汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放及在故障診斷中的應(yīng)用

莫持標(biāo)

（江門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門(mén) 529090）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可燃混合氣在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生HC、CO、NOX等有害氣體和CO2、H20、O2等無(wú)害氣體。因尾氣成分與發(fā)動(dòng)機(jī)的工況有最直接的聯(lián)系，故可通過(guò)汽車尾氣的檢測(cè)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況、性能好壞，可以檢查發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況、點(diǎn)火能量、進(jìn)氣效果、供油情況、機(jī)械運(yùn)動(dòng)等情況。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，尾氣中某種成分必然偏離正常范圍，通過(guò)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下尾氣中氣體成分的含量，可判斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障所在的部位。尾氣分析主要參數(shù)有CO、HC、CO2和O2（氧氣）。

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放尾氣的成分及形成機(jī)理

根據(jù)燃燒理論，進(jìn)入汽車燃燒室的成分是空氣和燃油，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可燃混合氣在燃燒過(guò)程產(chǎn)生的排放尾氣中含有一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、二氧化硫、碳微粒、二氧化碳、氧氣等氣體和其他雜質(zhì)粉塵等。汽車排放尾氣中一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物三種有害氣體的影響因素比較多。

CO主要由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部缺氧和低溫引起的不完全燃燒而產(chǎn)生的，是汽油機(jī)尾氣中有害成分濃度最大的物質(zhì)。一般烴燃料的燃燒反應(yīng)過(guò)程為：

燃?xì)庵械难鯕庾銐驎r(shí)有：

HC在汽油機(jī)和柴油機(jī)中形成的機(jī)理有一定區(qū)別。在汽油機(jī)中，它主要由于不完全燃燒和壁面效應(yīng)而產(chǎn)生的；在柴油機(jī)中，由于燃料混合不均勻和燃燒不完全所致。

NOX是在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的，其中NO成分占比例較大，而少量成分是NO2，它們是N2在燃燒高溫下的產(chǎn)物。

CO2是可燃混合氣燃燒的產(chǎn)物，它能夠反映出燃燒的效率。

2 影響汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放物的主要因素

影響汽車有害排放物生產(chǎn)的因素很多也很復(fù)雜，但這些排放物畢竟是燃燒化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，因而這些影響因素歸結(jié)起來(lái)，同影響化學(xué)反應(yīng)的因素一樣，主要為可燃混合氣的空燃比，點(diǎn)火提前角、發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速等。

（1）空燃比的影響。汽車尾氣排放主要與發(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)，理想的空燃比是14.7:1。

圖1 空燃比、過(guò)量空氣系數(shù)與尾氣成分的關(guān)系曲線

如圖1所示，隨著空燃比的增加，CO的排放濃度逐漸下降，HC的排放濃度兩頭高、中間低，CO2的排放濃度中間高、兩頭低。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?？杖急仍浇咏碚摽杖急?4.7:1，燃燒越完全，HC、CO的值越低，O2越接近于零，而CO2的值越高。而當(dāng)混合氣空燃比超過(guò)16.2:1時(shí)（混合氣變?。捎谌剂铣煞诌^(guò)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。

圖2 點(diǎn)火提前角與燃油消耗率、尾氣成分的關(guān)系曲線

（2）點(diǎn)火提前角的影響。如圖2所示，點(diǎn)火提前角對(duì)CO的排放沒(méi)有太大影響，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，適度提前點(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，也由于減小了燃燒室內(nèi)的激冷面積。

（3）點(diǎn)火能量的影響?；鸹ㄈ姌O間隙影響點(diǎn)火能量，碳?xì)浠衔锏呐欧艥舛瘸ｋS著火花塞電極間隙的增加而減小，而CO的排放濃度常隨著火花塞電極間隙的增大加而增大，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。

（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。發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下尾氣排放濃度值正常范圍見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下尾氣排放濃度正常值范圍

3 尾氣成分異常與發(fā)動(dòng)機(jī)故障的關(guān)系分析

通過(guò)尾氣分析，可以檢測(cè)到以下幾個(gè)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、汽缸蓋襯墊損壞、EGR閥故障、排氣系統(tǒng)泄漏、點(diǎn)火系統(tǒng)提前角過(guò)大等。

（1）HC與發(fā)動(dòng)機(jī)故障的關(guān)系。HC的讀數(shù)高，說(shuō)明燃油沒(méi)有充分燃燒。汽缸壓力不足、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)低、油箱中油氣蒸發(fā)、混合氣由燃燒室向曲軸箱泄漏、混合氣過(guò)濃或過(guò)稀、點(diǎn)火正時(shí)不準(zhǔn)確、點(diǎn)火間歇性不跳火、溫度傳感器不良、噴油嘴漏油或堵塞、油壓過(guò)高或過(guò)低等因素都將導(dǎo)致HC讀數(shù)過(guò)高。

（2）CO與發(fā)動(dòng)機(jī)故障的關(guān)系。CO的讀數(shù)是零或接近零，則說(shuō)明混合氣充分燃燒。C0的含量過(guò)高，表明燃油供給過(guò)多、空氣供給過(guò)少，燃油供給系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)有故障，如噴油嘴漏油、燃油壓力過(guò)高、空氣濾清器不潔凈或其他問(wèn)題，如活塞環(huán)膠結(jié)阻塞、曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)受阻、點(diǎn)火提前角過(guò)大或水溫傳感器有故障等；C0的含量過(guò)低，則表明混合氣過(guò)稀，故障原因有：燃油油壓過(guò)低、噴油嘴堵塞、真空泄漏、EGR閥泄漏等。

（3）CO2與發(fā)動(dòng)機(jī)故障的關(guān)系。CO2是可燃混合氣燃燒的產(chǎn)物，其高低反映出混合氣燃燒的好壞，即燃燒效率?？扇蓟旌蠚馊紵酵耆?，CO2的讀數(shù)就越高，混合氣充分燃燒時(shí)尾氣中CO2的含量達(dá)到峰值13%-16%。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣出現(xiàn)過(guò)濃或過(guò)稀時(shí)，CO2的含量都將降低。當(dāng)排氣管尾部的CO2低于12%時(shí)，要根據(jù)其他排放物的濃度來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的濃或稀。故障原因有：燃油濾芯太臟、燃油油壓低、噴油嘴堵塞、真空泄漏、EGR閥泄漏等將造成混合氣過(guò)??；而空氣濾清器阻塞、燃油壓力過(guò)高，都可能導(dǎo)致混合氣過(guò)濃。

（4）O2與發(fā)動(dòng)機(jī)故障的關(guān)系。O2的含量是反映混合氣空燃比的最好指標(biāo)，是最有用的診斷數(shù)據(jù)之一?？扇蓟旌蠚馊紵酵耆珻O2的讀數(shù)就越高；與此相反，燃燒正常時(shí)，只有少量未燃燒的O2通過(guò)汽缸，尾氣中O2的含量應(yīng)為1%～2%。O2的讀數(shù)小于1%，說(shuō)明混合氣過(guò)濃；O2的讀數(shù)大于2%，表示混合氣太稀。導(dǎo)致混合氣過(guò)稀的原因有很多，如燃油濾芯太臟、燃油油壓低、噴油嘴堵塞、真空泄漏、EGR閥泄漏等。而空氣濾清器阻塞、燃油壓力過(guò)高等都可能導(dǎo)致混合氣過(guò)濃。

當(dāng)CO、HC濃度高，CO2、O2濃度低時(shí)，表明發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣很濃。HC和O2的讀數(shù)高，則表明點(diǎn)火系統(tǒng)工作不良、混合氣過(guò)稀，而引起失火。 利用功率平衡試驗(yàn)和尾氣分析儀的讀數(shù)，可以知道每個(gè)缸的工作狀況。如果每個(gè)缸CO、CO2的讀數(shù)都下降，HC、O2的讀數(shù)都上升，且上升和下降的量都一樣，表明各缸都工作正常。如果只有一個(gè)缸的變化很小，而其它缸都一樣，則表明這個(gè)缸點(diǎn)火或燃燒不正常。

4 應(yīng)用實(shí)例

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

(1)故障現(xiàn)象：一輛桑塔納2000GSi，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)，經(jīng)常熄火。讀取故障代碼，顯示為00525，表明氧傳感器有故障。

（2）故障檢測(cè)。對(duì)氧傳感器進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)電壓在0~0.3V和0.7~1.0V之間變化,且變化頻率達(dá)到8Hz以上，這說(shuō)明氧傳感器正常。用四氣尾氣分析儀進(jìn)行檢測(cè)，HC、CO、CO2、O2分別為 250×10-6、0.43%、14.6%、2.54%。

（3）檢測(cè)結(jié)果分析。由檢測(cè)結(jié)果可以看出HC和O2都較高，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)從空氣供給系和燃油供給系著手檢修。

（4）故障排除。檢查燃油供給系統(tǒng)，一切正常。檢查空氣供給系統(tǒng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)空氣流量計(jì)后面的進(jìn)氣軟管有破損、裂紋。更換進(jìn)氣軟管，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，一切恢復(fù)正常。再次用尾氣分析儀進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果 HC為 50×10-6、CO為 0.23%、CO2為 14.5%、O2為1.33%，數(shù)據(jù)正常，故障排除。

本例是由于進(jìn)氣管漏氣，使額外的空氣進(jìn)入汽缸，造成混合氣過(guò)稀，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)，經(jīng)常熄火。這部分未經(jīng)過(guò)ECU檢測(cè)的空氣經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后，造成排氣中剩余大量氧氣，氧傳感器將此信號(hào)反饋給ECU，ECU根據(jù)這一信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)地加濃。由于氧傳感器一直輸出要求加濃的信號(hào)，自診斷系統(tǒng)則認(rèn)為氧傳感器有故障，便輸出相應(yīng)的故障碼。

4.2 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,裝有V62.6L電控發(fā)動(dòng)機(jī),怠速嚴(yán)重抖動(dòng),但加速正常。

(2)故障檢測(cè)。調(diào)取該車故障碼,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)不噴油或少噴油,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。

（4）故障排除。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,發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)正常，尾氣排放也處在正常狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

汽車尾氣成分與發(fā)動(dòng)機(jī)工況有直接的關(guān)系。但目前在許多汽車維修企業(yè)，尾氣分析儀只是作為車輛年檢前調(diào)整尾氣、測(cè)試簡(jiǎn)單參數(shù)的普通設(shè)備，沒(méi)有發(fā)揮出它在汽車故障診斷中的作用，造成了資金的浪費(fèi)和設(shè)備的閑置。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒理論和實(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)尾氣分析在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中的實(shí)際應(yīng)用研究很有必要。

[1]曹紅兵.尾氣分析在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中的應(yīng)用[J].汽車維修與保養(yǎng),2006，(10).

[2]黨寶英.汽車尾氣分析與發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的研究[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息,2010.

[3]龔金科.汽車排放及控制技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2007.