吳哲，吳瓊，張振鋒

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基于某種小型汽車起步輔助功能的研究

吳哲，吳瓊，張振鋒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230022）

基于對手動擋車輛起步困難的分析，設(shè)計一個簡單可行的起步輔助功能，通過整車上的離合開關(guān)傳感器、空擋傳感器及油門位置傳感器等信號判斷駕駛員的起步意圖，在起步動作時由發(fā)動機電子控制單元（ECU）發(fā)送指令控制發(fā)動機執(zhí)行器調(diào)整進氣、噴油和點火，在起步過程中增加發(fā)動機轉(zhuǎn)速及發(fā)動機的儲備扭矩，以達到增加發(fā)動機抗負載的能力，進而提升起步的性能。

起步輔助；標定驗證

引言

隨著節(jié)能環(huán)保越來越受重視，乘用車汽油發(fā)動機朝著增壓小型化方向發(fā)展，從而實現(xiàn)整車節(jié)能減排的目的，如當前出現(xiàn)了以1.0T、1.3T、1.4T和1.5T排量的汽油發(fā)動機為市場主體，匹配中小型SUV及轎車。但是小排量發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時由于渦輪增壓器沒有介入工作，會有低轉(zhuǎn)速區(qū)間輸出扭矩偏小的問題，尤其是在怠速工況下，因此小排量發(fā)動機匹配手動變速箱的車型就會遇到起步性能較差的難題。起步性能差導致初級駕駛者駕駛車輛時極易發(fā)生起步困難、起步失敗，本文基于此問題設(shè)計了可行的起步輔助功能以優(yōu)化手動擋車型的起步性能，最終幫助駕駛者駕駛車輛時順利起步。

1 起步動作分析

對于手動擋車型，一個典型的起步動作具體過程：駕駛員起動車輛，踩下離合器踏板，掛上一擋，緩慢的抬起離合踏板，車輛順利起步。起步的順利與否從外部分析原因取決于駕駛者抬起離合踏板的快慢，越快則越容易起步失敗；從車輛傳動的內(nèi)部分析原因如下：當駕駛者抬起離合踏板時，離合器壓盤與發(fā)動機飛輪端逐漸壓緊，發(fā)動機開始向外輸出動力，這個過程中離合器壓盤與飛輪會經(jīng)過一個滑動摩擦的狀態(tài)，又稱離合器半聯(lián)動狀態(tài)，駕駛者松開離合踏板的快慢決定了此滑動摩擦過程時間的長短，簡單的說，離合踏板松的越快滑動摩擦時間越短，車輛起步越困難，這是因為：離合器結(jié)合的快，發(fā)動機受到外界負載的干擾就越大，轉(zhuǎn)速會突然下降，最終導致熄火。

2 起步輔助功能研究

基于以上對起步過程的分析，在離合器接合過程中，發(fā)動機所受阻力矩逐漸增大，轉(zhuǎn)速會逐步降低，為避免發(fā)動機轉(zhuǎn)速的持續(xù)降低故應同時逐漸踩下加速踏板，即逐步增加對發(fā)動機的燃料供給量，使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速始終保持在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速以上，而不致熄火。本文研究的主要內(nèi)容是在駕駛者松離合踏板（沒有踩下油門踏板）起步過程中，由發(fā)動機控制單元自行增加一定的轉(zhuǎn)速即等同于駕駛員踩下了一定深度的油門，增加發(fā)動機對外輸出的扭矩，以輔助駕駛者達到順利起步的效果。

2.1 起步輔助邏輯研究

圖1 起步輔助邏輯的功能框圖

基于起步輔助邏輯的功能框圖如上圖1所示，輸入由空擋開關(guān)、離合器開關(guān)、車速傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器等組成，ECU采集這些信號后通過起步輔助邏輯增加轉(zhuǎn)速及儲備扭矩，由目標轉(zhuǎn)速和扭矩大小計算當前的噴油量、目標節(jié)氣門開度及點火提前角，通過怠速PID控制轉(zhuǎn)速在目標轉(zhuǎn)速附近。

圖2 起步工況的判定邏輯框圖

為能夠準確的判定出手動檔車輛時處于起步狀態(tài)，設(shè)計的起步工況判定邏輯如上圖2所示。

手動擋車輛起步的必要操作是駕駛員踩下離合器掛檔，所以首先需要判定駕駛員是否踩下離合踏板，當駕駛員踩離合時離合開關(guān)信號由0變?yōu)?，表征駕駛員已踩下離合踏板；接著判定駕駛員是否進行掛擋操作，當掛上一擋時空擋開關(guān)的狀態(tài)信號狀態(tài)由1變?yōu)?，表征此時為非空擋狀態(tài)，即駕駛員已進行掛入一檔操作。空擋滑行時駕駛員沒有踩油門，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速很快進入怠速狀態(tài)，而車速緩慢下降。如果沒有采集到踩離合開關(guān)信號而出現(xiàn)了虛擬檔位信號快速升高，且油門踏板為0，說明是空擋滑行工況。當車速大于標定值時（例如5km/h），判定車輛已順利起步，起步工況結(jié)束。

2.2 ECU起步控制邏輯

當識別出起步工況后，ECU開始采取以下控制邏輯，增加發(fā)動機的扭矩輸出。

由于發(fā)動機怠速時的目標轉(zhuǎn)速是隨發(fā)動機冷卻水溫度的不同而隨時變化的，在冷機狀態(tài)下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速較高，而隨著發(fā)動機水溫的上升轉(zhuǎn)速逐漸下降，直至到熱機時的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。在冷機工況下，識別到起步工況后應首先判斷當前的發(fā)動機怠速目標轉(zhuǎn)速是否大于設(shè)置的標定值（可以根據(jù)不同車型的不同起步性能進行確定），如果大于標定值則判斷怠速轉(zhuǎn)速較高發(fā)動機輸出扭矩較大，不用執(zhí)行起步輔助邏輯。

判斷當前的怠速轉(zhuǎn)速低于標定值后執(zhí)行起步輔助邏輯，ECU的怠速PID控制調(diào)節(jié)進氣量提升發(fā)動機怠速目標轉(zhuǎn)速，同時通過退當前的點火角實現(xiàn)一定的儲備扭矩。通過以上兩個措施提升發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及儲備扭矩，進而提升車輛的起步性能。

圖3 起步輔助控制邏輯框圖

3 功能實車標定與驗證

當駕駛員開始進行起步操作時，通過離合器的傳遞，車輛負載緩慢的加到發(fā)動機上，此時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速會被拖低至目標轉(zhuǎn)速以下，怠速PID閉環(huán)邏輯開始起作用，調(diào)節(jié)進氣、點火和噴油控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速不會被拖至很低而熄火。

在某小排量車型上對起步輔助控制邏輯進行了多輪的實車標定試驗，并對標定結(jié)果進行了客觀數(shù)據(jù)分析和主觀駕駛評價。

3.1 標定與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)ECU軟件模型，針對實現(xiàn)扭矩和轉(zhuǎn)速提升的參數(shù)進行標定并試驗；對怠速時的PID控制進行了標定及驗證，保證了輔助功能的進入與退出時轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的上升與下降，轉(zhuǎn)速波動控制在合理的范圍內(nèi)，如下圖四數(shù)據(jù)所示：原地怠速觸發(fā)起步輔助功能，實際轉(zhuǎn)速控制能快速響應目標怠速，且最大轉(zhuǎn)速波動在±30轉(zhuǎn)以內(nèi)，怠速PID控制良好。

圖4 起步輔助轉(zhuǎn)速PID控制

3.2 主觀駕駛評價

該車基本怠速轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)，本文僅是基于該車型對起步輔助功能的可靠性和效果進行試驗，轉(zhuǎn)速補償分別選擇100、150、200轉(zhuǎn)且以不同的速度松開離合踏板進行起步試驗，對比分析后選擇效果較為明顯的200轉(zhuǎn)進行最終的具體試驗及評價。

表1 駕駛性主觀評價等級表

參照表一的主觀評價標準，邀請不同的駕駛員對起步性能進行了主觀評價，主觀評價結(jié)果記錄在表二中。同時利用電腦采集發(fā)動機車速、轉(zhuǎn)速及油門踏板信號等數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行客觀分析，如圖五中可以見，在所有起步判斷邏輯條件滿足后，轉(zhuǎn)速增加了200轉(zhuǎn)，在松離合起步后轉(zhuǎn)速下降幅度得到良好的控制，經(jīng)過多次驗證起步過程中轉(zhuǎn)速最低保持在600轉(zhuǎn)以上，發(fā)動機運行平穩(wěn)，起步性能良好。

表2 起步驗證統(tǒng)計表

對比主觀評價及客觀數(shù)據(jù)，具有起步輔助功能的車輛在起步過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持在相對較高的水平，有效降低了熄火的風險，同時避免因轉(zhuǎn)速下降過低帶來的車輛起步抖動，主觀感覺良好，評分較高。

4 結(jié)論

本文基于手動擋車型在使用過程中經(jīng)常遇到的起步易熄火問題，對起步輔助功能的邏輯進行了研究，從理論設(shè)計到實車標定與驗證，證明該起步輔助功能是有效可行的。

從客觀數(shù)據(jù)分析到主觀駕駛性評價，結(jié)果對起步性能有很好的提升和優(yōu)化，能夠有效的輔助駕駛者起步，并且對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速標定控制良好，從而在某型車上實現(xiàn)了起步輔助功能的從無到有，對需要此輔助功能的車輛提供了一種可行的方案。但是起步輔助功能作用時的轉(zhuǎn)速上升會帶來怠速噪聲的增加，降低整車的NVH水平，本文設(shè)置轉(zhuǎn)速提升200轉(zhuǎn)更多的追求起步性能，而未對NVH性能的犧牲進行主客觀分析，后續(xù)工作應當系統(tǒng)設(shè)計與驗證，做到起步性能與NVH性能的平衡。同時本文對起步性能的客觀分析不夠全面，僅僅是基于轉(zhuǎn)速降低的幅度進行評價分析，后續(xù)工作可加入客觀分析軟件利用加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)對起步品質(zhì)進行更為全面的分析。

[1] 劉永長.內(nèi)燃機原理[M].武漢:華中科技大學出版社,2007.

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[3] 馬才伏.汽車底盤構(gòu)造[M].北京:北京大學出版社,2009.

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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

吳哲，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.062