CN102278253B - 发动机启动期间发动机位置的正检测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机启动期间发动机位置的正检测。一种用于在启动期间管理轻型内燃机的点火的系统，包括用来产生点火脉冲的充电绕组；由该充电绕组产生的指示发动机速度的第一信号；由该充电绕组产生的指示发动机活塞位置的第二信号；耦合到充电绕组用于控制点火脉冲的开关；和接收第一信号和第二信号的处理装置，其中当已接收的第一信号和第二信号的比较指示活塞大约位于上止点（TDC）时该处理装置激活该开关。

Description

发动机启动期间发动机位置的正检测

相关申请参考

本申请要求2010年6月11日提交的美国临时专利申请61/353,800的优先权。

技术领域

本发明总体涉及一种点火控制系统。更特别地，本发明涉及一种控制轻型燃烧发动机的火花正时的系统。

背景技术

内燃机中使用的各种电子点火正时控制系统在本领域中是公知的。这些系统可用于广泛应用的轻型发动机，如割草机、电锯等等。这些发动机的启动步骤通常涉及用户拉动拉索或绳索转动发动机的曲轴然后发动机开始运作。然而，对启动步骤的改进是可能的。

发明内容

一种用于在启动期间管理轻型内燃机点火的系统，包括用来产生点火脉冲的充电绕组；由充电绕组产生的指示发动机转速的第一信号；由充电绕组产生的指示发动机活塞位置的第二信号；耦合到充电绕组用于控制点火脉冲的开关；接收第一信号和第二信号的处理装置，其中当已接收的第一信号和第二信号的比较指示活塞处于上止点（TDC）附近时该处理装置激活该开关。

一种在启动期间管理轻型内燃机点火的方法，包括接收正时脉冲，该正时脉冲控制来自电容放电点火系统的充电绕组的点火脉冲的激活；接收来自充电绕组的指示活塞位置的活塞位置脉冲；检测在已接收的正时脉冲内的电压变化；确定活塞位置脉冲的相对于时间的电压变化率是否为正值；基于检测到的接收的正时脉冲的电压水平下降和所确定的活塞位置脉冲的电压变化率触发点火脉冲，从而防止在除了接近上止点（TDC）之外的活塞位置点火。

一种在启动期间管理轻型内燃机点火的方法，还包括产生正时脉冲，该正时脉冲使用电容放电点火系统的充电绕组控制点火脉冲的激活；产生活塞位置脉冲，该活塞位置脉冲使用充电绕组指示活塞的位置；检测在产生的正时脉冲中的电压变化和检测到该电压变化的时间；计算在检测到的电压变化和产生的活塞位置脉冲的最大幅值之间的时间；基于计算的时间确定是否存在慢拉摇动状况；如果是，确定活塞位置脉冲相对于时间的电压变化率是正值；和基于该确定触发点火脉冲。

附图说明

图1示出了电容放电点火（CDI）系统，其通常具有邻近旋转飞轮装配的定子组件；

图2为能用于图1中CDI系统的控制电路的实施例的示意图；

图3A为可用来控制CDI系统的方法的实施例的一部分流程图；

图3B为可用来控制CDI系统的方法的实施例的另一部分流程图；和

图4为示出正时信号和活塞位置信号的示例性波形的图。

具体实施方式

以下描述涉及一种系统和方法，其能在轻型发动机启动顺序期间更精确地提供火花正时。这些发动机通常使用手工工具如拉绳来用手启动。这样，发动机启动速度可能缓慢且运动不稳定。在那些情形下，活塞的运动也可能是不稳定的。例如，当活塞达到上止点（TDC）时活塞能瞬间反向运动。当这些发生时，点火系统可能错误地确定跳火应该发生的点以及如果跳火不在上止点附近发生会对用户产生显著的“反冲”。为了更好地预测活塞位置，多个感应输入的特征可用来在发动机启动期间确定点火/火花。可使用所述系统和方法直到发动机达到每分钟转数（RPM）的阈值数，此时火花正时可根据已确定的值提前或延迟。

参考附图，这里示出了用于内燃机的电容放电点火（CDI）系统10。CDI系统10可用于多种类型的内燃机之一，但是特别适合用于轻型燃烧发动机。术语“轻型燃烧发动机”广泛地包括所有类型的非机动车的燃烧发动机，包括用于手持动力工具、草坪和花园设备、剪草机、杂草修剪机、轧边机、小型机器锯、吹雪机、私人船只、小艇、雪上汽车、摩托车、全地形车等的二冲程和四冲程发动机。如将更详细地描述的那样，CDI系统10可包括多个控制电路中的一个，包括关于图2所描述的实施例。

参考图1，CDI系统10通常包括可旋转地安装在发动机曲轴13上的飞轮12，邻近飞轮安装的定子组件14，和控制电路（图1未示出）。飞轮12与发动机曲轴13一起旋转并通常包括具有极靴16、18和永磁体17的永磁元件，这样当磁体从定子组件14的旁边经过时飞轮会在附近的定子组件14内产生磁通。

定子组件14可通过测得的空气间隙（如空气间隙可以是0.3毫米）与旋转飞轮12分离，并可包括具有第一支柱26和第二支柱28的叠片堆24、充电绕组30和点火线圈，点火线圈包括主点火线圈32和次级点火线圈34。叠片堆24可以是由一堆铁板形成的大致U形铁电枢，并可安装到位于发动机上的外壳（未示出）中。优选地，充电绕组30和主点火线圈32和次级点火线圈34都绕叠片堆24的单个支柱缠绕。这种布置由于使用共同接地和所有绕组的单独绕轴或线轴而可节约成本。点火线圈可以是具有绕叠片堆24的第二支柱28缠绕的主点火绕组32和次级点火绕组34的升压变压器。如将要描述的，主点火绕组32耦合到控制电路，次级点火绕组34耦合到火花塞42（如图2所示）。本领域技术人员可以意识到，主点火绕组32可以具有相比来讲较少圈的相对粗的线，而次级点火绕组34可具有许多圈相对细的线。主点火绕组32和次级点火绕组34之间的圈数比在次级绕组34内产生高电压势，该高电压势用来点燃火花塞42或提供电弧，从而点燃在发动机燃烧室内的空气/燃油混合物。

控制电路耦合到定子组件14和火花塞12且通常控制由CDI系统10产生、存储和放出的能量。术语“耦合”广泛地包括所有的两个或多个电部件、装置、电路等可彼此电连通的方式，这包括但不足限于直接电连接和通过中间部件、装置、电路等的连接。控制电路可根据多个实施例的其中一个提供，包括图2中所示的实施例。

现在参考图2，CDI系统10包括作为用来执行这里所述的点火正时系统的这种类型的电路的例子的电路40。然而，可以另选地使用这种电路的多种变型而不脱离本发明的范围。电路40与充电绕组30、主点火绕组32、和切断开关44相互作用，并通常包括微控制器46、点火放电电容48和点火开关50。在充电绕组30中感应的大部分能量堆存在点火放电电容48上，其存储感应的能量直到微控制器46允许其放电。根据这里所示的实施例，充电线圈30的正端耦合到二极管52，其又耦合到点火放电电容48。电阻器54可并联耦合到充电点火放电电容48。

在运转中，飞轮12的旋转使得磁体元件如极靴16、18在叠片堆24的周围布置的不同线圈内感应电压。那些线圈的其中一个是充电绕组30，其经由二极管52对点火放电电容48充电。来自微控制器46的触发信号激活开关50以便点火放电电容48能放电且从而在点火线圈内产生相应的点火脉冲。在一个实施例中，点火开关50可以是半导体开关元件，如硅控制器整流器（SCR）。当点火开关50被“开启”时（在这种情形下，变为导电），开关50为存储在点火放电电容48上的能量提供了放电路径。点火放电电容48的快速放电在经由点火线圈的主点火绕组32电流中引起浪涌，这进而在点火线圈内产生快速升高的电磁场。快速升高的电磁场在次级点火绕组34内产生高电压点火脉冲。点火脉冲传递到火花塞42，该火花塞——假定该点火脉冲具有所必需的电压——提供了燃烧开始火花。其他点火技术，包括回扫技术，可被替代使用。

如图2所示的微控制器46可存储用于本文所述点火正时系统的代码。可使用本领域技术人员所知的各种微控制器或微处理器。图2所示的微控制器46包括8个针脚。微控制器46的针脚1和8耦合到为微控制器46提供电力的电压源。在这个例子中，针脚1是通过稳压二极管64耦合到电压源的重置针脚。针脚2通过电阻器56耦合到点火开关50的门电路并从微控制器46传递控制开关50状态的点火信号。当在针脚2上的点火信号低时，点火开关50没有导通并允许电容48充电。当点火信号高时，点火开关50导通且点火放电电容48经由主点火绕组32放电，从而使得在次级点火绕组34内感应点火脉冲并将该点火脉冲传送到火花塞42。因此，微控制器46通过控制开关50的导通状态来管理电容48的放电。针脚3接收来自充电绕组30的活塞位置信号。活塞位置信号也可称为正脉冲。针脚3通过包括电阻58和60和稳压二极管62的分压器耦合到充电绕组30。切断开关44作为关闭发动机的手动超驰。针脚4作为用于微控制器46的接地参考点。针脚6耦合到充电绕组30并接收指示发动机转速的电信号。这个信号可以称为正时信号或负脉冲。然而，尽管在这里使用术语“正”和“负”，可以理解这些术语可以基于多种因素被颠倒，如充电绕组30的绕组方向。微控制器46可使用正时信号和活塞位置信号来确定是否要激活点火脉冲，这将随后参考附图3更详细地解释。

参考图3，示出了用于控制CDI系统的示例方法300。尽管该方法300主要参考图3描述，偶尔会参考图4以便指出在这里讨论的信号的示例性波形。方法300通过初始设置发动机摇动模式为“真”开始于步骤302。这可能是发动机操作者试图启动发动机的结果，例如当发动机操作者开始拉启动器绳索以转动飞轮12或将点火开关打开到“开启”或“启动”时会发生这种情形。该方法300然后进入步骤304并对正时信号进行第一次测量。第一次测量值可包括在第一次正时脉冲的上升边沿处的时间值和第一次正时脉冲的下降边沿处的时间值。第一次正时脉冲的例子可如图4所示；第一次正时脉冲的上升边沿通常指示在80处，而第一次正时脉冲的下降边沿通常指示在82处。第一次正时脉冲的上升边沿可标志着执行该方法300的周期的开始。或者在一个例子中，执行该方法的周期可定义为发动机曲轴的一次转动。这一周期的例子通常如图4中84处所示。第一次测量还可包括基于第一次正时脉冲的上升和下降边沿的时间值计算第一次正时脉冲的脉冲宽度。脉冲宽度的例子通常如图4中86处所示。第一次正时脉冲也可称为第一次负脉冲。该方法300然后进入步骤306。

在步骤306，确定是否建立摇动模式。如果“真”，则该方法300进入步骤308。摇动模式通常存在于摇动期间由点火系统产生第一次火花之前。否则，该方法则进入步骤334。

在步骤308，基于第一次正时脉冲的脉冲宽度激活计时器以用于第二次正时脉冲。计时器能用来确定随后的正时脉冲是否在预期的时间接收到。或者计时器能保证该方法300保持在摇动模式中。例如，计时器可用来确定是否存在缓慢的摇动速度状况。该方法然后进入步骤310。

在步骤310，获取并记录第一次活塞位置脉冲。第一次活塞位置脉冲可作为活塞位置的测量值而获得且可称为第一次正脉冲。在一个例子中，在发动机旋转周期期间获取第一次活塞位置脉冲达到最大幅值时的时间值。第一次活塞位置脉冲的例子通常如图4中88处所示。该方法然后进入步骤312。

在步骤312，确定是否第一次活塞位置脉冲指示慢拉速度的存在。慢拉速度可指的是当发动机操作者试图启动发动机时飞轮的相对转速。为了帮助识别慢拉速度的存在，可建立某些标准。例如，当第一次活塞位置脉冲的最大幅值降到0.2和0.8伏（V）之间并且第一次活塞位置脉冲的最大幅值的时间值相对于正常操作延迟时可建立慢拉速度的存在。在一个例子中，活塞位置脉冲相对于正常操作的延迟量可以建立为第一次正时脉冲的脉冲宽度除以4并加到第一次正时脉冲的下降边沿。如果最大幅值发生在建立的延迟量之后，可能存在慢拉速度。这种情形可使用计时器监测。如果第一次活塞位置脉冲的最大幅值发生在加到第一次正时脉冲的下降边沿的延迟量之后和/或活塞位置脉冲的最大幅值下降到0.2和0.8V之间时，则可以确定慢速拉动的存在。当检测到第一次活塞位置脉冲并且此后在由计时器测量的预定时间量到期之前没有检测到其他脉冲时也可确定慢速拉动。如果在检测到第二次活塞位置脉冲之前计时器到期，则可确定慢拉速度状况的存在。如果慢拉速度存在，该方法300则进入步骤314。否则，该方法300则进入步骤318。

当慢速拉动存在时，在步骤314确定活塞位置脉冲是否指示跳火应当发生。跳火是指微控制器46激活点火开关50以感应火花塞42内的跳火，如参考图2所讨论的。为了确定第一次活塞位置脉冲是否指示跳火应当发生，可建立某些标准。例如，这些标准的其中之一可以是在第一次活塞位置脉冲期间电压相对于时间的变化率（如dV/dt）。如果电压相对于时间的变化率保持一样或从活塞位置脉冲的开始直到检测到第一次活塞位置脉冲的最大幅值保持增加，则跳火可以发生。或者换句话说，如果活塞位置脉冲的波形是凹形，则跳火可以发生。当电压变化率相对于时间是正值，这可指示活塞增加速度并因此向前移动。然而，当电压变化率为负值，这指示活塞减速，这可能发生在慢速摇动状况下并导致反冲。如果跳火应该发生，则参考图2所讨论的点火开关50可以在随后的活塞位置信号期间—其例子将在以后作为第二次活塞位置脉冲描述，在步骤316转到“开启”。该方法300进入步骤304。

回来参考步骤312，如果不存在慢速拉动，第二次正时脉冲可在步骤318以与在步骤304第一次正时脉冲的获取相似的方式获取。这里，可测量第二次正时脉冲的上升边沿的时间值。第二次正时脉冲的上升边沿的例子通常如图4中90处所示。该方法300然后进入步骤320。

在步骤320，确定在步骤308设定的计时器是否过期。如果是，该方法则进入步骤304。否则，该方法300则进入步骤322。

在步骤322，该方法300监测第二次正时脉冲的下降边沿。第二次正时脉冲的下降边沿的例子通常如图4中92处所示。该方法然后进入步骤324。

在步骤324，检测到第二次活塞位置脉冲。记录第二次活塞位置脉冲的最大幅值以及第二次活塞位置脉冲的最大幅值发生的时间值。可通过第二次活塞位置脉冲触发跳火。例如，火花可在第二次活塞位置脉冲的最大幅值处或在第二次活塞位置脉冲期间的任意时刻被触发。第二次活塞位置脉冲的例子通常如图4中94处所示。第二次活塞脉冲94可与活塞大约到达上止点或包括上止点在内的上止点区域重合。上止点可被描述为当活塞处于其冲程顶部时发动机活塞的位置。上止点和/或包括上止点的区域可进一步通过从在活塞位于上止点之前5度到活塞位于上止点之后15度的曲轴的角度位置来描述。角度位置更具体的范围可包括活塞位于上止点之前3度到活塞位于上止点之后3度。该方法300然后进入步骤326。

在步骤326，确定第二次活塞位置脉冲是否指示中速到快速拉动速度的存在。类似于上述慢拉速度，中速到快速拉动速度可指的是当发动机操作者试图启动发动机时飞轮的相对转速。建立某些标准用于确定是否存在中速或快速拉动速度。例如，如果确定第二次活塞位置脉冲的最大幅值是0.5到1.5伏之间的值和/或第二次活塞位置脉冲的最大幅值的时间值相对于正常操作没有延迟，则可能存在中速到快速拉动速度。例如，该方法300通过确定在第一次和/或第二次正时脉冲的下降边沿的时间值之后的预定时间内发生的时间值可确定第二次活塞位置脉冲的最大幅值的时间值相对于正常操作没有延迟。在一个例子中，预定时间可计算为第二次正时脉冲的脉冲宽度乘以二。如果第二次活塞位置脉冲的最大幅值发生在预定时间内，该方法300则进入步骤328。否则，该方法进入步骤304。

在步骤328，确定第二次活塞位置脉冲是否指示跳火应当发生。这一确定可以与步骤314中执行的相似的方式执行。火花的触发可基于第二次活塞位置脉冲并能在该脉冲期间或之后迅速发生。此外，如果第二次活塞位置脉冲相对第一次活塞位置脉冲变大，这可能指示活塞瞬时减速或停止且可能开始沿相反方向移动。例如，在快拉速度状况下，第一次活塞位置脉冲在幅度（伏特）上可以比第二次活塞位置脉冲大四倍或更多倍。另一方面，在慢拉速度状况下，第一次活塞位置脉冲在幅度上比第二次活塞位置脉冲大的倍数可小于三倍。如果应该发生跳火，该方法300进入步骤330，其中摇动模式确定（例如设定）为“假”且点火开关在步骤332以与步骤316中相似的方式被激活。如果第二次活塞位置脉冲指示跳火不应发生，则该方法300进入步骤304。

参考步骤306，如果确定不存在摇动模式，则该方法300进入步骤334且基于第一次正时脉冲的周期（例如，发动机转一周）计算发动机RPM并计算时间延迟。在使用者已经开始摇动且火花已经产生之后摇动模式可能不存在。该方法300则进入步骤336。

在步骤336，获取第二次正时脉冲的上升边沿的时间值。该时间值可用于计算发动机正时延迟的参考。此外，可计算在第一次正时脉冲的下降边沿和第二次正时脉冲的上升边沿之间的时间。该计算值可称为在正时脉冲之间的时间。该方法然后进入步骤338。

在步骤338，确定在正时脉冲之间的时间是否大于预定时间。如果是，摇动模式被设定为“真”且该方法300然后进入步骤322。否则，该方法300则进入步骤340且在计时器到期之后开启点火开关，该方法然后进入步骤304。

正时信号和活塞位置信号的解释和表征有助于在活塞到达上止点时提供对跳火更大的控制从而消除了在启动期间发动机操作者感觉到的“反冲”。如果没有正时信号和活塞位置信号的解释，当活塞瞬时停止或开始向后移动时，在发动机启动期间感应的磁场可能会瓦解。在那些情形下，正时信号的单独使用可能错误地向控制系统指示活塞到达上止点并开始正时不恰当的火花。例如，在活塞停止移动或开始向后移动的情形下，感应的磁场瓦解——当活塞接近上止点时也发生这种情形。结果，仅解释正时信号的控制电路可能错误地从活塞的停止或向后移动—这可在不稳定的摇动时发生—来推断活塞到达上止点并允许跳火。错误的跳火可能不合要求地引起回火。相应地，正时信号和活塞位置信号的组合能阻止跳火直到活塞实际到达上止点附近。

因此很明显根据本发明提供了一种使用低成本、在轻型燃烧发动机上的火花正时控制系统，其达到了在此指定的目的和优势。当然可以理解，上述描述是本发明的一个优选具体实施例，并且本发明并不局限于所示的具体实施例。各种变化和变型对本领域技术人员是显而易见的，所有这些变化和变型均在附加的权利要求的精神和范围内。

Claims (17)

1.一种用于在启动期间管理轻型内燃机的点火的系统，该系统包括：

用来感应用于点火脉冲的电荷的充电绕组，所述充电绕组的第一端子被布置成产生指示所述内燃机的速度的第一信号并且所述充电绕组的第二端子被布置成产生指示所述内燃机的活塞位置的第二信号；

点火放电电容，其耦合到所述充电绕组，所述点火放电电容存储来自所述充电绕组的所感应的电荷；

耦合到所述点火放电电容的开关，所述开关从所述点火放电电容对所存储的电荷进行放电；和

耦合到所述开关的处理装置，所述处理装置接收第一信号和第二信号并控制所述开关的状态，其中所述处理装置被构造成在启动顺序期间当已接收的第一信号和第二信号的比较指示活塞位于上止点（TDC）的区域内时激活该开关。

2.根据权利要求1的系统，其中所述处理装置被构造成确定第二信号的相对于时间的电压变化率为负还是非负。

3.根据权利要求1的系统，进一步包括：

具有第一支柱和第二支柱的叠片堆，其中该充电绕组和点火线圈由第一支柱或第二支柱支撑。

4.根据权利要求1的系统，其中第一信号被产生为带有与第二信号的极性相反的极性。

5.根据权利要求1的系统，其中当测量的曲轴的角度位置位于从活塞位于上止点位置之前5度到活塞位于上止点之后15度之间时活塞处于上止点区域内。

6.一种在启动期间管理轻型内燃机的点火的方法，包括以下步骤：

（a）接收指示所述内燃机的速度的正时脉冲；

（b）接收指示活塞位置的活塞位置脉冲；

（c）检测已接收的正时脉冲的电压水平的下降；

（d）确定活塞位置脉冲的相对于时间的电压变化率为负还是非负；以及

（e）基于检测到的已接收的正时脉冲的电压水平的下降和确定的活塞位置脉冲的电压变化率来触发点火脉冲，从而防止点火脉冲在除了上止点（TDC）附近之外的活塞位置处被激活。

7.根据权利要求6的方法，进一步包括步骤：通过测量活塞位置脉冲的最大幅值或在发动机一转期间测得活塞位置脉冲的最大幅值的时间确定缓慢摇动状况的存在。

8.根据权利要求7的方法，其中当活塞位置脉冲的最大幅值小于第二次活塞位置脉冲的最大幅值的三倍时缓慢摇动状况存在。

9.根据权利要求7的方法，进一步包括步骤：通过测量在检测到的已接收的正时脉冲的电压水平下降和测得活塞位置脉冲的最大幅值的时间之间逝去时间来确定缓慢摇动状况的存在。

10.根据权利要求9的方法，进一步包括步骤：当在检测到的电压水平下降和活塞位置脉冲的最大幅值之间的逝去时间大于时间阈值时确定缓慢摇动状况的存在。

11.根据权利要求10的方法，其中时间阈值按正时脉冲的脉冲宽度除以四计算并且从检测到已接收的正时脉冲的电压下降的时间开始测量。

12.根据权利要求6的方法，进一步包括步骤：基于活塞位置脉冲的幅值或在发动机一转期间测得该活塞位置脉冲的幅值的时间确定中速到快速拉动速度状况的存在。

13.根据权利要求12的方法，进一步包括步骤：当活塞位置脉冲的幅值大于第二次活塞位置脉冲的最大幅值的四倍时确定中速到快速拉动速度状况的存在。

14.根据权利要求12的方法，进一步包括步骤：当在已检测到的电压水平下降和活塞位置脉冲的最大幅值之间的逝去时间小于时间阈值时确定所述中速到快速拉动速度状况的存在。

15.根据权利要求14的方法，其中时间阈值按正时脉冲的脉冲宽度的时间量乘以二计算。

16.根据权利要求6的方法，其中在第二次活塞位置脉冲期间产生点火脉冲。

17.根据权利要求6的方法，其中上止点进一步包括从活塞位于上止点处之前5度到活塞位于上止点之后15度测量的曲轴的角度位置。