CN104295387B - 一种基于指示转矩的质调节式发动机起动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于指示转矩的质调节式发动机起动控制方法，以解决现有技术难以实现发动机起动过程燃料喷射量精确控制而影响发动机起动性的问题。通过实验获取发动机不同曲轴转速及冷却液温度下的起动拖动转矩；根据发动机的起动控制要求，确定起动过程的目标角加速度函数，并计算加速阻力矩，实现对起动过程中发动机转速和起动时间的控制；根据发动机实际曲轴转速的变化计算发动机实际角加速度，发动机实际角加速度与目标角加速度的偏差确定补偿转矩；起动拖动转矩、加速阻力矩和补偿转矩相加得到起动需求的指示转矩；根据指示效率将需求指示转矩转换为燃料喷射量。本方法可保证各种起动条件下实现起动过程所需的最佳燃料喷射量。

Description

一种基于指示转矩的质调节式发动机起动控制方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧发动机的控制，具体涉及基于需求指示转矩并且起动时间可控制的质调节式发动机的起动过程燃料喷射方式的控制策略

背景技术

对于质调节式发动机的起动过程中燃料喷射方式的控制，是通过相对进入气缸的空气量供给最佳燃料喷射量，使其在气缸内形成混合气并燃烧，推动活塞做功，克服发动机内部阻力，驱动曲轴转动，使发动机转速达到预期的目标值。

是否正常起动以及起动过程中发动机转速的变化与设定的燃料喷射量及其喷射方式直接相关。通常起动过程的燃油喷射量是通过发动机台架标定试验来确定的。由于起动过程控制策略不同，起动喷射量以及喷射方式有很大区别。如果燃料喷射量过小，喷射方式不合理，就不能完成正常的起动过程；否则燃料喷射量过多不仅燃料消耗量增加，不利于节能，而且造成碳氢、一氧化碳以及微粒等排放量增加。因此，根据起动工况的具体条件，设定合理的燃料喷射量且采用合理的喷射方式，不仅可以有效控制起动时间，而且还能有效控制起动过程的碳氢、一氧化碳以及微粒排放，以适应不断严格的车用发动机节能减排要求。

起动环境条件比较复杂，由于冷却液温度、喷射提前角、喷射压力、燃料喷射方式的不同，发动机指示效率差别较大，而且完成起动过程所需的燃料喷射量也不同。传统的起动控制方法，为了保证可靠起动，通常根据起动状态只简单地补偿一定的燃油喷射量，难以实现起动过程燃料喷射量的精确控制，因此直接影响发动机的起动性。随着汽车低碳化的发展，为完善车用发动机的起动性能，一种完善的起动控制策略是很有必要的。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的难以实现发动机起动过程燃料喷射量的精确控制而影响发动机起动性的问题，提供了一种基于需求指示转矩和指示效率的起动燃料喷射量的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于指示转矩的质调节式发动机起动控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、通过实验获取发动机不同曲轴转速n_crank及冷却液温度T_w下的起动拖动转矩Trq_d；根据发动机起动时的曲轴转速n_crank和冷却液温度T_w确定起动拖动转矩Trq_d；

步骤二、根据发动机的起动控制要求，确定起动过程的目标角加速度函数β₀(t)，基于起动过程的目标角加速度β₀，计算加速阻力矩Trq_I，实现对起动过程中发动机转速和起动时间的控制。

步骤三、根据发动机实际曲轴转速n_crank的变化计算发动机实际角加速度β，由发动机实际角加速度β与目标角加速度β₀的偏差确定补偿转矩Trq_c；实际角加速度β与目标角加速度β₀的偏差为正，补偿转矩减小，偏差为负，则补偿转矩增加。

步骤四、将起动拖动转矩Trq_d、加速阻力矩Trq_I和补偿转矩Trq_c相加得到起动需求的指示转矩Trq_i，即Trq_i＝Trq_d+Trq_I+Trq_c；

步骤五、根据指示效率将需求指示转矩Trq_i转换为燃料喷射量q，燃料喷射量q由基础燃料喷射量q₀和燃料喷射修正量△q两部分组成：

进一步的技术方案如下：

步骤二的具体过程为：

a.根据起动时间的要求设定的预期起动时间t₀，根据起动电机和发动机特性设定起动开始喷射转速n₁、起动过程完成转速n₂；获得目标发动机的转动惯量I。

b.根据发动机的起动控制要求，确定目标角加速度函数β₀(t)，β₀(t)满足在预期起动时间t₀内的积分为起动过程完成转速n₂与起动开始喷射转速n₁的差值，即 ${\∫}_0^{t_0}{\mathrm{\β}}_0\left(t\right)\mathrm{dt}=n_2-n_1;$

c.利用公式Trq_I＝I·β₀计算加速阻力矩Trq_I，其中：β₀为目标角加速度，I为发动机转动惯量。

步骤五的具体过程为：

a.根据标准常温起动条件下发动机的指示效率η_i0计算需求指示转矩Trq_i所需的基础燃料喷射量q₀，其中π为圆周率，τ为冲程数，i为气缸数，H_u为燃料低热值；

b.起动条件改变时，根据指示效率的变化，修正燃料喷射量△q，即k为指示效率修正因子，通过实验获得。

c.将基础燃料喷射量q₀和燃料喷射修正量△q相加获得起动燃料喷射量q，q＝q₀+△q。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：起动过程严格遵循预期起动时间计算得出的角加速度进行，并附有补偿环节，保证各种环境条件下实现起动过程所需的最佳指示转矩，同时保证目标起动时间，起动过程可靠性高；通过设定不同的预期起动时间，从而改变发动机的实际起动时间；起动过程的燃料喷射量由需求指示转矩转换而得，在更改燃料喷射参数或燃烧条件变更时只需调整指示效率修正因子即可，保证各种起动条件下实现起动过程所需的最佳燃料喷射量；采用不同的目标角加速度的算法，可以调整起动过程曲线，实现起动向怠速及其他工况的平滑过渡。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明专利的基本控制流程图

图2为本发明专利的实施例一的效果图

图3为本发明专利的实施例二的效果图

具体实施方式

为了详细地介绍本发明的内容，下面定义一些相关的概念：

定义一：指示转矩，指气缸一个工作循环热功转换所获得的指示功等效成的曲轴输出转矩。在起动阶段，所需求的指示转矩是用来克服发动机起动过程中阻力矩和惯性阻力矩，用Trq_i表示。

定义二：起动拖动转矩，指发动机在某稳定冷却液温度时停油，利用电动机拖动发动机使其维持在某一起动转速所提供的转矩，用Trq_d表示。

定义三：加速阻力矩(或惯性阻力矩)，指起动过程中发动机转速升高时，用来克服发动机转动惯量所需要的转矩。加速阻力矩为发动机转动惯量与曲轴角加速度之积，用Trq_I表示。

下面结合具体的实施例对本发明作详细的描述：

实施例一：

本发明所述的基于指示转矩的质调节式发动机起动控制包括以下步骤：

步骤1，通过实验获取发动机起动拖动转矩Trq_d与曲轴转速n_crank及冷却液温度T_w的关系，并结合实验获得的起动拖动转矩Trq_d与曲轴转速n_crank及冷却液温度T_w的关系，根据发动机当前曲轴转速n_crank和冷却液温度T_w确定起动拖动转矩Trq_d。具体地，在本实施例中，在冷却液温度T_w下，停止燃料喷射，并将电力测功机转换为电动机倒拖发动机到给定的曲轴转速n_crank，并保持冷却液温度T_w不变，电力测功机所需提供的转矩即为起动拖动转矩Trq_d；调整冷却液温度T_w和曲轴转速n_crank为其他值，得到对应的起动拖动转矩Trq_d，从而建立起动拖动转矩Trq_d与曲轴转速n_crank及冷却液温度T_w的关系。

步骤2：根据发动机的起动控制要求，确定起动过程的目标角加速度函数β₀(t)，基于起动过程的目标角加速度β₀，计算加速阻力矩Trq_I。包括以下三个具体步骤：

a：根据起动时间的要求设定预期起动时间t₀，根据起动电机和发动机特性设定起动开始喷射转速n₁、起动过程完成转速n₂；获得目标发动机的转动惯量I。起动开始转速n₁是由起动电机带动发动机到达的开始燃料喷射的转速；起动结束转速n₂是设定的发动机脱离起动状态的转速。本实施例中，t₀＝3s，n₁＝250r/min；n₂＝750r/min，I＝0.5kg·m²。

b：根据发动机的起动控制要求，确定目标角加速度函数β₀(t)，目标角加速度β₀满足其在预期起动时间t₀内的积分为起动过程完成转速n₂与起动开始喷射转速n₁的差值，即在本实施例中，n₂＝750r/min，n₁＝250r/min，I＝0.5kg·m²，采用起动过程中目标角加速递减的方法，π为圆周率，t为当前相对于开始进入起动阶段的相对时刻。目标角加速度β₀随着相对时刻t的增加而减少，当相对时刻t＝t₀时，目标角加速度β₀为零。

c：基于目标角加速度β₀和发动机转动惯量I，利用公式Trq_I＝I·β₀计算加速阻力矩Trq_I。本实施例中，Trq_I＝5.8(3-t)。

步骤3：根据发动机实际曲轴转速n_crank计算发动机实际角加速度β，根据发动机实际角加速度β与目标角加速度β₀的偏差确定补偿转矩Trq_c。实际角加速度β由曲轴转速n_crank微分计算后获得，即π为圆周率，t为当前相对于开始进入起动阶段的相对时刻。若实际角加速度β大于步骤4计算的目标角加速度β₀，则补偿转矩Trq_c减小，若实际际角加速度β小于步骤4计算的目标角加速度β₀，则补偿转矩Trq_c增加。本实施例中，补偿转矩I为发动机转动惯量，F_c为补偿系数，t为当前相对于开始进入起动阶段的相对时刻，t₀为设定的预期起动时间，为3s，I＝0.5kg·m²，F_c＝1，所以有补偿系数F_c可根据实际发动机调整。

步骤4：获取起动需求的指示转矩Trq_i。需求的指示转矩为起动拖动转矩Trq_d、加速阻力矩Trq_I、补偿转矩Trq_c三者之和，即Trq_i＝Trq_d+Trq_I+Trq_c；

步骤5：根据指示效率将需求指示转矩Trq_i转换为燃料喷射量q，燃料喷射量q由基础燃料喷射量q₀和燃料喷射修正量△q两部分组成。包括以下具体三个步骤：

a：根据标准常温起动条件下(GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》)发动机的指示效率η_i0计算需求指示转矩Trq_i所需的基础燃料喷射量q₀，其中π为圆周率，τ为冲程数，i为气缸数，H_u为燃料低热值。本实施例中，冲程数τ＝4，气缸数i＝4。

b：起动条件改变时，根据指示效率的变化计算燃料喷射修正量△q。其中k_η为指示效率修正因子，通过实验获得。

c：将计算的基础燃料喷射量q₀和燃料喷射修正量△q相加获得起动燃料喷射量q＝q₀+△q。

实施例二：

本发明所述的基于指示转矩的质调节式发动机起动控制包括以下步骤：

步骤1，通过实验获取发动机起动拖动转矩Trq_d与曲轴转速n_crank及冷却液温度T_w的关系,并结合实验获得的起动拖动转矩Trq_d与曲轴转速n_crank及冷却液温度T_w的关系，根据发动机当前曲轴转速n_crank和冷却液温度T_w确定起动拖动转矩Trq_d。具体地，在本实施例中，在冷却液温度T_w下，停止燃料喷射，并将电力测功机转换为电动机倒拖发动机到给定的曲轴转速n_crank，并保持冷却液温度T_w不变，电力测功机所需提供的转矩即为起动拖动转矩Trq_d；调整冷却液温度T_w和曲轴转速n_crank为其他值，得到对应的起动拖动转矩Trq_d，从而建立起动拖动转矩Trq_d与曲轴转速n_crank及冷却液温度T_w的关系。

步骤2：根据发动机的起动控制要求，确定起动过程的目标角加速度函数β₀(t)，基于起动过程的目标角加速度β₀，计算加速阻力矩Trq_I。包括以下三个具体步骤：

a：根据起动时间的要求设定预期起动时间t₀，根据起动电机和发动机特性设定起动开始喷射转速n₁、起动过程完成转速n₂；获得目标发动机的转动惯量I。起动开始转速n₁是由起动电机带动发动机到达的开始燃料喷射的转速；起动结束转速n₂是设定的发动机脱离起动状态的转速。本实施例中，t₀＝3s，n₁＝250r/min；n₂＝750r/min，I＝0.5kg·m²。

b：根据发动机的起动控制要求，确定目标角加速度函数β₀(t)。目标角加速度函数β₀(t)满足其在预期起动时间t₀内的积分为起动过程完成转速n₂与起动开始喷射转速n₁的差值，即在本实施例中，n₂＝750r/min，n₁＝250r/min，I＝0.5kg·m²，t₀＝2s，采用起动过程中目标角加速度恒定的方法，即π为圆周率，t为当前相对于开始进入起动阶段的相对时刻。

c：利用公式Trq_I＝I·β₀计算加速阻力矩Trq_I，其中：β₀为目标角加速度，I为发动机转动惯量。本实施例中：Trq_I＝13.09(kg·m)。

步骤3：根据发动机实际曲轴转速n_crank计算发动机实际角加速度β，根据发动机实际角加速度β与目标角加速度β₀的偏差确定补偿转矩Trq_c。实际角加速度β由曲轴转速n_crank微分计算后获得，即π为圆周率。本实施例中，补偿转矩I为发动机转动惯量，为0.5kg·m²，F_c为补偿系数，取1，t为当前相对于开始进入起动阶段的相对时刻，t₀为设定的预期起动时间，为2s，所以有补偿系数F_c可根据实际发动机调整。

步骤4：获取起动需求的指示转矩Trq_i。需求的指示转矩为起动拖动转矩Trq_d、加速阻力矩Trq_I、补偿转矩Trq_c三者之和，即Trq_i＝Trq_d+Trq_I+Trq_c；

步骤5：根据指示效率将需求指示转矩Trq_i转换为燃料喷射量q，燃料喷射量q由基础燃料喷射量q₀和燃料喷射修正量△q两部分组成。包括以下具体三个步骤：

a：根据标准常温起动条件下(GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》)发动机的指示效率η_i0计算需求指示转矩Trq_i所需的基础燃料喷射量q₀，其中π为圆周率，τ为冲程数，i为气缸数，H_u为燃料低热值。本实施例中，冲程数τ＝4，气缸数i＝4。

b：起动条件改变时，计算燃料喷射修正量△q。k_η为指示效率修正因子，通过实验获得。

c：将计算的基础燃料喷射量q₀和燃料喷射修正量△q相加获得起动燃料喷射量q＝q₀+△q。

实施例一和实施例二采用了不同的预期起动时间和不同的目标角加速度函数β₀(t)，起动过程的目标角加速规律不同，加速阻力矩的变化规律也不相同，起动过程的速度变化也不相同，起动效果分别如图2和图3所示。

Claims (3)

1.一种基于指示转矩的质调节式发动机起动控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、通过实验获取发动机不同曲轴转速n_crank及冷却液温度T_w下的起动拖动转矩Trq_d；根据发动机起动时的曲轴转速n_crank和冷却液温度T_w确定起动拖动转矩Trq_d；

步骤二、根据发动机的起动控制要求，确定起动过程的目标角加速度函数β₀(t)，基于起动过程的目标角加速度β₀，计算加速阻力矩Trq_I，实现对起动过程中发动机转速和起动时间的控制；

步骤三、根据发动机实际曲轴转速n_crank的变化计算发动机实际角加速度β，由发动机实际角加速度β与目标角加速度β₀的偏差确定补偿转矩Trq_c；实际角加速度β与目标角加速度β₀的偏差为正，补偿转矩减小，偏差为负，则补偿转矩增加；

步骤四、将起动拖动转矩Trq_d、加速阻力矩Trq_I和补偿转矩Trq_c相加得到起动需求的指示转矩Trq_i，即Trq_i＝Trq_d+Trq_I+Trq_c；

步骤五、根据指示效率将需求指示转矩Trq_i转换为燃料喷射量q，燃料喷射量q由基础燃料喷射量q₀和燃料喷射修正量Δq两部分组成。

2.按照权利要求1所述的一种基于指示转矩的质调节式发动机起动控制方法，其特征在于步骤二的具体过程如下：

a.根据起动时间的要求设定的预期起动时间t₀，根据起动电机和发动机特性设定起动开始喷射转速n₁、起动过程完成转速n₂；获得目标发动机的转动惯量I；

b.根据发动机的起动控制要求，确定目标角加速度函数β₀(t)，β₀(t)满足在预期起动时间t₀内的积分为起动过程完成转速n₂与起动开始喷射转速n₁的差值，即

c.利用公式Trq_I＝I·β₀计算加速阻力矩Trq_I，其中：β₀为目标角加速度，I为发动机转动惯量。

3.按照权利要求1所述的一种基于指示转矩的质调节式发动机起动控制方法，其特征在于步骤五的具体过程如下：

a.根据标准常温起动条件下发动机的指示效率η_i0计算需求指示转矩Trq_i所需的基础燃料喷射量q₀，其中π为圆周率，τ为冲程数，i为气缸数，H_u为燃料低热值；

b.起动条件改变时，根据指示效率的变化，修正燃料喷射量Δq，即k为指示效率修正因子，通过实验获得；

c.将基础燃料喷射量q₀和燃料喷射修正量Δq相加获得起动燃料喷射量q，q＝q₀+Δq。