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    江西重庆时时彩票: 利用低分辨率编码器和三次样条积分过程的高精度IMEP计算技术.pdf

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    利用 分辨率 编码器 三次 积分 过程 高精度 IMEP 计算 技术
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110046111.2

    申请日:

    2011.02.25

    公开号:

    CN102192839A

    公开日:

    2011.09.21

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01M 15/08申请日:20110225|||公开
    IPC分类号: G01M15/08 主分类号: G01M15/08
    申请人: 通用汽车环球科技运作有限责任公司
    发明人: H. 贾瓦赫里安; I. 哈斯卡拉; O. H. 达奇
    地址: 美国密执安州
    优先权: 2010.02.25 US 12/713098
    专利代理机构: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 原绍辉
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110046111.2

    授权公告号:

    102192839B||||||

    法律状态公告日:

    2014.04.30|||2011.11.23|||2011.09.21

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及利用低分辨率编码器和三次样条积分过程的高精度IMEP计算技术。一种利用稀疏输入数据计算内燃机中的指示平均有效压力(IMEP)的方法。该方法利用三次样条积分方法,并需要比现有IMEP计算技术显著减少的低分辨率曲轴位置和气缸压力输入数据,同时提供比使用现有方法计算的IMEP值更精确的计算的IMEP输出结果。通过利用稀疏输入数据,三次样条积分方法通过使用低成本传感器并消耗较少的用于处理和储存数据的计算资源提供了减小车辆制造、发动机、和/或电子控制单元的成本的可能性。

    权利要求书

    1.?一种计算内燃机中的平均有效压力的方法,所述方法包括:确定发动机的一组几何形状参数,包括冲程、连接杆长度、活塞面积以及气缸容积;定义一系列采样事件的采样分辨率,所述采样分辨率为在所述采样事件之间的曲轴旋转量;计算和储存容积序列,所述容积序列包含针对相应于采样分辨率的每个曲轴位置的作为曲轴位置函数的燃烧室容积;计算和储存在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置处计算的、所述燃烧室容积关于曲轴位置的第一和第二微分的序列;定义第一函数f,其中f是气缸压力及燃烧室容积关于曲轴位置的所述第一微分的函数;定义第二函数M,其中M是所述第一函数f、所述采样分辨率以及M的先前值的函数;?定义三次样条函数S,其中S是所述第一函数f、所述第二函数M的当前值和先前值、所述采样分辨率以及S的先前值的函数;使所述发动机运转;通过计算所述容积序列、容积的第一和第二微分的序列、所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S来初始化循环,其中在循环开始时的曲轴的下止点位置计算所有的序列和函数;在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置处执行气缸压力测量;储存当前采样事件的所述气缸压力测量值以用于计算目的;基于所述当前采样事件的所述气缸压力测量值和容积的所述第一微分的序列,计算所述第一函数f;计算所述当前采样事件的所述第二函数M和所述三次样条函数S;储存所述当前采样事件和先前采样事件的所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S的值;只要曲轴位置还未到达从所述循环的开始完成一个完整的曲轴旋转时的下止点,就继续测量气缸压力并计算所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S;以及如果曲轴位置到达从所述循环的开始完成一个完整的曲轴旋转时的下止点,则输出作为所述三次样条函数的最终值的发动机循环的平均有效压力并初始化新的循环。2.?如权利要求1所述的方法,其中,所述第一函数f由以下方程定义:其中,i为采样事件次数,θi为在所述当前采样事件的所述曲轴位置,Vcyl为所述气缸容积,P(θi)为在所述当前采样事件的所述气缸压力,dV/dθ(θi)为在所述当前曲轴位置处计算的、容积关于曲轴位置的所述第一微分。3.?如权利要求2所述的方法,其中,所述第二函数M由以下方程定义:其中,i为所述采样事件次数,h为所述采样分辨率,fi为在所述当前采样事件计算的所述函数f,fi-1和Mi-1分别为在所述先前采样事件计算的函数f和M。4.?如权利要求3所述的方法,其中,所述三次样条函数S由以下方程定义:其中,i为所述采样事件次数,h为所述采样分辨率,Mi为在所述当前采样事件计算的所述函数M,fi-1、Mi-1以及Si-1分别为在所述先前采样事件计算的函数f、M及S。5.?如权利要求1所述的方法,其中,所述采样分辨率为3度或更大的曲轴旋转。6.?如权利要求1所述的方法,其中,所述采样分辨率为6度或更大的曲轴旋转。7.?如权利要求1所述的方法,其中,还包括在发动机控制器中使用所计算的平均有效压力的值来控制所述发动机的运转。8.?一种计算和使用内燃机中的指示平均有效压力的方法,所述方法包括:确定发动机的一组几何形状参数,包括冲程、连接杆长度、活塞面积以及气缸容积;定义一系列采样事件的采样分辨率,所述采样分辨率为所述采样事件之间的曲轴旋转量;计算和储存容积序列,所述容积序列包含针对相应于采样分辨率的每个曲轴位置的作为曲轴位置函数的燃烧室容积;计算和储存在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置处计算的、所述燃烧室容积关于曲轴位置的第一和第二微分的序列;定义第一函数f,其中f是气缸压力及燃烧室容积关于曲轴位置的所述第一微分的函数;定义第二函数M,其中M是所述第一函数f、所述采样分辨率以及M的先前值的函数;?定义三次样条函数S,其中S是所述第一函数f、所述第二函数M的当前值和先前值、所述采样分辨率以及S的先前值的函数;使所述发动机运转;通过计算所述容积序列、容积的第一和第二微分的序列、所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S来初始化循环,其中在压缩冲程开始时的曲轴的下止点位置计算所有的序列和函数;在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置处执行气缸压力测量;储存当前采样事件的所述气缸压力测量值以用于计算目的;基于所述当前采样事件的所述气缸压力测量值和容积的所述第一微分的序列,计算所述第一函数f;计算所述当前采样事件的所述第二函数M和所述三次样条函数S;储存所述当前采样事件和先前采样事件的所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S的值;只要曲轴位置还未到达动力冲程结束处的下止点,就继续测量气缸压力并计算所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S;当曲轴位置到达在动力冲程结束处的下止点时,则输出作为所述三次样条函数的最终值的发动机循环的指示平均有效压力并初始化新的循环;以及在发动机控制器中使用所计算的指示平均有效压力的值来控制所述发动机的运转,包括控制到所述发动机的燃料流。9.?如权利要求8所述的方法,其中,所述第一函数f由以下方程定义:其中,i为所述采样事件次数,θi为在所述当前采样事件的所述曲柄位置,Vcyl为所述气缸容积,P(θi)为在所述当前采样事件的所述气缸压力,dV/dθ(θi)为在所述当前曲轴位置计算的、容积关于曲轴位置的所述第一微分。10.?一种计算和使用内燃机中的指示平均有效压力的系统,所述系统包括:用于以采样分辨率测量曲轴位置的低分辨率曲轴位置编码器,其中所述采样分辨率大于1度的曲柄旋转;用于在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置处测量气缸压力的气缸压力传感器;以及发动机控制器,所述发动机控制器设置为从所述曲轴位置编码器和所述气缸压力传感器收集数据、利用三次样条积分算法计算指示平均有效压力、以及利用计算的指示平均有效压力控制所述发动机的运转。

    说明书

    利用低分辨率编码器和三次样条积分过程的高精度IMEP计算技术

    技术领域

    本发明总体涉及一种计算发动机中的平均有效压力的方法,更具体地涉及一种利用三次样条积分方法计算内燃机中的指示平均有效压力(IMPE)的方法,即使在利用低分辨率曲轴位置编码器以及利用频度比现有IMEP计算方法所需的频度更低的气缸压力测量的输入数据时,三次样条积分方法也可提供高精度的结果。

    背景技术

    大多数现代内燃机采用多种精密的控制策略来优化发动机性能、燃料经济性、排放以及其它的因素。在用于控制发动机运转的诸多参数之中,指示平均有效压力(IMPE)是很重要的参数之一。IMEP用作发动机正在做功的量的测量值或者用作正由发动机提供的转矩的测量值。发动机控制策略经常围绕IMEP设计,当然,只有以足够高的精确度计算IMEP,这些策略才能有效地控制发动机。

    尽管在现有技术中已知许多用于计算IMEP的方法,但为了实现精确的IMEP计算,现有的方法需要高分辨率的曲轴位置编码器和气缸压力数据的频繁测量。需要高分辨率的曲轴位置和气缸压力数据具有很多缺点,包括:曲轴位置编码器的成本,与储存随时间的高分辨率气缸压力数据所需要的数字存储器相关的成本,与电子控制单元中的为了处理用于计算IMEP的大量的曲轴位置数据和气缸压力数据所需的计算能力的成本。

    需要一种计算指示平均有效压力的方法,该方法提供适当控制发动机所需的精度但不需要高分辨率曲轴位置和气缸压力数据作为输入。这种方法在节省成本和简化发动机或车辆制造的方面非常有利。

    发明内容

    根据本发明的教导,披露了利用稀疏输入数据计算内燃机中的指示平均有效压力(IMEP)的三次样条积分方法。该三次样条积分方法需要分辨率比现有IMEP计算方法低得多的曲轴位置和气缸压力输入数据,同时提供比使用现有方法计算的IMEP值更精确的计算的IMEP输出结果。通过利用稀疏输入数据,三次样条积分方法允许使用低分辨率曲轴位置编码器并需要更少的用于数据处理和储存的计算资源。

    通过下面结合附图对本发明的描述和所附权利要求,本发明的附加特征将变得更明显。

    本发明还提供了如下方案:

    1.?一种计算内燃机中的平均有效压力的方法,所述方法包括:

    确定发动机的一组几何形状参数,包括冲程、连接杆长度、活塞面积以及气缸容积;

    定义一系列采样事件的采样分辨率,所述采样分辨率为在所述采样事件之间的曲轴旋转量;

    计算和储存容积序列,所述容积序列包含针对相应于采样分辨率的每个曲轴位置的作为曲轴位置函数的燃烧室容积;

    计算和储存在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置处计算的、所述燃烧室容积关于曲轴位置的第一和第二微分的序列;

    定义第一函数f,其中f是气缸压力及燃烧室容积关于曲轴位置的所述第一微分的函数;

    定义第二函数M,其中M是所述第一函数f、所述采样分辨率以及M的先前值的函数;

    定义三次样条函数S,其中S是所述第一函数f、所述第二函数M的当前值和先前值、所述采样分辨率以及S的先前值的函数;

    使所述发动机运转;

    通过计算所述容积序列、容积的第一和第二微分的序列、所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S来初始化循环,其中在循环开始时的曲轴的下止点位置计算所有的序列和函数;

    在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置处执行气缸压力测量;

    储存当前采样事件的所述气缸压力测量值以用于计算目的;

    基于所述当前采样事件的所述气缸压力测量值和容积的所述第一微分的序列,计算所述第一函数f;

    计算所述当前采样事件的所述第二函数M和所述三次样条函数S;

    储存所述当前采样事件和先前采样事件的所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S的值;

    只要曲轴位置还未到达从所述循环的开始完成一个完整的曲轴旋转时的下止点,就继续测量气缸压力并计算所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S;以及

    如果曲轴位置到达从所述循环的开始完成一个完整的曲轴旋转时的下止点,则输出作为所述三次样条函数的最终值的发动机循环的平均有效压力并初始化新的循环。

    方案2.?如方案1所述的方法,其中,所述第一函数f由以下方程定义:

    其中,i为采样事件次数,θi为在所述当前采样事件的所述曲轴位置,Vcyl为所述气缸容积,P(θi)为在所述当前采样事件的所述气缸压力,dV/dθ(θi)为在所述当前曲轴位置处计算的、容积关于曲轴位置的所述第一微分。

    方案3.?如方案2所述的方法,其中,所述第二函数M由以下方程定义:

    其中,i为所述采样事件次数,h为所述采样分辨率,fi为在所述当前采样事件计算的所述函数f,fi-1和Mi-1分别为在所述先前采样事件计算的函数f和M。

    方案4.?如方案3所述的方法,其中,所述三次样条函数S由以下方程定义:

    其中,i为所述采样事件次数,h为所述采样分辨率,Mi为在所述当前采样事件计算的所述函数M,fi-1、Mi-1以及Si-1分别为在所述先前采样事件计算的函数f、M及S。

    方案5.?如方案1所述的方法,其中,所述采样分辨率为3度或更大的曲轴旋转。

    方案6.?如方案1所述的方法,其中,所述采样分辨率为6度或更大的曲轴旋转。

    方案7.?如方案1所述的方法,其中,还包括在发动机控制器中使用所计算的平均有效压力的值来控制所述发动机的运转。

    方案8.?一种计算和使用内燃机中的指示平均有效压力的方法,所述方法包括:

    确定发动机的一组几何形状参数,包括冲程、连接杆长度、活塞面积以及气缸容积;

    定义一系列采样事件的采样分辨率,所述采样分辨率为所述采样事件之间的曲轴旋转量;

    计算和储存容积序列,所述容积序列包含针对相应于采样分辨率的每个曲轴位置的作为曲轴位置函数的燃烧室容积;

    计算和储存在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置处计算的、所述燃烧室容积关于曲轴位置的第一和第二微分的序列;

    定义第一函数f,其中f是气缸压力及燃烧室容积关于曲轴位置的所述第一微分的函数;

    定义第二函数M,其中M是所述第一函数f、所述采样分辨率以及M的先前值的函数;

    定义三次样条函数S,其中S是所述第一函数f、所述第二函数M的当前值和先前值、所述采样分辨率以及S的先前值的函数;

    使所述发动机运转;

    通过计算所述容积序列、容积的第一和第二微分的序列、所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S来初始化循环,其中在压缩冲程开始时的曲轴的下止点位置计算所有的序列和函数;

    在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置处执行气缸压力测量;

    储存当前采样事件的所述气缸压力测量值以用于计算目的;

    基于所述当前采样事件的所述气缸压力测量值和容积的所述第一微分的序列,计算所述第一函数f;

    计算所述当前采样事件的所述第二函数M和所述三次样条函数S;

    储存所述当前采样事件和先前采样事件的所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S的值;

    只要曲轴位置还未到达动力冲程结束处的下止点,就继续测量气缸压力并计算所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S;

    当曲轴位置到达在动力冲程结束处的下止点时,则输出作为所述三次样条函数的最终值的发动机循环的指示平均有效压力并初始化新的循环;以及

    在发动机控制器中使用所计算的指示平均有效压力的值来控制所述发动机的运转,包括控制到所述发动机的燃料流。

    方案9.?如方案8所述的方法,其中,所述第一函数f由以下方程定义:

    其中,i为所述采样事件次数,θi为在所述当前采样事件的所述曲柄位置,Vcyl为所述气缸容积,P(θi)为在所述当前采样事件的所述气缸压力,dV/dθ(θi)为在所述当前曲轴位置计算的、容积关于曲轴位置的所述第一微分。

    方案10.?如方案9所述的方法,其中,所述函数M由以下方程定义:

    其中,i为所述采样事件次数,h为所述采样分辨率,fi为在所述当前采样事件计算的所述函数f,fi-1和Mi-1分别为在所述先前采样事件计算的函数f和M。

    方案11.?如方案10所述的方法,其中,所述三次样条函数S由以下方程定义:

    其中,i为所述采样事件次数,h为所述采样分辨率,Mi为在所述当前采样事件计算的所述函数M,fi-1、Mi-1以及Si-1分别为在所述先前采样事件计算的函数f、M及S。

    方案12.?如方案11所述的方法,其中,所述采样分辨率为3度或更大的曲轴旋转。

    方案13.?如方案12所述的方法,其中,所述采样分辨率为6度或更大的曲轴旋转。

    方案14.?一种计算和使用内燃机中的指示平均有效压力的系统,所述系统包括:

    用于以采样分辨率测量曲轴位置的低分辨率曲轴位置编码器,其中所述采样分辨率大于1度的曲柄旋转;

    用于在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置处测量气缸压力的气缸压力传感器;以及

    发动机控制器,所述发动机控制器设置为从所述曲轴位置编码器和所述气缸压力传感器收集数据、利用三次样条积分算法计算指示平均有效压力、以及利用计算的指示平均有效压力控制所述发动机的运转。

    方案15.?如方案14所述的系统,其中,所述三次样条积分算法包括:

    确定发动机的一组几何形状参数,包括冲程、连接杆长度、活塞面积以及发动机容积;

    定义采样分辨率,所述采样分辨率为在采样事件之间的曲轴旋转量;

    计算和储存容积序列,所述容积序列包含针对相应于采样分辨率的每个曲轴位置的作为曲轴位置函数的燃烧室容积;

    计算和储存在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置处计算的、所述燃烧室容积关于曲轴位置的第一和第二微分的序列;

    定义第一函数f,其中f是气缸压力及燃烧室容积关于曲轴位置的所述第一微分的函数;

    定义第二函数M,其中M是所述第一函数f、所述采样分辨率以及M的先前值的函数;

    定义三次样条函数S,其中S是所述第一函数f、所述第二函数M的当前值和先前值、所述采样分辨率以及S的先前值的函数;

    使所述发动机运转;

    通过计算所述容积序列、容积的第一和第二微分的序列、所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S来初始化循环,其中在压缩冲程开始时的曲轴的下止点位置计算所有的序列和函数;

    在相应于所述采样分辨率的每个曲轴位置执行气缸压力测量;

    储存当前采样事件的所述气缸压力测量值以用于计算目的;

    基于所述当前采样事件的所述气缸压力测量值和容积的所述第一微分的序列,计算所述第一函数f;

    计算所述当前采样事件的所述第二函数M和所述三次样条函数S;

    储存所述当前采样事件和先前采样事件的所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S的值;

    只要曲轴位置还未到达动力冲程结束处的下止点,就继续测量气缸压力并计算所述第一函数f、所述第二函数M以及所述三次样条函数S;以及

    当曲轴位置到达在动力冲程结束处的下止点时,则输出作为所述三次样条函数的最终值的发动机循环的指示平均有效压力并初始化新的循环。

    方案16.?如方案15所述的系统,其中,所述第一函数f由以下方程定义:

    其中,i为采样事件次数,θi为在所述当前采样事件的所述曲轴位置,Vcyl为所述气缸容积,P(θi)为在所述当前采样事件的所述气缸压力,dV/dθ(θi)为在所述当前曲轴位置计算的、容积关于曲轴位置的所述第一微分。

    方案17.?如方案16所述的系统,其中,所述第二函数M由以下方程定义:

    其中,i为所述采样事件次数,h为所述采样分辨率,fi为在所述当前采样事件计算的所述函数f,fi-1和Mi-1分别为在所述先前采样事件计算的函数f和M。

    方案18.?如方案17所述的系统,其中,所述三次样条函数S由以下方程定义:

    其中,i为所述采样事件次数,h为所述采样分辨率,Mi为在所述当前采样事件计算的所述函数M,fi-1、Mi-1以及Si-1分别为在所述先前采样事件计算的函数f、M及S。

    方案19.?如方案14所述的系统,其中,所述采样分辨率为3度或更大的曲轴旋转。

    方案20.?如方案14所述的系统,其中,所述发动机控制器利用所计算的指示平均有效压力来控制到所述发动机的燃料流。

    附图说明

    图1是车辆中的多缸发动机的视图,图1示出了计算指示平均有效压力所涉及的元件;

    图2是利用稀疏输入数据计算指示平均有效压力的第一方法的流程图;以及

    图3是利用稀疏输入数据计算指示平均有效压力的第二方法的流程图。

    具体实施方式

    下面对本发明的实施例的描述涉及一种利用稀疏输入数据计算发动机中的指示平均有效压力的三次样条积分方法,描述本身仅是示例性的,而绝不旨在限制本发明的应用或使用。例如,还可利用本发明的方法计算抽吸平均有效压力和净平均有效压力。

    最新型汽车中的发动机利用精密的电子控制单元来控制许多发动机运转参数,这些参数包括燃料喷射的量和正时、火花点火发动机的火花正时、待使用的废气再循环的量以及涡轮增压发动机或增压进气发动机的增压。这些参数和其它的参数被精确地控制以致力于优化发动机性能、燃料经济性以及排放。在许多发动机控制器中,指示平均有效压力用作控制策略的重要的输入参数。IMEP可被设想为在发动机燃烧室的一个动力循环中的平均压力,由此IMEP还表示在一个循环中发动机所做的功或在一个循环中发动机所输出的转矩。通常仅在发动机的动力循环中测量IMEP,发动机的动力循环包括压缩冲程和膨胀冲程或动力冲程??墒褂肐MEP设计发动机控制策略,发动机控制策略致力于使发动机传递的实际转矩与驾驶员通过加速器踏板位置所要求的转矩匹配。

    还将其它的压力相关参数用于发动机控制策略。抽吸平均有效压力(PMEP)是发动机燃烧室中的在整个抽吸循环(排气冲程和进气冲程)上的平均压力。净平均有效压力(NMEP)是发动机燃烧室中的在完整的四冲程循环上的平均压力。即,净平均有效压力是指示平均有效压力和抽吸平均有效压力的和。下面的阐述和方程是在IMEP方面展开的。然而,本领域的技术人员将认识到,通过简单地选择用于循环的积分范围本发明的方法可应用于平均有效压力(IMEP、PEMP或NMEP)的任何计算。

    图1是示出车辆12中的内燃机10的视图。发动机10包括多个连接到曲轴16的气缸14。每个活塞14在气缸18中往复移动,同时曲轴16产生输出转矩以做有用功,例如,驱动车辆的车轮或供电给电气系统。为了计算IMEP,需要来自曲轴位置编码器20的曲轴位置数据以及来自气缸压力传感器22的缸内压力数据。发动机10可在每个气缸18中包括压力传感器22,或者在整个发动机10中包括少至一个或两个的气缸压力传感器22。来自曲轴位置编码器20和气缸压力传感器22的数据由发动机控制器24收集,发动机控制器24还计算IMEP并管理发动机运转。

    IMEP的标准定义示于方程(1)。

    其中,Vcyl为气缸容积,P为气缸压力,dV为增加的气缸容积,在从-π的曲柄位置到+π的曲柄位置(或者从下止点(BDC)经由一圈转动回到BDC)运行的发动机动力循环上进行积分。

    已知现有技术中的在发动机运转过程中计算IMEP的多种方法。一种普遍的IMEP计算方法是梯形逼近,其中方程(1)的积分被离散为多个小的容积增量并在一个发动机动力循环上求和。IMEP的梯形逼近示于方程(2)。

    其中,Pk和Pk+1为连续的气缸压力测量值,Vk和Vk+1为相应于Pk和Pk+1的气缸容积测量值,在k从值θ0到值θf的增量上求和。

    尽管方程(2)的梯形逼近IMEP计算被广泛地应用,但这种方法对采样分辨率非常敏感。即,如果压力和容积增量k非常?。ㄍǔN?度的曲柄旋转或更?。?,则梯形逼近才产生精确的IMEP值。对高分辨率曲轴位置和气缸压力数据的需要意味着曲轴位置编码器20必须具有高分辨能力,并意味着必须非常频繁地获取和处理气缸压力数据。尽管目前在发动机中已具备这些能力,这些能力导致了形式为编码器20本身、和用于气缸压力数据的容量的模-数转换、数据处理以及储存要求的更高成本。

    本发明的目的是通过提供一种计算IMEP的方法缓解对高分辨率曲轴位置和气缸压力数据的需求,即使以比每度的曲柄角度低得多的频率测量曲柄位置和气缸压力数据时,这种方法也是精确的。这将允许曲轴位置编码器20为低成本、低分辨率模型,并且所需处理和储存的气缸压力数据大幅减少。这进而使发动机10的基于压力的控制系统的总成本降低。

    在本发明的第一实施例中,提供一种计算发动机中的IMEP的间接积分方法。间接积分方法开始于项PVn的引入,其中,P为压力,V为容积,n为比热比。通过定义,

    以及

    对方程(3)和(4)重新排列并积分,得到;

    如果在θ0到θf的曲柄角范围上进行方程(5)的积分,则方程(5)可被离散和表示为;

    可看到,方程(6)的左手侧是源自方程(1)的IMEP的定义,但其中省略了(1/Vcyl)因数。因此,IMEP可近似等于方程(6)的右手侧乘以(1/Vcyl)因数,如下所示;

    方程(7)可由此被扩展并表示为离散测量值的总和,如下所示;

    其中,k为采样发生次数,Δ为采样点之间的曲柄角的增量,其余的项如上所述。

    因此,可定义变量Gk和Hk来表示方程(8)的容积项,如下所示:

    明显的是,变量Gk和Hk仅包含常量和容积相关项,这些项是气缸容积和曲轴位置的已知函数。因此,对于任何具体的发动机几何形状,可离线计算并储存Gk和Hk,因为Gk和Hk?不依赖于气缸压力或任何其它的实时发动机性能因素。

    将Gk和Hk代入到方程(8)中,得到:

    再次地,值得注意的是,Vcyl为常量,项Gk和Hk对于每个采样事件k是预先计算的且已知的。因此,可利用方程(11)通过简单地将气缸压力测量值Pk+Δ乘以Pk+Δ的容积相关项Gk减去之前的气缸压力值Pk与Pk的容积相关项Hk的乘积并在整个发动机动力循环上求和上述结果,计算IMEP。

    图2是在前面的段落中阐述的计算IMEP的间接积分方法的流程图40。在方框42中定义初始值,其中,Δ为采样分辨率,n设定为1.4,即空气的正常比热比,Vk的值计算为气缸容积,气缸容积是在每个采样事件k时的曲柄角度θ的函数。在方框44中,容积相关项Gk和Hk的值计算为在每个采样事件k时的曲柄角度θ的函数。方框44的计算也都在发动机实时运转之前的初始化阶段完成,因为方框44的计算仅是发动机几何形状和所选曲柄角度增量Δ的函数。在发动机运转过程中,在方框46中利用在一个发动机动力循环上求和的方程(11)处理IMEP的实时计算,其中,在相应于曲柄角度增量Δ的每个曲柄角θ处采样气缸压力数据,如方框48所示。方框48中的压力数据由气缸压力传感器22测量。在一个完整的发动机动力循环结束时,在方框50中输出作为方框46中的求和结果的IMEP值。然后发动机控制器24利用从方框50得到的IMEP值来控制发动机运转,如上所述。

    在本发明的第二实施例中,提供了一种计算发动机中的IMEP的三次样条积分方法。在三次样条积分方法中,三次样条拟合为积分方程(1)。这允许即使在利用稀疏气缸压力数据时也可提供高精度的IMEP计算结果。根据这种方法,f(x)定义为如下所示的连续函数;

    其中,Vcyl为气缸容积,P为气缸压力,dV/dθ为气缸容积关于曲柄角度位置θ的第一微分。

    函数f(x)定义为在区间[a,b]上具有连续的第三微分,其中;

    从方程(1)和方程(12)可看出,可通过在一个动力循环上对函数f(x)取积分得到IMEP的值,也就是说,从方程;

    到方程;

    因此,计算IMEP的方程可表示为;

    其中,函数S是f、θ0?=?x0以及θf?=?xn的三次样条积分。

    通过三次样条积分S计算IMEP的算法如下所示。首先,函数M定义为f的第一微分。通过在初始点θ0计算M,得到;

    在方程(17)中,θ0是动力循环的起始点,即压缩冲程的起始点,压缩冲程的起始点在曲柄的下止点(BDC)或-π位置。在该位置上,气缸压力可近似为常量,因此;

    P(θ0)可通过气缸压力传感器22很容易地得到。

    为了计算方程(17)的第一微分和第二微分项,需要作为曲柄角θ的函数的容积V的计算公式。该公式可表述为;

    其中,K1和K2为发动机相关常量,R定义为r/L,其中r为曲柄半径、L为连接杆长度。通过方程(19),dV/dθ和d2V/d2θ的计算对本领域的技术人员将变得显而易见的。

    接着,曲柄角增量h定义为;

    其中,h可定义为可能适于该目的的任何值,i为步数。由于这种方法的目的是利用离散气缸压力数据计算IMEP的值,所以将探寻远大于1度的曲柄角的h值,例如3度或6度。

    现在可形成递归计算,其中,通过发动机10的每个动力循环以初始化开始;

    其中,P(θ0)是在下止点的循环初始位置处的测量的气缸压力,Vcyl为气缸总容积,(d2V/d2θ)(θ0)为在BDC的循环初始位置处的计算的方程(19)的第二微分。而且,在循环初始,f0?=?0,因为在BDC处因数dV/dθ为零,并设定S0?=?0。

    随后,对于曲柄角增量h的每一步i,可通过下面的方程依次计算函数f和M;

    以及;

    其中,P(θi)为在当前步数i测量的气缸压力,(dV/dθ)(θi)为在当前步数i计算的V关于θ的第一微分,h为曲柄角增量。

    随后,可通过S的前值、M的当前值和先前值、f的先前值,计算累积的三次样条函数S,如下所示;

    从循环初始时S0?=?0的值直到θi=?θf时动力循环结束以累积的方式计算函数S,θi=?θf时是处于动力冲程结束时的BDC位置。此时,完成的动力循环的IMEP作为S的最终值输出;即IMEP=S。之后开始新的循环。

    图3是在前面段落中阐述的计算IMEP的三次样条积分方法的流程图80。在方框82中进行一次性初始计算。在方框82中计算的值都是与具体的发动机设计(例如,冲程、连接杆长度、活塞面积以及气缸容积)有关的常量。在方框84中执行循环初始计算。这些计算包括测量气缸压力P以及计算V的第一和第二微分和函数f、M及S,这些计算均在θ=?θ0?=?-π的循环初始位置处进行,该位置为压缩冲程之前的BDC。在方框86中,对每一步数i测量气缸压力P、计算V的第一微分以及计算函数f。在方框88中,通过各个方程(23)和(24)计算函数M和S。在菱形判断框90中,检查曲柄角度θ以判断动力循环是否完成。如果θ0θf,则在方框92中动力循环的IMEP值输出为S的最终值,并在方框84中开始新的循环。如果在菱形判断方框90中θ0?<?θf,则在方框86对下一步数i继续当前循环计算。

    计算IMEP的间接积分方法和三次样条积分方法均已利用实时发动机数据进行模拟测试。已发现:通过利用稀疏数据(3度和6度的曲柄旋转增量的采样分辨率)的所披露的方法的IMEP计算与利用传统的梯形逼近中的密集数据(1度的曲柄旋转增量)的IMEP计算相差2%以内。这种小于2%的变化量刚好在对发动机控制器24中利用IMEP来说的可接受的范围内。即使采样分辨率大至10度,利用所披露的方法也可产生可接受的IMEP结果。通过利用为6度而不是1度的曲轴位置增量处的气缸压力数据,所披露的方法实现了缓解对高分辨率曲轴位置和气缸压力数据的需求的预定目标,并使基于压力的发动机控制系统的总成本降低。

    前面的阐述仅披露和描述了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员通过这些阐述、附图以及权利要求很容易认识到,可在不背离下面的权利要求限定的本发明的原理和范围的情况下进行各种修改、变型以及变化。

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