CN201310412Y - 电控天然气发动机工作系统及其ecu - Google Patents

Abstract

提供一种电控天然气发动机工作系统，天然气供给系统包括依次实行气连接的天然气储气罐，开关电磁阀，减压阀，再经一天然气导入装置将天然气导入进气歧管；天然气导入装置为一电子调节阀或喷射器，并受ECU控制；ECU包含有天然气导入控制程序、点火控制程序、怠速控制程序；另可在减压阀与喷射器之间，设置一起稳压作用的储气罐，使天然气发动机及其电子控制系统运行更加稳定；天然气导入量的控制是通过对输出脉宽的控制来实现的；自吸式系统具有性能稳定、成本较低优势，较适合汽油发动机、柴油发动机的旧车改装；直喷式系统具有性能佳、加速性好、效率高，并能满足较高的排放标准要求。

Description

电控天然气发动机工作系统及其ECU

技术领域

本实用新型属于汽车电子技术领域，涉及一种电控天然气发动机工作系统及其电子控制单元ECU。

背景技术

天然气主要成分为CH4，是优质清洁燃料，天然气在生产时无需复杂的提炼过程、无需添加剂就可使用，因此价格肯定比汽油、柴油便宜；石油资源的世界性短缺，使汽油、柴油汽车的运营成本不断增加；而天然气容易实现完全燃烧，其排出比汽油或柴油低很多。因此说天然气是一种具备许多优点的燃料。燃油汽车排出的废气是造成日益严重的大气污染的重要原因，在大中城市中，70％的空气污染来自汽车。天然气的突出优点是燃烧非常完全，排出的废气比较清洁，能满足越来越严格的排放法规要求，对净化环境颇为有益，天然气燃烧所产生的温室效应是石油的54％，减少了一半。燃烧后基本无烟尘，其它有毒排放物也是最少的。

天然气与汽油、柴油从其物质状态来说，天然气是气态，汽油、柴油是液态，天然气无需雾化容易混合，因此燃烧容易充分些，烟尘会少些；从它们的分子结构分析比较，燃烧产生的SO2、CO、HC也应该少些。因此，目前各种传媒上宣传的都是天然气就是清洁能源，只要是改装成天然气的车就是清洁车，其实不然，目前大部分改装车采用的是简单调节吸入方式，还有的采用更简单的固定吸入方式，采用这些方法进行改造的天然气车其排放肯定不如原车。天然气车比汽油、柴油车环保是建立在燃烧状态，也就发动机工作状态比较好而言的。

目前天然气发动机的主要改进方案有两种：

一、机械式自吸系统：该方案在原发动机为化油器式或电喷式车辆上都可进行改进，具体方法是天然气通过减压阀减压后再经过流量调节阀接入进气总管上，发动机运行时各气缸吸气过程在进气管上产生的负压将天然气吸入缸内，行成混合燃气。通过流量调节阀来控制‘空燃比’。该调节阀有两种，一种是采用手动调节阀，一次性调整后运行过程中不能改变，由于车辆运行时不同工况下空气进气量的变化非常大，而通过固定阀进入的天然气不能随进气量进行调整，使得只能在某点形成合适的‘空燃比’，在绝大部分工况下不是过稀就是过浓，气耗、动力、排放都不佳。另一种是采用电子调节阀对流量进行控制，但由于调节阀的惯性不能及时跟随节气门开度的变化，另外由于进气歧管负压的变化(负压随发动机转速和节气门开度两个变量的变化而变化)没有检测，调节阀出口形成的压力不断变化且不可知，将引起天然气吸入量的控制不准确，因此不能很好地对空燃比进行控制，控制效果也不好。

二、喷射式：对于电喷汽油发动机有采用如下方案进行该造的：保留原汽油电喷控制系统基本不变，在发动机各进气歧管上接入一个电磁喷气阀，天然气通过减压阀减压后经加入的电磁阀控制燃气的喷射量，将原电喷单元(ECU)控制喷油器的信号通过一个控制单元进行线性展宽来控制电磁阀，该方案虽然是由原ECU通过系统的传感器对运行状态的检测得到最佳的喷油量，但汽油机最佳空燃比与天然气的最佳空燃比是不一样的，而且天然气与汽油相同热值燃料在发动机上产生的运行状态也不一样，因此这种方法进行的天然气进气量的控制也是不准确的。另外，原ECU的点火信号是以汽油为燃料进行运算的点火提前角，汽油与天然气的着火点及燃烧速度相差很大，点火提前角的差异非常大，汽油状态的点火提前角用在天然气上对排放、动力性、效率造成极大的影响。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种电控天然气发动机工作系统及其ECU的技术方案；并进一步提供以下两种控制系统：一种是经济型的自吸式系统；另一种是性能极佳的直喷式系统，该系统能满足汽车的排放要求，加速性好，效率高。另外，本实用新型采用在减压阀与喷射器之间，设置一起稳压作用的储气罐的方案，使天然气发动机及其电子控制系统运行更加稳定。

本实用新型采用以下技术方案解决上述技术问题：

电控天然气发动机工作系统，包括天然气供给系统，点火系统，其特征在于，它还包括电子控制系统，所述天然气供给系统包括依次实行气连接的天然气储气罐，开关电磁阀，减压阀，再经一天然气导入装置将天然气导入进气歧管；所述电子控制系统包括传感器部分、电子控制单元ECU和执行器部分，传感器部分包括安装在进气系统的进气歧管上的节气门位置传感器、进气压力传感器、进气温度传感器，安装在发动机上的冷却液温度传感器、曲轴位置传感器，安装在发动机排气管上三元催化转换器前的氧传感器，所述传感器部分的部件均与电子控制单元ECU电连接，所述执行器部分包括开关电磁阀、天然气导入装置、怠速调节阀、点火线圈；所述执行器部分的部件均与电子控制单元ECU电连接，所述电子控制单元ECU包含有天然气导入控制程序、点火控制程序、怠速控制程序。

所述天然气导入装置为一电子调节阀，其出口连接在节气门后旁的进气歧管上，并与电子控制单元ECU电连接。

所述天然气导入装置为一喷射器，其喷射口连接在发动机气缸前旁的进气歧管上，并与电子控制单元ECU电连接。

所述减压阀与喷射器之间，设置一起稳压作用的储气罐。

所述起稳压作用的储气罐配有压力传感器，并均与电子控制单元ECU电连接。所述天然气导入控制程序即为天然气喷射控制程序，ECU对确定喷射量的输出脉宽的计算依据包括来自所述储气罐压力传感器的数据信号。

所述电子控制单元ECU硬件选用高性能的16位微控制器，ECU驱动电路选用带诊断功能的驱动IC，可实现驱动输出回路的开路、短路检测；软件采用模块化C语言编制，并采用FLASH自编程技术，可实现程序存储器中标定数据的修改。

所述天然气导入控制程序对天然气导入量的控制是通过ECU输出脉冲信号的脉宽来实现的；在冷起动、急加速、急减速等特殊工况，采用开环控制；对于发动机其它正常运行工况，采用闭环控制，以保证空燃比控制在最佳空燃比附近，使排放达到最佳；天然气导入量的控制按不同工况分别采用起动导入量控制程序、运转导入量控制程序、加减速导入量控制程序、大负荷增量控制程序、断气控制程序和正常运行工况空燃比闭环控制程序。

所述空燃比闭环控制程序包括：ECU根据氧传感器输入的电压信号对天然气导入量进行修正；当ECU接收到的信号电压高于阈值电压时，表明混合气偏浓，空燃比偏小，ECU将减小空燃比闭环修正值以减少天然气导入量，使混合气逐渐变稀，空燃比逐渐增大；当接收到的信号电压低于阈值电压时，表明混合气偏稀，空燃比偏大，ECU将加大空燃比闭环修正值以增加天然气导入量，使混合气逐渐变浓，空燃比逐渐减小。

所述电控天然气发动机具有至少2个气缸，每个气缸配有一只喷射器，喷油器安装在各缸进气门前进气歧管上，ECU根据检测到的曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号以及计算的天然气导入脉宽确定每缸喷射正时，即开始喷射时刻；发动机一个工作循环，曲轴转两转720度，各缸喷油器喷射一次。

所述传感器部分包括安装在发动机气缸部的爆震传感器、安装在发动机上的凸轮轴位置传感器，所述点火控制程序包括点火提前角控制程序、点火闭合角控制程序和爆震控制程序。

所述爆震控制程序是利用推迟点火提前角的方法来消除爆震；一旦ECU侦查出爆震，对点火提前角的控制立即转入闭环控制，逐步推迟点火，直到爆震完全消失为止。

所述怠速控制程序主要是对怠速进气量的控制，ECU检测发动机实际怠速转速与怠速目标转速比较，经过一定的控制算法后，控制怠速调节阀开度来控制怠速进气量，从而控制实际怠速转速达到怠速目标转速附近；而喷射量根据进气量的变化自动调整，以满足空燃比的要求，将空燃比控制在理论最佳空燃比附近。

由于本实用新型采用ECU控制的天然气发动机管理系统，自然具有上述背景技术所述的诸多优点；此外，由于本实用新型采用较为合理的全面控制策略，具有较为全面的控制功能、良好的控制功能集成性能，以及良好的系统移植性；整个控制系统安全可靠。使用本实用新型的天然气发动机管理系统，至少能达到了国III排放标准，可广泛应用于发动机制造、汽车生产的配套，也可以对现有的在用车改用天然气发动机的技术改造。经济型的自吸式系统具有性能稳定、成本较低优势，较适合汽油发动机、柴油发动机的旧车改装；直喷式系统具有性能佳、加速性好、效率高，并能满足较高的排放标准要求，完全符合政府倡导的节能减排的产业导向政策。另外，本实用新型直喷式系统进一步的改进方案，采用在减压阀与喷射器之间，设置一起稳压作用的储气罐方案，使天然气发动机及其电子控制系统具有运行更加稳定的效果。

附图说明

图1为本实用新型电控天然气发动机工作系统实施例一的结构示意图。

图2为本实用新型电控天然气发动机工作系统实施例一的功能原理简图。

图3为本实用新型电控天然气发动机工作系统实施例一的结构组成简图。

图4为本实用新型电控天然气发动机工作系统实施例二的结构示意图。

图5为本实用新型电控天然气发动机工作系统实施例二的功能原理简图。

图6为本实用新型电控天然气发动机工作系统实施例二的结构组成简图。

图中：1.节气门位置传感器，2.进气压力传感器，3.进气温度传感器，30.点火线圈，4.凸轮轴位置传感器，5.氧传感器，6.三元催化转换器，7.电子控制单元ECU，8.冷却液温度传感器，9.爆震传感器，10.蓄电池，11.曲轴位置传感器，13.发动机，14.开关电磁阀，15.天然气储气罐，16.减压阀，17.储气罐，19.天然气导入装置，在实施例一中为电子调节阀，在在实施例二中为喷射器，20.怠速调节阀，22.EGR阀，30.点火线圈。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例。同时通过说明本实用新型的优点将变得更加清楚和容易理解。

如图1-图6所示，本实用新型电控天然气发动机工作系统以电子控制单元ECU为核心，ECU硬件选用高性能的16位微控制器(MCU)，该微控制器具有较宽的工作温度范围、高运算速度、大程序及数据内存、灵活的I/O端口等特点。ECU驱动电路选用带诊断功能的驱动IC，可实现驱动输出回路的开路、短路检测；软件采用模块化C语言编制，并采用FLASH自编程技术，可实现程序存储器中标定数据的修改。天然气发动机管理系统主要由传感器、发动机电子控制单元、执行器三部分组成。发动机电子控制单元ECU是整个系统的核心，它采集安装在发动机或汽车上各个部位的传感器传送的模拟或数字信号，经过处理后，根据软件中设计好的控制模型，输出信号到各个执行机构，精确地对喷油、点火、怠速、排放等进行控制，以满足系统动力性、燃油经济性、可驾驶性和排放要求。

本实用新型天然气发动机管理系统的第一种实施例，如图1-图3所示，为经济型的自吸式系统具有性能稳定、成本较低优势，较适合汽油发动机、柴油发动机的旧车改装。

第一种实施例整个控制系统的组成结构如图1所示，包括天然气供给系统，点火系统，还包括电子控制系统。天然气供给系统包括依次实行气连接的天然气储气罐15，开关电磁阀14，减压阀16，再经一天然气导入装置19将天然气导入进气歧管，电子控制系统包括传感器部分、电子控制单元ECU(7)和执行器部分，传感器部分包括安装在进气系统的进气歧管上的节气门位置传感器1、进气压力温度传感器2、进气温度传感器3，安装在发动机13上的冷却液温度传感器8、曲轴位置传感器11，安装在发动机排气管上三元催化转换器6前的氧传感器5，所述传感器部分的部件均与电子控制单元ECU电连接，所述执行器部分包括燃气开关电磁阀14、天然气导入装置19、怠速调节阀20、点火线圈30；所述执行器部分的部件均与电子控制单元ECU7电连接，所述电子控制单元ECU(7)包含有喷油控制程序、点火控制程序、怠速控制程序。在本实施例中天然气导入装置19即为电子调节阀19，其出口连接在节气门后旁的进气歧管上，并与电子控制单元ECU7电连接。

第一种实施例整个控制系统的工作原理如图2、图3所示，作为发动机整个控制系统的核心电子控制单元ECU7，它采集安装在发动机或汽车上各个部位的传感器传送的模拟或数字信号，经过处理后，根据软件中设计好的控制模型，输出信号到各个执行机构，精确地对喷油、点火、怠速、排放等进行控制，以满足系统动力性、燃油经济性、可驾驶性和排放要求。这些传感器包括安装在进气系统的进气歧管上的节气门位置传感器1、进气压力温度传感器2、进气温度传感器3，安装在发动机13上的冷却液温度传感器8、曲轴位置传感器11，安装在发动机排气管上三元催化转换器6前的氧传感器5。ECU7的处理过程或者叫处理程序包括负荷确定、计算燃气流量、计算点火正时、扭矩控制、怠速控制、负荷预测、故障诊断、过渡工况处理。各个执行机构或者叫执行器，包括主继电器、燃气开关电磁阀14继电器、电子调节阀19继电器、点火线圈30、怠速调节阀或者叫怠速控制阀20、发动机故障指示灯。从而完成燃气控制、点火控制、怠速控制、故障珍断及其他控制。

本实用新型天然气发动机管理系统的第二种实施例，如图4-图6所示，是性能极佳的直喷式系统，该系统能满足汽车的排放要求，加速性好，效率高。较适合与天然气发动机的新车配套，当然也可用于汽油发动机、柴油发动机的旧车改装。

第二种实施例其实质是在第一种实施例的基础的改进方案。整个控制系统的组成结构如图4所示，其与第一种实施例的根本性区别是对天然气导入装置19进行了改进，即用天然气喷射器19代替了第一种实施例的天然气电子调节阀19。并且，喷射器19与电子控制单元ECU7电连接，受ECU7的控制。其它部分与第一种实施例类同。

作为对上述方案的改进，在减压阀16与喷射器19之间，设置一起稳压作用的储气罐17，也可称其为稳压仓。该稳压仓的建立，为喷射器直接提供了一个压力指标更为稳定的可靠气源，使得喷射器19的工作更加稳定，同时也使得整个控制系统的工作更加稳定。

作为对上述方案的进一步改进，储气罐17配有压力传感器，并与电子控制单元ECU7电连接，将储气罐17内的天然气压力数据传送给ECU7，喷油控制程序对喷油输出脉宽的计算依据包括来自所述储气罐17压力传感器的数据信号。使得ECU7对燃气喷射量的计算与控制更加精确。

第二种实施例还可以在位于节气门位置后进气歧管上与位于三元催化转换器前设置一EGR阀，EGR阀是受ECU控制的废气再循环系统的电磁阀，主要是防止发动机燃烧室过热，进一步抑制NO化和物的形成，降低NO化合物的排放，从而达到更高的的排放标准要求。

第二种实施例整个控制系统的工作原理如图5、图6所示，虽然整个控制系统的工作原理与第一种实施例相比没有多大变化，但是，由于其组成结构其与第一种实施例的根本性区别是用天然气喷射器19代替了第一种实施例的天然气电子调节阀19，并且喷射器19受ECU7控制；因喷射器19具有比燃气开关电磁阀更佳的性能，尤其是喷射器19喷出的天然气具有一定的因喷射所带来的速度，能更加快速反应，及时进入气缸燃烧，整个控制系统的性能效果得到了显著的提高，具有性能佳、加速性好、效率高，并能满足较高的排放标准要求。当然，ECU7需要编著更为复杂、完善的控制程序，来完成更多传感器的信号输入，更为复杂精确的运算和判断，来控制以喷射器19为主的功能更为强大的执行器。作为对上述方案的进一步改进，储气罐17配有压力传感器，并与电子控制单元ECU7电连接，将储气罐17内的天然气压力数据传送给ECU7，喷油控制程序对喷油输出脉宽的计算依据包括来自所述储气罐17压力传感器的数据信号。使得ECU7对燃气喷射量的计算与控制更加精确。

如图6所示本实用新型电控天然气发动机工作系统实施例二的结构组成，与图3所示的实施例二相比，传感器部分主要要增加了储气罐压力传感器。执行器部分用喷射器代替了电子调节阀继电器，喷射器19、点火线圈30的数量应与发动机气缸数相配。还增设了系统通讯、转速输出与EGR控制。

在以上两种实施例中，传感器部分还包括安装在发动机气缸部的爆震传感器9、安装在发动机上的转速传感器。此外还可以在天然气储气罐15与开关电磁阀14之间，设置一天然气过滤器。

在以上两种实施例中，均可采用使用以下控制方法的ECU：

所述ECU的喷油控制程序对喷油量的控制是通过对喷油输出脉宽的控制来实现的；在冷起动、急加速、急减速等特殊工况，采用开环控制；对于发动机其它正常运行工况，采用闭环控制，以保证空燃比控制在最佳空燃比附近，使排放达到最佳；喷油量的控制按不同工况分别采用起动喷油量控制程序、运转喷油量控制程序、加减速喷油量控制程序、大负荷喷油增量控制程序、断油控制程序和正常运行工况空燃比闭环控制程序。

ECU空燃比闭环控制程序包括：ECU根据氧传感器输入的电压信号对喷油量进行修正；当ECU接收到的信号电压高于阈值电压时，表明混合气偏浓，空燃比偏小，ECU将减小空燃比闭环修正值以减少喷油量，使混合气逐渐变稀，空燃比逐渐增大；当接收到的信号电压低于阈值电压时，表明混合气偏稀，空燃比偏大，ECU将加大空燃比闭环修正值以增加喷油量，使混合气逐渐变浓，空燃比逐渐减小。

电控汽油发动机具有至少2个气缸，每个气缸配有一只喷油器，喷油器安装在各缸进气门前进气歧管上，ECU根据检测到的曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号以及计算的喷油脉宽确定每缸喷油正时，即开始喷油时刻；发动机一个工作循环，曲轴转两转720度，各缸喷油器喷油一次。

传感器部分包括安装在发动机气缸部的爆震传感器(9)、安装在发动机上的凸轮轴位置传感器(4)，所述点火控制程序包括点火提前角控制程序、点火闭合角控制程序和爆震控制程序。

ECU爆震控制程序是利用推迟点火提前角的方法来消除爆震；一旦ECU侦查出爆震，对点火提前角的控制立即转入闭环控制，逐步推迟点火，直到爆震完全消失为止。

ECU怠速控制程序主要是对怠速进气量的控制，ECU检测发动机实际怠速转速与怠速目标转速比较，经过一定的控制算法后，控制怠速调节阀开度来控制怠速进气量，从而控制实际怠速转速达到怠速目标转速附近；而喷油量根据进气量的变化自动调整，以满足空燃比的要求，将空燃比控制在理论最佳空燃比附近。

此外，对于实施例二进一步改进的方案：储气罐17配有压力传感器，并与电子控制单元ECU电连接；ECU7将采集储气罐17内的天然气压力数据，ECU的喷油控制程序对喷油输出脉宽的计算依据包括来自所述储气罐17压力传感器的数据信号。使得ECU7对燃气喷射量的计算与控制更加精确。

Claims (8)

1、电控天然气发动机工作系统，包括天然气供给系统、点火系统、电子控制系统，其特征在于，所述天然气供给系统包括依次实行气连接的天然气储气罐(15)，开关电磁阀(14)，减压阀(16)，再经一天然气导入装置(19)将天然气导入进气歧管；所述电子控制系统包括传感器部分、电子控制单元ECU(7)和执行器部分，传感器部分包括安装在进气系统的进气歧管上的节气门位置传感器(1)、进气压力传感器(2)、进气温度传感器(3)，安装在发动机(13)上的冷却液温度传感器(8)、曲轴位置传感器(11)，安装在发动机排气管上三元催化转换器(6)前的氧传感器(5)，所述传感器部分的部件均与电子控制单元ECU电连接，所述执行器部分包括开关电磁阀(14)、天然气导入装置(19)、怠速调节阀(20)、点火线圈(30)；所述执行器部分的部件均与电子控制单元ECU(7)电连接，所述电子控制单元ECU(7)包含有天然气导入控制程序、点火控制程序、怠速控制程序。

2、如权利要求1所述的电控天然气发动机工作系统，其特征在于所述天然气导入装置(19)为一电子调节阀(19)，其出口连接在节气门后旁的进气歧管上，并与电子控制单元ECU(7)电连接。

3、如权利要求1所述的电控天然气发动机工作系统，其特征在于所述天然气导入装置(19)为一喷射器(19)，其喷射口连接在发动机气缸前旁的进气歧管上，并与电子控制单元ECU(7)电连接。

4、如权利要求3所述的电控天然气发动机工作系统，其特征在于所述减压阀(16)与喷射器(19)之间，设置一起稳压作用的储气罐(17)。

5、如权利要求4所述的电控天然气发动机工作系统，其特征在于所述储气罐(17)配有压力传感器，并与电子控制单元ECU(7)电连接。

6、如权利要求1或3至5中任一项所述的电控天然气发动机工作系统，其特征在于，所述电控天然气发动机具有至少2个气缸，每个气缸配有一只天然气喷射器作为天然气导入装置(19)，所述喷射器安装在各缸进气门前进气歧管上。

7、如权利要求1至5任一项所述的电控天然气发动机工作系统，其特征在于所述传感器部分包括安装在发动机气缸部的爆震传感器(9)、安装在发动机上的凸轮轴位置传感器(4)，所述点火控制程序包括点火提前角控制程序、点火闭合角控制程序和爆震控制程序。

8、用于如权利要求1至5任一项所述的电控天然气发动机工作系统的电子控制单元ECU(7)，其特征在于所述ECU(7)硬件选用高性能的16位微控制器，ECU驱动电路选用带诊断功能的驱动IC。

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