CN103287437A - 一种基于车辆运行工况的发动机自适应系统及节油方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于车辆运行工况的发动机自适应系统及节油方法，该发动机自适应系统包括信息中心以及均与信息中心通信相连的多个车载终端；每一车载终端均包括GPS导航模块、车辆运行数据采集模块、整车参数与发动机工况数据存储模块、无线通信模块、数据运算模块、决策模块以及车辆控制模块；该信息中心则包括无线通信模块、地图数据存储模块、历史数据存储模块以及线路优化数据存储模块。本发明的车辆控制模块执行调整发动机响应特性，降低不良油门操作的影响；另外本发明中采用的标准道路阻力特征系数是一个优化值，故具有更高的参考性，使得本发明能在保证车辆动力性的前提下，通过对发动机的输出特性进行合理控制，从而达到节油的功效。

Description

一种基于车辆运行工况的发动机自适应系统及节油方法
技术领域
本发明涉及车辆发动机控制领域，更具体的说是涉及一种基于车辆运行工况发动机自适应系统及节油方法，其通过对发动机进行控制，从而可以在确保车辆动力性的前提下，达到降低整车油耗的功效。
背景技术
根据发动机的动态响应特性，当油门呈现稳态变化时，发动机的扭矩与转速之间的动态关系接近于线性，其曲线是一条滞后于油门变化的曲线；当油门呈现阶跃变化时，发动机输出扭矩瞬间增大，发动机喷油量随油门变化而突然加大，由于发动机转速和增压系统呈稳态上升，故其无法跟上喷油量的变化。试验数据表明：100%的油门阶跃下，在大约5秒的时间内，气缸内混合气过浓，而存在燃油燃烧不完全、油耗上升以及排放变差等问题。
在车辆行驶过程中诸如起步、加速与换挡等工况下，司机为了尽快提速常常会大脚油门，等车辆到达预期速度后再会放松油门，这样的操作在发动机工况变化的时刻，会导致大量燃油没有燃烧完全就随尾气排出，使得车辆油耗升高；而且由于发动机扭矩瞬间增加，加速过快导致超调，如此经常需要制动减速，即增加了能量浪费；因此经济的驾驶方式中对油门的操作应该轻柔，而不应急加速以及急刹车。
有鉴于此，本发明人针对现有技术中司机不良操作而造成油耗较高的缺陷深入研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种基于车辆运行工况的发动机自适应系统，从而实现在确保车辆动力性的前提下，降低整车油耗的功效。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于车辆运行工况的发动机自适应系统，其中，包括信息中心以及均与信息中心通信相连的多个车载终端；
该每一车载终端均包括：
GPS导航模块，用于获取车辆的当前位置信息，并将当前位置信息发送至信息中心；
车辆运行数据采集模块，用于采集车辆的运行数据，车辆运行数据包括车辆当前车速、发动机转速、发动机扭矩、油门踏板开度和制动踏板开度；
整车参数与发动机工况数据存储模块，用于存储车辆配置参数以及对应于不同动力需求的发动机运行参数；
数据运算模块，根据车辆运行数据采集模块采集的车辆运行数据计算出车辆当前运行状态参数，该车辆当前运行状态参数包括车辆加速度、油门踏板开度变化率和档位；该数据运算模块还结合整车参数与发动机工况数据存储模块中的车辆配置参数而计算出当前道路阻力特征系数；
决策模块，根据从下述线路优化数据存储模块获得的标准道路阻力特征系数、地图数据存储模块的当前路段道路信息和数据运算模块计算的车辆当前运行状态参数判断出整车动力需求，并根据该需求从整车参数与发动机工况数据存储模块中获取所对应的发动机运行参数；
车辆控制模块，接收发动机运行参数并控制发动机的输出特性；
该信息中心包括：
地图数据存储模块，用于储存车辆运行区域的地图数据，并根据GPS导航模块所获取的当前位置信息而提取出当前路段道路信息；
历史数据存储模块，与多个车载终端均通信相连，用于存储最近一段时间内每一车载终端经过当前路段时其中数据运算模块计算得到的当前道路阻力特征系数，并对不同车载终端的当前道路阻力特征系数进行分析比较；
线路优化数据存储模块，与历史数据存储模块相连并从中提取出对应当前道路路段的标准道路阻力特征系数，并根据当前位置信息将相应的标准道路阻力特征系数下发至车载终端的决策模块。
进一步，该每一车载终端还包括人机交互模块，该人机交互模块用于供司机输入车辆运行信息，该车辆运行信息包括车辆载荷与线路状态；该决策模块则根据车辆运行信息、当前路段道路信息、标准道路阻力特征系数和车辆当前运行状态参数判断整车动力需求。
进一步，该车辆配置参数包括变速箱档位速比、主减速比、车辆整备质量、轮胎滚动半径、传动系机械效率、车辆转动惯量换算系数、风阻系数和车辆迎风面积。
进一步，该当前路段道路信息包括坡度、路面状态、道路位置属性和实时路况。
本发明的第二目的在提供一种基于车辆运行工况的节油方法，其中，包括采集与记录优化步骤以及执行步骤，该采集与记录优化步骤包括如下步骤：
A1、在每一车载终端均预存有相应车辆的车辆配置参数以及对应于不同动力需求的发动机运行参数；在信息中心则预存有车辆运行区域的地图数据；
A2、每一车载终端采集当前车辆运行数据并结合车辆配置参数而计算出车辆当前运行状态参数及当前道路阻力特征系数，该每一车载终端还获取车辆的当前位置信息，并该车辆当前道路阻力特征系数在与当前位置信息相结合后一起发送至信息中心存储起来而形成历史数据；再由历史数据生成与当前道路路段对应的标准道路阻力特征系数；
该执行步骤包括如下步骤：
B1、根据车辆当前位置信息提取出相对应的标准道路阻力特征系数；
B2、结合当前路段道路信息、车辆当前运行状态参数和标准道路阻力特征系数判断出整车动力需求，并根据该需求选出相对应的发动机运行参数；
B3、根据发动机运行参数控制发动机的输出特性。
进一步，在步骤A1中还包括通过人机交互模块让司机输入车辆运行信息的步骤，该车辆运行信息包括车辆载荷与线路状态；在步骤A2计算车辆当前运行参数时结合该车辆载荷；在步骤B2中则是结合车辆运行信息、当前路段道路信息、标准道路阻力特征系数和车辆当前运行状态参数来判断整车动力需求。
进一步，该车辆配置参数包括变速箱档位速比、主减速比、车辆整备质量、轮胎滚动半径、传动系机械效率、车辆转动惯量换算系数、风阻系数和车辆迎风面积。
进一步，该车辆运行数据包括车辆当前车速、发动机转速、发动机扭矩、油门踏板开度和制动踏板开度；该车辆当前运行状态参数包括车辆等效行驶阻力、车辆加速度、油门踏板开度变化率和档位。
进一步，该当前路段道路信息包括坡度、路面状态、道路位置属性和实时路况。
采用上述结构后，本发明涉及的发动机自适应系统及节油方法，其利用历史数据存储模块来对所有车载终端计算得到的当前道路阻力特征系数进行记录总结，并经过统计分析后得到对应于相应路段的标准道路阻力特征系数；接着由决策模块根据车辆当前运行状态参数、标准道路阻力特征系数与当前路段道路信息判断出整车动力需求，然后再根据当前整车的动力需求在整车参数与发动机工况数据存储模块中获取所对应的发动机运行参数，并由车辆控制模块执行。如此本发明的车辆控制模块执行调整发动机响应特性，降低不良油门操作的影响；另外本发明中采用的标准道路阻力特征系数是一个结合其它车辆而获得的优化值，故具有更高的参考性，进而使得本发明能在保证车辆动力性的前提下，通过对发动机的输出特性进行合理控制，从而达到节油的功效。
附图说明
图1为本发明涉及一种车辆运行工况发动机自适应系统的结构原理框图；
图2为本发明涉及发动机自适应系统含车载终端内部具体框图的结构示意图；
图3为本发明涉及发动机自适应系统含信息中心内部具体框图的结构示意图。
图中：
发动机自适应系统     100     车载终端              1
GPS导航模块          11      车辆运行数据采集模块  12
整车参数与发动机工况数据存储模块13
无线通信模块         14      数据运算模块          15
决策模块             16      车辆控制模块          17
人机交互模块         18
信息中心             2       无线通信模块          21
地图数据存储模块     22      历史数据存储模块      23
线路优化数据存储模块 24。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
如图1至图3所示，本发明涉及的一种基于车辆运行工况的发动机自适应系统100的结构原理框图，该发动机自适应系统100包括信息中心2以及多个车载终端1，该多个车载终端1与该信息中心2均通信相连。
该每一车载终端1均包括GPS导航模块11、车辆运行数据采集模块12、整车参数与发动机工况数据存储模块13、无线通信模块14、数据运算模块15、决策模块16以及车辆控制模块17；该信息中心2则包括无线通信模块21、地图数据存储模块22、历史数据存储模块23以及线路优化数据存储模块24。
该GPS导航模块11，用于获取车辆的当前位置信息；具体的，该GPS导航模块11包括GPS天线和GPS接收器，其是采用公知的方法来获取车辆自身的位置信息，并通过无线通信模块14而将该信息发送至信息中心2，从而能在地图数据存储模块22中进行定位。
该车辆运行数据采集模块12，用于采集车辆的运行数据，该车辆运行数据具体包括车辆当前车速、发动机转速、发动机扭矩、油门踏板开度和制动踏板开度；其可以直接通过车上CAN总线通信而获取，对于未设置CAN总线的车辆，则需要额外配置相应的传感器进行数据采集。
该整车参数与发动机工况数据存储模块13，用于存储车辆配置参数以及对应于不同动力需求的发动机运行参数；具体地，在具体实施例中，该车辆配置参数包括变速箱档位速比、主减速比、车辆整备质量、轮胎滚动半径、传动系机械效率、车辆转动惯量换算系数、风阻系数和车辆迎风面积。该发动机运行参数则为对应于当前车辆发动机的参数，其采用预先存储的方式进行设置，该发动机运行参数根据不同的动力需求而有所区别。
该数据运算模块15，根据车辆运行数据采集模块12采集的车辆运行数据计算出车辆当前运行状态参数，该车辆当前运行状态参数包括车辆加速度、油门踏板开度变化率和档位；该数据运算模块15还结合整车参数与发动机工况数据存储模块13中的车辆配置参数而计算出当前道路阻力特征系数。
该决策模块16，根据从下述线路优化数据存储模块24获得的标准道路阻力特征系数、地图数据存储模块22的当前路段道路信息和数据运算模块15计算的车辆当前运行状态参数判断出整车动力需求，并根据该需求从整车参数与发动机工况数据存储模块13中获取所对应的发动机运行参数；
该车辆控制模块17，与决策模块16和发动机均相连，其接收决策模块16调取的发动机运行参数并控制发动机的输出特性。
该地图数据存储模块22，用于储存车辆运行区域的地图数据，并根据GPS导航模块11所获取的当前位置信息而提取出当前路段道路信息；具体地，该当前路段道路信息包括坡度、路面状态、道路位置属性和实时路况等信息，该道路位置属性主要用于识别市区道路。
该历史数据存储模块23，与多个车载终端1均通信相连，用于存储最近一段时间内每一车载终端1经过当前路段时其中数据运算模块15计算得到的当前道路阻力特征系数，并对不同车载终端1的参数进行分析比较；即可以通过历史比较来验证车载电脑计算结构的合理性，并对不合理的结果进行调整；同时对照历史数据存储模块23与线路优化数据存储模块24在同一路段的参数，可以发现未及时在地图上反映出来的道路状态改变。
该线路优化数据存储模块24，与历史数据存储模块23相连并从中提取出对应当前道路路段的标准道路阻力特征系数，并根据当前位置信息将相应的标准道路阻力特征系数下发至车载终端1的决策模块16。
本发明还提供一种基于车辆运行工况的节油方法，该节油方法包括两个步骤，一个是采集与记录优化步骤，另一个是执行步骤。
该采集与记录优化步骤是用于丰富历史数据存储模块23，并让历史数据存储模块23能存储历史数据并能分析得到优化数据，其包括：
A1、在每一车载终端1均预存有相应车辆的车辆配置参数以及对应于不同动力需求的发动机运行参数；在信息中心2则预存有车辆运行区域的地图数据；
A2、每一车载终端1采集当前车辆运行数据并结合车辆配置参数而计算出车辆当前运行状态参数及当前道路阻力特征系数，该每一车载终端1还获取车辆的当前位置信息，并该车辆当前道路阻力特征系数在与当前位置信息相结合后一起发送至信息中心2存储起来而形成历史数据；再由历史数据生成与当前道路路段对应的标准道路阻力特征系数。
该执行步骤则为利用历史数据存储模块23以及线路优化数据存储模块24所获得的标准道路阻力特征系数，从而达到控制更加准确稳定的功效，即能稳定地保证车辆动力性；其包括：
B1、根据车辆当前位置信息提取出相对应的标准道路阻力特征系数；
B2、结合当前路段道路信息、车辆当前运行状态参数和标准道路阻力特征系数判断出整车动力需求，并根据该需求选出相对应的发动机运行参数；
B3、根据发动机运行参数控制发动机的输出特性。
这样，本发明涉及的发动机自适应系统100及节油方法，其利用历史数据存储模块23来对所有车载终端1计算得到的当前道路阻力特征系数进行记录总结，并经过分析比较后得到对应于相应路段的标准道路阻力特征系数；接着由决策模块16根据车辆当前运行状态参数、标准道路阻力特征系数与当前路段道路信息判断出整车动力需求，然后再根据当前整车的动力需求在整车参数与发动机工况数据存储模块13中获取所对应的发动机运行参数，并由车辆控制模块17执行。
优选地，该发动机自适应系统100还包括人机交互模块18，该人机交互模块18用于供司机输入车辆运行信息，该车辆运行信息包括车辆载荷与线路状态；该决策模块16根据车辆运行信息、当前路段道路信息、标准道路阻力特征系数和车辆当前运行状态参数判断整车动力需求。另外，通过该人机交互模块18，还可以接受司机的人为操控，允许整个发动机自适应系统100退出自适应状态或者根据司机选择配置相应的发动机状态。
下面详细描述本发明涉及发动机自适应系统100的实现过程：
在车辆行驶时，作用域车辆的各种外力在前进方向上可以归为驱动力与行驶阻力。车辆行驶阻力平衡方程为：
Figure 2012100406694100002DEST_PATH_IMAGE002
式中：Ft为驱动力，Ff为滚动阻力，Fw为空气阻力，Fi为坡度阻力，Fj为加速阻力。
该公式等价于：
Figure 2012100406694100002DEST_PATH_IMAGE004
式中：Ttq为发动机扭矩，ig为变速器传动比，i0为主减速器传动比，r为车轮半径，
Figure 2012100406694100002DEST_PATH_IMAGE006
为传动系机械效率，δ为车辆转动惯量换算系数，m为车辆总质量，a为车辆加速度，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，θ为道路坡度角，v为车速，CD为风阻系数，A为车辆迎风面积。
对于以上数据公式，可以将其转换成：
λ作为道路阻力特征系数或称为道路等效坡度。
其中，发动机扭矩Ttq和车速v均可以从CAN网络中获取，或通过与相应的电控单元通信取得。对于ig、i0、r、
Figure 394049DEST_PATH_IMAGE006
、δ、CD和A等参数预先储存在车载终端1的整车参数与发动机工况数据存储模块13内，其还将获取的车速进行平滑处理后，由车速的变化率可以计算出加速度a：
Figure 2012100406694100002DEST_PATH_IMAGE010
T为车速采样间隔，v1至v10是最近10次记录的车速值，v10是最新的车速值。
另外，由于在油门变化率大的时候，发动机扭矩会同样产生突变，但车辆由于自身大惯量无法良好地跟随发动机扭矩变化，如此会导致计算出来的λ偏大，因此应该在使用中除去这部分的数据，即仅适用稳态油门或者油门变化率小而均匀的时刻的数据进行计算；因此通过车辆运行数据采集模块12采集的油门踏板开度及制动踏板开度，排除在相应时刻的异常扭矩并对余下的发动机扭矩进行平滑处理；同样地，对于档位，也具有同样的意义，即通过考察当前档位，如果在目前的行驶车速下，当前档位不正常或不合适，则排除此时计算出来阻力特征系数λ的参考价值，其主要也是因为不恰当的档位会导致车辆扭矩参数不正常时。对于整车质量m，其除了包括车辆整备质量外，还通过人机交互模块18而可通过司机的输入，而将本次线路上车辆的载荷情况考虑在内。
对于整个决策过程，则是从线路优化数据存储模块24计算得到当前道路的阻力特征系数λ，该阻力特征系数λ表征了道路的特征，即包括坡度、路面状态（即道路阻力大小）等信息，接着则通过下述公司而计算出当前路段下车辆的动力需求：
Figure 2012100406694100002DEST_PATH_IMAGE012
其中：v在默认的情况下取值为道路限速与设计经济时速中较小的一个。在实时路况信息反映道路拥挤程度的情况下，该值会根据拥挤的程度而改变，实时路况系统会对拥挤程度提出一个定性的描述比如拥挤或畅通，同时定量描述为“目前某某路段平均车速20km/h” ，此时v取值为实时路况信息提供的车速，其体现了道路拥挤程度即实时路况。
Figure 2012100406694100002DEST_PATH_IMAGE014
为功率储备系数，是一个与车型相关的定值，其作用是保证了车辆有足够的动力用于加速，该值的选取主要考虑车辆动力性相关规定及驾驶者的驾驶感受，保证车辆加速性能在合理范围内。β为线路修正系数，该参数被人机交互界面的输入信息的线路状态所影响，如快线、限时到达承诺的班线通过增大β的取值保证车辆具有较优越的动力性。
根据上述计算出的即车辆所需牵引力Ft。根据配置参数中车辆各档速比及v车速下的经济档位确定速比i0，根据最开始的两个等价方程
Figure 2012100406694100002DEST_PATH_IMAGE016
Figure 2012100406694100002DEST_PATH_IMAGE018
得
Figure DEST_PATH_IMAGE020
计算该状态下的Ttq发动机最大扭矩需求；再由P=Ft*v计算发动机最大功率需求；该最终选择的发动机动力应该满足最大扭矩需求与最大功率需求中的较大值。
最后根据这些需求从整车参数与发动机工况数据存储模块获取所对应的发动机运行参数，并通过车辆控制模块17来执行。综上可知，本发明通过车辆控制模块17调整发动机油门响应，降低不良油门操作的影响；另外本发明中采用的标准道路阻力特征系数是一个结合其它车辆而获得的优化值，故具有更高的参考性，进而使得本发明能在保证车辆动力性的前提下，通过对发动机的输出特性进行合理控制，从而达到节油的功效。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (9)

1.一种基于车辆运行工况的发动机自适应系统，其特征在于，包括信息中心以及均与信息中心通信相连的多个车载终端；
该每一车载终端均包括：
GPS导航模块，用于获取车辆的当前位置信息，并将当前位置信息发送至信息中心；
车辆运行数据采集模块，用于采集车辆的运行数据，车辆运行数据包括车辆当前车速、发动机转速、发动机扭矩、油门踏板开度和制动踏板开度；
整车参数与发动机工况数据存储模块，用于存储车辆配置参数以及对应于不同动力需求的发动机运行参数；
数据运算模块，根据车辆运行数据采集模块采集的车辆运行数据计算出车辆当前运行状态参数，该车辆当前运行状态参数包括车辆加速度、油门踏板开度变化率和档位；该数据运算模块还结合整车参数与发动机工况数据存储模块中的车辆配置参数而计算出当前道路阻力特征系数；
决策模块，根据从下述线路优化数据存储模块获得的标准道路阻力特征系数、地图数据存储模块的当前路段道路信息和数据运算模块计算的车辆当前运行状态参数判断出整车动力需求，并根据该需求从整车参数与发动机工况数据存储模块中获取所对应的发动机运行参数；
车辆控制模块，接收发动机运行参数并控制发动机的输出特性；
该信息中心包括：
地图数据存储模块，用于储存车辆运行区域的地图数据，并根据GPS导航模块所获取的当前位置信息而提取出当前路段道路信息；
历史数据存储模块，与多个车载终端均通信相连，用于存储最近一段时间内每一车载终端经过当前路段时其中数据运算模块计算得到的当前道路阻力特征系数，并对不同车载终端的当前道路阻力特征系数进行分析比较；
线路优化数据存储模块，与历史数据存储模块相连并从中提取出对应当前道路路段的标准道路阻力特征系数，并根据当前位置信息将相应的标准道路阻力特征系数下发至车载终端的决策模块。
2.如权利要求1所述的一种基于车辆运行工况的发动机自适应系统，其特征在于，该每一车载终端还包括人机交互模块，该人机交互模块用于供司机输入车辆运行信息，该车辆运行信息包括车辆载荷与线路状态；该决策模块则根据车辆运行信息、当前路段道路信息、标准道路阻力特征系数和车辆当前运行状态参数判断整车动力需求。
3.如权利要求1所述的一种基于车辆运行工况的发动机自适应系统，其特征在于，该车辆配置参数包括变速箱档位速比、主减速比、车辆整备质量、轮胎滚动半径、传动系机械效率、车辆转动惯量换算系数、风阻系数和车辆迎风面积。
4.如权利要求1所述的一种基于车辆运行工况的发动机自适应系统，其特征在于，该当前路段道路信息包括坡度、路面状态、道路位置属性和实时路况。
5.一种基于车辆运行工况的节油方法，其特征在于，包括采集与记录优化步骤以及执行步骤，该采集与记录优化步骤包括如下步骤：
A1、在每一车载终端均预存有相应车辆的车辆配置参数以及对应于不同动力需求的发动机运行参数；在信息中心则预存有车辆运行区域的地图数据；
A2、每一车载终端采集当前车辆运行数据并结合车辆配置参数而计算出车辆当前运行状态参数及当前道路阻力特征系数，该每一车载终端还获取车辆的当前位置信息，并该车辆当前道路阻力特征系数在与当前位置信息相结合后一起发送至信息中心存储起来而形成历史数据；再由历史数据生成与当前道路路段对应的标准道路阻力特征系数；
该执行步骤包括如下步骤：
B1、根据车辆当前位置信息提取出相对应的标准道路阻力特征系数；
B2、结合当前路段道路信息、车辆当前运行状态参数和标准道路阻力特征系数判断出整车动力需求，并根据该需求选出相对应的发动机运行参数；
B3、根据发动机运行参数控制发动机的输出特性。
6.如权利要求5所述的一种基于车辆运行工况的节油方法，其特征在于，在步骤A1中还包括通过人机交互模块让司机输入车辆运行信息的步骤，该车辆运行信息包括车辆载荷与线路状态；在步骤A2计算车辆当前运行参数时结合该车辆载荷；在步骤B2中则是结合车辆运行信息、当前路段道路信息、标准道路阻力特征系数和车辆当前运行状态参数来判断整车动力需求。
7.如权利要求5所述的一种基于车辆运行工况的节油方法，其特征在于，该车辆配置参数包括变速箱档位速比、主减速比、车辆整备质量、轮胎滚动半径、传动系机械效率、车辆转动惯量换算系数、风阻系数和车辆迎风面积。
8.如权利要求5所述的一种基于车辆运行工况的节油方法，其特征在于，该车辆运行数据包括车辆当前车速、发动机转速、发动机扭矩、油门踏板开度和制动踏板开度；该车辆当前运行状态参数包括车辆等效行驶阻力、车辆加速度、油门踏板开度变化率和档位。
9.如权利要求5所述的一种基于车辆运行工况的节油方法，其特征在于，该当前路段道路信息包括坡度、路面状态、道路位置属性和实时路况。
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