估计MFB50燃烧指数及内燃发动机汽缸产生的瞬时扭矩的方法与流程

本发明涉及一种估计MFB50燃烧指数和由内燃发动机驱动轴的汽缸产生的瞬时扭矩的方法。

背景技术：

具有受控混合气点火的内燃发动机(即，根据“奥托(Otto)”循环操作并供以汽油、甲烷、EPL等的内燃发动机)已经多年来将MFB50燃烧指数用作控制量值。在具有受控混合气点火的内燃发动机中，燃烧的起始时刻(基于点火火花的点火时刻)是确定地且准确地已知的，并且通过发动机控制策略通过火花提前控制来预先选择，因此相对简化了MFB50燃烧指数的估计。

相反，在具有自燃混合气点火的内燃发动机中(即，在根据“柴油”循环操作和供以油等的内燃发动机中)，由于相当难以有效地(即具有足够的精度)、高效地(即快速地且不使用过多的计算能力)和成本有效地(即，不需要在通常存在的那些组件之外安装附加组件)估计这种MFB50燃烧指数，因此MFB50燃烧指数未被用作控制量值。

目前，MFB50燃烧指数是通过使用监测燃烧室的压力传感器来确定的，其可以直接测量汽缸内的压力；然而，这种压力传感器非常昂贵并且在时间上具有有限的可靠性，并且因此不适合在成批生产的车辆中广泛使用。

为了解决上述缺点，欧洲专利申请EP2022967A1提出了一种估计MFB50燃烧指数和在内燃发动机汽缸中产生的扭矩的方法，该内燃发动机具有自燃混合气点火、设置有联接到具有多个齿的音轮(phonic wheel)的驱动轴。该估计方法包括以下步骤：

读取音轮的每个齿在传感器前面的经过(passage)；

确定在所述音轮的每个齿事件处所述驱动轴的角速度；

通过驱动轴角速度的频率分析来确定由其自身的模(module)和其自身的相位表征的速度信号的至少一个谐波；

确定逆机械传动模型，其在频域中表示所述角速度的傅里叶变换与内燃发动机扭矩之间的关系；

通过将所述逆机械传动模型应用于所述速度信号的谐波来确定由其自身的模和其自身的相位表征的至少一个扭矩谐波；

确定使MFB50燃烧指数与第n个扭矩谐波的相位相关的第一代数函数和使所指示的扭矩与第n个扭矩谐波的模相关的第二代数函数；和

通过将第一代数函数应用于第n个扭矩谐波来确定MFB50燃烧指数，以及通过将第二代数函数应用于第n个扭矩谐波来确定指示的扭矩。

在专利申请EP2022967A1中所述的估计方法是有效的(即，其允许以显著的精度估计MFB50燃烧指数和指示的扭矩)、高效的(即，其允许快速估计MFB50燃烧指数和指示的扭矩而不使用过多的计算能力)和成本有效的(即，除了通常存在于根据“柴油”循环操作的现代内燃发动机中的那些组件之外，不需要安装附加组件)。

然而，在专利申请EP2022967A1中所述的估计方法具有的缺点是使用相对复杂的逆机械传动模型，其必须还考虑由于往复运动中的质量(即，活塞的质量)而产生的惯性扭矩，以提供精确的估计。考虑到惯性扭矩需要知晓各种发动机参数，并且导致所需计算能力和模型定义所需的校准测试的显著增加。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种估计MFB50燃烧指数和由内燃发动机驱动轴的汽缸产生的瞬时扭矩的方法，所述方法没有上述缺点。

根据本发明，提供了一种估计MFB50燃烧指数的方法，MFB50燃烧指数即在内燃发动机的汽缸中已燃烧50％燃料质量时的曲轴角，该内燃发动机设置有联接到至少一对位置传感器的驱动轴，每个位置传感器布置在所述驱动轴的相应端部处；该估计方法包括以下步骤：

获取来自两个位置传感器的信号；

基于来自两个位置传感器的信号确定所述驱动轴的角扭转(angular torsion)；以及

基于所述驱动轴的角扭转估计所述内燃发动机的单个汽缸的MFB50燃烧指数。

附图说明

现在将参照附图描述本发明，附图示出非限制性实施例，其中：

-图1是设置有实现本发明估计方法的控制单元的内燃发动机的第一实施例的示意图；

-图2示出由图1的两个位置传感器检测到的瞬时角速度的趋势；

-图3示出图1的驱动轴对于平均瞬时角速度为2000rpm处的驱动点而言的瞬时相对扭转的趋势；

-图4示出图1的驱动轴的平均扭转与图1的每个汽缸的燃烧期间产生的扭矩之间的相关性；

-图5示出图1的驱动轴的平均扭转与图1的每个汽缸的MFB50燃烧指数之间的相关性；以及

-图6是图1所示内燃发动机的第二实施例的示意图。

具体实施方式

在图1中，数字1整体表示安装在道路车辆上的内燃发动机，其设置有传动线路，以将由内燃发动机1产生的扭矩传递到地面。内燃发动机1包括四个汽缸2(由I、II、III、IV表示)，每个汽缸容纳相应的活塞3，其通过连接杆机械地连接到驱动轴4，用于将由汽缸2内的燃烧产生的力传递到驱动轴4。

两个音轮5、5*键接到驱动轴4。每个音轮5、5*键接到驱动轴4的一个端部；音轮5在飞轮处键接到驱动轴4的所述端部，并且音轮5*在正时皮带处键接到驱动轴4的端部。每个音轮5、5*设置有数目为n(例如60个)的齿6(对于两个音轮5、5*而言相等)，并且联接到相应的传感器7、7*，其检测在两个连续齿6的经过之间流逝的时间。每个音轮5、5*的齿6均等地间隔开，除了一对齿6以比其它对齿更大的距离相互布置而构成奇点(singularity)，其允许每个齿6的精确识别以及因此每个音轮5、5*(即驱动轴4)的角位置的精确识别。此外，发动机1包括连接到传感器7、7*的控制单元8。

下文描述由控制单元8使用的模式，用于使用由联接到相应的音轮5、5*的传感器7、7*提供的信息来估计由每个汽缸2提供的实际瞬时扭矩T_{i_real}。

每个传感器7、7*检测一系列变量，包括：

-每个音轮5、5*的第n个齿6的持续时间T_i，即在表征当前齿6的两个角度事件的检测之间流逝的时间；

-当前齿6的原始角速度ω_raw，1；

-驱动角α(即，包括在0至4π弧度之间的驱动轴4的角位置)；以及

-时刻T₅、T₅*，其中每个音轮5、5*的第n个齿6的经过由相应的传感器7、7*检测。

具体地，音轮5的第n个齿6的瞬时角速度ω₅由下式给出：

ω₅＝Δα_i/T_i [1]

ω₅是音轮5的第n个齿6的角速度[rad/s(弧度/秒)]；

Δα_i是音轮5的第n个齿6的角振幅[rad(弧度)]；

T_i是音轮5的第n个齿6的持续时间[s(秒)]。

图2b)中示出对于2000rpm瞬时角速度ω处的驱动点并且基于驱动角的音轮5的第n个齿6的瞬时角速度ω₅的趋势。

类似地，音轮5*的第n个齿6的瞬时角速度ω_5*由下式给出：

ω_5*＝Δα_i/T_i [2]

ω_5*是音轮5*的第n个齿6的角速度[rad/s]；

Δ_αi是音轮5*的第n个齿6的角振幅[rad]；

T_i是音轮5*的第n个齿6的持续时间[s]。

图2a)中示出对于2000rpm瞬时角速度ω_5*处的驱动点并且基于驱动角的音轮5*的第n个齿6的瞬时角速度ω_5*的趋势。

由传感器7检测到的上述所列的值被传送到控制单元8。在初始设置阶段，音轮5*的相应角度基准(angular reference)(即，音轮5*的相应的第n个齿6)与音轮5的每个角度基准(即，音轮5的每个第n个齿6)相关联。

图2a)中所示的音轮5*的第n个齿6的瞬时角速度ω_5*的趋势类似于音轮5的第n个齿6的瞬时角速度ω₅的趋势。因此，这可借助将通过瞬时角速度ω₅或通过瞬时角速度ω_5*计算的第n个齿6的角速度ω考虑在内而被简化。

控制单元8然后可通过以下公式计算瞬时相对扭转Δθ：

Δθ＝ω_*(T₅-T_5*) [3]

ω是音轮5的第n个齿6的平均角速度[rad/s]；

Δθ是瞬时相对扭转[rad]；

T₅是由相应的传感器7检测到的音轮5的第n个齿6经过时的时刻[s]；以及

T_5*是由相应的传感器7*检测到的音轮5*的第n个齿6经过时的时刻[s]。

通过公式[3]计算出的瞬时相对扭转Δθ的趋势在图3中对于2000rpm平均瞬时角速度ω处的驱动点基于音轮5的齿6示出。请注意，瞬时相对扭转Δθ如何基于汽缸2与扭矩施加点(即与飞轮(未示出))相距的距离而变化；换言之，瞬时相对扭转Δθ对于汽缸I是最大的，即与飞轮相距最远，而对于汽缸IV是最小的，即最接近于飞轮。

在通常发生在发动机台架开发期间的发动机的初始设置阶段中，由每个汽缸2产生的平均扭矩值T_i在燃烧阶段期间通过压力传感器测量，压力传感器直接测量每个汽缸2的燃烧室内的压力。

一旦测量出由每个汽缸2产生的平均扭矩值T_i，就可针对每个汽缸2确定燃烧期间产生的平均扭矩T_i与所考虑的汽缸2的平均扭转Δθ_i之间的相关系数K_i。该关系可以表示为如下：

K_i＝T_i/Δθ_i，i＝1...n [4]

Δθ_i是基于汽缸2的平均扭转；

T_i是基于汽缸2的平均扭矩；

K_i是在燃烧期间产生的平均扭矩T_i和基于汽缸2的平均扭转Δθ之间的相关系数；以及

n是汽缸2的数目。

请注意，所考虑的汽缸2的平均扭转Δθ_i用于确定每个汽缸2的相关系数K_i；因此能够针对每个汽缸确定平均扭矩T_i和在燃烧期间沿着与燃烧阶段对应的角弧度(angular arc)产生的平均扭转Δθ_i之间的相关性。具体地，平均扭矩T_i和在燃烧期间沿着与每个汽缸2的燃烧阶段相对应的角弧度产生的平均扭转Δθ_i之间的相关性是基本上线性的。

图4示出平均扭矩T_i和每个汽缸2在燃烧期间产生的平均扭转Δθ_i之间的相关性。显然，可以注意到汽缸2的相关系数K_i如何可基于汽缸2与扭矩施加点(即与飞轮(未示出))相距的距离而变化。

一旦确定了每个汽缸2的相关系数K_i，则可以在内燃发动机1的正常操作期间使用这些相关系数K_i来确定由每个汽缸2提供的实际瞬时扭矩T_{i_real}。

具体地，由每个汽缸2提供的实际瞬时扭矩T_{i_real}可以计算如下：

T_{i_real}＝K_i*Δθ_{av_i}，其中i＝1...n [5]

Δθ_{av_i}是通过公式[3]计算出的每个汽缸2的平均相对扭转；

T_{i_real}是由每个汽缸2提供的实际瞬时扭矩；

K_i是通过公式[3]计算出的在燃烧期间产生的平均扭矩Ti和每个汽缸2的平均相对扭转Δθ之间的相关系数；以及

n是汽缸2的数目。

下面描述由控制单元8使用的使用联接到相应的音轮5、5*的传感器7、7*提供的信息来估计每个汽缸2中的MFB50燃烧指数的模式。燃烧指数MFB50(50％已燃质量分数(Mass Fraction Burnt))是在汽缸2中已燃烧50％燃料质量时的驱动角(即曲轴角)。

首先，通过公式[3]计算并且如图3中所示基于音轮5的齿6对于在2000rpm平均瞬时角速度ω处的驱动点执行瞬时相对扭转Δθ的趋势的频率分析。具体地，通过对沿着与每个汽缸2的燃烧阶段对应的角弧度的瞬时相对扭转Δθ应用傅里叶变换来执行傅里叶分析。因此可以确定瞬时相对扭转Δθ的多个谐波Ω_n。

瞬时相对扭转Δθ的一般谐波Ω_n是复数，其由其自身的模|Ω_n|和其自身的相位Arg(Ω_n)表征。所考虑的谐波取决于内燃发动机1的汽缸2的数目和所期望估计的类型。更详细地，已经通过实验验证了表征燃烧过程并且对于MFB50燃烧指数的确定显著的瞬时相对扭转Δθ的谐波Ω₁是在对应于燃烧阶段的角度范围上计算的一次谐波，其由其自身的模|Ω₁|和其自身的相位Arg(Ω₁)表征。

具体地，已经通过实验验证了MFB50燃烧指数与瞬时相对扭转Δθ的谐波Ω₁的相位Arg(Ω₁)相关。

在通常发生在发动机台架开发期间的发动机的初始设置阶段中，通过直接测量每个汽缸2的燃烧室内压力的压力传感器测量每个汽缸2的MFB50燃烧指数值。

一旦测量出每个汽缸2的MFB50燃烧指数值，就可以针对每个汽缸2确定汽缸2的MFB50燃烧指数和瞬时相对扭转Δθ的谐波Ω₁的相位Arg(Ω₁)之间的相关系数P_i。该关系可以表示如下：

P_i＝MFB50_i/Arg(Ω₁)_i，其中i＝1...n [6]

MFB50_i是基于汽缸2的MFB50燃烧指数；

Arg(Ω₁)_i是基于汽缸2的瞬时相对扭转Δθ的谐波Ω₁的相位Arg(Ω₁)；

P_i是MFB50燃烧指数和每个汽缸2的瞬时相对扭转Δθ的谐波Ω₁的相位Arg(Ω₁)之间的相关系数；以及

n是汽缸2的数目。

请注意，所考虑的汽缸2的瞬时相对扭转Δθ的谐波Ω₁的相位Arg(Ω₁)被用于确定每个汽缸2的相关系数P_i；因此可以对每个汽缸2确定MFB50燃烧指数与在燃烧期间沿着与燃烧阶段对应的角弧度的瞬时相对扭转Δθ的谐波的相位Arg(Ω₁)之间的相关性。具体地，MFB50燃烧指数与在燃烧期间沿着与每个汽缸2的燃烧的角相位对应的角弧度的瞬时相对扭转Δθ的谐波Ω₁的相位Arg(Ω₁)之间的相关性基本上是线性的。

图5示出MFB50燃烧指数与每个汽缸2在燃烧期间的瞬时相对扭转Δθ的谐波Ω₁的相位Arg(Ω₁)之间的相关性。显然，可以注意到汽缸2的相关系数P_i是如何可基于汽缸2与扭矩施加点(即与飞轮(未示出))相距的距离而变化。

一旦确定了每个汽缸2的相关系数P_i，则这些相关系数P_i可在内燃发动机1的正常操作期间使用，以确定每个汽缸2的实际MFB 50_real燃烧指数。

具体地，每个汽缸2的实际MFB50_real燃烧指数可计算如下：

MFB50_{i_real}＝P_i*Arg(Ω₁)_i，其中i＝1...n [7]

MFB50_{i_real}是基于汽缸2的实际燃烧指数；

Arg(Ω₁)是基于汽缸2的瞬时相对扭转Δθ的谐波Ω₁的相位Arg(Ω₁)；

P_i是MFB50燃烧指数和每个汽缸2的瞬时相对扭转Δθ的谐波Ω₁的相位Arg(Ω₁)之间的相关系数；以及

n是汽缸2的数目。

到此为止描述的估计每个汽缸2的实际MFB50_real燃烧指数和由每个汽缸2提供的实际瞬时扭矩T_{i_real}的方法可以用替代两个音轮5、5*的任何角位置传感器或位置传感器来实现。例如，可以使用布置在驱动轴4的相应端部处的两个编码器。

上述估计每个汽缸2的实际MFB50_real燃烧指数和由每个汽缸2提供的实际瞬时扭矩T_{i_real}的方法对于任何数目的位置传感器都能提供有利应用。

根据可能的变型(未示出)，内燃发动机1包括多个音轮5，其中一对音轮5键接到驱动轴4的相应端部，并且其余音轮键接到驱动轴并间置于两个相邻的汽缸2之间。

具体地，根据可能的变型(未示出)，五个音轮5键接到驱动轴4。内燃发动机1包括键接到驱动轴4的相应端部的两个端部音轮5(即，在飞轮处键合到驱动轴4的端部的第一端部音轮5和在正时皮带处键接到驱动轴4端部的第二端部音轮5)和三个中间音轮5。第一中间音轮5间置于由I表示的汽缸2和由II表示的汽缸2之间；第二中间音轮5间置于由II表示的汽缸2和由III表示的汽缸2之间；最后，第三中间音轮5间置于由III表示的汽缸2和由IV表示的汽缸2之间。五个音轮5设置有相同数目n(例如60个)的齿6，并且联接到相应的传感器7，这些传感器适于检测两个连续的齿6经过之间流逝的时间。

控制单元8然后可通过以下公式计算每个汽缸2的相对瞬时相对扭转Δθ_i：

Δθ_i＝ω*(T'-T")，其中i＝1...n [8]

ω是通过公式[1]或[2]计算出的第n个齿6的平均角速度[rad/s]；

Δθ_i是所考虑的汽缸2的瞬时相对扭转[rad]；

T'、T”是由监测与所考虑的汽缸2相邻的两个音轮5的传感器7检测到的第n个齿6的经过时的时刻；以及

n是汽缸2的数目。

关于由I指示的汽缸2，瞬时相对扭转Δθ的确定涉及在正时皮带处键接到驱动轴4端部的第二端部音轮5和间置于在由I表示的汽缸2和由II表示的汽缸2之间的第一中间音轮5；关于由II表示的汽缸2，瞬时相对扭转Δθ的确定涉及间置于由I表示的汽缸2和由II表示的汽缸2之间的第一中间音轮5，以及间置于由II表示的汽缸2和由III表示的汽缸2之间的第二中间音轮5；关于由III表示的汽缸2，瞬时相对扭转Δθ的确定涉及间置于由II表示的汽缸2和由III表示的汽缸2之间的第二中间音轮5，以及间置于由III表示的汽缸2和由IV表示的汽缸2之间的第三中间音轮5；最后，关于由IV表示的汽缸2，瞬时相对扭转Δθ的确定涉及间置于由III表示的汽缸2和由IV表示的汽缸2之间的第三中间音轮5，以及在飞轮处键接到驱动轴4端部的第一端部音轮5。

一旦确定了每个汽缸2的相关系数K_i，如在上面的说明中所述，则可以在内燃发动机1的正常操作期间使用这些相关系数K_i来确定由每个汽缸2提供的实际瞬时扭矩T_{i_real}。

具体地，由每个汽缸2提供的实际瞬时扭矩T_{i_real}可以计算如下：

T_{i_real}＝K_i*ω*(T'-T")，其中i＝1...n [9]

T_{i_real}是由所考虑的汽缸2提供的实际瞬时扭矩；

K_i是燃烧期间产生的平均扭矩T_i和所考虑的汽缸2的瞬时相对扭转之间的相关系数；

ω是通过公式[1]或[2]计算出的第n个齿6的平均角速度[rad/s]；

T'、T”是由监测与所考虑的汽缸2相邻的两个音轮5的传感器7检测到的第n个齿6的经过时的时刻；以及

n是汽缸2的数目。

类似地，一旦如前所述确定了每个汽缸2的相关系数P_i，则这些相关系数P_i可以在内燃发动机1的正常操作期间用于通过由公式[8]计算出的每个汽缸2的相对瞬时扭转Δθ_i来确定每个汽缸2的真实MFB 50_{i_real}燃烧指数。

上述估计方法可用在没有压力传感器的内燃发动机15中，以估计MFB50燃烧指数和由每个汽缸2提供的实际瞬时扭矩T_{i_real}，其中所述压力传感器直接测量汽缸2内的压力，。

备选地，估计MFB50燃烧指数和由每个汽缸2提供的实际瞬时扭矩T_{i_real}的方法可在设置有直接测量汽缸2内的压力的压力传感器9的内燃发动机中提供有利的应用。

具体地，根据图6所示的变型，一部分汽缸2设置有压力传感器9，其直接测量汽缸2内的压力，以估计MFB50燃烧指数和与汽缸2有关的实际瞬时扭矩T_{i_real}，但没有直接测量其余汽缸2内的压力的压力传感器；换言之，在设置有压力传感器9的一些汽缸2中，通过汽缸2内的压力直接测量来计算MFB50燃烧指数和实际瞬时扭矩T_{i_real}，而在没有压力传感器9的其它汽缸2中，通过上述方法估计MFB50燃烧指数和实际瞬时扭矩T_{i_real}。

根据变型，两个音轮5A、5B键接到驱动轴4上。每个音轮5A、5B键接到驱动轴4的一个端部；音轮5A在正时皮带处键接到驱动轴4的端部并面向由I指示的汽缸，而音轮5B在飞轮处键接到轴4的端部并面向由IV指示的汽缸。每个音轮5A、5B设置有数目为n(例如60个)的齿6(对于两个音轮5A、5B而言是相等的)，并且联接到相应的传感器7A、7B，传感器适于检测在两个连续的齿6经过之间流逝的时间段。此外，内燃发动机1包括容纳在一个或两个汽缸2内的一个或两个压力传感器9；压力传感器9容纳在由III和/或IV表示的汽缸2内。实际上已经实验性地示出，通过上述方法获得的MFB50燃烧指数的估计对于由III和IV指示的汽缸2而言与由I和II指示的汽缸2相比较不准确。事实上，有利的是，将压力传感器9容纳在MFB50燃烧指数和/或实际瞬时扭矩T_{i_real}的估计方法较不精确或较不可靠的那些汽缸2中。

在由III或IV指示的汽缸2的情况下，该方法通过相应的压力传感器9获取所考虑的汽缸2内的压力值，以基于获得的压力确定实际MFB50_REAL燃烧指数和/或实际瞬时扭矩T_REAL。

然后将实际MFB50_REAL燃烧指数和/或实际瞬时扭矩T_REAL与通过前述估计方法估计的MFB50_EST燃烧指数和/或估计的瞬时扭矩T_EST分别进行比较。

当实际瞬时扭矩T_REAL和估计的瞬时扭矩T_EST之间的差的绝对值大于限制值Δ_K时，控制单元8更新由III表示的汽缸2的通过公式[4]计算出的估计的瞬时扭矩T_EST与平均扭转Δθ之间的相关系数K_i。具体地，更新由III表示的汽缸2的相关系数K_i，使得实际瞬时扭矩T_REAL和估计的瞬时扭矩T_EST彼此相等。

根据优选变型，应用于由III表示的汽缸2的相关系数K_i的修正也被传递到由I、II和IV表示的其余汽缸2的相关系数。有利地，应用于由III表示的汽缸2的相关系数K_i的修正根据线性传递定律(linear propagation law)传递到其余汽缸2，线性传递定律考虑汽缸2与扭矩施加点(即与飞轮)相距的距离。

类似地，当实际MFB50_REAL燃烧指数和估计的MFB50_EST燃烧指数之间的差的绝对值大于限制值Δ_P时，控制单元8更新由III表示的汽缸2的使用公式[4]计算出的估计的MFB50_EST燃烧指数和平均扭转Δθ的谐波Ω₁的相位Arg(Ω₁)之间的相关系数P_i。具体地，更新由III表示的汽缸2的相关系数P_i，使得实际的MFB50_REAL燃烧指数和估计的MFB50_EST燃烧指数彼此相等。

根据优选变型，应用于由III表示的汽缸2的相关系数P_i的修正也传递到由I、II和IV表示的其余汽缸2的相关系数P_i。有利地，应用于由III表示的汽缸2的相关系数P_i的修正根据线性传递定律传递到其余汽缸2，线性传递定律考虑汽缸2与扭矩施加点(即与飞轮)相距的距离。

以这种方式，在内燃发动机1的正常操作期间，能够实时更新估计的瞬时扭矩T_EST和平均扭转Δθ之间的相关系数K_i以及估计的燃烧指数MFB50_EST与平均扭转Δθ的谐波Ω₁的相位Arg(Ω₁)之间的相关系数P_i，以便考虑到两个音轮5A、5B的老化以及对于通过来自于两个音轮5A、5B的信号确定平均扭转Δθ时所产生的漂移。

上述估计方法具有许多优点，因为它是有效的(即它允许以相当高的精确度估计扭矩不平衡)，它是高效的，(即它允许估计MFB50燃烧指数和实际瞬时扭矩T_{i_real}，而不采用过多的计算能力)，且它是快速和成本有效的，即不需要在通常存在于现代内燃发动机中的那些组件(诸如燃烧室中的压力传感器)之外安装附加组件，并且简化了像位置传感器(诸如音轮5)这样非常低成本组件的插入。