可变压缩比发动机压缩比控制方法

技术领域

本发明涉及压缩比可变的发动机，特别涉及一种用于发动机负荷上升过程中的压缩比控制方法。

背景技术

随着环境污染问题的不断恶化，以及汽车节能减排技术的不断发展，乘用车油耗与排放法规愈来愈严格，如何提高汽车发动机能效、改善排放是内燃机研发人员一直在研究的技术难题。在内燃机运转中有许多关系密切的参数，这些参数相辅相成又彼此制约，为了使各各参数折中后整机性能达到最佳状态，可变参数是非常重要的方法。在发动机的可变参数设计中，可变压缩比技术(VCR)因其既能保证发动机转矩与功率提升，又能大幅度降低部分负荷区域燃油消耗及改善排放，而得到了众多汽车厂家的重视。

对于可变压缩比发动机，其需求压缩比DesR随发动机工况(转速、负荷)变化而变化，在压缩比切换过程中，VCR机构位置控制响应的滞后和精度，直接影响发动机燃烧和运行过程的平顺性及可靠性。如图1中，其中R_h表示高压缩比区，R_m表示中压缩比区，R_l表示低压缩比区，发动机负荷上升过程中，若发动机负荷从L1上升到L2，需求压缩比DesR在R_h内不变，如果负荷继续上升，参考L1至L2的负荷变化率v_L1，可预测L2上升到Lx的时间为ΔL1/v_L1。当发动机负荷大于Lx时，需求压缩比DesR在R_m内(R_m＜R_h)，且可变压缩比机构的调节时间为t，见图2所示。如果需求压缩比变为在R_m内后，再开始进行VCR机构调节，调节过程a→b中实际的压缩比RealR＞R_m，此时RealR与发动机的需求压缩比R_m不一致，会影响发动机点火效率、喷油效果和燃烧过程，并存在严重的爆震风险。

发动机负荷下降过程中，仍参见图1，若发动机负荷从L3下降到L2，需求压缩比DesR在R_m内不变，如果负荷继续下降，参考L3至L4的负荷变化率v_L2，可预测L3下降到Lx的时间为ΔL2/v_L2。当发动机负荷小于Lx时，需求压缩比DesR在R_h内(R_h＞R_m)，可变压缩比机构的调节时间为t’，如图3所示。如果需求压缩比变为R_h后，再开始进行VCR机构调节，调节过程a’-b’中实际压缩比RealR＜R_h，此时RealR与发动机的需求压缩比R_h也不一致，会影响发动机点火效率、喷油效果及燃烧过程，而导致发动机排放特性变差。

由以上可知，在发动机负荷上升或下降过程中，传统的目标压缩比计算+实际位置调节过程，VCR机构调节存在滞后，不可避免的会影响发动机点火效率、喷油效果及燃烧过程，且其中特别是发动机负荷上升过程，由于存在爆震问题，因而缺点尤为明显。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种可变压缩比发动机压缩比控制方法，以能够在发动机负荷上升过程，一定程度上避免因VCR机构调节滞后而导致的爆震问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种可变压缩比发动机压缩比控制方法，该方法包括于发动机负荷上升时，进行如下的控制步骤：

a.判断是否使能发动机压缩比调节功能，若使能进入步骤b，否则控制发动机按默认压缩比运行；

b.根据当前发动机转速和负荷，获取当前发动机工况对应的需求压缩比基础值R1；

c.根据当前发动机转速和负荷变化率，获取发动机需求压缩比变化量R2；

d.判断是否提前进行压缩比切换，若是进入步骤e，否则进入步骤f；

e.进行压缩比切换，将发动机压缩比调节至R3，其中R3＝R1+R2；

f.进行压缩比切换，将发动机压缩比调节至R1。

进一步的，步骤a中，判断是否使能发动机压缩比调节功能的条件包括但不限于：发动机内的压缩比调节机构是否故障，发动机温度不低于预设值，发动机转速不高于预设值且转速变化率低于预设值，以及发动机负荷变化率低于预设值。

进一步的，判断是否使能发动机压缩比调节功能的条件中，优选判断所述压缩比调节机构是否故障，且若所述压缩比调节机构故障，不再判断其它条件。

进一步的，步骤b和c中，获取当前发动机工况对应的需求压缩比基础值R1，以及获取发动机需求压缩比变化量R2均通过查询预设的相应MAP图得到。

进一步的，步骤d中，是否提前进行压缩比切换的判断包括：

d1.根据发动机负荷变化率v_L，以及发动机当前负荷与对应的压缩比切换边界点负荷之间的差异量ΔL，计算从当前状态至发生压缩比调节需要的时间t0，且t0＝ΔL/v_L；

d2.根据发动机内压缩比调节机构自身固有的响应时间t1，获得压缩比调节机构的滞后时间t2，其中t2＝t1；

d3.比较t0与t2，若t0不大于t2，则提前进行压缩比切换。

进一步的，步骤d2中，所述滞后时间t2还包括因所述压缩比调节机构中驱动电机的驱动电压变化，而由所述驱动电机转速变化所产生的响应时间的变化量Δt，且t2＝t1+Δt。

进一步的，所述默认压缩比为发动机的最小压缩比位置。

进一步的，步骤e或f中，发动机的压缩比切换过程包括：

s1.根据需调节至的发动机压缩比值与发动机中可变压缩比调节机构位置信号对应关系，获得所述可变压缩比调节机构的需求位置；

s2.基于所述可变压缩比调节结构的需求位置，并根据所述可变压缩比调节机构和该机构的驱动电机之间的传动比，获得驱动电机的需求位置；

s3.根据驱动电机当前位置与所述驱动电机的需求位置之间的差异，通过闭环控制使所述驱动电机由当前位置向所述驱动电机的需求位置调节，且随所述驱动电机位置的变化通过所述驱动电机带动所述可变压缩比调节机构，完成压缩比切换。

进一步的，所述可变压缩比调节机构位置信号通过包括但不限于旋变角度位置传感器、霍尔位置传感器、电位计式位置传感器获得。

进一步的，所述发动机负荷的表现形式包括但不限于发动机进气量、发动机进气压力、发动机油门位置以及发动机节气门开度。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明的压缩比控制方法在发动机负荷上升过程中，在可进行发动机压缩比调节的条件下，能够基于对是否提前进行压缩比切换的判断，而在需提前切换时进行压缩比切换，且将发动机压缩比切换至需求压缩比基础值和需求压缩比变化量之和，由此相较于现有压缩比控制方式，可提前开始压缩比切换，能够保证压缩比切换过程中实际压缩比与需求压缩比变化的跟随性，从而可避免或减少压缩比调节滞后带来的爆震问题，能够改善发动机运转平顺性、可靠性以及排放。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为发动机转速、负荷与发动机需求压缩比对应关系图；

图2为压缩比减小切换过程；

图3为压缩比增大切换过程；

图4为本发明实施例所述的压缩比控制方法的策略示意图；

图5为本发明实施例所述的MAP1的示意图；

图6为本发明实施例所述的MAP2的示意图；

图7为发动机可变压缩比机构切换示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例涉及一种可变压缩比发动机压缩比控制方法，该方法具体用于发动机负荷上升时对压缩比的切换控制，以通过该控制达到提前进行压缩比切换，进而避免或减少压缩比调节滞后带来的爆震问题，以改善发动机运转的平顺性、可靠性及排放。

整体控制思路上，本实施例的压缩比控制方法包括有如下的控制步骤：

步骤a：判断是否使能发动机压缩比调节功能，若使能进入步骤b，否则控制发动机按默认压缩比运行；

步骤b：根据当前发动机转速和负荷，获取当前发动机工况对应的需求压缩比基础值R1；

步骤c：根据当前发动机转速和负荷变化率，获取发动机需求压缩比变化量R2；

步骤d：判断是否提前进行压缩比切换，若是进入步骤e，否则进入步骤f；

步骤e：进行压缩比切换，将发动机压缩比调节至R3，其中R3＝R1+R2；

步骤f：进行压缩比切换，将发动机压缩比调节至R1。

其中，上述步骤中，结合图4中所示的，在步骤a中，进行发动机压缩比调节功能使能的判断，具体的，若使能压缩比调节功能，也即发动机当前可进行压缩比调节的相关操作，从而基于具体的控制策略，在发动机内可变压缩比机构的动作下，能够改变发动机活塞的下止点位置，以实现压缩比的调整。而若压缩比调节功能不使能，其则表示当前发动机并不能进行压缩比的调节操作，此时发动机便只能在默认压缩比下运行。

需要注意的是，对于上述压缩比调节功能不使能情况下的默认压缩比，其可根据具体设计需求进行预设，不过一般的，该默认压缩比优选的可设置为在发动机的最小压缩比位置，也即使得发动机按最小压缩比运行。此时，以最小压缩比运行可更好的适应各种发动机运行工况，从而能够充分的保证发动机的运转安全。而且对于发动机内的可变压缩比机构，在设计上其也应能够在机构故障而不能使能压缩比调节功能时，可在发动机活塞运动的带动下自动进入最小压缩比位置，以进入默认压缩比状态运行。

本实施例中，对于是否使能发动机压缩比调节功能的判断，其判断条件包括但不限于发动机内的压缩比调节机构是否故障，发动机温度不低于预设值，发动机转速不高于预设值且转速变化率低于预设值，以及发动机负荷变化率低于预设值。

其中，对于压缩比调节机构故障，其例如是调节机构的驱动电机发生堵转，驱动电机的控制器故障，机构内相关传感器故障，或者调节机构与发动机控制单元的通信发生故障等。因压缩比调节机构以及发动机内其它机构等的控制一般均集成于发动机控制单元，也即发动机ECU中，故而调节机构的上述故障一般也会被发动机ECU识别，并做出相应的处理，这些均属于现有发动机领域的常规技术手段，在此将不再进行赘述。

除了压缩比调节机构故障，此外对于发动机温度不低于预设值，其一般指进行压缩比调节时发动机应处于热车完毕后的状态，以避免温度较低而影响发动机运转性能，此时上述发动机温度的预设值，其例如可是50℃，当然根据不同设计需要，该预设温度值也可进行适当调整。对于上述的发动机转速不高于预设值且转速变化率低于预设值，其具体表示在进行压缩比调节时发动机的运转速度应处于合理的区间内，且转速也不应发生较为急迫的变化，从而保证压缩比调节功能的平顺进行。

本实施例针对于不高于的转速预设值，其一般可为发动机设计的最大转速，而应低于的转速变化率，其则根据实际设计需求进行选取便可。此外，针对于发动机负荷变化率应低于预设值，其所代表的意义与转速相似，也即在进行压缩比调节时发动机的负荷也应处于一个合理的区间内，避免发动机负荷急剧变化，而造成压缩比调节功能的混乱。发动机负荷变化率的预设值，其与转速变化率一样，也根据实际设计需求具体选择即可。

需要说明的是，本实施例中对于压缩比调节功能使能的判断，除了上述列举的几个，当然其也还可包含有其它条件，设计人员可根据需要进行选择，本实施例并不对其进行限制。不过，仍以以上几个判断条件来说，在判断是否使能发动机压缩比调节功能时，优选的是首先对压缩比调节机构是否故障进行判断，且如果压缩比调节机构故障，也便不再判断其它条件，以此减少运行功耗。

本实施例，步骤b所获得的需求压缩比基础值R1，具体即为发动机当前发动机工况下所应采用的压缩比数值，该R1在发动机稳定工况下一般也与发动机当前压缩比值一致，步骤c所获得的需求压缩比变化量则表示基于发动机当前工况的变化趋势，发动机工况变化中需求压缩比的变化量。上述需求压缩比基础值再加上变化量也即根据当前工况变化，而在需提前切换压缩比时，所应达到的压缩比值，由该应输出的压缩比值也才能够实现压缩比的提前切换，避免现有压缩比调节形式造成的滞后问题。

而在步骤b和步骤c中，对当前发动机工况对应的需求压缩比基础值R1的获取，以及对发动机需求压缩比变化量R2的获取，两者可均为通过查询预设的相应MAP图得到。此时，对于需求压缩比基础值R1对应的MAP图，以及发动机需求压缩比变化量R2对应的MAP图，两者均可通过对可变压缩比发动机万有特性进行标定得到，且同时MAP图中的数据也可通过可变压缩比发动机的压缩比切换过程测试进行优化。

另外，作为一种具体的示例，本实施例针对于采用多连杆结构的可变压缩比机构，需求压缩比基础值R1对应的MAP图，和发动机需求压缩比变化量R2对应的MAP图分别如图5和图6中所示。此时，多连杆结构的可变压缩比机构即包括有驱动电机驱使的偏心轴，以及依次铰接传动相连的驱动连杆、调节连杆和执行连杆等的机构形式，而为便于MAP图的描述，与需求压缩比基础值R1对应的可称之为MAP1图，与发动机需求压缩比变化量R2对应的则可称之为MAP2图。

本实施例中，在使能可变压缩比功能的前提下，步骤d的是否提前进行压缩比切换的判断具体包括有如下的步骤：

步骤d1：根据发动机负荷变化率v_L，以及发动机当前负荷与对应的压缩比切换边界点负荷之间的差异量ΔL，计算从当前状态至发生压缩比调节需要的时间t0，且t0＝ΔL/v_L；

步骤d2：根据发动机内压缩比调节机构自身固有的响应时间t1，获得压缩比调节机构的滞后时间t2，其中t2＝t1；

步骤d3：比较t0与t2，若t0不大于t2，则提前进行压缩比切换。

其中，以上步骤d1中的压缩比切换边界点负荷，具体仍可参见图1，以R_h区域和R_m区域为例，所述切换边界点负荷也即R_h所表示高压缩比区和R_m所表示中压缩比区之间的边界处所对应的纵轴上的负荷值。而对于步骤d1中对时间t0的计算，其也可同样的参见前文中与图1有关的描述。

本实施例中，一般的滞后时间t2也即压缩比调节机构自身固有的响应时间t1，且该响应时间t1也可在压缩比调节机构部件匹配后，通过试验台测试得到。不过，由于现有的可变压缩比调节机构一般多为采用驱动电机进行驱动，且用于驱使驱动电机转动的驱动电压往往也难以保持在恒定数值上，因而本实施例作为进一步优选的实施形式，上述滞后时间t2一般也可加上因驱动电机的驱动电压变化，从而由驱动电机转速变化所产生的响应时间的变化量Δt，此时也即t2＝t1+Δt。

可变压缩比机构的驱动电机因驱动电压变化而导致机构响应时间的变化量Δt，其随驱动电压的不同可能为正值，亦可能为负值，而在实质上所述变化量Δt也即可变压缩比机构自身响应时间的一个修正量，以确保滞后时间的判定更为准确。此外，对于因驱动电机的驱动电压不同，而带来的响应时间变化量Δt，其可根据驱动电机转速与驱动电压的对应关系，并结合于可变压缩比机构的试验台检测测出，并可编制成相应的调用数据，以供压缩比切换时发动机控制单元调用。

本实施例中，需要说明的是，在步骤d3中，对于t0不大于t2这一判定条件，优选的其一般也具体为t0等于t2，也即在t0等于t2时，进行压缩比提前切换操作，将发动机压缩比切换至R3。如此才能够保证发动机实际压缩比和需求压缩比保持一致跟随，而在发动机负荷上升过程中减少甚至避免爆震问题的发生。而除了恰使得t0＝t2，t0小于t2时开始进行压缩比的提前切换，其也能够在一定程度上减少负荷上升过程中的爆震现象，但其效果相较于上升优选情形要略差，并且t0和t2之间的差异越大，效果也随之愈差。

此外，在发动机负荷下降过程中，由于发动机实际压缩比从小变大，因而滞后的压缩比实际值必然比需求压缩比偏大，不会发生爆震问题，因而负荷下降时不必采用本实施例的控制方法。

本实施例在判断是否提前切换压缩比后，即进行步骤e或f的发动机压缩比切换过程。此时，无论是步骤e亦或者是步骤f，其进行压缩比调节时的调节过程均参考图7而包括有如下的步骤：

步骤s1：根据需调节至的发动机压缩比值与发动机中可变压缩比调节机构位置信号对应关系，获得可变压缩比调节机构的需求位置；

步骤s2：基于可变压缩比调节结构的需求位置，并根据可变压缩比调节机构和该机构的驱动电机之间的传动比，获得驱动电机的需求位置；

步骤s3：根据驱动电机当前位置与驱动电机的需求位置之间的差异，通过闭环控制使驱动电机由当前位置向驱动电机的需求位置调节，且随驱动电机位置的变化通过驱动电机带动所述可变压缩比调节机构，完成压缩比切换。

其中，需要说明的是，以上可变压缩比调节机构的位置信号可通过包括但不限于旋变角度位置传感器、霍尔位置传感器、电位计式位置传感器等获得，而对于可变压缩比机构中的驱动电机与机构主体之间的传动形式，其则可采用诸如行星齿轮传动、谐波减速器传动、涡轮蜗杆传动以及带传动等。此外，针对于该可变压缩比机构的机构主体，其例如即可为前述的包含偏心轴、驱动连杆、调节连杆和执行连杆的多连杆式可变压缩比机构形式。

另外，本实施例中，对于发动机负荷，其表现形式则可包括但不限于发动机进气量、发动机进气压力、发动机油门位置，以及发动机节气门开度等。上述这些形式均可用于表达发动机负荷，从而应用于本实施例的发动机压缩比的控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。