专利名称：柴油发动机掺烧气体燃料的控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种柴油发动机掺烧气体燃料的控制系统，属于发动机燃料供给及控制技术领域。
背景技术：
柴油机燃料正处于传统的柴油与包括气体燃料在内的代用燃料多元并存的阶段。 气体燃料，如LPG、LNG、CNG等分子量较柴油小，H/C值高。由于气体燃料在发动机内与空气混合时同为气态，与柴油相比混合气更均匀，燃烧也更完全。因此，柴油机掺烧气体燃料可以大幅度降低柴油机碳烟排放，减少柴油机对大气环境的污染，同时还可以改善柴油机的燃料结构，减少对柴油的依赖。目前，柴油机上使用气体燃料的主要技术特点在于1)在改变原型机结构基础上而形成的电火花点燃或微油引燃气体发动机，该发动机不可能再恢复到纯柴油模式运行； 2)在原柴油机上增加一套气体燃料供给系统而改装成的双燃料发动机，该发动机的气体燃料供给采用机械控制方式，存在控制精度低、性能较差和机械零件故障频繁等不足。
发明内容本实用新型的目的是提出一种柴油发动机掺烧气体燃料的控制系统，使柴油机可在纯柴油模式和双燃料模式之间的在线相互转换，能在发动机工况产生变化时自动控制气体燃料的掺烧量，使其稳定在设计范围内；能在发动机工作范围内实现LPG、LNG、CNG等气体燃料的优化供给。本实用新型的技术方案本实用新型的柴油发动机掺烧气体燃料的控制系统包括发动机运行参数采集模块、ECU模块、气体燃料喷射执行模块及控制面板，其发动机运行参数采集模包括与ECU模块连接的凸轮轴位置传感器、油门位置传感器、转速传感器、冷却水温传感器和喷油泵齿条限位机构的限位步进电机零位传感器，ECU模块的输出与气体燃料喷射电磁阀组件连接。所述的喷油泵齿条限位机构安装在喷油泵上，油泵齿条限位机构包括喷油泵上的油泵齿条，步进电机的输出轴与油泵齿条在同一直线上，指向油泵齿条，步进电机零位传感器安装在步进电机输出轴的一侧对应油泵齿条最大行程处。所述的控制面板上有运行模式切换按钮和运行状态提示灯。本实用新型的优点基本不改变原型柴油机主体结构，改造简单、快捷、易行；本实用新型使发动机具有单一柴油燃料和柴油/LPG (或LNG、CNG等)双燃料两种运行模式，且能实现两种运行模式之间的在线自动切换；可实现柴油机掺烧LPG、LNG、CNG等气体燃料的精确控制，响应快且各缸供气均匀；ECU中储存有综合考虑了发动机动力性、经济性和排放性能的气体燃料掺烧优化策略MAP图；与原型机相比，发动机在双燃料模式运行时的动力性保持不变，部分工况的缸内爆压稍有提闻;与原型机相比，发动机在双燃料模式运行时可大幅度降低碳烟排放，减少环境污染；与原型机相比，同一工况下发动机在双燃料模式运行时的当量燃油消耗率变化较小，高负荷时略有降低；发动机在双燃料模式高负荷(50 % 100 %负荷)运行时，柴油替代率为30 60%，可降低燃料成本；改造后的发动机操作方便，基本不改变驾驶员的操作习惯。
图1是柴油双燃料发动机供给与控制系统图。图2是本实用新型的控制系统原理框图。图3是喷油泵齿条限位机构安装示意图。
具体实施方式
以柴油机掺烧LPG燃料为例。图1是柴油掺烧LPG燃料的双燃料发动机供给与控制系统图本实用新型是在基本不改变原型柴油机控制、供给基础上增设一套电控气体燃料供给专用装置改装而成的。改造后的发动机供给系统包括柴油供给子系统和电控气体燃料供给子系统。柴油供给子系统为原型机所配，主要包括柴油发动机9、柴油箱21、柴油滤清器5、 输油泵、喷油泵6、喷油器等。电控LPG供给子系统为改造所新增的，主要由储气装置、供气装置和控制装置等组成。储气装置主要包括LPG储气瓶及其组合阀1 ;供气装置包括液态管路电磁阀2、蒸发减压器3、压力表4、气体燃料喷射电磁阀组件10和管路等；控制装置主要由蓄电池15、电压模块16、传感器、控制器ECU、喷油泵齿条限位机构8和控制面板17组成。图2是本实用新型的控制系统原理框图控制装置是LPG供给子系统的核心，包括发动机运行参数采集模块、ECU模块、油泵齿条限位机构和控制面板等。发动机运行参数采集模块包括与E⑶模块连接的凸轮轴位置传感器11、油门位置传感器7、转速传感器13、冷却水温传感器12和喷油泵齿条限位机构 8的步进电机零位传感器8b，ECU模块的输出与气体燃料喷射电磁阀组件连接。步进电机零位传感器8b和运行模式转换开关18，E⑶模块的输出分别与气体燃料喷射电磁阀组件10和喷油泵齿条限位机构8连接。喷油泵齿条限位机构8安装在喷油泵 6上。控制面板17上有运行模式转换触摸开关18、运行状态提示灯19和液位显示器20。各传感器功能说明冷却水温传感器12安装在发动机冷却水出水口，发动机冷却水温度是发动机由纯柴油运行模式转换为柴油/LPG双燃料运行模式的必要条件之一，只有当冷却水温达到设定值，发动机运行模式转换才有效。凸轮轴位置传感器11安装在喷油泵正时齿轮端外壳上，用来检测双燃料模式运行时发动机第一缸压缩上止点信号，并送至E⑶，EOT根据该信号和曲轴位置信号按发动机发火顺序控制气体燃料喷射电磁阀的喷射时序。转速传感器(即曲轴位置传感器)13安装在发动机飞轮端，其作用是检测发动机的转速(或曲轴位置)。油门位置传感器7同轴安装在发动机喷油泵油门手柄轴上，其作用是检测发动机油门位置。ECU根据转速信号和油门位置信号实时判断发动机所处工况，经查找和计算后向气体燃料喷射电磁阀组件10发出开启脉宽信号，从而控制该工况下LPG喷射量。同时，ECU向步进电机发指令，限制对应工况下的油泵齿条位置，从而控制该工况下的柴油循环供油量。运行模式转换开关18安装在控制面板17上，EOT据此识别发动机运行模式。图3是喷油泵齿条限位机构安装示意图喷油泵齿条限位机构8安装在喷油泵6上，油泵齿条限位机构8包括喷油泵6上的油泵齿条6a，步进电机8a的输出轴与油泵齿条6a在同一直线上，步进电机零位传感器 8b安装在步进电机8a输出轴的一侧对应处，用来检测步进电机轴零位信号，辅助控制步进电机轴线位移。步进电机轴零位是设定在油泵齿条6a行走的最大位置。即达到零位时，达到最大喷油量，由步进电机8a输出轴控制油泵齿条6a的位置，来控制喷油泵6的喷油量。工作原理发动机采用纯柴油起动，经暖机或短时间运行，当发动机冷却水温度达到设定值时，控制面板上的运行状态指示灯19将“慢闪”，此时，可根据条件或操作人员意愿任意选择发动机燃料运行模式。若没有按下控制面板上的模式转换触摸开关18，液态燃料管路电磁阀2失电，ECU 不向气体燃料喷射电磁阀组件10发送脉冲信号，油泵齿条限位机构处于“纯柴油”位置(相当于原机最大齿条位置限位螺钉)，发动机将继续以“纯柴油”模式运行。若按下控制面板上的模式转换触摸开关18，且当油门位置退至最小值、转速降至设定值时，发动机即自动转换至“双燃料”状态运行。发动机运行参数采集模块将凸轮轴位置信号、转速信号、油门位置信号和水温信号分别送至ECU，此时，液态燃料管路电磁阀开启，ECU根据转速和油门位置判断发动机工况，读取ECU储存器中的气体燃料喷射阀占空比 (或喷射时间)，再根据凸轮轴位置传感器和转速传感器输入的信号，按发动机发火顺序将适量的气态燃料喷射到各缸进气歧管，并在进气行程中被吸入气缸，在原柴油供给系统喷入缸内的柴油引燃下燃烧对外作功。同时，喷油泵齿条限位机构8将根据发动机工况自动限制双燃料模式下各工况的齿条位置，以控制柴油循环供油量。柴油机各工况下气体燃料喷射量，即掺烧策略为低速低负荷(小于25%负荷)时少掺，掺烧率不超过10%，中高速和中高常用负荷(40 80%)时尽可能多掺，掺烧率为 30% 60%，高速高负荷时为防止爆震不宜多掺，掺烧率不大于30%。控制面板上装有运行模式转换触摸开关、储气瓶液位显示灯和运行状态指示灯。 运行状态指示灯有四种显示状态分别为纯柴油模式、具备双燃料切换条件、系统故障、双燃料模式。本实用新型的作用是1)根据条件选择发动机运行模式；2)双燃料模式运行时， 根据发动机工况按固化的气体燃料掺烧策略精确控制气体燃料喷射量和不同转速时最大齿条位置；3)气体燃料供给子系统常见故障自检与报警。本实用新型适用于自然吸气和增压柴油机，也适用于LPG、LNG、CNG等气体燃料。
权利要求1.一种柴油发动机掺烧气体燃料的控制系统，包括发动机运行参数采集模块、ECU模块、气体燃料喷射执行模块及控制面板，其特征在于发动机运行参数采集模包括与ECU模块连接的凸轮轴位置传感器、油门位置传感器、转速传感器、冷却水温传感器和喷油泵齿条限位机构的步进电机零位传感器，ECU模块的输出与气体燃料喷射电磁阀组件连接。
2.根据权利要求1所述的柴油发动机掺烧气体燃料的控制系统，其特征在于喷油泵齿条限位机构(8)安装在喷油泵(6)上，油泵齿条限位机构(8)包括喷油泵(6)上的油泵齿条(6a)，步进电机(8a)的输出轴与油泵齿条(6a)在同一直线上，指向油泵齿条(6a)，步进电机零位传感器(8b)安装在步进电机(8a)输出轴的一侧对应油泵齿条(6a)的最大行程处。
3.根据权利要求1或2所述的柴油发动机掺烧气体燃料的控制系统，其特征在于控制面板上有运行模式切换按钮和运行状态提示灯。
专利摘要本实用新型提供一种柴油发动机掺烧气体燃料的控制系统，包括发动机运行参数采集模块、ECU模块、气体燃料喷射执行模块及控制面板，其发动机运行参数采集模包括与ECU模块连接的凸轮轴位置传感器、油门位置传感器、转速传感器、冷却水温传感器和喷油泵齿条限位机构的限位步进电机零位传感器，ECU模块的输出与气体燃料喷射电磁阀组件连接。喷油泵齿条限位机构安装在喷油泵上，油泵齿条限位机构包括喷油泵上的油泵齿条，步进电机的输出轴与油泵齿条在同一直线上，指向油泵齿条，步进电机零位传感器安装在步进电机输出轴的一侧对应油泵齿条最大行程处。控制面板上有运行模式切换按钮和运行状态提示灯。
文档编号F02D19/06GK202348449SQ20112042571
公开日2012年7月25日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者于东洋, 张凯, 张新塘, 李格升, 李鹤鸣, 游伏兵, 潘志翔, 罗齐江, 董健, 邱谦, 陈绪文, 马克亮, 高孝洪 申请人:武汉理工大学, 陕县新力科技有限公司