Устройство для анализа выхлопных газов автомобилей - RU2180107C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

1. Введение
Изобретение касается анализа газов.

Выхлопные газы легковых и грузовых автомобилей вызывают многообразные загрязнения окружающей среды. В связи с введением в действие предписаний о предельно допустимых концентрациях с целью ограничения выбросов вредных веществ выхлопными газами производители автомобилей обязаны обеспечить снижение таких выбросов отдельным транспортным средством, например, за счет дальнейшего совершенствования двигателя и системы выхлопа.

Ухудшение параметров выхлопных газов на протяжении срока службы транспортного средства, вызываемое главным образом постепенным увеличением вредных выбросов в результате старения и частично неисправности компонентов системы привода и системы уменьшения выхлопных газов, может служить причиной несоблюдения упомянутых предписаний.

Обычно регулярным проведением исследования выхлопных газов пытаются обеспечить уровень вредных выбросов, сопоставимый с первоначальным. Недостатком при этом является то, что дефект обнаруживается только при очередном исследовании выхлопных газов и что до этого момента происходили большие выбросы вредных веществ. Ввиду того, что на стадии холодного пуска двигатель вырабатывает до 70% от общего количества вредных выбросов, было бы желательно оптимально снизить вредные вещества именно на этой стадии, на которой при современном исследовании выхлопных газов они вообще не могут фиксироваться.

2. Уровень техники
Новым подходом при снижении выбросов вредных веществ является "бортовое диагностирование" (On-Bord-Diagnose). Под этим подразумевается система контроля за вредными выбросами путем слежения за функциональной исправностью отдельных, ответственных за выхлопные газы узлов легкового или грузового автомобиля с помощью датчиков. В США уже на протяжении длительного времени существует первая разновидность бортового диагностирования для легковых автомобилей (закон I о бортовом диагностировании, на смену которого постепенно, начиная с модели выпуска 1995 года, вводится более расширенный закон II о бортовом диагностировании). Если законом I предусматривается только контроль за функциональной исправностью узлов, которые связаны с электронным управлением двигателя, то закон II требует уже слежения за всеми узлами, ответственными за выбросы. Категорически требуется следить за катализатором, датчиком лямбда, топливной системой, системой вторичного воздуха, рециркуляцией выхлопов, вентиляцией топливного бака и определять пропуски сгорания. При обнаружении неисправности или дефектной функции одного из компонентов на приборной доске загорается сигнальная лампа, и код неисправности вводится в память. Выявленная дефектная функция должна быть по возможности точно локализована и описана, а информация введена в память с тем, чтобы в ремонтной мастерской ее можно было считать посредством стандартного устройства сопряжения для быстрой идентификации и устранения этого дефекта.

Более совершенный подход состоит в применении "бортового измерительного устройства" (On-Bord-Measurement). Известны системы разного вида для непосредственного анализа вредных выбросов автомобилей. Лишь в качестве примера сошлемся на выложенные описания изобретений к заявкам ФРГ 3232416, 3339073, 3608122, 3716350, 3932838, 4005803, 4124116, 4235225, 4307190, заявку на патент ФРГ 4319282 С1, описания изобретения к патентам США 4803052 и 5281817, а также на заявки на патент Англии 2264170 А и европейский патент 0196993 А2 и WO 94/09266. На эти материалы ниже будут делаться ссылки с целью пояснения всех, отдельно не раскрытых здесь деталей.

В заявках [1] и [2] речь идет, в узком смысле слова, о смежных тематических областях и поэтому они будут рассмотрены более подробно. Так, в патенте [1] описывается инфракрасное измерительное устройство, которое следит за рабочим состоянием катализатора за счет того, что оно смотрит сбоку внутрь катализатора и через отверстие определяет газовую атмосферу внутри последнего. В [2] раскрыто быстродействующее тактовое измерительное устройство, которым обеспечивается благодаря последовательному расположению нескольких инфракрасных кювет временное разрешение от 0,1 до 0,2 с. Ни в одном из обоих источников не содержится указаний на непрерывное измерение выбросов вредных веществ за катализатором в системе выхлопа.

Из литературных источников следует, что в настоящее время ни одна измерительная система не в состоянии постоянно регистрировать фактические вредные выбросы на холодной стадии пуска и во время работы двигателя с тем, чтобы записывать все отклонения и сигнализировать о дефектах.

3. Описание предмета патента
Будущие транспортные средства будут оборудованы встроенной системой бортового измерения для анализа выхлопных газов. В результате сравнения текущих значений концентрации с заданными, хранящимися в памяти значениями, можно будет определить дефект в системе сгорания. Сигнал тревоги подается в том случае, когда характеристика, хранящаяся в памяти и рассматриваемая "нормальной" для данного типа автомобиля, длительно, повторно и однозначно будет нарушена. "Длительно" означает в "течение продолжительного времени", "повторно" означает, что превышение параметра происходит не однократно, а многократно, и "однозначно" означает, что концентрация превысила заданную величину поля допуска. Эти критерии служат для обеспечения анализа и предупреждения ложной тревоги.

На фиг. 1 в качестве примера показано, как на концентрацию вредных веществ влияет неисправность системы сгорания, в данном случае перебои в зажигании.

Замер выхлопных газов усложняется непостоянством условий в автомобиле. Во-первых, измерительная система должна обеспечить соблюдение общих, действующих для автомобиля предельных допусков и требований, и, во-вторых, именно параметры выхлопных газов: давление, влажность, температура и истечение, которые влияют на измерение концентрации, подвержены сильным колебаниям. Для решения этой задачи требуются особо жесткие узлы микросистемной техники как при подготовке выхлопных газов, так и при измерении их компонентов.

Устройство для анализа выхлопных газов автомобилей известно из заявки на патент ФРГ 19605053 A1. Однако при должном использовании этого устройства, как впрочем и раскрытых в других материалах измерительных приборов, возникают трудности. Из-за вибрации в автомобиле измерительная система должна быть выполнена очень устойчивой и, кроме того, не обладать чувствительностью к отложениям сажи, пыли и аэрозолей. Тем не менее при этом должна обеспечиваться большая разрешающая способность, поскольку концентрация замеряемых компонентов выхлопного газа, таких, как окись углерода (СО), углеводороды (НС) и окиси азота (NO), является очень низкой именно в автомобилях с двигателем быстрого сгорания, оснащенным катализатором.

В настоящем изобретении, касающемся системы бортового измерения, в качестве метода анализа выхлопных газов используется способ инфракрасной абсорбции газа. Основной замысел изобретения заключается в том, что для достижения необходимой разрешающей способности оптическая длина пути должна быть большой. Кювета может размещаться в автомобиле лишь в том случае, если она встроена в конструкцию этого автомобиля.

Фиг. 1. Характеристика концентрации вредных веществ при пропуске зажигания:
1 - пропуск зажигания.

Фиг. 2. Принципиальная схема встраивания системы бортового измерения в автомобиль:
2 - двигатель; 3 - катализатор; 4 - место отбора; 5 - устройство подготовки выхлопного газа; 6 - аналитическое устройство; 7 - система выхлопа; 8 - линия передачи данных; 9 - блок отображения; 10 - адсорбционная ловушка углеводородов.

Фиг. 3. Схема движения газов:
11 - фильтр выхлопных газов; 12 - магнитный клапан; 13 - газодозирующий насос; 14 - редуктор давления; 15 - расходомер.

Фиг. 4. Принципиальная схема конструкции блока дооборудования:
16 - датчик отбора; 17 - подготовка выхлопных газов.

Фиг. 5. Размещение блока дооборудования в багажнике автомобиля.

Фиг. 6. Замеры на стадии холодного пуска.

Фиг. 7. Коррекция нулевой линии:
18 - смещение нулевой линии вследствие температурного отклонения;
19 - кривая измерения после коррекции.

Фиг. 8. Концентрация углеводородов в атмосфере:
20 - юстировка с помощью синтетического воздуха; 21 - поездка по территории небольшой общины; 22 - поездка по городу значительных размеров; 23 - измерение в спокойном внутреннем дворе.

Фиг. 9. Производная в качестве корректировочной функции:
24 - эталонный измерительный сигнал; 25 - первая производная; 26 - отклонение измерительного сигнала, вызванное температурой.

Фиг. 10. Коррекция уровней сигналов:
27 - исходная характеристика опорного сигнала; 28 - ослабленная характеристика в результате старения; 29 - характеристика сигнала после коррекции.

4. Техническое устройство измерительной системы
Принципиальная схема встраивания системы бортового измерения в автомобиль, а также важнейшие компоненты системы сгорания представлены на фиг. 2. Двигатель 2 в виде двигателя внутреннего сгорания образует выхлопные газы, в катализаторе 3 происходит превращение вредных веществ в менее токсичные вещества. Место 4 отбора, устройство 5 подготовки выхлопного газа, аналитическое устройство 6, система 7 выхлопа и линия 8 передачи данных, связывающая блок 9 отображения с аналитическим устройством 6, образуют в автомобиле систему бортового измерения.

Отбор выхлопного газа из системы выхлопа автомобиля производится за катализатором, так как только таким образом можно получить информацию о состоянии всей системы сгорания и катализатора.

Подготовка выхлопного газа представлена на фиг. 3 в виде схемы движения газа. С помощью сменного фильтра 11 выхлопного газа последний очищается от сажи и пыли. Магнитный клапан 12 служит для переключения от выхлопного газа на калибровочный (см. раздел 7). Газодозирующим насосом 13 замеряемый газ подается через редуктор 14 давления и расходомер 15 в аналитическое устройство 6.

Анализ выхлопного газа производится по принципу инфракрасной абсорбции газа в аналитическом устройстве (кювете). Последнее состоит из источника инфракрасного излучения (прозрачной колбы), излучение которого через измерительный участок (кювету) поступает на измерительную головку. Кювета может быть при этом выполнена в виде прямой трубы с высокоотражающей способностью или в виде нескольких труб с отражающими излучение зеркальными головками. Внутри измерительной головки размещены два пироэлектрических чувствительных элемента, снабженные разными оптическими фильтрами и производящие сигнал, зависящий от замеряемого газа, и опорный сигнал. Образование производной этих сигналов уменьшает возмущающее воздействие (температуры, давления, загрязнения, старения) на измерительный сигнал. Применение пироэлектрического принципа требует наличия тактового источника излучения. Источник излучения с электрическим тактом исключает необходимость в чувствительных механических компонентах (chopper (прерыватель)). Жесткость измерительной системы повышается за счет того, что кювета (измерительный участок) выполнена из качественной стали. Если устройство загрязнено или вышли из строя ее элементы, то предпочтительно, чтобы это устройство имело модульную конструкцию и чтобы отдельные компоненты, например фильтры, могли заменяться.

5. Блок устройства для анализа выхлопных газов, предназначенный для дооборудования автомобилей более раннего выпуска
В автомобилях более раннего выпуска, в которых изготовителем не были непосредственно встроены ни система бортового диагностирования, ни система бортового измерения, функциональная надежность двигателя и доочистка выхлопных газов не могли контролироваться отдельно от исследования выхлопных газов. Поэтому потребовалось обеспечить возможность для дооборудования.

Недостатком при дооборудовании системы бортового диагностирования являются многочисленные чувствительные элементы, для которых не предусмотрены места и подключения к электронике. Поэтому целесообразнее встраивать бортовую систему измерения.

На фиг. 4 изображена подобная модульная система бортового измерения для дооборудования. Отбор выхлопных газов производится зондом 16 отбора, закрепленным на конце выхлопной трубы. В устройстве 17 подготовки выхлопного газа последний очищается, сушится и затем нагнетается в аналитическое устройство 6. На блоке 9 отображения приборной доски появляется после этого информация о состоянии и работе системы бортового измерения.

Размещение блока для дооборудования автомобиля показано на фиг. 5. При этом зонд 16 отбора закрепляется на конце выхлопной трубы. Аналитическое устройство 6 и устройство 17 подготовки выхлопного газа могут располагаться в багажнике автомобиля. Блок 9 отображения может подвешиваться на вентиляционной решетке или закрепляться иным способом на приборной доске.

6. Замер при холодном пуске и адсорбционная ловушка
На стадии холодного пуска образуются 70% от всех вредных выбросов двигателя (см. фиг.6). С помощью системы бортового измерения также замеряются и эти выбросы. На основе этих данных на тракте выхлопных газов может быть расположена адсорбционная ловушка 10 (см. фиг. 2) для углеводородов, которая улавливает вредные выбросы при холодном пуске. Благодаря замеру выхлопных газов достигается возможность подключения адсорбционной ловушки к тракту выхлопных газов в оптимальные моменты или для проведения десорбции. Десорбция удержанных углеводородных частиц происходит в том случае, когда катализатор достигает температуру, при которой происходит удовлетворительная конверсия.

Ввиду того, что измерительная система при холодном пуске потребляет лишь незначительную энергию, то ее можно включать еще до стадии холодного пуска. Управление может производиться, например, с помощью датчика занятости сиденья или датчика замка зажигания, с помощью которого к тракту выхлопных газов может подключаться и адсорбционная ловушка 10 для углеводородов.

7. Калибрование нулевых линий
Измерительный принцип инфракрасной абсорбции газа довольно известен. Проблемы, присущие данному измерительному принципу в меняющихся экологических условиях, уже описывались в разделе 3. Ниже приводится описание разных методов коррекции результатов измерения.

Наиболее часто встречающейся проблемой является смещение нулевой точки, т. е. величина, полученная при замере незагрязненного газа, не является нулевой. Решение этой проблемы состоит в частом калибровании системы с помощью воздуха окружающей среды следующим методом.

Магнитный клапан 12 устройств 5, 17 подготовки выхлопного газа автоматически переключается через заданное время или под действием замеренных внешних факторов, в результате чего наружный воздух поступает в аналитическое устройство 6. В наружном воздухе содержание СО, НС и NO настолько низкое, что его можно с достаточной точностью принять за нулевой газ. Посредством математического выравнивания проводится коррекция нулевой линии. В результате, наряду с нулевой линией, как правило, и чувствительность снова приобретает свое правильное значение, и следовательно, система снова инициирует воспроизводимые параметры. На фиг. 7 представлен результат такой коррекции нулевой линии. Здесь можно видеть вызванный температурным отклонением сдвиг нулевой линии 18 и кривую 19 измерения, снова ставшую правильной после калибрования. Такой процесс, сопровождающийся прерыванием записи вредных выбросов, не оказывает существенного влияния на достоверность измерения, которое имеет своей целью не обеспечение абсолютной непрерывности наблюдений, а распознавание дефектов в системе выхлопа.

8. Регулировка чувствительности измерительных сигналов с помощью концентрации СО₂ в наружном воздухе
Раскрытый в разделе 7 способ калибрования нулевой линии имеет то преимущество, что постоянная юстировка чувствительности может не проводиться, так как этим способом обеспечивается также правильная коррекция точки чувствительности (и следовательно, любая другая коррекция). Тем не менее возможен контроль за чувствительностью также следующим способом.

Содержание СО₂ в атмосфере составляет во всем мире в среднем 350 ppm (в чистом воздухе, за пределами города). Это обстоятельство можно использовать при контроле чувствительности, поскольку данная концентрация хорошо согласуется с замеряемыми диапазонами компонентов, регистрируемых в потоке выхлопного газа. СО, НС и прежде всего NO, хотя и характеризуются более слабыми полосами поглощения по сравнению с СO₂, зато они имеют более высокие пиковые значения концентрации. Согласно уравнению Ламберта-Беера можно поэтому применять кювету одинаковой длины, практически одинаковую кювету. В том случае, когда в аналитическое устройство 6 поступает незагрязненный воздух, то после проведения описанной выше установки нулевой точки система должна показывать среднюю концентрацию СO₂. В этом случае с достаточной уверенностью можно считать, что точка чувствительности действительна и для других измерительных каналов.

Недостатком описанного метода является то, что из-за внешних воздействий локальная концентрация СО₂ подвержена сильным колебаниям. Особенно в центрах с высокой плотностью населения концентрация СО₂ вследствие дорожного движения очень высока. На фиг. 8 показана концентрация двуокиси углерода в атмосфере во время измерительной поездки. После юстировки нулевой точки посредством синтетического воздуха 20 поездка проводилась по территории общины 21 с относительно равномерной концентрацией СО₂. При поездке по городу 22 с перекрестками и светофорами были отмечены высокие, резко меняющиеся концентрации СO₂. Замер, произведенный в спокойном внутреннем дворе 23, показал концентрацию СО₂, близкую к естественной.

9. Регулировка чувствительности с помощью концентрации СО₂ в выхлопных газах
Для преодоления описанной в разделе 8 трудности, обусловленной колебанием естественной концентрации СО₂, можно рекомендовать наблюдение за концентрацией СO₂ в потоке выхлопных газов автомобиля. Данный показатель сохраняется относительно стабильным за счет процесса горения, в результате чего такая концентрация может использоваться в качестве сравнительного параметра при регулировке чувствительности отдельных измерительных каналов. Вследствие высокой концентрации СО₂ (12 об.%) в выхлопных газах траектория лучей СО₂ должна располагаться в измерительной кювете иначе, чем для других вредных газов. В принципе, оптический путь при измерении концентрации CO₂ должен быть короче, чем для вредных газов СО, NO и HС.

10. Коррекция вызванных температурными колебаниями смещений нулевой линии измерительных сигналов с помощью программного фильтра
Обычно средняя величина определяется получением отношения на основе сигнала вредного компонента (измерительный сигнал) и опорного сигнала.

Характеристики измерительного и опорного сигналов обнаруживают большое сходство. Поэтому способ получения отношения можно видоизменить так, чтобы образовать некоторое поле допусков вокруг характеристики сигнала и внутри этого поля подставить отношение "единица". В результате получают поле для нулевой концентрации, и если только выходят за пределы этого поля, то инициируется концентрация в соответствии с показателями полученного подлинного отношения.

Примечание: соответствие концентрации "нуль" отношению "единица" не обязательно необходимо, но позволяет получить, как правило, наилучший результат замера.

11. Компенсация температурного отклонения путем рассмотрения динамики характеристик сигналов
Ввиду того, что, как известно по опыту, автомобилям присущи экстремально динамические условия (быстрое по времени изменение внутри системы по сравнению с продолжительностью такта излучателя), то легко можно отличить подлинные, т.е. вызванные выхлопными газами измерительные сигналы от постепенно происходящих, вызванных температурой их отклонений. Для коррекции необходимо получить первую производную характеристики концентрации в зависимости от времени. Первая производная учитывает только подлинные скачки функции, которые возникают в автомобиле, например, при нажатии на педаль акселератора. На фиг. 9 показана конкретная характеристика измеряемого параметра. Из эталонного измерительного сигнала 24 вредного компонента НС была получена первая производная 25. Отчетливо можно видеть, что отклонения измерительного сигнала 26, вызванные температурным влиянием, в производной 25 близки к нулю.

Если на основе первой производной найдены места функций скачков по времени, то можно однозначно определить точки с характеристиками скачков. Если происходит подлинный такой скачок, т.е., если измеряемая величина заметно выделяется в предварительно заданном поле допусков с разрешенной шириной дифференциальной кривой, то при обработке необходимо отталкиваться от этой точки для получения подлинной кривой концентрации. При возврате первой производной к нулевой точке нулевая линия снова выдается программным фильтром как неизмененная стабильная линия. Следовательно, во время поездки либо имели абсолютную нулевую линию без отклонений, так как отсутствовали функции скачков и обусловленные температурой отклонения были пренебрегаемы, либо при появлении подлинных динамических функций скачков, например, после нажатия на педаль акселератора, смены передач, торможения и пр. получили согласно первой производной подлинные измерительные сигналы на основе характеристики концентрации.

12. Регулировка уровней подлинных сигналов в каналах инфракрасного газоанализатора
Другой метод коррекции состоит в дополнительном регулировании уровней сигнала с помощью электронного регулятора усиления.

В связи с тем, что эталонная полоса для инфракрасной газовой абсорбции устроена так, что в принципе в ней абсорбция не происходит, то измерительный сигнал эталонного канала инфракрасного детектора должен бы постоянно иметь первоначальную величину. Однако из-за температурных воздействий и старения сигнал в автомобиле колеблется существенно.

Для компенсации вызываемых температурой колебаний сигнала можно постоянно наблюдать за опорным сигналом с помощью собственного устройства измерения, управления и регулирования. При отклонении опорного сигнала от первоначально заданной величины первичного калибрования на заранее установленную величину все сигналы приводятся к их первоначальному значению с помощью электронного регулятора усиления. На фиг. 10 показана исходная характеристика 27 опорного сигнала, характеристика 28, снизившаяся вследствие старения или температурного отклонения, и характеристика 29 сигнала после коррекции электронным регулятором усиления. Благодаря такой мере сохраняется полный диапазон динамики сигнала.

Литература
1. Патент США N 5475223: Система контроля за составом выхлопных газов (System for monitoring exhaust gas composition). Дата выдачи патента: 12 декабря 1995 г.

2. Выложенное описание изобретения к заявке ФРГ N 19605053 A1: Способ бортового диагностирования и микромасштабное устройство для непрерывного измерения выброса вредных веществ из автомобиля.

Реферат

Описано устройство для анализа основных, важных для окружающей среды веществ, таких, как СО, НС и NO, в выхлопном газе автомобилей по принципу инфракрасной абсорбции газов. При этом на оптическом измерительном участке (трубка из качественной стали) записываются с помощью источника инфракрасного излучения и детектора измерительные сигналы и опорный сигнал и путем образования отношения получают измеряемую величину. В случае превышения предельно допустимой концентрации подается сигнал тревоги. Система бортового измерения состоит из модульных узлов, таких, как устройство отбора, устройство газоподготовки, аналитическое устройство и блок обработки, которые встроены в конструкцию автомобиля. Переменные условия в автомобиле компенсируются жесткой конструкцией и коррекцией температурного отклонения путем образования первой производной и окончательной установки уровня сигналов с помощью электронного регулятора усиления. Другими возможностями коррекции является калибрование нулевой линии воздухом окружающей среды посредством операций переключения, а также создание поля допусков вокруг шумовых сигналов в детекторе. Технический результат - возможность определить дефект в системе сгорания. 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

Формула