【正文】 NOx、 SO微粒 物質(zhì)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(chǎn)物，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣過濃或燃燒質(zhì)量不佳時(shí)，易生成 CO 而從排氣管排出。特別是發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，混合氣供給偏濃，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在加速過程中供給較濃混合氣，或因點(diǎn)火過分推遲補(bǔ)燃增多時(shí)，均會(huì)使 CO 的排放量增加。 CO 進(jìn)入人體后極易與血紅蛋白結(jié)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(huì)使人感覺惡心、頭暈及疲勞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使人窒息 死亡。 2. HC 汽車尾氣中的 HC 是多種碳?xì)浠衔锏目偡Q，是發(fā)動(dòng)機(jī)未燃盡的燃料分解或供油系中燃料的蒸發(fā)所產(chǎn)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(dòng)機(jī)排氣管排出。單獨(dú)的 HC 只有在濃度高的情況下才會(huì)對人體產(chǎn)生影響，一般情況下作用不大。但 HC 能引起光化學(xué)反應(yīng)生成光化學(xué)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(qiáng)的刺激作用，嚴(yán)重時(shí)可致癌 【 5】 。 世界工業(yè)化進(jìn)程引起的能源大量消耗，導(dǎo)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(yīng)，會(huì)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(dòng)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(xué)原理、氫火焰離子化法 (FID)。根據(jù)不同的原理，就相應(yīng)有不同結(jié)構(gòu)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(jìn)行微量 ( 610? 級(jí) )分析；在一定的量程范圍內(nèi)，即使氣體濃度有極小變化也能檢測出來；當(dāng) CO 排放濃度較高時(shí)，尾氣中干擾成分對測定值的影響可略去不計(jì)：采用連續(xù)取樣系統(tǒng)，能觀察隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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(diǎn)是，儀器結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)速度快、測量精度高、操作簡便、壽命長、運(yùn)行費(fèi)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(chǔ)上。其吸收能量的紅外線波長稱為特征波長，吸收強(qiáng)度用吸收系數(shù)反映。當(dāng)紅外線通過氣體時(shí)，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(guān)，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(dāng)然測量時(shí)需在檢測室內(nèi)充入相應(yīng)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(shí)的HC 的檢測。在測定 HC 時(shí)，檢測室內(nèi)密封正己烷，其測定的結(jié)果以相當(dāng)于正己烷的濃度來表示，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)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(shí)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)過取樣室后，通過旋轉(zhuǎn)的紅外濾光片 (紅外濾光片分 CO、 CO HC 和基準(zhǔn)信號(hào)四個(gè)光片組成 )到達(dá)熱電堆產(chǎn)生電信號(hào)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的紅外濾光片旋轉(zhuǎn)一周， CO、 CO HC 和基準(zhǔn)青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 信號(hào)四個(gè)濾光片分別通過取樣室下方 一次，這樣在熱電堆上產(chǎn)生兩個(gè)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(jié)果。 電化學(xué)法 電化學(xué)法可用于測量 O NO、 SO2等。應(yīng)用該方法的檢測器結(jié)構(gòu)小巧簡單、價(jià)格低廉、易于更換，但是壽命短，因?yàn)闄z測器是電化學(xué)式的，屬消耗性的，壽命多為兩年以內(nèi)。當(dāng)有氣體通過時(shí)會(huì)輸出與氣體濃度成良好線性的電壓或者電流信號(hào)，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(xué)法檢測 O2濃度的原型。 具有對稱結(jié)構(gòu)，振動(dòng) 中偶極矩不發(fā)生變化的氣體，如氧氣 (O2)、氮?dú)?(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(jìn)行測量。汽車尾氣分析用氧電化學(xué)傳感器為金屬．氣體擴(kuò)散限制型，氧傳感器結(jié)構(gòu)由陽極電解液和陰極氣體組成，在陰極氧氣轉(zhuǎn)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(yīng)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(chǎn)生的電流與氧氣 (O2)的反應(yīng)量成正比，將電流值轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)，測量后就可得到氧氣的體積分?jǐn)?shù)。在實(shí)際應(yīng)用中由于氧傳感器的電信號(hào)受氣體擴(kuò)散率的影響，外界壓力的變化會(huì)引起氧氣分壓的改變，輸出電壓號(hào)也會(huì)隨之變化。經(jīng)試驗(yàn)其輸出的電壓信號(hào)與環(huán)境壓力之間的關(guān)系是線性的，以在儀器氣路設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)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(nèi)部一般內(nèi)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(hào)基本不產(chǎn)生影響。氧傳感器的設(shè)計(jì)壽命，在空氣 20℃左右時(shí)，大約為 2 年。正常情況時(shí)可穩(wěn)定地輸出 9mV～ 13mV 的電壓值，在儀器中應(yīng)用的典型的漂移值每年低于 5％，即在 1 個(gè)大氣壓的空氣中，輸出為 12mV 的傳感器在壽命結(jié)束時(shí)的輸出信號(hào)仍大于 10mV。氧傳感器的壽命由與氧氣接觸的反應(yīng)量決定，較高的溫度和氧濃度會(huì)增加傳感器的輸出，從而縮短其有效時(shí)間。壽命接近結(jié)束時(shí)，傳感器在空氣中的輸出信號(hào)會(huì)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(biāo)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(guān)系，具有測試精度高、反應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，多用于高精度測量試驗(yàn)。此類儀器可以連續(xù)長時(shí)間工作，但是配套價(jià)格昂貴。目前在國內(nèi)主要用于汽車與發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開發(fā)、汽車與摩托車生產(chǎn)一致性認(rèn)證與檢查。 化學(xué)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(yīng)速度快、線性度好等特點(diǎn)，其它則類似氫火焰離子化法。因此，各國權(quán)威機(jī)構(gòu)廣泛推薦的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣分析的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(guān)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(diào)頻脈沖光譜儀實(shí)時(shí)檢測汽車尾氣。 2． 3 尾氣排放的檢測方法 我國的機(jī)動(dòng)車控制排放采取的路線是：對汽油車先實(shí)行“怠速法”控制，再實(shí)施“強(qiáng)制裝置法”，即對曲軸箱排放和燃油蒸發(fā)進(jìn)行控制，最后實(shí)行工況法控制；對柴油車則是先實(shí)行 “ 自由加速法 ” 及“全負(fù)荷法一控制煙度，然后再實(shí)施工況法。國家 相關(guān)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(jī)動(dòng)車空擋靜止在怠速下測試其排放尾氣的各種成分，結(jié)果均是濃度值?？論蹯o止?fàn)顟B(tài)是：將發(fā)動(dòng)機(jī)置于無負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)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(dòng)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(fēng)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(dòng)機(jī)燃燒是否到達(dá)正常，從而降低油耗和排放。測量前，先將發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水和潤滑油的溫度達(dá)到汽車使用說明書所規(guī)定的“熱狀態(tài) ，并按規(guī)定進(jìn)行怠 速調(diào)整，然后將發(fā)動(dòng)機(jī)由怠速工況加速至 倍額定轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)在怠速狀態(tài)維持 15 秒后開始讀數(shù)據(jù)，取 30 秒內(nèi)的最高值和最低值，其平均值即為測量結(jié)果。 怠速法是我國早期排放標(biāo)準(zhǔn)中采用的一種方法，相比于雙怠速法、模擬工青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 況法來說，檢測要求并不嚴(yán)格，國 III 標(biāo)準(zhǔn)等測試規(guī)程已經(jīng)不采用這 類檢測方法。 2． 3． 2 雙怠速法 雙怠速法是機(jī)動(dòng)車空擋靜止經(jīng)過高怠速、低怠速測試其排放尾氣的各種成分，結(jié)果均是濃度值。雙怠速法方法增加了一個(gè)高怠速檢測點(diǎn)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(zhuǎn)化器是否在正常狀態(tài)。雖然不能完全反映機(jī)動(dòng)車的實(shí)際運(yùn)行狀況，但其操作簡單、快捷和費(fèi)用低廉而被廣泛應(yīng)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(dòng)機(jī)從怠速狀態(tài)加速至 70％額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn) 30s 后，用油門踏板將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在 50％額定功率轉(zhuǎn)速或制造廠技術(shù)文件中規(guī)定的高怠速轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)在高怠速范圍內(nèi)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(jié)束后，切換到低怠速測量，發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàng) GBl8285— 2021 中規(guī)定的高怠速轉(zhuǎn)速為： (2500+100)r／ min【 11】 。 2． 3． 3 簡易工況法 簡易工況法 (ASM)是機(jī)動(dòng)車在測功機(jī)上按特定低速／高速工況規(guī)范模擬在道路上運(yùn)行，測試其排放尾氣的各種成分，各成分的分析結(jié)果是濃度或質(zhì)量。簡而言之，簡易工況法就是利用專業(yè)設(shè)備，使汽車可在保持位置不也得前提瞎動(dòng)模擬在路面實(shí)際的勻速行駛狀況，并通過儀器設(shè)定，給汽車相應(yīng)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(shí)間汽車的尾氣排放情況 【 12】 。 利用 ASM對汽車尾氣進(jìn)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(dòng)機(jī)儲(chǔ)備功率的 50％進(jìn)行加載，速度為 24km／ h，檢測 90 秒； 2540 指的是對汽車按照發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備功率的 25％進(jìn)行加載，速度為 40km／ h，檢測 90 秒。檢測時(shí)如果第一種狀態(tài)達(dá)標(biāo)，第二種狀態(tài)可免試，兩種狀態(tài)檢測時(shí)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)