周曉++姜禮義++姜志堅(jiān)++黃長(zhǎng)城

摘 要：該文通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣成分，利用傅里葉變換紅外光譜法精確測(cè)量尾氣的成分含量，通過(guò)測(cè)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(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)確定汽車氧傳感器檢測(cè)設(shè)備配氣方案，實(shí)現(xiàn)逼真模擬汽車氧傳感器測(cè)試環(huán)境，并通過(guò)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(cè)提供一種新嘗試，為其他尾氣處理及監(jiān)測(cè)類產(chǎn)品測(cè)試提供參考。

關(guān)鍵詞：汽車；氧傳感器；模擬尾氣；空燃比；檢測(cè)設(shè)備

中圖分類號(hào)：T19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率和尾氣排放清潔度。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和排放法規(guī)的不斷完善，汽車氧傳感市場(chǎng)需求量逐步放大，國(guó)內(nèi)許多廠商開(kāi)始生產(chǎn)該產(chǎn)品，但國(guó)內(nèi)的氧傳感器測(cè)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(guò)搭建簡(jiǎn)易臺(tái)架測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行性能檢測(cè)，無(wú)法測(cè)得氧傳感器較為精確的響應(yīng)時(shí)間和伏安特性曲線，測(cè)試的精度和可靠性不能得到保證。開(kāi)發(fā)配氣式檢測(cè)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(cè)主要參數(shù)λ值，可為解決汽車氧傳感器產(chǎn)品性能檢測(cè)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(cè)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(cè)量實(shí)際汽車尾氣排放成分需搭建試驗(yàn)臺(tái)架，整個(gè)臺(tái)架由燃油供給系統(tǒng)、尾氣成分測(cè)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(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圖。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為MR479Q 多點(diǎn)進(jìn)氣道電控噴射汽油機(jī)。在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管安裝溫度傳感器，測(cè)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(cè)量催化器前后排放成分。用CW-150電渦流測(cè)功機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加載，MCS-960 型油耗儀測(cè)量實(shí)時(shí)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(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.試驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)采用市場(chǎng)上通用的92#標(biāo)準(zhǔn)汽油作為介質(zhì)，在發(fā)動(dòng)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(duì)比試驗(yàn)，在每個(gè)轉(zhuǎn)速下分別選取6個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況測(cè)量，試驗(yàn)測(cè)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(kāi)度的改變對(duì)排放尾氣成分的影響。

比對(duì)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(guò)三元催化器后大幅下降，轉(zhuǎn)化成為無(wú)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(jí)基本不變，主要燃燒產(chǎn)物為N2、H2O及CO2，其中N2來(lái)源于空氣?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行處在一個(gè)不斷變化的過(guò)程，因此測(cè)得的數(shù)據(jù)只是一段時(shí)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(gè)轉(zhuǎn)速下的氣體成分的平均值來(lái)進(jìn)行設(shè)定。對(duì)數(shù)據(jù)處理后得到均值見(jiàn)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(dòng)機(jī)尾氣，以構(gòu)成符合要求的氧傳感器測(cè)試環(huán)境，但是實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境處在不斷的變動(dòng)之中，要模擬這種變化的環(huán)境通過(guò)配氣的方式難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣測(cè)量試驗(yàn)得到的各個(gè)工況下的氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)處理后得到的只是一個(gè)參考值，也不對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的任何一種工作狀況，根據(jù)氧傳感器的測(cè)試原理，對(duì)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(cè)試環(huán)境，對(duì)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(duì)含量，保持其他尾氣成分的比例，可以在不影響檢測(cè)結(jié)果的情況下減少測(cè)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(cè)試時(shí)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(cè)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(cè)試所需的環(huán)境。按照現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QC/T 803.1中對(duì)氧傳感的性能要求，選擇較常見(jiàn)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(cè)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(cè)要求的λ值被有效地控制在測(cè)試條件范圍內(nèi)，試驗(yàn)輸出曲線符合開(kāi)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(cè)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(cè)試環(huán)境，該方法相對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)和燃燒式等傳統(tǒng)的測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)的分析價(jià)值，對(duì)尾氣處理和監(jiān)測(cè)類產(chǎn)品的性能檢測(cè)具有一定的參考價(jià)值。

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