CN102062005A - 一种计算发动机进气量及进气压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算发动机进气量及进气压力的方法。本方法中，利用发动机电子控制单元采集发动机转速信号、进气温度信号、进气压力信号、节气门位置参数，结合进气歧管容积数据以及相关的电子控制单元标定表，能够比较精确地计算发动机各种工况下的进气压力、节气门处空气质量流量和进入气缸的空气质量流量。

Description

一种计算发动机进气量及进气压力的方法

技术领域

本发明涉及一种方法，尤其涉及一种计算发动机进气量及进气压力的方法。

背景技术

发动机电子控制燃油喷射系统根据发动机每循环吸入的空气量及该工况下需要的空燃比来确定每循环的喷油量，对于吸入空气量的测算是实现空燃比控制的基础。

进气模型可呈现处于怠速、部分负荷、倒拖以及倒拖断油各种工况下发动机燃烧循环的空气质量流量规律，用以计算节气门处的空气质量流量、流出进气歧管的空气质量流量、进气歧管空气压力，预测进气歧管压力以及用于基本喷油的进气量。

目前，对于发动机瞬态进气量进行计算的方法一般基于充、排法，它将整个进气系统视为装有均质状态单一气体的容器，通过测量发动机参数，用理想气体状态方程和质量守恒定律来计算进入汽缸的空气量。同时，通过节气门前的空气质量传感器信号，通过建立可压缩气体管总流伯努利方程，对进气歧管的压力以及进气量进行实时计算。

上述计算方法忽视了进气系统所处的复杂环境，因此，获得的进气歧管的压力信息、节气门处空气质量流量信息、以及进入汽缸的空气质量流量信息不甚准确，这直接影响了后续喷油量的计算，进而不利于发动机处于最佳工作状态。

发明内容

本发明针对现有技术的弊端，提供一种计算发动机进气量及进气压力的方法。

本发明所述的计算发动机进气量及进气压力的方法，首先设置用于检测发动机转速信息的曲轴传感器、用于检测节气门开度信息的节气门位置传感器、用于检测进气温度信息的进气温度传感器、用于检测环境压力及进气压力信息的进气压力传感器，并根据发动机转速和节气门开度预估节气门前后的压力比，设定节气门充气效率的斜率和截距、汽缸充气效率的斜率和截距，根据节气门开度设定节气门过流面积，以及根据环境压力和空气滤清器的压力降参数设定节气门上游压力；

并根据上述发动机转速信息、节气门开度信息、进气温度信息、进气压力信息，以及预估的节气门前后压力比，设定的节气门处的充气效率和截距、汽缸的充气效率的斜率和截距、节气门过流面积、节气门上游压力计算当前节气门处空气质量流量、进入汽缸的空气质量流量和进气压力。

本发明所述的计算发动机进气量及进气压力的方法中，所述的环境压力为发动机上电但未启动之前进气压力传感器测得的压力。

本发明所述的计算发动机进气量及进气压力的方法中，所述的预估的节气门前后的压力比PQ^N为：

${\mathrm{PQ}}^N=\frac{P_{\mathrm{estim}}^N}{P_{\mathrm{thr}}}$

其中，

为预估的第N个发动机事件周期的节气门后压力，P_thr为节气门上游压力；且

其中，

为间隔一个发动机事件周期的前一时刻的进气压力，P_im_DRV1^N-1为

的一阶导数，

为间隔二个发动机事件周期的前一时刻的进气压力，P_im_DRV1^N-2为

的一阶导数，发动机上电但未启动之前进气压力传感器测得的压力被作为进气压力的初始值；

所述的Δt为定义的发动机事件周期，即相应转速下发动机曲轴转动720度所需的时间除以发动机汽缸总数。

本发明所述的计算发动机进气量及进气压力的方法中，所述的进气压力

为：

当PQ^N≤0.99时：

$P_{\mathrm{im}}^N=\frac{P_{\mathrm{im}}^{N-1}+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}*P_{\mathrm{im}}\_{\mathrm{DRV}1}^{N-1}+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}{\mathrm{MDL}}_0*B}{1+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}{\mathrm{MDL}}_0*A}$

当0.99＜PQ^N＜1时：

当PQ^N≥1时：

所述0.083hPa为选取的计算梯度值；

其中，所述的MDL₀为特定的气体常量数，

T_im为当前进气温度，V_im为进气歧管容积；

其中χ＝1.4为空气的绝热系数，R_air＝287焦耳每千克开，为空气定容比热容；

MDL₁₁＝A_red·MDL₁，其中A_red为当前检测到的节气门开度信息对应的节气门过流面积；

其中

为节气门充气效率的斜率，

为汽缸充气效率的斜率；

其中

为节气门充气效率的截距，为汽缸充气效率的截距。

本发明所述的计算发动机进气量及进气压力的方法中，所述节气门上游压力P_thr等于环境压力减去空气通过空气滤清器时产生的压力降。

本发明所述的计算发动机进气量及进气压力的方法中，所述进入汽缸的空气质量流量

为：

$m_{\mathrm{cyl}}^N={\mathrm{\η}}_{\mathrm{cyl}}^{\mathrm{slop}}\·P_{\mathrm{im}}^N-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cyl}}^{\mathrm{ofs}}$

其中，

为当前汽缸充气效率的斜率，

为当前汽缸充气效率的截距。

为当前进气压力。

本发明所述的计算发动机进气量及进气压力的方法中，所述节气门处的空气质量流量

为：

当PQ＞0.99时，

当PQ≤0.99时，

本发明所述的计算发动机进气量及进气压力的方法中，根据当前进气系统所处环境实时获得进气歧管的压力信息、节气门处空气质量流量信息、以及进入汽缸的空气质量流量信息，以便准确的进行后续喷油量的计算，保证了发动机始终处于最佳的工作状态。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明所述的计算发动机进气量及进气压力的方法具体应用在发动机电控单元(ECU)中时，发动机转速被定义为变量N，环境压力P_amp被定义为变量AMP，节气门上游压力P_thr被定义为变量PRS_UP_THR，节气门开度信号被定义为变量TPS，节气门过流面积A_red被定义为变量AR_RED，节气门前后压力比PQ被定义为变量PQ，节气门充气效率的斜率

被定义为变量MAF_FAC_SLOP，节气门充气效率的截距

被定义为变量MAF_FAC_OFS，节气门处空气质量流量m_thr被定义为变量MAF_THR，进气歧管容积V_im被定义为变量VOL_IM，进气压力P_im被定义为变量MAP，汽缸充气效率的斜率

被定义为变量EFF_VOL_SLOP，汽缸充气效率的截距

被定义为变量EFF_VOL_OFS，进入汽缸的空气质量流量m_cyl被定义为MAF_CYL，进气温度T_im被定义为变量TIA，。

空气流过空气滤清器时，会根据空气流量不同而导致相应的压力降，此压力降为可标定量，对应不同进气流量的空气滤清器的压力降参数AMP_DEC存储于标定表IP_AMP_DEC。

节气门过流面积AR_RED为可标定量，相对于不同节气门开度的标定值存储于标定表IP_AR_RED_THR_TPS。

节气门充气效率的斜率MAF_FAC_SLOP为可标定量，相对于不同节气门前后压力比PQ的标定值存储于标定表IP_MAF_FAC_SLOP_PQ。

节气门充气效率的截距MAF_FAC_OFS为可标定量，相对于不同节气门前后压力比PQ的标定值存储于标定表IP_MAF_FAC_OFS_PQ。

标定表IP_MAF_FAC_SLOP_PQ和IP_MAF_FAC_OFSPQ采用同样的标定断点。

汽缸充气效率的斜率EFF_VOL_SLOP为可标定量，相对于不同发动机转速N下的标定值存储于标定表IP_EFF_VOL_SLOP_N。

汽缸充气效率的截距EFF_VOL_OFS为可标定量，相对于不同发动机转速N下的标定值存储于标定表IP_EFF_VOL_OFS_N。

标定表IP_EFF_VOL_SLOP_N和IP_EFF_VOL_OFS_N采用同样的标定断点。

当一款发动机标定完成后，采用本方法的发动机电控单元即可根据曲轴传感器测得的发动机转速信号N、节气门开度传感器测得的节气门开度信号TPS、进气温度传感器测得的进气温度信号TIA，进气压力传感器测得压力信号MAP_MAS，计算不同工况下的节气门处空气质量流量MAF_THR、进入汽缸的空气质量流量MAF_CYL以及进气压力MAP。计算步骤如下：

步骤1，当发动机上电后，进气压力传感器采集的压力信号MAP_MES被赋值给变量AMP，作为环境压力，同时该值也被作为进气压力的初始值。

步骤2，发动机启动后开始，发动机电控单元即开始按照预定的频率对标定表IP_AMP_DEC插值并计算节气门上游压力PRS_UP_THR(PRS_UP_THR＝AMP-AMP_DEC)，同时根据曲轴传感器采集到的转速信号N和初始进气压力值估算节气门后压力并计算节气门前后压力比PQ，根据节气门开度信号TPS对标定表IP_AR_RED_THR_TPS插值获得节气门过流面积AR_RED。

步骤4，发动机电控单元根据节气门前后压力比PQ对标定表IP_MAF_FAC_SLOP_PQ、IP_MAF_FAC_OFS_PQ插值获得节气门充气效率的斜率MAF_FAC_SLOP和截距MAF_FAC_OFS；

步骤5，发动机电控单元根据发动机转速N对标定表IP_EFF_VOL_SLOP_N和IP_EFF_VOL_OFS_N进行插值获得汽缸充气效率的斜率EFF_VOL_SLOP和截距EFF_VOL_OFS；

步骤6，发动机电控单元根据发动机转速N，进气歧管容积VOL_IM，节气门过流面积AR_RED、进气温度传感器采集到的进气温度TIA、以及节气门充气效率的斜率MAF_FAC_SLOP和截距MAF_FAC_OFS，汽缸充气效率的斜率EFF_VOL_SLOP和截距EFF_VOL_OFS计算出进气压力MAP；

步骤7，发动机电控单元根据进气压力MAP、汽缸充气效率的斜率EFF_VOL_SLOP和截距EFF_VOL_OFS计算出进入汽缸的空气质量流量MAF_CYL；

步骤8，发动机电控单元根据进气温度TIA、节气门过流面积AR_RED节气门上游压力PRS_UP_THR、进气压力MAP、节气门充气效率的斜率MAF_FAC_SLOP和截距MAF_FAC_OFS计算出入节气门处空气质量流量MAF_THR。

本发明所述的计算发动机进气量及进气压力的方法中，所述进气压力、进入汽缸的空气质量流量、节气门处空气质量流量信息，可具体用如下公式来表示：

根据在进气歧管内的进气量的守恒原则，建立理想气体方程为：

$\frac{\∂}{{\∂}_t}\frac{P_{\mathrm{im}}{V}_{\mathrm{im}}}{R_{\mathrm{air}}{T}_{\mathrm{im}}}=m_{\mathrm{thr}}-m_{\mathrm{out}}$ 公式1

其中，节气门处空气流量m_thr即为流入进气歧管的空气质量流量，流出进气歧管空气流量m_cyl即为进入汽缸的空气质量流量，T_im为进气温度。

进气歧管压力建模为：

$\frac{\∂}{{\∂}_t}{P}_{\mathrm{im}}=\frac{R_{\mathrm{air}}{T}_{\mathrm{im}}}{V_{\mathrm{im}}}(m_{\mathrm{thr}}-m_{\mathrm{cyl}})$ 公式2

在公式2中，R_air＝287焦耳每千克开，为空气定容比热容，以下为公式表示方便，将

简写为P_im_DRV1。

为计算进气歧管压力，需要对节气门空气流动特性线性化处理并求出其线性方程的斜率和截距

而实现此线性化方程，必须预估节气门前后的压力比PQ：

${\mathrm{PQ}}^N=\frac{P_{\mathrm{estim}}^N}{P_{\mathrm{thr}}}$ 公式3

其中，节气门后压力

的估算公式为：

$P_{\mathrm{estim}}^N=P_{\mathrm{im}}^{N-1}+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}\·(P_{\mathrm{im}}\_{\mathrm{DRV}1}^{N-1}+P_{\mathrm{im}}\_{\mathrm{DRV}1}^{N-2})$ 公式4

其中，Δt为发动机事件周期，即相应转速下发动机曲轴转动720度所需的时间除以发动机汽缸总数。为预估的第N个发动机事件周期的节气门后压力，

为间隔一个发动机事件周期的前一时刻的进气压力，P_im_DRV1^N-1为

的一阶导数，为间隔二个发动机事件周期的前一时刻的进气压力，P_im_DRV1^N-2为

的一阶导数，发动机上电但未启动之前进气压力传感器测得的压力被作为进气压力的初始值。

如果估算出的

则取

这里0.083hPa为根据经验所取的一个计算梯度值。

就节气门处的空气流量与进气温度的关系，设定以下2个中间变量MDL₁和MDL₁₁，分别为：

其中χ＝1.4为空气的绝热系数，

R_air＝287焦耳每千克开，为空气定容比热容，T_im为当前进气温度；

MDL₁₁＝A_red·MDL₁，其中A_red为当前检测到的节气门开度信息对应的节气门过流面积；

为公式表述方便，设定2个简写A和B，分别表示：

其中

为当前节气门充气效率的斜率，为当前汽缸充气效率的斜率；

其中

为当前节气门充气效率的截距，

为当前汽缸充气效率的截距，P_thr为节气门上游压力。

当PQ^N≤0.99时：

$P_{\mathrm{im}}^N=\frac{P_{\mathrm{im}}^{N-1}+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}*P_{\mathrm{im}}\_{\mathrm{DRV}1}^{N-1}+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}{\mathrm{MDL}}_0*B}{1+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}{\mathrm{MDL}}_0*A}$ 公式5

其中MDL₀为特定的气体常量数，

V_im为进气歧管容积。

而当0.99＜PQ^N＜1时：

$P_{\mathrm{im}}^N=\frac{B}{A}$ 公式6

当PQ^N≥1时：

$P_{\mathrm{im}}^N=P_{\mathrm{thr}}-0.083\mathrm{hPa}$ 公式7

进入汽缸的空气质量流量为：

$m_{\mathrm{cyl}}^N={\mathrm{\η}}_{\mathrm{cyl}}^{\mathrm{slop}}\·P_{\mathrm{im}}^N-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cyl}}^{\mathrm{ofs}}$ 公式8

进入节气门处的空气质量流量m_thr为：

当PQ＞0.99时：

$m_{\mathrm{thr}}^N=m_{\mathrm{cyl}}^N$ 公式9；

当PQ≤0.99时：

$m_{\mathrm{thr}}^N={\mathrm{MDL}}_{11}*({\mathrm{\η}}_{\mathrm{thr}}^{\mathrm{ofs}}*P_{\mathrm{thr}}-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{thr}}^{\mathrm{slop}}*P_{\mathrm{im}}^N)$ 公式10

本发明所述的计算发动机进气量及进气压力的方法，实现简单、结果准确，很容易基于传感器和单片机等硬件通过编程实现并集成，在国内汽车技术快速发展的大势下具有良好的应用和发展前景。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种计算发动机进气量及进气压力的方法，其特征在于，设置用于检测发动机转速信息的曲轴传感器、用于检测节气门开度信息的节气门位置传感器、用于检测进气温度信息的进气温度传感器、用于检测环境压力及进气压力信息的进气压力传感器，并根据发动机转速和节气门开度预估节气门前后的压力比，设定节气门充气效率的斜率和截距、汽缸充气效率的斜率和截距，根据节气门开度设定节气门过流面积，以及根据环境压力和空气滤清器的压力降参数设定节气门上游压力；

根据上述发动机转速信息、节气门开度信息、进气温度信息、进气压力信息，以及预估的节气门前后压力比，设定的节气门处的充气效率和截距、汽缸的充气效率的斜率和截距、节气门过流面积、节气门上游压力计算当前节气门处空气质量流量、进入汽缸的空气质量流量和进气压力。

2.如权利要求1所述的计算发动机进气量及进气压力的方法，其特征在于，所述的环境压力为发动机上电但未启动之前进气压力传感器测得的压力。

3.如权利要求1所述的计算发动机进气量及进气压力的方法，其特征在于，所述的预估的节气门前后的压力比PQ^N为：

${\mathrm{PQ}}^N=\frac{P_{\mathrm{estim}}^N}{P_{\mathrm{thr}}}$

其中，

为预估的第N个发动机事件周期的节气门后压力，P_thr为节气门上游压力；且

其中，

为间隔一个发动机事件周期的前一时刻的进气压力，P_im_DRV1^N-1为

的一阶导数，为间隔二个发动机事件周期的前一时刻的进气压力，P_im_DRV1^N-2为

的一阶导数，发动机上电但未启动之前进气压力传感器测得的压力被作为进气压力的初始值；

所述的Δt为定义的发动机事件周期，即相应转速下发动机曲轴转动720度所需的时间除以发动机汽缸总数。

4.权利要求3所述的计算发动机进气量及进气压力的方法，其特征在于，所述的进气压力为：

当PQ^N≤0.99时：

$P_{\mathrm{im}}^N=\frac{P_{\mathrm{im}}^{N-1}+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}*P_{\mathrm{im}}\_{\mathrm{DRV}1}^{N-1}+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}{\mathrm{MDL}}_0*B}{1+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}{\mathrm{MDL}}_0*A}$

当0.99＜PQ^N＜1时：

当PQ^N≥1时：

所述0.083hPa为选取的计算梯度值；

其中，所述的MDL₀为特定的气体常量数，

T_im为当前进气温度，V_im为进气歧管容积；

其中χ＝1.4为空气的绝热系数，

R_air＝287焦耳每千克开，为空气定容比热容；

MDL₁₁＝A_red·MDL₁，其中A_red为当前检测到的节气门开度信息对应的节气门过流面积；

其中

为节气门充气效率的斜率，

为汽缸充气效率的斜率；

其中

为节气门充气效率的截距，

为汽缸充气效率的截距。

5.如权利要求3或4所述的计算发动机进气量及进气压力的方法，其特征在于，所述节气门上游压力P_thr等于环境压力减去空气通过空气滤清器时产生的压力降。

6.如权利要求4所述的计算发动机进气量及进气压力的方法，其特征在于，所述进入汽缸的空气质量流量

为：

$m_{\mathrm{cyl}}^N={\mathrm{\η}}_{\mathrm{cyl}}^{\mathrm{slop}}\·P_{\mathrm{im}}^N-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cyl}}^{\mathrm{ofs}}$

其中，

为当前汽缸充气效率的斜率，

为当前汽缸充气效率的截距。

为当前进气压力。

7.如权利要求6所述的计算发动机进气量及进气压力的方法，其特征在于，所述节气门处的空气质量流量

为：

当PQ＞0.99时，

当PQ≤0.99时，