汽油发动机尾气排放物的检测与分析(1)

郑州工业应用技术学院

毕业论文

题目：汽油发动机尾气排放物的检测与分析

指导教师：郭斌峰职称：老师

学生姓名：祁放学号：1302020149

专业：汽车运用技术

院（系）：机电工程学院

答辩日期： 2016年6月01日

2016年6月01日

摘要

随着我国国民经济的持续而且稳定的发展，中国的汽车工业得到很快的发展。汽车运输业和服务业以及汽车制造业在国民经济建设中发挥着至关重要的作用，汽车保有量的增长直接导致了燃油的大量消耗，并因此产生了大量的汽车尾气有害气体。尤其是在一些大中城市，汽车尾气造成的环境污染日益严重。目前这已经是世界性的问题。所以对汽车发动机尾气排放物的检测与分析以及防止的方法达到了刻不容缓的地步。本文将通过对汽油发动机排放的尾气进行检测与分析来进一步了解起形成过程，检测方法以及检测对象对象：一氧化碳、碳氢化合物、碳氧化合物、微粒烟尘、空燃比、三元催化装置，传感器的检测与分析。最终来完成对汽油发动机尾气排放物的检测与分析。

关键词：汽油发动机尾气、检测分析对象、检测方法

Detection and analysis of exhaust emissions from gasoline

engine

With the sustained and steady development of China"s national economy, China"s auto industry has been developing rapidly. Car transportation industry and service industry and automobile manufacturing industry in the national economy construction plays a crucial role, car ownership growth led directly to a large amount of fuel consumption, and thus produced a large number of harmful automobile exhaust gas. Especially in some large and medium cities, the environmental pollution caused by automobile exhaust has become more and more serious. At present, this is a worldwide problem. So the detection and analysis of exhaust emission of automobile engine and the method to prevent the situation has reached the point of no delay. The exhaust of gasoline engine emissions were detected and analyzed to further understand the formation process, detection method and detection object: CO, hydrocarbons, carbon and oxygen compounds, smoke and dust particles, sensors and active carbon tube detection and analysis. Finally, the detection and analysis of gasoline engine exhaust emissions.

Key words: gasoline engine tail gas, detection and analysis object, detection method

目录

摘要 (2)

目录 (4)

绪论 (5)

一、汽油发动机尾气与空燃比 (6)

（一）尾气的构成及产生机理 (6)

（二）空燃比对排放的影响 (7)

二、机动车尾气排放检测方法 (7)

三、氧传感器和三元催化装置的作用和检测 (9)

(一)氧传感器 (9)

(二）三元催化装置 (11)

四、汽车废气分析仪使用操作 (11)

（一）仪器准备 (11)

（二）车辆准备 (11)

（三）双怠速排放测量 (12)

（四）怠速排放测量 (12)

五、检测结果与系统故障分析 (13)

六、结论 (14)

七、致谢 (15)

八、参考文件 (15)

绪论

目前，日益严重的全球环境恶化已威胁到人类的生存和社会的发展，环境问题已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，据有关资料介绍，世界汽车保有量已经达到了7.5亿辆以上。我国汽车也超过了2.7亿辆。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一氧化碳、碳氢化合物、碳氧化合物的含量已经超过国家二级标准的规定，大气中污染物中60.8%的一氧化合物、8.6%的碳氢化合物、5.47%的碳氧化合物来自机动车的排放。同时，有限的地下石油资源枯竭之日已近在眼前，据有关经济学家的反复论证，石油储量够用时间已缩短30年，原先的产油国在21世纪将变成进口能源国家，各国为能源安全而展开的石油争夺战将更加激烈。其中，提高三元催化装置的转化效率是一个重要措施。然而，只有通过准确的将空燃比控制在14.7的水平，三元催化装置才能提高效率工作，所以这就需要仔细研究，检测和分析汽油发动机尾气排放物的，以此进最大可能提高空燃比。

一、汽油发动机尾气与空燃比

（一）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、碳氧化合物和微粒等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。机理主要有一下几条：1，燃烧不完全是由于缺氧而造成的，理论上空燃比a=14.9时，烃类能完全燃烧，生成二氧化碳和水；当a<14.9时，即混合气浓度过浓时，燃烧就为不完全燃烧，会生成中间产物一氧化碳。2，混合气不均匀。即自抚养燃烧（a>14.9)时，混合气也不可能绝对的均匀，总会有过浓区，就会产生一氧化碳。3，二氧化碳与水在高温下离解。当发动机的缸内温度超过200度，二氧化碳就会发生高温离解反应，温度越高，离解反应越严重，生成的一氧化碳越多。

碳氢化合物有数百种成分，基本上无色无味，其中碳氢化合物的排放生成有一下三个方式：1，未燃烧的碳氢化合物随着燃烧后的尾气、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，燃烧室壁而对火焰的迅速冷却火焰不能一直传播到缸壁的表面留下一层未燃烧的或不完全燃烧的混合气。冷激效应是冷启动、暖机和怠速工况时碳氢化合物的重要来源。3，油膜和沉淀物吸附。在进气和压缩过程中，汽缸套壁和活塞顶而上的润滑油膜会吸附未燃烧蒸汽，随后当混合气中燃油浓度与燃烧而降到零度时，油膜就释放出油气。由于释放时刻较迟，只能部分被氧化。这种机理产生的碳氢化合物占总量的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烧雾化蒸发和混合气形成变差，从而导致燃烧变慢和不稳定，有可能是火焰在到达壁前因膨胀使缸内气体温度和压力下降造成可燃混合气大容积淬熄，是碳氢化合物排放激增。影响一氧化碳的因素有三个：1，氧的浓度。在高温条件下，氧的浓度是生成一氧化碳的重要因素。在氧浓度低时，即温度高，一氧化碳的生成也要受到限制。2，湿度。高温是最重要的条件，即使氧气很充足，但燃烧湿度不高，氧的分解进行慢，一氧化碳的生成浓度很低。当反应温度从2237度到2337度时，一氧化碳的生成率几乎可以快一倍燃烧进行的越充分，燃烧温度越高，一氧化碳的浓度越高，这也就是一氧化碳与消耗之间相互矛盾的原因。因为从燃烧经济性观点来看，就要求燃油效率高，燃油进行的越充分完全，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，因而一氧化碳生成量就多。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。一氧化碳生产量必然增多。一氧化碳生成反应是可逆的反应，但一氧化碳在燃气中逆反应速率缓慢，从而使气缸内的一氧化碳实际浓度由于逆反应速率太低而几乎没有下降，一氧化碳就会冻结在一个非平衡的高浓度水平上而从尾气中排出。

（二）空燃比对排放的影响

汽油机的排气是汽车排放污染物的主要来源。它们的排放量与空燃比点火提前角、发动机结构等因素有关，其中空燃比和点火提前角的影响最大。有害气体浓度与燃烧时空燃比有密切关系。排气中一氧化碳的浓度，大致上取决于空燃比。当混合气教稀，空燃比在16以上时，空燃比的变化对一氧化碳的影响不大。而当空燃比小于16时随着空燃比的减小，一氧化碳的浓度便急剧增加，碳氢化合物排放主要取决与燃烧过程中未燃烧混合气的多少，碳氢化合物排放在空燃比为17是局有最佳值，空燃比偏高17时排放增大。发动机排放出的碳氧化合物，除少量二氧化碳外，大量是一氧化碳其中生成条件是高温富氧，当混合气空燃比为15.5、16 是一氧化碳浓度最高。空燃比增大或减少，一氧化碳浓度会逐渐降低。由以上分析可以看出一氧化碳、碳氢化合物、碳氧化合物随空燃比变化的规律不一样，有时候是截然相反的，另外排放指标一动力性、经济性之间也有矛盾，所以空燃比控制要兼顾各种因素的影响

二、机动车尾气排放检测方法

机动车尾气检测的主要对象是尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、碳氧化合物等主要污染物的浓度和单位排放值。根据机动车的使用年限不同，对机动车分为了新车和在用车两类，这两类车的尾气检测方法也不同。无负荷法主要有怠速、高怠速法和双怠速法，这三种方法对机动车在空在世发动机怠速运转状态下的尾气排放特征进行检测，由于怠速法测得的数值稳定，设备简单，在我国广大的车管所和监测站等部门得到普遍应用，但这种方法没有真实反应出机动车的实际工作状况，而且发动机在怠速状态下运行，催化器的工作效率差，凭测得的碳氢化合物数值难以判断催化器的转换效率。为了克服上述缺点，许多检测机构采用了双怠速法检测尾气排放。双怠速发也是机动车空档无负荷的情况下，发动机加速至额定转数的70%保持30S，然后保持高

怠速15S后怠速采样30S。双怠速法是目前我国各地区的车管所部门检测尾气排放应用最普遍的方法。技术成熟、操作方便。但是这种方法的缺点也是显而易见的，由于起检测原理的限制，无法测定高排放的碳氢化合物值。工况法依托底盘测试机，模拟发动机的负荷工作状态，再对取尾气进行检测。国标中推荐了三种工况法，分别是稳态工况法、简易瞬态工况法和瞬态工况法。稳态工况法主要是指加速模拟工况法，它是根据车的排放性能和交通状况等因素，利用地盘测试机，检测机动车在25km/h和40km/h两个工况的尾气排放数据，测定结果是不同工况下的排放浓度。瞬时工况法指和启动等状态进行测试。由于瞬时工况法是建立在真实的工况基础上，该方法具有与新车认证检测的相关性好，错判，误判率低等优点，而且瞬时工况的技术与设备复杂，仅在国外有应用，国内应用上未普及。为了推广瞬态工况法，我国的国标推荐了简易瞬态工况法，该方法的技术门槛低。目前全国各地的新建尾气排放监测站多采用简易瞬态工况法，整个检测过程仅耗时195秒左右，与瞬态工况法所需的10分钟相比，检测时间大大缩短，而且可以不必采用瞬时工况法那样复杂的技术和昂贵的设备，应用推广的阻力大大减小。

下图为在用汽车排放污染物排放值限制(积分体积）

三、氧传感器和三元催化装置的作用

(一）氧传感器

电喷车为获得高排气净化率，降低排气中一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物成份，必须利用三元催化器。但为了能有效地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接近理论空燃比。催化器通常装在排气歧管与消声器之间。氧传感器具有一种特性，在理论空燃比附近它输出的电压有突变。这种特性被用来检测排气中氧

气的浓度并反馈给电脑，以控制空燃比。当实际空燃比变高，在排气中氧气的浓度增加而氧传感器把混合气稀的状态通知ECU。当空燃比比理论空燃比低时，在排气中氧气的浓度降低，而氧传感器的状态通知电脑。根据来自氧传感器的电动势差别判断空燃比的低或高，并相应地控制喷油持续的时间。但是，如氧传器有故障使输出的电动势不正常，电脑就不能精确控制空燃比。可以说是电喷系统中唯一有“智能”的传感器。传感器的作用是测定发动机燃烧后的排气中氧是否过剩的信息，即氧气含量，并把氧气含量转换成电压信号传递到发动机计算机，使发动机能够实现以过量空气因数为目标的闭环控制；确保三元催化转化器对排气中的碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化合物三种污染物都有最大的转化效率，最大程度地进行排放污染物的转化和净化。所以不难看出氧传感器对于汽油发动机是多么的重要特别是在尾气排放方面，其故障现象主要体现在：

1.积碳由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或氧传感器内部进入了油污或尘埃等沉积物，会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出的信号失准，ECU不能及时地修正空燃比。产生积碳，主要表现为油耗上升，排放浓度明显增加。此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。

2.氧传感器陶瓷碎裂氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而失效。因此，处理时要特别小心，发现问题及时更换。

3.加热器电阻丝烧断对于加热型氧传感器，如果加热器电阻丝烧蚀，就很难使传感器达到正常的工作温度而失去作用。

4.氧传感器内部线路断脱。

5.氧传感器外观颜色的检查从排气管上拆下氧传感器，检查传感器外壳上的通气孔有无堵塞，陶瓷芯有无破损。如有破损，则应更换氧传感器。通过观察氧传感器顶尖部位的颜色也可以判断故障：①淡灰色顶尖：这是氧传感器的正常颜色；②白色顶尖：由硅污染造成的，此时必须更换氧传感器；③棕色顶尖：由铅污染造成的，如果严重，也必须更换氧传感器；④黑色顶尖：由积碳造成的，在排除发动机积碳故障后，一般可以自动清除氧传感器上的积碳。

后氧传感器：现今车辆安有两个氧传感器，三元催化器前放一个，后放一个。前方的作用是检测发动机不同工况的空燃比，同时电脑根据该信号调整喷油量和计算点火时间。后方的主要是检测三元催化器的工作好坏！即催化器的转化率。通过与前氧传感器的数据作比较来检测三元催化器是否工作正常(好坏)的重要依据.

(二）三元催化装置

汽车三元催化器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的一氧化碳、碳氢化合物和碳氧化合物等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。由于这种催化器可同时将废气中的三种主要有害物质转化为无害物质，故称三元。汽车发动机的电喷装置一般是由喷油油路、传感器组和电子控制单元三大部分组成的。如果喷射器安装在原来化油器位置上，即整个发动机只有一个汽油喷射点，这就是单点电喷；如果喷射器安装在每个气缸的进气管上，即汽油的喷射是由多个地方。这一调整经常会超过一点理论值，氧传感器察觉出来，并报告计算机，计算机再发出命令调回到14.7：1。因为每一个调整的循环都很快，所以空燃比不会偏离14.7：1，一旦运行，这种闭环调整就连续不断。采用闭环控制的电喷发动机，由于能使发动机始终在较理想的工况下运行，从而能保证汽车不仅具有较好的动力性能，还能省油。所以结合上面的检测方法和分析我们不难看出三元催化装置和氧传感器对于汽油发动机是有多重要，直接影响到了汽油发动机尾气排放物的合格与否。所以定期检查三元催化和氧传感器是对汽车的爱护也是对环境、自身安全的保护

四、汽车废气分析仪使用操做

(一)仪器准备：

（1）安装取样管。检查各连接处，确认连接可靠，无泄漏。

（2）确认前置过滤器、分水过滤器、粉尘过滤器及二次过滤器里分别装入洁净的滤芯和滤纸。（3）连接电源线、油温测量探头和转速测量钳。

（4）仪器预热预热时间为600秒。

（5）泄漏检查用密封套堵住探头，然后按k键。检漏时间10秒。

（6）自动调零

（二)车辆准备:

（1）进气系统应装有空气滤清器，排气系统应装有排气消声器，并不得有泄露；（2）应保证取样探头插入排气管的深度不小于300mm；

（3）发动机冷却水和润滑油温度应达到规定的热状态。

（三）双怠速排放测量：

（1）HC残留物检查及发动机预热

①进入“双怠速标准测量”子菜单后，仪器首先开始HC残留物检查。

②HC残留物检查结束时，设置发动机额定转速标称值（精确到100r/min），然后按下K 键确认。

③按下K 键后，进入发动机预热阶段，如果发动机润滑油温度达不到80℃，加速到0.7倍额定转速设定值。

④保持设定转速30秒，预热完成，进入排放测量阶段。

（2）测量高怠速下的排放

①发动机预热结束时，进入高怠速排放测量阶段，减速并保持0.5额定转速，插入取样探头，插入深度为400mm。

②取样45秒，前15秒为预备阶段，后30秒为实际取样阶段。③取样结束，高怠速排放测量完毕。

（3）测量怠速下的排放

①减速至怠速，并保持怠速，开始取样（45秒）

②取样结束，怠速下的排放测量完毕。

③记录测量数据，并进行结果分析

（四）怠速排放测量

（1）预热结束后，减速至怠速。

（2）插入取样探头，深度400mm，同时使发动机继续保持怠速。

（3）插好取样探头后，仪器开始对排气取样。取样时间45秒，前15秒是预备阶段，后30秒为实际取样阶段。

（4）记录测量数据，并进行结果分析。

五、检测结果与系统故障分析

HC的读数高,说明燃油没有充分燃烧。混合气过浓或过稀(可通过一氧化碳和氧气的含量来判定到底是混合气过浓还是过稀) 、点火系统缺火或点火能量不足、配气相位不正确、点火正时不准确、油压过高或过低、气缸密封性不良、发动机温度过低、混合气由燃烧室向曲轴箱泄漏、三元催化转换器故障、二次空气喷射控制系统故障、燃油蒸发控制系统不能正常工作、温度传感器不良、喷油嘴漏油或堵塞等因素都将导致HC读数过高。

一氧化碳的读数是零或接近零,则说明混合气充分燃烧。一氧化碳的含量过高,表明燃油供给过多、空气供给过少,燃油供给系统和空气供给系统有故障，如喷油嘴漏油、燃油压力过高、空气滤清器不洁净被阻塞，其它问题如三元催化转换器有故障、二次空气喷射控制系统存在故障、燃油蒸发控制系统不能正常工作、活塞环胶结阻塞、曲轴箱强制通风系统受阻、点火提前角过大或水温传感器有故障等。

二氧化碳是可燃混合气燃烧的产物，CO2的高低反映出混合气燃烧的好坏即燃烧效率。可燃混合气燃烧越完全,CO2的读数就越高,混合气充分燃烧时尾气中CO2的含量达到峰值13 %～16 %(无论是否装有催化转化器) 。当发动机混合气出现过浓或过稀时,CO2的含量都将降低。当排气管尾部的CO2低12%时,要根据其他排放物的浓度来确定发动机混合气是过浓还是过稀。燃油滤芯太脏、燃油油压低、喷油嘴堵塞、真空泄漏、EGR 阀泄漏等将造成混合气过稀,而空气滤清器阻塞、燃油压力过高等都可能导致混合气过浓。

氧气的含量是反映混合气空燃比的最好指标,其读数是最有用的诊断数据之一,和其它3个读数一起能帮助找出诊断问题的难点。如上所述,可燃混合气燃烧越完全,二氧化碳的读数就越高。与此相反,燃烧正常时,只有少量未燃烧的氧气通过气缸,尾气中氧气的含量应为1%～2%，氧气的读数小于1%说明混合气过浓，氧气的读数大2% 表示混合气太稀。混合气过浓，氧气的读数低而一氧化碳的读数高，反之混合气过稀，氧气的读数高而一氧化碳的读数低。导致混合气过稀的原因很多,如燃油滤芯太脏、燃油油压低、喷油嘴堵塞、真空泄漏、EGR阀泄漏等。而空气滤清器阻塞、燃油压力过高等都可能导致混合气过浓。

当氧气读数偏低、而一氧化碳读数偏高时,应主要检查混合气过浓的原因，如喷油器有故障(喷油器密封不严造成燃油泄露) 、燃油压力调节器损坏造成燃油压力过

高、与燃油喷射系统有关的传感器和发动机控制模块存在故障、曲轴箱强制通风系统存在故障使过多的曲轴箱窜气参与燃烧、燃油蒸发控制系统不能正常工作造成混合气过浓等。

利用功率平衡试验和尾气分析仪的读数，可指出每个缸的工作状况,进行各缸工作均匀性判断。如果每个缸一氧化碳、二氧化碳的读数都下降，碳氢化合物、氧气的读数都上升,且上升和下降的量都一样，表明每个缸都工作正常。如果只有一个缸的变化很小，而其它缸都一样，表明这个缸点火和燃烧不正常。另外，当某缸不工作时，O2的浓度即会增加。如四缸发动机当有一缸不工作时，其浓度将上升到4.75%～

7.25% ，若有两缸不工作，则会上升到9.5%～12.5%。

结论

通过以上对汽油发动机尾气排放物的检测与分析我们不难看出排放物大致是由于一氧化碳，碳氢化合物以及碳氧化合物，微粒烟尘等有害气体组成的。它们有经过三元催化装置的过滤转化成了水和二氧化碳等无害气体，所以尾气排放物中的有害气体是可变，而影响其原因却很多，三元催化装置、氧传感器、空燃比这些都是直接影响的。通过用专业仪器对排放物的检测更能够很好的帮助我们汽车维修人员进行方便，快捷，有效，准确的找到汽车故障范围。有利于我们找到维修方向，所以通过对汽油发动机尾气排放物的检测与分析我们不仅仅可以知道汽车发动机的工况情况更可以通过它来进行车审，时刻了解发动机的情况，是有利

无弊的。

致谢

吾生也有涯，而知也无涯。虽然即将毕业，但是在学习的道路上我还将继续走下去，正所谓活到老学到老，学无止境，在如后的工作中还有方方面面的知识等待着我去学习去了解，这才是刚刚开始。

非常庆幸能够得到郭斌峰老师亲自指导，实在是激动不已。郭斌峰老师严谨的学风、渊博的知识、正直的作风以及宽以待人的态度总能在我迷茫的时候给我以方向，在我失去动力的时候指引我前行。本篇论文的完成更离不开老师的亲自指导，从选题到推论，都倾注了老师很多心血。在老师的指导过程中，我不仅增长了知识也学会了也养成了不懂就问，不懂就查的习惯。因此，我要向我的导师致以深深的敬意、最真心的感谢和最诚挚的祝福。

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