CN205422958U - 一种lng/柴油双燃料发动机的电子控制单元 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种LNG/柴油双燃料发动机的电子控制单元，其特征在于：包括主控芯片及与其相连接的输入模块、输出模块、通信模块、电源模块；所述输入模块为传感器信号采集及处理模块，包括转速信号处理电路、冷却水温度信号采集及处理电路、氧传感器模拟信号采集及处理电路、喷油压力模拟信号采集及处理电路、排气温度采集及处理电路、模拟量信号采集及处理电路、气体温度压力信号采集及处理电路；所述输出模块包括天然气喷嘴驱动模块及步进电机驱动模块。其根据双燃料发动机的实际结构和控制系统需求进行设计，其主控芯片以及外设电路能够满足混燃电控的复杂性与精确性。
Description
技术领域
本实用新型涉及LNG/柴油双燃料发动机电子控制技术领域，尤其涉及一种车用LNG/柴油双燃料发动机电控系统的电子控制单元。
背景技术
随着当前环境法规日益严格和能源短缺问题越来越严重，柴油机凭借自身良好的经济性、动力性以及可靠性已逐渐成为各类车辆首选动力。但是由于传统的石油燃料自身属性，使得汽车排放的氮氧化物和颗粒物超过90%，碳氢化合物和一氧化碳超过70%，不仅对大气环境仍旧造成巨大的破坏，同时也对人们的身体健康造成严重的危害。因此，解决石油危机和环境污染这两大问题最简单而且有效的方法就是寻找汽车发动机的替代燃料。天然气作为一种清洁能源，不仅污染物的排放远远小于石油和煤炭，并且价格便宜，是全球公认的几种汽车替代清洁燃料之一。柴油-液化天然气（LNG）双燃料发动机具有经济性好、燃料选用灵活、热效率高以及排放性能好等优点。因为电子控制单元是双燃料发动机电控系统的核心，其设计的合理性和运行的可靠性决定双燃料发动机的性能品质，所以双燃料柴油发动机电控系统的电子控制单元的开发具有很强的实际应用前景。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种LNG/柴油双燃料发动机电控系统的电子控制单元。
本实用新型采用以下技术方案实现：一种LNG/柴油双燃料发动机的电子控制单元，其特征在于：包括主控芯片及与其相连接的输入模块、输出模块、通信模块、电源模块；所述输入模块为传感器信号采集及处理模块，包括转速信号处理电路、冷却水温度信号采集及处理电路、氧传感器模拟信号采集及处理电路、喷油压力模拟信号采集及处理电路、排气温度采集及处理电路、模拟量信号采集及处理电路、气体温度压力信号采集及处理电路；所述输出模块包括天然气喷嘴驱动模块及步进电机驱动模块。
在本实用新型一实施例中，所述主控芯片为一单片机最小工作系统，所述单片机最小工作系统包括MC9S12XET256单片机及与其相连接的晶振电路、复位电路。
在本实用新型一实施例中，所述通信模块为CAN通信电路；所述CAN通信电路包括一收发器；所述收发器为TJA1050，TJA1050连接主控芯片。
在本实用新型一实施例中，所述转速信号处理电路包括NCV1124芯片及一阶滤波电路；所述冷却水温度信号采集及处理电路包括一二阶低通滤波电路；所述氧传感器模拟信号采集及处理电路包括CJ125芯片；所述喷油压力模拟信号采集及处理电路包括一二阶低通滤波电路及一限压电路；所述排气温度采集及处理电路包括MAX6675芯片；所述模拟量信号采集及处理电路为A/D转换电路；所述气体温度压力信号采集及处理电路包括一电压跟随器及一二阶低通滤波器。
在本实用新型一实施例中，所述天然气喷嘴驱动模块包括相连接的A3944芯片及auirfr540z功率mos管；步进电机驱动模块包括L9935芯片。
在本实用新型一实施例中，所述电源模块为相连接的24V的开关电源和稳压电路；所述24V的开关电源通过稳压电路转为5V和12V两种输出电压，其中5V输出电压给主控芯片、输入模块和通信模块供电；12V输出电压给天然气喷嘴驱动模块和步进电机驱动模块供电。
进一步的，所述稳压电路包括两块LM2596开关型集成稳压芯片，分别提供5V和12V两种输出电压。
与现有技术相比，本实用新型根据双燃料发动机的实际结构和控制系统需求进行设计，其主控芯片以及外设电路能够满足混燃电控的复杂性与精确性；在电子控制单元硬件的输入和输出接口上，具有丰富而实用的输入和输出端口，可以满足多种传感器和执行器与电子控制单元的连接；在电子控制单元硬件电路的设计上采用模块化的设计思想，将数字信号和模拟信号分离，信号采集处理部分和功率驱动部分分离，能够有效地避免信号干扰，增强系统电路的稳定性。
附图说明
图1为本实用新型的电路原理图。
具体实施方式
下面根据具体实施方式和附图进一步对本实用新型加以说明。
参见图1本实用新型提供一种LNG/柴油双燃料发动机的电子控制单元。其包括主控芯片及与其相连接的输入模块、输出模块、通信模块、电源模块；所述输入模块为传感器信号采集及处理模块，包括转速信号处理电路、冷却水温度信号采集及处理电路、氧传感器模拟信号采集及处理电路、喷油压力模拟信号采集及处理电路、排气温度采集及处理电路、模拟量信号采集及处理电路、气体温度压力信号采集及处理电路；所述输出模块包括天然气喷嘴驱动模块及步进电机驱动模块。
所述主控芯片为一单片机最小工作系统，所述单片机最小工作系统包括MC9S12XET256单片机及与其相连接的晶振电路、复位电路。
所述通信模块为CAN通信电路；所述CAN通信电路包括一收发器；所述收发器为TJA1050，TJA1050连接主控芯片。
所述转速信号处理电路包括NCV1124芯片及一阶滤波电路；所述冷却水温度信号采集及处理电路包括一二阶低通滤波电路；所述氧传感器模拟信号采集及处理电路包括CJ125芯片；所述喷油压力模拟信号采集及处理电路包括一二阶低通滤波电路及一限压电路；所述排气温度采集及处理电路包括MAX6675芯片；所述模拟量信号采集及处理电路为A/D转换电路；所述气体温度压力信号采集及处理电路包括一电压跟随器及一二阶低通滤波器。
所述天然气喷嘴驱动模块包括相连接的A3944芯片及auirfr540z功率mos管；步进电机驱动模块包括L9935芯片。
所述电源模块为相连接的24V的开关电源和稳压电路；所述24V的开关电源通过稳压电路转为5V和12V两种输出电压，其中5V输出电压给主控芯片、输入模块和通信模块供电；12V输出电压给天然气喷嘴驱动模块和步进电机驱动模块供电。所述稳压电路包括两块LM2596开关型集成稳压芯片，分别提供5V和12V两种输出电压。
本实用新型一实施例中，具体电控单元硬件结果如附图1所示。系统硬件由主控芯片最小工作模块、输入模块、输出模块、通信模块和电源模块5部分组成。芯片最小工作模块是以由MC9S12XET256单片机为核心的包括芯片晶振电路和复位电路组成；输入模块主要是传感器信号采集及处理模块，包括数字量输入和模拟量输入；输出模块包括天然气喷嘴驱动模块和步进电机驱动模块；通信模块主要涉及的是CAN通信电路。
芯片最小工作模块是由以MC9S12XET256单片机为核心以及电源电路（电源模块提供）、芯片晶振电路和复位电路组成。MC9S12XET256单片机是飞思卡尔公司MC9S12（X）系列高性能16位微处理器，具有强大的浮点计算处理能力，可以计算复杂的算法，片上资源丰富，数据存储容量大，特别是该单片机具有协处理器，大大提高了中断响应时间，可满足复杂而又快速变化的喷气规律。
输入模块：主要是传感器信号采集及处理模块，包括发动机转速信号采集与处理电路、冷却水温度信号采集及处理电路、气体温度压力信号采集及处理电路、油门位置信号采集及处理电路、步进电机位置信号采集及处理电路和喷油压力信号采集及处理电路。
传感器信号经过信号处理模块后，接到单片机的AD口，MC9S12XET256单片机利用内部的ATD模块，完成模拟量信号的采集和转换。其中，本实用新型选用的是NCV1124芯片作为转速信号处理芯片，NCV1124芯片是一款双通道可变磁阻传感器接口集成芯片，它能够将传感器输出的随车速变化的正弦波转换成频率相同且占空比适当的方波，同时考虑到电控系统在发动机工作时会有较强的电磁干扰，所以采用了经典的RC一阶滤波电路，将滤波后的转速信号，经过NCV1124芯片内部的限幅和整形电路后，转换成方波信号，输入给主控芯片；由于冷却水温度信号是从NTC（负温度系数）热敏电阻温度传感器发出，热敏电阻的电阻值随温度变化并转换成相应的输出电压，传感器信号经过电阻分压和信号放大后，最后传送至主控芯片A/D转换通道，本实用新型为此设计了二阶低通滤波电路，它是由电阻、电容和运算放大器组成。发动机排气温度信号由K型热电偶发出，因此采用MAX6675芯片（K型热电偶串行模数转换器）采集及处理信号，再将信号传送给主控芯片；宽频氧传感器控制电路包括脉冲整形电路和输入捕捉电路，用于测量和控制发动机的空燃比，实现LNG/柴油双燃料发动机空燃比的闭环控制，本实用新型采用CJ125芯片采集及处理宽频氧传感器的信号；天然气温度采集电路是由一个电压跟随器和一个二阶低通滤波器组成；天然气压力采集电路与喷油压力采集电路所获得的信号类型相同，其处理电路都是由二阶低通滤波器组成；油门拉杆位置信号和步进电机位置信号均为同一类型电压信号，每一电压线性对应油门拉杆位置和步进电机位置从关闭到完成打开的每一个位置。喷油压力信号也是电压信号，压力信号和输出电压是一一对应的。本实用新型采用了RC滤波电路和限压电路处理信号，再将处理后的信号输入给主控芯片，进行下一步的处理。
输出模块：包括天然气喷嘴驱动模块和步进电机驱动模块。天然气喷嘴驱动模块包括天然气喷嘴驱动电路及喷嘴驱动芯片电路，其中采用AllergoMicroSystems公司生产的A3944汽车低端MOSFET预驱动器作为天然气喷嘴驱动模块的驱动芯片；选用auirfr540z功率mos管作为电控天然气喷嘴电磁阀的开关。工作过程如下：当微控制器向A3944芯片输入端IN0~5输入PWM信号时，FET通道打开，GAT0的输出电流为50mA，作用在auirfr540z功率mos管G极的电压为11V，作用在S极的电压为0V，auirfr540z导通，天然气喷嘴电磁阀打开，天然气喷嘴开始喷气；持续一段时候后，PWM转为低电平，功率mos管的FET通道关闭，功率mos管截止，天然气喷嘴停止喷气。支持最小1us的脉冲电控，满足系统需求。同时为了避免天然气喷嘴关闭时，喷嘴的电磁阀线圈会产生反向电动势，将A3944芯片烧坏，在喷嘴电磁阀线圈的高端和低端之间反向并接快速恢复二极管；为实现对喷油泵齿条位置的电控，在步进电机上方加装直线位移传感器，可实现对齿条位置的闭环电控，进而电控引燃油量。系统采用二相混合式步进电机，采用L9935芯片实现电机的正反转电控。
通信模块：主要涉及的是CAN通信电路，可实现实时监控双燃料发动机的运行状态、修改电控单元的电控参数和进行在线标定，上位机能够与电子控制单元进行实时数据交换。CAN的收发器选择的是TJA1050，它是一种高速的CAN收发器，主控芯片通过串行数据输出线（TxD）和串行数据输入线（RxD）与TJA1050相连接，而收发器通过有差动接收和发送能力的总线中断MSCANH和MSCANL与上位机相连接。
电源模块：用于为MC9S12XET256单片机和外围接口电路以及各传感器和各执行器提供所需的电源。电源模块中使用的是24V的开关电源，分别选用两块LM2596开关型集成稳压芯片，用来提供5V和12V两种输出电压。通过稳压电路转为5V和12V两种输出电压。其中24V转5V的稳压电路，主要是给主控芯片、传感器信号处理模块和CAN通信模块等供电；24V转12V的稳压电路，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、步进电机和步进电机驱动模块等供电。除此之外，在电路中还设置了指示灯电路，当电控系统开始供电后，如果发光二极管被点亮则说明电子控制单元电源模块正常工作。
在本实用新型具体实施例中，可以采用印刷电路板PCB，即采用两层面板工艺。在元件布局上采用模块化设计，将相关元器件放在一起，形成模块的分区布置；在地线及电源线的布置上较多的考虑了抗干扰的措施；对于模拟信号，将其放在板上离干扰源较远的地方；地线单独布置在电源处一点接地。对于晶振之类高频元件其走线尽可能的短，并用地线屏蔽。
上列较佳实施例，对本实用新型的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种LNG/柴油双燃料发动机的电子控制单元，其特征在于：包括主控芯片及与其相连接的输入模块、输出模块、通信模块、电源模块；
所述输入模块为传感器信号采集及处理模块，包括转速信号处理电路、冷却水温度信号采集及处理电路、氧传感器模拟信号采集及处理电路、喷油压力模拟信号采集及处理电路、排气温度采集及处理电路、模拟量信号采集及处理电路、气体温度压力信号采集及处理电路；所述输出模块包括天然气喷嘴驱动模块及步进电机驱动模块。
2.根据权利要求1所述的LNG/柴油双燃料发动机的电子控制单元，其特征在于：所述主控芯片为一单片机最小工作系统，所述单片机最小工作系统包括MC9S12XET256单片机及与其相连接的晶振电路、复位电路。
3.根据权利要求1所述的LNG/柴油双燃料发动机的电子控制单元，其特征在于：所述通信模块为CAN通信电路；所述CAN通信电路包括一收发器；所述收发器为TJA1050，TJA1050连接主控芯片。
4.根据权利要求1所述的LNG/柴油双燃料发动机的电子控制单元，其特征在于：所述转速信号处理电路包括NCV1124芯片及一阶滤波电路；所述冷却水温度信号采集及处理电路包括一二阶低通滤波电路；所述氧传感器模拟信号采集及处理电路包括CJ125芯片；所述喷油压力模拟信号采集及处理电路包括一二阶低通滤波电路及一限压电路；所述排气温度采集及处理电路包括MAX6675芯片；所述模拟量信号采集及处理电路为A/D转换电路；所述气体温度压力信号采集及处理电路包括一电压跟随器及一二阶低通滤波器。
5.根据权利要求1所述的LNG/柴油双燃料发动机的电子控制单元，其特征在于：所述天然气喷嘴驱动模块包括相连接的A3944芯片及auirfr540z功率mos管；步进电机驱动模块包括L9935芯片。
6.根据权利要求1所述的LNG/柴油双燃料发动机的电子控制单元，其特征在于：所述电源模块为相连接的24V的开关电源和稳压电路；所述24V的开关电源通过稳压电路转为5V和12V两种输出电压，其中5V输出电压给主控芯片、输入模块和通信模块供电；12V输出电压给天然气喷嘴驱动模块和步进电机驱动模块供电。
7.根据权利要求6所述的LNG/柴油双燃料发动机的电子控制单元，其特征在于：所述稳压电路包括两块LM2596开关型集成稳压芯片，分别提供5V和12V两种输出电压。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160803 Termination date: 20200203 |