CN202055919U - 压缩天然气发动机空燃比同步自动测量装置 - Google Patents

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李西秦
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张力
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Abstract

本实用新型公开了一种压缩天然气发动机空燃比同步测量装置。空气流量计、节气门位置传感器、进气压力传感器和进气温度传感器依次安装在进气管上；进气门位移传感器的两端分别与进气门和气缸盖相连，排气门位移传感器的两端分别与排气门和气缸盖相连；三元催化器和宽域氧传感器安装在排气管上；转速传感器安装在曲柄连杆机构的轴端；电控单元分别与空气流量计、节气门位置传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、进气门位移传感器、排气门位移传感器、转速传感器、宽域氧传感器、火花塞和喷射器相连接。本实用新型以发动机进气门和排气门开启的信号，作为数据同步采集的触发信号，实现了压缩天然气发动机空燃比的同步自动测量。

Description

压缩天然气发动机空燃比同步自动测量装置
技术领域
本实用新型涉及一种压缩天然气发动机空燃比同步测量装置。适用于各种车用压缩天然气发动机的空燃比测量。
背景技术
压缩天然气（Compressed Natural Gas——简称CNG）作为汽车燃料具有良好的经济性和较低的排放污染物。目前CNG汽车普遍采用三元催化转化技术,根据三元催化转化器的工作特性，当CNG发动机混合气的空燃比在理论空燃比17附近，才能使HC、CO和NOX三种有害气体的净化率均达到最高。当发动机处于稳定工况时，电控***通过检测进气量，同时采用氧传感器闭环控制，能将空燃比精确控制在理论空燃比附近。然而当发动机处于过渡工况时（加、减速过程），由于节气门突变，进气***存在动态的充排气现象，导致传感器检测到的空燃比与实际空燃比不相等，加之氧传感器响应的滞后性，常用的闭环控制、自适应控制方法不能满足该工况的要求，无法精确控制空燃比, 因此目前在过渡工况下空燃比一般采用开环控制。然而，由于受道路条件的影响，尤其作为公交车或出租车的CNG汽车，在市区行驶时大部分时间都处于过渡工况。有效控制CNG发动机在过渡工况时的空燃比显得十分主要。
当CNG发动机处于过渡工况时，某一时刻节气门位置、转速、进气压力、进气流量等传感器输出的信号，只是表示该时刻发动机的运转参数，下一时刻这些运转参数将发生变化，因此由检测进气流量控制空燃比肯定存在较大的误差；另外利用氧传感器信号反馈控制空燃比在发动机过渡工况时不能满足实时性要求，因为氧传感器的信号表示已燃烧混合气的浓度，而下一工作循环的空燃比已发生变化。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种压缩天然气发动机空燃比同步测量装置。
压缩天然气发动机空燃比同步自动测量装置包括发动机进气门、火花塞、气缸盖、排气门、排气管、缸体、活塞、曲柄连杆机构、燃气供给***、喷射器和进气管；缸体上安装有气缸盖；缸体内安装有活塞,活塞和曲柄连杆机构相连接；气缸盖上分别安装有排气管、进气管和火花塞；进气门安装在进气管上，排气门安装在排进气管上；喷射器安装在进气管上，燃气供给***与喷射器相连接;还包括空气流量计、节气门位置传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、进气门位移传感器、排气门位移传感器、三元催化器、宽域氧传感器、转速传感器、电控单元；空气流量计、节气门位置传感器、进气压力传感器和进气温度传感器依次安装在进气管上；进气门位移传感器的一端与进气门相连、进气门位移传感器的另一端与气缸盖相连；排气门位移传感器的一端与排气门相连、排气门位移传感器的另一端与气缸盖相连；三元催化器和宽域氧传感器安装在排气管上；转速传感器安装在曲柄连杆机构的轴端；电控单元分别与空气流量计、节气门位置传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、进气门位移传感器、火花塞、排气门位移传感器、宽域氧传感器、转速传感器和喷射器相连接。
本实用新型以发动机进气门和排气门开启的信号作为电控单元采集数据的触发信号，这样所测进入和排出气缸的气体即为同一工作循环中的气体，实现了CNG发动机空燃比的同步自动测量。
附图说明
图1 是压缩天然气发动机空燃比同步自动测量装置结构示意图；
图2 是压缩天然气发动机空燃比同步自动测量方法流程框图。
具体实施方式
如图1所示，压缩天然气发动机空燃比同步自动测量装置包括发动机进气门6、火花塞7、气缸盖8、排气门9、排气管11、缸体14、活塞15、曲柄连杆机构16、燃气供给***18、喷射器19和进气管20；缸体14上安装有气缸盖8；缸体14内安装有活塞15,活塞15和曲柄连杆机构16相连接；气缸盖8上分别安装有排气管11、进气管20和火花塞7；进气门6安装在进气管20上，排气门9安装在排进气管11上；喷射器19安装在进气管20上，燃气供给***18与喷射器19相连接；还包括空气流量计1、节气门位置传感器2、进气压力传感器3、进气温度传感器4、进气门位移传感器5、排气门位移传感器10、三元催化器12、宽域氧传感器13、转速传感器17、电控单元21；空气流量计1、节气门位置传感器2、进气压力传感器3和进气温度传感器4依次安装在进气管20上；进气门位移传感器5的一端与进气门6相连、进气门位移传感器5的另一端与气缸盖8相连；排气门位移传感器10的一端与排气门9相连、排气门位移传感器10的另一端与气缸盖8相连；三元催化器12和宽域氧传感器13安装在排气管11上；转速传感器17安装在曲柄连杆机构16的轴端；电控单元21分别与空气流量计1、节气门位置传感器2、进气压力传感器3、进气温度传感器4、进气门位移传感器5、火花塞7、排气门位移传感器10、宽域氧传感器13、转速传感器17和喷射器19相连接。
在进气门6和排气门9上安装进气门位移传感器5和排气门位移传感器10的目的是检测进气门6和排气门9的动作,提供进气门和排气门开启的信号，作为电控单元21数据采集的起始点，这样所测进入和排出某气缸的气体即为同一工作循环中的气体，即采集到的进气数据为在进气过程中进入该气缸的空气的信息，采集到的排气数据为这些空气经压缩、燃烧后排出该气缸的气体的信息，实现了空燃比的同步测量。
如图2所示，压缩天然气发动机空燃比同步测量方法是：在试验中设定CNG发动机的节气门以不同速率进行变化，由电控单元21接收节气门位置传感器2的信号并计算节气门位置变化率，当节气门位置变化率大于预置值时，发动机处于过渡工况，电控单元21开始信号采集准备工作并检测进气门位移传感器5的信号,等待进气门开启信号，当进气门开启信号出现时，电控单元21发出指令同时采集空气流量计1、节气门位置传感器2、进气压力传感器3、进气温度传感器4和发动机转速传感器17的信号，电控单元21将这些信号进行A/D转换后读入并存入数据文件内;与此同时, 电控单元21检测排气门位移传感器10的信号,当排气门开启时，电控单元21启动宽域氧传感器13，并采集宽域氧传感器13的空燃比信号，存入数据文件内。当节气门位置变化率小于设定的预置值时,发动机处于稳定工况，电控单元21中止数据采集。
CNG发动机空燃比同步测量原理为：
如图1所示，CNG发动机的进气和燃气供给***主要包括进气管20和燃气供给***18两部分。空燃比R是每循环吸入气缸的空气质量Mac与喷入气缸的燃气质量Mfc之比，即R=Mac／Mfc。每循环喷入气缸的燃气质量Mfc可由电控单元21精确控制，实现空燃比同步测量的关键是精确测量出每循环吸入气缸的空气质量Mac。
根据发动机进气流量平均值模型，流经节气门的空气质量Mat是节气门开度α和进气压力Pm的非线性函数，即：
Figure 2011201430691100002DEST_PATH_IMAGE001
               （1）
进入气缸的空气质量Mac可描述为发动机转速n和进气压力Pm的非线性函数，故：
Figure 2011201430691100002DEST_PATH_IMAGE002
                         (2)
当发动机处于过渡工况时，由于进气***存在动态的充排气现象，进、出进气管的空气流量不再相等。根据理想气体状态方程有：
Mam=
Figure 2011201430691100002DEST_PATH_IMAGE003
                   (3)
式中：Mam为进气管内空气质量；Vm为进气管容积；R为气体常数；Tm为进气温度。
式(3)两边同时对时间求导，得到:
Figure 2011201430691100002DEST_PATH_IMAGE004
      （4）
考虑到进气管内热传导很小，压力随时间的变化远远大于温度随时间的变化，所以忽略式(4)右边第二项。将进气管***视为一个充气泵，对进气管空气流应用质量守恒定律，有：
Figure 2011201430691100002DEST_PATH_IMAGE005
           （5）
由式(4)和式(5)得：
Figure 2011201430691100002DEST_PATH_IMAGE006
       （6）
由式(1)、式(2)和式(6)可知，过渡工况时，通过进气管进入气缸的空气质量可描述为：
             （7）
由式（7）可见，每循环进入气缸的空气质量Mac与发动机转速n、进气压力Pm和节气门开度α有关。而进气压力受环境大气压力、绝热系数、充气效率、发动机转速和节气门开度等因素的影响，因此式（7）所表达的函数是复合函数。从进气过程分析，在过渡工况下，进气压力的变化主要受发动机转速和节气门开度的影响。在进气管上安装相应的传感器，通过测量发动机转速、进气压力、进气温度和节气门开度等参数，可计算出进入气缸的空气质量。

Claims (1)

1.一种压缩天然气发动机空燃比同步自动测量装置，包括发动机进气门（6）、火花塞（7）、气缸盖（8）、排气门（9）、排气管（11）、缸体（14）、活塞（15）、曲柄连杆机构（16）、燃气供给***（18）、喷射器（19）和进气管（20）；
缸体（14）上安装有气缸盖（8）；缸体（14）内安装有活塞（15）,活塞（15）和曲柄连杆机构（16）相连接；气缸盖（8）上分别安装有排气管（11）、进气管（20）和火花塞（7）；进气门（6）安装在进气管（20）上，排气门（9）安装在排进气管（11）上；喷射器（19）安装在进气管（20）上，燃气供给***（18）与喷射器（19）相连接;其特征在于包括空气流量计（1）、节气门位置传感器（2）、进气压力传感器（3）、进气温度传感器（4）、进气门位移传感器（5）、排气门位移传感器（10）、三元催化器（12）、宽域氧传感器（13）、转速传感器（17）、电控单元（21）；空气流量计（1）、节气门位置传感器（2）、进气压力传感器（3）和进气温度传感器（4）依次安装在进气管（20）上；进气门位移传感器（5）的一端与进气门（6）相连、进气门位移传感器（5）的另一端与气缸盖（8）相连；排气门位移传感器（10）的一端与排气门（9）相连、排气门位移传感器（10）的另一端与气缸盖（8）相连；三元催化器（12）和宽域氧传感器（13）安装在排气管（11）上；转速传感器（17）安装在曲柄连杆机构（16）的轴端；电控单元（21）分别与空气流量计（1）、节气门位置传感器（2）、进气压力传感器（3）、进气温度传感器（4）、进气门位移传感器（5）、火花塞（7）、排气门位移传感器（10）、宽域氧传感器（13）、转速传感器（17）和喷射器（19）相连接。
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