[发明专利]一种LNG/柴油双燃料发动机控制系统

摘要

本发明提供一种LNG/柴油双燃料发动机控制系统，其包括电子控制单元及依次与电子控制单元连接的转速传感器、油门位置传感器、水温传感器、排气温度传感器、氧传感器、天然气供给系统及柴油供给系统；与现有技术相比，本发明采用一种开环和闭环相结合的方式实现对LNG/柴油双燃料发动机的运行控制，实现对引燃油量、天然气喷射时间和喷射量的实时控制调节，使柴油发动机运行平稳，提升发动机在双燃料运行模式下的性能。 1

主权项

1.一种LNG/柴油双燃料发动机控制系统，其特征在于：包括电子控制单元及依次与电子控制单元连接的转速传感器、油门位置传感器、水温传感器、排气温度传感器、氧传感器、天然气供给系统及柴油供给系统；

所述转速传感器用于测量发动机曲轴转速；所述油门位置传感器用于测量油门开度；所述水温传感器用于测量发动机的冷却水温；所述排气温度传感器、氧传感器安装在发动机排气管前段，准确检测发动机排气中的空燃比反馈信号并传送给电子控制单元，使电子控制单元能判别气缸内混合气浓度和燃烧情况，并对柴油引燃油量、天然气喷射时间和喷射量进行实时控制调节；

所述柴油供给系统包括油箱、燃油滤清器、输油泵、喷油泵、喷油嘴、步进电机及喷油压力传感器；所述油箱存储柴油；燃油滤清器安装于油箱与输油泵之间，用于滤除柴油杂质；喷油泵连接喷油嘴；步进电机分别控制输油泵、喷油泵；喷油压力传感器安装在喷油泵与喷油嘴间，并与电子控制单元连接；

所述天然气供给系统包括LNG储罐、液化器、调压阀、电磁阀、天然气喷嘴、混合器及天然气压力传感器；LNG储罐用于存储天然气；天然气经液化器液化依次流经调压阀、电磁阀、天然气喷嘴、混合器；天然气压力传感器安装在调压阀与电磁阀之间，并与电子控制单元连接；

喷油压力传感器，转速传感器，油门位置传感器，水温传感器和排气温度传感器的信号同时传送给电子控制单元，根据传入信号，电子控制单元输出信号给步进电机和天然气喷嘴；其中步进电机用于控制LNG/柴油双燃料发动机的引燃量，电子控制单元根据转速信号确定发动机的转速和电磁阀开关时间；电子控制单元根据喷油压力传感器产生的信号确定天然气喷气时刻;

LNG/柴油双燃料发动机空燃比的控制采用开环控制和闭环控制相结合的方式，根据氧传感器所测量的空燃比与目标空燃比的闭环调节油量和燃气量使实测空燃比和目标空燃比一致。

2.根据权利要求1所述的LNG/柴油双燃料发动机控制系统，其特征在于：所述混合器为柱塞式双排孔混合器，安装在发动机涡轮增压与进气歧管之间，缩短天然气和空气的混合气到发动机气缸的距离，减少控制系统对天然气喷射量的控制发生变化到实际进入气缸的混合气发生变化的时间差，提高响应速度。

3.根据权利要求1所述的LNG/柴油双燃料发动机控制系统，其特征在于：该系统将双燃料发动机的运行工况主要划分为启动和怠速工况、过渡工况、限速工况、常规工况和瞬态工况，发动机工作模式分为停止模式、启动‑怠速模式、常规模式、过渡模式、限速模式和瞬态模式，不同工况采用不同的工作模式；双燃料下各工作模式的判断是根据发动机当前的油门开度和转速来确定切换的；所述各模式的定义如下：

停止模式：发动机停止运行，各执行机构停止工作；

启动‑怠速模式：发动机启动，但是油门踏板未被踩下这段时间内发动机的工作状态；

限速模式：双燃料发动机转速超过2800r/min时的工作状态；

常规模式：双燃料模式正常运行时的工作状态；

瞬态模式：包括有急加速模式和减速模式，急加速模式是指油门踏板未被踩下的工作状态，急减速模式是指驾驶员油门踏板被松开的工作状态；

过渡模式：发动机从纯柴油工作模式向双燃料工作模式切换时的工作状态；

同时，判定天然气模式状态必须满足以下两个条件：LNG储罐的储气压力不低于设定值，发动机温度应不低于最低温度阈值，发动机转速应高于设定值，即发动机必须运行一段时间。

4.根据权利要求1所述的LNG/柴油双燃料发动机控制系统，其特征在于：发动机启动电子控制单元首先进入自检模式，在自检模式下主继电器关闭后，步进回到初始位置，步进电机到位后，管路高压电磁阀打开，2S后关闭检查这些执行器是否能正常工作；若系统正常则根据传感器信号确定各个模式之间的相互转换，各模式间的转换关系如下：

启动‑怠速模式：发动机启动成功后，转速逐渐增加，当发动机转速超过启动转速，并且发动机转速高于100r/min且低于900r/min时的稳定转速下运行，双燃料发动机进入启动‑怠速工况，如果发动机转速低于100r/min时，则进入停止模式；

常规模式：双燃料发动机处于启动‑怠速工况时，踩下油门踏板，若油门开度大于25%，转速超过1100r/min且冷却水温度超过最低温度阈值，发动机进入常规模式；若松开油门踏板，当油门开度小于25%且发动机转速低于1100r/min，控制模式从常规模式回到启动‑怠速模式；最低温度阈值为60℃；

过渡模式：双燃料发动机由纯柴油模式向双燃料模式转换时的工作状态，若检测到天然气喷射量突然从零增加到一个较大值，则发动机进入过渡模式；

瞬态模式：当双燃料发动机进入常规工况时，若油门开度变化率大于设定的最大值，发动机进入急加速模式，若油门开度变化率小于设定的最小值，发动机进入急减速模式；

限速模式：当双燃料发动机转速超过2800r/min，考虑到转速过高会对发动机造成损坏，发动机进入限速模式，若双燃料发动机转速低于2800r/min，发动机由限速模式退回常规模式。

5.根据权利要求1所述的LNG/柴油双燃料发动机控制系统，其特征在于：排气温度传感器，水温传感器，油门位置传感器为发动机的部分负荷和热机怠速工况实现闭环控制提供一个反馈信号，通过增量型PID闭环控制算法对天然气喷射量进行进一步控制得出修正的喷油量数值。

6.根据权利要求1所述的LNG/柴油双燃料发动机控制系统，其特征在于：当冷却水温度、油门开度和发动机转速均大于设定值，发动机进入常规工况，以双燃料工作模式运行，

电子控制单元根据发动机曲轴当前转速和油门位置，氧传感器信号查询标定好的天然气喷射脉宽MAP图计算喷嘴的基本喷射脉宽，即当前状态下的天然气喷射量，根据发动机在不同工况点、不同负载下的工作特性和排放性能，采用不同的替代率，计算出引燃柴油量；电子控制单元根据柴油机喷油管中的喷油压力信号，最终确定天然气的喷射时刻；

同时，在控制过程中，通过排气温度传感器和水温传感器对发动机的热负荷进行实时监测，当热负荷超标时，通过降低发动机的燃气量，降低发动机的功率输出或者切换到纯燃油模式保护发动机。

7.根据权利要求1所述的LNG/柴油双燃料发动机控制系统，其特征在于：所述氧传感器为一宽频氧传感器；所述电子控制单元包括主控制器及与其相连接的输入模块、输出模块、通信模块、电源模块；所述输入模块为传感器信号采集及处理模块，包括转速信号处理电路、冷却水温度信号采集及处理电路、氧传感器模拟信号采集及处理电路、喷油压力模拟信号采集及处理电路、排气温度采集及处理电路、模拟量信号采集及处理电路、气体温度压力信号采集及处理电路；所述输出模块包括天然气喷嘴驱动模块及步进电机驱动模块；电源模块向主控制器、输入模块、通信模块、天然气喷嘴、步进电机供电。

8.根据权利要求7所述的LNG/柴油双燃料发动机控制系统，其特征在于：所述主控制器包括一MC9S12XET256单片机最小工作系统；所述转速信号处理电路包括NCV1124芯片及一阶滤波电路；所述冷却水温度信号采集及处理电路包括一二阶低通滤波电路；所述氧传感器模拟信号采集及处理电路包括一CJ125芯片；所述喷油压力模拟信号采集及处理电路