周曉++姜禮義++姜志堅(jiān)++黃長城

摘 要：該文通過發(fā)動機(jī)臺架實(shí)驗(yàn)不同工況下發(fā)動機(jī)尾氣成分，利用傅里葉變換紅外光譜法精確測量尾氣的成分含量，通過測試結(jié)果分析得出尾氣各成分比例，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際檢測設(shè)備開發(fā)確定汽車氧傳感器檢測設(shè)備配氣方案，實(shí)現(xiàn)逼真模擬汽車氧傳感器測試環(huán)境，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性。該方案的設(shè)計(jì)可為汽車氧傳感器產(chǎn)品檢測提供一種新嘗試，為其他尾氣處理及監(jiān)測類產(chǎn)品測試提供參考。

關(guān)鍵詞：汽車；氧傳感器；模擬尾氣；空燃比；檢測設(shè)備

中圖分類號：T19 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： this paper， reserch the engine exhaust components under different working conditions by engine bench test， Accurate measurement of composition of exhaust gas by Fourier transform infrared spectrometry. Through analysis the test results of test obtaine each component exhaust proportion， According to the analysis results and the actual test equipment， the gas distribution scheme of the automobile oxygen sensor test device is determined，its can achieve a realistic simulation of automotive oxygen sensor test environment， and the feasibility is verified by experiments. The design of this scheme can provide a new test for the detection of automotive oxygen sensors， and provide a reference for other exhaust gas treatment and monitoring products.

Keywords： Automobile ； Oxygen sensor； Simulated exhaust gas； Air-fuel ratio； Testing equipment

0.引言

氧傳感器是電噴發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響發(fā)動機(jī)燃燒效率和尾氣排放清潔度。隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)和排放法規(guī)的不斷完善，汽車氧傳感市場需求量逐步放大，國內(nèi)許多廠商開始生產(chǎn)該產(chǎn)品，但國內(nèi)的氧傳感器測試技術(shù)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于氧傳感器技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)一般通過搭建簡易臺架測試平臺進(jìn)行性能檢測，無法測得氧傳感器較為精確的響應(yīng)時間和伏安特性曲線，測試的精度和可靠性不能得到保證。開發(fā)配氣式檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)模擬汽車尾氣排放環(huán)境，精確控制汽車氧傳感器檢測主要參數(shù)λ值，可為解決汽車氧傳感器產(chǎn)品性能檢測提供另一種途徑。因此研究設(shè)計(jì)合理的汽車氧傳感器測試設(shè)備配氣方案，實(shí)現(xiàn)尾氣成分逼真模擬具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.試驗(yàn)裝置

測量實(shí)際汽車尾氣排放成分需搭建試驗(yàn)臺架，整個臺架由燃油供給系統(tǒng)、尾氣成分測量系統(tǒng)、燃燒分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。圖1為本文試驗(yàn)所用的發(fā)動機(jī)臺架示意圖。

試驗(yàn)發(fā)動機(jī)為MR479Q 多點(diǎn)進(jìn)氣道電控噴射汽油機(jī)。在發(fā)動機(jī)排氣管安裝溫度傳感器，測量催化器入口處排氣溫度，三元催化器前后安設(shè)采樣點(diǎn)，用AVL SESAM FTIR 紅外光譜多組分分析儀測量催化器前后排放成分。用CW-150電渦流測功機(jī)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行加載，MCS-960 型油耗儀測量實(shí)時油耗。在機(jī)油底殼及冷卻水箱內(nèi)裝有溫度傳感器，監(jiān)測發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。試驗(yàn)發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2.試驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)采用市場上通用的92#標(biāo)準(zhǔn)汽油作為介質(zhì)，在發(fā)動機(jī)不做任何調(diào)整的情況下，分別進(jìn)行了1200r/min、1600r/min、2000r/min、2400r/min、2800r/min、3200r/min轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性對比試驗(yàn)，在每個轉(zhuǎn)速下分別選取6個負(fù)荷點(diǎn)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況測量，試驗(yàn)測量三元催化器入口和出口處的CO2、CO、H2O、NOX、CH氣體的含量，全面考察轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、節(jié)氣門開度的改變對排放尾氣成分的影響。

比對三元催化器入口和出口的氣體成分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，燃燒產(chǎn)生的CO、NOX、CH等有害物質(zhì)經(jīng)過三元催化器后大幅下降，轉(zhuǎn)化成為無害的CO2、N2以及H2O；不同的轉(zhuǎn)速工況下，出口處雖然各氣體成分的含量各不相同，但其量級基本不變，主要燃燒產(chǎn)物為N2、H2O及CO2，其中N2來源于空氣?？紤]到發(fā)動機(jī)的實(shí)際運(yùn)行處在一個不斷變化的過程，因此測得的數(shù)據(jù)只是一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)均值，且配氣方案不可能照顧到這么多種工況，因此可以參考各個轉(zhuǎn)速下的氣體成分的平均值來進(jìn)行設(shè)定。對數(shù)據(jù)處理后得到均值見表2。

由上面整理的結(jié)果可以看出，經(jīng)三元催化器后汽油機(jī)尾氣中最多的成分是N2，基本占所有組分75%左右的比例，其次多的是CO2 和H2O，占到10%左右的比例。CO的含量基本降到了0.1%以下。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以作為配氣方案的設(shè)計(jì)依據(jù)。

四、配氣方案的確定

配氣的目的雖然是模擬發(fā)動機(jī)尾氣，以構(gòu)成符合要求的氧傳感器測試環(huán)境，但是實(shí)際發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境處在不斷的變動之中，要模擬這種變化的環(huán)境通過配氣的方式難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)發(fā)動機(jī)尾氣測量試驗(yàn)得到的各個工況下的氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)在經(jīng)過處理后得到的只是一個參考值，也不對應(yīng)發(fā)動機(jī)的任何一種工作狀況，根據(jù)氧傳感器的測試原理，對氧傳感器輸出特性影響最大的為模擬氣體中的氧氣含量，其他氣體組分只是提供模擬尾氣的測試環(huán)境，對氧傳感器的輸出結(jié)果影響不大，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別用C3H8、NO模擬CH、NOX，適當(dāng)降低各種氣體組分的含量，加大N2的相對含量，保持其他尾氣成分的比例，可以在不影響檢測結(jié)果的情況下減少測試成本。綜上，最終的配氣方案為：

CO2=2.5%，CO=300ppm， H2O=2.5%，NO=200ppm，C3H8=100ppm，H2=50ppm，N2=rest。O2、CO的含量根據(jù)測試時要求的不同λ（空燃比）值添加。

五、試驗(yàn)驗(yàn)證

將配置模擬氣體的標(biāo)準(zhǔn)氣按比例抽取加熱至120℃，然后按配氣占比加入水蒸氣混合為模擬氣體，根據(jù)測試端溫度要求進(jìn)一步加熱至所需的溫度點(diǎn)，不同的λ值要求調(diào)節(jié)CO和O2的供給，實(shí)現(xiàn)精確模擬測試所需的環(huán)境。按照現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T 803.1中對氧傳感的性能要求，選擇較常見的帶7.5W及7.5W以下加熱棒的氧傳感器在450℃溫度條件下作為試驗(yàn)條件，測試傳感器的性能，所得的V-t、λ-t及V-λ的系曲線如圖2所示。由圖分析可知，剔除首尾兩端的試驗(yàn)準(zhǔn)備和結(jié)束控制波形，檢測要求的λ值被有效地控制在測試條件范圍內(nèi)，試驗(yàn)輸出曲線符合開關(guān)型氧傳感的輸出特性，試驗(yàn)曲線的輸出可為產(chǎn)品的性能的進(jìn)一步分析提供依據(jù)，也可滿足線性氧傳感器的測試需求。

結(jié)論

本文基于不同工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化試驗(yàn)?zāi)M氣體成分，利用配氣方式模擬汽車氧傳感器的尾氣測試環(huán)境，該方法相對臺架試驗(yàn)和燃燒式等傳統(tǒng)的測試方式具有試驗(yàn)條件可控、性能穩(wěn)定、結(jié)果可再現(xiàn)等特點(diǎn)，大大提高測試數(shù)據(jù)的分析價值，對尾氣處理和監(jiān)測類產(chǎn)品的性能檢測具有一定的參考價值。

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