CN101619684A - Cng发动机电控系统ecu设计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于：由中央控制单元CPU电连接ECU电源模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元、点火系统模块、喷射模块；ECU电源模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元将信息传输到中央控制单元CPU后，经中央控制单元CPU处理后对点火系统模块和喷射模块发出指令。其用于6缸CNG发动机的电子控制系统，运行可靠，CNG电控系统采用电子节气门位于进气歧管前方，ECU根据油门踏板的位置及发动机状况下达指令，是根据电子节气门来控制。
Description
技术领域：
本发明涉及一种CNG发动机电控系统ECU设计，用于6缸CNG发动机的电子控制系统。
背景技术：
目前世界上使用天然气作为燃料的车种，其发动机有两种不同的控制策略，一种是采用当量燃烧，也就是在最佳化学当量条件下，空气与燃料以最适当的重量或体积混合比混合，进入引擎燃烧室中燃烧；另一种是稀薄燃烧，也就是供给的燃料量低于当量所需的范围。北美地区的CNG引擎制造厂皆是采用后者作为主要的燃烧策略。
稀薄燃烧的特性：
(1)可燃范围广：在燃烧室中，相对于当量±35％范围混合气均可以被点燃，因此将此应用在稀薄燃烧系统中。
(2)污染值最低：将燃气的比例控制在稀薄燃烧的范围，其所对应产生的废气曲线正好是落在HC曲线末端，CO、NOx显示最低的区域，因此所产生的CO、NOx十分有限，而在HC中(THC)，高达80％～90％属于甲烷类碳氢化合物，因此实际列入管制的非甲烷类碳氢化合物(NMHC)之值将会更低。
(3)加装涡轮增压：为因应稀薄燃烧所造成的马力损失，采用稀薄燃烧的CNG发动机均于进气歧管前加装涡轮增压器，以增加进气压力，提高发动机的输出马力。
(4)燃烧范围的控制：稀薄燃烧的范围大约是在λ＝1.1～1.35的范围，依照不同的行车模式进行变化，如果在燃料的控制上不得当，也就是燃料供应不足所需求量的5％以上，将造成熄火；而在高负载下，配合涡轮增压功效，若燃料供应超过需求量10％以上，活塞十分容易熔毁，因此燃料量的控制技术在稀薄燃烧的应用上是十分重要的一环。
(5)使用燃料较节省：由于使用稀薄燃烧技术，故燃料供应量较低，比当量燃烧方式，一段里程行驶下来，燃料的消耗量低，因此在同样条件下之续航力亦较为高。
与一般的CNG发动机相当，稀薄燃烧CNG引擎的作法系将空气与燃气进行充份混合后，再进入燃烧室中燃烧。燃烧产生的废气以含氧感知器进行侦测，以了解实际排放的结果，来提供回馈讯号给引擎的电子控制单元(ECU)进行判断与修正；因为天然气本身可燃范围广(9.5～11.1体积比)，因此ECU所控制的燃料量几乎在点火的临界点附近，比一般供应量要少，若其气品中甲烷成份低，也可以在氧传感器中得到回馈，以补充更多的燃气。一般发动机具有怠速旁通管路及发动机转速限制器的设计，
发明内容：
本发明的目的在于提供一种CNG发动机电控系统ECU设计，其用于6缸CNG发动机的电子控制系统，运行可靠，CNG电控系统采用电子节气门位于进气歧管前方，ECU根据油门踏板的位置及发动机状况下达指令，驱动电子节气门打开到一个固定的开度。
本发明的技术方案是这样实现的：一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于：由中央控制单元CPU、ECU电源模块、模拟量输入、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元、点火系统模块、喷射模块；其中：模拟量输入模块、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元将信息传输到中央控制单元CPU后，经中央控制单元CPU处理后对点火系统模块和喷射模块发出指令，使其喷油和点火.。
中央控制单元CPU采用FREESCALE的MPC555LMFZP40，工作频率40MHZ；电子节气门控制单元，根据节气门反馈的两路位置信号进行计算，驱动；模拟量输入采用13路模拟量输入，包括电压型信号模拟量、电阻型信号模拟量和热电偶信号输入；
开关量输入模块包括高端开关输入和低端开关输入；
氧传感器处理单元，采用BOSCH的加热型宽域氧传感器LSU4.9，要求ECU能够对该氧传感器进行调理，测量，诊断；
点火模块中的点火线圈直接设计位于火花塞上缘，采用恒流控制，驱动单元具有过温，过流，过压，短路自保护功能；
喷气系统采用峰值-保持型电流控制的6个喷射器组成，在每个喷射器上方安装电磁阀。
本发明的积极效果是其用于6缸CNG发动机的电子控制系统，运行可靠，ECU根据油门踏板的位置及进气歧管绝对压力传感器(MAP)、进气温度传感器(MAT)、发动机曲轴(转速)信号(CRANK)、冷却水温传感器、踏板传感器、节气门开启度传感器及机油压力传感器，发动机凸轮轴传感器，排气温度传感器，氧传感器，气体温度传感器等一系列传感器的信息对发动机下达指令，当发动机和ECU运转异常时故障讯号灯提醒司机注意；其采用一路CAN通讯和一路SAE J1939通讯，一路RS232通讯，一路K线诊断。
附图说明：
图1为本发明的硬件总体框图；
图2为本发明的ECU电源模块电路图；
图3为本发明的ECU电源电路图；
图4为本发明的高端开关量输入电路图；
图5为本发明的低端开关量输入电路图；
图6为本发明的模拟量输入电路图；
图7为本发明的电阻型信号模拟量电路图；
图8为本发明的热电偶信号输入电路图；
图9为本发明的霍尔传感器信号电路图；
图10为本发明的磁电式传感器信号电路图；
图11为本发明的电子节气门(ETC)模块电路图；
图12为本发明的宽域氧传感器调理模块电路图；
图13为本发明的喷射模块电路图；
图14为本发明的点火模块电路图；
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的描述：如图1所示，一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于：由中央控制单元CPU电连接ECU电源模块、模拟量输入、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元、点火系统模块、喷射模块；其中：模拟量输入模块、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元将信息传输到中央控制单元CPU后，经中央控制单元CPU处理后对点火系统模块和喷射模块发出指令。
中央控制单元CPU采用FREESCALE的MPC555LMFZP40，工作频率40MHZ；
电子节气门控制单元，根据节气门反馈的两路位置信号进行计算，驱动；模拟量输入采用13路模拟量输入，包括电压型信号模拟量、电阻型信号模拟量和热电偶信号输入；
开关量输入模块包括高端开关输入和低端开关输入；
氧传感器处理单元，采用BOSCH的加热型宽域氧传感器LSU4.9，要求ECU能够对该氧传感器进行调理，测量，诊断；
点火模块中的点火线圈直接设计位于火花塞上缘，采用恒流控制，驱动单元具有过温，过流，过压，短路等自保护功能；
喷气系统采用峰值-保持型电流控制的6个喷射器组成，在每个喷射器上方安装电磁阀，其中各个模块的工作情况说明如下：
ECU电源模块：ECU的启动是靠钥匙开关启动的，但是ECU停止运行由ECU自行断电。ECU在发动机停止运转后是不供电的，当钥匙开关给上后，U1智能开关第一路对地，在不需要主MCU干预的情况下，使主继电器得电，电池正极通过主继电器的触点供给ECU+24V电源。钥匙开关通过分压后一方面送入ECU电源模块使能电源模块，使得控制电源有效，MCU开始工作；另一方面送入到主MCU，主MCU输出信号驱动U1智能开关的第二路，使得U1智能开关的第一路和第二路同时驱动主继电器。当钥匙开关打到停止位置时，ECU并不立即断电，而是由MCU进行控制，在完成发动机运行控制，对相应数据进行处理保存后，断开主继电器，ECU上电源全部断掉。
数字量输入：包括霍尔传感器信号和磁电式传感器信号；C1：EMI电容，大小为1nF～1.8nF；R1，R2：分压电阻，保证电池电压在9～32V都能使HS_IO得到正确的信号；D1：输入保护，使得TP点保证在-0.5V～+5.5V；C3：为滤波电容；R4：为限流电阻。
高端开关输入：R1和R2的配置要保证Iwhetting为3毫安，保证得到正确的信号的同时提高抗干扰能力。
低端开关量输入(频率信号调理)：C1：EMI电容，大小为1nF～1.8nF；R1：上拉电阻，
保证LS_IO得到正确的信号，D1输入防反保护；R2，C2：阻容滤波，具体参数根据输入的频率确定；低端开关输入，R1的配置要保证Iwhetting为10毫安，保证得到正确的信号的同时提高抗干扰能力。
28V喷气阀驱动电流及测量特性
通常情况下，标准驱动器规格满足下表
| 28V±0.2V供电峰值电流，不受限电流在1ms时间内爬升。 | 5A |
| 28V峰值持续期 | 1ms |
| 维持电流 | 2.5A |
| 关闭时电压钳位 | 65V |
在28v供电时喷嘴的驱动电流如图一，标准CNG测量特性参数见下表
低端输出驱动：驱动电路3A，具有自保护功能，共计7路。
如图1所示的硬件总体框图，核心控制模块中核心控制采用FREESCALE的MPC555 CPU，工作频率40MHZ，CPU内部集成FLASH 448KB，SRAM 26+6KB，外扩EEPROM 16KB。
如图2所示：ECU供电模块：ECU的启动是靠钥匙开关启动的，但是ECU停止运行由ECU自行断电。ECU在发动机停止运转后是不供电的，当钥匙开关给上后，U1智能开关第一路对地，在不需要主MCU干预的情况下，使主继电器得电，电池正极通过主继电器的触点供给ECU+24V电源。钥匙开关通过分压后一方面送入ECU电源模块使能电源模块，使得控制电源有效，MCU开始工作；另一方面送入到主MCU，主MCU输出信号驱动U1智能开关的第二路，使得U1智能开关的第一路和第二路同时驱动主继电器。当钥匙开关打到停止位置时，ECU并不立即断电，而是由MCU进行控制，在完成发动机运行控制，对相应数据进行处理保存后，断开主继电器，ECU上电源全部断掉。
如图3所示：ECU电源电路中，电池电压经EMI滤波，经600W/10Ms的TVS保护，经二极管防反保护进入电源芯片。该电源芯片提供+5V/800mA，+3.3V/850mA，供给ECU上各个单元。还提供了带保护诊断功能的6路独立的传感器电源，每路17mA，共计102mA。还提供了一个独立硬件窗口式看门狗复位电路。
如图4所示：高端开关量输入(数字量输入)中C1：EMI电容，大小为1nF～1.8nF。R1，R2：分压电阻，保证电池电压在9～32V都能使HS_IO得到正确的信号。D1：输入保护，使得TP点保证在-0.5V～+5.5V。C3：为滤波电容。R4：为限流电阻。高端开关输入，R1和R2的配置要保证Iwhetting为3毫安，保证得到正确的信号的同时提高抗干扰能力。
如图5所示：低端开关量输入(数字量输入)中，C1：EMI电容，大小为1nF～1.8nF。R1：上拉电阻，保证LS_IO得到正确的信号，D1输入防反保护。R2，C2：阻容滤波，具体参数根据输入的频率确定。低端开关输入，R1的配置要保证Iwhetting为10毫安，保证得到正确的信号的同时提高抗干扰能力。
如图6所示：模拟量输入，电压型信号模拟量中C1：EMI电容，大小为1nF～1.8nF。R1：信号的负载电阻，提高信号的可靠性。R2，C2：阻容滤波，具体参数根据输入的频率确定。
如图7所示：电阻型信号模拟量中，C1：EMI电容，大小为1nF～1.8nF。R1：信号的分压电阻，根据具体的传感器选取不同的电阻值。R2，C2阻容滤波，具体参数根据输入的频率确定。
如图8所示：热电偶信号输入；
频率信号调理(数字量输入)，图9所示的霍尔传感器信号，曲轴转速信号，车速信号，风扇转速信号。R1：霍尔传感器是集电极开路信号，R1为上拉电阻。R2，C2：为阻容滤波电路。
图10所示：磁电式传感器信号，凸轮轴位置信号，差分式输入，固定门槛。
图11所示：电子节气门(ETC)模块，电子节气门(ETC)模块由一个8位单片机和驱动电路组成，ETC模块自动完成节气门的控制，保护，诊断。主MCU只要通过SPI接口和API函数就可完成对ETC模块的控制。
图12所示：宽域氧传感器调理模块，CNG ECU采用宽域氧传感器LSU4.9，调理电路由一个8位单片和BOSCH的CJ125氧传感器处理芯片组成，该模块完成宽域氧传感器的信号处理和诊断，主MCU通过SPI和API函数完成对模块的控制。
图13所示：喷射模块，后相通道，喷射模块由PSOC CYPRESS，加上电流采样以及驱动组成，自保护。完成喷气阀的电流峰值保持控制。
图14所示：点火模块，点火模块采用恒流控制，点火线圈初级电流限制在7.5A，电压钳位在340V。模块采用自保护。
Claims (9)
1、一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于：由中央控制单元CPU电控制的电源模块、模拟量输入、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元、点火系统模块、喷射模块；ECU电源模块、模拟量输入、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元将信息传输到中央控制单元CPU后，经中央控制单元CPU处理后对点火系统模块和喷射模块发出指令。
2、根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于所述的中央控制单元CPU采用FREESCALE的MPC555LMFZP40，工作频率40MHZ；电子节气门控制单元，根据节气门反馈的两路位置信号进行计算，驱动。
3、根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于所述的模拟量输入采用13路模拟量输入，包括电压型信号模拟量、电阻型信号模拟量和热电偶信号输入。
4、根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于所述的开关量输入模块包括高端开关输入和低端开关输入。
5、根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于所述的氧传感器处理单元，采用BOSCH的加热型宽域氧传感器LSU4.9，要求ECU能够对该氧传感器进行调理，测量，诊断。
6、根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于所述的点火模块中的点火线圈直接设计位于火花塞上缘，采用恒流控制，驱动单元具有过温，过流，过压，短路等自保护功能。
7、根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于所述的喷射模块采用峰值-保持型电流控制的6个喷射器。
8、根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于所述的ECU电源模块的启动是靠钥匙开关启动的，停止运行由ECU自行断电；当钥匙开关给上后，U1智能开关第一路对地，在不需要主MCU干预的情况下，使主继电器得电，电池正极通过主继电器的触点供给ECU+24V电源；钥匙开关通过分压后一方面送入ECU电源模块使得控制电源有效，MCU开始工作；另一方面送入到主MCU，主MCU输出信号驱动U1智能开关的第二路，使得U1智能开关的第一路和第二路同时驱动主继电器；当钥匙开关打到停止位置时，ECU并不立即断电，而是由MCU进行控制，在完成发动机运行控制，对相应数据进行处理保存后，断开主继电器，ECU上电源全部断掉。
9、根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于所述的数字量输入模块包括霍尔传感器信号和磁电式传感器信号。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: FAW GROUP CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: CHINESE AUTO GROUP CO NO.1 Effective date: 20111101 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20111101 Address after: 130011 Changchun Province, West New Economic and Technological Development Zone, Dongfeng Street, No. 2259, No. Applicant after: China FAW Group Corporation Address before: 130011 Dongfeng Street, Jilin, Changchun, No. 2259 Applicant before: China FAW Group Corporation |
|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100106 |