確定平均發動機轉矩的方法
2023-07-11 23:55:11 5
專利名稱：確定平均發動機轉矩的方法
技術領域：
本發明涉及一種產生T值的方法，該T值表示在內燃機曲軸上生成的平均發動機轉矩，本發明還涉及一種計算該值的設備。
背景技術：
出於診斷髮動機的目的，有效的參數是發動機曲軸上生成的發動機轉矩。發動機的故障或不規則運行將會導致發動機轉矩減小或不規則。在更詳細的診斷中，一旦檢測到錯誤的發動機轉矩，就會對其進一步分析以提供關於誤差可靠來源的信息，例如噴油器的故障或者其它的誤差來源。因此，期望提供一種對車輛發動機曲軸上生成的平均發動機轉矩進行測量的方法。之前，從精選的發動機測量方法中已經提出了很多種方法採用各種數學方法來確定發動機轉矩。
Moine等人的專利文獻US5771483中描述了這樣一種現有技術的計算發動機轉矩的方法，包括用傳感器檢測發動機的慣性飛輪的每一齒的經過，並用每一齒經過的時間計算發動機的轉矩。Abida等人在專利文獻EP1052488中對此類型的另一種方法有所描述。
本發明的目的是提供一種對車輛發動機曲軸生成的平均發動機轉矩進行測量的方法，用於發動機診斷。本發明的另一目的是提供一種能夠在發動機正常運行狀態下診斷髮動機的平均轉矩的測量法。本發明的另一目的是在受限於處理器性能、存儲空間等合理的必要條件的同時仍能提供一種的足夠準確的測量發動機轉矩平均值的測量法。
發明內容
通過一種產生採用T值的方法能夠實現至少一個上述目的，所述T值表示內燃機曲軸生成的平均發動機轉矩，所述方法包括下列步驟產生速度向量，其包括表示採樣周期內的發動機瞬時速度值，由該速度向量確定在所述採樣周期內發動機速度的平均值n，確定速度向量於頻率x*n處的頻率分量Px的值，其中x是預先選定的階數，並產生T值，其表示所述採樣周期內的曲軸上生成的平均發動機轉矩，其中T由數學表達式得來，所述表達式包括至少含有k*n*Px項的多項式，其中k是多項式常數。
本發明的方法提供有效的發動機轉矩的測量法，其在車輛負載的情況下、也就是在正常駕駛的情況下有優勢。它還具有的優勢是可執行於數量相對少的採樣並進行相對少的計算，因而不需要為車輛提供額外的處理能力就可以進行快速計算。
可以在車輛運行時定期的時間間隔中計算用該方法得到的平均發動機轉矩，並將其記錄以提供存儲表反映車輛的時間特性。當維護車輛時，能夠研究記錄並且給出發動機狀態的結論並得出修理或替換的可能必要性。
又一個優勢是獲得的平均發動機轉矩測量法能夠用於客觀地評價發動機功能。對於某個發動機的狀態可設定理想的發動機轉矩測量法，並且在將計算得到的發動機轉矩與理想轉矩比較後給出發動機是否滿足預期要求的指示。
內燃機可能被用於不同的應用，比如用於船或車輛。車輛包括例如小汽車、重型汽車或有軌車輛。
表達式優選包括多項式k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px，其中k0、k1、k2和k3是多項式常數，並且有利的是T＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px。
有利的是，選定的階數x等於發動機汽缸數量的二分之一。已發現，階數的這種選擇特別好地反映了四衝程發動機的效果。對二衝程發動機來說，選定階數x替換為等於汽缸數量。
有利的是，採樣周期相當於發動機的至少10轉數。這樣的採樣周期足夠長以保證平均發動機轉矩包括所有發動機汽缸的作用。
有利的是，速度向量包括表示發動機瞬時速度的t值，所述t值是設置為與發動機飛輪或曲軸相連的連續旋轉分度參考之間的推移時間。實施例提供了有效的且相對可靠的方法計算代表發動機速度的瞬時值。
具體的是，當利用飛輪時，旋轉分度參考在某些位置處為不規律設置。在這種情況下，所述方法在生成速度向量時可包括補償步驟，其中在旋轉分度參考設定中的任何不規律的效果都能夠被補償。
表示頻率為x*n的功率分量Px的值優選用速度向量的傅立葉級數分析加以確定。在這種情況下，速度向量優選包括至少500個採樣以給出滿意的結果。
可選擇的是，對於速度向量的相幅變換採用快速傅立葉變換來確定Px值。
在這種情況下，採用相幅變換中位於頻率n*x處的峰值區域的RMS值作為Px。
如果採用快速傅立葉變換與選擇x階峰值的RMS值相結合作為Px，那麼會發現，當速度向量包括至少1000個採樣、優選的包括至少2000個採樣時可獲得良好的結果。
不考慮相幅轉換方法的使用，適宜的是t值在少於或等於10微秒、優選少於或等於1微秒的採樣間隔內被採樣。
在採樣周期內選擇載荷條件，使其相當於至少50％的載荷、優選相當於至少60％的載荷。既然該條件相當於車輛例如卡車正常行駛的條件，那麼這就是有利的。
而且，採樣周期內的發動機速度選擇為至少1000rpm。對小汽車來說，使用更高的發動機速度，在採樣周期內選擇發動機速度選擇為至少1500rpm。
有利的是，本發明產生的T值可與表示標準發動機的發動機轉矩參考值Tref相比，從而能夠對T值已定的發動機進行評估。
在本發明的第二方面，一種產生表示內燃機曲軸生成的平均發動機轉矩的T值的設備包括測量在採樣周期內的發動機瞬時速度的測量設備，產生表示在所述採樣周期內測得的發動機瞬時速度的速度向量值的計算裝置，採用速度向量獲得所述採樣時間內得出發動機速度平均值n的計算裝置，由速度向量計算表示頻率為x*n時功率分量的Px值的計算裝置，其中x是預先選定的階數，以及獲得期望T值的計算裝置，其中所述期望T值表示在所述採樣周期內曲軸的平均發動機轉矩，其中T值由數學表達式得出，所述數學表達式包括至少含有k*n*Px項的多項式，其中k是存儲在存儲器中的多項式常數。
本發明的設備具有相同優點，並且特別是可以與發明方法中的優勢特徵相結合。
計算裝置可以包括但不是必須包括所有的一個計算單元和相同的計算單元，例如處理器單元、微處理器、嵌入式處理器或者其它適當的計算單元。
有利的是，測量設備可以包括設置為檢測連接發動機的飛輪或曲軸的連續旋轉分度參考推移的傳感器，上述的推移時間即表示發動機瞬時速度的速度向量值t。
測量設備優選包括用於確定連續旋轉分度參考之間速度的計算裝置。計算裝置可以包括但不必須包括與前述設備中的計算裝置一樣的計算單元。
參考附圖描述以下給出的作為非限制性舉例的本發明的方法和設備的特定實施例，本發明的其它優勢將會顯而易見，其中附圖1示意性地說明了根據本發明方法與設備的一個實施例。
附圖2所示為在舉例的測量法中採用根據本發明的一個實施例和裝置的測量的負載和發動機速度的示意圖。
附圖3是根據本發明方法與裝置的一個實施例計算得到的轉矩相對於附圖2的示例中測得的轉矩的曲線圖。
具體實施例方式
附圖1是本發明的方法與設備的實施例的示意圖。所述設備包括用於檢測齒形連續分度分度參考7的推移的傳感器5，該齒與飛輪6相連，飛輪6順次連接到內燃機的曲軸。在這種情況下，傳感器5適於以持續時間為1微秒、頻率等於1MHz的採樣間隔測量該分度參考的推移。利用本發明的方法和設備，在頻率為1MHz或以上會產生特別好的結果。
在計算設備/方法步驟1中，採用傳感器產生的相當於分度參考連續旋轉分度參考7之間的推移時間的值t表示發動機的瞬時速度，以形成速度向量V。
如圖1中所示，分度參考7可以不規律地設置，使得在某些位置處的參考點之間有間隔。因此，通過計算遺漏參考和下一參考的平均值，來修正速度向量V的值以用於遺漏參考，並用平均值取代所有相關的值。
在圖1的方法的步驟/計算設備2中，由速度向量V計算採樣周期內發動機速度的平均值n，並用轉數/秒來表示。
在方法步驟/計算設備3中，速度向量V用於產生相幅表示，其中計算出表示被選頻率x*n處功率分量的值Px。
在優選的方法/設備中，選擇用來確定幅值Px的方法是正弦和餘弦的傅立葉級數。然而，也可採用其它傅立葉變換方法。不過，發明者發現正弦和餘弦方法不需要過多數量的採樣或者過高的計算能力就能提供有效的結果。
僅當包括所有的階數時，正弦和餘弦法是真正的相幅轉換。在這種情況下，由於足以獲得x階的幅值，因而不需要包括所有的階數。結果是可用最小二乘法解得的線性方程。
用正弦餘弦方法解得的線性方程可寫成[A]×[C]＝[V]，其中[V]速度向量，其包括在發動機的2轉數(2 revolutions of the engine)中的規律角度間隔處測得的f值v1，v2...，vf，並且[A]是正弦和餘弦矩陣(f×(2j+1))。由方程解得[C]，其包括傅立葉級數中的常數a0、a1、b1、a2、b2...ak、bk。
f(t)=12a0+k=1jaksin(kt)+bkcos(kt),=2/T]]>由於f(t)是周期性的，其周期為T＝2π，特殊情況下f(t)=12a0+k=1jaksin(kt)+bkcos(kt)]]>從而A矩陣的第一列是初始常數項列(如果在計算前從V向量值中減去了平均值n，就不需要這一項)。下一列是正弦階數，其後接下來是餘弦階數。接下來的列是第三、第四周期等的正弦餘弦。
A=1sincossin(2)cos(k2)1sin(/2)cos(/2)sin(2/2)1sin(/f)cos(/f)sin(2/f)cos(k2/f)]]>C=a0/2a1b1a2b2akbkV=t1t2tf]]>解得方程，給出用於被選x階數(即xn相位)的正弦餘弦係數ax和bx。已知ax和bx，由勾股定理(Px)2=ax2+bx2]]>來給出幅值。
測得的速度向量V的必要長度依賴於在接下來的方法步驟中用於計算Px的方法，並且依賴於產生的轉矩值T的所需精度。如果用FFT分析法計算得Px，則適當的向量長度大約為2000個採樣。如果換作用正弦和餘弦變換計算得到Px，向量的長度可能會得以極大縮短，約為600個採樣。
最後，在方法步驟/計算設備4中，代表發動機轉矩平均值的值T由T＝k0+k1*P3+k2*n+k3*n*P3得出，其中k0、k1、k2和k3都是存儲在適當存儲器中的多項式常數。
如果用快速傅立葉變換方法FFT代替如上所述的正弦和餘弦方法，那麼必須計算對應於頻率為f＝x*n的幅相表中的幅值Px，其中x為選定的階數。這可通過FFT變換曲線、並計算對應於幅值Px的相關頻率處峰值區域的RMS值而有利地得到。
在FFT變換中採用峰值區域的RMS值的幅值，或者採用正弦和餘弦方法中的幅值作為Px，將會得出不同的多項式係數k0、...、k3。然而，兩種方法都會得出正確的結果。為了達到足夠的精度，人們認為FFT方法比正弦和餘弦方法需要更多的採樣。
在駕駛車輛時，可定期計算T值並且將其存儲在記錄中，以在定期維護時或特別是當駕駛員懷疑車輛出現故障去修理廠時能進行測定。可選擇地是，當對新生產的車輛進行性能評估的時候，T值可用來斷定發動機轉矩達到期望的規格。在兩種情況下，T值可與參考值Tref比較，其中Tref通過生成用於多個參考車輛的T而確定。
如果記錄了T值，則隨時間出現的T值可被用於檢測功率的損耗，並確定發動機是否達到預期要求。
需要確定不同情況下的多項式參數k0、k1、k2和k3。發動機和車輛可能成組放在一起，每一組包括的發動機和車輛具有相同的轉矩性能並且使用相同的多項式常數。為了確定多項式參數，可採用例如測力計來測量實際的轉矩T，並且在足以建立方程系統的多個測量點處將其與T的數學表達式相比較，從該方程中可得出常數值。
實施例為了評價提出的模型，在發動機測試單元中採用測力計來測量轉矩，並且採用多項式T＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px計算多項式常數k0、k1、k2和k3，以及採用上述正弦餘弦(傅立葉級數)方法計算Px。進行採用測力計的附加轉矩測量，並且將其與用多項式常數得到的結果相比較。
因為在這種情況下，發動機是六缸四衝程的發動機，所以預選的階數x＝3，其為缸數值的1/2。
在三種不同的檢測條件下進行測量A)標準發動機，沒有改裝B)在缸3中，一個噴油器改裝為噴出低於20％的流量。這會引起約3.5％的轉矩損失C)在缸3和缸6中，兩個噴油器改裝為噴出低於20％的流量。這會引起約7％的轉矩損失。
對於在64種不同的負荷條件下、速度從1000rpm以100rpm的步幅上升至1800rpm、負荷從65％以5％的步幅上升至100％的每種測試條件下，用測力計測量得到轉矩，用飛輪上齒的推移時間的測量值得到速度向量。附圖2是在不同的發動機速度下表示測得載荷的示意圖。
由測量值確定表達式Tmeas＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px中的多項式常數。當x＝3時用正弦餘弦方法計算Px。Tmeas是用測力計測得的轉矩。為了提高係數的精度，建立用於多個測得轉矩的方程，並且採用計算用於每一個測得轉矩的多項式常數平均值，以確定多項式常數，以用於隨後的轉矩計算中。
通過將在發動機單元中用測力計測得的附加值與利用模型T＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px得到的計算值相比較來檢測選定階數x＝3的模型，並且再用正弦餘弦方法由測得的發動機速度來確定Px。
圖3中繪製了計算的轉矩值與測量得的轉矩值。如所見的，依照上述多項式計算得的值很好的代表了測量值。在發動機速度1000至1800rpm、並且65％至100％載荷的區域，當用本發明的模型時發現精度好於3％。多項式模型使沒有改裝的和改裝的發動機產生了良好的效果，這顯示了當一些類型的故障在發動機中出現時此方法對測量轉矩也有用。
權利要求
1.一種產生值T的方法，該值代表內燃機曲軸上生成的平均發動機轉矩，包括如下步驟生成速度向量，其包括代表在採樣周期內發動機瞬時速度值的值，由該速度向量確定所述採樣周期內的平均發動機速度n，確定在頻率為x*n處表示速度向量的頻率分量的值Px，其中x是一個預選的階數，並且產生在所述採樣周期內表示曲軸上的平均發動機轉矩的值T，其中T由包括多項式的數學表達式得出，所述多項式至少包括k*n*Px項，其中k是多項式常數。
2.如權利要求1所述的方法，其中T由包括多項式k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px的數學表達式得出，其中k0、k1、k2和k3是多項式常數。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中T＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px，其中k0、k1、k2和k3是多項式常數。
4.如上述任一權利要求所述的方法，其中選定的階數x＝(發動機汽缸的數量)/2。
5.如權利要求1至3中任一權利要求所述的方法，其中發動機是二衝程發動機，並且選定的階數x與汽缸數相等。
6.如上述任一權利要求所述的方法，其中所述採樣周期相當於發動機的至少10個轉數。
7.如上述任一權利要求所述的方法，其中所述的速度向量包括表示內燃機瞬時速度的值t，所述t值為與發動機飛輪或曲軸相連設置的分度參考連續旋轉分度參考之間的推移時間。
8.如權利要求7所述的方法，其中該方法包括在生成速度向量時的補償步驟，其中在該旋轉分度參考設置中的任何不規律效果得以補償。
9.如上述任一權利要求所述的方法，其中利用速度向量的相幅轉換，確定出表示頻率為x*n的功率分量的值Px。
10.如上述任一權利要求所述的方法，其中利用速度向量的傅立葉級數分析，確定出表示頻率為x*n的功率分量的值Px。
11.如權利要求9所述的方法，其中幅值Px通過解方程[A]×[C]＝[V]而確定，其中V是包含f個採樣的速度向量，A是k階矩陣A=1sincossin(2)...cos(k2)1sin(/2)cos(/2)sin(2/2)......................1sin(/f)cos(/f)sin(2/f)...cos(k2/f)]]>C=a0/2a1b1a2b2......akbkV=t1t2......tf]]>對於預選階數x的係數ax和bx，並且得到幅值(Px)2=ax2+bx2]]>
12.如上述任一權利要求所述的方法，其中對於速度向量的相幅轉換，採用快速傅立葉變換確定Px值。
13.如權利要求12所述的方法，其中通過繪製速度向量的快速傅立葉變換以及確定在頻率為x*n時峰值區域的RMS值來確定Px。
14.如上述任一權利要求所述的方法，其中所述t值以採樣間隔進行採樣，所述採樣間隔持續時間小於或等於10微秒，優選小於或等於1微秒。
15.如上述任一權利要求所述的方法，其中所述T值表示在載荷條件下採樣周期內的平均發動機轉矩，使選定的所述條件相當於至少50％的負荷、優選相當於至少60％的負荷。
16.如上述任一權利要求所述的方法，所述T值表示發動機在採樣周期內所用速度的平均發動機轉矩，選擇所述發動機速度至少為1000rpm。
17.一種評估發動機功能的方法，包括如下步驟生成如權利要求1-16中任一項所述的T值，將T值與表示標準發動機轉矩的參考值Tref相比較。
18.一種產生表示內燃機曲軸上生成的平均發動機轉矩的T值的設備，包括用於測量採樣周期內的發動機瞬時速度的測量設備，產生表示在所述採樣周期內測得的發動機瞬時速度的速度向量的計算裝置，採用速度向量在所述採樣時間內得出發動機速度平均值n的計算裝置，獲得表示速度向量在頻率為x*n處的功率分量的Px值的計算裝置，其中x是預先選定的階數，以及獲得所期望的T值的計算裝置，所述T值表示在所述採樣周期內曲軸上的平均發動機轉矩，其中T值由數學表達式得出，所述數學表達式包括至少含有k*n*Px項的多項式，其中k是存儲在存儲器中的多項式常數。
19.如權利要求18所述的一種設備，其中測量設備包括傳感器，所述傳感器檢測設置在與發動機飛輪或曲軸相連的連續轉動分度參考的推移，所述推移時間為表示發動機瞬時速度的速度向量值t。
20.如權利要求19所述的設備，其中測量設備包括用於確定所述連續旋轉分度參考之間速度的計算裝置。
21.如權利要求18至20中任一權利要求所述的設備，包括當生成速度向量時用於計算補償步驟的計算裝置，其中所設定的旋轉分度參考的任何不規律的效果得以補償。
22.如權利要求18至21中任一權利要求所述的設備，其中所述t值在採樣間隔內被採樣，所述採樣間隔持續時間小於或等於10微秒，優選小於或等於1微秒。
23.如權利要求18至22中任一權利要求所述的設備，其中T由包括多項式k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px的數學表達式得出，其中存儲在存儲器中的k0、k1、k2和k3是多項式常數。
24.如權利要求18至23中任一權利要求所述的設備，其中T＝k0+k1*Px+k2*n+k3*n*Px，其中存儲在存儲器中的k0、k1、k2和k3是多項式常數。
25.如權利要求18至24中任一權利要求所述的設備，其中選定幅值的階數為x＝(發動機汽缸的數量)/2。
26.如權利要求18至25中任一權利要求所述的設備，其中所述採樣周期相當於發動機的至少10個轉數。
全文摘要
本發明涉及一種產生值T的方法，該值T表示內燃機曲軸上生成的平均發動機轉矩，包括以下步驟產生速度向量，其包括表示發動機在採樣周期內的瞬時速度的值；由速度向量確定所述採樣時間內發動機轉速的平均值n；確定在頻率x*n處表示速度向量頻率分量的值Px，其中x是預先選定的階數，並且產生表示在所述採樣周期內曲軸上的發動機轉矩平均值T，其中T由數學表達式得來，所述表達式包括至少含有一k*n*Px項的多項式，其中k是一多項式常數。本發明還涉及一種計算T值的設備。
文檔編號G01L3/10GK101069077SQ200480044428
公開日2007年11月7日 申請日期2004年11月17日 優先權日2004年11月17日
發明者克裡斯特·弗雷德裡克松, 弗雷德裡克·沃特維爾, 斯文·阿林德 申請人:沃爾沃拉斯特華格納公司