【正文】 NOx、 SO微粒 物質等。本文僅對課題中需要檢測的 CO、HC、 CO三種氣體作如下分析： CO 是燃料不完全燃燒的產物，當發(fā)動機混合氣過濃或燃燒質量不佳時，易生成 CO 而從排氣管排出。特別是發(fā)動機怠速時，混合氣供給偏濃，發(fā)動機工作循環(huán)中的氣體壓力和溫度不高，燃燒速度減慢，因不完全燃燒所生成的 CO 濃度增高；發(fā)動機在加速過程中供給較濃混合氣，或因點火過分推遲補燃增多時，均會使 CO 的排放量增加。 CO 進入人體后極易與血紅蛋白結合，可使血液攜帶氧的能力降低而引起缺氧。 CO 被人體吸收后會使人感覺惡心、頭暈及疲勞，嚴重時會使人窒息 死亡。 2. HC 汽車尾氣中的 HC 是多種碳氫化合物的總稱，是發(fā)動機未燃盡的燃料分解或供油系中燃料的蒸發(fā)所產生的氣體。汽車排放污染物中， HC 的 20％～ 25％來自曲軸箱竄氣， 20％來自化油器和燃油箱中的蒸發(fā)，其余則由發(fā)動機排氣管排出。單獨的 HC 只有在濃度高的情況下才會對人體產生影響，一般情況下作用不大。但 HC 能引起光化學反應生成光化學氧化劑，且生成甲醛，形成煙霧，對人的眼、鼻和喉嚨粘膜有較強的刺激作用，嚴重時可致癌 【 5】 。 世界工業(yè)化進程引起的能源大量消耗，導致大氣 CO2的劇增。其中約 30％來自汽 車尾氣。 CO2 為無色無毒氣體，對人體無直接危害，但大氣中 CO2 的大幅度增加，因其對紅外熱輻射的吸收而形成的溫室效應，會使全球氣溫上升、南北極冰層溶化；海平面上升；大陸腹地沙漠趨勢加劇，使人類和動植物賴以生存的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。 汽車尾氣檢測原理 青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 目前汽車尾氣分析儀最常用的測試原理有：不分光紅外線分析原理 (NDIR)、電化學原理、氫火焰離子化法 (FID)。根據(jù)不同的原理，就相應有不同結構的傳感器，分別適合測試不同氣體成分。 用不分光紅外分析 (NDIR) NDIR 是英文 Non． Dispersive Infrared Analyzer 的簡稱，是目前測定 CO 的最好的方法。其測量上限為 100％，下限可進行微量 ( 610? 級 )分析；在一定的量程范圍內，即使氣體濃度有極小變化也能檢測出來；當 CO 排放濃度較高時，尾氣中干擾成分對測定值的影響可略去不計：采用連續(xù)取樣系統(tǒng)，能觀察隨發(fā)動機運轉條件變化而引起的排氣成分的變化。 NDIR 還可測量 HC 化合物、 CO2等氣體。不分光紅外吸收法 (NDIR)的特點是，儀器結構簡單、反應速度快、測量精度高、操作簡便、壽命長、運行費用低，可用于分析測試 CO、 CO HC、 NOx等氣體的濃 度。 NDIR 法的是建立在惰性氣體不吸收紅外線能量，而異原子組成的氣體如汽車尾氣中的 CO、 HC、 CO2等均能吸收一定波長的紅外線能量的基礎上。其吸收能量的紅外線波長稱為特征波長，吸收強度用吸收系數(shù)反映。當紅外線通過氣體時，由于氣體對紅外線波段中特征波長紅外線能量的吸收，紅外線的能量將減少，其減少量 E? 與氣體濃度 C、氣體室厚度，和吸收系數(shù) K 有關，服從朗伯一比爾 (Lambert— Beer)定律 【 6】 ，即： 00 (1 )KIE E E E C ?? ? ? ? ? （ 21） 式中： E0 入射紅外線能量； E：出射紅外線能量。 汽車尾氣中不同氣體的特征波長和吸收系數(shù)見表 21。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 8 表 21不同氣體的特征波長和吸收系數(shù) Table 21 the characteristics of different gases wavelength and absorption coefficient 氣體種類 CO CO2 CH4 C6H14 NO 特征波長（ μ m） 吸收系數(shù) K 110 60 90 不分光紅外分析儀，可測量 CO、 CO CH C6H1 NO 等多種氣體成分，當然測量時需在檢測室內充入相應的氣體。汽車排放法規(guī)中一般規(guī)定不分光紅外分析儀只用于檢測 CO 和 CO2，但由于它的便攜性，故也被廣泛用于怠速時的HC 的檢測。在測定 HC 時，檢測室內密封正己烷，其測定的結果以相當于正己烷的濃度來表示，發(fā)動機排氣中有上百種 HC，而這種儀器只能檢測某一波長段的 HC。該分析儀，對飽和烴敏感，而對非飽和烴和芳香烴不敏感，因此，其測量結果主要反映了飽和烴的含量，而不代表排氣中各種烴類的總含量。故在要求高精度 測量時，不分光紅外分析儀不能用來測量 HC【 7】 。 2. 紅外氣體分析裝置結構原理圖 根據(jù)上述原理制成的紅外氣體傳感器如圖 21 所示。 圖 21紅外式氣體傳感器結構示意圖 Figure 21 Infrared Gas Analyzer Schematic 紅外線光源發(fā)出的紅外線的波長在 2μ m～ 7μ m 間，紅外線經過取樣室后，通過旋轉的紅外濾光片 (紅外濾光片分 CO、 CO HC 和基準信號四個光片組成 )到達熱電堆產生電信號，當旋轉的紅外濾光片旋轉一周， CO、 CO HC 和基準青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 信號四個濾光片分別通過取樣室下方 一次，這樣在熱電堆上產生兩個正半周期的正弦波形幅值在 0 mV～ 1mV。氣體的濃度越高，波形幅值越小，反之越大。根據(jù)通入氣體前后的幅值變化，可以得到尾氣各組分含量的檢測結果。 電化學法 電化學法可用于測量 O NO、 SO2等。應用該方法的檢測器結構小巧簡單、價格低廉、易于更換，但是壽命短，因為檢測器是電化學式的，屬消耗性的，壽命多為兩年以內。當有氣體通過時會輸出與氣體濃度成良好線性的電壓或者電流信號，通過一定的電路處理輸送給顯示器。下面給出氧傳感器使用電化學法檢測 O2濃度的原型。 具有對稱結構，振動 中偶極矩不發(fā)生變化的氣體，如氧氣 (O2)、氮氣 (N2)，由于不存在紅外特征波長，就不能采用不分光紅外吸收法 (NDIR)進行測量。汽車尾氣分析用氧電化學傳感器為金屬．氣體擴散限制型，氧傳感器結構由陽極電解液和陰極氣體組成，在陰極氧氣轉化為氫氧根離子 (4OH? )： 222 4 4O H O e O H ?? ? ? （ 22） 在陽極氫氧根離子與金屬鉛 (Pb)反應生成金屬氧化物： 22 4 2 2 4Pb O H PH O H O e ?? ? ? ? （ 23） 根據(jù)法拉第定律，產生的電流與氧氣 (O2)的反應量成正比，將電流值轉換電壓信號，測量后就可得到氧氣的體積分數(shù)。在實際應用中由于氧傳感器的電信號受氣體擴散率的影響，外界壓力的變化會引起氧氣分壓的改變，輸出電壓號也會隨之變化。經試驗其輸出的電壓信號與環(huán)境壓力之間的關系是線性的，以在儀器氣路設計時，要盡量將氧傳感器安裝在儀器的出氣口，使該處的氣體壓力與環(huán)境大氣的壓力盡量接近以得到穩(wěn)定可靠的輸出結果。 由于溫度對氧傳感器的輸出具有一定的影響， 氧傳感器內部一般內置有溫度校正電路，以消除溫度變化的影響，通過溫度校正，溫度變化對輸出信號基本不產生影響。氧傳感器的設計壽命，在空氣 20℃左右時，大約為 2 年。正常情況時可穩(wěn)定地輸出 9mV～ 13mV 的電壓值，在儀器中應用的典型的漂移值每年低于 5％，即在 1 個大氣壓的空氣中，輸出為 12mV 的傳感器在壽命結束時的輸出信號仍大于 10mV。氧傳感器的壽命由與氧氣接觸的反應量決定，較高的溫度和氧濃度會增加傳感器的輸出，從而縮短其有效時間。壽命接近結束時，傳感器在空氣中的輸出信號會迅速地降為 10mV。這可以作為判定氧傳感器 失效的基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng) 10標志。 2． 2． 3 其它方法 氫火焰離子化法用于 HC 的測量，它的輸出與碳原子數(shù)成良好線性關系，具有測試精度高、反應快、結構簡單、易維護的優(yōu)點，多用于高精度測量試驗。此類儀器可以連續(xù)長時間工作，但是配套價格昂貴。目前在國內主要用于汽車與發(fā)動機的研究開發(fā)、汽車與摩托車生產一致性認證與檢查。 化學發(fā)光法主要用于分析測試 NO、 NOx 等成分。它同樣具有靈敏度高、反應速度快、線性度好等特點，其它則類似氫火焰離子化法。因此，各國權威機構廣泛推薦的發(fā)動機排氣分析的標準方法是：用氫火焰離子化法分析 HC，用不分光紅外吸收法 分析 CO、 CO2，用磁壓法或氧化鋯法分析排放尾氣中的氧，用化學發(fā)光法分析 NO、 NOx。國外的研究中還有利用聲光檢測汽車尾氣的，J． Cihelka 等人更為關注光譜的分析，給出了最適合的工作頻域， M． MtCulloch等人則研究使用線形調頻脈沖光譜儀實時檢測汽車尾氣。 2． 3 尾氣排放的檢測方法 我國的機動車控制排放采取的路線是：對汽油車先實行“怠速法”控制，再實施“強制裝置法”，即對曲軸箱排放和燃油蒸發(fā)進行控制，最后實行工況法控制；對柴油車則是先實行 “ 自由加速法 ” 及“全負荷法一控制煙度，然后再實施工況法。國家 相關法規(guī)中有如下排放檢測方法 【 8】 。 2． 3． 1 怠速法 怠速法是機動車空擋靜止在怠速下測試其排放尾氣的各種成分，結果均是濃度值。空擋靜止狀態(tài)是：將發(fā)動機置于無負載運轉狀態(tài)，即離合器處于接合位置，變速器處于空擋位置 (對于自動變速箱的車處于“停車”或“ P”檔位 )；采用化油器供油系統(tǒng)的車，阻風門處于全開位置，油門踏板處于完全松開位置 【 9】 。 測量汽車怠速污染物濃度的目的是判斷汽車發(fā)動機燃燒是否到達正常，從而降低油耗和排放。測量前，先將發(fā)動機的冷卻水和潤滑油的溫度達到汽車使用說明書所規(guī)定的“熱狀態(tài) ，并按規(guī)定進行怠 速調整，然后將發(fā)動機由怠速工況加速至 倍額定轉速下，維持 60 秒后降至怠速狀態(tài)，再將排氣分析儀的取樣探頭插入排氣管中 400mm 并固定，發(fā)動機在怠速狀態(tài)維持 15 秒后開始讀數(shù)據(jù)，取 30 秒內的最高值和最低值，其平均值即為測量結果。 怠速法是我國早期排放標準中采用的一種方法，相比于雙怠速法、模擬工青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 況法來說，檢測要求并不嚴格，國 III 標準等測試規(guī)程已經不采用這 類檢測方法。 2． 3． 2 雙怠速法 雙怠速法是機動車空擋靜止經過高怠速、低怠速測試其排放尾氣的各種成分，結果均是濃度值。雙怠速法方法增加了一個高怠速檢測點和空燃 比 (又稱過量空氣系數(shù) )λ 的監(jiān)測，通過對 λ 的解讀，可以判斷催化轉化器是否在正常狀態(tài)。雖然不能完全反映機動車的實際運行狀況，但其操作簡單、快捷和費用低廉而被廣泛應用 【 10】 。 根據(jù)法規(guī)要求，雙怠速測量的具體檢測流程是： 1．高怠速測量廢氣： 發(fā)動機從怠速狀態(tài)加速至 70％額定轉速運轉 30s 后，用油門踏板將發(fā)動機轉速穩(wěn)定控制在 50％額定功率轉速或制造廠技術文件中規(guī)定的高怠速轉速。將取樣探頭插入排氣管，深度等于 400mm，并固定于排氣管上，發(fā)動機在高怠速范圍內維持 15s 后，由分析儀讀出測量平均值。 2．低怠速測量： 在高怠速測量結束后，切換到低怠速測量，發(fā)動機從高怠速狀態(tài)降至怠速狀態(tài)并在怠速狀態(tài)維持 15s 后開始讀數(shù) 。 3．注意事項 GBl8285— 2021 中規(guī)定的高怠速轉速為： (2500+100)r／ min【 11】 。 2． 3． 3 簡易工況法 簡易工況法 (ASM)是機動車在測功機上按特定低速／高速工況規(guī)范模擬在道路上運行，測試其排放尾氣的各種成分，各成分的分析結果是濃度或質量。簡而言之，簡易工況法就是利用專業(yè)設備，使汽車可在保持位置不也得前提瞎動模擬在路面實際的勻速行駛狀況，并通過儀器設定，給汽車相應的加載量，模擬汽車在載 重或爬坡是的狀態(tài)，再檢測這段時間汽車的尾氣排放情況 【 12】 。 利用 ASM對汽車尾氣進行檢測可分為兩種狀態(tài)，分別稱為“ 5024”和“ 2540”。5024 指的是對汽車按照發(fā)動機儲備功率的 50％進行加載，速度為 24km／ h，檢測 90 秒； 2540 指的是對汽車按照發(fā)動機儲備功率的 25％進行加載，速度為 40km／ h，檢測 90 秒。檢測時如果第一種狀態(tài)達標，第二種狀態(tài)可免試，兩種狀態(tài)檢測時間共為 6 分鐘，如圖 24 所示。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測系統(tǒng)