专利名称：Cng发动机电控系统ecu设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种CNG发动机电控系统ECU设计，用于6缸CNG发动机 的电子控制系统。
技术背景-
目前世界上使用天然气作为燃料的车种，其发动机有两种不同的控制 策略， 一种是采用当量燃烧，也就是在最佳化学当量条件下，空气与燃料 以最适当的重量或体积混合比混合，进入引擎燃烧室中燃烧；另一种是稀 薄燃烧，也就是供给的燃料量低于当量所需的范围。北美地区的CNG引擎 制造厂皆是采用后者作为主要的燃烧策略。
稀薄燃烧的特性
(1) 可燃范围广在燃烧室中，相对于当量±35%范围混合气均可以 被点燃，因此将此应用在稀薄燃烧系统中。
(2) 污染值最低将燃气的比例控制在稀薄燃烧的范围，其所对应产 生的废气曲线正好是落在HC曲线末端，C0、N0x显示最低的区域， 因此所产生的CO、 N0x十分有限，而在HC中(THC)，高达80% 90%属于甲垸类碳氢化合物，因此实际列入管制的非甲烷类碳氢 化合物(NMHC)之值将会更低。
(3) 加装涡轮增压为因应稀薄燃烧所造成的马力损失，采用稀薄燃 烧的CNG发动机均于进气歧管前加装涡轮增压器，以增加进气压力，提高发动机的输出马力。
(4) 燃烧范围的控制稀薄燃烧的范围大约是在A二l. 1 1.35的范 围，依照不同的行车模式进行变化，如果在燃料的控制上不得当， 也就是燃料供应不足所需求量的5%以上，将造成熄火；而在高负 载下，配合涡轮增压功效，若燃料供应超过需求量10%以上，活 塞十分容易熔毁，因此燃料量的控制技术在稀薄燃烧的应用上是 十分重要的一环。
(5) 使用燃料较节省由于使用稀薄燃烧技术，故燃料供应量较低， 比当量燃烧方式， 一段里程行驶下来，燃料的消耗量低，因此在 同样条件下之续航力亦较为高。
与一般的CNG发动机相当，稀薄燃烧CNG引擎的作法系将空气与燃气进行 充份混合后，再进入燃烧室中燃烧。燃烧产生的废气以含氧感知器进行侦 测，以了解实际排放的结果，来提供回馈讯号给引擎的电子控制单元(ECU) 进行判断与修正；因为天然气本身可燃范围广(9.5 11. 1体积比)，因此 ECU所控制的燃料量几乎在点火的临界点附近，比一般供应量要少，若其 气品中甲垸成份低，也可以在氧传感器中得到回馈，以补充更多的燃气。 一般发动机具有怠速旁通管路及发动机转速限制器的设计，
发明内容
本发明的目的在于提供一种CNG发动机电控系统ECU设计，其用于6 缸CNG发动机的电子控制系统，运行可靠，CNG电控系统采用电子节气门 位于进气歧管前方，ECU根据油门踏板的位置及发动机状况下达指令，驱 动电子节气门打开到一个固定的开度。本发明的技术方案是这样实现的 一种CNG发动机电控系统ECU设计，
其特征在于由中央控制单元CPU、 ECU电源模块、模拟量输入、数字量输
入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元、点火系统模块、喷射模
块；其中模拟量输入模块、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传
感器处理单元将信息传输到中央控制单元CPU后，经中央控制单元CPU处理
后对点火系统模块和喷射模块发出指令，使其喷油和点火.。
中央控制单元CPU采用FREESCALE的MPC555LMFZP40，工作频率40MHZ; 电子节气门控制单元，根据节气门反馈的两路位置信号进行计算，驱动；模 拟量输入采用13路模拟量输入，包括电压型信号模拟量、电阻型信号模拟 量和热电偶信号输入；
开关量输入模块包括高端开关输入和低端开关输入；
氧传感器处理单元，采用BOSCH的加热型宽域氧传感器LSU4.9，要求ECU 能够对该氧传感器进行调理，测量，诊断；
点火模块中的点火线圈直接设计位于火花塞上缘，采用恒流控制，驱动单元 具有过温，过流，过压，短路自保护功能；
喷气系统采用峰值一保持型电流控制的6个喷射器组成，在每个喷射器上方 安装电磁阀。
本发明的积极效果是其用于6缸CNG发动机的电子控制系统，运行可 靠，ECU根据油门踏板的位置及进气歧管绝对压力传感器(MAP)、进气温度 传感器(MAT)、发动机曲轴(转速)信号(CRANK)、冷却水温传感器、踏板 传感器、节气门开启度传感器及机油压力传感器，发动机凸轮轴传感器， 排气温度传感器，氧传感器，气体温度传感器等一系列传感器的信息对发动机下达指令，当发动机和ECU运转异常时故障讯号灯提醒司机注意；其
采用一路C認通讯和一路SAE J1939通讯， 一路RS232通讯， 一路K线诊 断。
图l为本发明的硬件总体框图2为本发明的ECU电源模块电路图3为本发明的ECU电源电路图4为本发明的高端开关量输入电路图5为本发明的低端开关量输入电路图6为本发明的模拟量输入电路图7为本发明的电阻型信号模拟量电路图8为本发明的热电偶信号输入电路图9为本发明的霍尔传感器信号电路图IO为本发明的磁电式传感器信号电路图11为本发明的电子节气门(ETC)模块电路图12为本发明的宽域氧传感器调理模块电路图13为本发明的喷射模块电路图14为本发明的点火模块电路具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述如图1所示， 一种CNG发动 机电控系统ECU设计，其特征在于由中央控制单元CPU电连接ECU电源模 块、模拟量输入、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元、点火系统模块、喷射模块；其中模拟量输入模块、数字量输入模块、 电子节气门控制单元、氧传感器处理单元将信息传输到中央控制单元CPU
后，经中央控制单元CPU处理后对点火系统模块和喷射模块发出指令。 中央控制单元CPU采用FREESCALE的MPC555LMFZP40，工作频率40MHZ; 电子节气门控制单元，根据节气门反馈的两路位置信号进行计算，驱动；模 拟量输入采用13路模拟量输入，包括电压型信号模拟量、电阻型信号模拟 量和热电偶信号输入；
开关量输入模块包括高端开关输入和低端开关输入；
氧传感器处理单元，采用BOSCH的加热型宽域氧传感器LSU4. 9，要求ECU 能够对该氧传感器进行调理，测量，诊断；
点火模块中的点火线圈直接设计位于火花塞上缘，采用恒流控制，驱动单元 具有过温，过流，过压，短路等自保护功能；
喷气系统采用峰值一保持型电流控制的6个喷射器组成，在每个喷射器上方 安装电磁阀，其中各个模块的工作情况说明如下
ECU电源模块ECU的启动是靠钥匙开关启动的，但是ECU停止运行 由ECU自行断电。ECU在发动机停止运转后是不供电的，当钥匙开关给上 后，Ul智能开关第一路对地，在不需要主MCU干预的情况下，使主继电器 得电，电池正极通过主继电器的触点供给ECU+24V电源。钥匙开关通过分 压后一方面送入ECU电源模块使能电源模块，使得控制电源有效，MCU开 始工作；另一方面送入到主MCU，主MCU输出信号驱动lll智能开关的第二 路，使得U1智能开关的第一路和第二路同时驱动主继电器。当钥匙开关打 到停止位置时，ECU并不立即断电，而是由MCU进行控制，在完成发动机运行控制，对相应数据进行处理保存后，断开主继电器，ECU上电源全部断掉。
数字量输入包括霍尔传感器信号和磁电式传感器信号； C1:EMI电容，大小为lnF 1.8nF; Rl， R2:分压电阻，保证电池电压在9 32V都能使HS—IO得到正确的信号；Dl:输入保护，使得TP点保证在一O. 5V + 5.5V; C3:为滤波电容；R4:为限流电阻。
高端开关输入Rl和R2的配置要保证Iwhetting为3毫安，保证得 到正确的信号的同时提高抗干扰能力。
低端开关量输入(频率信号调理)C1:EMI电容，大小为lnF 1.8 nF; Rl:上拉电阻，
保证LS_I0得到正确的信号，Dl输入防反保护；R2， C2:阻容滤波，具体 参数根据输入的频率确定；低端开关输入，Rl的配置要保证Iwhetting为 IO毫安，保证得到正确的信号的同时提高抗干扰能力。
28V喷气阀驱动电流及测量特性
通常情况下，标准驱动器规格满足下表
28 V±0.2 V供电峰值电 流，不受限电流在lms时 间内爬升。5A
28V峰值持续期lms
维持电流2.5A
关闭时电压钳位65V
9在28v供电时喷嘴的马g动电流如图一，标准CNG测量特性参数见下表气体压力900 kPa喷嘴全开时的稳定 流量5.634 ± 0.17 g/s28V电压时的电持 续期CM 魔经裙鱟薪萃柳柳 *5微驱动器工作(ms)mg/循环最大系统出错限值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
低端输出驱动驱动电路3A，具有自保护功能，共计7路。
如图1所示的硬件总体框图，核心控制模块中核心控制采用FREESCALE的 MPC555 CPU,工作频率40MHZ， CPU内部集成FLASH 448KB， SRAM 26+6KB， 外扩EEPROM 16KB。
如图2所示ECU供电模块ECU的启动是靠钥匙开关启动的，但是 ECU停止运行由ECU自行断电。ECU在发动机停止运转后是不供电的，当钥 匙开关给上后，Ul智能开关第一路对地，在不需要主MCU干预的情况下， 使主继电器得电，电池正极通过主继电器的触点供给ECU + 24V电源。钥匙 开关通过分压后一方面送入ECU电源模块使能电源模块，使得控制电源有 效，MCU开始工作；另一方面送入到主MCU，主MCU输出信号驱动U1智能 开关的第二路，使得U1智能开关的第一路和第二路同时驱动主继电器。当 钥匙开关打到停止位置时，ECU并不立即断电，而是由MCU进行控制，在 完成发动机运行控制，对相应数据进行处理保存后，断开主继电器，ECU 上电源全部断掉。如图3所示ECU电源电路中，电池电压经EMI滤波，经600W/10Ms 的TVS保护，经二极管防反保护进入电源芯片。该电源芯片提供十 5V/800mA， +3. 3V/850mA，供给ECU上各个单元。还提供了带保护诊断功 能的6路独立的传感器电源，每路17 raA ，共计102 mA。还提供了一个独
立硬件窗口式看门狗复位电路。
如图4所示高端开关量输入(数字量输入)中C1:EMI电容，大小为 lnF 1.8nF。 Rl， R2:分压电阻，保证电池电压在9 32V都能使HS—10得 到正确的信号。Dl:输入保护，使得TP点保证在一0.5V + 5.5V。 C3:为滤 波电容。R4:为限流电阻。高端开关输入，Rl和R2的配置要保证Iwhetting 为3毫安，保证得到正确的信号的同时提高抗干扰能力。
如图5所示低端开关量输入(数字量输入)中，C1:EMI电容，大小 为lnF 1.8nF。 Rl:上拉电阻，保证LS—10得到正确的信号，Dl输入防反 保护。R2， C2:阻容滤波，具体参数根据输入的频率确定。低端开关输入， Rl的配置要保证Iwhetting为IO毫安，保证得到正确的信号的同时提高 抗干扰能力。
如图6所示模拟量输入，电压型信号模拟量中C1:EMI电容，大小为 lnF 1.8nF。 Rl:信号的负载电阻，提高信号的可靠性。R2， C2:阻容滤波，
具体参数根据输入的频率确定。
如图7所示电阻型信号模拟量中，C1:EMI电容，大小为lnF 1.8nF。 Rl:信号的分压电阻，根据具体的传感器选取不同的电阻值。R2， C2阻容 滤波，具体参数根据输入的频率确定。如图8所示热电偶信号输入； 频率信号调理(数字量输入)，图9所示的霍尔传感器信号，曲轴转速
信号，车速信号，风扇转速信号。Rl:霍尔传感器是集电极开路信号，Rl 为上拉电阻。R2， C2:为阻容滤波电路。
图10所示磁电式传感器信号，凸轮轴位置信号，差分式输入，固定门槛。
图ll所示电子节气门(ETC)模块，电子节气门(ETC)模块由一个 8位单片机和驱动电路组成，ETC模块自动完成节气门的控制，保护，诊断。 主MCU只要通过SPI接口和API函数就可完成对ETC模块的控制。
图12所示宽域氧传感器调理模块，CNG ECU采用宽域氧传感器 LSU4.9，调理电路由一个8位单片和B0SCH的CJ125氧传感器处理芯片组 成，该模块完成宽域氧传感器的信号处理和诊断，主MCU通过SPI和API 函数完成对模块的控制。
图13所示喷射模块，后相通道，喷射模块由PSOC CYPRESS,加上 电流采样以及驱动组成，自保护。完成喷气阀的电流峰值保持控制。
图14所示点火模块，点火模块采用恒流控制，点火线圈初级电流限 制在7.5A，电压钳位在340V。模块采用自保护。
权利要求
1、一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于由中央控制单元CPU电控制的电源模块、模拟量输入、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元、点火系统模块、喷射模块；ECU电源模块、模拟量输入、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元将信息传输到中央控制单元CPU后，经中央控制单元CPU处理后对点火系统模块和喷射模块发出指令。
2、根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其 特征在于所述的中央控制单元CPU采用FREESCALE的MPC555LMFZP40， 工作频率40MHZ;电子节气门控制单元，根据节气门反馈的两路位置 信号进行计算，驱动。
3、根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其 特征在于所述的模拟量输入采用13路模拟量输入，包括电压型信号 模拟量、电阻型信号模拟量和热电偶信号输入。
4、 根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其 特征在于所述的开关量输入模块包括高端开关输入和低端开关输入。
5、 根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其 特征在于所述的氧传感器处理单元，采用BOSCH的加热型宽域氧传感 器LSU4.9,要求ECU能够对该氧传感器进行调理，测量，诊断。
6、 根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其 特征在于所述的点火模块中的点火线圈直接设计位于火花塞上缘，采用恒流控制，驱动单元具有过温，过流，过压，短路等自保护功能。
7、 根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其 特征在于所述的喷射模块采用峰值一保持型电流控制的6个喷射器。
8、 根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计，其 特征在于所述的ECU电源模块的启动是靠钥匙开关启动的，停止运 行由ECU自行断电；当钥匙开关给上后，Ul智能开关第一路对地， 在不需要主MCU干预的情况下，使主继电器得电，电池正极通过主继 电器的触点供给ECU+24V电源;钥匙开关通过分压后一方面送入ECU 电源模块使得控制电源有效，MCU开始工作；另一方面送入到主MCU， 主MCU输出信号驱动Ul智能开关的第二路，使得Ul智能开关的第一 路和第二路同时驱动主继电器；当钥匙开关打到停止位置时，ECU并 不立即断电，而是由MCU进行控制，在完成发动机运行控制，对相应 数据进行处理保存后，断开主继电器，ECU上电源全部断掉。
9、根据权利要求1所述一种CNG发动机电控系统ECU设计， 其特征在于所述的数字量输入模块包括霍尔传感器信号和磁电式传 感器信号。
全文摘要
本发明涉及一种CNG发动机电控系统ECU设计，其特征在于由中央控制单元CPU电连接ECU电源模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元、点火系统模块、喷射模块；ECU电源模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、电子节气门控制单元、氧传感器处理单元将信息传输到中央控制单元CPU后，经中央控制单元CPU处理后对点火系统模块和喷射模块发出指令。其用于6缸CNG发动机的电子控制系统，运行可靠，CNG电控系统采用电子节气门位于进气歧管前方，ECU根据油门踏板的位置及发动机状况下达指令，是根据电子节气门来控制。
文档编号F02D43/00GK101619684SQ20081005090
公开日2010年1月6日 申请日期2008年7月2日 优先权日2008年7月2日
发明者刘鹏飞, 孙永乐, 莫永聪 申请人:中国第一汽车集团公司