CN1869423A - 发动机驱动式空调装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机驱动式空调装置，包括压缩机，带动压缩机的燃气发动机，燃气发动机的进、排气管，所述的进气管包括空气管、燃气管和控制混合气体进入的节气门，还包括：一氧传感器，设置在燃气发动机的排气管内，用于检测废气中的氧浓度；一燃气流量阀，设置在燃气发动机进气管的燃气管内；一控制器，分别与氧传感器和燃气流量阀相连，根据氧传感器传来的信号控制燃气流量阀的开度；还公开了其控制发动机空燃比的方法，该方法在排气管中插入氧传感器，通过检测尾气氧含量来控制空燃比，使混合气的浓度保持在稀混合气极限值附近，获得最高的燃烧热效率，即具有良好的燃烧状态，良好的动力性能，可获得理想的节省燃气和降低有害排放的效果。

Description

发动机驱动式空调装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种发动机驱动式空调装置及控制方法，其利用燃气为能源驱动燃气发动机，进而带动空调装置的压缩机，更具体地，本发明涉及一种能有效控制空燃比的发动机驱动式空调装置及其控制发动机空燃比的方法。

背景技术

在空调上作为设在制冷剂回路中的压缩机的动力源，目前已开发出利用燃气发动机来代替电动机。利用该燃气发动机的空调装置一般称为燃气热泵式空调装置(GHP)，利用热泵进行空调运转的空调装置包括室内热交换器、压缩机、室外热交换器、节流机构等部件的制冷剂回路。对室内进行空气冷却和空气加热是在制冷剂循环过程中，利用室内热交换器对室内空气和室外空气之间进行换热实现的。

利用热泵进行空调运转的空调装置可以利用比较廉价的城市煤气作为燃料，所以与由利用电动机的压缩机组成的空调装置(EHP)相比，运行成本降低，并能减少对电力的需求。

发动机驱动式空调装置(简称燃气热泵)在八十年代逐步商品化，目前得到广泛使用。其技术经历两个阶段，第一阶段是燃气作直燃型吸收式制冷机的能源方式，第二阶段是通过燃气在锅炉燃烧后获得蒸汽或热水后作为吸收式制冷机的热源方式，现在发展到利用燃气为能源驱动燃气发动机带动压缩式制冷机，这就是今天的燃气热泵。由于燃气热泵的主要能源是天燃气或液化石油气，减少对电力的需求有极其积极的意义。

关于发动机驱动式空调装置(即燃气热泵)方面的专利有不少报道，比如美国专利文献US5388421A公开了一种热泵型机动车空调，一个压缩机、外部冷凝器和内部冷凝器通过一个三通阀连接，该内部冷凝器通过膨胀阀连接到蒸发器，且该空调还包括一控制单元，该单元通过探测器测量的热操作条件确定加热特性。

美国专利文献US5404729A公开了一种热泵型机动车空调，该装置的一压缩机、一外部热交换器和一内部热交换器通过一个三通阀连接，该外部热交换器通过一通阀连接到第一热交换器的制冷出口，第一内热交换器通过一膨胀阀连接到第二热交换器，第二内热交换器的制冷出口被连接到压缩机，第一、第二内热交换器分别位于机动车客厢空调的空气流的下游。

申请号为02128227.7，发明名称为一种多方式燃气热泵式空调装置，该装置分别有室内热交换器并在室内交换器与制冷机之间进行热交换的多个室内机单元、用燃气发动机驱动的压缩机及在外部空气与制冷剂进行热交换的室外热交换器的室外单元、控制室内机单元各自的制冷剂流动方向并进行制冷供暖的分流控制单元。室外热交换器的冷凝能力或蒸发能力可根据室外热交换器的分割数量阶段性变化。

申请号为02130145.X，发明名称为燃气热泵式空调装置及其运行方法，该装置包括：一压缩装置，该压缩装置具有一个燃气发动机驱动源，通过循环制冷剂形成一个制冷回路、一发动机冷却水系统、一个通路转换装置，以及一个发动机冷却水加热装置，该装置在室外空气温度较低时，可获取足够的蒸发制冷剂的热量，将空气加热能力提高到较高程度。

申请号为02130144.1，发明名称为燃气热泵式空调装置，包括一压缩装置，具有作为驱动源的燃气发动机，并通过循环制冷剂形成一个制冷循环；一旁通管路部分，设置在安装室外机的空间周围，并通过管路转换装置从燃气发动机的发动机冷却水系统中分支出来；其中，从燃气发动机排出的废热收集并返回到发动机冷却水中，制冷剂由发动机冷却水加热，以增强空气加热能力，多雪的地区可不受妨碍地接近该装置并进行维修。

其中，高效节能净化一直是燃气热泵的重要目标，发动机稀薄燃烧控制是实现该目标的重要手段。稀混合气极限燃烧理论是20世纪末期所发展的先进的燃烧理论。从燃料的良好燃烧必须有燃料和助燃剂二者妥善配合的基本前提出发，通用理论和实验都证明燃料燃烧时，助燃的空气量愈充分，燃烧也愈完善。所以汽油机所使用的混合气越稀，其燃烧越完全，在实验中也证实随着所提供混合气空燃比的增大，汽油发动机的热效率随之提高。然而空燃比连续增大到一定程度时，燃烧热效率将突然开始下降，这是由于过稀的混合气将使燃烧速度降低，甚至由于难以点燃而造成“丢火”的现象，使事物走向了反面。这个使热效率出现转折的空燃比数值，被称为稀混合气极限。因此我们如果做到使混合气的浓度保持在稀混合气极限值附近，即可获得最高的燃烧热效率，即具有良好的燃烧状态，可获得理想的节省燃气和降低有害排放的效果。

虽然环保、节能和高效制热是燃气热泵的重要特点，但是目前燃气热泵控制比较粗放，发动机燃烧控制方面还有许多潜力可挖。现有燃气热泵的发动机有定空燃比和变空燃比两类控制方式。定空燃比就是入口空气和入口燃气的节流口径不变，当燃气压力调整到规定值的时候，进入发动机的混合空气的空燃比是固定的，这样在有的情况下出现燃烧不充分，导致燃料浪费和排污增加。变空燃比是根据需要调整燃气供应量，以满足不同的燃烧需要，能够节约燃料和减少排污。目前的变空燃比控制方式是根据发动机负荷的变化情况来处理的，负荷的变化与变空燃比的相关性不强，常导致控制方向错误，例如“失火”等现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发动机驱动式空调装置，使混合气的浓度保持在稀混合气极限值附近，获得最高的燃烧热效率，即具有良好的燃烧状态，良好的动力性能，可获得理想的节省燃气和降低有害排放的效果。

本发明的另一目的在于提供一种发动机驱动式空调装置中控制发动机空燃比的控制方法，满足不同燃烧状态下的混合气的空燃比，其控制方便，快捷有效，节约燃料，并能减少排污。

为了实现发明目的，本发明的发动机驱动式空调装置，包括压缩机，带动压缩机的燃气发动机，燃气发动机的进、排气管，所述的进气管包括空气管、燃气管和控制混合气体进入的节气门，还包括：

一氧传感器，设置在燃气发动机的排气管内，用于检测废气中的氧浓度；

一燃气流量阀，设置在燃气发动机进气管的燃气管内；

一控制器，分别与氧传感器和燃气流量阀相连，根据氧传感器传来的信号控制燃气流量阀的开度。

其中，所述的发动机驱动式空调装置是利用燃气为能源驱动燃气发动机带动压缩机的，所述的燃气发动机采用的能源是天燃气或液化石油气。

为了便于燃气与空气混合，所述的燃气管内还包括一零压调整阀，使进入进气管的燃气压力调整到大气压附近。

所述的燃气管内还可包括一电磁截止阀。

在所述的进气管路内，燃气管内的燃气通过电磁截止阀，经零压调整阀把压力调整到大气压附近，再经燃气流量阀后与空气管内的空气混合，混合气体由节气门控制进入发动机。

所述的氧传感器用于检测排气管中氧浓度，以检测废气中的氧浓度来测定空燃比，并将其转换成电压信号或电阻信号，反馈给控制器。由控制器输出信号控制燃气流量阀，控制拟加给发动机的燃料量，满足不同的空燃比。

当发动机需要正常燃烧时，氧传感器输出的电压信号控制在0.20～0.80V之间；当燃气发动机需要稀薄燃烧时，氧传感器的输出的电压信号控制在小于0.20V；当燃气发动机需要浓燃烧时，氧传感器的输出的电压信号控制在大于0.80V。

所述的控制器通过加减输入给燃气流量阀的脉冲数调整燃气流量阀的开度。

为了降低发动机运行时产生的热量，并利用燃气发动机的废热，所述的发动机驱动式空调装置还包括一冷却水循环系统，所述的冷却水循环系统与排气管组成废气热交换器，所述的废气热交换器收集燃气发动机排气管中排出的废热，将热量传递给发动机冷却水循环系统中发动机冷却水，发动机冷却水吸收热量后可用于加热空调中的制冷剂，提高加热能力。

本发明所述的发动机驱动式空调装置，采用变空燃比控制方式，但不是采用根据发动机负荷的变化情况来处理的，而是采用检测燃气发动机废气中的氧浓度测定空燃比，并将其转换成电压信号或电阻信号，反馈给控制器，由控制器输出信号来控制燃气流量，满足不同燃烧状态下的混合气的空燃比，并可使混合气的浓度保持在稀混合气极限值附近，获得最高的燃烧热效率，具有良好的燃烧状态，获得理想的节省燃气和降低有害排放的效果。

为了实现本发明的另一目的，本发明所述的控制发动机空燃比的方法，包括如下步骤：

a.氧传感器检测排气管内废气的氧浓度，并将其转换成电信号，反馈给控制器；

b.控制器对氧传感器传来的电信号进行检测，调整燃气流量阀的开度，进而控制进入发动机的混合气的浓度；

c.根据发动机不同燃烧状态下所对应的电信号，由所述的控制器输出相应的信号来调整燃气流量阀的开度，满足不同的空燃比，以达到发动机的不同燃烧状态。

其中，步骤a中所述的电信号是电压信号或电阻信号。

当发动机需要正常燃烧时，调整燃气流量阀的开度，使氧传感器输出的信号电压控制在0.20～0.80V之间。

当燃气发动机需要稀薄燃烧时，调整燃气流量阀的开度，使氧传感器的输出的信号电压控制在小于0.20V。

当燃气发动机需要浓燃烧时，调整燃气流量阀的开度，使氧传感器的输出的信号电压控制在大于0.80V。

本发明所述的控制器通过加减输入给燃气流量阀的脉冲数调整燃气流量阀的开度。

本发明所述的发动机驱动式空调装置中控制发动机空燃比的控制方法，该方法是在排气管中插入氧传感器，通过检测尾气氧含量来控制空燃比，将其转换成电压信号或电阻信号，反馈给控制器，以调整燃气供应量，满足不同燃烧状态下的混合气的空燃比，其控制方便，快捷有效，节约燃料，并能减少排污。

附图说明

图1为本发明所述发动机驱动式空调装置的发动机驱动部分的示意图。

图2为不同燃烧状态下传感器电压-空燃比图。

图3为稀薄燃烧状态下传感器电压-空燃比图，①为允许稀薄燃烧区、②为稀薄燃烧危险区、③为稀薄燃烧禁止区。

图4为浓燃烧状态下传感器电压-空燃比图。④为允许浓燃烧区、⑤为浓燃烧危险区、⑥为浓燃烧禁止区。

图5为本发明所述氧传感器的电路图。

其中

1进气管路                    11燃气管

12空气管                     13燃气流量阀

14电磁截止阀                 15零压调整阀

16节气门                     2废气热交换器

21排气管                     22冷却水循环系统

3氧传感器                    4控制器

5燃气发动机                  6压缩机

7比较器                      8信号线

具体实施方式

下面由具体实施例配合所附的图式详加说明，以致更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

本发明的发动机驱动式空调装置是利用燃气为能源驱动燃气发动机带动压缩机，所述的燃气发动机采用的能源是天燃气或液化石油气。其与现有的发动机驱动式空调装置基本部件相同，有室内机、室外机，以及连接室内机和室外机并能使冷却剂循环的冷却剂管路。

如图1-2所示，本发明发动机驱动式空调装置包括一压缩机6，一燃气发动机5，一与燃气发动机5一端相连的排气管21，一与燃气发动机5另一端相连的进气管路1，一设置在排气管21内的氧传感器3，一分别与氧传感器3和燃气流量阀13相连的控制器4。

所述的进气管路1包括空气管12、燃气管11、一控制混合气体进入电动机的节气门16、零压调整阀15、电磁截止阀14、燃气流量阀13。

发动机驱动式空调装置的压缩机6是由发动机5带动，燃气通过电磁截止阀14，经零压调整阀15把压力调整到大气压附近，再经燃气流量阀13后与空气管12的空气混合，混合气体由节气门16控制进入发动机5。

所述的冷却水循环系统22与排气管21组成废气热交换器2，所述的废气热交换器2收集燃气发动机排气管中排出的废热，将热量传递给发动机冷却水循环系统中发动机冷却水，发动机冷却水吸收热量后可用于加热空调中的制冷剂，可提高加热能力。

氧传感器3安装在发动机排气管21上，它测量的电信号反馈到控制器4，由控制器4输出信号控制燃气流量阀13，满足不同的空燃比。

氧传感器3根据在它表面周围氧的浓度输出电压值，该电压值通过信号线8输入控制器，由控制器的比较器7判断得知发动机当前的燃烧状态，再根据空调运转的需要什么样的燃烧状态，由控制器4输出相应的信号驱动燃气流量阀13控制流过该阀的燃气量，从而获得需要的燃烧状态。

本实施方式过程中控制发动机空燃比的方法，包括如下步骤：

a.氧传感器3检测排气管21内氧气浓度；

b.然后以电压信号或电阻信号输出给与所述的氧传感器3相连的控制器4进行检测；

c.根据不同燃烧状态下所对应的电压来表征混合气体的空燃比，由所述的控制器4输出信号来调整燃气流量阀13，满足不同的空燃比要求。

所述的不同燃烧状态一般分为正常燃烧、稀薄燃烧和浓燃烧三种状态。其中，当燃气发动机需要正常燃烧时，保持实际混合气浓度在理论浓度附近一个狭小的范围内波动，也就是在稀混合气极限附近，获得良好的动力性能，把氧传感器的输出电压送到空调控制器检测，根据该电压调整燃气流量阀的开度，使电压在0.20～0.80V之间，表明属于正常燃烧。

当燃气发动机需要稀薄燃烧时，使混合气浓度小于理论浓度，即空气过量，获得良好的经济性和低排放性。把氧传感器的输出电压送到空调控制器检测，根据该电压调整燃气量阀的开度，使电压小于0.20V，停止调整燃气流量阀，表明属于稀薄燃烧。当需要加大发动机转速时，先把稀薄燃烧调整为正常燃烧。

当燃气发动机需要浓燃烧时，使混合气浓度大于理论浓度，也就是燃料过量，获得良好的起动性能。把氧传感器的输出电压送到空调控制器检测，根据该电压调整燃气流量阀的开度，使电压大于0.80V，停止调整燃气流量阀，表明属于浓燃烧。

具体地说，本实施方式的燃气流量阀13的调整方法如下：

当需要正常燃烧时，氧传感器3的输出电压在0.20～0.80V之间，不调整燃气流量阀13，当该电压小于0.20V，由控制器4输出信号，加大燃气流量阀13开度5脉冲，10秒后再检测该电压，若还小于0.20V，再加大燃气流量阀13开度5脉冲，如此直到电压大于0.20V；当该电压大于0.80V，减燃气流量阀13开度5脉冲，10秒后再检测该电压，若还大于0.80V，减5脉冲，如此直到电压在0.20～0.80V之间。

当需要稀薄燃烧时，若氧传感器3电压小于0.20V，保持燃气流量阀开度。若氧传感器3电压大于0.20V，由控制器4输出信号，减燃气流量阀13开度5脉冲，10秒后再检测该电压，若还大于0.20V，减5脉冲，如此直到电压小于0.20V，再减5脉冲。

当需要浓燃烧时，若氧传感器3电压大于0.80V，保持燃气流量阀13开度。若小于0.80V，由控制器4输出信号，加燃气流量阀13开度10脉冲，3秒后再检测该电压，若还小于0.80V，加燃气流量阀13开度10脉冲，如此直到电压大于0.80V，再加5脉冲。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明实施的范围。所以凡依本发明申请范围所述的形状、构造、特征及精神所为均是等同变化或修饰，均应包括于本发明的申请专利范围之内。

Claims (10)

1.一种发动机驱动式空调装置，包括压缩机，带动压缩机的燃气发动机，燃气发动机的进、排气管，所述的进气管包括空气管、燃气管和控制混合气体进入的节气门，其特征在于还包括：

一氧传感器，设置在燃气发动机的排气管内，用于检测废气中的氧浓度；

一燃气流量阀，设置在燃气发动机进气管的燃气管内；

一控制器，分别与氧传感器和燃气流量阀相连，根据氧传感器传来的信号控制燃气流量阀的开度。

2.根据权利要求1所述的发动机驱动式空调装置，其特征在于，所述的燃气管内还包括一零压调整阀，使进入进气管的燃气压力调整到大气压附近。

3.根据权利要求1所述的一种发动机驱动式空调装置，其特征在于，所述的燃气管内还可包括一电磁截止阀；所述的发动机驱动式空调装置还包括一冷却水循环系统，所述的冷却水循环系统与排气管组成废气热交换器。

4.根据权利要求1所述的一种发动机驱动式空调装置，其特征在于，所述的信号是电压信号或电阻信号。

5.根据权利要求1或4所述的一种发动机驱动式空调装置，其特征在于，当发动机需要正常燃烧时，氧传感器输出的电压信号控制在0.20～0.80V之间；当燃气发动机需要稀薄燃烧时，氧传感器的输出的电压信号控制在小于0.20V；当燃气发动机需要浓燃烧时，氧传感器的输出的电压信号控制在大于0.80V。

6.根据权利要求1所述的一种发动机驱动式空调装置，其特征在于，所述的控制器通过加减输入给燃气流量阀的脉冲数调整燃气流量阀的开度。

7.一种控制权利要求1所述的发动机驱动式空调装置中的发动机的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.氧传感器检测排气管内废气的氧浓度，并将其转换成电信号，反馈给控制器；

b.控制器对氧传感器传来的电信号进行检测，调整燃气流量阀的开度，进而控制进入发动机的混合气的浓度；

c.根据发动机不同燃烧状态下所对应的电信号，由所述的控制器输出相应的信号来调整燃气流量阀的开度，满足不同的空燃比，以达到发动机的不同燃烧状态。

8.根据权利要求7所述的控制发动机的方法，其特征在于，步骤a中所述的电信号是电压信号或电阻信号。

9.根据权利要求7或8所述的控制发动机的方法，其特征在于，当发动机需要正常燃烧时，调整燃气流量阀的开度，使氧传感器输出的信号电压控制在0.20～0.80V之间；当燃气发动机需要稀薄燃烧时，调整燃气流量阀的开度，使氧传感器的输出的信号电压控制在小于0.20V；当燃气发动机需要浓燃烧时，调整燃气流量阀的开度，使氧传感器的输出的信号电压控制在大于0.80V。

10.根据权利要求7或8所述的控制发动机的方法，其特征在于，控制器通过加减输入给燃气流量阀的脉冲数调整燃气流量阀的开度。

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