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1、(10)申请公布号 CN 104005863 A (43)申请公布日 2014.08.27 C N 1 0 4 0 0 5 8 6 3 A (21)申请号 201410218915.X (22)申请日 2014.05.22 F02D 19/08(2006.01) (71)申请人华南理工大学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381号 (72)发明人肖兵 张承维 (74)专利代理机构广州市华学知识产权代理有 限公司 44245 代理人蔡茂略 (54) 发明名称 一种柴油/天然气主动掺烧电控系统及方法 (57) 摘要 本发明公开了一种柴油/天然气主动掺烧电 子控制系统及方法，包括单片机。
2、，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系统是 并联关系，不依赖原厂电控系统，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。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)。
3、发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104005863 A CN 104005863 A 1/1页 2 1.一种柴油/天然气主动掺烧电子控制系统，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所述的控制系统，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。
4、的控制系统，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所述的控制系统，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所述的控制系统，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所述的控制系统，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任一项所述控制系统的控制方法，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。
5、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。 权 利 要 求 书CN 104005863 A 1/4页 3 一种柴油 / 天然气主动掺烧电控系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及发动机电子控制领域，特别涉及一种。
6、柴油/天然气主动掺烧电控系统 及方法。 背景技术 0002 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系统不变，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。 0003 从功能方面看，柴油/天然气双燃料掺烧发动机系统分为柴油喷射控制与天然气 喷射控制两部分。双燃料掺烧电控系统的核心是掺烧ECU(电子控制。
7、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，所以目前双燃料系统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系统提供仿真信号， 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。
8、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 0004 为了克服现有双燃料系统完全依赖原厂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系统及方法，既控制引燃柴油喷射量，又控制 引燃柴油的喷射定时。 0005 本发明采用如下技术方案： 0006 一种柴油/天然气主动掺烧电子控制系统，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。
9、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。 0007 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。 0008 所述负荷信号处理电路具体为巴特沃斯二阶滤波器。 0009 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。 0010 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 说 明 书CN 104005863 A 2/4页 4 轴位置的自适应处理。 0011 所述天然气喷嘴智能驱动电路包括天然气。
10、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。 0012 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； 0013 根据发动机不同状态，切换纯柴油模式及主动掺烧模式； 0014 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； 00。
11、15 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。 0016 本发明的有益效果： 0017 (1)掺烧电控系统不依赖于测量原厂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。 0018 (2)通过掺烧电控系统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。 。
12、附图说明 0019 图1是本发明的主动掺烧电控系统结构示意图； 0020 图2是本发明自适应处理电路示意图； 0021 图3是本发明天然气喷嘴智能驱动电路示意图； 0022 图4是本发明纯柴油模式/主动掺烧模式切换开关原理图； 0023 图5是柴油喷嘴智能驱动电路示意图； 0024 图6是单片机的工作流程图。 具体实 施方式 0025 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。 0026 实施例 0027 如图1所示，一种柴油/天然气的双燃料主动掺烧电子控制系统，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。
13、 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。 0028 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。 说 明 书CN 104005863 A 3/4页 5 0029 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。 0030 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。
14、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。 0031 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C 1 、C 2 滤除曲轴位置信号NE+、NE-上的共模干扰，通过电容 C 3 、C 4 、R 1 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R 2 ，R 3 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。
15、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。 0032 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V batt ， 天然气喷嘴的低端接驱动场效应管VND14NV04漏极，VND14NV04的源极经电流测量电阻 R shunt 接地，为保证喷嘴正常开启，R shunt 阻值很小，R shunt 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v 1 ,v 2 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V I ，单片机根据V I 大小，控制VND14NV04门极 的通断。
16、，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。 0033 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SWh 1 、SWh 2 作为高端开关，SWl 1 、SWl 2 作为低端开关，由掺烧电控系统决定柴油喷嘴1是被原厂ECU控 制还是被掺烧电控系统的掺烧ECU控制。 0034 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 SWh 1 ,SWh 2 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SWl 1 ,SWl 2 分别与原厂ECU。
17、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，SWh 1 、SWl 1 导通，SWh 2 、SWl 2 关断；当选择掺烧模式，则SWh 1 、SWl 1 关断，SWh 2 、SWl 2 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。 0035 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V Boost 是电池电压V Batt 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。
18、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。 0036 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； 0037 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； 0038 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 说 明 书。
19、CN 104005863 A 4/4页 6 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。 0039 本发明主动掺烧电控系统与原厂柴油机电控系统是并联关系，能不依赖原厂电控 系统，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。 0040 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。 说 明 书CN 104005863 A 1/2页 7 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 104005863 A 2/2页 8 图4 图5 图6 说 明 书 附 图CN 104005863 A 。