CN109211572A - 一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测装置及方法，其根据缸内动态压力与气缸容积变化率的乘积积分分别得到循环作功量、泵气损失功，除以排量即得到发动机高压循环平均指示压力IMEP、发动机低压循环平均泵气损失压力PMEP，发动机的净平均指示压力NMEP＝IMEP‑PMEP，基于实测发动机转速和进气压力，在发动机的稳态台架性能图谱Map上插值得到机械损失压力FMEP，根据计算出的IMEP和PMEP结合插值得到的FMEP，计算发动机的BMEP，并结合发动机的排量计算出发动机的扭矩。本发明能够解决至今为止发动机在瞬变工况下的扭矩难以精确在线检测的难题。

Description

一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测装置及方法

技术领域

本发明涉及内燃机测试技术领域，尤其涉及一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测装置及方法。

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实时扭矩的精确实时监测控制技术是实现节能减排的关键。

发动机的性能开发与运行参数的优化、标定，通常是在稳态下完成的；而车用发动机的实际运行工况大部分是瞬变工况。因此瞬变工况下的性能决定了发动机的实际动力性、经济性与排放水平；如若在整车状态下检测发动机的实时输出扭矩，现在国内乃至世界上，企业，高校以及科研机构一般通过在输出轴上加装扭矩传感器检测整车运行状态下发动机的扭矩。但扭矩传感器一方面价格昂贵，另一方面要安装在一辆实际运行的车上也有一定难度，其通用性差(对于每一发动机输出轴都需进行重新标定)而且往往由于发动机输出轴与变速器之间的布置空间不容许而无法实测；故此种检测方法具有一定的局限性。同时，也有其它方法来测量整车运行状态下发动机的扭矩，但是在精度方面都不太令人满意。由于缺乏检测方法及技术，发动机在整车上的实际性能表现往往不可知；与稳态台架标定结果的差异以及诱因，往往说不清楚；台架稳态标定参数在瞬变状态下的优劣程度，往往扑朔迷离；那么，发动机在整车状态下对其扭矩的精确实时监测控制技术具有重要的实用价值。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测装置及方法，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实时扭矩的技术问题。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测装置及方法，其包括：

步骤S2，获取发动机转速、发动机进气侧压力和缸内动态压力；

步骤S3，根据缸内动态压力与气缸容积变化率的乘积积分分别得到循环作功量、泵气损失功，除以排量即得到发动机高压循环平均指示压力IMEP；发动机低压循环平均泵气损失压力PMEP，并依据IMEP和PMEP得到发动机的净平均指示压力NMEP＝IMEP-PMEP；

步骤S4，基于实测发动机转速和发动机进气侧压力，在发动机的稳态台架性能实测Map上插值得到机械损失压力FMEP；

步骤S5，根据计算出的IMEP和PMEP结合插值得到的FMEP，计算发动机的平均有效压力BMEP，并结合发动机的排量计算出发动机的扭矩。

更优选地，所述步骤S2具体包括：

通过转速传感器读取发动机转速；

通过进气侧压力传感器测得进气压力值；

通过气缸动态压力传感器采集出缸内动态压力值。

更优选地，所述步骤S3具体包括：

气缸的瞬时容积采用如下公式计算：

其中，V为气缸的瞬时容积；D为气缸直径；S为活塞行程；ε为气缸压缩比；λ为曲柄连杆比；为曲轴转角；

在发动机的一个完整的工作循环中，发动机的净平均指示压力NMEP采用如下公式计算：

NMEP＝IMEP-PMEP 公式(4)

其中，公式(4)中的IMEP为发动机的高压循环平均指示压力，其采用如下公式(2)计算得出：

其中公式(4)中PMEP为发动机的低压循环平均泵气损失压力，其采用如下公式(3)计算：

上述公式(2)和公式(3)中，为缸内动态压力中在曲轴转角为位置时对应的瞬时压力；dV为气缸工作容积的微分；V_h为气缸的有效工作容积。

更优选地，所述步骤S5具体包括：

根据计算出的发动机高压循环平均指示压力IMEP和发动机低压循环平均泵气损失压力PMEP结合插值得到的机械损失压力FMEP，根据以下公式计算发动机的平均有效压力BMEP：

BMEP＝IMEP-PMEP-FMEP 公式(5)

再结合发动机的排量计算出发动机的扭矩，公式如下：

其中，T_tq为发动机的瞬态扭矩，τ为冲程数，BMEP为发动机的平均有效压力，V_h为气缸的有效工作容积。

本发明还提供一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测装置，其包括：

进气侧动态压力传感器、缸内动态压力传感器、转速传感器、电荷放大器、瞬态数据采集设备和计算机；

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，用来测量发动机的进气侧压力，并输出相应的传感信号；

所述缸内动态压力传感器安装在火花塞处，用来实时测量缸内动态压力，并输出相应的传感信号；

所述进气侧动态压力传感器和缸内动态压力传感器输出的传感信号经过电荷放大器转换为电压信号，并通过屏蔽线输入到瞬态数据采集设备进行采集；

转速信号通过所述发动机的转速传感器传输给所述瞬态数据采集设备中；

所述计算机与所述瞬态数据采集设备通过数据线连接，获取发动机转速、发动机的进气侧压力、缸内动态压力；根据获取到的数据计算出发动机高压循环平均指示压力IMEP和发动机低压循环平均泵气损失压力PMEP，并依据转速信号与发动机的进气侧压力来插值得到机械损失压力FMEP，计算发动机的平均有效压力BMEP，再结合发动机的排量计算出发动机的扭矩。

本发明的有益效果在于：

1)本发明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为发动机瞬态工况下扭矩的在线检测提供一种切实可行的解决方案，并用于分析、理解瞬态过程中扭矩的标定结果；

2)本发明采用一个动态压力传感器，降低了仿真运算的范围，结果更加精准，运算速度更快；

3)本发明无需在输出轴上加装扭矩传感器即可对发动机的瞬态扭矩进行在线检测，可用于整车测量，应用范围更加广泛；

5)本发明通过与发动机台架的实测结果和采用应变片式扭矩仪在整车上实测的结果相对比，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。

附图说明

图1为本发明的在线检测装置的结构示意图；

图2为本发明在线检测方法的流程图；

图3-1为本发明中瞬态工况下某发动机转速的变化曲线示意图；

图3-2为本发明中瞬态工况下某发动机各缸的IMEP循环均匀性的对比示意图；

图3-3为本发明中瞬态工况下某发动机1缸IMEP循环变化率展示图；

图3-4为本发明中瞬态工况下某发动机2缸IMEP循环变化率展示图；

图3-5为本发明中瞬态工况下某发动机3缸IMEP循环变化率展示图；

图3-6为本发明中瞬态工况下某发动机4缸IMEP循环变化率展示图；

图3-7为本发明中瞬态工况下某发动机过量空气系数Lambda各缸均匀性的对比示意图；

图3-8为本发明中瞬态工况下某发动机1缸过量空气系数Lambda的变化率展示图；

图3-9为本发明中瞬态工况下某发动机2缸过量空气系数Lambda的变化率展示图；

图3-10为本发明中瞬态工况下某发动机3缸过量空气系数Lambda的变化率展示图；

图3-11为本发明中瞬态工况下某发动机4缸过量空气系数Lambda的变化率展示图；

图4为本发明中台架上恒转速、全负荷加载(Load-Step)试验(2000转每分钟、0.2秒)扭矩计算值与实测值对比示意图；

图5为本发明中整车试验动力性能测试方法的示意图；

图6为本发明中道路工况下某乘用车轮端扭矩实测结果与基于本方法计算结果对比示意图。

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。

本发明提供一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测装置，其结构如图1所示，包括如下零部件：

进气侧动态压力传感器1，气缸动态压力传感器2、转速传感器3、电荷放大器4、瞬态数据采集设备5和计算机6；

进气侧动态压力传感器1和气缸动态压力传感器2均为动态压力传感器。通过这两个动态压力传感器，可以直接读取出压力值。

其中进气侧动态压力传感器1安装在进气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧，可以距离该歧管侧10～20mm，用来测量发动机的进气侧压力。

其中的气缸动态压力传感器2安装在火花塞处，其采用火花塞式动态压力传感器，用来实时测量缸内动态压力。

将进气侧动态压力传感器1和气缸动态压力传感器2输出的电荷信号经过电荷放大器4转换为电压信号，并通过屏蔽线输入到瞬态数据采集设备5进行采集。

所述转速信号可与发动机原有转速传感器3共用，在转速输出信号线上并联一组屏蔽线束，将转速信号输入到瞬态数据采集设备5中。

在发动机的转速传感器3的转速输出信号线上并联一组屏蔽线束，将转速信号输入到瞬态数据检测设备5中，瞬态数据采集设备5在该实施例中具体为采用燃烧分析仪，将发动机转动一转的转速信号划分为360度曲轴转角，即产生360个曲轴转角信号，其中包含1个触发信号。曲轴转角信号通常为脉冲信号，360个曲轴转角信号对应360个脉冲，触发信号对应的脉冲幅值高于其它脉冲。

上述计算机6与瞬态数据采集设备5通过数据线连接，接收瞬态数据采集设备5采集到对应的读值，获取到发动机转速、发动机的进气侧压力、缸内动态压力；并利用这些读值计算出发动机高压循环平均指示压力(用IMEP表示)和发动机低压循环平均泵气损失压力(用PMEP表示)，并依据发动机的转速与发动机的进气侧压力来插值得到机械损失压力(用FMEP表示)，计算发动机的平均有效压力(用BMEP表示)，再结合发动机的排量计算出发动机的扭矩。

本发明还提供一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测方法，其利用上述的一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测装置，采用现代先进检测技术与仿真技术相结合的方法能够准确地检测发动机运行中的实时输出扭矩，解决了发动机搭载在整车状态下的实时扭矩难以准确测量的难题。

在实施本实施例之前，需要事先做好以下工作：

按照如图1所示的一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测装置的结构，布置好各个传感器、电子控制单元(用ECU表示)和信号放大器等各个元器件。具体设置位置在前面已经描述清楚，这里不再详细描述。安装完毕并调试好。

本发明的一种发动机搭载在整车状态下的实时扭矩在线检测方法，其实施流程如图2所示，包括如下步骤：

步骤S1、启动发动机运行，并完成各个信号处理器。

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参数及传感器的参数，在进行正式试验之前，需调整上止点，并将上止点信息储存在检测软件中，避免发动机重启后丢失上止点。

步骤S2，检测发动机转速、发动机进气侧压力、缸内动态压力。

通过转速传感器3读取发动机转速；

通过进气压力传感器1读取发动机进气侧压力；

通过缸内动态压力传感器2采集出缸内动态压力。

步骤S3，根据缸内动态压力与气缸容积变化率的乘积积分分别得到循环作功量、泵气损失功，除以排量即得到IMEP、PMEP，NMEP＝IMEP-PMEP。具体计算过程如下：

1、气缸的瞬时容积采用如下公式计算：

其中，V为气缸的瞬时容积；D为气缸直径；S为活塞行程；ε为气缸压缩比；λ为曲柄连杆比；为曲轴转角。

2、计算高压循环中的平均指示压力

按照工作过程中压力的高低，可以将一台四冲程发动机的一个完整工作循环分为高压循环和低压循环。其中低压循环由吸气过程和排气过程组成，高压循环由压缩过程和燃烧膨胀过程组成。高压循环中的平均指示压力，采用如下公式计算：

其中，IMEP_HP为发动机高压循环平均指示压力，下标“HP”代表“高压”，书写时通常省略下标，即高压循环平均指示压力可表示为IMEP；为缸内动态压力值中的位置时对应的瞬时压力；dV为气缸工作容积的微分；V_h为气缸的有效工作容积；在此默认点火上止点为曲轴转角零点。

3、低压循环过程的平均泵气损失压力采用如下公式计算：

其中，PMEP为发动机的平均泵气损失压力，为缸内动态压力在曲轴转角为位置时对应的瞬时压力；dV为气缸工作容积的微分；V_h为气缸的有效工作容积。

4、在一个完整的工作循环中，发动机的净平均指示压力采用如下公式计算：

NMEP＝IMEP-PMEP 公式(4)

其中，NMEP发动机的净平均指示压力；IMEP为发动机高压循环平均指示压力；PMEP为发动机低压循环平均泵气损失压力。

步骤S4，基于实测发动机转速和进气压力，在发动机的稳态台架性能实测Map上插值得到机械损失压力，用FMEP表示；

机械损失压力FMEP可以通过稳态台架试验测得，但稳态试验测得的机械损失压力往往包括了泵气损失压力。因此对于瞬态的机械损失压力，基于实测的发动机瞬态转速以及进气压力，在发动机的稳态台架试验所获得的发动机性能MAP中插值求得。如果稳态发动机性能MAP，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。

步骤S5，根据计算出的IMEP和PMEP结合插值得到的FMEP，计算发动机的平均有效压力BMEP，并结合发动机的排量计算出发动机的瞬态扭矩。具体计算过程如下：

1、计算发动机的平均有效压力BMEP：

BMEP＝IMEP-PMEP-FMEP 公式(5)

2、计算发动机的瞬态扭矩：

计算出发动机额平均有效压力后，再结合发动机的排量计算发动机的瞬态扭矩，具体公式如下：

其中，T_tq为发动机的瞬态扭矩，τ为冲程数(对四冲程内燃机：τ＝4，对二冲程内燃机：τ＝2)；BMEP为发动机的平均有效压力。

步骤S6，判断当前工况是否结束，若是，则执行步骤S7；若否，则返回步骤S2；

步骤S7，输出结果和评价。

下面通过实验对上述本发明提供的一种发动机搭载在整车状态下的实时扭矩在线检测方法的可行性以及通过该方法得到的检测结果的精确度进行验证，具体如下：

由于本方法只选取了一个缸的缸压进行数据采集，所以需要考虑在瞬态工况下多缸机的缸与缸之间的差异性。气体动力学过程的不平衡，每个气缸内的新鲜充气量和残留气体量的差异，以及实际压缩比、燃烧过程的差异性导致每个气缸产生的IMEP和NMEP可能不同，这是本方法的精度误差的主要来源。那么问题是这种差异有多大，以及哪个气缸或哪些气缸是能代表整个发动机的最典型气缸。

以四缸汽油机为例，每一个气缸均安装有动态压力传感器，同时测量了所有四个气缸中的瞬态缸压。图3-1所示，是发动机转速的变化，图3-2所示表示了瞬态工况下自然吸气发动机的四个气缸中每一气缸产生的高压回路IMEP。在图3-3至图3-6中比较了瞬态工况下自然吸气发动机中每个气缸的IMEP循环变动率。图3-7所示四个气缸中每一个缸的过量空气系数(用Lambda表示)。在图3-8至图3-11中比较了每个气缸的Lambda循环变动率，由图3-1至图3-11可知，各缸IMEP的差别主要来自于缸与缸之间循环进气量与喷油量的细微差别(较浓的缸IMEP较大)；另外，循环变动率也是导致多缸机各缸性能不均匀的诱因。由此可知，除怠速工况(负荷为0或接近于0时)以外，各缸IMEP与平均值的差别不大于5％；各缸IMEP与平均值的差别的模式固定：即低于平均值者总是低于平均值，反之亦然。因此，可以通过对一个缸的缸压进行数据采集来表征整个发动机的性能，上述一种发动机搭载在整车状态下的实时扭矩的在线检测方法是可行的。

为了验证检测结果的准确性，分别开展台架瞬态(Load step)试验以及整车道路循环试验，将本发明提出的上述一种发动机搭载在整车状态下的实时扭矩的在线间接检测方法及装置应用到发动机的瞬态试验，连续检测发动机的瞬态扭矩，将取得的检测结果进行对比。具体的实验过程详细如下：

1、台架瞬态(Load step)试验

由于发动机台架瞬态性能可以认为是台架稳态工况到整车瞬态工况之间的过渡，因此拟开展典型转速下(如2000转每分钟等)恒转速全负荷加载瞬态试验研究。将自行开发的发动机瞬态检测技术应用于该试验，试验方法为：首先将发动机稳定在各种转速下的某一小负荷工况；然后节气门在预定时间内全开，测功机按等转速控制模式运行；之后全程记录发动机进气压力、扭矩和转速等参数。压力传感器采集的瞬态缸压和进气压力信号通过电荷放大器转换后输入瞬态检测分析仪，转速信号由专用通道输入瞬态检测分析仪。瞬态检测分析仪获取发动机转速信号后，将转速信号转换为角标信号(曲轴转角信号)，然后基于曲轴转角信号记录缸压、进气压力等瞬态信号。然后，瞬态缸压和进气压力信号实时耦合到瞬态检测分析仪里面的计算程序(软件)，由此可以得到IMEP、PMEP等性能参数，继而得到发动机的瞬态扭矩。

图4示发动机台架上恒转速、全负荷加载(Load-Step)试验扭矩计算值与实测值对比。从图中可以看到：基于缸压计算得出的发动机瞬时扭矩，与发动机台架的实测结果吻合良好，表明开发的基于实测缸压的发动机扭矩间接检测技术有相当高的精度可信度。

2、整车道路循环试验

通过整车道路循环试验对该方法的精度进行了验证。在车辆驱动轴上安装扭矩仪(由应变片、信号输出设备和信号接收器组合，如图5所示)，记录车辆运行时输出的瞬态扭矩。应变片式扭矩仪设备安装方式如下：

拆下曲轴半轴，在其表面合适位置安装应变片及信号输出设备；

对扭矩测量设备进行标定；

将驱动半轴重新装回到整车上；

将无线信号接收器安装在里驱动半轴较近的侧翼板上；

无线信号接收器与信号转换模块连接，并将数据传输到电脑上进行监控与采集。

将实测的瞬态工况下车轮端扭矩与基于瞬态缸压计算得到的结果进行对比，如图6所示。可以看到，基于瞬态缸压计算得到的结果与扭矩仪实测值高度吻合。从而很好地验证了通过本方法得到的检测结果的精度。

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 (5)

1.一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测方法，其特征在于，所述在线检测方法包括：

步骤S1，获取发动机转速、发动机进气侧压力和缸内动态压力；

步骤S2，根据缸内动态压力与气缸容积变化率的乘积积分分别得到循环作功量、泵气损失功，除以排量即得到发动机高压循环平均指示压力IMEP；发动机低压循环平均泵气损失压力PMEP，并依据IMEP和PMEP得到发动机的净平均指示压力NMEP＝IMEP-PMEP；

步骤S3，基于实测发动机转速和发动机进气侧压力，在发动机的稳态台架性能实测Map上插值得到机械损失压力FMEP；

步骤S4，根据计算出的IMEP和PMEP结合插值得到的FMEP，计算发动机的平均有效压力BMEP，并结合发动机的排量计算出发动机的扭矩。

2.根据权利要求1所述的一种发动机搭载在整车状态下的实时扭矩的在线检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

通过转速传感器(3)读取发动机转速；

通过进气侧压力传感器(1)测得进气压力值；

通过气缸动态压力传感器(2)采集出缸内动态压力值。

3.根据权利要求1所述的一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

气缸的瞬时容积采用如下公式计算：

其中，V为气缸的瞬时容积；D为气缸直径；S为活塞行程；ε为气缸压缩比；λ为曲柄连杆比；为曲轴转角；

在发动机的一个完整的工作循环中，发动机的净平均指示压力NMEP采用如下公式计算：

NMEP＝IMEP-PMEP 公式(4)

其中，公式(4)中的IMEP为发动机的高压循环平均指示压力，其采用如下公式(2)计算得出：

其中公式(4)中PMEP为发动机的低压循环平均泵气损失压力，其采用如下公式(3)计算：

上述公式(2)和公式(3)中，为缸内动态压力中在曲轴转角为位置时对应的瞬时压力；dV为气缸工作容积的微分；V_h为气缸的有效工作容积。

4.根据权利要求1所述的一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测方法，其特征在于，步骤S5具体包括：

根据计算出的发动机高压循环平均指示压力IMEP和发动机低压循环平均泵气损失压力PMEP结合插值得到的机械损失压力FMEP，根据以下公式计算发动机的平均有效压力BMEP：

BMEP＝IMEP-PMEP-FMEP 公式(5)

再结合发动机的排量计算出发动机的扭矩，公式如下：

其中，T_tq为发动机的瞬态扭矩，τ为冲程数，BMEP为发动机的平均有效压力，V_h为气缸的有效工作容积。

5.一种整车状态下发动机实时扭矩的在线检测装置，其特征在于，所述在线检测装置包括：

进气侧动态压力传感器(1)、缸内动态压力传感器(2)、转速传感器(3)、电荷放大器(4)、瞬态数据采集设备(5)和计算机(6)；

所述进气侧动态压力传感器(1)安装在进气歧管与气缸盖交接面靠歧管侧，用来测量发动机的进气侧压力，并输出相应的传感信号；

所述缸内动态压力传感器(2)安装在火花塞处，用来实时测量缸内动态压力，并输出相应的传感信号；

所述进气侧动态压力传感器(1)和缸内动态压力传感器(2)输出的传感信号经过电荷放大器(4)转换为电压信号，并通过屏蔽线输入到瞬态数据采集设备(5)进行采集；

转速信号通过所述发动机的转速传感器(3)传输给所述瞬态数据采集设备(5)中；

所述计算机(6)与所述瞬态数据采集设备(5)通过数据线连接，获取发动机转速、发动机的进气侧压力、缸内动态压力；根据获取到的数据计算出发动机高压循环平均指示压力IMEP和发动机低压循环平均泵气损失压力PMEP，并依据转速信号与发动机的进气侧压力来插值得到机械损失压力FMEP，计算发动机的平均有效压力BMEP，再结合发动机的排量计算出发动机的扭矩。