CN100532811C - 四燃料发动机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本摘要涉及一个发明专利，属于汽车产业领域内四燃料发动机的控制系统，它主要包括：传感器集合(S)，它们采集车辆发动机系统中若干点上来的信息；电子指令单元ECU(1)，它接收和处理各传感器来的信号，产生出作为其处理之响应的指令信号；以及，激励器集合(A)，它们接收指令信号，作用于车辆发动机系统中控制系统内的各个部分，对它们进行调整，从而可做到对车辆供应以车用天然气VNG、纯汽油、水合乙醇、或是巴西汽油与22%无水乙醇混合的燃料。

Description

四燃料发动机的控制系统

本描述报告涉及一个发明专利，应用于汽车产业领域内四燃料发动机的控制系统，其开发上能识别车辆所使用的燃料类型，包括水合乙醇或含有22％无水乙醇的巴西汽油或纯汽油或车用天然气-VNG第四种，通过应用传感器软件逻辑来识别与传感器软件逻辑关联的VNG及识别另三者的汽油、乙醇和汽油与乙醇混合燃料，对后三者(SFS)不需使用物理传感器，此外，所提供车辆发动机系统的默认工作为VNG，而当检测为非VNG燃料或是发动机系统工作于特定条件下时，能自动调整发动机系统，或是在车辆驾驶员自主决定下通过合适的手动切换时，发动机系统将调整到工作于取代VNG的其他燃料上；当检知燃料种类后，所述关联到VNG/SFS的传感器软件逻辑其工作进一步与常规的电子喷射系统的软件和硬件系统相关联，借以将发动机系统调整到运转性能好的状态下，包括：速度，绝对压力，节流阀位置，相位，空气温度，旋转，爆燃，水温，气体燃烧燃料中的氧气比例，以及其他参数，使车辆发动机系统内燃料喷射达到其理想的运行。

本申请人是车辆电子燃料喷射系统方面的传统制造商，最近设计和开发并且当前在销售一种供乙醇和汽油燃料以及它们的混合物(SFS)用的喷射系统，这是另一个专利申请项目，号码为PI0202226-5。

然而，在巴西，借助于对某种天然气的发现及其可应用性，已做到将这一燃料作为一种合适的替代品(VNG)来满足能源需求，特别是用于小汽车领域。

所以，本专利主题提出的系统在于，除了汽油、乙醇和它们的混合物之外，系统可“确认”纯汽油的利用，并包含一个功能模块用于对天然气的全部管理。这样，可以在四种不同燃料的供应中作出选择：水合乙醇，混合22％无水乙醇的巴西汽油，纯汽油-无氧化生成物的其他市售品，以及CNG-压缩天然气。在CNG场合下，需要设置由本申请人确定的用于车辆正确运行的硬件，它也是本专利的主题。

在本报告中，车用燃气由下面的缩写标识：

CNG＝压缩天燃气

VNG＝车用天燃气

VMG＝车用甲烷气

如此，应用早已配置的设施SFS传感器，通过将系统学习(1)与发动机预热(2)作比较的算法系统可识别纯汽油，从而识别加入车辆的是没有乙醇的汽油。

检测出纯汽油的前提条件为：SFS标志出，对于大于“X”的预热来说AF(3)必需在13.4之上，以及系统学习在“％”之上。系统应采用14.5的AF，并通过增量值补偿系统学习。

本场合中，AF值从9到13.4应是线性的，在13.4到14.5之间不是线性的，并且高限定值于14.5，这一值标志了混合物的界限。虽然，存在汽油与乙醇的混合物和纯汽油两类燃料，但在AF值不是为9到13.4之前，控制系统状态保持不变。

除非SFS标志出需求的AF值低于13.4，否则，系统应保持于14.5的AF值上，而当需求的AF值低于13.4时，系统应舍弃定限的14.5AF值而重又回到灵活可变性上。

全部SFS检验系统及其窗口保持不变。

对此，本报告给出：

1-系统学习＝由发动机控制单元给出的偏差量，用于改变因燃料成分变动引起的燃料喷射量的变化。

2-预热＝发动机预热阶段。

3-AF＝空气/燃料比，纯汽油为14.5，纯乙醇为9，汽油与乙醇的混合燃料为14.5>AF>9，其中含22％无水乙醇的汽油为13.4。

所以，本发明的目的给出自动的发动机控制系统，也就是说，控制系统总工作于VNG燃料下，除非出现下列条件之一(图5至图9)：

1-VNG瓶罐空；

2-使用VNG的运行时间超过确定的气体容积，例如7kg，在该特定场合下，按逐一场合为准，使系统再以液体燃料工作一定的时间，以免喷射头堵塞；

3-当需要大的功率/转矩时，例如，需要最大速度或爬坡时；

3.1)在此场合下，必要时系统应以液体燃料运行，而后回到平常的VNG工作状态；

3.2)需要转矩可通过识别加速器踏板的位置或通过识别进气收集器的压力得知，这些信息元素可供ECU(电子指令单元)应用；

4-驾驶员只想用汽油行驶时，此种场合下可接通汽油选择键钮。

不发生上面的任一种情况时，系统用天然气运行。

为此，ECU中配置有若干特定控制指令，其中包括：

1.VNG的特定AF值17:1；

2.特殊的VNG喷射头的得益和补偿；

3.由于VNG燃料的差别灌充给出的特定的燃料图或增量图；

4.AF比的增量进程图；

5.特定的喷射相位(主要针对全负载)；

6.闭环转移；

7.燃料瞬变和低温阶段，应不呈现差别。

·系统还有能力推断，汽缸内的VNG量是否已完结，也就是说，当变量KO₂(燃料喷出)只保持一段时间可调整时，这指明需要增加VNG的喷射量。

·缺乏VNG燃料。当牵引状况下KO₂在一段“X”时间内显得不良时，下一次熄火时改换到液体燃料上。

·VNG成分的传感器逻辑。由于甲烷(CH₄)成分是变化的，所以每个加气站有不同的VNG构成。这将导致运转性能不良和燃料不正常。为解决这种差异问题，根据专利PI 020226-5内说明的SFS的一系列公式，可补偿VNG内甲烷气的百分数差别。

·公式1-Q_燃料＝(Q_空气/AF)×K

式中，Q_燃料＝燃料量；

Q_空气＝空气量；

AF＝空气/燃料比；

K＝从KQ₂中推导出的K，用于改变当前的AF。

KO₂是一个比值，用于校正喷射燃料的变动，以维持系统运行的混合物化学计量(SFS的公式1)。

系统能标识Q_燃料需要改变，以保持方程式平衡。这样，通过控制系统校正对车辆的燃料供应后，可调整AF_VNG以得到正确的平衡，这里，AF_VNG是燃料为VNG时的空气燃料比。

VNG温度传感器逻辑；

发动机汽缸内的温度、因而VNG的温度，是随车辆应用情况变化的。当VNG极大地占据发动机的容积当量时，会造成发动机进气量的“错误”读出。

为解决这一问题，控制系统连续地实现方程式1的平衡，并因发动机温度的变化服从慢的时间常数(约3分钟)，控制系统在每一个检验时间期(例如3分钟)可实现一次方程式平衡，由此补偿发动机效率的变化。

每当发动机空气或水、或是这两者的温度发生的变化大于检验中规定的量值时，这一算法便启动。

此种场合下，在方程式平衡时要改变AF比率内下面的空气量系数：

式中，Q_燃料＝燃料量

      Q_空气＝空气量

      AF＝空气燃料比

KO₂＝与AF比关联的氧气，以校正喷射燃料的变化，维持系统运行的混合物化学计量(SFS的公式1)。

KCH₄＝与AF比关联的甲烷气

K_temp＝与AF比关联的温度

附图示明本专利项目内四燃料发动机控制系统中的硬件元素：

图1示明本系统的总体概图；

图2示明喷射头排组和燃料类型选择图；

图3示明作为发动机系统一部分的燃气系统馈料管可行布置；

图4示明总的系统透视图以及各部件在车辆内的安装情况；以及

图5至图9示明VNG系统几种运行状态中的工作流程图。

如图1所示，按照本发明的发动机控制系统硬件主要包括：传感器集合S，它们从车辆发动机系统中的若干点上采集信息；电子指令单元ECU1，它根据燃料识别和喷射控制的相关软件起运转性能参数的控制作用，能从传感器集合S中接收信号，合适地处理它们，按照软件产生指令信号；以及，激励器集合A，它们接收指令信号，合适地驱动车辆发动机系统的各部分，将它们调整到工作于所应用的燃料和运转性能状态。

对此，传感器集合S中包括：压力传感器2，空气温度传感器3，TDC(曲轴)传感器4，相位传感器5(如果需要)，VNG瓶罐压力传感器6，λ通断传感器7，水温传感器8，节流阀位置传感器(TPS)9，车辆速度传感器10，空调需求传感器11。它们受车辆发动机内各别机械点之状态的激励而工作，产生相应的电信号，以先有技术中周知的方式传输至ECU1中。

ECU1主要包括：合适的微处理器，它包含的相关软件有：VNG和SFS传感器逻辑软件，其工作的算法和对策承担起时所应用燃料的识别，燃料包括车用天然气、纯汽油、水合乙醇和巴西汽油与22％无水乙醇的混合物；以及，喷射控制软件，它起运转性能状态的控制作用，其工作的算法和对策上能识别速度、绝对压力、节流阀位置、相位、空气温度、旋转、爆燃、水温、气体燃料燃料中的氧气比例以及其他参数；微处理器还包含一个存储器，它存储与控制系统处理的参数有关的数据，在车辆的整套发动机运转期间，微处理器的软件根据采集到的燃料种类和运转性能状态所关联的信息可对存储的数据作出内插；以及，ECU1还包括辅助装置，用于接收、传输和处理传感器信号和指令信号。

激励器集合A中主要包括：与各个激励器相关的交替供应负载的装置12，点火线圈13，SFS-VNG喷射头排组15，以及瓶罐截断电磁阀17。

此外的其他部件有：告警灯22，水温灯23，旋转计数器24，ECU记录器26，以及运行诊断连接器27。

图2中示明SFS-VNG喷射头排组15，其关联的燃料选择装置主要包括：选择装置30，它由继电器构成，自动选择SFS系统(汽油，乙醇)喷射头或VNG(车用天然气)喷射头关联的燃料；以及，选择装置31，它由一个弃用VNG的键钮构成，用于手动选择燃料。这两个选择装置与处于ECU1内的SFS和VNG传感器逻辑软件中的特定程序和对等相关联。

图3示明燃气系统喷射头的馈料管40，它有着应用于任何燃气系统的标准设计，由两部分构成，可以是塑料或金属，能支持VNG喷射头。燃气PICO喷射头15可使每一个发动机汽缸实施喷射和作出控制VNG。控制模块对于要喷射的燃料进行选择，用电力方式选定时馈料管40提供液体或是气体燃料。ECU对汽缸压力来的信息以及从燃料瓶罐(乙醇或汽油)来的信息进行接收。根据所使用的燃料，ECU通过CAN通信协议向仪表板传输接收的信息，告知正使用的液体或气体的燃料量。

图4示明本系统的布置，包括：根据车辆型式放置在合适位置上的300巴气压的VNG瓶罐50，瓶罐电磁阀51，VNG供气管52，VNG调压器53，以及VNG馈料管40和喷射头15。

技术规范如下：

工作压力：0-250巴

第一压力阶段：12.7巴

第二阶段额定压力：2.5巴+MAP

温度范围：-40℃-+120℃

张力螺线管阀电源：12V或24V

进气过滤器直径：50mm

最大燃气流量：30kg/h

重量：2100g

全部的SFS传感器软件逻辑检验系统承担起对于汽油、乙醇和汽油与乙醇混合物的供应管理，其管理窗口对下列情况保持不变：

1)根据下列事实确认燃料为汽油与0％至100％乙醇的混合燃料，即汽油混合燃料的A/F化学计量比是随混合燃料中包含的乙醇量而不同的，可从λ探针给出的燃料燃烧信息中得到恰当的数据分析；混合燃料中，A/F＝14.5对应于纯汽油，14.5>A/F>9对应于汽油与乙醇的混合物，而A/F＝9对应于乙醇；

2)通过将喷射头的喷射时间T_inj作为混合燃料的函数来确定燃料量，有公式1：

Tinj_Average＝Q_Comb x Gain x (1+/-KO2_FIL)

式中，Q_comb＝燃料量

Q_Air＝空气量

A/F_Mixture＝根据化学计量的空气燃料比，也就是说，是空气质量除以燃料质量的比例值，其中，纯汽油A/F＝14.5，无水乙醇A/F＝9，而那些汽油与乙醇的混合燃料为14.5>A/F>9。

A＝空气

F＝燃料

T_inj Average＝平均喷射时间

G_ain＝

KO₂＝用于平衡A/F比的数值变量，以使燃料维持在化学计量的水准上。该名称由发明人给出。

O₂＝氧气

3)确定出作为混合燃料函数的起爆过程：

式中，AVA_BASE＝基本进程

K₂＝A/F_Mixture的函数

4)确定发动机运行中一个循环结束和另一个循环开始的A/F值，有公式2：

A/F_{mixture(current)}＝A/F_{mixture(prior)}*K₁

Tinj_mèdio＝Q_comb·Gain·(1+/-0％)

5)SFS算法

$\mathrm{if}\left\{\begin{array}{c}\mathrm{KO}2\_\mathrm{fil}>\mathrm{Level}1(\%)\\ \mathrm{KO}2\_\mathrm{fil}<\mathrm{Level}2(\%)\end{array}\right.$

$\mathrm{Then}\left\{\begin{array}{c}{K}_1=\frac{1}{(1+{\mathrm{KO}}_2\_\mathrm{fil})}\\ \mathrm{Calculation\; of\; A}/F\\ {\mathrm{KO}}_2\_\mathrm{fil}=0\end{array}\right.$

6)将发动机的其他控制项作为A/F的函数，有：系统学习，预热，转矩控制，燃料瞬变，Red.转矩动态进程，起动，瓶罐容器。

在上面说明的基本构造内，本发明的专利项目的控制系统可以在材料、尺寸、建造和/或配置等细节方面作出改变，它们偏离不开所申请专利的保护范围。

Claims (14)

1.一种四燃料发动机控制系统，主要包括：

传感器集合S，从车辆发动机系统中若干合适的点上采集信息；

电子指令单元(1)，接收和处理来自各传感器的信号，并且根据处理结果产生指令信号；以及

激励器集合A，接收各指令信号，合适地作用到车辆发动机系统的各部分上，以对这些信号进行调整，

该四燃料发动机控制系统的特征在于，电子指令单元(1)包含下述相关软件：

车用天然气传感器逻辑软件，负责识别车用天然气燃料；

SFS传感器逻辑软件，负责识别下述燃料：纯汽油；水合乙醇；以及巴西汽油与22％无水乙醇的混合物；以及

起运转性能状态的控制作用的喷射控制软件，负责识别速度、绝对压力、节流阀位置、相位、空气温度、旋转、爆燃、水温、在燃烧燃料的气体中氧气的比例、以及与不需要物理传感器的整套发动机的运行有关的其他参数，其中，该电子指令单元(1)从传感器集合S上接收信号，用与下列燃料种类和存储的运转性能状态有关的数据对这些信号进行内插：车用天然气；纯汽油；水合乙醇；以及巴西汽油与22％无水乙醇的混合物，电子指令单元(1)产生用于激励器集合A的指令信号，所述指令信号作用于车辆发动机系统的与所使用的燃料和检测到的运转性能状态相应的部分上，从而达到使车辆整套发动机理想运行的目的。

2.权利要求1的四燃料发动机控制系统，其特征在于，在起动时自动供应车用天然气，直至工作到出现下列情况之一：1)车用天然气瓶罐空；2)使用车用天然气运行的时间超过所确定的气体容积；3)需要大的功率/转矩；4)驾驶员只想使用汽油，所述情况2)由相关的传感器感测，经过算法处理后存储的信息供电子指令单元应用，该电子指令单元产生用于相关激励器的指令信号，使液体燃料供应针对每种场合规定的一定时段，以免喷射头堵塞；所述情况3)由加速器踏板的位置或由在进入收集器处的压力识别，经过算法处理后存储的信息供电子指令单元应用，该电子指令单元产生用于相关激励器的指令信号，从而使在必需时供应液体燃料，并返回到使用车用天然气正常操作的状态；以及，所述情况4)由在系统气体或液体燃料之间进行选择的键钮的位置识别，该键钮由车辆驾驶员操作，经过算法处理后存储的信息供电子指令单元应用，该电子指令单元产生用于相关激励器的指令信号，从而使车辆驾驶员能自主决定供应气体或液体燃料。

3.权利要求1或2的四燃料发动机控制系统，其特征在于，当变量KO₂保持一段时间可调整时，推断汽缸内的车用天然气量已耗尽，这表明必需增加要喷射的车用天然气的量；当在牵引状况下KO₂在一段“X”时间内显得不良、并在下一次熄火中改变液体燃料时，可确认缺乏车用天然气燃料，这些功能通过合适的传感器和算法的结合来实现，存储的信息供电子指令单元和激励器应用，其中，KO₂是表示经过排气缸的氧气的量的变量，所述一段“X”时间是指该变量保持在建立的状态下的时间。

4.权利要求1或2的四燃料发动机控制系统，其特征在于，由车用天然气成分传感器逻辑来校正因甲烷成分变化造成的车用天然气的不同构成，经算法处理后存储的信息供电子指令单元应用，

公式1：Q_燃料＝(Q_空气/A/F)×K

式中，Q_燃料＝燃料量

   Q_空气＝空气量

   A/F＝空气燃料比

   K＝根据KO₂推导出的K，用于改变当前的A/F；KO₂是一个比值，用于校正喷射燃料的变动，并维持系统具有化学计量混合物。

5.权利要求4的四燃料发动机控制系统，其特征在于，车用天然气温度传感器逻辑包含有算法处理，存储的信息供电子指令单元应用，在传感器与激励器的正确结合下，不断地实现公式1的平衡，并根据发动机温度变化的3分钟的时间常数，在检测时间期内实现公式的平衡，从而补偿发动机效率的变化；每当发动机空气温度或水温的变化或是两者的变化都高于调整期间规定的量值时，所述传感器便起作用，此种场合下，平衡公式中要改变的比率是下面的空气量系数：

式中，Q_燃料＝燃料量

    Q_空气＝空气量

    A/F＝空气燃料比

    KO₂＝与氧气有关的比率，用于校正喷射燃料的变化和维持系统具有化学计量混合物，

KCH₄＝与甲烷气有关的比率

K_temp＝与温度有关的比率。

6.权利要求1的四燃料发动机控制系统，其特征在于，SFS传感器逻辑软件的所有检验系统负责控制汽油、乙醇、以及汽油与乙醇的混合物的供应，其窗口对于下列情况保持不变：

1)确认燃料为汽油与0％至100％乙醇的混合燃料，其根据在于，汽油混合燃料的A/F化学计量比是随混合燃料中包含的乙醇量而不同的，从λ探针给出的燃料燃烧信息中得到恰当的数据分析；混合燃料中，A/F＝14.5对应于纯汽油，14.5>A/F>9对应于汽油与乙醇的混合物，而A/F＝9对应于乙醇；

2)通过将喷射头的喷射时间T_inj作为混合燃料的函数来确定燃料量，有公式1：

$Q_{\mathrm{Fuel}}=\frac{Q_{\mathrm{air}}}{{A/F}_{\mathrm{Mixture}}}$

Tinj_Average＝Q_Fuel.Gain.(1+/-KO_{2_}FIL)

式中，Q_燃料＝燃料量

    Q_空气＝空气量

    A/F_Mixture＝就混合燃料的化学计量值而言的空气燃料比，也就是说，是空气质量除以燃料质量的比例值，其中，对于纯汽油，A/F＝14.5，对于无水乙醇，A/F＝9，而对于汽油与乙醇的混合燃料，14.5>A/F_Mixture>9。

A＝空气

F＝燃料

T_inj average＝平均喷射时间

Gain＝质量转换为喷射时间的系数

KO₂＝用于平衡A/F比的数值变量，以使燃烧维持在化学计量的水准上

O₂＝氧气

3)确定出作为混合燃料函数的起爆进程：

式中，AVA_BASE_(new)＝基本进程

K₂＝A/F_Mixture的函数

4)确定发动机运行中一个循环结束和另一个循环开始时的A/F，有公式2：

A/F_{Mixture(current)}＝A/F_{Mixture(prior)}*K₁

$Q_{\mathrm{Fuel}}=\frac{Q_{\mathrm{air}}}{{A/F}_{\mathrm{Mixture}\left(\mathrm{current}\right)}}$

Tinj_Average＝Q_Fuel*Gain*(1+/-0％)

5)SFS算法

IF  KO_{2_}fil>Level 1(％)

    KO_{2_}fil<Level 2(％)

${\mathrm{Then\; K}}_1=\frac{1}{(1+K{Q}_2\_\mathrm{fil})}$

Calculation of A/F

KO_{2_}fil＝0

6)将发动机的下述其他控制项作为A/F的函数：系统学习、预热、转矩控制、燃料瞬变、转矩减小动态进程、起动、瓶罐容器。

7.权利要求1的四燃料发动机控制系统，其特征在于，该四燃料发动机控制系统的硬件包括：

传感器集合S，从车辆发动机系统中的若干点上采集信息；

电子指令单元(1)，具有从传感器集合S接收信号并处理该信号的软件；以及

激励器集合A，从电子指令单元(1)接收指令信号。

8.权利要求7的四燃料发动机控制系统，其特征在于，传感器集合S包括压力传感器(2)、空气温度传感器(3)、曲轴传感器(4)、相位传感器(5)、车用天然气瓶罐压力传感器(6)、λ通断传感器(7)、水温传感器(8)、节流阀位置传感器(9)、车辆速度传感器(10)和空调要求传感器(11)，并且，所有的传感器由车辆发动机激励并产生传输到电子指令单元(1)的信号。

9.权利要求7的四燃料发动机控制系统，其特征在于，电子指令单元(1)主要包括：

微处理器，包含下述相关软件：

车用天然气和SFS传感器逻辑软件，其中的算法和对策承担起对所应用的燃料的识别，燃料包括车用天然气；纯汽油；水合乙醇；以及巴西汽油与22％无水乙醇的混合物；以及

喷射控制软件，起运转性能状态的控制作用，其中的算法和对策能识别速度、绝对压力、节流阀位置、相位、空气温度、旋转、爆燃、水温、燃烧燃料气体中的氧气比例；以及

一个存储器，存储与由该四燃料发动机控制系统处理的参数有关的数据，在车辆发动机运转期间，微处理器的软件根据采集到的燃料种类和运转性能状态所关联的信息可对存储的信息作出内插，

并且，该控制系统的特征在于辅助装置，用于接收、传输和处理传感器信号和指令信号。

10.权利要求7的四燃料发动机控制系统，其特征在于，激励器集合A由以下形成：与各个激励器关联的交替供应负载的装置(12)、点火线圈(13)、SFS-车用天然气喷射头排组(15)、瓶罐截断电磁阀(17)、减压器截断电磁阀(18)、待用激励器(19)、风扇继电器(20)、风扇(21)、以及空调压缩机(25)。

11.权利要求10的四燃料发动机控制系统，其特征在于，激励器集合A中还包括其他部件：告警灯(22)、附加的水温灯(23)、旋转计数器(24)、电子指令单元记录器(26)、以及诊断连接器(27)。

12.权利要求10的四燃料发动机控制系统，其特征在于，SFS-车用天然气喷射头组(15)与燃料选择装置相关联，该燃料选择装置包含：

用于自动选择燃料的装置(30)，包括与SFS-车用天然气喷射头相关联的继电器；以及

用于手动选择燃料的装置(31)，包括用于弃用车用天然气的键钮，用于自动选择燃料的装置(30)和用于手动选择燃料的装置(31)与安装于电子指令单元(1)内的软件的特定程序和对策相关联。

13.权利要求10的四燃料发动机控制系统，其特征在于，气体燃料系统喷射头馈料管(40)具有应用于任何气体系统的标准化设计，由两个塑料或金属部件构成，所述两个塑料或金属部件支持车用天然气喷射头。

14.权利要求7的四燃料发动机控制系统，其特征在于，该四燃料发动机控制系统包括：根据车型放置的300巴车用天然气瓶罐(50)、瓶罐电磁阀(51)、车用天然气供气管(52)、车用天然气调压器(53)、以及气体燃料系统喷射头馈料管(40)和SFS-车用天然气喷射头排组(15)。

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