CN102146853A - 一种天然气和汽油双燃料发动机控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气/汽油发动机控制***，属于发动机电子控制领域开发。其是在原汽油机控制***的基础上，增加天然气供给***、天然气的控制逻辑、喷气嘴及其驱动电路。天然气/汽油双燃料发动机单ECU中天然气喷射脉宽和点火定时是通过修正相同转速、负荷工况下汽油喷射脉宽和点火定时得到。喷油嘴和喷气嘴共用原汽油机控制***的大功率驱动电路和功率驱动器，喷油嘴和喷气嘴的切换是通过ECU控制天然气/汽油选择装置中的继电器实现的。本发明简化了现有双燃料ECU逻辑驱动电路，提升了驱动效率，尽可能少了对原汽油机控制***改动，电路简单，成本低。

Description

一种天然气和汽油双燃料发动机控制***

技术领域

本发明属于发动机电子控制领域，涉及一种双燃料发动机控制***，特别是涉及一种天然气和汽油双燃料发动机控制***。

背景技术

随着环境、能源问题的日益严峻，天然气已成为发动机的重要燃料之一。将汽油机改装成天然气/汽油双燃料发动机，可以更有效的利用能源，缓解环境危机。现有天然气/汽油双燃料发动机控制***框图如图1所示，ECU的主控制芯片MCU中存储了汽油模式下的控制逻辑和天然气模式下的控制逻辑； 在执行器驱动方面，喷油嘴用一路大功率驱动电路和功率驱动器驱动，喷气嘴用一路大功率驱动电路和功率驱动器驱动。增加的驱动喷气嘴的大功率驱动电路和功率驱动器，对原汽油机ECU硬件电路改动大，ECU硬件电路结构复杂，成本高。而双燃料发动机单ECU中的存储代码量倍增，内存消耗大，运行效率降低。

发明内容

为克服现有技术中存在的上述问题，本发明将原汽油机改装为天然气/汽油双燃料发动机，提出一种天然气/汽油双燃料发动机控制***，在原燃油控制逻辑的基础上增设喷射脉宽校正逻辑和点火定时校正逻辑，在燃气状态下，直接将燃油脉宽和喷油脉宽校正为燃气脉宽和喷气脉宽信号输出给外部天然气/汽油选择装置，使燃油/燃气信号共用一路电路输出，简化现有双燃料ECU逻辑驱动电路，提升驱动效率，对现有燃油机电路改动少,降低开发成本。

本发明具体采用以下技术方案：

一种天然气和汽油双燃料发动机控制***，其包括主控芯片MCU、大功率驱动电路、功率驱动器、点火驱动电路、减压器驱动电路、信号处理电路、天然气/汽油选择装置，其中：

在主控芯片MCU中设置喷射脉宽校正模块和点火定时校正模块；

传感器信号通过信号处理电路输入至控制***的主控芯片MCU，根据传感器信号判断是否切换发动机的燃气模式或燃油模式；

所述双燃料发动机控制***输出继电器控制信号天然气/汽油选择装置进行发动机的燃气模式和/或燃油模式的切换；

所述喷射脉宽校正模块依次通过大功率驱动电路、功率驱动器输出相应的燃油喷射脉宽信号或燃气喷射脉宽信号至所述天然气/汽油选择装置；

所述点火定时校正模块通过点火线圈驱动电路输出燃油点火定时信号和/或燃气点火定时信号至点火线圈；

所述主控芯片MCU控制减压驱动电路，减压驱动电路连接至减压器电磁阀。

本天然气/汽油双燃料发动机的ECU中天然气喷射脉宽和点火定时是通过修正相同转速、负荷工况下汽油喷射脉宽和点火定时得到。喷油嘴和喷气嘴共用原汽油机控制***的大功率驱动电路和功率驱动器，喷油嘴和喷气嘴的切换是通过ECU控制天然气/汽油选择装置中的继电器实现的。

本***要判定处于天然气模式状态必须同时满足四个条件：ECU采集到天然气请求开关信号，天然气储气瓶压力不低于设定值，发动机转速达到或超过设定转速，发动机的温度不能太低，应高于设定的发动机温度，即发动机必须运行一段时间。不满足任一条件，ECU判定发动机处于燃油状态。

喷射脉宽校正模块包括天然气、汽油喷射脉宽两种模式，若处于汽油模式，喷射脉宽校正模块输出的喷射脉宽即为燃油喷射脉宽；若处于天然气模式，喷射脉宽校正模块输出的喷射脉宽为校正后的天然气喷射脉宽。

点火定时校正模块输出的点火定时包括汽油模式下的点火定时信号和天然气模式下的点火定时信号，汽油模式下的点火定时信号为原汽油机ECU输出的点火定时信号；在天然气模式下，天然气点火定时是对发动机在相同转速和负荷下的汽油点火定时的修正，根据转速信号和发动机负荷查询修正点火MAP得到修正点火定时，汽油点火定时和修正点火定时之和即为天然气的点火定时。汽油点火MAP和修正点火MAP均为在不同转速和负荷下进行发动机台架试验，使过量空气系数等于1时标定得到的二维表格，存储在主芯片的程序存储器中，用于控制逻辑查询。

本发明采用的天然气/汽油选择装置分为多组，与发动机的缸数对应；每一组都包括一继电器、一个喷油嘴和一个喷气嘴；其中，喷油嘴电磁阀和喷气嘴电磁阀的公共端由双燃料发动机控制***的一个引脚控制，喷油嘴电磁阀和喷气嘴电磁阀的另一端分别由继电器常开或常闭触点控制，所述双燃料发动机控制***通过继电器线圈的通电与否选择连通喷油嘴还是喷气嘴，通过喷油嘴与喷气嘴电磁阀公共端的接地时间决定燃油和/或燃气喷射脉宽。

本发明优点在于：天然气/汽油双燃料控制***在原汽油机ECU的基础上增加天然气的喷射脉宽校正逻辑、点火定时校正逻辑，在燃气状态下，直接将燃油喷射量、燃油点火时间修正为燃气喷射量、燃气点火时间，优化了现有技术中双燃料ECU控制逻辑，减少了专门针对燃气的大功率驱动电路和功率驱动电路，提升了ECU双燃料控制响应效率，对现有汽油机硬件修改少，节约硬件开发成本。进一步，发明的天然气/汽油选择装置，通过ECU控制继电器切换喷油嘴/喷气嘴,利用原汽油机的大功率驱动电路和功率驱动器驱动喷油嘴/喷气嘴，增加燃气功能后，对原汽油机ECU硬件电路的改动少，结构简单，成本低。

附图说明

图1是现有天然气/汽油双燃料发动机控制***框图；

图2是本发明天然气/汽油双燃料发动机控制***框图；

图3是天然气/汽油选择装置；

图4是喷射脉宽校正模块；

图5是点火定时校正模块。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步描述。

图2是本发明实施例的双燃料发动机控制***框图，该控制***是对汽油机控制***进行改装，在汽油机控制***的基础上增加的内容包括天然气供给***、传感器、天然气/汽油选择装置（如图3所示）、天然气的喷射脉宽校正逻辑和点火定时校正逻辑等，天然气供给***采用现有的成熟技术。传感器信号包括原汽油机传感器信号和新增传感器信号，原汽油机传感器采用原机装有的传感器，（例如曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、冷却水温传感器、爆震传感器等）新增加的传感器包括天然气请求开关信号、天然气储气瓶压力信号、燃气温度传感器信号、减压器温度传感器信号等，在ECU的主控制芯片MCU中增加了喷射脉宽校正模块1、点火定时校正模块2等。原汽油机传感器和新增加的传感器信号经信号处理电路处理后输出给主控制芯片MCU，主控制芯片MCU根据驾驶员操作请求开关、发动机冷却水温度、CNG气瓶储气量、发动机转速等信号判定是否切换到天然气状态。ECU根据采集到的传感器信号和主芯片中编写的控制逻辑，通过喷油嘴/喷气嘴驱动电路、减压器驱动电路和点火线圈驱动电路等输出喷射脉宽信号、继电器控制信号、减压器电磁阀控制信号、点火定时信号以及燃料状态指示信号等。

其中喷射脉宽校正模块1包括天然气、汽油喷射脉宽两种模式，若处于汽油模式，喷射脉宽校正模块1输出的喷射脉宽即为燃油喷射脉宽；若处于天然气模式，喷射脉宽校正模块1输出的喷射脉宽为天然气喷射脉宽。

点火定时校正模块2输出的点火定时包括汽油模式下的点火定时信号和天然气模式下的点火定时信号，汽油模式下的点火定时信号为原汽油机ECU输出的点火定时信号；在天然气模式下，天然气点火定时是对发动机在相同转速和负荷下的汽油点火定时的修正，根据转速信号和发动机负荷查询修正点火MAP得到修正点火定时，汽油点火定时和修正点火定时之和即为天然气的点火定时。

图3是天然气/汽油选择装置，天然气/汽油选择装置可分为多组，每一组都一个继电器4、一个喷油嘴和一个喷气嘴。其中，喷油嘴电磁阀和喷气嘴电磁阀的公共端由ECU一个引脚控制，另一端分别由继电器常开或常闭触点控制，继电器线圈的一端接12V电压，另一端由ECU一个引脚控制。继电器线圈的通电与否决定选择喷油嘴还是喷气嘴，喷油嘴与喷气嘴电磁阀公共端的接地时间决定燃料的喷射脉宽。用继电器选择喷油嘴/喷气嘴，用原喷油嘴的驱动电路驱动喷气嘴，减少了对原汽油机的改动量，节约成本。用ECU的一个引脚控制喷油嘴/喷气嘴的公共端，在ECU引脚有限的情况下，提高ECU引脚的利用率。气瓶中燃气量的显示是由另外的驱动电路驱动的。

本发明实施例是四缸发动机，每一缸由一组喷油嘴/喷气嘴。其中，继电器组的4个d接线柱和4个e接线柱接12V电源，常闭触点c与喷油嘴电磁阀正极相接，常开触点b与喷气嘴电磁阀正极相接，每一组喷油嘴/喷气嘴电磁阀的公共负极端由ECU的引脚f控制。继电器组线圈的4个a接线柱接在一起由ECU的引脚g控制，当发动机燃烧汽油时，ECU控制引脚g，继电器线圈不通电时，继电器的开关处于常闭触点c处，喷油嘴的正极接12V的电源，ECU根据主控制芯片MCU计算的汽油喷射脉宽，通过引脚f控制喷油嘴电磁阀通电时间，进而控制每循环每缸的汽油喷射量。当发动机燃烧天然气时，ECU通过引脚g控制继电器线圈的通电，使继电器开关处于常开触点b处，此时喷气嘴的正极接12V的电源，ECU根据主控制芯片MCU计算的天然气喷射脉宽，通过控制引脚f，控制喷气嘴电磁阀通电时间，进而控制每循环每缸天然气的喷射量。

图4是喷射脉宽校正模块，包括汽油喷射脉宽信号、转速信号、燃料状态信号、减压器温度信号、天然气温度信号、天然气压力信号，燃料选择开关5。发动机启动后，ECU根据原汽油机控制***得到燃油喷射脉宽信号，根据天然气请求开关、发动机冷却水温度、CNG储气量、发动机转速四个信号得到燃油状态或燃气状态。若处于汽油状态，燃料选择开关5选择m通道，ECU输出汽油喷射脉宽信号tp；若处于天然气状态，燃料选择开关5选择n通道， ECU根据汽油喷射脉宽信号tp和发动机转速rpm查询天然气喷射脉宽转换系数k(tp，rpm)，例如在tp=6ms，rpm=2500r/min时，k=86。同时根据减压器温度Tr、天然气工作温度Tg、不同喷射压力差（天然气气轨压力Pg与进气压力MAP之差）查询对应的修正系数k1(Tr)、k2(Tg)、k3(Pg)。天然气喷射脉宽的计算公式为：

tg = [k(tp;rpm)+k1(Tr)+k2(Tg)+k3(Pg)]×tp

tg是天然气喷射脉宽，k是天然气喷射脉宽转换系数，k1是减压器温度补偿系数，k2天然气温度补偿系数，k3天然气压力补偿系数，tp是汽油喷射脉宽，rpm是发动机的转速，Tr是减压器温度，Tg是天然气温度，Pg是天然气压力。

在天然气模式下，ECU根据汽油喷射脉宽tp和转速rpm查询得到天然气脉宽转换系数k，根据减压器温度信号Tr查询得到减压器温度补偿系数k1，根据天然气温度Tg查询得到天然气温度补偿系数k2，根据不同喷射压力差（天然气气轨压力Pg与进气压力MAP之差）查询得到天然气压力补偿系数k3。天然气喷射脉宽转换系数k、减压器温度补偿系数k1、天然气温度补偿系数k2、天然气压力补偿系数k3是在不同转速、负荷下进行发动机台架标定试验，过量空气系数等于1时标定得到。

图5是点火定时校正模块，包括转速信号、负荷信号、燃料状态、汽油点火MAP、修正点火MAP、燃料选择开关6。若处于汽油状态，燃料选择开关6选择p通道，ECU根据转速信号和负荷信号查询汽油点火MAP，输出点火定时信号；若处于天然气状态，燃料选择开关6选择q通道，ECU根据转速传感器信号和发动机的负荷查询修正点火MAP和汽油点火MAP,将查询的修正点火定时与汽油点火定时相加得到天然气点火定时信号。其中汽油点火MAP和修正点火MAP均为在不同转速和负荷下进行发动机台架试验，使过量空气系数等于1时标定得到的二维表格，存储在主芯片的程序存储器中，用于控制逻辑查询。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种天然气和汽油双燃料发动机控制***，包括主控芯片MCU、大功率驱动电路、功率驱动器、点火驱动电路、减压器驱动电路、信号处理电路、天然气/汽油选择装置，其特征在于：

在主控芯片MCU中设置汽油机控制模块、喷射脉宽校正模块； 

传感器信号通过信号处理电路输入至控制***的主控芯片MCU，主控芯片MCU根据传感器信号判断是否切换发动机的燃气模式或燃油模式；

所述双燃料发动机控制***输出继电器控制信号到天然气/汽油选择装置进行发动机的燃气模式或燃油模式的切换；

所述喷射脉宽校正模块依次通过大功率驱动电路、功率驱动器输出相应的燃油喷射脉宽信号或燃气喷射脉宽信号至所述天然气/汽油选择装置；

所述主控芯片MCU控制减压驱动电路，减压驱动电路连接至减压器电磁阀。

2.根据权利要求1所述的双燃料发动机控制***，其特征在于：

所述传感器信号包括原汽油机传感器信号和新增传感器信号，其中新增传感器信号包括天然气请求开关信号、天然气储气瓶压力信号、燃气温度传感器信号、减压器温度传感器信号。

3.根据权利要求1或2所述的双燃料发动机控制***，其特征在于：

   在所述主控芯片MCU中还进一步设置点火定时校正模块，所述点火定时校正模块通过点火线圈驱动电路输出燃油点火定时信号或燃气点火定时信号至点火线圈。

4.根据权利要求1或2所述的双燃料发动机控制***，其特征在于：

当所述主控芯片采集到天然气请求开关信号，并且所述天然气储气瓶压力不低于设定值，并且发动机转速达到或超过设定转速，并且发动机温度大于设定温度，则判断发动机切换至燃气模式。

5.根据权利要求1所述的双燃料发动机控制***，其特征在于：

天然气/汽油选择装置分为多组，与发动机的缸数对应；每一组都包括一继电器、一个喷油嘴和一个喷气嘴；其中，喷油嘴电磁阀和喷气嘴电磁阀的公共端由双燃料发动机控制***的一个引脚控制，喷油嘴电磁阀和喷气嘴电磁阀的另一端分别由继电器常开或常闭触点控制，所述双燃料发动机控制***通过继电器线圈的通电与否选择连通喷油嘴还是喷气嘴，通过喷油嘴与喷气嘴电磁阀公共端的接地时间决定燃油和/或燃气喷射脉宽。

6.根据权利要求1、2或5所述的双燃料发动机控制***，其特征在于：

当双燃料发动机工作于燃油模式时，喷射脉宽校正模块输出的喷射脉宽信号即为燃油喷射脉宽信号，至喷油嘴。

7.根据权利要求1、2或5所述的双燃料发动机控制***，其特征在于：

当双燃料发动机工作于燃气模式时，喷射脉宽校正模块输出校正后的燃气喷射脉宽信号，至喷气嘴；所述燃气喷射脉宽的计算公式为：

tg = [k(tp;rpm)+k1(Tr)+k2(Tg)+k3(Pg)]×tp 

tg是天然气喷射脉宽，k是天然气喷射脉宽转换系数，k1是减压器温度补偿系数，k2天然气温度补偿系数，k3天然气压力补偿系数，tp是汽油喷射脉宽，rpm是发动机的转速，Tr是减压器温度，Tg是天然气温度，Pg是天然气压力。

8.根据权利要求7所述的双燃料发动机控制***，其特征在于：

在天然气模式下，ECU根据汽油喷射脉宽tp和转速rpm查询得到天然气脉宽转换系数k，根据减压器温度信号Tr查询得到减压器温度补偿系数k1，根据天然气温度Tg查询得到天然气温度补偿系数k2，根据不同喷射压力差（天然气气轨压力Pg与进气压力MAP之差）查询得到天然气压力补偿系数k3、天然气喷射脉宽转换系数k、减压器温度补偿系数k1、天然气温度补偿系数k2、天然气压力补偿系数k3是在不同转速、负荷下进行发动机台架标定试验，过量空气系数等于1时标定得到。

9.根据权利要求1、2或5所述的双燃料发动机控制***，其特征在于：

当双燃料发动机工作于燃油模式时，点火定时校正模块输出点火定时信号至点火线圈，该点火定时信号为原汽油机ECU输出的点火定时信号。

10.根据权利要求1、2或5所述的双燃料发动机控制***，其特征在于：

当双燃料发动机工作于燃气模式时，点火定时校正模块输出的点火定时信号为校正后的天然气点火定时信号，所述天然气点火定时信号是由双燃料发动机控制***根据发动机转速信号和负荷信号查询修正点火MAP和汽油点火MAP,将查询的修正点火定时与汽油点火定时相加得到。

Images