某前置后驅(qū)車型過量空氣系數(shù)不合問題研究

張心

【摘 要】隨著環(huán)保要求的提高，國家對(duì)于汽車尾氣排放的要求也越來越高。過量空氣系數(shù)作為排放的一個(gè)重要指標(biāo)，其不合格通常是由電噴系統(tǒng)的零件故障導(dǎo)致的。但是也有一種過量空氣系數(shù)不合與電噴系統(tǒng)完全不相關(guān)，文章對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的過量空氣系數(shù)不合的問題進(jìn)行分析，闡述了排氣系統(tǒng)漏氣與過量空氣系數(shù)不合的關(guān)系，分析了與排氣系統(tǒng)漏氣相關(guān)的零件及其控制方法，為此類問題的解決提供了思路和方向。

【關(guān)鍵詞】過量空氣系數(shù)；排氣；泄漏

【中圖分類號(hào)】TK431 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）09-0020-03

汽車排放污染物主要有碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOx）、一氧化碳（CO）、二氧化硫、含鉛化合物、苯并芘及固體顆粒物等組成，它們都是發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過程中產(chǎn)生的有害氣體。這些有害氣體產(chǎn)生的原因各異，CO是燃油氧化不完全的中間產(chǎn)物，當(dāng)氧氣不充足時(shí)會(huì)產(chǎn)生CO，混合氣濃度大及混合氣不均勻都會(huì)使排氣中的CO增加。HC是燃料中未燃燒的物質(zhì)，由于混合氣不均勻、燃燒室壁冷等原因造成部分燃油未來得及燃燒就被排放出去。NOx是燃料（汽油）在燃燒過程中產(chǎn)生的一種物質(zhì)。PM也是燃油燃燒時(shí)缺氧產(chǎn)生的一種物質(zhì)，其中以柴油機(jī)最明顯。這些化合物嚴(yán)重危害了人類的身體健康。

為了對(duì)汽車排放的污染物進(jìn)行有效的監(jiān)控，各個(gè)國家都制定了相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，我國目前已經(jīng)全面實(shí)施了“國五”排放標(biāo)準(zhǔn)，并且正在推進(jìn)“國六”標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施。對(duì)于排放控制的指標(biāo)中，過量空氣系數(shù)是一個(gè)重要參數(shù)。

過量空氣系數(shù)是指燃燒1 kg燃料的實(shí)際空氣量與理論上所需的空氣量之質(zhì)量比。過量空氣系數(shù)等于1時(shí)，燃燒是最充分的。而過量空氣系數(shù)大于1時(shí)，為稀混合氣。GB 18285—2005對(duì)于過量空氣系數(shù)的要求，對(duì)于使用閉環(huán)控制電子燃油噴射系統(tǒng)和三元催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)的汽車進(jìn)行過量空氣系數(shù)的測(cè)定，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為高轉(zhuǎn)速時(shí)，過量空氣系數(shù)應(yīng)該在1.00±0.03或者制造廠規(guī)定的范圍內(nèi)。通常我們用λ表示過量空氣系數(shù)。

造成過量空氣系數(shù)不合的原因有很多，通常是節(jié)氣門、火花塞的積炭、催化器的失效、氧傳感器的故障等與電噴系統(tǒng)相關(guān)的零部件的原因造成的。這些車子通常都經(jīng)過一段時(shí)間的使用，但是某前置后驅(qū)車型，剛生產(chǎn)下線進(jìn)行尾氣檢驗(yàn)時(shí)就出現(xiàn)過量空氣系數(shù)不合的問題，與前文所述的電器元件損壞的原因不同。本文從該問題的解決過程入手，詳細(xì)分析了造成過量空氣系數(shù)不合的原因及解決辦法，作為后續(xù)設(shè)計(jì)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及問題分析的參考。

1 問題發(fā)生的背景

某車型進(jìn)行年度車型更改后，車輛在檢測(cè)線尾氣排放工位進(jìn)行尾氣檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)設(shè)備提示過量空氣系數(shù)不合格。過量空氣系數(shù)值超出國標(biāo)要求0.97～1.03的范圍，而且故障車輛的過量空氣系數(shù)值都是偏大的。對(duì)故障車的電噴系統(tǒng)進(jìn)行了檢查發(fā)現(xiàn)，電噴系統(tǒng)的運(yùn)行全部正常。選一臺(tái)故障車輛舉升后，在查看底盤時(shí)發(fā)現(xiàn)，怠速時(shí)排氣系統(tǒng)有漏氣，轟油門時(shí)更加明顯。用手在排氣系統(tǒng)的連接處感受發(fā)現(xiàn)，前后消聲器連接法蘭位置漏氣嚴(yán)重，轟油門時(shí)明顯感覺到有氣流竄出。而沒有出現(xiàn)過量空氣系數(shù)不合的車輛，則沒有發(fā)現(xiàn)明顯的漏氣。觀察故障車的法蘭發(fā)現(xiàn)，法蘭已經(jīng)變形，拆開前后消聲器發(fā)現(xiàn)，消聲器連接位置的密封墊變形，密封墊在法蘭部分位置沒有留下壓痕，說明密封墊沒有完全起到密封作用（如圖1所示）。順著故障車和非故障車的差異點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)查。

2 排氣系統(tǒng)漏氣與過量空氣系數(shù)不合的關(guān)系

我們用尾氣分析儀來對(duì)汽車尾氣中各種氣體元素含量指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。汽車尾氣分析儀的探頭探入到汽車排氣尾管中，對(duì)汽車排氣中主要組分CO、HC、CO2、NOX和O2進(jìn)行測(cè)量分析，通過公式計(jì)算，得出過量空氣系數(shù)的值。如果排氣系統(tǒng)中存在漏氣，即排出的廢氣中混入了空氣，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的λ值增大，如果超出國標(biāo)的范圍，設(shè)備會(huì)報(bào)警，提示高怠速時(shí)過量空氣系數(shù)不合。

為了驗(yàn)證這一理論，對(duì)一臺(tái)尾氣排放已經(jīng)合格的車輛，將前后消聲器連接的法蘭螺栓松開，再次進(jìn)行尾氣檢測(cè)，該車輛過量空氣系數(shù)超過范圍，顯示過量空氣系數(shù)不合格；重新將法蘭螺栓擰緊，該車輛的過量空氣系數(shù)又顯示合格（如圖2所示）。

實(shí)驗(yàn)可以證明，過量空氣系數(shù)與排氣系統(tǒng)的漏氣密切相關(guān)，在其他參數(shù)都不變的情況下，僅改變排氣系統(tǒng)的漏氣量，可以得到截然不同的結(jié)果。漏氣量達(dá)到一定值后，檢測(cè)的過量空氣系數(shù)就出現(xiàn)不合。因此，此次批量出現(xiàn)的過量空氣系數(shù)不合的問題可以鎖定原因?yàn)榍昂笙暺鞣ㄌm連接處漏氣。

3 影響排氣系統(tǒng)密封不嚴(yán)的原因分析

排氣系統(tǒng)漏氣可以分成3個(gè)部分，一個(gè)是排氣系統(tǒng)各零件的漏氣，因零件不可能做成絕對(duì)密封狀態(tài)，所以這個(gè)漏氣是無法避免，只能在技術(shù)范圍內(nèi)盡量縮小。二是排氣系統(tǒng)各零件連接處的漏氣。這里的漏氣除了與排氣系統(tǒng)的零件、配合尺寸有關(guān)外，還與車身等尺寸密切相關(guān)。

3.1 排氣系統(tǒng)零件設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)的漏氣量

一個(gè)前置后驅(qū)車輛的排氣系統(tǒng)主要有三元催化器總成、前消聲器總成、后消聲器總成3個(gè)零件組成。這3個(gè)零件都是由法蘭盤、管路、消音包（或者三元催化器）焊接而成，每2個(gè)零件中間靠法蘭面和密封墊密封。單個(gè)零件和整個(gè)系統(tǒng)都不是絕對(duì)密封的。

零件開發(fā)時(shí)工程師會(huì)規(guī)定每個(gè)零件的泄漏值。要求在一定壓力下，泄漏量不小于某個(gè)數(shù)值。這個(gè)泄漏值由零部件供應(yīng)商進(jìn)行100%檢驗(yàn)和挑選。將零件放置于一個(gè)臺(tái)架，堵住排氣口，向進(jìn)氣口充氣保壓，由設(shè)備讀取泄漏量，滿足要求后即零件合格。泄漏量不滿足要求時(shí)，要對(duì)零件進(jìn)行檢查返修。

一般情況下，零件泄漏量不合與焊縫質(zhì)量差有關(guān)。通過檢漏、補(bǔ)焊，零件重新進(jìn)行泄漏測(cè)試往往可以使零件滿足使用需求。

理論上，每一個(gè)零件都在設(shè)計(jì)的泄漏范圍內(nèi)是沒有問題的，但是，不排除三個(gè)零件泄漏量都在極限值時(shí)，累積的泄漏量超標(biāo)。因此，對(duì)于出現(xiàn)過量空氣系數(shù)不合的車子，應(yīng)首先拆下排氣系統(tǒng)的零件進(jìn)行泄漏測(cè)試，并記錄測(cè)試值。實(shí)際零部件質(zhì)量控制過程中，應(yīng)該嚴(yán)格控制泄漏值在上限的零件的使用。

3.2 排氣系統(tǒng)各零件關(guān)鍵尺寸

3.2.1 零件檢具測(cè)量

對(duì)于排氣系統(tǒng)零件質(zhì)量的檢查，首先是檢具測(cè)量（如圖3所示）。將零件放置在檢具上，鎖緊定位法蘭，觀察零件在檢具中的狀態(tài)，是否超出檢具的要求。用卡板檢查零件有無超出檢具，用間隙尺檢查定位面的間隙。重點(diǎn)檢查的是前后法蘭面與檢具的間隙及吊鉤是否在檢具的槽內(nèi)。

法蘭面如果不貼合檢具，實(shí)車裝配后，零件的2個(gè)法蘭型面會(huì)不貼合，會(huì)出現(xiàn)壓不緊密封墊的情況，從而導(dǎo)致漏氣量增加。

吊鉤的位置控制的是零件在車上的形態(tài)，如果吊鉤位置不對(duì)，排氣系統(tǒng)相鄰的2個(gè)零件會(huì)不在一個(gè)平面上，法蘭會(huì)形成一個(gè)“A”形或者“V”形的間隙，這種情況下再打緊法蘭的連接螺栓，會(huì)出現(xiàn)密封墊壓偏的情況，從而導(dǎo)致漏氣量增加。

在實(shí)際問題的處理時(shí)，由于零件經(jīng)過裝車，法蘭已經(jīng)變形，所以故障件進(jìn)行檢具測(cè)量的意義不大了。通常會(huì)從同批次中抽取未裝車的零件進(jìn)行檢具測(cè)量，由于零件都是工裝件，如果零件焊接出現(xiàn)了偏差，也會(huì)同樣發(fā)現(xiàn)端倪。

3.2.2 排氣系統(tǒng)子零件的關(guān)鍵尺寸

除了排氣零件在整車的形態(tài)，子級(jí)零件也有一些關(guān)鍵的尺寸會(huì)影響密封。

本車型采用的是比較成熟的法蘭加密封墊的連接方式，密封墊壓在法蘭的平面上。對(duì)于這種連接方式的排氣系統(tǒng)，要先關(guān)注連接法蘭用于壓密封墊位置的尺寸。

本車型對(duì)于法蘭圓角的要求為3 mm，但是實(shí)際零件的圓角已經(jīng)做到了6.5 mm。數(shù)模上模擬分析當(dāng)法蘭內(nèi)側(cè)圓角為R3 mm時(shí)，密封墊與法蘭的接觸面寬度為5.6 mm。當(dāng)圓角變?yōu)镽6.5 mm時(shí)，接觸面寬度變?yōu)?.5 mm。密封面減小了3.1 mm，再加上其他的裝配尺寸公差，能用于密封的尺寸就更小了。密封面的寬度直接影響了密封的效果。因此，法蘭的內(nèi)圓角為關(guān)鍵尺寸。

測(cè)量法蘭內(nèi)圓角的方法，比較簡易直接的方法是R規(guī)（如圖4所示），但是測(cè)量結(jié)果不夠精確，只能用于初步判斷零件是否符合。如果需要精確的數(shù)據(jù)，可以抽取同一批次的法蘭，采用三坐標(biāo)的測(cè)量方式。圓角可以直接在故障車上進(jìn)行測(cè)量，是比較關(guān)鍵且比較容易收集的數(shù)據(jù)。

法蘭的變形問題也非常關(guān)鍵，在本次問題的研究中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)法蘭在打緊扭力后發(fā)生了變形，法蘭變形后會(huì)擠偏密封墊，從而發(fā)生漏氣?？刂品ㄌm變形的方法有3種，其中一種是選用強(qiáng)度更高的材料或者增加材料的厚度，當(dāng)然這種變化帶來的是成本的增加。此外，選用不同型號(hào)的螺母也會(huì)有不同的效果，這是因?yàn)椴煌穆菽傅哪Σ料禂?shù)是不一樣的。問題論證的過程中，我們驗(yàn)證了2種螺母的裝配效果。一種螺母法蘭面是光滑平面的，另一種螺母法蘭面是花紋的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)以同樣的扭力施加于零件上，產(chǎn)生的變形量是不同的。使用平面螺母裝配的零件變形嚴(yán)重，拆開后發(fā)現(xiàn)密封墊已經(jīng)壓偏，這種情況下泄漏是在所難免的了。而使用花紋螺母裝配的零件沒有變形，拆開后密封墊均勻的壓縮，密封效果很理想。

如果在裝配過程中能夠先預(yù)緊兩側(cè)螺栓，然后均勻地將兩側(cè)打緊，經(jīng)過驗(yàn)證，也是能夠避免漏氣量增大的一種方法。這種方法可以避免一側(cè)先打緊造車的偏壓現(xiàn)象，但是由于這種方法是靠操作員工把握，對(duì)熟練度的要求很高，過程中也很難監(jiān)控，因此只能是在問題發(fā)生的前期作為一種抑制措施，不能作為問題解決的長期措施來執(zhí)行。

3.2.3 整車其他相關(guān)零件尺寸

排氣系統(tǒng)是由一些吊鉤固定在車身上的，除此之外，三元催化器與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管相連接，發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的位置也影響到了排氣系統(tǒng)的位置。所以，除了對(duì)整個(gè)排氣系統(tǒng)的零件進(jìn)行研究分析外，整車零件的尺寸也需要關(guān)注。最主要的是車架或者橫梁上的排氣零件的吊點(diǎn)尺寸、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置車身固定點(diǎn)尺寸。車身的零件測(cè)量主要的監(jiān)控手段是三坐標(biāo)測(cè)量。量產(chǎn)車會(huì)按照抽檢的計(jì)劃每天對(duì)生產(chǎn)的白車身進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的車身安裝點(diǎn)均可以參考三坐標(biāo)數(shù)據(jù)。但是，由于對(duì)于排氣系統(tǒng)吊鉤的焊接精度要求并不高，吊鉤的測(cè)量往往不在常規(guī)測(cè)點(diǎn)中，可以要求三坐標(biāo)進(jìn)行臨時(shí)測(cè)量或者到供應(yīng)商處對(duì)其零件的工裝檢具進(jìn)行尺寸測(cè)量來監(jiān)控吊鉤的一致性。

除以上所述零件外，密封墊也會(huì)影響密封性能，但是對(duì)密封墊在廠內(nèi)只能大致進(jìn)行內(nèi)外徑、厚度等的尺寸測(cè)量，如需詳細(xì)的數(shù)據(jù)，還是需要供應(yīng)商或者第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果，詳細(xì)尺寸可以參考圖紙中的技術(shù)要求。

4 總結(jié)及結(jié)論

由上文分析，新車出現(xiàn)過量空氣系數(shù)不合的問題時(shí)，除了排查電噴相關(guān)的零件外，排氣系統(tǒng)的漏氣也是一個(gè)重要的原因。當(dāng)然，本文分析的是一種排氣系統(tǒng)常見的連接形式，平面法蘭加密封墊的形式。這種連接形式對(duì)于整車的相關(guān)零部件精度要求較高，當(dāng)車身或者排氣系統(tǒng)零件本身出現(xiàn)了公差累積，可能會(huì)導(dǎo)致問題批量爆發(fā)而不易查找原因。

本文通過問題解決的過程，系統(tǒng)闡述了漏氣的分析過程，羅列了相關(guān)零件及關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于以后出現(xiàn)類似問題給出了分析的方向。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]