CN201354690Y - 电控天然气发动机的天然气供给系统及其发动机与车辆 - Google Patents

电控天然气发动机的天然气供给系统及其发动机与车辆 Download PDF

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Abstract

提供一种用于电控天然气发动机的天然气供给系统的技术方案,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发动机进气歧管;在减压阀与天然气导入装置之间,设置一起稳压作用的小储气罐;使天然气发动机及其电子控制系统稳定运行;并进一步提供以下两种电控天然气发动机工作系统:一种是经济型的自吸式系统;另一种是性能较佳的直喷式系统,该系统能满足汽车的排放要求,加速性好,效率高。

Description

电控天然气发动机的天然气供给系统及其发动机与车辆
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,尤其是
其天然气供给系统。
背景技术
天然气主要成分为CH4,是优质清洁燃料,天然气布生产时无需复杂的提炼过程、 无需添加剂就可使用,因此价格便宜;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%,燃烧后基本无烟尘,其它有毒排放物也是最少的。
随着汽车电子控制技术的发展,目前天然气发动机也其本上采用电子控制工作系 统,称作电控天然气发动机工作系统,该工作系统一般包括天然气供给系统、点火系统、 电子控制系统。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。
天然气供给系统一般由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发动机进气歧管而组成。夭然气导入装置与电子控制 单元ECU电连接,同时充当所述电子控制系统的执行器,受所述ECU控制。
目前天然气发动机天然气导入方式有两种:机械式自吸系统与喷射式;前者成本 较低,后者性能较佳。
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:用于对电喷汽油发动机进行改造时,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、效率造成较大的影响。所以, 对于电喷汽油发动机进行改造时,应对其整个电控天然气发动机工作系统的硬件与软件 作全面的改进。当然,新造的天然气发动机更应该匹配性能优良的电控工作系统。
上述现有技术电控天然气发动机工作系统中,天然气供给系统由依次实行气连接的 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发动机进气 歧管而组成。在机械式自吸系统中,由流量调节阀充当天然气导入装置;在喷射式系统
中,由天然气喷射器充当天然气导入装置。但是,由于流量调节阀或喷射器是脉冲方式 工作,即周期开关喷嘴,由于减压阀的响应不可能很快,从减压阀到喷嘴轨间的管路的 容积很小,喷气过程必然引起喷轨入端天然气压力的大幅波动,进而影响电控天然气发 动机工作系统的稳定性。
发明内容
本实用新型首先要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种用于电控 天然气发动机的天然气供给系统的技术方案,使天然气发动机及其电子控制系统稳定运
行;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;另一种是性能较佳 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。 本实用新型采用以下技术方案解决上述技术问题-
用于电控天然气发动机的天然气供给系统,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发动机进气歧管;在减压阀 与天然气导入装置之间,设置一起稳压作用的小储气罐。
所述小储气罐(17)内的天然气压力为1至2. 5公斤,优选为1. 5至2公斤,容量为2至5升,优选为3至4升。
所述天然气导入装置为一电子调节阀。
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。 为了便于充加天然气,可在所述天然气储气罐上另行设置一用于加气的手动截止
阀,所述手动截止阀具有一用于加气空余端口。
为增强该工作系统的的安全性,可在所述天然气储气罐与开关电磁阀之间,设置一
手动截止阔。
为了便于充加天然气,所述手动截止阀上加设一用于加气的空余端口,或者在所述 手动截止阀上加设一用于加气的第二手动截止阀,所述第二手动截止阔具有一用于加气 空余端口。
一种电控天然气发动机工作系统,包括点火系统、电子控制系统,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,所述天然气导入装置与电子控制 单元ECU电连接,同时充当所述电子控制系统的执行器,受所述ECU(7)控制,其特征 在于,还包括上述任一方案所述的天然气供给系统。
所述小储气罐配有压力传感器,并与电子控制单元ECU电连接,充当所述电子控制 系统的传感器。
一种天然气发动机,采用上述电控天然气发动机工作系统。 一种交通工具,其发动机为上述天然气发动机。
本实用新型采用在减压阀与喷射器或电子调节阀之间,设置一个起稳压作用的低压 储气罐方案,大大增加了燃气使用时储气体积,使得喷轨入端压力基本维持恒定。同时 当气源压力不高时,也可减弱气流的脉动,提高输出气流的连续性及压力稳定性;还一 个作用是进一步沉淀分离压缩天然气中的水份和油份,保证连续供给稳定压力的气量。 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二的结构示意图。 图中:l.节气门位置传感器,2.进气压力传感器,3.进气温度传感器,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.稳压储气罐,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l-图2所示,本实用新型电控天然气发动机工作系统,也可称其为电控天然 气发动机管理系统或控制系统,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1/0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,精确地对燃气导入、点火、怠速、排 放等进行控制,以满足系统动力性、燃料经济性、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l、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ll,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、充当天然气导入装置19的电子调节阀 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)包含有天然气导入控制程序、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。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,精确地对天然气导入、点火、怠速、排放等进行控制, 以满足系统动力性、燃料经济性、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l、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ll,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2所示,是性能较佳的直 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2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。
第二种实施例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,喷射控制程序对喷射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。在以上两种实施例中,由于流量调节阀或喷射器是脉冲方式工作,即周期开关喷嘴, 由于减压阀的响应不可能很快,从减压阀到喷嘴轨间的管路的容积很小,喷气过程必然 引起喷轨入端天然气压力的大幅波动,进而影响电控天然气发动机工作系统的稳定性。
本实用新型对上述方案作进一步改进,在减压阀16与喷射器19之间,设置一起稳压作 用的低压储气罐17,也可称其为稳压仓。该稳压仓的建立,大大增加了储气体积,使 得喷轨入端压力基本维持恒定;同时当气源压力不高时,也可减弱气流的脉动,提高输 出气流的连续性及压力稳定性;还一个作用是进一步沉淀分离压缩天然气中的水份和油 份,保证连续供给稳定压力的气量;该稳压仓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,喷射控制程序对喷射输出脉宽 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。
小储气罐17内的天然气压力以1.0至2.5公斤为宜,优选为1.5至2.0公斤,容 量以2至5升为宜,优选为3至4升。
为了便于充加天然气,作为对上述方案的进一步改进,可在所述天然气储气罐上另 行设置一用于加气的手动截止阀,所述手动截止阀具有一用于加气空余端口。
为增强该工作系统的操作安全性,可在所述天然气储气罐与开关电磁阀之间,设置 一手动截止阀。为了便于充加天然气,也可在手动截止阀上加设一用于加气的空余端口, 或者在所述手动截止阀上加设一用于加气的第二手动截止阀,所述第二手动截止阀具有 一用于加气空余端口。
天然气加气站的天然气一般经脱水、脱油、脱硫等工序处理去除各种杂质,天然 气中甲烷含量在94%以上,压力为约25MPa,再经售气机控制压力至约20MPa,通过 充气阀充入高压储气瓶15。当天然气发动机开始工作时,手动截止阀打开,控制系统 中的天然气电磁阀打开,储气瓶内高压天然气通过高压管路进入减压调节器减压,经多 级减压至1. 0至2. 5公斤(优选为1. 5至2. 0公斤)后进入稳压仓,再通过低压管路进入 喷射阀与空气混合,进入发动机汽缸燃烧。
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,均可采用以下控制方法:
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。
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喷射量或者 说导入量进行修正;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喷射量,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射量,使混合气逐渐变浓,空燃比逐渐减小。
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,喷射器安装在各 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 以及计算的喷射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,各缸喷射器喷射一次。
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。
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侦査出爆震,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。
采用上述电控天然气发动机工作系统的天然气发动机,可应用于各种交通工具,主 要适用于小轿车、商务车、公交车等车辆,以及小型船舶。

Claims (11)

1、用于电控天然气发动机的天然气供给系统,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)将天然气导入发动机进气歧管;其特征在于,在所述减压阀(16)与天然气导入装置(19)之间,设置一起稳压作用的小储气罐(17)。
2、 如权利要求1所述的天然气供给系统,其特征在于,所述小储气罐(17)内的天 然气压力为1至2.5公斤,容量为2至5升。
3、 如权利要求1所述的天然气供给系统,其特征在于,所述天然气导入装置(19) 为一电子调节阀(19)。
4、 如权利要求1所述的天然气供给系统,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。
5、 如权利要求1所述的天然气供给系统,其特征在于,所述天然气储气罐(15) 上另行设置一用于加气的手动截止阀,所述手动截止阀具有一用于加气空余端口。
6、 如权利要求1所述的天然气供给系统,其特征在于,所述天然气储气罐(15) 与开关电磁阀(14)之间,设置一手动截止阀。
7、 如权利要求5所述的天然气供给系统,其特征在于,所述手动截止阀上加设一 用于加气的空余端口,或者在所述手动截止阀上加设一用于加气的第二手动截止阀,所 述第二手动截止阀具有一用于加气空余端口。
8、 一种电控天然气发动机工作系统,包括点火系统、电子控制系统,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,所述天然气导入装置(19) 与电子控制单元ECU(7)电连接,同时充当所述电子控制系统的执行器,受所述ECU(7) 控制,其特征在于,还包括如权利要求1至6任一项所述的天然气供给系统。
9、 如权利要求7所述的电控天然气发动机工作系统,其特征在于,所述小储气罐 (17)配有压力传感器,并与电子控制单元ECU(7)电连接,充当所述电子控制系统的传 感器。
10、 一种天然气发动机,其特征在于,包括如权利要求7所述的电控天然气发动机工作系统。
11、 一种交通工具,其特征在于,其发动机为如权利要求10所述的天然气发动机。
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