一种电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法

摘要

本发明公开了一种电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法：包括电控汽油机过渡工况的同步和异步加浓控制，进气压力预估方法和过渡工况闭环控制；所述过渡工况中包括同步和异步加浓控制步骤；进气压力预估步骤；过渡工况闭环控制步骤。整个过渡工况空燃比控制过程中这三个方法的共同特点就是实现了空燃比的精确控制。根据不同工况自动选择加浓模式，最大限度的保证加速过程的响应速度和加速过程空燃比的控制精度。在瞬态过渡工况中充分利用氧传感器信号，最大限度的修正加浓或减稀的误差，从而改善发动机的经济性和排放性。

说明书

技术领域

本发明提供一种汽油发动机的瞬态工况空燃比控制方法，具体涉及电控汽油发动机的控制。

背景技术

环保和节能是当前汽车发动机发展的主要目标。目前汽车用发动机燃料主要以汽油和柴油为主，汽油发动机大量应用于中小型汽车上，柴油发动机则主要用于大型和重型汽车上。汽油机的燃料供给方式经过这些年的发展，从传统的机械化油器式的系统，到电控单点喷射系统，再到电控多点喷射系统，其排放和燃油消耗都得到大幅降低。如何进一步降低汽油发动机的排放和燃油消耗水平，成为电喷汽油发动机管理系统改进的重点方向。

目前的汽油发动机管理系统在控制方法上采用闭环控制加三元催化转化器的方法来降低排放，尽量将发动机空燃比控制在理论空燃比，使三元催化器达到最大的转换效率。同时，将空燃比控制在理论空燃比能使燃料充分燃烧。但是目前通用的控制方法没有实现各种工况下的空燃比闭环控制，在很多工况下，比如起动工况、暖机工况、瞬态工况等都采用开环控制。由于汽车发动机在工作过程中频繁工作在加减速的瞬态工况中，如何控制瞬态工况的空燃比，使空燃比最接近理论空燃比，成为电喷汽油机管理系统控制方法中的重点。

针对电喷汽油机的瞬态工况，目前的主要方法是采用异步或者同步加浓的方式，根据节气门的动作情况(即司机的驾驶意图)，对喷入汽缸的燃油进行加浓，满足过渡工况需要。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法，解决目前电喷汽油机控制系统在瞬态工况燃油响应速度不及时所导致的空燃比变化大，发动机排放水平和经济性不好的问题。在现有发动机管理系统硬件基础上实现，最大限度的减小了系统改进的成本。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种电控汽油机瞬态工况空燃比控制方法：包括电控汽油机过渡工况的同步和异步加浓控制，进气压力预估方法和过渡工况闭环控制；所述过渡工况中包括以下步骤：

同步和异步加浓控制步骤；进气压力预估步骤；过渡工况闭环控制步骤。

前述的过渡工况开始阶段采用同步和异步加浓相结合的方法进行加浓量控制。

前述的过渡工况加浓脉宽计算阶段采用进气压力预估方法实现加浓量的计算。

前述的过渡工况后续阶段通过过渡工况闭环控制方法实现空燃比的闭环控制。

前述的同步加浓脉宽阶段的计算公式为：

tpsae＝TPSAEGAIN×deltatps×N1×N2

其中TPSAEGAIN为标定变量，典型值为7000；deltatps为节气门变化值；N1为标定的修正量，典型值为1；N2为标定的修正量，典型值为0.4。

前述的异步加浓脉宽阶段的计算公式为：

tpsae＝basetpsae×N1×N2×N3

其中，basetpsae为标定量，典型值为120；N1为标定的修正量，典型值为10；N2为标定的修正量，典型值为1；N3为标定的修正量，典型值为1。

前述的进气压力预估步骤；包括：确定阀值；当节气门变化速度超过确定的阈值时，根据当前发动机转速变化趋势和系统延迟预估一个喷油输出时的发动机转速；上述控制过程根据节气门开度预估一个当前节气门开度和预估的转速下实际进入汽缸的进气管压力；将这个压力信号引入到喷油量中计算出喷油脉宽并输出。

前述的过渡工况闭环控制步骤；包括：根据发动机当前转速、排气口与氧传感器之间的距离，计算燃油从输出到氧传感器能反映出这个变化的时间延迟T_delay，以及过渡工况持续的时间T_transient；调整氧传感器的采样频率，将采样频率提高至少一倍，进行信号处理，进入过渡工况空燃比闭环控制模式；采用积分控制，如果发动机在T_transient这段时间内持续偏浓，将过渡工况积分项减小；发动机在T_transient时间内持续偏稀，将过渡工况积分项加大。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

下表是使用新方法前后的试验循环排放值；

  CO g/km  THC g/km  NO_X g/km  使用新方法前  0.64  0.06  0.04  使用新方法后  0.55  0.05  0.03

本发明在发动机过渡工况过程中，在不同阶段，分别采用同步和异步加浓控制方法、进气压力预估方法、过渡工况闭环控制方法。在过渡工况的开始阶段，采用同步和异步加浓相结合的方法进行加浓量控制；在计算加浓脉宽时，采用进气压力预估方法实现加浓量的精确计算；在过渡工况的后续阶段，通过过渡工况闭环控制方法实现空燃比的闭环控制。通过这三个控制方法的配合使用，来实现整个瞬态工况的空燃比控制。整个过渡工况空燃比控制过程中这三个方法的共同特点就是实现了空燃比的精确控制。

由于同步加浓是根据发动机进气量而计算的补偿量，异步加浓则是根据节气门的变化估算的补偿量，因此从补偿的准确性来说，同步加浓要好于异步加浓。本发明综合使用这两种加浓方法，同时实现同步和异步两种加浓方法，根据不同工况自动选择加浓模式，最大限度的保证加速过程的响应速度和加速过程空燃比的控制精度。

本发明采用了一种进气压力预估的方法来对进气管压力进行预估。当节气门变化速度超过一定的阈值时，控制系统根据当前的节气门开度估算一个当前转速下这个节气门开度所对应的进气管压力。由于相同的节气门开度情况下，不同的转速对应的进气管压力也不一样，为了消除从计算喷油脉宽到燃油实际进入汽缸的时间延迟造成的进气管压力偏差，除了采用节气门开度预估进气管压力，还将上述延迟过程中的发动机转速变化进行预估，进而预估实际进入汽缸的空气的压力。

本发明通过进气压力预估的方法，可以有效弥补速度密度式空气密度计算方法响应滞后的问题，在进气压力的计算中考虑速度位置式空气密度计算方法响应快速的优势，在加减速瞬态过渡过程中提前估算出真实的进气量，减少喷油脉宽的计算误差。

本发明引入了“过渡工况闭环控制”的概念，在过渡工况对加浓或者减稀后的发动机空燃比进行监测，充分利用氧传感器信号，来评估过渡工况的加浓或者减稀效果，根据氧传感器信号对加浓或者减稀量进行闭环修正。本发明通过引入“过渡工况闭环控制”的概念，改变了控制系统在过渡工况下通常工作于开环模式的惯例，在瞬态过渡工况中充分利用氧传感器信号，最大限度的修正加浓或减稀的误差，从而改善发动机的经济性和排放性。

附图说明

附图1是一个四缸汽油机同步加浓和异步加浓时序说明图，在该图中给出的是多点顺序喷射发动机管理系统时序图；

附图2是本发明在过渡工况控制中实现的流程图；

附图3是进气压力预估方法的实现曲线图；

附图4是使用新方法前的排放试验数据曲线图；

附图5是使用新方法前其中一个加速工况的排放数据图；

附图6是使用新方法后的排放试验数据曲线图；

附图7是使用新方法后其中一个加速工况的排放数据图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明：

请参阅图1所示，是一个四缸汽油机同步加浓和异步加浓时序说明图；图中虚线表示的小脉宽是各缸的同步加浓脉宽，实线表示的小脉宽是各缸的异步加浓脉宽。从图中可以看到，同步加浓脉宽是在发动机运转到特定的相位输出的，而异步加浓脉宽则和发动机相位没有关系，由控制程序主循环决定，而且一旦满足加浓条件，则对四个缸同时进行加浓输出。

图2是本发明在过渡工况控制中实现的流程图；从图中可以看出，过渡工况判断及模式选择，包括进气压力预估、加浓脉宽计算、过渡工况闭环控制，经过以上步骤后对过渡工况是否结束进行判断，如结束进入其它工况控制，否则重新回到过渡工况判断及模式选择步骤。

图3是进气压力预估方法的实现曲线；图中mappredicted是预估的进气管压力，realmap是实际采样的进气管压力，rpm是发动机转速。可见在进气管压力急速变化的时候，通过预估进气管压力可以解决压力测量滞后的问题。

本发明所基于的硬件系统包括曲轴位置传感器、进气管压力传感器、发动机水温传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、氧传感器、第一喷油器、第二喷油器、第三喷油器、第四喷油器、燃油泵、发动机电子控制单元。

同步和异步加浓方法的实现；

当发动机运转时，发动机电子控制单元监测节气门位置传感器的信号。同步加浓是根据发动机相位进行的，因此发动机电子控制单元在发动机进气门关闭以后输出喷油脉宽时计算节气门位置的变化，节气门位置信号存储最近16个主循环的信号采样值，根据这些值计算当前节气门的变化速度，同时采样进气管压力和发动机转速信号。当节气门变化超过预设的阈值时(此阈值根据驾驶性在整车标定时进行标定)，进行加浓量的计算。加浓量的大小根据发动机转速、进气管压力、当前水温、节气门变化速率、发动机当前运转时间等参数来计算。例如发动机一缸压缩上止点对应的曲轴位置信号为第20齿，控制系统在第7齿，即一缸进气行程将要开始的时候，计算同步的加浓量。在此之前的发动机运转过程中，每8毫秒计算一次节气门的变化量，即当前节气门位置采样值realtps与8毫秒前的节气门位置采样值old_realtps的差，将这些差值进行累加。该值在上一个同步加浓量输出完成时清零。在第7齿时，判断这个节气门变化值是否超过预设的阈值，此阈值在整车标定时进行标定，其典型值为0.05V。如果节气门变化超过这个阈值，即输出同步加浓脉宽。同步加浓脉宽计算为：

tpsae＝TPSAEGAIN×deltatps×N1×N2

其中TPSAEGAIN为标定变量，根据整车排放和驾驶性进行标定，典型值为7000；deltatps为节气门变化值；N1为标定的修正量，根据当前发动机水温和发动机运转时间查表确定，典型值为1，发动机水温越低、运转时间越短这个值越大；N2为标定修正量，根据当前节气门开度和转速来确定，典型值为0.4，节气门开度越大、转速越高，这个值越小。

异步加浓是根据发动机电子控制单元的运算周期来进行的。控制单元的运算周期约为8毫秒，每一个运算周期中都进行节气门信号的监测，同时记录最近16个周期的信号。如果当前的节气门信号与最近15个周期中的任何一个节气门信号之间的差大于预设的阈值时，(此阈值根据驾驶性在整车标定时进行标定，其典型值为0.07V)，即立刻进行异步加浓量的计算。异步加浓脉宽计算为：

tpsae＝basetpsae×N1×N2×N3

其中，basetpsae为标定量，根据节气门的变化大小查表得到，典型值为120，节气门变化越大，这个值越大；N1为标定的修正量，根据当前水温修正，典型值为10，水温越低这个值越大；N2为标定的修正量，根据当前转速修正，典型值为1，转速越高这个值越小；N3为标定的修正量，根据电瓶电压修正，典型值为1，电瓶电压越低这个值越大。计算出异步加浓量后，立刻输出异步加浓脉宽，不管此时发动机各缸的工作相位如何，四个缸同时输出异步加浓脉宽。

在进行加浓计算和输出时，本发明综合这两种加浓方式。在主循环中计算异步加浓量，如果此前没有满足输出同步加浓脉宽的条件，则在同步加浓还没有来得及起作用的时候，立刻进行异步加浓，弥补同步加浓响应速度较慢的缺点。当发动机继续运转到输出同步加浓脉宽的相位时，对应的汽缸立即采用同步加浓，暂停异步加浓。这样即可充分利用同步加浓准确性高，异步加浓实时性好的优点。

进气压力预估的实现；

发动机运转时，发动机电子控制单元采集进气管压力信号和发动机转速信号。采集到发动机转速信号后，将当前的发动机转速与此前4个主循环记录的转速进行比较。逐一计算转速变化量，并判断转速是在增加还是减小。每个主循环间的转速变化速度即为(rpm-last_rpm)。根据这连续4个主循环采集的转速变化速度，估算出燃油输出时的发动机转速rpm_p＝rpm+n*(rpm-last_rpm)。其中n是估算的系数，其典型值为1.2。同时，控制系统在每个主循环中都采集节气门位置信号。在进行发动机稳态标定的时候，根据每个工况点的转速、进气管压力和节气门开度做出一个节气门开度和转速对应的进气管压力表。控制系统在瞬态控制时根据采集到的节气门开度信号，以及估算的发动机转速，查表估算出燃油输出时的进气管压力map_p＝f(tpspercent，rpm_p)。发动机控制单元在每个主循环中都采集节气门位置信号，计算节气门变化速度。计算方法与异步加浓的节气门变化速度判断相同。如果变化速度超过设定的阈值(此阈值在整车标定时根据驾驶性标定，典型值为0.08V)，即在燃油量的计算中采用预估的进气管压力进行，从而减少喷油脉宽的计算误差，弥补速度密度式空气密度计算方法的响应滞后的问题。

过渡工况闭环控制的实现；

在发动机运转时，稳定工况的闭环控制通过氧传感器的反馈信号对稳定工况的基本喷油脉宽进行闭环修正。当发动机电子控制单元监测到发动机进入过渡工况时，进行相应的加浓或减稀操作。这时控制单元根据发动机当前转速、排气口与氧传感器之间的距离，计算燃油从输出到氧传感器能反映出这个变化的时间延迟T_delay，以及过渡工况持续的时间T_transient(该时间以节气门的变化速度来判断，在加浓工况以出现加浓工况为认定过渡工况持续时间的依据)。根据这个计算出的时间延迟和持续时间，控制单元调整氧传感器的采样频率，将采样频率提高一倍，及时进行信号处理，在这段时间内进入过渡工况空燃比闭环控制模式。在过渡工况空燃比闭环控制中，采用积分控制，如果发动机在T_transient这段时间内持续偏浓，则说明加浓量偏大，或者减稀量偏小，光靠稳态空燃比修正量不足以使空燃比快速回到理论空燃比，此时就需要将过渡工况积分项减小。反之，如果发动机在T_transient时间内持续偏稀，则说明加浓量偏小，或者减稀量偏大，光靠稳态空燃比修正量不足以使空燃比快速回到理论空燃比，此时就需要将过渡工况积分项加大。控制单元根据发动机转速和负荷将发动机工况分成20个学习单元，用来记录不同工况下的过渡工况积分项。这样在以后进入同样的工况时，就能根据调整后的值输出加浓量或者减稀量，从而使发动机过渡工况的空燃比更接近理论空燃比。

图4是使用新方法前的排放试验数据曲线，图5是使用新方法前其中一个加速工况的排放数据。图6是使用新方法后的排放试验数据曲线，图7是使用新方法后其中一个加速工况的排放数据；可以看出过渡工况排放值有比较明显的下降。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。