CN1540152A - 发动机控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于发动机系统如火花定时的控制的改进方法和系统。控制器检测在一部分完整的周期期间及整个完整周期期间或者从一个周期到另一个周期的速度变化，从而可以根据发动机特性从预编程的变换图上确定发动机载荷。从这个载荷和速度读出值，可能获得期望的发动机控制。此外，在这个方法中，只在某些特殊的条件下，并且只根据某些特殊的参数来设定定时。这不仅通过减少传感器数目降低了系统的成本，而且还允许进行更加迅速地调节。

Description

发动机控制方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请是2001年9月5日提交的序列号为No.09/682457的相同名称的共同待审查的申请的部分继续，该申请的发明人是本申请的发明人和另一个人，并且该申请已转让给本申请的受让人。

发明的背景

本发明涉及一种发动机控制方法和设备，更加具体地说，涉及这种控制的一种改进、简化、高效、和低成本的方案。

在内燃机中，使用了各种各样的系统和方法进行发动机控制。一般情况下，在应用较小和较低容量的发动机场合，与在较大的生产容量发动机上如汽车发动机上使用的控制相比，通常包含不太复杂的控制。即使在小排量低生产容量的发动机中，例如在摩托车中使用那些发动机，发动机控制也可能变得十分复杂。

例如，如图1所示，其中示意地表示用于摩托车发动机的点火时间控制。这种控制方案旨在控制与供给摩托车能量的内燃机22相连的火花塞21的点火，在这个图中没有表示出这个摩托车，但这个摩托车可以是如图3概括示出的摩托车结构。将一个放大的火花电压从点火线圈23加到火花塞21上，点火线圈23又受到示意地表示为24的一个点火定时控制装置的控制。这个点火定时控制装置24从一系列与发动机相联系的传感器接收输入。这些传感器包括一个曲轴箱转速传感器25，曲轴箱转速传感器25包括一个脉冲线圈和节气门位置传感器26，节气门位置传感器26与用于发动机的节气门控制机构22相联系并向控制装置24输入一个表示发动机载荷和/或操作人员需求的信号。

从电池27经过主开关28向点火控制电路24提供电功率。这个电功率被施加到控制电路24的电源电路29，具体来说加到电路31上，电路31可能包括一个微处理器。

将发动机速度传感器25的输出发送到转速检测电路32，该电路对于在一个时间周期中产生的脉冲数目进行计数，从而可以确定发动机22的曲轴转速。

这样就向一个点火定时确定电路(用33表示)输出了一个速度信号N。此外，节气门位置传感器26向节气门位置检测电路34输入一个信号。这个检测电路34向节气门开启计算电路35输出一个信号“a”。这又向点火定时确定电路33输出一个节气门角度位置θ。

从这些输入出发，点火定时确定电路在从包含在电路3 1的存储器中的变换图确定的时间向点火电路36(可以是电容器放电型的电路)输出一个信号，从而可以向线圈23输出一个电输出“i”，这个电输出通过线圈23阶跃升至数值“1”，用于按公知的方式对火花塞21点火。

图2是一个曲线图，表示可以加到电路31中的变换图之一，表示对于由节气门开启电路确定的指定载荷所说的火花定时是怎样根据发动机速度而变化的。可能有许多这样的曲线，从而可以根据节气门位置和发动机速度这两者来改变点火定时。

如果不使用节气门位置传感器，还可以通过进气歧管真空度来检测载荷。然而，不管用哪种方法，都需要附加的传感器、换能器和电路。

已经发现，只使用由诸如节气门位置传感器或进气歧管真空度传感器之类的装置确定的发动机速度和载荷不能准确地提供所期望的好的控制。这就是说，这两个要素本身不足以提供期望程度的控制。

虽然对于汽车的应用已经提供了一些系统，其中使用了比较复杂的控制，但这进一步增加了系统的成本，并不一定总会提供最佳的结果。

除了节气门位置传感器或用于检测进气歧管真空度以确定载荷的真空度传感器以外，还存在一些另外的器件。已经确定，通过比较从一圈到另一圈的发动机速度可以求得发动机载荷。然而，这些系统还是有点复杂，尤其是不适合于低生产容量、低成本机动车的应用。它们还有一个缺点是需要多个不同类型的传感器。

还提出了一些其它的方案，其中针对发动机不足一圈的转动来测量发动机速度，并且利用从一个周期到另一个周期的变化来确定发动机载荷。然而，这些系统的大部分都需要多个传感器，并且还由于检测条件造成在进行调节之前需要某个延迟。

在前述的共同待审查的申请中，公开了一种系统和方法，这种系统和方法利用单个传感器并针对一圈转动的一部分并且针对一整圈转动来测量发动机速度，并且根据所测的比值来进行发动机系统的调节。这样就允许利用相对简单的系统进行更加准确的控制。然而，还可进行进一步的改进。

可以期望的是，保持系统尽量简单和尽量低的成本。本发明人已经发现，从一个周期到另一个周期的调节不总是必须的，甚至于不总是期望的。还有，可以根据机动车的应用类型有效地改变系统的灵敏度。

因此，本发明的主要目的是提供一种高效、简单、低成本发动机控制设备和方法。

本发明的另一个目的是提供一种发动机控制设备和方法，它可以利用相当简单和小型的计算机和存储器。

发明的概述

本发明适用于在一个内燃机控制系统中实施，并且适用于在用于控制发动机系统的一个发动机运行方法中实施。所说的发动机有一个从动轴。一个与从动轴相联系的传感器装置，用于在从动轴不足一整圈的转动期间检测从动轴瞬时转速，并且用于在从动轴一整圈的转动期间检测从动轴的转速，其中包括在从动轴的第一圈转动期间测量小于完整的转动，以及在从动轴紧随其后的转动期间检测从动轴的相同的两个转速。一个控制器用于确定对于两圈转动中每一圈所测定的部分转动和完整转动之间的比值，并且确定两者之间的差。控制器根据这个差调节发动机系统的控制，唯一的条件是这个差处在两个预定值之间。此外，这种调节只利用某些其它参数进行，以便进一步简化并提供比较平滑的操作。

按照发动机的第一特征，其它参数是，只按照完整的整数进行调节，以将必须的存储器减至最小。

按照发动机的第二特征，其它参数是，只在整个预期变化范围中的一个预定范围内利用这个比值进行调整，以避免过多的计算。

按照发动机的第三特征，发动机向一个机动车提供动力，并且其它参数是，只在发动机载荷的一个预定范围内进行调节，以避免过多的计算。

附图的简要说明

图1是表示现有技术类型的发动机控制系统的部分示意图。

图2是一个曲线图，表示用在现有技术的控制系统中的指定的发动机载荷的速度和定时图。

图3是可以利用现有技术系统并且还可以利用本发明的机动车的一个侧视立体图。

图4是一个部分示意图，一部分与图1类似，但表示的是实施本发明的一个发动机控制系统。

图5是表示传感器和定时标记的一个侧视立体图。

图6是一个定时图，用于说明选择适当的时间来进行速度测量以优化控制精度的重要性。

图7是一个方块图，表示用于实施本发明的一个控制程序。

图8是一个曲线图，表示VR(速度比值变化)和实际发动机载荷以及发动机速度之间的关系。

图9是一个三维图，对于按照本发明的点火定时和现有技术方法的点火定时进行了比较。

图10是按照本发明的燃料效率与现有技术方法的燃料效率的曲线比较以及在它们之间的改进程度。

图11是一个曲线图，表示在几个不同的发动机速度下VR的值和发动机载荷之间的关系。

图12是点火定时、发动机速度、和发动机载荷的一个三维图，表示如何限制调节的幅度以使操作人员获得平滑的感觉。

详细描述

现在详细参照附图，并且首先参照附图3，按照本发明构造和运行的一台摩托车整体用标号5 1表示。这也是应用上述的现有技术结构的机动车类型。应该理解，本发明的这种特殊应用只是利用本发明的典型应用。在典型实施例中选择摩托车是因为从以上所述显然可以看出，本发明在相对较小的低生产容积的发动机中有特殊的实用性。然而，显然还应该看出，本发明的简单性适用于与诸如汽车应用之类的其它应用一道使用，这是因为本发明在节省燃料和性能方面都有所改进但又没有显著增加成本的缘故。

摩托车51包括一个机架，通常用标号52表示，机架52刚性地将前轮53支撑在前叉54上，前叉54按照众所周知的方式通过手杆组件55操纵控制。

后轮56被支撑成使其能够通过包括拖臂组件57在内的装置相对于机架52做悬架运动。通常用标号58表示的一台发动机具有一个组合的曲轴箱传递组件59，发动机58被适当地悬架在机架52中，并且通过一个适当的传动装置驱动后轮56。

发动机58有一个化油器61，从燃料箱62向化油器61提供燃料，燃料箱62安装在机架52上的发动机58的上方。节气阀与这个化油器61相连，并且由安装在手杆55上的一个可转动把手式节气门控制器63操纵。对于常规系统，但对本发明并不是必须的，一个节气门位置传感器64与这个节气阀的节气阀轴相联系。

发动机58设有通过点火系统点火的一个或多个火花塞65(图4)，下面对此还要作简短的说明。

燃烧气体通过排气管66和消音器67从发动机排气口排出，这种排放为大气排放。

根据所示的实施例的发动机58是按照四冲程原理运行的，然而，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，本发明还可以与两冲程发动机一起使用。

将座位68定位在机架52上的燃料箱62的后面，以按照众所周知的方式容纳驾驶人员。

现在主要参照附图4和5，用于控制发动机系统的控制系统，在此情况下将更加详细地说明火花塞65的点火。发动机58有一个曲轴69，飞轮71固定到曲轴69上，以便按照公知的方式转动。虽然本发明是结合曲轴定位传感器进行描述的，但也可以结合由发动机按定时关系驱动的任何其它轴进行描述。

一个脉冲器型传感器72与飞轮71相联系，具体来说与一个定时标记73相联系，所说的定时标记固定到飞轮71的外周表面。定时标记73有一个前沿74和一个后沿75，当它们通过传感器72时，它们将输出可以测量的脉冲，因此可以测量定时标记73通过传感器72时花费的时间。这就形成了发动机58在完整转动一圈的一部分期间的瞬时转速。

与常规使用的定时标记相比，按照本发明的定时标记73宽得多。这样的展宽不一定是必须的，但可以改进这个控制器。例如，标记73的宽度等于60°曲轴转动。对于定时标记进行设置，使其在发动机开始接近上死点(TDC)时首先触发一个脉冲，并且当曲轴处在上死点或接近上死点后触发另一个脉冲。具体的角度可以根据具体的应用场合而改变。

然而，由于四冲程运行，所以在压缩冲程和排气冲程结束时产生脉冲。现有技术方法虽然已经利用在工作冲程的速度测量，但已经发现，压缩冲程和排气冲程在提供发动机载荷的示值要准确得多，这就构成了本发明的特征之一，下面具体参照附图6对此还要作更加详细的说明。

对于两冲程发动机，每转一圈两次测量将为下一圈转动的发动机控制提供足够多的信息。

如图4所示，将传感器72的输出传送到发动机系统定时控制设备76，发动机系统定时控制设备76包含一个点火电路77，点火电路77基本上可以是CDI型常规的点火电路，点火电路77向线圈78输出一个信号“i”，线圈78输出一个脉冲“1”，用于按已知方式对于火花塞65进行点火。

这个发动机定时控制系统经主开关81用来自电池79的电力供电。

传感器72的输出发送到转速检测电路82，转速检测电路82在每个完整的转动周期输出一个表示发动机转速的信号N。此外，储存在传感器72上的定时标记73的前沿74和后沿75的输出发送到转速变化程度检测电路83。这个电路83向一个载荷计算电路84选择性地输出代表速度差的信号。

在所述的实施例中，飞轮71可以由磁性材料构成，传感器或线圈72面对定时标记73的转动轨迹。在这种情况下，可以从穿过线圈72的铁芯的磁路中的磁组变化来检测定时标记73的相对的两端。按另一种方式，定时标记73可以由多个永久磁铁构成，它们在飞轮71上固定到相互分开形成指定角度的一些位置上，传感器可以是一个磁传感器，如霍尔元件，用于检测永久磁铁的磁通。按另一种方式，定时标记可以是一个狭缝，利用LED或受光元件按照光学方法对其进行检测。

载荷计算输出电路进行操作，以确定从下面将描述的变换图导出的载荷因子。这个输出传送到点火定时确定电路85，点火定时确定电路85按照图7所示的控制程序进行操作以便向点火电路77输出一个信号P，在对于发动机速度和发动机载荷适当的时间给火花塞65点火。

电路部分82、83、84、85全都位于发动机控制系统76的CPU86中。

现在主要参照附图6并且随后再参照附图7，按照本发明使用的基本控制方法就是从一圈转动到另一圈转动速度“R”的变化。从这个差值，有可能确定发动机载荷。然后，通过参照点火控制定时和速度图可以确定合适的点火定时时间。按照本发明的一个重要特征，不是在所有的运行条件下都利用这个特殊的载荷确定方法，来简化系统但又不会明显降低性能。事实上，在某些情况下，利用这个改进的方法，甚至于可能得到更加光滑的操作。

图6示意地表示转速传感器的输出(在这个具体实例中是线圈72)是如何向电路部分82和83输出它的信号，确定转速变化R的程度。确定转速变化R的程度的方法是，通过测量连续两圈转动中的每圈转动的前沿脉冲和后沿脉冲之间的时间，来确定一个比值(t/T)，从而可以确定这个比值的变化，称之为转速差或转速变化“VR”。这个图(图6)还用来说明为了获得转速差VR所测的那些特定冲程的顺序的重要性。

如以上所述，当定时标记73通过传感器线圈72时将产生脉冲。当前沿74以60°通过标记的上死点之前(BTDC)时，脉冲器线圈的输出波形为正(+)；当后沿75通过上死点(TDC)时，脉冲器线圈的输出波形为负(-)。这些脉冲都表示在图6中，并且按照图中表示的<方法1>和<方法2>对于两种方法进行了比较。

按照<方法1>，包括燃烧和排气冲程在内的负(-)脉冲的时间间隔C、D取作一圈转动的周期，每个周期C、D中突起(标记)的通过时间取作B、A，从而可以对于每一个周期确定比值B/C、A/D。然后确定这些比值之间差的绝对值|B/C-A/D|，使其成为发动机载荷的指示值。

然而，本发明还通过使用“<方法2>”获得这个发动机载荷，其中取正(+)脉冲的时间间隔C”、D”作为一圈转动的周期，并且对于每个周期确定比值A/C”、B/D”。将这些比值之间差的绝对值|A/C”-B/D”|定义为VR值。

如图6所示，载荷波动的效应使得排气和吸气冲程的时间比燃烧和压缩冲程的时间相对较长。结果，按照<方法1>，比值B/C的分子和分母这两者都根据载荷的增加或减小而增加或减小，比值A/D的分子和分母这两者也以同样的方式增加或减小。因此，两个比值的差值的绝对值|B/C-A/D|随载荷波动的变化相对较小。

另一方面，按照<方法2>，比值A/C”变为：随着载荷的增加，分母C”减小而分子A增加；并且比值B/D”变为：分母增加而分子减小，因此在两个比值之间的差值|A/C”-B/D”|的变化随着载荷的波动而变大。因此本发明通过使用<方法2>来确定VR值并因而确定发动机载荷。因为通过这个方法获得的值较大，所以能够更加有效地确定发动机载荷。

使用这个方法来实施下面将参照附图7更加详细描述的本发明的方法。首先，在步骤S1中，确定发动机是否在空转状态下运行。空转状态可能是在预热启动后立即发生的状态。如果发动机正在空转速度下运行，则在步骤S2，将点火定时α设定为固定值α1。然后在步骤S3进行点火控制。然后，程序循环到步骤S1。

如果在步骤S1发现发动机58不是在空转状态，则转速变化程度传感电路83在步骤S4检测转速变化程度VR。在电路86中的微处理器在步骤S5确定转速变化程度VR是否在VR_m、VR_M的一个指定的范围内。如果这个变化不在这个范围内，则在步骤S6或S7将点火定时设定为α2或α3。

在上死点之前，空转α1时的提前点火的固定度数约为10°。在上死点之前，α2、α3的这个度数为20°到30°，并且对它们进行设置以避免在VR发生小的变化时出现误差，从而避免电噪声的影响。

如果在步骤S5确定VR值在VR_m-VR_M的这个范围内，则载荷计算电路84使用由转速检测电路82在步骤S8确定的发动机速度N并且在步骤S9中从图8的转换图查找载荷L，从而确定载荷L。

图8的左手侧(A)表示按照<方法2>针对不同的发动机速度n(rpm-每分钟转数)确定的VR值和发动机载荷之间的关系测定的测量结果。这个结果表明，发动机载荷按照发动机速度n和VR值唯一地确定。图8的右手侧(B)按照三维图的形式表示出这个结果。这个三维图表明，在没有检测发动机载荷的特殊传感器如节气门传感器、或进气门负压传感器的条件下，只要有脉冲器信号，就能检测到这个载荷。此外还发现，VR值的变化范围是从0到2.0。

图9是一个三维图，表示为获得发动机的最大转矩或MBT(最佳转矩的最小提前)所需的点火定时与载荷和发动机速度n之间的关系。这个图9还表示出，为什么只按照发动机速度n改变点火定时的常规的点火单元还没有充分利用发动机的性能。如图所示，当载荷变化时，点火定时的MBT的偏差变大。相反，按照本发明，点火定时与MBT一起随着发动机载荷的变化而变化，因此本发明可以充分利用发动的性能。

现在再参照附图7，点火定时确定电路85随后在步骤S10中通过使用这外载荷L和发动机速度N并且从图9的转换图中查找点火定时的值来确定点火定时α。点火定时确定电路85然后向点火电路77发送与这个读出的点火定时α对应的一个点火信号P，使火花塞65点火。然后程序前进至步骤53并且重复。

在图10中表示出在相同的发动机上常规的点火设备和本发明的点火设备之间有关燃料效率的比较。可以看出，按照本发明的燃料效率改善了2-12％。

在VR值的计算中，微计算机的操作可以限制点火定时的变化，使其不小于1°，这就可以为操作人员提供比较平滑的感觉，并且通过使用比较简单的计算机简化了系统。如图11所示，VR值的最小变化间隔(最小增量)或分辨率是VR值的整个变化范围的0.625％。0.625％这个值对应于VR值的0.0125(＝2.0×0.625/100)。由于VR值的变化引起载荷波动在高发动机速度和低载荷时是增加的。于是，对于一台机动车，例如机动车重量约为100kgf(千克—力，1kgf≈9.8牛顿)的摩托车等，已经发现，如果将VR的最小变化间隔确定为大约为7N·m(牛顿—米)(也表示为Nm，1kgf·m≈9.8N·m)的发动机载荷的变化，则上述的条件差不多就能满足。因此，在高发动机速度和低载荷中，这个分辨率(＝0.0125)对应于大约7N·M的载荷变化。

于是，如图12所示，约为7N·m的载荷的波动对应于1°之内的点火定时变化。已经发现，1°之内的点火定时变化对应于7N·m的发动机载荷的变化，这样程度的变化不会对操作人员产生明显的感觉。

于是，从以上所述显然可以看出，所述的方法和结构提供了极其简单、廉价、和高效的控制发动机的系统。还有，应该理解，虽然公开并描述了发动机系统定时控制的特殊实例，但也可以用类似的方式控制其它的发动机系统，例如用燃料注入或其它形式燃料供给的燃料控制，用于遥控节气门系统的节气门控制。可以利用本发明的其它发动机控制应用的本身对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。还有，该系统可以与两冲程发动机或四冲程发动机一起使用。当然，在不脱离本发明的构思和范围如所附的权利要求书的条件下，还可以进行进一步的变化和改进。

Claims (7)

1.一种用于控制发动机系统的内燃机系统控制器，其特征在于，所述的发动机有一个从动轴；一个与所述从动轴相联系的传感器装置，用于在所述从动轴不足一整圈的转动期间检测从动轴瞬时转速，并且用于在所述从动轴一整圈的转动期间检测从动轴的转速，其中包括在所述从动轴的第一圈转动期间测量小于一整圈的转动以及在所述从动轴紧随其后的转动期间检测所述从动轴的相同的两个转速；一个控制器用于确定对于两圈转动的每一圈测定的部分的转动和完整的转动之间的比值，并且确定两者之间的差，控制器根据这个差调节发动机系统的控制，唯一的条件是这个差不是一个预定量，并且满足至少一个其它某个参数。

2.根据权利要求1所述的内燃机控制系统控制器，其特征在于，所述其它某个参数是：只按照完整的整数进行调节以使必须的存储器最少。

3.根据权利要求2所述的内燃机控制系统控制器，其特征在于，对于火花定时进行控制，并且只按完整的整数级进行定时变化。

4.根据权利要求1所述的内燃机控制系统控制器，其特征在于，所述其它某个参数是，只在整个的预期变化范围的一个预定的范围内进行计算，以避免过多的计算。

5.根据权利要求4所述的内燃机控制系统控制器，其特征在于，所述的范围是在整个变化范围的0.625％之内。

6.根据权利要求1所述的内燃机控制系统控制器，其特征在于，所述发动机给一台机动车提供动力，所述其它某个参数是，只在发动机载荷的一个预定的范围内进行计算，以避免过多的计算。

7.根据权利要求6所述的内燃机控制系统控制器，其特征在于，所需的发动机载荷的变化范围约为7N·m(牛顿-米)。

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