CN115935840B - 一种基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构方法。属于发动机电子控制领域。该方法首先将动力系统进行一定的简化，得到轴系扭矩的简化模型；进行曲柄连杆运动力学分析，结合等效力矩确定缸内气压与扭矩之间的关系；引入参数t(θ)，用实际气体压力扭矩T_c和计算的气体压力扭矩T_{c_res}对t(θ)进行修正；将倒拖压力p_m、修正后的t(θ)与曲柄连杆运动学模型结合，进行缸压重构并输出。并以GT‑Power搭建的柴油机单缸的模型对该方法进行了验证。

Description

一种基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构方法

技术领域

本发明属于发动机电子控制技术领域，特别是涉及一种基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构方法。

背景技术

柴油机的缸内燃烧状态直接决定着柴油机的工作状态，而缸内压力信号所包含的燃烧相关信息最多且更为直观和准确，所以缸内压力信号是进行缸内燃烧状态评估最佳的信息来源。由于缸压传感器的成本较高、安装较为困难，且缸压传感器在长时间工作的可靠性低、使用寿命短，这些因素限制了缸压传感器在线燃烧状态评估中的应用，所以利用其他信号间接识别缸内压力信息逐渐成为人们研究的主要内容之一。

传统间接识别缸内压力信息的方法主要有基于振动信号的识别方法、基于扭矩信号、瞬时转速信号的识别方法。利用振动信号识别缸内压力信息的方法，由于实测的振动信号易受到环境的干扰，所以传递函数法在传递函数发生微小变化时会造成反演过程的严重失真。基于扭矩信号的识别方法和基于瞬时转速信号识别方法均依托于柴油机的曲柄连杆机构的动力学模型，在信号传递过程中，扭矩信号可看作为瞬时转速信号的上一级信号，所以两种方法具有相同的特征，而利用瞬时转速信号则需要较为复杂的计算模型，利用两种信号计算缸压的主要方法有黑箱模型法和线性动力学模型法，黑箱模型法主要是建立扭矩信号和缸内压力之间的黑箱模型，但该方法只能在标定工况下具有较高的精度，在其他工况下表现并不突出，使得该方法在使用过程中具有一定的局限性；线性动力学模型法则根据曲轴模型得到扭矩信号倒推缸内压力的公式，再利用测得的信号对缸内压力进行计算，该方法存在的问题即在反向计算过程中，存在特定点使得反向计算公式的结果存在奇点，这种情况存在于活塞位于上止点或下止点处时，这是由于曲柄连杆机构的运动规律，在接近上止点和下止点时，气体扭矩的力臂为0，所以在上、下止点附近出会出现突变现象，虽然可以利用差分离散的方法计算上止点附近的缸内压力，但仍存在较大的误差。

发明内容

本发明目的是为了解决等效力矩在上下止点出现突变的问题，并利用扭矩信号对缸内压力进行重构，提出了一种基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构方法，所述方法具体包括：

步骤1：在计算过程中对动力系统进行简化，得到轴系扭矩的简化模型；

步骤2：利用简化后的轴系扭矩模型进行曲柄连杆运动力学分析，确定活塞对连杆的作用力F；将活塞作用在连杆上的力进行分解后，结合等效力矩确定缸内气压与扭矩之间的关系；

步骤3：为减小上下止点处等效力矩奇点导致的误差，引入只与柴油机几何参数有关的t(θ)，并利用实际气体压力扭矩T_c和计算的气体压力扭矩T_{c_res}对t(θ)进行修正；

步骤4：根据以上步骤，将倒拖压力p_m、修正后的t(θ)与曲柄连杆运动学模型结合，进行缸压重构并输出。

进一步地，所述的步骤2中所述的确定缸内气压与扭矩之间的关系，具体步骤如下：

(1)根据活塞的运动规律，作用在活塞上的力F_c和往复惯性力F_j为:

F_j＝-m·a

式中：F_c代表作用在活塞上的力；F_j代表往复惯性力；p_c代表缸压；D代表活塞直径；m代表往复惯性质量；a代表是活塞加速度；

(2)活塞对连杆的作用力F为缸内气体压力F_c和往复惯性力F_j的合力，即

F＝F_c+F_j

(3)将F中的连杆推力F_l分解为法向作用力F_N与切向作用力F_τ；其中切向作用力F_τ形成的即为曲轴扭矩T；利用几何关系将往复惯性扭矩T_j与气体压力产生的扭矩T_c表示出来：

T＝T_c+T_j

式中：θ代表曲轴转角；R代表曲柄半径；λ代表曲柄半径与连杆长度的比值；

(4)结合以上分析可知，利用扭矩信号重构缸内压力信号的理论公式如下：

式中：活塞表面积等效力矩/>

进一步地，所述的步骤3所述的修正参数t(θ)，具体步骤如下：

(1)倒拖缸内压力p_m即缸内不发生燃烧时缸内气体压力随曲轴转角进行变化，利用进气压力和绝热压缩公式进行计算，由倒拖缸内压力引起的倒拖扭矩T_m也可直接表示出来：

T_m＝p_mAL(θ)

(2)由缸内实际气体压力扭矩T_c与倒拖气体压力扭矩T_m之差除以T_m自身可得：

设曲轴转角在θ₁处时，倒拖气体压力扭矩取得最大值T_{m_max}，以T_{m_max}为参考点可得：

其中：从该式中可知t(θ)只与柴油机的几何参数有关；

(3)从t(θ)的计算公式中可知，计算时在上、下止点附近处仍存在奇点，所以初始条件设t(θ₁)＝0计算缸内压力p_c，根据计算得到的缸内压力p_c计算相应的气体压力扭矩T_{c_res}，以实际气体压力扭矩T_c和计算的气体压力扭矩T_{c_res}的差值修正下一个循环的t(θ)值，具体公式如下：

T_{c_res}＝p_cAL(θ)

本发明的有益效果为：

本发明提出了一种基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构方法，该方法能够解决等效力矩在上下止点出现突变的问题，并利用扭矩信号对缸内压力进行重构。所述方法减小了上止点附近的缸内压力的误差。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为曲柄连杆受力分析图；

图3为中速柴油机单缸GT-Power模型；

图4为L(θ)随曲轴转角的变化图；

图5为重构缸内压力计算模型；

图6为t(θ)修正过程图(局部)；

图7a为100％负荷下重构缸内压力与实际缸内压力对比图；

图7b为75％负荷下重构缸内压力与实际缸内压力对比图；

图7c为50％负荷下重构缸内压力与实际缸内压力对比图；

图8a为100％负荷下不同循环次数的重构缸内压力与实际缸内压力对比图；

图8b为75％负荷下不同循环次数的重构缸内压力与实际缸内压力对比图；

图8c为50％负荷下不同循环次数的重构缸内压力与实际缸内压力对比图；

图9a为100％负荷缸内压力和放热率对比图；

图9b为75％负荷缸内压力和放热率对比图；

图9c为50％负荷缸内压力和放热率对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一

结合图1-图9c，本发明提出一种基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构方法，所述方法具体包括：

步骤1：在计算过程中对动力系统进行简化，得到轴系扭矩的简化模型；具体为：在计算过程中要对动力系统进行刚性假设与线性假设，忽略曲轴的扭振和振动对测量结果的影响，并对其进行单惯量处理；忽略力矩传递的过程，某一时刻曲轴上的总扭矩等于所有作用力矩线性相加之和；

步骤2：利用简化后的轴系扭矩模型进行曲柄连杆运动力学分析，确定活塞对连杆的作用力F；将活塞作用在连杆上的力进行分解后，结合等效力矩确定缸内气压与扭矩之间的关系；

所述的步骤2中所述的确定缸内气压与扭矩之间的关系，具体步骤如下：

(1)根据活塞的运动规律，作用在活塞上的力F_c和往复惯性力F_j为:

F_j＝-m·a

式中：F_c代表作用在活塞上的力；F_j代表往复惯性力；p_c代表缸压；D代表活塞直径；m代表往复惯性质量；a代表是活塞加速度；

(2)活塞对连杆的作用力F为缸内气体压力F_c和往复惯性力F_j的合力，即

F＝F_c+F_j

(3)将F中的连杆推力F_l分解为法向作用力F_N与切向作用力F_τ；其中切向作用力F_τ形成的即为曲轴扭矩T；利用几何关系将往复惯性扭矩T_j与气体压力产生的扭矩T_c表示出来：

T＝T_c+T_j

式中：θ代表曲轴转角；R代表曲柄半径；λ代表曲柄半径与连杆长度的比值；

(4)结合以上分析可知，利用扭矩信号重构缸内压力信号的理论公式如下：

式中：活塞表面积等效力矩/>

步骤3：为减小上下止点处等效力矩奇点导致的误差，引入只与柴油机几何参数有关的t(θ)，并利用实际气体压力扭矩T_c和计算的气体压力扭矩T_{c_res}对t(θ)进行修正；

所述的步骤3所述的修正参数t(θ)，具体步骤如下：

(1)倒拖缸内压力p_m即缸内不发生燃烧时缸内气体压力随曲轴转角进行变化，利用进气压力和绝热压缩公式进行计算，由倒拖缸内压力引起的倒拖扭矩T_m也可直接表示出来：

T_m＝p_mAL(θ)

(2)由缸内实际气体压力扭矩T_c与倒拖气体压力扭矩T_m之差除以T_m自身可得：

设曲轴转角在θ₁处时，倒拖气体压力扭矩取得最大值T_{m_max}，以T_{m_max}为参考点可得：

其中：从该式中可知t(θ)只与柴油机的几何参数有关；

(3)从t(θ)的计算公式中可知，计算时在上、下止点附近处仍存在奇点，所以初始条件设t(θ₁)＝0计算缸内压力p_c，根据计算得到的缸内压力p_c计算相应的气体压力扭矩T_{c_res}，以实际气体压力扭矩T_c和计算的气体压力扭矩T_{c_res}的差值修正下一个循环的t(θ)值，具体公式如下：

T_{c_res}＝p_cAL(θ)

步骤4：根据以上步骤，将倒拖压力p_m、修正后的t(θ)与曲柄连杆运动学模型结合，进行缸压重构并输出。

具体实施方式二

下面结合附图与实验验证对本发明做进一步详细说明。

参照图1，本发明提出一种基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构方法，包括以下步骤：

步骤1：在实际的船舶动力机构中，其运动部件的运动过程极其复杂，且各运动部件间的相互影响也十分复杂，所以在计算过程中要对动力系统进行一定的简化，首先假设整个曲轴为刚性轴，忽略了曲轴的扭振和振动对测量结果的影响，并对其进行单惯量处理；其次假设曲轴上的扭矩是由于缸内气体压力扭矩和往复惯性力矩共同作用的结果，所以假设忽略力矩传递的过程，某一时刻曲轴上的总扭矩等于所有作用力矩线性相加之和。轴系扭矩的简化模型，如图2所示；

步骤2：建立了270船用中速柴油机单缸的GT-Power模型。中速柴油机单缸GT-Power模型参照图3；

表1所示为搭建GT-Power模型所需的主要参数：

表1建模的基本参数

步骤3：实际的应用中受到以下因素的影响，使得根据上式倒推缸内压力的效果并不好：由于曲柄连杆机构的运动规律，在接近上止点和下止点时，切向作用力为零，即气缸作用力对飞轮转速的作用效果几乎为零，反映在等效力矩处即在上、下止点处的值为0。等效力矩随曲轴转角的变化如图4所示，因此在倒推缸内压力时，由缸内压力在上、下止点附近出会出现突变现象。根据活塞的运动规律，倒拖缸压力学模型与t(θ)修正公式，基于曲轴转角信号、扭矩信号、进气压力和平均转速信号，通过GT-Power的单缸柴油机模型将所需信号输出到缸内压力重构的模型中，建立如图5所示模型；

步骤4：利用该模型在100％、75％、50％三种不同工况下验证缸内气体压力重构的情况。重构过程中，t(θ)修正如图6所示；三种不同工况重构缸内压力与实际缸内压力对比如图7a，图7b，图7c所示；三种不同工况不同循环次数的重构缸内压力与实际缸内压力对比如图8a，图8b，图8c所示。

本实例采用270船用中速柴油机单缸的GT-Power模型，将标定好的船用中速柴油机的单缸模型在100％负荷、75％负荷和50％负荷的条件下运行，建立基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构模型，联合仿真结果输出的缸内压力曲线和放热率曲线与实际的缸内压力曲线和放热率曲线相比较，如图9a，图9b，图9c所示。在三个工况下仿真缸内压力曲线和放热率曲线与实验缸内压力曲线和放热率曲线十分接近。经过计算，仿真所得到的缸内压力数据和放热率数据与实验数据相比，计算误差约在2％附近，在允许误差范围内。

以上对本发明所提出的一种基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种基于倒拖缸压和扭矩信号的缸内压力重构方法，其特征在于：所述方法具体包括：

步骤1：在计算过程中对动力系统进行简化，得到轴系扭矩的简化模型；

步骤2：利用简化后的轴系扭矩模型进行曲柄连杆运动力学分析，确定活塞对连杆的作用力F；将活塞作用在连杆上的力进行分解后，结合等效力矩确定缸内气压与扭矩之间的关系；

步骤3：为减小上下止点处等效力矩奇点导致的误差，引入只与柴油机几何参数有关的t(θ)，并利用实际气体压力扭矩T_c和计算的气体压力扭矩T_{c_res}对t(θ)进行修正；

步骤4：根据以上步骤，将倒拖压力p_m、修正后的t(θ)与曲柄连杆运动学模型结合，进行缸压重构并输出；

所述的步骤2中所述的确定缸内气压与扭矩之间的关系，具体步骤如下：

(1)根据活塞的运动规律，作用在活塞上的力F_c和往复惯性力F_j为:

F_j＝-m·a

式中：F_c代表作用在活塞上的力；F_j代表往复惯性力；p_c代表缸压；D代表活塞直径；m代表往复惯性质量；a代表是活塞加速度；

(2)活塞对连杆的作用力F为缸内气体压力F_c和往复惯性力F_j的合力，即

F＝F_c+F_j

(3)将F中的连杆推力F_l分解为法向作用力F_N与切向作用力F_τ；其中切向作用力F_τ形成的即为曲轴扭矩T；利用几何关系将往复惯性扭矩T_j与气体压力产生的扭矩T_c表示出来：

T＝T_c+T_j

式中：θ代表曲轴转角；R代表曲柄半径；λ代表曲柄半径与连杆长度的比值；

(4)结合以上分析可知，利用扭矩信号重构缸内压力信号的理论公式如下：

式中：活塞表面积等效力矩/>

所述的步骤3所述的修正参数t(θ)，具体步骤如下：

(1)倒拖缸内压力p_m即缸内不发生燃烧时缸内气体压力随曲轴转角进行变化，利用进气压力和绝热压缩公式进行计算，由倒拖缸内压力引起的倒拖扭矩T_m也可直接表示出来：

T_m＝p_mAL(θ)

(2)由缸内实际气体压力扭矩T_c与倒拖气体压力扭矩T_m之差除以T_m自身可得：

设曲轴转角在θ₁处时，倒拖气体压力扭矩取得最大值T_{m_max}，以T_{m_max}为参考点可得：

其中：从该式中可知t(θ)只与柴油机的几何参数有关；

(3)从t(θ)的计算公式中可知，计算时在上、下止点附近处仍存在奇点，所以初始条件设t(θ₁)＝0计算缸内压力p_c，根据计算得到的缸内压力p_c计算相应的气体压力扭矩T_{c_res}，以实际气体压力扭矩T_c和计算的气体压力扭矩T_{c_res}的差值修正下一个循环的t(θ)值，具体公式如下：

T_{c_res}＝p_cAL(θ)