壓燃式雙燃料發(fā)動機(jī)燃料轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計

1、    壓燃式雙燃料發(fā)動機(jī)燃料轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計        劉震濤 時間:2008年12月24日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>工作狀態(tài)<"cblue" " target='_bl

2、ank'>控制單元<"cblue" " target='_blank'>燃料發(fā)動機(jī)<"cblue" " target='_blank'>固態(tài)繼電器<"cblue" " target='_blank'>高電平            ? 摘? 要: 為保證在壓燃式雙<"cblue

3、" " title="燃料發(fā)動機(jī)">燃料發(fā)動機(jī)中由單一燃料向雙燃料轉(zhuǎn)換過程的順利進(jìn)行,介紹了一種用于實(shí)現(xiàn)燃料轉(zhuǎn)換的控制器,討論了該控制器的控制邏輯及主要電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。? 關(guān)鍵詞: 雙燃料發(fā)動機(jī)? 燃料轉(zhuǎn)換? 隨著人們對能源和環(huán)境問題的日益關(guān)注,內(nèi)燃機(jī)的高效潔凈燃燒作為一項重要的“綠色工程”技術(shù),已在各國引起了廣泛的關(guān)注。以柴油為引燃燃料的天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)是解決這一問題的一個有效手段。? 由于雙燃料發(fā)動機(jī)是在原有柴油發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上改裝而成,因此發(fā)動機(jī)必須符合一定的<"cblue" " title=&qu

4、ot;工作狀態(tài)">工作狀態(tài),才可以通過轉(zhuǎn)換在雙燃料狀態(tài)下工作,或者在一定條件下,發(fā)動機(jī)在雙燃料狀態(tài)下才具有良好的效果。一般情況下,當(dāng)發(fā)動機(jī)水溫高于50時,發(fā)動機(jī)才適合在雙燃料狀態(tài)工作。為了更好地使用和保護(hù)發(fā)動機(jī),燃料轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)應(yīng)該保證在發(fā)動機(jī)水溫滿足一定的條件時,才可以轉(zhuǎn)換到雙燃料工作狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)燃料轉(zhuǎn)換的順利進(jìn)行,研制了燃料轉(zhuǎn)換控制機(jī)構(gòu)。?1 系統(tǒng)方案設(shè)計? 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的邏輯<"cblue" " title="控制單元">控制單元主要用來接收司機(jī)的轉(zhuǎn)換信號X1、發(fā)動機(jī)的水溫信號X2、高壓天然氣的壓力信號X3及燃料轉(zhuǎn)換機(jī)

5、構(gòu)工作狀態(tài)的反饋信號X4等,并進(jìn)行一定的邏輯判斷,發(fā)出適當(dāng)?shù)闹噶?完成指定的任務(wù)。燃料轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。? 燃料轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的機(jī)械執(zhí)行部分必須能夠?qū)⑦壿嬁刂茊卧闹噶钚盘栟D(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動,以實(shí)現(xiàn)燃料轉(zhuǎn)換的目的,這一功能由開關(guān)電磁鐵完成。在方案設(shè)計中,要求開關(guān)電磁鐵的兩種位置對應(yīng)機(jī)械執(zhí)行部分的兩種工作狀態(tài),即雙燃料工作狀態(tài)和純柴油工作狀態(tài)。通過機(jī)械部分的連動,傳動機(jī)構(gòu)切斷或連接加速踏板的運(yùn)動,控制調(diào)速器控制桿的運(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)加速踏板對調(diào)速器起作用時,調(diào)速器控制桿決定發(fā)動機(jī)的運(yùn)動,此時邏輯控制部分關(guān)閉高壓天然氣閥與電控單元(ECU),這就是純柴油工作狀態(tài)。當(dāng)加速踏板的運(yùn)動向調(diào)速器控制桿的傳遞被機(jī)械

6、部分切斷時,調(diào)速器控制桿被固定在怠速油量位置,邏輯控制單元開啟天然氣高壓閥并給電控單元(ECU)發(fā)送工作信號,這就是雙燃料工作狀態(tài)。這樣,司機(jī)只需扳動轉(zhuǎn)換開關(guān),由它發(fā)出指令,邏輯控制單元根據(jù)接收的信號作出判斷,同時驅(qū)動外沿器件,即可實(shí)現(xiàn)純柴油與雙燃料兩種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換1。?2 邏輯控制單元設(shè)計? 邏輯控制單元主要實(shí)現(xiàn)信號的接收、判斷和發(fā)送。主要由三個部分組成,即邏輯判斷部分、外沿接口部分和電源轉(zhuǎn)換部分。? 邏輯控制單元的工作過程如下:外沿接口部分將接收的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給邏輯判斷部分后,由邏輯判斷部分判斷轉(zhuǎn)換條件是否滿足,并發(fā)出控制指令;再由外沿接口部分將指令轉(zhuǎn)化為對應(yīng)器件能識別的信

7、號,如驅(qū)動電磁閥的大電流等。電源部分主要是將汽車電瓶的12V電壓轉(zhuǎn)換為邏輯控制單元上電子元件所需要的電壓(5V)。?2.1 邏輯判斷部分? 邏輯判斷部分接收外沿接口部分傳來的數(shù)字信號,進(jìn)行判斷后發(fā)出適應(yīng)的指令。? 在此規(guī)定:當(dāng)司機(jī)將轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換到雙燃料工作位置時,轉(zhuǎn)換信號X1=1,而純柴油位置時,X1=0;當(dāng)水溫達(dá)到雙燃料狀態(tài)的要求時,水溫信號X2=1,否則X2=0;當(dāng)高壓天然氣在允許使用的最小壓力以上時,天然氣氣壓信號X3=1,否則X3=0;當(dāng)機(jī)械部分處于雙燃料工作狀態(tài)時,反饋信號X4=1,當(dāng)機(jī)械部分恢復(fù)純柴油工作狀態(tài)時,反饋信號X4=0。邏輯判斷部分發(fā)出的指令有:啟動開關(guān)電磁鐵信號Y1(供

8、電時開關(guān)電磁鐵工作,將機(jī)械部分轉(zhuǎn)換至雙燃料工作狀態(tài)時Y1=1,否則Y1=0),啟動高壓天然氣電磁閥信號Y2(供電時電磁閥開啟時Y2=1,否則電磁閥關(guān)閉Y2=0),故障信號Y3(有故障時故障信號燈供電Y3=1,否則,Y3=0),啟動電控單元(ECU)信號Y4(給ECU供電使其工作時Y4=1,否則Y4=0)。? 由以上分析得出以下各輸出信號與輸入信號的邏輯關(guān)系式:? 由于邏輯關(guān)系比較簡單,采用TTL電路,由74系列的芯片完成其邏輯判斷功能,邏輯部分的電路圖如圖2所示2。圖中,7411和7408是與門,7404是反相器,7402是或非門。輸入信號是X1、X2、X3、X4,輸出信號是Y1,Y3,Y4。

9、由于Y2=Y4,所以高壓天然氣的電磁閥和電控單元(ECU)的驅(qū)動電路都可以由Y4來控制。?2.2 外沿接口電路? 因?yàn)橛行┢骷妮敵鲂盘柺悄M量,如水溫傳感器輸出的是可連續(xù)變化的電壓信號,邏輯控制單元無法直接接收并辨識判斷,因此就需要有外沿接口電路將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。? 外沿接口電路的另一個作用就是將邏輯判斷部分的指令轉(zhuǎn)化為一些器件所需的電信號,如電流信號等。?2.2.1 電壓比較器? 在邏輯控制單元中,有兩處需要用到電壓比較器,一個是水溫傳感器的接口,另一個是天然氣壓力傳感器的接口。? 對比較器LM311給定一個參考電壓,當(dāng)輸入電壓低于參考電壓時,比較器輸出的電壓為低電平,高于參考電壓時,輸

10、出電壓為<"cblue" " title="高電平">高電平。?2.2.2 驅(qū)動電路部分? 在燃料轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器件中,開關(guān)電磁鐵和高壓天然氣截止閥需要較強(qiáng)的工作電流,驅(qū)動電路部分采用<"cblue" " title="固態(tài)繼電器">固態(tài)繼電器,將邏輯判斷部分的指令轉(zhuǎn)換為較強(qiáng)的電流信號。? 圖3為高壓天然氣截止閥的驅(qū)動電路,器件01為固態(tài)繼電器。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于雙燃料狀態(tài)工作時,燃料轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)工作,邏輯判斷部分發(fā)出指令,使Y4=1,為高電平,經(jīng)U2(7404,反相器)后,B點(diǎn)的

11、電勢UB為低電平,而A點(diǎn)的電勢UA比點(diǎn)B高,這時固態(tài)繼電器的輸入端接通,輸出端也導(dǎo)通。輸出端CD一旦接通,電磁閥HPVALVE兩端就會加上12V的額定工作電壓,使減壓器前的高壓天然氣閥門打開,天然氣經(jīng)減壓進(jìn)入發(fā)動機(jī)。當(dāng)邏輯判斷部分發(fā)出的指令使電磁閥關(guān)閉時,Y4=0,經(jīng)反相器后,B為高電平,UA=UB,固態(tài)繼電器的輸入端沒有電流通過,輸出端不導(dǎo)通,電磁閥在彈簧力的作用下恢復(fù)常閉狀態(tài)。? 圖4為開關(guān)電磁鐵的驅(qū)動電路,其中器件U8是74123芯片,器件02、03是固態(tài)繼電器,線圈PUSH是開關(guān)電磁鐵的吸入線圈,HOLD則是其維持線圈,電源VDD為24V。當(dāng)燃料轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換到雙燃料工作狀態(tài)時,從741

12、23的B腳輸入的Y1從低電平向高電平跳轉(zhuǎn),這種變化會讓74123的輸出端Q輸出一個瞬時的高電平脈沖電流,維持時間為T。經(jīng)反相器7404后,A點(diǎn)的電勢UA將會出現(xiàn)同樣脈寬的低電平,固態(tài)繼電器02的輸入端也有T時間的電流通過,這時固態(tài)繼電器02的輸出端出現(xiàn)T時間的導(dǎo)通。在這段時間內(nèi),很強(qiáng)的吸入電流通過開關(guān)電磁鐵的吸入線圈,產(chǎn)生足夠的電磁力吸入電磁鐵的鐵芯。脈寬T的選擇應(yīng)該參考開關(guān)電磁鐵的性能參數(shù)設(shè)定,既要滿足吸入鐵芯的要求,又不能太長導(dǎo)致線圈燒毀。? T是通過選擇電阻R10和電容C3的值來確定的。本處T取為1秒,R10=1000，C3=1000F。? 從產(chǎn)生機(jī)理上講,開關(guān)電磁鐵的維持電流與高壓天然

13、氣電磁閥的工作電流是同樣的機(jī)理:當(dāng)Y1=1時,存在維持電流,鐵芯維持在吸入狀態(tài);當(dāng)Y1=0時,不存在維持電流,鐵芯在回位彈簧的作用下恢復(fù)原來的伸出位置。?2.3 電源部分? 電源部分是以VOLTREG(7805)為核心的調(diào)壓電路。汽車電瓶上提供的是12V電源,而邏輯控制單元的芯片的工作電壓都是5V,因此需進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。圖5為電源部分的電路圖,輸入12V,輸出點(diǎn)VCC的電壓為5V。? 電源部分需要注意的是電壓的穩(wěn)定性和功率限制。圖中各電容均起濾波和儲能的作用,防止電壓波動。穩(wěn)壓管Z1保證輸入VOLTREG的電壓精確為12V,兩個并聯(lián)的功率電阻R11、R12起降壓限流的作用,防止電源過載。由汽車電瓶提供電能的邏輯控制單元,電源部分能夠起到維持穩(wěn)定工作