尾气分析在汽车发动机故障诊断中的应尾气分析在汽车发动机故障诊断中的应 用用摘 要:汽车发动机尾气会排放 HC、CO、NOX 等有害气体和 CO2、H20、O2 等无害 气体。由于尾气成分与发动机的工况有最直接的联系,所以通过汽车尾气的检测可初步分析 发动机的工作状况、性能好坏,可以检查包括燃烧情况、点火能量、进气效果、供油情况、 机械情况等诸多方面。 关键词:尾气发动机故障诊断 燃烧 应用 随着汽车工业的高速发展,汽车排放污染对人类环境的危害已成为一种严重的社会公害 。汽车的排放污染主要来源于发动机排除的废气。目前,在许多汽车维修企业,尾气分析仪 只是作为车辆年检前调整尾气、测试简单参数的普通设备,而忽略了它在汽车故障诊断中的 重要作用,尾气分析不仅是检查汽车排放污染物治理效果的唯一途径,而且还是对发动机工 作状况及性能判定的重要手段。科学有效地使用尾气分析仪进行尾气分析,在一定程度上能 够解决很多维修难题,此外对于维修人员的维修技术、分析思路也将得到提升与拓展。因此,加 强尾气分析在汽车故障诊断中的应用十分必要。 一、尾气分析的基本常识 尾气分析是指在发动机不同工作状况下,通过检测废气中不同成分气体的含量来判断发 动机各系统故障的方法。汽车发动机可燃混合气在燃烧过程中会产生 HC、CO、NOX 等 有害气体和 CO2、H20、O2 等无害气体。由于尾气成分与发动机的工况有着直接的联系, 所以通过汽车尾气的检测可分析发动机的工作状况、性能好坏,可以检查包括燃烧情况、点 火能量、进气效果、供油情况、机械状况等诸多方面。当发动机各系统出现故障时,尾气中 某一种或几种成分必然偏离正常值,通过检测发动机不同工况下尾气中不同气体成分的含量,可 判断发动机的故障所在。尾气分析主要内容有混合气空燃比、点火正时及催化器转化效率 等,主要分析的参数有 CO、HC、CO2、O2 和空燃比(A/F)或相对空燃比()。HC 是未燃燃 料、可燃混合气不完全燃烧或裂解的碳氢化合物及少量的氧化反应的中间产物。CO 主要 来自在空气不足的情况下可燃混合气的不完全燃烧,是汽油机尾气中有害成分浓度最大的物 质。CO2 是可燃混合气燃烧的产物,它能够反映出燃烧的效率。NOX 常常发生在高温大负 荷的情况下,在没有底盘测功机时只能靠路试去测量,一般不作分析。 二、尾气成分与发动机各部分技术状况的关系 1、尾气排放与发动机机械部分的关系 进排气门、气缸衬垫的密封性,活塞、活塞环、缸套的磨损与密封性等因素,与之有关 的尾气成分有 HC、CO。相关的检测项目有气缸压力、气缸漏气率和进气真空度。 2、尾气排放与发动机电控燃油喷射系统的关系 空气流量、水温、进气温度、节气门位置、转速等信号、燃油压力调节器的技术状况 及电子控制单元(ECU) 等影响喷油时间与压力的因素;喷油器、进气管内壁状况等影响喷 油雾化质量的因素,与之有关的尾气成分有 HC、CO。相关的检测项目有燃油压力、空燃比 (A/F)、相关电路信号、空气流量计信号(L 型)、进气压力传感器信号(D 型)、转速信号、温 度信号、负荷信号、氧传感器信号等。 3、尾气排放与发动机电控点火系统的关系 点火线圈初级绕组的断电电流、点火初级电路电阻、电容器等影响点火能量的因素,真 空提前装置、点火模块、与点火有关的传感器信号等影响点火正时的因素,火花塞、高压线 、分电器等影响失火率的因素,与之有关的尾气成分有 HC。相关的检测项目有点火波形、 漏电试验、导通试验。 4、尾气排放与发动机排放控制系统的关系 曲轴箱强制通风系统(PCV)、燃油箱蒸汽排放控制系统(EVAP)的工作状况与 HC 的生 成有关;二次空气供给系统、进气预热系统的工作状况与 HC、CO 的排放有关;废气再循环( EGR)控制系统的工作状况与 NOx 的排放有关;三元催化转换装置(TWC)的工作温度、转化 效率、使用寿命则影响 HC、CO、NOx 的排放量。 以上相关内容可以得出:通过尾气分析,可以检测到以下几个主要方面的故障:混合气过 浓或过稀(包括电控燃油喷射系统、机械故障等)、点火正时不准或失火(主要是电控点火系 统)、排放控制系统等。 三、尾气成分异常的原因分析 1、HC 的读数高,说明燃油没有充分燃烧。气缸压力不足、发动机温度过低、油箱中油 气蒸发、混合气由燃烧室向曲轴箱泄漏、混合气过浓或过稀、点火正时不准确、点火间歇 性不跳火、温度传感器不良、喷油嘴漏油或堵塞、油压过高或过低等因素都将导致 HC 读 数过高。 2、CO 的读数是零或接近零,只说明混合气充分燃烧;C0 的含量过高,表明燃油供给过 多、空气供给过少,造成混合气过浓。多系燃油供给系统和空气供给系统有故障,如喷油嘴 漏油、燃油压力过高、空气滤清器不洁净。其它方面问题,如活塞环胶结阻塞、曲轴箱强制 通风系统受阻、点火提前角过大或水温传感器有故障等;C0 的含量过低,则表明混合气过稀, 故障原因有:燃油油压过低、喷油嘴堵塞、真空泄漏、EGR 阀泄漏等。 3、CO2 是可燃混合气燃烧的产物,其高低反映出混合气燃烧的好坏,即燃烧效率。可燃 混合气燃烧越完全,CO2 的读数就越高,混合气充分燃烧时尾气中 CO2 的含量达到峰值 13 16%。当发动机混合气出现过浓或过稀时,CO2 的含量都将降低。当排气管尾部的 CO2 低于 12%时,要根据其他排放物的浓度来确定发动机混合气的浓或稀。燃油滤芯太脏、燃油 油压低、喷油嘴堵塞、真空泄漏、EGR 阀泄漏等将造成混合气过稀。而空气滤清器阻塞、 燃油压力过高等,都可能导致混合气过浓。 4、O2 的含量是反映混合气空燃比的最好指标,是最有用的诊断数据之一。O2 的读数 和其他 3 个读数一起,能帮助找出问题的难点。可燃混合气燃烧越完全,CO2 的读数就越高; 与此相反,燃烧正常时,只有少量未燃烧的 O2 通过气缸,尾气中 O2 的含量应为 12%。O2 的读数小于 1%,说明混合气过浓;O2 的读数大于 2%,表示混合气过稀。导致混合气过稀或 过浓的原因前面已作说明,在此不再重复。 5、当 CO、HC 浓度高,CO2、O2 浓度低时,表明发动机混合气很浓。HC 和 O2 的读 数高,则表明点火系统工作不良、混合气过稀。 6、利用功率平衡试验和尾气分析仪的读数,还可以知道每个气缸的工作状况。如果每 个缸 CO、CO2 的读数都下降,HC、O2 的读数都上升,且上升和下降的量都一样,表明各缸 都工作正常。如果只有一个缸的变化很小,而其它缸都一样,则表明这个缸点火或燃烧不正 常。另外,当某缸不工作时, O2 的浓度会增加。如四缸发动机当有一缸不工作时,其浓度将 上升到 4.75%7.25 % ,若有两缸不工作,则会上升到 9.5%12.5%。 四、尾气检测注意事项 1、对于装有三元催化转化器的汽车,如果其工作正常,会使 CO 和 HC 减少。因此,将 取样探头插到催化转化器之前测量未经转换的排气或在 EGR 阀的排气口检测。必要时,使 二次空气喷射系统停止工作。 2、读取测量数据前,不要让发动机怠速运转时间过长。在发动机暖机后,才能使用尾气 分析仪进行尾气检测。 3、在进行变工况测试中,要让加速踏板稳住后再读取测量数据。 以上仅对尾气成分做了整体性的分析,在利用发动机尾气诊断故障时,还要结合其他诊 断手段,才能得出具体的故障原因。 综上所述,在对有故障的车辆做完必要的常规检查之后,使用尾气分析仪可以很快发现 故障的本质原因,缩小检修范围,精简检修环节。如果维修人员能够熟练地运用发动机原理, 对混合气成因及燃烧过程进行深入分析,那么尾气分析仪一定会在汽车故障检测诊断中发挥 更大的作用。 参考文献: 1期刊曹红兵,汽车维修与保养J。2006,10 期: 2著作 张西振,汽车发动机电控技术M . 机械工业出版社,2006: (辽宁省锦州市机电工程学校 ) 尾气分析在汽车发动机故障诊断中的应尾气分析在汽车发动机故障诊断中的应 用用汽车发动机可燃混合气在燃烧过程中会产生 HC、CO、N0x等有害气体和 CO2、H2O 、O2等无害气体。由于尾气成分与发动机的工况有最直接的联系。所以通过汽车尾气的检 测可初步分析发动机的工作状况、性能好坏，可以检查包括燃烧情况、点火能量、进气效 果、供油情况、机械情况等诸多方面。更为重要的是，当发动机各系统出现故障时，尾气 中某种成分必然偏离正常值，通过检测发动机不同工况下尾气中不同气体成分的含量，可 判断发动机故障所在的部位。尾气分析主要内容有混合气空燃比、点火正时及催化器转化 效率等。主要分析的参数有 CO、HC、CO2，和氧(O2)，还有空燃比(AF)或相对空燃比( )。NOx常常发生在高温大负荷的情况下，在没有底盘测功机时只能靠路试去测量，在此 不作分析。 1空燃比和点火正时对尾气成分的影响 HC 是未燃燃料、可燃混合气不完全燃烧或裂解的碳氢化合物及少量的氧化反应的中 间产物。CO 主要来自在空气不足的情况下可燃混合气的不完全燃烧，是汽油机尾气中有 害成分浓度最大的物质。CO2可燃混合气燃烧的产物，它能够反映出燃烧的效率。 如图 1 所示，随着空燃比的增加，CO 的排放浓度逐渐下降，HC 的排放浓度两头高、 中间低，CO2的排放浓度中间高、两头低。当空燃比小于 147：1 时(混合气变浓)，由于 空气量不足引起不完全燃烧，CO、HC 的排放量增大。空燃比越接近理论空燃比 147： 1，燃烧越完全，HC、CO 的值越低，O2越接近于零，而 CO2的值越高(最大值在 135 148之间)。而当混合气空燃比超过 162：1 时(混合气变稀)，由于燃料成分过少 ，用通常的燃烧方式已不能正常着火，产生失火，使未燃 HC 大量排出。混合气过浓将产 生大量的 CO、HC。混合气过稀将引起失火而生成过多的 HC。 如图 2 所示，点火提前角对 CO 的排放没有太大影响，过分推迟点火会使 CO 没有时 间完全氧化而引起 C0 排放量增加，但适度推迟点火可减小 CO 排放。实际上当点火时间 推迟时，为了维持输出功率不变需要开大节气门，这时 CO 排放明显增加。随着点火提前 角的推迟，HC 的含量降低，主要是因为增高了排气温度，促进了 CO 和 HC 的氧化，也 由于减小了燃烧室内的激冷面积。 发动机在不同工况下尾气排放浓度值正常范围见表 1。 2实验设备与实验方法 实验设备：大众桑塔纳 2000GSiAJR 发动机故障实验台，美国 SPX0TC3995 发动机 综合分析仪，美国 SPXOTC3995-2 五气体分析模块(与发动机综合分析仪配套)。AJR 发动 机是直列式 4 冲程 4 缸 8 气门电喷发动机，采用了德国博世(Bosch)公司先进的 M38 2 电子控制顺序多点燃油喷射系统。点火系统采用两个点火线圈，为双火花点火系统。OT C3995 发动机分析仪功能强大，可对发动机电器系统、燃油系统、点火系统和机械部分进行全方位的诊断测试。发动机高速运转时，高精度示波器可随时获取错误信号，同时进行 蓄电池电压与电流、初级和次级点火信号、一缸同步信号、正时信号和真空度的检测。 实验方法：设置空气供给系统、燃油供给系统、电子点火系统和控制系统的模拟故障 ，检测不同系统、不同故障的尾气成分。根据尾气检测结果，分析研究发动机各部分故障 与尾气成分变化间的关系。进行故障模拟的方法主要有以下几种：阻塞空气供给系统模拟 混合气过浓的故障；断开某缸喷油器控制线路模拟喷油器不喷油的故障；阻塞某缸喷油器 模拟喷油器喷油不畅的故障；使用间隙过大、过小的火花塞或漏电的高压线模拟点火系统 故障；使用已损坏失效的传感器、执行器模拟控制系统的故障；拔去某缸火花塞模拟某缸 不工作的故障等。 实验时，为反映发动机排放的真实情况，将五气体分析仪的取样探头插入三元催化器 前面排气管上的一个专用废气检测插头中，插入深度为 400mm。为了防止气流滞后效应 对测量结果的影响，在启动发动机 10s 后开始读数，读取 30s 内尾