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CN102112730B - 四冲程发动机单机中电子燃料调节器的集成 - Google Patents

四冲程发动机单机中电子燃料调节器的集成 Download PDF

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CN102112730B CN2009801296895A CN200980129689A CN102112730B CN 102112730 B CN102112730 B CN 102112730B CN 2009801296895 A CN2009801296895 A CN 2009801296895A CN 200980129689 A CN200980129689 A CN 200980129689A CN 102112730 B CN102112730 B CN 102112730B
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Abstract

一种用于碳氢发动机的燃料喷射系统，配备了用于控制发动机的最大速度的简化的电子调速器系统。该调速器系统与用于操作发动机的电子控制单元(ECU)运转地相关联。脉宽调制的燃料阀配备了压强增强装置，该装置使燃料系统能够在向发动机提供燃料供应时使用低压信号。该燃料系统还配备了具有ECU的节流阀体，燃料阀和调速系统彼此集成为一体，以便安装在发动机上。

Description

四冲程发动机单机中电子燃料调节器的集成
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年5月28日提交的SN.61/056,695号美国临时申请的优先权，此申请的说明书被结合在此文中作为参考。
版权声明
本专利文件的公开部分包含受版权保护的材料。版权所有者对任何人对如出现在专利和商标局的专利文件或记录中那样的专利文件或专利公开的复制均无异议，但其他情况下则保留所有版权。
背景技术
本申请涉及用于4冲程无源单、双气缸、碳氢发动机的电子燃料喷射系统。该系统包括用于控制四冲程发动机的燃料喷射的低成本集成方案，并且结合许多特征，这些特征使那些发动机在即使改变了负载和环境的条件下仍能够以最佳性能或接近最佳性能地工作。
通过转让2009年1月30日提交的S.N.12/375,898号美国专利申请，申请人的受让人成为该申请的主人，该申请涉及尤其适用于二冲程发动机的某些技术的应用。S.N.12/375,898的说明书被结合在此文中作为参考。本公开涉及与试图使用可在二冲程发动机中良好地工作但不能容易地转换成可应用于四冲程发动机的低成本组件相关联的特殊问题。
发明内容
依据本公开，总体上说，优选实施例提供了用于4冲程无源、单缸或双缸碳氢发动机的总体集成的低压电子燃料喷射系统(EFI)及相关部件。该EFI系统部件包括：ECU硬件和软件、图形化用户界面(GUI)、燃料喷射器、具有集成的燃料泵/增压器和调节器的节流阀体(throttle body)，以及所需的传感器(节流阀位置传感器(TPS)、发动机温度、进气温度、发动机速度传感器)和电子调速器(electric governor)。该系统能够经过常规的RS-232连接通过使用接口软件(GUI)进行通信，该接口软件(GUI)能够监视、绘图、校准和修改系统算法。
在结合附图阅读了以下描述后，前述的和其它的本公开的目的、特征和优点以及当前的优选实施例将变得更加清楚。
附图说明
附图形成了说明书的一部分，其中：
图1是框图，示出本发明的系统的控制策略的一个说明性实施例；
图2是被图1的系统采用的电子控制单元(ECU)的一个优选实施例的图解示图；
图3A是发电线圈的一个说明性实施例的透视图；
图3B是被本发明的发电系统采用的集成了图3A的发电线圈的调节器板(regulator board)的一个说明性实施例的透视图；
图3C是示出飞轮和发电充电模块的集成的一个说明性实施例的透视图；
图3D是示出了图3(B)所示的调节器板的一个说明性实施例的图示，该调节器板允许本发明的系统在系统启动时提供可用的最大功率，并且在正常运行模式期间切换到低功率；
图4A是具有内置增压器模块的燃油脉冲泵组件的一个说明性实施例的分解图，该内置增压器模块允许该说明性实施例中的燃油泵组件将马达曲柄箱的低压强增加到用于正常燃油运送的较高压强，其中输出压强的值取决于增压器的几何形状，并且能够导致用于发动机运行的压强基本上增倍；
图4B是图4A中示出的燃油泵的俯视图；
图4C是沿着图4B的线4C-4C观察到的剖面图；
图5A是本发明的系统采用的集成节流阀体的一个说明性实施例的透视图；
图5B是图5A中示出的集成节流阀体的分解图；
图6A是说明了电子调速器(governor)的闭环控制或说明性实施例的示意图；
图6B是图5A中示出的电子调速器的算法控制的示意图；
图6C是示出了本发明的电子调速器的响应时间的示意图；
图6D是示出本发明的电子调速器采用的旋转螺线管的一个说明性实施例的透视图；
图6E是示出将电子调速器与图1中示出的系统的节流阀体集成起来的一种方法的横截面图；
图7A是示出速度信号和相应的触发信号的示意图，说明了对ECU的控制和由ECU进行的控制，该控制使本发明的系统对于4冲程应用能够每隔一个冲程喷射燃料；
图7B是说明在本发明的系统中使用的各种控制信号的示意图，包括本发明的电子调速器控制的点火时间、燃料喷射时间和节流板位置。
在全部这几幅附图中，相应的参考编号指示相应的部件。
具体实施方式
本公开一般地涉及电子燃料调节系统，特别是涉及用于小型内燃机的电子燃料调节系统，这些小型内燃机在优选实施例中为尺寸相对小的四冲程发电机，例如应用在电力洗衣机、小型发电机和类似的应用中。尽管本发明是相对于那些应用详细描述的，但本领域技术人员将认识到在此描述的发明方面具有更广泛的应用性。
以下详细的描述通过举例但非限制的方式说明了本公开。应该明白的是本公开的各种方面可被单独地实现或与其它方面相结合地实现。本说明书清楚地使本领域技术人员能够制造并使用我们相信为新的且非显而易见的改进，描述了若干实施例、变通办法、变型、备选方案以及系统应用，包括当前被认为是执行本说明书中描述的发明原理的最好模式。当描述元件或特征和/或实施例时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示具有元件或特征中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在为包括性的，并表示在那些具体描述的元件或特征以外还可具有额外的元件或特征。
参考图1，参考编号1指示了如下说明的本公开的优选实施例可应用于的四冲程发动机的燃料系统的一个说明性实施例。尤其是，本公开旨在替换现有技术装置的汽化器系统，以及在现有技术产品配置的总设计轮廓内实现该替换。发动机2具有包含活塞11的发动机组12，并包括附接到曲柄轴7的飞轮3(图2)，该曲柄轴7是在发动机启动过程中通过拉拽常规牵索(ropepull)被初始地运行的。发动机2可应用于的装置的说明性实例包括燃料箱4，其具有来自箱4的供应管线5和连到箱4的返回管线6。该供应管线5可操作地连接到节流阀体10(图5A)和相关组件，这些组件的集成在下面被更详细地描述。
电子控制单元(此后称为ECU)42被用来控制发动机2的运行。概括地说，为了以下更详细描述的目的，点火模块40与飞轮3关联起来。在任何情况下，点火模块40都向ECU42提供能量，并且ECU42都优选地基于下面讨论的许多参数来控制喷射器45、火花定时器、和相应的点火器和室体14中的燃料中的至少一个的操作。模块40包括被安装到调节板(regulationboard)32上的发电线圈31(图3A至3D)。飞轮3具有与其关联的磁体，并且飞轮的旋转准许模块40向ECU42供电。本公开的发明原则之一是如何在空间要求最小、在发动机2的整个寿命中都是可靠的并且与现有技术的目前的汽化器设计相比成本有竞争力的条件下完成这种操作。我们采用集成的方法来实现此目的。
现在参考图5A，优选实施例的节流阀体10包括外壳100，该外壳100适于具有多个附接到其上的部件。正如所指出的，节流阀体10的集成是本公开的重要特征，因为其准许在对本文所描述的系统可在其中应用的总体产品配置进行很少的修改的情况下，用在此描述的燃料系统1置换现有技术的汽化器类型系统。节流阀体10的节流阀体外壳100优选地由塑料材料构成；但是诸如铝的其它材料也可在本公开的各种实施例中被采用。
节流阀体10的外壳100具有电子控制单元(ECU)42、泵组件84b、启动器组件29、燃料喷射器组件45、节流阀组件13、燃料压强调节器组件20和电子调速器61，这些部件全部都安装在外壳100上。如果希望，所有这些组件可被预先装配到节流阀体10，然后该总的组件被附接到发动机2上。正如本领域技术人员将体会到的是，节流阀体10具有许多形成于其内的内部布置的通路，这些通路与在此描述的各种组件一起，被用于控制各种组件之间以及主要是到燃烧室14的用于操作发动机2的燃料流。这些通路包括进气温度传感器通路，其准许被安装在ECU42的电路板60上的空气温度传感器167可靠地测定进气温度。虽然特定设计的形状被示出用于节流阀体10的外壳100，但如果希望，其它设计轮廓也可被使用。
正如将被本领域技术人员体会到的，本公开提供了集成的低压电子燃料喷射系统，用于4冲程、无源单缸或双缸汽油发动机。系统部件包括ECU42硬件、软件、图形用户界面、燃料喷射器组件45、具有集成燃料泵增压器和调节器20的节流阀体10以及所需传感器，这些传感器可包括例如节流阀位置传感器(tps)50、发动机温度传感器51、进气温度传感器167、发动机速度传感器52和电子调速器53。
如图2所示，本公开的ECU42通过发电电路25供电。仅仅使发动机2的飞轮旋转，就使系统1能够为向ECU供电和为发动机2的初始控制序列生成足够的电能。我们用最少次数的牵索(rope pull)来一致地启动发动机，以在类似应用的所有当前测试条件下启动和操作发动机。图3D中示出的桥接电路36以合理的成本提供了这些能力。
现在参考图4A，ECU42通过感应发动机在其中运行的工作条件，并基于那些观测结果，与若干独特部件协同地控制发动机的燃料供给，来控制发动机2的运行。这些独特部件之一是整体地布置的燃料泵20，其用于向发动机2供给燃料。如图4(A-C)示出的泵20包括3个主部件。这些部件为燃料泵体(30)；减压器板(70)和泵的气室基底(130)。与各主部件关联的是它们各自的室。气室(150)由泵的气室基底(130)和气室膜片(90)形成。气室(150)被连接到产生与发动机转动一致的压力波的发动机(2)的任意部分。至少两个源已经证实可接受，它们是发动机(2)的曲柄箱和发动机的进气口。我们优选地使用曲柄箱脉冲，但是本领域技术人员会认识到其它可接受的脉冲也可被使用。然后压力脉冲被传送到气室入口(140)和气室(150)内。这些脉冲包括正的和负的压力波；然而现代发动机利用装配了单向进气阀(未示出)的通气器，将空气限制在一个方向上，以在曲柄箱内产生通常为负的压强。为了适应通常为负的压强，气室膜片(90)具有附接到其上的增压器销(80)、盘状垫片(81)、弹簧座盘(82)、弹簧座盘垫片(83)和弹簧(87)，弹簧(87)与负压强相反地偏压气室膜片(90)，从而当压力波开始变成正的时，重置气室膜片(90)。气室膜片(90)的这种压差和弹簧重置产生了运动，该运动被传送到增压器销(80)，该增压器销(80)移动穿过减压器板(70)并连接到燃料泵膜片(16)。减压器板(70)具有两种不同的直径，优选地在气室(150)一侧的直径较大，而在燃料泵室(160)一侧的直径较小。然后这种组合进行工作，将低压强从曲柄箱增强至在燃料系统(1)中使用时可接受的压强。减压器室(190)需要适应气室(150)和燃料泵室(160)之间的直径差异。燃料泵膜片(16)通过增压器销(80)被移动，该运动被从增压器销(80)传送到燃料泵膜片(16)。当燃料泵膜片(16)移动时，在燃料泵室(160)中产生压力波，并且通过燃料泵室出口单向阀(22)和燃料泵室入口单向阀(21)以一个方向引导燃料。燃料被从燃料箱(4)供给燃料泵入口(23)，并被传送到燃料泵入口室17中。当燃料泵室(160)中的压强变低时，燃料泵室入口单向阀21打开，并且燃料从燃料泵入口室17移动进入燃料泵室(160)。当燃料泵膜片(16)的运动转向时，燃料泵室(160)中的压强导致燃料泵室入口单向阀(21)关闭，而燃料泵室出口单向阀(22)打开，燃料于是被从燃料泵室(160)移动到燃料泵出口室(180)中，处理完成，并且准备重新开始。使用弱信号脉冲操作并将燃料提供给发动机2的能力是本公开的重要概念之一。
本公开的另一个特征是结合了电子调速器60来控制发动机速度。电子调速器60的控制环(图6A)包括期望RPM的输入、PI控制环、计算RPM测量，随后是产生节流阀角度命令的线性化阶段。该输入的期望RPM命令可以是例如50Hz/60Hz发生器所需的静态值，即3000RPM/3600RPM，还可以是来自用户的动态命令。在任一情况下，控制环都将产生迫使RPM误差为零的节流阀角度命令。
电子调速器控制环是在ECU42微处理器中以数字方式计算的。利用被采样RPM误差(Nset-N)所乘以的比例增益(Kp)和被累计RPM误差(Nset-N)dt所乘以的积分增益(Ki)允许微处理器在不变地最小化RPM误差的同时不变地调整操作点。图6C示出了对于从2000RPM至3000RPM的RPM命令的改变，模拟控制环的响应。
来自PI环的节流阀角度命令在被输入PWM生成器之前被线性化，以补偿旋转螺线管64(图6D)的非线性响应。这是有必要的，因为某些旋转螺线管在关闭位置处移动每个角度所需要驱动力比在接近大开节流阀位置处移动该角度所需的少。这主要由旋转螺线管64的回动弹簧65造成。然后，被线性化的节流阀角度命令被传递到脉宽调制功能块，在脉宽调制功能块中该命令被转变成具有变化的脉冲宽度的一系列脉冲，该脉冲用于驱动被运转地连接到节流板66的旋转螺线管64。通过这种方法，发动机2的速度被以电子学方法控制，而无需现有技术的机械调速器件。
正如本领域技术人员将体会到的，图7A和图7B中说明性地示出了在对系统1的各种操作进行控制期间ECU42接收和生成的操作信号。
可对实现方式作出许多改变，这些改变会对电子调速器产生相似的结果，例如：1)旋转螺线管可由步进式或DC马达替代，2)为在控制环中获得较高的带宽，可实现利用节流阀角度命令和节流阀位置传感器反馈的内部PI或PID控制环，3)节流板PWM驱动信号可由H桥驱动或模拟驱动信号替代，4)微处理器可由DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)、或其它计算装置替代，5)控制环可使用例如只成比例的关系实现。
正如本领域技术人员将体会到的，本公开的各方面可以计算机实现的处理和用于实行那些处理的设备的形式实施。本公开的方面还可通过计算机程序代码的形式实施，这些计算机程序代码包括被包含在例如软盘、CD-ROM、硬驱或其它计算机可读存储介质的有形介质中的指令，其中，当计算机程序代码被加载到例如计算机、微处理器或逻辑电路、或其它形式的ECU这样的电子装置中，或者由该电子装置执行时，该装置变成用于实行本发明的设备。
综上所述，可以看出达到了本公开的若干目的，还获得了其它有利结果。由于可对以上构造作出各种改变而不会背离本发明的范围，因此包含在以上描述中或在附图中示出的所有内容都应被解释为说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种用于四冲程发动机的燃料喷射系统，其包括：
ECU，用于控制喷射系统的操作，该ECU接收发动机温度和进气温度、节流阀位置和发动机速度作为输入，并向脉宽调制的燃料泵提供控制，其中，所述燃料泵包括与燃料泵室相关联的燃料泵体，与减压器室相关联的减压器板，和与气室相关联的泵的气室基底，其中，所述气室被连接到产生与发动机转动一致的压力脉冲的发动机的任意部分，并且所述压力脉冲被连续地传送到所述气室、所述减压器板和所述燃料泵室；以及
电子调速器系统，用于控制与ECU运转地相关联的发动机的最大速度。
2.一种用于四冲程发动机的燃料喷射系统，其包括：
节流阀体，具有集成的燃料泵和与该节流阀相关联的调节器，其中，所述燃料泵包括与燃料泵室相关联的燃料泵体，与减压器室相关联的减压器板，和与气室相关联的泵的气室基底，其中，所述气室被连接到产生与发动机转动一致的压力脉冲的发动机的任意部分，并且所述压力脉冲被连续地传送到所述气室、所述减压器板和所述燃料泵室；
电子控制单元，具有存储在非易失性存储器中的算法；以及
电子调速器系统，用于控制通过所述电子控制单元运转地控制的发动机的最大速度。
3.一种用于碳氢发动机的燃料喷射系统，其包括：
ECU，用于控制喷射系统的操作，该ECU接收发动机条件信号，并向脉宽调制的燃料泵提供控制，其中，所述燃料泵包括与燃料泵室相关联的燃料泵体，与减压器室相关联的减压器板，和与气室相关联的泵的气室基底，其中，所述气室被连接到产生与发动机转动一致的压力脉冲的发动机的任意部分，并且所述压力脉冲被连续地传送到所述气室、所述减压器板和所述燃料泵室，该燃料泵具有输入侧和输出侧，该输出侧以比在输入侧接收的燃料更高的压强提供燃料，以及用于增加燃料压强的安装在所述燃料泵内部的增压器装置。
4.一种用于碳氢发动机的燃料喷射系统，其包括：
节流阀体，运转地安装到发动机，
ECU，用于控制被安装到所述节流阀体的喷射系统的操作，该ECU接收发动机条件信号，并向脉宽调制的燃料泵提供控制，其中，所述燃料泵包括与燃料泵室相关联的燃料泵体，与减压器室相关联的减压器板，和与气室相关联的泵的气室基底，其中，所述气室被连接到产生与发动机转动一致的压力脉冲的发动机的任意部分，并且所述压力脉冲被连续地传送到所述气室、所述减压器板和所述燃料泵室，
所述燃料泵具有输入侧和被安装到所述节流阀体的输出侧，并被运转地连接到所述ECU，所述燃料泵的输出侧以比所述输入侧接收的燃料更高的压强提供燃料，以及
增压器装置，其安装在所述燃料泵的内部，用于增加燃料压强。
5.一种用于碳氢发动机的燃料喷射系统，其包括：
节流阀体，被运转地安装到发动机，
ECU，用于控制被安装到所述节流阀体的喷射系统的操作，该ECU接收发动机条件信号，并向脉宽调制的燃料泵提供控制，其中，所述燃料泵包括与燃料泵室相关联的燃料泵体，与减压器室相关联的减压器板，和与气室相关联的泵的气室基底，其中，所述气室被连接到产生与发动机转动一致的压力脉冲的发动机的任意部分，并且所述压力脉冲被连续地传送到所述气室、所述减压器板和所述燃料泵室，
所述燃料泵，具有输入侧和被安装到所述节流阀体的输出侧，并被运转地连接到所述ECU，所述燃料泵的输出侧以比所述输入侧接收的燃料更高的压强提供燃料，
增压器装置，其被安装在所述燃料泵的内部，用于增加燃料压强，以及
电子调速器，被运转地连接到所述ECU，该电子调速器控制所述发动机的速度。
6.一种用于碳氢发动机的燃料系统，其包括：
ECU，用于控制所述燃料系统的操作；
燃料泵，包括与燃料泵室相关联的燃料泵体，与减压器室相关联的减压器板，和与气室相关联的泵的气室基底，其中，所述气室被连接到产生与发动机转动一致的压力脉冲的发动机的任意部分，并且所述压力脉冲被连续地传送到所述气室、所述减压器板和所述燃料泵室；
电子调速器，被运转地连接到所述ECU，该电子调速器通过调节对发动机的燃料输入控制所述发动机的速度。
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