專利名稱：測量車輛顆粒物排放的裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種測量連續通過儀器的流動固體材料的流量及濃度的系統，尤其涉及一種用于道路或者其他情況下的機動車顆粒物排放流量和濃度的測量系統。
背景技術：
對于機動車尾氣排放的測量，在氣態排放污染物測量與分析計算已經成熟，但由于顆粒物的測量目前僅限于濾紙稱重法，并且不能實現實時測量。目前，雖然國外有很多技術可以對顆粒物瞬態排放濃度進行采集，還不能直接測量總質量。因此，對于顆粒物的實際道路排放測量還未有可行及成熟的技術手段。
現有技術中，基于底盤測功機、發動機臺架的機動車排放試驗室檢測方法是我們準確地了解各類型車輛排放水平重要的基礎手段。但是上述試驗室檢測手段有很大的局限性，其不足之處主要表現為 (1)對于輕型車，依據試驗室的法規測量方法只能測量特定工況下，如NEDC(neweurope driving cycle新歐洲循環)和FTP75(Federal Test Procedure美國聯邦試驗程序)車輛的排放水平。這些工況只是針對特定地區和特定環境開發的，很難重復再現實際道路復雜的工況情況。這種手段獲取的車輛排放測量數據，只能表明車輛在當前測試工況下的排放狀態。而在車輛的實際使用中，不同區域不同環境條件，車輛的行駛工況的差異，這些因素都會對車輛排放水平產生重要影響。大量研究已經表明，城市車輛實際的道路行駛排放值要比法規程序下試驗室測量所得的排放值高得多。
(2)對于重型車來說，我國現行的重型車排放法規中規定的發動機測試循環是遵循歐洲ECE R49十三工況法。該測試方法只是測量發動機在十三個工況點的排放。即便是將來(2008年)實行歐III標準——即對重型發動機實行穩態測試循環(ESC)和瞬態測試循環(ETC)而言，其測量工況測試覆蓋面也非常有限。
(3)對于重型混合動力車輛來說，由于它是在常規發動機基礎上，增添配置了一套動力輔助裝置，這種裝置被設計成根據車輛的實際行駛工況，采取針對性的控制策略，實現車輛節能和降低排放的目的。對于這種車輛，單從結構上看(多了一套動力輔助裝置)，依據發動機來評價就不合適；更何況由于輔助動力裝置的工作，發動機的實際運行工況分布與歐洲穩態循環(ESC)相差很大，所以混合動力車輛實際的排放僅僅依據發動機排放水平來評價是不合適的。
另外，申請號為200610097516.8，其公告號是CN1959373，公告日是2007年5月9日的中國發明專利申請公開了一種《光學流速顆粒物濃度測量方法及裝置》，其實現的技術方案是包括有發光二極管和調制電路，發光二極管的前方安裝有二個光電二極管探測器，光電二極管探測器將信號分別經過放大、檢波電路后，接入低頻帶通濾波器a、b，低頻帶通濾波器a、b輸出的信號分別經過A/D模數轉換接入計算機數據處理系統。由計算機采樣、處理，計算兩路信號的互相關，最后由最大互相關的時間延遲計算出流速；同時，信號經低頻帶通濾波器a和A/D模數轉換后，計算顆粒物濃度。上述對煙氣流流速和顆粒物濃度測量方法及裝置在燃煤發電廠、水泥廠、金屬冶煉廠等領域有廣泛的利用價值，然而由于其對粒徑較小的車輛顆粒排放物靈敏度較低，尚不能滿足在車輛顆粒物排放測試上的應用。
發明內容
為解決現有技術中存在的上述技術問題，本發明提供一種測量車輛顆粒物排放的裝置及其測量方法。本發明能夠實現基于真實運行環境的車輛道路顆粒物排放測量和計算，通過采集的數據進行計算獲得機動車道路測試過程中的顆粒物質量排放量，而無須稱重；同時，還可以客觀地反映任何測試時段上的顆粒物質量排放量。從而更能準確地反映車輛顆粒物的實際道路排放情況，進而為制定有效的控制策略，起著極其重要的作用。
本發明測量車輛顆粒物排放的裝置予以實現的技術方案是該裝置包括顆粒物濃度測試儀和數據記錄處理模塊，尾氣管通向所述顆粒物濃度測試儀之間依次連接有取樣探頭和采樣稀釋器，從而形成氣體流量通路；所述采樣稀釋器上連接有稀釋氣控制裝置；所述顆粒物濃度測試儀上連接有真空泵；所述尾氣管內分別設置有壓力傳感器和排氣流量計；上述壓力傳感器、排氣流量計和顆粒物濃度測試儀分別向所述數據記錄處理模塊傳遞信號。
本發明測量車輛顆粒物排放的裝置，其中，所述排氣流量計與壓力傳感器之間為空間垂直交叉的位置，兩者在尾氣管中的軸向距離為3～5cm。
利用上述測量裝置進行測量車輛顆粒物排放的方法，包括以下步驟通過排氣流量計和壓力傳感器將尾氣管中的排氣流量信號和排氣絕對壓力信號傳遞給數據記錄處理模塊；取樣探頭采集氣樣后，氣樣流經采樣稀釋器和顆粒物濃度測試儀，并通過顆粒物濃度測試儀將氣樣的顆粒物濃度信號傳遞給數據記錄處理模塊；所述數據記錄處理模塊根據接收到的上述信號，采用下列公式即可得到稀釋排氣質量流量 上述公式(1)和公式(2)中各參數的含義為 PMmass——測試循環顆粒物排放總質量； PMnumber——測試循環顆粒物排放總數量； concmass，i——顆粒物質量濃度，其單位為mg/m3； concnumber，i——顆粒物質量濃度，其單位為mg/m3； QEXHW，i——稀釋排氣體積流量，其單位為m3/min； Di(PEXHW，i)——對應排放壓力PEXHW，i的瞬態稀釋比。
本發明測量車輛顆粒物排放的方法，其中，所述對應排放壓力PEXHW，i的瞬態稀釋比Di(PEXHW，i)的修正根據是通過取樣探頭處的取樣點的尾氣壓力、進入采樣稀釋器的稀釋氣壓力和真空泵的抽氣壓力進行控制，其中，抽氣壓力恒定，稀釋比隨取樣點的尾氣壓力的變化而變化，通過取樣點的尾氣壓力即可得到稀釋比。
圖1是本發明測量車輛顆粒物排放的裝置的結構方框圖； 圖2是本發明測量車輛顆粒物排放的方法中稀釋比與取樣點的尾氣壓力函數關系圖； 圖3是本發明測量車輛顆粒物排放的方法的流程框圖； 圖4-1和圖4-2是圖1中所示壓力傳感器與取樣探頭之間相互位置關系示意圖。
下面是本發明中說明書附圖中附圖標記的說明 A——取樣點的尾氣壓力 B——稀釋氣壓力C——抽氣壓力 1——尾氣取樣點2——排氣流量計3——采樣稀釋器 4——顆粒物測試儀 5——壓力傳感器6——數據記錄子模塊 7——取樣探頭 8——數據處理子模塊
具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施例，進一步說明本發明是如何實現其測試功能的。
如圖1所示，本發明測量車輛顆粒物排放的裝置包括由尾氣管10通向所述顆粒物濃度測試儀4之間依次連接有取樣探頭7和采樣稀釋器3，從而形成氣體流量通路；所述采樣稀釋器3上連接有稀釋氣控制裝置，所述稀釋氣控制裝置包括依次連接的空壓機13、空氣干燥過濾器11和壓力控制器14，空壓機13提供的空氣經空氣干燥過濾器11干燥過濾，由壓力控制器14控制干燥過濾后的稀釋氣壓力B，該稀釋氣進入采樣稀釋器3，并與由上述氣體流量通路流進的尾氣混合，從而完成尾氣的稀釋。所述顆粒物濃度測試儀4上連接有真空泵12；由于顆粒物濃度測試儀4只能測量顆粒的濃度，對于車載排放僅測量其濃度是不夠的，還要通過測量排氣流量，才能實現對顆粒物排放總量的測量，從而得出車輛實際道路行駛排放的顆粒物狀況，實現完整的車載顆粒排放測量的目的，因此，在本發明中還采用了排氣流量計。壓力傳感器是用來測試取樣點的尾氣壓力信號，用來對稀釋比進行修正。根據每秒的壓力信號，有一對應的稀釋系數。把瞬時壓力信號導入數據記錄子模塊，按照壓力和稀釋比兩者之間的函數關系即可以確定瞬時的稀釋比。在數據計算模板中導入流量數值、顆粒物濃度數值、瞬時稀釋比，即可以計算出最終顆粒物總排放量。所述尾氣管10內分別設置有壓力傳感器5和排氣流量計2，如圖4-1和圖4-2所示，所述排氣流量計2與壓力傳感器5之間為空間垂直交叉的位置，兩者在尾氣管10中的軸向距離為3～5cm。上述壓力傳感器5、排氣流量計2和顆粒物濃度測試儀4分別與裝載有數據記錄處理模塊9的計算機聯接，從而將檢測到的壓力信號、排氣流量信號和顆粒物濃度信號直接導入計算機，經過數據記錄處理模塊9記錄、處理和計算接收到的上述信號得出需要的排放測量的最終數據。
本發明的測量裝置中，所述顆粒物濃度測試儀4采用的是芬蘭DEKATI生產的ELPI(Electrical Low Pressure Impactor)用于實時監控并可測量瞬態顆粒物排放濃度的設備，其測試響應速率為2-3秒，它可以測量空氣動力學直徑(Aerodynamic diameter，Dp)在28nm～9.9μm之間的顆粒物，通過加載過濾級，能夠測試到的顆粒物最小粒徑可以達到7nm。以每級吸收率50％的顆粒物粒徑為標記，一共分13級。所述的采樣稀釋器3為Diluter DEKATI生產的型號為L7的產品；所述的壓力傳感器5采用日本SMC生產的型號為PSE510的產品。
如圖3所示，利用上述測量裝置進行測量車輛顆粒物排放的方法，包括以下步驟通過排氣流量計2和壓力傳感器5將尾氣管10中的排氣流量信號和排氣絕對壓力信號傳遞給數據記錄處理模塊；取樣探頭7在尾氣取樣點1采集氣樣后，氣樣流經采樣稀釋器3和顆粒物濃度測試儀4，并通過顆粒物濃度測試儀4將氣樣的顆粒物濃度信號傳遞給數據記錄處理模塊9；所述數據記錄處理模塊9包括數據記錄子模塊6和數據處理子模塊8。
所述數據記錄處理模塊9根據接收到的上述信號，采用下列公式即可得到稀釋排氣質量流量 上述公式(1)和公式(2)中各參數的含義為 PMmass——測試循環顆粒物排放總質量； PMnumber——測試循環顆粒物排放總數量； concmass，i——顆粒物質量濃度，其單位為mg/m3； concnumber，i——顆粒物質量濃度，其單位為mg/m3； QEXHW，i——稀釋排氣體積流量，其單位為m3/min； Di(PEXHW，i)——對應排放壓力PEXHW，i的瞬態稀釋比。
上述參數中，PEXHW，i通過壓力傳感器5測得；concmass，i和concnumber，i通過顆粒物測試儀4測得；QEXHW，i通過排氣流量計2測得；其相關得算法也是本領域內普通技術人員所公知的。Di(PEXHW，i)通過PEXHW，i值是按照下列公式(3)計算得到。
上述公式(1)和公式(2)中涉及到的對應排放壓力PEXHW，i的瞬態稀釋比Di(PEXHW，i)的修正根據是通過取樣探頭處的取樣點的尾氣壓力A、進入采樣稀釋器3的稀釋氣壓力B和真空泵的抽氣壓力C進行控制，其中，抽氣壓力C恒定，稀釋比隨取樣點的尾氣壓力A的變化而變化，通過取樣點的尾氣壓力A即可得到稀釋比，稀釋比與取樣點的尾氣壓力A的函數關系為 在上述公式(3)中，PEXHW，i的取值范圍不同，有關參數的取值有以下三種情形之一 1)當PEXHW，i≤980mbar時 a0＝980,12068561.1037； a1＝-50244.56547； a2＝78.440539； a3＝-0.0544245； a4＝0.00001416； 2)當980mbar＜PEXHW，i＜1030mbar時 a0＝52.39105； a1＝-0.043478； a2＝0； a3＝0； a4＝0 3)當PEXHW，i≥1030mbar時 a0＝23.07886； a1＝-0.01502； a2＝0； a3＝0； a4＝0 圖2是根據上述公式(3)得到的稀釋比與取樣點的尾氣壓力函數關系圖，即通過取樣點A處的壓力PEXHW，i就可以得到稀釋比。
綜上所述，本發明測量車輛顆粒物排放的裝置及方法主要是通過顆粒物濃度測試儀4、排氣流量計2、采樣稀釋器3和壓力傳感器5等測量儀器，采集必要的數據，在計算機的Microsoft office excel系統基礎上，通過本發明中特定的算法計算道路試驗車輛排放中顆粒物的質量與數量的排放總量。本發明的關鍵所在是通過瞬態采集排氣壓力數值，根據稀釋器的稀釋特性，對稀釋比進行瞬態修正，以提高測量精度，同時擴大顆粒物測試儀的應用范圍。
盡管結合附圖對本發明進行了上述描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護范圍的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發明的保護之列。
權利要求
1.一種測量車輛顆粒物排放的裝置，包括顆粒物濃度測試儀和數據記錄處理模塊，其特征在于尾氣管通向所述顆粒物濃度測試儀之間依次連接有取樣探頭和采樣稀釋器，從而形成氣體流量通路；所述采樣稀釋器上連接有稀釋氣控制裝置；所述顆粒物濃度測試儀上連接有真空泵；所述尾氣管內分別設置有壓力傳感器和排氣流量計；上述壓力傳感器、排氣流量計和顆粒物濃度測試儀分別向所述數據記錄處理模塊傳遞信號。
2.根據權利要求1所述測量車輛顆粒物排放的裝置，其特征在于所述排氣流量計與壓力傳感器之間為空間垂直交叉的位置，兩者在尾氣管中的軸向距離為3～5cm。
3.根據權利要求1所述測量車輛顆粒物排放的裝置，其特征在于所述稀釋氣控制裝置包括依次連接的空壓機、空氣干燥過濾器和壓力控制器，空氣流經空壓機、空氣干燥過濾器和壓力控制器后進入采樣稀釋器。
4.根據權利要求1所述測量車輛顆粒物排放的裝置，其特征在于所述顆粒物濃度測試儀4采用的是芬蘭Diluter DEKATI公司生產的ELPI用于實時監控并可測量瞬態顆粒物排放濃度的設備，其測試響應速率為2-3秒，它可以測量空氣動力學直徑在28nm～9.9μm之間的顆粒物，通過加載過濾級，能夠測試到的顆粒物最小粒徑可以達到7nm，以每級吸收率50％的顆粒物粒徑為標記，一共分13級。
5.根據權利要求1所述測量車輛顆粒物排放的裝置，其特征在于所述采樣稀釋器為芬蘭Diluter DEKATI公司生產的型號為L7的產品。
6.根據權利要求1所述測量車輛顆粒物排放的裝置，其特征在于所述壓力傳感器采用日本SMC生產的型號為PSE510的產品。
7.根據權利要求1所述測量車輛顆粒物排放的裝置，其特征在于所述數據記錄處理模塊采用Microsoft office excel系統。
8.一種利用如權利要求1所述測量車輛顆粒物排放的裝置進行測量車輛顆粒物排放的方法，其特征在于該測量方法包括以下步驟
通過排氣流量計和壓力傳感器將尾氣管中的排氣流量信號和排氣絕對壓力信號傳遞給數據記錄處理模塊；
取樣探頭采集氣樣后，氣樣流經采樣稀釋器和顆粒物濃度測試儀，并通過顆粒物濃度測試儀將氣樣的顆粒物濃度信號傳遞給數據記錄處理模塊；
所述數據記錄處理模塊根據接收到的上述信號，采用下列公式即可得到稀釋排氣質量流量
上述公式(1)和公式(2)中各參數的含義為
PMmass——測試循環顆粒物排放總質量；
PMnumber——測試循環顆粒物排放總數量；
concmass，i——顆粒物質量濃度，其單位為mg/m3；
concnumber，i——顆粒物質量濃度，其單位為mg/m3；
QEXHW，i——稀釋排氣體積流量，其單位為m3/min；
Di(PEXHW，i)——對應排放壓力PEXHW，i的瞬態稀釋比。
9.根據權利要求8所述測量車輛顆粒物排放的方法，其特征在于所述對應排放壓力PEXHW，i的瞬態稀釋比Di(PEXHW，i)的修正根據是通過取樣探頭處的取樣點的尾氣壓力、進入采樣稀釋器的稀釋氣壓力和真空泵的抽氣壓力進行控制，其中，抽氣壓力恒定，稀釋比隨取樣點的尾氣壓力的變化而變化，通過取樣點的尾氣壓力即可得到稀釋比，稀釋比與取樣點的尾氣壓力的函數關系為
1)當PEXHW，i≤980mbar時
a0＝980,12068561.1037；
a1＝-50244.56547；
a2＝78.440539；
a3＝-0.0544245；
a4＝0.00001416；
2)當980mbar＜PEXHW，i＜1030mbar時
a0＝52.39105；
a1＝-0.043478；
a2＝0；
a3＝0；
a4＝0；
3)當PEXHW，i≤1030mbar時
a0＝23.07886；
a1＝-0.01502；
a2＝0；
a3＝0；
a4＝0。
全文摘要
本發明公開了一種測量車輛顆粒物排放的裝置，該裝置包括顆粒物濃度測試儀和數據記錄處理模塊，尾氣管通向顆粒物濃度測試儀之間依次連接有取樣探頭和采樣稀釋器，從而形成氣體流量通路；采樣稀釋器上連接有稀釋氣控制裝置；顆粒物濃度測試儀上連接有真空泵；尾氣管內分別設置有壓力傳感器和排氣流量計；上述壓力傳感器、排氣流量計和顆粒物濃度測試儀分別向數據記錄處理模塊傳遞信號。本發明中還公開了利用上述測量裝置進行測量車輛顆粒物排放的方法。本發明通過對相關儀器采集的數據進行計算獲得機動車道路測試過程中的顆粒物質量排放量，而無須稱重；客觀地反映任何測試時段上的顆粒物質量排放量，進而為制定有效的控制策略起著極其重要的作用。
文檔編號G06F19/00GK101113947SQ20071005752
公開日2008年1月30日 申請日期2007年6月1日 優先權日2007年6月1日
發明者李孟良, 張遠軍, 高繼東, 秦孔建 申請人:中國汽車技術研究中心