汽车尾气排放与检测设计

本科毕业设计（论文）开题报告

题目电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析指导教师

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一、选题的目的、意义和研究现状

1.1选题的目的

世界范围内发生的能源危机及各国对汽车排放标准的不断提高，使人们对节约能源的要求越来越高。但是与此同时，新能源的汽车或者说电动车的发展缓慢，尤其是高额的成本和技术不成熟成为其普及的最大障碍。与此同时电子科技的发展与传统的发动机技术相结合，做到最大的程度的节省燃油，作为新能源汽车普及之前的过度技术变得越来越重要。这也是如今全球各大汽车厂商努力的方向。作为整车心脏的发动机，对于提高燃油经济性有更直接的作用。发动机需要根据各种工况，随时调整空燃比、喷油量、点火提前角等一些直接关系到燃油经济性的因素，所以准确的判断出各种工况是前提。通过各种传感器对发动机的运行状况进行分析便可得到其工况。本文就是用氧传感器通过对尾气进行分析，确定发动机的工况，然后将电信号传给ECU，与已经设定好的最优工况进行对比，作出反应，控制并调节节气门开度、喷油量和点火提前角。从而大大提高燃油经济性。

1.2 选题的意义

在新能源汽车普及之前，这是节约能源、保护环境的最佳措施。通过这个装置的设计，可以大大提高发动机燃油经济性。同时，这也具有巨大的社会意义。

1.3研究现状

现在的尾气检测装置，主要有传感器应用的差别和中央处理器的优劣。由于尾气中含有多种成分，所以单一的一种传感器并不能识别所有的气体的含量。所以尾气检测装置就无法做到精确的控制。

英国最近研制出一种光谱传感器，它通过对尾气的光谱分析，可以精确测算各种气体成分，从而为实现精确控制提供了可能。

二、研究方案及预期结果

（设计方案或论文主要研究内容、主要解决的问题、理论、方法、技术路线及论文框架等） 2.1论文主要研究内容与解决问题

1.发动机和氧传感器的选择及其参数了解。

2.电信号的转变，即数模转换。设计电路将氧传感器输出的信号输入ECU。

3.ECU的选择，熟悉各个引脚的功能。

4.编制程序，以实现对信号的处理，并向执行元件发出控制指令。

5.执行元件的选择。本文中选择节气门开度执行元件和点火装置作为执行元件来控制。

6.设计控制电路。

7.选择合适的发动机型号，并得到其调整特性。

8.将整个装置集成到一起，形成整个控制电路，不断进行调试，使其能很好的工作。2.2主要的理论方法

1.主要是通过单片机的模拟软件和电路的模拟软件，不断的进行调试，使得单片机和电路都能正常工作。对输入信号能做出正确的应有的反应。

2.3论文的主要框架

绪论

第一章绪言

第二章尾气排放控制与空燃比

第三章发动机样机选择

第四章尾气检测装置与控制系统中央控制模块

第五章前向通道模块与后向通道模块

第六章尾气检测与控制系统软件设计

第七章 MAP图制取与实验结果

第八章技术与经济性分析

第九章结论

致谢

附录：1.信号采集与控制电路图纸一张

2.执行元件-点火装置图纸一张

3.程序设计清单

4.设计说明书一份

三、研究进度

在总共十四周的毕业设计的时间内，安排如下：

第1-2周：毕业实习,查阅相关资料，熟悉毕业设计任务；

第3-4周：根据所查资料，撰写开题报告；

第5-6周：选取原样机（化油器式）和各种传感器并确定其参数，选取执行机构；

第7-8周：初步确定各种模块（传感器、执行机构）的外围电路；

第9-10周：单片机的选择，准备程序的编制；

第11-12周：编制单片机的程序；

第13-14周：综合的检测整个系统的运行情况并修正；

第15-16周：打印说明书和图纸，装订整理，准备答辩。

四、主要参考文献

[1]吴建华.汽车发动机原理[M].机械工业出版社.2008 第一版

[2]曾秦煌.电子技术[M].高等教育出版社.2006

[3] 胡乾斌，李光斌，李玲，喻红.单片微型计算机原理及应用[M].华中科技大学出版社.2001

[4]魁金文，王慧. 液压传动[M].东北大学出版社.2001

[5]周云山，钟勇. 汽车电子控制技术[M].机械工业出版社.2001

[6]赵丽娟，解中宁. 控制工程基础[M].东北大学出版社.2002

[7]中国电子技术协会敏感技术分会，北京电子协会，北京电子商会传感器分会.编传感器与执行器大全

[M].机械工业出版社.2008

[8]陈家瑞. 汽车构造（上）[M].机械工业出版社.2006

[9]李凤平，张世庆，苏猛，屈振生.机械图学[M].东北大学出版社.2001

[10] 赵振武，刘得新，李志军，刘书亮.TJ376Q轿车电控撰油喷射(EFI)汽油机动态空姗比特性实验研究

[J].天津大学.2001

[11]胡武，毕建权，陈忠官.机动车尾气检测装置[J].浙江大学.2001

[12]向禹.419QE型汽油机电控系统的匹配标定研究[J].武汉理工大学.2006

[13] 李光飞，李良儿，楼然苗.单片机c语言程序设计[M].北京航空航天大学出版社.2005

[14] 沙占友，孟志勇，王彦鹏.单片机外围电路设计[M].电子工业出版社.2006

[15]邢登军.发动机空燃比控制系统中的传感器[J].合肥工业大学.2008

五、指导教师意见

指导教师签字：

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

With China's sustained economic development and car ownership is on the rise, thus environmental pollution problems is becoming more and more serious. In response to increasingly stringent emission standards, exhaust gas detection devices are widely used. First, the three-way catalytic device have done a lot to reduce a variety of chemical pollutants, especially nitrogen oxides emissions.And in order to make the device more work in a more suitable station, air-fuel ratio must remain at 14.7 level as possible; second, through the oxygen sensor installed in the exhaust pipe and the signal on oxygen content in the exhaust gas backed to the ECU, it would be collected, such as engine speed, intake manifold pressure based on the data, and then adjuste the fuel injection pulse width, change the fuel injection quantity to achieve the best possible air fuel ratio.

419QE engine is the engine of our earlier model, still using more traditional carburetor-type fuel injection system, this paper use the engine data as the basis for design of electrical control system.

This paper analyzes the types of vehicle exhaust emissions and the formation mechanism and its impact，and introduce the increasingly stringent emissions regulations at home and abroad，and further shows the need for electronic control fuel injection and electronic control to solve the problem in the role of reducing emissions .

This paper choose the type of engine to be improved and make a number of parameters, and also choose a variety of sensors and their parameters, and focuses on the design of the electronic control circuit from the sensors (speed, intake valve pressure, oxygen sensor) to the CPU and then to the actuator ( injector) .

The article also identifies and optimizes Map diagram through a number of parameters，it provide a reliable basis for the ECU to control the fuel injectors and Ⅱintended function.

Key Words:Gasoline engine, exhaust gas detection, 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V olterra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]。Follmer W C和Ziesmer D A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。