一种发动机进气量功能安全监控方法、系统及其车辆与流程

1.本发明涉及一种安全监控方法、系统及其车辆，尤其涉及一种发动机进气量功能安全监控方法、系统及其车辆。


背景技术：

2.在功能安全的需求中，监控层独立于功能层来实现对功能层的监控作用，但在实际工程项目中，由于设计和成本的原因，大多数情况下，功能层和监控层是同用一个传感器的输入信号的，如果输入信号有问题，整个监控系统会产生共因失效，所以我们应该对监控层用到的所有输入信号都进行监控或限制，从而提高功能安全监控的可靠性，一旦发现输入信号不可信立即进行安全监控的故障响应。而进气量作为直接与动力输出相关的输入量，其重要程度可想而知。
3.现有发动机进气量功能安全监控策略：通过节气门的开度输入和转速输入进行进气量最小值的估算，同时还要考虑增压器的因素，这就需要有经验的标定工程师在不同工况下进行确定，工作量巨大，其次在发动机运行的不同阶段需要制定策略进行监控的优化，增加了功能安全程序的复杂度。而这些工作的最终目的就是要估算出一个尽可能真实的进气量最小值与进气流量传感器测得的进气量进行比较监控，而且只能监控进气量过小的情况，所以这是一个不精确的监控策略。
4.综上所述，在传统的进气量功能安全监控方法中，由于进气量相关传感器的限制(不能形成冗余)，需要在不同工况下估计或标定一个最小进气量值，来监控进气量相关传感器采集值过小的故障，避免由于进气量过小导致的实际扭矩计算值过小，造成功能安全扭矩监控失效，此方法对工程师的经验要求较高，且监控精度和环境适应性差。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种发动机进气量功能安全监控方法、系统及其车辆，首先要解决的技术问题是基于功率安全的冗余原则，通常多种传感器采集传感信号，再通过独立的计算方法进行计算，在确保冗余量的基础上达到对发动机进气量进行功能安全监控的目的。
6.本发明要解决的另一个技术问题是根据监控模型对三个传感器两两失效(同时断路或短路)的情况进行验证，充分满足了功能安全监控的冗余条件，提高了进气量在各个环境下的监控精度，还能同时监控进气量过小和过大的情况，提高了进气量值的可靠性。
7.本发明提供了下述方案：
8.一种基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法，具体包括：
9.采集进气量、增压压力和节气门后进气压力，设定主充模型并进行计算，输出主充进气量；
10.接收节气门开度参数、增压压力参数和节后门后进气压力参数，设定次充模型并进行计算，输出次充进气量；
11.对主充进气量和次充进气量进行比较，决策输出对应的安全监控策略。
12.进一步的，利用空气流量计、增压压力传感器和节气门后进气压力传感器分别采集进气量、增压压力和节气门后进气压力传感信号。
13.进一步的，空气流量计的输出信号是sent信号，主充模型根据信号值设定标定量和策略来计算进气量的值；
14.增压压力传感器和节气门后进气压力传感器的输出信号为模拟信号，次充模型根据模拟信号值设定标定量和策略计算增压压力和节后门后进气压力。
15.进一步的，根据节气门开度和节气门前后气流压比，计算实际流经节气门的空气质量流量。
16.进一步的，当气门开度在95％以上时，需要在设定阈值时引入节气门开度信息，根据不同的节气门开度标定不同的阈值进行限制。
17.进一步的，所述决策输出对应的安全监控策略具体包括：在故障响应监控中检测到转速超限，停止跛行模式，关闭功率器件，触发主控制系统复位，发动机进入安全模式。
18.一种基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控系统，具体包括：
19.主充进气量输出模块，采集进气量、增压压力和节气门后进气压力，设定主充模型并进行计算，输出主充进气量；
20.次充进气量输出模块，接收节气门开度参数、增压压力参数和节后门后进气压力参数，设定次充模型并进行计算，输出次充进气量；
21.安全监控策略决策输出模块，对主充进气量和次充进气量进行比较，决策输出对应的安全监控策略。
22.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；所述存储器中存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述方法的步骤。
23.一种计算机可读存储介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在所述电子设备上运行时，使得所述电子设备执行所述方法的步骤。
24.一种车辆，其特征在于，具体包括：
25.电子设备，用于实现基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法；
26.处理器，所述处理器运行程序，当所述程序运行时，对于从所述电子设备输出的数据执行所述基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法的步骤；
27.存储介质，用于存储程序，所述程序在运行时，对于从电子设备输出的数据执行所述基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法的步骤。
28.本发明与现有技术相比具有以下的优点：
29.本发明基于功能安全的冗余原则，运用了三种不同的传感器，通过两种独立的方法对进气量进行计算，首先采集空气流量传感器的参数进行进气量计算，再采集节气门位置传感器(已经由相关功能安全监控确定其可信度，不算在冗余系统中)、增压压力传感器和节气门后进气压力传感器的参数进行进气量计算，通过对比这两个冗余的进气量值，达到对发动机进气量进行功能安全监控的目的。
30.本发明充分利用了足够的进气量相关传感器形成的冗余关系，使两种独立计算进气量的方法所用数据由不同的三个传感器采集所得，且两者所用传感器没有交互关系，还
根据监控模型对三个传感器两两失效(同时断路或短路)的情况进行了验证(三种传感器同时失效和两两失真但没有被监控出来这两种情况在功能安全概念中属于极小概率事件，可以不予验证)，充分满足了功能安全监控的冗余条件。本发明提高了进气量这个重要输入在各个环境下的监控精度，还能同时监控进气量过小和过大的情况，真正提高了进气量值的可靠性。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1是本发明实施例基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法的流程图。
33.图2是本发明实施例基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控系统的架构图。
34.图3是汽油机电子控制系统进气量监控功能框图。
35.图4是次充进气量计算模型功能原理图。
36.图5是理论配比喷油量与相对进气量比较功能原理图。
37.图6是电子设备的结构示意图。
具体实施方式
38.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.如图1所示的基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方的流程，具体包括：
40.步骤s1：采集进气量、增压压力和节气门后进气压力，设定主充模型并进行计算，输出主充进气量；
41.具体的，利用空气流量计、增压压力传感器和节气门后进气压力传感器分别采集进气量、增压压力和节气门后进气压力传感信号；
42.具体的，空气流量计的输出信号是sent信号，主充模型根据信号值设定标定量和策略来计算进气量的值；
43.增压压力传感器和节气门后进气压力传感器的输出信号为模拟信号，次充模型根据模拟信号值设定标定量和策略计算增压压力和节后门后进气压力；
44.具体的，根据节气门开度和节气门前后气流压比，计算实际流经节气门的空气质量流量。
45.步骤s2：接收节气门开度参数、增压压力参数和节后门后进气压力参数，设定次充模型并进行计算，输出次充进气量；
46.具体的，当气门开度在95％以上时，需要在设定阈值时引入节气门开度信息，根据不同的节气门开度标定不同的阈值进行限制；
47.步骤s3：对主充进气量和次充进气量进行比较，决策输出对应的安全监控策略；
48.具体的，决策输出对应的安全监控策略，具体包括：在故障响应监控中检测到转速
超限，停止跛行模式，关闭功率器件，触发主控制系统复位，发动机进入安全模式。
49.对于上述实施例公开的方法步骤，出于简单描述的目的将方法步骤表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
50.如图2所示的本发明实施例基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控系统，具体包括：
51.主充进气量输出模块，采集进气量、增压压力和节气门后进气压力，设定主充模型并进行计算，输出主充进气量；
52.次充进气量输出模块，接收节气门开度参数、增压压力参数和节后门后进气压力参数，设定次充模型并进行计算，输出次充进气量；
53.安全监控策略决策输出模块，对主充进气量和次充进气量进行比较，决策输出对应的安全监控策略。
54.值得注意的是，虽然在本实施例中只披露了一些基本功能模块，但并不意味着本系统的组成仅仅局限于上述基本功能模块，相反，本实施例所要表达的意思是：在上述基本功能模块的基础之上本领域技术人员可以结合现有技术任意添加一个或多个功能模块，形成无穷多个实施例或技术方案，也就是说本系统是开放式而非封闭式的，不能因为本实施例仅仅披露了个别基本功能模块，就认为本发明权利要求的保护范围局限于所公开的基本功能模块。同时，为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元、模块分别描述。当然在实施本发明时可以把各单元、模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
55.以上所描述的系统的实施方式仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施方式方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
56.如图3所述的汽油机电子控制系统进气量监控功能框图：本发明实施例由三个功能部分组成，第一部分为用三个传感器采集的参数计算得出相应的输入量值(进气量、增压压力和节气门后进气压力)，第二部分为用节气门开度、增压压力和节气门后进气压力等输入量计算得出另一个冗余的进气量值，第三部分为进气量值的比较功能。我们把通过空气流量计来进行采集计算得出进气量的模型叫做主充模型，把通过增压压力传感器和节气门后进气压力传感器来进行采集计算，并结合节气门开度信息(已监控)得出进气量的模型叫做次充模型，最后对两路计算得进气量值进行比较监控。
57.1，相关输入量计算模型：
58.此模块根据电控系统采集的不同类型传感器的参数进行相关输入量的计算，传感器的输出信号可以分类分为sent信号，模拟信号和频率信号。主充进气量是通过空气流量计的采集参数进行计算得出，空气流量计的输出信号是sent信号，模型根据信号值设定标定量和策略来计算进气量的值。而增压压力传感器和节气门后进气压力传感器的输出信号是模拟信号，同样模型根据模拟信号值设定标定量和策略来计算增压压力和节气门后进气
压力。此模块的功能是正确的计算出主充进气量和次充进气量计算所要求的相关输入量(增压压力和节气门后进气压力)。
59.2，次充进气量计算模型：
60.该模块主要功能是根据节气门开度和节气门前后气流压比计算实际流经节气门的空气质量流量，它与主充模型的计算结果一起在本发明中对进气量的监控起着重要作用。
61.次充进气量计算模型由以下两个功能子模块组成：计算由节气门前后气流压比和圣维南影响因子子模块，根据节气门开度信息和圣维南影响因子加上偏移量计算流经节气门的空气质量流量子模块。此处的发明点为对实际流经节气门的空气质量流量计算模型进行了合理的简化，虽然计算精度有些许的影响，但是完全可以满足监控需求，同时也是为了遵守功能安全标准中对模型构建复杂度的要求，使模型更趋向于简洁，去掉了对计算结果影响较小且构建复杂的模块，同时设定合理的阈值以满足监控需求，从这个角度讲，本发明实施例是以安全监控为目标，在功能安全要求方面对实际流经节气门的空气质量流量计算模型进行了相应的优化。
62.如图4所示，下面将对模型简化部分进行介绍：
63.(1)简化了根据节气门开度信息计算流经节气门的空气质量流量子模块，本发明不再引进节气门开度在95％以上工况下计算进气量的复杂策略，所以节气门开度在95％以上时，本模型计算所得进气量值存在误差，需要在设定阈值时引入节气门开度信息，根据不同的节气门开度标定不同的阈值进行限制，既要满足进气量安全监控的要求，又要避免出现误报。
64.(2)简化流经节气门的标称空气质量流量偏移量的计算，此偏移量是由气流的快慢转换和漏气等现象产生的，在车辆实际工作过程中，此变量总会围绕一个标定量变化，且变化范围很小，而在大多数时间内它们的值几乎是一致的，所以本发明直接用这个标定量代替了偏移量复杂的计算过程。
65.(3)修改了流经节气门的空气质量流量密度修正因子的计算，此修正因子用于计算圣维南影响因子，由温度修正、压力修正和功能层主次充校验修正计算得来，因为功能安全监控的冗余原则，在监控层主次充进气量的计算必须是独立的，所以本发明去掉了主次充校验修正因子的影响，使主次充计算所得进气量之间能够不受干涉的相互监控。
66.如图5所示，主次充进气量的比较功能：
67.比较主次充模型计算得进气量，只有当没有其他节气门断电故障响应时进气量比较才需要进行。因为这时安全监控退出扭矩监控模式进入转速监控模式，不再需要对进气量进行监控。
68.监控层进气量比较进行的必要条件是设定合适的阈值标定，根据节气门开度信息和发动机转速标定合适的二维数据表格，在转速较低、较高和节气门开度大于95％时适当放开阈值，既要满足监控要求又要避免误报故障。当主次充计算进气量值的偏差超出最大允许值，意味着进气量相关传感器存在问题，而进气量传感器测量数据偏小会使监控层计算得出的实际扭矩偏小，这是一个潜在的危险情况。进气量监控检测到错误时累计故障时间，当故障时间超过最大允许值时，将触发故障响应：置进气量监控故障标志位；置节气门关断标志位；关断节气门使能，进入跛行模式，进入故障响应监控。本发明还对三个进气量
监控相关的传感器进行了两两失效的验证，在三个中挑选两个分别组合，对其进行短路和断路的故障模型，验证此时进气量监控功能是否起作用，报出安全监控故障。
69.如果在故障响应监控中检测到转速超限，说明跛行模式故障，为保证安全，跛行模式不能再继续运行。安全监控功能将关闭功率器件，触发主控制系统复位，复位后不再尝试重新控制发动机而是进入安全模式。
70.如图6所示，本发明实施例还公开了与基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法、系统对应的电子设备和存储介质：
71.一种电子设备，包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，
72.处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；所述存储器中存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法的步骤。
73.一种计算机可读存储介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在所述电子设备上运行时，使得所述电子设备执行基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法的步骤。
74.一种车辆，具体包括：
75.电子设备，用于实现基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法；
76.处理器，所述处理器运行程序，当所述程序运行时，对于从所述电子设备输出的数据执行基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法的步骤；
77.存储介质，用于存储程序，所述程序在运行时，对于从电子设备输出的数据执行基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法的步骤。
78.上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor,np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processor,dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit,asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
79.上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，eisa)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
80.电子设备包括硬件层，运行在硬件层之上的操作系统层，以及运行在操作系统上的应用层。该硬件层包括中央处理器(cpu，central processing unit)、内存管理单元(mmu，memory management unit)和内存等硬件。该操作系统可以是任意一种或多种通过进程(process)实现电子设备控制的计算机操作系统，例如，linux操作系统、unix操作系统、android操作系统、ios操作系统或windows操作系统等。并且在本发明实施例中该电子设备可以是智能手机、平板电脑等手持设备，也可以是桌面计算机、便携式计算机等电子设备，本发明实施例中并未特别限定。
81.本发明实施例中的电子设备控制的执行主体可以是电子设备，或者是电子设备中能够调用程序并执行程序的功能模块。电子设备可以获取到存储介质对应的固件，存储介质对应的固件由供应商提供，不同存储介质对应的固件可以相同可以不同，在此不做限定。
电子设备获取到存储介质对应的固件后，可以将该存储介质对应的固件写入存储介质中，具体地是往该存储介质中烧入该存储介质对应固件。将固件烧入存储介质的过程可以采用现有技术实现，在本发明实施例中不做赘述。
82.电子设备还可以获取到存储介质对应的重置命令，存储介质对应的重置命令由供应商提供，不同存储介质对应的重置命令可以相同可以不同，在此不做限定。
83.此时电子设备的存储介质为写入了对应的固件的存储介质，电子设备可以在写入了对应的固件的存储介质中响应该存储介质对应的重置命令，从而电子设备根据存储介质对应的重置命令，对该写入对应的固件的存储介质进行重置。根据重置命令对存储介质进行重置的过程可以现有技术实现，在本发明实施例中不做赘述。
84.本发明实施例还公开了与基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法、系统、电子设备和存储介质对应的车辆：
85.一种车辆，具体包括：
86.电子设备，用于实现基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法；
87.处理器，所述处理器运行程序，当所述程序运行时，对于从所述电子设备输出的数据执行基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法的步骤；
88.存储介质，用于存储程序，所述程序在运行时，对于从电子设备输出的数据执行基于冗余原理的发动机进气量功能安全监控方法的步骤。
89.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
90.需要说明的是，本说明书与权利要求中使用了某些词汇来指称特定元件。本领域技术人员应可以理解，不同的制造商、生产厂商可能会用不同名词来称呼同一个元件。本说明书与权利要求并不以名词的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区分的准则。
91.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
92.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
93.另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
94.本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合
对本说明书(包括相应的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括相应的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
95.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
96.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
97.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。