CN109184903A - 多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，包括燃气减压通道、油路、燃料喷射装置、发动机气缸和控制单元；燃气减压通道与燃料喷射装置相连并向其输出减压处理后的燃气；油路与燃料喷射装置相连并向其输出燃油；当发动机处于气缸压缩行程时，燃料喷射装置在活塞到达上止点之前以喷油嘴把燃油喷入气缸；当发动机处于气缸进气行程时，燃料喷射装置把燃气充入气缸内；控制单元包括ECU、阀控制模块和发动机工况采集传感器；ECU根据发动机工况按控制策略确定燃油和燃气的喷射时刻、燃油和燃气的喷射量；本发明能在采用天然气‑柴油的双燃料发动机上精确控制进气量、燃油喷射量、天然气供给量，并制定较为合理的燃料供给策略。
Description
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其是多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统。
背景技术
根据2018年国家生态环境部发布的《中国机动车环境管理年报》数据，机动车污染已成为我国空气污染的重要来源，是造成环境空气污染的重要原因。尤其只占汽车保有量7.8%的柴油车，排放了57.3%的NOx和77.8%的PM，是机动车污染防治的重中之重。研究开发并应用天然气-柴油双燃料发动机被认为是解决柴油机节能减排的有效途径之一。支持进气歧管多点喷射的HCCI天然气/柴油双燃料发动机电控系统，可以精确控制进气量、燃油喷射量、天然气供给量，制定较为合理的燃料供给策略是进行柴油机替代燃料技术的重要技术手段。目前国内大多数发动机生产商通过引进国外电控系统进行技术改进和产品开发，然而国外厂商以核心电控技术上的优势经常采取电控系统与标定软件捆绑销售模式，价格昂贵，失去话语权。所以，有必要探索开发一种支持进气歧管多点喷射的HCCI天然气/柴油双燃料发动机电控系统来支持双燃料发动机的研发。
发明内容
本发明提出多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，能在采用天然气-柴油的双燃料发动机上精确控制进气量、燃油喷射量、天然气供给量，并制定较为合理的燃料供给策略。
本发明采用以下技术方案。
多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，所述系统包括燃气减压通道、油路、燃料喷射装置、发动机气缸和控制单元；所述燃气减压通道与燃料喷射装置相连并向其输出减压处理后的燃气；所述油路与燃料喷射装置相连并向其输出燃油；所述燃料喷射装置与发动机气缸相通，当发动机处于气缸压缩行程时，所述燃料喷射装置在活塞到达上止点之前以喷油嘴把燃油喷入气缸；当发动机处于气缸进气行程时，燃料喷射装置以燃气喷射阀把燃气充入气缸内；所述控制单元包括ECU、阀控制模块和发动机工况采集传感器；所述ECU贮有与发动机工况对应的控制策略，ECU根据发动机工况按控制策略确定燃油和燃气的喷射时刻，并通过模糊控制确定燃油和燃气的喷射量。
所述燃气为天然气，所述燃气减压通道包括在燃气输送方向上顺序设置的LNG气罐、水浴式汽化器、天然气滤清器、电磁阀、减压阀；燃气减压通道经流量计、缓冲罐、喷射阀喷轨与燃料喷射装置的燃气喷射阀相通。
所述发动机采用柱塞式双排孔混合器，所述混合器安装于进气歧管处，所述进气歧管与喷射阀喷轨相通。
所述喷射阀喷轨包括输入气轨、输出气轨、连接紧固件，进入喷射阀喷轨的气态天然气先送入输入气轨稳压腔体空间稳压后，再经输出气轨稳压腔体空间输出至发动机的进气歧管。
当喷射阀喷轨工作时，气化天然气从输入气轨中部的螺纹孔进入输入气轨稳压腔体空间，使输入气轨稳压腔体空间快速且均匀的存储预设量气化天然气以稳压，输入气轨稳压腔体空间内的气化天然气从第一导出孔到达安装于输入气轨和输入气轨之间的喷轨喷射阀处，再从第二导出孔进入输出气轨稳压腔体空间后输出至进气歧管，以实现发动机稳定进气的使用要求；所述喷轨喷射阀的开启时刻和打开时间由ECU控制。
所述燃气喷射阀与发动机进气歧管的混合器相接；所述进气歧管处设有用于调整发动机进气量的节气门位，ECU根据发动机工况对所述节气门位开度进行控制。
所述ECU存贮的与发动机工况对应的控制策略，其对应工况包括发动机启动工况、发动机常规速度工况、发动机超速工况、发动机急加速工况、发动机急减速工况和发动机怠速工况；所述发动机工况采集传感器包括冷却液温度传感器、燃油温度传感器、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、油门踏板传感器；当发动机运行时，ECU根据冷却水温度，燃油温度，发动机转速，油门踏板位置进行工况判断，并选择对应的控制策略。
所述发动机工况采集传感器还包括发动机转速传感器和油门位置传感器；所述发动机的工作模式凭借模式转换开关在纯柴油单燃料工作模式和双燃料工作模式间切换；所述ECU根据转速信号、油门位置信号以及模式转换开关判断发动机是否采用双燃料工作模式；当发动机工作于双燃料工作模式时，ECU根据曲轴、凸轮轴和油门踏板位置信号检索天然气喷射策略数据，从而得到对应工况下的燃油喷射量和天然气喷射量，燃气喷射阀喷射的天然气与空气混合后进入气缸，在气缸的进气冲程、压缩冲程与空气进一步混合，然后由喷入的燃油油引燃进行燃烧；ECU根据发动机的工作状态来控制燃油和燃气的喷射量，使发动机在双燃料工作模式下以最佳掺烧比运行。
所述喷油嘴、燃气喷射阀以脉宽调制方式控制。
所述燃油为柴油；所述油路处设有柴油滤清器；油路始端与柴油罐相通且末端与喷油嘴相接；喷油嘴后部设有电控单体泵。
本发明在天然气供应通道上设置了燃气减压通道，燃气减压通道内设减压阀和喷射阀喷轨，因此可以让天然气减压并能保持恒定的输出压力，从而提升电控系统的控制效果。
本发明的天然气混合器采用的是柱塞式双排孔混合器，安装在进气歧管 ，可缩短天然气和空气的混合气到气缸的距离，减少电控系统对天然气喷射量的控制发生变化到实际进入气缸的混合气发生变化的时间差，提高响应速度。
本发明的ECU（行车电脑）在工况判断方面，能根据设定的驾驶风格，油门踏板以及发动机的转速。来判断发动机的使用模式以及发动机的运行工况，运行工况包括起动、怠速、运行、加速、减速和限速等；本发明以把喷油量、喷气量等参数的控制策略地图化（形成MAP），可依据运行工况和燃料模式，查找相应的喷油量、喷气量等参数的MAP；并三次样条插值，计算喷气量和喷油量等参数；MAP作为一个二维数表，横坐标为转速，纵坐标为负荷；MAP是根据大量匹配实验，进行全工况综合优化得到的结果，由于直接从MAP中检索对应的控制策略，从而能较大地提升了电控系统的响应速度；而且本发明能根据电磁阀的标定曲线，计算喷气脉宽，并利用空气温度、天然气压力和温度进行修正，还能根据油泵特性曲线，计算器喷油脉宽，作为燃油喷射闭环条件。
本发明的ECU可以实时修正柴油喷射量，天然气喷射量；发动机运行时，ECU的故障诊断模块实时监测各个系统工作情况，当发生一些意外状况，报警系统会发出警报并根据发动机故障点原因，进行故障处理。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是喷射阀喷轨的局部示意图；
附图3是本发明的系统原理示意图；
附图4是本发明的逻辑架构示意图；
附图5是本发明的微处理器模块的示意图；
附图6是模拟信号采集电路的示意图；
附图7是脉宽调制控制的脉冲信号电路；
附图8是本发明的电源模块电路图；
附图9是本发明内置的BOOST大功率升压电路的示意图；
附图10是本发明的工作流程示意图；
附图11是本发明在发动机启动时的程序流程示意图；
附图12是本发明使发动机工作双燃料工作模式时的流程示意图；
图中：101-气罐；102-水浴式汽化器；103-天然气滤清器；104-电磁阀；105-减压阀；106-流量计；107-缓冲罐；108-喷射阀喷轨；109-混合器；110-节气门位；111-喷油嘴；112-活塞；113-冷却液温度传感器；114-凸轮轴位置传感器；115-曲轴位置传感器；116-ECU；117-电控单体泵；118-燃油温度传感器；119-柴油滤清器；120-柴油罐；
201-输入气轨；202-连接紧固件；203-输出气轨；205-连接紧固件；206-输出气轨稳压腔体空间；208-第二导出孔；209-第一导出孔；211-输入气轨稳压腔体空间；212-螺纹孔；
301-进气歧管。
具体实施方式
如图1-12所示，多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，所述系统包括燃气减压通道、油路、燃料喷射装置、发动机气缸和控制单元；所述燃气减压通道与燃料喷射装置相连并向其输出减压处理后的燃气；所述油路与燃料喷射装置相连并向其输出燃油；所述燃料喷射装置与发动机气缸相通，当发动机处于气缸压缩行程时，所述燃料喷射装置在活塞112到达上止点之前以喷油嘴111把燃油喷入气缸；当发动机处于气缸进气行程时，燃料喷射装置以燃气喷射阀把燃气充入气缸内；所述控制单元包括ECU116、阀控制模块和发动机工况采集传感器；所述ECU贮有与发动机工况对应的控制策略，ECU根据发动机工况按控制策略确定燃油和燃气的喷射时刻，并通过模糊控制确定燃油和燃气的喷射量。
所述燃气为天然气，所述燃气减压通道包括在燃气输送方向上顺序设置的LNG气罐101、水浴式汽化器102、天然气滤清器103、电磁阀104、减压阀105；燃气减压通道经流量计106、缓冲罐107、喷射阀喷轨108与燃料喷射装置的燃气喷射阀相通。
所述发动机采用柱塞式双排孔混合器，所述混合器109安装于进气歧管处，所述进气歧管与喷射阀喷轨108相通。
所述喷射阀喷轨包括输入气轨201、输出气轨203、连接紧固件202和205，进入喷射阀喷轨的气态天然气先送入输入气轨稳压腔体空间211稳压后，再经输出气轨稳压腔体空间206输出至发动机的进气歧管。
当喷射阀喷轨工作时，气化天然气从输入气轨201中部的螺纹孔212进入输入气轨稳压腔体空间211，使输入气轨稳压腔体空间211快速且均匀的存储预设量气化天然气以稳压，输入气轨稳压腔体空间内的气化天然气从第一导出孔209到达安装于输入气轨201和输入气轨203之间的喷轨喷射阀处，再从第二导出孔208进入输出气轨稳压腔体空间206后输出至进气歧管，以实现发动机稳定进气的使用要求；所述喷轨喷射阀的开启时刻和打开时间由ECU控制。
所述燃气喷射阀与发动机进气歧管的混合器109相接；所述进气歧管处设有用于调整发动机进气量的节气门位110，ECU根据发动机工况对所述节气门位开度进行控制。
所述ECU存贮的与发动机工况对应的控制策略，其对应工况包括发动机启动工况、发动机常规速度工况、发动机超速工况、发动机急加速工况、发动机急减速工况和发动机怠速工况；所述发动机工况采集传感器包括冷却液温度传感器113、燃油温度传感器118、凸轮轴位置传感器114、曲轴位置传感器115、油门踏板传感器；当发动机运行时，ECU根据冷却水温度，燃油温度，发动机转速，油门踏板位置进行工况判断，并选择对应的控制策略。
所述发动机工况采集传感器还包括发动机转速传感器和油门位置传感器；所述发动机的工作模式凭借模式转换开关在纯柴油单燃料工作模式和双燃料工作模式间切换；所述ECU根据转速信号、油门位置信号以及模式转换开关判断发动机是否采用双燃料工作模式；当发动机工作于双燃料工作模式时，ECU根据曲轴、凸轮轴和油门踏板位置信号检索天然气喷射策略数据，从而得到对应工况下的燃油喷射量和天然气喷射量，燃气喷射阀喷射的天然气与空气混合后进入气缸，在气缸的进气冲程、压缩冲程与空气进一步混合，然后由喷入的燃油油引燃进行燃烧；ECU根据发动机的工作状态来控制燃油和燃气的喷射量，使发动机在双燃料工作模式下以最佳掺烧比运行。
所述喷油嘴、燃气喷射阀以脉宽调制方式控制。
所述燃油为柴油；所述油路处设有柴油滤清器119；油路始端与柴油罐120相通且末端与喷油嘴111相接；喷油嘴后部设有电控单体泵117。
实施例1：
如图3-4所示，发动机工况采集传感器的输出端子和ECU的输入端子相连接，控制单元的输出端与各电磁阀和开关连接。上述控制单元的选用MC9S12XET256MAL，单片机模块包括Flash程序存储器、EEPROM数据存储器、串行通信口、CAN、I/O通道口、中断系统、A/D转换器、看门狗及可编程PIT定时器/计数器等模块，其中功能模块包括数字采集模块、功率驱动及保护模块，电源模块和显示及报警模块。
实施例2：
如图5所示，ECU内置的微处理器控制模块由晶振、存储器RAM、ROM和复位电路组成，复位电路的基本作用是：当系统上电工作时，能够提供复位信号，当系统的电源稳定后，能够迅速撤销复位信号。此外电源稳定后，需要要经过一定的延迟时间后才能撤销复位信号，以防电源开关在分-合过程中，会发生抖动从而影响复位，降低可靠性和稳定性。本发明设计的复位电路在基本的复位电路上增加了二极管，目的是当电源断电后目的是当电源断电后，电容通过二极管的迅速放电，当电源恢复后，可依靠上电进行自动复位，提高可靠性。
实施例3：
发动机工况采集传感器的模拟信号采集部分由电容和电阻组成的RC滤波电路，滤波电路输入端获取冷却液温度、燃油温度、油门踏板位置、节气门位置、蓄电池电压反馈信息，其中温度信号和油门踏板信号需要经过预处理后输入滤波电路。
实施例4：
发动机工况采集传感器中，设于凸轮轴和曲轴位置的传感器是霍尔式，需要在信号端加上一个5.1k的5v上拉电阻。
实施例5：
本发明所述系统以电源模块供电，电源模块的主要功能是：（1）为MC9S12XET256单片机提供稳定的工作电源；（2）提供外围接口电路的电源；（3）提供各传感器和各执行器所需的电源。电源模块中使用的是24V-5V的BUCK降压电路，分别选用两块LM2596开关型集成稳压芯片，用来提供5V M2596开关稳压芯片是一款3A电路输出降压开关型集成稳压芯片，具有较好的线性和负荷调节特性。在一定的输入电压和输出负载的情况下，输出电压能够保持在±4%的误差范围内，具有保护电路、电流限制和热关断电路等功能 要是给控制芯片、传感器信号处理模块和CAN通信模块等供电。电源经过并联在电源两端的两个电容组成的滤波电路后，去除了高频干扰，之后经LM2596芯片和电感线圈L1得到低频的+5V输出电压。除此之外，在电路中还设置了指示灯电路，当控制系统开始供电后，发光二极管被点亮。本发明还设计了15v的电源电路与5V的电源电路相类似，主要是给传感器、天然气喷嘴和喷嘴驱动模块。
实施例6：
当本发明中设置的阀为电磁阀时，为使电磁阀驱动达到比较理想的效果，需要配合高压电源进行驱动；本发明选用UC3843 芯片作为升压电路的控制芯片，该芯片是一款可用于驱动 NMOS 管的 PWM 信号发生器，该封装有八个引脚，适用于要求低边驱动 MOS 管的升压、回扫等结构升压电路。UC3843 的工作频率介于 100kHz～1MHz 之间，在较高的工作频率下工作可选择更小尺寸的元器件封装。
实施例7：
如图10所示，本发明的功能包括包括上电自检、标度变化、系统初始化、故障诊断、工况判断、定时计算、MAP运算、控制量修正、通信管理。
当系统初始化时，由配置MC9S12XET256的PLL、PIT、ECT、SPI、IO、FLASH、SPI、CAN等模块相应寄存器，进行系统功能设置。
在采集工况时采用标度变化进行处理，由于采集过程中的振动等因素会产生波动，因此，对模拟信号需要滤波和均值计算。采集任务中将连续采集4次的数据按照数值大小进行排序，将第2,3次采集的测量值去计算平均值。得到的平均值后并依据传感器标定曲线将数字量转换成相应的物理量。
当发生故障时启动故障诊断，ECU根据传感器数据及其他相关的运算结果。判断传感器和执行器的故障及失火等不正常的工作，一方面将故障码存入SD卡，另一方面向PIT提供故障码参数，用于驱动故障指示灯。
功能中的工况判断是根据的设定的驾驶风格，油门踏板以及发动机的转速。来判断发动机的使用模式以及发动机的运行工况。运行工况包起动、怠速、运行、加速、减速和限速等。
功能中的MAP运算是依据运行工况和燃料模式，查找相应的喷油量、喷气量等参数的MAP,并三次样条插值，计算喷气量和喷油量等参数。MAP作为一个二维数表，横坐标为转速，纵坐标为负荷。MAP是根据大量匹配实验，进行全工况综合优化得到的结果。
功能中的控制量修正是根据电磁阀的标定曲线，计算喷气脉宽，并利用冷却液温度和燃油温度进行修正。根据油泵特性曲线，计算器喷油脉宽，作为燃油喷射闭环条件。
功能中的定时计算是利用单片机的输入捕捉，可以读取曲轴信号两个轮齿之间的时间间隔 ，根据发动机工况得到供油提 前角和脉宽，当得到一个提前 10度的供油提前角，我们已知第19个角压缩上止点的位置。这样的话，一个齿轮有6度，到第19齿轮是108度，第17个齿轮对应96度，使用输出比 较功能，开始计数，到第98度使能 发动机喷射函数，确定定时时间。
功能中的通信管理是通过本发明与PC上位机进行通信，可将一些发动机运行的工况信息发送至PC,同时PC也可以利用上位机修改下位机程序中的MAP,进而调试发动机不同工况下的参数。
实施例8：
如图11所示的本发明对发动机起动采取的控制策略，本发明以纯柴油模式起动，并根据转速确定喷射时刻和供油量，以达到减少冒烟的目的，具体措施如下：在发动机低于400r/min的转速范围内，ECU控制发动不喷油，高于该转速后，开始供给一定的油量，该油量一定的特定的环境为基准进行标定，再考虑到发动机本身的工作状态是冷起动还是热起动，如果发动机根据冷却液温度来确定是否冷起动还是热起动，如果是冷起动则加大发动机的起动喷油量，如果是热起动就减小其喷油量，如果一次起动没有成功就增大喷油量，转速选择大于400r/min是通过具体实验所得的。
实施例9：
如图12所示，本发明在纯柴油模式下进入双燃料模式时，首先要满足以下条件冷却液温度在45度以上，发动机的转速大于1000转，此时便可以切换双燃料模式，天然气喷射时刻设于发动机每缸处于进气行程的时候，ECU根据转速和负荷查表求出喷射顺序，气量和油量。
Claims (10)
1.多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，其特征在于：所述系统包括燃气减压通道、油路、燃料喷射装置、发动机气缸和控制单元；所述燃气减压通道与燃料喷射装置相连并向其输出减压处理后的燃气；所述油路与燃料喷射装置相连并向其输出燃油；所述燃料喷射装置与发动机气缸相通，当发动机处于气缸压缩行程时，所述燃料喷射装置在活塞（112）到达上止点之前以喷油嘴（111）把燃油喷入气缸；当发动机处于气缸进气行程时，燃料喷射装置以燃气喷射阀把燃气充入气缸内；所述控制单元包括ECU（116）、阀控制模块和发动机工况采集传感器；所述ECU贮有与发动机工况对应的控制策略，ECU根据发动机工况按控制策略确定燃油和燃气的喷射时刻，并通过模糊控制确定燃油和燃气的喷射量。
2.根据权利要求1所述的多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，其特征在于：所述燃气为天然气，所述燃气减压通道包括在燃气输送方向上顺序设置的LNG气罐（101）、水浴式汽化器（102）、天然气滤清器（103）、电磁阀（104）、减压阀（105）；燃气减压通道经流量计（106）、缓冲罐（107）、喷射阀喷轨（108）与燃料喷射装置的燃气喷射阀相通。
3.根据权利要求2所述的多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，其特征在于：所述发动机采用柱塞式双排孔混合器，所述混合器（109）安装于进气歧管处，所述进气歧管与喷射阀喷轨（108）相通。
4.根据权利要求3所述的多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，其特征在于：所述喷射阀喷轨包括输入气轨（201）、输出气轨（203）、连接紧固件（202）和（205），进入喷射阀喷轨的气态天然气先送入输入气轨稳压腔体空间（211）稳压后，再经输出气轨稳压腔体空间（206）输出至发动机的进气歧管。
5.根据权利要求4所述的多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，其特征在于：当喷射阀喷轨工作时，气化天然气从输入气轨（201）中部的螺纹孔（212）进入输入气轨稳压腔体空间（211），使输入气轨稳压腔体空间（211）快速且均匀的存储预设量气化天然气以稳压，输入气轨稳压腔体空间内的气化天然气从第一导出孔（209）到达安装于输入气轨（201）和输入气轨（203）之间的喷轨喷射阀处，再从第二导出孔（208）进入输出气轨稳压腔体空间（206）后输出至进气歧管，以实现发动机稳定进气的使用要求；所述喷轨喷射阀的开启时刻和打开时间由ECU控制。
6.根据权利要求1所述的多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，其特征在于：所述燃气喷射阀与发动机进气歧管的混合器（109）相接；所述进气歧管处设有用于调整发动机进气量的节气门位（110），ECU根据发动机工况对所述节气门位开度进行控制。
7.根据权利要求1所述的多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，其特征在于：所述ECU存贮的与发动机工况对应的控制策略，其对应工况包括发动机启动工况、发动机常规速度工况、发动机超速工况、发动机急加速工况、发动机急减速工况和发动机怠速工况；所述发动机工况采集传感器包括冷却液温度传感器（113）、燃油温度传感器（118）、凸轮轴位置传感器（114）、曲轴位置传感器（115）、油门踏板传感器；当发动机运行时，ECU根据冷却水温度，燃油温度，发动机转速，油门踏板位置进行工况判断，并选择对应的控制策略。
8.根据权利要求7所述的多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，其特征在于：所述发动机工况采集传感器还包括发动机转速传感器和油门位置传感器；所述发动机的工作模式凭借模式转换开关在纯柴油单燃料工作模式和双燃料工作模式间切换；所述ECU根据转速信号、油门位置信号以及模式转换开关判断发动机是否采用双燃料工作模式；当发动机工作于双燃料工作模式时，ECU根据曲轴、凸轮轴和油门踏板位置信号检索天然气喷射策略数据，从而得到对应工况下的燃油喷射量和天然气喷射量，燃气喷射阀喷射的天然气与空气混合后进入气缸，在气缸的进气冲程、压缩冲程与空气进一步混合，然后由喷入的燃油油引燃进行燃烧；ECU根据发动机的工作状态来控制燃油和燃气的喷射量，使发动机在双燃料工作模式下以最佳掺烧比运行。
9.根据权利要求1所述的多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，其特征在于：所述喷油嘴、燃气喷射阀以脉宽调制方式控制。
10.根据权利要求1所述的多点喷射的准均质充量压气液双燃料发动机电控系统，其特征在于：所述燃油为柴油；所述油路处设有柴油滤清器（119）；油路始端与柴油罐（120）相通且末端与喷油嘴（111）相接；喷油嘴后部设有电控单体泵（117）。
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