專利名稱：基于踏板位置變化率的電子節(jié)氣門級(jí)數(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)內(nèi)燃機(jī)的控制。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種對(duì)電子節(jié)氣門進(jìn)行控制的方法和裝置。
背景技術(shù)：
機(jī)械控制系統(tǒng)采用的是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換開關(guān)和模擬裝置，而高精度燃料和點(diǎn)火控制系統(tǒng)采用的是大功率電子器件，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)正是從前者到后者的改變中發(fā)展起來(lái)的。電子器件的小型化和成本降低已經(jīng)把計(jì)算機(jī)時(shí)代的種種動(dòng)力帶給了汽車工程師們。微處理器已經(jīng)可以將包括大量變量的復(fù)雜程序應(yīng)用到當(dāng)今燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的控制中，這樣可以更好地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制以及獲得更好的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。
燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)控制的一個(gè)重要方面是通過(guò)節(jié)氣門調(diào)節(jié)進(jìn)入汽缸的空氣流量，以及相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸送進(jìn)入汽缸的燃料量。在內(nèi)燃機(jī)(ICE)中，節(jié)氣門具有一個(gè)活動(dòng)的節(jié)流板，該節(jié)氣門通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入ICE的空氣流量而直接調(diào)節(jié)ICE在任何工況下產(chǎn)生的功率。節(jié)流板用于增大或減少進(jìn)入ICE的空氣流量。節(jié)流板起到空氣泵的作用，其中進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量流速直接隨節(jié)流板的角位置或開口面積的變化而變化。目前，現(xiàn)有技術(shù)存在這樣的需求，即精確地控制節(jié)氣門本體中的節(jié)流板位置，從而精確地調(diào)節(jié)進(jìn)入汽缸的空氣流量和燃料量。
在標(biāo)準(zhǔn)的車輛ICE操作中，駕駛員壓下加速踏板以產(chǎn)生節(jié)流板位置指令的主要部分，從而改變節(jié)流板角度以及相應(yīng)的進(jìn)入ICE的空氣流量。控制器與燃料噴射器相連，該控制器監(jiān)測(cè)各種發(fā)動(dòng)機(jī)變量，并調(diào)節(jié)與空氣混合的燃料量，使得噴射的燃料量與空氣流量大體上成比例增加。就空氣流過(guò)節(jié)氣門本體形成的真空或負(fù)壓而言，當(dāng)使用化油器時(shí)，流過(guò)化油器的空氣將直接調(diào)節(jié)與該空氣相混合的燃料量。對(duì)于任何給定空燃比的混合物來(lái)說(shuō)，ICE的輸出功率與由節(jié)流板位置控制的進(jìn)入ICE的空氣質(zhì)量流速成正比。
節(jié)流板的定位和穩(wěn)定性直接影響對(duì)ICE的調(diào)節(jié)或ICE的穩(wěn)定性。理想的情況是，當(dāng)給出一個(gè)定位節(jié)流板的位置指令時(shí)，節(jié)流板不會(huì)較多地上下偏離指定的位置同時(shí)以所需的角速度步進(jìn)至指定的位置。
當(dāng)車輛駕駛員考慮壓下加速踏板時(shí)，駕駛員的加速意圖就通過(guò)腳的運(yùn)動(dòng)傳達(dá)給車輛。駕駛員和車輛之間的界面是加速踏板，使加速踏板達(dá)到最終的位置需要花費(fèi)一定有限的時(shí)間。加速踏板位置通過(guò)一定的標(biāo)定值傳遞給控制節(jié)氣門本體內(nèi)節(jié)流板的系統(tǒng)，從而使ICE產(chǎn)生所需的扭矩輸出值。當(dāng)駕駛員壓下加速踏板時(shí)，這一系列動(dòng)作以達(dá)到他/她所需的“加速”時(shí)終止。
在絕大多數(shù)情況下，從加速踏板的控制輸入到節(jié)流板達(dá)到最終節(jié)流位置之間存在著一個(gè)物理延時(shí)，所述加速踏板的控制輸入可以是踏板位置的初始增量變化。指令的節(jié)氣門位置通常作為二維查詢圖表(踏板位置和車輛速度輸入值，節(jié)氣門位置輸出值的圖表)的標(biāo)定。駕駛員認(rèn)為這種物理延時(shí)屬于車輛響應(yīng)性的滯后。盡管在保持某種特定特性時(shí)需要這種阻尼響應(yīng)，但是對(duì)于所有的車輛來(lái)說(shuō)某些操作保證了車輛的立即響應(yīng)(例如從停止開始突然性起動(dòng)，以及從50mph到80mph的短暫操作)。在這些駕駛條件下，駕駛員有意識(shí)地需要一個(gè)立即響應(yīng)。駕駛員用腳使踏板從開始移動(dòng)到使踏板達(dá)到最終位置的時(shí)間大約為幾十分之一秒左右。這種延時(shí)影響著節(jié)氣門的響應(yīng)滯后，這是用戶所不希望感覺(jué)到的。這種延時(shí)還進(jìn)一步與發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)相混合，而發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)是由物理延時(shí)引起的，該物理延時(shí)例如是向進(jìn)氣歧管內(nèi)充入空氣時(shí)的慣性。在瞬態(tài)響應(yīng)期間ICE產(chǎn)生的扭矩通常小于在等效穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)時(shí)ICE產(chǎn)生的扭矩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于減少?gòu)鸟{駛員要求車輛加速到車輛響應(yīng)之間的時(shí)間量，使得車輛能比過(guò)去更快地對(duì)駕駛員的要求作出反應(yīng)，的方法和裝置。通常，駕駛員希望加速時(shí)會(huì)在加速踏板上施加一個(gè)力。由于這個(gè)力的作用，加速踏板會(huì)以一定的動(dòng)能(速度)和相應(yīng)的加速度運(yùn)動(dòng)。由于存在彈簧以及機(jī)構(gòu)中摩擦力的作用，加速踏板會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力。動(dòng)能消失時(shí)，加速踏板就達(dá)到最終位置，并且在被壓縮的彈簧中產(chǎn)生勢(shì)能。這種從動(dòng)能到勢(shì)能的能量轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間。該時(shí)間正是車輛響應(yīng)駕駛員的要求時(shí)所不希望有的延遲時(shí)間。
在實(shí)際駕駛過(guò)程中，駕駛員并不是通過(guò)踩下加速踏板并移開腳來(lái)施加一個(gè)瞬時(shí)力(或急速牽引)，從而使加速踏板克服彈簧力之后達(dá)到最終位置。相反，駕駛員通常施加的是一個(gè)持續(xù)的力。這使得加速踏板速度隨時(shí)間變化。加速踏板將要停留的最終位置受到隨時(shí)間變化的瞬時(shí)力的影響。根據(jù)踏板的瞬時(shí)速度預(yù)測(cè)加速踏板的最終位置將會(huì)減少車輛響應(yīng)的延遲時(shí)間。
如上面所述，加速踏板的運(yùn)動(dòng)具有其特定的速度。如果節(jié)流板的級(jí)數(shù)(Progression)/控制考慮到加速踏板速度，那么可以對(duì)最終期望的節(jié)流板位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。該預(yù)測(cè)可以根據(jù)一圖表來(lái)進(jìn)行，該圖表按比例表示基于加速踏板速度的節(jié)氣門位置?；谔ぐ逅俣鹊谋壤驍?shù)也可以用于對(duì)在給定ICE工況點(diǎn)下傳遞的較低瞬態(tài)扭矩進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)加速踏板的停留點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將該預(yù)測(cè)的停留點(diǎn)傳送給電子節(jié)氣門，可使車輛的響應(yīng)性得到改善。


圖1是本發(fā)明電子節(jié)氣門系統(tǒng)的示意圖。
圖2a和2b是本發(fā)明加速踏板模型的示意圖。
圖3是本發(fā)明的優(yōu)選方法的流程圖。
圖4是本發(fā)明的性能曲線圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明電子節(jié)氣門系統(tǒng)10的示意圖。該系統(tǒng)包括節(jié)流板12，節(jié)流板12可以在節(jié)氣門本體16內(nèi)圍繞樞軸14旋轉(zhuǎn)到角位置θ，從而控制流入內(nèi)燃機(jī)(ICE)的空氣流量。如果角度θ等于零，節(jié)流板12將位于使空氣流量受到最大限制的位置，如果角度θ等于九十度，節(jié)流板12將位于空氣流量最大的位置。因此，當(dāng)角度θ在零到九十度之間變化時(shí)，空氣流可具有變化的流速。節(jié)流板在致動(dòng)器18例如電馬達(dá)的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。電子節(jié)氣門系統(tǒng)10可以采用技術(shù)領(lǐng)域中的任何已公知的電馬達(dá)或致動(dòng)技術(shù)，包括但不限于直流馬達(dá)，交流馬達(dá)、永磁無(wú)刷馬達(dá)和磁阻電動(dòng)機(jī)。
電子節(jié)氣門控制器20包括通過(guò)致動(dòng)器18調(diào)制電子節(jié)氣門12的電源電路，以及接收節(jié)流板的位置和速度輸入的電路。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器與電子節(jié)流板12和/或致動(dòng)器相連，從而向電子節(jié)氣門控制器20提供速度和位置信息。在本發(fā)明的替代實(shí)施例中，可以采用電位計(jì)為節(jié)流板12提供速度和位置信息。電子節(jié)氣門控制器20還包括通信電路22，例如串行鏈路或車載通信網(wǎng)絡(luò)接口，用于通過(guò)車載通信網(wǎng)絡(luò)與動(dòng)力系控制器相連。在本發(fā)明的替代實(shí)施例中，電子節(jié)氣門控制器20可以全部集成到動(dòng)力系控制器內(nèi)，從而不需要物理上分離的電子節(jié)氣門控制器。
圖2a和2b是本發(fā)明加速踏板模型30的示意圖。車輛上的加速踏板32裝備有加速踏板傳感器34，該加速踏板傳感器34用于確定運(yùn)動(dòng)速度、頻率和/或車輛駕駛員施加到加速踏板32上的壓力的大小。眾所周知，加速踏板32的運(yùn)動(dòng)與彈簧33力的方向相反。加速踏板傳感器34向控制器20輸出信號(hào)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，加速踏板傳感器34是數(shù)字編碼器，但是也可以包括電位計(jì)、應(yīng)變儀或類似的位移或力傳感器。
使用以下變量對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述線性踏板彈簧常數(shù)，Kp；吸收駕駛員所施加的力所需的踏板位移，x；踏板初始位置，XO；踏板最終位置，X；施加時(shí)間，t；踏板速度，u＝dx/dt；包括聯(lián)動(dòng)裝置的踏板的有效質(zhì)量，Mp；踏板動(dòng)能，K.E；被彈簧吸收的能量，Wp；踩踏力，Pf當(dāng)駕駛員致動(dòng)加速踏板32時(shí)，駕駛員施加的能量必須被系統(tǒng)30所平衡。這樣，踏板32的初始動(dòng)能＝被彈簧33吸收的能量(包括聯(lián)動(dòng)裝置內(nèi)消耗的摩擦功)。
計(jì)算初始動(dòng)能，K.E.
K.E.＝Mp*u2在增量距離dx上被彈簧33吸收的增量能量dWp，dWp＝Pf*dx對(duì)踏板32的位移x進(jìn)行積分∫0xdWp=∫0xKp*xdx]]>Wp＝*Kp*x2
由于K.E.＝Wp，可以看出x=u*MpKp]]>且踏板32的最終位置(X)將是X＝XO+xX=XO+(u*MpKp)]]>因此可隨踏板32瞬時(shí)速度的變化而對(duì)X進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。
圖3是用于實(shí)施本發(fā)明方法的動(dòng)作順序的流程圖。從方框110開始，駕駛員在加速踏板32上施加一個(gè)力，要求ICE產(chǎn)生加速輸出。在方框120中，踏板32以初始速度響應(yīng)，在一定時(shí)間后，在克服彈簧31的彈力后踏板達(dá)到最終位置。在方框122中，控制器通過(guò)踏板傳感器34即時(shí)測(cè)量踏板32的速度，控制器例如是動(dòng)力系控制器或電子節(jié)氣門控制器(ETC)20。在方框124中，利用前述數(shù)學(xué)模型根據(jù)即時(shí)速度預(yù)測(cè)踏板32的最終位置。在方框126中，該預(yù)測(cè)的踏板位置被傳輸給ETC控制器20和/或動(dòng)力系控制器，從而執(zhí)行現(xiàn)有的電子節(jié)氣門控制級(jí)數(shù)程序。在方框128中，根據(jù)車輛即時(shí)速度和預(yù)測(cè)的踏板32位置，從ETC標(biāo)定中讀取節(jié)氣門位置。在方框130中，致動(dòng)器18將節(jié)流板12葉片轉(zhuǎn)動(dòng)到指令位置。在方框132中，更高的空氣流速產(chǎn)生更大的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，在方框134中，車輛實(shí)現(xiàn)加速(在絕大多數(shù)運(yùn)行條件下)。在方框136中，用戶感覺(jué)到從踏板32被壓下到車輛加速之間的延時(shí)變小了。在方框138中顯示了所感覺(jué)到的車輛較好的響應(yīng)性，以及裝備有本系統(tǒng)的車輛的用戶或駕駛員較高的滿意度。
圖4包括表示本發(fā)明性能的一系列曲線圖。曲線150表示踏板32的位置與駕駛員將力持續(xù)施加到加速踏板的時(shí)間之間的曲線。曲線156表示節(jié)流板12葉片的當(dāng)前位置隨時(shí)間的變化，圖中示出了節(jié)流板12被節(jié)氣門控制機(jī)構(gòu)致動(dòng)時(shí)的響應(yīng)。曲線160表示在改進(jìn)的標(biāo)定內(nèi)實(shí)時(shí)確定(通過(guò)本發(fā)明中圖示的預(yù)測(cè)模型確定)的預(yù)測(cè)的踏板32的位置曲線。曲線162表示基于速度的節(jié)氣門位置與時(shí)間的曲線。S1表示在利用常規(guī)ETC級(jí)數(shù)時(shí)，駕駛員感受到的從踏板32被壓下的瞬間到節(jié)流板12達(dá)到指令的位置之間的時(shí)間延遲。S2表示在利用本發(fā)明建議的基于踏板速度的ETC級(jí)數(shù)時(shí)，駕駛員感受到的從踏板32被壓下的瞬間到節(jié)流板12達(dá)到指令的位置之間的時(shí)間延遲。S1和S2之間的區(qū)別在于，采用本發(fā)明的車輛的響應(yīng)性得到了改善。
盡管已結(jié)合一些具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)指出的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地進(jìn)行其它形式的改進(jìn)。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)僅由以下權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種車輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，包括內(nèi)燃機(jī)；用于控制流入所述內(nèi)燃機(jī)的空氣流量的電子節(jié)氣門；用于控制所述電子節(jié)氣門位置的控制器；具有加速踏板傳感器的加速踏板，該加速踏板傳感器產(chǎn)生信號(hào)給所述控制器；其中所述控制器計(jì)算所述加速踏板的變化率，并根據(jù)所述加速踏板的所述變化率將所述電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)到所需位置。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述加速踏板的所述變化率包括位置的變化率。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述加速踏板的所述變化率包括力的變化率。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述內(nèi)燃機(jī)是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述加速踏板傳感器是線性編碼器。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述加速踏板傳感器是電位計(jì)。
7.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述加速踏板傳感器是應(yīng)變儀。
8.一種控制內(nèi)燃機(jī)中電子節(jié)氣門的方法，包括測(cè)量一個(gè)變量，該變量表示用于可變位移內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩；并且適應(yīng)性地修正該轉(zhuǎn)矩，從而改變?cè)摽勺兾灰苾?nèi)燃機(jī)的位移。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述適應(yīng)性地修正轉(zhuǎn)矩臨界值從而改變?cè)摽勺兾灰苾?nèi)燃機(jī)的位移的步驟是根據(jù)時(shí)間進(jìn)行的，該時(shí)間是指該可變位移發(fā)動(dòng)機(jī)在部分位移運(yùn)行模式下運(yùn)行的時(shí)間。
10.一種車輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，包括內(nèi)燃機(jī)；用于控制流入所述內(nèi)燃機(jī)的空氣流量的節(jié)氣門；用于控制所述電子節(jié)氣門位置的控制器；具有加速踏板傳感器的加速踏板，該加速踏板傳感器產(chǎn)生信號(hào)給所述控制器；其中所述控制器預(yù)測(cè)所述加速踏板的變化率，并根據(jù)所述預(yù)測(cè)的加速踏板的變化率將所述電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)至所需位置。
11.如權(quán)利要求10所述的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述加速踏板的所述變化率包括位置的變化率。
12.如權(quán)利要求10所述的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述加速踏板的所述變化率包括力的變化率。
13.如權(quán)利要求10所述的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述內(nèi)燃機(jī)是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。
14.如權(quán)利要求10所述的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述加速踏板傳感器是線性編碼器。
15.如權(quán)利要求10所述的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述加速踏板傳感器是電位計(jì)。
全文摘要
一種車輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，包括內(nèi)燃機(jī)，用于控制流入該內(nèi)燃機(jī)的空氣流量的電子節(jié)氣門，用于控制該電子節(jié)氣門位置的控制器，具有加速踏板傳感器的加速踏板，該加速踏板傳感器產(chǎn)生信號(hào)給控制器，其中該控制器計(jì)算該加速踏板的變化率，并根據(jù)該加速踏板的該變化率將所述電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)到所需位置。
文檔編號(hào)F02D41/00GK1809692SQ200480017527
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2004年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月23日
發(fā)明者B·斯里普拉卡什 申請(qǐng)人:通用汽車公司