汽车尾气排放与检测设计.docx

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汽车尾气排放与检测设计

摘要

随着我国经济的持续发展和汽车保有量的不断提升，由此而带来的环境污染问题也越来越严重。

为应对越来越严格的排放标准，尾气检测装置得到广泛的应用。

首先，三元催化装置减少了各种化学污染物尤其是氮氧化合物的排放，为使这个装置达到更合适的工作状态，必须使空燃比尽可能的保持在14.7水平；其次，通过在排气管中安装氧传感器，将尾气的氧含量信号反馈给ECU,它会在采集到如发动机转速、进气管压力等数据的基础上，调整喷油的脉宽，改变喷油量，以达到最佳的空燃比。

419QE发动机是我国较早的发动机型，仍然采用较为传统的化油器式供油系统，本文以此款发动机的数据作为设计电控系统的依据。

本文分析了汽车尾气排放物的种类及其生成机理以及它所产生的影响，阐述了国内外日益严格的排放法规，进一步说明电控汽油喷射的必要性和电子控制在解决尾气排放问题中所起的作用。

本文选择了待改进的发动机类型并取得了一些参数，也选择了各种传感器的类型和参数，还着重设计了由传感器（转速、进气门压力、氧传感器）到中央处理器再到执行器（喷油器）的整个电控电路。

本文还通过一些参数值确定并优化map图，为ECU控制喷油器和火花塞的工作提供了可靠的基础。

选择单片机的类型并设计软件，实现预定的功能。

关键词：

汽油发动机，尾气检测，单片机，控制

ABSTRACT

WithChina'ssustainedeconomicdevelopmentandcarownershipisontherise,thusenvironmentalpollutionproblemsisbecomingmoreandmoreserious.Inresponsetoincreasinglystringentemissionstandards,exhaustgasdetectiondevicesarewidelyused.First,thethree-waycatalyticdevicehavedonealottoreduceavarietyofchemicalpollutants,especiallynitrogenoxidesemissions.Andinordertomakethedevicemoreworkinamoresuitablestation,air-fuelratiomustremainat14.7levelaspossible;second,throughtheoxygensensorinstalledintheexhaustpipeandthesignalonoxygencontentintheexhaustgasbackedtotheECU,itwouldbecollected,suchasenginespeed,intakemanifoldpressurebasedonthedata,andthenadjustethefuelinjectionpulsewidth,changethefuelinjectionquantitytoachievethebestpossibleairfuelratio.

419QEengineistheengineofourearliermodel,stillusingmoretraditionalcarburetor-typefuelinjectionsystem,thispaperusetheenginedataasthebasisfordesignofelectricalcontrolsystem.

Thispaperanalyzesthetypesofvehicleexhaustemissionsandtheformationmechanismanditsimpact，andintroducetheincreasinglystringentemissionsregulationsathomeandabroad，andfurthershowstheneedforelectroniccontrolfuelinjectionandelectroniccontroltosolvetheproblemintheroleofreducingemissions.

Thispaperchoosethetypeofenginetobeimprovedandmakeanumberofparameters,andalsochooseavarietyofsensorsandtheirparameters,andfocusesonthedesignoftheelectroniccontrolcircuitfromthesensors（speed,intakevalvepressure,oxygensensor）totheCPUandthentotheactuator（injector）.

ThearticlealsoidentifiesandoptimizesMapdiagramthroughanumberofparameters，itprovideareliablebasisfortheECUtocontrolthefuelinjectorsandⅡintendedfunction.

KeyWords:

Gasolineengine,exhaustgasdetection,microcontroller,control

1绪言

1.1本课题的研究背景

随着汽车工业的不断发展，汽车产量和保有量与日俱增，汽车排放对大气污染也日益严重，人类生活环境受到严重威胁。

开发动力性、经济性和排放俱佳的汽车已成为汽车工业发展的必然趋势。

世界各国都制定了日益严格的排放法规。

1960年美国南部的加利福尼亚州制定了世界上第一个汽车排放污染限制法规，1968年美国又颁布了联邦排放法规，以后一再修订，日本与欧共体国家（即如今欧盟国家）也相继制定出排放法规。

排放法规的日益严格，使传统的化油器及机械点火发动机难以满足要求。

也制定了相应的政策。

从2003年7月1日起，我国实行欧Ⅱ排放标准，而北京在2002年8月1日就提前执行了欧Ⅱ排放标准，并计划到2008年的奥运年将执行接近于欧IV水平的新排放标准。

世纪内燃机问世以来，随着各种新技术的不断应用，其性能有了显著的提高。

特别是近三、四十年内，电子技术得到飞速发展，各种高性能和高可靠性的传感器、微处理器和执行器相继问世，使得电控技术在发动机性能优化中的应用成为可能。

电控技术所带来的高燃油经济性、大功率输出、低排放、优良的冷启动和暖机性能、怠速控制精确等优点使其在现代发动机中处于举足轻重的地位。

其中，空燃比的精确控制是一直关注的焦点问题。

众所周知，空燃比是发动机运行时的一个重要参数，对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。

随着空气污染的日益严重，对汽车尾气排放要求越来越严格，需要对空燃比进行精确的控制。

目前，电控燃油喷射结合三元催化转化技术己成为车用发动机降低排放的最直接有效的方式。

然而，三元催化器的转化效率受空燃比的影响很大，研究表明，要想获得较高的转化效率（80%以上），要求空燃比控制在化学计量比（即空燃比为14.7[1]误差不超过士3.5%[2]。

进气流量的精确测量是空燃比控制的基础，按所采用的传感器不同分为基于进气压力测量和基于进气流量两类，其中，基于进气流量的空气质量传感器在汽车上得到了较为广泛的应用。

1.2国内外研究现状

传感器的特性问题成为研究的重点，对传感器的建模精度有了更高的要求，种传感器都存在传感器动态非线性，再使用线性动态模型和校正方法无法解决上述问题[3]。

为此，国内外专家开始研究传感器的动态非线性问题，目前主要集中在传感器的动态非线性建模上。

有以下几种模型:

（1）volterra级数[4]。

该模型的物理意义清晰，但系数较多，尤其是Volterra级数高阶核非常复杂，还需要构造特殊要求的输入信号，不易辨识。

（2）神经网络模型。

神经网络函数为非线性，但其实时性差，计算量大，对传感器输入信号有要求。

同时，模型存在收敛问题。

（3）块联模型，典型的有Wiener和Hammerstein模型。

此类模型结构简单，非线性和线性分开识别，大大降低识别复杂度。

同时，也便于非线性校正。

为了精确控制空燃比，需要研究关键传感器的动态特性。

针对上述传感器，国内外专家使用各种方法进行动态特性的研究。

Buehler等提出以综合信息方法分析和控制热膜/线式MAF传感器，以节流阀位置传感器和发动机速度传感器的信息，来预测空气质量流量传感器的输出，并将预测值与实测的空气质量流量传感器输出进行比较，调整模型参数，得到空气质量流量传感器在不同进气量下的特性，以控制进气量[5]。

Mrad等提出用时变自回归滑动平均（TARMAX）模型描述MAF传感器的动态非线性特性，预测传感器的响应[6]。

FollmerWC和ZiesmerDA等人利用扰动测量技术对热线式MAF传感器小信号激励下的响应特性进行了研究[7]，但由于对其呈现出的整个变化特性缺乏了解，因而在ECU传统的控制策略中传感器的动态特性并未被充分考虑，以至于存在大的进气脉动时，无法准确地测量平均进气量[8]。

但是这些方法或计算复杂，或难于实现，也不利于传感器的动态校正。

国内，针对MAF传感器动态特性和动态非线性建模的研究较少。

上海理工大学的李长武等设计了适用于内燃机的热线式态性能的研究[9]。

上汽集团工程研究院研制了热膜式空气质量流量传感器，但没有进行动态性能研究[10]。

长安大学的吴克刚从理论山分析了热模式传感器的动态特性[11]。

但给出的数学模型与敏感元件的结构、材料、电桥电路和放大器的参数有关，仅对传感器设计有指导意义，无法用来分析产品型传感器的实际特性。

氧传感器的响应特性不仅影响到空燃比的精确测量，而且影响到反馈控制器的调节时间和控制精度。

出于各种目的，人们通过实验对不同氧传感器的动态性能进行了研究。

合肥工业大学的谈建等在发动机实验台上，采用比较法对EGO传感器进行了稳态标定实验，根据实验数据，利用分段多项式法和非线性回归分析法建立了传感器的静态模型，取得了较好的结果[12]。

任好等初步设计了动态标定实验方案，研究EGO传感器的动态特性，并采用了块联模型的建模方法解决其动态非线性问题[13]。

LiMaoqing等人将TioZ薄膜氧传感器安装在温度恒定的电加热炉内，通过改变CO和CO2的流量或N2和O2的流量来调整炉内气压，研究了传感器动态特性，正、负阶跃的时域响应对比。

为了估计氧传感器的中毒情况，MassimoCarriero等人[14]通过采用两个不同的加热装置（高温硅油和电加热器）把气体加热到实际废气温度，利用计算机控制3种不同模拟气体的流量，以实现N2/O2混合气和N2/CO混合气的快速切换，并利用N2来排出管道中的残余气体。

根据一组在汽车上使用过的氧传感器的动态特性测量结果，得到了不同的兄传感器开关特性与AFR漂移对称性的关系。

罗志安[15]等人在汽油发动机台架上，对自行研制的HEGO传感器响应特性进行了研究。

研究表明，若定义响应时间为入值发生变化，传感器输出达到始、末状态变化量的2/3所需时间，当入在0.96~1.04之间变化、排温为350℃和800℃时，混合比由稀到浓和由浓到稀的传感器响应时间分别为95ms、600ms和80ms、580ms。

为了研究不同工作条件对HEGO传感器氧敏响应特性的影响，林健等人[16]在氧传感器专用测试平台上进行了一系列实验研究。

结果表明，当定义响应时间为传感器输出在300mV~600mV之间的切换时间时，在排温分别为350℃、650℃、850℃，λ从1.1变化到0.97和0.97变化到1.1时，氧传感器响应时间分别为6lms、106ms、144ms和98ms、30ms、22ms。

根据CookJ.A等人的研究，认为ZrO:

EGO传感器对空燃比阶跃变化的典型响应时间小于300ms[17]。

1.3本课题研究内容简介

1.3.1研究意义

目前，日益严重的全球环境恶化己威胁到人类的生存和社会的发展，环境问题己被公认是当今世界所面临的最为严峻的挑战，机动车尾气排放是造成环境污染的主要原因之一[18]。

据有关资料介绍，世界汽车保有量己经达到6.5亿辆以上，我国汽车也超过1000万辆，汽车数量和行驶密度的不断增加，加剧大气污染程度。

我国首都北京地区大气环境中CO、HC、NOx的含量己经超过国家二级标准的规定，大气污染物中60.6%的CO、8.68%的HC、5.47%的NOx来自机动车辆的排放[19]。

同时，有限的地下石油资源枯竭之日己近在眼前，据有关经济学家的反复论证，到2010年世界经济将发展到能源消耗的高峰，而世界上现已探明的石油储量到届时够用时间已缩短到30年，原先的产油国在21世纪将变成进口能源的国家，各国为能源安全而展开的石油争夺战将更加激烈[20]。

为此，减少同等汽车数量条件下的汽车排放，提高汽车对石油的使用效率成了如今的一个重要议题，其中，提高三元催化转化装置的转化效率是一个重要的措施。

然而，只有通过准确的将空燃比控制的14.7的水平，三元催化转化装置才能以最高的效率工作，本文就是研究怎样将空燃比控制在14..7的水平。

1.3.2研究内容

本课题研究燃用气体燃料发动机的空燃比控制技术。

在本课题中采用过量空气系数。

来表征发动机运转过程中的空气量和燃料量之比。

当a<1.000时，说明这时混合气状态为浓;当a=l.000时，说明这时混合气状态为理想值，发动机运转过程中燃气与空气完全燃烧;当a>l.000时，说明这时混合气状态为稀。

本课题所研究的空燃比控制器要求燃料空燃比控制系统能够根据不同的a况快速反应，调整燃料喷射量，使发动机过址空气系数a稳定在三元催化转化器有效工作范围内（0.995-1.005），实现良好的排放性能。

另外为实现空燃比控制系统有效的转化，本文还设计了实现此功能的控制电路；选择了作为输入装置的废气氧传感器、转速传感器、节气门位置传感器；燃油喷射时间和喷射时刻的控制电路。

1.3.3研究方案与技术路线

本课题运用开环和闭环来控制燃气喷射量与喷油的时刻。

当发动机处于过渡工况，如加载、卸载和加减速时，运用开环控制，根据转速信号和节气门位置信号对事先制取的燃气喷射占空比MAP图进行取值操作，从而控制喷油量和喷油时刻。

当发动机处于稳定工况时，系统就采用开环与闭环相结合的方式控制，根据闭环系统中氧传感器反馈的废氧浓度信号不同，采取不同的空燃比控制策略实时计算喷气占空比，使系统工况较快稳定并达到较佳废气排放浓度。

在闭环控制系统中，当废氧浓度波形信号较大程度偏离理想波形信号时，系统就采用增量逼近法，使空燃比快速地逼近理想空燃比范围（表现为过量空气系数。

处于在λ窗口内）；当废氧浓度波形信号接近理想波形信号时，系统就采用PI控制，使空燃比稳定于理想空燃比范围:

当废氧浓度波形信号处于低速振荡时，系统就采用固定增量法，使空燃比收敛于理想空燃比值。

为实现研究目的，本课题主要工作包括如下几个部分：

首先是空燃比控制系统电路设计。

在电路中可实现对转速、节气门位置及氧传感器信号的采集、对电磁阀的驱动、喷油时刻的驱动及对上述参数的显示。

其次，制取部分工况的燃气喷射占空比MAP图。

在这些实验数据的基础上，通过线性插值方式对MAP图进行补充，为燃气喷射控制系统执行开环控制提供完善的燃气喷射占空比数据。

最后是空燃比控制系统软件设计，使系统在不同的工况下按预定的控制方案对空燃比进行控制。

2尾气排放控制与空燃比

2.1尾气的构成及产生机理

发动机排放污染物有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物和微粒等[21]，这些污染物对人体健康构成了极大危害，而且，排出的二氧化碳由于温室效应，对大气环境有严重的影响。

一氧化碳是无色、无味、有窒息性的毒性气体，由于CO和血液中有输氧能力的血红素蛋白的亲和力比氧气的亲和力大300倍，很快会形成碳氧血红蛋白，阻碍氧的运输，导致低氧血症，是心脏、器官的功能严重受损，引起头晕、恶心、头痛等症状，轻度中毒将℃机理主要有以下几条：

1..燃烧不完全燃烧。

CO是烃类燃烧在燃烧过程中由于缺氧而不完全燃烧的产物，理论上空燃比a=14.9时，烃类能完全燃烧，生成CO2和H2O；当a<14.9时，即混合气浓度过浓时，燃烧就为不完全燃烧，会生成中间产物CO。

2.混合气不均匀。

即使自抚养燃烧（a>14.9）时，混合气也不可能绝对的均匀，总会有过浓区，就会产生CO。

3.CO2与H2O在高温下裂解。

当发动机的缸内温度超过2000℃，CO2就会发生高温裂解反应，温度越高，离解反应越严重，生成的CO愈多。

碳氢氧化物有数百种成分，基本上无色无味，对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃类有致癌作用。

其中碳氢化合物（HC）的排放的生成与排放有以下三个方式：

1.未燃的HC随着燃烧后的尾气、通过活塞与气缸之间的间隙漏入曲轴箱、从发动机和汽车的燃油系统三个方式散发。

2.冷激效应。

燃烧室壁面对火焰的迅速冷却时火焰不能一直传播到缸壁的表面，在表面山留下一薄层未燃烧的的或不完全燃烧的混合气。

冷激效应是冷启动、暖机和怠速工况时HC的重要来源。

3.油膜和沉积物吸附。

在进气和压缩过程中，汽缸套壁面和活塞顶面上的润滑油膜会吸附未燃混合气的燃油蒸汽，随后当混合气中燃油浓度由于燃烧而降到零度时，油膜就释放出油气。

由于释放时刻较迟，只能部分被氧化。

这种机理产生的HC占总量的25%——30%。

4.火焰淬熄。

在冷启动和暖机工况下，因发动机温度较低只是燃油雾化蒸发和混合气形成变差，从而导致燃烧变慢和不稳定，有可能使火焰在到达壁面前因膨胀是缸内气体温度和压力下降造成可燃混合气大容积淬熄，使HC排放激增。

这种情况在混合气过稀和过浓时，或排气再循环率大时，或怠速和小负荷工况下发生。

加、减速瞬态工况更容易发生溶剂淬熄，是HC排放激增。

氮氧化合物，这主要是指的NO。

NO为无色无味气体，只有轻度浓度时，刺激性和毒性都不大，工浓度时会造成中枢神经有轻度障碍，但NO易被氧化成NO2，这是一种毒性有刺激性的有毒气体。

对人体个器官尤其是肺部影响严重。

[21]

影响NO的因素有三个：

1.氧的浓度。

在高温条件下，氧的浓度时生成NO的重要因素。

在氧浓度低时，即使温度高，NO的生成也要受到限制。

2.温度。

高温时最重要的条件，即使氧很充足，但燃烧温度不高，氧的分解进行也很慢，NO的生成浓度很低。

当反应温度从2237℃到2337℃时，NO的生成速率几乎可以快一倍。

燃烧进行的愈充分，燃烧温度愈高，NO的浓度也愈高，这也就是NO与消耗之间相互矛盾的原因。

因为从燃油经济性观点来看，就要求燃烧效率高，燃烧进行的越充分完全，也就是要求燃烧速率快，并使燃烧散热集中在上止点附近，而这样燃烧温度必然高，因而NO生成量就多。

3.反应滞留时间。

如果燃气在高温富氧的条件下滞留时间长，NO生产量必然增多。

NO生成反应是可逆的反应，但NO在燃气中逆反应速率缓慢，从而使缸内的NO实际浓度由于逆向反应速率太低而几乎没有下降，NO就会冻结在一个非平衡的高浓度水平上而从尾气中排出。

2.2控制尾气排放的措施

影响汽油机有害物生成的主要因素有混合气的成分、点火正时、负荷、转速、工况等几个因素。

2.2.1混合气的成分

汽油机是一种预混燃烧，其可燃混合气浓度范围比较窄，而且在怠速、满负荷工况下处于浓混合气工作，因而混合气成分是影响排放的的最主要的因素。

随着空燃比下降混合气变浓，燃烧时氧气相对不足，不完全燃烧物生成增加，使CO、HC迅速增加，在空燃比大于14.9以后，CO浓度已经很低了，但随空燃比浓度比再增加时，因混合气浓度不均匀造成局部缺氧仍有少量CO生成。

同时，因为CO氧化反应速度慢，燃烧温度下降，使HC

排放也增加。

NOx浓度峰值出现在理论空燃比偏稀的一侧，反应出高的NO生产率必须高温、富氧两个条件。

HC的走向则是两头高，中间低，与燃油消耗率的变化基本山一致。

当混合气逐渐变稀时，在缝隙容积与激冷层中混合气燃料比例减少，因此HC量减少。

处于最佳燃烧的空燃比范围内，HC及油耗均为最低。

但当混合气过稀，火焰有可能熄灭，所以HC的生产量又会上升。

2.2.2点火正时

如图2-1。

点火提前角较少时，后燃增加，膨胀时的温度及排气温度均上升醋精了未燃烧成分的氧化，这对HC减少有利。

同时减小点火提前角，可以降低燃烧最高温度、减少燃烧反应滞留时间，可以降低NOx十分有利。

可见，减少点火提前角降低NO及HC均有利，只是以牺牲动力性为代价。

图2-1点火提前角对有害排放物的影响

Fig2-1theimpactofignitionadvanceangleonharmfulemissions

2.2.3负荷

负荷是通过混合气的成分对燃烧产物中有害物质发生影响的。

汽油机在怠速及小负荷工况运行时，节气门分别在几乎关闭和小开度的位置，进气量激怒少，废气相对增多，供给的混合气偏浓，而且燃烧温度较低，燃烧速度慢，易引起不完全燃烧，是CO排放量增加；又因为燃烧室温度低，燃烧室壁面激冷现象严重，未燃烧的燃油量增加，结果导致HC排放量增加。

在中等负荷，供给经济混合气，容易完全燃烧，废气中的CO减少，HC也减少。

由于燃烧室温度提高，NOx增多。

在满负荷时，供给浓混合气，使燃烧气体压力、温度提高，致使NOx生成量增多；同时提高了排气温度，是HC在排气中继续燃烧，其排放量减少；但因混合气过浓，是CO增加。

2.2.4转速

随着发动机转速的提高，混合气经过进气系统的流速及活塞运动速度也提高，缸内紊流加强，促进了混合，盖上了缸内的燃烧，减少了冷激层的厚度，使CO、HC排放减少。

NOx的生成与混合气成分有关，当混合气过浓时，由于转速过高散热时间相对缩短，缸内燃烧温度升高，使NOx生成量增加。

当混合气的浓度稀时，由于燃烧持续角度增加，燃烧温度反而下降，使NOx生产量减少。

提高怠速转速使混合气变稀，CO及HC排放减少。

因此，从减少发动机排气污染出发，可适当提高怠速转速，但同时应注意到随着转速升高油耗也会有所上升。

2.2.5工况

汽车发动机主要是在不稳定工况下工作，包括怠速运转、加速运转、定速运转、减速运转等。

不同工况由于混合气浓度不同，有害物的排放量相差很大。

怠速与减速是HC生成的主要工况。

在怠速工况下，燃烧环境温度比较低，缸内残余废气量比较大，混合气比较浓，致使燃烧恶化，HC排放浓度增加，在减速工况下，很高的进气管真空度使进气管内沉积的燃料油膜大量蒸发，这是HC的主要原因。

2.3空燃比控制

基于以上的叙述可知，鉴于空燃比与尾气有害物质排放的关系与三元催化转化装置的工作特点，可以得出结论：

控制尾气有害物质排放的实质就是控制空燃比的大小。

因此，接下来就介绍空燃比的控制方法。

2.3.1空燃比简介

发动机空燃比控制的核心是喷油控制，目的是保持给定的空气和燃油比，其实质是比值控制。

空燃比控制主要由前馈和反馈控制组成。

常见的空燃比闭环控制框图如图l一l所示。

空气质量流量传感器（MassAirFlowMeter，MAF）安装在节气门前的进气管中，用于测量空气质量流量，电子控制单元（ECU）根据MAF传感器测量的流量和设定的比例关系产生相应的喷油量，实现给定空燃比的