CN103758645A - 一种混合动力汽车发动机控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种混合动力汽车发动机控制方法，对于直连型混合动力汽车，在发动机起动或停机的过程中，将发动机正常运转时进气门关闭时的曲轴位置称为第一基准位置，排气门开启时的曲轴位置称为第二基准位置；在发动机起动或停机的过程中，使排气门新增一段额外开启时间；所述额外开启时间的起点在曲轴位置位于第一基准位置之前5度～之后30度的范围内，所述额外开启时间的终点在曲轴位置位于第二基准位置之前30度～0度的范围内。本申请在不影响直连型混合动力汽车的发动机正常运转的前提下，极大地克服了其在起动和停机过程中的振动，提高了乘车舒适性；并能进一步降低点火时的扭矩冲击。

Description

一种混合动力汽车发动机控制方法及装置

技术领域

本申请涉及一种混合动力汽车的发动机控制方法。

背景技术

有一种混合动力汽车没有离合器等分离机构，其发动机与传动系统直接连接。对于这种直连型混合动力汽车，当发动机根据控制器的指令起动或停机时，由于发动机在低转速时会产生剧烈抖动，而对整车产生明显的振动冲击，严重影响乘车舒适性。2001年4月30日出版的编号为2001-01-1415的SAE（国际汽车工程师学会）论文《Noise andVibration Reduction Technology in Hybrid Vehicle Development》记载了该问题。

请参阅图1，直连型混合动力汽车在上电后，先由电动机拖动发动机运转，发动机转速逐渐提高，随后进行点火由发动机自行运转。在此过程中，表征车辆振动情况的楼板加速度（floor acceleration）指标出现较大波动。

请参阅图2，这是在图1所示的上电到点火的时间区段内（即由电动机拖动发动机运转时），车辆发动机受到的阻力矩变化曲线。曲轴初始角度不同，会导致0～240°区段内发动机受到的阻力矩不同，但在240°以后的区段，发动机受到的阻力矩基本相同。

传统的四冲程发动机的一个工作循环由吸气、压缩、膨胀、排气四个冲程所组成。每个工作循环对应着曲轴转动两周，即曲轴转动720度。请参阅图3，吸气冲程中，进气门开启，排气门关闭，油气混合气进入气缸。压缩冲程中，进气门和排气门均关闭，活塞压缩气体。膨胀冲程中，进气门和排气门均关闭，火花塞点火使气缸中的气体爆炸膨胀。排气冲程中，进气门关闭，排气门开启，燃烧后的废气排出气缸。现有发动机在正常运转时，通常进气冲程时的气缸连通进气管，压缩和膨胀冲程时的气缸均为密闭空间，排气冲程时的气缸连通排气管。

当四冲程发动机在起动、停机阶段，由于喷油器不再喷油，火花塞也不再点火，因而在吸气冲程中进入气缸的是空气，在膨胀冲程中气缸中的空气不会爆炸膨胀，在排气冲程中将空气排出气缸。由于压缩和膨胀冲程中的气缸均为密闭空间，其中空气在被压缩时产生的压缩力矩就导致了图2所示的发动机受到的阻力矩出现大幅度、周期性的波动，也就导致了图1所示的车辆振动。

对于上述振动问题，现有的一种解决方案是：丰田的THS系统采用阿特金森循环发动机，在发动机低速运转时使进气门关闭时刻尽量推迟来减少气缸内的有效充气量，并通过随曲轴转角的扭矩补偿来减小扭矩波动，还改进了发动机的悬置结构。这种技术方案较好地解决了上述振动问题，但对发动机改动较大，由奥托循环发动机改为了阿特金森循环发动机，相应地还需要大幅修改控制系统的算法。同排量的阿特金森发动机较普通的奥托循环发动机，具有扭矩下降较多、发动机的功率输出降低等缺点，使车辆的加速性以及高速时的油耗有所劣化。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是对于发动机与传动系统直连的混合动力汽车而言，提供一种发动机起动、停止过程中的控制方法，从而可以减少因气缸内气体的周期性压缩、膨胀所带来的整车大幅度的扭矩波动。为此，本申请还要提供相应的一种控制装置。

为解决上述技术问题，本申请混合动力汽车发动机控制方法为：对于直连型混合动力汽车，将发动机正常运转时进气门关闭时的曲轴位置称为第一基准位置，排气门开启时的曲轴位置称为第二基准位置；在发动机起动或停机的过程中，使排气门新增一段额外开启时间；所述额外开启时间的起点在曲轴位置位于第一基准位置之前5度～之后30度的范围内，所述额外开启时间的终点在曲轴位置位于第二基准位置之前30度～0度的范围内。

本申请混合动力汽车发动机控制装置为：在发动机的排气凸轮腔室中增加一个ECU控制的放气凸轮；当发动机正常运转时，ECU控制放气凸轮使其不起作用，此时排气门仅受到排气凸轮的控制；当发动机被拖动或停机过程中，ECU控制放气凸轮使其与排气凸轮共同控制排气门，由放气凸轮产生排气门的额外开启时间。

本申请在不影响直连型混合动力汽车的发动机正常运转的前提下，极大地克服了其在起动和停机过程中的振动，提高了乘车舒适性；并能进一步降低点火时的扭矩冲击。

附图说明

图1是直连型混合动力汽车在起动时的振动示意图；

图2是直连型混合动力汽车在起动时的输出扭矩波动示意图；

图3是现有的四冲程发动机的控制方法中的进气门、排气门的开关状态示意图；

图4a、图4b是本申请的四冲程发动机的控制方法中的进气门、排气门的开关状态示意图；

图5是本申请的混合动力汽车发动机控制装置的一个实施例的结构示意图。

图中附图标记说明：

10为进气管；11为进气门；12为进气凸轮；20为排气管；21为排气门；22为排气凸轮；30为放气凸轮。

具体实施方式

本申请混合动力汽车发动机的控制方法为：对于直连型混合动力汽车，在发动机正常运转的过程中，按照现有的控制方法执行四冲程发动机的工作循环。在发动机起动或停机的过程中，对进气门开启时间不作改变，但对排气门新增了一段额外开启时间。所述额外开启时间的起点在曲轴位置位于第一基准位置之前5度～之后30度的范围内，所述额外开启时间的终点在曲轴位置位于第二基准位置之前30度～0度的范围内。所述第一基准位置是指发动机正常运转时进气门关闭时的曲轴位置。所述第二基准位置是指发动机正常运转时排气门开启时的曲轴位置。

请参阅图3，现有的发动机不论是在正常运转时，还是在起动时，还是在停机时，进气门总是大致在吸气冲程开启，而在其余三个冲程中关闭。将进气门关闭时的曲轴位置称为第一基准位置。排气门总是大致在排气冲程中开启，而在其余三个冲程中关闭。将排气门开启时的曲轴位置称为第二基准位置。图3也作为本申请在发动机正常运转时的控制方法。

请参阅图4a和图4b，本申请仅对发动机在起动或停机时，新增一段额外开启时间。假设额外开启时间的起点滞后于第一基准位置m度，m以曲轴转动角度来衡量，那么m的取值范围为-5度～30度，优选为0度～10度。m取值为负数表示额外开启时间的起点提前于第一基准位置。m取值为零表示额外开启时间的起点就是第一基准位置。假设额外开启时间的终点提前于第二基准位置n度，n也以曲轴转动角度来衡量，那么n的取值范围为0度～30度。n取值为零表示额外开启时间的终点就是第二基准位置。在n为0度时，如图4b所示，排气门的额外开启时间将和正常开启时间合并为一个完整的开启时间段，从而减少了排气门的启闭次数，因而为优选方案。

根据本申请的控制方法，发动机在起动或停机时，进气冲程时的气缸连通进气管，压缩、膨胀、排气冲程时的气缸均至少有一部分时间段与排气管连通，因而在四个冲程中气缸都不是密闭空间。此时发动机受到的的阻力矩主要就是两种：在吸气冲程中随进气管压力下降而逐渐增大的进气负压阻力矩、在四个冲程中活塞运动的摩擦阻力矩。这两种阻力矩显然远小气体压缩阻力矩，因而使得在四个冲程中气缸内的气体压力波动很小，也就使得发动机受到的阻力矩的平顺性大大提高，从而有效减小了发动机的振动问题。

为实现本申请的控制方法，可以设计多种相应的控制装置。请参阅图5，这是本申请混合动力汽车发动机控制装置的一个示例。进气门11负责使气缸（在进气门11、排气门21的下方，未图示）与进气管10连通或隔离。排气门21负责使气缸与排气管20连通或隔离。一个偏心的进气凸轮12围绕其黑色中心转动，从而开启或关闭进气门11。进气凸轮12距离黑色中心的最远端抵住进气门11的时间段恰为发动机在任意情况下的进气门开启时间段。一个偏心的排气凸轮22也围绕其黑色中心转动，从而开启或关闭排气门21。排气凸轮22距离黑色中心的最远端抵住排气门21的时间段恰为发动机在正常运转时的排气门开启时间段，也为发动机在起动或停机时的正常开启时间段。在以上的结构基础上，本申请的控制装置新增了一个放气凸轮30，其与排气凸轮22位于同一个腔室中，甚至可以与排气凸轮22位于同一根凸轮轴上。

例如，该放气凸轮30也为偏心结构，围绕其黑色中心转动。然而其黑色中心所表示的转动轴的位置是可以根据控制器的指令而调整的。一般情况下，控制器使放气凸轮30的转动轴远离排气门21，让放气凸轮30接触不到排气门21。当需要产生发动机在起动或停机时的额外开启时间段，则控制器使放气凸轮30的转动轴凑近排气门21，让放气凸轮30距离黑色中心最远端挤压到排气门21的末端，就会使排气门21开启，而使气缸与排气管20连通。

又如，该放气凸轮30围绕一根位置固定的转动轴，甚至可以与排气凸轮22位于同一根凸轮轴上。但是该放气凸轮30的形状可以根据控制器的指令而调整，例如在圆形和偏心圆形之间变动。一般情况下，控制器使放气凸轮30变为圆形，让放气凸轮30接触不到排气门21。当需要产生发动机在起动或停机时的额外开启时间段，则控制器使放气凸轮30变为偏心圆形，让放气凸轮30距离黑色中心最远端挤压到排气门21的末端，就会使排气门21开启，而使气缸与排气管20连通。

上述两种放气凸轮的实现方式都意味着，排气门21不仅受到排气凸轮22的控制，还同时受到放气凸轮30的控制。

图5所示的控制装置不用改变发动机的基本结构，仅通过在发动机的排气凸轮腔室中增加一个ECU（电子控制单元）可控的放气凸轮30即可。当发动机正常运转时，ECU控制放气凸轮30使其不起作用，此时排气门21仅受到排气凸轮22的控制，发动机不受任何影响，功率扭矩等都不会下降。当电动机拖动发动机时、或需要发动机停机时，ECU控制放气凸轮30使其也参与对排气门21的控制。这可以大大减弱发动机的阻力矩波动现象，减轻了电动机的拖动扭矩，且平顺性更好，发动机加速更快。而发动机是运转、起动或停机状态，可由ECU从HCU（整车控制器）处获取相应信号。

本申请所述控制装置利用新增的放气凸轮30新增了一段额外放气时间，并且优选在进气门11关闭之后的0～10度（曲轴转动角度）使排气门21额外开启。这样，在进气门11开启的时候，气缸仅连通进气管10，而使进气管10内部的气体压力降低，这对于后面的发动机点火有很好的作用。因为点火时的冲击主要来自于发动机的燃烧扭矩冲击，降低了进气管压力就可以有效减少燃烧扭矩；伴随着推迟的点火角控制，可以进一步减弱刚开始燃烧时的扭矩冲击。在排气门21额外开启的时候，气缸仅连通排气管20，因而气缸不会同时连通进气管10和排气管20而导致气流反灌。

综上所述，对现有的发动机，本申请的改动分为两部分：机械上仅需更改气缸盖内部的排气凸轮腔室，软件上ECU通过设置相应的控制逻辑。这样既实现了不影响发动机的运行特性，又可以很好的解决拖动、停机过程发动机严重抖动的问题；且可以通过降低开始点火时刻的进气量来降低点火时的扭矩冲击。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合动力汽车发动机控制方法，其特征是，对于直连型混合动力汽车，将发动机正常运转时进气门关闭时的曲轴位置称为第一基准位置，排气门开启时的曲轴位置称为第二基准位置；在发动机起动或停机的过程中，使排气门新增一段额外开启时间；所述额外开启时间的起点在曲轴位置位于第一基准位置之前5度～之后30度的范围内，所述额外开启时间的终点在曲轴位置位于第二基准位置之前30度～0度的范围内。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车发动机控制方法，其特征是，所述额外开启时间的起点在曲轴位置位于第一基准位置之后0度～10度的范围内。

3.根据权利要求1所述的混合动力汽车发动机控制方法，其特征是，所述额外开启时间的终点就是曲轴位置位于第二基准位置时。

4.一种混合动力汽车发动机控制装置，其特征是，在发动机的排气凸轮腔室中增加一个ECU控制的放气凸轮；当发动机正常运转时，ECU控制放气凸轮使其不起作用，此时排气门仅受到排气凸轮的控制；当发动机被拖动或停机过程中，ECU控制放气凸轮使其与排气凸轮共同控制排气门，由放气凸轮产生排气门的额外开启时间。

5.根据权利要求4所述的混合动力汽车发动机控制装置，其特征是，所述放气凸轮是围绕中心转动的偏心结构，其转动轴受控制器调整；

当需要产生发动机在起动或停机时的额外开启时间段，则控制器使放气凸轮的转动轴凑近排气门，让放气凸轮距的最远端挤压排气门，使排气门开启；

其余时候，控制器使放气凸轮的转动轴远离排气门，让放气凸轮接触不到排气门。

6.根据权利要求4所述的混合动力汽车发动机控制装置，其特征是，所述放气凸轮是围绕中心转动的可变形状，受控制器调整而在圆形和偏心圆形之间改变形状；

当需要产生发动机在起动或停机时的额外开启时间段，则控制器使放气凸轮变为偏心圆形，让放气凸轮的最远端挤压排气门，使排气门开启；

其余时候，控制器使放气凸轮变为圆形，让放气凸轮接触不到排气门。

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