CN111412088B - 一种气体燃料发动机燃气喷射装置及控制方法 - Google Patents

一种气体燃料发动机燃气喷射装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种气体燃料发动机(包括双燃料发动机和气体机)燃气喷射装置及控制方法。控制系统由主控制器、CAN总线、多级燃气喷射装置组成；多级燃气喷射装置包括CAN收发器、MCU、电磁阀驱动、电磁阀组，多级燃气喷射装置采用CAN收发器、MCU、电磁阀驱动、电磁阀组集成一体的结构，电磁阀组内设置多个独立控制的小流量电磁阀；控制方法采用分布式控制方式。本发明不仅可以兼顾发动机启动和小负荷运行时燃气的小流量精确控制，又可以通过每个电磁阀组中的多个小流量电磁阀联合喷射满足高负荷运行时燃气的大流量要求，能改善发动机的经济性和排放性能，并且结构紧凑，控制灵活可靠，抗干扰强，可降低成本。

Description

一种气体燃料发动机燃气喷射装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种气体燃料发动机，具体涉及气体燃料发动机的燃气喷射装置，本发明也涉及一种气体燃料发动机燃气喷射装置的控制方法。
背景技术：
发展内燃机替代燃料是实现其节能减排非常有效的手段之一，对解决越来越严峻的石油危机和环境污染状况有很大作用。气体燃料(如天然气、石油气)，具有燃烧清洁、热值大等优点，尤其是天然气因其储量丰富而成为未来内燃机替代燃料的首选。但是目前内燃机的种类繁多，型号功率相差甚远，在不同类型内燃机基础上开发或改造为气体燃料发动机时，所配备的气体燃料喷射器的要求也就相差很大，不可能根据不同发动机的需求单独配置相应的气体燃料喷射器，而喷射器的参数和安装位置又会对发动机的使用性能造成很大影响，当喷射器过小的燃料喷射量范围无法满足发动机大功率的功率运行要求，特别是采用歧管多点喷射时无法满足燃气喷射的及时性；当喷射器过大的燃料喷射量范围会使启喷燃料量过大，特别是大功率柴油机，配套的都是大流量喷射器，发动机在低负荷运行时，使得燃料喷射量不精确，造成燃料的浪费以及动力性、经济性和排放性能下降；目前，发动机厂家或发动机的改造单位为了满足大功率气体发动机燃气供应量要求，多是为每缸安装多个小流量喷射器并且单独控制每个小流量电磁阀，但是喷射器的数量受歧管结构尺寸限制，而远离进气管安装会导致变工况喷气响应速度下降，而且多个小流量喷射器向各缸供给燃气也会使控制难度和系统的不可靠性增加，还会产生电磁干扰，导致系统工作不稳定。
发明内容：
本发明提供一种气体燃料发动机燃气喷射装置及控制方法，用以解决在不同功率范围的内燃机基础上进行气体燃料发动机研发和改造过程中，喷射器性能匹配问题和喷射控制难度大、可靠性低的问题。本发明的目的是这样实现的：
一种气体燃料发动机燃气喷射装置，它包括主控制器(2)、CAN总线(3)、活塞位置传感器(10)和至少六组多级燃气喷射装置(4)，所述的主控制器(2)由主MCU(1)和主控制器CAN收发器(9)组成，主MCU(1)通过主控制器CAN收发器(9)连接在CAN总线(3)上；所述的多级燃气喷射装置(4)由电磁阀组(5)、电磁阀驱动装置(6)、分控制器MCU(7)和分控制器CAN收发器(8)组成；电磁阀组(5)由多个独立控制的小流量电磁阀(5_14)组成，每个小流量电磁阀(5_14)受控于电磁阀驱动装置(6)，电磁阀驱动装置(6)受控于分控制器MCU(7)，分控制器MCU(7)通过分控制器CAN收发器(8)连接在CAN总线(3)，活塞位置传感器(10)的信号输出端连接在主MCU(1)的一个信号输入端上。
所述的电磁阀组(5)内设置多个独立控制的小流量电磁阀(5_14)可独立控制；电磁阀(5_14)通过管道联接上下阀体；当小流量电磁阀(5_14)的电磁线圈不通电时，燃气不喷射；当小流量电磁阀(5_14)的电磁线圈通电时，小流量电磁阀(5_14)开启，燃气经由气轨(5_1)、燃气分配器(5_2)、燃气通道(5_6)、稳压室(5_9)、出口(5_12)进入发动机气缸。
基于一种气体燃料发动机燃气喷射装置的控制方法为：
控制系统采用分布式控制，六个次级MCU(7)分别独立控制6个电池阀组(5)。工作时主控制器(2)对活塞位置传感器(10)的信号进行采集处理与分析计算，主MCU(1)根据采集的信息计算下一时刻的供气气缸、喷气正时和喷气脉宽，经CAN收发器(8)过滤信号后分别对六个多级燃气喷射装置(4)进行控制，从而给六缸柴油机的六个缸进行燃气供给，主控制器(2)与多级燃气喷射装置(4)通过CAN总线(3)进行通信。
本发明的有益效果主要体现在：
1、本发明在一个多级燃气喷射装置的电磁阀组内设置多个独立控制的小流量电磁阀，不仅可以兼顾发动机启动和小负荷运行时燃气的小流量精确控制，又可以通过每个电磁阀组中的多个小流量电磁阀联合喷射满足高负荷运行时燃气的大流量要求，可改善发动机的经济性和排放性能。
2、多阀燃气喷射装置采用集成一体的结构，可使结构紧凑，降低成本。
3、本发明的控制系统，主控制器作为信号处理和运算单元，与电磁阀驱动单元不在同一控制板上，两者之间只是通过CAN总线相连，能够有效的降低电磁阀驱动对主控制器造成的电磁干扰，保证系统工作的稳定性。由于主控制器只是作为信号处理和运算单元，而通过CAN总线进行输出，这样便于系统的扩展，例如当需要增加多级燃气喷射装置的数目时，只需要对控制系统进行软件上的更改而不需要对硬件进行改动，能够降低成本，提高了产品的市场适应性。
4、采用分布式控制方式能够合理地管理整个装置所有的小流量电磁阀，CAN总线利用编号的方式分别给次级MCU信号，某次级MCU收到信号后信号依然会继续向下传递直至最后，这样保证了单个喷射装置出现失效时不会影响到其他喷射装置的正常工作，能够提高系统的鲁棒性和可靠性，延长装置寿命。
附图说明：
图1为本发明的控制系统示意图。
图2为本发明的多阀燃气喷射装置示意图。
图3为本发明的电磁阀组中的小流量电磁阀分布示意图。
具体实施方式：
具体实施方式一：下面结合图1至3具体说明本实施方式。一种气体燃料发动机燃气喷射装置，它包括主控制器(2)、CAN总线(3)、活塞位置传感器(10)和至少六组多级燃气喷射装置(4)，所述的主控制器(2)由主MCU(1)和主控制器CAN收发器(9)组成，主MCU(1)通过主控制器CAN收发器(9)连接在CAN总线(3)上；所述的多级燃气喷射装置(4)由电磁阀组(5)、电磁阀驱动装置(6)、分控制器MCU(7)和分控制器CAN收发器(8)组成；电磁阀组(5)、电磁阀驱动装置(6)、分控制器MCU(7)、分控制器CAN收发器(8)采用集成一体的结构；电磁阀组(5)由多个独立控制的小流量电磁阀(5-14)组成，每个小流量电磁阀(5_14)受控于电磁阀驱动装置(6)，电磁阀驱动装置(6)受控于分控制器MCU(7)，分控制器MCU(7)通过分控制器CAN收发器(8)连接在CAN总线(3)，活塞位置传感器(10)的信号输出端连接在主MCU(1)的一个信号输入端上。
气体燃料发动机以六缸机为例，电磁阀组中以内置六个小流量电磁阀为例。
电磁阀组(5)包括下阀体(5_10)、稳压室外壳(5_13)、下壳体(5_15)、上壳体(5_16)和上阀体(5_18)，下阀体(5_10)内设置多个独立控制的小流量电磁阀(5_14)；下阀体(5_10)和上阀体(5_18)采用止口定位且利用密封垫(5_17)进行密封，定位孔(5_4)位于下阀体(5_10)，下壳体(5_15)和上壳体(5_16)通过螺栓(5_3)、螺栓(5_5)、螺栓(5_7)将下阀体(5_10)和上阀体(5_18)装配压紧，稳压室外壳(5_13)通过螺纹与下阀体(5_10)相连，并通过密封垫(5_8)进行密封。当小流量电磁阀(5_14)的电磁线圈不通电时，燃气不喷射；当小流量电磁阀(5_14)的电磁线圈通电时，小流量电磁阀(5_14)开启，燃气经由气轨(5_1)、燃气分配器(5_2)、燃气通道(5_6)、稳压室(5_9)、出口(5_12)进入发动机气缸。密封垫(5_11)保证了安装时的密封。
基于一种气体燃料发动机燃气喷射装置的控制方法为：主控制器(2)与分控制器MCU(7)通过CAN总线(3)采用分布式控制，主控制器(2)对活塞位置传感器(10)的信号进行采集处理与分析计算，主MCU(1)根据采集的信息计算下一时刻的供气气缸、喷气正时和喷气脉宽，六个多级燃气喷射装置(4)分别控制对六缸柴油机的六个缸进行燃气供给，主控制器(2)与多级燃气喷射装置(4)通过CAN总线(3)进行通信。
具体实施方式二：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式相对于实施方式一增加了六个上止点位置传感器(11)，每个上止点位置传感器(11)连接在一个分控制器MCU(7)的一个信号输入端上。如此设置，避免了通信延时可能出现的问题，确保喷射正时。一路上止点位置信号单独给到分控制器MCU(7)，主MCU(1)和分控制器MCU(7)共同根据采集的信息计算下一时刻的供气气缸、喷气正时和喷气脉宽。
具体实施方式三：下面结合图1至3具体说明本实施方式。本实施方式相对于实施方式一具体给出了基于一种气体燃料发动机燃气喷射装置的控制方法的步骤：
主控制器(2)与六个多级燃气喷射装置(4)的CAN总线滤波功能全部打开，由于CAN总线具有ID滤波的功能，当系统希望向某个气缸供气时就把这个气缸对应的多级燃气喷射装置(4)的编号作为ID，各个多级燃气喷射装置(4)的控制电路检测到CAN总线(3)上的信号后开始滤波，当如果滤波通过则接收后面的数据位，其他多级燃气喷射装置(4)的控制电路则继续接收数据直至最后一个，避免单个燃气喷射装置故障发出错误信号导致系统无法工作，这样就实现了对六个气缸多级燃气喷射装置(4)的识别管理与控制。多级燃气喷射装置(4)的分控制器MCU(7)在接收到信息后按照预先定义的方式解析数据位，得到喷气量和喷气时刻，再根据喷气量进一步确定喷气脉宽和需要开启的电磁阀数量。根据每个电磁阀(5_14)的使用情况进一步的确定开启哪些阀，通过电磁阀驱动装置(6)输出控制电磁阀(5_14)的喷气正时和喷气脉宽，完成本次喷射，等待进入下一工作循环。

Claims (4)

1.一种气体燃料发动机燃气喷射装置，其特征是它包括主控制器(2)、CAN总线(3)、活塞位置传感器(10)、上止点位置传感器(11)和至少六组多级燃气喷射装置(4)，所述的主控制器(2)由主MCU(1)和主控制器CAN收发器(9)组成，主MCU(1)通过主控制器CAN收发器(9)连接在CAN总线(3)上；所述的多级燃气喷射装置(4)由电磁阀组(5)、电磁阀驱动装置(6)、分控制器MCU(7)和分控制器CAN收发器(8)组成；电磁阀组(5)由多个独立控制的小流量电磁阀(5_14)组成，每个小流量电磁阀(5_14)受控于电磁阀驱动装置(6)，电磁阀驱动装置(6)受控于分控制器MCU(7)，分控制器MCU(7)通过分控制器CAN收发器(8)连接在CAN总线(3)，活塞位置传感器(10)的信号输出端连接在主MCU(1)的一个信号输入端上；
所述电磁阀组(5)、电磁阀驱动装置(6)、分控制器MCU(7)、分控制器CAN收发器(8)采用集成一体的结构；主控制器(2)与分控制器MCU(7)通过CAN总线(3)采用分布式控制；
所述电磁阀组(5)内设置多个独立控制的小流量电磁阀(5_14)可独立控制；电磁阀(5_14)通过管道联接上下阀体；当小流量电磁阀(5_14)的电磁线圈不通电时，燃气不喷射；当小流量电磁阀(5_14)的电磁线圈通电时，小流量电磁阀(5_14)开启，燃气经由气轨(5_1)、燃气分配器(5_2)、燃气通道(5_6)、稳压室(5_9)、出口(5_12)进入发动机气缸。
2.根据权利要求1一种气体燃料发动机燃气喷射装置，其特征是增加了六个上止点位置传感器(11)，每个上止点位置传感器(11)连接在一个分控制器MCU(7)的一个信号输入端上。
3.一种基于权利要求1的一种气体燃料发动机燃气喷射装置的控制方法，其特征是主控制器(2)对活塞位置传感器(10)的信号进行采集处理与分析计算，主MCU(1)根据采集的信息计算下一时刻的供气气缸、喷气正时和喷气脉宽，六个多级燃气喷射装置(4)分别控制对六缸柴油机的六个缸进行燃气供给，主控制器(2)与多级燃气喷射装置(4)通过CAN总线(3)进行通信。
4.根据权利要求3所述的气体燃料发动机燃气喷射装置的控制方法，其特征是控制方法的步骤为主控制器(2)与六个多级燃气喷射装置(4)的CAN总线滤波功能全部打开，CAN总线具有ID滤波的功能，当系统希望向某个气缸供气时就把这个气缸对应的多级燃气喷射装置(4)的编号作为ID，各个多级燃气喷射装置(4)的控制电路检测到CAN总线(3)上的信号后开始滤波，当如果滤波通过则接收后面的数据位，其他多级燃气喷射装置(4)的控制电路则不再接收数据，这样就实现了对六个气缸多级燃气喷射装置(4)的识别管理与控制；
多级燃气喷射装置(4)的分控制器MCU(7)在接收到信息后按照预先定义的方式解析数据位，得到喷气量和喷气时刻，再根据喷气量进一步确定喷气脉宽和需要开启的电磁阀数量；根据每个电磁阀(5_14)的使用情况进一步的确定开启哪些阀，通过电磁阀驱动装置(6)输出控制电磁阀(5_14)的喷气正时和喷气脉宽，完成本次喷射，等待进入下一工作循环。
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