CN104454203B - 用荧光式温度传感器对流量测量的方法及空燃比控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用荧光式温度传感器对流量测量的方法及空燃比控制系统，该方法的特征在于：提供第一荧光式温度传感器和第三荧光式温度传感器对称地分布在加热电阻与第二荧光式温度传感器两侧；采用恒定温度的方式，由第一荧光式温度传感器测得的气体的初始温度为T1；由第二荧光式温度传感器检测加热电阻的温度T2，并将其保持在设定的温度值；由第三荧光式温度传感器测得的气体温度为T3；根据以上温度并根据推导公式换算出气体的流速；本发明在不改变原有的空燃比控制系统的总体架构，提高了系统的稳定性和控制精度。

Description

用荧光式温度传感器对流量测量的方法及空燃比控制系统

技术领域

本发明涉及一种内燃机进气量检测技术领域，特别是一种采用荧光式空气流量传感器检测内燃机进气量的实现方法。

背景技术

汽车发动机空气流量传感器是电控燃油喷射系统中关键部件，而且其技术要求高、工作环境恶劣。电子控制燃油喷射系统的工作原理是通过传感器检测发动机进气量、发动机转速及曲轴转角等信号，由电子控制单元根据发动机运行工况，计算出每循环的基本供油量，同时根据节气门位置、冷却水温、进气温度和氧传感器的信号等发动机运行工况，对供油量进行修正。将修正后的供油量转换为喷油脉宽并放大输出，实现对喷油器喷油量的控制，从而使发动机始终具有一个最佳的空燃比。

电控燃油喷射系统中空燃比的控制是利用空气流量计测得的空气流量除以发动机转速以后的值来确定喷油量，以达到空燃比与发动机不同工况的最佳匹配。所以进气空气流量的测量是控制空燃比的基础，空气流量计的研究是发动机电控技术研究的关键环节。在众多空气流量测量的研究中，由于热式流量传感器具有无机械传动，无需压力补偿，响应速度快，测试灵敏度高等优点。因此，热式空气流量传感器的计算机辅助设计、辅助制造、优化线性、提高稳定性等都得到了深入研究，且在汽车领域得到广泛的应用。

目前热式空气流量传感器的温度测量主要是采用热敏电阻传热式测量，与汽车ECU之间采用电信号传输。其存在着以下缺点：缺点1：由于汽车传感器的工作环境恶劣，电磁噪声、震动、粉尘、温差、湿热等影响严重，常规的电信号温度传感器较难满足要求。缺点2：采用电缆的方式来传输传感器信号，存在前后级干扰的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用荧光式温度传感器对发动机空气流量测量的方法，能实现发动机空气流量的准确测量。

本发明采用以下方案实现：一种用荧光式温度传感器对流量测量的方法，其特征在于：提供第一荧光式温度传感器和第三荧光式温度传感器对称地分布在加热电阻与第二荧光式温度传感器两侧；采用恒定温度的方式，由第一荧光式温度传感器测得的气体的初始温度为T1；由第二荧光式温度传感器检测加热电阻的温度T2，并将其保持在设定的温度值；由第三荧光式温度传感器测得的气体温度为T3；根据以上温度按以下方式换算出气体的流速；

公式1

其中，对流换热系数是影响荧光式温度传感器表面温度的主要因素；根据对流换热理论，引入努赛儿相似准则数，导出荧光式温度传感器表面温度与其表面气体流速的关系；对流换热系数：

公式2

其中：为导热系数，d为传感器表面的宽度；

当努赛儿数处于强制对流换热时有：

公式3

其中：c为常数，为雷诺数，为平均普朗特数，是反映流体物理性质的参数，对于空气=0.700-0.711；

对于内流问题雷诺数：

公式4

其中：为动力粘度，为密度，为流速；

由公式2、公式3与公式4可以得到：

进而可以得到以下公式：

公式5

令，则有

由于、、d、和c都为常数，故令常数，因此可以得到以下公式：

公式6

将公式6代入到公式1可得到以下关系：

公式7

根据公式7，由以上测得的荧光式温度传感器的温度，即可计算出M值，进而求出气体的流速v。

本发明的另一目的是提供一种利用上述的用荧光式温度传感器对流量测量方法的空燃比控制系统，能提高系统的稳定性和控制精度。

该空燃比控制系统包括所述的第一至第三荧光式温度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、MCU、ECU和喷油器；根据上述方法计算出气体的流量，从而得到内燃机的进气量；再根据节气门位置传感器和发动机转速传感器采集到的参数综合判断出一个目标空燃比的比值，所述MCU进而再把该比值送给ECU，由ECU完成对喷油器的控制。

在本发明一实施例中，所述ECU算出基本喷油量，并根据氧传感器关于实际空燃比的信息确定空燃比修正系数，去乘基本喷油量，使实际空燃比保持在0. 99~1.00的范围内波动。

在本发明一实施例中，所述修正系数是通过在所述ECU程序中设置一个电压门槛值，所述氧传感器电压高于此值，则混合气过浓，应减小空燃比修正系数以减少喷油量；低于此值，则混合气过稀，应增大空燃比修正系数以增加喷油量。

在本发明一实施例中，所述第一至第三荧光式温度传感器将感知到的温度信号转换为光信号进行传输，并通过光纤传输给后级光电处理电路，最后转化成相应的温度数据送给控制器。

本发明具备以下优点：

1、不改变原有的空燃比控制系统的总体架构，便于本发明内容的推广使用。

2、采用荧光式温度传感器比原来的热敏电阻更为稳定和精确测量温度。

3、传感器信号采用光的形式来传输比原来的电压方式抗干扰能力更强。

4、传感器信号传输介质采用光纤比原来的电缆性能优越，能把前端的干扰隔离掉，不会窜入到后级的信号分析电路。

附图说明

图1是本发明气体流量测量原理示意图。

图2是本发明实施例空燃比控制系统原理框图。

图3是本发明空燃比闭环控制框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

本实施例提供一种采用荧光式温度传感器对发动机空气流量测量的方法，请参见图1，该气体流量测量原理是在热式气体流量测量的基础上，采用荧光式温度传感器代替原来的热敏电阻传感来测量温度；请继续参见图1，荧光式温度传感器3和1是对称地分布在加热电阻与荧光式温度传感器2两侧。具体工作原理是采用恒定温度的方式即即用第二荧光式温度传感器跟踪保持加热电阻的加热温度保持不变,由荧光式温度传感器1测得的气体的初始温度为T1；由荧光式温度传感器2检测加热电阻的温度T2，并将其保持在设定的温度值；由荧光式温度传感器3测得的气体温度为T3。根据以上温度可以换算出气体的流速。

公式1

其中，对流换热系数是影响荧光式温度传感器表面温度的主要因素。根据对流换热理论，引入努赛儿相似准则数，导出荧光式温度传感器表面温度与其表面气体流速的关系。对流换热系数：

公式2

其中：为导热系数，d为传感器表面的宽度。

当努赛儿数处于强制对流换热时有：

公式3

其中：c为常数，为雷诺数，为平均普朗特数，是反映流体物理性质的参数，对于空气=0.700-0.711。

对于内流问题雷诺数：

公式4

其中：为动力粘度，为密度，为流速。

由公式2、公式3与公式4可以得到：

进而可以得到以下公式：

公式5

令，这里我们称之为气体密度流速，则有

由于、、d、和c都为常数，故令常数，因此可以得到以下公式：

公式6

将公式6代入到公式1可得到以下关系：

公式7

根据公式7，由以上测得的荧光式温度传感器的温度，即可计算出M值，进而求出气体的流速v。

本发明另一实施例提供一种空燃比控制系统，请参见图2和图3，该系统包括所述的第一至第三荧光式温度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、MCU、ECU和喷油器；根据上述方法计算出气体的流量，从而得到内燃机的进气量；再根据节气门位置传感器和发动机转速传感器采集到的参数综合判断出一个目标空燃比的比值，所述MCU进而再把该比值送给ECU，由ECU完成对喷油器的控制，从而达到自动、高效、稳定控制内燃机空燃比的目的。值得一提的是，所述第一至第三荧光式温度传感器将感知到的温度信号转换为光信号进行传输，并通过传输媒介如光纤传输给后级光电处理电路，最后转化成相应的温度数据送给控制器。

请继续参见图3，空燃比闭环控制原理： 使用空气流量计测量发动机进气量，由目标空燃比计算基本喷油量，再通过发动机排气管上的前氧传感器将发动机混合气的实际空燃比信号反馈到发动机ECM，发动机ECM根据实际空燃比与目标空燃比的偏差对基本喷油量进行修正，以减小空燃比偏差。

图1所示，电子控制单元ECU从空气流量传感器接受负荷信息，从其他传感器接收转运等信息，算出基本喷油量，并根据氧传感器关于实际空燃比的信息确定空燃比修正系数，去乘基本喷油量，使实际空燃比保持在0. 99~1.00一个很窄的范围内波动。

电子控制单元ECU程序中设有一个电压门槛值，通常在450mV左右。氧传感器电压高于此值，则混合气过浓，应减小空燃比修正系数以减少喷油量；低于此值，则混合气过稀，应增大空燃比修正系数以增加喷油量。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种用荧光式温度传感器对流量测量的方法，其特征在于：提供第一荧光式温度传感器和第三荧光式温度传感器对称地分布在加热电阻与第二荧光式温度传感器两侧；采用恒定温度的方式，由第一荧光式温度传感器测得的气体的初始温度为T1；由第二荧光式温度传感器检测加热电阻的温度T2，并将其保持在设定的温度值；由第三荧光式温度传感器测得的气体温度为T3；根据以上温度按以下方式换算出气体的流速v；

T3∞αT1 公式1

其中，对流换热系数α是影响荧光式温度传感器表面温度的主要因素；根据对流换热理论，引入努赛儿相似准则数N_u，导出荧光式温度传感器表面温度与其表面气体流速的关系；对流换热系数：

α＝N_uλ/d 公式2

其中：λ为导热系数，d为传感器表面的宽度；

当努赛儿相似准则数N_u处于强制对流换热时有：

其中：c为常数，R_e为雷诺数，P_m为平均普朗特数，是反映流体物理性质的参数，对于空气P_m＝0.700-0.711；

对于内流问题雷诺数：

Re＝ρvd/μ 公式4

其中：μ为动力粘度，ρ为密度，v为流速；

由公式2、公式3与公式4可以得到：

$ad/\mathrm{\λ}=N_u={\mathrm{cR}}_e^{1/2}{P}_m^{1/3}=c{(\mathrm{\ρ}vd/\mathrm{\μ})}^{1/2}{P}_m^{1/3}$

进而可以得到以下公式：

令M＝ρv，则有

$a=M^{1/2}{(1/\mathrm{\μ}d)}^{1/2}{\mathrm{c\λP}}_m^{1/3}$

由于λ、μ、d、P_m和c都为常数，故令常数因此可以得到以下公式：

a＝CM^1/2 公式6

将公式6代入到公式1可得到以下关系：

T3∞CM^1/2T1 公式7

根据公式7，由以上测得的荧光式温度传感器的温度，即可计算出M值，进而求出气体的流速v，M表示气体密度流速。

2.一种利用权利要求1所述的用荧光式温度传感器对流量测量方法的空燃比控制系统，其特征在于：包括所述的第一至第三荧光式温度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、MCU、ECU和喷油器；根据所述方法计算出气体的流速；再根据节气门位置传感器和发动机转速传感器采集到的参数综合判断出一个目标空燃比的比值，所述MCU进而再把该比值送给ECU，由ECU完成对喷油器的控制。

3.根据权利要求2所述的空燃比控制系统，其特征在于：所述ECU算出基本喷油量，并根据氧传感器关于实际空燃比的信息确定空燃比修正系数，去乘基本喷油量，使实际空燃比保持在0.99～1.00的范围内波动。

4.根据权利要求3所述的空燃比控制系统，其特征在于：所述修正系数是通过在所述ECU程序中设置一个电压门槛值，所述氧传感器电压高于此值，则混合气过浓，应减小空燃比修正系数以减少喷油量；低于此值，则混合气过稀，应增大空燃比修正系数以增加喷油量。

5.根据权利要求2所述的用荧光式温度传感器对流量测量方法的空燃比控制系统，其特征在于：所述第一至第三荧光式温度传感器将感知到的温度信号转换为光信号进行传输，并通过光纤传输给后级光电处理电路，最后转化成相应的温度数据送给控制器。