CN100526872C - 汽车用氧传感器性能测试装置 - Google Patents

Abstract

一种汽车用氧传感器性能测试装置，包括燃料输出装置、氧传感器、信号采集装置和燃烧装置，燃料输出装置将汽车用燃料与空气混合，形成混合物；所述燃烧装置包括点火装置和燃烧室，燃烧室接收燃料输出装置输出的混合物，点火装置将燃烧室内的混合物点燃，燃烧室接有排气管；氧传感器安装在排气管上，其头部深入排气管内部，感受燃烧尾气的残余氧浓度；信号采集装置接收氧传感器输出的信号；温控装置，控制燃烧室或排气管内的气体温度保持恒定；尾气分析装置，测量尾气的氧浓度和空燃比。使用本发明可方便地在实验室条件下进行测试，同时为测试氧传感器的静态和动态响应特性创造条件，而且实现了测量高精度和低成本的较好结合。

Description

汽车用氧传感器性能测试装置

【技术领域】

本发明涉及一种测试氧传感器的性能装置，具体涉及一种汽车用氧传感器性能测试装置。

【背景技术】

为了满足各国的排放法规要求，汽车上普遍都加装有三元催化反应器。由于三元催化反应器在理论空燃比(14.7：1)附近时净化率最高，一旦偏离理想空燃比，三元催化剂对CO、HC和NOx的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，借助氧传感器提供的浓稀反馈信息进行闭环控制，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元件。氧传感器性能的差异会直接影响发动机排放控制的匹配效果，所以需要一个能对其性能进行精确测试、比较的装置。

目前测试氧传感器性能的装置大都需要使用汽车或发动机台架制造尾气环境，结构比较复杂，成本也不低。由于采用的燃料是液态燃油，燃料供给要通过泵油、输油、喷油雾化、汽化混和等多个环节，尤其是喷油雾化、汽化混和需要一定的时间，不便于迅速改变混和气的浓度，实现尾气中氧含量的突变，成为考察氧传感器动态响应特性(在空燃比突变条件下的输出信号变化速率)的一道障碍。也有人采用了气态CxHy燃料替代燃油的做法，但往往只是在密闭容器中充注一定量的CxHy和空气混合燃烧，使燃烧尾气接近于静止状态，模拟极浓和极稀的尾气环境，定性考核氧传感器的静态输出性能；但这种考核既无法定量，同样也难以全面考察动态输出性能。

综上，目前的氧传感器性能测试装置或结构复杂、价格昂贵，或不能方便、准确、全面地评价氧传感器的性能。

【发明内容】

本发明克服了现有技术中的种种缺点，提供了一种汽车用氧传感器性能测试装置解决方案。

基于上述目的本发明提出了一种汽车用氧传感器性能测试装置，包括燃料输出装置、燃烧装置、氧传感器信号采集装置、恒温控制装置和尾气分析装置等。燃料输出装置将汽车用燃料与空气混合，形成混合物；燃烧装置包括点火装置和燃烧室，燃烧室接收燃料输出装置输出的混合物，点火装置将燃烧室内的混合物点燃；燃烧室接有排气管，氧传感器安装在排气管上，头部深入排气管内，感受尾气的残余氧浓度；信号采集装置接收氧传感器输出的信号；还包括温控装置，所述温控装置控制燃烧室或排气管内的气体温度保持恒定；还包括尾气分析装置，所述尾气分析装置用于直接测量尾气的氧浓度和空燃比。

与现有技术相比，本发明的效果是：

1)用可燃CxHy气体替代液态的汽油与空气燃烧生成尾气，使油路系统原本复杂的泵油、输油、喷油雾化、混合等环节得以大大简化，可方便地在实验室条件下进行测试，而不必依赖装车或发动机台架等复杂特定环境。

2)用一种低成本的方式不仅构造了尾气中氧含量恒定的静态环境，同时更利用了气体燃料无须汽化可直接与空气瞬间混合的优势，可方便地实现稀浓环境间的突变切换，从而为测试氧传感器的静态和动态响应特性创造条件，实现对氧传感器输出性能较为全面的考核和评价。

3)通过直接测量燃烧尾气氧浓度和空燃比指标，而不采用通过测量流量间接计算的常规方式，不仅实现了考核、评价的定量化，而且实现了测量高精度和低成本的较好结合。

【附图说明】

图1是本发明的框图；

图2是本发明的结构示意图。

【具体实施方式】

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

本发明的框图如图1所示，一种汽车用氧传感器性能测试装置，包括空气输出装置、燃料输出装置和燃烧气体输出装置、控制模块、燃烧装置、尾气分析装置、氧传感器、排气管和温控装置。

空气输出装置包括图2中空气气泵11、空气减压阀12、空气除水阀13、空气稳压阀14、第一玻璃转子流量计15、第一电磁阀16、一条或多于一条的空气支路17、空气调压阀18，用于流量控制的器件包括第一玻璃转子流量计15、第一电磁阀16、空气调压阀18，可燃CxHy气体输出装置包括储气瓶21、减压阀22和一条或多于一条的CxHy气体支路26，可燃CxHy气体可为丙烷。储气瓶21为燃烧气体储气装置，控制阀包括稳压阀23、第二玻璃转子流量计24、第二电磁阀25，第二玻璃转子流量计为流量控制阀。电磁阀的开启与关闭可控制气体支路的通、断路。通过玻璃转子流量计可观察气体支路上气体的流量，通过阀件可调节各气体支路的流量。通过设置一定的电磁阀开闭组合或通过阀件调节气体流量可选取不同流量比例的空气和丙烷，改变参与燃烧的空气和丙烷流量比例，从而相应地改变空燃比、燃烧温度以及尾气中的氧浓度，为精确考察氧传感器静态输出电压与混合气空燃比之间的定量关系提供条件。控制各气体支路电磁阀的开、关可实现尾气在不同氧含量浓度之间的快速切换，模拟汽车尾气浓稀变化的动态工作环境，为方便地测试氧传感器输出信号变化速率(响应时间)等动态指标创造条件。

燃料输出装置将汽车用燃料或类似物与空气混合，形成混合物，所述燃料输出装置包括点火装置和燃烧室，燃烧室接收燃料输出装置输出的混合物，点火装置将混合物点燃。所述燃料输出装置为图1中可燃CxHy气体输出装置。所述燃料输出装置包括燃烧气体储气装置和空气储气装置，所述燃烧气体储气装置和空气储气装置上分别连有控制阀，所述燃烧气体储气装置和空气储气装置输出至燃烧装置。

控制模块通过分别控制第一电磁阀16的开启、关闭和第二电磁阀25的开启、关闭，从而控制第一气体支路17和第二气体支路26的开关。控制模块3还可控制点火线圈41点火。

燃烧装置包括点火线圈41、火花塞42和燃烧室43。空气输出装置和可燃CxHy气体输出装置通过第三气体支路40与燃烧室43相连，气体支路40上有单向阀44和缓冲塞45，将空气和丙烷单向导入燃烧室43。火花塞42把点火线圈41产生的高压电引入燃烧室43，在火花塞42电极的间隙之间产生火花点燃空气和丙烷的混合气。燃烧室43与排气管7相连，燃烧室43内的尾气可进入排气管7。氧传感器6位于排气管7上，对加热型氧传感器同时提供加热电流。外部信号采集电路9与氧传感器6(所有安装好的氧传感器总称)相连，采集、监视氧传感器6的输出信号电压。

尾气分析装置包括尾气分析仪51和尾气采样装置，所述尾气采样装置包括尾气取样接头52和采样管53。通过采样管53将排气管7中燃烧尾气样本导入尾气分析仪51，直接测量燃烧尾气的氧浓度和空燃比指标。

氧传感器6主要是被用于性能测试，由于各氧传感器安装位置很接近，可进行在不同的氧传感器之间进行对比性能试验。

排气管的作用是提供氧传感器、温度传感器和尾气采样管的安装位置，并引导废气顺利排出。

温控装置用于控制燃烧室或排气管内的气体温度保持恒定。温控装置8包括电加热器81、热电偶82和温控仪83，热电偶82位于氧传感器6上，电加热器用于给燃烧室加热，温控制仪控制电加热器的加热温度，热电偶用于测量氧传感器的温度，其信号输出至温控制仪，通过恒温闭环控制的方法，对排气管内尾气进行恒温调节，营造测试氧传感器所需的温度环境。

上述温控制装置可以直接加热排气管中气体的温度，或直接加热氧传感器周围气体的温度。上述热电偶可以测取燃烧室内的温度输出至温控制仪来控制燃烧室内的温度保持恒定。

图2中空气气泵11输出的空气经减压、除水、稳压等处理后进入燃烧室43，储气瓶21输出的丙烷经减压、稳压后的进入燃烧室43，空气和丙烷在燃烧室43内混合。控制模块3控制电子点火线圈41点火，通过火花塞42产生火花引燃混合气，在燃烧室43内燃烧后生成尾气，进入排气管7，温控装置8通过恒温闭环控制的方法，对排气管内尾气进行恒温调节，对氧传感器6所需的温度环境进行细调，尾气分析仪5通过尾气取样接头52和采样管53直接采集尾气测量尾气的氧浓度和空燃比指标。氧传感器6位于排气管7上，外部信号采集电路9采集和监视其输出信号电压。在恒定温度和空燃比环境下采集和监视氧传感器输出信号电压可测量的氧传感器静态输出特性，连续调节和改变空燃比及控制温度多次测量，则可描绘出氧传感器电压与空燃比、温度条件的关系曲线。同时通过控制模块3控制不同气体支路上的电磁阀快速切换，瞬间改变各支路气体的通断组合，实现尾气空燃比和氧浓度的突变；采集和分析随之而来的氧传感器信号波形的变化，就可分析出氧传感器的动态响应性能。

本装置利用丙烷与空气混合燃烧所产生的气体来模拟汽车尾气，通过选择流量大小和开闭气体支路开关，得到不同比例的气体混合比，借助电子装置的点火，实现不同混合比气体的稳定燃烧，用电磁阀的开启与关闭控制各支路气体的快速通断，迅速地改变燃烧混合比，实现不同氧浓度尾气的快速转换，用温控装置将尾气温度恒定控制在所需范围，用尾气分析仪直接监测尾气的氧浓度和空燃比指标。这种结构可模拟汽车尾气中氧含量稀浓间突变的浓度环境及温度环境，从而为全面测试和评价氧传感器的基本性能创造条件，具有结构紧凑、经济实用，使用方便等优点。

之所以通过尾气分析仪或类似装置直接测量燃烧尾气氧浓度和空燃比指标，而不采用通过测量流量、间接计算的常规方式，是为了在实现高测量精度和低设备成本之间寻找恰当的平衡。

为了测量空燃比值，一般的思路是：分别测量参与燃烧的两种气体的流量关系，据此进行分析计算。但这种办法存在较大的系统误差：由于测量氧传感器所预设的气体组合的流量比例大都在理论空燃比附近，此时两种气体体积流量相差悬殊(以丙烷和空气混合4燃烧为例，根据C₃H₈+5O₂＝3CO₂+4H₂O及空气中氧气的体积含量约占1/5，可得同温同压下丙烷和空气的体积比例大约为1：25左右)；在此条件下，对本身流量较小的气体即使绝对值很小的流量测量误差也可能导致较大的空燃比计算误差。由于尾气环境本就在浓稀临界状态附近，计算所得的尾气空燃比值所反映的浓稀状况可能与真实情况有很大偏差；而恰恰氧传感器电压信号会在理论空燃比附近发生突变(变化斜率很大)，进而可能导致对氧传感器信号与尾气空燃比之间的关系得出完全错误的结论。要减小系统误差就需要提高流量测量的精度；但从技术角度而言，要大幅度提升微小气体流量的测量精度是较为困难的，要求有专用的、非常精密的仪器，同时还必须根据该气体特性予以特别标定，设备成本可能大幅攀升。而采用尾气分析仪或可直接测量尾气空燃比的装置则可另劈奚径，直接将测量精度控制在可以接受的范围，使问题得以简化。

可见，本测试装置结构简单、成本合理，可精确、方便地测试氧传感器静态特性和动态性能，进而为汽车电控发动机排放的精确匹配提供方便。

Claims (8)

1.一种汽车用氧传感器性能测试装置，其特征在于：包括燃料输出装置、氧传感器、信号采集装置和燃烧装置，燃料输出装置将汽车用燃料与空气混合，形成混合物；所述燃烧装置包括点火装置和燃烧室，燃烧室接收燃料输出装置输出的混合物，点火装置将燃烧室内的混合物点燃，燃烧室接有排气管；氧传感器安装在排气管上，其头部深入排气管内部，感受燃烧尾气的残余氧浓度；信号采集装置接收氧传感器输出的信号；还包括温控装置，所述温控装置控制燃烧室或排气管内的气体温度保持恒定；还包括尾气分析装置，所述尾气分析装置用于直接测量尾气的氧浓度和空燃比。

2.根据权利要求1所述的汽车用氧传感器性能测试装置，其特征在于：所述燃料输出装置包括燃烧气体储气装置和空气储气装置，所述燃烧气体储气装置和空气储气装置上分别连有控制阀，所述燃烧气体储气装置和空气储气装置输出至燃烧装置。

3.根据权利要求1所述的汽车用氧传感器性能测试装置，其特征在于：所述控制阀包括流量控制阀。

4.根据权利要求3所述的汽车用氧传感器性能测试装置，其特征在于：所述控制阀还包括多个电磁阀，所述燃烧气体储气装置和空气储气装置分别包括多条支路，所述流量控制阀包括多个，所述流量控制阀和电磁阀分别位于每条支路上。

5.根据权利要求4所述的汽车用氧传感器性能测试装置，其特征在于：所述控制阀还包括多个稳压阀，稳压阀分别位于燃烧气体储气装置和空气储气装置的每条支路上。

6.根据权利要求1所述的汽车用氧传感器性能测试装置，其特征在于：所述的温度控制装置为恒温加热装置，所述恒温加热装置包括电加热器、热电偶和温控制仪，电加热器用于给燃烧室加热，温控制仪控制电加热器的加热温度，热电偶用于测量氧传感器的温度，其信号输出至温控制仪。

7.根据权利要求1所述的汽车用氧传感器性能测试装置，其特征在于：所述分析装置包括尾气分析仪和尾气采样装置，尾气采样装置采样排气管内的气体给尾气分析仪，尾气分析仪用于分析经燃烧的气体中氧的浓度和空燃比。

8.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的汽车用氧传感器性能测试装置，其特征在于：还包括控制模块，所述控制模块分别控制电磁阀的开启和关闭和点火装置的点火。

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