用于经滤波的气缸压力的实时角度域测量的系统和方法与流程

文档序号:13451249
用于经滤波的气缸压力的实时角度域测量的系统和方法与流程

本申请要求于2015年5月11日递交的美国专利申请序列No.14/708,664的权益。上述申请公开的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请总地涉及发动机,并且具体而言涉及用于经滤波的气缸压力的实时角度域测量的系统和方法。



背景技术:

发动机在气缸内燃烧空气/燃料混合物,以驱动活塞并产生驱动力矩。气缸压力测量系统包括被配置为测量气缸内压力的多个模拟气缸压力传感器。所测量的气缸压力被用于控制发动机的运行(例如火花定时)。气缸压力测量系统通常在时域中处理模拟气缸压力信号。然而,这些时域处理的气缸压力信号不直接与发动机的运行相关联。

时域处理的气缸压力信号和发动机的运行之间缺乏相关性可能会引起不准确的气缸压力测量,这可能会导致不准确的发动机控制。此外,在时域中处理模拟气缸压力信号需要大量的处理功率和内存,从而增加成本和/或实现难度。因此,虽然这种气缸压力测量系统为其预期目的而工作,但在相关领域中仍有改进的需求。



技术实现要素:

根据本发明的一方面,提供了一种气缸压力测量系统。在一种示例性的实现方式中,该系统包括第一模拟气缸压力传感器,被配置为生成表明发动机的第一气缸中的压力的第一模拟气缸压力信号;发动机位置传感器,被配置为生成表明发动机的角位置的角位置信号;以及控制器,被配置为接收第一模拟气缸压力信号和角位置信号;通过(i)使用角位置信号在时域中为第一模拟气缸压力信号加窗(windowing)(ii)在时域中采样经加窗的第一模拟气缸压力信号,将第一模拟气缸压力信号转换为第一数字气缸压力信号;在时域中将数字气缸压力信号滤波,以获取第一经滤波的数字气缸压力信号;通过使用角位置信号采样第一经滤波的数字气缸压力信号,在角度域中获取发动机的第一气缸中的测得的压力;以及使用发动机的第一气缸中测得的气缸压力控制发动机的运行。

根据本发明的一方面,提供了用于测量发动机的气缸中的压力的方法。在一个示例性的实现方式中,该方法包括:在控制器处接收表明发动机的第一气缸中的压力的第一模拟气缸压力信号;由控制器通过(i)使用角位置信号为第一模拟气缸压力信号加窗以及(ii)在时域中采样经加窗的第一模拟气缸压力信号,将第一模拟气缸压力信号转换为第一数字气缸压力信号;由控制器在时域中将第一数字气缸压力信号滤波,以获取第一经滤波的数字气缸压力信号;由控制器通过使用角位置信号采样第一经滤波的数字气缸压力信号,在角度域中获取发动机的第一气缸中的测得的压力;以及由控制器使用发动机的第一气缸中的测得的气缸压力控制发动机的运行。

在一些实现方式中,控制器进一步被配置为:当角位置信号的值等于第一组值之一时,检测第一触发条件;以及响应于检测到第一触发条件,执行第一模拟气缸压力信号的模-数转换,以获取第一数字气缸压力信号。在一些实现方式中,控制器进一步被配置为:当角位置信号的值等于第二组值之一时,检测第二触发条件;以及响应于检测到第二触发条件,在角度域中采样第一经滤波的数字气缸压力信号的值,以获取发动机的第一气缸中的测得的气缸压力。

在一些实现方式中,第二模拟气缸压力传感器被配置为生成表明发动机的第二气缸中的压力的第二模拟气缸压力信号;并且控制器进一步被配置为:接收第二模拟气缸压力信号;通过(i)使用角位置信号在角度域中为第二模拟气缸压力信号加窗(ii)在时域中采样经加窗的第二模拟气缸压力信号,将第二模拟气缸压力信号转换为第二数字气缸压力信号;在时域中将第二数字气缸压力信号滤波,以获取第二经滤波的数字气缸压力信号;通过使用角位置信号采样第二经滤波的数字气缸压力信号,在角度域中获取发动机的第二气缸中的测得的压力;以及使用发动机的第二气缸中的测得的气缸压力控制发动机的运行。

在一些实现方式中,控制器进一步被配置为:当角位置信号的值等于不同于第一组值的第三组值之一时,检测第三触发条件;以及响应于检测到第三触发条件,执行第二模拟气缸压力信号的模-数转换,以获取第二数字气缸压力信号。在一些实现方式中,控制器进一步被配置为:当角位置信号的值等于不同于第二组值的第四组值之一时,检测第四触发条件;以及响应于检测到第四触发条件,在角度域中采样第二经滤波的数字气缸压力信号的值,以获取发动机的第二气缸中的测得的气缸压力。

在一些实现方式中,角位置信号的第一组值和第二组值对应于第一气缸中的燃烧事件和第二气缸中的抽吸事件。在一些实现方式中,角位置信号的第三组值和第四组值对应于第二气缸中的燃烧事件和第一气缸中的抽吸事件。在一些实现方式中,控制器被配置为利用单个模数转换器、单个数字滤波器以及单个触发复制器以在发动机的单个循环期间获取第一气缸和第二气缸两者的测得的气缸压力。

本公开的教导的适用性的进一步的范围将通过此后的详细说明、权利要求和附图而变得更加明显,其中贯穿附图的几个角度,同样的参考数字指代同样的特征。应该理解的是,详细说明,包括公开的实施例和其中引用的附图,其本质仅仅是示例性的,目的仅仅是为了说明,并且不意图限制本公开的范围、其应用或用途。此外,不偏离本公开主旨的变化也意图在本公开的范围之内。

附图说明

图1是根据本公开的原理的发动机系统的示例性示意图;

图2是根据本公开的原理的气缸压力测量系统架构的示例性功能框图;以及

图3是根据本公开的原理的用于测量发动机的气缸中的压力的方法的示例性流程图。

具体实施方式

如之前讨论的,存在着对与发动机的运行相关联的气缸压力测量系统的需求。更具体地,时域(time-domain)处理的气缸压力信号要求大量的处理功率和内存,其增加了成本和/或实现难度。因此,提出了用于经滤波的气缸压力的实时角度域测量的系统和方法。该系统和方法将时域中的模拟气缸压力信号转换为发动机角度域(angle-domain)中的数字气缸压力信号。接着在时域中执行数字滤波,并且在角度域中采样经滤波的数字气缸压力信号以获取测得的气缸压力。

这些系统和方法能够为气缸压力获取角度校正的、时间滤波的、数字化的数据,同时降低处理和内存需求。这些系统和方法达到了时域滤波的精确的优点,而不必将滤波器重新编程为在角度域中运行。这些降低的处理和内存需求有助于降低成本和/或实现复杂度。更具体地,信号处理组件(模-数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC),数字滤波器、触发复制器(triggered copier)、测量缓冲等)还能够被测量的角度域不重叠(例如燃烧对抽吸(pumping))的信号/气缸再利用。

尽管本文的系统和方法关于处理模拟气缸压力信号而描述,应了解的是,这些技术可以同样应用于其他相似的涉及发动机位置的模拟发动机信号。这些其他信号的例子包括但不限于由(i)歧管绝对压力(Manifold Absolute Pressure,MAP)传感器,(ii)氧气(O2)传感器(如废气O2传感器)和(iii)油轨压力传感器所输出的模拟信号。这些技术还可以同样应用于涉及转动位置的其他类似的模拟信号,例如涉及电机或伺服电机的转动位置的信号。进一步,尽管讨论了两个模拟气缸压力传感器,这些技术还可以通过复制ADC、数字滤波器、触发复制器和测量缓冲而扩展至任何偶数个模拟气缸压力传感器,同时在所有的重复元件集之间共享发动机位置传感器、角度位置追踪器、发动机速度追踪器、加窗比较器(windowing comparator)、触发比较器以及时钟机构(clocking mechanism)。

现在参考图1,图示了发动机系统100的示例性示意图。发动机系统100包括发动机104,其通过由节流阀116控制的进气系统(induction system)112将空气吸入进气歧管108。进气歧管108中的空气被分配给多个气缸120,并与燃料混合以产生空气/燃料混合物。空气/燃料混合物在气缸120中被活塞(未示出)压缩并燃烧以驱动活塞,并在曲轴124处产生驱动力矩。在一些实现方式中,发动机104包括一个或更多凸轮轴128,其控制气缸120的阀门(未示出)的开/关。曲轴124处的驱动力矩被输出至传动装置130(例如用于转移到车辆的传动系统)。燃烧产生的废气从气缸120排出到排气系统132中。

第一和第二模拟气缸压力传感器136a、136b被配置为测量发动机104的第一和第二气缸120a、120b中的压力。尽管为了说明的目的,示出了六个气缸和仅两个模拟气缸压力传感器,应了解的是,发动机104可以有任意数量的模拟气缸压力传感器(例如每个气缸一个)。在一种示例性的实现方式中,第一和第二气缸120a、120b同时经历不同的事件(例如,一个抽吸,一个燃烧)。发动机位置传感器140被配置为测量发动机104的角位置。发动机位置传感器140的例子包括但不限于曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器。例如,发动机位置传感器140可以包括由曲轴124或凸轮轴128之一所驱动的齿轮。

控制器144被配置为控制发动机系统100的运行。在一种示例性的实现方式中,控制器144包括通信装置,例如收发器、一个或更多处理器、以及存储器(闪存、硬盘等)。在一种示例性的实现方式中,通信装置被配置为经由控制器局域网(Controller Area Network,CAN)或本地互联网(Local Interconnect Network,LIN)与发动机系统100的组件(例如模拟气缸压力传感器136和发动机位置传感器140)通信。正如下面更详细讨论的,至少部分ADC和/或数字滤波器可以实现为传感器136的部分。在这样的实现方式中,CAN或LIN可以负责响应于比较器触发而传递数据。在另一种示例性的实现方式中,控制器144是专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit,ASIC)或被配置为执行本公开的至少部分技术的其他电子控制系统。

本文所用的术语“处理器”指代以下两者:(i)单个处理器以及(ii)在并行或分布式架构中运行的多个处理器。由控制器144所执行的示例性功能包括响应于力矩请求(例如来自驱动器)而控制发动机104生成的驱动力矩和控制传动装置130的运行。在一种示例性的实现方式中,控制发动机104生成的驱动力矩包括控制以下项中的至少一个:(i)气流进入/流出发动机104(例如节流阀116),供给至发动机104的燃料(例如燃料喷射器,未示出),以及发动机104的火花塞148的火花定时。控制器144还被配置为执行本公开的气缸压力测量技术,现在将对其进行更详细地描述。

现在参考图2,图示了气缸压力测量系统架构200的示例性功能框图。在一种示例性的实现方式中,架构200由控制器144实现。然而,应理解,架构200的至少部分可以在另一控制器处实现,例如独立式控制器。架构200包括ADC 204、数字滤波器208、以及触发复制器212。架构200还包括时钟机构216、角位置追踪器220、加窗比较器224、触发比较器228、角速度追踪器232以及测量缓冲236。加窗比较器224和触发比较器228可以描述为分别生成在角度域中的第一和第二触发器。

角位置追踪器220接收和处理来自发动机位置传感器140的角位置信号。角位置追踪器220处理角位置信号以获取发动机104的实时角位置。换句话说,这一信号可以实时追踪发动机的位置。在一种示例性的实现方式中,角位置追踪器220可以是协同处理器,所述协调处理器被配置为(i)接收发动机位置传感器140生成的信号作为输入,(ii)通过锁相环(PLL)来插入该信号,并实时输出精确近似的发动机位置(在下文中为“发动机位置”)。

发动机位置被提供给加窗比较器224、触发比较器228以及角速度追踪器232。加窗比较器224将发动机位置与第一组位置相比较。在一种示例性的实现方式中,第一组发动机位置与关于第一气缸120a的发动机兴趣位置相对应。仅仅是示例性的,第一组发动机位置可以对应于第一气缸120a的燃烧事件。当发动机位置匹配第一组发动机位置之一时,加窗比较器224生成多路复用器前进触发信号。换句话说,加窗比较器224负责通过生成指示来自模拟气缸压力传感器136的哪个输入信号的输出来生成非重叠信号选择窗口,用于在编程至加窗比较器224(例如第一组位置)的角度范围上进行处理,通过直接选择或触发的连续的多路复用器以用于通过循环列表前进。

当然,因为ADC 204接收第一和第二模拟气缸压力信号两者,使用该多路复用器前进触发信号来致动ADC 204,以从处理第一模拟气缸压力信号转换为第二模拟气缸压力信号,或相反。这是可行的,因为第一和第二模拟气缸(即第一和第二气缸120a、120b)压力信号的测量的角度区域不重叠。ADC 204还接收来自时钟机构216的时钟信号。时钟信号用于控制ADC 204的转换(例如采样)并且因此时钟机构216还可以被描述为生成第三触发器,其是在时域中的。仅仅是示例性地,时钟信号可以是192千赫兹(kHz)。在一种示例性的实现方式中,在不感兴趣的发动机位置期间,例如发动机位置对应于停用的气缸时,时钟机构216是禁用或以其他方式关闭的。

ADC 204的输出是数字气缸压力信号。数字气缸压力信号由数字滤波器208滤波,以获取经滤波的数字气缸压力信号。数字滤波器208被配置为减弱来自数字气缸压力信号的不期望的时间频率成分,并且实时更新。在一种示例性的实现方式中,数字滤波器208是无限脉冲响应(Infinite-Impulse-Response,IIR)滤波器或有限脉冲响应(Finite-Impulse-Response,FIR)滤波器。尽管数字滤波器208在本文中被描述为是基于硬件的滤波器,从而节省内存,数字滤波器208还可以实现为基于软件的滤波器。

正如前面所讨论的,触发比较器228还接收发动机位置。触发比较器228将发动机位置与第二组位置进行比较。在一种示例性的实现方式中,第二组发动机位置与关于第一气缸120a的发动机兴趣位置相对应。仅仅是示例性地,第二组发动机位置可以对应于第一气缸120a的燃烧事件。由于在加窗比较器224下游,第二组发动机位置还可以偏离于第一组位置。当发动机位置与第二组发动机位置之一匹配时,触发比较器228产生下采样的位置触发信号。

经滤波的数字气缸压力信号输出到触发复制器212。触发复制器212是捕捉机制,其在发动机兴趣位置处为对应的气缸(如120a或120b)释放或输出经滤波的数字气缸压力信号。更具体地,触发比较器228所生成的下采样的位置触发信号被用来致动触发复制器212。触发复制器212也是实时更新的。该更新的示例性机制包括但不限于:(i)可编程的直接内存访问(Direct-Memory-Access,DMA)数据传输请求和(ii)通过在发动机兴趣位置处触发的中断的内存复制(例如,向下采样的位置触发信号)。

触发复制器212还被配置为解多路复用多个信号(例如,第一和第二经滤波的数字气缸压力信号)到测量缓冲236(如内存)中它们各自的信号缓冲区。在一种示例性的实现方式中,每当生成多路复用器前进触发信号时,触发复制器212通过改变测量缓冲236中的目的地信号缓冲区,而解多路复用信号。在一些示例性的实现方式中,架构200进一步包括通过将时域延迟转换为角度域延迟来补偿来自数字滤波器208和/或信号路径中的其他源的已知时域延迟的机制(未示出)。加窗比较器224生成的窗口将输入多路复用至ADC 204,并且将触发复制器212的输出解多路复用。通过使用加窗比较器224的输出作为ADC 204和触发复制器212两者的输入来协调这一转换,保持了每个测量缓冲236的信号一致性(如,信号交错被最小化)。

在一种示例性的实现方式中,可以在由触发复制器212完成采样经滤波的数字气缸压力信号时,通常在由加窗比较器224指定的窗口关闭时,通过采样角位置追踪器220输出的发动机位置来执行该延迟测量。在另一示例性的实现方式中,可以通过追踪由角速度追踪器232(“发动机速度”)生成的角速度(角位置相对于时间的改变)、以及将时域延迟乘以发动机速度以产生角度域延迟来执行该延迟测量。在又一实现方式中,可以执行这些延迟测量两者,并且它们的结果进行求和、加权平均或以其他插值方式以获取最终的延迟测量。

接着,可以调节测量缓冲236或以其他方式补偿角度域延迟测量。在一种示例性的实现方式中,测量缓冲236可以从当前发动机位置中减去角度域延迟测量,并且接着将任何新样本从触发复制器212重定向到与经调节的角度相对应的测量缓冲236中的当前信号缓冲区。在另一示例性的实现方式中,测量缓冲236可以用角度域延迟测量注释其条目,当利用相应的测得的气缸压力时,角度域延迟测量可以被引用。

存储在测量缓冲236中的最终值代表角度校准的、时间滤波的、数字化的数据,这些数据在期望的角度范围上与同步于发动机104的角度收集。如前文所述,一旦数据在第一气缸120a的角度兴趣范围上被收集,多路复用器前进触发信号可以触发ADC 204,以转换对应于第二气缸120b的第二模拟气缸压力信号。仅仅是示例性地,第一气缸120a可以经历燃烧事件,而第二气缸120b经历抽吸事件,并且反之亦然,其中燃烧事件角度区域是兴趣区域。由于非重叠的气缸角度运行范围,为了触发的目的,加窗和触发比较器224和228分别可以使用角位置信号的不同组值(例如分别使用第三和第四组值)。

控制器144被配置为利用来自测量缓冲236的测得的气缸压力来控制发动机104。在一种示例性的实现方式中,控制器144被配置为为每个气缸120计算指示平均有效压力(Indicated Mean Effective Pressure,IMEP),然后相应地调整空气充量(charge)消耗率或燃烧率。更具体地,控制器144可以将IMEP输入到火花调整模型中,以获取发动机104的经修改的火花定时(例如,火花提前或火花延迟)。然而,应理解,测得的气缸压力可以用于任何其他由控制器144控制的发动机104的方案。

现在参考图3,图示了用于测量发动机的气缸中的压力的方法300的示例性流程图。在304,控制器144接收表示发动机104的第一气缸120a中的压力的第一模拟气缸压力信号。在308,控制器144接收表示发动机104的角位置的角位置信号。在一种示例性的实现方式中,控制器144在312检测第一触发条件,并且当检测到的时候,方法300前进至316;否则,方法300返回到312。在316,控制器144将第一模拟气缸压力信号转换为第一数字气缸压力信号,通过:(i)在角度域中使用角位置信号为第一模拟气缸压力信号加窗,以及(ii)在时域中采样经加窗的第一模拟气缸压力信号。

在320,控制器144在时域中将数字气缸压力信号滤波,以获取第一经滤波的数字气缸压力信号。在一种示例性的实现方式中,控制器144在324检测由触发比较器228生成的第二触发条件,当检测到时,方法300前进至328;否则,方法300返回到324。在328,控制器144通过使用角位置信号采样第一经滤波的数字气缸压力信号,来在角度域中获取第一气缸120a中的测得的压力。在332,控制器144使用第一气缸120a中的测得的气缸压力来控制发动机104的运行。接着,方法300结束或返回至304,以便于在同样的发动机循环中、使用同样的信号处理组件为发动机104的其他气缸(例如气缸120b)而重复。

应该理解的是,各个例子之间的特征、元件、方法论和/或功能的混合和匹配在本文中可以清楚地预期,因此本领域的技术人员将从本教导中领会到,一个例子中的特征、元件和/或功能可以视情况合并入另一个例子,除非上文进行了相反的描述。

再多了解一些
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