CN108005805A - 一种发动机负荷计算方法、发动机及汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机负荷计算方法、发动机及汽车，包括理论推导步骤、模型建立步骤、计算步骤；理论推导步骤，根据理论公式推导出发动机气缸内负荷与进气歧管压力的关系；模型建立步骤，根据发动机气缸内负荷与进气歧管压力的关系建立发动机负荷计算模型；计算步骤，根据计算模型计算出发动机负荷。本发明提出的负荷计算方法无需发动机加装进气流量传感器，而是通过理论推导得出一种发动机负荷计算算法，并将该算法通过建模实现，然后生成代码集成进发动机控制器ECU中，从而在发动机运行过程中实时准确的计算当前工况下的发动机负荷。

Description

一种发动机负荷计算方法、发动机及汽车
技术领域
本发明涉及汽车发动机电喷系统技术领域，关注点集中于发动机各工况下实际负荷计算方法。
背景技术
发动机负荷是描述发动机工况状态的重要变量之一，发动机电喷系统(EMS)只有在获知了准确的发动机负荷信息后，才能基于负荷信息调节发动机的点火角和喷油量，进而进行精确的点火和喷油控制，使得发动机能够以最高效率运行，发动机的混合气浓度始终保持在合理可控的范围内，最终达到节能减排的目的。另外在对发动机进行性能分析优化的过程中，发动机的负荷与发动机转速一样，是进行发动机工况点定义最基础核心的两个变量之一，因而准确快速的计算出发动机在各工况的负荷信息，对于发动机控制和发动机性能优化均非常重要。
发动机负荷一般有两种定义方式：一种指在固定转速下，发动机运行过程中实际输出的功率与当前转速下可输出的最大功率之比值；一种指在固定转速下，发动机运行过程中实际进气量与当前转速下理论最大进气量之比值，两种定义的方式参考变量不同，但是本质是一样的，在其他边界调节变量相同的情况下，发动机进气量与发动机输出功率成正相关关系。
发动机负荷计量方式常用有直接计量方式，直接计量法为在发动机进气通道加装进气流量传感器，利用该传感器直接测量发动机进气流量，将总体进气流量分配至各缸进而获知发动机负荷信息。直接计量法需要加装空气流量计，该传感器体积较大而且成本高，并将因节流效应会造成进气道压损进而减少发动机实际进气量，折损了发动机的潜在最大性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种发动机负荷计算方法，该计算方法方法简洁可靠，成本低结构简单，不需要设置进气流量传感器即可实现对负荷的计算。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种发动机负荷计算方法，包括理论推导步骤、模型建立步骤、计算步骤；
理论推导步骤，根据理论公式推导出发动机气缸内负荷与进气歧管压力的关系；
模型建立步骤，根据发动机气缸内负荷与进气歧管压力的关系建立发动机负荷计算模型；
计算步骤，根据计算模型计算出发动机负荷。
理论推导步骤包括：
(1)根据负荷定义，负荷为实际进气量与标况下理论进气量比值，
则R1＝M1/(ρ0*Vh)；R2＝M2/(ρ0*Vh)；R3＝M3/(ρ0*Vh)； 式1
其中ρ0为标准状况下空气密度，Vh为发动机气缸排量，
P1、V1、T1、M1、R1为发动机节气门前进气压力、体积、温度和流量及负荷，
P2、V2、T2、M2、R2为发动机进气歧管内进气压力、体积、温度和流量及负荷，
P3、V3、T3、M3、R3为发动机气缸内进气压力、体积、温度和流量及负荷；
(2)根据理想气体状态方程，则有：
(P1*V1)/T1＝M1*R；(P2*V2)/T2＝M2*R；(P3*V3)/T3＝M3*R， 式2
其中R为理想气体常数
(3)因为P2＝M2*R/V2，对P2求微分△P2，则有
△P2＝(△M2*R*T2)/V2,根据质量守恒原理，△M2＝M1-M3,则
△P2＝((M1-M3)*R*T2)/V2，将式1带入，则
△P2＝(R1-R3)*ρ0*Vh*R*T2/V2
因为根据理想气体状态方程，ρ0＝M0/V0＝P0/R*T0,将此式带入上式
△P2＝(R1-R3)*PO*Vh*(T2/T0)*(Vh/V2)； 式3
其中P0为常数标况下一个大气压压力值1013hPa,T0为常数标况下气温值293.25K，Vh为发动机排量，在发动机明确的情况下亦为常数，V2为发动机进气歧管容积，在发动机明确的情况下也为常数，因此将(R1-R3)看做一个整体，则由式3可以看出，(R1-R3)对时间进行积分则为P2，同时由于式3中P0、Vh、T、V在发动机明确的前提下均为常数，意味着P2对(R1-R3)的导数为常数，也即P2与(R1-R3)的关系为线性关系，由此初步得出进气歧管压力与发动机负荷之间的理论关系；
当发动机处于稳态工况时，P2保持稳定，其导数△P2为0，此时R1＝R3，但是实际工况，第一发动机大部分工况为不稳定工况，第二发动机在进行进排气交换期间，气缸内会有残留有上一工作循环产生的废气，因此导致R1并不等于R3，根据实际台架试验数据，R3与P2之间的关系为经过偏移修正的线性关系，即R3＝(P2-PX)*K，其中PX即是气缸残留废气对P2的分压作用体现，K为与进气温度相关的斜率，由此，推导出R3与P2之间关系，也即发动机气缸内负荷与进气歧管压力之间关系。
根据R3＝(P2-PX)*K的关系，结合转速及影响进气模式的发动机气门冲角度等便边界信息，建立基于进气压力温度信号的发动机负荷计算算法模型。
计算模型包括如下：
根据气门角度、发动机转速通过残余废气压力MAP获得气缸残留废气对P2分压作用的压力，然后通过海拔校正系数对该压力矫正得到气缸残留废气对P2分压作用产生的Px；
根据进气歧管压力、温度传感器获取压力、温度数据，获取温度对应的温度修正系数；
发动机气缸内负荷为进气歧管压力减去经海拔系数修正后的Px后再乘以进气温度对应的温度修正系数。
海拔修正系数通过预先标定的海拔与海拔标定系数对应关系确定，温度修正系数通过预先标定的温度与温度修正系数对应关系确定。
一种发动机，该发动机的控制器ECU采用上述发动机负荷计算方法计算发动机负荷。
一种汽车，所述汽车采用上述的发动机。
本文提出的负荷计算方法所指的负荷，其定义角度是基于考察发动机实际进气量与理论进气量之比。本发明提出的负荷计算方法无需发动机加装进气流量传感器，而是通过理论推导得出一种发动机负荷计算算法，并将该算法通过建模实现，然后生成代码集成进发动机控制器ECU中，从而在发动机运行过程中实时准确的计算当前工况下的发动机负荷。该负荷计算算法适用于所有配置了进气歧管压力温度传感器的发动机，而这一传感器目前已经成为发动机标配的传感器，因而应用本发明提出的方法无需发动机新添加任何辅助设备。该方法基于物理理论推导通过纯软件方式实现，方法简洁可靠，成本低结构简单，可以方便的通过软件在发动机控制器中实现上述计算步骤及计算模型并根据模型计算出负荷。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明发动机负荷计算算法模型。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
基于理想气体状态方程和质量守恒定理，通过获取进气歧管压力温度信号，计算出当前工况下发动机负荷。
具体方法：
P1、V1、T1、M1、R1为发动机节气门前进气压力、体积、温度和流量及负荷；
P2、V2、T2、M2、R2为发动机进气歧管内进气压力、体积、温度和流量及负荷；
P3、V3、T3、M3、R3为发动机气缸内进气压力、体积、温度和流量及负荷。
理论推导步骤：
(1)根据负荷定义，负荷为实际进气量与标况下理论进气量比值。
则R1＝M1/(ρ0*Vh)；R2＝M2/(ρ0*Vh)；R3＝M3/(ρ0*Vh)； 式1
其中ρ0为标准状况下空气密度，Vh为发动机气缸排量。
(2)根据理想气体状态方程，则有：
(P1*V1)/T1＝M1*R；(P2*V2)/T2＝M2*R；(P3*V3)/T3＝M3*R， 式2
其中R为理想气体常数
(3)因为P2＝M2*R/V2，对P2求微分△P2，则有
△P2＝(△M2*R*T2)/V2,根据质量守恒原理，△M2＝M1-M3,则
△P2＝((M1-M3)*R*T2)/V2，将式1带入，则
△P2＝(R1-R3)*ρ0*Vh*R*T2/V2
因为根据理想气体状态方程，ρ0＝M0/V0＝P0/R*T0,将此式带入上式
△P2＝(R1-R3)*PO*Vh*(T2/T0)*(Vh/V2)； 式3
其中P0为常数标况下一个大气压压力值1013hPa,T0为常数标况下气温值293.25K，Vh为发动机排量，在发动机明确的情况下亦为常数，V2为发动机进气歧管容积，在发动机明确的情况下也为常数。因此将(R1-R3)看做一个整体，则由式3可以看出，(R1-R3)对时间进行积分则为P2，同时由于式3中P0、Vh、T、V在发动机明确的前提下均为常数，意味着P2对(R1-R3)的导数为常数，也即P2与(R1-R3)的关系为线性关系。由此初步得出进气歧管压力与发动机负荷之间的理论关系。
当发动机处于稳态工况时，P2保持稳定，其导数△P2为0，此时R1＝R3，但是实际工况，第一发动机大部分工况为不稳定工况，第二发动机在进行进排气交换期间，气缸内会有残留有上一工作循环产生的废气，因此导致R1并不等于R3，根据实际台架试验数据，R3与P2之间的关系为经过偏移修正的线性关系，即R3＝(P2-PX)*K，其中PX即是气缸残留废气对P2的分压作用体现，K为与进气温度相关的斜率。由此，推导出R3与P2之间关系，也即发动机气缸内负荷与进气歧管压力之间关系。
模型建立步骤：
根据R3＝(P2-PX)*K的关系，结合转速及影响进气模式的发动机气门冲角度等便边界信息，建立基于进气压力温度信号的发动机负荷计算算法模型，模型如下：
根据气门角度、发动机转速通过残余废气压力MAP获得气缸残留废气对P2分压作用的压力，然后通过海拔校正系数对该压力矫正得到气缸残留废气对P2分压作用产生的Px；
根据进气歧管压力、温度传感器获取压力、温度数据，获取温度对应的温度修正系数；
发动机气缸内负荷为进气歧管压力减去经海拔系数修正后的Px后再乘以进气温度对应的温度修正系数。
其中，海拔修正系数通过预先标定的海拔与海拔标定系数对应关系确定，温度修正系数通过预先标定的温度与温度修正系数对应关系确定。
计算步骤；根据上述模型确定的计算方法通过歧管压力计算得到负载。
在Matlab Simlink完成计算模型搭建，通过自动生成代码，集成进发动机控制器ECU中，算法功能在ECU中进行体现，并在发动机台架标定及整车转毂标定中得以应用体现。本发明提供一种无需依靠进气流量传感器的发动机负荷计算方法，该方法基于物理理论推导通过纯软件方式实现，方法简洁可靠，成本低结构简单，可以将实现该方法的软件代码应用到发动机控制单元中，从而方便的计算出发动机负荷。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种发动机负荷计算方法，其特征在于：包括理论推导步骤、模型建立步骤、计算步骤；
理论推导步骤，根据理论公式推导出发动机气缸内负荷与进气歧管压力的关系；
模型建立步骤，根据发动机气缸内负荷与进气歧管压力的关系建立发动机负荷计算模型；
计算步骤，根据计算模型计算出发动机负荷。
2.如权利要求一种发动机负荷计算方法，其特征在于：理论推导步骤包括：
(1)根据负荷定义，负荷为实际进气量与标况下理论进气量比值，
则R1＝M1/(ρ0*Vh)；R2＝M2/(ρ0*Vh)；R3＝M3/(ρ0*Vh)； 式1
其中ρ0为标准状况下空气密度，Vh为发动机气缸排量，
P1、V1、T1、M1、R1为发动机节气门前进气压力、体积、温度和流量及负荷，
P2、V2、T2、M2、R2为发动机进气歧管内进气压力、体积、温度和流量及负荷，
P3、V3、T3、M3、R3为发动机气缸内进气压力、体积、温度和流量及负荷；
(2)根据理想气体状态方程，则有：
(P1*V1)/T1＝M1*R；(P2*V2)/T2＝M2*R；(P3*V3)/T3＝M3*R， 式2
其中R为理想气体常数
(3)因为P2＝M2*R/V2，对P2求微分△P2，则有
△P2＝(△M2*R*T2)/V2,根据质量守恒原理，△M2＝M1-M3,则
△P2＝((M1-M3)*R*T2)/V2，将式1带入，则
△P2＝(R1-R3)*ρ0*Vh*R*T2/V2
因为根据理想气体状态方程，ρ0＝M0/V0＝P0/R*T0,将此式带入上式
△P2＝(R1-R3)*PO*Vh*(T2/T0)*(Vh/V2)； 式3
其中P0为常数标况下一个大气压压力值1013hPa,T0为常数标况下气温值293.25K，Vh为发动机排量，在发动机明确的情况下亦为常数，V2为发动机进气歧管容积，在发动机明确的情况下也为常数，因此将(R1-R3)看做一个整体，则由式3可以看出，(R1-R3)对时间进行积分则为P2，同时由于式3中P0、Vh、T、V在发动机明确的前提下均为常数，意味着P2对(R1-R3)的导数为常数，也即P2与(R1-R3)的关系为线性关系，由此初步得出进气歧管压力与发动机负荷之间的理论关系；
当发动机处于稳态工况时，P2保持稳定，其导数△P2为0，此时R1＝R3，但是实际工况，第一发动机大部分工况为不稳定工况，第二发动机在进行进排气交换期间，气缸内会有残留有上一工作循环产生的废气，因此导致R1并不等于R3，根据实际台架试验数据，R3与P2之间的关系为经过偏移修正的线性关系，即R3＝(P2-PX)*K，其中PX即是气缸残留废气对P2的分压作用体现，K为与进气温度相关的斜率，由此，推导出R3与P2之间关系，也即发动机气缸内负荷与进气歧管压力之间关系。
3.如权利要求2所述的一种发动机负荷计算方法，其特征在于：根据R3＝(P2-PX)*K的关系，结合转速及影响进气模式的发动机气门冲角度等便边界信息，建立基于进气压力温度信号的发动机负荷计算算法模型。
4.如权利要求3所述的一种发动机负荷计算方法，其特征在于：计算模型包括，
根据气门角度、发动机转速通过残余废气压力MAP获得气缸残留废气对P2分压作用的压力，然后通过海拔校正系数对该压力矫正得到气缸残留废气对P2分压作用产生的Px；
根据进气歧管压力、温度传感器获取压力、温度数据，获取温度对应的温度修正系数；
发动机气缸内负荷为进气歧管压力减去经海拔系数修正后的Px后再乘以进气温度对应的温度修正系数。
5.如权利要求4所述的一种发动机负荷计算方法，其特征在于：海拔修正系数通过预先标定的海拔与海拔标定系数对应关系确定，温度修正系数通过预先标定的温度与温度修正系数对应关系确定。
6.一种发动机，其特征在于：该发动机的控制器ECU采用如权利要求1-5任一所述的发动机负荷计算方法计算发动机负荷。
7.一种汽车，其特征在于：所述汽车采用如权利要求6所述的发动机。
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