CN104234855A - 一种电喷发动机角标装置 - Google Patents

Abstract

一种电喷发动机角标装置，包括发动机本体、转子、角标传感器、电控单元（ECU），所述转子为一磁电机或一飞轮，与发动机曲轴同轴固定且包括由导磁材料制成的外圆柱体，所述外圆柱体包括两段半径不同的同轴圆柱形外表面，在两段圆柱形外表面的圆周方向过渡处形成两个台阶，发动机曲轴每转一圈，在确定的曲轴转角位置，所述台阶转过所述角标传感器的感应部位，分别产生一正一负两个符号相反的角标脉冲信号，输入给所述电控单元（ECU），所述ECU包括处理正的和负的角标脉冲信号的电路，从而感知发动机曲轴及工作循环相位。本发明之角标装置可降低系统的成本，同时保证能够准确地确定循环相位和点火相位。

Description

一种电喷发动机角标装置

技术领域

本发明涉及发动机电子控制技术，尤其是单缸活塞式发动机的燃油喷射及点火电子控制技术。

背景技术

电控燃油/燃气喷射技术（发动机电子管理技术，也简称为电喷技术）是控制火花点火发动机有害气体排放和提高发动机性能的主要技术之一。采用闭环反馈电控燃油/燃气喷射技术和废气三元催化转换技术，能够按照三元催化转换器的要求精确控制发动机的空燃比和点火提前角，从而使CO、HC和NOx这三种有害气体排放量同时得到大幅度降低。

在控制发动机点火及喷油的过程中，需要准确确定点火及喷油过程发生的发动机循环相位，因此角标传感装置是必不可少的。在多缸四冲程发动机上，为了确定活塞/曲轴在循环中的相位，一般需要两个传感器分别测量曲轴角标和凸轮轴角标。但对于二冲程发动机和单缸四冲程发动机，一个曲轴角标传感器就能够工作。只是对于单缸四冲程发动机，现有技术一般是使用多齿编码的曲轴角标转盘设计，例如36-2角标齿的曲轴角标转盘设计，即设计34个间隔10度的角标齿，在第一个和第34个角标齿之间的齿间隔为30度，从而可以通过测量连续三个角标齿产生的角标信号之间的时间突变程度来确定第一个齿的位置。另外通过不同角标齿测量的转速的差异，能够判断出压缩冲程和换气冲程。

然而，对于单缸四冲程发动机，这样的角标系统较为复杂，不仅曲轴角标转盘成本较高，而且角标信号计算处理也比较复杂。

发明内容                                  

本发明的目的就是要设计简单的磁电机（飞轮）角标装置以降低系统的成本，同时保证能够准确地确定循环相位和点火相位，也能够比较准确地确定喷油等相位。

本发明通过以下技术方案实现上述目的，即：

一种电喷发动机角标装置，包括发动机本体、转子、角标传感器、电控单元（ECU），所述转子为一磁电机或一飞轮，与发动机曲轴同轴固定且包括由导磁材料制成的外圆柱体，所述外圆柱体包括两段半径不同的同轴圆柱形外表面，在两段圆柱形外表面的圆周方向过渡处形成两个台阶，发动机曲轴每转一圈，在确定的曲轴转角位置，所述台阶转过所述角标传感器的感应部位，分别产生一正一负两个符号相反的角标脉冲信号，输入给所述电控单元（ECU），所述ECU包括处理正的和负的角标脉冲信号的电路，从而感知发动机曲轴及工作循环相位。

根据本发明之技术方案，磁电机或飞轮产生角标的结果最为简单，相当于一个长单齿角标码盘，但角标齿（凸台或缺口）的前沿和后沿都会给出有用的角标信号，即曲轴每转一圈，都产生一个正的和一个负的脉冲信号，因此其对应的曲轴相位可以直接确定，不需要复杂处理计算，也不会出现判断错误。而通过两段圆柱表面（圆弧段）转过的时间可以计算瞬时转速，并与通过两个相邻正脉冲或负脉冲的时间间隔计算的转过一整圈的转速相比，从而在转过1圈到2圈的时间内就能够判断出活塞/曲轴在发动机工作循环中的相位。

对本发明的进一步改进或限定包括，所述磁电机或飞轮上两段半径不同的圆柱形外表面的半径相差1.5mm以上，最佳2.5mm。这样脉冲信号强度就不会太小，有利于抗干扰。

进一步，所述磁电机或飞轮上两段半径不同的圆柱形外表面分别为：半径较小的圆柱形外表面在圆周方向的长度较长，而半径较大的圆柱形外表面在圆周方向的长度较短。这样短的圆柱表面弧形就形成一个磁电机或飞轮上的凸台，在凸台前沿通过所述角标传感器的感应部位时产生一个正的脉冲信号，而在凸台后沿通过所述角标传感器的感应部位时产生一个负的脉冲信号。

或所述磁电机或飞轮上两段半径不同的圆柱形外表面分别为：半径较大的圆柱形外表面在圆周方向的长度较长，而半径较小的圆柱形外表面在圆周方向的长度较短。这样，短的圆柱表面弧形就形成一个磁电机或飞轮上的缺口（凹坑），在缺口前沿通过所述角标传感器的感应部位时产生一个正的脉冲信号，而在凸台后沿通过所述角标传感器的感应部位时产生一个负的脉冲信号（可以通过将所述角标传感器的输出正负极调换得到与凸台磁电机或凸台飞轮相同的输出结果）。

对本发明的进一步改进或限定还包括，所述磁电机或飞轮旋转时产生的正的角标脉冲信号对应于发动机曲轴转角在上止点前35-80度范围内之某一个角度，最佳为45-60度，而所述磁电机或飞轮旋转时产生的负的角标脉冲信号对应于发动机曲轴转角在上止点前5-20度范围内之某一个角度，最佳为10-15度。

该方案使角标正脉冲到负脉冲之间的相位处于活塞快上行到上止点的相位，因此在压缩冲程和排气冲程会有较明显的速度差，有利于快速准确地判断出循环相位。另外，压缩冲程中的正负角标脉冲信号之间的相位，正是点火提前角常用的相位，特别是负脉冲信号对应的角标相位，一般是启动期间的最佳点火相位，因此，通过正角标信号和延迟预测（在目标相位早于负角标信号相位时），或通过负角标信号和延迟预测（在目标相位等于或晚于负角标信号相位时），即使发动机转速波动很大，例如启动过程中，上述方案都能够准确确定点火相位以及某些喷油相位，不会因为实际点火相位误差过大而导致异响、反转、爆震等异常现象的发生。对于其他相位的喷油和信号采样等过程，也可以通过上述正负角标脉冲信号及延时来确定相位，只是预测延时较长，在转速变化很大时，相对可能产生较大的误差，但因为这些过程对相位精度要求并不高，因此本发明方案能够保证发动机电子管理系统正常稳定工作。

根据本发明的技术方案，所述磁电机或飞轮之外圆柱体可以通过冲压或铸造的方法加工成型，因此成本低。对于小型高速发动机例如摩托车发动机，最佳的加工成型方法是冲压加工成型，而对于小型发电机组，可以没有磁电机，而设有较大尺寸飞轮，因此可以选择铸造的方法加工成型。

根据本发明的技术方案，所述磁电机或飞轮上半径较大的圆柱形外表面处于所述角标传感器的感应部位时，两者之间的间隙为0.3-1.2mm。

根据本发明的技术方案，在包括启动过程的发动机运转转速范围内，所述角标脉冲信号的脉冲幅值大于1V。

根据本发明的技术方案，所述角标传感器为电磁感应式传感器。这种传感器内部有永磁铁和线圈，感应部位为对外开放的磁场磁路，当感应部位外部的导磁率发生变化时，通过线圈的磁场强度就会发生变化，从而在线圈中感应出信号电压。所述磁电机或飞轮上的两段半径不同的同轴圆柱形外表面处于电磁感应式传感器感应部位时，感应部位与磁电机或飞轮间的间隙将会不同，导磁率也将不同，因此在磁电机或飞轮旋转过程中，在间隙突变相位，将产生脉冲信号电压，间隙变大时和间隙变小时的脉冲信号电压正负相反。

本发明所述角标传感器也可以使用霍尔元件型传感器。这种传感器测量霍尔元件所处位置的磁场强度大小，因此如果感应部位与磁电机或飞轮间的间隙不同，将得到不同的输出电压，因此在磁电机或飞轮旋转过程中，在间隙突变相位，输出信号电压将发生突变，间隙变大时和间隙变小时的脉冲信号电压突变方向相反。这样的信号经过一个微分电路变换，就可以得到与电磁感应式传感器类似的脉冲信号。

本发明简化了发动机电子管理系统的角标装置，能够降低发动机电控系统的复杂性及成本，同时还能够确定足够高精度的循环相位及曲轴相位。

附图说明

图1为本发明实施例1之系统构成图。

图2为本发明实施例1之角标信号时序和转速与发动机工作冲程关系示意图。

图3为本发明实施例1之通过正负角标发生的时间确定循环相位的计算逻辑。

图4为本发明实施例1之电控单元（ECU）对角标信号的处理部分结构简图。

图5为本发明实施例1之磁电机简图。

图6为本发明实施例2之飞轮简图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明。

图1为本发明在摩托车发动机上的一个实施例的系统图。电喷发动机由电控单元（ECU）1控制，输入信号包括来自发动机温度传感器3、氧传感器4、节气门位置传感器13、角标传感器8、以及其他控制发动机所需的传感器信号。输出信号包括驱动喷油器14、驱动点火装置2的驱动控制信号等。角标传感器8固定安装在发动机机体5上，磁电机转子6安装在发动机曲轴7之上并且与发动机曲轴同步旋转。磁电机转子外圆柱体由导磁材料如铸铁、普通钢板等制成，形状包括有两段半径不同的圆柱面（圆柱弧面）9和11，9和11在圆周方向的端部通过台阶10和12过渡连接，圆柱面9的半径小于圆柱面11的半径，圆柱面9在圆周方向的长度大于圆柱面11的长度，因此圆柱面11成为一段在圆柱面9上凸起的凸台，该凸台与角标传感器8的感应部位的最近间隙为0.5-0.8mm。

当发动机曲轴旋转时，前沿台阶12和后沿台阶10将依次通过角标传感器8的感应部位，因为9和11的半径不同，因此在台阶通过角标传感器8的感应部位时，传感器内部磁场会发生突变，产生角标脉冲信号，信号幅值电压不低于1V。对于电磁感应式角标传感器，前沿台阶12通过时，角标传感器8与磁电机圆柱面之间的间隙从大变到小，传感器内部磁场由弱变强，传感器输出一个正脉冲信号。当后沿台阶10通过时，角标传感器8与磁电机圆柱面的间隙从小变到大，传感器内部磁场由强变弱，传感器输出一个负脉冲信号。前沿角标脉冲信号的相位一般设定在发动机可能的最早点火相位以前，例如上止点前35-80度范围内之某一个角度，最优为45-60度，而后沿角标脉冲信号相位一般设定在发动机启动点火相位，例如在上止点前5-20度范围内之某一个角度，最优为10-15度。本实施例中，前沿台阶12通过角标传感器8的感应部位的相位设定在上止点前55度曲轴转角，而后沿台阶10通过角标传感器8的感应部位的相位设定在上止点前15度曲轴转角.

图2给出了本发明应用于一台四冲程单缸发动机时的角标信号、发动机工作冲程以及发动机瞬时转速的示意关系。发动机瞬时转速一般在做功膨胀冲程才会增大，其他冲程将因为摩擦、换气损失等而减小，特别是在压缩冲程还因为压缩耗功而减速最快。因为曲轴每转一圈都会在上止点前的确定相位得到一对前后沿角标信号，这里以Qi表示前沿角标脉冲出现的时间，Hi表示前沿角标脉冲出现的时间，所以在压缩冲程末尾得到的角标脉冲（Q1，H1）、（Q3，H3）等，将处于瞬态转速的极小值附近，而在排气冲程末尾得到的角标脉冲（Q2，H2）、（Q4，H4）等，将处于瞬态转速的极大值附近。因为前沿和后沿的相位差是给定的设计值，一整圈的相位差为360°，所以通过后沿角标与前沿角标出现的时间差可以计算一个转速，通过最近的连续两个前沿或后沿角标也可以计算一个转速，通过这两个转速的相对大小，就可以在不到两圈的时间内确定出当前的角标信号是压缩冲程的还是排气冲程的，即判断出发动机冲程相位。

具体的判断单缸四冲程发动机冲程相位的逻辑流程图如图3所示。在步骤21，ECU先检测到一个前沿角标发生时间Qi，再检测到一个后沿角标发生时间Hi，然后进入步骤22，计算（Qi-Hi）与（Qi-Qi-1）或者（Hi-Hi-1）的比值QH，这里i-1>0表示上一圈；然后在步骤23和步骤24判断QH与设定的临界值QHL和QHS的关系：如果QH>QHL，那么断定（Qi-Hi）处于压缩冲程并进行相应处理（步骤25）；如果QH<QHS，那么断定（Qi-Hi）处于排气冲程并进行相应处理（步骤26）；如果上述条件都不满足，那么不能做出冲程相位判定，进入步骤27进行相应处理。在步骤25或26或27后，进入步骤28进行其他处理。在不能做出冲程相位判定时，必须按照相应逻辑处理相位，例如不能够采用循环单次点火的策略，而只能每圈都点火。

设定两个临界值QHL和QHS的优点在于，可以防止冲程相位判断失误导致严重的后果。判断失误往往因为发动机受到冲击载荷的作用而出现瞬态转速的非正常大幅波动，例如启动齿轮突然啮合造成冲击等。

本发明之角标装置，ECU必须可靠分别得到前沿和后沿角标信号，如图5所示为本发明实施例1中的ECU 1的内部电路功能示意。来自角标传感器8的角标信号CAS 100是复合在同一根角标线输入到ECU 1的，在ECU内部设有正角标信号处理电路111和负角标信号处理电路112，分别只对角标信号100的正脉冲和负脉冲响应，分别得到整形处理后的前沿脉冲101和整形处理后的后沿脉冲102，并分别输入到未处理芯片MCU 113的前沿角标输入口Q和后沿角标输入口H。MCU 113当然还接受其他的输入103，并输出控制信号104。

图5所示为本发明实施例1之磁电机转子6的实例，主要部件通过冲压工艺制造。外圆柱体120为导磁钢材制成，包括两段外圆柱表面9和11，以及两个外圆柱表面的过渡台阶10和12。圆柱面9的半径为R1，圆柱面11的半径为R2，R2-R1=2.5mm。圆柱表面11在圆周方向长度为40度曲轴转角。磁电机转子通过锥面和键槽121与发动机曲轴相连接，定位保证过渡台阶10转过角标传感器8感应部位时，曲轴相位为设定值上止点前15度。永磁铁122固定在外圆柱体120的内侧。

图6为本发明实施例2的转子结构简图，转子为一飞轮，常用于小型汽油发电机组。与图5的磁电机不同的特征在于，飞轮可以用铸铁整体制造，没有设置永磁铁，外圆柱体220上包括有较短的外圆柱表面209和较长的外圆柱表面211，前沿台阶212和后沿台阶210的方向正好与图5中的前沿台阶12和后沿台阶10相反。R2-R1=4mm。当然飞轮与曲轴的连接仍然通过圆锥面和键槽221实现。圆柱表面209在圆周方向长度为45度曲轴转角，过渡台阶210转过角标传感器8感应部位时，曲轴相位为设定值即上止点前10度。因为前沿台阶212转过角标传感器8时，飞轮圆柱面与角标传感器8的感应部位的间隙是由小变大，因此如果要得到正的角标脉冲，角标传感器8的输出就必须与实施例1相反。一般通过交换磁感应式角标传感器8的输出正负线就可实现。实施例2的其他特征及工作过程与实施例1相同。

上述实施例仅用来说明本发明，并不限定本发明。

Claims (10)

1.一种电喷发动机角标装置，包括发动机本体、转子、角标传感器、电控单元（ECU），所述转子与发动机曲轴同轴固定且包括由导磁材料制成的外圆柱体，所述外圆柱体包括两段半径不同的同轴圆柱形外表面，在两段圆柱形外表面的圆周方向过渡处形成两个台阶，发动机曲轴每转一圈，在确定的曲轴转角位置，所述台阶转过所述角标传感器的感应部位，分别产生一正一负两个符号相反的角标脉冲信号，输入给所述电控单元（ECU），所述ECU包括处理正的和负的角标脉冲信号的电路，从而感知发动机曲轴及工作循环相位。

2.如权利要求1所述电喷发动机角标装置，所述转子为磁电机，两段半径不同的圆柱形外表面的半径相差1.5mm以上。

3.如权利要求1所述电喷发动机角标装置，所述转子为飞轮，两段半径不同的圆柱形外表面的半径相差1.5mm以上。

4.如权利要求1至3之任一所述电喷发动机角标装置，所述转子上两段半径不同的圆柱形外表面分别为：半径较小的圆柱形外表面在圆周方向的长度较长，而半径较大的圆柱形外表面在圆周方向的长度较短。

5.如权利要求1至3之任一所述电喷发动机角标装置，所述转子上两段半径不同的圆柱形外表面分别为：半径较大的圆柱形外表面在圆周方向的长度较长，而半径较小的圆柱形外表面在圆周方向的长度较短。

6.如权利要求3所述电喷发动机角标装置，所述转子旋转时产生的正的角标脉冲信号对应于发动机曲轴转角在上止点前35-80度范围内之某一个角度，而所述转子旋转时产生的负的角标脉冲信号对应于发动机曲轴转角在上止点前5-20度范围内之某一个角度。

7.如权利要求6所述电喷发动机角标装置，所述转子外圆柱体通过冲压或铸造的方法加工成型。

8.如权利要求7所述电喷发动机角标装置，所述转子上半径较大的圆柱形外表面处于所述角标传感器的感应部位时，两者之间的间隙为0.3-1.2mm。

9.如权利要求8所述电喷发动机角标装置，在包括启动过程的发动机运转转速范围内，所述角标脉冲信号的脉冲幅值大于1V。

10.如权利要求9所述电喷发动机角标装置，所述角标传感器为电磁感应式传感器。