汽車氧傳感器檢測設備配氣方案設計

周曉++姜禮義++姜志堅++黃長城

摘 要：該文通過發動機臺架實驗不同工況下發動機尾氣成分，利用傅里葉變換紅外光譜法精確測量尾氣的成分含量，通過測試結果分析得出尾氣各成分比例，結合試驗結果和實際檢測設備開發確定汽車氧傳感器檢測設備配氣方案，實現逼真模擬汽車氧傳感器測試環境，并通過實驗驗證該方案的可行性。該方案的設計可為汽車氧傳感器產品檢測提供一種新嘗試，為其他尾氣處理及監測類產品測試提供參考。

關鍵詞：汽車；氧傳感器；模擬尾氣；空燃比；檢測設備

中圖分類號：T19 文獻標識碼：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

氧傳感器是電噴發動機中的關鍵部件，其性能直接影響發動機燃燒效率和尾氣排放清潔度。隨著環保意識的增強和排放法規的不斷完善，汽車氧傳感市場需求量逐步放大，國內許多廠商開始生產該產品，但國內的氧傳感器測試技術卻遠遠滯后于氧傳感器技術的發展，生產企業一般通過搭建簡易臺架測試平臺進行性能檢測，無法測得氧傳感器較為精確的響應時間和伏安特性曲線，測試的精度和可靠性不能得到保證。開發配氣式檢測設備實現模擬汽車尾氣排放環境，精確控制汽車氧傳感器檢測主要參數λ值，可為解決汽車氧傳感器產品性能檢測提供另一種途徑。因此研究設計合理的汽車氧傳感器測試設備配氣方案，實現尾氣成分逼真模擬具有重要的現實意義。

1.試驗裝置

測量實際汽車尾氣排放成分需搭建試驗臺架，整個臺架由燃油供給系統、尾氣成分測量系統、燃燒分析系統和數據采集處理系統等組成。圖1為本文試驗所用的發動機臺架示意圖。

試驗發動機為MR479Q 多點進氣道電控噴射汽油機。在發動機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采樣點，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電渦流測功機對發動機進行加載，MCS-960 型油耗儀測量實時油耗。在機油底殼及冷卻水箱內裝有溫度傳感器，監測發動機的工作狀態。試驗發動機主要技術參數見表1。

2.試驗內容及數據處理

試驗采用市場上通用的92#標準汽油作為介質，在發動機不做任何調整的情況下，分別進行了1200r/min、1600r/min、2000r/min、2400r/min、2800r/min、3200r/min轉速下的負荷特性對比試驗，在每個轉速下分別選取6個負荷點，進行穩態工況測量，試驗測量三元催化器入口和出口處的CO2、CO、H2O、NOX、CH氣體的含量，全面考察轉速、轉矩、節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驗數據發現，燃燒產生的CO、NOX、CH等有害物質經過三元催化器后大幅下降，轉化成為無害的CO2、N2以及H2O；不同的轉速工況下，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，主要燃燒產物為N2、H2O及CO2，其中N2來源于空氣。考慮到發動機的實際運行處在一個不斷變化的過程，因此測得的數據只是一段時間內的數據均值，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速下的氣體成分的平均值來進行設定。對數據處理后得到均值見表2。

由上面整理的結果可以看出，經三元催化器后汽油機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。上述實驗結果可以作為配氣方案的設計依據。

四、配氣方案的確定

配氣的目的雖然是模擬發動機尾氣，以構成符合要求的氧傳感器測試環境，但是實際發動機的工作環境處在不斷的變動之中，要模擬這種變化的環境通過配氣的方式難以實現。根據發動機尾氣測量試驗得到的各個工況下的氣體組分數據在經過處理后得到的只是一個參考值，也不對應發動機的任何一種工作狀況，根據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境，對氧傳感器的輸出結果影響不大，依據試驗數據分別用C3H8、NO模擬CH、NOX，適當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的含量根據測試時要求的不同λ（空燃比）值添加。

五、試驗驗證

將配置模擬氣體的標準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，根據測試端溫度要求進一步加熱至所需的溫度點，不同的λ值要求調節CO和O2的供給，實現精確模擬測試所需的環境。按照現有國家標準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準備和結束控制波形，檢測要求的λ值被有效地控制在測試條件范圍內，試驗輸出曲線符合開關型氧傳感的輸出特性，試驗曲線的輸出可為產品的性能的進一步分析提供依據，也可滿足線性氧傳感器的測試需求。

結論

本文基于不同工況下試驗數據，優化試驗模擬氣體成分，利用配氣方式模擬汽車氧傳感器的尾氣測試環境，該方法相對臺架試驗和燃燒式等傳統的測試方式具有試驗條件可控、性能穩定、結果可再現等特點，大大提高測試數據的分析價值，對尾氣處理和監測類產品的性能檢測具有一定的參考價值。

參考文獻

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