一種電噴發動機角標裝置制造方法
【專利摘要】一種電噴發動機角標裝置，包括發動機本體、轉子、角標傳感器、電控單元（ECU），所述轉子為一磁電機或一飛輪，與發動機曲軸同軸固定且包括由導磁材料制成的外圓柱體，所述外圓柱體包括兩段半徑不同的同軸圓柱形外表面，在兩段圓柱形外表面的圓周方向過渡處形成兩個臺階，發動機曲軸每轉一圈，在確定的曲軸轉角位置，所述臺階轉過所述角標傳感器的感應部位，分別產生一正一負兩個符號相反的角標脈沖信號，輸入給所述電控單元（ECU），所述ECU包括處理正的和負的角標脈沖信號的電路，從而感知發動機曲軸及工作循環相位。本發明之角標裝置可降低系統的成本，同時保證能夠準確地確定循環相位和點火相位。
【專利說明】一種電噴發動機角標裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及發動機電子控制技術，尤其是單缸活塞式發動機的燃油噴射及點火電子控制技術。
【背景技術】
[0002]電控燃油/燃氣噴射技術(發動機電子管理技術，也簡稱為電噴技術)是控制火花點火發動機有害氣體排放和提高發動機性能的主要技術之一。采用閉環反饋電控燃油/燃氣噴射技術和廢氣三元催化轉換技術，能夠按照三元催化轉換器的要求精確控制發動機的空燃比和點火提前角，從而使CO、HC和NOx這三種有害氣體排放量同時得到大幅度降低。
[0003]在控制發動機點火及噴油的過程中，需要準確確定點火及噴油過程發生的發動機循環相位，因此角標傳感裝置是必不可少的。在多缸四沖程發動機上，為了確定活塞/曲軸在循環中的相位，一般需要兩個傳感器分別測量曲軸角標和凸輪軸角標。但對于二沖程發動機和單缸四沖程發動機，一個曲軸角標傳感器就能夠工作。只是對于單缸四沖程發動機，現有技術一般是使用多齒編碼的曲軸角標轉盤設計，例如36-2角標齒的曲軸角標轉盤設計，即設計34個間隔10度的角標齒，在第一個和第34個角標齒之間的齒間隔為30度，從而可以通過測量連續三個角標齒產生的角標信號之間的時間突變程度來確定第一個齒的位置。另外通過不同角標齒測量的轉速的差異，能夠判斷出壓縮沖程和換氣沖程。
[0004]然而，對于單缸四沖程發動機，這樣的角標系統較為復雜，不僅曲軸角標轉盤成本較高，而且角標信號計算處理也比較復雜。
[0005]
【發明內容】
本發明的目的就是要設計簡單的磁電機(飛輪)角標裝置以降低系統的成本，同時保證能夠準確地確定循環相位和點火相位，也能夠比較準確地確定噴油等相位。
[0006]本發明通過以下技術方案實現上述目的，SP:
一種電噴發動機角標裝置，包括發動機本體、轉子、角標傳感器、電控單元(ECU)，所述轉子為一磁電機或一飛輪，與發動機曲軸同軸固定且包括由導磁材料制成的外圓柱體，所述外圓柱體包括兩段半徑不同的同軸圓柱形外表面，在兩段圓柱形外表面的圓周方向過渡處形成兩個臺階，發動機曲軸每轉一圈，在確定的曲軸轉角位置，所述臺階轉過所述角標傳感器的感應部位，分別產生一正一負兩個符號相反的角標脈沖信號，輸入給所述電控單元(ECU)，所述ECU包括處理正的和負的角標脈沖信號的電路，從而感知發動機曲軸及工作循環相位。
[0007]根據本發明之技術方案，磁電機或飛輪產生角標的結果最為簡單，相當于一個長單齒角標碼盤，但角標齒(凸臺或缺口)的前沿和后沿都會給出有用的角標信號，即曲軸每轉一圈，都產生一個正的和一個負的脈沖信號，因此其對應的曲軸相位可以直接確定，不需要復雜處理計算，也不會出現判斷錯誤。而通過兩段圓柱表面(圓弧段)轉過的時間可以計算瞬時轉速，并與通過兩個相鄰正脈沖或負脈沖的時間間隔計算的轉過一整圈的轉速相t匕，從而在轉過I圈到2圈的時間內就能夠判斷出活塞/曲軸在發動機工作循環中的相位。
[0008]對本發明的進一步改進或限定包括，所述磁電機或飛輪上兩段半徑不同的圓柱形外表面的半徑相差1.5mm以上,最佳2.5mm0這樣脈沖信號強度就不會太小，有利于抗干擾。
[0009]進一步，所述磁電機或飛輪上兩段半徑不同的圓柱形外表面分別為:半徑較小的圓柱形外表面在圓周方向的長度較長，而半徑較大的圓柱形外表面在圓周方向的長度較短。這樣短的圓柱表面弧形就形成一個磁電機或飛輪上的凸臺，在凸臺前沿通過所述角標傳感器的感應部位時產生一個正的脈沖信號，而在凸臺后沿通過所述角標傳感器的感應部位時產生一個負的脈沖信號。
[0010]或所述磁電機或飛輪上兩段半徑不同的圓柱形外表面分別為:半徑較大的圓柱形外表面在圓周方向的長度較長，而半徑較小的圓柱形外表面在圓周方向的長度較短。這樣，短的圓柱表面弧形就形成一個磁電機或飛輪上的缺口(凹坑)，在缺口前沿通過所述角標傳感器的感應部位時產生一個正的脈沖信號，而在凸臺后沿通過所述角標傳感器的感應部位時產生一個負的脈沖信號(可以通過將所述角標傳感器的輸出正負極調換得到與凸臺磁電機或凸臺飛輪相同的輸出結果)。
[0011]對本發明的進一步改進或限定還包括，所述磁電機或飛輪旋轉時產生的正的角標脈沖信號對應于發動機曲軸轉角在上止點前35-80度范圍內之某一個角度，最佳為45-60度，而所述磁電機或飛輪旋轉時產生的負的角標脈沖信號對應于發動機曲軸轉角在上止點前5-20度范圍內之某一個角度，最佳為10-15度。
[0012]該方案使角標正脈沖到負脈沖之間的相位處于活塞快上行到上止點的相位，因此在壓縮沖程和排氣沖程會有較明顯的速度差，有利于快速準確地判斷出循環相位。另外，壓縮沖程中的正負角標脈沖信號之間的相位，正是點火提前角常用的相位，特別是負脈沖信號對應的角標相位，一般是啟動期間的最佳點火相位，因此，通過正角標信號和延遲預測(在目標相位早于負角標信號相位時)，或通過負角標信號和延遲預測(在目標相位等于或晚于負角標信號相位時)，即使發動機轉速波動很大，例如啟動過程中，上述方案都能夠準確確定點火相位以及某些噴油相位，不會因為實際點火相位誤差過大而導致異響、反轉、爆震等異常現象的發生。對于其他相位的噴油和信號采樣等過程，也可以通過上述正負角標脈沖信號及延時來確定相位，只是預測延時較長，在轉速變化很大時，相對可能產生較大的誤差，但因為這些過程對相位精度要求并不高，因此本發明方案能夠保證發動機電子管理系統正常穩定工作。
[0013]根據本發明的技術方案，所述磁電機或飛輪之外圓柱體可以通過沖壓或鑄造的方法加工成型，因此成本低。對于小型高速發動機例如摩托車發動機，最佳的加工成型方法是沖壓加工成型，而對于小型發電機組，可以沒有磁電機，而設有較大尺寸飛輪，因此可以選擇鑄造的方法加工成型。
[0014]根據本發明的技術方案，所述磁電機或飛輪上半徑較大的圓柱形外表面處于所述角標傳感器的感應部位時，兩者之間的間隙為0.3-1.2mm。
[0015]根據本發明的技術方案，在包括啟動過程的發動機運轉轉速范圍內，所述角標脈沖信號的脈沖幅值大于IV。
[0016]根據本發明的技術方案，所述角標傳感器為電磁感應式傳感器。這種傳感器內部有永磁鐵和線圈，感應部位為對外開放的磁場磁路，當感應部位外部的導磁率發生變化時，通過線圈的磁場強度就會發生變化，從而在線圈中感應出信號電壓。所述磁電機或飛輪上的兩段半徑不同的同軸圓柱形外表面處于電磁感應式傳感器感應部位時，感應部位與磁電機或飛輪間的間隙將會不同，導磁率也將不同，因此在磁電機或飛輪旋轉過程中，在間隙突變相位，將產生脈沖信號電壓，間隙變大時和間隙變小時的脈沖信號電壓正負相反。
[0017]本發明所述角標傳感器也可以使用霍爾元件型傳感器。這種傳感器測量霍爾元件所處位置的磁場強度大小，因此如果感應部位與磁電機或飛輪間的間隙不同，將得到不同的輸出電壓，因此在磁電機或飛輪旋轉過程中，在間隙突變相位，輸出信號電壓將發生突變，間隙變大時和間隙變小時的脈沖信號電壓突變方向相反。這樣的信號經過一個微分電路變換，就可以得到與電磁感應式傳感器類似的脈沖信號。
[0018]本發明簡化了發動機電子管理系統的角標裝置，能夠降低發動機電控系統的復雜性及成本，同時還能夠確定足夠高精度的循環相位及曲軸相位。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明實施例1之系統構成圖。
[0020]圖2為本發明實施例1之角標信號時序和轉速與發動機工作沖程關系示意圖。
[0021]圖3為本發明實施例1之通過正負角標發生的時間確定循環相位的計算邏輯。
[0022]圖4為本發明實施例1之電控單元(EOT)對角標信號的處理部分結構簡圖。
[0023]圖5為本發明實施例1之磁電機簡圖。
[0024]圖6為本發明實施例2之飛輪簡圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖來進一步說明本發明。
[0026]圖1為本發明在摩托車發動機上的一個實施例的系統圖。電噴發動機由電控單元(E⑶)I控制，輸入信號包括來自發動機溫度傳感器3、氧傳感器4、節氣門位置傳感器13、角標傳感器8、以及其他控制發動機所需的傳感器信號。輸出信號包括驅動噴油器14、驅動點火裝置2的驅動控制信號等。角標傳感器8固定安裝在發動機機體5上，磁電機轉子6安裝在發動機曲軸7之上并且與發動機曲軸同步旋轉。磁電機轉子外圓柱體由導磁材料如鑄鐵、普通鋼板等制成，形狀包括有兩段半徑不同的圓柱面(圓柱弧面)9和11，9和11在圓周方向的端部通過臺階10和12過渡連接，圓柱面9的半徑小于圓柱面11的半徑，圓柱面9在圓周方向的長度大于圓柱面11的長度，因此圓柱面11成為一段在圓柱面9上凸起的凸臺，該凸臺與角標傳感器8的感應部位的最近間隙為0.5-0.8_。
[0027]當發動機曲軸旋轉時，前沿臺階12和后沿臺階10將依次通過角標傳感器8的感應部位，因為9和11的半徑不同，因此在臺階通過角標傳感器8的感應部位時，傳感器內部磁場會發生突變，產生角標脈沖信號，信號幅值電壓不低于IV。對于電磁感應式角標傳感器，前沿臺階12通過時，角標傳感器8與磁電機圓柱面之間的間隙從大變到小，傳感器內部磁場由弱變強，傳感器輸出一個正脈沖信號。當后沿臺階10通過時，角標傳感器8與磁電機圓柱面的間隙從小變到大，傳感器內部磁場由強變弱，傳感器輸出一個負脈沖信號。前沿角標脈沖信號的相位一般設定在發動機可能的最早點火相位以前，例如上止點前35-80度范圍內之某一個角度，最優為45-60度,而后沿角標脈沖信號相位一般設定在發動機啟動點火相位，例如在上止點前5-20度范圍內之某一個角度，最優為10-15度。本實施例中，前沿臺階12通過角標傳感器8的感應部位的相位設定在上止點前55度曲軸轉角，而后沿臺階10通過角標傳感器8的感應部位的相位設定在上止點前15度曲軸轉角.圖2給出了本發明應用于一臺四沖程單缸發動機時的角標信號、發動機工作沖程以及發動機瞬時轉速的示意關系。發動機瞬時轉速一般在做功膨脹沖程才會增大，其他沖程將因為摩擦、換氣損失等而減小，特別是在壓縮沖程還因為壓縮耗功而減速最快。因為曲軸每轉一圈都會在上止點前的確定相位得到一對前后沿角標信號，這里以Qi表示前沿角標脈沖出現的時間，Hi表示前沿角標脈沖出現的時間，所以在壓縮沖程末尾得到的角標脈沖(Ql，H1)、(Q3，H3)等，將處于瞬態轉速的極小值附近，而在排氣沖程末尾得到的角標脈沖(Q2，H2)、(Q4，H4)等，將處于瞬態轉速的極大值附近。因為前沿和后沿的相位差是給定的設計值，一整圈的相位差為360°，所以通過后沿角標與前沿角標出現的時間差可以計算一個轉速，通過最近的連續兩個前沿或后沿角標也可以計算一個轉速，通過這兩個轉速的相對大小，就可以在不到兩圈的時間內確定出當前的角標信號是壓縮沖程的還是排氣沖程的，即判斷出發動機沖程相位。
[0028]具體的判斷單缸四沖程發動機沖程相位的邏輯流程圖如圖3所示。在步驟21，ECU先檢測到一個前沿角標發生時間Qi，再檢測到一個后沿角標發生時間Hi，然后進入步驟22，計算(Q1-Hi)與(Q1-Q1-1)或者(H1-H1-1)的比值QH，這里i_l>0表示上一圈；然后在步驟23和步驟24判斷QH與設定的臨界值QHL和QHS的關系:如果QH>QHL，那么斷定(Q1-Hi )處于壓縮沖程并進行相應處理(步驟25);如果QH〈QHS，那么斷定(Q1-Hi )處于排氣沖程并進行相應處理(步驟26);如果上述條件都不滿足，那么不能做出沖程相位判定，進入步驟27進行相應處理。在步驟25或26或27后，進入步驟28進行其他處理。在不能做出沖程相位判定時，必須按照相應邏輯處理相位，例如不能夠采用循環單次點火的策略，而只能每圈都點火。
[0029]設定兩個臨界值QHL和QHS的優點在于，可以防止沖程相位判斷失誤導致嚴重的后果。判斷失誤往往因為發動機受到沖擊載荷的作用而出現瞬態轉速的非正常大幅波動，例如啟動齒輪突然嚙合造成沖擊等。
[0030]本發明之角標裝置，ECU必須可靠分別得到前沿和后沿角標信號，如圖5所示為本發明實施例1中的ECU I的內部電路功能示意。來自角標傳感器8的角標信號CAS 100是復合在同一根角標線輸入到ECU I的,在ECU內部設有正角標信號處理電路111和負角標信號處理電路112，分別只對角標信號100的正脈沖和負脈沖響應，分別得到整形處理后的前沿脈沖101和整形處理后的后沿脈沖102，并分別輸入到未處理芯片MCU 113的前沿角標輸入口 Q和后沿角標輸入口 H。MCU 113當然還接受其他的輸入103，并輸出控制信號104。
[0031]圖5所示為本發明實施例1之磁電機轉子6的實例，主要部件通過沖壓工藝制造。外圓柱體120為導磁鋼材制成，包括兩段外圓柱表面9和11，以及兩個外圓柱表面的過渡臺階10和12。圓柱面9的半徑為R1，圓柱面11的半徑為R2，R2-R1=2.5_。圓柱表面11在圓周方向長度為40度曲軸轉角。磁電機轉子通過錐面和鍵槽121與發動機曲軸相連接，定位保證過渡臺階10轉過角標傳感器8感應部位時，曲軸相位為設定值上止點前15度。永磁鐵122固定在外圓柱體120的內側。
[0032]圖6為本發明實施例2的轉子結構簡圖，轉子為一飛輪，常用于小型汽油發電機組。與圖5的磁電機不同的特征在于，飛輪可以用鑄鐵整體制造，沒有設置永磁鐵，外圓柱體220上包括有較短的外圓柱表面209和較長的外圓柱表面211，前沿臺階212和后沿臺階210的方向正好與圖5中的前沿臺階12和后沿臺階10相反。R2-Rl=4mm。當然飛輪與曲軸的連接仍然通過圓錐面和鍵槽221實現。圓柱表面209在圓周方向長度為45度曲軸轉角，過渡臺階210轉過角標傳感器8感應部位時，曲軸相位為設定值即上止點前10度。因為前沿臺階212轉過角標傳感器8時，飛輪圓柱面與角標傳感器8的感應部位的間隙是由小變大，因此如果要得到正的角標脈沖，角標傳感器8的輸出就必須與實施例1相反。一般通過交換磁感應式角標傳感器8的輸出正負線就可實現。實施例2的其他特征及工作過程與實施例I相同。
[0033]上述實施例僅用來說明本發明，并不限定本發明。
【權利要求】
1.一種電噴發動機角標裝置，包括發動機本體、轉子、角標傳感器、電控單元(ECU)，所述轉子與發動機曲軸同軸固定且包括由導磁材料制成的外圓柱體，所述外圓柱體包括兩段半徑不同的同軸圓柱形外表面，在兩段圓柱形外表面的圓周方向過渡處形成兩個臺階，發動機曲軸每轉一圈，在確定的曲軸轉角位置，所述臺階轉過所述角標傳感器的感應部位，分別產生一正一負兩個符號相反的角標脈沖信號，輸入給所述電控單元(E⑶)，所述E⑶包括處理正的和負的角標脈沖信號的電路，從而感知發動機曲軸及工作循環相位。
2.如權利要求1所述電噴發動機角標裝置，所述轉子為磁電機，兩段半徑不同的圓柱形外表面的半徑相差1.5mm以上。
3.如權利要求1所述電噴發動機角標裝置，所述轉子為飛輪，兩段半徑不同的圓柱形外表面的半徑相差1.5mm以上。
4.如權利要求1至3之任一所述電噴發動機角標裝置，所述轉子上兩段半徑不同的圓柱形外表面分別為:半徑較小的圓柱形外表面在圓周方向的長度較長，而半徑較大的圓柱形外表面在圓周方向的長度較短。
5.如權利要求1至3之任一所述電噴發動機角標裝置，所述轉子上兩段半徑不同的圓柱形外表面分別為:半徑較大的圓柱形外表面在圓周方向的長度較長，而半徑較小的圓柱形外表面在圓周方向的長度較短。
6.如權利要求3所述電噴發動機角標裝置，所述轉子旋轉時產生的正的角標脈沖信號對應于發動機曲軸轉角在上止點前35-80度范圍內之某一個角度，而所述轉子旋轉時產生的負的角標脈沖信號對應于發動機曲軸轉角在上止點前5-20度范圍內之某一個角度。
7.如權利要求6所述電噴發動機角標裝置，所述轉子外圓柱體通過沖壓或鑄造的方法加工成型。
8.如權利要求7所述電噴發動機角標裝置，所述轉子上半徑較大的圓柱形外表面處于所述角標傳感器的感應部位時，兩者之間的間隙為0.3-1.2mm。
9.如權利要求8所述電噴發動機角標裝置，在包括啟動過程的發動機運轉轉速范圍內，所述角標脈沖信號的脈沖幅值大于IV。
10.如權利要求9所述電噴發動機角標裝置，所述角標傳感器為電磁感應式傳感器。
【文檔編號】F02P7/067GK104234855SQ201310247661
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月21日 優先權日:2013年6月21日
【發明者】楊延相, 張平, 郗大光 申請人:浙江福愛電子有限公司