CN103498732A

CN103498732A - 柴油/天然气双燃料内燃机控油系统

Info

Publication number: CN103498732A
Application number: CN201310502044.XA
Authority: CN
Inventors: 吴坚; 李勇
Original assignee: Shenzhen State Torch Gas-Fueled Vehicles Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen State Torch Gas-Fueled Vehicles Technology Co Ltd
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: CN103498732B

Abstract

本发明涉及柴油/天然气双燃料内燃机控油系统，可有效解决控制精度和改装效果不佳的问题，其结构是，微控制器和可编程逻辑器相连，传感器分别与微控制器、可编程逻辑器输入端相连，微控制器输出端同切换电路相连，可编程逻辑器输出端同驱动器相连，切换电路分别与柴油ECU驱动信号、模拟负载、喷油器相连，喷油器与驱动器、采样器相连，采样器同比较器相连，比较器同可编程逻辑器相连，模拟负载经用于检测喷油脉宽的检测器接传感器，本发明结构简单，新颖独特，控制准确可靠，有效用于双燃料柴油高压共轨、电控单体泵、泵喷嘴发动机上，可在双燃料模式下完全避免原车预喷、后喷等多次喷油信号的影响，使系统的油耗减少，替代率提高。

Description

柴油/天然气双燃料内燃机控油系统

技术领域

本发明涉及电器，特别是一种柴油/天然气双燃料内燃机控油系统。

背景技术

柴油/天然气双燃料发动机的应用目前一般是对原柴油发动机进行改装，加装一套双燃料控制系统，实现柴油/天然气的混合燃烧。对于原车是电子燃油喷射发动机的改装过程中，如何实现对原车喷油控制是个整个系统的关键部分，直接影响到改装的动力性和经济效益，目前实现对双燃料电喷柴油发动机系统的燃油控制有多种方式，但实际应用中都有一定的弊端，控制精度和改装效果都不够完美，影响了该技术的实际推广和应用，因此，其改进和创新势在必行。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种柴油/天然气双燃料内燃机控油系统，可有效解决控制精度和改装效果不佳的问题。

本发明解决的技术方案是，包括微控制器（微型单片计算机，MCU）、可编程逻辑器（CPLD）、驱动器、比较器、采样器和喷油器，微控制器和可编程逻辑器相连，传感器分别与微控制器、可编程逻辑器输入端相连，微控制器输出端同切换电路相连，可编程逻辑器输出端同驱动器相连，切换电路分别与柴油ECU驱动信号、模拟负载、喷油器相连，喷油器与驱动器、采样器相连，采样器同比较器相连，比较器同可编程逻辑器相连，模拟负载经用于检测喷油脉宽的检测器接传感器，当内燃机在纯柴油（或全柴油）模式下运行时，完全由原车（或原机）ECU发出喷油指令（包括喷油脉冲宽度和喷射时刻）信号给每缸喷油器向气缸中喷油；当内燃机转换在双燃料模式下运行时，原车（机）ECU发出的喷油指令信号就被模式切换电路操控的信号引导切换电子开关将此喷油指令信号引接到一个与喷油器负载极其相似的喷油模拟器上；当在双燃料模式下运行时，各缸喷油器实际接受并执行的喷油指令信号（包括喷油脉冲宽度和喷油时刻）由双燃料ECU（DDF）发出，同时该ECU（DDF）也同时一并发出相应的控气（LNG或CNG）信号给共轨式燃气喷射阀组件（简称燃气喷轨）；双燃料模式下的柴油喷油量和喷油正时由喷油检测电路实时准确测量，双燃料ECU根据测量值计算所需的柴油和天然气量，无需事先单独标定；避免原车（机）ECU系统诊断检测出异常工况和引发ODB诊断错误而导致电控系统出现乱码，故障报警及停车；同时，可有效控制喷油量和喷油时刻（提前角），从而大幅提高天然气替代率。

本发明结构简单，新颖独特，控制准确可靠，有效用于双燃料柴油高压共轨、电控单体泵、泵喷嘴发动机上，准确测量原电控ECU的每缸的喷油脉宽和喷油正时，实时计算出所需的引燃油量，并根据需要设定的控制脉宽和喷油正时，直接控制每缸的喷油量，可以对高压共轨发动机的多种喷射实现任意油量限制，以达到适量天然气进缸混合燃烧的目的。由于喷油控制数据来自对原车信号的实时检测，而无需对特定发动机事先进行复杂的喷油油量等MAP数据标定，安装调试非常简便，便于推广应用。由于此方法的控制喷油时和原车ECU控制电路完全独立，互不影响，因此可在双燃料模式下完全避免原车预喷、后喷等多次喷油信号的影响，使系统的油耗减少，替代率提高，经济和社会效益巨大。

附图说明

图1为本发明的结构框示图。

图2为本发明的切换电路示意图。

图3为本发明的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1-3所示，本发明包括微控制器（MCU）、可编程逻辑器（CPLD）、驱动器、比较器、采样器和喷油器，微控制器和可编程逻辑器相连，传感器分别与微控制器、可编程逻辑器输入端相连，微控制器输出端同切换电路相连，可编程逻辑器输出端同驱动器相连，切换电路分别与柴油车载电脑（ECU）驱动信号、模拟负载、喷油器相连，喷油器与驱动器、采样器相连，采样器同比较器相连，比较器同可编程逻辑器相连，模拟负载经用于检测喷油脉宽的检测器接传感器，当内燃机在纯柴油（或全柴油）模式下运行时，完全由原车（或原机）ECU发出喷油指令（包括喷油脉冲宽度和喷射时刻）信号给每缸喷油器向气缸中喷油；当内燃机转换在双燃料模式下运行时，原车（机）ECU发出的喷油指令信号就被模式切换电路操控的信号引导切换电子开关将此喷油指令信号引接到一个与喷油器负载极其相似的喷油模拟器上；当在双燃料模式下运行时，各缸喷油器实际接受并执行的喷油指令信号（包括喷油脉冲宽度和喷油时刻）由双燃料ECU（DDF）发出，同时该ECU（DDF）也同时一并发出相应的控气（LNG或CNG）信号给共轨式燃气喷射阀组件（简称燃气喷轨）；双燃料模式下的柴油喷油量和喷油正时由喷油检测电路实时准确测量，双燃料ECU根据测量值计算所需的柴油和天然气量，无需事先单独标定；避免原车（机）ECU系统诊断检测出异常工况和引发ODB诊断错误而导致电控系统出现乱码，故障报警及停车；同时，可有效控制喷油量和喷油时刻（提前角），从而大幅提高天然气替代率。

为了保证使用效果，所述的驱动器上装有燃气计量阀；所述的传感器是由曲轴转速转感器、凸轮轴信号传感器、喷油脉宽信号传感器并联组成，其中，曲轴转速转感器同微控制器相连，凸轮轴信号传感器同可编程逻辑器输入端相连；喷油脉宽信号检测器输入端同检测器输出端相连；

所述的切换电路是喷油嘴分别接驱动器的驱动高边和驱动低边，驱动高边经高边的电子开关K1接原则驱动高边，驱动低边经低边的电子开关K2接原车驱动低边，驱动高边、驱动低边间连接有与驱动高边电子开关K1、驱动低边电子开关K2相切换的模拟负载，每一路一对电子开关分别负责高低端的控制信号的切换；在纯柴油模式下，保持原车ECU的控制信号驱动喷油嘴，而双燃料ECU则处于停止驱动喷油状态，不会影响在此模式下的原车ECU正常工作；在双燃料模式下，原车ECU的控制信号被切换至喷油器模拟回路，而双燃料ECU则负责驱动喷油嘴，同时通过喷油模拟器低端检测原车的喷油驱动信号；电子开关的切换时间由双燃料ECU（精确）控制，喷油模拟器由电阻和电感组成，电阻和电感的参数和喷油嘴电磁阀线圈的电阻，电感特性参数相同或相近，不会引起原车ECU对喷油回路的电流检测异常而报喷油器断路故障；

所述的微控制器和可编程逻辑器构成控制装置，微控制器用于对输入曲轴凸轮轴信号及原车喷油器信号计量处理，重新计算喷油量和供油提前角后输出实际的喷油驱动信号给可编程逻辑器处理，同时计算出替代的燃气量对双燃料的天然气计量阀进行控制以及模式转换进行处理，输出切换信号；可编程逻辑器根据微控制器发出的喷油和喷气的主控制信号进行处理，根据采样结果进行逻辑运算，形成每缸喷油器及燃料计量阀的峰值保持高低边驱动信号发给驱动器。

检测器用于对原车的喷油脉宽信号进行滤波，限幅，整形再传送到控制器；控制器主要由主控处理器MCU和可编程逻辑芯片成，主控MCU负责对输入曲轴凸轮轴信号及原车喷油器信号计量处理，重新计算喷油量和供油提前角后输出实际的喷油驱动信号给可编程逻辑芯片处理，同时计算出替代的燃气量对双燃料的天然气计量阀进行控制以及模式转换进行处理，输出切换信号；采用比较电路用于实时对喷油器电流信号采样、滤波、放大，并输入比较器比较，形成电流反馈闭环控制，同时可检测出短路、断路等回路故障，及时通知MCU进行保护处理；可编程逻辑芯片主要根据MCU发出的喷油和喷气的主控制信号进行处理，根据采样电路比较结果逻辑运算，形成每缸喷油器及燃料计量阀的峰值保持高低边驱动信号发给驱动控制电路。由于不需要MCU参与，控制精度和速度都得以提高，大大减少了主MCU的运算负担和必须拥有高速高精度定时器的要求。驱动电路主要是根据控制信号驱动高低边功率管，对喷油嘴和对燃气计量阀分别进行开启关闭控制，同时提供喷油器驱动所需的高压。

切换电路主要包括由每一路一对电子开关K1、K2构成，分别用于高低端的控制信号的切换。在纯柴油模式下，保持原车ECU的控制信号驱动喷油嘴，而双燃料ECU则处于停止驱动喷油状态，不会影响在此模式下的原车ECU正常工作；在双燃料模式下，原车ECU的控制信号被切换至喷油器模拟回路，而双燃料ECU则负责驱动喷油嘴，同时通过喷油模拟器低端检测原车的喷油驱动信号。这种电路的特点是结构简单可靠，完全避免两种模式之间的互相干扰，电子开关的切换时间由双燃料ECU控制，可避免瞬时模式切换带来的冲击和不平稳，影响发动机运行。喷油模拟器由精密电阻和电感组成，电阻和电感的参数和喷油嘴电磁阀线圈的电阻，电感特性参数接近，不会引起原车ECU对喷油回路的电流检测异常而报喷油器断路故障，导致发动机熄火停车。

本发明系统在双燃料模式下，首先采集各传感器信号，并根据信号判断燃气系统是否存在故障，如果发现故障，输出故障码直接转换到纯柴油状态。然后根据凸轮轴信号进行判缸，既是判读出当前工作的气缸，再根据曲轴、凸轮轴相位计算上止点位置结合喷油提前角，从而确定测量捕捉原车喷油脉宽的类型，是预喷、主喷还是后喷等喷射信号，并分别计量，计算出当前工况下的实际喷油量和喷油提前角，如果转换开关处于双燃料模式并满足条件，双燃料ECU根据转速和负荷率计算出相对于原车喷油量的引燃脉宽值和修正后的喷油提前角，并根据燃气温度压力和进气压力等值进行修正，同时计算出燃气气量及折算出的控制脉宽，分别驱动喷油嘴和燃气计量阀，使柴油和天然气达到最佳混合比例，满足动力要求。在一个工作循环中，柴油发动机中的每个缸各参与一次工作，每一缸的喷射脉宽也有所区别，所以需对各个缸分别进行测量和控制处理。

微控制器为DS89C430或8051；可编程逻辑器可采用Altera生产的EPM7128S(PLCC84)；驱动器为Seagate ATA、Seagate SCSI硬盘驱动器，可采用武汉天勤瑞普科技有限公司、北京广兴凯数控设备有限公司的产品；比较器为MAX917型，如深圳市德力周电子有限公司产品；采样器可采用南通朗高石化设备有限公司生产的产品；喷油器可采用康明斯（Cummins）3909533或德国波许公司（BOSCH）PV-3173466；检测器可采用上海运畅机电科技有限公司公司的产品，也就是说，本发明中所涉及的电器部件均为公知技术，即市售产品。除上述给出的产品型号外，也可采用其它功能相同或相近似的市售产品。也就是说，在本发明系统的结构中，所述的各部件除本说明书中特别给出的结构外，其它均为现有市售产品，本发明的贡献在于，将这些现有组件以及创新部件有效的组合在一起，构成新的组合发明，有效用于汽车的双燃料柴油高压共轨、电控单体泵、泵喷嘴发动机上，本系统中给出的产品只是实施例，用于说明本发明，而不是用于限制本发明的技术方案，因此，凡在结构上所作出的等同或等效的替代技术方案，均属于本发明的保护范围。

本发明工作情况如图3所示，在双燃料情况下，传感器所得到的传感器信号，经控制装置判断故障后，若有故障，则输出故障码，采用纯柴油模式，若无故障，然后对气缸判断，经喷油器信号测量，得主喷信号，主喷信号为测量喷油量喷油正时，再进行双燃料条件判断，若符合双燃料条件，则计算柴油量修正喷油量正时，计算天然气量，采用双燃料模式；当双燃料条件判断时，不符合双燃料条件，则采用纯柴油模式，自动切换，方便而准确，有效实现对柴油、天然气双燃料内燃机控油，节能，大幅度提高天然气替代率。

由上述可以清楚的看出，本发明对喷油量可以进行准确（精确）的测量，当测量原电控ECU的每缸的喷油脉宽和喷油正时，实时计算出所需的引燃油量，并根据需要设定的控制脉宽和喷油正时，直接控制每缸的喷油量，可以对高压共轨发动机的多种喷射实现任意油量限制，以达到适量天然气进缸混合燃烧的目的。由于喷油控制数据来自对原车信号的实时检测，而无需对特定发动机事先进行复杂的喷油油量等MAP数据标定。

总之，本发明所提供的系统，在柴油模式下完全由原车ECU控制喷油，不对原车产生任何影响；在双燃料模式下，由双燃料ECU实现油和气的独立控制，而原车ECU则驱动喷油模拟器，不会对原车ECU的控制回路产生任何影响，不会引发ODB诊断错误。同时可以任意控制喷油量和喷油提前角，不受原车ECU设定的喷油脉冲、喷射次序和喷油正时的影响，从而实现替代率大幅提高，同时功率扭矩不损失，通过对喷油正时的控制，使气缸温度和压力在混合燃烧状态下得到有效控制，避免产生双燃料混烧系统改装常见的排温过高、拉缸融顶等现象，节能，是柴油、天然气双燃料内燃机控油上的创新，有巨大的经济和社会效益。

Claims

1.一种柴油/天然气双燃料内燃机控油系统，包括微控制器、可编程逻辑器、驱动器、比较器、采样器和喷油器，其特征在于，微控制器和可编程逻辑器相连，传感器分别与微控制器、可编程逻辑器输入端相连，微控制器输出端同切换电路相连，可编程逻辑器输出端同驱动器相连，切换电路分别与柴油车载电脑驱动信号、模拟负载、喷油器相连，喷油器与驱动器、采样器相连，采样器同比较器相连，比较器同可编程逻辑器相连，模拟负载经用于检测喷油脉宽的检测器接传感器，当内燃机在纯柴油模式下运行时，完全由原车ECU发出喷油指令信号给每缸喷油器向气缸中喷油；当内燃机转换在双燃料模式下运行时，原车ECU发出的喷油指令信号就被模式切换电路操控的信号引导切换电子开关将此喷油指令信号引接到一个与喷油器负载极其相似的喷油模拟器上；当在双燃料模式下运行时，各缸喷油器实际接受并执行的喷油指令信号由双燃料ECU发出，同时该ECU也同时一并发出相应的控气信号给共轨式燃气喷射阀组件；双燃料模式下的柴油喷油量和喷油正时由喷油检测电路实时准确测量，双燃料ECU根据测量值计算所需的柴油和天然气量，无需事先单独标定；避免原车ECU系统诊断检测出异常工况和引发ODB诊断错误而导致电控系统出现乱码，故障报警及停车；同时，可有效控制喷油量和喷油时刻，从而大幅提高天然气替代率。

2.根据权利要求1所述的柴油/天然气双燃料内燃机控油系统，其特征在于，所述的驱动器上装有燃气计量阀。

3.根据权利要求1所述的柴油/天然气双燃料内燃机控油系统，其特征在于，所述的传感器是由曲轴转速转感器、凸轮轴信号传感器、喷油脉宽信号传感器并联组成，其中，曲轴转速转感器同微控制器相连，凸轮轴信号传感器同可编程逻辑器输入端相连，喷油脉宽信号检测器输入端同检测器输出端相连。

4.根据权利要求1所述的柴油/天然气双燃料内燃机控油系统，其特征在于，所述的切换电路是喷油嘴分别接驱动器的驱动高边和驱动低边，驱动高边经高边的电子开关K1接原则驱动高边，驱动低边经低边的电子开关K2接原车驱动低边，驱动高边、驱动低边间连接有与驱动高边电子开关K1、驱动低边电子开关K2相切换的模拟负载，每一路一对电子开关分别负责高低端的控制信号的切换；在纯柴油模式下，保持原车ECU的控制信号驱动喷油嘴，而双燃料ECU则处于停止驱动喷油状态，不会影响在此模式下的原车ECU正常工作；在双燃料模式下，原车ECU的控制信号被切换至喷油器模拟回路，而双燃料ECU则负责驱动喷油嘴，同时通过喷油模拟器低端检测原车的喷油驱动信号；电子开关的切换时间由双燃料ECU控制，喷油模拟器由电阻和电感组成，电阻和电感的参数和喷油嘴电磁阀线圈的电阻，电感特性参数相同或相近，不会引起原车ECU对喷油回路的电流检测异常而报喷油器断路故障。

5.根据权利要求1所述的柴油/天然气双燃料内燃机控油系统，其特征在于，所述的微控制器和可编程逻辑器构成控制装置，微控制器用于对输入曲轴凸轮轴信号及原车喷油器信号计量处理，重新计算喷油量和供油提前角后输出实际的喷油驱动信号给可编程逻辑器处理，同时计算出替代的燃气量对双燃料的天然气计量阀进行控制以及模式转换进行处理，输出切换信号；可编程逻辑器根据微控制器发出的喷油和喷气的主控制信号进行处理，根据采样结果进行逻辑运算，形成每缸喷油器及燃料计量阀的峰值保持高低边驱动信号发给驱动器。