汽车尾气质量检测系统设计

I 汽车尾气质量检测系统设计 摘 要 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、净化技术及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： 一是在环境的影响基础上，本文进一步验证在不同的温度和压力下，尾气检测结果不同；二是利用汽车尾气取样设备，把尾气送入尾气分析仪器，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；三是利用进气歧管压力传感器、进气歧管温度传感器测取进气压力和进气温度，利用发动机转速传感器得到发动机转速；四是采用不分光红外分析法测量尾气排放参数， 同时根据红外气体分析装置结构原理建立了理论数学模型 , 并以此模型搭建检测系统；五是用碳平衡法得出试验车的油耗。测试得到的瞬态油耗可以结合四种排放污染物的体积浓度计算得到质量排放率；五是 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 质量百分比 尾气检测 系统设计 学士学位论文 o of is a It in to of of is So by In as as to of of in to of of of In of is in of to in is in of of is in of to in in of is of to in of by an to is is be on 士学位论文 is to as be of of by is of to of by of of of 学士学位论文 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 车尾气的危害 . 1 响排放污染物的主要因素 . 2 车发动机自身内部因素的影响 . 2 境因素对检测结果的影响 . 5 究的目的与意义 . 6 内外研究现状 . 6 外研究现状 . 6 内研究现状 . 7 文研究的主要内容 . 7 第 2 章 中国典型城市在用汽车使用状况分析 . 9 国汽车增长状况 . 9 型城市汽车保有量及其构成 . 10 型城市的汽车类型分布状况 . 13 型城市汽车使用状况研究 . 15 第 3 章 汽车尾气检测系统理论模型 . 错误 !未定义书签。 气质量排放计算原理 . 错误 !未定义书签。 统理论模型 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 汽车尾气检测系统的设计 . 错误 !未定义书签。 验系统的工作原理 . 错误 !未定义书签。 车尾气检测系统的介绍 . 错误 !未定义书签。 统硬件设计 . 错误 !未定义书签。 气分析仪的选择 . 错误 !未定义书签。 感器的选用 . 错误 !未定义书签。 盘测功机 . 错误 !未定义书签。 统软件设计 . 错误 !未定义书签。 外传感器数据的采集 . 错误 !未定义书签。 件的控制部分 . 错误 !未定义书签。 第 5 章 系统测量误差分析 . 错误 !未定义书签。 量误差的概念 . 错误 !未定义书签。 量误差的定义 . 错误 !未定义书签。 量误差的分类 . 错误 !未定义书签。 量误差的来源 . 错误 !未定义书签。 量误差的方法 . 错误 !未定义书签。 学士学位论文 V 结 论 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附 录 A . 错误 !未定义书签。 附 录 B . 错误 !未定义书签。 1 第 1 章 绪论 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及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 量达到 2200 万吨： 40 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 放基本稳定在 10 万吨和 5 万吨左右。 1995 年北京的汽车保有量仅为 100 万辆，而 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 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、老人、孕妇以及心脏病和肺病患者，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，危及野生动植物的生存。目前，对汽车排放污染物的控制主要是设法减少 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 现代城市空气污染中80%左右的 自于汽车排放。 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 210 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， 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 (写为 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 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， 20 25来自曲轴箱的泄漏，其余的 1 5 20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学士学位论文 2 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及工人生病丧失生产力使得中国 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。 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 (点火提前角( )等。其次是环境因素对检测结果的影响。 车发动机自身内部因素的影响 燃 比 空燃比是混合气中空气与燃料质量之比，通常用 示。使 1油完全燃烧按化学当量计算需要 气，空燃比等于 为理论空燃比；燃烧 1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 (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 (2 13)。燃烧速度越快，燃烧压力越高，发动机的输出功率越大，因此 2 13 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， 6 左右，这种稍大的空燃比称为经济空燃比。 学士学位论文 3 图 1放浓度与空燃比的关系 图 1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 1图 1和气越浓，由于空气不足，燃烧不完全， 和气越稀，燃烧完全， 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 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特性曲线学士学位论文 4 如图 1示。由图 1知，当空燃比控制在 近时，三元催化转化器 (有害排放物的净化效率最高。 随着排放法规的不断严格， 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 (使 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C、 火提前角 点火提前角对汽油机 图 1 图 1火提前角对 图 1点火提前角对 非点火提前角过分推迟，使 燃比一定时，随点火提学士学位论文 5 前角的推迟， 于推迟点火提前角会导致排气温度上升，使在排 气行程以及排气管中 低 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 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 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，火焰传播速度提高，缸内温度升高，使 发动机转速的变化对 对 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 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 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、气门脚间隙过小以及活塞环对口等，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，应及时进行维修。 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 (1C)要求更高。所以环境参数就比较严格。环境温度变化主要影响空燃比的变化，温度一般控制在 20C 30C 范围。温度越高 则大气的密度越小，根据流体力学原理，大气流动速度加快。那么在单位时间内进入气缸的混合气体不变的情况下，混合气体就越稀。混合气的空燃比大于理论空燃比，此时气缸内混合气燃烧完全，因此 生成量减少， 放减少。同时红外气体传感器的温度效应比较明显，在数据采集的过程中，由于环境温度变化比较大，因此会导致测试结果不准确。 压力对检测结果的影响。大气压力大小对尾气排放检测结果的影响也学士学位论文 6 是比较大的，由于通入气缸的气体为空气和燃油的混合气，燃油进入气缸的量是固定的，然而通入气缸的空气受外界大气压力的影响，在气缸的工作过 程中，由于第一行程是进气行程，缸内的残余气体压力比较低，近似于真空状态。此时进入气缸的气体取决于汽缸内、外气体的压力差。当大气压力变化时，气缸内、外压力差比较大，此时进入气缸内的大气多少取决于外界大气压力。大气压力越低，进入气缸的空气越少，此时气缸内的混合气越浓，自然空燃比就越小，混合气燃烧不充分， 成量增加。在汽车检测的过程中会因为 增加。 究的目的与意义 目前，我国 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 I/M(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。 内外研究现状 外研究现状 目前 , 各发达国家、地区基本形成了较完善的车辆排放法规标准体系。车辆排放法规标准可分为两大部分 : 新车控制标准和在用车控制标准。新车控制标准用于新开发车型的型式认证及生产一致性检查 , 试验方法复杂 , 试验设备昂贵 , 如轻型汽油车采用的工况法检测 , 车辆须在底盘测功机上进行试验 , 不分光红外分析仪 ( 行 析、氢火焰离子分析仪进行 析、化学发光分析仪 ( 行 在用车标准用于车辆使用中的定期检查 , 试验方法较简单 , 试验设备便宜。从车型划分 , 又可分为汽油车排放标准、柴油车排放标准 ; 轻型车排放标准、学士学位论文 7 重型车排放标准。目前 , 车辆排放法规标准可划分 为三大标准体系美国、日本和欧洲 , 其选取的试验方法、排放限值各不相同 , 而且没有严格的相关性。在用车排放检测 , 美国走在最前面 , 大多数的州采用简易工况法进行在用车排放检测 ; 欧洲相对滞后 ; 日本在用车检测仍沿用八十年代中期制定的标准。 为了准确地测量交通流中单车污染物排放量，分析机动车在实时交通流的排放特征及影响因素，评价机动车排放及确定减排措施，开发了一种可以测量实际道路机动车瞬时质量排放率的车载排放测试系统。系统由发动机的燃油消耗量、采用不分光红外分析 (测量尾气排放参数（ O， 过剩空气系数等参数和被测车辆录入电脑的相关信息融合计算，得到瞬态的质量排放率。 内研究现状 我国从 1994年到 2003年的十年间，我国私人汽车总量增长了近 6倍。1994年汽车保有量 940万辆，私人汽车保有量 205万辆； 2003年民用汽车保有量约 2400万辆，其中私人汽车保有量 1200万辆。而今已达 5000万辆，而北京私家车数量截止到 2006年 11月 7日 ,北京市机动车辆已达 282万辆 ,其中197万辆为小轿车 ,私家车数量为 156万辆。汽车作为现代化交通工具，给予了人们的生产与生活带来十分方便的同时 ，可是它的尾气排放物，给大气环境造成严重污染。我国某城市对该市的机动车辆尾气污染程度作了如下初步调查：该市目前拥有机动车辆 13万辆，并以年增率 15%的速度增加。机动车年排放一氧化碳 当于该市工业企业一氧化碳排放量的 46倍。市区主要交通道路中心点一氧化碳超标 2倍以上的达 65%，在车流量高峰之际，有的监测点一氧化碳浓度高达每立方米 70标 6倍。在车流量比较集中的火车站，氮氧化合物测点平均值为每立方米 标准 此 ,汽车尾气污染日趋严重 ,现代城市大气污染主要来源于汽车尾气 。有资料表明，我国各大中型城市汽车尾气排放物造成空气污染占到 50%左右，且对在用车检测结果来看，尾气排放不合格的车辆占被检测车的 50 60%。车辆排放法规一般是以国家环境保护法律为依据 , 针对相应的污染物排放源控制要求规定的。车辆排放法规标准体系的形成 , 经历了由简单到复杂 , 由松到严的过程。最初只进行 粒控制 ; 试验方法从排放浓度分析到 样 , 精确测量单位距离排放物质量。 文研究的主要内容 本论文旨在得到汽车尾气瞬态的质量排放率。具体做了如下工作： 内外对汽车尾气排放的检测的研究现状，并以此为研究背景，设计得到一套简单易行的尾气质量排放率系统。 说明影响尾气排放的主要因素，学士学位论文 8 同时建立了理论数学模型。 析模型中的各个物理量，并以此为依据搭建尾气质量检测系统。设计主要从系统的硬件部分设计和软件部分设计两个方面确定系统的基本方案，并简述了各系统的基本工作原理。 建尾气检测系统， 阐述了底盘测功机的加载原理及其模拟行驶阻力的确定方法。 学士学位论文 9 第 2章 中国典型城市在用汽车使用状况分析 国汽车增长状况 最近几年，中国汽车工业发展快速，汽车产量和保有量增长迅猛。图2出了十多年来中国汽车产量增长状况。从 1995 年到 2006 年十年多间，中国汽车产量增加了约 ，年均增长率为 尤其是进入二十一世纪之后，年均增长率达到 图 2出了 2005间中国汽车产量状况。图 2出了近二十年来中国汽车保有量增长状况。从 1985年到 2005 年中国汽车保有量增加了约 ，汽车保有量年均增 图 2995年中国汽车产量增长趋势图 学士学位论文 10 图 22005中国汽车产量趋势图 图 2995年中国汽车保有量增长趋势图 型城市汽车保有量及其构成 图 2006年底中国部分城市的汽车保有量。从图中可以看出：北京、上海和广州的汽车保有量最多，均在 180万辆以上，尤其是北京市汽车保有量接近 290万辆。重庆、天津、济南、南京和昆明的汽车保有量在 70180万辆之间。其中直辖市天津、重庆的汽车保有量已超过 100万辆。沈阳、厦门和长沙的汽车保有量不足 100万辆。 学士学位论文 11 图 2典型城市机动车保有量 为了进一步了解各城市机动车的构成，选取了北京、上海、天津、广州、重庆和南京六个典型城市，对其汽车构成状况进行了详细调查分析，调查结果如图 2京市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为 84、 14和 2，天津市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为 57、 39和 4，如图 2-5(a)、图 2-5(b)所示。 北京市和天津市都是中国北方的大城市，在汽车构成中其主要成份 是汽车，两市汽车比例分别达到 84和 57。其次是摩托车，分别为 14和 3。低速货车所占比例较小，仅为 2和 4。 上海、广州、重庆和南京是中国南方的大城市。如图 2-5(c)、 2-5(d)、图2-5(e)、图 2-5(f)所示，上海市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为 42、58和 2，广州市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为 33、 66和 1重庆市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为 46、 48和 6，南京市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为 44、 52和 4。 中国南方沿海大城市上海和广州的摩托车 比例最高，分别达到 58和6，明显高于汽车比例，均高出 14个百分点以上。低速货车比例很低，仅为 1以下。 学士学位论文 12 图 2国典型城市的机动车构成状况 中国南方内陆大城市重庆和南京的汽车构成尽管也是以摩托车为主，但是汽车与摩托车的比例相差较小，两者之差均在 8个百分点以内。南方内陆大城市的低速货车比例明显高于南方大城市。重庆和南京的低速货车比例都在 4以上。 通过对典型城市汽车保有量和机动车构成的调查分析发现，中国城市汽车的构成具有明显的地域特点。 （ 1） 中国北方大城市的汽车主要由 汽车构成，中国南方大城市的汽车主要由摩托车构成； （ 2） 南方沿海大城市的摩托车比例明显高于汽车，南方内陆大城市的摩托车和汽车比例基本相当； （ 3） 中国南方内陆大城市的低速