气体互感现象分析系统及其分析方法

摘要

本发明为一种气体互感现象分析系统及其分析方法，其中气体互感现象分析方法步骤包含：产生第一气体的一喷注频率信号，撷取第二气体感测信号，接着转换第二气体感测信号为第二气体感测频率信号，其后判断第二气体感测频率信号的峰值频率，产生感测峰值频率信号，最后分析喷注频率信号与感测峰值频率信号。其中利用快速傅立叶转换，将以时间为单位的第二气体感测信号转换为以频率为单位的第二气体感测频率信号，利用第二气体感测频率信号的峰值频率，判断喷注频率信号与感测峰值频率信号是否奇异，藉此分析方法判断是否发生气体互感现象。

说明书

技术领域

本发明有关于一种感测信号分析方法及分析系统，尤指一种气体互感现象 分析系统及其分析方法。

背景技术

由于现代工业产生氮氧化物、硫化物及其他挥发性有机化合物的过度排 放，在各地造成酸雨、霾害及臭氧减少等灾害，已经对人类健康及生态环境构 成巨大的威胁。硫化物及其他挥发性有机化合物的排放量已经随着炼油技术的 精进获得改善，因此去除废气中的氮氧化物严然成为当前环境污染治理的重要 任务之一。

以发动机排气检测作为例子，现今最有效减少发动机所排放的氮氧化物 (NOx)废气是利用尿素水溶液产生的氨气做为还原剂的选择性还原催化 (selectivecatalystreduction；SCR)后处理系统。在选择性还原催化后 处理系统中，氮氧化物感测器(NGK/ContinentalSmartSensor；SNS)被广泛 地运用于监测和控制氮氧化物废气排放。但是高浓度的氨气易与氮氧化物感测 器产生互感现象(crosssensitivity)，使氮氧化物感测器的输出信号无法 辨别是氮氧化物废气造成或是氨气所造成的。因此将使选择性催化还原后处理 系统的控制逻辑判断错误，使过量氨气喷入造成浪费，而且过量的氨气会与废 气中的硫化物形成污染物污染选择性催化还原后处理系统中的催化剂，降低氮 氧化物废气减量效率。

现有技术的改善作法有二种。其一是利用两个氮氧化物感测器分别设于选 择性催化还原后处理系统的上游及下游，利用时变相位处理上下游氮氧化物感 测器的信号来判别氨气是否过量。其二系于选择性还原催化后处理系统加装发 动机排气直接采样单元，利用化学发光分析仪计算氨气浓度值。然而，上述现 有技术都需另再加装氮氧化物感测器或特殊装置，不仅造成成本提高，也使整 体系统复杂度增加及重量加重。

发明内容

因此，本发明的目的是在提供一种气体互感现象分析系统及其分析方法， 并且本发明能运用于在各种产生废气排放的装置，期待能解决上述的各种问 题。

依据本发明一方法态样的一实施方式，提出一种气体互感现象分析方法， 其步骤包含：产生一第一气体的一喷注频率信号。撷取一第二气体感测信号。 接着转换以时间为单位的第二气体感测信号为以频率为单位的一第二气体感 测频率信号。接着判断第二气体感测频率信号的峰值频率，产生一感测峰值频 率信号。最后分析喷注频率信号与感测峰值频率信号，若喷注频率信号与感测 峰值频率信号奇异，则分析结果为发生气体互感现象。

藉此方法态样的实施方式，本发明可由分析喷注频率信号与感测峰值频率 信号，得知分析喷注频率信号与感测峰值频率信号是否发生奇异，来判断是否 发生气体互感现象，进而使整体系统成本、复杂度及重量降低。

前述方法态样实施方式中的其他实施例如下：前述的第二气体感测信号可 利用快速傅立叶转换来转换为第二气体感测频率信号。前述的感测峰值频率信 号可包含一第一峰值频率及一第二峰值频率。前述的分析喷注频率信号及感测 峰值频率信号可利用喷注频率信号与感测峰值频率信号相减取绝对值产生一 差值，将差值与一标准值做分析比较，当差值小于标准值则第二气体感测信号 为一正确值，当差值大于标准值则第二气体感测信号为一错误值。

依据本发明一系统态样的一实施方式，利用前述的气体互感现象分析方 法，专门提出一种气体互感现象分析系统，其包含：一第一气体产生单元、一 第二气体感测单元、一信号转换单元、一峰值频率判断单元及一信号分析单元。 其中第一气体产生单元用于产生一喷注频率信号。第二气体感测单元用于产生 一第二气体感测信号。信号转换单元与第二气体感测单元电性连接，其中信号 转换单元利用快速傅立叶转换将第二气体感测信号转换为一第二气体感测频 率信号。峰值频率判断单元与信号转换单元电性连接，其中峰值频率判断单元 判断第二气体感测频率信号后输出一感测峰值频率信号。信号分析单元与第一 气体产生单元及峰值频率判断单元电性连接，其中信号分析单元用以分析喷注 频率信号与感测峰值频率信号。

藉此系统态样的实施方式，可由信号分析单元分析喷注频率信号与感测峰 值频率信号，得知分析喷注频率信号与感测峰值频率信号是否发生奇异，来判 断是否发生气体互感现象，进而使整体系统成本、复杂度及重量降低。

前述系统态样实施方式中的其他实施例如下：前述的气体互感现象分析系 统可另包含一选择性还原催化单元。前述的选择性还原催化单元利用一第一气 体将一第二气体转换成一无毒气体。前述的第一气体可为氨气，第二气体可为 氮氧化物。前述的喷注频率信号为氨气喷注频率信号。前述的第二气体感测单 元可为一氮氧化物感测器。前述的第一气体可由尿素水汽化产生。前述的感测 峰值频率信号可包含一第一峰值频率及一第二峰值频率。

本发明所述的奇异是指喷注频率信号与感测峰值频率信号的频率差距太 大，意即喷注频率信号与感测峰值频率信号的频率差值大于标准值。

本发明方法态样及系统态样不但适用于发动机排气检测、动力载具引擎检 测及相关具有气体互感现象的排气检测领域，皆可运用本发明做气体互感现象 检测。

附图说明

图1绘示本发明的气体互感现象分析方法步骤图。

图2绘示本发明的气体互感现象分析系统架构图。

图3A绘示本发的第二气体感测单元所感测的氮氧化物感测信号量测图。

图3B绘示图3A的氨气与氮氧化物比例–时间图。

图3C绘示图3A的局部放大图。

图4A至图4D，其绘示本发明的氮氧化物感测频率信号于不同氨气与氮氧 化物的比例下的强度－频率图。

其中，附图标记：

100、110、120、130、140：步骤

200：气体互感现象分析系统

210：选择性还原催化单元

220：第一气体产生单元

230：第二气体感测单元

240：信号转换单元

250：峰值频率判断单元

260：信号分析单元

270：显示单元

280：尿素水容置器

具体实施方式

请参照图1，其绘示本发明的气体互感现象分析方法步骤图，其步骤包含： 步骤100，产生一第一气体的一喷注频率信号。步骤110，撷取一第二气体感 测信号。步骤120，转换为一第二气体感测信号，系将以时间为单位的第二气 体感测信号转换为以频率为单位的第二气体感测频率信号。步骤130，产生一 感测峰值频率信号，系判断第二气体感测频率信号的峰值频率。步骤140，分 析喷注频率信号与感测峰值频率信号，若喷注频率信号与感测峰值频率信号奇 异，则分析结果为发生气体互感现象。

上述的感测峰值频率信号可撷取一第一峰值频率及一第二峰值频率，其中 第一峰值频率的峰值强度大于第二峰值频率的峰值强度。

上述的第二气体感测信号利用快速傅立叶转换(FastFourierTransform) 来转换为第二气体感测频率信号。其中快速傅立叶转换为利用有效方式简化离 散傅立叶转换(DiscreteFourierTransform)运算时间，其将多个数据x 的序列中(x1,x2,…..,xn-1)转换为有限组合的多正弦曲线的，其数学式 如下：

$X\left(k\right)={\Sigma }_{n=0}^{N-1}x\left(n\right)e^{-j\left(\frac{2\pi }{n}\right)\mathrm{kn}}$

前述的分析喷注频率信号(f_pump)及感测峰值频率信号(f_peak)中，可利 用喷注频率信号与感测峰值频率信号相减取绝对值产生一差值(| f_peak-f_pump|)，将差值与一标准值(ε)做分析比较，当差值小于标准值(| f_peak-f_pump|＜ε)则第二气体感测信号为一正确值；当差值大于标准值则第二 气体感测信号为一错误值，代表发生气体互感现象。

前述的感测峰值频率信号可撷取第一峰值频率及第二峰值频率 其中利用喷注频率信号(f_pump)与第一峰值频率相减取绝对值产 生第一差值利用喷注频率信号(f_pump)与第二峰值频率 相减取绝对值产生第二差值 一标准值(ε)做分析比较；当第一差值小于标准值及第二差值小于标准值则第二气体感测信号为一正 确值；当第一差值或第二差值中其一大于标准值则第二气体感测信号为一错 误值，代表发生气体互感现象。前述的第二峰值频率用来做验证，其系为了 避免影响演算法的判读而设计出的参数。

其中当第一差值大于标准值或第二差值大于标准 值则第二气体感测信号为一错误值，即可判定尿 素泄漏的情况发生，且尿素泄漏的浓度与第一感测峰值频率信号有 关(当有尿素泄漏时，第一感测峰值频率信号通常发生于低频处)， 将其乘上一个由实验得知的增益值σ来估算泄漏的尿素浓度，可表示为

﹝NH₃﹞_leakage＝σ.(maxX(K))。

前述的标准值的订定是为避免感测峰值频率信号与喷注频率信号两者可 能因频率解析度不足产生误差，进而影响演算法的判读而订定的。此标准值大 小取决于快速傅立叶转换的数据的取样时间(samplingtime)长短，其中取样时 间与标准值呈现负相关性，也就是说较长的取样时间可设计较小的标准值，较 短的取样时间需要设计较大的标准值。

请参照图2，其绘示本发明的气体互感现象分析系统200架构图，其应用 于柴油引擎车辆上。图2的气体互感现象分析系统200包含：一选择性还原催 化单元210、一第一气体产生单元220、一第二气体感测单元230、一信号转 换单元240、一峰值频率判断单元250及一信号分析单元260。其中选择性还 原催化单元210利用一第一气体将一第二气体转换成一无毒气体。第一气体产 生单元220用于产生一喷注频率信号。第二气体感测单元230用于产生一第二 气体感测信号。信号转换单元240与第二气体感测单元230电性连接，其中信 号转换单元240利用快速傅立叶转换将第二气体感测信号转换为一第二气体 感测频率信号。峰值频率判断单元250与信号转换单元240电性连接，其中峰 值频率判断单元250判断第二气体感测频率信号后输出一感测峰值频率信号。 信号分析单元260与第一气体产生单元220及峰值频率判断单元250电性连 接，其中信号分析单元260用以分析喷注频率信号与感测峰值频率信号。

前述的气体互感现象分析系统200中，信号分析单元260与一显示单元 270电性连接，显示单元270除了显示信号分析单元260所接收的喷注频率信 号及感测峰值频率信号，也显示信号分析单元260所判断是否发生气体互感现 象的结果。

前述的第一气体为氨气(NH₃)，第二气体可为氮氧化物(NO_X)。前述 的气体互感现象分析系统200中，另包含一尿素水容置器280，尿素水(urea， (NH₂)₂CO)用以提供选择性还原催化单元210所需的氨气，尿素水产生氨气 的化学反应表示如下：

(NH₂)₂CO+H₂O→2NH₃+CO₂。

尿素水为目前常见用以提供选择性还原催化单元210中所需的氨气，其 原因是尿素水为无毒性且容易储存运送，当尿素水浓度为32.5％时，其最低 的凝结温度为负11℃，所以可以符合大部分地区使用；且当尿素水浓度为32.5 ％时，为一无色的水溶液，且其pH值约9.0～9.5之间，于室温下可汽化成氨 气。

前述的选择性还原催化单元210中，触媒(catalyst)材料可以为五氧化 二钒(V₂O₅)、三氧化钨(WO₃)或二氧化钛(TiO₂)等。

当氮氧化物与氨气进入选择性还原催化单元210中，氮氧化物与氨气发 生化学反应后产生无毒无害的氮气与水气，其所发生化学反应表示为下列化 学式：

6NO+4NH₃5N₂+6H₂O；

4NO+4NH₃+O₂4N₂+6H₂O；

6NO₂+8NH₃7N₂+12H₂O；

2NO₂+4NH₃+O₂3N₂+6H₂O；

NO+NO₂+2NH₃2N₂+3H₂O。

前述的第二气体感测单元230为一氮氧化物感测器。目前市面现有氮氧 化物感测器由NGK/Continental所生产的，其中氮氧化物感测器外壳系利用二 氧化锆(ZrO₂)制造而成，其目的是使氮氧化物感测器能承受800℃的高温。

氮氧化物感测器于高浓度氨气环境下，易产生气体互感现象，使氮氧化 物感测器输出的感测信号无法辨别是氮氧化物或是氨气所造成的。因此本发 明利用快速傅立叶转换做信号分析，藉此辨别氮氧化物感测器输出的感测信 号是否发生气体互感现象，并得知氨气(NH₃)泄漏的时机。

请同时参照图3A及图3B。图3A绘示本发的第二气体感测单元所感测的 氮氧化物感测信号量测图；图3B绘示图3A中氨气与氮氧化物比例–时间图。

由图3B可知，第二气体感测单元整体量测时间为900秒，量测时间900 秒内步阶调变氨气与氮氧化物的比例四次，其中氨气与氮氧化物的比例分别 为0.35、0.65、1及1.35；前述调变氨气与氮氧化物的比例系利用控制氨气喷 注频率，当氨气喷注频率提高，表示氨气喷注的量变多，进而使得氨气与氮 氧化物的比例提高。

由图3A可知，第二气体感测单元所量测的氮氧化物感测信号曲线呈现震 荡形式，无法由信号曲线无法辨别是氮氧化物造成或是氨气所造成的，除了 在500至600秒区间，当氨气与氮氧化物的比例为1时，氮氧化物感测信号 曲线呈现较少震荡及杂讯，表示氨气与氮氧化物的化学反应较完全。由图3C 可知，即使放大图3A中300至400秒区间，氮氧化物感测信号曲线仍呈现震 荡形式，依然无法辨别信号曲线是氮氧化物造成或是氨气所造成的。

请同时参照图4A至图4D，其绘示本发明的氮氧化物感测频率信号于不 同氨气与氮氧化物的比例下的强度－频率图。其中以频率为单位的氮氧化物 感测频率信号是由以时间为单位的氮氧化物感测信号经快速傅立叶转换计算 而来。

由图4A可知，当氨气与氮氧化物的比例为0.35、氨气喷注频率为0.1(1/ 秒)时，氮氧化物感测频率信号峰值处的频率与虚线所代表的氨气喷注频率 皆在0.1(1/秒)，代表氮气喷注频率信号与氮氧化物感测峰值频率信号无奇 异，则表示氮氧化物感测器的感测信号未发生气体互感现象，即信号呈现真 实的氮氧化物(NO_x)浓度。

由图4B可知，当氨气与氮氧化物的比例为0.65、氨气喷注频率为0.195 (1/秒)时，氮氧化物感测频率信号峰值处的频率与虚线所代表的氨气喷注频 率皆在0.2(1/秒)，代表氮气喷注频率信号与氮氧化物感测峰值频率信号无 奇异，则表示氮氧化物感测器的感测信号未发生气体互感现象，即信号呈现 真实的氮氧化物(NO_x)浓度。

由图4C可知，当氨气与氮氧化物的比例为1、氨气喷注频率为0.295(1/ 秒)时，氮氧化物感测频率信号峰值处的频率与虚线所代表的氨气喷注频率 皆靠近0.3(1/秒)时，代表氮气喷注频率信号与氮氧化物感测峰值频率信号 无奇异，则表示氮氧化物感测器的感测信号未发生气体互感现象，即信号呈 现真实的氮氧化物(NO_x)浓度。

由图4D可知，当氨气与氮氧化物的比例为1.35、氨气喷注频率为0.4(1/ 秒)时，氮氧化物感测频率信号峰值处的频率与虚线所代表的氨气喷注频率 相距过大时，代表氮气喷注频率信号与氮氧化物感测峰值频率信号有奇异， 则表示氮氧化物感测器的感测信号发生气体互感现象，即有泄漏的尿素影响 信号，使氮氧化物(NO_x)读值失准而产生高估。

本发明的气体互感现象分析方法及分析系统不但适用于发动机排气检 测、动力载具引擎检测及相关具有气体互感现象的排气检测领域，皆可运用 本发明做气体互感现象检测。

综合上述，本发明利用快速傅立叶转换做信号分析运用于气体互感现象 分析方法及分析系统有以下优势：其一，达到可快速辨别是否发生气体互感 现象；其二，达到防止过量氨气喷入造成的浪费，也同时防止过量的氨气与 废气中的硫化物形成的污染物，进而降低选择性还原催化单元的氮氧化物废 气减量效率；其三，达到降低系统的成本、复杂度及重量，因为本发明的气 体互感现象分析系统不需另外加装氮氧化物感测器或其他特殊装置。

虽然本发明已以实施方式公开如上，其并非用以限定本发明，任何本领域 的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改，因 此本发明的保护范围当视后附的权利要求书保护范围所界定者为准。