CN113202641A

CN113202641A - 基于节气门前压力的发动机控制方法及其控制器和车辆

Info

Publication number: CN113202641A
Application number: CN202110496538.6A
Authority: CN
Inventors: 卫阳飞; 徐帅卿; 郑群; 唐志刚
Original assignee: Weichai Power Co Ltd
Current assignee: Weichai Power Co Ltd
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2021-08-03
Anticipated expiration: 2041-05-07
Also published as: CN113202641B

Abstract

本发明具体涉及一种基于节气门前压力的发动机控制方法及其控制器和车辆，发动机控制方法包括步骤：获取节气门前压力传感器的状态信息；根据压力传感器处于故障状态，控制节气门的虚拟压力模型启动；根据虚拟压力模型计算节气门前的虚拟压力；根据虚拟压力控制发动机的运行模式。根据本发明提供的基于节气门前压力的发动机控制方法，提高了节气门前压力传感器出现故障时发动机系统的稳定性，具体地，在压力传感器出现故障时，通过以虚拟压力模型为依据的发动机的控制策略，以此达到控制发动机正常运行模式的目的。

Description

基于节气门前压力的发动机控制方法及其控制器和车辆

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，具体涉及一种基于节气门前压力的发动机控制方法及其控制器和车辆。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

节气门前压力传感器对于发动机的控制而言意义重大。在传统的天然气发动机控制程序中，节气门前压力传感器的主要作用如下：

1)用于节气门来控制流过节气门的流量；2)用于增压器增压压力闭环控制的反馈；3)用于计算流过节气门的空气流量，为喷射提供精确的前馈输入。当节气门前压力传感器发生故障时，传统的做法往往是限制发动机的输出扭矩，将节气门前压力使用环境压力来替代，禁止增压器的闭环控制。此时，发动机系统会出现如下表现：动力严重不足，在增压器开始起作用时，(即节气门前的压力超过环境压力时，对于节气门前取气的废气控制阀而言，控制上增压器完全不开，节气门前的增压压力也会达到210kpa以上)节气门的控制将变得极其不理想，只能不断的减小发动机的允许运行区间以提高稳定性。

也就是说，在现有技术方案中，节气门前压力传感器出现故障时，只能进行简单的限扭操作，替代值为环境压力，远远达不到控制稳定性的要求，对整车的稳定性带来极大的挑战。

发明内容

本发明提供了一种基于节气门前压力的发动机控制方法，目的是至少解决由于节气门前压力传感器故障导致的控制混乱的技术问题，该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提供了一种基于节气门前压力的发动机控制方法，发动机控制方法包括步骤：获取节气门前压力传感器的状态信息；根据压力传感器处于故障状态，控制节气门的虚拟压力模型启动；根据虚拟压力模型计算节气门前的虚拟压力；根据虚拟压力控制发动机的运行模式。

根据本发明提供的基于节气门前压力的发动机控制方法，提高了节气门前压力传感器出现故障时系统的稳定性，具体地，在压力传感器出现故障时，通过虚拟压力模型为依据的发动机的控制策略，以此达到控制发动机正常运行模式的目的。

进一步地，根据虚拟压力模型计算节气门前的虚拟压力包括：

计算节流区虚拟压力，

①管路积分模型+理想气体状态方程：

其中，q_dve代表节气门处的空气流量，q_cyl代表流入气缸的空气流量，ΔMAP代表进气歧管压力的变化量；V代表发动机进气歧管容积；M代表空气的摩尔质量；R代表气体常数，T代表进气歧管温度，k₁为常数，

②速度密度流量模型简化公式：

其中，k2为与发动机排量相关的常数，N为发动机转速，f_VE为充气效率，MAP为进气歧管压力，T为进气歧管温度；

③基于节流方程的次充模型，写成如下形式：

其中，f0为温度的标况工况转换系数，f1为压力的标况工况的转换系数，f2为基于压比的马赫数计算方程，f3为标况下马赫数与流量的转换方程，

基于以上公式①②③可以推导得到：

即，通过

反查一维插值表f2，即可得到

进而求得节气门前虚拟压力P0。

④在非节流区流量通过插值公式得到

q_dve代表流过节气门的流量；q_cylptp代表当前工况下能流过节气门的最大流量；q_dveUGD代表当前工况，在UGD压比下，流过节气门的流量；Thr_act代表节气门实际开度；Thr_ugd代表UGD压比下的节气门开度；Thr_max代表节气门最大开度；

此时，公式④仍然可以联立公式①②得到节气门前的虚拟压力P0。

进一步地，根据压力传感器处于故障状态，控制节气门的虚拟压力模型启动还包括：

控制节气门的开度位于节流区内：根据节流方程，压比开度流量之间的对应关系，根据需求流量和节气门节流方程精度要求的最大压比，即可定义在此固定压比以内，不同需求空气流量下，允许的最大节气门开度如下，

Thr_ugd＝f6(q_DES)

其中，Thr_ugd代表UGD压比下的节气门开度，此处用来对节气门开度进行限制；q_DES为设定进气流量；UGD压比为一可标定的常数，f6为基于设定进气流量的函数，

在节气门前压力传感器的故障模式下，得到节气门的最终输出开度：

Thr_{Des_final}＝min(Thr_ugd，Thr_Des)

Thr_ugd代表UGD压比下的节气门开度，Thr_Des为正常模式下节气门开度的设定值；Thr_{Des_final}代表最终使用的节气门开度。

进一步地，根据虚拟压力控制发动机的运行模式包括：

根据虚拟压力控制发动机的输出扭矩以及增压器的闭环控制模式。

进一步地，根据虚拟压力控制发动机的输出扭矩以及增压器的闭环控制模式包括：重新设定增压器的设定值：增压器的设定值设置为节气门后需求压力与UGD压比的比值；重新设定增压器的PID控制参数。

进一步地，获取节气门前压力传感器的状态信息后还包括：根据压力传感器处于正常工作状态，比较压力传感器监测到的实际压力值以及虚拟压力模型计算的虚拟压力值，并根据比较结果修正虚拟压力模型。

进一步地，根据压力传感器处于故障状态，控制节气门的虚拟压力模型启动后还包括：对节气门的开度的输出值进行滤波，滤波时间常数为基于节气门的开度变化率的曲线。

本发明的第二方面提供了一种基于节气门前压力的发动机的控制器，控制器包括基于节气门前压力的发动机的控制装置和计算机可读存储介质，计算机可读存储介质内存储有控制指令，控制装置通过执行控制指令来实现根据本发明的第一方面的基于节气门前压力的发动机控制方法，控制装置包括：

获取模块，用于获取节气门前压力传感器的状态信息；

控制模块，用于根据压力传感器处于故障状态，控制节气门的虚拟压力模型启动；

计算模块，用于根据虚拟压力模型计算节气门前的虚拟压力；

控制模块还用于根据虚拟压力控制发动机的运行模式。

本发明的第三方面提供了一种车辆，车辆包括发动机和根据本发明的第二方面的基于节气门前压力的发动机的控制器。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明一个实施例的基于节气门前压力的发动机控制方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例的控制逻辑图；

图3为本发明另一个实施例的控制逻辑图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、元件、部件、和/或它们的组合。

尽管可以在文中使用术语第一、第二等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或比段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”和“第三”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。另外，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“上”、“内”、“靠近”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应的进行解释。

如图1所示，本发明的第一方面提供了一种基于节气门前压力的发动机控制方法，发动机控制方法包括步骤：S10、获取节气门前压力传感器的状态信息；S20、根据压力传感器处于故障状态，控制节气门的虚拟压力模型启动；S30、根据虚拟压力模型计算节气门前的虚拟压力；S40、根据虚拟压力控制发动机的运行模式。

进一步地，任何导致节气门前压力传感器不可信的相关故障均可调用本发明的基于节气门前压力的发动机控制方法。

当基于节气门前压力的发动机控制方法被调用时，节气门前的压力被本发明的基于节气门前压力的发动机控制方法计算出的虚拟压力替代。

具体地，节气门前虚拟压力的计算：

1)节流区虚拟压力的计算

①管路积分模型+理想气体状态方程：

②速度密度流量模型简化公式：

其中，k2为与发动机排量相关的常数，在ECU中将其视为一个常数，N为发动机转速，f_VE为充气效率，在发动机设计参数固定后，可以根据N和MAP通过二维插值表得到，MAP为进气歧管压力，T为进气歧管温度；

③基于节流方程的次充模型，可以写成如下形式：

由于ECU的计算能力，将节流方程简化为四项查表项的乘积；

其中，f0为温度的标况工况转换系数，ECU中的实现方法为基于节气门前温度的一维插值表，输出当前温度下的标况温度转为工况温度的修正系数，

f1为压力的标况工况的转换系数，ECU中的实现方法为基于节气门前压力的一维插值表，输出当前压力下的标况压力转为工况压力的修正系数，

f2为基于压比的马赫数计算方程，ECU中的实现方法为基于压比的一维插值表，输出当前压比下的马赫数，

f3为标况下马赫数与流量的转换方程，由二维插值表实现，输入为节气门前后压比和节气门开度，输出为标况下的马赫数与流量的转换系数，

基于以上公式①②③可以推导得到：

即，通过

反查一维插值表f2，即可得到

进而求得节气门前虚拟压力P0，具体地，控制逻辑图如附图2所示。

此时即可直接根据以上方程求出P0，该P0即为节气门前的虚拟压力。

2)非节流区的虚拟压力计算

④在非节流区流量通过插值公式得到。

此时，④仍然可以联立①②得到节气门前的虚拟压力P0。

虽然从公式推导层面可以看出节流区和非节流区都可以得到虚拟压力P0，但实际上在非节流区时公式④和②之间本身就存在较大差异，如果以此为依据计算得到的节气门前压力必然是不精确的，因此，非节流区不能按照该公式计算。实际上在当前配置下，也不存在可信性较强的非节流区节气门前虚拟压力P0的计算方法。该P0用于控制节气门的话，在非节流区由于都是线性插值，问题不大。但要用于控制增压器，就相当于给增压器一个不精确的参考值，这将给发动机的运行带来极大的隐患。

因此，在故障模式下，需要通过控制的手段将节气门始终限制在节流区域内。与此同时，增压器的控制也需要稍作调整，否则会出现充量无法闭环或控制进入耦合区域。

具体地，节气门的控制策略：

根据以上推导，故障模式下，节气门的开度控制需要限制在节流区以内。

节流区限制方法：根据节流方程，压比开度流量之间的对应关系，根据需求流量和节气门节流方程精度要求的最大压比，即可定义在此固定压比以内，不同需求空气流量下，允许的最大节气门开度如下(实际上该最大节气门开度即为UGD点节气门开度)。

Thr_ugd＝f6(q_DES)

其中，Thr_ugd代表UGD压比下的节气门开度，此处用来对节气门开度进行限制；q_DES为设定进气流量；UGD压比为一可标定的常数，f6为基于设定进气流量的函数。

节气门前压力的故障模式下，通过如下控制策略得到最终输出节气门开度：

Thr_{Des_final}＝min(Thr_ugd，Thr_Des)

Thr_Des根据常规流量闭环策略控制即可，这里支持所有形式的节流区控制策略。

与此同时，由于在虚拟压力计算的过程中，公式①本身就含有一部分预测的意味，可以根据实际标定情况选择是否将公式①应用进来。同时通过节气门后压力算节气门前压力，得到的压力也是被进气管子的容积效应滤波后的节气门前压力，因此该压力存在一定的滞后，在控制过程中如果不将该滞后考虑进去，将会影响系统的稳定性。

同时，由于节气门基于模型的控制器预测意味过强，而与真实情况相比，虚拟传感器引入的扰动会更大，当前策略的抗干扰和抗失配能力较差。

基于以上思路，在当前的控制策略下，当节气门前压力传感器发生故障时，对节气门开度的输出值进行滤波，滤波时间常数为基于节气门开度变化率的曲线，具体地，控制逻辑图如附图3所示。

具体地，增压器的控制策略如下：

当节气门的最大开度被限制时，在当前的控制模式下，增压器不会随之变化，将会在一部分区域出现空气流量无法闭环的情况。因此在故障模式下，需要对增压器设定值重新设定。

此时增压器的设定值变为节气门后需求压力与UGD压比的比值。

增压器的闭环控制：由于节气门前的压力和实际节气门前压力相比，存在滞后，若增压控制PID还采用之前的PID控制参数，则瞬态工况容易出现过增压的问题，且难以达到稳定。因此，在故障模式下，新增一套增压器的PID控制参数，实际应用时重新进行标定。

另外，根据压力传感器处于正常工作状态，比较压力传感器监测到的实际压力值以及虚拟压力模型计算的虚拟压力值，并根据比较结果修正虚拟压力模型，以此提高虚拟压力模型计算的虚拟压力的准确性。

本发明的第二方面提供了一种换挡调速的控制器，控制器包括基于发动机节气门前压力的控制装置和计算机可读存储介质，计算机可读存储介质内存储有控制指令，控制装置通过执行控制指令来实现根据本发明的第一方面的基于节气门前压力的发动机控制方法，控制装置包括：

获取模块，用于获取节气门前压力传感器的状态信息；

控制模块还用于根据虚拟压力控制发动机的运行模式。

本发明的第三方面提供了一种车辆，车辆包括根据本发明的第二方面的基于节气门前压力的发动机的控制器。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或控制装置(如处理器)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于节气门前压力的发动机控制方法，其特征在于，所述发动机控制方法包括步骤：

获取节气门前压力传感器的状态信息；

根据所述压力传感器处于故障状态，控制所述节气门的虚拟压力模型启动；

根据所述虚拟压力模型计算所述节气门前的虚拟压力；

根据所述虚拟压力控制发动机的运行模式。

2.根据权利要求1所述的基于节气门前压力的发动机控制方法，其特征在于，所述根据所述虚拟压力模型计算所述节气门前的虚拟压力包括：

计算节流区虚拟压力，

①管路积分模型+理想气体状态方程：

②速度密度流量模型简化公式：

其中，k₂为与发动机排量相关的常数，N为发动机转速，f_VE为充气效率，MAP为进气歧管压力，T为进气歧管温度；

③基于节流方程的次充模型，写成如下形式：

基于以上公式①②③可以推导得到：

即，通过

反查一维插值表f2，即可得到

进而求得节气门前虚拟压力P0。

3.根据权利要求2所述的基于节气门前压力的发动机控制方法，其特征在于，所述根据所述虚拟压力模型计算所述节气门前的虚拟压力包括：

④在非节流区流量通过插值公式得到

4.根据权利要求2所述的基于节气门前压力的发动机控制方法，其特征在于，所述根据所述压力传感器处于故障状态，控制所述节气门的虚拟压力模型启动还包括：

控制所述节气门的开度位于节流区内：根据节流方程，压比开度流量之间的对应关系，根据需求流量和节气门节流方程精度要求的最大压比，即可定义在此固定压比以内，不同需求空气流量下，允许的最大节气门开度如下，

Thr_ugd＝f6(q_DES)

在所述节气门前所述压力传感器的故障模式下，得到所述节气门的最终输出开度：

Thr_{Des_final}＝min(Thr_ugd，Thr_Des)

Thr_ugd代表UGD压比下的节气门开度，Thr_Des为正常模式下节气门开度的设定值；Thr_{Des_}final代表最终使用的节气门开度。

5.根据权利要求1所述的基于节气门前压力的发动机控制方法，其特征在于，所述根据所述虚拟压力控制发动机的运行模式包括：

根据所述虚拟压力控制所述发动机的输出扭矩以及增压器的闭环控制模式。

6.根据权利要求5所述的基于节气门前压力的发动机控制方法，其特征在于，所述根据所述虚拟压力控制所述发动机的输出扭矩以及增压器的闭环控制模式包括：

重新设定所述增压器的设定值：所述增压器的所述设定值设置为所述节气门后需求压力与UGD压比的比值；

重新设定所述增压器的PID控制参数，

其中，所述UGD压比为非节流区域的最大压比。

7.根据权利要求1所述的基于节气门前压力的发动机控制方法，其特征在于，所述获取节气门前压力传感器的状态信息后还包括：

根据所述压力传感器处于正常工作状态，比较所述压力传感器监测到的实际压力值以及所述虚拟压力模型计算的虚拟压力值，并根据比较结果修正所述虚拟压力模型。

8.根据权利要求1所述的基于节气门前压力的发动机控制方法，其特征在于，所述根据所述压力传感器处于故障状态，控制所述节气门的虚拟压力模型启动后还包括：

对所述节气门的开度的输出值进行滤波，滤波时间常数为基于所述节气门的开度变化率的曲线。

9.一种基于节气门前压力的发动机的控制器，其特征在于，所述控制器包括基于节气门前压力的发动机的控制装置和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有控制指令，所述控制装置通过执行所述控制指令来实现根据权利要求1所述的基于节气门前压力的发动机控制方法，所述控制装置包括：

获取模块，用于获取节气门前压力传感器的状态信息；

控制模块，用于根据所述压力传感器处于故障状态，控制所述节气门的虚拟压力模型启动；

计算模块，用于根据所述虚拟压力模型计算所述节气门前的虚拟压力；

所述控制模块还用于根据所述虚拟压力控制发动机的运行模式。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括发动机和根据权利要求9所述的基于节气门前压力的发动机的控制器。