CN101324208B - 一种电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法 - Google Patents

一种电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法:包括电控汽油机过渡工况的同步和异步加浓控制,进气压力预估方法和过渡工况闭环控制;所述过渡工况中包括同步和异步加浓控制步骤;进气压力预估步骤;过渡工况闭环控制步骤。整个过渡工况空燃比控制过程中这三个方法的共同特点就是实现了空燃比的精确控制。根据不同工况自动选择加浓模式,最大限度的保证加速过程的响应速度和加速过程空燃比的控制精度。在瞬态过渡工况中充分利用氧传感器信号,最大限度的修正加浓或减稀的误差,从而改善发动机的经济性和排放性。

Description

一种电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法
技术领域
[0001] 本发明提供一种汽油发动机的瞬态工况空燃比控制方法,具体涉及电控汽油发动机的控制。
背景技术
[0002] 环保和节能是当前汽车发动机发展的主要目标。目前汽车用发动机燃料主要以汽油和柴油为主,汽油发动机大量应用于中小型汽车上,柴油发动机则主要用于大型和重型汽车上。汽油机的燃料供给方式经过这些年的发展,从传统的机械化油器式的系统,到电控单点喷射系统,再到电控多点喷射系统,其排放和燃油消耗都得到大幅降低。如何进一步降低汽油发动机的排放和燃油消耗水平,成为电喷汽油发动机管理系统改进的重点方向。
[0003] 目前的汽油发动机管理系统在控制方法上采用闭环控制加三元催化转化器的方法来降低排放,尽量将发动机空燃比控制在理论空燃比,使三元催化器达到最大的转换效率。同时,将空燃比控制在理论空燃比能使燃料充分燃烧。但是目前通用的控制方法没有实现各种工况下的空燃比闭环控制,在很多工况下,比如起动工况、暖机工况、瞬态工况等都采用开环控制。由于汽车发动机在工作过程中频繁工作在加减速的瞬态工况中,如何控制瞬态工况的空燃比,使空燃比最接近理论空燃比,成为电喷汽油机管理系统控制方法中的研究重点。
[0004] 针对电喷汽油机的瞬态工况,目前的主要方法是采用异步或者同步加浓的方式, 根据节气门的动作情况(即司机的驾驶意图),对分配到各汽缸的燃油进行加浓,满足过渡工况的需要。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于,通过提供一种电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法,解决目前电喷汽油机控制系统在瞬态工况燃油供给响应速度不及时所导致的空燃比变化大、发动机排放水平和经济性不好的问题。在现有发动机管理系统硬件的基础上即可实现本控制方法,最大限度的减小了系统改进的成本。
[0006] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是:
[0007] —种电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法:包括电控汽油机过渡工况的同步和异步加浓控制,进气压力预估方法和过渡工况闭环控制;所述过渡工况中包括以下步骤:
[0008] 同步和异步加浓控制步骤;进气压力预估步骤;过渡工况闭环控制步骤。
[0009] 前述的过渡工况开始阶段采用同步和异步加浓相结合的方法进行加浓量控制。
[0010] 前述的过渡工况加浓脉宽计算阶段采用进气压力预估方法实现加浓量的计算。
[0011] 前述的过渡工况后续阶段通过过渡工况闭环控制方法实现空燃比的闭环控制。
[0012] 前述的同步加浓脉宽阶段的计算公式为:
[0013] TpsAePff = DeltaTPS^TpsAeGain^fi (Coolant, Runtime) *f2 (TPS, RPM)
[0014]其中:[0015] DeltaTPS为节气门变化值;
[0016] TpsAeGain为标定变量,典型值为7000 ;
[0017] ^ (Coolant, Runtime)是标定的修正量,根据当前发动机水温(Coolant)和发动机运转时间(Runtime)查表确定,典型值为1,发动机水温越低、运转时间越短这个值越大;
[0018] f2(TPS,RPM)是标定的修正量,根据当前节气门开度(TPS)和转速(RPM)来确定,
[0019] 典型值为0.4,节气门开度越大、转速越高,这个值越小;
[0020] 前述的异步加浓脉宽阶段的计算公式为:
[0021 ] AeTps = BaseAeTps^f3 (Coolant) *f4 (RPM) *f5 (Bat).
[0022]其中:
[0023] BaseAeTps为标定变量,根据节气门的变化大小查表得到,典型值为120,节气门变化越大,这个值越大;
[0024] f3(Coolant)是标定的修正量,根据当前水温(Coolant)修正,典型值为10,水温越低这个值越大;
[0025] f4(RPM)是标定的修正量,根据当前转速(RPM)修正,典型值为1,转速越高这个值越小;
[0026] f5(Bat)是标定的修正量,根据电瓶电压(Bat)修正,典型值为1,电瓶电压越低这个值越大;
[0027] 前述的进气压力预估步骤包括:确定节气门位置信号变化速度的阈值,即单位时间内节气门位置信号变化大小的阈值;当节气门位置信号的变化速度超过确定的阈值时, 根据当前发动机转速变化趋势和系统固有延迟预估一个喷油输出时的发动机转速;根据当前节气门开度和预估的转速,查表估算出在燃料脉宽输出时刻的进气管压力;将预估得到的进气压力数值引入到燃料喷射脉宽计算逻辑中计算,得出燃料喷射脉宽并输出。
[0028] 前述的过渡工况闭环控制步骤包括:燃料脉宽变动发生的时刻到氧传感器信号能反映出燃料脉宽已发生了变动的时刻,这两个时刻间存在一段时间,用乙如1对表征这段时间。根据发动机当前转速、发动机当前进气压力、发动机排气门与氧传感器之间的距离, 计算T_delay以及过渡工况持续的时间!^transient ;调整氧传感器的采样频率,将采样频率提高至少一倍,进入过渡工况空燃比闭环控制模式;采用积分控制,如果发动机在T_ transient这段时间内持续偏浓,将过渡工况积分项减小;发动机在!^transient时间内持续偏稀,将过渡工况积分项加大。
[0029] 本发明与现有技术相比,具有以下明显的优势和有益效果:
[0030] 下表是使用新方法前后的同一试验循环排放值;
[0031]
CO g/km THC g/km NOx g/km使用新方法前 0. 64 0. 06 0. 04使用新方法后 0. 55 0. 05 0. 03
[0032] 本发明在发动机过渡工况过程中,在不同阶段,采用同步和异步加浓相结合的控制方法、进气压力预估方法、过渡工况闭环控制方法。在过渡工况的开始阶段,采用同步和异步加浓相结合的方法进行加浓量控制;在计算加浓脉宽时,采用进气压力预估方法实现加浓量的精确计算;在过渡工况的后续阶段,通过过渡工况闭环控制方法实现空燃比的闭环控制。通过这三个控制方法的配合使用,来实现整个瞬态工况的空燃比控制。整个过渡工况空燃比控制过程中这三个方法的共同特点就是实现了空燃比的精确控制。
[0033] 由于同步加浓是根据发动机进气量而计算的补偿量,异步加浓则是根据节气门的变化估算的补偿量,因此从补偿的准确性来说,同步加浓要好于异步加浓,但在补偿的响应速度方面,异步加浓要好于同步加浓。本发明综合使用这两种加浓方法,同时实现同步和异步两种加浓方法,根据不同工况自动选择加浓模式,最大限度的保证加速过程的响应速度和加速过程空燃比的控制精度。
[0034] 本发明采用了一种进气压力预估的方法来对进气管压力进行预估。当节气门变化速度超过一定的阈值时,控制系统根据当前的节气门开度估算一个当前转速下这个节气门开度所对应的进气管压力。由于相同的节气门开度情况下,不同的转速对应的进气管压力也不一样,为了消除从计算喷油脉宽到燃油实际进入汽缸的时间延迟造成的进气管压力偏差,除了采用节气门开度预估进气管压力,还将上述延迟过程中的发动机转速变化进行预估,进而预估实际进入汽缸的空气的压力。
[0035] 本发明通过进气压力预估的方法,可以有效弥补“速度-密度”式充气量计算方法响应滞后的问题,在进气压力的计算中考虑“速度-位置”式充气量计算方法响应快速的优势,在加减速瞬态过渡过程中提前估算出真实的进气量,减少喷油脉宽的计算误差。
[0036] 本发明引入了“过渡工况闭环控制”的概念,在过渡工况对加浓或者减稀后的发动机空燃比进行监测,充分利用氧传感器信号,来评估过渡工况的加浓或者减稀效果,根据氧传感器信号对加浓或者减稀量进行闭环修正。本发明通过引入“过渡工况闭环控制”的概念,改变了控制系统在过渡工况下通常工作于开环模式的惯例,在瞬态过渡工况中充分利用氧传感器信号,最大限度的修正加浓或减稀的误差,从而改善发动机的经济性和排放性。
附图说明
[0037] 附图1是一个四缸汽油机同步加浓和异步加浓时序说明图;
[0038] 附图2是本发明在过渡工况控制中实现的流程图;
[0039] 附图3是进气压力预估方法的实现曲线图;
[0040] 附图4是使用新方法前的排放试验数据曲线图;
[0041] 附图5是使用新方法前其中一个加速工况的排放数据图;
[0042] 附图6是使用新方法后的排放试验数据曲线图;
[0043] 附图7是使用新方法后其中一个加速工况的排放数据图。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明:
[0045] 请参阅图1所示,是一个四缸汽油机同步加浓和异步加浓时序说明图;图中虚线表示的小脉宽是各缸的同步加浓脉宽,实线表示的小脉宽是各缸的异步加浓脉宽。从图中可以看到,同步加浓脉宽是在发动机运转到特定的相位输出的,而异步加浓脉宽则和发动机相位没有关系,可以由控制程序主循环(每8毫秒一次的执行周期)决定在任意曲轴转
6角处开始,而且一旦满足加浓条件,则对四个缸同时进行加浓输出。
[0046] 图2是本发明在过渡工况控制中实现的流程图;从图中可以看出,过渡工况判断及模式选择,包括进气压力预估、加浓脉宽计算、过渡工况闭环控制,经过以上步骤后对过渡工况是否结束进行判断,如结束进入其它工况控制,否则重新回到过渡工况判断及模式选择步骤。
[0047] 图3是进气压力预估方法的实现曲线;图中mappredicted是预估的进气管压力, realmap是实际采样的进气管压力,rpm是发动机转速。可见在进气管压力急速变化的时候,通过预估进气管压力可以解决压力测量滞后的问题。
[0048] 本发明所基于的硬件系统包括曲轴位置传感器、进气管压力传感器、发动机水温传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、氧传感器、第一喷油器、第二喷油器、第三喷油器、第四喷油器、燃油泵、发动机电子控制单元。
[0049] 同步和异步加浓的具体实现方法描述如下:
[0050] 当发动机运转时,发动机电子控制单元监测节气门位置传感器的信号,每8毫秒采集一次当前的节气门位置信号,并且将最近的16次采样值存储在内存的表格中,再根据这些值计算当前节气门的变化速度。当节气门位置的变化速度超过预设的阈值时(此阈值根据驾驶性在整车标定时进行标定),控制单元进行加浓量的计算。加浓量的大小根据发动机转速、进气管压力、当前水温、节气门变化速率、发动机当前运转时间等参数来计算。例如发动机第一缸压缩上止点对应的曲轴位置信号为第20齿,控制系统在第7齿,即一缸进气行程将要开始的时候,计算同步的加浓量。在此之前的发动机运转过程中,每8毫秒计算一次节气门的变化量,即当前节气门位置采样值realtps与8毫秒前的节气门位置采样值 olcLrealtps的差,将这些差值进行累加得到节气门位置的变化量,此变化量在上一个同步加浓量输出完成时清零。在第7齿时,判断这一转期间(从上一转的第7齿到这一转的第 7齿)节气门位置的变化量是否超过预设的阈值,此阈值在整车标定时进行标定,其典型值为0.05V。如果节气门变化超过这个阈值,即输出同步加浓脉宽。同步加浓脉宽计算为:
[0051] TpsAePff = DeltaTPS^TpsAeGain^fi (Coolant, Runtime) *f2 (TPS, RPM)
[0052] 对于四冲程四缸机而言,在满足同步加浓工况后,发动机曲轴每转动一周,该公式被执行两次。其中:
[0053] DeltaTPS为节气门变化值;
[0054] TpsAeGain为标定变量,根据整车排放和驾驶性进行标定,典型值为7000 ;
[0055] (Coolant,Runtime)是标定的修正量,根据当前发动机水温(Coolant)和发动机运转时间(Runtime)查表确定,典型值为1,发动机水温越低、运转时间越短这个值越大;
[0056] f2(TPS,RPM)是标定的修正量,根据当前节气门开度(TPS)和转速(RPM)来确定, 典型值为0.4,节气门开度越大、转速越高,这个值越小;
[0057] 异步加浓是根据发动机电子控制单元的运算周期来进行的。在本专利请求所讨论的技术方案中,控制单元的运算周期为8毫秒,每一个运算周期中都进行节气门信号的监测,同时记录最近16个周期的信号。如果当前的节气门信号与最近15个周期中的任何一个节气门信号之间的差大于预设的阈值时,(此阈值根据驾驶性在整车标定时进行标定), 即立刻进行异步加浓量的计算,并且在计算出异步加浓量后,立刻输出异步加浓脉宽,不管此时发动机各缸的工作相位如何,四个缸同时输出异步加浓脉宽。异步加浓脉宽计算为:[0058] AeTps = BaseAeTps^f3 (Coolant) *f4 (RPM) *f5 (Bat).
[0059]其中:
[0060] BaseAeTps为标定变量,根据节气门的变化大小查表得到,典型值为120,节气门变化越大,这个值越大;
[0061] f3(Coolant)是标定的修正量,根据当前水温(Coolant)修正,典型值为10,水温越低这个值越大;
[0062] f4(RPM)是标定的修正量,根据当前转速(RPM)修正,典型值为1,转速越高这个值越小;
[0063] f5(Bat)是标定的修正量,根据电瓶电压(Bat)修正,典型值为1,电瓶电压越低这个值越大;
[0064] 在进行加浓计算和输出时,本发明综合了同步和异步这两种加浓方式。在主循环中计算异步加浓量,如果此前没有满足输出同步加浓脉宽的条件,则在同步加浓还没有来得及起作用的时候,立刻进行异步加浓,弥补同步加浓响应速度较慢的缺点。当发动机继续运转到输出同步加浓脉宽的相位时,对应的汽缸立即采用同步加浓,暂停异步加浓,这样即可充分利用同步加浓准确性高,异步加浓实时性好的优点。
[0065] 进气压力预估的具体实现方法描述如下:
[0066] 发动机运转时,发动机电子控制单元采集进气管压力信号和发动机转速信号。采集到发动机转速信号后,将当前的发动机转速与此前4个主循环记录的转速进行比较。逐一计算转速变化量,并判断转速是在增加还是减小。每个主循环间的转速变化速度即为 (rpm-last_rpm)。根据最近连续4个主循环采集的转速变化速度,估算出燃油输出时的发动机转速rpm_p = rpm+n*(rpm-last_rpm)。其中η是估算的系数,其典型值为1. 2。同时, 控制系统在每个主循环中都采集节气门位置信号。在进行发动机稳态标定的时候,根据每个工况点的转速、进气管压力和节气门开度做出一个节气门开度和转速对应的进气管压力表。控制系统在瞬态控制时根据采集到的节气门开度信号,以及估算的发动机转速,查表估算出燃油输出时的进气管压力map_p = f (TPS,rpm_p)。发动机控制单元在每个主循环中都采集节气门位置信号,计算节气门变化速度。计算方法与异步加浓算法描述中的节气门变化速度判断逻辑相同。如果变化速度超过设定的阈值(此阈值在整车标定时根据驾驶性标定,典型值为0. 08V),即在燃油量的计算中采用预估的进气管压力进行,从而减少喷油脉宽的计算误差,弥补“速度-密度”式充气量计算方法的响应滞后的缺陷。
[0067] 过渡工况闭环控制的具体实现方法描述如下:
[0068] 在常见的发动机控制系统中,控制器对稳态工况是通过氧传感器信号进行基本喷油脉宽闭环修正的,但对过渡工况是作开环处理的。过渡工况闭环控制的根本思路就是在过渡工况中也利用氧传感器信号喷油脉宽的闭环修正。当发动机电子控制单元监测到发动机进入过渡工况时,控制器根据发动机当前转速、发动机当前进气压力、发动机排气门与氧传感器之间的距离,计算T_delay (燃料脉宽变动发生的时刻到氧传感器信号能反映出燃料脉宽已发生了变动的时刻,这两个时刻间存在一段时间,用T_delay表征这段时间)以及过渡工况持续的时间!^transient (该时间以节气门位置信号变化的速度来判断,以超过预设的阈值为依据)。根据T_delay和!^transient,控制单元调整氧传感器的采样频率, 将采样频率提高到稳态工况时的两倍,进入过渡工况空燃比闭环控制模式。[0069] 在过渡工况空燃比闭环控制中,采用积分控制,如果发动机在!^transient这段时间内持续偏浓,则说明加浓量偏大,或者减稀量偏小,光靠稳态空燃比修正量不足以使空燃比快速回到理论空燃比,此时就需要将过渡工况积分项减小。反之,如果发动机在T_ transient时间内持续偏稀,则说明加浓量偏小,或者减稀量偏大,光靠稳态空燃比修正量不足以使空燃比快速回到理论空燃比,此时就需要将过渡工况积分项加大。控制单元根据发动机转速和负荷将发动机工况分成20个学习单元,用来记录不同工况下的过渡工况积分项。这样在以后进入同样的工况时,就能根据调整后的值输出加浓量或者减稀量,从而使发动机过渡工况的空燃比更接近理论空燃比。
[0070] 图4是使用新方法前的排放试验数据曲线,图5是使用新方法前其中一个加速工况的排放数据。图6是使用新方法后的排放试验数据曲线,图7是使用新方法后其中一个加速工况的排放数据;可以看出过渡工况排放值有比较明显的下降。
[0071] 最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案;因此,尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明,但是,本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换;而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1. 一种电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法:包括电控汽油机过渡工况开始阶段采用的同步和异步加浓相结合的方法进行的喷油加浓量控制,过渡工况喷油加浓脉宽计算阶段为实现喷油加浓量计算采用的进气压力预估方法和过渡工况后续阶段,通过过渡工况闭环控制方法实现空燃比的闭环控制;其特征在于包括以下步骤:同步和异步喷油加浓控制步骤; 进气压力预估步骤; 过渡工况闭环控制步骤; 所述的过渡工况闭环控制步骤包括:燃料脉宽变动发生的时刻与氧传感器信号能反映出燃料脉宽已发生了变动的时刻,这两个时刻间存在一段时间,用T_delay表征这段时间;根据发动机当前转速、发动机当前进气压力、发动机排气门与氧传感器之间的距离,计算T_delay以及过渡工况持续的时间T_ transient ;调整氧传感器的采样频率,将采样频率提高至少一倍,进入过渡工况空燃比闭环控制模式;采用积分控制,如果发动机在!^transient这段时间内持续偏浓,将过渡工况积分项减小;发动机在!^transient时间内持续偏稀,将过渡工况积分项加大。
2.根据权利要求1所述的电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法:其特征在于:所述的同步喷油加浓控制步骤中喷油脉宽的计算公式为:TpsAePff = DeltaTPS^TpsAeGain^fi (Coolant, Runtime) *f2 (TPS, RPM) 其中:DeltaTPS为节气门变化值; TpsAeGain为标定变量,值为7000 ;fi (Coolant, Runtime)是标定的修正量,根据当前发动机水温(Coolant)和发动机运转时间(Runtime)查表确定,值为1 ;f2(TPS, RPM)是标定的修正量,根据当前节气门开度(TPS)和转速(RPM)来确定,值为0. 4。
3.根据权利要求1所述的电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法:其特征在于:所述的异步喷油加浓控制步骤中喷油加浓脉宽的计算公式为:AeTps = BaseAeTps * f3 (Coolant) *f4 (RPM) *f5 (Bat) · 其中:BaseAeTps为标定变量,根据节气门的变化大小查表得到,值为120 ; f3(Coolant)是标定的修正量,根据当前水温(Coolant)修正,值为10 ; f4(RPM)是标定的修正量,根据当前转速(RPM)修正,值为1 ; f5(Bat)是标定的修正量,根据电瓶电压(Bat)修正,值为1。
4.根据权利要求1所述的电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法:其特征在于:所述的进气压力预估步骤包括:确定节气门位置信号变化速度的阈值,即单位时间内节气门位置信号变化大小的阈值;当节气门位置信号的变化速度超过确定的阈值时,根据当前发动机转速变化趋势和系统固有延迟预估一个喷油输出时的发动机转速;根据当前节气门开度和预估的转速,查表估算出在燃料脉宽输出时刻的进气管压力; 将预估得到的进气压力数值引入到燃料喷射脉宽计算逻辑中计算,得出燃料喷射脉宽并输出。
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