专利名称：内燃机燃油电子喷射系统的闭环控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及降低内燃机排放废气中有害成分的技术，具体地说，涉及一种内燃机燃油电子喷射系统的闭环控制装置。
众所周知，过去的几十年内，内燃机燃油电子喷射器已在很大程度上取代化油器作为计量内燃机燃油喷射量的装置，在提高发动机功率，尤其是在改善排放条件，促进大气环境保护方面越来越显现出优越性。
内燃机排放废气中有害成分的控制一方面可以通过尽力保证燃油在气缸内的充分燃烧，减少有害组分的生成量，另一方面可使排气中的有害成分尽可能地转化成无害物质。通行的三元催化技术就是针对后一考虑而广泛采用的有效措施，即在排气管中装有三元催化排气净化器，使排放的废气中所含HC(碳氢化合物)、CO(一氧化碳)和NOx(氮的氧化物)等有害气体组分被氧化，分别生成CO2、H2O和N2。这中间，排气中的氧含量显然是实行上述净化过程的重要因素。
从另一方面看，现有技术多采用开环式燃油电子喷射方式，即在不同工况条件下，按预编程序，由ECU(Electronic Control Unit-电子控制单元)根据进气歧管压力和转速，通过发动机转速传感器、节气门开度传感器、空气流量计、进气温度和气缸传感器采集电信号，计算喷油脉冲宽度，再根据大气压力、节气门开度和冷却水温度进行修正，将其输入给燃油电子喷射系统的ECU，该ECU驱动电磁喷射阀，控制喷油量，及时供给发动机预定空燃比的混合气。这种开环式燃油电子喷射系统并不自燃烧后排放的废气中采集废气的成分信息，因而不能保证排放废气中的氧含量。显然它不能保证发动机的排放标准。
美国专利US5,772,861“准确地控制燃油喷射流量的装置和方法”提出一种燃油电喷的闭环控制方式。内燃机中的电子燃油喷射器由控制系统加给它以具有规定脉冲宽度的电子脉冲，借以开/关燃油喷射器，其中脉冲宽度是根据内燃机转速、进气歧管压力、燃油温度等确定的；这些参量都是随动的。另外，考虑到燃油系统的磨损以及日渐恶化的部件也会改变燃油的供给量等因素，还采用反馈技术使燃油喷射器的控制系统在实时运行中补偿这些变化，实现燃油喷射的闭环控制。这虽有助于提高缸内燃烧效率，从而可在一定程度上降低排气中有害成分含量，但该技术实际上缺少上述三元催化过程的考虑，因而这种闭环控制仍是局限的，不能更有效地处理和减少排放废气中的有害成分含量。
事实上，完整意义的燃油电子喷射闭环控制系统，是在开环控制方式的基础上进一步在排气管上装置氧传感器，通过测量废气中的氧含量，并将与之对应的电信号反馈给控制系统的ECU，参与对整个燃油喷射过程的控制。于是，除可根据该氧含量信号判断气缸内燃油的燃烧效果，更可使相应的电控单元根据氧传感器的输入信号又对喷油脉冲进行修正，从而能更准确地控制喷油量，及时供给发动机最佳空燃比的混合气，确保缸内燃油的充分燃烧，同时能有效地控制排放废气中的氧含量，确保对排放废气的三元催化过程。
本发明的目的在于提供一种闭环式内燃机燃油电子喷射控制装置，以内燃机气缸工作过程中排放废气中的氧含量参与燃油电子喷射的控制，使缸内燃气更有效地充分燃烧，并进一步提高净化效果。
为实现上述发明目的，本发明的内燃机燃油电子喷射系统的闭环控制装置包括设在内燃机进气道内的电磁喷射阀和与之相连的ECU，还包括设在排气道内的三元催化排气净化器，其特征在于，安装在排气道内所述三元催化排气净化器上游侧的氧传感器，该氧传感器与所述ECU连接。
所述氧传感器的主体为一中空锆管，锆管外包敷一层多孔陶瓷保护套层，锆管一端为封闭端，此封闭端外还装设有金属外套，作为整个氧传感器的保护套。此外套中开有多个通孔。如此结构的氧传感器主体的封闭端被插入排气管内，并以所述金属外套与内燃机排气管道的壁密封连接，使氧传感器的插入部分处于排气道内废气的包围中。所述锆管未插入排气道内的部分的侧壁有开口，与大气相通。另外，锆管的内、外表面都覆盖着一层多孔性的铂膜作为电极，二电极经导线自锆管的与所述封闭端相对的另一端引出，作为整个氧传感器的输出端，被接至ECU。
当内燃机的气缸工作时，有废气通过排气管，高温废气中的氧气发生电离，致锆管内(大气)外(废气)侧的氧离子存在浓度差，将有氧离子穿过金属外套的通孔经锆管壁从一侧向另一侧扩散，锆管元件形成微电池，在锆管两电极间形成电位差，产生响应此氧浓度差的电压信号，经连接导线将此电压信号作为反馈信号加给ECU，参与对燃油喷射量及喷射时间的控制，实现闭环控制。
使用本发明内燃机燃油电子喷射系统的闭环控制装置，由于利用了氧传感器测得的排气中的氧含量作为反馈信号，在原有ECU根据发动机工况对燃油喷射进行控制的基础上，进一步又将已排放之废气中的氧含量参与上述控制，则不仅可控制缸内燃气更有效地充分燃烧，又充分保证在排气管内实现三元催化，从而可进一步提高净化效果。
以下将参照附图，通过对本发明具体实施例的描述，进一步详细说明本发明的内容。其中
图1为表示本发明内燃机燃油电子喷射系统之闭环控制装置结构的断面示意图；图2示出本发明内燃机燃油电子喷射系统的闭环控制装置一种具体实施例中所用ECU的结构方框图；图3是图2实施例中所用氧传感器结构的断面示意图；图4是说明本发明内燃机燃油电子喷射系统的闭环控制装置一种实施例的控制流程图。
如图1所示，内燃机5的进气道9一侧除设置进气门8、节气门2和电磁喷射阀11以外，还设有用以接收各传感器检测的有关信号并控制包括喷油时间和喷油量在内等多个内燃机工作参量的ECU-电子控制单元10。在内燃机5的排气管3内设置三元催化排气净化器1，并在所述三元催化排气净化器1上游侧安装氧传感器4，用以检测内燃机5在各种工况下排放废气中的氧含量，并以相应电信号的形式输出给与之相连的ECU10。ECU10根据氧传感器反馈的电信号，通过与之相连的、被置于进气道9内的电磁喷射阀11参与控制喷油量的增加或减少，即控制该电磁喷射阀11，参与调整喷油量和喷射时间，使在气缸内达到最佳空燃比，进而实现最佳燃烧效果。以此实现对燃油电子喷射系统的闭环控制。
氧传感器4测得的排气中氧含量，以相应电信号形式反馈给ECU10，ECU10在其RAM/ROM29内预先设置采样频率，将电信号映射到ECU的内部寄存器，为其设置中断代码和中断向量，设定其中断的优先级，并修改中断向量表，加入其服务程序的入口地址，并在所述寄存器中相应地址编写中断服务程序。在服务程序中使用内部定时器为脉冲计时，通过内部寄存器的操作映射到外部寄存器，通过输出回路放大，以驱动执行元件的操作。
在实行闭环控制过程中，当排出废气中含氧量比RAM/ROM29中所存的理论设定值低时，氧传感器4向ECU10输入较高电压信号，在这种情况下，ECU10将控制电磁喷射阀11，减少喷油量，使进入气缸内的混合气变稀，空燃比增大。当排出废气中含氧量变到超过所述理论设定值时，氧传感器4输出的电压信号将突然下降，即氧传感器4向ECU10输入较低电压信号，ECU10立即控制电磁喷射阀11，增加喷油量，使进入气缸内的混合气变浓，空燃比开始减少。当排出废气中含氧量低于该理论设定值时，氧传感器4输出的电压信号又将突变上升，氧传感器4再向ECU10输入较高电压信号，控制电磁喷射阀11，减少喷油量。如此循环反复地调整喷油量和空燃比，使排出废气中的含氧量在理论设定值附近一个极小的范围内波动，而使三元催化排气净化器1能在最佳状态工作，降低废气排放中有害气体的含量。
图2示出本发明内燃机燃油电子喷射系统闭环控制装置一种具体实施例中所用ECU10的结构方框图。从图中可以看出，根据发动机的进气量和发动机转速初步计算喷油时间，再根据来自各传感器的信息进行修正，设定总喷油持续时间。如图2所示，内燃机的各传感器发出的信号，既有模拟信号，又有数字信号；其中氧传感器4的输出电压信号为模拟信号22。这些信号被输入ECU之前，均需通过输入回路23进行处理，消除输入信号中的干扰成分，将正弦波信号变换成矩形脉冲信号，或者改变输入电平等各种预处理。对于数字信号28，则直接输入微机27中的I/O接口，而对那些模拟信号22，则需通过A/D转换器24转换成数字信号，再输入到微机27中的I/O接口。微机27将输入的信号通过内存程序及数据进行演算处理，起动与内燃机工况相对应的最佳燃油喷射持续时间，并将此结果通过输出回路25输出给执行元件，即喷油器26。
本实施例闭环控制装置中所用ECU中的微机27主要包括，用于解读命令并进行数据处理的中央处理器CPU、保存程序用的ROM和数据存储用的RAM29、I/O接口，以及信息总线。
图3以示意的方式示出上述实施例中所用氧传感器结构的断面。氧传感器4有一中空锆管33，锆管33的表面包敷多孔陶瓷保护套层32，锆管33一端为封闭端，此封闭端外还装设有金属外套31，作为整个氧传感器的保护套。此外套中开有多个通孔(图中示出2个作为代表)。如此结构的氧传感器主体的封闭端被插入排气管3内，并以所述金属外套31与内燃机排气管3的壁密封连接，使氧传感器4的插入部分处于排气管3内废气的包围中。所述锆管33未插入排气管3内的部分的侧壁有开口，与大气相通。另外，锆管33的内、外表面分别覆盖着一层多孔性的铂膜作为电极，如图中的A和B所示。所示二电极经导线34和35自锆管33的与所述封闭端相对的另一端引出，作为整个氧传感器4的输出端，被接至ECU10。
具有上述闭环控制装置的本发明燃油电子喷射控制系统，通过内燃机上安装的各传感器获取信号，分别输入上述结构的ECU10，ECU经过对比，并由其CPU计算输出指令信号，可实现对喷油时间、点火时间、怠速开度、真空气流通与断、汽油泵的开停等控制。具体地说，有如图4所示(并结合图1)，ECU10一方面分别接收各传感器检测的信号，另一方面又根据所述各检测信号控制包括喷油时间和喷油量在内等多个内燃机工作部分的工作。其中包括曲轴转角与转速传感器41检测内燃机曲轴的转角与曲轴转速，通过ECU参与对点火时间和喷油时间的控制；真空压力传感器42，用以检测内燃机吸气冲程时因活塞6下行造成缸内压力的下降，以便参与对缸内喷油量的控制；水温传感器43和进气温度传感器44分别检测水路温度和进入进气道9再经进气门8进入气缸内混合气的温度，以便在低温时通过ECU调节喷油量或控制喷油动作的起停；空气调节器45，在调节吸入空气的量的同时，也经ECU参与对喷油量的控制；蓄电池电压检测器46，通过检测蓄电池电压，特别是检测该电压的下降，以便通过ECU修正喷油时间；氧传感器4则如上述参与喷油控制可以保证最佳空燃比以及修正喷油时间；起动信号发生器47指令ECU随时修正起动时的喷油时间；爆震传感器48在内燃机缸内产生爆震时输出爆震信号，ECU控制报警灯并根据该爆震信号控制推迟点火时间，以及时消除爆震。另一方面ECU10接收这些检测信号后，分别控制以下工作部分内燃机的喷油器51，本实施例中所用是一种电磁阀式开闭喷油装置；电子点火器52；怠速控制阀53，用以保证发动机最低转速的稳定性，控制进气量的大小；燃油蒸发控制阀54，根据ECU10送来的信号控制旁通空气量的通断，以保证发动机更好地稳定怠速运转；开路继电器55，根据车速传感器发出的信号，控制汽油泵的开停；和报警灯56。
附带地，本实施例的ECU10中还专门设置了一种检测程序，以判断汽车电路上发生的各种故障。
权利要求
1.一种内燃机燃油电子喷射系统的闭环控制装置，包括设在内燃机进气道内的电磁喷射阀和与之相连的ECU，其特征在于，还包括设在排气道内的三元催化排气净化器，以及安装在排气道内所述三元催化排气净化器上游侧的氧传感器，该氧传感器与所述ECU连接。
2.如权利要求1所述的内燃机燃油电子喷射系统闭环控制装置，其特征在于，所述氧传感器的主体为一中空锆管，锆管外包敷一层多孔陶瓷保护套层，锆管一端为封闭端，此封闭端外还装设有金属外套，作为整个氧传感器的保护套；此外套中开有多个通孔；所述氧传感器主体的封闭端被插入排气管内，并以所述金属外套与内燃机排气管道的壁密封连接，使氧传感器的插入部分处于排气道内废气的包围中；所述锆管未插入排气道内的部分的侧壁有开口，与大气相通；锆管的内、外表面都覆盖着一层多孔性的铂膜作为电极，二电极经导线自锆管的与所述封闭端相对的另一端引出，作为整个氧传感器的输出端，被接至ECU。
3.如权利要求1或2所述的内燃机燃油电子喷射系统闭环控制装置，其特征在于，所述ECU中的微机(27)包括，用于解读命令并进行数据处理的中央处理器CPU、保存程序用的ROM和数据存储用的RAM(29)、I/O接口，以及信息总线。
全文摘要
内燃机燃油电子喷射系统闭环控制装置包括设在内燃机进气道内的电磁喷射阀和与之相连的ECU,还包括设在排气道内的三元催化排气净化器,以及安装在三元催化排气净化器上游侧的氧传感器,氧传感器与所述ECU连接。氧传感器测得排气中的氧含量信号作为反馈信号,使内燃机排放废气中的氧含量参与ECU对燃油喷射的控制,不仅使缸内燃气更有效地充分燃烧,又充分保证在排气管内实现三元催化,从而可进一步提高净化效果。
文档编号F02D43/00GK1259620SQ9912386
公开日2000年7月12日 申请日期1999年11月15日 优先权日1999年11月15日
发明者李书通 申请人:吉利集团有限公司