CN101037971A - 用于提供汽化器的受控点火内燃机的电控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了受控点火、提供汽化器的内燃机的操作的电控系统，是包含适于驱动至少一个并入电动阀以便调节确定燃料混合物的空气/燃料比的汽化器乳化空气的装置的控制单元的类型，其中，所述电动阀装置的控制至少与可调节火花提前点火装置的控制相集成。

Description

用于提供汽化器的受控点火内燃机的电控系统
技术领域
本发明涉及用于在内燃机中制备、配量和点火空气-燃料混合物的电控系统。具体地说，本发明涉及用于汽化器提供动力的受控点火内燃机。
背景技术
众所周知，大多数小型内燃机(典型地用于摩托车和小型摩托车)目前是通过2冲程或4冲程周期受控点火的，并且它使用具有固定火花提前值的传统汽化器供应系统和点火系统。但是，这些用于控制发动机操作的装置不适于有效地改进燃料消耗、性能和不利环境条件下的驱动性能。
另一方面，为了满足非常严格的环境保护要求，特别是根据欧2-欧4标准，必须考虑日益增加的对于尽可能减小污染排放的需求。
利用传统汽化器供应系统，目前仍未发现满意的解决方案。
为了改善安装在这些类型的发动机上的汽化器的控制(这种控制传统上完全由机械系统来实现)，已经试图使用电控装置。
通过读取和分析若干操作参数，这些装置被安排用来以最优方式调节建立燃料混合物的配量和燃烧条件的一系列致动装置的驱动。
特别地，已经建议了具有辅助空气管(旁通空气)的汽化器，可以通过电子装置(诸如电磁阀)以各种方法来控制气流。目前，因为尽管更高级别的结构复杂性，但是所用控制装置不是特别准确并且所采用的控制策略有限，还没有建立这些系统。
根据现有技术，有时还已经使用了引入排气系统中的氧气传感器(所谓的λ探针)，它分析废气并向电控装置提供一系列检测值，这允许同一装置来评价发动机的操作条件并对汽化器执行校正操作，从而使废气质量返回到期望值。这些系统的实例在US 3 759 232和US 5575 268中描述。
但是，由于需要使用本身非常昂贵的探针并且由于数据处理和有效控制需要实施的后续操作的复杂性，这种解决方案是难于负担的。
另一方面，由于这种系统的复杂性、成本、体积、功耗和定制现有小型发动机所需的投资，通常安装在机动车辆上的电喷系统(将允许部分改善上述方面)将不适于在小型发动机上使用。其中，常用的电喷系统需要燃料供应汞，其具有在小型受控点火的发动机(例如小型摩托车、轻型摩托车、越野摩托车、低动力摩托车、外装发动机、园艺和农用装备、电动发电机等等)中不可忍受的一定容积、成本和功耗。
发明内容
因此，本发明的范围是，提供一种用于受控点火发动机的燃烧控制系统，其克服了上述缺点并且在结构和功率方面都更简单且容易控制，因此更便宜，并且适于减小至最低污染排放。具体地说，为了实现上述结果，本申请人已经设定的自身目标是：
-准确地管理燃料混合物和点火火花提前以控制废气的组成和温度，以便减少催化转化器的启动次数并最大化污染物的催化转化效率；
-精细地调整输送燃料的量和点火火花提前，以便减少总的燃料消耗；
-根据环境变量来调整供应和点火参数，以便在任何气候条件下获得良好的车辆驱动性能；
-在整个发动机工作范围上最大化转矩和满载功率值；
-实施尽可能限制电力吸收的系统，以便避免现有汽化器发动机电力系统的改变，并且使该系统还可用于没有蓄电池的应用；因此允许通过拉杆或通过拉绳来手动启动发动机；
-允许通过重力从罐供应燃料，或者在存在负静压头的情况下通过便宜的汞来供应燃料；
-管理送给发动机的润滑油的量，以便减少相应的消耗、废气发烟性、未燃烧烃和颗粒的排放，延长催化转化器的期限和效率。
通过在相关权利要求中以其基本特征描述的系统和相应控制方法来实现这些目的。
具体地说，根据本发明，教导使用一种基于主要来自发动机轴旋转传感器和来自温度传感器的信号的集成的汽化器-点火电控系统。
根据本发明的主要方面，根据基本映射，并且通过校正映射来实施点火火花提前和空气/燃料比的控制，所述基本映射是代表随时间的发动机轴位置的信号的函数，所述校正映射是至少与发动机相应的温度的函数。这种校正映射建立了特殊的控制策略，其对任意条件下驱动性能的优点，校正温度效应(发动机局部温度和环境温度)并最优化瞬时操作(启动、车辆加速/减速、气体控制、关闭……)。
因此，有利地，可以通过本发明的系统实施的控制策略提供用于建立主要操作参数(空气/燃料混合物、点火火花提前和油泵)在正常操作和启动条件下的映射。
根据本发明的另一个方面，对于车辆应用，控制装置的操作还基于也来自车辆速度传感器和来自发动机轴位置传感器(能够也导出转速)的信号。
最后，根据另一个变体，还基于来自空气阀和汽化器节流阀(如果有的话)、发动机出口端阀、废气管减压阀和其它的位置传感器的信号来实施所述控制策略。
附图说明
此外，通过非限制性实施例给出并且在附图中说明，本发明的其它特征和优点在任何情况下将从下面一些优选实施方案的详细说明中变得明显，其中：
图1是电可控示例汽化器的剖视图；
图2是本发明实施方案中与发动机控制装置的现有互连的功能图；
图3是图2中所示传感器实际布局的示意图；
图4是根据本发明另一个实施方案的与图2的图相似的图；
图5显示了根据本发明的四个控制曲线图；
图6是例示了根据本发明的集成控制的功能图；
图7是例示了根据本发明的油泵控制的功能图；
图8是以示例的方式显示了线性衰减校正控制的图；及
图9是根据本发明的“启动”映射的本发明策略的流程图。
具体实施方式
如图2中所示，汽化器车辆的控制系统基本上包括中央电控单元-配备有在其中(通过适当的软件和/或防火墙)实施控制策略的逻辑单元-一系列用于检测基本操作参数的传感器和一系列在图中清晰表示出的致动器。
具体地说，图2显示了5个本身公知的传感器，它们分别检测发动机轴的转数、室温、发动机温度、点火接触和电池电压。在图的右手侧，作为替代显示了从发动机控制单元拾取输出信号、将它们转变成对用户的指示或者对致动装置的控制的装置：例如汽化器或节流阀体、燃料混合物的油泵、火花塞的点火器、发动机条件告警灯、发动机转速计数器和温度计。
在图3中图示了各个装置和传感器的相对布局。如图所示，例如优选地将室温传感器集成在电控单元内。
在图1中还例示了可被电控的汽化器(本身公知)。典型地，该汽化器具有一个或多个电磁致动器，用于控制混合物的A/F(空气/燃料)比、除了主(乳化)空气外作用于附加(乳化)空气电路并作用于次级空气电路(旁路)。在图1中，可以识别出作用于次级空气流的电磁致动器S。
汽化器还具备电启动装置，用于在启动阶段控制A/F比，将进一步说明其特性。
尽管没有详细说明，系统还以集成的方式控制自身具备电磁致动器的电动油泵，适于精细调整供给燃料混合物用于发动机润滑的油的量。
另外，尽管也可以使用更简单的电感性放电点火，但是该系统优选具备可变提前和可控提前电容性放电点火(CDI，capacitivedischarge ignition)。
本发明的系统是非常简单的，并且即使丧失复杂检测装置或致动器，它也允许沿着前言中的路线来获得优异的操作参数调节。
简言之，本发明的策略提供用于获得主要功能的集成控制，所述主要功能至少是提前、汽化器(A/F)和油泵，根据来自发动机轴上的传感器(能够检测发动机位置和速度)的信息来设置基本调节，向其中添加了调节适合的校正，所述校正是基于至少由发动机温度和室温传感器检测的值来确定的。
在本发明的系统可控的功能中，主要有例如：
-根据发动机rpm，集成管理A/F比、点火火花提前和油流速；
-管理瞬变阶段，特别是加速和减速；
-稳定最低rpm；
-通过冷启动阶段期间的快速启动和暖启动阶段期间的慢启动，管理启动装置的开/关次数；
-燃烧气体温度增加时的点火调节；
-管理“启动”阶段中的点火；
以及一系列次级功能，例如
-根据发动机温度的控制校正；
-根据室温的控制校正；
-根据车速限制的控制管理；
-根据噪音降低需求的控制管理。
通过集成控制，可以最优化性能和驱动性能，改善启动时的操作，降低污染排放，如果提供，还通过催化剂活化改进，这可以因此是简化的版本。
如图5中所示，根据上面已经提到的，由于在单个电控单元中实施逻辑单元的事实，结合基本映射与各种校正映射或者根据次级参数，例如发动机温度、室温、节流阀位置等确定的调整映射，以集成方式进行控制。
对于基本映射，根据具体应用，定义旁通空气阀或点火火花提前的控制与发动机转数(RPM)之间的比。
优选地，集成控制系统作用于汽化器，通过脉冲宽度调制(PWM)技术来控制旁通电磁阀。
更具体地说，火花提前(adv)控制和汽化器PWM控制是RPM、它的时间导数(dRPM/dt)以及发动机温度(Teng)和室温(Tamb)的可变函数。有利地，这些函数允许考虑期望的A/F策略和补偿低操作温度所需的校正，来调节操作参数。
如前面所述，优选通过专门连接到RPM参数的基本映射，加上考虑其它三个参数(dRPM/dt、Teng、Tamb)的增加或校正映射，来确定这些函数。优选最多每10个发动机转重新计算增加映射或者函数Δ％的值，并且是可编程的。
根据离散步骤，可以例如每50rpm对于总共16(Map16)个断点设置PWM/adv函数的输入值；并且在各点之间，可以使用PWM/adv函数的线性插值。
另外，可以在离散步骤中考虑进行(校正映射)计算的Tamb和Teng的输入值，而不需要这些离散值之间的任何插值。例如，可以考虑最大10个离散值(Map10)：这些可以根据应用在电子单元中编程的值对于调节火花提前、旁通空气阀和可能的油泵的三个函数是相同的。
图6示意地表示了说明这种控制的功能图。
在图5的上图中，代替集成控制显示了基本映射，作用于汽化器的附加乳化空气的电磁线圈(以打开百分比计)、油泵和点火火花提前(所有均根据一个参数，即发动机转数(RPM))。
在图5底部的另一个图中，作为次级参数(即分别是发动机温度、室温和节流阀位置)的函数，显示了基本映射中的控制之一的校正曲线(Δ％)。对于在基本映射中发现的每种控制，根据次级参数来确定这些校正曲线。
如图中所见，在增加映射的确定中起作用的参数之一是dRPM/dt。
为此目的，基于来自检测与发动机轴成整体的参考指标的转变的传感器的信号来确定发动机转速。然后，为了确定从旋转周期开始的发动机转速，通过发动机控制单元来处理适当滤除噪声和干扰的信号。该单元还计算发动机速度的时间导数(加速度)。
发动机速度导数还用于考虑非静态、加速和减速条件。如果导数的值位于某加速或减速阈值之上，则校正点火提前和汽化器参数，以便使发动机操作参数适合快速变化条件下的操作需要，为此对静态操作执行的映射将是不适合的。用于所述校正的干预阈值是可以根据应用编程，即可以在校正软件中设定的值。
这种校正干预根据时间或转数(可以按意愿调节值)而线性降低，使得不久重新建立基本映射的值。
在这一方面，图8表示了一个示意图，其允许更好理解校正函数根据时间或者转数应用于克服某些加速度/减速度阈值及其线性衰减。
由发动机控制单元检测的旋转周期还可以用于评价发动机的周期旋转不规则性，并且一旦超过设定的不规则性阈值，则实施火花提前和汽化的校正以便重新建立规则发动机操作。
根据期望的控制，还可以进一步使用次级控制参数。
例如，在应用于配备多齿轮的车辆时，该系统还有利地在控制策略中不仅考虑代表加速器或节流位置(TPS，throttle position)的信号，还考虑车速，这将在后面更好地突出。
图4表示了根据前面已经说明的内容设计的发动机控制单元的功能图。
根据优选的操作模式，本发明的系统还能够明显地应付发动机启动的瞬变阶段，尤其是对于催化剂系统的适当启动并因此对污染排放特别关键的冷启动。
在该阶段期间，系统还提供用于自动启动器电源(特别是其中所含的加热元件，可以是任意已知类型，例如蜡)PWM调制电源电压的控制、使用在存在低于预设温度阈值的室温和/或发动机温度的情况下(在汽化器导管中造成形成冰的危险的条件)延长自动启动器的排除时间，以便在恶劣的气候下也能保证最优驱动性能，但是在正常工作条件下避免污染排放和过量消耗。
根据本发明，系统提供了与具有不同特征的PWM驱动信号有关的室温的各种可调节阈值。
总是为了使驱动性能和催化剂效率最优化，在暖发动机在冷气候中重复启动期间避免污染排放和过量消耗，即使在恶劣的气候下，如果由于前面的使用发动机已经预热，则系统本身还允许快速排除启动装置。
具体地说，将暖发动机在冷环境下重复启动的条件检测为超过设定的可编程发动机温度阈值。一旦超过所述阈值，则使用为更高室温条件提供的驱动值。
根据本优选实施方案，本发明的系统能够通过冷发动机快速触发催化剂，这通过设定用于汽化控制(对于空气电磁线圈和启动器的PWM)、点火和润滑的特定映射来实现，以便在前几分钟操作期间增加废气的温度，使用于冷操作的富集(enrichment)和引入的润滑剂的量降至最小。对于设定的转数保持这种特定的“启动”映射，-因此在发动机燃烧周期内，催化转化器开始在稳定状态下工作。
换句话说，根据本实施方案，一般的控制策略提供用于在两个映射条件之间进行区分，一个处于“标准”或者“基本”条件，以及另一个处于快速催化剂触发，即“启动”条件。具体地说，在发动机控制单元中实施“标准”映射(所述映射建立正常工作条件下的火花提前、汽化和润滑参数)和“启动”映射(建立当检测到启动条件时的火花提前、汽化和润滑参数)。
基于操作期间获得的一定数量的值来确定施用一种映射或者另一种。特别地，根据本发明，考虑下面情况：
-RPM1：用于应用启动映射的最大rpm(每分钟转数)值；
-N1：在应用启动映射之前执行的发动机转数；
-N2：在标准条件下返回到火花提前映射之前执行的发动机转数；
-N3：在返回到标准润滑调节之前执行的发动机转数；
-T1：发动机温度下限，高于它使用启动映射；
-T2：发动机温度上限，超过它使用标准条件下的映射。
为了更清晰，图9示出了这种策略的流程图。
优选地，如已经所提到的，为了冷启动步骤期间的更好控制，汽化器也配备了热敏加热元件，它具有根据温度的正电阻系数。这种加热装置减少了在汽化器供应管的冷壁上形成石油蒸汽冷凝物，并且进一步防止在所述管中形成冰，在冷且湿的气候条件下可能发生这种情况。如果室温低于编程的阈值，则由发动机控制单元激励加热装置。在该阈值之上，加热装置被去活，以便恢复更有利的电学平衡并避免相反的不期望现象，例如汽封。
如上所述，在“启动”阶段，有利地设立并遵从也用于油泵的特定控制映射。
图7示意地示出了定义如何计算用于油泵的PWM的示例性功能图。
在此情况下，可能的简单策略是检测何时N1＜NT，此后，对油泵施加PWM控制的启动映射，直至NT＜N3，此后必须再次使用基本映射。
如上所述，本发明的控制系统优选还使用输入的速度比(齿轮)作为参数。实际上，根据插入的齿轮，同时采用特定的点火和汽化映射，以便根据与车辆前进相反的转矩负载来改进车辆性能和驱动性能。
为了获得插入的齿轮，而不使用适当的(电机)传感器(这将意味着额外的成本和维护费用)，根据本发明，提供了通过组合处理发动机速度信号和车速信号(通过发动机轴的转速传感器和其它计速装置，控制单元已经可以获得这些信号)来有利地计算该值。
特别是，通过车速/发动机rpm比，可以获得插入的齿轮。基于该比例(逐步计算以便识别代表各齿轮的离散数值)，选择特定的点火和汽化映射。
最后，可以进一步使用点火火花提前的可变控制来通过导数型调节在闭环中(反馈)控制最小rpm。实质上，如果最小rpm趋向于增长，则降低火花提前值，以便抑制功率并因此减慢发动机。相反，如果最小rpm趋向于减小，则增加火花提前值，以便提高功率并增加转速。
根据上面可以推断的，通过根据本发明的系统完美实现了在前言中提出的目的。
事实上，由于本发明的系统和集成控制方法，可以按照高效、集成和协调的方式来调节汽化器发动机的一系列功能，在全部rpm以及所有气候条件下在操作规律性和效率方面具有优点，因此降低了功耗和污染排放。另一方面，本发明的控制系统采取容易读取和获得的操作参数，消除了使用复杂组件(例如λ探针)并且降低了功耗，毫无疑问这在成本和容易安装方面是有利的。
另外，通过本发明的发动机控制单元所实现的特殊功能集成控制允许有利的组合最优化，这是致力于每个特定功能的已知控制系统所不能获得的。还获得在单个操作中为了客户化而在实验阶段、或者在生产线端、或者可以在售后定义所有提供的控制映射的机会。另外，通过单个控制系统来处理不同的操作变量，而不用复制并送到不同单元，并且允许同时、同步和充分地控制所提供的功能，避免了由于以不同的方式处理所述变量而引起的功能之间的偏差；集成控制在存在故障时总是具有平稳且规则的校正、诊断和操作逻辑，这通过单独且互相独立的控制是不可能的。
但是，打算本发明不局限上述具体的实施方案，它们只代表了本发明范围的非限制性实例，而是大量的修改是可能的，它们全部在本领域技术人员的理解之内而没有背离在附录权利要求书中定义的本发明的范围。

Claims (18)

1.机动车辆的受控点火、提供汽化器的内燃机中的电控系统，是包含驱动至少一个使用电阀来调节汽化器的乳化空气的装置的控制单元的类型，所述汽化器确定燃料混合物的空气/燃料比，其特征在于，所述电阀装置的控制至少与可调节火花提前点火装置的控制相集成。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制还与向燃料混合物送油的油泵装置的控制相集成。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中，根据基本映射和校正映射来进行至少点火火花提前和空气/燃料比的所述控制，所述基本映射是代表随时间的发动机轴位置的信号的函数，以及所述校正映射(Δ％)是至少与发动机相应的温度(Teng)的函数。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述基本映射是发动机转速(RPM)的函数。
5.如权利要求3或4所述的系统，其中，所述校正映射也是代表室温的信号(Tamb)的函数，以便最优化发动机在不同环境条件下的操作。
6.如权利要求3、4或5所述的系统，其中，所述校正映射(Δ％)也是节流调节装置的位置的函数。
7.如权利要求3-6中任何一项所述的系统，其中，所述校正映射(Δ％)也是发动机轴的转速对时间的导数(dRPM/dT)的函数。
8.如前述权利要求中任何一项所述的系统，其中，通过在恒定频率下在预设周期内调制向电磁线圈施加电源电压的持续时间(PWM)，来驱动用于汽化控制的所述电阀。
9.如前述权利要求中任何一项所述的系统，其中，所述集成控制还基于代表机动车辆的插入齿轮的信号。
10.如权利要求3-9中任何一项所述的系统，其中，在所述控制单元中提供标准基本映射和用于启动阶段的至少进一步的启动映射，所述启动映射是至少代表燃烧周期数、发动机转速和发动机温度的信号的函数。
11.如权利要求10所述的系统，其中，当发动机转速(RPM)低于预设阈值(RPM1)以及发动机温度(Teng)位于温度的预设范围(T1-T2)内时，设立所述启动映射。
12.如权利要求10或11所述的系统，其中，所述启动映射还包括通过PWM方法控制的汽化器加热装置的控制。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述加热装置包括具有正电阻温度比的热敏元件。
14.如前述权利要求中任何一项所述的控制系统，其中，所述装置的控制集成在同一发动机控制单元中。
15.在如权利要求9所述的系统中的控制方法，其特征在于，插入齿轮的检测基于代表车辆前进速度的第一信号与代表发动机转速的第二信号之比。
16.在如权利要求3-14中任何一项所述的系统中的控制方法，其中，根据离散数目的输入值(RPM、Teng、Tamb)来确定有关所述映射的控制函数。
17.如权利要求16所述的方法，其中，参考发动机转速(RPM)的所述有关基本映射的控制函数是一系列离散控制值的线性插值。
18.如权利要求16或17所述的方法，其中，以离散间隔，最多每10个发动机转，基于校正映射(Δ％)来重新计算控制校正值。
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