汽车检测线专项训练-6尾气检测

朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔第5章汽车尾气的检测朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔汽油车所必需控制的排放污染物包括HC、CＯ以及NＯ(仅对2001年1月1日以后上牌车辆)，能够检测这些排放污染物的设备称为汽油车尾气分析仪，也有俗称为废气分析仪、排气分析仪的。这种仪器视其可以测量组分的数目，可分为二组分、四组分、五组分分析仪。见表4—14所示。HCCOCO2O2NO二组分分析仪○○———四组分分析仪○○○○—五组分分析仪○○○○○汽油车尾气分析仪分类表4—14注：表中标注○为该类仪器可测组分。汽车尾气的检测朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔我国20世纪80年代国内汽车排放污染物的控制对象主要是在怠逮状态下的HC、CO，开始使用二组分尾气分析仪。进入20世纪90年代后，在国际上，二组分尾气分析仪已越来越多地被四组分尾气分析仪所代替，这是因为：①研究表明，有害排放物的排放量直接受汽车发动机燃烧状态的影响。而尾气中的CO2及O2的浓度，正是表征发动机燃烧状态的重要参数。正常燃烧时，尾气中CO2的浓度应在12％左右，而O2应在l％左右。②前大多数电喷车装有闭环式控制的三元催化转化器，它的净化效率在发动机工作时的过量空气系数值λ在1．0附近最为理想。通过对尾气中的CＯ、HC、CO2、O2浓度进行运算，可以得出相应的过量空气系数λ。③通过分析尾气中CO2和O2的浓度，可以及时发现许多问题，如：在检测过程中出现的诸如取样探头脱落；取样管路漏气等失误；以及某些作弊现象(如在排气管上打孔、拿掉接口垫等)。因为这些现象存在时，排气中的O2浓度会异常升高，而CO2浓度异常降低。近年来，汽车尾气中的NＯ对环境造成的污染日益受到重视，因而在原有的四组分尾气分析仪的基础上增加了NO检测功能，构成了五组分尾气分析仪。并且四组分、五组分尾气分析仪的使用已成为主流。五组分尾气分析仪采用不分光红外线吸收原理对汽车尾气中的HC、CO、CO2进行分析，采用电化学电池原理，对汽车尾气中的O2、NO进行分析，下面分别叙述。朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔4.7.1不分光红外线尾气分析仪检测原理和构成１．不分光红外线尾气分析仪检测原理不分光红外线尾气分析仪利用不同气体具有吸收不同波长红外线的特性进行检测。用眼睛看(在可见光范围内)，汽车排放废气中的CO、HC、NO和CO2等气体都是透明的。但在某种波长红外线照射下就似乎不那么透明了，好象红外线被吸收或被挡住了一部分。这样结果的原因是，当红外线穿过这些气体时它的能量被吸收了一部分。而被吸收能量的多少，与该气体的浓度有一定关系。不同的气体对不同波长的红外线吸收的情况也不相同。如图4—68所示，CO主要吸收波长为4.7μm附近的红外线。如果我们要检测尾气中CO的含量，我们可以让红外线穿过一定量的汽车尾气，然后检测4.7μm红外线经过尾气前后能量的变化值，即可确定尾气CO的浓度。这就是不分光红外线尾气分析仪的基本检测原理。需要注意的是，图4—68中，HC对应的曲线是正己烷（C6H14）的特性，它吸收的红外线波长为3.4μm。尾气中含有多种成分HC，而且不同的碳氢化合物吸收红外线的波长也有些差异。检测汽车废气时我们所说的HC浓度。都是以正已烷为基准的。图4—68不同气体吸收红外线的特性朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔2．不分光红外线尾气分析仪的构成不分光红外线CO和HC气体分析仪从汽车排气管中采集气样，对其中CO和HC含量连续进行分析，外形图如图4—69和图4—70所示。它的组成主要是排气取样装置、排气分析装置、含量指示装置和校准装置等。汽车排气在分析仪内的流动顺序如图4—71所示。1)排气取样装置排气取样装置的组成有取样探头、滤清器、导管、水分离器和泵等。取样探头、导管和泵从车辆排气管里采集排气。滤清器和水分离器把排气中的炭渣、灰尘和水分等去除，经过这样处理的排气送入分析装置。用特殊材料制成的取样探头具有耐热性和防止导管吸附HC气体的特性。1一导管；2一滤清器；3一低含量取样探头；4一高含量取样探头；5一CO指示仪表；6—HC指示仪表；7一标准HC气样瓶；8一标准CO气样瓶图4—69MEXA一324F型汽车排气分析仪1—CO显示器；2—CO定标旋钮；3—HC显示器；4—HC定标旋钮；5—电源开关；6—风扇开关；7—取样泵开关；8—CO量程切换开关；9—CO调零旋钮；10—HC调零旋钮；11—HC量程切换开关；12—流量计；13—标准气样入口；14—拉手；15—上盖板；16—过滤器；17—水分离器；18—熔丝座；19—电源线插座；20—进气口；21—出气口；22—前置过滤器；23—取样管图4—70QFY-2型汽车排气分析仪朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔1—取样探头；2、5—滤清器；3一导管；4一排气取样装置；6、ll一泵；7—换向阀；8—排气分析装置；9一流量计；l0—浓度指示装置；12一水分离器图4—71排气在分析仪内的流动路线朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔2)排气分析装置排气分析装置的组成有红外线光源、气样室、旋转扇轮(截光器)、测量室和传感器等。该装置利用不分光红外线分析法，对来自取样装置的混有多种成分的排气中的CO和HC的含量进行分析，然后将含量转变成电信号输送给指示装置。按照测量尾气成分传感器形式不同，排气分析装置可分为电容微音器式和半导体式等；另外按功能不同，又可分为CO、HC等单功能和CO、HC等综合功能两种形式。朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔（1）电容微音器式分析装置。如图4—72所示，从两个红外线光源发出的红外线，分别通过标准气样室和测量气样室后到达测量室。在标准气样室内充有不吸收红外线的N2，在测量气样室内充有被测量的发动机排气。测量室由两个分室组成，两个分室之间装有金属膜式电容微音器作为传感器。为了能够从排气中选择需要测量的成分，在测量室的两个分室内，充入适当含量的与被测气体相同的气体（CO浓度分析装置里的测量室内充入CO气体，在测量HC含量分析装置里的测量室内要充入正己烷气体）。1、12—红外线光源；2—标准气样室；3—旋转扇轮；4—测量室；5—电容微音器；6—前置放大器；7—主放大器；8—指示仪表；9—排气入口；10—测量气样室；11—排气出口图4—72电容微音器式分析装置旋转扇轮也称为截光器，两个红外线光源在通过截光器时能连续地导通、截止，形成射线脉冲。射线脉冲到达测量室时，由于被测量气样室中所测气体按浓度大小吸收掉一部分一定波长范围的能量，而通过标准气样室的红外线完全没有被吸收，那么在测量室的两个分室内的能量不同，这个差别导致温度差别，温度差别使得测量室内压力产生差别，致使金属膜片向能量小的一侧（尾气侧）弯曲变形。排气中被测气体含量越大，金属膜片弯曲变形也越大。膜片弯曲变形致使电容微音器输出信号变化，经放大器放大后送往含量指示装置。朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔(2)半导体式分析装置。该分析装置如图4—73所示。与电容微音器式分析装置相似，该装置从两个红外线光源发出的红外线，也分别通过标准气样室和测量气样室（在标准气样室里充有不吸收红外线的N2，在测量气样室里充有被测量的发动机排气）。然后用聚光管聚光，输送到测量室。半导体式分析装置的传感器采用的是一种能按照红外线能量强度的变化改变电信号大小的半导体元件。在半导体元件前面放置一片光学滤色片，仅让被测气体吸收的一定波长范围内的红外线通过。红外线穿过旋转扇轮后，断续地通过标准气样室和测量气样室，经过聚光管和光学滤色片后到达半导体传感器。通过测量气样室的红外线，由于被所测气体吸收掉一部分一定波长范围的红外线，能量减小，而通过标准气样室的红外线由于未被吸收，能量保持不变；因而分别通过两气样室的红外线的能量形成的差异到达半导体传感器后，由传感器将红外线能量差异转变成电信号差异，经放大器放大后输送给含量指示装置。1—指示仪表；2—主放大器；3—前置放大器；4—半导体传感器；5—光学滤色片；6—聚光管；7—标准气样室；8—红外线光源；9—旋转扇轮；10—排气入口11—测量气样室；12—排气出口；图4—73半导体式分析装置朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔3)含量指示装置CO和HC综合式气体分析仪的含量指示装置主要由CO指示装置和HC指示装置组成，显示器类型有指针式仪表和数字式两种。从排气分析装置送来的电信号，在CO指示仪表上以体积百分数(％)表示；以前HC的体积分数常用正己烷当量的体积百万分数(10-6)表示，现在HC等气体的体积分数也以正己烷当量的百分数(％)表示。指针式仪表的指示，可利用零点调整旋钮、标准调整旋钮和读数转换开关等进行控制。气体分析仪内的滤清器脏污时，对测量值有影响，发现指针进入红区应及时更换滤清器滤芯。4)校准装置校准装置是一种为了保持分析仪的指示精度，使之能准确指示测量值的装置。在校准装置中，往往设有两种，一种是用加入标准气样进行校准的装置，另一种是用机械方式简易校准的装置。(1)标准气样校准装置。标准气样校准装置是把标准气样从分析仪上单设的一个专用注入口直接送到排气分析装置，再通过将仪表指示值与标准气样浓度值进行比较而完成校准的。(2)简易校准装置。简易校准装置通常是用遮光板把排气分析装置中通过测量气样室的红外线遮挡住一部分，将此时仪表实际指示值与标准值进行比较而完成校准的。朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔4.7.2电化学电池检测原理汽车废气分析仪中的O2及NO浓度，由电化学电池原理进行分析，下面以氧传感器为例，介绍其检测原理。氧传感器的基本构成，是包括一个电解质阳极和一个空气阴极组成的金属——空气有限度渗透型电化学电池。其结构如图4—74所示。l一锆管2一电极3一弹簧4一线头支架(绝缘)5一导线6一排气管7一导入排气管罩图4—74氧传感器结构简图在阴极，其反应方程式为：O2+2H2O+4e-→4OH－氧分子被还原成氢氧离子。随后，在金属阳极氢氧离子被氧化，如下式所示：2Pb+4OH-→4PbO+2H2O+4e-上述电池的反应作用，可概括为：2Pb+O2→2PbO综上所述，氧传感器是一个电流发生器，其所产生的电流正比于氧的消耗率。此电流可通过在输出端子上跨接一个电阻以产生一个电压信号。朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔在实际应用中，氧传感器的电流或电压信号取决于被测氧气在渗透膜上的渗透率。在氧传感器上，使用一种特殊的塑料薄膜作为渗透膜，其渗透量受控于气体分子撞击膜壁上的微孔的概率。如果气体分压增加，分子的渗透率增加。因此输出的结果正比于氧的分压且在整个浓度范围内呈线性响应。氧传感器在实际应用中的一个局限是其寿命。在使用一段时间后(通常在一年半左右，视传感器的制造质量而定)，其输出将大幅下降至0mV，必须更换。而且该寿命从传感器启封时开始计算，而不管仪器是否投入使用。具体的氧传感器输出特性见图4—75所示。NO传感器的工作原理与氧传感器类似，不再叙述。图4—75氧传感器输出特性朱明工作室[e-mail]授人以鱼不如授人以渔4.7.3汽车尾气检测方法不同国家和地区对汽油车废气排放检测工况和方法有不同的要求。主要有怠速工况法、双怠速工况法、加速模拟工况法(AccelerationSimulationMode，缩写为ASM)等。1．怠速工况试验法怠速工况法主要测量CO和HC的排放量。发动机在怠速工况下转速低，节气门开度小，混合气较浓，发动机燃烧温度低，排气中CO、HC等含量比较多，所以要加以检测。我国怠速工况法测量程序如下：如图4—76所示，①发动机先以70％额定转速维持60s；②转入怠速状态维持15s；③开始读数，读取30s内的最高值和最低值，取其平均值