專利名稱：一種車用柴油發(fā)動機柔性控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種車用柴油發(fā)動機控制系統(tǒng)，特別涉及一種車用柴油發(fā)動機動力輸出的柔性控制系統(tǒng)及控制方法。
現(xiàn)代社會要求車輛具有低排放性、高動力性、好的經(jīng)濟性，并能用于多種用途，這主要有以下幾點原因。首先，汽車尾氣排放是大氣的重要污染源，必須對其治理與控制，其根本在于汽車發(fā)動機尾氣排放的控制；其次，全球石油資源的加速消耗，資源能源日益短缺，要求汽車及發(fā)動機更省油，經(jīng)濟性更好；再次，汽車使用者要求汽車多拉、快跑，有優(yōu)良的動力性和爬坡能力；而特殊使用場合的車輛則要求有多種動力輸出模式。對于柴油車，要實現(xiàn)上述對車輛的要求，傳統(tǒng)的機械式動力控制系統(tǒng)是無能為力的。比如柴油發(fā)動機常用的兩極調(diào)速器和全程調(diào)速器，它們靠起動彈簧、怠速彈簧、調(diào)速彈簧、校正彈簧、限速彈簧及一些機械機構(gòu)控制油泵齒條，實現(xiàn)對柴油機油量的控制，從而可以控制柴油發(fā)動機的性能，由于是機械結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)一旦確定則對柴油發(fā)動機的控制是固定的，另外由于機械結(jié)構(gòu)的限制，控制能力有限。
現(xiàn)有的車用柴油發(fā)動機電子控制技術(shù)能夠?qū)@些指標(biāo)和要求做一些折衷，以最大限度的滿足這些要求，但由于這些指標(biāo)和要求相互矛盾，滿足了這一指標(biāo)，必然要在一定程度上犧牲另一指標(biāo)。典型的如電子調(diào)速器，根據(jù)采集到的加速踏板位置信號、柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號、冷卻液溫度信號對柴油發(fā)動機油量進行控制，進而控制柴油發(fā)動機的調(diào)速特性。它內(nèi)部的控制策略和控制數(shù)據(jù)一旦確定，則柴油發(fā)動機的動力輸出即固定，同樣無法滿足柴油發(fā)動機的排放性、經(jīng)濟性、動力性等多方面的要求。
綜上所述，現(xiàn)有的車用柴油發(fā)動機控制系統(tǒng)不能使柴油發(fā)動機很好的滿足各種指標(biāo)和要求，有待于進一步的改進和完善。
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，本發(fā)明的目的和任務(wù)是提供一種車用柴油發(fā)動機柔性控制系統(tǒng)及其控制方法，使其可根據(jù)車輛運行環(huán)境和車輛使用者需求，通過選擇開關(guān)方便地選擇車用柴油發(fā)動機的各種工作模式，實現(xiàn)對柴油發(fā)動機油量的控制，從而能更好地滿足車用柴油發(fā)動機的排放性、經(jīng)濟性與動力性多方面的指標(biāo)和要求。
上述目的和任務(wù)是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種車用柴油發(fā)動機柔性控制系統(tǒng)，它主要包括傳感器、微電腦控制單元、執(zhí)行機構(gòu)、直列式油泵等部件，其特征在于該系統(tǒng)包括一個與微電腦控制單元相連接的柔性控制面板，在該控制面板上設(shè)有動力輸出模式選擇開關(guān)、恒速開關(guān)及信息顯示屏，所述微電腦控制單元包括由信號采集與處理電路、編碼電路、電源電路、單片機、擴展電路、PID控制電路及驅(qū)動電路等組成的硬件及儲存在單片機中的控制軟件所組成，所述傳感器包括直列式油泵齒條位置傳感器、油門踏板位置傳感器、柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、冷卻液溫度傳感器、進氣壓力傳感器及其他一些檢測發(fā)動機狀態(tài)的傳感器。
一種采用上述的車用柴油發(fā)動機柔性控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于根據(jù)車輛運行環(huán)境和車輛使用者需求，采用動力輸出模式選擇方式，實現(xiàn)對柴油發(fā)動機油量的控制，進而滿足柴油發(fā)動機在不同運行情況下用不同的模式輸出動力的要求，其控制方法的步驟如下(1)將柔性控制面板上的柴油發(fā)動機動力輸出模式選擇信號、恒速運行信號通過信號采集與處理電路后傳給編碼電路，編碼電路進行編碼后將信號傳給單片機；(2)儲存在單片機中的控制軟件根據(jù)該信號及系統(tǒng)采集到的各種傳感器的信號，調(diào)用相應(yīng)的功能模塊和控制數(shù)據(jù)進行計算，計算出的目標(biāo)值經(jīng)過PID控制電路和驅(qū)動電路處理后，驅(qū)動執(zhí)行器動作；(3)裝在直列式油泵上的執(zhí)行器通過驅(qū)動調(diào)速手柄來控制齒條的位置，從而控制柴油發(fā)動機油量。
附

圖1為柔性控制系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)示意圖附圖2為電子控制單元(ECU)工作原理圖附圖3為軟件程序的初始化部分程序流程圖附圖4為控制軟件主程序流程圖附圖5為功能模塊程序流程圖。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的工作原理、具體結(jié)構(gòu)及最佳實施方式本發(fā)明所述車用柴油發(fā)動機柔性控制系統(tǒng)主要包括微電腦控制單元(ECU)1、傳感器2、直列式油泵3、柔性控制面板4和執(zhí)行機構(gòu)5。所述傳感器2包括直列式油泵齒條位置傳感器、油門踏板位置傳感器、柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、冷卻液溫度傳感器、進氣壓力傳感器、進氣溫度傳感器、燃油溫度傳感器及其他一些檢測發(fā)動機狀態(tài)的傳感器。冷卻液溫度傳感器裝在柴油發(fā)動機出水管上，燃油溫度傳感器裝在柴油發(fā)動機高壓油泵進油口，進氣溫度傳感器和進氣壓力傳感器裝在柴油發(fā)動機進氣管上，齒條位置傳感器裝在油泵上，發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器裝在柴油發(fā)動機飛輪殼上。微電腦控制單元1由信號采集與處理電路、編碼電路、電源電路、單片機、擴展電路、PID控制電路及驅(qū)動電路等組成的硬件及儲存在單片機上的控制軟件兩部分組成。直列式油泵3為車用柴油發(fā)動機用的普通直列式油泵，主要包括泵體、凸輪軸、滾輪、柱塞偶件、柱塞彈簧等部件；柔性控制面板4上設(shè)有動力輸出模式選擇開關(guān)6、恒速運行開關(guān)7和信息顯示屏8。動力輸出模式選擇開關(guān)為旋轉(zhuǎn)式選擇開關(guān)，有一般模式、城市模式、空載模式、爬坡(大扭矩)模式四個選項。恒速運行開關(guān)為按鈕式開關(guān)，可選擇發(fā)動機恒速運行。信息顯示屏為液晶式，顯示柴油發(fā)動機及控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)信息、警告信息、報警信息、故障碼等。執(zhí)行機構(gòu)5中的執(zhí)行器為線性電磁鐵。由于電磁鐵的磁滯特性，不能通過直接控制電流來達(dá)到精確控制執(zhí)行器推桿位移，所以采用了位移的閉環(huán)控制。線性電磁鐵裝在油泵上，通過驅(qū)動油泵的調(diào)速手柄9來控制齒條的位置。
附圖2為微電腦控制單元1(ECU)的工作原理圖。ECU硬件電路包括信號采集與處理電路、電源電路、驅(qū)動電路、PID控制電路、單片機及擴展電路等部分。其工作原理及過程是本系統(tǒng)對柔性控制面板上的柴油發(fā)動機動力輸出模式選擇信號、恒速運行信號設(shè)計了專門的電路進行處理。柔性控制面板上的信號經(jīng)信號采集與處理電路后輸入給編碼電路，編碼電路進行編碼后將信號傳給單片機，單片機中的控制軟件根據(jù)該信號及系統(tǒng)采集到的傳感器的信號，經(jīng)過控制軟件的分析處理，選擇相應(yīng)的控制策略和控制數(shù)據(jù)進行計算，計算出的目標(biāo)值經(jīng)過PID控制電路和驅(qū)動電路處理后，向執(zhí)行器發(fā)出指令，控制直列式油泵齒條位置，使柴油發(fā)動機工作在不同的模式下。
控制軟件包括程序的初始化部分和工作循環(huán)部分及其他的功能模塊，軟件的初始化部分程序流程圖和工作循環(huán)部分流程圖分別如圖3、圖4所示。柔性控制部分包含在工作循環(huán)的入口2(見圖4)中。入口2進行的是根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，這里的模塊包括起動控制模塊、怠速控制模塊、中間轉(zhuǎn)速(大于怠速轉(zhuǎn)速小于標(biāo)定轉(zhuǎn)速)柔性控制模塊、限速模塊，柔性控制由其中的中間轉(zhuǎn)速柔性控制模塊實現(xiàn)。圖5為該模塊的程序流程圖。由圖5可見，該模塊中包含有各種柴油發(fā)動機動力輸出模式的控制模塊，下面分別加以說明。
—空載模式現(xiàn)有的柴油車在空載行駛時，柴油發(fā)動機工作在高速低負(fù)荷區(qū)，在這一區(qū)域，柴油發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性很差。在空載模式控制模塊中，根據(jù)柴油車各檔位的傳動比，通過控制油量使柴油發(fā)動機標(biāo)定轉(zhuǎn)速降低，迫使司機使用合適的檔位，從而提高柴油發(fā)動機的負(fù)荷率，改善柴油發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。
—城市模式城市內(nèi)由于車輛密度大，所以車輛尾氣排放對城市造成的污染嚴(yán)重，為改善這種狀況，設(shè)計了城市模式。在城市模式中采取的控制策略是，適當(dāng)降低柴油發(fā)動機的最大油量，同時對過渡工況進行控制，特別對加速過程設(shè)置最大油量步長，以限制加速過程的排放。
—一般模式在一般情況下，尤其是在使用柴油車進行長途運輸時，首要考慮的是柴油發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性和動力性，同時兼顧其排放性。因此，在一般模式下，柴油發(fā)動機的最大油量以動力性和經(jīng)濟性為目標(biāo)進行標(biāo)定，同時為改善排放性進行過渡過程控制，由于此時對排放的要求沒有城市模式高，故其最大油量步長要比城市模式大。
—爬坡模式柴油車在爬坡時需要柴油發(fā)動機在一段時間內(nèi)輸出大轉(zhuǎn)矩，有時會超過柴油發(fā)動機的標(biāo)定轉(zhuǎn)矩，針對這種情況設(shè)計了爬坡模式。在爬坡模式，設(shè)計的最大油量大于標(biāo)定油量，以使柴油發(fā)動機發(fā)出更大的功率和轉(zhuǎn)矩。爬坡模式有時間限制，超過設(shè)定的時間系統(tǒng)退出爬坡模式，轉(zhuǎn)入一般模式控制，以免柴油發(fā)動機長時間工作在過載狀態(tài)。
—恒速運行模式有許多時候要求柴油發(fā)動機要恒速運行，比如柴油車在高速公路上行駛時，柴油發(fā)動機若恒速運行，可以減輕司機的勞動強度，改善車輛的駕駛舒適性。再比如用車上的柴油發(fā)動機帶動發(fā)電機以產(chǎn)生所要求的電源時，要求柴油發(fā)動機恒速運轉(zhuǎn)。在本模塊中采用柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速反饋控制的辦法，實現(xiàn)柴油發(fā)動機恒速運行。
所述軟件中的控制數(shù)據(jù)通過車用柴油發(fā)動機柔性動力系統(tǒng)匹配、標(biāo)定臺架試驗獲得。車用柴油發(fā)動機柔性動力系統(tǒng)匹配、標(biāo)定臺架試驗指柴油發(fā)動機主機及其附件固定后，針對該機器進行柴油發(fā)動機系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)的標(biāo)定，得到一整套該機器的標(biāo)定數(shù)據(jù)，包括基本控制數(shù)據(jù)，柔性控制系統(tǒng)進行各種輸出模式控制所需的數(shù)據(jù)，環(huán)境適應(yīng)性脈譜標(biāo)定，增壓機進氣壓力補償控制脈譜標(biāo)定。對于不同的柴油發(fā)動機型，只需改變相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)即可；而對于各種新的動力輸出模式要求，該系統(tǒng)可以很方便的擴展。另外，利用其具有的控制柴油發(fā)動機恒速運行的功能，與發(fā)電機相連，就可很好地實現(xiàn)高精度電源頻率、電壓等的控制，這樣就可將裝有柔性控制系統(tǒng)的柴油發(fā)動機應(yīng)用于一些需要高精度電源的特種車輛，比如工程搶險車、火箭發(fā)射電源車等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及有益效果一方面該系統(tǒng)可根據(jù)車輛運行環(huán)境和車輛使用者的不同需求，通過選擇開關(guān)方便地選擇車用柴油發(fā)動機的各種工作模式，如一般模式、城市模式、空載模式、爬坡(大扭矩)模式及恒速運行模式等，實現(xiàn)對柴油發(fā)動機油量的控制，從而能更好地滿足車用柴油發(fā)動機的排放性、經(jīng)濟性與動力性多方面的指標(biāo)和要求，這對于減少車輛對城市造成的污染，降低車輛的燃油消耗，提高車輛的駕駛舒適性及環(huán)境適應(yīng)性具有明顯效果。二是車用柴油發(fā)動機柔性動力系統(tǒng)有優(yōu)良的適應(yīng)性和擴展性，對于不同的柴油發(fā)動機型，只需改變相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)。而對于各種新的動力輸出模式要求，可以很方便的擴展。另外，利用其具有的控制柴油發(fā)動機恒速運行的功能，與發(fā)電機相連，就可很好地實現(xiàn)高精度電源頻率、電壓等的控制，這樣就可將裝有柔性控制系統(tǒng)的柴油發(fā)動機應(yīng)用于一些需要高精度電源的特種車輛，比如工程搶險車、火箭發(fā)射電源車等。
權(quán)利要求
1.一種車用柴油發(fā)動機柔性控制系統(tǒng)，它主要包括傳感器、微電腦控制單元、執(zhí)行機構(gòu)、直列式油泵等部件，其特征在于該系統(tǒng)包括一個與微電腦控制單元相連接的柔性控制面板，在該控制面板上設(shè)有動力輸出模式選擇開關(guān)、恒速運行開關(guān)及信息顯示屏，所述微電腦控制單元包括由信號采集與處理電路、編碼電路、電源電路、單片機、擴展電路、PID控制電路及驅(qū)動電路等組成的硬件及儲存在單片機中的控制軟件所組成，所述傳感器包括直列式油泵齒條位置傳感器、油門踏板位置傳感器、柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、冷卻液溫度傳感器、進氣壓力傳感器及其他一些檢測發(fā)動機狀態(tài)的傳感器。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種車用柴油發(fā)動機柔性控制系統(tǒng)，其特征在于所述動力輸出模式選擇開關(guān)為旋轉(zhuǎn)式選擇開關(guān)，所述選擇開關(guān)包括有一般模式、城市模式、空載模式及爬坡模式四檔，所述恒速運行開關(guān)為按鈕式開關(guān)。
3.一種采用如權(quán)利要求1所述的車用柴油發(fā)動機柔性控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于根據(jù)車輛運行環(huán)境和車輛使用者需求，采用動力輸出模式選擇方式，實現(xiàn)對柴油發(fā)動機油量的控制，進而滿足柴油發(fā)動機在不同運行情況下用不同的模式輸出動力的要求，其控制方法的步驟如下(1)柔性控制面板上的柴油發(fā)動機動力輸出模式選擇信號、恒速運行信號通過信號采集與處理電路后傳給編碼電路，編碼電路進行編碼后將信號傳給單片機；(2)儲存在單片機中的控制軟件根據(jù)該信號及系統(tǒng)采集到的各種傳感器的信號，調(diào)用相應(yīng)的功能模塊和控制數(shù)據(jù)進行計算，計算出的目標(biāo)值經(jīng)過PID控制電路和驅(qū)動電路處理后，驅(qū)動執(zhí)行器動作；(3)裝在直列式油泵上的執(zhí)行器通過驅(qū)動調(diào)速手柄來控制齒條的位置，從而控制柴油發(fā)動機油量。
4.按照權(quán)利要求3所述的車用柴油發(fā)動機柔性控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述功能模塊包括起動控制模塊、怠速控制模塊、中間轉(zhuǎn)速柔性控制模塊、限速模塊等。
5.按照權(quán)利要求3所述的車用柴油發(fā)動機柔性控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述控制數(shù)據(jù)包括柴油發(fā)動機油量基本數(shù)據(jù)、柔性控制系統(tǒng)進行各種動力輸出模式控制所需的數(shù)據(jù)、環(huán)境適應(yīng)性脈譜中的數(shù)據(jù)以及增壓機進氣壓力補償控制脈譜中的數(shù)據(jù)等。
全文摘要
一種車用柴油發(fā)動機柔性控制系統(tǒng)及其控制方法,涉及柴油機控制技術(shù)領(lǐng)域。它主要由柔性控制面板、電腦控制單元、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)及直列式油泵等組成。其優(yōu)點是可根據(jù)車輛運行環(huán)境和使用者需求,通過開關(guān)方便地選擇各種工作模式,實現(xiàn)對柴油機油量的控制,從而更好地滿足車用柴油機的排放性、動力性等多方面的指標(biāo)和要求;對于減少車輛尾氣污染,降低油耗,改善駕駛舒適性具有明顯效果。同時該系統(tǒng)還具有優(yōu)良的適應(yīng)性和擴展性,對各種新的動力輸出模式,可以很方便的擴展。
文檔編號F02D41/26GK1275675SQ00121440
公開日2000年12月6日 申請日期2000年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月21日
發(fā)明者歐陽明高, 王宏橋, 周明, 劉志賢 申請人:清華大學(xué)