专利名称：空燃比氧传感器性能测试系统的制作方法
技术领域：
本发明具体涉及一种汽车用空燃比氧传感器性能测试系统。
背景技术：
在汽车发动机三元催化电喷控制系统中，氧传感器作为此控制系统中的一个重要器 件，主要是利用了其在汽车发动机燃烧后，产生浓燃即空然比入<1;产生稀燃即空然 比入〉1的状况下分别输出高低电压的特性，进而由汽车发动机三元催化电喷控制系 统，ECU，接受此电压信号，实现对发动机燃烧状况的判断，从而控制发动机的进气量和 喷油量的合理配比，以实现发动机燃烧状况围绕在理想空然比，A =1附近波动的动态平 衡控制。因此这就要求必须对氧传感器的如下技术参数进行测试1、氧传感器在不同 燃烧状况下的输出电压，主要包括浓燃状况，入<1下的高输出电压值和稀燃状况，A >1 下的低输出电压值；2、响应时间，包括发动机燃烧状况由浓转稀时氧传感器输出电压 从高电平变换到低电平所需的下降响应时间UJ直和燃烧状况由稀转浓时氧传感器输出 电压从低电平变换到高电平所需的上升响应时间U值。否则氧传感器性能的差异会直 接影响发动机排放控制的匹配效果。因此，随着氧传感器在汽车工业领域的大量生产、 使用需求，迫切需要开发一个能对汽车用氧传感器性能进行精确测试、比较的装置。
目前测试氧传感器性能的装置大都建立在使用汽车或发动机台架的基础上，通过发 动机的燃烧制备不同燃烧状况的尾气。由于采用的燃料是液态燃油，燃料供给要通过泵 油、输油、喷油雾化、汽化混和等多个环节，尤其是喷油雾化、汽化混和需要一定的时 间，不便于迅速改变混和气的浓度，实现尾气中燃烧状况的突变，不利于氧传感器动态 响应特性的测量。另外，这种装置产生的尾气温度波动很大，也不利于氧传感器特性的 精确测量。并且，这种装置的结构比较复杂，成本也不低。为此，也有人采用了气态CxHy 燃料替代燃油的做法，利用气体调节阀实现定量CxHy和空气的混合配比，在燃烧后产 生了燃烧状况浓稀变化的尾气，初步模拟了汽车发动机实际的燃烧变化，给氧传感器性 能测试提供了初歩的测试条件，但是要全面、准确评价汽车用氧传感器的各项性能，特 别是高温条件下，如800。C，毫秒级响应速度的测量，这不仅要求提供测试用的尾气具 有浓稀变化，还需考虑其状态的稳定性、浓稀变化控制的方便性、尾气变化传递的快捷 性及测量所需的高温尾气的提供。而目前的氧传感器性能测试装置或结构复杂、价格昂 贵，或不能方便、准确、全面地评价氧传感器的性能。本发明在分析了现有技术中的种 种缺点后，提出空燃比氧传感器性能测试系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种工作信号稳定、可检 测氧气浓度范围大、工艺简单、容易实现工业化大规模生产的空燃比氧传感器性能测试 系统。
本发明所采用的技术方案为空燃比氧传感器性能测试系统，包括配气装置、燃烧 装置、温控装置和测试装置，其中燃烧装置具有加热炉；加热炉的一端连接有燃烧腔； 加热炉的另一端连接有测量腔；测量腔连接有能测量所述燃烧装置内氧气浓度的测试装 置；测量腔连接有能测量并控制加热炉内腔温度的温控装置；燃烧腔的进气端连接有配 气装置。
为优化上述技术方案，采取的技术措施还包括加热炉侧壁的内表面设有保温隔热 层；保温隔热层内侧设置有陶瓷体，并且陶瓷体内部包埋有电阻丝；燃烧腔的气体入口 的一端安装有火焰枪；测量腔的侧壁贯穿制有至少一个测量孔；加热炉的侧壁内周设置有瓷内胆；测量腔侧壁的内周设有保温隔热层。 配气装置包括燃气配置系统和空气配置系统。
燃气配置系统具有气罐连接有第一减压阀的一端；第一减压阀的另一端连接有燃气 导管的进气端；燃气导管的出气端连接有火焰枪；燃气导管上安装有能测试气体流量的 第一玻璃转子流量计。
空气配置系统具有压縮空气罐；压縮空气罐连接有第二减压阀的一端；第二减压阀 的另一端连接有油水分离器的一端；油水分离器的另一端连接有三通阀的进气端；三通 阀的第一出气端连接有主空气通路；三通阀的第二出气端连接有补偿空气通路。
主空气通路包括主空气导管和第二玻璃转子流量计；三通阀的第一出气端连接有主 空气导管的进气端；主空气导管的出气端连接有火焰枪。
补偿空气通路包括补偿空气导管、第三玻璃转子流量计、电磁阀和补气管道；三通 阀的第二出气端连接有补偿空气导管的进气端；补偿空气导管的出气端连接有补气管 道，并且补气管道贯穿安装在燃烧腔的进气端；电磁阔连接有测试装置，并且能受测试 装置所发出的电信号控制。
测试装置包括至少一个氧传感器、计算机、数据连线、数据采集卡、电源和信号线； 氧传感器贯穿设置在测量孔内；计算机连接有数据连线；数据连线还连接有数据采集卡； 氧传感器通过信号线将信号传给能对计算机和氧传感器之间进行适配的数据采集卡；数 据采集卡还连接有电磁阀。
温控装置包括第一测温热电偶、第二测温热电偶、温控仪和转换开关；第一测温热 电偶贯穿设置在测量腔的侧壁；第二测温热电偶贯穿设置在加热炉的侧壁；温控仪能读 取第一测温热电偶和第二测温热电偶的电信号，并且其能对电阻丝的加热进行控制；温 控仪连接有转换开关；转换开关能对第一测温热电偶和第二测温热电偶之间的电路导通 状态进行切换。测量腔自由端制有排烟筒；燃烧腔安装有观察镜。
与现有技术相比，本发明的效果是本发明主要由配气装置、燃烧装置、温控装置、 测试装置四个功能块组成；其中配气装置通过三路气路的控制实现了可燃CxHy气体和 空气的合理配比；燃烧装置则由燃烧腔、加热炉、测量腔三部分组成，其中燃烧腔用于 产生不同燃烧状态的尾气，加热炉将尾气加热到测量所需的温度，测量腔则为被测氧传 感器提供安放、测量处。温控装置则实现测量尾气的温度控制。测试装置则通过计算机、 数据采集卡、专门开发的汽车用氧传感器测试系统软件实现配比气体燃烧状态转换的自 动控制和汽车用氧传感器各项性能数据的测试、记录。其有益效果为
1. 用可燃CxHy气体替代液态的汽油燃烧生成尾气，使模拟汽车发动机的油路系统 中复杂的泵油、输油、喷油雾化、混合等环节得以简化。
2. 由于采用了三条气路的配气设计，仅需控制补偿空气通路的通断就能实现燃烧尾 气浓稀状况方便、快捷的变化。并且此气路设计成单独由补气管道直接流入燃烧腔，叠 加在燃烧的尾气状态上，克服了在火焰枪头附近燃烧气体通路的拥堵效应，实现了尾气 燃烧状态的稳定控制。
3. 燃烧装置中燃烧腔、加热炉、测量腔的直通连接方式的设计，得以保证尾气通路 的畅通；两个测温热电偶的设计可以方便地进行测试系统予加热的控制，以及在使用过 程中停用间隙期的保温，为快速启动测量提供了方便并节省了燃料。另外在燃烧装置的 外层均使用了保温材料，保证了高温测量尾气的实现和操作的安全。
4. 通过计算机、数据采集卡、专门开发的汽车用氧传感器测试系统软件实现了燃烧 状态转换的集中式自动控制和汽车用氧传感器各项性能数据的测试、记录。
图1本发明实施例的系统框图；图2本发明实施例的结构图。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
图标号说明配气装置l、燃烧装置2、温控装置3、测试装置4、气罐lll、第一 减压阀112、燃气导管113、第一玻璃转子流量计114、压縮空气罐121、第二减压阀122、 油水分离器123、三通阀124、主空气导管131、第二玻璃转子流量计132、补偿空气导 管141、第三玻璃转子流量计142、电磁阀143、燃烧腔21、加热炉22、测量腔23、火 焰枪2U、观察镜214、燃烧腔通道215、补气管道212、瓷内胆213、陶瓷体222、电 阻丝223、保温隔热层221、气体通道224、测量管壁231、保温隔热层232、排烟筒235、 第一测量孔233、第二测量孔234、第一测温热电偶31、第二测温热电偶32、温控仪33、 转换开关34、第一氧传感器41、第二氧传感器42、计算机43、数据连线44、数据采集 卡45、电源46、信号线47。
图1为本发明实施例的系统框图，图2为本发明实施例的结构图。
实施例空燃比氧传感器性能测试系统，包括配气装置l、燃烧装置2、温控装置3
和测试装置4，其中燃烧装置具有加热炉22;加热炉22的一端连接有燃烧腔21;加
热炉22的另一端连接有测量腔23;测量腔23连接有能测量所述燃烧装置内氧气浓度的 测试装置；观懂腔23连接有能测量并控制加热炉22内腔温度的温控装置3;燃烧腔21 的进气端连接有配气装置l。
加热炉22侧壁的内表面设有保温隔热层221;保温隔热层221内侧设置有陶瓷体 222，并且陶瓷体222内部包埋有电阻丝223;燃烧腔21的气体入口的一端安装有火焰 枪211;测量腔23的侧壁贯穿制有至少一个测量孔，本实施例优选为两个，即第一测量 孔233和第二测量孔234;燃烧腔21的侧壁内周设置有瓷内胆213;测量腔23侧壁的 内周设有保温隔热层232。
配气装置1包括燃气配置系统和空气配置系统。
燃气配置系统具有气罐lll，气罐111连接有第一减压阀112的一端；第一减压阀 112的另一端连接有燃气导管113的进气端；燃气导管113的出气端连接有火焰枪211; 燃气导管113上安装有能测试气体流量的第一玻璃转子流量计114。
空气配置系统具有压缩空气罐121;压縮空气罐121连接有第二减压阀122的一端；
第二减压阀122的另一端连接有油水分离器123的一端；油水分离器123的另一端连接 有三通阀124的进气端；三通阔124的第一出气端连接有主空气通路；三通阔124的第 二出气端连接有补偿空气通路。
主空气通路包括主空气导管131和第二玻璃转子流量计132;三通阀124的第一出 气端连接有主空气导管131的进气端；主空气导管131的出气端连接有火焰枪211。
补偿空气通路包括补偿空气导管141、第三玻璃转子流量计142、电磁阔143和补 气管道212;三通阀124的第二出气端连接有补偿空气导管141的进气端；补偿空气导 管141的出气端连接有补气管道212，并且补气管道212贯穿安装在燃烧腔21的进气端； 电磁阀143连接有测试装置4，并且能受测试装置4所发出的电信号控制。
测试装置4包括至少一个氧传感器，本实施例优选为两个，即第一氧传感器41和 第二氧传感器42、计算机43、数据连线44、数据采集卡45、电源46和信号线47;氧 传感器贯穿设置在测量孔内；计算机43连接有数据连线44;数据连线44还连接有数据 采集卡45;氧传感器通过信号线47将信号传给能对计算机43和氧传感器之间进行适配 的数据采集卡45;数据采集卡45还连接有电磁阀143。
温控装置3包括第一测温热电偶31、第二测温热电偶32、温控仪33和转换开关34;第一测温热电偶31贯穿设置在测量腔23的侧壁；第二测温热电偶32贯穿设置在加热 炉22的侧壁；温控仪33能读取第一测温热电偶31和第二测温热电偶32的电信号，并 且其能对电阻丝223的加热进行控制；温控仪33连接有转换开关34;转换开关34能对 第一测温热电偶31和第二测温热电偶32之间的电路导通状态进行切换。 测量腔23自由端制有排烟筒235;燃烧腔21安装有观察镜214。 如图1，本发明的汽车用氧传感器性能测试系统主要由配气装置、燃烧装置、温控 装置、测试装置四个功能模块组成。
其结构如图2:在配气装置中，首先通过第一玻璃转子流量计114调节好从CxHy 气罐111沿燃气导管113流出的CxHy气流量和第二玻璃转子流量计132调节好从压縮 空气罐121沿主空气导管131流出的主空气流量，二者经过安装在燃烧腔21上的火焰 枪211中混配后点燃，在燃烧腔21内产生浓燃状况，即空然比入约在0.90至0.97之 间的尾气；然后再通过第三玻璃转子流量计142调节好从压縮空气罐121沿补偿空气导 管141流出的补偿空气流量，并通过燃烧腔21上另一单独补气管道212也流入燃烧腔 21内。电磁阀143控制着补偿空气导管141的通断。当电磁阀143接收到由数据采集卡 45发来的高电平信号时，打开补偿空气导管141，调节好的补偿空气通过补气管道212 流入燃烧腔21内，叠加在前面的燃烧状况上，使得尾气由浓燃状况，即空然比入约在 0.90至0.97之间，改变为稀燃状况，即空然比A约在1,03至1. 1之间。反之，当电磁 阀143关断补偿空气导管141时，又使得尾气由稀燃状况恢复为浓燃状况。在这里，我 们虽然采用了三条气路进行配气，但仅需控制补偿空气的通断就实现了燃烧尾气浓稀状 况方便、快捷的变化。然而，在传统设计的配气燃烧装置中， 一般采用多个气路共同接 入火焰枪211内混合燃烧的方式，由于在火焰枪中的拥堵效应，其某个气路的改变，会 产生对另外气路流量的干扰，带来燃烧状况不在控制范围内波动。而本发明系统采用了 补偿空气气路从另一单独补气管道212直接流入燃烧腔21内的方式，克服了上述不足， 实现了尾气燃烧状态的稳定控制。为了实现更好的配气控制，系统还用到两个减压阀， 即第一减压阀112、第二减压阀122，油水分离器123和三通阀124。实际测试时，CxHy
气可具体为煤气或天然气。
燃烧装置则由主要由燃烧腔21、加热炉22、测量腔23及其附件组成，其中燃烧腔 21产生不同燃烧状态的尾气，加热炉22则将尾气加热到所需的测量温度，测量腔23 则为被测氧传感器的安放处。为了保证尾气通路的畅通，三部分实现了直通连接方式。
配气装置输出的设定气体通过火焰枪211混合燃烧后产生的尾气进入燃烧腔通道 215，补偿空气则通过补气管道212也进入燃烧腔通道215。为了保持燃烧尾气的热量和 装置的安全，在燃烧腔通道19内壁设置了耐温及保温的瓷内胆213。同时为便于直观地 观察气体燃烧的情况，用云母片设计了观察镜214。
尾气高速进入加热炉的气体通道224后，为达到尾气处于设定测量温度的需要，再 由贯穿在陶瓷体222中的电阻丝223对其进行加热。为了保证加热效果及特别高温的需 求，在加热炉外部采用氧化铝纤维材质设计了保温隔热层221进行保温隔热，在气体通 道224气流方向的末端位置处还安装了第一测温热电偶31。
当加温后的尾气流入测量腔23后，通过测量系统可对安装在第一测量孔233、第二 测量孔234上的氧传感器进行电压信号测量。为保证被测两只氧传感器具有相同的工作 环境，第一测量孔233、第二测量孔234在测量管壁231上三维立面成90度相邻，并在 测量管壁231靠近氧传感器233的三维立面成45度的相邻位置上设置了了第二测温热 电偶32;在测量管壁231的外壳上也设置了保温隔热层232。排烟筒235的长度较长， 其内径比测量管壁231内径小6mm，使尾气合理流动排气，满足氧传感器对尾气的测量 所需。温控装置中的温控仪33在设备启动时通过转换开关34与第一测温热电偶31相连， 并输出功率驱动电阻丝223对加热炉22按照设置的予加热温度进行予加热。当加热炉 22予加热到设置的予加热温度时，火焰枪211点火，温控仪33再转换为与第二测温热 电偶32相连，并输出功率驱动电阻丝223对尾气按照设置测量温度进行加热，同时也 实现对测试腔实际温度的测量。这样的设计可以提供无需浪费燃气的予加热；另外在系 统使用过程中出现较长的停用间隙期间，也可关闭配气系统，熄灭火焰枪211，将温控 仪33通过转换开关34与第一测温热电偶31相连，按照设置的保温温度进行保温，为 下次快速启动测量提供方便。
测试装置硬件由计算机43、数据连线44、数据采集卡45、第一氧传感器41和第二 氧传感器42等组成。软件则为专门开发的汽车用氧传感器测试系统软件。
工作过程测量前，温控装置中的温控仪33通过转换开关34与第一测温热电偶31 相连，并输出功率驱动电阻丝223对加热炉22按照设置的予加热温度进行予加热。同 时将第一测量孔233、第二测量孔234上的每只氧传感器加热器线与12V的电源46相连 接，若不带加热器型氧传感器则不需要此步。每个氧传感器的信号线47与数据采集卡 45相应通道相连接。当加热炉22予加热到设置的予加热温度时，打开设定好主空气流 量、CxHy气流量，通入火焰枪211中并点燃，温控仪33再转换为与第二测温热电偶32 相连，并输出功率驱动电阻丝223对尾气按照设置测量温度进行加热，同时也实现对测 试腔实际温度的测量。然后启动专门为本系统开发的汽车用氧传感器测试系统软，出现 在测试界面。操作界面上的"过程控制"按钮，实现"上升"或"下降"两种过程选择， 计算机43则通过数据采集卡45输出高低控制电平信号，驱动电磁阀143，控制补偿空 气导管141的开断，使补偿空气叠加在前面的燃烧状态上，完成燃烧腔产生的尾气入值 在大于l和小于l两种燃烧状态之间的迅速转变。同时，对由于尾气状态转变带来的氧 传感器输出电压信号的变化则通过数据采集卡45进行采集，输入到计算机43中，并通 过专门开发的汽车用氧传感器测试系统软件中的电压测量模块和响应时间测量模块进 行分析，实现最大电压、最低电压、上升时间、下降时间等参数的测量，并实现上述测 量数据的保存。对其他传感器的测量，仅仅更换第一测量孔233、第二测量孔234上传 感器后，连接好相应的加热器线和信号线，然后操作控制软件界面上的"过程控制"按 钮，实现"上升"或"下降"两种过程选择，重复上述最大电压、最低电压、上升时间、 下降时间等参数的测量即可。
本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不 会脱离本发明的范围。
权利要求
1. 空燃比氧传感器性能测试系统，包括配气装置(1)、燃烧装置(2)、温控装置(3)和测试装置(4)，其特征是所述的燃烧装置具有加热炉(22)；所述的加热炉(22)的一端连接有燃烧腔(21)；所述的加热炉(22)的另一端连接有测量腔(23)；所述的测量腔(23)连接有能测量所述燃烧装置内氧气浓度的测试装置；所述的测量腔(23)连接有能测量并控制所述的加热炉(22)内腔温度的温控装置(3)；所述的燃烧腔(21)的进气端连接有所述的配气装置(1)。
2、 根据权利要求1所述的空燃比氧传感器性能测试系统，其特征是所述的加热 炉(22)侧壁的内表面设有保温隔热层(221);所述的保温隔热层(221)内侧设置有陶瓷体 (222)，并且所述的陶瓷体(222)内部包埋有电阻丝(223);所述的燃烧腔(21)的气体入 口的一端安装有火焰枪(211);所述的测量腔(23)的侧壁贯穿制有至少一个测量孔；所 述的加热炉(22)的侧壁内周设置有瓷内胆(213);所述的测量腔(23)侧壁的内周设有保 温隔热层(232)。
3、 根据权利要求1所述的空燃比氧传感器性能测试系统，其特征是所述的配气 装置(1)包括燃气配置系统和空气配置系统。
4、 根据权利要求3所述的空燃比氧传感器性能测试系统，其特征是所述的燃气 配置系统具有气罐(lll)，所述的气罐(111)连接有第一减压阀(112)的一端；所述的第 一减压阀(112)的另一端连接有燃气导管(113)的进气端；所述的燃气导管(113)的出气 端连接有所述的火焰枪(211);所述的燃气导管(113)上安装有能测试气体流量的第一玻 璃转子流量计(114)。
5、 根据权利要求4所述的空燃比氧传感器性能测试系统，其特征是所述的空气 配置系统具有压縮空气罐(121);所述的压縮空气罐(121)连接有第二减压阀(122)的一 端；所述的第二减压阀(122)的另一端连接有油水分离器(123)的一端；所述的油水分离 器(123)的另一端连接有三通阀(124)的进气端；所述的三通阀(124)的第一出气端连接 有主空气通路；所述的三通阀(124)的第二出气端连接有补偿空气通路。
6、 根据权利要求5所述的空燃比氧传感器性能测试系统，其特征是所述的主空 气通路包括主空气导管(131)和第二玻璃转子流量计(132);所述的三通阀(124)的第一 出气端连接有所述的主空气导管(131)的进气端；所述的主空气导管(131)的出气端连接 有所述的火焰枪(211)。
7、 根据权利要求6所述的空燃比氧传感器性能测试系统，其特征是所述的补偿 空气通路包括补偿空气导管(141)、第三玻璃转子流量计(142)、电磁阀(143)和补气管 道(212);所述的三通阀(124)的第二出气端连接有所述的补偿空气导管(141)的进气端； 所述的补偿空气导管(141)的出气端连接有所述的补气管道(212)，并且所述的补气管道 (212)贯穿安装在所述的燃烧腔(21)的进气端；所述的电磁阀(143)连接有所述的测试装 置(4)，并且能受所述的测试装置(4)所发出的电信号控制。
8、 根据权利要求2至7任一权利要求所述的空燃比氧传感器性能测试系统，其特 征是所述的测试装置(4)包括至少一个氧传感器、计算机(43)、数据连线(44)、数据 采集卡(45)、电源(46)和信号线(47);所述的氧传感器贯穿设置在所述的测量孔内；所 述的计算机(43)连接有所述的数据连线(44);所述的数据连线(44)还连接有所述的数据 采集卡(45);所述的氧传感器通过所述的信号线(47)将信号传给能对计算机(43)和氧传 感器之间进行适配的数据采集卡(45);所述的数据采集卡(45)还连接有所述的电磁阀 (143)。
9、 根据权利要求8所述的空燃比氧传感器性能测试系统，其特征是所述的温控 装置(3)包括第一测温热电偶(31)、第二测温热电偶(32)、温控仪(33)和转换开关(34); 所述的第一测温热电偶(31)贯穿设置在所述的测量腔(23)的侧壁；所述的第二测温热电 偶(32)贯穿设置在所述的加热炉(22)的侧壁；所述的温控仪(33)能读取所述的第一测温 热电偶(31)和第二测温热电偶(32)的电信号，并且其能对所述的电阻丝(223)的加热进 行控制；所述的温控仪(33)连接有所述的转换开关(34);所述的转换开关(34)能对第一 测温热电偶(31)和第二测温热电偶(32)之间的电路导通状态进行切换。
10、 根据权利要求9所述的空燃比氧传感器性能测试系统，其特征是所述的测量 腔(23)自由端制有排烟筒(235);所述的燃烧腔(21)安装有观察镜(214)。
全文摘要
本发明公开了空燃比氧传感器性能测试系统，包括配气装置、燃烧装置、温控装置和测试装置，其中燃烧装置具有加热炉；加热炉的一端连接有燃烧腔；加热炉的另一端连接有测量腔；测量腔连接有能测量所述燃烧装置内氧气浓度的测试装置；测量腔连接有能测量并控制加热炉内腔温度的温控装置；燃烧腔的进气端连接有配气装置。配气装置通过三路气路的控制实现了可燃CxHy气体和空气的合理配比；燃烧装置则由燃烧腔、加热炉、测量腔三部分组成，其中燃烧腔用于产生不同燃烧状态的尾气，加热炉将尾气加热到测量所需的温度，测量腔则为被测氧传感器提供安放、测量处；温控装置则实现测量尾气的温度控制。本发明具有实现燃烧尾气浓稀状况变化快捷、稳定以及各项性能的测试控制转换自如、记录方便等优点。
文档编号G01N27/00GK101281153SQ200810061669
公开日2008年10月8日 申请日期2008年5月21日 优先权日2008年5月21日
发明者益 汪, 汪鹏君, 简家文, 蒋刚毅 申请人:宁波大学