汽车尾气质量检测系统设计论文-毕业论文.doc

学士学位论文汽车尾气质量检测系统设计 摘 要对汽车排放污染物的治理，是世界性的环保课题。它推动了汽车工业的革命，同时带动了燃料、净化技术及监测仪器等相关产业的发展。常用的气体分析方法中，红外光学吸收方式仪器的优点是精度和灵敏度高、响应速度快、测量范围大、选择性、稳定性和可靠性好，可以快速和连续检测。因此受到各国重视，获得广泛应用。本论文尽可能消除环境干扰影响，提高尾气检测的精确性。能够在实际中根据结果评价发动机的技术状况，特别是燃油供给系统和点火系统的技术状况。本文通过对汽车尾气检测系统的设计，展开了以下工作：一是在环境的影响基础上，本文进一步验证在不同的温度和压力下，尾气检测结果不同；二是利用汽车尾气取样设备，把尾气送入尾气分析仪器，尾气在通过气室的过程中，红外传感器产生模拟信号，传感器直接产生的模拟信号一般都比较微弱，并且有干扰信号，必须对它们进行放大、滤波，并有效地排除干扰信号；三是利用进气歧管压力传感器、进气歧管温度传感器测取进气压力和进气温度，利用发动机转速传感器得到发动机转速；四是采用不分光红外分析法测量尾气排放参数，同时根据红外气体分析装置结构原理建立了理论数学模型, 并以此模型搭建检测系统；五是用碳平衡法得出试验车的油耗。测试得到的瞬态油耗可以结合四种排放污染物的体积浓度计算得到质量排放率；五是各项参数数值的计算，并根据检测结果受环境影响的大小，采用不同的补偿方法，最终得到正确的结果。关键词：汽车尾气 质量百分比 尾气检测 系统设计Automobile Exhaust Gas Detection System Design ABSTRACTTo control vehicle emissions of pollutants, is a worldwide environmental protection project. It promoted the revolution in the automotive industry, also contributed to the development of the fuel, purification technology and monitoring equipment and other related industries. The common gas analysis method, the advantages of infrared optical absorption apparatus is high precision and sensitivity, fast response, wide measurement range, good selectivity and stability and reliability, rapid and continuous detection. So valued by many countries , widely used.In this paper, as far as possible to eliminate the effect of environmental interference, improve the accuracy of the exhaust gas detection. Can technology in the actual situation according to the results of evaluation of engine, especially the technical condition of the fuel supply system and ignition system. In this paper, through the design of automobile exhaust detection system, work carried out the following:One is the analog signal acquisition, processing and conversion, the paper in the process of data acquisition due to outside interference, resulting in the test results is not accurate enough, in view of the outside interference analysis the influence of the environment, the environment including temperature, pressure, humidity; two is in the environment impact of basis, further experiments are made to verify in different temperature and pressure in this paper, tail gas detection results of different; three is the use of automobile exhaust gas sampling equipment, the tail gas to the instrument, in the process of tail gas by gas chamber, an infrared sensor to generate analog signals. Analog signal is produced directly from the sensor is generally relatively weak, and the interference signal amplification, filtering, must be on them, and effectively eliminate the interference signal; four is used to test vehicle measurement meter fuel consumption, as with the air-fuel calculation comparison standard oil consumption ratio method and fuel consumption models. Instantaneous fuel consumption test can be combined with the volume concentration of four kinds of pollutants are calculated by mass emission rate; five is the calculation of the parameter value, according to the results of detection by the degree of environmental impact, the different kinds of compensation methods, finally get the correct results.Keywords: Design of automobile exhaust gas detection system.目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 汽车尾气的危害11.2 影响排放污染物的主要因素21.2.1 汽车发动机自身内部因素的影响21.2.2 环境因素对检测结果的影响51.3 研究的目的与意义61.4 国内外研究现状61.4.1 国外研究现状61.4.2 国内研究现状71.5 论文研究的主要内容7第2章 中国典型城市在用汽车使用状况分析92.1 中国汽车增长状况92.2 典型城市汽车保有量及其构成102.3 典型城市的汽车类型分布状况132.4 典型城市汽车使用状况研究15第3章 汽车尾气检测系统理论模型173.1 尾气质量排放计算原理173.2 系统理论模型18第4章 汽车尾气检测系统的设计204.1 试验系统的工作原理204.2 汽车尾气检测系统的介绍214.3 系统硬件设计214.3.1 废气分析仪的选择214.3.2 传感器的选用244.4 底盘测功机274.5 系统软件设计304.5.1 红外传感器数据的采集304.5.2 软件的控制部分30第5章 系统测量误差分析325.1 测量误差的概念325.1.1 测量误差的定义325.1.2 测量误差的分类325.1.3 测量误差的来源325.2 测量误差的方法34结 论35致 谢36参考文献37附 录 A39附 录 B45 V千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 汽车尾气的危害随着我国改革开放事业的深入发展和作为我国国民经济支柱产业的汽车工业的崛起以及人们生活水平的不断提高，汽车越来越多地进入百姓的中间。汽车的发展在给人民经济活动和日常生活提供方便的同时，也带来了严重的环境污染。1995年全国机动车排放C0总量达到2200万吨：NOx排放总量超过140万吨，而且大部分集中在城市区域。与国外城市相比，90年代东京拥有机动车约400万辆，而CO和NOx排放基本稳定在10万吨和5万吨左右。1995年北京的汽车保有量仅为100万辆，而CO和NO，的排放量却分别超过了100万吨和1 0万吨，远远高于东京。近10年我国生产的汽车的排放污染虽有所改善，但与发达国家相比差距仍然很大。随着城市建设速度加快，高楼林立，更加不利于空气的扩散，使汽车排放加大了空气污染程度，并逐步成为城市大气的主要污染源之一。1998年世界卫生组织列出的“世界十大污染严重城市”中，我国就占了7个。与国外相比，这些城市的汽车保有量不大，但城市中CO、HC和N0x对大气污染的分摊率却达到了发达国家水平。汽车排放的污染物对人体健康和生态环境造成了很大的影响，特别是儿童、老人、孕妇以及心脏病和肺病患者，更容易受到伤害。另外，空气污染还会损害生态环境，污染河流湖泊，危及野生动植物的生存。目前，对汽车排放污染物的控制主要是设法减少CO、HC和NOx，它们是造成大气污染的主要原因，也是汽车尾气中对人体构成危害的主要物质。在汽车排出的尾气中浓度最大有害气体是CO，而现代城市空气污染中80%左右的CO来自于汽车排放。CO是无色、无味的窒息性易燃有毒气体。它与血红素的亲和力比氧气与血红素的亲和力要大210多倍，而血红素担负着向人体器官和组织输送氧气的重任。因此，CO侵入体内便会很快与血液中的血红素相结合而成为羧基血红(Carboxyhem0910bin，简写为COHb)，使血液的输氧能力降低而引起缺氧。这对心脏病和呼吸系统疾病患者特别有害。即使健康的人吸入一定量的C0后会也会产生中毒，出现反应迟钝、恶心、头晕、疲劳等症状，严重时会使人窒息死亡。排放汽车的碳氢化合物来自三种排放源。对一般汽油发动机来说，约60的碳氢化合物来自内燃机废气排放，2025来自曲轴箱的泄漏，其余的1 520来自燃料系统的蒸发。汽车排放污染物除了对人体健康造成严重危害之外，还会对大气环境造成深远影响。近20年的研究结果表明，汽车的排放污染物对环境影响不1仅是局部的，许多影响还可以扩展到大气层中很远的距离甚至其他地区，并存在很长时间。目前，全世界有10亿多城市人口的健康受到空气污染的威胁。据世界卫生组织估计。我国11个大城市中，空气中的烟尘和颗粒物每年使数万人死亡，40多万人感染上慢性支气管炎。世界银行估计，因空气污染导致的医疗成本增加以及工人生病丧失生产力使得中国GDP被抵消掉5。因此，控制汽车排放污染，改善人类生存环境，已经刻不容缓。1.2 影响排放污染物的主要因素影响汽车排放污染物的主要因素很多也很复杂。有汽车的内部因素产生的影响，但这些排放物都是化学反应燃烧的产物，主要的影响因素空燃比(AF)、点火提前角()等。其次是环境因素对检测结果的影响。1.2.1 汽车发动机自身内部因素的影响1.2.1.1 空燃比空燃比是混合气中空气与燃料质量之比，通常用AF表示。使1kg汽油完全燃烧按化学当量计算需要14.7kg空气，空燃比等于14.7，称为理论空燃比；燃烧1kg燃料实际供给的空气量与理论空气量之比称为过量空气系数。空燃比支配着发动机的动力性、经济性和排气清洁性，是发动机最重要的控制参数。当实际空燃比比理论空燃比稍小时(AF=13.514)，燃烧火焰的温度最高。燃烧速度最大时的空燃比比火焰温度最高时的空燃比更小一点(AF=1213)。燃烧速度越快，燃烧压力越高，发动机的输出功率越大，因此AF=1213的稍大的空燃比被称为功率空燃比。但是，燃油消耗率最低时的空燃比要比理论空燃比稍大，AF=16左右，这种稍大的空燃比称为经济空燃比。图1-1 排放浓度与空燃比的关系图1-2 三元催化器的空燃比特性曲线空燃比与汽油机排气有害成分的关系如图1-1所示。由图1-1可知，混和气越浓，由于空气不足，燃烧不完全，NOx排放不多，但HC、CO的排放增多；混和气越稀，燃烧完全，HC、CO的排放减少，但NOx增加很多。供给更稀的混和气时，随着燃烧速度的下降，容易产生不稳定燃烧，这时NOx、CO的排放减少，而HC排放却增多。空燃比控制的目标是发动机尽可能多地使用较稀混合气，从而降低有害气体排放量并节油，同时必须满足发动机不同工况对空燃比的要求，否则发动机功率将下降、失稳，甚至熄火。空燃比对三元催化器的特性曲线如图1-2所示。由图1-2可知，当空燃比控制在14.7附近时，三元催化转化器(TWC)对有害排放物的净化效率最高。随着排放法规的不断严格，TWC得到广泛应用，目前汽油机混合气的空燃比通常采用闭环控制的方法，即在排气管中安装一个反应空燃比信号的氧传感器，将实际测到的空燃比信号反馈给控制单元(ECU)，使ECU对喷油脉宽进行修正，使排气中平均空燃比达到设定的化学当量比附近，这样TWC对排气中的HC、CO、NOx均具有很高的转化率1.2.1.2 点火提前角点火提前角对汽油机CO、HC、NOx排放浓度的影响如图1-3、如图1-4所示。图1-3 点火提前角对CO排放的影响图1-4点火提前角对HC和NOx排放的影响点火提前角对CO排放浓度影响很小，除非点火提前角过分推迟，使CO没有充分的时间完全氧化而引起CO排放量增加。空燃比一定时，随点火提前角的推迟，HC和NOx同时降低。由于推迟点火提前角会导致排气温度上升，使在排气行程以及排气管中HC氧化反应加速，降低HC排放：而推迟点火提前角将使上止点后燃烧的燃料增多，燃烧的最高温度下降而降低NOx的排放。1.2.1.3 发动机负荷和转速在汽油机怠速、减速等低速轻负荷运行时，由于转速低、汽油雾化差、混合气很浓，残余废气系数较大，产生较多的CO。当发动机在大负荷工况下运行时，其节气门位置接近于全开，进气量增加，火焰传播速度提高，缸内温度升高，使CO的生成较多。发动机转速的变化对HC和NOx的生成有一定的影响，而对CO影响程度相对较小。当发动机转速提高时，增强了气缸中的扰流混合与涡流的扩散，也增强了排气的混合，于是既改进了气缸内气体的燃烧，又促进了排气系统的氧化反应，因此HC明显降低。1.2.1.4 气缸压力发动机运转过程中，如果燃烧室温度和压力下降，会使混合气燃烧不良，尾气CO浓度升高。汽车长期运行，发动机活塞、气缸和活塞环组件的磨损会导致气缸密封性下降，使气缸压力降低。气缸垫漏气、气门密封性不良、气门脚间隙过小以及活塞环对口等，也是造成气缸压力不足的主要原因。使用中为保持气缸良好的密封性，应定期对气缸压力进行检查。检查中，要求多缸发动机各缸压力均不得低于标准压力的80，同时，为保证发动机工作平稳，各缸压差不得大于5，不合要求，应及时进行维修。1.2.2 环境因素对检测结果的影响考虑到汽车尾气检测结果受环境的影响，对此，汽车排放法规对各项指标的检测都有严格的试验环境要求。由于汽车检测大部分都在室外进行，环境变化比较大，容易受到温度、压力、湿度等影响，所以容易出现检测结果不稳定和抗干扰性差等现象。因此对汽车尾气检测仓内的环境要求比较高。温度对检测结果的影响。尤其是对测点的温度(-7C1C)要求更高。所以环境参数就比较严格。环境温度变化主要影响空燃比的变化，温度一般控制在20C 30C范围。温度越高则大气的密度越小，根据流体力学原理，大气流动速度加快。那么在单位时间内进入气缸的混合气体不变的情况下，混合气体就越稀。混合气的空燃比大于理论空燃比，此时气缸内混合气燃烧完全，因此CO的生成量减少，CO排放减少。同时红外气体传感器的温度效应比较明显，在数据采集的过程中，由于环境温度变化比较大，因此会导致测试结果不准确。压力对检测结果的影响。大气压力大小对尾气排放检测结果的影响也是比较大的，由于通入气缸的气体为空气和燃油的混合气，燃油进入气缸的量是固定的，然而通入气缸的空气受外界大气压力的影响，在气缸的工作过程中，由于第一行程是进气行程，缸内的残余气体压力比较低，近似于真空状态。此时进入气缸的气体取决于汽缸内、外气体的压力差。当大气压力变化时，气缸内、外压力差比较大，此时进入气缸内的大气多少取决于外界大气压力。大气压力越低，进入气缸的空气越少，此时气缸内的混合气越浓，自然空燃比就越小，混合气燃烧不充分，CO生成量增加。在汽车检测的过程中会因为CO量增加。1.3 研究的目的与意义目前，我国新车生产型式认证和生产一致性检验中对排放尾气的检测手段和控制比较严格、规范，因此，新出厂汽车的排放达标率较高。但是，由于我国近几年汽车保有量增长迅猛，用户分散，对在用汽车的定期检查和维护工作不够严格和规范，因此，在用汽车技术状况变坏导致的排放污染比较严重。即使在发达的欧美国家，研究和统计数字也表明，在用汽车中大约1015属于高排放车，这些汽车的排放占汽车污染物总排放的5060。由此可以推算我国在用汽车中高排放车的排放污染占汽车污染总排放的比例会更高。因此，控制汽车尾气排放给大气带来的污染，改善人类赖以生存的质量，是摆在我们面前的一项非常迫切的任务。在治理汽车排放的措施中，除了制定严格可行的汽车排放法规，推动汽车生产企业开发和应用先进的汽车排放控制技术，降低出厂新车的污染物排放以外，科学准确地对在用汽车尾气进行检测，适时地对汽车进行良好维护，是减少汽车排放的重要手段。美国等发达国家推I/M(Inspection/Maintenance)(检查/维护)制度是世界公认的控制在用汽车排放污染的有效方法，它强制要求在用汽车定期进行排放检测，对不合格的车辆在指定的维修网点进行有针对性的维修，达标后方可继续使用。1.4 国内外研究现状1.4.1 国外研究现状目前, 各发达国家、地区基本形成了较完善的车辆排放法规标准体系。车辆排放法规标准可分为两大部分: 新车控制标准和在用车控制标准。新车控制标准用于新开发车型的型式认证及生产一致性检查, 试验方法复杂, 试验设备昂贵, 如轻型汽油车采用的工况法检测, 车辆须在底盘测功机上进行试验,CVS取样, 不分光红外分析仪( NDIR)进行CO、CO2 发析、氢火焰离子分析仪进行HC 分析、化学发光分析仪( CLD)进行NO分析; 在用车标准用于车辆使用中的定期检查, 试验方法较简单, 试验设备便宜。从车型划分, 又可分为汽油车排放标准、柴油车排放标准; 轻型车排放标准、重型车排放标准。目前, 车辆排放法规标准可划分为三大标准体系美国、日本和欧洲, 其选取的试验方法、排放限值各不相同, 而且没有严格的相关性。在用车排放检测, 美国走在最前面, 大多数的州采用简易工况法进行在用车排放检测; 欧洲相对滞后; 日本在用车检测仍沿用八十年代中期制定的标准。为了准确地测量交通流中单车污染物排放量，分析机动车在实时交通流的排放特征及影响因素，评价机动车排放及确定减排措施，开发了一种可以测量实际道路机动车瞬时质量排放率的车载排放测试系统。系统由发动机的燃油消耗量、采用不分光红外分析(NDIR)法测量尾气排放参数（HC，CO，NOx，CO2）、过剩空气系数等参数和被测车辆录入电脑的相关信息融合计算，得到瞬态的质量排放率。1.4.2 国内研究现状我国从1994年到2003年的十年间，我国私人汽车总量增长了近6倍。1994年汽车保有量940万辆，私人汽车保有量205万辆；2003年民用汽车保有量约2400万辆，其中私人汽车保有量1200万辆。而今已达5000万辆，而北京私家车数量截止到2006年11月7日,北京市机动车辆已达282万辆,其中197万辆为小轿车,私家车数量为156万辆。汽车作为现代化交通工具，给予了人们的生产与生活带来十分方便的同时，可是它的尾气排放物，给大气环境造成严重污染。我国某城市对该市的机动车辆尾气污染程度作了如下初步调查：该市目前拥有机动车辆13万辆，并以年增率15%的速度增加。机动车年排放一氧化碳4.4万吨，相当于该市工业企业一氧化碳排放量的46倍。市区主要交通道路中心点一氧化碳超标2倍以上的达65%，在车流量高峰之际，有的监测点一氧化碳浓度高达每立方米70mg，超标6倍。在车流量比较集中的火车站，氮氧化合物测点平均值为每立方米0.059mg，超标准0.18倍。因此,汽车尾气污染日趋严重,现代城市大气污染主要来源于汽车尾气。有资料表明，我国各大中型城市汽车尾气排放物造成空气污染占到50%左右，且对在用车检测结果来看，尾气排放不合格的车辆占被检测车的5060%。车辆排放法规一般是以国家环境保护法律为依据, 针对相应的污染物排放源控制要求规定的。车辆排放法规标准体系的形成, 经历了由简单到复杂, 由松到严的过程。最初只进行CO、HC排放控制到增加对NOx、微粒控制; 试验方法从排放浓度分析到CVS 取样, 精确测量单位距离排放物质量。 1.5 论文研究的主要内容本论文旨在得到汽车尾气瞬态的质量排放率。具体做了如下工作：1.概括了国内外对汽车尾气排放的检测的研究现状，并以此为研究背景，设计得到一套简单易行的尾气质量排放率系统。2.探讨了汽车尾气的主要化学成分，并说明影响尾气排放的主要因素，同时建立了理论数学模型。3.根据建立的理论模型出发，分析模型中的各个物理量，并以此为依据搭建尾气质量检测系统。设计主要从系统的硬件部分设计和软件部分设计两个方面确定系统的基本方案，并简述了各系统的基本工作原理。4.按照所确定系统基本方案，搭建尾气检测系统，阐述了底盘测功机的加载原理及其模拟行驶阻力的确定方法。第2章 中国典型城市在用汽车使用状况分析2.1 中国汽车增长状况最近几年，中国汽车工业发展快速，汽车产量和保有量增长迅猛。图2-1给出了十多年来中国汽车产量增长状况。从1995年到2006年十年多间，中国汽车产量增加了约3.6倍，年均增长率为13.88%，尤其是进入二十一世纪之后，年均增长率达到19.41%。图2-2给出了2005-2010年间中国汽车产量状况。图2-3给出了近二十年来中国汽车保有量增长状况。从1985年到2005年中国汽车保有量增加了约9.28倍，汽车保有量年均增长率约为12.41%。图2-1 1995-2006十年中国汽车产量增长趋势图图2-2 2005-2010年中国汽车产量趋势图图2-3 1995-2006十年中国汽车保有量增长趋势图2.2 典型城市汽车保有量及其构成图2-4是截止到2006年底中国部分城市的汽车保有量。从图中可以看出：北京、上海和广州的汽车保有量最多，均在180万辆以上，尤其是北京市汽车保有量接近290万辆。重庆、天津、济南、南京和昆明的汽车保有量在70180万辆之间。其中直辖市天津、重庆的汽车保有量已超过100万辆。沈阳、厦门和长沙的汽车保有量不足100万辆。 图2-4 典型城市机动车保有量为了进一步了解各城市机动车的构成，选取了北京、上海、天津、广州、重庆和南京六个典型城市，对其汽车构成状况进行了详细调查分析，调查结果如图2-5所示。北京市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为84、14和2，天津市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为57、39和4，如图2-5(a)、图2-5(b)所示。北京市和天津市都是中国北方的大城市，在汽车构成中其主要成份是汽车，两市汽车比例分别达到84和57。其次是摩托车，分别为14和3。低速货车所占比例较小，仅为2和4。上海、广州、重庆和南京是中国南方的大城市。如图2-5(c)、2-5(d)、图2-5(e)、图2-5(f)所示，上海市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为42、58和2，广州市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为33、66和1重庆市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为46、48和6，南京市汽车、摩托车和低速货车的比例分别为44、52和4。中国南方沿海大城市上海和广州的摩托车比例最高，分别达到58和6，明显高于汽车比例，均高出14个百分点以上。低速货车比例很低，仅为1以下。 图2-5 中国典型城市的机动车构成状况中国南方内陆大城市重庆和南京的汽车构成尽管也是以摩托车为主，但是汽车与摩托车的比例相差较小，两者之差均在8个百分点以内。南方内陆大城市的低速货车比例明显高于南方大城市。重庆和南京的低速货车比例都在4以上。通过对典型城市汽车保有量和机动车构成的调查分析发现，中国城市汽车的构成具有明显的地域特点。（1） 中国北方大城市的汽车主要由汽车构成，中国南方大城市的汽车主要由摩托车构成；（2） 南方沿海大城市的摩托车比例明显高于汽车，南方内陆大城市的摩托车和汽车比例基本相当；（3） 中国南方内陆大城市的低速货车比例较高。2.3 典型城市的汽车类型分布状况本文采用最常用的轻型客车、重型客车、轻型货车、重型货车和其他汽车的分类方法，以北京、上海、天津和重庆为例，对中国典型城市的汽车类型分布状况进行统计分析。四城市的汽车类型分布状况如图2-6所示，从图中可以直观地看出各城市的汽车构成特点。北京市的汽车中，轻型客车约占61；其次是重型客车占14；重型货车占13；轻型货车占12；其他类型汽车所占比例小于1。上海市轻型客车比例高达78；重型客车和轻型货车各占8；重型货车占4，其他类型汽车所占比例为2。天津市轻型客车占62；轻型货车占18；重型货车占9；重型客车占8，其他类型汽车所占比例为3。重庆市轻型客车所占比例明显约为45；其次是轻型货车占24；重型货车占21；重型客车占7；其他类型汽车所占比例为3。根据北京、上海、天津和重庆四城市汽车类型的统计分析结果，得出如下几点结论：（1）北京、上海、天津和重庆四城市的汽车中，轻型汽车（包括轻型客车和轻型货车）所占比例最大，分别为73，86，80和69。（2）北京、上海、天津和重庆四城市的汽车中，轻型客车所占比例均为最高，但是北京、上海和天津三个大城市的轻型客车所占比例高于60，重庆市的轻型客车所占比例低于50%，约为45%。（3）轻型货车在四个城市的汽车中所占的比例较大，排列顺序依次为：重庆24、天津18、北京12和上海8。（4）重型客车在北京市所占比例较大，达到14%。而在上海、天津和重庆三个城市中所占比例基本相当，分别为8、8和7。（5）重型货车在北京和重庆两大城市中所占比例较大，分别为13和21，而在上海和天津两个城市中所占的比重较小，分别为4和9。 图2-6 中国典型城市汽车类型分布状况2.4 典型城市汽车使用状况研究汽车使用状况研究以北京、天津和大连三个城市为研究对象，采用专门的道路行驶记录仪和实验车测取了汽车实际行驶状况后，获得了三城市的行驶工况参数，结果如图2-7、图2-8所示。图2-7 北京、天津和大连汽车行驶速16