車用雙燃料燃氣發動機智能控制系統的製作方法

2023-05-27 03:04:11

專利名稱：車用雙燃料燃氣發動機智能控制系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及自動化數控領域，尤其涉及一種用於車用雙燃料燃氣發 動機的智能控制系統。
背景技術：
近年來，汽車工業面臨著石油供求矛盾加劇和環境保護兩個嚴峻問題， 為了保護環境，汽車排放法規日趨嚴格。為此，世界各國在不斷改進傳統發
動機性能的同時，也在積極開發新能源，尋找代用燃料。液化石油氣(LPG) 和天然氣(CNG)具有價格便宜、含量豐富、排氣汙染低的突出優點，因而 燃氣汽車的研究開發成為當前內燃機領域的研究熱點之一。大力發展燃氣汽 車對於改善我國城市環境質量、調整能源結構都具有極其重要的意義。
車用燃氣發動機因為其燃料的特殊性質，普遍設置了發動機LPG/CNG控 制系統。當前研發的汽車燃氣發動機控制系統有很多，但都普遍面臨適用性 單一、排放和燃料消耗不穩定以及市場化後的維修問題。為了有效地使用發 動機智能控制系統，充分、持續地發揮燃氣電子控制系統對車輛經濟性、動 力性和尾氣排放的有效控制，我們採用了philips公司基於ARM7TDMI-S核、 單電源和LQFP64封裝的高智能微型控制器LPC2131，實現控制方案，並配備 專用的發動機智能監控系統。結合車輛的實際使用情況和發動機控制系統特 點，實時對燃氣動力控制系統進行智能控制和實時監控，並校準標定。
發明內容
本實用新型旨在提供一種車用雙燃料燃氣發動機智能控制系統，在燃氣 工作狀態時，燃油通路被切斷時可保證原車信號通路的正常反饋和燃氣供給 量信號的採集。
為實現以上目的，本實用新型所述的發動機智能控制系統，包括數據採 集系統、執行機構、電子控制單元，所述數據採集系統包括傳感器，其特徵
在於，所述數據採集系統還包括轉換開關和仿真器，所述轉換開關一端可選 擇的與原車電子控制系統和所述仿真器相連，另一端與所述電子控制單元相 連。
優選的，所述轉換開關上包括工作狀態顯示燈和液位顯示燈。 優選的，所述傳感器包括壓力傳感器和燃氣溫度傳感器。 優選的，所述傳感器還包括絕對壓力傳感器。
優選的，所述電子控制單元包括微處理器模塊、信號採集處理模塊、輸
出驅動模塊、轉換開關模塊；所述微處理器模塊分別與所述信號採集處理模 塊、輸出驅動模塊和轉換開關模塊相連；所述信號採集處理模塊與所述傳感 器相連，接收來自傳感器的信號後輸出至所述微處理器模塊；所述輸出驅動 模塊與所述數據採集系統相連，接收微處理器的信號，並將所述信號輸出給 所述數據採集系統。
優選的，還包括PC機，所述電子控制單元還包括電源模塊，提供整 個系統各模塊的所需各種工作電源；通信埠模塊，使電控單元與PC機連 接通訊。
優選的，所述電子控制單元還包括顯示LED告警模塊，顯示發動機燃料 的消耗和存儲情況，並發出相應報警。
優選的，所述電源模塊的穩壓晶片為SPX1117M3-3.3晶片，和/或所述 電源模塊的電源監控晶片為CAT1025JI-30。
優選的，所述傳感器包括發動機轉速傳感器、節氣門位置傳感器、進氣 管壓力傳感器、LPG/CNG氣體溫度傳感器、排氣氧含量傳感器、液位傳感 器。
優選的，所述執行器包括LPG/CNG儲氣瓶、濾清器、LPG/CNG電磁閥、 調壓器、分配器、進氣歧管。
本實用新型所述的智能控制系統採用簡潔、簡單、避免誤操作的人性化 設計界面，確保了操作過程中的可靠性。使汽車性能的校準標定工作變得簡 單，將控制系統特有的故障碼解讀並提供維修方案，節省了維修工作中的排 查故障時間，減輕維修人員的工作負擔。可以重複標定智能燒錄電控單元可 編程再應用晶片，恢復發動機智能控制系統優良性能。


圖1為本實用新型所述智能控制系統的結構模塊圖。
圖2為本實用新型數據採集系統示意圖。
具體實施方式
本實用新型的LPG/CNG燃料汽車在操作和使用方面沒有任何變化，雙 燃料車型只需輕按轉換開關，就可以實現不同燃料系統間的轉換，即使在高 速運行時也可以平穩過渡。
下面結合說明書附圖，對本實用新型具體實施例作進一步介紹。
如附圖1為本實用新型所述智能監控系統的結構模塊圖，包括數據採集 系統、電子控制單元，執行機構三大部分。電子控制單元包括微處理器模塊、 信號採集處理模塊、輸出驅動模塊、轉換開關模塊。所述微處理器模塊分別 與所述信號採集處理模塊、輸出驅動模塊和轉換開關模塊相連；所述信號採 集處理模塊與所述傳感器相連，接收來自傳感器的信號後輸出至所述微處理 器模塊；所述輸出驅動模塊與所述執行機構相連，接收微處理器的信號，並 將所述信號輸出給所述執行機構。
其實，電子控制單元(ECU)也可以由電源和復位模塊、微處理器模塊、 信號採集處理模塊、輸出驅動模塊、顯示LED/CNG和轉換開關模塊、通信 埠模塊組成，是系統的控制核心；執行機構包括LPG/CNG儲氣瓶、濾清 器、LPG/CNG電磁閥、調壓器、分配器、進氣歧管、噴嘴等器部件，由ECU 控制驅動；傳感器負責採集車況智能，並提供給ECU，包括發動機轉速傳感 器、節氣門位置傳感器、進氣管壓力傳感器、LPG/CNG氣體溫度傳感器、 排氣氧含量傳感器、液位傳感器，這些都可構成本發明的優選實施例。
電子控制單元(Eelectronic Control Uint簡稱ECU),是整個車用 LPG/CNG智能控制系統的核心單元。本實用新型還包括PC機。當轉換開關 被切換到使用車用LPG/CNG智能控制系統後，ECU便開始處理傳感器和原 車輸入的數據，對數據進行處理後，向執行機構輸出控制信號，使汽車發動 機正常運轉。
下面對電子控制單元的具體模塊逐一說明
l丄微處理器模塊ECU的核心部件是LPC2131單片機，採用了先進
的32位ARM7TDMI-S內核微處理器，具有高性能和低功耗的特性，非常容 易實現很高的指令吞吐和實施的中斷響應。ARM內核使用了流水線技術， 處理和存儲系統的所有部分都可以連續工作。通常在執行一條指令的同時就 對下一條指令進行解碼，並將第三條指令從存儲器中取出，大大提高了運算 和存儲速度。LPC2131帶有32KB潛入的高速Flash存儲器。128位寬度的存 儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。晶片還 整合了 8路10位A/D轉換器，可以採集0-3V間的模擬信號，每路轉換時間 短至2.44iaS。晶片的PWM功能簡化了驅動電路，響應速度快且精準。LPC2131 晶片的採集、計算、驅動時間均在微秒級，可以迅速掌握車況，經過縝密計 算，精確控制燃料的消耗和排放的質量。
1.2. 電源和復位模塊ECU由蓄電池(24V)供電，微處理器需3.3V 供電，而各種傳感器需5V供電。模塊採用SPX1117M3-3.3晶片，將電源穩壓 至3.3V。 SPX1117M3-3.3晶片特點是輸出電流大，輸出電壓精度高，穩定性 高。當正確連接電源後，POWER等點亮。為了降低噪聲，模塊利用電感將 模擬電源和數字電源隔離。由於ARM晶片的高速低功耗和低工作電壓導致 噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態響應性能、時鐘源的穩定性和電源監控可 靠性等諸多方面也提出了更高的要求。於是模塊採用了電源監控晶片 CAT1025JI-30，提高了電源可靠性，並在此設置了復位按鍵RST。
1.3. 信號採集處理模塊該模塊將傳感器和原車信號，轉換為單片機相 匹配的信號，並輸入到單片機輸入埠，是ECU的重要組成部分，其準確性、 及時性、可靠性、穩定性將影響到整個ECU的運行。系統中的傳感器和原車 信號分為脈衝信號和模擬信號兩種。曲軸轉速和原車信號是脈衝信號，模塊 經過濾波和容錯處理，將平整穩定的信號送入單片機；節氣門位置、溫度、 壓力、液位、排氣氧含量的信號都是模擬信號，模塊將這些模擬量線性的調 整到，單片機A/D轉換器限定的範圍，再經過濾波處理送入單片機。
1.4. 輸出驅動模塊該模塊由光耦開關根據單片機輸出信號，驅動 LPG/CNG噴嘴噴射燃料。光耦開關將輸入輸出信號隔斷，避免互相干擾， 而且使用分離電源，可以利用3V的單片機信號驅動12V的電磁噴嘴。光耦 驅動不受任何電磁幹擾的影響，可靠性強，穩定性高。根據不同車型，由微 處理器控制驅動2-6路噴氣點火。
1.5. 顯示LED和轉換開關模塊顯示LED模塊用來提示LPG/CNG燃 料的消耗和存儲情況，是LPG/CNG液位傳感器的輸出信號經過分壓電路處 理實現的。當所省燃料過少時還會發出蜂鳴警告。轉換開關是汽油和 LPG/CNG兩種燃料的切換開關也是ECU的電源開關。
1.6. 通信埠模塊該模塊使ECU可以通過串口與PC機連接通訊。由 於ECU的微處理器是3.3V供電，所以要使用SP3232E進行RS-232電平轉 換。SP3232E是3V工作電源的RS-232轉換晶片。通過串口可以直接編輯燒 錄晶片，還可以監視控制系統工作狀況。
圖2為本實用新型數據採集系統示意圖。包括數據採集系統的燃氣系統 部件主要包括鋼瓶l、組合閥2、集成閥含(液位傳感器)3、壓力傳感器 4 (安全保護用)、燃氣切斷電磁閥5、減壓器6、燃氣溫度傳感器7、發動機 8、濾清器9、燃氣共軌管IO、噴氣電磁閥ll、絕對壓力傳感器12、轉換開 關13、燃氣控制單元14、仿真器15、原車控制器16。
其中，壓力傳感器4檢測鋼瓶至減壓器間管路的壓力， 一旦該部分管路 出現洩漏，管路壓力會出現瞬變和低壓狀況，傳感器檢測到該壓力變化後， 將信號傳遞給燃氣控制單元，由控制單元輸出信號，關閉切斷電磁閥。
燃氣溫度傳感器7檢測減壓器出口的燃氣溫度，由於燃氣的密度對溫度 比較敏感，設置該傳感器的目的是採集燃氣溫度，從而估算燃氣密度。通過 密度修正保證發動機燃氣供應的合理性，該傳感器為負溫度係數特性。
絕對壓力傳感器12檢測減壓器出口和進氣岐管間的壓力差，通過監視該 壓力差的變化，估算燃氣密度變化的規律，通過燃氣控制器控制燃氣量的供 應。該傳感器在標定階段使用，在產品階段，根據轉速、負荷等參數界定燃 氣密度變化，該傳感器可以省略。
轉換開關13上集成燃氣/燃油工作選擇開關、工作狀態顯示燈和液位顯 示燈。
仿真器15起到一個橋接式電路的作用，在燃氣工作狀態時，燃油通路被 切斷，為保證原車信號通路的正常反饋和燃氣供給量信號的採集，通過該仿 真器15實現。
在整車試驗過程中需要採集的數據包括空燃比、尾氣排放和燃氣控制 部分的相關參數(噴油脈寬、轉速、燃氣溫度、氧傳感器信號、液位信號)。 其中燃氣控制部分的數據採集由上位機完成，即由燃氣控制單元採集所需數
據後將其傳遞給上位機，在標定界面上顯示這些控制變量；空燃比則由空燃 比儀將採集的數據傳遞到顯示儀表上，實行實時監視；尾氣排放數據由便攜 式AVL4000排放儀將數據上傳到顯示界面上進行實時監視。
本發明的工作原理如下
汽車電源打開後，車況正常的情況下ECU會開啟LPG/CNG電磁閥，使 LPG/CNG儲氣瓶和電噴嘴之間的管路接通。儲氣瓶內的LPG/CNG經過氣瓶 安全閥，由濾清器過濾，通過電磁閥，經調壓器調壓後，再由燃氣共軌管分 配到個噴嘴埠。ECU將傳感器信號和原車信號輸入，處理數據，分析車況、 依據系統MAP圖運算，最後根據結果，按照一定的時序驅動LPG/CNG噴嘴， 為發動機提供燃料。
在燃氣工作狀態時，燃油通路被切斷，為保證原車信號通路的正常反饋 和燃氣供給量信號的採集，通過該仿真器15實現對原車系統的信號模擬。
本發明中的數據監控系統，是通過PC機串口與ECU相連接，對ECU 實現實時監控和調試的作業系統。系統工作流程是在汽車運行狀況下，操 作人員通過計算機串口發出相應的指令，這些指令經過電平轉換變為RS-232 信號，並傳送到ECU的串口， ECU分析控制信號後，發送回相應的數據， PC機將接收到的數據顯示並繪製實時曲線圖。操作人員根據接收的數據，可 以修改或制定新的控制方案，並發送到ECU， ECU會立即根據新的控制方案 運行，操作人員將及時的看到新方案的運行效果。在汽車停止運行的狀況下， 可以燒錄ECU的微處理器，將新的控制方案固化在晶片上。
ECU的硬體均採用汽車專用元器件，電路優化設計屏蔽了外界幹擾，而 軟體設置了自監測功能，能在硬體反應之前，從錯誤狀況中自動恢復，各個 環節均保證了系統的穩定性和可靠性。
ECU可以通過車用LPG/CNG數據監控系統，在PC機上採集車況實時 數據，繪製實時數據圖，監控LPG/CNG控制器的工作狀況，並可修改其控 制內容，使系統更好的適應各種車型，以達到最低的燃料消耗和最佳的排放 效果。
權利要求1.一種車用雙燃料燃氣發動機智能控制系統，用於對原車電子控制系統的信號進行處理，包括數據採集系統、執行機構、電子控制單元，所述數據採集系統包括傳感器，其特徵在於，所述數據採集系統還包括轉換開關和仿真器，所述轉換開關一端可選擇的與原車電子控制系統和所述仿真器相連，另一端與所述電子控制單元相連。
2. 如權利要求1所述的雙燃料車用燃氣發動機智能控制系統，其特徵在於，所述轉換開關上包括工作狀態顯示燈和液位顯示燈。
3. 如權利要求1所述的雙燃料車用燃氣發動機智能控制系統，其特徵在於， 所述傳感器包括壓力傳感器和燃氣溫度傳感器。
4. 如權利要求1或3所述的雙燃料車用燃氣發動機智能控制系統，其特徵在 於，所述傳感器還包括絕對壓力傳感器。
5. 如權利要求1所述的雙燃料車用燃氣發動機智能控制系統，其特徵在於， 所述電子控制單元包括微處理器模塊、信號採集處理模塊、輸出驅動模塊、 轉換開關模塊；所述微處理器模塊分別與所述信號採集處理模塊、輸出驅動模塊和轉換 開關模塊相連；所述信號採集處理模塊與所述傳感器相連，接收來自傳感器的信號後輸 出至所述微處理器模塊；所述輸出驅動模塊與所述數據採集系統相連，接收微處理器的信號，並 將所述信號輸出給所述數據採集系統。
6. 如權利要求5所述的雙燃料車用燃氣發動機智能控制系統，其特徵在於， 還包括PC機，所述電子控制單元還包括電源模塊，提供整個系統各模塊的所需各種工作電源； 通信埠模塊，使電控單元與PC機連接通訊。
7. 如權利要求1或5所述的雙燃料車用燃氣發動機智能控制系統，其特徵在 於，所述電子控制單元還包括顯示LED告警模塊，顯示發動機燃料的消耗 和存儲情況，並發出相應報警。
8. 如權利要求6所述的雙燃料車用燃氣發動機智能控制系統，其特徵在於， 所述電源模塊的穩壓晶片為SPX1117M3-3.3晶片，和/或所述電源模塊的電 源監控晶片為CAT1025JI-30。
9. 如權利要求1所述的雙燃料車用燃氣發動機智能控制系統，其特徵在於， 所述傳感器包括發動機轉速傳感器、節氣門位置傳感器、進氣管壓力傳感 器、LPG/CNG氣體溫度傳感器、排氣氧含量傳感器、液位傳感器。
10. 如權利要求1所述的雙燃料車用燃氣發動機智能控制系統，其特徵在於， 所述執行器包括LPG/CNG儲氣瓶、濾清器、LPG/CNG電磁閥、調壓器、 分配器、進氣歧管。
專利摘要本實用新型涉及一種車用雙燃料燃氣發動機智能控制系統，用於對原車電子控制系統的信號進行處理，包括數據採集系統、執行機構、電子控制單元，所述數據採集系統包括傳感器，所述數據採集系統還包括轉換開關和仿真器，所述轉換開關一端可選擇的與原車電子控制系統和所述仿真器相連，另一端與所述電子控制單元相連。本系統可以完成發動機各項參數的智能搜集和校準標定，且電控單元採用可應用編程晶片，可以更新保存控制方案，實現發動機的智能監控與性能優化，並具有校準標定便捷，擴展性強的特點，並且在燃氣工作狀態時，燃油通路被切斷時可保證原車信號通路的正常反饋和燃氣供給量信號的採集。
文檔編號F02D19/06GK201071758SQ20072007344
公開日2008年6月11日 申請日期2007年8月9日 優先權日2007年8月9日
發明者宋玉娥 申請人:上海築達發動機技術有限公司