汽车尾气检测系统的设计

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1、毕业论文题目:汽车尾气检测系统的设计学生姓名：贺达磊专业：汽车制造与装配班 级：汽制1403扌旨导教师：刘自辉2016年11月摘要本论文是在当前汽车尾气污染不断加重和汽车尾气检测标准越来越高的 形势下提出的，汽车尾气中含有 CO HC NO等主要化合物这些尾气对人体有 害并且影响自然环境，这已发展成为严重的社会问题。对汽车排放污染物的治理， 是世界性的环保课题。 它推动了汽车工业的革 命，同时带动了燃料、 净化技术和监测仪器等相关产业的发展。 常用的气体分 析方法中， 红外光学吸收方式仪器的优点是精度和灵敏度高、 响应速度快、 测 量范围大、选择性、稳定性和可靠性好，可以快速和连续检测。因此受

2、到各国 重视，获得广泛应用。本论文尽可能消除环境干扰影响， 提高尾气检测的精确性。 能够在实际中 根据结果评价发动机的技术状况，特别是燃油供给系统和点火系统的技术状 况。本文通过对汽车尾气检测系统的设计，展开了以下工作：一是模拟信号采集、处理和A/D转换，本文在数据采集的过程中由于外界 的干扰，导致测试的结果不够准确， 针对外界的干扰分析了环境影响， 此环境 包括温度、压力、湿度等；二是在环境的影响基础上，本文进一步用试验来验 证在不同的温度和压力下，尾气检测结果不同；三是利用汽车尾气取样设备， 把尾气送入仪器， 尾气在通过气室的过程中， 红外传感器产生模拟信号。 传感 器直接产生的模拟信号一

3、般都比较微弱， 并且有干扰信号， 必须对它们进行放 大、滤波，并有效地排除干扰信号；四是各项参数数值的计算，并根据检测结 果受环境影响的大小，采用不同的补偿方法，最终得到正确的结果。关键词： 汽车尾气 红外线 检测 系统设计目录第一章 绪论 01.1 汽车尾气的危害 01.2 对汽车尾气进行检测的意义 0第二章 影响排放污染物的主要因素 02.1 汽车发动机自身内部因素的影响 02.2 环境因素对检测结果的影响 0第三章 汽车尾气检测系统检测方法和原理 03.1 非扩散型红外线分析仪 (NDIR) 73.2 氢火焰离子型分析仪 (FD) 03.3 化学发光法分析 (CLD) 0第四章 汽车尾气

4、检测系统的设计 04.1 汽车尾气检测系统的介绍 04.2 系统硬件构成分析和抗干扰措施 04.3 系统软件设计 1结束语 0参考文献 0致 谢 0第一章 绪论1.1 汽车尾气的危害随着我国改革开放事业的深入发展和作为我国国民经济支柱产业的汽车 工业的崛起以和人们生活水平的不断提高，汽车越来越多地进入百姓的中间。 汽车的发展在给人民经济活动和日常生活提供方便的同时， 也带来了严重的环 境污染。1995年全国机动车排放CO总量达到2200万吨：NOx排放总量超过 140万吨，而且大部分集中在城市区域。 与国外城市相比， 90年代东京拥有机 动车约400万辆，而CO和 NOx排放基本稳定在10万吨

5、和5万吨左右。1995 年北京的汽车保有量仅为100万辆，而CO和 NO的排放量却分别超过了 100 万吨和 1 0 万吨，远远高于东京。近 10年我国生产的汽车的排放污染虽有所 改善，但与发达国家相比差距仍然很大。随着城市建设速度加快，高楼林立， 更加不利于空气的扩散， 使汽车排放加大了空气污染程度， 并逐步成为城市大 气的主要污染源之一。 1998年世界卫生组织列出的“世界十大污染严重城市” 中，我国就占了 7 个。与国外相比，这些城市的汽车保有量不大，但城市中 CO HC和N0x对大气污染的分摊率却达到了发达国家水平。汽车排放的污染物对人体健康和生态环境造成了很大的影响，特别是儿 童、老

6、人、孕妇以和心脏病和肺病患者，更容易受到伤害。另外，空气污染还 会损害生态环境，污染河流湖泊，危和野生动植物的生存。目前，对汽车排放 污染物的控制主要是设法减少 CO HC和NOx它们是造成大气污染的主要原 因，也是汽车尾气中对人体构成危害的主要物质。在汽车排出的尾气中浓度最大有害气体是 CO而现代城市空气污染中80% 左右的CO来自于汽车排放。CC是无色、无味的窒息性易燃有毒气体。它与血 红素的亲和力比氧气与血红素的亲和力要大 21 0多倍，而血红素担负着向人体 器官和组织输送氧气的重任。因此，CO侵入体内便会很快与血液中的血红素 相结合而成为羧基血红素（Carboxyhem0910bin，

7、简写为COHb）使血液的输氧 能力降低而引起缺氧。 这对心脏病和呼吸系统疾病患者特别有害。 即使健康的 人吸入一定量的C0后会也会产生中毒，出现反应迟钝、恶心、头晕、疲劳等 症状，严重时会使人窒息死亡。排放汽车的碳氢化合物来自三种排放源。 对一般汽油发动机来说， 约 60 的碳氢化合物来自内燃机废气排放， 2025来自曲轴箱的泄漏，其余的 1 520来自燃料系统的蒸发。汽车排放污染物除了对人体健康造成严重危害之外， 还会对大气环境造成 深远影响。近 20 年的研究结果表明，汽车的排放污染物对环境影响不仅是局部的，许多影响还可以扩展到大气层中很远的距离甚至其他地区， 并存在很长 时间。目前，全世

8、界有 10 亿多城市人口的健康受到空气污染的威胁。据世界 卫生组织估计。我国 11 个大城市中，空气中的烟尘和颗粒物每年使数万人死 亡， 40 多万人感染上慢性支气管炎。世界银行估计，因空气污染导致的医疗 成本增加以和工人生病丧失生产力使得中国 GDP被抵消掉5%。因此，控制汽 车排放污染，改善人类生存环境，已经刻不容缓。1.2 对汽车尾气进行检测的意义新车生产型式认证和生产一致性检验中对排放尾气的检测手段和控制比 较严格、规范，因此，新出厂汽车的排放达标率较高。但是，由于我国近几年 汽车保有量增长迅猛， 用户分散， 对在用汽车的定期检查和维护工作不够严格 和规范，因此， 在用汽车技术状况变坏

9、导致的排放污染比较严重。 即使在发达 的欧美国家，研究和统计数字也表明，在用汽车中大约10%15%属于高排放车，这些汽车的排放占汽车污染物总排放的50%60%。由此可以推算我国在用汽车中高排放车的排放污染占汽车污染总排放的比例会更高。 因此，控 制汽车尾气排放给大气带来的污染， 改善人类赖以生存的质量， 是摆在我们面 前的一项非常迫切的任务。 在治理汽车排放的措施中， 除了制定严格可行的汽 车排放法规， 推动汽车生产企业开发和应用先进的汽车排放控制技术， 降低出 厂新车的污染物排放以外， 科学准确地对在用汽车尾气进行检测， 适时地对汽 车进行良好维护，是减少汽车排放的重要手段。美国等发达国家推

10、行的 I/M(Inspection/Maintenance)(检查 / 维护 ) 制度是世界公认的控制在用汽车排放污染的有效方法， 它强制要求在用汽车定期进行排放检测， 对不合格的车 辆在指定的维修网点进行有针对性的维修，达标后方可继续使用。第二章 影响排放污染物的主要因素影响汽车排放污染物的主要因素很多也很复杂。有汽车的内部因素产生的影响，但这些排放物都是化学反应燃烧的产物，主要的影响因素空燃比（AF）、点火提前角（9 ）等。其次是环境因素对检测结果的影响。2.1汽车发动机自身内部因素的影响空燃比空燃比是混合气中空气与燃料质量之比，通常用 AF表示。使1kg汽油完 全燃烧按化学当量计算需要1

11、4.7kg空气，空燃比等于14.7，称为理论空燃比； 燃烧1kg燃料实际供给的空气量与理论空气量之比称为过量空气系数。空燃比支配着发动机的动力性、经济性和排气清洁性，是发动机最重要的 控制参数。当实际空燃比比理论空燃比稍小时（AF=13.A 14），燃烧火焰的温度 最高。燃烧速度最大时的空燃比比火焰温度最高时的空燃比更小一点（AF=1213）。燃烧速度越快，燃烧压力越高，发动机的输出功率越大，因此AF=1213的稍大的空燃比被称为功率空燃比。但是，燃油消耗率最低时的空燃比要 比理论空燃比稍大，AF=16左右，这种稍大的空燃比称为经济空燃比。10Q101214 J6 18图2-1排放浓度与空燃比

12、的关系%0M14卩5171617空蜒比10旳 跃、碍ft*髀图2-2三元催化器的空燃比特性曲线空燃比与汽油机排气有害成分的关系如图2-1所示。由图2-1可知，混和气 越浓，由于空气不足，燃烧不完全，NOx排放不多，但HC、CO勺排放增多； 混和气越稀，燃烧完全，HC CO的排放减少，但NOx增加很多。供给更稀的 混和气时，随着燃烧速度的下降，容易产生不稳定燃烧，这时 NOx、CO勺排放 减少，而HC排放却增多。空燃比控制的目标是发动机尽可能多地使用较稀混合气， 从而降低有害气 体排放量并节油，同时必须满足发动机不同工况对空燃比的要求，否则发动机 功率将下降、失稳，甚至熄火。空燃比对三元催化器的

13、特性曲线如图 2-2所示。 由图2-2可知，当空燃比控制在14.7附近时，三元催化转化器(TWC对有害排 放物的净化效率最高。随着排放法规的不断严格，TWC得到广泛应用，目前汽油机混合气的空燃 比通常采用闭环控制的方法，即在排气管中安装一个反应空燃比信号的氧传感 器,将实际测到的空燃比信号反馈给控制单元(ECU)使ECI对喷油脉宽进行修 正，使排气中平均空燃比达到设定的化学当量比附近，这样TWC寸排气中的HC、CO NOx均具有很高的转化率。点火提前角图2-3点火提前角对CO排放的影响Mum?Q_j4fsluH点火提前角对汽油机CO HC、NOx排放浓度的影响如图2-3、如图2-4所示:图2-

14、4点火提前角对HC和NOx排放的影响点火提前角对CO排放浓度影响很小，除非点火提前角过分推迟，使 CO没 有充分的时间完全氧化而引起CO排放量增加。空燃比一定时，随点火提前角 的推迟，HC和NOx同时降低。由于推迟点火提前角会导致排气温度上升，使在排气行程以和排气管中HC氧化反应加速，降低HC排放：而推迟点火提前角将 使上止点后燃烧的燃料增多，燃烧的最高温度下降而降低 NOx的排放。2.1.3 发动机负荷和转速在汽油机怠速、减速等低速轻负荷运行时，由于转速低、汽油雾化差、 混 合气很浓，残余废气系数较大，产生较多的 CQ当发动机在大负荷工况下运 行时，其节气门位置接近于全开，进气量增加，火焰传

15、播速度提高， 缸内温度 升高，使CO的生成较多。发动机转速的变化对HC和NOx的生成有一定的影响，而对 CO影响程度相 对较小。当发动机转速提高时， 增强了气缸中的扰流混合与涡流的扩散， 也增 强了排气的混合， 于是既改进了气缸内气体的燃烧， 又促进了排气系统的氧化 反应，因此HC明显降低。2.1.4 气缸压力 发动机运转过程中，如果燃烧室温度和压力下降，会使混合气燃烧不良， 尾气CO浓度升高。汽车长期运行，发动机活塞、气缸和活塞环组件的磨损会 导致气缸密封性下降，使气缸压力降低。气缸垫漏气、气门密封性不良、气门 脚间隙过小以和活塞环对口等， 也是造成气缸压力不足的主要原因。 使用中为 保持气缸良好的密封性， 应定期对气缸压力进行检查。 检查中， 要求多缸发动 机各缸压力均不得低于标准压力的 80，同时，为保证发动机工作平稳，各 缸压差不得大于 5，不合要求，应和时进行维修。2.2 环境因素对检测结果的影响考虑到汽车尾气检测结果受环境的影响， 对此，汽车排放法规对各项指标 的检测都有严格的试验环境要求。 由于汽车检测大部分都在室外进行， 环境变 化比较大，容易受到温度、压力、湿度等影响，所以容易出现检测结果不稳定 和抗干扰性差等现象。因此对汽车尾气检测仓内的环境要求比较高。温度对检测结果的影响。尤其是对测点的温度（-7 C 1 C要求更高。