国六柴油发动机尾气排放检测装置设计研究

梁海明

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

国内汽车越来越多，因此须对尾气排放进行严格管控，“国六”政策的推行使得传统尾气检测仪参数不能满足政策的需要，市场面临技术升级的挑战，由此促进技术创新领域的发展。传统的尾气检测仪已经不能满足消费者需求，无论是在政策上的要求，还是产品本身的缺陷，技术创新已是当下发展趋势。目前尾气排放装置最大的不足是不能进行多功能操作，汽车排放的混合气体有很多种，如果一个仪器能对多种气体进行分析的话，就能为消费者减少成本，而本文设计的这款国六柴油发动机尾气排放装置就能解决这个问题。

1 传统汽车尾气检测分析仪存在的问题

1.1 体型较大且操作繁琐

尾气装置的外观已由原来的笨重繁琐慢慢变成了现在的轻便简单，而且操作方便，以前的装置占用空间大，而且必须使用交流电，现在的尾气装置已经发展到可以利用直流电蓄电池续航，大大减少了安全隐患。因为尾气装置如果使用交流电，线路就不能太长，时间久了之后，装置容易脱线漏电，产生安全隐患。而在原装置上做个支撑架可以解决这一问题，支撑架减少了装置与地面的接触面积，增加了安全系数。

1.2 检测功能单一

传统汽车尾气检测分析仪在内部结构方面都是单一存在的，无法实现多功能检测，如需检测一氧化碳(CO)和碳氢化合物(CH)化合物的含量是否达标时，只能对其中一种数据进行分析而不能同时分析两种数据。本次设计的仪器主要是用来测量柴油发动机排出的尾气数据，然后用这个数据对照国六标准来判断车辆是否符合上路标准，最后融入创新设计让产品实现多功能化。

传统尾气排放检测装置主要由以下部分组成：废气取样装置、气体分析仪装置、数据显示和校正装置(如图1所示)。

图1 传统尾气装置原理图

(1)传统废气取样装置也是由探头、滤清器、导管、水分离器和泵等组成元件，但在精度要求上没那么高，而且传统的探头清晰度不高，能见度比较低且体积大，技术不成熟。

(2)传统气体分析仪装置由红外光源、粒捕捉器、烟度计和玻璃容器等主要配件组成，但这些配件都是单一存在的，如烟度计一般只会出现在柴油气体分析仪装置，而红外光源只会出现在汽油气体分析仪装置，检测时需要购买两台仪器，成本较高。

(3)传统气体分析仪装置在数据显示上采用16进制，一般只对一种气体进行分析，显示屏上也只有一种数据信息。

(4)传统气体分析仪检测装置的信息反馈速度较慢，且精确度不高[1]。

2 国六柴油发动机尾气排放检测装置的研究方法

2.1 研究思路

(1)对柴油尾气的参考数据进行分析，了解该装置是如何对尾气排放的PM、HC、CO、NO等废气颗粒物进行检测的，从而设置这个检测装置的结构组成。

(2)结合柴油尾气排放成分，对检测装置的外观、功能、制作软件和编程设计方面进行整体性的设计。

2.2 研究步骤

(1)该检测装置主要是对柴油汽车尾气排放的PN、HC、CO等废气颗粒物进行废气检测，与之前的传统检测仪相比，此次设计的仪器参数更加精确，安全系数更高，还能对当前环境温度进行检测显示，主要利用氧传感器和滤纸烟温度计、温度传感器进行检测。

(2)利用80C51单片机进行电路控制，主要是接收氧传感器、滤纸烟温度计和温度传感器的信号并反馈到显示屏上。

(3)对80C51编写程序C语言，主要用来控制电路输出端和输入端的电路反馈，如开关、上下键、复位键、显示的间隔时间，还有碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)标准参数的设定等。

(4)用ISIS(profession)画出电路图，主要用来模拟仿真调试。

(5)用coreldraw软件或者CAD软件画出国六柴油发动机尾气排放检测装置设计二维平面图，更直观地反映设计理念。

2.3 研究方向

将粒捕捉器、尾气分析仪和烟度计检测器这3个原本独立的装置结合起来成为一个产品，不仅大大降低了研发的成本，还节省了很多材料。

3 国六柴油发动机尾气排放检测装置的设计难点

3.1 外观设计

传统的尾气分析仪外观不够精细，加工难度较小，而本次设计的国六柴油发动机尾气排放检测装置的精密度较高，外观加工难度大大提高。

3.2 编程设计

传统尾气分析仪的编程只是对单一气体进行分析，而本次设计的尾气排放检测装置是一个多功能的装置，所以编程相对复杂，采用80C51的单片机进行编译，由原来的单参数显示变成现在的多参数显示，难度随之加大。

3.3 电路设计

用ISIS(profession)软件绘制电路图，当绘制好电路图后可将已经编写好的程序代入进行电路仿真。仿真通过后即为初步设计成功。但多功能设计的电路图相对复杂，绘制电路图的耗时更多。

4 国六柴油发动机尾气排放检测装置的内部结构设计

本次设计在框架上由废气取样装置、气体分析仪装置、数据显示装置和校正装置这四大部分组成，各部分之间结构不同、参数不同。

4.1 废气取样装置

废气取样装置主要由以下部分组成：探头、滤清器、导管、水分离器和泵等。其中，探头在这个装置中是格外重要的，通过探头取样，再连接导管把气体通过泵吸入废气，取样装置采集废气，然后再通过滤清器和水分离器隔离，把没有充分燃烧的物体隔离处理，这样就能将废气送入分析装置，隔离出了尾气排放出的碳渣、灰尘、水分，有利于数据的分析与检测。

4.2 气体分析仪装置

气体分析仪装置主要由红外光源、粒捕捉器、烟度计、玻璃容器等主要配件组成。红外光源的作用就是进行气体类型识别，仪器利用CO和HC对红外线的吸收性能原理，采用能量吸附差工作原理分辨出一氧化碳和碳氢化合物，并通过氧传感器发出数据信号，经过各个传感器参数对比，通过单片机80C51进行计算处理后，在液晶屏幕上显示出来[3]。

4.3 数据显示装置

数据显示装置主要就是通过单片机处理数据然后反馈输出到显示屏，看到一氧化碳、碳氢化合物碳和氮氧化合物的数据信号，在单片机指示仪表上的浓度都会以体积百分数(%)表示出来。当数据超过极限值的时候，显示屏上会显示红色，并响起警报蜂鸣。

4.4 校正装置

校正装置是为了保持分析仪的指示精度，减少自身数据误差的一种装置，如这个装置里的某个原件出现问题，其可通过收集数据减少误差，是一种利用控制系统中的超前校正方法的装置。该控制装置的主要特点是反应速度快，能及时反馈问题，使用时需要获得校正指示，一般用电阻和电容就可连接而成，使之能准确指示测量值[4]。

4.5 整体结构创新

本次设计的主要创新是增加了三元催化器。三元催化器里最主要的元件是颗粒捕捉器。汽车在运转工作中，捕捉器里的颗粒物会逐渐增加导致发动机输出功率变小、油耗变高而引起发动机背压数据升高，发动机测量的参数也会变大。运用三元催化这个技术，既可以更加准确地检测氮氧化合物(NOX)的含量，而且还能自我清洁，大大增加了产品的使用寿命，同时在技术上也是一个创新。

5 国六柴油发动机尾气排放检测装置的优势

(1)造价成本低，使用寿命长。因为本产品内部结构采用三元催化还原原理，不用更换一次性滤纸，使消费者大大减少了支出。

(2)多功能化。与传统分析仪相比数据更精确，分析的数据也由原来的一种变成了现在的多种。

(3)体积小，携带方便，安全系数更高，工作效率也会大大提高。

6 结语

随着经济全球化的发展，产业竞争升级势在必行，产品设计也要与时俱进。目前市面上大多数发动机尾气排放检测装置大多是单一功能的，如柴油发动机烟度计仪器是针对柴油发动机排放出来的尾气进行检测，尾气分析仪仅检测汽油机尾气。本次设计的产品就是把这两种功能结合起来，用一个仪器就能解决两种需求。该装置包含了尾气分析仪和烟度计的功能，还增加了储存功能，不会浪费纸张，起到了保护环境的作用。该产品还具有安全性，设计了4个支撑脚，大大降低了装置与地面的接触面积，避免脱线、漏电等情况发生，增加了安全系数。