专利名称：发动机转矩计算的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于实时计算内燃机的净转矩输出的系统和方法。本发明可以用在为诸如卡车之类的机动车辆提供动力的柴油机的工作中。
背景技术：
诸如中型或重型卡车之类的由柴油机来提供动力的机动车辆可包括一发动机电子控制装置，该装置对发动机工作的某些方面进行控制。这样的一种发动机以一所要求的方式进行工作的能力有时可能取决于其满足一定的转矩要求的能力。因此，在控制发动机和/或车辆操作的策略中，实时地、精确地计算一运转中的发动机所产生的净转矩的数据是一个重要的因素。
本发明涉及用于实时计算内燃机的净转矩输出的系统和方法。本发明可以用在为诸如卡车之类的机动车辆提供动力的柴油机的工作中。
柴油机中的净转矩输出取决于发动机转速和供油。它也是诸如质量空气流量和发动机运转所引起的损失之类的其它变量的函数。在基于微处理器的发动机控制中所固有的某些限制条件，如数据存储能力、数据存取速度以及数据处理速度，可能不能足够快地处理某些变量参数和发动机模型数据以提供足够精确的用于控制目的实时转矩估值。
发明内容
本发明使发动机电子控制装置具有求得与运转着的发动机的实际净转矩输出以合理的精度、实时地相关联的净转矩输出数据的能力。实时和精确地求得精确数据的能力被认为可以为发动机的设计者提供更多和更好的对某一发动机和/或车辆功能进行更精密控制的可能和机会。例如，精确和实时的发动机净输出转矩数据可以用来更好地确定变速器的变速点，特别是自动变速器的变速点。这样的数据也可以是车辆牵引控制系统的一有用的输入。它也可以用作一有用的诊断或保养工具。
也可以使用某些与发动机相关的参数来对一柴油机建模，这些参数如果不都是、也大部分是变量。所求得的发动机平均转矩主要是喷射入其燃烧气缸中的燃油的函数，但也受到其它因素的影响，这些因素中的一些被量测了，而另一些没有进行量测。这样的影响例如包括燃油喷射时刻、发动机速度、气缸壁温度、空气一燃油比、吸入压力、吸入温度、燃油十六烷值、燃油喷射压力等等。
因此，人们认为，为了得到既可实际实施又能提供合理地精确的实时转矩量测的发动机电子控制装置，必需调和好各种因素。例如，如果一种系统和方法无需在发动机EGR率变化时重新校准，那么，即使它或许具有稍小的精确度，但仍可能是可接收的。
为了求得运转着的发动机的实时净转矩输出、也就是说在出现发动机的输出处、用于使动力传动系统工作以推进车辆的转矩的计算值，必需从一基本(总)转矩计算值中作为损失而扣除某些转矩。这样的损失包括附件转矩，如那些使一空调压缩机和冷却风扇工作所需要的转矩；和泵送转矩，如那些使操控发动机上诸如高压燃油喷射器之类的各种装置的压缩液压流体工作所需的转矩，以及那些在发动机的内部机械中的泵送动作中所固有的转矩。由于机械摩擦而造成的转矩损失是另一需要从运转着的发动机的总转矩产出量中扣除的部分。
某些在机动车辆的发动机运转的过程中所发生的瞬时变化对总和净转矩有瞬时的影响，所以比较适合地是在计算转矩时也将它考虑进来。
本发明的一个方面涉及计入某些瞬时的影响。
本发明的另一方面涉及对诸如上面所述那些的损失的补偿。
本发明的一个总的方面涉及用来提供量测运转着的发动机在发动机的一转动件处的净转矩输出的实时数据的转矩计算方法。
该方法包括处理包括发动机转速数据和发动机供油数据的数据，以产生运转着的发动机的发动机的总转矩数据；处理与由于发动机的运转所产生的转矩损失相关的数据，以产生发动机运转时的转矩损失数据；处理发动机转速数据，以产生发动机加速度和减速度的数据；以及用确定转动件和连接至该转动件的发动机机构所引起的转动惯量的数据来处理发动机的加速度和减速度数据，以产生量测惯性转矩的数据。
在发动机的总转矩数据上代数地加上惯性转矩数据、以及减去发动机运转时的转矩损失数据，以产生发动机的净运转转矩数据。根据一过滤算法来处理发动机的净运转转矩数据和发动机转速数据，且该过滤算法为发动机转速对发动机的净运转转矩加以补偿。
另一方面涉及一种实施该刚才所述的总体方法的操纵系统。
还有一个方面涉及实施如上述方法和操纵系统的一机动车辆，其中，由经转速补偿的、发动机的净运转转矩数据来控制变速器的变速。
从下文对本发明的一目前较佳的实施例的说明中，可以明白本发明的前述以及其它的特征和优点。所述的较佳实施例描述了此时所设计出的实施本发明的最佳模式。本说明书包括附图，对诸附图简述如下。
附图简述
图1A和1B集合起来构成了代表在包括用来处理数据以求得转矩数据的一处理器的一发动机电子控制装置中的本发明计算器的一示例性软件实施例的示意图。
图2A和2B构成了输入的、局部的和输出的变量参数、以及本发明计算器所执行的计算所涉及的标量参数的一列表。
图3是包括包含本发明计算器的一操纵系统的一机动车辆的示意图。
具体实施例方式
图1A和1B示出了在机动车辆的内燃机(特别是一柴油机)中的一发动机电子控制装置中的一本发明的转矩计算器10的实施例。图2A和2B示出了转矩计算器10的十五个输入变量和一单个的输出变量。在图2A和2B中也示出了局部的变量。
计算器10根据图1A和1B的策略来处理输入数据，以求得输出变量TQ_FILT，这个变量代表发动机的净实时输出转矩。
为了方便，图1A和1B组织成若干个基本的部分一空气泵送损失补偿部分22；一经海拔补偿的转速和供油的转矩产出量部分24；一高压油泵送损失补偿部分26；一附件损失补偿部分28；一发动机摩擦损失补偿部分30；以及空气—燃油比补偿部分32；一发动机转速导数项计算部分34；以及一瞬变补偿部分36。
空气泵送损失补偿部分22计算由于运转着的发动机固有的空气泵送动作所导致的转矩损失。在求得一经海拔补偿的增压反压力(boost-back pressure)差基准TQ_DELTAP_NORM中，使用了三个查找表40、42、44。这三个表分别对高、中及低海拔进行校准。当车辆在高海拔处行驶时，使用表40来补偿主要的高海拔；在中海拔处，使用表42；以及在低海拔处，使用表44。发动机转速N和发动机供油MFDES的标准值被输入至各个表。当海拔从一个表的范围变化到另一表的范围时，使用变量HI_ALT_BP_MULT、MED_ALT_BP_MULT以及LO_ALT_BP_MULT来在诸表之间轮转。
将这三个表的输出代数地求和(标号46)，以产生代表横穿发动机的一标准压力差的TQ_DELTAP_NORM的值。这三个查找表和轮转函数对于跨越整个海拔范围的单个的较大查找表来说是等效的。
当部分22补偿空气泵送损失时，从TQ_DELTAP_NORM中代数地减去支管绝对压力MAP_KPA与排出反压力EBP_KPA之间的差值，以得到一误差TQ_DELTAP_ERR。将TQ_DELTAP_ERR和发动机转速N的标准值输入到一第四查找表48中。每一组TQ_DELTAP_ERR和发动机转速N的标准值确定一相应的空气泵送损失值，并且该值设定为TQ_AIR_PUMP。
部分22补偿某些诸如涡轮缠绕、发动机与发动机之间的可变性以及发动机磨损之类的变量。当使用发动机转速和发动机供油的各种组合来绘制出一基准发动机以提供用来存储在发动机电子控制装置中的基准数据时，就可以量测对于每一转速和供油数据的组合的在发动机吸入支管中的支管绝对压力与在发动机排出支管中的排出反压力之间差值的一相应的稳定状态值。这些压力差的数据值进入表40、42及44。
经海拔补偿的转速和供油的转矩产出量部分24包括三个查找表50、52及54。这三个表以与表40、42及44相同的方式，分别对高、中及低海拔进行校准。当海拔从一个表的范围变化到另一表的范围时，使用变量HI_ALT_BP_MULT、MED_ALT_BP_MULT以及LO_ALT_BP_MULT来在诸表之间轮转。将三个表的输出代数地求和，以产生代表发动机的经海拔补偿的基本(总)转矩产出量的TQ_RAM的值。
数据输入MFDES代表发动机的所要的质量燃油喷射，并可以从由一加速器输入来操作的一传感器获得。这样的一个传感器有时可以称为一加速器位置传感器。数据输入N代表发动机转速，并可以从车辆中任何适合的来源那里获得。发动机转速通常公布在车辆的一数据总线上，并且以适当的更新率更新。每一查找表50、52、54使质量燃油输入和发动机转速的各种组合中的每一个与相应海拔范围的一相应的基本转矩输出相互关联。将这三个表的输出代数地求和(标号56)以获得代表发动机的总转矩产出量的TQ_RAM的值。这三个查找表和轮转函数对于跨越整个海拔范围的单个的较大查找表来说是等效的。
为操作在发动机上的某些装置(如燃油喷射器)提供液压力的高压泵产生了一转矩损失，当计算净转矩输出时，必需将其从总转矩产出量中扣除。高压油泵送损失补偿部分26计算由于这样的泵送而产生的转矩损失。使用在为燃油喷射服务的一高压轨道中的泵所求得的发动机转速和压力来计算泵送损失。该压力由变量输入ICP_MPA给出。从ICP_MPA中扣除基本压力TQ_ICPBASE处所发生的转矩损失，其差值形成从一函数发生器60所确定的一值TQ_DTQ_DICP的乘数。函数发生器60使泵送转矩损失与发动机转速互相关联，并且，通过使用发动机转速N为一输入，该函数发生器60输出相应的转矩损失。
在发动机在开动时确定基本油压ICPBASE，TQ_ICPBASE的值代表在该基本压力下由于泵的工作而产生的相应转矩损失。当油泵由发动机来机械驱动时，泵所提取的实际转矩是发动机转速以及油压力两者的函数。
发动机摩擦损失补偿部分30使用发动机温度和转速来计算摩擦损失。之所以发动机温度对转矩有影响，是因为运转摩擦随着温度而变化。发动机油温EOT_C是一函数发生器60的一输入，该函数发生器将一定的摩擦变化与温度相互关联；发动机转速N是一函数发生器62的输入，该函数发生器将一定的摩擦变化与发动机转速相互关联。将这两个函数发生器的输出输入到一查找表64，该表包含相对两函数发生器的各组输出值的由于摩擦而产生的转矩损失值。类似的发动机转速数据、发动机工作温度数据公布在该数据链上。
附件损失补偿部分28包括若干个函数发生器70、72、74、76、78，它们中的每一个与一相应的附件相互关联，并且代表作为一发动机转速函数的、使该附件工作而从发动机提取的转矩。发动机转速N形成每一相应函数发生器的输入。因为相应的附件仅在附件工作时才从发动机提取转矩，所以一特定附件的转矩损失仅在该附件工作时才对附件转矩损失补偿有贡献。因此，每一函数发生器的贡献由一相应的开关来控制。仅在该附件工作时，相应的开关从允许将其贡献加到部分28的输出上。
空气—燃油比中的变化会影响到转矩产出量。空气—燃油比补偿部分32包括一查找表80，该表使用经补偿的质量空气流量信号MAF_MG_STK_COMP和所要的质量燃油MFDES作为输入，并确定总转矩TQ_TW的一个由于空气—燃油比中的变化的燃烧转矩乘数TQ_COMB_MULT。
发动机转速导数项计算部分34计算发动机转速相对于时间的导数，也就是发动机的加速度和减速度。从发动机转速的一当前值中减去一前一值，以确定自从最近一次的迭代以来的发动机转速的变化。将该差值除以该软件的执行率(例如125赫兹)。对该信号进行过滤，并将经过滤的导数项提供到瞬变补偿部分36，以供在瞬变补偿中使用。
瞬变补偿部分36对发动机转速变化时发动机机构的惯性质量的加速度和减速度进行补偿。部分34计算发动机速度的变化率(由数据值N_DER代表)，当发动机加速时该变化率为正，当发动机减速时该变化率为负。发动机的转动质量有一由发动机机构的属性所确定转动惯量。转动惯量的数据由参数TQ_INERTIA的一值给出。当用从部分34得出的发动机转速变化率乘以该值(标号90)时，其所得结果是由于发动机加速或减速而在发动机转矩中产生的变化。因为当发动机工作时，加速度和减速度实际上固有地是瞬变的，所以它们的出现固有地引起发动机的净转矩输出瞬变。因此部分36从TQ_SSMEAN中代数地减去(标号92)N_DER与TQ_INERTIA的乘积，以获得由参数TQ_TRANS所代表的一差值。然后由一主要用来衰减高频分量的过滤算法94来过滤该参数。
该过滤算法足够快，以致能以合理的精度实时地执行该过滤函数。因为发动机转速的可能范围，最有利的是对过滤函数进行发动机转速补偿。因此，由一函数发生器FNTQ_TAU_NORM(标号96)根据发动机转速N来对该函数进行调整。函数发生器96提供一补偿参数TQ_TAU的值。
具体的过滤算法如下y(k)=x(k)+x(k-1)-y(k-1)*(1-2τdt)(1+2τdt)]]>其中y(k) ＝TQ_FILT(过滤输出的当前值)y(k-1) ＝TQ_FILT前一(过滤输出的前一值)x(k) ＝TQ_TRANS(过滤输入的当前值)x(k-1) ＝TQ_TRANS前一(过滤输入的前一值)dt ＝BG_TIMER(从最近一次执行算起的时间步长-125毫秒)τ ＝TQ_TAU(发动机转速补偿的过滤时间常数)已经证实，本发明的转矩计算器能提供实时的转矩量测，在某些发动机中，其精度在+/-10％或20英尺-磅的范围(取其较大值)内，并且可以相信在其它的发动机中也能做到这样。它可以用于机动车辆(如示意地绘制在图3中的机动车辆)的变速器的变速控制。一发动机100、例如一柴油机通过一变速器104和一包括从动轮108的动力传动系统106来向机动车辆提供动力。该发动机输出连接至变速器输入，因而来自发动机的净转矩输出形成对变速器的转矩输入。通过如包括一具有根据本发明的转矩计算器的处理器110的操纵系统所提供地那样精确地量测出的发动机净转矩输出，一变速器控制器112就可以获得变速器的净转矩输入。这样，变速器控制器就能在对变速器进行变速的过程中使用该数据。由于可提供更加精确的转矩输入信息，就能改善变速质量和变速器性能。
尽管已经图示和描述了本发明的一目前为较佳的实施例，但是应予理解的是，本发明的原理可以应用于落入下面的权利要求书的保护范围内的所有实施例和用途。
权利要求
1.一种用来提供量测运转着的发动机在发动机的一转动件处的净转矩输出的实时数据的转矩计算方法，该方法包括处理包括发动机转速数据和发动机供油数据的数据，以产生运转着的发动机的发动机的总转矩数据；处理与由于发动机的运转所产生的转矩损失相关的数据，以产生发动机运转时的转矩损失数据；处理发动机转速数据，以产生发动机加速度和减速度的数据；用确定转动件和连接至该转动件的发动机机构所引起的转动惯量的数据来处理发动机的加速度和减速度数据，以产生量测惯性转矩的数据；在发动机的总转矩数据上代数地加上惯性转矩数据、以及减去发动机运转时的转矩损失数据，以产生发动机的净运转转矩数据；以及根据为发动机转速对发动机的净运转转矩加以补偿的一过滤算法，处理发动机的净运转转矩数据和发动机转速数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据对发动机转速补偿的一过滤算法来处理发动机的净运转转矩数据的步骤包括，根据以下的算法来处理发动机的净运转转矩y(k)=x(k)+x(k-1)-y(k-1)·(1-2τdt)(1+2τdt)]]>其中y(k) ＝TQ_FILT(过滤算法输出的当前值)y(k-1)＝TQ_FILT前一(过滤算法输出的前一值)x(k) ＝TQ_TRANS(过滤算法输入的当前值)x(k-1)＝TQ_TRANS前一(过滤算法输入的前一值)dt＝BG_TIMER(从最近一次执行该算法算起的时间步长)τ＝TQ_TAU(发动机转速补偿的过滤算法的时间常数)
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处理与由于发动机的运转所产生的转矩损失相关的数据、以产生发动机运转时的转矩损失数据的步骤包括，处理与由于发动机的空气泵送所产生的转矩损失相关的数据、与由于发动机驱动的附件工作所产生的转矩损失相关的数据、与由于发动机油泵送所产生的转矩损失相关的数据、以及与发动机运转摩擦相关的数据，以产生发动机空气泵送的转矩损失数据、发动机驱动的附件的转矩损失数据、发动机油泵送的转矩损失数据、以及发动机运转摩擦的转矩损失数据，以及使用发动机空气泵送的转矩损失数据、发动机驱动的附件的转矩损失数据、发动机油泵送的转矩损失数据、以及发动机运转摩擦的转矩损失数据作为要从发动机的总转矩数据中减去的部分。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处理包括发动机转速数据和发动机供油数据的数据、以产生运转着的发动机的发动机的总转矩数据的步骤包括为海拔的变化对总转矩数据进行补偿。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处理包括发动机转速数据和发动机供油数据的数据、以产生运转着的发动机的发动机的总转矩数据的步骤包括为发动机的空气-燃油比的变化对总转矩数据进行补偿。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它包括将经转速补偿的、发动机的净运转转矩数据用于发动机通过其向机动车辆提供动力的一变速器的变速控制中的步骤。
7.一种内燃机操纵系统，它包括一处理器，用来提供量测运转着的发动机在发动机的一转动件处的净转矩输出的实时数据，其中，发动机的处理器进行工作以处理包括发动机转速数据和发动机供油数据的数据，以产生运转着的发动机的发动机的总转矩数据；处理与由于发动机的运转所产生的转矩损失相关的数据，以产生发动机运转时的转矩损失数据；处理发动机转速数据，以产生发动机加速度和减速度的数据；用确定转动件和连接至该转动件的发动机机构所引起的转动惯量的数据来处理发动机的加速度和减速度数据，以产生量测惯性转矩的数据；在发动机的总转矩数据上代数地加上惯性转矩数据、以及减去发动机运转时的转矩损失数据，以产生发动机的净运转转矩数据；以及根据为发动机转速对发动机的净运转转矩加以补偿的一过滤算法，处理发动机的净运转转矩数据和发动机转速数据。
8.如权利要求7所述的内燃机操纵系统，其特征在于，处理器根据以下的算法来处理发动机的净运转转矩数据，y(k)=x(k)+x(k-1)-y(k-1)·(1-2τdt)(1+2τdt)]]>其中y(k) ＝TQ_FILT(过滤算法输出的当前值)y(k-1)＝TQ_FILT前一(过滤算法输出的前一值)x(k) ＝TQ_TRANS(过滤算法输入的当前值)x(k-1)＝TQ_TRANS前一(过滤算法输入的前一值)dt＝BG_TIMER(从最近一次执行该算法算起的时间步长)τ＝TQ_TAU(发动机转速补偿的过滤算法的时间常数)
9.如权利要求7所述的内燃机操纵系统，其特征在于，处理器处理与由于发动机的运转所产生的转矩损失相关的数据、以产生发动机运转时的转矩损失数据，且包括处理与由于发动机的空气泵送所产生的转矩损失相关的数据、与由于发动机驱动的附件工作所产生的转矩损失相关的数据、与由于发动机油泵送所产生的转矩损失相关的数据、以及与发动机运转摩擦相关的数据，以产生发动机空气泵送的转矩损失数据、发动机驱动的附件的转矩损失数据、发动机油泵送的转矩损失数据、以及发动机运转摩擦的转矩损失数据，以及将发动机空气泵送的转矩损失数据、发动机驱动的附件的转矩损失数据、发动机油泵送的转矩损失数据、以及发动机运转摩擦的转矩损失数据从发动机的总转矩数据中减去。
10.如权利要求7所述的内燃机操纵系统，其特征在于，处理器处理包括发动机转速数据和发动机供油数据的数据，以为海拔的变化对发动机的总转矩数据进行补偿。
11.如权利要求7所述的内燃机操纵系统，其特征在于，处理器处理包括发动机转速数据和发动机供油数据的数据，以为发动机的空气-燃油比的变化对发动机的总转矩数据进行补偿。
12.一种机动车辆一内燃机，通过一变速器连接至该发动机的一动力传动系统，以及一操纵系统，它包括一处理器，用来提供供给变速器输入用的、量测运转着的发动机的净转矩输出的实时数据，其中，发动机的处理器进行工作以处理包括发动机转速数据和发动机供油数据的数据，以产生运转着的发动机的发动机总转矩数据；处理与由于发动机的运转所产生的转矩损失相关的数据，以产生发动机运转时的转矩损失数据；处理发动机转速数据，以产生发动机加速度和减速度的数据；用确定转动件和连接至该转动件的发动机机构所引起的转动惯量的数据来处理发动机的加速度和减速度数据，以产生量测惯性转矩的数据；在发动机的总转矩数据上代数地加上惯性转矩数据、以及减去发动机运转时的转矩损失数据，以产生发动机的净运转转矩数据；以及根据为发动机转速对发动机的净运转转矩加以补偿的一过滤算法，处理发动机的净运转转矩数据和发动机转速数据；以及由经转速补偿的、发动机的净运转转矩数据来控制变速器的变速。
13.如权利要求12所述的机动车辆，其特征在于，处理器根据以下的算法来处理发动机的净运转转矩，y(k)=x(k)+x(k-1)-y(k-1)*(1-2τdt)(1+2τdt)]]>其中y(k) ＝TQ_FILT(过滤算法输出的当前值)y(k-1)＝TQ_FILT前一(过滤算法输出的前一值)x(k) ＝TQ_TRANS(过滤算法输入的当前值)x(k-1)＝TQ_TRANS前一(过滤算法输入的前一值)dt＝BG_TIMER(从最近一次执行该算法算起的时间步长)τ＝TQ_TAU(发动机转速补偿的过滤算法的时间常数)
14.如权利要求12所述的机动车辆，其特征在于，处理器处理与由于发动机的运转所产生的转矩损失相关的数据、以产生发动机运转时的转矩损失数据，且包括处理与由于发动机的空气泵送所产生的转矩损失相关的数据、与由于发动机驱动的附件工作所产生的转矩损失相关的数据、与由于发动机油泵送所产生的转矩损失相关的数据、以及与发动机运转摩擦相关的数据，以产生发动机空气泵送的转矩损失数据、发动机驱动的附件的转矩损失数据、发动机油泵送的转矩损失数据、以及发动机运转摩擦的转矩损失数据，以及将发动机空气泵送的转矩损失数据、发动机驱动的附件的转矩损失数据、发动机油泵送的转矩损失数据、以及发动机运转摩擦的转矩损失数据从发动机的总转矩数据中减去。
15.如权利要求12所述的机动车辆，其特征在于，处理器处理包括发动机转速数据和发动机供油数据的数据，以为海拔的变化对发动机的总转矩数据进行补偿。
16.如权利要求12所述的机动车辆，其特征在于，处理器处理包括发动机转速数据和发动机供油数据的数据，以为发动机的空气-燃油比的变化对发动机的总转矩数据进行补偿。
全文摘要
提供了一种用于提供量测机动车辆中的运转着的发动机(100)的净转矩输出的实时数据的转矩计算器(10)和方法。使用发动机转速和供油数据来计算总转矩产出量(24)。计算由于附件、泵送以及摩擦(22，26，28，30)而引起的转矩损失，并将它们从总转矩产出量中减去。并且计入惯性转矩以获得发动机的净运转转矩。根据为发动机转速对发动机的净运转转矩进行补偿的一过滤算法(94)，处理发动机的净运转转矩数据和发动机转速数据。由经转速补偿的、发动机的净运转转矩数据来控制变速器的变速(112)。
文档编号F02D45/00GK1537221SQ02814983
公开日2004年10月13日 申请日期2002年6月28日 优先权日2001年7月23日
发明者A·C·拉克, A C 拉克 申请人:万国引擎知识产权有限责任公司