CN107849949A - 预测凸轮轴的相位 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于预测将来的凸轮轴位置(ypred)的方法，其中通过传递函数(G)对包括至少一个调节装置(9)的调节电路或者调节电路的一部分进行近似，并且基于传递函数(G)求取将来的凸轮轴位置(ypred)。

Description

预测凸轮轴的相位
本发明涉及用于预测凸轮轴的相位的方法、计算机程序和发动机控制器。
在未经调整的凸轮轴驱动装置中，凸轮轴通过诸如齿带、链条或齿轮等的牢固连接被曲柄轴以一半转速驱动。然而，凸轮轴在曲柄轴上的牢固联接导致低效的气缸填充，即，燃烧室中非最佳的新鲜空气比例。因此，在汽油发动机中，通过发动机控制器中的填充检测函数来检测燃烧室中的新鲜空气比例。燃烧室内的这部分新鲜空气比例很大程度上受到换气阀的开关时间点的影响。为了在所有转速范围内都实现尽可能有效的气缸填充，借助凸轮轴调节、根据转速和节气门状态来改变进气和排气控制时间。为了凸轮轴调节而使用了调节单元，例如以发动机油压运行的液压式相位调节器，该液压式相位调节器也称为换向电动机相位调节器并且通常在力传递中放置在凸轮轴端部处。
填充检测函数的计算在一定曲柄轴角度进行，该曲柄轴角度在时间上处于换气阀开启和关闭之前。在计算和换气阀开启或关闭之间的时段内，通过调节单元进一步相对于曲柄轴调节凸轮轴。由此导致了实际上与填充检测的计算中所用的不同的开启和关闭角度。在计算与实际的阀门开启和关闭角度之间的这些角度差异可导致填充计算中的误差。
为了使填充误差最小化，在计算填充检测函数的时间点必须知道凸轮轴在开启和关闭的时间点处的位置。因此需要预测将来的凸轮轴位置。
德国专利申请DE 10 2012 213 539 A1公开了一种用于确定内燃机的可调式凸轮轴的相位的方法，所述内燃机包括传感轮和凸轮轴调节器。凸轮轴的相位根据由传感轮引起的相位齿面中断(Phasenflankeninterrupt)以及根据与凸轮轴调节器的至少一个运行特征参数相关的模型来确定。该方法允许对可调式凸轮轴的相位的精确确定，但不提供对填充检测函数的计算的优化。
本发明要解决的技术问题是提供一种预测凸轮轴位置的新方法，其至少部分地克服了上述缺陷。
该技术问题通过根据权利要求1所述的本发明的方法、根据权利要求9所述的本发明的计算机程序和根据权利要求10所述的本发明的发动机控制器来解决。
本发明的其它有利实施方式由从属权利要求和以下对本发明的优选实施例的描述中获知。
在根据本发明的用于预测将来的凸轮轴位置的方法中，通过传递函数对包括至少一个调节装置的调节电路或调节电路的一部分进行近似，并且基于传递函数求取将来的凸轮轴位置。
调节电路可以例如是闭合式调节电路。在优选实施例中，调节电路是由凸轮轴位置控制器和调节装置组成的闭合式调节电路。然而，作为闭合式调节电路的替代方案，还可以仅对调节电路的一部分、例如恰好对调节装置(相位调节)进行近似。
与采用恒定调节速度的线性外推法相反，对作为传递系统的调节电路或调节电路的一部分的建模具有以下优点：不存在由调节速度的确定造成的相移。
由于在根据本发明的方法中将凸轮轴调节单元的控制考虑在内，因此特别是导致了该预测的整体准确度高。
根据下面更详细描述的实施方式，传递函数涉及PT1传动链节。将调节电路映射为PT1传动链节是特别无噪声的并且提供了良好的结果。此外，将调节电路映射为PT1传动链节还具有低的实施费用。
基于PT1传递函数，预测的将来的凸轮轴位置可以例如根据以下方程求取：
其中ypred表示所预测的凸轮轴位置，usoll表示凸轮轴位置的额定值，y表示在最后齿面(Flanke)处测量的凸轮轴位置，A和B是PT1传动链节的时间离散式状态空间模型的常数，并且n表示预测步骤数量。
预测步骤数量n可以任意选择。在一个优选实施例中，预测步骤数量n为n＝5。利用这样的预测步骤数量可以在低计算要求的情况下实现足够准确的结果。
作为替代的传递函数，还可以使用PT2传动链节或IT1传动链节。
特别地，该方法可以用于求取在开启和/或关闭换气阀的时间点处的预测的将来的凸轮轴位置。
在换气阀开启或关闭的时间点处求取的预测的凸轮轴位置可以有利地用于填充检测函数中，以优化机动车燃烧室中的新鲜空气比例。对与实际填充的偏差的校正尤其可以导致更好地计算燃料质量并且进而导致有害物质排放的减少。它另外还可以对驾驶性能产生积极影响。传递函数的过滤时间可以通过发动机综合特性曲线(Kennfeld)确定。作为替代方案，还可以计算出过滤时间。
本发明还涉及一种被设计为执行在此描述的方法的计算机程序。该计算机程序例如可以在发动机控制器中实施，以执行在此描述的方法。
现在将通过举例并参考附图来描述本发明的实施例，其中：
图1示意性地示出传递函数的实施例；
图2示意性地示出了用于预测将来的凸轮轴位置的方法的实施例；和
图3示意性地示出了用于预测将来的凸轮轴位置的发动机控制器的实施例。
在根据本发明的用于预测将来的凸轮轴位置的方法中，通过传递函数对包括凸轮轴位置控制器和调节装置的调节电路进行近似，并且基于传递函数求取将来的凸轮轴位置。
传递函数的一个实施例在图1中示出。传递函数G对系统性能进行近似。传递函数G具有输入变量u和输出变量y。传递函数G模拟了系统性能，即，系统的输出变量y如何响应于系统的输入变量u的变化。
在下面描述的实施例中，传递函数尤其描述了由机动车的凸轮轴位置控制器和调节装置组成的调节电路。
如本文开端所述，燃烧室内的新鲜空气比例很大程度上受到由凸轮轴操纵的换气阀的开启和关闭时间点的影响。这些时间点可以等同地被理解为曲柄轴角度位置。这些角度通过凸轮轴调节来改变。凸轮轴控制通过求取优化的填充和相应地控制由凸轮轴操纵的换气阀的开启和关闭时间点来优化机动车燃烧室中的新鲜空气比例。
现在描述的本发明的实施例中，由凸轮轴位置控制器和调节装置组成的闭合式调节电路被近似为PT1传动链节(一阶的低通滤波器(Tiefpass))，所述PT1传动链节基于时间离散式状态空间模型：
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)
y(k+1)＝Cx(k)+Du(k)，
其中x(k)是系统状态，y(k)是控制变量，这里是在时间步骤k处的凸轮轴位置，并且u(k)是调节变量，确切地说这里是在时间步骤k处的凸轮轴位置的额定值。
对于PT1传动链节，可以选择状态空间图，其中C＝1且D＝0，从而将状态空间模型简化为：
x(k+1)＝y(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)。
因此，对于PT1实施例，系统状态x对应于控制变量y，即这里是凸轮轴的实际位置。
基于这种时间离散式状态空间模型，PT1传动链节的将来的凸轮轴位置y可以在n个预测步骤中基于以下方程求取：
假设在预测时段内的凸轮轴位置的恒定额定值u(k)＝usoll，这简化为：
其中y(k+n)表示n个预测步骤之后的预测的凸轮轴位置，并且y(k)是在最后齿面处测量的凸轮轴位置。
PT1传动链节的时间离散式状态空间模型的常数A和B在本实施例中如下确定：
在此，wpred表示凸轮轴传感轮的最后测量的齿面与阀门开启或阀门关闭的点之间的角距。T1表示PT1传动链节的时间常数，nmot是发动机转速，即曲柄轴的转速，正如由发动机控制所提供的曲柄轴的转速，并且n是指示预测步骤的数量的预设整数，h可以被理解为预测步骤时长。
因为用于开启和关闭换气阀的角度由凸轮轴的凸轮轮廓限定，所以能够根据齿面与开启角度之间的曲柄角距、通过发动机转速nmot来求取等效的预测时间并且针对这段时间外推PT1性能。
过滤时间，例如PT1传动链节的上述时间常数T1，可取决于凸轮轴调节单元的控制信号、即填充系数，利用所述填充系数对相应的凸轮轴调节单元的控制阀的输出级(Endstufe)进行控制，并且取决于影响过程性能的变量如油温或油压。时间常数T1例如可以基于发动机控制所提供的过程变量、借助发动机综合特性曲线来求取。作为替代方案，时间常数T1也可以通过所提供的过程变量的方程来求取。
下表显示了一个实例，如何能够对于例如3000U/min和调节点火滞后从给定的油温推导出时间常数T1：
油温 时间常数T1
-15℃ 0.02677
30℃ 0.02616
60℃ 0.02497
105℃ 0.01702
130℃ 0.01628
如该表所示，时间常数T1在这里选择成使其随着油温下降。这是因为油在低温下仍然相对粘稠，因此调节速度低。在发动机综合特性曲线中还可以保存(ablegen)各种影响因素的相应值。
因此，将来的凸轮轴位置可以在例如五个预测步骤中基于如下方程来求取：
其中ypred表示在五个预测步骤之后的预测的凸轮轴位置并且y是在最后的齿面处测量的凸轮轴位置。
根据是否对于wpred使用凸轮轴传感轮的最后测量的齿面与阀门开启或阀门关闭的点之间的角距，可以通过上述函数求取对进气阀开启或关闭的预测的凸轮轴位置。同样，也可以确定用于针对排气阀关闭的凸轮轴传感轮的将来预测的预测值以这种方式求取的预测的凸轮轴位置可以提供给填充检测函数，其由此可以更好地求取由凸轮轴操纵的换气阀的开启或关闭的时间点。
图2示意性地示出了用于预测将来的凸轮轴位置的方法的实施例。在步骤S1中确定传递函数的时间常数T1，例如通过对发动机综合特性曲线和对由发动机控制器提供的相应的过程变量进行分析来确定。在步骤S2中，从凸轮轴控制中获取凸轮轴位置的额定值usoll。在步骤S3中，求取凸轮轴传感轮的最后测量的齿面与开启阀门的点之间的角距wpred。在步骤S4中，从发动机控制中获取当前的发动机转速nmot。在步骤S5中，基于发动机转速nmot和角距wpred计算常数h。在步骤S6和S7中，基于预测步骤时长h和时间常数T1计算传递函数的两个参数A和B。在步骤S8中，基于所计算的参数A和B并基于凸轮轴位置的额定值usoll从当前的凸轮轴位置y计算出预测的将来的凸轮轴位置ypred。在步骤S9中，将该预测的将来的凸轮轴位置ypred提供给填充检测函数。
图3示意性示出了用于预测将来的凸轮轴位置的发动机控制器的实施例。发动机控制器1包括凸轮轴控制单元2、填充检测函数单元3和凸轮轴预测单元4。凸轮轴预测单元4根据上述方法求取预测的将来的凸轮轴位置ypred，并将其提供给填充检测函数单元3。凸轮轴控制单元2基于填充检测函数单元3的输出来控制凸轮轴位置并且将相应的控制信号输出到凸轮轴调节器9。具有相应传感器的凸轮轴传感轮5给发动机控制器提供能够推导出凸轮轴的当前位置的测量信号。具有相应传感器的曲柄轴传感轮6给发动机控制器1提供能够推导出曲柄轴的当前位置的测量信号。发动机控制器1可以根据这些信号求取例如当前的发动机转速nmot。其它部件，诸如油温传感器7和油压传感器8，给发动机控制器提供了影响过程性能的变量，诸如油温或油压。基于这些变量，凸轮轴预测单元4例如可以求取传递函数的时间常数。
在上述实施例中，由凸轮轴位置控制器和调节装置组成的闭合式调节电路通过PT1传递函数进行近似。然而，基于上述教导，本发明的教导的替代实施方式是可能的。
例如，还可以不使用PT1传递函数而使用其它传递函数，例如PT2或其它。本领域技术人员在这些情况下使状态空间模型适配于所使用的传递函数。本领域的技术人员例如已知的是，对于更复杂的传递函数，C一般被表示为矩阵。对于PT1，这些如上所述将传动链节的状态映射到输出端上的输出矩阵C被降低为标量(Skalar)。在SISO系统(单输入，单输出)中，输出矩阵C被降低为矢量。
此外，在替代实施方式中代替整个调节电路地，还可以通过传递函数仅对调节电路的一部分进行近似。例如，尤其是调节装置(相位调节)可以通过具有集成的传递特性的I链节(I-Glied)来近似。所述预测在通过I链节对调节装置(相位调节)进行近似的情况下类似地进行，如在上述PT1实施例中那样。调节速度根据各种发动机参数如转速或油压、油温以及对于相位调节器(Phasensteller)的填充系数存储在发动机综合特性曲线中。在一个实施方式中，代替上述的5步预测，只执行一个预测步骤，即n＝1。在该情况下，输入u不是对应于凸轮轴额定值，而是对应于凸轮轴位置控制器输出的对于相位调节器的PWM填充系数。
附图标记列表
1 发动机控制器
2 凸轮轴控制单元
3 填充检测函数单元
4 凸轮轴预测单元
5 凸轮轴传感轮
6 曲柄轴传感轮
7 油温传感器
8 油压传感器
9 凸轮轴调节器
51 确定时间常数T1
52 确定凸轮轴位置的额定值
53 确定角距wpred
54 获取发动机转速nmot
55 计算PT1传动链节的常数h
56 计算PT1传动链节的参数A
57 计算PT1传动链节的参数B
58 计算预测的将来的凸轮轴位置xpred
59 输出预测的将来的凸轮轴位置xpred
G 传递函数
nmot 发动机转速
wpred 角距
x 传递函数的状态
y 传递函数的输出值(当前的凸轮轴位置)
Vpred 预测的凸轮轴位置
A，B 传递函数的参数
C，D 传递函数的其它参数
h 预测步骤时长
T1 时间常数
usoll 凸轮轴位置的额定值

Claims (10)

1.一种用于预测将来的凸轮轴位置(ypred)的方法，其中通过传递函数(G)对包括至少一个调节装置(9)的调节电路或调节电路的一部分进行近似并且基于传递函数(G)求取将来的凸轮轴位置(ypred)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传递函数涉及PT1传动链节。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，预测的将来的凸轮轴位置(ypred)根据以下方程求取：
<mrow> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mi>A</mi> <mi>n</mi> </msup> <mi>y</mi> <mo>+</mo> <msubsup> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <msup> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msup> <msub> <mi>Bu</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>o</mi> <mi>l</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> </mrow>
其中ypred表示预测的凸轮轴位置，usoll表示凸轮轴位置的额定值，y表示在最后齿面处测量的凸轮轴位置，A和B是PT1传动链节的时间离散式状态空间模型的常数，并且n表示预测步骤数量。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预测步骤数量n优选为n＝5。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传递函数涉及PT2传动链节或IT1传动链节。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在换气阀开启和/或关闭的时间点处求取预测的将来的凸轮轴位置(ypred)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将在换气阀开启或关闭的时间点处求取的预测的凸轮轴位置(ypred)用于填充检测函数(3)中，以优化机动车燃烧室中的新鲜空气比例。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述传递函数的过滤时间(T1)借助发动机综合特性曲线来确定。
9.一种计算机程序，其设计成执行前述权利要求中任一项所述的方法。
10.一种发动机控制器，其设计成执行权利要求1-8中任一项所述的方法。
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