电控供油的油气双燃料发动机的控制系统及其控制方法
【专利摘要】电控供油的油气双燃料发动机的控制系统及其控制方法，包括高压共轨喷射系统、燃气喷射系统和油/气双燃料电控系统，油/气双燃料电控系统包括传感器部分、执行器、双燃料ECU和燃油ECU，该控制系统通过喷油器控制柴油量，通过燃气控制喷嘴控制燃气量，通过电子节气门体控制进气空气量，通过宽域氧传感器检测和闭环反馈控制发动机工作的空燃比，该控制方法能够使发动机在纯燃油工作模式和燃油/燃气双燃料工作模式下切换，并控制发动机良好运行，能够根据柴油发动机不同的工作状态精确控制柴油喷射量，同时能够控制气体燃料的喷射时刻及喷射持续期、进气空气量和空燃比，从而保证双燃料发动机安全平稳运行，减低燃料消耗，减少尾气排放。
【专利说明】电控供油的油气双燃料发动机的控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于发动机控制【技术领域】，具体涉及一种电控供油的油气双燃料发动机的控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]随着石油资源的日趋紧张，世界燃油价格一再飙升，我国的石油价格也是一涨再涨，地球上储量丰富的气体燃料如天然气因其与汽柴油相比具有价格优势，且具有更好的环保性能，其使用可以有效降低柴油机的使用成本、缓解能源的短缺、解决排放污染等问题，因而要发展气体燃料发动机。而柴油/气体燃料双燃料发动机(简称油气双燃料发动机)就是一种气体燃料发动机。现有的柴油/气体燃料双燃料发动机，如柴油/天然气双燃料发动机、柴油/液化石油气(LPG)双燃料发动机，通常是在柴油发动机及柴油电子控制系统的基础上加装气体燃料控制系统而得到，这种发动机通常存在三个方面的问题，一是引燃柴油量的控制问题，发动机工作双燃料模式时，由于柴油燃点低，主要起到首先压燃着火引燃燃气的作用，为了追求经济性指标，柴油量只占到总燃料量的5?20%，在这么小的量的情况下，其控制稳定性和精度难度大；二是热负荷较高，与原柴油机相比，燃烧气体燃料之后由于气体燃料如天然气的燃烧速度慢产生的后燃，加之压缩比一般仍保持原柴油机的高压缩比导致零部件的热负荷高而影响了发动机的寿命；三是有些气体燃料如天然气的甲烷排放高，例如天然气的主要成分是甲烷，甲烷的着火温度约630°C大大高于柴油的260 V,而双燃料发动机部分负荷时气缸内混合气较稀，气缸内温度较低而导致一些温度较低区域的甲烷不能燃烧而形成高的甲烷排放，并造成甲烷浪费而影响了发动机的经济性能。上述三方面问题的存在，影响发动机运行的安全性和可靠性，同时增加了燃料的消耗量和尾气排放。
[0003]现有发明CN201110291569.4针对电控单体泵、电控泵喷嘴或者电控共轨柴油/气体燃料双燃料发动机提出了一种油气的控制方法和装置，该双燃料发动机控制系统是在保留原机发动机控制系统的基础上，增加一套柴油及燃气控制单元。原机的各个信号(水温，增压压力及温度，轨压，等等)，被双燃料控制系统和原机的电控系统共享。增加的双燃料控制单元可控制柴油喷射(柴油喷油器电磁阀控制)以及加装的燃气喷射系统(包括燃气喷嘴电磁阀控制、燃气开关阀控制、燃气液位、压力和温度监测等)，而原机的其他部件(如轨压、空气系统(VGT、EGR等))仍由原机系统控制。原机的柴油喷射的控制权，通过外部的继电器进行切换，该继电器由双燃料控制系统控制，通过控制该继电器可以获得纯柴油状态以及双燃料两种工作模式。但该发明还存在结构不够优化、发动机运行的安全性和可靠性不够强等缺点。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种电控供油的油气双燃料发动机的控制系统及其控制方法，能够改进现有电控共轨、电控单体泵或电控泵喷嘴供油的柴油/燃气双燃料发动机的油气的控制系统和控制方法存在的问题，能更方便的融合目前主流柴油电控系统，使双燃料发动机控制系统更加精确，发动机运行更加安全可靠、经济、环保。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0006]一种电控供油的油气双燃料发动机的控制系统，包括高压共轨喷射系统、燃气喷射系统和油/气双燃料电控系统；
[0007]高压共轨喷射系统包括依次相连的燃油箱、过滤器、高压油泵和高压共轨管；
[0008]燃气喷射系统包括设置在连接管路上的燃气控制喷嘴、燃气开关总阀、燃气压力调节阀和燃气分配管；
[0009]油/气双燃料电控系统包括传感器部分、执行器、以及采集传感器部分的信号并控制执行器运作的双燃料ECU和燃油ECU(电子控制单元)；
[0010]其中双燃料ECU包括用于接收传感器部分采集的信号的输入信号处理模块、与执行器相连的输出接口驱动模块、以及与信号处理模块和输出接口驱动模块相连的微处理器，双燃料ECU内还设有喷油器模拟负载；燃油ECU内设有喷油器驱动输出端，且喷油器驱动输出端与输入信号处理模块和喷油器模拟负载相连；
[0011]执行器包括与燃料E⑶相连的高压油泵控制阀，以及与双燃料E⑶相连的喷油器和燃气控制喷嘴；
[0012]传感器部分包括同时与燃油ECU和双燃料ECU相连的位于发动机机体上的水温传感器、位于进气总管上的进气歧管压力温度传感器和或进气流量传感器、位于发动机飞轮端的曲轴位置传感器、位于油泵凸轮轴或进排气门凸轮轴处的凸轮轴位置传感器和用于检测油门踏板位置的油门踏板位置传感器，以及与双燃料ECU相连的用于测量燃气控制喷嘴进口处燃气压力和温度的燃气压力和温度传感器和设置在燃气储存罐内的燃气液位或压力传感器。
[0013]所述的输出接口驱动模块包括与燃气控制喷嘴相连的燃气控制喷嘴驱动模块和与喷油器相连的喷油器驱动模块。
[0014]所述的执行器还包括用于对发动机进气空气流量进行控制的电子节气门体，所述的输出接口驱动模块还包括与电子节气门体相连的电子节气门驱动模块，所述的传感器部分还包括位于电子节气门体上的节气门位置传感器，节气门位置传感器与输入信号处理模块相连。
[0015]所述传感器部分还包括用于测量发动机工作空燃比的宽域氧传感器，宽域氧传感器安装于排气总管或排气管上；所述的执行器还包括宽域氧传感器控制端；所述的输出接口驱动模块还包括与宽域氧传感器控制端相连的宽域氧传感器接口模块。
[0016]所述传感器部分还包括用于测量发动机排气温度的排温传感器，排温传感器安装于排气总管或排气管上，排温传感器与输入信号处理模块相连。
[0017]所述的执行器还包括燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端，所述的输出接口驱动模块还包括与燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端相连的信息显示终端接口模块；
[0018]燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端中设有双燃料模式选择开关，所述的传感器部分还包括与双燃料模式选择开关功能相同的燃油/燃气双燃料工作模式切换开关，燃油/燃气双燃料工作模式切换开关与输入信号处理模块相连。[0019]所述的传感器部分还包括设置在蓄电池上的系统供电电源电压传感器，以及设置在高压共轨管上的共轨压力传感器，其中系统供电电源电压传感器与输入信号处理模块相连，共轨压力传感器与燃料ECU相连；
[0020]所述的执行器还包括与燃料ECU相连的增压器控制阀和废气再循环控制阀。
[0021]一种电控供油的油气双燃料发动机的控制方法，首先检测控制系统是否工作正常，在控制系统正常工作的条件下检测发动机处于哪种工作模式，即纯燃油工作模式或燃油/燃气双燃料工作模式，在燃油/燃气双燃料工作模式下，先检测系统是否满足燃油/燃气双燃料工作模式的运行条件，满足则维持燃油/燃气双燃料工作模式，不满足则转换至纯燃油工作模式，每进行一轮纯燃油工作模式或燃油/燃气双燃料工作模式后重新进行控制系统和工作模式的检测，直至发动机停止工作；
[0022]在纯燃油工作模式下:双燃料E⑶产生与燃油E⑶的喷油器控制信号相同的信号，驱动喷油器喷油并实施燃油喷油量控制，燃气控制喷嘴停止喷射燃气；
[0023]在燃油/燃气双燃料工作模式下:双燃料ECU根据所检测到的喷油量，根据燃油替代率MAP (脉谱图)，计算得到燃气量和引燃燃油量，并根据喷油器特性MAP和燃气控制喷嘴特性MAP、燃油喷射正时MAP和燃气喷射正时MAP、发动机参数修正MAP和燃气参数修正MAP，产生和输出喷油器和燃气控制喷嘴驱动信号，实施对喷油器和燃气控制喷嘴的控制。
[0024]在燃油/燃气双燃料工作模式下:采用电子节气门体控制发动机进气量，双燃料ECU根据所供发动机的燃料量和设定的空燃比MAP计算对应工况下所需空气量，通过电子节气门体调节其节气门开度实现对目标空气量的控制；空气量的测量方法采用进气流量传感器直接测量，或者通过进气歧管压力温度传感器结合发动机的进气量模型计算得到；
[0025]在燃油/燃气双燃料工作模式下:采用宽域氧传感器测量和控制发动机工作空燃t匕，发动机空燃比的控制采用开环控制与闭环控制相结合的方法，根据宽域氧传感器所测量的实际空燃比与目标空燃比的差异闭环调节燃油量和燃气量，使实测空燃比与目标空燃比一致；
[0026]在燃油/燃气双燃料工作模式下:采用排温传感器测量发动机排气温度，当发动机排温超过设定值时，控制燃气控制喷嘴对燃气喷射量进行限制或者切换到纯燃油工作模式，从而限制气缸内的热负荷。
[0027]具体包括以下步骤:
[0028]I)检测发动机控制系统的各传感器信号，判断是否存在故障，否则进入步骤2)，是则进入步骤9)；
[0029]2)根据双燃料模式选择开关或燃油/燃气双燃料工作模式切换开关的状态，判定发动机的工作状态，若选择纯燃油工作模式则进入步骤9)，若选择燃油/燃气双燃料工作模式则判断是否满足燃油/燃气双燃料工作模式的条件，若满足则进入步骤3)，否则进入步骤9)；
[0030]3)发动机进入燃油/燃气双燃料工作模式，根据从燃油ECU的喷油器驱动输出端的信号测得的燃油喷射脉宽，和由共轨压力传感器测得的轨压计算总的柴油需求量，根据发动机的转速和负荷标定气体燃料替代率MAP，得到当前工况下的替代率r，根据替代率分别计算引燃燃油量Q—和气体燃料量Qgas，之后进入步骤4)；
[0031 ] 4)检查是否安装电子节气门体，若未安装则进入步骤6)，若安装则根据已经计算的引燃燃油量Q—和气体燃料量Qgas,根据标定的目标空燃比MAP计算对应工况下发动机的目标进气空气量，之后进入步骤5)；
[0032]5)检查是否安装进气流量传感器，若安装则根据进气流量传感器实测的空气流量闭环反馈调节电子节气门体的节气门开度，使实测空气流量与计算目标空气流量一致，然后进入步骤6);若未安装则检查是否安装进气歧管压力温度传感器，若未安装则进入步骤
6)，若安装则根据发动机的进气充气模型和目标空气流量计算目标进气歧管压力，并闭环反馈控制节气门开度至实测进气管压力与目标进气歧管压力一致，之后进入步骤6)；
[0033]6)根据设定或标定的目标空燃比，进行引燃燃油量和气体燃料量的闭环反馈修正，通过调整引燃燃油量和气体燃料量，使发动机工作的实际空燃比与目标空燃比一致，并得到最终的引燃燃油量和气体燃料量，然后进行步骤7)；
[0034]7)根据排温传感器的信号，检查排温是否超过设定值或标定值，若未超过则进入步骤8)，若超过则通过降低燃油替代率r、减少总燃料喷射量或者切换到纯燃油工作模式进行排温保护控制，然后进入步骤8)；
[0035]8)根据高压油泵的供油特性MAP和燃气控制喷嘴的特性MAP，将最终的引燃燃油量和气体燃料量分别转换成喷油器控制脉宽和气体燃料喷射脉宽，进入步骤10)；
[0036]9)发动机进入纯燃油工作模式，此时由双燃料E⑶产生与燃油E⑶产生的喷油器控制信号完全相同的信号控制喷油器进行喷油，并停止燃气控制喷嘴工作，然后进行步骤
10)；
[0037]10)进行信息显示，采用双向通信的方式将双燃料模式选择开关的信息发给双燃料ECU，同时双燃料ECU将需要显示的数据信息发给燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端，然后整个控制进程返回到步骤I)重复开始进行，直至发动机停止工作为止。
[0038]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
[0039]本发明提供的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统，在纯燃油控制系统的基础上增加了用于喷射燃气的燃气喷射系统，以及用于控制油气喷射的油/气双燃料电控系统，能够用于电控单体泵、电控泵喷嘴和共轨技术下的燃油/燃气双燃料发动机的油气喷射控制。其中油/气双燃料电控系统包括传感器部分、执行器、以及采集传感器部分的信号并控制执行器运作的双燃料ECU和燃油ECU。双燃料ECU通过燃油/燃气选择开关和发动机的工作条件判断发动机工作在纯燃油模式还是双燃料模式。在纯燃油模式下由双燃料ECU产生与燃油ECU相同的控制信号，由双燃料ECU直接驱动喷油器喷油，无需使用继电器切换使喷油器在纯燃油模式下由燃油ECU控制喷油器并在双燃料模式下由双燃料ECU控制驱动喷油器，这样就取消了多个继电器，简化了控制系统，增加了控制系统工作的可靠性。在燃油/燃气双燃料模式下，油气双燃料控制由双燃料ECU配合传感器部分和执行器共同完成控制，其中传感器部分包括用于监测发动机各个运行状态的多种传感器，这些传感器采集的信号经双燃料ECU处理后形成指令，并由执行器完成指令，执行器在工作过程中将信息反馈给双燃料ECU，进行指令的调整，达到控制目的。双燃料ECU通过采集发动机各个传感器的信号，判定发动机的工作状态，并根据实时采集的发动机的运行工况参数，按照设定的发动机在各工作状态下的燃油喷射参数与燃气喷射参数，将燃油与燃气的控制信号分别传输至执行器，最终由喷油器控制喷油，由燃料控制喷嘴控制喷气，从而以燃气代替部分燃油，完成油气的同步利用。本发明提供的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统能够改进电控共轨、电控单体泵或电控泵喷嘴供油的柴油/燃气双燃料发动机的油气的控制系统存在的问题，能够根据发动机不同的工作状态精确控制燃油喷射量，同时能够控制气体燃料的喷射时刻及喷射持续期、进气空气量，能更方便的融合目前主流柴油电控系统，从而保证双燃料发动机安全平稳运行，减低燃料消耗，减少尾气排放，使双燃料发动机控制系统更加精确，发动机运行更加安全可靠、节能、经济、环保。
[0040]进一步的，本发明提供的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统中增加了电子节气门这个进气量控制装置，通过在部分负荷对进气节流以减少发动机的进气量，能够在保持原发动机工况的燃料量的情况下增加气缸内混合气的浓度，使发动机缸内的混合气浓度控制在燃料的稀燃极限以内，这样能降低失火和提高燃料的利用率，从而改善发动机的燃料经济性，提高柴油的替代率来改善发动机的燃料经济性，提高燃料的燃烧效率，降低未燃碳氢(HC)排放，同时提高发动机的排气温度，有利于使用尾气后处理装置来进一步降低有害尾气排放。
[0041]进一步的，本发明提供的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统，在排气管上安装宽域的氧传感器，对发动机工作的空气燃料混合比(空燃比)进行检测，并实现设定目标空燃比的闭环反馈控制，以提高系统空燃比控制的精度，从而在很大程度上克服引燃油量控制的精度问题，提高系统工作的稳定性和可靠性。
[0042]进一步的，本发明提供的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统，增加了排气温度传感器，通过检测发动机排温对双燃料发动机的热负荷进行监测，在热负荷超标时通过降低发动机燃气量、降低发动机功率输出或者切换到纯燃油模式来保护发动机，使其安全运行，避免热负荷高而损坏发动机。
[0043]本发明提供的电控供油的油气双燃料发动机的控制方法，在纯燃油工作模式和燃油/燃气双燃料工作模式下都能很好的控制发动机进行正常工作，并能够及时进行工作模式的切换，在燃油/燃气双燃料工作模式下:双燃料ECU根据所检测到的喷油量，根据燃油替代率MAP，计算得到燃气量和引燃燃油量，并根据喷油器特性MAP和燃气控制喷嘴特性MAP、燃油喷射正时MAP和燃气喷射正时MAP、发动机参数修正MAP和燃气参数修正MAP，产生和输出喷油器和燃气控制喷嘴驱动信号，实施对喷油器和燃气控制喷嘴的控制。本发明提供的电控供油的油气双燃料发动机的控制方法能够改进电控共轨、电控单体泵或电控泵喷嘴供油的柴油/燃气双燃料发动机的油气的控制方法存在的问题，能够根据发动机不同的工作状态精确控制燃油喷射量，同时能够控制气体燃料的喷射时刻及喷射持续期、进气空气量，能更方便的融合目前主流柴油电控系统，从而保证双燃料发动机安全平稳运行，减低燃料消耗，减少尾气排放，使双燃料发动机控制系统更加精确，发动机运行更加安全可靠、节能、经济、环保。
[0044]进一步的，本发明提供的电控供油的油气双燃料发动机的控制方法，使用电子节气门的节气门开度控制发动机进气空气量，提高柴油的替代率来改善发动机的燃料经济性，提高燃料的燃烧效率，降低未燃碳氢(HC)排放，同时提高发动机的排气温度；使用宽域氧传感器对双燃料发动机空燃比进行检测和进行空燃比闭环反馈控制，能够克服机械泵的引燃油量控制的精度问题，提高系统工作的稳定性和可靠性；使用排气温度传感器对发动机排温进行检测，来限制发动机工作的热负荷，从而保护发动机，使其安全运行。【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1为本发明提供的发动机控制系统的结构示意图；
[0046]图2为本发明提供的发动机控制系统的结构示意框图；
[0047]图3为本发明提供的发动机控制方法的流程图；
[0048]其中:10为传感器部分、11为废气涡轮增压器、12为废气再循环装置、13为共轨压力传感器、14为水温传感器、15为进气歧管压力温度传感器、17为凸轮轴位置传感器、18为曲轴位置传感器、19为油门踏板位置传感器、21为系统供电电源电压传感器、22为燃气液位或压力传感器、23为燃油/燃气双燃料工作模式切换开关、24为燃气压力和温度传感器、25为节气门位置传感器、26为宽域氧传感器、27为排温传感器、28为燃气储存罐、29为喷油器驱动输出端、30为燃油ECU、31为喷油器模拟负载、32为输入信号处理模块、33为微处理器、34为喷油器驱动模块、35为燃气ECU、36为燃气控制喷嘴驱动模块、37为宽域氧传感器接口模块、38为电子节气门驱动模块、39为信息显示终端接口模块、40为执行器、42为增压器控制阀、43为废气再循环控制阀、44为高压油泵控制阀、45为喷油器、46为燃气控制喷嘴、47为宽域氧传感器控制端、48为电子节气门体、49为燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端、50为燃气压力调节阀、54为进气总管、55为发动机机体、56为连接管路、57为排气总管、58为燃油箱、59为进气流量传感器、60为高压油泵、61为过滤器、62为排气歧管、63为排气管、64为高压共轨管、65为燃气分配管、66为线束、67为油门踏板、68为进气歧管、69为进气总管、70为排气消声器和或后处理器、71为蓄电池、72为高压油管、73为燃气开关总阀。
【具体实施方式】
[0049]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0050]参照图1和图2，本发明提供的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统包括发动机机体55、废气涡轮增压器11、废气再循环装置12、实施柴油量控制与高压喷射的高压共轨喷射系统、燃气喷射系统和油/气双燃料电控系统。
[0051]所述的高压共轨喷射系统包括高压油泵60、过滤器61、高压共轨管64、喷油器(喷嘴)45及连接管路，位于燃油箱58中的燃油经过过滤器61到达高压油泵60，加压后到达高压共轨管64后被分配到各个喷油器45，由喷油器实施计量和喷射。
[0052]所述燃气喷射系统包括电磁阀式的燃气控制喷嘴46、电控式的燃气开关总阀73、燃气储存罐28内的燃气液位或压力传感器22、燃气压力调节阀50和安装于燃气分配管65上或者连接管路56中的燃气压力和温度传感器24。燃气以液态形式或者气态形式存贮于燃气储存罐28中，储存液态燃料的燃气储存罐带有将液态燃气进行吸热蒸发气化的蒸发器装置，气态燃料离开蒸发器后到达燃气开关总阀73处，燃气开关总阀73是控制燃料能否到达发动机的总阀，燃气开关总阀73由双燃料E⑶35控制。气体燃料(燃气)经过燃气开关总阀73到达燃气压力调节阀50，将燃料压力降至常用的喷射压力范围(3?8Bar)，然后经燃气分配管65到达燃气控制喷嘴46，由燃气控制喷嘴46喷射进入发动机的进气管。所述燃气控制喷嘴以一组多个的形式安装于发动机的电子节气门体前的进气总管69或者电子节气门体后的进气总管54上，称为单点喷射；或者燃气控制喷嘴以单个的形式安装于发动机的进气歧管68上时，称为多点喷射；燃气控制喷嘴46由双燃料ECU35控制，燃气控制喷嘴的喷气量由燃气压力和控制脉冲的脉宽决定。
[0053]所述的油/气双燃料电控系统包括传感器部分10、执行器40、燃油ECU30和燃气E⑶35组成。所述传感器部分10包括同时连接于燃油E⑶30和双燃料ECU35的位于发动机机体55上的水温传感器11、进气总管54上的进气歧管压力温度传感器15或者位于废气润轮增压器11之前的进气流量传感器59、曲轴位置传感器18、凸轮轴位置传感器17、油门踏板位置传感器19、共轨压力传感器13，所述传感器部分10还包括只连接于双燃料ECU35的燃气压力和温度传感器24、燃气液位或压力传感器22、排温传感器27、宽域氧传感器26、节气门位置传感器25、燃油/燃气双燃料工作模式切换开关23。
[0054]所述燃油E⑶30的喷油器驱动输出端29同时连接到双燃料E⑶35的输入信号处理模块32和喷油器模拟负载(模拟柴油喷嘴负载特性的电路)31，以便双燃料ECU能对燃油ECU的喷油器驱动输出端29的信号脉宽进行检测，以确定由燃油ECU所确定的柴油量，所述喷油器模拟负载31位于双燃料ECU内部或者成为单独的模块放置在双燃料ECU的外部。
[0055]根据发动机进气流量的测量方法的不同，所述传感器部分10中若采用进气歧管压力温度传感器15，则速度密度法按照发动机的充气模型计算得到发动机各缸的充气量，发动机的充气模型在后面详细说明；若采用位于废气涡轮增压器11之前的进气流量传感器59，则直接测量发动机进气流量计算各缸充气量，两种方法使用其中之一即可。
[0056]所述双燃料E⑶包括与各传感器相连的输入信号处理模块32、微处理器33和输出接口驱动电路，各个传感器的信号经过输入信号处理模块32处理转变为微处理器33所能接受的数字量，微处理器经过运算、判断处理和产生的输出量通过相应的输出接口驱动电路，使执行器40工作。
[0057]所述燃油E⑶的内部结构与双燃料ECU的基本相同。
[0058]所述执行器40包括连接于燃油E⑶的增压器控制阀42、废气再循环控制阀43、高压油泵控制阀44，所述执行器还包括与双燃料ECU中喷油器驱动模块34相连的喷油器45、与双燃料ECU中的燃气控制喷嘴驱动模块36相连的燃气控制喷嘴46、与双燃料ECU的电子节气门驱动模块38相连的控制发动机进气空气量的电子节气门体48、与宽域氧传感器接口模块37相连的宽域氧传感器控制端47，与双燃料ECU中的信息显示终端接口模块39相连的燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端49。其中喷油器驱动模块可以采用以专门的驱动集成电路如L9781为核心组成的电路，电子节气门驱动模块可以采用专门的驱动集成电路如L9958，宽域氧传感器接口模块可采用如CJ125，微处理器可采用MC9S12。燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端49与双燃料ECU采用双向通信的方式将双燃料模式选择开关的信息发给双燃料ECU，同时双燃料ECU将需要显示的数据信息发给燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端49，根据通信方式的不同，其接口电路也不同，可以采用汽车上常用的通信方式如K线方式、CAN总线方式和LIN总线方式等实现。油/气双燃料电控系统各部件通过线束66相连。
[0059]所述燃油ECU输出端连接有喷油器模拟负载，喷油器模拟负载两端同时连接于双燃料ECU和燃油ECU ;所述双燃料ECU控制燃气喷射量、喷射正时，还控制电子节气门体来控制进气空气量等，所述燃油ECU控制发动机控制柴油喷射压力、喷射量及喷油时刻，控制废气涡轮增压器，控制废气再循环等；所述双燃料ECU通过燃油/燃气选择开关和发动机的工作条件判断发动机工作在燃油模式或者双燃料模式，当发动机工作在纯燃油模式时，双燃料ECU根据同时连接于燃油ECU输出端和双燃料ECU输入端的的模拟负载检测到的柴油喷射信号，产生与之同等的信号控制喷油器，控制燃油控制喷嘴停止工作，双燃料工作模式时，双燃料ECU根据从模拟负载检测的柴油喷射脉宽和柴油共轨压力计算总的柴油喷射量，根据设定的替代率将总油量换算成燃气量和引燃柴油量，同时控制喷油器工作和燃气控制喷嘴工作，使发动机工作在双燃料模式下；双燃料模式时，双燃料ECU还通过电子节气门体对进气流量进行控制，并利用宽域氧传感器对发动机运行的空燃比进行闭环控制，从而保证双燃料发动机安全平稳运行，减低燃料消耗，减少尾气排放。
[0060]通常将进气管绝对压力传感器和进气温度传感器集成为一体，成为进气歧管压力温度传感器15，但分开放置也不影响传感器和系统的功能。
[0061]通常将燃气压力传感器和燃气温度传感器集成为一体，成为燃气压力和温度传感器24，但分开放置也不影响传感器和系统的功能。
[0062]本发明提供的电控供油的油气双燃料发动机的控制方法，燃油ECU控制除燃气喷射系统之外的发动机的其他系统，如废气涡轮增压器11、废气再循环装置12、高压油泵44等。燃油ECU的喷油器驱动输出端连接于双燃料ECU的输入信号处理模块和喷油器模拟负载，双燃料ECU通过检测燃油ECU的喷油器驱动输出端输出信号的脉宽和高压柴油共轨压力确定柴油喷油量，并根据燃油/燃气双燃料工作模式切换开关的状态，结合检测发动机的水温、检测发动机电控系统是否存在故障，等条件判断发动机是否工作在纯柴油模式(单燃料模式)或者柴油/燃气双燃料模式，当工作在单燃料模式时，双燃料ECU产生与其所检测到的燃油ECU喷油器驱动输出端29信号相同的信号，来驱动与之相连的喷油器45，当工作在柴油/燃气双燃料模式时，双燃料ECU根据所检测到的柴油喷油量，根据存储于的柴油替代率脉谱图(MAP)，计算得到燃气量和引燃柴油量，并根据柴油喷嘴特性和燃气喷嘴特性的相关MAP、柴油喷射正时MAP和燃气喷射正时MAP、发动机参数修正MAP和燃气参数修正MAP等，产生和输出喷油器和燃气控制喷嘴驱动信号到与之相连的喷油器和燃气控制喷嘴，实施对喷油器和燃气控制喷嘴的控制。
[0063]所述双燃料ECU还通过安装于发动机进气总管上的电子节气门体48控制发动机进气量，双燃料ECU根据所供发动机的燃料量和设定的空燃比MAP计算对应工况下所需空气量，通过电子节气门体调节其节气门开度实现对目标空气量的控制。空气量的测量方法可以进气流量传感器59直接测量，或者通过安装于电子节气门体下游进气总管54上的进气歧管压力温度传感器15，由发动机的进气量模型计算得到。
[0064]所述控制方法还包括采用安装于排气总管57或者排气管63上的宽域氧传感器26测量和控制发动机工作空燃比，发动机空燃比的控制采用开环控制与闭环控制相结合的方法。发动机空燃比的控制首先是建立在开环控制的基础上，所述的开环控制过程是:双燃料ECU根据燃料ECU所确定的发动机在不同工况的喷油总量，并以此为基础，根据预设的目标柴油替代率MAP、发动机的工作状态参数和工况参数来计算引燃柴油量和气体燃料量，根据所得到的引燃油量结合共轨压力传感器13所检测的柴油压力、喷油器的特性计算引燃油量控制脉宽，并由双燃料ECU控制喷油器喷射对应的引燃油量，对燃气控制喷嘴进行控制使其喷射对应的燃气量，根据计算所得到的柴油量和燃气量，按照设定的目标空燃比MAP，计算进气空气量，控制电子节气门体使发动机的进气空气量与计算空气量一致。
[0065]然而由于实际柴油量和燃气量与计算柴油量和燃气量存在误差、计算空气量与实际空气量存在误差等多方面误差的存在使得发动机工作的实际空燃比与目标空燃比存在差异，为了减小这种差异，需要根据宽域氧传感器所测量的实际空燃比与目标空燃比的差异闭环调节柴油量和燃气量，使实测空燃比与目标空燃比一致。通常闭环控制的方法采用比例-积分-微分(PID)方法进行。
[0066]所述控制方法还包括采用安装于排气总管57或排气管63上的测量发动机排气温度的排温传感器27测量发动机排气温度，当发动机排温超过设定值时，对发动机的燃气喷射量进行限制以降低发动机的功率输出，从而降低排温，或者切换到纯柴油模式以降低排温，降低气缸内的热负荷就降低了排温，从而保护发动机，使保证发动机安全可靠的运行。
[0067]下面结合图3来详细描述控制方法的具体步骤:
[0068]步骤101:采集发动机各传感器的信号，包括水温传感器信号、燃气液位或压力传感器信号、燃气液位或压力传感器信号、油门踏板位置传感器信号、系统供电电源电压传感器信号、曲轴位置传感器信号、凸轮轴位置传感器信号、燃油/燃气双燃料工作模式切换开关信号状态，进气歧管压力温度传感器信号、进气流量传感器信号、宽域氧传感器信号、节气门位置传感器信号，将上述采集到的信号送到双燃料ECU的输入信号处理模块32，转换成双燃料ECU的微处理器33能识别的数据，进行下一步骤102。
[0069]步骤102:将采集到的数据进行算法处理后，针对各种传感器和执行器的硬件特性进行技术分析处理，判断控制系统和发动机是否故障，是，则直接进入步骤117的纯柴油工作模式；反之则进入下一步骤103。
[0070]步骤103:根据双燃料模式选择开关的信号状态，判定发动机的工作状态，若选择双燃料模式，则进入步骤104，否则进入步骤117。
[0071]步骤104:判断是否满足双燃料工作模式的切换条件，若满足则进入步骤105，否则进入步骤117。满足切换条件主要为:(I)柴油发动机的水温处在合适范围，大于设定低温(如60°C )同时小于设定的过热温度(如93°C )，(2)发动机转速满足条件，如大于1000r/min, (3)燃气液位或压力传感器信号显示燃气储存罐的燃气的存储量满足发动机进入双燃料模式运行，(4)电源电压(蓄电池的电压)满足正常运行条件，电池不亏电，等。
[0072]步骤105:发动机进入双燃料状态控制，此时根据从燃油ECU的喷油器驱动输出端的信号测得的由燃油ECU确定的柴油喷射脉宽，和由共轨压力传感器测得的轨压计算由燃油ECU确定的总的柴油需求量，电控柴油机多为多次喷射，总的柴油量的计算方法为各次喷射油量的总和，每次喷油量Q的计算公式为Q = kXTwXPw，其中Tw为所测射脉宽，Pj所测共轨压力，k为喷油器特性常数。根据发动机的转速和负荷(工况参数)查事先标定(或设定)的气体燃料替代率MAP，得到当前工况下的替代率r，根据替代率用公式Qdi_i=(1-r) XQ和Qgas = rXQ,分别计算引燃柴油量Qdiesel和气体燃料量Qgas,之后进入下一步106。
[0073]步骤106:检查是否安装电子节气门体，若是则进入步骤107，否则进入步骤111不进行电子节气门体控制。[0074]步骤107:根据已经计算的引燃柴油量Qdiesel和气体燃料量Qgas，根据标定的目标空燃比MAP计算对应工况下发动机的目标进气空气量。进入步骤108。
[0075]步骤108:检查是否安装进气流量传感器，若是则进入步骤109，否则进入步骤110。
[0076]步骤109:根据进气流量传感器实测的空气流量闭环反馈调节电子节气门体的节气门开度，使实测空气流量与目标空气流量一致。进入步骤113。
[0077]步骤110:若没有安装进气流量传感器，则检查是否安装进气歧管压力温度传感器，若是则进入步骤112，否则进入步骤111不进行电子节气门体控制。
[0078]步骤111:若不进行电子节气门体节流控制，则进入步骤113。
[0079]步骤112:根据发动机的进气充气模型和目标空气流量计算目标进气歧管压力，并闭环反馈控制节气门开度至实测进气管压力与目标进气歧管压力一致。进入步骤113。
[0080]常见的发动机目标充气模型的计算公式是根据理想气体状态方程推导而得到。采用进气歧管压力温度传感器时。在发动机的一个进气冲程中填充气缸的空气质量Ga，可用下式计算:Ga = P V。ην
[0081]式中:ρ-进气管内的空气密度(kg/m3)；
[0082]Vc——气缸容积(m3)；
[0083]η v-发动机充气效率。
[0084]将理想气体状态方程式P = P*M/(R*T)代入上式得到:Ge=C^',
[0085]式中C = Vc/R,对具体机型而言，是常数；
[0086]M-为空气分子量(kg/mol)；
[0087]R——气体常数，R = 8.314J/mol*k ；
[0088]P——进气管空 气压力(kPa)；
[0089]T——进气管空气温度(K)
[0090]由此可见，只要充气效率确定后，双燃料E⑶可根据气缸进气质量Ga、进气温度T计算进气歧管绝对压力P。
[0091]步骤113:根据设定(标定)的目标空燃比，进行柴油量和气体燃料量的闭环反馈修正，通过调整柴油量和气体燃料量，使发动机工作的实际空燃比与目标空燃比一致，并得到最终的柴油量和气体燃料量。进行步骤114。
[0092]步骤114:根据排温传感器信号，检查排温是否超过设定值(标定值)，若超过则进入步骤116，否则进入步骤115。
[0093]步骤115:根据喷油器特性MAP和燃气控制喷嘴的特性MAP，将最终的引燃柴油量和气体燃料量分别转换成喷油器控制脉宽和气体燃料喷射脉宽。进入步骤118。
[0094]步骤116:排温保护控制。排温保护的目的是降低发动机工作时的排气温度，在检测排温后，通过降低柴油替代率r、减少总燃料喷射量或者切换到纯柴油模式实现排温保护控制，系统可根据排温超标的情况选择使用其中之一或者多种排温保护的方式，开始排温保护的排温随发动机的耐温情况不同而不同，需要针对发动机由试验决定，例如在重卡发动机废气涡轮增压器I后排温超过580°C需要进行排温保护。进行步骤115。
[0095]步骤117:若前面过程判断发动机应工作在纯柴油的单燃料模式，此时由双燃料ECU产生与燃油ECU产生的喷油器控制信号完全相同的信号控制喷油器进行喷油，，停止燃气喷射系统工作。进入步骤118。
[0096]步骤118:进行信息显示。采用双向通信的方式将双燃料模式选择开关的信息发给双燃料ECU，同时双燃料ECU将需要显示的数据信息发给燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端，然后整个控制进程返回到步骤101重复开始进行，直至发动机停止工作为止。
[0097]所述传感器部分10还包括单独设置的燃油/燃气双燃料工作模式切换开关，其作用与燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端中的双燃料模式选择开关相同，这两个开关并行设置，当其中的任一个开关设置成双燃料工作方式时，系统认为用户存在双燃料工作方式的请求，系统准备进入双燃料方式工作。所述这两个开关只保留一个，也不影响系统丧失双燃料工作方式请求的功能。
[0098]需要说明的是，本发明控制装置可以应用于电控单体泵、电控泵喷嘴及高压共轨结构的发动机，可以加入的气体燃料类型包括CNG(压缩天然气燃料)、LNG(液化天然气燃料)、LPG(液化石油气)等。
[0099]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员所做出的等同变化或替换，都应视为涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电控供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于:包括高压共轨喷射系统、燃气喷射系统和油/气双燃料电控系统； 高压共轨喷射系统包括依次相连的燃油箱(58)、过滤器(61)、高压油泵(60)和高压共轨管(64)； 燃气喷射系统包括设置在连接管路(56)上的燃气控制喷嘴(46)、燃气开关总阀(73)、燃气压力调节阀(50)和燃气分配管(65)； 油/气双燃料电控系统包括传感器部分(10)、执行器(40)、以及采集传感器部分(10)的信号并控制执行器(40)运作的双燃料ECU(35)和燃油ECU(30)； 其中双燃料ECU(35)包括用于接收传感器部分(10)采集的信号的输入信号处理模块(32)、与执行器(40)相连的输出接口驱动模块、以及与信号处理模块(32)和输出接口驱动模块相连的微处理器(33)，双燃料ECU(35)内还设有喷油器模拟负载(31);燃油ECU(30)内设有喷油器驱动输出端(29)，且喷油器驱动输出端(29)与输入信号处理模块(32)和喷油器模拟负载(31)相连； 执行器(40)包括与燃料ECU(30)相连的高压油泵控制阀(44)，以及与双燃料ECU(35)相连的喷油器(45)和燃气控制喷嘴(46)； 传感器部分(10)包括同时与燃油ECU和双燃料ECU相连的位于发动机机体(55)上的水温传感器(14)、位于进气总管(54)上的进气歧管压力温度传感器(15)和或进气流量传感器(59)、位于发动机飞轮端的曲轴位置传感器(18)、位于油泵凸轮轴或进排气门凸轮轴处的凸轮轴位置传感器(17)和用于检测油门踏板位置的油门踏板位置传感器(19)，以及与双燃料ECU相连的用于测量燃气控制喷嘴进口处燃气压力和温度的燃气压力和温度传感器(24)和设置在燃气储存罐(28)内的燃气液位或压力传感器(22)。
2.根据权利要求1所述的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于:所述的输出接口驱动模块包括与燃气控制喷嘴(46)相连的燃气控制喷嘴驱动模块(36)和与喷油器(45)相连的喷油器驱动模块(34)。
3.根据权利要求2所述的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于:所述的执行器(40)还包括用于对发动机进气空气流量进行控制的电子节气门体(48)，所述的输出接口驱动模块还包括与电子节气门体(48)相连的电子节气门驱动模块(38)，所述的传感器部分(10)还包括位于电子节气门体(48)上的节气门位置传感器(25)，节气门位置传感器(25)与输入信号处理模块(32)相连。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于:所述传感器部分(10)还包括用于测量发动机工作空燃比的宽域氧传感器(26)，宽域氧传感器(26)安装于排气总管(57)或排气管(63)上；所述的执行器(40)还包括宽域氧传感器控制端(47);所述的输出接口驱动模块还包括与宽域氧传感器控制端(47)相连的宽域氧传感器接口模块(37)。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于:所述传感器部分(10)还包括用于测量发动机排气温度的排温传感器(27)，排温传感器(27)安装于排气总管(57)或排气管(63)上,排温传感器(27)与输入信号处理模块(32)相连。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于:所述的执行器(40)还包括燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端(49)，所述的输出接口驱动模块还包括与燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端(49)相连的信息显示终端接口模块(39)； 燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端(49)中设有双燃料模式选择开关，所述的传感器部分(10)还包括与双燃料模式选择开关功能相同的燃油/燃气双燃料工作模式切换开关(23)，燃油/燃气双燃料工作模式切换开关(23)与输入信号处理模块(32)相连。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的电控供油的油气双燃料发动机的控制系统，其特征在于:所述的传感器部分(10)还包括设置在蓄电池(58)上的系统供电电源电压传感器(21)，以及设置在高压共轨管(64)上的共轨压力传感器(13)，其中系统供电电源电压传感器(21)与输入信号处理模块(32)相连，共轨压力传感器(13)与燃料ECU(30)相连； 所述的执行器(40)还包括与燃料ECU (30)相连的增压器控制阀(42)和废气再循环控制阀(43)。
8.一种电控供油的油气双燃料发动机的控制方法，其特征在于:首先检测控制系统是否工作正常，在控制系统正常工作的条件下检测发动机处于哪种工作模式，即纯燃油工作模式或燃油/燃气双燃料工作模式，在燃油/燃气双燃料工作模式下，先检测系统是否满足燃油/燃气双燃料工作模式的运行条件，满足则维持燃油/燃气双燃料工作模式，不满足则转换至纯燃油工作模式，每进行一轮纯燃油工作模式或燃油/燃气双燃料工作模式后重新进行控制系统和工作模式的检测，直至发动机停止工作； 在纯燃油工作模式下:双燃料ECU产生与燃油ECU的喷油器控制信号相同的信号，驱动喷油器(45)喷油并实施燃油喷油量控制，燃气控制喷嘴(46)停止喷射燃气； 在燃油/燃气双燃料工作模式下:双燃料ECU根据所检测到的喷油量，根据燃油替代率MAP,计算得到燃气量和引燃燃油量，并根据喷油器特性MAP和燃气控制喷嘴特性MAP、燃油喷射正时MAP和燃气喷射正时MAP、发动机参数修正MAP和燃气参数修正MAP，产生和输出喷油器和燃气控制喷嘴驱动信号，实施对喷油器和燃气控制喷嘴的控制。
9.根据权利要求8所述的电控供油的油气双燃料发动机的控制方法，其特征在于:在燃油/燃气双燃料工作模式下:采用电子节气门体(48)控制发动机进气量，双燃料ECU根据所供发动机的燃料量和设定的空燃比MAP计算对应工况下所需空气量，通过电子节气门体调节其节气门开度实现对目标空气量的控制；空气量的测量方法采用进气流量传感器(59)直接测量，或者通过进气歧管压力温度传感器(15)结合发动机的进气量模型计算得到； 在燃油/燃气双燃料工作模式下:采用宽域氧传感器(26)测量和控制发动机工作空燃t匕，发动机空燃比的控制采用开环控制与闭环控制相结合的方法，根据宽域氧传感器所测量的实际空燃比与目标空燃比的差异闭环调节燃油量和燃气量，使实测空燃比与目标空燃比一致； 在燃油/燃气双燃料工作模式下:采用排温传感器(27)测量发动机排气温度，当发动机排温超过设定值时，控制燃气控制喷嘴(46)对燃气喷射量进行限制或者切换到纯燃油工作模式，从而限制气缸内的热负荷。
10.根据权利要求8或9所述的电控供油的油气双燃料发动机的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤: 1)检测发动机控制系统的各传感器信号，判断是否存在故障，否则进入步骤2)，是则进入步骤9)； 2)根据双燃料模式选择开关或燃油/燃气双燃料工作模式切换开关(23)的状态，判定发动机的工作状态，若选择纯燃油工作模式则进入步骤9)，若选择燃油/燃气双燃料工作模式则判断是否满足燃油/燃气双燃料工作模式的条件，若满足则进入步骤3)，否则进入步骤9)； 3)发动机进入燃油/燃气双燃料工作模式，根据从燃油ECU的喷油器驱动输出端的信号测得的燃油喷射脉宽，和由共轨压力传感器测得的轨压计算总的柴油需求量，根据发动机的转速和负荷标定气体燃料替代率MAP，得到当前工况下的替代率r，根据替代率分别计算引燃燃油量Q—和气体燃料量Qgas，之后进入步骤4)； 4)检查是否安装电子节气门体(48)，若未安装则进入步骤6)，若安装则根据已经计算的引燃燃油量Q—和气体燃料量Qgas,根据标定的目标空燃比MAP计算对应工况下发动机的目标进气空气量，之后进入步骤5)； 5)检查是否安装进气流量传感器(59)，若安装则根据进气流量传感器(59)实测的空气流量闭环反馈调节电子节气门体(48)的节气门开度，使实测空气流量与计算目标空气流量一致，然后进入步骤6);若未安装则检查是否安装进气歧管压力温度传感器(15)，若未安装则进入步骤6 )，若安装则根据发动机的进气充气模型和目标空气流量计算目标进气歧管压力，并闭环反馈控制节气门开度至实测进气管压力与目标进气歧管压力一致，之后进入步骤6)； 6)根据设定或标定的目标空燃比，进行引燃燃油量和气体燃料量的闭环反馈修正，通过调整引燃燃油量和气体燃料量，使发动机工作的实际空燃比与目标空燃比一致，并得到最终的引燃燃油量和气体燃料量，然后进行步骤7)； 7)根据排温传感器(27)的信号，检查排温是否超过设定值或标定值，若未超过则进入步骤8)，若超过则通过降低燃油替代率r、减少总燃料喷射量或者切换到纯燃油工作模式进行排温保护控制，然后进入步骤8)； 8)根据高压油泵(44)的供油特性MAP和燃气控制喷嘴(46)的特性MAP，将最终的引燃燃油量和气体燃料量分别转换成喷油器控制脉宽和气体燃料喷射脉宽，进入步骤10)； 9)发动机进入纯燃油工作模式，此时由双燃料ECU产生与燃油ECU产生的喷油器控制信号完全相同的信号控制喷油器进行喷油，并停止燃气控制喷嘴工作，然后进行步骤10)； 10)进行信息显示，采用双向通信的方式将双燃料模式选择开关的信息发给双燃料ECU,同时双燃料ECU将需要显示的数据信息发给燃油/燃气模式选择开关与双燃料控制系统信息显示组合终端(49)，然后整个控制进程返回到步骤I)重复开始进行，直至发动机停止工作为止。
【文档编号】F02D41/30GK103982308SQ201410189541
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】曾科, 习成训, 杨博, 宁小康, 陈含颖 申请人:南京盖驰动力科技有限公司