CN112761788B - 基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，涉及柴油机电子控制技术领域。方法包括采集柴油机运行过程中气缸里曲轴的多个第一瞬时转速，并对其进行数据处理，得到至少一个第二瞬时转速；计算一个周期内柴油机曲轴的转动惯量，计算一个周期内曲轴的平均转动惯量，计算一个周期内柴油机的等效转速，获取一个周期内柴油机的等效转速的波形图，计算一个周期内任一气缸在膨胀阶段的做功量，计算各气缸的不均匀系数；比较不均匀系数的绝对值与预设阈值的大小，即可在线判断柴油机中的气缸是否处于均匀工作的状态；降低了检测成本，且基于等效转速的理论进行气缸是否处于均匀工作状态的计算判断，具有更强的理论指导性与普适性。

Description

基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法

技术领域

本发明涉及柴油机电子控制技术领域，更具体地，涉及一种基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法。

背景技术

多缸柴油机燃烧过程存在的不均匀性严重影响各气缸工作的均匀性，柴油机各气缸工作不均匀不仅对其动力性和经济性产生重大影响，同时对其排放性能也有很大的影响，随着排放法规的日益严格，对柴油机工作的均匀性的研究对减少柴油机排放具有重要意义。

采用单体泵燃油喷射系统的多气缸柴油机工作过程中会受到加工一致性、使用损耗等因素的影响，直接或间接地导致各气缸工作不均匀，进而影响柴油机运行的稳定性，因此需要对柴油机各气缸是否均匀工作的状况进行检测。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，用以解决对柴油机各气缸是否均匀工作进行检测的问题。

本申请提供一种基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，所述柴油机包括至少一个气缸，所述气缸包括曲轴、固定于所述曲轴上的曲柄、连接于所述曲柄远离所述曲轴一端的连杆、连接于所述连杆远离所述曲柄一端的活塞，所述检测方法包括：

采集所述柴油机运行过程中曲轴的M个第一瞬时转速，并对M个所述第一瞬时转速进行数据处理，得到至少一个第二瞬时转速；其中M≥1，且M为正整数；

计算一个周期内所述曲轴的转动惯量

对应的计算公式为：

其中，m₁为所述活塞的质量，R为所述曲柄的长度，

为所述曲轴的转角，λ为所述曲柄长度和所述连杆长度的比值，m₂为所述曲轴的质量；

计算一个周期内所述曲轴的平均转动惯量

对应的计算公式为：

计算一个周期内所述柴油机的等效转速

对应的计算公式为：

获取一个周期内所述柴油机的所述等效转速

的波形图；

计算一个周期内任一所述气缸在膨胀阶段的做功量W_i，对应的计算公式为：

其中，

为所述波形图中第i个波谷的曲轴转角，

为所述波形图中每个

对应相邻的上升沿波峰的曲轴转角；

计算各所述气缸的不均匀系数α_i，对应的计算公式为：

其中，

为一个周期内所述柴油机的平均等效转速；

比较不均匀系数α_i的绝对值与预设阈值β的大小，若|α_i|＞β，判断对应的所述气缸处于第一状态；若|α_i|≤β，判断对应的所述气缸处于第二状态。

可选地，其中：

所述数据处理包括剔除杂波、剔除错误信号。

可选地，其中：

所述剔除杂波具体为数字低通滤波。

可选地，其中：

所述数字低通滤波中，通带的频率信号范围为0-220Hz、阻带的频率信号范围为等于或大于600Hz、通带边衰减分贝值为0.1、阻带边衰减分贝值为20。

可选地，其中：

所述一个周期为所述曲轴转动720°。

可选地，其中：

所述第一状态为所述气缸不均匀工作，所述第二状态为所述气缸均匀工作。

可选地，其中：

所述第一瞬时转速以所述曲轴转动K度为间隔，其中0.1≤K≤6。

与现有技术相比，本发明提供的基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，至少实现了如下的有益效果：

本申请提供了一种基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，通过采集柴油机运行过程中曲轴的多个第一瞬时转速，并对其进行数据处理，得到至少一个第二瞬时转速；进而通过计算一个周期内柴油机曲轴的转动惯量、平均转动惯量，计算一个周期内柴油机的等效转速，计算一个周期内任一气缸在膨胀阶段的做功量，进而通过前述的计算结果计算各气缸的不均匀系数；最后，通过比较不均匀系数的绝对值与预设阈值的大小，即可在线判断柴油机中的气缸是否处于均匀工作的状态；本申请基于等效转速的理论进行气缸是否处于均匀工作状态的计算判断，具有更强的理论指导性与普适性。

当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1所示为本申请实施例所提供的检测方法的一种流程图；

图2所示为本申请实施例所提供的瞬时转速与等效转速的一种对照示意图；

图3所示为本申请实施例所提供的等效转速与对应气缸压力的一种对照示意图；

图4所示为本申请实施例所提供的基于等效转速划分不同气缸的一种示意图；

图5所示为本申请实施例所提供的油量不均匀度和转速不均匀度的一种关系示意图；

图6所示为本申请实施例所提供的检测方法的另一种流程图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

多缸柴油机燃烧过程存在的不均匀性严重影响各气缸工作的均匀性，柴油机各气缸工作不均匀不仅对其动力性和经济性产生重大影响，同时对其排放性能也有很大的影响，随着排放法规的日益严格，对柴油机工作的均匀性的研究对减少柴油机排放具有重要意义。

采用单体泵燃油喷射系统的多气缸柴油机工作过程中会受到加工一致性、使用损耗等因素的影响，直接或间接地导致各气缸工作不均匀，进而影响柴油机运行的稳定性，因此需要对柴油机各气缸是否均匀工作的状况进行检测。现有技术中，通过检测气缸压能够直观地反映工作的不均匀性，但在由于气缸压传感器的价格和工艺限制，导致该方法难以广泛使用。

有鉴于此，本发明提供了一种基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，用以解决对柴油机各气缸是否均匀工作进行检测的问题，且能够避免现有技术中检测柴油机各气缸是否均匀工作所需工艺复杂、成本过高等问题。

图1所示为本申请实施例所提供的检测方法的一种流程图，图2所示为本申请实施例所提供的瞬时转速与等效转速的一种对照示意图，图3所示为本申请实施例所提供的等效转速与对应气缸压力的一种对照示意图，图4所示为本申请实施例所提供的基于等效转速划分不同气缸的一种示意图，图5所示为本申请实施例所提供的油量不均匀度和转速不均匀度的一种关系示意图，请参照图1-图5。

本申请提供了一种基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，柴油机包括至少一个气缸，气缸包括曲轴、固定于曲轴上的曲柄、连接于曲柄远离曲轴一端的连杆、连接于连杆远离曲柄一端的活塞，请参照图1，检测方法包括：

步骤101、采集柴油机运行过程中曲轴的M个第一瞬时转速，并对M个第一瞬时转速进行数据处理，得到至少一个第二瞬时转速

其中M≥1，且M为正整数；

步骤102、计算一个周期内曲轴的转动惯量

对应的计算公式为：

其中，m₁为活塞的质量，R为曲柄的长度，

为曲轴的转角，λ为曲柄长度和连杆长度的比值，m₂为曲轴的质量；

步骤103、计算一个周期内曲轴的平均转动惯量

对应的计算公式为：

步骤104、计算一个周期内柴油机的等效转速

对应的计算公式为：

步骤105、获取一个周期内柴油机的等效转速

的波形图；

步骤106、计算一个周期内任一气缸在膨胀阶段的做功量W_i，对应的计算公式为：

其中，

为波形图中第i个波谷的曲轴转角，

为波形图中每个

对应相邻的上升沿波峰的曲轴转角；

步骤107、计算各气缸的不均匀系数α_i，对应的计算公式为：

其中，

为一个周期内柴油机的平均等效转速；

步骤108、比较不均匀系数α_i的绝对值与预设阈值β的大小，若|α_i|＞β，判断对应的气缸处于第一状态；若|α_i|≤β，判断对应的气缸处于第二状态。

具体地，本申请提供了一种基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，每个柴油机中一般包括多个气缸，例如可包括4个气缸、8个气缸等，每个气缸中均可以包括曲轴、曲柄、连杆和活塞，其中，曲柄的第一端固定于曲轴上，曲柄的第二端和连杆的第一端活动连接，连杆的第二端与活塞的端部活动连接；活塞的直线往复运动会转变为曲轴的旋转运动，进而对外输出动力，具体为，活塞直线往复运动进而带动连杆，连杆远离活塞的一端带动曲柄的第二端以曲柄的第一端为圆点进行转动，曲柄的第一端带动曲轴做旋转运动。

本申请所提供的基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法的具体步骤101-步骤108，例如可用于包括8个气缸的柴油机。请继续参照图1-图5，柴油机的曲轴上设置有传感器，或柴油机上设置有用于感测曲轴旋转的传感器，步骤101中通过传感器采集柴油机运行过程中各个气缸中曲轴的多个第一瞬时转速，并对所采集的每个气缸中曲轴的多个第一瞬时转速进行数据处理，以得到每个气缸中曲轴对应的有效的至少一个第二瞬时转速

需要说明的是，此处获取多个第一瞬时转速时，本申请对其获取的时间和数量等并不做具体限定，只要能够满足实验需求即可；此处所获取得到的第二瞬时转速

的数量需要满足算法需求，也即，本申请对于所获取的第二瞬时转速

的数量并不做具体限定，用户可根据实际实验的需求对其数量进行相应的调整。

在步骤102中，采用以下公式基于被检测柴油机中各项相关的已知参数，计算曲轴的转动惯量在一个周期内的变化，具体的计算公式为

其中，m₁为活塞的质量，R为曲柄的长度，

为曲轴转动的转角，λ为曲柄长度和连杆长度的比值，m₂为曲轴的质量，

为在曲轴的转角

下曲轴的转动惯量。曲轴的转动惯量受到活塞往复运动的影响在一定范围内波动，在柴油机参数确定的情况下，即在同一款柴油机对应的上述公式中m₁、R、λ为定值时，曲轴的转动惯量只随曲轴转动的转角

变化，且曲轴的转动惯量和曲轴的转角之间具有一一对应的关系。

需要说明的是，由于转动惯量

的上述计算公式中，只有曲轴转动的转角

为变量，且曲轴是以每360度周期性转动的，因此，曲轴转动的转角

和转动惯量

之间具有一一对应的关系，也即，可以通过有限个的点来描述转动惯量

随曲轴转角

度数不同的变化关系，即可以通过离线计算曲线数据图，此曲线数据图可被存储在柴油机的发动机控制系统中，该曲线数据图具体可看作一个根据曲轴转角

的度数查询相对应的转动惯量

的表格，也就是说，可以根据所采集的曲轴转角数据依据上述曲线数据图在线查询转动惯量的值(两点之间采取线性插值)，从而有利于提高发动机控制系统的实时性，也有利于简化同一柴油机中曲轴的转角

下曲轴的转动惯量

的获取。

在步骤103中，采用以下公式计算一个周期内曲轴的平均转动惯量

其中，

为柴油机运行过程中，包含往复惯性力影响的等效转动惯量，基于步骤102中的

计算得到

该公式中计算的为一个周内曲轴的平均转动惯量

(一个周期内转动惯量

的平均值)，该计算结果不随曲轴转动的角度发生变化，基于步骤102中转动惯量

的结果值即可获得。

步骤104为基于步骤101中所采集的第二瞬时转速

采用以下公式计算一个周期内柴油机的等效转速

等效转速表示曲柄连杆机构(包括曲柄和连杆)集中转动惯量为定值时的柴油机转速，在它的运算过程中，已将柴油机中变转动惯量的影响消除，等效转速波动特征不再受转速的影响。

步骤105为基于步骤104中所计算的等效转速

记录每个波谷对应的曲轴转角

i＝1,2,……,n，记录每个

对应相邻的上升沿波峰对应的曲轴转角

其中，n为柴油机的气缸数。如图2所示，等效转速消除了往复惯性力矩对于转速的影响，使得其与对应的气缸做功阶段相对应，如图3所示。如图4所示划分，各缸做功阶段所对应的等效转速阶段，其中

为对应缸的做功阶段对应的开始与结束的曲轴转角，即以相邻的波谷和波峰的上升沿

作为划分不同缸膨胀阶段的依据。

步骤106，采用动能定理计算步骤105中所划分的膨胀阶段对应各气缸所做的功，具体采用以下公式计算一个周期内任一气缸在膨胀阶段的做功量W_i，

其中，

为波形图中第i个波谷的曲轴转角，

为波形图中每个

对应相邻的上升沿波峰的曲轴转角，W_i具体为曲轴转角

对应的气缸所对应的做功量。

需要补充说明的是，本申请步骤105-106所提供的实施例中，仅获取了等效转速

每个波谷对应的曲轴转角

和每个

对应相邻的上升沿波峰对应的曲轴转角

对应的值，但本申请并不以此为限。本申请还提供了一种可选择的实施例为，设定一偏移角度δ，根据各气缸的实际运转情况对δ的值进行标定，以使得在每一波谷和波峰对应角度的基础上根据δ进行修正，进一步提高等效转速

的计算准确率。

基于所计算的等效转速、转动惯量计算了一个周期内不同气缸在膨胀阶段所做的功，其反应了做功量与等效转速之间的关系，而各气缸燃烧的不均匀性反应在能量上就是各气缸做功的不均匀性。

通过步骤107计算各气缸的不均匀系数α_i，对应的计算公式为

其中，α_i为曲轴转角

所对应的气缸的不均匀系数，

为一个周期内柴油机的平均等效转速；通过各气缸的不均匀系数α_i用于体现曲轴转角

所对应的气缸的燃烧不均匀性。结果如图4所示，可以明显看出第七气缸的不均匀系数明显大于其余缸，发生了不均匀工作。

步骤108为通过比较不均匀系数α_i的绝对值与预设阈值β的大小值，若|α_i|＞β，则判断对应的气缸处于第一状态；若|α_i|≤β，则判断对应的气缸处于第二状态。其中，本申请提供预设阈值β可取的值例如为0.04，但本申请并不以此为限，用户可根据实际情况进行相应的调整。

如图5所示，待柴油机工作稳定之后，当将第六缸的喷入油量提高10％，平均转速迅速上升，基于本发明计算出的转速不均匀度也随之迅速地发生了变化，实现了对于转速不均匀的鉴别。

本申请所提供的基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，通过上述步骤101-108，对于传感器采集的曲轴端瞬时转速数据的处理与分析，可以直接得到柴油机工作过程中各气缸相对不均匀性，降低了判断柴油机气缸是与否均匀工作所需的成本，且基于等效转速的理论进行气缸是否处于均匀工作状态的计算判断，具有更强的理论指导性与普适性。

也即，发明的目的在于提供一种基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，通过曲轴动力学模型将柴油机瞬时转速和气缸燃烧情况建立起关系，由瞬时转速实现对多气缸柴油机工作不均匀性的表征。

需要说明的是，图2和图4中的°CA是一种曲轴专用度量单位，也用于表示度(°)。

可选地，第一状态为气缸不均匀工作，第二状态为气缸均匀工作。也即，上述步骤108中，若|α_i|＞β判断对应的气缸处于第一状态，则具体为曲轴转角

所对应的气缸相对于其他气缸发生了燃烧不均匀的问题；若|α_i|≤β判断对应的气缸处于第二状态，则具体为曲轴转角

所对应的气缸处于均匀工作的状态。

可选地，数据处理包括剔除杂波、剔除错误信号。

具体地，上述步骤101中，对M个第一瞬时转速进行数据处理，具体为过滤掉杂波与错误信号，即对所获取的多个第一瞬时转速及其对应的波形图进行剔除杂波、剔除错误信号的处理，以保障所得到的能够使用的第二瞬时转速的数据准确性。

可选地，剔除杂波具体为数字低通滤波。可选地，数字低通滤波中，通带的频率信号范围为0-220Hz、阻带的频率信号范围为等于或大于600Hz、通带边衰减分贝值为0.1、阻带边衰减分贝值为20。

具体地，本申请提供了一种可选择的方式为，滤波(剔除杂波)采取数字低通滤波，其中，通带截止频率为220Hz、阻带截止频率为600Hz、通带边衰减DB值为0.1、阻带边衰减DB值为20。

需要说明的是，本申请提供的上述可取范围值仅是一种可选地实施例，具体的数值可根据实际需求进行相应的调整，本申请对此并不做具体限定。

可选地，一个周期为曲轴转动720°。也即，本申请提供了一种可选地实施例为，上述步骤中所提到的“一个周期”具体可指气缸中的曲轴转动了720°的过程，但本申请并不以此为限，可根据具体需求对一个周期所指的曲轴转动的角度进行相应的调整。

可选地，第一瞬时转速以曲轴转动K度为间隔，其中0.1≤K≤6。

具体地，步骤101中对柴油机运行过程中曲轴的多个第一瞬时转速进行采集时，可选择以曲轴转动过一定量的角度K为间隔进行获取，本申请提供了K的一个可选择的取值范围为0.1-6；曲轴转动过小于0.1度的角时，由于转动角度过小，难以对相应的第一瞬时转速进行获取，因此通常以曲轴转动0.1度为获取第一瞬时转速的最小间隔；而若以曲轴转动过于大的度数为间隔来获取第一瞬时转速的话，容易造成数据信息的缺失，或是具有数据信息误差过大的问题，因此本申请以第一瞬时转速的最大间隔为曲轴转动6度作为限制条件，以避免数据不准确、数据缺失等问题。

需要说明的是，K的取值范围为0.1-6是本申请提供的一种可选择的实施例，例如可以取0.3、0.5、2.1、4.6等，或是此范围外其他可选用的数值，本申请对此并不做具体限定；例如当一个周期为曲轴转动720度时，以曲轴转动360度、180度、60度等来获取一次曲轴的一个第一瞬时转速，则一个周期内至少可对应获取2个、4个、6个第一瞬时转速。还需要补充的是，K取0.1度为研究所用的柴油机传感器的最高采集精度，K取0.1-6例如为柴油机上传感器的实际采集精度。

图6所示为本申请实施例所提供的检测方法的另一种流程图，请参照图6，图6具体为将图1所示出流程图的方法进行的一种更为简化的描述方式，具体包括步骤201-步骤205，具体为，通过步骤201计算一个循环内(周期内)曲轴转动惯量与平均转动惯量，步骤202为计算一个循环内(周期内)合成转速，步骤203为基于合成转速划分不同缸(气缸)的膨胀阶段，步骤204为基于合成转速计算每缸(气缸)在膨胀阶段做功，步骤205为计算每缸(气缸)不均匀系数并判断工作是否均匀。其中，上述合成转速，相当于步骤104中的等效转速。

通过上述实施例可知，本发明提供的基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，至少实现了如下的有益效果：

本申请提供了一种基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，通过采集柴油机运行过程中曲轴的多个第一瞬时转速，并对其进行数据处理，得到至少一个第二瞬时转速；进而通过计算一个周期内柴油机曲轴的转动惯量、平均转动惯量，计算一个周期内柴油机的等效转速，计算一个周期内任一气缸在膨胀阶段的做功量，进而通过前述的计算结果计算各气缸的不均匀系数；最后，通过比较不均匀系数的绝对值与预设阈值的大小，即可在线判断柴油机中的气缸是否处于均匀工作的状态；降低了判断柴油机气缸是与否均匀工作所需的成本，且基于等效转速的理论进行气缸是否处于均匀工作状态的计算判断，具有更强的理论指导性与普适性。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，所述柴油机包括至少一个气缸，所述气缸包括曲轴、固定于所述曲轴上的曲柄、连接于所述曲柄远离所述曲轴一端的连杆、连接于所述连杆远离所述曲柄一端的活塞，其特征在于，所述检测方法包括：

采集所述柴油机运行过程中曲轴的M个第一瞬时转速，并对M个所述第一瞬时转速进行数据处理，得到至少一个第二瞬时转速

其中M≥1，且M为正整数；

计算一个周期内所述曲轴的转动惯量

对应的计算公式为：

其中，m₁为所述活塞的质量，R为所述曲柄的长度，

为所述曲轴的转角，λ为所述曲柄长度和所述连杆长度的比值，m₂为所述曲轴的质量；

计算一个周期内所述曲轴的平均转动惯量

对应的计算公式为：

计算一个周期内所述柴油机的等效转速

对应的计算公式为：

获取一个周期内所述柴油机的所述等效转速

的波形图；

计算一个周期内任一所述气缸在膨胀阶段的做功量W_i，对应的计算公式为：

其中，

为所述波形图中第i个波谷的曲轴转角，

为所述波形图中每个

对应相邻的上升沿波峰的曲轴转角；

计算各所述气缸的不均匀系数α_i，对应的计算公式为：

其中，

为一个周期内所述柴油机的平均等效转速；

比较不均匀系数α_i的绝对值与预设阈值β的大小，若|α_i|＞β，判断对应的所述气缸处于第一状态；若|α_i|≤β，判断对应的所述气缸处于第二状态。

2.根据权利要求1所述的基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，其特征在于，所述数据处理包括剔除杂波、剔除错误信号。

3.根据权利要求2所述的基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，其特征在于，所述剔除杂波具体为数字低通滤波。

4.根据权利要求3所述的基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，其特征在于，所述数字低通滤波中，通带的频率信号范围为0-220Hz、阻带的频率信号范围为等于或大于600Hz、通带边衰减分贝值为0.1、阻带边衰减分贝值为20。

5.根据权利要求1所述的基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，其特征在于，所述一个周期为所述曲轴转动720°。

6.根据权利要求1所述的基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，其特征在于，所述第一状态为所述气缸不均匀工作，所述第二状态为所述气缸均匀工作。

7.根据权利要求1所述的基于瞬时转速的柴油机各气缸不均匀性在线检测方法，其特征在于，所述第一瞬时转速以所述曲轴转动K度为间隔，其中0.1≤K≤6。

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