Cng發動機電控系統ecu設計的製作方法
2023-05-23 09:28:36 4
專利名稱：Cng發動機電控系統ecu設計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種CNG發動機電控系統ECU設計，用於6缸CNG發動機 的電子控制系統。
技術背景-
目前世界上使用天然氣作為燃料的車種，其發動機有兩種不同的控制 策略， 一種是採用當量燃燒，也就是在最佳化學當量條件下，空氣與燃料 以最適當的重量或體積混合比混合，進入引擎燃燒室中燃燒；另一種是稀 薄燃燒，也就是供給的燃料量低於當量所需的範圍。北美地區的CNG引擎 製造廠皆是採用後者作為主要的燃燒策略。
稀薄燃燒的特性
(1) 可燃範圍廣在燃燒室中，相對於當量±35%範圍混合氣均可以 被點燃，因此將此應用在稀薄燃燒系統中。
(2) 汙染值最低將燃氣的比例控制在稀薄燃燒的範圍，其所對應產 生的廢氣曲線正好是落在HC曲線末端，C0、N0x顯示最低的區域， 因此所產生的CO、 N0x十分有限，而在HC中(THC)，高達80% 90%屬於甲垸類碳氫化合物，因此實際列入管制的非甲烷類碳氫 化合物(NMHC)之值將會更低。
(3) 加裝渦輪增壓為因應稀薄燃燒所造成的馬力損失，採用稀薄燃 燒的CNG發動機均於進氣歧管前加裝渦輪增壓器，以增加進氣壓力，提高發動機的輸出馬力。
(4) 燃燒範圍的控制稀薄燃燒的範圍大約是在A二l. 1 1.35的範 圍，依照不同的行車模式進行變化，如果在燃料的控制上不得當， 也就是燃料供應不足所需求量的5%以上，將造成熄火；而在高負 載下，配合渦輪增壓功效，若燃料供應超過需求量10%以上，活 塞十分容易熔毀，因此燃料量的控制技術在稀薄燃燒的應用上是 十分重要的一環。
(5) 使用燃料較節省由於使用稀薄燃燒技術，故燃料供應量較低， 比當量燃燒方式， 一段裡程行駛下來，燃料的消耗量低，因此在 同樣條件下之續航力亦較為高。
與一般的CNG發動機相當，稀薄燃燒CNG引擎的作法系將空氣與燃氣進行 充份混合後，再進入燃燒室中燃燒。燃燒產生的廢氣以含氧感知器進行偵 測，以了解實際排放的結果，來提供回饋訊號給引擎的電子控制單元(ECU) 進行判斷與修正；因為天然氣本身可燃範圍廣(9.5 11. 1體積比)，因此 ECU所控制的燃料量幾乎在點火的臨界點附近，比一般供應量要少，若其 氣品中甲垸成份低，也可以在氧傳感器中得到回饋，以補充更多的燃氣。 一般發動機具有怠速旁通管路及發動機轉速限制器的設計，
發明內容
本發明的目的在於提供一種CNG發動機電控系統ECU設計，其用於6 缸CNG發動機的電子控制系統，運行可靠，CNG電控系統採用電子節氣門 位於進氣歧管前方，ECU根據油門踏板的位置及發動機狀況下達指令，驅 動電子節氣門打開到一個固定的開度。本發明的技術方案是這樣實現的 一種CNG發動機電控系統ECU設計，
其特徵在於由中央控制單元CPU、 ECU電源模塊、模擬量輸入、數字量輸
入模塊、電子節氣門控制單元、氧傳感器處理單元、點火系統模塊、噴射模
塊；其中模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、電子節氣門控制單元、氧傳
感器處理單元將信息傳輸到中央控制單元CPU後，經中央控制單元CPU處理
後對點火系統模塊和噴射模塊發出指令，使其噴油和點火.。
中央控制單元CPU採用FREESCALE的MPC555LMFZP40，工作頻率40MHZ; 電子節氣門控制單元，根據節氣門反饋的兩路位置信號進行計算，驅動；模 擬量輸入採用13路模擬量輸入，包括電壓型信號模擬量、電阻型信號模擬 量和熱電偶信號輸入；
開關量輸入模塊包括高端開關輸入和低端開關輸入；
氧傳感器處理單元，採用BOSCH的加熱型寬域氧傳感器LSU4.9，要求ECU 能夠對該氧傳感器進行調理，測量，診斷；
點火模塊中的點火線圈直接設計位於火花塞上緣，採用恆流控制，驅動單元 具有過溫，過流，過壓，短路自保護功能；
噴氣系統採用峰值一保持型電流控制的6個噴射器組成，在每個噴射器上方 安裝電磁閥。
本發明的積極效果是其用於6缸CNG發動機的電子控制系統，運行可 靠，ECU根據油門踏板的位置及進氣歧管絕對壓力傳感器(MAP)、進氣溫度 傳感器(MAT)、發動機曲軸(轉速)信號(CRANK)、冷卻水溫傳感器、踏板 傳感器、節氣門開啟度傳感器及機油壓力傳感器，發動機凸輪軸傳感器， 排氣溫度傳感器，氧傳感器，氣體溫度傳感器等一系列傳感器的信息對發動機下達指令，當發動機和ECU運轉異常時故障訊號燈提醒司機注意；其
採用一路C認通訊和一路SAE J1939通訊， 一路RS232通訊， 一路K線診 斷。
圖l為本發明的硬體總體框圖2為本發明的ECU電源模塊電路圖3為本發明的ECU電源電路圖4為本發明的高端開關量輸入電路圖5為本發明的低端開關量輸入電路圖6為本發明的模擬量輸入電路圖7為本發明的電阻型信號模擬量電路圖8為本發明的熱電偶信號輸入電路圖9為本發明的霍爾傳感器信號電路圖IO為本發明的磁電式傳感器信號電路圖11為本發明的電子節氣門(ETC)模塊電路圖12為本發明的寬域氧傳感器調理模塊電路圖13為本發明的噴射模塊電路圖14為本發明的點火模塊電路具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步的描述如圖1所示， 一種CNG發動 機電控系統ECU設計，其特徵在於由中央控制單元CPU電連接ECU電源模 塊、模擬量輸入、數字量輸入模塊、電子節氣門控制單元、氧傳感器處理單元、點火系統模塊、噴射模塊；其中模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、 電子節氣門控制單元、氧傳感器處理單元將信息傳輸到中央控制單元CPU
後，經中央控制單元CPU處理後對點火系統模塊和噴射模塊發出指令。 中央控制單元CPU採用FREESCALE的MPC555LMFZP40，工作頻率40MHZ; 電子節氣門控制單元，根據節氣門反饋的兩路位置信號進行計算，驅動；模 擬量輸入採用13路模擬量輸入，包括電壓型信號模擬量、電阻型信號模擬 量和熱電偶信號輸入；
開關量輸入模塊包括高端開關輸入和低端開關輸入；
氧傳感器處理單元，採用BOSCH的加熱型寬域氧傳感器LSU4. 9，要求ECU 能夠對該氧傳感器進行調理，測量，診斷；
點火模塊中的點火線圈直接設計位於火花塞上緣，採用恆流控制，驅動單元 具有過溫，過流，過壓，短路等自保護功能；
噴氣系統採用峰值一保持型電流控制的6個噴射器組成，在每個噴射器上方 安裝電磁閥，其中各個模塊的工作情況說明如下
ECU電源模塊ECU的啟動是靠鑰匙開關啟動的，但是ECU停止運行 由ECU自行斷電。ECU在發動機停止運轉後是不供電的，當鑰匙開關給上 後，Ul智能開關第一路對地，在不需要主MCU幹預的情況下，使主繼電器 得電，電池正極通過主繼電器的觸點供給ECU+24V電源。鑰匙開關通過分 壓後一方面送入ECU電源模塊使能電源模塊，使得控制電源有效，MCU開 始工作；另一方面送入到主MCU，主MCU輸出信號驅動lll智能開關的第二 路，使得U1智能開關的第一路和第二路同時驅動主繼電器。當鑰匙開關打 到停止位置時，ECU並不立即斷電，而是由MCU進行控制，在完成發動機運行控制，對相應數據進行處理保存後，斷開主繼電器，ECU上電源全部斷掉。
數字量輸入包括霍爾傳感器信號和磁電式傳感器信號； C1:EMI電容，大小為lnF 1.8nF; Rl， R2:分壓電阻，保證電池電壓在9 32V都能使HS—IO得到正確的信號；Dl:輸入保護，使得TP點保證在一O. 5V + 5.5V; C3:為濾波電容；R4:為限流電阻。
高端開關輸入Rl和R2的配置要保證Iwhetting為3毫安，保證得 到正確的信號的同時提高抗幹擾能力。
低端開關量輸入(頻率信號調理)C1:EMI電容，大小為lnF 1.8 nF; Rl:上拉電阻，
保證LS_I0得到正確的信號，Dl輸入防反保護；R2， C2:阻容濾波，具體 參數根據輸入的頻率確定；低端開關輸入，Rl的配置要保證Iwhetting為 IO毫安，保證得到正確的信號的同時提高抗幹擾能力。
28V噴氣閥驅動電流及測量特性
通常情況下，標準驅動器規格滿足下表
28 V±0.2 V供電峰值電 流，不受限電流在lms時 間內爬升。5A
28V峰值持續期lms
維持電流2.5A
關閉時電壓鉗位65V
9在28v供電時噴嘴的馬g動電流如圖一，標準CNG測量特性參數見下表氣體壓力900 kPa噴嘴全開時的穩定 流量5.634 ± 0.17 g/s28V電壓時的電持 續期CM 魔經裙鱟薪萃柳柳 *5微驅動器工作(ms)mg/循環最大系統出錯限值Kg/m
2.312.3-5%, +5% 0.0185mg
2.614.5-5%, +5% 0.0218
3.016.9-4%, +5% 0.0254
4.022.6-3%， +5% 0屈9
1056.5-3%， +4% 0.0848
20113-3%, +3% 0.1695
低端輸出驅動驅動電路3A，具有自保護功能，共計7路。
如圖1所示的硬體總體框圖，核心控制模塊中核心控制採用FREESCALE的 MPC555 CPU,工作頻率40MHZ， CPU內部集成FLASH 448KB， SRAM 26+6KB， 外擴EEPROM 16KB。
如圖2所示ECU供電模塊ECU的啟動是靠鑰匙開關啟動的，但是 ECU停止運行由ECU自行斷電。ECU在發動機停止運轉後是不供電的，當鑰 匙開關給上後，Ul智能開關第一路對地，在不需要主MCU幹預的情況下， 使主繼電器得電，電池正極通過主繼電器的觸點供給ECU + 24V電源。鑰匙 開關通過分壓後一方面送入ECU電源模塊使能電源模塊，使得控制電源有 效，MCU開始工作；另一方面送入到主MCU，主MCU輸出信號驅動U1智能 開關的第二路，使得U1智能開關的第一路和第二路同時驅動主繼電器。當 鑰匙開關打到停止位置時，ECU並不立即斷電，而是由MCU進行控制，在 完成發動機運行控制，對相應數據進行處理保存後，斷開主繼電器，ECU 上電源全部斷掉。如圖3所示ECU電源電路中，電池電壓經EMI濾波，經600W/10Ms 的TVS保護，經二極體防反保護進入電源晶片。該電源晶片提供十 5V/800mA， +3. 3V/850mA，供給ECU上各個單元。還提供了帶保護診斷功 能的6路獨立的傳感器電源，每路17 raA ，共計102 mA。還提供了一個獨
立硬體窗口式看門狗復位電路。
如圖4所示高端開關量輸入(數字量輸入)中C1:EMI電容，大小為 lnF 1.8nF。 Rl， R2:分壓電阻，保證電池電壓在9 32V都能使HS—10得 到正確的信號。Dl:輸入保護，使得TP點保證在一0.5V + 5.5V。 C3:為濾 波電容。R4:為限流電阻。高端開關輸入，Rl和R2的配置要保證Iwhetting 為3毫安，保證得到正確的信號的同時提高抗幹擾能力。
如圖5所示低端開關量輸入(數字量輸入)中，C1:EMI電容，大小 為lnF 1.8nF。 Rl:上拉電阻，保證LS—10得到正確的信號，Dl輸入防反 保護。R2， C2:阻容濾波，具體參數根據輸入的頻率確定。低端開關輸入， Rl的配置要保證Iwhetting為IO毫安，保證得到正確的信號的同時提高 抗幹擾能力。
如圖6所示模擬量輸入，電壓型信號模擬量中C1:EMI電容，大小為 lnF 1.8nF。 Rl:信號的負載電阻，提高信號的可靠性。R2， C2:阻容濾波，
具體參數根據輸入的頻率確定。
如圖7所示電阻型信號模擬量中，C1:EMI電容，大小為lnF 1.8nF。 Rl:信號的分壓電阻，根據具體的傳感器選取不同的電阻值。R2， C2阻容 濾波，具體參數根據輸入的頻率確定。如圖8所示熱電偶信號輸入； 頻率信號調理(數字量輸入)，圖9所示的霍爾傳感器信號，曲軸轉速
信號，車速信號，風扇轉速信號。Rl:霍爾傳感器是集電極開路信號，Rl 為上拉電阻。R2， C2:為阻容濾波電路。
圖10所示磁電式傳感器信號，凸輪軸位置信號，差分式輸入，固定門檻。
圖ll所示電子節氣門(ETC)模塊，電子節氣門(ETC)模塊由一個 8位單片機和驅動電路組成，ETC模塊自動完成節氣門的控制，保護，診斷。 主MCU只要通過SPI接口和API函數就可完成對ETC模塊的控制。
圖12所示寬域氧傳感器調理模塊，CNG ECU採用寬域氧傳感器 LSU4.9，調理電路由一個8位單片和B0SCH的CJ125氧傳感器處理晶片組 成，該模塊完成寬域氧傳感器的信號處理和診斷，主MCU通過SPI和API 函數完成對模塊的控制。
圖13所示噴射模塊，後相通道，噴射模塊由PSOC CYPRESS,加上 電流採樣以及驅動組成，自保護。完成噴氣閥的電流峰值保持控制。
圖14所示點火模塊，點火模塊採用恆流控制，點火線圈初級電流限 制在7.5A，電壓鉗位在340V。模塊採用自保護。
權利要求
1、一種CNG發動機電控系統ECU設計，其特徵在於由中央控制單元CPU電控制的電源模塊、模擬量輸入、數字量輸入模塊、電子節氣門控制單元、氧傳感器處理單元、點火系統模塊、噴射模塊；ECU電源模塊、模擬量輸入、數字量輸入模塊、電子節氣門控制單元、氧傳感器處理單元將信息傳輸到中央控制單元CPU後，經中央控制單元CPU處理後對點火系統模塊和噴射模塊發出指令。
2、根據權利要求1所述一種CNG發動機電控系統ECU設計，其 特徵在於所述的中央控制單元CPU採用FREESCALE的MPC555LMFZP40， 工作頻率40MHZ;電子節氣門控制單元，根據節氣門反饋的兩路位置 信號進行計算，驅動。
3、根據權利要求1所述一種CNG發動機電控系統ECU設計，其 特徵在於所述的模擬量輸入採用13路模擬量輸入，包括電壓型信號 模擬量、電阻型信號模擬量和熱電偶信號輸入。
4、 根據權利要求1所述一種CNG發動機電控系統ECU設計，其 特徵在於所述的開關量輸入模塊包括高端開關輸入和低端開關輸入。
5、 根據權利要求1所述一種CNG發動機電控系統ECU設計，其 特徵在於所述的氧傳感器處理單元，採用BOSCH的加熱型寬域氧傳感 器LSU4.9,要求ECU能夠對該氧傳感器進行調理，測量，診斷。
6、 根據權利要求1所述一種CNG發動機電控系統ECU設計，其 特徵在於所述的點火模塊中的點火線圈直接設計位於火花塞上緣，採用恆流控制，驅動單元具有過溫，過流，過壓，短路等自保護功能。
7、 根據權利要求1所述一種CNG發動機電控系統ECU設計，其 特徵在於所述的噴射模塊採用峰值一保持型電流控制的6個噴射器。
8、 根據權利要求1所述一種CNG發動機電控系統ECU設計，其 特徵在於所述的ECU電源模塊的啟動是靠鑰匙開關啟動的，停止運 行由ECU自行斷電；當鑰匙開關給上後，Ul智能開關第一路對地， 在不需要主MCU幹預的情況下，使主繼電器得電，電池正極通過主繼 電器的觸點供給ECU+24V電源;鑰匙開關通過分壓後一方面送入ECU 電源模塊使得控制電源有效，MCU開始工作；另一方面送入到主MCU， 主MCU輸出信號驅動Ul智能開關的第二路，使得Ul智能開關的第一 路和第二路同時驅動主繼電器；當鑰匙開關打到停止位置時，ECU並 不立即斷電，而是由MCU進行控制，在完成發動機運行控制，對相應 數據進行處理保存後，斷開主繼電器，ECU上電源全部斷掉。
9、根據權利要求1所述一種CNG發動機電控系統ECU設計， 其特徵在於所述的數字量輸入模塊包括霍爾傳感器信號和磁電式傳 感器信號。
全文摘要
本發明涉及一種CNG發動機電控系統ECU設計，其特徵在於由中央控制單元CPU電連接ECU電源模塊、模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、電子節氣門控制單元、氧傳感器處理單元、點火系統模塊、噴射模塊；ECU電源模塊、模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、電子節氣門控制單元、氧傳感器處理單元將信息傳輸到中央控制單元CPU後，經中央控制單元CPU處理後對點火系統模塊和噴射模塊發出指令。其用於6缸CNG發動機的電子控制系統，運行可靠，CNG電控系統採用電子節氣門位於進氣歧管前方，ECU根據油門踏板的位置及發動機狀況下達指令，是根據電子節氣門來控制。
文檔編號F02D43/00GK101619684SQ20081005090
公開日2010年1月6日 申請日期2008年7月2日 優先權日2008年7月2日
發明者劉鵬飛, 孫永樂, 莫永聰 申請人:中國第一汽車集團公司