CN107907579A - 用于柴油机egr系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置，包括直接连接于所述进气集管上的氧化锆氧浓度传感器，该氧化锆氧浓度传感器包括固定连接于法兰上的金属壳体和设置于该金属壳体内的氧化锆管，该氧化锆管连接于金属壳体内靠进气集管的开口处，金属壳体上设有穿过该金属壳体的参比气体引入管，该参比气体引入管将参比气体引入氧化锆管内侧的传感器内腔，氧化锆管的内侧与参比气体接触，外侧直接与进气集管内的混合气体接触，该氧化锆管外侧的混合气体与内侧的参比气体的气体压力差不大于0.5bar；所述氧浓度测量装置通过实时测得氧化锆管两侧的电极电势差，经过换算得到混合气体当前的氧浓度。本发明实现了EGR系统进气集管氧浓度的直接测量，具有结构简单、测试精度高、响应速度快的优点。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机排放系统，具体涉及一种用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置，属于柴油机技术领域。
背景技术
EGR技术是船用柴油机氮氧化物(NOx)排放控制的重要技术手段之一。现有船用柴油机EGR系统中测量进气集管氧气(O2)的浓度是采用ABB公司AZ10Marine-certifiedoxygen analyzer，资料见Operating instructions OI/AZ10/MARINE–EN Rev.C。由于柴油机进气混合气体的压力较高，在0-4.5bar范围内波动，传统的方式主要还是通过对被测气体采样并减压后进行氧浓度测量分析。所用氧浓度测量装置主要包括引气管路、减压装置和氧化锆(ZrO2)式氧浓度传感器模块；引气管路主要用于从柴油机进气集管引出被测气体；减压装置对引出的高压气体进行降压，调节到氧浓度传感器能接受的压力范围；氧化锆(ZrO2)式氧浓度传感器模块用于测量引出气体的氧浓度值。
上述装置有以下不足，由于氧化锆氧浓度传感器测量本身有一定的延时，在加上通过引流减压过程所引起的滞后，因而严重影响进气管氧浓度测量的实时性；此外由于被测气体压力波动范围大，减压效果不稳定，所出现的压力波动会导致测试输出误差较大，不利于EGR控制系统进气管混合气体氧浓度的实时精确控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置，通过引入同等压力的参比气体，省却预先引出气体进行减压的过程，实现EGR系统进气集管氧浓度的直接测量，达到简化装置结构、提高测试精度、提升测量实时性的效果。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置，包括直接连接于所述进气集管上的氧化锆氧浓度传感器，该氧化锆氧浓度传感器包括固定连接于法兰上的金属壳体和设置于该金属壳体内的氧化锆管，该氧化锆管连接于所述金属壳体内靠所述进气集管的开口处，所述金属壳体上设有穿过该金属壳体的参比气体引入管，该参比气体引入管将参比气体引入所述氧化锆管内侧的传感器内腔，该氧化锆管的内侧与所述参比气体接触，外侧直接与所述进气集管内的混合气体接触，该氧化锆管外侧的混合气体与内侧的参比气体的气体压力差不大于0.5bar；所述氧浓度测量装置通过实时测得所述氧化锆管两侧的电极电势差，经过换算得到混合气体当前的氧浓度。
进一步地，所述的金属壳体上设置有用于置换新的参比气体的节流孔。
进一步地，所述的氧化锆氧浓度传感器还包括有能透气的微孔铂电极，该微孔铂电极设置于所述氧化锆管的内外壁上，外侧设有带孔的陶瓷保护层。
进一步地，所述的氧化锆氧浓度传感器还包括有进行加热处理的加热丝和用于温度反馈的热电偶，该加热丝和热电偶设置于所述传感器内腔中且位于所述氧化锆管的附近。
进一步地，所述的氧化锆管为以氧化锆作为固体电解质制成的微孔管。
进一步地，所述的氧浓度测量装置通过下列公式获得混合气体的氧浓度：
式中，E-氧化锆管两侧的电极电势差(mV)，
R-理想气体常数，
F-法拉第常数，
T-热力学温度，
P1-被分析的混合气体氧浓度(％)，
P2-参比气体氧浓度(％)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、由于采用同等压力的新鲜空气作为参比气体，在氧化锆内外两侧不会产生太大的气体压力差(不高于0.5bar)，因此不需气体减压装置，从而简化了所述装置的结构。
2、由于氧化锆氧浓度传感器直接接入进气集管进行测量，从而减少了氧浓度采集数据的延迟，提高了系统响应速度。
3、在氧化锆固体电解质传感器的作用下直接在进气集管内部测得混合气体的氧浓度，同时在测量过程中减少了扫气箱内压缩气体能量损失，数据转换过程中不需要进行氧化锆管内外侧压力差修正，从而保证测量数据更准确，提高了测试结果的精度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：
1—传感器内腔，2—金属壳体，3—参比气体引入管，4—节流孔，5—法兰，6—氧化锆管，7—微孔铂电极，8—加热丝，9—热电偶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置做进一步的详细阐述，但不应以此来限制本发明的保护范围。
请参阅图1，本发明所述的用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置包括氧化锆氧浓度传感器，该氧化锆氧浓度传感器通过法兰5直接连接安装于所述船用柴油机的进气集管的管壁上。
所述氧化锆氧浓度传感器包括金属壳体2、氧化锆管6、微孔铂电极7、加热丝8和热电偶9。
所述金属壳体2固定连接于所述法兰5上并能承受5bar以内的气体压力，该法兰5开设有通向所述进气集管的通孔。
所述金属壳体2上设有穿过该金属壳体2的参比气体引入管3和节流孔4。所述参比气体引入管3用于引入参比气体，该参比气体为新鲜压缩空气，该参比气体引入管3将参比气体引入所述氧化锆管6内侧的传感器内腔1，该传感器内腔1为一封闭的容腔。由于所述氧化锆氧浓度传感器在使用过程中参比气体中的氧气会有所消耗，所述节流孔4通向大气，用于置换新的参比气体。
所述氧化锆管6为以氧化锆作为固体电解质制成的微孔管，设置于所述金属壳体2内且连接于该金属壳体2内靠所述进气集管的开口处。所述氧化锆管6的内侧与所述参比气体接触，外侧直接与所述进气集管内的混合气体接触，该氧化锆管6外侧的混合气体与内侧的参比气体的气体压力差不大于0.5bar。
所述微孔铂(Pt)电极7能够透气，设置于所述氧化锆管6的内外壁上，该微孔铂电极7的外侧设有带孔的陶瓷保护层。所述微孔铂电极7连接有电极引出线，用于测量所述氧化锆管6内外壁两侧由于氧浓度不同在两侧的微孔铂电极7上产生的电势差。
为了保证测量的精度和灵敏度，所述氧化锆管6应工作在恒定的高温度环境中(400-800℃)，进气集管温度环境一般在30-80℃，所以需要设置加热丝8进行加热处理，并且设置热电偶9用于氧化锆管6加热控温过程的温度反馈。所述加热丝8和热电偶9设置于所述传感器内腔1中且位于所述氧化锆管6的附近。
本发明所述氧浓度测量装置通过实时测得所述氧化锆管6两侧的电极电势差，经过换算得到混合气体当前的氧浓度。
本发明的工作原理如下：
当柴油机运行时，新鲜空气从压气机出口处通过参比气体引入管3进入氧化锆管6一侧的传感器内腔1，由于参比气体中的氧气通过电化学反应会不断消耗，通过节流孔4把参比气体不断的置换到大气中，保持新鲜的参比气体不断进入置换，同时为了保持传感器内腔1参比气体有足够的压力，节流孔4要调节到合适的流量。根据船用柴油机进气系统原理可发现，进气集管入口新鲜空气压力与进气集管内被测混合气体压力基本一致，从而保证了氧浓度测量过程不受传感器两侧气压差影响。氧化锆管6的内侧与压气机输入的高压新鲜空气(参比气体)相通，外侧与进气集管的废气混合气体相通，因陶瓷保护层和氧化锆管6都有孔隙，废气与高压新鲜空气的氧浓度不同，氧分子渗透过氧化锆管6向浓度低的一侧扩散。在固体电解质氧化锆(ZrO2)的作用下，通过加热丝8加热到600度左右，此时氧气在高温环境下电离，氧气成为气体电极。由于ZrO2对氧离子有较高通过能力，氧离子以晶格缺陷方式完成氧的迁移。从而在内外侧的微孔铂电极7之间产生一定的电势差。
因此，在固体电解质氧化锆氧浓度传感器中形成两个电解系统，内侧电极是新鲜压缩空气和阴极Pt，外侧电极是含废气的混合压缩气体和阳极Pt，电解质为ZrO2。
内侧阴极发生还原反应：
O2+2e＝2O－，
外侧阳极发生氧化反应：
2O－-2e＝O2。
可见，内侧Pt电极比外侧Pt电极的电势高，氧浓度电势的大小可由下列公式表示：
式中，E-氧化锆管两侧的电极电势差(mV)，
R-理想气体常数，
F-法拉第常数，
T-热力学温度，
P1-被分析的混合气体氧浓度(％)，
P2-参比气体氧浓度(％)。
由上式分析可知，R、F、T都是已知条件，由于参比气体是从压气机引入，所以从柴油机进气系统可知，参比气体和被分析气体压力在动态过程基本一致；参比气体含氧量P2为常数，约21％，通过测得氧化锆管6两侧的微孔铂电极7的电势差E，经过比例换算即可得到当前被分析混合废气的氧浓度P1。
总之，本发明通过在氧化锆传感器的参比气体侧增加了压力容腔，达到了采集被测气体响应时间短、测量更准确的效果，大大减少了扫气集管氧浓度闭环控制的惯性环节，提高了控制系统的响应速度和控制精度，为船用柴油机EGR系统的降低氮氧化物排放控制提供了更有效的氧浓度测量装置。
上述仅为本发明的优选实施例，必须指出的是，所属领域的技术人员凡依本发明申请内容所作的各种等效修改、变化与修正，都应成为本发明专利的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置，其特征在于：所述氧浓度测量装置包括直接连接于所述进气集管上的氧化锆氧浓度传感器，该氧化锆氧浓度传感器包括固定连接于法兰上的金属壳体和设置于该金属壳体内的氧化锆管，该氧化锆管连接于所述金属壳体内靠所述进气集管的开口处，所述金属壳体上设有穿过该金属壳体的参比气体引入管，该参比气体引入管将参比气体引入所述氧化锆管内侧的传感器内腔，该氧化锆管的内侧与所述参比气体接触，外侧直接与所述进气集管内的混合气体接触，该氧化锆管外侧的混合气体与内侧的参比气体的气体压力差不大于0.5bar；所述氧浓度测量装置通过实时测得所述氧化锆管两侧的电极电势差，经过换算得到混合气体当前的氧浓度。
2.根据权利要求1所述的用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置，其特征在于：所述的金属壳体上设置有用于置换新的参比气体的节流孔。
3.根据权利要求1所述的用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置，其特征在于：所述的氧化锆氧浓度传感器还包括有能透气的微孔铂电极，该微孔铂电极设置于所述氧化锆管的内外壁上，外侧设有带孔的陶瓷保护层。
4.根据权利要求1所述的用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置，其特征在于：所述的氧化锆氧浓度传感器还包括有进行加热处理的加热丝和用于温度反馈的热电偶，该加热丝和热电偶设置于所述传感器内腔中且位于所述氧化锆管的附近。
5.根据权利要求1所述的用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置，其特征在于：所述的氧化锆管为以氧化锆作为固体电解质制成的微孔管。
6.根据权利要求1所述的用于柴油机EGR系统进气集管混合气体的氧浓度测量装置，其特征在于：所述的氧浓度测量装置通过下列公式获得混合气体的氧浓度：
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式中，E-氧化锆管两侧的电极电势差(mV)，
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