CN1730926A - 气体燃料多点顺序喷射控制系统 - Google Patents

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黎苏
李西秦
张铁臣
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Abstract

本发明涉及一种气体燃料多点顺序喷射闭环控制系统，它包括传感器、闭环控制单元ECU和执行机构三部分，各传感器将收集到的信号传输到电控单元ECU，经过精确计算来控制执行器工作，根据不同工况对燃气燃料进行定时、定量喷射，电控单元是闭环控制系统，通过氧传感器得到数据传输到ECU与目标值进行比较，然后通过自我修正和反馈修正调整提高空燃比控制的精度。定时定量供气可消除由于气门叠加角存在造成的燃气回火和燃料浪费，提高各缸混合气的一致性及各缸工作的均匀性，改善发动机在各种工况下混合气控制的精度，减少尾气排放。从而提高了动力性和经济性改善了排放性。

Description

气体燃料多点顺序喷射控制系统
技术领域
本发明涉及燃气汽车燃料喷射控制系统，特别涉及一种气体燃料多点顺序喷射闭环控制系统。
背景技术
中国专利CN1443935A公开了车用液化石油气多点顺序喷射系统，它是一种车用液化石油气多点顺序喷射系统，包括燃气通道系统和控制系统，其特点是：在燃气通道系统中，含有液相和气相两个过滤器以及带N个高速燃气电磁阀的燃气分配器。在控制系统中，含有第一第二两个电脑块，两个真空度传感器，传感器组和故障诊断仪。由第二电脑块采集足够的数据经过处理，获得输出喷气的基本脉宽送至第一电脑块，再获取输出喷气的最终脉宽信号，经过驱动器放大后，控制燃气分配器上的高速燃气电磁阀按照顺序依次打开，逐一向气缸内喷射液化石油气。
以上发明存在以下缺点：1.电控单元非闭环自学习系统，在使用过程中不能实现快速修正，对不同工况适应性较差；2.进气系统是分配器，不是喷嘴，进气压力较小。
发明内容
本发明的目的在于提出一种气体燃料多点顺序喷射系统，此系统用于气体燃料发动机燃料喷射的精确控制，通过电控单元ECU按照发火次序严格控制气体燃料的喷射时间与进、排气门开启的相位关系，根据发动机的转速、负荷准确控制对发动机性能有重要影响的空燃比，从而实现各缸定时定量供气。定时定量供气可消除由于气门叠加角存在造成的燃气回火和燃料浪费，提高各缸混合气的一致性及各缸工作的均匀性，改善发动机在各种工况下混合气控制的精度，减少尾气排放。
本发明气体燃料多点顺序喷射控制系统主要包括传感器、闭环控制单元ECU和执行机构三部分构成，传感器将收集到的信号传输到闭环控制单元ECU，经过精确计算来控制执行机构工作，根据不同工况对燃气燃料进行定时、定量喷射，电控单元ECU是闭环控制系统，通过氧传感得到数据传输到ECU与目标值进行比较，然后通过自我修正和反馈修正调整提高空燃比控制的精度。
本发明所述的传感器包括：
曲轴位置传感器和转速传感器：安装在发动机前端的曲轴皮带轮上或后端的飞轮上。采集到的信号是ECU控制发动机点火和喷气的基准，同时ECU利用它还可以计算出发动机的转速，此传感器可采用霍尔开关型元件。
进气歧管压力传感器：用于测量发动机进气管内的绝对压力，它与由曲轴位置传感器计算出的转速一起间接测量发动机的进气量大小。以此作为控制发动机点火提前角和气体燃料喷射量的主要依据。
节气门位置传感器：用来测量节气门的位置，指示发动机的怠速、满负荷、加速、减速等工况。ECU根据节气门信号分别按照不同工况下的点火提前角、混合气浓度控制发动机的运行。
燃气温度传感器和冷却液温度传感器：用于测量发动机的进气温度和冷却液温度，当各自温度变化时对发动机的燃气喷射量进行修正。
进气压力传感器：用于测量发动机进气管内的绝对压力，它与由曲轴位置传感器计算出的转速一起间接测量发动机的进气量大小，以此作为控制发动机点火提前角和燃气喷射量的主要依据。
氧传感器：安装在发动机排气歧管前端，通过氧传感器形成的电信号，电控单元ECU据此判断排气中氧含量的多少。本发明采用氧化锆型氧传感器，其外侧通排气，内侧通大气，受到加热后通过外壁的催化剂使排气中的各种成分发生化学反应，氧离子可以通过扩散，形成管内外壁间的电势差，即电信号。
本发明所述的闭环控制单元(ECU)包括：
电控单元(ECU)是控制系统的核心，它是一个闭环自学习系统，其控制原理及ECU计算流程如图2所示。
在使用中它不需要人为调整，它接收到各种传感器的信号后，首先对发动机所处的工况和环境状况作出判断，并计算出与之相对应的最佳燃气喷射量和点火提前角，最后根据曲轴位置信号和同步信号在适当时刻输出各缸的喷气和点火信号。自学习系统能够自动检知由于各组成元件或发动机制造误差、使用老化等引起的空燃比控制特性的偏差，并及时进行修正。对于由传感器、执行器等离散性产生的空燃比偏差，将由氧传感器的反馈修正；同时还有一个根据其偏差量修正与该时刻运转工况相对应的学习修正量。此学习修正量始终储存在ECU的存储器中，当下一次该运转工况出现时，就能根据此学习修正量对空燃比偏差进行修正。增加自学习控制系统后，既可以提高空燃比控制精度，又可以提高发动机在过渡工况时的响应性。
本发明所述的执行机构包括：各气缸的燃气喷射阀、燃气压力调节阀、电子点火器、怠速控制电磁阀等。
本发明气体燃料多点顺序喷射控制系统可应用于燃气汽车，其动力性可明显提高，相当于汽油机的水平；经济性优于汽油机水平；在排放方面，是达到欧III标准的必备条件。本发明可应用于各种气体燃料发动机，缸数4～12，缸径不限，
本发明气体燃料多点顺序喷射控制系统用于气体燃料发动机燃料喷射的精确控制，通过电控单元ECU按照发火次序严格控制气体燃料的喷射时间与进、排气门开启的相位关系，根据发动机的转速、负荷准确控制对发动机性能有重要影响的空燃比，从而实现各缸定时定量供气。定时定量供气可消除由于气门叠加角存在造成的燃气回火和燃料浪费，提高各缸混合气的一致性及各缸工作的均匀性，改善发动机在各种工况下混合气控制的精度，减少尾气排放。
附图说明
图1气体燃料多点顺序喷射控制系统元件布置图。
图2气体燃料多点顺序喷射控制系统工作流程框图。
图3电控单元ECU自学习过程框图。
具体实施方式
如图1所示：1～4.燃气喷射阀；5～8.火化塞；9.气体燃料供气设备；10.电子点火器；11.节流阀；12.燃气压力调节阀；13.燃气压力传感器；14.燃气温度传感器；15.怠速空气控制阀；16.节气门位置传感器；17.曲轴位置传感器；18.氧传感器；19.转速传感器；20.进气压力传感器；21.冷却液温度传感器；22.进气温度传感器；23.电控单元ECU；24.燃气轨。
这套气体燃料多点顺序喷射控制系统主要由传感器、闭环控制单元ECU和执行机构三部分构成，此套控制系统可广泛应用于各种气体燃料发动机，如天然气(NG)、液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)等燃气发动机；并且能够应用于4～12缸、缸径不受限制的各类发动机上，本专利以直列四缸液化石油气发动机为例，其结构组成如图2，各传感器将收集到的信号传输到电控单元ECU，经过精确计算来控制执行器工作，根据不同工况对燃气燃料进行定时、定量喷射，电控单元是闭环控制系统，通过氧传感得到数据传输到ECU与目标值进行比较，然后通过自我修正和反馈修正调整提高空燃比控制的精度。
图3是电控单元ECU自学习过程框图。电控单元(ECU)是控制系统的核心，它是一个闭环自学习系统，其修正过程：氧传感器信号经过计算得到空燃比的真实值，此值与存储于ECU中的目标值进行比较，给出一个反馈修正值，此值可正可负，记做修正值1；自学习修正是修正速度快慢的关键，能够根据实际情况调整修正级数，并给出修正值，此值可正可负，记做修正值2；两个修正值加上存储于ECU中的目标值变形成了下一次发动机喷射的最佳空燃比。
各类传感器处于并联关系，其功能是采集各类信号，包括曲轴位置传感器17，转速传感器19，氧传感器18，燃气压力传感器13，燃气温度传感器14，节气门位置传感器16，进气压力传感器20，冷却液温度传感器21和进气温度传感器22等。其中曲轴位置传感器17安装在发动机前端的曲轴皮带轮上，转速传感器18安装在后端的飞轮上，采集到发动机的8个信号，其中4个信号分别位于4个气缸的上止点10度曲轴转角，这些信号是电控单元ECU控制发动机点火和喷气的基准，同时ECU利用它还可以计算出发动机的转速；进气压力传感器20位于空气进气岐管处，用于测量发动机进气管的绝对压力，它与曲轴位置传感器17计算出的转速一起间接测量发动机的进气量大小以此作为控制发动机点火提前角和气体燃料喷射量的主要依据；节气门位置传感器16位于节流阀体11处，用来测量节气门的位置，指示发动机的怠速、满负荷、加速、减速等工况；燃气温度传感器14位于燃气轨24上，测量发动机的进气温度，冷却液温度传感器21位于冷却系统上，采集冷却液温度，当各自温度变化时对发动机的燃气喷射量进行修正；燃气压力传感器13位于燃气轨上，用于测量燃气的压力，以控制燃气压力调节阀达到最佳燃气供给量；氧传感器22位于排气岐管处前端，电控单元ECU跟据其采集的信号判断排气中氧含量的多少。
闭环控制单元(ECU)23是控制系统的核心，它与各传感器通过数据线相连，收集各传感器的信号，进行计算比较，并且与执行机构通过数据线相连，控制燃气压力调节阀12、节流阀11、燃气喷射阀1-4、电子点火器10，实现最佳的喷气量、喷气时间和定时点火，也提高了发动机的响应性。
控制系统的执行机构包括各缸的燃气喷射阀1-4、燃气压力调节阀12、电子点火器10、怠速控制电磁阀15等。燃气喷射阀1-4位于节气门后的进气道处，采取进气口直喷，正压进气，进气端与燃气轨24相连接，并且与电控单元23相连受其控制；燃气压力调节阀12串联于燃气管道上，并与电控单元23相连，根据其信号调节进气量；电子点火器10分别与电控单元23和火化塞5、6、7、8相连，接收电控单元23的信号通过火化塞5、6、7、8定时对气缸内燃气点火；怠速控制电磁阀15位于节流阀11处，与电控单元23相连，当发动机处于怠速时，控制供气量。
传感器
曲轴位置传感器和转速传感器：安装在发动机前端的曲轴皮带轮上或后端的飞轮上。采集到的信号是ECU控制发动机点火和喷气的基准，同时ECU利用它还可以计算出发动机的转速，此传感器可采用霍尔开关型元件。所述的霍尔开关型传感器每循环产生8个信号，其中4个信号分别位于4个气缸的上止点前10度曲轴转角。
进气压力传感器：用于测量发动机进气管内的绝对压力，它与由曲轴位置传感器计算出的转速一起间接测量发动机的进气量大小。以此作为控制发动机点火提前角和气体燃料喷射量的主要依据。
节气门位置传感器：用来测量节气门的位置，指示发动机的怠速、满负荷、加速、减速等工况。ECU根据节气门信号分别按照不同工况下的点火提前角、混合气浓度控制发动机的运行。
燃气温度传感器和冷却液温度传感器：用于测量发动机的进气温度和冷却液温度，当各自温度变化时对发动机的燃气喷射量进行修正。
燃气压力传感器：测量燃气轨内压力，以控制燃气压力调节阀达到最佳燃气供给量.
氧传感器：安装在发动机排气歧管前端，其传感元件为一种陶瓷管，外侧通排气，内侧通大气。陶瓷管本身是一种固态电解质，受到加热后通过陶瓷管外壁的催化剂使排气中的各种成分发生化学反应，氧离子可以通过陶瓷管扩散，形成管内外壁间的电势差，即电信号。该电信号与排气中氧含量存在特定关系，电控单元ECU据此判断排气中氧含量的多少。所述的氧传感器电压可为12v，功率12W或18W，额定温度770±60℃，达到770℃的时间<5秒，绝缘能力>100兆欧。
电控单元ECU
电控单元(ECU)是控制系统的核心，它是一个闭环自学习系统，其控制原理及ECU计算流程如图2所示。在使用中它不需要人为调整，它接收到各种传感器的信号后，首先对发动机所处的工况和环境状况作出判断，并计算出与之相对应的最佳燃气喷射量和点火提前角，最后根据曲轴位置信号和同步信号在适当时刻输出各缸的喷气和点火信号。自学习系统能够自动检知由于各组成元件或发动机制造误差、使用老化等引起的空燃比控制特性的偏差，并及时进行修正。对于由传感器、执行器等离散性产生的空燃比偏差，将由氧传感器的反馈修正；同时还有一个根据其偏差量修正与该时刻运转工况相对应的学习修正量。此学习修正量始终储存在ECU的存储器中，当下一次该运转工况出现时，就能根据此学习修正量对空燃比偏差进行修正。增加自学习控制系统后，既可以提高空燃比控制精度，又可以提高发动机在过渡工况时的响应性。
执行机构
控制系统的执行机构包括各缸的燃气喷射阀、燃气压力调节阀、电子点火器、怠速控制电磁阀等。
优点和积极效果
燃气汽车采用这套气体燃料多点顺序喷射控制系统，其动力性可明显提高，相当于汽油机的水平；经济性优于汽油机水平；在排放方面，是达到欧III标准的必备条件。
本发明气体燃料多点顺序喷射控制系统用于气体燃料发动机燃料喷射的精确控制，通过电控单元ECU按照发火次序严格控制气体燃料的喷射时间与进、排气门开启的相位关系，根据发动机的转速、负荷准确控制对发动机性能有重要影响的空燃比，使发动机在理论配比λ＝1附近运转，很大程度上提高了燃料的利用率，并且减少了废气HC、CO、NOx的产生，对提高发动机的动力性和排放性有重大意义。定时定量供气可消除由于气门叠加角存在造成的燃气回火和燃料浪费，提高各缸混合气的一致性及各缸工作的均匀性，改善发动机在各种工况下混合气控制的精度，提高了发动机的经济性，减少了尾气排放。

Claims (8)

1、一种气体燃料多点顺序喷射控制系统，主要由传感器、闭环控制单元和执行机构三部分构成；其特征在于：
所述的传感器将收集到的信号传输到电控单元，经过精确计算来控制执行器工作，根据不同工况对燃气燃料进行定时、定量喷射；
所述的电控单元是闭环控制系统，通过氧传感器得到数据传输到电控单元目标值进行比较，然后通过自我修正和反馈修正调整提高空燃比控制的精度。
2、根据权利要求1所述的气体燃料多点顺序喷射控制系统，其特征在于所述的传感器包括：
曲轴位置传感器和转速传感器：与之配合使用的磁钢安装在发动机前端的曲轴皮带轮上或后端的飞轮上；
进气歧管压力传感器：用于测量发动机进气管内的绝对压力，它与由曲轴位置传感器计算出的转速一起间接测量发动机的进气量大小；
节气门位置传感器：用来测量节气门的位置，指示发动机的怠速、满负荷、加速或减速工况；
燃气温度传感器和冷却液温度传感器：用于测量发动机的进气温度和冷却液温度，各自温度变化时对发动机的燃气喷射量进行修正；
进气压力传感器：用于测量发动机进气管内的绝对压力，它与由曲轴位置传感器计算出的转速一起间接测量发动机的进气量大小，以此作为控制发动机点火提前角和燃气喷射量的主要依据；
氧传感器：安装在发动机排气歧管前端，采用氧化锆型氧传感器，外侧通排气，内侧通大气；
各传感器处于并联关系，最后将信号传输到电控单元。
3、根据权利要求2所述的气体燃料多点顺序喷射控制系统，其特征在于所述的曲轴位置传感器和转速传感器采用霍尔开关型元件。
4、根据权利要求3所述的气体燃料多点顺序喷射控制系统，其特征在于所述的霍尔开关型传感器每循环产生8个信号，其中4个信号分别位于4个气缸的上止点前10度曲轴转角。
5、根据权利要求2所述的气体燃料多点顺序喷射控制系统，其特征在于所述的氧传感器电压12v，功率12W或18W，额定温度770±60℃，达到770℃的时间＜5秒，绝缘能力＞100兆欧。
6、根据权利要求1所述的气体燃料多点顺序喷射控制系统，其特征在于所述的电控单元包括：
电控单元控制过程及计算流程：
接收到各种传感器的信号后，首先对发动机所处的工况和环境状况作出判断，并计算出与之相对应的最佳燃气喷射量和点火提前角，最后根据曲轴位置信号和同步信号在适当时刻输出各缸的喷气和点火信号；
自学习系统能够自动检知由于各组成元件或发动机制造误差、使用老化等引起的空燃比控制特性的偏差，并及时进行修正；对于由传感器、执行器等离散性产生的空燃比偏差，将由氧传感器的反馈修正；同时还有一个根据其偏差量修正与该时刻运转工况相对应的学习修正量；此学习修正量始终储存在电控单元的存储器中，当下一次该运转工况出现时，就能根据此学习修正量对空燃比偏差进行修正。
7、根据权利要求1所述的气体燃料多点顺序喷射控制系统，其特征在于所述的执行机构包括：
各气缸的燃气喷射阀、燃气压力调节阀、电子点火器和怠速控制电磁阀；
执行机构分别与电控单元相连，并接收电控单元信号执行操作，其中燃气喷射阀安装在节气门后的进气道处，采取进气口直喷，进气端与燃气轨相连接；燃气压力调节阀串联于燃气管道上，根据其信号调节进气量；电子点火器火化塞相连，通过火化塞定时对气缸内燃气点火；怠速控制电磁阀位于节流阀处，发动机处于怠速时，控制供气量。
8、权利要求1所述的气体燃料多点顺序喷射控制系统在气体燃料发动机的应用。
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