專利名稱：電控天然氣發動機的天然氣供給系統及其發動機與車輛的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于汽車電子技術領域，涉及一種電控天然氣發動機工作系統，尤其是
其天然氣供給系統。
背景技術：
天然氣主要成分為CH4，是優質清潔燃料，天然氣布生產時無需復雜的提煉過程、 無需添加劑就可使用，因此價格便宜；天然氣的突出優點是燃燒非常完全，排出的廢氣 比較清潔，能滿足越來越嚴格的排放法規要求，對凈化環境頗為有益，天然氣燃燒所產 生的溫室效應是石油的54%，燃燒后基本無煙塵，其它有毒排放物也是最少的。
隨著汽車電子控制技術的發展，目前天然氣發動機也其本上采用電子控制工作系 統，稱作電控天然氣發動機工作系統，該工作系統一般包括天然氣供給系統、點火系統、 電子控制系統。電子控制系統包括傳感器部分、電子控制單元ECU和執行器部分。
天然氣供給系統一般由依次實行氣連接的天然氣儲氣罐，開關電磁閥，減壓閥，再 經一天然氣導入裝置將天然氣導入發動機進氣歧管而組成。夭然氣導入裝置與電子控制 單元ECU電連接，同時充當所述電子控制系統的執行器，受所述ECU控制。
目前天然氣發動機天然氣導入方式有兩種機械式自吸系統與噴射式；前者成本 較低，后者性能較佳。
一、機械式自吸系統:該方案在原發動機為化油器式或電噴式車輛上都可進行改進， 具體方法是天然氣通過減壓閥減壓后再經過流量調節閥接入進氣總管上，發動機運行時 各氣缸吸氣過程在進氣管上產生的負壓將天然氣吸入缸內，行成混合燃氣。通過流量調 節閥來控制'空燃比'。該調節閥有兩種， 一種是采用手動調節閥， 一次性調整后運行 過程中不能改變，由于車輛運行時不同工況下空氣進氣量的變化非常大，而通過固定閥 進入的天然氣不能隨進氣量進行調整，使得只能在某點形成合適的'空燃比'，在絕大 部分工況下不是過稀就是過濃，氣耗、動力、排放都不佳。另一種是采用電子調節閥對 流量進行控制，但由于調節閥的慣性不能及時跟隨節氣門開度的變化，另外由于進氣歧 管負壓的變化(負壓隨發動機轉速和節氣門開度兩個變量的變化而變化)沒有檢測，調 節閥出口形成的壓力不斷變化且不可知，將引起天然氣吸入量的控制不準確，因此不能很好地對空燃比進行控制，控制效果也不好。
二、噴射式用于對電噴汽油發動機進行改造時，保留原汽油電噴控制系統基本不 變，在發動機各進氣歧管上接入一個電磁噴氣閥，天然氣通過減壓閥減壓后經加入的電 磁閥控制燃氣的噴射量，將原電噴單元(ECU)控制噴油器的信號通過一個控制單元
進行線性展寬來控制電磁閥，該方案雖然是由原ECU通過系統的傳感器對運行狀態的
檢測得到最佳的噴油量，但汽油機最佳空燃比與天然氣的最佳空燃比是不一樣的，而且 天然氣與汽油相同熱值燃料在發動機上產生的運行狀態也不一樣，因此這種方法進行的
天然氣進氣量的控制也是不準確的。另外，原ECU的點火信號是以汽油為燃料進行運 算的點火提前角，汽油與天然氣的著火點及燃燒速度相差很大，點火提前角的差異非常 大，汽油狀態的點火提前角用在天然氣上對排放、動力性、效率造成較大的影響。所以， 對于電噴汽油發動機進行改造時，應對其整個電控天然氣發動機工作系統的硬件與軟件 作全面的改進。當然，新造的天然氣發動機更應該匹配性能優良的電控工作系統。
上述現有技術電控天然氣發動機工作系統中，天然氣供給系統由依次實行氣連接的 天然氣儲氣罐，開關電磁閥，減壓閥，再經一天然氣導入裝置將天然氣導入發動機進氣 歧管而組成。在機械式自吸系統中，由流量調節閥充當天然氣導入裝置；在噴射式系統
中，由天然氣噴射器充當天然氣導入裝置。但是，由于流量調節閥或噴射器是脈沖方式 工作，即周期開關噴嘴，由于減壓閥的響應不可能很快，從減壓閥到噴嘴軌間的管路的 容積很小，噴氣過程必然引起噴軌入端天然氣壓力的大幅波動，進而影響電控天然氣發 動機工作系統的穩定性。
發明內容
本實用新型首先要解決的技術問題是針對上述現有技術現狀而提供一種用于電控 天然氣發動機的天然氣供給系統的技術方案，使天然氣發動機及其電子控制系統穩定運
行；并進一步提供以下兩種控制系統 一種是經濟型的自吸式系統；另一種是性能較佳 的直噴式系統，該系統能滿足汽車的排放要求，加速性好，效率高。 本實用新型采用以下技術方案解決上述技術問題-
用于電控天然氣發動機的天然氣供給系統，包括依次實行氣連接的天然氣儲氣罐， 開關電磁閥，減壓閥，再經一天然氣導入裝置將天然氣導入發動機進氣歧管；在減壓閥 與天然氣導入裝置之間，設置一起穩壓作用的小儲氣罐。
所述小儲氣罐(17)內的天然氣壓力為1至2. 5公斤，優選為1. 5至2公斤，容量為2至5升，優選為3至4升。
所述天然氣導入裝置為一電子調節閥。
所述天然氣導入裝置為一噴射器，其噴射口連接在發動機氣缸前旁的進氣歧管上。 為了便于充加天然氣，可在所述天然氣儲氣罐上另行設置一用于加氣的手動截止
閥，所述手動截止閥具有一用于加氣空余端口。
為增強該工作系統的的安全性，可在所述天然氣儲氣罐與開關電磁閥之間，設置一
手動截止闊。
為了便于充加天然氣，所述手動截止閥上加設一用于加氣的空余端口，或者在所述 手動截止閥上加設一用于加氣的第二手動截止閥，所述第二手動截止闊具有一用于加氣 空余端口。
一種電控天然氣發動機工作系統，包括點火系統、電子控制系統，所述電子控制系 統包括傳感器部分、電子控制單元ECU和執行器部分，所述天然氣導入裝置與電子控制 單元ECU電連接，同時充當所述電子控制系統的執行器，受所述ECU(7)控制，其特征 在于，還包括上述任一方案所述的天然氣供給系統。
所述小儲氣罐配有壓力傳感器，并與電子控制單元ECU電連接，充當所述電子控制 系統的傳感器。
一種天然氣發動機，采用上述電控天然氣發動機工作系統。 一種交通工具，其發動機為上述天然氣發動機。
本實用新型采用在減壓閥與噴射器或電子調節閥之間，設置一個起穩壓作用的低壓 儲氣罐方案，大大增加了燃氣使用時儲氣體積，使得噴軌入端壓力基本維持恒定。同時 當氣源壓力不高時，也可減弱氣流的脈動，提高輸出氣流的連續性及壓力穩定性；還一 個作用是進一步沉淀分離壓縮天然氣中的水份和油份，保證連續供給穩定壓力的氣量。 使天然氣發動機及其電子控制系統具有運行更加穩定的效果。
圖1為本實用新型電控天然氣發動機工作系統實施例一的結構示意圖。 圖2為本實用新型電控天然氣發動機工作系統實施例二的結構示意圖。 圖中l.節氣門位置傳感器，2.進氣壓力傳感器，3.進氣溫度傳感器，4.凸輪軸 位置傳感器,5.氧傳感器，6.三元催化轉換器，7.電子控制單元ECU, 8.冷卻液溫度傳 感器，9.爆震傳感器，10.蓄電池，11.曲軸位置傳感器，13.發動機，14.開關電磁閥，15.天然氣儲氣罐，16.減壓閥，17.穩壓儲氣罐，19.天然氣導入裝置，在實施例一中為 電子調節閥，在在實施例二中為噴射器，20.怠速調節閥，22.EGR閥，30.點火線圈。
具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本實用新型的實施情況，但它們并不構成對本實用新型的限 定，僅作舉例。同時通過說明本實用新型的優點將變得更加清楚和容易理解。
如圖l-圖2所示，本實用新型電控天然氣發動機工作系統，也可稱其為電控天然 氣發動機管理系統或控制系統，以電子控制單元ECU為核心，ECU硬件選用高性能的16 位微控制器(MCU)，該微控制器具有較寬的工作溫度范圍、高運算速度、大程序及數據 內存、靈活的1/0端口等特點。ECU驅動電路選用帶診斷功能的驅動IC，可實現驅動輸 出回路的開路、短路檢測；軟件采用模塊化C語言編制，并采用FLASH自編程技術，可 實現程序存儲器中標定數據的修改。天然氣發動機管理系統主要由傳感器、發動機電子 控制單元、執行器三部分組成。發動機電子控制單元ECU是整個系統的核心，它采集安 裝在發動機或汽車上各個部位的傳感器傳送的模擬或數字信號，經過處理后，根據軟件 中設計好的控制模型，輸出信號到各個執行機構，精確地對燃氣導入、點火、怠速、排 放等進行控制，以滿足系統動力性、燃料經濟性、可駕駛性和排放要求。
本實用新型天然氣發動機管理系統的第一種實施例，如圖1所示，為經濟型的自吸 式系統具有性能穩定、成本較低優勢，較適合汽油發動機、柴油發動機的舊車改裝。
第一種實施例整個控制系統的組成結構如圖1所示，包括天然氣供給系統，點火系 統，還包括電子控制系統。天然氣供給系統包括依次實行氣連接的天然氣儲氣罐15， 開關電磁閥14，減壓閥16，再經一天然氣導入裝置19將天然氣導入進氣歧管，電子控 制系統包括傳感器部分、電子控制單元ECU(7)和執行器部分，傳感器部分包括安裝在 進氣系統的進氣歧管上的節氣門位置傳感器l、進氣壓力傳感器2、進氣溫度傳感器3， 安裝在發動機13上的冷卻液溫度傳感器8、曲軸位置傳感器ll，安裝在發動機排氣管 上三元催化轉換器6前的氧傳感器5，所述傳感器部分的部件均與電子控制單元ECU電 連接，所述執行器部分包括燃氣開關電磁閥14、充當天然氣導入裝置19的電子調節閥 19、怠速調節閥20、點火線圈30;所述執行器部分的部件均與電子控制單元ECU7電連 接，所述電子控制單元ECU(7)包含有天然氣導入控制程序、點火控制程序、怠速控制 程序。在本實施例中天然氣導入裝置19即為電子調節閥19，其出口連接在節氣門后旁 的進氣歧管上，并與電子控制單元ECU7電連接。單元ECU7，它采集安裝在發動機或汽車 上各個部位的傳感器傳送的模擬或數字信號，經過處理后，根據軟件中設計好的控制模 型，輸出信號到各個執行機構，精確地對天然氣導入、點火、怠速、排放等進行控制， 以滿足系統動力性、燃料經濟性、可駕駛性和排放要求。這些傳感器包括安裝在進氣系 統的進氣歧管上的節氣門位置傳感器l、進氣壓力溫度傳感器2、進氣溫度傳感器3， 安裝在發動機13上的冷卻液溫度傳感器8、曲軸位置傳感器ll，安裝在發動機排氣管 上三元催化轉換器6前的氧傳感器5。 ECU7的處理過程或者叫處理程序包括負荷確定、 計算燃氣流量、計算點火正時、扭矩控制、怠速控制、負荷預測、故障診斷、過渡工況 處理。各個執行機構或者叫執行器，包括主繼電器、燃氣開關電磁閥14繼電器、電子 調節閥19繼電器、點火線圈30、怠速調節閥或者叫怠速控制閥20、發動機故障指示燈。 從而完成燃氣控制、點火控制、怠速控制、故障珍斷及其他控制。
本實用新型天然氣發動機管理系統的第二種實施例，如圖2所示，是性能較佳的直 噴式系統，該系統能滿足汽車的排放要求，加速性好，效率高。較適合與天然氣發動機 的新車配套，當然也可用于汽油發動機、柴油發動機的舊車改裝。
第二種實施例其實質是在第一種實施例的基礎的改進方案。整個控制系統的組成結 構如圖2所示，其與第一種實施例的根本性區別是對天然氣導入裝置19進行了改進， 即用天然氣噴射器19代替了第一種實施例的天然氣電子調節閥19。并且，噴射器19 與電子控制單元ECU7電連接，受ECU7的控制。其它部分與第一種實施例類同。
第二種實施例雖然整個控制系統的工作原理與第一種實施例相比沒有多大變化，但 是，由于其組成結構其與第一種實施例的根本性區別是用天然氣噴射器19代替了第一 種實施例的天然氣電子調節閥19，并且噴射器19受ECU7控制；因噴射器19具有比燃 氣開關電磁閥更佳的性能，尤其是噴射器19噴出的天然氣具有一定的因噴射所帶來的 速度，能更加快速反應，及時進入氣缸燃燒，整個控制系統的性能效果得到了顯著的提 高，具有性能佳、加速性好、效率高，并能滿足較高的排放標準要求。當然，ECU7需要
編著更為復雜、完善的控制程序，來完成更多傳感器的信號輸入，更為復雜精確的運算 和判斷，來控制以噴射器19為主的功能更為強大的執行器。作為對上述方案的進一步 改進，儲氣罐17配有壓力傳感器，并與電子控制單元ECU7電連接，將儲氣罐17內的 天然氣壓力數據傳送給ECU7,噴射控制程序對噴射輸出脈寬的計算依據包括來自所述 儲氣罐17壓力傳感器的數據信號。使得ECU7對燃氣噴射量的計算與控制更加精確。在以上兩種實施例中，由于流量調節閥或噴射器是脈沖方式工作，即周期開關噴嘴， 由于減壓閥的響應不可能很快，從減壓閥到噴嘴軌間的管路的容積很小，噴氣過程必然 引起噴軌入端天然氣壓力的大幅波動，進而影響電控天然氣發動機工作系統的穩定性。
本實用新型對上述方案作進一步改進，在減壓閥16與噴射器19之間，設置一起穩壓作 用的低壓儲氣罐17，也可稱其為穩壓倉。該穩壓倉的建立，大大增加了儲氣體積，使 得噴軌入端壓力基本維持恒定；同時當氣源壓力不高時，也可減弱氣流的脈動，提高輸 出氣流的連續性及壓力穩定性;還一個作用是進一步沉淀分離壓縮天然氣中的水份和油 份，保證連續供給穩定壓力的氣量；該穩壓倉為噴射器直接提供了一個壓力指標更為穩 定的可靠氣源，使得噴射器19的工作更加穩定，同時也使得整個控制系統的工作更加 穩定。
作為對上述方案的進一步改進，儲氣罐17配有壓力傳感器，并與電子控制單元ECU7 電連接，將儲氣罐17內的天然氣壓力數據傳送給ECU7，噴射控制程序對噴射輸出脈寬 的計算依據包括來自所述儲氣罐17壓力傳感器的數據信號。使得ECU7對燃氣噴射量的 計算與控制更加精確。
小儲氣罐17內的天然氣壓力以1.0至2.5公斤為宜，優選為1.5至2.0公斤，容 量以2至5升為宜，優選為3至4升。
為了便于充加天然氣，作為對上述方案的進一步改進，可在所述天然氣儲氣罐上另 行設置一用于加氣的手動截止閥，所述手動截止閥具有一用于加氣空余端口。
為增強該工作系統的操作安全性，可在所述天然氣儲氣罐與開關電磁閥之間，設置 一手動截止閥。為了便于充加天然氣，也可在手動截止閥上加設一用于加氣的空余端口， 或者在所述手動截止閥上加設一用于加氣的第二手動截止閥，所述第二手動截止閥具有 一用于加氣空余端口。
天然氣加氣站的天然氣一般經脫水、脫油、脫硫等工序處理去除各種雜質，天然 氣中甲烷含量在94%以上，壓力為約25MPa，再經售氣機控制壓力至約20MPa，通過 充氣閥充入高壓儲氣瓶15。當天然氣發動機開始工作時，手動截止閥打開，控制系統 中的天然氣電磁閥打開，儲氣瓶內高壓天然氣通過高壓管路進入減壓調節器減壓，經多 級減壓至1. 0至2. 5公斤(優選為1. 5至2. 0公斤)后進入穩壓倉，再通過低壓管路進入 噴射閥與空氣混合，進入發動機汽缸燃燒。
在以上兩種實施例中，傳感器部分還包括安裝在發動機氣缸部的爆震傳感器9、安裝在發動機上的轉速傳感器。此外還可以在天然氣儲氣罐15與開關電磁閥14之間，設 置一天然氣過濾器。
在以上兩種實施例中，均可采用以下控制方法
所述天然氣導入控制程序對天然氣導入量的控制是通過ECU輸出脈沖信號的脈寬 來實現的；在冷起動、急加速、急減速等特殊工況，采用開環控制；對于發動機其它正 常運行工況，采用閉環控制，以保證空燃比控制在最佳空燃比附近，使排放達到最佳； 天然氣導入量的控制按不同工況分別采用起動導入量控制程序、運轉導入量控制程序、 加減速導入量控制程序、大負荷增量控制程序、斷氣控制程序和正常運行工況空燃比閉 環控制程序。
空燃比閉環控制程序包括:ECU根據氧傳感器輸入的電壓信號對天然氣噴射量或者 說導入量進行修正；當ECU接收到的信號電壓高于閾值電壓時，表明混合氣偏濃，空 燃比偏小，ECU將減小空燃比閉環修正值以減少噴射量，使混合氣逐漸變稀，空燃比 逐漸增大；當接收到的信號電壓低于閾值電壓時，表明混合氣偏稀，空燃比偏大，ECU 將加大空燃比閉環修正值以增加噴射量，使混合氣逐漸變濃，空燃比逐漸減小。
電控天然氣發動機具有至少2個氣缸，每個氣缸配有一只噴射器，噴射器安裝在各 缸進氣門前進氣歧管上，ECU根據檢測到的曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器信號 以及計算的噴射脈寬確定每缸噴射正時，即開始噴射時刻；發動機一個工作循環，曲軸 轉兩轉720度，各缸噴射器噴射一次。
傳感器部分包括安裝在發動機氣缸部的爆震傳感器(9)、安裝在發動機上的凸輪軸 位置傳感器(4)，所述點火控制程序包括點火提前角控制程序、點火閉合角控制程序和 爆震控制程序。
爆震控制程序是利用推遲點火提前角的方法來消除爆震； 一旦ECU偵査出爆震，對 點火提前角的控制立即轉入閉環控制，逐步推遲點火，直到爆震完全消失為止。
采用上述電控天然氣發動機工作系統的天然氣發動機，可應用于各種交通工具，主 要適用于小轎車、商務車、公交車等車輛，以及小型船舶。
權利要求1、用于電控天然氣發動機的天然氣供給系統，包括依次實行氣連接的天然氣儲氣罐(15)，開關電磁閥(14)，減壓閥(16)，再經一天然氣導入裝置(19)將天然氣導入發動機進氣歧管；其特征在于，在所述減壓閥(16)與天然氣導入裝置(19)之間，設置一起穩壓作用的小儲氣罐(17)。
2、 如權利要求1所述的天然氣供給系統，其特征在于，所述小儲氣罐(17)內的天 然氣壓力為1至2.5公斤，容量為2至5升。
3、 如權利要求1所述的天然氣供給系統，其特征在于，所述天然氣導入裝置(19) 為一電子調節閥(19)。
4、 如權利要求1所述的天然氣供給系統，其特征在于，所述天然氣導入裝置(19) 為一噴射器(19)，其噴射口連接在發動機氣缸前旁的進氣歧管上。
5、 如權利要求1所述的天然氣供給系統，其特征在于，所述天然氣儲氣罐(15) 上另行設置一用于加氣的手動截止閥，所述手動截止閥具有一用于加氣空余端口。
6、 如權利要求1所述的天然氣供給系統，其特征在于，所述天然氣儲氣罐(15) 與開關電磁閥(14)之間，設置一手動截止閥。
7、 如權利要求5所述的天然氣供給系統，其特征在于，所述手動截止閥上加設一 用于加氣的空余端口，或者在所述手動截止閥上加設一用于加氣的第二手動截止閥，所 述第二手動截止閥具有一用于加氣空余端口。
8、 一種電控天然氣發動機工作系統，包括點火系統、電子控制系統，所述電子控 制系統包括傳感器部分、電子控制單元ECU和執行器部分，所述天然氣導入裝置(19) 與電子控制單元ECU(7)電連接，同時充當所述電子控制系統的執行器，受所述ECU(7) 控制，其特征在于，還包括如權利要求1至6任一項所述的天然氣供給系統。
9、 如權利要求7所述的電控天然氣發動機工作系統，其特征在于，所述小儲氣罐 (17)配有壓力傳感器，并與電子控制單元ECU(7)電連接，充當所述電子控制系統的傳 感器。
10、 一種天然氣發動機，其特征在于，包括如權利要求7所述的電控天然氣發動機工作系統。
11、 一種交通工具，其特征在于，其發動機為如權利要求10所述的天然氣發動機。
專利摘要提供一種用于電控天然氣發動機的天然氣供給系統的技術方案，包括依次實行氣連接的天然氣儲氣罐，開關電磁閥，減壓閥，再經一天然氣導入裝置將天然氣導入發動機進氣歧管；在減壓閥與天然氣導入裝置之間，設置一起穩壓作用的小儲氣罐；使天然氣發動機及其電子控制系統穩定運行；并進一步提供以下兩種電控天然氣發動機工作系統一種是經濟型的自吸式系統；另一種是性能較佳的直噴式系統，該系統能滿足汽車的排放要求，加速性好，效率高。
文檔編號F02M21/02GK201354690SQ200820129619
公開日2009年12月2日 申請日期2008年12月18日 優先權日2008年12月18日
發明者張和君, 王和平 申請人:張和君;王和平