CN100520339C - 电控天然气发动机标定系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电控天然气发动机标定系统和控制方法，电控天然气发动机标定系统由电控单元、PC机、试验台架监控柜以及多个传感器和执行器所组成，传感器有进气压力传感器、同步信号传感器、氧传感器、进气温度传感器、水温传感器、气门位置传感器、转速传感器，执行器有喷射阀、点火装置和怠速旁通阀，上述的传感器连接于天然气发动机，将信号经过转换传给电控单元，执行器连接于电控单元和天然气发动机之间，将电控单元发出的控制信号通过执行器动作，控制天然气发动机；监控柜连接测功机、排放仪和燃气流量计，电控单元与PC机连接。能方便地为提高标定的准确性以及标定效率，减少发动机试验的次数和时间，并使标定后的天然气发动机具有优化的性能。

Description

电控天然气发动机标定系统和控制方法

技术领域

本发明是涉及电控天然气发动机标定系统和控制方法。

背景技术

为提高电子控制的顺序多点喷射天然气发动机的经济性、动力性和排放性，需要对天然气发动机进行标定，确定各种工况下的最佳喷射量、点火提前角和过量空气系数等参数。目前国内一般采用手工标定的办法，即由手动控制喷射量和点火提前角等参数，在发动机达到较佳状态后，用手工记下各个控制参数和发动机状态参数。在整个标定试验做完之后，对记录下来的各个控制参数进行分析整理，最后确定各个脉谱数据，离线写入ECU的存储器中。发动机启动之后，ECU利用这些参数对发动机进行控制。这种标定方法有以下不足：自动化程度底，需要手工记录各种状态参数和控制参数，因而需要的试验人员较多；不能对系统的某些参数(例如喷射延迟角或水温设定值等)进行在线修改，如果这些参数不合理需要修改时，必须停机重写程序，降低了标定效率；由于不能查看整个脉谱以及多个脉谱的整体情况，不能对脉谱数据的合理性和正确性作出直观的判断，试验容易发生偏差，造成重复试验，延长标定时间。由于脉谱一般采用规格化的网格，试验点必须选择网格节点上，因而试验过程中把发动机状态调整到节点所要求的状态需要的时间较长。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种电控天然气发动机标定系统和控制方法，能方便地为提高标定的准确性以及标定效率，减少发动机试验的次数和时间，并使标定后的天然气发动机具有优化的性能，本发明利用电子技术以及计算机技术，开发出了能够克服以上不足的高度自动化和可视化的电控天然气发动机标定系统。

电控天然气发动机标定系统由电控单元ECU、PC机、试验台架监控柜以及多个传感器和执行器所组成，传感器有进气压力传感器、同步信号传感器、氧传感器、进气温度传感器、水温传感器、气门位置传感器、转速传感器，执行器有喷射阀、点火装置和怠速旁通阀，上述的传感器连接于天然气发动机，将信号经过转换传给电控单元ECU，执行器连接于电控单元ECU和天然气发动机之间，将电控单元ECU发出的控制信号通过执行器动作，控制天然气发动机；监控柜连接测功机、排放仪和燃气流量计，电控单元ECU与PC机连接。

一种电控天然气发动机标定系统和控制方法：

步骤1：各传感器将所采集的信号输入到电控单元ECU，经信号调理电路转换成微控制器可以识别的信号，

步骤2：电控单元ECU通过对这些信号的分析和判断，可以知道发动机当前所处的工况，并且根据储存在电控单元ECU中的喷射量脉谱和点火提前角脉谱以及各修正曲线中的数据计算出当前的喷射脉宽和点火提前角，

步骤3：将指令传给喷气阀和点火线圈的驱动电路，控制喷气阀的开通时刻和持续时间以及点火线圈的通电时间以及点火时刻，结合试验台架使发动机正常工作。

步骤4：若发动机工作不正常，修改监控系统采集发动机的扭矩、燃气流量、功率和废气排放值等参数，修改后的参数为标定参数通过通讯接口立即将这些参数传给电控单元ECU，电控单元ECU根据这标定参数重新计算喷射量等参数，并通过驱动电路控制喷射阀和点火线圈等执行器改变发动机的运行状态，结合试验台架上采集的数据，对发动机新的运行状态的进行判断和评价，如果发动机运行状态良好，动力性和排放性达到要求，经济性优良，则认为该标定参数为最优，否则继续改变该参数，重新进行以上过程，直到达到最优为止。

本发明的有益效果：可以将系统的各种状态参数和控制自动地记录并以直观的形式显示出来，保证了数据的准确性和实时性；可以同时查看整个脉谱数据以及各条曲线，可以检查各个参数是否正确合理，指导标定试验的进行；能分别标定多个脉谱，曲线和常量，并能同时标定两个脉谱或曲线；能实时修改各个脉谱数据，曲线和常量，并能将修改结果自动保存在电控单元ECU内，使电控单元ECU总是使用最新的控制参数，提高了标定效率。采用非规格化脉谱网格，标定点的选择自由性增大，使标定容易进行，减少了标定时间。直接选用标定试验点的实时数据作为脉谱数据，不需要进行整理和插值，减少了工作量，提高了控制精度。

附图说明

图1是标定系统的组成和结构示意图，图中的箭头表示状态信号或控制信号的传递方向。

图2是标定系统的脉谱图在线标定界面，所有脉谱图的标定界面都是相同的，但是内容不一样。本系统可以标定多达32个脉谱。

图3是脉谱表，以表格形式显示当前脉谱数据，并可对数据进行修改、保存等操作。

图4是脉谱图，以曲线形式显示当前脉谱数据，可以将整个脉谱保存位文件或从某个已保存的脉谱数据文件中读取数据。

具体实施方式

结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：系统组成如图1所示。

本系统中ECU中的微控制器采用的是Motorola公司生成的MCS12DP256芯片，这是一个16位的微控制器，带256K FLASH ROM，4K RAM和8K EEROM.，有一个8通道的增强型定时器，两个8通道的10位A/D转换模块以及SCI、SPI以及CAN等通讯模块，其功能和性能能够满足标定系统要求。本系统中PC机上的标定程序采用面向对象的Visual C++6.0进行开发，而电控单元ECU中的程序采用C语言进行设计。

电控天然气发动机标定系统由电控单元ECU、PC机、试验台架监控柜以及多个传感器和执行器所组成，传感器有进气压力传感器、同步信号传感器、氧传感器、进气温度传感器、水温传感器、节气门位置传感器、转速传感器，执行器有喷射电磁阀、点火装置和怠速旁通阀，上述的传感器连接于天然气发动机，将信号经过转换传给电控单元ECU，执行器连接于电控单元ECU和天然气发动机之间，将电控单元ECU发出的控制信号通过执行器动作，控制天然气发动机；监控柜连接测功机、排放仪和燃气流量计，电控单元ECU与PC机连接。传感器分别采集发动机的对应状态参数信号。对于多点顺序喷射的天然气发动机，每缸配备一个电磁阀以及一套点火装置。点火装置由点火模块、点火线圈和火花塞连接组成。点火模块用于将ECU传来的脉冲控制信号转化为驱动点火线圈的大电流信号。点火能量的大小由ECU通过控制线圈通电持续时间来调节。为了保证点火线圈和火花塞的安全和使用寿命，点火模块应当具有限流功能。

进气压力传感器采用的是Motorola公司生产的MPX5500型绝对压力传感器。

同步信号传感器的感应元件是霍尔元件，提供信号的齿盘安装在凸轮轴上，其上有5个大齿和两个小齿。每个大齿的齿根和齿顶所占的圆周角均为30度，两个小齿的齿顶和它们之间的齿根所占的圆周角均为10度。安装时，沿着发动机的转动方向将第二个小齿的前沿对准发动机1缸的压缩上止点。

氧传感器采用的日本NTK公司生产的4001675型宽域氧传感器。

进气温度传感器和水温传感器采用的是负温度系数的热敏电阻，为现有市售产品。

节气门位置传感器是一个与节气门转轴相连的电位器，为现有市售产品。

转速传感器采用的是飞利浦(Philips)公司生产的KMI15系列磁阻式集成转速传感器。

天然气喷射电磁阀的型号为HSV—SP21，为贵州红林科技开发有限公司产品。

点火装置为天津高仕达汽车电器厂产品。

怠速旁通阀是一个位于节气门旁边的阀门，其开度由一个比例电磁铁控制。比例电磁铁的型号为MFE3-045，为宁波市镇海华力液压机电有限公司产品。

监控柜的型号为FST2，测功机的型号为CW260，这两者均为洛阳南峰机电设备公司产品。

排放仪的型号为Digas 4000，为奥地利AVL公司产品。

燃气流量计的型号为CNG50，是意大利Micro Motion公司产品。

电控单元ECU采集的各个状态参数可通过通讯接口上传到标定软件的监控界面上直观地显示出来，再根据试验台架的监控系统采集发动机的扭矩、燃气流量、功率和废气排放值等参数，可以全面确定发动机当时的运行状况。当按照标定试验的要求选定标定内容后，打开相应的标定界面，在标定界面上可以修改需要标定的参数，例如喷射脉宽或点火提前角，修改后的参数通过通讯接口立即将这些参数传给电控单元ECU，电控单元ECU根据这些新的参数重新计算喷射量等参数，并通过驱动电路控制喷射阀和点火线圈等执行器改变发动机的运行状态，然后发动机的新的各种状态参数又实时地在标定界面上显示出来，再结合试验台架上采集的数据，对发动机新的运行状态的进行判断和评价，如果发动机运行状态良好，动力性和排放性达到要求，经济性优良，则认为该标定标定参数为最优，否则继续改变该参数，重新进行以上过程，直到达到最优为止。电控单元ECU把标定好的参数保存在EEROM中，掉电以后这些数据仍不丢失。电控单元ECU每次上电后从EEROM中读取这些参数，因而电控单元ECU能总是采用最新的参数进行控制。

标定参数将标定的内容分为常量、曲线和脉谱三种。常量就是系统的一个设定参数，在标定实验中要确定其一个具体值，在计算机中用一个字来储存。曲线就是对应于单个变量的数值系列，在计算机中用一维表的形式储存。脉谱是对应于两个变量的数值阵列，在计算机中用二维表的形式储存。本发明中，将喷射量脉谱和点火提前角以及过量空气系数作为脉谱，它们的横坐标都为发动机转速，纵坐标都为进气压力。在微控制器时钟频率以及定时器的分频数确定之后，喷射持续时间(以毫秒表示)和微控制器中的定时器计数值是成比例对应的。最终确定喷射持续时间的是定时器计数值，两者之间需要进行转换，为了避免这种转换，减少微控制器的运算量，喷射量脉谱中存储的是与喷射持续时间对应的定时器计数值。ECU将定时器计数值传给PC机，PC机对这一数值进行转换，在监控界面上以喷射持续时间(ms)形式显示。

电控单元ECU将定时器计数值传给上位机，为了便于观察和判断，PC机对这一数值进行转换，在监控界面上显示的是喷射持续时间。对于点火提前角脉谱，也采用同样的处理方法，点火提前角脉谱中存储的是与点火提前角对应的定时器计数值。

对于脉谱，本发明使用了一种非规格化的网格形式。这种网格的好处是试验点可以不选择固定的网格节点上，而是可以在网格节点附近自由选择，这样试验时的自由度较大，减少了调整试验点的所需的时间。对于不在节点上的工况点，其定时计数值采用插值方法进行计算。本发明根据网格节点的情况和精度要求，选取了在相邻两个转速范围内的最接近试验点的4个网格节点进行线性双内插的方法。

本标定系统可以用两种方法来调节喷油量。一种是通过标定界面向电控单元ECU发送命令来实现，另一种采用手动装置来控制喷油量。后一种方法的好处是调整方便、电控单元ECU响应速度快，所以在标定试验初期采用这一方法来控制喷油量。而在脉谱数据基本确定后，需要对个别点进行调整时采用前一种方法，这种方法可以通过标定软件清楚地看到调整点的情况，便于确定调整方向和调整量的大小，并能将调整后的脉谱数据同时传给电控单元ECU。

对于非规格化网格脉谱，节点的具体划分方法是将转速从700转/分到1200转/分按每100转/分的间隔等分，转速从1200转/分到2200转/分这一范围内按每200转/分的间隔等分，共分为11行。对于作为纵坐标的进气压力，在每一个发动机转速下，将进气压力都分成10个间隔，其间隔值并不是固定的，而是随在该转速下进气压力的变化范围而定，并且同一个转速下其间隔值也不是固定的，而是直接采用试验点上实测的进气压力值。例如在1200转/分时，进气压力从的变化范围是从185(进气压力采样值)到390。将这一范围分为10段，间隔值大约为20，节点处的进气压力值分别为185、206、226、245、267、287、308、329、350、372、390。在2200转/分时，进气压力的变化范围是从180到480，也将这一范围分成10段，间隔值大约为30，具体节点上的进气压力值由试验时的实际值确定。为了实现这种网格划分方法，需要将节点处的与喷射量相对应的进气压力值也保存起来。

在脉谱图标定界面中(如图2所示)，可以在图形显示区域中显示出当前标定转速下各试验点的喷射量和进气压力之间的变化曲线。在窗口右边的数据显示区，可以显示出各个试验的进气压力和喷射量的具体数值。结合窗口下面的相关命令按钮，可以将当前试验状态下的进气压力值和喷射量数据提取到脉谱中，也可以对各个脉谱数据进行修改，并传给电控单元ECU，改变发动机的实际喷射量或点火提前角。在各个命令按钮上方显示的是发动机转速、节气门位置和进气压力等各种状态参数。

本发明的标定软件可以以脉谱图和脉谱表两种方式显示脉谱数据，分别如图3和图4所示。在脉谱表中以表格形式完整显示所有数据，并且可以修改任何一个数据。脉谱表的上方显示的是该脉谱各条曲线的名称，这是发动机转速。一个脉谱中最多可以有24条曲线，这里仅使用了11条。在脉谱存储格式上，采用按发动机转速分行，一个转速下有一行喷射量数据，同时还有一行与各喷射量相对应的进气压力数据，因此，一个发动机转速下对应有两行脉谱数据。在脉谱表的下方有多个命令按钮，可分别执行将脉谱数据保存为文件、将文件内容读取为脉谱数据、读取当前ECU中的脉谱数据、将表中数据传给电控单元ECU以及转到与之对应的脉谱图和在线标定界面的功能。在脉谱图中以曲线形式显示各条转速下喷射量随进气压力的变化关系，用于观察脉谱数据的分布情况以及变化规律，可据此对脉谱数据进行调整，并指导试验的进行。使用脉谱图下的几个命令按钮可以将整个脉谱保存位文件或从某个已保存的脉谱数据文件中读取数据，也可以转到与之对应的脉谱表或在线标定界面。

PC机与电控单元ECU之间的通讯采用串口方式，采用RS232接口标准。通讯协议中对采用1个起始位、1个停止位、8个数据位，无校验位，波特率19200。每次传输一帧数据由起始字、命令类型、数据和结束字组成，数据的字节数由命令类型确定。对脉谱和曲线以及常量这些重要的标定数据进行奇偶校验，保证数据传输正确。

手动调节喷射量是通过一个电位器来实现的。电位器的输出电压经滤波等处理后传输给微控制器的A/D端口。为了保证喷射量调节精度，采用一个可动范围为10圈的精密电位器。将电位器的输出电压变动范围(0～5伏)成比例地对应于喷射量的调节范围(0～25ms)。当需要改变喷射量时，旋转电位器，微控制器采集到电位器输出电压后即输出成比例的喷射持续时间。

Claims (4)

1.一种电控天然气发动机标定系统控制方法，采用下列步骤：

步骤1：进气压力传感器、同步信号传感器、氧传感器、进气温度传感器、水温传感器、气门位置传感器、转速传感器将所采集的信号输入到电控单元ECU，经信号调理电路转换成微控制器可以识别的信号；

步骤2：电控单元ECU通过对上述信号的分析和判断，可以知道发动机当前所处的工况，并且根据储存在电控单元ECU中的喷射量脉谱和点火提前角脉谱以及各修正曲线中的数据计算出当前的喷射脉宽和点火提前角；

步骤3：将指令传给喷气阀和点火线圈的驱动电路，控制喷气阀的开通时刻和持续时间以及点火线圈的通电时间以及点火时刻，结合试验台架使发动机正常工作；

步骤4：若发动机工作不正常，修改监控系统采集发动机的扭矩、燃气流量、功率和废气排放值参数，修改后的参数为标定参数通过通讯接口立即将标定参数传给电控单元ECU，电控单元ECU根据标定参数重新计算喷射量参数，并通过驱动电路控制喷射阀和点火线圈和怠速旁通阀改变发动机的运行状态，结合试验台架上采集的数据，对发动机新的运行状态的进行判断和评价，如果发动机运行状态良好，动力性和排放性达到要求，经济性优良，则认为该标定参数为最优，否则继续改变该参数，重新进行以上过程，直到达到最优为止；电控单元ECU使用EEROM保存需要改变的参数，电控单元ECU每次上电后从EEROM中读取这些数据；

其特征在于：喷射量脉谱中存储的是与喷射持续时间对应的定时器计数值。

2.根据权利要求1所述的一种电控天然气发动机标定系统控制方法，其特征在于：点火提前角脉谱中存储的是与点火提前角对应的定时器计数值。

3.根据权利要求1所述的一种电控天然气发动机标定系统控制方法，其特征在于：所述的脉谱，其特征在于采用的是非规格化的网格形式，作为横坐标的发动机转速其间隔值为100转/分或200转/分，而作为纵坐标的进气压力，不同发动机转速下其间隔值不相同，随着该转速下进气压力的变化范围而变化，在各转速下进气压力范围划分为10个间隔，并且同一个转速下其间隔值不固定，直接采用试验点上实测的进气压力值，在脉谱数据储存上采用一个转速下对应一行喷射量数据和一行进气压力数据的格式。

4.根据权利要求1所述的一种电控天然气发动机标定系统控制方法，其特征在于：采用了两种方法来调节喷油量，一是通过标定界面向电控单元ECU发送命令，另一种是采用手动装置，在标定试验初期采用后一种方法来可提高效率，而在脉谱数据基本确定后，对个别点进行调整时采用前一种方法可以通过标定软件清楚地看到调整点的情况，便于确定调整方向和调整量的大小，并能将调整后的脉谱数据同时传给电控单元ECU。

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