專利名稱：進(jìn)氣道電控噴射的二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其涉及一種進(jìn)氣道電控噴射的二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)由于沒有復(fù)雜的氣門結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、重量輕，同時(shí)在相同排量下，其輸出的功率接近四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的兩倍，因此二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的功重比較高。在航空領(lǐng)域中，低速飛機(jī)至今仍然以活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳作為動(dòng)力，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)有很高的功重比，所以在航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，火花點(diǎn)火二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)受到青睞。目前，國內(nèi)外絕大多數(shù)火花點(diǎn)燃的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)均以汽油為燃料。然而汽油的閃點(diǎn)在零度以下，這就意味著在常溫下只要遇明火就會(huì)著火，這是個(gè)嚴(yán)重的安全隱患，同時(shí)汽油的揮發(fā)性強(qiáng)，會(huì)給運(yùn)輸和使用造成許多不便。尤其是在航空領(lǐng)域，對(duì)燃油的使用安全性要求較高，因此迫切需要尋找安全可靠的燃料來替換汽油燃料。與汽油相比，煤油的粘度大、 閃點(diǎn)高、揮發(fā)性弱、不易著火、能量密度高，其在能量密度、儲(chǔ)運(yùn)及安全等方面具有許多優(yōu)勢(shì)。此外煤油的價(jià)格也比汽油低，因此，研究火花點(diǎn)燃的二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)具有重要的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益。目前，國內(nèi)對(duì)二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要是在已有二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上改燒煤油。實(shí)踐證明，以煤油為燃料而按汽油機(jī)方式運(yùn)行的往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作得較好。然而，由于煤油的運(yùn)動(dòng)粘度是汽油的兩到三倍，這就意味著其流動(dòng)阻力大，從而煤油的霧化效果要比汽油差很多，這是目前汽油機(jī)改燒煤油時(shí)需要著重解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種對(duì)煤油燃料霧化效果好的進(jìn)氣道電控噴射二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)包括二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、噴油器、煤油供油系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，所述煤油供油系統(tǒng)是由電動(dòng)燃油泵、壓力調(diào)節(jié)器、濾清器通過相應(yīng)管路連接構(gòu)成，電控系統(tǒng)用于控制噴油器和電動(dòng)燃油泵，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油過程的控制，噴油器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的節(jié)氣門體與簧片閥之間。所述電控系統(tǒng)是由傳感器單元和電控單元組成。所述煤油供油系統(tǒng)的油軌中的油壓大于4bar壓力。所述傳感器單元包括節(jié)氣門位置傳感器、曲軸位置傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器及缸體溫度傳感器。所述曲軸位置傳感器是由一個(gè)分度盤和兩個(gè)光電對(duì)管組成，在分度盤的徑向方向開有60個(gè)等間距的梯形槽，其中1個(gè)為深槽，其余59個(gè)為淺槽，在安裝時(shí)深槽與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的上止點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)。技術(shù)效果
本發(fā)明提高了二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)煤油燃料的霧化效果，從而提高了二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。相比二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，本發(fā)明提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全性，大大降低了使用成本，尤其在航空領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)名稱1、曲軸位置傳感器；2、曲軸；3、二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體；4、電控單元 (ECU) ；5、節(jié)氣門位置傳感器；6、缸體溫度傳感器；7、進(jìn)氣壓力傳感器；8、進(jìn)氣溫度傳感器； 9、節(jié)氣門體；10、濾清器；11、15為供油管路；12、壓力調(diào)節(jié)器；13、回油管路；14、電動(dòng)燃油泵；16、油箱；17、噴油器；18、簧片閥。圖2為電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖3為電控系統(tǒng)主程序流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明是在現(xiàn)有二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)完成的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體3、噴油器17、煤油供油系統(tǒng)及電控系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體3完全保留原型機(jī)的構(gòu)造，為兩缸直列二沖程風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)，采用簧片閥進(jìn)氣方式。發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸各有一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)氣道，在各進(jìn)氣道的節(jié)氣門體與簧片閥之間均安裝一個(gè)噴油器，發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道電控多點(diǎn)順序噴射。煤油供油系統(tǒng)與普通汽油供油系統(tǒng)基本相同，是由電動(dòng)燃油泵14、壓力調(diào)節(jié)器 12、濾清器10通過供油管路11、15和回油管路13連接構(gòu)成，電動(dòng)燃油泵14設(shè)置于油箱16 內(nèi)。為了提高煤油的噴射霧化效果，需要適當(dāng)增大壓力調(diào)節(jié)器12中彈簧的預(yù)緊力，使油軌中的燃油壓力提高到4bar壓力以上。電控系統(tǒng)用于控制噴油器17和電動(dòng)燃油泵14，電控系統(tǒng)是由傳感器單元和電控單元4(ECU)組成，電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器單元包括節(jié)氣門位置傳感器5、曲軸位置傳感器1、進(jìn)氣壓力傳感器7、進(jìn)氣溫度傳感器8及缸體溫度傳感器6，其中較重要的是決定發(fā)動(dòng)機(jī)工況的曲軸位置傳感器1和節(jié)氣門位置傳感器5，兩者決定了發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)工況下的基本噴油量和噴油時(shí)刻等重要參數(shù)。ECU的硬件結(jié)構(gòu)主要包括傳感器信號(hào)調(diào)理電路、 微控制器、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路以及CAN通信電路，微控制器采用MC9S12DP512系列微控制器。 ECU的軟件程序主要包括主程序、中斷服務(wù)程序和任務(wù)服務(wù)程序。主程序用于初始化系統(tǒng)， 判斷工況以及計(jì)算當(dāng)前工況的噴油數(shù)據(jù)等，主程序流程如圖3所示；中斷服務(wù)程序包括AD 中斷程序、曲軸位置信號(hào)捕捉中斷程序和CAN接收中斷程序，AD中斷程序用于完成模擬量信號(hào)AD轉(zhuǎn)換，曲軸位置信號(hào)捕捉中斷程序用于確定曲軸位置并控制相應(yīng)噴油器噴油，CAN 接收中斷程序用于接收上位機(jī)發(fā)送來的指令等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)；任務(wù)服務(wù)程序完成對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的計(jì)算任務(wù)，用于被主程序和中斷服務(wù)程序調(diào)用。ECU支持與上位機(jī)的 CAN通信，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。曲軸位置傳感器1是由一個(gè)分度盤和兩個(gè)光電對(duì)管組成，分度盤的徑向方向開有 60個(gè)等間距的梯形槽，其中1個(gè)為深槽，其余59個(gè)為淺槽，安裝時(shí)深槽與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸2的上止點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)。兩個(gè)光電對(duì)管分別安裝在分度盤的徑向方向，其中1號(hào)光電對(duì)管用于感應(yīng)深槽，當(dāng)深槽轉(zhuǎn)到該對(duì)管位置時(shí)，該光電對(duì)管上產(chǎn)生曲軸上止點(diǎn)信號(hào)；2號(hào)光電對(duì)管用于感應(yīng)淺槽，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)時(shí)，該光電對(duì)管上產(chǎn)生60個(gè)等間距的曲軸角度脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)6度曲軸角度，這樣通過計(jì)量脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，即可得到當(dāng)前的曲軸角度。節(jié)氣門位置傳感器5安裝在節(jié)氣門體9上的節(jié)氣門軸的一端，其工作原理與滑動(dòng)電阻器相同，其作用是檢測(cè)節(jié)氣門開度和加減速信號(hào)，通過ECU對(duì)節(jié)氣門開度信號(hào)進(jìn)行處理，即可判定加減速信號(hào)和負(fù)荷大小。缸體溫度可用于指示發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度，對(duì)應(yīng)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度范圍，E⑶應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性進(jìn)行相應(yīng)修正和補(bǔ)償。進(jìn)氣溫度會(huì)影響進(jìn)氣密度，所以會(huì)影響進(jìn)氣質(zhì)量， 從而影響所需的燃油量，故需要根據(jù)進(jìn)氣溫度對(duì)噴油量進(jìn)行進(jìn)一步的修正補(bǔ)償。由于海拔高度的不同，進(jìn)氣壓力也會(huì)發(fā)生變化，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。根據(jù)噴油器的工作過程可知，當(dāng)噴油脈沖到來時(shí)，要經(jīng)過一定時(shí)間后針閥才能達(dá)到最大行程，而脈沖結(jié)束后，也要經(jīng)過一定時(shí)間后才落座，這兩段時(shí)間之和稱為噴油器的無效噴射時(shí)間。無效噴射時(shí)間隨蓄電池電壓的變化而變化，在蓄電池電壓高時(shí)，線圈驅(qū)動(dòng)電流增大， 針閥上升迅速，無效噴射時(shí)間減少，從而噴射量增大。因此，必須對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行監(jiān)控，確保在蓄電池電壓波動(dòng)的情況下相同的噴射脈寬對(duì)應(yīng)相同的燃油噴射量。各傳感器的采集信號(hào)經(jīng)過E⑶的信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后輸入到微控制器中，微控制器按照設(shè)定的軟件程序運(yùn)行。ECU采用基于插值算法的噴油控制策略，根據(jù)節(jié)氣門開度信號(hào)和當(dāng)前轉(zhuǎn)速得到當(dāng)前的基本噴油脈寬。節(jié)氣門開度坐標(biāo)的單位定義為將節(jié)氣門從0到 100%的開度范圍平均分為250等份，每一份為一個(gè)坐標(biāo)單位。ECU對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行分析判斷，得出發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的工作工況以及相應(yīng)的工況修正系數(shù)，并根據(jù)工況的不同以及進(jìn)氣溫度、缸體溫度、進(jìn)氣壓力、蓄電池電壓等運(yùn)行參數(shù)對(duì)基本噴油量進(jìn)行修正，從而得到最終的噴油脈寬。涉及的工況主要有起動(dòng)工況、怠速工況、加/減速工況、穩(wěn)定工況和限速斷油等。各工況下噴油脈寬的計(jì)算公式為Tp = Tb (1+KJ +Tat+Tbt+Tap+Tbv式中Tp為最終噴油脈寬；Tb為基本噴油脈寬；Kas為工況修正系數(shù)；Tat為進(jìn)氣溫度修正脈寬；Tbt為缸體溫度修正脈寬；Tap為進(jìn)氣壓力修正脈寬；Tbv為蓄電池電壓對(duì)應(yīng)的修正脈寬。由上式可知，最終噴油脈寬由三部分組成第一部分是基本噴油脈寬，該部分是通過理論計(jì)算和標(biāo)定試驗(yàn)綜合得到的；第二部分是由進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、缸體溫度和蓄電池電壓得到的噴油修正量；第三部分是與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況相關(guān)的噴油修正量。需要說明的是， 基本噴油脈寬、工況修正系數(shù)以及各傳感器信號(hào)修正脈寬的具體數(shù)值與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)，需要通過標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。電控系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的控制系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)涉及的工作狀態(tài)時(shí)刻都可能存在變化，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的實(shí)施和調(diào)整都必須要適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)變化的實(shí)時(shí)性。這里采用“前景/后景”的軟件結(jié)構(gòu)能較好地滿足電控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求?！扒熬?后景”的設(shè)計(jì)思想是將實(shí)時(shí)性要求高的處理過程作為“前景(即中斷服務(wù)程序)”，它們會(huì)立即得到 MCU的響應(yīng)，而前臺(tái)程序執(zhí)行所需要的各種參數(shù)的計(jì)算以及其它實(shí)時(shí)性要求不高的部分，則放在“后景(即主程序)”中進(jìn)行?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)思路，下面再進(jìn)一步對(duì)ECU的軟件程序進(jìn)行說明。
主程序的主要功能是建立工作環(huán)境、系統(tǒng)的初始化和進(jìn)入主循環(huán)部分。系統(tǒng)的初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置、實(shí)時(shí)中斷和其它中斷的設(shè)置、各模塊和I/O 口的功能設(shè)置、控制基本參數(shù)的賦初值和開中斷等。當(dāng)開中斷后，所有已經(jīng)設(shè)置好的中斷功能都會(huì)開始工作。在主循環(huán)中，主要是重復(fù)執(zhí)行任務(wù)服務(wù)函數(shù)程序，任務(wù)服務(wù)程序完成對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的計(jì)算任務(wù)，用于被主程序和中斷服務(wù)程序調(diào)用，具體包括采集計(jì)算子程序、二維插值控制算法子程序、轉(zhuǎn)速周期頻率計(jì)算子程序、濾波程序、各種修正公式計(jì)算子程序、各種輸入信號(hào)AD 轉(zhuǎn)換值和顯示值的轉(zhuǎn)換子程序、節(jié)氣門變化率計(jì)算子程序等。電控單元要控制各缸噴油器在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻噴油，這對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高，因此將控制噴油器噴油的任務(wù)放在曲軸角度信號(hào)的輸入捕捉中斷服務(wù)函數(shù)中完成。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)1號(hào)缸到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，上述1號(hào)光電對(duì)管會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，E⑶捕捉到該信號(hào)后進(jìn)入上止點(diǎn)信號(hào)輸入捕捉中斷服務(wù)程序，在該程序中ECU將曲軸角度信號(hào)脈沖捕捉的計(jì)數(shù)值清零。當(dāng)曲軸再轉(zhuǎn)過6度，即分度盤轉(zhuǎn)過一個(gè)齒后，2號(hào)光電對(duì)管上產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，ECU捕捉到該信號(hào)后進(jìn)入曲軸角度信號(hào)輸入捕捉中斷服務(wù)程序，對(duì)曲軸角度信號(hào)脈沖捕捉的計(jì)數(shù)值加1。 之后曲軸每轉(zhuǎn)過6度，計(jì)數(shù)值就加1，當(dāng)計(jì)數(shù)值為23，即曲軸轉(zhuǎn)過138度時(shí)，在中斷程序中控制2號(hào)缸噴油器噴油(此時(shí)2號(hào)缸的噴油時(shí)刻為該缸上止點(diǎn)前42度，這里只是為了方便說明，實(shí)際噴油時(shí)刻因工況的不同而不同)。然后當(dāng)計(jì)數(shù)值為53，即曲軸相對(duì)1號(hào)缸上止點(diǎn)轉(zhuǎn)過318度時(shí)，在中斷程序中控制1號(hào)缸噴油器噴油。
權(quán)利要求
1.一種進(jìn)氣道電控噴射的二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，包括二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體(3)、噴油器 (17)及煤油供油系統(tǒng)，所述煤油供油系統(tǒng)是由電動(dòng)燃油泵(14)、壓力調(diào)節(jié)器(12)、濾清器 (10)通過相應(yīng)管路連接構(gòu)成，其特征在于還包括用于控制噴油器(17)和電動(dòng)燃油泵(14)的電控系統(tǒng)，噴油器(17)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的節(jié)氣門體(9)與簧片閥(18)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的進(jìn)氣道電控噴射的二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述電控系統(tǒng)是由傳感器單元和電控單元(4)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的進(jìn)氣道電控噴射的二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述煤油供油系統(tǒng)的油軌中的油壓大于4bar壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的進(jìn)氣道電控噴射的二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述傳感器單元包括節(jié)氣門位置傳感器(5)、曲軸位置傳感器(1)、進(jìn)氣壓力傳感器(7)、進(jìn)氣溫度傳感器( 及缸體溫度傳感器(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的進(jìn)氣道電控噴射的二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述曲軸位置傳感器(1)是由一個(gè)分度盤和兩個(gè)光電對(duì)管組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的進(jìn)氣道電控噴射的二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述分度盤的徑向方向開有60個(gè)等間距的梯形槽，其中1個(gè)為深槽，其余59個(gè)為淺槽，在安裝時(shí)深槽與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸O)的上止點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種進(jìn)氣道電控噴射的二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。該發(fā)動(dòng)機(jī)包括發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、噴油器、煤油供油系統(tǒng)及電控系統(tǒng)，噴油器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的節(jié)氣門體與簧片閥之間，電控系統(tǒng)是由傳感器單元和電控單元組成，用于控制噴油器和供油系統(tǒng)中的電動(dòng)燃油泵，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油過程的控制。本發(fā)明是在現(xiàn)有二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提高了煤油燃油的噴射霧化效果，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全性，并降低了使用成本。
文檔編號(hào)F02D41/02GK102383956SQ20111019843
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者張建良, 王春風(fēng), 魏民祥 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)