Fault simulation test of oxygen sensor for natural gas engine
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摘要: 在自行搭建的发动机试验台架上, 以台架试验与排放分析法为基础, 以NI采集卡、前端信号处理电路、信号丢失控制电路与信号异常控制电路等为硬件, 以LabVIEW软件为技术支持设计了天然气发动机氧传感器故障模拟系统, 分析了天然气发动机氧传感器故障对发动机动力性、经济性以及各项排放指标的影响。试验结果表明: 当转速为2 500 r.min-1, 节气门开度为25%, 模拟信号电压低于0.5 V时, 过量空气系数变小, 混合气变浓, 转矩与正常值相比变化不大, CO排放上升, HC排放略有升高, 但变化不大, NOx排放下降; 当模拟信号电压高于0.5 V时, 过量空气系数变大, 混合气变稀, 转矩下降较大, CO排放下降, 并低于正常值, HC排放上升, NOx排放基本为0。Abstract: On the self-built engine test bench, the bench test and emission analysis method were taken as foundations, the NI acquisition card, front-end signal processing circuit, the control circuit of signal loss and the control circuit of signal anomaly were taken as hardwares, the fault simulation system of oxygen sensor for natural gas engine was designed by LabVIEW software, and the influences of oxygen sensor fault on the power performance, economy performance and emission indexes of natural gas engine were analyzed. Test result shows that when rotation speed is 2 500 r·min-1, throttle opening degree is 25% and analog signal voltage is below 0.5 V, the excess air coefficient reduces, the concentration of mixed gas rises, torque changes slightly compared with normal value, CO emission rises, HC emission rises slightly, and NOx emission decreases. When signal voltage is high above 0.5 V, the excess air coefficient rises, the concentration of mixed gas decreases, torque drops significantly, CO emission decreases and is less than normal value, HC emission increases, and NOx is 0 basically.
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Key words:
- automobile engineering /
- natural gas engine /
- oxygen sensor /
- fault simulation /
- signal loss /
- signal anomaly
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随着全球经济一体化, 世界交通已进入集装化的时代。集装箱作为一种现代化的运输工具在国际多式联运中发挥出愈来愈重要的作用。集装箱运输能力大、装卸效率高、货损货差少、服务质量好的优越性已在世界范围内形成共识。20世纪80年代以来, 中国的集装箱运输发展十分迅速, 国际集装箱的港口吞吐量年平均增长率达25%左右, 目前中国能接卸大型集装箱的港口有60多个; 拥有集装箱专用泊位70多个; 1998年中国大陆的集装箱吞吐量已突破1300万TEU。中国的集装箱船队发展很快, 现已拥有船公司150家, 拥有船舶1080艘, 30万余箱。中国远洋运输集团总公司运力在世界排名前4位[1]。中国即将加入WTO, 随着经济一体化和国家贸易的发展, 生产要素将在世界范围内自由地流动。如何开展集装箱国际多式联运, 尽早做好与国际接轨的准备工作, 集装箱的选择、使用与管理是一个非常重要的问题。本文将针对集装箱这一运输媒介进行认真研究, 并就集装箱的使用、管理等提出具体的措施与建议。
1. 集装箱的定义
集装箱是集装单元的一种, 英文叫做container, 其本义是容器, 呈长方箱, 能用本身的强度保护箱内的货物不受损坏; 能防雨, 能将不同重量、尺寸、形状的适箱货物装入箱内进行成组运输; 可与运输工具分开作为一个单元进行装卸, 而不需搬动箱内的货物。关于集装箱的定义, 国内外的专家学者存在一定的分歧。因际标准化组织(ISO) 曾对集装箱作过如下一些规定:
(1) 具有足够的强度, 可反复使用;
(2) 途中转运时, 不动箱内的货物, 可直接换装;
(3) 具有便于快速装卸的装置, 便于从一种运输方式转移到另一种运输方式;
(4) 便于货物的装满和卸空;
(5) 具有1 m3 (35.3 foot3) 以上的内容积。
从国际标准化组织(ISO) 对集装箱的规定中, 可以看出: 集装箱是一种非常便于开展国际多式联运的运输媒介, 是国际多式联运发展的必然选择。
2. 集装箱使用中存在的问题及其原因
2.1 标准不统一
标准化是开展集装箱多式联运的基础, 同时也是提高运输经济效益的前提。从目前中国集装箱多式联运的实际情况来看, 标准不统一是制约中国国际集装箱多式联运发展的主要原因之一。在国际范围内, 中国主要采用的20 ft、40 ft两种箱; 国内公路运输主要采用的是3 t箱和5 t箱, 铁路运输常用的是TJ1和TJ5[2]。
由于长期计划经济的影响, 中国的集装箱运输主要针对国内货物运输需要来开展的, 服务的对象主要是国内的企业。在集装箱的选择、使用和管理主要考虑的是国内物质生产部门的需要。由于很少考虑国际多式联运的需要, 造成了适合于国际多式联运的集装箱数量较少, 国内标准箱与国际标准箱在容量、尺寸等方面的规定也存在一定的差别(表 1)。
表 1 中国使用的集装箱与国际集装箱主要技术参数比较分类 箱型 长度L/mm 宽度M/mm 高度H/mm 总重/kg 备注 ISO箱系列 1A 12 192 2438 2438 30480 GB1413-1998ISO668-1995 1C 6058 2438 2438 24000 中国国家标准 5D 1968 2438 2438 5000 10D 4012 2438 2438 10000 中国铁路行业标准 TJ1 900 1300 1300 1000 TB2114-1990GB3218-1982 TJ5 1968 2438 2438 5000 中国道路行业标准 3 t 1720 2200 2200 3000 5 t 3480 2200 2200 5000 从表 1可以发现, 各部门使用的集装箱箱型不统一。国际集装箱与国内集装箱标准在重量, 以及长、宽、高等方面都存在较大的差异。集装箱标准不统一, 十分不利于中国国际集装箱多式联运的开展。另外, 在中国还存在一些非标准箱。像珠江货运, 它有自己制造的集装箱, 但由于箱号小于国际标准箱, 它的货物只能运到香港。非标准箱在中国早期的集装箱运输中曾发挥过一定的作用, 但随着世界经济一体化, 反而阻碍了中国集装箱运输的发展。由于集装箱标准不统一, 所导致的拆箱、换装作业, 以及由此造成的货损货差等货运质量问题也十分严重。
2.2 箱型结构单一
当前, 由于集装箱造价较贵(一只箱的平均造价就达3000美元), 集装箱运输公司配备的集装箱往往较为单一。国际标准现行箱有3个系列, 其中, 第一系列就有13种标准[3]; 从集装箱的分类来看, 集装箱种类十分繁多。中国现行的集装箱共有8种箱号; 国际运输, 中国目前采用的是20 ft、40 ft两种箱; 国内运输主要采用5 D、10 D两种箱。另外, 中国通用箱居多, 专用箱十分缺乏, 绝大部分为干货集装箱。由于箱型结构不合理, 再加上现行箱务管理的制约, 以及货主不愿意为少量的货物租下整个集装箱, 导致一部分货主放弃集装箱这种先进的运输工具, 而选择散装运输。单一的箱型结构直接影响了集装箱运输效率以及运输效益的提高。
2.3 空箱调运量过大
目前, 中国集装箱的利用率较低。最明显的表现就是: 空箱调运过多。在珠江三角洲与香港的船舶运输中, 集装箱空箱的数量超过50%以上。3、4月份是集装箱运输淡季, 平均每天运出10个TEU, 运进7、8个TEU, 空箱都占到5个TEU, 超出了集装箱总量的50%。应该指出: 由于客观货物流向、流量及货种不平衡, 产生一定数量的空箱调运是必然的。但是, 通过加强箱务管理, 实现箱务管理现代化, 减少空箱调运量是完全可以实现的。由于中国缺乏高素质的集装箱专业人才, 运输信息不灵, 生产组织水平不高, 集装箱空箱调运量过大。空箱调运量过大直接导致运输资源的浪费, 另外也影响了集装箱运输企业和货主的经济效益, 应进行深入、细致的调查研究, 尽可能地降低空箱调运量。
2.4 集装箱管理混乱
集装箱管理混乱在很大程度上表现为超期箱较多, 错用箱的现象时有发生。所谓超期箱是指客户使用时间过长的集装箱, 也就是指在堆场、仓库以及其他场所的堆放时间超过了规定的集装箱。超期箱的存在, 严重影响了集装箱的正常流转, 降低了集装箱的利用效率。在珠江三角洲很多港口, 经常出现超期箱。有的集装箱从香港运进珠江三角洲地区的港口后, 要在堆场闲置很长一段时间, 有时甚至长达1~2个月。超期箱的存在增加了运输公司的经营成本, 占用了堆场面积。错用箱产生后, 根据有关规定错用方必须负责联系追回错用箱, 支付错用期间的全部费用。错用箱直接影响箱管中心的日常箱务管理工作的正常进行。更严重的是: 错用箱有可能造成错运等运输质量事故, 影响货主生产经营活动的正常进行, 给企业的信誉造成不良的影响。造成集装箱错用与超期使用的原因是多方面的。港口或货代责任心不强, 以及货主不太注重经济效益, 将集装箱当作仓库使用等是其产生的主要原因。
2.5 信息不畅, 通信手段落后
集装箱的生命力在于国际多式联运, 国际多式联运的开展在很大程度上依赖信息的及时提供和对信息的充分利用。信息不畅历来是造成空箱调运量过大, 运输效益不高的主要原因。在中国大部分地区现在还采用手工数据处理方式。单证种类繁多, 手续复杂, 传递速度缓慢。这十分不利于集装箱的正常周转, 同时也给箱务管理工作带来很大的不便。信息不畅的主要原因是因为管理手段落后, 通信技术陈旧。电话、传真等传统的通信方式费时费力, 又无法实现信息资源的共享。人类社会已进入信息社会。信息已成为一种十分重要的资源。中国应对信息加以足够的重视, 同时应加快运输企业自己的信息平台的建设, 充分利用信息提高企业的服务水平。
3. 加强集装箱管理
3.1 加强集装箱标准化
世界集装箱运输在短短的30年时间迅速风靡全球, 标准化起到至关重要的作用。标准化工作是实现国际多式联运的关键。所谓集装单元就是把一定量的材料或物品, 按照一定的标准重量或体积, 整齐地汇集成一个便于储运的单元。集装箱运输是将各类集装单元作为运输的单位, 并使之便于采用机械装卸和换装的一种新的货物运输方式。故此, 集装箱运输也被称为规格化运输。标准化是国际集装箱多式联运开展的必要条件, 必须重视集装箱的标准化工作。学者们公认: 集装箱运输成长时期的重要特征是集装箱运输从美国本土逐步走向国际化。随着世界经济一体化的进行, 中国的集装箱运输应尽可能地采用国际标准化组织规定的集装箱。从世界范围来看, 国际集装箱运输有向大型化和专用化发展的趋势。中国应根据世界集装箱运输的发展变化趋势, 选定适应国际集装箱运输的箱型, 同时根据选定的箱型配备相应的运输工具与装卸机械等设施。
3.2 调整集装箱箱型结构
箱型结构单一, 严重影响了中国集装箱运输的开展。一部分货主由于难以找到适合自己货物的箱子, 不得不选择了散装运输; 一部分集装箱运输企业也因为只配备有通用集装箱, 没有专用集装箱, 而不得不放弃液体货物, 以及需要调节温度的货物。由此可见: 箱型结构单一已严重影响中国集装箱运输的开展。中国可考虑采用联合、兼并的方法, 迅速扩大集装箱运输企业的规模, 实现企业运输资源的互补, 同时丰富企业箱型种类, 实现箱型结构的优化。联合、兼并可以提高中国集装箱运输企业的竞争能力和服务水平, 又不至于造成资金投入过大。中国应从国际集装箱多式联运的开展, 便于采用机械装卸和换装等方面综合考虑集装箱的选择问题。另外, 从为货主服务的角度, 采用不同规格、不同尺寸、不同吨位的集装箱。中国必须努力为货主提供规格齐全、比例合适、相互协调的集装箱系列服务, 以满足不同货主的需求。
3.3 加快高素质集装箱专业人才的培养
随着中国加入世界贸易组织一天天的临近, 外商将全面进入中国的运输市场。生产力三要素中, 劳动力是起决定作用的。集装箱运输企业之间的竞争主要是人力资源的竞争。缺乏专业的集装箱运输人才是中国集装箱运输企业所面临的最大困难, 必须加快集装箱运输人才的培养, 以迎接新的挑战。目前, 中国十分缺乏集装箱专业人才, 在平常的集装箱箱务管理中, 大都是凭经验进行管理。在珠江三角洲地区, 一部分具有较高专业素质的人才在外商的高薪引诱下, 离开了国内的集装箱运输企业, 造成国内集装箱专业人才的流失较为严重。随着中国加入WTO进程的加快, 中国集装箱运输人才的流失将更趋严重。国外发达国家开展集装箱运输已有几十年的历史, 无论是集装箱运输理论还是运输实践在国外已较为成熟。中国应虚心地学习国外先进的集装箱箱务管理的理论, 以及他们多年来积累的丰富经验。采用派出去, 请进来的办法, 加快中国集装箱运输高素质人才的培养。
3.4 加强集装箱箱务管理
在同样的资源条件下, 通过加强管理能使劳动生产率成倍的提高。国际上集装箱运输已较为成熟, 中国有必要引进国外先进的集装箱箱务管理理论。通过向他们学习, 迅速提高中国的集装箱箱务管理水平。中国应尽可能使得集装箱箱务管理系统化、规范化、程序化。先进的企业主张向管理要效益。准确的市场预测、良好的集装箱调运方案、严格的管理制度等是减少错用箱、超期箱, 提高集装箱运用效率的前提。
3.5 积极采用先进的GPS集装箱跟踪管理系统
集装箱跟踪管理是指集装箱经营者能随时了解、掌握集装箱的动态信息, 并可以对集装箱的运营状况进行实时的监督和控制。在中国, 集装箱跟踪管理还处于刚起步的阶段, 许多货代公司还是用T卡对集装箱进行记录, 此法费时又误事。集装箱GPS是利用计算机通过卫星对集装箱进行全方位跟踪, 达到对集装箱进行动态管理的目的。GPS系统(图 1) 有利于国际多式联运的开展。采用此系统可以大大加强对集装箱的即时管理, 降低集装箱的空箱调运量, 提高集装箱的使用效率。另外, 由于采用GPS系统可以对集装箱实行全方位的实时跟踪, 可以提高集装箱运输企业的服务水平。
4. 结语
成组运输中最具代表性的是集装箱。集装箱使得传统的静态搬运作业体制发展为现代的动态搬运作业体制。集装箱是使静态货物转变为动态货物的媒介物。借助集装箱, 货物能以最短的时间、最快的方式从静止转入运动状态之中。调查资料显示: 工业发达国家杂货运输的集装箱化的程度已达到100%[1]。21世纪已经来临, 随着全球经济一体化的进行, 在国际贸易中货物运输的集装化程度将会进一步扩展, 集装箱将会在全球范围内, 得到更广泛的应用。集装箱的运用有利于国际多式联运的开展。从当今货物运输发展的趋势来看, 国际集装箱多式联运将得到进一步的发展, 集装箱运输将进一步体现现代物流的特征。中国应根据世界集装箱运输的发展变化趋势, 选定适应国际集装箱运输的箱型, 同时要加强对集装箱的管理, 提高集装箱的使用效率, 尽快做好与国际集装箱运输接轨的工作。
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图 9 外特性曲线下的过量空气系数
Figure 9. Excess air coefficients under external characteristic curve
图 12 负荷特性曲线下的过量空气系数
Figure 12. Excess air coefficients under load characteristic curve
图 18 怠速工况下信号异常对过量空气系数的影响
Figure 18. Influence of signal anomaly on excess air coefficient under idle condition
图 19 怠速工况下信号异常对CO排放的影响
Figure 19. Influence of signal anomaly on CO emission under idle condition
图 20 怠速工况下信号异常对HC排放的影响
Figure 20. Influence of signal anomaly on HC emission under idle condition
图 21 怠速工况下信号异常对NOx排放的影响
Figure 21. Influence of signal anomaly on NOx emission under idle condition
图 22 中等负荷工况下信号异常对过量空气系数的影响
Figure 22. Influence of signal anomaly on excess air coefficient under medium-load condition
图 23 中等负荷工况下信号异常对转矩的影响
Figure 23. Influence of signal anomaly on torque under medium-load condition
图 24 中等负荷工况下信号异常对CO排放的影响
Figure 24. Influence of signal anomaly on CO emission under medium-load condition
图 25 中等负荷工况下信号异常对HC排放的影响
Figure 25. Influence of signal anomaly on HC emission under medium-load condition
图 26 中等负荷工况下信号异常对NOx排放的影响
Figure 26. Influence of signal anomaly on NOx emission under medium-load condition
表 1 发动机技术参数
Table 1. Technical parameters of engine
表 2 信号丢失对怠速工况的影响
Table 2. Influence of signal loss on idle condition
状态 转速/(r·min-1) 喷气脉宽/ms 过量空气系数 CO排放/% HC排放/10-6 NOx排放/10-6 正常 780 5.2 1.114 0.26 60 8 丢失 731 4.9 1.212 0.08 146 3 
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