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汽油/天然气汽车的燃料转换控制原理
　　[摘要]介绍了汽油/天然气双燃料汽车的燃料转换控制原理，阐述了转换开关控制器逻辑控制单元的工作原理。
1 引言
　天然气(CNG)汽车是以压缩天然气为燃料的汽车，其CO排放量比汽油车减少90%以上，HC排放减少70%以上，NO)(排放减少35%以上，是目前较为实用而且已大为采用的低排放汽车。我国自1999年开始实施清洁汽车行动以来，清洁燃气汽车的推广应用工作得到了发展，取得了阶段性成果。截至2003年底，全国已拥有CNG汽车8万余辆，CNG加气站367座。
　　鉴于目前加气站难以满足CNG汽车充气，可在保留汽车的汽油供应系统基础上，另增CNG供应系统，将CNG减压后直接供给发动机，可通过燃料转换控制装置选择CNG或燃油，这种汽车被称为汽油/天然气双燃料汽车，国际上的CNG汽车大多数属于这一类。目前我国改装的双燃料汽车已达15万多辆，主要分布在四川省及重庆市，西安、北京等大城市也有双燃料汽车。
　　虽然近几年来我国双燃料汽车的技术水平得到了一定的发展，但与国外相比仍有较大差距。本文以意大利LOVATO的燃料转换控制系统为例，介绍双燃料汽车的燃料转换控制原理。
　　2　双燃料汽车的燃料转换控制原理
　　汽油/天然气双燃料汽车按燃气混合供给控制装置不同，可分为开环混合器供气系统、闭环带电控动力阀的混合器供气系统和电控燃气喷射三大类，其专用装置的不同之处主要体现在对混合气的形成方式，对混合气浓度控制方式，以及是单点喷气控制，还是多点顺序喷气控制等少数部件上，其它专用装置基本相同。目前，国内外的电喷车上普遍采用混合器方式的闭环控制系统，匹配后的动力性、排放性能、燃料经济性等指标基本能够满足使用的要求。图1为汽油/天然气双燃料发动机闭环控制系统的工作原理。

　　图1　汽油/天然气双燃料发动机闭环控制供气系统原理
在闭环控制中，燃气供给系统增加了燃气ECU，并利用原车的氧传感器实现空燃比闭环控制，同时在减压调节器和混合器之间增加了由燃气ECU控制的步进电机功率阀，这样就可通过燃气ECU、氧传感器、电控功率阀使发动机在各种工况下都能获得{zj0}的空燃比。工作方式是：燃用汽油时切断天然气的供给，燃用天然气时切断汽油的供给。无论哪种工作方式，混合气都是预混图2LOVATO电喷发动机汽油/天然气转换控制系统电器原理图并由电火花点燃。

图2　为LOVATO电控汽油喷射发动机汽油/天然气转换控制系统电器原理图。
　　与电控汽油喷射发动机比较，双燃料发动机所增加的各主要电控部分的功能是：
　　燃气ECU：在燃用燃气时，根据发动机的进气压力信号和氧传感器信号、节气门位置信号、转速信号等进行分析计算，控制步进电机的动作等。
　　转换开关控制器：利用逻辑控制单元，通过燃料转换开关来实现使用燃气和使用汽油之间的燃料转换过程，并相应指示使用燃料的情况(通过指示灯显示)；在使用CNG时显示高压气瓶内的燃气压力，以便使驾驶员掌握剩余燃气量。
　　模拟器(也称仿真器)：控制汽油的喷射，在燃用汽油时，接通喷油器控制电路，保持汽油喷射系统的正常工作；使用燃气时切断汽油喷嘴的控制电路，同时向汽油ECU输入汽油喷射模拟信号，保持汽油ECU的正常工作。
　　点火提前角调节器：使用CNG时，在汽油ECU控制的点火提前角的基础上，自动加大一定的度数，以弥补CNG燃烧速度较慢的缺点；使用汽油工作时，恢复汽油ECU控制的点火时间。
　　步进电机功率阀：执行燃气ECU的指令，以控制燃气的供给量，保证混合气的空燃比在理论值附近。
　　减压器：将储气瓶输出的具有很大压力(约为20MPa)的CNG调节成满足发动机工作需要的CNG。
　　3　双燃料汽车的转换开关控制器工作原理
　　LOVATO的油/气转换控制系统采用的是油启动型、减速预定值油/气转换控制，即无论油/气转换开关在任何位置均使用汽油启动；当转换开关在气档使用汽油启动后，将发动机转速加速至高于预定的发动机转速，然后减速，当转速降至预定值时，燃料自动转换到燃气。图3为LOVATO转换开关控制器逻辑控制单元电路原理框图。
　　汽油/天然气的转换是通过驾驶员按下图3中的燃料转换开关来完成的，为了方便驾驶员操作，转换开关一般安装在仪表台面板上。LOVATO的燃料转换开关面板如图4所图4中的油/气转换开关是一个两档翘板开关，用来给转换开关控制器提供燃用汽油或燃用CNG的控制信号；由转换开关控制器中的逻辑控制单元进行判断，向燃气ECU、模拟器、点火提前角控制器等提供相应的控制信号。强制气启动开关是一个点动按钮，用于气转油过渡时，燃油一时供应不上，临时补充供气使用；也可用于在汽油系统出现故障、无法使用汽油启动时，使用燃气直接启动发动机。3为绿色指示灯是“燃气”工作指示。5为黄色指示灯是“燃油”工作指示。油/气转换状态指示是一个绿色指示灯，在气档使用汽油启动时亮；当发动机转速上升至或超过转换预定值时闪烁；转换为燃气后熄灭。6为燃气压力即气量显示区，共有5只指示灯；其中之“1”—“4”为绿色、“R”为红色；全部绿灯亮表示已经充满气；熄一个绿灯表示已经用完约1/4气量；若红灯亮，表示气快用完，应尽快加气了。

图3　LOVATO转换开关控制器原理框图

图4　LOVATO燃料转换开关面板示意图
　　1—油/气转换按钮　2—强制气启动按钮　3—燃气指示　4—油/气转换状态指示　5—燃油指示　6—气量指示
示。转换开关控制器内部的逻辑控制电路主要用来接受驾驶员的燃料转换信号、天然气的压力信号及发动机的转速信号等，先进行一定的逻辑判断，再发出适当的指令，完成指定的任务。图5为转换开关控制器内部的部分电路原理图。

　图5　转换开关控制器部分电路图
　　在图5中，通过驾驶员所选择的油/气转换开关位置，给转换开关控制器提供发动机燃用汽油或燃用CNG的状态信号。转换开关在“油”档时K1断开，“气”档时K1闭合。“气”档K1闭合后，控制继电器J的线圈及电源VCC(燃气)得电；如这时三极管Q1导通，那么继电器的触点动作，转换开•关控制器向燃气ECU、模拟器等提供适当的控制信号，进行油/气的转换，且触点动作后，燃料类型指示灯的亮、灭状态也要发生相应的变化。
　　控制三极管Q1导通的信号是送人转换开关控制器的转速信号，这个信号由点火线圈的负极取得。转速信号经“非”门施密特触发器40106(U5)、“二与非”门施密特触发器4093(U4)及其周围元件进行整形，由U5D的2脚输出一个矩形脉冲，图5中的电位器WK用来改变U5B的阙值电压，改变U5B的阙值电压就可改变发动机油/气转换的转速预定值；此矩形脉冲经过后级的阻、容进行分压及脉冲—直流变换后，送人由集成电路LM339(U2)组成的两个电压比较器U2A和U2B，作为比较电压，U2A和U2B的参考电压均由VCC(燃气)经电阻分压获得；两个电压比较器的输出送人由U3B、U3C、U4A、U4D、U5A及U5E组成的组合电路中进行逻辑判断；如满足条件，则由U5A的2脚输出高电平，使Q1导通，继电器J动作。因40106为反相输出的施密特触发器，由其电压传输特性可知：当发动机转速升高或上升超过转换预定值时，其输出为低电平。只有当转速从高于转换预定值下降至预定值时，输出为高电平，使Q1导通。进行燃料转换的转速预定值可通过调节WK来改变。
　　图5中的开关K2是强制气启动按钮，它一端接搭铁(即“地”线)，另一端分别接至U4A、U5A的1脚。当驾驶员将油/气转换开关打至“气”档并按下K2时，U5A的1脚就就被强制接“地”，此时无论转速信号是何种状态，U5A的2脚输出均为高电平，使三级管Q1导通，驱动继电器动作；发动机燃用燃气。
　　通过以上分析，可对LOVATO燃料转换系统的转换过程作如下总结：驾驶员选择“油”档时，发动机燃用汽油，转换开关上只有黄色的“燃油”指示灯亮。当驾驶员选择“气”档时，使用汽油启动；转换开关上的“燃油”及“△”指示灯亮；踩下油门踏板，将发动机转速加速至高于转换预定值时“△”指示灯闪烁，其余指示灯的状态不发生变化，发动机仍然燃用汽油；抬起油门踏板，将转速从高于预定值下降至预定值后，“燃油”及“△”指示灯熄灭，“燃气”指示灯亮，而这时发动机也从燃用汽油改为燃用CNG；在这个过程中气量显示区的5个指示灯根据储气瓶内剩余气量的多少而相应亮或灭。即LOVATO的油/气转换控制系统采用的是油启动型、减速预定值油/气转换控制。

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