无烟柴油机传感器的进一步发展

无烟柴油机传感器的进一步发展D. GouldD. P. GardinerM. LaVioletteW. D. Allan（前面是人名我不翻译了哈）电子邮件：billy.allan@ rmc.ca加拿大，金斯敦K7K7B4，加拿大皇家军事学院，机械工程学系，收稿日期：2006年12月1日，修订：2008年5月5日，出版日期：08年12月18日本文介绍的实验研究旨在发展一个柴油引擎板上烟雾传感器。

传感器元件类似传统火花塞。

电加热的绝缘子是用来防止柴油碳烟污染和传感元件内产生火花，排气管和烟雾浓度变化，通过电压水平的分析来检测火花。

该系统在装备有引擎的重型柴油废气再循环（EGR）里进行了测试，并进行了烟雾过滤器号（FSN）的参考测量。

实验表明其在低于0.5 FSN 的烟雾浓度的变化（通过改变废气再循环水平完成）里具有良好的敏感度。

然而，在受到温度改变其传感器会感应到信号浮动，并在某些情况下不稳定。

使用火花塞电极尖端直径较小的插头课可信号的稳定性。

电极测量和温度控以及控制信号漂移的控制很有必要。

©2009美国机械工程师学会内容•简介•背景•实验细节A .测试引擎B.测试条件C参考测量D.烟雾传感器•结果与讨论A.信号反应在烟雾浓度的变化B.信号漂移和不稳定性•总结•感谢•参考文献简介这是一个可用于控制和诊断有用的柴油烟雾传感器[1] [2]。

这些措施包括废气再循环闭环控制，瞬态燃油控制，以及车载诊断排气后处理系统。

实验室仪器测量的实时烟雾能够存在于[3][4]但是在廉价的传感器直接安装于的柴油排气管（如废气的汽油引擎氧传感器）时不可用。

将需要光纤接入系统的废气取样的办法一直被认为不适合于汽车应用[2]。

一些研究人员已经针对烟雾感应电性能的烟尘颗粒进行了研究[5] [6] [7] [8] [9] [10]。

这些方法包括在排气中插入电极感应器。

其中一个类型的传感器，电极用于检测自然产生的烟尘颗粒电荷，并没有施加电压的电极传感器电路[5] [6] [7] [10]。

最近的发展是一种能在高电压对电极之间应用类型的传感器[8] [9]。

该导电碳粒子电极上的差距能产生电流本文介绍的方法也使用一个装有电极的传感器。

但是，在这种情况下，电极之间的电压太高而产生火花。

在随后的崩溃时期，通过火花间隙两端的电流火花，火花维持电压进行监测。

基于火花电压的烟尘微粒引起的变化在能检测到烟雾浓度的变化。

这个概念是基于前面的出版物[11]。

最初的设计目标是从2000年美国能源部未来的研讨会上采取传感器的要求[2]，包括当引擎输出烟雾浓度在低于2bosch时响应时间超过了1秒的缺陷。

正如本文所述，在柴油引擎排放的烟雾使我们有必要改进烟雾浓度极低时的测量方式。

本文介绍了正在进行的工作结果，以提高烟雾浓度低时的测量灵敏度，了解和克服的问题，增加测量的一致性。

背景图[1]显示了一个由Maly提供的定义的火花随着电压变化而产生的波形变化[12]。

当点火系统通电后，电压增加，直到火花塞电极之间的气体电离，形成了火花。

这导致了在电压突然下降，称为故障阶段。

以下故障，火花是保持在相对较低的状态下，与火花电压的峰值相比，。

由火花维持的电压等级差用于确定当前烟雾浓度的测量。

图1如图1所示。

一个维持电压的火花可能取决于两个条件，这会导致电弧放电辉光或类型的不同水平。

在电压等级之间的阶段和弧辉光相区别的一句主要是较低的阴极弧相电压的下降。

这种低电压的存在是因为秋天阴极电弧放电的实现源于微小的熔融热点阴极表面上的电子发射[12]。

辉光放电冷阴极电子具有需要更高的电压来维持火花的解放机制[12]。

火花低电流（<50mA），主要是因为辉光放电电流密度需要创造和维持时电弧热点不可用。

然而，弧活动可以观察到火花达到当前最高水平前短暂的几毫秒。

结果显示：以前的研究认为在阴极碳的存在可以增加弧阶段的持续时间和较低的弧阶段发生的最小电流阈值[11]。

这种行为的检测提供了柴油碳排放的烟尘颗粒通过确定是否在弧火花或发光阶段是在一个特定阶段后故障将过去的手段。

一个传感器的最初版本的开发和测试[11]，这项工作的结果如图2所示。

这些测试结果表明传感器之间的信号和烟雾过滤器号（FSN上）在1-3范围内的相关合理性。

但是，多次的测试结果并不一致，并且对于低烟雾浓度敏感性较差。

图2在进行引擎测试时使用了高压共轨柴油引擎技术的注入电流，施通普夫等[13]。

测定了FSN的值在0.5以下的，除了那些高EGR率测试的所有条件[13]。

此外，本研究表明：提高注射压力可减少烟尘排放量低于0.1 FSN的这种条件下，制动平均有效压力（BMEP）达到1.2 MPa。

因此，一个板上烟雾传感器将需要高灵敏度，以便为当前和未来的柴油引擎提供有用的诊断信息。

本文的其余部分将重点介绍使用改进了的仪器的新成果和低于 1 FSN 的烟雾浓度测量。

Muntean[14]认为烟雾数量测量和良好干燥颗粒质量浓度之间具有一定的相关性。

总相关微粒质量依可溶性有机吸附在固体颗粒上的含量而定。

Muntean指出，“鉴于在重型引擎颗粒物里的部分优势，它可以提供一个良好的替代引擎的总颗粒质量的指标。

”因此，笔者认为，FSN的测量参考说明在目前的研究将反映变化中的微粒排放量的测试引擎趋势。

实验细节A. 测试引擎测试引擎是斯太尔9.7升6缸WD615.98模型作用于直喷式柴油重型水制动发动机的测功机上。

的发动机，并在其最初的应用冷车（10吨重的后勤军用车辆）以15.5:1的压缩比涡轮增压。

对于本文所描述的测试中，涡轮增压器被删除（将其转换为自然吸气发动机），这样一个简单的废气再循环系统（一阀门之间的管道控制进排气管）可以用来改变排气在很宽的烟雾浓度足够的范围有一个固定的速度和负载。

废气再循环系统是只用于增加排烟水平，并没有实际的EGR率测量。

B测试条件该发动机在1000转和150N m的扭矩（1.9巴BMEP）的条件下测试。

该试验条件，选择了简单的EGR系统，它有可能改变低于0.15 FSN到FSN条件下排气的烟雾浓度。

在废气再循环扫描时，发动机工作于一种固定的燃料，废气再循环水平的变化在机架上的设置对发动机的转速和扭矩的影响不大。

作者们认为，发动机安装程序并不当前柴油技术的代表。

对于目前的工作中使用的方法只是提供了一个公开的发展传感器的早期烟雾浓度测试方法所需的证明概念的评价范围的手段。

C参考测量烟雾测量，使用AVL的415S烟度计获得参考数据。

该装置在滤纸上采用图[15] 的测量方法自动烟雾测量。

如上 [15]所示，滤纸方法使用的滤纸变黑的漫反射测量，以确定FSN值。

不同于旧的手动和自动化活塞泵的方法，它使用隔膜泵连续采样。

获选中的体积可以改变有关的烟尘浓度，在温度1° C和25 ° C下计算烟量值的更正为标准压力。

这种烟度计的输出FSN值从0到10。

FSN的测量是相似从手动泵装置博世烟值，除了设备压力和温度不一致时的样本量[15]。

在本论文的其余部分，参考烟雾测量值将作为FSN的值。

D烟雾传感器图3为烟雾传感器系统的描绘图。

烟雾传感器的最新版本是采用原型电热火花火花塞生产厂家提供的插头。

加热元件也可作为温度传感器，使绝缘体的温度在不同的排气温度下恒定。

这样的安排已经证明，以消除碳污染问题的同时，只需要适度加热功率水平（通常<25瓦）。

关于加热火花塞设计的进一步详情，可在参考 [16]图3火花塞是由一个可编程电流发射点火系统点火，这使得当前的火花进行了调整。

火花电压衰减1000:1的探头。

空调系统与每个电压火花信号比较，在选定的时间内确定是否电弧放电辉光模式会受到影响，确定烟雾传感器的信号（0-5 V）的相对应百分比时的电弧火花等。

[11]中描述了参考比较。

对于低烟雾浓度的灵敏度进行了改进，重点在火花击穿阶段通过火花电压较高的保真度的测量和对测量后。

请注意，故障相位时序，如图1所示。

结果与讨论A信号反应在烟雾浓度的变化图4显示了传感器的响应在废气再循环流量的改变引起的烟雾浓度变化的例子。

对于每个废气再循环周期中，EGR阀被打开，从完全关闭位置，水平的目标一再循环，然后返回到完全关闭的位置。

封闭导致EGR阀位置FSN值在0.22到0.97之间时同的开放位置之间FSN值在0.12到0.15之间的烟雾浓度变化。

图4可以看出，该传感器的信号水平表现出重大变化向上或向下的每个步骤，包括在那些废气再循环产生的烟雾中的FSN值为0.1的最低水平上的差异。

然而，传感器之间的信号和实际FSN的值的关系是不一致的。

例如，在已结束的废气再循环系统的信号电平值设置为1.5 -2V 之间变化，废气再循环过滤器测量烟雾变化不大（FSN值从0.12至0.15），并最低的烟雾传感器信号值不符合最低FSN的测量。

换句话说，烟雾传感器响应烟雾浓度的变化，但有一个不一致的基准或零水平。

我们已经用了“信号漂移“来称呼这个问题。

如图5所示。

烟雾传感器之间的信号和实际产生的FSN相关值出现了大量的分散。

图5图6检测的烟雾传感器对于信号（传感器电压）与EGR阀滤烟数量共同变化时对FSN值信号的回应。

如图6所示，如果相关的基线漂移,烟雾传感器可以控制，绘图以这种方式删除的数据很多，但不是分散的。

显然，基线漂移信号并不纯粹体现出相关缺陷。

因此，对于烟雾水平变更或漂移的有效增益或信号范围和传感器的响应在一定基础下反应不一致的情况也存在。

图6B．信号漂移和不稳定性漂移问题的起源可以通过检查传感器的温度灵敏度来解释。

图7显示了温度传感器在工作时响应的变化，通过改变供电的火花塞的电热水器引起。

加热元件的电阻（其中有一个积极的电阻温度系数）的测量提供了传感器的温度的相关说明。

可以看出，提高温度降低了传感器信号，反之亦然。

因此，传感器对温度敏感的如同对烟雾一样。

因为越来越多的EGR水平提高的烟雾中也提出了排气温度和排气管的问题，因此传感器的温度上升是由EGR的增加引起的。

图7图8显示了连续两个传感器信号废气再循环周期行为。

可以看出，信号突然增加时，废气再循环阀打开，FSN的值从0.12提高到0.52。

然而，信号向下漂流期间的EGR阀被打开，传感器升温。

当EGR阀被关闭（和排气温度下降），传感器传感器信号向上漂移中的冷却随之而来的是初始信号下降。

图8请注意，在开始和结束时传感器的信号水平，尽管事实是的烟雾浓度FSN值分别为0.12和0.61 FSN，但这些几乎完全相同。

这表明，温度对烟雾的敏感性在某些情况下可能会完全抵消灵敏度。

加热器的温度保持恒定（它决定了绝缘体温度）并没有消除对温度的敏感性问题。

很可能，控制该中心电极尖端温度和温度传感器内的电极是必需的。

遇到的另一个问题可以说是“短期的不稳定”这种特别严重的例子，如图9所示，可以看出，尽管FSN值会不断出现，但信号电平的突然变化可能出于一个恒定的废气再循环系统中。