CN110219733B - 一种天然气/汽油双燃料gdi发动机及其控制方法 - Google Patents

一种天然气/汽油双燃料gdi发动机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天然气/汽油双燃料GDI发动机及其控制方法，其中，GDI发动机包括进气单元、燃烧单元和排气单元，进气单元结构为：包括依次相连的天然气瓶、天然气开关电磁阀、减压器和天然气喷射器；空气滤清器出气端一路与压端旁通阀进气口相连，另一路与压气机进气口相连；压气机出气口与压端旁通阀出气口汇合后又分为两路，一路依次与天然气电子节气门、天然气空气流量计相连，另一路依次与原机电子节气门、原机空气流量计相连；两路气体出气口与天然气喷射器出气口共同连接至混合器进气口，混合器出气口与发动机的进气总管相连。本发明实现了天然气‑汽油双燃料发动机工作过程的精确控制，确保OBD不报错并且原机电控系统而正常工作。

Description

一种天然气/汽油双燃料GDI发动机及其控制方法
技术领域
本发明涉及汽车发动机技术领域，具体是一种天然气/汽油双燃料GDI发动机及其控制方法。
背景技术
随着环境污染和能源危机的日益严峻，油耗和排放法规日益加严，寻找可以替代石油燃料的清洁能源是解决排放问题和能源问题的重要途径。天然气可适用于多种汽车发动机，且其具有丰富的储量，开采便利，管道输送快捷，价格便宜等优点。除此之外，天然气为气态清洁燃料，与空气易混合，燃烧产物对空气污染小，使用天然气作为汽油燃料，能明显减少PM，CO，NOx及活性烃气排放，减少发动机的尾气污染。然而，由于天然气着火温度较高，火焰传播速度较慢，混合气热值较低，汽油发动机如果直接改用天然气作为燃料，会使其性能下降；对于汽油/天然气两用燃料发动机，其两种燃料的切换又会影响发动机的动力性、经济性和排放性能及其使用寿命。
目前双燃料发动机具有灵活的使用性，结构改装简单，成本低等优点，通过合理配比天然气、汽油喷射量，既能保证发动机的动力性，又能提高发动机的经济性和排放性。但是要使用天然气-汽油双燃料发动机需要对汽油机的电控系统进行改装，然而现代汽车原机电控系统都设有原机保护程序，如何实现天然气-汽油合理配比燃烧的控制，并且还要保证原机ECU的正常工作是汽油机改天然气-汽油双燃料发动机的难点问题。
公开号为CN 108691674 A的中国专利提供了一套天然气供气系统，其额外设计了一套电控系统，用于实现天然气与燃油比例可调，同时也考虑了天然气替代率对喷油器的影响，但其需要对两种信号进行削弱处理，对附加电控单元信号处理能力要求高，此外还需要对OBD(车载诊断系统)进行处理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种天然气/汽油双燃料GDI发动机及其控制方法，实现天然气-汽油双燃料发动机工作过程的精确控制，确保OBD不报错并且原机电控系统正常工作。
一种天然气/汽油双燃料GDI发动机，包括进气单元、燃烧单元和排气单元，所述进气单元具有的结构为：包括依次相连的天然气瓶、天然气开关电磁阀、减压器和天然气喷射器；设置有空气滤清器，所述空气滤清器出气端一路与压端旁通阀进气口相连，另一路与压气机进气口相连；所述压气机出气口与所述压端旁通阀出气口汇合后又分为两路，一路依次与天然气电子节气门、天然气空气流量计相连，另一路依次与原机电子节气门、原机空气流量计相连；两路气体出气口与天然气喷射器出气口共同连接至混合器进气口，所述混合器出气口与发动机的进气总管相连。
进一步的，所述天然气瓶出气口连接有天然气过滤器。
进一步的，在原机空气流量计和原机电子节气门之间设置有原机进气压力传感器。
本发明还提供了一种天然气/汽油双燃料GDI发动机的控制方法，包括以下步骤：
A、天然气ECU接收电子油门信号、天然气电子节气门位置传感器信号、天然气空气流量计信号、飞轮上的曲轴传感器信号；
B、天然气ECU根据电子油门信号、曲轴传感器信号调用原机电子油门信号map，并将电子油门信号发送给原机ECU；天然气ECU复制曲轴传感器信号并发送至原机ECU；
C、天然气ECU根据电子油门信号、曲轴传感器信号调用天然气电子节气门开度信号map，确定天然气电子节气门基础开度控制信号，并发送至天然气电子节气门，再根据天然气空气流量计信号判断流量是否为目标值，若否，则调整天然气电子节气门开度直至流量达到目标值；
D、天然气ECU控制天然气喷射为开环控制，所述天然气ECU根据天然气电子节气门位置传感器信号、曲轴传感器信号调用天然气喷射量map，确定天然气喷射量并将控制信号发送至天然气喷射器；
E、原机ECU接收原机电子节气门位置传感器信号、原机空气流量计信号、前氧传感器信号、后氧传感器信号、天然气ECU发送的油门信号和天然气ECU复制的曲轴传感器信号；
F、原机ECU根据天然气ECU发送的油门信号确定原机电子节气门开度，并发送给原机电子节气门；
G、原机ECU根原机电子节气门位置传感器信号、原机空气流量计信号调整原机电子节气门开度；所述原机ECU根据原机空气流量计信号判断流量是否为目标值，若否，则调整原机电子节气门开度，直至流量达到目标值；
H、原机ECU根据接收到的原机电子节气门位置传感器信号、曲轴传感器信号调用原机汽油喷射量map，确定汽油基础喷射量并发送给汽油喷油器；
I、原机ECU根据原机电子节气门位置传感器信号、曲轴传感器信号调用原机点火能量map、原机点火正时map确定火花塞点火能量、点火时刻，并发送至火花塞；
J、原机ECU根据前氧传感器信号、后氧传感器信号计算并判断空燃比是否为目标值，若否，则调整汽油喷射量直至空燃比达到目标值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)设计了两路气路，分别控制天然气电子节气门和原机电子节气门，实现发动机负荷的控制，天然气/汽油配比控制精确。2)对原机改动小，只需将工况信息从天然气ECU复制到原机ECU，不需要对原机信号进行额外处理，不需要改动OBD，可靠性高。3)天然气ECU只需要削弱处理油门信号，其信号处理难度降低。
附图说明
图1是本发明天然气/汽油双燃料GDI发动机结构示意图；
图2是本发明GDI发动机的控制原理图；
图3是本发明GDI发动机的控制流程图。
图中：1-天然气瓶；2-天然气过滤器；3-天然气开关电磁阀；4-减压器；5-进气总管；6-天然气喷射器；7-原机空气流量计；8-天然气空气流量计；9-原机进气压力传感器；10-天然气电子节气门；11-原机电子节气门；12-压端旁通阀；13-压气机；14-空气滤清器；15-后氧传感器；16-三元催化器；17-前氧传感器；18-涡轮；19-涡端旁通阀；20-排气总管；21-原机电子节气门位置传感器；22-汽油喷油器；23-天然气电子节气门位置传感器；24-火花塞；25-混合器；26-飞轮；27-曲轴传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明装置在原机进气系统的基础上额外增加一条气路，用于提供天然气燃烧所需空气。为控制天然气的喷射量，额外增加一个天然气电子控制单元(天然气ECU)，以控制天然气喷射量和天然气燃烧所需空气量，同时天然气ECU将削弱电子油门信号，并将其发送给原机ECU以减少原机汽油喷射量。
具体的，本发明装置具有如下结构：
一种天然气/汽油双燃料GDI发动机，包括进气单元、燃烧单元和排气单元，所述进气单元具有的结构为：包括依次相连的天然气瓶1、天然气开关电磁阀3、减压器4和天然气喷射器6；设置有空气滤清器14，所述空气滤清器14出气端一路与压端旁通阀12进气口相连，另一路与压气机13进气口相连；所述压气机13出气口与所述压端旁通阀12出气口汇合后又分为两路，一路依次与天然气电子节气门10(天然气电子节气门10上装有天然气电子节气门位置传感器23)、天然气空气流量计8相连，另一路依次与原机电子节气门11(原机电子节气门11上装有原机电子节气门位置传感器21)、原机空气流量计7相连；两路气体出气口与天然气喷射器6出气口共同连接至混合器25进气口，所述混合器25出气口与发动机的进气总管5相连。
作为一种优化，在所述天然气瓶1出气口连接有天然气过滤器2。在原机空气流量计7和原机电子节气门11之间设置有原机进气压力传感器9。
在发动机的排气总管20后排气分为两路，一路与涡端旁通阀19相连，另一路与涡轮18相连，两路汇后与三元催化器16相连；三元催化器16前后分别设有前氧传感器17、后氧传感器15；发动机转矩通过飞轮26输出。
本发明提供的一种天然气/汽油双燃料GDI发动机的控制方法，包括以下步骤：
A、天然气ECU接收电子油门信号、天然气电子节气门位置传感器23信号、天然气空气流量计8信号、飞轮26上的曲轴传感器27信号；
B、天然气ECU根据电子油门信号、曲轴传感器27信号调用原机电子油门信号map，并将电子油门信号发送给原机ECU；天然气ECU复制曲轴传感器27信号并发送至原机ECU；
C、天然气ECU根据电子油门信号、曲轴传感器27信号调用天然气电子节气门10开度信号map，确定天然气电子节气门10基础开度控制信号，并发送至天然气电子节气门10，再根据天然气空气流量计8信号判断流量是否为目标值，若否，则调整天然气电子节气门10开度直至流量达到目标值；
D、天然气ECU控制天然气喷射为开环控制，所述天然气ECU根据天然气电子节气门位置传感器23信号、曲轴传感器27信号调用天然气喷射量map，确定天然气喷射量并将控制信号发送至天然气喷射器6；
E、原机ECU接收原机电子节气门位置传感器21信号、原机空气流量计7信号、前氧传感器17信号、后氧传感器15信号、天然气ECU发送的油门信号和天然气ECU复制的曲轴传感器27信号；
F、原机ECU根据天然气ECU发送的油门信号确定原机电子节气门11开度，并发送给原机电子节气门11；
G、原机ECU根原机电子节气门位置传感器21信号、原机空气流量计7信号调整原机电子节气门11开度；所述原机ECU根据原机空气流量计7信号判断流量是否为目标值，若否，则调整原机电子节气门11开度，直至流量达到目标值；
H、原机ECU根据接收到的原机电子节气门位置传感器21信号、曲轴传感器27信号调用原机汽油喷射量map，确定汽油基础喷射量并发送给汽油喷油器22；
I、原机ECU根据原机电子节气门位置传感器21信号、曲轴传感器27信号调用原机点火能量map、原机点火正时map确定火花塞24点火能量、点火时刻，并发送至火花塞24；
J、原机ECU根据前氧传感器17信号、后氧传感器15信号计算并判断空燃比是否为目标值，若否，则调整汽油喷射量直至空燃比达到目标值。
天然气喷射量map
所述天然气喷射量map的x轴为发动机转速(由曲轴传感器27测得)，y轴天然气电子节气门10开度(由天然气电子节气门位置传感器23确定)，z轴为天然气喷射量。为保证发动机的正常运转并满足部分工况下对发动机动力性的要求，天然气喷射量map只针对中等转速中等负荷区域，在此工况区域采用部分天然气替代汽油，在发动机其他工况，天然气喷射量为0。在中等转速中等负荷区域，给定原机ECU一固定油门信号，在不同的发动机转速下，通过改变天然气喷射量来使发动机的转矩达到目标转矩，或与目标转矩的误差在可接受误差范围内，则将此时的天然气喷射量作为该工况点的天然气喷射量，通过标定发动机到不同目标转矩值，重复上述过程可获得中等转速中等负荷区域各工况点的天然气喷射量map图。
天然气电子节气门10开度信号map
天然气电子节气门10开度信号map的x轴为发动机转速，y轴为电子油门信号，z轴为天然气电子节气门10开度。天然气电子节气门10开度map分为三个区域，在低转速低负荷区域、高转速高负荷区域，为保证发动机稳定正常工作，不进行天然气替代燃油，天然气电子节气门10开度为全关；在中等负荷中等转速区域，通过所标定各工况下的天然气喷射量、天然气理论空燃比计算出所需空气量，再根据发动机转速计算出天然气电子节气门10开度基础值，通过发动机实验标定即可得到天然气电子节气门10开度信号map。
原机电子油门信号map
所述原机电子油门信号map的x轴为发动机转速(可由曲轴传感器27测得)，y轴电子油门信号，z轴为经天然气ECU削弱后的原机电子油门信号，根据发动机转速和扭矩将原机电子油门信号map分为3个部分，在低转速低负荷部分，电子油门信号不进行削弱；在中等转速中等负荷，将电子油门削弱后保持固定不变，并且此固定电子油门信号所对应原机的汽油喷射量须保证汽油喷油器22的冷却而不致使其被缸内高温烧坏；在高转速高负荷区域，电子油门不进行削弱。

Claims (4)

1.一种天然气/汽油双燃料GDI发动机，包括进气单元、燃烧单元和排气单元，其特征在于，所述进气单元具有的结构为：包括依次相连的天然气瓶（1）、天然气开关电磁阀（3）、减压器（4）和天然气喷射器（6）；
设置有空气滤清器（14），所述空气滤清器（14）出气端一路与压端旁通阀（12）进气口相连，另一路与压气机（13）进气口相连；所述压气机（13）出气口与所述压端旁通阀（12）出气口汇合后又分为两路，一路依次与天然气电子节气门（10）、天然气空气流量计（8）相连，另一路依次与原机电子节气门（11）、原机空气流量计（7）相连；
两路气体出气口与天然气喷射器（6）出气口共同连接至混合器（25）进气口，所述混合器（25）出气口与发动机的进气总管（5）相连。
2.如权利要求1所述的一种天然气/汽油双燃料GDI发动机，其特征在于，所述天然气瓶（1）出气口连接有天然气过滤器（2）。
3.如权利要求1所述的一种天然气/汽油双燃料GDI发动机，其特征在于，在原机空气流量计（7）和原机电子节气门（11）之间设置有原机进气压力传感器（9）。
4.一种如权利要求1所述的天然气/汽油双燃料GDI发动机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、天然气ECU接收电子油门信号、天然气电子节气门位置传感器（23）信号、天然气空气流量计（8）信号、飞轮（26）上的曲轴传感器（27）信号；
B、天然气ECU根据电子油门信号、曲轴传感器（27）信号调用原机电子油门信号map，并将电子油门信号发送给原机ECU；天然气ECU复制曲轴传感器（27）信号并发送至原机ECU；
C、天然气ECU根据电子油门信号、曲轴传感器（27）信号调用天然气电子节气门（10）开度信号map，确定天然气电子节气门（10）基础开度控制信号，并发送至天然气电子节气门（10），再根据天然气空气流量计（8）信号判断流量是否为目标值，若否，则调整天然气电子节气门（10）开度直至流量达到目标值；
D、天然气ECU控制天然气喷射为开环控制，所述天然气ECU根据天然气电子节气门位置传感器（23）信号、曲轴传感器（27）信号调用天然气喷射量map，确定天然气喷射量并将控制信号发送至天然气喷射器（6）；
E、原机ECU接收原机电子节气门位置传感器（21）信号、原机空气流量计（7）信号、前氧传感器（17）信号、后氧传感器（15）信号、天然气ECU发送的油门信号和天然气ECU复制的曲轴传感器（27）信号；
F、原机ECU根据天然气ECU发送的油门信号确定原机电子节气门（11）开度，并发送给原机电子节气门（11）；
G、原机ECU根原机电子节气门位置传感器（21）信号、原机空气流量计（7）信号调整原机电子节气门（11）开度；所述原机ECU根据原机空气流量计（7）信号判断流量是否为目标值，若否，则调整原机电子节气门（11）开度，直至流量达到目标值；
H、原机ECU根据接收到的原机电子节气门位置传感器（21）信号、曲轴传感器（27）信号调用原机汽油喷射量map，确定汽油基础喷射量并发送给汽油喷油器（22）；
I、原机ECU根据原机电子节气门位置传感器（21）信号、曲轴传感器（27）信号调用原机点火能量map、原机点火正时map确定火花塞（24）点火能量、点火时刻，并发送至火花塞（24）；
J、原机ECU根据前氧传感器（17）信号、后氧传感器（15）信号计算并判断空燃比是否为目标值，若否，则调整汽油喷射量直至空燃比达到目标值。
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