CN101787933A - 阿特金森循环发动机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车发动机技术领域的阿特金森循环发动机控制系统，包括：传感器系统、控制执行机构和发动机控制单元，传感器系统将采集信号输入发动机控制单元，发动机控制单元输出包含控制节气门、喷油器、可变进气、排气正时装置和火花塞的控制指令至控制执行机构。本发明能够精确控制阿特金森循环发动机空燃比；提高阿特金森循环发动机的经济性和排放性，采用较通常汽油发动机高很多的几何压缩比，在低负荷下进气门增大开度，控制喷油量和点火提前角，将空燃比控制在16-19范围内，形成稀薄燃烧，使得燃烧效率提高，燃烧更稳定。

Description

阿特金森循环发动机控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种汽车发动机技术领域的系统及控制方法，具体是一种阿特金森循环发动机控制系统及其控制方法。

背景技术

阿特金森循环发动机的概念于19世纪80年代就早早的被提出了。在阿特金森循环中，实际膨胀比大于实际压缩比，热能转化为机械能的比例大，做功行程长；利用进气门关闭正时根据发动机的负荷调节发动机的有效排量，节气门全开或大开，大大减小了部分负荷时发动机的泵气损失，改善了燃油经济性。但是，虽然阿特金森循环发动机具有热效率高的特点，但却存在功率偏低的问题。所以在过去那个追求动力性的年代，阿特金森循环发动机的研究被人们所忽略了。但是随着能源和环保压力的日益紧迫.旨在节约能源和降低排放的混合动力汽车成了汽车行业的重要研究对象，国内外汽车公司又开始对阿特金森循环进行研究，并且随着发动机技术、控制技术、电动机、电池等各种技术的进步。在传统奥托循环发动机上.通过一系列技术改造可以实现阿特金森循环特别是混合动力汽车技术的出现。在低速小负荷下可以使用动力电池加电动机驱动。既发挥了电动机低速大转矩的优点.又避开了阿特金森循环低速小负荷下的弱点。使发动机主要工作在中高速下，充分发挥了阿特金森循环发动机热效率高的优点.提高整车的燃油经济性和排放性。因此阿特金森循环发动机成为了混合动力汽车中的关键技术。

传统阿特金森循环发动机多采用较大压缩比或高增压化、较大膨胀比、进气门迟关或在进气压缩行程再次开启排气门以达到实际膨胀比大于实际压缩比的方式来实现发动机的阿特金森化，现有技术存在以下几个问题：1.进气门迟关引起混合气回流，导致控制空燃比需要考虑气道内残余的燃油，空燃比难以控制；2.低负荷无法通过进气门迟关继续降低泵气损失从而提高燃油经济性，相反的发动机燃烧不稳，燃烧持续期增长，热效率变差，HC排放增加。如何精确控制回流引起的空燃比不稳和优化低负荷下发动机的燃烧热效率低成为开发具有更广泛应用前景的阿特金森循环发动机的关键。

经过对现有技术的检索发现，美国申请号488267，公开日2004-10-7，记载了一种“控制内燃机的方法”，该技术通过在压缩行程前期将排气阀暂时在开启，能有效降低压缩比，由此缸内压力不会过度上升，提高热效率。但是该专利发明在压缩行程中开启排气阀，会将一部分可燃混合气压缩入排气管内，造成浪费；另外该专利的方法应用在普通无增压发动机上，由于压缩比限制，工作在低负荷时效率很低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种阿特金森循环发动机控制系统及其控制方法，在中高负荷下，利用节气门和进气门迟关共同调节负荷，阿特金森循环发动机空燃比控制系统，把空燃比前馈控制系统和反馈控制系统结合起来，能够精确控制阿特金森循环发动机空燃比；提高阿特金森循环发动机的经济性和排放性；本发动机采用较通常汽油发动机高很多的几何压缩比，在低负荷下进气门增大开度，控制喷油量和点火提前角，将空燃比控制在16-19范围内，形成稀薄燃烧，使得燃烧效率提高，燃烧更稳定。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种阿特金森循环发动机控制系统，包括：传感器系统、控制执行机构和发动机控制单元，传感器系统将采集信号输入发动机控制单元，发动机控制单元输出包含控制节气门、喷油器、可变进气、排气正时装置和火花塞的控制指令至控制执行机构。

其中：

所述的传感器系统包括：常规传感器套件、进气回流估计单元和缸内残余废气估计单元，其中：常规传感器套件分别设置于发动机曲轴处、发动机进、排气管内、发动机喷油器处以及驾驶室踏板处，进气回流估计单元设置于进气道中喷油器下游，残余废气估计单元设置于发动机气缸内，常规传感器套件、进气回流估计单元和缸内残余废气估计单元分别与发动机控制单元相连接并分别输出：转速信号、喷油点火参考信号、踏板位置信号、进气流量信号、进气回流数据和废气估计数据。

所述的控制执行机构包括：气缸、喷油器、节气门、火花塞、空燃比前馈控制器和空燃比反馈控制器，其中，火花塞设置于气缸内，喷油器设置于进气道内，节气门设置于发动机进气管内，空燃比前馈控制器和空燃比反馈控制器分别布置于发动机控制单元内部，将空燃比控制修正信号发送给发动机控制单元，喷油器、节气门和火花塞分别与发动机控制单元相连接以接收控制指令。

所述的气缸的凸轮轴型线整体推迟40°CA；

所述的气缸的压缩比为13.5。

本发明涉及上述阿特金森循环发动机控制系统的控制方法，包括以下步骤：

第一步、发动机控制单元依次发出控制指令至传感器系统读取转速信号、喷油点火参考信号、踏板位置信号、进气流量信号、进气回流数据和废气估计数据；

第二步、发动机控制单元根据扭矩模型公式进行发动机负荷调节控制，具体如下：

当发动机控制单元读取踏板信号和曲轴位置信号，判断驾驶者的意图为将发动机运行在高负荷工况内时，发动机控制单元通过测量踏板位置信号和踏板加速度信号，判断发动机目标扭矩；根据转速信号和目标扭矩计算“阿特金森循环扭矩模型”计算出基本进气量和基本喷油量；根据节气门位置信号，进气回流数据和废气估计数据，分别估计出进气回流量和燃油回油量，从而确定出节气门全开下，进、排气VVT开启正时角度实现目标进气量以及喷油修正量；读取进气质量流量传感器信号修正进气VVT开启正时角度位置。

当发动机控制单元读取踏板信号和曲轴位置信号，判断驾驶者的意图为将发动机运行在中等负荷工况内时，发动机控制单元通过测量踏板位置信号和踏板加速度信号，判断发动机目标扭矩；根据转速信号和目标扭矩计算“阿特金森循环扭矩模型”计算出基本进气量和基本喷油量，读取初步的节气门开度信号和基本喷油量；根据节气门位置信号，进气回流数据和废气估计数据，分别估计出进气回流量和燃油回油量，从而确定该工况下进、排气VVT开启角度实现目标进气量以及喷油修正量。

当发动机控制单元读取踏板信号和曲轴位置信号，判断驾驶者的意图为将发动机运行在低负荷工况内时，发动机控制单元通过测量踏板位置信号和踏板加速度信号，判断发动机目标扭矩；根据转速信号和目标扭矩计算“稀薄燃烧扭矩模型”计算出目标喷油量，根据预设稀薄燃烧空燃比(16-19)计算出初步的节气门开度信号；根据初步节气门信号确定该工况下进、排气VVT开启角度实现目标进气量。

第三步、发动机将计算确定的节气门开度，喷油量，进、排气VVT开启正时信号发送给各个执行器，针对不同工况，采用不同的反馈控制，具体如下：

高负荷下，读取质量流量数据修正进气VVT开启正时，对进气量进行调节；读取氧传感器信号、进气回流估计单元和缸内残余废气估计单元，修正喷油量，进而实现空燃比的反馈控制和前馈控制。

中负荷下，读取质量流量数据修正节气门开启角度，并针对不同节气门开启角度，调节进气VVT开启正时；读取氧传感器信号、进气回流估计单元和缸内残余废气估计单元，修正喷油量，进而实现空燃比的反馈控制和前馈控制。

低负荷下，读取发动机转速信号，通过分析转速波动，判断缸内燃烧的稳定与否，得到喷油量修正系数；读取质量流量数据修正节气门开启角度，并针对不同节气门开启角度，调节进气VVT开启正时。

本发明所具有的积极效果是：阿特金森循环发动机在中高负荷中，利用高压缩比的特点，利用较晚的进气门关闭时机产生回流来控制负荷，较大的膨胀比提高了热能转换机械能的效率为可以采用较大的节气门开度从而减小泵气损失，使得燃油经济性得到优化；阿特金森循环发动机在中高负荷中，由于增加了进气回流估计单元、缸内残余废气估计单元作为氧传感器的补充，增加前馈控制弥补提高氧传感器反馈响应速度慢的缺点，提高了空燃比瞬态响应，由于空燃比控制精确，缸内燃油量循环变动小，排放和油耗都得到提升；阿特金森循环发动机在低负荷中，利用高压缩比的特点，采用均质稀燃的方式降低泵气损失，消除了燃烧不稳定的问题，油耗也有所改善。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

图2为实施例控制策略示意图。

图3为实施例气门开启示意图。

图4为实施例低、中、高负荷控制示意图。

图5为Otto循环和循环发动机的PV示功图比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实例包括：传感器系统1、控制执行机构2和发动机控制单元3，传感器系统1将采集信号输入发动机控制单元3，发动机控制单元3输出包含控制节气门9、喷油器8、可变进气、排气正时装置和火花塞10的控制指令至控制执行机构2。

所述的传感器系统1包括：常规传感器套件4、进气回流估计单元5和缸内残余废气估计单元6，其中：常规传感器套件4分别设置于发动机曲轴处、发动机进气管内、发动机喷油器8处以及驾驶室踏板处，进气回流估计单元5设置于进气道中喷油器8下游，残余废气估计单元6设置于发动机气缸7内，常规传感器套件4、进气回流估计单元5和缸内残余废气估计单元6分别与发动机控制单元3相连接并分别输出：转速信号、喷油点火参考信号、踏板位置信号、进气流量信号、进气回流数据和废气估计数据。

所述的控制执行机构2包括：气缸7、喷油器8、节气门9、火花塞10、空燃比前馈控制器11和空燃比反馈控制器12，其中：喷油器8和火花塞10分别设置于气缸7内，节气门9设置于发动机进气管内，喷油器8、节气门9和火花塞10分别与发动机控制单元3相连接以接收控制指令，空燃比反馈控制器12一端与常规传感器套件4氧传感器相连，另一端与喷油器8相连，空燃比前馈控制器一端接收进气回流单元5和残余废气估计单元6的信号，另一端与喷油器8相连。

所述的气缸7的凸轮轴型线13整体推迟40°CA；

所述的气缸7的压缩比为13.5。

如图2所示，本实施例控制系统具体通过以下步骤进行工作：

第一步、发动机控制单元依次发出控制指令至传感器系统读取转速信号、喷油点火参考信号、踏板位置信号、进气流量信号、进气回流数据和废气估计数据；

第二步、发动机控制单元根据输入信号，判断驾驶员的驾驶意图、发动机所处工况范围，针对不同的工况范围采用图2中代表的不同控制策略，查询内部存储空间中针对不同工况的计算模型公式或MAP表格确定节气门开度、喷油量、进、排气VVT正时相位等基本输出参数；

第三步、根据进气回流量估计单元、缸内残余废气估计单元、氧传感器精确得到进气回流量信号和缸内残余废气的量补偿氧传感器，结合工况情况得到喷油修正量，从而最终确定最终喷油量。

所述工况范围，由如图3所示三部分组成：大负荷采用节气门全开，进、排气正时控制进气回流的阿特金森循环控制策略；中等负荷采用节气门和进、排气正时协同控制进气回流的阿特金森循环控制策略；低负荷采用较大节气门开度缸内均质稀薄燃烧的控制策略。

如图4示，为对应图3中三种工况的具体控制实施方案：

当发动机控制单元读取踏板信号和曲轴位置信号，判断驾驶者的意图为将发动机运行在高负荷工况内时，发动机控制单元通过测量踏板位置信号和踏板加速度信号，判断发动机目标扭矩；根据转速信号和目标扭矩计算“阿特金森循环扭矩模型”计算出基本进气量和基本喷油量；根据节气门位置信号，进气回流数据和废气估计数据，分别估计出进气回流量和燃油回油量，从而确定出节气门全开下，进、排气VVT开启正时角度实现目标进气量以及喷油修正量；读取进气质量流量传感器信号修正进气VVT开启正时角度位置。

当发动机控制单元读取踏板信号和曲轴位置信号，判断驾驶者的意图为将发动机运行在中等负荷工况内时，发动机控制单元通过测量踏板位置信号和踏板加速度信号，判断发动机目标扭矩；根据转速信号和目标扭矩计算“阿特金森循环扭矩模型”计算出基本进气量和基本喷油量，读取初步的节气门开度信号和基本喷油量；根据节气门位置信号，进气回流数据和废气估计数据，分别估计出进气回流量和燃油回油量，从而确定该工况下进、排气VVT开启角度实现目标进气量以及喷油修正量。

当发动机控制单元读取踏板信号和曲轴位置信号，判断驾驶者的意图为将发动机运行在低负荷工况内时，发动机控制单元通过测量踏板位置信号和踏板加速度信号，判断发动机目标扭矩；根据转速信号和目标扭矩计算“稀薄燃烧扭矩模型”计算出目标喷油量，根据预设稀薄燃烧空燃比(16-19)计算出初步的节气门开度信号；根据初步节气门信号确定该工况下进、排气VVT开启角度实现目标进气量。

当发动机控制单元判断发动机处于低负荷工况内时，利用发动机具有较高的几何压缩比的特点，发动机控制单元采取较常规发动机较大的节气门开启角度，并调节进、排气VVT角度对喷油加以控制，保持空燃比保持在16-19范围内实现均质稀燃，实现稳定的燃烧，更低的油耗。

如图5所示，氧传感器和空燃比反馈控制单元组成的空旷果然比反馈控制系统，即为传统的发动机空燃比反馈控制，根据氧传感器测得的废气中的含氧量，估计出混合气的空燃比，计算实际空燃比和期望的理论空燃比的比值作为喷油反馈修正系数控制喷油量，以控制空燃比。相比于传统发动机的空燃比反馈机制，本专利增加了进气回流估计单元和缸内残余废气估计单元，用于估计由进气VVT迟关引起的缸内混合气回流量和内部EGR产生的缸内残余废气量，两者作为输入信号输入给空燃比前馈控制单元，前馈控制单元作出处理，产生喷油量前馈修正系数控制喷油量，从而更精确控制空燃比。

通过对阿特金森循环发动机在全工作范围内机气门、进排气相位、喷油量等一系列参数的优化，针对不同负荷采用分别不同的负荷控制方法；并针对进气回流和残余气体引起的空燃比控制不准确的问题，加装进气回流估计单元、缸内残余废气估计单元，实现了精确空燃比控制；针对低负荷传统阿特金森循环发动机燃烧不稳定的问题，采用高压缩比均质稀燃的方式，有效地改进了燃烧，同时降低了油耗。修改前原机比较，扭矩最大扭矩下降幅度在5％左右，而在全部工况范围内，油耗平均下降11％，效果极其明显。

Claims (6)

1.一种阿特金森循环发动机控制系统，包括：传感器系统、控制执行机构和发动机控制单元，传感器系统将采集信号输入发动机控制单元，发动机控制单元输出包含控制节气门、喷油器、可变进气、排气正时装置和火花塞的控制指令至控制执行机构，

其特征在于：

所述的传感器系统包括：常规传感器套件、进气回流估计单元和缸内残余废气估计单元，其中：常规传感器套件分别设置于发动机曲轴处、发动机进、排气管内、发动机喷油器处以及驾驶室踏板处，进气回流估计单元设置于进气道中喷油器下游，残余废气估计单元设置于发动机气缸内，常规传感器套件、进气回流估计单元和缸内残余废气估计单元分别与发动机控制单元相连接并分别输出：转速信号、喷油点火参考信号、踏板位置信号、进气流量信号、进气回流数据和废气估计数据。

2.根据权利要求1所述的阿特金森循环发动机控制系统，其特征是，所述的控制执行机构包括：气缸、喷油器、节气门、火花塞、空燃比前馈控制器和空燃比反馈控制器，其中，火花塞设置于气缸内，喷油器设置于进气道内，节气门设置于发动机进气管内，空燃比前馈控制器和空燃比反馈控制器分别布置于发动机控制单元内部，将空燃比控制修正信号发送给发动机控制单元，喷油器、节气门和火花塞分别与发动机控制单元相连接以接收控制指令。

3.根据权利要求1所述的阿特金森循环发动机控制系统，其特征是，所述的气缸的凸轮轴型线整体推迟40°CA，气缸的压缩比为13.5。

4.一种根据权利要求1所述的阿特金森循环发动机控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、发动机控制单元依次发出控制指令至传感器系统读取转速信号、喷油点火参考信号、踏板位置信号、进气流量信号、进气回流数据和废气估计数据；

第二步、发动机控制单元根据扭矩模型公式进行发动机负荷调节控制；

第三步、发动机将计算确定的节气门开度，喷油量，进、排气VVT开启正时信号发送给各个执行器，针对不同工况，采用不同的反馈控制。

5.根据权利要求4所述的阿特金森循环发动机控制系统的控制方法，其特征是，第二步中所述的发动机控制单元根据扭矩模型公式进行发动机负荷调节控制，具体如下：

当发动机控制单元读取踏板信号和曲轴位置信号，判断驾驶者的意图为将发动机运行在高负荷工况内时，发动机控制单元通过测量踏板位置信号和踏板加速度信号，判断发动机目标扭矩；根据转速信号和目标扭矩计算“阿特金森循环扭矩模型”计算出基本进气量和基本喷油量；根据节气门位置信号，进气回流数据和废气估计数据，分别估计出进气回流量和燃油回油量，从而确定出节气门全开下，进、排气VVT开启正时角度实现目标进气量以及喷油修正量；读取进气质量流量传感器信号修正进气VVT开启正时角度位置；

当发动机控制单元读取踏板信号和曲轴位置信号，判断驾驶者的意图为将发动机运行在中等负荷工况内时，发动机控制单元通过测量踏板位置信号和踏板加速度信号，判断发动机目标扭矩；根据转速信号和目标扭矩计算“阿特金森循环扭矩模型”计算出基本进气量和基本喷油量，读取初步的节气门开度信号和基本喷油量；根据节气门位置信号，进气回流数据和废气估计数据，分别估计出进气回流量和燃油回油量，从而确定该工况下进、排气VVT开启角度实现目标进气量以及喷油修正量；

当发动机控制单元读取踏板信号和曲轴位置信号，判断驾驶者的意图为将发动机运行在低负荷工况内时，发动机控制单元通过测量踏板位置信号和踏板加速度信号，判断发动机目标扭矩；根据转速信号和目标扭矩计算“稀薄燃烧扭矩模型”计算出目标喷油量，根据预设稀薄燃烧空燃比(16-19)计算出初步的节气门开度信号；根据初步节气门信号确定该工况下进、排气VVT开启角度实现目标进气量。

6.根据权利要求4所述的阿特金森循环发动机控制系统的控制方法，其特征是，第三步中所述的针对不同工况，采用不同的反馈控制，具体如下：

高负荷下，读取质量流量数据修正进气VVT开启正时，对进气量进行调节；读取氧传感器信号、进气回流估计单元和缸内残余废气估计单元，修正喷油量，进而实现空燃比的反馈控制和前馈控制；

中负荷下，读取质量流量数据修正节气门开启角度，并针对不同节气门开启角度，调节进气VVT开启正时；读取氧传感器信号、进气回流估计单元和缸内残余废气估计单元，修正喷油量，进而实现空燃比的反馈控制和前馈控制；

低负荷下，读取发动机转速信号，通过分析转速波动，判断缸内燃烧的稳定与否，得到喷油量修正系数；读取质量流量数据修正节气门开启角度，并针对不同节气门开启角度，调节进气VVT开启正时。

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