CN104849186B - 一种颗粒物传感器的标定系统进行测量的方法 - Google Patents

一种颗粒物传感器的标定系统进行测量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种颗粒物传感器标定系统及测量方法。将燃料通入反扩散火焰燃烧器内，燃烧器上口与排气管相通，点燃混合气燃烧产生稳定的碳烟；开启压气机，鼓入稳定的空气量；通过调压阀调节进气量，再经过加热器升温后进入排气管用于稀释燃烧产生的碳烟；通过流量计读出经调压阀调节的进气流量；温度传感器输出稀释后的颗粒物温度；碳烟进入颗粒物传感器，输出电流信号，经电路板放大转换后输出电压信号，再由A/D转换器采集信号值，通过计算机读出电压值；碳烟进入颗粒物传感器的同时开启瞬态烟度计，测量输出瞬态碳烟浓度；记录不同碳烟浓度下颗粒物传感器所输出的电压值，绘制出不同碳烟浓度下电压值变化的标定曲线，得到准确的颗粒物浓度。

Description

一种颗粒物传感器的标定系统进行测量的方法
技术领域
本发明涉及车辆尾气排放控制的技术领域，特别涉及一种颗粒物传感器的标定系统及测量方法。
背景技术
众所周知，柴油机排放中含有大量的颗粒物，尤其是PM2.5占颗粒物排放的80%，会对环境和人体健康造成很大的危害，因此，国内外很多研究人员都对柴油机排放颗粒物展开深入的探索和研究，在美国，车载诊断法规中已经明确申请使用颗粒物传感器，主要是用来监测颗粒物捕集器（DPF）工作情况。
目前，美国加州制定了2013 年开始执行的车载诊断系统（OBD）排放法规，乘用车和轻型车的颗粒物限值将下降为17.5 mg/mile (约10.8 mg/km) ；欧盟也已经拟定了关于乘用车法规的草案，该方案分三步实施，2014年达到OBD第一阶段的排放阈值20 mg/km，2016年达到OBD第二阶段排放阈值9 mg/km，第三阶段达到最终的4.5 mg/km，在不久将来，中国也极有可能将柴油车排出尾气中颗粒物的浓度实时监测列入到车载诊断系统OBD排放法规之内。
随着不断严格的法规被制定以减少柴油机颗粒的排放，排放法规中要求对排气中的颗粒物进行实时监测。但由于目前的颗粒物传感技术研究尚不成熟，因此，国内外许多学者进行了颗粒物传感器的深入研究，并根据不同颗粒物浓度检测原理提出了多种类型的颗粒物传感器：电阻式、电容式、电化学式、催化燃烧式、漏电流式，他们均以传感器输出的电信号来确定碳的含量，现在缺乏准确有效的颗粒物传感器标定装置及测量方法，尚未见任何报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是实现对不同颗粒物浓度及传感器输出电压的瞬态标定，通过绘制标定曲线，就可得到实际电压值下对应的准确颗粒物浓度，利用该类型传感器对排气中碳烟浓度进行实时监测。
本发明提供的技术方案是：一种颗粒物传感器标定系统，包括反扩散火焰燃烧器、排气管、压气机、调压阀、加热器、流量计、温度传感器、颗粒物传感器、放大颗粒物传感器电压信号的电路板、A/D转换器、计算机和瞬态烟度计；压气机出口与调压阀连接，调压阀右接加热器，加热器连接排气管进口；排气管从左到右依次开有5个孔，反扩散火焰燃烧器与排气管第一个下孔连接；流量计与排气管第二个下孔相连；温度传感器与颗粒物传感器分别与排气管上端的两个开孔依次连接，颗粒物传感器依次连接电路板、A/D转换器、计算机；瞬态烟度计通过吸气管与排气管第三个下孔连接。
所述的反扩散火焰燃烧器由内中外三根同心金属管组成：内管提供空气；中管，燃料乙烯在里面流动；外管用以提供氮气，保持火焰稳定燃烧；实验中保持氮气的流量为25.74 L/min，空气压力为8.3 kPa。
利用本发明颗粒物传感器标定系统进行测量的方法：将燃料通入反扩散火焰燃烧器内，燃烧器上口与排气管相通，点燃混合气燃烧产生稳定的碳烟；开启压气机，鼓入稳定的空气量；通过调压阀调节进气量，再经过加热器升温，可模拟发动机排气温度，加热后空气进入排气管用于稀释燃烧产生的碳烟；通过流量计读出调压阀调节所产生不同的进气流量；温度传感器输出稀释后的颗粒物温度；碳烟进入颗粒物传感器，输出电流信号，经电路板放大转换后输出电压信号，再由A/D转换器采集信号值，通过计算机读出电压值；碳烟进入颗粒物传感器的同时开启瞬态烟度计，测量输出瞬态碳烟浓度；记录不同碳烟浓度下颗粒物传感器所输出的电压值，绘制出不同碳烟浓度下电压值变化的标定曲线。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明以乙烯为燃料，碳烟发生器选用反扩散火焰燃烧器，相较于早期研究碳烟生成的燃烧器，本发明选用新型火焰燃烧器——反扩散火焰燃烧器，可减少常规燃烧器碳烟颗粒的氧化和碳化，能生成较多的碳烟颗粒，而且，碳烟颗粒产生于火焰的外缘，通过调节氮气流量，能形成稳定的反扩散火焰。
本发明采用的稀释装置结构简单，易于实现，成本低；通过调压阀调节不同的进气流量，经过加热器模拟发动机排气温度从而进行不同稀释比下的颗粒物浓度研究；本发明的稀释系统装置主要的耗能部件为压气机和加热器，相较于发动机台架试验能耗大大降低，经济实用，有利于颗粒物传感器标定系统的推广应用。
本发明结构简单紧凑，能耗低，便于使用和维护，应用性强，同时采用瞬态烟度计，使记录瞬时碳烟浓度更加方便可靠，从而进一步提高标定精度；通过标定传感器输出电压与实际测量得到的碳烟浓度的关系，就可以得到准确的瞬时颗粒物浓度，利用该类型传感器对排气中碳烟浓度的进行实时监测。
附图说明
图1是用于实现本发明采用的一种颗粒物传感器标定系统示意图。
图2是利用碳烟浓度随电压值变化绘制的3条标定曲线。
图1中：反扩散火焰燃烧器101、排气管102、压气机103、调压阀104、加热器105、流量计106、温度传感器107、颗粒物传感器108、电路板109、A/D转换器110、计算机111、吸气管112、瞬态烟度计113。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明技术方案作进一步说明。
所述颗粒物传感器108采用漏电流式颗粒物传感器，具体可参考专利CN102536406A。
所述电路板109为微电流放大及转换电路，具体可参考论文：徐亚超，汤东，郑荣良。柴油车用颗粒物传感器的控制系统设计，中国内燃机学会燃烧净化节能分会。
实施例1
本发明的颗粒物传感器标定系统及测量方法，将燃料通入反扩散火焰燃烧器101内，燃烧器上口与排气管102第一个下孔连接，点燃混合气燃烧产生稳定的碳烟；开启压气机103，鼓入稳定的空气量，通过调压阀104调节进气量，再经加热器105升温，设定升温速率为20℃/min，直至温度传感器107输出加热终温至300℃时并维持，加热后的空气进入排气管用于稀释燃烧产生的碳烟；调节调压阀104，使流量计106的进气流量为3kg/min；碳烟进入颗粒物传感器108，经电路板109处理转换后输出电压信号，由A/D转换器110采集信号值，用计算机111读出电压值为1.7 V ，同时记录此时瞬态烟度计测得的碳烟浓度为15 mg/m³；在相同情况下，减少通入燃烧器的乙烯量产生不同浓度的碳烟，经发明的标定系统测量后，最终计算机读出电压值为0.5 V，对应的颗粒物浓度为5 mg/m³；相同情况下，增加调节通入燃烧器的乙烯量，经标定系统测量后，计算机输出电压值为3.5 V，对应的颗粒物浓度为30mg/m³；记录相同情况下改变不同碳烟浓度对应颗粒物传感器输出的电压值，绘制出标定曲线1，具体见图2的正方形曲线。
实施例2
在实施例1方法的基础上，改变升温速率为10℃/min，温度传感器输出加热终温至200℃，测得电压值为0.4 V时对应的颗粒物浓度为4 mg/m³；改变升温速率为30℃/min，温度传感器输出加热终温至400℃，测得电压值3.8 V时对应的颗粒物浓度为35 mg/m³；记录在相同情况下，改变温度，不同颗粒物浓度对应的电压值，绘制标定曲线2，可得到了一条不同的标定曲线，具体见图2的三角形曲线。
实施例3
在实施例1方法的基础上，相同情况下，通过调节调压阀改变不同的进气流量，调节进气流量为2kg/min时，测得电压值为0.6 V时对应的颗粒物浓度为6mg/m³；调节进气流量为4kg/min时，测得电压值为 3.2 V时对应的颗粒物浓度为28 mg/m³。记录在相同情况下，改变进气流量，不同颗粒物浓度对应的电压值，绘制标定曲线3，可得到另一条不同的标定曲线，具体见图2的圆形曲线。

Claims (4)

1.一种颗粒物传感器的标定系统进行测量的方法，所述系统包括反扩散火焰燃烧器、排气管、空气调节输送加热装置，流量计、温度传感器、颗粒物传感器、放大颗粒物传感器电压信号的电路板、A/D转换器、计算机和瞬态烟度计；空气调节输送加热装置连接排气管进口；排气管从左到右依次开有5个孔，反扩散火焰燃烧器与排气管第一个下孔连接；流量计与排气管第二个下孔相连；温度传感器与颗粒物传感器分别与排气管上端的两个开孔依次连接，颗粒物传感器依次连接电路板、A/D转换器、计算机；瞬态烟度计通过吸气管与排气管第三个下孔连接，其特征在于：将燃料通入反扩散火焰燃烧器内，燃烧器上口与排气管相通，点燃混合气燃烧产生稳定的碳烟；开启空气调节输送加热装置的压气机，鼓入稳定的空气量；通过空气调节输送加热装置的调压阀调节进气量，再经过空气调节输送加热装置的加热器升温，模拟发动机排气温度，加热后空气进入排气管用于稀释燃烧产生的碳烟；通过流量计读出调压阀调节所产生不同的进气流量；温度传感器输出稀释后的颗粒物温度；碳烟进入颗粒物传感器，输出电流信号，经电路板放大转换后输出电压信号，再由A/D转换器采集信号值，通过计算机读出电压值；碳烟进入颗粒物传感器的同时开启瞬态烟度计，测量输出瞬态碳烟浓度；记录不同碳烟浓度下颗粒物传感器所输出的电压值，绘制出不同碳烟浓度下电压值变化的标定曲线，从而得到准确的颗粒物浓度。
2.如权利要求1所述的一种颗粒物传感器的标定系统进行测量的方法，其特征在于：所述空气调节输送加热装置由压气机、调压阀和加热器组成，压气机出口与调压阀连接，调压阀右接加热器，加热器连接排气管进口。
3.如权利要求1所述的一种颗粒物传感器的标定系统进行测量的方法，其特征在于：所述的反扩散火焰燃烧器由内中外三根同心金属管组成：内管提供空气；中管，燃料乙烯在里面流动；外管用以提供氮气，保持火焰稳定燃烧。
4.如权利要求3所述的一种颗粒物传感器的标定系统进行测量的方法，其特征在于：氮气的流量为25.74L/min，空气压力为8.3kPa。
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