CN115199421A

CN115199421A - 一种发动机凸轮目标相位控制方法

Info

Publication number: CN115199421A
Application number: CN202210755706.3A
Authority: CN
Inventors: 鲁盼; 秦龙; 岳永召; 赵宁
Original assignee: Dongfeng Motor Group Co Ltd
Current assignee: Dongfeng Motor Group Co Ltd
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2022-10-18
Anticipated expiration: 2042-06-29
Also published as: CN115199421B

Abstract

VVT初始目标相位变化率本发明属于汽车发动机控制技术领域，具体涉及一种发动机凸轮目标相位控制方法。本发明提出了一种发动机凸轮目标相位控制方法，该方法可适用于单边锁止和中间锁止的VVT系统，根据实际VVT相位实时动态调节目标VVT相位，并最终根据平滑处理确定最终的目标相位，避免动态闭环控制时目标VVT相位和实际VVT相位相差过大时PID参数调节过大而出现响应速度慢或者超调的现象，提高了闭环控制响应速率和控制精度，进而提高了闭环控制稳定性。

Description

一种发动机凸轮目标相位控制方法

技术领域

本发明属于汽车发动机控制技术领域，具体涉及一种发动机凸轮目标相位控制方法。

背景技术

节能和减排已成为内燃机行业发展的两大主题。在节能方面，国内外的汽车厂家通过运用：奥托(Otto)循环、阿特金森(Atkinson)循环、米勒(Miller)循环等技术，改善发动机的燃烧做功过程，提高传统汽油机的燃油经济性。其中，汽油机阿特金森(Atkinson)循环和米勒(Miller)循环，借助凸轮轴控制技术，通过控制进气门正时，更大程度的将燃料燃烧后产生的热能转化为机械能，达到提高热效率的目的；在相同的负荷条件下，相比Otto循环，汽油机阿特金森(Atkinson)循环和米勒(Miller)循环能够提高热效率，降低油耗和降低NOx。

对于目前发动机热效率和排放要求越来越高，发动机设计越来越复杂，且发动机工况瞬息万变，导致凸轮相位正时控制要求越来越高。

现有的发动机凸轮相位动态闭环控制，当目标VVT(可变气门正时)相位和实际VVT相位差距过大时，会导致PID参数调节过大而出现响应速度慢或者超调的现象，严重影响控制精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述现有技术存在的不足，提供一种发动机凸轮目标相位控制方法，能够提高发动机凸轮相位闭环控制的响应速率和控制精度，进而提高发动机凸轮相位闭环控制的稳定性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种发动机凸轮目标相位控制方法，用于单边锁止或中间锁止的VVT系统，包括如下步骤：

S1，确定不同燃烧模式下的VVT初始目标相位，所述不同燃烧模式下的VVT初始目标相位具体为催化器起燃模式下的VVT初始目标相位、正常燃烧模式下的VVT初始目标相位、扫气模式下的VVT初始目标相位；

S2，限制不同燃烧模式切换过渡时和工况变化时的VVT初始目标相位变化率；

S3，对VVT初始目标相位phi_DsrdRaw进行动态调节，输出VVT动态目标相位phi_DsrdDyn；

S4，对VVT动态目标相位phi_DsrdDyn进行平滑处理，确定最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal；

S5，对凸轮目标相位进行双重PID控制，输出最终OCV阀的PWM控制占空比，并将其限制在0％和100％范围内，从而控制OCV阀动作，迫使实际相位快速准确响应其目标相位请求。

进一步的，在步骤S1中，所述催化器起燃模式下的VVT初始目标相位和扫气模式下的VVT初始目标相位，均由目标进气密度rho_Dsrd和发动机转速n共同决定，具体如下：

所述催化器起燃模式下的VVT初始目标相位phi_DsrdRaw1＝f₁(n,rho_Dsrd)；

所述扫气模式下的VVT初始目标相位phi_DsrdRaw2＝f₂(n,rho_Dsrd)；

式中，n为实时发动机转速，rho_Dsrd为实时目标的进气密度；

所述正常燃烧模式下的VVT初始目标相位，具体如下式：

phi_DsrdRaw2＝r_Warmup×f₃(n,rho_Dsrd)+(1-r_Warmup)×f₄(n,rho_Dsrd)

式中，f₃(n,rho_Dsrd)是指暖机系数r_Warmup为1时正常燃烧模式下的VVT初始目标相位；f₄(n,rho_Dsrd)是指暖机系数r_Warmup为0时正常燃烧模式下的VVT初始目标相位；

r_Warmup为凸轮相位控制的暖机系数，由发动机燃烧次数和发动机实时水温共同决定。

进一步的，在步骤S2中，不同燃烧模式切换过渡时VVT初始目标相位变化率，其变化率绝对值限值由实际发动机转速n和实际进气密度rho_Act共同决定；

工况变化时的VVT初始目标相位变化率，其变化率绝对值限值基于发动机实时水温和发动机起动水温共同决定。

进一步的，在步骤S3中，所述动态调节，具体包括如下步骤：

S31，判断是否满足VVT相位闭环控制标志位激活且超过一段预设时间T1或机油压力超过预设值p1，若是，复位VVT动态目标相位phi_DsrdDyn为VVT初始目标相位phi_DsrdRaw，若否，则执行步骤S32；

S32，判断实时监测的VVT实际相位phi_Act与上一时间周期内的VVT动态目标相位phi_DsrdDyn之差是否不大于预设值D3，若是，则立刻恢复VVT动态目标相位phi_DsrdDyn为VVT初始目标相位phi_DsrdRaw，若否，则执行步骤S33；

S33，判断VVT实际相位phi_Act与VVT初始目标相位phi_DsrdRaw之差是否大于预设值D1，若是，则将VVT初始目标相位phi_DsrdRaw增加一定累加量D2，得到新的VVT相位phi_DsrdRaw+D2，作为VVT动态目标相位phi_DsrdDyn，若否，则执行步骤S34；

S34，VVT动态目标相位phi_DsrdDyn等于VVT初始目标相位phi_DsrdRaw；

其中，预设值D3＞0，且D1＞D2＞D3。

进一步的，在步骤S4中，所述确定最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal，具体包括如下步骤：

S41，实时根据VVT动态目标相位phi_DsrdDyn计算限制了其变化率的目标相位phi_{DsrdDynRateLim}；

S42，判断是否满足VVT动态目标相位phi_DsrdDyn不等于上一时间周期内目目标相位phi_{DsrdDynRateLim}(z)，且VVT动态目标相位phi_DsrdDyn等于当前实时时间周期目标相位phi_{DsrdDynRateLim}，若是，则最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal等于限制了其变化率的目标相位phi_{DsrdDynRateLim}，若是，则执行步骤S43；

S43，最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal具体如下式：

式中，T_Filter为滤波时间系数,本实例取0.156。

进一步的，最终的VVT目标相位初始值phi_DsrdFinal(0)为：

a)如果上一时间周期内步骤S42满足，则最终的VVT目标相位初始值phi_DsrdFinal(0)为限制了其变化率的目标相位phi_{DsrdDynRateLim}；

b)如果上一时间周期内步骤S42不满足，则最终的VVT目标相位初始值phi_DsrdFinal(0)为VVT动态目标相位phi_DsrdDyn。

进一步的，在步骤S5中，所述双重PID控制，具体为：

根据最终VVT目标相位phi_DsrdFinal和VVT实际相位phi_Act进行闭环PI控制，输出凸轮轴正时液压控制阀的占空比PWM1；

同时根据最终VVT目标相位phi_DsrdFinal变化率和VVT实际相位phi_Act变化率进行闭环PID控制，输出凸轮轴正时液压控制阀的占空比PWM2；

将PWM1和PWM2相加即为最终OCV阀的PWM控制占空比，具体相加算法如下：

PWM＝PWM1+k×PWM2+(1-k)×PWM2(z)

式中，PWM2(z)为上一个时间采样周期的PWM2，k为滤波系数。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1、提供了一种发动机凸轮目标相位控制方法，其目标VVT相位的确定方法既考虑了发动机不然燃烧模式请求的情况并限制其变化率，且考虑了不同工况下的VVT相位，并且在VVT相位闭环控制过程中，根据VVT实际相位实时动态调节VVT目标相位，并最终根据平滑处理确定最终的VVT目标相位，避免VVT相位闭环控制时目标VVT相位和实际VVT相位差过大时PID参数调节过大，提高了闭环控制响应速率，从而提高了闭环控制稳定性。

附图说明

图1为本发明控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本发明提出了一种发动机凸轮目标相位控制方法，基于凸轮轴相位控制系统。

所述凸轮轴相位控制系统包括：凸轮相位器、凸轮轴位置传感器、水温传感器、凸轮轴正时液压控制阀(Oil Control Valve，OCV)、曲轴位置传感器和电控单元(ECU)。

所述凸轮相位器主要由转子叶片、定子和回位弹簧构成；所述转子叶片固定在进气凸轮轴上，所述定子与从动正时链轮为一体。

当系统油路中的机油受到正时液压控制阀的控制产生压力时，机油挤压转子并且带动进气凸轮轴旋转，使凸轮轴相位提前、滞后或者保持，从而改变进气气门的开启和关闭时间；在转子运动的过程中相位器形成了气门正时提前室和气门正时滞后室两个液压室。

进一步的，所述凸轮轴相位控制系统还包括：机油压力传感器和(或)可变排量机油泵，所述机油压力传感器用于读取机油主油道的机油压力，所述可变排量机油泵用于调节机油压力。

更进一步的，本发明提出的一种发动机凸轮目标相位控制方法，首先获取VVT初始目标相位，进而确定VVT动态目标相位，然后确定VVT最终目标相位；该控制方法适用于单边锁止和中间锁止的VVT系统，以及进排气VVT系统。

如图1所示，具体控制策略为：

S1，确定不同燃烧模式下的VVT初始目标相位。

其中，所述不同燃烧模式下的VVT初始目标相位具体有三种，分别为催化器起燃模式下的VVT初始目标相位、正常燃烧模式下的VVT初始目标相位、扫气模式下的VVT初始目标相位。

1)所述催化器起燃模式下的VVT初始目标相位和扫气模式下的VVT初始目标相位，均由目标进气密度rho_Dsrd和发动机转速n共同决定，即起燃模式下的VVT初始目标相位phi_DsrdRaw1＝f₁(n,rho_Dsrd)；扫气模式下的VVT初始目标相位phi_DsrdRaw2＝f₂(n,rho_Dsrd)。

式中，n为实时发动机转速，rho_Dsrd为实时目标的进气密度。催化器起燃和扫气模式下的VVT初始目标相位均是根据排放分析和油耗结果最终决定一个最优的数值。

2)正常燃烧模式下(除去起动非催化器起燃过程过程和停机过程中VVT控制不激活，和催化器起燃过程，以及扫气模式外)的VVT初始目标相位如下式：

phi_DsrdRaw2＝r_Warmup×f₃(n,rho_Dsrd)+(1-r_Warmup)×f₄(n,rho_Dsrd)

r_Warmup为凸轮相位控制的暖机系数，由发动机燃烧次数(即本次驾驶循环的发动机各缸点火燃烧的总次数)和发动机实时水温共同决定，具体如下表：

以上各模式下的VVT初始目标相位均在发动机和整车台架上完成标定得到，从油耗、排放和动力性选择一个最佳的相位结果。

S2，限制不同燃烧模式切换过渡时和工况变化时的VVT初始目标相位变化率。

1)在不同模式(正常燃烧、催化器起燃和扫气模式)切换时，VVT初始目标相位切换过程中逐步过渡，其变化率绝对值限值基于实际发动机转速n和实际进气密度rho_Act共同决定，这里取实际进气密度而非目标进气密度是考虑发动机实际运行的工况是实际进气密度，从而保证实际工况下VVT相位平滑过渡，具体如下表：

以上步骤确定了不同模式下及模式切换过渡工况下的VVT初始目标相位，下面将进一步确定在工况变化时的VVT初始目标相位。

2)在工况变化时的VVT初始目标相位，其变化率绝对值限值基于发动机实时水温和发动机起动水温(即发动机刚起动时刻的水温)共同决定(水温影响液压系统的流量)，具体如下表：

至此，确定了VVT初始目标相位phi_DsrdRaw。

S3，对VVT初始目标相位phi_DsrdRaw进行动态调节，输出VVT动态目标相位phi_DsrdDyn。

具体的，根据VVT初始目标相位phi_DsrdRaw和实时VVT实际相位phi_Act的差异实时调节目标VVT相位，提高相位闭环控制响应性和稳定性；

所述VVT动态目标相位phi_DsrdDyn的控制包括：实时监测VVT实际相位phi_Act、VVT初始目标相位phi_DsrdRaw和计算VVT动态目标相位phi_DsrdDyn；

所述实时监测是指，以Δt(本实例取10ms)为固定时间周期监测VVT实际相位phi_Act、VVT初始目标相位phi_DsrdRaw和计算VVT动态目标相位phi_DsrdDyn；

所述VVT动态目标相位phi_DsrdDyn的确定，具体包括如下步骤：

S31，VVT相位闭环控制标志位激活且超过一段预设时间T1后(一旦满足后如果发动机未熄火则不再判断该条件，即使VVT相位闭环控制标志位退出激活，即未激活也不再判断该条件。如果发动机熄火，则需要重新判断该条件)，复位VVT动态目标相位phi_DsrdDyn为VVT初始目标相位phi_DsrdRaw；或者，一旦机油压力超过预设值p1(机油压力较高液压系统控制能力较好，本实例取208kPa)时，复位VVT动态目标相位phi_DsrdDyn为VVT初始目标相位phi_DsrdRaw；其中T1取决于发动机停机时间和发动机起动水温，即本实例有：

S32，在步骤S31不满足的情况下，如果实时监测的VVT实际相位phi_Act与上一时间周期内的VVT动态目标相位phi_DsrdDyn之差不超过D3，(D3＞0，D1＞D2＞D3)，则立刻恢复VVT动态目标相位phi_DsrdDyn为VVT初始目标相位phi_DsrdRaw。

S33，在步骤S31和步骤S32均不满足的情况下，如果VVT实际相位phi_Act与VVT初始目标相位phi_DsrdRaw之差超过一定值D1，(D1＞0，该值D1大于VVT相位闭环控制的相位精度允许波动范围)，将VVT初始目标相位phi_DsrdRaw增加一定累加量D2，(D1＞0，D1＞D2)，得到新的VVT相位phi_DsrdRaw+D2，作为VVT动态目标相位phi_DsrdDyn。新的VVT相位phi_DsrdRaw+D2(即VVT动态目标相位phi_DsrdDyn)会维持一段时间T1，时间T1结束后则立刻恢复VVT动态目标相位phi_DsrdDyn为VVT初始目标相位phi_DsrdRaw。且在步骤2满足时，该计时器复位为0，在步骤3重新满足时计时器重新开始计时。

S34，其他情况下，VVT动态目标相位phi_DsrdDyn等于VVT初始目标相位phi_DsrdRaw。

步骤S31的优先级最高，其次是步骤S32，步骤S33的优先级最低。

根据以上步骤确定了VVT动态目标相位phi_DsrdDyn，能够避免相位闭环控制时目标相位和实际相位差过大时PID参数调节过大，提高了闭环控制响应速率(调节速率越小，闭环控制稳定性可能越低)。

S4，对VVT动态目标相位phi_DsrdDyn进行平滑处理，确定最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal。

具体为：实时监测VVT动态目标相位phi_DsrdDyn、计算限制了VVT动态目标相位phi_DsrdDyn变化率的目标相位phi_{DsrdDynRateLim}和最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal；

所述实时监测是指，以Δt为固定时间周期监测VVT动态目标相位phi_DsrdDyn、计算限制了VVT动态目标相位phi_DsrdDyn变化率的目标相位phi_{DsrdDynRateLim}和最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal。

所述确定最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal，具体包括如下步骤：

S41，实时根据VVT动态目标相位phi_DsrdDyn计算限制了其变化率的目标相位phi_{DsrdDynRateLim}，本实例变化率不超过50degrees/s；

S42，如果VVT动态目标相位phi_DsrdDyn不等于上一时间周期内目目标相位phi_{DsrdDynRateLim}(z)，且VVT动态目标相位phi_DsrdDyn等于当前实时时间周期目标相位phi_{DsrdDynRateLim}，则说明当前时间周期内的VVT动态目标相位phi_DsrdDyn的变化过大，已经超过其变化率，则最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal等于限制了其变化率的目标相位phi_{DsrdDynRateLim}；

S43，如果步骤S42不满足，则最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal平滑方法如下(一旦步骤S42满足，则按照步骤S42的方法输出最终的目标相位)：

式中，T_Filter为滤波时间系数,本实例取0.156；且最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal(0)为：

a)如果上一时间周期内步骤S42满足，则最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal(0)初始值为限制了其变化率的目标相位phi_{DsrdDynRateLim}

b)如果上一时间周期内步骤S42不满足，则最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal(0)初始值为VVT动态目标相位phi_DsrdDyn。

至此，最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal确定。

所述双重PID控制具体为：根据最终VVT目标相位phi_DsrdFinal和VVT实际相位phi_Act进行闭环PI控制，输出凸轮轴正时液压控制阀(Oil Control Valve，OCV)的占空比PWM1，同时根据最终VVT目标相位phi_DsrdFinal变化率和VVT实际相位phi_Act变化率进行闭环PID控制，输出凸轮轴正时液压控制阀(Oil Control Valve，OCV)的占空比PWM2，将PWM1和PWM2相加即可得到最终OCV阀的PWM控制占空比，具体相加算法如下：

PWM＝PWM1+k×PWM2+(1-k)×PWM2(z)，对PWM2的控制进行滤波目的是基于相位变化率的占空比调节会影响到相位的变化，避免造成控制超调；

其中，PWM2(z)为上一个时间采样周期的PWM2，k为滤波系数，本实例由发动机转速和最终VVT目标相位phi_DsrdFinal和VVT实际相位phi_Act之差phi_ErrFinal共同决定，在相同转速下，phi_ErrFinal绝对值越大，滤波系数k越小。本实例在不同转速下标定得到。最终标定依据为，保证相位控制精度在±1°以内：

综上所述，采用本发明的一种发动机凸轮目标相位控制方法，目标VVT相位的确定方法既考虑了发动机不然燃烧模式请求的情况并限制其变化率，且考虑了不同工况下的VVT相位，并且在VVT相位闭环控制过程中，根据VVT实际相位实时动态调节VVT目标相位，并最终根据平滑处理确定最终的VVT目标相位，避免VVT相位闭环控制时目标VVT相位和实际VVT相位差过大时PID参数调节过大，提高了闭环控制响应速率，从而提高了闭环控制稳定性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种发动机凸轮目标相位控制方法，用于单边锁止或中间锁止的VVT系统，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种发动机凸轮目标相位控制方法，其特征在于步骤S1中，所述催化器起燃模式下的VVT初始目标相位和扫气模式下的VVT初始目标相位，均由目标进气密度rho_Dsrd和发动机转速n共同决定，具体如下：

所述扫气模式下的VVT初始目标相位phi_DsrdRaw2＝f₂(n,rho_Dsrd)；

式中，n为实时发动机转速，rho_Dsrd为实时目标的进气密度；

所述正常燃烧模式下的VVT初始目标相位，具体如下式：

phi_DsrdRaw2＝r_Warmup×f₃(n,rho_Dsrd)+(1-r_Warmup)×f₄(n,rho_Dsrd)

3.根据权利要求1所述的一种发动机凸轮目标相位控制方法，其特征在于步骤S2中，不同燃烧模式切换过渡时VVT初始目标相位变化率，其变化率绝对值限值由实际发动机转速n和实际进气密度rho_Act共同决定；

4.根据权利要求1所述的一种发动机凸轮目标相位控制方法，其特征在于步骤S3中，所述动态调节，具体包括如下步骤：

S34，VVT动态目标相位phi_DsrdDyn等于VVT初始目标相位phi_DsrdRaw；

其中，预设值D3＞0，且D1＞D2＞D3。

5.根据权利要求1所述的一种发动机凸轮目标相位控制方法，其特征在于步骤S4中，所述确定最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal，具体包括如下步骤：

S43，最终的VVT目标相位phi_DsrdFinal具体如下式：

式中，T_Filter为滤波时间系数,本实例取0.156。

6.根据权利要求5所述的一种发动机凸轮目标相位控制方法，其特征在于，最终的VVT目标相位初始值phi_DsrdFinal(0)为：

7.根据权利要求1所述的一种发动机凸轮目标相位控制方法，其特征在于步骤S5中，所述双重PID控制，具体为：

PWM＝PWM1+k×PWM2+(1-k)×PWM2(z)

式中，PWM2(z)为上一个时间采样周期的PWM2，k为滤波系数。

8.一种采用权利要求1至7中任一项所述控制方法的凸轮轴相位控制系统，其特征在于，包括凸轮相位器、凸轮轴位置传感器、水温传感器、凸轮轴正时液压控制阀和曲轴位置传感器和电控单元；所述凸轮相位器由转子叶片、定子和回位弹簧组成；所述转子叶片固定在进气凸轮轴上，所述定子与从动正时链轮为一体。

9.根据权利要求8所述的凸轮轴相位控制系统，其特征在于，还包括机油压力传感器和/或可变排量机油泵，所述机油压力传感器用于读取机油主油道的机油压力，所述可变排量机油泵用于调节机油压力。

10.一种汽车，其特征在于：包括如权利要求8所述的凸轮轴相位控制系统。