一種lng/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種LNG/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元，其特征在于：包括主控芯片及與其相連接的輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、電源模塊；所述輸入模塊為傳感器信號采集及處理模塊，包括轉(zhuǎn)速信號處理電路、冷卻水溫度信號采集及處理電路、氧傳感器模擬信號采集及處理電路、噴油壓力模擬信號采集及處理電路、排氣溫度采集及處理電路、模擬量信號采集及處理電路、氣體溫度壓力信號采集及處理電路；所述輸出模塊包括天然氣噴嘴驅(qū)動模塊及步進電機驅(qū)動模塊。其根據(jù)雙燃料發(fā)動機的實際結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)需求進行設(shè)計，其主控芯片以及外設(shè)電路能夠滿足混燃電控的復(fù)雜性與精確性。
【專利說明】
一種LNG/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及LNG/柴油雙燃料發(fā)動機電子控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種車用LNG/柴油雙燃料發(fā)動機電控系統(tǒng)的電子控制單元。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著當(dāng)前環(huán)境法規(guī)日益嚴(yán)格和能源短缺問題越來越嚴(yán)重，柴油機憑借自身良好的經(jīng)濟性、動力性以及可靠性已逐漸成為各類車輛首選動力。但是由于傳統(tǒng)的石油燃料自身屬性，使得汽車排放的氮氧化物和顆粒物超過90%，碳?xì)浠衔锖鸵谎趸汲^70%，不僅對大氣環(huán)境仍舊造成巨大的破壞，同時也對人們的身體健康造成嚴(yán)重的危害。因此，解決石油危機和環(huán)境污染這兩大問題最簡單而且有效的方法就是尋找汽車發(fā)動機的替代燃料。天然氣作為一種清潔能源，不僅污染物的排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石油和煤炭，并且價格便宜，是全球公認(rèn)的幾種汽車替代清潔燃料之一。柴油-液化天然氣(LNG)雙燃料發(fā)動機具有經(jīng)濟性好、燃料選用靈活、熱效率高以及排放性能好等優(yōu)點。因為電子控制單元是雙燃料發(fā)動機電控系統(tǒng)的核心，其設(shè)計的合理性和運行的可靠性決定雙燃料發(fā)動機的性能品質(zhì)，所以雙燃料柴油發(fā)動機電控系統(tǒng)的電子控制單元的開發(fā)具有很強的實際應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的是提供一種LNG/柴油雙燃料發(fā)動機電控系統(tǒng)的電子控制單元。
[0004]本實用新型采用以下技術(shù)方案實現(xiàn):一種LNG/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元，其特征在于:包括主控芯片及與其相連接的輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、電源模塊；所述輸入模塊為傳感器信號采集及處理模塊，包括轉(zhuǎn)速信號處理電路、冷卻水溫度信號采集及處理電路、氧傳感器模擬信號采集及處理電路、噴油壓力模擬信號采集及處理電路、排氣溫度采集及處理電路、模擬量信號采集及處理電路、氣體溫度壓力信號采集及處理電路；所述輸出模塊包括天然氣噴嘴驅(qū)動模塊及步進電機驅(qū)動模塊。
[0005]在本實用新型一實施例中，所述主控芯片為一單片機最小工作系統(tǒng)，所述單片機最小工作系統(tǒng)包括MC9S12XET256單片機及與其相連接的晶振電路、復(fù)位電路。
[0006]在本實用新型一實施例中，所述通信模塊為CAN通信電路;所述CAN通信電路包括一收發(fā)器;所述收發(fā)器為TJAl050，TJA1050連接主控芯片。
[0007]在本實用新型一實施例中，所述轉(zhuǎn)速信號處理電路包括NCV1124芯片及一階濾波電路;所述冷卻水溫度信號采集及處理電路包括一二階低通濾波電路;所述氧傳感器模擬信號采集及處理電路包括CJ125芯片;所述噴油壓力模擬信號采集及處理電路包括一二階低通濾波電路及一限壓電路;所述排氣溫度采集及處理電路包括MAX6675芯片;所述模擬量信號采集及處理電路為A/D轉(zhuǎn)換電路;所述氣體溫度壓力信號采集及處理電路包括一電壓跟隨器及一二階低通濾波器。
[0008]在本實用新型一實施例中，所述天然氣噴嘴驅(qū)動模塊包括相連接的A3944芯片及auirfr540z功率mos管;步進電機驅(qū)動模塊包括L9935芯片。
[0009]在本實用新型一實施例中，所述電源模塊為相連接的24V的開關(guān)電源和穩(wěn)壓電路；所述24V的開關(guān)電源通過穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)為5V和12V兩種輸出電壓，其中5V輸出電壓給主控芯片、輸入模塊和通信模塊供電；12V輸出電壓給天然氣噴嘴驅(qū)動模塊和步進電機驅(qū)動模塊供電。
[0010]進一步的，所述穩(wěn)壓電路包括兩塊LM2596開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，分別提供5V和12V兩種輸出電壓。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型根據(jù)雙燃料發(fā)動機的實際結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)需求進行設(shè)計，其主控芯片以及外設(shè)電路能夠滿足混燃電控的復(fù)雜性與精確性;在電子控制單元硬件的輸入和輸出接口上，具有豐富而實用的輸入和輸出端口，可以滿足多種傳感器和執(zhí)行器與電子控制單元的連接;在電子控制單元硬件電路的設(shè)計上采用模塊化的設(shè)計思想，將數(shù)字信號和模擬信號分離，信號采集處理部分和功率驅(qū)動部分分離，能夠有效地避免信號干擾，增強系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0013]下面根據(jù)【具體實施方式】和附圖進一步對本實用新型加以說明。
[0014]參見圖1本實用新型提供一種LNG/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元。其包括主控芯片及與其相連接的輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、電源模塊;所述輸入模塊為傳感器信號采集及處理模塊，包括轉(zhuǎn)速信號處理電路、冷卻水溫度信號采集及處理電路、氧傳感器模擬信號采集及處理電路、噴油壓力模擬信號采集及處理電路、排氣溫度采集及處理電路、模擬量信號采集及處理電路、氣體溫度壓力信號采集及處理電路;所述輸出模塊包括天然氣噴嘴驅(qū)動模塊及步進電機驅(qū)動模塊。
[0015]所述主控芯片為一單片機最小工作系統(tǒng)，所述單片機最小工作系統(tǒng)包括MC9S12XET256單片機及與其相連接的晶振電路、復(fù)位電路。
[0016]所述通信模塊為CAN通信電路;所述CAN通信電路包括一收發(fā)器;所述收發(fā)器為TJA1050, TJA1050連接主控芯片。
[0017]所述轉(zhuǎn)速信號處理電路包括NCV1124芯片及一階濾波電路;所述冷卻水溫度信號采集及處理電路包括一二階低通濾波電路;所述氧傳感器模擬信號采集及處理電路包括CJ125芯片;所述噴油壓力模擬信號采集及處理電路包括一二階低通濾波電路及一限壓電路;所述排氣溫度采集及處理電路包括MAX6675芯片;所述模擬量信號采集及處理電路為A/D轉(zhuǎn)換電路;所述氣體溫度壓力信號采集及處理電路包括一電壓跟隨器及一二階低通濾波器。
[0018]所述天然氣噴嘴驅(qū)動模塊包括相連接的A3944芯片及auirfr540Z功率mos管;步進電機驅(qū)動模塊包括L9935芯片。
[0019]所述電源模塊為相連接的24V的開關(guān)電源和穩(wěn)壓電路;所述24V的開關(guān)電源通過穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)為5V和12V兩種輸出電壓，其中5V輸出電壓給主控芯片、輸入模塊和通信模塊供電；12V輸出電壓給天然氣噴嘴驅(qū)動模塊和步進電機驅(qū)動模塊供電。所述穩(wěn)壓電路包括兩塊LM2596開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，分別提供5V和12V兩種輸出電壓。
[0020]本實用新型一實施例中，具體電控單元硬件結(jié)果如附圖1所示。系統(tǒng)硬件由主控芯片最小工作模塊、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊和電源模塊5部分組成。芯片最小工作模塊是以由MC9S12XET256單片機為核心的包括芯片晶振電路和復(fù)位電路組成;輸入模塊主要是傳感器信號米集及處理模塊，包括數(shù)字量輸入和模擬量輸入;輸出模塊包括天然氣噴嘴驅(qū)動模塊和步進電機驅(qū)動模塊;通信模塊主要涉及的是CAN通信電路。
[0021]芯片最小工作模塊是由以MC9S12XET256單片機為核心以及電源電路(電源模塊提供)、芯片晶振電路和復(fù)位電路組成。MC9S12XET256單片機是飛思卡爾公司MC9S12(X)系列高性能16位微處理器，具有強大的浮點計算處理能力，可以計算復(fù)雜的算法，片上資源豐富，數(shù)據(jù)存儲容量大，特別是該單片機具有協(xié)處理器，大大提高了中斷響應(yīng)時間，可滿足復(fù)雜而又快速變化的噴氣規(guī)律。
[0022]輸入模塊:主要是傳感器信號采集及處理模塊，包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號采集與處理電路、冷卻水溫度信號采集及處理電路、氣體溫度壓力信號采集及處理電路、油門位置信號采集及處理電路、步進電機位置信號采集及處理電路和噴油壓力信號采集及處理電路。
[0023]傳感器信號經(jīng)過信號處理模塊后，接到單片機的AD口，MC9S12XET256單片機利用內(nèi)部的ATD模塊，完成模擬量信號的采集和轉(zhuǎn)換。其中，本實用新型選用的是NCV1124芯片作為轉(zhuǎn)速信號處理芯片，NCVl 124芯片是一款雙通道可變磁阻傳感器接口集成芯片，它能夠?qū)鞲衅鬏敵龅碾S車速變化的正弦波轉(zhuǎn)換成頻率相同且占空比適當(dāng)?shù)姆讲?，同時考慮到電控系統(tǒng)在發(fā)動機工作時會有較強的電磁干擾，所以采用了經(jīng)典的RC—階濾波電路，將濾波后的轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)過NCV1124芯片內(nèi)部的限幅和整形電路后，轉(zhuǎn)換成方波信號，輸入給主控芯片；由于冷卻水溫度信號是從NTC(負(fù)溫度系數(shù))熱敏電阻溫度傳感器發(fā)出，熱敏電阻的電阻值隨溫度變化并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出電壓，傳感器信號經(jīng)過電阻分壓和信號放大后，最后傳送至主控芯片A/D轉(zhuǎn)換通道，本實用新型為此設(shè)計了二階低通濾波電路，它是由電阻、電容和運算放大器組成。發(fā)動機排氣溫度信號由K型熱電偶發(fā)出，因此采用MAX6675芯片(K型熱電偶串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器)采集及處理信號，再將信號傳送給主控芯片；寬頻氧傳感器控制電路包括脈沖整形電路和輸入捕捉電路，用于測量和控制發(fā)動機的空燃比，實現(xiàn)LNG/柴油雙燃料發(fā)動機空燃比的閉環(huán)控制，本實用新型采用CJ125芯片采集及處理寬頻氧傳感器的信號；天然氣溫度采集電路是由一個電壓跟隨器和一個二階低通濾波器組成；天然氣壓力采集電路與噴油壓力采集電路所獲得的信號類型相同，其處理電路都是由二階低通濾波器組成；油門拉桿位置信號和步進電機位置信號均為同一類型電壓信號，每一電壓線性對應(yīng)油門拉桿位置和步進電機位置從關(guān)閉到完成打開的每一個位置。噴油壓力信號也是電壓信號，壓力信號和輸出電壓是一一對應(yīng)的。本實用新型采用了RC濾波電路和限壓電路處理信號，再將處理后的信號輸入給主控芯片，進行下一步的處理。
[0024]輸出模塊:包括天然氣噴嘴驅(qū)動模塊和步進電機驅(qū)動模塊。天然氣噴嘴驅(qū)動模塊包括天然氣噴嘴驅(qū)動電路及噴嘴驅(qū)動芯片電路，其中采用Allergo MicroSystems公司生產(chǎn)的A3944汽車低端MOSFET預(yù)驅(qū)動器作為天然氣噴嘴驅(qū)動模塊的驅(qū)動芯片;選用auirfr540z功率mos管作為電控天然氣噴嘴電磁閥的開關(guān)。工作過程如下:當(dāng)微控制器向A3944芯片輸入端INO?5輸入PffM信號時，F(xiàn)ET通道打開，GATO的輸出電流為50mA，作用在auirfr540z功率mos管G極的電壓為IIV，作用在S極的電壓為OV，auirfr540z導(dǎo)通，天然氣噴嘴電磁閥打開，天然氣噴嘴開始噴氣；持續(xù)一段時候后，P麗轉(zhuǎn)為低電平，功率mos管的FET通道關(guān)閉，功率mos管截止，天然氣噴嘴停止噴氣。支持最小Ius的脈沖電控，滿足系統(tǒng)需求。同時為了避免天然氣噴嘴關(guān)閉時，噴嘴的電磁閥線圈會產(chǎn)生反向電動勢，將A3944芯片燒壞，在噴嘴電磁閥線圈的高端和低端之間反向并接快速恢復(fù)二極管;為實現(xiàn)對噴油栗齒條位置的電控，在步進電機上方加裝直線位移傳感器，可實現(xiàn)對齒條位置的閉環(huán)電控，進而電控引燃油量。系統(tǒng)采用二相混合式步進電機，采用L9935芯片實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)電控。
[0025]通信模塊:主要涉及的是CAN通信電路，可實現(xiàn)實時監(jiān)控雙燃料發(fā)動機的運行狀態(tài)、修改電控單元的電控參數(shù)和進行在線標(biāo)定，上位機能夠與電子控制單元進行實時數(shù)據(jù)交換。CAN的收發(fā)器選擇的是TJA1050，它是一種高速的CAN收發(fā)器，主控芯片通過串行數(shù)據(jù)輸出線(TxD)和串行數(shù)據(jù)輸入線(RxD)與TJA1050相連接，而收發(fā)器通過有差動接收和發(fā)送能力的總線中斷MSCANH和MSCANL與上位機相連接。
[0026]電源模塊:用于為MC9S12XET256單片機和外圍接口電路以及各傳感器和各執(zhí)行器提供所需的電源。電源模塊中使用的是24V的開關(guān)電源，分別選用兩塊LM2596開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，用來提供5V和12V兩種輸出電壓。通過穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)為5V和12V兩種輸出電壓。其中24V轉(zhuǎn)5V的穩(wěn)壓電路，主要是給主控芯片、傳感器信號處理模塊和CAN通信模塊等供電；24V轉(zhuǎn)12V的穩(wěn)壓電路，與5V的電源電路相類似，主要是給傳感器、天然氣噴嘴和噴嘴驅(qū)動模塊、步進電機和步進電機驅(qū)動模塊等供電。除此之外，在電路中還設(shè)置了指示燈電路，當(dāng)電控系統(tǒng)開始供電后，如果發(fā)光二極管被點亮則說明電子控制單元電源模塊正常工作。
[0027]在本實用新型具體實施例中，可以采用印刷電路板PCB，即采用兩層面板工藝。在元件布局上采用模塊化設(shè)計，將相關(guān)元器件放在一起，形成模塊的分區(qū)布置;在地線及電源線的布置上較多的考慮了抗干擾的措施;對于模擬信號，將其放在板上離干擾源較遠(yuǎn)的地方;地線單獨布置在電源處一點接地。對于晶振之類高頻元件其走線盡可能的短，并用地線屏蔽。
[0028]上列較佳實施例，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種LNG/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元，其特征在于:包括主控芯片及與其相連接的輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、電源模塊； 所述輸入模塊為傳感器信號采集及處理模塊，包括轉(zhuǎn)速信號處理電路、冷卻水溫度信號采集及處理電路、氧傳感器模擬信號采集及處理電路、噴油壓力模擬信號采集及處理電路、排氣溫度采集及處理電路、模擬量信號采集及處理電路、氣體溫度壓力信號采集及處理電路;所述輸出模塊包括天然氣噴嘴驅(qū)動模塊及步進電機驅(qū)動模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LNG/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元，其特征在于:所述主控芯片為一單片機最小工作系統(tǒng)，所述單片機最小工作系統(tǒng)包括MC9S12XET256單片機及與其相連接的晶振電路、復(fù)位電路。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LNG/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元，其特征在于:所述通信模塊為CAN通信電路;所述CAN通信電路包括一收發(fā)器;所述收發(fā)器為TJA1050，TJA1050連接主控芯片。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LNG/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元，其特征在于:所述轉(zhuǎn)速信號處理電路包括NCV1124芯片及一階濾波電路;所述冷卻水溫度信號采集及處理電路包括一二階低通濾波電路;所述氧傳感器模擬信號采集及處理電路包括CJ125芯片;所述噴油壓力模擬信號采集及處理電路包括一二階低通濾波電路及一限壓電路;所述排氣溫度采集及處理電路包括MAX6675芯片;所述模擬量信號采集及處理電路為A/D轉(zhuǎn)換電路;所述氣體溫度壓力信號采集及處理電路包括一電壓跟隨器及一二階低通濾波器。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LNG/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元，其特征在于:所述天然氣噴嘴驅(qū)動模塊包括相連接的A3944芯片及auirfr540z功率mos管;步進電機驅(qū)動模塊包括L9935芯片。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LNG/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元，其特征在于:所述電源模塊為相連接的24V的開關(guān)電源和穩(wěn)壓電路;所述24V的開關(guān)電源通過穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)為5V和12V兩種輸出電壓，其中5V輸出電壓給主控芯片、輸入模塊和通信模塊供電；12V輸出電壓給天然氣噴嘴驅(qū)動模塊和步進電機驅(qū)動模塊供電。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的LNG/柴油雙燃料發(fā)動機的電子控制單元，其特征在于:所述穩(wěn)壓電路包括兩塊LM2596開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，分別提供5V和12V兩種輸出電壓。
【文檔編號】F02D41/20GK205422958SQ201620105213
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年2月3日
【發(fā)明人】彭育輝, 蔡萍, 陳劍雄, 陳祥臻, 楊輝寶
【申請人】福州大學(xué)