一种沼气发动机控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种沼气发动机控制系统，由供电电源、气门位置传感器、进气压力/温度传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、曲轴转速传感器、氧传感器、模拟信号处理电路、数字信号处理电路、电子控制单元模块、燃气喷气阀驱动电路、燃气喷气阀、火花塞点火驱动电路、火花塞和诊断监控总线组成，与现有技术相比，本实用新型采用了先进的数字控制制造技术，集成的控制保护技术、同步并网控制技术、有功和无功负载控制技术等，其操作方便、编程简易，应用安全可靠，具有推广使用的价值。
【专利说明】
-种沼气发动机控制系统
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种机械发动机，尤其设及一种沼气发动机控制系统。
【背景技术】
[0002] 在当前全球能源和环境严峻情况下，W高新技术将可再生的生物质能转化为洁净 的高品质气体和液体燃料作为化石燃料的替代能源，并应用于电力、交通运输等方面，已经 受世界各国的重视。沼气发动机在沼气发电技术领域中作为沼气能量转换的关键设备，其 在国内外技术发展现状、技术瓶颈主要体现在沼气发动机存在的动力不足、燃气消耗高、排 放性差和起动困难等运行可靠性问题，给用户带来不便，是制约和影响沼气发电产业发展 进程的技术瓶颈。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种沼气发动机控制系统。
[0004] 本实用新型通过W下技术方案来实现上述目的：
[0005] 本实用新型由供电电源、气口位置传感器、进气压力/溫度传感器、冷却液溫度传 感器、爆震传感器、曲轴转速传感器、氧传感器、模拟信号处理电路、数字信号处理电路、电 子控制单元模块、燃气喷气阀驱动电路、燃气喷气阀、火花塞点火驱动电路、火花塞和诊断 监控总线组成，所述气口位置传感器、所述进气压力/溫度传感器、所述冷却液溫度传感器 和所述爆震传感器均与所述模拟信号处理电路的信号输入端连接，所述曲轴转速传感器和 所述氧传感器均与所述数字信号处理电路的信号输入端连接，所述模拟信号处理电路和所 述数字信号处理电路的信号输出端均与所述电子控制单元模块的信号输入端连接，所述供 电电源与所述电子控制单元模块连接，所述电子控制单元模块的输出端分别与所述燃气 喷气阀驱动电路、火花塞点火驱动电路和所述诊断监控总线连接，所述燃气喷气阀驱动电 路的驱动控制输出端与所述燃气喷气阀连接，所述火花塞点火驱动电路与所述火花塞连 接。
[0006] 进一步，所述电子控制单元模块由主控忍片、复位电路和嵌入式操作系统组成。
[0007] 本实用新型的有益效果在于：
[000引本实用新型是一种沼气发动机控制系统，与现有技术相比，本实用新型采用了先 进的数字控制制造技术，集成的控制保护技术、同步并网控制技术、有功和无功负载控制技 术等，其操作方便、编程简易，应用安全可靠，具有推广使用的价值。
【附图说明】
[0009] 图1是本实用新型的总体结构原理框图；
[0010] 图2是本实用新型的曲轴转速传感器的信号处理电路；
[0011] 图3是本实用新型的节气口位置传感器的电路结构原理图；
[0012] 图4是本实用新型的氧传感器信号处理电路；
[0013] 图5是本实用新型的燃气喷气阀驱动电路的电路结构原理图；
[0014] 图6是本实用新型的火花塞点火驱动电路的电路结构原理图；
[0015] 图7是本实用新型的燃气喷射模糊反馈控制系统图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
[0017] 如图1所示:本实用新型由供电电源、气口位置传感器、进气压力/溫度传感器、冷 却液溫度传感器、爆震传感器、曲轴转速传感器、氧传感器、模拟信号处理电路、数字信号处 理电路、电子控制单元模块、燃气喷气阀驱动电路、燃气喷气阀、火花塞点火驱动电路、火 花塞和诊断监控总线组成，所述气口位置传感器、所述进气压力/溫度传感器、所述冷却液 溫度传感器和所述爆震传感器均与所述模拟信号处理电路的信号输入端连接，所述曲轴转 速传感器和所述氧传感器均与所述数字信号处理电路的信号输入端连接，所述模拟信号处 理电路和所述数字信号处理电路的信号输出端均与所述电子控制单元模块的信号输入端 连接，所述供电电源与所述电子控制单元模块连接，所述电子控制单元模块的输出端分别 与所述燃气喷气阀驱动电路、火花塞点火驱动电路和所述诊断监控总线连接，所述燃气喷 气阀驱动电路的驱动控制输出端与所述燃气喷气阀连接，所述火花塞点火驱动电路与所述 火花塞连接。
[0018] 进一步，所述电子控制单元模块由主控忍片、复位电路和嵌入式操作系统组成。
[0019] 转速传感器用来测量曲轴转速信号，ECU通过采集缺齿信号确定曲轴正时位置和 发动机转速信号，确定燃气喷射时刻、喷射脉宽及点火正时时刻控制信号。沼气发动机58齿 信号齿轮盘，此信号盘的结构是一周均匀分布60个齿，每个齿的角度为60,去除其中两个 齿，此缺齿作为发动机正时标记齿，判断发动机所处位置，同时为发动机喷气阀喷气正时和 火花塞点火正时的角度提供参考基准。当发动机曲轴转动使58齿信号齿轮运动时，电磁式 转速传感器前端与信号盘齿间间隙发生周期性变化，根据电磁感应原理，转速传感器将产 生周期交流电压，其信号如下图所示，ECU可根据此信号计算出齿轮转过的齿数及、缸齿的 位置，然后根据缺齿时间的长短确定曲轴位置及发动机转速，其幅值和频率随着发动机转 速的大小改变而变化。如图2所示:二极管Dl和D2是用于限定输入信号幅值，比较器Ul和反 相器U2把输入类正弦信号转换成方波脉冲信号并将其幅值限定在SVW内，此信号可W被 ECU准确识别，输出的发动机转速信号如下所示。CPU用定时器/计数器对传感器信号的上 升沿进行监测，来判断曲轴转过的角度并根据缺齿的位置决定喷气正时和点火正时时刻。
[0020] 如图3所示:沼气发动机各传感信号中除了发动机转速传感信号之外，电子节气口 开度传感器信号也是体现工况变化的重要参数，节气口开度传感器输出电压与节气口开度 的线性关系，节气口开度范围是0-900,节气口开度信号电压范围是0.4-3V，随着节气口 开度的增加，输出电压线性增加。而设计节气口开度传感器信号处理电路主要考虑它的滤 波，在电路设计中使用一个RC滤波器。
[0021] 此外，冷却液溫度传感器、进气溫度传感器等所输出的信号也类似于节气口开度 传感器，模拟信号电压范围为0~5V。度传感器一般采用负溫度系数电阻作为传感元件，即 随着溫度的升高，传感元件的电阻反而减小，因此运类传感器信号处理电路也可设计为下 图所示电路图。通过A/D转换电路将上述模拟信号转换成数字信号，再传输给ECU。沼气发动 机控制系统属于闭环控制系统，氧传感器是发动机反馈控制的重要传感部件，它对喷气阀 喷气量的控制具有很大影响，因此氧传感器的信号处理电路设计应该受到足够的重视，本 文采用目前运用比较成熟的开关型氧传感器。根据氧传感器的输出特性，当其输出电压高 于0.5V时，ECU判定为浓混合气，反而则判定为稀混合气。
[0022] 如图4所示：电阻R6和R7组成分压电路，其输出的毛压作为比较器U3的基准比较电 压，由于氧传感器的工作环境比较恶劣，由于对此处哩电路抗干扰要求比较高，在设计电路 时添加光电祸合器U4和RC滤波器（由R8和C3组成），最后从光电祸合器针脚6输出处理后的 信号。高电平为浓混合气，低电平为稀混合气，此信号与ECU的I/O接口连接。
[0023] 如图5所示:对于燃气喷气阀精确控制是通过ECU根据发动机工况发出的燃气喷 射信号，此信号是低电平有效，燃气喷射驱动电路遇到低电平就驱动喷气阀打开，遇到高电 平喷气阀关闭，采用两路供电电路，在提供"peak"模式电流时，两条供电电路同时工作，当 需要"hold"模式电流时，一条供电电路工作，另一条停止工作，W保持较低电流并稳定。图 中IN为ECU输出燃气喷射信号输出端，电磁阀处于闭合状态时，IN输出为低电平，Q2在IN为 低电平时不会打开，此时Ul第2脚输出一个低电平，Q3及Ql也不会打开，此时燃气喷气阀中 无电流，不会打开。当燃气喷气阀打开时，IN会输出一个高电平，Q2在IN为高电平时会打开， 运时Ul第2脚会输出高电平，同时打开Q3及Ql，在Ql打开后，燃气喷气阀控制端便会产生一 个电压差（12H3V左右），燃气喷气阀电流会开始增加，当Q2的源极电压达到0.4V后通过电 阻R8传到Ul的第4脚，运时Ul第2脚就会输出低电平导致Ql关闭，燃气喷气阀电流依靠 Dl反 向续留，燃气喷气阀中电流会慢慢减小，导致Q2的源极电压降低，当Ul第4脚电压降到0.1 V (此时由于Q3没有打开，R4接Q3的运一端还是高电平，所WQ2源极电压还要低于0.1 V，运时 Ul第2脚会输出一个高电平打开Ql和Q3,打开Q3后R4与Q3连接端电压为低电平，运时Ul第四 脚电压会低于0.1 V，打开Ql后，燃气喷气阀电流会慢慢增加，电流的增加使得Q2源极电压增 大，当电压的增大使得Ul第4脚电压大于0.1 V时，Ul第2脚便会在输出一个低电平，电流的闭 环控制使燃气喷气阀的电流在合适的范围内变化，从而实现"peak an化old"驱动电流模 式，驱动燃气喷气阀进行有效喷气，OUT 1与0UT2分别连接喷气阀的两个控制端。
[0024] 如图6所示:对于火花塞的精确控制是通过ECU输出控制信号给点火驱动电路，从 而控制点火线圈初级绕组的通断，使点火线圈的次级绕组产生高电压，使火花塞产生高能 火花击穿火花塞前端间隙，点燃气缸内的混合气。ECU发出的点火信号的电压比较低，无法 直接击穿火花塞。
[0025] 当ECU发出高电平点火信号时，经反相器后变成低电平进入光电祸合器，光电祸合 器过滤干扰信号，从4端口输出高电平控制信号，当=极管Ql导通时，使初级线圈进入充电 状态；当ECU发出点火信号变成低电平，即充电状态停止，此时Ql截止，点火线圈初级线圈断 电，在断电的瞬间次级线圈的电压迅速升高，使火花塞击穿间隙，实现燃气混合气点火。
[0026] 控制方法的介绍
[0027] 在发动机控制根据有无反馈可分为开环和闭环控制两种方式。开环控制事先将发 动机各工况下的控制参数存入计算机，发动机运行时，计算机根据转速传感器、进气管压力 传感器等输入信号，判断发动机的运行工况，计算出发动机所需的控制量，因此，开环控制 的优点是只受发动机运行工况参数变化的影响，并按事先设定在计算机中的控制规律工 作，其结构简单、响应快，但开环控制不存在被控量的反馈，不能很好的补偿干扰，存在一定 的局限性；相对于开环控制，闭环控制多一个反馈环节，反馈传感器的信号输送给控制单 元，作为修正控制量的参考，对系统有一定的校正作用。但若要采用闭环控制，需要解决两 个重要的问题:一是系统的稳定性，二是反馈传感器时间响应性问题。在优化参数的捜索逼 近过程中，很容易出现不稳定的震荡现象，实现不了优化控制的目的。而且由于反馈传感器 的时间响应太长，控制系统无法及时跟踪发动机运转情况的变化而做出正确的反应。
[0028] 发动机是一个典型的非线性系统，其各参数随系统运转具有时变性、动态性的特 点。当发动机的运行工况随时间发生变化时，中间变量(燃气供给量与点火提前角)及输出 量(发动机扭矩，尾气排放CO,HC及NOx,燃油消耗率)也发生变化;另一方面，考虑到发动机 控制既要满足控制稳定性要求，又要兼顾控制的实效性，并结合发动机的工作特点和工况 特性，通过GT-power与Simulink禪合建立沼气发动机控制模型，W发动机额定转速为 140化/min的运行工况下，运用（1)基于MAP的点火和燃气喷射前馈控制方法；（2)基于MP的 点火和燃气喷射前馈与空燃比的PID反馈控制方法；（3)基于MAP的点火与燃气喷射前馈和 fuzzy的空燃比反馈控制方法，=种控制方法对比分析从而选出较好的控制方法：
[0029] 通过对比分析S种控制方法，从而选出较好的控制方法----基于MAP的点火与燃 气喷射前馈和化zzy的空燃比反馈控制方法。
[0030] ①燃气喷射模糊反馈控制结构
[0031] 沼气发动机运行在多变工况下，在MAP前馈基础上增加空燃比化zzy反馈控制器， 可W实现对外界干扰的矫正和补偿能力，提高空燃比控制精度。MAP的点火与燃气喷射前馈 和化zzy的空燃比反馈控制方法是W过量空气系数的偏差及偏差变化率作为模糊反馈控制 器的输入，W燃气喷射修正脉宽作为输出，构成二维模糊控制结构。
[0032] ②精确量的模糊化与语言变量的建立
[0033] 模糊化是根据人们对事物的判断往往沿用正态分布的思维特点，模糊子集的隶属 函数采用满足正态分布的高斯函数。根据沼气发动机工作原理，定义过量空气系数的偏差 e、偏差变化率ec和燃气喷射脉宽U的基本论域为[-1，1 ]，[-20，20]和[-700，700]。
[0034] 模糊控制器的输入、输出的语言变量设计一般用"正大"、"正小""零"、"负小"、"负 大"来描述，语言变量只是描述论域，并不能代表真实值。为了使控制规则的灵活细致性，又 兼顾简单易行的要求，选用"正大"CPB)、"正中"CPM)、"正小"CPS)、"零"C2)、"负小"CNS)、 "负中"C醒)和"负大'CNB) 7个语言变量描述控制器的输入与输出。因此，用语言变量表示 的过量空气系数偏差e，过量空气系数偏差变化率ec和燃气喷射修正脉宽U的模糊子集分别 如下：
[0035] N的模糊子集：[NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB]
[0036] M的模糊子集：[NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB]
[0037] U的模糊子集：[NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB]
[0038] E，EC和U的论域定义如下：
[0039] E 的论域：{-6，-5，-4，-3，-2，一1，0}+1，+2，+3}+4，巧}+6}
[0040] EC 的论域：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0}+1，+2，+3}+4，巧}+6}
[0041 ] U 的论域：{-7，-6，-5，-4，-3，-2，一1，0}+1，+2，+3}+4，巧}+6}巧}
[0042]根据量化公式，通过上述输入输出变量的基本论域与语言变量的论域可W得到过 量空气系数的偏差、偏差变化率和燃气喷射脉宽的量化因子分别为ke = 6、kec = 0.3和ku = 100。
[0043] 作为隶属函数的高斯函数可表示为：
[0044]
[0045] 其中，a值等于模糊论域中的各个元素，因此，只要确定b值就能确定论域中各元素 的隶属度，b值是隶属函数N(X)的形状影响因子，对控制效果的影响较大。如图7所示为燃气 喷射模糊反馈控制系统图
[0046] ③燃气喷射模糊反馈控制规则的建立
[0047] 根据沼气发动机的工作原理，总结经验得到发动机燃气喷射模糊控制规则，详细 的模糊控制规制如下表所示。
[004引模糊控制规则表中每一条模糊条件语句都是一个模糊控制规则，满足"A且B则C" (即If A and B then C)的形式，从而对应的模糊关系R=(AXC) ? (B XC)。例如:模糊控 制规则表中第1条语句所确定的模糊关系如下：
[0049] 化=(NBnXNBu)*(NBmXNBu)
[0050] 同理，可得i = 1，2..n时模糊关系Ri，n为对应的模糊条件语句的语句数。
[0051 ]考虑到此等模糊条件语句间的"或"关系，则燃气喷射模糊反馈控制规制表所对应 的整个系统的控制规则的总模糊关系为：
[0化2]
[0053] 于是，模糊巧制算法的巧计就是通过总模糊关系R的设计来实现的。
[0054] 燃气喷射模糊反馈控制规制表
[0化5]
[0化6] 娃)候糊巧埋
[0057]得出反应控制规则的模糊关系R后，就可W根据合成规则推出输出语言变量论域 上的模糊集合化：
[0化引 Ui=(EiXECi)*R
[0059] Q = I，2,3…，n)，化反映控制量变化的模糊子集。上述模糊推理，还可W通过另外 一种方法完成:给定输入模糊子集E，EC和控制规则中每条模糊语句决定的模糊关系Ri = 1， 2,3…，n)，则输出模糊子集可用下表示：
[0060]
[0061 ]⑤解模糊
[0062] 采用重屯、法进行模糊判决，将控制量由模糊量变为精确量，并从模糊集论域变换 到基本论域，再乘Wk。就得到需要给予的燃气喷射脉宽修正量。
[0063] 3、燃气点火控制方法
[0064] 对于点燃式发动机，点火提前角是影响发动机性能非常重要的因素，通常所要求 的最佳点火提前角是为了获得最大的有效功率，为了实现此目标，一般采用爆震传感器检 测发动机气缸的压力对点火提前角进行闭环控制调节。然而，对于复杂、非线性发动机系统 而言，准确测量发动机气缸压力难度很大，对压力传感器的性能要求很高，研究表明[[62]: 传感器的耐久性差和成本高在一定程度上制约了它的发展与应用。
[0065] 考虑到闭环控制在反馈参数采集上存在困难及传感器耐久性差、成本高等问题， 本课题用点火提前角开环控制的方式，并综合考虑了点火提前角对沼气发动机=大性能的 影响。对于使用爆震传感器主要目标是实现发动机的动力性能的提高，并没有将燃气经济 性和排放性能考虑在内，当发动机取得最大力矩时，燃气经济性和排放性能并不是最好，贝U 需要在=者之间取得平衡，因此获得发动机各运行工况下满足发动机性能的最佳点火提前 角MP图，需要进行大量的数据测试和校验，制取时间长。
[0066] W上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点。本行 业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还 会有各种变化和改进，运些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型 要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1. 一种沼气发动机控制系统，其特征在于：由供电电源、气门位置传感器、进气压力/温 度传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、曲轴转速传感器、氧传感器、模拟信号处理电 路、数字信号处理电路、电子控制单元模块、燃气喷气阀驱动电路、燃气喷气阀、火花塞点火 驱动电路、火花塞和诊断监控总线组成，所述气门位置传感器、所述进气压力/温度传感器、 所述冷却液温度传感器和所述爆震传感器均与所述模拟信号处理电路的信号输入端连接， 所述曲轴转速传感器和所述氧传感器均与所述数字信号处理电路的信号输入端连接，所述 模拟信号处理电路和所述数字信号处理电路的信号输出端均与所述电子控制单元模块的 信号输入端连接，所述供电电源与所述电子控制单元模块连接，所述电子控制单元模块的 输出端分别与所述燃气喷气阀驱动电路、火花塞点火驱动电路和所述诊断监控总线连接， 所述燃气喷气阀驱动电路的驱动控制输出端与所述燃气喷气阀连接，所述火花塞点火驱动 电路与所述火花塞连接。2. 根据权利要求1所述的沼气发动机控制系统，其特征在于:所述电子控制单元模块由 主控芯片、复位电路和嵌入式操作系统组成。
【文档编号】F02D19/02GK205445808SQ201620244293
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】陈庆协, 吴春富, 王荣杰
【申请人】龙岩学院