CN107179266A - 基于obd的柴油发动机颗粒物排放快速诊断装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OBD的柴油发动机颗粒物排放快速诊断的测量装置及方法。本发明测量装置包括测量单元、控制单元、信号采集单元；测量单元由设置于采样通道内的依次串联的电荷消除区、电离‑荷电区、静电捕集区和测量区组成，所述电荷消除区设置双层金属网结构；所述电离‑荷电区输入高压直流信号，采用电晕放电方式，使颗粒物充分荷电；所述静电捕集区采用的方波脉冲电压信号，所述测量区采用法拉第杯结构并加上负直流电压，所述信号采集单元采用法拉第杯结构并接有测量导线。本发明采用静电放电的方法，结构简单，可以实现颗粒物数量浓度和质量浓度的测量，可用于复杂的发动机排气环境，测量颗粒物粒径范围大，尤其是针对纳米颗粒物具有较高的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及车用柴油发动机和工程机械用柴油发动机尾气颗粒物排放污染控制技术与故障诊断领域，特别是涉及一种基于车载诊断系统(On-Board Diagnostic，OBD)的柴油发动机颗粒物排放快速诊断装置与方法。
背景技术
随着环境污染问题的日益加剧，车用和工程机械柴油发动机尾气排放污染问题被日益关注，但由于对动力性和经济性的重要需求，柴油机依然被广泛应用于大功率运输车和乘用车之中。由于柴油机采用缸内直喷的供油方式，混合气的雾化效果差，因此在高温作用下缺氧燃烧生成较多的细或超细颗粒物(Particulate Matter-PM)。颗粒物的产生不仅对大气环境带来严重的污染问题，还对人的身体健康带来巨大的影响。为此，国内外的排放法规在PM排放限值上都呈现严格态势。
目前，为降低柴油机颗粒物排放通常采用后处理控制技术，即通过串联在排气管上的柴油机颗粒物捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)收集排气中的颗粒物以达到控制颗粒物排放的目的。然而排放法规中对OBD技术的要求和颗粒物排放限值的苛刻，原有的测量DPF前后压差的方法，响应时间较长，测量精度低，诊断DPF运行状态已变得不太适用，因此需要研发一种基于OBD的柴油发动机颗粒物排放快速诊断的测量方法与装置。
近年来，国内外开发的测量柴油机排放颗粒物装置的工作原理主要包括光散射方法、压电振动方法、电化学反应方法和漏电流法等，而且内部一般采用文丘里管原理形成气-固二相流动。然而，柴油机的排气环境非常复杂，颗粒物粒径细小(通常为亚微米级，甚至纳米级颗粒物)，对测量造成相当大的困难。同时，排气中的颗粒物自身还携带有一定量的电荷，对测量过程产生很大的干扰。
因此，为了能够提高测量颗粒物排放的精度和实时监测柴油机DPF后处理系统的运行状态，需要采取一种有效的基于OBD的柴油发动机颗粒物排放快速诊断的测量方法与装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有诊断测量装置的技术不足，而提供一种基于OBD的柴油发动机颗粒物排放快速诊断的测量装置与方法。
为实现本发明的目的，本发明一种基于OBD的柴油发动机颗粒物排放快速诊断的测量装置，其特征在于，包括测量单元、控制单元、信号采集单元；测量单元由设置于采样通道内的依次串联的电荷消除区、电离-荷电区、静电捕集区和测量区组成，采样口位于采样通道首端，所述电荷消除区设置双层金属网结构；所述电离-荷电区输入高压直流信号，采用电晕放电方式，在荷电区内产生大量离子，使颗粒物充分荷电；所述静电捕集区采用的方波脉冲电压信号，所述测量区采用法拉第杯结构并加上负直流电压，所述信号采集单元采用法拉第杯结构并接有测量导线，将电流信号导入电控单元(ECU)中，经过ECU内部滤波、放大实现信号处理，转换为颗粒物数量浓度或质量浓度，所述控制单元采用集成电路，使用80C196MC单片机控制。
其中，所述电离-荷电区、静电捕集区和测量区下方均置有热电阻当颗粒物积聚一定量时，热电阻通电加热使颗粒物氧化，温度能够达到600-800度，实现装置自清洁作用。
本发明还提供了一种基于OBD的柴油发动机颗粒物快速诊断方法，包括如下步骤：
步骤1.发动机排气在排气管与环境大气之间的压力差作用下，通过测量装置的采样口进入采样通道；
步骤2.在采样通道中，电荷消除区采用双层金属网结构，从发动机排气门排出的颗粒物自身携带一定电荷，其与采样通道内金属网接触后，电荷自然消除，达到排除测量干扰因素的目的；
步骤3.电荷消除后的颗粒物进入电离-荷电区，电离-荷电区输入高压直流信号，产生电晕放电，在荷电区内产生大量离子，使颗粒物充分荷电；
步骤4.荷电后的颗粒物进入静电捕集区，静电捕集区采用方波脉冲电压信号，当电压信号为V0时，静电捕集区仅能收集电离-荷电区内未参与颗粒物荷电的剩余离子，测量区测量出的电流信号为I1；当电压为V1(V1>V0)时，静电捕集区能够收集电离-荷电区内产生的未参与颗粒物荷电的剩余离子和部分荷电的颗粒物，测量区测量出的电流信号为I2。
步骤5.电控单元ECU采集电流信号I1和I2后作差值，由于I1与I2的差值与颗粒物数量浓度和颗粒物质量浓度成线性关系(具体原理见原理说明)，因此可通过ECU将电流差值转换为颗粒物数量浓度或质量浓度，实现基于OBD的快速、实时、精确诊断的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用静电放电的方法，结构简单，可以实现颗粒物数量浓度和质量浓度的测量，可用于复杂的发动机排气环境，测量颗粒物粒径范围大，尤其是针对纳米颗粒物具有较高的测量精度。
附图说明
图1所示为本发明检测装置结构示意图；
图2所示为本发明结构示意图。
图中：1-排气采样口，2-采样通道，3-双层金属网，4-收集极板，5-耐高温绝缘陶瓷材料，6-法拉第杯装置，7-负直流电压，8-方波脉冲电压，9-高压直流，10-电控单元(ECU)，11-排气管，A-电荷消除区，B-电离-荷电区，C-静电捕集区，D-测量区。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-2所示，测量单元共四个部分：电荷消除区A、电离-荷电区B、静电捕集区C和测量区D。四个区域按电荷消除区A、电离-荷电区B、静电捕集区C和测量区D顺序相串联。所述电荷消除区采用双层金属网结构3，从发动机排气门排出的颗粒物自身携带一定电荷，其与采样通道内金属网接触后，电荷自然消除，达到排除测量干扰因素的目的。所述电离-荷电区B输入高压直流信号9，产生电晕放电，在荷电区内产生大量离子，使颗粒物充分荷电；所述静电捕集区C采用的方波脉冲电压信号8，当电压信号为V0时，静电捕集区C仅能收集电离-荷电区B内未参与颗粒物荷电的剩余离子；当电压为V1(V1>V0)时，静电捕集区C能够收集电离-荷电区B内产生的未参与颗粒物荷电的剩余离子和部分荷电的颗粒物，所述测量区D采用法拉第杯结构6并加上负直流电压7，目的是充分捕集荷电颗粒物，当静电捕集区C处于电压V0时，测量区D测量出的电流信号为I1；(法拉第杯接有测量导线与电控单元(ECU)直接相连，当荷电颗粒物接触法拉第杯结构时形成电流信号并通过测量导线导入电控单元(ECU)之中)当静电捕集区C处于电压V1时，此时测量区D测量出的电流信号为I2；由于I1-I2与颗粒物数量浓度和颗粒物质量浓度成线性关系，因此可通过电控单元(ECU)10将电流差值转换为颗粒物数量浓度或质量浓度，实现基于OBD的快速、实时、精确诊断的目的；装置内壁包裹有耐高温绝缘陶瓷材料5；采样口1通过采样通道2与排气管11相通，实现发动机排气快速进入检测装置，并在测量后排放到大气中。
电离-荷电区B、沉淀区C和静电捕集区D下方均置有热电阻与K偶测温线，当颗粒物积聚一定量时，热电阻通电加热使颗粒物氧化，温度能够达到600-800度，实现装置自清洁作用。
在每次柴油车启动前，所述装置因与环境大气保持相通，可以实现无排气颗粒物条件下的零点标定功能。
原理说明
符号说明：
e基本电荷量 n颗粒物荷电数量
Cc肯宁汉修正系数 dp颗粒物迁移粒径
N颗粒物数量浓度 M颗粒物质量浓度
σpn颗粒物数量浓度标准差 dpn颗粒物数量平均粒径
粒径为dp的颗粒物质量 颗粒物平均质量
ξ颗粒物收集分数，(Ep1收集区场强，Lp1收集板长度，
Dp1收集板宽度，η空气粘度，υ颗粒物运动速度)
已知：
颗粒物荷电数量n∝dp＝C1dp，肯宁汉修正系数
颗粒物数量分布密度函数
可推导变换为
其中颗粒物数量浓度
颗粒物质量密度函数可知df∝C2dg，其中
当处于低电压V0
可推导
当处于高电压V1
可推导
已知可得I1-I2∝M
同理I1-I2∝N。
Claims (3)
1.一种基于OBD的柴油发动机颗粒物排放快速诊断的测量装置，其特征在于，包括测量单元、控制单元、信号采集单元；测量单元由设置于采样通道内的依次串联的电荷消除区、电离-荷电区、静电捕集区和测量区组成，采样口位于采样通道首端，所述电荷消除区设置双层金属网结构；所述电离-荷电区输入高压直流信号，采用电晕放电方式，在荷电区内产生大量离子，使颗粒物充分荷电；所述静电捕集区采用的方波脉冲电压信号，所述测量区采用法拉第杯结构并加上负直流电压，所述信号采集单元采用法拉第杯结构并接有测量导线，将电流信号导入电控单元中，经过电控单元内部滤波、放大实现信号处理，转换为颗粒物数量浓度或质量浓度，所述控制单元采用集成电路，使用型号80C196MC单片机控制。
2.根据权利要求1所述的基于OBD的柴油发动机颗粒物排放快速诊断的测量装置，其特征在于，所述电离-荷电区、静电捕集区和测量区下方均置有热电阻。
3.一种使用权利要求1所述基于OBD的柴油发动机颗粒物快速诊断装置的方法，包括如下步骤：
步骤1.发动机排气在排气管与环境大气之间的压力差作用下，通过测量装置的采样口进入采样通道；
步骤2.在采样通道中，电荷消除区采用双层金属网结构，从发动机排气门排出的颗粒物自身携带一定电荷，其与采样通道内金属网接触后，电荷自然消除，达到排除测量干扰因素的目的；
步骤3.电荷消除后的颗粒物进入电离-荷电区，电离-荷电区输入高压直流信号，产生电晕放电，在荷电区内产生大量离子，使颗粒物充分荷电；
步骤4.荷电后的颗粒物进入静电捕集区，静电捕集区采用方波脉冲电压信号，当电压信号为V0时，静电捕集区仅能收集电离-荷电区内未参与颗粒物荷电的剩余离子，测量区测量出的电流信号为I1；当电压为V1时，V1>V0，静电捕集区能够收集电离-荷电区内产生的未参与颗粒物荷电的剩余离子和部分荷电的颗粒物，测量区测量出的电流信号为I2；
步骤5.电控单元ECU采集电流信号I1和I2后作差值，由于I1与I2的差值与颗粒物数量浓度和颗粒物质量浓度成线性关系，因此可通过ECU将电流差值转换为颗粒物数量浓度或质量浓度。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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