排出气缸的气体的瞬时流量)：
在排气中后期，缸内压力与排气歧管内的压差较小，处于亚临界流动，即时，通过排气阀处的气体瞬时流量(即排出气缸的气体的瞬时流量)为：
n为发动机转速，μe为排气门流量系数，Fe为排气阀瞬时流通面积，p为缸内动态压力，pe为排气门后工质排气侧压力，Te为排气门后工质排气侧的温度，R为缸内工质气体常数，k为缸内工质的绝热指数。
步骤S104，对进入、排出气缸的气体的瞬时流量进行积分，得到进气门关闭时气缸内累积的气体量。具体计算过程如下：
1、积分计算得到进气门关闭时进气阀处的气体量为：
2、积分计算得到排气门关闭时排气阀处的气体量为：
其中，和分别代表通过进气阀处气体的瞬时流量和排气阀处的气体瞬时流量，通过公式(1)和公式(2)(或者公式(3))得到其表达式。IVO、IVC分别表示进气门打开对应的曲轴转角和进气门关闭对应的曲轴转角。
3、计算气缸内积累的气体量以及残余废气量：
通过“跟踪”流出、流入气缸的气体，对当前循环气缸整个换气过程进行积分，从而得到气缸内积累的瞬时气体量，计算公式如下所示：
其中为通过进气阀处的气体的瞬时流量，为通过排气阀处的气体的瞬时流量，为进气门关闭时刻缸内积累的气体量，为曲轴转角为时刻的缸内气体总量，为进气门打开到关闭时的曲轴转角。
在气缸换气过程初始时刻，认为此时缸内全是废气(即等于1.0)，认为进气系统废气量系数为外部EGR率(即RGFs等于0)，气缸内积累的参与废气系数的废气量的计算公式如下所示。
其中为曲轴转角为时刻的缸内残余废气量，RGFs为进气系统残余废气系数，RGFIVC当进气门关闭时刻对应的缸内的残余废气系数，为进气门打开到关闭时的曲轴转角。
步骤S105，判断当前循环是否结束，若是，则执行步骤S106；若否，则返回步骤S102。
步骤S106，根据当前循环的缸内积累的气体量及从排气系统实测的过量空气系数间接计算循环喷油量。
根据当前循环气缸内积累的气体量和气缸内积累的缸内残余废气量，计算气缸内循环新鲜空气进气量，如下公式：
Δmair＝Δmgas-ΔmRGF (8)
其中Δmair表示当前循环气缸内新鲜空气进气量，Δmgas表示当前循环气缸内积累的气体量，ΔmRGF表示当前循环气缸内积累的缸内残余废气量。
根据当前循环气缸内新鲜空气进气量及从排气系统实测的过量空气系数间接求解循环喷油量；循环喷油量的计算公式为：
Δmfuel＝Δmair/(AFR0·λ) (9)
其中Δmfuel表示循环喷油量；Δmair表示当前循环气缸内循环新鲜空气进气量；AFR0表示化学计量空燃比、λ表示过量空气系数。
步骤S107，判断是否进入下一个工况，若是则进入步骤S108；否则转入步骤S102。
步骤S108，结果输出与评价。
为了验证检测结果的准确性，在发动机特定工况下，本发明将利用上述一种发动机机变工况下循环喷油量的在线检测方法取得的检测结果，与现有的发动机稳态map插值检测方法取得的检测结果进行了对比。为了更直观地让本领域技术人员理解本发明的检测效果，下面对现有的发动机稳态map插值检测方法进行简要说明，其流程图5如所示。包括如下主要步骤：
步骤S201，对发动机在车用状态(即带全套附件)下进行万有特性试验，完成进、排气以及缸内动态压力在线检测，得到发动机进排气动态压力以及气缸动态压力信号。
(1)工装准备，调试传感器，为发动机的启动测试做准备
(2)发动机点火，发动机试验工况按如下原则选取：
转速覆盖从热机怠速转速到发动机最高转速整个范围。怠速工况测3组数据：1)自然怠速(不控制节气门)；2)怠速(节气门全开)；3)怠速加小负荷(排量≤1.3L的扭矩为15Nm或排量＞1.3L的扭矩为18Nm)。
a、3000rpm以下转速间隔为250rpm，3000rpm以上为500rpm。
b、3000rpm/3bar以下区域，负荷间隔为0.5bar；其他区域负荷间隔为1bar。
(3)在发动机工作转速范围内按上述原则选取发动机转速进行试验
从怠速、无负荷开始进行负荷试验，逐步开大节气门/油门、增加负荷进行试验，直至节气门/油门全开，负荷达到最大值，分别测试发动机的运行和性能等参数。
如果发动机没有在稳态发动机台架上进行完整的万有特性性能测试，则可以从已经获得同类型发动机的完整的万有特性性能数据通过共性规律得来。
通过进、排气以及缸内动态压力在线检测，得到发动机进排气动态压力以及气缸动态压力信号。
步骤S202，基于动态压力信号与仿真程序实时耦合。以及，步骤S203，并对实测缸内压力与气缸容积变化进行积分。
根据万有特性试验里测得的发动机进排气动态压力以及气缸动态压力信号，与气体动力学仿真程序进行实时耦合；并对实测缸内压力与气缸容积变化进行积分。
步骤S204，计算通过进、排气阀的气体流量。以及，步骤S205，计算燃烧放热率及其它发动机指示参数。
仿照本发明提供的一种发动机机变工况下循环喷油量的在线检测方法中的步骤S103和S104，对进入、排出气缸的气体的瞬时流量进行积分。计算通过进、排气阀的气体流量。同时，根据实测缸内压力与步骤S203计算的气缸容积变化的积分结果，计算燃烧放热率及其他发动机指示参数。
步骤S206，判断当前循环是否结束，若是，则执行步骤S207；若否，则返回步骤S201。
步骤S207，基于转速、进气压力等万有特性测试结果进行map插值计算。
在发动机稳态万有特性性能测试基础上，以相同转速与进气压力等参数作为瞬态工况点在稳态map数据中进行插值计算，得到整车运行状态下的发动机的扭矩和油耗等运行和性能参数。其稳态map插值计算结果和瞬态结果对比如图所示。其插值过程是通过对动态缸内压力进行积分计算可以得到平均指示压力等缸内运行参数。采用进排气的气体状态参数与数模仿真相结合，即实测信号与一维气体动力学以及零维热力学与实测信号的动态耦合方法求解。发动机进排气模型采用一维斯托克斯控制方程组来求解得出通过发动机进排气门处的气体流速、流量以及气体组分等参数。缸内燃烧放热规律通过零维缸内守恒方程(质量守恒方程、能量守恒方程、理想气体的状态方程)联立求解得出。从而可以求解出整车运行状态下的发动机的扭矩和油耗等运行和性能参数。
步骤S208，输出稳态map插值结果
步骤S209，将通过本发明方法得到的瞬态运行结果与稳态map插值结果进行对比。之后执行步骤S210，判断是否结束检测功能，若是则退出检测平台；否则转入步骤S201。
样机1和样机2在转速为4000rpm下瞬态结果与稳态map插值结果对比，如附图6和附图7所示，本发明测得的循环喷油量曲线能够很好的与稳态map插值结果曲线吻合，与实测结果之间的误差小于3％。从而很好地验证了本方法的精度。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但以上实施例只是本发明一部分，本发明不限于上述实施方式，任何熟悉本专业的技术人员在没有做出创造性劳动前提下，基于本发明技术方案对上述实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，都落入本发明的保护范围内。本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (6)
1.一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测方法，其特征在于，所述在线检测方法包括：
步骤S102，获取发动机转速、气缸的进气门前工质的压力、气缸的排气门后工质排气侧压力、气缸动态压力、进气侧工质的温度和出气侧工质的温度；以及获取过量空气系数、进气门关闭时刻的曲轴转角；
步骤S103，根据气缸的进气门前工质的压力、气缸的排气门后工质排气侧压力和气缸动态压力，计算出瞬时进气压力与缸压的比值、排气压力与缸压的比值，并依据该瞬时进气压力与缸压的比值、排气压力与缸压的比值，并结合进、排气阀处的瞬时流通面积以及进气侧工质的温度和出气侧工质的温度，计算进入、排出气缸的气体的瞬时流量；
步骤S104，依据进气门关闭时刻的曲轴转角，对进气门打开到关闭期间的进入、排出气缸的气体的瞬时流量进行积分，得到进气门关闭时气缸内累积的气体量；
步骤S105，判断气缸的当前循环是否结束，若是，则执行步骤S106；若否，则返回步骤S102；
步骤S106，根据当前循环进气门关闭时气缸内积累的气体量及过量空气系数，计算循环喷油量。
2.根据权利要求1所述的一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测方法，其特征在于，所述步骤S102具体包括：
通过转速传感器读取发动机转速；
通过进气侧温度传感器(3)和排气侧温度传感器(6)分别测得进气侧工质的温度和出气侧工质的温度；
通过进气侧动态压力传感器(2)、气缸动态压力传感器(4)和排气侧动态压力传感器(5)读取出气缸的进气侧压力、气缸动态压力以及排气侧压力；
通过氧传感器(7)以及与其连接的信号放大器和过量空气系数分析仪，从过量空气系数分析仪中读出过量空气系数；
通过进气凸轮轴位置传感器(1)连续检测凸轮轴特定的位置，得到连续的曲轴转角脉冲信号；通过与所述进气凸轮轴位置传感器(1)连接的ECU的输出参数确定出进气凸轮轴的筛选区域，得到进气凸轮轴的相位；将所述进气凸轮轴的相位实时耦合曲轴位置传感器的曲轴转角脉冲信号，获取到进气门关闭时刻的曲轴转角。
3.根据权利要求1所述的一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测方法，其特征在于，所述步骤S103中的进入、排出气缸的气体的瞬时流量采用如下公式计算：
进入气缸的气体的瞬时流量：
n为发动机转速，μs为进气门流量系数，Fs为进气阀瞬时流通面积，ps为进气门前工质的进气侧压力，Ts为进气侧工质的温度；Rs为进气门前工质气体常数，ks为进气门前工质的绝热指数；p为缸内动态压力；
排出气缸的气体的瞬时流量：
在排气初期，缸内压力与排气歧管内的压差较大，处于超临界流动，即当时，排气阀的瞬时流量为：
在排气中后期，缸内压力与排气歧管内的压差较小，处于亚临界流动，即时，排气阀的瞬时流量为：
n为发动机转速，μe为排气门流量系数，Fe为排气阀瞬时流通面积，p为缸内动态压力，pe为排气门后工质排气侧压力，Te为排气门后工质排气侧的温度，Re为缸内工质气体常数，k为缸内工质的绝热指数。
4.根据权利要求3所述的一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测方法，其特征在于，步骤S104中具体包括：
积分计算进气门关闭时进气阀处的气体量为：
积分计算排气门关闭时排气阀处的气体量为：
其中，和分别代表进气阀的流量变化率和排气阀的流量变化率；IVO、IVC分别表示进气门打开时对应的曲轴转角和进气门关闭时对应的曲轴转角；
气缸内积累的气体量计算公式如下：
其中为进气瞬时流量，为排气瞬时流量，为进气门关闭时刻缸内气体量，为曲轴转角为时进气门关闭时刻的缸内气体质量，为进气门打开到关闭时的曲轴转角；
气缸内积累的残余废气量的计算公式如下所示：
其中为曲轴转角为时的缸内残余废气质量，RGFs为进气系统残余废气系数，RGFIVC为曲轴转角为进气门关闭时刻的残余废气系数。
5.根据权利要求1所述的一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测方法，其特征在于，步骤S106具体包括：
根据当前循环气缸内积累的气体量和气缸内积累的缸内残余废气量，计算气缸内循环新鲜空气进气量，如下公式：
Δmair＝Δmgas-ΔmRGF (8)
其中Δmair表示当前循环气缸内新鲜空气进气量，Δmgas表示当前循环气缸内积累的气体量，ΔmRGF表示当前循环气缸内积累的缸内残余废气量；
根据当前循环气缸内新鲜空气进气量及从排气系统实测的过量空气系数间接求解循环喷油量；循环喷油量的计算公式为：
Δmfuel＝Δmair/(AFR0·λ) (9)
其中Δmfuel表示循环喷油量；Δmair表示当前循环气缸内循环新鲜空气进气量；AFR0表示化学计量空燃比、λ表示过量空气系数。
6.一种发动机变工况下循环喷油量的在线检测装置，其特征在于，所述在线检测装置包括：
进气凸轮轴相位传感器(1)，进气侧动态压力传感器(2)，进气侧温度传感器(3)，气缸动态压力传感器(4)，排气侧动态压力传感器(5)，排气侧温度传感器(6)，氧传感器(7)、电子控制单元ECU、信号放大器、过量空气系数分析仪和计算器；
所述进气凸轮轴相位传感器(1)设置在进气凸轮轴处，其通过线路连接ECU，实时耦合曲轴位置传感器的曲轴转角信号，得到进气门关闭时刻的曲轴转角；
所述进气侧动态压力传感器(2)安装在进气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧，用来测量发动机进气侧压力；
所述排气侧动态压力传感器(5)安装在排气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧，用来测量发动机排气侧压力；
所述气缸动态压力传感器(4)安装在火花塞处，用来实时测量气缸的压力值；
进气侧温度传感器(3)设置在进气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧，用来测量进气侧温度；
排气侧温度传感器(6)安装在排气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧，用来测量排气侧温度；
氧传感器(7)设置在排气总管，其通过线路依次连接信号放大器和过量空气系数分析仪，用来测量过量空气系数；
所述计算器通过总线获取发动机转速、进气动态压力、排气动态压力、气缸动态压力、进气侧工质的温度和出气侧工质的温度；以及获取过量空气系数、进气门关闭时刻的曲轴转角；根据进气动态压力、排气动态压力和气缸动态压力，计算出瞬时进气压力和排气压力与缸压的比值，并依据瞬时进气压力和排气压力与缸压的比值结合进、排气阀处的瞬时流通面积以及进气侧工质的温度和出气侧工质的温度，计算进入、排出气缸的气体的瞬时流量；对进入、排出气缸的气体的瞬时流量进行积分，得到进气门关闭时气缸内累积的气体量；根据进气门关闭时气缸内累积的气体量及过量空气系数，计算循环喷油量。
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