CN114412682B - 一种增强怠速稳定性的分缸点火控制方法、系统 - Google Patents

一种增强怠速稳定性的分缸点火控制方法、系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增强怠速稳定性的分缸点火控制策略及配套系统。其技术方案为通过一定时间内各缸半转转速的规律，识别各缸转速的不均匀性，对转速偏快或者偏慢的缸进行点火角修正，通过单缸的点火角修正使各缸的转速均匀性进一步提升，进而提高排放性和怠速稳定性。

Description

一种增强怠速稳定性的分缸点火控制方法、系统
技术领域
本发明涉及汽车的发动机控制技术领域，特别涉及增强怠速稳定性的分缸点火控制方法、系统。
背景技术
发动机在工作时，很多因素会影响发动机的工作状况，其中主要有两个方面一个是进入气缸的气流量，一个是对气缸中的混合气体点火的时刻。其中进入气缸的气流量会直接影响燃烧室内燃烧的速度和压力等，这样就会影响发动机的动力和燃料的经济性，同时也会对大气造成一定的污染。此外发动机的点火时刻也时刻影响发动机气缸内的燃烧过程，同时也会影响发动机的动力性能。
由于汽车的运行状况非常的复杂而且变化也比较频繁，特别是在一些大城市，交通比较拥堵，当车停下来时就会过渡到怠速的状态，怠速状态产生大量的燃油消耗，因此要对发动机的怠速进行控制才能不断提高发动机的工作效率，由于发动机在怠速时的主要任务就是保持发动机不熄火，而不是对外进行做功，这个过程中怠速所消耗的燃油基本上都是在克服摩擦力，但是如果怠速的转速低时就会增加废气的排放，这样必然会使得燃油的燃烧不充分，使得大气中的污染物不断地增加，控制这种现象的发生也是研究怠速的一个重要的意义，也就是平时说的排放平衡。根据以上所述对怠速进行有效的控制，能够提高汽车的燃油经济性，提高汽车的乘坐舒适性减少汽车尾气对大气的污染。
如图1所示，目前发动机怠速控制方式主要有两种，开环控制和闭环控制。这两种控制方式均与怠速空气流量有着一定的联系：怠速空气流量＝闭环空气流量+开环空气流量基本目标怠速转速与冷却水温两者之间存在着函数关系，当冷却水的温度降低时，发动机基本目标怠速转速将会升高，这主要是因为在冷态时，发动机需要依靠较高的怠速转速来抵消运动时所产生的较大摩擦力。当发动机温度达到正常后，目标转速就会保持在一个定值，不再变化。
发明内容
通过本专利可以通过一定时间内各缸半转转速的规律，识别各缸转速的不均匀性，对转速偏快或者偏慢的缸进行点火角修正。其具体技术方案如下所述。
作为第一方面，本发明提供了一种增强怠速稳定性的分缸点火控制方法，所述步骤包括：
S1，根据发动机转数数据确定每个做功缸的凸轮轴的位置数据，计算获得当前每个做功缸的半转转速MSpeed[x]，x为缸序号；
S2，在满足预设工况的条件下，对各个缸的预设循环周期内的半转转速的平均值MSpeedAVG[x]进行计算；
S3，再对各缸的半转转速的平均值MSpeedAVG[x]进行平均处理，得到x个缸的平均半转转速MSpeedAVG；即MSpeedAVG＝(MSpeedAVG[1]+MSpeedAVG[2]+MSpeedAVG[3]+···+MSpeedAVG[x])/x；
S4，计算各个缸的半转转速的平均值MSpeedAVG[x]与平均半转转速MSpeedAVG的偏差值MSpeedErr[x]；
S5，判断各个缸的偏差值MSpeedErr[x]与预设阈值范围±n的关系，对点火角进行修正；若偏差值MSpeedErr[x]大于预设阈值范围的+n，则减小点火角；若偏差值MSpeedErr[x]小于预设阈值范围的-n，则增加点火角，若偏差值MSpeedErr[x]处于预设阈值范围±n内，则不进行修正；
S6，根据判断结果，获取各个缸所需的修正量，对各个缸的点火角进行修正。
结合第一方面，在其可能发生的任意一种情况下的第一种情况为，所述方法中，通过凸轮轴位置信号的高低电平信号，对所述x个缸进行序号标识，且所述步骤S1-S6中的各缸的半转转速、半转转速的平均值、偏差值均按照所标识的缸序依序进行计算。
结合上述第一方面或上述第一种情况，在其可能发生的任意一种情况下的第二种情况为，所述半转转速的计算公式如下：
MSpeed[x]＝0.5/(PowerPeriod[x])×凸轮轴齿数×106；
其中：MSpeed[x]：第x个缸的半转转速，单位为rpm；PowerPeriod[x]:第x个缸每转过一半凸轮轴齿数的时间，单位为us。
结合上述第一方面或上述第一、二种情况，在其可能发生的任意一种情况下的第三种情况为，各个缸对应的修正量是根据该缸的偏差值MSpeedErr[x]的绝对值进行闭环修正，其公式为：
修正量＝MSpeedErr[x]×P项增益系数+MSpeedErr[x]×I项增益系数累加值；其中，P项的增益系数为和I项增益系数均为根据该缸的转速偏差MSpeedErr[x]和该缸的目标怠速从预设数集中选取的对应预设值。
结合上述第一方面或上述第一、二、三种情况，在其可能发生的任意一种情况下的第四种情况为，所述预设工况的条件为：
发动机处于怠速控制状态；
发动机的水温≥70℃，且≤95℃；
大气压力大于70kPa；
发动机运行时间大于等于60s；
不在催化器起燃阶段；
无失火故障，无节气门故障，无水温故障，无转速传感器故障，无喷油器相关，无点火系统相关故障。
作为第二方面，一种增强怠速稳定性的分缸点火控制系统，所述系统包括转速传感器、凸轮轴位置传感器、计算单元、计算机可读存储介质，其中：
转速传感器，用于获取发动机转数数据；
凸轮轴位置传感器，用于根据高低电平信号对x个缸的缸序进行标记；
计算单元，用于调取计算机可读存储介质内存储的计算机可执行程序指令进行运算，并发出控制指令；
计算机可读存储介质，用于存储实现上述的方法的计算机可执行程序指令，供计算单元调取。
结合第二方面，在其可能发生的任意一种情况下的第五种情况为，所述系统还包括车辆工况监控模块，用于收集车辆的各项数据，并判断车辆当前是否满足以下工况：
发动机处于怠速控制状态；
发动机的水温≥70℃，且≤95℃；
大气压力大于70kPa；
发动机运行时间大于等于60s；
不在催化器起燃阶段；
无失火故障，无节气门故障，无水温故障，无转速传感器故障，无喷油器相关，无点火系统相关故障。
作为第三方面，本发明提供了一种车辆，所述车辆安装有转速传感器、凸轮轴位置传感器，中央控制器，所述转速传感器、凸轮轴位置传感器通过硬线与所述中央控制器连接，且所述中央控制器内部集成有存储了实现上述的方法的计算机可执行程序指令的计算机可读存储介质。
本发明的有益效果是：
可以通过一定时间内各缸半转转速的规律，识别各缸转速的不均匀性，对转速偏快或者偏慢的缸进行点火角修正，通过单缸的点火角修正使各缸的转速均匀性进一步提升，进而提高排放性和怠速稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有技术主要的怠速控制逻辑；
图2为本发明的怠速稳定性控制算法；
图3为点火角P项增益系数查表；
图4为点火角I项增益系数查表；
图5为半转转速的计算算法；
图6为单个循环的各缸半转转速变化趋势；
图7为各缸半转转速趋势与平均值的关系。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例。
如图1所示，本实施例公开了一种增强怠速稳定性的分缸点火控制方法，其大致方法流程如下所述：
步骤1，根据发动机转速传感器的信号，判断凸轮轴的位置信息及凸轮轴转过的齿数，且各缸在下述方法过程中的计算顺序均按照所标识的缸序依序进行计算。系统根据每转过30个凸轮轴齿数(凸轮轴每转过一圈的齿数为60个齿)的时间PowerPeriod[x]，单位为us，以及凸轮轴信号判断当前做功缸序的半转转速MSpeed[x],x为缸序号；以1缸为例,当判断到当前做功的缸序为1缸时，则1缸的半转转速计算公式为：
MSpeed[1]＝(30/60)/(PowerPeriod[1])×60×106。
其公式可以进一步简化为：MSpeed[1]＝3×10e7/PowerPeriod[1]。其中：
MSpeed[1]：序号为1的缸的半转转速，单位为：rpm；PowerPeriod[1]：序号为1的缸的半转时间，微秒us；
例如，当前1缸的半转时间PowerPeriod[1]＝35156us时，MSpeed[1]＝853.34rpm。
步骤2，在满足以下条件的怠速工况下，对各个缸序的一定循环数(数据控制，例如100)的半转转速的进行平均值计算MSpeedAVG[x]，该值可以反映出当前工况下发动机各缸做功的实际情况；
发动机需要满足的条件包括以下项：
1：发动机处于怠速控制状态；
2：发动机的水温大于等于70℃，并小于等于95℃；
3：大气压力大于70kPa；
4：发动机运行时间大于等于60seconds；
5：不在催化器起燃阶段；
6：无失火故障，无节气门故障，无水温故障，无转速传感器故障，无喷油器相关，无点火系统相关故障等。
步骤3，再对各缸半转转速的平均值进行平均处理，得到所有缸的平均半转转速MSpeedAVG；即MSpeedAVG＝(MSpeedAVG[1]+MSpeedAVG[3]+MSpeedAVG[4]+MSpeedAVG[2])/4；例如：某一工况下：
MSpeedAVG[1]＝908.75rpm；MSpeedAVG[3]＝908.51rpm；
MSpeedAVG[4]＝909.48rpm；MSpeedAVG[2]＝911.06rpm；
则MSpeedAVG＝909.45rpm。
步骤4，计算各缸半转转速的平均值与所有缸转速平均值的偏差MSpeedErr[x]，则可以根据此偏差值来是确定需要进行点火角调整的缸序[x]，如果某一缸的半转转速平均值和所有缸半转转速的平均值的偏差值大于预设阈值范围为±0.5，则该缸需要进行点火角修正，修正方向为减小点火角；如果某一缸的半转转速平均值和所有缸半转转速的平均值的偏差值小于-0.5，则该缸需要进行点火角修正，修正方向为增加点火角；若偏差值正好处于预设阈值范围±0.5之间，则不进行修正。
例如根据步骤3中数据可以得出：
MSpeedErr[1]＝-0.7rpm；MSpeedErr[3]＝-0.94rpm；
MSpeedErr[4]＝0.03rpm；MSpeedErr[2]＝1.61rpm；
则需要调整点火角的缸序分别为1缸，3缸，2缸。
步骤5，单缸点火角的修正量根据转速偏差MSpeedErr[x]进行闭环修正,其缸序[x]点火角的修正量＝MSpeedErr[x]×P项增益系数+MSpeedErr[x]×I项增益系数累加值。其中，P项的增益系数通过查询图3所示的三维表得到,X轴为转速偏差MSpeedErr[x]，Y轴为目标怠速。I项的增益系数也通过查询图4所示的三维表得到，X轴为转速偏差MSpeedErr[x]，Y轴为目标怠速。
以当前工况为例：
1缸点火角修正量＝(-0.7)×(-2)+(-0.7)×(-0.015)＝1.5；
2缸点火角修正量＝(1.6)×(-3)+(1.6)×(-0.02)＝-5；
步骤6，修正后的点火角计算到各缸基础点火角后，作为最终点火角，经系统控制输出到各缸点火线圈后进行输出。
步骤7，点火角的修正后各缸半转转速值MSpeed[x]会出现变化，经过修正的各缸半转转速平均值更接近于所有缸转速的平均值MSpeedAVG，当所有缸半转转速平均值都在一定范围内时，达到该工况下的转速稳定状态，各缸一致性达到更优的状态，点火角修正值到达一个动态平衡点；
例如：修正后各缸的半转转速变化为：
MSpeedAVG[1]＝909.05rpm；MSpeedAVG[3]＝909.01rpm；
MSpeedAVG[4]＝909.48rpm；MSpeedAVG[2]＝909.66rpm；
则修正后的平均半转转速为：MSpeedAVG＝909.3rpm
修正后的各缸偏差量为：MSpeedErr[1]＝-0.25rpm；MSpeedErr[3]＝-0.29rpm；MSpeedErr[4]＝0.18rpm；MSpeedErr[2]＝0.36rpm。均在预设阈值范围±0.5之内，点火角修正达到平衡。
本发明的核心技术是采用了半转转速的方案，半转转速的计算方法如下：
凸轮轴每转过一圈的齿数为60个齿，半转转速指的是根据发动机凸轮轴每转过30个齿(凸轮轴总齿数的一半)的时间计算出的转速；系统定义1缸的压缩上止点为凸轮轴第20齿的下降沿，以点火时序为1-3-4-2的4缸4冲程发动机来说，那么1缸的做功冲程为第20齿到50齿下降沿，3缸的做功冲程为第50齿到80齿(下一转第20齿)，4缸的做功冲程为80齿到110齿，2缸的做功冲程为110齿到140齿(再下一转的第20齿)，计算过程参考图5。以高低电平信号作为缸序的区分，当50齿至80齿的过程中，有一处下降沿，那么此时将1号缸的后续标识为3号缸。同理，110齿到140齿的过程中，也有一处下降沿，所有4号缸的下一个缸就标识为2号缸。通过该方法，能将4个缸进行序号标识，且各缸的半转转速、半转转速的平均值、偏差值均按照所标识的缸序依序进行计算。
传统的发动机转速是通过发动机凸轮轴转过1圈时间来计算的，并不能精确的区分各缸的做功能力；半转转速是能够直接反应出各缸做功能力大小的参数；由于各缸物理上的差异性，在ECU控制参数一致的情况下，做功能力也有差别，通过各缸的半转转速，可以识别出各缸做功能力的差异。
由于各缸的不一致性和循环变动性，单次计算的各缸半转转速并没有一定规律；
因此需要对一定时间(一定循环数,例如100)内的各缸半转转速进行平均处理，且处理前后的数据表现如图6所示，各缸转速变化没有明显规律。
平均处理之后的数据表现如图7所示，各缸的转速有明显趋势，缸序2的平均转速较小，缸序4的平均转速较大，表明当前工况下2缸做功能力弱，而4缸做功能力强；
在确定了各缸半转转速的平均值之后，需要根据各个缸平均转速与总的平均转速的差别来确定需要进行调整点火角的缸序，只有当转速偏差—某个缸的做功能力偏大或者偏小超过平均程度的范围才进行点火角的调整；如图7中所示，在设定的偏差值±0.5rpm偏差范围外的缸序有1、2、4；因此需要对1、2、4号缸根据上述的点火角调整原则进行点火角调整。
应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解为在阅读本发明的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种增强怠速稳定性的分缸点火控制方法，其特征在于，所述步骤包括：
S1，根据发动机转数数据确定每个做功缸的凸轮轴的位置数据，计算获得当前每个做功缸的半转转速MSpeed[x]，x为缸序号；
S2，在满足预设工况的条件下，对各个缸的预设循环周期内的半转转速的平均值MSpeedAVG[x]进行计算；
S3，再对各缸的半转转速的平均值MSpeedAVG[x]进行平均处理，得到x个缸的平均半转转速MSpeedAVG；即MSpeedAVG＝(MSpeedAVG[1]+MSpeedAVG[2]+MSpeedAVG[3]+···+MSpeedAVG[x])/x；
S4，计算各个缸的半转转速的平均值MSpeedAVG[x]与平均半转转速MSpeedAVG的偏差值MSpeedErr[x]；
S5，判断各个缸的偏差值MSpeedErr[x]与预设阈值范围±n的关系，对点火角进行修正；若偏差值MSpeedErr[x]大于预设阈值范围的+n，则减小点火角；若偏差值MSpeedErr[x]小于预设阈值范围的-n，则增加点火角，若偏差值MSpeedErr[x]处于预设阈值范围±n内，则不进行修正；
S6，根据判断结果，获取各个缸所需的修正量，对各个缸的点火角进行修正。
2.根据权利要求1所述的一种增强怠速稳定性的分缸点火控制方法，其特征在于，所述方法中，通过凸轮轴位置信号的高低电平信号，对所述x个缸进行序号标识，且所述步骤S1-S6中的各缸的半转转速、半转转速的平均值、偏差值均按照所标识的缸序依序进行计算。
3.根据权利要求2所述的一种增强怠速稳定性的分缸点火控制方法，其特征在于，所述半转转速的计算公式如下：
MSpeed[x]＝0.5/(PowerPeriod[x])×凸轮轴齿数×106；
其中：MSpeed[x]：第x个缸的半转转速，单位为rpm；PowerPeriod[x]:第x个缸每转过一半凸轮轴齿数的时间，单位为us。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种增强怠速稳定性的分缸点火控制方法，其特征在于，各个缸对应的修正量是根据该缸的偏差值MSpeedErr[x]进行闭环修正，其公式为：
修正量＝MSpeedErr[x]×P项增益系数+MSpeedErr[x]×I项增益系数累加值；其中，P项的增益系数为和I项增益系数均为根据该缸的转速偏差MSpeedErr[x]和该缸的目标怠速从预设数集中选取的对应预设值。
5.根据权利要求4所述的一种增强怠速稳定性的分缸点火控制方法，其特征在于，所述预设工况的条件为：
发动机处于怠速控制状态；
发动机的水温≥70℃，且≤95℃；
大气压力大于70kPa；
发动机运行时间大于等于60s；
不在催化器起燃阶段；
无失火故障，无节气门故障，无水温故障，无转速传感器故障，无喷油器相关，无点火系统相关故障。
6.一种增强怠速稳定性的分缸点火控制系统，其特征在于，所述系统包括转速传感器、凸轮轴位置传感器、计算单元、计算机可读存储介质，其中：
转速传感器，用于获取发动机转数数据；
凸轮轴位置传感器，用于根据高低电平信号对x个缸的缸序进行标记；
计算单元，用于调取计算机可读存储介质内存储的计算机可执行程序指令进行运算，并发出控制指令；
计算机可读存储介质，用于存储实现权利要求1-5其中任意一个所述的方法的计算机可执行程序指令，供计算单元调取。
7.根据权利要求6所述的一种增强怠速稳定性的分缸点火控制系统，其特征在于，所述系统还包括车辆工况监控模块，用于收集车辆的各项数据，并判断车辆当前是否满足以下工况：
发动机处于怠速控制状态；
发动机的水温≥70℃，且≤95℃；
大气压力大于70kPa；
发动机运行时间大于等于60s；
不在催化器起燃阶段；
无失火故障，无节气门故障，无水温故障，无转速传感器故障，无喷油器相关，无点火系统相关故障。
8.一种车辆，其特征在于，所述车辆安装有转速传感器、凸轮轴位置传感器，中央控制器，所述转速传感器、凸轮轴位置传感器通过硬线与所述中央控制器连接，且所述中央控制器内部集成有存储了实现权利要求1-5其中任意一个所述的方法的计算机可执行程序指令的计算机可读存储介质。
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