CN103759989B - 发动机排气单循环采样系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机排气单循环采样系统,克服不能将发动机单一循环排气分出的问题。其包括电路控制系统、执行器、储气装置与真空度调节装置。执行器包括高频电磁阀、压缩空气气缸、两位五通电磁阀、曲柄连杆机构、蝶阀与高压气源。高频电磁阀左端与蝶阀连接，高频电磁阀右端和储气装置的快速接头与真空度调节装置的3号球阀连接；曲柄连杆机构和蝶阀阀杆连接，曲柄连杆机构左端和压缩空气气缸连接；压缩空气气缸左侧进出气口与两位五通电磁阀左侧出气口管连接，压缩空气气缸右侧进出气口与两位五通电磁阀右侧出气口管连接，高压气源左端与两位五通电磁阀进气口管连接，电路控制系统的固态继电器输出端和两位五通电磁阀与高频电磁阀导线连接。

Description

发动机排气单循环采样系统

技术领域

本发明涉及一种应用于内燃机技术领域的一种采样装置，更确切的说，本发明涉及一种发动机排气单循环采样系统。

背景技术

汽车污染是当前人们最为关心和急需解决的重要课题之一。汽车在市区行驶时受交通信号、公交站点、行人等因素的影响，发动机在瞬态工况下，由于燃烧条件恶劣，发动机中产生更多的不完全燃烧产物，即碳氢化合物。碳氢化合物是引起废气异味的主要因素，同时是光化学烟雾的重要来源，通过色谱分析手段可以定量的分析出碳氢化合物中个烃类组分，这对选着高效催化剂及寻找降低碳氢化合物排放途径有重要指导意义。当前色谱分析成为研究发动机产物成分的重要手段。排气采样是色谱分析的重要环节。

目前，现有的发动机排气采样都是按时间采样或多循环采样，但由于发动机转速高，排气采集时各个循环的排气相互影响，采样不能将瞬态工况下发动机的单一循环排气分离出来进行各个瞬态工况的排气成分色谱分析。

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不能将单一循环排气分离出来的问题，提供了一种发动机排气单循环采样系统。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的发动机排气单循环采样系统包括有电路控制系统、执行器、储气装置与真空度调节装置。

所述的电路控制系统包括型号为N87C196KB的单片机、型号为2614B的角标仪与型号为MGR-1D4820的固态继电器。

型号为2614B的角标仪与发动机曲轴末端通过法兰盘连接；型号为N87C196KB的单片机与角标仪通过信号线连接；型号为MGR-1D4820的固态继电器与型号为N87C196KB的单片机通过信号线连接。

所述的执行器包括型号为ZCBW15的高频电磁阀、型号为RM/8025/M/125的压缩空气气缸、型号为4V410-15的两位五通电磁阀、曲柄连杆机构、蝶阀与高压气源。

型号为ZCBW15的高频电磁阀的左端与蝶阀的上端连接，型号为ZCBW15的高频电磁阀的右端与储气装置中的快速接头的左端连接，型号为ZCBW15的高频电磁阀的右端同时与真空度调节装置中的3号球阀的上端连接；曲柄连杆机构的右端和蝶阀的阀杆末端采用螺栓固定连接，曲柄连杆机构的左端和压缩空气气缸的执行杆末端采用螺栓固定连接；压缩空气气缸左侧的进出气口采用1号软管与两位五通电磁阀左侧的出气口连接，压缩空气气缸右侧的进出气口采用2号软管与两位五通电磁阀右侧的出气口连接，高压气源选用型号为AW9008的活塞式压缩机，高压气源的左端采用3号软管与两位五通电磁阀的进气口连接，电路控制系统中的固态继电器的输出端分别和两位五通电磁阀与型号为ZCBW15的高频电磁阀的输入端导线连接。

技术方案中所述的型号为ZCBW15的高频电磁阀的左端与蝶阀上端连接是指：蝶阀的上端法兰盘与1号排气管下端法兰盘螺栓固定连接，1号排气管上设置有排气采样口，排气采样管的左端与1号排气管上的排气采样口焊接连接，排气采样管的右端与型号为ZCBW15的高频电磁阀的左端螺纹密封连接。

技术方案中所述的蝶阀上端法兰盘与1号排气管下端法兰盘之间放置有1号石棉密封垫，蝶阀的下端法兰盘与2号排气管的上端法兰盘螺栓固定连接，蝶阀的下端法兰盘与2号排气管的上端法兰盘之间放置有2号石棉密封垫。

技术方案中所述的1号排气管的上端法兰盘与发动机上的排气口采用螺栓固定连接，1号排气管上所设置的排气采样口的位置距离发动机不超过100mm。

技术方案中所述的型号为ZCBW15的高频电磁阀的右端与储气装置中的快速接头的左端连接，型号为ZCBW15的高频电磁阀的右端同时与真空度调节装置中的3号球阀的上端连接是指：型号为ZCBW15的高频电磁阀的右端与等径三通管接头的左端螺纹密封连接，等径三通管接头的右端和快速接头的左端焊接固定连接，等径三通接头的下端与3号球阀的上端螺纹密封连接。

技术方案中所述的储气装置还包括进气管、1号球阀、2号球阀、采样罐。快速接头的右端与进气管的左端采用焊接方式固定连接，1号球阀的左端与进气管的右端螺纹密封连接，1号球阀的右端与采样罐的左端螺纹密封连接，2号球阀的左端与采样罐的右端螺纹密封连接。

技术方案中所述的真空度调节装置包括型号为Y-60B-FQ的压力表、型号为RD的压力调节阀、型号为Q11F的3号球阀与型号为AP-9901S的真空泵。型号为AP-9901S的真空泵的上端与型号为Q11F的3号球阀的下端螺纹密封连接，型号为RD的压力调节阀左端与储气装置中的2号球阀的右端螺纹密封连接，型号为Y-60B-FQ的压力表安装在储气装置中的采样罐右端的凸台上为螺纹密封连接。

技术方案中所述的电路控制系统包括单片机、角标仪与固态继电器。单片机采用型号为N87C196KB的单片机；角标仪采用型号为2614B的角标仪，两者之间采用信号线连接，即角标仪的信号输出端通过信号线与单片机的p10引脚相连；发动机的曲轴末端设置有法兰盘，角标仪的转盘与发动机的曲轴末端设置的法兰盘贴合，并采用螺钉固定连接；固态继电器采用型号为MGR-1D4820的单相固态继电器，单片机与固态继电器之间采用信号线连接，即单片机的p00引脚和固态继电器的输入端正极通过信号线相连，单片机的GND引脚和固态继电器的输入端负极通过信号线相连。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1本发明所述的发动机排气单循环采样系统的高频电磁阀的开关状态受发动机曲轴转角信号的控制，使发动机排气单循环采样系统的采集时刻更加准确；

2本发明所述的发动机排气单循环采样系统采集前使发动机排气单循环采样系统中残余废气排净，避免其它循环残留在管路中的排气的影响，并且保持足够的真空度，使发动机排气单循环采样系统能够采集到足够量的排气；

3.本发明所述的发动机排气单循环采样系统在排气采样管下安装蝶阀，采样开始时，蝶阀关闭，使排气压力升高，将更多排气引入采样罐中，保证采样量充足；

4.本发明所述的发动机排气单循环采样系统能够通过读取采样前后的采样罐压力表的数值，计算采集气体的稀释比，方便对采样气体的定量分析；

5.本发明所述的发动机排气单循环采样系统结构简单，便于操作及维护，成本较低。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述的发动机排气单循环采样系统的结构示意图。

图中：1.单片机，2.角标仪，3.发动机，4.排气采样管，5.高频电磁阀，6.等径三通管接头，7.快速接头，8.进气管，9.1号球阀，10.采样罐，11.压力表，12.2号球阀，13.压力调节阀，14.固态继电器，15.压缩空气气缸，16.1号软管，17.两位五通电磁阀，18.曲柄连杆机构，19.蝶阀，20.2号软管，21.3号软管，22.2号排气管，23.高压气源，24.三号球阀，25.真空泵，26.1号排气管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明提供了一种属于内燃机领域的解决发动机排气单循环采样问题的发动机排气单循环采样系统，将发动机某一循环的排气采集到采样罐中，用于对排气成分进行色谱分析。

本发明所述的发动机排气单循环采样系统包括电路控制部分和排气采集部分，属于内燃机领域，或者说所述的发动机排气单循环采样系统包括电路控制系统和排气采集部分，而排气采集部分包括执行器、储气装置与真空度调节装置；即所述的发动机排气单循环采样系统包括电路控制系统、执行器、储气装置与真空度调节装置。

所述的电路控制系统包括单片机1、角标仪2、固态继电器14。

单片机1采用型号为N87C196KB的单片机；角标仪2采用KISTLER公司生产的型号为2614B的角标仪，两者用信号线连接，角标仪2的信号输出端通过线号线与单片机1的p10引脚相连；发动机3的曲轴末端设置有法兰盘，角标仪2的转盘与发动机3的曲轴末端设置的法兰盘贴合，并采用螺钉固定连接。固态继电器14采用型号为MGR-1D4820的单相固态继电器，单片机1与固态继电器14之间采用信号线连接，单片机1的p00引脚和固态继电器14的输入端+极通过信号线相连，单片机1的GND引脚和固态继电器14的输入端-极通过信号线相连；单片机1采集角标仪2产生的转角信号，当单片机1接收到某一循环曲轴的转角上止点信号时，单片机1控制固态继电器14接通。当单片机1接收到下一循环上止点信号时，单片机1控制固态继电器14断开。

所述的执行器是指电路控制系统的执行机构，其根据单片机1的指令信号完成具体的控制动作。

所述的执行器包括高频电磁阀5、压缩空气气缸15、两位五通电磁阀17、曲柄连杆机构18、蝶阀19与高压气源23。

所述的型号为ZCBW15的高频电磁阀5工作频率为30Hz，介质温度400摄氏度，控制方式为常闭，型号为ZCBW15的高频电磁阀5的左端与排气采样管4的右端螺纹密封连接，排气采样管4的左端与1号排气管26采用焊接连接，高频电磁阀5的右端和型号为DN15的等径三通管接头6的左端螺纹密封连接；

所述的蝶阀19的型号为DN60，蝶阀19安装在排气采样口(排气采样管4)的下面，蝶阀19的上端法兰盘与1号排气管26的下端法兰盘之间放置有1号石棉密封垫，蝶阀19的上端法兰盘、1号石棉密封垫与1号排气管26的下端法兰盘采用6个螺栓螺母压紧固定；1号排气管26的上端法兰盘与发动机3上的排气口之间采用螺栓螺母压紧固定；蝶阀19的下端法兰盘与2号排气管22的上端法兰盘之间放置有2号石棉密封垫，蝶阀19的下端法兰盘、2号石棉密封垫与2号排气管22的上端法兰盘采用6个螺栓螺母压紧固定；

所述的曲柄连杆机构18右端设置有光孔，蝶阀19的阀杆的末端设置有外螺纹；曲柄连杆机构18右端的光孔套入蝶阀19的阀杆末端，并用螺母旋入蝶阀19的阀杆末端的外螺纹，将曲柄连杆机构18右端和蝶阀19的末端压紧连接；曲柄连杆机构18左端设置有光孔，压缩空气气缸15的执行杆末端设置有光孔，曲柄连杆机构18左端的光孔和压缩空气气缸15的光孔同时用螺栓穿过，并用螺母压紧；

所述的两位五通电磁阀17选用型号为4V410-15的两位五通电磁阀；压缩空气气缸15选用型号为RM/8025/M/125的压缩空气气缸；所述的高压气源23选用型号为AW9008的活塞式压缩机，气体压力为8bar；1号软管16选用型号为DN9的软管，1号软管16的上端套进压缩空气气缸15左侧的进出气口采用锁紧卡子锁紧，1号软管16的下端套进两位五通电磁阀17左侧的出气口，采用锁紧卡子锁紧；2号软管20选用型号为DN9的软管，2号软管20的上端套进压缩空气气缸15右侧的进出气口采用锁紧卡子锁紧，2号软管20的下端套进两位五通电磁阀17右侧的出气口，采用锁紧卡子锁紧；3号软管21选用型号为DN9的软管，3号软管21的左端套进两位五通电磁阀17的进气口，采用锁紧卡子锁紧，3号软管21的右端接到高压气源23上，采用锁紧卡子锁紧。固态继电器14与高频电磁阀5之间通过导线连接，固态继电器14输出端-极与高频电磁阀5的+极接线端通过导线相连，固态继电器14受单片机1控制接通时，高频电磁阀5打开，排气通过高频电磁阀5流进进气管到采样罐10中，同时，固态继电器14控制两位五通电磁阀17进气口与其左侧出气口联通，高压空气进入压缩空气缸15左侧，两位五通电磁阀17右侧出气口与放气口联通，高压空气推动活塞带动压缩空气缸15的执行杆向右运动，使曲柄连杆机构18运动，推动蝶阀19阀杆，蝶阀19关闭；当固态继电器14受单片机1控制断开时，高频电磁阀5断电闭合，同时固态继电器14控制两位五通电磁阀17进气口与其右侧出气口联通，高压空气进入压缩空气缸15右侧，两位五通电磁阀17左侧出气口与放气口联通，高压空气推动活塞带动压缩空气缸15的执行杆向左运动，使曲柄连杆机构18运动，推动蝶阀19阀杆，蝶阀19打开。

所述的储气装置包括快速接头7、进气管8、1号球阀9、2号球阀12、采样罐10。

快速接头7右端与公称直径DN＝15的进气管8的左端焊接在一起，1号球阀9采用型号为Q11F的广式内螺纹球阀，其公称直径DN＝15，手动控制；采样罐10承受真空度2bar，真空度1bar，采样罐10内侧进行氟涂层处理，以保证较小的吸附性，容积1L；1号球阀9的左端与进气管8的右端螺纹密封连接，1号球阀9的右端与采样罐10的左端螺纹密封连接。2号球阀12采用型号为Q11F的广式内螺纹球阀，其公称直径DN＝15，手动控制；2号球阀12左端与采样罐10的右端螺纹密封连接。

所述的真空度调节装置包括压力表11、压力调节阀13、3号球阀24、型号为AP-9901S的真空泵25。

型号为AP-9901S的真空泵25的真空度≥70KPa；3号球阀24采用型号为Q11F的广式内螺纹球阀，其公称直径DN＝15，手动控制。型号为AP-9901S的真空泵25上端与3号球阀24螺纹密封连接，3号球阀24的上端与型号为DN15的等径三通管接头6的下端螺纹密封连接；压力调节阀13采用型号为RD的绝对真空度控制阀，压力调节阀13的左端与2号球阀12的右端螺纹密封连接。压力表11选用型号为Y-60B-FQ的气体压力表，量程为-0.1-1.5MPa，精度等级为2.5，安装方式为径向直接式安装；储气装置的采样罐10的右端焊接有凸台，凸台上钻有贯通到采样罐10内的标准螺纹孔，压力表11与采样罐10螺纹密封连接。

所有零部件布置在同一水平面上，且所有管道均为圆筒形，1号排气管26上设置有排气采样口，排气采样口的位置距离发动机3不超过100mm；公称直径DN＝15的排气采样管4的左端焊接在1号排气管26的排气采样口上，排气采样管4的位置要靠近发动机3，其位置距离发动机3不超过100mm。型号为DN15的等径三通管接头6的右端和快速接头7的左端焊接固定连接；等径三通接头6的下端与3号球阀24的上端螺纹密封连接。

利用真空泵25在采样系统中产生负压，通过单片机1控制固态继电器14的通断，进而控制高频电磁阀5的开关状态，同时控制两位五通电磁阀17状态，进而控制蝶阀19的开关状态，将发动机3某一循环的排气从1号排气管26吸入到采样罐10中。以上部件连接均要求密封，1号排气管26、2号排气管22，单片机1，固态继电器14，排气采样管4，真空泵25，快速接头7，等径三通管接头6，1号球阀9、2号球阀12、3号球阀24，压力表11，压力调节阀13，进气管8，蝶阀19，两位五通电磁阀17均为标准件。

发动机排气单循环采样系统的工作原理：

排气采集部分在采集前，采用型号为AP-9901S的真空泵25将发动机排气单循环采样系统中的残余废气抽出，然后通过压力调节阀13调节采样罐10的真空度，使其达到合适的真空度，关闭2号球阀12和3号球阀24，型号为N87C196KB的单片机1采集KISTLER公司生产的型号为2614B的角标仪2产生的转角信号，当单片机1接收到某一循环曲轴的转角上止点信号时，单片机1控制固态继电器14接通，高频电磁阀5打开，同时固态继电器14控制两位五通电磁阀17进气口与其左侧出气口联通，高压空气进入压缩空气缸15左侧，两位五通电磁阀17右侧出气口与压缩空气缸15右侧的放气口联通，高压空气推动活塞带动压缩空气缸15的执行杆向右运动，使曲柄连杆机构18运动，推动蝶阀19阀杆，蝶阀19关闭；排气通过高频电磁阀5流经等径三通管接头6、快速接头7、进气管8、1号球阀9到采样罐10中，当单片机1接收到下一循环上止点信号时，单片机1控制固态继电器14断开，高频电磁阀5断电闭合，同时固态继电器14控制两位五通电磁阀17进气口与其右侧出气口联通，高压空气进入压缩空气缸15右侧，两位五通电磁阀17左侧出气口与压缩空气缸15左侧的放气口联通，高压空气推动活塞带动压缩空气缸15的执行杆向左运动，使曲柄连杆机构18运动，推动蝶阀19阀杆，蝶阀19打开；该循环排气采样结束，关闭1号球阀9，将快速接头7断开，采样罐10中采集到的排气样品供成分分析使用。

Claims (8)

1.一种发动机排气单循环采样系统,其特征在于，所述的发动机排气单循环采样系统包括有电路控制系统、执行器、储气装置与真空度调节装置；

所述的电路控制系统包括型号为N87C196KB的单片机(1)、型号为2614B的角标仪(2)与型号为MGR-1D4820的固态继电器(14)；

型号为2614B的角标仪(2)与发动机(3)曲轴末端通过法兰盘连接；型号为N87C196KB的单片机(1)与角标仪通过信号线连接；型号为MGR-1D4820的固态继电器(14)与型号为N87C196KB的单片机通过信号线连接；

所述的执行器包括型号为ZCBW15的高频电磁阀(5)、型号为RM/8025/M/125的压缩空气缸(15)、型号为4V410-15的两位五通电磁阀(17)、曲柄连杆机构(18)、蝶阀(19)与高压气源(23)；

型号为ZCBW15的高频电磁阀(5)的左端与蝶阀(19)的上端连接，型号为ZCBW15的高频电磁阀(5)的右端与储气装置中的快速接头(7)的左端连接，型号为ZCBW15的高频电磁阀(5)的右端同时与真空度调节装置中的3号球阀(24)的上端连接；曲柄连杆机构(18)的右端和蝶阀(19)的阀杆末端采用螺栓固定连接，曲柄连杆机构(18)的左端和压缩空气气缸(15)的执行杆末端采用螺栓固定连接；压缩空气气缸(15)左侧的进出气口采用1号软管(16)与两位五通电磁阀(17)左侧的出气口连接，压缩空气气缸(15)右侧的进出气口采用2号软管(20)与两位五通电磁阀(17)右侧的出气口连接，高压气源(23)选用型号为AW9008的活塞式压缩机，高压气源(23)的左端采用3号软管(21)与两位五通电磁阀(17)的进气口连接，电路控制系统中的固态继电器(14)的输出端分别和两位五通电磁阀(17)与型号为ZCBW15的高频电磁阀(5)的输入端导线连接。

2.按照权利要求1所述的发动机排气单循环采样系统,其特征在于，所述的型号为ZCBW15的高频电磁阀(5)的左端与蝶阀(19)上端连接是指：蝶阀(19)的上端法兰盘与1号排气管(26)下端法兰盘螺栓固定连接，1号排气管(26)上设置有排气采样口，排气采样管(4)的左端与1号排气管(26)上的排气采样口焊接连接，排气采样管(4)的右端与型号为ZCBW15的高频电磁阀(5)的左端螺纹密封连接。

3.按照权利要求2所述的发动机排气单循环采样系统,其特征在于，所述的蝶阀(19)上端法兰盘与1号排气管(26)下端法兰盘之间放置有1号石棉密封垫，蝶阀(19)的下端法兰盘与2号排气管(22)的上端法兰盘螺栓固定连接，蝶阀(19)的下端法兰盘与2号排气管(22)的上端法兰盘之间放置有2号石棉密封垫。

4.按照权利要求2所述的发动机排气单循环采样系统,其特征在于，所述的1号排气管(26)的上端法兰盘与发动机(3)上的排气口采用螺栓固定连接，1号排气管(26)上所设置的排气采样口的位置距离发动机(3)不超过100mm。

5.按照权利要求1所述的发动机排气单循环采样系统,其特征在于，所述的型号为ZCBW15的高频电磁阀(5)的右端与储气装置中的快速接头(7)的左端连接，型号为ZCBW15的高频电磁阀(5)的右端同时与真空度调节装置中的3号球阀(24)的上端连接是指：型号为ZCBW15的高频电磁阀(5)的右端与等径三通管接头(6)的左端螺纹密封连接，等径三通管接头(6)的右端和快速接头(7)的左端焊接固定连接，等径三通接头(6)的下端与3号球阀(24)的上端螺纹密封连接。

6.按照权利要求1所述的发动机排气单循环采样系统,其特征在于，所述的储气装置还包括进气管(8)、1号球阀(9)、2号球阀(12)、采样罐(10)；

快速接头(7)的右端与进气管(8)的左端采用焊接方式固定连接，1号球阀(9)的左端与进气管(8)的右端螺纹密封连接，1号球阀(9)的右端与采样罐(10)的左端螺纹密封连接，2号球阀(12)的左端与采样罐(10)的右端螺纹密封连接。

7.按照权利要求1所述的发动机排气单循环采样系统,其特征在于，所述的真空度调节装置包括型号为Y-60B-FQ的压力表(11)、型号为RD的压力调节阀(13)、型号为Q11F的3号球阀(24)与型号为AP-9901S的真空泵(25)；

型号为AP-9901S的真空泵(25)的上端与型号为Q11F的3号球阀(24)的下端螺纹密封连接，型号为RD的压力调节阀(13)左端与储气装置中的2号球阀(12)的右端螺纹密封连接，型号为Y-60B-FQ的压力表(11)安装在储气装置中的采样罐(10)右端的凸台上为螺纹密封连接。

8.按照权利要求1所述的发动机排气单循环采样系统,其特征在于，所述的电路控制系统包括单片机(1)、角标仪(2)与固态继电器(14)；

单片机(1)采用型号为N87C196KB的单片机；角标仪(2)采用型号为2614B的角标仪，两者之间采用信号线连接，即角标仪(2)的信号输出端通过信号线与单片机(1)的p10引脚相连；发动机(3)的曲轴末端设置有法兰盘，角标仪(2)的转盘与发动机(3)的曲轴末端设置的法兰盘贴合，并采用螺钉固定连接；固态继电器(14)采用型号为MGR-1D4820的单相固态继电器，单片机(1)与固态继电器(14)之间采用信号线连接，即单片机(1)的p00引脚和固态继电器(14)的输入端正极通过信号线相连，单片机(1)的GND引脚和固态继电器(14)的输入端负极通过信号线相连。