CN101629528B - 一种用于计量内燃机内气流压力和温度的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种用于计量内燃机内气流压力和温度的系统，其特征在于：包括：(a)随施加在其表面的流体压力变化而变形的柔性基板；(b)设置在惠斯登电桥上并附在柔性基板上的可变电阻阵列，以使电阻器随着施加在柔性基板上压力的变化而发生弹性变形和电阻变化，可变电阻的设置要使得一对相对电源端子的全桥等效电阻作为压力的一个函数保持恒定不变，而一对相对输出端子的等效电阻随着压力的变化而变化；以及(c)温控电路，所述温控电路通过比较一对相对电桥电源端子的全桥等效电阻和已知参考电阻来产生温度输出信号，其特征在于温度和压力可以穿过单个电桥进行类似计量。可以方便快速准确的计量内燃机内气流压力和温度。

Description

一种用于计量内燃机内气流压力和温度的系统
技术领域
本发明涉及一种用于计量内燃机内气流压力和温度的系统。
背景技术
在发动机设计的各个领域，重点一般都放在燃油经济性、发动机性能，特别是发动机的排放废气上。越来越多的排放限制对燃油计量工艺的准确性提出了更高的需求。注油系统作为一种准确控制内燃机内空气和燃油混合比例从而保持低废气排放的方法，开始受到重视。增加注油系统必然要增加成本，这就限制了该技术在市场上的应用。为了在发动机上应用注油系统，必须增加一个发动机控制器、一个更复杂的燃油系统、和多个传感器。此外，发动机往往需要重新设计才能满足应用的要求。这些都会增加发动机系统的成本和复杂程度。简单讲，很多制造商在它们的生产线上增加燃油喷射系统后，由于成本增加，不具备竞争性，这样注油系统的实施就遭到延误直到排放政策要求使用它。因此，设计一种结构简单、成本低廉且可以应用到当前发动机技术上的内燃机精确控制系统才是最佳的选择。
四冲程发动机必须做两次完全旋转才能完成一个完整的发动机循环。该循环包括进气、压缩、做功和排气这四个过程。四冲程循环需要一个720°的循环或是曲轴的两次完全旋转。与四冲程发动机相关的是，发动机相位可确定发动机是在720°循环的哪一半上。例如，如果四冲程发动机与一个720°循环“同相”，则认为是同步，发动机控制器就能正确确定发动机是在哪个冲程上。如果四冲程发动机不是同步的，发动机控制器就只能在360°循环上确定发动机位置。很多系统必须确定发动机在四冲程发动机上的相位来获得适当的时间。双冲程发动机只须转动一圈就完成一个发动机循环，故不需要获取发动机循环的相位信息。这可以视为是360°发动机循环。
注油系统的显著特点是运用发动机上的多个传感器来确定发动机运行状况。例如，注油发动机可以设置曲轴位置传感器、凸轮位置传感器、进气压力传感器以及大气压力传感器等。发动机控制器监测这些传感输入信息来确定适当的点火时间、注入时间和燃油注入量。如果在减少发动机运行所必须的传感器数量的同时还能保持准确控制是很有利的，这样就能减少零件数量，降低复杂程度并且降低。
由这些传感器监测的各类输入到发动机控制器的数据之一可用来确定进气压力。这个计量过程相当复杂。用少数气缸来监测发动机内的进气压力就更复杂了。从现有技术中可知，在吸气冲程进气压力会随着进气阀的开关而波动。如果有多个气缸，曲轴每次旋转时会发生更多的进气过程，传统上较少出现整体进气压力波动。但是，如果小发动机里有少数气缸，每次曲轴旋转时发生的进气过程较少，就会有明显的大进气压力波动。如果获取平均进气压力，由于有波动，该平均值不能正确指示所有气缸实际进气压力。
气压传感器在计算进气质量上的应用可参考美国专利号6453897申请人为Kanno的美国专利。在这种方法中，发动机曲轴每转一次发动机的进气压力就被抽样一次。在现有技术中，通过气压来计算注油控制系统中的进气质量是可以被理解的。Kanno提出一个系统，该系统增加了进气压力计量的准确性，因而增加了获得发动机进气流速和所需空气/燃油比率的准确性。这个例子没有提到通过气压波动来确定发动机相位或曲轴位置方面的应用。相反，这种方法严格上说属于一种在预先确定的曲轴位置上单独计量空气压力的方法。这种计量的计时是通过使用曲轴位置传感器和发动机控制单元来确定的。
在有些应用中，进入发动机的空气质量流率是靠计量进气歧管内的绝对压力(进气歧管绝对压力，或“MAP”)来估计的。空气质量流率是在某个特定时间内进入发动机的空气质量。空气密度或每单位体积空气质量，与吸入发动机的空气温度、压力和湿度成正比。这数据用于计算发动机的空气质量流率或进入的空气质量。这种计算就是人们熟知的体积-密度或速度-密度计算。
用曲轴位置计量，典型特征在于把齿轮跟捡拾器相连用于检测位移运动。这些装置传统上多采用霍尔效应装置或变磁阻式装置。在汽车应用上，齿轮包括多个分布在曲轴上间隔均匀的齿或”计时金属小块”。齿的数量通常可以把360°整除。随着齿数增加，系统分辨率也增加。在很多应用中，常设置一颗缺齿来标志预先确定的曲轴自身位置。众所周知，当今汽车标准是“36-1”模式。这个模式是在圆环上间隔均匀地设置齿轮的36个齿，并去掉36齿当中一个以标示预先确定的角位。从这些输入信息，可以直接计量发动机的每分钟转速和曲轴位置。然而，在四个冲程发动机里曲轴转动两圈才是一个完整的720°循环。因此，曲轴位置传感器不能指示四冲程发动机上的发动机相位。曲轴在发动机循环期间将会两次出现在完全相同的位置上。此外，如果发动机控制器以同步方式运转，其他传感信息需要同步到720°循环。如果曲轴被键入指示其位置而没有其他传感信息它只能依据360°循环或者单次曲轴旋转来确定发动机位置。
很多小发动机运用曲轴触发器机构来标示一个预先确定的曲轴位置以点火。利用这个机构，曲轴每旋转360°火花塞就点火一次。这类系统与曲轴位置传感器有些类似，区别在于曲轴每转一次只有一个信号指示脉冲。有此特征的系统典型特征不在于与发动机控制装置相连，而在于这部分是一个独立的点火系统。象这样，从一个循环到下一个循环几乎没有记忆存储。由于曲轴可能加速和减速，这种系统无法预计发动机注油的时间。然而，它们还是能在固定曲轴角位上触发内燃机点火系统。
为了确定发动机在四个冲程上的发动机相位，必须特别设置一个额外的传感器用来与曲轴位置传感器相连。凸轮轴位置传感器可用于确定发动机相位。凸轮轴旋转速度为曲轴速度的一半并与曲轴机械连接。因此，这两个传感输入信息给发动机控制器提供发动机位置信息，同步旋转到720°发动机循环。但曲轴位置传感器的固有特性决定了它没有曲轴位置传感器准确，因此典型的方法就是将它们组合在一起使用。
在大多数应用中，这些都是相互分散和独立的传感器，每个传感器一般单独监测发动机某一方面的情况。因此，它们每个都要求有自己的接线、连接器和安装方式。这些都增加了注油系统应用实施的费用。
此外，如果曲轴位置传感器因某一原因失效，而没有备用传感器可用的话还会导致发动机停止运转。
如果可以减少发动机运转所需的传感器数量，就可在传感器减少、工具减少、夹具减少、安装时间缩短及设计成本降低等方面节约成本。如果只需少数的传感器就能准确控制燃油注入时间，就可更经济有效地将此技术转移到非注油发动机上，具有一定的实际意义和广阔的市场应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于计量内燃机内气流压力和温度的系统，可以方便快速准确的计量内燃机内气流压力和温度。
本发明第1种带进气压力传感器的发动机控制装置的发明目的是这样实现的：
这种发动机控制装置，所述发动机包括气缸、设置于所述气缸内的活塞以及与所述活塞相连的曲轴，所述活塞在上止点位置和下止点位置之间做往复运动从而与气缸构成了一个燃烧室，所述燃烧室上设有进气阀门和用以点燃空气燃油混合物的火花塞，所述进气阀门根据曲轴角度位置定时开闭以控制空气和燃油的吸入，所述发动机吸气系统上设有与所述进气阀门相连接的吸气室，所述吸气室上设有用于调节进气流量的进气节流阀和用于把计量过的燃油引入到吸入空气中的电动控制注油器，其特征在于：包括：
(a)与吸气室相连以提供在进气期间会波动的进气压力信号的压力传感元件；
(b)压力信号处理电路，所述压力信号处理电路根据进气压力信号在每次进气时至少发出一次计时脉冲，以提示曲轴在发动机循环内的角度位置，并通过计时脉冲间的时间间隔来反映发动机曲轴的速度，并在此基础上进行流量计算，该流量计算不必考虑进气节流阀门或外部主流传感器的物理位置；以及
(c)注油器驱动电路，所述注油器驱动电路根据至少一个计时脉冲和空气流量信号发出注油器输出信号以让注油器在发动机循环的选定期间内打开必要的一段时间以便注入与吸入空气成比例的燃油。
本发明第2种带进气压力传感器的发动机控制装置的发明目的是这样实现的：
这种发动机控制装置，所述发动机包括气缸、设置于所述气缸内的活塞以及与所述活塞相连的曲轴，所述活塞在上止点位置和下止点位置之间做往复运动从而与气缸构成了一个燃烧室，所述燃烧室上设有进气阀门和用以点燃空气燃油混合物的火花塞，所述进气阀门根据曲轴角度位置定时开闭以控制空气和燃油的吸入，所述发动机吸气系统上设有与所述进气阀门相连接的吸气室，所述吸气室上设有用于调节进气流量的进气节流阀和用于把计量过的燃油引入到吸入空气中的电动控制注油器，其特征在于：包括：
(a)与吸气室相连以提供在进气期间会波动的进气压力信号的压力传感元件；
(b)压力信号处理电路，所述压力信号处理电路根据进气压力信号在每次进气时至少发出一次计时脉冲，以提示曲轴在发动机循环内的角度位置，并通过计时脉冲间的时间间隔来反映发动机曲轴的速度；
(c)注油器驱动电路，所述注油器驱动电路根据至少一个温度信号输入和空气流量信号发出注油器输出信号以让注油器在发动机循环的选定期间内打开必要的一段时间以便注入与吸入空气呈比例的燃油而不必考虑进气节流阀的物理位置。以及
(d)点火驱动电路，所述点火驱动电路发出点火输出信号以在发动机工作循环内定时点燃火花塞。
本发明的发动机供油控制方法的发明目的是这样实现的：
这种发动机供油控制方法，所述发动机包括气缸、设置于所述气缸内的活塞以及与所述活塞相连的曲轴，所述活塞在上止点位置和下止点位置之间做往复运动从而与气缸构成了一个燃烧室，所述燃烧室上设有进气阀门和用以点燃空气燃油混合物的火花塞，所述进气阀门根据曲轴角度位置定时开闭以控制空气和燃油的吸入，所述发动机吸气系统上设有与所述进气阀门相连接的吸气室，所述吸气室上设有用于调节进气流量的进气节流阀和用于把计量过的燃油引入到吸入空气中的电动控制注油器，其特征在于：包括：
(a)提供一与吸气室相连的压力传感元件；
(b)产生进气压力信号，所述进气压力信号在进气期间进气阀门打开时会波动；
(c)根据进气压力产生发动机计时脉冲，以提示曲轴在发动机循环内的角度位置，并通过计时脉冲间的时间间隔来反映发动机曲轴的速度；
(d)根据计时脉冲和进气压力信号产生发动机承载信号，而不必考虑进气节流阀的物理位置；
(e)根据至少一个计时脉冲和发动机承载信号产生注油器输出信号；以及
(f)使注油器根据注油输出信号在发动机循环的选定期间内打开必要的一段时间以便注入与吸入空气呈比例的燃油。
本发明第3种带进气压力传感器的发动机控制装置的发明目的是这样实现的：
这种发动机控制装置，所述发动机包括气缸、设置于所述气缸内的活塞以及与所述活塞相连的曲轴，所述活塞在上止点位置和下止点位置之间做往复运动从而与气缸构成了一个燃烧室，所述燃烧室上设有用于控制空气和燃油吸入的进气阀门和用于点燃空气燃油混合物的火花塞，所述发动机吸气系统上设有与所述进气阀门相连接的吸气室，所述吸气室上设有用于调节进气流量的进气节流阀，设于进气节流阀和进气阀门间的压力孔和用于把计量过的燃油引入到吸入空气中的电动控制注油器，所述发动机控制装置包括：
(a)与吸气室内的压力孔相连以提供在进气期间会波动的进气压力信号的压力传感元件，所述压力传感元件附在发动机吸气系统的线路板上并与压力孔相毗连；
(b)设置在电路板上的压力信号处理电路，所述压力信号处理电路根据进气压力信号在每次进气时发出至少一次计时脉冲和空气流量信号而不必考虑进气节流阀的物理位置，所述计时脉冲用于提示曲轴在发动机循环内的角度位置，并通过计时脉冲间的时间间隔来反映发动机曲轴的速度；并且
(c)至少部分位于电路板上的注油器驱动电路，所述注油器驱动电路根据至少一个计时脉冲和空气流量信号发出注油器输出信号以让注油器在发动机循环的选定期间内打开必要的一段时间以便注入与吸入空气呈比例的燃油。
本发明的用于计量内燃机内气流压力和温度的系统的发明目的是这样实现的：
这种用于计量内燃机内气流压力和温度的系统，其特征在于：包括：
(a)随施加在其表面的流体压力变化而变形的柔性基板；
(b)设置在惠斯登电桥上并附在柔性基板上的可变电阻阵列，以使电阻器随着施加在柔性基板上压力的变化而发生弹性变形和电阻变化，可变电阻的设置要使得穿过一对相对电桥电源端子的整体电桥电阻作为压力的一个函数保持恒定不变，而穿过一对相对输出端子的电阻随着压力的变化而变化；以及
(c)温控电路，所述温控电路通过比较穿过一对相对电桥电源端子的整体电桥电阻和已知参考电阻来产生温度输出信号，其特征在于温度和压力可以穿过单个电桥进行类似计量。
本发明的节气门体组件的发明目的是这样实现的：
这种在发动机上使用的节气门体组件，所述发动机包括气缸、设置于所述气缸内的活塞以及与所述活塞相连的曲轴，所述活塞在上止点位置和下止点位置之间做往复运动从而与气缸构成了一个燃烧室，所述燃烧室上设有进气阀门和用以点燃空气燃油混合物的火花塞，所述进气阀门根据曲轴角度位置定时开闭以控制空气和燃油的吸入，所述发动机吸气系统上设有与所述进气阀门相连接的进气通道和用于把计量过的燃油引入到吸入空气中的电动控制注油器，其特征在于：包括：
节气门壳体，包括一与发动机吸气通道配合工作的内部通道，用于控制通过内部通道空气流量的节流阀，节气门体上设有压力孔，所述压力孔位于内部通道内节流阀的下游；以及
安装在节气门壳体上与压力孔毗连的的电路板，所述电路板上安装有：
(a)与所述压力孔相连的单一传感元件，以提供进气压力信号和温度信号；
(b)信号处理电路，所述信号处理电路根据进气压力信号和温度信号发出空气质量流量信号，而不必考虑进气节流阀或外部质量流量传感器的物理位置；以及
(c)注油器驱动电路，所述注油器驱动电路至少根据空气质量流量信号来提供注油输出信号以让注油器在发动机循环的选定期间内打开必要的一段时间以便注入与吸入空气呈比例的燃油。
本发明的显著特点是利用单个进气压力传感器来进行内燃机的计时控制和进气量计量。本发明是为在单气缸发动机使用而设计的，但也可应用到且不限于，所有形式的存在进气压力波动的内燃发动机。本发明减少了通过监测进气压力波动来确定发动机计时和操作特性所必需的传感器数量。
为了有效地给发动机计时，本发明可以用一个部件取代曲轴位置传感器、凸轮位置传感器、马尼福尔德空气压力传感器和大气压力传感器。通过这个技术，单独的进气压力/温度传感器可以用来当作计量燃油和注入时间的独立机构。通过监测进气压力波动，曲轴每旋转两次你就可以观察到真空脉冲一次(这是对四冲程发动机而言，在双冲程发动机中每转一次可以看到一次)。这标示了一个特殊的曲轴位置以及进气阀门打开的时间。当用微处理器实现时，可以用数学模型预测下次进气时的进气压力的间隔时间。此外，这个模型还可以预测曲轴下次循环到进气压力时的位置。有了这些计时信息，燃油计量和点火定时就可以以非介入形式准确增加到发动机上，而不需要在发动机体上增加其他的传感器。这会给那些想在现有产品上增加注油技术的公司带来更多的利益。
当前很多小发动机的点火系统使用了某些形式的曲轴触发器。如果曲轴触发器或曲轴位置传感器输入与本专利技术相结合，在发动机计时方面准确度和分辨率都会提高。单独使用曲轴触发器无法对发动机720°循环(在四冲程应用上)计时。而如果在曲轴触发器之外增加进气压力波动信号的输入就可以解决这个问题。当用微处理器实现时，系统可以用数学模型进行进气压力预测和监测。通过这些信息，就可以获得比前述例子更高的准确性。运用这些计时信息，燃油计量和点火计时就能以非侵入形式准确地增加到发动机上。这类系统相当于在原有系统上增加了一项保险措施。如果两个传感器中的一个失效，另一个传感器会提供足够的信号使发动机能够继续运转，尽管分辨率会降低。这在那些不允许发动机失效的领域上应用是很有利的。
由于压力传感器放置在进气口区，这可以让发动机生产简化。加工、工程和设计时间就不必过多地投入在研究多个传感器在发动机铸件内的布置上。这个控制系统对那些想在现有渗碳产品上增加注油系统的生产商非常有利。本发明非侵入的特点使其可以应用到工具、包装或再设计费用太高以至于无法应用标准燃油注入的工程。
本发明的其他优点可以从附图及详细说明中得到进一步的体现。
附图说明
图1是本发明一种单气缸内燃机示意图，根据本发明所选具体实施例进行配置，进气管和发动机的一部分在图的上部，发动机控制器在图的左下部，发动机控制器、传感器、注油系统和点火系统将两部分连接在一起；
图2是图1所示发动机吸气系统的示意图，其上安装有压力传感器；
图3是图2所示压力传感器输出信号与曲轴实际位置的计时关系说明图；
图4是本发明另外一种单气缸发动机实施例的示意图；
图5是图4所示本发明的节流阀组件的分解放大图；
图6是图5所示的印刷线路板的下侧；
图7是节气门组件放大剖视图以图示说明压力传感器、电路板和压力口；
图8是压力/温度传感器的电路图；
图9是发动机控制器的结构框图；以及
图10是图示说明不同发动机承载等级条件下进气压力、进气信号、火花和注油器输出信号的计时关系图。
在图中，10内燃机，12动力头，14吸气系统，15注油系统，16排气系统，20气缸体，22气缸膛，24活塞，25曲轴箱，26气缸盖，30曲轴，32连杆，34燃烧室，40进气口，44进气阀门，46排气阀门，60节流板，62节气门体位置传感器，63进气温度传感器，64进气压力传感器，65火花塞，66节流板旋转轴，67注油器，68节流轴，69点火系统，70点火控制信号线，72注油控制信号线，74进气压力数据线，76节气门体位置数据线，78进气温度数据线，79曲轴位置数据线，80发动机控制单元(ECU)，86排气口，88排气管，90进气室，92充气室，94进气流道，96吸气通道，98节气门体，100进气阀门开启，101排气冲程，102进气冲程，103压缩冲程，104做功冲程，110进气阀门闭合，112近似大气压力，115发动机循环，120进气压力信号，125进气阀门开启，130进气阀门闭合，140曲轴角位，145 360°曲轴旋转，148 720°发动机循环结束，150 0°曲轴旋转，160第二个发动机实施例，162吸气系统，164节气门体，165曲轴位置传感器，166空气入口，168气流道，170注油器，172节流叶片，174节流轴，176压力孔，178电路板，180盖子，182压力传感器，184环管，186O型密封圈，188、190、192、194电元件，196、198电源端子，200、202中间端子，204惠斯登电桥，206温度传感电路，208微处理器，210运算放大器，212晶体管。
具体实施方式
图1所示的是用在所有地面运动车辆(ATV或者四轮车辆)上使用的内燃机10。本发明也可应用于其他内燃机应用例子，如但不限于，个人船只、小气艇、越野车、重型建筑设备、摩托车、草坪拖拉机和气动堆场机具。
本发明所用的“Forward”、“Front”和“fore”词都指排气系统16的前边，词“rear”，“reverse”和“rearwardly”意思是指与前边相对面，除非另有说明。
发动机10进行四冲程燃烧循环。如图1所示，发动机10包括一个气缸体20，包含气缸膛22，在具体实施例中，发动机10是单气缸型。
需要注意的是发动机可以是任意类型的(V型、线型、W-型)，可以有其他数量的气缸，也可以按照其他原则运转(双冲程、旋转、或柴油机型)。
活塞24在气缸膛22中做往返运动，气缸盖组件26连接在气缸体20的一端，包含带活塞24和气缸膛22的单独燃烧室34，气缸体20的两端用曲轴箱构件封住(未显示)，从而在内部构成了一个曲轴箱25。
发动机10包括吸气系统14和排气系统16，吸气系统14用以向燃烧室34供应空气。
参考图2，吸气系统14包括设有的充气室92的进气室90，进气流道94从充气室92延伸，包含吸气通道96。吸气通道96从充气室92延伸到设于气缸盖组件26上的进气口40。
参考图1，进气口40靠进气阀门44打开和关闭，当进气口40打开，空气从进气通道96和进气口40流入燃烧室34。
充气室92还可以包括朝外界空气打开的进气口(未显示)。充气室92的进气口还可以包括某种形式的空气过滤装置(未显示)。充气室92的作用是充当进气消音器或空气收集器。充气室92定位在发动机10的后面，进气通道从充气室92延伸到进气口40。
如图2所示，节气门体98在进气流道94内，节气门体98支撑节流板60沿着节流轴68的节流板旋转轴66旋转，并沿各自节气门体98垂直延伸。
节流板60靠节气门线缆运行(未显示)。节气门线缆连接到拇指油门(未显示)，拇指油门可能在所有地面车辆的手柄(未显示)上。
参考图1，节气门体位置传感器62设置在节流轴68的顶部，从节气门体位置传感器62发出的信号靠发动机控制器ECU 80通过一节气门体位置数据线76传送，用于控制各种发动机运行，包括，但不限于，燃油注入控制和点火定时，后面会进行说明。从节气门体位置传感器62出来的信号与发动机乘载和节气门体开启相对应。
空气供应通道96可以括绕过节流板60的旁路通道或闲置空气供应通道，尽管图2中省略了该通道。发动机10还可以包括由ECU 80控制的闲置空气调节装置(未显示)。
运行时，把空气引入动力头12，并通过充气室92的进口。在发动机10运行期间，空气供应量由节流板60控制来满足发动机10的要求。然后供应的空气通过进气流道94流入到进气口。
如上所述，进气阀门44设置在进气口40处。当进气阀门44打开时，空气供应到燃烧室34作为空气供应。在怠速时，节流板60一般是闭合的。因此，空气通过由ECU80控制的闲置空气调节装置(未显示)进入进气口40。闲置空气在调节装置中进行调节，随后通过进气口40供应到燃烧室34中。发动机10的每分钟转速在怠工状态下通过把节流板60的开度调小来调节。这是通过调节一套螺母(未显示)来限制节流板60绕轴66低速运行。
参考图1，排气系统16设置用于排放从发动机10的燃烧室34出来的燃烧气体或废气。气缸盖组件26包含排气口90，靠排气阀门46打开和关闭。当排气口86打开时，燃烧室34与单条排气管88相通，引导废气通过排气系统12排出。
单独的凸轮轴(未显示)用来控制进气阀门44和排气阀门46的开关。凸轮轴有在预定的时间内作用于阀门44、46上的凸轮，打开曲轴30，关闭进气口44和排气口90。凸轮轴是气缸盖组件的枢轴，靠链子(未显示)机械连接到曲轴30上。
如图1所示，发动机10还包括注油系统15。注油系统15包括注油器67，注油器有一注射喷头，暴露在进气口40处以便燃油可以直接注入到燃烧室34。主要燃油存放于油箱(未显示)内，燃油通过供油系统(未显示)注入。燃油从油箱里被油泵(未显示)吸出，经过燃油过滤器(未显示)。燃油压力经过燃油压力调节器(未显示)调节，然后送入燃油轨(未显示)，进入到注入器67中注入到燃烧室34中。注油器不用的多余燃油经过燃油回流线返回到油箱中。注油脉冲的计时和持续时间由ECU 80显示，下面会详细说明。从注油器67出来的燃油和在进气阀门44打开时吸入的空气同时进入燃烧室34。
因为燃油压力经过压力调节器调节，ECU 80控制注油器67打开时间长短，来计量注入到注油器67的燃油量。ECU 80通过注油控制信号线72控制注油持续时间和注入计时。最好，注油器67有靠电磁作用打开的喷嘴，这个在技术领域是已知的。因而注油控制信号线72根据ECU 80确定的注油持续时间和注入计时发信号给电磁铁让它打开和关闭。
发动机10还包括一点火系统，一般靠参考67的数字进行显示。火花塞65固定到气缸盖组件26上，暴露在燃烧室34外面。火花塞65在ECU 80确定的时间内点燃燃烧室34内的空气燃油混合物。为了实现这个目的，点火系统69最好在火花塞和火花塞控制线之间有一点火线圈(未显示)。
发动机10最好包括一交流发动机(未显示)用来发电。此外发动机10最好包括一电池(未显示)用来储存交流发动机产生的电能，给ECU80、发动机传感器(进气温度传感器63、节气门体位置传感器62、进气压力传感器64、曲轴位置传感器165)、燃油泵、注油器67、和点火线圈供应电能。
未说明的是，发动机10还包括一反卷启动器或电动启动器驱动曲轴30使得发动机10运转。发动机10以一定速度旋转，该旋转可以用其自身电源进行。
典型的传动是设置一发动机曲轴箱25(未显示)铸在这类发动机上。尽管没有说明，能量是通过传动耦合于曲轴，并发送到车辆驱动系统来运转的。
发动机10最好还包括一润滑系统(未显示)。该润滑系统为发动机10的某些部分进行润滑，例如，但不限于，带曲轴箱25的曲轴30的连接杆32和气缸膛22的内壁。
发动机10最好还包括一冷却系统(未显示)用于冷却气缸体20和气缸盖26的加热部分。冷却水套(未显示)包含在气缸体20内，并且热能与气缸膛22相通，水泵(未显示)将冷却剂输送到发动机10和散热器(未显示)中。
如上述所提，根据存储在ECU 80中的各种各样的控制图，ECU 80控制发动机进行包括从注油器67注入燃油和在固定时间内点燃火花塞65的操作。为了确定适当控制，ECU 80参照从各个传感器收集到的数据来运用存储在ECU 80这些图和索引。
任一种预期的控制策略都可以用来控制注油器67注油时间和持续时间以及点燃火花塞65的时间，然而，可以参考一些有关发动机传感和发动机控制传感的讨论。虽然，对于那些技术领域的经验人士可以理解如何将不同的控制战略与本发明应用的配件相结合。
如图1所示，一台曲轴位置传感器165计量曲轴角度并将该数据传送给ECU80，如示意图所示。在说明的具体实施例中，曲轴位置传感器165是曲轴触发器的形式，配置用于曲轴30每旋转一次发射一个单独脉冲，从曲轴位置传感器165发出的信号通过一曲轴位置数据线79传送到ECU 80。发动机承载可以由节流板60的角度进行传感，并由节气门体位置传感器62传感通过节气门体位置数据线76传送到ECU80。
进气温度传感器63计量进入进气流道94的空气温度。进气温度传感器63发出的信号通过进气温度数据线78传送到ECU 80。进气压力传感器64在节流板60和进气口40之间连接到进气流道94上，计量在空气供给通道96中的进入空气量。进气压力传感器64的计量数据通过进气压力数据线74传送到ECU80。
所述的传感条件只是控制传感的部分条件，当然还可以提供其他一些可行的传感器，例如，但不限于，氧气传感器、燃油压力传感器、燃油温度传感器、发动机冷冻剂温度传感器、油压传感器、大气压力传感器和凸轮位置传感器。
ECU80根据每个控制图计算和处理从每个传感器检测到的信号。ECU80给注油器67和火花塞65发出控制信号。如示意图1所示各自控制线获取这些控制信号。
如上所述，ECU80确定适当的注油持续时间以便按预定空燃比提供燃油。因而，注油持续时间部分由空气供应通道96内的空气供应量决定。通过供应空气通道96的供应空气质量流率是由ECU80和由注油器67按照化学计量比注入的燃油量确定的，化学计量比是由ECU80和注油控制信号线72确定的。
在发动机10运转期间，ECU80从进气压力传感器64发出的信号进行抽样，来确定曲轴位置140，当曲轴30从曲轴旋转150位置旋转0°，旋转360°到曲轴旋转位置145，旋转720°到曲轴旋转位置148。两个360°到曲轴旋转位置145和720°到曲轴旋转位置148都是人们所知的上止点，活塞24在气缸膛22内最远位置。从曲轴位置传感器165发出的监测信号增加分辨率来确定曲轴位置140。参考图3，在四冲程发动机10的进气冲程102期间，进气压力信号120随着进气阀门在100位置开启和在110位置关闭而波动。在进气冲程102期间，进气阀门44打开允许空气/燃油从进气口40流入到燃烧室34，在从进气压力传感器64产生的进气压力信号120上产生压力波动100。活塞24移到气缸膛22的底部位置，进气阀门44关闭在从进气压力传感器64发出的进气压力信号120上产生压力波动110。
在本实施例中，从进气压力传感器64发出的进气压力信号100到110是在四冲程发动机10每做两个完全曲轴旋转时观察一次。在这些压力波动之间的时差指示发动机速度N，可以用ECU 80计算出来。此外，压力波动100到110允许ECU80确定发动机在720°发动机循环中的相位，进气阀门44在四冲程曲轴30每做两个完全旋转时打开一次。在压缩冲程103、做功冲程104、和排气冲程101期间，由进气压力传感器64传感的进气压力接近外部大气压力112。
为了确定适当的发动机计时，以让ECU80从注油器67注入燃油或点燃火花塞65，ECU80必须有发动机特征的数学模型，用从进气压力传感器64以及可选的曲轴位置传感器165发出的数据输入来确定发动机10运转时的曲轴位置140。模型的例子，例如，但不限于，在前面的进气压力信号的进气压力波动100到110循环115时曲轴所在位置上应用可预测的模型，预测到下一个循环125到130时的曲轴位置。应用此模型，发动机每个循环115的计时是根据上一个内燃机循环时间所定。可以运用其他控制算法，不限于，用本发明相同技术来传感发动机速度N、相位、及位置。
应注意，进气压力信号也许有其他小的波动(未显示)，取决于发动机10的运行条件。这些波动可以以信号噪音方式采集，可以用ECU80内的电子过滤器削弱，或者用ECU80自身的软件进行数字处理莱削弱其预定频率。包含任何被动处理的光滑信号，时间会延迟并且削弱的噪音可能会被引入到现有的空气压力信号中，发送给ECU80。
本发明选择的内燃机160的第二个具体实施例利用图4的横截面图进行说明。发动机160进气系统区域与图1发动机的不同。相似的部件使用相同的编号。在发动机160中，进气系统162取代了前面所述的吸气系统14。进气系统162由节气门体组件164组成，清洁的空气入口166连接到一台常规空气过滤器上，进气流道168设置在节气门体组件164和发动机进气口40之间。进气流道168位置可选，可以在注油器170位于节气门体组件164内也可以在发动机盖毗邻的进气口40内。在说明的具体实施例中，进气流道168用来斜斜安装电子注油器170，以便可以朝着进气阀门44的方向向进气口喷入燃油。电子注油器170常规设计有一与加压燃油源头的常规连接，内部有靠电子控制信号控制的电磁螺线管。螺线管调节通过喷嘴的燃油流量，大约是发动机最大的燃油需求量。最好，进气流道168由填充塑料的玻璃组成，在发动机气缸盖和节气门体164以及注油器170之间热敏断开。
节气门体164还有一以常规方式机械联结的普通蝶型节流叶片172绕由节流轴174旋转。节气门体164带有压力孔176，与说明的进气流道相通。压力口位于进气阀门44和节流叶片172中间，为了在进气时进气阀门打开期间在进气流道中接触到压力波动。安装在节气门体上与压力孔176相毗邻，是电路板178和相应的盖子180。图5和7展示了节气门体的更多细节，节气门体164和盖子180共同定义电路板178所放置的腔室。
如图6所示，包含延伸的环管184的压力传感组件182安装在电路板178的下面。如横截面侧视图7所示，安装到对电路板上的环管184通过弹性O-型密封圈186密封安装在节气门体164上。O-型密封圈186是以环状方向布置在节气门体164上，延伸到压力孔176。当然，其他常规密封机构也可以用来连接电路板和节气门体，这个技术领域的普通人员就会知道。弹性密封件186能使电路板178对可移动地附在节气门体164上密封连接到压力传感器180上，封住压力孔176的一个端口。压力孔176足够大以便能够承受没有经过明显削音或延迟的进气流道内的压力波动。通过直接将压力传感器安装到一个电路板178上，系统的接线数量、费用和尺寸都可以降低，安装过程大大简化。最好，实质上整个燃油和火花控制电路，可以合并在电路板178上。这能实现使用常规表面安装电子元件和微处理器。
最好，压力传感器由惠斯登电桥电阻装置组成，有四个压力可变敏感电阻元件。图8是电桥电路结构示意图。四个压力可变敏感电阻元件排列在一设置有电阻元件188，190，192和194的常规惠斯登电桥上，以便穿过相对的电源端子的电阻元件196和198保持作为压力函数保持相对恒定，而穿过相对的中间端子电阻元件200和202与压力成正比改变。
说明的常规惠斯登电桥输出电路204产生输出电压信号VP，该电压信号与施加在压力传感器182上的压力成正比。在图右侧说明的温度传感器电路206提供一个相对地简单的方式来确定压力传感器182的温度，无需独立温度探针。输出温度传感器电路206产生电压信号VT，该信号作为温度的一个函数而变化。
压力传感器元件182由设置在惠斯登电桥上的四个相互平衡的压力可变敏感电阻元件188、190、192和194组成。这种类型传感器可从Intersema SA Sensoric公司买到，输出信息数据表上说明有“MS54XX(RollS water)Miniature SMD压力传感器”，6月29日，2005年，这里列出供参考。这些元件安装到一个随进气压力而改变的柔性基板上。这些元件随着压力的变化弹性变形，导致相应的电阻变化。电桥的整体电阻(在196和198之间)随着压力变化保持恒定。电桥输出(端子200到202之间)电压区别，该区别与施加在传感元件182上的压力成正比。这个配置有计算环境温度和真空压力的能力，被认为是绝对压力传感器。
在技术领域，众所周知的是电阻压力传感元件，特别压阻式材料，电阻与元件温度有关。温度改变，电桥的整体电阻也成正比改变。这种与温度的相关性特别适用于压力计量中温度校正。
用这些装置测量温度或压力的通用方法要求电桥随着电流施加偏压用来测量温度，随着电压测量压力。照这样，在任意给定时间内一次只能测量其中的一个(温度或者压力)。
本发明所选具体实施例可以用一个单独的传感元件同时适时测量温度和压力。使用温度传感线路26，包括空气运算放大器210和晶体管212电桥电压(VBR)保持恒定尽管总体电桥电阻随相应温度而变化。通过晶体管212电流与通过电桥的电流成正比。该电流通过电阻器R1和产生与电桥电阻变化成正比的电压(VT)，从而测量电桥温度。
已经知道电桥元件温度的校正取决于压力信号。元件温度还与暴露的气流温度有很大关系，从而显示系统的进气温度。该具体实施例可以不用处理传统MAP传感器技术的时间延迟就可以适时计量进气温度和进气压力波动。当该具体实施例显示电阻元件时，该设计可以用其它含电容单元的压力传感装置来实施。
为了提供所选微处理器208所需的直接输入信息，压力输出信号VP和温度输出信号VT范围都在0到3.3伏，选择性显示在图9中。在本发明所选的具体实施例中，ECU中使用了常用的常规微处理器，当然，其他类型的微处理器或各种半导体组合也可以应用到本发明中。提供给微处理器的基本输入信息是压力信号和温度信号。根据这些有限信息，微处理器能够产生注油器输出信息VF，该信息与常规注油器驱动器线路相通，运行注油器螺旋线圈。微处理器最好还能产生火花输出信息VsPK，与常规点火线圈驱动器电路相通，点燃火花塞。本发明还可以用于有有磁点火或其他单独点火系统的发动机。
压力输入信号在图10中图解为曲轴角度的一个函数。由于发动机运转过程中进气阀门开闭，进气压力信号IP显著波动。低于大气压的低压偏移在低承载要求下最显著，当节气门闭合低气流进入气缸。在发动机承载高时，节气门打开，低压偏移较不明显，但仍可察觉。如图10右侧所示的当压力接近大气压时，进气压力信号开始发出，在上止点之前很短时间内，进气流道压力就开始下降。特别是最小进气流道压力发生在活塞速度最大的上止点和活塞速度是零的下止点后90°之间。
进气压力的形状随速度、承载和发动机几何形状变化，但对于任何一种指定发动机，都不需要安装发动机曲轴或凸轮轴位置传感器就可以不断形成进气压力波来提供发动机计时信息。
通过在微处理器208软件中植入一系列阀值过滤器，会产生一个矩形波进气波浪形式IS。进气信号IS开始高，一旦进气压力IP信号被阀值X从最高水平下降，该信号降低到低态。一旦进气压力信号达到它最小点，且增加阀值Y，进气信号IS回归到高态。进气信号低态一般与进气阀门打开相对应。
微处理器208在进气时使用下降量值和进气压力VP来评估进气质量。假定进气体积为发动机排量，平均进气压力估计为比最小进气压力的三分之二还小的大气压力，在进气时进行观察，如图10说明的IPa点所示。最好，估计的吸入空气质量根据进气温度输出VT从温度电路206进行调整，调整到进气温度。
一旦进气质量估计出来，需要的燃油就可以根据既定的空燃比确定。这可以从一张简单的对照表上看出，该表上有注油器注油持续时间以及对应每次空气质量容积表项。注入时间当然跟注油喷嘴尺寸和公称油压有关。喷嘴口径越大，或油压越大，根据观察的进气质量注入对应比例的所需燃油所持续时间就越短。
理想状况下，燃油将在进气阀门关闭期间被注入。当选择这个控制战略时，其他注入时间也可以使用。大家都认为在进气阀门关闭时间间隔的中间时间注油可以获得最好最稳定发动机性能和最佳排放。或者，在进气阀门关闭时间窗口随后注入，甚至在高载状态下与阀门打开时间内同时注入。
在图10中，图示了在平均承载、轻承载和重发动机承载下的三个不同注油器信号FI。根据图中说明，注油器脉冲持续时间随发动机承载发生变化，脉冲基本保持在进气阀门关闭时间窗口内的中间。火花输出信息SPK以平均状态，低负荷和高负荷状态分别进行说明。最好，火花相对上止点的前进会随发动机承载和发动机速度改变。轻发动机承载需要火花做更多位移，发动机速度要高。用常规方法做实验确定最适宜火花位移，制作一张标准速度载荷表。发动机运行期间从表中实时查找火花，并且最好在最近的速度和承载状态之间。火花输出脉冲SPK发送到常规火花驱动器电路以标准方式点燃火花塞，如在时间可变电子火花点火发动机中所做一样。
在某些瞬变的发动机加速情况下，运用进气压力形状来确定发动机计时，计时错误可能有5°。当这个在控制注油时间方面是完全可接受的，在稳定状态下，为了获得最佳做功和最少排放，最好，点火提前时间错误不超出1°或2°。相应地，在点火定时需要改进的地方，曲轴每旋转一次把传感器所在位置简单向最大火花前进位置多调一点，以便可以用最小加速度错误准确确定点火时间。当然，可以使用多个传感器或多个计时轮来获得更精确的效果，但，曲轴每旋转一次把传感器大概位置简单向最大火花前进位置多调一点可以把点火定时错误最小化。
发动机还可以带所有发动机温度传感器给微处理器提供发动机温度输入。发动机温度在发动机冷启时可以用米向下调节燃油比(来增加燃油量)。这个特点当然是可选的，所有发动机都可以简单带有常规人工油嘴。
本发明特别适合对发动机或发动机组件做最少改变就将常规增碳发动机转化为电子控制燃油注入和火花点火发动机。该技术使得发动机制造商可以在同样装配线上简单从生产电子燃油注入和火花引爆控制转化到生产增碳发动机和电子燃油注入发动机。这种转换到电子燃油注入发动机的原因之一是非常经济，本发明所选的具体实施例可以只根据进气压力而无需电动油门位置控制传感器就能准确估计燃油供应质量、发动机承载。本发明可以根据进气压力和温度不需要质量流量计就能准确估算空气供应质量。同样，本发明无需使用常规曲轴和凸轮轴位置指示器还能计算所有进气信号，在进气阀门打开时标示发动机时间。为了控制成本，本系统设计用最少传感器输入，当然在使用本发明时你随时都能增加更多的传感器输入，只是有些性能重复而已。
本发明解释的是在单气缸发动机上的应用，本发明也可以很容易适用于有两个个或更多气缸的发动机。在多缸发动机中，进气压力口最好位于相对清洁的地方用一个进气流道里因其它进气产生的最小压力波动来测量压力。由于所有气缸的进气火花和注入时间都是发动机设计几何函数，可以是用单个压力输入来给所有气缸提供燃油和点火。
此外，本发明的方法用于控制方法更复杂的发动机进行注油器和点火定时控制，如用于一个有氧气传感器、空气质量传感器和节气门体位置传感器的闭合回路燃油控制发动机。这个系统在发动机任何常规输入装置出现故障时，能使发动机在开环模式下运行一段时间直到损坏传感器被修理好。
当然，前述的有关本发明的某些特点和优点，都可以在不偏离本发明范围而进行改动和变更。所例举说明的本发明的具体实施例，对于技术领域的专业人士是可以做进一步修改和完善的。所有保留在本发明的权利要求基本原则内的改进属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围是由权利要求所确定的。

Claims (4)

1.一种用于计量内燃机内气流压力和温度的系统，其特征在于：包括：
(a)随施加在其表面的流体压力变化而变形的柔性基板；
(b)设置在惠斯登电桥上并附在柔性基板上的可变电阻阵列，以使电阻器随着施加在柔性基板上压力的变化而发生弹性变形和电阻变化，可变电阻的设置要使得一对相对电源端子的全桥等效电阻作为压力的一个函数保持恒定不变，而一对相对输出端子的等效电阻随着压力的变化而变化；以及
(c)温控电路，所述温控电路通过比较一对相对电桥电源端子的全桥等效电阻和已知参考电阻来产生温度输出信号，其特征在于温度和压力可以穿过单个电桥进行类似计量。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述可变电阻是压阻元件。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述压阻元件以加-减-加-减的形式设置在电桥周围。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述温控电路还包括一个远离柔性基板位置上的参考电阻。
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