CN203230501U - 一种适用于压缩天然气发动机的电控管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种适用于压缩天然气发动机的电控管理系统。它是模拟信号输入电路、脉冲信号输入电路和开关信号输入电路的输出接微处理器ECU，微处理器ECU输出接驱动电路，系统电源管理模块输出接各电路；通过输入模拟信号输入电路、脉冲信号输入电路和开关信号输入电路实时采集发动机的运行参数传输给微处理器ECU，微处理器ECU进行处理后输出控制信号控制相应输出执行器驱动电路；通信电路将天然气发动机状态信息发送到整车中其他电控单元及车辆外部电气设备；系统电源管理模块为各电路供电。本实用新型能实时控制各缸燃气喷射量、燃气喷射定时、点火正时和过量空气系数达到最优的控制、提高燃气经济性。

Description

一种适用于压缩天然气发动机的电控管理系统

技术领域

本实用新型是一种适用于压缩天然气发动机的电控管理系统，涉及车辆驱动装置的联合控制和内燃机的控制技术领域。

背景技术

基于天然气的丰富储量和良好的排放特性，世界很多国家和地区在发展天然气汽车方面投入了巨大的精力，并已具备了较为成熟的技术。近年来，国外天然气汽车发展呈现出专业化、规模化的趋势，许多国外汽车生产厂商纷纷推出装配电控压缩天然气发动机的汽车。在日益强调节能减排的背景下，我国加大了对天然气发动机的研发投入，使国内天然气发动机电控技术有了长足的发展和进步。近几年，我国已有几款批量生产的天然气发动机，国内对天然气发动机的产业化刚刚开始，多数天然气发动机是在现有柴油机或汽油机的基础上上进行改装而成，大部分改装的天然气发动机采用控制精度不高的机械式混合器控制系统，性能较好的电控系统需要从国外进口，价格很高，使天然气发动机价格优势降低，限制了我国天然气发动机的推广应用。国内市场迫切需要大功率、低排放的压缩天然气发动机，特别是满足欧III及以上排放法规的大功率天然气发动机。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种根据压缩天然气发动机的运行工况和驾驶员的意图实时控制各缸燃气喷射量、燃气喷射定时、点火正时和过量空气系数达到最优的控制、提高燃气经济性的适用于压缩天然气发动机的电控管理系统。

本实用新型的技术方案是：一种适用于压缩天然气发动机的电控管理系统，如图1所示,天然气发动机的电控管理系统主要由模拟信号输入电路、脉冲信号输入电路、开关信号输入电路、驱动电路、微处理器ECU、通信电路和系统电源管理模块组成。模拟信号输入电路、脉冲信号输入电路和开关信号输入电路的输出接微处理器ECU，微处理器ECU输出接驱动电路，系统电源管理模块输出接各电路。通过输入模拟信号输入电路、脉冲信号输入电路和开关信号输入电路实时采集发动机的运行参数传输给微处理器ECU，微处理器ECU进行处理后输出控制信号控制相应输出执行器驱动电路。通信电路将天然气发动机状态信息发送到整车中其他电控单元及车辆外部电气设备。系统电源管理模块为各电路供电。

其中：

模拟信号输入电路包括进气温度传感器、天然气温度传感器、天然气压力传感器、冷却水温度传感器、节气门传感器、大气压力传感器和电池电压传感器；

脉冲信号输入电路包括曲轴信号输入和凸轮信号输入；

开关信号输入电路包括点火开关信号和离合器开关信号；

驱动电路包括6×天然气喷气阀、6×点火线圈、增压器控制阀、天然气关闭阀、故障指示灯和启动电机继电器。

所述模拟信号输入电路如图2所示，模拟信号输入电路有进气温度传感器、天然气温度传感器、天然气压力传感器、冷却水温传感器和节气门传感器；另外兼具大气压力传感器测量大气压力，对进气量进行补偿；模拟信号输入电路经过滤波电路和保护电路，输出端与MC68HC9S12X微处理器的A/D转换器的管脚相连；模拟信号输出接电容C2和电阻R1，电阻R1的另一端接电容C3，电容C2和电容C3的另一端接地，电阻R1和电容C3的连接点一接运算放大器U5的“+”输入端，二经二极管D4接地；运算放大器U5的输出端一是反馈接“-”输入端，二是经电阻R6接MC68HC9S12X微处理器的A/D转换电路；

所述开关信号输入电路如图3所示，包括点火开关信号和离合器开关信号；开关信号采集电路经过低通滤波器及电平转换电路，输出端与MC68HC9S12X微处理器的普通I/O管脚相连；开关信号采集电路输出接电容C8和电阻R7，电阻R7的另一端接电容C9，电容C8和电容C9的另一端接地，电阻R7和电容C9的连接点一经电阻R10接地，二经电阻R11接运算放大器U12的输入端，运算放大器U12的输出接MC68HC9S12X微处理器的I/O口；

所述脉冲信号输入电路如图4所示，包括曲轴信号输入电路和凸轮信号输入电路；脉冲信号输入电路通过滤波电路和CS1124芯片，输出端与MC68HC9S12X微处理器的输入捕捉模块的管脚相连；脉冲信号输入电路1输出接电容C14和电阻R13，电阻R3的另一端接电容C15，电容C14和电容C15的另一端接地，电阻R13和电容C15的连接点接CS1124芯片U21的2端；脉冲信号输入电路2输出接与脉冲信号输入电路1同样的滤波电路后接CS1124芯片U21的3端；U21的1端经电阻R20接地，1端经电容C19接电源电压；U21的5端经电容C23接地，5端经电阻R22接电源电压；U21的4端和8端接地，6端和7端接MC68HC9S12X微处理器的输入捕捉电路；

所述驱动电路如图5所示，包括6×天然气喷气阀、6×点火线圈、增压器控制阀、天然气关闭阀、故障指示灯和启动电机继电器；主要由功率驱动电路和保护电路组成；功率驱动电路包括U24功率栅极驱动芯片IR2101S和功率驱动管TMOS；三只独立下位功率管Q25与肖特基管D27并联，源极接地，其漏极接天然气喷气阀一端，喷气阀的另一端与公共高位功率管Q26的源极，Q25的栅极接驱动电压，Q26的栅极接U24的输出；肖特基管D27用来实现喷射过程结束后电磁阀能量的泄流；另外简单的低端驱动采用TLE6244集成驱动芯片；保护电路主要是电源输入端反向并联顺便电压抑制二极管TVS；

所述通信电路为CAN通信接口；采用CAN2.0收发器TJA1050芯片；

所述系统电源管理模块采用开关降压芯片TLE6365作为电平转换器；

所述微处理器ECU采用飞思卡尔MC68HC9S12X。

本实用新型的优点：本实用新型利用MC68HC9S12X为主处理器，它是专为汽车电子、智能系统等嵌入式控制系统而设计，并且运算速度快，控制功能丰富，性能优良并具有高度的灵活性和可靠性，适合大批量低成本生产，其具有保护和诊断等功能，提高了系统的可靠性。并且可以实现天然气发动机各个工况下正常工作，而且兼具故障诊断、在线通信、两端限速和烟度限制等功能。能实时控制各缸燃气喷射量，燃气喷射定时，点火正时和过量空气系数达到最优的控制，提高了燃气经济性。

附图说明

图1电子控制系统的逻辑框图

图2模拟信号采集电路框图

图3开关信号采集电路框图

图4脉冲信号采集电路框图

图5燃气喷射阀驱动电路原理图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

实施例。本例为一种适用于压缩天然气发动机的电控管理系统，其设计主要从系统控制功能的需要出发，通过软硬件采集、处理传感器得到的各种发动机状态参数，并通过运算确定发动机在不同转速、负荷、温度等工况下的燃料喷射量和点火提前角，按照正时要求向执行装置输出控制脉冲信号，控制喷射和点火的整个工作过程。发动机运行时，故障诊断模块实时监测各部分工作状况，如有故障发生，判断故障严重程度，采取相应的故障处理措施，用以保护发动机。

如图1所示，压缩天然气发动机的电控管理系统主要由输入传感器处理电路，输出执行器驱动电路和微处理器组成。通过实时采集天然气温度和压力传感器、冷却水温传感器和节气门位置传感器等发动机的运行参数传输给微处理器，微处理器进行处理后输出控制信号控制天然气喷射阀、电感式点火线圈、增压器控制阀和天然气关断阀等。大气压力传感器测量大气压力，对进气量进行补偿。

如图2所示，为了采集天然气压力传感器和冷却水温传感器等模拟信号，本发明中采用模拟信号采集电路经过滤波电路和保护电路，输出端与MC68HC9S12X微处理器的A/D转换器的管脚相连；由于选用的单片机自身带有A/D转换器，因此对于模拟信号的采集不需另加A/D转换器，简化了硬件电路的设计。

如图3所示，为了采集点火开关和离合器开关等开关信号，本发明中采用开关量信号采集电路经过低通滤波器及电平转换电路，输出端与MC68HC9S12X微处理器的普通I/O管脚相连；

如图4所示，为了采集凸轮和曲轴等模拟信号，本发明中采用脉冲信号采集电路通过滤波电路和CS1124芯片，输出端与MC68HC9S12X微处理器的输入捕捉模块的管脚相连；

如图5所示，喷气电磁阀驱动电路主要由驱动高端管驱动器4、一个公共高位功率管1和3个独立下位功率管组成2,肖特基3用来实现喷射过程结束后电磁阀能量的泄流。整个喷射过程主要可分为电磁阀关闭过程和维持闭合两个阶段。其中,电磁阀关闭时刻决定了喷气定时,闭合持续时间的长短决定了喷气量。该驱动电路采用单电源系统,按照峰值电流和喷射过程的维持电流进行PWM调制,实现通过电流控制降低系统功耗的目的。

本实用新型考虑电控单元是一个高频电路，电路中的器件、电源和地较多，采用四层可以减少电源、地及芯片之间的干扰。四层电路板的板层排布方案从上到下依次是信号层、地层、电源层、信号层。对所有的过孔和焊盘补泪滴，对各布线层的放置地线网络进行覆铜，增强板子的抗干扰能力。

本例经试验，能实时控制各缸燃气喷射量，燃气喷射定时，点火正时和过量空气系数达到最优的控制，提高了燃气经济性。

Claims (8)

1.一种压缩天然气发动机的电控管理系统,其特征是主要由模拟信号输入电路、脉冲信号输入电路、开关信号输入电路、驱动电路、微处理器ECU、通信电路和系统电源管理模块组成；模拟信号输入电路、脉冲信号输入电路和开关信号输入电路的输出接微处理器ECU，微处理器ECU输出接驱动电路，系统电源管理模块输出接各电路；通过输入模拟信号输入电路、脉冲信号输入电路和开关信号输入电路实时采集发动机的运行参数传输给微处理器ECU，微处理器ECU进行处理后输出控制信号控制相应输出执行器驱动电路；通信电路将天然气发动机状态信息发送到整车中其他电控单元及车辆外部电气设备；系统电源管理模块为各电路供电。

2.根据权利要求1所述的压缩天然气发动机的电控管理系统,其特征是所述模拟信号输入电路有进气温度传感器、天然气温度传感器、天然气压力传感器、冷却水温传感器、节气门传感器和大气压力传感器电路；模拟信号输入电路后接滤波电路和保护电路，输出端与MC68HC9S12X微处理器的A/D转换器管脚相连；模拟信号输出接电容C2和电阻R1，电阻R1的另一端接电容C3，电容C2和电容C3的另一端接地，电阻R1和电容C3的连接点一接运算放大器U5的“+”输入端，二经二极管D4接地；运算放大器U5的输出端一是反馈接“-”输入端，二是经电阻R6接MC68HC9S12X微处理器的A/D转换电路。

3.根据权利要求1所述的压缩天然气发动机的电控管理系统,其特征是所述开关信号输入电路包括点火开关信号输入电路和离合器开关信号输入电路；开关信号采集电路经过低通滤波器及电平转换电路，输出端与MC68HC9S12X微处理器的普通I/O管脚相连；开关信号采集电路输出接电容C8和电阻R7，电阻R7的另一端接电容C9，电容C8和电容C9的另一端接地，电阻R7和电容C9的连接点一经电阻R10接地，二经电阻R11接运算放大器U12的输入端，运算放大器U12的输出接MC68HC9S12X微处理器的I/O口。

4.根据权利要求1所述的压缩天然气发动机的电控管理系统,其特征是所述脉冲信号输入电路包括曲轴信号输入电路和凸轮信号输入电路；脉冲信号输入电路通过滤波电路和CS1124芯片，输出端与MC68HC9S12X微处理器的输入捕捉模块的管脚相连；脉冲信号输入电路1输出接电容C14和电阻R13，电阻R13的另一端接电容C15，电容C14和电容C15的另一端接地，电阻R13和电容C15的连接点接CS1124芯片U21的2端；脉冲信号输入电路2输出接与脉冲信号输入电路1同样的滤波电路后接CS1124芯片U21的3端；U21的1端经电阻R20接地，1端经电容C19接电源电压；U21的5端经电容C23接地，5端经电阻R22接电源电压；U21的4端和8端接地，6端和7端接MC68HC9S12X微处理器的输入捕捉电路。

5.根据权利要求1所述的压缩天然气发动机的电控管理系统,其特征是所述驱动电路包括6×天然气喷气阀、6×点火线圈、增压器控制阀、天然气关闭阀、故障指示灯和启动电机继电器；主要由功率驱动电路和保护电路组成；功率驱动电路包括U24功率栅极驱动芯片IR2101S和功率驱动管TMOS；三只独立下位功率管Q25与肖特基管D27并联，源极接地，其漏极接天然气喷气阀一端，喷气阀的另一端与公共高位功率管Q26的源极，Q25的栅极接驱动电压，Q26的栅极接U24的输出；肖特基管D27实现喷射过程结束后电磁阀能量的泄流；简单的低端驱动采用TLE6244集成驱动芯片；保护电路主要是电源输入端反向并联顺便电压抑制二极管TVS。

6.根据权利要求1所述的压缩天然气发动机的电控管理系统,其特征是所述通信电路为CAN通信接口；采用CAN2.0收发器TJA1050芯片。

7.根据权利要求1所述的压缩天然气发动机的电控管理系统,其特征是所述系统电源管理模块采用开关降压芯片TLE6365作为电平转换器。

8.根据权利要求1所述的压缩天然气发动机的电控管理系统,其特征是所述微处理器ECU采用飞思卡尔MC68HC9S12X。

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