內燃機輸出轉矩的計算方法
2023-09-12 00:04:35
專利名稱：內燃機輸出轉矩的計算方法
技術領域：
本發明涉及一種內燃發動機輸出轉矩的計算方法，更具體地，涉及由對發動機曲軸轉速變化的觀察來實施的該種方法。
由內燃發動機輸出的轉矩對於表徵發動機的工作狀態及性能來說是一個重要參數，尤其是當該內燃機用於驅動機動車輛時更是如此。當發動機在試驗臺上時，可用稱為「轉矩儀」的儀器來測量發動機輸出的轉矩。實際上，不能將這種儀器裝到機動車上進行測量，主要是由於成本的原因。於是，人們提出了基於現今機動車上普遍安裝的速度傳感器輸出的瞬時速度的測量來計算轉矩的各種方法，其中發動機是由接收由速度傳感器供給的各個信號的計算機來控制的。在這方面，我們可參閱1989年W.B.RIBBENS及G。RIZZ0N1題為「精確曲軸位置測量在發動機試驗、控制及診斷上的應用」的文章，它出自於美國「汽車工程師學會」(「Society of Automotive Engineers」)的出版物SAE 89 0885。該出版的文章描述了一種方法，它在於由根據發動機每轉動周期過程中作出的瞬時速度的測量值執行矩陣計算，以便推導出每個汽缸的轉矩絕對值並同時檢測所述轉矩的異常變化。這種計算很複雜並需要大的計算裝置，實際上不可想像此計算裝置能裝於機動車上。此外，根據此文章，看來該方法不能用於低轉速(低於3500轉/分)。
其它的計算轉矩的方法需要在覆蓋發動機多個汽缸的空氣/燃油混合物連續燃燒的多個階段的時間「水平線」上觀察發動機速度的變化。在所觀察的一個汽缸中的不正常燃燒、如點火失敗明顯地幹擾了所進行的整體觀察並由此影響了對此得出的計算。
我們還從雷諾車廠股份有限公司以國家代管名義提交的歐洲專利申請S32419中知道了產生代表由內燃發動機汽缸中混合燃氣每次燃燒產生的中等「混合燃氣」的轉矩值的方法及裝置，該方法在於獲得一個代表內設在發動機慣性飛輪或曲軸的連接環上的多個測量標誌中每個遮掩傳感器的持續時間的「一次」值，處理該一次值，以產生分別代表基於發動機中一個燃燒周期過程中標誌的平均角速度及基於燃燒角周期中相關標誌的相位參考線上的投影的兩個二次值，根據標誌瞬時角速度的交變分量及結合這兩個二次值用以獲得代表所求轉矩的值。
該方法在測量時能給出令人滿意的結果，其中1)「燃燒中心」或汽缸中燃燒時壓力最大值明顯穩定地保持在曲軸的固定角度位置上，及2)在兩個上死點(PMH)之間的間隔中發動機平均速度顯然不變化。
在附圖的唯一圖中表示出在產生燃燒的汽缸中壓力P的變化曲線，及在譬如一個四缸發動機的兩汽缸中兩個循環的活塞相繼達到的兩個上死點PMH之間相應角度Ω的變化。在試驗中可看到，在高轉速及使用常規空氣/燃油的富混合物時，壓力中心Pomax相對上死點PMH集中地保持在一固定位置上，它位於分隔兩個相繼PMH的角度間隔的第一個四分之一區域中。發動機角速度的相應波動用Ω。表示並明顯地在PMH之間的第二個四分之一間隔末出現最大值Ωomax。
相反地，在發動機的其它工作方式時，例如在使用非富的空氣/燃油混合物的低轉速或中等轉速時，壓力的峰值相對壓力中心Pomax可移到直至45°曲軸轉角(位置Pmax)。還可以看到，相應的角速度Ω90的相應相位移，即這時它相應於具有上死點PMH的頻率的速度Ω0的基本正弦波動相位移動了π/2。
在這些工作方式以外，還可觀察到Ω相對Ω0的相位移Δφ，它在0和π/2之間。
可以設想一種沒有考慮曲軸角速度的峰值或最大值相位移的內燃機轉矩值計算的算法將不會在發動機所有可能工作方式下帶來令人滿意的轉矩估值。
本發明正是旨在提供一種計算轉矩的方法，它不管發動機的工作方式如何，發動機平均速度的變化多快均能可靠地獲得轉矩。
為了實現本發明的這一目的，正如從以下說明的閱讀中顯然看到的，使用了一種根據發動機曲軸轉速的變化對內燃發動機輸出轉矩的計算方法，方法的特徵在於a)對於發動機每汽缸中空氣/燃油混合物的每個燃燒階段確定由曲軸上預定角度位置限定的觀察窗；b)在每個測量窗中測量分隔預定角度位置中曲軸通過點的一系列時間間隔ΔTi；c)在發動機的第一及第二工作方式中分別測量相應的時間間隔ΔTi及對這些工作方式所觀察的交變分量彼此相位移動預定角度時，計算兩個時間間隔(ΔTi)的線性組合∑aiΔTi及∑biΔTi，這些組合的每個係數ai及bi被選擇，以放大所述觀察窗中的曲軸角速度交變分量的變化；及d)根據給予兩個線性組合的一個模數值與在預定窗中測得的平均時間間隔的立方ΔT3之比求得轉矩的計算值。
如從下述中將看到的，該方法能在發動機各種工作方式時對發動機的輸出轉矩進行精確計算，它們可能是常規或高轉速工作方式及非富燃料混合物的低轉速或中等轉速工作方式的不同工作方式。
本發明的其它特徵及優點在閱讀了以下說明及考察了附圖後將會弄清楚，在附圖中唯一的一個圖上集合了對理解根據本發明的方法有用的曲線。
如這個附圖中所示地，該方法實質上基於對內燃發動機一個汽缸中空氣/燃油混合物燃燒結果的觀察，及基於發動機曲軸的角速度Ω作出的。在混合物被點火後，對於額定或高速度，汽缸中的壓力在稍後於上死點PMH時達到最大值Pomax；或對於低速度，在或多或少遲於Pomax時達到最大值，正如在該說明書開始時所述的。然後在汽缸中具有混合氣體的膨脹，該膨脹一直發展到另一活塞在傳統的四衝程工作周期過程上在其循環中達到上死點時為止。為了使以下進行的說明簡明起見，將以僅為說明例及非限制性的形式使說明僅涉及一個四缸的內燃發動機。
在圖中，可清楚看出，分別對應於壓力最大值Pomax及Pmax的角速度最大值Ω0max及Ω90max明顯地分別對準分隔由發動機活塞上死點PMH引起的兩個通過點的時間間距的第一個四分之一的最後及一半之處。在該圖上我們還可看到，發動機曲軸的角速度變化是明顯正弦形的，其頻率等於相應於上死點的發動機汽缸相繼通過點的頻率。可以理解，這種變化是發動機角速度的交變分量的變化，其角速度還包括一個連續分量。該連續分量的變化相應於發動機速度N的變化ΔN，它在圖中用標以Ω的曲線軸的斜率變化表示。
根據本發明，對於發動機每汽缸中空氣/燃油混合物的每個燃燒階段確定一個觀察窗，它的寬度大於分隔由兩個活塞PMH引起的兩個通過點的角度距離，以便能完整地觀察發動機所述汽缸中空氣/燃油混合物燃燒所產生的曲軸加速及減速階段。儘管如此，然而該觀察窗小於或等於所述角度距離的1.5倍將是有利的。因此確定了7個曲軸的角度位置，它們相繼地從時刻t0到T6，這些時刻被時間間隔ΔTi=ti+1-ti(i=0至5)分隔。這7個角度位置在角度上被一個接一個的恆定角度分隔。在兩個PMH之間，設置了四個這樣的時間間隔，其中它們的界線與表徵角速度波形的特徵點明顯地對準，也即與一個最大值、一個最小值、或一個過零點對齊。可以看到，第一個時間間隔ΔT。及最後一個時間間隔ΔT5各位於與一個中間距離相鄰的兩上死點間的一個距離中，在該中間距離中主要進行角速度變化的觀察。
在以下的描述前，我們觀察一下，如果我們測量由在瞬時tI-1、tn、tn+1得到的三個等間隔角度位置所限定的時間閱隔ΔTn+1及ΔTn，則可將在瞬時tn+1時的瞬時轉矩表示為Cn+1J1Tn3(Tn+1Tn)---(1)]]>J是發動機轉動部分的慣性矩，及α是相繼兩個角位置的恆定角度間隔。
J及α為常數，因此顯然有，在轉矩及比例
之間的正比關係，其中∑=ΔTn+1-ΔT並為測量時間間隔的線性組合，及ΔT3為測量平均時間間隔的立方，當在同一測量窗中觀察時間間隔時ΔTn非常接近ΔTn+1。
根據本發明，將基於在該比例及轉矩之間存在的同類正比關係進行轉矩計算，在該比例中出現的表達項∑將被修正，以保證，不管發動機工作方式如何，轉矩均可精確地計算。為此，該表達項應考慮角速度變化波形可能出現的空間偏移，它可能佔據在圖中以Ω0及Ω90所示的一個及另一位置之間的某個位置。
對此，根據本發明計算時間間隔ΔTi的兩個線性組合∑aiΔTi及∑biΔTi。係數ai及bi以對觀察窗內被觀察的二部分曲軸角速度交變分量的變化放大的形式分別修改角速度Ω0及Ω90，一部分是在恆定速度工作的第一工作方式中觀察的，其中燃燒峰值佔據其最可能的位置，另一部是在第二工作方式或角速度對第一方式角速度相位移動一預定角度Φ0時觀察的。
第一線性組合可以說允許獲得沿曲線Ω0的相位「軸」的速度Ω的變化的「投影」。
第二線性組合則得到在代表相位移的速度的曲線相位軸上的類似投影。
有利地，可選擇該相位移如為Φ0=π/2。實際上，當計算了這兩個線性組合∑aiΔTi及∑biΔTi時，可對這些值計算歐幾裡德模數或簡稱平方模數[(∑ai·ΔTi)2+(∑bi·ΔTi)2]1/2，並將這樣計算出的模數引入到上述表達式(1)類型的表達中，其中它將替代線性組合(ΔTn+1-ΔTn)來取得對發電機輸出的瞬時轉矩的計算值。
然而，相位移也可選擇不同於π/2，尤其當發動機慣性輪的連接環或「靶」上形成的標誌不能被布置成π/2的相位移時。在此情況下，模數的計算取以下較複雜的形式[(∑ai·ΔTi)2+(∑bi·ΔTi)2+2∑ai·ΔTi·∑bi·ΔTiCOSφ0]1/2。
作為僅是說明例並為非限制性的例子，現在說明在以上給出的模數中出現的係數ai及bi的計算方法。
可以預先考慮，如果我們忽略與發動機平均角速度變化相對應的發動機速度的變化ΔN，只要觀察兩個上死點PMH之間瞬時角速度的變化就夠了，這就是說，圍繞一次獨立燃燒來對該燃燒出的轉矩進行估值。在圖示的例中，則可以限定為具有四個係數的一個線性組合，這四個係數施加給在瞬間t1至t5之間測量的時間間隔ΔTi，用於放大觀察窗中的峰值一峰值速度變化，該觀察窗為相應於兩上死點PMH之間唯一時間間隔及一次燃燒的簡化觀察窗[t1、t5]；並同時捨去連續分量(發電機平均速度N)。
這時我們可選擇係數ai(或bi)，根據位於平均速度上方或下方的瞬時速度Ω，這些係數交替地為正(如+1)或負(如-1)。根據本發明，這樣地選擇ai(或bi)，以使得∑ai(或∑bi)為零，以便消除連續分量的影響。
有利地，根據本發明為消除如附圖中對於Ω的平均速度(或速度N的變化ΔN所產生的影響，我們選擇一個觀察窗(t0、t6)，它等於PMH間隔周期的1.5倍，及該觀察窗的中心位於兩個相繼PMH之間的時間間隔的中央(t3)此外，將每個係數ai、bi各確定為二個係數的和，即ai=a』i+a」i及bi=b』i+b」i。係數a』i及b』i被確定在間隔[t0,t4]中的四個時間間隔ΔTi上，而係數a」i及b」i被確定在間隔[t2,t6]中的四個時間間隔上，這些間隔的每個同樣明顯等於兩個相繼PMH之間的間隔。根據以上所指出的為消除連續分量的影響，這些和∑a』i、∑a」i、∑b』i及∑b」i均為零。
可以看到，在第一組合∑a』iΔTi上變化ΔN的影響與在第二組合∑a」iΔTi上的影響相同，但符號相反，因為在窗[t2,t6]中Ω0的變化其相位與在窗[t0,t4]中觀察的相位變化相反。因此在對於相應的時間間隔ΔTi逐漸形成的和ai=a』i+a」i中這些影響就被消除。對於線性組合∑biΔTi的係數bi的情況相同，並且對其加以選擇以保證與∑aiΔTi有相同的放大率。
於是，顯然看到，通過將每個係數ai、bi分解成兩個係數之和a』i+a」i、b』i+b」i可消除發動機轉速N的變化ΔN的影響，其中係數組a』i、a」i、b』i、b」i各自的總和為零，每對係數組(a』i、a」i、b』i、b」i)中的各組可通過在每組中抵消相對觀察窗[t0、t6]的中央時刻t3與另一組時間間隔對稱的時間間隔相關的係數彼此推導出來。
在圖中表示出一種計算係數ai、bi的方式，它僅是說明用的且為非限制性的，本領域的技術人員也可考慮及使用其它各種計算方式。
為此，對於係數ai，我們從兩個矩形波形a』i+a」i開始著手，它們分別在間隔[t0、t4]及[t2、t6]中跟隨著角速度Ω0，這兩個波形分別在幅值-1及+1之間變化。每個矩形波在四個時間間隔上跟隨角速度。對於每個時間間隔ΔTi，將由兩個矩形波達到的幅值相加，就得到了一系列的係數ai，它們被表示在
圖1中的圖線ai中，即a0=-1、a1=-1、a2=+2、a3=+2、a4=-1、a5=-1。
對於係數bi=b』i+b」i進行同樣的操作，將得到b0=+1、b1=-1、b2=-2、b3=+2、b4=+1、b5=-1。
可以理解，由於本發明，在計算轉矩時引入了起作用的時間間隔ΔTi的影響，而不管觀察窗中角速度的波形位置如何。如果該波形位置接近曲線Ω0，則就是和∑aiΔTi導入該影響，另一和∑biΔTi由於係數bi被消除而被消除。如果該波形移到曲線Ω90，則觀察到相反的現象。不管發動機工作方式如何，因此就這樣地在轉矩計算中導入了起作用的線性組合。
根據本發明的方法使用於機動車上時，除了在車上通常安裝的用於發動機控制參數、如噴燃料時間或點火提前角的電子控制用的計算裝置外，不需要任何其它的計算裝置。該傳統的電子計算裝置用於此功能時將接收各個傳感器的信號，尤其是來自對在發動機輸出軸的連接輪外周上形成的齒的遮蓋傳感的傳感器的信號，該計算裝置分析由該傳感器提供的信號，以便確定在任何時刻發動機曲軸的角位置並由此確定發動機各個汽缸的相位狀態。因此，這些信號及合適的程序能使該計算裝置執行根據本發明的轉矩計算方法，它僅要求有軟體-即很好適應顯示汽車工業特徵的大批量生產的特別經濟的技術方案。
除了本發明的基本優點，即不管工作方式如何可提供對由發動機輸出的轉矩的可靠計算且其中包括有在兩個PMH之間的間隔中曲軸平均角速度快速變化的情況，以外，還應指出，所作出的計算未涉及在每個時刻由於發動機中單個汽缸中空氣/燃油混合物的一次燃燒引起的加速度及減速度。在先有技術中，所使用的觀察窗通常覆蓋了多個相繼的燃燒，它們的效果彼此抵消，就損害了對發動機輸出轉矩計算的精確性。
當然，本發明不應限制在僅以例子形式給出的所描述及所演示的實施例上。同樣，本發明不應限制在它對四缸發動機的應用上，本領域的技術人員能毫無困難地將其轉用在如五缸或六缸的發動機上。
權利要求
1．根據發動機曲軸轉速的變化對內燃發動機輸出轉矩的計算方法，其特徵在於a)對於發動機每汽缸中空氣/燃油混合物的每個燃燒階段確定由曲軸上預定角度位置限定的觀察窗；b)在每個窗中測量分隔預定角度位置中曲軸通過點的一系列時間間隔(ΔTi)；c)在發動機的第一及第二工作方式中分別測量相應的時間間隔(ΔTi)及對於這些工作方式所觀察的交變分量(Ω0,Ω90)彼此相位移動預定角度(φ0)時，計算兩個時間間隔(ΔTi)的線性組合(∑aiΔTi)及(∑biΔTi)，這些組合的每個係數(ai)及(bi)被選擇以放大所述觀察窗中的曲軸角速度交變分量的變化；及d)根據給予兩個線性組合的一個模數值與在預定窗中測得的平均時間間隔的立方(ΔT3)之比求得轉矩的計算值。
2．根據權利要求1的方法，其特徵在於第一工作方式為轉速明顯恆定及燃燒峰值位於其最可能的位置的工作方式。
3．根據權利要求2的方法，其特徵在於第二工作方式具有相對第一方式相位移動約φ0=90°的燃燒峰值。
4．根據權利要求1至3中任一項的方法，其特徵在於確定一個觀察窗，它覆蓋了分隔由兩個汽缸的上死點(PMH)引起的兩個通過點的角度距離，該觀察窗超出該角度距離的兩端，以使得它具有等於或小於所述角度距離1.5倍的寬度。
5．根據權利要求4的方法，它用於一個四缸發動機，其特徵在於時間間隔(ΔTi)相應於一個恆定角度間隔(α)，它等於分隔兩個相繼上死點的角度距離的四分之一，及觀察窗覆蓋了六個角度間隔。
6．根據權利要求5的方法，其特徵在於各個相繼角度間隔的邊界在兩個相繼上死點之間與表徵發動機角速度的交變分量(Ω0、Ω90)的波形特徵的點相重合。
7．根據權利要求6的方法，其特徵在於所述特徵點在下列中選擇最大值、最小值、過零點。
8．根據權利要求7的方法，其特徵在於為消除發動機角速度(Ω)的連續分量的影響，這樣地選擇係數(ai)及(bi)，即使得它們的和(∑ai)及(∑bi)為零。
9．根據權利要求8的方法，其特徵在於為了消除發動機速度(N)的變化(ΔN)的影響，將每個係數(ai、bi)分解成兩個係數之和(a』i+a」i；b』i+b」i)，各係數組(a』i、a」i；b』i、b」i)每個的總和為零，每對係數組(a』i、a」i；b』i、b」i)中的各組可通過在每組中抵消相對觀察窗(t0、t6)的中央時刻[t3]與另一組時間間隔相對稱的時間間隔相關的係數彼此推導出來。
10．根據權利要求9的方法，其特徵在於係數(ai)為a0=-1、a1=-1、a2=+2、a3=+2、a4=-1、a5=-1；及係數(bi)為b0=+1、b1=-1、b2=-2、b3=+2、b4=+1、b5=-1。
11．根據以上權利要求中任一項的方法，其特徵在於對線性組合(∑aiΔTi)及(∑biΔTi)計算一個歐幾裡德模數。
全文摘要
根據本發明的方法,a)對於空氣/燃油混合物的每個燃燒階段確定由曲軸上預定角度位置限定的觀察窗;b)在每個窗中測量分隔預定角度位置中曲軸通過點的一系列時間間隔(△T
文檔編號G01M15/04GK1221489SQ97195300
公開日1999年6月30日 申請日期1997年3月20日 優先權日1996年4月15日
發明者A·羅斯諾爾, M·蘇奎特 申請人:西門子汽車公司