CN110778404A - 一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及汽车技术领域，具体涉及一种直喷汽油‑天然气双燃料发动机控制系统及控制方法。包括有天然气供气系统及原直喷汽油机电子控制系统，还包括有电子控制单元，所述的电子控制单元分别与天然气供气系统及原直喷汽油机电子控制系统连接。本发明提供了一种直喷汽油‑天然气双燃料发动机控制系统及控制方法，采用了原发动机电控系统和电子控制单元两个系统共同控制天然气‑汽油双燃料发动机的工作过程，不仅能保证发发动机ECU能正常工作且实现电子节气门的控制，而且还能通过电子控制单元精确控制双燃料发动机的点火能量、天然气喷射量、汽油喷射量等参数，在满足性能要求的同时节约成本、降低维修难度。

Description

一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，具体涉及一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统及控制方法。
背景技术
随着石油能源供给日益紧张，大气环境日益恶化，寻求高效清洁代用燃料及燃烧方式受到国内外学者广泛关注。天然气因其热值高，清洁，储量丰富，易与空气混合，具有很高的辛烷值，被认为是理想代用燃料之一。但天然气在常温下为气态，进入发动机气缸中会占据可燃混合气的容积，降低发动机容积效率，而且天然气燃料为气态燃料，能量密度低，且天然气火焰传播速度较慢，因此，使用单一天然气燃料，发动机的热效率和动力性会降低。采用天然气-汽油双燃料燃烧模式，不仅能使缸内油气混合得到改善、发动机有害排放得到降低，还能提高发动机的抗爆性。
目前使用较多的天然气-汽油双燃料发动机多为汽油机改装而来，在实现天然气-汽油双燃料发动机的性能要求的同时如何使发动机改动小同时发动机原发动机(ECU)能正常工作而不致使OBD报错是把汽油机改装成天然气-汽油双燃料发动机的一个难点问题。专利号为CN103016168A中采用两个控制系统以达到精确控制的目的，但这当中使用了继电器进行转化，增大了其控制以及维修难度，使得成本增加。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明提供了一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统及控制方法，采用了原发动机电控系统和电子控制单元两个系统共同控制天然气-汽油双燃料发动机的工作过程，不仅能保证发发动机ECU能正常工作且实现电子节气门的控制，而且还能通过电子控制单元精确控制双燃料发动机的点火能量、天然气喷射量、汽油喷射量等参数，在满足性能要求的同时节约成本、降低维修难度。
本发明所采用的技术方案是：一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统，包括有天然气供气系统及原直喷汽油机电子控制系统，还包括有电子控制单元，所述的电子控制单元分别与天然气供气系统及原直喷汽油机电子控制系统连接。
优选的，所述的天然气供气系统包括有天然气罐，天然气开关电磁阀，过滤器，减压器,天然气喷射器及混合室，所述天然气罐的出口与所述天然气开关电磁阀的进气口相连；所述天然气开关电磁阀的出气口与所述过滤器的进气口相连；所述过滤器的出气口与所述减压器的进气口相连；所述减压器的出气口与天然气喷射器相连；所述天然气喷射器装于混合室；所述混合室与原直喷汽油机电子控制系统连接。
优选的，所述的原直喷汽油机电子控制系统包括有发动机、压气机、压端旁通阀、转速传感器、排气温度传感器、前氧传感器、后氧传感器、进气压力传感器、节气门位置传感器、汽油喷油器、火花塞、空气流量计、电子节气门、电子油门、喷油器模拟器、点火模拟器、进气管、进气总管、排气管及排气总管，所述空气滤清器与进气管的进气端相连；所述进气管出口分为两路，一路与压气的机进气口相连，另一路与压端旁通阀的进气口相连；所述压气机的出气端与进气管上压端旁通阀出口处汇合；所述进气管汇合后与空气流量计的进气口相连；所述空气流量计出口与电子节气门相连；所述电子节气门与混合室的空气进气口相连；所述混合室出气口与所述进气总管相连；所述发动机的排气总管分为两路，一路与涡端旁通阀的进气口相连，另一路与的涡轮进气口相连；所述涡轮的出口端与涡端旁通阀的出口端汇合并与排气管的入口端相连；所述发动机与电子油门、电子节气门位置传感器、点火模拟器、电子节气门、喷油器模拟器相连接。
优选的，所述排气管上依次装有前氧传感器、三元催化器、后氧传感器。
优选的，所述进气管汇合处设有进气温度传感器。
优选的，还包括有飞轮及转速传感器，所述的飞轮与发动机连接，所述所述转速传感器通过安装架安装在飞轮侧面。
优选的，所述电子节气门上装有电子节气门位置传感器。
优选的，所述电子控制单元分别与发动机、进气压力传感器、前氧传感器、后氧传感器、空气流量计、转速传感器、排气温度传感器、天然气喷射器、天然气开关电磁阀、汽油喷油器和火花塞相连接。
一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制方法，其特征在于：1)电子控制单元接收电子油门信号、转速传感器信号、空气流量计信号、进气压力传感器信号、前氧传感器信号、后氧传感器信号、排气温度传感器信号；
2)电子控制单元将接收的转速信号、空气流量计信号、前氧传感器信号和后氧传感器信号复制后发送给发动机；
3)电子控制单元同时传递信号给天然气喷射器、天然气开关电磁阀、汽油喷油器和火花塞且发动机还接收电子节气门位置传感器的信号；
4)发动机还传递信号给点火模拟器、电子节气门和喷油器模拟器。
5)电子控制单元根据转速信号和电子油门信号确定天然气开关电磁阀的通断信号控制天然气的供给；
6)电子控制单元根据电子节气门位置传感器信号和转速信号判断发动机所处工况，根据工况判定结果计算出发动机的循环热值需求量，再根据发动机的进气温度、排气温度和所处工况查询汽油喷射量MAP和天然气喷射量MAP；
7)将查询出的汽油喷射量与该工况下的最低汽油喷射量进行比较，如果计算油量大于最低汽油喷射量则执行计算油量值，否则就执行最低汽油喷射量值，再基于最低汽油喷射量值重新计算天然气喷射量；
8)根据最终确定的汽油喷射量天然气喷射，分别计算汽油喷射脉宽和天然气喷射脉宽；
9)电子控制单元再根据前氧传感器的结果对汽油喷射量进行修正，天然气量不修正；
10)电子控制单元将最终修正后的汽油喷射脉宽和天然气喷射脉宽分别发送给汽油喷油器和天然气喷射器；最低汽油喷射量值基于转速和发动机的排气温度确定；
11)电子控制单元根据发动机转速、电子油门信号确定发动机工况并调用点火提前角map、点火能量map确定点火时刻、点火能量并发送至火花塞；
12)电子控制单元根据发动机转速、电子油门信号确定发动机工况，并调用空燃比map确定空燃比；
13)发动机接收电子油门信号、电子节气门位置传感器信号以及从电子控制单元处接收到的空气流量计信号，发动机根据电子油门信号确定电子节气门的开度信号并将其发送至电子节气门，并根据电子节气门位置传感器信号、空气流量计信号对电子节气门开度进行反馈调节；
14)发动机根据电子油门信号、转速信号确定发动机工况，并调用发动机汽油喷油量map调出汽油喷油量并发送至喷油器模拟器以屏蔽原机对汽油机喷油器的控制；发动机根据根据电子油门信号、转速信号确定发动机工况并调用原机点火能量map以及点火提前角map以确定点火时刻以及点火能量并发送至点火模拟器以屏蔽原机对火花塞的控制。
优选的，天然气喷射量的计算方法为：天然气喷射量MAP查询值-(最低汽油喷射量-汽油喷射量MAP查询值)*汽油低热值/天然气低热值。
本发明的有益效果是：1、本方案采用汽油与天然气的混合燃烧，保证了GDI喷油器的冷却与润滑，防止损坏喷油器。
2、提供了一种GDI汽油机改装成天然气-汽油双燃料发动机的电控系统及其控制策略。
3、增加点火模拟器、喷油模拟器，原发动机(ECU)将喷油器的控制信号发送到喷油器模拟器，将火花塞控制信号发送到点火模拟器上以屏蔽本机ECU对喷油器和火花塞的控制，保证原发动机(ECU)正常工作而不致使OBD报错；
4、原机电控基础上增加了电子控制单元(GCCU)控制系统以精确控制双燃料发动机的天然气喷射量、汽油喷射量、点火能量，但不改原机传感器及执行器。
5、在对原机结构改动较小的情况下就能实现GDI汽油机改装成天然气-汽油双燃料发动机并能保证性能要求，节约了成本。
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明。
附图说明
图1为本发明中控制系统的结构示意图；
图2为本发明控制系统的原理图。
1、天然气开关电磁阀；2、过滤器；3、飞轮；4、转速传感器；5、汽油喷油器；6、火花塞；7、排气总管；8、排气温度传感器；9、涡轮；10、涡端旁通阀；12、前氧传感器；13、三元催化器；14、后氧传感器；15、排气管；16、空气滤清器；17、进气管；18、压气机；19、压端旁通阀；20、进气压力传感器；21、空气流量计；22、节气门位置传感器；23、电子节气门；24、混合室；25、进气总管；26、天然气喷射器；27、减压器；28、天然气罐。
具体实施方式
如图1-图2所示，本发明提供了一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统，包括有天然气供气系统及原直喷汽油机电子控制系统，还包括有电子控制单元，所述的电子控制单元分别与天然气供气系统及原直喷汽油机电子控制系统连接。
一种天然气供气系统包括：天然气罐28，天然气开关电磁阀1，过滤器2，减压器27,天然气喷射器26，混合室24。
所述天然气罐28的出口与所述天然气开关电磁阀1的进气口相连；
所述天然气开关电磁阀1的出气口与所述过滤器2的进气口相连；
所述过滤器2的出气口与所述减压器27的进气口相连；
所述减压器27的出气口与天然气喷射器26相连；
所述天然气喷射器26装于混合室24；
所述混合室24安装在原发动机的进气总管25与电子节气门之间。
一个天然气-汽油双燃料电控系统包括：原发动机(ECU)、自主开发电控单元(电子控制单元(GCCU))，转速传感器4，排气温度传感器8，前氧传感器12，后氧传感器14，进气压力传感器2020，节气门位置传感器22，汽油喷油器5，火花塞6，空气流量计21，电子节气门23，电子油门，喷油器模拟器，点火模拟器，天然气喷射器26。
所述空气滤清器16与进气管17进气端相连；
所述进气管17出口分为两路，一路与压气机18的进气口相连，另一路与压端旁通阀19的进气口相连；
所述压气机18的出气端与进气管17上压端旁通阀19的出口处汇合；
所述进气管17汇合后与空气流量计21的进气口相连；
所述空气流量计21的出口与电子节气门23相连；
所述电子节气门23之后与混合室24的空气进气口相连；
所述混合室24的出气口与所述进气总管25相连；
所述发动机排气总管7分为两路，一路与涡端旁通阀10的进气口相连，另一路与涡轮9的进气口相连；
所述涡轮9的出口端与涡端旁通阀10的出口端汇合并与排气管15的入口端相连；
所述排气管15上依次装有前氧传感器12、三元催化器13、后氧传感器14；
所述进气管17汇合处设有进气温度传感器；
所述排气总管7上设有排气温度传感器8；
所述所述转速传感器4安装在飞轮3侧面，由安装架固定；
所述电子节气门23上装有电子节气门位置传感器22。
所述原发动机(ECU)与电子油门、电子节气门位置传感器22、点火模拟器、电子节气门23、喷油器模拟器相连接；
所述原发动机(ECU)还与电子控制单元(GCCU)相连接；
所述进气压力传感器20、前氧传感器12、后氧传感器14、空气流量计21、转速传感器4、排气温度传感器8均与电子控制单元(GCCU)相连接；
所述电子控制单元(GCCU)还与天然气喷射器26、天然气开关电磁阀1、汽油喷油器5和火花塞6相连接。
一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制方法，电子控制单元(GCCU)接收电子油门信号、转速传感器4信号、空气流量计21信号、进气压力传感器2020信号、前氧传感器12信号、后氧传感器14信号、排气温度传感器8信号。
电子控制单元(GCCU)将接收的转速信号、空气流量计21信号、前氧传感器12信号和后氧传感器14信号复制后发送给原发动机(ECU)。
电子控制单元(GCCU)还传递信号给天然气喷射器26、天然气开关电磁阀1、汽油喷油器5和火花塞6。原发动机(ECU)还接收电子节气门位置传感器22的信号。
原发动机(ECU)还传递信号给点火模拟器、电子节气门23和喷油器模拟器。
所述电子控制单元(GCCU)根据转速信号和电子油门信号确定天然气开关电磁阀1的通断信号控制天然气的供给。
所述电子控制单元(GCCU)根据电子节气门位置传感器22信号和转速信号判断发动机所处工况，根据工况判定结果计算出发动机的循环热值需求量，再根据发动机的进气温度、排气温度和所处工况查询汽油喷射量MAP和天然气喷射量MAP。
将查询出的汽油喷射量与该工况下的最低汽油喷射量进行比较，如果计算油量大于最低汽油喷射量则执行计算油量值，否则就执行最低汽油喷射量值，再基于最低汽油喷射量值重新计算天然气喷射量。
天然气喷射量的计算方法为：天然气喷射量MAP查询值-(最低汽油喷射量-汽油喷射量MAP查询值)*汽油低热值/天然气低热值。
根据最终确定的汽油喷射量天然气喷射，分别计算汽油喷射脉宽和天然气喷射脉宽。
电子控制单元(GCCU)再根据前氧传感器12的结果对汽油喷射量进行修正，天然气量不修正。
电子控制单元(GCCU)将最终修正后的汽油喷射脉宽和天然气喷射脉宽分别发送给汽油喷油器5和天然气喷射器26。
最低汽油喷射量值基于转速和发动机的排气温度确定。
所述电子控制单元(GCCU)根据发动机转速、电子油门信号确定发动机工况并调用点火提前角map、点火能量map确定点火时刻、点火能量并发送至火花塞6。
所述电子控制单元(GCCU)根据发动机转速、电子油门信号确定发动机工况，并调用空燃比map确定空燃比；
所述原发动机(ECU)接收电子油门信号、电子节气门23位置传感器22信号以及从电子控制单元(GCCU)处接收到的空气流量计21信号，所述原发动机(ECU)根据电子油门信号确定电子节气门23的开度信号并将其发送至电子节气门23，并根据电子节气门23位置传感器22信号、空气流量计21信号对电子节气门23开度进行反馈调节。
所述原发动机(ECU)根据电子油门信号、转速信号确定发动机工况，并调用原机汽油喷油量map调出汽油喷油量并发送至喷油器模拟器以屏蔽原机对汽油机喷油器的控制；所述原发动机(ECU)根据根据电子油门信号、转速信号确定发动机工况并调用原机点火能量map以及点火提前角map以确定点火时刻以及点火能量并发送至点火模拟器以屏蔽原机对火花塞的控制。
汽油喷射量map
汽油喷射量map的x轴为发动机转速，y轴为发动机转矩，z轴为汽油喷射量，根据发动机转速、发动机的负荷可以将汽油喷射量map分为三个区域，在低转速区域、高转速高负荷区域不采用天然气，根据流量计信号、汽油理论空燃比计算汽油喷油量，在中等转速时使用天然气。
天然气喷射量map
汽油喷射量map的x轴为发动机转速，y轴为发动机转矩，z轴为汽油喷射量，根据发动机转速、发动机的负荷可以将汽油喷射量map分为三个区域，在低转速区域、高转速高负荷区域不采用天然气，根据流量计信号、汽油理论空燃比计算汽油喷油量，在中等转速时使用天然气，保持固定的汽油喷射量，通过混合燃料理论空燃比、汽油喷射量计算固定量汽油消耗空气量，再用空气流量计信号、固定量汽油消耗空气量、混合燃料理论空燃比计算出天然气的喷射量。
空燃比MAP
空燃比MAP的x轴为发动机转速，y轴为发动机转矩，z轴为理论空燃比，根据发动机的转速传感器4信号、电子油门信号确定发动机的工况，将发动机的空燃比map分为三个区域，在低转速区域低负荷、高转速高负荷区域不使用天然气替代，故以汽油的理论空燃比为其空燃比，在中等转速时使用天然气、汽油混合气，以汽油最佳理论空燃比：14.7，天然气最佳理论空燃比：17作为基础值，按天然气替代率计算混合燃料的理论空燃比。
点火能量MAP
点火能量MAP的x轴为发动机转速，y轴为发动机转矩，z轴为点火能量。根据发动机的工况将点火能量MAP分为3个区域，在中等负荷时，由于加入了天然气替代，因此点火能量应高于此工况下采用纯汽油的点火能量并保证缸内天然气、汽油双燃料混合气能点燃。在低转速低负荷、高转速高负荷区域采用纯汽油，因此点火能量必须保证在该区域不同工况下能点燃缸内混合气。如固定汽油喷射量足够高，若在中等负荷区域，可采用以汽油燃烧时的温度引燃天然气的方式来降低中等负荷区域的点火能量。
与现有技术相比，本发明的特点及有益效果是：
本方案采用汽油与天然气的混合燃烧，保证了GDI喷油器的冷却与润滑，防止损坏喷油器。
提供了一种GDI汽油机改装成天然气-汽油双燃料发动机的电控系统及其控制策略。
增加点火模拟器、喷油模拟器，原发动机(ECU)将喷油器的控制信号发送到喷油器模拟器，将火花塞控制信号发送到点火模拟器上以屏蔽本机ECU对喷油器和火花塞的控制，保证原发动机(ECU)正常工作而不致使OBD报错；
原机电控基础上增加了电子控制单元(GCCU)控制系统以精确控制双燃料发动机的天然气喷射量、汽油喷射量、点火能量，但不改原机传感器及执行器。
在对原机结构改动较小的情况下就能实现GDI汽油机改装成天然气-汽油双燃料发动机并能保证性能要求，节约了成本。
各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此本发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims (10)

1.一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统，包括有天然气供气系统及原直喷汽油机电子控制系统，其特征在于：还包括有电子控制单元，所述的电子控制单元分别与天然气供气系统及原直喷汽油机电子控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统，其特征在于：所述的天然气供气系统包括有天然气罐，天然气开关电磁阀，过滤器，减压器,天然气喷射器及混合室，所述天然气罐的出口与所述天然气开关电磁阀的进气口相连；所述天然气开关电磁阀的出气口与所述过滤器的进气口相连；所述过滤器的出气口与所述减压器的进气口相连；所述减压器的出气口与天然气喷射器相连；所述天然气喷射器装于混合室；所述混合室与原直喷汽油机电子控制系统连接。
3.根据权利要求2所述的一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统，其特征在于：所述的原直喷汽油机电子控制系统包括有发动机、压气机、压端旁通阀、转速传感器、排气温度传感器、前氧传感器、后氧传感器、进气压力传感器、节气门位置传感器、汽油喷油器、火花塞、空气流量计、电子节气门、电子油门、喷油器模拟器、点火模拟器、进气管、进气总管、排气管及排气总管，所述空气滤清器与进气管的进气端相连；所述进气管出口分为两路，一路与压气的机进气口相连，另一路与压端旁通阀的进气口相连；所述压气机的出气端与进气管上压端旁通阀出口处汇合；所述进气管汇合后与空气流量计的进气口相连；所述空气流量计出口与电子节气门相连；所述电子节气门与混合室的空气进气口相连；所述混合室出气口与所述进气总管相连；所述发动机的排气总管分为两路，一路与涡端旁通阀的进气口相连，另一路与的涡轮进气口相连；所述涡轮的出口端与涡端旁通阀的出口端汇合并与排气管的入口端相连；所述发动机与电子油门、电子节气门位置传感器、点火模拟器、电子节气门、喷油器模拟器相连接。
4.根据权利要求3所述的一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统，其特征在于：所述排气管上依次装有前氧传感器、三元催化器、后氧传感器。
5.根据权利要求4所述的一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统，其特征在于：所述进气管汇合处设有进气温度传感器。
6.根据权利要求3所述的一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统，其特征在于：还包括有飞轮及转速传感器，所述的飞轮与发动机连接，所述所述转速传感器通过安装架安装在飞轮侧面。
7.根据权利要求6所述的一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统，其特征在于：所述电子节气门上装有电子节气门位置传感器。
8.根据权利要求7所述的一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制系统，其特征在于：所述电子控制单元分别与发动机、进气压力传感器、前氧传感器、后氧传感器、空气流量计、转速传感器、排气温度传感器、天然气喷射器、天然气开关电磁阀、汽油喷油器和火花塞相连接。
9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的直喷汽油-天然气双燃料发动机控制方法，其特征在于：1)电子控制单元接收电子油门信号、转速传感器信号、空气流量计信号、进气压力传感器信号、前氧传感器信号、后氧传感器信号、排气温度传感器信号；
2)电子控制单元将接收的转速信号、空气流量计信号、前氧传感器信号和后氧传感器信号复制后发送给发动机；
3)电子控制单元同时传递信号给天然气喷射器、天然气开关电磁阀、汽油喷油器和火花塞且发动机还接收电子节气门位置传感器的信号；
4)发动机还传递信号给点火模拟器、电子节气门和喷油器模拟器。
5)电子控制单元根据转速信号和电子油门信号确定天然气开关电磁阀的通断信号控制天然气的供给；
6)电子控制单元根据电子节气门位置传感器信号和转速信号判断发动机所处工况，根据工况判定结果计算出发动机的循环热值需求量，再根据发动机的进气温度、排气温度和所处工况查询汽油喷射量MAP和天然气喷射量MAP；
7)将查询出的汽油喷射量与该工况下的最低汽油喷射量进行比较，如果计算油量大于最低汽油喷射量则执行计算油量值，否则就执行最低汽油喷射量值，再基于最低汽油喷射量值重新计算天然气喷射量；
8)根据最终确定的汽油喷射量天然气喷射，分别计算汽油喷射脉宽和天然气喷射脉宽；
9)电子控制单元再根据前氧传感器的结果对汽油喷射量进行修正，天然气量不修正；
10)电子控制单元将最终修正后的汽油喷射脉宽和天然气喷射脉宽分别发送给汽油喷油器和天然气喷射器；最低汽油喷射量值基于转速和发动机的排气温度确定；
11)电子控制单元根据发动机转速、电子油门信号确定发动机工况并调用点火提前角map、点火能量map确定点火时刻、点火能量并发送至火花塞；
12)电子控制单元根据发动机转速、电子油门信号确定发动机工况，并调用空燃比map确定空燃比；
13)发动机接收电子油门信号、电子节气门位置传感器信号以及从电子控制单元处接收到的空气流量计信号，发动机根据电子油门信号确定电子节气门的开度信号并将其发送至电子节气门，并根据电子节气门位置传感器信号、空气流量计信号对电子节气门开度进行反馈调节；
14)发动机根据电子油门信号、转速信号确定发动机工况，并调用发动机汽油喷油量map调出汽油喷油量并发送至喷油器模拟器以屏蔽原机对汽油机喷油器的控制；发动机根据根据电子油门信号、转速信号确定发动机工况并调用原机点火能量map以及点火提前角map以确定点火时刻以及点火能量并发送至点火模拟器以屏蔽原机对火花塞的控制。
10.根据权利要求9所述的一种直喷汽油-天然气双燃料发动机控制方法，其特征在于，天然气喷射量的计算方法为：天然气喷射量MAP查询值-(最低汽油喷射量-汽油喷射量MAP查询值)*汽油低热值/天然气低热值。
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