汽车检测线专项训练-6尾气检测

示。
汽油车尾气分析仪分类
HC CO CO2 O2
表4—14
NO
二组分分析仪 四组分分析仪 五组分分析仪
○ ○ ○

○ ○ ○
— ○ ○
— ○ ○
— — ○
注：表中标注○为该类仪器可测组分。
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朱明工作室 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 zhubob@ 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1 2％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。
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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 朱明工作室 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 zhubob@ 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0 mV，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。
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； 1一导管；2一滤清器；3一低含量取样探头； 11—HC量程切换开关；12—流量计； 4一高含量取样探头； 13—标准气样入口；14—拉手；15—上盖板； 5一CO指示仪表；6—HC指示仪表； 16—过滤器；17—水分离器；18—熔丝座； 7一标准HC气样瓶；8一标准CO气样瓶 19—电源线插座；20—进气口；21—出气口； 图4—69 MEXA一324F型汽车排气分析仪 22—前置过滤器；23—取样管 授人以鱼不如授人以渔 图4—70 QFY-2型汽车排气分析仪
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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 朱明工作室 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 zhubob@ 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。
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(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 朱明工作室 zhubob@ 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。
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+2 H2O+4 e-→4 OH－ 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： 2 Pb+4OH-→4PbO+2 H2O+4e上述电池的反应作用，可概括为： 2 Pb+O2→2 PbO 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。
图4—68不同气体吸收红外线的特性
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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 朱明工作室 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 zhubob@ 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。
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（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 朱明工作室 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 zhubob@ 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）。 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 1、12—红外线光源； 别，致使金属膜片向能量小的一侧 2—标准气样室； 3—旋转扇轮；4—测量室； （尾气侧）弯曲变形。排气中被测 5—电容微音器； 气体含量越大，金属膜片弯曲变形 6—前置放大器；7—主放大器； 8—指示仪表；9—排气入口； 也越大。膜片弯曲变形致使电容微 10—测量气样室；11—排气出口 音器输出信号变化，经放大器放大 图4—72 电容微音器式分析装置 后送往含量指示装置。
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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 朱明工作室 例，介绍其检测原理。 zhubob@ 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。
图4—75 氧传感器输出特性
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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 朱明工作室 法、双怠速工况法、加速模拟工况法(Acceleration Simulation Mode，缩写为ASM) zhubob@ 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，取其平均值即为测量结果。CO排放量的单位是“％”，即“容积百分数”。 HC的单位有“ppm”（parts per million）和“％”，即“容积百万分数”(10-6)。 怠速法的特点是操作简 便但有一定的局限性。 例如它难以检验NOX的 排放情况(因NOX在高温、 图4—76怠速排放测量程序 大负荷时排放较多)；对 装配点燃式发动机的车辆怠速试验排气污染物限值 表4—15 于EFI发动机来说，由于 轻型车 重型车 其怠速控制部分是相对 车辆类型 独立的，所以怠速测试 CO CO（%） HC/（10-6） HC/（10-6） ① ① （%） 合格并不能说明各种工 况下都合格。 4.5 1200 5.0 2000 1995年7月1日以前生产的在用汽车 国家标准规定了各类车 4.5 900 4.5 1200 1995年7月1日起生产的在用汽车 辆进行怠速试验时排放 ① HC体积浓度值按正已烷当量计量。 污染物限值，见表4—15。 授人以鱼不如授人以渔