发动机尾气分析毕业论文Word文档格式.docx
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2.1.2HC的生成机理6
2.1.3NO的生成机理6
2.2电控发动机排气变化的主要影响因素7
2.2.1影响一氧化碳生成的因素7
2.2.2影响碳氢化合物生成的因素9
2.2.3影响NO生成的因素11
第3章尾气分析实验13
3.1仪器的组成13
3.1.1仪器的前面板13
3.2实验过程14
3.2.1安装14
3.2.2仪器预热15
3.2.3泄漏检查15
3.2.4自动调零15
3.2.5校准16
3.2.6设置16
3.2.7双怠速排放测量17
3.2.8尾气成分异常的原因分析22
3.2.9发动机各部分技术状况与尾气成分间的关系24
第4章实验数据与分析25
结论27
致谢28
参考文献29
第1章绪论
1.1研究的背景
在汽车发展的早期，人们主要是通过比较有经验的维修人员来发现汽车的故障并做出有针对性的修理。
也就是过去人们常讲的“望”（眼看）、“闻”（耳听）、“切”（手摸）方式。
随着现代科学技术的快速发展，尤其是计算机技术的进步和应用，汽车检测技术也随着快速发展。
根据这几年对各地区汽车维修企业和维修人员的调查，目前人们已经能使用各种仪器设备来检测，如汽车故障诊断仪、示波器、红外线测温仪等设备，而且安全、迅速、准确。
但是目前将汽车尾气分析在汽车发动机故障诊断上的应用还是很少的，尾气分析主要还是应用于环保部门做环保检查，而应用于汽车修理的不是很多。
然而这种方法的运用是对车的动力性、经济性以及排放性整体的一个综合检测，对它的检测结果分析可知汽车的总体性能和技术状况。
尾气分析不仅是检查排放污染物治理效果的唯一途径，而且还是对发动机工作状况和性能判定的重要手段。
要对汽车尾气排放进行研究就得运用到电控燃油喷射发动机，以下是对电控发动机的结构和基本工作原理的简单介绍。
1.2电控发动机
1.2.1电控燃油喷射系统的工作原理与分类
电控发动机与化油器式发动机最大的不同之处在于燃油供给系。
电控燃油喷射系统虽然种类繁多，结构差异也比较大，但是它们的组成以及控制、工作原理基本相同。
按其部件功用来看，主要有空气供给系统（供气系统）、燃油控制系统（供油系统）和电子控制系统三部分组成。
（1）空气供给系统
空气供给系统主要作用是向发动机提供混合气燃烧所需的空气，并测量出进入气缸的空气量。
根据燃油喷射式发动机怠速进气量的控制方式的不同，供气系统分为旁通式和直供式两种。
直供式供气系统是由空气滤清器、进气总管、空气流量计、节气门、进气歧管等组成。
空气会经过空气滤清器过滤，空气流量计测量，再通过节气门体进入进气总管，最后再分配到各进气歧管中去。
从喷油器喷射出的汽油与洁净空气在进气歧管中混合之后被吸入气缸内。
发动机正常工作时，旁通式供气系统和直供式相同，怠速时，节气门出于关闭状态，空气从节气门前端的旁通空气道通过，经过怠速转速控制阀之后，从节气门后端的旁通空气道出来，通过动力腔进入进气歧管，再喷入气缸燃烧。
怠速转速控制就是通过调节螺钉及空气调节器调整流经旁通道的空气量来实现的。
（2）燃油控制系统
燃油控制系统根据ECU发出的信号，将一定量的汽油喷入进气管。
燃油控制系统由燃油箱、电动燃油泵、燃油滤清器、燃油压力调节器和喷油器等组成。
燃油泵从燃油箱中泵出燃油后，再由燃油滤清器除去其中的杂质和水分，之后送到燃油脉动阻尼器中，以减少其脉动。
这样具有特定的压力的燃油就流到了供油总管中，最后经过各个供油歧管送到各个缸的喷油器中。
ECU发出的喷油指令控制喷油器及时的开启喷油阀，把适量的燃油喷到进气门前，等到进气冲程时，燃油混合气就会被吸入气缸中。
燃油压力调节器上被安装在供油总管上用来调节系统中的油压，其最终目的是保持喷油器内和进气歧管内的压力差在250kPa左右。
（3）电子控制系统
根据发动机的运转状况以及车辆的运行状况确定汽油的最佳喷射量和喷射时刻是电子控制系统的功能。
电子控制系统的组成主要有电控单元（ECU）、传感器以及执行器。
传感器是一种信号处理装置，其功用是监测发动机运行状态的各种参数，物理量和化学量，并将这些参数转化成计算机能够识别的电信号导入电控单元。
也即是说传感器监测发动机实际工况，感知各种信号并传输给ECU。
检测发动机工况的传感器主要有：
冷却液温度传感器、氧传感器、进气温度传感器、曲轴转角传感器、节气门位置传感器、转速传感器、爆震传感器、空调离合器开关等。
电控单元（ECU）是一种综合电子控制装置。
ECU的存储器中存储了发动机各种工况下的最佳的燃油喷射的持续时间，在接收到传感器传来的信号并进行对比后，就确定发动机运转该状态下的的燃料的最佳喷射量，喷油器的喷油时间的控制也是据计算结果确定的。
与此同时电控单元还对点火、怠速、废气再循环等进行控制，并且具有自诊断以及自救的功能，也就是说在某一个活某几个传感器发生故障时，故障报警灯会在ECU的控制下显示故障代码，当故障报警灯亮时，备份数据的启用或故障传感器被传感器代替的信号的指令便被控制系统发出，以保证车辆能够继续正常行驶。
发动机转速传感器和曲轴位置传感器，通常安装在发动机的中部曲轴皮带轮附近或是变速箱的前壳体上，属于霍尔传感器，它通过曲轴或分电器轴上的触发轮转动产生特定的信号，并把该信号以一定的方式传送给电控单元，电控单元便根据此信号来判断气缸内的活塞在什么位置，并由此来控制喷油器的起动时刻、汽油喷射量、点火正时、汽油泵以及怠速的工作。
分电器或凸轮轴上安装的是凸轮轴位置传感器，发动机一缸的位置的判别就全靠它了。
判别出信号后就会输送给单控单元，电控单元便根据该信号来确定喷油器的工作顺序以及喷油的起始点。
爆震传感器通常被安装于缸体之上，其作用是提供点火定时闭环控制时所需的反馈信号。
监测爆燃则是其卓著功能，爆燃现象一旦发生就立马把信号传送给电控单元，延迟点火以及转入点火定时的闭环控制指令就会再度有电控单元发出。
氧传感器通常被固定在排气管上，其作用是检测排气中氧含量，并向电控单元传递空燃比的反馈信号，实现喷油量的闭环控制。
执行器是根据电控单元的指令完成一定动作的装置。
主要的执行器有：
汽油泵、怠速阀、喷油器、EGR阀和点火器等。
1.2.2电控发动机的常见故障
电控喷射系统所有的传感器都能准确无误地工作是精确控制的前提，任何传感器的异常都会导致执行器不同程度的错误动作，直接影响到发动机的工作性能。
电控燃油喷射系统的故障的常见的原因主要是一些传感器信号丢失，如线路断路；
或者虽有信号但信号大小不在规定的范围内，如传感器上附着有污物，传感器信号减弱，以及执行器不动作等。
而电控单元本身出现故障的可能性一般很小，但也不是说电控单元就不会出现故障。
表1-1电喷发动机常见故障
故障现象
故障部位
故障原因
不能起动
点火系
分电器，火花塞，点火线圈及接线故障
进气系统
进气严重漏气，造成混合气浓
供油系统
油泵本身及线路或喷嘴及线路故障
电控系统
电控单元连接有故障，引起元件不工作
怠速不稳
火花塞跳火不均或缸线漏电
进气管漏气，废气再循环工作不良，造成混合比失调
喷油嘴雾化不良，冷起动喷嘴漏油
怠速控制系统
节气门开关调整不当，怠速阀工作不良或线路连接不良
加速不良
进气管漏气，空气流量计或进气压力传感器故障
供油系
油泵工作压力低，调节器，喷嘴供油不良
机械系统
发动机磨损严重，造成缸压过低
点火时间过早或过晚
间歇性故障
接线系统
线束松动或接触不良，引起元件工作不良
真空管油泄漏
火花塞跳火或插拔件检查变化情况
喷嘴喷油不均、堵塞
冷启动困难
进气温度信号不准或进气管漏气
冷启动系
水温塞、冷喷嘴不工作或线路连接不良
喷嘴滴漏、油泵供油压力低
调整不当
节气门开关及CO调整不当
火花塞磨损严重造成火花弱
第2章排气污染物的形成理论及其影响因素
2.1汽车排放污染物
汽车尾气的主要有害物质有CO、HC、NO、微粒、硫化物等，虽然种类繁多，但这些有害气体的产生原理却大相径庭。
汽油油不完全氧化就会产生CO这种中间产物，CO的产生的主因是氧气不充足，CO含量增加的影响因素还有混合气浓度大及混合气不均匀。
HC是燃油未燃烧的产生的物质，由于混合气不均匀、燃烧室壁冷等原因造成部分燃油未来得及燃烧就被排放出去。
NOx是燃料（汽油）在燃烧过程中产生的一种物质。
而要使这些污染物排放降到最低，发动机中可燃混合气就必须能够完全燃烧，在理论上要满足空燃比14.7︰1，也就是说可燃的混合气中每完全燃烧1kg汽油就需要消耗14.7kg空气。
对电喷汽油机来说，如果混合气的空燃比小于14.7︰1，表示空气的含量不足，则浓混合气为浓混合气；
而空燃比大于14.7︰1的可燃混合气，则混合气为稀混合气。
在混合气燃烧的过程中，要使混合气能够很好的燃烧，使废气排放达到最好的状态，就必须要有适宜的发动机工作温度、点火能量和气缸压力等条件做保障，汽油机主要的有害气体的产生机理可从以下几个方面进行分析。
2.1.1CO的生成原理
汽车尾气中CO的产生是由于燃油在气缸中不充分燃烧所致，是氧气不足生成的中间产物。
发动机燃烧反应的方程式如下：
CnHm+（n+m4）O=nCO+m2HO（2-1）
燃气中的氧足够时有：
2H+O→2HO（2-2）
2CO+O→2CO（2-3）
由燃烧反应方程式可知，CO主要是燃料在缺氧的条件下不完全燃烧所产生的，因此在尾气中，CO浓度的高低主要是由空燃比决定的。
但实际检测过程中发现空燃比在16～18︰1时仍有CO的生成。
这种现象主要是由于混合气不均匀，燃烧不完全产生的，同时燃烧后的高温又促使部分CO分解成CO和O。
CO的化学反应能力不强且无色无味，但它是有毒气体，会使人窒息，密度相比空气略低，在水中的溶解度非常小。
CO如果从呼吸道进入人体血液以后后，就睡会与血液里的血红蛋白Hb结合，使血红蛋白变成碳氧血红蛋白，致其携氧的能力下降，一旦吸入过量的CO就会让人气急、嘴唇发紫、呼吸困难甚至死亡。
2.1.2HC的生成机理
发动机排气中碳氢化合物的成分非常复杂，有未参与燃烧的碳氢化合物分子，有高温下分解和合成的中间产物和部分氧化物，入醛、烯和芳香烃等，也有不完全燃烧以及润滑油的碳氢化合物等成分，种类达200多种。
未燃的HC在车用的柴油机中生成的都是在缸内的燃烧过程中发生的。
未燃HC在汽油发动机中的产生主要有以下三种途径。
（1）燃烧不完全
主要是混合气在气缸内的燃烧过程中产生的，成分主要是未燃烧或不完全燃烧的碳氢燃料。
（2）曲轴箱窜气
气缸和活塞组之间存在间隙，如果大量的未燃燃料从这些间隙窜到曲轴箱中，并从此排入大气中也构成HC排放物。
（3）燃烧室内的缝隙效应
燃烧室存在着很多缝隙，如活塞顶案部分与缸壁之间。
缝隙对HC的生成起着重要作用。
当气缸压力升高时，会有一部分可燃混合气被压进缝隙中而无法参与燃烧，当膨胀、排气时，气缸内压力下降，未然HC从缝隙排除。
只有HC在浓度相当高的情况下才会对人体产生影响，但当氮氧化物和碳氢化合物在太阳紫外线的作用下时，就会产生一种具有刺激性的浅蓝色烟雾，其成分包含有臭氧、醛类、硝酸脂类等多种复杂化合物。
这种光化学烟雾对人体最大的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜，造成眼睛红肿和喉炎。
2.1.3NO的生成机理
车用发动机排气中的氮氧化物NO包含NO和NO，其中大部分是NO，NO在空气中和氧结合产生NO，它们都是N在燃烧高温下的产物。
（1）NO的生成原理
从大气中的N生成NO的化学原理是扩展的泽尔多维奇（Zeldovitch）原理。
在化学计量的混合比（=1）左右致使NO生成和让NO消除的主要反应式如下：
O→2O（2-4）
O＋N→NO＋O（2-5）
N＋O→NO＋O（2-6）
N＋OH→NO＋H（2-7）
在非常浓的混合气中主要发生反应式（2-6），NO在火焰的前锋面以及已燃气中生成的。
汽油机中在高压下进行燃烧，而且有很快的燃烧过程，反应层也很薄（约0.1mm）而且反应的时间非常短。
因早期气体被压缩的原因，燃烧室温度上升，所以已燃的燃烧室温度比火焰带温度刚结束燃烧的高，因此除了混合气很稀的区域外，大部分NO在离开火焰带的已燃气中产生，仅有很少部分的NO产生在火焰带中。
也就是燃烧和NO的产生是彼此分离的，所以应主要考虑已燃气体中NO的生成。
NO的生成主要和温度密切相关，NO的生成随温度的提高而增加，但温度低于1800K时，NO的生成速率极低，到2000K就会有很高的生成速率。
大致可认为温度每提高100K，NO的生成速率几乎翻一番。
NO的生成还和反应时间有关，若燃气在高温条件下停留时间长，NO的生成必然增加，由上述的放映原理知，NO生成反应时可逆的，但是NO在燃气中逆反应速度很慢，所以气缸中一旦产生NO，除去NO就非常困难，NO就会在一个非平衡的高浓度水平上。
2.2电控发动机排气变化的主要影响因素
汽车排放污染物的成分受到很多因素的影响，例如发动机的结构设计特点、加工安装水准、运行工作条件的差异、使用中的维护情况、零部件的质量、各系统工作状况以及发动机测试调整的精确性等，他们都是影响汽车发动机排放污染物的主要原因。
本节单就电控发动机在应用中出现的发动机排放污染物超出原制造厂规定标准的影响因素进行讨论。
2.2.1影响一氧化碳生成的因素
理论上当空燃比大于14.7时，排气中不会有CO，只有CO。
但是实际上在尾气中仍然还是有少量的CO的生成，这是因为混合气混合不均匀。
即便是空气和燃油非常均匀的混合了，CO也会由于燃烧之后的非常高的温度的作用下一小部分分解产生CO和O，有高温下水分解所产生的氢气会使CO还原成CO，所以，在尾气中不可避免的会有少量的CO的存在。
因此，只要是能影响空燃比的因素，就会对CO的生成产生影响。
（1）进气温度的影响
我国幅员辽阔，四季温度变化大，很多地方最低气温可以达到-20℃以下，最高温度则在40℃以上，汽车在爬坡的时候发动机罩内的进气温度可以高达80℃。
，空气的密度会随着环境的温度上升而变小，反之汽油密度几乎不会发生变化，因此燃油供给系统提供的可燃气的空燃比就会随吸入气温的上升逐渐变浓，尾气中的CO量将增加。
因此，冬天和夏天发动机排放情况有很大不同。
（2）大气压力的影响
大气压力P随海拔高度的变化而变化，由经验公式
（2-1）
式中：
）；
（6）储存和退出。
图3.6车辆信息设置
3.2.7双怠速排放测量
双怠速测量法就是对汽油车怠速、高怠速工况排气中的CO和HC的浓度进行检测。
所谓该怠速工况是指发动机无负载稳定运转在50%额定转速或制造厂技术文件中规定的某一高转速时的工况。
该怠速是，混合气的雾化及燃烧条件有所改善，CO和HC的排放有所下降，为全面反映汽车CO和HC的排放状况，提高测量精度，并监控因催化转化器效率降低造成的汽车排气恶化，应将该怠速工况纳入检测范围。
双怠速测量法步骤如下：
“双怠速测量”界面上部是测量模式的名称和操作提示区，中部是HC、CO、CO、0、转速n、油温、过量空气系数λ（或AF）和PEF值的实时测量值显示区。
（1）准备
测量前，安装转速和油温测量装置。
（2）残留物检查及发动机预热
1）进入“双怠速测量”界面后，仪器首先开始HC残留物检查（图3.7）。
显示屏上部提示：
“请将探头置于洁净空气中”，下部将出现提示：
“HC残留检查……剩余30秒”。
检查结束后，如合格，则显示：
“HC残留检查0K”；
如不合格，则显示：
“HC残留超范围请清洗管道”，并提示“重新残留检查按确认键”。
见此提示，可用清洗的方法及时予以消除，然后再按“确认”功能键重新开始检查。
图3.7HC残留检查
2）HC残留物检查结束，若转速测量装置未安装则显示屏上部提示：
“请安装转速测量装置”，正确安装转速测量装置，则进入发动机预热提示：
“请加速到3500rmin”（图3.8）。
屏幕下部也设置了“点火方式”快捷键。
图3.8等待加速
3）见加速提示后，使发动机加速，并注视显示屏上不断变化的转速值，直到3500rmin左右为止。
4）当转速达到3500rmin时，显示屏上部将出现提示：
“请保持3500rmin剩余XX秒”（总共30秒）（图3.9）。
完成后，将进入排放测量阶段。
图3.9发动机预热
（3）测量高怠速下的排放
1）发动机预热结束后，分析仪将提示“请插入取样探头……”，此时，将取样探头插入排气管中，插入深度为400mm。
然后，显示屏上部将出现提示：
“请减速到2500rmin”（图3.10）。
见此提示，将发动机减速，同时注视显示屏中部不断变化的转速值，直到转速降到2500rmin左右为止。
图3.10等待减至高怠速
2）转速到达高怠速后，上部的提示将改变为：
“请保持2500rmin剩余45秒”（图3.11），前15秒为预备阶段，后30秒为实际取样阶段，按提示将转速保持在2500rmin±
100rmin的范围内。
屏幕右下角同时出现流量尺。
如果在后30秒期间，转速值超过2500±
100rmin范围，显示屏上部“请保持”字样将会以闪烁警示。
这时仪器将停止取样，直到转速回到2500±
100rmin范围内仪器才重新取样。
图3.11保持高怠速
（4）测量怠速下的排放
高怠速倒计时结束后，显示屏上部将出现提示：
“请减速至怠速……”（图3.12），这时，松开油门踏板，使车辆减速。
当转速下降到1500rmin以下时，显示屏上部的提示会改变为：
“请保持怠速剩余45秒”（图3.13），前15秒为预备阶段，后30秒为实际取样阶段。
注意：
在整个双怠速取样过程中如果显示屏右下角的流量标尺低于2格，流量标尺下方“流量”二个字将出现闪烁，表示发生气路阻塞.这时仪器的测量功能会被锁定，只能按下“退岀”键才能终止本次测量。
出现这种情况，用清洗方法及时消除气路阻塞.在整个双怠速取样过程中，若取样探头未插入排气管，则屏幕左下角会闪烁“也取祥探头”字样以作警示。
（5）显示测量结果
1）怠速倒计时结束后，显示屏下部将提示“请拔出取样探头并卸下转速和油温装置”，按提示要求，将取样探头从排气管内拔出，卸下转速和油温测量装置。
停顿几秒后，仪器将自动转换为“双怠速测量结果”显示界面，屏幕上部为信息提示区，中部分成两大栏，分别列出高怠速和怠速的HC、CO、CO、O、NO、转速n、油温T和λ（或AF）等各个测量数据，下部为被测车辆的车型信息，“车型”快捷按键，“退出”、“打印”和“储存”三个功能按键。
图3.12等待减至怠速
图3.13保持怠速
4）按下“储存”功能按键，进入车牌号码输入界面。
“储存ok”字样显示两秒后消失。
5）设置一些发动机故障再测试，得到数据。
双怠速法检测具有测试时间短、操作简单、效率高、成本低、测试仪器便于携带等优点，自2005年7月1日期实施的规定中提出了汽车排气污染物放限值见表3-1。
表3-1新生产汽车排放污染物放限值
车型
类别
怠速
高怠速
CO（%）
HC（10）
2005年7月1日起新生产第一类轻型汽车
0.5
100
0.3
2005年7月1日起新生产第二类轻型汽车
0.8
150
2005年7月1日起新生产重型汽车
1.0
200
0.7
轻型汽车指的是总质量最大不得超过3500kg的M类、M类以及N类车辆；
第一类轻型汽车指的是包括驾驶员在内的乘客员的数量不得超过6人，且最大总质量小于2500kg的M类车；
第二类轻型汽车指的是本规定的适用范围内除第一类车外的其他所有的轻型车；
重型车指的是总质量最大超过3500kg的车辆。
3.2.8尾气成分异常的原因分析
由于尾气成分与发动机的工况有最直接的联系，当发动机各系统出现故障时，排放的尾气中必然有一些
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