專利名稱：電噴發動機變工作排量控制技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電控燃油噴射式內燃機的控制技術。
背景技術：
現有的發動機的設計排量絕大多數都是固定值。在運轉過程中不論負荷大小，所有排量都參與工作。由內燃機原理知，在負荷率較小時比油耗較高，排放污染較大；負荷率較大時比油耗較小，排放污染也較小。例如汽油機一般在負荷率約為80-90％時比油耗最低，排放污染最少。安裝在汽車上的發動機，其功率都是按照滿載時最高車速、或最大爬坡度等極端工況配備的。而在大多數使用情況下，例如在城市市區行駛，負荷率通常只有20-50％，因而油耗較高；在高速公路上行駛，由于提高了發動機的負荷率，油耗即可降低。小排量汽車比大排量汽車省油的最主要原因，就是在多數情況下小排量汽車發動機的負荷率比大排量汽車高。
從上個世紀60年代就有人研究閉缸節油技術，即在發動機負荷率較低時將一半的氣缸停止燃燒作功。到80年代還有人申請了專利，例如中國專利ZL 87215817是東風汽車公司申請的。該專利的基本內容是在化油器后的進氣歧管內安裝控制混合氣進入的氣閥，某氣缸的氣閥關閉，該缸即停止燃燒作功。該技術由于結構復雜、密封困難等原因無法實施。在最近十多年的中國專利文獻中，也有閉缸節油控制方面的文獻。例如中國專利ZL 92226188，該技術通過電磁閥和管路，使柴油機在低負荷工作時切斷一部分氣缸的燃油供給，以達到省油目的。該專利提出切斷某些氣缸的燃油供給，可以是手工操縱，也可以用電控制，卻沒有提出具體的控制裝置。中國專利ZL 02208975提出了對內燃機采取循環閉缸的方法可以節省燃油和降低排放污染，并提出了循環閉缸可以有規律地進行。但具體的規律是什么、什么工況下采用循環閉缸、怎樣實現有規律的循環閉缸等技術內容都沒有給出具體的技術方案，因而不具有操作性，無法實現。

發明內容
為了適當提高發動機負荷率并根據其在工作中的實際負荷，本發明提供一種電噴發動機變工作排量控制技術，本發明可根據發動機和汽車相關傳感器輸出的信號，自動判斷發動機工作中的負荷大小，并能有規律地控制各缸的噴油器正常噴油或者暫停，即能根據需要決定實際參加工作的發動機排量，達到節省燃油、降低排放污染和減少氣缸磨損的目的。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是本發明包括噴油控制模式和發動機噴油控制裝置兩部分，噴油控制模式(軟件)包括各不同工作排量時的噴油模式和各不同工況下的控制邏輯模式兩部分；噴油控制裝置(硬件)由噴油器控制附加電路6和變工作排量控制器5兩部分組成發動機轉速信號1、車速信號2、節氣門開度信號3和冷卻液溫度信號4輸入變工作排量控制器5，變工作排量控制器5的控制信號輸入噴油器控制附加電路6，噴油器控制附加電路6控制氣缸的每個噴油器，原發動機電噴系統ECU 7的噴油波形信號輸入變工作排量控制器5；這些信號輸入可以使用原車的傳感器信號，也可以單獨安裝傳感器。在這5個信號中，節氣門開度和噴油波形是必不可少的，另外3個可以考慮，也可以忽略。若不考慮另外3個因素，對應的噴油模式和控制模式要簡單得多，但其功能、性能也要降低。
噴油器控制附加電路6由與噴油器8串聯的開關三極管12和與噴油器并聯的旁通電阻13、旁通三極管14組成，噴油器8兩根導線之一的16端接正電源，另一導線經開關三極管12接原發動機電噴系統的ECU 7，開關三極管12與14的基極之間接一反向器15；三極管12的基極端17接變工作排量控制器5。當17端為高電位時，三極管12導通，噴油器8可以噴油(由ECU 7決定)；當17端為低電位時，三極管12截止，噴油器8不噴油。但三極管14導通，可以通過旁通電阻13為ECU 7提供電流。旁通電阻13的阻值與噴油器8的線圈電阻相等。因而，經旁通電阻提供的電流與經噴油器提供的電流基本相等，所以不會影響ECU的工作性能。
變工作排量控制器5是由普通集成電路、或者可編程門陣列、或者可編程控制器、或者單片機制成的智能控制單元。變工作排量控制器5是智能控制部分，它包括對輸入信號處理的前端信號處理單元22、儲存數據的存儲單元23、進行判斷和邏輯推理的推理單元24，以及控制噴油器附加電路的控制單元25四個部分a.信號處理單元22處理發動機轉速信號1、車速信號2、節氣門開度信號3、冷卻液溫度信號4和為電噴系統ECU第1缸噴油波形輸入21；b.將設計的噴油模式和控制邏輯模式存入存儲單元23中；c.推理單元24根據信號處理單元處理后的數據判斷出發動機和汽車的工作狀況；d.控制單元25根據判斷結果，依據存儲于存儲單元23中的噴油模式和控制邏輯模式通過噴油器控制附加電路6，控制各噴油器按照給定的噴油模式工作，即控制各噴油器正常噴油或者暫停噴油。
噴油控制模式(軟件)包括各不同工作排量時的噴油模式和各不同工況下的控制邏輯模式兩部分發動機的變工作排量噴油模式噴油模式是各個氣缸循環交替作功或者暫停的變化規律。一般設計方法如下a.將發動機的M個氣缸平均分成兩組，每組有M/2個氣缸。直列4缸發動機1、4缸一組，2、3缸為另一組；直列6缸發動機1、3、5缸一組，2、4、6缸為另一組；V型布置的發動機一側氣缸一組，另一側氣缸為另一組。
b.設置N個工作循環為一個控制周期，N≥2，一般N＝4、8或16。
c.設計氣缸噴油或者暫停循環交替進行。在一個控制周期內，暫停工作的氣缸盡可能均勻，同一氣缸暫停工作不多于一個循環，以確保運轉平穩；d.在一個控制周期內各缸噴油的次數盡可能相等，以確保各缸磨損均勻。
e.M個氣缸在一個控制周期(包括N個工作循環)內都作功的總次數為M·N次；若在一個控制周期內M個氣缸實際的作功次數為Mn次，則工作排量百分比為Mn/M·N。
f.工作排量百分比是分級的，相鄰兩級的級差為1/2N。
其中M-發動機的氣缸數，M＝4、6、8或12；N-一個控制周期包括的工作循環數；Mn-M個氣缸在一個控制周期內實際的作功次數，Mn≤M·N。
發動機變工作排量控制模式控制邏輯是發動機和汽車在不同工況工作時，選擇工作排量百分比和對應的噴油規律的方法，是推理單元進行推理判斷的依據。
若輸入參數為發動機轉速、汽車行駛速度和節氣門開度，并將發動機轉速和車速各分成低速、中速、高速3檔，節氣門開度分為小、中、大3檔，則3個參數組合出33＝27種工作狀況。還可以把檔位信號輸入。若汽車有5個前進檔，與上述3個輸入參數組合成33×5＝135種工作狀況。倒車時，使用100％的全工作排量。
當冷卻液溫度信號4輸入時，冷卻液溫度分為“低”和“高”兩檔，當其為“低”時，屬于熱車工況，不管發動機轉速、車速、節氣門開度多大，都使用全工作排量；當其為“高”時，適用于發動機變工作排量控制邏輯。
按上述5個輸入參數及其所分等級，共可分成137種不同的工況。
一般情況下，設有k個輸入參數，每個輸入參數分別分成p1，p2，…，pk個等級，另有q個特殊工況(例如倒車和冷卻液為低時)，則共組成的工況數為P＝p1×p2×…×pk+q每種工況所對應的工作排量百分比由經驗和試驗確定。設計分為經濟型、動力型和綜合型三類。經濟型設計以盡可能節油為主，在保證能驅動汽車的前提下，使用盡量小的工作排量；動力型設計以獲得較好動力為主，使用較大的工作排量；綜合型則兼顧動力和節油兩方面。不同使用要求的汽車和不同駕駛習慣的司機可選用不同類型的控制模式。
實現本發明變工作排量噴油模式和變工作排量控制模式，除使用上述變工作排量控制器、噴油控制器附加電路及其相應的軟件之外，還可以將其功能集成到發動機電噴系統的ECU之中。通過改變ECU中的部分程序完全能夠實現本發明的功能。
本發明的有益效果是該發明能夠根據汽車及其發動機的運行參數，合理安排發動機各個氣缸的噴油器在一定的周期內噴油或者暫停，確定參與工作的排量百分比。在保證發動機運轉平穩、輸出功率能滿足需要的前提下，使得在多數工況下都能工作在比油耗較低、排放污染較低的較高負荷率區域內，從而實現節油、降低排放污染和減少氣缸磨損的目的。


圖1電噴發動機變工作排量控制技術各部分組成示意圖；圖2噴油器控制附加電路示意圖；圖3變工作排量控制器的組成示意圖；圖4實施例2的變工作排量控制器電路圖；圖5實施例1、2的噴油器附加電路圖。
在上述附圖中，1.發動機轉速信號輸入，2.汽車車速信號輸入，3.節氣門開度信號輸入，4.冷卻液溫度信號輸入，5.變工作排量控制器，6.一個氣缸的噴油器控制附加電路，7.電噴系統ECU，8.9.10.11.四個氣缸的噴油器，12.開關三極管，13.旁通電阻，14.旁通三極管，15.反向器，16.正電源接頭，17.變工作排量控制器接頭，18.進氣門，19.火花塞，20.活塞，21.為電噴系統ECU第1缸噴油波形輸入，22.前端信號處理單元，23.存儲單元，24.邏輯推理單元，25.控制單元，26.接噴油器控制附加電路接頭，27.100％工作排量強制開關接頭，28.一、四缸噴油器附加電路接頭，29.二、三缸噴油器附加電路接頭，30.接第一缸噴油器，31.接第二缸噴油器，32.接第三缸噴油器，33.接第四缸噴油器。
具體實施例方式
實施例14缸發動機、2輸入參數、3種工作排量的簡單控制該實施例只有50％、75％、100％三種工作排量，表1所示的是實施例1的變工作排量變化規律(噴油規律)。其噴油(作功)順序為1-3-4-2。此種噴油規律以4個工作循環為一個控制周期。4個汽缸分為兩組，第1、4缸為一組，第2、3缸為一組。表中的數字1、2、3、4為氣缸編號，帶“○”的數字為停止噴油的氣缸。工作排量百分比是實際參與工作的排量與設計排量的比值。它等于在這一個周期(4個循環)內，實際噴油(作功)的次數與全部工作(噴油)的總次數(16次)的比值。例如，表中第二行，一個周期內，4個循環共噴油16次，工作排量百分比為16/16＝100％，即全排量工作。第三行中，4個循環內實際噴油12次，工作排量百分比為12/16＝75％。第四行中，4循環實際噴油8次，工作排量百分比為8/16＝50％。全表構成了100％、75％和50％3種工作排量。
本實施例的輸入信號只有冷卻液溫度和節氣門開度。因此，決定工作排量百分比只有冷卻液溫度和節氣門開度兩個條件。表2是本實施例的控制邏輯表。表中表示在冷卻液溫度為“低”時，無論節氣門開度大小，都使用100％工作排量工作；在冷卻液溫度為“高”時，由節氣門開度決定工作排量百分比。節氣門開度較小時，用50％工作排量；開度為中時，用75％工作排量；開度大時，用100％工作排量。
圖4是本實施例的變工作排量控制器電路圖。圖中IC1為雙比較器，IC2和IC3為D觸發器。接線端27、21、3、4分別接100％工作排量強制開關、電噴系統ECU第1缸噴油波形、節氣門開度傳感器、冷卻液溫度傳感器，接線端28、29接噴油器控制附加電路。
圖5是本實施例的噴油器控制附加電路。圖中接線端28、29即變工作排量控制器電路的控制接線端，接線端30、31、32、33分別接第1缸、第4缸、第2缸、第3缸噴油器。
該實施例的特點是噴油模式、控制邏輯模式、變工作排量控制器都比較簡單，成本低，易于實現。
表1 4缸發動機的變工作排量噴油規律表

表2 對應于表1噴油規律的控制邏輯表

實施例24缸發動機、4輸入參數、5種工作排量的控制。
該實施例有50％、62.5％、75％、87.5％、100％五種工作排量，表3是實施例2的變工作排量噴油規律(模式)表。與表1類似，在100％與75％工作排量之間增加了87.5％工作排量，在75％與50％工作排量之間增加了62.5％工作排量。
其一般規律是1.將發動機全部4個氣缸平均分成兩組，每組有2個氣缸。
2.直列4缸發動機1、4缸為一組，2、3缸為另一組；3.設置4個工作循環為一個控制周期；4.設計氣缸噴油或者暫停循環交替進行。在一個控制周期內，暫停工作的氣缸盡可能均勻，同一氣缸暫停工作不多于一個循環，以確保運轉平穩。
5.在一個控制周期內各缸噴油的次數盡可能相等，以確保各缸磨損均勻。
6.4個氣缸在一個控制周期內都噴油的總次數為16次；若在一個控制周期內4個氣缸實際的噴油次數為Mn次(Mn≤16)，則工作排量百分比為Mn/16；7.工作排量百分比是分級的，相鄰兩級的級差為1/8設計排量。
表4是本實施例的變工作排量控制邏輯(模式)表，它對應表3的變工作排量噴油規律(模式)。在該控制邏輯中，輸入參數為發動機轉速、汽車行駛速度和節氣門開度。其中發動機轉速和車速各分成低、中、高3檔，節氣門開度分為小、中、大3檔。3個參數組合出33＝27種工況。表2中的百分比是對應的工況下應選擇的工作排量百分比。
節氣門開度是表征負荷率最重要的參數，因此也是判斷工況的最重要的依據。例如，在發動機轉速和車速均為“低”時，節氣門開度“小”時，對應的工況為低速滑行或者怠速，用50％工作排量即可；節氣門開度“中”時為起步或緩加速，用62.5％工作排量；節氣門開度“大”時為加速或爬坡，用75％工作排量。再如，發動機轉速和車速為“中”時，節氣門開度“小”時為良好路面上勻速行駛，用50％工作排量；節氣門開度“中”時為小坡或者緩加速，用62.5％工作排量；節氣門開度“大”時為超車加速，或者爬較大的坡，用75％工作排量。其余如表中所示。一般來說，節氣門開度“小”時使用較小工作排量，節氣門開度較大時用較大工作排量。
當冷卻液溫度輸入時，冷卻液溫度分為“低”和“高”兩檔。當其為“低”時，屬于熱車工況，不管發動機轉速、車速、節氣門開度多大，都使用100％工作排量。當其為“高”時，適用于表4的控制邏輯。
還可以利用車速的變化和節氣門開度判斷出加速、勻速和減速工況。在一定的時間內，車速增加且節氣門開度較大時為加速工況，應在表2中的工作排量基礎增加1個等級；車速不變為勻速，用表4中所列的工作排量；車速降低且節氣門開度較小時為減速，使用比表4中對應的更小的工作排量。
圖3是本實施例的變工作排量控制器的組成示意圖。圖5是本實施例的噴油器控制附加電路圖。
表3 4缸發動機的一種變工作排量噴油規律表

注不帶“○”的數字表示噴油的氣缸，帶“○”的數字表示不噴油的氣缸表4 4缸發動機的一種變工作排量控制邏輯表

權利要求
1.一種電噴發動機變工作排量控制技術，其特征是本發明包括噴油控制模式和發動機噴油控制裝置兩部分，噴油控制模式包括各不同工作排量時的噴油模式和各不同工況下的控制邏輯模式兩部分；噴油控制裝置由噴油器控制附加電路(6)和變工作排量控制器(5)兩部分組成發動機轉速信號(1)、車速信號(2)、節氣門開度信號(3)和冷卻液溫度信號(4)輸入變工作排量控制器(5)，變工作排量控制器(5)的控制信號輸入噴油器控制附加電路(6)，控制附加電路(6)控制每個氣缸的噴油器，原發動機電噴系統ECU的噴油波形信號(7)輸入變工作排量控制器(5)；其它汽車行駛信號，例如檔位，也輸入到變工作排量控制(5)；噴油器控制附加電路(6)由與噴油器(8)串聯的開關三極管(12)和與噴油器并聯的旁通電阻(13)、旁通三極管(14)和反相器(15)組成，噴油器(8)兩根導線之一的(16)端接正電源，另一導線經開關三極管(12)接原發動機電噴系統的ECU(7)，開關三極管(12)與(14)的基極之間接一反向器(15)；三極管(12)的基極端(17)接變工作排量控制器(5)；旁通電阻(13)、旁通三極管(14)也可以用一只阻值較大的上拉電阻代替；當使用上拉電阻代替旁通電阻和旁通三極管時，反相器(15)不是必要的；
2.根據權利要求1所述的電噴發動機變工作排量控制技術，其特征是變工作排量控制器(5)是智能控制部分，它包括對輸入信號處理的前端信號處理單元(22)、儲存數據的存儲單元(23)、進行判斷和邏輯推理的推理單元(24)，以及控制噴油器附加電路的控制單元(25)四個部分，這四部分可以分立，也可以集成；當使用可編程門陣列、可編程控制器、或者單片機作變工作排量控制器(5)時，變工作排量控制器的各部分是集成在一起的a.信號處理單元(22)接收并處理發動機轉速信號(1)、車速信號(2)、節氣門開度信號(3)、冷卻液溫度信號(4)和原發動機電噴系統ECU的噴油波形(7)，以及其它汽車行駛參數；b.將設計的噴油模式和控制邏輯模式存入存儲單元(23)中；c.推理單元(24)根據信號處理單元(22)處理的數據判斷出發動機和汽車的工作狀況；d.控制單元(25)根據判斷結果，依據存儲于存儲單元(23)中的噴油模式和控制邏輯模式通過噴油器控制附加電路(6)，控制各噴油器按照給定的噴油規律工作，即控制各噴油器正常噴油或者暫停噴油。
3.根據權利要求1或2所述的電噴發動機變工作排量控制技術，其特征是發動機的變工作排量噴油模式a.將M個氣缸平均分成兩組，每組有M/2個氣缸；直列4缸發動機1、4缸一組，2、3缸為另一組；直列6缸發動機1、3、5缸一組，2、4、6缸為另一組；V型布置的發動機一側氣缸一組，另一側氣缸為另一組；b.設置N個工作循環為一個控制周期，N≥2，一般N＝4、8或16；c.設計氣缸噴油或者暫停循環交替進行，在一個控制周期內，暫停工作的氣缸盡可能均勻，同一氣缸暫停工作不多于一個循環，以確保運轉平穩；d.在一個控制周期內各缸噴油的次數盡可能相等，以確保各缸磨損均勻；e.M個氣缸在一個控制周期內都噴油的總次數為M·N次；若在一個控制周期內M個氣缸實際的噴油次數為Mn次，則工作排量百分比為Mn/M·N；f.工作排量百分比是分級的，相鄰兩級的級差為1/2N；其中M-發動機的氣缸數，M＝4、6、8或12；N-一個控制周期內包含的工作循環數；Mn-M個氣缸在一個控制周期內實際的噴油次數，Mn≤M·N。
4.根據權利要求1或2所述的電噴發動機變工作排量控制技術，其特征是發動機變工作排量控制邏輯模式a.輸入參數為發動機轉速、汽車行駛速度和節氣門開度，其中發動機轉速和車速各分成低速、中速、高速3檔，節氣門開度分為小、中、大3檔，3個參數組合出33＝27種工況，若再輸入變速器的5個檔位，則共可組合成33×5＝135種工況；一般情況，設有k個輸入參數，每個輸入參數分別分成p1，p2，…，pk個等級，另有q個特殊工況，則共組成的工況數為P＝p1×p2×…×pk+qb.每種工況所對應的工作排量百分比設計為經濟型、動力型和綜合型三類經濟型設計以節油為主，在保證驅動汽車的前提下，使用較小的工作排量；動力型設計以獲得較好動力為主，使用較大的工作排量；綜合型則兼顧動力和節油兩方面，不同使用要求的汽車和不同駕駛習慣的司機可選用不同類型的控制邏輯模式。
5.根據權利要求4所述的電噴發動機變工作排量控制技術，其特征是當冷卻液溫度信號(4)輸入時，冷卻液溫度分為“低”和“高”兩檔，當其為“低”時，屬于熱車工況，不論其它參數為何，都使用100％工作排量；當其為“高”時，適用于發動機變工作排量控制邏輯。
全文摘要
本發明提供一種電噴發動機變工作排量控制技術，包括噴油控制模式和發動機噴油控制裝置兩部分，噴油控制模式包括各不同工作排量時的噴油模式和各不同工況下的控制邏輯模式兩部分；噴油控制裝置由噴油器控制附加電路(6)和變工作排量控制器(5)兩部分組成。該發明能夠根據汽車及其發動機的運行參數，合理安排發動機各個氣缸的噴油器在一定的周期內噴油或者暫停，確定參與工作的排量百分比。在保證發動機運轉平穩、輸出功率能滿足需要的前提下，使得在多數工況下都能工作在比油耗較低、排放污染較低的較高負荷率區域內，從而實現節油、降低排放污染和減少氣缸磨損的目的。
文檔編號F02D17/02GK1888407SQ20061001298
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月23日 優先權日2006年7月23日
發明者韓宗奇, 夏懷成, 金海龍 申請人:燕山大學