CN102852660B - 一种电喷发动机运行控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电喷发动机运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：a）测量发动机上止点附近的瞬态转速；b）计算发动机瞬态转速的平方得到瞬态发动机旋转动能的一个度量；c）计算每个压缩上止点与刚过去的排气上止点时刻的发动机旋转动能之差，得到进气和压缩过程中发动机旋转动能损失的一个度量VDV1；d）根据发动机旋转动能的损失量预测发动机缸内气量；e）根据预测的发动机缸内气量确定基本燃油喷射量或对基本燃油喷射量的修正。

Description

一种电喷发动机运行控制方法

技术领域

本发明涉及电喷发动机运行控制系统，特别是涉及在不使用绝对进气流量传感器或进气管绝对压力传感器的前提下，提高电喷发动机系统中的空燃比控制精度的问题，例如摩托车电喷发动机或通用动力装置用电喷发动机的怠速空燃比以及跛行控制的空燃比精确控制问题。

背景技术

电喷技术是实现发动机节能减排的关键技术。但电喷系统的高成本问题是阻碍电喷技术在较低附加值发动机上普及使用的主要因素，例如摩托车及通用汽油发动机，通过电喷技术提高其性能降低其排放已经被广泛认可，但大幅增加的电喷系统成本让消费者和制造企业都难以承受，不能够在市场上推广普及。

电喷系统为了实现对空燃比和点火燃烧的精确控制，使用了大量测量各种状态参数的传感器，例如进气流量传感器、进气管绝对压力传感器、节气门位置传感器、排气氧传感器、角标转速传感器、发动机温度传感器等。这些传感器构成了电喷系统成本的很大一部分，如果能够采用尽可能少的传感器实现高精度的空燃比和点火控制，那么无疑具有重要价值。

基本电喷系统可以采用开度速度法确定发动机工况，因此最基本的电喷系统可以省略进气流量传感器和进气管绝对压力传感器，但开度速度法只能够确定相对于怠速工况的工况变化量，怠速工况作为基准点必须预先设定调好而不能够根据发动机的怠速气量的变化而跟随适应，因此存在怠速及小油门空燃比控制误差较大的可能。如果采用了氧传感器并且氧传感器正常工作，那么怠速空燃比控制误差可以依靠氧传感器的实时监测结果得到实时修正并学习，但遗憾的是，氧传感器的正常工作必须要在温度达到足够高以后。在发动机启动后的暖机过程中，这个条件一般难以满足。发动机的怠速气量的变化可能是任意的，学习适应过程需要很长的怠速运行时间。另一方面，在节气门位置传感器发生故障时，开度速度法就无法确定工况，因此发动机只能在怠速工况运行，即使采用氧传感器实时反馈控制喷油量，也很难实现正常的骑行功能，所以跛行功能很难做好，有待进一步改进。

发明内容

本发明之目的在于提供一种仅仅依靠发动机瞬态转速及其变化信息来实时准确确定发动机运转工况、从而较准确地控制发动机燃烧的电喷发动机运行控制方法，以提高电喷系统的性能。

本发明的另一个目的在于降低电喷系统成本，提高电喷系统在摩托车、通用汽油发动机等产品领域的竞争力。

本发明之目的通过下列技术方案达到，即：

一种电喷发动机运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：a）测量发动机上止点附近的瞬态转速；b）计算发动机瞬态转速的平方得到瞬态发动机旋转动能的一个度量；c）计算每个压缩上止点与刚过去的排气上止点时刻的发动机旋转动能之差，得到进气和压缩过程中发动机旋转动能损失的一个度量VDV1；d）根据发动机旋转动能的损失量预测发动机缸内气量；e）根据预测的发动机缸内气量确定基本燃油喷射量或对基本燃油喷射量的修正。

上述技术方案依据能量守恒定律这个基本物理定律，即：在发动机负载稳定，循环平均转速不变的条件下，在半个发动机工作循环——进气和压缩过程中，没有燃烧做功，因此发动机在吸气和压缩过程中的运动部件的动能损失，等于吸气和压缩缸内空气所做的功与稳定负载消耗的功之和。稳定负载消耗的功与另半个发动机工作循环——做功排气过程中发动机驱动负载所做的功基本相等，也基本等于发动机膨胀做功。而吸气和压缩缸内空气所做的功和发动机膨胀功都与缸内气量成比例，因此VDV1可以用来预测发动机缸内气量的大小。

根据本发明之电喷发动机运行控制方法，可以通过实测的发动机循环转速和旋转动能损失VDV1作为发动机运转工况的确定参数，来推算该工况下的发动机缸内气量，进而确定基本燃油喷射量或对基本燃油喷射量的修正，以及点火角。该方法得到的是发动机的绝对进气量而不是相对于怠速工况的相对进气量，因此能够实时跟随怠速气量的变化（调整），并且只依赖于一个传感器——角标转速传感器，可以作为辅助的工况确定方法，或作为修正方法来修正怠速进气量。在安装有节气门位置传感器的电喷系统中，还可以作为节气门位置传感器出现故障时的跛行策略中的工况或喷油量确定方法。

下述方案对本发明进行进一步的改进或限制。

本发明之电喷发动机运行控制方法，还包括以下步骤：f）计算发动机四个冲程构成的整个循环的旋转动能变化VX；g）用VX修正发动机与外界负载不平衡导致的平均旋转动能的变化对VDV1的影响；h）判断发动机与外界负载的不平衡程度，有选择地修正VDV1，如果VX绝对值小于某一临界值，则不用其对VDV1进行修正。

因为本方法通过VDV1来确定发动机进气量，但如前所述，前提是负载恒定、循环平均转速恒定，所以需要尽可能地排除不满足这些条件的因素对VDV1的影响，如发动机平均转速快速变化这个强非稳态因素对VDV1的影响就是需要排除的主要因素之一。这往往是由于外接负载的突变或者发动机输出突然增加而导致的结果。当VX绝对值较大时，可以认为发动机处于强非稳态运转状态，这时就有必要用VX对VDV1进行修正。

本发明之电喷发动机运行控制方法，还可包括以下步骤：i）判断发动机处于空挡怠速状态，单独计算空挡怠速时的VDV1；j）对VDV1进行数值光滑处理，并计算光滑前后的差值的平方Fluc；k）对Fluc再次进行数值光滑处理，将Fluc小于某个预设的临界值作为判断发动机处于空挡稳定怠速的必要条件；l）以空挡怠速时的VDV1来修正发动机怠速及小油门工况的进气量和喷油量。

上述技术方案，将发动机负载最为稳定的空挡怠速工况单独处理，能够提高通过VDV1来确定怠速进气量的精确度和可靠性。VDV1是转速变化的度量，作为动能的变化，当然还与系统的转动惯量有关，这只有在空挡运行时才是最为确定不变的。Fluc作为VDV1波动大小的一个度量，当Fluc较大时，说明发动机负载或工况或系统惯性质量变动较大，不可用来修正计算怠速及小油门工况的进气量和喷油量。

本发明之电喷发动机运行控制方法，还可包括以下步骤：m）在节气门位置传感器故障时，以VDV1或修正后的VDV1为进气量和喷油量的确定依据，控制发动机能够跛行运转。

在节气门位置传感器故障时，电喷控制系统将无法感知节气门开度的大小，发动机只能默认为某个固定开度，例如节气门全关状态。如果要实施跛行运转，即实施最基本的运行，例如摩托车跛行运转一般是保证用户可以低速骑行到维修站，那么就必须通过其他的方法确定发动机进气量。在这种情况下，用VDV1或VDVX来确定发动机进气量非常合适。上述本发明之电喷发动机运行控制方法，能够较准确地确定发动机进气量，以及喷油量，使跛行运行也具有较理想的空燃比，改善燃烧，降低排放，提高跛行运行的品质。

总之，本发明之电喷发动机运行控制方法的益处是，以最少的传感器和硬件成本较精确地确定发动机工况，从而实现较高精度的空燃比和点火控制，改善了燃烧，降低了排放，并提高了发动机的品质性能。

附图说明

图1为一个电喷发动机实例之结构简图。

图2为一个电喷发动机的四冲程工作过程中的相位与发动机瞬态转速的关系简图。

图3和图4为电喷发动机的四冲程工作过程中的有关参数实测举例。

图5为本发明之电喷发动机运行控制方法实施例之逻辑框图。

图中编号表示意义如下：

1-电控单元（ECU）2-点火装置3-发动机温度传感器

4-氧传感器5-排气管6-飞轮7-发动机

8-转速（角标）传感器9-怠速气量调节装置

10-节气门体11-节气门位置传感器12-燃油喷射装置

21-ECU上电的步骤22-光滑计算处理及计算Fluc的步骤

23-检测计算各参数的步骤24-计算循环平均动能变化的步骤

25-判断节气门是否为故障状态的步骤26、29-判断是否怠速工况的步骤

27、30-判断循环平均动能变化大小的步骤28、32-用VX修正VDV1的步骤

31-判断VDVX波动是否过大的步骤33-根据VDV1对怠速工况修正的步骤

34、35-进行正常运行控制的步骤36-进行跛行运行控制的步骤

图中符号意义如下：

TDC-发动机上止点时刻N-发动机转速

N1、N3-接近压缩上止点时的瞬态转速

N2、N4-接近排气上止点时的瞬态转速

VDV1-吸气压缩过程的动能变化VDV2-膨胀排气过程的动能变化

VX-整个循环过程的动能变化VDVX-修正的VDV1

Fluc-VDVX的波动大小参数TP-节气门位置

z-对VDVX光滑滤波的结果r1、r2-光滑滤波系数

TPerr-是否故障跛行逻辑变量Cr1、Cr2-预设的判断临界数值

下面借助这些附图来详细说明本发明。

具体实施方式

图1为一个四冲程单缸电喷发动机实例之结构简图。

电喷发动机7由电控单元（ECU）1控制运行，电控单元（ECU）1由12V电源和接地线供电，传感装置有节气门位置传感器11、转速（角标）传感器8、排气氧传感器4、发动机温度传感器3等。执行装置包括燃油喷射装置12和点火装置2等。节气门位置传感器11安装在节气门体10上，用来快速感知发动机操纵状态及其变化。节气门体10上还设置有怠速旁通气量调节装置9，怠速旁通气量调节装置9可以为手动调节，也可以由电控单元（ECU）1控制一个电机或电磁阀来电动调节。排气氧传感器4安装在发动机排气管5上，可以将排气中的氧气浓度实时传给电控单元（ECU）1，以反馈精确调整燃油喷射装置12的喷油量，达到目标空燃比。转速（角标）传感器8感知飞轮6（与发动机曲轴刚性连接）上固定相位位置通过转速（角标）传感器8的时刻，即将各个时刻的脉冲信号发给电控单元（ECU）1，由电控单元（ECU）1计算得到转速、曲轴相位。最简单的飞轮6上固定相位位置是一个具有确定长度和位置的凸台的前沿和后沿，例如前沿在上止点前50度，后沿在上止点前10度。这样电控单元（ECU）1就可以根据凸台的前沿和后沿通过转速（角标）传感器8时产生的脉冲信号的时序，计算出凸台通过转速（角标）传感器8期间即接近上止点时的瞬态转速、以及曲轴转过整圈和整个循环（2圈）的平均转速等。

图2为电喷发动机的四冲程工作过程中的相位与发动机瞬态转速的关系示意图。每到活塞接近上止点TDC位置时，都会产生如图所示的角标脉冲信号，从而可以测得瞬态转速N1、N2、N3、N4……瞬态转速变化N2-N1和N3-N2是有规律的，即：在膨胀排气过程中的瞬态转速变化N2-N1一般都为正值，因为这期间发动机燃烧膨胀做功推动飞轮加速并还可能对外做功；而在吸气压缩过程中的瞬态转速变化N3-N2一般都为负值，因为这期间发动机没有燃烧膨胀，而只有压缩缸内气体以及对外做功，这必然要消耗掉飞轮等运动部件的动能。

假设W_f1为吸气压缩需要损失的功（包括摩擦损失功），W1为吸气压缩过程中克服负载阻力所做的功，MI为飞轮等运动部件的当量转动惯量，VDV1=1/2*MI*（N3²-N2²）为吸气压缩过程中飞轮等运动部件的动能变化（增加为正），W2为膨胀排气过程中克服负载阻力所做的功，Wf2为膨胀排气过程中损失的有效功（包括摩擦损失功），We为缸内气体膨胀对活塞所做的功，VDV2=1/2*MI*（N2²-N1²）为膨胀排气过程中飞轮等运动部件的动能变化（增加为正），那么根据能量守恒定律，下列两式成立：

VDV1=-Wf1-W1（1）

VDV2=-Wf2-W2+We（2）

因为负载恒定，所以W1=W2，代入上式可得：

VDV2-VDV1=We-Wf1+Wf2（3）

在空挡，W1=W2=0，因此（1）式是右边只有Wf1一项了，而Wf1主要取决于压缩耗功，当然应该基本与缸内气量成比例了，因此这时的VDV1完全可以用来预测怠速绝对气量的大小。

在挂挡状态，发动机对外一般有输出功，但只要不是冲击负载，在很短的半个循环中，负载恒定的条件仍然可以基本满足，所以（3）式成立，虽然Wf2不直接与缸内气量成比例，但Wf2相对于We和Wf1都很小且变化也很小，所以仍然可以认为（3）式右边与缸内气量有确定的函数关系。

（3）式可以改写为：

-（VDV1-（VDV1+VDV2）/2）=（We-Wf1+Wf2）/2(4)

（4）式的物理意义是：当循环平均动能变化VX=VDV1+VDV2=1/2*MI*（N3²-N1²）不为零时，可以用循环平均动能变化对VDV1进行修正：VDVX=VDV1-（VDV1+VDV2）/2，得到一个新的与缸内气量有关的测量量VDVX，用来预测缸内气量。但需要注意，该式可适用于非怠速非稳定工况，与（1）式只适用于空挡稳定怠速时相比，该式的VDVX与缸内气量的函数关系可能会有所不同。对于空挡稳定怠速工况，（4）式和（1）式是完全相同的。

图3和图4是在一台150cc排量摩托车发动机上实测的部分数据，其中，转速为N，由右边坐标轴表示，其他参数由左边坐标轴表示。其中的VDV1、VX、VDVX都只是根据转速计算的结果，即将转动惯量因子1/2*MI取为单位1，所以图中的数字单位是任意的。而参数Fluc为以VDVX为基础进行高通滤波并求取平方再进一步滤波的结果，可以作为评价发动机是否处于空挡稳定怠速状态的一个参数。

图3是在空挡怠速期间，在第22秒时刻突然加大油门又很快回油门到怠速的过程数据，可见，空挡怠速期间的VDV1是波动很小的，但在加大油门后的转速快速上升期间，VDV1增加了一点但明显与缸内气量不成比例，这主要是因为转速变化过快引起的，如果采用修正后的VDVX，则基本与缸内气量成比例变化。转速在油门突然回到怠速位置后快速下降，并且因为转速过高还会停止喷油直到转速降到接近怠速转速，这期间的VDVX接近于0，根据（3）式，说明这期间吸气压缩所耗功与膨胀排气得到的净功之差与膨胀排气的损失功相当，基本通过匀减速过程使转速快速降低，但VDV1接近正常。在重新喷油维持怠速运转后，VDV1和VDVX都回到正常数值，不过VDVX的波动要比VDV1大很多，这应该是因为燃烧做功并不是非常均匀一致所造成。

图4给出了油门虽然在怠速位置，但通过操作离合器和档位进行带档怠速滑行过程中的数据，可见挂档滑行拖动摩托车加速期间，VDV1绝对值明显增大，说明动能消耗于驱动负载了，并且转动惯量和摩擦阻力都与空载相比可能发生了较大的变化。因为转速变化并不大，因此VDVX也无法消除这些影响。说明非空载、非稳定怠速的VDVX和VDV1不仅取决于缸内进气量，还可能与负载负荷以及系统当量转动惯量有关。为了提高通过VDV1修正怠速工况的精确度，需要排除这些非空挡状态。

从图3好图4的例子可以看出，一种方法是通过Fluc大于某个大于零的临界值Cr1来判断是否发动机处于空挡稳定怠速状态。也可以通过VX绝对值大于某个临界值Cr2来进一步排除可能不可靠的判断。在空挡稳定怠速状态，以VDV1计量缸内气量更为稳定可靠。在调节怠速空气旁通孔时，VDV1跟随调节结果而变化的数据证明了这个结论。除稳定空挡怠速工况以外，可以用VDV1或VDVX来大概估计缸内气量，可用于如节气门位置传感器11出现故障时的跛行控制策略中。

图5给出了本发明之电喷发动机运行控制方法实施例的控制逻辑。

在预备步骤21，ECU上电，在步骤22进行对VDV1或VDVX的光滑计算和波动量Fluc的计算，光滑比例数r1和r2都是小于1的常数，例如可取r1=r2=0.5；在步骤23进行最新的传感器信号检测处理，得到所有参数如节气门位置TP、转速N、VDV1、VDV2、故障跛行逻辑变量TPerr等，在步骤24计算循环平均转速变化VX，并预将VDVX赋值为VDV1；在步骤25判断故障跛行条件TPerr，如果TPerr为”true”，那么进入步骤26进行跛行控制预处理，即首先在步骤26判断是否为怠速工况，如果不是，则进入步骤28用VX对VDV1进行修正，如果为怠速工况，则进一步判断VX绝对值是否大于Cr2，如果大于Cr2，则同样进入步骤28用VX对VDV1进行修正，如果不大于Cr2，则说明为稳定怠速工况，不用VX对VDV1进行修正，直接进入步骤36。在步骤36，将根据目前的VDVX查表估算进气量，进而确定喷油量和点火角等，开始跛行控制，随后返回到步骤23。

如果在步骤25判断为TPerr为“false”，那么进入步骤29开始确定空挡稳态怠速工况并根据空挡稳态怠速工况的VDV1对怠速喷油量的修正。在步骤29判断如果不是怠速工况，则进入步骤32用VX计算VDVX，并保持原有怠速修正结果。如果是怠速工况，则进入步骤30判断VX绝对值是否大于Cr2，如果大于Cr2，也进入步骤32计算VDVX，并保持原有怠速修正结果。如果VX绝对值不大于Cr2，进入步骤31判断波动量Fluc是否大于临界值Cr1，如果是，那么进入步骤34，并保持原有怠速修正结果。如果Fluc不大于临界值Cr1，则说明确实为稳定怠速工况，则进入步骤33。在步骤33，将根据新的VDV1对怠速喷油量进行修正，然后进入正常查表确定喷油点火参数（步骤34和35），并在执行完成后返回步骤22，开始新的循环。在步骤32计算出修正了VDV1的VDVX后，也进入正常查表确定喷油点火参数（步骤34和35），并在执行完成后返回步骤22，开始新的循环。正常控制包括根据开度速度法或速度密度法确定喷油点火的步骤、根据氧传感器反馈修正喷油量的步骤、根据开度距离怠速开度位置的大小考虑怠速修正对非怠速工况的影响的步骤，等等。

上述实施例的目的是为了说明本发明，但并不限定本发明。凡利用本发明之构思和精神实质进行的、对于本领域普通专业技术人员而言显而易见的改变设计，仍然属于本发明之权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种电喷发动机运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：a）根据转速传感器在与发动机曲轴刚性连接的飞轮上的固定相位位置感知的各个时刻的脉冲信号测量发动机上止点附近的一系列瞬态转速N1、N2、N3、N4；b）计算各个发动机瞬态转速的平方得到瞬态发动机旋转动能的一个度量；c）计算每个压缩上止点与刚过去的排气上止点时刻的发动机旋转动能之差，得到进气和压缩过程中发动机旋转动能损失的一个度量VDV1=1/2*MI*（N3²-N2²）；d）根据发动机旋转动能的损失量VDV1预测发动机缸内气量，其原理基于能量守恒定律，在发动机稳定运转中，进气和压缩过程中的发动机旋转动能损耗取决于换气压缩耗功和稳定负载消耗的功，这两项功都与缸内气量成比例；e）根据预测的发动机缸内气量确定基本燃油喷射量或对基本燃油喷射量的修正。

2.如权利要求1所示电喷发动机运行控制方法，还包括以下步骤：f）计算发动机四个冲程构成的整个循环的旋转动能变化VX；g）用VX修正发动机与外界负载不平衡导致的平均旋转动能的变化对VDV1的影响。

3.如权利要求2所示电喷发动机运行控制方法，还包括以下步骤：h）判断发动机与外界负载的不平衡程度，有选择地修正VDV1，如果VX绝对值小于某一临界值，则不用其对VDV1进行修正。

4.如权利要求3所示电喷发动机运行控制方法，还包括以下步骤：i）判断发动机处于空挡怠速状态，单独计算空挡怠速时的VDV1。

5.如权利要求4所示电喷发动机运行控制方法，还包括以下步骤；j）对修正后的VDV1进行数值光滑处理，并计算光滑前后的差值的平方Fluc；k）对Fluc再次进行数值光滑处理，将Fluc小于某个预设的临界值作为判断发动机处于空挡稳定怠速的必要条件。

6.如权利要求5所示电喷发动机运行控制方法，还包括以下步骤：l）以空挡怠速时的VDV1来修正发动机怠速及小油门工况的进气量和喷油量。

7.如权利要求3至6所示任一电喷发动机运行控制方法，还包括以下步骤：m）在节气门位置传感器故障时，以VDV1或修正后的VDV1为进气量和喷油量的确定依据，控制发动机进行跛行运转。