CN107178454B - 一种天然气发动机点火能量闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天然气发动机点火能量闭环控制方法，通过点火蓄能电流闭环控制和火花塞点火能量闭环控制最终实现发动机点火能量闭环控制；点火蓄能电流闭环控制依据指令点火蓄能电流调整反馈蓄能电流，通过比例计算获得蓄能时间补偿策略输入，得到补偿点火蓄能时间，加上基本点火蓄能时间完成点火蓄能电流闭环控制；火花塞点火能量闭环控制是通过点火时在初级点火线圈中感应的电压波形获得火花点火宽度，通过火火花宽度的差值大小调整指令点火蓄能电流的方式，改变点火火花宽度。同现有技术相比，能有效识别点火能量，能够保证在高转速下发动机的点火能量的控制，且能达到闭环控制，精度及其适用工况不受限制，精度及准确性都较高。

Description

一种天然气发动机点火能量闭环控制方法

技术领域

本发明属于发动机控制策略技术领域,涉及一种天然气发动机点火能量闭环控制方法。

背景技术

由于发动机各缸点火系统在出厂时带有稍微差异，在传统处理策略下这些差异会导致初级点火线圈的点火蓄能电流不一致，导致各缸点火能量不一致，缸内燃烧效果受到影响，使得发动机运转不均衡，当点火系统在使用一段时间后，会出现性能降低的老化现象，如不对老化现象进行补偿及闭环控制，会导致发动机各缸点火能量不足，严重情况下会失火，最终发动机工况恶化，车辆功率不足。

在本发明以前的现有技术中，专利文献1(CN105508048A)公开了一种涉及无爆震传感器的发动机闭环控制点火系统、发动机和汽车。专利文献2(CN101498270)中公开了一种用于车用发动机点火系统的点火能量控制方法，在低转速条件下采用时序性多次点火策略，通过控制点火次数、多次点火之间的时间间隙、初级点火线圈的闭合时间来控制点火能量。专利文献3(CN101302961)公开了一种用于混合燃料发动机的点火能量控制。

对于专利文献1它定义了一种发动机闭环控制点火系统，包括火花塞、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、离子点火线圈、离子点火模块、控制模块，其主要使用控制模块根据离子流信号、曲轴位置信号、凸轮轴位置信号来控制离子点火线圈施加电压来提供点火能量，以实现对发动机气缸的点火闭环控制，依据为离子流相关原理，且不能识别点火能量，注重点在点火系统上，而不是点火能量方法。对于专利2，其主要是通过低转速条件下采用时序性多次点火策略,通过控制点火次数、多次点火之间的时间间隙、初级点火线圈的闭合时间来控制点火能量，无法保证在高转速下发动机的点火能量的控制，且其能量控制方法仅仅是开环控制，远不能达到闭环控制，精度及其适用工况过于局限。对于专利3，用于混合燃料发动机的点火能量控制，其重点在于用于车辆的发动机系统，其所述的发动机点火能量水准的运转发动机系统的方法也仅仅是在水准上的控制，精度及准确性都较低。

发明内容

针对上述现有技术状况，本发明的目的在于，提供一种针对点火线圈电感储能式火花点火系统的可延长点火系统寿命，减慢点火系统老化，在点火系统老化时可进行补偿控制，保证发动机平稳运行的天然气发动机点火能量闭环控制方法。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

本发明一种天然气发动机点火能量闭环控制方法的基本构思是，由电子控制单元ECU结合控制算法程序，对电感储能式点火系统外围点火部件中的初级点火线圈的点火蓄能电流及火花塞点火的火花宽度进行处理，ECU中的电流监控模块串联接入点火回路中，用于监控点火过程中初级点火线圈中的初级点火电流并计算点火过程中初级点火线圈的实际点火蓄能电流；ECU中的电压监控模块并联接入点火回路中，用于监控点火过程中火花塞点火时次级点火线圈感应在初级点火线圈的电压并计算火花点火宽度；ECU中的复杂驱动模块用于执行点火过程中控制算法程序计算得出的指令点火蓄能时间，在初级点火线圈中形成初级点火电流。

根据上述发明构思，本发明一种天然气发动机点火能量闭环控制方法，针对电感式点火系统，其特征在于：初级点火线圈中的点火蓄能电流及初级点火线圈中的火花反馈电压作为输入信号，通过初级点火线圈中的点火蓄能电流闭环控制和火花塞点火能量闭环控制最终实现天然气发动机点火能量闭环控制；所述的初级点火线圈中的点火蓄能电流闭环控制，是依据指令点火蓄能电流调整反馈蓄能电流，电流监控模块监控初级点火线圈中电流，获得初级点火线圈反馈蓄能电流到达时间，通过比例计算获得实际蓄能电流估计值，实际点火蓄能电流估计值与指令点火蓄能电流作为蓄能时间补偿策略输入求出补偿点火蓄能时间，补偿点火蓄能时间加上由指令点火蓄能电流查询基本点火蓄能时间表而得到的基本点火蓄能时间作为复杂驱动模块所需的最终点火蓄能时间，完成点火蓄能电流闭环控制；所述的火花塞点火能量闭环控制，是监控火花塞点火时在初级点火线圈中感应的电压波形，获得火花点火宽度，并用火花点火宽度表征火花点火能量，通过实际点火火花宽度与基本点火火花宽度的差值大小来调整指令点火蓄能电流的方式改变点火火花宽度，从而达到火花塞点火能量的闭环控制。

本发明进一步提供一种天然气发动机点火能量闭环控制方法，其特征在于：所述的初级点火线圈中的点火蓄能电流闭环控制，具体控制步骤如下：

步骤1：火花塞点火能量闭环控制输入量为电子控制单元ECU中的电压监控模块获得的点火火花宽度、发动机转速、发动机负荷；

步骤2：电压监控模块监控火花塞点火感应到初级点火线圈的火花反馈电压，获得实际火花宽度T_st；

步骤3：发动机转速和发动机负荷查基本点火火花宽度表得到基本点火火花宽度T_ss；

步骤4：发动机转速和发动机负荷查基本蓄能电流表得到基本点火蓄能电流I_j；

步骤5：根据公式T_s＝T_ss-T_st计算基本火花宽度与实际火花宽度的火花宽度差值T_s；

步骤6：统计n(100＞n＞20)次的火花宽度差值：

步骤6.1：若火花宽度差值T_sc大于200微秒的次数大于20次，则计算差值的平均值通过基本比例调节(K_pI为比例因子)更新补偿指令点火蓄能电流I_b；

步骤6.2：若火花宽度差值T_sc大于200微秒的次数小于等于20次，则输出上一次求出的补偿指令点火蓄能电流。

本发明进一步提供一种天然气发动机点火能量闭环控制方法，其特征在于：所述的初级点火线圈点火蓄能电流闭环控制，具体控制步骤如下：

步骤1：初级点火蓄能电流闭环控制，输入量为火花塞点火能量闭环控制输出的指令点火蓄能电流、电子控制单元硬件ECU中的电流监控模块获得的实际点火蓄能电流，输出量为电流监控模块需要设定的反馈电流设定值、复杂驱动模块的输入指令点火蓄能时间；

步骤2：指令点火蓄能电流I_z＝I_b+I_j为补偿指令点火蓄能电流I_b与基本指令点火蓄能电流I_j之和；基本点火蓄能时间T_j通过查基本点火蓄能时间表获得；

步骤3：计算反馈电流设定值I_f＝I_z-I_s，I_s为一可设定值；

步骤4：电流监控模块监控初级点火线圈中的点火蓄能电流，获得点火蓄能电流从0至反馈电流的反馈电流到达时间T_sf，认定点火蓄能时间与点火蓄能电流近似为线性比例关系，依据I_r＝T_jI_f/T_sf比例计算求得实际点火蓄能电流I_r；

步骤5：计算基本反馈电流蓄能时间T_jf与实际反馈电流蓄能时间T_sf的差值T_ff＝T_jf-T_sf；

步骤5.1：若蓄能时间差值T_ff的绝对值大于100微秒设定值T_ffs，则依据公式I_c＝I_z-I_r计算指令点火电流I_z与实际点火蓄能电流I_r的电流差值；

步骤5.2：电流差值I_c作为控制算法的输入，求出补偿点火蓄能时间T_b，计算公式为T_b＝K_pTI_c+K_dTdI_c/dt+K_iT∫I_cdt(K_pT为比例因子，K_dT为微分因子，K_iT为积分因子)；

步骤5.3：若电流差值T_ff的绝对值小于或等于T_ffs，则不更新补偿点火蓄能时间，输出上一次计算的补偿点火蓄能时间；

步骤6：指令点火蓄能时间T_is＝T_b+T_j为补偿点火蓄能时间与基本点火蓄能时间之和；

步骤7：指令点火蓄能时间输入复杂驱动模块，按照指令点火蓄能时间在初级点火线圈中形成点火蓄能电流，完成点火蓄能电流闭环控制。

本发明同现有技术相比，能有效识别点火能量，能够保证在高转速下发动机的点火能量的控制，且能达到闭环控制，精度及其适用工况不受限制，精度及准确性都较高。

附图说明

图1：本发明天然气发动机点火能量闭环控制方法系统结构示意图

图2：本发明天然气发动机点火能量闭环控制方法点火能量闭环控制结构原理框图

图3：本发明天然气发动机点火能量闭环控制方法主程序流程图

具体实施方案

为了达到分缸闭环控制的目的，下面对本发明天然气发动机点火能量闭环控制方法的具体实施方式结合附图作进一步描述。

本发明方法包括初级点火线圈点火蓄能电流闭环控制和火花塞火花点火能量闭环控制，点火能量闭环控制结构图如图2所示，点火能量闭环控制方法过程如土所示；火花塞点火能量闭环控制输入量为ECU中的电压监控模块获得的点火火花宽度、发动机转速、发动机负荷，通过计算获得输出量指令蓄能电流；初级点火蓄能电流闭环控制，输入量为火花塞点火能量闭环控制的输出量指令点火蓄能电流、ECU中的电流监控模块获得的实际点火蓄能电流，输出量为电流监控模块需要设定的反馈电流设定值、复杂驱动模块的输入指令点火蓄能时间；

1、初级点火线圈中的点火蓄能电流闭环控制

本次实施过程是从发动机循环物理一缸中断开始至中断结束前：本次发动机循环物理一缸中断结束至下100次发动机循环物理一缸中断开始前，按照如下规则进行一次判断是否开启补偿指定点火蓄能电流的计算：

电压监控模块监控火花塞点火感应到初级点火线圈的火花反馈电压，获得实际火花宽度T_st，发动机转速和发动机负荷查基本点火火花宽度表得到基本点火火花宽度T_ss；

计算基本火花宽度与实际火花宽度的差值T_s＝T_ss-T_st；

统计这100次发动机循环物理一缸的实际火花宽度T_st，并求得实际火花宽度与基本火花宽度的差值T_s；实际火花宽度与基本火花宽度的差值T_s的绝对值大于200微秒的次数为32次，大于开启条件20次，则开启补偿指定点火蓄能电流I_b的计算，并完成补偿指定点火蓄能电流I_b的计算；

补偿指令点火蓄能电流I_b的计算如下：

求出上述100次实际火花宽度与基本火花宽度的差值T_s的平均值

作为基本P调节的输入，求得补偿指令点火蓄能电流补偿指令点火蓄能电流在限定范围[-2 2]安内；因此最终补偿指令点火蓄能电流值为0.5安；

2、初级点火线圈点火蓄能电流闭环控制

本次发动机循环物理一缸中断开始至中断结束前：电流监控模块监控初级点火线圈中的点火蓄能电流，获得点火蓄能电流从0至反馈电流I_f的实际反馈电流蓄能时间T_sf＝1248微秒；

本次发动机循环物理一缸中断结束至下一发动机循环物理一缸中断开始前按照如下时序完成如下计算：

发动机转速和发动机负荷查基本点火蓄能电流表获得基本点火电流I_j＝7.5安，补偿指令点火蓄能电流与基本指令点火蓄能电流之和作为指令点火电流I_z＝I_b+I_j＝8安；

指令点火蓄能电流I_z查基本点火蓄能时间表获得基本点火蓄能时间T_j＝1500微秒；

反馈电流设定值I_f＝I_z-I_s＝6安；

反馈电流查询基本点火蓄能时间表获得基本反馈电流蓄能时间T_jf＝1125微秒；

通过比例计算求得实际点火蓄能电流I_r＝T_jI_f/T_sf＝7.21安；

计算基本反馈电流蓄能时间T_jf与实际反馈电流蓄能时间T_sf之差T_ff＝T_jf-T_sf＝-123微秒，T_ff的绝对值大于100微秒，则按照如下步骤进行补偿点火蓄能时间计算；

求指令点火电流I_z与实际点火蓄能电流I_r的差值I_c＝I_z-I_r＝0.788安，I_c作为补偿点火蓄能时间计算基本PID算法的输入：T_b＝K_pTI_c+K_dTdI_c/dt+K_iT∫I_cdt＝148微秒，补偿点火蓄能时间T_b在范围[-1000 1000]微秒内，因此补偿点火蓄能时间T_b为148微秒；

补偿点火蓄能时间T_b与基本点火蓄能时间T_j之和作为复杂驱动芯片的指令点火蓄能时间T_is＝T_b+T_j＝1648微秒。

下一发动机循环物理一缸中断开始后复杂驱动芯片按指令点火蓄能时间T_is执行。

Claims (4)

1.一种天然气发动机点火能量闭环控制方法，适用电感式点火系统，其特征在于：初级点火线圈中的点火蓄能电流及初级点火线圈中的火花反馈电压作为输入信号，通过初级点火线圈中的点火蓄能电流闭环控制和火花塞点火能量闭环控制最终实现天然气发动机点火能量闭环控制；所述的初级点火线圈中的点火蓄能电流闭环控制，是依据指令点火蓄能电流调整反馈蓄能电流，电流监控模块监控初级点火线圈中电流，获得初级点火线圈反馈蓄能电流到达时间，通过比例计算获得实际蓄能电流估计值，实际点火蓄能电流估计值与指令点火蓄能电流作为蓄能时间补偿策略输入求出补偿点火蓄能时间，补偿点火蓄能时间加上由指令点火蓄能电流查询基本点火蓄能时间表而得到的基本点火蓄能时间作为复杂驱动模块所需的最终点火蓄能时间，完成点火蓄能电流闭环控制；所述的火花塞点火能量闭环控制，是监控火花塞点火时在初级点火线圈中感应的电压波形，获得火花点火宽度，并用火花点火宽度表征火花点火能量，通过实际点火火花宽度与基本点火火花宽度的差值大小来调整指令点火蓄能电流的方式改变点火火花宽度，从而达到火花塞点火能量的闭环控制；所述的火花塞点火能量闭环控制，具体控制步骤如下：

步骤1：火花塞点火能量闭环控制输入量为电子控制单元ECU中的电压监控模块获得的点火火花宽度、发动机转速、发动机负荷；

步骤2：电压监控模块监控火花塞点火感应到初级点火线圈的火花反馈电压，获得实际火花宽度T_st；

步骤3：根据发动机转速和发动机负荷查基本点火火花宽度表得到基本点火火花宽度T_ss；

步骤4：根据发动机转速和发动机负荷查基本蓄能电流表得到基本点火蓄能电流I_j；

步骤5：根据公式T_s＝T_ss-T_st计算基本火花宽度与实际火花宽度的火花宽度差值T_s；

步骤6：统计n次的火花宽度差值，其中100＞n＞20。

2.根据权利要求1所述的一种天然气发动机点火能量闭环控制方法，其特征在于：所述的初级点火线圈点火蓄能电流闭环控制，具体控制步骤如下：

步骤1：初级点火蓄能电流闭环控制，输入量为火花塞点火能量闭环控制输出的指令点火蓄能电流、电子控制单元硬件ECU中的电流监控模块获得的实际点火蓄能电流，输出量为电流监控模块需要设定的反馈电流设定值、复杂驱动模块的输入指令点火蓄能时间；

步骤2：指令点火蓄能电流I_z＝I_b+I_j为补偿指令点火蓄能电流I_b与基本指令点火蓄能电流I_j之和；基本点火蓄能时间T_j通过查基本点火蓄能时间表获得；

步骤3：计算反馈电流设定值I_f＝I_z-I_s，I_s为一可设定值；

步骤4：电流监控模块监控初级点火线圈中的点火蓄能电流，获得点火蓄能电流从0至反馈电流的反馈电流到达时间T_sf，认定点火蓄能时间与点火蓄能电流近似为线性比例关系，依据Ir＝T_j×I_f/T_sf比例计算求得实际点火蓄能电流I_r；

步骤5：计算基本反馈电流蓄能时间T_jf与实际反馈电流蓄能时间T_sf的差值T_ff＝T_jf-T_sf；

步骤6：指令点火蓄能时间T_is＝T_b+T_j为补偿点火蓄能时间与基本点火蓄能时间之和；

步骤7：指令点火蓄能时间输入复杂驱动模块，按照指令点火蓄能时间在初级点火线圈中形成点火蓄能电流，完成点火蓄能电流闭环控制。

3.根据权利要求1所述的一种天然气发动机点火能量闭环控制方法，其特征在于：步骤6中所述的统计n次的火花宽度差值的具体步骤如下：

步骤6.1：若火花宽度差值T_sc大于200微秒的次数大于20次，则计算差值的平均值通过基本比例调节更新补偿指令点火蓄能电流I_b；其中，K_pI为比例因子；

步骤6.2：若火花宽度差值T_sc大于200微秒的次数小于等于20次，则输出上一次求出的补偿指令点火蓄能电流。

4.根据权利要求2所述的一种天然气发动机点火能量闭环控制方法，其特征在于：步骤5中所述的计算基本反馈电流蓄能时间T_jf与实际反馈电流蓄能时间T_sf的差值T_ff＝T_jf-T_sf的具体步骤如下：

步骤5.1：若蓄能时间差值T_ff的绝对值大于100微秒设定值T_ffs，则依据公式I_c＝I_z-I_r计算指令点火电流I_z与实际点火蓄能电流I_r的电流差值；

步骤5.2：电流差值I_c作为控制算法的输入，求出补偿点火蓄能时间T_b，计算公式为T_b＝K_pTI_c+K_dT dI_c/dt+K_iT∫I_cdt，其中，K_pT为比例因子，K_dT为微分因子，K_iT为积分因子；

步骤5.3：若电流差值T_ff的绝对值小于或等于T_ffs，则不更新补偿点火蓄能时间，输出上一次计算的补偿点火蓄能时间。