CN204783298U - 天然气发动机电控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种天然气发动机电控系统，该系统主要运用于汽车上，汽车通过该系统实现对天然气、空气输入缸内量以及点火的控制，使得本实用新型能够精密、准确地在不同车速下，往气缸内注入特定量的天然气和空气，使得天然气能够充分燃烧，避免不充分燃烧，减少对天然气的浪费。

Description

天然气发动机电控系统

技术领域

本实用新型涉及发动机控制系统，特别涉及一种能够节约天然气的天然气发动机电控系统。

背景技术

目前市面上较为常见的汽车等机动车辆多使用的是燃油机，而燃油机在燃烧汽油时，会产生大气污染，加上燃油价格不断上涨，机动车使用燃油，必然使成本增加。

从环保和节能的角度来考虑，目前市面上出现了电动汽车，但是电动汽车存在一个动力不强的问题，在爬坡时会比较吃力，在高速公路上难以达到较高速度。

对于天然气机动车，市面上多采用的是同时支持燃烧天然气和燃油的发动机，单独采用天然气的机动车较少。而且如何精确控制天然气以及空气的进气量，减少天然气的浪费，提升天然气机动车的运行距离，也是本实用新型所需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于汽车的天然气发电机电控系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种天然气发动机电控系统，包括电源系统、控制系统、信号处理系统、检测系统、喷气系统、点火系统、流量控制系统，其中：

电源系统用于给控制系统、信号处理系统、检测系统、信号处理系统、喷气系统、点火系统、流量控制系统供电，检测系统与信号处理系统相连接，控制系统分别与信号处理系统、喷气系统、点火系统、流量控制系统相连接；

检测系统包括节气门位置传感器、空气流量传感器和转速检测组件，节气门位置传感器、空气流量传感器和转速检测组件分别与信号处理系统连接；

控制系统用于：

接收信号处理系统处理后的检测系统反馈的信号数据；

控制节气门位置，以调整天然气进入口以及空气进入口大小；

控制喷气系统将天然气和空气喷入气缸中；

控制点火系统点火。

作为优选的，转速检测组件包括凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器；

凸轮轴位置传感器与所述曲轴位置传感器分别用于检测天然气发动机的凸轮轴与曲轴的位置，并将凸轮轴与曲轴的位置信息反馈给控制系统。

作为优选的，检测系统还包括用于检测喷气系统喷出空气中氧气含量的氧传感器、用于检测天然气温度的温度传感器、用于检测天然气压力的气压传感器和/或用于检测蓄电池电压的电压传感器；

氧传感器、温度传感器、气压传感器和/或电压传感器分别与信号处理系统相连接。

进一步的，信号处理系统包括模拟信号电路、A/D转换电路、第一放大电路和数字信号电路；

模拟信号电路的输入端分别与节气门位置传感器、空气流量传感器、氧传感器、温度传感器、电压传感器相连接，输出端与第一放大电路、A/D转换电路、控制系统依次连接；

数字信号电路的输入端与转速检测组件相连接，输出端与控制系统相连接。

作为优选的，喷气系统包括反相器、光电耦合器、喷气阀电磁线圈、喷气阀柱塞以及用于作为峰值脉冲电压的放电回路的二极管；

控制系统的输出端串联两个反相器，连接至光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端连接至喷气阀电磁线圈，二极管与喷气阀电磁线圈并联连接，二极管的负极连接电源系统，喷气阀电磁线圈与光电耦合器相连接。

进一步的，二极管与电阻R4串联后与喷气阀电磁线圈并联。

作为优选的，点火系统包括三极管开关电路、点火线圈和火花塞；

控制系统的输出端连接至三极管开关中三极管的基极，三极管开关中三级管的集电极连接点火线圈；点火线圈升压时，控制火花塞点火。

作为优选的，流量控制系统包括电位器，节气门位置传感器与电位器相连接；

电位器用于通过电阻值的变化实现节气门开闭状态的监测。

作为优选的，信号处理系统包括转速信号处理回路；

转速信号处理回路包括滤波电路、整形电路和第二放大电路；

转速检测组件依次与滤波电路、整形电路和第二放大电路相连接，并将第二放大电路的输出端连接至汽车的电子控制单元。

作为优选的，流量控制系统包括电桥和集成运算放大器；

空气流量传感器连接电桥，集成运算放大器与电桥相连接，集成运算放大器用于控制通过空气流量传感器的电流，使电桥平衡。

本实用新型提供的天然气发动机电控系统具有以下优点：

1、能够控制点火时序，减少能量的损失；

2、控制天然气发动机中燃气与空气有效地混合，尽量达到最佳空燃比。

附图说明

图1为本实用新型的总体结构框图。

图2为本实用新型的点火时序的控制原理图。

图3为本实用新型的曲轴位置信号输入捕捉中断服务程序流程图。

图4为本实用新型的输出比较中断服务程序流程图。

图5为本实用新型的A/D转换电路的电路图。

图6为本实用新型的数字信号电路的电路图。

图7为本实用新型的喷气系统的电路图。

图8为本实用新型的节气门电路的电路图。

图9为本实用新型的转速信号处理回路的电路图。

图10为本实用新型的流量控制系统的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。

本实用新型的实施方式涉及一种天然气发动机电控系统，如图1所示，包括电源系统、控制系统、信号处理系统、检测系统、喷气系统、点火系统、流量控制系统，其中：

电源系统用于给控制系统、信号处理系统、检测系统、信号处理系统、喷气系统、点火系统、流量控制系统供电，检测系统与信号处理系统相连接，控制系统分别与信号处理系统、喷气系统、点火系统、流量控制系统相连接；

检测系统包括节气门位置传感器、空气流量传感器和转速检测组件，节气门位置传感器、空气流量传感器和转速检测组件分别与信号处理系统连接；

控制系统用于：

接收信号处理系统处理后的信号数据；

控制节气门位置，以调整天然气进入口以及空气进入口大小；

控制喷气系统将天然气和空气喷入气缸中；

控制点火系统点火。

在本实施例中，天然气发动机电动系统的主要工作步骤如下：

1、气门位置传感器对气门的开口大小进行检测，空气流量传感器对空气进气口检测进入缸内的空气量，曲轴位置传感器对车速进行检测，凸轮轴位置传感器对气缸的位置进行检测，并将检测的结果反馈给控制系统；

2、控制系统根据当前车速计算需要燃烧天然气的量，并根据需要燃烧天然气的量、进气口开口大小以及空气的量计算出进气时长，同时根据凸轮轴位置传感器确定往气缸内充入气体的时间；

3、控制系统控制喷气系统将空气和天然气喷入气缸中；

4、控制系统控制点火系统点火。

其中，该点火系统能够通过控制点火提前角。初级线圈的断电时刻为气缸压缩上止点前的规定点火提前角处，而充电时刻则在该断电时刻之前，这两个时刻之间的时间间隔即为初级线圈充电时间。当点火线圈的初级电路被接通后，其初级电流按指数规律增长，只有充电时间达到一定值时，初级线圈电流才可能达到饱和。如果充电时间过长，点火线圈会发热以致烧坏。因此，要控制一个最佳接通时间，应兼顾上述两个方面。另外,蓄电池电压对初级线圈电流的变化影响较大，应根据蓄电池电压值对点火初级线圈的充电时间进行修正，在蓄电池电压降低时加大充电时间，保证足够的点火能量，反之则减小充电时间。点火初级线圈的充电电时间计算公式如下：

点火初级线圈的充电时间=稳态初级线圈充电时间+蓄电池电压值对点火初级线圈的充电时间的修正量

式中的稳态初级线圈充电时间，可以根据转速计算得到。

如图2所示，θ1为点火提前角，θ2为点火初级线圈的充电时间对应的曲轴转角，θ3为前一缸上止点到本缸点火初级线圈充电时刻所经过的曲轴转角，称为气缸点火延迟转角。将转过θ1、θ2和θ3曲轴转角所需的时间分别用变量Tθ1、Tθ2和Tθ3表示，当出现第N缸上止点时，经过Tθ3后为第N+1缸的点火初级线圈充电时刻，再经过Tθ2点火初级线圈断电时刻，即点火时刻。利用此种方式控制发动机在发出最大功率和油耗最小的时候进行点火，可以使天然气的利用效率最大。

以增压稀燃天燃气六缸发动机为例，点火时序的控制以发动机曲轴位置信号为依据，图2为曲轴位置信号、凸轮轴信号和点火控制时序图。曲轴位置信号通过安装于飞轮上的霍尔传感器测量得到，飞轮每转一周，得到56个脉冲信号，每两个脉冲信号间隔6°曲轴转角。凸轮轴信号由凸轮轴上的霍尔传器测量得到，凸轮轴每转一周，产生7个脉冲信号，其中六个为各缸的点火基准信号，根据发动机的点火顺序，按1、5、3、6、2、4的缸号顺序均匀排列，各基准脉冲信号的上升沿对应各缸压缩行程上止点前72°曲轴转角，相邻基准信号间相差120°的曲轴转角。另一个附加的脉冲信号在一缸基准脉冲信号前，在曲轴位置信号第55齿时读取凸轮轴信号为高电平时可用于控制系统判定1号缸的位置，使点火系统与发动机的工作同步。

如图3和图4分别对应输入捕捉和输出比较的中断程序流程图，在进入曲轴位置信号下降沿触发的输入捕捉中断后，首先完成信号拾取和系统信号同步工作，然后进行工作缸号确定及转速和各控制变量的计算等工作，当系统计算出当前转过120°的曲轴转角所需的时间T3时，则在第N缸上止点时，将点火延迟时间Tθ3（即T3-Tθ1-Tθ2）作为输出比较计数器值，当输出比较中断产生时就对第N+1缸点火初级线圈充电，并接着将点火初级线圈充电时间Tθ2作为输出比较计数器值，再次输出比较中断产生时就对第N+1缸点火初级线圈断电，这样就对点火线圈的通断电时刻进行了控制。

在本实施例中，检测系统还包括分别与信号处理系统相连接的用于检测所述喷气系统喷出空气中氧气含量的氧传感器、用于检测天然气温度的温度传感器、用于检测天然气压力的气压传感器和/或用于检测蓄电池电压的电压传感器。通过设于排气口的氧传感器，可以检测出排出气体中的氧含量，进而根据氧的含量来确定天然气是否完全燃烧。通过温度传感器和气压传感器，可以检测到当前天然气的温度以及气压，使系统能够检测到开闭节气门时通过节气门的天然气的量。电压传感器则可以检测到当前蓄电池的电压状况，当蓄电池电压较低时，控制系统可以控制节气门多放入一些天然气和氧气，使得燃烧的热能一部分转变为动能，控制车辆行驶，另一部分则转变为电能，储存在蓄电池中。

在本实施例中，信号处理系统包括模拟信号电路、A/D转换电路、第一放大电路和数字信号电路；

模拟信号电路的输入端分别与节气门位置传感器、空气流量传感器、氧传感器、温度传感器、电压传感器相连接，输出端与第一放大电路、A/D转换电路、控制系统依次相连接；

数字信号电路的输入端与转速检测组件相连接，输出端与控制系统相连接。

通过此种设计，能够将各个传感器采集到的模拟信号转变为数字信号后发送给控制系统，或者将传感器采集到的数字信号发送给控制系统，实现信号的转变分析。

其中，图5是A/D转换电路的电路图，以ADC0809芯片为例，可以将8路模拟信号分别转变为数字信号，并分8路将转变后数字信号后分别发送给控制系统。图6为数字信号电路的电路图，曲轴位置信号和凸轮轴位置信号输入数字信号电路后，依次通过线性光耦电路、滤波电路、施密特整形电路，最终将信号发送至控制系统中。

在本实施例中，喷气系统包括反相器、光电耦合器、喷气阀电磁线圈、喷气阀柱塞以及用于作为峰值脉冲电压的放电回路的二极管；

如图7所示，控制系统的输出端串联两个反相器，连接至光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端连接至喷气阀电磁线圈，二极管与喷气阀电磁线圈并联连接，二极管的负极连接电源系统，喷气阀电磁线圈与光电耦合器相连接。

在本实施例中，输入信号经两次反相起到滤波、整形的作用，可以有效地抑制尖峰脉冲及各种干扰噪声，提高通道上的信噪比。当控制电流通过4N37光耦时，喷气信号被滤波放大，再通过MOS管放大电路放大，输入到喷气阀电磁线圈，流过的线圈大电流使喷气阀柱塞提升打开针阀：喷气阀关闭时，会产生一个反向的峰值脉冲电压，通过此种设计，可以防止CMOS管Ql反向击穿。

作为优选的，在本实施例中，二极管先与电阻R4串联后与喷气阀电磁线圈并联。通过在二极管上设计一个与之串联的电阻R4，可以增加其阻值，减少释放时间。

在本实施例中，点火系统包括三极管开关电路、点火线圈和火花塞；

控制系统的输出端连接至三极管开关中三极管的基极，三极管开关中三级管的集电极连接点火线圈；点火线圈升压时，控制火花塞点火。

在本系统中，采用电阻R4、电容C1和二极管D2构成的吸收回路以减少MOS管所承受的峰值电压，能够有效地防止因电压过高影响元件的正常工作，或对其它电路造成辐射干扰，同时还可以减少MOS管所承受的电压以及减少能量的所损失。在此种设计中，电容两端电压不能突变，在初级线圈关断时MOS管两端产生很高的反压，二极管的反向电流特性可以流走大部分电流。

在本实施例中，如图8所示，流量控制系统包括电位器，节气门位置传感器与电位器相连接；

电位器用于通过电阻值的变化实现节气门开闭状态的监测。

在本实施例中，利用电位器，将节气门的开度转变为电压信号发送给控制系统，控制系统通过节气门位置传感器可获得表示节气门由全闭到全开的所有开启角度的连续变化的模拟信号以及节气门开度的变化速率，从而更精确地判定发动机的运行工况，提高控制精度和效果。

在本实施例中，如图9所示，信号处理系统包括转速信号处理回路；

转速信号处理回路包括滤波电路、整形电路和第二放大电路；

转速检测组件依次与滤波电路、整形电路和第二放大电路相连接，并将第二放大电路的输出端连接至汽车的电子控制单元。

在本实施例中，通过对车轮转速进行检测，能够使控制系统对维持当前车速所需要的天然气量有更好的控制，减少多余的排气量。

在本实施例中，流量控制系统包括电桥和集成运算放大器，如图10所示；

空气流量传感器连接电桥，集成运算放大器与电桥相连接，集成运算放大器用于控制通过空气流量传感器的电流，使电桥平衡。

在本实施例中，为了使天然气与空气达到最佳空燃比，选用了热线式空气流量传感器，在空气通道中放置热线，当空气通过流量计时，热线被冷却，其工作温度下降，电阻值随之减小，电桥失去平衡，此时集成运算放大器会自动增加通过热线的电流，使热线恢复原来的工作温度和电阻值，使电桥恢复平衡。通过此种方式来计算出通过空气量的多少，进而实现天然气喷气量的控制。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (10)

1.一种天然气发动机电控系统，其特征在于，包括电源系统、控制系统、信号处理系统、检测系统、喷气系统、点火系统、流量控制系统，其中：

所述电源系统用于给所述控制系统、信号处理系统、检测系统、信号处理系统、喷气系统、点火系统、流量控制系统供电，所述检测系统与所述信号处理系统相连接，所述控制系统分别与所述信号处理系统、喷气系统、点火系统、流量控制系统相连接；

所述检测系统包括节气门位置传感器、空气流量传感器和转速检测组件，所述节气门位置传感器、空气流量传感器和转速检测组件分别与所述信号处理系统连接；

所述控制系统用于：

接收所述信号处理系统处理后的所述检测系统反馈的信号数据；

控制节气门位置，以调整天然气进入口以及空气进入口大小；

控制所述喷气系统将天然气和空气喷入气缸中；

控制所述点火系统点火。

2.根据权利要求1所述的天然气发动机电控系统，其特征在于，所述转速检测组件包括凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器；

所述凸轮轴位置传感器与所述曲轴位置传感器分别用于检测天然气发动机的凸轮轴与曲轴的位置，并将所述凸轮轴与曲轴的位置信息反馈给所述控制系统。

3.根据权利要求1所述的天然气发动机电控系统，其特征在于，所述检测系统还包括用于检测所述喷气系统喷出空气中氧气含量的氧传感器、用于检测天然气温度的温度传感器、用于检测天然气压力的气压传感器和/或用于检测蓄电池电压的电压传感器；

所述氧传感器、温度传感器、气压传感器和/或电压传感器分别与所述信号处理系统相连接。

4.根据权利要求3所述的天然气发动机电控系统，其特征在于，所述信号处理系统包括模拟信号电路、A/D转换电路、第一放大电路和数字信号电路；

所述模拟信号电路的输入端分别与所述节气门位置传感器、空气流量传感器、氧传感器、温度传感器、电压传感器相连接，输出端与所述第一放大电路、A/D转换电路、控制系统依次连接；

所述数字信号电路的输入端与所述转速检测组件相连接，输出端与所述控制系统相连接。

5.根据权利要求1所述的天然气发动机电控系统，其特征在于，所述喷气系统包括反相器、光电耦合器、喷气阀电磁线圈、喷气阀柱塞以及用于作为峰值脉冲电压的放电回路的二极管；

所述控制系统的输出端串联两个所述反相器，连接至所述光电耦合器的输入端，所述光电耦合器的输出端连接至所述喷气阀电磁线圈，所述二极管与所述喷气阀电磁线圈并联连接，所述二极管的负极连接所述电源系统，所述喷气阀电磁线圈与所述光电耦合器相连接。

6.根据权利要求5所述的天然气发动机电控系统，其特征在于，所述二极管与电阻串联后与所述喷气阀电磁线圈并联。

7.根据权利要求1所述的天然气发动机电控系统，其特征在于，所述点火系统包括三极管开关电路、点火线圈和火花塞；

所述控制系统的输出端连接至所述三极管开关中三极管的基极，所述三极管开关中三级管的集电极连接所述点火线圈；所述点火线圈升压时，控制所述火花塞点火。

8.根据权利要求1所述的天然气发动机电控系统，其特征在于，所述流量控制系统包括电位器，所述节气门位置传感器与所述电位器相连接；

所述电位器用于通过电阻值的变化实现节气门开闭状态的监测。

9.根据权利要求1所述的天然气发动机电控系统，其特征在于，所述信号处理系统包括转速信号处理回路；

所述转速信号处理回路包括滤波电路、整形电路和第二放大电路；

所述转速检测组件依次与所述滤波电路、整形电路和第二放大电路相连接，并将所述第二放大电路的输出端连接至汽车的电子控制单元。

10.根据权利要求1所述的天然气发动机电控系统，其特征在于，所述流量控制系统包括电桥和集成运算放大器；

所述空气流量传感器连接所述电桥，所述集成运算放大器与所述电桥相连接，所述集成运算放大器用于控制通过所述空气流量传感器的电流，使所述电桥平衡。