CN117052553A - 一种氨—柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氨—柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统，系统包括：上位机模块、计算模块、外围驱动模块和被控对象；计算模块包括正时同步程序单元、控制策略单元、喷射程序单元和I/O接口；喷射程序单元包括NI高速信号采集卡和喷射序列产生子单元。以NI高速采集卡为通信模块，实现双燃料喷射系统与控制软件的交互，实时跟踪燃料喷射系统压力及喷射器的燃油喷射量和氨气喷射量等参数，并通过上位机界面配置喷射器控制参数实现柴油喷射和氨气喷射单独控制及喷射脉宽和喷射正时的灵活修改。
Description
技术领域
本发明涉及快速原型技术领域，特别是涉及一种氨—柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统。
背景技术
控制和减少全球人为活动的温室气体排放量，已成为国际共识。氨不含碳，且可以由绿氢和空气中的氮气合成，所以氨是一种非常有前景的零碳燃料，发动机燃用氨，可以有效降低二氧化碳的排放。
随着国际社会对船舶动力性能要求的不断提高，以及排放法规的不断严格，发动机面临着越来越严峻的形势挑战。无论是柴油机的性能提高还是柴油机排放水平的降低，究其根本源头都是对缸内燃烧过程的改善，通过改善氨﹣柴油双燃料发动机燃料喷射控制，是改善柴油机缸内燃烧状态十分有效的手段，通过精确控制喷油器的喷射正时与喷油持续期，可以灵活的改变柴油机内的燃烧状态。在实验过程中，在不同的条件下往往需要改变不同的喷射方式来取得动力性与经济性之间的平衡，喷射策略的灵活可调节无论是对柴油机性能的标定，还是满足不同条件下排放法规的要求都有着重要意义。对此，本发明提出一种氨—柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种氨—柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统，可以做到调节简单，控制系统运行稳定提高发动机的燃烧效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种氨—柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统，所述系统包括：上位机模块、计算模块、外围驱动模块和被控对象；
所述上位机模块，与所述计算模块通信连接，用于配置喷射器控制参数以柴油喷射和氨气喷射单独控制及喷射脉宽和喷射正时的灵活修改；
所述计算模块，与所述外围驱动模块通信连接，用于基于所述上位机模块的配置参数以及所述被控对象的传感器信号生成喷射脉冲信号；
所述外围驱动模块，用于基于所述喷射脉冲信号产生驱动信号以对所述被控对象进行控制；所述被控对象为喷油器；
所述计算模块包括正时同步程序单元、控制策略单元、喷射程序单元和I/O接口；
所述正时同步程序单元，用于根据曲轴信号和凸轮轴信号中的两个齿之间的间隔判断当前曲轴的位置，根据每个气缸的相对位置关系得到每个气缸中活塞的位置，该位置通过当前转速以及板载时钟频率进行更新；
所述控制策略单元，用于通过其他软件生成的C代码通过导入到硬件平台中，与计算模块产生的正时同步程序单元相连接，通过软件编译时预留的接口进行数据传输，将喷射信号脉冲控制序列配置的相关信息从控制策略单元中传给正时同步程序单元；
所述喷射程序单元，用于控制柴油喷射和氨气喷射的喷射正时与喷射脉宽；
所述喷射程序单元包括NI高速信号采集卡和喷射序列产生子单元；
所述NI高速信号采集卡，用于基于开关信号、喷射配置信息和通信触发信号输出喷射脉宽；
所述喷射序列产生子单元，用于根据所述喷射配置信息和所述通信触发信号输出所述喷射正时信号。
可选的，柴油喷射和氨气喷射的喷射正时与喷射脉宽均留有单独的接口。
可选的，当计算模块接收所述被控对象的传感器信号生成喷射脉冲信号的控制逻辑为：
传感器系统压力燃油喷射量和氨气喷射量通过I/O接口传输给所述计算模块，利用所述计算模块中的整形滤波单元对传感器输入信号进行整形滤波并将整形后的信号依次传输给所述正时同步程序单元和所述喷射程序单元后经过I/O接口输出所述喷射脉冲信号。
可选的，所述外围驱动模块包括ECU单元、驱动电路和I/O接口；
所述ECU单元，用于通过所述I/O接口接收所述喷射脉冲信号，并基于所述喷射脉冲信号输出喷油器驱动信号；
所述驱动电路，用于基于所述喷射器驱动信号和外部电源提供的电源信号输出所述喷油器的驱动信号。
可选的，所述ECU单元包括中断子单元、喷射函数、喷射阶段判断子单元和电压信号给定子单元；
所述喷射函数，用于基于所述喷射脉冲信号进行函数计算得到函数结果；
所述中断子单元，用于根据CAN信号和所述函数结果得出中断控制信号；
所述喷射阶段判断子单元，用于根据所述中断控制信号输出判断结果；
所述电压信号给定子单元，用于依据所述判断结果设定驱动电压信号进而输出喷油器驱动信号。
可选的，所述驱动电路采用升压驱动电路。
可选的，所述外围驱动模块根据喷射脉冲信号的上升沿确定每次喷射的喷油正时，根据喷油脉冲信号模块配置的喷油脉宽数据，经过ECU中程序的处理产生直接输入到喷油器中的信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种氨—柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统，以NI高速采集卡为通信模块，实现双燃料喷射系统与控制软件的交互，实时跟踪燃料喷射系统压力及喷射器的燃油喷射量和氨气喷射量等参数，并通过上位机界面配置喷射器控制参数实现柴油喷射和氨气喷射单独控制及喷射脉宽和喷射正时的灵活修改。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种氨—柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统结构图；
图2为本发明实施例提供的计算模块接收传感器信号生成喷射脉冲信号的控制逻辑；
图3为本发明实施例提供的外围驱动模块的结构图；
图4为本发明实施例提供的外围驱动模块中ECU单元结构图；
图5为本发明实施例提供的计算模块中喷射程序的逻辑结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
1.传统的氨﹣柴油双燃料发动机控制方法存在着调节复杂、控制精度低等问题，难以实现高效稳定的燃烧。
2.基于氨气吸附技术的控制方法存在着氨气吸附剂使用寿命短、再生成本高等问题，限制了其应用范围。
3.基于机械混合技术的控制方法存在着喷油系统适应性差、气缸压力不稳定等问题，导致发动机的燃烧效率低下，排放性能不佳。
4.基于电子控制技术的控制方法存在着电路复杂、控制参数调整困难等问题，需要高级的技术和设备支持才能实现优异的控制效果。
快速原型技术应用于控制系统产品研发的算法设计阶段与具体实现阶段间。快速控制原型就是利用某种手段将开发的算法下载到某个计算机硬件平台中，该计算机硬件平台在实时条件下运行，模拟控制器，通过实际I/O设备与被控对象实物连接，验证算法的可靠性和准确度。要实现快速控制原型，必须有集成良好、便于使用的建模、设计、离线仿真、实时开发及测试工具。用户选择的实时系统允许反复修改模型设计，进行离线及实时仿真，减少设计错误，降低设计费用。
NI采集技术是一种基于硬件与软件的数据采集技术。NI采集技术的最大特点是其高度可编程性和可定制性。NI的软硬件平台提供了一套完整的开发、测试、部署工具，可以用户根据不同的应用场景和具体需求进行定制和调整。同时，NI采集技术支持多种通信协议和接口类型，可以和各种仪器设备进行无缝连接和交互。NI的采集卡适用于各种信号的采集和处理，如模拟信号、数字信号、高速信号等。NI的软件工具如LabVIEW、TestStand等则可以对各种数据进行可视化、分析和管理。而且，NI采集技术具有高度可编程性、高精度、高可靠性和易扩展等优点，适用于各种数据采集与处理的应用场景。
本发明旨在提出一种氨﹣柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统实现方法。具体技术路线为：以NI高速采集卡为通信模块，实现双燃料喷射系统与控制软件的交互，实时跟踪燃料喷射系统压力及喷射器的燃油喷射量和氨气喷射量等参数，并通过上位机界面配置喷射器控制参数实现柴油喷射和氨气喷射单独控制及喷射脉宽和喷射正时的灵活修改。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
实施例
如图1至5所示，本发明提供一种氨—柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统，所述系统包括：上位机模块、计算模块、外围驱动模块和被控对象。
氨﹣柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统实现方法通过面向对象编程的思想对整体控制系统的程序进行设计，本方法通过通信模块与外部进行数据交互，该喷射控制系统能够高精度的实时跟踪发动机的运行位置，实现柴油喷射和氨气喷射单独控制，都能够独立配置两种喷射的喷射正时和喷射脉宽。
氨﹣柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统实现方法，包括硬件平台与软件平台，硬件平台包括计算模块与驱动模块，计算模块负责传感器信号的接收以及配置参数的导入计算，驱动模块负责将低压信号进行升压处理，驱动喷油器电磁阀进行工作。
所述上位机模块，与所述计算模块通信连接，用于配置喷射器控制参数以柴油喷射和氨气喷射单独控制及喷射脉宽和喷射正时的灵活修改。
所述计算模块，与所述外围驱动模块通信连接，用于基于所述上位机模块的配置参数以及所述被控对象的传感器信号生成喷射脉冲信号。
所述外围驱动模块，用于基于所述喷射脉冲信号产生驱动信号以对所述被控对象进行控制；所述被控对象为喷油器。
所述计算模块包括正时同步程序单元、控制策略单元、喷射程序单元和I/O接口。
所述正时同步程序单元，用于根据曲轴信号和凸轮轴信号中的两个齿之间的间隔判断当前曲轴的位置，根据每个气缸的相对位置关系得到每个气缸中活塞的位置，该位置通过当前转速以及板载时钟频率进行更新。
所述控制策略单元，用于通过其他软件生成的C代码通过导入到硬件平台中，与计算模块产生的正时同步程序单元相连接，通过软件编译时预留的接口进行数据传输，将喷射信号脉冲控制序列配置的相关信息从控制策略单元中传给正时同步程序单元。
所述喷射程序单元，用于控制柴油喷射和氨气喷射的喷射正时与喷射脉宽。
柴油喷射和氨气喷射需要喷油正时与喷油脉宽的接口数据输入，两者的配置都是在控制策略中计算得出的，然后通过通讯协议将配置信息传到外围驱动电路中。
所述喷射程序单元包括NI高速信号采集卡和喷射序列产生子单元；
所述NI高速信号采集卡，用于基于开关信号、喷射配置信息和通信触发信号输出喷射脉宽。
所述喷射序列产生子单元，用于根据所述喷射配置信息和所述通信触发信号输出所述喷射正时信号。
当计算模块接收所述被控对象的传感器信号生成喷射脉冲信号的控制逻辑为：
传感器系统压力燃油喷射量和氨气喷射量通过I/O接口传输给所述计算模块，利用所述计算模块中的整形滤波单元对传感器输入信号进行整形滤波并将整形后的信号依次传输给所述正时同步程序单元和所述喷射程序单元后经过I/O接口输出所述喷射脉冲信号。
对于传感器信号而言，由于外界信号的干扰，需要对传感器信号进行滤波整型，使控制策略模块与正时同步模块能够得到正确的配置信息，最终产生准确的喷射脉冲序列。
信号脉冲产生模块不但具有传感器输入信号的整形滤波功能，还能根据整形后的方波信号跟踪柴油机活塞的运动位置，根据活塞的运动位置产生每个缸的喷射脉冲信号序列，该信号序列的周期是气缸做一次功曲轴转过的角度值。
所述外围驱动模块包括ECU单元、驱动电路和I/O接口；
所述ECU单元，用于通过所述I/O接口接收所述喷射脉冲信号，并基于所述喷射脉冲信号输出喷油器驱动信号；
所述驱动电路，用于基于所述喷射器驱动信号和外部电源提供的电源信号输出所述喷油器的驱动信号。
所述ECU单元包括中断子单元、喷射函数、喷射阶段判断子单元和电压信号给定子单元；
所述喷射函数，用于基于所述喷射脉冲信号进行函数计算得到函数结果；
所述中断子单元，用于根据CAN信号和所述函数结果得出中断控制信号；
所述喷射阶段判断子单元，用于根据所述中断控制信号输出判断结果；
所述电压信号给定子单元，用于依据所述判断结果设定驱动电压信号进而输出喷油器驱动信号。
所述驱动电路采用升压驱动电路。为了保证喷油器的快速响应，将产生的脉冲信号传给外围驱动电路，外围驱动电路在接收到脉冲信号后会通过ECU将脉冲信号转换为不同电压驱动的驱动信号，实现喷油器的快开快闭。
所述外围驱动模块根据喷射脉冲信号的上升沿确定每次喷射的喷油正时，根据喷油脉冲信号模块配置的喷油脉宽数据，经过ECU中程序的处理产生直接输入到喷油器中的信号。
根据传感器信号产生的喷油脉冲信号直接输入到外围驱动电路的I/O口，通过脉冲信号的特征，由外围驱动电路ECU中的程序产生即保证喷油器寿命又降低喷油器开闭延迟的喷油驱动信号。
调节方式由喷射信号脉冲产生模块与喷油器驱动信号产生模块两部分组成，两个模块之间通过建立特定的信号传输方式进行连接。
喷射方式包括柴油喷射和氨气喷射的控制，两种喷射的喷射正时与喷射脉宽留有单独的接口，根据具体喷射策略确定具体的输入数据。
喷射脉冲产生模块与喷油器驱动模块之间的信号传递采用两种不同的方式。对于实时性要求较高的脉冲信号采用I/O口直接相连的方式，对于实时性不高的数据采用其他通信协议的方式进行传输。
喷油器驱动信号模块，根据喷射脉冲信号的上升沿确定每次喷射的喷油正时，根据喷油脉冲信号模块配置的喷油脉宽等数据传输到喷油器驱动信号模块，经过ECU中程序的处理产生直接输入到喷油器中的信号。
外围驱动电路产生驱动信号的方式是通过外围驱动模块中的ECU控制两路电压信号产生的，一路电压为高压，另一路电压为低压，通过信号脉冲序列以及ECU中程序对驱动电路开关量的控制，实现喷油器驱动信号从信号脉冲上升沿处开始以高压电压开始驱动，然后以低压电压驱动保持一段时间，然后再关闭信号的驱动喷油器信号。
外围驱动电路的主要作用是驱动喷油器，通过外接一个24V的电源，通过喷射脉冲信号序列来控制高压电路，进而驱动喷油器。为了使喷油器快速开启，采用升压电路，将24V电压升到48V。
喷油驱动电路在接收到喷射信号脉冲等配置信息后，会通过喷射策略控制模块与ECU中的中断控制模块完成喷射脉冲序列的解析与处理。根据两种喷射下自动选择配置信号，最终实现喷油驱动信号在48V高压信号的驱动信号下开启后喷出相应量的燃油或氨气，最后到对应的喷油持续期结束时，关闭开关使喷油器完全关闭。
本实施例中，在对双燃料发动机喷射系统进行燃料量标定时不需要更改软件和硬件条件，仅需从端口导入参数即可。另外，采用模块化设计，缩短了氨﹣柴油双燃料发动机喷射系统测试的软件开发周期，通用性较强，有效提高了氨气喷射量及柴油喷射量标定过程的效率，喷射控制系统运行稳定，能够实现良好的控制效果。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种氨—柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统，其特征在于，所述系统包括：上位机模块、计算模块、外围驱动模块和被控对象；
所述上位机模块，与所述计算模块通信连接，用于配置喷射器控制参数以柴油喷射和氨气喷射单独控制及喷射脉宽和喷射正时的灵活修改；
所述计算模块，与所述外围驱动模块通信连接，用于基于所述上位机模块的配置参数以及所述被控对象的传感器信号生成喷射脉冲信号；
所述外围驱动模块，用于基于所述喷射脉冲信号产生驱动信号以对所述被控对象进行控制；所述被控对象为喷油器；
所述计算模块包括正时同步程序单元、控制策略单元、喷射程序单元和I/O接口；
所述正时同步程序单元，用于根据曲轴信号和凸轮轴信号中的两个齿之间的间隔判断当前曲轴的位置，根据每个气缸的相对位置关系得到每个气缸中活塞的位置，该位置通过当前转速以及板载时钟频率进行更新；
所述控制策略单元，用于通过其他软件生成的C代码通过导入到硬件平台中，与计算模块产生的正时同步程序单元相连接，通过软件编译时预留的接口进行数据传输，将喷射信号脉冲控制序列配置的相关信息从控制策略单元中传给正时同步程序单元；
所述喷射程序单元，用于控制柴油喷射和氨气喷射的喷射正时与喷射脉宽；
所述喷射程序单元包括NI高速信号采集卡和喷射序列产生子单元；
所述NI高速信号采集卡，用于基于开关信号、喷射配置信息和通信触发信号输出喷射脉宽；
所述喷射序列产生子单元，用于根据所述喷射配置信息和所述通信触发信号输出所述喷射正时信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，柴油喷射和氨气喷射的喷射正时与喷射脉宽均留有单独的接口。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当计算模块接收所述被控对象的传感器信号生成喷射脉冲信号的控制逻辑为：
传感器系统压力燃油喷射量和氨气喷射量通过I/O接口传输给所述计算模块，利用所述计算模块中的整形滤波单元对传感器输入信号进行整形滤波并将整形后的信号依次传输给所述正时同步程序单元和所述喷射程序单元后经过I/O接口输出所述喷射脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述外围驱动模块包括ECU单元、驱动电路和I/O接口；
所述ECU单元，用于通过所述I/O接口接收所述喷射脉冲信号，并基于所述喷射脉冲信号输出喷油器驱动信号；
所述驱动电路，用于基于所述喷射器驱动信号和外部电源提供的电源信号输出所述喷油器的驱动信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述ECU单元包括中断子单元、喷射函数、喷射阶段判断子单元和电压信号给定子单元；
所述喷射函数，用于基于所述喷射脉冲信号进行函数计算得到函数结果；
所述中断子单元，用于根据CAN信号和所述函数结果得出中断控制信号；
所述喷射阶段判断子单元，用于根据所述中断控制信号输出判断结果；
所述电压信号给定子单元，用于依据所述判断结果设定驱动电压信号进而输出喷油器驱动信号。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述驱动电路采用升压驱动电路。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述外围驱动模块根据喷射脉冲信号的上升沿确定每次喷射的喷油正时，根据喷油脉冲信号模块配置的喷油脉宽数据，经过ECU中程序的处理产生直接输入到喷油器中的信号。
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| CN202311183415.2A Pending CN117052553A (zh) | 2023-09-14 | 2023-09-14 | 一种氨—柴油双燃料发动机快速原型燃料喷射控制系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117052553A (zh) |
-
2023
- 2023-09-14 CN CN202311183415.2A patent/CN117052553A/zh active Pending
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