一種電噴發動機運行控制方法
2023-05-17 21:47:01 3
專利名稱：一種電噴發動機運行控制方法
技術領域：
本發明涉及電噴發動機運行控制系統，特別是涉及在不使用絕對進氣流量傳感器或進氣管絕對壓力傳感器的前提下，提高電噴發動機系統中的空燃比控制精度的問題，例如摩託車電噴發動機或通用動力裝置用電噴發動機的怠速空燃比以及跛行控制的空燃比精確控制問題。
背景技術：
電噴技術是實現發動機節能減排的關鍵技術。但電噴系統的高成本問題是阻礙電噴技術在較低附加值發動機上普及使用的主要因素，例如摩託車及通用汽油發動機，通過電噴技術提高其性能降低其排放已經被廣泛認可，但大幅增加的電噴系統成本讓消費者和製造企業都難以承受，不能夠在市場上推廣普及。電噴系統為了實現對空燃比和點火燃燒的精確控制，使用了大量測量各種狀態參 數的傳感器，例如進氣流量傳感器、進氣管絕對壓力傳感器、節氣門位置傳感器、排氣氧傳感器、角標轉速傳感器、發動機溫度傳感器等。這些傳感器構成了電噴系統成本的很大一部分，如果能夠採用儘可能少的傳感器實現高精度的空燃比和點火控制，那麼無疑具有重要價值。基本電噴系統可以採用開度速度法確定發動機工況，因此最基本的電噴系統可以省略進氣流量傳感器和進氣管絕對壓力傳感器，但開度速度法只能夠確定相對於怠速工況的工況變化量，怠速工況作為基準點必須預先設定調好而不能夠根據發動機的怠速氣量的變化而跟隨適應，因此存在怠速及小油門空燃比控制誤差較大的可能。如果採用了氧傳感器並且氧傳感器正常工作，那麼怠速空燃比控制誤差可以依靠氧傳感器的實時監測結果得到實時修正並學習，但遺憾的是，氧傳感器的正常工作必須要在溫度達到足夠高以後。在發動機啟動後的暖機過程中，這個條件一般難以滿足。發動機的怠速氣量的變化可能是任意的，學習適應過程需要很長的怠速運行時間。另一方面，在節氣門位置傳感器發生故障時，開度速度法就無法確定工況，因此發動機只能在怠速工況運行，即使採用氧傳感器實時反饋控制噴油量，也很難實現正常的騎行功能，所以跛行功能很難做好，有待進一步改進。
發明內容
本發明之目的在於提供一種僅僅依靠發動機瞬態轉速及其變化信息來實時準確確定發動機運轉工況、從而較準確地控制發動機燃燒的電噴發動機運行控制方法，以提高電嗔系統的性能。本發明的另一個目的在於降低電噴系統成本，提高電噴系統在摩託車、通用汽油發動機等產品領域的競爭力。本發明之目的通過下列技術方案達到，即
一種電噴發動機運行控制方法，其特徵在於，包括以下步驟a)測量發動機上止點附近的瞬態轉速山)計算發動機瞬態轉速的平方得到瞬態發動機旋轉動能的一個度量；c)計算每個壓縮上止點與剛過去的排氣上止點時刻的發動機旋轉動能之差，得到進氣和壓縮過程中發動機旋轉動能損失的一個度量VDVl ；d)根據發動機旋轉動能的損失量預測發動機缸內氣量；e)根據預測的發動機缸內氣量確定基本燃油噴射量或對基本燃油噴射量的修正。上述技術方案依據能量守恆定律這個基本物理定律，即在發動機負載穩定，循環平均轉速不變的條件下，在半個發動機工作循環一進氣和壓縮過程中，沒有燃燒做功，因此發動機在吸氣和壓縮過程中的運動部件的動能損失，等於吸氣和壓縮缸內空氣所做的功與穩定負載消耗的功之和。穩定負載消耗的功與另半個發動機工作循環——做功排氣過程中發動機驅動負載所做的功基本相等，也基本等於發動機膨脹做功。而吸氣和壓縮缸內空氣所做的功和發動機膨脹功都與缸內氣量成比例，因此VDVl可以用來預測發動機缸內氣量的大小。根據本發明之電噴發動機運行控制方法，可以通過實測的發動機循環轉速和旋轉動能損失VDVl作為發動機運轉工況的確定參數，來推算該工況下的發動機缸內氣量，進而確定基本燃油噴射量或對基本燃油噴射量的修正，以及點火角。該方法得到的是發動機的 絕對進氣量而不是相對於怠速工況的相對進氣量，因此能夠實時跟隨怠速氣量的變化(調整)，並且只依賴於一個傳感器一角標轉速傳感器，可以作為輔助的工況確定方法，或作為修正方法來修正怠速進氣量。在安裝有節氣門位置傳感器的電噴系統中，還可以作為節氣門位置傳感器出現故障時的跛行策略中的工況或噴油量確定方法。下述方案對本發明進行進一步的改進或限制。本發明之電噴發動機運行控制方法，還包括以下步驟f)計算發動機四個衝程構成的整個循環的旋轉動能變化VX ；g)用VX修正發動機與外界負載不平衡導致的平均旋轉動能的變化對VDVl的影響；h)判斷發動機與外界負載的不平衡程度，有選擇地修正VDV1，如果VX絕對值小於某一臨界值，則不用其對VDVl進行修正。因為本方法通過VDVl來確定發動機進氣量，但如前所述，前提是負載恆定、循環平均轉速恆定，所以需要儘可能地排除不滿足這些條件的因素對VDVl的影響，如發動機平均轉速快速變化這個強非穩態因素對VDVl的影響就是需要排除的主要因素之一。這往往是由於外接負載的突變或者發動機輸出突然增加而導致的結果。當VX絕對值較大時，可以認為發動機處於強非穩態運轉狀態，這時就有必要用VX對VDVl進行修正。本發明之電噴發動機運行控制方法，還可包括以下步驟i)判斷發動機處於空擋怠速狀態，單獨計算空擋怠速時的VDVl ; j)對VDVl進行數值光滑處理，並計算光滑前後的差值的平方Fluc ；k)對Fluc再次進行數值光滑處理，將Fluc小於某個預設的臨界值作為判斷發動機處於空擋穩定怠速的必要條件；1)以空擋怠速時的VDVl來修正發動機怠速及小油門工況的進氣量和噴油量。上述技術方案，將發動機負載最為穩定的空擋怠速工況單獨處理，能夠提高通過VDVl來確定怠速進氣量的精確度和可靠性。VDVl是轉速變化的度量，作為動能的變化，當然還與系統的轉動慣量有關，這隻有在空擋運行時才是最為確定不變的。Fluc作為VDVl波動大小的一個度量，當Fluc較大時，說明發動機負載或工況或系統慣性質量變動較大，不可用來修正計算怠速及小油門工況的進氣量和噴油量。本發明之電噴發動機運行控制方法，還可包括以下步驟m)在節氣門位置傳感器故障時，以VDVl或修正後的VDVl為進氣量和噴油量的確定依據，控制發動機能夠跛行運轉。在節氣門位置傳感器故障時，電噴控制系統將無法感知節氣門開度的大小，發動機只能默認為某個固定開度，例如節氣門全關狀態。如果要實施跛行運轉，即實施最基本的運行，例如摩託車跛行運轉一般是保證用戶可以低速騎行到維修站，那麼就必須通過其他的方法確定發動機進氣量。在這種情況下，用VDVl或VDVX來確定發動機進氣量非常合適。上述本發明之電噴發動機運行控制方法，能夠較準確地確定發動機進氣量，以及噴油量，使跛行運行也具有較理想的空燃比，改善燃燒，降低排放，提高跛行運行的品質。總之，本發明之電噴發動機運行控制方法的益處是，以最少的傳感器和硬體成本較精確地確定發動機工況，從而實現較高精度的空燃比和點火控制，改善了燃燒，降低了排放，並提聞了發動機的品質性能。
圖I為一個電噴發動機實例之結構簡圖。 圖2為一個電噴發動機的四衝程工作過程中的相位與發動機瞬態轉速的關係簡圖。圖3和圖4為電噴發動機的四衝程工作過程中的有關參數實測舉例。圖5為本發明之電噴發動機運行控制方法實施例之邏輯框圖。圖中編號表示意義如下
I-電控單元(EOT) 2-點火裝置3-發動機溫度傳感器
4-氧傳感器5-排氣管 6-飛輪 7-發動機
8-轉速(角標)傳感器 9-怠速氣量調節裝置
10-節氣門體11-節氣門位置傳感器12-燃油噴射裝置
21-E⑶上電的步驟 22-光滑計算處理及計算Fluc的步驟
23-檢測計算各參數的步驟24-計算循環平均動能變化的步驟
25-判斷節氣門是否為故障狀態的步驟26、29_判斷是否怠速工況的步驟
27,30-判斷循環平均動能變化大小的步驟28、32_用VX修正VDVl的步驟
31-判斷VDVX波動是否過大的步驟 33-根據VDVl對怠速工況修正的步驟
34,35-進行正常運行控制的步驟 36-進行跛行運行控制的步驟
圖中符號意義如下
TDC-發動機上止點時刻 N-發動機轉速 NUN3-接近壓縮上止點時的瞬態轉速 N2、N4-接近排氣上止點時的瞬態轉速
VDVl-吸氣壓縮過程的動能變化 VDV2-膨脹排氣過程的動能變化 VX-整個循環過程的動能變化VDVX-修正的VDVl
Fluc- VDVX的波動大小參數TP-節氣門位置
Z-對VDVX光滑濾波的結果rl、r2-光滑濾波係數
TPerr-是否故障跛行邏輯變量Crl、Cr2_預設的判斷臨界數值 下面藉助這些附圖來詳細說明本發明。
具體實施例方式圖I為一個四衝程單缸電噴發動機實例之結構簡圖。電噴發動機7由電控單元(ECT) I控制運行，電控單元(ECT) I由12V電源和接地線供電，傳感裝置有節氣門位置傳感器11、轉速(角標)傳感器8、排氣氧傳感器4、發動機溫度傳感器3等。執行裝置包括燃油噴射裝置12和點火裝置2等。節氣門位置傳感器11安裝在節氣門體10上，用來快速感知發動機操縱狀態及其變化。節氣門體10上還設置有怠速旁通氣量調節裝置9，怠速旁通氣量調節裝置9可以為手動調節，也可 以由電控單元(ECT)I控制一個電機或電磁閥來電動調節。排氣氧傳感器4安裝在發動機排氣管5上，可以將排氣中的氧氣濃度實時傳給電控單元(ECU) 1，以反饋精確調整燃油噴射裝置12的噴油量，達到目標空燃比。轉速(角標)傳感器8感知飛輪6 (與發動機曲軸剛性連接)上固定相位位置通過轉速(角標)傳感器8的時刻，即將各個時刻的脈衝信號發給電控單元(ECU) 1，由電控單元(ECU)I計算得到轉速、曲軸相位。最簡單的飛輪6上固定相位位置是一個具有確定長度和位置的凸臺的前沿和後沿，例如前沿在上止點前50度，後沿在上止點前10度。這樣電控單元(ECT) I就可以根據凸臺的前沿和後沿通過轉速(角標)傳感器8時產生的脈衝信號的時序，計算出凸臺通過轉速(角標)傳感器8期間即接近上止點時的瞬態轉速、以及曲軸轉過整圈和整個循環(2圈)的平均轉速等。圖2為電噴發動機的四衝程工作過程中的相位與發動機瞬態轉速的關係示意圖。每到活塞接近上止點TDC位置時，都會產生如圖所示的角標脈衝信號，從而可以測得瞬態轉速NI、N2、N3、N4……瞬態轉速變化N2-N1和N3-N2是有規律的，即在膨脹排氣過程中的瞬態轉速變化N2-N1 —般都為正值，因為這期間發動機燃燒膨脹做功推動飛輪加速並還可能對外做功；而在吸氣壓縮過程中的瞬態轉速變化N3-N2 —般都為負值，因為這期間發動機沒有燃燒膨脹，而只有壓縮缸內氣體以及對外做功，這必然要消耗掉飛輪等運動部件的動能。假設Wfl為吸氣壓縮需要損失的功(包括摩擦損失功)，Wl為吸氣壓縮過程中克服負載阻力所做的功，MI為飛輪等運動部件的當量轉動慣量，VDV1=1/2*MI* (N32-N22)為吸氣壓縮過程中飛輪等運動部件的動能變化(增加為正)，W2為膨脹排氣過程中克服負載阻力所做的功，Wf2為膨脹排氣過程中損失的有效功(包括摩擦損失功)，We為缸內氣體膨脹對活塞所做的功，VDV2=1/2*MI* (N22-N12)為膨脹排氣過程中飛輪等運動部件的動能變化(增加為正)，那麼根據能量守恆定律，下列兩式成立
VDVl=-Wfl-Wl(I)
VDV2=-fff2-W2+ffe(2)
因為負載恆定，所以W1=W2，代入上式可得
VDV2-VDVl=ffe-fffl+fff2 (3)
在空擋，W1=W2=0，因此(I)式是右邊只有Wf I—項了，而Wf I主要取決於壓縮耗功，當然應該基本與缸內氣量成比例了，因此這時的VDVl完全可以用來預測怠速絕對氣量的大小。在掛擋狀態，發動機對外一般有輸出功，但只要不是衝擊負載，在很短的半個循環中，負載恆定的條件仍然可以基本滿足，所以(3)式成立，雖然Wf2不直接與缸內氣量成比例，但Wf2相對於We和Wfl都很小且變化也很小，所以仍然可以認為(3)式右邊與缸內氣量有確定的函數關係。
(3)式可以改寫為
-(VDVl- (VDV1+VDV2) /2) = (We-fffl+fff2) /2(4)
(4)式的物理意義是當循環平均動能變化VX=VDVl+VDV2=l/2* MI* (N32_N12)不為零時，可以用循環平均動能變化對VDVl進行修正VDVX=VDV1- (VDV1+VDV2) /2，得到一個新的與缸內氣量有關的測量量VDVX，用來預測缸內氣量。但需要注意，該式可適用於非怠速非穩定工況，與(I)式只適用於空擋穩定怠速時相比，該式的VDVX與缸內氣量的函數關係可能會有所不同。對於空擋穩定怠速工況，(4)式和(I)式是完全相同的。圖3和圖4是在一臺150cc排量摩託車發動機上實測的部分數據，其中，轉速為N，由右邊坐標軸表示，其他參數由左邊坐標軸表示。其中的VDV1、VX、VDVX都只是根據轉速計算的結果，即將轉動慣量因子1/2*MI取為單位1，所以圖中的數字單位是任意的。而參數Fluc為以VDVX為基礎進行高通濾波並求取平方再進一步濾波的結果，可以作為評價發動機是否處於空擋穩定怠速狀態的一個參數。 圖3是在空擋怠速期間，在第22秒時刻突然加大油門又很快回油門到怠速的過程數據，可見，空擋怠速期間的VDVl是波動很小的，但在加大油門後的轉速快速上升期間，VDVl增加了一點但明顯與缸內氣量不成比例，這主要是因為轉速變化過快引起的，如果採用修正後的VDVX，則基本與缸內氣量成比例變化。轉速在油門突然回到怠速位置後快速下降，並且因為轉速過高還會停止噴油直到轉速降到接近怠速轉速，這期間的VDVX接近於0，根據(3)式，說明這期間吸氣壓縮所耗功與膨脹排氣得到的淨功之差與膨脹排氣的損失功相當，基本通過勻減速過程使轉速快速降低，但VDVl接近正常。在重新噴油維持怠速運轉後，VDVl和VDVX都回到正常數值，不過VDVX的波動要比VDVl大很多，這應該是因為燃燒做功並不是非常均勻一致所造成。圖4給出了油門雖然在怠速位置，但通過操作離合器和檔位進行帶檔怠速滑行過程中的數據，可見掛檔滑行拖動摩託車加速期間，VDVl絕對值明顯增大，說明動能消耗於驅動負載了，並且轉動慣量和摩擦阻力都與空載相比可能發生了較大的變化。因為轉速變化並不大，因此VDVX也無法消除這些影響。說明非空載、非穩定怠速的VDVX和VDVl不僅取決於缸內進氣量，還可能與負載負荷以及系統當量轉動慣量有關。為了提高通過VDVl修正怠速工況的精確度，需要排除這些非空擋狀態。從圖3好圖4的例子可以看出，一種方法是通過Fluc大於某個大於零的臨界值Crl來判斷是否發動機處於空擋穩定怠速狀態。也可以通過VX絕對值大於某個臨界值Cr2來進一步排除可能不可靠的判斷。在空擋穩定怠速狀態，以VDVl計量缸內氣量更為穩定可靠。在調節怠速空氣旁通孔時，VDVl跟隨調節結果而變化的數據證明了這個結論。除穩定空擋怠速工況以外，可以用VDVl或VDVX來大概估計缸內氣量，可用於如節氣門位置傳感器11出現故障時的跛行控制策略中。圖5給出了本發明之電噴發動機運行控制方法實施例的控制邏輯。在預備步驟21，ECU上電，在步驟22進行對VDVl或VDVX的光滑計算和波動量Fluc的計算，光滑比例數rl和r2都是小於I的常數，例如可取rl=r2=0. 5 ;在步驟23進行最新的傳感器信號檢測處理，得到所有參數如節氣門位置TP、轉速N、VDV1、VDV2、故障跛行邏輯變量TPerr等，在步驟24計算循環平均轉速變化VX，並預將VDVX賦值為VDVl ;在步驟25判斷故障跛行條件TPerr，如果TPerr為」true」，那麼進入步驟26進行跛行控制預處理，即首先在步驟26判斷是否為怠速工況，如果不是，則進入步驟28用VX對VDVl進行修正，如果為怠速工況，則進一步判斷VX絕對值是否大於Cr2，如果大於Cr2，則同樣進入步驟28用VX對VDVl進行修正，如果不大於Cr2，則說明為穩定怠速工況，不用VX對VDVl進行修正，直接進入步驟36。在步驟36，將根據目前的VDVX查表估算進氣量，進而確定噴油量和點火角等，開始跛行控制，隨後返回到步驟23。如果在步驟25判斷為TPerr為「false」，那麼進入步驟29開始確定空擋穩態怠速工況並根據空擋穩態怠速工況的VDVl對怠速噴油量的修正。在步驟29判斷如果不是怠速工況，則進入步驟32用VX計算VDVX，並保持原有怠速修正結果。如果是怠速工況，則進入步驟30判斷VX絕對值是否大於Cr2，如果大於Cr2，也進入步驟32計算VDVX，並保持原有怠速修正結果。如果VX絕對值不大於Cr2，進入步驟31判斷波動量Fluc是否大於臨界值Crl，如果是，那麼進入步驟34，並保持原有怠速修正結果。如果Fluc不大於臨界值Crl，則說明確實為穩定怠速工況，則進入步驟33。在步驟33，將根據新的VDVl對怠速噴油量進行修正，然後進入正常查表確定噴油點火參數(步驟34和35)，並在執行完成後返回步驟22，開始新的循環。在步驟32計算出修正了 VDVl的VDVX後，也進入正常查表確定噴油點火參數(步驟34和35)，並在執行完成後返回步驟22，開始新的循環。正常控制包括根據開度速 度法或速度密度法確定噴油點火的步驟、根據氧傳感器反饋修正噴油量的步驟、根據開度距離怠速開度位置的大小考慮怠速修正對非怠速工況的影響的步驟，等等。上述實施例的目的是為了說明本發明，但並不限定本發明。凡利用本發明之構思和精神實質進行的、對於本領域普通專業技術人員而言顯而易見的改變設計，仍然屬於本發明之權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種電噴發動機運行控制方法，其特徵在於，包括以下步驟a)測量發動機上止點附近的瞬態轉速；b)計算發動機瞬態轉速的平方得到瞬態發動機旋轉動能的一個度量；c)計算每個壓縮上止點與剛過去的排氣上止點時刻的發動機旋轉動能之差，得到進氣和壓縮過程中發動機旋轉動能損失的一個度量VDVl ；d)根據發動機旋轉動能的損失量預測發動機缸內氣量；e)根據預測的發動機缸內氣量確定基本燃油噴射量或對基本燃油噴射量的修正。
2.如權利要求I所示電噴發動機運行控制方法，還包括以下步驟f)計算發動機四個衝程構成的整個循環的旋轉動能變化VX ；g)用VX修正發動機與外界負載不平衡導致的平均旋轉動能的變化對VDVl的影響。
3.如權利要求2所示電噴發動機運行控制方法，還包括以下步驟h)判斷發動機與外界負載的不平衡程度，有選擇地修正VDV1，如果VX絕對值小於某一臨界值，則不用其對VDVl進行修正。
4.如權利要求3所示電噴發動機運行控制方法，還包括以下步驟i)判斷發動機處於空擋怠速狀態，單獨計算空擋怠速時的VDVl。
5.如權利要求4所示電噴發動機運行控制方法，還包括以下步驟；j)對修正後的VDVl進行數值光滑處理，並計算光滑前後的差值的平方Fluc ；k)對Fluc再次進行數值光滑處理，將Fluc小於某個預設的臨界值作為判斷發動機處於空擋穩定怠速的必要條件。
6.如權利要求5所示電噴發動機運行控制方法，還包括以下步驟1)以空擋怠速時的VDVl來修正發動機怠速及小油門工況的進氣量和噴油量。
7.如權利要求3至6所示任一電噴發動機運行控制方法，還包括以下步驟m)在節氣門位置傳感器故障時，以VDVl或修正後的VDVl為進氣量和噴油量的確定依據，控制發動機進行跛行運轉。
全文摘要
一種電噴發動機運行控制方法，其特徵在於，包括以下步驟a)測量發動機上止點附近的瞬態轉速；b)計算發動機瞬態轉速的平方得到瞬態發動機旋轉動能的一個度量；c)計算每個壓縮上止點與剛過去的排氣上止點時刻的發動機旋轉動能之差，得到進氣和壓縮過程中發動機旋轉動能損失的一個度量VDV1；d)根據發動機旋轉動能的損失量預測發動機缸內氣量；e)根據預測的發動機缸內氣量確定基本燃油噴射量或對基本燃油噴射量的修正。
文檔編號F02D41/16GK102852660SQ201210313979
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者楊延相, 張平, 劉昌文, 郗大光 申請人:浙江福愛電子有限公司