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废气分析9

废气分析

讲义

南京公交培训中心

05．4

废气分析

一、概述

人们面临的严重的社会问题是：

人口、粮食、能源、资源和环境

在诸多的环境问题中，大气污染是一个十分严重的问题。

震惊世界的“伦敦硫酸烟雾事件”（1952年），洛杉矶“光化学烟雾事件”（1955年）等均表明大气污染与人类对能源的利用有着密切的关系。

目前全球汽车保有量己达7亿，在人口稠密地区，发动机燃烧后排出的废气也严重污染了大气环境，发达国家经过近30年的，有步骤的科学治理汽车排放己降得很低，正朝超低污染和零污染发展。

98年我国汽车保有量己近1400万辆，北京己达140万辆（洛杉矶己超过500~600万辆），由于发动机水平差，单车排放多，平均污染物排放比国外高几倍到几十倍，如北京NOX浓度高且逐年增加，远超过国家二级标准，SO2也超标2倍以上但呈持平趋势，这表明北京市己由煤烟型污染向混合型（煤烟一尾气型）转化，另北京市大气中HC的73.5%，CO的63.4%，NOX的46%来自机动车尾气。

二、排放污染物的组成、来源及危害

（一）组成、来源

20.95%O2

空气由78.09%NO2

0.93%氩和微量成份组成

以汽油机为例，排放污染物有

CO

HC

排气（尾气）NOX（55%）

SO2

微粒（铅化物、碳烟）

臭气

曲轴箱窜气——HC（25%）

燃油蒸发——HC（20%）

以一台不加排气催化器的汽油机在欧洲规范试验（ECE）中排气的平均成份来看：

NO2——70.3%O2——18.1%H2O——8.2%Ar——1.2%O2——1.1%

污染物——1.1%（NOX：

0.13%，HC：

0.09%，CO：

0.9%）

（二）危害

1、CO

无色、无臭、窒息性的有毒气体，它和血液中的血红素蛋白Hb的亲和力比氧的亲和力大200~300倍，因而CO和Hb很快结合成碳氧血红素蛋白（CO~Hb），使血液中输氧能力大大降低，使人体重要器官严重缺氧而中毒。

2、HC

包括未燃和完全燃烧的燃油、润滑油等，200多种复杂成份，对眼、呼吸道和皮肤有强刺激，有致癌作用并可引起光化学烟雾。

3、NOX

NO、NO2、N2O3、N2O5总称NOX。

NO占95%

NO2占5%

NO：

只有轻度刺激性，毒性不大

NO2：

为棕红色强刺激性的有毒气体，对人体的影响同CO。

4、光化学烟雾

HC+NOX紫外线O3臭氧+PAN（过氧酰基硝酸盐）

使植物变黑、枯死，引起人气喘、慢中毒。

5、微粒

微粒愈小，悬浮在空气中的时间愈长，对人体危害愈大由于微粒存在孔隙而粘附SO2、HC、NO2等不仅对呼吸道，且易致癌。

另铅微粒对任意的危害则更大。

6、温室效应

温室气体主要指CO2、水蒸气、氯氟烃等

阳光热辐射阳光热辐射

温室效应气体

—18℃15℃

没有温湿效应气体有温湿效应气体

19世纪CO2含量290×10-6

1958年CO2含量315×10-6

1988年CO2含量350×10-6

2050年CO2含量2×290×10-6地球温度上升1.5—5.5℃

另氯氟烃年递增5%，很可能成为第二大温室气体。

三、汽车排放污染物的生成机理

（一）混合气浓度表示

关于空燃比（A/F）=空气重量/燃料重量

过量空气系数（λ）=实际空气量/理论空气量

1kg燃料完全燃烧时所需理论空气量，柴油为14.3kg，汽油为14.7kg

A/F=14.7，λ=1——标准混合气

A/F>14.7，λ>1——稀混合气

A/F<14.7，λ<1——浓混合气

（二）废气生成机理

A、CO

（1）燃烧不完全时

A/F=14.7，CH+O2CO2+H2O

A/F<14.7，CH+O2CO+H2O

A/F>14.7，排气中无CO，而O2过乘

（2）混合不均匀

即便在富氧燃烧时，由于混合不均匀，总有局部过浓区。

B、HC

1、缝隙效应

混合气被压进缝隙后被冷却而躲过火焰传播的燃烧过程

2、缸壁润滑油膜和积垢的吸收和解吸。

3、燃烧不完全

过浓时，氧化反映不完全，过稀时发生部分循环失火或完全失火，都产生大量的HC。

4、未燃HC的氧化

如排气过程中氧化反映不充分（与排气温度和排气中氧浓度有关），则HC排放增加。

C、NOX

N2+O2>2000℃NOX

燃烧愈充分，燃烧温度愈高，NOX浓度愈高

高温+富氧化NOX浓度高

D、光化学烟雾

强阳光

空气流动差

HC+NOXO3+PAN

光化学烟雾

四、汽车排放标准和测试

（一）计量单位

1、浓度单位

即排放物所占容积的比例

CO：

%

HC：

10-6（ppm）

O2：

%

CO2：

%

H2O：

%

NOX：

10-6（ppm）

2、质量单位

如：

g/h，g/km，g/次等

（二）标准

A、汽油车怠速污染物排放标准值（GB14761.5-93）轻型车（最大总质量≯3500kg的车辆）

CO%HC10-6

95.7.1以前生产的在用车友4.51200

95.7.1起生产的在用车4.5900

B、欧洲排放标准

对于乘员≯6人，最大总质量≤2500kg的轻型乘用车：

1992年，欧洲联盟（EU）实施ECER83-01法规（欧洲1号）

1995年10月实行欧洲2号法规

2000年实行欧洲3号法规

2005年实行欧洲4号法规

以上排放检测采用的是工况试验法，即车辆置于底盘测工机上，按标准测试循环进行。

（三）检测法

A、怠速法

GB/T3845-93规定了汽油车排气污染物的测量方法即怠速法。

1、发动机怠速

2、进气系统装空滤器，排气不泄露

3、发动机温度正常

4、加速至额定功率时转速的70%，维持60S后降至怠速

5、取样头插入400mm以上

6、怠速运转15S后开始读数，读取30S内的平均值

B、双怠速法

GB18285-2000《在用汽车排气污染物限值及测量方法》规定：

按GB14761-1999通过B类认证，设计乘员数不超过6人，且最大总质量不超过2500kg的M1类车辆和按GB14761-1999通过B类认证，设计乘员数超过6人，或最大总质量超过2500kg但不超过3500kg的M类车辆和M1类车辆，进行双怠速试验或加速模拟工况（ASM）试验。

1、检测方法

1）必要时在发动机上安装转速计、点火正时仪、冷却液和润滑油测温计等测试仪器。

2）发动机由怠速工况加速至0.7倍的额定转速，维护60S后降至高怠速（即0.5倍额定转速）。

3）发动机降至高怠速状态后，将以样探头插入排气管中，深度等于400mm，并固定于排气管上。

4）发动机在高怠速状态维护15S后开始读数，读取30S内的最高值和最低值，取平均值即为高怠速排气污染物检测结果。

5）发动机从高怠速状态降至怠速状态，在怠速状态维持15S后开始读数，读取30S内的最高值和最低值，其平均值即为怠速排气污染物检测结果。

6）若为多排气管时，分别取各排气管高怠速排放检测结果的平均值和怠速排放检测结果的平均值。

2、排放限值

双怠速试验法按GB18285-2000的规定进行，装配点燃式发动机的车辆排气污染物标准限值见表5-2-2。

表5-2-2装配点燃式发动机的车辆双怠速试验排气污染物限值

项目

车型

怠速

高怠速

CO，%

HC，10-61）

CO，%

HC，10-61）

2001年1月1日以后上牌照的M1类车辆2）

0.8

150

0.3

100

2002年1月1日以后上牌照的M1类车辆3）

1.0

200

0.5

150

注：

1）HC容积浓度值按正己烷当量

2）M1指车辆设计乘员数（含驾驶员）不超过6人，且车辆的最大总质量不超过2500kg。

3）M1还包括设计上乘员数（含驾驶员）超过6人，或车辆的最大总质量超过2500kg但不超过3500kg的M类车辆。

C、高怠速法

保持发动机额定转速的50%（2000rpm），15S后读30S内平均值

北京市标准（高怠速）

95年7月1日以后在用车（轻型）

CO：

2.5%

HC：

900ppm

五、废气分析

在发动机不同工况下，通过检测废气中不同成份气体的含量来判断发动机各系统故障的方法。

废气分析项目：

无催化器：

HCCOCO2O2λA/F

有催化器：

CO2O2λA/F

1、空燃比（λ）的影响

理论空燃比为14.7：

1

经济空燃比为16：

1

功率空燃比为12.5：

1

1）A/F与CO

随A/F增大，由于空气量不足，燃烧不完全，CO↑

2）A/F与HC

以A/F=16.2为界，A/F<16.2时，混合气浓，氧化反映不完全，HC↑；A/F>16.2时，混合气稀，因失火，使未燃HC大量排出。

3）A/F与NOX

以A/F=15.5时因燃烧效率最高，NOX排放达最大，A/F>15.5或<15.5时，NOX均减少。

4）A/F与CO2

CO2值的大小取决于影响燃烧效率的因素，A/F愈接近14.7：

1，燃烧愈完全，CO2的值也就愈高，最大值在13.5%~14.8%。

5）A/F与O2

混合气浓时O2低；混合气稀时O2高。

2、点火正时的影响

1）点火正时与CO

点火正时对CO没有太大的影响

2）点火正时与HC

推迟点火，因排气温度↑，促进了HC的氧化以及激冷面积减小，使HC减小。

3）点火正时与NOX

点火提前时，燃烧温度升高，使NOX↑

3、发动机负荷的影响

1）负荷与CO

负荷用进气管的真空度表示

发动机在小负荷和大负荷时，由于混合气均较混，故CO↑

2）负荷与HC

大负荷时，混合气浓，但由于排气温度增加故HC低；

小负荷时，混合气浓，且激冷作用增强故HC↑

4、转速的影响

1）转速与CO

转速对CO排入影响不大，在正常温度下，CO并不受混合气限制，而是取决于化学反映速度，故在怠速、减速和低速小负荷时，混合气偏浓，且气体压力与温度不高，混合气燃烧速度减慢，引起CO↑

2）转速与HC

转速↑，HC有明显下降，原因是转速提高增加了气缸中的扰流混合与涡流扩散。

5、温度的影响

1）低温

由于混合气过浓，燃油雾化不良，使CO↑，NOX↓而HC↑。

2）高温

由于燃烧温度异常升高，NOX↑。

六、废气分析的基本方法

1、废气测试基本值

1）怠速时正常废气排放量

正常废气排放浓度值

CO（%）

HC（10-6）

CO2（%）

O2（%）

0~3

0~250

13~15

1~2

2）不同工况下废气排放值

不同工况下废气排放浓度值范围

转速

CO（%）

HC（10-6）

CO2（%）

O2（%）

怠速

0.5~3

0~250

13~15

1~2

1500r/min空负荷

0~2.0

0~200

13~15

1~2

2500r/min空负荷

0~1.5

0~150

13~15

1~2

3）CO2（%）+CO（%）与空燃比的对照

CO2+CO与空燃比的对照表

空烯比

16：

1

15.5：

1

15：

1

14.7：

1

14.2：

1

13.7：

1

13：

1

12.5：

1

11.7：

1

CO2+CO（%）

13.5

14.0

14.5

14.7

15

15.5

16

16.5

17

说明CO2+CO（%）越大，混合气越浓

2、废气测试值与系统故障的关系

废气测试值与系统故障

CO

HC

CO2

O2

故障原因

低

很高

低

低

间歇性失火

低

很高

低

低

气缸压力

很高

很高/高

低

低

混合比浓

很低

很高/高

低

很高/高

混合比稀

高

低

正常

正常

点火太迟

低

高

正常

正常

点火太早

变化

变化

低

正常

EGR阀漏气

很低

很低

很低

很高

空气喷射系统

低

低

低

高

排气管漏气

3、废气分析的基本规则

1）HC和O2高，点火不良和混合气过稀引起失火

2）CO和HC高，CO2和O2低，混合气过浓

3）燃烧越完全，CO2就越高，（max为13.5%~14.8%），此时CO的读数越接近0%

4）O2<1%，混合气太浓，O2>2%说明混合气太稀（燃油滤清堵，燃油压力低、喷油器阻、真空漏气、废气再循环阀泄漏）

5）电喷发动机正常情况下：

HC：

55ppmCO：

<0.5%O2：

1%~2%CO2：

13.8%~15%

七、废气分析测试方法

a）故障灯指示正常

b）温度正常

1、正常测试c）加速至额定功率转速的70%，60S

d）保持额定转速的50%

e）取样管插入400mm，15S

f）读取30S内平均值

a）发动机温度正常

b）额定转速50%，保持2min

2、有催化器的测试c）怠速时O2应为1%左右，CO<0。

3%或CO2>14.2%表示催化

器工作正常

d）加浓混合气，O2慢慢下降，CO值增高约0.5%表示系统正

常

e）超出以上标准为不正常