汽車(chē)尾氣分析與發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的研究

摘要:汽車(chē)尾氣分析與發(fā)動(dòng)機(jī)工況有直接的關(guān)系,通過(guò)檢測(cè)汽車(chē)尾氣中不同成分氣體的含量,分析發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況、性能好壞,可以檢查包括燃燒情況、點(diǎn)火能量、進(jìn)氣效果、供油情況、機(jī)械故障等諸多方面,為診斷發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)的故障提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞:汽車(chē)尾氣分析故障診斷研究

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),其故障約占汽車(chē)全部故障的40%以上,因此對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法進(jìn)行研究很有必要。尾氣分析是檢查汽車(chē)排放污染物治理效果的唯一途徑,同時(shí)還可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況及性能進(jìn)行診斷,通過(guò)檢測(cè)汽車(chē)尾氣排放中不同成分氣體的含量,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),為診斷發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)的故障提供依據(jù)[1]。

1. 汽車(chē)尾氣排放影響因素的分析

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)在實(shí)際工作中的狀況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒會(huì)產(chǎn)生不同的影響,因此會(huì)影響到汽車(chē)排放污染物的產(chǎn)生,這些影響通過(guò)各種運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)表現(xiàn),如燃油供給系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)在汽車(chē)運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)的空燃比,點(diǎn)火系統(tǒng)表現(xiàn)的點(diǎn)火正時(shí)和點(diǎn)火能量等。對(duì)汽車(chē)排氣產(chǎn)生影響的因素主要有兩個(gè)方面,一是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)工作狀況的影響,二是運(yùn)行工況(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài))、大氣環(huán)境(溫度、壓力、濕度)和燃料的影響。

首先從發(fā)動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)及層次性考慮,列出汽車(chē)與排氣的整體關(guān)系圖,如圖1所示。分別從燃油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、機(jī)械部分及排氣控制系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)尾氣排放的影響進(jìn)行分析。

1.1 空燃比的影響。汽車(chē)尾氣排放主要與發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣形成、燃燒過(guò)程及燃燒結(jié)束后在排氣過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),理想的空燃比為14.7:1,由于空氣中的主要成分為氧(O2)和氮(N2),汽油中的主要成分為碳(C)和氫(H2),最理想的結(jié)果是發(fā)動(dòng)機(jī)排放出二氧化碳(CO2)、水(H2O)及氮(N2),但發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法達(dá)到百分之百的燃燒效率,因此會(huì)產(chǎn)生一些不平衡燃燒氣體,其中包括:一氧化碳(CO),碳?xì)浠衔?HC),氮氧化物(NOX),二氧化碳(CO2)和氧(O2)[2]。

碳?xì)浠衔?HC)有未參加燃燒的燃油碳?xì)浠衔锓肿?有燃燒過(guò)程中高溫分解和合成的中間產(chǎn)物和部分氧化物,如醛、烯及芳香烴等,有不完全燃燒產(chǎn)物以及潤(rùn)滑油的碳?xì)浠衔锏瘸煞?。CO主要來(lái)自空氣不足情況下可燃混合氣的不完全燃燒,是汽油機(jī)尾氣中有害成分濃度最大的物質(zhì)。CO2是困擾混合氣燃燒的產(chǎn)物,它能夠反映出燃燒的效率。

在發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NOX主要是指NO,NO在大氣中逐漸和氧或臭氧結(jié)合形成NO2。NO的產(chǎn)生主要取決于燃燒溫度以及氧的濃度。當(dāng)溫度超過(guò)2000℃時(shí),氧分子會(huì)分解成氧原子,它和氮分子化合生成NO。

如圖2所示,隨著空燃比的增加,CO的排放濃度逐漸下降,當(dāng)空燃比小于14.7:1時(shí)(混合氣變濃),由于空氣量不足引起不完全燃燒,CO、HC的排放量增大?？杖急冉咏碚摽杖急?4.7:1,燃燒越完全, CO、HC降低,O2接近于零,而CO2值升高。當(dāng)空燃比超過(guò)16.2:1時(shí)(混合氣變稀),由于燃料成分減少,用通常的燃燒方式已不能正常著火,產(chǎn)生失火,使未燃HC大量排出?；旌蠚膺^(guò)濃將產(chǎn)生大量的CO、HC,混合氣過(guò)稀將引起失火而生成過(guò)多的HC。

1.2 點(diǎn)火正時(shí)的影響。點(diǎn)火提前角對(duì)CO的排放沒(méi)有太大的影響,過(guò)分推遲點(diǎn)火會(huì)使CO沒(méi)有時(shí)間完全氧化而引起CO排放量增加,但適度推遲點(diǎn)火可減小CO排放。實(shí)際上當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間推遲時(shí),為了維持輸出功率不變需要開(kāi)大節(jié)氣門(mén),這時(shí)CO排放明顯增加。隨著點(diǎn)火提前角的推遲,HC的含量降低,主要是因?yàn)樵龈吡伺艢鉁囟?促進(jìn)了CO和HC的氧化。點(diǎn)火提前角與汽車(chē)尾氣成分的關(guān)系,如圖3所示。

1.3 點(diǎn)火能量的影響?；鸹ㄈ姌O間隙影響點(diǎn)火能量,HC的排放濃度常隨著火花塞電極間隙的增加而減少,而CO的排放濃度則隨著火花塞電極間隙的增大而增加;但當(dāng)火花塞電極間隙繼續(xù)增大時(shí),CO的排放濃度則又隨之降低。

1.4 氣缸密封性的影響。進(jìn)排氣門(mén)、氣缸襯墊的密封性,活塞、活塞環(huán)、缸套的磨損與密封性等,都會(huì)影響汽車(chē)尾氣的排放。如氣缸壓力過(guò)低會(huì)使燃燒不良,不僅使燃油經(jīng)濟(jì)性下降,而且HC和CO的排放量增加。

1.5 有關(guān)裝置工作狀況的影響。曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置、燃油箱蒸發(fā)控制裝置的工作狀況與HC的生成有關(guān),二次空氣噴射、進(jìn)氣預(yù)熱的工作狀況與HC、CO有關(guān),催化轉(zhuǎn)化器的工作溫度、轉(zhuǎn)化效率、使用壽命則影響HC、CO、NOX的生成。

2. 汽車(chē)尾氣分析診斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障的實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)上述分析,通過(guò)對(duì)汽車(chē)尾氣成分的變化與發(fā)動(dòng)機(jī)故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,找出其變化規(guī)律,以期為發(fā)動(dòng)機(jī)故障的診斷及排除提供指導(dǎo)。

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。實(shí)驗(yàn)儀器:四氣汽車(chē)排氣分析儀。

實(shí)驗(yàn)用車(chē):汽車(chē)綜合性能檢測(cè)站的被檢車(chē)輛和汽車(chē)維修廠的待修車(chē)輛。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案。利用汽車(chē)綜合性能檢測(cè)站的被檢車(chē)輛,根據(jù)汽車(chē)技術(shù)狀況變化所產(chǎn)生的外部現(xiàn)象,先初步判斷汽車(chē)技術(shù)狀況發(fā)生變化的可能原因,然后對(duì)其重點(diǎn)檢測(cè)尾氣參數(shù)變化。利用汽車(chē)維修廠的待修車(chē)輛及部分試驗(yàn)車(chē)輛,模擬故障進(jìn)行尾氣檢測(cè)分析。

2.3 故障設(shè)置及模擬。主要設(shè)置燃油供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的模擬故障,檢測(cè)不同系統(tǒng)、不同故障的尾氣成分。根據(jù)尾氣檢測(cè)結(jié)果,分析研究發(fā)動(dòng)機(jī)各部分故障與尾氣成分變化之間的關(guān)系。

主要模擬故障有:空氣供給系統(tǒng)阻塞混合氣過(guò)濃;斷開(kāi)某缸噴油器控制線(xiàn)路噴油器不噴油;阻塞某缸噴油器噴油不暢;使用電極間隙過(guò)大或過(guò)小火花塞或漏電高壓線(xiàn)使點(diǎn)火系工作不良;使用已損壞失效的傳感器、執(zhí)行器使控制系統(tǒng)工作不良;拔去某缸高壓線(xiàn)使該缸不工作等。

2.4 實(shí)驗(yàn)分析。通過(guò)尾氣檢測(cè)分析,可以診斷下列主要方面的故障:混合氣過(guò)濃或過(guò)稀,二次空氣噴射系統(tǒng)失靈,噴油器故障、進(jìn)氣歧管真空泄漏,空氣泵故障,氣缸蓋襯墊損壞,EGR閥故障,排氣系統(tǒng)泄漏,點(diǎn)火提前角過(guò)大等。

(1)可燃混合氣濃度變化。選擇20輛經(jīng)初步診斷為混合氣濃度故障的汽車(chē)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。按照國(guó)家汽車(chē)尾氣檢測(cè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn),檢測(cè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下:

其中有9輛車(chē)的檢測(cè)參數(shù)接近表1第Ⅰ組情況,有8輛車(chē)的檢測(cè)參數(shù)接近表1第Ⅱ組情況,其余3輛車(chē)的檢測(cè)參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)。

從表1第Ⅰ組的檢測(cè)結(jié)果分析,CO濃度大大高于標(biāo)準(zhǔn)值,可以判斷是由于發(fā)動(dòng)機(jī)不完全燃燒引起的。HC的數(shù)值也高于標(biāo)準(zhǔn)值,說(shuō)明燃油沒(méi)有充分燃燒。CO2可充分反映出發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒效率,如果混合氣充分燃燒,CO2將達(dá)到峰值,因此,從這個(gè)參數(shù)偏低可斷定燃燒不好。O2的含量直接反映可燃混合氣的空燃比,從該指標(biāo)偏低,可診斷為混合氣過(guò)濃。綜上可初步判斷該組數(shù)據(jù)反映了汽車(chē)混合氣過(guò)濃的故障現(xiàn)象。

從表1第Ⅱ組的檢測(cè)結(jié)果分析,HC高,CO2低同樣可判斷為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不充分所致。由O2過(guò)高,CO過(guò)低可看出是由于可燃混合氣空燃比失衡所造成。綜上,可初步判斷此組數(shù)據(jù)反映了汽車(chē)混合氣過(guò)稀的故障現(xiàn)象。

(2)點(diǎn)火系技術(shù)狀況。仍選20輛初步診斷為點(diǎn)火系故障的車(chē)輛進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,檢測(cè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下:

其中有6輛車(chē)的檢測(cè)參數(shù)接近表2第Ⅰ組情況,有7輛車(chē)的檢測(cè)參數(shù)接近表2第Ⅱ組情況,有5輛車(chē)的檢測(cè)參數(shù)接近表2第Ⅲ組情況,有2輛車(chē)檢測(cè)參數(shù)正常。

從表2第Ⅰ組、第Ⅱ組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,CO2和O2都正常,可斷定車(chē)輛的空燃比正常,燃燒充分,排除燃油系統(tǒng)故障,另外還可表明,點(diǎn)火系的點(diǎn)火能量足夠。初步診斷與點(diǎn)火正時(shí)有關(guān)。第Ⅰ組中,HC較低,可認(rèn)為由于點(diǎn)火時(shí)間過(guò)遲造成。

表2中第Ⅲ組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),CO2低說(shuō)明燃燒不好,HC很高且O2很高,可初步判斷發(fā)動(dòng)機(jī)有失火故障發(fā)生。

(3)機(jī)械故障。在汽車(chē)維修中心待修車(chē)輛中,將經(jīng)氣缸壓力檢測(cè)已確定氣缸壓力不足的車(chē)輛進(jìn)行尾氣檢測(cè)。先后檢測(cè)5輛車(chē),檢測(cè)數(shù)據(jù)接近表3所示情況。

從檢測(cè)數(shù)據(jù),明顯反映燃燒不好,以尾氣中的O2低于標(biāo)準(zhǔn)值,反映出氣缸密封性不好,主要是進(jìn)氣時(shí),由于漏氣造成氣缸內(nèi)真空度下降,減少了排氣量,但混合氣濃度不低氣缸溫度和壓力不足,這樣造成燃燒不穩(wěn)定,部分失火,HC排放很高,很大一部分不能氧化為CO,CO2偏低、O2不足,排出少。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)證明,分析汽車(chē)尾氣的成分變化,可以診斷汽車(chē)故障。CO、HC、CO2、O2等濃度變化和故障現(xiàn)象具有一定的規(guī)律性。

(1)尾氣中的CO是不完全燃燒引起的,如果混合氣過(guò)濃會(huì)產(chǎn)生很高的CO。

(2)HC的數(shù)值高,主要說(shuō)明燃油沒(méi)有充分燃燒或失火。影響充分燃燒的因素較多,如氣缸壓力,點(diǎn)火正時(shí),混合氣濃度等,要結(jié)合其它排放物的數(shù)值綜合分析。

(3)CO2可以直接反映燃燒效率,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒越完全,CO2的數(shù)值就越高。

(4)O2是反映空燃比的最好指標(biāo),通過(guò)O2的數(shù)值可以判斷是否處于正常燃燒,因此是一個(gè)非常重要的診斷數(shù)據(jù)。如果混合氣濃,O2就低,混合氣稀,O2就高,通過(guò)O2與其它參數(shù)配合,可診斷很多故障。

這四個(gè)排氣參數(shù)每一個(gè)都反映一定的故障,但綜合進(jìn)行診斷,能確定具體故障,通過(guò)實(shí)驗(yàn),得出汽車(chē)尾氣測(cè)試值與系統(tǒng)故障對(duì)應(yīng)規(guī)則表,如表4所示。

3. 尾氣分析診斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障實(shí)例應(yīng)用

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn),經(jīng)常熄火

(1)故障現(xiàn)象。一輛裝備5S—FE發(fā)動(dòng)機(jī)的豐田佳美轎車(chē),發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn),經(jīng)常熄火。

(2)故障檢測(cè)。首先調(diào)取故障碼,儀表板上的發(fā)動(dòng)機(jī)故障指示燈顯示為正常代碼。用四氣汽車(chē)尾氣分析儀進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果:CO為0.43%,HC為250×10-6,CO2為14.6%, O2為2.54%。

(3)檢測(cè)結(jié)果分析。由上述數(shù)據(jù)看出,HC和O2都很高,這是空燃比嚴(yán)重偏離正常值的一個(gè)重要特征。CO值較低而CO2值在最大值,說(shuō)明可燃混合氣已充分燃燒,點(diǎn)火系統(tǒng)正常。綜合分析表明,該車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)混合氣偏稀,因此應(yīng)從空氣供給系統(tǒng)和燃油供給系統(tǒng)著手檢查。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢查,真空管無(wú)漏氣、錯(cuò)插現(xiàn)象,PCV閥密封良好。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),將化油器清洗劑噴在進(jìn)氣管墊和EGR閥周?chē)?發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速上升,怠速逐漸穩(wěn)定。取下EGR閥,發(fā)現(xiàn)針閥周?chē)猩倭糠e炭,EGR閥通道上有很多積炭,針閥不能落入閥座,致使進(jìn)氣岐管的混合氣被廢氣稀釋,從而怠速不穩(wěn),發(fā)動(dòng)機(jī)容易熄火。

對(duì)EGR閥進(jìn)行徹底清洗,并換上新墊,起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),恢復(fù)正常。再次用尾氣分析儀進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果:CO為0.23% ,HC為52×10-6,CO2為14.6%,O2為1.43 %。數(shù)據(jù)正常,故障排除。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)輕微抖動(dòng),加速遲緩

(1)故障現(xiàn)象。一輛豐田凌志ES300轎車(chē),在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有輕微抖動(dòng),并且加速遲緩。

(2)故障檢測(cè)。檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)故障碼,無(wú)故障碼輸出。進(jìn)行數(shù)據(jù)流和點(diǎn)火波形檢測(cè),運(yùn)行參數(shù)正常,點(diǎn)火波形也基本正常。

用尾氣分析儀進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果:CO為0.45%,HC為240×10-6～500×10-6,且在此范圍內(nèi)波動(dòng),CO2為13.8%,O2為2.15 %。

(3)檢測(cè)結(jié)果分析。初步分析是間歇性失火所致。首先檢查燃油供給系統(tǒng),各部件工作正常,清洗噴油器后,觀察各缸噴油器霧化情況和流量的均勻性,均達(dá)到正常。再次進(jìn)行尾氣檢測(cè),HC值雖然有所下降,但仍較高。檢查空氣供給系統(tǒng),無(wú)漏氣現(xiàn)象。進(jìn)一步檢查電子點(diǎn)火系統(tǒng), 發(fā)現(xiàn)一個(gè)缸的高壓線(xiàn)有輕微短路(漏電)現(xiàn)象,更換高壓線(xiàn)。又因火花塞間隙偏大,也同時(shí)更換。再次檢測(cè),HC值下降不大,并仍有波動(dòng)。

為進(jìn)一步診斷故障,分別在左右兩側(cè)排氣歧管氧傳感器旁邊的尾氣檢測(cè)口進(jìn)行尾氣檢測(cè),發(fā)現(xiàn)左側(cè)氣缸排出尾氣中,CO值在0.5%左右,HC值在125×10-6左右,且波動(dòng)極小。而右側(cè)氣缸排出尾氣中,CO值也在0.5%左右,但HC值卻在150×10-6～280×10-6之間波動(dòng),問(wèn)題應(yīng)在右側(cè)氣缸。為此檢查右側(cè)氣缸高壓線(xiàn)和火花塞,發(fā)現(xiàn)第2缸火花塞有一個(gè)間隙過(guò)小,經(jīng)調(diào)整后重新安裝,故障完全消失,尾氣檢測(cè)值也符合出廠標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn),抖動(dòng)嚴(yán)重

(1)故障現(xiàn)象。一輛奧迪100型轎車(chē),裝有V6 2.6L電控發(fā)動(dòng)機(jī),怠速?lài)?yán)重抖動(dòng),但加速正常。

(2)故障檢測(cè)。調(diào)取該車(chē)故障碼,顯示為正常代碼;用示波器測(cè)試點(diǎn)火波形,結(jié)果正常;對(duì)各缸氣缸壓力進(jìn)行測(cè)試,均在規(guī)定范圍之內(nèi);進(jìn)氣及真空系統(tǒng)不漏氣;用尾氣分析儀進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)怠速時(shí)數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定,第一組數(shù)據(jù):CO為3.8%, HC為286×10-6,CO2為14.8%, O2為3.25%;第二組數(shù)據(jù):CO為0.28%, HC為54×10-6 ,CO2為9.8%,O2為3.4%。

(3)檢測(cè)結(jié)果分析。將述檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),HC和CO總是同時(shí)升高或降低,CO2時(shí)高時(shí)低,燃燒效率很的不穩(wěn)定,O2不能充分參與反應(yīng),數(shù)值一直較高。從而可以判斷為混合氣的形成與燃燒環(huán)境較差。推測(cè)是噴油器堵塞,導(dǎo)致噴油器針閥與閥座配合不密封,各缸噴油器在因該噴油時(shí)不噴油或少?lài)娪?而在不需要噴油時(shí)卻連續(xù)噴油,因而造成供油不正常,致使四種氣體的檢測(cè)數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定。

作噴油脈寬試驗(yàn),怠速時(shí)為3.4ms ,在正常范圍內(nèi),拆下各缸噴油器檢查,果然每個(gè)噴油器都有不同程度的堵塞,經(jīng)過(guò)徹底清洗,裝復(fù)試車(chē),恢復(fù)正常。

4. 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)尾氣成分與發(fā)動(dòng)機(jī)工況有直接的關(guān)系,在分析汽車(chē)尾氣排放影響因素的基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段,采集充分的數(shù)據(jù),對(duì)汽車(chē)尾氣成分的變化與發(fā)動(dòng)機(jī)故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究,找出其變化規(guī)律,確立汽車(chē)尾氣分析在發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)際案例分析,說(shuō)明運(yùn)用尾氣分析方法診斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障是準(zhǔn)確和有效的,因此,加強(qiáng)尾氣分析在汽車(chē)故障診斷中的實(shí)際應(yīng)用研究很有必要。

參考文獻(xiàn):

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作者簡(jiǎn)介:黨寶英 (1959-),男,呼和浩特人,高級(jí)工程師,專(zhuān)業(yè)方向:汽車(chē)運(yùn)用工程。