CN1123686C - 一种车用柴油发动机柔性控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种车用柴油发动机柔性控制系统及其控制方法，涉及柴油机控制技术领域。它主要由柔性控制面板、电脑控制单元、传感器、执行机构及直列式油泵等组成。其优点是可根据车辆运行环境和使用者需求，通过开关方便地选择各种工作模式，实现对柴油机油量的控制，从而更好地满足车用柴油机的排放性、动力性等多方面的指标和要求；对于减少车辆尾气污染，降低油耗，改善驾驶舒适性具有明显效果。同时该系统还具有优良的适应性和扩展性，对各种新的动力输出模式，可以很方便的扩展。

Description

一种车用柴油发动机柔性控制系统及其控制方法

本发明涉及一种车用柴油发动机控制系统，特别涉及一种车用柴油发动机动力输出的柔性控制系统及控制方法。

现代社会要求车辆具有低排放性、高动力性、好的经济性，并能用于多种用途，这主要有以下几点原因。首先，汽车尾气排放是大气的重要污染源，必须对其治理与控制，其根本在于汽车发动机尾气排放的控制；其次，全球石油资源的加速消耗，资源能源日益短缺，要求汽车及发动机更省油，经济性更好；再次，汽车使用者要求汽车多拉、快跑，有优良的动力性和爬坡能力；而特殊使用场合的车辆则要求有多种动力输出模式。对于柴油车，要实现上述对车辆的要求，传统的机械式动力控制系统是无能为力的。比如柴油发动机常用的两极调速器和全程调速器，它们靠起动弹簧、怠速弹簧、调速弹簧、校正弹簧、限速弹簧及一些机械机构控制油泵齿条，实现对柴油机油量的控制，从而可以控制柴油发动机的性能，由于是机械结构，所以结构一旦确定则对柴油发动机的控制是固定的，另外由于机械结构的限制，控制能力有限。

现有的车用柴油发动机电子控制技术能够对这些指标和要求做一些折衷，以最大限度的满足这些要求，但由于这些指标和要求相互矛盾，满足了这一指标，必然要在一定程度上牺牲另一指标。典型的如电子调速器，根据采集到的加速踏板位置信号、柴油发动机转速信号、冷却液温度信号对柴油发动机油量进行控制，进而控制柴油发动机的调速特性。它内部的控制策略和控制数据一旦确定，则柴油发动机的动力输出即固定，同样无法满足柴油发动机的排放性、经济性、动力性等多方面的要求。

综上所述，现有的车用柴油发动机控制系统不能使柴油发动机很好的满足各种指标和要求，有待于进一步的改进和完善。

为克服现有技术中存在的不足和缺陷，本发明的目的和任务是提供一种车用柴油发动机柔性控制系统及其控制方法，使其可根据车辆运行环境和车辆使用者需求，通过选择开关方便地选择车用柴油发动机的各种工作模式，实现对柴油发动机油量的控制，从而能更好地满足车用柴油发动机的排放性、经济性与动力性多方面的指标和要求。

上述目的和任务是通过以下技术方案实现的：一种车用柴油发动机柔性控制系统，它主要包括传感器、微电脑控制单元、执行机构、直列式油泵等部件，其特征在于该系统包括一个与微电脑控制单元相连接的柔性控制面板，在该控制面板上设有动力输出模式选择开关、恒速开关及信息显示屏，所述微电脑控制单元包括由信号采集与处理电路、编码电路、电源电路、单片机、扩展电路、PID控制电路及驱动电路等组成的硬件及储存在单片机中的控制软件所组成，所述传感器包括直列式油泵齿条位置传感器、油门踏板位置传感器、柴油发动机转速传感器、冷却液温度传感器、进气压力传感器及其他一些检测发动机状态的传感器。

一种采用上述的车用柴油发动机柔性控制系统的控制方法，其特征在于根据车辆运行环境和车辆使用者需求，采用动力输出模式选择方式，实现对柴油发动机油量的控制，进而满足柴油发动机在不同运行情况下用不同的模式输出动力的要求，其控制方法的步骤如下：

(1)将柔性控制面板上的柴油发动机动力输出模式选择信号、恒速运行信号通过信号采集与处理电路后传给编码电路，编码电路进行编码后将信号传给单片机；

(2)储存在单片机中的控制软件根据该信号及系统采集到的各种传感器的信号，调用相应的功能模块和控制数据进行计算，计算出的目标值经过PID控制电路和驱动电路处理后，驱动执行器动作；

(3)装在直列式油泵上的执行器通过驱动调速手柄来控制齿条的位置，从而控制柴油发动机油量。

附图1为柔性控制系统的原理、结构示意图

附图2为电子控制单元(ECU)工作原理图

附图3为软件程序的初始化部分程序流程图

附图4为控制软件主程序流程图

附图5为功能模块程序流程图。

下面结合附图详细说明本发明的工作原理、具体结构及最佳实施方式：

本发明所述车用柴油发动机柔性控制系统主要包括微电脑控制单元(ECU)1、传感器2、直列式油泵3、柔性控制面板4和执行机构5。所述传感器2包括直列式油泵齿条位置传感器、油门踏板位置传感器、柴油发动机转速传感器、冷却液温度传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、燃油温度传感器及其他一些检测发动机状态的传感器。冷却液温度传感器装在柴油发动机出水管上，燃油温度传感器装在柴油发动机高压油泵进油口，进气温度传感器和进气压力传感器装在柴油发动机进气管上，齿条位置传感器装在油泵上，发动机转速传感器装在柴油发动机飞轮壳上。微电脑控制单元1由信号采集与处理电路、编码电路、电源电路、单片机、扩展电路、PID控制电路及驱动电路等组成的硬件及储存在单片机上的控制软件两部分组成。直列式油泵3为车用柴油发动机用的普通直列式油泵，主要包括泵体、凸轮轴、滚轮、柱塞偶件、柱塞弹簧等部件；柔性控制面板4上设有动力输出模式选择开关6、恒速运行开关7和信息显示屏8。动力输出模式选择开关为旋转式选择开关，有一般模式、城市模式、空载模式、爬坡(大扭矩)模式四个选项。恒速运行开关为按钮式开关，可选择发动机恒速运行。信息显示屏为液晶式，显示柴油发动机及控制系统的运转信息、警告信息、报警信息、故障码等。执行机构5中的执行器为线性电磁铁。由于电磁铁的磁滞特性，不能通过直接控制电流来达到精确控制执行器推杆位移，所以采用了位移的闭环控制。线性电磁铁装在油泵上，通过驱动油泵的调速手柄9来控制齿条的位置。

附图2为微电脑控制单元1(ECU)的工作原理图。ECU硬件电路包括信号采集与处理电路、电源电路、驱动电路、PID控制电路、单片机及扩展电路等部分。其工作原理及过程是：本系统对柔性控制面板上的柴油发动机动力输出模式选择信号、恒速运行信号设计了专门的电路进行处理。柔性控制面板上的信号经信号采集与处理电路后输入给编码电路，编码电路进行编码后将信号传给单片机，单片机中的控制软件根据该信号及系统采集到的传感器的信号，经过控制软件的分析处理，选择相应的控制策略和控制数据进行计算，计算出的目标值经过PID控制电路和驱动电路处理后，向执行器发出指令，控制直列式油泵齿条位置，使柴油发动机工作在不同的模式下。

控制软件包括程序的初始化部分和工作循环部分及其他的功能模块，软件的初始化部分程序流程图和工作循环部分流程图分别如图3、图4所示。柔性控制部分包含在工作循环的入口2(见图4)中。入口2进行的是根据发动机状态调用相应的功能模块，这里的模块包括起动控制模块、怠速控制模块、中间转速(大于怠速转速小于标定转速)柔性控制模块、限速模块，柔性控制由其中的中间转速柔性控制模块实现。图5为该模块的程序流程图。由图5可见，该模块中包含有各种柴油发动机动力输出模式的控制模块，下面分别加以说明。

—空载模式：现有的柴油车在空载行驶时，柴油发动机工作在高速低负荷区，在这一区域，柴油发动机的燃油经济性很差。在空载模式控制模块中，根据柴油车各档位的传动比，通过控制油量使柴油发动机标定转速降低，迫使司机使用合适的档位，从而提高柴油发动机的负荷率，改善柴油发动机的燃油经济性。

—城市模式；城市内由于车辆密度大，所以车辆尾气排放对城市造成的污染严重，为改善这种状况，设计了城市模式。在城市模式中采取的控制策略是，适当降低柴油发动机的最大油量，同时对过渡工况进行控制，特别对加速过程设置最大油量步长，以限制加速过程的排放。

—一般模式：在一般情况下，尤其是在使用柴油车进行长途运输时，首要考虑的是柴油发动机的燃油经济性和动力性，同时兼顾其排放性。因此，在一般模式下，柴油发动机的最大油量以动力性和经济性为目标进行标定，同时为改善排放性进行过渡过程控制，由于此时对排放的要求没有城市模式高，故其最大油量步长要比城市模式大。

—爬坡模式：柴油车在爬坡时需要柴油发动机在一段时间内输出大转矩，有时会超过柴油发动机的标定转矩，针对这种情况设计了爬坡模式。在爬坡模式，设计的最大油量大于标定油量，以使柴油发动机发出更大的功率和转矩。爬坡模式有时间限制，超过设定的时间系统退出爬坡模式，转入一般模式控制，以免柴油发动机长时间工作在过载状态。

—恒速运行模式：有许多时候要求柴油发动机要恒速运行，比如柴油车在高速公路上行驶时，柴油发动机若恒速运行，可以减轻司机的劳动强度，改善车辆的驾驶舒适性。再比如用车上的柴油发动机带动发电机以产生所要求的电源时，要求柴油发动机恒速运转。在本模块中采用柴油发动机转速反馈控制的办法，实现柴油发动机恒速运行。

所述软件中的控制数据通过车用柴油发动机柔性动力系统匹配、标定台架试验获得。车用柴油发动机柔性动力系统匹配、标定台架试验指柴油发动机主机及其附件固定后，针对该机器进行柴油发动机系统控制数据的标定，得到一整套该机器的标定数据，包括：基本控制数据，柔性控制系统进行各种输出模式控制所需的数据，环境适应性脉谱标定，增压机进气压力补偿控制脉谱标定。对于不同的柴油发动机型，只需改变相应的控制数据即可；而对于各种新的动力输出模式要求，该系统可以很方便的扩展。另外，利用其具有的控制柴油发动机恒速运行的功能，与发电机相连，就可很好地实现高精度电源频率、电压等的控制，这样就可将装有柔性控制系统的柴油发动机应用于一些需要高精度电源的特种车辆，比如工程抢险车、火箭发射电源车等。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：一方面该系统可根据车辆运行环境和车辆使用者的不同需求，通过选择开关方便地选择车用柴油发动机的各种工作模式，如一般模式、城市模式、空载模式、爬坡(大扭矩)模式及恒速运行模式等，实现对柴油发动机油量的控制，从而能更好地满足车用柴油发动机的排放性、经济性与动力性多方面的指标和要求，这对于减少车辆对城市造成的污染，降低车辆的燃油消耗，提高车辆的驾驶舒适性及环境适应性具有明显效果。二是车用柴油发动机柔性动力系统有优良的适应性和扩展性，对于不同的柴油发动机型，只需改变相应的控制数据。而对于各种新的动力输出模式要求，可以很方便的扩展。另外，利用其具有的控制柴油发动机恒速运行的功能，与发电机相连，就可很好地实现高精度电源频率、电压等的控制，这样就可将装有柔性控制系统的柴油发动机应用于一些需要高精度电源的特种车辆，比如工程抢险车、火箭发射电源车等。

Claims (5)

1.一种车用柴油发动机柔性控制系统，它主要包括传感器、微电脑控制单元、执行机构、直列式油泵等部件，其特征在于该系统包括一个与微电脑控制单元相连接的柔性控制面板，在该控制面板上设有动力输出模式选择开关、恒速运行开关及信息显示屏，所述微电脑控制单元包括由信号采集与处理电路、编码电路、电源电路、单片机、扩展电路、PID控制电路及驱动电路等组成的硬件及储存在单片机中的控制软件所组成，所述传感器包括直列式油泵齿条位置传感器、油门踏板位置传感器、柴油发动机转速传感器、冷却液温度传感器、进气压力传感器及其他一些检测发动机状态的传感器。

2.按照权利要求1所述的一种车用柴油发动机柔性控制系统，其特征在于所述动力输出模式选择开关为旋转式选择开关，所述选择开关包括有一般模式、城市模式、空载模式及爬坡模式四档，所述恒速运行开关为按钮式开关。

3.一种采用如权利要求1所述的车用柴油发动机柔性控制系统的控制方法，其特征在于根据车辆运行环境和车辆使用者需求，采用动力输出模式选择方式，实现对柴油发动机油量的控制，进而满足柴油发动机在不同运行情况下用不同的模式输出动力的要求，其控制方法的步骤如下：

(1)柔性控制面板上的柴油发动机动力输出模式选择信号、恒速运行信号通过信号采集与处理电路后传给编码电路，编码电路进行编码后将信号传给单片机；

(2)储存在单片机中的控制软件根据该信号及系统采集到的各种传感器的信号，调用相应的功能模块和控制数据进行计算，计算出的目标值经过PID控制电路和驱动电路处理后，驱动执行器动作；

(3)装在直列式油泵上的执行器通过驱动调速手柄来控制齿条的位置，从而控制柴油发动机油量。

4.按照权利要求3所述的车用柴油发动机柔性控制系统的控制方法，其特征在于所述功能模块包括起动控制模块、怠速控制模块、中间转速柔性控制模块、限速模块等。

5.按照权利要求3所述的车用柴油发动机柔性控制系统的控制方法，其特征在于所述控制数据包括柴油发动机油量基本数据、柔性控制系统进行各种动力输出模式控制所需的数据、环境适应性脉谱中的数据以及增压机进气压力补偿控制脉谱中的数据等。

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