天然氣汽車(chē)的燃料轉(zhuǎn)換控制原理

1、汽油/天然氣汽車(chē)的燃料轉(zhuǎn)換控制原理2005-05-19 字體：大 中 小 作者： 仇世侃 蹇小平 張春化摘要介紹了汽油/天然氣雙燃料汽車(chē)的燃料轉(zhuǎn)換控制原理，闡述了轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器邏輯控制單元的工作原理。主題詞控制原理汽車(chē)汽油/天然氣1引言天然氣(CNG)汽車(chē)是以壓縮天然氣為燃料的汽車(chē)，其CO排放量比汽油車(chē)減少90%以上，HC排放減少70%以上，NO)(排放減少35%以上，是目前較為實(shí)用而且已大為采用的低排放汽車(chē)。我國(guó)自1999年開(kāi)始實(shí)施清潔汽車(chē)行動(dòng)以來(lái)，清潔燃?xì)馄?chē)的推廣應(yīng)用工作得到了發(fā)展，取得了階段性成果。截至2003年底，全國(guó)已擁有CNG汽車(chē)8萬(wàn)余輛，CNG加氣站367座。鑒于目前加氣站難以

2、滿足CNG汽車(chē)充氣，可在保留汽車(chē)的汽油供應(yīng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，另增CNG供應(yīng)系統(tǒng)，將CNG減壓后直接供給發(fā)動(dòng)機(jī)，可通過(guò)燃料轉(zhuǎn)換控制裝置選擇CNG或燃油，這種汽車(chē)被稱(chēng)為汽油/天然氣雙燃料汽車(chē)，國(guó)際上的CNG汽車(chē)大多數(shù)屬于這一類(lèi)。目前我國(guó)改裝的雙燃料汽車(chē)已達(dá)15萬(wàn)多輛，主要分布在四川省及重慶市，西安、北京等大城市也有雙燃料汽車(chē)。雖然近幾年來(lái)我國(guó)雙燃料汽車(chē)的技術(shù)水平得到了一定的發(fā)展，但與國(guó)外相比仍有較大差距。本文以意大利LOVATO的燃料轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)為例，介紹雙燃料汽車(chē)的燃料轉(zhuǎn)換控制原理。2雙燃料汽車(chē)的燃料轉(zhuǎn)換控制原理汽油/天然氣雙燃料汽車(chē)按燃?xì)饣旌瞎┙o控制裝置不同，可分為開(kāi)環(huán)混合器供氣系統(tǒng)、閉環(huán)帶電控動(dòng)力

3、閥的混合器供氣系統(tǒng)和電控燃?xì)鈬娚淙箢?lèi)，其專(zhuān)用裝置的不同之處主要體現(xiàn)在對(duì)混合氣的形成方式，對(duì)混合氣濃度控制方式，以及是單點(diǎn)噴氣控制，還是多點(diǎn)順序噴氣控制等少數(shù)部件上，其它專(zhuān)用裝置基本相同。目前，國(guó)內(nèi)外的電噴車(chē)上普遍采用混合器方式的閉環(huán)控制系統(tǒng)，匹配后的動(dòng)力性、排放性能、燃料經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)基本能夠滿足使用的要求。圖1為汽油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理。圖1汽油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制供氣系統(tǒng)原理在閉環(huán)控制中，燃?xì)夤┙o系統(tǒng)增加了燃?xì)釫CU，并利用原車(chē)的氧傳感器實(shí)現(xiàn)空燃比閉環(huán)控制，同時(shí)在減壓調(diào)節(jié)器和混合器之間增加了由燃?xì)釫CU控制的步進(jìn)電機(jī)功率閥，這樣就可通過(guò)燃?xì)釫CU、氧傳感器、電

4、控功率閥使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下都能獲得最佳的空燃比。工作方式是：燃用汽油時(shí)切斷天然氣的供給，燃用天然氣時(shí)切斷汽油的供給。無(wú)論哪種工作方式，混合氣都是預(yù)混圖2LOVATO電噴發(fā)動(dòng)機(jī)汽油/天然氣轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)電器原理圖并由電火花點(diǎn)燃。圖2為L(zhǎng)OVATO電控汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)汽油/天然氣轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)電器原理圖。與電控汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)比較，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)所增加的各主要電控部分的功能是：燃?xì)釫CU：在燃用燃?xì)鈺r(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力信號(hào)和氧傳感器信號(hào)、節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)等進(jìn)行分析計(jì)算，控制步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作等。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器：利用邏輯控制單元，通過(guò)燃料轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)使用燃?xì)夂褪褂闷椭g的燃料轉(zhuǎn)換過(guò)程，并相應(yīng)指示

5、使用燃料的情況(通過(guò)指示燈顯示)；在使用CNG時(shí)顯示高壓氣瓶?jī)?nèi)的燃?xì)鈮毫?，以便使駕駛員掌握剩余燃?xì)饬?。模擬器(也稱(chēng)仿真器)：控制汽油的噴射，在燃用汽油時(shí)，接通噴油器控制電路，保持汽油噴射系統(tǒng)的正常工作；使用燃?xì)鈺r(shí)切斷汽油噴嘴的控制電路，同時(shí)向汽油ECU輸入汽油噴射模擬信號(hào)，保持汽油ECU的正常工作。點(diǎn)火提前角調(diào)節(jié)器：使用CNG時(shí)，在汽油ECU控制的點(diǎn)火提前角的基礎(chǔ)上，自動(dòng)加大一定的度數(shù)，以彌補(bǔ)CNG燃燒速度較慢的缺點(diǎn)；使用汽油工作時(shí)，恢復(fù)汽油ECU控制的點(diǎn)火時(shí)間。步進(jìn)電機(jī)功率閥：執(zhí)行燃?xì)釫CU的指令，以控制燃?xì)獾墓┙o量，保證混合氣的空燃比在理論值附近。減壓器：將儲(chǔ)氣瓶輸出的具有很大壓力(約為2

6、0MPa)的CNG調(diào)節(jié)成滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作需要的CNG。3雙燃料汽車(chē)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器工作原理LOVATO的油/氣轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)采用的是油啟動(dòng)型、減速預(yù)定值油/氣轉(zhuǎn)換控制，即無(wú)論油/氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在任何位置均使用汽油啟動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在氣檔使用汽油啟動(dòng)后，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加速至高于預(yù)定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，然后減速，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至預(yù)定值時(shí)，燃料自動(dòng)轉(zhuǎn)換到燃?xì)狻D3為L(zhǎng)OVATO轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器邏輯控制單元電路原理框圖。汽油/天然氣的轉(zhuǎn)換是通過(guò)駕駛員按下圖3中的燃料轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)完成的，為了方便駕駛員操作，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)一般安裝在儀表臺(tái)面板上。LOVATO的燃料轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)面板如圖4所示。圖4中的油/氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是一個(gè)兩檔翹板開(kāi)關(guān)，用來(lái)給轉(zhuǎn)換

7、開(kāi)關(guān)控制器提供燃用汽油或燃用CNG的控制信號(hào)；由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器中的邏輯控制單元進(jìn)行判斷，向燃?xì)釫CU、模擬器、點(diǎn)火提前角控制器等提供相應(yīng)的控制信號(hào)。強(qiáng)制氣啟動(dòng)開(kāi)關(guān)是一個(gè)點(diǎn)動(dòng)按鈕，用于氣轉(zhuǎn)油過(guò)渡時(shí)，燃油一時(shí)供應(yīng)不上，臨時(shí)補(bǔ)充供氣使用；也可用于在汽油系統(tǒng)出現(xiàn)故障、無(wú)法使用汽油啟動(dòng)時(shí)，使用燃?xì)庵苯訂?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。3為綠色指示燈是“燃?xì)狻惫ぷ髦甘尽?為黃色指示燈是“燃油”工作指示。油/氣轉(zhuǎn)換狀態(tài)指示是一個(gè)綠色指示燈，在氣檔使用汽油啟動(dòng)時(shí)亮；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升至或超過(guò)轉(zhuǎn)換預(yù)定值時(shí)閃爍；轉(zhuǎn)換為燃?xì)夂笙纭?為燃?xì)鈮毫礆饬匡@示區(qū)，共有5只指示燈；其中之“1”“4”為綠色、“R”為紅色；全部綠燈亮表示已經(jīng)充滿氣；

8、熄一個(gè)綠燈表示已經(jīng)用完約1/4氣量；若紅燈亮，表示氣快用完，應(yīng)盡快加氣了。圖3LOVATO轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器原理框圖圖4LOVATO燃料轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)面板示意圖1、油/氣轉(zhuǎn)換按鈕2、強(qiáng)制氣啟動(dòng)按鈕3、燃?xì)庵甘?、油/氣轉(zhuǎn)換狀態(tài)指示5、燃油指示6、氣量指示轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器內(nèi)部的邏輯控制電路主要用來(lái)接受駕駛員的燃料轉(zhuǎn)換信號(hào)、天然氣的壓力信號(hào)及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)等，先進(jìn)行一定的邏輯判斷，再發(fā)出適當(dāng)?shù)闹噶睿瓿芍付ǖ娜蝿?wù)。圖5為轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器內(nèi)部的部分電路原理圖。圖5轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器部分電路圖在圖5中，通過(guò)駕駛員所選擇的油/氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)位置，給轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器提供發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油或燃用CNG的狀態(tài)信號(hào)。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在“油”檔時(shí)

9、K1斷開(kāi)，“氣”檔時(shí)K1閉合?！皻狻睓nK1閉合后，控制繼電器J的線圈及電源VCC(燃?xì)?得電；如這時(shí)三極管Q1導(dǎo)通，那么繼電器的觸點(diǎn)動(dòng)作，轉(zhuǎn)換開(kāi)-關(guān)控制器向燃?xì)釫CU、模擬器等提供適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，進(jìn)行油/氣的轉(zhuǎn)換，且觸點(diǎn)動(dòng)作后，燃料類(lèi)型指示燈的亮、滅狀態(tài)也要發(fā)生相應(yīng)的變化。控制三極管Q1導(dǎo)通的信號(hào)是送人轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器的轉(zhuǎn)速信號(hào)，這個(gè)信號(hào)由點(diǎn)火線圈的負(fù)極取得。轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)“非”門(mén)施密特觸發(fā)器40106(U5)、“二與非”門(mén)施密特觸發(fā)器4093(U4)及其周?chē)M(jìn)行整形，由U5D的2腳輸出一個(gè)矩形脈沖，圖5中的電位器WK用來(lái)改變U5B的闕值電壓，改變U5B的闕值電壓就可改變發(fā)動(dòng)機(jī)油/氣轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)速預(yù)

10、定值；此矩形脈沖經(jīng)過(guò)后級(jí)的阻、容進(jìn)行分壓及脈沖-直流變換后，送人由集成電路LM339(U2)組成的兩個(gè)電壓比較器U2A和U2B，作為比較電壓，U2A和U2B的參考電壓均由VCC(燃?xì)?經(jīng)電阻分壓獲得；兩個(gè)電壓比較器的輸出送人由U3B、U3C、U4A、U4D、U5A及U5E組成的組合電路中進(jìn)行邏輯判斷；如滿足條件，則由U5A的2腳輸出高電平，使Q1導(dǎo)通，繼電器J動(dòng)作。因40106為反相輸出的施密特觸發(fā)器，由其電壓傳輸特性可知：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高或上升超過(guò)轉(zhuǎn)換預(yù)定值時(shí)，其輸出為低電平。只有當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)母哂谵D(zhuǎn)換預(yù)定值下降至預(yù)定值時(shí)，輸出為高電平，使Q1導(dǎo)通。進(jìn)行燃料轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)速預(yù)定值可通過(guò)調(diào)節(jié)WK來(lái)改變。圖

11、5中的開(kāi)關(guān)K2是強(qiáng)制氣啟動(dòng)按鈕，它一端接搭鐵(即“地”線)，另一端分別接至U4A、U5A的1腳。當(dāng)駕駛員將油/氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打至“氣”檔并按下K2時(shí)，U5A的1腳就就被強(qiáng)制接“地”，此時(shí)無(wú)論轉(zhuǎn)速信號(hào)是何種狀態(tài)，U5A的2腳輸出均為高電平，使三級(jí)管Q1導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作；發(fā)動(dòng)機(jī)燃用燃?xì)?。通過(guò)以上分析，可對(duì)LOVATO燃料轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程作如下總結(jié)：駕駛員選擇“油”檔時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上只有黃色的“燃油”指示燈亮。當(dāng)駕駛員選擇“氣”檔時(shí)，使用汽油啟動(dòng)；轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上的“燃油”及“”指示燈亮；踩下油門(mén)踏板，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加速至高于轉(zhuǎn)換預(yù)定值時(shí)“”指示燈閃爍，其余指示燈的狀態(tài)不發(fā)生變化，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然燃用汽油；抬起油門(mén)踏板，將轉(zhuǎn)速?gòu)母哂陬A(yù)定值下降至預(yù)定值后，“燃油”及“”指示燈熄滅，“燃?xì)狻敝甘緹袅?，而這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)也從燃用汽油改為燃用CNG；在這個(gè)過(guò)程中氣量顯示區(qū)的5個(gè)指示燈根據(jù)儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)剩余