CN201159107Y - 一种精确控制发动机燃料量的控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种精确控制发动机燃料量的控制装置，它主要由控制器、传感器、步进电机、线束、发动机燃料量控制机构和连接装置组成；所述控制器(14)通过线束(15)分别与传感器(16)和步进电机(10)相连；所述步进电机(10)包括步进电机输出轴(9)，所述连接装置分别与步进电机输出轴(9)和发动机燃料量控制机构相连，将步进电机输出轴(9)的转动传递到发动机燃料量控制机构。它属于数字电子控制式装置，完全能满足各种应用场合对转速及负载提出的严格要求，并且适应性极强，不用进行任何调节即能实现对同类型发动机的精确控制，同时其成本也非常低，有利于大批量生产推广。

Description

一种精确控制发动机燃料量的控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种控制装置，特别地，涉及一种精确控制发动机燃料量的控制装置。

背景技术

在发动机燃料控制中通常采用比例电磁铁或旋转电磁铁作为执行器，驱动燃料控制装置，该执行器输出力矩比较大，它采用位置和转速双反馈的原理控制被控对象，执行器和传感器的成本都比较高，主要适用于功率较大的发动机。而采用步进电机进行位置控制的发动机燃料控制装置，取消了位置传感器，执行器输出电流不随位置开度变化，不易发热损坏，而且执行器和传感器的成本都较低。但采用步进电机进行发动机燃料控制需要解决以下问题：

1.发动机燃料控制装置的精度、行程和响应速度：精度指该发动机燃料控制装置中驱动输出部件的位置的最小变化量要足够小，使得发动机燃料供给装置所供给的燃料量的最小变化量足够小，并满足发动机的控制要求；行程指该发动机燃料控制装置中驱动输出部件的位置应覆盖发动机燃料供给装置所供给的燃料量从零到最大燃料量的全范围，使发动机能停机和达到标定功率并留有一定余量；响应速度指发动机工作状况发生变化时，通过该发动机燃料控制装置的控制，使发动机的转速稳定到目标转速的时间要足够短，同时还应满足超调量的要求。本系统设计了步进电机的最大转角、最小步距和传动比(通过偏心机构和杠杆系)、以及步进速度保证了各种应用场合的系统的精度、行程和响应速度。

2.断电位置回位：通常步进电机没有自动回位功能，转到某个位置断电后即停留在该位置，因此系统启动时的初始位置就不能确定。断电位置复位是指系统断电后，步进电机在外力的作用下回到某个预订的初始位置，使得下次启动时步进电机的位置为某个确定值。在被控对象的工作与步进电机的绝对位置有关的位置控制领域，步进电机断电不回位将不能进行准确的控制。在发动机燃料控制场合，步进电机不回位还可能造成不能停机、飞车等严重问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种精确控制发动机燃料量的控制装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种精确控制发动机燃料量的控制装置，它主要由控制器、传感器、步进电机、线束、发动机燃料量控制机构和连接装置组成；所述控制器通过线束分别与传感器和步进电机相连；所述步进电机包括步进电机输出轴，所述连接装置分别与步进电机输出轴和发动机燃料量控制机构相连，将步进电机输出轴的转动传递到发动机燃料量控制机构。

本实用新型的有益效果是，在发动机燃料量控制中，如柴油机油量控制、汽油机和天然气发动机进气量控制及其他代用燃料发动机的控制中，较经济的方案通常有以下三种：机械装置控制、模拟电子装置控制和数字电子装置控制，本实用新型属数字电子装置。机械装置控制由于控制精度不高，在很多场合，如发电机组用发动机控制中、工程车用发动机控制中、对速度特性要求高的汽车用发动机控制中等应用场合，机械装置控制都不能满足要求。模拟电子装置控制能在一定程度上解决上述机械装置控制的不足，但要达到上述应用场合的控制要求，模拟电子控制装置需进行很多复杂的调节，并且对发动机一致性的差异适应能力较差，同时，其成本也非常高。本实用新型属数字电子控制式装置，完全能满足各种应用场合对转速及负载提出的严格要求，并且适应性极强，不用进行任何调节即能实现对同类型发动机的精确控制，同时其成本也非常低，有利于大批量生产推广。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的发动机燃料量控制装置示意图，

图2为本实用新型实施例2的发动机燃料量控制装置示意图，

图3为本实用新型实施例3的发动机燃料量控制装置示意图，

图4为本实用新型实施例4的发动机燃料量控制装置示意图，

图5为图4的A向视图，

图6为本实用新型实施例的发动机燃料量控制装置中执行器的结构原理示意图。

具体实施方式

本实用新型的基本原理如下：下电时，步进电机在回位弹簧预紧力的作用下，通过挡块定位在某确定的初始位置；上电后控制器根据各传感器信号确定当前发动机工况，根据工况决定相应的供油模式，并通过一定算法得到当前发动机应该供给的油量，然后转换成步进电机的目标位置，最后由控制器的输出驱动模块用控制器给出的驱动方式驱动步进电机到目标位置。步进电机输出轴通过一定的连接机构带动发动机燃料量控制装置，实现发动机工况控制。控制器可以灵活控制电机旋转方向，以适应不同的应用场合(如柴油机油泵柱塞为左旋和为右旋)。

在电机失力或者切断电流的情况下，由回位弹簧克服电机的静态阻力的和相关运动部件的摩擦阻力，带动电机输出轴回位，并在定位挡块的作用下定位于初始位置。在控制器检测到发动机工作异常时，控制器将切断电机电流，发动机燃料量控制机构将在回位弹簧的作用下回到初始位置。由于初始位置为发动机燃料量控制机构的小油量或断油位置，因此可以实现对发动机的保护。

通过选择步进电机合适的步距角和传动机构传动比可以保证发动机燃料量控制机构的控制精度和控制行程；同时控制器选择合适的算法和驱动方式可以保证发动机燃料量控制机构的响应速度。

下文中，将首先介绍本实用新型的控制策略和方式，以及控制器的控制输出方式，然后结合附图，逐一介绍各个实施例的机械结构和其特点。

本实用新型的总体控制方式如下：控制器根据一定的输入量，确定发动机当前的工况，并通过一定的控制算法，得到当前应该输出到步进电机的步进量，然后控制器通过一定的激励模式，驱动步进电机输出轴转到预订角度，由步进电机输出轴和相关连接机构带动发动机燃料量控制机构运动，实现发动机工况控制。同时通过对步进电机合理的控制，使发动机燃料量控制装置的控制精度、行程和响应速度达到要求。在电机失力或者下电状态下，通过回位弹簧的作用，使步进电机输出轴回到初始位置。

上述输入量包括油门开度、冷却水温、机油压力、机油温度及根据应用场合用到的各种开关的状态。这些输入量决定了当前发动机的工作状况和工作模式，为控制器14的决策提供依据。

上述控制算法为控制器软件的组成部分，包括对输入量的处理，并根据各输入量决定程序的流向、各中间计算量和各输出量的数值，并输出到输出控制单元。控制算法决定程序中需要的各个中间计算量和最终输出量，并规定了它们之间的关系和实现手段。

控制器软件的另外一个重要组成部分是对异常情况的处理。若控制器检测到发动机出现工作异常，如转速过高、机油温度过高、机油压力过小等，控制器将切断步进电机电流，使发动机燃料量控制机构在回位弹簧的作用下回到小油量或断油位置，使发动机停止工作，从而保护发动。

通过步进电机的合理选型和控制器控制方式的合理选择，使步进电机在其工作的整个行程内都能克服回位弹簧力和外界阻力，驱动发动机燃料量控制机构运动到预期的位置。在步进电机工作的行程以内，不能有丢步现象发生，这是本实用新型各实施例能正常工作的关键技术之一。

同时，为满足发动机控制在精度、行程和响应速度上的严格要求，需要合理选择控制器的控制策略和步进电机的驱动方式，并用合适的传动机构来带动发动机燃料量控制装置。

控制器决定了发动机工作的好坏，因此对控制器有一定的要求，包括以下几个方面：一是正确识别各个输入量的能力，即对输入量处理的抗干扰能力，可以通过电磁兼容实验确定；二是对输入量变化响应的能力，它决定了发动机的响应速度；三是保证输出量与理想输出量一致的能力，即保证控制位置准确度的能力；四是对输出量范围的控制，要求输出的最小位置不能比发动机燃料量控制装置的最小位置大，输出的最大位置不能比发动机燃料量控制装置的最大位置小；五是对输出量的细分，即控制精度，要求能满足发动机控制的精度要求；六是对异常情况的响应即处理能力，要求在发动机工作状况出现异常时，控制器能迅速作出反应并采取一定的措施解决出现的异常状况。

下面结合附图和具体实施例详细说明本实用新型，本实用新型的目的和效果将更加明显。

如图1～5所示，本实用新型的发动机燃料量控制装置主要由控制器14、传感器16、步进电机10、线束15、发动机燃料量控制机构和连接装置组成；所述控制器14通过线束15分别与传感器16和步进电机10相连；所述步进电机10包括步进电机输出轴9，所述连接装置分别与步进电机输出轴9和发动机燃料量控制机构相连，将步进电机输出轴9的转动传递到发动机燃料量控制机构。

实施例1

图1示出了以直列泵齿条2为发动机燃料量控制机构的发动机燃料量控制装置。发动机燃料量控制装置还包括停油手柄1和后盖12；连接装置主要由挡块3、滚轮4、滚轮销5、摇臂6、定位螺钉7、定位挡板8和回位弹簧11组成，挡块3与直列泵齿条2相连，滚轮销5与摇臂6的一端相连，滚轮4套在滚轮销5外面，定位挡板8与摇臂6的另一端固定，连接在步进电机输出轴9上，回位弹簧11一端固定，另一端与定位挡板8和直列泵齿条2相连。控制器14根据传感器16和其他开关的输入，确定当前发动机的工况，经一定的控制算法决定输出到步进电机10的步进量，输出到步进电机10，驱动步进电机输出轴9转动。摇臂6与步进电机输出轴9之间为刚性连接，当步进电机输出轴9转动时，带动摇臂6摆动。若当前应该加油，则步进电机输出轴9应如图示的顺时针旋转，挡块3在摇臂6、滚轮销5和滚轮4的作用下，向右移动，带动直列泵齿条2向加油方向运动。若当前应该减油，则步进电机输出轴9应如图示的逆时针旋转，在摇臂6向左摆动的时候，由于回位弹簧11的回位作用，挡块3将紧贴在滚轮4上，直列泵齿条2向左运动减油。

在本实用新型的发动机燃料量控制装置下电、控制器14对步进电机10切断电流或者步进电机10由于异常状况意外断电时，回位弹簧11带动直列泵齿条2、挡块3、滚轮4、滚轮销5、摇臂6以及步进电机输出轴9回位。在定位螺钉7和定位挡板8的作用下，上述几个部件将定位在如图1所示的初始位置。

由于直列泵柱塞有左旋和右旋两种旋向，图1中的滚轮4和挡块3就有两种位置关系：一是如图1所示的挡块3在滚轮4右边，另外一种是挡块3在滚轮4的左边。同时回位弹簧11的形式也有很多种，如拉簧、压簧、扭簧和其他的回位机构。

传感器16与控制器14之间和控制器14与步进电机10之间均通过线束15相连，传感器16通过检测信号盘13上的信号点，产生一个正弦波或方波，该波形与发动机转速之间有一个确定的关系。控制器14通过对此信号的处理，计算出发动机当前的转速。若此转速超过规定的警戒转速，则控制器将切断步进电机10的电流，使直列泵齿条2回到初始位置，此时油泵处于小油量或断油位置。在这种情况下，发动机将停止工作，从而阻止了发动机的损坏。同时，图1中的停油手柄1可以外部强制将直列泵齿条2扳到小油量或断油位置，对发动机进行保护。

本实用新型的这一实施例中，通过合理选择摇臂6的形状和大小，结合控制器14对步进电机10合理的驱动，可以调节本实用新型的发动机燃料量控制装置的精度和行程。同时控制器14还可以通过合适的算法、驱动方式来调节本实用新型的发动机燃料量控制装置的响应速度。

实施例2

图2示出了以分配泵控制滑套18为发动机燃料量控制机构的发动机燃料量控制装置示意图。连接装置主要由滚轮4、滚轮销5、摇臂6、定位螺钉7、定位挡板8、杠杆17、扭簧19和扭簧销20组成，滚轮销5与摇臂6的一端相连，滚轮4套在滚轮销5外面，定位挡板8与摇臂6的另一端固定，连接在步进电机输出轴9上，杠杆17与扭簧19固定，扭簧19套在扭簧销20上。

图示位置为下电状态下的初始位置：套在扭簧销20上的扭簧19通过预紧力将杠杆17向如图所示的逆时针方向施加一力矩，进而通过滚轮4和滚轮销5向摇臂6施加一顺时针方向的力矩。在定位螺钉7和定位挡板8的作用下，摇臂6定位于初始位置。通过摇臂6、滚轮销5、滚轮4、杠杆系17的传动，将分配泵控制滑套18定位在初始位置。这里应该特别强调的是，该初始位置为分配泵的小油量或断油位置，以保证在控制器下电、步进电机10失力或者切断步进电机10电流的情况下，发动机不能启动，起到保护发动机的作用。

上电后，控制器根据传感器的信号决定当前发动机的工况，并通过一定算法确定当前应该加油还是减油，并计算出该加油或减油量。若当前需要加油，控制器输出一驱动信号到步进电机10，使步进电机输出轴9如图所示的逆时针旋转到目标位置。此时，摇臂6在步进电机输出轴9的带动下，将向逆时针方向摆动，其上的滚轮销4和套在滚轮销4上的滚轮5将带动杠杆系17绕扭簧销20顺时针旋转，从而带动分配泵控制滑套18向左边加油方向运动，实现发动机的加油。类似的，若当前需要减油，控制器将控制步进电机输出轴9向如图所示的顺时针旋转，通过摇臂6、滚轮销4、滚轮5的传动，在扭簧19的回位力矩作用下，杠杆系17绕扭簧销20逆时针旋转，从而带动分配泵控制滑套18向右边减油方向运动，实现发动机的减油。

控制器对发动机机油压力过低、机油温度过高、转速过高的保护与实施例1的处理方式相同，请参考。

本实施例中的发动机燃料量控制装置的控制精度和行程由摇臂6的形状和大小、杠杆系17的杠杆比和步进电机10的步进角决定，通过合理选择这些参数可以调节本发动机燃料量控制装置的控制精度和行程达到发动机控制的要求。与实施例1类似，合理选择控制器的控制算法和驱动方式也可以调节本实用新型的发动机燃料量控制装置的响应速度。

实施例3

图3示出了以柴油机单缸泵齿条24为发动机燃料量控制机构的发动机燃料量控制装置示意图。连接装置主要由扭簧21、摇臂22、挡块23组成，扭簧21一端固定，另一端与摇臂22相连，摇臂(22)连接在步进电机输出轴(9)上，挡块23与柴油机单缸泵齿条24相连。

在控制器14未上电、步进电机10失力或控制器14切断步进电机10的电流时，在扭簧21预紧力的作用下，步进电机输出轴9、摇臂22、挡块23和柴油机单缸泵齿条24将在定位螺钉和定位挡板的定位下，位于初始位置。该初始位置保证柴油机单缸泵处于小油量或断油位置，使发动机不能启动，实现对发动机的保护。

在控制器上电、发动机工作时，控制器对柴油机单缸泵齿条24的控制策略与实施例一中对直列泵齿条2的控制相同，请参考。控制器对发动机异常运行状态的处理与实施例2中对发动机异常情况的处理相同，请参考。

在本实用新型的本实施例中，本实用新型的发动机燃料量控制装置的控制精度和控制行程由摇臂22的形状与大小、步进电机10的步进角等参数有关，合理选择这些参数能调节本发动机燃料量控制装置的控制精度和控制行程达到单缸柴油机的控制要求。本实施例的响应速度控制与实施例1和实施例2的控制相同，请参考。

实施例4

图4和图5为以汽油机或天然气发动机节气门旋转阀28为发动机燃料量控制机构的发动机燃料量控制装置示意图。连接装置主要由定位螺钉7、传动轴31、扭簧32、摇臂33、拨叉25、34组成，拨叉25与步进电机输出轴9相连，拨叉34与摇臂33相连，传动轴31与摇臂33固定相连，节气门旋转阀28通过螺钉27固定在传动轴31上，扭簧32一端固定，另一端与摇臂33相连。

当控制器14未上电、步进电机10失力或者控制器14切断步进电机10电流时，在扭簧32的预紧力作用下，摇臂33、步进电机输出轴9、拨叉34回位，并由摇臂33和定位螺钉7定位于初始位置。同时，在拨叉25和摇臂33上拨叉34的作用下，传动轴31也位于初始位置。节气门旋转阀28用螺钉27固定在传动轴31上，当传动轴31位于初始位置时，节气门旋转阀28正好关闭。此时的节气门开度为零，可以保证发动机在控制器未上电、控制器保护、或者电机故障时，发动机不能启动，以保护发动机。上述控制器保护与实施例2中的对异常情况的处理相同，请参考。

本实用新型的本实施例中，拨叉34的形状及尺寸、摇臂33的形状及尺寸、步进电机的步进角等参数决定了节气门旋转阀28控制的精度和行程。合理选择以上参数，以使节气门挡板28的控制精度和行程满足发动机控制的要求。若步进电机的步进角度能满足，本实施例的响应速度控制与实施例1、实施例2、实施例3相同，请参考。

图6为实用新型的执行器步进电机10的技术说明图。控制器驱动步进电机输出轴9转动，在摇臂36或者拨叉34的作用下，发动机燃料量控制机构可以进行相应移动或者转动，实现发动机燃料量的控制。在本实用新型的发动机燃料量控制装置回位弹簧的作用下，定位螺钉7和定位挡板6或摇臂33可以将发动机燃料量控制机构定位在初始位置。

上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种精确控制发动机燃料量的控制装置，其特征在于，它主要由控制器(14)、传感器(16)、步进电机(10)、线束(15)、发动机燃料量控制机构和连接装置组成；所述控制器(14)通过线束(15)分别与传感器(16)和步进电机(10)相连；所述步进电机(10)包括步进电机输出轴(9)，所述连接装置分别与步进电机输出轴(9)和发动机燃料量控制机构相连，将步进电机输出轴(9)的转动传递到发动机燃料量控制机构。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述燃料控制机构为直列泵齿条(2)、分配泵控制滑套(18)、柴油机单缸泵齿条(24)或节气门旋转阀(28)。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述燃料控制机构为直列泵齿条(2)。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述发动机燃料量控制装置还包括停油手柄(1)；所述连接装置主要由挡块(3)、滚轮(4)、滚轮销(5)、摇臂(6)、定位螺钉(7)、定位挡板(8)和回位弹簧(11)组成，挡块(3)与直列泵齿条(2)相连，滚轮销(5)与摇臂(6)的一端相连，滚轮(4)套在滚轮销(5)外面，定位挡板(8)与摇臂(6)的另一端固定，连接在步进电机输出轴(9)上，回位弹簧(11)一端固定，另一端与定位挡板(8)和直列泵齿条(2)相连。

5.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述燃料控制机构为分配泵控制滑套(18)。

6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述连接装置主要由滚轮(4)、滚轮销(5)、摇臂(6)、定位螺钉(7)、定位挡板(8)、杠杆(17)、扭簧(19)和扭簧销(20)组成，滚轮销(5)与摇臂(6)的一端相连，滚轮(4)套在滚轮销(5)外面，定位挡板(8)与摇臂(6)的另一端固定，连接在步进电机输出轴(9)上，杠杆(17)与扭簧(19)固定，扭簧(19)套在扭簧销(20)上。

7.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述燃料控制机构为柴油机单缸泵齿条(24).

8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述连接装置主要由扭簧(21)、摇臂(22)、挡块(23)组成，扭簧(21)一端固定，另一端与摇臂(22)相连，摇臂(22)连接在步进电机输出轴(9)上，挡块(23)与所述柴油机单缸泵齿条(24)相连。

9.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述燃料控制机构为节气门旋转阀(28)。

10.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述连接装置主要由定位螺钉(7)、传动轴(31)、扭簧(32)、摇臂(33)、拨叉(25、34)组成，所述拨叉(25)与步进电机输出轴(9)相连，另一拨叉(34)与摇臂(33)相连，传动轴(31)与摇臂(33)固定相连，所述节气门旋转阀(28)通过螺钉(27)固定在传动轴(31)上，扭簧(32)一端固定，另一端与摇臂(33)相连。

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