基于發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)的變組分富氧進(jìn)氣監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

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(dòng)機(jī)燃燒主要受制于進(jìn)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(jìn)氣充量組分重整進(jìn)行燃燒優(yōu)化，能夠促進(jìn)燃料的充分燃燒，提高發(fā)動(dòng)機(jī)有效輸出功率，降低其燃油消耗率，改善其動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性能，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)較低的排放［4－5］。變組分富氧進(jìn)氣是探索發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)動(dòng)力、少燃油和低排放的主動(dòng)控制方法，是實(shí)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(shí)現(xiàn)變組分富氧進(jìn)氣［9－13］，但所提供富氧進(jìn)氣中的氧體積分?jǐn)?shù)并不穩(wěn)定，難以充分掌握各個(gè)目標(biāo)組分富氧進(jìn)氣條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況及其性能參數(shù)。本文針對(duì)風(fēng)冷四沖程的單缸汽油機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)一種變組分富氧進(jìn)氣監(jiān)控裝置，用來精確控制進(jìn)氣中的氧體積分?jǐn)?shù)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在目標(biāo)富氧進(jìn)氣組分條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控燃燒，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄各種表征發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 加裝變組分富氧進(jìn)氣監(jiān)控裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

變組分富氧進(jìn)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(jì)、二氧化碳?xì)馄俊⒍趸細(xì)馄繙p壓器、二氧化碳流量控制閥、二氧化碳流量計(jì)、混合室、空氣流量計(jì)、氧分析儀、二氧化碳分析儀和監(jiān)測(cè)與采集系統(tǒng)構(gòu)成，其中的監(jiān)測(cè)與采集系統(tǒng)主要包括PC測(cè)控單元、數(shù)據(jù)采集單元、通訊單元和單片機(jī)及其外圍電路單元等電子元器件。發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)由單缸風(fēng)冷四沖程汽油機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)、直流電力測(cè)功機(jī)、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(jìn)氣監(jiān)控裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，主要儀器設(shè)備及型號(hào)參見表1。

圖1 加裝變組分富氧進(jìn)氣監(jiān)控裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)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(jìn)氣監(jiān)控裝置的工作原理及硬件結(jié)構(gòu)

變組分富氧進(jìn)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(zhǔn)大氣壓后通入混合室，利用氧氣流量計(jì)和氧氣流量控制閥控制進(jìn)入混合室的工業(yè)氧流量。利用40L的二氧化碳?xì)馄刻峁┘兌雀哂?9.9%的、充裝壓力為15±0.5MPa的工業(yè)二氧化碳，通過二氧化碳?xì)馄繙p壓器將其壓力降至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓后通入混合室，利用二氧化碳流量計(jì)和二氧化碳流量控制閥控制進(jìn)入混合室的工業(yè)二氧化碳流量。混合室共有三個(gè)入口和一個(gè)出口，一個(gè)入口與氧氣進(jìn)氣管相連，一個(gè)入口與二氧化碳進(jìn)氣管相連，另一個(gè)入口與大氣相通，一個(gè)出口與發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管相連。利用多個(gè)風(fēng)扇將工業(yè)氧、工業(yè)二氧化碳和空氣在混合室中進(jìn)行充分混合，形成具有目標(biāo)組分的富氧進(jìn)氣后再以自然吸氣的方式提供給發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。

變組分富氧進(jìn)氣監(jiān)控裝置采用PC結(jié)構(gòu)總線系統(tǒng)，PC機(jī)與直流電力測(cè)功機(jī)、智能油耗儀、燃燒分析儀和廢氣分析儀進(jìn)行CAN通訊，同時(shí)通過RS232串口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，由單片機(jī)讀取經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的空氣流量信號(hào)、O2流量信號(hào)、CO2流量信號(hào)、節(jié)氣門開度信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)性能參數(shù)的采集與反饋，如圖2所示。通過PC機(jī)將控制程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，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(dòng)機(jī)的富氧進(jìn)氣組分，其控制電路如圖3所示。

圖2 變組分富氧進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(tái)開發(fā)了變組分富氧進(jìn)氣監(jiān)控裝置的系統(tǒng)軟件，主要包括校正、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、進(jìn)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(jī)交互界面中，能夠?qū)崿F(xiàn)富氧進(jìn)氣中O2流量和CO2流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集并顯示發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǔ)、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(jìn)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(jìn)氣監(jiān)控裝置的人機(jī)交互界面Fig.5 Human－computer interaction interface of variable component oxygen－enriched air intake

4 結(jié)論

針對(duì)富氧燃燒條件下發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性顯著提高的同時(shí)NOx排放嚴(yán)重惡化的實(shí)際問題，以發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)了基于發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)的變組分富氧進(jìn)氣監(jiān)控裝置。該裝置操作簡(jiǎn)單、安全可靠、實(shí)用性強(qiáng)、信號(hào)干擾小、響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)富氧進(jìn)氣中O2流量和CO2流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行變組分富氧進(jìn)氣控制，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)在目標(biāo)富氧進(jìn)氣條件下的穩(wěn)定可控燃燒，達(dá)到優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)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(jià)值。

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