一种二缸机四冲程进气压力计算方法与流程

本发明属于航空汽油发动机控制系统开发技术领域，具体涉及一种二缸机四冲程进气压力计算方法。

背景技术：

进气行程中气缸压力是反馈发动机气缸内新鲜空气的重要参数也是通过速度密度法精确计算发动机进气量的主要参数，只有计算出精确的进气量才能使发动机输出最优功率，降低油耗，优化排放。

二缸四冲程活塞式发动机，每个缸有进气、压缩、做功、排气四个行程，因此对于二缸四冲程活塞式发动机来讲，每个工作循环有约1/2行程的处于进气状态，另外约1/2的行程的处于非进气状态。二缸机四冲程活塞式发动机在进气行程中，进门关闭前进气歧管与发动机气缸是相通的，通过CAE(Computer Aided Engineering)分析及台架实测数据得到，在气门关闭前在某个点或某个区域进气歧管压力与气缸内压力是相差很小的,这个差值可以通过发动机控制系统的标定修正消除。因此通过计算进气歧管压力可以得到进入气缸内新鲜空气的压力，根据压力与流量的关系从而算出进入气缸内的新鲜空气。另外，二缸机四冲程活塞式发动机的工作特性就决定了进气歧管压力的变化特性见图1(一个工作循环的进气歧管压力)，真实反馈气缸内压力对应的进气歧管压力应为一个合适的区域或某一点。由于航空发动机的电喷系统技术应用不够广泛，二缸机四冲程活塞式应用更少，没有查阅到正确计算二缸机四冲程活塞发动机进气压力的资料，此发明可以用于二缸机四冲程对置式和直列式的活塞发动机。

技术实现要素：

根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种二缸机四冲程进气压力计算方法，通过发动机工况识别及进气歧管压力的计算，计算出精确的进气量才能使发动机输出最优功率，降低油耗，优化排放。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种二缸机四冲程进气压力计算方法，该方法基于发动机电子控制系统，该系统包括硬件电路单元、底层控制单元和应用层控制单元，包括以下步骤:步骤一、对发动机工况进行识别；步骤二、根据不同工况进行进气量计算；步骤三、对进气量进行标定修正；步骤四、计算出发动机喷油量、点火角。该方法步骤一通过发动机转速进行发动机工况识别，分为两种工况:第一种,发动机在低转速时,通过基于缺齿计算转速得精度不能满足计算转速变化的精度要求时工况；第二种,当发动机转速高于某设定值，通过基于缺齿计算转速得精度可以满足计算转速变化的精度要求时工况。其中设定值根据硬件与软件因素综合标定得到。当发动机处于第一种工况时，进气压力传感器信号用高频率通讯采样读取进气歧管压力的压力电压信号，再用高频率计算出电压信号对应的进气歧管压力，依据速度密度法，通过进气歧管压力转换成进气流量从推算进入气缸内新鲜空气流量。当发动机处于正常运行工况下，通过计算进气歧管压力传感器通过特性曲线转变成气缸内压力，从而推算进入气缸内新鲜空气流量。该方法还包括仿真测试方法，该测试方法包括：步骤a、建立仿真模型，实现对压力传感器电压信号向压力的转换；步骤b、数据预设，根据传感器特性曲线对标定量进行预设；步骤c、进行仿真验证。所述步骤c仿真验证包括硬件电路单元、底层控制单元和应用控制单元设计是否合理。所述仿真测试方法在仿真模型在稳态时，用于计算喷油进气量在一个工作循环中不可以发生突变；进气压力与HIL设备模拟计算的气缸内压力不能相差超过10％；ECU软件计算的流量与HIL设备模拟计算的流量相差不能超过10％。该方法还包括实测验证方法，该方法验证步骤如下：传感器安装，进气歧管谐振腔处安装台架用的进气压力传感器，在排气总管出安装线性氧传感器；测量仪器安装，油耗仪常规安装，空燃比测量仪常规安装，燃烧分析仪常规安装，角标仪常规安装，缸压传感器常规安装，标定设备根据需求安装；测量的变量，台架采集的数据包括：发动机转速、节气门开度、瞬时油耗、歧管压力、空燃比、气缸压力、进气门关闭前5°的气缸压力信号，用实测空燃比和油耗仪反算的发动机流量或用空气流量计实测的发动机流量；ECU采集数据包括：进气压力传感器的电压信号、软件计算的进气歧管压力、软件计算的进气量、需求空燃比、喷油脉宽。该方法还包括实测验证方法，该方法的结果验证方法包括：步骤1)曲轴角度校验，设定点火角与喷油在1缸压缩上止点处执行，用示波器采集曲轴信号、喷油脉宽与点火执行情况是否在需求位置，确保曲轴信号轮安装无误同时校验底层软件角度中断设计是否与实际需求相同，如果不同需要调整底层软件算法；步骤2)特性曲线校验，固定转速、节气门开度，采集燃烧分析仪测得的气门关闭前5°曲轴转角对应的气缸内压力，和ECU采集的对应工作循环的压力对比，偏差是否控制在5％以内；如果超过范围需要调整传感器电压信号向压力转换的标定参数；更改转速与节气门开度，采用上面方法进行三次以上校验；如果计算结果在偏差控制在5％以内，则特性参数标定通过，如果结果不可接受需要排查进气压力传感器特性曲线的可靠性和燃烧分析仪的设置；步骤3)进气压力计算的可靠性验证，先对发动机流量进行标定，标定完成后对ECU计算的流量与台架反算的流量进行对比，流量差异要控制在3％以内，否则需要修改进气压力向发动机流量转换标定参数。

本发明有益效果是:本发明提出一种二缸机四冲程进气压力计算方法，通过发动机工况识别及进气歧管压力的计算，计算出精确的进气量才能使发动机输出最优功率，降低油耗，优化排放。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的具体实施方式的工作循环的进气歧管压力示意图。

图2是本发明的具体实施方式的CAE分析压力测量点示意图。

图3是本发明的具体实施方式的测量点对应的压力示意图。

图4是本发明的具体实施方式的实施方案的流程图。

图5是本发明的具体实施方式的算法流程图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明设计一种二缸机四冲程汽油机进气压力的算法，包括发动机工况识别及进气歧管压力的计算，具体内容如下：

首先对发动机工况识别。由于启动过程中发动机转速从零开始，在还未找到正确的曲轴信号时无法读取正确的当前曲轴转角，因此气门何时关闭也未知，此种工况下(以下称为启动工况)无法用进气气门关闭前某度或某区域的歧管压力推算气缸内的压力，所以启动工况时需要另外一种算法。当发动机转速高于一定值后，可以读到正确的曲轴信号即准确的曲轴转角，此种工况(以下称为正常运行工况)可以识别进气门关闭时刻，可以用进气气门关闭前某点或某区域的进气歧管压力推算气缸内的压力。

对不同工况下进气歧管压力的计算，进气的精确计算是为了精确的计算出发动机喷油量、点火角，降低油耗，提高输出功率等。二缸机四冲程活塞式发动机喷油、点火都是在各缸压缩上止点左右位置执行一次，因此进气量计算需要在此之前完成。也可以理解为在压缩上止点前更新进气量计算。根据此需求我们可以得到如下进气歧管压力的计算方法：1)在启动工况下，进气压力传感器信号用高频率通讯采样读取进气歧管压力的压力电压信号。再用高频率计算出电压信号对应的进气歧管压力，计算方法依据进气压力传感器的特性曲线(由进气压力传感器供应商提供)。读取距离计算喷油、点火角时刻最近进气量，尽量减小进气量计算的偏差。2)在正常运行工况下，由于高频率通讯加大芯片运行负载减小计算频率并考虑到更为精确地计算进气歧管压力。采用通过计算进气歧管压力得到气缸内压力从而推算进入气缸内新鲜空气流量的方法。本专利选用航瑞航空动力装备有限公司的某一二缸四冲程活塞式汽油发动机。采集该发动机7500转/分钟(7500rpm)的数据，CAE仿真结果见图2(CAE压力测量点示意图)和图3(测量点对应的压力),其中0°(或720°)为1缸压缩上止点，180°为1缸排气下止点，360°为1缸进气上止点，1缸540为进气下止点。对于发动机控制来讲我们需要知道的是气门关闭前气缸内的真实压力。即为该发动机对应的曲轴转角位570°(1mm升程气门关闭时的曲轴转角)由图3可见测量点越是靠近气缸，测得的压力越接近气缸内压力。对多个工况点仿真发现进气道的压力与气缸内的压力，有一一对应关系。经过统计得到不同转速、不同负荷下，发动机进气歧管的压力在气门关闭前5度时刻与气缸内的压力相差偏差可以接受，并且不同转速、不同负荷下的偏差可以通过进气压力向对应工况下进气流量转换时进行标定修正后可以消除。因此可以用歧管压力替代进气压力，用来计算发动机的实际流量。针对排量、进排气和布置不同的二缸四冲程发动机此角度可能不同，但选择原理是一样。

第一步，功能开发。

由于发动机管理系统(以下简称ECU)分软件(底层软件、应用层软件)和硬件，实施方案流程见图4。针对二缸机四冲程活塞式发动机如果要计算进气压力，ECU需要包括以下功能：

1、ECU硬件，支持进气压力传感器功能及并设计响应电路，并且要有高频通道用来支持输出歧管压力的电压值。

2、底层软件，需要支持高频率采集功能和根据曲轴信号产生软件中断调用特定函数的功能。

3、应用层软件，需要支持发动机工况判断，高频和软件中断分类计算进气压力的功能，算法流程见图5。

第二步，功能验证。

1、基于模型功能仿真测试，实现对压力传感器电压信号向压力的转换。包括电压信号的选取、处理和选取后的电压信号向压力的转换。

2、数据预设，根据传感器特性曲线对标定量进行预设，其中特性曲线由进气压力传感器的供应商提供。

3、硬件在环仿真测试，为了确认功能、节约试验成本和试验验证的范围全面性，一般在发动机实体验证前先进行硬件在环仿真测试。本文方案选用在HIL(hardware-in-the-loop)上仿真测试。验证内容：

硬件电路设计是否合理，查看经过ECU输出的电压信号是否合理；

底层软件角度中断设计是否合理，查看软件集成后产生中断的角度与曲轴信号相对位置的合理性；

应用层软件算法是否合理，是否实现两个缸的进气压力计算；

综合评价标准：

●稳态时，用于计算喷油进气量在一个工作循环中不可以发生突变；

●进气压力与HIL设备模拟计算的气缸内压力不能相差超过10％；

●ECU软件计算的流量与HIL设备模拟计算的流量相差不能超过10％。

3、实测验证。

此文选择在发动机台架上验证。需要的仪器有搭载ECU及相关零部件的发动机、发动机台架、油耗仪、空燃比测量仪(搭载线性氧传感器)、燃烧分析仪、角标仪、缸压传感器、标定设备。

验证步骤如下，

传感器安装：进气歧管谐振腔处安装台架用的进气压力传感器，在排气总管出安装线性氧传感器。

测量仪器安装：油耗仪常规安装，空燃比测量仪常规安装，燃烧分析仪常规安装，角标仪常规安装，缸压传感器常规安装，标定设备根据需求安装。

测量的变量：

台架采集的数据包括：发动机转速、节气门开度、瞬时油耗、歧管压力、空燃比、气缸压力、进气门关闭前5°(对应曲轴转角)气缸压力信号，用实测空燃比和油耗仪反算的发动机流量或用空气流量计实测的发动机流量；

ECU采集数据包括：进气压力传感器的电压信号、软件计算的进气歧管压力、软件计算的进气量、需求空燃比、喷油脉宽。

结果验证方法：

1)曲轴角度校验，设定点火角与喷油在1缸压缩上止点处执行，用示波器采集曲轴信号、喷油脉宽与点火执行情况是否在需求位置，确保曲轴信号轮安装无误同时校验底层软件角度中断设计是否与实际需求相同，如果不同需要调整底层软件算法；

2)特性曲线校验

固定转速、节气门开度，采集燃烧分析仪测得的气门关闭前5°曲轴转角对应的气缸内压力，和ECU采集的对应工作循环的压力对比，偏差是否控制在5％以内。如果超过范围需要调整传感器电压信号向压力转换的标定参数。

更改转速与节气门开度，采用上面方法进行三次以上校验。如果计算结果在可接受范围内(偏差控制在5％以内)，则特性参数标定通过，如果结果不可接受需要排查进气压力传感器特性曲线的可靠性和燃烧分析仪的设置。

3)进气压力计算的可靠性验证，先对发动机流量进行标定，标定完成后对ECU计算的流量与台架反算的流量进行对比，流量差异要控制在3％以内，否则需要修改进气压力向发动机流量转换标定参数。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。