CN112912604B - 用于调节驱动可分离装置的内燃发动机转速的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节驱动可分离装置的发动机的转速的方法。当可分离装置分离时，根据第一模式实现发动机转速的调节，并且当可分离装置接合时，根据第二模式实现发动机转速的调节。接合或分离状态的确定通过执行以下步骤来实现：‑估计由可分离装置施加在发动机上的阻力转矩，‑当在第一预定时间段内估计的阻力转矩高于第一预定阈值时，将二进制值从表示分离状态的第一值改变为表示接合状态的第二值，以及‑当在第二预定时间段内估计的阻力转矩低于可能等于第一阈值的第二阈值时，将所述二进制值从第二值改变为其第一值。

Description

用于调节驱动可分离装置的内燃发动机转速的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于调节内燃发动机转速的方法和系统，该内燃发动机驱动可分离装置，例如但不限于割草机发动机。

因此，本发明的领域是发动机控制领域，尤其是用于驱动具有可变惯性的装置的发动机。所述装置例如是割草机，可能是骑乘式割草机，具有可分离的刀片。具体地说，当刀片接合（并由发动机驱动）时，尤其是在割草时，以及当刀片分离时，割草机的惯性变化很大。

背景技术

在割草机领域，发动机通过保持恒定的转速（发动机的旋转速度）来控制。然而，大多数情况下，发动机是在不考虑由发动机驱动的整个装置的总惯性的情况下被控制的。因此，对于给定的惯性，以基本恒定的转速获得折衷，但是当惯性改变时，转速变化。

还已知为控制系统提供输入，该输入对于割草机来说指示刀片是否被驱动（或接合）。这种解决方案允许在割草机刀片接合或分离时更好地管理发动机转速。然而，它需要在发动机中提供额外的连接，因此在设备方面会产生额外的成本。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于调节内燃发动机转速的方法和相应的系统，其允许良好地控制发动机转速，然而，不需要使用额外的传感器（或其他设备）。

本发明的另一个目的是确定必须由发动机驱动的装置的总惯性。因此，将有可能进一步改善发动机转速的调节。

本发明的目的是能够应用于各种类型的发动机调节，既适用于二冲程类型的发动机，也适用于四冲程类型的发动机，并且也不考虑所使用的燃料。

为此，本发明提出了一种用于调节驱动可分离装置的内燃发动机的转速的方法，其中，当可分离装置不被发动机驱动时（分离状态），根据第一模式实现所述发动机转速的调节，并且当可分离装置被发动机驱动时（接合状态），根据第二模式实现所述发动机转速的调节。

根据本发明，可分离装置由发动机驱动还是不由发动机驱动的事实的确定是通过执行以下步骤来实现的：

-估计由可分离装置施加在发动机上的阻力转矩，

-当在第一预定时间段内估计的阻力转矩高于第一预定阈值时，将表示可分离装置的接合或分离状态的二进制值从表示分离状态的第一值改变为表示接合状态的第二值，以及

-当在第二预定时间段内估计的阻力转矩低于可能等于第一阈值的第二阈值时，将表示可分离装置的接合或分离状态的所述二进制值从表示接合状态的第二值改变为表示分离状态的第一值，

表示可分离装置的接合或分离状态的二进制值被提供给发动机的电子管理系统。

因此，通过分析阻力转矩，可以检测可分离装置是否由发动机驱动。这种分析可以通过通常存在于发动机上的传感器或者基于发动机的调节和/或管理系统的已知参数来执行。例如，可以通过一方面知道供给发动机燃烧室的燃料和氧化剂的量，另一方面知道发动机转速（或旋转速度）来确定阻力转矩。因此，这里不需要在离合装置处提供传感器来确定所述离合装置是处于接合位置还是分离位置。

根据上述方法的优选变型，在表示可分离装置的接合或分离状态的二进制值从表示接合状态的第二值变为表示分离状态的第一值的过程中，第二阈值可以是其值是根据发动机转速而确定的阈值。这样，离合器状态的检测更加可靠。

为了更可靠地检测离合器状态，在有利的变型实施例中，建议当在第二预定时间段内同时出现以下情况时，将表示可分离装置的接合或分离状态的二进制值从表示接合状态的第二值改变为表示分离状态的第一值：

i）估计的阻力转矩低于第二阈值，以及

ii）单位时间内发动机转速的变化高于预限定的加速度阈值。

在如上所述的调节方法中，可以规定，可分离装置施加在发动机上的阻力转矩由发动机内部燃烧产生的转矩来估计，从该转矩中，一方面取出与发动机内部摩擦相关的转矩，另一方面取出对应于的加速转矩。

其中J对应于由发动机驱动的装置的惯性力矩，对应于发动机转速随时间的变化。

当然也可以进行其他计算来确定这个阻力转矩。

在如上所述的调节方法中，可分离装置施加在发动机上的阻力转矩被用作一个量。这个阻力转矩取决于这个可分离装置的惯性力矩。因此，为了更好地估计阻力转矩，知道这个惯性力矩是有利的。惯性力矩可以随着可分离装置的使用寿命而变化，作为例如其磨损的函数，但也可以在可分离装置改变时变化。因此，建议当系统处于接合状态时，调节方法还包括以下步骤：

-当发动机上的可分离装置的估计阻力转矩在预定时间段内稳定时，确定发动机旋转速度超过低速阈值的时刻，

-存储表示估计的阻力转矩的第一值，

-确定发动机旋转速度超过高速阈值的时刻，

-根据估计的阻力转矩、转速变化和测量的时间间隔确定惯性力矩，以获得所述转速变化，以及

-如果在前一步骤中确定的值和已经存储的值之间的差值在预定区间之外，则调适表示可分离装置的惯性力矩的存储值。

在这种实现可分离装置的惯性力矩的调适的方法中，可分离装置施加在发动机上的阻力转矩可以根据发动机内部燃烧产生的转矩估计出来，从该转矩中，一方面取出与发动机内部摩擦相关的转矩，另一方面取出对应于的加速转矩，

其中J对应于由发动机驱动的装置的惯性力矩，对应于发动机转速随时间的变化，并且

在这种情况下，有利地通过忽略发动机内部摩擦的变化，来调适表示可分离装置的惯性力矩的存储值。

本发明还涉及：

A）一种计算机程序产品，包括一系列代码指令，用于实现一种方法，当所述方法由计算机实现时，用于如上所述调节驱动可分离装置的内燃发动机的转速。

B）一种用于调节驱动可分离装置的内燃发动机的转速的装置，包括：

-用于确定发动机转速的装置，

-调节装置，其能够改变发动机转速，

-电子计算机，其被配置成：

-当在第一预定时间段内估计的阻力转矩高于第一预定阈值时，将表示可分离装置的接合或分离状态的二进制值从表示分离状态的第一值改变为表示接合状态的第二值，以及

-当在第二预定时间段内估计的阻力转矩低于可能等于第一阈值的第二阈值时，将表示可分离装置的接合或分离状态的所述二进制值从表示接合状态的第二值改变为表示分离状态的第一值，以及

-向发动机的电子管理系统提供表示可分离装置的接合或分离状态的二进制值。

C）一种二冲程或四冲程内燃发动机，其特征在于，其包括如上所述的供应管理装置，以及

D）一种割草机，包括发动机和可分离的切割刀片，其特征在于，发动机是如上所述的发动机。

附图说明

参考附图，从下面的描述中，本发明的细节和优点将变得更加清楚，其中：

图1是示出用于检测割草机刀片是否联接到发动机的方法的流程图，并且

图2是示出用于确定割草机刀片的惯性力矩的方法的流程图。

具体实施方式

这里给出的描述是参照割草机。这种割草机通常包括安装在轮子上并具有由发动机驱动的割草刀片的结构，所述发动机也用于移动割草机。这里假设割草刀片通过离合器连接到发动机，例如电磁离合器。发动机是热发动机，可以是二冲程或四冲程。

这是本发明特别适合的示例性实施例。然而，本发明也可应用于其它示例性实施例，其中内燃发动机旨在通过离合器驱动诸如工具的装置。例如，这可以是驱动压缩机的发动机。

在割草机中，发动机通常被调节为具有恒定的转速，这使得割草刀片具有恒定的旋转速度成为可能。因此，使用控制装置（例如，控制杆或旋钮），用户提供对应于割草刀片旋转速度的设定值。然后，发动机的供应根据施加到发动机上的载荷而变化。当割草刀片接合或分离时，这种载荷变化很大。调适发动机的调节，当割草刀片接合时提供一种调节模式，当割草刀片分离时（因此不由发动机驱动）提供另一种调节模式。该调节在电子单元内实现，该电子单元在下文中称为ECU（发动机控制单元）。该ECU包括例如二进制输入，即能够接受两个输入值，通常为0和1。根据输入值，ECU将根据第一模式调节发动机，该第一模式对应于例如割草机的分离状态，或者根据第二模式调节发动机，该第二模式在该示例中对应于割草机的接合状态。下面描述的方法使得可以确定应用于ECU的所述输入的二进制值，以便调适发动机的调节模式。

在另一种应用中，例如上述压缩机的驱动，将以适合这种应用的方式调节发动机。当压缩机被驱动时，将有一种调节模式，当压缩机未被驱动时，将有一种对应于减速模式的调节模式。

表示割草刀片接合或分离状态的（二进制）输入值在下文中称为BIN。然后，BIN可以取值0或值1。值0对应于割草刀片的分离状态，而值1对应于割草刀片的接合状态。

在图1中，第一步骤10对应于ECU的初始化，例如发动机的启动。在这个初始化过程中，BIN被设置为0。因此，当离合器处于分离状态时，我们认为发动机被启动，刀片不被驱动。

第二步骤20提供了对BIN值的控制。这里，规定将该值BIN与1进行比较。在整个附图中，字母Y本身对应于“是”，而字母N本身对应于“否”。

如果在第二步骤20的控制期间，BIN为0，即，BIN≠1，因此响应为“否”，估计割草刀片施加在发动机上的阻力转矩。

对应于刀片施加在发动机上的载荷的阻力转矩称为C。当刀片分离时，该转矩C基本上为0。当割草刀片接合时，该转矩尤其根据割草刀片在工作中遇到的“障碍物”（尤其是草）而变化。

就发动机而言，它产生总转矩，称为CT，由发动机中的燃料燃烧产生。

发动机包括运动的机械零件。事实上，为了使这些零件运动，需要施加力。然后，发动机必须产生转矩CF来产生这个力，这使得克服发动机内部的各种摩擦成为可能。

最后，如果发动机和/或割草刀片的旋转速度发生变化（增加），必须有转矩CA来允许发动机加速。

在第一近似中，由发动机产生的转矩CT因此被用于驱动割草刀片，以克服发动机的内部摩擦，更广泛地说，是割草系统的内部摩擦，并改变旋转速度。

以下等式适用：

C = CT–CF–CA

CT由ECU已知，因为该值对应于发动机的转矩设定值，并且是发动机的燃料和氧化剂（空气）供应量以及发动机转速ω的函数（以rad.s^-1或tr.min^-1为单位）。

CF可以通过多种方式确定。在第一近似中，它是常数。因此，可以根据发动机转速更精确地确定CF，例如通过以下类型的函数：

CF(ω) = a ω² +b

这里当然也可以使用其他函数。

就CA而言，它基本上取决于割草刀片旋转速度的变化。可以得出：

CA = JT dω/dt

其中JT是运动系统的总惯性力矩。

可以得出：JT = J + JM

其中J是割草刀片的惯性力矩，JM是发动机中运动零件的惯性力矩。JM基本上保持不变——而且是已知的——发动机零件没有变化。JT的变化对应于J的变化。

在第三步骤30的过程中，然后例如如上所述（或通过任何其他合适的方法）确定阻力转矩C。在例如几毫秒（ms）量级的预定时间间隔内，例如在1到20 ms之间，进行多次连续的确定。如果这些确定中的一个或另一个得到低于预定阈值C0的转矩C的估计，则估计割草刀片没有接合，并且值BIN保持在0。该方法然后返回到第二步骤20。

相反，如果在该时间间隔内执行的所有确定得到高于阈值C0的阻力转矩C的估计，则值BIN取值1（步骤40）。该方法然后返回到第二步骤20。

在该第二步骤20中，如果确定割草刀片接合，即，如果BIN的值为1，则提供时间延迟步骤50。具体地说，就在检测到割草刀片的联接之后，在开始检测割草刀片的分离之前，准备等待一会儿。这个时间延迟例如是一秒（1 s）的量级，例如在0.1 s和5 s之间。

在该时间延迟步骤结束时，再次估计割草刀片施加在发动机上的阻力转矩C。与第三步骤30中的操作类似，当在预定的时间段内，估计的阻力转矩保持低于阈值时，可以提出检测分离，该阈值可以是与上述阈值相同的阈值，或者是不同的阈值（滞后效应）。

然而，在优选实施例中，这里提出的是用于将BIN返回到0的另一种策略，以便在割草刀片仍然接合时尽可能地限制BIN值变为0。

首先，提出这里使用的阈值是作为发动机旋转速度（转速）的函数可变的阈值。这个可变的第二阈值因此被表示为C0(ω)。其他参数可以用作发动机转速的替代或补充，例如发动机的温度、进气节流阀的位置等。

随后，为了使分离的检测更加可靠，还提出检测发动机转速的增加。

具体而言，如果刀片分离的检测仅基于一次转矩测量，则当用户命令降低发动机转速时，可以测量到微弱的阻力转矩，尽管割草刀片仍然接合。在对刀片的惯性知之甚少的情况下（例如在更换刀片之后），也可以触发分离的检测。

在图1所示的优选实施例中，步骤60随后提出累积验证根据发动机转速，阻力转矩低于预定阈值，并且发动机转速的增加在两个预限定加速度之间。

因此，图1在步骤60中提出，在一秒量级（例如在0.1和5 s之间）的预定时间间隔，同时满足：

C < C0(ω)

并且

A0 < dω/dt < A1

其中A0和A1是预定的正极限加速度（以rad.s^-1或tr.min^-1为单位）。

如果满足这两个条件，值BIN将返回0。如果不是，它保持在1，并且该方法返回到第二步骤20。

因此，上述方法指示了将二进制值BIN从0改变为1或者从1改变为0的条件。试验表明，该方法是可靠的，割草机离合器分离时值BIN确实为0，割草机离合器接合时值BIN为1。

在这种方法中，割草刀片的惯性力矩用于确定刀片施加在发动机上的阻力转矩。在系统编程时，制造商可以将该惯性力矩存储在ECU中。然而，这个惯性力矩可以变化。具体地，在锐化操作的情况下，在冲击（撞击）等之后，该惯性力矩可以被“自然地”修改。刀片也可以更换为类似的刀片... 或者不同的刀片。在这些不同的情况下，割草刀片的惯性力矩会发生变化，从而影响上述转矩估计。

图2提出了一种方法，可以定期调整惯性力矩的值，以保持该值最新。该方法构成了本发明的可选的附加部分，使其能够以更高的精度操作。

首先从原理上描述调节所存储的刀片的惯性力矩的原理，然后参照图2进行更详细的描述，图2示出了优选实施例。

当割草刀片接合并且希望增加其旋转速度以从低速转到高速时，发动机转矩被调节。由此计算出发动机转矩的设定值。如上所述，该设定值将在计算上面称为CA的分量时考虑割草刀片的惯性力矩，该分量对应于用于允许刀片加速的发动机转矩的比例。如果获得了预期的加速度，设定值是稳定的，因此存储的惯性力矩足以使调节系统运行。在其他情况下，有必要修改所存储的惯性力矩。

图2的流程图使得在系统中，例如在ECU内部，保持存储的惯性力矩值“最新”成为可能。

在步骤100中，执行割草刀片确实接合的验证。因此，这里验证了上面确定的二进制值BIN确实是1。

在随后的步骤200的过程中，需要确保例如参照图1如上所述确定的阻力转矩C保持基本恒定。例如，可以过滤该阻力转矩C的值，然后进行验证，即在一秒量级（例如0.1至5s）的预定时间间隔期间，估计转矩C的值与过滤转矩的预定值没有不同。该限值可以是固定限值，以Nm为单位，也可以是百分比（例如，偏差不超过10%）。

一旦阻力转矩稳定，存储旋转速度ω取第一值Ω1的时刻（步骤300）。

然后可以开始调适实际惯性力矩的值。然后提供初始化步骤400，在此期间，稳定的阻力转矩C的值，优选地该转矩C的滤波值，被存储在例如ECU的存储器中。

后续步骤500包括存储旋转速度取第二值Ω2的时刻。如果没有达到该转速，则有必要重新开始适配过程并返回到步骤100。

如果达到旋转速度Ω2，则建议移动到后续步骤600。在此过程中，确定从转速Ω1变化到转速Ω2所需的时间。在图2（以及随后的图）中，这个时间范围被称为Δt。该时间范围必须小于根据转速变化（Ω2-Ω1）确定的限值。如果该时间段太长，则自适应过程重新开始（移动到步骤100）。如果不是，则在最后的步骤700中执行适配。

为了调适割草刀片的惯性力矩的值，估计转矩C完全用于刀片的加速度，因此用于从旋转速度Ω1到旋转速度Ω2的变化。根据公式：

C = J dω/dt

推导出：

J = C *Δt/(Ω2-Ω1)

如果以这种方式确定的值不同于存储的值，当然有一定的误差，那么在ECU的存储器中对割草刀片的惯性力矩值进行调适。

因此，可以随时间调适刀片惯性力矩的值，并因此在系统的存储器中具有该惯性力矩的值，该值总是最新的。

作为变型，可以设想使用以下公式来确定割草刀片的惯性力矩：

J = C *Δt/(Ω2-Ω1)+δ

其中δ是常数，例如称为“偏移”。例如，这个偏移被添加到惯性力矩的每次确定中。所述偏移优选为正值，因此倾向于高估割草刀片的惯性力矩。例如，该常数的数量级对应于关于惯性力矩确定的不确定性。这种过高的估计使得有可能避免执行惯性力矩确定的控制器的振荡。

因此，上述本发明使得能够知道联接到内燃发动机的可分离装置的接合或分离状态，而不需要例如在离合器处（或其他地方）具有传感器。因此，可以优化发动机旋转速度的调节。

在有利的变型实施例中，该方法还使得能够确定与发动机相关联的可分离装置的惯性力矩。这种知识使得能够更可靠地检测可分离装置的接合或分离状态。

本发明特别适用于割草机，但也可用于工具等由内燃发动机驱动的其它装置中。

当然，本发明并不局限于上面通过非限制性示例描述的优选实施例和提到的变型，而是还涉及在本领域技术人员范围内的其他变型。

Claims (10)

1.一种用于调节驱动可分离装置的内燃发动机转速的调节方法，其中，当所述可分离装置不被所述发动机驱动时，对应于分离状态，根据第一模式实现发动机转速的所述调节，并且当所述可分离装置被所述发动机驱动时，对应于接合状态，根据第二模式实现发动机转速的所述调节，

其特征在于

通过执行以下步骤来确定所述可分离装置是否由所述发动机驱动：

-通过使用以下等式来估计由所述可分离装置施加在所述发动机上的阻力转矩：

C = CT–CF–CA

其中，C是阻力转矩，CT是发动机的转矩设定值，CF是用以克服割草系统的内部摩擦的转矩，所述割草系统包括所述可分离装置和发动机中的运动部件，CA是与运动系统的总惯性力矩相关的转矩，

-当在第一预定时间段内估计的阻力转矩高于第一预定阈值时，将表示所述可分离装置的接合或分离状态的二进制值从表示分离状态的第一值改变为表示接合状态的第二值，以及

-当在第二预定时间段内所述估计的阻力转矩低于第二阈值时，将表示所述可分离装置的接合或分离状态的所述二进制值从表示所述接合状态的第二值改变为表示所述分离状态的第一值，

表示所述可分离装置的接合或分离状态的所述二进制值被提供给所述发动机的电子管理系统。

2.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，在表示所述可分离装置的接合或分离状态的二进制值从表示所述接合状态的第二值改变为表示所述分离状态的第一值的过程中，所述第二阈值是其值是根据所述发动机转速而确定的阈值。

3.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，表示所述可分离装置的接合或分离状态的二进制值从表示所述接合状态的第二值到表示所述分离状态的第一值的改变是在同时满足以下条件的情况下进行的，即在第二预定时间段内：

i）所述估计的阻力转矩低于所述第二阈值，以及

ii）单位时间内发动机转速的变化高于预限定的加速度阈值。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的调节方法，其特征在于，由所述可分离装置施加在所述发动机上的阻力转矩是根据所述发动机内的燃烧产生的转矩估计的，从该转矩中，一方面取出与所述发动机的内部摩擦相关的转矩，另一方面取出对应于 的加速转矩，

其中J对应于由所述发动机驱动的装置的惯性力矩，对应于发动机转速随时间的变化。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的调节方法，其特征在于，当所述系统处于接合状态时，其还包括以下步骤：

-当所述发动机上的可分离装置的所述估计的阻力转矩在预定时间段内稳定时，确定发动机旋转速度超过低速阈值的时刻，

-存储表示所述估计的阻力转矩的第一值，

-确定发动机旋转速度超过高速阈值的时刻，

-根据估计的阻力转矩、转速变化和测量的时间间隔确定惯性力矩，以获得所述转速变化，以及

-如果在前一步骤中确定的值和已经存储的值之间的差值在预定区间之外，则调适表示所述可分离装置的惯性力矩的存储值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，由所述可分离装置施加在所述发动机上的阻力转矩是根据所述发动机内的燃烧产生的转矩估计的，一方面取出与发动机内部摩擦相关的转矩，另一方面取出对应于的加速转矩，

其中J对应于由所述发动机驱动的装置的惯性力矩，对应于发动机转速随时间的变化，并且

其特征在于，通过忽略所述发动机内部摩擦的变化，来调适表示所述可分离装置的惯性力矩的存储值。

7.一种计算机可读介质，在其上存储一系列代码指令，当由计算机实现时用于实现根据权利要求1至6中的任一项所述的用于调节驱动可分离装置的内燃发动机的转速的调节方法。

8.一种用于调节驱动可分离装置的内燃发动机的转速的装置，其包括：

-用于确定发动机转速的装置，

-电子计算机，

-调节装置，用以改变所述发动机的转速，

其特征在于，

所述电子计算机被配置用于：

-通过使用以下等式来估计由所述可分离装置施加在所述发动机上的阻力转矩：

C = CT–CF–CA

其中，C是阻力转矩，CT是发动机的转矩设定值，CF是用以克服割草系统的内部摩擦的转矩，所述割草系统包括所述可分离装置和发动机中的运动部件，CA是与运动系统的总惯性力矩相关的转矩，

-当在第一预定时间段内估计的阻力转矩高于第一预定阈值时，将表示所述可分离装置的接合或分离状态的二进制值从表示所述分离状态的第一值改变为表示所述接合状态的第二值，以及

-当在第二预定时间段内所述估计的阻力转矩低于第二阈值时，将表示所述可分离装置的接合或分离状态的所述二进制值从表示所述接合状态的第二值改变为表示所述分离状态的第一值，以及

-向所述发动机的电子管理系统提供表示所述可分离装置的接合或分离状态的二进制值。

9.一种四冲程内燃发动机，其特征在于，它包括根据权利要求8所述的装置。

10.一种割草机，其包括发动机和可分离的切割刀片，其特征在于，所述发动机是根据权利要求9所述的发动机。