一种发动机启动控制方法及系统与流程

1.本发明涉及发动机控制技术领域，尤其涉及一种发动机启动控制方法及系统。


背景技术：

2.无人机重油发动机由于燃料分子量大、运动粘度高、闪点高、不易挥发，使用传统的燃油空气预混合方式难以直接点燃，当前大多采用预热或高压喷射的方式进行改善。目前无人机重油发动机冷启动成功率低，发动机负荷控制不精确，再加上现有的预热方式通常是在进气道外部对燃油进行预热，由于重油特性，即使燃油在喷射时雾化成微小的油粒，油粒在进入发动机后还需依次经过进气道、燃烧室，在此过程中燃油的温度会降低，油粒会重新凝结，难以形成混合气，连续启动过后易淹缸，从而导致发动机冷启动困难，并且会导致发动机火花塞积炭、缩短平均维护时间间隔，影响了无人机的环境适应性和使用效率，降低发动机寿命。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种发动机启动控制方法，解决目前技术中的发动机冷启动困难，导致发动机火花塞积炭、缩短平均维护时间间隔，降低使用寿命的问题。
4.为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：
5.一种发动机启动控制方法，包括：
6.获取发动机的油温和转速信息，识别发动机的运行阶段；
7.根据发动机的运行阶段以及发动机的油温和转速信息，分阶段调控发动机参数并且分阶段进行发动机加热以进行发动机启动。
8.进一步的，获取发动机的运行时间，根据发动机的运行时间和发动机的转速信息识别发动机的运行阶段。
9.进一步的，所述发动机的运行阶段包括拖动阶段、稳定着车阶段和暖车阶段；
10.当拖动电机开始拖动发动机运行并且运行时间小于等于预设运行时间一时，识别发动机处于拖动阶段；
11.当运行时间大于预设运行时间一并且发动机转速大于零时，识别发动机处于稳定着车阶段；
12.当运行时间大于预设运行时间二并且发动机转速波动小于转速波动容限值时，识别发动机处于暖车阶段。
13.进一步的，所述发动机参数包括喷油提前角、点火提前角、喷油脉宽和节气门位置角，当发动机处于拖动阶段时，所述喷油提前角根据预设的喷油提前角关于油温的插值表一计算得出，所述喷油脉宽根据预设的喷油脉宽关于油温的插值表二计算得出，所述点火提前角设定为标定固定值，节气门位置角设定为预设固定值。
14.进一步的，所述发动机参数包括喷油提前角、点火提前角、喷油脉宽和节气门位置
角，当发动机处于稳定着车阶段时，所述喷油提前角根据预设的喷油提前角关于油温的插值表一计算得出，所述喷油脉宽根据预设的喷油脉宽关于油温的插值表二计算得出，点火提前角根据发动机标定数据表进行调控，节气门位置角保持在预设固定值。
15.进一步的，所述发动机参数包括喷油提前角、点火提前角、喷油脉宽和节气门位置角，当发动机处于暖车阶段时，所述喷油提前角根据预设的喷油提前角关于油温的插值表一计算并加权补偿值一以调控，所述喷油脉宽根据预设的喷油脉宽关于油温的插值表二计算并加权补偿值二以调控，点火提前角根据发动机标定数据表进行调控，节气门位置角调整至怠速目标位置。
16.进一步的，在发动机处于拖动阶段时，当发动机的油温小于预设油温值一或者发动机的转速小于预设转速值一时，开始发动机加热；
17.在发动机处于稳定着车阶段时，维持发动机加热；
18.在发动机处于暖车阶段时，当发动机的油温大于预设油温值二并且发动机的转速大于预设转速值二时，停止发动机加热。
19.进一步的，所述发动机加热包括加热发动机燃烧室以及预热喷入发动机的油气。
20.一种发动机启动控制系统，包括：
21.加热装置，设置在发动机上；
22.采集单元，采集发动机的油温和转速信息；
23.控制单元，接收发动机的油温和转速信息，识别发动机的运行阶段，根据发动机的运行阶段以及发动机的油温和转速信息处理得到发动机参数以及加热指令，通过加热指令控制加热装置工作，发动机参数发送至发动机以控制发动机启动。
24.进一步的，所述采集单元包括油温传感器和曲轴位置传感器，所述油温传感器设置在曲轴箱以采集机油温度，所述曲轴位置传感器采集曲轴转速以获得发动机的转速。
25.进一步的，所述控制单元下发加热指令至加热控制模块，所述加热控制模块驱动加热装置工作，所述加热控制模块在控制单元与加热装置之间至少并联设置有两路。
26.进一步的，还包括与控制单元连接的上位机，所述上位机显示发动机的运行阶段、发动机参数以及加热状态。
27.进一步的，所述加热装置安装在发动机的进气道中。
28.与现有技术相比，本发明优点在于：
29.本发明所述的发动机启动控制方法及系统在发动机启动过程中进行阶段差异化的控制，在启动过程中分阶段调整使用最优的发动机参数，有效提升冷启动成功率，缩短发动机冷启动时间，保障发动机迅速升温、稳定运行；
30.能够减少积碳以及磨损，延长发动机使用寿命；
31.根据油温和发动机转速自动控制加热，并且加热控制采用冗余配置，避免对发动机加热失效，加热可靠性高，保障发动机可靠启动，也为发动机空中重启提供了可能；
32.人机交互性好，能够直观的掌握发动机的运行阶段、发动机参数以及加热状态，便于人员操作和维护。
附图说明
33.图1为本发明发动机启动控制方法中识别发动机运行阶段的流程示意图；
34.图2为本发明的发动机启动控制方法的示意图；
35.图3为本发明的发动机启动控制系统的结构示意图。
36.图中：
37.t为发动机运行时间，t
l1
为预设运行时间一，n为发动机转速，t
l2
为预设运行时间二，σ
l2
为发动机转速波动，σ
pre
为转速波动容限值。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.本发明实施例公开的一种发动机启动控制方法及系统，在发动机冷启动过程中进行阶段差异化的参数控制，提高冷启动成功率，缩短冷启动时间，减少发动机积碳及磨损，保障发动机寿命，环境适用性好。
40.如图1和图2所示，一种发动机启动控制方法，特别是用于无人机的重油发动机的冷启动控制方法，步骤包括：
41.获取发动机的油温和转速信息，识别发动机的运行阶段；
42.根据发动机的运行阶段以及发动机的油温和转速信息，分阶段调控发动机参数并分阶段进行发动机加热以进行发动机启动。
43.在发动机启动过程中进行阶段差异化的控制，根据发动机所处的不同运行阶段设置最优化的发动机参数，并且在发动机启动过程根据发动机所处的不同运行阶段以及发动机的油温和转速信息分阶段的对发动机实施加热，有效提高发动机冷启动成功率，缩短发动机冷启动时间。
44.具体的，在发动机的曲轴箱上设置油温传感器以监测机油的温度(即发动机的油温)，并且设置有曲轴位置传感器以监测曲轴转速，曲轴转速即为发动机转速，发动机的油温和转速是进行阶段差异化控制的重要因素，油温过低时，机油的粘度高，容易导致发动机启动困难，并且采用重油发动机的无人机航程远、飞行高度高，通常会处于较低的温度环境下，会进一步的导致油温过低，因而会使得发动机启动、工作更加困难，因此通过监测发动机油温和转速的方式来对发动机进行阶段差异化控制，进而在发动机启动过程中的各个运行阶段分别调整使用最优的发动机参数，从而提高发动机冷启动成功率，并且也为发动机空中重启提供了可能。
45.并且，在发动机上设置加热装置以进行发动机加热，使得机油处于适宜的温度，降低粘度，确保发动机能顺畅可靠的启动，具体的，发动机加热包括加热发动机燃烧室和预热喷入发动机的油气，加热发动机燃烧室能提高燃烧充分性，从而有利于发动机快速启动，预热喷入发动机的油气，有利于更快的形成混合气，有利于充分燃烧，减少积碳，提高发动机冷启动成功率，缩短发动机冷启动时间。
46.通常重油发动机的启动方式都是发动机先通过拖动电机拖动运转，在发动机点火成功并且发动机转速上升后拖动电机脱开，最后发动机的转速达到稳定状况则发动机启动成功，在本实施例中，获取发动机的运行时间，根据发动机的运行时间和监测到的发动机的
转速信息来识别划分发动机的运行阶段，具体的，发动机运行阶段的识别流程如图1所示，所述发动机的运行阶段包括拖动阶段、稳定着车阶段和暖车阶段；
47.在接收到启动发动机请求信号时，拖动电机开启以拖动发动机开始运行，以此开始计时，当发动机运行时间t小于等于预设运行时间一t
l1
时，识别发动机当前处于拖动阶段；
48.当发动机运行时间大于预设运行时间一t
l1
并且发动机转速n大于零时，识别发动机当前处于稳定着车阶段，在稳定着车阶段时拖动电机与发动机还处于未脱开的状态，此时发动机还未完全启动，发动机转速低于发动机启动完成后的稳定转速；
49.当运行时间大于预设运行时间二t
l2
并且发动机转速波动σ
l2
小于转速波动容限值σ
pre
时，识别发动机当前处于暖车阶段，拖动电机与发动机脱开，发动机转速从最高逐渐降低至稳定状态，发动机转速的波动逐渐减小，当发动机转速波动σ
l2
小于转速波动容限值σ
pre
时则代表发动机转速已稳定，即发动机已成功启动并达到稳定的状态。
50.按照识别出的发动机的运行阶段对应的调整使用最优的发动机参数，所述发动机参数包括喷油提前角、点火提前角、喷油脉宽和节气门位置角；
51.发动机的喷油器开始喷油时，活塞距离上止点的曲轴转角称为喷油提前角，喷油提前角的大小对重油发动机运行状况影响很大，喷油提前角过大时，将导致备燃期较长，而引起发动机工作粗暴，而喷油提前角过小时，将导致燃烧过程延后过多，最高压力值下降，从而使重油发动机热效率明显下降，因此若要保证重油发动机有良好的性能，须选定最佳喷油提前角；喷油脉宽指的是发动机主控单元控制喷油器每次喷油的时间长度，发动机油路中油压是一定的，因此喷油时流速也是一定的，喷油量只能通过喷油持续时间来控制，由于电喷发动机电子喷油嘴是通过电磁阀来控制开闭，而发动机转速较高，喷油时间很短，因此ecu给出的喷油信号是一个很短暂的脉冲信号，这个信号的时间宽度就是喷油脉宽，喷油脉宽的数值单位是毫秒(ms)，参数显示的数值越大，表示喷油器每次打开喷油的时间较长，发动机将获得较浓的混合气，参数显示的数值越小，表示喷油器每次打开喷油的时间越短，发动机将获得较稀的混合气，喷油脉宽没有一个固定的标准，一般是随着发动机转速、负荷和进气量的不同而变化；发动机工作时，点火时刻对发动机的工作性能有很大的影响，提前点火就是活塞到达压缩上止点之前火花塞跳火，点燃燃烧室内的可燃混合气，从点火时刻起到活塞到达压缩上止点，这段时间内曲轴转过的角度称为点火提前角，缸内混合气燃烧有一定的速度，即火花塞跳火到气缸内的可燃混合气完全燃烧时需要一定时间，但是由于发动机的转速很高，在这样短的时间内曲轴却可以转过很大的角度。若恰好在活塞到达上止点时点火，混合气开始燃烧时，活塞已经开始向下运动，导致发动机的功率下降，因此需要通过提前点火保证可燃混合气产生的能量能够有效的利用，提高发动机的输出功率；节气门位置角指发动机节气门的开启角度，节气门位置角的不同能够改变发动机的进气量，从而控制发动机的运转。
52.在本实施例中，根据发动机的运行时间和发动机的转速状况来识别划分发动机的运行阶段，在不同的发动机运行阶段设置最优化的发动机参数并进行发动机加热以提高发动机启动效率和成功率，缩短启动完成时间，具体的，在各发动机运行阶段的具体优化设置如下：
53.1)、在识别出发动机处于拖动阶段时，即发动机由拖动电机拖动运行开始至发动
机运行时间小于等于预设运行时间一的阶段：
54.所述喷油提前角根据预设的喷油提前角关于油温的插值表一计算得出，所述喷油脉宽根据预设的喷油脉宽关于油温的插值表二计算得出，所述点火提前角设定为标定固定值，节气门位置角设定为预设固定值，喷油提前角和喷油脉宽都根据油温进行实时的调整，选择最优的设定参数，获得最大输出功率和最小燃油消耗率，提高燃烧充分性，减少积碳产生，促进发动机转速能稳定上升，缩短发动机启动时间，点火提前角和节气门位置角则采用固定的最优值，无需随油温或者是发动机的转速进行实时调节；
55.并且，在发动机处于拖动阶段中，当发动机的油温小于预设油温值一或者发动机的转速小于预设转速值一时开始发动机加热，在机油的温度较低时，机油的粘度高，影响发动机的启动效率，利用加热装置对发动机进行加热，使得发动机能迅速升温，从而使得油温尽快提高，降低机油粘度，使得发动机能更顺畅运转，有利于发动机转动迅速升高，使得发动机能更快的达到稳定状态，缩短发动机启动时间，具体的，发动机加热包括加热发动机燃烧室以及预热喷入发动机的油气，加热发动机燃烧室有利于与机油温度升高降低粘度，并且也能提高燃油在燃烧室中的燃烧充分性，有利于获得最大功率，预热喷入发动机的油气能更快的形成混合气，提高燃烧效率和充分性，提高输出功率、降低燃油消耗率。
56.2)、在识别出发动机处于稳定着车阶段时，即发动机运行时间大于预设运行时间一并且发动机转速大于零的阶段：
57.所述喷油提前角根据预设的喷油提前角关于油温的插值表一计算得出，所述喷油脉宽根据预设的喷油脉宽关于油温的插值表二计算得出，点火提前角根据发动机标定数据表进行调控，节气门位置角保持在预设固定值，喷油提前角和喷油脉宽依然是根据油温进行实时的调整，选择最优的设定参数以促进发动机可靠启动，节气门位置角保持在与拖动阶段相同的状态，无需调整，保障进气充足以使燃烧充分，当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，发动机功率和耗油率随点火提前角的改变而变化，对应于发动机每一工况都存在一个最佳点火提前角，点火提前角调控所依据的发动机标定数据表是点火提前角关于发动机工况的插值表，根据发动机工况实时调节点火提前角至最佳值，提高发动机输出功率、降低燃油消耗率；
58.在稳定着车阶段中维持发动机加热，保持加热装置对发动机进行加热，加热发动机燃烧室的同时预热喷入发动机的油气，提高燃烧充分性，提高输出功率、降低燃油消耗率，有利于发动机转速加快稳定。
59.3)、在识别出发动机处于暖车阶段时，即发动机运行时间大于预设运行时间二并且发动机转速波动小于转速波动容限值的阶段：
60.所述喷油提前角根据预设的喷油提前角关于油温的插值表一计算并加权补偿值一以调控，所述喷油脉宽根据预设的喷油脉宽关于油温的插值表二计算并加权补偿值二以调控，点火提前角根据发动机标定数据表进行调控，节气门位置角调整至怠速目标位置，喷油提前角和喷油脉宽依然是根据油温进行实时的调整，但在此基础上还需要分别加权在暖车阶段的补偿值进行进一步的精确修正，使得喷油提前角和喷油脉宽设定为最优的参数值，从而保证发动能够维持稳定的状况，获得最大输出功率和最小燃油消耗率，点火提前角的最优值设定与稳定着车阶段相同，都是根据发动机标定数据表进行调整设定，使得点火提前角符合发动机实时的工况，可使发动机每循环所做的机械功最多，混合气从点燃、燃烧
到烧完有一个时间过程，最佳点火提前角的作用就是在各种不同工况下使气体膨胀趋势最大段处于活塞做功下降行程，这样效率最高，振动最小，温度升高最低，提高发动机输出功率、降低燃油消耗率；
61.在暖车阶段中，当发动机的油温大于预设油温值二并且发动机的转速大于预设转速值二时，则代表发动机已成功启动并达到稳定状态，此时无需再对发动机进行加热，将加热装置关闭以停止发动机加热，即，停止加热发动机燃烧室也停止预热喷入发动机的油气，此时发动机的机油温度已上升至稳定状况，汽缸—活塞环区的油膜覆盖良好，发动机运转良好，燃烧室的温度也处于较高状态，能够保障混合气燃烧充分，从而无需再利用加热装置加热发动机，关闭加热装置能延长加热装置的使用寿命，提高耐用性，也能降低整体能耗。
62.如图3所示，基于上述发动机启动控制方法的启动控制系统，主要包括：
63.加热装置，设置在发动机上以进行发动机加热；
64.采集单元，采集发动机的油温和转速信息，所述采集单元具体包括油温传感器和曲轴位置传感器，所述油温传感器设置在曲轴箱以采集机油温度，所述曲轴位置传感器采集曲轴转速以获得发动机的转速；
65.控制单元，接收采集单元采集到的发动机油温和转速信息，识别发动机的运行阶段，根据发动机的运行阶段以及发动机的油温和转速信息，综合处理得到发动机参数以及加热指令，通过加热指令控制加热装置工作，发动机参数发送至发动机以控制发动机启动。
66.所述控制单元下发的加热指令通过信号放大模块处理后发送至加热控制模块，加热控制模块驱动加热装置工作，并且加热控制模块在控制单元与加热装置之间并联设置有两路，采用冗余配置，双信号控制加热装置工作，其中一个加热控制模块失效时，另一个加热控制模块仍然能正常驱动加热装置工作，保障发动机加热不失效，确保发动机能迅速升温，进而提高发动机启动成功率。
67.具体的，所述加热装置设置在发动机的进气道上以加热发动机并且预热喷入发动机的油气，加热装置开启工作时能保持发动机进气道处于加热状态同时使燃烧室也处于加热状态，能够预热喷入发动机的油气，使得更快的形成混合气，并且混合气在温度较高的燃烧室中能够更充分进行燃烧，从而提高输出功率，提高燃油的利用充分率，加热装置使得发动机整体快速升温，能使得发动机中的机油温度快速升高，避免机油处于低温的高粘度状态，有利于在汽缸—活塞环区快速形成覆盖良好的油膜，使得发动机能够更快的运转至稳定状态，提高发动机启动速度和成功率。
68.发动机启动控制系统还包括与控制单元连接的上位机，所述上位机与控制单元通过can总线通讯，所述上位机显示发动机的运行阶段、发动机参数以及加热状态，具有较好的人机交互性，在启动过程中能够直观的实时展示发动机具体处于何种运行阶段，以及在该具体运行阶段时的发动机参数和加热状态，便于人员操作和维护。
69.上述的发动机启动控制系统的具体工作过程为，控制单元根据发动机的运行时间和曲轴位置传感器采集到的发动机转速状况来识别划分发动机的运行阶段；
70.1)、在接收到启动发动机请求信号时，拖动电机开启以拖动发动机开始运行，以此开始计时，当发动机运行时间小于等于预设运行时间一时，控制单元识别发动机当前处于拖动阶段，然后，控制单元根据发动机当前所处的拖动阶段以及此时的油温传感器采集到的机油温度，调整设定最佳的发动机参数，所述发动机参数包括喷油提前角、点火提前角、
喷油脉宽和节气门位置角；
71.具体的，控制单元根据预设的喷油提前角关于油温的插值表一计算得出在拖动阶段的实时的喷油提前角，控制单元根据预设的喷油脉宽关于油温的插值表二计算得出在拖动阶段的实时的喷油脉宽，所述点火提前角设定为标定固定值，节气门位置角设定为预设固定值，控制单元处理得到最优的发动机参数并根据最优的发动机参数控制发动机在拖动阶段的运行，获得最大输出功率和最小燃油消耗率，提高燃烧充分性，减少积碳产生，促进发动机转速稳定上升，缩短发动机启动时间；同时，控制单元根据发动机的油温和转速信息处理得到加热指令，具体的，当发动机的油温小于预设油温值一或者发动机的转速小于预设转速值一时，控制单元发出开启加热的加热指令，加热指令发送至加热控制模块，加热控制模块驱动加热装置开启以进行发动机加热，既加热燃烧室也对进气道进行加热，使得喷入发动机的油气得到预热，更快的形成混合气，提高燃烧充分性，提高输出功率、降低燃油消耗率，使得发动机快速升温，特别对于冷启动以及环境温度较低时能有效缩短启动时间；
72.2)、当发动机运行时间大于预设运行时间一并且发动机转速大于零时，控制单元识别发动机当前处于稳定着车阶段，然后，控制单元根据发动机当前所处的稳定着车阶段以及此时的油温传感器采集到的机油温度，调整设定最佳的发动机参数；
73.具体的，控制单元根据预设的喷油提前角关于油温的插值表一计算得出在稳定着车阶段的实时的喷油提前角，控制单元根据预设的喷油脉宽关于油温的插值表二计算得出在稳定着车阶段的实时的喷油脉宽，控制单元根据发动机标定数据表设置点火提前角，节气门位置角保持在预设固定值不变，控制单元处理得到的以上最优发动机参数发送至发动机以使发动机在稳定着车阶段按照所设定的发动机参数运行，确保获得最大输出功率和最小燃油消耗率，提高启动成功率，缩短发动机启动时间；同时，控制单元根据发动机的油温和转速信息处理得到加热指令，具体的，在稳定着车阶段，控制单元发出维持加热的加热指令，加热指令发送至加热控制模块，加热控制模块驱动加热装置工作以维持对发动机的加热，保障提高燃烧充分性，提高输出功率、降低燃油消耗率，提高发动机启动效率，缩短启动时间；
74.3)、当运行时间大于预设运行时间二并且发动机转速波动小于转速波动容限值时，控制单元识别发动机当前处于暖车阶段，并且控制拖动电机与发动机脱开，发动机启动成功并达到稳定的怠速运转状态；
75.具体的，控制单元根据预设的喷油提前角关于油温的插值表一计算并加权补偿值一以得到在稳定着车阶段的实时的喷油提前角，控制单元根据预设的喷油脉宽关于油温的插值表二计算并加权补偿值二以得到在稳定着车阶段的实时的喷油脉宽，控制单元根据发动机标定数据表设置点火提前角，节气门位置角调整至怠速目标位置，控制单元处理得到的以上最优发动机参数发送至发动机以使发动机在暖车阶段按照所设定的发动机参数运行，喷油提前角和喷油脉宽根据油温进行实时的调整，并且在此基础上分别加权在暖车阶段的补偿值以进一步的进行精确修正，确保能获得最大输出功率和最小燃油消耗率；同时，控制单元根据发动机的油温和转速信息处理得到加热指令，具体的，在暖车阶段中，当发动机的油温大于预设油温值二并且发动机的转速大于预设转速值二时，控制单元发出停止加热的加热指令，加热指令发送至加热控制模块，加热控制模块驱动加热装置关闭以停止对发动机的加热，此时发动机已达到稳定状态，其自身运行时产生的热量已足以维持发动机
高效稳定运转，因此将加热装置关闭不会影响发动机的运转，并且能够延长加热装置的使用寿命，提高加热装置的耐用性。
76.控制单元在识别出发动机的运行阶段后结合发动机的运行阶段以及发动机油温和转速信息，综合处理得到发动机的各运行阶段最佳的发动机参数，将发动机参数发送至发动机以使发动机按照最佳的发动机参数进行运转，提高发动机启动成功率，提高输出功率，减小燃油消耗率，并且综合处理得到发动机的各运行阶段的加热指令，使得加热装置在发动机的各运行阶段按照加热指令进行开闭，使得发动机能迅速升温，缩短发动机启动时间，提高发动机启动成功率，为无人机重油发动机空中重启提供了可能，在发动机启动成功后自动控制加热装置关闭，降低能耗，保障加热装置的使用寿命。
77.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。