本發(fā)明涉及車用柴油發(fā)動機(jī)和工程機(jī)械用柴油發(fā)動機(jī)尾氣顆粒物排放污染控制技術(shù)與故障診斷領(lǐng)域，特別是涉及一種基于車載診斷系統(tǒng)(on-boarddiagnostic，obd)的柴油發(fā)動機(jī)顆粒物排放快速診斷裝置與方法。

背景技術(shù)：

隨著環(huán)境污染問題的日益加劇，車用和工程機(jī)械柴油發(fā)動機(jī)尾氣排放污染問題被日益關(guān)注，但由于對動力性和經(jīng)濟(jì)性的重要需求，柴油機(jī)依然被廣泛應(yīng)用于大功率運(yùn)輸車和乘用車之中。由于柴油機(jī)采用缸內(nèi)直噴的供油方式，混合氣的霧化效果差，因此在高溫作用下缺氧燃燒生成較多的細(xì)或超細(xì)顆粒物(particulatematter-pm)。顆粒物的產(chǎn)生不僅對大氣環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染問題，還對人的身體健康帶來巨大的影響。為此，國內(nèi)外的排放法規(guī)在pm排放限值上都呈現(xiàn)嚴(yán)格態(tài)勢。

目前，為降低柴油機(jī)顆粒物排放通常采用后處理控制技術(shù)，即通過串聯(lián)在排氣管上的柴油機(jī)顆粒物捕集器(dieselparticulatefilter，dpf)收集排氣中的顆粒物以達(dá)到控制顆粒物排放的目的。然而排放法規(guī)中對obd技術(shù)的要求和顆粒物排放限值的苛刻，原有的測量dpf前后壓差的方法，響應(yīng)時間較長，測量精度低，診斷dpf運(yùn)行狀態(tài)已變得不太適用，因此需要研發(fā)一種基于obd的柴油發(fā)動機(jī)顆粒物排放快速診斷的測量方法與裝置。

近年來，國內(nèi)外開發(fā)的測量柴油機(jī)排放顆粒物裝置的工作原理主要包括光散射方法、壓電振動方法、電化學(xué)反應(yīng)方法和漏電流法等，而且內(nèi)部一般采用文丘里管原理形成氣-固二相流動。然而，柴油機(jī)的排氣環(huán)境非常復(fù)雜，顆粒物粒徑細(xì)小(通常為亞微米級，甚至納米級顆粒物)，對測量造成相當(dāng)大的困難。同時，排氣中的顆粒物自身還攜帶有一定量的電荷，對測量過程產(chǎn)生很大的干擾。

因此，為了能夠提高測量顆粒物排放的精度和實時監(jiān)測柴油機(jī)dpf后處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，需要采取一種有效的基于obd的柴油發(fā)動機(jī)顆粒物排放快速診斷的測量方法與裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有診斷測量裝置的技術(shù)不足，而提供一種基于obd的柴油發(fā)動機(jī)顆粒物排放快速診斷的測量裝置與方法。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明一種基于obd的柴油發(fā)動機(jī)顆粒物排放快速診斷的測量裝置，其特征在于，包括測量單元、控制單元、信號采集單元；測量單元由設(shè)置于采樣通道內(nèi)的依次串聯(lián)的電荷消除區(qū)、電離-荷電區(qū)、靜電捕集區(qū)和測量區(qū)組成，采樣口位于采樣通道首端，所述電荷消除區(qū)設(shè)置雙層金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)；所述電離-荷電區(qū)輸入高壓直流信號，采用電暈放電方式，在荷電區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量離子，使顆粒物充分荷電；所述靜電捕集區(qū)采用的方波脈沖電壓信號，所述測量區(qū)采用法拉第杯結(jié)構(gòu)并加上負(fù)直流電壓，所述信號采集單元采用法拉第杯結(jié)構(gòu)并接有測量導(dǎo)線，將電流信號導(dǎo)入電控單元(ecu)中，經(jīng)過ecu內(nèi)部濾波、放大實現(xiàn)信號處理，轉(zhuǎn)換為顆粒物數(shù)量濃度或質(zhì)量濃度，所述控制單元采用集成電路，使用80c196mc單片機(jī)控制。

其中，所述電離-荷電區(qū)、靜電捕集區(qū)和測量區(qū)下方均置有熱電阻當(dāng)顆粒物積聚一定量時，熱電阻通電加熱使顆粒物氧化，溫度能夠達(dá)到600-800度，實現(xiàn)裝置自清潔作用。

本發(fā)明還提供了一種基于obd的柴油發(fā)動機(jī)顆粒物快速診斷方法，包括如下步驟：

步驟1.發(fā)動機(jī)排氣在排氣管與環(huán)境大氣之間的壓力差作用下，通過測量裝置的采樣口進(jìn)入采樣通道；

步驟2.在采樣通道中，電荷消除區(qū)采用雙層金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)，從發(fā)動機(jī)排氣門排出的顆粒物自身攜帶一定電荷，其與采樣通道內(nèi)金屬網(wǎng)接觸后，電荷自然消除，達(dá)到排除測量干擾因素的目的；

步驟3.電荷消除后的顆粒物進(jìn)入電離-荷電區(qū)，電離-荷電區(qū)輸入高壓直流信號，產(chǎn)生電暈放電，在荷電區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量離子，使顆粒物充分荷電；

步驟4.荷電后的顆粒物進(jìn)入靜電捕集區(qū)，靜電捕集區(qū)采用方波脈沖電壓信號，當(dāng)電壓信號為v0時，靜電捕集區(qū)僅能收集電離-荷電區(qū)內(nèi)未參與顆粒物荷電的剩余離子，測量區(qū)測量出的電流信號為i1；當(dāng)電壓為v1(v1>v0)時，靜電捕集區(qū)能夠收集電離-荷電區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的未參與顆粒物荷電的剩余離子和部分荷電的顆粒物，測量區(qū)測量出的電流信號為i2。

步驟5.電控單元ecu采集電流信號i1和i2后作差值，由于i1與i2的差值與顆粒物數(shù)量濃度和顆粒物質(zhì)量濃度成線性關(guān)系(具體原理見原理說明)，因此可通過ecu將電流差值轉(zhuǎn)換為顆粒物數(shù)量濃度或質(zhì)量濃度，實現(xiàn)基于obd的快速、實時、精確診斷的目的。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用靜電放電的方法，結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)顆粒物數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度的測量，可用于復(fù)雜的發(fā)動機(jī)排氣環(huán)境，測量顆粒物粒徑范圍大，尤其是針對納米顆粒物具有較高的測量精度。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-排氣采樣口，2-采樣通道，3-雙層金屬網(wǎng)，4-收集極板，5-耐高溫絕緣陶瓷材料，6-法拉第杯裝置，7-負(fù)直流電壓，8-方波脈沖電壓，9-高壓直流，10-電控單元(ecu)，11-排氣管，a-電荷消除區(qū)，b-電離-荷電區(qū)，c-靜電捕集區(qū)，d-測量區(qū)。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1-2所示，測量單元共四個部分：電荷消除區(qū)a、電離-荷電區(qū)b、靜電捕集區(qū)c和測量區(qū)d。四個區(qū)域按電荷消除區(qū)a、電離-荷電區(qū)b、靜電捕集區(qū)c和測量區(qū)d順序相串聯(lián)。所述電荷消除區(qū)采用雙層金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)3，從發(fā)動機(jī)排氣門排出的顆粒物自身攜帶一定電荷，其與采樣通道內(nèi)金屬網(wǎng)接觸后，電荷自然消除，達(dá)到排除測量干擾因素的目的。所述電離-荷電區(qū)b輸入高壓直流信號9，產(chǎn)生電暈放電，在荷電區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量離子，使顆粒物充分荷電；所述靜電捕集區(qū)c采用的方波脈沖電壓信號8，當(dāng)電壓信號為v0時，靜電捕集區(qū)c僅能收集電離-荷電區(qū)b內(nèi)未參與顆粒物荷電的剩余離子；當(dāng)電壓為v1(v1>v0)時，靜電捕集區(qū)c能夠收集電離-荷電區(qū)b內(nèi)產(chǎn)生的未參與顆粒物荷電的剩余離子和部分荷電的顆粒物，所述測量區(qū)d采用法拉第杯結(jié)構(gòu)6并加上負(fù)直流電壓7，目的是充分捕集荷電顆粒物，當(dāng)靜電捕集區(qū)c處于電壓v0時，測量區(qū)d測量出的電流信號為i1；(法拉第杯接有測量導(dǎo)線與電控單元(ecu)直接相連，當(dāng)荷電顆粒物接觸法拉第杯結(jié)構(gòu)時形成電流信號并通過測量導(dǎo)線導(dǎo)入電控單元(ecu)之中)當(dāng)靜電捕集區(qū)c處于電壓v1時，此時測量區(qū)d測量出的電流信號為i2；由于i1-i2與顆粒物數(shù)量濃度和顆粒物質(zhì)量濃度成線性關(guān)系，因此可通過電控單元(ecu)10將電流差值轉(zhuǎn)換為顆粒物數(shù)量濃度或質(zhì)量濃度，實現(xiàn)基于obd的快速、實時、精確診斷的目的；裝置內(nèi)壁包裹有耐高溫絕緣陶瓷材料5；采樣口1通過采樣通道2與排氣管11相通，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)排氣快速進(jìn)入檢測裝置，并在測量后排放到大氣中。

電離-荷電區(qū)b、沉淀區(qū)c和靜電捕集區(qū)d下方均置有熱電阻與k偶測溫線，當(dāng)顆粒物積聚一定量時，熱電阻通電加熱使顆粒物氧化，溫度能夠達(dá)到600-800度，實現(xiàn)裝置自清潔作用。

在每次柴油車啟動前，所述裝置因與環(huán)境大氣保持相通，可以實現(xiàn)無排氣顆粒物條件下的零點(diǎn)標(biāo)定功能。

原理說明

符號說明：

e基本電荷量n顆粒物荷電數(shù)量

cc肯寧漢修正系數(shù)dp顆粒物遷移粒徑

n顆粒物數(shù)量濃度m顆粒物質(zhì)量濃度

σpn顆粒物數(shù)量濃度標(biāo)準(zhǔn)差dpn顆粒物數(shù)量平均粒徑

粒徑為dp的顆粒物質(zhì)量顆粒物平均質(zhì)量

ξ顆粒物收集分?jǐn)?shù)，(ep1收集區(qū)場強(qiáng)，lp1收集板長度，

dp1收集板寬度，η空氣粘度，υ顆粒物運(yùn)動速度)

已知：

顆粒物荷電數(shù)量n∝dp＝c1dp，肯寧漢修正系數(shù)

顆粒物數(shù)量分布密度函數(shù)

可推導(dǎo)變換為

其中顆粒物數(shù)量濃度

顆粒物質(zhì)量密度函數(shù)可知df∝c2dg，其中

當(dāng)處于低電壓v0

可推導(dǎo)

當(dāng)處于高電壓v1

可推導(dǎo)

已知可得i1-i2∝m

同理i1-i2∝n。