CN110334454B - 一种发动机排气流量计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于排气压差的发动机排气流量计算方法及系统，能够根据发动机实时转速计算发动机排气流量。该方法包括以下步骤：获取当前发动机排气压差数据、发动机排气温度数据、发动机排气绝对压力数据以及发动机转速数据；对当前发动机排气压差数据进行多点移动平均光顺滤波处理；根据发动机转速，计算发动机单循环周期；根据发动机单循环周期，计算发动机排气压差平均点数；根据压差平均点数对多点移动平均光顺后的当前发动机排气压差数据进行平均，得到发动机平均排气压差；利用发动机平均排气压差，计算发动机排气流量值。
Description
技术领域
本公开涉及发动机测试技术领域，具体涉及一种基于排气压差的发动机排气流量计算方法及系统。
背景技术
发动机作为人类社会不可缺少动力输出装置，在我们的日常生活中扮演着至关重要的角色。发动机从设计研发到装车应用，中间有若干次的测试。尤其是在排放法规要求越来越严格的今天，发动机排放测试变得越来越重要。发动机排气流量是发动机测试中至关重要的参数，根据这一参数才能估算出发动机的排放数值，并跟法规对比。
发动机的排气流量由于其温度高，脉动大以及流量检测装备不能产生大的压降而影响发动机正常工作等原因，目前应用最多的是压差式流量计。
发动机的排气流量与发动机转速密切相关，尤其是在转速波动大的时候，排气流量随转速波动明显。目前差压式流量计大多采用连续固定点数移动平均的方法，这种方法具有以下弊端：(1)移动平均点数较多，处理器运算速度较慢；(2)不能够和发动机转速挂钩，动态响应度不够。
发明人在研发过程中发现，基于压差测量发动机排气流量的方法通常对采集系统有较高的要求，要求其具有较高的采集频率以及分辨率，这无疑提高了系统的复杂度和价格。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于排气压差的发动机排气流量计算方法及系统，能够根据发动机实时转速计算发动机排气流量。
本公开一方面提供的一种发动机排气流量计算方法的技术方案是：
一种发动机排气流量计算方法，该方法包括以下步骤：
获取当前发动机排气压差数据、发动机排气温度数据、发动机排气绝对压力数据以及发动机转速数据；
对当前发动机排气压差数据进行多点移动平均光顺滤波处理；
根据发动机转速，计算发动机单循环周期；
根据发动机单循环周期，计算发动机排气压差平均点数；
根据压差平均点数对多点移动平均光顺后的当前发动机排气压差数据进行平均，得到发动机平均排气压差；
利用发动机平均排气压差，计算发动机排气流量值。
本公开一方面提供的一种发动机排气流量计算系统的技术方案是：
一种发动机排气流量计算系统，该系统包括压差采集装置、主控装置以及转速采集装置；
所述压差采集装置采集当前发动机排气压差数据、排气温度数据和排气绝对压力数据，并传输至主控装置，所述转速采集装置采集发动机转速数据并传输至主控装置；
所述主控装置获取当前发动机排气压差数据、发动机排气温度数据、发动机排气绝对压力数据以及发动机转速数据；对当前发动机排气压差数据进行多点移动平均光顺滤波处理；根据发动机转速，计算发动机单循环周期；根据发动机单循环周期，计算发动机排气压差平均点数；根据压差平均点数对多点移动平均光顺后的当前发动机排气压差数据进行平均，得到发动机平均排气压差；利用发动机平均排气压差，计算发动机排气流量值。
通过上述技术方案，本公开的有益效果是：
(1)本公开能够根据发动机转速实时计算排气流量，根据不同转速确定压差式流量计的平均点数，提高处理器的运算速度，并将流量与发动机转速建立联系；
(2)本公开获取发动机转速的方法可以通过整车已有转速传感器和整车通讯协议获得转速；
(3)本公开能够在满足测量精度指标的情况下降低流量计采集系统分辨率和频率阈值；
(4)本公开采用双核处理器技术，一个处理器用于获取发动机转速，另一个处理器用于根据转速估算流量，双核处理器之间实现数据的实时共享，不影响系统运算速度，实现高动态性；
(5)本公开具有冗余设计，按照发动机排量及发动机工作过程中的负荷情况设有四档压差传感器。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。
图1是实施例一发动机排气流量计算系统的结构图；
图2是实施例一取压探针的结构图；
图3是实施例一取压探针截面图；
图4是实施例二发动机排气流量计算方法的流程图；
图5是实施例一3000r/min压差原始波形图；
图6是实施例一原始波形的傅里叶分解图；
图7是实施例一9点移动光顺后压差波形图；
图8是实施例一9点移动平均波形的傅里叶分解图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例提供一种基于排气压差的发动机排气流量计算系统，请参阅附图1，该发动机排气流量计算系统包括压差采集装置、主控装置以及转速采集装置；所述压差采集装置采集当前发动机排气压差数据、排气温度数据和排气绝对压力数据，并传输至主控装置，所述转速采集装置采集发动机转速数据并传输至主控模装置，主控装置获取当前发动机排气压差数据、排气温度数据、排气绝对压力数据以及发动机转速数据，对发动机排气压差数据进行九点移动平均光顺滤波处理，根据转速计算发动机单循环周期，利用发动机单循环周期计算发动机排气压差平均点数，根据压差平均点数对滤波处理后的压差数据进行平均，得到发动机排气平均压差；利用发动机排气平均压差，计算发动机排气流量值。
请参阅附图1，所述压差采集装置包括壳体、安装在壳体内的总压引导管6、静压引导管3、绝对压力引导管(图中未画出)和温度数据传输导线，以及设置在壳体底部的压差测量口、绝对压力取压口8和排气温度测量口7，所述压差测量口内设置有压差取压探针2，所述压差取压探针2的一端与总压引导管6、静压引导管3连通，另一端向下延伸至发动机排气管1内，用于获取发动机排气总压和静压并传输至总压引导管6和静压引导管3；所述排气温度测量口7内设置有热电偶，所述热电偶的一端向下延伸至发动机排气管内中部，另一端与温度数据传输导线电连接，用于采集发动机排气管温度数据；所述绝对压力取压口7内设置有绝对压力取压探针，所述绝对压力取压探针的一端与绝对压力引导管连通，另一端向下延伸至发动机排气管1内，用于获取发动机排气绝对压力，并传输至绝对压力引导管内。
请参阅附图1，所述压差采集装置与主控装置之间连接有总管，所述总压引导管6、静压引导管3、绝对压力引导管(图中未画出)和温度数据传输导线的一端分别穿过总管与主控装置连接，将发动机排气压差气流、发动机排气绝对压力气流传输至主控装置内，将发动机排气管温度数据传输至主控装置的DSP控制器。
请参阅附图2，所述压差取压探针2采用菱形设计，取压孔截面如图3所示。发动机排气在排气管中流动，探针取压孔A为迎流方向，取得排气滞止压力(总压)d_PressA，取压孔B为背流方向，取得排气静压，滞止压力d_PressB，分别沿总压引导管路和静压引导管路进入主控装置中电路板上的压差传感器。
在本实施例中，探针采用菱形形式，探针轴向孔布置采用切比雪夫对数方法，还可以采用其他方式，如探针截面可采用子弹头形、翼形等，孔布置方式可采用高斯近似积分法、线性-对数法等。
请参阅附图1，所述主控装置包括壳体和设置在壳体内的主控电路板，所述主控电路板上设置有4路压差传感器、信号调理电路、AD变换电路和DSP控制器。
所述4路压差传感器经信号调理电路和AD变换电路与DSP控制器连接，压差传感器采集当前发动机排气压差数据和排气绝对压力数据，经过信号调理电路放大和AD变换电路转换后，传输至DSP控制器，DSP控制器还与温度数据传输导线电连接，用于获取热电偶采集的排气温度数据；所述DSP控制器还与转速采集装置连接，用于获取转速采集装置采集的转速数据，得到发动机转速；DSP控制器对发动机排气压差数据进行九点移动平均光顺滤波处理，根据转速计算发动机单循环周期，利用发动机单循环周期计算发动机排气压差平均点数，根据压差平均点数对滤波处理后的压差数据进行平均，得到发动机排气平均压差；利用发动机排气平均压差，计算发动机排气流量值。
排气压差进入压差传感器后，压差传感器对应输出电压模拟量，经过仪表运放进行调理放大后以差分电压方式进入AD变换芯片AD7172-2(5kHz采集频率、24位分辨率)，AD变换为数字量后通过SPI方式将数据发送到DSP控制器。
本实施例的DSP控制器采用TI公司双核DSP控制器TMS320F28375D，具有双核设计，DSP外设可配置成某一核，支持浮点运算，最高200MHz主频运行，单核128k RAM，单核1MBFlash。CPU的两个核之间数据可以共享。
压差传感器要求高精度高分辨率。发动机排气压差按照发动机排量及发动机负荷不同可从0Pa变化到30kPa不等，为准确测量各量程段压差，本实施例设有4个霍尼韦尔压差传感器，量程分别为±0～249Pa、±0～2490Pa、±0～6895Pa、±0～34475Pa。
在本实施例中，所述转速采集装置可为转速传感器，也可为现有的整车监控系统。
转速传感器通常为输出脉冲形式，可应用DSP输入捕捉功能计算发动机转速。DSP的主核采集压差数据、排气管温度、排气绝对压力，根据获得的参数计算发动机排气流量。
目前整车监控系统数据通讯大多采用CAN总线方式，且通讯协议已标准化。DSP具有CAN总线通讯功能，可应用CAN总线的方式直接通过整车CAN通讯网络从整车监控系统获取转速。
本实施例提出的发动机排气流量计算系统，能够根据发动机转速实时计算排气流量，根据不同转速确定压差式流量计的平均点数，提高处理器的运算速度，并将流量与发动机转速建立联系；获取发动机转速的方法可以通过整车已有转速传感器或整车通讯协议获得转速；能够在满足测量精度指标的情况下降低流量计采集系统分辨率和频率阈值；采用双核处理器技术，一个处理器核用于估算发动机转速，另一个处理器核用于根据转速估算流量，双核处理器之间实现数据的实时共享，不影响系统运算速度，实现高动态性；具有冗余设计，按照发动机排量及发动机工作过程中的负荷情况设有四档压差传感器。
实施例二
本实施例提供一种基于排气压差的发动机排气流量计算方法，该方法是基于实施例一所述的发动机排气流量计算系统实现的。
请参阅附图4，所述基于排气压差的发动机排气流量计算方法包括以下步骤：
S101，获取当前发动机排气压差数据、排气温度数据、排气绝对压力数据以及发动机转速数据。
在本实施例中，通过压差采集装置采集当前发动机排气压差数据、排气温度数据和排气绝对压力数据，并传输至主控装置。
在本实施例中，所述转速的获取有以下几种途径：
(1)根据发动机装有的转速传感器获得转速。
转速传感器通常为输出脉冲形式，可应用DSP输入捕捉功能计算发动机转速。DSP的主核采集压差数据、排气管温度、排气绝对压力，根据获得的参数计算发动机排气流量。
(2)根据整车数据网络获取转速。
目前整车数据通讯大多采用CAN总线方式，且通讯协议已标准化。DSP具有CAN总线通讯功能，可应用CAN总线的方式直接从整车CAN通讯网络获取转速。
S102，对得到的发动机排气压差数据进行九点移动平均光顺滤波处理。
具体地，所述步骤102中，对当前排气压差ΔPi进行九点移动平均光顺滤波处理，减弱谐波干扰。所述九点移动平均光顺滤波处理的具体方法为：
ΔPi＝(ΔPi-4+ΔPi-3+ΔPi-2+ΔPi-1+ΔPi+ΔPi+1+ΔPi+2+ΔPi+3+ΔPi+4)/9；
在本实施例中，采用9点移动平均光顺方法获取压力波周期，还可以先用硬件滤波，应用RC低通滤波器，滤掉400Hz(对应发动机转速12000r/min)以上谐波，然后通过进行光顺，可有效提高算法精度。
S103，根据转速计算发动机单循环周期。
获取当前转速n，推算出当前发动机单循环所用的时间为：
其中，n为发动机转速；tCycle为发动机单循环周期。
S104，根据发动机单循环周期计算发动机排气压差平均点数。
具体地，所述步骤104中，发动机排气压差平均点数的计算方法为：
CCapture＝tCycle*fCapture
其中，tCycle为发动机单循环周期；fCapture为发动机排气压差数据采集频率。
S105，根据压差平均点数对九点移动平均光顺滤波处理后的压差数据进行平均，得到发动机平均排气压差。
具体地，所述步骤105中，发动机平均排气压差的计算方法为：
其中，ΔP为发动机平均排气压差；CCapture为发动机排气压差平均点数；ΔPi为九点移动平均光顺滤波处理后的发动机排气压差数据。
S107，利用发动机排气平均压差，计算发动机排气流量值。
理想的气体状态方程为：
PV＝nmolRT
其中，P指气体的绝对压强，V为气体体积，nmol表示气体物质的量，T则表示气体的热力学温度；R为理想气体常数，在本实施例中R为8.3145，此方程对常温常压下的空气也近似适用。
气体物质的量的表达式为：
其中，m为气体质量；M为排气摩尔质量。
进而得到发动机排气密度ρ的表达式：
而质量流量
可由下式得：
利用伯努利方程：
可得
得发动机排气流速为：
排气质量流量为：
考虑到实际损失等，引入流量系数k，则排气流量修正为：
其中，ΔP为当前发动机平均排气压差；P为发动机排气绝对压力；T为发动机排气温度；ρ为排气密度；v为流速；M为排气摩尔质量；通用气体常数R＝8.3145J/(K·mol)；A为排气管道截面积；fCapture为发动机排气压差采集频率。
为了使本领域的技术人员更好地了解本申请的技术方案，下面列举一个具体实施例。
本方案以4缸4冲程转速3000r/min发动机为例说明本实施例提出的方法。当转速为3000r/min(根据上述公式，对应压力波基频100Hz，压力波周期10ms)时，获取压差波形原图如图5所示。可以发现，其具有一个基频波，但是具有非常多的杂波，可能由采集系统分辨率较低等原因引起的系统误差、排气管路反射等引起。对这一波形进行傅里叶时频分析如图6所示。可以发现，波形基频幅值最大，且与发动机转速相对应，其他谐波的频率为基频的倍数，即倍频。本实施例采用9点移动平均的方法，光顺后获取如图7所示波形，平均后的傅里叶分解如图8所示。从图7可以看出每个波形的周期为10ms，图8傅里叶分解后的谐波幅值已经微乎其微。
发动机在每工作循环的时间内，气缸依次做功1次，因此当前4缸发动机每循环4个压力波，根据当前发动机转速，我们可以计算出单工作循环所用时间为40ms，在5kHz采集频率下，40ms可采集200点，因此本实施例可以计算当前200点的平均值作为当前转速工作循环的流量数值。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种发动机排气流量计算方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
获取当前发动机排气压差数据、发动机排气温度数据、发动机排气绝对压力数据以及发动机转速数据；
对当前发动机排气压差数据进行多点移动平均光顺滤波处理；
根据发动机转速，计算发动机单循环周期；
根据发动机单循环周期，计算发动机排气压差平均点数；
根据压差平均点数对多点移动平均光顺后的当前发动机排气压差数据进行平均，得到发动机平均排气压差；
利用发动机平均排气压差，计算发动机排气流量值；
所述发动机排气流量值的计算方法为：利用发动机排气温度、绝对压强、排气摩尔质量和理想气体常数，计算发动机排气密度；利用发动机排气密度与发动机平均排气压差的关系，计算发动机排气流速；将发动机排气流速与发动机排气密度、发动机排气管道截面积相乘，计算发动机排气流量值；
引入流量系数，对得到的发动机排气流量值进行修正；
排气质量流量修正后的计算公式为：
其中，ΔP为当前发动机平均排气压差；ρ为排气密度；k为流量系数；A为排气管道截面积。
2.根据权利要求1所述的发动机排气流量计算方法，其特征是，对当前发动机排气压差数据进行九点移动平均光顺滤波处理。
3.根据权利要求1所述的发动机排气流量计算方法，其特征是，所述发动机排气压差平均点数的计算方法为：
将发动机排气压差数据采集频率与发动机单循环周期相乘，得到发动机排气压差平均点数。
4.根据权利要求1所述的发动机排气流量计算方法，其特征是，所述发动机排气平均压差的计算方法为：
其中，
为发动机排气平均压差；
为发动机排气压差平均点数；
为九点移动平均光顺滤波处理后的发动机排气压差数据。
5.一种发动机排气流量计算系统，其特征是，该系统包括压差采集装置、主控装置以及转速采集装置；
所述压差采集装置采集当前发动机排气压差数据、排气温度数据和排气绝对压力数据，并传输至主控装置，所述转速采集装置采集发动机转速数据并传输至主控装置；
所述主控装置获取当前发动机排气压差数据、发动机排气温度数据、发动机排气绝对压力数据以及发动机转速数据；对当前发动机排气压差数据进行多点移动平均光顺滤波处理；根据发动机转速，计算发动机单循环周期；根据发动机单循环周期，计算发动机排气压差平均点数；根据压差平均点数对多点移动平均光顺后的当前发动机排气压差数据进行平均，得到发动机平均排气压差；
利用发动机平均排气压差，计算发动机排气流量值；
所述发动机排气流量值的计算方法为：利用发动机排气温度、绝对压强、排气摩尔质量和理想气体常数，计算发动机排气密度；利用发动机排气密度与发动机平均排气压差的关系，计算发动机排气流速；将发动机排气流速与发动机排气密度、发动机排气管道截面积相乘，计算发动机排气流量值；
引入流量系数，对得到的发动机排气流量值进行修正；
排气质量流量修正后的计算公式为：
其中，ΔP为当前发动机平均排气压差；ρ为排气密度；k为流量系数；A为排气管道截面积。
6.根据权利要求5所述的发动机排气流量计算系统，其特征是，所述压差采集装置包括壳体、安装在壳体内的总压引导管、静压引导管、绝对压力引导管和温度数据传输导线，以及设置在壳体底部的压差测量口、绝对压力取压口和排气温度测量口；
所述压差测量口内设置有压差取压探针，所述压差取压探针获取发动机排气经总压引导管路和静压引导管路进入主控装置中；
所述绝对压力取压口内设置有绝对压力取压探针，所述绝对压力取压探针获取发动机排气经绝对压力引导管进入主控装置中；
所述排气温度测量口内设置有热电偶，热电偶采集发动机排气管温度数据经温度数据传输导线传输至主控装置。
7.根据权利要求5所述的发动机排气流量计算系统，其特征是，所述主控装置包括壳体和设置在壳体内的主控电路板，所述主控电路板上设置有多路压差传感器、信号调理电路、AD变换电路和DSP控制器；
所述多路压差传感器采集当前发动机排气压差数据和排气绝对压力数据，经信号调理电路和AD变换电路后，传输至DSP控制器；
DSP控制器获取转速采集装置采集的发动机转速数据，对当前发动机排气压差数据进行多点移动平均光顺滤波处理；根据发动机转速，计算发动机单循环周期；根据发动机单循环周期，计算发动机排气压差平均点数；根据压差平均点数对多点移动平均光顺后的当前发动机排气压差数据进行平均，得到发动机平均排气压差；利用发动机平均排气压差，计算发动机排气流量值。
8.根据权利要求5所述的发动机排气流量计算系统，其特征是，所述转速采集装置为转速传感器或整车监控系统。
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- 2019-07-10 CN CN201910620182.5A patent/CN110334454B/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107820537A (zh) * | 2015-04-20 | 2018-03-20 | 伍德沃德有限公司 | 气体流量燃料计量 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 二冲程活塞发动机复合增压方案及增压特性的仿真分析;姚波善;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20160715;第C031-61页 * |
Also Published As
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|---|---|
| CN110334454A (zh) | 2019-10-15 |
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