CN202228195U - 一种集成传感器和执行器的柴油机ems系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，其特征在于，包括ECU、传感器组、执行器组，所述的传感器组和执行器组分别通信连接至ECU。本实用新型的技术效果在于，通过多种传感器对柴油机的运行状况进行实时监测，并将数据传输给电子控制单元即ECU进行处理，再由ECU实时对各执行器进行调整，以保证柴油机运行的可靠及有效降低油耗和排放物。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种柴油机EMS系统，特别涉及一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统。
背景技术
柴油机作为一种压燃式内燃机，其优点是能源利用率高，燃烧充分，相比汽油机结构简单、可靠性高，油耗方面柴油机比汽油机更低，燃烧效率更高，排放更低。而随着技术的发展，将发动机管理系统，即EMS引于柴油机系统中，可更有效的降低发动机油耗，减少排放物，对于推广柴油机的应用具有重要意义。
发明内容
为了解决现有柴油机系统耗油及排放物较高的技术问题，本实用新型提供一种可有效降低发动机油耗，减少排放物的集成传感器和执行器的柴油机EMS系统。
为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是，一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，包括ECU、传感器组、执行器组，所述的传感器组和执行器组分别通信连接至ECU。
所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，所述的传感器组包括曲轴转速传感器、发动机相位传感器、转速传感器、水温传感器、气温传感器、进气压力传感器、大气压力传感器、加速度踏板传感器和空气流量传感器，所述的曲轴转速传感器、发动机相位传感器、转速传感器、水温传感器、气温传感器、进气压力传感器、大气压力传感器、加速度踏板传感器和空气流量传感器通信连接至ECU。
所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，所述的执行器组包括高压泵、连接管道和喷油器，所述的高压泵通过连接管道连接至喷油器，所述的高压泵和喷油器通信连接至ECU。
所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，所述的连接管道包括高压管和共轨管，所述的喷油器包括多个喷油嘴和用于控制喷油的高速电磁阀，所述的高压管的一端连接至高压泵，高压管的另一端连接至共轨管，所述的共轨管开有多个用于连接至各高速电磁阀的开口，高速电磁阀的一端连接共轨管，高速电磁阀另一端连接喷油嘴，所述的高速电磁阀通信连接至ECU。
所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，还包括溢流阀和回油管，所述的溢流阀设置于共轨管上，所述的溢流阀通过回油管连接至高速电磁阀。
所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，还包括轨压传感器，所述的轨压传感器设置于共轨管上，轨压传感器通信连接至ECU。
所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，所述的共轨管连接至高速电磁阀的开口上设有计量阀。
本实用新型的技术效果在于，通过多种传感器对柴油机的运行状况进行实时监测，并将数据传输给电子控制单元即ECU进行处理，再由ECU实时对各执行器进行调整，以保证柴油机运行的可靠及有效降低油耗和排放物。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型轨压传感器的特性曲线图；
图3为本实用新型轨压传感器的输入电路结构图；
图4为本实用新型轨压传感器的流程处理图；
图5为本实用新型水温传感器接口电路图；
图6为本实用新型水温传感器处理流程示意图；
图7为本实用新型转速信号传感器的电路示意图；
图8为本实用新型转速信号传感器差分输入原理图；
图9为本实用新型转速信号传感器窗口式信号边沿检测示意图；
图10为本实用新型转速信号传感器缺齿位置处理示意图；
图11为本实用新型计量阀的电路示意图；
图12为本实用新型计量阀的处理流程图；
图13为本实用新型喷油器两端的电压与控制信号对应波形图；
图14为本实用新型喷油器的电路示意图；
其中，1为曲轴转速传感器，2为发动机相位传感器，3为转速传感器，4为水温传感器，5为气温传感器，6为进气压力传感器，7为大气压力传感器，8为加速度踏板传感器，9为空气流量传感器，10为高压泵，11为高压管，12为共轨管，13为喷油嘴，14为高速电磁阀，15为溢流阀，16为回油管，17为轨压传感器，18为计量阀。
具体实施方式
参见图1，本实用新型包括ECU、传感器组、执行器组，传感器组和执行器组分别通信连接至ECU。传感器组包括曲轴转速传感器31、发动机相位传感器2、转速传感器3、水温传感器4、气温传感器5、进气压力传感器6、大气压力传感器7、加速度踏板传感器8和空气流量传感器9，曲轴转速传感器31、发动机相位传感器2、转速传感器3、水温传感器4、气温传感器5、进气压力传感器6、大气压力传感器7、加速度踏板传感器8和空气流量传感器9通信连接至ECU。
为了可靠地控制一台柴油机运转，ECU必须正确获取柴油机的各种相关状态、主要特征数据以及对柴油运转起修正作用的辅助数据，采集数据的工作主要由传感器完成，而传感器主要分为三类，第一类是要有5V工作电源，能输出信号电压的传感器，第二类是二端纯电阻式传感器，第三类为频率信号式传感器。
轨压传感器17为上述的第一类传感器，5V电源供电，从0Mpa-180Mpa输出信号电压范围为0.5V-4.5V，它的特性曲线图参见图2，根据轨压传感器17的电压输出幅度和区间特性，在输入电路上还要加以保护、滤波和故障诊断功能，输入处理电路参见图3，5V和GND为传感器提供工作电源，并且GND也是信号输入的参考地，D1，D2保护输入引脚上的电压不能比5V电压高，不能比地线电压低，这样就有效地保护了CPU的eADC通道不会损坏，R2、C1组成RC低通滤波器，滤除输入线上的干扰信号和高频信号，以便eADC能采集到平稳真实的轨压信号，R1为故障诊断，当传感器出现故障或断线时，将信号输入线的电压拉到0V，超出传感器的正常范围，CPU就诊断出传感器故障。
根据传感器的曲线图，500mV＝0hpa，4500mV＝1800000hpa，两点中间为直线型，可以得出软件量化公式：轨压(hpa)＝1800000/4000*(Vrms-500)＝450*Vrms-225000(hpa)，根据采集的电压和上面的公式，就可以计算出实际的轨压，并且当采集到的电压小于500mV说明轨压传感器17输入开路或传感器损坏，如果采集到的电压大于4500mV时，说明轨压传感器17输入与5V短路或传感器损坏，这样就完成了输入传感器的输入驱动软件和OBD功能，流程参见图4。
水温传感器4为上述的第二类传感器，是一负温度系数的热敏电阻型传感器，它为两端输入，当温度升高时电阻值变小，温度降低时电阻值变大，测量传感器的电阻值，特性关系表参见表1，根据特性关系图就通过查表方法可计算出当前冷却液的温度。
Table：Resistance＝f(temperature)
The measurement points for customer samples are only-10℃，20℃and 80℃.
表1
电路图参见图5，水温传感器4接于“水温”和“GND”之间，D1、D2为CPU的eADC输入通道保护，R2、C1组成RC低通滤波器，滤除线路上的干扰信号，R1为冷却液温度传感电阻计算的参考电阻，VREF和R1为已知，根据eADC采集到电压值(Vrms)和这二个已知参考量，就可以计算出冷却液温度传感的电阻值，计算公式如下：
电阻值＝Vrms/((VREF-Vrms)/R1)＝Vrms*R1/(VREF-Vrms)
由于冷却液温度传感的电阻值不会为0和无穷大，也是在一定的区间，根据这一特性也可以在软件上实现OBD功能，当软件采集到的电压值接近于0V时(远小于传感器最小电阻时输入的值)，即为冷却液温度传感输入端对地短路或传感器损坏，如果电压值接近于VREF时(远大于传感器最大电阻时输入的值)即为冷却液温度传感输入端开路或传感器损坏，控制策略软件当发现传感器输入有问题时，就用其它对应传感器的值(如机油温度传感器的温度值)来代替该传感器的采集值，让发动机继续运转，并产生故障报警提醒用户；软件处理流程图参见图6。
转速传感器3为上述的第三类传感器，为镙线管式电磁感应型传感器，它输出的信号为副度不停变化的不规整的正弦波，因此它的信号送给CPU之前必须进行波形，将不断变化的正弦波整形成占空比50％左右的方波信号，CPU的eTPU才会准确地捕捉到发动的转速和旋转角度位置，整形电路采用MAXIM的曲轴转速传感器31信号专用芯片MAX9924，电路图参见图7，MAX9924的第4脚(BIAS)接地，选择芯片内部的2.5V基准电压源，为差分的传感器信号输入端提供2.5V的偏置电压，第6脚和第9脚接地，选择芯片的A2模式：过零比较，自适应峰值阀值调节，保证了输出的方波与输入的正弦波角度的一致性。MAX9924差分输入原理参见图8。
转速传感器3的输入处理方面采用CPU(MPC5554的协处理器eTPU)，eTPU具有窗口式的信号捕获功能(如下图)，可以滤除所有干扰信号，准确地捕捉到信号的边沿，计算出当前的实时发动机转数；根据捕获到速度，利用硬件角度信号发生器，能产生0.01度以上精的角度信号，并具有缺齿插补功能，能处理1-3个缺齿，信号示意图参见图9。
信号边沿只有在检测窗口开始和结束这个窗口内出现才有效，其它时刻出现的信号都视为干扰信号不予理会，既去除了干扰又减轻了eTPU的处理负担。
缺齿位置处理示意图参见图10，eTPU检测到最后一个物理有效齿时，也就是测量出“正常齿周期A”的周期后，将这一个测量值暂存下来，计算出当前的发动机转速，并用这个转速去修正eTPU的硬件角度发生器的角度发生参数，同时给eTPU虚拟齿发生器送入缺齿个数，让硬件产生缺齿位置的应该具有的转速和角度信号；当缺齿位置过后，eTPU捕捉到缺齿周期B，周期B＜周期A*(缺齿数+1)*系数，再过一个齿扣，eTPU捕捉到缺齿后的第一个正常齿周期a，周期a＜周期A*(缺齿数+1)*系数，当这二个条件成立时，发动机的转速信号正常，否则做出错处理。
本实用新型的执行器组包括高压泵10、连接管道和喷油器，高压泵10通过连接管道连接至喷油器，高压泵10和喷油器通信连接至ECU。连接管道包括高压管11和共轨管12，喷油器包括多个喷油嘴13和用于控制喷油的高速电磁阀14，高压管11的一端连接至高压泵10，高压管11的另一端连接至共轨管12，共轨管12开有多个用于连接至各高速电磁阀14的开口，高速电磁阀14的一端连接共轨管12，高速电磁阀14另一端连接喷油嘴13，高速电磁阀14通信连接至ECU。溢流阀15设置于共轨管12上，溢流阀15通过回油管16连接至高速电磁阀14。轨压传感器17设置于共轨管12上，轨压传感器17通信连接至ECU。共轨管12连接至高速电磁阀14的开口上设有计量阀18。
计量阀18是整个柴油机中控制高压油喷射轨压的关键性执行器，它与高压泵10一起构成了柴油的心脏，主要控制高压共轨内燃油的喷射压力(轨压)，轨压稳定是关系到柴油机能否平稳运行的基础，计量阀18是一个电感性器件，在控制信号频率为157Hz时，内部等效阻抗为3Ω，它控制进入高压泵10内进行压缩的燃油量与内部流过的电流成正比，而控制它的是一定电压的PWM占空比可变的频率电压信号，因此它的出油量与电压的高低和占空比的比率二者均成正比，如果电压一定，占空比越大，流过计量阀18内部的电流越大，控制的燃油出油量也多，高压共轨内的燃油压力就会增加；如果占空比一定，电压增加，渡过计量阀18内部的电流也会增加，燃油出油量增加导致轨压也会升高。具体电路图参见图11，PWM信号驱动MOS管T601，T601通过电流采样电阻R601驱动计量阀18，D603为续流二极管，当T601关断时，计量阀18内的电流就通过R601、D603流入12V电源，R601将全部流过计量阀18的电压转换成微小的电压信号，经U605放大、C602、R602、C601滤波后送入eADC采集，得到实际的控制电流，再通过软件修正对计量阀18的控制，流程处理图参见图12。
喷油器的驱动特性是这样的，先给高速电磁阀14二端加45V左右的开启高压，维持大约100微秒的时间，再将高压关断，切换到12V低压来维持大约450微秒，以后再用12V的60％占空比的PWM信号来继续维持。具体波形图参见图13。
喷油器的电路结构图参见14，HV-C为高压开启控制信号，LV-C为低压维持和PWM维持控制信号，这二个信号一起控制高压电磁阀的上半端电压，二极管D403、D404防止T401、T402二个COMS管交替开启和关闭时电压反串，如T401开启，T402关闭时，45V高压就会经T401、D403输出到D403负极所连接的连线上，如果没有D404，45V电压就会经T402的内部二极管加到12V的电源上，使12V电源电压升高而损坏其它器件。45V的高压和12V的维护电压是喷油嘴13的公共端电压，INJ-C1到INJ-C4控制单个喷油嘴13的另一端的驱动CMOS管，当在某个控制端加12V电压时，相连接就的CMOS管就会导通，将喷油器的这端通过电流取样电阻R409接地，喷油嘴13就会从开启到维持完成整个喷射过程。R409对喷射电流进行取样，U406将取样的信号进行放大，从第1脚输出电压信号给CPU进行AD转换，以判断喷射电路是否正常。
Claims (7)
1.一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，其特征在于，包括ECU、传感器组、执行器组，所述的传感器组和执行器组分别通信连接至ECU。
2.根据权利要求1所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，其特征在于，所述的传感器组包括曲轴转速传感器(1)、发动机相位传感器(2)、转速传感器(3)、水温传感器(4)、气温传感器(5)、进气压力传感器(6)、大气压力传感器(7)、加速度踏板传感器(8)和空气流量传感器(9)，所述的曲轴转速传感器(1)、发动机相位传感器(2)、转速传感器(3)、水温传感器(4)、气温传感器(5)、进气压力传感器(6)、大气压力传感器(7)、加速度踏板传感器(8)和空气流量传感器(9)通信连接至ECU。
3.根据权利要求1所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，其特征在于，所述的执行器组包括高压泵(10)、连接管道和喷油器，所述的高压泵(10)通过连接管道连接至喷油器，所述的高压泵(10)和喷油器通信连接至ECU。
4.根据权利要求3所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，其特征在于，所述的连接管道包括高压管(11)和共轨管(12)，所述的喷油器包括多个喷油嘴(13)和多个用于控制喷油的高速电磁阀(14)，所述的高压管(11)的一端连接至高压泵(10)，高压管(11)的另一端连接至共轨管(11)，所述的共轨管(12)开有多个用于连接至各高速电磁阀(14)的开口，高速电磁阀(14)的一端连接共轨管(12)，高速电磁阀(14)另一端连接喷油嘴(13)，所述的高速电磁阀(14)通信连接至ECU。
5.根据权利要求4所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，其特征在于，还包括溢流阀(15)和回油管(16)，所述的溢流阀(15)设置于共轨管(12)上，所述的溢流阀(15)通过回油管(16)连接至高速电磁阀。
6.根据权利要求3所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，其特征在于，还包括轨压传感器(17)，所述的轨压传感器(17)设置于共轨管(12)上，轨压传感器(17)通信连接至ECU。
7.根据权利要求4所述的一种集成传感器和执行器的柴油机EMS系统，其特征在于，所述的共轨管(12)连接至高速电磁阀(14)的开口上设有计量阀(18)。
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Legal Events
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CHANGSHA JIALI AUTOMOBILE CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: HUNAN PETECO POWER TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20121113 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 410000 CHANGSHA, HUNAN PROVINCE TO: 410100 CHANGSHA, HUNAN PROVINCE |
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Effective date of registration: 20121113 Address after: Li Xiang Road 410100 Hunan province Changsha economic and Technological Development Zone No. 15 Changsha Jiali Automobile Co Ltd Patentee after: Changsha Jaly Motors Co., Ltd. Address before: Yuelu District City, Hunan province 410000 Changsha national hi tech Industrial Development Zone No. 186 Gu Yuan Lu, Hunan University science and Technology Park Patentee before: Hunan Peteco Power Technology Co., Ltd. |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CHANGFENG GROUP CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: CHANGSHA JIALI AUTOMOBILE CO., LTD. Effective date: 20140606 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140606 Address after: 410100 Hunan province Changsha City Economic and Technological Development Zone Li Xiang Road No. 15 Patentee after: Changfeng Group Co., Ltd. Address before: Li Xiang Road 410100 Hunan province Changsha economic and Technological Development Zone No. 15 Changsha Jiali Automobile Co Ltd Patentee before: Changsha Jaly Motors Co., Ltd. |
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