專利名稱：一種基于凸輪軸信號的氫燃料發動機控制方法
技術領域：
本發明涉及一種基于凸輪軸信號的車用氫燃料發動機控制方法，屬于發動機電子控制領域。
背景技術：
能源和環境問題是制約汽車行業發展的兩個瓶頸。研究表明，汽車廢氣已成為大氣污染的一個主要原因。《美國向氫經濟過渡的2030年遠景展望報告》認為，石油資源可能在25 30年后就將枯竭。樂觀的估計，到21世紀中期以后，石油資源也將面臨枯竭的局面。氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續的能源，被視為本世紀最具發展潛力的清潔能源。氫氣燃燒后產物水，完全沒有CO2和各種污染物，是發動機的理想燃料。采用氫氣作為發動機燃料可以一次性解決汽車的能源、環境污染和碳排放問題。現有的氫氣發動機燃料系統大多采用修改汽油機或柴油機燃料系統實現，而沒有針對氫氣發動機開發新的電子控制系統。汽油機和柴油機燃料系統中的電子控制系統在發動機起動階段和起動之后均采用曲軸信號進行噴氫、點火設置。在現有技術中，根據曲軸信號進行噴氫和點火設置的具體過程為曲軸信號的高低電平分別對應齒和齒缺，每個齒對應的曲軸角度為6度，那么根據曲軸信號數齒，在已知當前齒數和每齒對應的曲軸轉角的情況下，很容易得到曲軸相位，根據曲軸相位進行點火、噴氫設置。但是，氫氣的理化性質與汽油、柴油有很大的差別，直接采用原電子控制系統不能充分發揮氫燃料的優勢。尤其是在起動過程中，由于氫氣燃燒很快，因此起動過程的前半階段即低速階段曲軸信號變化較大，起動過程的后半階段即高速階段曲軸信號才趨于穩定。在高轉速時，由于曲軸信號變化不大，因此根據曲軸相位進行數齒時，不容易出現錯誤，而且根據曲軸相位進行計算，曲軸轉角每變化6度計算一次，可以提高控制精確度。 但是在低轉速時，速度變化比較劇烈，容易出現數齒錯誤，從而導致相位判斷錯誤。如果當前相位判斷錯誤，很容易造成發動機機的回火、后燃等不正常燃燒現象，影響發動機的起動性能，甚至發動機的運行安全性。因此可以考慮將發動機起動過程分為低速和高速階段，例如以轉軸400轉/分作為分界點，低速階段根據凸輪軸信號進行噴氫點火設置，高速階段根據曲軸信號進行噴氫點火設置。但是目前沒有根據凸輪軸信號進行噴氫點火設置的方案可用于4缸氫氣發動機，從而提高控制準確性。

發明內容
有鑒于此，本發明針對4缸氫氣發動機，提供了一種氫氣發動機控制方法，提高控制準確性，避免相位判斷錯誤造成的發動機機的回火、后燃等不正常燃燒現象。本發明方案適用于發動機轉速變化劇烈的場合。氫氣發動機的起動控制方法，其具體實現過程如下
一種基于凸輪軸信號的氫燃料發動機控制方法，包括 設計凸輪軸齒盤包括2個寬齒和2個窄齒，2個寬齒相鄰，2個窄齒相鄰，每個齒的齒寬和齒缺寬度之和對應的凸輪軸角度都是90度；采用傳感器獲取凸輪軸信號，高電平對應齒，低電平對應齒缺；凸輪軸信號的每個周期中，低電平在前，高電平在后；根據凸輪軸齒盤的安裝機械位置，確定各缸點火時和噴氫時對應的凸輪軸相位；根據曲軸信號進行發動機控制的具體步驟為凸輪軸齒盤每轉動90度控制一次； 每次控制時，利用凸輪軸信號確定當前捕獲到的齒型為寬齒還是窄齒；根據本次和上一次捕獲的齒型確定當前凸輪軸相位，根據當前凸輪軸相位判斷當前需要輸出噴氫、點火控制信號的缸，并對該缸輸出相應控制信號。如果將凸輪軸上的齒按照窄齒——寬齒——寬齒——窄齒的順序進行標記，則凸輪軸安裝時，所述順序中的凸輪軸各齒信號的下降沿依次對應發動機1缸、3缸、4缸、2缸的壓縮上止點；在壓縮上止點輸出對應缸的噴氫、點火信號；所述根據本次和上一次捕獲的齒型確定當前凸輪軸相位，根據當前凸輪軸相位判斷當前需要輸出噴氫、點火控制信號的缸，并對該缸進行相應噴氫和點火設置的步驟具體為若本次捕獲的為寬齒且上一次捕獲的為寬齒，則輸出4缸點火控制信號、輸出1缸噴氫控制信號；若本次捕獲的為寬齒且上一次捕獲的為窄齒，則輸出3缸點火控制信號、輸出2缸噴氫控制信號；若本次捕獲為窄齒而上一次捕獲為寬齒，則輸出2缸點火控制信號，輸出3缸噴氫控制信號；若本次捕獲為窄齒且上一次捕獲為窄齒；則輸出1缸點火控制信號、輸出4缸噴氫控制信號。較佳地，寬齒齒缺對應角度小于45度，窄齒齒缺對應角度大于45度；所述利用凸輪軸信號確定當前捕獲到的齒型為寬齒還是窄齒的步驟具體為1) 當凸輪軸信號電平發生變化時，捕獲當前信號，同時檢測當前信號的電位，如果當前電位為低電平，則為下降沿；如果當前電位為高電平，則為上升沿；一個整齒的周期從下降沿開始；2)根據下降沿和上升沿的時間差計算出低電平的時間，根據上升沿和下降沿的時差計算出高電平的時間；3)利用高電平的寬度和凸輪軸信號周期的寬度計算出占空比，如果占空比大于 50%，則為寬齒，否則為窄齒。本發明的方法及系統與現有技術相比，具有以下優點利用兩寬齒+兩窄齒的凸輪軸齒盤形式，本發明利用齒型的檢測確定凸輪軸相位，根據凸輪軸相位與發動機4個缸之間的關系，對發動機進行噴氫點火控制。本發明可以應用在速度變化劇烈的場合，例如發動機起動的低速階段，由于不采用數齒的相位確定方案，即便變化劇烈，仍能較為準確的確定當前齒型，從而準確進行噴氫點火控制。


圖1為本發明利用凸輪軸信號進行噴氫、點火信號控制的流程圖；圖2為本發明當確定窄齒_寬齒-寬齒-窄齒對應發動機1缸、3缸、4缸2缸噴氫時的發動機控制信號產生過程。
具體實施例方式
下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。本發明提供了一種4缸氫氣發動機的控制方法，應用于適用于發動機轉速變化劇烈且轉速不是很快(低于400轉/分)的場合，其基本思想是根據凸輪軸齒型的變化確定凸輪軸相位，根據凸輪軸相位與缸的對應關系進行噴氫、點火設置。圖1為本發明利用凸輪軸信號進行噴氫、點火信號控制的流程圖。如圖1所示，該方法包括以下步驟步驟1 本發明控制方法所涉及的凸輪軸是一種4齒的凸輪軸。凸輪軸齒盤包括 2個寬齒和2個窄齒，為了便于根據凸輪軸信號判定當前齒為寬齒還是窄齒，設定寬齒為齒寬大于齒總周期一半的齒，窄齒為齒寬小于齒總周期一半的齒。2個寬齒相鄰，2個窄齒相鄰，形成寬_寬-窄_窄的形式，每個齒的齒寬和齒缺寬度之和都是90度。步驟2 將該凸輪軸齒盤安裝到位，根據凸輪軸齒盤的安裝機械位置，確定各缸點火時和噴氫時對應的凸輪軸相位。對于4缸氫發動機來說，4缸的點火順序為1缸、3缸、4缸、2缸，4缸的噴氫順序為 4缸、2缸、1缸、3缸。本實施例將凸輪軸上的齒按照窄齒——寬齒——寬齒——窄齒的順序進行標記，凸輪軸安裝時，所述順序中的凸輪軸各齒信號的下降沿依次對應發動機1缸、 3缸、4缸、2缸的壓縮上止點。在壓縮上止點輸出對應缸的噴氫、點火信號。步驟3 在凸輪軸齒盤處安裝傳感器，采用傳感器獲取凸輪軸信號，高電平對應齒，低電平對應齒缺。步驟4 凸輪軸齒盤每轉動90度控制一次；每次控制時，利用凸輪軸信號確定當前捕獲到的齒型為寬齒還是窄齒；根據本次和上一次捕獲的齒型確定當前凸輪軸相位，根據當前凸輪軸相位判斷當前需要輸出噴氫、點火控制信號的缸，并對該缸輸出相應控制信號。在步驟2設定了窄齒——寬齒——寬齒——窄齒對應1缸、3缸、4缸、2缸點火的情況下，如圖2所示，本步驟4具體為1)當凸輪軸信號電平發生變化時，捕獲當前信號，同時檢測當前信號的電位，如果當前電位為低電平，則為下降沿；如果當前電位為高電平，則為上升沿。2)根據下降沿和上升沿的時間差計算出低電平的時間，根據上升沿和下降沿的時差計算出高電平的時間，因為本實施例中，一個周期是從下降沿開始的，因此根據下降沿和下降沿之間的時間差計算出周期。3)利用高電平的寬度和凸輪軸信號周期的寬度計算出占空比，如果占空比大于 50%，則為寬齒，否則為窄齒。4)根據本次和上一次捕獲的齒型判斷當前需要輸出噴氫、點火控制信號的缸，并對該缸進行相應噴氫和點火設置，具體分為以下4種情況若本次捕獲的為寬齒且上次捕獲的為寬齒，則輸出4缸點火控制信號、輸出1缸噴氫控制信號；
若本次捕獲的為寬齒且上次捕獲的為窄齒，則輸出3缸點火控制信號、輸出2缸噴氫控制信號；若本次捕獲為窄齒而上次捕獲為寬齒，則輸出2缸點火控制信號，輸出3缸噴氫控制信號；若本次捕獲為窄齒且上次捕獲為窄齒；則輸出1缸點火控制信號、輸出4缸噴氫控制信號。

可見，本發明采用凸輪軸的齒型確定凸輪軸相位，根據凸輪軸相位進行噴氫、點火設置，避免數齒所帶來的各種缺陷，有效地提高了控制準確性。雖然根據凸輪軸進行噴氫點火的控制精度不如根據曲軸相位的控制方案，但是能夠保證正確性是發動機安全工作的最基本條件，而且在低速情況下根據凸輪軸相位的控制也能夠滿足控制精度的要求。本發明根據凸輪軸信號進行氫發動機控制的方案可以有效應用于氫發動機的起動過程中。如背景技術所述，以曲軸轉速400轉/分作為分界點，氫發動機的低速階段速度變化比較劇烈，如果采用曲軸控制容易出現數齒錯誤，從而導致相位判斷錯誤，因此可以采用本發明根據凸輪軸信號的控制方案，當轉速高壓400轉/分后，可以采用曲軸信號的控制方案。綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。 凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于凸輪軸信號的氫燃料發動機控制方法，其特征在于，包括設計凸輪軸齒盤包括2個寬齒和2個窄齒，2個寬齒相鄰，2個窄齒相鄰，每個齒的齒寬和齒缺寬度之和對應的凸輪軸角度都是90度；采用傳感器獲取凸輪軸信號，高電平對應齒，低電平對應齒缺；凸輪軸信號的每個周期中，低電平在前，高電平在后；根據凸輪軸齒盤的安裝機械位置，確定各缸點火時和噴氫時對應的凸輪軸相位；根據曲軸信號進行發動機控制的具體步驟為凸輪軸齒盤每轉動90度控制一次；每次控制時，利用凸輪軸信號確定當前捕獲到的齒型為寬齒還是窄齒；根據本次和上一次捕獲的齒型確定當前凸輪軸相位，根據當前凸輪軸相位判斷當前需要輸出噴氫、點火控制信號的缸，并對該缸輸出相應控制信號。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將凸輪軸上的齒按照窄齒——寬齒——寬齒一窄齒的順序進行標記，凸輪軸安裝時，所述順序中的凸輪軸各齒信號的下降沿依次對應發動機1缸、3缸、4缸、2缸的壓縮上止點；在壓縮上止點輸出對應缸的噴氫、點火信號；所述根據本次和上一次捕獲的齒型確定當前凸輪軸相位，根據當前凸輪軸相位判斷當前需要輸出噴氫、點火控制信號的缸，并對該缸進行相應噴氫和點火設置的步驟具體為若本次捕獲的為寬齒且上一次捕獲的為寬齒，則輸出4缸點火控制信號、輸出1缸噴氫控制信號；若本次捕獲的為寬齒且上一次捕獲的為窄齒，則輸出3缸點火控制信號、輸出2缸噴氫控制信號；若本次捕獲為窄齒而上一次捕獲為寬齒，則輸出2缸點火控制信號，輸出3缸噴氫控制信號；若本次捕獲為窄齒且上一次捕獲為窄齒；則輸出1缸點火控制信號、輸出4缸噴氫控制信號。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，寬齒齒缺對應角度小于45度，窄齒齒缺對應角度大于45度；所述利用凸輪軸信號確定當前捕獲到的齒型為寬齒還是窄齒的步驟具體為1)當凸輪軸信號電平發生變化時，捕獲當前信號，同時檢測當前信號的電位，如果當前電位為低電平，則為下降沿；如果當前電位為高電平，則為上升沿；一個整齒的周期從下降沿開始；2)根據下降沿和上升沿的時間差計算出低電平的時間，根據上升沿和下降沿的時差計算出高電平的時間；3)利用高電平的寬度和凸輪軸信號周期的寬度計算出占空比，如果占空比大于50%， 則為寬齒，否則為窄齒。
全文摘要
本發明公開了一種基于凸輪軸信號的氫燃料發動機控制方法，該方法采用的凸輪軸齒盤包括2個寬齒和2個窄齒，2寬齒相鄰，2窄齒相鄰，每個齒的齒寬和齒缺寬度之和對應的凸輪軸角度都是90度；根據凸輪軸齒盤的安裝機械位置，確定各缸點火時和噴氫時對應的凸輪軸相位；凸輪軸齒盤每轉動90度控制一次；每次控制時，利用凸輪軸信號確定當前捕獲到的齒型為寬齒還是窄齒；根據本次和上一次捕獲的齒型確定當前凸輪軸相位，根據當前凸輪軸相位判斷當前需要輸出噴氫、點火控制信號的缸，并對該缸輸出相應控制信號。使用本發明能夠提高控制準確性，避免相位判斷錯誤造成的發動機機的回火、后燃等不正常燃燒現象。
文檔編號F02D43/00GK102352798SQ20111033637
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月29日 優先權日2011年10月29日
發明者劉興華, 劉福水, 王道靜 申請人:北京理工大學