專利名稱：壓縮天然氣發(fā)動機空燃比同步自動測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種壓縮天然氣發(fā)動機空燃比同步測量裝置。適用于各種車用壓縮天然氣發(fā)動機的空燃比測量。
背景技術：
壓縮天然氣(Compressed Natural Gas——簡稱CNG)作為汽車燃料具有良好的經(jīng)濟性和較低的排放污染物。目前CNG汽車普遍采用三元催化轉(zhuǎn)化技術，根據(jù)三元催化轉(zhuǎn)化器的工作特性，當CNG發(fā)動機混合氣的空燃比在理論空燃比17附近，才能使HC、⑶和NOxH 種有害氣體的凈化率均達到最高。當發(fā)動機處于穩(wěn)定工況時，電控系統(tǒng)通過檢測進氣量，同時采用氧傳感器閉環(huán)控制，能將空燃比精確控制在理論空燃比附近。然而當發(fā)動機處于過渡工況時(加、減速過程)，由于節(jié)氣門突變，進氣系統(tǒng)存在動態(tài)的充排氣現(xiàn)象，導致傳感器檢測到的空燃比與實際空燃比不相等，加之氧傳感器響應的滯后性，常用的閉環(huán)控制、自適應控制方法不能滿足該工況的要求，無法精確控制空燃比，因此目前在過渡工況下空燃比一般采用開環(huán)控制。然而，由于受道路條件的影響，尤其作為公交車或出租車的CNG汽車， 在市區(qū)行駛時大部分時間都處于過渡工況。有效控制CNG發(fā)動機在過渡工況時的空燃比顯得十分主要。當CNG發(fā)動機處于過渡工況時，某一時刻節(jié)氣門位置、轉(zhuǎn)速、進氣壓力、進氣流量等傳感器輸出的信號，只是表示該時刻發(fā)動機的運轉(zhuǎn)參數(shù)，下一時刻這些運轉(zhuǎn)參數(shù)將發(fā)生變化，因此由檢測進氣流量控制空燃比肯定存在較大的誤差；另外利用氧傳感器信號反饋控制空燃比在發(fā)動機過渡工況時不能滿足實時性要求，因為氧傳感器的信號表示已燃燒混合氣的濃度，而下一工作循環(huán)的空燃比已發(fā)生變化。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種壓縮天然氣發(fā)動機空燃比同
步測量裝置。壓縮天然氣發(fā)動機空燃比同步自動測量裝置包括發(fā)動機進氣門、火花塞、氣缸蓋、 排氣門、排氣管、缸體、活塞、曲柄連桿機構、燃氣供給系統(tǒng)、噴射器和進氣管；缸體上安裝有氣缸蓋；缸體內(nèi)安裝有活塞，活塞和曲柄連桿機構相連接；氣缸蓋上分別安裝有排氣管、進氣管和火花塞；進氣門安裝在進氣管上，排氣門安裝在排進氣管上；噴射器安裝在進氣管上，燃氣供給系統(tǒng)與噴射器相連接；還包括空氣流量計、節(jié)氣門位置傳感器、進氣壓力傳感器、進氣溫度傳感器、進氣門位移傳感器、排氣門位移傳感器、三元催化器、寬域氧傳感器、 轉(zhuǎn)速傳感器、電控單元；空氣流量計、節(jié)氣門位置傳感器、進氣壓力傳感器和進氣溫度傳感器依次安裝在進氣管上；進氣門位移傳感器的一端與進氣門相連、進氣門位移傳感器的另一端與氣缸蓋相連；排氣門位移傳感器的一端與排氣門相連、排氣門位移傳感器的另一端與氣缸蓋相連；三元催化器和寬域氧傳感器安裝在排氣管上；轉(zhuǎn)速傳感器安裝在曲柄連桿機構的軸端；電控單元分別與空氣流量計、節(jié)氣門位置傳感器、進氣壓力傳感器、進氣溫度傳感器、進氣門位移傳感器、火花塞、排氣門位移傳感器、寬域氧傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和噴射器相連接。本實用新型以發(fā)動機進氣門和排氣門開啟的信號作為電控單元采集數(shù)據(jù)的觸發(fā)信號，這樣所測進入和排出氣缸的氣體即為同一工作循環(huán)中的氣體，實現(xiàn)了 CNG發(fā)動機空燃比的同步自動測量。
圖1是壓縮天然氣發(fā)動機空燃比同步自動測量裝置結(jié)構示意圖；圖2是壓縮天然氣發(fā)動機空燃比同步自動測量方法流程框圖。
具體實施方式
如圖1所示，壓縮天然氣發(fā)動機空燃比同步自動測量裝置包括發(fā)動機進氣門6、火花塞7、氣缸蓋8、排氣門9、排氣管11、缸體14、活塞15、曲柄連桿機構16、燃氣供給系統(tǒng)18、 噴射器19和進氣管20 ；缸體14上安裝有氣缸蓋8 ；缸體14內(nèi)安裝有活塞15，活塞15和曲柄連桿機構16相連接；氣缸蓋8上分別安裝有排氣管11、進氣管20和火花塞7 ；進氣門6 安裝在進氣管20上，排氣門9安裝在排進氣管11上；噴射器19安裝在進氣管20上，燃氣供給系統(tǒng)18與噴射器19相連接；還包括空氣流量計1、節(jié)氣門位置傳感器2、進氣壓力傳感器3、進氣溫度傳感器4、進氣門位移傳感器5、排氣門位移傳感器10、三元催化器12、寬域氧傳感器13、轉(zhuǎn)速傳感器17、電控單元21 ；空氣流量計1、節(jié)氣門位置傳感器2、進氣壓力傳感器3和進氣溫度傳感器4依次安裝在進氣管20上；進氣門位移傳感器5的一端與進氣門6 相連、進氣門位移傳感器5的另一端與氣缸蓋8相連；排氣門位移傳感器10的一端與排氣門9相連、排氣門位移傳感器10的另一端與氣缸蓋8相連；三元催化器12和寬域氧傳感器 13安裝在排氣管11上；轉(zhuǎn)速傳感器17安裝在曲柄連桿機構16的軸端；電控單元21分別與空氣流量計1、節(jié)氣門位置傳感器2、進氣壓力傳感器3、進氣溫度傳感器4、進氣門位移傳感器5、火花塞7、排氣門位移傳感器10、寬域氧傳感器13、轉(zhuǎn)速傳感器17和噴射器19相連接。在進氣門6和排氣門9上安裝進氣門位移傳感器5和排氣門位移傳感器10的目的是檢測進氣門6和排氣門9的動作，提供進氣門和排氣門開啟的信號，作為電控單元21 數(shù)據(jù)采集的起始點，這樣所測進入和排出某氣缸的氣體即為同一工作循環(huán)中的氣體，即采集到的進氣數(shù)據(jù)為在進氣過程中進入該氣缸的空氣的信息，采集到的排氣數(shù)據(jù)為這些空氣經(jīng)壓縮、燃燒后排出該氣缸的氣體的信息，實現(xiàn)了空燃比的同步測量。如圖2所示，壓縮天然氣發(fā)動機空燃比同步測量方法是在試驗中設定CNG發(fā)動機的節(jié)氣門以不同速率進行變化，由電控單元21接收節(jié)氣門位置傳感器2的信號并計算節(jié)氣門位置變化率，當節(jié)氣門位置變化率大于預置值時，發(fā)動機處于過渡工況，電控單元21開始信號采集準備工作并檢測進氣門位移傳感器5的信號，等待進氣門開啟信號，當進氣門開啟信號出現(xiàn)時，電控單元21發(fā)出指令同時采集空氣流量計1、節(jié)氣門位置傳感器2、進氣壓力傳感器3、進氣溫度傳感器4和發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器17的信號，電控單元21將這些信號進行A/D轉(zhuǎn)換后讀入并存入數(shù)據(jù)文件內(nèi)；與此同時，電控單元21檢測排氣門位移傳感器 10的信號，當排氣門開啟時，電控單元21啟動寬域氧傳感器13，并采集寬域氧傳感器13的空燃比信號，存入數(shù)據(jù)文件內(nèi)。當節(jié)氣門位置變化率小于設定的預置值時，發(fā)動機處于穩(wěn)定工況，電控單元21中止數(shù)據(jù)采集。CNG發(fā)動機空燃比同步測量原理為如圖1所示，CNG發(fā)動機的進氣和燃氣供給系統(tǒng)主要包括進氣管20和燃氣供給系統(tǒng)18兩部分。空燃比R是每循環(huán)吸入氣缸的空氣質(zhì)量Mac與噴入氣缸的燃氣質(zhì)量Mfc之比，即R=Mac / Mfc0每循環(huán)噴入氣缸的燃氣質(zhì)量Mfc可由電控單元21精確控制，實現(xiàn)空燃比同步測量的關鍵是精確測量出每循環(huán)吸入氣缸的空氣質(zhì)量Mac。根據(jù)發(fā)動機進氣流量平均值模型，流經(jīng)節(jié)氣門的空氣質(zhì)量Mat是節(jié)氣門開度α和進氣壓力Rll的非線性函數(shù)，即
Γ dMat . f π ,= Ma, Pm)(1) at進入氣缸的空氣質(zhì)量Mac可描述為發(fā)動機轉(zhuǎn)速η和進氣壓力Rn的非線性函數(shù)， 故^^ = f2{n,Pm)(2)
α 當發(fā)動機處于過渡工況時，由于進氣系統(tǒng)存在動態(tài)的充排氣現(xiàn)象，進、出進氣管的空氣流量不再相等。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有
r ，PmVm,,Mam= ---(3)
RTm式中Mam為進氣管內(nèi)空氣質(zhì)量；Vm為進氣管容積；R為氣體常數(shù)；Tm為進氣溫度。式(3)兩邊同時對時間求導，得到
r ， dPm RTm dMam Pm dTm、-=--+--(4)
di Vm dt Tm di考慮到進氣管內(nèi)熱傳導很小，壓力隨時間的變化遠遠大于溫度隨時間的變化，所以忽略式(4)右邊第二項。將進氣管系統(tǒng)視為一個充氣泵，對進氣管空氣流應用質(zhì)量守恒定律，有
dMam dMai dMac、--—----(5)
di dt di由式(4)和式(5)得
r n dPm RTm ,dMai dMac、/ 、= C—- — “―) ( 6 )
di Vm di di由式(1)、式( 和式(6)可知，過渡工況時，通過進氣管進入氣缸的空氣質(zhì)量可描述為“‘ = /3 (β, Pm, O)(7) dt由式(7)可見，每循環(huán)進入氣缸的空氣質(zhì)量Mac與發(fā)動機轉(zhuǎn)速η、進氣壓力Rn和節(jié)氣門開度α有關。而進氣壓力受環(huán)境大氣壓力、絕熱系數(shù)、充氣效率、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度等因素的影響，因此式(7)所表達的函數(shù)是復合函數(shù)。從進氣過程分析，在過渡工況下，進氣壓力的變化主要受發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度的影響。在進氣管上安裝相應的傳感器， 通過測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣壓力、進氣溫度和節(jié)氣門開度等參數(shù)，可計算出進入氣缸的空氣質(zhì)量。
權利要求1. 一種壓縮天然氣發(fā)動機空燃比同步自動測量裝置，包括發(fā)動機進氣門(6)、火花塞 (7)、氣缸蓋(8)、排氣門(9)、排氣管(11)、缸體(14)、活塞(15)、曲柄連桿機構(16)、燃氣供給系統(tǒng)(18)、噴射器(19)和進氣管(20)；缸體(14)上安裝有氣缸蓋(8)；缸體(14)內(nèi)安裝有活塞(15)，活塞(15)和曲柄連桿機構(16)相連接；氣缸蓋(8)上分別安裝有排氣管(11)、進氣管(20)和火花塞(7);進氣門(6)安裝在進氣管(20)上，排氣門(9)安裝在排進氣管(11)上；噴射器(19)安裝在進氣管(20)上，燃氣供給系統(tǒng)(18)與噴射器(19)相連接；其特征在于包括空氣流量計(1)、 節(jié)氣門位置傳感器(2)、進氣壓力傳感器(3)、進氣溫度傳感器(4)、進氣門位移傳感器(5)、 排氣門位移傳感器(10)、三元催化器(12)、寬域氧傳感器(13)、轉(zhuǎn)速傳感器(17)、電控單元 (21)；空氣流量計(1)、節(jié)氣門位置傳感器(2)、進氣壓力傳感器(3)和進氣溫度傳感器(4) 依次安裝在進氣管(20)上；進氣門位移傳感器(5)的一端與進氣門(6)相連、進氣門位移傳感器(5)的另一端與氣缸蓋(8)相連；排氣門位移傳感器(10)的一端與排氣門(9)相連、排氣門位移傳感器(10)的另一端與氣缸蓋(8)相連；三元催化器(12)和寬域氧傳感器(13) 安裝在排氣管(11)上；轉(zhuǎn)速傳感器(17 )安裝在曲柄連桿機構(16 )的軸端；電控單元(21) 分別與空氣流量計(1)、節(jié)氣門位置傳感器(2)、進氣壓力傳感器(3)、進氣溫度傳感器(4)、 進氣門位移傳感器(5)、火花塞(7)、排氣門位移傳感器(10)、寬域氧傳感器(13)、轉(zhuǎn)速傳感器(17)和噴射器(19)相連接。
專利摘要本實用新型公開了一種壓縮天然氣發(fā)動機空燃比同步測量裝置?？諝饬髁坑?、節(jié)氣門位置傳感器、進氣壓力傳感器和進氣溫度傳感器依次安裝在進氣管上；進氣門位移傳感器的兩端分別與進氣門和氣缸蓋相連，排氣門位移傳感器的兩端分別與排氣門和氣缸蓋相連；三元催化器和寬域氧傳感器安裝在排氣管上；轉(zhuǎn)速傳感器安裝在曲柄連桿機構的軸端；電控單元分別與空氣流量計、節(jié)氣門位置傳感器、進氣壓力傳感器、進氣溫度傳感器、進氣門位移傳感器、排氣門位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、寬域氧傳感器、火花塞和噴射器相連接。本實用新型以發(fā)動機進氣門和排氣門開啟的信號，作為數(shù)據(jù)同步采集的觸發(fā)信號，實現(xiàn)了壓縮天然氣發(fā)動機空燃比的同步自動測量。
文檔編號F02B77/08GK202055919SQ201120143069
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權日2011年5月9日
發(fā)明者張力, 李西秦, 蔡素燕 申請人:浙江科技學院