一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统及测量方法与流程

本发明属于发动机试验开发过程中设计的测量设备技术领域，特别涉及一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统及测量方法。

背景技术：

目前，随着世界各国对能源和环境的日益重视，以及对汽车更高的燃油经济性和更低的污染物排放目标的不断追求，天然气发动机近些年得到快速发展。

但是，现有的天然气发动机大多是由柴油机改造而来的，没有经过专门的设计。因此存在由于各缸进气不均匀性及喷嘴散差带来的各缸混合气浓度不同的缺陷，该缺陷造成了各缸气体燃烧不一致，导致有的缸发生爆震，而有的缸却出现失火的现象，这对天然气发动机的开发与标定十分不利。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统及测量方法，解决了在天然气发动机开发过程中，不能准确测量各缸混合气浓度的难题，结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统，所述测量系统由取气管路、信号采集装置、ECU和主机组成；

所述取气管路由发动机排气歧管1、输气管路2、连接接头3、第一电磁阀4、第二电磁阀7、排气尾管8和涡后排气管10组成；所述输气管路2与发动机排气歧管1分别伸进至发动机排气歧管1各分管接口中，并固定在排气歧管1上；输气管路2的另一端联通至排气尾管8的进气口，所述涡后排气管10连接在排气尾管8的出气口；第一电磁阀4和第二电磁阀7分别安装在输气管路2的两端；

所述信号采集装置由曲轴传感器13和凸轮轴传感器14组成；曲轴传感器13和凸轮轴传感器14分别与ECU12信号连接；

所述测量装置由宽域氧传感器6和便携式空燃比分析仪11组成。所述宽域氧传感器6分别安装在输气管路2上，用于实时测量采集天然气发动机各缸的过量空气系数；所述宽域氧传感器6均分别与便携式空燃比分析仪11信号连接，宽域氧传感器6将测量到的数据信号传输至便携式空燃比分析仪11；

所述ECU12的信号输出端与主机15的信号输入端通讯连接。

一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统，其中，所述第一电磁阀4和第二电磁阀7 均采用DN10高温600度常闭型电磁阀，所述电磁阀均为开关电磁阀，响应时间为500ms，驱动电压24V，驱动电流小于2A，能耐高温600度，压力范围0.3～1.0MPa。

一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统，其中，所述第二电磁阀7和排气尾管8均安装在固定平板9上，所述固定平板9上开有安装槽，安装槽内加工有安装孔，所述第二电磁阀7和排气尾管8装卡在安装槽内，并通过螺栓紧固件固定在固定平板9上。

进一步地，所述排气尾管8为顶部封闭、底部开口的管结构，排气尾管8侧壁上开有螺纹连接孔，输气管路2的出气端均通过所述螺纹连接孔与排气尾管8内腔联通，排气尾管8与固定平板9连接的侧面上开有螺纹连接槽，排气尾管8的底部与涡后排气管10螺纹连接。

一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统，其中，所述曲轴传感器13和凸轮轴传感器14为能同时兼容磁电/霍尔两种类型的传感器。

一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统，其中，所述宽域氧传感器6通过氧传感器安装壳体5安装在输气管路2上，所述氧传感器安装壳体5为两端加工有螺纹的管状结构，其一侧壁上开有氧传感器安装孔，另一侧壁上开有螺纹连接槽，所述氧传感器安装壳体5通过两端的螺纹连接槽联通在输气管路2的管道中路，宽域氧传感器6安装于氧传感器安装孔处，所述螺纹连接槽用于氧传感器安装壳体5的固定。

一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统，其中，在所述排气尾管8的下部还安装有一个宽域氧传感器6。

一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统的测量方法，具体过程如下：

一、首先通过仿真计算和试验确定输气管路2的进气口在排气歧管1内的位置及方向，确定第一电磁阀4、第二电磁阀7和氧传感器安装壳体5的精确位置；

二、通过ECU12来采集发动机曲轴传感器13和凸轮轴传感器14的信号，确定发动机的正时；

三、在发动机其中一缸排气冲程时控制对应管路上的第一电磁阀4和第二电磁阀7同时开启或关闭，并利用便携式空燃比分析仪11实时分析、采集宽域氧传感器6所测量到的过量空气系数；

四、最后通过与主机15通讯，上传相应数据，即实现对某一缸混合气浓度的测量、显示和记录。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统及测量方法，填补了对天然气发动机各缸混合器浓度进行测量的空白，解决了在天然气发动机开发过程中，不能准确测量各缸混合气浓度的难题；本发明的测量装置通过测试天然气发动机各缸混合气的浓度，以此来对各缸混合气的均匀性进行评价，进而通过分缸修正使各缸混合气浓度相同，从而保证发动机各缸燃烧状态的一致。

附图说明

图1为本发明所述一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统的总布置结构示意图；

图2为本发明所述一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统的电控控制示意图；

图3a为本发明所述一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统中，DN10高温600度常闭型电磁阀的整体结构示意图；

图3b为本发明所述一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统中，DN10高温600度常闭型电磁阀的底部安装结构示意图；

图4a为本发明所述一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统中，氧传感器安装壳体的内部结构示意图；

图4b为本发明所述一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统中，氧传感器安装壳体的端面结构示意图；

图5a为本发明所述一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统中，排气尾管的外部侧面结构示意图；

图5b为图5a中A-A剖视图；

图5c为本发明所述一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统中，排气尾管的外部端面结构示意图；

图5d为图5c中B-B剖视图；

图6a为本发明所述一种天然气发动机分缸混合气浓度测量系统中，固定平板的结构示意图；

图6b为图6a中部截面示意图。

图中：

1-发动机排气歧管， 2-输气管路， 3-连接接头， 4-第一电磁阀，

5-氧传感器安装壳体， 6-宽域氧传感器， 7-第二电磁阀， 8-排气尾管，

9-固定平板，10-涡后排气管， 11-便携式空燃比分析仪， 12-ECU，

13-曲轴传感器， 14-凸轮轴传感器， 15-主机。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

如图1所示，在本实施例中设计的天然气发动机有六个分缸，对应六个排气口。本发明所述测量系统包括取气管路、信号采集装置、ECU和主机。

所述取气管路包括发动机排气歧管1、输气管路2、连接接头3、第一电磁阀4、第二电磁阀7、排气尾管8和涡后排气管10；所述发动机排气歧管1有六个独立分管接口与天然气发动机的六个分缸排气口相对应，与发动机排气歧管1相匹配，所述输气管路2共有六根，分别对应发动机排气歧管1的六个独立分管接口，各输气管路2的进气端分别伸进至发动机 排气歧管1各分管接口中，并通过所述连接接头3固定在排气歧管1上；六根输气管路2的出气端均分别联通至所述排气尾管8，所述涡后排气管10连接在排气尾管8的尾部；在每根输气管路2上均安装有两个电磁阀，其中，第一电磁阀4安装在输气管路2的进气端，第二电磁阀7安装在输气管路2的出气端；如图3所示，所述电磁阀均采用DN10高温600度常闭型电磁阀，所述电磁阀均为开关电磁阀，响应时间为500ms，驱动电压24V，驱动电流小于2A，能耐高温600度，压力范围0.3～1.0MPa。在输气管路2上分别安装第一电磁阀4和第二电磁阀7两个电磁阀，有效避免了在混合气浓度测量过程中其它缸对测量缸的影响，并能实时测量、显示和记录，使得分缸混合气浓度测量准确而真实。

如图1所示，六组所述第二电磁阀7和排气尾管8均安装在固定平板9上；如图6所示，所述固定平板9上开有安装槽，安装槽内加工有安装孔，所述第二电磁阀7和排气尾管8装卡在安装槽内，并通过螺栓紧固件固定在固定平板9上。

如图5所示，所述排气尾管8为顶部封闭、底部开口的管结构，排气尾管8侧壁上开有六个螺纹连接孔，输气管路2的出气端均通过所述螺纹连接孔与排气尾管8内腔联通，排气尾管8与固定平板9连接的侧面上开有螺纹连接槽，排气尾管8的底部与涡后排气管10螺纹连接，排气尾管8的下方侧壁上还开有一个氧传感器安装口。

所述信号采集装置包括曲轴传感器13和凸轮轴传感器14，曲轴传感器13和凸轮轴传感器14的信号输出端分别与ECU12的信号输入端信号连接，曲轴传感器13和凸轮轴传感器14将采集到的信号数据发送至ECU12，供ECU12进行发动机转速判断和发动机时间基准判断；所述曲轴传感器13和凸轮轴传感器14能同时兼容磁电/霍尔两种类型的传感器，当使用霍尔型传感器时，可以采用与发动机ECU并用的方式，当使用磁电型传感器时，需设计电平转换模块，将磁电型传感器采集到的交流信号转化为标准的方波信号。

所述测量装置包括宽域氧传感器6和便携式空燃比分析仪11。所述宽域氧传感器6有七组，其中一组安装在排气尾管8下方的氧传感器安装口处，剩余六组分别通过六个氧传感器安装壳体5安装在六根输气管路2上，所述宽域氧传感器6UEGO用于实时测量采集天然气发动机六个分缸的λ值,所述λ值指过量空气系数，代表发动机缸内混合气空气与燃料的混合比例；所述宽域氧传感器6位于第一电磁阀4与第二电磁阀7之间；所述氧传感器安装壳体5嵌置在输气管路2的管道中路，如图4所示，所述氧传感器安装壳体5为两端加工有螺纹的管状结构，其一侧壁上开有氧传感器安装孔，另一侧壁上开有螺纹连接槽，所述氧传感器安装壳体5通过两端的螺纹连接槽联通在输气管路2的管道中路，宽域氧传感器6安装于氧传感器安装孔处，所述螺纹连接槽用于氧传感器安装壳体5的固定。所述宽域氧传感器6的信号输出端均分别与便携式空燃比分析仪11的信号输入端相连，宽域氧传感器6将测量到的氧浓度信号传输至便携式空燃比分析仪11。

所述ECU12的信号输入端分别与信号采集装置的信号输出端和便携式空燃比分析仪11的信号输出端信号连接，所述ECU12的信号输出端与主机15的信号输入端通讯连接。

如图2所示，所述ECU12获取曲轴传感器13和凸轮轴传感器14，以及宽域氧传感器6测得的信号数据；所述ECU12向各电磁阀发送信号指令，控制各电磁阀进行开启或关闭；

ECU12与主机15之间通讯连接，主机15记录并显示宽域氧传感器6测得的数据、电磁阀的状态以及曲轴与凸轮轴的信号相位。

本发明技术方案中应用了专门设计开发的ECU，所述ECU12在硬件部分采用了XC2785单片机平台，并充分考虑电磁兼容性能，采用了4层电路板、兼容磁电/霍尔转速传感器、10路AD0-5V、2路高速CAN、12路智能诊断驱动电路、48芯汽车级专用接插件；所述ECU12在软件方面，能根据曲轴传感器13和凸轮轴传感器14进行发动机转速判断和发动机时间基准判断；所述ECU12通过接收曲轴传感器13和凸轮轴传感器14采集到的信号来确定发动机的正时关系，从而控制第一电磁阀4和第二电磁阀7的同时打开或关闭；便携式空燃比分析仪11将其接收到的宽域氧传感器6测量的氧浓度信号接着以模拟量输出给ECU12，ECU12最后通过CAN协议将采集到正时关系、λ值等信号上传给主机15，这样便完成了对天然气发动机分缸混合气的浓度的测量、采集和记录。

结合上述测量系统，本发明还提供了一种天然气发动机分缸混合气浓度测量方法，所述方法具体如下：

如图1所示，在某一发动机燃烧及性能开发时，首先通过仿真计算和试验确定输气管路2的进气口在排气歧管1内的精确位置及方向，这样是为了保证各缸取气气流的顺畅，并减少各缸之间的串气；此外，还需要确定第一电磁阀4、第二电磁阀7和氧传感器安装壳体5的精确位置，这样是为了保证某一缸排气循环的排气能够通过输气管路2准确地到达宽域氧传感器6的测量空间内。

在试验测量过程中，本发明的测量系统能通过专门设计开发的ECU12来采集发动机曲轴传感器13和凸轮轴传感器14的信号，进而确定发动机的正时；在某一缸排气冲程时控制对应管路上的第一电磁阀4和第二电磁阀7同时开启或关闭；并利用便携式空燃比分析仪11实时分析、采集宽域氧传感器6所测量到的的氧浓度值；最后通过与主机15通讯，上传相关数据，这样就达到了对某一缸混合气浓度的测量、显示和记录；再根据发动机的点火顺序依次自动地测量其它缸混合气浓度。