《汽车装配与性能检测》课程企业应用案例 学习指南及教学设计《尾气分析仪结构及检测原理》

学习指南--教学设计+讲义教案
授课课时 2 授课对象学生及社会学习者授课形式线上线下理实一体课题名称尾气分析仪结构及检测原理
教学目标1.掌握汽油机尾气检测仪的工作原理
2.掌握汽油机尾气检测仪的结构
重点难点汽油机尾气检测仪的结构；汽油机尾气检测仪的工作原理
教具五气分析仪教学场地汽车性能检测区
教学内容
一、导入（时间安排 5min）
汽车尾气的成份及其危害大家已经了解过了，汽车燃烧过程中能不能少排或者不排这些污染物呢？我们如何能够检测出来呢？接下来我们就来一起讨论一下这个内容。

二、新课（时间安排 10min）
尾气成分与空然比的关系
空燃比(AF)：是指可燃混合气中空气与燃料的质量比。

理论上，1kg汽油完全燃烧需要空气14.7kg。

故对于汽油机而言，空燃比为14.7的可燃混合气可成为理论混合气。

若可燃混合气的空燃比小于14.7，则意味着其中汽油含量有余（亦即空气量不足），可称之为浓混合气。

同理，空燃比大于14.7的可燃混合气则可称为稀混合气，应当指出，对于不同的燃料，其理论空燃比数值是不同的。

过量空气系数（α）：α=燃烧1kg燃料所实际供给的空气质量／完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量由此定义表达式可知：无论使用何种燃料，凡过量空气系数α=1的可燃混合气即为理论混合气；α＜1的为浓混合气；α＞1的则为稀混合气。

汽车排放污染物的表示方法: CO、CO2和O2以浓度排放量%来表示；HC和NO以 ppm(百万分之一）来表示；或者通过测试质量排放量g/h或比排放量g/Km量的方式。

三、课堂讨论 (时间安排 10min)
通过上面的尾气成分与空然比的关系图，大家来讨论一下，汽车尾气的在理想状态下排放是什么状况？
发动机正常，保持怠速，未经触媒处理尾气排放为：
HC：75-250（ppm），
CO：0.5-3.0（%），
CO2：13.8-15（%），
O2：1.0-2.0（%）。

电控汽车尾气排放量的正常值：HC大约55ppm；Co低于0.5%；O2值范围 1%～2%；CO2值范围 13.8%～15%；10%的水，其余为N2。

四、新课（时间安排 40min）
汽车排放污染物的检测原理
1、排气成分分析方法：
1）、不分光红外分析法（NDIR)
NDIR根据不同气体对红外线的选择性吸收原理来实现。

主要测量CO、HC和CO2。

对NO和HC测量精度较低。

不分光红外线气体分析仪的检测原理
汽车排气中的CO，HC和CO2等气体，都分别具有能吸收一定波长范围红外线的性质，如图所示。

而且，红外线被吸收的程度与排气浓度之间有一定的关系。

不分光红外线分析法就是利用这一原理，即根据检测红外线被汽车排气吸收一定波长范围红外线后能量的变化，来检测排气中各种污染物的含量。

在各种气体混在一起的情况下，这种检测方法具有测量值不受影响的特点。

例如，CO能够吸收波长为4.6mm的红外光线，CO2、HC分别能够吸收波长为4.2mm和3.4~3.5mm的红外线等
2)、不分光红外线气体分析仪的结构
不分光红外线CO和HC气体分析仪，是一种能够从汽车排气管中采集气样，对其中CO和HC含量连续进行分析的仪器。

它由排气取样装置、排气分析装置、含量指示装置和校准装置等组成。

工作过程：两个光源提供脉冲红外线。

仪器分上下两部分：上部有测定室、比较室，比较室中充有不吸收红外线的氮气使射线顺利通过。

测定室中通入含CO的被测尾气，将有红外线被吸收。

下部是检测室，有容积相等的左右两个腔，充有同摩尔数的CO，中间用金属膜片隔开。

由于射到检测室左室的红外线在通过测定室时一部分射线已被排气中的CO吸收，而通过比较室到达检测室右室的红外线并未减少，这样检测室左右两室吸收的红外线能量不同，从而产生温差，使得电容器一个表面的金属膜片弯曲振动，其振幅与排气中CO浓度大小有关，用电信号输出就得到了检测值。

2）、氢火焰离子法(FID)
利用某些气体在高温火焰中的电离现象，通过检测电极间的离子电流来测定气体浓度。

HC的标准测量方法。

灵敏度高，可用于稳态工况或瞬态工况。

3）、化学发光法（CLD)
CLD是测量NOX浓度的标准方法。

被测气体中的NO与O3反应产生化学发光现象，这种化学发光的强度与NO浓度成正比。

NO2转换为NO后（转化器），再进入化学发光室，转化效率应大于90%。

NOx浓度采用化学发光法原理，用适当的化学物质将排气中NOx全部还原成NO。

NO与O3在气态接触时发生化学反应生成NO2，其中约10%处于被激励状态，并在回复到基态时发出0.6～2.5mm波长的光，其发光强度与排气中存在的NO的质量流量成正比。

使用适当波长的光电检测器即可，根据检测计信号强弱换算出NO的含量汽油车排气分析仪对O2和NOx的浓度通常采用电化学的原理来测定。

O2的浓度通和NOx的浓度过在测试通道中设置氧传感器和NOx传感器测定。

3、尾气分析仪
在故障检测诊断中的应用汽车尾气分析仪有两气、四气和五气等多种类型，
两气尾气分析仪是用来测量汽车尾气排放中CO和HC的。

但是如果一辆车的排气管或尾气分析仪的测量管路有泄漏。

那么所检测的就是被外部空气稀释的尾气，CO和HC的测量值将降低，自然就不能反映尾气的真实浓度。

目前国内所用的两气尾气分析仪绝大多数都不具有检查自身泄漏的功能。

因此即使用两气尾气分析仪测得的车辆尾气排放结果达标，空气中的有害物质仍不一定能得到控制。

四气尾气分析仪：随着装有三效催化转化器和电子控制系统的汽车的增多，汽车的排放标准也更加严格。

因此需要更精确地测量排气和诊断排放超标的原因。

四气尾气分析仪除了测量CO和HC外，还能测最CO2和02、以及计算过量空气系数λ和空燃比A/F。

四气尾气分析仪不仅具备两气尾气分析仪的所有功能，还可以作为发动机故障检测的辅助诊断工具，进行故障诊断和分析，这无疑将大大地提高汽车发动机故障检测诊断的准确性，简化维修工序，加快检修速度。

汽车排气中的HC、CO、CO2和O2成分分析
CO2：
当混合气充分燃烧时，CO2的浓度将达到峰值。

不管是否装有三效催化转化器，峰值均为13.8%-15%。

在点火失灵或发动机故障被排除之后，通过C02的读数，便可以检测出混合气燃烧的好坏，当混合气变浓或变稀时，CO2值均会降低
O2
燃烧正常排气中应含有1%-2%的O2，O2的读数小于l%说明混合气太浓。

O2的读数大于2%表示混合气太稀。

造成这种现象的原因很多，燃油滤芯太脏、燃油油压低、喷油器堵塞、真空泄漏、EGR阀泄漏等，都可能导致混合气过稀。

如果混合气浓，02的读数就低，CO的读数就高。

反之混合气稀，02的读数就高，CO的读数就低。

若混合气偏向失火点，02的读数就会上升得很快，同时，CO值低，HC值高而且不稳定。

HC
HC主要由燃烧不完全而形成。

混合气过浓或过稀；点火不正时；点火间歇性不跳火；温度传感器不良；喷油器漏油或堵塞；油压过高或过低等因素造车。

CO
混合气过浓将产生大量的CO，混合气过稀引起失火将生成过多HC；高CO表示燃油系统有故障，如混合气不洁净、活塞环胶结阻塞、燃油供应太多、空气太少、点火太早等。

如果电喷发动机的CO过高，很可能是喷油器漏油、油压过高或电控系统产生了故障。

λ
理想的空燃比为14.7，λ为0.97～1.04，可以看成是理想的匹配，大于该值，说明空燃比过大,混合气过稀；小于该值，则为空燃比过小，混合气过浓。

五气尾气分析仪：当CO和HC降低时，可能会引起尾气中氮氧化物（NOx）浓度的升高。

为了监测Nox需要采用五分气尾气分析仪。

五气尾气分析仪中的02传感器是单纯的电化学传感器。

目前NOx检测采用电化学法、红外法、紫外法等。

而NOx常常发生在高温大负荷的情况下，需要在底盘测功机进行测量或者靠路试去测量。

五、课堂训练（时间安排 10min）
观察尾气分析仪的结构，比较四气与五气尾气分析仪的区别
六、课堂小结（时间安排 5min）
本节课主要介绍了：
1、尾气成分与空然比的关系
2、排气成分分析方法
3、尾气分析仪的种类
七、课后任务
1、说明五气尾气分析仪的工作原理
2、汽车排放污染物的表示方法？
《汽车尾气分析仪结构及原理》教案一、教学基本情况
二、教学实施过程
三、课后任务。