基于發(fā)動機性能試驗臺的變組分富氧進氣監(jiān)控裝置設(shè)計

韓冰源，金 鑫，彭 帥，孫中鑫，宮世雯，李洪亮

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

發(fā)動機燃燒主要受制于進氣中的助燃成分和阻燃成分，二者能夠形成約束燃燒的雙重性作用［1－3］。通過進氣充量組分重整進行燃燒優(yōu)化，能夠促進燃料的充分燃燒，提高發(fā)動機有效輸出功率，降低其燃油消耗率，改善其動力性能及經(jīng)濟性能，并同時實現(xiàn)較低的排放［4－5］。變組分富氧進氣是探索發(fā)動機強動力、少燃油和低排放的主動控制方法，是實現(xiàn)節(jié)能減排的新途徑［6］。

目前，通常采用膜法富氧［7－8］和氣瓶供氧兩種方式實現(xiàn)變組分富氧進氣［9－13］，但所提供富氧進氣中的氧體積分數(shù)并不穩(wěn)定，難以充分掌握各個目標(biāo)組分富氧進氣條件下發(fā)動機的實際工況及其性能參數(shù)。本文針對風(fēng)冷四沖程的單缸汽油機性能試驗臺，設(shè)計一種變組分富氧進氣監(jiān)控裝置，用來精確控制進氣中的氧體積分數(shù)，確保發(fā)動機在目標(biāo)富氧進氣組分條件下實現(xiàn)穩(wěn)定可控燃燒，同時實時監(jiān)測并記錄各種表征發(fā)動機性能指標(biāo)的實驗數(shù)據(jù)。

1 加裝變組分富氧進氣監(jiān)控裝置的發(fā)動機性能試驗臺結(jié)構(gòu)

變組分富氧進氣監(jiān)控裝置由氧氣瓶、氧氣瓶減壓器、氧氣流量控制閥、氧氣流量計、二氧化碳氣瓶、二氧化碳氣瓶減壓器、二氧化碳流量控制閥、二氧化碳流量計、混合室、空氣流量計、氧分析儀、二氧化碳分析儀和監(jiān)測與采集系統(tǒng)構(gòu)成，其中的監(jiān)測與采集系統(tǒng)主要包括PC測控單元、數(shù)據(jù)采集單元、通訊單元和單片機及其外圍電路單元等電子元器件。發(fā)動機性能試驗臺由單缸風(fēng)冷四沖程汽油機、發(fā)動機自動測控系統(tǒng)、直流電力測功機、燃燒分析儀、廢氣分析儀、智能油耗儀和各種汽車傳感器組成。加裝變組分富氧進氣監(jiān)控裝置的發(fā)動機性能試驗臺如圖1所示，主要儀器設(shè)備及型號參見表1。

圖1 加裝變組分富氧進氣監(jiān)控裝置的發(fā)動機性能試驗臺結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of engine performance test－bed with variable component oxygen－enriched intake air monitoring device

表1 主要儀器和設(shè)備Tab.1 Major instruments and equipment

2 變組分富氧進氣監(jiān)控裝置的工作原理及硬件結(jié)構(gòu)

變組分富氧進氣監(jiān)控裝置利用40L的氧氣瓶提供純度高于99.2%的、充裝壓力為13±0.5MPa的工業(yè)氧，通過氧氣瓶減壓器將其壓力降至標(biāo)準大氣壓后通入混合室，利用氧氣流量計和氧氣流量控制閥控制進入混合室的工業(yè)氧流量。利用40L的二氧化碳氣瓶提供純度高于99.9%的、充裝壓力為15±0.5MPa的工業(yè)二氧化碳，通過二氧化碳氣瓶減壓器將其壓力降至標(biāo)準大氣壓后通入混合室，利用二氧化碳流量計和二氧化碳流量控制閥控制進入混合室的工業(yè)二氧化碳流量。混合室共有三個入口和一個出口，一個入口與氧氣進氣管相連，一個入口與二氧化碳進氣管相連，另一個入口與大氣相通，一個出口與發(fā)動機的進氣管相連。利用多個風(fēng)扇將工業(yè)氧、工業(yè)二氧化碳和空氣在混合室中進行充分混合，形成具有目標(biāo)組分的富氧進氣后再以自然吸氣的方式提供給發(fā)動機試驗臺。

變組分富氧進氣監(jiān)控裝置采用PC結(jié)構(gòu)總線系統(tǒng)，PC機與直流電力測功機、智能油耗儀、燃燒分析儀和廢氣分析儀進行CAN通訊，同時通過RS232串口與單片機進行通訊，由單片機讀取經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的空氣流量信號、O2流量信號、CO2流量信號、節(jié)氣門開度信號和轉(zhuǎn)速信號，實現(xiàn)發(fā)動機各個性能參數(shù)的采集與反饋，如圖2所示。通過PC機將控制程序?qū)懭雴纹瑱C，利用脈寬調(diào)制精確控制O2流量和CO2流量，從而控制發(fā)動機的富氧進氣組分，其控制電路如圖3所示。

圖2 變組分富氧進氣監(jiān)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of variable component oxygen－enriched air intake monitoring device

圖3 變組分富氧進氣監(jiān)控裝置的控制電路Fig.3 Control circuit of variable component oxygen－enriched air intake monitoring device

3 變組分富氧進氣監(jiān)控裝置的軟件功能

在Windows操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上選用Visual Basic平臺開發(fā)了變組分富氧進氣監(jiān)控裝置的系統(tǒng)軟件，主要包括校正、實時監(jiān)測、進氣控制、數(shù)據(jù)管理和通訊等基本功能，如圖4所示。在人機交互界面中，能夠?qū)崿F(xiàn)富氧進氣中O2流量和CO2流量的實時監(jiān)控，采集并顯示發(fā)動機工況、狀態(tài)、排放和環(huán)境等參數(shù)值作為數(shù)據(jù)反饋，具有記錄、存儲、打印、導(dǎo)入等數(shù)據(jù)管理功能，如圖5所示。

圖4 變組分富氧進氣監(jiān)控裝置的軟件功能Fig.4 Software function of variable component oxygen－enriched air intake monitoring device

圖5 變組分富氧進氣監(jiān)控裝置的人機交互界面Fig.5 Human－computer interaction interface of variable component oxygen－enriched air intake

4 結(jié)論

針對富氧燃燒條件下發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性顯著提高的同時NOx排放嚴重惡化的實際問題，以發(fā)動機的工況、狀態(tài)、排放和環(huán)境等參數(shù)值作為數(shù)據(jù)反饋，設(shè)計了基于發(fā)動機性能試驗臺的變組分富氧進氣監(jiān)控裝置。該裝置操作簡單、安全可靠、實用性強、信號干擾小、響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)富氧進氣中O2流量和CO2流量的實時監(jiān)控，對發(fā)動機進行變組分富氧進氣控制，以確保發(fā)動機在目標(biāo)富氧進氣條件下的穩(wěn)定可控燃燒，達到優(yōu)化發(fā)動機性能和節(jié)能減排的目的，具有廣闊的應(yīng)用前景和可觀的推廣價值。

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