具有一个或多个汽缸并小于25马力的小型发动机用在很多种应用 中。这些应用包括从单缸割草机到用于园艺机具、便携式发电机和摩 托车的多缸发动机。其他这样的发动机用来给诸如拖拉机挂车这样的 冷藏运输车的冷藏单元供电。使用同类小型内燃机的小型摩托车、机 动自行车和其他类型摩托车在全世界范围内广为应用。有几个这种小 型发动机的制造商，其中包括了，例如，Tecumseh Products Inc.和Briggs and Stratton Corporation。
目前，用于这种发动机的标准燃油输送系统是基于汽化器的系统。 然而，这种基于汽化器的系统的燃油效率相对低，会导致非理想的排 放等级，这是由产生过多的碳氢化合物和蒸汽排放的发动机操作造成 的。另外，基于汽化器的系统通常需要高维护成本并难以调节成最大 效率。基于汽化器的系统有时在某些状况下也可能很难启动，并且若 不产生高等级的有害燃油排放就难以进行操作。在世界的某些地区， 包括美国的某些区域中，迫切需要能消除这些有害燃油排放并能防止 高度污染区域内的空气污染稳定增加的燃油输送系统。
为了改正与基于汽化器的燃油输送系统相关的某些基础问题，已 尝试设计用于小型内燃机的燃油管理系统。这些尝试通常都是基于燃 油喷射器的系统。这些燃油喷射系统大部分都是标准汽车燃油喷射系 统的简单按比例降低的版本。它们通常在30-90psi的燃油压力下操作。 因此，这些系统在应用于25马力或更小时通常受到成本限制。当与这 个马力范围内的内燃机一起使用时，燃油喷射系统的燃油效率也不高， 它们通常需要大量昂贵而复杂的部件。燃油喷射系统还需要大量电能 来操作诸如高压燃油泵这样的系统部件。这种更高的电需求需要增加 相当的发电容量并需要包含与这种更高容量有关的附加发电部件。增 加这些发电设备会导致发动机产生的可用马力显著减少。
为了控制以前公知的基于燃油喷射器的燃油系统内的燃油输送 和，还必须向发动机上添加各种定时和检测部件。例如，使用齿轮和 用于确定曲轴或凸轮轴(camshaft)角度的其他检测设备来确保正好在 适当时间将正好适当数量的燃油输送给汽缸。这些附加部件增加了基 于燃油喷射器的燃油输送系统的成本，并且增加了系统的总的复杂性。
因此，尽管以前对设计燃油喷射输送系统的尝试可能已经克服了 与基于汽化器的燃油输送系统有关的一些问题，但是目前的燃油喷射 系统这样做是以需要昂贵且复杂的系统为代价，而这种昂贵且复杂的 系统包含了相当多的抢夺内燃机大量可用马力的部件。
要注意，本发明人的美国专利US6343596(’596专利)已经公开， 并且包含在本文中作为参考。已公开并要求保护发明的’596专利是本 发明的构思和发展的起始点。本发明是’596专利中的发明的新颖且独 特的修改和改进。具体而言，’596专利中的设备是用在二冲程或四冲 程内燃机中的燃油调节器。该系统包括微处理器、热电偶排气温度传 感器、和安装在位于油箱和汽化器(carburetor)之间的低压燃油输送 (fuel delivery)系统内的燃油调节阀。在操作期间，微处理器不断地 从排气温度传感器接收信号。在’596专利中，把这些信号与存储的温 度范围进行比较来确定当前发动机操作状况下的最优燃油混合(fuel mixture)。如果当前发动机操作状况需要燃油混合的设定发生变化，则 微处理器调节进油管路的(in-line)燃油调节阀的打开程度，从而调节 燃油进入汽化器的流量。
如同’596专利中的设备，本发明也包括微处理器和安装在位于油 箱和汽化器之间的低压燃油输送系统内的燃油调节阀。然而，与’596 专利中的设备不同，本发明并不特别需要排气温度传感器，而是独特 地包含了关于进气温度、发动机温度、节流阀(throttle)位置和火花 点火(spark ignition)的传感器，以便将信号传送给微处理器。同样， 与’596专利中用排气温度作为它的基准控制输入的设备不同，本发明 用火花点火信号作为微处理器内燃油输送操作的基准控制输入。本发 明的微处理器还使用成熟的燃油输送控制方法，例如，包括：将由火 花点火传感器、进气温度传感器、发动机温度传感器和节流阀位置传 感器发送的信号确定的值，与存储在微处理器内各种映射中的值进行 比较。根据目前微处理器的编程参数，微处理器不断地控制和调节燃 油输送系统来输送燃油，以便增加总发动机操作效率。
最后，因为使用本发明的大型发动机的尺寸、复杂性和功能不同， 对’596专利中主要公开的某些部件进行许多改进，从而允许这些部件 按照不同的方式进行操作来实现本发明的更复杂的操作特性。例如， 本发明的燃油泵、燃油阀和节流阀位置开关都是新的和新颖的部件， 这些部件被专门设计用来满足本申请的目的。同样，微处理器的复杂 和完善程度以及它使用的程序都显著增加，以便能使本发明在安装到 大型两冲程和四冲程内燃机时操作效率更大。因此，尽管’596专利的 设备满足在’596专利内考虑的这类发动机所需要满足的目的，但本文 中的设备包括许多改进和附加元件，这些改进和附加元件使得本专利 与’596专利中的设备不同，并且允许本设备与诸如园艺机具和摩托车 内使用的内燃机这样的大型内燃机进行更有效地操作。

根据本发明，提供了一种电子燃油调节系统(下文中称为“EFR 系统”)，其检测各种发动机参数，诸如节流阀位置、发动机RPM、发 动机温度、环境温度、发动机加速/减速、以及发动机负荷，以便控制 输送到多缸内燃机各个汽缸的燃油量。基于微处理器的电子控制单元 使用对于其操作专用的程序来控制独特设计的燃油阀和燃油泵。EFR 系统还在比标准的基于燃油喷射器的燃油管理系统更低的燃油压力下 进行操作。另外，EFR系统给各个汽缸提供有顺序的燃油喷射，并且 能够加快节流阀体的动作或者加快“区域内的(in tract)”顺序喷射。
因为EFR系统的特别设计，整个EFR系统只需具有少量部件并只 需要少量电能来操作。优选地，不包括燃油泵和阀，从EFR系统流出 的电流仅仅为150毫安左右或更少。另外，由于使用了专门的燃油泵 和燃油阀，系统能在5安培以下，优选为小于1安培的条件下进行操 作。
本发明的目的之一是提供约减少20％燃油喷射的EFR系统。另一 目的是提供EFR系统对燃油输送的控制，以便提供更平的扭矩曲线， 从而使来自发动机的可用马力更多。本发明的另一目的是提供一种 EFR系统，其是能充分增加发动机的可用性和效率的精确燃油调节系 统。
本发明的其他目的和特征将部分地是显而易见的，并将部分地在 下文中指出。
附图说明
图1是本发明在草坪和园艺装置上的典型安装的透视图。
图2是表示本发明各个部件之间如何互连的视图。
图3是电子控制单元内的电路总图。
图4是表示燃油阀持续时间计算的处理的流程图。
图5是表示用来连续监视和控制本发明的电子控制单元中整个固 件操作的主处理循环的流程图。
图6是表示主缸(master cylinder)在受本发明的电子控制单元控 制时的多维映射实例的图表。
图7是表示随动缸(slave cylinder)在受本发明的电子控制单元控 制时的多维映射实例的图表。
图8是表示发动机冷启动时的节流(choke)设定值实例的图表。
图9是表示本发明的电子控制单元使用的燃油延迟角映射实例的 图表。
图10表示由本发明的电子控制单元进行的冲程检测的流程图。
图11是包含进气口温度变化补偿值的燃油映射实例。
图12是包含发动机加速或减速补偿值的映射实例。
图13是本发明的电子控制单元使用的燃油阀的分解图。
在这几个附图中，相应的附图标记始终指示相应的部分。

尽管存在许多个本发明的实施例，但本文中描述的具体实施例是 用在双缸内燃机上的电子燃油调节系统，在该双缸内燃机中汽缸排列 成“V”结构(下文中称为“V型双缸发动机”)。图1表示EFR系统 A在园艺拖拉机B上的安装的说明性实施例，园艺拖拉机B具有多缸 内燃机C。
EFR系统的部件
图2是表示EFR系统的各个部件之间如何互连的视图。EFR系统 包括电子控制单元1(下文中称为“ECU”)、燃油泵2、燃油阀3、专 门设计的发动机进气歧管8、和多个传感器，这多个传感器包括关于一 个或多个火花塞的火花传感器4、进气(环境)温度传感器5、发动机 温度传感器6和节流阀位置传感器7。本领域技术人员将能理解，这多 个传感器可以包括用于检测其他环境特性或发动机操作特性的传感 器，并且还保持在本发明的范围内。这些部件通常由装配电路(未图 示)互连起来。尽管不是EFR系统的部件，但EFR系统在燃油管道系 统的协作下进行工作，燃油管道系统引导燃油从油箱9流出，经过燃 油泵2和燃油阀3，经过发动机进气歧管5，最后进入内燃机C的每个 汽缸内。
火花传感器(多个)4、进气温度传感器5、发动机温度传感器6 和节流阀位置传感器7都连接到ECU 1。这些部件产生电信号并将其 发送给ECU 1，这些电信号使ECU 1能确定发动机C的当前操作状态。 ECU 1操作地连接到燃油阀3，并且根据ECU 1内的软件中存在的多 维表来操作燃油阀3，这些多维表可以根据ECU对发动机当前操作状 态的评估来修改，而发动机当前操作状态是通过由上述传感器发送给 ECU 1的各种信号来提供的。附加配线将ECU 1连接到燃油泵2以便 允许燃油泵2的操作受ECU 1的控制。
EFR系统的部件描述
A.ECU
ECU 1是基于微处理器的单元，其调节燃油到内燃机汽缸的流量。 图3提供ECU 1内的电路总示意图。ECU 1包括许多部件并且安装在 独特位置中。以下将全面地描述这些各个特征。
1.ECU内部部件
ECU包括电子电路组件，包含微处理器9、RS 232串行通信端口 10、用于算法和燃油映射存储的非易失存储器11、信号调节电路12、 阀驱动电路13、以及燃油泵驱动电路14。ECU 1还包括输入连接，其 用于节流阀位置输入端15、进气温度输入端16、发动机温度输入端17、 以及火花传感器输入端18和19。在本实施例中，微处理器是摩托罗拉 公司(Motorola)制造的MC68HC908MR16微处理器。这是8位微处 理器，具有8MHz Hc08内核、16KB的系统内可编程FLASH存储器、 768字节的RAM、串行通信控制器、7信道-10位A/D、4个可编程定 时器/计数器、以及6信道脉冲宽度调制(下文中称为“PWM”)性能。
尽管上述微处理器用在本优选实施例中，但将能理解，其他微处 理器可以用于ECU 1，只要该微处理器能处理输入并能产生操作本文 中描述的EFR系统所必需的输出就可以。
2.ECU安装
诸如ECU 1内的那些电子设备通常对诸如热度、湿度和振动这样 的环境因素敏感。由于能与小型发动机共同使用的有限位置，在小型 内燃机上使用这样的电子设备将出现具体的位置问题。因为电子设备 例如ECU 1以前还没有用于小型发动机的喷油系统，现有设计还没有 为那种应用的电子设备确定适当的位置。
然而，本发明将ECU 1定位在独特位置上，这个独特位置提供最 大限度的保护而不受可能不利于ECU 1操作的环境因素影响。这里， 将ECU 1安装在空气滤清器罩内，更具体而言，ECU 1直接安装在空 气滤清器盖或者空气滤清器底板上。这个位置将提供气流，气流围绕 ECU1流动以便防止ECU 1过热。另外，通常封闭的位置是发动机的 最环保区域，并且用来抑制在ECU 1上或周围产生湿气。
3.ECU固件
ECU固件的主要功能是与本文所述规模的内燃机B上的火花塞的 点火协作来控制燃油阀的打开和关闭。根据ECU 1内的二维查找表 (look-up table)来指定燃油阀操作周期的延迟和持续时间。这个查找 表是由节流阀位置开关7(下文为“TPS”)和发动机RPM反馈进行索 引的。另外，能够基于节流需要、进气温度、发动机温度、加速和/或 减速、以及发动机负荷的变化，来自动地调节燃油阀3操作周期的持 续时间。
ECU固件的其他主要特征是自动的动力/进气冲程检测、输出信号 和/或驱动电子燃油泵的输出信号的脉冲宽度调制、软件生成的计时器 (hours meter)、和RS-232接口10，RS-232接口10提供对ECU传感 器的实时监视并允许对多维查找表进行调节。经由连至512字节的电 可擦可编程只读存储器(“EEPROM”)的12C总线来实现对调节参数 的非易失性存储。
这种通过RS 232端口10与ECU 1通信的能力的优点在于，它提 供了改变内部燃油映射值的能力，以便匹配发动机将被运送到的具体 地理位置。例如，对位于科罗拉多州的丹佛的发动机的燃油管理最优 化进行的燃油映射可能与位于佛罗里达州的迈阿密的发动机的燃油映 射不同。如果最初为丹佛调节的发动机重新安置到迈阿密，则RS 232 端口10可供快速修改ECU 1中的内部燃油映射之用。这也避免了需要 在燃油管理系统内寻找折衷设定，折衷设定使用在丹佛或迈阿密的位 置处只能一定程度上地良好工作的燃油映射。作为代替，能对ECU 1 进行编程来管理燃油系统以便最大化功率和效率，同时保持较低的燃 油喷射。
在本实施例中，用汇编语言对微处理器9的ECU固件进行写入。 这可能提供了最快的操作速度和最小的轨迹解决方案(footprint solution)。然而将能理解的是，可以用任何计算机语言对ECU固件进 行写入，只要使用的语言适合与ECU的微处理器一起使用，并且固件 按照本文中的规定来操作就可以。
为了简化程序结构，将固件分成10个主模块以及提供常数和默认 操作值的7个其他模块。下述部分列出所有这些固件模块和其各自的 简要描述。
Calc.asm包含执行所有发动机参数计算的的例程，这些发动机参 数计算包括：温度、空气温度补偿、电池电压、燃油泵PWM参数、 RPM、燃油压力、节流阀位置(“TPS”)、节流、发动机加速/减速、燃 油阀3延迟、以及燃油阀3持续时间。燃油阀计算包括计算发动机火 花检测和燃油输送之间的延迟，以及燃油阀3保持打开的持续时间。 这些计算是对发动机C的每个汽缸来分别执行的。而这些延迟值是直 接从燃油阀延迟表中获得的。可以对持续时间值进行一些调节，该调 节是根据当前操作状况来对它们进行的。图4显示了计算燃油阀3持 续时间的处理的流程图。
Drv2d.asm包含对建立在MC68HC908MR16微处理器9内的7 信道-10位模拟-数字转换器进行控制的例程。模拟输入包括TPS、进 气温度、发动机温度、燃油压力、电池电压和进气口环境温度。
Drveeprm.asm包含将参数存储到EEPROM和从EEPROM检索 参数的例程。这些参数包括燃油阀延迟表、燃油阀持续时间表、节流 参数、TPS校准和计时器。
Drv2c.asm包含对操作12C串行总线所必需的时钟和数据线进行 控制的例程。
Drvpwm.asm包含对微处理器9上的PWM引脚进行初始化和控 制的例程。
Drvsci.asm包含初始化、发送和接收微处理器串行通信接口上的 数据的例程。这个接口用于RS 232通信系统。
Drvtm.asm包含初始化和控制微处理器9的四个定时器/计数器 的例程。这些被用于火花输入、阀输入，也被用于100微秒周期的定 时器。
Math08.ams包含执行软件16x16无符号乘法和32x16无符号除 法函数的例程。
Ppm08.asm包含整个固件的复位开始点、主处理循环和复位向量 表。还包含从EEPROM检索计时器和向EEPROM更新计时器的例程。 计时器是每0.10小时更新一次的。主处理循环用来连续监视和控制 ECU固件的整个操作。图5包含这个例程的流程图。
Serial.asm包含经由RS 232串行端口与发动机监视软件通信的 例程。对串行协议的说明包含在单独的文献中。
Constant.inc包含整个固件中使用的各种常数定义。
Hc08regs.inc包含所有RAM和FLASH存储器定义以及 MC68HC908MR16微处理器9的寄存器定义。
Interp.inc包含用于将来自Motorola MXP5100系列压力传感器的 模拟输入转换成以磅/平方英寸(“PSI”)为单位的数量的查找表。 0.5-4.5VDC模拟输入被转换成0-14.5PSI。
Ram.inc包含固件使用的所有RAM可变存储器定义。
Tables.inc包含燃油阀延迟表、燃油阀持续时间表、加速/减速表、 节流、燃油泵2、电池补偿表、启动(priming)和TPS校准的默认值。
Thermist.inc包含用来将来自热敏电阻的模拟输入转换成以℃ 为单位的温度的查找表。0-5VDC的模拟输入被转换成-40-+125℃。 这个表用于环境、发动机和进气温度的计算。
尽管ECU的固件被分成上述固件模块，但将能理解，可以按照任 何方式组织ECU固件，并且ECU固件可以包括任意数量的模块，只 要固件至少执行本文中所述的ECU功能。
4.ECU多维映射
ECU 1配备有多个电子映射，ECU 1使用这些映射来最优化发动 机B的操作。尽管这多个电子映射的内容和数量按照需要而变化，以 适应每个具体的小型内燃机应用，但这多个电子映射将至少包括本文 中确定的那些映射。
在本实施例中，这多个电子映射用在V型双缸发动机应用中，其 中任意地将双缸之一指定成“主缸”，而任意地将另一汽缸指定成“随 动缸”，提供两组多维映射，一组用于主缸，一组用于随动缸。这些映 射各自包含两个维度，其中垂直维度是节流阀位置开关7的位置，而 水平维度是发动机RPM。TPS用节流阀位置相对于其最大打开位置的 百分比来表示。对于这两个变量的每个交点，存在具体持续时间，该 具体持续时间表示燃油阀将打开以允许燃油进入进气歧管的时间量， 该时间量以微秒为单位。在图6和图7中分别图示了主缸和随动缸的 多维映射的实例。
主缸和随动缸还各自具有燃油延迟角表。这个燃油延迟角用来根 据自点火火花传感器4中接收的信号确定打开燃油阀3的确切时间。 在单传感器的情况下也可能为第二、第三等汽缸确定适当定时。按照 这种方式，对将燃油输送给各个汽缸的定时进行最优化，以便在所需 要的精确时间将燃油放入汽缸内，从而允许点火火花有效地燃烧燃油 并具有最佳功率输出。在图9中图示了燃油延迟角映射的实例。
重要的是要注意，尽管ECU固件包括基于TPS和发动机RPM的 二维映射，但本发明的其他实施例可以使用其他多维映射，这些多维 映射依赖于任何EFR系统内的任何所述传感器的输入。这允许ECU 1 用二维坐标映射进行操作，同时能使另一处理子例程根据某些其他输 入来修改初始的燃油映射，从而使二维燃油映射本身是可变的。
将能理解，多维燃油映射中的值将发生变化以便根据特定发动机 的尺寸和性能来匹配该发动机的需要。通常，在发动机配备有本EFR 发明时，通过一系列操作测试来按照经验确定多维映射内的值，这些 操作测试是按照内燃机的特定模式来实施的。
B.燃油泵
本发明的燃油泵2专门设计成，在ECU 1改变被传送来运行燃油 泵2的电源的脉冲宽度时，按照ECU 1控制的可变工作周期(duty cycle)进行操作。尽管EFR系统按照约15psi或更小的平均燃油系统 压力进行操作，但本实施例的燃油泵2生成的平均燃油系统压力通常 在约2psi和约10psi之间。本发明的燃油泵2可以是任何类型的，并且 可以需要简单的开/关控制和/或脉冲宽度调制控制。
因为ECU 1提供了驱动燃油泵2所必需的电力和控制电路，所以 燃油泵2本身比标准的燃油泵小且较不复杂。燃油泵2的设计，尤其 是它的尺寸，意味着燃油泵2需要更少的操作电流。另外，燃油泵2 内装有惯性止回阀，其减少了控制燃油泵2的内部部件所需要的总的 努力。为了使整个EFR系统A尽可能得紧凑，将燃油过滤器完全集成 在燃油泵2的外壳内。尽管在本实施例中，燃油过滤器不能从燃油泵2 的外壳上拆除，但本领域技术人员将公认，本发明的其他实施例能具 有可拆除的燃油过滤器。同样，本实施例显示燃油泵2安装在油箱2A 的外部，但，燃油泵2可以安装在油箱2A的内部，并且仍保持在本发 明的范围内。
燃油泵的内部部件也与标准的燃油泵不同。具体而言，标准汽车 模式使用弹簧、减震器和止回阀来提供内部缓冲的止回阀。相反，本 发明的燃油泵根本不使用弹簧。作为代替，本燃油泵使用截留球 (trapped ball)，由于截留球在燃油泵外壳内来回循环移动，因此它能 起到止回阀的作用。当燃油泵活塞向前移动时，截留球截留住燃油这 样它起到惯性阻止器的作用，从而使燃油被向前推进。当燃油泵活塞 向后移动时，截留球打开以便填充新的空汽缸。
尽管为EFR系统的本实施例描述的燃油泵包括上述部件，但能理 解，可以使用任何燃油泵，只要燃油泵能提供约15psi或更小(优选为 约2psi-10psi)的平均燃油系统压力就可以。
C.燃油阀
大部分基于非汽化器的燃油管理系统使用燃油喷射器。尽管这样 的燃油喷射器在行业内是标准的，但它们可能很昂贵。许多燃油喷射 器也设计成在60-80psi范围内的高燃油压力下操作。需要高燃油压力 就需要控制燃油喷射的高功率电磁线圈。
为取代燃油喷射器，本发明使用专门设计的电磁控制燃油阀3，燃 油阀3被制造成能在EFR系统A内操作并能用于小型发动机C，该发 动机C被内装到草坪和园艺应用系统中以及其他便携式应用系统中。 燃油阀3的设计允许其在更低的燃油压力下运行良好。例如，EFR燃 油阀3在小于15psi的燃油压力下进行操作，其中优选的操作压力在约 2psi-10psi的范围内。燃油阀3的内部部件的设计也允许燃油阀3以非 常快的速率循环运行。具体而言，本燃油阀3能在持续时间为12毫秒 或更短的周期下进行操作。燃油阀也能输送2毫秒以下的开/关(柱塞 上升到柱塞下降)响应时间。
现在参考图13，燃油阀30包括阀体35、端盖36、密封件37和柱 塞31，柱塞31包括角度在约45度和约49度之间的圆锥形端部。柱塞 31包括柱塞轴38、密封件39、弹簧40和圆锥柱塞41。圆锥柱塞41 的圆锥形端部贴着具有匹配圆锥形状的座32轮转。圆锥柱塞41和圆 锥座32的这种组合产生密封，这种密封将燃油分配孔33封闭在燃油 阀30中。圆锥柱塞41和匹配的圆锥座32也是有益的，因为它们为圆 锥柱塞41提供很大的起落区域(landing area)，并且在该点消除了对 弹性密封件的需要，从而增加了燃油阀30的使用寿命。匹配形状的使 用还消除了由最小附着力引起的燃油阀30循环操作的延迟，这个最小 附着力是在其他柱塞从弹性密封件上提升开时所必须要克服的力。尽 管上述实施例在本发明中有用，但在燃油阀30的其他实施例中，圆锥 柱塞41的圆锥形状贴着弹性密封件轮转，弹性密封件起到燃油阀30 的阀座的作用。
阀体35包括电磁线圈、接线和连接器(未示出)，该连接器是将 电磁线圈35连接到ECU 1从而使ECU 1能控制燃油阀30的操作所必 需的。
燃油阀30还具有在端板36中的集成的燃油导轨(fuel rail)34， 以便于将燃油阀30安装在通向各个汽缸的进气歧管的一部分内。标准 燃油喷射器没有集成的燃油导轨。代替的是，标准燃油喷射器的燃油 导轨是单独的部件，其安装到发动机上以便与标准的燃油喷射器一起 使用。
本领域技术人员将能理解，可以使用任何燃油阀，只要当在燃油 压力为约15psi或更小(优选在约2psi和约10psi之间)的燃油输送系 统内操作时，燃油阀能具有持续时间为12毫秒或更短的周期以及2毫 秒以下的开/关响应时间就可以。
D.发动机进气歧管
基于汽化器的标准内燃机的进气歧管接受从空气过滤设备中获得 的空气，并且传送这些空气和通过汽化器引入到进气歧管中的燃油。 在本发明中，进气歧管8专门设计成允许燃油阀3和压力调节器直接 安装在进气歧管8以内。这不仅减少了EFR系统A的总重量和复杂性， 而且将燃油输送设备放置在某个点上，这个点通常且最佳地是到V型 双缸内燃机C上的每个汽缸盖的距离相等。把燃油阀3放置在进气歧 管8上也使燃油阀3进一步远离发动机C的较热部件，从而减少了燃 油系统内气阻的可能性。注意，可以使用任何进气歧管，只要进气歧 管便于如本文所述那样安装燃油阀，并且能与要利用的小型内燃机一 起正常运行就可以。另外的歧管制造灵活性用EFR系统能实现，因为 同步燃油喷射允许不对称的进气歧管通道长度，同时仍为两汽缸提供 平衡的空气/燃油比，并且同时仍旧共用共集电极(common collector)点 和安装在集电极点(collection point)中的单喷射器。
E.节流阀位置传感器
所有内燃机C都有某种节流阀控制。在本发明中，组合有节流阀 位置传感器7以便指示节流阀控制的位置。节流阀位置传感器生成要 发送给ECU 1的信号。然后，ECU 1利用这个信号并参考多维燃油映 射来确定燃油阀3打开的持续时间，以及若有的话，则为补偿加速/减 速要求和/或发动机负荷所需要的延迟。
F.点火火花传感器
关于大部分内燃机C的燃油分配的总定时通常依据连接到发动机 C的旋转部件之一的位置检测设备来确定。例如，位置检测设备可以 是位于缺齿轮附近的Hall-Effect传感器，缺齿轮可以连接到发动机的 曲轴或凸轮轴上。这样的位置检测设备使燃油管理系统复杂化，同时 增加系统的成本和维护。
本发明没有这样的附加物理位置检测设备。代之以，将单线4缠 绕在高压导线4A的周围，高压导线4A根据应用连接到一个或每个火 花塞4B上。当火花塞4B点火时，产生发送给ECU 1输入端的信号。 实际上，这种配置起到与曲轴的一个RPM相关的磁耦合电信号的作用， 并且用来驱动EFR燃油管理系统A。优选地，ECU 1使用这个火花读 出信号作为EFR系统A内许多后续燃油输送计算的基准。作为选择， 火花传感器可以连接到断流端子。
本领域技术人员将能理解，可以按照许多种不同于本文所述的方 法来检测火花塞的点火。可以使用任何种火花塞的点火方法，只要将 表示火花塞每次点火的检测的信号发送给ECU就可以。
G.发动机温度传感器
发动机C为了以最高效率操作发动机所需要的燃油量取决于多个 变量。这些变量之一是发动机本身的温度。当发动机C是冷的时，需 要较多的燃油来操作发动机C。当发动机C是热的时，发动机C需要 较少的燃油。因为ECU 1的功能是管理整个EFR系统A以达到最大效 率，EFR系统A包括安装在发动机C上的传感器6，用来检测发动机 C的温度和将适当信号发送给ECU 1的输入端。于是，ECU 1就使用 这个信号按照当前发动机状况指示的那样来使燃油混合更浓或更稀 薄。
H.进气传感器(air intake sensor)
内燃机C的最优空气/燃油混合取决于通过进气歧管8被吸入到发 动机中的空气的温度。因为ECU 1负责维持最优空气燃油混合，所以 将进气传感器5放置在发动机C的进气歧管8内。进气传感器5检测 进气的温度，然后将适当信号发送给ECU 1的进气温度输入端。ECU 1 使用这个信息来调节主缸和随动缸的燃油映射，以最优化发送到每个 发动机汽缸的燃油量。图11示出了映射实例，该映射显示了作为发送 给ECU 1的进气温度信号的变化的结果而对EFR系统A做出的调节。
EFR系统的操作
A.通用系统的考虑
1.动力/进气冲程检测
如下列段落中所示，EFR提供四种动力/进气冲程检测的方法。本 领域技术人员将公认，根据具体应用，可以选择使用下列四种方法中 的一种、多种或每种的部分组合来实现冲程检测。
a.方法1
ECU 1在初始点火时每转接收两个火花指示，然后从每个汽缸接 收单个火花输入信号，该单个火花输入信号是V型双缸内燃机C的两 个汽缸的火花点火的总和。在本文中将一个汽缸指定为“主缸”而将 另一汽缸指定为“随动缸”以标识这两个汽缸。因为所有定时都是相 对于主缸做出的，固件必须区分动力冲程和进气冲程。为了完成这个， 固件使用微处理器9中的一个定时器来对火花信号输入之间的间隔进 行定时。这个定时器的时间精度(resolution)为5微秒。每隔一个间 隔是平均64次，将总和除以64来提供2个平均间隔。然后相互比较 这些间隔，选择较小的间隔作为动力冲程，并且用作所有燃油阀延迟 和燃油阀持续时间的触发器。另外，平均间隔之间的差异必须大于可 编程参数。本实施例的该参数约为100微秒。
冲程检测可以通过发动机监视软件来启动、停止或手动触发。当 发动机的RPM小于1000时，自动停止冲程检测。这是为了防止发动 机启动期间的任何错误检测。这两个时间间隔经由RS 232串行端口10 提供给发动机监视软件，用于实时监视。图10显示了冲程检测的流程 图。
b.方法2
动力/进气冲程也可以出现在发动机启动之后。
c.方法3
第三种方法是基于循环鉴别的。这种循环鉴别的方法利用动力和 进气冲程之间的时间差，具体而言，是利用时间差的符号而不是时间 差的幅度。在n个循环的周期内，累计分配的动力冲程时间减去分配 的进气冲程时间之后的符号位。n个循环之后，根据累计的符号位数据 做出确定以便重新分配动力和进气循环。如果累计的负号位的数量大 于正号位的数量，则结果是分配了恰当的动力和进气循环而无需变化。 如果累计的结果是已经累计了更多的正号位，则将分配的动力冲程重 新分配为进气冲程，反之亦然。
d.方法4
这种方法通过利用RPM开窗来使用循环识别。当动态负荷出现在 发动机曲轴上时，这种进气/动力冲程确定的方法是非常有用的。动态 负荷使用动力和进气冲程之间的定时关系来在不同的负荷和RPM方面 进行变化。这种RPM开窗技术依赖于发动机循环定时在规定的操作状 况下的预先特征化。当特征化完成时，将查找表(LUT)编程到定义 标称定时关系的发动机控制器内。在操作期间，发动机控制器将减去 分配的进气冲程时间的分配的动力冲程时间与有关当前RPM和负荷的 适当LUT位进行比较。如果LUT值和当前冲程增量之间的增量大于 可编程的持续时间，则将分配的动力冲程重新分配为进气冲程，反之 亦然。冲程增量的附加平均值也是可编程的。
2.驱动燃油泵
标准燃油泵或者具有位于燃油泵组件内的集成电子设备，或者具 有另一套安装在其他地方的独立电子设备组。为了节约成本和简化整 个系统，本发明不具有这类电子控制设备。而代之以，ECU 1本身被 用来驱动燃油泵3。这就允许ECU 1通过控制发送给燃油泵3的电源 脉冲宽度来控制燃油压力。因此，对发送给燃油泵3的电源脉冲宽度 进行调制以补偿燃油压力要求或系统电压变化。按照这样，对发送到 燃油泵3的电源的控制使ECU 1能增加或减少燃油压力，非常像压力 调节器。
在便携式系统内可用来操作燃油泵3的电源能根据电池强度而发 生变化。有时系统电压可能低，而在其他时候系统电压可能高。由于 发送给燃油泵3的电磁线圈的变化电压，这个系统电压变化能引起系 统内燃油压力的变化。特别是，低电压使燃油泵3内的柱塞不能完全 静止。通过使ECU 1增加发送给燃油泵3的电源持续时间，而增加燃 油泵3电源的脉冲宽度，燃油泵电磁线圈上的线圈将在更长时间内变 成电饱和，以便在燃油泵3的电磁线圈内实现柱塞的完全电磁拉力和 保持力。这就可以在低系统电压的周期内保持一致的燃油压力。图11 显示了当首次通电时，根据ECU 1检测的电压来操作燃油泵3的时间 增加百分比的实例。
另外，通过改变被发送来操作燃油泵3的电源脉冲宽度来操作燃 油泵3，便于在低压情况期间和发动机启动期间有更快的燃油压力改 进。一旦系统电压稳定，ECU 1就会缩短发送给燃油泵3的电源脉冲 宽度，以便根据有效电流来减少整个系统需求。
在替代实施例中，电动机驱动的泵可以被用来控制EFR系统内的 燃油流量。同样，使用的任何泵都可以利用简单的开/关控制和/或脉冲 宽度调制来给泵供电。当在高燃油需求量和低工作周期期间或者在低 油耗期间，泵以更高的工作周期或者全开(依赖于泵的类型)进行驱 动以使系统功耗守恒时，可以证实这在系统内是有效的。
在其他实施例中，排气温度传感器可以用作ECU的输入来控制发 动机燃油混合。在发动机操作期间可以对燃油混合进行这样的调节， 如包括搜索周期的闭环过程，以便在预定的EGT范围内查找最佳的燃 油混合。
3.燃油阀启动的延迟
在V型双缸发动机C的情况下，与随动缸的进气和排气冲程相比， 主缸的进气和排气冲程之间存在很大的时间数量差。这是由于V型发 动机的基本几何形状以及曲轴和凸轮轴的旋转。由于主缸和随动缸之 间的这个时间变化，燃油输送到每个汽缸的定时和持续时间不同。
例如，大部分V型双缸内燃机C在两个汽缸之间具有90度的V 形。在这种情况下，一次进气充气和下一次进气充气之间的定时不相 同，因为这一次充气由于阀打开持续时间而得到比另一次充气更长的 拉力，因此导致一个汽缸变得更好地以空气维持燃烧。第一冲程的负 歧管气压并不与第二冲程一样大，因为第二冲程具有更长的时间来吸 取空气。这意味着需要增加或减少燃油，因为一个汽缸比另一个汽缸 更好地以空气维持燃烧，并因为第一汽缸没有一样长的时间来吸取空 气。因此，在未控制的状况下，第一汽缸可能比第二汽缸略微贫油或 含油略微充足，并且需要平衡对这种典型得更贫油或含油更充足的汽 缸的进气，或者需要调节这种进气不平衡。
在普通喷油发动机内，这是不完善的方法，因为如果发动机正要 运行得更好或者如果发动机正在空转，与如果发动机在节流阀全开的 情况下运行相比，定时是不同的。因此，普通喷油系统只能在特定的 RPM范围内做出有限的调节，并且在整个RPM范围内只能具有固定 的喷射延迟。
相反，EFR系统A能在各个汽缸的进气期间通过增加或减少燃油 延迟角来补偿这些差异。EFR系统A通过具有与随动缸的多维映射不 同的主缸的多维映射来补偿这种差异。这样，映射中的成员被调节以 为燃油阀3启动的延迟创造条件，而这个延迟补偿了两汽缸之间的进 气定时的差异。基本上，随动值是通过在不同阶段增加或减少主缸的 燃油延迟来调节的。这个实例在如果只利用一个火花塞时被使用。如 果使用两个或更多个传感器(pickup)，则不会为主缸增加或减少相应 的汽缸，但会代之以对传感器本身进行增加或减少。这种情况下，在 一侧上进气持续时间会有点长，因此燃油阀3的启动延迟会因为特定 的发动机而有点长或有点短。按照任一方法，燃油阀3的启动持续时 间和延迟由ECU 1单独控制，并且在本实例中，随动缸的值是主缸值 的函数。这就便于在燃油阀的放置和进气通道长度的设计方面有很大 的设计灵活性。
4.贫油汽缸控制(lean cylinder control)
在内燃机中，空气流量随着发动机RPM变化而变化。当在利用普 通集流器进气歧管(collector intake manifold)的情况下发生这些空气 流量的变化时，其中一个发动机汽缸的燃油混合可能会变得稀薄。在 燃油混合稀薄的状况下将发动机汽缸运行延长的时间周期那么长时间 可能会损坏发动机活塞。为了减轻这个潜在问题，EFR系统A能够独 立地使V型双缸内燃机C的两个发动机汽缸的每一个的燃油混合变得 稀薄或浓厚。
因为ECU 1内的多维燃油映射能专门为特定的发动机类型进行调 整，所以通过检查从发动机喷出的一氧化碳来测试发动机的燃油混合， 能确定某一系列发动机上的任何汽缸是否会使进入汽缸的燃油混合变 得稀薄。然后，根据某些经验生成ECU 1内的多维表的值，这些经验 为：特定汽缸在某些发动机RPM时会贫油地运行，且必须通过在临界 发动机RPM时增加进入那个汽缸的燃油量才能补偿这种状况。这是通 过根据适当的汽缸的多维映射在特定RPM时增加燃油阀3的持续时间 来完成的。
5.负荷检测
当内燃机C进行操作时，存在有时会改变加在发动机C上的负荷 的情况。典型的情形是便携式发电机组。发电机组通常供应一定的电 流电平，该电流将一定的负荷加在驱动该单元的发电组件的内燃机C 上。在这个稳定的电流负荷下，驱动发电组件的内燃机C很稳定。当 电流需求突然和连续增加时，发电组件将突然变大的负荷加在发动机C 上。为了正常操作，发动机C必须通过调节节流阀来补偿此附加的负 荷，以保持理想的发动机RPM。
ECU 1能够在这样的附加负荷被加在发动机C上时通过使用TPS 和RPM传感器进行检测，并能够增加输送给发动机汽缸的燃油。具体 而言，ECU固件包括主缸和随动缸的二维燃油映射。如上所述，该映 射的二个维度在垂直方向上是节流阀位置传感器(TPS)而在水平方向 上是RPM。ECU将检测任何指示要增加发动机RPM的企图的TPS变 化。如果对TPS调节之后没有检测到发动机RPM增加，则ECU固件 将推断出附加的负荷已经加在发动机上。为了补偿此附加的负荷，ECU 1将通过调节输送给每个汽缸的燃油来补偿，以使燃油混合更浓。ECU 1通过增加PWM来完成这个，以便加长燃油阀3工作周期的持续时间 和增加输送给汽缸的燃油量。更浓的燃油混合将允许发动机抵消因为 加在发动机上的额外负荷而导致的发动机C变慢的趋势。
按照类似的方式，ECU 1还将补偿加在发动机C上的负荷的任何 减少。当ECU 1检测到打算要减少发动机RPM的TPS调节时，ECU 1 将检查RPM，以观察是否出现实际的RPM减少。如果RPM没有减少， 则ECU 1通过缩短PWM来响应以减少燃油阀3操作的持续时间，从 而减少输送给汽缸的燃油量。较稀薄的燃油混合将允许发动机抵消发 动机C因为加在发动机上的负荷减小而变快的趋势。
B.使用EFR系统的发动机的通用操作
1.启动模式
当内燃机C启动时，给ECU 1加电，ECU 1在约100微秒内被初 始化。然后，ECU 1初始化10秒的燃油泵启动操作，该操作使燃油泵 2运行10秒左右，同时等待点火火花传感器4指示火花塞4B已经被 点火。这个启动操作用来启动燃油泵2以使所有空气排出燃油泵2并 使燃油移动到燃油阀3。如果ECU 1在10秒启动周期内没有检测到火 花，则ECU 1断开燃油泵2的电源，并停止燃油流动。
如果ECU 1检测到发送给火花塞4B的点火电流，则ECU 1立即 给燃油阀3加电来执行启动定时功能。启动定时功能在检测到点火火 花之后就输送大量燃油，以便在启动期间协助发动机。启动定时操作 一遇到两个条件之一就会结束。当达到一定的内部点火数量时启动定 时会终止，或者当根据对点火火花检测传感器4提供的信号的评估而 确定发动机C运行在1000RPM或更多时，启动定时就终止。如果这些 条件都不满足，ECU将这个故障解释为发动机的某一类故障，并将断 开燃油泵2和燃油阀3的电源。
同样应该注意，在启动模式中，ECU 1还检查能从与发动机C一 起使用的车载电池处获得的电压。当发动机一启动就首先给ECU 1加 电时，ECU 1通过检查供给ECU 1的电压来完成这个检查。一旦确定 了电池电压，ECU 1就通过增加燃油泵2的工作周期来补偿低电池电 压，以便加快燃油输送系统内的燃油压力的增加。通过加宽由ECU 1 发送给燃油泵2的电源脉冲宽度来增加燃油泵2的工作周期。当发动 机C启动和将电池充分充电以为ECU 1提供13VDC或更大电压时， 给燃油泵2的脉冲带宽恢复到由其他发动机C操作参数确定的带宽。 实质上这种“冲击启动”燃油输送系统的能力在非常冷的温度下是很 重要的，因为在非常冷的温度下，电池可能只有足够几次转动曲柄的 瞬间的电能。
在本发明的另一实施例中，输送给燃油系统的燃油量不是由燃油 泵2操作的持续时间确定的，而是由供给燃油阀3的电压量确定的。 按照这种方式，输送给燃油系统的燃油量取决于ECU 1供给燃油阀3 的电压量。
2.冷起动模式
当ECU 1已确定发动机C已如上述那样启动时，ECU 1将切换到 起动模式。根据发动机C的当前状况，ECU 1将开始冷起动模式、暖 起动模式或热起动模式。要进入哪种起动模式的确定由发动机温度传 感器6和存储在ECU 1中的温度值来确定。例如，基于约60或更 低的值，ECU 1可以开始冷起动模式。一检测到这样的温度，ECU 1 就将操作燃油泵2和燃油阀3来输送更大量的燃油以便塞满(choke) 发动机C。当ECU 1达到按照正常操作温度确立的温度值时，ECU 1 从冷起动模式切换开，并开始按照常规运行模式来管理燃油系统。
要注意，ECU 1还配备有将冷起动模式持续操作特定长时间而不 是根据由发动机温度传感器6提供的特定温度范围操作冷启动模式的 能力。例如，当处于起动模式时，内部定时器可以被设定到特定时间， 例如90秒。在这种情况下，冷起动模式将继续下去直到90秒时帧期 满。在这90秒时间的期间，ECU 1降低燃油到发动机C的输送速度， 以确保从发动机起动模式到常规运行模式的平滑转换。图8显示了在 启动期间以及在随后的增加或减少起动发动机C时所需要的燃油流量 期间，用于阻塞发动机C的映射实例。
3.常规运行模式
当ECU 1已经完成它的起动模式时，ECU 1切换到常规运行模式。 在常规运行模式中，ECU 1通过使用以上确定的多维映射来管理燃油 系统，这种多维映射主要是根据TPS位置和发动机RPM来确定的。
除了ECU对检测的TPS和RPM值的依赖之外，还存在双延迟功 能，该功能包括主缸的延迟和随动缸的延迟。这些延迟的目的是在需 要将燃油从燃油阀3释放到进入特定发动机汽缸时，控制燃油输送系 统。该延迟是基于点火火花传感器4对点火火花的检测的，并且该点 火火花用作ECU 1操作的基准值。检测点火火花的瞬间被设定为ECU 1的基准零，燃油阀2的操作的所有延迟都基于这个瞬间。当主缸或随 动缸需要延迟时，可以存在增加到随动缸的时间延迟或是增加到主缸 的时间增加。在所有情况下，持续时间是燃油阀3打开的持续的时间， 并且该持续的时间为与点火火花检测瞬间有关的某一具体时间值。 (参见图6和图7)所有这些计算都是在ECU固件的主处理循环内进 行的。(参见图5)。
在常规运行模式期间，ECU也补偿进气温度的变化。例如，如果 ECU 1的多维燃油映射设定成认可最佳操作进气温度为70并且进 气温度在这个范围内，则ECU 1将不对燃油阀3的持续时间或延迟进 行任何补偿。然而，如果进气温度低于70，则燃油阀3的持续时间 和定时将被调节成向各个汽缸添加更多的燃油。ECU可以设定成基于 进气温度低于70的量来增加整个多维燃油映射内的持续时间，直 至达到特定的百分比。(参见图11)。
按照类似的方式，如果进气温度高于70，则可以对ECU 1进 行编程以通过减少操作燃油阀3的持续时间来减少供给各个汽缸的燃 油量。按照这种方式，ECU 1能依据进气温度的变化对燃油输送系统 进行宽范围的调节。
3.加速/减速操作
在发动机操作期间，发动机RPM可以加速和减速。当发生这种情 况时，ECU 1会补偿发动机变化的燃油需求。特别是，ECU 1包含了 加速/减速设置表。图12显示了加速/减速表中的值的实例。这个表用 来在发动机加速期间使燃油混合变得较浓，而在发动机减速期间使燃 油变得较稀薄。补偿的功能是在发动机RPM快速变化期间提供平滑过 渡。
大体上，加速/减速设置表是燃油泵2和燃油阀3的加速和减速菜 单。这个表通过基于加速或减速的速率将TPS/RPM表中的值增加或减 小一定的百分比来改变百分比。例如，ECU在加速期间将原始燃油映 射值增加一百分比以增加输送的燃油量，或者可以在减速期间将原始 燃油映射值减去一百分比以减少输送的燃油量。所有这些计算再一次 在ECU固件内的主处理循环执行期间发生。(参见图5)。
4.停机模式
发动机C在EFR系统A控制下的停机通常与任意的标准内燃机的 停机一样。具体而言，切断开关被摆放成或者切断流向高压火花塞线 4A的电流，或者该开关用来使高压点火线接地以中断到火花塞4B的 电流。在任意一种情况下，ECU 1将检测到没有来自点火火花传感器4 的信号，并将停止向燃油泵2和燃油阀3发送动力。将能理解的是， 到燃油系统的所有燃油的完全切断也防止任何燃油在点火开关关闭之 后进入发动机汽缸。这种没有燃油的情况防止发动机在点火切断之后 “柴油化”。
尽管以上说明描述了本发明的各种实施例，但是显而易见，本发 明可以很容易地以另外的方式适合于任意的可能利用电子燃油调节系 统A的配置。
鉴于上文，将能看出本发明的几个目的已经实现并且还获得了其 他有利结果。由于可以对上述结构做出各种改变而不会脱离本发明的 范围，因此以上描述中包含的或在附图中所示的所有事项将被解释成 说明性的，而不具有限制意义。
相关申请的相互引用
本申请源自于2003年9月10日提交的美国临时申请US60/501680 并要求优先权。