CN102996275A - 小型通用汽油发动机电子控制燃油喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型通用汽油发动机电子控制燃油喷射系统，涉及小型通用发动机控制系统的改进技术。采用如下技术方案：（一）采用控制系统：所述控制系统包括传感器、控制单元、执行器；所用发动机为单缸四冲程自然吸气发动机；传感器感知曲轴位置触发信号、凸轮轴位置触发信号，将信号传送到控制单元，控制单元控制步进电机、点火线圈、喷油器、油泵工作；（二）小型通用汽油发动机工作时确定小型发动机运行过程中压缩冲程上止点；（三）控制小型发动机的运行状态：直接引入传统发动机怠速控制方式，即怠速控制阀的方式来进行控制。本发明提供一种实用于小型通用发动机电控系统，实现小型通用发动机的电子燃油喷射、点火控制以及进气控制。

Description

小型通用汽油发动机电子控制燃油喷射系统

技术领域

本发明涉及小型通用发动机控制系统的改进技术。

背景技术

小型通用汽油发动机通常是指排量较小的单缸或双缸发动机，这些发动机主要用于割草机、发电机组、电锯和水泵等。据不完全统计，每年小型通用汽油发动机全球销售超过几百万台，主要市场为欧美等国家。随着国外劳动力成本不断上升，小型通用发动机生产已经转向中国。

随着能源及可持续发展战略的影响，现在小型通用发动机同样面临着汽油发动机所面临的问题：油耗和排放。由于小型通用发动机仍然采用传统汽油发动机的供油技术，即化油器式供油方式，这样就导致了在节能减排等方面诸多问题。尽管目前每个国家对小型发动机的排放要求还不是很高，传统技术能够达到排放控制的要求，但随着排放法规要求日趋严厉，同时用户对油耗的要求日趋提高，传统化油器式供油方式已经不能满足油耗和排放要求。为此，通用发动机制造企业试图寻找一种新的方式来代替传统供油方式，以满足排放和油耗的要求。首先考虑到的就是与车用汽油发动机一样的电子燃油喷射控制系统，从试验角度来看，将车用发动机的电控系统移植到小型通用发动机上载油耗和排放方面都有明显的提高，但是其成本是企业不能回避的问题。如果完全移植车用汽油发动机电控系统，势必增加很多的传感器和执行器，同时还需要增加控制单元，其成本的增加至少是好几百元，这是以薄利多销为原则的小型通用发动机制造商难以接受的。

直接移植车用发动机电控系统到小型通用发动机上的优缺点

在研究小型发动机控制技术时，我们可以从两个方面进行研究：一是直接移植车用发动机电控系统技术；另外一种是根据小型发动机结构，从全新的角度去研究其控制技术。

车用电控发动机的主要结构和工作方式

车用电控发动机经过一段时间的发展，其技术日趋成熟。硬件主要由控制器、传感器和执行器三部分组成。传感器的作用是将发动机运行过程中一些非电量信号转化为电信号，控制器在接收到这些信号之后通过一定的算法，计算出该工况下的进气量、喷油量及点火时刻等，然后将一些指令发送到节气门体和点火线圈等执行器，精确地控制各种参数，从而有效降低发动机运行过程中的油耗和排放。在该系统中，其核心技术是控制过程中算法，这也是发动机控制技术的核心技术部分，好的算法能使控制更为精确，其控制结果也使得发动机的性能表现得更为优越。其工工作方式如图1所示。

将车用电控发动机的结构移植到通用发动机上优缺点

优势：很显然，如果直接将该机构直接应用在通用小型发动机，完全能满足发动机控制要求，而且能有效地提高发动机性能，同时降低发动机的油耗和排放。其优势主要表现在以下几个方面：首先是减少开发成本，如果直接移植，会有效的降低开发过程中的费用；其次该技术已经非常成熟，能有效保证移植之后发动机的工作性能。

缺陷：如果直接将该结束移植到通用发动机上，同样存在在不少缺陷：首先是带来小型通用汽油发动机成本的增加，由于小型通用发动机生产对成本要求就非常高，如果控制技术的引入会带来成本成倍增加，这是任何制造商都不能接受的；从硬件上说，如果按照传统发动机控制技术来设计，必将更改很多发动机设计，会带来更多设计费用，同时小型发动机空间有限，为很多电控零部件的布置带来一定影响；由于小型发动机是单缸发动机，因此目前车用发动机控制技术很多在小型发动机上没有实际意义，这无疑造成了资源浪费；对于我国对电控发动机研究而言，并没有掌握核心技术，如果使用移植技术，我国仍然很难在欧美发动机控制研究方面更进一步，因此研究也变得毫无意义；对于控制系统开发，在研究发动机控制系统时候，其算法和控制单元设计将是影响到控制结果关键因素，这不是短时间就能完成的。

综上所述，如果直接移植现在在车辆上使用的发动机电控技术，在带来小型发动机成本增加的同时，也使得发动机控制技术没有质的改变，其作为一个新的项目来研究也就毫无意义。因此，从一种全新的角度来研究小型发动机的电控系统，在控制成本的同时使该技术从新的方向有所突破，才能真正体现小型通用发动机电控技术研究的实际意义。

发明内容

本发明提供一种小型通用汽油发动机电子控制燃油喷射系统，本发明从一种全新的角度出发，提出了实用于小型通用发动机电控系统，实现小型通用发动机的电子燃油喷射、点火控制以及进气控制等。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

（一）采用控制系统：

所述控制系统包括传感器、控制单元、执行器；所用发动机为单缸四冲程自然吸气发动机；传感器感知曲轴位置触发信号、凸轮轴位置触发信号，将信号传送到控制单元，控制单元控制步进电机、点火线圈、喷油器、油泵工作；

发动机进气系统取消掉化油器和阻风门等机构，由怠速控制阀代替；原来化油器位置更改为怠速控制阀，同时在控制阀与进气门之间预留安装喷油嘴的位置；

（二）小型通用汽油发动机工作时确定小型发动机运行过程中压缩冲程上止点：

电控单元传感器需要准确感知曲轴位置信号，以便发动机精确控制喷油时刻和点火时刻；

用小型通用发动机的凸轮轴来精确地确定压缩冲程上止点；精确确定进气冲程、排气冲程和做功冲程开始和结束时刻；通过发动机控制单元，有效的控制发动机的点火时刻，即点火提前角；在确定进气冲程开始以后，通过发动机控制单元就可以有效控制发动机的喷油时刻；

（三）控制小型发动机的运行状态：

直接引入传统发动机怠速控制方式，即怠速控制阀的方式来进行控制；

怠速控制阀的满足一下几个条件：首先是怠速控制阀选用连续控制模式，及进入空气量的多少可以由少到多的连续控制；其次是最大进气量必须满足发动机在最大负荷下工作时需要的进气量。

本发明实现小型通用发动机的电子燃油喷射、点火控制以及进气控制等，具有节能，成本低的优点。

附图说明

图1是背景技术中电控发动机工作原理图；

图2是本发明小型发动机电控工作原理图；

图3是本发明进气系统控制原理图。

具体实施方式

小型通用汽油发动机电子控制燃油喷射系统设计要点如下：

1、小型通用汽油发动机工作原理及过程

为了研究一种新的小型汽油发动机电子控制系统，必须对小型汽油发动机结构、功能以及工作过程有全面的了解。

传统小型通用发动机为四冲程发动机，其进气方式同样为自然吸气；进油量通过化油器进行控制；而点火是通过飞轮上安装磁性零部件，与点火器共同作用完成点火的。从通用发动机的基本结构可以看出，它与传统化油器式的汽油发动机结构式完全一致的，其缺点是无法精确控制进气量、喷油量和点火时刻，因此也很难更进一步优化发动机的排放和油耗。

小型通用发动机是以控制发动机转速为基础的。通常来说，小型发动机有低怠速和高怠速两种转速。小型发动机处于工作状态时，一般是运行在高怠速下，当工作负荷增加的时候，通常转速是有所下降的，此时通过调速弹簧拉动风门，以补充进气量而增加发动机的输出功率，同时使发动机维持在一个比较稳定的转速范围内。由此看来，我们要对小型汽油进行电子控制，只需要在控制转速的基础上，优化空燃比，这样就能有效降低排放和油耗。

2、小型通用发动机电控总体结构研究思路

小型通用通用发动机控制系统结构由传感器、控制器和执行器组成。为了有效降低控制系统成本，某些传感器信号可以由触发信号弱代替，这些触发信号的产生和发动机机械结构息息相关。小型发动机控制系统原理图2所示：

汽油发动机电子控制技术的关键，是需要找到发动机运行过程中压缩冲程的上止点，由此精确的控制发动机的喷油时刻和点火时刻，当然其进气量的多少直接影响到喷油量，从而决定了发动机转速。因此，小型发动机控制技术从上述几个方面进行。

2.1 如何确定小型发动机运行过程中压缩冲程上止点

传统的发动机控制技术是通过曲轴、传感器和凸轮轴位置传感器来完成，由于传统电控发动机技术是针对四冲程多缸发动机进行的，这种发动机除了需要对发动机运行状态及曲轴的位置进行判断外，还需要对发动机某缸处于什么状态进行判断，因此在传统发动机电控技术中，引入了曲轴位置和凸轮轴位置传感器来确定曲轴位置和发动机是哪一缸处于压缩冲程的上止点，从而有效地控制发动机喷油时刻和点火时刻。

根据小型汽油发动机结构和工作原理可知，其为单缸四冲程自然吸气发动机，因此其电控技术的研究首先应给电控单元准确的曲轴位置信号，以便发动机精确控制喷油时刻和点火时刻。 由于不需要进行判断是哪一缸达到了压缩冲程上止点，因此小型发动机电控技术对于喷油点火的控制显得更为容易。为了精确地确定压缩冲程上止点，可以用小型通用发动机的凸轮轴来完成。我们知道，发动机在运行过程，曲轴每旋转两转才能完成一个工作循环，如果利用曲轴来判断是否在压缩冲程还是排气冲程的上止点，是非常困难的。而利用凸轮轴完成信息的传递就显得相对简单，因为凸轮轴在一个工作循环中只旋转一周，因此利用凸轮轴行线就能比较精确的确定压缩冲程上止点。当然利用凸轮轴，不仅仅可以精确确定压缩冲程的上止点，还可以精确确定进气冲程、排气冲程和做功冲程开始和结束时刻。在确定压缩冲程上止点后，通过发动机控制单元，就可以有效的控制发动机的点火时刻，即点火提前角；在确定进气冲程开始以后，通过发动机控制单元就可以有效控制发动机的喷油时刻，优化发动机喷油雾化效果。

2.2如何有效地控制小型发动机的运行状态

对于通用小型发动机而言，其运行工况相对较少，主要分为高怠速和低怠速两种状态，即小型通用发动机的控制是以控制发动机转速为基础的。这种工作模式为发动机的控制带来了方便，其控制算法也变得简单。那如何有效控制发动机转速，这也是本次研究的关键任务之一。

发动机的转速通常由进气量和喷油量决定。因此，只要能有效控制发动机运行过程中的进气量和喷油量，就能有效控制发动机的转速。在目前使用的电控技术中，发动机进气量是通过进气温度压力传感器、节气门位置传感器给出的信号，并通过一定的算法计算出来的，其控制技术极为复杂，成本也相对较高。考虑到小型通用发动机运行状态相对简单，因此在进行控制技术研究过程中，将不考虑各种传感器，而直接引入传统发动机怠速控制方式，即怠速控制阀的方式来进行控制。当然，对怠速控制阀的要求比车用怠速控制阀要高，必须满足一下几个条件：首先是怠速控制阀最好选用连续控制模式，及进入空气量的多少可以由少到多的连续控制；其次是最大进气量必须满足发动机在最大负荷下工作时需要的进气量。

3、小型通用发动机控制系统机械部分结构

   为了有精确控制燃油喷射及点火，同时达到降低成本的目的，在引入小型通用发动机控制系统的同时，必须对发动机结构设计进行调整。其结构设计更改主要表现在进气系统和凸轮轴。

3.1进气系统设计变更

目前小型发动机进气系统主要由空滤器和化油器组成，为了使发动机容易起动，通常在进气系统中安装有阻风门，而进气量的控制是由风门来完成的。在引入电控系统的时候，其进气系统取消掉化油器和阻风门等机构，由怠速控制阀代替。其结构如图3所示：

在进行设计过程中，主要更改结构应该是怠速控制阀的安装位置。将原来化油器位置更改为怠速控制阀，同时在控制阀与进气门之间，必须预留安装喷油嘴的位置。怠速控制阀选型是非常关键的，应根据发动机的排量选择能满足发动机在最大负荷下运行的进气量。

对于小型发动机的电控系统，机械部分设计还主要表现在凸轮轴及凸轮轴的安装结构上。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.小型通用汽油发动机电子控制燃油喷射系统，其特征在于，

（一）采用控制系统：

所述控制系统包括传感器、控制单元、执行器；所用发动机为单缸四冲程自然吸气发动机；传感器感知曲轴位置触发信号、凸轮轴位置触发信号，将信号传送到控制单元，控制单元控制步进电机、点火线圈、喷油器、油泵工作；

发动机进气系统取消掉化油器和阻风门等机构，由怠速控制阀代替；原来化油器位置更改为怠速控制阀，同时在控制阀与进气门之间预留安装喷油嘴的位置；

（二）小型通用汽油发动机工作时确定小型发动机运行过程中压缩冲程上止点：

电控单元传感器需要准确感知曲轴位置信号，以便发动机精确控制喷油时刻和点火时刻；

用小型通用发动机的凸轮轴来精确地确定压缩冲程上止点；精确确定进气冲程、排气冲程和做功冲程开始和结束时刻；通过发动机控制单元，有效的控制发动机的点火时刻，即点火提前角；在确定进气冲程开始以后，通过发动机控制单元就可以有效控制发动机的喷油时刻；

（三）控制小型发动机的运行状态：

直接引入传统发动机怠速控制方式，即怠速控制阀的方式来进行控制；

怠速控制阀的满足一下几个条件：首先是怠速控制阀选用连续控制模式，及进入空气量的多少可以由少到多的连续控制；其次是最大进气量必须满足发动机在最大负荷下工作时需要的进气量。

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