柴油机漏电流式颗粒物传感器的应用研究-数控机床市场网

柴油机漏电流式颗粒物传感器的应用研究

2016-11-24 来源：江苏大学汽车与交通工程学院作者：王松华汤东陈烈李楠徐亚超

摘要：漏电流式颗粒物传感器，是一种用来实时测量颗粒物捕集器（ＤＰＦ）下游颗粒（ＰＭ）质量浓度的车载装置。首先介绍了传感器的文丘里管结构和测量原理，并以Ｆｌｕｅｎｔ软件为工具，对安装在排气管上的传感器进行了三维紊流模拟，模拟结果显示了传感器内部较好的流动性。最后通过台架试验对不同工况下，排气管上传感器的输出信号进行测试分析，试验的结果验证了利用该漏电流式颗粒物传感器进行颗粒物浓度测量的可行性。

关键词：颗粒物传感器；漏电流；高压电极；文丘里管

0.引言

节能减排一直是内燃机研究的难点和热点问题之一，也是推动其技术进步和创新的主要动力。柴油机由于其油耗低、温室气体ＣＯ２排放量少、功率和低速扭矩大、工作可靠等优点在交通运输、工业、农业等领域等到了广泛的应用。但是柴油机尾气中的颗粒物会对人的健康和环境造成危害。当前在欧美等国家已经将颗粒物捕集器（ＤＰＦ）广泛应用于柴油机以除去废气中大多数颗粒物（ＰＭ）排放［１－３］。但是如果ＤＰＦ失效，ＰＭ排放将大大超过排放法规限值。为了检测ＤＰＦ的失效，需要使用在线诊断系统（ＯＢＤ），国内外也出台了相应的ＯＢＤ排放法规。美国２０１３排放法规（ＵＳ２０１３）对ＰＭ的限值为１０．９ｍｇ／ｋｍ［４］，而欧六法规（ＥＵ６）中，ＰＭ的限值仅为９ｍｇ／ｋｍ［５］。面对如此严格的排放法规，传统的压差传感器无法满足监测要求，因而迫切需要能够测量低浓度颗粒物的传感器。目前，博世公司和ＮＧＫ公司利用多层陶瓷传感器技术分别研制出基于电阻和电容原理的颗粒物传感器［６－７］，但是其所测得的均不是颗粒物的瞬态浓度。而本文研究的漏电流式颗粒物传感器，基于文丘里管原理可以实时测量低浓度的颗粒物，并依靠其低成本等优势脱颖而出。

1.颗粒物传感器的基本介绍

漏电流式颗粒物传感器的头部垂直安装于ＤＰＦ下游的排气管中，安装方式类似于氧传感器和温度传感器。图１、图２分别是传感器内部流动示意图和三维结构图。

图1　漏电流式颗粒物传感器内部流动示意图

图2　颗粒物传感器三维结构图

杯状的高压电极和筒状外壳之间形成浓度测试区，发动机运行过程中，尾气依靠压差进入浓度测试区（如图１箭头所示），当高压电极上的电压达到８００～１５００Ｖ时，尾气中的颗粒物将被电离或极化成导体，从而在电极和导电外壳之间形成漏电流，通过建立漏电流值和颗粒物浓度之间的关联性来达到瞬时测量颗粒物浓度的目的。

1.1　文丘里管原理

本文所述的压差基于文丘里管原理（当风吹过阻挡物时，在阻挡物的背风面上方端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用并导致空气的流动）。当尾气流经传感器的头部时，受到了导流板的阻挡，由于其背风面上方端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用，使废气流入传感器。

1.2　传感器控制电路

经研究发现当级间电压为１０００Ｖ时，可以更好地满足设计需求，所述的１０００Ｖ直流电压通过１２Ｖ直流电压升压电路获得。传感器输出电流的信号一般为０～１５０ｎＡ，由于信号比较微弱，且容易受到外界的干扰，因此要对模拟信号进行滤波、转换、放大等，并将模拟信号转换为数字信号通过ＣＡＮ总线传递给ＥＣＵ。

2.数值模拟分析

2.1　模型建立及边界条件

为了研究尾气在传感器内部的的流动情况，以Ｆｌｕｅｎｔ软件为工具，对传感器进行数值模拟分析。首先利用ＵＧ绘制排气管上颗粒物传感器的三维流场模型，由于对称性，只建了一半模型，如图３所示。并利用ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件采用四面体和六面体混合的非结构网格对三维模型进行网格划分。网格模型如图４所示，共计单元数３３８６４６个。边界条件和初始条件基于新柴Ａ４９８ＢＰＧ自然吸气柴油机全负荷工况下排放试验结果建立，该工况下转速为２４００ｒ／ｍｉｎ，，排气温度为５４４ ℃，排气流速为１６ｍ／s。

图3　排气管上传感器三维模型图

图4　网格模型

2.2　传感器内部流场分析

图５和图６是排气流速为１６ｍ／ｓ时，传感器Z ＝０截面的静压分布图和速度分布图。如图５所示，浓度测试区和尾气流动区压力较为稳定，压力梯度变化主要发生在尾气出口处和从浓度测试区过渡到尾气流动区处两个部位。压力的变化会对流速产生影响，如图６所示，尾气流动区域流速较为稳定，当尾气流出测试区进入流动空间后，由于截面积的突然变化，在此处产生了涡流，但因为扰动强度较小，压力损失也较小，仅在局部区域出现了较明显的速度梯度分布。在随后的尾气流动空间中，流动较好，直至尾气出口处，由于截面积突然减小，出现了明显的加速区域。模拟结果显示了传感器内部较好的流动性。

图5　静压分布

图6　速度分布图

3.颗粒物浓度测量可行性研究

为了验证传感器系统进行颗粒物浓度测量的可行性，采用１８６ＦＡ单缸风冷柴油机进行台架测试，试验装置如图７所示。由于不同工况下柴油机排气量不同，所含颗粒物浓度也不同，随着负荷的增大，排气烟度值增加，颗粒物质量浓度也呈上升趋势［１２］。因此对不同工况下传感器输出信号进行测试分析。选取标定转速下１０％、５０％和１００％负荷进行研究，对每个工况进行３次重复的采集测试，等各工况输出波形稳定后再采集数据，然后对采集到的信号平均处理后进行分析。从表１，图８和图９可以看出，在不同工况下传感器输出的电压值不同，且随着负荷的增大（排气烟度增大，颗粒物质量浓度增大），输出电压信号也呈上升趋势。

表1　不同工况下输出的电压值