CN102445518A - 内燃机尾气在线测量诊断方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种内燃机尾气在线测量诊断方法及设备。该内燃机尾气在线测量诊断仪，包括：测量装置，包括空燃比传感器和氮氧化合物传感器，该空燃比传感器测量内燃机可燃混合气空燃比，该氮氧化合物传感器测量内燃机尾气中氮氧化合物浓度；处理控制装置，信号连接该测量装置，并存储有内燃机排放表或内燃机排放数学模型，该处理控制装置接收该可燃混合空燃比和内燃机尾气中氮氧化合物浓度，并通过所存储的内燃机排放表或内燃机排放数学模型判断内燃机排放状态；以及显示装置，信号连接于该处理控制装置，显示该内燃机排放状态。该方法包括，测量步骤、处理控制步骤及显示步骤。本发明能快速测量内燃机尾气中特定成分的浓度并判断内燃机尾气是否合格。

Description

内燃机尾气在线测量诊断方法及设备

技术领域

本发明涉及内燃机尾气的测量和诊断，特别是涉及一种在生产线快速测量并判断内燃机尾气的内燃机尾气在线测量诊断方法及设备。 

背景技术

目前，公知的内燃机的尾气分析仪对主要排放物(一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氮氧化合物NOx)最常用的测试原理主要是通过几种方法如：不分光红外线分析原理(ND工R)、电化学原理，氢火焰离子化法(FID)、化学发光法(CLD)、磁气压力法等，分别测试不同类别的气体成分： 

不分光红外吸收法：可用于分析测试一氧化碳CO、二氧化碳CO₂、碳氢化合物HC、氮氧化合物NOx气体的浓度。即特定气体分子(含原子)有特定的波长，可以吸收红外线，并且在恒定条件下其吸收量与气体的浓度成正比。测量器输出电信号，经数据处理后由液晶屏显示部分(如液晶屏)显示出来或将信号输出供后续处理。 

电化学法：可用于测量氧O₂、一氧化氮NO、二氧化硫SO₂等，测量器是电化学式的，属消耗性的，寿命多为两年以内。 

氢火焰离子化法：用于测量碳氢化合物具有准确度高、输出与碳原子数成良好线性关系的优点，多用于高精度测量试验。但是由于HC容易溶解于水中，因此需要通过加热装置防止尾气在测量过程中形成冷凝水，此类仪器配套价格昂贵。目前主要用于汽车与内燃机的研究开发、汽车与摩托车生产一致性认证与检查。 

化学发光法分析：用于测试氮氧化合物等成分，类似氢火焰离子化法。 

上述测量方法由于结构复杂、操作不够简便，测试时间较长，而且需要经常地使用标准气体进行多个基准点的标定，防止测试值漂移，因此目前还难以应用于产品的在生产线快速测量和对产品合格与否的判定。 

发明内容

有鉴于上述现有技术所存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种内燃机尾气在线测量诊断方法及设备，使其能快速测量内燃机尾气中特定成分的浓度并判断内燃机尾气是否合格。 

为了实现上述目的，依据本发明提出了一种内燃机尾气在线测量诊断仪， 包括：测量装置，包括空燃比传感器和氮氧化合物传感器，该空燃比传感器测量内燃机可燃混合气空燃比，该氮氧化合物传感器测量内燃机尾气中氮氧化合物浓度；处理控制装置，信号连接该测量装置，并存储有内燃机排放表或内燃机排放数学模型，该处理控制装置接收该测量装置测量的内燃机可燃混合空燃比和内燃机尾气中氮氧化合物浓度，并通过所存储的内燃机排放表或内燃机排放数学模型判断内燃机排放状态；以及显示装置，信号连接于该处理控制装置，显示该内燃机排放状态。 

本发明还可采用以下技术措施进一步实现。 

前述的内燃机尾气在线测量诊断仪，其中所述的内燃机排放状态包括测量结果有误、内燃机尾气排放合格、内燃机尾气排放不合格及内燃机需调整。 

前述的内燃机尾气在线测量诊断仪，其中所述的处理控制装置进一步估算内燃机尾气中CO和HC的浓度，并由该显示装置显示CO和HC的浓度。 

前述的内燃机尾气在线测量诊断仪，其中所述的处理控制装置进一步藕接测量内燃机温度的温度传感器、测量内燃机点火提前角的点火提前角传感器和/或测量内燃机负荷的负荷传感器。 

前述的内燃机尾气在线测量诊断仪，其中所述的空燃比传感器为氧化锆陶瓷传感器。 

前述的内燃机尾气在线测量诊断仪，还包括：尾气探针，用于吸收内燃机尾气；分析室，与该尾气探针连通，该空燃比传感器和氮氧化合物传感器设置于该分析室内；以及气泵，与该分析室连通，提供吸取内燃机尾气的负压。 

本发明还提出一种内燃机尾气在线测量诊断方法，其包括以下步骤：测量步骤，借由空燃比传感器和氮氧化合物传感器，测量内燃机可燃混合气空燃比和内燃机尾气中氮氧化合物浓度；处理控制步骤：根据所述的可燃混合气空燃比和氮氧化合物浓度，通过内燃机排放表或内燃机排放数学模型，判断该内燃机排放状态；以及显示步骤：将该内燃机排放状态值显示。 

前述的内燃机尾气在线测量诊断方法，其中所述的处理控制步骤还包括估算内燃机尾气中CO和HC的浓度；该显示步骤还包括显示该CO、HC、NOx的浓度。 

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明的内燃机尾气在线测量诊断仪及测量诊断方法，至少具有下列优点： 

一、本发明的内燃机尾气在线测量诊断方法及设备，由于避免直接测量碳氢化合物和一氧化碳，因此能够提高排放物测量的速度和可靠性。 

二、本发明的内燃机尾气在线测量诊断方法及设备，特别适合生产线在线快速诊断和调整内燃机排放。 

附图说明

图1是内燃机排放物和可燃混合气空燃比的关系示意图。 

图2是本发明内燃机尾气在线测量诊断仪较佳实施例的结构示意图。 

图3是本发明内燃机尾气在线测量诊断仪的使用示意图。 

图4为本发明内燃机尾气在线测量诊断仪的使用流程示意图。 

图5为内燃机排放表。 

1：尾气探针            2：分析室 

2a：氮氧化物传感器     2b：空燃比传感器 

3：气泵                4：显示装置 

5：处理控制装置        6：转速传感器 

7：点火提前角传感器    8：温度传感器 

9：负荷传感器          10：测量装置 

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的内燃机尾气在线测量诊断方法及设备其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。 

请参阅图1所示，是内燃机可燃混合气空燃比和一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物的关系示意图。(摘自John B.Heywood：“Internal Combustion Engine Foundmentals”，McGraw-Hill，1988)。在其他输入参数保持不变时，内燃机的可燃混合气空燃比(空气质量与燃油质量之比，或用过量空气系数λ表示)对尾气中的三种主要有害成分一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)的排放浓度有决定性的影响，尤其是CO浓度和可燃混合气空燃比在一定范围内为线性关系；并且这三种有害物质之间也有很强的关联关系。对于同样型号的内燃机这种关联关系在一定的散差范围内是固定的；尾气中的三种主要有害成分的浓度散差又主要由内燃机的点火角度、汽缸漏气系数、压缩比等生产性散差决定。 

请参阅图2、图3所示，分别是本发明内燃机尾气在线测量诊断仪较佳实施例的结构示意图及使用示意图。本发明较佳实施例的内燃机尾气在线测量诊断仪，包括测量装置10、处理控制装置5及显示装置4。 

上述的测量装置10，用于测量内燃机可燃混合空燃比和内燃机尾气中氮氧化合物浓度。测量装置10包括空燃比传感器2b和氮氧化合物传感器2a；两个传感器2a、2b，可采用氧化锆陶瓷类型的传感器。该空燃比传感器2b用于测量内燃机可燃混合气空燃比，该氮氧化合物传感器2a用于测量内燃机尾气中氮氧化合物浓度。 

上述处理控制装置5，信号连接该测量装置10，并存储有内燃机排放表或内燃机排放数学模型。该处理控制装置5接收该测量装置10测量的内燃机 可燃混合空燃比和内燃机尾气中氮氧化合物浓度，并通过所存储的内燃机排放表或内燃机排放数学模型判断内燃机排放是否合格。 

该内燃机排放表(图5)是根据某型号内燃机在同一温度状态的多个样本排放测量数据统计所得，该图5为示例性说明，并不以此为限。 

图5图5中，上部第一横向(AFr)数字为可燃混合空燃比；上部第二横向(CO)数字为内燃机尾气中CO含量％；左侧竖向(NOx)数字为氮氧化合物浓度PPM，中间有数字的斜线阴影区域为碳氢化合物的推测浓度PPM(表中仅提供部分数据)；左上角及下侧竖线阴影区为“自检区域”；中间有数字的斜线阴影区域和其两侧的浅色阴影区域为“调整区”；表中无阴影区域为“不合格区域”；中间椭圆形区域为“合格区”。 

上述处理控制装置5，根据测量装置10测量的内燃机可燃混合空燃比和内燃机尾气中氮氧化合物浓度，还可估算出内燃机尾气中CO浓度及部分碳氢化合物浓度。例如，测量装置10测量的内燃机可燃混合空燃比为13.5、内燃机尾气中氮氧化合物浓度为1500PPM时，根据图5可估算出CO浓度为3.5％、HC浓度为96PPM，并且可判断内燃机排放为合格；如果，可燃混合空燃比为13.5、氮氧化合物浓度为1750PPM，则根据图5可估算出CO浓度为3.5％，此时测试结果落在了调整区，可判断内燃机排放需要调整；如果测试结果落在了不合格区域，判断内燃机排放不合格；如果测试结果落在了自检区域(如一氧化碳为3.5％，NOx为4750ppm)，判断测试结果可能有误，需要对内燃机尾气在线测量诊断仪进行自检。 

该内燃机排放数学模型可以如下式(I)描述： 

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{CO}\\ \mathrm{HC}\\ {\mathrm{NO}}_x\end{array}\right]=\mathrm{\Γ}\left[\begin{array}{c}n\\ \mathrm{AFr}\\ {\mathrm{NO}}_x\\ T_{\mathrm{eng}}\\ \\ ...\end{array}\right]---\left(I\right)$

其中， 

r      函数 

CO     为一氧化碳浓度，％ 

HC     为碳氢化合物浓度，ppm 

NOx    氮氧化合物浓度，ppm 

n      内燃机转速，r/min 

AFr    可燃混合气空燃比 

T_eng   内燃机温度，℃ 

该内燃机排放数学模型(I)，是根据可燃混合气空燃比、氮氧化合物浓度与用现有排放测试设备(如背景技术中的测试设备)直接测量内燃机尾气排放物浓度(如CO浓度、HC浓度)而拟合的经验公式。对于不同种类或型号的内燃机，内燃机排放数学模型(I)的函数关系类型是一样的，差异在于所拟合函数中的常数不同。因此，对于不同类型的内燃机，在使用本内燃机尾气在线测量诊断仪之前需要进行标定，以确定常数值，建立确切的函数关系。该内燃机排放数学模型(I)中参数还可以包括内燃机的点火角、汽缸泄露系数、内燃机负荷等参数，此式(I)为示例性说明，并不以此为限。 

该处理控制装置5，根据测量装置10测量的内燃机可燃混合空燃比和内燃机尾气中氮氧化合物浓度，借由该内燃机排放数学模型(I)还可计算出CO浓度及碳氢化合物浓度，并判断内燃机排放状态。该内燃机排放状态可分为“测试结果有误”、“内燃机尾气排放合格”、“内燃机尾气排放不合格”及“内燃机需调整”。该处理控制装置5还可以藕接内燃机温度传感器8、点火提前角传感器7或内燃机负荷传感器9。 

上述的显示装置4，信号连接于该处理控制装置5，用于显示内燃机排放状态。另外，还可以显示内燃机尾气排放物浓度，如CO浓度、NOx浓度、HC浓度。 

本实施例的内燃机尾气在线测量诊断仪，还可以进一步包括尾气探针1、分析室2以及气泵3。该尾气探针1与内燃机尾气排气通道相连，用于吸收内燃机尾气；该分析室2，与该尾气探针1连通，该空燃比传感器2b和氮氧化个物传感器2a设置于该分析室内2；以及气泵3，与该分析室2连通，提供 吸取内燃机尾气的负压。 

本发明较佳实施例的本发明内燃机尾气在线测量诊断仪，由于避免直接测量碳氢化合物和一氧化碳，因此能够提高排放物测量的速度和可靠性，特别适合内燃机生产线上在线快速检测内燃机排放是否合格。 

本发明较佳实施例的本发明内燃机尾气在线测量诊断仪在内燃机生产线上的使用过程结合图2、图4说明如下： 

步骤1，开机预热：内燃机尾气在线测量诊断仪开机，空燃比传感器2b和氮氧化合物传感器2a进行预热； 

步骤2，测量：如图2所示，被测试的内燃机的尾气通过气泵3产生的负压经过尾气探针1，进入分析室2。分析室2中设置的空燃比传感器2b和氮氧化合物传感器2a测量内燃机可燃混合气空燃比和内燃机尾气中NOx浓度。 

步骤3，自检：处理控制装置5，首先根据测量装置10测量的可燃混合气空燃比和NOx浓度，通过内燃机排放表(如图5)或内燃机排放数学模型(I)判断内燃机尾气在线测量诊断仪是否正常。如果空燃比和氮氧化合物浓度落 在图5的“自检区域”则说明测量结果有误，内燃机尾气在线测量诊断仪需要检修，如果空燃比和氮氧化合物浓度不在“自检区域”则说明在线测量诊断设备正常可以估算内燃机尾气中特定成分。例如，测量的空燃比和氮氧化合物浓度分别是12.4和4500ppm，则设备需要自检，否则则进入步骤4。 

步骤4，由可燃混合气空燃比计算CO浓度：该处理控制装置5根据测量装置10测量的可燃混合气空燃比数值，借由内燃机排放表或内燃机排放数学模型(I)计算出CO浓度。 

步骤5，由CO、NOx计算HC浓度：该处理控制装置5，借由内燃机排放表或内燃机排放数学模型(I)，根据CO和NOx浓度估算出HC的浓度。 

步骤6，判断并显示内燃机排放状态：该处理控制装置5，根据CO、HC、NOx三种浓度数值判断出内燃机的排放状态，并由显示装置4显示内燃机排放状态。例如：CO为3％，NOx为1300ppm则该内燃机尾气排放合格；如果CO为3％且NOx在1700ppm到2000ppm(或者图5中的浅色区域对应的CO和NOx数值组合)，或者如果CO为4.5％且NOx在1000ppm(或者图5中的椭圆形的合格区域以外的其他任何灰色和浅色区域所对应的CO和NOx数值组合)，则该内燃机需调整；如果CO为3.0％且NOx在3500ppm(或者图5中的其他白色区域对应的CO和NOx数值组合)则内燃机偏离正常区域较远，内燃机尾气排放不合格，该内燃机需要维修。 

步骤7，显示CO、HC、NOx浓度数值：借由显示装置4(如图2)显示CO、HC、NOx的浓度。 

步骤8，检测结束。 

本发明实施例的内燃机尾气在线测量诊断方法，包括测量步骤、处理控 制步骤及显示步骤。 

该测量步骤，是借由空燃比传感器和氮氧化合物传感器，测量内燃机可燃混合气空燃比和内燃机尾气中氮氧化合物浓度。 

该处理控制步骤，是根据所述的可燃混合气空燃比和氮氧化合物浓度，通过内燃机排放表或内燃机排放数学模型，判断该内燃机排放状态，该内燃机排放状态包括“测量结果有误”、“内燃机尾气排放合格”、“内燃机尾气排放不合格”及“内燃机需调整”。 

该显示步骤，显示该内燃机排放状态，可对应“测量结果有误”、“内燃机尾气排放合格”、“内燃机尾气排放不合格”及“内燃机需调整”分别显示为“自检”、“合格”、“不合格”及“调整”。 

该处理控制步骤还包括估算内燃机尾气中CO和HC的浓度；该显示步骤还包括显示该CO、HC、NOx的浓度。 

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (9)

1.一种内燃机尾气在线测量诊断仪，其特征在于其包括：

测量装置，包括空燃比传感器和氮氧化合物传感器，该空燃比传感器测量内燃机可燃混合气空燃比，该氮氧化合物传感器测量内燃机尾气中氮氧化合物浓度；

处理控制装置，信号连接该测量装置，并存储有内燃机排放表或内燃机排放数学模型，该处理控制装置接收该测量装置测量的内燃机可燃混合空燃比和内燃机尾气中氮氧化合物浓度，并通过所存储的内燃机排放表或内燃机排放数学模型判断内燃机排放状态；以及

显示装置，信号连接于该处理控制装置，显示该内燃机排放状态。

2.如权利要求1所述的内燃机尾气在线测量诊断仪，其特征在于其中所述的内燃机排放状态包括测量结果有误、内燃机尾气排放合格、内燃机尾气排放不合格及内燃机需调整。

3.如权利要求1所述的内燃机尾气在线测量诊断仪，其特征在于其中所述的处理控制装置进一步估算内燃机尾气中CO和HC的浓度，并由该显示装置显示CO和HC的浓度。

4.如权利要求1所述的内燃机尾气在线测量诊断仪，其特征在于其中所述的处理控制装置进一步藕接测量内燃机温度的温度传感器、测量内燃机点火提前角的点火提前角传感器和/或测量内燃机负荷的负荷传感器。

5.如权利要求1所述的内燃机尾气在线测量诊断仪，其特征在于其中所述的空燃比传感器为氧化锆陶瓷传感器。

6.如权利要求1所述的内燃机尾气在线测量诊断仪，其特征在于还包括：

尾气探针，用于吸收内燃机尾气；

分析室，与该尾气探针连通，该空燃比传感器和氮氧化合物传感器设置于该分析室内；以及

气泵，与该分析室连通，提供吸取内燃机尾气的负压。

7.一种内燃机尾气在线测量诊断方法，其特征在于其包括以下步骤：

测量步骤：借由空燃比传感器和氮氧化合物传感器，测量内燃机可燃混合气空燃比和内燃机尾气中氮氧化合物浓度；

处理控制步骤：根据所述的可燃混合气空燃比和氮氧化合物浓度，通过内燃机排放表或内燃机排放数学模型，判断该内燃机排放状态；以及

显示步骤：显示该内燃机排放状态。

8.如权利要求7所述的内燃机尾气在线测量诊断方法，其特征在于其中所述的内燃机排放状态包括测量结果有误、内燃机尾气排放合格、内燃机尾气排放不合格及内燃机需调整。

9.如权利要求7所述的内燃机尾气在线测量诊断方法，其特征在于其中所述的处理控制步骤还包括估算内燃机尾气中CO和HC的浓度；该显示步骤还包括显示该CO、HC、NOx的浓度。

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