CN1289003A - 机械式柴油车改装的电控双燃料汽车的发动机系统 - Google Patents

Abstract

机械式柴油车改装的电控双燃料汽车的发动机系统,其特点是在机械式柴油车上增加了天然气进气系统,电控单元、传感器信号采集系统及两个线性电磁铁。本发明不需要对整车进行大的改动,不仅具有改装周期短,安装方便,成本低的特点;而且实现了两种燃料的合理配给,避免了一般双燃料汽车及机械式柴油车轻载工况下燃料经济性差及总碳氢排放量高的缺点,对中、高负荷工况下的有害物排放也可得到优化,具有良好的动力性,燃料经济性及排放性能。整个控制系统简单易行,安全可靠,特别适用于现有一般机械式柴油车的改装。

Description

机械式柴油车改装的电控双燃料汽车的发动机系统

本发明涉及一种柴油机动车系统，特别涉及一种将机械式柴油机动车改装成以柴油/天然气作为动力的双燃料汽车的发动机系统及其电控管理方法。

众所周知，柴油汽车尾气排放比较严重，对大气造成极大的污染。现有技术中为解决这个问题，除了对柴油车本身技术的改进之外，使用天然气替代部分柴油则是较为行之有效的办法。其原理是先将柴油喷入气缸内使其被压缩自燃，然后点燃后续进入气缸内的天然气和空气的混合气。此种技术对降低汽车尾气排放将具有很大的潜力，因此柴油/天然气双燃料汽车在现有技术中正在被人们进一步的研究和应用。例如将传统的机械式柴油车改造成柴油/天然气双燃料汽车就是其中的一种。

目前，我国的柴油发动机大多数是机械式的，现有技术中将传统的机械式柴油车改造成柴油/天然气双燃料汽车所采用的技术路线主要是在原有柴油车的基础上加装机械式柴油量与天然气量的配给控制机构，通常是一些联动机构，当柴油量增加时，机构通过简单的运动配给一定量的天然气。机械式双燃料系统对现有的柴油汽车改动较少，实现周期较短，成本较低，但是对柴油量和天然气量的配给控制精度不高，而且随车辆运行工况变化的灵活性较差，发动机的动力性、燃油经济性和排放性能难以达到较高的水平。

本发明的目的和任务是针对传统的机械式柴油车和机械式双燃料系统存在的不足和局限性，提供一种由机械式柴油车改装的电控柴油/天然气双燃料汽车的发动机系统及其电控管理方法，使其不仅能对现有的机械式柴油车改动量少，周期较短，成本较低；而且有效提高了天然气量与柴油量的配比精度，控制方便灵活，使发动机的动力性、燃油经济性和排放性能均能达到较高水平。

本发明的目的和任务是通过如下技术方案实现的：它主要包括机械式柴油发动机机体、直列油泵、喷油器、调速器、进排气系统等及其相关部件，其特征是在发动机系统中增加了天然气进气系统、电控单元、传感器信号采集系统及两个线性电磁铁，所述天然气进气系统包括天然气储气瓶、手动安全阀、高压气压表、电磁安全阀、滤清器、减压器、天然气进气阀以及连接这些部件的天然气管道，上述各部件都相应的固定在车体上；所述电控单元包括管理控制单元与天然气控制单元两部分；所述线性电磁铁包括控制油量的电磁铁和控制天然气的电磁铁，控制油量的电磁铁与调速器手柄连接，其控制线和信号线与管理控制单元相应的管脚相连，控制天然气的电磁铁与天然气进气阀的转动轴连接，其控制线和信号线与天然气控制单元相应的管脚相连；所述传感器信号采集系统包括发动机转速传感器、油门位置传感器、温度传感器及压力传感器等，其信号线与电控单元相应的电路相连。

上述管理控制单元包括主单片机，传感器接口电路，程序存储器，齿条位置模拟PID伺服系统电路，SCI通讯电路和故障指示电路等组成的硬件以及储存在单片机中的主控制软件及嵌入该控制软件中的MAP数据段；所述天然气控制单元包括辅单片机，传感器接口电路，SCI通讯电路，故障指示电路及储存在辅单片机中的天然气阀门数字PID伺服控制软件。

所述发动机转速传感器，油门位置传感器、水温及油温传感器及大气压力传感器等传感器信号线与管理电控单元的传感器接口电路相连，控制油量的线性电磁铁的控制线与信号线与管理控制单元内的齿条位置模拟PID伺服系统电路相连；天然气压力及温度传感器信号线与天然气控制单元的传感器接口电路相连，控制天然气的线性电磁铁的控制线与信号线直接与天然气控制单元的辅单片机相连；主、辅单片机分别通过SCI通讯电路与上位计算机的串口相连。

为了保证系统的安全性，在天然气进气管路中加装了电磁安全阀，其信号线与电控单元相应的管脚相连。

实现上述电控双燃料汽车的发动机系统的电控管理方法，其电控管理的方法步骤特征在于：

a、车辆运行时，所述电控单元中的主单片机调用程序存储器中的主控制软件，首先通过传感器接口电路采集发动机转速、油门位置等传感器信号，并根据控制软件中的算法判定发动机所处的状态，然后按MAP图计算柴油量和天然气量的给定值，并根据水温，气温等对柴油量和天然气量的给定值进行修正；

b、主单片机将所述修正后的柴油量作为给定值传给齿条位置模拟PID伺服系统电路，该伺服系统电路将控制油量的线性电磁铁位置反馈信号与给定值相比，通过模拟PID电路控制线性电磁铁的位置；同时，主单片机还将计算所得的天然气量的值传递给天然气控制单元中的辅单片机；

c、在主单片机工作的同时，辅单片机运行内部控制软件，实时地接收主单片机传递过来的天然气量的值，并通过其传感器接口电路采集天然气压力和温度信号，对主单片机传来的天然气量进行修正，得到控制天然气量的线性电磁铁的给定值，并采集控制天然气的线性电磁铁的位置信号，与给定值一起，通过其控制软件内部的数字PID伺服算法控制线性电磁铁的位置；

d、所述主、辅单片机分别通过SCI通讯电路，将采集的发动机信号及天然气信号以及线性电磁铁的位移传递给上位计算机，上位计算机通过曲线或数据方式进行显示并修改主、辅单片机内部的部分参数，优化控制过程；

e、当控制过程出现意外故障时，主、辅单片机通过故障指示电路及内部的故障处理软件，指示故障的类型并按相应故障进行处理，直到停止发动机的运行。

为了避免双燃料发动机小负荷排放性能不佳的问题，当发动机运行在小负荷时，所述控制软件可以通过控制天然气量的线性电磁铁将天然气阀关闭，使发动机运行在纯柴油模式，负荷增加之后再供入天然气，实现双燃料燃烧。

上述主单片机的控制软件还可以检测天然气供气系统的状况，当天然气量出现不足或者供给系统出现故障时，控制软件可以通过电磁安全阀切断天然气供给系统，从而在纯柴油的模式下运行至安全地点。

附图1是电控柴油/天然气双燃料汽车发动机系统的示意图。

附图2是电控单元硬件组态结构图。

附图3是主单片机主程序流程图。

附图4是主单片机中断子程序流程图。

附图5是辅单片机主程序流程图。

附图6是辅单片机中断子程序流程图。

其中：1-电控单元(ECU)；2-控制天然气量的线性电磁铁；3-天然气进气阀；4-空气滤清器；5-高压气压表；6-电磁安全阀；7-天然气滤清器；8-天然气减压器；9-进气歧管；10-天然气管道；11-手动安全阀；12-直列油泵；13-调速器手柄；14-控制油量的线性电磁铁；15-天然气储气瓶；

下面结合附图详细叙述本发明的系统构成、工作原理、电控管理方法及最佳实施例：该系统是在原机械式柴油车的发动机系统中增加了天然气进气系统、电控单元1、传感器信号采集系统及控制油量的线性电磁铁2和控制天然气的线性电磁铁14。所述天然气进气系统包括天然气储气瓶15、手动安全阀11、高压气压表5、电磁安全阀6、天然气滤清器7、天然气减压器8、天然气进气阀3、空气滤清器4以及连接这些部件的天然气管道10，上述各部件都相应的固定在车体上。天然气储气瓶15中的高压压缩天然气(约20Mpa)经手动安全阀11，高压气压表5，电磁安全阀6和天然气滤清器7到达天然气减压器8的入口端。由于天然气进气阀是安装在进气歧管9外，进气背压大约是一个大气压，真空度很小，所以天然气在经过减压器后必须保持绝对压力大于一个大气压，因此不能使用传统的负压减压器(即减压器出口绝对压力小于一个大气压)。实际工作中采用了正压减压器，经过减压器两级减压，减压器出口端压力大约维持在1.3bar左右，稍高于一个大气压。正常工作时，需要人工打开手动安全阀11，并通过高压气压表5检测天然气储气瓶15中的天然气压力是否合适。此外，为了保证系统的安全性，在天然气进气系统中加装了电磁安全阀6，一旦检测到天然气进气系统中出现故障，电控单元(ECU)1立刻发出指令关闭电磁安全阀，切断进气路线，使系统恢复运行在纯柴油的模式下，从而保障了系统的安全。

附图2是电控单元(ECU)1的硬件组态结构图，该控制单元1包括管理控制单元与天然气控制单元两部分。管理控制单元是由主单片机，传感器接口电路，程序存储器，齿条位置模拟PID伺服系统电路，SCI通讯电路和故障指示电路等组成。在主单片机中储存有主控制软件及MAP数据段，主要负责采集传感器信号，如发动机转速、油门位置等作为输入参数，并经过内部的算法处理，根据事先标定的内部MAP图中的数据得到柴油量和天然气量的值，并直接控制线性电磁铁14，拉动调速器手柄13调节油泵12的齿条位置，实现引燃柴油量的控制。所谓MAP图，就是以发动机若干参数为已知量所形成的二维或者三维数据表。所述天然气控制单元包括辅单片机，传感器接口电路，SCI通讯电路，故障指示电路及储存在辅单片机中的天然气阀门数字PID伺服控制软件。辅单片机从主单片机接收天然气量的值，通过控制线性电磁铁2来控制天然气进气阀3的开度，改变进入进气歧管9内的天然气量的大小，新鲜空气通过空气滤清器4进入进气歧管9，与天然气混合形成混合气进入气缸被引燃柴油点燃。柴油量和天然气量的大小都通过事先标定并存储在ECU中的MAP图得到实现天然气供给量的电子控制。

主、辅单片机都具有SCI通讯电路，可以通过串口通讯协议，将主、辅单片机采集的发动机信号以及线性电磁铁的位移信号传递给上位计算机，上位计算机可以以曲线或者数据方式显示这些信号；同时，上位计算机还可以修改主、辅单片机内部的部分参数，优化控制过程。主、辅单片机同时具有故障指示电路及内部的故障处理软件，当控制过程出现意外故障时，故障指示电路可以指示故障的类型，故障处理软件可以按相应故障进行处理，直到停止发动机的运行。

所述传感器信号采集系统包括发动机转速传感器、油门位置传感器、温度传感器及压力传感器等，其信号线与管理电控单元的传感器接口电路相连；控制油量的线性电磁铁的控制线与信号线与管理控制单元内的齿条位置模拟PID伺服系统电路相连。天然气压力及温度传感器信号线与天然气控制单元的传感器接口电路相连，控制天然气的线性电磁铁的控制线与信号线直接与天然气控制单元的辅单片机相连。

附图3和附图4为主单片机的软件流程图，附图5和附图6为辅单片机的软件流程图。当电控单元开始工作之后，管理控制单元中的主单片机执行程序存储器中的控制软件。该控制软件首先通过传感器接口电路采集传感器信号，例如发动机转速，油门位置等信号，并根据控制软件中的算法判定发动机所处的状态后，按MAP图计算柴油量和天然气量的给定值，并根据其他信号，例如水温，气温等对柴油量和天然气量进行修正。主单片机将修正后的柴油量作为给定值传给齿条位置模拟PID伺服系统电路，该伺服系统将线性电磁铁14位置反馈信号与给定值相比，通过模拟PID电路(硬件PID电路)控制线性电磁铁的位置。同时，主单片机还将计算所得的天然气量的值传递给天然气控制单元中的辅单片机。主单片机的控制软件还可以根据发动机负荷状况调整向发动机内供给的燃料。

在主单片机工作的同时，辅单片机运行内部控制软件，实时地接收主单片机传递过来的天然气量的值，并通过传感器接口电路采集天然气压力和温度信号，对主单片机传来的天然气量进行修正，得到控制天然气量的线性电磁铁的给定值。辅单片机采集线性电磁铁2的位置信号，与给定值一起，通过控制软件内部的数字PID伺服算法控制线性电磁铁2的位置。

发动机的负荷通过油门位置和发动机转速来模拟，为了避免双燃料发动机小负荷排放性能不佳的问题，当发动机运行在小负荷时，控制软件通过控制天然气量的线性电磁铁将天然气阀关闭，使发动机运行在纯柴油模式下，负荷增加之后再供入天然气，实现双燃料燃烧。其他工况下进入气缸内的柴油量和天然气量通过实验标定，制成多张MAP图，作为数据段嵌入控制软件中。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：本发明相当于在传统的机械式柴油车的基础上增加了天然气进气系统，电控单元及两个线性电磁铁，不需要对整车进行大的改动，因而不仅具有改装周期短，技术相对简单，安装方便，改装成本较低的特点，同时有效地实现了柴油和天然气两种燃料的合理配给，避免了机械式柴油车及一般双燃料汽车轻载工况下燃料经济性差以及总碳氢排放量高的缺点，对中高负荷工况下的有害排放物也可以得到优化，因而可以获得良好的动力性、燃料经济性及排放性能。整个控制系统简单易行，安全可靠，特别适用于现有一般机械式柴油车的改装。

Claims (6)

1.一种机械式柴油车改装的电控双燃料汽车的发动机系统，它主要包括机械式柴油发动机机体、直列油泵、喷油器、调速器、进排气系统等及其相关部件，其特征是该发动机系统中增加了天然气进气系统、电控单元、传感器信号采集系统及两个线性电磁铁，所述天然气进气系统包括天然气储气瓶、手动安全阀、高压气压表、电磁安全阀、滤清器、减压器、天然气进气阀以及连接这些部件的天然气管道，上述各部件都相应的固定在车体上；所述电控单元包括管理控制单元与天然气控制单元两部分；所述线性电磁铁包括控制油量的电磁铁和控制天然气的电磁铁，控制油量的电磁铁与调速器手柄连接，其控制线和信号线与管理控制单元相应的管脚相连；控制天然气的电磁铁与天然气进气阀的转动轴连接，其控制线和信号线与天然气控制单元相应的管脚相连；所述传感器信号采集系统包括发动机转速传感器、油门位置传感器、温度传感器、压力传感器以及天然气温度及压力传感器等，其信号线与电控单元相应的电路相连。

2、按照权利要求1所述的一种机械式柴油车改装的电控双燃料汽车的发动机系统，其特征在于所述管理控制单元包括主单片机，传感器接口电路，程序存储器，齿条位置模拟PID伺服系统电路，SCI通讯电路和故障指示电路等组成的硬件以及储存在程序存储器中的主控制软件及嵌入该控制软件中的MAP数据段；所述天然气控制单元包括辅单片机，传感器接口电路，SCI通讯电路，故障指示电路及储存在辅单片机中的天然气阀门数字PID伺服控制软件。

3.按照权利要求1或2所述的一种机械式柴油车改装的电控双燃料汽车的发动机系统，其特征在于所述发动机转速传感器、油门位置传感器、水温及油温传感器及大气压力传感器等传感器信号线与管理电控单元的传感器接口电路相连，控制油量的线性电磁铁的控制线与信号线与管理控制单元内的齿条位置模拟PID伺服系统电路相连；天然气压力及温度传感器信号线与天然气控制单元的传感器接口电路相连，控制天然气的线性电磁铁的控制线与信号线直接与天然气控制单元的辅单片机相连；主、辅单片机分别通过SCI通讯电路与上位计算机的串口相连。

4.按照权利要求1所述的一种机械式柴油车改装的电控双燃料汽车的发动机系统，其特征是所述的电磁安全阀串在天然气进气管路中，其信号线与电控单元相应的管脚相连。

5.一种采用如权利要求1所述的机械式柴油车改装的电控双燃料汽车发动机系统的电控管理方法，其管理方法的步骤特征在于：

a.车辆运行时，所述电控单元中的主单片机调用程序存储器中的主控制软件，首先通过传感器接口电路采集发动机转速、油门位置等传感器信号，并根据控制软件中的算法判定发动机所处的状态，然后按MAP图计算柴油量和天然气量的给定值，并根据水温，气温等对柴油量和天然气量的给定值进行修正；

b.主单片机将修正后的柴油量作为给定值传给齿条位置模拟PID伺服系统电路，该伺服系统将控油线性电磁铁位置反馈信号与给定值相比，通过模拟PID电路控制线性电磁铁的位置；同时，主单片机还将计算所得的天然气量的值传递给天然气控制单元中的辅单片机；

c.在主单片机工作的同时，辅单片机运行内部控制软件，实时地接收主单片机传递过来的天然气量的值，并通过其传感器接口电路采集天然气压力和温度信号，对主单片机传来的天然气量进行修正，得到控制天然气量的线性电磁铁的给定值，并采集控制天然气的线性电磁铁的位置信号，与给定值一起，通过其控制软件内部的数字PID伺服算法控制线性电磁铁的位置；

d、主、辅单片机分别通过SCI通讯电路，将采集的发动机信号及天然气信号以及线性电磁铁的位移传递给上位计算机，上位计算机通过曲线或数据方式进行显示并修改主、辅单片机内部的部分参数，优化控制过程；

e、当控制过程出现意外故障时，主、辅单片机通过故障指示电路及内部的故障处理软件，指示故障的类型并按相应故障进行处理，直到停止发动机的运行。

6.按照权利要求5所述的机械式柴油车改装的电控双燃料汽车发动机系统的电控管理方法，其特征在于当发动机运行在小负荷时，所述的主单片机的控制软件还可以根据发动机负荷状况调整向发动机内供给的燃料，并通过控制天然气量的线性电磁铁将天然气阀关闭，使发动机运行在纯柴油模式下。

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