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专利名称：通过与传动轴一体的齿轮装置测定内燃机传动轴角加速度的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过与传动轴一体的齿轮装置发现内燃机传动轴角加速度的方法。
背景技术：
在具有点火控制的内燃机中，术语“失火(misfire)现象”或失火指的是在一个或多个气缸中的燃烧不良现象发生；具体的，失火指的是当火花塞产生火花能量不足或没有能量时导致的点火失火，或是由于供应燃料不足或没有燃料供应导致的喷射失火。
失火现象的存在证实为特别有害，这是由于不良燃烧导致内燃机性能降低、内燃机排放污染程度增加和可能的催化剂的永久损伤。因此，欧洲法规(尤其是欧盟油耗污染法规European Directive 70/220和其相继的修订)对机动车辆在排放上的限制规定了对失火现象的有效识别以及通过置于仪表板上的闪光装置警示驾驶员失火现象的存在。更具体的，欧洲在机动车辆排放限制上的法规规定当在一个第一时间区间(例如1000上止点(1000 TDC-top dead centers))内的失火数目超过一个第一阈值时需警示排放污染程度增加，以及当在一个第二时间区间(例如200上止点(200 TDC-top dead centers))内的失火数目超过一个第二阈值时需警示催化剂的永久损伤。
现在，失火现象的识别是间接进行的，即，通过分析传动轴角加速度的瞬值或内燃机扭矩的瞬值，这是因为通过在每个气缸中设置传感器来直接分析燃烧的方法由于成本的原因而证实为不适用。
最广泛应用的识别失火现象的方法在于分析传动轴的角加速度；具体的，例如在专利申请EP-0637738-A1中所描述的，采用由与传动轴一体的齿轮，也称作发音轮，提供的信号，来计算相对所述传动轴给定角位置的传动轴角加速度值，并且当传动轴的角加速度绝对值大于一个给定的阈值时失火现象被识别。显然，所述齿轮的任何结构(椭圆度)或装配(离心度)的不规则性应当得到补偿以防止该不规则与所述齿轮的速度波动产生混淆，且导致在控制策略应用中的后续错误。齿轮转速的分析通过考虑一个包含产生内燃机扭矩的的一个单一点的、即一个上止点的、角度窗口；由于上止点在齿轮的整个回转过程上的分布是气缸个数的函数，并且由于齿轮的每个齿都必须进行补偿，显然对齿轮不规则的补偿方法必须考虑进系统中气缸的数量。
一些通过齿轮装置测定传动轴角加速度的方法已经提出，这些方法对所述齿轮上的任何不规则都补偿；任何齿轮不规则的补偿通过确定一个修正系数向量来进行，其中每一个修正系数加到各自通过齿轮读数的测量结果中。修正系数值是在燃料切断阶段行程确定的，这是因为在此方式下不存在燃烧的影响且没有产生进一步的扭矩来干扰齿轮速度的测量。
然而，每个提出的补偿齿轮任何不规则的方法均设计为对应其各自的气缸数，因此证实为不适用于一个气缸数预先未知的内燃机。因此，需要为各种气缸个数均制造能够识别失火现象的电子转换器件，其结果因缺少标准化而导致成本增加，或者需要在一个电子转换器件中实施多种方法以补偿齿轮的任何不规则，依内燃机气缸数来选用，其结果是电子转换器件内存用得更大而导致成本增加。

发明内容
本发明的目的在于提供一种通过与所述传动轴一体的齿轮装置测定内燃机传动轴角加速度的方法，所述方法不具有上述的任何缺点并且，尤其是，能够与一个具有预先未知气缸数的内燃机配合。
根据本发明，一种通过与所述传动轴一体的齿轮装置测定内燃机传动轴角加速度的方法，所述方法包含下列步骤
在传动轴的每个完整的转程中，识别多个具有相同幅值的角测量线；应用齿轮提供的信号测量所述传动轴转过每个角测量线所用的时间；将一个考虑进相应角测量线上的齿轮任何不对称的对应修正系数代数地加到所述传动轴转过每个角测量线所用的时间上；以及依据所述传动轴转过每个角测量线所用时间确定传动轴的角加速度值；所述修正系数值在内燃机燃料切断阶段行程确定；所述方法的特征在于在燃料切断阶段行程，所述传动轴转过角测量线所用的各个时间，若气缸数为偶数在半个燃烧阶段记录下来，若气缸数为奇数则在整个燃烧阶段记录下来；利用所述传动轴转过角测量线所用的各个时间的，在传动轴角度/时间的平面内，确定一条直线内插所述传动轴转过角测量线所用时间进程的理想行程；以及对第i个角测量线，修正系数的绝对值等于所述传动轴转过第i个角测量线所用时间的测量值、与通过所述测量值在所述直线上以一个恒定角度投影得到的所述传动轴转过第i个角测量线所用时间的相应值之间的差值。


本发明将参照附图，通过示出一个本发明非穷举性的实施方式进行描述，在附图中图1为一个设置了控制转换器的内燃机侧面局部视图，其实施了本发明主题的失火现象识别方法；图2为一个图表，标出在燃料切断阶段行程，每个齿轮转过一个读数传感器的时间值，该时间值是所述齿轮的角位置的一个函数；图表示出，实线为齿轮存在不规则的真实状况，以及，虚线为齿轮不存在不规则的理想状况；图3为一个图表示出在角θ/时间T的平面内，图1中的具有四气缸的内燃机在其操作过程中，所用控制转换器应用的一些值；以及图4为一个图表示出在角θ/时间T的平面内，具有三气缸的内燃机在其操作过程中，所用控制转换器应用的一些值。
具体实施例方式
图1中，标号1总体上指代一个供应汽油并包含四个气缸2的内燃机，每个气缸各自容纳一个机械地连接到一根传动轴4的活塞3，以向所述传动轴4传递由汽油在各自气缸2内燃烧所产生的力。在传动轴4上紧固有一个齿轮5(也称作发音轮)，齿轮5具有六十个齿6且耦连在一个磁传感器7上，磁传感器7能够测定两个相继齿6通过所用的时间。内燃机1还包括一个连接到传感器7上的控制转换器8，控制转换器8运用耦连在齿轮5上的传感器7提供的信息能够识别发生在气缸2内的失火现象。
对传动轴4的每个完整转程(以及因此齿轮的每个完整转程)，估算传动轴4角加速度值acc，且估算次数等于传动轴4的一个完整转程内进行燃烧的气缸2的数目，并且分析传动轴4的角加速度值acc来表明任何的失火现象存在；参照图1中的内燃机1，在传动轴4的每个完整转程内估计了两个传动轴4角加速度值acc。
在传动轴4的每个完整转程内，识别两个(与在传动轴4的一个完整转程内进行燃烧的气缸2数目相等)具有相等幅值的角测量线，测量传动轴4转过每个角测量线所用时间，并且传动轴4在第i个瞬间的角加速度值acc用下式确定acci=Ti+1-TiTi3]]>式中
acci为传动轴4在第i个瞬间的角加速度；Ti+1为传动轴4转过第i+1个角测量线所用时间；Ti为传动轴4转过第i个角测量线所用时间。
传动轴4转过每个角测量线所用时间通过应用齿轮5提供的信号测量；也就是说，每个角测量线具有一个与齿轮5在3和12之间数目的齿6相等的角幅值。优选的，每个角测量线大致与相应活塞3的膨胀行程相同，或至少与相应活塞3的膨胀行程部分重叠。
齿轮5可能受到不对称问题(最常见的缺陷为椭圆度和离心度)影响，该问题导致在齿间时段产生随机的波动，所述齿间时段即为每个齿6相应转过传感器1所用时间。图2的图表示出，在一个燃料切断阶段行程中的齿间时段为齿轮5的角位置的函数；在图表中实线代表齿轮存在不规则的真实状况，以及虚线代表齿轮不存在不规则的理想状况。齿间时段的随机波动通过测量传动轴4转过每个角测量线所用的时间Ti反映出来，且继续在传动轴4的角加速度估计值acc反映出来；因此，齿轮5未补偿的不对称问题可具有扭曲失火现象记录的影响。
为了补偿齿轮5的任何不对称，一个对应的修正系数Ki代数地加到传动轴4转过第i个角测量线所用的每个时间Ti上，所述修正系数Ki考虑进了任何齿轮5在相应第i个角测量线上的任何不对称。
修正系数Ki的值通过控制转换器8在燃料切断阶段行程确定，这是因为此方式下不存在燃烧的影响且没有产生进一步的扭矩来干扰齿轮速度的测量。气缸数(在图1所示内燃机1的情形下等于四)称为ncyl(thenumber of the cylinders)，系数M的值确定为，若气缸数ncyl为奇数时等于ncyl的值，若气缸数ncyl为偶数时等于ncyl值的一半M＝ncyl/2若ncyl为偶数M＝ncyl 若ncyl为奇数在燃料切断阶段行程中，若气缸数ncyl为偶数，传动轴4转过角测量线所用的各个时间Ti在半个燃烧阶段(360°，等于齿轮5的一个完整转程)记录下来，若气缸数ncyl为奇数，传动轴4转过角测量线所用的各个时间Ti在整个燃烧阶段(720°，齿轮5的两个完整转程)记录下来；每个时间Ti均与传动轴在第i个角测量线的一个预定点(通常为中间点)的相应角度θi相关联。如图3所示，每一对θi、Ti的值对应各自在角θi/时间T平面内的点Xi；应当注意到点Xi的角θi为一个相同角度值(等于360°/M，即在具有4个气缸的内燃机1的情形下等于180°)的倍数。
假设在燃料切断阶段，至少在一个由少数几个传动轴4的完整转程构成的时间区间内，传动轴4的转动角速度线性降低；依照此假设，可以确定一条直线r，其内插传动轴4转过角测量线所用时间Ti进程的理想行程，并且，为了定义一条这样的直线r，两个点Xmold和Xm通过下列方程式(点Xmold和Xm分别对应当前燃烧和前一燃烧)在此直线上确定Xm,Xmold(θ,T)=Σi=1MXiM]]>θX=Σi=1MθiM]]>TX=Σi=1MTiM]]>式中，θX为点Xm，Xmold的角度值，以及TX为点Xm，Xmold的时间值。一个直线r的梯度S由下式计算S=TXm-TXmoldM]]>式中，TXm为点Xm的时间值，以及TXmold为点Xmold的时间值。
点Xi(θi，Ti)在直线r上以恒定角度的投影Xpi(θpi，Tpi)通过下列方程式计算
式中，TXmold为点Xmold的时间值；应当注意到由于Xi在直线r上的投影通过一个恒定的角度进行，θpi与θi相同。
对第i个角测量线，修正系数Ki的绝对值等于Ki＝Tpi-Ti式中，Ti为点Xi的时间值，而Tpi为如上所述通过点X在直线r上投影所得到的点Xpi的时间值。
修正系数KiNOR的标准值等于KiNOR=Tpi-TiTi]]>换句话说，在燃料切断阶段行程中，若气缸2数ncyl为偶数，传动轴4转过角测量线所用的各个时间Ti在半个燃烧阶段记录下来，若气缸2数ncyl为奇数，传动轴4转过角测量线所用的各个时间Ti在整个燃烧阶段记录下来；通过传动轴4转过角测量线所用的各个时间Ti的方式，可以确定一条直线r，其内插传动轴4转过角测量线所用时间Ti进程在传动轴4的角θ/时间T的平面内的理想行程。最后，对于第i个角测量线，修正系数Ki的绝对值等于所述传动轴4转过第i个角测量线所用时间的测量值与通过所述测量值在所述直线r上以一个恒定角度投影得到的所述传动轴转过第i个角测量线所用时间相应值Tpi之间的差值。
正常的，传动轴4转动速度值之整个工作范围(例如在图1中的内燃机1情形中的1500rpm-6000rpm)细分为转动速度带，并且，对每个带的修正系数KiNOR的标准值通过上述方法确定。显然，增加转动速度带数会提高修正系数KiNOR的质量，但是同时也增加了用在控制转换器8中的内存容量。在内燃机1的寿命期间，多次计算每个转动速度带的修正系数KiNOR的标准值，实际应用于补偿齿轮5的不对称的值是计算值的加权平均结果。
图4示出在角θ/时间T平面内的图表，类似图3中的图表，唯一的不同在于图3的图表基于图1中的具有四气缸2的内燃机1，而图4中的图表基于一个具有三气缸的内燃机(未示)。
应当注意到上述为了确定修正系数KiNOR标准值的计算方法对于气缸的任意数量和任意设置均有效；然而，由于几何上的原因，在偶数气缸数ncyl和奇数气缸数ncyl之间存在细微的差异，差异涉及一些变量的不同值。
上述为了确定修正系数KiNOR标准值的计算方法独立于气缸的数量和设置而运作，并且用起来简单和可靠(对所有内燃机的单一解决方案)及快速(无需设置)，尤其是在应用“快速原型(rapid prototyping)”模型和系统时。而且，多种实验性测试已表明上述的计算方法可极其精确和可靠的确定修正系数KiNOR标准值。
权利要求
1.一种通过与传动轴(4)一体的齿轮(5)装置测定内燃机(1)传动轴(4)角加速度的方法；所述方法包含下列步骤在所述传动轴(4)的每个完整的转程中，识别多个具有相同幅值的角测量线；应用所述齿轮(5)提供的信号测量所述传动轴(4)转过每个角测量线所用的时间(Ti)；将一个考虑进在相应角测量线上的齿轮(5)任何不对称的对应修正系数(Ki)代数地加到所述传动轴(4)转过每个角测量线所用的时间上；以及依据所述传动轴(4)转过每个角测量线所用时间(Ti)确定传动轴(4)的角加速度值(acc)；所述修正系数值(Ki)在内燃机(1)燃料切断阶段行程确定；所述方法的特征在于在燃料切断阶段行程，所述传动轴(4)转过所述角测量线所用的各个时间(Ti)，若气缸(2)数(ncyl)为偶数在半个燃烧阶段记录下来，若气缸(2)数(ncyl)为奇数则在整个燃烧阶段记录下来；利用所述传动轴(4)转过所述角测量线所用的各个时间(Ti)，在传动轴(4)角度(θ)/时间(T)平面内确定一条直线(r)内插所述传动轴转过所述角测量线所用时间(Ti)进程的理想行程；以及对第i个角测量线，修正系数(Ki)的绝对值等于所述传动轴(4)转过第i个角测量线所用时间(Ti)的测量值与通过所述测量值在所述直线(r)上以一个恒定角度投影得到的所述传动轴(4)转过第i个角测量线所用时间相应值(Tpi)之间的差值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在传动轴(4)角度(θ)/时间(T)平面内，所述直线(r)内插所述传动轴(4)转过所述角测量线所用时间(Ti)进程的理想行程，通过确定一个在所述直线(r)上与前一燃烧对应的第一参照点(Xmold)和一个在所述直线(r)上与当前燃烧对应的第二参照点(Xm)由下式得到所述直线(r)Xm,Xmold(θ,T)=Σi=1MXiM]]>θX=Σi=1MθiM]]>TX=Σi=1MTiM]]>式中，Xmold(θ，T)为所述直线(r)的第一参照点；Xm(θ，T)为所述直线(r)的第二参照点；Xi为与所述传动轴(4)转过所述角测量线所用各个时间(Ti)对应的相继测量点，每个点Xi由所述传动轴(4)转过相应角测量线所用时间(Ti)以及由传动轴(4)在所述角测量线的预定点上的角度(θi)确定；θX为点Xm，Xmold的角度值；TX为点Xm，Xmold的时间值；以及M为一个系数，若气缸(2)数(ncyl)为奇数时则等于气缸数(ncyl)，若气缸(2)数(ncyl)为偶数时则等于气缸数(ncyl)的一半。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述直线(r)的梯度(S)由下式计算S=TXm-TXmoldM]]>式中，S为所述直线(r)的梯度；TXm为所述第二参照点(Xm)的时间值；TXmold为所述第一参照点(Xmold)的时间值；以及M为一个系数，若气缸(2)数(ncyl)为奇数时则等于气缸(ncyl)数，若气缸(2)数(ncyl)为偶数时则等于气缸数(ncyl)的一半；一个测量点(Xi)以恒定角度在所述直线(r)上的所述投影(Xpi)通过下列方程式计算 式中，Tpi为第i个测量点(Xi)以恒定角度在所述直线(r)上的所述投影(Xpi)的时间值(T)；S为所述直线(r)的梯度；TXm为所述第二参照点(Xm)的时间值；TXmold为所述第一参照点(Xmold)的时间值；以及M为一个系数，若气缸(2)数(ncyl)为奇数时等于(ncyl)的值，若气缸(2)数(ncyl)为偶数时等于(ncyl)值的一半；对第i个角测量线，修正系数(Ki)的绝对值等于Ki＝Tpi-Ti以及修正系数(KiNOR)的标准值等于KiNOR=Tpi-TiTi]]>式中Ki为对所述第i个角测量线的修正系数(Ki)的绝对值；KiONR为对所述第i个角测量线的修正系数的标准值；Ti为所述第i个角测量点(Xi)的时间值；以及Tpi为第i个测量点(Xi)以恒定角度在所述直线(r)上的所述投影(Xpi)的时间值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传动轴(4)转动速度的整个操作范围值细分为转动速度带，并且，确定每个所述带的所述修正系数(Ki)的值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述内燃机(1)的寿命期间，多次计算每个所述转动速度带的所述修正系数(ki)的值，实际用于齿轮(5)的不对称补偿的值是所述计算值的加权平均结果。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角测量线的数量与在所述传动轴(4)的一个完整转程内进行燃烧的气缸(2)数量相等。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个角测量线各具有一个与所述齿轮(5)在3和12之间的齿(6)数的角幅值相等的角幅值。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传动轴(4)在第i个瞬间的角加速度值(acc)用下式确定acci=Ti+1-TiTi3]]>式中acci为所述传动轴(4)在所述第i个瞬间的角加速度；Ti+1为所述传动轴(4)转过所述第i+1个角测量线所用时间；Ti为所述传动轴(4)转过所述第i个角测量线所用时间。
全文摘要
一种通过与所述传动轴(4)一体的齿轮(5)装置测定内燃机(1)传动轴(4)角加速度的方法；所述方法包含下列步骤在传动轴(4)的每个完整的转程中，识别多个具有相同幅值的角测量线；应用齿轮(5)提供的信号测量所述传动轴(4)转过每个角测量线所用的时间(T
文档编号G01M17/00GK1619278SQ20041007978
公开日2005年5月25日 申请日期2004年9月15日 优先权日2003年9月15日
发明者斯特凡诺·斯加蒂, 路易吉·德尔·卢卡, 马西莫·扎诺蒂 申请人:玛涅蒂玛瑞利动力系公开有限公司