Электронная система синхронизации зажигания для двигателя и способ ее реализации - RU2121073C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к электронной системе зажигания и способу реализации для двигателя внутреннего сгорания и, в частности, к средствам, применяемым в двигателях с искровым зажиганием.

Поскольку в последнее время уровень сложности и надежности селектронных блоков и систем обработки информации возрос на несколько порядков, электронные системы управления стали часто применяться в автомобилях, выполняя функции, которые ранее выполняли механические и/или электромеханические блоки и системы. Кроме того, наличие таких электронных блоков и систем открыло возможности для непредвиденных разработок и усовершенствований в области управления циклами сгорания в двигателе внутреннего сгорания.

Многие автомобили в настоящее время изготавливаются с установленными на борту компьютерами и/или блоками управления двигателем (БУД) для управления последовательными стадиями сгорания в соответствующих цилиндрах двигателя. При этом используется обычно двигатель дизельного типа, и БУД подает синхронизирующие сигналы управления для управления процессом зажигания и последовательностью действий форсунок и искрового зажигания, обеспечивая оптимальную работу двигателя. В качестве исходных сигналов зажигания на БУД в известных устройствах, как правило, подаются сигналы положения и поворота двигателя, а также сигналы, определяющие соответствующий цилиндр и положение верхней мертвой точки. Обычно такие сигналы подаются серией зубчатых колес, синхронно вращаемых коленчатым валом двигателя, имеющих на своей поверхности множество прорезей/выступов, которые производят передачу импульса, обнаруживаемого датчиком. Частота повторения этих импульсов прямо связана со скоростью вращения двигателя, и по положению импульсов можно определить различные точки цикла двигателя. Установка таких зубчатых колес или дисков с прорезями с внешней стороны двигателя добавляет еще одно устройство в систему и усложняет механическую часть двигателя. Кроме того, серия подаваемых импульсов обычно применяется для включения счетчиков или других устройств, создающих сигналы временной синхронизации при управлении очередностью стадий сгорания. К недостатку описываемых устройств следует отнести возникновение ошибок синхронизации, если между двумя последовательными моментами синхронизации будет меняться число оборотов двигателя. Например, если управляющие сигналы синхронизированы по времени, а число оборотов должно увеличиться, эти управляющие сигналы могут запаздывать на некоторый угол вместо того, чтобы в идеале немного опережать.

Наиболее близким техническим решением из известных является изобретение по Европейскому патенту N 0342376, МПК⁶ F 02 P 7/077 от 20.04.89 , в котором представлена электронная система синхронизации зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая датчик положения зубцов шестерни двигателя для обнаружения вращения шестерни двигателя, формирующий сигнал при прохождении каждым зубцом шестерни упомянутого датчика, датчик фазы двигателя, формирующий сигнал фазы двигателя при каждом цикле работы двигателя, средство формирования опорного сигнала цикла для каждого отдельного цилиндра двигателя для обеспечения синхронизации, формируемого сигналом высокой разрешающей способности вращения двигателя и сигналом фазы двигателя, так что заранее определенное количество импульсов указанного сигнала вращения двигателя для одного цикла работы двигателя в соответствии с сигналом фазы двигателя разделяется на N равных интервалов синхронизации для каждого цилиндра, причем каждый интервал синхронизации маркируется опорным маркером цикла цилиндров, и средство для управления синхронизацией процесса сгорания в соответствующих цилиндрах двигателя, в соответствии с упомянутым сигналом вращения двигателя, сигналом фазы двигателя и опорными маркерами цикла цилиндров с возможностью точного управления указанной синхронизацией процесса сгорания для совпадения с заданным рабочим положением двигателей.

Кроме того, в указанном изобретении раскрыт способ электронной синхронизации, соответствующий упомянутому патенту.

Настоящее изобретение было разработано с целью создания улучшенных системы и способа электронной синхронизации двигателя, которые могут обеспечить синхронизирующие управляющие сигналы двигателя высокой разрешающей способности, используемые для управления заданной последовательностью процесса сгорания.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения имеется электронная система синхронизации для двигателя внутреннего сгорания, содержащая:
датчик положения зубца шестерни двигателя для обнаружения вращения шестерни двигателя, где каждый зубец шестерни на периферии шестерни обнаруживается, когда он проходит этот датчик положения зубца шестерни для формирования сигнала зубца шестерни;
датчик фазы двигателя для обнаружения фазы работы двигателя и для формирования сигнала фазы двигателя каждый цикл работы двигателя;
средство умножения сигнала для умножения сигнала зубца шестерни на целое число, краткое числу N цилиндров в двигателе, для получения сигнала вращения двигателя высокой разрешающей способности в виде последовательности импульсов, причем каждый импульс в этой последовательности импульсов указывает на заранее определенное угловое смещение двигателя;
средство для формирования опорного сигнала цилиндров двигателя для инициирования синхронизирующего действия для каждого отдельного цилиндра, где опорный сигнал цикла цилиндров формируется в ответ на сигнал вращения двигателя высокой разрешающей способности и на сигнал фазы двигателя, так что заранее определенное количество импульсов сигнала вращения двигателя высокой разрешающей способности, соответствующее одному циклу работы двигателя, как указано сигналом фазы двигателя, разделяется на N равных интервалов синхронизации двигателя, причем каждый интервал синхронизации двигателя маркирован опорным маркером цикла цилиндра; и
средство управления синхронизацией процесса сгорания в соответствующих цилиндрах двигателя в ответ на сигнал вращения двигателя высокой разрешающей способности, на сигнал фазы двигателя и на опорный маркер цикла цилиндров, причем при работе синхронизация процесса сгорания может более точно управляться, чтобы совпадать с желаемым рабочим положением двигателя.

Предпочтительно, чтобы это средство умножения сигнала было замкнутой схемой с фазовой автоматической подстройкой частоты.

Предпочтительно, чтобы средство управления синхронизацией процесса сгорания содержало ряд программируемых синхронизаторов, способных создавать программируемую задержку, определяемую в терминах ряда импульсов сигнала вращения двигателя высокой разрешающей способности, подаваемого к синхронизаторам от средства умножения сигнала, для управления синхронизирующим действием для каждого цилиндра с использованием опорных маркеров цикла цилиндра в качестве опорного временного сигнала.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения имеется способ электронной синхронизации для двигателя внутреннего сгорания, включающий в себя:
обнаружение вращения шестерни двигателя, где каждый зубец шестерни на периферии шестерни обнаруживается с формированием сигнала зубца шестерни;
обнаружение фазы работы двигателя и формирование сигнала фазы двигателя каждый цикл работы двигателя;
умножение сигнала зубца шестерни на целое число, кратное числу N цилиндров в двигателе, для получения сигнала вращения двигателя высокой разрешающей способности в виде последовательности импульсов, причем каждый импульс в этой последовательности импульсов указывает на заранее определенное угловое смещение двигателя;
формирование опорного сигнала цикла цилиндра для инициирования синхронизирующего действия для каждого отдельного цилиндра двигателя, где опорный сигнал цикла цилиндра формируется в ответ на сигнал вращения двигателя высокого разрешения и на сигнал фазы двигателя, так что заранее определенное количество импульсов сигнала вращения двигателя высокого разрешения, соответствующее одному циклу работы цилиндра, как указано сигналом фазы цилиндра, разделяется на N равных интервалов синхронизации цилиндра, причем каждый интервал синхронизации цилиндра маркируется опорным маркером цикла цилиндра; и управление синхронизацией процесса сгорания в соответствующих цилиндра двигателя в ответ на сигнал вращения двигателя высокой разрешающей способности, на опорные маркеры цикла цилиндра и на сигнал фазы цилиндра, причем при работе синхронизации процесса сгорания в каждом цилиндре двигателя может управляться более точно, чтобы совпадать с желаемым рабочим положением двигателя.

Предпочтительно, чтобы этап управления процессом сгорания включал создание программированной задержки, определяемой в терминах количества импульсов сигнала вращения двигателя высокой разрешающей способности для управления синхронизирующим действием для каждого цилиндра с использованием опорных маркеров цикла цилиндра в качестве сигналов синхронизации.

Для того чтобы облегчить лучшее понимание характера этого изобретения, теперь будет описан предпочтительный пример его осуществления для электронной системы синхронизации двигателя и способа ее работы со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых фиг.1-3 это функциональные блок-схемы предпочтительного примера осуществления электронной системы синхронизации двигателя для шестицилиндрового двигателя с искровым зажиганием и с впрыскиваемым топливом.

В австралийской заявке N PL6346 описывается блок управления двигателем (БУД), предназначенный для осуществления "дистанционного" управления двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием, работающим на газовом топливе. PL6346 содержит контроллер БУД, обычно это микропроцессорный контроллер с основными командами скорости вращения двигателя и положения регулятора. Скорость вращения двигателя определяется датчиком числа оборотов, которой генерирует сигнал, указывающий на скорость вращения двигателя. Датчик поворота выдает сигнал, имеющий синусоидальную форму, частотные характеристики и характеристики напряжения которого меняются в зависимости от скорости вращения двигателя. Реальная скорость вращения двигателя определяется с помощью БУД путем измерения интервала времени между определенным количеством максимумов и минимумов сигнала.

Желательно, чтобы сигнал от датчика поворота использовался в системе электронной синхронизации двигателя для генерирования управляющих сигналов синхронизации двигателя для осуществления управления распределением времени между инжектированием топлива и зажиганием. Управляющие сигналы синхронизации связаны с положением вращающегося двигателя и рассчитываются по углу смещения. Это уменьшает погрешность при распределении времени, которая может возникнуть между двумя последовательными расчетами распределения времени в случае изменения скорости вращения двигателя. Поскольку сигналы синхронизации зависят от угла, они могут сохранить свое значение, по крайней мере, таким, какое было рассчитано во время последней настройки, несмотря на изменения скорости вращения двигателя.

Рассматриваемый вариант системы электронной синхронизации генерирует управляющие сигналы для шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, работающего на газовом топливе. Каждый цилиндр двигателя (не показано) имеет источник зажигания, как правило, свечу зажигания, топливную форсунку, приводимую соленоидом, аналогичную описанной в австралийской заявке N PL6494 или PL6495. В двигателе имеются три катушки зажигания (не показаны), каждая из которых зажигает по две свечи зажигания одновременно. Функция системы синхронизации двигателя в рассмотренном варианте заключается в генерировании точных управляющих сигналов синхронизации и передаче их на топливные форсунки и на катушки зажигания. Инжектирование и зажигание осуществляются в чередующихся цилиндрах и отрегулированы таким образом, что возникают в оптимальные моменты времени относительно времени и длительности открытия клапана цилиндра. В рассматриваемой системе время возникновения и длительность таких управляющих сигналов синхронизации в конечном счете связаны с сигналом, сформированным датчикам положения (не показан), установленным таким образом, чтобы выдавать импульсные сигналы фазы двигателя точно по одному на два оборота двигателя, предпочтительно с возможностью указания верхней мертвой точки двигателя. Полный цикл четырехтактного двигателя состоит из двух поворотов двигателя и, таким образом, сигнал фаз двигателя представляет собой абсолютный эталонный сигнал начала цикла.

Датчик вращения двигателя, обычно индуктивного типа (магнитный или катушечный), размещают на двигателе в непосредственной близости к зубцам колесной передачи махового колеса двигателя (не показан). Этот датчик оборотов выдает сигнал в форме синусоиды, частотные характеристики и характеристики напряжения которого меняются в зависимости от скорости вращения двигателя. Максимумы и минимумы на этой синусоиде соответствуют воздушным зазорам между зубцами махового колеса. Как сигнал фазы двигателя, так и сигнал вращения двигателя или сигнал зубцов махового колеса применяются в рассматриваемой системе электронной синхронизации двигателя и в сочетании могут дать информацию о рабочем положении двигателя.

Система синхронизации двигателя содержит устройство 10 генерирования сигнала начала цикла сгорания в двигателе на основании определенного рабочего положения двигателя, которое задается сигналом фазы двигателя и сигналом о положении зубца махового колеса. Эта система содержит также устройство 12 регулирования чередования процессов сгорания в соответствующих цилиндрах двигателя, воспринимающее сигнал начала цикла сгорания в двигателе, благодаря чему при эксплуатации можно точно регулировать время распределения сгорания в каждом цилиндре, обеспечивая его синхронизацию с нужным рабочим положением двигателя. Желательно, чтобы устройство 10 содержало блок 14 умножения, который увеличивает частоту сигнала о положении зубца махового колеса в 12 раз (в случае шестицилиндрового двигателя). Таким образом, два поворота двигателя всегда можно разделить на интервалы, число которых может дойти до 6 (в случае шестицилиндрового двигателя) или до 8 интервалов (в случае восьмицилиндрового двигателя) при равных угловых смещениях. Блок 14 усиления обычно представляет собой замкнутый фазовый контур. Выходящий из замкнутого фазового контура 14 сигнал имеет интервалы синхронизации, которые представляют собой целые числа, кратные сигналу о положении зубца махового колеса, который затем можно использовать для улучшения разрешения и стабильности сигнала управления синхронизацией.

Устройство 10 генерирования сигнала начала цикла сгорания в двигателе также содержит блок 16 формирования временных интервалов цикла работы цилиндра для генерирования основного импульса начала синхронизации, который является замкнутым контуром, связанным с вращением двигателя, и выполняет функцию управления работой каждого отдельного цилиндра. Для шестицилиндрового двигателя блок 16 выдает основной импульс начала синхронизации или фиксированных моментов через каждые 120^o, а для восьмицилиндрового двигателя он генерирует основной импульс начала синхронизации или фиксированных моментов через каждые 90^o. Блок 16 фиксирования моментов цикла работы цилиндра включается сигналом фазы двигателя и зависит от усиленного сигнала о положении зубцов махового колеса, идущего от замкнутого фазового контура 14 к источнику хронометрирования. Таким образом, для рассматриваемой системы, которая предполагает шестицилиндровый двигатель, сигнал от махового колеса в блоке 14, увеличенный в 12 раз, вызывает сигнал начала точно 1/3 цикла, который возникает при любом нечетном или четном количестве зубцов на маховом колесе двигателя, связанного с положением вращающегося двигателя, или с фазой двигателя, на что указывает сигнал фазы двигателя.

Датчик 18 задержки запаздывающей мертвой точки выдает основной сигнал фазовой синхронизации двигателя (запаздывающий сигнал фазы двигателя), который точно устанавливается в известном и заданном положении относительно положения вращающегося двигателя, например, фактически верхняя или нижняя мертвая точка конкретного цилиндрического поршня при разрешении, определяемом усиленным сигналом положении махового колеса сформированная блоком 14, который используется в качестве хронометрирующего источника. Основной сигнал фазовой синхронизации двигателя от датчика 18 задержки проходит через блок запаздывания мертвой точки 20 перед тем, как он принимается блоком 16.

Устройство 12, предназначенное для регулирования последовательности стадий сгорания в соответствующих цилиндрах двигателя, содержит временной распределитель управляющих сигналов 22 для создания сигналов синхронизации, которые определяют цикла работы для каждого цилиндра двигателя на основании интервалов распределения моментов цикла работы цилиндра, которые создаются блоком 16. Сигналы, управляющие синхронизаций, идущие от распределителя 22, состоящие из шести импульсов, которые возникают последовательно на выходах 1-6 распределителя, подаются в качестве стробирующих импульсов к соответствующим датчикам задержки до включения инжектора 24 и к датчикам задержки до включения катушки 26.

В системе используются шесть датчиков задержки до включения инжектора 24, по одному на каждый топливный инжектор, и три датчика задержки до включения катушки 26, по одному на каждую катушку зажигания. Каждый из датчиков 24 создает программируемую задержку на основании угла поворота двигателя, который зависит от управляющих сигналов синхронизации последовательности работы каждого из цилиндров от распределителя 22. Эта программируемая задержка указывает точку, в зависимости от положения двигателя, в которой соответствующий по порядку инжектор получил команду открыться. Аналогично каждый из датчиков 26 производит программируемую задержку на основании угла поворота двигателя, зависящего от управляющего сигнала синхронизации отдельного цилиндра от распределителя 22. Эта программируемая задержка является точкой, в зависимости от угла поворота двигателя, в которой следующая по порядку пара катушек зажигания соответствующего цилиндра получает команду начать зарядку.

В данном варианте изобретения датчики 18, 24 и 26 представляют собой программируемые счетчики, соединенные с контроллером через общую шину (не показано). В левом верхнем углу на фиг.1 показан интерфейс 27, который дает возможность контроллеру посылать и получать управляющие и информирующие сигналы асинхронно по отношению к различным элементам системы синхронизации зажигания двигателя. Общая шина показана линиями информации, адреса, чтения и записи. Показаны также линии синхронизирующих импульсов, управляемых кристаллом, и линия возврата, управляемая процессором. Как описывается в PL6346, контроллер подсчитывает каждую задержку и время включения в работу инжектора, а также предстоящее зажигание искрой и время включения катушки для каждой пары катушек зажигания. В случае использования датчиков 18, 24 и 26 расчет распределения времени представлен в виде расчетной величины, указывающей на длительность задержки в количестве интервалов 1/12 зубцов махового колеса (приблизительно 0,2^o поворот), которые подаются на датчики 18, 24 и 26 из контура 14.

Контроллер рассчитывает новые значения с достаточно высокой скоростью, так что значение максимальной скорости вращения двигателя на каждой из датчиков 24 и 26 изменяется, по крайней мере, один раз в интервале между двумя соседними сигналами зазора между зубцами, полученными от распределителя 22. Расчетное значение для устройства задержки до включения инжектора подается на все датчики 24 одновременно, хотя для каждого конкретного цилиндра это значение может быть изменено несколько раз до получения последовательного сигнала зазора между зубцами. Поскольку фактическая программируемая задержка определена в значениях 1/12 импульса от махового колеса, точно его можно выразить в значениях угла поворота кривошипа до достижения мертвой точки независимо от скорости вращения двигателя. Кроме того, этот угол, связанный с программируемой задержкой, по крайней мере, сохраняет рассчитанное заранее установленное значение независимо от изменений скорости вращения двигателя.

Если следующему по порядку инжектору пришла команда открываться, соответствующий датчик - один из второй группы датчиков, а именно датчик включения инжектора 28 - регулирует время, на которое следующий по порядку инжектор остается открытым. В отличие от датчиков 24 и 26 датчики 28 хронометрируются кварцевым источником регулирования времени, генерирующим обычно импульсные сигналы с частотой 1 МГц или больше. Контроллер рассчитывает время включения в долях миллисекунды и выдает это значение на датчик времени включения инжектора 28 для регулирования длительности электрического управляющего сигнала, подаваемого на узел, включающий инжектор 30, как описывается в австралийской заявке N PL6494, каждый инжектор снабжен схемой включения, что дает возможность его быстро включать, при этом уменьшая до минимума нагревание от прохождения электрического тока в электромагнитной катушке, находящейся внутри. Сначала от схем включения инжектора подается полная разность потенциалов на катушку инжекторов, позволяя току достичь своего максимального значения, что приводит к быстрому открыванию соответствующего инжектора. Затем схема понижает величину тока до минимально необходимого для сохранения инжектора в открытом положении в течение времени работы (включения) инжектора. Время задержки открытия и закрытия инжекторов входит в расчетные величины и времени включения инжектора, рассчитанного контроллером.

Три датчика 32 включения катушек регулируют время, необходимое следующей по порядку катушке зажигания достичь установленного для нее значения зарядного тока. Это программируемое время, рассчитываемое контроллером в значениях 1/12 от импульсов махового колеса, идущих от блока 14. Расчетная величина записывается для каждого датчика катушек 32 контроллером таким же образом, как для датчиков 24 и 26. Интерфейс узла 34, включающего катушки, получает управляющий сигнал от соответствующего датчика 32 и генерирует смещенный управляющий сигнал более высокого уровня, пригодный для передачи в силовую схему дистанционного включения катушки.

Устройство 12, кроме того, содержит конечную часть схемы генератора чередования 36, которая выдает выходные сигналы при задержке с обоих сторон (датчик 24 для цилиндра 4 и датчик 26 для цилиндров 3 и 4) на инжектор, а процесс зажигания цикла для последнего цилиндра начался. Это контрольный сигнал, показывающий, что все датчики в ряду всех задержек успешно начали и завершили подсчет. Торец счетчика 38 используется контроллером для расчета окончания последовательного импульса на выходе генератора чередований 36 и применяется для принятия решений в процессе оценки. Окончания чередующихся импульсов с выхода генератора чередований 36 подаются также в блок 20 запаздывания верхней мертвой точки как ЯСНЫЙ сигнал. Функцией блока 20 запаздывания верхней мертвой точки является улавливание ранних или поздних сигналов фаз двигателя относительно окончания последовательных импульсов, каждый из которых мог быть вызван ошибочно в условиях электрических помех или из-за неисправности датчика или схемы. Это приостановит процесс инжектирования/зажигания до начала нового действительного цикла сгорания под воздействием следующего импульса от датчика фазы двигателя, что предпочтительнее возможности начала синхронизации инжектирования и зажигания в ошибочный момент времени.

Все функции управления осуществляются функциональными блоками электронной системы синхронизации, описанной выше, например, распределитель 22 и датчики/счетчики 24, 26, 32 работают на стандартных цифровых интегральных кристаллических схемах. Однако для специалистов в области электроники очевидно, что одни и те же функции управления могли выполняться схемами разнообразного вида, например, единой обычно сконструированной интегральной схемой, использующей Программируемую Логическую схему. И наоборот, отдельный микропроцессор контроллера также может выполнять функции синхронизации.

Учитывая изложенное выше, можно сделать вывод о том, что в описанный вариант системы можно вносить огромное количество изменений и модификаций в дополнение к тем, которые уже здесь рассмотрены, не отступая от основных концепций изобретения. Например, не будет серьезным отступлением, если сигнал начала цикла двигателя будет основываться на выходном сигнале от датчика положения зубцов махового колеса. Можно применять любое устройство, пригодное для определения рабочего положения двигателя.

Реферат

Изобретение относится к электронной системе зажигания и способу ее реализации для двигателя внутреннего сгорания, в частности, к средствам, применяемым в двигателях с искровым зажиганием. Электронная система синхронизации зажигания для двигателя внутреннего сгорания включает датчик положения зубцов шестерни двигателя для обнаружения вращения шестерни двигателя, формирующий сигнал при прохождении каждым зубцом шестерни упомянутого датчика, и датчик фазы двигателя, формирующий сигнал при каждом цикле работы двигателя. Система включает также средство умножения сигнала о положении зубцов шестерни на целое число, кратное числу N цилиндров в двигателе, для получения сигнала высокой разрешающей способности вращения двигателя в виде последовательности импульсов, каждый из которых в этой последовательности указывает заранее определенное угловое смещение двигателя. Система содержит средство формирования опорного сигнала цикла для каждого цилиндра двигателя для обеспечения синхронизации. Заранее определенное количество импульсов сигнала вращения двигателя для одного цикла работы в соответствии с сигналом фазы разделяется на N равных интервалов синхронизации для каждого цилиндра, причем каждый интервал синхронизации маркируется опорным маркером цикла цилиндров. Кроме того, система включает средство для управления синхронизацией процесса сгорания в соответствующих цилиндрах двигателя. Изобретение позволяет обеспечить синхронизирующие управляющие сигналы двигателя высокой разрешающей способности. 2 с. и 16 з.п.ф., 3 ил.

Формула