內(nèi)燃機(jī)尾氣排放檢測系統(tǒng)的設(shè)計

史 程 楊 升

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

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內(nèi)燃機(jī)尾氣排放檢測系統(tǒng)的設(shè)計

史 程 楊 升

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

介紹一種高效的內(nèi)燃機(jī)尾氣排放檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對內(nèi)燃機(jī)尾氣排放污染物進(jìn)行實時采集、顯示、分析以及循環(huán)排放計算。既直觀方便，又保證了檢測的準(zhǔn)確性，從而提高實驗效率。

內(nèi)燃機(jī)；尾氣排放；檢測系統(tǒng)；排放污染物

0 引言

檢測一臺內(nèi)燃機(jī)尾氣排放是否合格，能否滿足國Ⅲ、國Ⅳ、國Ⅴ等的排放標(biāo)準(zhǔn)，一般需要進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況實驗[1]。然而，目前使用的尾氣排放檢測儀器和設(shè)備，通常是從內(nèi)燃機(jī)原始排氣中直接進(jìn)行采樣，進(jìn)而獲得氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳?xì)?HC)等排放污染物的平均濃度(ppm)，但是這些數(shù)據(jù)并不能精確地表示內(nèi)燃機(jī)的瞬時排放水平。因為內(nèi)燃機(jī)處在變動的運行工況下，必須記錄和計算一定時間內(nèi)或某段距離內(nèi)的排放總量，這樣才可以準(zhǔn)確地表示內(nèi)燃機(jī)的排放水平。我國的排放法規(guī)中明確了以g/kW·h為單位的循環(huán)排放結(jié)果作為排放檢測的評判標(biāo)準(zhǔn)，所以單純的尾氣檢測儀器設(shè)備，并不能測量得到排放法規(guī)中所要求的排放結(jié)果，必須結(jié)合內(nèi)燃機(jī)的功率、油耗率等其他參數(shù)，在特定的工況下，完成足夠時間的排放檢測實驗，才能獲得較為準(zhǔn)確的尾氣排放指標(biāo)。這一過程，不僅操作起來步驟繁雜，而且需要大量的數(shù)據(jù)記錄、計算，這給內(nèi)燃機(jī)尾氣排放檢測工作造成了很大的不便。同時，對大量實驗數(shù)據(jù)的手工操作，也影響了實驗的精確性。

基于以上這些技術(shù)問題，本文介紹了一種能夠滿足尾氣排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，并且可以完成內(nèi)燃機(jī)臺架實驗的高效內(nèi)燃機(jī)尾氣排放檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

此內(nèi)燃機(jī)尾氣排放檢測系統(tǒng)所使用的主要設(shè)備和儀器有測功機(jī)、氣體流量分析儀、油耗儀、數(shù)據(jù)采集卡、主控計算機(jī)、打印機(jī)等。此內(nèi)燃機(jī)尾氣排放檢測系統(tǒng)的儀器設(shè)備連接如圖1所示。內(nèi)燃機(jī)1與油耗儀3連接，用于獲取瞬時油耗量、百公里油耗量、油耗率等經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)。內(nèi)燃機(jī)1與測功機(jī)4連接，用于調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)各個運行工況，測功機(jī)根據(jù)排放法規(guī)的限制要求，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)循環(huán)實驗各個工況的監(jiān)測，并測量和記錄內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率等動力性能參數(shù)。測功機(jī)監(jiān)測內(nèi)燃機(jī)性能參數(shù)后，在主控計算機(jī)軟件端輸入內(nèi)燃機(jī)的相應(yīng)的性能參數(shù)。內(nèi)燃機(jī)排氣管2與氣體分析儀5連接，用于檢測和分析內(nèi)燃機(jī)排氣污染物的平均濃度(ppm)。數(shù)據(jù)采集卡6兩端分別連接氣體分析儀5和主控計算機(jī)7，用于采集氣體分析儀連續(xù)測量排放污染物平均濃度(ppm)的數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)采集卡對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實時讀取并儲存于主控計算機(jī)中，便于數(shù)據(jù)的計算、顯示和儲存。實驗結(jié)束后，主控計算機(jī)可以自動完成加權(quán)函數(shù)計算,最后在主控計算機(jī)上顯示出循環(huán)排放結(jié)果。在整個過程中，主控計算機(jī)顯示模塊可以實時記錄，并顯示各種排放污染物的平均濃度曲線圖，從而有助于檢測結(jié)果分析以及相關(guān)的實驗研究。

2 系統(tǒng)的軟件開發(fā)

2.1數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡是將氣體分析儀得到的模擬信號轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可以識別的數(shù)字信號，也是本檢測系統(tǒng)最重要的部分。對于數(shù)據(jù)采集卡的選擇主要是基于采集卡的通道數(shù)、采集卡的A/D、D/A轉(zhuǎn)化精度以及采集卡的最高采樣率[2]。此內(nèi)燃機(jī)尾氣排放檢測系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡是由北京雙諾公司生產(chǎn)的MP422E型數(shù)據(jù)采集卡，如圖2所示。

對于數(shù)據(jù)采集卡的接線方式通常采用單端和差分來進(jìn)行線路的連接。單端接線方式是指分析儀或傳感器的正負(fù)極直接連接到數(shù)據(jù)采集卡的正負(fù)極上，這種連接方式具有傳輸信號距離短，抗干擾能力差的特點，所以適用于傳輸距離較短和信號較強的情況；而差分接線方式是指不僅要接正負(fù)極還要接地線，其主要是靠差分放大器的共模抑制特性來減少傳輸中的干擾，所以適合信號相對較差，傳輸距離較長的情況[2]。由于實驗環(huán)境和采集分析等因素，本數(shù)據(jù)采集卡選用的接線方式是單端連接。

檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要用到數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)化和采樣部分，A/D轉(zhuǎn)化一般要經(jīng)過采樣、保持、量化以及編碼等過程[3]。對于A/D轉(zhuǎn)化最重要的莫過于轉(zhuǎn)化精度的問題，衡量轉(zhuǎn)化精度標(biāo)準(zhǔn)是輸出的數(shù)字信號的位數(shù)多少，能精確輸出的數(shù)字位數(shù)越多，表示A/D轉(zhuǎn)化的性能越好[4]。

在檢測系統(tǒng)的運行使用過程中，數(shù)據(jù)采集卡直接通過USB接口連接到主控計算機(jī)上，同時用接線端子板與數(shù)據(jù)采集卡連接起來，在端子板上接上各個輸入信號。根據(jù)本檢測系統(tǒng)的實驗要求，在軟件中設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的采樣率、分辨率、通道數(shù)等技術(shù)參數(shù)(表1)。

表1 采集卡的技術(shù)參數(shù)

2.2軟件系統(tǒng)

實驗測試的數(shù)據(jù)、實驗的結(jié)果以及數(shù)據(jù)的處理與分析都要通過軟件來實現(xiàn)。本檢測系統(tǒng)是基于LabVIEW軟件的操作界面進(jìn)行的。LabVIEW軟件不同于其他軟件需要編寫程序代碼，而是用簡單的圖標(biāo)和連線構(gòu)成程序框圖，這樣可以更方便、更直觀地進(jìn)行界面操作，從而提高工作效率。此內(nèi)燃機(jī)尾氣排放檢測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)(圖3所示)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊、計算和顯示模塊、儲存和數(shù)據(jù)輸出模塊這四部分組成。

數(shù)據(jù)采集模塊：用于實時采集氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳?xì)?HC)、二氧化碳(CO2)等排放污染物的平均濃度[3]。

信號處理模塊：用于對采集到的信號進(jìn)行分析和處理，利用數(shù)字濾波方式減少干擾噪聲對采樣信號的影響。

計算和顯示模塊：對采集到的信號進(jìn)行相應(yīng)計算，并在主控計算機(jī)上實時顯示圖表。

儲存和數(shù)據(jù)輸出模塊：用于儲存和輸出實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果。

3 系統(tǒng)的檢測原理

檢測開始前，按照圖1所示連接好檢測系統(tǒng)的各個儀器和設(shè)備，預(yù)熱后啟動內(nèi)燃機(jī)，等待運行平穩(wěn)，工況達(dá)到要求后，即可進(jìn)行檢測。系統(tǒng)的檢測原理如圖4所示。

在檢測的過程中，譬如排放法規(guī)要求進(jìn)行十三個工況的尾氣檢測，調(diào)整測功機(jī)，使內(nèi)燃機(jī)達(dá)到第一個工況要求，并運行穩(wěn)定。開啟軟件系統(tǒng)，輸入測功機(jī)及油耗儀上的相關(guān)參數(shù)(如功率、油耗量、進(jìn)氣流量)，設(shè)置采集卡參數(shù)(如采樣頻率、采樣通道)，操作界面如圖5所示。

然后啟動采集模塊程序，實時顯示、記錄排放污染物氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳?xì)?HC)、二氧化碳(CO2)等的數(shù)據(jù)(如圖6所示)。

采樣時間達(dá)到法規(guī)要求后，停止采集。然后調(diào)整測功機(jī)，使內(nèi)燃機(jī)達(dá)到下一個工況要求，重復(fù)上述實驗步驟。完成所有的采集工作后，啟動計算模塊程序，主控計算機(jī)完成相應(yīng)加權(quán)計算，即可快速輸出排放檢測結(jié)果，并實時地顯示各排放污染物平均濃度的曲線圖。

檢測完成后，可以通過軟件系統(tǒng)回放、顯示、打印檢測過程中某一特定工況或者全部工況的尾氣排放情況，便于實現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和理論研究。

4 結(jié)語

本文主要圍繞內(nèi)燃機(jī)尾氣排放檢測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)進(jìn)行闡述。系統(tǒng)可以直觀地觀察、記錄整個循環(huán)工況實驗過程中各種排放污染物平均濃度的變化，有助于排放檢測實驗的研究和分析。實驗結(jié)束后自動記錄數(shù)據(jù)并完成相關(guān)計算，獲得與排放法規(guī)中標(biāo)準(zhǔn)單位相一致的排放結(jié)果，從而快速、準(zhǔn)確判斷出內(nèi)燃機(jī)排放是否滿足要求。當(dāng)然，系統(tǒng)還存在諸多不足之處，有待在今后的實驗中不斷地改進(jìn)和完善，豐富系統(tǒng)功能，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

[1]黃孝慈，宋敬斌.VMAS簡易瞬態(tài)工況法汽車尾氣排放檢測系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2009，(2)：15—18.

[2]盧豐翥.基于虛擬儀器開發(fā)的內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng)對混合燃料燃燒特性的研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2013.

[3]吳曉東，宋敬濱.在用車尾氣排放ASM檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].森林工程，2007，(1)：66—68.

[4]李福齊.機(jī)動車ASM尾氣排放檢測系統(tǒng)設(shè)計與控制方法研究[D].長春：吉林大學(xué)，2015.

責(zé)任編輯：李滿昌

10.3969/j.issn.1674-6341.2015.06.011

2015-11-06

史程(1989—)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生。研究方向：內(nèi)燃機(jī)燃燒與光學(xué)診斷。

TK411

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1674-6341(2015)06-0025-02