一种发动机的控制系统、控制方法及发动机与流程

本发明实施例涉及发动机控制技术，尤其涉及一种发动机的控制系统、控制方法及发动机。

背景技术：

电控发动机由于其燃油经济性和排放性等优势，逐渐成为行业发展的主流趋势，但电控发动机的发展还受到很多因素制约，比如：控制系统的可靠性。提高控制系统的可靠性，对保证发动机机正常运行显得尤为重要，特别是在船用领域，更是要求在控制系统出现故障情况下仍能够维持发动机的正常运行。

另外，中国船级社入级规范第3篇第9章中关于电控发动机的要求指出：电控系统中因功能故障可能影响主推进发动机正常运转的设备，应具有双套系统，如电子控制器、曲轴转角测量装置，两套系统的类型与功能完全相同，当其中之一出现故障时，另一套系统能自动替换前一套继续工作，以维持柴油机的正常运转，并同时发出相关报警。

现有发动机电控系统冗余设计方案，其核心是通过机旁安保系统监控主备电子控制单元ecu的工作状态，备用ecu处于待机状态。具体工作过程如下：主备ecu作为心跳产生方，通过同一条通信总线(例如可以是控制器局域网can总线)，将心跳监测帧传递给安保系统。安保系统实时监控主备ecu的心跳和诊断信息，判断主备ecu是否正常工作，并根据切换条件，控制主备ecu之间进行切换。现有技术主要有以下缺点：一、主备ecu通过安保模块作为第三方进行状态监控，主备ecu仅通过一条can线与安保模块通讯，当该can线出现故障时，主备ecu将无法与安保模块正常通讯，安保模块无法接收心跳监测信号，导致安保模块无法正确判断是ecu故障还是can线故障；二、主备ecu切换必须依靠安保模块控制，安保和ecu控制单元的联合开发风险和难度较大。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种发动机的控制系统、控制方法及发动机，以实现发动机电控系统的冗余设计，提高主备ecu状态监控的可靠性，降低因网络线路问题引起的电控系统瘫痪问题。

第一方面，本发明实施例提供一种发动机的控制系统，包括：第一电子控制单元ecu、第二电子控制单元ecu、连接第一ecu和第二ecu的第一通信总线以及连接所述第一ecu和所述第二ecu的至少一条第二通信总线；

所述第一ecu用于控制所述发动机运行，并通过所述第一通信总线和所有所述第二通信总线向所述第二ecu发送心跳信号；

所述第二ecu用于检测所述第一通信总线和/或所述第二通信总线上的所述心跳信号，并在检测到所述心跳信号时向检测到所述心跳信号的第一通信总线或第二通信总线发送心跳反馈信号；

当所述第二ecu在第一预设时间段内未检测到所述第一通信总线上传输的心跳信号时，检测所述第二通信总线上传输的心跳信号；

当所述第二ecu在第二预设时间段内未检测到所述第二通信总线上传输的心跳信号时，判定所述第一ecu发生故障，切换为所述第二ecu控制所述发动机运行。

第二方面，本发明实施例还提供一种发动机的控制方法，适用于上述的控制系统，包括：

第一ecu向第一通信总线和所有第二通信总线发送心跳信号；

第二ecu在第一预设时间段内检测所述第一通信总线上传输的心跳信号；

当所述第二ecu在第一预设时间段内未检测到所述第一通信总线上传输的心跳信号时，检测所述第二通信总线上传输的心跳信号；

若所述第二ecu在第二预设时间段内未检测到所述第二通信总线上传输的心跳信号，判定所述第一ecu发生故障，切换为所述第二ecu控制所述发动机运行。

第三方面，本发明实施例还提供一种发动机，包括上述的控制系统。

本发明实施例提供的发动机的控制系统包括：第一ecu、第二ecu、连接第一ecu和第二ecu的第一通信总线以及连接第一ecu和第二ecu的至少一条第二通信总线；第一ecu用于控制发动机运行，并通过第一通信总线和所有第二通信总线向第二ecu发送心跳信号；第二ecu用于检测第一通信总线和/或第二通信总线上的心跳信号，并在检测到心跳信号时向检测到心跳信号的第一通信总线或第二通信总线发送心跳反馈信号；当第二ecu在第一预设时间段内未检测到第一通信总线上传输的心跳信号时，检测第二通信总线上传输的心跳信号；当第二ecu在第二预设时间段内未检测到第二通信总线上传输的心跳信号时，判定第一ecu发生故障，切换为第二ecu控制发动机运行。通过在第一ecu和第二ecu之间设置至少一条冗余的第二通信总线，当第二ecu从第一通信总线和第二通信总线都检测不到第一ecu发送的心跳信号时，判定第一ecu故障，切换为第二ecu控制发动机运行，可以有效避免第一通信总线故障导致的第一ecu故障误判的问题，提高发动机控制的可靠性，降低因网络线路问题引起的电控系统瘫痪问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种发动机的控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种发动机的控制系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的又一种发动机的控制系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种发动机的控制系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种发动机的控制系统的结构示意图；

图6是图5中继电器连接的局部结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种发动机的控制方法的流程示意图；

图8是本发明实施例提供的第一ecu和第二ecu心跳信号检测流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1所示为本发明实施例提供的一种发动机的控制系统的结构示意图，该控制系统包括：第一电子控制单元ecu10、第二电子控制单元ecu20、连接第一ecu10和第二ecu20的第一通信总线30以及连接第一ecu10和第二ecu20的至少一条第二通信总线31；第一ecu10用于控制发动机运行，并通过第一通信总线30和所有第二通信总线31向第二ecu20发送心跳信号；第二ecu20用于检测第一通信总线30和/或第二通信总线31上的心跳信号，并在检测到心跳信号时向检测到心跳信号的第一通信总线30或第二通信总线31发送心跳反馈信号；当第二ecu20在第一预设时间段内未检测到第一通信总线30上传输的心跳信号时，检测第二通信总线31上传输的心跳信号；当第二ecu20在第二预设时间段内未检测到第二通信总线31上传输的心跳信号时，判定第一ecu10发生故障，切换为第二ecu20控制发动机运行。

可以理解的是，电子控制单元(electroniccontrolunit，ecu)与普通的电脑一样，由微处理器(cpu)、存储器(rom、ram)、输入/输出接口(i/o)、模数转换器(a/d)以及整形、驱动等大规模集成电路组成，具有运算与控制的功能，发动机在运行时，它采集各传感器的信号，进行运算，并将运算的结果转变为控制信号，控制被控对象的工作。它还实行对存储器(rom/flash/eeprom、ram)、输入/输出接口(i/o)和其它外部电路的控制；存储器rom中存放的程序是经过精确计算和大量实验取得的数据为基础编写出来的，这个固有程序在发动机工作时，不断地与采集来的各传感器的信号进行比较和计算。把比较和计算的结果用来对发动机的点火、空燃比、怠速、废气再循环等多项参数的控制。为了提高控制系统的稳定性，第一ecu作为主ecu，第二ecu作为备ecu。当第一ecu发生故障时，第二ecu接替第一ecu控制发动机运行。图1中所示的控制系统示意性的示出一条第二通信总线31，其中，第一通信总线30和第二通信总线31可以是控制器局域网(controllerareanetwork，can)总线、局域互联网络(localinterconnectnetwork，lin)总线等通信总线的任意一种，可以根据具体需求灵活选择。

下面结合图1介绍本实施例的工作过程：正常工作时，第一ecu10控制发动机运行，且会向第一通信总线30和第二通信总线31发送心跳信号，第二ecu20用于从第一通信总线30上获取心跳信号，并发送心跳反馈信号，当第二ecu20不能在第一预设时间段内从第一通信总线30上获取心跳信号，其中第一预设时间段可以为三个心跳信号的时间间隔(例如，正常情况下每隔1ms接收一个心跳信号，而3ms都没有收到心跳信号)，则可能是第一ecu10发生故障，也可能是第一通信总线30故障，这时第二ecu20检测第二通信总线31上的心跳信号，如果在第二预设时间段内(例如可以为3ms)也没有检测到心跳信号，则判定第一ecu10发生故障，这样排除了第一通信总线30发生故障对第一ecu10的误判，第二ecu20自动接管第一ecu10的功能，控制发动机运行，保证控制系统的稳定性。

本实施例的技术方案，通过在第一ecu和第二ecu之间设置至少一条冗余的第二通信总线，当第二ecu从第一通信总线和第二通信总线都检测不到第一ecu发送的心跳信号时，判定第一ecu故障，切换为第二ecu控制发动机运行，可以有效避免第一通信总线故障导致的第一ecu故障误判的问题，提高发动机控制的可靠性，降低因网络线路问题引起的电控系统瘫痪问题。此外，本实施例提供的控制系统没有引入安保模块作为第三方进行状态监控，冗余控制功能与安保系统无交互，无需与安保模块联合开发，降低系统开发难度，增加系统独立性、稳定性及市场应用的灵活性。

在上述技术方案的基础上，图2所示为本发明实施例提供的另一种发动机的控制系统的结构示意图。可选的，该控制系统还包括第一传感器组40、第三通信总线32、油泵单元50以及电控喷油器60，油泵单元50和电控喷油器60连接；第一传感器组40用于采集发动机的第一参数信息；第一ecu10与第一传感器组40电连接，用于获取第一参数信息；第三通信总线32分别与第一ecu10和第二ecu20连接，用于将第一参数信息从第一ecu10发送到第二ecu20；油泵单元50分别与第一ecu10和第二ecu20电连接，第一ecu10用于控制油泵单元50的压力，以使电控喷油器60喷油，第二ecu20用于在判定第一ecu10故障时控制油泵单元50的压力，以使电控喷油器60喷油；电控喷油器60分别与第一ecu10和第二ecu20电连接，第一ecu10用于控制电控喷油器60喷油，第二ecu20用于在判定第一ecu10故障时控制电控喷油器60喷油。

可以理解的是，第一传感器组40包括获取发动机运行参数的传感器，例如对于船用发动机，包括曲轴转速传感器、凸轮轴转速传感器、轨压传感器、水温传感器、进气温度压力传感器、机油压力温度传感器、燃油压力传感器、燃油温度传感器、低温水压力传感器、燃油泄漏传感器、机油液位传感器等。第三通信总线32用于传输上述运行参数，保证第一ecu10故障时，第二ecu20可以根据当前工况及传感器输入，迅速接管发动机控制功能。保证发动机在不停车的情况下，有持续的动力输出。

图3所示为本发明实施例提供的又一种发动机的控制系统的结构示意图。可选的，该控制系统还包括：第二传感器组70，用于获取发动机的第二参数信息；第二ecu20与第二传感器组70电连接，用于获取第二参数信息；第二ecu20还用于在判定第一ecu10故障且未从第三通信总线32获取到第一参数信息时，根据第二参数信息控制油泵单元50的压力，以使电控喷油器60喷油。

可以理解的是，如果第一ecu10完全瘫痪，不能获取第一传感器组40获取的发动机运行参数，则第二ecu20无法继续控制发动机运行。因此设置第二传感器组70、包括第二路曲轴转速传感器、第二路凸轮轴转速传感器、第二路轨压传感器，第二路水温传感器，第二路进气压力温度传感器，第二路机油压力温度传感器等都要求进第二ecu20，用于在第一ecu10故障后，第二ecu20可以据此正确计算喷油量，保证发动机正常动力输出。

图4所示为本发明实施例提供的又一种发动机的控制系统的结构示意图。可选的，油泵单元50包括第一油泵51和第二油泵52，第一ecu10与第一油泵20电连接，第二ecu20与第二油泵52电连接；第一ecu10控制第一油泵51的压力，第二ecu20控制第二油泵52的压力，第一ecu10用于控制电控喷油器60喷油；第二ecu20用于在判定第一ecu10故障时控制电控喷油器60喷油。

正常情况下，第一ecu10作为发动机控制单元，进行传感器，执行器(例如油泵单元)信号的处理及控制，掌控发动机的运行状态，第一ecu10控制第一油泵51，第二ecu20控制第二油泵52，通过压力闭环实现油量的控制，第二ecu20除了控制第二油泵52外，无其他功能输出。如果其中任何一套油泵出问题，剩下一套能够独立工作并保证单台油泵的功率满足发动机输出功率要求。当系统满足以下两种条件时，第一ecu和第二ecu需要切换：1、第一ecu10发生重大故障，通过故障报警机制报出，并通知第二ecu20启动，接管发动机控制功能；2、第一ecu10和第二ecu20间的心跳监测不通过，包含第一通信总线30和第二通信总线31都监测不通过时，第二ecu20自动接管发动机控制功能，并按照当前的工况信息进行喷油量计算，保证发动机有持续的功率输出。

图5所示为本发明实施例提供的又一种发动机的控制系统的结构示意图，图6为图5中继电器连接的局部结构示意图。可选的，该控制系统还包括继电器80，继电器80包括控制端a和单刀双掷开关b，继电器80的控制端a与第二ecu20的继电器控制端电连接，单刀双掷开关b的第一端b1与第一ecu10的第一驱动端电连接，单刀双掷开关b的第二端b2与第二ecu20的第二驱动端电连接，单刀双掷开关b的第三端b3与电控喷油器60的第一端电连接，第一ecu10的第二驱动端和第二ecu20的第二驱动端都与电控喷油器60的第二端电连接；当第二ecu20的继电器控制端未向继电器发送控制信号时，单刀双掷开关b的第一端b1和第三端b3闭合，第一ecu10控制电控喷油器60喷油；当第二ecu20判定第一ecu10发生故障时，第二ecu20的继电器控制端向继电器80发送控制信号以使单刀双掷开关b的第二端b2和第三端b3闭合，第二ecu20控制电控喷油器60喷油。

参考图6，当继电器80不使能时，触点默认与第一ecu10连接，当第二ecu20接收到指令，需要接管发动机控制时，第二ecu20需要立刻使能继电器驱动针脚，保证第二ecu20与电控喷油器60快速建立连接。继电器控制的优点是，将第一ecu和第二ecu的第一驱动端隔离，无论是正常工作还是ecu故障情况下，都不会相互影响。单刀双掷的好处是，在继电器不使能时，默认与第一ecu连接，大大减少继电器的使能次数，增加继电器系统使用的可靠性。

图7所示为本发明实施例提供的一种发动机的控制方法的流程示意图，该方法可以由上述的控制系统来执行，具体包括如下步骤：

步骤110、第一ecu向第一通信总线和所有第二通信总线发送心跳信号。

步骤120、第二ecu在第一预设时间段内检测第一通信总线上传输的心跳信号。

步骤130、当第二ecu在第一预设时间段内未检测到第一通信总线上传输的心跳信号时，检测第二通信总线上传输的心跳信号。

步骤140、若第二ecu在第二预设时间段内未检测到第二通信总线上传输的心跳信号，判定第一ecu发生故障，切换为第二ecu控制发动机运行。

正常工作时，第一ecu控制发动机运行，且会向第一通信总线和第二通信总线发送心跳信号，第二ecu用于从第一通信总线上获取心跳信号，并发送心跳反馈信号，当第二ecu不能在第一预设时间段内从第一通信总线上获取心跳信号，其中第一预设时间段可以为三个心跳信号的时间间隔(例如，正常情况下每隔1ms接收一个心跳信号，而3ms都没有收到心跳信号)，则可能是第一ecu发生故障，也可能是第一通信总线故障，这时第二ecu检测第二通信总线上的心跳信号，如果在第二预设时间段内(例如可以为3ms)也没有检测到心跳信号，则判定第一ecu发生故障，这样排除了第一通信总线发生故障对第一ecu的误判，第二ecu自动接管第一ecu的功能，控制发动机运行，保证控制系统的稳定性。

本实施例的技术方案，通过在第一ecu和第二ecu之间设置至少一条冗余的第二通信总线，当第二ecu从第一通信总线和第二通信总线都检测不到第一ecu发送的心跳信号时，判定第一ecu故障，切换为第二ecu控制发动机运行，可以有效避免第一通信总线故障导致的第一ecu故障误判的问题，提高发动机控制的可靠性，降低因网络线路问题引起的电控系统瘫痪问题。此外，本实施例提供的控制系统没有引入安保模块作为第三方进行状态监控，冗余控制功能与安保系统无交互，无需与安保模块联合开发，降低系统开发难度，增加系统独立性、稳定性及市场应用的灵活性。

在上述技术方案的基础上，可选的，该控制方法还包括：

若第二ecu在第二预设时间段内检测到第二通信总线上传输的心跳信号，且第一ecu检测到第二通信总线上传输的心跳反馈信号，则判定第一通信总线发生故障。

可以理解的是，当第二ecu从第二通信总线接收到心跳信号，且第一ecu从第二通信总线接收到心跳反馈信号，说明第一ecu和第二ecu都工作正常，由于检测不到第一通信总线上传输的心跳信号，可以判定第一通信总线故障，可以输出该故障信息，提醒工作人员及时对第一通信总线进行检修。

可选的，该控制方法还包括：

若第二ecu从第一通信总线或第二通信总线上检测到第一ecu发送的故障信号，则切换为第二ecu控制发动机运行。

可以理解的是，ecu都有自检测功能，当第一ecu检测到自身故障，且通信功能正常时，第一ecu可以将故障信息通过第一通信总线或第二通信总线发送到第二ecu，第二ecu可以及时接管发动机进行控制，保证发动机正常运行。

可选的，控制系统包括第一传感器组、第三通信总线、油泵单元以及电控喷油器，控制方法还包括：

第一ecu控制油泵单元的压力，第一ecu控制电控喷油器喷油；

当第二ecu在判定第一ecu故障时，第二ecu控制油泵单元的压力，并控制电控喷油器喷油。

可选的，发动机还包括第二传感器组，控制方法还包括：

第二ecu在判定第一ecu故障且未从第三通信总线获取到第一参数信息时，根据第二参数信息控制油泵单元的压力，以使电控喷油器喷油。

可选的，油泵单元包括第一油泵和第二油泵，第一ecu与第一油泵电连接，第二ecu与第二油泵电连接；控制方法还包括：

当第二ecu判定第一ecu故障时，第二ecu控制电控喷油器喷油。

可选的，控制系统还包括继电器；控制方法还包括：

当第二ecu判定第一ecu发生故障时，第二ecu的继电器控制端向继电器发送控制信号，以使继电器的单刀双掷开关的第二端和第三端闭合；

第二ecu控制电控喷油器喷油。

可选的，该控制方法还包括：

第一ecu在第三预设时间段内检测第一通信总线上传输的心跳反馈信号；

当第一ecu在第三预设时间段内未检测到第一通信总线上传输的心跳反馈信号，检测第二通信总线上传输的心跳反馈信号；

若第一ecu在第四预设时间段内未检测到第二通信总线上传输的心跳反馈信号，则判定第二ecu发生故障；

输出第二ecu发生故障的提示信息。

可以理解的是，第一ecu可以通过是否收到第二ecu发送的心跳反馈信号判断第二ecu是否发生故障，正常工作时，第二ecu用于从第一通信总线上获取心跳信号后，并发送心跳反馈信号，当第一ecu不能在第三预设时间段内从第一通信总线上获取心跳反馈信号，其中第三预设时间段可以为三个心跳信号的时间间隔(例如，正常情况下每隔1ms接收一个心跳信号，而3ms都没有收到心跳反馈信号)，则可能是第二ecu发生故障，也可能是第一通信总线故障，这时第一ecu检测第二通信总线上的心跳反馈信号，如果在第四预设时间段内(例如可以为3ms)也没有检测到心跳反馈信号，则判定第二ecu发生故障，这样排除了第一通信总线发生故障对第二ecu的误判，输出第二ecu故障信息，提醒工作人员及时检修。

图8所示为本发明实施例提供的第一ecu和第二ecu心跳信号检测流程示意图。以第一通信总线和第二通信总线都为can总线为例，其中，第一ecu为主ecu，第二ecu为备ecu，参考图8，主ecu和备ecu通过两路can通道进行心跳帧校验。can1为正常校验通道，can2为冗余can。正常情况下，主ecu和第二ecu通过can1进行心跳帧的传递，主ecu作为心跳产生方，备ecu作为心跳接收方，当主ecu发送的心跳帧，备ecu能够正确响应时，系统认为主ecu和备ecu工作正常，如果备ecu长时间无法接收到心跳校验帧，则通过冗余can2监测，如果can2可以正常监测，表明can1网络故障，主ecu和ecu处于正常工作状态，此时无需进行主ecu和ecu的切换。如果冗余can2也无法进行心跳监测，说明主ecu已无法发送心跳帧，此时主ecu应该发生严重故障，需要立即切换到备ecu进行发动机的喷油控制。反之，如果主ecu长时间未收到备ecu的反馈帧，排除can1网络故障外，则认为备ecu发生故障，此时需要通过报警的方式通知用户，及时排查备ecu故障。

本发明实施例还提供一种发动机，包括上述实施例提供的任意一种的控制系统。由于本发明实施例提供的发动机包括上述任意实施例提供的控制系统，其与所包括的控制系统具有相同和相应的有益效果，此处不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。