（生物医学工程专业论文）轻型车发动机排放检测系统研究.pdf

a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h em o t o ri n d u s t r ya n dt h ep o s s e s s i o no fc a r s ， t h ee n v i r o n m e n tp o l u t i o nc o m e si n t oas e r i o u sp r o b l e m w et a k eo nt h es u b j e c to f “r e s e a r c ho nt h em o t o re m i s s i o nm e a s u r i n gs y s t e m f o rt h es a k eo fp r o t e c t i n gt h e e n v i r o n m e n t ，t h ep r o m o t i o no ft h er e l e v a n tl a w sa n dt h eh e a l t h yd e v e l o p m e n to ft h i s i n d u s t r y t h es y s t e mi sm a d et oe x p l o i tt h ep r o d u c tw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t sw h i c hp r o v i d e sp o w e r f u lt e c h n i c a ls u p p o r tt ot h em o t o re m i s s i o n m e a s u r m e n tm e t h o d s i tc a l lb et h ef o u n d a t i o no ft h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no ft h em i d d l e a n dh e a v ym o t o r s t h em a i nc o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o ni n v o l v e s ： 1 ac o n s t a n tv o l u m es a m p l i n gs y s t e m ( c v s ) w i t hc r i t i c a lf l o wv e n t u r i ( c f v ) f l o w m e t e ri sd e v e l o p e db a s e do nt h eb e m o u l if l u i df o r m u l a t w oc f v sa r ea p p l i e da l o n g t h em a i nc h a n n e la n dt h es a m p l i n go n ei nt h es y s t e mt oa s s u r et h ef i x e dr a t i oo ft h e v o l u m eo f t h ea n a l y z e ds a m p l et ot h ev o l u m eo ft o t a ld i l u t i o n 2 1 1 h ef u l lf l o wd i l u t i o ns a m p l i n gs y s t e mi sd e s i g n e de s p e c i a l l yf o rt h ed i e s e le n g i n e i nt h eo p e r a t i o np r o c e s s ，i ts h o u l da s s u r et h ec o n t i n u o u sd i l u t i o no ft h ee m i s s i o n w i t h o u tc o a g u l a t i o n ，t h es l i d i n gs c a l i n gd i s t i l l m e n to ft h ed i l u t e de m i s s i o na n dt h e s a m p l e sp r e c i p a t e do nt h ef i l t e rp a p e r w ew i l lf o c u so nt h et h ef l o wc o n t r o l i n g s y s t e m 3 i m p l e m e n tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec e n t r a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do n o p t 0 2 2 ，t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ei n s t r u m e n ta n dt h ep c ，d a t at r a n s m i s s i o nu n i ta n d t h ea c c o r d i n gc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e 4 m a n yt e s t i n gs t e p sa r et a k e nt oa s s u r et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m a n dt h el e a s ts q u r em e t h o di su s e dt oa n a l y z et h el i n e a r i t yo ft h ea p p a r a t u s t h e s y s t e mo fc v si sc a l i b r a t e db yl a m i n a rf l o we l e m e n t s ( l f e ) ，t h ew h o l es y s t e m c a l i b r a t e db yc r i t i c a lf l o wo r i f i c e ( c f o ) m e t e r k e yw o r d s ：m e a s u r e m e n to fe m i s s i o n ，c o n s t a n tv o l u m es a m p l i n gs y s t e m ( c v s ) ，c r i t i c a lf l o wv e n t u r i ( c f v ) ，f u l lf l o ws a m p l i n gd i l u t i o nt u n n e l ，o p t 0 2 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：董珐 签字日期： 加。7 年2 月2 9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：主嗜 签字日期：刃d 年2 月2 1 s 日 = 与 签字同期：j 膨年 n 乙月狮 天津大学硕士学位论文 轻型车发动机排放检测系统研究 第一章绪论 改革开放以来特别是在加入w t o 之后，中国经济正逐步完成与世界经济大环 境的充分融合，迅速发展的国民经济建设使中国的汽车工业日新月异，汽车保有 量持续增长。与此同时，一些先进工业国家在其发展过程中遇到过的大气污染问 题已有在我国重演的趋势。其中由汽车排放造成的污染，与发达国家二十世纪六 七十年代的城市大气污染问题相类似，正越来越受到政府和公众的关注。 美国、欧洲和日本的汽车排放法规是当今世界上的三个主要法规体系，世界 上其他国家也都是在不同程度上采用这些法规和标准，我国汽车污染控制工作始 于1 9 7 9 年中华人民共和国环境保护法( 试行) 颁布以后。由于世界三大排放 标准体系中，欧洲法规在标准的要求程度、道路交通情况等方面相对较适用于我 国的实际情况，我国在充分吸收欧美的经验后，全面等效采用了欧盟( e u ) 指令、 e c e 技术内容和部分前欧共体( e e c ) 法规的基础上形成了中国排放法规体系。目 前，在汽车行业正大力推广欧洲i u 号排放标准，预计将于2 0 0 7 年7 月1 日起在 全国实施，并已于2 0 0 5 年1 2 月3 0 日起在北京开始实施。 1 1 课题研究的目的及意义 发达国家对于汽车排放污染物的测试和研究相比国内要全面、透彻很多，因 此汽车制造商能有的放矢的改进生产和净化技术，不断满足政府环保机构制定的 日益严格的排放法规。为了促进经济可持续发展，我国也在不断加大环保法规的 推行力度，要求各汽车生产企业必须加强对发动机排放的检测和控制，由此企业 必需配备相应的检测仪器。但由于成套。汽车发动机排放检测系统在国内尚属 空白，进口国外系统价格昂贵且难以得到快速及时地售后服务，这严重增加了中 小企业负担。于是，“汽车发动机排放检测系统的研究与开发”课题就在此背景 下应运而生了。 此次我们是在曾成功研制摩托车发动机排放检测系统的基础上，深入研究国 际通行汽车排放标准，查阅大量国内外相关产品资料，研究开发具有自主知识产 权的产品。从对轻型车发动机的排放检测研究入手，开发出可以较好的满足型式 认证和生产一致性检查需求的检测系统，并为今后开发中型、重型以及在用车检 测系统积累宝贵经验，为我国汽车产业建立高水平的排放测量手段提供强有力技 第一章绪论 术支撑羽。 1 2 排放检测方法及其检测系统的国内外发展现状 汽车发动机按日常使用的燃料划分为汽油发动机和柴油发动机两种，相对应 的汽油车和柴油车由于使用油料、发动机结构、混合气形成方式以及燃烧方式的 不同，其排放特点也不同：1 ) 汽油车排放的特点是一氧化碳( c 0 ) 、碳氢化合物 ( h c ) 排放量高，而颗粒物排放量低，氮氧化合物( n 0 x ) 排放与柴油车基本相同。 此外由于其使用的燃料汽油具有很强的挥发性，而柴油很难挥发，因此汽油车还 有燃料蒸发排放物，其组分是碳氢化合物( h c ) 。2 ) 柴油车排放特点是颗粒物和 氮氧化物( n 0 x ) 排放量多而一氧化碳( c o ) 和碳氢化合物( h c ) 排放量少。 这从而导致了针对两种发动机的排放检测要求上有所不同，柴油发动机除了 要检测汽油发动机需检测的c o 、c 0 2 、h c 、n o 】【以外，还需专门对颗粒物p m 的排放进行定量检测。 i 2 1 排放系统及检测方法介绍 我们所设计的这套汽车发动机排放污染物检测系统在整体上主要由汽车运 行测试系统( 底盘测功机) 、排放污染物容积计量及收集系统和排放污染物成分 分析系统( 分析仪器系统) 三部分组成，如下图1 1 所示，它们分别构成相应独 立的系统。下面分别从这三个组成部分对检测技术的发展进行介绍： 机动车测试系统 排气污染物容积计 排气污染物成分分 量及收集系统 析系统 图1 1 排放污染物检测系统框图 1 汽车运行测试系统一底盘测功机 底盘测功机是主要用于测试汽车行驶性能的设备，它的作用是模拟汽车各种 工况( 怠速、加速、匀速、减速等) ，完成一系列汽车运行测试实验。目前国内 外排放检测系统中运行测试方法主要有工况法n 。和怠速法两种。工况法测试过程 中汽车发动机正常运行，驱动车轮处于运转状态，汽车在底盘测功机上完成各种 实际工况的模拟；怠速法测试过程中汽车驱动轮静止，发动机正常运转，化油器 的节气门处于最小位置，阻风门全开，转速符合测试的规定。与怠速法相比工况 法更能真实反映汽车排放污染物对大气污染的实际状况，国外大型排放检测系统 天津大学硕士学位论文 轻型车发动机排放检测系统研究 大多采用工况法测试发动机的运行。为了保证整个系统研制的先进性，研究中我 们也采取了这种方法对汽车排放污染物加以测试。 2 排放污染物容积计量及收集系统h 1 汽车发动机排放污染物的采集和分析非常困难，其中一个重要的原因是发动 机尾气中包括气态污染物和颗粒物，成分复杂，并且其浓度和成分随发动机运转 条件的改变而变化，设备需要很高的技术含量，价格昂贵。 目前，测定汽车发动机排放颗粒物的方法主要有现场实验法和实验室实验法。 现场实验法是利用比较长的公路隧道，在隧道内设置数个颗粒物观测点测定颗粒 物的浓度，并测定空气流量和汽车平均时速，然后运用模型进行模拟计算，得出 在一定空气流量和汽车行驶工况下颗粒物的排放量和排放因子。该方法的优点是 能得到颗粒物的排放总量和综合排放因子，缺点是不能描述单一车型颗粒物的排 放量和排放因子，同时受其他因素干扰较多，有时不能准确反映实际的排放状况。 实验室测定颗粒物的方法针对单车进行，主要包括波许烟度计法、不透光烟 度计法、颗粒物稀释质量测量法。这些方法都需与一定的工况相结合。波许烟度 计是常见的滤纸式烟度计，它在一个很短的时间里，把一定量的排气从排气管里 通过一张滤纸滤出，然后测量滤纸黑度对光线的反射程度，确定排气中的颗粒物 波许烟度大小怕。但是目前柴油车排气的波许烟度一般都小于2 ，所以测量的误 差比较大。不透光烟度计是使用一定强度的光照射部分或全部排气，并在光源对 面设置感光元件测定透过排气的光强度，再转变为电信号，以显示测量结果。它 可进行连续测量，因此可以对应不同的工况，也可用于测定柴油车瞬态颗粒物排 放特性。但是，测定时碳氢化合物冷凝形成的液滴会吸收光线，从而影响测试的 精确度。以上两种方法是柴油车排放颗粒物的快速测量方法，操作便捷。但是重 复性和可比性差，通常用于测量柴油车自由加速工况和怠速工况下排放的颗粒 物，且只能反映柴油车排放颗粒物的最大和最小两种极限，不能反映柴油车排放 颗粒物的整体情况，因此只是对柴油车排放颗粒物进行监督的一种较粗略的手 段。 常见的颗粒物稀释质量测量法根据利用工况法采集柴油车排放颗粒物时取样 方法的不同，分为直接取样、全量取样、比例取样、定容取样等方法，它们也是 对汽油车进行排放取样最为常用的方法，国际上较为常用的方法有两种： 1 ) 直接取样法 直接取样法就是将排放物直接从发动机排放管采集进入分析仪器，进行污染 物浓度的测量。这种方法的优点是实时性强，能反映某一工况下发动机排放因子， 对发动机本身性能的研究具有科学意义。缺点是在分析仪器前必须有严格的除湿 措施，避免水蒸气对分析仪器的干扰。由此带来的问题是常温或低温下，部分蒸 第一章绪论 汽压低的高沸点物质易发生凝聚或溶于水，这将造成测定的污染物浓度随温度有 相当大的变化，带来冷凝的误差。 2 ) 定容稀释取样( c o n s t a n tv o l u m es a m p l i n gs y s t e m ，简称c v s ) 法 定容稀释取样法是将汽车全部排放引入稀释风道内用新鲜空气稀释，然后进 行排放的采集和容积测量。这种方法具有显著的优点：a ) c v s 法的样品是经过 稀释后才收集取样，更加接近于实际空气的机动车排放污染物的扩散状态，能减 少排放中化学活性强的物质因反应而引起的组成变化；b ) 由于汽车尾气经足够 稀释后进行取样，不用十分严格的冷凝措施就能避免水蒸气在管路中的凝结，避 免测定值降低带来误差；c ) c v s 法可以测量和计算出不同汽车行驶工况下的排 放总量，能直观的解析出机动车排放对大气的污染程度。 c v s 法的缺点是对系统技术要求高，价格较贵。同时，如果过度稀释将使污 染物浓度过低，为获得精确测量结果，必须消除空气的影响，这就要求使用高灵 敏度的分析仪器。尽管如此，c v s 法依然因其精度高而被广泛采纳。 常用的c v s 又分为p d p - c v s 和c f v - c v s 。p d p - c v s 指带容积泵式的定容取样系 统，其优点是能使系统流量无级变化；缺点是结构庞大、噪音大，同时测量结果 受温度影响大，需在取样前加装换热器。c f v - c v s 指带文丘里管的定容取样系统， 其优点是测量结果受温度影响小，工作稳定性高，结构紧凑；缺点是切换文氏管 时流量有很大变化，加工难度大。我们的系统选用的是c f v c v s 。 3 排放污染物成分分析系统 对于发动机排放颗粒物的检测，从排放法规的定义看，现行的测试和评价技 术是基于重量法来评价排放量的多少。以重量法为基础的测量系统的最大特点是 测量的精度和一致性好，特别是微粒排放量相对较高的情况下，只要测试条件满 足，测量结果重复性和精度就可以得到保证，而对其他环境条件并不敏感。国内 外排放法规普遍都要求采用滤纸过滤颗粒物、然后天平称重的方法进行检测，本 系统所采用的也是这种方法。 对于各气体成分的检测，排放法规专门规定了所用分析仪器类型，使用分析 仪器对排放气体的各组分进行分析后根据定容稀释取样比例进行计算的方法。目 前分析仪器集成技术的最高水平已发展到分析仪器传感部分以独立的模块通过 串口、数据线与计算机实现数据及指令的传输1 。 1 2 2 国内外系统发展现状介绍 当今，国际公认并流行的发动机排放污染物检测系统的组成方法是：在底盘 测功机上采用一定的工况，并利用c v s 法取样，然后对收集的尾气进行污染物浓 度分析。中国从1 9 8 9 年以后，开始使用c v s 法配合一定工况，对污染物进行取样 4 天津大学硕士学位论文轻型车发动机排放检测系统研究 和分析；1 9 9 8 年以后，部分汽车生产厂家引进机动车排放污染物检测系统，同时 国内部分分析仪器制造厂家开始进行相关产品的研制和开发。 国外在环境保护标准、检测技术及设备方面已经历了几十年的发展，并形成 了完备的理论体系和产业结构川。目前国外发动机排放检测系统的主要生产厂家 有：日本h o r i b a ( 崛场) 公司、美国c a i ( 加州仪器) 公司、奥地利a v l 公司 等。经过多年发展和产品经验的积累，这些企业设计制造的检测设备已在世界排 放检测领域占有大量的市场份额。其中，日本h o r i b a ( 崛场) 公司的检测设备是 目前世界上公认的技术水平最高的仪器之一，全套设备性能可靠、结构紧凑、使 用方便。其他几家公司的产品大体处于同一个技术水平上，价格较h o r i b a 略 低。但所有国外仪器均存在造价及维修费用昂贵等问题，一般中小企业难以承受。 目前国内从事发动机排放检测系统开发与生产的厂家也有上海同圆环保科 技有限公司和天津世纪动力科技有限公司等，其中上海同圆环保科技有限公司的 相关产品主要为发动机排放检测系统中的定容取样( c v s ) 系统等，而与我们进 行合作的天津世纪动力科技有限公司则致力于开发完整的排放检测系统，研制的 系列摩托车排放检测系统已投入市场并出口到东南亚。此次“汽车发动机排放检 测系统的研究与开发”课题，正是我们与天津世纪动力科技有限公司的又一次合 作。 本系统研制的总思路是既要保证汽车排放物测量装置的先进性和实用性，又 要兼顾国内中小企业的操作使用水平和经济承受能力。因此我们选用了c a i ( 美 国加州分析仪器公司) 提供的核心部件，自行配置气路、电路等外围部件，自主 开发控制程序。系统由底盘测功机、定容稀释取样系统和分析系统三部分组成。 汽车在底盘测功机上模拟各种行驶工况，其排放物在离心风机作用进入c v s 系 统。c v s 主通道计量稀释排放总容积，气体采样通道将部分稀释排放等比例采 集到样气袋并计量容积；颗粒物样本的采集通过颗粒物采样通道中运用滤纸过滤 的方法获得。分析仪器分别从背景气袋中、稀释排放气袋取样气进行分析，测量 得出污染物的体积浓度；颗粒物的定量检测由电子天平完成。 1 3 课题的主要研究内容 本课题的研究任务是开发研制出国内第一套具有自主知识产权的汽车发动 机排放检测系统，主要内容如下： 1 c v s 系统的研制 c v s 系统是根据流体力学中气体伯努利( b e r n o u l l i ) 流动方程，开发的带超 临界流文丘里管流量计的定容取样系统，a p c f v c v s 。其优点是测量结果受温 第一章绪论 度影响小，稳定性高，结构紧凑。在采样系统中设置高精度温湿度和压力传感器， 对流量进行实时计算，通过控制补偿温湿度和压力对测量结果的影响，保证 c f v c v s 运行中流量的平稳性。在稀释通道内，为使采集的样品真实反映稀释 排放污染物组成，c v s 系统保证新鲜空气与发动机排放有足够的稀释比并使两者 形成质量流量的互补关系。此外，组合文氏管结构的使用，扩大了系统流量级别 控制范围且切换方便，可完全满足对各类轻型汽车进行实验。 2 柴油机颗粒物采集系统的设计 以柴油车排放颗粒物采集和分析为主要目的，设计了全流稀释风道发动机排 放颗粒物采集系统。系统主要由稀释通道、颗粒物过滤采集系统、流量控制系统 等组成，在测量过程中要求保持排气被连续的稀释且不出现凝结现象，并按比例 抽取稀释排气，最终在滤纸上获得所需测量的颗粒物样本。其中稀释通道和颗粒 物过滤采集系统已基本完成，流量控制系统将在下阶段加以重点开发。 3 中央控制系统硬件和软件的开发 整个测控系统开发都采用分布式结构。首先，底盘测功机、分析仪器单元和 c v s 单元的状态数据经传感器被o p t 02 2p a m u x 总线上的s n a p b 4 和b 6b r a i n 的数 字及模拟输入端获取，经p c i - a c 5 1 板卡传输给p c 机；其次，p c 机通过p c i a c 5 1 板卡与p a m u x 总线上的b 4 和b 6 通讯，控制各执行机构；此外，p c 机也在负责对采 集到的数据、状态信号等进行处理。以上都通过我们自主编写的程序来进行控制。 4 仪器接口以及数据传输单元的开发 各分析仪器选择美国c a i 公司的模块产品，仪器带有检测室和模拟数据输出。 在此基础上，我们自主开发了分析仪器与计算机的接口、数据传输单元、以及相 应的通讯软件。分析仪器的测量数据通过r s 2 3 2 总线传输到的计算机，仪器开关、 量程转换等命令又通过接口部分使用a k 协议下达给分析仪器。这样便形成了一套 完整的计算机控制的分析仪器检测单元。 5 系统的测试与标定 系统的测试与标定包括检测系统的运行测试以及重要参数的标定，重要参数 包括分析仪器线性度、临界流量文丘里管k v 值以及整套系统的测量精度标定。 分析仪器标定采用气体分割器，试验数据进行最小二乘拟合；临界流量文丘里管 k v 值标定采用层状流量计( l f e ) ；整套检测系统测量精度校准采用临界流喷咀 ( c f o ) 流量计。这些措施验证并保证了系统的稳定性和可靠性。 6 天津大学硕士学位论文轻型车发动机排放检测系统研究 2 1 系统概述 第二章汽车发动机排放检测系统结构 整套发动机排放物检测系统由底盘测功机、定容稀释排放取样( c v s ) 单元 ( 包含颗粒物采样全流稀释单元) 、排放物成分分析单元、中央控制单元以及相 关辅助设备组成，系统框图如下图2 - 1 所示。其中底盘测功机由其他单位配套研 制，本论文不作详细介绍。首先汽车在底盘测功机上完成各种工况的模拟并给出 运行的里程数；同时发动机排出的气体由c v s 系统进行定容稀释取样( 柴油机 排气还需经过颗粒物采样全流稀释取样) ，得到稀释排放的总体积并将稀释样气 等比例采集；然后样气进入分析仪器进行排放物容积浓度检测( 颗粒物采样质量 由天平称量滤纸获得) ，最终通过公式计算得出发动机的排放值。 厂一矗函磊而一 图2 - i 排放检测系统结构示意图 定容稀释取样单元的功能是完成排放污染物的容积计量及样气收集。本单元 选用的取样方法为变稀释度定容取样法c f v c v s ( c r i t i c a lf l o wv e n t u r ic o n s t a n t v o l u m es a m p l i n g ) 。这种方法采用超临界流文丘里管进行可变稀释度定容取样， 将发动机排气用周围空气连续地稀释，计量总稀释排气和供分析用稀释排气的体 积流量哺1 ，并采用组合文氏管的设计扩大系统流量级别范围。颗粒物采样全流稀 释通道的功能是在测量柴油发动机排气的过程中充分混合发动机排气与稀释空 第二章汽车发动机排放检测系统结构 气，保持柴油发动机排气被连续稳定的稀释，保证稀释后气体的温度满足测量要 求且不会出现凝结现象，并按比例抽取稀释排气，最终在滤纸上获得所需测量的 颗粒物样本。 分析单元实现对各种污染物容积浓度及采样质量的检测。其原理是使用不分 光红外线吸收法( n d i r ) 测量c o 、c 0 2 ，氢火焰离子法( f i d ) 测量h c ，化学 发光法( c l d ) 测量n o x ，微克天平称重法测量颗粒物p m 。 中央控制单元实现对整套检测系统的中央控制，采用分布式结构设计。它以 运行w i n x p 控制系统和v is u a lc + + 程序的p c 机为控制站，0 p t 02 2s n a p b 4 和b 6 b r a i n 的数字及模拟i o 端口作为现场控制单元和数据采集单元憎。底盘测功机、 分析仪器和c v s 的状态数据经传感器被0 p t 02 2p a m u x 总线上b 4 和b 6 的输入端获 取，经p c i - a c 5 1 板卡传输给p c 机，p c 机由此判断系统的工作状态并将控制指令通 过p c i _ a c 5 1 经p a m u x 总线发送给b 4 、b 6 的输出端。同时，p c 机也在负责对采集到 的数据、状态信号等进行处理。 本章将从工作原理和硬件结构两方面分别对检测系统中c v s 单元、颗粒物采 样全流稀释单元、分析单元和中央控制单元加以研究。 2 2 定容稀释排放取样( c v s ) 系统 2 2 1c f v c v s 系统工作原理 c f v - c v s 系统中c f v 超临界流文丘里管流量计是定容稀释取样的核心。超 临界流文丘里管流量计是一个特殊的变径喉管，如下图2 2 所示，由入口圆柱段 图2 2临界流文丘里管气体取样和容积测量装置原理图 a ，圆锥形收缩段b ，圆柱形喉管c 以及圆锥形扩散段e 组成帕。如果只。为喷咀进 口截面处绝压，只：为喷咀出口截面处绝压，a v - - 只。一只：为文丘里喷咀入口处 与喷咀出口处之间的差压。当气体流过管道内的收缩段时，静压要发生变化，并 天津大学硕士学位论文轻型车发动机排放检测系统研究 在收缩段前后产生压差。气体流经c f v 喉部时，压力随喉部缩小而随之减小，流 经喉部的流速将随之增高。当压力下降到某一数值时，压力虽变化，但气体流速 保持不变。当压力比只：只，值由1 变化到0 7 5 时，喷咀该截面处气体流速处于 亚音速状态；当只，只。的比值由0 7 5 变化到0 5 2 8 时，喷咀喉部气体流速逐渐 增大到最大值一音速，此时通过喷咀的质量流量值也达到最大：当只：只。 0 5 2 8 时处于超临界流状态，通过喷咀的质量流量值保持不变n 。如下图2 3 所示： 岫t 0 0 5 2 8lp p a l 图2 - - 3 音速文丘里喷咀喉部流动特性曲线 在超临界流状态时，通过文丘里喷管的气体流量基本方程为n 钔： 铲研( 刚序 铲w ( 州序 公式( 2 1 ) 公式( 2 2 ) 式中：口。为通过超临界流文丘里管流量计的质量流量，姆办；吼为超临界流文 丘里管流量计的体积流量，m 3 m i n ；，( p 、r ) 为流量修正系数，p 、t 为实际工 况下喷咀前气体的压力和摄氏温度；k 、为临界质量流量仪器常数；k 为临界体 积流量仪表常数；只为喷咀前绝压，m p a ：t 为喷咀前气体的热力学温度， t = f + 2 7 3 1 5 ( k ) 。 从基本方程( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可以看出，一旦按照某一特定的要求完成喷咀 的设计、加工和校正后，喉径、流出系数、通用气体常数等全部归化为一个仪表 常数k ( k ) 。在压力、温度不变的情况下，临界流文丘里管的质量流量和体积流 9 第二章汽车发动机排放检测系统结构 量都恒定不变，方程( 2 1 ) 、 ( 2 2 ) 可归结为： 铲如务 铲k 告 公式( 2 3 ) 公式( 2 4 ) 其中：疋和k 为超临界流文丘里管流量计的标定流量系数，仪表设计参数。在 超临界流状态气体的质量流量口，和体积流量吼仅与压力只。和气体的热力学温 度丁有关。 当文丘里喷咀在亚临界流动状态工作时，气体流量计量公式为： 铲k y f ( p , t 、z 一圳再 = r y f ( p 一柚乒 公式( 2 5 ) 公式( 2 6 ) 式中：g 。为通过文丘里喷咀的气体质量流量，堙办；吼为通过文丘里喷咀的体 积流量，m 3 m i n ；p = 只一只，为文丘里喷咀入口处与喷咀喉部之间的差压， k p a ；f ( p 、t 、z 、u 、肛k ) 为流量修正系数，小t 为实际工况下气体的压力和 摄氏温度：z 为压缩因子；u 为绝对粘度；p 为实际工况下气体的密度；k 为等 熵指数；k 0 为亚临界流质量流量仪表常数；k 。为亚临界体积流量仪表常数；t 为热力学温度，t - t + 2 7 3 1 5 ( k ) 。 由公式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 可以看出，在亚临界流状态气体的质量流量g 。或体 积流量q ，不仅与压力只和气体的热力学温度丁有关，而且与差压p 有关，在这 种情况下文丘里喷咀构成了差压流量计。当文丘里喷咀的动力源离心鼓风机或者 膜片泵流量稍有波动时即引起只：波动，同时卸= 只，一只：也会相应变化，造成 通过文丘里喷咀的气体质量流量g 。或体积流量q ，不稳定。 本系统中c f v 文丘里喷咀工作在超临界流状态，特点是流过喉管的气体质 量流量为临界流量并且保持不变。 2 2 2c v s 系统的结构 如下图2 - 4 所示，c v s 系统由汽车排气与环境空气混合单元( 包含柴油车 颗粒物采样全流稀释单元) 、定容取样单元( 核心流量计量单元) 、采样气袋、 离心风机以及相关附件组成。超临界流文丘里喷咀( c r i t i c a lf l o wv e n t u r in o z z l e ， 1 0 天津大学硕士学位论文轻型车发动机排放检测系统研究 简称c f v ) 是系统中稀释排气体积流量计量的核心元件。 汽油车发动机排气在空气混合单元中混入5 8 倍新鲜空气进行稀释，柴油 车发动机排气则在颗粒物采样全流稀释单元中混入1 0 倍左右的新鲜空气进行稀 释。稀释空气取样探头s l 和s l 、通过泵p l 对稀释空气取样，稀释排气取样探头 图2 4c 1 s 系统示意图 s 2 通过泵p 2 以恒定流量( c f v 2 的作用) 对稀释排气取样，背景颗粒物取样探头 s 3 通过泵p 3 对背景空气取样，稀释排气颗粒物取样探头s 4 通过泵p 4 对稀释排气 以恒定流速取样，柴油车排放检测h c 加热取样探头s 5 通过泵p 5 对稀释排气以恒定 流速取样。气体稀释排放取样通过滤清器和旋风除尘器分离颗粒物( 为保护分析 仪器但不能改变样气中各气体成分的浓度) 。两组手动调节阀v 1 、v 2 分别控制进 入取样袋中的气体总量。最后通过主通道超临界流文丘里管c f v l 和稀释排气取 样通道上的超临界流文丘里管c f v 2 分别计量测试过程中主通道稀释排气累积流 量所和采样通道稀释排气流量耽，通过流量计量控制器l l 、l 2 分别计量背景颗粒 物采样流量乃、颗粒物采样流量所，可计算稀释排气总容积积v 。采样结束后， c v s 依次将经混合后的背景气囊s b 和样气气囊s a 中的气体送入分析单元进行成 分浓度检测，背景滤纸架s c 和采样滤纸架s d 中的滤纸由电子天平称量进行颗粒物 检测3 1 。 在定容稀释取样系统的设计中有两个关键环节，一是准确测定充分混合后的 发动机稀释排气的总容积流量；二是采样系统选择合适的结构进行连续等比例采 样( 包含对柴油车颗粒物采样全流稀释单元的结构选择) 。下面详细论述该系统 的主要设计思想和参数。 1 柴油发动机颗粒物采样全流稀释单元的设计。重点是全流稀释通道的设计， 第二章汽车发动机排放检测系统