传感器信号对天然气发动机各项性能的影响
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[摘要]：在对燃气系统相关的主要传感器的故障模拟试验，对比讨论了进气压力传感器和氧传感器故障对发动机动力性、经济性和排放性能的影响。结果表明：进气压力传感器信号丢失后，气耗量下降，功率下降，比气耗变化不明显，CO排放减少，HC排放增加，NOx排放减少；氧传感器信号丢失后，气耗量有所下降，功率也有所下降，比气耗变化不明显，CO排放降低，HC排放变化不大，NOx排放减少。
[关键词]：天然气发动机 性能试验 故障模拟
引言
本文讨论了进气压力，氧传感器信号丢失对发动机各种性能的影响。目前，中国的压缩天然气（compressednaturalgas，CNG）汽车动力装置，大多是可以分别燃用天然气和汽油的两用燃料发动机。在大力推广发展CNG汽车的过程中，汽车使用和维修人员对CNG汽车的原理、结构特点等比较生疏，CNG发动机一旦发生故障，不仅影响性能，而且诊断比较困难。因此，开展电控汽油和CNG两用燃料发动机故障模拟试验，对使用和维修人员了解天然气发动机故障机理、提高对天然气发动机故障诊断和维修水平都具有十分重要的意义。试验用发动机为三菱汽油和CNG两用发动机，燃气系统采用意大利OMVEL电控燃气系统，所用的仪器设备主要有：CW100型电涡流测功机，AVL4000型五气分析仪，4165型点火提前角仪。
1.试验系统
电控汽油和CNG两用燃料发动机故障模拟试验系统是在汽油和CNG两用燃料发动机试验台架的基础上，配以发动机电控系统、电路通断故障模拟试验台、传感器信号模拟显示系统、燃气系统故障模拟装置以及排放分析仪等，组成一个综合试验系统。
2.进气压力传感器故障模
2.1对动力性的影响
通过对比原机和切断进气压力传感器信号，分析发动机外特性的变化，试验用发动机选择的工况点的转速依次为：1800、2100、2400、2700、3000、3500、4000r/min。进气压力信号丢失后，发动机功率和转矩都大幅下降。当进气压力信号丢失后，燃气ECU无法得到发动机不同工况下的实际进气量，也就无法根据发动机的实际进气量对喷气量进行调整，发动机进入故障模式运行，混合气变稀，λ变大。此时，混合气燃烧时的火焰传播速度变慢，燃烧压力降低，发动机的输出功率和转矩下降。混合气成分改变，燃烧后尾气中的氧含量增加，氧传感器的反馈信号会使混合气加浓一些，但不会影响总体趋势。
2.2对排放的影响
通过对比原机和进气压力信号丢失的外特性，分析进气压力信号对CO、HC和NOx排放的影响。
2.2.1对CO的影响
进气压力信号丢失时，CO排放低于原机。这是因为，当进气压力信号丢失后，发动机进入故障模式运行，燃气ECU以小负荷工况下的喷气量进行喷气，从而导致混合气过稀，氧气充足，所以CO的排放量比原机减少。
2. 2.2对HC排放的影响
由相关实验可知进气压力信号丢失时，HC排放比原机高。这是因为，当进气压力信号丢失后，燃气ECU喷射的燃气量过少，混合气过稀，火焰传播速度过低，缸内局部失火严重，使HC排放增加。
2.2.3对NOx排放的影响
由相关实验可知进气压力信号丢失时，NOx排放比原机要小得多。这是因为，当进气压力信号丢失后，混合气变稀，虽然有足够的氧气但燃烧温度低，所以NOx排放很小。
2.3对燃料经济性的影响
天然气汽车通常用于市内交通，由于道路条件的限制，车辆行驶速度一般较低，因此选择转速n=2500r/min的负荷特性分析燃料经济性。
进气压力信号丢失后，在小负荷工况下，λ（输出功率与天然气的比值）与原机的λ变化不大；随着负荷的增加，λ增大，在中等负荷时，λ达到最大值，之后逐渐减小，但始终比原机的λ大。在进气压力信号丢失后，燃气ECU以小负荷为参考工况供气，当达到中等负荷时，由于过量空气系数已经很大，在节气门开度超过50%后，满负荷信号触发，燃气ECU开始随着节气门开度的增加增大供气量，λ逐渐下降到与原机接近的水平。进气压力信号丢失后，比气耗在小负荷时与原机接近；随着负荷的增加，比气耗增大，气耗量虽变化不大，但是过稀的混合气导致燃烧温度过低，甚至局部失火，功率下降很多。在大负荷时，由于燃气ECU已开始加浓混合气，发动机的功率恢复，比气耗开始逐渐下降。
3.氧传感器故障
试验用发动机装用的是加热型氧化锆（ZrO2）氧传感器，输出的是一个连续的低频模拟电压信号，电压在0～1V之间变化。
3.1对动力性的影响
氧传感器信号丢失后，燃气ECU无法获得排气中氧浓度信号，也无法进行混合气浓度的闭环控制。燃气ECU在开环控制方式工作下，喷气量减小，混合气变稀，λ增大，从而使发动机的输出功率和转矩下降。
3.2对排放的影响
通过对比原机和氧传感器信号丢失后n=2500r/min的发动机负荷特性分析氧传感器信号对CO、HC和NOx排放的影响。
3.2.1对CO排放的影响
氧传感器信号丢失后，CO排放显著降低。氧传感器信号丢失后，燃气ECU进入开环控制模式，CNG供给减少，混合气变稀，燃烧完全充分，导致CO排放降低。
3.2.2对HC排放的影响
氧传感器信号丢失时，中小负荷的HC排放略高。氧传感器信号丢失后，在中小负荷时混合气变稀，火焰传播速度变慢，缸内局部失火严重致使HC排放升高；在大负荷时，缸内温度升高，反应条件变好，所以HC排放与原机接近。
3.2.3对NOx排放的影响
氧传感器信号丢失时，NOx排放比原机略低。氧传感器信号丢失后，λ增大，混合气变稀，燃烧温度下降，使NOx生成量减少。
3.3对燃料经济性的影响
通过对比原机和氧传感器信号丢失后n=2500r/min的发动机负荷特性，分析氧传感器对燃料经济性的影响。
氧传感器信号丢失后，中小负荷的比气耗比原机小，尤其在小负荷时更明显。氧传感器信号丢失后，燃气ECU无法对混合气浓度进行闭环控制，更不能对混合气浓度进行修正，致使喷气量小于原机。中小负荷时，混合气比原机稀，更接近于经济混合气，气耗和比气耗要比原机小；大满负荷时，二者的混合气浓度差别变小，比气耗相近。
4.结语
（1）进气压力信号丢失后，在外特性下，发动机按小负荷所需的供气量喷气，混合气变稀，转矩和功率下降，CO排放减少，HC排放增加，NOx排放减少；在n=2500r/min负荷特性下，小负荷的过量空气系数与原机基本相同，随着负荷的增加，过量空气系数增大，在中等负荷时，达到最大值，之后逐渐减小，但始终比原机过量空气系数大；比气耗在小负荷时与原机接近，随负荷的增加比气耗增大，过稀的混合气导致燃烧温度过低，功率下降很多；在大负荷时，由于燃气ECU已开始加浓混合气，发动机的功率恢复，比气耗开始逐渐下降。
（2）氧传感器信号丢失后，在外特性下，ECU喷气阀供气量较小，导致发动机的转矩和功率均下降；在n=2500r/min负荷特性下，喷气量过少，混合气较稀，CO和NOx的排放降低；中小负荷时，缸内温度低，致使HC排放增加，大满负荷时，缸内温度99第2期袁华智，等：天然气发动机传感器故障对发动机性能和排放的影响升高，氧化反应更加充分，HC排放与原机接近；中小负荷的比气耗比原机小，大满负荷时，二者的混合气浓度差别变小，比气耗相近。
（3）由于受试验条件的限制，本文仅对进气压力传感器和氧传感器的通断进行了试验，对于其他相关故障模拟试验，本课题组将继续开展研究。
参考文献：
[1]长安大学.电控汽油喷射式发动机故障诊断研究报告[R].西安：长安大学；
[2]蹇小平，张春化，王向东，等.电控汽油发动机故障模拟试验[J].长安大学学报：自然科学，2008，28（1）：972102
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