CN107701320B - 一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法，该法先在离线状态下通过台架试验得到每个气缸的平均指示压力指标IMEP与转速指标ΔN的等效关系，然后选择任一气缸作为特征缸在其内部设置缸压传感器，在线状态下，发动机控制器根据接收的缸压信号计算特征缸的IMEP、根据接收的曲轴转速信号计算非特征缸的ΔN，并通过非特征缸IMEP与ΔN的等效关系得出非特征缸的IMEP，最后以特征缸的IMEP为目标值，采用PID算法对非特征缸的IMEP进行修正，同时本发明还公开了实现上述方法的估计系统。本设计不仅算法简单，而且不受发动机缸数限制、对曲轴转角精度要求低。

Description

一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法及系统

技术领域

本发明属于汽车发动机控制技术领域，具体涉及一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法及系统，适用于扩大使用范围、简化算法、降低曲轴转角的精度要求。

背景技术

柴油机的缸内压力直接反映柴油机的工作性能，包括进气过程的好坏、喷油定时是否准确、气阀间隙是否合适、气缸的气密性的好坏、燃料燃烧的完整程度等。因此,测取压力信号可以对柴油机的工作状态进行检测。对于多缸发动机来说，通常需要每缸采用一个缸压传感器，这样会导致成本上升。

中国专利：申请公布号为CN104179573A，申请公布日为2014年12月3日的发明专利公开了一种内燃机分缸燃烧状态估计方法，其在内燃机的任一分缸中设置一缸压传感器，在内燃机的曲轴上设置一曲轴转速传感器，先根据内燃机曲轴系统刚性模型求解各分缸指示转矩和，再对指示转矩和进行分解以获得当前发火缸的气体作用力指示转矩，对于设置有缸压传感器的分缸，由缸压传感器直接测量其发火时的气体作用力指示转矩，并将测量值与上一步所得的当前发火缸的气体作用力指示转矩做差以得到设置有缸压传感器的分缸发火时的气体作用力指示转矩的误差，用该误差修正未设置缸压传感器的汽缸发火时的气体作用力指示转矩估计值。虽然该系统只采用一个缸压传感器就可以反馈多缸的燃烧状态参数，但仍然存在以下缺陷：

1、在计算当前缸做功行程转矩时，要求其它缸正好处于压缩、排气、进气行程，所以此方法只适用于四缸发动机；

2、整个计算过程不仅对曲轴转角的精度要求高，而且其采用的算法复杂，计算量大，实时运算对控制器的运算能力要求较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的仅适用于四缸发动机、对曲轴转角精度要求高、算法复杂的问题，提供一种不受发动机缸数限制、对曲轴转角精度要求低、算法简单的多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法及系统。

为实现以上目的，本发明的技术方案如下：

一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法，依次包括以下步骤：

一、离线状态下，先在发动机的每个气缸内设置一缸压传感器，并在发动机的曲轴上设置一曲轴转速传感器，然后通过台架试验得到每个气缸的平均指示压力指标IMEP与转速指标ΔN的等效关系：

IMEP_j＝f(ΔN_j)(j＝1，2，3...)

式中，IMSP_j为第j个气缸的平均指示压力指标，ΔN_j为第j个气缸的转速指标；

二、先选择发动机的任一气缸作为特征缸在其内部设置缸压传感器，并在发动机的曲轴上设置曲轴转速传感器，然后在线状态下，发动机控制器根据接收的缸压信号计算特征缸的IMEP、根据接收的曲轴转速信号计算非特征缸的ΔN，并通过步骤一得到的非特征缸IMEP与ΔN的等效关系得出非特征缸的IMEP；

三、以特征缸的IMEP为目标值，采用PID算法对非特征缸的IMEP进行修正，使每个气缸的IMEP一致。

步骤一、二中，所述转速指标ΔN是指在固定曲轴转角起、止位置分别计算得到的一定角度范围内的平均转速的差值：

ΔN_j＝N_jH-N_jL(j＝1，2，3...)

式中，N_jH为第j个气缸所对应的高速段的平均转速，N_jL为第j个气缸所对应的低速段的平均转速。

所述一定角度范围为6°～90°。

步骤一、二中，所述IMEP由发动机控制器根据以下公式计算得到：

式中，做功上止点+180°CA为做功上止点后180°曲轴转角，做功上止点+180°CA为做功上止点前180°曲轴转角，P为气缸缸内压力，v为气缸的体积，Vs为气缸的工作容积。

一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计系统，包括位于发动机任一气缸即特征缸内的缸压传感器、位于发动机曲轴上的曲轴转速传感器、发动机控制器；

所述发动机控制器包括存储模块、数据采集模块、IMEP计算模块、PID修正模块，所述数据采集模块的输入端与缸压传感器、曲轴转速传感器信号连接，所述存储模块、数据采集模块的输出端均与IMEP计算模块的输入端信号连接，IMEP计算模块的输出端与PID修正模块的输入端信号连接；

所述存储模块用于存储离线状态下台架试验测得的每个气缸的平均指示压力指标IMEP与转速指标ΔN的等效关系，所述IMEP计算模块用于根据采集的缸压信号计算特征缸的IMEP、根据采集的曲轴转速信号计算非特征缸的ΔN，并通过存储模块内的等效关系得出非特征缸的IMEP，所述PID修正模块用于以特征缸的IMEP为目标值，采用PID算法对非特征缸的IMEP进行修正，使每个气缸的IMEP一致。

所述转速指标ΔN是指在固定曲轴转角起、止位置分别计算得到的一定角度范围内的平均转速的差值。

所述一定角度范围为6°～90°。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法及系统采用先离线建立各气缸IMEP与ΔN的等效关系，然后在线状态下利用一个缸压传感器测定特征缸的IMEP，利用曲轴转速传感器测定非特征缸的ΔN，并根据等效关系得到非特征缸的IMEP，再以特征缸的IMEP为目标值，结合PID算法对非特征缸的IMEP进行修正即可，这样使用一个缸压传感器即可得到所有气缸的IMEP值，该法不仅计算量小，适合在线应用，而且不受发动机缸数的限制，在四缸、六缸发动机中均可应用。因此，本发明不仅计算简单，而且不受发动机缸数的限制。

2、本发明一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法及系统中转速指标ΔN是指在固定曲轴转角起、止位置分别计算得到的一定角度范围内的平均转速的差值，以该指标作为衡量当前缸做功的标准，不仅科学合理，而且该指标的计算对曲轴转角的精度要求较低。因此，本发明对曲轴转角精度要求低。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图。

图2为本发明中转速指标的原理图。

图3为本发明中PID算法的结构图。

图中：缸压传感器1、曲轴转速传感器2、发动机控制器3、存储模块31、数据采集模块32、IMEP计算模块33、PID修正模块34。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法，依次包括以下步骤：

一、离线状态下，先在发动机的每个气缸内设置一缸压传感器，并在发动机的曲轴上设置一曲轴转速传感器，然后通过台架试验得到每个气缸的平均指示压力指标IMEP与转速指标ΔN的等效关系：

IMEP_j＝f(ΔN_j)(j＝1，2，3...)

式中，IMEP_j为第j个气缸的平均指示压力指标，ΔN_j为第j个气缸的转速指标；

二、先选择发动机的任一气缸作为特征缸在其内部设置缸压传感器1，并在发动机的曲轴上设置曲轴转速传感器2，然后在线状态下，发动机控制器3根据接收的缸压信号计算特征缸的IMEP、根据接收的曲轴转速信号计算非特征缸的ΔN，并通过步骤一得到的非特征缸IMEP与ΔN的等效关系得出非特征缸的IMEP；

三、以特征缸的IMEP为目标值，采用PID算法对非特征缸的IMEP进行修正，使每个气缸的IMEP一致。

步骤一、二中，所述转速指标ΔN是指在固定曲轴转角起、止位置分别计算得到的一定角度范围内的平均转速的差值：

ΔN_j＝N_jH-N_jL(j＝1，2，3...)

式中，N_jH为第j个气缸所对应的高速段的平均转速，N_jL为第j个气缸所对应的低速段的平均转速。

所述一定角度范围为6°～90°。

步骤一、二中，所述IMEP由发动机控制器根据以下公式计算得到：

式中，做功上止点+180°CA为做功上止点后180°曲轴转角，做功上止点-180°CA为做功上止点前180°曲轴转角，P为气缸缸内压力，v为气缸的体积，Vs为气缸的工作容积。

一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计系统，包括位于发动机任一气缸即特征缸内的缸压传感器1、位于发动机曲轴上的曲轴转速传感器2、发动机控制器3；

所述发动机控制器3包括存储模块31、数据采集模块32、IMEP计算模块33、PID修正模块34，所述数据采集模块32的输入端与缸压传感器1、曲轴转速传感器2信号连接，所述存储模块31、数据采集模块32的输出端均与IMEP计算模块33的输入端信号连接，IMEP计算模块33的输出端与PID修正模块34的输入端信号连接；

所述存储模块31用于存储离线状态下台架试验测得的每个气缸的平均指示压力指标IMEP与转速指标ΔN的等效关系，所述IMEP计算模块33用于根据采集的缸压信号计算特征缸的IMEP、根据采集的曲轴转速信号计算非特征缸的ΔN，并通过存储模块31内的等效关系得出非特征缸的IMEP，所述PID修正模块34用于以特征缸的IMEP为目标值，采用PID算法对非特征缸的IMEP进行修正，使每个气缸的IMEP一致。

所述转速指标ΔN是指在固定曲轴转角起、止位置分别计算得到的一定角度范围内的平均转速的差值。

所述一定角度范围为6°～90°。

本发明的原理说明如下：

转速指标ΔN：本发明基于曲轴转速传感器2，在固定曲轴转角起止位置计算一定角度范围的平均转速，每个气缸对应两个这样的平均转速，以两个转速的差值即转速指标作为衡量当前缸做功的指标。

实施例1：

参见图1，一种六缸发动机缸内燃烧状态的估计方法，依次采用以下步骤：

一、离线状态下，先在发动机的每个气缸内设置一缸压传感器，并在发动机的曲轴上设置一曲轴转速传感器，然后发动机控制器3根据接收到的缸压信号计算得到每个气缸的平均指示压力指标IMEP、根据接收的曲轴转速信号计算每个气缸的转速指标ΔN，并使用MAP建立IMEP与ΔN的等效关系，其中，所述转速指标ΔN是指在固定曲轴转角起、止位置分别计算得到的30°内的平均转速的差值(参见图2)：

IMEP_j＝f(ΔN_j)(j＝1，2，3，4，5，6)

ΔN_j＝N_jH-N_jL(j＝1，2，3，4，5，6)

式中，做功上止点-180°CA为做功上止点后180°曲轴转角，做功上止点-180°CA为做功上止点前180°曲轴转角，P为气缸缸内压力，v为气缸的体积，V_s为气缸的工作容积，IMEP_j为第j个气缸的平均指示压力指标，ΔN_j为第j个气缸的转速指标，N_jH为第j个气缸所对应的高速段的平均转速，N_jL为第j个气缸所对应的低速段的平均转速；

二、先选择发动机的任一气缸作为特征缸在其内部设置缸压传感器1，并在发动机的曲轴上设置曲轴转速传感器2，然后在线状态下，发动机控制器3根据接收的缸压信号计算特征缸的IMEP、根据接收的曲轴转速信号计算非特征缸的ΔN，并根据步骤一得到的非特征缸IMEP与ΔN的等效关系得出非特征缸的IMEP；

三、参见图3，以特征缸的IMEP为目标值，采用PID算法对非特征缸的IMEP进行修正，使每个气缸的IMEP一致。

参见图1，一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计系统，包括位于发动机任一气缸即特征缸内的缸压传感器1、位于发动机曲轴上的曲轴转速传感器2、发动机控制器3，所述发动机控制器3包括存储模块31、数据采集模块32、IMEP计算模块33、PID修正模块34，所述数据采集模块32的输入端与缸压传感器1、曲轴转速传感器2信号连接，所述存储模块31、数据采集模块32的输出端均与IMEP计算模块33的输入端信号连接，IMEP计算模块33的输出端与PID修正模块34的输入端信号连接，且所述存储模块31用于存储离线状态下台架试验测得的每个气缸的平均指示压力指标IMEP与转速指标ΔN的等效关系，所述IMEP计算模块33用于根据采集的缸压信号计算特征缸的IMEP、根据采集的曲轴转速信号计算非特征缸的ΔN，并通过存储模块31内的等效关系得出非特征缸的IMEP，所述PID修正模块34用于以特征缸的IMEP为目标值，采用PID算法对非特征缸的IMEP进行修正，使每个气缸的IMEP一致，其中，所述转速指标ΔN是指在固定曲轴转角起、止位置分别计算得到的的30°内的平均转速的差值。

Claims (4)

1.一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法，其特征在于：

所述估计方法依次包括以下步骤：

一、离线状态下，先在发动机的每个气缸内设置一缸压传感器，并在发动机的曲轴上设置一曲轴转速传感器，然后通过台架试验得到每个气缸的平均指示压力指标IMEP与转速指标ΔN的等效关系：

IMEP_j＝f(ΔN_j)(j＝1，2，3...)

式中，IMEP_j为第j个气缸的平均指示压力指标，ΔN_j为第j个气缸的转速指标；

二、先选择发动机的任一气缸作为特征缸在其内部设置缸压传感器(1)，并在发动机的曲轴上设置曲轴转速传感器(2)，然后在线状态下，发动机控制器(3)根据接收的缸压信号计算特征缸的IMEP、根据接收的曲轴转速信号计算非特征缸的ΔN，并通过步骤一得到的非特征缸IMEP与ΔN的等效关系得出非特征缸的IMEP；

三、以特征缸的IMEP为目标值，采用PID算法对非特征缸的IMEP进行修正，使每个气缸的IMEP一致。

2.根据权利要求1所述的一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法，其特征在于：

步骤一、二中，所述转速指标ΔN是指在固定曲轴转角起、止位置分别计算得到的一定角度范围内的平均转速的差值：

ΔN_j＝N_jH-N_jL(j＝1，2，3...)

式中，N_jH为第j个气缸所对应的高速段的平均转速，N_jL为第j个气缸所对应的低速段的平均转速。

3.根据权利要求2所述的一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法，其特征在于：

所述一定角度范围为6°～90°。

4.根据权利要求1所述的一种多缸发动机缸内燃烧状态的估计方法，其特征在于：

步骤一、二中，所述IMEP由发动机控制器(3)根据以下公式计算得到：

式中，做功上止点+180°CA为做功上止点后180°曲轴转角，做功上止点-180°CA为做功上止点前180°曲轴转角，P为气缸缸内压力，v为气缸的体积，V_s为气缸的工作容积。

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