汽车尾气检测装置.doc

辽宁工程技术大学毕业设计 论文 1 前言 随着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 但是车辆尾气也带来了严重的环境污染 通过对车辆尾气检测仪的分析 对车辆尾气成分 co hc nox co2和 o2 的实时检测 数据分析和故障诊断 可以大 大减少对环境的污染 使人们的生活环境更加优越 汽车燃料燃烧过程中 产生的 c0 hc nox等尾气成分的机理比较复杂 但可以为发动机的燃烧 分析提供直接的理论依据 基于尾气的各种物理化学属性 设计生产车辆 尾气检测仪具有良好市场和意义 赵志明 车辆尾气检测仪 2 1 绪论 1 1 选题的背景和意义 空气污染的重大因素是汽车尾气 其中有 co no 氧化物以及对人体产生 不良影响的其他一些固体颗粒 尤其是含铅汽油 对人体危害更大 汽车尾气 经过净化经过后这东西就会大大减少 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 科学准确地对在用车辆尾气进行检测 适时地对汽车进行良 好维护 是减少汽车排放的重要手段 1 2 车辆尾气分析仪的介绍 1 2 1 几种常见的气分析仪 本论文用的是四气尾气分析仪 外载于汽车 汽车尾气分析仪有两气 四 气和五气等多种类型 下面分别进行介绍 1 两气尾气分析仪 两气尾气分析仪是用来测量汽车尾气排放中 co 和 hc 的体积分数 但是 如果一辆车的排气管或尾气分析仪的测量管路有泄漏 那么所检测到的就是被 外部空气稀释了的尾气 c0 和 hc 的测量值将降低 自然就不能反映尾气的真 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 3 实含量 目前国内所用的两气尾气分析仪大多都不具有检查自身泄漏的功能 因此即使用两气尾气分析仪测量车辆尾气 也不能真实地反映出发动机的故障 来 2 四气尾气分析仪 本设计就是用四气尾气分析 随着装有三元催化转化器和电子控制系统汽 车的增多 汽车的排放标准也更加严格 因此需要更精确地测量尾气并诊断车 辆排放超标的原因 四气尾气分析仪不仅具备两气尾气分析仪的所有功能 而 且还能进行故障诊断和分析 它除了能测量 c0 和 hc 外 还能测量 c02和 02 发动机油温 转速等 以及计算过量空气系数入和空燃比 a f 等 所以四 气尾气分析仪不仅可作为环保检测仪器使用 作为发动机故障检测分析的诊断 工具也非常有用 对于几种尾气的分析 前面我们已经做过阐述 在这里只对过星空气系数 入进行简要的说明 过星空气系数入可以直观地告诉我们空燃比的情况 从理 论上讲 混合气的过星空气系数入 1 最为标准 但实际上不可能没有变化 所以一般情况下入被设计为 0 97 1 04 可以看成是理想的匹配 若入大于该 值 说明空燃比过大 混合气过稀 若入小于该值 则为空燃比过小 混合气 过浓 四气尾气分析仪还可提供发动机转速 rpm 和发动机温度 temp 参数 作 为故障诊断时的参考数据 3 五气尾气分析仪 当 c0 和 hc 降低时 可能会引起尾气中的 n0 x浓度升高 若要监测 n0 x的 浓度 就得使用五气尾气分析仪 而且 n0 x常常是在高温大负荷的情况下产 生的 若没有底盘测功机 就只能靠路试去测量 1 3 汽车尾气的危害 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 nox对大气污染的分摊率却达 赵志明 车辆尾气检测仪 4 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人的影啊 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 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 co 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 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 co 侵入体内便会很快与血液中的血红素相 结合而成为羚基血红素 carboxyhem0910bin 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 co 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 20 25 来自曲轴箱的泄漏 其余的 15 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 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 3 1 尾气的一般种类和生成机理 汽车常用的燃料是柴油和汽油 成分组成十分复杂 汽油是目前点燃式发 动机使用最普遍的常规燃料 主要有 20 的丁 戊烷 45 高碳烷 烯烃 芳 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 5 烃及其它添加剂 氢碳比控制在约 1 85 1 汽油机在燃烧过程中产生的有害成 分主要为 co hc nox 硫氧化物 sox 和铅化合物等 其中 硫氧化物 和铅化合物可以通过降低燃料中的含硫量以及采用无铅汽油来有效控制 尾气 的生成机理为后续的发动机燃烧分析提供直接的理论依据 1 一氧化碳 co co 是燃料在燃烧过程中的重要中间产物和不完全燃烧产物 是汽油机排 气 中有害浓度最大的成分 以 r 代表碳氢根 其生成机理如下 rh r ro2 rchc rco co 中间反应式为 co oh c02 h co o2 co2 o 2co2 2co o2 2h20 2h2 o2 h2 co2 h2o co 其中 rco 自由基生成 co 是通过热分解或与 o2 oh o h 等发生反应 实现的 co 的生成主要受混合气浓度的影响 在空燃比 1 的稀混合气工况时 理论上不应有 co 产生 但实际燃烧过程中 由局 部燃烧不完全而产生 co 或者燃烧产物中的 co2和 h2o 在高温时吸热产生热离 解反应由此产生 co 燃烧终了时的 co 浓度一般取决于燃气温度 实际的 co 在汽油机排气中 的浓度近似等于 1527 时的 co 平衡浓度 2 碳氢化合物 hc 汽油机排气中的碳氢化合物成分极其复杂 有未参加燃烧的燃油碳氢化合 物分子 有燃烧过程中高温分解和合成的中间产物和部分氧化物 如醛 烯及 芳香族烃等 不完全燃烧产物以及润滑的碳氢化物等成分 种类达 200 余种 hc 与 co 一样 也是一种不完全燃烧 氧化 的产物 因而与过量空气系数 有密切关系 但即使 1 的条件下 往往也会产生很高的 hc 排放 这是因 为 hc 还有淬熄 缝隙效应和吸附等生成原因 液化石油气和压缩天然气等燃 气发动机中 hc 的生成机理与汽油机基本相同 赵志明 车辆尾气检测仪 6 不完全燃烧 汽油机中不完全燃烧的原因主要有 怠速及高负荷工况时 可燃混合气浓度处于 1 时 由于油气混合不均匀 也会因不完全燃烧产生 hc 排放 隙缝效应 燃烧室内存在很多缝隙 这对 hc 的生成起着重要作用 当 缸内压力升高时 会将一部分未燃的可燃混合气压进缝隙中去而被双壁冷却 火焰无法传入 形成未燃 hc 研究表明 约有 5 10 的新鲜混合气体由于 缝 隙效应躲过火焰传播的燃烧过程 形成未供 hc 的重要来源 缸壁淬熄效应 在燃烧过程中 燃气温度高达 2000 以上 而气缸壁面 温度在 300 以下 所谓壁面淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面面对火焰的迅 速冷却 也称冷激 使活化分子的能量被吸收 链式反应中断 在壁面形成 0 1 0 2mm 左右的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层 产生大量未燃 hc 3 氮氧化合物 nox 内燃机排气中的氮氧化物 nox主要是 no 但在进入空气后会很快被氧化 成 no2 nox的生成机理与 hc 及 co 不同 它不是混合气不完全燃烧的结果 与燃烧的扩散 燃气的混合浓度分布 火焰浓度分布及热的传导等一系列因素 有关 反应机理十分复杂 汽油中基本不含氮的成分 nox的生成主要来源于燃烧所需的空气中的 n2 与 o2在燃烧高温作用下所发生的热反应机理 即 thermal no 反应机理 此机 理认为 与可以很快达到平衡状态的燃烧反应速率相比 no 生成过程比较缓 慢 对温度的依赖性大 需要吸收较多的热量 一般要到火焰后期才产生有关 反应 其反应基本过程是 n oh no h 上述反应过程称之为生成 no 扩大的谢尔多维奇链反应机理 氮氧化物的生成主要取决于燃烧温度以及氧的浓度 在氧浓度稍稀 1 l 且高温情况下 no 生成浓度为最高 高温是最重要的条件 即使氧气很充分 但如果燃烧温度不高 氧的分解进程也很慢 no 的生成浓度低 此外 在高温下滞留的时间愈长 则 nox的浓度愈大 在足够的氧浓度条 件下 温度越快和反应时间越一长 则 no 的生成量愈大 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 7 1 4 我国车辆尾气的排放标准 为了抑制这些有害气体的产生 促使汽车生产厂家改进产品以降低这些有 害气体的产生源头 欧洲和美国都制定了相关的汽车排放标准 其中欧洲标准 是我国借鉴的汽车排放标准 目前国产新车都会标明发动机废气排放达到的欧 洲标准 与国外先进国家相比 我国汽车尾气排放法规起步较晚 水平较低 根据 我国的实际情况 从八十年代初期开始采取了先易后难分阶段实施的具体方案 其具体实施至今主要分为三个阶段 第一阶段 1983 年我国颁布了第一批机动车尾气污染控制排放标准 这一批标准的制 定和实施 标志着我国汽车尾气法规从无到有 并逐步走向法制治理汽车尾气 污染的道路 在这批标准中 包括了 汽油车怠速污染排放标准 柴油车自 由加速烟度排放标准 汽车柴油机全负荷烟度排放标准 三个限值标准和 汽油车怠速污染物测量方法 柴油车自由加速烟度测量方法 汽车柴油 机全负荷烟度测量方法 三个测量方法标准 第二阶段 在 1983 年我国颁布第一批机动车尾气污染控制排放标准的基础上 我国在 1989 年至 1993 年又相继颁布了 轻型汽车排气污染物排放标准 车用汽油 机排气污染物排放标准 二个限值标准和 轻型汽车排气污染物测量方法 车用汽油机排气污染物测量方法 二个工况法测量方法标准 至此 我国已 形成了一套较为完整的汽车尾气排放标准体系 值得一提的是 我国 93 年颁布 的 轻型汽车排气污染物测量方法 采用了 ecer15 04 的测量方法 而测量限 值 轻型汽车排气污染物排放标准 则采用了 ecer15 03 限值标准 该限值标 准只相当于欧洲七十年代来的水平 欧洲在 1979 年实施 ecer15 03 标准 第三阶段 以北京市 db11 105 1998 轻型汽车排气污染物排放标准 的出台和实施 拉开了我国新一轮尾气排放法规制订和实施的序曲 从 1999 年起北京实施 db11 105 1998 地方法规 2000 年起全国实施 gb14961 1999 汽车排放污染物 限值及测试方法 等效于 91 441 1eec 标准 同时 压燃式发动机和装用压燃 赵志明 车辆尾气检测仪 8 式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法 也制订出台 与此同时 北京 上海 福建等省市还参照 is03929 中双怠速排放测量方法分别制订了 汽油车 双怠速污染物排放标准 地方法规 这一条例标准的制订和出台 使我国汽车 尾气排放标准达到国外九十年代初的水平 目前在我国新车常用的欧 i 和欧 ii 标准等术语 是指当年 eec 颁发的排放 指令 例如适用于重型柴油车 质量大于 3 5 吨 的指令 eec88 77 分为两个阶段 实施 阶段 a 即欧 i 适用于 1993 年 10 月以后注册的车辆 阶段 b 即欧 适用于 1995 年 10 月以后注册的车辆 汽车排放的欧洲法规 指令 标准的内容包括新开发车的型式认证试验和现 生产车的生产一致性检查试验 从欧 开始又增加了在用车的生产一致性检查 汽车排放的欧洲法规 指令 标准的计量是以汽车发动机单位行驶距离的排 污量 g km 计算 因为这对研究汽车对环境的污染程度比较合理 同时 欧洲 排放标准将汽车分为总质量不超过 3500 公斤 轻型车 和总质量超过 3500 公斤 重型车 两类 轻型车不管是汽油机或柴油机车 整车均在底盘测功机上进行 试验 重型机由于车重 则用所装发动机在发动机台架上进行试验 目前 世界汽车排放标准并立 分为欧洲 美国 日本标准体系 欧洲标 准测试要求相对而言比较宽泛 是发展中国家大都沿用的汽车尾气排放体系 并且 由于我国的轿车车型大多从欧洲引进生产技术 中国大体上采用欧洲标 准体系 中国汽车技术信息研究所专家李京生认为 中国有自己的国情 实施排放 标准的背景也与欧洲有所不同 其中最直接涉及到的就是城乡差别问题 因此 中国应该有自己的标准 我国机动车污染物排放标准中污染物排放限值大体等 同欧盟排放标准 故国内也沿用类似称呼 但两者仍存有一定的技术差异 我 国制定的 轻型汽车污染物排放限值及测量方法 等效于 欧 i 标准 轻 型汽车污染物排放限值及测量方法 等效于 欧 标准 而欧 则比欧 标 准上了个台阶 有关专家做了一个形象的比喻 7 辆执行欧 标准的汽车 相 当于 1 辆化油器车的污染物排放量 14 辆执行欧 标准的汽车 才相当于 1 辆 化油器车的污染物排放量 按照轻型汽车 号标准 家庭轿车和轻型汽车的一 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 9 氧化碳排放量将在原有基础上减少 30 碳氢和氮氧化合物则分别减少 40 据中国汽车技术研究中心首席专家方茂东介绍 与欧 相比 欧 排放标 准中最大的变化在于车辆出厂前必须装配核心组件 obd 即车载自诊断系统 该系统特点在于 检测点增多 检测系统增多 在三元催化转化器的进出口上 都有氧传感器 完全通过实时监控车辆排放来控制达标 可以更加保证欧 排 放标准的执行 表 1 为轿车的排放标准 表 1 轿车欧洲排放标准 克每公里 g km table 1 european car emissions standards gram per km g km 标准等级 实施日期 co hc nox hc nox pm 柴油 euro1 1992 年 7 月2 72 3 16 0 97 1 13 0 14 0 18 euro2 1996 年 1 月 1 0 0 70 08 euro3 2000 年 1 月 0 64 0 50 560 05 euro4 2005 年 1 月 0 5 0 250 30 025 euro5 2009 年 9 月 0 5 0 180 230 005 汽油 euro1 1992 年 7 月2 72 3 16 0 97 1 13 euro2 1996 年 1 月 2 2 0 5 euro3 2000 年 1 月 2 30 20 15 euro4 2005 年 1 月 1 00 10 08 euro5 2009 年 9 月 1 00 10 06 0 005 1 5 设计主要完成的工作 本论文先简单的介绍了汽车尾气的国家标准浓度以及尾气对人们生活产生 赵志明 车辆尾气检测仪 10 的影响 从而说明车辆尾气检测仪的重要性 介绍了车辆尾气的一般种类主要 hc co co2 no 等 和车辆尾气 分析仪的一般种类及其各种检测方法 并且例举了影响尾气检测的主要因素 主要有空燃比 点火提前角 发动机的负荷和转速和气缸压力 然后对车辆尾气检测仪的硬件进行分析设计 主要采用的是不分光红外线 分析法 从对单片机的了解开始 以 at89s51 为核心设计了控制电路图 电源 电路以及复位电路 选取光电片和单片机 at89s51 并对其进行各自的介绍 最后对汽车一般故障诊断进行分析 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 11 2 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 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 2 1 1 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 14 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 5 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 12 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 af 12 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 af 16 左右 这种稍大的空燃比称为经济空燃比 赵志明 车辆尾气检测仪 12 图 2 1 排放浓度与空燃比的关系 figure 2 1 the ratio relations between emitting concentration and air fuel 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 13 图 2 2 三元催化器的空燃比特性曲线 figure 2 2 the ratio characteristic curve of ternary catalysts of air fuel 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 的排放增多 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 的排 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 ecu 对喷油脉宽进行 赵志明 车辆尾气检测仪 14 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 对一排气 中的 hc c o nox均具有很高的转化率 2 1 2 点火提前角 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 3 点火提前角对 co 排放的影响 figure 2 3 the impact of advanced ignition angle to co emissions 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 15 图 2 4 点火提前角对 hc 和 nox figure 2 4 the relationship between the advanced ignition angle and the concerntration of hc and nox 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 使在排气行程以及排气管中 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 co 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 赵志明 车辆尾气检测仪 16 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 会使棍合气燃烧不良 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 脚问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 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 容易受到湿度 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 1 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 20 30 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 co 的生成量减少 co 排放减少 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 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 17 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 co 生成量增加 在汽车检测的过程中会因为 co 量增加 2 3 温度 压力对检测仪影响的修正方法 汽车尾气检测影响因素的处理经过初始值和实测值与表格的对比 然后利 用线性差值法进行计算 查表后先对气压进行补偿 再对温度进行补偿 最后 显示结果值 y n 初始值 n0 计算得 x实测值 nx x在表格中 在 位于表格中的 区间位置 利用线性差值法计 算的检测结果值 yx 查表得 yx 对 yx进行大气压补偿 得 yy 对 yy进行温度补偿 得 y 液晶显示结果值 y 图 2 5 主程序流程图 赵志明 车辆尾气检测仪 18 figure 2 5main program flow chart 3 汽车尾气检测系统检测方法及原理 目前用于汽车尾气分析的方法主要有三种 即 用不分光红外分析 ndir 测量 co hc 和 no 用氢气火焰离子分析仪 fdi 测量 hc 用电化学原理测 量 nox和 o2 世界各国在工况法检测标准中都严格规定必须采用上述测量方法 但怠速法检测标准中略有不同 3 1 不分光红外线分析仪 ndir 不分光型 非扩散型 红外线分析仪用来测定废气中 co no hc co2的 浓度 主要测量 co 的浓度 它使用非扩散型红外线即 ndir 光 当红外线穿透 co2 co no 和 hc 与其它气体的混合物时 特定波长的红外线被各种气体 吸收 吸收程度与 co co2 no hc 及其它气体的浓度成正比 不分光红外线分析装置的结构原理如图 3 1 所示 它由两相同的红外线光 源 1 滤波室 10 基准室 9 分析室 3 检测室 8 信号放大器 6 及记录显示器 7 等组成 在基准室 9 内封入对红外线不吸收的气体如氮气 在分析室 3 内测 定气体 检测室 8 内装有可变电容器 其动极为铝薄膜 5 把检测室 8 分成左 右两个辐射接收室 来自光源的红外线由反射镜聚成平行光束 遮光板 11 又把 连续的光束调制成一定频率的光信号 当红外线通过分析室 3 和基准室 9 时 由于分析室 3 内的一部分红外线被式样气体吸收 结果检测室 8 左 右两接收 室接收的红外辐射能不同 而转换为压力作用于薄膜 5 上 随红外线断断续续 地被遮光板 11 阻挡 薄膜 5 振动 这一振动又转换为交流电信号 传送到记录 显示器 7 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 19 图 3 1 不分光红外线分析仪的结构原理图 figure 3 1 the instrument principle diagram of the diffusion type infrared structure 基本检测原理 实验及理论计算得出 co 在波长 4 7 m 附近存在着强烈的振动吸收峰 其吸收关系服从朗伯 比尔定律 因此 当在波长 4 7 m 一定强度的窄带红外光 附近通过含有 co 的混合气体时 入射光强度而与出射光强度晓问存在如下关 系 3 1 0 clexpii 式中 为 co 气体的吸收系数 c 为待测 co 气体的浓度 令 3 2 0 iit 则式 3 1 可简化成 3 3 ti l c n 1 赵志明 车辆尾气检测仪 20 或 3 4 l d c 其中 3 5 tid n 显然 只要测出 d 及 i 即可利用式 3 4 计算出 co 气体的浓度 3 2 氢火焰离子型分析仪 fd 氢火焰离子型分析仪 flame lonization defector 用来分析 hc 由于对 hc 中的稀烃和芳香族烃感度低 所以在 cvs 取样测定中改用 fid 分析 hc fid 可以测到极小浓度的 hc fid 的测量原理是 碳氢化合物在氢火焰中燃烧时 火焰的高温 2000 摄氏度 会使其分解产生离子 这些离子的产生和 hc 浓度成 正比 图 3 2 为氢火焰离子型分析仪的结构原理图 它由喷嘴 7 燃烧室 1 收集 器 3 传感器 4 等组成 取样气体和燃烧气体在喷嘴 a 处混合 然后这一混合 气体又在燃烧室 1 和空气混合 在喷嘴 7 和收集器 3 间加一高电压 传感器 4 计算火焰中产生离子的数目 探测在喷嘴 7 和收集器 3 这两个电极之间流动的 离子流大小 依此计算出 hc 浓度 其结果被输出至记录器 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 21 图 3 2 氢火焰离子型分析仪结构原理 figure 3 2 the structure theory diagram of hydrogen flame ionic analyzer 3 3 化学发光法分析 cld 化学发光法分析仪 chemical luminscence detector 用来测量 nox 的浓度 其优点是感度高 应答性好 在 0 01 浓度范围内输出特性呈线性关系 适合连 续分析 在化学发光法分析的结构中 在排气成分中 其它产生化学发光的物 质有 co 稀烃等 它们都以比 59mm 短的波长发光 为了消除它们的影响 可用滤波器将这些光波滤除 no 和 o2进入反应器内 发生化学反应 所发出 的光通过滤波器 由光电倍增管检出 放大并测量 这样就确定了废气中 nox 的浓度 分析仪是从汽车排气管内收集取出汽车的尾气 并对气体中所含有的 co hc o2和 nox的浓度进行连续测定的仪器 它主要由尾气取样系统 尾 气分析系统 指示系统和校正系统等组成 3 4 小结 综合以上 不分光红外气体分析法具有灵敏度高 具有较高的信号 噪声比 和良好的稳定性 氢火焰离子型分析法操作复杂稳定性较差 要求高 化学分 光法分析仪灵敏度虽然高 但是结构复杂 成本高 稳定性一般 所以选用不 分光红外气体分析法进行气体分析和检测 赵志明 车辆尾气检测仪 22 4 汽车尾气检测系统的设计 4 1 不分光红外分析汽车尾气系统 本检测是四气检测仪系统采用不分光红外分析 ndir 法测量 co hc 和 co2 此方法是建立在惰性气体不吸收红外线能量 而异原子组成的气体如汽 车尾气中的 co hc co2等均能吸收一定波长的红外线能量的基础上 其吸 收能量的红外线波长称为特征波长 吸收强度用吸收系数反映 当红外线通过 气体时 由于气体对红外线波段中特征波长红外线能量的吸收 红外线的能量 将减少 其减少量与气体浓度 气体室厚度和吸收系数有关 它服从朗伯 比尔 定律 图 4 1 红外气体分析装置结构原理图 figure 4 1 the structure principle diagram of infrared gas analysis device 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 23 根据上述原理制成的红外气体分析装置如图 4 1 所示 红外线光源发出的 红外线的波长在 2 7 m 之间 红外线经过取样室后 通过旋转的红外滤光片 红外滤光片分 co co2 hc 和基准信号四个光片组成 到达光电池产生电信 号 由图 4 1 红外气体分析装置结构原理所示 当旋转的红外滤光片旋转一周 co c02 hc 和基准信号四个滤光片分别通过取样室下方一次 这样在光电池 上产生两个正半周期的正弦波形 本系统的电机转速为 120 转 分 气体的浓度 越高 波形幅值越小 反之越大 根据通入气体前后的幅值变化 可以得到尾 气各组分含量的检测结果 4 2 不分光红外线气体分析仪的检测原理 车辆排放中的 co hc no 和 co2等气体 都分别具有能吸收一定波长 范围红外线的性质 如图 4 2 所示 而且 红外线被吸收的程度与排气浓度之 间有一定的关系 不分光红外线分析法就是利用这一原理 即根据检测红外线 被汽车排气吸收一定波长范围红外线后能量的变化 来检测排气中的各种污染 物的含量 在各种气体混在一起的情况下 这种检测方法具有测量值不受影响 的特点 图 4 2 车辆各种尾气波段 figure 4 2vehicle various exhaust bands 赵志明 车辆尾气检测仪 24 4 2 3 不分光红外气体分析仪的结构 不分光红外线 co co2 no 和 hc 气体分析仪 是一种能够从汽车排气 管中采集气体 对其中 co co2 no 和 hc 含量连续进行分析的仪器 它由 排气取样装置 排气分析装置 含量指示装置和校准装置等组成 4 3 系统硬件构成分析 由于温度和压力对检测结果的影响比较大 这就要求研究人员在设计和升 级产品时采用硬件和软件干扰措施抑制这些现象 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 传感器产生的信号较弱 需要把信号放大和滤波之后才能进行 a d 转换 微处理器在键盘的控制下进行显示 通讯 打印 抽气 排气等操 作 下面分别介绍系统几个主要硬件模块的组成和器件的选择 4 3 1 红外线接收 发射装置 红外接收电路接收红外光信号并将其转换成串行码 电路由专用的集成红外接收芯片 cx20106 及外接 r c 元件结构 由红外接收管 ph3028 接收的光信号经 cx20106 进行限 幅放大 带通滤波 解调和信号整形 由 ca20106 的第 7 脚输出 外接电阻 r1 c1的大 小决定 cx20106 中前置放大级的增益 滤波器中心频率由 r2调节 c3为检波电容 图 4 3 为红外接收电路 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 25 图 4 3 红外接收电路 a d 转换 微处理器能处理的信号应该是数字信号 因此 在智能仪器的 输入通道中加入能把模拟信号转换成数字信号的芯片即 a d 转换器 使用 a d 转换器时应先根据输入通道的总误差 选择 a d 转换器的精度及分辨率 根 据信号对象的变化率及转换精度要求 确定 a d 转换速度 以保证智能仪器的 实时性要求 对快速信号必须考虑采样 在选用 a d 转换器时还应考虑智能仪 器所处的环境选择 a d 转换器的环境参数 不同 a d 转换器有不同的输出状态 应根据计算机的接口特性选择输出状态 a d 转换器与微处理器的接口一般要 完成的操作有微处理器发出启动转换信号 微处理器取回转换结束状态信号 读取转换的数据 任何信号的 a d 转换器可以同任何型号的微处理器接门 但 其接口形式随 a d 转换器的型号 以及 a d 转换速度 分辨率的要求不同而有 所差异 4 3 2 单片机的选择 单片机也被称为微控制器 microcontroller unit 常用英文字母的缩写 mcu 表示单片机 它最早是被用在工业控制领域 单片机由芯片内仅有 cpu 的专用处理器发展而来 最早的设计理念是通过将大量外围设备和 cpu 集成在 一个芯片中 使计算机系统更小 更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控 制设备当中 at89s51 是一个低功耗 高性能 cmos 的 8 位单片机 片内含 赵志明 车辆尾气检测仪 26 4kbytesisp in system programmable 的可反复擦鞋 1000 次的 flash 只读程序 存储器 器件采用 atmel 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准 mcs 51 指令系统及 80c51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 isp flash 存储单元 at89s51 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用 4 3 3 单片机复位电路 复位电路的基本功能是 系统上电时提供复位信号 直至系统电源稳定后 撤销复位信号 为可靠起见 电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号 以防电源开关或电源插头分 合过程中引起的抖动而影响复位 图 4 4 可以实现 上述基本功能 图 4 4 复位电路图 figure 4 4 reset circuit diagram 4 3 4 电源电路 电源电路是提供整个电路所需的各种电压 由电源变压器 整流电路 滤 波电路及辅助稳压输出构成 lm7805 是常用的三端稳压器 电源变压器的功 率由需要输出的电流大小决定 确保有充足功率余量 为 at89s51 提供 5v 电 压 图 4 5 所示为电源电路 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 27 图 4 5 电源电路图 figure 4 5 power supply circuit diagram 4 3 5 控制电路框图 通过传感器将信号经过放大 然后经过复位电路进入单片机进行数据处理 最后进行液晶显示和报警电路 如图 4 6 所示 at89s51 复位电路 红外发生 器 放大 放大 放大 液晶显示 报警电路 图 4 6 框架图 figure 4 6 kuangjiatu 4 3 6 硬件电路的抗干扰措施 近年来 随着汽车尾气排放法规要求的进一步加强和汽车尾气分析仪的广 泛应用 并有效地控制了尾气排放对大气污染的影响 但是 汽车尾气分析仪 的工作环境往往是比较恶劣和复杂的 其应用的可靠性 精确性就成为一个非 常突出的问题 系统必须长期稳定 可靠地进行 否则将导致误差加大 严重 时会使系统失灵 要形成干扰 必有三个因素 即干扰源 耦合通道和敏感电路 它们之间 的联系如图 4 7 所示 干扰源产生的电磁干扰信号 通过电路或者磁路的传播 和耦合 对易受干扰的电路或器件产生影响 使之工作异常 干扰源耦合通道敏感电路 赵志明 车辆尾气检测仪 28 图 4 7 干扰三要素结构图 figure 4 7three interference elements structure 为消除和抑制干扰 就要针对这三个因素采取措施 对于干扰源 要尽量 消除 不能消除的 则通过隔离 滤波等措施 尽量减弱其发出的干扰信号的 强度 对于干扰的藕合通道 要切断或采用滤波 选频 屏蔽等技术进行抑制 对于对干扰信号敏感的电路或元件 要采用合理接地和退祸 滤波等措施提高 电路或元件的抗干扰能力 在本系统中 主要采用了以下方法来防止干扰 首先是滤波技术 滤波器对噪声 干扰等进行抑制或衰减 特别是对由导 线传导耦合到电路中而又具有一定频率特征的干扰信号 具有十分明显的效果 在本课题中 在所有集成元件的电源部分 均并联一只 0 1 f 的电容 滤除从 电源窜入的干扰 在信号调理电路中使用了有源滤波器 其次是光电隔离技术 光电隔离是由光电耦合器件完成的 光电耦合器件 是 70 年代发展起来的新型电子元件 是以光为媒介传输信号的器件 其输入端 配置发光源 输出端配置受光器 因而输入和输出在电气上是完全隔离的 开 关量输入电路接入光电耦合器之后 由于光电耦合器的隔离作用 使夹杂在输 入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路中的一侧 除此之外 还能起到 很好的安全保障作用 因为在光电耦合器的输入回路和输出回路之间有很高的 耐压值 达 500v 1000v 甚至更高 由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧 的电信号进行耦合 而是以光为媒介进行间接耦合 具有较高的电气隔离和抗 干扰能力 本文在单片机对排气泵和换向阀的控制中 采用了光电隔离电路 以消除 220v 电源的继电器产生的强电流导致的干扰 再次是采用印制电路板抗干扰措施 加粗地线能降低导线电阻 使它能通 过三倍于印制板上的允许电流 使电源线 地线的走向与数据信息传递方向一 致 满接地 即在印制板上除供传输信号用的印制导线外 把电路板上没有被 器件占用的面积全做为接地线等措施 4 4 系统软件设计 红外汽车尾气分析仪的程序是山 mcs 51 单片机汇编语言编写 主要由以 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 29 下六个模块组成 1 数据采集模块 完成气泵控制和汽车尾气各组分的数模转换 2 数据处理模块 对数据进行补偿 消除大气压力和温度对它的影响 3 传感器标定模块 先通入标准气体 记录检测结果 制成表格写入程序 在实际检测时 通过查询表格或计算得实际测试值 4 液晶显示模块 对各组分的测量结果进行实时显示 5 与 pc 机的通信模块 包括接受应答信号和设定参数 发送采集数据等 6 打印检测结果模块 4 4 1 数据处理模块 数据处理模块是由数据接口单元 pc 机 a d 转换和显示器或打印机组成 的 通过红外气体分析装置数据处理软件可进行数据处理 并打印出相应的气 体浓度信号 如图 4 8 所示 赵志明 车辆尾气检测仪 30 红外气体分析系统 分析单元采集单元 校正采样 常规采样 保存数据 编程采样 i o 接口 曲线拟合 野值踢除 数据滤波 曲线平滑 数据库 数据文件 调入单一曲线或多曲线 数据非线性处理 数据图像演示保存数据 图 4 8 数据处理框图 figure 4 8 data processing are presented 4 4 2 液晶显程序设计 选取 lcd 液晶模块 这是个慢显示器件 lcd1602 初始化过程 延时 15ms 写指令 38h 不检测忙信号 延时 5ms 写指令 38h 不检测忙信号 延时 5ms 写指令 38h 不检测忙信号 以后每次写指令 读 写数据操作均需要检测忙信号 写指令 38h 显示模式设 置 写指令 08h 显示关闭 写指令 01h 显示清屏 写指令 06h 显示光标 移动设置 写指令 0ch 显示开及光标设置 程序代码如下 void lcd initialize 液晶初始化 lcd write 0 x06 lcd command 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 31 delay 2 lcd write 0 x38 lcd command delay 2 lcd write 0 x0c lcd command delay 2 lcd write 0 x01 lcd command delay 2 向 lcd1602 写数据程序如下 void lcd write uchar dat uchar type uchar i while lcd busy lcd rs type lcd rw 0 lcd en 0 nop nop nop nop lcd port dat nop nop nop nop lcd en 1 nop nop nop 赵志明 车辆尾气检测仪 32 lcd en 0 lcd 送显程序如下 void lcd prints uchar dat uchar add uchar lens uchar i lcd write add 0 x80 lcd command for i 0 i lens i lcd write dat i lcd data 5 尾气检测分析汽车故障 5 1 一般车辆故障的尾气特点 hc 和 o2的读数高 是由点火系统不良或混合气过稀失火引起的 当测试 的 co hc 值高 而 c02 02值低时 表明发动机工作混合气很浓 如果燃烧 室中没有足够的氧气保证正常燃烧 通常情况下 co2的读数和 co 的读数相 反 燃烧越完全 co2的读数就越高 其最大值在 13 5 14 8 之间 此时 co 的读数应该等于或接近于 0 o2 的读数是最有用的诊断数据之 02的读数 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 33 和其