專利名稱：小型通用汽油發(fā)動機電子控制燃油噴射系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及小型通用發(fā)動機控制系統(tǒng)的改進技術。
背景技術：
小型通用汽油發(fā)動機通常是指排量較小的單缸或雙缸發(fā)動機，這些發(fā)動機主要用 于割草機、發(fā)電機組、電鋸和水泵等。據(jù)不完全統(tǒng)計，每年小型通用汽油發(fā)動機全球銷售超 過幾百萬臺，主要市場為歐美等國家。隨著國外勞動力成本不斷上升，小型通用發(fā)動機生產 已經(jīng)轉向中國。
隨著能源及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的影響，現(xiàn)在小型通用發(fā)動機同樣面臨著汽油發(fā)動機 所面臨的問題油耗和排放。由于小型通用發(fā)動機仍然采用傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的供油技術，即 化油器式供油方式，這樣就導致了在節(jié)能減排等方面諸多問題。盡管目前每個國家對小型 發(fā)動機的排放要求還不是很高，傳統(tǒng)技術能夠達到排放控制的要求，但隨著排放法規(guī)要求 日趨嚴厲，同時用戶對油耗的要求日趨提高，傳統(tǒng)化油器式供油方式已經(jīng)不能滿足油耗和 排放要求。為此，通用發(fā)動機制造企業(yè)試圖尋找一種新的方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)供油方式，以滿足 排放和油耗的要求。首先考慮到的就是與車用汽油發(fā)動機一樣的電子燃油噴射控制系統(tǒng)， 從試驗角度來看，將車用發(fā)動機的電控系統(tǒng)移植到小型通用發(fā)動機上載油耗和排放方面都 有明顯的提高，但是其成本是企業(yè)不能回避的問題。如果完全移植車用汽油發(fā)動機電控系 統(tǒng)，勢必增加很多的傳感器和執(zhí)行器，同時還需要增加控制單元，其成本的增加至少是好幾 百元，這是以薄利多銷為原則的小型通用發(fā)動機制造商難以接受的。
直接移植車用發(fā)動機電控系統(tǒng)到小型通用發(fā)動機上的優(yōu)缺點在研究小型發(fā)動機控制技術時，我們可以從兩個方面進行研究一是直接移植車用發(fā) 動機電控系統(tǒng)技術；另外一種是根據(jù)小型發(fā)動機結構，從全新的角度去研究其控制技術。
車用電控發(fā)動機的主要結構和工作方式車用電控發(fā)動機經(jīng)過一段時間的發(fā)展，其技術日趨成熟。硬件主要由控制器、傳感器和 執(zhí)行器三部分組成。傳感器的作用是將發(fā)動機運行過程中一些非電量信號轉化為電信號， 控制器在接收到這些信號之后通過一定的算法，計算出該工況下的進氣量、噴油量及點火 時刻等，然后將一些指令發(fā)送到節(jié)氣門體和點火線圈等執(zhí)行器，精確地控制各種參數(shù)，從而 有效降低發(fā)動機運行過程中的油耗和排放。在該系統(tǒng)中，其核心技術是控制過程中算法，這 也是發(fā)動機控制技術的核心技術部分，好的算法能使控制更為精確，其控制結果也使得發(fā) 動機的性能表現(xiàn)得更為優(yōu)越。其工工作方式如圖1所示。
將車用電控發(fā)動機的結構移植到通用發(fā)動機上優(yōu)缺點優(yōu)勢很顯然，如果直接將該機構直接應用在通用小型發(fā)動機，完全能滿足發(fā)動機控制 要求，而且能有效地提高發(fā)動機性能，同時降低發(fā)動機的油耗和排放。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以 下幾個方面首先是減少開發(fā)成本，如果直接移植，會有效的降低開發(fā)過程中的費用；其次 該技術已經(jīng)非常成熟，能有效保證移植之后發(fā)動機的工作性能。
缺陷如果直接將該結束移植到通用發(fā)動機上，同樣存在在不少缺陷首先是帶來小型通用汽油發(fā)動機成本的增加，由于小型通用發(fā)動機生產對成本要求就非常高，如果 控制技術的引入會帶來成本成倍增加，這是任何制造商都不能接受的；從硬件上說，如果按 照傳統(tǒng)發(fā)動機控制技術來設計，必將更改很多發(fā)動機設計，會帶來更多設計費用，同時小型 發(fā)動機空間有限，為很多電控零部件的布置帶來一定影響；由于小型發(fā)動機是單缸發(fā)動機， 因此目前車用發(fā)動機控制技術很多在小型發(fā)動機上沒有實際意義，這無疑造成了資源浪 費；對于我國對電控發(fā)動機研究而言，并沒有掌握核心技術，如果使用移植技術，我國仍然 很難在歐美發(fā)動機控制研究方面更進一步，因此研究也變得毫無意義；對于控制系統(tǒng)開發(fā)， 在研究發(fā)動機控制系統(tǒng)時候，其算法和控制單元設計將是影響到控制結果關鍵因素，這不 是短時間就能完成的。
綜上所述，如果直接移植現(xiàn)在在車輛上使用的發(fā)動機電控技術，在帶來小型發(fā)動 機成本增加的同時，也使得發(fā)動機控制技術沒有質的改變，其作為一個新的項目來研究也 就毫無意義。因此，從一種全新的角度來研究小型發(fā)動機的電控系統(tǒng)，在控制成本的同時使 該技術從新的方向有所突破，才能真正體現(xiàn)小型通用發(fā)動機電控技術研究的實際意義。發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種小型通用汽油發(fā)動機電子控制燃油噴射系統(tǒng)，本發(fā)明從一種全新 的角度出發(fā)，提出了實用于小型通用發(fā)動機電控系統(tǒng)，實現(xiàn)小型通用發(fā)動機的電子燃油噴 射、點火控制以及進氣控制等。
為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術方案(一)采用控制系統(tǒng)所述控制系統(tǒng)包括傳感器、控制單元、執(zhí)行器；所用發(fā)動機為單缸四沖程自然吸氣發(fā)動 機；傳感器感知曲軸位置觸發(fā)信號、凸輪軸位置觸發(fā)信號，將信號傳送到控制單元，控制單 元控制步進電機、點火線圈、噴油器、油泵工作；發(fā)動機進氣系統(tǒng)取消掉化油器和阻風門等機構，由怠速控制閥代替；原來化油器位置 更改為怠速控制閥，同時在控制閥與進氣門之間預留安裝噴油嘴的位置；(二)小型通用汽油發(fā)動機工作時確定小型發(fā)動機運行過程中壓縮沖程上止點電控單元傳感器需要準確感知曲軸位置信號，以便發(fā)動機精確控制噴油時刻和點火時刻；用小型通用發(fā)動機的凸輪軸來精確地確定壓縮沖程上止點；精確確定進氣沖程、排氣 沖程和做功沖程開始和結束時刻；通過發(fā)動機控制單元，有效的控制發(fā)動機的點火時刻，即 點火提前角；在確定進氣沖程開始以后，通過發(fā)動機控制單元就可以有效控制發(fā)動機的噴 油時刻；(三)控制小型發(fā)動機的運行狀態(tài)直接引入傳統(tǒng)發(fā)動機怠速控制方式，即怠速控制閥的方式來進行控制；怠速控制閥的滿足一下幾個條件首先是怠速控制閥選用連續(xù)控制模式，及進入空氣 量的多少可以由少到多的連續(xù)控制；其次是最大進氣量必須滿足發(fā)動機在最大負荷下工作 時需要的進氣量。
本發(fā)明實現(xiàn)小型通用發(fā)動機的電子燃油噴射、點火控制以及進氣控制等，具有節(jié) 能，成本低的優(yōu)點。
圖1是背景技術中電控發(fā)動機工作原理圖；圖2是本發(fā)明小型發(fā)動機電控工作原理圖；圖3是本發(fā)明進氣系統(tǒng)控制原理圖。
具體實施方式
小型通用汽油發(fā)動機電子控制燃油噴射系統(tǒng)設計要點如下1、小型通用汽油發(fā)動機工作原理及過程為了研究一種新的小型汽油發(fā)動機電子控制系統(tǒng)，必須對小型汽油發(fā)動機結構、功能 以及工作過程有全面的了解。
傳統(tǒng)小型通用發(fā)動機為四沖程發(fā)動機，其進氣方式同樣為自然吸氣；進油量通過 化油器進行控制；而點火是通過飛輪上安裝磁性零部件，與點火器共同作用完成點火的。從 通用發(fā)動機的基本結構可以看出，它與傳統(tǒng)化油器式的汽油發(fā)動機結構式完全一致的，其 缺點是無法精確控制進氣量、噴油量和點火時刻，因此也很難更進一步優(yōu)化發(fā)動機的排放 和油耗。
小型通用發(fā)動機是以控制發(fā)動機轉速為基礎的。通常來說，小型發(fā)動機有低怠速 和高怠速兩種轉速。小型發(fā)動機處于工作狀態(tài)時，一般是運行在高怠速下，當工作負荷增 加的時候，通常轉速是有所下降的，此時通過調速彈簧拉動風門，以補充進氣量而增加發(fā)動 機的輸出功率，同時使發(fā)動機維持在一個比較穩(wěn)定的轉速范圍內。由此看來，我們要對小型 汽油進行電子控制，只需要在控制轉速的基礎上，優(yōu)化空燃比，這樣就能有效降低排放和油 耗。
2、小型通用發(fā)動機電控總體結構研究思路小型通用通用發(fā)動機控制系統(tǒng)結構由傳感器、控制器和執(zhí)行器組成。為了有效降低控 制系統(tǒng)成本，某些傳感器信號可以由觸發(fā)信號弱代替，這些觸發(fā)信號的產生和發(fā)動機機械 結構息息相關。小型發(fā)動機控制系統(tǒng)原理圖2所示汽油發(fā)動機電子控制技術的關鍵，是需要找到發(fā)動機運行過程中壓縮沖程的上止點， 由此精確的控制發(fā)動機的噴油時刻和點火時刻，當然其進氣量的多少直接影響到噴油量， 從而決定了發(fā)動機轉速。因此，小型發(fā)動機控制技術從上述幾個方面進行。
2.1如何確定小型發(fā)動機運行過程中壓縮沖程上止點傳統(tǒng)的發(fā)動機控制技術是通過曲軸、傳感器和凸輪軸位置傳感器來完成，由于傳統(tǒng)電 控發(fā)動機技術是針對四沖程多缸發(fā)動機進行的，這種發(fā)動機除了需要對發(fā)動機運行狀態(tài)及 曲軸的位置進行判斷外，還需要對發(fā)動機某缸處于什么狀態(tài)進行判斷，因此在傳統(tǒng)發(fā)動機 電控技術中，引入了曲軸位置和凸輪軸位置傳感器來確定曲軸位置和發(fā)動機是哪一缸處于 壓縮沖程的上止點，從而有效地控制發(fā)動機噴油時刻和點火時刻。
根據(jù)小型汽油發(fā)動機結構和工作原理可知，其為單缸四沖程自然吸氣發(fā)動機，因 此其電控技術的研究首先應給電控單元準確的曲軸位置信號，以便發(fā)動機精確控制噴油時 刻和點火時刻。由于不需要進行判斷是哪一缸達到了壓縮沖程上止點，因此小型發(fā)動機電 控技術對于噴油點火的控制顯得更為容易。為了精確地確定壓縮沖程上止點，可以用小型通用發(fā)動機的凸輪軸來完成。我們知道，發(fā)動機在運行過程，曲軸每旋轉兩轉才能完成一個 工作循環(huán)，如果利用曲軸來判斷是否在壓縮沖程還是排氣沖程的上止點，是非常困難的。而 利用凸輪軸完成信息的傳遞就顯得相對簡單，因為凸輪軸在一個工作循環(huán)中只旋轉一周， 因此利用凸輪軸行線就能比較精確的確定壓縮沖程上止點。當然利用凸輪軸，不僅僅可以 精確確定壓縮沖程的上止點，還可以精確確定進氣沖程、排氣沖程和做功沖程開始和結束 時刻。在確定壓縮沖程上止點后，通過發(fā)動機控制單元，就可以有效的控制發(fā)動機的點火時 刻，即點火提前角；在確定進氣沖程開始以后，通過發(fā)動機控制單元就可以有效控制發(fā)動機 的噴油時刻，優(yōu)化發(fā)動機噴油霧化效果。
2. 2如何有效地控制小型發(fā)動機的運行狀態(tài)對于通用小型發(fā)動機而言，其運行工況相對較少，主要分為高怠速和低怠速兩種狀態(tài)， 即小型通用發(fā)動機的控制是以控制發(fā)動機轉速為基礎的。這種工作模式為發(fā)動機的控制帶 來了方便，其控制算法也變得簡單。那如何有效控制發(fā)動機轉速，這也是本次研究的關鍵任 務之一。
發(fā)動機的轉速通常由進氣量和噴油量決定。因此，只要能有效控制發(fā)動機運行過 程中的進氣量和噴油量，就能有效控制發(fā)動機的轉速。在目前使用的電控技術中，發(fā)動機進 氣量是通過進氣溫度壓力傳感器、節(jié)氣門位置傳感器給出的信號，并通過一定的算法計算 出來的，其控制技術極為復雜，成本也相對較高?？紤]到小型通用發(fā)動機運行狀態(tài)相對簡 單，因此在進行控制技術研究過程中，將不考慮各種傳感器，而直接引入傳統(tǒng)發(fā)動機怠速控 制方式，即怠速控制閥的方式來進行控制。當然，對怠速控制閥的要求比車用怠速控制閥要 高，必須滿足一下幾個條件首先是怠速控制閥最好選用連續(xù)控制模式，及進入空氣量的多 少可以由少到多的連續(xù)控制；其次是最大進氣量必須滿足發(fā)動機在最大負荷下工作時需要 的進氣量。
3、小型通用發(fā)動機控制系統(tǒng)機械部分結構為了有精確控制燃油噴射及點火，同時達到降低成本的目的，在引入小型通用發(fā)動 機控制系統(tǒng)的同時，必須對發(fā)動機結構設計進行調整。其結構設計更改主要表現(xiàn)在進氣系 統(tǒng)和凸輪軸。
3.1進氣系統(tǒng)設計變更目前小型發(fā)動機進氣系統(tǒng)主要由空濾器和化油器組成，為了使發(fā)動機容易起動，通常 在進氣系統(tǒng)中安裝有阻風門，而進氣量的控制是由風門來完成的。在引入電控系統(tǒng)的時候， 其進氣系統(tǒng)取消掉化油器和阻風門等機構，由怠速控制閥代替。其結構如圖3所示在進行設計過程中，主要更改結構應該是怠速控制閥的安裝位置。將原來化油器位置 更改為怠速控制閥，同時在控制閥與進氣門之間，必須預留安裝噴油嘴的位置。怠速控制閥 選型是非常關鍵的，應根據(jù)發(fā)動機的排量選擇能滿足發(fā)動機在最大負荷下運行的進氣量。
對于小型發(fā)動機的電控系統(tǒng)，機械部分設計還主要表現(xiàn)在凸輪軸及凸輪軸的安裝 結構上。
最后應說明的是顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并 非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做 出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引 申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
權利要求
1.小型通用汽油發(fā)動機電子控制燃油噴射系統(tǒng)，其特征在于， (一)采用控制系統(tǒng) 所述控制系統(tǒng)包括傳感器、控制單元、執(zhí)行器；所用發(fā)動機為單缸四沖程自然吸氣發(fā)動機；傳感器感知曲軸位置觸發(fā)信號、凸輪軸位置觸發(fā)信號，將信號傳送到控制單元，控制單元控制步進電機、點火線圈、噴油器、油泵工作； 發(fā)動機進氣系統(tǒng)取消掉化油器和阻風門等機構，由怠速控制閥代替；原來化油器位置更改為怠速控制閥，同時在控制閥與進氣門之間預留安裝噴油嘴的位置； (二)小型通用汽油發(fā)動機工作時確定小型發(fā)動機運行過程中壓縮沖程上止點 電控單元傳感器需要準確感知曲軸位置信號，以便發(fā)動機精確控制噴油時刻和點火時刻； 用小型通用發(fā)動機的凸輪軸來精確地確定壓縮沖程上止點；精確確定進氣沖程、排氣沖程和做功沖程開始和結束時刻；通過發(fā)動機控制單元，有效的控制發(fā)動機的點火時刻，即點火提前角；在確定進氣沖程開始以后，通過發(fā)動機控制單元就可以有效控制發(fā)動機的噴油時刻； (三)控制小型發(fā)動機的運行狀態(tài) 直接引入傳統(tǒng)發(fā)動機怠速控制方式，即怠速控制閥的方式來進行控制； 怠速控制閥的滿足一下幾個條件首先是怠速控制閥選用連續(xù)控制模式，及進入空氣量的多少可以由少到多的連續(xù)控制；其次是最大進氣量必須滿足發(fā)動機在最大負荷下工作時需要的進氣量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小型通用汽油發(fā)動機電子控制燃油噴射系統(tǒng)，涉及小型通用發(fā)動機控制系統(tǒng)的改進技術。采用如下技術方案(一)采用控制系統(tǒng)所述控制系統(tǒng)包括傳感器、控制單元、執(zhí)行器；所用發(fā)動機為單缸四沖程自然吸氣發(fā)動機；傳感器感知曲軸位置觸發(fā)信號、凸輪軸位置觸發(fā)信號，將信號傳送到控制單元，控制單元控制步進電機、點火線圈、噴油器、油泵工作；(二)小型通用汽油發(fā)動機工作時確定小型發(fā)動機運行過程中壓縮沖程上止點；(三)控制小型發(fā)動機的運行狀態(tài)直接引入傳統(tǒng)發(fā)動機怠速控制方式，即怠速控制閥的方式來進行控制。本發(fā)明提供一種實用于小型通用發(fā)動機電控系統(tǒng)，實現(xiàn)小型通用發(fā)動機的電子燃油噴射、點火控制以及進氣控制。
文檔編號F02D9/08GK102996275SQ20111016602
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權日2011年9月16日
發(fā)明者倪爾東, 蘭文奎, 江洪 申請人:重慶工業(yè)職業(yè)技術學院