专利名称：车用双燃料燃气发动机智能控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及自动化数控领域，尤其涉及一种用于车用双燃料燃气发 动机的智能控制系统。
背景技术：
近年来，汽车工业面临着石油供求矛盾加剧和环境保护两个严峻问题， 为了保护环境，汽车排放法规日趋严格。为此，世界各国在不断改进传统发
动机性能的同时，也在积极开发新能源，寻找代用燃料。液化石油气(LPG) 和天然气(CNG)具有价格便宜、含量丰富、排气污染低的突出优点，因而 燃气汽车的研究开发成为当前内燃机领域的研究热点之一。大力发展燃气汽 车对于改善我国城市环境质量、调整能源结构都具有极其重要的意义。
车用燃气发动机因为其燃料的特殊性质，普遍设置了发动机LPG/CNG控 制系统。当前研发的汽车燃气发动机控制系统有很多，但都普遍面临适用性 单一、排放和燃料消耗不稳定以及市场化后的维修问题。为了有效地使用发 动机智能控制系统，充分、持续地发挥燃气电子控制系统对车辆经济性、动 力性和尾气排放的有效控制，我们采用了philips公司基于ARM7TDMI-S核、 单电源和LQFP64封装的高智能微型控制器LPC2131，实现控制方案，并配备 专用的发动机智能监控系统。结合车辆的实际使用情况和发动机控制系统特 点，实时对燃气动力控制系统进行智能控制和实时监控，并校准标定。
发明内容
本实用新型旨在提供一种车用双燃料燃气发动机智能控制系统，在燃气 工作状态时，燃油通路被切断时可保证原车信号通路的正常反馈和燃气供给 量信号的采集。
为实现以上目的，本实用新型所述的发动机智能控制系统，包括数据采 集系统、执行机构、电子控制单元，所述数据采集系统包括传感器，其特征
在于，所述数据采集系统还包括转换开关和仿真器，所述转换开关一端可选 择的与原车电子控制系统和所述仿真器相连，另一端与所述电子控制单元相 连。
优选的，所述转换开关上包括工作状态显示灯和液位显示灯。 优选的，所述传感器包括压力传感器和燃气温度传感器。 优选的，所述传感器还包括绝对压力传感器。
优选的，所述电子控制单元包括微处理器模块、信号采集处理模块、输
出驱动模块、转换开关模块；所述微处理器模块分别与所述信号采集处理模 块、输出驱动模块和转换开关模块相连；所述信号采集处理模块与所述传感 器相连，接收来自传感器的信号后输出至所述微处理器模块；所述输出驱动 模块与所述数据采集系统相连，接收微处理器的信号，并将所述信号输出给 所述数据采集系统。
优选的，还包括PC机，所述电子控制单元还包括电源模块，提供整 个系统各模块的所需各种工作电源；通信端口模块，使电控单元与PC机连 接通讯。
优选的，所述电子控制单元还包括显示LED告警模块，显示发动机燃料 的消耗和存储情况，并发出相应报警。
优选的，所述电源模块的稳压芯片为SPX1117M3-3.3芯片，和/或所述 电源模块的电源监控芯片为CAT1025JI-30。
优选的，所述传感器包括发动机转速传感器、节气门位置传感器、进气 管压力传感器、LPG/CNG气体温度传感器、排气氧含量传感器、液位传感 器。
优选的，所述执行器包括LPG/CNG储气瓶、滤清器、LPG/CNG电磁阀、 调压器、分配器、进气歧管。
本实用新型所述的智能控制系统采用简洁、简单、避免误操作的人性化 设计界面，确保了操作过程中的可靠性。使汽车性能的校准标定工作变得简 单，将控制系统特有的故障码解读并提供维修方案，节省了维修工作中的排 查故障时间，减轻维修人员的工作负担。可以重复标定智能烧录电控单元可 编程再应用芯片，恢复发动机智能控制系统优良性能。
图1为本实用新型所述智能控制系统的结构模块图。
图2为本实用新型数据采集系统示意图。
具体实施方式
本实用新型的LPG/CNG燃料汽车在操作和使用方面没有任何变化，双 燃料车型只需轻按转换开关，就可以实现不同燃料系统间的转换，即使在高 速运行时也可以平稳过渡。
下面结合说明书附图，对本实用新型具体实施例作进一步介绍。
如附图1为本实用新型所述智能监控系统的结构模块图，包括数据采集 系统、电子控制单元，执行机构三大部分。电子控制单元包括微处理器模块、 信号采集处理模块、输出驱动模块、转换开关模块。所述微处理器模块分别 与所述信号采集处理模块、输出驱动模块和转换开关模块相连；所述信号采 集处理模块与所述传感器相连，接收来自传感器的信号后输出至所述微处理 器模块；所述输出驱动模块与所述执行机构相连，接收微处理器的信号，并 将所述信号输出给所述执行机构。
其实，电子控制单元(ECU)也可以由电源和复位模块、微处理器模块、 信号采集处理模块、输出驱动模块、显示LED/CNG和转换开关模块、通信 端口模块组成，是系统的控制核心；执行机构包括LPG/CNG储气瓶、滤清 器、LPG/CNG电磁阀、调压器、分配器、进气歧管、喷嘴等器部件，由ECU 控制驱动；传感器负责采集车况智能，并提供给ECU，包括发动机转速传感 器、节气门位置传感器、进气管压力传感器、LPG/CNG气体温度传感器、 排气氧含量传感器、液位传感器，这些都可构成本发明的优选实施例。
电子控制单元(Eelectronic Control Uint简称ECU),是整个车用 LPG/CNG智能控制系统的核心单元。本实用新型还包括PC机。当转换开关 被切换到使用车用LPG/CNG智能控制系统后，ECU便开始处理传感器和原 车输入的数据，对数据进行处理后，向执行机构输出控制信号，使汽车发动 机正常运转。
下面对电子控制单元的具体模块逐一说明
l丄微处理器模块ECU的核心部件是LPC2131单片机，采用了先进
的32位ARM7TDMI-S内核微处理器，具有高性能和低功耗的特性，非常容 易实现很高的指令吞吐和实施的中断响应。ARM内核使用了流水线技术， 处理和存储系统的所有部分都可以连续工作。通常在执行一条指令的同时就 对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出，大大提高了运算 和存储速度。LPC2131带有32KB潜入的高速Flash存储器。128位宽度的存 储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。芯片还 整合了 8路10位A/D转换器，可以采集0-3V间的模拟信号，每路转换时间 短至2.44iaS。芯片的PWM功能简化了驱动电路，响应速度快且精准。LPC2131 芯片的采集、计算、驱动时间均在微秒级，可以迅速掌握车况，经过缜密计 算，精确控制燃料的消耗和排放的质量。
1.2. 电源和复位模块ECU由蓄电池(24V)供电，微处理器需3.3V 供电，而各种传感器需5V供电。模块采用SPX1117M3-3.3芯片，将电源稳压 至3.3V。 SPX1117M3-3.3芯片特点是输出电流大，输出电压精度高，稳定性 高。当正确连接电源后，POWER等点亮。为了降低噪声，模块利用电感将 模拟电源和数字电源隔离。由于ARM芯片的高速低功耗和低工作电压导致 噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可 靠性等诸多方面也提出了更高的要求。于是模块采用了电源监控芯片 CAT1025JI-30，提高了电源可靠性，并在此设置了复位按键RST。
1.3. 信号采集处理模块该模块将传感器和原车信号，转换为单片机相 匹配的信号，并输入到单片机输入端口，是ECU的重要组成部分，其准确性、 及时性、可靠性、稳定性将影响到整个ECU的运行。系统中的传感器和原车 信号分为脉冲信号和模拟信号两种。曲轴转速和原车信号是脉冲信号，模块 经过滤波和容错处理，将平整稳定的信号送入单片机；节气门位置、温度、 压力、液位、排气氧含量的信号都是模拟信号，模块将这些模拟量线性的调 整到，单片机A/D转换器限定的范围，再经过滤波处理送入单片机。
1.4. 输出驱动模块该模块由光耦开关根据单片机输出信号，驱动 LPG/CNG喷嘴喷射燃料。光耦开关将输入输出信号隔断，避免互相干扰， 而且使用分离电源，可以利用3V的单片机信号驱动12V的电磁喷嘴。光耦 驱动不受任何电磁干扰的影响，可靠性强，稳定性高。根据不同车型，由微 处理器控制驱动2-6路喷气点火。
1.5. 显示LED和转换开关模块显示LED模块用来提示LPG/CNG燃 料的消耗和存储情况，是LPG/CNG液位传感器的输出信号经过分压电路处 理实现的。当所省燃料过少时还会发出蜂鸣警告。转换开关是汽油和 LPG/CNG两种燃料的切换开关也是ECU的电源开关。
1.6. 通信端口模块该模块使ECU可以通过串口与PC机连接通讯。由 于ECU的微处理器是3.3V供电，所以要使用SP3232E进行RS-232电平转 换。SP3232E是3V工作电源的RS-232转换芯片。通过串口可以直接编辑烧 录芯片，还可以监视控制系统工作状况。
图2为本实用新型数据采集系统示意图。包括数据采集系统的燃气系统 部件主要包括钢瓶l、组合阀2、集成阀含(液位传感器)3、压力传感器 4 (安全保护用)、燃气切断电磁阀5、减压器6、燃气温度传感器7、发动机 8、滤清器9、燃气共轨管IO、喷气电磁阀ll、绝对压力传感器12、转换开 关13、燃气控制单元14、仿真器15、原车控制器16。
其中，压力传感器4检测钢瓶至减压器间管路的压力， 一旦该部分管路 出现泄漏，管路压力会出现瞬变和低压状况，传感器检测到该压力变化后， 将信号传递给燃气控制单元，由控制单元输出信号，关闭切断电磁阀。
燃气温度传感器7检测减压器出口的燃气温度，由于燃气的密度对温度 比较敏感，设置该传感器的目的是采集燃气温度，从而估算燃气密度。通过 密度修正保证发动机燃气供应的合理性，该传感器为负温度系数特性。
绝对压力传感器12检测减压器出口和进气岐管间的压力差，通过监视该 压力差的变化，估算燃气密度变化的规律，通过燃气控制器控制燃气量的供 应。该传感器在标定阶段使用，在产品阶段，根据转速、负荷等参数界定燃 气密度变化，该传感器可以省略。
转换开关13上集成燃气/燃油工作选择开关、工作状态显示灯和液位显 示灯。
仿真器15起到一个桥接式电路的作用，在燃气工作状态时，燃油通路被 切断，为保证原车信号通路的正常反馈和燃气供给量信号的采集，通过该仿 真器15实现。
在整车试验过程中需要采集的数据包括空燃比、尾气排放和燃气控制 部分的相关参数(喷油脉宽、转速、燃气温度、氧传感器信号、液位信号)。 其中燃气控制部分的数据采集由上位机完成，即由燃气控制单元采集所需数
据后将其传递给上位机，在标定界面上显示这些控制变量；空燃比则由空燃 比仪将采集的数据传递到显示仪表上，实行实时监视；尾气排放数据由便携 式AVL4000排放仪将数据上传到显示界面上进行实时监视。
本发明的工作原理如下
汽车电源打开后，车况正常的情况下ECU会开启LPG/CNG电磁阀，使 LPG/CNG储气瓶和电喷嘴之间的管路接通。储气瓶内的LPG/CNG经过气瓶 安全阀，由滤清器过滤，通过电磁阀，经调压器调压后，再由燃气共轨管分 配到个喷嘴端口。ECU将传感器信号和原车信号输入，处理数据，分析车况、 依据系统MAP图运算，最后根据结果，按照一定的时序驱动LPG/CNG喷嘴， 为发动机提供燃料。
在燃气工作状态时，燃油通路被切断，为保证原车信号通路的正常反馈 和燃气供给量信号的采集，通过该仿真器15实现对原车系统的信号模拟。
本发明中的数据监控系统，是通过PC机串口与ECU相连接，对ECU 实现实时监控和调试的操作系统。系统工作流程是在汽车运行状况下，操 作人员通过计算机串口发出相应的指令，这些指令经过电平转换变为RS-232 信号，并传送到ECU的串口， ECU分析控制信号后，发送回相应的数据， PC机将接收到的数据显示并绘制实时曲线图。操作人员根据接收的数据，可 以修改或制定新的控制方案，并发送到ECU， ECU会立即根据新的控制方案 运行，操作人员将及时的看到新方案的运行效果。在汽车停止运行的状况下， 可以烧录ECU的微处理器，将新的控制方案固化在芯片上。
ECU的硬件均采用汽车专用元器件，电路优化设计屏蔽了外界干扰，而 软件设置了自监测功能，能在硬件反应之前，从错误状况中自动恢复，各个 环节均保证了系统的稳定性和可靠性。
ECU可以通过车用LPG/CNG数据监控系统，在PC机上采集车况实时 数据，绘制实时数据图，监控LPG/CNG控制器的工作状况，并可修改其控 制内容，使系统更好的适应各种车型，以达到最低的燃料消耗和最佳的排放 效果。
权利要求1.一种车用双燃料燃气发动机智能控制系统，用于对原车电子控制系统的信号进行处理，包括数据采集系统、执行机构、电子控制单元，所述数据采集系统包括传感器，其特征在于，所述数据采集系统还包括转换开关和仿真器，所述转换开关一端可选择的与原车电子控制系统和所述仿真器相连，另一端与所述电子控制单元相连。
2. 如权利要求1所述的双燃料车用燃气发动机智能控制系统，其特征在于，所述转换开关上包括工作状态显示灯和液位显示灯。
3. 如权利要求1所述的双燃料车用燃气发动机智能控制系统，其特征在于， 所述传感器包括压力传感器和燃气温度传感器。
4. 如权利要求1或3所述的双燃料车用燃气发动机智能控制系统，其特征在 于，所述传感器还包括绝对压力传感器。
5. 如权利要求1所述的双燃料车用燃气发动机智能控制系统，其特征在于， 所述电子控制单元包括微处理器模块、信号采集处理模块、输出驱动模块、 转换开关模块；所述微处理器模块分别与所述信号采集处理模块、输出驱动模块和转换 开关模块相连；所述信号采集处理模块与所述传感器相连，接收来自传感器的信号后输 出至所述微处理器模块；所述输出驱动模块与所述数据采集系统相连，接收微处理器的信号，并 将所述信号输出给所述数据采集系统。
6. 如权利要求5所述的双燃料车用燃气发动机智能控制系统，其特征在于， 还包括PC机，所述电子控制单元还包括电源模块，提供整个系统各模块的所需各种工作电源； 通信端口模块，使电控单元与PC机连接通讯。
7. 如权利要求1或5所述的双燃料车用燃气发动机智能控制系统，其特征在 于，所述电子控制单元还包括显示LED告警模块，显示发动机燃料的消耗 和存储情况，并发出相应报警。
8. 如权利要求6所述的双燃料车用燃气发动机智能控制系统，其特征在于， 所述电源模块的稳压芯片为SPX1117M3-3.3芯片，和/或所述电源模块的电 源监控芯片为CAT1025JI-30。
9. 如权利要求1所述的双燃料车用燃气发动机智能控制系统，其特征在于， 所述传感器包括发动机转速传感器、节气门位置传感器、进气管压力传感 器、LPG/CNG气体温度传感器、排气氧含量传感器、液位传感器。
10. 如权利要求1所述的双燃料车用燃气发动机智能控制系统，其特征在于， 所述执行器包括LPG/CNG储气瓶、滤清器、LPG/CNG电磁阀、调压器、 分配器、进气歧管。
专利摘要本实用新型涉及一种车用双燃料燃气发动机智能控制系统，用于对原车电子控制系统的信号进行处理，包括数据采集系统、执行机构、电子控制单元，所述数据采集系统包括传感器，所述数据采集系统还包括转换开关和仿真器，所述转换开关一端可选择的与原车电子控制系统和所述仿真器相连，另一端与所述电子控制单元相连。本系统可以完成发动机各项参数的智能搜集和校准标定，且电控单元采用可应用编程芯片，可以更新保存控制方案，实现发动机的智能监控与性能优化，并具有校准标定便捷，扩展性强的特点，并且在燃气工作状态时，燃油通路被切断时可保证原车信号通路的正常反馈和燃气供给量信号的采集。
文档编号F02D19/06GK201071758SQ20072007344
公开日2008年6月11日 申请日期2007年8月9日 优先权日2007年8月9日
发明者宋玉娥 申请人:上海筑达发动机技术有限公司