内燃机排气污染量测.docx
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内燃机排气污染量测
機械工程實驗(三)
內燃機感知器與排氣污染量測
指導教授:
盧昭暉老師
班級:
組別:
姓名:
學號:
一、實驗目的
現代汽車引擎系統,由微電腦控制漸漸取代了傳統的化油器控制,可以說是汽車工業一大突破。
圖1.1為汽油引擎系統的演進。
圖1.1_汽油引擎系統的演進
目前噴射系統裝置在現代車輛上,已經是各國汽車廠的標準配備,此控制系統的功能是希望能精確的控制下列三個系統:
1.燃料系統
2.點火系統
3.廢氣控制系統
為了達到車輛更省油,引擎性能更佳,駕駛更舒適等需求,並同時能符合日漸嚴苛的污染排放標準,電子噴射系統已成為近年來現代車輛之標準配備。
有鑑於此,本實驗將實際操作CEFFIRO2.0引擎試教版,實地了解引擎的構造與ECU各部感知器功能,並操作Horiba441GE排氣分析儀,了解引擎排放廢氣的成分與廢氣對環境造成的污染。
二、實驗原理
2.1內燃機工作原理:
2.1.1內燃機引擎工作四要素:
空氣、燃料、壓縮、燃燒為使引擎能工作之四大要素,缺一則引擎無法工作。
空氣供給燃料所需之氧氣,燃料供給引擎之工作潛能,壓縮使燃料產生較大的動力,點火燃燒使混合氣燃燒膨脹作功。
2.1.2內燃機引擎工作四步驟:
引擎在任何時間內轉動,產生動力,必須經過一定之工作程序,且此程序需連續不斷週而復始,稱之為工作循環,引擎工作循環如圖2.1所示分成四個步驟:
(1)進氣行程:
(intakestroke)
將適當比例的燃料與空氣之混合氣吸入汽缸中。
(2)壓縮行程:
(compressionstroke)
將吸入之混合氣予以壓縮。
(3)動力行程:
(powerstroke)
將汽缸內壓縮之後的混合氣點火燃燒,因氣體膨脹將活塞推動產生動力。
(4)排氣行程:
(exhauststroke)
將燃燒之後無用的廢氣自汽缸中排出。
圖2.1_內燃機工作四行程
2.2噴射引擎主要工作系統:
為使引擎正常運轉,引擎起動時主要分成三個工作系統:
(1)進氣系統
(2)燃料系統
(3)點火系統
2.2.1進氣系統:
傳統化油器引擎是運用文氏管原理設計的,利用空氣流動產生的壓力變化,將燃油吸入引擎。
在引擎的進氣行程中(吸入混合氣的期間)因活塞往下降的時候,燃燒室內的壓力也就跟著下降,於是空氣就順著化油器的吸入管,經過進氣岐管、汽門,最後進入燃燒室內燃燒。
被吸上的燃油因為空氣流動的壓力,使汽油和空氣的混合氣成為霧狀,與空氣流動的原理情形一樣,因活塞作用產生負壓(低於大氣壓力)所以混合氣就被吸進燃燒室裡去了。
而噴射引擎的進氣系統是由各感應器將引擎的進氣量、引擎轉速、汽缸溫度、進氣溫度等引擎運轉狀態資訊以電壓或電流訊號的形式傳送到供油電腦(ECU:
ElectronicControlUnit),ECU根據這些訊號加以分析,算出目前所需的噴油量,也就是噴油嘴的噴油時間,然後再將噴油訊號傳送到噴油嘴的線圈,噴油嘴接受噴油訊號後,將噴油閥打開,汽油便噴到進汽門前方的進氣岐管內,再隨著進汽門的打開進入汽缸內。
圖2.2為引擎進氣系統及各部元件之示意圖。
引擎為了使混合氣能均勻的進入各汽缸中,引擎進氣通道至各汽缸之距離必須很平均以減少進氣阻力、提高進氣順暢以及能均勻的將混合氣分送至各個汽缸中。
圖2.2_引擎進氣系統與各部元件之示意圖
進氣系統的流程:
大氣→空氣濾清器→空氣流量計→進氣溫度感知器→節氣門感知器→進氣歧管→進氣閥→汽缸
2.2.2燃料系統:
燃料要能完全發揮燃燒效能並不只是加熱點火而已,而是需要與充分的的空氣參與燃燒,才能使燃油在汽缸內完全燃燒使引擎產生動力。
圖2.3為噴射引擎燃油系統供給引擎燃料的工作流程圖。
燃料系統主要功用:
(1)能提供引擎足夠的燃料
(2)精確計算引擎所需的燃料
(3)適時適量供給引擎所需之燃料
(4)幫助引擎在極短時間內使燃料的燃燒效能完全發揮
圖2.3_燃油系統供給引擎燃料工作流程圖
燃料系統流程:
油箱→電動燃油幫浦→燃油濾清器→燃油壓力調整器→分油器→噴油嘴→汽缸→油箱(回流)
2.2.3點火系統:
點火系統係使用一弧形ECU裝在主ECU內,代替傳統化油器的真空提前機構與離心提前機構,點火正時受進氣溫度及節流閥開度兩者影響。
當引擎運轉時,由各感知器將運轉條件送至ECU,ECU即根據運轉條件從內建的記憶體中選出最適合的點火時期,將點火信號(電壓信號)送至發火線圈旁的功率電晶體(PowerTransistor)以控制點火線圈一次電流的ON-OFF,當功率電晶體OFF,火星塞即跳火。
點火信號從ECU傳送到功率電晶體並放大,功率電晶體用以開啟和關閉點火線圈的一次迴路,此ON-OFF的動作於線圈一次迴路中感應出適當的高壓電。
圖2.4為點火系統之示意圖。
圖2.4_點火系統之示意圖
(1)一次電路
電瓶正極→點火開關→功率電晶體射極→負極
(2)二次電路
點火線圈→功率電晶體集極→火星塞→搭鐵
2.3噴射引擎各感知器工作原理:
2.3.1空氣流量計電壓模擬:
空氣流量計,故障診斷碼54,正常電壓約1~1.7V。
ECU由空氣流量計計算出適當的混合比,當啟動空氣流量計電壓模擬時,旋鈕順時針旋轉,可以模擬高進氣量、高電壓,反之,旋鈕逆時針旋轉,可以模擬低進氣量、低電壓。
當模擬出高電壓時,ECU會誤判為高進氣量而增加噴油時間,但是實際進氣量不變,所以混合氣變濃,使含氧感知器產生高電壓。
圖2.5與圖2.6為空氣流量計之內部構造圖與實體圖。
圖2.5_空氣流量計之內部構造圖
圖2.6_空氣流量計實體圖
2.3.2冷卻水溫度感知器電壓模擬:
冷卻水溫度感知器,故障診斷碼59,正常電壓約5V。
ECU由冷卻水溫度感知器作冷車補償和水風扇控制,當啟動冷卻水溫度感知器電壓模擬時,旋鈕順時針旋轉,可以模擬冷卻水溫度高、低電壓,反之,旋鈕逆時針旋轉,可以模擬冷卻水溫度低、高電壓。
圖2.7與圖2.8為冷卻水溫度感知器構造圖與實體圖。
當模擬出高電壓時,ECU會誤判為冷卻水溫度低,而使噴油時間增加、輔助空氣閥開度增加,加速暖車。
當模擬出低電壓時,ECU會誤判冷卻水溫度高,而使水箱風扇作動。
圖2.7_冷卻水溫度感知器構造圖
圖2.8_冷卻水溫度感知器實體圖
2.3.3節氣門位置感知器電壓模擬:
節氣門位置感知器,故障診斷碼37,若未踩油門踏版量得電壓約0.4V,油門踏板全踩時量得電壓約3V。
ECM由節氣門位置感知器判斷節氣門開度,當啟動節氣門位置感知器電壓模擬時,旋鈕順時針旋轉,可以模擬節氣門開度大、高電壓,反之,旋鈕逆時針旋轉,可以模擬節氣門開度小、低電壓。
當模擬出高電壓時,ECM會誤判為節氣門開度大,可以模擬出高負荷運轉情況,並可以測試汽門正時閥是否正常。
圖2.9與圖2.10為節氣門位置感知器的構造與端子間之電壓輸出圖與實體圖。
圖2.9_節氣門位置感知器構造與端子間的電壓輸出圖
圖2.10_節氣門位置感知器實體圖
2.3.4含氧感知器電壓模擬:
含氧感知器,故障碼50,引擎運轉中量得電壓約於0~1V間變化。
ECU由含氧感知器(見圖4)判斷混合氣是否太濃或是太稀,當作噴油回饋的基準。
當啟動含氧感知器電壓模擬時,旋鈕順時針旋轉,可以模擬排氣中氧氣量少、高電壓,反之,旋鈕逆時針旋轉,可以模擬排氣中氧氣量多、低電壓。
圖2.11為含氧感知器的構造圖。
圖2.12為混合比之濃稀影響含氧感知器之輸出電壓圖。
圖2.13為含氧感知器的實體圖。
圖2.11_含氧感知器的構造圖
圖2.12_混合比影響含氧感知器之輸出電壓圖
圖2.13_含氧感知器實體圖
三、實驗設備
本實驗使用一具汽車引擎為裕隆車系的Cerfiro2.0L六缸四行程汽油引擎示教版,如圖3.1所示。
排氣量測方面以Horiba441GE排氣分析儀量測引擎排氣中之CO、HC和CO2的含量,如圖3.2所示。
此種檢測污染的儀器都是現今市面上使用最多的儀器。
圖3.3為示教版上之訊號插座組,用來偵測引擎的故障碼:
紅色插座:
電源
黑色插座:
接地
黃色插座:
5V電源
綠色插座:
訊號輸入
藍色插座:
訊號輸出
圖3.1_Cerfiro2.0L六缸四行程汽油引擎
圖3.2_Horiba441GE排氣分析儀
圖3.3_示教版訊號插座組
故障模擬旋鈕:
圖3.4為示教版上的各感知器電壓模擬開關,開關往上撥時,內部的旋轉式可變電阻代替欲製造故障之感知器,模擬各種不同電壓訊號輸入ECM,旋鈕順時針旋轉電阻變大,反之,逆時針旋轉電阻變小。
圖3.4故障模擬旋鈕
四、實驗步驟
(一)示教版感知器訊號量測:
1.發動引擎。
2.暖車5分鐘,記錄引擎轉速。
3.參照實驗手冊附錄之各感知器故障碼代號,將三用電錶紅色端子插入欲讀取之訊號孔,黑色端子插入接地孔。
讀取三用電錶上的電壓值,並紀錄空氣流量計電壓,冷卻水溫度感知器電壓,節氣門位置感知器電壓,與含氧感知器電壓。
4.依實驗手冊順序模擬各感知器故障,將旋鈕順時針旋轉至Low與High的位置,紀錄引擎轉速與各感知器的量測電壓,並觀察感知器故障時,引擎有何不正常的運轉狀態發生,把不正常的狀態紀錄下來。
(二)引擎排氣量測:
1.發動引擎。
2.暖機HORIBA-441GE。
3.利用校正氣瓶校正HORIBA-441GE。
4.將採樣棒放入汽車排氣管中量測並紀錄數據。
五、實驗數據
(一)示教版感知器訊號量測
(1)引擎正常運轉狀態測試
故障碼
量測值(V)
引擎正常運轉狀態
空氣流量計電壓
54
待速:
rpm
冷卻水溫度感知器電壓
59
節氣門位置感知器電壓
37
含氧感知器電壓
50
(2)空氣流量計感知器故障模擬
故障碼
量測值(V)
LH
引擎運轉狀態
空氣流量計電壓
54
0
故障旋鈕Low位置:
轉速:
rpm
引擎不正常運轉狀況:
故障旋鈕High位置:
轉速:
rpm
引擎不正常運轉狀況:
冷卻水溫度感知器電壓
59
10.4
節氣門位置感知器電壓
37
0.43
含氧感知器電壓
50
0.68
(3)冷卻水溫度感知器故障模擬
故障碼
量測值(V)
LH
引擎運轉狀態
空氣流量計電壓
54
1.09
故障旋鈕Low位置:
轉速:
rpm
引擎不正常運轉狀況:
故障旋鈕High位置:
轉速:
rpm
引擎不正常運轉狀況:
冷卻水溫度感知器電壓
59
4.36
節氣門位置感知器電壓
37
0.43
含氧感知器電壓
50
0~0.5
(4)節氣門位置感知器故障模擬
故障碼
量測值(V)
LH
引擎運轉狀態
空氣流量計電壓
54
0.98
故障旋鈕Low位置:
轉速:
rpm
引擎不正常運轉狀況:
故障旋鈕High位置:
轉速:
rpm
引擎不正常運轉狀況:
冷卻水溫度感知器電壓
59
1.11
節氣門位置感知器電壓
37
0
含氧感知器電壓
50
0~0.5
*註:
若慢慢由LOW轉往HIGH則轉速慢慢些微提升。
(5)進氣溫度感知器故障模擬
故障碼
量測值(V)
LH
引擎運轉狀態
空氣流量計電壓
54
10.5
故障旋鈕Low位置:
轉速:
rpm
引擎不正常運轉狀況:
故障旋鈕High位置:
轉速:
rpm
引擎不正常運轉狀況:
冷卻水溫度感知器電壓
59
1.02
節氣門位置感知器電壓
37
0.43
含氧感知器電壓
50
0
(二)引擎排氣量測
CO
HC
CO2
正常運轉
空氣流量計感知器故障
冷卻水溫度感知器故障
節氣門位置感知器故障
進氣溫度感知器故障
六、實驗結果與分析
(1).試述進氣系統、燃料系統、點火系統如何作動使引擎運轉。
(2).試述模擬各感知器故障後,引擎為何發生不正常的運轉狀況?
為什麼?
(3).試計算汽車排氣的空燃比。
七、心得與討論
(1).試討論傳統化油器引擎與現代電子噴射引擎的差異性與優缺點。
(2).試討論造成引擎不正常抖動現象有可能是哪些感知器故障?
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- 内燃机 排气 污染