CN109630289B - 基于燃烧模型重构缸内压力的发动机瞬时转矩估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于燃烧模型重构缸内压力的发动机瞬时转矩估计方法，属于发动机电子控制领域。该方法首先在多缸发动机中选取参考缸并安装缸内压力传感器；发动机曲轴位置传感器实时采集曲轴信号得到曲轴位置和实时转速；利用参考缸的缸内压力计算参考缸的气体作用力；利用燃烧模型得到每次迭代后当前转角对应的重构的每个气缸的缸内压力并进行修正，进而得到每个非参考缸的气体作用力；计算发动机的往复惯性力、旋转惯性力和摩擦转矩，并与所有气缸的气体作用力求和即可得到当前转角对应的发动机的瞬时转矩估计值。本发明只需安装一个缸压传感器，既能够保证气体作用力计算的精度，又节约成本，计算速度块，能够实现在线应用。

Description

基于燃烧模型重构缸内压力的发动机瞬时转矩估计方法

技术领域

本发明属于发动机电子控制领域，特别涉及一种基于燃烧模型重构缸内压力的发动机瞬时转矩估计方法。

背景技术

现代的电控发动机采用基于转矩的估计方式，即将司机的油门踏板位置和车速解读为整车的转矩需求，再根据转矩需求和车速确定其他的控制参数，比如循环喷油量和喷油正时等等。油门踏板位置、车速和转矩需求的关系通过MAP图表示。在传统电控系统中，该转矩需求为平均转矩，实际转矩需要驾驶员根据行车环境进行修正。在混合动力动力系统中，电机能够实现发动机的快速起动，因此发动机的怠速工况被取消。然而，发动机频繁起、停会对驾驶的舒适性造成威胁。另外，小负荷下发动机的转矩波动同样会威胁驾驶的舒适性。

解决这个问题的关键在于发动机瞬时转矩的估计。电控发动机高频控制问题，例如循环内的燃烧控制，需要发动机的瞬时转矩作为反馈信号。在混合动力系统中，电机可以通过更快速的响应速度来削减发动机的转矩波动，以提升驾驶过程的舒适性。之前的方法主要基于发动机的曲轴动力学模型进行发动机瞬时转矩的估计，这种方法难以实现准确的估计。如果要提高算法估计的准确性，需要考虑发动机运行过程中存在的非线性因素，模型复杂，难以实现在线应用。

综上所述，发动机瞬时转矩估计是先进电控发动机和混合动力系统高频动力学控制的前提和关键技术，随着混合动力技术的推广以及传统汽车高频动力学控制需求，能够在线应用的、可靠、准确的发动机瞬时转矩估计方法的出现很有必要。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于燃烧模型重构缸内压力的发动机瞬时转矩估计方法。该方法除了需要安装一个缸内压力传感器外，不需要加装额外的传感器。缸内压力传感器能够采集参考缸的缸内压力并可以用于修正其它缸的估计结果。燃烧模型通过发动机的喷油、进气和冷却等运行参数在燃烧过程发生之前即可重构发动机各个气缸的缸内压力，速度快，能够在线实现。本方法既避免了建立复杂的模型，又能够保证足够的估计精度。

本发明提出一种基于燃烧模型重构缸压的发动机瞬时转矩估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在多缸发动机中任意选取一个气缸作为参考缸并在参考缸中安装缸内压力传感器，缸内压力传感器实时采集参考缸的缸内压力；

2)发动机开始工作后，曲轴位置传感器实时采集曲轴信号处理得到曲轴位置信息和曲轴实时转速；

3)利用缸内压力传感器采集的参考缸的缸内压力计算参考缸的气体作用力；

4)利用燃烧模型得到每次迭代后重构的当前转角对应的每个气缸的缸内压力；具体步骤如下：

4-1)发动机电子控制单元ECU将发动机的运行状态参数，包括进气温度T₀、进气压力p₀、喷油正时和循环喷油量M_fuel，发送至燃烧模型作为发动机缸内燃烧的初始条件；

4-2)对于每个气缸，所述燃烧模型表达式如下：

a)当发动机处于进气冲程、排气冲程或者在压缩冲程喷油之前时，有如下表达式：

式中，P、V、T分别是气缸的缸内压力、体积和温度；i代表迭代次数，i＝1,2…，θ_i为第i次迭代时对应的当前曲轴转角；多方过程参数k＝1.25；初次迭代时，T(θ_i-1)＝T₀，P(θ_i-1)＝p0；

b)从喷油开始到排气冲程之前时，有如下表达式：

从始燃点开始到发动机排气门开启之间的缸内状态通过Wiebe方程进行描述；其中，双阶段Wiebe方程如下式表示：

式中，θ_SOC为燃烧开始时的曲轴转角位置，p、α₁、α₂、β₁和β₂为待定参数，MFB(θ_i)为当前转角θ_i对应的已燃燃料的质量分数；

式中，h_LHV为燃料热值，η为燃烧效率，M_IVC和C_Charge分别为充量质量和充量热容；

5)每次迭代后，将重构的参考缸的缸内压力与通过参考缸压传感器实时采集的参考气缸缸内压力一起，通过归一化做差修正算法，计算得到各个非参考缸当前转角对应的缸压修正量，其中第j个非参考缸在当前转角θ_i对应的缸压修正量为Δ_j(θ_i)；

6)计算修正后的每个非参考缸的重构缸内压力，表达式如下：

p_{g_j}(θ_i)＝p_j(θ_i)+Δ_j(θ_i)

式中，p_{g_j}(θ_i)为第j个非参考缸在当前转角θ_i对应的修正后的重构缸内压力，p_j(θ_i)为第j个非参考缸在当前转角θ_i对应的重构缸内压力；

7)利用每个非参考缸修正后的重构缸内压力计算对应的非参考缸的气体作用力，将所有非参考缸的气体作用力与参考缸的气体作用力求和得到气体作用力总转矩；

8)利用曲轴位置和曲轴实时转速实时计算发动机的往复惯性力、旋转惯性力和摩擦转矩；

9)将气体作用力总转矩、发动机的往复惯性力、旋转惯性力、摩擦转矩求和得到当前转角对应的发动机的瞬时转矩估计值；

10)令i＝i+1，重新返回步骤4)，进行下一次迭代。

本发明的特点及有益效果在于：

1)本发明只需采用一个缸内压力传感器，发动机曲轴位置传感器为电控发动机的标准配置，不需要额外的传感器，既能够保证气体作用力计算的精度，又节约了成本。

2)本发明的燃烧模型通过发动机的喷油、进气和冷却等运行参数在燃烧过程发生之前即可重构发动机的缸内压力，速度快，能够在线实现。

3)本发明重构的参考气缸缸内压力与缸内压力传感器采集的参考缸缸内压力进行比较，用来修正非参考气缸的缸内压力，消除了燃烧模型的系统误差，既避免了建立复杂的模型，又保证了瞬时转矩波动的估计精度。

具体实施方式

本发明提出一种基于燃烧模型重构缸内压力的发动机瞬时转矩估计方法，下面结合具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种基于燃烧模型重构缸内压力的发动机瞬时转矩估计方法，包括以下步骤：

1)在多缸发动机中任意选取一个气缸作为参考缸并在参考缸中安装缸内压力传感器，缸内压力传感器能够实时地采集参考缸的缸内压力信息，缸内压力传感器可采用任意常规型号。

2)发动机开始工作后，曲轴位置传感器实时采集曲轴信号处理得到曲轴位置信息和曲轴实时转速。

3)利用缸内压力传感器采集的参考缸的缸内压力计算参考缸的气体作用力。

4)利用燃烧模型得到每次迭代后重构大的当前转角对应的每个气缸的缸内压力；具体步骤如下：

4-1)ECU(发动机电子控制单元)将发动机的运行状态参数，包括进气温度T₀、进气压力p₀、喷油正时和循环喷油量M_fuel发送至燃烧模型作为发动机缸内燃烧的初始条件，并通过燃烧模型重构各个气缸的缸内压力。

4-2)对于每个气缸，所述燃烧模型表达式如下：

从发动机进气门关闭到燃烧始燃点之前的缸内状态可以进行如下描述：

a)当发动机处于进气冲程、排气冲程或者在压缩冲程喷油之前时，有，

式中，P、V、T分别是气缸的缸内压力、体积和温度；i代表迭代次数，i＝1,2…，θ_i为第i次迭代时对应的当前曲轴转角；多方过程参数k＝1.25；初次迭代时，T(θ_i-1)＝T₀，P(θ_i-1)＝p₀，初始压力和温度可以通过进气压力传感器和温度传感器信号确定。

b)从喷油开始到排气冲程之前时，有

从始燃点开始到发动机排气门开启之间的缸内状态可以通过Wiebe方程进行描述。其中，双阶段Wiebe方程如下式表示：

式中，θ_SOC为燃烧开始时的曲轴转角位置，p、α₁、α₂、β₁和β₂为待定参数。MFB(θ_i)为当前转角θ_i对应的已燃燃料的质量分数。

式中，多方过程参数k＝1.25，M_fuel为循环喷油量，h_LHV为燃料热值，η为燃烧效率，M_IVC和C_Charge分别为充量质量和充量热容；缸内压力可以采用如下公式进行计算。每个缸的压力均可以采用相同的方法进行计算，需要根据发动机发火顺序对曲轴转角进行修正。

5)每次迭代后，将重构的参考缸的缸内压力与通过参考缸内压力传感器实时采集的参考气缸缸内压力一起，通过归一化做差修正算法，计算得到各个非参考缸当前转角对应的的缸内压力修正量，用于非参考缸重构压力的修正，以消除燃烧模型存在的系统误差；其中第j个非参考缸在当前转角θ_i时对应的缸压修正量为Δ_j(θ_i)。

6)计算修正后的每个非参考缸的重构缸内压力，表达式如下：

p_{g_j}(θ_i)＝p_j(θ_i)+Δ_j(θ_i)

式中，p_{g_j}(θ_i)为第j个非参考缸在当前转角θ_i对应的修正后的重构缸内压力，p_j(θ_i)为第j个非参考缸在当前转角θ_i对应的重构缸内压力；

7)利用每个非参考缸修正后的重构缸内压力计算对应的非参考缸的气体作用力，将所有非参考缸的气体作用力与参考缸的气体作用力求和得到气体作用力总转矩。

8)利用曲轴位置和曲轴实时转速实时计算发动机的往复惯性力、旋转惯性力和摩擦转矩。

9)将气体作用力总转矩、发动机的往复惯性力、旋转惯性力、摩擦转矩求和即可得到当前转角对应的发动机的瞬时转矩估计值；

10)令i＝i+1，重新返回步骤4)，进行下一次迭代。

上述实施方式仅用于说明发动机瞬时转矩估计的方法和步骤，燃烧模型实例仅用于说明本发明的可行性，其中各个部件的结构、型号、连接方式和制作工艺都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的同等变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种基于燃烧模型重构缸压的发动机瞬时转矩估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在多缸发动机中任意选取一个气缸作为参考缸并在参考缸中安装缸内压力传感器，缸内压力传感器实时采集参考缸的缸内压力；

2)发动机开始工作后，曲轴位置传感器实时采集曲轴信号处理得到曲轴位置信息和曲轴实时转速；

3)利用缸内压力传感器采集的参考缸的缸内压力计算参考缸的气体作用力；

4)利用燃烧模型得到每次迭代后重构的当前转角对应的每个气缸的缸内压力；具体步骤如下：

4-1)发动机电子控制单元ECU将发动机的运行状态参数，包括进气温度T₀、进气压力p₀、喷油正时和循环喷油量M_fuel，发送至燃烧模型作为发动机缸内燃烧的初始条件；

4-2)对于每个气缸，所述燃烧模型表达式如下：

a)当发动机处于进气冲程、排气冲程或者在压缩冲程喷油之前时，有如下表达式：

式中，P、V、T分别是气缸的缸内压力、体积和温度；i代表迭代次数，i＝1,2…，θ_i为第i次迭代时对应的当前曲轴转角；多方过程参数k＝1.25；初次迭代时，T(θ_i-1)＝T₀，P(θ_i-1)＝p₀；

b)从喷油开始到排气冲程之前时，有如下表达式：

从始燃点开始到发动机排气门开启之间的缸内状态通过Wiebe方程进行描述；其中，所述Wiebe方程如下式表示：

式中，θ_SOC为燃烧开始时的曲轴转角位置，p、α₁、α₂、β₁和β₂为待定参数，MFB(θ_i)为当前转角θ_i对应的已燃燃料的质量分数；

式中，h_LHV为燃料热值，η为燃烧效率，M_IVC和C_Charge分别为充量质量和充量热容；

5)每次迭代后，将重构的参考缸的缸内压力与通过参考缸压传感器实时采集的参考气缸缸内压力一起，通过归一化做差修正算法，计算得到各个非参考缸当前转角对应的缸压修正量，其中第j个非参考缸在当前转角θ_i对应的缸压修正量为Δ_j(θ_i)；

6)计算修正后的每个非参考缸的重构缸内压力，表达式如下：

p_{g_j}(θ_i)＝p_j(θ_i)+Δ_j(θ_i)

式中，p_{g_j}(θ_i)为第j个非参考缸在当前转角θ_i对应的修正后的重构缸内压力，p_j(θ_i)为第j个非参考缸在当前转角θ_i对应的重构缸内压力；

7)利用每个非参考缸修正后的重构缸内压力计算对应的非参考缸的气体作用力，将所有非参考缸的气体作用力与参考缸的气体作用力求和得到气体作用力总转矩；

8)利用曲轴位置和曲轴实时转速实时计算发动机的往复惯性力、旋转惯性力和摩擦转矩；

9)将气体作用力总转矩、发动机的往复惯性力、旋转惯性力、摩擦转矩求和得到当前转角对应的发动机的瞬时转矩估计值；

10)令i＝i+1，重新返回步骤4)，进行下一次迭代。