基于某种小型汽车起步辅助功能的研究

吴哲，吴琼，张振锋



基于某种小型汽车起步辅助功能的研究

吴哲，吴琼，张振锋

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230022）

基于对手动挡车辆起步困难的分析，设计一个简单可行的起步辅助功能，通过整车上的离合开关传感器、空挡传感器及油门位置传感器等信号判断驾驶员的起步意图，在起步动作时由发动机电子控制单元（ECU）发送指令控制发动机执行器调整进气、喷油和点火，在起步过程中增加发动机转速及发动机的储备扭矩，以达到增加发动机抗负载的能力，进而提升起步的性能。

起步辅助；标定验证

引言

随着节能环保越来越受重视，乘用车汽油发动机朝着增压小型化方向发展，从而实现整车节能减排的目的，如当前出现了以1.0T、1.3T、1.4T和1.5T排量的汽油发动机为市场主体，匹配中小型SUV及轿车。但是小排量发动机在低转速时由于涡轮增压器没有介入工作，会有低转速区间输出扭矩偏小的问题，尤其是在怠速工况下，因此小排量发动机匹配手动变速箱的车型就会遇到起步性能较差的难题。起步性能差导致初级驾驶者驾驶车辆时极易发生起步困难、起步失败，本文基于此问题设计了可行的起步辅助功能以优化手动挡车型的起步性能，最终帮助驾驶者驾驶车辆时顺利起步。

1 起步动作分析

对于手动挡车型，一个典型的起步动作具体过程：驾驶员起动车辆，踩下离合器踏板，挂上一挡，缓慢的抬起离合踏板，车辆顺利起步。起步的顺利与否从外部分析原因取决于驾驶者抬起离合踏板的快慢，越快则越容易起步失败；从车辆传动的内部分析原因如下：当驾驶者抬起离合踏板时，离合器压盘与发动机飞轮端逐渐压紧，发动机开始向外输出动力，这个过程中离合器压盘与飞轮会经过一个滑动摩擦的状态，又称离合器半联动状态，驾驶者松开离合踏板的快慢决定了此滑动摩擦过程时间的长短，简单的说，离合踏板松的越快滑动摩擦时间越短，车辆起步越困难，这是因为：离合器结合的快，发动机受到外界负载的干扰就越大，转速会突然下降，最终导致熄火。

2 起步辅助功能研究

基于以上对起步过程的分析，在离合器接合过程中，发动机所受阻力矩逐渐增大，转速会逐步降低，为避免发动机转速的持续降低故应同时逐渐踩下加速踏板，即逐步增加对发动机的燃料供给量，使发动机的转速始终保持在最低稳定转速以上，而不致熄火。本文研究的主要内容是在驾驶者松离合踏板（没有踩下油门踏板）起步过程中，由发动机控制单元自行增加一定的转速即等同于驾驶员踩下了一定深度的油门，增加发动机对外输出的扭矩，以辅助驾驶者达到顺利起步的效果。

2.1 起步辅助逻辑研究

图1 起步辅助逻辑的功能框图

基于起步辅助逻辑的功能框图如上图1所示，输入由空挡开关、离合器开关、车速传感器、发动机转速传感器等组成，ECU采集这些信号后通过起步辅助逻辑增加转速及储备扭矩，由目标转速和扭矩大小计算当前的喷油量、目标节气门开度及点火提前角，通过怠速PID控制转速在目标转速附近。

图2 起步工况的判定逻辑框图

为能够准确的判定出手动档车辆时处于起步状态，设计的起步工况判定逻辑如上图2所示。

手动挡车辆起步的必要操作是驾驶员踩下离合器挂档，所以首先需要判定驾驶员是否踩下离合踏板，当驾驶员踩离合时离合开关信号由0变为1，表征驾驶员已踩下离合踏板；接着判定驾驶员是否进行挂挡操作，当挂上一挡时空挡开关的状态信号状态由1变为0，表征此时为非空挡状态，即驾驶员已进行挂入一档操作。空挡滑行时驾驶员没有踩油门，此时发动机转速很快进入怠速状态，而车速缓慢下降。如果没有采集到踩离合开关信号而出现了虚拟档位信号快速升高，且油门踏板为0，说明是空挡滑行工况。当车速大于标定值时（例如5km/h），判定车辆已顺利起步，起步工况结束。

2.2 ECU起步控制逻辑

当识别出起步工况后，ECU开始采取以下控制逻辑，增加发动机的扭矩输出。

由于发动机怠速时的目标转速是随发动机冷却水温度的不同而随时变化的，在冷机状态下发动机的转速较高，而随着发动机水温的上升转速逐渐下降，直至到热机时的稳定转速。在冷机工况下，识别到起步工况后应首先判断当前的发动机怠速目标转速是否大于设置的标定值（可以根据不同车型的不同起步性能进行确定），如果大于标定值则判断怠速转速较高发动机输出扭矩较大，不用执行起步辅助逻辑。

判断当前的怠速转速低于标定值后执行起步辅助逻辑，ECU的怠速PID控制调节进气量提升发动机怠速目标转速，同时通过退当前的点火角实现一定的储备扭矩。通过以上两个措施提升发动机的转速及储备扭矩，进而提升车辆的起步性能。

图3 起步辅助控制逻辑框图

3 功能实车标定与验证

当驾驶员开始进行起步操作时，通过离合器的传递，车辆负载缓慢的加到发动机上，此时发动机的转速会被拖低至目标转速以下，怠速PID闭环逻辑开始起作用，调节进气、点火和喷油控制发动机转速不会被拖至很低而熄火。

在某小排量车型上对起步辅助控制逻辑进行了多轮的实车标定试验，并对标定结果进行了客观数据分析和主观驾驶评价。

3.1 标定与数据分析

根据ECU软件模型，针对实现扭矩和转速提升的参数进行标定并试验；对怠速时的PID控制进行了标定及验证，保证了辅助功能的进入与退出时转速平稳的上升与下降，转速波动控制在合理的范围内，如下图四数据所示：原地怠速触发起步辅助功能，实际转速控制能快速响应目标怠速，且最大转速波动在±30转以内，怠速PID控制良好。

图4 起步辅助转速PID控制

3.2 主观驾驶评价

该车基本怠速转速为800转，本文仅是基于该车型对起步辅助功能的可靠性和效果进行试验，转速补偿分别选择100、150、200转且以不同的速度松开离合踏板进行起步试验，对比分析后选择效果较为明显的200转进行最终的具体试验及评价。

表1 驾驶性主观评价等级表

参照表一的主观评价标准，邀请不同的驾驶员对起步性能进行了主观评价，主观评价结果记录在表二中。同时利用电脑采集发动机车速、转速及油门踏板信号等数据，对数据进行客观分析，如图五中可以见，在所有起步判断逻辑条件满足后，转速增加了200转，在松离合起步后转速下降幅度得到良好的控制，经过多次验证起步过程中转速最低保持在600转以上，发动机运行平稳，起步性能良好。

表2 起步验证统计表

对比主观评价及客观数据，具有起步辅助功能的车辆在起步过程中发动机转速维持在相对较高的水平，有效降低了熄火的风险，同时避免因转速下降过低带来的车辆起步抖动，主观感觉良好，评分较高。

4 结论

本文基于手动挡车型在使用过程中经常遇到的起步易熄火问题，对起步辅助功能的逻辑进行了研究，从理论设计到实车标定与验证，证明该起步辅助功能是有效可行的。

从客观数据分析到主观驾驶性评价，结果对起步性能有很好的提升和优化，能够有效的辅助驾驶者起步，并且对发动机的转速标定控制良好，从而在某型车上实现了起步辅助功能的从无到有，对需要此辅助功能的车辆提供了一种可行的方案。但是起步辅助功能作用时的转速上升会带来怠速噪声的增加，降低整车的NVH水平，本文设置转速提升200转更多的追求起步性能，而未对NVH性能的牺牲进行主客观分析，后续工作应当系统设计与验证，做到起步性能与NVH性能的平衡。同时本文对起步性能的客观分析不够全面，仅仅是基于转速降低的幅度进行评价分析，后续工作可加入客观分析软件利用加速度传感器采集的数据对起步品质进行更为全面的分析。

[1] 刘永长.内燃机原理[M].武汉:华中科技大学出版社,2007.

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[3] 马才伏.汽车底盘构造[M].北京:北京大学出版社,2009.

[4] 吴森等译.汽油机管理系统[M].北京:北京理工大学出版社,2002.

Research and implement of launch assistance based on gas vehicle

Wu Zhe, Wu Qiong, Zhang Zhenfeng

（Technique center, Anhui Jianghuai Automobile Group CO., LTD, Anhui Hefei 230022）

The design of a simple and feasible launching auxiliary function based on analysis of vehicle lauching with manual gear box.First,we need distinguish driver's launching intention through the clutch switch sensor, vehicle neutral sensor and pedal position sensor signal,then the Electronic Control Unit (ECU) send commands to control the engine intake actuator, fuel injection and ignition to increase engine speed and reserve torque at the beginning of the launch process, in order to increase the engine capacity of resisting load, and thus enhance the launch performance.

launch assistance; calibration & validation

A

1671-7988(2018)16-177-03

U461.2

A

1671-7988(2018)16-177-03

CLC NO.: U461.2

吴哲，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.062