CN104880339A - 一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统 - Google Patents

Abstract

一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统属于发动机排放测试技术领域发明，由分流多点采样单元、一级热稀释单元、挥发性粒子去除单元、二级稀释冷却单元、电子控制单元等模块组成。分流多点采样单元对发动机不同取样点进行分流采样；一级热稀释单元对样本气体进行过程温度可控的一级热稀释；挥发性粒子去除单元利用加热器去除样本气体中挥发性、半挥发性粒子成分；二级稀释冷却单元利用对样本气体进行稀释比可精确控制的二级稀释及冷却；电子控制单元对整个系统的工作状态进行实时监测和控制；与现有技术相比，该系统具备多点采样、稀释温度可控、总稀释比控制精度高、避免挥发性及半挥发性组分影响试验精度及试验可重复性等优点。

Description

一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统

技术领域

本发明属于发动机排放测试技术领域，涉及一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统。

背景技术

由于汽油机保有量远大于柴油机，以及作为汽油机未来主要发展方向的缸内直喷汽油机微粒排放较高等两方面原因，国际国内开展了许多关于缸内直喷汽油机微粒物排放方面的研究，排放法规也对缸内直喷汽油机微粒物排放做出了明确限制。

该方面研究及测试首先需要满足排放法规要求的专用微粒采样系统。微粒采样系统最重要的参数是稀释比和稀释温度，理想的微粒采样系统应该能够实现对稀释比和稀释温度这两个采样过程关键参数的精确控制。而目前市场上的相关装置没有稀释通道加热装置及蒸发管等关键组件，仅能够实现对稀释比的控制，忽略了对稀释温度的控制，同时没有配置相应的电子控制单元，采用手动调节的方式控制稀释比，从而对稀释比控制精度、整体试验准确度造成影响。

发明内容

为了克服现有技术只能手动调节、稀释比控制精度较差且无法控制稀释温度的不足，本发明提供了一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统。利用电子控制单元及相关传感器执行器等，在对采样过程稀释比精确控制的基础上，完成了对另一采样过程关键参数--稀释温度的精确控制，从而提高了相关试验的准确性及试验可重复性等。

本发明是采用以下技术方案实现的，结合附图：

所述一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统由分流多点采样单元、一级热稀释单元、挥发性粒子去除单元、二级稀释冷却单元、电子控制单元等模块组成；具体包含部件为涡轮机前取样探头(3)、涡轮机后取样探头(5)、粒谱分析仪取样探头(20)、文丘里管样本输送管路(8)、涡轮机前取样通路电磁阀(4)、涡轮机后取样通路电磁阀(6)、三通阀(7)、文丘里管(9)、空气滤清器I(10)、空气滤清器II(18)、风机I(11)、风机II(21)、一级稀释通道(13)、一级稀释通道加热器(12)、蒸发管(15)、蒸发管加热器(14)、弯头传输管(16)、二级稀释通道(17)、空气流量控制阀(19)、抽气泵(22)、二氧化碳浓度传感器I(26)、二氧化碳浓度传感器II(29)、温度传感器I(27)、温度传感器II(28)、电子控制单元(24)、上位PC机(25)等。

分流多点采样单元由涡轮机前取样探头(3)、涡轮机后取样探头(5)、涡轮机前取样通路电磁阀(4)、涡轮机后取样通路电磁阀(6)、三通阀(7)、文丘里管样本输送管路(8)组成；其中涡轮机前取样探头(3)和涡轮机后取样探头(5)取发动机排气中的部分流进入整个热稀释系统；涡轮机前取样通路电磁阀(4)和涡轮机后取样通路电磁阀(6)由上位PC机(25)通过电子控制单元(24)控制其开闭，选择采样点为发动机涡轮机(2)前或者发动机涡轮机(2)后；三通阀(7)负责连接发动机涡轮机(2)前后的取样通路及文丘里管(9)的抽气通路。

上述分流多点采样单元各部件连接关系如下：涡轮机前取样探头(3)、涡轮机后取样探头(5)的中心轴线与发动机排气管(1)的中心轴线平行，涡轮机前取样探头(3)和涡轮机后取样探头(5)的入口面向气流方向，取样探头及传输管内径为10mm；涡轮机前取样探头(3)的入口安装在发动机涡轮机(2)前侧，出口与涡轮机前取样通路电磁阀(4)连接，之后与三通阀(7)上端口通过法兰连接；涡轮机后取样探头(5)安装在发动机涡轮机(2)后侧，后方与涡轮机后取样通路电磁阀(6)连接，之后与三通阀(7)下端口通过法兰连接。

一级热稀释单元由风机I(11)、空气滤清器I(10)、文丘里管(9)、文丘里管样本输送管路(8)、一级稀释通道(13)、一级稀释通道加热器(12)组成；其中文丘里管样本输送管路(8)将来自三通阀(7)的废气导入文丘里管(9)抽气口；文丘里管(9)抽取废气并将其导入一级稀释通道(13)；风机I(11)向一级稀释通道(13)中送入新鲜空气；空气滤清器I(10)将风机I(11)抽取的空气进行过滤；一级稀释通道(13)提供新鲜空气与样本废气混合稀释的容腔；一级稀释通道加热器(12)配合温度传感器I(27)、电子控制单元(24)、上位PC机(25)等，在废气一级稀释过程中，对整个稀释过程进行温度控制，其温度调节范围为20摄氏度至300摄氏度。

上述一级热稀释单元各部件连接关系如下：文丘里管样本输送管路(8)入口与三通阀(7)出口通过法兰连接，文丘里管样本输送管路(8)出口与文丘里管(9)的抽气口通过焊接方式连接；风机I(11)的出风口与空气滤清器I(10)的入口通过法兰连接，空气滤清器I(10)的出口通过法兰与文丘里管(9)的入口相连，文丘里管(9)的出口通过法兰与一级稀释通道(13)的入口相连，风机I(11)、空气滤清器I(10)、文丘里管(9)、一级稀释通道(13)的轴线重合；一级稀释通道加热器(12)由九组铸铝加热器并联构成，每一组铸铝加热器由两块半圆套型铸铝加热器通过螺栓连接构成，在所述一级热稀释系统中，分别将九组半圆套型铸铝加热器构成的完整圆套通过螺栓固定于一级稀释通道(13)外侧，且保证紧密贴合。

挥发性粒子去除单元由蒸发管(15)、蒸发管加热器(14)组成；其中蒸发管(15)的作用是提供给经一级热稀释系统稀释过的样本气体一个蒸发容腔，用以去除样本气体中的挥发性、半挥发性组分，以免对使测量结果产生误差；蒸发管加热器(14)配合温度传感器II(28)、电子控制单元(24)、上位PC机(25)等，样本气体挥发性组分去除过程中，对整个蒸发过程进行温度控制，其温度调节范围为20摄氏度至500摄氏度。

上述挥发性粒子去除单元各部件连接关系如下：蒸发管(15)入口与一级稀释通道(13)出口之间通过传输管密封连接；蒸发管加热器(14)由两组铸铜加热器并联构成，每一组铸铜加热器由两块半圆套型铸铜加热器通过螺栓连接构成，在所述挥发性粒子去除系统中，分别将两组半圆套型铸铜加热器构成的完整圆套通过螺栓固定于蒸发管(15)外侧，且保证紧密贴合。

二级稀释冷却单元由弯头传输管(16)、空气滤清器II(18)、空气流量控制阀(19)、二级稀释通道(17)、粒谱分析仪取样探头(20)、抽气泵(22)、风机II(21)等部件组成；其中弯头传输管(16)将通过挥发性粒子去除系统的样本气体引入二级稀释通道(17)；空气滤清器II(18)提前将进入二级稀释通道(17)的空气进行过滤；空气流量控制阀(19)与电子控制单元(24)、上位PC机(25)、二氧化碳浓度传感器I(26)、二氧化碳浓度传感器II(29)配合，对进入二级稀释通道(17)的空气流量进行控制，从而实现对稀释比的控制，其自带位置反馈电压信号；二级稀释通道(17)提供一个来自挥发性粒子去除系统的样本气体与空气进行二次稀释的容腔，样本气体在此容腔中完成稀释以增大稀释比调节范围、完成冷却以满足粒谱分析仪(23)对样本气体的温度要求；粒谱分析仪取样探头(20)与抽气泵(22)配合将经过两级稀释后的样本气体引入粒谱分析仪(23)；风机II(21)用于提供二级稀释通道(17)内空气运动动能。

上述二级稀释冷却单元各部件连接关系如下：二级稀释通道(17)通过弯头传输管(16)与蒸发管(15)密封连接；空气滤清器II(18)、空气流量控制阀(19)、二级稀释通道(17)、风机II(21)等依次通过法兰连接；弯头传输管(16)的出口背向稀释空气流动方向安装，且安装在距离样本气体下游出口大约15倍管道直径的地方，弯头传输管(16)尾部中心轴与二级稀释通道(17)中心轴平行；粒谱分析仪取样探头(20)的入口面向稀释空气流动方向安装，且安装在距离样本气体上游进口大约15倍管道直径的地方，探头前段的中心轴与二级稀释通道(17)中心轴平行；抽气泵(22)的吸风口与粒谱分析仪取样探头(20)通过传输管路密封连接。

电子控制单元(24)与上位PC机(25)、二氧化碳浓度传感器I(26)、二氧化碳浓度传感器II(29)、温度传感器I(27)、温度传感器II(28)、一级稀释通道加热器(12)、蒸发管加热器(14)、空气流量控制阀(19)、涡轮机前取样通路电磁阀(4)、涡轮机后取样通路电磁阀(6)等部件配合工作；其中电子控制单元(24)完成对由温度传感器I(27)、温度传感器II(28)、二氧化碳浓度传感器I(26)、二氧化碳浓度传感器II(29)、空气流量控制阀(19)位置反馈等传感器产生的模拟信号的采集及模数转换，完成对涡轮机前取样通路电磁阀(4)、涡轮机后取样通路电磁阀(6)、一级稀释通道加热器(12)、蒸发管加热器(14)、空气流量控制阀(19)等执行器的控制，完成与PC机之间的通信；上位PC机(25)与电子控制单元(24)实时通信，用于对整个系统的工作状态进行实施监测和控制，提供友好的系统观测及控制界面；二氧化碳浓度传感器I(26)和二氧化碳浓度传感器II(29)分别测量进入一级稀释通道(13)之前的样本气体二氧化碳浓度及进入粒谱分析仪(23)之前的样本气体二氧化碳浓度，基于这两个浓度可以计算得出整个系统的稀释比；温度传感器I(27)和温度传感器II(28)分别测量一级热稀释系统的热稀释温度及挥发性粒子去除系统的蒸发温度；一级稀释通道加热器(12)在电子控制单元(24)控制下调整一级热稀释系统的热稀释温度，调整范围为20摄氏度至300摄氏度；蒸发管加热器(14)在电子控制单元(24)的控制下调整挥发性粒子去除系统的蒸发温度，调整范围为300摄氏度至500摄氏度。

上述电子控制单元(24)及配合部件连接关系如下：上位PC机(25)、二氧化碳浓度传感器I(26)、二氧化碳浓度传感器II(29)、温度传感器I(27)、温度传感器II(28)、一级稀释通道加热器(12)、蒸发管加热器(14)、空气流量控制阀(19)、涡轮机前取样通路电磁阀(4)、涡轮机后取样通路电磁阀(6)、外部电源等分别与电子控制单元(24)通过线束连接；二氧化碳浓度传感器I(26)安装于文丘里管样本输送管路(8)内部，面向气体流动方向，二氧化碳浓度传感器II(29)安装于抽气泵(22)前管道内，面向气体流动方向；温度传感器I(27)、温度传感器II(28)分别安装于铸铝加热器表面和铸铜加热器表面。

上述电子控制单元(24)及配合部件具体工作原理介绍如下：电子控制单元(24)由电源管理子单元、单片机子单元、通信子单元、传感器信号处理子单元、驱动器控制子单元等各部分组成；其中电源管理子单元将蓄电池电压转化为5V直流电压，供给给单片机子单元、二氧化碳传感器、空气流量控制阀(19)等，并具有反接保护和电源滤波功能；单片机子系统具有SCI串行通信接口、A/D转换接口、输入捕捉接口、BDM调试接口、I/O接口、PWM输出接口等，SCI串行通信接口与通信子单元连接，A/D转换接口及输入捕捉接口与传感器信号处理子单元连接，I/O接口及PWM输出接口与执行器驱动子单元连接，BDM接口用以进行控制程序刷写及修改；通信子单元与上位PC机(25)连接，用以进行系统检测和控制；传感器信号处理子单元接收温度传感器、空气流量控制阀开度反馈发出的电压信号，并输送至单片机子单元进行A/D转换处理，接收二氧化碳浓度传感器发出的变占空比PWM信号，并输送至单片机进行输出捕捉，通过测量PWM信号占空比获得测点二氧化碳浓度；执行器驱动子单元接收单片机子单元I/O口高低位信号，该信号通过继电器控制取样电路电磁阀及加热器交流接触器开断，接收单片机子单元PWM输出信号，该信号通过电机驱动芯片控制空气流量控制阀(19)开度。

上述电子控制单元(24)对一级稀释通道加热器(12)温度、蒸发管加热器(14)温度及空气流量控制阀(19)开度的控制均采用经典PID控制器；其中一级稀释通道加热器(12)及蒸发管加热器(14)的PID控制器输入为目标温度与温度传感器I(27)、温度传感器II(28)测量温度差值，输出为通电时常占空比，以10s为一周期，通过调整Kp、Ki、Kd三个控制参数达到最优控制；空气流量控制阀(19)的控制器输入为目标稀释比与通过二氧化碳浓度传感器I(26)和二氧化碳浓度传感器II(29)计算得出稀释比差值，输出为单片机PWM输出占空比，通过调整Kp、Ki、Kd三个控制参数达到最优控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本缸内直喷汽油机排气热稀释采样系统及电子控制单元采用一级热稀释单元、挥发性粒子去除单元、二级稀释冷却单元相串联的形式对样本废气进行处理，相比现有稀释采样系统，可以实现对废气稀释采样过程中稀释温度这一关键影响参数的精确控制；

2.本缸内直喷汽油机排气热稀释采样系统及电子控制单元配置了挥发性粒子去除系统，可以有效去除排气成分中对微粒数量浓度测量产生显著影响的挥发性、半挥发性组分，相比现有稀释采样系统，显著提高试验精度及试验可重复性；

3.本缸内直喷汽油机排气热稀释采样系统及电子控制单元配置了专用电子控制单元，通过采集温度传感器、二氧化碳浓度传感器、空气流量控制阀位置反馈等传感器信号，并经过控制器处理之后，完成对采样过程中热稀释温度、稀释比等关键参数的精确控制，相比现有稀释采样系统采用人工控制的方式，其控制精度高、达到期望值的速度相应快；

4.本缸内直喷汽油机排气热稀释采样系统配置了取样通路电磁阀，并由电子控制单元控制其开闭，可以分别选择不同的采样点进行废气采集及后续分析，完成不同采样点微粒数量测量的对比试验。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本缸内直喷汽油机排气热稀释采样系统及电子控制单元的总体连接示意图；

图2为电子控制系统的硬件结构简图；

图3为稀释采样过程中热稀释温度控制方法的原理图；

图4为稀释采样过程中稀释比控制方法的原理图；

图5为一级稀释通道加热器与蒸发管加热器的电气连接示意图；

图6为电子控制单元程序流程图。

图中：(1)发动机排气管，(2)发动机涡轮机，(3)涡轮机前取样探头，(4)涡轮机前取样通路电磁阀，(5)涡轮机后取样探头，(6)涡轮机后取样通路电磁阀，(7)三通阀，(8)文丘里管样本输送管路，(9)文丘里管，(10)空气滤清器I，(11)风机I，(12)一级稀释通道加热器，(13)一级稀释通道，(14)蒸发管加热器，(15)蒸发管，(16)弯头传输管，(17)二级稀释通道，(18)空气滤清器II，(19)空气流量控制阀，(20)粒谱分析仪取样探头，(21)风机II，(22)抽气泵，(23)粒谱分析仪，(24)电子控制单元，(25)上位PC机，(26)二氧化碳浓度传感器I，(27)温度传感器I，(28)温度传感器II，(29)二氧化碳浓度传感器II。

具体实施方式

以总体稀释比200：1、一级热稀释系统稀释温度200℃、挥发性粒子去除系统蒸发温度300℃、涡轮机前采样为例来具体说明本发明的实施方式。

本发明电子控制单元采用9S12XDP512型号单片机作为核心芯片，工作时先进行系统上电，单片机随之进行内部模块初始化，其中包括PWM初始化、ATD初始化、I/0初始化、PIT初始化、SCI初始化、锁相环初始化等，随后进入主循环函数，主循环函数包括AD转换函数、温度PID控制器函数、开度PID控制器函数、开度控制函数，另外单片机每收到一次SCI接收触发或每隔1ms，会分别进入SCI中断函数及PIT中断函数。

电子控制单元的流程图如图6所示，上述SCI中断函数用以实现操作人员对整个热稀释采样系统的实施控制，其SCI发送子函数中自定义的发送格式为一次发送6个单字节的16进制控制参数senddata[0,1,2,3,4,5]；如图6，其中senddata[0]赋值给程序内部的Rx变量，其含义为若Rx＝1，则进行发动机涡轮机(2)前采样，即开启涡轮机前取样通路电磁阀(4)，关闭涡轮机后取样通路电磁阀(6)，若Rx＝0，则进行发动机涡轮机(2)后采样，即关闭涡轮机前取样通路电磁阀(4)，开启涡轮机后取样通路电磁阀(6)；senddata[1]赋值给程序内部的Rt[0]，用以提供温度PID控制器函数所需要的铸铝加热器1、2、3的目标温度；senddata[2]赋值给程序内部的Rt[1]，用以提供温度PID控制器函数所需要的铸铝加热器4、5、6的目标温度；senddata[3]赋值给程序内部的Rt[2]，用以提供温度PID控制器函数所需要的铸铝加热器7、8、9的目标温度；senddata[4]赋值给程序内部的Rt[3]，用以提供温度PID控制器函数所需要的铸铜加热器1、2的目标温度；senddata[5]赋值给程序内部的Rk变量，用以提供开度PID控制器函数所需要的系统目标稀释比。

如图5所示，一级稀释通道加热器(12)由九组铸铝加热器联合构成，其中铸铝加热器1、2、3受交流接触器1控制，其目标温度由单片机内部变量Rt[0]提供，铸铝加热器4、5、6受交流接触器2控制，其目标温度由单片机内部变量Rt[1]提供，铸铝加热器7、8、9受交流接触器3控制，其目标温度由单片机内部变量Rt[2]提供，在此处说明中，将铸铝加热器1、2、3的目标温度设置为198℃，将铸铝加热器4、5、6的目标温度设置为200℃，将铸铝加热器7、8、9的目标温度设置为202℃，将九组铸铝加热器的目标温度分开的目的在于避免整个加热系统发生过大的电流突变，从而对实验室其他仪器设备产生干扰；蒸发管加热器(14)由两组铸铜加热器联合构成，均受交流接触器4控制，其目标温度由单片机内部变量Rt[3]提供，蒸发管加热器(14)采用铸铜加热器，可以拥有比一级稀释通道加热器更高的加热温度，此处将铸铜加热器目标温度设置为300℃；交流接触器1,2,3,4的通断分别受继电器1,2,3,4通断的控制，而继电器1,2,3,4的通断则由单片机控制。

上述AD转换函数用以接收来自温度传感器信号及空气流量控制阀(19)位置反馈信号，并将这两个模拟信号转换为单片机可识别的数字信号，并分别传递给温度PID控制器函数中表征实际温度的变量和开度PID控制器函数中表征实际开度的变量；AD转换函数在进行模数转换时采用查询转换模式，不需进入中断即可完成。

上述温度PID控制器函数用以计算RTI中断函数所需温度控制变量Utx，其系统框图如图3，其中一级稀释通道加热器(12)三段温度的PID控制器输入为目标温度与温度传感器I(27-1/27-2/27-3)测量温度差值，输出为通电时常占空比×10s，以10s为一周期，通过调整Kp、Ki、Kd三个控制参数达到最优控制，并将得到的三组通电时常占空比×10s的值分别赋值给RTI中断函数中的Ut1、Ut2、Ut3变量，用以控制一级稀释通道加热器(12)的三段温度值；其中蒸发管加热器(14)的PID控制器输入为目标温度与温度传感器II(28)测量温度差值，输出为通电时常占空比×10s，以10s为一周期，通过调整Kp、Ki、Kd三个控制参数达到最优控制，并将得到的通电时常占空比×10s的值赋值给RTI中断函数中的Ut4变量，用以控制蒸发管加热器(14)的温度值。

上述开度PID控制器函数用以计算开度控制函数所需开度控制变量Uk，其系统框图如图4，该控制器输入为目标稀释比与通过二氧化碳浓度传感器I(26)和二氧化碳浓度传感器II(29)计算得出稀释比差值，计算公式如下：

输出为单片机PWM输出占空比，通过调整Kp、Ki、Kd三个控制参数达到最优控制，并将得到的PWM输出占空比赋值给开度控制函数中的Uk变量，用以控制空气流量控制阀(19)的开度。

上述开度控制函数用以控制空气流量控制阀(19)的开度，从而控制系统稀释比，它接收来自开度PID控制器函数计算得出的PWM占空比值，并赋值给Uk变量，从而通过PWM波占空比来控制空气流量控制阀(19)的阀门开度，此处将目标稀释比设置为200：1。

上述取样通路选择函数用以选择系统采样点为发动机涡轮机(2)前或发动机涡轮机(2)后，它接收来自SCI中断函数的Rx变量，且当Rx＝1时，通过单片机I/O口开启涡轮机前取样通路电磁阀(4)，关闭涡轮机后取样通路电磁阀(6)；当Rx＝0时，通过单片机I/O口关闭涡轮机前取样通路电磁阀(4)，开启涡轮机后取样通路电磁阀(6)；当Rx＝3时，将两处取样通路电磁阀均关闭；此处将Rx设置为1，选择涡轮机前采样。

上述PIT中断函数用以对一级稀释通道加热器(12)和蒸发管加热器(14)进行温度控制，在初始化时，默认开启继电器1/2/3/4，并将PIT中断间隔设置为1ms，即单片机每隔1ms进入一次PIT中断函数。在此函数中定义有四个关键变量，分别为tms、ts、t、Utx(Ut1、Ut2、Ut3、Ut4)，其中tms为毫秒单位计数，在每次进入PIT中断函数时加1,1000时溢出归零；ts以秒为单位计数，在每次tms变量溢出时加1；t为ts×1000与tms的和，表征总时长，其单位为ms；Utx由温度PID控制器函数赋值，表征加热器各段达到目标温度所需的通电时常；则当t＝＝Utx时，通过单片机I/O口关闭继电器，当ts＝＝10时，通过单片机I/O口开启继电器，并通过SCI查询发送方式向试验操作者反馈当前系统状态，包括采样点、加热器各段温度、系统总稀释比等。

当试验结束后，通过SCI中断函数将加热器各段目标温度及系统目标稀释比设置为0，待PIT中断函数反馈加热器各段温度及系统总稀释比均为0时，断电结束试验。

Claims (10)

1.一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统，其特征在于：由分流多点采样单元、一级热稀释单元、挥发性粒子去除单元、二级稀释冷却单元、电子控制单元等模块组成；

所述一种缸内直喷汽油机排气微粒部分流热稀释采样系统及电子控制单元具体包含部件为涡轮机前取样探头(3)、涡轮机后取样探头(5)、粒谱分析仪取样探头(20)、文丘里管样本输送管路(8)、涡轮机前取样通路电磁阀(4)、涡轮机后取样通路电磁阀(6)、三通阀(7)、文丘里管(9)、空气滤清器I(10)、空气滤清器II(18)、风机I(11)、风机II(21)、一级稀释通道(13)、一级稀释通道加热器(12)、蒸发管(15)、蒸发管加热器(14)、二级稀释通道(17)、空气流量控制阀(19)、抽气泵(22)、二氧化碳浓度传感器I(26)、二氧化碳浓度传感器II(29)、温度传感器I(27)、温度传感器II(28)、电子控制单元(24)、上位PC机(25)。

2.根据权利要求1所述的一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统，其特征在于：所述分流多点采样单元各部件连接关系为涡轮机前取样探头(3)和涡轮机后取样探头(5)的中心轴与发动机排气管(1)的中心轴平行，面向气流方向，取样探头及传输管内径为10mm；涡轮机前取样探头(3)安装在发动机涡轮机(2)前侧，后方与涡轮机前取样通路电磁阀(4)连接，之后与三通阀(7)上端口通过法兰连接；涡轮机后取样探头(5)安装在发动机涡轮(5)后侧，后方与涡轮机后取样通路电磁阀(6)连接，之后与三通阀(7)下端口通过法兰连接。

3.根据权利要求1所述的一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统，其特征在于：所述一级热稀释单元各部件连接关系为文丘里管样本输送管路(8)左侧与三通阀(7)右端口通过法兰连接，右侧与文丘里管(9)抽气口焊接连接；风机I(11)、空气滤清器I(10)、文丘里管(9)、一级稀释通道(13)等依次通过法兰连接，且轴线重合；一级稀释通道加热器(12)由九组铸铝加热器并联构成，每一组铸铝加热器由两块半圆套型铸铝加热器通过螺栓连接构成，分别将九组铸铝加热器通过螺栓固定于一级稀释通道(13)外侧，且保证紧密贴合。

4.根据权利要求1所述的一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统，其特征在于：所述挥发性粒子去除单元各部件连接关系为蒸发管(15)与一级稀释通道(13)之间通过传输管密封连接；蒸发管加热器(14)由两组铸铜加热器并联构成，每一组铸铜加热器由两块半圆套型铸铜加热器通过螺栓连接构成，分别将两组铸铜加热器通过螺栓固定于蒸发管(15)外侧，且保证紧密贴合。

5.根据权利要求1所述的一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统，其特征在于：所述二级稀释冷却单元各部件连接关系为二级稀释通道(17)通过弯头传输管(16)与蒸发管(15)密封连接；空气滤清器II(18)、空气流量阀(19)、二级稀释通道(17)、风机II(21)等依次通过法兰连接；弯头传输管(16)背向稀释空气流动方向安装，且安装在距离样本气体下游出口大约15倍管道直径的地方，弯头尾部中心轴与二级稀释通道中心轴平行；粒谱分析仪取样探头(20)面向稀释空气流动方向安装，且安装在距离样本气体上游进口大约15倍管道直径的地方，探头中心轴与二级稀释通道中心轴平行；抽气泵(22)与粒谱分析仪取样探头(20)通过传输管路密封连接。

6.根据权利要求书1所述的一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统，其特征在于：所述电子控制单元(24)由电源管理子单元、单片机子单元、通信子单元、传感器信号处理子单元、驱动器控制子单元等各部分组成；其中电源管理子单元将蓄电池电压转化为5V直流电压，供给给单片机子单元、二氧化碳传感I(26)、二氧化碳传感器II(29)、空气流量控制阀(19)、涡轮机前取样通路电磁阀(4)、涡轮机后取样通路电磁阀(6)等，并具有反接保护和电源滤波功能；单片机子系统具有SCI串行通信接口、A/D转换接口、输入捕捉接口、BDM调试接口、I/O接口、PWM输出接口等，SCI串行通信接口与通信子单元连接，A/D转换接口及输入捕捉接口与传感器信号处理子单元连接，I/O接口及PWM输出接口与执行器驱动子单元连接，BDM接口用以进行控制程序刷写及调试；通信子单元与上位PC机(25)连接，用以进行系统检测和控制；传感器信号处理子单元接收温度传感器I(27)、温度传感器II(28)及空气流量控制阀(19)开度反馈发出的电压信号，并输送至单片机子单元进行A/D转换处理，接收二氧化碳浓度传感器I(26)、二氧化碳浓度传感器II(29)发出的变占空比PWM信号，并输送至单片机进行PWM输入捕捉，通过测量PWM信号占空比计算测点二氧化碳浓度；执行器驱动子单元接收单片机子单元I/O口高低位信号，该信号通过继电器控制涡轮机前取样通路电磁阀(4)、涡轮机后取样通路电磁阀(6)及加热器交流接触器开断，接收单片机子单元PWM输出信号，该信号通过电机驱动芯片控制空气流量控制阀(19)开度。

7.根据权利要求1所述的一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统，其特征在于：所述电子控制单元程序包含SCI中断函数、PIT中断函数、主循环函数等；SCI中断函数由SCI接收触发，实现操作人员对整个热稀释采样系统的实时控制；PIT中断函数每隔1ms触发一次，用以对一级稀释通道加热器(12)和蒸发管加热器(14)进行温度控制，并通过SCI查询发送方式向试验操作者反馈当前系统状态，包括采样点选择、加热器各段温度、系统总稀释比等信息；主循环函数包括初始化函数、AD转换函数、温度PID控制器函数、开度PID控制器函数、开度控制函数等；其中AD转换函数用以接收来自传感器的模拟信号，将其转换为单片机可识别的数字信号，并传递给温度PID控制器函数及开度PID控制器函数；温度PID控制器函数及开度PID控制器函数分别计算PIT中断函数及开度控制函数所需控制变量Utx和Uk；开度控制函数用以控制空气流量控制阀19的开度。

8.根据权利要求7所述的一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统，其特征在于：所述的温度控制器函数采用经典PID控制器计算各段加热器温度控制变量，其中一级稀释通道加热器(12)三段温度的PID控制器输入为目标温度与温度传感器I(27-1/27-2/27-3)测量温度差值，输出为通电时长占空比×10s，以10s为一周期，通过调整Kp、Ki、Kd三个控制参数达到最优控制，并将得到的三组通电时常占空比×10s的值分别赋值给RTI中断函数中的Ut1、Ut2、Ut3变量，用以控制一级稀释通道加热器12的三段温度值；其中蒸发管加热器(14)的PID控制器输入为目标温度与温度传感器II(28)测量温度差值，输出为通电时常占空比×10s，以10s为一周期，通过调整Kp、Ki、Kd三个控制参数达到最优控制，并将得到的通电时常占空比×10s的值赋值给RTI中断函数中的Ut4变量，用以控制蒸发管加热器(14)的温度值。

9.根据权利要求7所述的一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统，其特征在于：所述的开度控制器函数采用经典PID控制器计算空气流量控制阀(19)开度控制变量，其系统框图如图4所示，该控制器输入为目标稀释比与通过二氧化碳浓度传感器I(26)和二氧化碳浓度传感器II(29)计算得出稀释比差值，输出为单片机PWM输出占空比，通过调整Kp、Ki、Kd三个控制参数达到最优控制，并将得到的PWM输出占空比赋值给开度控制函数中的Uk变量，用以控制空气流量控制阀(19)的开度。

10.根据权利要求1所述的一种缸内直喷汽油机排气微粒热稀释采样系统，其特征在于：所述的一级稀释通道加热器12由九组铸铝加热器联合构成，其中铸铝加热器(1/2/3)受交流接触器(1)控制，其目标温度由单片机内部变量Rt[0]提供，铸铝加热器(4/5/6)受交流接触器(2)控制，其目标温度由单片机内部变量Rt[1]提供，铸铝加热器(7/8/9)受交流接触器(3)控制，其目标温度由单片机内部变量Rt[2]提供，工作时将九组铸铝加热器的目标温度以2℃为间隔分开，目的在于在不影响控制精度的前提下，避免整个加热系统发生过大的电流突变，从而对实验室其他仪器设备产生干扰；蒸发管加热器(14)由两组铸铜加热器联合构成，均受交流接触器(4)控制，其目标温度由单片机内部变量Rt[3]提供，蒸发管加热器(14)采用铸铜加热器，拥有比一级稀释通道加热器更高的加热温度；交流接触器的通断各自受到继电器通断的控制，而继电器的通断由电子控制单元控制。