韩冰源，金 鑫，彭 帅，孙中鑫，宫世雯，李洪亮

（东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨 150040）

发动机燃烧主要受制于进气中的助燃成分和阻燃成分，二者能够形成约束燃烧的双重性作用［1－3］。通过进气充量组分重整进行燃烧优化，能够促进燃料的充分燃烧，提高发动机有效输出功率，降低其燃油消耗率，改善其动力性能及经济性能，并同时实现较低的排放［4－5］。变组分富氧进气是探索发动机强动力、少燃油和低排放的主动控制方法，是实现节能减排的新途径［6］。

目前，通常采用膜法富氧［7－8］和气瓶供氧两种方式实现变组分富氧进气［9－13］，但所提供富氧进气中的氧体积分数并不稳定，难以充分掌握各个目标组分富氧进气条件下发动机的实际工况及其性能参数。本文针对风冷四冲程的单缸汽油机性能试验台，设计一种变组分富氧进气监控装置，用来精确控制进气中的氧体积分数，确保发动机在目标富氧进气组分条件下实现稳定可控燃烧，同时实时监测并记录各种表征发动机性能指标的实验数据。

1 加装变组分富氧进气监控装置的发动机性能试验台结构

变组分富氧进气监控装置由氧气瓶、氧气瓶减压器、氧气流量控制阀、氧气流量计、二氧化碳气瓶、二氧化碳气瓶减压器、二氧化碳流量控制阀、二氧化碳流量计、混合室、空气流量计、氧分析仪、二氧化碳分析仪和监测与采集系统构成，其中的监测与采集系统主要包括PC测控单元、数据采集单元、通讯单元和单片机及其外围电路单元等电子元器件。发动机性能试验台由单缸风冷四冲程汽油机、发动机自动测控系统、直流电力测功机、燃烧分析仪、废气分析仪、智能油耗仪和各种汽车传感器组成。加装变组分富氧进气监控装置的发动机性能试验台如图1所示，主要仪器设备及型号参见表1。

图1 加装变组分富氧进气监控装置的发动机性能试验台结构Fig.1 Structure of engine performance test－bed with variable component oxygen－enriched intake air monitoring device

表1 主要仪器和设备Tab.1 Major instruments and equipment

2 变组分富氧进气监控装置的工作原理及硬件结构

变组分富氧进气监控装置利用40L的氧气瓶提供纯度高于99.2%的、充装压力为13±0.5MPa的工业氧，通过氧气瓶减压器将其压力降至标准大气压后通入混合室，利用氧气流量计和氧气流量控制阀控制进入混合室的工业氧流量。利用40L的二氧化碳气瓶提供纯度高于99.9%的、充装压力为15±0.5MPa的工业二氧化碳，通过二氧化碳气瓶减压器将其压力降至标准大气压后通入混合室，利用二氧化碳流量计和二氧化碳流量控制阀控制进入混合室的工业二氧化碳流量。混合室共有三个入口和一个出口，一个入口与氧气进气管相连，一个入口与二氧化碳进气管相连，另一个入口与大气相通，一个出口与发动机的进气管相连。利用多个风扇将工业氧、工业二氧化碳和空气在混合室中进行充分混合，形成具有目标组分的富氧进气后再以自然吸气的方式提供给发动机试验台。

变组分富氧进气监控装置采用PC结构总线系统，PC机与直流电力测功机、智能油耗仪、燃烧分析仪和废气分析仪进行CAN通讯，同时通过RS232串口与单片机进行通讯，由单片机读取经A/D转换后的空气流量信号、O2流量信号、CO2流量信号、节气门开度信号和转速信号，实现发动机各个性能参数的采集与反馈，如图2所示。通过PC机将控制程序写入单片机，利用脉宽调制精确控制O2流量和CO2流量，从而控制发动机的富氧进气组分，其控制电路如图3所示。

图2 变组分富氧进气监控装置的硬件结构Fig.2 Hardware structure of variable component oxygen－enriched air intake monitoring device

图3 变组分富氧进气监控装置的控制电路Fig.3 Control circuit of variable component oxygen－enriched air intake monitoring device

3 变组分富氧进气监控装置的软件功能

在Windows操作系统基础上选用Visual Basic平台开发了变组分富氧进气监控装置的系统软件，主要包括校正、实时监测、进气控制、数据管理和通讯等基本功能，如图4所示。在人机交互界面中，能够实现富氧进气中O2流量和CO2流量的实时监控，采集并显示发动机工况、状态、排放和环境等参数值作为数据反馈，具有记录、存储、打印、导入等数据管理功能，如图5所示。

图4 变组分富氧进气监控装置的软件功能Fig.4 Software function of variable component oxygen－enriched air intake monitoring device

图5 变组分富氧进气监控装置的人机交互界面Fig.5 Human－computer interaction interface of variable component oxygen－enriched air intake

4 结论

针对富氧燃烧条件下发动机动力性和经济性显著提高的同时NOx排放严重恶化的实际问题，以发动机的工况、状态、排放和环境等参数值作为数据反馈，设计了基于发动机性能试验台的变组分富氧进气监控装置。该装置操作简单、安全可靠、实用性强、信号干扰小、响应速度快，能够实现富氧进气中O2流量和CO2流量的实时监控，对发动机进行变组分富氧进气控制，以确保发动机在目标富氧进气条件下的稳定可控燃烧，达到优化发动机性能和节能减排的目的，具有广阔的应用前景和可观的推广价值。

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