國六柴油發(fā)動機尾氣排放檢測裝置設(shè)計研究

梁海明

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

國內(nèi)汽車越來越多，因此須對尾氣排放進(jìn)行嚴(yán)格管控，“國六”政策的推行使得傳統(tǒng)尾氣檢測儀參數(shù)不能滿足政策的需要，市場面臨技術(shù)升級的挑戰(zhàn)，由此促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的發(fā)展。傳統(tǒng)的尾氣檢測儀已經(jīng)不能滿足消費者需求，無論是在政策上的要求，還是產(chǎn)品本身的缺陷，技術(shù)創(chuàng)新已是當(dāng)下發(fā)展趨勢。目前尾氣排放裝置最大的不足是不能進(jìn)行多功能操作，汽車排放的混合氣體有很多種，如果一個儀器能對多種氣體進(jìn)行分析的話，就能為消費者減少成本，而本文設(shè)計的這款國六柴油發(fā)動機尾氣排放裝置就能解決這個問題。

1 傳統(tǒng)汽車尾氣檢測分析儀存在的問題

1.1 體型較大且操作繁瑣

尾氣裝置的外觀已由原來的笨重繁瑣慢慢變成了現(xiàn)在的輕便簡單，而且操作方便，以前的裝置占用空間大，而且必須使用交流電，現(xiàn)在的尾氣裝置已經(jīng)發(fā)展到可以利用直流電蓄電池續(xù)航，大大減少了安全隱患。因為尾氣裝置如果使用交流電，線路就不能太長，時間久了之后，裝置容易脫線漏電，產(chǎn)生安全隱患。而在原裝置上做個支撐架可以解決這一問題，支撐架減少了裝置與地面的接觸面積，增加了安全系數(shù)。

1.2 檢測功能單一

傳統(tǒng)汽車尾氣檢測分析儀在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面都是單一存在的，無法實現(xiàn)多功能檢測，如需檢測一氧化碳(CO)和碳?xì)浠衔?CH)化合物的含量是否達(dá)標(biāo)時，只能對其中一種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而不能同時分析兩種數(shù)據(jù)。本次設(shè)計的儀器主要是用來測量柴油發(fā)動機排出的尾氣數(shù)據(jù)，然后用這個數(shù)據(jù)對照國六標(biāo)準(zhǔn)來判斷車輛是否符合上路標(biāo)準(zhǔn)，最后融入創(chuàng)新設(shè)計讓產(chǎn)品實現(xiàn)多功能化。

傳統(tǒng)尾氣排放檢測裝置主要由以下部分組成：廢氣取樣裝置、氣體分析儀裝置、數(shù)據(jù)顯示和校正裝置(如圖1所示)。

圖1 傳統(tǒng)尾氣裝置原理圖

(1)傳統(tǒng)廢氣取樣裝置也是由探頭、濾清器、導(dǎo)管、水分離器和泵等組成元件，但在精度要求上沒那么高，而且傳統(tǒng)的探頭清晰度不高，能見度比較低且體積大，技術(shù)不成熟。

(2)傳統(tǒng)氣體分析儀裝置由紅外光源、粒捕捉器、煙度計和玻璃容器等主要配件組成，但這些配件都是單一存在的，如煙度計一般只會出現(xiàn)在柴油氣體分析儀裝置，而紅外光源只會出現(xiàn)在汽油氣體分析儀裝置，檢測時需要購買兩臺儀器，成本較高。

(3)傳統(tǒng)氣體分析儀裝置在數(shù)據(jù)顯示上采用16進(jìn)制，一般只對一種氣體進(jìn)行分析，顯示屏上也只有一種數(shù)據(jù)信息。

(4)傳統(tǒng)氣體分析儀檢測裝置的信息反饋速度較慢，且精確度不高[1]。

2 國六柴油發(fā)動機尾氣排放檢測裝置的研究方法

2.1 研究思路

(1)對柴油尾氣的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，了解該裝置是如何對尾氣排放的PM、HC、CO、NO等廢氣顆粒物進(jìn)行檢測的，從而設(shè)置這個檢測裝置的結(jié)構(gòu)組成。

(2)結(jié)合柴油尾氣排放成分，對檢測裝置的外觀、功能、制作軟件和編程設(shè)計方面進(jìn)行整體性的設(shè)計。

2.2 研究步驟

(1)該檢測裝置主要是對柴油汽車尾氣排放的PN、HC、CO等廢氣顆粒物進(jìn)行廢氣檢測，與之前的傳統(tǒng)檢測儀相比，此次設(shè)計的儀器參數(shù)更加精確，安全系數(shù)更高，還能對當(dāng)前環(huán)境溫度進(jìn)行檢測顯示，主要利用氧傳感器和濾紙煙溫度計、溫度傳感器進(jìn)行檢測。

(2)利用80C51單片機進(jìn)行電路控制，主要是接收氧傳感器、濾紙煙溫度計和溫度傳感器的信號并反饋到顯示屏上。

(3)對80C51編寫程序C語言，主要用來控制電路輸出端和輸入端的電路反饋，如開關(guān)、上下鍵、復(fù)位鍵、顯示的間隔時間，還有碳?xì)浠衔?HC)、一氧化碳(CO)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)定等。

(4)用ISIS(profession)畫出電路圖，主要用來模擬仿真調(diào)試。

(5)用coreldraw軟件或者CAD軟件畫出國六柴油發(fā)動機尾氣排放檢測裝置設(shè)計二維平面圖，更直觀地反映設(shè)計理念。

2.3 研究方向

將粒捕捉器、尾氣分析儀和煙度計檢測器這3個原本獨立的裝置結(jié)合起來成為一個產(chǎn)品，不僅大大降低了研發(fā)的成本，還節(jié)省了很多材料。

3 國六柴油發(fā)動機尾氣排放檢測裝置的設(shè)計難點

3.1 外觀設(shè)計

傳統(tǒng)的尾氣分析儀外觀不夠精細(xì)，加工難度較小，而本次設(shè)計的國六柴油發(fā)動機尾氣排放檢測裝置的精密度較高，外觀加工難度大大提高。

3.2 編程設(shè)計

傳統(tǒng)尾氣分析儀的編程只是對單一氣體進(jìn)行分析，而本次設(shè)計的尾氣排放檢測裝置是一個多功能的裝置，所以編程相對復(fù)雜，采用80C51的單片機進(jìn)行編譯，由原來的單參數(shù)顯示變成現(xiàn)在的多參數(shù)顯示，難度隨之加大。

3.3 電路設(shè)計

用ISIS(profession)軟件繪制電路圖，當(dāng)繪制好電路圖后可將已經(jīng)編寫好的程序代入進(jìn)行電路仿真。仿真通過后即為初步設(shè)計成功。但多功能設(shè)計的電路圖相對復(fù)雜，繪制電路圖的耗時更多。

4 國六柴油發(fā)動機尾氣排放檢測裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次設(shè)計在框架上由廢氣取樣裝置、氣體分析儀裝置、數(shù)據(jù)顯示裝置和校正裝置這四大部分組成，各部分之間結(jié)構(gòu)不同、參數(shù)不同。

4.1 廢氣取樣裝置

廢氣取樣裝置主要由以下部分組成：探頭、濾清器、導(dǎo)管、水分離器和泵等。其中，探頭在這個裝置中是格外重要的，通過探頭取樣，再連接導(dǎo)管把氣體通過泵吸入廢氣，取樣裝置采集廢氣，然后再通過濾清器和水分離器隔離，把沒有充分燃燒的物體隔離處理，這樣就能將廢氣送入分析裝置，隔離出了尾氣排放出的碳渣、灰塵、水分，有利于數(shù)據(jù)的分析與檢測。

4.2 氣體分析儀裝置

氣體分析儀裝置主要由紅外光源、粒捕捉器、煙度計、玻璃容器等主要配件組成。紅外光源的作用就是進(jìn)行氣體類型識別，儀器利用CO和HC對紅外線的吸收性能原理，采用能量吸附差工作原理分辨出一氧化碳和碳?xì)浠衔铮⑼ㄟ^氧傳感器發(fā)出數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過各個傳感器參數(shù)對比，通過單片機80C51進(jìn)行計算處理后，在液晶屏幕上顯示出來[3]。

4.3 數(shù)據(jù)顯示裝置

數(shù)據(jù)顯示裝置主要就是通過單片機處理數(shù)據(jù)然后反饋輸出到顯示屏，看到一氧化碳、碳?xì)浠衔锾己偷趸衔锏臄?shù)據(jù)信號，在單片機指示儀表上的濃度都會以體積百分?jǐn)?shù)(%)表示出來。當(dāng)數(shù)據(jù)超過極限值的時候，顯示屏上會顯示紅色，并響起警報蜂鳴。

4.4 校正裝置

校正裝置是為了保持分析儀的指示精度，減少自身數(shù)據(jù)誤差的一種裝置，如這個裝置里的某個原件出現(xiàn)問題，其可通過收集數(shù)據(jù)減少誤差，是一種利用控制系統(tǒng)中的超前校正方法的裝置。該控制裝置的主要特點是反應(yīng)速度快，能及時反饋問題，使用時需要獲得校正指示，一般用電阻和電容就可連接而成，使之能準(zhǔn)確指示測量值[4]。

4.5 整體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

本次設(shè)計的主要創(chuàng)新是增加了三元催化器。三元催化器里最主要的元件是顆粒捕捉器。汽車在運轉(zhuǎn)工作中，捕捉器里的顆粒物會逐漸增加導(dǎo)致發(fā)動機輸出功率變小、油耗變高而引起發(fā)動機背壓數(shù)據(jù)升高，發(fā)動機測量的參數(shù)也會變大。運用三元催化這個技術(shù)，既可以更加準(zhǔn)確地檢測氮氧化合物(NOX)的含量，而且還能自我清潔，大大增加了產(chǎn)品的使用壽命，同時在技術(shù)上也是一個創(chuàng)新。

5 國六柴油發(fā)動機尾氣排放檢測裝置的優(yōu)勢

(1)造價成本低，使用壽命長。因為本產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用三元催化還原原理，不用更換一次性濾紙，使消費者大大減少了支出。

(2)多功能化。與傳統(tǒng)分析儀相比數(shù)據(jù)更精確，分析的數(shù)據(jù)也由原來的一種變成了現(xiàn)在的多種。

(3)體積小，攜帶方便，安全系數(shù)更高，工作效率也會大大提高。

6 結(jié)語

隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)競爭升級勢在必行，產(chǎn)品設(shè)計也要與時俱進(jìn)。目前市面上大多數(shù)發(fā)動機尾氣排放檢測裝置大多是單一功能的，如柴油發(fā)動機煙度計儀器是針對柴油發(fā)動機排放出來的尾氣進(jìn)行檢測，尾氣分析儀僅檢測汽油機尾氣。本次設(shè)計的產(chǎn)品就是把這兩種功能結(jié)合起來，用一個儀器就能解決兩種需求。該裝置包含了尾氣分析儀和煙度計的功能，還增加了儲存功能，不會浪費紙張，起到了保護(hù)環(huán)境的作用。該產(chǎn)品還具有安全性，設(shè)計了4個支撐腳，大大降低了裝置與地面的接觸面積，避免脫線、漏電等情況發(fā)生，增加了安全系數(shù)。