专利名称：一种汽油发动机怠速及小油门工况的转速控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电控火花点火式内燃机，特别是汽车摩托车等常用的电控燃油喷射及 点火的四冲程汽油发动机。
背景技术：
火花点火式内燃机采用电控点火技术，可以自由适应各种工况对点火提前角(有 时简称为点火角)的不同要求，以期得到高效节能、降低排放等效果。特别是对于汽油发动 机，采用电控燃油喷射及点火，可以同时精确控制汽油发动机的燃烧混合气空燃比，从而大 幅度提高汽油发动机的各种性能，包括发动机的启动性能、怠速性能、运转稳定性、动力、油 耗和尾气排放等。现有的公开技术大多数采用电控怠速空气阀的方式来改变怠速等工况的发动机 燃烧循环做功，从而维持发动机在不同的热状态或辅件动力需求时的怠速转速稳定，例如 发动机冷车启动后的怠速，或电瓶电压过低时发电机励磁电流突然增加时的怠速，等。在小 油门空载工况，发动机的输出扭矩特性可能随转速出现严重的非线性变化，导致小油门操 作与发动机稳定空载转速出现不协调的感觉，例如油门几乎未动但转速增加很多。现有的 一般技术也是通过调节怠速空气阀开启面积来控制小油门转速。然而，增设电控怠速空气阀必然带来成本的增加，另外怠速空气阀的响应速度未 必都能够满足快速调节的需求。
发明内容
本发明之目的在于提供一种电控火花点火式内燃机的怠速及小油门工况的转速 的控制方法及装置，不需要电控怠速空气阀同样达到稳定控制怠速及小油门工况转速，适 应不同的发动机状态及辅件动力需求，从而简化发动机系统，降低发动机成本。本发明之目的通过下列技术方案达到，即—种汽油发动机怠速及小油门转速控制方法及装置，所述装置包括发动机本体、 电控单元(ECU)、燃油喷射装置、点火装置、节气门体等，其特征在于，所述节气门体在怠速 位置具有不可调小的、足够大的怠速进气量，能够维持发动机在低温环境下稳定怠速，在发 动机暖车过程中，所述电控单元控制所述点火装置，通过点火提前角的大幅度调节，来反馈 控制怠速或小油门转速达到预设的目标转速，包括以下步骤1)根据发动机状态和/或油门级别设定目标转速；2)测量当前的发动机转速；3)根据当前转速与目标转速的差值来反馈调节点火角，使发动机转速向目标转速 罪近根据这个技术方案，在可以省略电控怠速空气阀及其系统、使发动机系统成本降 低的前提下，发动机怠速及小油门工况仍然具有足够的进气量，因此冷热车启动性能得到 保证，ECU根据发动机转速是否达到目标转速来反馈调节点火提前角，可以克服冷车怠速时很大的摩擦损耗，使运转转速稳定，并在怠速工况下快速反应提供额外动力以满足辅件动 力需求。由于小油门工况的气量较大，因此按照最大扭矩(MBT)标定的基本点火提前角将 使小油门工况有较大的扭矩，如果在发动机油门离开怠速位置后就立即进入基本点火提前 角控制，那么可能造成发动机扭矩的突变，给操作人员稳定发动机转速及车速带来困难，可 能使发动机对油门的响应过于粗暴。因此，本发明的技术方案中，对小油门工况也设计了一 个转速目标，通过调节点火提前角来反馈控制小油门工况的转速向目标转速趋近。下列技术方案可对本发明进行进一步改进。所述发动机怠速及小油门转速控制方法还包括以下步骤1)判断当前是处于压缩膨胀过程还是进气排气过程；2)如果是处于压缩膨胀过程，则给出点火信号，如果是处于进气排气过程，则不给 出点火信号；3)根据当前测得的发动机转速与目标转速的差值、以及基本点火角来确定点火提 前角，以ECU内存中预设的基本点火角为基准调节下一次点火角，如果当前转速大于目标 转速，则推迟点火，如果当前转速小于目标转速，则提前点火，如果当前转速等于目标转速， 则保持当前的点火角调节量不变。由于点火推迟到很晚相位时，例如到上止点以后，在进排气气门重叠开启期间，如 果出现点火火花，将很有可能点燃刚刚进入汽缸的新鲜混合气，从而造成发动机回火，因 此，本发明的技术方案中包括了剔除排气冲程末期的无效点火的方案，必须要判断当前是 处于压缩膨胀过程还是进气排气过程。所谓“无效点火”是一种在不需要点火的排气冲程 末期产生的点火火花，是为了简化四冲程发动机点火装置而在点火系统中不加区分是压缩 上止点还是排气上止点时存在的、不可避免的点火火花。在一般的发动机设计的点火提前 角范围内，无效点火不会产生回火问题，原因在于无效点火火花只可能存在于废气中，所以 是真正无效的。对本发明进行进一步改进还包括所述基本点火角的每次调节量，与当前测得的发动机转速与目标转速的差值大小 成比例，差值越大，调节量越大，但调节后的点火提前角必须处于点火提前角允许范围以 内。在一定的范围内，点火越早则发动机每循环做功越大，因此当发动机运转阻力不变时， 发动机转速就会越高。基于这个原理，点火角调节量与发动机转速和目标转速的差值成比 例可以更快速地响应发动机运转阻力变化，从而快速将转速稳定在目标转速附近，减小转 速波动。然而，如果点火角每次的调节量过大，那么由于测量转速等的滞后，可能带来点火 角以及转速的快速大幅震荡，亦即所谓的调节过冲，这将适得其反。相反，如果每次的调节 量过小，那么将不能够有效抑制发动机转速继续沿着同一个方向偏离目标转速。所以，对本发明的改进还包括所述基本点火角的每次调节量有一个限值，所述限 值可以为一固定值，或根据最近的调节历史结果确定一个动态改变的值，转速对点火角的 调节越敏感，所述限值越小。这样就可以即防止调节过冲，也能够防止调节不足，从而使发 动机运转最为稳定。对于车用汽油发动机，为了减小排放，常用排气催化处理装置，但排气催化处理装置能够有效工作的前提是其温度达到一定值。因此，发动机冷车启动后，希望能够快速加 热排气催化处理装置，同时快速暖机，为了达到这些目的，一般在冷车启动后，可以采用高 怠速策略。所以对本发明的改进还包括所述目标转速取决于发动机温度及启动后运转时 间，在怠速位置，所述目标转速在冷车启动后的一定时间内设为恒定转速的高怠速，而在所 述的高怠速过程结束后，怠速目标转速设为低于高怠速转速的某个恒定正常怠速转速。如前所述，小油门工况控制稳定性是本发明要解决的问题之一。汽油发动机的一 个特点是，在空载或小负载工况，例如车辆低速等速行驶工况，发动机进气量对节气门位置 或油门位置非常敏感，特别是本发明的技术方案采用了很大的怠速气量后，小油门工况的 输出扭矩可能更大，容易造成油门对转速的控制性变差，所以，本发明在小油门工况下也按 照目标转速来控制发动机转速，这方面的改进还包括所述目标转速取决于油门开度(主 要对电子油门发动机而言，对于机械控制的油门，等同于节气门开度)，在非怠速的小油门 位置，所述目标转速随油门开度或节气门开度的增加而增加，在预先设定的小油门或小节 气门开度范围内，通过调节点火提前角反馈控制发动机接近所述目标转速，而在调节点火 提前角时，点火提前角的允许范围为最早点火角等于ECU内存中预设的基本点火角，最晚 点火角等于回火临界点火角，所述回火临界点火角取决于发动机转速，预设在ECU控制程 序内部。对本发明的改进还包括所述电控单元反馈控制怠速转速时，调节点火提前角的 范围可设为曲轴上止点前25度到上止点后25度；所述节气门体的门板上设有一个控制怠 速最小气量的圆形小孔，其直径可根据发动机的冷车怠速所需进气流通面积来确定，例如 不小于1. 2mm。圆形小孔的面积/边长最小，因此受进气道内的灰尘、积炭等杂质粘着而改 变进气流通面积的可能性最小、流通面积变化速度最慢。点火提前角不能早于曲轴上止点 前25度是因为，在怠速工况，再早的点火不仅不能够提高发动机的循环做功，反而可能减 小发动机的循环做功；而不能到上止点后25度以后点火，是因为再晚的点火会造成缸内燃 烧极为缓慢而不能结束，继续燃烧的废气可能会点燃下一个循环进入汽缸的新鲜混合气， 即出现回火。当然，不同的发动机设计，这个点火提前角的可调节范围可以是不同的。如前所述，为了避免在换气期间火花塞跳火，在本发明的技术方案中，不能够在发 动机的排气进气冲程期间产生所谓的“无效火花”，因此必须判断发动机的运转冲程，本发 明中所述EOT还包括判断发动机冲程的装置和/或冲程判断计算程序。判断发动机冲程，可以通过对凸轮轴上安装的相位传感器信号的判断，而对于单 缸发动机，还可以通过进气道压力传感器(MAPS)测量的压力相位来判断，也可以通过不同 冲程期间的曲轴转速差异按照一定的逻辑程序来判断计算。总之，本发明的益处在于，提供了一种汽油发动机怠速及小油门转速控制方法及 装置，可以省略电控怠速空气阀及其系统，使发动机系统成本降低，但仍然实现良好的性 能在怠速及小油门工况下，进气量足够大，启动容易，发动机转速在目标转速稳定运转，克 服冷车怠速时很大的摩擦损耗以及热车状态发动机转速的大幅波动、并在怠速工况下快速 反应提供额外动力以满足辅件动力需求，在小油门操作时转速车速易于控制。
图1为本发明之发动机系统的构成简图。
图2为本发明实施例之点火角调节控制逻辑简图。图3为本发明实施例之小油门目标转速举例。图4为本发明实施例之小油门目标转速控制的回火临界点火角曲线举例。图5为本发明实施例之冷车启动及启动后的发动机怠速转速和点火角变化过程 控制结果举例。图6为本发明实施例之冷车到热车之怠速转速和点火角变化过程控制结果举例。图7为本发明实施例之小油门级别的转速和点火角变化过程控制结果举例。图中编号及符号说明如下
1"曲轴角标及转速传感器 4-凸轮轴相位传感器 7_燃油喷射装置 10-节气门板
2-曲轴 3-发动机本体 5-凸轮轴 6-发动机温度传感器 8_节气门体9-节气门位置传感器
11-主怠速进气孔 12-电控单元(EOT)
13-进气管压力传感器(MAPS) 14-点火装置20 38-逻辑计算步骤
I-油门或节气门开度级别(I <0.75为怠速，1 = 16为全开)n-发动机转速 net (I)-小油门级别目标转速nit-怠速目标转速Dn-当前转速与目标
转速之差dsc-小油门级别点火调节量dsi-怠速级别点火调节量kc-小油门级别点火调节比例ki_怠速级别点火调节比例Sita-输出点火角IGNmap-基本点火角Idmax-最大怠速点火角 Idmin-最小怠速点 火角Bkf-回火临界点火角Ignition-点火输出控制逻辑变量下面借助这些附图来详细说明本发明。
具体实施例方式在图1所示的实施本发明之发动机系统中，包括有发动机本体3、曲轴2、凸轮轴5、 节气门体8、电控单元(ECU) 12、点火装置14、燃油喷射装置7、以及各种传感器等。在节气 门体8上，设有调节发动机进气量的节气门板10，在节气门板10上设有不可调节的主怠速 进气孔11，其大小根据发动机稳定怠速所需最小进气量确定，例如对于125-150CC排量的 摩托车发动机，可以设计主怠速进气孔11为直径2-2. 5mm的圆孔，对于50-110CC排量的摩 托车发动机，可以设计主怠速进气孔11为直径1. 2-2. 2mm的圆孔。当然，怠速进气量除通 过主怠速进气孔11流入外，节气门板10的周边与进气道形成的缝隙也会流过一定量的怠 速进气。另外还可以设计一个旁通怠速流量调节机构(图中未示出)以适应个别发动机怠 速阻力过大而需要的特大怠速气量，同时也有利于在高原环境使用发动机时进一步调大怠 速进气流道面积。ECU 12接收来自曲轴角标及转速传感器1、凸轮轴相位传感器4、发动机 温度传感器6、节气门位置传感器9、进气管压力传感器(MAPS) 13等测得的信号，计算得到 发动机转速n、本缸当前所处的冲程和曲轴相位、发动机温度、进气管压力、节气门(油门) 级别I等，并在逻辑计算处理后按照确定相位和脉宽输出喷油脉冲给燃油喷射装置7、按照 确定相位和脉宽输出点火脉冲给点火装置14。图2为本发明实施例之点火角调节控制逻辑简图，在每转中首先测量当前运转参数(步骤20)，然后判断当前是否为压缩膨胀冲程(步骤21)，如果不是则进入步骤37，将点 火输出控制逻辑变量Ignition赋值为false，如果是则进入步骤22，并在步骤36将点火输 出控制逻辑变量Ignition赋值为true。在步骤22，判断油门级别是否处于怠速，即I是否 小于0. 75，如果是则进入步骤23，计算怠速点火角，如果不是则进入步骤28，计算非怠速点 火角。点火角Sita的计算，依据的是当前转速n与目标怠速转速nit或非怠速目标转速 nct(I)的差值Dn、点火调节比例ki或kc、控制表中的基本点火角IGNmap、允许的最大怠速 点火角Idmax、以及允许的最小怠速点火角Idmin或回火临界点火角Bkf。区分怠速和非怠 速的原因在于，非怠速的基本点火角IGNmap —般以最大扭矩点火角为基础，而怠速位置的 基本点火角IGNmap往往取得比最大平均指示压力对应的点火角要小，所以非怠速的点火 调整只允许推迟，即Dsc > 0，如步骤29至步骤34所示，而怠速的点火调整既可以推迟也可 以提前，但必须在Idmax和Idmin限制的范围之内，如步骤24至步骤27、步骤35所示。每 次从怠速转入非怠速后，怠速级别点火调节量dsi将被置0 (步骤34)，以保证下次进入怠速 后是从IGNmap开始反馈调节怠速点火角。同理，每次从非怠速转入怠速后，非怠速级别点 火调节量dsc将被置0 (步骤35)，以保证下次进入非怠速后也是从IGNmap开始反馈调节。 在步骤38，输出每转的最后处理结果，包括输出喷油脉冲和/或点火脉冲等，之后又转入步 骤20，进行下一转的处理。图3为一台125cc摩托车发动机的非怠速小油门级别的目标转速与油门级别I的 关系曲线示例图，图中纵坐标以小油门级别的目标转速net (I)与怠速目标转速nit之差表 示。油门级别I愈大，则nct(I)-nit就越大。Nit—般设计为与发动机温度和/或启动后 运转时间有关，当发动机温度低于某个数值、或在启动后一定的时间以内，将Mt设为高怠 速，例如1600r/min，而在高怠速条件不满足后，将Nit设为正常怠速，例如1450r/min。当 油门级别较大时，可以通过将net (I)设为大于等于发动机最高允许的转速来实现非小油 门级别下按照基本点火角IGNmap运行。图4为一台125cc摩托车发动机的非怠速工况的回火临界点火角Bkf与转速的关 系举例，由于转速增加可能导致残余废气量增加，而转速增加带来的燃烧持续期的增加大 于燃烧速度的增加，因此后燃可能性增大，回火临界点火角Bkf也相应地提前了。实际上， Idmin相当于怠速转速下的回火临界点火角。由于回火现象的限制，怠速进气量不能够无限 制地增加，如果怠速进气量过大，将会由于点火不能够调整到比回火临界点火角还晚而缩 小点火角控制转速的有效范围，热车转速可能仍然会偏高。图5和图6为实施本发明的一辆摩托车发动机的怠速转速控制实例，图5所示为 冷车启动及启动后的短时间内的怠速过程，其中的转速为瞬时转速，油门级别一直保持为 怠速级别。启动时使用IGNmap给定的基本点火角，启动成功后，逐渐过渡到按照高怠速目 标转速1600r/min来调整点火角，结果在启动后约12秒达到控制目标，在启动后约45秒进 入正常怠速目标转速控制，结果平均转速为1450r/min。图6中进一步示出了随后的暖机过 程，可以看到暖机过程中，怠速平均转速一直被稳定地控制在1450r/min，而随着发动机温 度的上升，发动机摩擦阻力减小，因此点火角自动逐渐推迟，最晚达到上止点后12度曲轴 ^^角。图7为小油门工况的目标转速控制过程举例，可以看到，当油门级别突变时，由于 目标转速发生了突然变化，而发动机当前的转速就与目标转速产生差异，这时点火角开始快速调节，使转速趋近于目标转速。当油门级别保持不变时，转速被稳定地控制在目标转速 附近。本发明之怠速及小油门工况的转速控制方法及装置，适用于单缸及多缸的火花点 火式内燃机，尤其适用于汽车及摩托车用火花点火式内燃机。上述实施例的目的是为了说明本发明，但并不限定本发明。凡利用本发明之构思 和精神实质进行的、对于本领域普通专业技术人员而言显而易见的改变设计，仍然属于本 发明之权利要求的保护范围。
权利要求
一种汽油发动机怠速及小油门转速控制方法，包括以下步骤1)根据发动机状态和/或油门级别设定目标转速；2)测量当前的发动机转速；3)根据当前转速与目标转速的差值来反馈调节点火角，使发动机转速向目标转速靠近。
2.如权利要求1所述汽油发动机怠速及小油门转速控制方法，在发动机条件和工况满 足目标转速控制时，以电控单元内存中预设的基本点火角为基准，调节点火角如果当前转 速大于目标转速，则推迟点火；如果当前转速小于目标转速，则提前点火；如果当前转速等 于目标转速，则保持当前的点火角调节量不变。
3.如权利要求2所述汽油发动机怠速及小油门转速控制方法，还包括1)判断当前是处于压缩膨胀过程还是进气排气过程；2)如果是处于压缩膨胀过程，则给出点火信号，如果是进气排气过程，则不给出点火信号。
4.如权利要求3所述汽油发动机怠速及小油门转速控制方法，所述点火角的每次调节 量，与当前测得的发动机转速与目标转速的差值大小成比例，差值越大，调节量越大，但调 节后的点火提前角必须处于点火提前角允许范围以内。
5.如权利要求4所述汽油发动机怠速及小油门转速控制方法，所述点火角的调节量的 每次变化有一个限值，所述限值可以为一固定值，或根据最近的调节历史结果确定一个动 态改变的限值转速对点火角的调节越敏感，所述限值越小。
6.如权利要求5所述汽油发动机怠速及小油门转速控制方法，所述目标转速取决于发 动机温度及启动后运转时间，在怠速位置，所述目标转速在冷车启动后的一定时间内设为 恒定转速的高怠速，而在所述的高怠速过程结束后，怠速目标转速设为低于高怠速转速的 某个恒定正常怠速转速。
7.如权利要求5所述汽油发动机怠速及小油门转速控制方法，所述目标转速取决于油 门开度或节气门开度，在非怠速的小油门位置，所述目标转速随油门开度的增加而增加，在 预先设定的小油门或小节气门开度范围内，通过调节点火提前角反馈控制发动机转速向所 述目标转速接近。
8.如权利要求7所述汽油发动机怠速及小油门转速控制方法，在非怠速的小油门位 置，点火提前角调节时，点火提前角的允许范围为最早点火角等于电控单元内存中预设的 基本点火角，最晚点火角等于回火临界点火角，所述回火临界点火角取决于发动机转速，预 设在电控单元控制程序内部。
9.一种汽油发动机怠速及小油门转速控制装置，包括发动机本体、电控单元、燃油喷射 装置、点火装置、节气门体等，其特征在于，所述节气门体在怠速位置具有不可调小的、足够 大的怠速进气量，能够维持发动机在低温环境下稳定怠速，在发动机暖车过程中，所述电控 单元控制所述点火装置，通过点火提前角的大幅度调节，来反馈控制怠速转速达到预设的 目标怠速转速，维持发动机在接近恒定的怠速转速下稳定运转。
10.如权利要求9所述汽油发动机怠速及小油门转速控制装置，其特征在于，所述电控 单元反馈控制怠速转速时，调节点火提前角的范围为曲轴上止点前25度到上止点后25度。
11.如权利要求9所述汽油发动机怠速及小油门转速控制装置，其特征在于，所述节气门体的门板上设有一个控制怠速最小气量的圆形小孔，其直径不小于1. 2mm。
12.如权利要求9所述汽油发动机怠速及小油门转速控制装置，其特征在于，在预先设 定的小节气门开度范围内，由所述电控单元通过点火提前角反馈控制发动机转速尽可能接 近预先设定的小油门目标转速。
13.如权利要求9所述汽油发动机怠速及小油门转速控制装置，其特征在于，所述电控 单元中，包括有判断发动机冲程的装置和/或冲程判断计算程序。
全文摘要
一种汽油发动机怠速及小油门转速控制方法及装置，包括发动机本体、电控单元(ECU)、燃油喷射装置、点火装置、节气门体等，其特征在于，所述节气门体在怠速位置具有不可调小的、足够大的怠速进气量，所述电控单元控制所述点火装置，通过点火提前角的大幅度调节，来反馈控制怠速或小油门转速达到预设的目标转速，包括以下步骤1)判断当前是处于压缩膨胀过程还是进气排气过程；2)如果是处于压缩膨胀过程，则给出点火信号，如果是处于进气排气过程，则不给出点火信号；3)根据当前测得的发动机转速与目标转速的差值、以及基本点火角来确定点火提前角。
文档编号F02D43/00GK101858271SQ20101016152
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者刘昌文, 张平, 杨延相, 郗大光 申请人:浙江飞亚电子有限公司