CN104295390A - 一种双模式发动机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双模式发动机控制系统及其控制方法，包括处理器、信号调理与驱动模块、控制器接插件，其中，所述处理器通过处理器控制线和/或处理器-电脑连接线连接电脑；所述信号调理与驱动模块与处理器采用高速总线连接；所述控制器接插件通过线束连接信号调理与驱动模块。利用快速原型设备处理器、信号调理与硬件驱动、接插件实现控制器系统硬件，通过模型化方法开发控制策略，一键下载到处理器中，完成控制策略原型开发；通过软件配置硬件电路实现控制器系统硬件匹配。优化设计发动机燃烧模式控制方案、燃烧模式切换控制逻辑、模式切换过程使发动机按需或最大化的实现均质压燃模式，并且切换过程迅速平稳。

Description

一种双模式发动机控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车发动机控制系统，具体涉及一种双模式发动机控制系统及其控制方法。

背景技术

汽油机均质压燃技术是将汽油与新鲜空气压缩到自燃点进行燃烧的发动机技术，此时混合气几乎同时燃烧，极大改善燃烧效率，降低排放。

均质压燃技术对缸内温度、压力的要求比较严格，不能在发动机所有工况点实现，这要求控制器可根据工况在火花点燃与均质压燃两种燃烧模式之间切换，即为双模式发动机。发动机运行在火花点燃与均质压燃两种燃烧模式，但是现在控制方法很难实现发动机在正确的时机切换燃烧模式以及切换过程中平顺性。

由于双模发动机技术还不够成熟，没有直接配套的产品控制器，现有研究单位基本都采用在高压直喷发动机控制器的基础上进行改进，采用旁通模式，或外接机械设备手动控制燃烧模式，或外界简单控制器来实现模式切换。但由于通讯以及原控制器硬件以及软件的局限性，使火花点燃与均质压燃模式切换平稳性、均质压燃模式时控制精准性存在困难。并且由于原控制器的限制，更改不同性能的零部件、不同的方案以及不同的数据范围进行试验都存在困难。

综上所述，现有技术中存在如下技术问题：现有汽油机均质压缩点火控制器采用双控制器方案，存在两个控制器之间的数据交互不充分，数据延时问题，并且硬件电路板制作周期长，改动困难，限制试验的参数调整范围，以及不同方案的尝试。发动机燃烧模式选择不能随时按需切换或自动根据发动机工况选择最合适的时机切换，对发动机实验带来一定的限制，无法保证选择最优的燃烧模式使发动机性能最大化；并且切换过程控制难以精准，模式切换过程中发动机运行不平稳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用快速原型设备开发双模式控制器方案与一种模式切换控制方案，使控制策略开发验证快速有效，控制器硬件电路可软件配置，模式切换过程平顺，最大化体现双模发动机优势。利用快速原型设备处理器、信号调理与硬件驱动、接插件实现控制器系统硬件，通过模型化方法开发控制策略，一键下载到处理器中，完成控制策略原型开发；通过软件配置硬件电路实现控制器系统硬件匹配。优化设计发动机燃烧模式控制方案、燃烧模式切换控制逻辑、模式切换过程使发动机按需或最大化的实现均质压燃模式，并且切换过程迅速平稳。具体技术方案如下：

一种双模式发动机控制系统，包括处理器、信号调理与驱动模块、控制器接插件，其中，

所述处理器通过处理器控制线和/或处理器-电脑连接线连接电脑；

所述信号调理与驱动模块与处理器采用高速总线连接；

所述控制器接插件通过线束连接信号调理与驱动模块。

进一步地，信号调理与驱动模块包括角度信号处理、开关输入、模拟输入、线氧信号处理、爆震信号处理、高边驱动、低边驱动、全桥驱动、直喷喷油器驱动。

进一步地，所述控制器接插件连接发动机线束接插件。

进一步地，发动机线束接插件连接传感器与执行器。

进一步地，所述控制器中设有控制软件，用于对信号进行接收，计算以及输出，所述信号从传感器依次经过发动机线束接插件、控制器接插件、信号调理与驱动模块到处理器，在处理器中通过控制软件计算需要的信号输出，信号输出依次经过信号调理与驱动、控制器接插件、发动机线束接插件，达到执行器实现需要的操作。

进一步地，处理器控制线和/或处理器-电脑连接线用于一键下载控制程序，实时控制程序参数、程序开关并测量记录控制器数据。

进一步地，处理器的信号输入包括多通道模拟输入模块、多通道数字输入模块、线氧传感器信号输入模块、曲轴/凸轮轴信号输入模块；处理器的驱动包括多通道低边驱动、多通道高边驱动、全桥/半桥驱动、直喷驱动、点火驱动；通讯采用CAN通讯网络模块；和/或，信号调理与驱动模块通过电路配置线连接电脑，通过上位机软件配置信号调理与驱动电路的技术参数，对输入信号可配置上拉、下拉、差分、滤波、高有效、低有效；驱动配置高边驱动、低边驱动、电压、电流、响应速度。

上述的双模式发动机控制系统的控制方法，进一步地，包括三种可选择且可实时控制改变的模式控制方案，方案1为自动控制，方案2为火花点燃模式，方案3为均质压燃模式：

当控制模式为1时，燃烧模式由双模式发动机控制器程序自动控制，根据发动机运行工况点实时判断应该处于何种工作模式，按照需要进行模式切换，以保证最佳的动力性与经济性；

当控制模式为2时，选择燃烧模式为火花点燃，如果当前燃烧模式为火花点燃则保持当前燃烧模式不变；如果当前燃烧模式为均质压燃模式，则执行均质压燃到火花点燃的切换过程，进入点燃模式；

当控制模式为3时，选择燃烧模式为均质压燃，如果当前燃烧模式为均质压燃则保持当前燃烧模式不变；如果当前燃烧模式为火花点燃，则执行火花点燃到均质压燃的切换过程，进入均质压燃模式。

进一步地，在均质压燃与火花点燃模式交界处，采用时间迟滞与工况过渡相结合的控制方案：火花点燃向均质压燃切换时，保证发动机工况处于核心均质压燃工况与过渡工况以内，并且发动机转速及负荷平稳，而均质压燃向火花点燃切换时，只要发动机工况处于过渡工况并且工况向外变化较大以及完全处于外围火花点燃工况时立即进入切换过程。

进一步地，分步实施火花点燃与均质压燃之间模式切换过程：在双模式发动机控制器要求进行模式切换时，首先在第一个凸轮轴切换角度进行凸轮轴切换，经过一个工作循环实现配气相位的模式切换；再进行节气门开度调节，平稳调节到模式需要的节气门开度；配合凸轮轴与节气门开度的切换调整，火花点火进行调整；在火花点燃模式打开火花点火，采用需求点火角点火，过渡区域打开火花点火，采用在压缩上止点时点燃；到均质压燃模式时关闭火花点火。

与目前现有技术相比，本发明硬件电路可软件配置使一套设备即可满足各种零部件方案、各种控制逻辑以及各种试验要求；控制策略一键下载实现在线标定与测量，开发周期短、实验效率高；采用燃烧模式控制方案，使发动机运行以需要的燃烧模式运行；制定时间迟滞与过渡工况相结合的模式切换控制逻辑，保证发动任何工况下选择最优的燃烧模式；分步实施的切换过程，使燃烧模式切换过程平稳。

附图说明

图1为快速原型硬件结构框图

图2为双模式发动机控制器结构图

图3为控制器系统信号流向图

图4为控制器软件流程框图

图5为双模式发动机工作区域图

图6为燃烧模式切换过程

具体实施方式

下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。

发明一种双模式发动机控制器，这种控制器采用快速原型系统，实现双模式发动机控制器硬件电路柔性化，通过设计发动机燃烧模式控制策略、切换控制逻辑与切换过程。从而缩短双模式发动机控制器开发周期，适用于各种不同的实验方案，提高开发效率，并与产品双模式发动机控制器控制策略统一，实现发动机在切换燃烧模式时平稳运行。

本发明具有以下特征：

特征1：双模式发动机控制器三大组成部分

本发明由处理器、信号调理与驱动、控制器接插件组成。处理器通过处理器-电脑连接线连接电脑；处理器与信号调理与驱动采用高速总线连接；通过线束连接信号调理与驱动与控制器接插件，组成双模式发动机控制器。

特征2：处理器实现控制程序一键下载并在线标定与测量

处理器控制线连接处理器与电脑，通过此控制线一键下载控制程序，实时控制程序参数、程序开关并测量记录控制器数据。不再需要手工分步进行代码处理、集成、编译以及刷新控制器。

特征3：信号调理与驱动电路软件配置

信号调理与驱动可通过电路配置线连接电脑，通过上位机软件配置信号调理与驱动电路的技术参数。对输入信号可配置上拉、下拉、差分、滤波、高有效、低有效；驱动配置高边驱动、低边驱动、电压、电流、响应速度。当更换零部件以及更换试验方案时对硬件电路提出不同要求的情况下，只需要通过软件配置就可以完成，实现硬件电路的柔性化。

特征4：双模式发动机控制器三种模式控制方案

双模式发动机控制器为发动机燃烧模式控制提供三种模式控制方案，方案1为自动控制；方案2为火花点燃模式；方案3为均质压燃模式。三种模式控制方案可供选择，并能够实时控制改变。当控制模式为1时，燃烧模式由双模式发动机控制器程序自动控制，根据发动机运行工况点实时判断应该处于何种工作模式，按照需要进行模式切换，以保证最佳的动力性与经济性。这也是最终产品双模式发动机控制器的控制模式。当模式控制方案为2时，选择燃烧模式为火花点燃，如果当前燃烧模式为火花点燃则保持当前燃烧模式不变；如果当前燃烧模式为均质压燃模式，则执行均质压燃到火花点燃的切换过程，进入点燃模式。当模式控制方案为3时，表示选择燃烧模式为均质压燃，如果当前燃烧模式为均质压燃则保持当前燃烧模式不变；如果当前燃烧模式为火花点燃，则执行火花点燃到均质压燃的切换过程，进入均质压燃模式，此种控制方式可在发动机台驾上研究任意工况的均质压燃与火花点燃，从而研究各工况点均质压燃特性，以及进排气相位、废气再循环量、节气门切换速率等对均质压燃的影响。模式控制方案为2和3是发动机双模式燃烧技术研发与实验过程中控制方案，通过将3种模式控制方案集成于一个控制器中，高效实现开发控制器与产品控制器的统一。

特征5：双模式发动机燃烧模式切换控制逻辑

为避免频繁切换，并保证发动机切换燃烧模式时的平稳性，在均质压燃与火花点燃模式交界处，采用时间迟滞与工况过渡相结合的控制方案。火花点燃向均质压燃切换时，必须保证发动机工况处于核心均质压燃工况与过渡工况以内，并且发动机转速及负荷比较平稳。而均质压燃向火花点燃切换时，只要发动机工况处于过渡工况并且工况向外变化较大以及完全处于外围火花点燃工况时立即进入切换过程。从而保证发动机稳定运行。

特征6：双模式发动机燃烧模式切换过程

为保证切换过程平顺，降低耦合性影响，分步实施火花点燃与均质压燃之间模式切换过程。在双模式发动机控制器要求进行模式切换时，首先在第一个凸轮轴切换角度进行凸轮轴切换，经过一个工作循环实现配气相位的模式切换；再进行节气门开度调节，平稳调节到模式需要的节气门开度。配合凸轮轴与节气门开度的切换调整，火花点火进行调整。在火花点燃模式打开火花点火，采用需求点火角点火，过渡区域打开火花点火，采用在压缩上止点时点燃以避免不稳定因素造成均质压燃失火；到均质压燃模式时关闭火花点火以避免火花点火对压缩燃烧的影响。

根据目标发动机的配置，确认双模式发动机控制器需要各类型通道数，以及每个通道的配置，分配快速原型通道。

图1清晰的描述了快速原型系统配备的各种通道功能，针对双模式发动机控制器。选用合适的通道进行传感器信号输入处理以及驱动输出，按要求进行通道配置。信号输入方面选择多通道模拟输入模块、多通道数字输入模块、线氧传感器信号输入模块、曲轴/凸轮轴信号输入模块；驱动方面选择多通道底边驱动、多通道高边驱动、全桥/半桥驱动、直喷驱动、点火驱动；通讯方面选择CAN通讯网络模块。

完成所有信号调理与驱动通道配置后，就完成了双模式发动机控制器的信号调理与驱动电路选择配置。

图2描述了双模式发动机控制器结构，按图所示，进行双模式发动机控制器各部分的连接：

1)处理器通过处理器控制线连接电脑；

2)处理器与信号调理与驱动通过高速总线连接，信号调理与驱动包括角度信号处理、开关输入、模拟输入、线氧信号处理、爆震信号处理、高边驱动、低边驱动、全桥驱动、直喷喷油器驱动；

3)制作信号调理与驱动到控制器接插件的连接线束，并实现连接；

4)控制器接插件连接发动机线束接插件；

5)发动机线束接插件连接如图所示的各种传感器与执行器。

连接完成后，控制器硬件系统完成，控制器通过硬件与控制软件实现图3所示的系统信号流向图，信号从传感器依次经过发动机线束接插件、控制器接插件、信号调理与驱动到处理器，在处理器中通过控制软件计算需要的信号输出，信号输出依次经过信号调理与驱动、控制器接插件、发动机线束接插件，最终达到执行器实现需要的操作，实现双模发动机控制器功能。

图4控制器软件流程框图描述了双模式发动机控制器软件逻辑流程。控制器系统上电初始化后，直接进入火花点火模式，等待驾驶员/试验员操作。发动机启动后，控制器根据模式控制方案的选择控制发动机的燃烧模式。

当模式控制方案为1时，表示燃烧模式由控制器程序自动控制，控制器在保证动力性的同时选择最经济的燃烧方式。当前为火花点燃模式时，每个同步周期判断是否满足切换到均质压燃的条件，如果满足条件则转换到火花点燃向均质压燃切换的模式切换过程，进入均质压燃模式，否则保持当前火花点燃模式；当前模式为均质压燃时，每个同步周期判断是否满足切换到火花点燃烧的条件，如果满足条件则转换到均质压燃向火花点燃切换的模式切换过程，进入火花点燃模式，否则保持当前均质压燃。

当模式控制方案为2时，表示选择燃烧模式为火花点燃，如果当前燃烧模式为火花点燃则保持当前燃烧模式不变；如果当前燃烧模式为均质压燃模式，则执行均质压燃向火花点燃切换过程，进入SI燃烧模式。

当模式控制方案为3时，表示选择燃烧模式为均质压燃，如果当前燃烧模式为均质压燃则保持当前燃烧模式不变；如果当前燃烧模式为火花点燃，则进入火花点燃向均质压燃切换过程，进入均质压燃模式。

发动机稳定运行过程中，每个同步周期都持续进行模式控制方案的判断，从而实时满足驾驶员控制模式的选择。但是两种模式切换过程中不允许进行控制模式的变更。

图5为双模式发动机工作区域图，在火花点燃与均质压燃模式交界处，采用时间迟滞与工况过渡相结合的控制方案处理，C线与S线之间为切换的过渡工况区域。

火花点燃向均质压燃模切换的边界条件如下：发动机运行在S线以外工况点时，处于火花点火燃烧模式；当发动机从S线以外工况向C线以内工况运行时，连续30个工作循环处于S线以内，并且当前工况处于S-C之间的过渡区域，负荷梯度小于6％，转速梯度小于10％，则进入SI/HCCI切换过程，准备切换到均质压缩点火燃烧方式；如果在30个驾驶循环以内发动机就突破C线，并且一直运行在C线区域内，则只要负荷梯度小于6％、转速梯度小于10％，则立即进入切换SI/HCCI切换过程，准备切换到均质压缩点火燃烧方式；但如果发动机工况一直震荡达不到转速与负荷的梯度要求，则持续保持火花点火模式。

均质压燃向火花点燃模切换边界条件如下：发动机稳定运行在C线以内工况点，处于均质压缩点火燃烧模式，当发动机从C线以内工况向S线以外工况运行时，当运行在过渡区域时，如果向外负荷梯度大于5％，向外转速梯度大于8％，则进入HCCI/SI切换过程，准备切换到火花点火燃烧方式；当发动机工况点越过S线，则直接进入HCCI/SI切换过程，准备切换到火花点火燃烧方式。

图6为燃烧模式切换动作过程，主要凸轮轴切换、节气门位置切换以及火花点火的控制切换。

1)凸轮轴切换

控制器进入火花点燃向均质压燃切换状态后，凸轮轴角度第一次到达凸轮轴切换角度(凸轮轴切换角度为28、208、388、568中任意一个角度位置)时控驱动凸轮轴切换工作阀工作，使电磁阀的油路与油底壳连通，缸盖主油道中的机油压力被释放，可变升程液压顶柱解除锁定,此时均质压燃模式进气凸轮驱动进气门,均质压燃模式排气凸轮驱动排气门,实现一个工作循环则完成的火花点燃烧模式向均质压燃模式所需的配气相位的切换。

当控制器进入均质压燃向火花点燃切换状态后，凸轮轴角度第一次到达凸轮轴切换角度(凸轮轴切换角度为28、208、388、568中任意一个角度位置)时控驱动凸轮轴切换工作阀工作，使电磁阀的油路与机油泵连通,缸盖主油道中建立机油压力使可变升程液压顶柱锁定,此时火花点燃模式进气凸轮驱动进气门,火花点燃模式排气凸轮驱动排气门,即实现一个循环内切换至火花点燃模式所需的配气相位。

2)节气门位置切换

火花点燃向均质压燃切换过程时，经过一个工作循环的凸轮轴切换以后，开始驱动节气门从当前位置向最大开度位置运行，经过5个工作循环达到完全开启。

均质压燃向火花点燃切换过程后，经过一个工作循环的凸轮轴切换以后，开始驱动节气门从当前最大位置向当前火花点燃模式需求节气门开度运行，火花点燃模式需求节气门开度根据工况的变化而变化，再节气门进行切换动作过程中，需求节气门开度一直保持根据扭矩需求的更新，经过5个工作循环使节气门位置准确达到节气门需求开度。

完成节气门切换过程后，模式切换过程就全部完成，发动机进入到对应的均质压燃模式或火花点燃模式工作。

3)火花点火的控制切换

在火花点燃模式时，按火花点燃控制策略计算的点火角进行点火；当进入火花点燃向均质压燃切换过程，点火角按零度进行点火，即上止点位置点火，以避免在切换过程中的不稳定因素而造成失火。到达均质压燃模式后，关闭点火驱动，不再进行火花点火。

发动机在均质压燃模式工作时，点火驱动关闭，不进行火花点火；当进入均质压燃向火花点燃切换过程后，点火驱动开启，点火角按零度进行点火，即上止点位置点火，避免在切换过程中的不稳定因素而造成失火。到达火花点燃烧模式后，按SI控制计算的点火角进行点火。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双模式发动机控制系统，其特征在于，包括处理器、信号调理与驱动模块以及控制器接插件，其中，

所述处理器通过处理器控制线和/或处理器-电脑连接线连接电脑；

所述信号调理与驱动模块与处理器采用高速总线连接；

所述控制器接插件通过线束连接信号调理与驱动模块。

2.如权利要求1所述的双模式发动机控制系统，其特征在于，信号调理与驱动模块包括角度信号处理、开关输入、模拟输入、线氧信号处理、爆震信号处理、高边驱动、低边驱动、全桥驱动、直喷喷油器驱动。

3.如权利要求1或2所述的双模式发动机控制系统，其特征在于，所述控制器接插件连接发动机线束接插件。

4.如权利要求3所述的双模式发动机控制系统，其特征在于，发动机线束接插件连接传感器与执行器。

5.如权利要求4所述的双模式发动机控制系统，其特征在于，所述控制器中设有控制软件，用于对信号进行接收，计算以及输出，所述信号从传感器依次经过发动机线束接插件、控制器接插件、信号调理与驱动模块到处理器，在处理器中通过控制软件计算需要的信号输出，信号输出依次经过信号调理与驱动、控制器接插件、发动机线束接插件，达到执行器实现需要的操作。

6.如权利要求1-5中任一项所述的双模式发动机控制系统，其特征在于，处理器控制线和/或处理器-电脑连接线用于一键下载控制程序，实时控制程序参数、程序开关并测量记录控制器数据。

7.如权利要求1-6中任一项所述的双模式发动机控制系统，其特征在于，处理器的信号输入包括多通道模拟输入模块、多通道数字输入模块、线氧传感器信号输入模块、曲轴/凸轮轴信号输入模块；处理器的驱动包括多通道低边驱动、多通道高边驱动、全桥/半桥驱动、直喷驱动、点火驱动；通讯采用CAN通讯网络模块；和/或，信号调理与驱动模块通过电路配置线连接电脑，通过上位机软件配置信号调理与驱动电路的技术参数，对输入信号可配置上拉、下拉、差分、滤波、高有效、低有效；驱动配置高边驱动、低边驱动、电压、电流、响应速度。

8.如权利要求1-7所述的双模式发动机控制系统的控制方法，其特征在于，包括三种可选择且可实时控制改变的模式控制方案，方案1为自动控制，方案2为火花点燃模式，方案3为均质压燃模式：

当控制模式为1时，燃烧模式由双模式发动机控制器程序自动控制，根据发动机运行工况点实时判断应该处于何种工作模式，按照需要进行模式切换，以保证最佳的动力性与经济性；

当控制模式为2时，选择燃烧模式为火花点燃，如果当前燃烧模式为火花点燃则保持当前燃烧模式不变；如果当前燃烧模式为均质压燃模式，则执行均质压燃到火花点燃的切换过程，进入点燃模式；

当控制模式为3时，选择燃烧模式为均质压燃，如果当前燃烧模式为均质压燃则保持当前燃烧模式不变；如果当前燃烧模式为火花点燃，则执行火花点燃到均质压燃的切换过程，进入均质压燃模式。

9.如权利要求8所述的双模式发动机控制系统的控制方法，其特征在于，在均质压燃与火花点燃模式交界处，采用时间迟滞与工况过渡相结合的控制方案：火花点燃向均质压燃切换时，保证发动机工况处于核心均质压燃工况与过渡工况以内，并且发动机转速及负荷平稳，而均质压燃向火花点燃切换时，只要发动机工况处于过渡工况并且工况向外变化较大以及完全处于外围火花点燃工况时立即进入切换过程。

10.如权利要求8或9所述的双模式发动机控制系统的控制方法，其特征在于，分步实施火花点燃与均质压燃之间模式切换过程：在双模式发动机控制器要求进行模式切换时，首先在第一个凸轮轴切换角度进行凸轮轴切换，经过一个工作循环实现配气相位的模式切换；再进行节气门开度调节，平稳调节到模式需要的节气门开度；配合凸轮轴与节气门开度的切换调整，火花点火进行调整；在火花点燃模式打开火花点火，采用需求点火角点火，过渡区域打开火花点火，采用在压缩上止点时点燃；到均质压燃模式时关闭火花点火。