CN102910169B - 一种降低油耗的车辆起步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆起步的控制方法，特别涉及一种降低油耗的车辆起步控制方法。针对车辆在起步过程中由于驾驶员的操作不当等原因可能会造成发动机转速过高、冲击度较大、滑磨功和油耗增加的问题，通过对车辆起步过程中发动机扭矩和离合器摩擦扭矩关系的分析与研究，在手动挡汽车上加装电子节气门和离合器位置传感器，开发一种以单片机为控制核心，以离合器分离轴承位置、发动机转速、变速箱输入轴转速为输入信号的电子节气门控制系统，对车辆在起步过程中的发动机扭矩和离合器摩擦扭矩进行协调控制，以实现车辆在起步过程中对冲击度和滑磨功的综合控制，提高车辆在起步过程中的燃油经济性和乘坐舒适性。

Description

一种降低油耗的车辆起步控制方法

技术领域

本发明涉及一种车辆起步的控制方法，特别涉及一种降低油耗的车辆起步控制方法。

背景技术

目前全世界正面临严峻的能源匮乏问题、环境污染问题。而汽车的油耗和尾气排放都对能源的消耗与环境污染造成重大影响。传统的机械调节和控制方法很难实现汽车的最佳控制，因此汽车的各种操纵系统向电子控制方向发展。为了提高性能，汽油机管理系统的功能不断增强，软件结构和控制算法越来越复杂。对汽油机的进气控制系统提出了更高的要求。电子节气门控制系统能根据发动机的转矩需求实现最佳的进气控制，被认为是传统机械节气门的最佳替代品^[1]。

电子节气门可根据驾驶员意图、排放、油耗和安全需求，使节气门快速精确地控制在最佳开度，并可设置多种控制功能来改善驾驶安全性和舒适性。它使发动机获得令人满意的动力性、较好的排放性、良好的操纵性。它可以整合在发动机控制器之内，提高了整体系统的可靠性^[2]。

由于我国汽车保有量大幅度增加，造成城市经常出现交通拥堵的现象致使车辆经常处于起步和怠速状态，而且由于驾驶员的操作不当等原因可能会造成发动机转速过高、离合器接合过程出现冲击度较大、滑磨功和油耗增加的问题。因此车辆起步控制一直是研究的重点和难点。本发明通过研究发动机扭矩和离合器摩擦扭矩的关系，并通过扭矩协调控制的方法来降低车辆起步过程的冲击度和滑磨功同时也避免了发动机转速过高导致油耗增加和发动机转速过低造成发动机熄火的问题。

目前，电子节气门作为发动机进气控制系统的新一代产品，在国内外的研究和试验得到了迅速的发展。在控制策略上由先前的线性控制到现在的非线性控制，从先前单一的为提高驾驶性能到现在为提高发动机的动力性、经济性等多项综合性能。有代表性的如Delphi开发出第二代ETC控制系统，主要用于大排量汽车上，集成了多项功能，如改变了车辆油门踏板的响应灵敏度，对发动机最高转速及车速的控制具有一定的效果；Bosh公司推出了新的发动机管理系统实现了基于转矩控制的控制策略^[3]；孙冬野等提出了车辆起步过程中电子节气门的非线性控制方法有效的降低了起步过程的冲击^[4]；何跃军等开发了一种基于单片机控制的电子节气门控制系统。它以ATmega 16单片机为控制核心，德国博世公司电子节气门为研究对象，通过传感器测量加速踏板位置信号，然后经过单片机控制算法的处理，驱动直流伺服电动机，从而带动节气门盘片旋转到指定开度，以实现闭环控制^[5]。上述的研究中并没有从离合器接合过程发动机扭矩与离合器摩擦扭矩对车辆起步过程冲击度和滑磨功的影响方面考虑。因此本发明提出采用以离合器分离轴承位置、发动机转速、变速箱输入轴转速为输入信号的电子节气门控制系统，在车辆起步过程通过调节电子节气门的开度来匹配发动机扭矩和离合器摩擦扭矩的大小，以实现车辆在起步过程中对冲击度和滑磨功的综合控制，提高车辆在起步过程中的燃油经济性和动力性。

所述技术背景的参考文献如下：

[1]郭思婧.电子节气门的演变及其发展前景.新视角.

[2]张洪涛,何基都.汽车电子节气门技术的现状及发展趋势.广西工学院学报,2009年9月，第20卷第3期.

[3]朱二欣.电子节气门控制系统的开发与研究.

[4]何跃军.基于单片机控制的电子节气门的研究与实践.现代电子技术,2010年第5期.

[5]孙冬野,秦大同.非线性控制方法在AMT起步控制中的应用.重庆大学学报,2007,30（10）.

发明内容

针对车辆在起步过程中由于驾驶员的操作不当等原因可能会造成发动机转速过高、冲击度较大、滑磨功和油耗增加的问题，本发明通过对车辆起步过程中发动机扭矩和离合器摩擦扭矩关系的分析与研究，在手动挡汽车上加装电子节气门和离合器位置传感器，开发一种以Freescale MC9S12DT128单片机为控制核心，以离合器分离轴承位置、发动机转速、变速箱输入轴转速为输入信号的电子节气门控制系统，对车辆在起步过程中的发动机扭矩和离合器摩擦扭矩进行协调控制，以实现车辆在起步过程中对冲击度和滑磨功的综合控制，提高车辆在起步过程中的燃油经济性和乘坐舒适性。

本发明是通过以下技术手段实现的：

步骤1、启动发动机、保持发动机处于怠速状态。挂入起步档位，但是，此时离合器踏板还未松开。

步骤2、逐渐松开离合器踏板，准备起步。同时检测离合器输出端转速是否为0来判断车辆是否处于起步状态，当判断车辆处于起步状态时，即离合器开始接合时，电子节气门开度随着离合器踏板位移量的变化而变化，当驾驶员的脚逐渐松开踏板时，离合器踏板位置传感器将离合器踏板移动量转换成电信号。同时，节气门位置传感器将节气门的实际开度也转换为一个电信号，其输出特性与油门踏板位置传感器一样，并且均为线性输出。这两个电信号被同时送入ECU，进行比较，若两个信号不同，说明节气门的实际开度没有达到要求，则ECU发出一个控制信号，控制电机沿正方向(增大节气门开度)或反方向(减小节气门开度)转动，直至两个电信号相同为止。实现离合器的快速接合，同时检测离合器的滑磨转速（发动机转速与离合器输出端转速的转速差）是否小于20rpm，如果滑磨转速大于20rpm则重复步骤2，如果小于20rpm则进入步骤3阶段；

步骤3、当离合器的滑磨转速小于20rpm时即进入下一状态同步状态。此时节气门开度不再随着离合器踏板位移量的变化而变化，油门踏板开始起作用继续控制电子节气门开度的大小。当驾驶员的脚逐渐踩下油门踏板时，油门踏板位置传感器将油门踏板移动量转换成电信号。同时，节气门位置传感器将节气门的实际开度也转换为一个电信号，其输出特性与油门踏板位置传感器一样，并且均为线性输出。这两个电信号被同时送入ECU，进行比较，若两个信号不同，说明节气门的实际开度没有达到要求，则ECU发出一个控制信号，控制电机沿正方向(增大节气门开度)或反方向(减小节气门开度)转动，直至两个电信号相同为止。

本发明与现有控制方法相比，具有明显的优势和效益：

1、本发明通过控制节气门开度在离合器接合过程中随着离合器分离轴承的位置和速度的变化而变化，可以有效匹配发动机扭矩和摩擦扭矩的大小，从而降低起步过程的冲击。其评价指标为冲击度如公式（1）所示

$J=\frac{1}{J_v(J_e+J_v)}[J_v{T}_e\left(t^{-}\right)+J_e{T}_L\left(t^{-}\right)-(J_e+J_v)T_c\left(t^{-}\right)]---\left(1\right)$

2、在离合器接合过程中节气门开度随着离合器分离轴承位置的变化而变化，从而避免了因驾驶员操作油门踏板不当致使发动机转速过高使得油耗增加的问题。其评价指标为滑磨功如公式（2）所示

$L_c={\∫}_0^T{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ec}}\·T_c\mathrm{dt};---\left(2\right)$

起步过程滑磨功的大小取决于发动机转速ω_e和滑磨时间T，ω_e较大可能造成滑磨功增加造成耗油量增加。

3、离合器起步时，节气门开度随着离合器分离轴承位置和速度的变化而变化，当离合器同步之后油门踏板继续控制节气门开度的大小，可以满足发动机的扭矩需求，符合驾驶意图。

附图说明：

图1为电子节气门控制系统的硬件结构简图。

图2为电子节气门控制系统的软件结构简图。

图3为车辆起步过程电子节气门控制策略简图。

图4为本发明的控制流程图。

图5为传统手动挡车辆起步过程曲线(机械油门)。

图6为传统手动挡车辆起步过程曲线(电子节气门)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步阐述，本发明通过研究发动机扭矩和离合器摩擦扭矩的关系，设计了电子节气门开度在车辆起步过程随着离合器分离轴承的位置变化而变化的控制系统，对发动机扭矩和离合器摩擦扭矩进行了协调控制，有效的降低了车辆起步过程的冲击和油耗。其中控制电路部分如图1所示，在离合器接合的阶段分别采集分离轴承位置信号和节气门位置信号经过A/D转换将模拟信号转化为数字信号，经过控制器计算出合理的控制量后通过I/O口输出再经过电机驱动电路输出PWM功率信号驱动电机运动，实现节气门开度的控制。图2所示为此控制器的软件结构简图。车辆起步过程的控制策略如图3所示，当离合器达到同步之后，此时油门踏板继续起作用控制电子节气门开度的增大和减小。

整个发明的控制流程如图4所示，其具体操作步骤如下：

步骤1、启动发动机、保持发动机处于怠速状态。挂入起步档位，但是，此时离合器踏板还未松开。

步骤2、逐渐松开离合器踏板，准备起步。同时检测离合器输出端转速是否为0来判断车辆是否处于起步状态，当判断车辆处于起步状态时，即离合器开始接合时，电子节气门开度随着离合器踏板位移量的变化而变化，当驾驶员的脚逐渐松开踏板时，离合器踏板位置传感器将离合器踏板移动量转换成电信号。同时，节气门位置传感器将节气门的实际开度也转换为一个电信号，其输出特性与油门踏板位置传感器一样，并且均为线性输出。这两个电信号被同时送入ECU，进行比较，若两个信号不同，说明节气门的实际开度没有达到要求，则ECU发出一个控制信号，控制电机沿正方向(增大节气门开度)或反方向(减小节气门开度)转动，直至两个电信号相同为止。实现离合器的快速接合，同时检测离合器的滑磨转速（发动机转速与离合器输出端转速的转速差）是否小于20rpm，如果滑磨转速大于20rpm则重复步骤2，如果小于20rpm则进入步骤3阶段；

步骤3、当离合器的滑磨转速小于20rpm时即进入下一状态同步状态。此时节气门开度不再随着离合器踏板位移量的变化而变化，油门踏板开始起作用继续控制电子节气门开度的大小。当驾驶员的脚逐渐踩下油门踏板时，油门踏板位置传感器将油门踏板移动量转换成电信号。同时，节气门位置传感器将节气门的实际开度也转换为一个电信号，其输出特性与油门踏板位置传感器一样，并且均为线性输出。这两个电信号被同时送入ECU，进行比较，若两个信号不同，说明节气门的实际开度没有达到要求，则ECU发出一个控制信号，控制电机沿正方向(增大节气门开度)或反方向(减小节气门开度)转动，直至两个电信号相同为止。

本发明的重点是对整个车辆起步过程发动机扭矩和离合器摩擦扭矩的匹配控制，通过对车辆起步过程中发动机扭矩和离合器摩擦扭矩关系的分析与研究，在手动挡汽车上加装电子节气门和离合器位置传感器，开发一种以Freescale MC9S12DT128单片机为控制核心，以离合器分离轴承位置、发动机转速、变速箱输入轴转速为输入信号的电子节气门控制系统，对车辆在起步过程中的发动机扭矩和离合器摩擦扭矩进行协调控制，以实现车辆在起步过程中对冲击度和滑磨功的综合控制，提高车辆在起步过程中的燃油经济性和乘坐舒适性。

在完成对控制程序的调试及编译后，通过BDM下载到以FreeScaleMC9S12DT128型号16位单片机中，进行离合器起步过程接合实验。经过加装电子节气门控制后的汽车起步过程曲线如图5所示，从图6（a）中可以看出，汽车起步过程发动机的转速没有出现转速过高的现象，同时从图6（b）中可以看出此时的滑磨功相对比机械式油门起步时降低了大约700J,从而避免了因发动机转速过高导致油耗增加的现象。从图6（c）中也可以看出此时的冲击度，尤其是同步时刻的冲击相对比机械式油门起步时如图5所示降低了大约300rad.s-3，保证了车辆在起步过程比较平稳，提高了乘坐舒适性，因此，通过加装电子节气门取代传统的机械式节气门可以取得良好的效果。

Claims (1)

1.一种降低油耗的车辆起步控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、启动发动机、保持发动机处于怠速状态；挂入起步档位，但是，此时离合器踏板还未松开；

步骤2、逐渐松开离合器踏板，准备起步；同时检测离合器输出端转速是否为0来判断车辆是否处于起步状态，当判断车辆处于起步状态时，即离合器开始接合时，电子节气门开度随着离合器踏板位移量的变化而变化，当驾驶员的脚逐渐松开踏板时，离合器踏板位置传感器将离合器踏板移动量转换成电信号；同时，节气门位置传感器将节气门的实际开度也转换为一个电信号，其输出特性与油门踏板位置传感器一样，并且均为线性输出；这两个电信号被同时送入ECU，进行比较，若两个信号不同，说明节气门的实际开度没有达到要求，则ECU发出一个控制信号，增大节气门开度或减小节气门开度，直至两个电信号相同为止；实现离合器的快速接合，同时检测离合器的滑磨转速，即发动机转速与离合器输出端转速的转速差是否小于20rpm，如果滑磨转速大于20rpm则重复步骤2，如果小于20rpm则进入步骤3阶段；

步骤3、当离合器的滑磨转速小于20rpm时即进入下一状态同步状态；此时节气门开度不再随着离合器踏板位移量的变化而变化，油门踏板开始起作用继续控制电子节气门开度的大小；当驾驶员的脚逐渐踩下油门踏板时，油门踏板位置传感器将油门踏板移动量转换成电信号；同时，节气门位置传感器将节气门的实际开度也转换为一个电信号，其输出特性与油门踏板位置传感器一样，并且均为线性输出；这两个电信号被同时送入ECU，进行比较，若两个信号不同，说明节气门的实际开度没有达到要求，则ECU发出一个控制信号，控制电机沿正方向，即增大节气门开度；或反方向即减小节气门开度转动，直至两个电信号相同为止。