基于某種小型汽車起步輔助功能的研究

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中心，安徽 合肥 230022）

基于對手動擋車輛起步困難的分析，設計一個簡單可行的起步輔助功能，通過整車上的離合開關傳感器、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，在起步動作時由發動機電子控制單元（ECU）發送指令控制發動機執行器調整進氣、噴油和點火，在起步過程中增加發動機轉速及發動機的儲備扭矩，以達到增加發動機抗負載的能力，進而提升起步的性能。

起步輔助；標定驗證

引言

隨著節能環保越來越受重視，乘用車汽油發動機朝著增壓小型化方向發展，從而實現整車節能減排的目的，如當前出現了以1.0T、1.3T、1.4T和1.5T排量的汽油發動機為市場主體，匹配中小型SUV及轎車。但是小排量發動機在低轉速時由于渦輪增壓器沒有介入工作，會有低轉速區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生起步困難、起步失敗，本文基于此問題設計了可行的起步輔助功能以優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，離合器壓盤與發動機飛輪端逐漸壓緊，發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過一個滑動摩擦的狀態，又稱離合器半聯動狀態，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：離合器結合的快，發動機受到外界負載的干擾就越大，轉速會突然下降，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，發動機所受阻力矩逐漸增大，轉速會逐步降低，為避免發動機轉速的持續降低故應同時逐漸踩下加速踏板，即逐步增加對發動機的燃料供給量，使發動機的轉速始終保持在最低穩定轉速以上，而不致熄火。本文研究的主要內容是在駕駛者松離合踏板（沒有踩下油門踏板）起步過程中，由發動機控制單元自行增加一定的轉速即等同于駕駛員踩下了一定深度的油門，增加發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、離合器開關、車速傳感器、發動機轉速傳感器等組成，ECU采集這些信號后通過起步輔助邏輯增加轉速及儲備扭矩，由目標轉速和扭矩大小計算當前的噴油量、目標節氣門開度及點火提前角，通過怠速PID控制轉速在目標轉速附近。

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，設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信號由0變為1，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的狀態信號狀態由1變為0，表征此時為非空擋狀態，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，此時發動機轉速很快進入怠速狀態，而車速緩慢下降。如果沒有采集到踩離合開關信號而出現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，增加發動機的扭矩輸出。

由于發動機怠速時的目標轉速是隨發動機冷卻水溫度的不同而隨時變化的，在冷機狀態下發動機的轉速較高，而隨著發動機水溫的上升轉速逐漸下降，直至到熱機時的穩定轉速。在冷機工況下，識別到起步工況后應首先判斷當前的發動機怠速目標轉速是否大于設置的標定值（可以根據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速較高發動機輸出扭矩較大，不用執行起步輔助邏輯。

判斷當前的怠速轉速低于標定值后執行起步輔助邏輯，ECU的怠速PID控制調節進氣量提升發動機怠速目標轉速，同時通過退當前的點火角實現一定的儲備扭矩。通過以上兩個措施提升發動機的轉速及儲備扭矩，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動機上，此時發動機的轉速會被拖低至目標轉速以下，怠速PID閉環邏輯開始起作用，調節進氣、點火和噴油控制發動機轉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，并對標定結果進行了客觀數據分析和主觀駕駛評價。

3.1 標定與數據分析

根據ECU軟件模型，針對實現扭矩和轉速提升的參數進行標定并試驗；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速平穩的上升與下降，轉速波動控制在合理的范圍內，如下圖四數據所示：原地怠速觸發起步輔助功能，實際轉速控制能快速響應目標怠速，且最大轉速波動在±30轉以內，怠速PID控制良好。

圖4 起步輔助轉速PID控制

3.2 主觀駕駛評價

該車基本怠速轉速為800轉，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，轉速補償分別選擇100、150、200轉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，主觀評價結果記錄在表二中。同時利用電腦采集發動機車速、轉速及油門踏板信號等數據，對數據進行客觀分析，如圖五中可以見，在所有起步判斷邏輯條件滿足后，轉速增加了200轉，在松離合起步后轉速下降幅度得到良好的控制，經過多次驗證起步過程中轉速最低保持在600轉以上，發動機運行平穩，起步性能良好。

表2 起步驗證統計表

對比主觀評價及客觀數據，具有起步輔助功能的車輛在起步過程中發動機轉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 結論

本文基于手動擋車型在使用過程中經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。

從客觀數據分析到主觀駕駛性評價，結果對起步性能有很好的提升和優化，能夠有效的輔助駕駛者起步，并且對發動機的轉速標定控制良好，從而在某型車上實現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速上升會帶來怠速噪聲的增加，降低整車的NVH水平，本文設置轉速提升200轉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，后續工作應當系統設計與驗證，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，僅僅是基于轉速降低的幅度進行評價分析，后續工作可加入客觀分析軟件利用加速度傳感器采集的數據對起步品質進行更為全面的分析。

[1] 劉永長.內燃機原理[M].武漢:華中科技大學出版社,2007.

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[3] 馬才伏.汽車底盤構造[M].北京:北京大學出版社,2009.

[4] 吳森等譯.汽油機管理系統[M].北京:北京理工大學出版社,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

吳哲，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.062