CN109489984A - 一种发动机排气微粒部分流稀释装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种发动机排气微粒部分流稀释装置及其使用方法，包括发动机、主排气管、支排气管、第一二氧化碳浓度传感器、流量与温度控制单元、空气泵、稀释主管以及第二二氧化碳浓度传感器；利用带闭环反馈控制的旁通管道将发动机尾气在主稀释通道内与空气进行比例可调的等比例稀释，利用闭环反馈系统对稀释后的混合气进行温度可调的恒温加热，待主稀释管道内恒温加热混合完全后，部分混合气由采样支管导出供后续分析使用；部分等比稀释控制与恒温加热系统，基于AT89C52单片机并通过LED显示屏与按钮完成人机交互。该系统可以调节并精确控制空气尾气稀释比与混合气温度，具有控制精度高、可调节性强、维护成本低的优点。
Description
技术领域
本发明属于内燃机排放测试技术领域，具体涉及一种发动机排气微粒部分流稀释装置及其使用方法。
背景技术
随着汽车工业的不断发展，以内燃机为动力源的机动车保有量亦不断增加。日益严格的排放法规与增长的机动车污染物排放量之间的矛盾，使得发动机排气颗粒物成为了研究热点。由于稀释管道内的理化环境与排气管中理化环境的差异，发动机排气颗粒物在采样过程中会发生理化特性的变化；同时，较大的稀释比会影响颗粒物采样效率，而过小的稀释比则会堵塞颗粒物采样装置。针对内燃机排气颗粒物采样的一系列问题，设计温度可控与稀释比恒定的部分流稀释装置，设定合适的温度与排气稀释比可以有效地提高发动机排气颗粒物取样效率与样品质量。
发明内容
本发明为克服在发动机尾气部分流稀释过程中因温度变化与稀释比不稳定导致尾气稀释后排气颗粒物化学成分与结构改变的缺点，目的在于提供了一种发动机排气微粒部分流稀释装置及其使用方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种发动机排气微粒部分流稀释装置，包括发动机、主排气管、支排气管、第一二氧化碳浓度传感器、流量与温度控制单元、空气泵、稀释主管以及第二二氧化碳浓度传感器；
其中，发动机的排气管与主排气管的入口相连，主排气管的出口一路与第一空气滤清器相连，另一路与支排气管入口相连；支排气管出口与稀释主管侧壁上的入口相连通，支排气管上设置有第一二氧化碳浓度传感器，稀释主管上设置有第二二氧化碳传感器；稀释主管的入口与大气相连，出口与空气泵相连；
第一二氧化碳浓度传感器以及第二二氧化碳传感器均与流量与温度控制单元相连。
本发明进一步的改进在于，支排气管外壁上包裹有第一加热带，稀释主管的外壁上包裹有第二加热带；第一加热带以及第二加热带均与流量与温度控制单元相连。
本发明进一步的改进在于，支排气管上还设置有第二温度传感器以及比例流量阀；第一二氧化碳浓度传感器设置在支排气管入口与比例流量阀之间，第二温度传感器设置在比例流量阀与支排气管之间。
本发明进一步的改进在于，稀释主管侧壁上还设置有采样支管，稀释主管与采样支管相连通，支排气管与采样支管之间的稀释主管上设置有第一加热器；排气管与采样支管之间的稀释主管上还设置有第二二氧化碳传感器以及第一温度传感器。
本发明进一步的改进在于，比例流量阀、第一温度传感器以及第二温度传感器均与温度与流量控制单元连接。
本发明进一步的改进在于，流量控制单元与第一继电器相连，第一继电器与第一加热带相连；流量控制单元与第二继电器相连，第二继电器与第二加热带相连。
本发明进一步的改进在于，温度与流量控制单元包括AT89C52单片机、显示屏、集成驱动芯片、电源电路、时钟电路以及复位电路，集成驱动芯片和电源电路均与外部电源相连；
第一温度传感器、第二温度传感器、第一二氧化碳浓度传感器以及第二二氧化碳浓度传感器均与AT89C52单片机A/D功能模块引脚相连接；第一继电器与第二继电器均通过RESPACK-8上拉电阻与AT89C52单片机引脚相连；集成驱动芯片的控制端与AT89C52单片机的PWM功能模块引脚连接；集成驱动芯片的输出端与比例流量阀的电子卡片连接；LED显示屏与AT89C52单片机的显示功能模块引脚连接，从而形成闭环反馈控制。
本发明进一步的改进在于，大气经第二空气滤清器与蝶阀进入到稀释主管内；主排气管的出口与第一空气滤清器相连。
一种发动机排气微粒部分流稀释装置的使用方法，通过AT89C52单片机进行的对稀释比的闭环反馈进行控制，具体过程如下：调节稀释主管中预设的尾气稀释比例，并将其存入AT89C52单片机中的内存中；AT89C52单片机采集第一二氧化碳浓度传感器、第二二氧化碳浓度传感器的信号，第二二氧化碳浓度传感器的信号值与第一二氧化碳浓度传感器的信号值的比值即为实际的稀释比，同时与AT89C52单片机中的内存中的设定值进行比较，通过PWM驱动模块调节比例流量阀的PWM信号值，再输出到集成驱动芯片将PWM信号转化为直流电压信号输出，电压大小由PWM占空比决定；比例流量阀的信号接收端受直流控制信号的输入提供比例式控制，调节比例流量阀开度从而调节尾气的稀释比；
通过AT89C52单片机进行的对温度的闭环反馈控制，具体过程如下：分别调节稀释主管与支排气管中预设的温度值，并将其存入AT89C52单片机中的内存中；AT89C52采集单片机接收主稀释管上的第一温度传感器的信号，同时与AT89C52单片机中的内存中的设定值进行比较，通过电压放大器控制第二继电器的开关，继而控制第一加热带的导通，从而保证主稀释管的温度稳定在设定范围内；单片机AT89C52采集支排气管上的第二温度传感器的信号，同时与AT89C52单片机中的内存中的设定值进行比较，通过电压放大器控制第一继电器的开关，继而控制第二加热带的导通，从而保证支排气管内温度稳定在设定范围内。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明通过支排气管与稀释主管上的两个二氧化碳传感器，可以用较为廉价的方法，并精确的反馈稀释主管内的稀释比，具有控制精度高、可调节性强、维护成本低的优点，克服在发动机尾气部分流稀释过程中因温度变化与稀释比不稳定导致尾气稀释后排气颗粒物化学成分与结构改变的缺点。
通过AT89C52单片机24进行的对稀释比的闭环反馈进行控制，具体过程如下：调节稀释主管中预设的尾气稀释比例，并将其存入AT89C52单片机中的内存中；AT89C52单片机采集第一二氧化碳浓度传感器、第二二氧化碳浓度传感器的信号，第二二氧化碳浓度传感器的信号值与第一二氧化碳浓度传感器的信号值的比值即为实际的稀释比，同时与AT89C52单片机中的内存中的设定值进行比较，通过PWM驱动模块调节比例流量阀的PWM信号值，再输出到集成驱动芯片将PWM信号转化为直流电压信号输出，电压大小由PWM占空比决定；比例流量阀的信号接收端受直流控制信号的输入提供比例式控制，调节比例流量阀开度从而调节尾气的稀释比；本发明通过对稀释比的闭环反馈控制方法可以对稀释主管内的稀释比进行实时精确控制，在主稀释管内形成一个稳定稀释比的气流，并且可以方便地设定合适的稀释比以满足后续分析测试的需要。
通过AT89C52单片机进行的对温度的闭环反馈控制，具体过程如下：分别调节稀释主管与支排气管中预设的温度值，并将其存入AT89C52单片机中的内存中；AT89C52采集单片机接收主稀释管上的第一温度传感器的信号，同时与AT89C52单片机中的内存中的设定值进行比较，通过电压放大器控制第二继电器的开关，继而控制第一加热带的导通，从而保证主稀释管的温度稳定在设定范围内；单片机AT89C52采集支排气管上的第二温度传感器的信号，同时与AT89C52单片机中的内存中的设定值进行比较，通过电压放大器控制第一继电器的开关，继而控制第二加热带的导通，从而保证支排气管内温度稳定在设定范围内。本发明通过对温度的闭环反馈控制方法可以对支排气管与主稀释管内的温度分别进行实时精确控制，并且可以方便地对其各自设定一个恒定温度，以稳定支排气管与主稀释管内的温度，从而保持尾气中的颗粒物的理化特性在稀释时不会改变，并且不会附着在稀释装置内壁。
附图说明
图1为本发明的稀释比和温度可控的发动机排气微粒部分流稀释装置的连接示意图。
图2为流量温度控制单元的硬件连接图。
图3为温度与流量闭环控制过程的流程图。
附图标记：1-发动机；2-主排气管；3-第一空气滤清器；4-支排气管；5-第一二氧化碳浓度传感器；6-比例流量阀；7-第一加热带；8-第一温度传感器；9-温度与流量控制单元；10-空气泵；11-稀释主管；12-蝶阀；13-第二空气过滤器；14-采样支管；15-第二二氧化碳浓度传感器；16-第二加热带；17-第二温度传感器；18-第二继电器；19-外部电源；20-电源电路；21-显示屏；22-集成驱动芯片；23-时钟电路；24-单片机；25-复位电路；26-第一继电器。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：
参见图1，本发明包括发动机1、主排气管2、第一空气滤清器3、支排气管4、第一二氧化碳浓度传感器5、比例流量阀6、第一加热带7、第一温度传感器8、流量与温度控制单元9、空气泵10、稀释主管11、蝶阀12、第二空气过滤器13、采样支管14、第二二氧化碳浓度传感器15以及第二温度传感器17；其中，发动机1的排气管直接与主排气管2的入口相连，主排气管2的出口与第一空气滤清器3相连，支排气管4设置在主排气管2上，用于连接主排气管2与稀释主管11；在支排气管4上设置有第一二氧化碳浓度传感器5、第二温度传感器17以及比例流量阀6；第一二氧化碳浓度传感器5设置在支排气管4入口与比例流量阀6之间，第二温度传感器17设置在比例流量阀6与支排气管4之间。
支排气管4上包裹有第二加热带16；稀释主管11的一端通过第二空气滤清器13与大气相连，稀释主管11上设置有蝶阀12，大气经第二空气滤清器13与蝶阀12后进入到稀释主管11内；发动机1的排气管排出的气体经主排气管2、支排气管4以及比例流量阀6进入到稀释主管11内。
稀释主管11上设置有第一加热器7，具体的，稀释主管11上设置有采样支管14，并且在支排气管4与采样支管14之间的稀释主管11上设置有第一加热器7；排气管4与采样支管14之间的稀释主管11上还设置有第二二氧化碳传感器15以及第一温度传感器8。
稀释主管11内的气体一部分进入采样支管14，另一部分进入空气泵10泵入废气罐。
比例流量阀6、第一温度传感器8、第二温度传感器17、第一加热带7以及第二二氧化碳传感器15均与温度与流量控制单元9连接，温度与流量控制单元9控制比例流量阀6的开度；第一温度传感器8与温度与流量控制单元9相连接，流量控制单元9与第一继电器26相连，第一继电器26与第一加热带7相连；第一温度传感器8将采集的温度信号发送给流量控制单元9，流量控制单元9根据温度信号可通过第一继电器26控制第一加热带7的电源通断；第二温度传感器17与温度与流量控制单元9相连接，第二继电器18与第二加热带16相连；第二温度传感器17将采集的温度信号发送给流量控制单元9，流量控制单元9根据温度信号可通过第二继电器18控制第二加热带16的电源通断。
参见图2，温度与流量控制单元9包括AT89C52单片机24、显示屏21、A/D转换模块(型号为ADC0804)、集成驱动芯片22(型号为TOP414GN20)、电源电路20、时钟电路23以及复位电路25，集成驱动芯片22和电源电路20均与外部电源19相连。PWM信号输出针脚实现人机交互与对稀释比的负反馈系统控制；其中比例流量阀6选为带电压反馈功能。
第一温度传感器8、第二温度传感器17、第一二氧化碳浓度传感器5以及第二二氧化碳浓度传感器15均与AT89C52单片机A/D功能模块引脚相连接；第一继电器26与第二继电器18均通过RESPACK-8上拉电阻与AT89C52单片机24引脚相连；集成驱动芯片22的控制端与AT89C52单片机24的PWM功能模块引脚连接；集成驱动芯片22的输出端与比例流量阀6的电子卡片连接；按钮1、2、3、4与AT89C52单片机24的按钮功能引脚连接；LED显示屏21(型号为7SEG-MPX4-CC)与AT89C52单片机24的显示功能模块引脚连接，从而形成闭环反馈控制。
本发明的工作原理如下：
发动机1的排气管直接与主排气管2的入口端相连，主排气管2的出口端与第一空气滤清器3相连，支排气管4在发动机1的排气管与第一空气滤清器3之间的主排气管2上，用于连接主排气管2与稀释主管11；在支排气管4上从入口到出口之间依次设置第一二氧化碳传感器5与比例流量阀6；稀释主管11的一端通过第二空气滤清器13与大气相连，之后依次设置蝶阀12、支排气管4、第二二氧化碳传感器15、第一温度传感器8、第二温度传感器17、采样支管14以及空气泵10；在稀释主管11的支排气管4与采样支管14之间设置第一加热带7；支排气管4的主排气管2与稀释主管11之间设置第二加热带16；支排气管4与主稀释管11上的第一二氧化碳传感器5、第二二氧化碳传感器15均与温度与流量控制单元9连接，温度与流量控制单元9控制比例流量阀6的开度；主稀释管11上的第一温度传感器8与温度与流量控制单元9相连接，第二继电器18的低电压端与温度与流量控制单元9相连接，第二继电器18的高压端与第二加热带16相连；支排气管4上的第二温度传感器8与温度与流量控制单元9相连接，第一继电器26的低电压端与温度与流量控制单元9相连接，第一继电器26的高压端与第一加热带7相连。
参见图3，本发明的使用方法如下：
步骤1，启动发动机1，怠速暖机后至预设工况下稳定运行30分钟；
步骤2，接通空气泵10以及第一加热带7(220V交流)；
步骤3，接通温度与流量控制单元9(24V直流)；
步骤4，按下温度与流量控制单元9的开关，温度与流量温度控制单元9通电开始工作；
步骤5，参见图3，本发明中通过AT89C52单片机24进行的对稀释比的闭环反馈控制方法，具体过程如下：可通过按钮来调节稀释主管11中预设的尾气稀释比例，并将其存入AT89C52单片机24中的内存中，显示屏21每隔20ms刷新一次通过按钮设定的数据；AT89C52单片机24采集第一二氧化碳浓度传感器5、第二二氧化碳浓度传感器15的信号，第二二氧化碳浓度传感器15的信号值与第一二氧化碳浓度传感器5的信号值的比值即为实际的稀释比，同时与AT89C52单片机24中的内存中的设定值进行比较，若实际的稀释比大于用户输入的稀释比，通过PWM驱动模块调节比例流量阀6的PWM信号值，再输出到集成驱动芯片22将PWM信号转化为直流电压信号输出，电压大小由PWM占空比决定；比例流量阀6的信号接收端受直流控制信号的输入提供比例式控制，调节比例流量阀6开度从而调节尾气的稀释比，再通过第一二氧化碳浓度传感器5与第二二氧化碳浓度传感器15的信号的比值将稀释比的数据进行反馈，从而形成对稀释比的闭环控制。
本发明中通过AT89C52单片机24进行的对温度的闭环反馈控制方法，具体过程如下：可通过按钮来分别调节稀释主管11与支排气管4中预设的温度值，并将其存入AT89C52单片机24中的内存中，显示屏21每隔20ms刷新一次通过按钮设定的数据；AT89C52采集单片机24接收主稀释管11上的第一温度传感器8的信号，同时与AT89C52单片机24中的内存中的设定值进行比较，若大于设定值，通过电压放大器控制第二继电器18的开关，继而控制第一加热带7的导通，对主稀释管内11内的气体进行加热，管内温度经过第一温度传感器8进行反馈，从而保证主稀释管11的温度稳定在设定范围内；单片机AT89C52采集支排气管4上的第二温度传感器17的信号，同时与AT89C52单片机24中的内存中的设定值进行比较，若大于设定值，通过电压放大器控制第一继电器26的开关，继而控制第一加热带7的导通，对支排气管4内的气体进行加热，管内温度经过第二温度传感器17进行反馈，从而保证支排气管4内温度稳定在设定范围内。
其中对温度与稀释比的负反馈控制工作流程如图3所示。
步骤6，当流量温度控制单元9通电稳定工作3分钟后，可以通过采样支管14对部分流稀释尾气进行微粒采样。
本发明利用带闭环反馈控制的旁通管道将发动机尾气在主稀释通道内与空气进行比例可调的等比例稀释，利用闭环反馈系统对稀释后的混合气进行温度可调的恒温加热，待主稀释管道内恒温加热混合完全后，部分混合气由采样支管导出供后续分析使用；其中，部分等比稀释控制与恒温加热系统，基于AT89C52单片机并通过LED显示屏与按钮完成人机交互。与现有的部分流稀释装置相比，该系统可以调节并精确控制空气尾气稀释比与混合气温度，具有控制精度高、可调节性强、维护成本低的优点。
Claims (9)
1.一种发动机排气微粒部分流稀释装置，其特征在于，包括发动机(1)、主排气管(2)、支排气管(4)、第一二氧化碳浓度传感器(5)、流量与温度控制单元(9)、空气泵(10)、稀释主管(11)以及第二二氧化碳浓度传感器(15)；
其中，发动机(1)的排气管与主排气管(2)的入口相连，主排气管(2)的出口一路与第一空气滤清器(3)相连，另一路与支排气管(4)入口相连；支排气管(4)出口与稀释主管(11)侧壁上的入口相连通，支排气管(4)上设置有第一二氧化碳浓度传感器(5)，稀释主管(11)上设置有第二二氧化碳传感器(15)；稀释主管(11)的入口与大气相连，出口与空气泵(10)相连；
第一二氧化碳浓度传感器(5)以及第二二氧化碳传感器(15)均与流量与温度控制单元(9)相连。
2.根据权利要求1所述的一种发动机排气微粒部分流稀释装置，其特征在于，支排气管(4)外壁上包裹有第一加热带(7)，稀释主管(11)的外壁上包裹有第二加热带(16)；第一加热带(7)以及第二加热带(16)均与流量与温度控制单元(9)相连。
3.根据权利要求2所述的一种发动机排气微粒部分流稀释装置，其特征在于，支排气管(4)上还设置有第二温度传感器(17)以及比例流量阀(6)；第一二氧化碳浓度传感器(5)设置在支排气管(4)入口与比例流量阀(6)之间，第二温度传感器(17)设置在比例流量阀(6)与支排气管(4)之间。
4.根据权利要求2所述的一种发动机排气微粒部分流稀释装置，其特征在于，稀释主管(11)侧壁上还设置有采样支管(14)，稀释主管(11)与采样支管(14)相连通，支排气管(4)与采样支管(14)之间的稀释主管(11)上设置有第一加热器(7)；排气管(4)与采样支管(14)之间的稀释主管(11)上还设置有第二二氧化碳传感器(15)以及第一温度传感器(8)。
5.根据权利要求4所述的一种发动机排气微粒部分流稀释装置，其特征在于，比例流量阀(6)、第一温度传感器(8)以及第二温度传感器(17)均与温度与流量控制单元(9)连接。
6.根据权利要求3所述的一种发动机排气微粒部分流稀释装置，其特征在于，流量控制单元(9)与第一继电器(26)相连，第一继电器(26)与第一加热带(7)相连；流量控制单元(9)与第二继电器(18)相连，第二继电器(18)与第二加热带(16)相连。
7.根据权利要求6所述的一种发动机排气微粒部分流稀释装置，其特征在于，温度与流量控制单元(9)包括AT89C52单片机(24)、显示屏(21)、集成驱动芯片(22)、电源电路(20)、时钟电路(23)以及复位电路(25)，集成驱动芯片(22)和电源电路(20)均与外部电源(19)相连；
第一温度传感器(8)、第二温度传感器(17)、第一二氧化碳浓度传感器(5)以及第二二氧化碳浓度传感器(15)均与AT89C52单片机A/D功能模块引脚相连接；第一继电器(26)与第二继电器(18)均通过RESPACK-8上拉电阻与AT89C52单片机(24)引脚相连；集成驱动芯片(22)的控制端与AT89C52单片机(24)的PWM功能模块引脚连接；集成驱动芯片(22)的输出端与比例流量阀(6)的电子卡片连接；LED显示屏(21)与AT89C52单片机(24)的显示功能模块引脚连接，从而形成闭环反馈控制。
8.根据权利要求1所述的一种发动机排气微粒部分流稀释装置，其特征在于，大气经第二空气滤清器(13)与蝶阀(12)进入到稀释主管(11)内；主排气管(2)的出口与第一空气滤清器(3)相连。
9.一种如权利要求7所述的发动机排气微粒部分流稀释装置的使用方法，其特征在于，通过AT89C52单片机(24)进行的对稀释比的闭环反馈进行控制，具体过程如下：调节稀释主管(11)中预设的尾气稀释比例，并将其存入AT89C52单片机(24)中的内存中；AT89C52单片机(24)采集第一二氧化碳浓度传感器(5)、第二二氧化碳浓度传感器(15)的信号，第二二氧化碳浓度传感器(15)的信号值与第一二氧化碳浓度传感器(5)的信号值的比值即为实际的稀释比，同时与AT89C52单片机(24)中的内存中的设定值进行比较，通过PWM驱动模块调节比例流量阀(6)的PWM信号值，再输出到集成驱动芯片(22)将PWM信号转化为直流电压信号输出，电压大小由PWM占空比决定；比例流量阀(6)的信号接收端受直流控制信号的输入提供比例式控制，调节比例流量阀(6)开度从而调节尾气的稀释比；通过AT89C52单片机(24)进行的对温度的闭环反馈控制，具体过程如下：分别调节稀释主管(11)与支排气管(4)中预设的温度值，并将其存入AT89C52单片机(24)中的内存中；AT89C52采集单片机(24)接收主稀释管(11)上的第一温度传感器(8)的信号，同时与AT89C52单片机(24)中的内存中的设定值进行比较，通过电压放大器控制第二继电器(18)的开关，继而控制第一加热带(7)的导通，从而保证主稀释管(11)的温度稳定在设定范围内；单片机AT89C52采集支排气管(4)上的第二温度传感器(17)的信号，同时与AT89C52单片机(24)中的内存中的设定值进行比较，通过电压放大器控制第一继电器(26)的开关，继而控制第二加热带(16)的导通，从而保证支排气管(4)内温度稳定在设定范围内。
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