CN101825029B - 一种汽油发动机怠速空燃比设定方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种汽油发动机怠速空燃比设定装置及方法，所述装置包括发动机本体、燃油喷射装置、发动机电控单元、状态指示装置、发动机点火装置、排气氧传感器、系统电源、以及发动机系统钥匙开关，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)进入发动机怠速空燃比设定状态的操作；2)指示系统当前处于设定状态；3)计算确定基准怠速喷油量，使在该喷油量时发动机怠速转速最为稳定并且过量空气系数接近于0.95；4)指示怠速空燃比设定计算完成；5)在ECU断电或进入待机状态前，将所述基准怠速喷油量存入所述ECU中的不挥发存储器。

Description

一种汽油发动机怠速空燃比设定方法及装置

技术领域

本发明涉及电控燃油喷射式汽油发动机，特别是汽车摩托车等常用的电控燃油喷射及点火的四冲程汽油发动机。

背景技术

汽油发动机采用电控燃油喷射技术，可以大幅提高发动机空燃比的控制精度，从而使发动机高效节能，排放降低，同时对改善发动机的启动性能、怠速性能、运转稳定性、动力等，也有明显的效果。

电控燃油喷射及点火的四冲程汽油发动机，大多数采用电控怠速空气阀的方式来改变怠速工况的发动机燃烧循环做功，从而维持发动机在不同的热状态或辅件动力需求时的怠速转速稳定，例如发动机冷车启动后的怠速，或电瓶电压过低时发电机励磁电流突然增加时的怠速，等。

然而，怠速空气阀的流量特性存在一定的散差，怠速空气量计量同样存在一定的散差，因此，即使设计的相同规格的发动机和电控燃油喷射系统，在装车后也难以保证怠速空燃比达到理想的一致结果，从而有使怠速转速稳定性变差、排放不达标的危险。为了保证发动机怠速空燃比具有较高的一致性，可以采用氧传感器闭环反馈的方式控制怠速空燃比，但对于开关型氧传感器，只能控制怠速空燃比在理论当量比附近，而不能够控制在怠速运转最为稳定的稍浓状态。而且，如果怠速空燃比反馈燃油调节量较大，那么就无法保证在氧传感器还没有处于有效工作状态时的发动机怠速性能。因此，提高怠速开环状态下的空燃比控制一致性，是保证发动机性能的基本前提。现有的公开技术是在发动机生产或维修时通过专门调试仪器并由专业人员来设定每一台发动机的怠速空燃比，但这使生产成本增加。

发明内容

本发明之目的在于提供一种电控燃油喷射四冲程汽油发动机的怠速空燃比设定方法及装置，实现不需要专门调试仪器设定怠速空燃比达到一致的理想数值，并且操作简单，从而降低发动机系统生产及维修成本。

本发明之目的通过下列技术方案达到，即：

一种汽油发动机怠速空燃比设定装置及方法，所述装置包括发动机本体、燃油喷射装置、发动机电控单元(ECU)、状态指示装置、发动机点火装置、排气氧传感器、系统电源、以及发动机系统钥匙开关，其特征在于，所述ECU能够测量所述钥匙开关的状态，所述点火装置由所述钥匙开关控制其与所述系统电源的导通或断开，所述燃油喷射装置直接与所述系统电源连接而不受钥匙开关控制，所述ECU也直接与所述系统电源连接但可以根据自己的内部逻辑自动控制自己处于待机状态，或所述ECU的电源有两路并联线路提供，其中一路由所述钥匙开关控制其与所述系统电源的连接，而另一路不受钥匙开关控制但通过由所述ECU的内部电路来控制其与所述系统电源的连接，在所述钥匙开关断开后，所述ECU继续由这一路电源供电，测量所述钥匙开关的断开持续时间，根据所述ECU的内部逻辑再自控断开这一路ECU电源；所述方法包括以下步骤：

1)进入发动机怠速空燃比设定状态的操作；

2)所述状态指示装置指示系统当前处于设定状态；

3)在设定状态且发动机保持怠速稳定运转的条件下，ECU计算确定基准怠速喷油量，使在该喷油量时发动机怠速转速最为稳定并且过量空气系数接近于0.95；

4)所述状态指示装置提示怠速空燃比设定计算已经完成；

5)在ECU断电或进入待机状态前，将所述基准怠速喷油量存入ECU中的不挥发存储器。

根据这个技术方案，可以完全不借助于任何专门调试仪器，随时按照规定的简单操作，使发动机怠速空燃比设定在理想的状态，并且达到较高的一致性，生产服务成本降低。

下列技术方案可对本发明进行进一步改进。

所述进入发动机怠速空燃比设定状态的操作为：以预先规定的时间间隔连续多次开关发动机系统的钥匙开关，例如连续5次、每次断开时间在0.2-2秒范围之内，如果不满足所述条件，则发动机系统进入正常运行状态；所述指示装置为一个LED指示灯，指示系统当前处于设定状态的动作为：所述指示灯以固定的频率不停地闪亮；所述提示怠速空燃比设定计算完成的动作为：所述指示灯熄灭。

大量实验结果表明，四冲程汽油发动机有一个特点，在怠速进气流通面积不变并且点火角不变时，一般情况下，怠速转速与混合气空燃比的关系如图4所示，在过量空气系数λ≈0.90时，怠速转速会达到最大，并且最稳定，而在λ＜0.85或λ＞1.00时，怠速转速会明显降低，或者波动明显增大。但λ＝0.90将会使发动机排气的CO浓度达到5％左右，太高，因此理想的怠速λ为0.95。根据图4所示特性，即使在开环控制状态，也可以根据扫描喷油量与怠速转速的关系得到λ≈0.90所对应的喷油量，从而确定出λ≈0.95所对应的所述基准怠速喷油量。

如果采用转速反馈、点火角动态调整的策略来控制怠速转速为恒转速，那么图4所示特性将转变为平均点火角与过量空气系数λ的特性，如图5所示，在过量空气系数λ＝0.90时，平均点火角会达到最小，而怠速转速最为稳定。因此，也可以用扫描喷油量时的点火角来确定出λ≈0.95所对应的所述基准怠速喷油量。

根据上述原理，所述扫描燃油喷射量的扫描过程还包括以下步骤：

1)以一定步长不断增加喷油量并保持一段时间，测量记录该时间段内的怠速转速及点火提前角；

2)当转速明显降低到预先给定的临界值以下，或转速波动值大于预先给定的最大允许波动值时，停止增加喷油量；

3)以一定步长不断减小喷油量并保持一段时间，测量该时间段内的怠速转速及点火提前角；

4)当转速明显降低到预先给定的临界值以下，或转速波动值大于预先给定的最大允许波动值时，停止减小喷油量；

5)计算平均怠速转速最高或平均点火提前角最小状态对应的喷油量Qim，将所述基准怠速喷油量定为k*Qim，其中，k为一个小于1的常数，k的最佳取值范围为k＝0.85-0.95。

当所述排气氧传感器正常工作时，可以更为方便地使用准确的闭环反馈怠速喷油量来确定所述基准怠速喷油量，只要知道闭环反馈的目标过量空气系数即可。如果采用的是开关型的氧传感器，那么较为准确的目标过量空气系数一般为1.00，而如果采用的是宽域型的氧传感器，那么可以直接将目标过量空气系数设为0.95。

因此，对本发明的进一步优化还包括：在所述氧传感器正常工作时，根据所述氧传感器信号反馈调节得到的怠速喷油量，进一步修正所述基准怠速喷油量。

或者，在氧传感器正常工作时，根据氧传感器信号反馈调节得到的怠速喷油量，直接确定所述基准怠速喷油量。

本发明的益处在于，通过一种电控燃油喷射四冲程汽油发动机的怠速空燃比设定方法及装置，实现了不需要专门调试仪器来设定发动机怠速空燃比，并能够使其达到一致的理想数值，而且操作简单方便，可降低发动机系统的生产及维修成本。

附图说明

图1为本发明实施例之发动机系统的构成简图。

图2为本发明实施例之怠速空燃比设定过程逻辑简图。

图3为本发明实施例之计算基准怠速喷油量的方法逻辑简图。

图4为怠速转速与混合气空燃比的关系曲线示意图。

图5为恒转速控制怠速转速时点火角与混合气空燃比的关系曲线示意图。

图中编号说明如下：

1-系统电源(蓄电池)          2-系统钥匙开关        3-始终连接的电源供电线路

4-ECU电源控制与检测电路                           5-发动机电控单元(ECU)

6-发动机运行控制电路        7-状态指示装置        8-各种传感器             9-点火装置

10-燃油喷射装置             11-发动机本体

20-外部操作使ECU上电的步骤  21-ECU的软件控制逻辑步骤

22-判断钥匙开关断开时间是否满足进入怠速设定计算的要求的步骤

23-满足钥匙开关要求的操作次数累计                 24-钥匙断开随意则操作次数复位

25-判断钥匙开关状态          26-判断钥匙开关闭合时间是否足够长的步骤

27-判断钥匙开关操作是否满足进入怠速设定计算的要求的步骤

28-指示当前已经处于设定状态  29-ECU进行系统自检

30-判断自检是否通过          31-判断基准怠速喷油量计算是否还要继续

32-计算基准怠速喷油量        33-指示怠速设定计算已经完成

34-发动机运行控制            35-判断钥匙开关状态       36-钥匙关断后熄火断油

37-判断本次关断钥匙前是否正确计算了基准怠速喷油量      38-保存计算结果

39-计算钥匙开关断开的持续时间

40-判断钥匙开关断开时间是否已经很长                    41-切断ECU电源或让ECU复位待机

50-判断当前发动机温度及工况是否满足设定计算要求

51-判断氧传感器状态          52-闭环控制发动机         53-计算空燃比反馈量

54-判断是否已经完成反馈量平均计算                      55-根据反馈量计算基准怠速喷油量

56-开环控制发动机            57-进行燃油喷射量扫描

58-判断是否已经完成开环扫描  59-根据开环扫描结果计算λ＝0.90对应的喷油量

60-计算基准怠速喷油量        61-计算基准喷油偏置量

62-设定计算结束并进入正常控制标志

图中符号说明如下：

ikey-满足钥匙开关要求的操作次数                       toff-钥匙开关断开持续时间

ton-钥匙开关闭合持续时间                              tc1-有效操作的最短钥匙开关断开持续时间

tc2-有效操作的最长钥匙开关断开持续时间

tc3-钥匙开关断开后保持ECU正常工作的最长持续时间

tc4-判断是否进入了怠速设定状态所需的最短钥匙开关闭合持续时间

S-进入或结束怠速设定状态的标志参数

ikset-进入怠速设定状态的钥匙开关有效操作次数

Offset-对控制表中的怠速喷油量的修正偏移量、开环扫描喷油量的调解参数

Dtfi-闭环反馈控制喷油量时的反馈调节修正参数平均值

Qim-开环扫描得到的λ＝0.90对应的怠速喷油量

Qmap-ECU控制表中的怠速喷油量                          k-计算基准怠速喷油量用系数

Qidle-基准怠速喷油量

下面借助这些附图来详细说明本发明。

具体实施方式

在图1所示的实施本发明之发动机系统中，作为电源系统的蓄电池1给发动机系统供电，但给电控单元(ECU)5的供电有两路，一路经过钥匙开关2，另一路为线路3，其将电源直接连接到电控单元5的ECU电源控制与检测电路4，不受钥匙开关2的控制。ECU电源控制与检测电路4可以根据电控单元5中的内部逻辑控制线路3是否在钥匙开关2断开时继续给电控单元5供电一定的时间。电控单元5中的发动机运行控制电路6中，包括有微处理器(即MCU，图中未示出)、不挥发性存储器(图中未示出)等，在内部的嵌入式软件的控制下采集传感器8(包括节气门位置传感器、排气氧传感器等，图中未分别示出)发出的信号，经过计算处理输出喷油脉冲给燃油喷射装置10、点火装置9、以及状态指示装置7等。传感器8和点火装置9的电源取自受钥匙开关2控制的供电线路，因此，只要钥匙开关2断开，传感器8的信号就失效，点火系统就停止工作，因此发动机就会熄火，尽管电控单元5仍然可能还会工作一定的时间。为了尽可能地减小供电线路的内阻对燃油喷射装置10的喷油量的影响，燃油喷射装置10电源直接取自蓄电池1，因此也不受钥匙开关2的控制。

当然，如果所述微处理器具有自己的电源管理功能，例如可以自己控制自动进入待机或激活状态，那么ECU电源控制与检测电路4就不需要了，两路供电线路直接接入所述微处理器即可。

在图2所示的本发明实施例之怠速空燃比设定过程逻辑中，21为电控单元5的嵌入式软件实现的控制逻辑，而在电控单元5断电后需要闭合钥匙开关2来在步骤20给电控单元5再次上电。

电控单元5上电后首先复位，包括使参数ikey＝0，参数toff＝tc3，参数ton＝0，然后在步骤22判断这次钥匙开关2闭合前断开的持续时间是否满足进入怠速设定必需的时间间隔，即在tc1和tc2之间，例如可以预先规定，tc1＝0.2秒，tc2＝2秒，tc3＝120秒。在步骤22判断为“是”，那么参数ikey增加一次(步骤23)，在步骤22判断为“否”，那么参数ikey赋值为1(步骤24)，即将本次闭合钥匙开关2作为第一次操作。然后在步骤25判断钥匙开关2是否仍然闭合，如果“是”，将计算闭合持续时间ton，并在ton不超过tc4(步骤26)时，等待并重复步骤25，如果在等待期间钥匙开关2断开了，那么进入步骤39，计算钥匙开关2断开持续时间toff，并将ton复零，然后又等待钥匙开关2的下次闭合，如果在toff没有超过tc3(步骤40判断)时钥匙开关2再次闭合，那么就返回到步骤22。如果toff超过了tc3(步骤40判断)，那么立即进入步骤41，控制电控单元5断电或复位待机，下次闭合钥匙开关2将重新回到步骤20使电控单元5再次上电。

按照上述逻辑，如果在步骤26的判断结果为“是”，即ton超过了tc4，那么进入步骤27，判断ikey值是否等于ikset，即是否正好满足了进入怠速设定状态的条件，如果为“是”，那么进入步骤28，给指示装置7发出指令，指示当前已经进入了怠速设定状态，并将控制标志S置为1。tc4是等待规定操作的最长时间，可以取为0.2-5秒之间的任何数值。ikset为预先规定的连续有效操作次数，例如5次。进入怠速设定状态后，首先自检系统状态(步骤29)，如果通过，则通过S值判断是否仍然处于怠速设定状态，如果S＝1，那么进入步骤32计算基准怠速喷油量，具体计算方法见图3。如上次已经结束了基准怠速喷油量的计算，那么S将被复零，将不再计算基准怠速喷油量，而从步骤31进入步骤33，给指示装置7发出指令，指示当前已经完成了怠速设定计算。步骤32或步骤33完成后将进入步骤34，按照上述结果及其他逻辑控制发动机运行。

在控制发动机运行过程中，还要不断地监测钥匙开关是否关断(步骤35)，如果一直没有关断而保持闭合，那么将循环进行步骤29到步骤34；如果钥匙关断了，将立即执行步骤36，即熄火断油，并在钥匙关断前完成了基准怠速喷油量的计算时，进入步骤38，再次根据氧传感器反馈控制怠速的结果修正基准怠速喷油量或基准怠速喷油量偏移量，并将最后结果存储到电控单元5的不挥发性存储器上，然后使ikey复零，进入前面已经说明过的步骤39。

如果在步骤37，判断ikey值不等于ikset或S不等于0，则表明在钥匙关断前要么没有进入过怠速设定状态，要么没有正确完成基准怠速喷油量的计算，那么将直接使ikey复零，进入前面已经说明过的步骤39。

在图3所述的步骤32的关于基准怠速喷油量的具体计算方法中，步骤50判断是否满足怠速设定计算的基本工况条件，即是否处于怠速工况且发动机温度是否合适，如果不满足，那么将不进行基准怠速喷油量的计算，步骤32立即结束。如果步骤50判断结果为“是”，那么进入步骤51判断氧传感器是否工作，如果结果为“是”，则采用闭环反馈控制方法计算基准怠速喷油量(步骤52-55)，即计算一定时间内的反馈喷油调节量的平均值，得到平均值后计算基准怠速喷油量Qidle＝Qmap+Dtfi。如果步骤51判断出氧传感器没有工作，那么采用开环控制方法计算基准怠速喷油量(步骤56-60)，即扫描怠速喷油量(例如通过调节参数Offset的值)，计算并记录各Offset值下的平均怠速转速或平均点火角，当平均怠速转速或平均点火角出现了极值，并且有重复性后，计算出平均怠速转速最大或平均点火角最小对应的Offset值，计算出Qim和Qidle：Qim＝Qmap+Offset，Qidle＝k*Qim。无论是采用闭环方法还是开环方法，在得到了基准怠速喷油量Qidle后，还可以求出设定计算得到的喷油偏置量：Offset＝Qidle-Qmap(步骤61)，随后就结束了怠速设定计算，将怠速设定状态的标志参数S复零(步骤62)，步骤32结束。

上述实施例中，状态指示装置7可以为一个灯泡、一个发光二极管LED、或一个任意显示装置，其也可以兼作系统故障指示器。指示处于怠速设定状态的方式可以采用以某一固定频率闪灯的方式，而系统故障可以间歇地闪动预先设计的故障编码，如果系统无故障，并且怠速设定计算结束或没有进入怠速设定状态，则可以用状态指示装置7的指示灯熄灭的方式来指示。

本发明之汽油发动机的怠速空燃比设定方法及装置，适用于单缸及多缸的电控燃油喷射式汽油发动机，特别是汽车摩托车等常用的电控燃油喷射及点火的四冲程汽油发动机。

上述实施例的目的是为了说明本发明，但并不限定本发明。凡利用本发明之构思和精神实质进行的、对于本领域普通专业技术人员而言显而易见的改变设计，仍然属于本发明之权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种汽油发动机怠速空燃比设定方法，其基准怠速喷油量根据过量空气系数接近于0.95的原则确定，包括以下步骤：

1）进入发动机怠速空燃比设定状态的操作；

2）指示系统当前处于设定状态的动作；

3）在设定状态且发动机保持怠速稳定运转的条件下，ECU计算确定基准怠速喷油量，使在该喷油量时发动机怠速转速最为稳定并且尾气排放浓度较低； 

4）指示怠速空燃比设定计算已经完成的动作；

在ECU断电或进入待机状态前，将所述基准怠速喷油量存入ECU中的不挥发存储器。

2.如权利要求1所述汽油发动机怠速空燃比设定方法，所述进入发动机怠速空燃比设定状态的操作为：以预先规定的时间间隔连续多次开关发动机系统的钥匙开关，每次断开或闭合时间在0.3-2秒范围之内，如果不满足预先设定的条件，则发动机系统进入正常运行状态。

3.如权利要求2所述汽油发动机怠速空燃比设定方法，所述进入发动机怠速空燃比设定状态的操作为连续5次开关发动机系统的钥匙开关。

4.如权利要求3所述汽油发动机怠速空燃比设定方法，所述指示系统当前处于设定状态的动作为：一个指示灯以固定的频率不停地闪亮。

5.如权利要求4所述汽油发动机怠速空燃比设定方法，所述提示怠速空燃比设定计算完成的动作为：指示灯熄灭。

6.如权利要求2所述汽油发动机怠速空燃比设定方法，所述计算确定基准怠速喷油量的过程包括以下步骤：

5）以一定步长不断增加喷油量并保持一段时间，测量记录该时间段内的怠速转速及点火提前角；

6）当转速明显降低到预先给定的临界值以下，或转速波动值大于预先给定的最大允许波动值时，停止增加喷油量；

7）以一定步长不断减小喷油量并保持一段时间，测量该时间段内的怠速转速及点火提前角；

8）当转速明显降低到预先给定的临界值以下，或转速波动值大于预先给定的最大允许波动值时，停止减小喷油量；

计算平均怠速转速最高或平均点火提前角最小状态对应的喷油量Qim，将所述基准怠速喷油量定为k*Qim，其中，k为一个小于1的常数。

7.如权利要求6所述汽油发动机怠速空燃比设定方法，所述参数k的取值范围为k=0.85-0.95。

8.如权利要求7所述汽油发动机怠速空燃比设定方法，在氧传感器正常工作时，根据氧传感器信号反馈调节得到的怠速喷油量修正所述基准怠速喷油量。

9.如权利要求2所述汽油发动机怠速空燃比设定方法，在氧传感器正常工作时，根据氧传感器信号反馈调节得到的怠速喷油量来确定所述基准怠速喷油量。

10.一种汽油发动机怠速空燃比设定装置，包括发动机本体、燃油喷射装置、发动机电控单元（ECU）、状态指示装置、发动机点火装置、系统电源、以及发动机系统钥匙开关，其特征在于，所述点火装置由所述钥匙开关控制其与所述系统电源的导通或断开，所述燃油喷射装置和所述ECU直接与所述系统电源连接而不受钥匙开关控制，所述ECU能够测量所述钥匙开关的状态并计算其持续时间，并根据测量结果以及内部逻辑将自身控制在待机状态或激活状态；通过所述钥匙开关的操作实现进入发动机怠速空燃比设定状态，所述电控单元包括存储基准怠速喷油量的不挥发存储器，以及实现发动机怠速空燃比设定控制逻辑的嵌入式软件，所述状态指示装置指示系统是否处于怠速空燃比设定状态。

11.一种汽油发动机怠速空燃比设定装置，包括发动机本体、燃油喷射装置、发动机电控单元（ECU）、状态指示装置、发动机点火装置、系统电源、以及发动机系统钥匙开关，其特征在于，所述点火装置由所述钥匙开关控制其与所述系统电源的导通或断开，所述燃油喷射装置直接与所述系统电源连接而不受钥匙开关控制，所述ECU的电源有两路并联线路提供，其中一路由所述钥匙开关控制其与所述系统电源的连接，而另一路不受钥匙开关控制但通过由所述ECU的内部电路来控制其与所述系统电源的连接，所述ECU能够测量所述钥匙开关的状态，在所述钥匙开关断开后，所述ECU继续由这一路电源供电，测量所述钥匙开关的断开持续时间，根据所述ECU的内部逻辑再自控断开这一路ECU电源；通过所述钥匙开关的操作实现进入发动机怠速空燃比设定状态，所述电控单元包括存储基准怠速喷油量的不挥发存储器，以及实现发动机怠速空燃比设定控制逻辑的嵌入式软件，所述状态指示装置指示系统是否处于怠速空燃比设定状态。

12.如权利要求10或11所述汽油发动机怠速空燃比设定装置，所述状态指示装置为一个LED，并由所述ECU驱动控制。

13.如权利要求12所述汽油发动机怠速空燃比设定装置，还包括排气氧传感器，所述ECU根据所述氧传感器信号可以闭环反馈控制怠速燃油喷射量。

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