CN103398928A

CN103398928A - 一种柴油发动机排放劣化预警装置

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Publication number: CN103398928A
Application number: CN2013103652233A
Authority: CN
Inventors: 李世武; 刘欣悦; 常峰铭; 徐艺; 陈诗昊; 惠志鸣; 王少波
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-21
Also published as: CN103398928B

Abstract

本发明涉及汽车排放劣化预警和汽车排气污染控制装置及系统领域，特别涉及一种柴油发动机排放劣化预警装置；包括车外装置主体部分和车内主电路板部分，车外装置主体部分主要由主管、在主管管壁上的两通孔外部对称固定连接的两段支管、固定在主管外部上方的对比器安装管、安装在支管和对比器安装管内的两套光电耦合信号探测器组成；车内主电路板部分主要由数模转换器、与数模转换器连接的控制处理器、分别与控制处理器连接的显示器和报警器组成；光电耦合信号探测器与所述数模转换器连接；本装置体积小，材料轻便，制造成本较低，不影响汽车的外观，不影响汽车的正常，安装在柴油机汽车上进行实时监测便于及时发现问题，易于推广普及。

Description

一种柴油发动机排放劣化预警装置

技术领域

本发明涉及汽车排放劣化预警和汽车排气污染控制装置及系统领域，特别涉及一种柴油发动机排放劣化预警装置。

背景技术

随着城市汽车保有量的持续增加，机动车尾气排放污染问题日益严重。现有的高压喷射、涡轮增压及中冷装置可通过改善发动机工作过程来控制污染物的排放，但其效果也会随时间的推移而逐渐降低。城市交通流中的老旧车辆，尤其是公交车、载货汽车等重载柴油车经多年使用发动机劣化后经常产生冒黑烟问题，这对城市空气质量影响很大，但驾驶人在行车过程中几乎无法观察到尾气管的排放情况。现有的三种常规排放检测装置有其自身的特点，不能够满足实时检测预警的要求：

实验室底盘测功机是目前机动车尾气数据的主要来源，因这种排放测试系统的检测过程没有针对性，使得其体积庞大，操作困难，成本高昂，受空间限制极大，并且无法实现实时检测。

尾气遥感监测装置是一种相对先进的排放检测装置，其利用光谱分析技术进行检测，自动化程度较高，但对交通状况和安置地点有着相当苛刻的要求。

尾气分析仪可以较准确地分析尾气成分，其采用不分光红外吸收原理（NDIR）测量汽车排放，准确度较高，但成本相对较高，体积较大，不适合个人安装，适用于公安交通安全或综合检测站场、环保尾气检测与治理、汽车与发动机制造及研究、教学科研、汽车厂3S/4S专营店等场所。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，为解决当前排放检测装置存在的不易随车携带、无法实时监测、仪器价格昂贵和操作过程复杂等问题，提供了一种柴油发动机排放劣化预警装置。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种柴油发动机排放劣化预警装置，包括车外装置主体部分和车内主电路板部分，所述车外装置主体部分主要由主管1、在主管1管壁上的两通孔外部对称固定连接的两段支管2、固定在主管1外部上方的对比器安装管4、安装在支管2和对比器安装管4内的两套光电耦合信号探测器6组成；所述车内主电路板部分主要由数模转换器11、与数模转换器11连接的控制处理器12、分别与控制处理器12连接的显示器13和报警器14组成；所述光电耦合信号探测器6与所述数模转换器11连接。

所述支管2两端安装三通7，三通7接口处固定连接通风管3，在所述两段支管2内均对称安装单向风门5和吸附材料10，在通风管3的进气口处安装风扇9。

所述光电耦合信号探测器6由激光发射头和光敏电阻组成；所述支管2内的光电耦合信号探测器6的激光发射头安装在一段支管2的吸附材料10的后端，光敏电阻对应安装在的另一段支管2的吸附材料10的后端；所述对比器安装管4内的光电耦合信号探测器6的激光发射头和光敏电阻对应安装在对比器安装管4的两端。

在支管2内的光电耦合信号探测器6称为尾气监测器15，在对比器安装管4内的电耦合信号探测器6称为对比器16，尾气监测器15和对比器16均由激光发射头和光敏电阻组成。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.不同于现有的检测设备不方便安装在车上进行实时监测，本装置体积较小，材料轻便，制造成本较低，便于携带。可以安装在柴油机汽车上进行实时监测以及时发现问题，并为本装置的普及提供可能。

2.本装置基本不改变现有汽车的内部结构，不影响汽车的外观，对汽车的正常工作无不良影响。

3.通过单向风门、光电耦合器件及控制处理器、报警器等一系列设备，实现在尾气颗粒排放超标时发出报警，对环境保护及发动机维护保养有重大意义。

4.相对于当前排放检测装置，本装置具有实时性好、目的性强、经济便捷、操作简单的特点，弥补了目前在柴油发动机尾气实时监测方面的不足。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本预警装置的工作流程图；

图2是本预警装置的工作示意图；

图3是稳压器电路图；

图4是数模转换器电路图；

图5是控制处理器电路图；

图6是显示器电路图；

图7是报警器电路图；

图中：1、主管，2、支管，3、通风管，4、对比器安装管，5、单向风门，6、光电耦合信号探测器，7、三通，8、中心有孔的螺纹帽，9、风扇，10、吸附材料，11、数模转换器，12、控制处理器，13、显示器，14、报警器，15、尾气监测器，16、对比器，17、螺纹套管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

一种柴油发动机排放劣化预警装置，包括车外装置主体部分和车内主电路板部分，所述车外装置主体部分主要由主管1、在主管1管壁上的两通孔外部对称焊接两段支管2、在支管2的两端螺纹连接安装三通7后，在三通7上接口焊接通风管3、在支管2内对称安装的两单向风门5和吸附材料10、在通风管3的进气口处安装的风扇9、对比器安装管4组成；所述车内主电路板部分主要由数模转换器11、与数模转换器11连接的控制处理器12、分别与控制处理器12连接的显示器13和报警器14组成；所述支管2及对比器安装管4内安装光电耦合信号探测器6，并与所述数模转换器11连接。

所述光电耦合信号探测器6分为尾气监测器15及对比器16，尾气监测器15与对比器16均由激光发射头和光敏电阻构成，激光发射头和光敏电阻有二套，一套对应安装在两段支管2内的吸附材料10的后端；另一套对应安装在对比器安装管4的两端。

参阅图2，本装置主要包括：

车外装置主体部分：主管1、支管2、通风管3、对比器安装管4、单向风门5、光电耦合信号探测器6、三通7、中心有孔的螺纹帽8、风扇9、吸附材料10；

车内主电路板部分：稳压器、数模转换器11、控制处理器12、显示器13、报警器14。

主管1：由一长150～200mm、Ф500mm（可根据相应车型变化）的合金管构成，在主管的一端加工有螺纹，并在此管中部沿径向钻一Ф2～3mm的通孔；

支管2：由两段长20～35mm、Ф6～8mm的合金管构成，在合金管的一端加工有螺纹；

通风管3：由Ф6～8mm的合金管制成，成U型，管中部有一进气口、两端为出气口；对比器安装管4为尺寸与支管2相同的合金管，两端加工有螺纹；

单向风门5：由铝制合金片构成，在一与支管内径尺寸相同的铝合金圆形片的圆心处开一Ф3～5mm的圆孔，用两扇尺寸稍大于孔的小型折页门对称安装在合金片一侧，在折页门关闭时恰可将此孔完全遮挡又因尺寸大于孔的尺寸无法360度旋转，达到折页门单向开启的目的；

光电耦合信号探测器6：由尾气监测器及对比器构成，尾气监测器与对比器均由一Ф2～3mm的激光发射头，及一Ф8mm的光敏电阻构成。光敏电阻与一10K电阻串联后接入5V电路；

三通7：一可以与支管2上外螺纹相配合的合金三通；

中心有孔的螺纹帽8：一可以与三通端口相配合的中心有小孔的合金螺纹帽；

风扇9：一额定电压为5V的小型风扇（可根据通风管及主管尺寸稍有变化）；

稳压器：参阅图3主要由LM7805稳压芯片、LED指示灯、两104陶瓷电容C4与C7，220uF、47uF的两电解电容C5与C6构成。将C4、C5并联，一端与LM7805输入端1共同连接LED指示灯，另一端接地连接；将C6、C7并联后一端与LM7805输出端3连接，另一端接地；LM7805的2号引脚接地；LED另一引脚与输入电源连接此即完成稳压电路。可把输入的6～9V电源电压转换为5V电压从LM7805的3号引脚输出；

数模转换器11：参阅图4主要由PCF8591数模转换芯片构成，芯片自定义1～16号引脚。把输入的模拟信号转换为数字信号输出；

控制处理器12：参阅图5主要由STC89C51单片机、晶振电路、复位电路构成；

单片机自定义1～40号引脚，9号引脚接复位电路；18、19号引脚连接晶振电路；32～39号引脚连接一10K排阻R2，排阻另一端输入5V电压；

晶振电路由11.0592MHz的晶振及两30pF的电瓷电容C1、C2构成。两电容并联后接入单片机18、19引脚，另一端接地；晶振两接线脚与单片机18、19号引脚连接。此即完成晶振电路。

复位电路由复位按键、10uF电解电容C3、10K电阻R1构成。电阻R1一端与单片机9号引脚相连，另一端接地；复位按键与电容C3并联电容正极接5V电压另一端与单片机9号引脚相连。此即完成复位电路。

显示器13：参阅图6主要由LCD1602显示屏、10K电位器构成；将显示屏自定义为1～16号引脚。3号引脚连接10K电位器后接地连接；

报警器14：参阅图7主要由电压5V蜂鸣器、三极管组成；蜂鸣器，一接线脚与5V电压相连接，另一接线脚连接三极管的发射极。

车外装置主体部分的安装：

在主管1管壁上的两通孔外部对称焊接两段支管2的未加工螺纹端口，支管2的轴线与孔的中心线重合，在支管2的两螺纹端分别连接两三通，三通的上口与通风管3的两出气口通过焊接连接成一体。

通过三通另一开口在距主管1壁通孔10mm处对称安装两单向风门，风门可向主管一侧单向开启。

将吸附材料装人支管2内部，吸附材料10后端分别安装尾气监测器的激光发射头及光敏电阻。调整角度使激光光线恰好可以沿主管1径向通孔射到另一端光敏电阻上并固定。其中吸附材料10由活性炭构成。用中心有孔的螺纹帽8将三通密封，数据传输线通过螺帽中心的小孔引出后将小孔密封。

在主管1的外部上方焊接对比器安装管4，对比器的光源及光敏电阻分别安装在对比器安装管的两端，并确保光线可以准确照射在光敏电阻上，两端通过中心有一小孔的螺帽密封，数据线由螺帽中心的小孔引出后将小孔密封。

在通风管3的进气口处安装风扇，风扇旋转使气流进入通风管内并使气流沿通风管进入支管。

将主管1通过螺纹套管17与排气尾管相连，此即本装置车外装置主体部分。

车内主电路板的安装：

在一块电路板上焊接稳压器、数模转换器11、控制处理器12、显示器13、报警器14电路。

焊接稳压电路参阅图3，输出5V电压为整个电路提供稳定电压。

焊接数模转换器电路参阅图4，,其中的PCF8591芯片1、2引脚与探测器信号输入线相连；5、6、7、8、12、13号引脚接地；14、16引脚连接5V电压。

焊接控制处理器电路参阅图5，单片机的3号引脚与PCF8591芯片的15号引脚连接；20号引脚接地；21、22号引脚与PCF8591中10、9号引脚连接；31、40号引脚接5V电压。

焊接显示器电路参阅图6，其中LCD1602的1、16号引脚接地；2、15号引脚接5V电压；4、5、6号引脚分别与单片机25、26、27号引脚连接；7～14号引脚分别与单片机39、38、37、36、35、34、33、32号引脚连接。

焊接报警器电路参阅图7中三极管的基极与单片机的28号引脚连接，集电极接地。

光电耦合信号探测器6的激光头连接稳压后输出的5V电压，光敏电阻均采用分压接法作为信号输入端分别与PCF8591芯片1、2号引脚相连。

此即完成装置的车内主电路板部分。

将车外装置与车内主电路板两部分通过激光头及光敏电阻的数据传输线连接后成一整体即完成本装置。

工作原理：

通过螺纹套管将本装置直接安装在排气管末端，在驾驶员认为有必要检测时。

按下复位开关，装置启动。风扇9运转产生气流，气体经通风管3向尾气管内流动推动单向风门5开启，并阻止尾气进入支管2，避免污染光电耦合信号探测器6。支管2及对比器安装管4内安装光电耦合信号探测器6，光电耦合信号探测器6通过数据传输线与数模转换器11输入端口相连接，数模转换器11通过I2C总线及D/A转换输出端与控制处理器12连接，显示器13、报警器14与控制处理器12相应IO接口相连接。光电耦合信号探测器6分为尾气监测器及对比器，尾气在主管1内流过时，尾气中的颗粒物会对尾气监测器中的激光光束进行一定的遮挡，导致其中光敏电阻两端的电压产生变化。利用光敏电阻两端电压的变化量来判断尾气中颗粒排放情况；对比器用与尾气监测器相同的激光光源及光敏电阻，但对比器中没有尾气流过，对比器主要用于补偿光敏电阻因长时间工作温度的变化引起的误差。

光敏电阻电压的变化量经由光电耦合信号探测器6传输至控制处理器12后进行处理转换、计算尾气监测器及对比器采集的两组数据的差值以补偿温度的误差，并判断是否超过阈值。如果因遮挡变化用A表示，温度变化用B表示，没有遮挡及温度影响用C表示，尾气监测器采集的数据X=C-A-B,对比器数据Y=C-B,那么因遮挡变化A=Y-X,如果A>阈值，则报警。若超出阈值，则控制处理器12发出报警指令，由报警器14发出声光信号，通知驾驶人。与此同时，显示器13显示相关数据，使驾驶人了解当前尾气排放状况。

Claims

1.一种柴油发动机排放劣化预警装置，包括车外装置主体部分和车内主电路板部分，其特征在于：所述车外装置主体部分主要由主管（1）、在主管（1）管壁上的两通孔外部对称固定连接的两段支管（2）、固定在主管（1）外部上方的对比器安装管（4）、安装在支管（2）和对比器安装管（4）内的两套光电耦合信号探测器（6）组成；所述车内主电路板部分主要由数模转换器（11）、与数模转换器（11）连接的控制处理器（12）、分别与控制处理器（12）连接的显示器（13）和报警器（14）组成；所述光电耦合信号探测器（6）与所述数模转换器（11）连接。

2.按照权利要求1所述的一种柴油发动机排放劣化预警装置，其特征在于：所述支管（2）两端安装三通（7），三通（7）接口处固定连接通风管（3），在所述两段支管（2）内均对称安装单向风门（5）和吸附材料（10），在通风管（3）的进气口处安装风扇（9）。

3.按照权利要求1或2所述的一种柴油发动机排放劣化预警装置，其特征在于：所述光电耦合信号探测器（6）由激光发射头和光敏电阻组成；所述支管（2）内的光电耦合信号探测器（6）的激光发射头安装在一段支管（2）的吸附材料（10）的后端，光敏电阻对应安装在的另一段支管（2）的吸附材料（10）的后端；所述对比器安装管（4）内的光电耦合信号探测器（6）的激光发射头和光敏电阻对应安装在对比器安装管（4）的两端。