CN100408824C - 基于踏板位置变化率的电子节气门级数的发动机控制系统 - Google Patents

Abstract

一种车辆发动机控制系统，包括：内燃机，用于控制流入该内燃机的空气流量的电子节气门，用于控制该电子节气门位置的控制器，具有加速踏板传感器的加速踏板，该加速踏板传感器产生信号给控制器，其中该控制器计算该加速踏板的变化率，并根据该加速踏板的该变化率将所述电子节气门驱动到所需位置。

Description

基于踏板位置变化率的电子节气门级数的发动机控制系统

技术领域

本发明涉及对内燃机的控制。具体地说，本发明涉及一种对电子节气门进行控制的方法和装置。

背景技术

机械控制系统采用的是简单的转换开关和模拟装置，而高精度燃料和点火控制系统采用的是大功率电子器件，发动机电子控制技术正是从前者到后者的改变中发展起来的。电子器件的小型化和成本降低已经把计算机时代的种种动力带给了汽车工程师们。微处理器已经可以将包括大量变量的复杂程序应用到当今燃烧发动机的控制中，这样可以更好地对发动机进行控制以及获得更好的发动机性能。

燃烧发动机控制的一个重要方面是通过节气门调节进入汽缸的空气流量，以及相应地调节输送进入汽缸的燃料量。在内燃机(ICE)中，节气门具有一个活动的节流板，该节气门通过调节进入ICE的空气流量而直接调节ICE在任何工况下产生的功率。节流板用于增大或减少进入ICE的空气流量。节流板起到空气泵的作用，其中进入发动机的空气质量流速直接随节流板的角位置或开口面积的变化而变化。目前，现有技术存在这样的需求，即精确地控制节气门本体中的节流板位置，从而精确地调节进入汽缸的空气流量和燃料量。

在标准的车辆ICE操作中，驾驶员压下加速踏板以产生节流板位置指令的主要部分，从而改变节流板角度以及相应的进入ICE的空气流量。控制器与燃料喷射器相连，该控制器监测各种发动机变量，并调节与空气混合的燃料量，使得喷射的燃料量与空气流量大体上成比例增加。就空气流过节气门本体形成的真空或负压而言，当使用化油器时，流过化油器的空气将直接调节与该空气相混合的燃料量。对于任何给定空燃比的混合物来说，ICE的输出功率与由节流板位置控制的进入ICE的空气质量流速成正比。

节流板的定位和稳定性直接影响对ICE的调节或ICE的稳定性。理想的情况是，当给出一个定位节流板的位置指令时，节流板不会较多地上下偏离指定的位置同时以所需的角速度步进至指定的位置。

当车辆驾驶员考虑压下加速踏板时，驾驶员的加速意图就通过脚的运动传达给车辆。驾驶员和车辆之间的界面是加速踏板，使加速踏板达到最终的位置需要花费一定有限的时间。加速踏板位置通过一定的标定值传递给控制节气门本体内节流板的系统，从而使ICE产生所需的扭矩输出值。当驾驶员压下加速踏板时，这一系列动作以达到他/她所需的“加速”时终止。

在绝大多数情况下，从加速踏板的控制输入到节流板达到最终节流位置之间存在着一个物理延时，所述加速踏板的控制输入可以是踏板位置的初始增量变化。指令的节气门位置通常作为二维查询图表(踏板位置和车辆速度输入值，节气门位置输出值的图表)的标定。驾驶员认为这种物理延时属于车辆响应性的滞后。尽管在保持某种特定特性时需要这种阻尼响应，但是对于所有的车辆来说某些操作保证了车辆的立即响应(例如从停止开始突然性起动，以及从50mph到80mph的短暂操作)。在这些驾驶条件下，驾驶员有意识地需要一个立即响应。驾驶员用脚使踏板从开始移动到使踏板达到最终位置的时间大约为几十分之一秒左右。这种延时影响着节气门的响应滞后，这是用户所不希望感觉到的。这种延时还进一步与发动机的瞬态响应相混合，而发动机的瞬态响应是由物理延时引起的，该物理延时例如是向进气歧管内充入空气时的惯性。在瞬态响应期间ICE产生的扭矩通常小于在等效稳态工况点时ICE产生的扭矩。

发明内容

本发明涉及一种用于减少从驾驶员要求车辆加速到车辆响应之间的时间量，使得车辆能比过去更快地对驾驶员的要求作出反应的方法和装置。通常，驾驶员希望加速时会在加速踏板上施加一个力。由于这个力的作用，加速踏板会以一定的动能(速度)和相应的加速度运动。由于存在弹簧以及机构中摩擦力的作用，加速踏板会产生一个与运动方向相反的阻力。动能消失时，加速踏板就达到最终位置，并且在被压缩的弹簧中产生势能。这种从动能到势能的能量转换需要一定的时间。该时间正是车辆响应驾驶员的要求时所不希望有的延迟时间。

特别是，提出一种车辆发动机控制系统，包括：内燃机；用于控制流入所述内燃机的空气流量的电子节气门；用于控制所述电子节气门位置的控制器；具有加速踏板传感器的加速踏板，该加速踏板传感器产生信号给所述控制器；其中所述控制器计算所述加速踏板的位置变化率，并根据所述加速踏板的所述位置变化率将所述电子节气门驱动到所需位置；其中所述加速踏板的所述位置变化率是以踏板瞬时速度u和加速踏板的弹簧常数K_p作为根据。

还提出一种车辆发动机控制系统，包括：内燃机；用于控制流入所述内燃机的空气流量的电子节气门；用于控制所述电子节气门位置的控制器；具有加速踏板传感器的加速踏板，该加速踏板传感器产生信号给所述控制器；其中所述控制器预测所述加速踏板的最终位置，并根据所述预测的加速踏板的最终位置将所述电子节气门驱动至所需位置；其中所述预测的加速踏板的最终位置是以踏板瞬时速度u和加速踏板的弹簧常数K_p作为根据。

在实际驾驶过程中，驾驶员并不是通过踩下加速踏板并移开脚来施加一个瞬时力(或急速牵引)，从而使加速踏板克服弹簧力之后达到最终位置。相反，驾驶员通常施加的是一个持续的力。这使得加速踏板速度随时间变化。加速踏板将要停留的最终位置受到随时间变化的瞬时力的影响。根据踏板的瞬时速度预测加速踏板的最终位置将会减少车辆响应的延迟时间。

如上面所述，加速踏板的运动具有其特定的速度。如果节流板的级数(Progression)/控制考虑到加速踏板速度，那么可以对最终期望的节流板位置进行预测。该预测可以根据一图表来进行，该图表按比例表示基于加速踏板速度的节气门位置。基于踏板速度的比例因数也可以用于对在给定ICE工况点下传递的较低瞬态扭矩进行补偿。通过对加速踏板的停留点进行预测，并将该预测的停留点传送给电子节气门，可使车辆的响应性得到改善。

附图说明

图1是本发明电子节气门系统的示意图。

图2a和2b是本发明加速踏板模型的示意图。

图3是本发明的优选方法的流程图。

图4是本发明的性能曲线图。

具体实施方式

图1是本发明电子节气门系统10的示意图。该系统包括节流板12，节流板12可以在节气门本体16内围绕枢轴14旋转到角位置θ，从而控制流入内燃机(ICE)的空气流量。如果角度θ等于零，节流板12将位于使空气流量受到最大限制的位置，如果角度θ等于九十度，节流板12将位于空气流量最大的位置。因此，当角度θ在零到九十度之间变化时，空气流可具有变化的流速。节流板在致动器18例如电马达的作用下产生运动。电子节气门系统10可以采用技术领域中的任何已公知的电马达或致动技术，包括但不限于直流马达，交流马达、永磁无刷马达和磁阻电动机。

电子节气门控制器20包括通过致动器18调制电子节气门12的电源电路，以及接收节流板的位置和速度输入的电路。在本发明的优选实施例中，绝对式旋转编码器与电子节流板12和/或致动器相连，从而向电子节气门控制器20提供速度和位置信息。在本发明的替代实施例中，可以采用电位计为节流板12提供速度和位置信息。电子节气门控制器20还包括通信电路22，例如串行链路或车载通信网络接口，用于通过车载通信网络与动力系控制器相连。在本发明的替代实施例中，电子节气门控制器20可以全部集成到动力系控制器内，从而不需要物理上分离的电子节气门控制器。

图2a和2b是本发明加速踏板模型30的示意图。车辆上的加速踏板32装备有加速踏板传感器34，该加速踏板传感器34用于确定运动速度、频率和/或车辆驾驶员施加到加速踏板32上的压力的大小。众所周知，加速踏板32的运动与弹簧33力的方向相反。加速踏板传感器34向控制器20输出信号。在本发明的优选实施例中，加速踏板传感器34是数字编码器，但是也可以包括电位计、应变仪或类似的位移或力传感器。

使用以下变量对本发明进行描述：

线性踏板弹簧常数，K_p；

吸收驾驶员所施加的力所需的踏板位移，x；

踏板初始位置，X_O；

踏板最终位置，X；

施加时间，t；

踏板速度，u＝dx/dt；

包括联动装置的踏板的有效质量，M_p；

踏板动能，K.E；

被弹簧吸收的能量，W_p；

踩踏力，P_f

当驾驶员致动加速踏板32时，驾驶员施加的能量必须被系统30所平衡。这样，踏板32的初始动能＝被弹簧33吸收的能量(包括联动装置内消耗的摩擦功)。

计算初始动能，K.E.

K.E＝¹/₂M_p*u²

在增量距离dx上被弹簧33吸收的增量能量dW_p，

dW_p＝P_f*dx

对踏板32的位移x进行积分：

$\underset{0}{\overset{x}{\∫}}{\mathrm{dW}}_p=\underset{0}{\overset{x}{\∫}}{K}_p*\mathrm{xdx}$

W_p＝¹/₂*K_p*x²

由于K.E.＝W_p，可以看出

$x=u*\sqrt{\frac{M_p}{K_p}}$

且踏板32的最终位置(X)将是：

X＝X_O+x

$X=X_O+(u*\sqrt{\frac{M_p}{K_p}})$

因此可随踏板32瞬时速度的变化而对X进行实时预测。

图3是用于实施本发明方法的动作顺序的流程图。从方框110开始，驾驶员在加速踏板32上施加一个力，要求ICE产生加速输出。在方框120中，踏板32以初始速度响应，在一定时间后，在克服弹簧31的弹力后踏板达到最终位置。在方框122中，控制器通过踏板传感器34即时测量踏板32的速度，控制器例如是动力系控制器或电子节气门控制器(ETC)20。在方框124中，利用前述数学模型根据即时速度预测踏板32的最终位置。在方框126中，该预测的踏板位置被传输给ETC控制器20和/或动力系控制器，从而执行现有的电子节气门控制级数程序。在方框128中，根据车辆即时速度和预测的踏板32位置，从ETC标定中读取节气门位置。在方框130中，致动器18将节流板12叶片转动到指令位置。在方框132中，更高的空气流速产生更大的发动机扭矩，在方框134中，车辆实现加速(在绝大多数运行条件下)。在方框136中，用户感觉到从踏板32被压下到车辆加速之间的延时变小了。在方框138中显示了所感觉到的车辆较好的响应性，以及装备有本系统的车辆的用户或驾驶员较高的满意度。

图4包括表示本发明性能的一系列曲线图。曲线150表示踏板32的位置与驾驶员将力持续施加到加速踏板的时间之间的曲线。曲线156表示节流板12叶片的当前位置随时间的变化，图中示出了节流板12被节气门控制机构致动时的响应。曲线160表示在改进的标定内实时确定(通过本发明中图示的预测模型确定)的预测的踏板32的位置曲线。曲线162表示基于速度的节气门位置与时间的曲线。S2表示在利用常规ETC级数时，驾驶员感受到的从踏板32被压下的瞬间到节流板12达到指令的位置之间的时间延迟。S1表示在利用本发明建议的基于踏板速度的ETC级数时，驾驶员感受到的从踏板32被压下的瞬间到节流板12达到指令的位置之间的时间延迟。S1和S2之间的区别在于，采用本发明的车辆的响应性得到了改善。

尽管已结合一些具体实施例对本发明进行了描述，但是应当指出的是，本领域技术人员可以容易地进行其它形式的改进。因此，本发明的范围应当仅由以下权利要求所限定。

Claims (9)

1. 一种车辆发动机控制系统，包括：

内燃机；

用于控制流入所述内燃机的空气流量的电子节气门；

用于控制所述电子节气门位置的控制器；

具有加速踏板传感器的加速踏板，该加速踏板传感器产生信号给所述控制器；

其中所述控制器计算所述加速踏板的位置变化率，并根据所述加速踏板的所述位置变化率将所述电子节气门驱动到所需位置；

其中所述加速踏板的所述位置变化率是以踏板瞬时速度u和加速踏板的弹簧常数K_p作为根据。

2. 如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述内燃机是汽油发动机。

3. 如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述加速踏板传感器是线性编码器。

4. 如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述加速踏板传感器是电位计。

5. 如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述加速踏板传感器是应变仪。

6. 一种车辆发动机控制系统，包括：

内燃机；

用于控制流入所述内燃机的空气流量的电子节气门；

用于控制所述电子节气门位置的控制器；

具有加速踏板传感器的加速踏板，该加速踏板传感器产生信号给所述控制器；

其中所述控制器预测所述加速踏板的最终位置，并根据所述预测的加速踏板的最终位置将所述电子节气门驱动至所需位置；

其中所述预测的加速踏板的最终位置是以踏板瞬时速度u和加速踏板的弹簧常数K_p作为根据。

7. 如权利要求6所述的发动机控制系统，其中所述内燃机是汽油发动机。

8. 如权利要求6所述的发动机控制系统，其中所述加速踏板传感器是线性编码器。

9. 如权利要求6所述的发动机控制系统，其中所述加速踏板传感器是电位计。

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