汽油/天然氣汽車的燃料轉換控制原理

www.guilinhy.com 來源：互聯網作者：追夢流星雨1 類別：汽車構造維修時間：2007-09-30

汽油/天然氣汽車的燃料轉換控制原理
　　[摘要]介紹了汽油/天然氣雙燃料汽車的燃料轉換控制原理，闡述了轉換開關控制器邏輯控制單元的工作原理。
1 引言
　天然氣(CNG)汽車是以壓縮天然氣為燃料的汽車，其CO排放量比汽油車減少90%以上，HC排放減少70%以上，NO)(排放減少35%以上，是目前較為實用而且已大為采用的低排放汽車。我國自1999年開始實施清潔汽車行動以來，清潔燃氣汽車的推廣應用工作得到了發展，取得了階段性成果。截至2003年底，全國已擁有CNG汽車8萬余輛，CNG加氣站367座。
　　鑒于目前加氣站難以滿足CNG汽車充氣，可在保留汽車的汽油供應系統基礎上，另增CNG供應系統，將CNG減壓后直接供給發動機，可通過燃料轉換控制裝置選擇CNG或燃油，這種汽車被稱為汽油/天然氣雙燃料汽車，國際上的CNG汽車大多數屬于這一類。目前我國改裝的雙燃料汽車已達15萬多輛，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。
　　雖然近幾年來我國雙燃料汽車的技術水平得到了一定的發展，但與國外相比仍有較大差距。本文以意大利LOVATO的燃料轉換控制系統為例，介紹雙燃料汽車的燃料轉換控制原理。
　　2　雙燃料汽車的燃料轉換控制原理
　　汽油/天然氣雙燃料汽車按燃氣混合供給控制裝置不同，可分為開環混合器供氣系統、閉環帶電控動力閥的混合器供氣系統和電控燃氣噴射三大類，其專用裝置的不同之處主要體現在對混合氣的形成方式，對混合氣濃度控制方式，以及是單點噴氣控制，還是多點順序噴氣控制等少數部件上，其它專用裝置基本相同。目前，國內外的電噴車上普遍采用混合器方式的閉環控制系統，匹配后的動力性、排放性能、燃料經濟性等指標基本能夠滿足使用的要求。圖1為汽油/天然氣雙燃料發動機閉環控制系統的工作原理。

　　圖1　汽油/天然氣雙燃料發動機閉環控制供氣系統原理
在閉環控制中，燃氣供給系統增加了燃氣ECU，并利用原車的氧傳感器實現空燃比閉環控制，同時在減壓調節器和混合器之間增加了由燃氣ECU控制的步進電機功率閥，這樣就可通過燃氣ECU、氧傳感器、電控功率閥使發動機在各種工況下都能獲得最佳的空燃比。工作方式是：燃用汽油時切斷天然氣的供給，燃用天然氣時切斷汽油的供給。無論哪種工作方式，混合氣都是預混圖2LOVATO電噴發動機汽油/天然氣轉換控制系統電器原理圖并由電火花點燃。

圖2　為LOVATO電控汽油噴射發動機汽油/天然氣轉換控制系統電器原理圖。
　　與電控汽油噴射發動機比較，雙燃料發動機所增加的各主要電控部分的功能是：
　　燃氣ECU：在燃用燃氣時，根據發動機的進氣壓力信號和氧傳感器信號、節氣門位置信號、轉速信號等進行分析計算，控制步進電機的動作等。
　　轉換開關控制器：利用邏輯控制單元，通過燃料轉換開關來實現使用燃氣和使用汽油之間的燃料轉換過程，并相應指示使用燃料的情況(通過指示燈顯示)；在使用CNG時顯示高壓氣瓶內的燃氣壓力，以便使駕駛員掌握剩余燃氣量。
　　模擬器(也稱仿真器)：控制汽油的噴射，在燃用汽油時，接通噴油器控制電路，保持汽油噴射系統的正常工作；使用燃氣時切斷汽油噴嘴的控制電路，同時向汽油ECU輸入汽油噴射模擬信號，保持汽油ECU的正常工作。
　　點火提前角調節器：使用CNG時，在汽油ECU控制的點火提前角的基礎上，自動加大一定的度數，以彌補CNG燃燒速度較慢的缺點；使用汽油工作時，恢復汽油ECU控制的點火時間。
　　步進電機功率閥：執行燃氣ECU的指令，以控制燃氣的供給量，保證混合氣的空燃比在理論值附近。
　　減壓器：將儲氣瓶輸出的具有很大壓力(約為20MPa)的CNG調節成滿足發動機工作需要的CNG。
　　3　雙燃料汽車的轉換開關控制器工作原理
　　LOVATO的油/氣轉換控制系統采用的是油啟動型、減速預定值油/氣轉換控制，即無論油/氣轉換開關在任何位置均使用汽油啟動；當轉換開關在氣檔使用汽油啟動后，將發動機轉速加速至高于預定的發動機轉速，然后減速，當轉速降至預定值時，燃料自動轉換到燃氣。圖3為LOVATO轉換開關控制器邏輯控制單元電路原理框圖。
　　汽油/天然氣的轉換是通過駕駛員按下圖3中的燃料轉換開關來完成的，為了方便駕駛員操作，轉換開關一般安裝在儀表臺面板上。LOVATO的燃料轉換開關面板如圖4所圖4中的油/氣轉換開關是一個兩檔翹板開關，用來給轉換開關控制器提供燃用汽油或燃用CNG的控制信號；由轉換開關控制器中的邏輯控制單元進行判斷，向燃氣ECU、模擬器、點火提前角控制器等提供相應的控制信號。強制氣啟動開關是一個點動按鈕，用于氣轉油過渡時，燃油一時供應不上，臨時補充供氣使用；也可用于在汽油系統出現故障、無法使用汽油啟動時，使用燃氣直接啟動發動機。3為綠色指示燈是“燃氣”工作指示。5為黃色指示燈是“燃油”工作指示。油/氣轉換狀態指示是一個綠色指示燈，在氣檔使用汽油啟動時亮；當發動機轉速上升至或超過轉換預定值時閃爍；轉換為燃氣后熄滅。6為燃氣壓力即氣量顯示區，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充滿氣；熄一個綠燈表示已經用完約1/4氣量；若紅燈亮，表示氣快用完，應盡快加氣了。

圖3　LOVATO轉換開關控制器原理框圖

圖4　LOVATO燃料轉換開關面板示意圖
　　1—油/氣轉換按鈕　2—強制氣啟動按鈕　3—燃氣指示　4—油/氣轉換狀態指示　5—燃油指示　6—氣量指示
示。轉換開關控制器內部的邏輯控制電路主要用來接受駕駛員的燃料轉換信號、天然氣的壓力信號及發動機的轉速信號等，先進行一定的邏輯判斷，再發出適當的指令，完成指定的任務。圖5為轉換開關控制器內部的部分電路原理圖。

　圖5　轉換開關控制器部分電路圖
　　在圖5中，通過駕駛員所選擇的油/氣轉換開關位置，給轉換開關控制器提供發動機燃用汽油或燃用CNG的狀態信號。轉換開關在“油”檔時K1斷開，“氣”檔時K1閉合。“氣”檔K1閉合后，控制繼電器J的線圈及電源VCC(燃氣)得電；如這時三極管Q1導通，那么繼電器的觸點動作，轉換開•關控制器向燃氣ECU、模擬器等提供適當的控制信號，進行油/氣的轉換，且觸點動作后，燃料類型指示燈的亮、滅狀態也要發生相應的變化。
　　控制三極管Q1導通的信號是送人轉換開關控制器的轉速信號，這個信號由點火線圈的負極取得。轉速信號經“非”門施密特觸發器40106(U5)、“二與非”門施密特觸發器4093(U4)及其周圍元件進行整形，由U5D的2腳輸出一個矩形脈沖，圖5中的電位器WK用來改變U5B的闕值電壓，改變U5B的闕值電壓就可改變發動機油/氣轉換的轉速預定值；此矩形脈沖經過后級的阻、容進行分壓及脈沖—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(燃氣)經電阻分壓獲得；兩個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行邏輯判斷；如滿足條件，則由U5A的2腳輸出高電平，使Q1導通，繼電器J動作。因40106為反相輸出的施密特觸發器，由其電壓傳輸特性可知：當發動機轉速升高或上升超過轉換預定值時，其輸出為低電平。只有當轉速從高于轉換預定值下降至預定值時，輸出為高電平，使Q1導通。進行燃料轉換的轉速預定值可通過調節WK來改變。
　　圖5中的開關K2是強制氣啟動按鈕，它一端接搭鐵(即“地”線)，另一端分別接至U4A、U5A的1腳。當駕駛員將油/氣轉換開關打至“氣”檔并按下K2時，U5A的1腳就就被強制接“地”，此時無論轉速信號是何種狀態，U5A的2腳輸出均為高電平，使三級管Q1導通，驅動繼電器動作；發動機燃用燃氣。
　　通過以上分析，可對LOVATO燃料轉換系統的轉換過程作如下總結：駕駛員選擇“油”檔時，發動機燃用汽油，轉換開關上只有黃色的“燃油”指示燈亮。當駕駛員選擇“氣”檔時，使用汽油啟動；轉換開關上的“燃油”及“△”指示燈亮；踩下油門踏板，將發動機轉速加速至高于轉換預定值時“△”指示燈閃爍，其余指示燈的狀態不發生變化，發動機仍然燃用汽油；抬起油門踏板，將轉速從高于預定值下降至預定值后，“燃油”及“△”指示燈熄滅，“燃氣”指示燈亮，而這時發動機也從燃用汽油改為燃用CNG；在這個過程中氣量顯示區的5個指示燈根據儲氣瓶內剩余氣量的多少而相應亮或滅。即LOVATO的油/氣轉換控制系統采用的是油啟動型、減速預定值油/氣轉換控制。