技术领域

本发明涉及摩托车和轻便摩托车催化净化器活性评价装置。

                          背景技术

摩托车的大量使用对环境产生严重污染，在摩托车排气系统中安装催化净 化器降低排放是主要的解决方案。催化净化器在不同使用条件下对有害废气 成分的净化率(即，活性)的评价试验装置在其生产、应用过程中是必要的 和关键的。

目前，已经发布的有关摩托车用催化净化器的活性评价试验装置仅见到 以有限几种标准气体混合配制的模拟发动机排气为气源，在催化净化器上取 体积只有几毫升的小样进行评价的报道。如文献《摩托车污染控制催化转化 器的试验研究》“环境污染治理技术与设备”2000年第一期。这种方法虽然可 以在一定程度上反催化净化器的活性，但是，这种小样活性评价试验存在下 列缺陷：所配制的模拟发动机排气在成分种类和浓度等方面偏离实际情况。 如发动机实际排气中仅碳氢类成分就有200余种之多，其中每种具体成分所 占比例由于发动机形式及运转工况的不同而呈现出非常复杂的变化，试图使 用标准气对如此复杂的废气进行准确模拟配制显然是不现实的，所以配制模 拟气源的方法难以准确反应催化器在实际使用条件下的活性；另外，以催化 净化器上取下的小样作为被评价对象也忽略了实际使用的催化净化器整体形 状和结构对其活性的重要影响。

对于汽车用催化净化器的活性评价已经出现了有关以汽车发动机实际排 气作为气源，以实际使用的全尺寸催化器作为被评价对象的试验装置的报道。 如文献《车用催化剂的性能评价技术和试验方法》“汽车工程”1999年 (Vol.21)。但是，由于摩托车发动机与汽车发动机之间存在的巨大差异，使 得摩托车催化净化器无法直接在汽车相关试验装置上进行试验。主要原因在 于：摩托车既使用四冲程发动机，又使用二冲程发动机。这两种类型的发动 机在换气、燃烧和润滑等方面存在本质上的差异，这直接导致排气成分的巨 大差异，而汽车全部使用四冲程发动机；另外，汽车发动机以水冷为主、电 控燃油喷射供油、发动机排量大(以升计)，摩托车发动机以风冷为主、化油 器供油、排量小(以毫升计)，这也直接导致其排气成分、流量、温度等方面 差异很大。所以汽车的相关试验装置无法直接对摩托车催化净化器活性进行 评价试验。

                         发明内容

本发明的目的在于针对摩托车催化净化器的实际使用条件，发明一种以摩 托车发动机排气作为气源，对实际使用的全尺寸催化器作为评价对象的活性 评价试验装置，达到在模拟实际使用条件下对摩托车催化净化器活性准确评 价的目的。

本发明是由空燃比测量和控制子系统、废气热交换子系统、流量测量和 控制子系统、废气直接采样和分析系统组成；各系统可以根据试验规范的不 同要求单独或组合使用；选择与催化器实际配套使用的摩托车发动机作为产 生废气的气源，测量催化器活性的试验装置。

具体技术如下：

1.空燃比测量和控制子系统是：测量发动机排气成分并在空燃比测量点 之前对废气成分进行调整以达到目标值的测量和控制装置。选择催化器实际 匹配的二、四冲程摩托车发动机，将其固定于发动机台架并与测功器连接， 发出的功率由测功器吸收，其运转工况受测功器控制，利用发动机运转产生 的排气作为催化器活性评价试验的废气气源；

2.分别针对二冲程的四冲程发动机的现有供油系统的特点分别开发空燃 比测量、控制子系统，以达到对流入受试催化器的废气空燃比的控制；

3.针对摩托车发动机排气热量散失相对较大的特点开发排气热交换子系 统，以达到对排气温度的调整和控制；

4.针对摩托车发动机排气量小且脉动大的特点开发适合于小流量大脉动 的气体流量测量和控制子系统，以达到对流过催化器的废气流量的控制；

5.针对摩托车发动机排气成分的浓度和其中较严重的颗粒物排放的特 点，开发排气直接采样系统并选配多量程排气浓度分析仪，构成了废气直接 采样和分析子系统。

本发明的优点在于：使用催化器实际配套的发动机作为废气气源，实现 了对催化器使用条件的准确模拟；开发了适合二、四冲程发动机的多种空燃 比测量和控制方案，可以灵活地实现空燃比控制；具有升温和降温功能的废 气热交换器实现了废气温度的灵活控制；附带稳压箱的发动机进排气测量系 统可以精确测量摩托车发动机较大脉动的进排气流量；灵活的直接采样切换 系统和废气分析仪可以实现废气采样和浓度分析，进而由计算催化器前后有 害气体浓度差计算得到净化率。下列图9、图10、图11、图12为本系统对二、 四冲程摩托车用催化器起燃特性和空燃比特性的评价试验结果。

                         附图说明 图1：摩托车催化净化器活性评价装置 图2：四冲程发动机排气补气法空燃比测量与控制实施实例 图3：二冲程摩托车发动机测量空气和燃油消耗计算空燃比应用示例 图4：废气热交换装置应用示例 图5：四冲程发动机排气流量测量系统应用示例 图6：二冲程发动机进、排气流量测量系统应用示例 图7：切换箱结构应用示例 图8：采样装置结构应用示例 图9：四冲程发动机用催化器起燃特性 图10：二冲程发动机用催化器起燃特性 图11：四冲程发动机用催化器空燃比特性 图12：二冲程发动机用催化器空燃比特性 附图标记说明：

1：     四冲程发动机         23：    油耗仪

2：     测功器               24：    流量计及其二次仪表

3：     燃油箱               25：    稳压箱

4：     油耗仪               26：    二冲程发动机

5：     流量控制阀           27：    测功器

6：     加热装置             28：    流量控制阀

7：     冷却装置             29：    加热装置

8：     空燃比测量装置       30：    冷却装置

9：     催化箱               31：    空燃比测量装置

10：    冷却装置             32：    冷却器

11：    稳压箱               33：    稳压箱

12：    流量计及其二次仪表   34：    催化箱

13：    无油泵               35：    流量计及其二次仪表

14：    减压和流量控制阀     36：    恒温控制系统

15：    流量测量装置         37：    粗滤器

16：    切换箱               38：    真空表

17：    采样装置             39：    热电磁阀

18：  加热管道               40：    制冷除水器

19：    流量计               41：    泵

20：    废气分析仪           42：    精滤器

21：    加热型采样管道       43：    电磁阀

22：    燃油箱               44：    电机

                        具体实施方式 下面结合附图1对本发说明作进一步的说明： 一、空燃比测量和控制试验装置

空燃比测量和控制子系统是：测量发动机排气成分并在空燃比测量点之 前对废气成分进行调整以达到目标值的测量和控制装置。根据发动机冲程的 不同，本子系统的结构有所区别。

1.四冲程发动机空燃比测量：

四冲程发动机1固定于台架并与测功器2通过联轴节连接。燃油箱3通 过燃油流经油耗仪4向发动机供油，测功器2负责控制发动机1运转工况并 吸收功率。四冲程发动机1运转过程中产生的排气经管道流过热交换系统后 进入催化器所在的催化箱9，在催化箱9之前安装空燃比测量装置8，如宽域 空燃比传感器等采集并显示空燃比测量结果。

如上所述，在催化器前的空燃比测量装置8除宽域空燃比传感器外亦可 换成多组分废气分仪器的采样探头。有的多组分废气分仪器不但具有采集并 分析催化器前废气成分的功能，还有利用废气成分计算并显示空燃比的功能， 相关数学模型可在内燃机相关书籍中查到，所以也可根据废气浓度自行计算 得到空燃比。

2.四冲程发动机空燃比控制：

目前绝大部分国产四冲程摩托车发动机采用化油器供油。化油器均有空 燃比调整机构，如油针位置、主量孔和混合气调整螺钉等。可直接利用这些 以有机构对发动机空燃比进行调整。

在如上所述的控制空燃比的方法基础上，增加向排气中补充空气的装置 可以进一步改善控制效果。即，先期调整化油器，使得发动机空燃比预先调 整到偏浓的状态。无油泵13经减压和流量控制阀14和流量测量装置15将一 定流量的空气补充入排气中。在空燃比测量装置8的监控下对补气流量进行 调整即可实现对空燃比的控制。四冲程发动机空燃比测量与控制参见图2。

另外，可采用在化油器与发动机之间补气的方法，即所谓电控化油器， 控制空燃比。

同时，随着国产摩托车电控燃油喷射系统的逐渐普及，可直接通过调整 电控燃油喷射的参数达到空燃比控制目标。 3.二冲程发动机空燃比测量装置：

二冲程发动机换气过程与四冲程发动机之间存在很大的差异。即，二冲 程发动机利用新鲜油气混合气将缸内燃烧废气扫出，伴随这一过程会有部分 新鲜油气混合气未经燃烧就随同废气排出发动机。为此，本试验装置对二冲 程摩托车发动机的换气特点设计了相应的空燃比测量装置。

二冲程发动机26固定于发动机台架，通过联轴节与测功器27相连。测功 器27控制二冲程发动机26的运转工况并吸收功率。二冲程发动机26运转过 程中产生的排气作为催化净化器活性评价试验的气源。

如图3所示，燃油箱22通过燃油流经油耗仪23向发动机供油，构成发 动机燃油消耗测量子系统；在发动机进气系统中安装进气稳压箱25和流量计 及其二次仪表24，构成发动机空气消耗测量子系统。同时测量发动机工作过 程中的燃油消耗和空气消耗，二者相除从而得到发动机此时的空燃比。

在二冲程催化箱34之前亦可安装空燃比测量装置31。具体结构和测试原 理同四冲程发动机相对应的试验装置。 4.二冲程发动机空燃比控制装置：

二冲程发动机空燃比控制依据测量方法的不同而不同。

在同时测量发动机燃油和空气消耗的空燃比测试方法情况下，可以直接 调整化油器油针位置、主量孔、混合气调整螺钉和发动机工况等影响混合气 浓度的结构参数，或使用电控化油器、电控燃油喷射系统等达到对二冲程发 动机空燃比的控制。

当利用二冲程发动机排气成分计算空燃比或在排气系统中安装空燃比 仪直接测量空燃比时，除可以使用如上所述的空燃比控制方法以外，还可以 采用四冲程发动机空燃比控制系统中向排气中补空气的方式实现。 二、温度测量及控制子系统：

为了能够实现对催化箱入口废气温度的控制，热交换系统是必须的。废 气热交换系统是在催化器前由升温和降温装置以及流量控制阀构成的。

四冲程和二冲程试验系统的热交换系统结构相似，这里仅以四冲程热交 换系统为例加以说明。

本热交换系统具有加热装置6和冷却装置7，流量控制阀5控制流入加热 装置6和冷却装置7的流量分配比例，在催化箱9之前在排气管道内安装热 电偶来测量废气温度，调整流量控制阀5以及加热和冷却强度从而实现在催 化箱9之前来自加热装置6和冷却装置7的废气混合后达到预期的温度。

其中二冲程试验系统中：加热装置29同上6、冷却装置30同上7、流量 控制阀28同上5。

催化净化器起燃以后由于放热反应而使废气温度急剧升高。出于对排气 流量测量系统的保护，本装置在催化箱9后安装一冷却装置10。具体方式参 见图4。 三、气流量测量及控制子系统：

四冲程和二冲程发动机测量排气流量可供发动机排气流量控制的反馈信 号和计算催化器空速计算之用；二冲程发动机进气流量测量可伴随燃油消耗 测量构成空燃比测量系统。

流量控制系统是通过控制旁通阀门的开度、加热和冷却阀门的开度以及 发动机工况，达到控制流过催化废气流量的流量控制装置。

四冲程和二冲程进、排气流量测量系统的结构相似，这里仅以四冲程排 气流量测量系统为例加以说明。

摩托车发动机排气量小导致排气流量小，加之目前国产摩托车发动机绝 大部分为单缸发动机，导致排气脉动较大。为此在冷却装置10后安装一排气 稳压箱11以达到抑制排气脉动的作用。在排气稳压箱11后安装流量计及其 二次仪表12。本装置可以实现对排气流量的测量功能。

其中二冲程试验系统中：稳压箱33同上11、冷却装置32同上10、量计 及其二次仪表35同上12。

为了能够控制发动机排气流量从而控制被测催化净化器的空速，本试验装 置在排气系统中安装旁通阀5，将一部分发动机排气旁通。此装置配合对发动 机工况的调整，在排气流量装置的监控下实现对排气流量的控制，进而实现 对被测催化器空速的控制。

进、排气流量测量和控制装置示意图亦可参见图5、6。 四、废气直接采样及分析子系统

废气直接采样和分析系统是催化箱的前后各安装一个废气采样口，各采 样口流出的废气一分为二，其中一路继续经过滤清，沿热管道进入HC分析仪； 另一路经过采样装置过滤、除水后分别经过流量计与CO、CO2、O2和NOx等分 析仪连接，从而实现废气分析仪直接采样和浓度测量。

四冲催化箱9和二冲程催化箱34的前后各安装一个废气采样口。采样口 取出的多路废气沿加热型采样管道21进入切换箱16。其中只有一路废气可以 通过切换箱16，随后该路废气一分为二，其中一路经过加热管道18进入HFID (加热氢火焰离子探测)型HC分析仪；另一路经过采样装置17除水后分别 经过流量计与CO、CO2、O2和NOx等以及流量计19与分析仪20连接，从而实 现单套废气分析仪对多路废气的可切换直接采样和浓度测量。

切换箱16结构示意图请参见图7。切换箱的壁面为隔热材料，可以起到 保温作用。箱体内部安装一电加热装置并通过箱体内部的温度传感器构成闭 环箱体温度控制系统36；每个气路均串接粗滤器37，以达到滤清作用。滤清 器阻塞情况由管路上安装的真空表38监控；气路的通断由热电磁阀39实现。

采样装置17的示意图参见图8。废气经过粗滤器滤除较大颗粒物；经冷 凝器40以除水；然后经带电机44的膜片泵41和精滤器42完成废气采样、 过滤和除水的作用。随后经电磁阀43分配到各废气分析仪。