CN113107697A - 柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，将柴油发动机的一个工作循环等分为与柴油发动机缸数一致的若干个工作分区，采集每个工作分区的转速信号，计算每个工作分区的平均分区转速并进行滤波加权，再计算每个工作循环的平均转速，进而计算每个工作分区的转速波动率的绝对值，对每个工作循环中各工作分区的转速波动率的绝对值进行求和。本发明通过各工作循环中的转速波动率间接评价扭矩波动，根据各工作循环中的转速波动率实时记录和诊断柴油发动机扭矩波动导致的振动，为柴油发动机振动状态判断、原因排查和扭矩控制提供动态修正依据，进而提高柴油发动机使用寿命和客户驾乘体验。

Description

柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法

技术领域

本发明涉及一种发动机的测试方法，尤其涉及一种柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法。

背景技术

发动机是车辆动力系统的主要组成部分，发动机的性能会直接影响到车辆驾乘舒适度和车辆性能。目前，在发动机的开发设计阶段，可通过专用的测量工具准确测取发动机的扭矩值，且在对实际的整车或动力配套设备中的柴油发动机进行测试和评价时，需要卸载柴油发动机，再使用专业测量工具测量，较为耗时费力。现有监测软件获取到的实际整车或动力配套设备中柴油发动机的输出扭矩是ECU软件通过燃油消耗估算获得，存在5％以内的误差，测量工具的监测软件获取到的实际的整车或动力配套设备中发动机输出扭矩误差较大，从而无法了解实际的整车或动力配套设备中发动机输出转矩波动的实际情况，进而无法准确评价发动机扭矩波动的实际情况，导致发动机振动等问题，影响发动机的使用寿命，降低车辆的驾乘体验和舒适度。

中国发明专利申请CN201611010284.8公开了一种汽车传动部件传递扭矩波动量检测装置及检测方法，该检测方法利用带永磁吸盘的传感器支架固定于车身，并通过信号齿盘产生转速脉冲信号，从而通过扭矩波动量反映传动部件在各档位下的扭转波动情况及发动机数据扭矩在整个动力传动系统传递过程中的波动量。该检测方法主要检测传动系统在动力传递过程中各关键节点产生的扭矩波动量，未针对发动机的结构特征和喷射特征进行计算和评价，无法统一量化发动机振动情况并进行诊断检测；且该检测装置需要额外安装六个转速传感器、齿圈、一个计算机及相应的采集配套设备，致使整车成本增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，通过各工作循环的转速波动率情况间接评价扭矩波动，并用于实时记录和诊断柴油发动机扭矩波动导致的振动，为柴油发动机振动状态判断、原因排查和扭矩控制提供动态修正依据，进而提高柴油发动机使用寿命和客户驾乘体验。

本发明是这样实现的：

一种柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，包括以下步骤：

步骤1：柴油发动机以恒定转速转动，ECU将柴油发动机的工作过程等分为若干个工作分区，并将连续的j个工作分区作为柴油发动机的一个工作循环，其中，j为自然数；

步骤2：将每一个工作分区作为一个采样点，采集每一个采样点的分区时间T_x，并计算柴油发动机在每个工作分区内的平均分区转速N_x，计算公式为：

N_x＝60*1000/(T_x*N_c)公式(1)

步骤3：对每个工作分区的平均分区转速N_x进行滤波加权，得到滤波转速N_xa；

步骤4：对当前工作分区及其前j-1个工作分区的滤波转速N_xa求平均值，获得柴油发动机在当前工作循环的平均转速N_avg，计算公式为：

N_avg＝∑₁ ^NcN_xa/N_c公式(6)

步骤5：计算柴油发动机在当前工作分区的转速波动率的绝对值W_x，计算公式为：

W_x＝|100％*(N_xa-N_avg)/N_avg|公式(7)

步骤6：计算柴油发动机在当前工作循环的转速波动率绝对值W_all，计算公式为：

W_all＝∑₁ ^NcW_x公式(8)

步骤7：根据转速波动率绝对值W_all评价柴油发动机当前工作循环的转速波动状态，返回步骤2进行柴油发动机下一工作循环的评价。

所述的步骤1中，柴油发动机的一个工作循环包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。

所述的步骤1中，一个工作循环内工作分区的数量j与柴油发动机的缸数N_c一致，即j＝N_c，且每个工作分区均包含一个做功缸的压缩上止点，使每一个工作分区包括做功缸的部分压缩做功和部分燃烧膨胀做功。

所述的步骤3中，滤波转速N_xa的计算方法是：

将当前工作分区及其前j-1个连续的工作分区作为当前工作循环，对当前工作分区的平均分区转速N_xc与前一个工作循环中第一个工作分区的滤波转速N_xp进行滤波加权，获取当前工作分区的滤波转速N_xa，计算公式是：

N_xa＝N_xp*[1-N_avgp/(N_max-N_min)]+N_xc*N_avgp/(N_max-N_min)公式(5)

其中，N_avgp为前一个工作循环的平均转速，单位为rpm；

N_max为滤波最大转速设定值，N_min为滤波最小转速设定值；

在第一工作循环的每个工作分区中，将N_xc赋值给N_avg和N_xa，即将当前工作分区的平均分区转速N_xc作为当前工作分区的平均转速N_avg和滤波转速N_xa。

所述的步骤7中，柴油发动机当前工作循环的转速波动状态的评价方法是，设定柴油发动机的转速波动上限值A，当W_all＞A时，认为柴油发动机疑似故障，当W_all≤A时，认为柴油发动机运行正常。

所述的步骤7中，对柴油发动机疑似故障次数进行计数，记为C，并设定计数阈值B，当C＞B时，认为柴油发动机转速波动故障。

所述的步骤7中，当柴油发动机转速波动故障时，发送故障信号和故障做功缸至仪表盘，仪表盘指示灯亮。

所述的故障做功缸的判断方法是：取所有当前工作分区的转速波动率的绝对值W_x中的最大值W_xmax，该最大值W_xmax所对应的做功缸为故障做功缸。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明根据柴油发动机的结构特征和喷射特征将一个工作循环设定为与缸数相匹配的若干个工作分区，每个工作分区均对应一个做功缸，在分区内做功缸进行部分压缩和燃烧膨胀做功，气缸在压缩上止点前后燃烧做功，发动机转速波动最为剧烈，将一个气缸压缩上止点前后划分为一个工作区可以反应发动机转速动态波动情况，同时也可以反应发动机结构特征和喷射特征对扭矩波动的影响，使评价方法更便捷和准确。

2、本发明通过柴油发动机在每个工作分区内转速信号的采集，基于每个工作循环的转速波动率绝对值对柴油发动机在该工作循环内的扭矩波动情况进行评价，无需借助任何外部扭矩测量工具对扭矩进行测量，适用于实际的整车和动力配套设备中柴油发动机的测试评价，柴油发动机的转速采集简单、高效，从而对柴油发动机的扭矩波动情况进行快速的实时记录和评价。

3、本发明利用柴油发动机的转速波动率绝对值间接表征扭矩波动情况，使用转速波动率绝对值可以将不同恒定转速下扭矩的波动统一量化，采用统一的诊断评价方法，有利于精准评价柴油发动机的扭矩波动状态，为后续进行燃油修正提供参考。

4、本发明由于将所有当前工作分区的转速波动率的绝对值中的最大值所对应的做功缸判断为故障做功缸，能作为柴油发动机波动故障原因排查的依据，能提高柴油发动机波动故障原因排查针对性、精准性和高效性。

本发明通过柴油发动机在各工作循环的转速波动率间接评价扭矩波动，在柴油发动机运行于电站、工程车辆PTO工作模式、道路车辆巡航模式等恒定转速的工况下时，可利用每一工作循环的转速波动率绝对值实时记录和诊断柴油发动机扭矩波动导致的振动，能在不借助任何外部扭矩测量工具的情况下快速、准确获取柴油发动机实际扭矩波动情况，为柴油发动机的动态燃油补偿等扭矩控制提供动态修正依据，进而提高柴油发动机使用寿命和客户驾乘体验。

附图说明

图1是本发明柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请参见附图1，一种柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，包括以下步骤：

步骤1：柴油发动机以恒定转速转动，ECU(Electronic Control Unit，即柴油发动机的电子控制单元)将柴油发动机的工作过程等分为若干个工作分区，并将连续的j个工作分区作为柴油发动机的一个工作循环，其中，j为自然数。恒定转速可在ECU中预先设定，使柴油发动机能以该转速运行于恒转速工况，柴油发动机的实际转速可能在该恒定转速上下波动。

所述的步骤1中，柴油发动机的一个工作循环包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。

所述的步骤1中，一个工作循环内工作分区的数量j与柴油发动机的缸数N_c一致，即j＝N_c，且每个工作分区均包含一个做功缸的压缩上止点，使每一个工作分区包括做功缸的部分压缩做功和部分燃烧膨胀做功。由于气缸在压缩上止点前后燃烧做功时，柴油发动机转速波动最为剧烈，故选择在一个气缸压缩上止点的前后区域划分为一个工作分区，做功缸(气缸)在一个工作分区内进行一部分压缩做功和一部分燃烧膨胀做功，从而能更大程度的反映柴油发动机转速波动的动态特性，同时也最可以反映柴油发动机结构特征和喷射特征对扭矩波动的影响。

步骤2：将每一个工作分区作为一个采样点，采集每一个采样点的分区时间T_x(单位为ms)，并计算柴油发动机在每个工作分区内的平均分区转速N_x(单位为rpm)，计算公式为：

N_x＝60*1000/(T_x*N_c)公式(1)。

优选的，本发明中被评价的柴油发动机可采用集成了电控系统的发动机，且电控系统内配有曲轴传感器，可通过曲轴传感器实时采集柴油发动机的转速信号，如实时角速度θ等。在柴油发动机的运行过程中：

T_eng-T_load＝(J_eng+J_load)*d²θ/dt²公式(2)。

其中，T_load为负载扭矩，同时也是柴油发动机为实现恒定转速的期望输出扭矩。

T_eng为柴油发动机在恒定转速下的实际输出扭矩。

J_eng为柴油发动机转动惯量；J_load为负载转动惯量。

θ为柴油发动机的实时角速度。

dθ/dt＝n*6公式(3)。

其中，n为柴油发动机的实时转速，单位为rpm。

则T_eng＝(J_eng+J_load)*6*dn/dt+T_load＝6*J_all*dn/dt+T_load公式(4)。

由公式(4)可知，在恒定转速下，外部负载需要的扭矩是一定的，柴油发动机输出扭矩的变化等于柴油发动机与负载转动惯量之和乘以柴油发动机的角加速度。因此，柴油发动机转速的变化和柴油发动机角加速度成正比，在某一设定的恒定转速下，柴油发动机的转速变化dn可以间接表征柴油发动机的扭矩波动情况，进而可以采用转速波动率绝对值将不同恒定转速下的扭矩波动统一量化，使诊断评价方法统一。

步骤3：对每个工作分区的平均分区转速N_x进行滤波加权，得到滤波转速N_xa。

将当前工作分区及其前j-1个连续的工作分区作为当前工作循环，对当前工作分区的平均分区转速N_xc与前一个工作循环中第一个工作分区的滤波转速N_xp进行FIR(FiniteImpulse Response的简称，即有限长单位冲激响应)滤波加权，获取当前工作分区的滤波转速N_xa，计算公式是：

N_xa＝N_xp*[1-N_avgp/(N_max-N_min)]+N_xc*N_avgp/(N_max-N_min)公式(5)。

其中，N_avgp为前一个工作循环的平均转速，单位为rpm。

N_max为滤波最大转速设定值，单位为rpm；N_min为滤波最小转速设定值，单位为rpm。N_max与N_min依据柴油发动机的系统特征确定，在软件实现上可设置为标定变量。

若柴油发动机的做功缸数量为6，柴油发动机在工作过程中，工作分区依次标记为1、2、3、4、…，其中，第一个工作循环为第1-6个工作分区，第二个工作循环为第2-7个工作分区，第三个工作循环为第3-8个工作分区，以此类推。在第一工作循环的每个工作分区中，将当前工作分区的N_xc赋值给N_avg和N_xa，即将当前工作分区的平均分区转速N_xc作为当前工作循环的平均转速N_avg和滤波转速N_xa，并在第二个工作循环及后续工作循环中计算滤波转速N_xa时，作为前一个工作循环的平均转速N_avgp和前一个工作循环中第一个工作分区的滤波转速N_xp使用。

从公式(5)可知，柴油发动机的转速越低，转速波动就越大，当前工作分区的平均分区转速N_xc对滤波转速N_xa的影响就越大，加权系数就越高。

步骤4：对当前工作分区及其前j-1个工作分区的滤波转速N_xa求平均值，获得柴油发动机在当前工作循环的平均转速N_avg，计算公式为：

N_avg＝∑₁ ^NcN_xa/N_c公式(6)。

步骤5：计算柴油发动机在当前工作分区的转速波动率的绝对值W_x(单位为％)，计算公式为：

W_x＝|100％*(N_xa-N_avg)/N_avg|公式(7)。

步骤6：计算柴油发动机在当前工作循环的转速波动率绝对值W_all，计算公式为：

W_all＝∑₁ ^NcW_x公式(8)。

步骤7：根据转速波动率绝对值W_all评价柴油发动机当前工作循环的转速波动状态：设定柴油发动机的转速波动上限值A，当W_all＞A时，认为柴油发动机疑似故障，当W_all≤A时，认为柴油发动机运行正常。返回步骤2进行柴油发动机下一工作循环的评价。转速波动上限值A由柴油发动机的自身机械特性和燃烧特性决定。

在所述的步骤7中，对柴油发动机疑似故障次数进行计数，记为C，并设定计数阈值B，当C＞B时，认为柴油发动机转速波动故障。当柴油发动机转速波动故障时，通过报文或硬线等形式发送故障信号和故障做功缸至仪表盘，仪表盘指示灯亮，用于提醒柴油发动机转速波动故障。计数阈值B由柴油发动机的测试软件的性能和测试要求决定。

所述的故障做功缸的判断方法是：取所有当前工作分区的转速波动率的绝对值W_x中的最大值W_xmax，该最大值W_xmax所对应的做功缸为故障做功缸，故障做功缸的判断结果可作为对该柴油发动机波动故障原因排查的依据。

实施例1：

在本实施例中，柴油发动机集成了电控系统，且内置有曲轴传感器，齿圈类型为60-4，其做功缸的缸数N_c为6，依次标记为1号做功缸、2号做功缸、3号做功缸、4号做功缸、5号做功缸、6号做功缸。

步骤1：ECU将柴油发动机的一个工作循环等分为6个工作分区，并设定柴油发动机的转速波动上限值A，A＝4％。

步骤2：将6个工作分区作为6个采样点，采集每一个采样点的分区时间T_x，并计算各工作分区的平均分区转速N_x。

第一个工作循环的6个工作分区的分区时间T_x依次为9.9ms、10.1ms、10.0ms、10.1ms、10.2ms、10.2ms，根据公式(1)计算柴油发动机在第一个工作循环的6个工作分区内的平均分区转速N_x依次为1010.1rpm、990.1rpm、1000.0rpm、990.1rpm、980.4rpm、980.4rpm，并依次作为第一个工作循环的的平均转速N_avg和第一个工作循环中6个工作分区的滤波转速N_xa，用于后续工作循环的计算，作为后续工作循环计算滤波转速N_xa时的前一个工作循环的平均转速N_avgp和前一个工作循环中第一个工作分区的滤波转速N_xp使用。

步骤3：设定：滤波最大转速设定值N_max为2200rpm，滤波最小转速设定值N_min为0rpm。

在当前某个工作分区的计算时，将当前工作分区及其前5个工作分区作为当前工作循环，前5个工作分区的滤波转速N_xa分别为990.1rpm、1000.0rpm、990.1rpm、980.4rpm、980.4rpm。根据公式(1)计算得到当前工作分区的平均分区转速N_xc为1000.0rpm，前一个工作循环的平均转速N_avgp为991.8rpm，前一个工作循环中第一个工作分区的滤波转速N_xp为1010.1rpm。根据公式(5)对当前工作分区的平均分区转速N_xc＝1000.0rpm与前一个工作循环的第一个工作分区的滤波转速N_xp＝1010.1rpm进行FIR滤波加权，得到当前工作分区的滤波转速N_xa＝1005.5rpm。

当前工作循环中，6个工作分区的滤波转速N_xa分别为990.1rpm、1000.0rpm、990.1rpm、980.4rpm、980.4rpm、1005.5rpm。

步骤4：根据公式(6)对当前工作分区及前5个工作分区的滤波转速N_xa求平均值，获得柴油发动机当前工作循环的平均转速N_avg为991.1rpm。

步骤5：根据公式(7)计算当前工作分区及前5个工作分区的转速波动率的绝对值W_x，分别为0.01％、0.89％、0.09％、1.07％、1.07％和1.45％。

步骤6：根据公式(8)计算当前工作循环的转速波动率绝对值W_all为4.58％。

步骤7：4.58％＞4％，即W_all＞A，柴油发动机当前工作循环评价为疑似故障，疑似故障次数C累计为1，返回步骤2进行柴油发动机下一工作循环的评价。

设定计数阈值B＝60000，在进行了100000个工作循环后，疑似故障次数C累计到60000＝B，此时将柴油发动机评价为转速波动故障。取所有当前工作分区的转速波动率的绝对值W_x中的最大值W_xmax＝1.45％，该最大值W_xmax所对应的6号做功缸为故障做功缸。

通过报文形式发送故障信号和故障做功缸至仪表盘，仪表盘指示灯亮，用于提醒柴油发动机转速波动故障，可将6号做功缸作为该柴油发动机转速波动故障原因排查的依据。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：柴油发动机以恒定转速转动，ECU将柴油发动机的工作过程等分为若干个工作分区，并将连续的j个工作分区作为柴油发动机的一个工作循环，其中，j为自然数；

步骤2：将每一个工作分区作为一个采样点，采集每一个采样点的分区时间T_x，并计算柴油发动机在每个工作分区内的平均分区转速N_x，计算公式为：

N_x＝60*1000/(T_x*N_c) 公式(1)

步骤3：对每个工作分区的平均分区转速N_x进行滤波加权，得到滤波转速N_xa；

步骤4：对当前工作分区及其前j-1个工作分区的滤波转速N_xa求平均值，获得柴油发动机在当前工作循环的平均转速N_avg，计算公式为：

N_avg＝∑₁ ^NcN_xa/N_c 公式(6)

步骤5：计算柴油发动机在当前工作分区的转速波动率的绝对值W_x，计算公式为：

W_x＝|100％*(N_xa-N_avg)/N_avg| 公式(7)

步骤6：计算柴油发动机在当前工作循环的转速波动率绝对值W_all，计算公式为：

W_all＝∑₁ ^NcW_x 公式(8)

步骤7：根据转速波动率绝对值W_all评价柴油发动机在当前工作循环的转速波动状态，返回步骤2进行柴油发动机下一工作循环的评价。

2.根据权利要求1所述的柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，其特征是：所述的步骤1中，柴油发动机的一个工作循环包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。

3.根据权利要求1所述的柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，其特征是：所述的步骤1中，一个工作循环内工作分区的数量j与柴油发动机的缸数N_c一致，即j＝N_c，且每个工作分区均包含一个做功缸的压缩上止点，使每一个工作分区包括做功缸的部分压缩做功和部分燃烧膨胀做功。

4.根据权利要求1所述的柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，其特征是：所述的步骤3中，滤波转速N_xa的计算方法是：

将当前工作分区及其前j-1个连续的工作分区作为当前工作循环，对当前工作分区的平均分区转速N_xc与前一个工作循环中第一个工作分区的滤波转速N_xp进行滤波加权，获取当前工作分区的滤波转速N_xa，计算公式是：

N_xa＝N_xp*[1-N_avgp/(N_max-N_min)]+N_xc*N_avgp/(N_max-N_min) 公式(5)

其中，N_avgp为前一个工作循环的平均转速，单位为rpm；

N_max为滤波最大转速设定值，N_min为滤波最小转速设定值；

在第一工作循环的每个工作分区中，将N_xc赋值给N_avg和N_xa，即将当前工作分区的平均分区转速N_xc作为当前工作分区的平均转速N_avg和滤波转速N_xa。

5.根据权利要求1所述的柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，其特征是：所述的步骤7中，柴油发动机在当前工作循环的转速波动状态的评价方法是，设定柴油发动机的转速波动上限值A，当W_all＞A时，认为柴油发动机疑似故障，当W_all≤A时，认为柴油发动机运行正常。

6.根据权利要求5所述的柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，其特征是：所述的步骤7中，对柴油发动机疑似故障次数进行计数，记为C，并设定计数阈值B，当C＞B时，认为柴油发动机转速波动故障。

7.根据权利要求6所述的柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，其特征是：所述的步骤7中，当柴油发动机转速波动故障时，发送故障信号和故障做功缸至仪表盘，仪表盘指示灯亮。

8.根据权利要求7所述的柴油发动机在恒定转速下的扭矩波动评价方法，其特征是：所述的故障做功缸的判断方法是：取所有当前工作分区的转速波动率的绝对值W_x中的最大值W_xmax，该最大值W_xmax所对应的做功缸为故障做功缸。

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