专利名称：用于确定发动机特性参数的指示装置及方法
技术领域：
本发明涉M来确定至少一个发动才;i^性M的指示装置，包括传感器 单元，用来记录随曲轴转角变化的测量^lt;以;SJt过输入端与传感器单;^目
连的计#元。本发明还涉及一种相应的参数计算方法以及一种在发动机控制 系统中的应用。
背景狄
M动机试验台上可肯^f^)成本昂贵的传感装置和指示设备iM^得或者 才Nt测量值算出所有所需的发动才膽性M—其中包^ 皮检内燃发动机(例如
柴油发动才咸汽油发动机)或者其工作特性(例如工作循环过程中的工作棒l"生)
的特征值和錄。指示装置通常也包括一^H言号放大器，可对传感^f言号进行 处理以供继续使用，例如可对信号进4械大、调整、滤波以及/或者数字化。某 些传感器(例如对于指示设备而言特别重要的压电式气缸压力传感器)通常使 用电荷放大器作为信号放大器。但也可以使用例如具有相应的信号放大器的应 变片、压阻式压力传感器、固体声爆震传感器、用于分析声发射M声^^射 的传感器、离子流探针、；^Ob传感器、针阀升程传感器、气门升程或活塞沖程 传感器等。^通常可在后续的独立处理单元中才M居测量錄(例如气缸压力， 曲轴转角等等)计算所需的发动拟射生Wi:，或者对基于时间或所测定的曲轴 转角的所测定的^lt(例如气釭压力)进行分析，从而确^_动才贿性##:， 可以采用在线方式(也iU^j^动才;ui作过程中)或者离线方式(也，^U^事后) 进4ti十算和分析。因此处理单元需要有一个独立的曲轴转角信号输入端，用于 例如输入角度传感器的信号。但也可以不4狄曲轴转角数据^出某些特征值。 例如即使没有曲轴转角数据，也可根梧所测定的气釭压力时间关系曲线来算出 特征值，例>%值压力、燃烧噪声、爆震强度、频率分量、显著信号特征之间
的时间差等等。其它一些重要的Wt(例如平均指示压力，质量交换点(mass conversion point)，燃烧过程，燃烧重心位置，阶次分析的^i:,以曲轴转角度M示的点火延时等等)为了其即使;Ut的确定，除了气缸压力"卜还需要 曲轴转角凝:据，例如掩逸、曲轴;^#-圏的时间、当前角i^复、工作循环*续 时间、工作循环游续时间除以气^il^斤得的商或者任意角度^^岸率的当前旋转 角度。领慢曲轴角度数据当然会增大传感装置的花费。在发动机微台Jiit常 需要花费，以便尽可育fe^确地测定某些M,以及尽可能准确地分析发动才;ux 况，但出于絲方面的考虑，通常^^#这种应用过程中的花费##^^可能 少的程度。当然絲另一个问题，即传感装置和指新更备需要占用空间，且事 后通常要花费大量花费将所需的传感^^ ^动机么。
已知原则上也可才鹏周期性测量信号(例如气缸压力传感器的信号)推导 出曲轴转角lt据。例如AT 388 830 B tt^述了才娘测量信号的周期触发电荷放 大电路的电荷漂移^M尝装置的方法。可以从内部测量信号、或者^J斤连接的外 部信号^i器获得用于触錄置的周期'l"继发信号(即某个曲轴转角数据)。
Gheorghiu V.于1998年在编号为E-30-202^056-8的大会J^L表了;H^"内燃 发动机实时应用仿^^莫型"的文章，探讨:M^根据所测定的压力变化来计算曲轴
转角数据，并且M虑到了曲轴旋转的不均勻性。
这些才M居1^上周期性的测量信号来算出曲轴转角数据的方法仅可得出所 需曲轴转角数据的近似值。所引起的"^t主要源于所使用的曲轴转角数据计算
方法。这些近似方法通常不适合应用于发动机 台，因jMlil今为止并未得到 重视。对于车载测量或指示技M者^^指示器市场而言，这些繁瑣的指示技 术成^it于高昂，JIit于复杂。
已知的电荷放大器具有^^测量信号确定峰值的功能。但是仅可在一定条 件下^^]这些电荷放大器，因为只能算出唯一一个发动才瑜性錄，并且不具 备灵活性。对于一种有价值的应用而言，通常需要树不同的发动才瑜性錄。
发明内容
因jtt^发明的目的在于，阐述一种结构特别简单紧凑、成本低廉、便于安
#使用、能够计算若干重要发动才;i4t性員的指示装置，并且阐述一种相应 的方法。
按照本发明所述，采用下述方式即可实^il种指示装置以A^目应的方法 利用计^"^ 传感器单元所记录的测量##1计算曲轴转角数据，然后才娥l,、
测量;f^t以/^异出的田种称用耍L称异出以J肝田神桥用耍〔循刀"H'; 一个发动才俯性^t，然后将其作为输出信号在输出端上输出。
不同于在发动机试睑台领域的高端指示没备的应用，低端指示设备市场的
应用(例如用于对内燃发动才;ui行im^M、校准、诊断、检测、控制的4狄
本微台，或者量产汽车的车载测彭殳备)，指^i殳备的花费与^^应当很少。 鉴于上述原因，使用传统型指示装置或传感装置无法^^这一点。迄今为止需 ^f吏用已知的指示设备(例如气釭压力传感器)记录测量值，并iHfiy^供给 发动才*制单元(ECU)或者处理单元，在这里测量值通常在考虑其它测量值
测量值进行分析。所JH吏用的传感装置当然会增;^传感器和发动才^制单元 或处理单itii行安装、调试、维护以;sj^:设置所需的时间和成本。规在可釆 用本发明所述的指示装置iMa^这些缺点即在指示装置中没有齡附加的曲 轴转角输入端的情况下计算所需的特性M (否则 "添置昂贵的传感装置以 及信号输入端)，因为如jtb^得的精^以用来计算车载测量设备或者低端指
^w更备范围内的应用以;^其它^f^ft^要求的应用的特性#|史。尤其是利用本^发
明所述的指示装置能够实现较低的投资成本、更容易安^汽车之中、更容易
进行^:设置、节约调试和测量时间、可以传输到外部系统、提高发动才;u9f发
质量同时节约时间(避免重复循环)。J^卜^l^不需要深奥的专业知识即可操 作这种指示装置。通过这种应用也可以有针对化她查找故障(发动机控制系统
部件或者软件结构的故障)。j^卜由于几乎能够任意计算参数，因itbit种指示 ^置的应用方式十分灵活。
对于某些传感器单元而言，在指示装置中最好在传感器单^L^i十^^t^
间配置信号放大器、尤其是电荷放大器，其能够对传感器信号进行处理(例如 放大、调整、滤波和/或数字化)。
如果在计^元中能够单淑艮據测量^lt、也I6I:不使用曲轴转角数据就 能算出附加的特性^lt (例:M^鋒力，燃烧噪声或爆震强度)，则可以进一 步提高本发明所述指示装置的灵活'f沐优点。
此外最好^^析单元配置多个用于不同测量通道的输入端，并ili^一个 测量通道或者具有至少一个测量通道的^-"组测量通iU己置一个独立的计^ 元。可以诏^使得多个计^元能够相互通信，也，^1相互交换数据。最好也可以将唯~个计，元用于戶斤有测l:通道。
例如对于多缸发动才Auh的指示装置而言，多个测量通道的重要lt毋庸置貌 ^-个气釭均酉沐一个独立的气缸压力传感器，且应以所有共同有效的曲轴转
角数梧为基础，对多个气缸压力变^i行分析。这种情况下如果不仅存在一个、 而是存在多个随曲轴转角变化的信号，同时还可以利用发动机几何以及存在于 ^f言号之间的时间或曲轴转角偏差方面的经验知识，则特别有助于计算曲轴转 角数据。
如果将指示装置的所有单元均布置在同一个外壳之中，就育^yf""种特别 紧凑、易于应用JUC其可以减少布M^费的设备。可以将这种设*为"智能传 感器"，因为能够提供所需的信号或数据以"Jl动;Nt性M，划M^需要后 续的分析单元。
如絲指示装置中配置滤波单it^/或信号调整装置和/錄大器，则可以进 一步减少后续单元的花费，因为指示装置已经能够提供按照要泉故大的信号。
如果将发动才/U^制单元^^在指示装置之中，从而进一步减少硬件花费， 就能够进一步提高^JL
这种指示装置特别适宜^^在发动才;Lfe制系乡议中，因为可以直接给发动 才雄制系^^供所需的特性M，这样可减少发动才;U^制系统中的时间花费， 另 一方面也可以减少发动才咸制系统的传感装置的花费。
以下将根提附图1~4所示的有利实施例，对本发明进行洋细解释，但本发 明并不限于这些实施例。其中
附图i本发明所述指示装J^^动才;LjL的iM, 附图2 M不同指示装置的示意图，以及
附图3和4 分别示出本发明所述指示装置的另一个示例。
M实施方式
附图1所示为内燃发动机气缸l的局^f见图。活塞2在缸腔3内运动，在 气缸1上以已知的方式安装气门4以及用于汽油发动机的火花塞5,当然本发明 H^it用于其它燃烧方法的内燃发动机。jH^卜在气釭1上还安装有传感器单元10和分析单元8构成的指示装置6，其扭匕情况下例如用来测量、分析气气缸压力 力。所谓指示装置通常以已知的方式,^it样的装置，即指以很好的精度测 量和/或分析在工作中例如在一个工作循环过程中随时间或曲轴转角变化的发动
才;b则量錄的装置，^a^斤述测量錄并非仅指燃烧情况。如本实施例所示，指
示装置6或者指示装置6的分析单元8可以与发动机控制系统的发动机控制单 元7或者与其它处理单;^目连。
如附图2a的详图所示，指示装置6包括一个用iM^测测量錄的传感器单 元10 (例如压电式压力传感器，应变片，压阻式压力传感器，固体声爆震传感
器，用于分析声发射;s^声发射的传感器，离子淑果针，；^t感器，针阀升
程传感器，气门f^試活塞沖程传感器等)以及一个分析单元8。传感器单元 10和分析单元8通iiit当的导翻目连，通过输入端14 #^感器单元10的信号 提供^^析单元8。在分析单元8中安絲计林元12,例i碏狄理器或者DSP (Digital Signal Processor lt字信号处理器)，可利用计，元将所测定的测量参 数(例如气缸l中的压力)处理成为发动;Mt性^。可以直接在计^4元12 中对测量信号进#^^:转换，或者^itb^前进行转换。在输出端13上以才對k域 数字方 出经过分析单元8的计#^元12处理过的信号。简单的实施型 U将分析单元8衬胖元12设计成唯一的一个单元。
同样也可以在分析单元8上安装一个可以显示所计算的发动才;i^性^t的 显示装置15。
也可以按照已知方式在传感器单元10和计算单元12之间安装一个信号放 大器，尤其A^于压电式传感器的电荷放大器11,如附图2b所示。 一见传感器 的类型而定，可以^^M不同的已知信号放大器电路。对于主要用来测量压 力、力、扭头E^加逸变的压电式传感器而言，电荷放大器(狭义)的原理与静 电计放大器和跨阻故大器(例如电压一电流变换器或者电荷一电流变换器)相 比^r口适用。已知有^f不同的电路可用于电荷放大器(狭义)。
j^卜还可以在指示装置6中，例如在分析单元8中或者在传感器单元10和 分析单元8之间配置图中并a出的滤波单元和/或信号调整装置。
计^-^元12根提所测定的测量#^:计算曲轴转角数据(例如转速，曲轴旋 转一圏的持续时间，当前角#,工作循环游续时间，工作循环游续时间除以 气 ^斤得的商，或者任意角度精度的当前旋转角)，并且才^居所测定的测量^^和算出的曲轴转角数据确^l动拟射生参数或者指示^t (例如平均指示
压力，质量交换点，燃烧过程，燃烧重心位置，阶次分析的^i:,以曲轴转角 度lU/牟f立的点:^时等等)。指示装置6或分析单元8自身并不需要曲轴转 角输入端，因jt时所需传感装置的要^f艮少。例dH口附图l所示，可以通itii
控制单元7或者其它处理单iLi^f滩续处理。分析单元8既可以输出才對>瑜出 信号，也可以输出数字输出信号。
也可以对计胖元12进行任意编程，使得用户可以任意分^fi则量械。这 既包才ti十算曲轴转角数据的方式，也包4封十算哪一个发动才瑜性械。当淑艮 据一个测量^lt也可以推导多个不同的曲轴转角数据，例如不同近^#度的曲 轴转角数据，可以将其与测量;f^t-"^i行分析，得出不同的发动才麟性^lt
变化并且可以用来推导曲轴转角数悟的員)可作为测量^IL尤其是具有循 环周期特性(4冲禾谈动机为720°, 2冲禾1J^动机为360°)或者至少具有这种信 号分量的参 _有利的。其它信号分量(尤其K动才几瞬变工况或者外部影响 引起的信号^J:)不适宜用来计算曲轴转角数椐。例如可以4M下列M:气 缸压力、气缸内的火光、气缸内的离子流、点火电压、点火电流、喷油压力、 (例如气缸盖或者耐火盖上的)积*^动、固体声、空气噪声以及吸入空M废
气的压力脉动。e^可用^M^则这些錄的传感器。当发动才;ut^4定工况时，
这些Wtl4Ui是周期性的信号。但在真实的发动才;iii:转过程中，发动机工况
会因为加速或减速而不断变化。例如在发动^l^动或者急加速过程中， 工作循环内的角速度就会^i变化，因此用于分冲^则量^^t的常规FFT分析方 法通常不起作用，必须^^J经it^ii的方法，例如AT001519U所^Hf的内燃
发动才;^4测^r法。
可以#^此算出的发动才贿性|^##在后续处理单元中作为指示变量，
从而可以事后分析所记录的测量数据和发动才;ii^行;I^L可想而知，同#^可
的燃烧(如在i油发动机的爆震或满负荷的情况下)，或者用来改，菱性(例 如在燃烧噪声方面)，或者仅用来监测连续运转情况。但也可将这种发动才麟
性Wt用于车载测量设备以^L^动机控制系统。例如可以佳月发动才/i4争性^ita制:^动才A^者;l动才;L的某些方面(例如燃烧)，或者^4t变化的发动M 态适配发动M制系统(例^#^所保存的发动才峰^#性曲线)。同样也可 以通im测某些发动才械性^ltJM只别、显示发动机内的问题。
特别重要的;l^^斤完成内燃发动才M且合系统的能量流或调整能量或功率平 衡。对于电动机而言，可以比较简单船艮椐例如可电气测量的^l!t来测定输入 或输出功率；而对于内燃发动机而言，通常需要使用时间精度相对较高的积械 和/或热力学测量装置，也f议能够计算所需要的当前的或者在一个燃烧循环过 程中产生的平均功率和能量并且可将其用于进行分析的指示装置。因此也可有 利地将本发明所述的指示装置用于这些应用。
显而易见，除了用来计算曲轴转角数据的发动;Wt性^lfc^卜，还可以任 意计算其它发动4;i4t性^lt即没有曲轴转角数据也能直樹艮悟所测量的测量
#1^推导出来的发动,性##1。可以通过输出端13将这些发动才麟性^lfc传 條发动城制单元7或者另 一个处錄置。
同#^可以考虑，也可将发动才建制单元7^^在指示装置6之中。分析 单元8可以对传感器信号进行分析，同时i^'j控制发动机的作用，或者直接 由通常包t个计^"元(例如孩谈理器)的发动才雄制单元7对这些信号进 行分析，从而能够省去指示装置6中的附加分析单元8。
当然同样也可以在分析单元8中配置多个用于^t测量M的测量通道， 如附图3所示。为此可以在分析单元8 JJ^—个测量通道安排一个自身的输 入端14。这样就可以利用一个指示装置6或者利用分析单元8对多*感器单 元10的测量参数进行处理和分析。例如可以将不同的传感器单元10布置M 动机的不同部位上，或者在每一个气釭上安装一个用来^r测气缸压力的压力传 感器。这些其它的测量^lt^指示装置6中可以根提曲轴转角进行分析(其中 根悟至少一个测量^lt推导出所需的曲轴转角数据)或者不根椐曲轴转角数据 进行分析。当然只對艮悟一个测量^lt就足以计算出曲轴转角数悟。但同#^ 可以针对4射可一个测量##^计算曲轴转角数悟。
同样也可以在分析单元8中^"-个测量通^S己置一个计^4元12，如附 图3所示，或者也可以[个测量通道或由至少一个测量通道构成的一组测量 通^己置一个计#^元，如附图4所示。当然同才ft^可以将所需的电荷放大器 11直^"絲传感器单元10之中。指示装置6的^^件当然也可以安絲一个共同的外壳9之中，如附图 2c)所示，从而构錯别便于^U的"智能传感器"。这种封闭的外壳9当然也 可以省耕感器10 ^i十料元12之间所需要的夕h^的布线。指示装置6已包 含分析测量信号所需的所有单元。
可以按照早已为A/斤知的方式，预先通對目应的软件对指示装置6或分析
单元8或^i十^元12进行^i^a:，例如传感器单元10的灵^tl或^f率。
可想而知，也可以自动进行#|^ ，即在学习过程中对指示装置6或其部件 进行自动錄亂
上述指示装置可以用于任意配置和环境下的内燃发动机，尤其可用于^"f可 微台，例如可安絲F&E微台或者生产微台上，可单独安絲内燃发动 ;Kh例如作为驱动装置、辅助驱动装置或者作发电机，或者与其它部件组^f吏 用，例如与传动系的部件、整W动系组^f吏用，或者安^汽车之中。可想 而知，当然也可用于常规应用(it^或水上应用等等)，也可以在车间、船塢 等等中親
权利要求
1.用来确定至少一个发动机特性参数的指示装置，包括传感器单元(10)，该传感器单元用来记录具有随曲轴转角变化的分量的测量参数；以及计算单元(12)，该计算单元通过输入端(14)与传感器单元(10)相连接；其特征在于，计算单元(12)根据利用传感器单元(10)记录的测量参数计算曲轴转角数据，并且根据所述测量参数以及算出的曲轴转角数据确定所述至少一个以了解曲轴转角数据为前提条件的发动机特性参数，然后将其作为输出信号在输出端(13)上输出。
2. ##权利要求1所述的指示装置，其特^^于，在指示装置(6)中在传 感器单元(10)和计料元(12)之间设置信号放大器(11)、尤其是电荷放 大器。
3. 才^^U'J要求1或2所述的指示装置，^##于，在计，元(12) 中单淑娥所述测量^lt就能够确定附加的棒性錄'
4. 才M^5U'J要求l-3中^-项所述的指示装置，^##于，iM具有多 个用于M不同测量通道的输入端(14)的分析单元(8)，且为^""个测量通 道iU—个自身的计^元(12)。
5. 才N^U'J要求l 3中^-项所述的指示装置，其特征在于，诏！具有多 个用于各种不同测量通道的输入端的分析单元(8) ， JLil些测量通逸或者一组 测量通道具有唯~个计胖元(12)。
6. 根据权利要求1~5中任一项所述的指示装置，其特征在于，在指示装置 (6)中iM滤波单^/或信号调整装置和/或放大器。
7. 才N^权利要求1 ~ 6中任一项所述的指示装置，其特征在于，指示装置(6) 安^fe—个共同的外壳(9)之中。
8. 才緣^U'J要求1 ~ 7中^""项所述的指示装置，其特棘于，指示装置(6) 包括一个发动机控制单元(7)。
9. 才娥权利要求8所述的指示装置，其特征在于，以发动机控制单元(7) 的计^元作为分析单元。
10. 具有权利要求1 ~ 7中^-"项所述指示装置的发动才雄制系统，其 特棘于，指示装置(6)与发动才雄制单元(7)相连，并且向发动才雄制单元(7)提供至少一个发动才踏性参数，在发动才咸制单元(7)中使用所^ 动冊性^W"发动城储制。
11. 用于确定至少一个发动才*性##:的方法，将指示装置(6)安装 4^动才咸者发动机廷、肚，并iU'J用指示装置(6)的传感器单元(10) ^r测 具有随曲轴转角变化的分量的测量M,其特征在于，指示装置(6)的计# 元(8)才 所述测量#^计算出曲轴转角数据，并划娘所述测量綠以及算出的曲轴转角数据确^^动才;i4t性^IL
12. 才^t拟'J^"求11所述的方法，^ft絲于，确定单淑m测量参数就能够确定的附加的棒性参数。
13. #^^']要求11或12所述的方法，^#征在于，在发动M制系 统的发动才膽制单元(7)中^^I发动;Nt性^a^制发动机。
全文摘要
为了减少内燃发动机上的指示装置6测定参数的繁杂程度，本发明建议在指示装置6的计算单元8中根据某一测量参数计算曲轴转角数据，然后根据算出的曲轴转角数据以及测量参数算出某一个特性参数。
文档编号F02D35/02GK101652550SQ200880005000
公开日2010年2月17日 申请日期2008年2月4日 优先权日2007年2月15日
发明者G·费尔尼兹, J·莫伊克, K·莱特迈尔, K-C·哈姆斯, M·瑞泽霍斯卡, R·太彻曼 申请人:Avl里斯脱有限公司