CN111089681B - 一种用于估计米勒发动机缸内压力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于估计米勒发动机缸内压力的方法，包括：以预定的时间间隔采集VVT相位；根据VVT相位采样值、采样时间点和当前IVC时间点计算当前IVC时间点VVT相位值；获取发动机转速、进气温度、节气门开度、进排气气门重叠角以及进气歧管的平均进气压力；根据发动机转速、进气温度、节气门开度、进排气气门重叠角、进气歧管的平均进气压力以及IVC时刻的VVT相位值计算IVC时刻的缸内压力。本发明还涉及一种用于估计米勒发动机缸内压力的装置。

Description

一种用于估计米勒发动机缸内压力的方法和装置

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种用于估计米勒发动机缸内压力的方法和装置。

背景技术

米勒发动机是目前汽油发动机发展的热点技术。米勒发动机通过提前关闭进气门，能够在保持有效压缩比的同时增加膨胀比，以增加有效功，减少泵气损失，提高发动机经济性。但是相比于常规发动机，由于进气门关闭时刻远离下止点，不满足常规发动机利用进气歧管的平均进气压力近似于进气门关闭(Intake Valve Close，IVC)时刻缸内压力的条件，使得原有的进气量计算方法不适用于米勒发动机。

目前，为了准确计算进气量，需要准确计算出米勒发动机进气门关闭时刻的缸内压力，但这需要两个前提条件，其一是：能够准确计算出米勒发动机任意时刻的VVT(Variable Valve Timing，可变气门正时)角度；其二是：要开发出适用于米勒发动机缸内压力计算方法，以利用物理模型和进气压力传感器采集的进气歧管平均进气压力计算出进气门关闭时刻的缸内压力，即需要设计虚拟的缸内压力传感器。

然而，对于VVT角度的准确计算，现有方案存在的问题是：VVT相位采集方式决定了发动机每旋转半圈便更新一次采样值。但在发动机转速较低时，例如1500rpm，此时的采样周期是20ms，在这20ms的时间内，转轴可能已经动作了好几度，但是这种VVT相位变化并不能实时反映到采样值上，即在下一次相位值更新前，软件中计算所使用的VVT角度是上一次的相位值，但是此时曲轴已经动作了一定角度，从而会导致米勒发动机的VVT相位输入出现误差，以在进一步计算缸内压力时，特别是在米勒发动机气门关闭时刻，由于活塞运动速度快，缸内压力变化剧烈，使得此时缸内压力对VVT相位敏感，从而造成缸内压力误差进一步加大。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种通过精确计算发动机可变气门正时VVT相位并以此准确计算IVC(Intake Valve Close，进气阀门关闭)时刻的米勒发动机缸内压力的方法和装置。

本发明提供了一种用于估计米勒发动机缸内压力的方法，其包括：

以预定的时间间隔采集VVT相位；

根据VVT相位采样值、采样时间点和当前IVC时间点计算当前IVC时间点的VVT实时相位值；

获取发动机转速、进气温度、节气门开度、进排气气门重叠角以及进气歧管的平均进气压力；

根据发动机转速、进气温度、节气门开度、进排气气门重叠角、进气歧管的平均进气压力以及VVT实时相位值计算当前IVC时间点的缸内压力。

进一步地，VVT相位的采集频率为转轴每转动半圈采集一次。

进一步地，所述根据VVT相位采样值、采样时间点和当前IVC时间点计算当前IVC时间点的VVT实时相位值的步骤包括：

读取已存储的上一次VVT相位采样值，与本次VVT相位采样值求差，得到本次VVT相位采样值相对于上一次VVT相位采样值的VVT相位增量；

用本次相位VVT采样值相对于上一次VVT相位采样值的VVT相位增量除以采样时间间隔，得到最近的采样周期内VVT系统的瞬时动作速度，并认为VVT系统在下一个采样周期内仍然保持该瞬时动作速度；

计算当前IVC时间点与本次采样时间点的时间差；

将最近的采样周期内VVT系统的瞬时动作速度乘以当前IVC时间点与当前采样时间点的时间差，得到当前IVC时间点相对于本次采样时间点的VVT相位增量；

将当前IVC时间点相对于本次采样时间点的VVT相位增量加上本次VVT相位采样值，得到当前IVC时间点的VVT实时相位值。

进一步地，采样时间间隔的计算包括：

根据发动机的当前转速计算出曲轴旋转一圈所需要的时间；

将计算出的时间除以2。

进一步地，当前IVC时间点缸内压力的计算包括：

查转速-VVT相位MAP，得到当前转速和当前IVC时间点下的修正量A；

查转速-重叠角MAP，得到当前转速和进排气气门重叠角下的修正量B；

将修正量A与修正量B相乘，得到修正量C；

利用进气温度MAP对修正量C进行修正，得到修正量D；

利用节气门开度MAP对修正量D进行修正，得到修正量E；

利用进气歧管的平均进气压力乘以修正量E，得到当前IVC时间点的缸内压力。

进一步地，当前IVC时间点缸内压力的计算还包括：

利用上下限校验值对修正量E进行合理性校验，使之处于合理的取值范围内。

进一步地，所述上下限校验值利用安装有进气压力传感器和发动机缸内压力传感器的发动机台架测得的数据处理后得到，所述修正量E等于缸内压力除以平均进气压力。

进一步地，所述修正量A与所述修正量B是在当前转速及气门状态下，用来反映进气门关闭时刻缸内压力与进气歧管压力比值的基本修正量。

进一步地，所述转速-VVT相位MAP、所述转速-重叠角MAP、进气温度MAP、所述节气门开度MAP利用安装有进气压力传感器和发动机缸内压力传感器的发动机台架测得的数据处理后得到，且所述转速-VVT相位MAP、所述转速-重叠角MAP、进气温度MAP、所述节气门开度MAP预先存储于所述发动机控制单元内。

本发明还提供了一种用于估计米勒发动机缸内压力的装置，包括发动机控制单元、曲轴转角传感器、凸轮轴转角传感器、发动机转速传感器、进气温度传感器、节气门开度传感器和进气压力传感器，所述发动机控制单元与所述、所述曲轴转角传感器、所述凸轮轴转角传感器、所述发动机转速传感器、所述进气温度传感器、所述节气门开度传感器和所述进气压力传感器信号连接，且所述发动机控制单元包括VVT相位采集单元、VVT实时相位计算单元和缸压计算单元，所述VVT相位采集单元利用所述曲轴转角传感器、所述凸轮轴转角传感器的信号在转轴每旋转半圈时采集一次曲轴转角和凸轮轴转角，根据采集的曲轴转角和凸轮轴转角获取采样时刻的VVT相位采样值，所述VVT实时相位计算单元依据VVT相位采样值、采样时间点和IVC时间点计算当前IVC时间点的VVT实时相位值；所述缸压计算单元根据曲轴转角、凸轮轴转角、发动机转速、进气温度、节气门开度、进气歧管的平均进气压力以及IVC时刻的VVT实时相位值计算出IVC时刻的缸内压力。

综上，本发明通过上一次可变气门正时VVT相位采样值和上一次采样时间点、以及本次可变气门正时VVT相位采样值和本次采样时间点、并结合当前IVC时间点计算出当前IVC时间点的可变气门正时VVT实时相位值，并以此为基础利用多种MAP图准确计算IVC时刻的缸内压力。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明提供的用于估计米勒发动机缸内压力的方法的原理框图；

图2为VVT相位采样值、当前IVC时间点的VVT实时相位值与VVT实际相位值的关系示意图；

图3为根据发动机转速、进气温度、节气门开度、进排气气门重叠角、进气歧管的平均进气压力和VVT实时相位值计算当前IVC时间点缸内压力的原理框图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明详细说明如下。

如图1所示，本发明提供了一种用于估计米勒发动机缸内压力的装置，包括曲轴转角传感器、凸轮轴转角传感器、发动机转速传感器、进气温度传感器、节气门开度传感器、进气压力传感器和发动机控制单元。其中，发动机控制单元与曲轴转角传感器、凸轮轴转角传感器、发动机转速传感器、进气温度传感器、节气门开度传感器和进气压力传感器信号连接，且发动机控制单元包括VVT相位采集单元、VVT实时相位计算单元和缸压计算单元。

本发明中，VVT相位采集单元利用曲轴转角传感器、凸轮轴转角传感器的信号在转轴(曲轴)每转动半圈时采集一次曲轴转角和凸轮轴转角，根据采集的曲轴转角和凸轮轴转角获取采样时刻的VVT相位采样值，并将VVT相位采样值传送给VVT实时相位计算单元。VVT实时相位计算单元依据上一次VVT相位采样值和本次VVT相位采样值以及采样时间间隔计算出采样周期内VVT系统的瞬时动作速度，根据该瞬时动作速度、当前IVC时间点与本次采样时间点的时间差以及本次VVT相位采样值计算出当前IVC时间点(进气门关闭时刻)的VVT实时相位值。缸压计算单元根据曲轴转角、凸轮轴转角、发动机转速、进气温度、节气门开度、VVT实时相位值以及进气歧管的平均进气压力计算出当前IVC时间点的缸内压力。

本发明主要利用用于估计米勒发动机缸内压力的装置获取IVC时刻的缸内压力。

本发明还提供了一种用于估计米勒发动机缸内压力的方法，其基本原理是：汽油发动机的进气过程缸内压力与进气歧管的进气压力直接相关，虽然在进气过程的任意时刻二者在绝对值上存在差异，但是当发动机转速、VVT相位、节气门开度、进气温度、进排气气门重叠角一定时，进气过程的缸内压力波动的变化模式与进气歧管的进气压力的波动模式都是固定的，因此可根据实验测试数据得到缸内压力波动的变化模式与上述条件的关系，即转速-VVT相位MAP、转速-重叠角MAP、进气温度MAP、节气门开度MAP，再结合进气歧管的平均进气压力以进一步用于估计IVC时刻的缸内压力。需要说明的是，上述的几种MAP图也即是脉谱图，是在出厂前通过对车辆进行测试实验获得的标准MAP，其预先存储于发动机控制单元的缸压计算单元内。

上述的实验测试数据利用一安装有进气压力传感器和发动机缸内压力传感器的发动机台架测试得到。在该发动机台架中，进气压力传感器用于测量进气歧管的进气压力，在对测量获取的进气歧管的进气压力值进行处理而得到进气歧管的平均进气压力，以用于对IVC时刻的缸内压力进行估算，且本发明能够根据进气歧管的平均进气压力的大小对发动机当前工况下计算的IVC时刻缸内压力做出合理性判断；发动机缸内压力传感器主要用于测试发动机工作过程中的气缸压力，以得到IVC时刻的气缸压力，将IVC时刻的气缸压力与进气歧管的平均进气压力相除，得到当前工况下修正量E的真实测量值。然后测量所有工况的修正量E的数据，并利用最小二乘法反算得到转速-VVT相位MAP、转速-重叠角MAP、进气温度MAP、节气门开度MAP；同时，发动机缸内压力传感器还用于测试缸内压力在当前工况下IVC时刻的最大和最小值，以对本发明计算出的缸内压力进行合理性校验，提高数据的准确性。上述发动机台架一般用于实验阶段，在实际工况下，因缸内压力传感器造价高而不会使用于实际的发动机中。利用本发明的装置，可以在不使用缸内压力传感器的情况下得到相同或类似的结果，降低成本。

具体地，本发明提供的用于估计米勒发动机缸内压力的方法包括：

步骤S10：以预定的时间间隔采集VVT相位，在本实施例中，转轴每转动半圈采集一次VVT相位；

步骤S20：根据VVT相位采样值、采样时间点和当前IVC时间点(即当前进气门关闭时间点)计算当前IVC时间点的VVT实时相位值；

步骤S30：获取进排气气门重叠角、发动机转速、进气温度、节气门开度和进气歧管的平均进气压力；

步骤S40：根据发动机转速、进气温度、节气门开度、进排气气门重叠角、进气歧管的平均进气压力和VVT实时相位值计算当前IVC时间点的缸内压力。

具体地，步骤20(根据VVT相位采样值、采样时间点和当前IVC时间点计算当前IVC时间点的VVT实时相位值)包括如下步骤：

S21：读取已存储的上一次VVT相位采样值，与本次VVT相位采样值求差，得到本次VVT相位采样值相对于上一次VVT相位采样值的VVT相位增量；

S22：用本次VVT相位采样值相对于上一次VVT相位采样值的VVT相位增量除以采样时间间隔(上次采样时间点与本次采样时间点的差值)，得到最近的采样周期内VVT系统的瞬时动作速度，并认为VVT系统在下一个采样周期内仍然保持该瞬时动作速度；

S23：计算当前IVC时间点与本次采样时间点的时间差；

S24：将最近的采样周期内VVT系统的瞬时动作速度乘以当前IVC时间点与本次采样时间点的时间差，得到当前IVC时间点相对于本次采样时间点的VVT相位增量；

S25：将当前IVC时间点相对于本次采样时间点的VVT相位增量加上本次VVT相位采样值，得到当前IVC时间点的VVT实时相位值。

具体地，在步骤S22中，采样时间间隔的计算方法，包括如下：

首先，根据发动机的当前转速计算出转轴旋转一圈所需要的时间；

然后，将计算出的时间除以2，即为采样时间间隔。

进一步地，步骤S20计算得到的当前IVC时间点的VVT实时相位值与VVT相位采样值之间的关系可以参考图2，其中，△θ1为正常采样时VVT相位值与实际相位值之间的差值，即为不采用步骤S20提供的方法得到的VVT相位的误差值；△θ2为利用步骤S20提供的方法时得到的VVT相位值与实际相位值之间的差值，即采用步骤S20提供的方法得到的VVT相位的误差值。由图2可知，步骤S20提供的VVT相位的计算方法得到的当前IVC时间点的VVT相位值误差更小、更接近实际相位值、也更精确。在步骤S40中，本发明进一步利用计算出的VVT实时相位值计算当前IVC时间点的缸内压力，具体地，如图3所示，步骤S40包括如下步骤：

S41：查测试实验得到的转速-VVT相位MAP，(结合一定的计算公式)得到当前转速和当前IVC时间点下的修正量A；

S42：查测试实验得到的转速-重叠角MAP，(结合一定的计算公式)得到当前转速和进排气气门重叠角下的修正量B，在本实施例中，进排气气门重叠角由采集的曲轴转角和凸轮轴转角计算得到，且修正量A与修正量B为在当前转速及气门状态下，用来反映IVC时刻缸内压力/进气歧管压力的基本修正量；

S43：将修正A与修正量B相乘，得修正量C；

S44：利用进气温度MAP对修正量C进行修正(原因是进气温度会影响到缸内压力的波动幅值)，(结合一定的计算公式)得到修正量D；

S45：利用节气门开度MAP对修正量D进行修正(原因是节气门开度会影响进气歧管的进气压力波动，进而影响缸内压力的波动幅值)，得到修正量E；

S46：利用上下限校验值对修正量E进行合理性校验，使之处于合理的取值范围内；

S47：使用进气歧管的平均进气压力乘以修正量E，得到IVC时刻的缸内压力。本发明中，对修正量E进行校验使之处于合理的取值范围内的上下限校验值是利用发动机台架测得的数据经处理后得到。利用上述的发动机台架，通过改变发动机转速、机负荷同时记录工况点下对应的VVT实时相位值、进排气气门重叠角、进气温度、节气门开度、进气歧管进气压力、实际缸压，得到修正量E(缸压与平均进气压力的比值)在每个工况下的最大可能值和最小可能值，其目的是判断该修正系数的合理性。

综上，本发明通过上一次VVT相位采样值和上一次采样时间点、以及本次VVT相位采样值和本次采样时间点、结合当前IVC时间点计算出当前IVC时间点的VVT实时相位值，并以此为基础利用多种MAP图准确计算出IVC时刻的缸内压力。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于估计米勒发动机缸内压力的方法，其特征在于，其包括：

以预定的时间间隔采集VVT相位；

根据VVT相位采样值、采样时间点和当前IVC时间点计算当前IVC时间点的VVT实时相位值；

获取发动机转速、进气温度、节气门开度、进排气气门重叠角以及进气歧管的平均进气压力；

根据发动机转速、进气温度、节气门开度、进排气气门重叠角、进气歧管的平均进气压力以及VVT实时相位值计算当前IVC时间点的缸内压力。

2.根据权利要求1所述的用于估计米勒发动机缸内压力的方法，其特征在于，VVT相位的采集频率为转轴每转动半圈采集一次。

3.根据权利要求1所述的用于估计米勒发动机缸内压力的方法，其特征在于，所述根据VVT相位采样值、采样时间点和当前IVC时间点计算当前IVC时间点的VVT实时相位值的步骤包括：

读取已存储的上一次VVT相位采样值，与本次VVT相位采样值求差，得到本次VVT相位采样值相对于上一次VVT相位采样值的VVT相位增量；

用本次VVT相位采样值相对于上一次VVT相位采样值的VVT相位增量除以采样时间间隔，得到最近的采样周期内VVT系统的瞬时动作速度，并认为VVT系统在下一个采样周期内仍然保持该瞬时动作速度；

计算当前IVC时间点与本次采样时间点的时间差；

将最近的采样周期内VVT系统的瞬时动作速度乘以当前IVC时间点与本次采样时间点的时间差，得到当前IVC时间点相对于本次采样时间点的VVT相位增量；

将当前IVC时间点相对于本次采样时间点的VVT相位增量加上本次VVT相位采样值，得到当前IVC时间点的VVT实时相位值。

4.根据权利要求3所述的用于估计米勒发动机缸内压力的方法，其特征在于，采样时间间隔的计算包括：

根据发动机的当前转速计算出曲轴旋转一圈所需要的时间；

将计算出的时间除以2。

5.根据权利要求1所述的用于估计米勒发动机缸内压力的方法，其特征在于，当前IVC时间点缸内压力的计算包括：

查转速-VVT相位MAP，得到当前转速和当前IVC时间点下的修正量A；

查转速-重叠角MAP，得到当前转速和进排气气门重叠角下的修正量B；

将修正量A与修正量B相乘，得到修正量C；

利用进气温度MAP对修正量C进行修正，得到修正量D；

利用节气门开度MAP对修正量D进行修正，得到修正量E；

利用进气歧管的平均进气压力乘以修正量E，得到当前IVC时间点的缸内压力。

6.根据权利要求5所述的用于估计米勒发动机缸内压力的方法，其特征在于，当前IVC时间点缸内压力的计算还包括：

利用上下限校验值对修正量E进行合理性校验，使之处于合理的取值范围内。

7.根据权利要求6所述的用于估计米勒发动机缸内压力的方法，其特征在于，所述上下限校验值利用安装有进气压力传感器和发动机缸内压力传感器的发动机台架测得的数据处理后得到，所述修正量E等于缸内压力除以平均进气压力。

8.根据权利要求5所述的用于估计米勒发动机缸内压力的方法，其特征在于，所述修正量A与所述修正量B是在当前转速及气门状态下，用来反映进气门关闭时刻缸内压力与进气歧管压力比值的基本修正量。

9.根据权利要求5所述的用于估计米勒发动机缸内压力的方法，其特征在于，所述转速-VVT相位MAP、所述转速-重叠角MAP、进气温度MAP、所述节气门开度MAP利用安装有进气压力传感器和发动机缸内压力传感器的发动机台架测得的数据处理后得到，且所述转速-VVT相位MAP、所述转速-重叠角MAP、进气温度MAP、所述节气门开度MAP、平均进气压力预先存储于所述发动机控制单元内。

10.一种用于估计米勒发动机缸内压力的装置，其特征在于，包括发动机控制单元、曲轴转角传感器、凸轮轴转角传感器、发动机转速传感器、进气温度传感器、节气门开度传感器和进气压力传感器，所述发动机控制单元与所述曲轴转角传感器、所述凸轮轴转角传感器、所述发动机转速传感器、所述进气温度传感器、所述节气门开度传感器和所述进气压力传感器信号连接，且所述发动机控制单元包括VVT相位采集单元、VVT实时相位计算单元和缸压计算单元，所述VVT相位采集单元利用所述曲轴转角传感器、所述凸轮轴转角传感器的信号在转轴每旋转半圈时采集一次曲轴转角和凸轮轴转角，根据采集的曲轴转角和凸轮轴转角获取采样时刻的VVT相位采样值，所述VVT实时相位计算单元依据VVT相位采样值、采样时间点和当前IVC时间点计算当前IVC时间点的VVT实时相位值；所述缸压计算单元根据曲轴转角、凸轮轴转角、发动机转速、进气温度、节气门开度、进气歧管的平均进气压力以及IVC时刻的VVT实时相位值计算出IVC时刻的缸内压力。

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