CN104179573B - 一种内燃机分缸燃烧状态估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机分缸燃烧状态估计方法，它包括以下步骤：1)在内燃机的任一分缸中设置一缸压传感器，在内燃机的曲轴上设置一曲轴转速传感器；2)根据内燃机曲轴系统刚性模型求解各分缸指示转矩和；3)对指示转矩和进行分解以获得当前发火缸的气体作用力指示转矩；4)对于设置有缸压传感器的分缸，由缸压传感器直接测量其发火时的气体作用力指示转矩，并将测量值与步骤3)所得的当前发火缸的气体作用力指示转矩做差以得到设置有缸压传感器的分缸发火时的气体作用力指示转矩的误差，用该误差修正未设置缸压传感器的汽缸发火时的气体作用力指示转矩估计值。本发明方法可广泛应用于各种电控柴油机和电控汽油机。

Description

一种内燃机分缸燃烧状态估计方法

技术领域

本发明涉及一种估计方法，特别是关于一种内燃机分缸燃烧状态估计方法。

背景技术

利用内燃机的缸内压力信号进行故障诊断和控制具有广阔的应用前景，但是其实际应用受到缸压传感器成本的限制，对于多缸机来说，需要采用多个缸压传感器从而导致成本成倍地上升。内燃机瞬时转速信号是进行燃烧状态估计的另一种可行方案，但是这种只基于曲轴转速分析的方法又受到精度、应用范围和算法复杂度的限制难以实用化，通常来说多数估计方法估计结果偏差较大，而估计相对准确的方法却因算法复杂、计算量大等问题难以实施。此外，该估计方法对不同的内燃机复用性也较差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种易于实现、实施成本低且具有较高精度的内燃机分缸燃烧状态估计方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种内燃机分缸燃烧状态估计方法，它包括以下步骤：1)在内燃机的任一分缸中设置一缸压传感器，在内燃机的曲轴上设置一曲轴转速传感器；2)根据内燃机曲轴系统刚性模型求解各分缸指示转矩和：上式中，表示曲轴转角；表示各分缸指示转矩和；表示各分缸往复惯性力矩之和；表示内燃机的负载转矩，即对外有效输出的净转矩；表示内燃机的摩擦转矩；表示内燃机轴系的旋转惯性力转矩；I表示内燃机轴系的转动惯量；3)对指示转矩和进行分解以获得当前发火缸的气体作用力指示转矩；4)对于设置有缸压传感器的分缸，由缸压传感器直接测量其发火时的气体作用力指示转矩，并将测量值与步骤3)所得的当前发火缸的气体作用力指示转矩做差以得到设置有缸压传感器的分缸发火时的气体作用力指示转矩的误差，用该误差修正未设置缸压传感器的汽缸发火时的气体作用力指示转矩估计值。

所述步骤2)中，内燃机曲轴系统刚性模型中的各分量的计算方法如下：

①内燃机轴系的旋转惯性力转矩

由曲轴转速传感器获取曲轴的转速进一步计算出

②各缸往复惯性力矩之和

各缸往复惯性力矩之和由各分缸产生的往复惯性力转矩叠加得到，对于第l分缸，其往复惯性力转矩

上式中，m_hz表示内燃机活塞组件的往复运动等效质量；表示第l分缸的往复运动质量加速度；L表示往复运动质量惯性力相对曲轴的力臂；

力臂L由下式计算得到：

上式中，λ表示连杆比；μ表示活塞偏置距；

第l分缸的往复运动质量加速度由下式计算得到：

上式中，r表示曲柄半径；

③内燃机的负载转矩与内燃机的摩擦转矩之和

根据参考缸的缸压，计算得到参考缸的平均有效压力，参考缸平均有效压力乘以单缸排量即得到参考缸气体作用力所做的功，用参考缸气体作用力所做功除以对应的曲轴转角，即得到负载转矩和摩擦转矩之和

第l分缸的往复运动质量加速度简化为：

上式中，j1表示一阶往复惯性力，且j2表示二阶往复惯性力，且

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于只采用一个缸压传感器就可以反馈多缸的燃烧状态参数，因此与多缸分别加装价格昂贵的缸压传感器方式相比具有明显的价格优势。2、本发明由于将一个缸压传感器引入系统，使得根据曲轴转速信号建立的燃烧状态反馈模型更加简单，适合在线应用，且精度更高。3、本发明具有结构和安装布置简单、体积小，只需要在发动机上安装一个缸压传感器和对软件进行相应升级写入控制算法。本发明方法可广泛应用于各种电控柴油机和电控汽油机。

附图说明

图1是本发明方法所用设备的布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出了一种内燃机分缸燃烧状态估计方法，它包括以下步骤：

1)如图1所示，在内燃机1的任一分缸中设置一缸压传感器2(为描述方便，下文中将设置有缸压传感器2的分缸称为参考缸)，在内燃机1的曲轴上设置一曲轴转速传感器3。为了能够实时获得测量信息，还可以在内燃机1的外部设置一用于采集缸压传感器2的缸压信号和曲轴转速传感器3的曲轴转速信号的电控单元4。

2)根据内燃机曲轴系统刚性模型求解各分缸指示转矩和。

在本实施例中，内燃机曲轴系统刚性模型如下：

上式中，表示曲轴转角；表示各分缸指示转矩和(指示转矩即缸内气体作用力所产生的转矩)；表示各分缸往复惯性力矩之和；表示内燃机的负载转矩，即对外有效输出的净转矩；表示内燃机的摩擦转矩；表示内燃机轴系的旋转惯性力转矩；I表示内燃机轴系的转动惯量。

当一个汽缸点火后，产生的扭矩超过负载扭矩(包括阻力矩)而推动曲轴加速，当这个汽缸进入做功行程后期而下一个发火的汽缸正处于压缩冲程时，缸内气体产生的扭矩将低于负载扭矩而使曲轴速度降低，这一过程周而复始的进行，其结果就是发动机速度随曲轴转角的波动。根据这一瞬时转速波动信号即可反推各分缸由气体作用产生的扭矩。上述模型中，各分量的计算方法如下：

①内燃机轴系的旋转惯性力转矩的获取：

电控单元4通过曲轴转速传感器3获取曲轴的转速由此可以进一步计算出

②各缸往复惯性力矩之和的获取：

各缸往复惯性力矩之和可由各分缸产生的往复惯性力转矩叠加得到，对于第l分缸，其往复惯性力转矩

上式中，m_hz表示内燃机活塞组件的往复运动等效质量；表示第l分缸的往复运动质量加速度；L表示往复运动质量惯性力相对曲轴的力臂；

力臂L可由下式计算得到：

上式中，λ表示连杆比；μ表示活塞偏置距；

第l分缸的往复运动质量加速度可由下式计算得到：

上式中，r表示曲柄半径；其中，与曲轴转速一倍频率相关的部分被称为一阶往复惯性力，即与曲轴转速二倍频率相关的部分被称为二阶往复惯性力，即由于高阶分量的幅值一般远小于一阶和二阶分量的幅值，所以可以将往复运动质量加速度简化为一阶和二阶分量后代入求解往复惯性力转矩，简化后的往复运动质量加速度为：

上述各式中所涉及到的λ、μ、r和m_hz都和内燃机相关的已知量。

③内燃机的负载转矩与内燃机的摩擦转矩之和的获取：

根据参考缸的缸压(由缸压传感器2测得)，可以计算得到参考缸的平均有效压力(计算平均有效压力的方法为本领域的常识)。参考缸平均有效压力乘以单缸排量即得到参考缸气体作用力所做的功。由于内燃机工作处于稳态，气体作用力所做功与摩擦和负载转矩所做功相同。用参考缸气体作用力所做功除以对应的曲轴转角，即可以得到负载转矩和摩擦转矩之和

在获取上述模型中的各分量之后，即可得到各分缸指示转矩和的估计值。

3)对指示转矩和进行分解以获得当前发火缸的气体作用力指示转矩。

对于多缸机而言，当一缸发火时，其它气缸处于非发火冲程，那么用指示转矩和减掉非发火缸的气体作用力转矩之和，即可得到当前发火气缸的气体作用力转矩。因此，需要先行估计非发火缸的气体作用力转矩。

当气缸处于非发火冲程时，其处于进排气冲程或者纯压缩冲程，无燃烧产生。对处于进排气冲程的气缸来说，根据内燃机自带的进气压力传感器(一般的内燃机上都带有进气压力传感器)可以得到当前气缸内压力，从而可计算得到该缸气体作用力指示转矩：

上式中，表示指示扭矩；表示第l缸的缸压；p₀表示大气压力；A表示气缸面积；r表示曲柄半径；L表示往复运动质量惯性力相对曲轴的力臂。

对于处于纯压缩冲程的气缸来说，可以将纯压缩过程视为理想气体的绝热过程，状态变化满足理想气体状态方程P·V^k＝常数，上式中，P表示任意位置压力；V表示气缸容积；k表示气体常数，其值为1.37。因此，根据进气压力P₀和气门关闭时气缸容积V₀，即可算出处于处于压缩冲程的气缸的压力相应曲轴转角的压力P₁＝P₀(V₀/V₁)^k，上式中，P₁表示任意处于压缩冲程的气缸的压力，V₁表示与压力相应位置的气体体积。进而可计算转矩，计算公式为P₁·A·L，上式中，A表示汽缸面积(为已知量)，L表示往复运动质量惯性力相对曲轴的力臂，其计算方法上文已给出。

用指示转矩和减掉处于进排气冲程的汽缸的指示转矩，以及纯压缩冲程的指示转矩，即得到处于当前发火缸的气体作用力指示转矩估计值。

4)计算参考缸发火时的气体作用力指示转矩的误差，并用计算出的参考缸的误差修正参考缸以外的汽缸发火时的气体作用力指示转矩估计值。

当参考缸发火时，由缸压传感器2直接对其测量获得其发火时的气体作用力指示转矩，并将测量值与步骤3)计算得到的当前发火缸的气体作用力指示转矩做差获得模型误差。

用参考缸得到的误差修正没有设置缸压传感器的分缸的转矩的估计值。例如：对于发火顺序为4-2-1-3的四缸机，第一缸为参考缸，则第一缸发火时可以计算气体作用力转矩估计值及误差；当第3缸发火时，可以根据步骤3)中方法计算一个估计值，并用第1缸的误差去修正第3缸误差，得到最终估计结果；对接下来发火的第4缸和第2缸，估计方法与第3缸类似。当参考缸第1缸再次发火时，则计算新的误差，对下面3个非参考缸发火用新的误差去修正估计值，方法类似，如此往复循环。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种内燃机分缸燃烧状态估计方法，它包括以下步骤：

1)在内燃机的任一分缸中设置一缸压传感器，在内燃机的曲轴上设置一曲轴转速传感器；

2)根据内燃机曲轴系统刚性模型求解各分缸指示转矩和：

上式中，表示曲轴转角；表示各分缸指示转矩和；表示各分缸往复惯性力矩之和；表示内燃机的负载转矩，即对外有效输出的净转矩；表示内燃机的摩擦转矩；表示内燃机轴系的旋转惯性力转矩；I表示内燃机轴系的转动惯量；

内燃机曲轴系统刚性模型中的各分量的计算方法如下：

①内燃机轴系的旋转惯性力转矩

由曲轴转速传感器获取曲轴的转速进一步计算出

②各缸往复惯性力矩之和

各缸往复惯性力矩之和由各分缸产生的往复惯性力转矩叠加得到，对于第l分缸，其往复惯性力转矩

上式中，m_hz表示内燃机活塞组件的往复运动等效质量；表示第l分缸的往复运动质量加速度；L表示往复运动质量惯性力相对曲轴的力臂；

力臂L由下式计算得到：

上式中，λ表示连杆比；μ表示活塞偏置距；

第l分缸的往复运动质量加速度由下式计算得到：

上式中，r表示曲柄半径；

③内燃机的负载转矩与内燃机的摩擦转矩之和

根据参考缸的缸压，计算得到参考缸的平均有效压力，参考缸平均有效压力乘以单缸排量即得到参考缸气体作用力所做的功，用参考缸气体作用力所做功除以对应的曲轴转角，即得到负载转矩和摩擦转矩之和其中，参考缸是指设置有缸压传感器的分缸；

3)对指示转矩和进行分解以获得当前发火缸的气体作用力指示转矩；

4)对于设置有缸压传感器的分缸，由缸压传感器直接测量其发火时的气体作用力指示转矩，并将测量值与步骤3)所得的当前发火缸的气体作用力指示转矩做差以得到设置有缸压传感器的分缸发火时的气体作用力指示转矩的误差，用该误差修正未设置缸压传感器的汽缸发火时的气体作用力指示转矩估计值。

2.如权利要求1所述的一种内燃机分缸燃烧状态估计方法，其特征在于，第l分缸的往复运动质量加速度简化为：

上式中，j1表示一阶往复惯性力，且j2表示二阶往复惯性力，且