CN1221489A - 内燃机输出转矩的计算方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的方法,a)对于空气/燃油混合物的每个燃烧阶段确定由曲轴上预定角度位置限定的观察窗;b)在每个窗中测量分隔预定角度位置中曲轴通过点的一系列时间间隔(△T_i);c)在发动机的第一及第二工作方式中分别测量相应的时间间隔(△T_i)及对于这些工作方式的交变分量(Ω₀、Ω₉₀)彼此相位移动预定角度(Φ₀)时,计算两个时间间隔(△T_i)的线性组合(∑a_i△T_i)及(∑b_i△T_i),这些组合的每个系数(a_i)及(b_i)被选择,以放大所述观察窗中的曲轴角度的交变分量(Ω₁、Ω₂)的变化;及d)根据由两线性组合计算的模数值求出转矩的值。

Description

内燃机输出转矩的计算方法

本发明涉及一种内燃发动机输出转矩的计算方法，更具体地，涉及由对发动机曲轴转速变化的观察来实施的该种方法。

由内燃发动机输出的转矩对于表征发动机的工作状态及性能来说是一个重要参数，尤其是当该内燃机用于驱动机动车辆时更是如此。当发动机在试验台上时，可用称为“转矩仪”的仪器来测量发动机输出的转矩。实际上，不能将这种仪器装到机动车上进行测量，主要是由于成本的原因。于是，人们提出了基于现今机动车上普遍安装的速度传感器输出的瞬时速度的测量来计算转矩的各种方法，其中发动机是由接收由速度传感器供给的各个信号的计算机来控制的。在这方面，我们可参阅1989年W.B.RIBBENS及G。RIZZ0N1题为“精确曲轴位置测量在发动机试验、控制及诊断上的应用”的文章，它出自于美国“汽车工程师学会”(“Society of Automotive Engineers”)的出版物SAE 89 0885。该出版的文章描述了一种方法，它在于由根据发动机每转动周期过程中作出的瞬时速度的测量值执行矩阵计算，以便推导出每个汽缸的转矩绝对值并同时检测所述转矩的异常变化。这种计算很复杂并需要大的计算装置，实际上不可想象此计算装置能装于机动车上。此外，根据此文章，看来该方法不能用于低转速(低于3500转/分)。

其它的计算转矩的方法需要在覆盖发动机多个汽缸的空气/燃油混合物连续燃烧的多个阶段的时间“水平线”上观察发动机速度的变化。在所观察的一个汽缸中的不正常燃烧、如点火失败明显地干扰了所进行的整体观察并由此影响了对此得出的计算。

我们还从雷诺车厂股份有限公司以国家代管名义提交的欧洲专利申请S32419中知道了产生代表由内燃发动机汽缸中混合燃气每次燃烧产生的中等“混合燃气”的转矩值的方法及装置，该方法在于：获得一个代表内设在发动机惯性飞轮或曲轴的连接环上的多个测量标志中每个遮掩传感器的持续时间的“一次”值，处理该一次值，以产生分别代表基于发动机中一个燃烧周期过程中标志的平均角速度及基于燃烧角周期中相关标志的相位参考线上的投影的两个二次值，根据标志瞬时角速度的交变分量及结合这两个二次值用以获得代表所求转矩的值。

该方法在测量时能给出令人满意的结果，其中1)“燃烧中心”或汽缸中燃烧时压力最大值明显稳定地保持在曲轴的固定角度位置上，及2)在两个上死点(PMH)之间的间隔中发动机平均速度显然不变化。

在附图的唯一图中表示出在产生燃烧的汽缸中压力P的变化曲线，及在譬如一个四缸发动机的两汽缸中两个循环的活塞相继达到的两个上死点PMH之间相应角度Ω的变化。在试验中可看到，在高转速及使用常规空气/燃油的富混合物时，压力中心Pomax相对上死点PMH集中地保持在一固定位置上，它位于分隔两个相继PMH的角度间隔的第一个四分之一区域中。发动机角速度的相应波动用Ω。表示并明显地在PMH之间的第二个四分之一间隔末出现最大值Ωomax。

相反地，在发动机的其它工作方式时，例如在使用非富的空气/燃油混合物的低转速或中等转速时，压力的峰值相对压力中心Pomax可移到直至45°曲轴转角(位置Pmax)。还可以看到，相应的角速度Ω90的相应相位移，即这时它相应于具有上死点PMH的频率的速度Ω0的基本正弦波动相位移动了π/2。

在这些工作方式以外，还可观察到Ω相对Ω₀的相位移Δφ，它在0和π/2之间。

可以设想一种没有考虑曲轴角速度的峰值或最大值相位移的内燃机转矩值计算的算法将不会在发动机所有可能工作方式下带来令人满意的转矩估值。

本发明正是旨在提供一种计算转矩的方法，它不管发动机的工作方式如何，发动机平均速度的变化多快均能可靠地获得转矩。

为了实现本发明的这一目的，正如从以下说明的阅读中显然看到的，使用了一种根据发动机曲轴转速的变化对内燃发动机输出转矩的计算方法，方法的特征在于：a)对于发动机每汽缸中空气/燃油混合物的每个燃烧阶段确定由曲轴上预定角度位置限定的观察窗；b)在每个测量窗中测量分隔预定角度位置中曲轴通过点的一系列时间间隔ΔT_i；c)在发动机的第一及第二工作方式中分别测量相应的时间间隔ΔT_i及对这些工作方式所观察的交变分量彼此相位移动预定角度时，计算两个时间间隔(ΔT_i)的线性组合∑a_iΔT_i及∑b_iΔT_i，这些组合的每个系数a_i及b_i被选择，以放大所述观察窗中的曲轴角速度交变分量的变化；及d)根据给予两个线性组合的一个模数值与在预定窗中测得的平均时间间隔的立方ΔT³之比求得转矩的计算值。

如从下述中将看到的，该方法能在发动机各种工作方式时对发动机的输出转矩进行精确计算，它们可能是常规或高转速工作方式及非富燃料混合物的低转速或中等转速工作方式的不同工作方式。

本发明的其它特征及优点在阅读了以下说明及考察了附图后将会弄清楚，在附图中唯一的一个图上集合了对理解根据本发明的方法有用的曲线。

如这个附图中所示地，该方法实质上基于对内燃发动机一个汽缸中空气/燃油混合物燃烧结果的观察，及基于发动机曲轴的角速度Ω作出的。在混合物被点火后，对于额定或高速度，汽缸中的压力在稍后于上死点PMH时达到最大值Pomax；或对于低速度，在或多或少迟于Pomax时达到最大值，正如在该说明书开始时所述的。然后在汽缸中具有混合气体的膨胀，该膨胀一直发展到另一活塞在传统的四冲程工作周期过程上在其循环中达到上死点时为止。为了使以下进行的说明简明起见，将以仅为说明例及非限制性的形式使说明仅涉及一个四缸的内燃发动机。

在图中，可清楚看出，分别对应于压力最大值Pomax及Pmax的角速度最大值Ω₀max及Ω₉₀max明显地分别对准分隔由发动机活塞上死点PMH引起的两个通过点的时间间距的第一个四分之一的最后及一半之处。在该图上我们还可看到，发动机曲轴的角速度变化是明显正弦形的，其频率等于相应于上死点的发动机汽缸相继通过点的频率。可以理解，这种变化是发动机角速度的交变分量的变化，其角速度还包括一个连续分量。该连续分量的变化相应于发动机速度N的变化ΔN，它在图中用标以Ω的曲线轴的斜率变化表示。

根据本发明，对于发动机每汽缸中空气/燃油混合物的每个燃烧阶段确定一个观察窗，它的宽度大于分隔由两个活塞PMH引起的两个通过点的角度距离，以便能完整地观察发动机所述汽缸中空气/燃油混合物燃烧所产生的曲轴加速及减速阶段。尽管如此，然而该观察窗小于或等于所述角度距离的1.5倍将是有利的。因此确定了7个曲轴的角度位置，它们相继地从时刻t₀到T₆，这些时刻被时间间隔ΔT_i=t_i+1-t_i(i=0至5)分隔。这7个角度位置在角度上被一个接一个的恒定角度分隔。在两个PMH之间，设置了四个这样的时间间隔，其中它们的界线与表征角速度波形的特征点明显地对准，也即与一个最大值、一个最小值、或一个过零点对齐。可以看到，第一个时间间隔ΔT。及最后一个时间间隔ΔT₅各位于与一个中间距离相邻的两上死点间的一个距离中，在该中间距离中主要进行角速度变化的观察。

在以下的描述前，我们观察一下，如果我们测量由在瞬时t_I-1、t_n、t_n+1得到的三个等间隔角度位置所限定的时间阅隔ΔT_n+1及ΔT_n，则可将在瞬时t_n+1时的瞬时转矩表示为： $C_{n+1}\≅\mathrm{J\α}\·\frac{1}{\mathrm{\Δ}{T}_n^3}\left(\mathrm{\Δ}{T}_{n+1}\mathrm{\Δ}{T}_n\right)---\left(1\right)$

J是发动机转动部分的惯性矩，及α是相继两个角位置的恒定角度间隔。

J及α为常数，因此显然有，在转矩及比例

之间的正比关系，其中∑=ΔT_n+1-ΔT并为测量时间间隔的线性组合，及ΔT³为测量平均时间间隔的立方，当在同一测量窗中观察时间间隔时ΔT_n非常接近ΔT_n+1。

根据本发明，将基于在该比例及转矩之间存在的同类正比关系进行转矩计算，在该比例中出现的表达项∑将被修正，以保证，不管发动机工作方式如何，转矩均可精确地计算。为此，该表达项应考虑角速度变化波形可能出现的空间偏移，它可能占据在图中以Ω₀及Ω₉₀所示的一个及另一位置之间的某个位置。

对此，根据本发明计算时间间隔ΔT_i的两个线性组合∑a_iΔT_i及∑b_iΔT_i。系数a_i及b_i以对观察窗内被观察的二部分曲轴角速度交变分量的变化放大的形式分别修改角速度Ω₀及Ω₉₀，一部分是在恒定速度工作的第一工作方式中观察的，其中燃烧峰值占据其最可能的位置，另一部是在第二工作方式或角速度对第一方式角速度相位移动一预定角度Φ₀时观察的。

第一线性组合可以说允许获得沿曲线Ω₀的相位“轴”的速度Ω的变化的“投影”。

第二线性组合则得到在代表相位移的速度的曲线相位轴上的类似投影。

有利地，可选择该相位移如为：Φ₀=π/2。实际上，当计算了这两个线性组合∑a_iΔT_i及∑b_iΔT_i时，可对这些值计算欧几里德模数或简称平方模数：[(∑a_i·ΔT_i)²+(∑b_i·ΔT_i)²]^1/2，并将这样计算出的模数引入到上述表达式(1)类型的表达中，其中它将替代线性组合(ΔT_n+1-ΔT_n)来取得对发电机输出的瞬时转矩的计算值。

然而，相位移也可选择不同于π/2，尤其当发动机惯性轮的连接环或“靶”上形成的标志不能被布置成π/2的相位移时。在此情况下，模数的计算取以下较复杂的形式：

[(∑a_i·ΔT_i)²+(∑b_i·ΔT_i)²+2∑a_i·ΔT_i·∑b_i·ΔT_iCOSφ₀]^1/2。

作为仅是说明例并为非限制性的例子，现在说明在以上给出的模数中出现的系数ai及bi的计算方法。

可以预先考虑，如果我们忽略与发动机平均角速度变化相对应的发动机速度的变化ΔN，只要观察两个上死点PMH之间瞬时角速度的变化就够了，这就是说，围绕一次独立燃烧来对该燃烧出的转矩进行估值。在图示的例中，则可以限定为具有四个系数的一个线性组合，这四个系数施加给在瞬间t₁至t₅之间测量的时间间隔ΔT_i，用于放大观察窗中的峰值一峰值速度变化，该观察窗为相应于两上死点PMH之间唯一时间间隔及一次燃烧的简化观察窗[t₁、t₅]；并同时舍去连续分量(发电机平均速度N)。

这时我们可选择系数a_i(或b_i)，根据位于平均速度上方或下方的瞬时速度Ω，这些系数交替地为正(如+1)或负(如-1)。根据本发明，这样地选择a_i(或b_i)，以使得∑a_i(或∑b_i)为零，以便消除连续分量的影响。

有利地，根据本发明为消除如附图中对于Ω的平均速度(或速度N的变化ΔN所产生的影响，我们选择一个观察窗(t₀、t₆)，它等于PMH间隔周期的1.5倍，及该观察窗的中心位于两个相继PMH之间的时间间隔的中央(t₃)此外，将每个系数a_i、b_i各确定为二个系数的和，即a_i=a’_i+a”_i及b_i=b’_i+b”_i。系数a’_i及b’_i被确定在间隔[t₀,t₄]中的四个时间间隔ΔT_i上，而系数a”_i及b”_i被确定在间隔[t₂,t₆]中的四个时间间隔上，这些间隔的每个同样明显等于两个相继PMH之间的间隔。根据以上所指出的为消除连续分量的影响，这些和∑a’_i、∑a”_i、∑b’_i及∑b”_i均为零。

可以看到，在第一组合∑a’_iΔT_i上变化ΔN的影响与在第二组合∑a”_iΔT_i上的影响相同，但符号相反，因为在窗[t₂,t₆]中Ω₀的变化其相位与在窗[t₀,t₄]中观察的相位变化相反。因此在对于相应的时间间隔ΔT_i逐渐形成的和ai=a’_i+a”_i中这些影响就被消除。对于线性组合∑b_iΔT_i的系数b_i的情况相同，并且对其加以选择以保证与∑a_iΔT_i有相同的放大率。

于是，显然看到，通过将每个系数a_i、b_i分解成两个系数之和a’_i+a”_i、b’_i+b”_i可消除发动机转速N的变化ΔN的影响，其中系数组a’_i、a”_i、b’_i、b”_i各自的总和为零，每对系数组(a’_i、a”_i、b’_i、b”_i)中的各组可通过在每组中抵消相对观察窗[t₀、t₆]的中央时刻t₃与另一组时间间隔对称的时间间隔相关的系数彼此推导出来。

在图中表示出一种计算系数a_i、b_i的方式，它仅是说明用的且为非限制性的，本领域的技术人员也可考虑及使用其它各种计算方式。

为此，对于系数a_i，我们从两个矩形波形a’_i+a”_i开始着手，它们分别在间隔[t₀、t₄]及[t₂、t₆]中跟随着角速度Ω₀，这两个波形分别在幅值-1及+1之间变化。每个矩形波在四个时间间隔上跟随角速度。对于每个时间间隔ΔT_i，将由两个矩形波达到的幅值相加，就得到了一系列的系数ai，它们被表示在图1中的图线ai中，即：a₀=-1、a₁=-1、a₂=+2、a₃=+2、a₄=-1、a₅=-1。

对于系数b_i=b’_i+b”_i进行同样的操作，将得到：

b₀=+1、b₁=-1、b₂=-2、b₃=+2、b₄=+1、b₅=-1。

可以理解，由于本发明，在计算转矩时引入了起作用的时间间隔ΔT_i的影响，而不管观察窗中角速度的波形位置如何。如果该波形位置接近曲线Ω₀，则就是和∑a_iΔT_i导入该影响，另一和∑b_iΔT_i由于系数bi被消除而被消除。如果该波形移到曲线Ω₉₀，则观察到相反的现象。不管发动机工作方式如何，因此就这样地在转矩计算中导入了起作用的线性组合。

根据本发明的方法使用于机动车上时，除了在车上通常安装的用于发动机控制参数、如喷燃料时间或点火提前角的电子控制用的计算装置外，不需要任何其它的计算装置。该传统的电子计算装置用于此功能时将接收各个传感器的信号，尤其是来自对在发动机输出轴的连接轮外周上形成的齿的遮盖传感的传感器的信号，该计算装置分析由该传感器提供的信号，以便确定在任何时刻发动机曲轴的角位置并由此确定发动机各个汽缸的相位状态。因此，这些信号及合适的程序能使该计算装置执行根据本发明的转矩计算方法，它仅要求有软件-即很好适应显示汽车工业特征的大批量生产的特别经济的技术方案。

除了本发明的基本优点，即：不管工作方式如何可提供对由发动机输出的转矩的可靠计算且其中包括有在两个PMH之间的间隔中曲轴平均角速度快速变化的情况，以外，还应指出，所作出的计算未涉及在每个时刻由于发动机中单个汽缸中空气/燃油混合物的一次燃烧引起的加速度及减速度。在先有技术中，所使用的观察窗通常覆盖了多个相继的燃烧，它们的效果彼此抵消，就损害了对发动机输出转矩计算的精确性。

当然，本发明不应限制在仅以例子形式给出的所描述及所演示的实施例上。同样，本发明不应限制在它对四缸发动机的应用上，本领域的技术人员能毫无困难地将其转用在如五缸或六缸的发动机上。

Claims (11)

1．根据发动机曲轴转速的变化对内燃发动机输出转矩的计算方法，其特征在于：

a)对于发动机每汽缸中空气/燃油混合物的每个燃烧阶段确定由曲轴上预定角度位置限定的观察窗；

b)在每个窗中测量分隔预定角度位置中曲轴通过点的一系列时间间隔(ΔT_i)；

c)在发动机的第一及第二工作方式中分别测量相应的时间间隔(ΔT_i)及对于这些工作方式所观察的交变分量(Ω₀,Ω₉₀)彼此相位移动预定角度(φ₀)时，计算两个时间间隔(ΔT_i)的线性组合(∑a_iΔT_i)及(∑b_iΔT_i)，这些组合的每个系数(a_i)及(b_i)被选择以放大所述观察窗中的曲轴角速度交变分量的变化；及

d)根据给予两个线性组合的一个模数值与在预定窗中测得的平均时间间隔的立方(ΔT³)之比求得转矩的计算值。

2．根据权利要求1的方法，其特征在于：第一工作方式为转速明显恒定及燃烧峰值位于其最可能的位置的工作方式。

3．根据权利要求2的方法，其特征在于：第二工作方式具有相对第一方式相位移动约φ₀=90°的燃烧峰值。

4．根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于：确定一个观察窗，它覆盖了分隔由两个汽缸的上死点(PMH)引起的两个通过点的角度距离，该观察窗超出该角度距离的两端，以使得它具有等于或小于所述角度距离1.5倍的宽度。

5．根据权利要求4的方法，它用于一个四缸发动机，其特征在于：时间间隔(ΔT_i)相应于一个恒定角度间隔(α)，它等于分隔两个相继上死点的角度距离的四分之一，及观察窗覆盖了六个角度间隔。

6．根据权利要求5的方法，其特征在于：各个相继角度间隔的边界在两个相继上死点之间与表征发动机角速度的交变分量(Ω₀、Ω₉₀)的波形特征的点相重合。

7．根据权利要求6的方法，其特征在于：所述特征点在下列中选择：最大值、最小值、过零点。

8．根据权利要求7的方法，其特征在于：为消除发动机角速度(Ω)的连续分量的影响，这样地选择系数(a_i)及(b_i)，即使得它们的和(∑a_i)及(∑b_i)为零。

9．根据权利要求8的方法，其特征在于：为了消除发动机速度(N)的变化(ΔN)的影响，将每个系数(a_i、b_i)分解成两个系数之和(a’_i+a”_i；b’_i+b”_i)，各系数组(a’_i、a”_i；b’_i、b”_i)每个的总和为零，每对系数组(a’_i、a”_i；b’_i、b”_i)中的各组可通过在每组中抵消相对观察窗(t₀、t₆)的中央时刻[t₃]与另一组时间间隔相对称的时间间隔相关的系数彼此推导出来。

10．根据权利要求9的方法，其特征在于：系数(ai)为：a₀=-1、a₁=-1、a₂=+2、a₃=+2、a₄=-1、a₅=-1；及系数(bi)为：b₀=+1、b₁=-1、b₂=-2、b₃=+2、b₄=+1、b₅=-1。

11．根据以上权利要求中任一项的方法，其特征在于：对线性组合(∑a_iΔT_i)及(∑b_iΔT_i)计算一个欧几里德模数。

Images