CN104005863A - 一种柴油/天然气主动掺烧电控***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柴油/天然气主动掺烧电子控制***及方法，包括单片机，及分别与单片机连接的天然气喷嘴智能驱动电路、柴油喷嘴驱动电路、纯柴油模式/主动掺烧模式切换开关、负荷信号处理电路及自适应处理电路，所述负荷信号处理电路接收发动机负荷传感器检测信号，所述自适应处理电路接收曲轴位置传感器检测信号，所述曲轴位置传感器测量发动机曲轴的旋转位置与旋转速度。本发明与原厂柴油机电控***是并联关系，不依赖原厂电控***，实现对掺烧喷油量、喷气量和喷油定时的最优控制，从本质上避免双燃料被动掺烧时可能产生的爆震现象，保证双燃料发动机长期工作的可靠性。

Description

一种柴油/天然气主动掺烧电控***及方法
技术领域
本发明涉及发动机电子控制领域，特别涉及一种柴油/天然气主动掺烧电控***及方法。
背景技术
在不对高压共轨柴油机的发动机机械部分做任何改动的前提下，给发动机加装一套天然气供气装置(一般采用发动机缸外进气道供气)就能实现柴油发动机掺烧天然气。由于是两种燃料同时燃烧，所以称之为掺烧，以区别单燃料燃烧。这种双燃料掺烧有两大优点：(1)柴油机及原厂配置的高压共轨柴油机电控***不变，既符合中国法规的要求，又继续享受原厂的售后三包服务。(2)能取得省钱的经济效益与节能、环保的社会效益。
从功能方面看，柴油/天然气双燃料掺烧发动机***分为柴油喷射控制与天然气喷射控制两部分。双燃料掺烧电控***的核心是掺烧ECU(电子控制单元)。柴油/天然气掺烧中，柴油主要起引燃无法压燃的天然气作用，与纯柴油模式相比，掺烧时必须大幅减少原来柴油喷射量，所以目前双燃料***着重于如何减少原厂ECU(电子控制单元)控制的柴油喷射量，主要有两大类方法：方法1，设计一个仿真器给原柴油电控***提供仿真信号，使原厂ECU减少柴油供给量；方法2，设计电子开关，串联接入喷油嘴驱动回路，通过开关使原厂ECU的驱动脉冲不作用到喷油嘴上，从而减少柴油供给。但仅仅减少柴油喷射量存在着致命缺点:没有优化柴油的喷油定时(Timing)。当柴油发动机掺烧天然气时，柴油既充当燃料又充当点火装置。而原柴油机的柴油喷油定时都是根据纯柴油模式优化的，双燃料掺烧时，要根据工况，重新优化喷油定时。因此仅依靠原厂ECU是无法优化双燃料的柴油喷射定时，喷油定时不当，可能会导致发动机爆震，发生破坏发动机的严重事故。
发明内容
为了克服现有双燃料***完全依赖原厂ECU，无法主动控制柴油喷射的缺陷，本发明提供一种柴油/天然气主动掺烧电子控制***及方法，既控制引燃柴油喷射量，又控制引燃柴油的喷射定时。
本发明采用如下技术方案：
一种柴油/天然气主动掺烧电子控制***，包括单片机，及分别与单片机连接的天然气喷嘴智能驱动电路、柴油喷嘴驱动电路、纯柴油模式/主动掺烧模式切换开关、负荷信号处理电路及自适应处理电路，所述负荷信号处理电路接收发动机负荷传感器检测信号，所述自适应处理电路接收曲轴位置传感器检测信号。
所述单片机采用型号为TMS320F28035的单片机，所述单片机内置脉宽调制模块。
所述负荷信号处理电路具体为巴特沃斯二阶滤波器。
所述柴油喷嘴智能驱动电路的高端电压采用单一的升压电源。
所述自适应处理电路采用L9741接口芯片，由差动自平衡滤波电路对交流信号性质的曲轴位置信号滤波，由单片机根据发动机运行工况改变L9741的比较门坎，实现对曲轴位置的自适应处理。
所述天然气喷嘴智能驱动电路包括天然气喷嘴，所述天然气喷嘴高端接电池正极，天然气喷嘴的低端接驱动场效应管VND14NV04作为功率驱动，由单片机测量流经接地电阻的驱动电流在电阻两端产生的电压，从而控制天然气喷嘴的驱动电流，实现峰值恒流驱动。
一种柴油/天然气的双燃料主动掺烧电子控制方法，包括单片机获得曲轴位置脉冲信号，并计算发动机转速，根据发动机转速采用速度密度法计算得到发动机气缸的进气质量流量，从而判断发动机的工作状态，所述工作状态包括重负荷、中负荷及轻负荷状态；
根据发动机不同状态，切换纯柴油模式及主动掺烧模式；
当选择纯柴油模式时，天然气喷嘴不工作，柴油喷嘴完全由原厂ECU控制；
当选择为主动掺烧模式时，则单片机根据台架试验标定的最佳喷油定时脉谱图获取喷油定时，把相应的喷油定时与喷油脉宽数据放入单片机内置的PWM模块中，驱动柴油喷嘴驱动电路，从而输出正确的喷油脉冲与喷气脉冲。
本发明的有益效果：
(1)掺烧电控***不依赖于测量原厂ECU的喷油脉冲宽度，决定燃料供应量，而是通过测量发动机负荷与转速，根据发动机控制模型计算所需的燃料量。
(2)通过掺烧电控***自己的柴油喷嘴驱动电路，自由地控制喷油定时，实现掺烧天然气的最优点火时刻控制，从燃烧本质上避免爆震的发生，保护发动机机械部件，同时实现最佳燃烧效果，以取得最佳燃烧经济性。
附图说明
图1是本发明的主动掺烧电控***结构示意图；
图2是本发明自适应处理电路示意图；
图3是本发明天然气喷嘴智能驱动电路示意图；
图4是本发明纯柴油模式/主动掺烧模式切换开关原理图；
图5是柴油喷嘴智能驱动电路示意图；
图6是单片机的工作流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种柴油/天然气的双燃料主动掺烧电子控制***，包括单片机，及分别与单片机连接的天然气喷嘴智能驱动电路、柴油喷嘴驱动电路、纯柴油模式/主动掺烧模式切换开关、负荷信号处理电路及自适应处理电路，所述负荷信号处理电路接收发动机负荷传感器检测信号，所述自适应处理电路接收曲轴位置传感器检测信号，所述曲轴位置传感器测量发动机曲轴的旋转位置与旋转速度。
所述的发动机负荷传感器采用进气压力/进气温度一体式传感器，所述的曲轴位置传感器为电磁感应式传感器。
所述的负荷信号处理电路是由运算放大器构成的二阶巴特沃斯低通滤波器，对发动机的进气压力、进气温度信号进行调整、滤波处理。
如图2所示，所述的自适应处理电路采用L9741接口芯片，所述自适应处理电路海报差动自平衡滤波电路，由外加的差动自平衡滤波电路对交流信号性质的曲轴位置信号滤波，由单片机根据发动机运行工况改变L9741的比较门坎，实现对曲轴位置的自适应处理。
发动机曲轴位置传感器采用电磁感应式传感器。该信号是交流信号，其幅值与频率随发动机转速变化通过电容C1、C2滤除曲轴位置信号NE+、NE-上的共模干扰，通过电容C3、C4、R1组成的RC低通滤波电路，滤除曲轴信号上的串模高频干扰，滤波后的曲轴信号经限流电阻R2，R3分别与加法器与比较器连接，加法器的作用是由单片机通过软件控制比较器负端电压大小，从而控制比较电压门坎，实现曲轴信号的自适应处理。最后比较器输出能被单片机接受的直流脉冲信号Ne，单片机计算出曲轴旋转位置与转速。
如图3所示，所述天然气喷嘴智能驱动电路的天然气喷嘴高端接电池正极Vbatt，天然气喷嘴的低端接驱动场效应管VND14NV04漏极Ｄ，VND14NV04的源极经电流测量电阻Rshunt接地，为保证喷嘴正常开启，Rshunt阻值很小，Rshunt两端的电压很小(约几十毫伏)，所以把电阻两端电压v+,v-分别接至差动放大器v1,v2的正输入，构成平衡差动放大电路，信号经过滤波放大变为单片机能接受的电压信号VI，单片机根据VI大小，控制VND14NV04门极的通断，从而控制喷气嘴驱动电流，与纯硬件的驱动电流控制不同，单片机可根据发动机运行工况，优化喷嘴的驱动电流，实现喷气嘴的智能驱动。
如图4所示，所述的纯柴油模式/主动掺烧模式切换开关采用场效应管SWh1、SWh2作为高端开关，SWl1、SWl2作为低端开关，由掺烧电控***决定柴油喷嘴1是被原厂ECU控制还是被掺烧电控***的掺烧ECU控制。
柴油喷嘴1的高端H与低端L分别与作为选择开关的场效应管连接。高端H通过SWh1,SWh2分别与原厂ECU喷嘴驱动高边H1和掺烧ECU驱动高边H2相连。柴油喷嘴的低端L通过SWl1,SWl2分别与原厂ECU喷嘴驱动低边L1和掺烧ECU驱动低边L2相连。当选择纯柴油模式，SWh1、SWl1导通，SWh2、SWl2关断；当选择掺烧模式，则SWh1、SWl1关断，SWh2、SWl2导通，此时柴油喷射的喷油定时与喷油量完全由掺烧ECU决定，即实现了主动掺烧控制。
如图5所示，所述柴油喷嘴驱动电路采用高端场效应管与低端场效应管构成柴油喷嘴的峰值恒流驱动。高端电压VBoost是电池电压VBatt通过DC/DC升压转换得到。低边驱动管选择与发动机做功气缸对应的喷嘴，高边驱动管根据测量电流进行PWM控制，与喷气嘴类似，柴油喷嘴驱动电流也是由单片机软件智能控制，相应的最优峰值电流与最优恒定电流随发动机工况变化。
如图6所示，一种柴油/天然气的双燃料主动掺烧电子控制方法，包括单片机上电初始化，单片机获得曲轴位置脉冲信号，并计算发动机转速，根据发动机转速采用速度密度法计算得到发动机气缸的进气充量，从而判断发动机的工作状态，所述工作状态包括重负荷、中负荷及轻负荷状态；
若是轻负荷状态，则选择纯柴油模式，天然气喷嘴不工作，柴油喷嘴完全由原厂ECU控制；
否则选择掺烧模式，根据发动机负荷与转速确定相应的最佳掺烧比，根据台架试验标定的脉谱图确定最佳喷油定时，把相应的喷油定时与喷油脉宽数据放入单片机内置的PWM模块中，驱动柴油喷嘴驱动电路，从而输出正确的喷油脉冲与喷气脉冲。
本发明主动掺烧电控***与原厂柴油机电控***是并联关系，能不依赖原厂电控***，实现对掺烧喷油量、喷气量和喷油定时的最优控制，从本质上避免双燃料被动掺烧时可能产生的爆震现象，保证双燃料发动机长期工作的可靠性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柴油/天然气主动掺烧电子控制***，其特征在于，包括单片机，及分别与单片机连接的天然气喷嘴智能驱动电路、柴油喷嘴驱动电路、纯柴油模式/主动掺烧模式切换开关、负荷信号处理电路及自适应处理电路，所述负荷信号处理电路接收发动机负荷传感器检测信号，所述自适应处理电路接收曲轴位置传感器检测信号。
2.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述单片机采用型号为TMS320F28035的单片机，所述单片机内置脉宽调制模块。
3.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述负荷信号处理电路具体为巴特沃斯二阶滤波器。
4.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述柴油喷嘴驱动电路的高端电压采用单一的升压电源。
5.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述自适应处理电路采用L9741接口芯片。
6.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述天然气喷嘴智能驱动电路包括天然气喷嘴，所述天然气喷嘴高端接电池正极，天然气喷嘴的低端接驱动场效应管VND14NV04作为功率驱动。
7.应用权利要求1-6任一项所述控制***的控制方法，其特征在于，包括单片机获得曲轴位置脉冲信号，并计算发动机转速，根据发动机转速采用速度密度法计算得到发动机气缸的进气质量流量，从而判断发动机的工作状态，所述工作状态包括重负荷、中负荷及轻负荷状态；
根据发动机不同状态，切换纯柴油模式及主动掺烧模式；
当选择纯柴油模式时，天然气喷嘴不工作，柴油喷嘴完全由原厂ECU控制；
当选择为主动掺烧模式时，则单片机根据台架试验标定的最佳喷油定时脉谱图获取喷油定时，把相应的喷油定时与喷油脉宽数据放入单片机内置的PWM模块中，驱动柴油喷嘴驱动电路，从而输出正确的喷油脉冲与喷气脉冲。
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