CN103541827A - 一种新型cng油气混合动力节能控制*** - Google Patents

Abstract

本发明为了克服现有混合动力汽车存在的不足，提出了一种新型压缩天然气油气混合动力节能控制***，以降低天然气或混合动力汽车的能耗，提高CNG汽车产业竞争力。本发明改进了CNG汽车的电子控制技术，在保证安全的前提下适当提高发动机的压缩比，增加发动机的功率，弥补了现行CNG汽车功率不足的缺陷；其次采取进气增压、增浓措施，优化燃气和空气混合器的设计，提高充气系数来增强发动机的功率。本发明采用独特的技术方案及***结构，利用ECU软件分段对各缸喷气量进行修正，燃气电控***采用燃气多点顺序喷射结合点火提前角可变的方式设计，有效地改善了混合动力汽车的各项性能，提高了天然气或油料燃烧的效率，降低了能源消耗。

Description

一种新型CNG油气混合动力节能控制***

所属技术领域

本发明涉及汽车发动机、传热学、自动控制理论、有机化学、汽车电子控制等技术领域。

技术背景

近年来，混合动力汽车在全球发展很快，取得了显著进步。根据统计，截至2008年底，全世界已有80多个国家总计拥有混合动力汽车约960万辆，占世界汽车总保有量的1.16％。亚太地区的混合动力汽车发展迅速，2000-2008年年均增长达到53.4％，巴基斯坦、伊朗、印度的混合动力汽车保有量分别达到200万辆、100万辆和65万辆。

中国的混合动力汽车产业在国家大力支持下已初具规模，天然气或混合动力汽车产业体系初步形成。截至2008年底，中国已在近30个省、市、自治区的80多个城市推广了天然气或混合动力汽车，拥有CNG汽车约40万辆，加气站1000余座。

推广天然气或混合动力汽车是实现节能减排，解决能源和环境问题的重要途径。目前，中国汽车的主要燃料是汽油、柴油等石油的提取物，油类汽车废气排放已成为城市空气污染的主要来源，以天然气代替汽油和柴油等作为汽车新燃料，是有效降低汽车尾气污染的重要方式。CNG汽车的排放比汽油车和柴油车的综合排放污染低约85％，其中碳氧减少约97％，碳氢减少70％-80％，氮氧化物减少30％-40％，颗粒悬浮物减少40％，噪音减少约40％，而且CNG汽车不会产生硫、铅、苯等有害有毒物质。目前，中国正处在工业化进程中，大气污染和环保压力尤其大，推广天然气或混合动力汽车不仅是改善城市大气质量和人们生活条件的迫切需要，更是发展低碳经济、保护生态环境、追求可持续发展的需要。

天然气的辛烷值高于110，抗爆性能优于汽油，发动机燃用天然气时可以采用较高的压缩比，机油更换时间大大延长，不必经常更换火花塞，与燃用柴油(汽油)相比，可节约50％以上的维修费用。此外，发动机运转平稳，噪声小(比汽油机低40％)，发动机使用寿命为汽油车的3倍。

此外，相对于石油来说，中国天然气资源相对丰富，天然气探明储量3万亿立方米，探明程度仅为18％。2008年中国天然气产量775亿立方米，预计到2010年，中国天然气产量将超过900亿立方米，2020年将达到1500亿立方米，2030年达到2000亿立方米，2035年达到2500亿立方米。丰富的天然气资源为中国发展CNG汽车奠定了坚实的基础。随着中国城市天然气管网的建设和私家车的快速发展，为适应市场多元化需求，优化配置能源结构，大力推广天然气或混合动力汽车成为政府节能减排的重要工作。在世界范围内，石油资源正日益枯竭，原油价格更是节节攀升，而全球天然气的探明储量和开采量每年都在增加，天然气价格-直比较稳定，甚至略有下降。在国内，天然气价格与汽油价格存在较大差价，目前中国车用天然气平均价格不到汽油价格的50％，天然气或混合动力汽车的发展具有经济基础和发展动力。

从技术方面，中国的天然气或混合动力汽车关键技术研发和成果推广取得了显著成效，一些骨干汽车企业已陆续开发出单一燃料或双燃料的CNG汽车发动机，并已具备了批量生产能力，排放达到欧洲新标准、具备第三代多点电控喷射技术的单燃料燃气汽车产品也已开发成功，CNG汽车关键零部件的技术水平和产业化能力也明显提高，不仅能满足国内市场的需求，同时还出口到东南亚-些国家和地区。

但是，还需要进一步加快CNG汽车及车用CNG相关关键技术创新，降低天然气或混合动力汽车的能耗，提高CNG汽车产业竞争力。首先要改进CNG汽车的电子控制技术，在保证安全的前提下适当提高发动机的压缩比，以增加发动机的功率，弥补现行CNG汽车功率不足的缺陷；其次要可以采取进气增压、增浓措施，优化燃气和空气混合器的设计，提高充气系数来增强发动机的功率，以开发出更加高效的新型压缩天然气油气混合动力节能控制***。

发明内容

天然气汽车的一个问题是发动机的功率比使用汽油时有明显下降，功率下降主要原因在于燃料本身的特性和发动机的构造。在燃料性质方面，使用天然气作燃料时，燃料本身的体积在整个进气中占有较大比例，导致进入气缸的空气量减少，充气系数下降，从而导致发动机功率下降；在发动机构造方面，决定发动机功率的主要因素是发动机的压缩比，压缩比越大，热效率越高，有效功率就越大。但压缩比越大，发动机爆震的倾向也越大，另外发动机压缩比还必须与燃料的抗爆性相适应，这就决定了汽油机的压缩比不可能太大。

充气系数下降是导致天然气汽车功率下降的重要原因，提高充气系数是提高功率的一种途径，但充气系数下降是由天然气本身的性质所决定的，唯一的解决办法是采取进气增压措施，但进气增压会加大发动机的体积和质量，在实施中存在一定难度。

本发明采用独特的技术方案及***结构，有效地改善了混合动力汽车的各项性能，提高了天然气或油料燃烧的效率，降低了能源消耗，具体方案如下。

(一)***结构及工作原理

本项目产品由钢瓶、轻触开关、减压阀、混合器、加气阀、点火提前角、二和一仿真器、CNG多点顺序喷射***、Ecu、电脑板、减压器、蒸发器、喷轨、触摸开关、高压电磁阀、高压管、线束、温度传感器、滤芯等部件构成，采用电控多点顺序气口喷射，以精确控制各缸喷气量和喷气时刻。

电控多点顺序喷射装置由电子控制单元和安装在发动机上的冷却液温度传感器、进气压力传感器、曲轴转速传感器、节气门位置传感器、进气温度传感器组成，各个传感器均与电子控制单元的不同输入端连接，电子控制单元和电磁阀的工作电源与控制开关连接，电子控制单元的控制输出端与燃气喷嘴的控制端连接。电子控制单元通过各个传感器直接从发动机采集的各种运行参数信息，电控单元根据输入的信息和通过相应程序，计算出正确的点火正时和精确的燃气喷射量及喷射时刻，实现闭环自动控制，实现对每个缸定时定量供气，并根据当前工况的转速和负荷调节喷气正时和喷气量，更准确的控制空燃比，提高汽车的经济性和排放性。

为了保证各缸喷气量的一致性，利用ECU软件分段对各缸喷气量进行修正。燃气电控***采用燃气多点顺序喷射结合点火提前角可变的方式设计，在原车***上加装一套车用CNG供气***，***主要包括燃气ECU、CNG储气瓶、减压阀和高速喷气嘴等，与原车燃油***协调结合在一起，形成燃油和CNG2个独立的***。***通过安装在驾驶室内的切换开关能自动实现燃料种类强制切换或者根据工况改变自动切换，并利用原车的氧化传感器实现闭环控制。

本发明的燃气ECU分为2大模块：喷气模块和点火***。喷气***是在燃气状态下打开燃气喷嘴，接收汽油ECU产生的喷油脉宽信号，加上修正脉宽的长度，输出相应的喷气脉宽信号到燃气喷嘴。在燃油状态下关闭燃气喷嘴，由汽油ECU控制喷油脉宽。点火***是在燃气状态下将曲轴信号根据工况变化整体提前一定角度后输出给汽油ECU，由汽油ECU驱动点火执行机构，在燃油状态下直接把曲轴信号送至汽油ECU处，由汽油ECU控制点火。

(二)本发明的特点及创新

本发明采用全电控***，可精确控制天然气的喷射量、空燃比及点火时间，实现复杂的工况控制，提高了整机性能及工作稳定性；***采用喷射进气方式，稀薄燃烧技术，通过最优点提前角控制，降低了燃气消耗率，并提供与原柴油机相等的功率和扭矩；***采用精确控制氧传感器对空燃比进行全闭环控制，具有OBD故障诊断空能。***具有如下创新点：

1、技术创新

(1)采用多点顺序气口喷射，为避免燃料在进气歧管中分层或堆积，加装了专门设计的喷气引导装置。

(2)为保证各缸喷气量的一致性，利用ECU软件分段对各缸喷气量进行修正。

(3)为解决我国各地天然气气质不一的状况，采用了稀燃及当量比燃烧控制切换，发动机稀燃工作区域精确标定(失火和爆震界限标定)，实现工作过程λ实时检测，使发动机工作在允许范围内。

(4)***的ECU具有故障诊断功能、OBD端口、安全运行模式。

2、应用创新

(1)使用本项目产品可改善发动机的工况，增强发动机动力，提高发动机工作性能。与现有同类产品相比提高动力的30-35％。由于增强了发动机的工作动力，提高了发动机的工作性能，节约了燃料。

(2)使用本项目产品可减少汽车尾气排放量，减少环境污染，是绿色环保的产品。

附图说明：

图1是***工作原理图。

图2是***整体结构图。

图3是***节能控制设备结构图。

图4是发动机进气系及点火系构成图。

图5是供气***示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但不应将此理解为本发明应用的范围仅限于以下的实例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明提出的的新一代CNG动力节能控制***集成应用了多种发动机先进节油技术，包括双可变气门正时(DVVT)、两级可变气门升程(VVL)、内部和外部废气再循环(i-EGR和e-EGR)、燃油缸内直喷(GDI)、稀薄燃烧、CAI燃烧及低摩擦技术等，该***应用到汽车发动机的天然气动力改装上，其怠速油耗相对基础机可降低30％以上，部分负荷油耗相对降低20％以上，低端扭矩(2000rpm)可提升10％，最大功率与该发动机的基础机型相当。搭载该***的整车(整备质量1.3吨左右)油耗相对基础车降低20％，低于国家油耗标准中对应的油耗限值。同时，整车还满足国四排放标准，且具有升级到满足国五排放法规的潜力。

本发明采用气体燃料多点顺序喷射闭环控制***，根据不同工况对燃气燃料进行定时、定量喷射，电控单元的氧传感器将数据与目标值比较，然后通过自我修正和反馈修正调整提高空燃比控制的精度。定时定量供气消除了由于气门叠加角存在造成的燃气回火和燃料浪费，提高了各缸混合气的一致性及各缸工作的均匀性，改善发动机在各种工况下混合气控制的精度，减少尾气排放。从而提高了动力性和经济性改善了排放性。

本发明的电脑控制燃料喷射***喷射的雾状燃料与均质易燃混合气供给发动机，经过实验表明：比传统化油器节油高达50.2-66.1％，降低排气污染85-98％；比传统的电脑控制燃料喷射***装置节油40.2-56.3％，降低排气污染50-63％。

本发明同时利用ECU软件分段对各缸喷气量进行修正，使得废气排放更少，可提升大约5％-10％的功率和扭矩，换档时更平顺，动力衔接更棒，解决了很多汽车存在的问题，如：怠速过低易熄火，变速箱换档震动等。

利用本发明改装后不会影响汽车的使用寿命和安全性，因为***只是优化了汽车发动机和ECU的参数，而优化是建立在保证使用寿命和安全性的基础上进行的。

下面结合附图说明本发明：

图1、图2分别是***工作原理图及电控***整体结构图，***采用燃气多点顺序喷射结合点火提前角可变的方式设计，在原车***上加装一套车用CNG供气***，***主要包括燃气ECU、CNG储气瓶、减压阀和高速喷气嘴等，与原车燃油***协调结合在一起，形成燃油和CNG2个独立的***，***可手工或根据工况改变自动切换，并利用原车的氧化传感器实现闭环控制。燃气ECU接收喷油脉宽信号，加上修正脉宽的长度，输出相应的喷气脉宽信号到燃气喷嘴，点火***则在汽油ECU控制下驱动点火机构。

图3是***节能控制设备结构图，CNG发动机的燃料供给***主要由高压单元、机械减压调节器、低压调节器及燃气喷射阀等组成。

图4、图5分别是发动机进气系及点火系构成图，以及供气***示意图。CNG发动机的进气***有进气滤清器、增压器、中冷器、节流阀、进气温度压力传感器以及进气歧管组成；排气系由排气歧管、排温传感器、氧传感器及三元催化剂组成；CNG发动机的点火***由功率放大器、高压线、火花塞和震爆传感器组成。从结构示意图可以看出，本发明的结构非常简洁。

以上所述仅为本发明的应用及测试的一个实例，但并不限于此，凡在本发明的框架、原则之内所作的修改、替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.本发明提出的电控多点顺序喷射装置由电子控制单元和安装在发动机上的冷却液温度传感器、进气压力传感器、曲轴转速传感器、节气门位置传感器、进气温度传感器组成，各个传感器均与电子控制单元的不同输入端连接，电子控制单元和电磁阀的工作电源与控制开关连接，电子控制单元的控制输出端与燃气喷嘴的控制端连接。电子控制单元通过各个传感器直接从发动机采集的各种运行参数信息，电控单元根据输入的信息和通过相应程序，计算出正确的点火正时和精确的燃气喷射量及喷射时刻，实现闭环自动控制，实现对每个缸定时定量供气，并根据当前工况的转速和负荷调节喷气正时和喷气量，更准确的控制空燃比，提高汽车的经济性和排放性。

2.本发明为了保证各缸喷气量的一致性，利用ECU软件分段对各缸喷气量进行修正。燃气电控***采用燃气多点顺序喷射结合点火提前角可变的方式设计，在原车***上加装一套车用CNG供气***，***主要包括燃气ECU、CNG储气瓶、减压阀和高速喷气嘴等，与原车燃油***协调结合在一起，形成燃油和CNG2个独立的***。***通过安装在驾驶室内的切换开关能自动实现燃料种类强制切换或者根据工况改变自动切换，并利用原车的氧化传感器实现闭环控制。

3.本发明提出的燃气ECU分为2大模块：喷气模块和点火***。喷气***是在燃气状态下打开燃气喷嘴，接收汽油ECU产生的喷油脉宽信号，加上修正脉宽的长度，输出相应的喷气脉宽信号到燃气喷嘴。在燃油状态下关闭燃气喷嘴，由汽油ECU控制喷油脉宽。点火***是在燃气状态下将曲轴信号根据工况变化整体提前一定角度后输出给汽油ECU，由汽油ECU驱动点火执行机构在燃。

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