CN103174527B - 一种沼气或天然气与汽油两用发动机 - Google Patents

Abstract

一种具有ECU控制单元的沼气(或天然气)/汽油两用发动机，包括汽油供应单元、沼气(或天然气)供应单元、缸体和ECU控制单元，缸体的气缸头上设置有隔开一定间距的可以同时高能点火的两个火花塞，ECU的设定单元可以设定燃料类别以及启动工况下的点火提前角，ECU的RAM中存储有针对汽油或者不同甲烷含量的沼气(或天然气)的最佳点火提前角数据。本发明的优势在于能够对应于不同甲烷含量的沼气(或天然气)自主选择最佳的点火提前角。

Description

一种沼气或天然气与汽油两用发动机

技术领域

本发明涉及一种沼气(或天然气)/汽油两用发动机，特别是具有电子控制单元(ECU)的沼气(或天然气)/汽油两用发动机，属于发动机技术领域。

背景技术

沼气(或天然气)作为一种清洁能源越来越受到人们的重视，将其作为发动机的燃料而研发出来的沼气(或天然气)发动机深受人们喜爱。但是，与汽油发动机具有充足的汽油供应量所不同的是，沼气(或天然气)的供应量往往难以得到保证，在沼气(或天然气)供应量不足时，人们期望可以采用汽油作为燃料，因此，人们开始研究汽油、沼气(或天然气)两用发动机。目前很多专家学者和技术人员对汽油发动机改装为沼气(或天然气)、汽油两用发动机进行了探索。

沼气(或天然气)是多种气体的混合物，一般含甲烷50～70％，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等，其特性与天然气相似。但是沼气(或天然气)池产生的沼气(或天然气)中甲烷的含量往往并不稳定，受天气条件的影响较为严重，比如阴天时沼气(或天然气)中甲烷含量最高，达70％左右，雨后晴天沼气的成分最差，其中甲烷含量仅为50％左右，甚至不到45％。另外，沼气(或天然气)中甲烷的燃烧速度较慢(约为37.3cm/s)，再加上沼气(或天然气)中存在的二氧化碳和氮气对燃烧有抑制作用，沼气(或天然气)的燃烧速度更慢(约为23cm/s)。沼气(或天然气)成分不稳定和燃烧速度慢的两个特性在一定程度上制约了沼气(或天然气)、汽油两用发动机的研发和应用。

CN201874701U公开了一种沼气、汽油两用发动机，包括机体、曲柄连杆机构、配气系统、供油系统、润滑系统和点火系统，在配气系统的空气滤清器与进气管之间装有沼气空气混合装置，管状的混气室侧壁上至少装有两根相互垂直的沼气管，所述的沼气管在靠近混气室2-10mm处设有成圆周分布的空气进气孔，混气室的沼气管前端密封，其管壁上分布着气体出孔，各沼气管汇总后与沼气开关相连接。由于沼气的燃烧速度23cm/s比汽油的燃烧速度慢，所以需要更大的点火提前角，该技术在沼气与汽油互换时，没有进行点火提前角的调整，这样使用沼气作为燃料时，由于点火角较小，沼气不能充分燃烧，从而产生发动机功率降低、排温高的问题。

CN102619666A公开了一种沼气、汽油两用发动机的点火提前角的调节装置，其采用了无触点磁电机点火系统，包括飞轮、点火线圈，在所述飞轮的外缘上设有飞轮磁钢，还包括固定设置的点火提前角调整支架，所述点火线圈设置在所述点火提前角调整支架上，所述点火提前角调整支架能够沿飞轮外缘的圆周方向调整点火线圈至针对当前选择燃料的对应位置并固定。该提前角调节装置通过弧形槽与连接装置配合固定点火线圈，更换燃料时，只需要将连接装置松开，调整点火线圈到相应位置后再固定既可实现点火提前角的调节，操作简便。该文件公开的沼气、汽油两用发动机仅在更改燃料时，对点火提前角进行调节，针对不同成分的沼气点火提前角的调节量是固定的，难以针对不同的沼气分别调节点火提前角。

另外，现有技术中均没有为沼气(或天然气)、汽油两用发动机配设电子控制单元(ECU)的技术内容。ECU能够实现连续监测并控制发动机正常运转工作的功能，并且能实现发动机工作的自动优化。采用ECU技术控制沼气(或天然气)、汽油两用发动机能够显著改善发动机的动力性和经济性。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本法采用的技术方案是：一种具有ECU控制单元的沼气(或天然气)/汽油两用发动机，采用沼气(或天然气)或者汽油作为燃料，其包括汽油供应单元、沼气(或天然气)供应单元、缸体和ECU控制单元，所述的沼气(或天然气)/汽油两用发动机还设置有进气压力传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器、转速传感器、凸轮位置传感器、曲轴位置传感器、爆震传感器、氧传感器，所述的ECU由CPU、ROM、RAM、输入接口电路模块、输出接口电路模块、设定单元和显示模块和两套独立的储能点火模块构成，其特征在于：缸体的气缸头上设置有隔开一定间距的两个火花塞，所述的两套独立的储能点火模块连接两个高能点火线圈，从而驱动所述的两个火花塞同时高能点火；所述的设定模块可以设定燃料的种类，以及对应于不同燃料类别的启动工况下点火提前角数值；在启动工况下，ECU根据设定的点火提前角计算得出软件延时时长，并进行延时后，发出点火信号；在正常运转时，ECU根据所设定的燃料类别以及进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器的数值，从存储在所述RAM中的数据表中查找最佳的点火提前角数值，并经过计算后得出软件延时时长，并进行延时后发出点火信号，所述的数据表包括针对不同甲烷含量的沼气(或天然气)的点火提前角最佳数据。

一个优选的技术方案是：在设定模块中分别设定汽油、甲烷含量50％的沼气(或天然气)、甲烷含量60％的沼气(或天然气)、甲烷含量70％的沼气(或天然气)为1#、2#、3#、4#燃料。

再一个优选技术方案在于：对应于所述的1#、2#、3#、4#燃料启动工况下的点火提前角为5°、24°、22°和20°。

本发明采用的确定软件延时时长的方法是：软件延时时长Td采用以下公式计算：

$\mathrm{Td}\left(\mathrm{\μs}\right)=\frac{60\·\mathrm{\φ}}{360\·N}\×{10}^6$

式中：Td-软件延时时长，单位μs；

θ-点火提前角；

N-发动机转速，单位r/min。

本发明的沼气(或天然气)/汽油两用发动机能够采用ECU电控单元软件延时的方式实现点火提前角的调节，显著的优势在于能够对应于不同甲烷含量的沼气(或天然气)自主选择最佳的点火提前角。

附图说明

图1本发明沼气(或天然气)/汽油两用发动机的ECU控制系统原理框图；

图2本发明的沼气(或天然气)/汽油两用发动机气缸剖视图；

图3高能点火系统电源驱动电路图；

图4经过标定和优化后的点火提前角数据；

图5沼气(或天然气)/汽油两用发动机点火提前角的软件调节程序框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明的沼气(或天然气)/汽油两用发动机，具有气缸体、汽油供应单元和沼气(或天然气)供应单元以及ECU电子控制单元。如图1所示，汽油供应单元包括油箱、油泵、输油管和喷射器；沼气(或天然气)供应单元包括沼气(或天然气)储气室、电控调压器、空气过滤器、混合器、电子节气门。

发动机电子控制单元ECU是整个系统的核心，它采集安装在沼气(或天然气)/汽油两用发动机上的传感器所传送的模拟信号或者数字信号，经过处理后根据软件中的控制模型，输出各个信号到执行机构。ECU由CPU、ROM、RAM、输入接口电路模块、输出接口电路模块、设定单元和显示模块构成。进气压力传感器11、进气温度传感器12、节气门位置传感器13、冷却液温度传感器14、转速传感器15、凸轮位置传感器16、曲轴位置传感器17、爆震传感器18、氧传感器19检测得到的数字信号或者模拟信号经过相应的调整电路后经输入接口电路输入CPU中。ECU收集到各传感器发送的信号后，经过处理后输出相应的控制信号至沼气(或天然气)/汽油两用发动机，比如点火信号、沼气(或天然气)电控调压信号、喷油器控制信号等，从而控制发动机正常工作。

设定模块用于设定燃料类别以及初始参数，比如设定燃料类别为：1#汽油；2#甲烷含量为50％的沼气(或天然气)；3#甲烷含量为60％的沼气(或天然气)；4#甲烷含量为70％的沼气(或天然气)。设定模块还可以设定对应于不同燃料的启动工况下点火提前角的数值。

本发明采用当量氧传感器19检测燃烧后废气中的氧含量，从而可以检测混合气体实际的空燃比与预设的空燃比是否一致。如果不一致，电控调压器则根据这个监测值进一步修正进入混合器中的沼气(或天然气)压力的命令值，使实际的空燃比与目标值一致，最终实现对燃气的闭环控制。当ECU接收的氧传感器19的信号电压高于阈值电压时，表明混合气体浓度高，空燃比偏小，ECU将控制电控调压器使混合气体中沼气(或天然气)的含量降低。

如图2所示的沼气(或天然气)/汽油两用发动机气缸体的缸头部分剖视图，本发明的沼气(或天然气)/汽油两用发动机采用双火化塞点火系统，它包括与ECU上的两套独立的储能点火模块相连接的两套高能点火线圈21，两个火花塞22以及双火花塞气缸头23，所述的两个火花塞隔开一定间距地设置在发动机气缸头上。独立的储能点火模块可以是双电容放电式也可以是电容放电式和电感放电式，也可以是双电感放电式。可以通过改变高能点火线圈次级线圈和初级线圈的匝数比的方式或者提高点火线圈初级电压的方式获得较高的点火能量，优选地初级线圈的点火能量为120～160mJ。发动机运转时，ECU控制两套独立的储能点火模块同时发出点火信号，进而驱动两个火花塞同时点火。这对于沼气(或天然气)/汽油两用发动机来说是难能可贵的，由于沼气(或天然气)火焰燃烧速度慢，在发动机气缸的左右两侧同时产生火核，可以调节火焰传播距离，利于沼气(或天然气)充分快速地燃烧，能够显著地提高发动机的动力性和排放性能。

图3是点火驱动电路图，ECU发出的点火信号经过光电耦合器件到达三极管的基极，由三极管的开关驱动MOS管的开关控制变压器初级线圈中电流的开断，感应出的高压加到点火线圈的初级线圈，再次升压后使火化塞跳火。经过单稳态触发器的点火信号非触发时为高电平，此时三极管导通，MOS管基极为低电平，处于截至状态，隔离变压器的初级线圈中无电流通过，次级线圈和点火线圈都无电流不点火；当接收到一个瞬间的点火信号(低电平)，三极管截至，MOS管导通，隔离变压器的初级线圈通电，次级线圈的高压经过点火线圈再次升压后使火化塞跳电。

本发明的沼气(或天然气)/汽油两用发动机的点火提前角控制采用软件延时的方式进行调整，提前角数据表MAP存储于ECU的RAM中，发动机工作时，根据燃料类别、工况和进气压力传感器11、温度传感器12采集的数据确定点火提前角。当沼气(或天然气)/汽油两用发动机采用汽油作为燃料时，通过ECU上的设定单元设定燃料类别为汽油，启动工况下设定点火提前角为5°。正常运转时，ECU根据发动机转速、进气压力和温度通过提前角数据表MAP查表得到点火提前角数值。ECU根据选定的点火提前角确定点火延时量，并进行延时后发出点火信号。当沼气(或天然气)/汽油两用发动机采用沼气(或天然气)作为燃料时，通过ECU上的设定单元将燃料类别设定为沼气(或天然气)，并按照沼气(或天然气)池输送的沼气(或天然气)中甲烷含量设定沼气(或天然气)成分含量的类别。根据沼气(或天然气)中甲烷含量的测量值将输入沼气(或天然气)的甲烷含量分别设定为50％、60％、70％三档，ECU根据设定单元选择的输入的甲烷含量选择分别确定启动点火提前角，在启动工况下，设定点火提前角为20°(对应甲烷含量70％的沼气(或天然气))或者设定点火提前角为20+2°(对应甲烷含量60％的沼气(或天然气))，抑或设定点火提前角为20+4°(对应甲烷含量50％的沼气(或天然气))。正常运转时，同样ECU根据发动机转速、进气压力和温度通过提前角数据表MAP查表得到点火提前角数值。ECU根据选定的点火提前角确定点火延时量，并进行延时后发出点火信号。

爆震传感器18检测沼气(或天然气)/汽油两用发动机是否产生爆震，如果爆震传感器18检测到爆震，将发出信号输送到ECU，ECU会相应的减小点火提前角。

下表是经过标定后的沼气(或天然气)/汽油两用发动机最佳点火提前角。

图5示出了本发明的沼气(或天然气)/汽油两用发动机的点火提前角设置框图，系统启动后，根据ECU的输入模块中输入的燃料类别，ECU自动确定启动阶段的点火提前角，例如汽油为5°，甲烷含量50％的沼气(或天然气)24°，甲烷含量60％的沼气(或天然气)22°，甲烷含量70％的沼气(或天然气)20°。ECU根据软件延时后发出点火信号。在正常运转阶段，ECU从存储在RAM中的数据表中找到对应的燃料类别、转速、进气压力和温度的点火提前角。ECU根据软件延时后发出点火信号。

Claims (8)

1.一种具有电子控制单元(ECU)的沼气与汽油两用发动机，采用沼气或者汽油作为燃料，其包括汽油供应单元、沼气供应单元、缸体和电子控制单元，所述的沼气与汽油两用发动机还设置有进气压力传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器、转速传感器、凸轮位置传感器、曲轴位置传感器、爆震传感器、氧传感器，所述的电子控制单元由CPU、RAM、输入接口电路模块、输出接口电路模块、设定单元、显示模块和两套独立的储能点火模块构成，其特征在于：

缸体的气缸头上设置有隔开一定间距的两个火花塞，所述的两套独立的储能点火模块连接两个高能点火线圈，从而驱动所述的两个火花塞同时高能点火；

所述的设定单元可以设定燃料的种类，以及对应于不同燃料类别的启动工况下点火提前角数值；

在启动工况下，电子控制单元根据设定的点火提前角计算得出软件延时时长，并进行延时后，发出点火信号；

在正常运转时，电子控制单元根据所设定的燃料类别以及进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器的数值，从存储在所述RAM中的数据表中查找最佳的点火提前角数值，并经过计算后得出软件延时时长，并进行延时后发出点火信号，所述的数据表包括针对汽油和不同甲烷含量的沼气的点火提前角最佳数据。

2.根据权利要求1所述的沼气与汽油两用发动机，其特征在于：在设定模块中分别设定汽油、甲烷含量50％的沼气、甲烷含量60％的沼气、甲烷含量70％的沼气为1#、2#、3#、4#燃料。

3.根据权利要求2所述的沼气与汽油两用发动机，其特征在于：对应于所述的1#、2#、3#、4#燃料启动工况下的点火提前角为5°、24°、22°和20°。

4.根据权利要求1所述的沼气与汽油两用发动机，其特征在于，软件延时时长Td采用以下公式计算：

$\mathrm{Td}\left(\mathrm{\μs}\right)=\frac{60\·\mathrm{\φ}}{360\·N}\×{10}^6$

式中：Td-软件延时时长，单位μs；

θ-点火提前角；

N-发动机转速，单位r/min。

5.一种具有电子控制单元(ECU)的天然气与汽油两用发动机，采用天然气或者汽油作为燃料，其包括汽油供应单元、天然气供应单元、缸体和电子控制单元，所述的天然气沼气与汽油两用发动机还设置有进气压力传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器、转速传感器、凸轮位置传感器、曲轴位置传感器、爆震传感器、氧传感器，所述的电子控制单元由CPU、RAM、输入接口电路模块、输出接口电路模块、设定单元、显示模块和两套独立的储能点火模块构成，其特征在于：

缸体的气缸头上设置有隔开一定间距的两个火花塞，所述的两套独立的储能点火模块连接两个高能点火线圈，从而驱动所述的两个火花塞同时高能点火；

所述的设定单元可以设定燃料的种类，以及对应于不同燃料类别的启动工况下点火提前角数值；

在启动工况下，电子控制单元根据设定的点火提前角计算得出软件延时时长，并进行延时后，发出点火信号；

在正常运转时，电子控制单元根据所设定的燃料类别以及进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器的数值，从存储在所述RAM中的数据表中查找最佳的点火提前角数值，并经过计算后得出软件延时时长，并进行延时后发出点火信号，所述的数据表包括针对汽油和不同甲烷含量的沼气的点火提前角最佳数据。

6.根据权利要求5所述的天然气与汽油两用发动机，其特征在于：在设定模块中分别设定汽油、甲烷含量50％的天然气、甲烷含量60％的天然气、甲烷含量70％的天然气为1#、2#、3#、4#燃料。

7.根据权利要求6所述的天然气与汽油两用发动机，其特征在于：对应于所述的1#、2#、3#、4#燃料启动工况下的点火提前角为5°、24°、22°和20°。

8.根据权利要求5所述的天然气与汽油两用发动机，其特征在于，软件延时时长Td采用以下公式计算：

$\mathrm{Td}\left(\mathrm{\μs}\right)=\frac{60\·\mathrm{\φ}}{360\·N}\×{10}^6$

式中：Td-软件延时时长，单位μs；

θ-点火提前角；

N-发动机转速，单位r/min。