CN101581255B - 内燃机活塞停止位置控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机直接起停技术，特别涉及一种内燃机活塞停止位置控制装置及方法。该装置及方法用于发动机在停油熄火后曲轴尚处于旋转状态时，通过控制发动机的压气损失功和附件损失功来影响发动机剩余动能的消耗，以此达到控制活塞停止位置的目的。该装置由利用交流发电机的自动停止控制子系统和利用电子节气门的自动停止控制子系统组成，所述的利用交流发电机的自动停止控制子系统主要包括：交流发电机、励磁电流控制系统、蓄电池和外部电路；所述的利用电子节气门的自动停止控制子系统主要包括：电子节气门、电子节气门控制系统和驱动电路。内燃机活塞停止位置控制方法包括利用交流发电机的自动停止控制和利用电子节气门的自动停止控制。

Description

内燃机活塞停止位置控制装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种内燃机直接起停技术，特别是涉及一种内燃机活塞停止位置控制装置及方法。

背景技术：

目前，我国内燃机直接起停技术的研究刚刚起步，基于瞬时反转直接起停系统的关键技术活塞停止位置控制尚属空白，本发明针对瞬时反转直接起停系统而设计。为了保证在不使用起动电机的情况下能够可靠地起动发动机，就必须要控制活塞在气缸中的停止位置，以保证在曲轴停止旋转后活塞的停止位置在一个合适的范围内。这个范围应该是处于压缩行程气缸内的活塞靠近上止点，而处于膨胀行程气缸内的活塞靠近下止点。这样控制的目的是在压缩行程气缸内空气量足够满足首次燃烧，即能使曲轴获得稍稍反转的燃烧能量。而且，这也同时保证了处于膨胀行程的气缸有较多的空气量，使第二次燃烧产生足以使曲轴正转的燃烧能量，从而使发动机能够可靠地起动。经初步检索，目前尚未发现相关专利申请。

技术内容：

传统发动机在不加以控制自然停机时，活塞停止的位置一般不能满足瞬时反转直接起停系统的起动要求。原因有两个：一是活塞停止位置分布不集中；二是相对较集中的活塞停止位置距符合起动要求的位置较远。活塞停止位置是决定能否以瞬时反转方式起动发动机的关键因素，因此建立活塞停止控制系统是建立瞬时反转直接起停系统的必要条件。本发明的目的在于提供一种内燃机活塞停止位置控制装置及方法，以解决传统发动机活塞停止的位置不能满足瞬时反转直接起停系统的起动要求的问题。

本发明的上述目的是通过以下技术方案方案实现的，结合附图说明如下：

一种内燃机活塞停止位置控制装置，由利用交流发电机的自动停止控制子系统和利用电子节气门的自动停止控制子系统组成，所述的利用交流发电机的自动停止控制子系统包括：交流发电机、励磁电流控制系统、蓄电池和外部电路，励磁电流控制系统的功率输出线的一端与交流发电机的励磁线圈相连，而另一端接地，蓄电池和外部电路并联一端与交流发电机的输出线路相连接，另一端共地，当利用交流发电机的自动停止控制子系统处在工作工况时，励磁电流控制系统使交流发电机处于他励状态，由蓄电池为交流发电机的励磁线圈提供能量，励磁电流控制系统将控制通过交流发电机转子的励磁电流的大小，以此来影响交流发电机工作时所产生的电磁转矩。

所述的利用电子节气门的自动停止控制子系统包括：电子节气门、电子节气门控制系统和驱动电路，电子节气门控制系统的PWM信号线与驱动电路相连接，驱动电路的功率输出线与电子节气门内的直流电机连接，电子节气门控制系统的控制既要控制节气门的开度，也要完成电子节气门控制权的移交，电子节气门控制系统将发送标定好的PWM信号给驱动电路，驱动电路将按照PWM信号输出功率信号给电子节气门的直流电机以控制节气门开度。

所述的发电机的励磁电流控制系统包括：单片机模块和驱动电路模块，单片机模块的PWM信号线和驱动电路模块连接，驱动电路模块与交流发电机的励磁线圈连接，其中单片机向驱动芯片发送PWM信号，根据该信号占空比的不同以决定交流发电机内励磁电流的大小，使交流发电机的励磁电流在较宽范围调节以适应自动停止的需要。

所述的发电机的励磁电流控制系统中的驱动电路模块包括：反相器、驱动芯片和续流二极管，反相器作为驱动电路模块的输入级接入来自单片机的PWM信号，反相器的输出连接驱动芯片的输入端，驱动芯片的输出端连接交流发电机的励磁线圈，续流二极管反向并联在交流发电机的励磁线圈两端。

所述的发电机的励磁电流控制系统中的驱动电路模块中的反相器需要串联两个，只为到放大驱动信号的作用，不起逻辑取反的作用。

所述的发电机的励磁电流控制系统中的驱动电路模块中的续流二极管需要反向并联在励磁线圈的两端，起到削减反向电动势的作用。

所述的发电机的励磁电流控制系统中的单片机模块中的输入端口接收来自发动机转速传感器和凸轮轴相位传感器的信号，单片机模块根据以上信号决定发动机处于不同状态下PWM信号的占空比。

所述的利用电子节气门的自动停止控制子系统中的电子节气门控制权的移交是指自动停止系统在发动机停机后要从原有的电子节气门控制系统手中接管节气门的控制权，而在发动机正常运转或需要怠速时将电子节气门控制权再次还给电子节气门控制系统，为原有的电子节气门控制系统和利用电子节气门的自动停止控制子系统两套系统，使能够在不同的工况分别根据自己的控制策略来控制节气门；

所述的驱动电路的驱动芯片其上的两处使能端分别接入发动机实验电控系统的供电信号和先串联接入反相器再接入发动机实验电控系统的供电信号，通过反相器的逻辑取反完成电子节气门控制权的移交。

所述的利用电子节气门的自动停止控制子系统中的驱动电路中的续流二极管需要反向并联在电子节气门的直流电机的两端，起到削减反向电动势的作用。

采用权利要求1所述的一种内燃机活塞停止位置控制装置进行内燃机活塞停止位置控制方法，包括利用交流发电机的自动停止控制和利用电子节气门的自动停止控制，所述的利用交流发电机的自动停止控制包括以下步骤：

a)首先，读取冷却水温信号、发动机舱盖信号和直接起停系统开关信号，判断车辆是否满足关闭停止怠速功能条件，再读取当前车速和其历史记录、离合器信号，判断车辆是否满足自动停止的基本条件；

b)当确认发动机应进入自动停止后，活塞停止位置控制装置将加大节气门开度，从而加大发动机的进气量，否则发动机正常停机或者车辆继续正常行驶；

c)在进行b)步骤的同时，转速传感器和凸轮轴相位传感器检测转速信号和凸轮轴相位信号并记录，所述的励磁电流控制系统将根据转速信号和活塞的实时位置调节交流发电机的励磁电流，从而使发电机的电磁转矩根据需要产生变化；

d)电控系统将根据转速信号和凸轮轴相位信号计算出处于压缩行程的气缸和活塞的位置。

e)最后，电控系统记录活塞最终的停止位置为下一次直接起动做准备。

所述的利用电子节气门的自动停止控制包括以下步骤：

A)首先，单片机定义循环变量和设置用来发送控制节气门的PWM信号和用来接收发动机试验电控系统的供电信号的输入输出端口。

B)其次，节气门将由两端不同占空比的PWM信号控制在制定开度，并且为发动机下一次停机做好准备。

有益效果：本发明设计了一种用于控制活塞停止位置的新装置，该装置在不给发动机添加其它部件的基础上实现了对活塞停止位置的控制。随着排放及燃油经济性法规的逐渐严格，直接起停系统必将成为车辆的标准配置，本发明对直接起停系统实现产品化提供了可靠且必须的平台。因此本发明具有很广阔的市场潜力和实际应用价值，且可为我国在汽车节能减排方面增加一项具有自主知识产权的先进技术。

附图说明：

图1是是内燃机活塞停止位置控制装置结构示意图。

图2是发动机瞬时反转直接起停系统自动停止过程流程图。

图3是励磁电流控制系统硬件结构示意图。

图4是交流发电机的励磁电流控制系统的驱动电路模块示意图

图5是励磁电流控制模块程序流程图。

图6是自动停止系统节气门控制模块程序流程图。

具体实施方式：

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明具体内容及其具体实施方式：

发动机在停油熄火后，曲轴飞轮组仍具有一定的动能，使得曲轴仍要旋转若干转后才能完全静止。在依靠惯性旋转的期间，需要利用可以控制的功量来有规则地消耗曲轴飞轮组的动能，才能使活塞停止在合适的位置。为了不给动力系统增加其他的部件，就要利用停油熄火后的发动机自身的损失功。发动机的损失功基本上可以分为三类：第一类是运动副上产生的机械损失功，第二类是压气损失功，第三类是发动机附件的驱动损失功。第一种机械损失功现在还没有手段可以控制。第二种压气损失功可以通过控制节气门开度的大小，进行一定程度的控制，这是由于节气门开度开大，进入气缸的空气量也会相应加大，这就会直接导致在下一压缩冲程时缸内的压缩气压增加，从而阻碍曲轴旋转的功增加。第三种发动机附件的驱动损失功是可以利用的较精确控制活塞停止位置的手段。发动机的附件包括发电机本身部件、空调压缩机还有冷却水泵等，其中发电机是瞬时反转直接起停系统可以利用的重要对象。发电机在运转时会产生电磁转矩，这个电磁转矩可以阻碍发动机曲轴的旋转，因此发动机在停油熄火后剩余动能将会消耗在发电机上。

为使发动机在添加瞬时反转直接起停系统后不增加制造成本，本发明在不给发动机添加任何其他附件的前提下设计内燃机活塞停止位置控制装置。本发明通过发动机损失功控制及利用交流发电机进行倒拖将发动机的剩余动能消耗掉，使活塞最终的停止位置在目标范围内。本装置由利用交流发电机的自动停止控制子系统和利用电子节气门的自动停止控制子系统组成，包括车用交流发电机、励磁电流调整电路、电子节气门及其电控系统。首先使用调节节气门开度来控制压气损失功的大小，因为增大节气门开度可以增加下一循环的进气量，这样使活塞需要做更多的功来压缩气体，增大了对发动机剩余动能的消耗。其次发动机在自动停止过程中也可以靠车用发电机来为发动机提供一定的负载，本发明着力于控制发电机励磁回路中的励磁电流，来调节发电机的励磁转矩，从而可以为发动机提供一个有高响应性的阻力矩，以便使活塞可靠地停在目标位置范围内。

参阅图1，说明内燃机活塞停止位置控制装置与发动机连接的总体关系和各部件间的联系。

参阅图2，在活塞停止位置控制装置执行自动停止时，首先进入起停系统的软环境，即判别发动机是否满足关闭停止怠速功能的条件和自动停止的条件。若发动机不满足关闭停止怠速功能的条件且满足自动停止的条件时，则发动机进入自动停止。若满足关闭停止怠速功能的条件，则进入常规停机模式；若不满足自动停止的条件，发动机将保持正常行驶的状态。当发动机的状态通过两个条件的判断后，发动机的各喷油器会停止喷油，各火花塞停止点火。此时的发动机仍能靠剩余动能旋转，这时让电子节气门的开度加大，使更多的空气进入各缸，使压缩这些气体的压缩功更多，这样做的目的是消耗一部分的剩余动能。

发电机的电磁转矩也是阻碍发动机旋转的阻力矩。待发动机的转速下降到一定值时，发电机的励磁回路接通，通过调节发电机的励磁电流来调节发电机的电磁转矩。与此同时，电控单元一直在检测曲轴转速信号和凸轮轴相位信号，待发动机彻底静止后，电控单元将记录处于压缩冲程气缸内的活塞最终位置并进行保存，以便下次的直接起动。

在步骤S1中，读取冷却水温信号、发动机舱盖信号和直接起停系统开关信号，判断车辆是否满足关闭停止怠速功能条件。

在步骤S2中，读取当前车速和其历史记录、离合器信号，判断车辆是否满足自动停止的基本条件。

在步骤S3中，发动机正常停机。

在步骤S4中，车辆继续正常行驶。

在步骤S5中，在发动机满足相应条件后，本专利的活塞停止位置控制装置将加大节气门开度，从而加大发动机的进气量。

在步骤S6、S7中，转速传感器和凸轮轴相位传感器检测转速信号和凸轮轴相位信号并记录。

在步骤S8中，本装置的励磁电流调整装置将根据转速信号和活塞的实时位置调节交流发电机的励磁电流，从而使发电机的电磁转矩根据需要产生变化。

在步骤S9中，电控系统将根据转速信号和凸轮轴相位信号计算出处于压缩行程的气缸和活塞的位置。

在步骤S10中，电控系统记录活塞最终的停止位置为下一次直接起动做准备。

参阅图3，本装置使用单片机发出的两路同步PWM信号，在经过两个反相器将输入信号驱动能力增强之后，分别接入驱动芯片的Input1和Input3引脚。这样做的目的是充分使用驱动芯片内的两路H桥电路，使励磁电流在芯片内分流，这样做使允许流过芯片的最大电流比使用一路H桥电路时，在理论上提高了一倍，也使调整电路对励磁电流的调整范围更宽些。驱动芯片的输出端接入交流发电机的励磁回路，并在励磁回路两端反向并联续流二极管。PWM信号的占空比是根据发动机的曲轴转速信号和凸轮轴相位信号共同决定的，通过这两个信号可以判断出发动机活塞位置和所处气缸正处于何行程。因此本装置可根据发动机的不同状态调整电磁转矩的大小以及根据不同的发动机调整电磁转矩的控制策略。

参阅图4，从单片机输出的PWM信号，先进入反相器1在进入反相器2增强驱动能力而与单片机发出的PWM信号保持相同的逻辑关系。通过PWM信号的控制，驱动芯片将调制电压恒定的直流电源，通过改变占空比来改变励磁绕组上的平均电压，从而到达了调解励磁电流的目的。由于被控制对象励磁线圈属于感性元件，在励磁线圈两端反向并联续流二极管消除反向电动势，以保护驱动芯片不受损害。

参阅图5，本模块通过PWM的方式控制发电机的励磁电流，单片机的定时器2可以作为产生PWM信号的时钟。

在步骤S11中，为了使单片机能有有一个良好的运行开端，单片机需要上电后延时，初始化各变量以及使能各项中断。

在步骤S12中，设置A/D通道接受转速信号。

在步骤S13中，定时器2可以有多种工作模式，其中一种可以作为产生PWM信号的时钟。由于本发明需要PWM信号控制励磁电流，所以定时器2在此步骤被设定为产生PWM的模式。通过设置PR2使得定时器2工作在通常模式下而实现定时器2设置了PWM信号的频率，通过设置PR2使得定时器2工作在通常模式下而实现。当定时器2计数到与PR2的值匹配时，它就会被重新设定并且整个流程重新开始。根据公式PWM周期＝(PR2+1)×4×Tosc×TIMER₂预分频值，可以设定PWM信号的周期。

在步骤S14中，读取经A/D通道转换后的转速信号。

在步骤S15～S17中，单片机根据读取的转速信号设置PWM信号的占空比。当定时器2重新设定时的时候，PWM输出位被设置为高。当定时器2在计数的时候，它最终会与捕捉和比较寄存器CCPR1中低八位的值达到匹配，此时PWM的输出会被清为0。于是定时器2计数到与PR2的值匹配，然后整个过程会重新开始。PWM形式的输出就是这样生成的。

参阅图6，自动停止系统的节气门控制模块也是使用PWM的方式控制节气门的开度。鉴于单片机硬件资源的有限性，在自动停止系统的节气门控制模块中要使用I/O口来输出PWM信号。另外本模块中使用for语句进行延时控制，控制延时使用嵌套循环语句形式。

在步骤S18～S20中，单片机首先定义循环变量和设置I/O口的输入输出，PortA_Bit1为输出端口，用来发送控制节气门的PWM信号；PortA_Bit2为输入端口，用来接收发动机试验电控系统的供电信号。

在步骤S22～S28中，当发动机停止运转后，发动机试验电控系统的供电信号为低电平，此低电平在经过反相器后将自动停止系统的节气门控制单元使能，同时PortA_Bit2也接收到高电平。此时进入节气门开启程序，进入此段程序后首先将标志位bb置1，保证在一次自动停止过程中只进入一次节气门开启循环，然后进入for语句的嵌套循环中，此嵌套循环内的函数用以产生开启节气门的PWM信号。而嵌套循环起到了控制节气门开度的作用，只要在此循环中运行程序，节气门将持续开大，直到节气门开启到目标位置时，程序将跳出此嵌套循环。

在步骤S29～S32中，进入节气门开度保持程序，节气门开度保持程序会发出较低占空比的PWM信号，让节气门保持在目标位置但不会继续打开。

在步骤S32～S34中，发动机在停机时，程序会始终在节气门开度保持循环之中，为了使发动机在下一次自动停止时仍能进入节气门开启循环。每次执行过一个保持节气门开度的循环后，都要检查PortA_Bit2是否为低电平，如果PortA_Bit2为低电平说明发动机进入运转状态；而且还要判断标志位bb是否为1，如果bb为1则说明已经运行过节气门开启程序，节气门已经开启到指定位置，为了在下次自动停止时使程序能进入节气门开启循环，需要将bb赋值为0。

Claims (10)

1.一种内燃机活塞停止位置控制装置，由利用交流发电机的自动停止控制子系统和利用电子节气门的自动停止控制子系统组成，其特征在于，所述的利用交流发电机的自动停止控制子系统包括：交流发电机、励磁电流控制系统、蓄电池和外部电路，励磁电流控制系统的功率输出线的一端与交流发电机的励磁线圈相连，而功率输出线另一端接地，蓄电池和外部电路并联一端与交流发电机的输出线路相连接，另一端接地，当利用交流发电机的自动停止控制子系统处在工作工况时，励磁电流控制系统使交流发电机处于他励状态，由蓄电池为交流发电机的励磁线圈提供能量，励磁电流控制系统将控制通过交流发电机转子的励磁电流的大小，以此来影响交流发电机工作时所产生的电磁转矩。

所述的利用电子节气门的自动停止控制子系统包括：电子节气门、电子节气门控制系统和驱动电路，电子节气门控制系统的PWM信号线与驱动电路相连接，驱动电路的功率输出线与电子节气门内的直流电机连接，电子节气门控制系统的控制既要控制节气门的开度，也要完成电子节气门控制权的移交，电子节气门控制系统将发送标定好的PWM信号给驱动电路，驱动电路将按照PWM信号输出功率信号给电子节气门的直流电机以控制节气门开度。

2.根据权利要求1所述的一种内燃机活塞停止位置控制装置，其特征在于，所述的励磁电流控制系统包括：单片机模块和驱动电路模块，单片机模块的PWM信号线和驱动电路模块连接，驱动电路模块与交流发电机的励磁线圈连接，其中单片机模块向驱动芯片发送PWM信号，根据该信号占空比的不同以决定交流发电机内励磁电流的大小，使交流发电机的励磁电流在较宽范围调节以适应自动停止的需要。

3.根据权利要求2所述的一种内燃机活塞停止位置控制装置，其特征在于，所述的励磁电流控制系统中的驱动电路模块包括：反相器、驱动芯片和续流二极管，反相器作为驱动电路模块的输入级接入来自单片机模块的PWM信号，反相器的输出连接驱动芯片的输入端，驱动芯片的输出端连接交流发电机的励磁线圈，续流二极管反向并联在交流发电机的励磁线圈两端。

4.根据权利要求3所述的一种内燃机活塞停止位置控制装置，其特征在于，所述的励磁电流控制系统中的驱动电路模块中的反相器需要串联两个，只为起到放大驱动信号的作用，不起逻辑取反的作用。

5.根据权利要求3所述的一种内燃机活塞停止位置控制装置，其特征在于，所述的励磁电流控制系统中的驱动电路模块中的续流二极管需要反向并联在励磁线圈的两端，起到削减反向电动势的作用。

6.根据权利要求2所述的一种内燃机活塞停止位置控制装置，其特征在于，所述的励磁电流控制系统中的单片机模块中的输入端口接收来自发动机转速传感器和凸轮轴相位传感器的信号，单片机模块根据以上信号决定发动机处于不同状态下PWM信号的占空比。

7.根据权利要求1所述的一种内燃机活塞停止位置控制装置，其特征在于，所述的利用电子节气门的自动停止控制子系统中的电子节气门控制权的移交是指自动利用电子节气门的自动停止控制系统在发动机停机后要从原有的电子节气门控制系统手中接管节气门的控制权，而在发动机正常运转或需要怠速时将电子节气门控制权再次还给原有的电子节气门控制系统，原有的电子节气门控制系统和利用电子节气门的自动停止控制子系统的电子节气门控制系统为两套系统，能够在不同的工况分别根据自己的控制策略来控制节气门；

所述的驱动电路的驱动芯片上的两处使能端分别接入发动机实验电控系统的供电信号和先串联接入反相器再接入发动机实验电控系统的供电信号，通过反相器的逻辑取反完成电子节气门控制权的移交。

8.根据权利要求1所述的一种内燃机活塞停止位置控制装置，其特征在于，所述的利用电子节气门的自动停止控制子系统中的驱动电路中的续流二极管需要反向并联在电子节气门的直流电机的两端，起到削减反向电动势的作用。

9.采用权利要求1所述的一种内燃机活塞停止位置控制装置进行内燃机活塞停止位置控制方法，包括利用交流发电机的自动停止控制和利用电子节气门的自动停止控制，其特征在于，所述的利用交流发电机的自动停止控制包括以下步骤：

a)首先，读取冷却水温信号、发动机舱盖信号和直接起停系统开关信号，判断车辆是否满足关闭停止怠速功能条件，再读取当前车速和其历史记录、离合器信号，判断车辆是否满足自动停止的基本条件；

b)当确认发动机应进入自动停止后，活塞停止位置控制装置将加大节气门开度，从而加大发动机的进气量，否则发动机正常停机或者车辆继续正常行驶；

c)在进行b)步骤的同时，转速传感器和凸轮轴相位传感器检测转速信号和凸轮轴相位信号并记录，所述的励磁电流控制系统将根据转速信号和活塞的实时位置调节交流发电机的励磁电流，从而使发电机的电磁转矩根据需要产生变化；

d)电控系统将根据转速信号和凸轮轴相位信号计算出处于压缩行程的气缸和活塞的位置；

e)最后，电控系统记录活塞最终的停止位置为下一次直接起动做准备。

10.根据权利要求2所述的一种内燃机活塞停止位置控制方法，其特征在于，所述的利用电子节气门的自动停止控制系统的控制过程包括以下步骤：

a)首先，励磁电流控制系统中的单片机模块定义循环变量和设置用来发送控制节气门的PWM信号的输出端口和用来接收发动机试验电控系统的供电信号的输入端口。

b)其次，电子节气门将由用来发送控制节气门的PWM信号的输出端口和用来接收发动机试验电控系统的供电信号的输入端口不同占空比的PWM信号控制在制定开度，并且为发动机下一次停机做好准备。

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