專利名稱：進氣道電控噴射的二沖程煤油發動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種二沖程發動機，尤其涉及一種進氣道電控噴射的二沖程煤油發動機，屬于二沖程發動機領域。
背景技術：
二沖程發動機由于沒有復雜的氣門結構，所以結構簡單、成本低、重量輕，同時在相同排量下，其輸出的功率接近四沖程發動機的兩倍，因此二沖程發動機的功重比較高。在航空領域中，低速飛機至今仍然以活塞式發動機驅動螺旋槳作為動力，這就要求發動機有很高的功重比，所以在航空活塞發動機領域，火花點火二沖程發動機受到青睞。目前，國內外絕大多數火花點燃的二沖程發動機均以汽油為燃料。然而汽油的閃點在零度以下，這就意味著在常溫下只要遇明火就會著火，這是個嚴重的安全隱患，同時汽油的揮發性強，會給運輸和使用造成許多不便。尤其是在航空領域，對燃油的使用安全性要求較高，因此迫切需要尋找安全可靠的燃料來替換汽油燃料。與汽油相比，煤油的粘度大、 閃點高、揮發性弱、不易著火、能量密度高，其在能量密度、儲運及安全等方面具有許多優勢。此外煤油的價格也比汽油低，因此，研究火花點燃的二沖程煤油發動機具有重要的應用價值和社會效益。目前，國內對二沖程煤油發動機的研究主要是在已有二沖程汽油發動機上改燒煤油。實踐證明，以煤油為燃料而按汽油機方式運行的往復活塞式發動機可以工作得較好。然而，由于煤油的運動粘度是汽油的兩到三倍，這就意味著其流動阻力大，從而煤油的霧化效果要比汽油差很多，這是目前汽油機改燒煤油時需要著重解決的一個關鍵問題。
發明內容
本發明的目的是在現有二沖程汽油發動機的基礎上進行改進，提出一種對煤油燃料霧化效果好的進氣道電控噴射二沖程煤油發動機。該發動機的結構包括二沖程發動機機體、噴油器、煤油供油系統和電控系統，所述煤油供油系統是由電動燃油泵、壓力調節器、濾清器通過相應管路連接構成，電控系統用于控制噴油器和電動燃油泵，以實現對發動機噴油過程的控制，噴油器安裝在發動機進氣道的節氣門體與簧片閥之間。所述電控系統是由傳感器單元和電控單元組成。所述煤油供油系統的油軌中的油壓大于4bar壓力。所述傳感器單元包括節氣門位置傳感器、曲軸位置傳感器、進氣壓力傳感器、進氣溫度傳感器及缸體溫度傳感器。所述曲軸位置傳感器是由一個分度盤和兩個光電對管組成，在分度盤的徑向方向開有60個等間距的梯形槽，其中1個為深槽，其余59個為淺槽，在安裝時深槽與發動機曲軸的上止點位置對應。技術效果
本發明提高了二沖程發動機對煤油燃料的霧化效果，從而提高了二沖程煤油發動機的工作性能。相比二沖程汽油發動機而言，本發明提高了發動機的使用安全性，大大降低了使用成本，尤其在航空領域具有重要的應用價值和良好的應用前景。
圖1為本發明的結構示意圖。圖中標號名稱1、曲軸位置傳感器；2、曲軸；3、二沖程發動機機體；4、電控單元 (ECU) ；5、節氣門位置傳感器；6、缸體溫度傳感器；7、進氣壓力傳感器；8、進氣溫度傳感器； 9、節氣門體；10、濾清器；11、15為供油管路；12、壓力調節器；13、回油管路；14、電動燃油泵；16、油箱；17、噴油器；18、簧片閥。圖2為電控系統的結構框圖。圖3為電控系統主程序流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明。本發明是在現有二沖程汽油發動機的基礎上加以改進完成的，其結構如圖1所示，包括二沖程發動機機體3、噴油器17、煤油供油系統及電控系統。發動機機體3完全保留原型機的構造，為兩缸直列二沖程風冷發動機，采用簧片閥進氣方式。發動機的每個氣缸各有一個獨立的進氣道，在各進氣道的節氣門體與簧片閥之間均安裝一個噴油器，發動機采用進氣道電控多點順序噴射。煤油供油系統與普通汽油供油系統基本相同，是由電動燃油泵14、壓力調節器 12、濾清器10通過供油管路11、15和回油管路13連接構成，電動燃油泵14設置于油箱16 內。為了提高煤油的噴射霧化效果，需要適當增大壓力調節器12中彈簧的預緊力，使油軌中的燃油壓力提高到4bar壓力以上。電控系統用于控制噴油器17和電動燃油泵14，電控系統是由傳感器單元和電控單元4(ECU)組成，電控系統的結構如圖2所示。傳感器單元包括節氣門位置傳感器5、曲軸位置傳感器1、進氣壓力傳感器7、進氣溫度傳感器8及缸體溫度傳感器6，其中較重要的是決定發動機工況的曲軸位置傳感器1和節氣門位置傳感器5，兩者決定了發動機相應工況下的基本噴油量和噴油時刻等重要參數。ECU的硬件結構主要包括傳感器信號調理電路、 微控制器、執行器驅動電路以及CAN通信電路，微控制器采用MC9S12DP512系列微控制器。 ECU的軟件程序主要包括主程序、中斷服務程序和任務服務程序。主程序用于初始化系統， 判斷工況以及計算當前工況的噴油數據等，主程序流程如圖3所示；中斷服務程序包括AD 中斷程序、曲軸位置信號捕捉中斷程序和CAN接收中斷程序，AD中斷程序用于完成模擬量信號AD轉換，曲軸位置信號捕捉中斷程序用于確定曲軸位置并控制相應噴油器噴油，CAN 接收中斷程序用于接收上位機發送來的指令等對實時性要求較高的任務；任務服務程序完成對實時性要求不高的計算任務，用于被主程序和中斷服務程序調用。ECU支持與上位機的 CAN通信，上位機可以實時監控發動機的運行狀態。曲軸位置傳感器1是由一個分度盤和兩個光電對管組成，分度盤的徑向方向開有 60個等間距的梯形槽，其中1個為深槽，其余59個為淺槽，安裝時深槽與發動機曲軸2的上止點位置對應。兩個光電對管分別安裝在分度盤的徑向方向，其中1號光電對管用于感應深槽，當深槽轉到該對管位置時，該光電對管上產生曲軸上止點信號；2號光電對管用于感應淺槽，當曲軸轉過一轉時，該光電對管上產生60個等間距的曲軸角度脈沖信號，每個脈沖信號對應6度曲軸角度，這樣通過計量脈沖信號的個數，即可得到當前的曲軸角度。節氣門位置傳感器5安裝在節氣門體9上的節氣門軸的一端，其工作原理與滑動電阻器相同，其作用是檢測節氣門開度和加減速信號，通過ECU對節氣門開度信號進行處理，即可判定加減速信號和負荷大小。缸體溫度可用于指示發動機的工作溫度，對應不同的發動機溫度范圍，E⑶應對發動機的工作特性進行相應修正和補償。進氣溫度會影響進氣密度，所以會影響進氣質量， 從而影響所需的燃油量，故需要根據進氣溫度對噴油量進行進一步的修正補償。由于海拔高度的不同，進氣壓力也會發生變化，從而影響發動機的進氣量，進而影響發動機的工作性能。根據噴油器的工作過程可知，當噴油脈沖到來時，要經過一定時間后針閥才能達到最大行程，而脈沖結束后，也要經過一定時間后才落座，這兩段時間之和稱為噴油器的無效噴射時間。無效噴射時間隨蓄電池電壓的變化而變化，在蓄電池電壓高時，線圈驅動電流增大， 針閥上升迅速，無效噴射時間減少，從而噴射量增大。因此，必須對蓄電池電壓進行監控，確保在蓄電池電壓波動的情況下相同的噴射脈寬對應相同的燃油噴射量。各傳感器的采集信號經過E⑶的信號調理電路調理后輸入到微控制器中，微控制器按照設定的軟件程序運行。ECU采用基于插值算法的噴油控制策略，根據節氣門開度信號和當前轉速得到當前的基本噴油脈寬。節氣門開度坐標的單位定義為將節氣門從0到 100%的開度范圍平均分為250等份，每一份為一個坐標單位。ECU對傳感器信號進行分析判斷，得出發動機當前的工作工況以及相應的工況修正系數，并根據工況的不同以及進氣溫度、缸體溫度、進氣壓力、蓄電池電壓等運行參數對基本噴油量進行修正，從而得到最終的噴油脈寬。涉及的工況主要有起動工況、怠速工況、加/減速工況、穩定工況和限速斷油等。各工況下噴油脈寬的計算公式為Tp = Tb (1+KJ +Tat+Tbt+Tap+Tbv式中Tp為最終噴油脈寬；Tb為基本噴油脈寬；Kas為工況修正系數；Tat為進氣溫度修正脈寬；Tbt為缸體溫度修正脈寬；Tap為進氣壓力修正脈寬；Tbv為蓄電池電壓對應的修正脈寬。由上式可知，最終噴油脈寬由三部分組成第一部分是基本噴油脈寬，該部分是通過理論計算和標定試驗綜合得到的；第二部分是由進氣溫度、進氣壓力、缸體溫度和蓄電池電壓得到的噴油修正量；第三部分是與發動機運行工況相關的噴油修正量。需要說明的是， 基本噴油脈寬、工況修正系數以及各傳感器信號修正脈寬的具體數值與發動機有關，需要通過標定試驗進行標定。電控系統是一個實時性很強的控制系統，發動機涉及的工作狀態時刻都可能存在變化，對于發動機控制策略的實施和調整都必須要適應發動機工作狀態變化的實時性。這里采用“前景/后景”的軟件結構能較好地滿足電控系統的實時性要求。“前景/后景”的設計思想是將實時性要求高的處理過程作為“前景(即中斷服務程序)”，它們會立即得到 MCU的響應，而前臺程序執行所需要的各種參數的計算以及其它實時性要求不高的部分，則放在“后景(即主程序)”中進行。基于上述設計思路，下面再進一步對ECU的軟件程序進行說明。
主程序的主要功能是建立工作環境、系統的初始化和進入主循環部分。系統的初始化包括系統時鐘的設置、實時中斷和其它中斷的設置、各模塊和I/O 口的功能設置、控制基本參數的賦初值和開中斷等。當開中斷后，所有已經設置好的中斷功能都會開始工作。在主循環中，主要是重復執行任務服務函數程序，任務服務程序完成對實時性要求不高的計算任務，用于被主程序和中斷服務程序調用，具體包括采集計算子程序、二維插值控制算法子程序、轉速周期頻率計算子程序、濾波程序、各種修正公式計算子程序、各種輸入信號AD 轉換值和顯示值的轉換子程序、節氣門變化率計算子程序等。電控單元要控制各缸噴油器在適當的時刻噴油，這對實時性的要求較高，因此將控制噴油器噴油的任務放在曲軸角度信號的輸入捕捉中斷服務函數中完成。當發動機1號缸到達上止點時，上述1號光電對管會產生一個脈沖信號，E⑶捕捉到該信號后進入上止點信號輸入捕捉中斷服務程序，在該程序中ECU將曲軸角度信號脈沖捕捉的計數值清零。當曲軸再轉過6度，即分度盤轉過一個齒后，2號光電對管上產生一個脈沖信號，ECU捕捉到該信號后進入曲軸角度信號輸入捕捉中斷服務程序，對曲軸角度信號脈沖捕捉的計數值加1。 之后曲軸每轉過6度，計數值就加1，當計數值為23，即曲軸轉過138度時，在中斷程序中控制2號缸噴油器噴油(此時2號缸的噴油時刻為該缸上止點前42度，這里只是為了方便說明，實際噴油時刻因工況的不同而不同)。然后當計數值為53，即曲軸相對1號缸上止點轉過318度時，在中斷程序中控制1號缸噴油器噴油。
權利要求
1.一種進氣道電控噴射的二沖程煤油發動機，包括二沖程發動機機體(3)、噴油器 (17)及煤油供油系統，所述煤油供油系統是由電動燃油泵(14)、壓力調節器(12)、濾清器 (10)通過相應管路連接構成，其特征在于還包括用于控制噴油器(17)和電動燃油泵(14)的電控系統，噴油器(17)安裝在發動機進氣道的節氣門體(9)與簧片閥(18)之間。
2.根據權利要求1所述的進氣道電控噴射的二沖程煤油發動機，其特征在于所述電控系統是由傳感器單元和電控單元(4)組成。
3.根據權利要求1所述的進氣道電控噴射的二沖程煤油發動機，其特征在于所述煤油供油系統的油軌中的油壓大于4bar壓力。
4.根據權利要求2所述的進氣道電控噴射的二沖程煤油發動機，其特征在于所述傳感器單元包括節氣門位置傳感器(5)、曲軸位置傳感器(1)、進氣壓力傳感器(7)、進氣溫度傳感器( 及缸體溫度傳感器(6)。
5.根據權利要求4所述的進氣道電控噴射的二沖程煤油發動機，其特征在于所述曲軸位置傳感器(1)是由一個分度盤和兩個光電對管組成。
6.根據權利要求5所述的進氣道電控噴射的二沖程煤油發動機，其特征在于所述分度盤的徑向方向開有60個等間距的梯形槽，其中1個為深槽，其余59個為淺槽，在安裝時深槽與發動機曲軸O)的上止點位置對應。
全文摘要
本發明公開了一種進氣道電控噴射的二沖程煤油發動機，屬于二沖程發動機領域。該發動機包括發動機機體、噴油器、煤油供油系統及電控系統，噴油器安裝在發動機進氣道的節氣門體與簧片閥之間，電控系統是由傳感器單元和電控單元組成，用于控制噴油器和供油系統中的電動燃油泵，以實現對發動機噴油過程的控制。本發明是在現有二沖程汽油發動機的基礎上加以改進，提高了煤油燃油的噴射霧化效果，提高了發動機的使用安全性，并降低了使用成本。
文檔編號F02D41/02GK102383956SQ20111019843
公開日2012年3月21日 申請日期2011年7月15日 優先權日2011年7月15日
發明者張建良, 王春風, 魏民祥 申請人:南京航空航天大學