郑 州 工 业 应 用 技 术 学 院 毕 业 论 文 汽 油 发 动 机 尾 气 排 放 物 的 检 测 与 分 析
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
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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
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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）
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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
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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.
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