汽車排放超標的原因分析與修復 (上)

文/廣東 王 囤

汽車排放超標的原因分析與修復 (上)

文/廣東 王 囤

王囤

(本刊專家委員會委員)

副教授，高級企業培訓師，西安公路交通大學汽車運用工程專業碩士，1963年生。廣州市汽車摩托車維修行業協會副會長兼技術質量專委會主任；廣州市交通技師學院高級培訓指導師；廣州市職業技能教學研究會機動車專委會副主任；廣東省職業教育與培訓協會專家委員會委員。

一、點燃式發動機類

點燃式發動機一般使用汽油、液化石油氣(LPG)、壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)等不同類型的燃料，這些燃料的主要成分都是HC化合物，與空氣混合并發生燃燒時，主要與空氣中的O2進行化學反應，這種化學反應的條件與狀態不同，所產生的廢氣成分就會有所不同，其中對環境產生危害的污染物主要是CO(一氧化碳，屬于有毒氣體)、HC和NOX。

(一)點燃式發動機排放污染物的產生機理

1．CO的生成機理

CO的生成主要與混合汽的濃度有關。當混合汽較稀時，O2比較充足，燃料中的C(碳)與O2可以進行充分反應，即進行完全燃燒，所產生的廢氣為CO2(二氧化碳，屬于無毒氣體)；當混合汽較濃時，O2不夠充足，燃料中的C與O2的反應不夠充分，即燃燒不完全，所產生的廢氣為CO。

可見，CO主要是由于缺氧而造成燃料不完全燃燒所產生的，因此，凡是引起燃料在缺氧條件下進行燃燒的因素都會造成CO排放的升高，例如：混合汽過濃、燃料與空氣混合不均勻(局部混合汽過濃)等。

壓縮壓力對CO的形成也有一定的影響，壓縮壓力高時，C與O2可以“親密接觸”，有利于完全燃燒；反之，壓縮壓力不足，C與O2“遠距離牽手”，不利于完全燃燒，CO排放會隨之升高。

另外，殘余廢氣對CO的形成也有一定的影響，殘余廢氣過多，C與O2的“親密接觸”被干擾，不利于完全燃燒，CO排放會隨之升高；反之，殘余廢氣較少，C與O2“親密接觸”比較容易，利于完全燃燒，CO排放會隨之降低。

因此，對于點燃式發動機而言，CO排放過高的原因包括：噴油量過大、噴油霧化不良、進氣不暢、點火過遲(造成燃燒時間不足)、排氣不暢(造成燃燒室內殘余廢氣過多)、三元催化器失效(CO未被轉化就排入大氣)、壓縮壓力不足、殘余廢氣過多、燃油蒸汽回收系統故障(燃油蒸汽量過大，造成混合汽過濃)等。

2．HC的生成機理

燃料沒有參加燃燒，或沒有充分參加燃燒就排入大氣，就會造成HC排放增大。可見，HC排放與CO排放的機理有所不同。CO排放機理是燃料燃燒了，但燃燒進行得不徹底；HC排放機理則是燃料根本就沒有燃燒，或一部分燃料燃燒了，而另有一部分卻沒有燃燒。由此可見，HC排放過高的原因要比CO的復雜，大致包括以下幾個方面。

①火焰不穩定，在傳播過程中發生了熄滅現象，原因包括：混合汽過濃或過稀、混合汽中殘余廢氣過多、汽缸壓力過低、淬滅效應等。

由于燃燒室表面溫度遠低于火焰溫度，造成火焰無法到達燃燒室表面0.1 ～0.7mm范圍內，在燃燒室表面形成薄薄的一層沒有燃燒“氣膜”，同時，火焰也無法到達活塞與汽缸之間的間隙之中，這些區域都稱為淬滅區，其中包含大量沒有燃燒的HC化合物，這就是淬火效應。如圖1所示，這部分氣體隨廢氣排出，造成HC排放的升高。一般來講，燃燒室溫度越低(如發動機較冷)，淬滅區越大，HC排放也越高。

②點火失敗，原因包括：沒有點火火花、火花過弱(如點火系統漏電或其他故障、火花塞間隙不當或火花塞不良)、混合汽過濃或過稀、混合汽中殘余廢氣過多、汽缸壓力過低等。

③汽缸壓力不足，壓縮壓力高時，燃料與O2可以“親密接觸”，有利于完全燃燒，HC排放較少；反之，壓縮壓力不足，燃料與O2“遠距離牽手”，不利于完全燃燒，HC排放會隨之升高。

④進排氣門重疊區，新鮮混合汽泄漏到排氣管中(如配氣正時不當)。

⑤機油竄入燃燒室，未能參加燃燒而隨廢氣排出(如曲軸箱通風系統阻塞，造成曲軸箱壓力升高；活塞環裝反或磨損，產生“泵油作用”等)。

⑥曲軸箱竄氣直接排入大氣(曲軸箱通風系統泄漏)。

⑦燃料蒸汽直接排入大氣，或活性炭罐飽和(燃料蒸汽回收系統失效)。

3．NOx的生成及原因

NOX的生成與燃料沒有直接關系，主要是空氣在高溫條件下，其中的N2(氮氣)會與O2發生化學反應，生成NOX。溫度越高，高溫持續時間越長，生成的NOX越多。只不過發動機燃燒室內部具有這樣的高溫條件，從而造成了NOX排放的產生。

點燃式發動機的燃燒溫度遠高于壓燃式發動機，因此，點燃式發動機的NOX排放遠大于壓燃式發動機。正因如此，排放法規中對NOX排放的限制也主要針對點燃式發動機，但隨著排放法規的不斷嚴格，在歐IV、歐V標準中，已經開始對壓燃式發動機的NOX排放進行了限制。

點燃式發動機的燃燒為預混式(即燃料與空氣預先混合后再開始燃燒)，其特點是藍色火焰傳播式，藍色火焰溫度較高，相當于煤氣灶的火焰為藍色時，溫度較高，燒水很快；壓燃式發動機的燃燒為擴散式(即燃料在向空氣中擴散時，僅在與空氣的交界、混合區域發生燃燒)，其特點為黃色火苗“噴射式”(即燃燒開始后，噴油器看起來像噴出一個或幾個黃色火苗，這種火苗的溫度較低，而且會產生炭煙，相當于煤氣灶的火焰為黃色時，溫度較低，燒水較慢，且很快在鍋底形成炭黑)。

部分汽車發動機采用了EGR系統(廢氣再循環系統)，其目的就是通過降低燃燒溫度的方法來降低NOX排放，即以犧牲動力性、經濟性為代價，來換取NOX排放性能的改善。

廢氣再循環對NOX排放的影響如圖2所示。可以看出，EGR量越大，NOX排放越少。在理論混合汽附近(燃空當量比或過量空氣系數等于1附近)，10%的EGR，NOx排放可以減少30%；20%的EGR，NOX排放可以減少55%。

由以上分析可以看出，凡是引起燃燒室內溫度過高的原因，都會造成NOX排放的增大。例如，發動機水溫過高、因燃燒室積碳而造成壓縮比過高、點火過早、燃油牌號選擇不當(牌號過低會引起發動機爆震，導致燃燒室內溫度升高)、混合汽濃度不當等。

(二)點燃式發動機排放污染物生成的影響因素

點燃式發動機排氣中有害氣體的產生與混合汽濃度、點火時刻、節氣門開度、發動機負荷、發動機的結構等因素有關。在發動機結構既定的情況下，混合汽濃度和點火時刻的影響最大。

1．混合汽濃度的影響

CO的排放量基本上完全取決于混合汽濃度(見圖3)，而其他因素的影響都是次要的。混合汽越稀，CO的排放量越小；反之，則CO的排放量越大。

HC與CO不同，在一定范圍內，混合汽越稀，HC的排放量越少，但混合汽過稀時(空燃比A/F超過18時)，HC的排放量會大幅上升，因為此時火焰傳播比較困難，甚至會發生斷火現象。混合汽較濃時，HC排放也會升高，這是由于燃料的不充分燃燒導致的。

混合汽濃度對NOX的排放也會產生巨大影響，當混合汽濃度在理論值附近且稍微偏小一些時，雖然燃燒溫度不是最高的，但氧氣相對充足，利于NOX的形成，因而NOX排放也最高。混合汽濃度偏離該區域，由于燃燒溫度下降，NOX排放也隨之降低。

2．點火時間的影響

推遲點火時間，HC的排放量將減少，這是因為點火時間被推遲后，在燃燒室內的燃燒時間將縮短，未燃燃料進入排氣管后繼續燃燒，使排氣溫度上升，促進了HC在排氣管中的后氧化。雖然推遲點火時間可以使HC的排放量有所下降，但這種下降會使發動機功率降低，燃油消耗量也隨之增加。

一般情況下，點火時刻對CO排放影響不大，但是點火過遲，CO排放也會有所升高，這是由于燃料燃燒時間過短，氧化反應不夠充分所致。點火時間提前，燃燒溫度會上升，因此，加大點火提前角會使NOX的排放量增加。另一方面，發動機的結構因素(如壓縮比、燃燒室形狀等)由汽車制造廠在設計過程中考慮，我們暫時不予討論。

3．節氣門開度的影響

怠速時，節氣門幾乎完全關閉，進氣量很小，燃燒室中殘余廢氣所占的比例較大，為了維持發動機穩定運轉，ECU系統所提供的新鮮混合汽濃度一般偏大， 因此，CO排放量較高。同時，由于火焰的穩定性較差，HC排放濃度也較高；但由于怠速時的燃燒溫度較低，因而NOX排放的濃度也較低。

節氣門開度由怠速位置逐步增大時，燃燒室中殘余廢氣所占的比例逐步變小，ECU系統所提供的混合汽逐步變稀，CO、HC排放的濃度隨著燃燒情況的逐步改善而逐步下降，NOX排放的濃度則隨燃燒溫度的逐步上升而逐步增大，三種有害氣體的排放總量則都隨排氣量的逐步增大而增多。

當節氣門開度超過80%左右時，ECU系統所提供的混合汽濃度會增大，燃燒溫度也會進一步升高，因此，CO、HC、NOX的排放濃度及總量都會進一步升高。

4．發動機負荷的影響

在相同轉速下，發動機負載的大小不同，所對應的節氣門開度、進氣總量及混合汽的濃度都會有所不同。空載或輕載時，較小的節氣門開度和進氣總量就可以維持這樣的轉速，CO、HC、NOX排放的總量也就相對較小；重載或滿載時，維持這樣的轉速則需要較大的節氣門開度和進氣總量，CO、HC、NOX排放的總量也就相對較大。

5．加減速的影響

急加速時，ECU系統所提供的混合汽濃度會短時增大，CO、HC、NOX排放的總量也會隨之短時增多；急減速時，ECU系統一般會短時切斷燃料供給，CO、HC、NOX排放會短時下降。緩慢加減速則不會產生上述效果，CO、HC、NOX排放的變化規律則符合“節氣門開度的影響”和“發動機負荷的影響”。

6．水溫的影響

水溫的高低會對混合汽濃度產生直接的影響，因而會對CO、HC排放產生間接影響。水溫過低時，ECU系統所提供的混合汽濃度增大，CO、HC排放都會增多；水溫過高時，燃燒溫度的上升則會導致NOX排放的升高；水溫在正常范圍以內時，CO、HC、NOX排放的變化規律則符合上述“混合汽濃度的影響”、“點火時間的影響”、“節氣門開度的影響”、“加減速的影響”和“發動機負荷的影響”等。

7．殘余廢氣的影響

殘余廢氣過多，CO、HC排放都會增大，但NOX排放會相應減少；殘余廢氣較少，CO、HC排放都會較少，但NOX排放會相應增大。

8．壓縮壓力的影響

壓縮壓力增大，CO、HC排放都會減少，但NOX排放會相應增大；壓縮壓力不足，CO、HC排放都會增大，但NOX排放會相應減少。

(三)檢測方法對檢測結果的影響

怠速法、雙怠速法是在怠速及高怠速條件下檢測CO、HC的排放濃度(此時的NOX排放較少，對其檢測沒有意義，因此不需要檢測NOX排放的濃度)，而濃度值并不能代表其排放的總量，即使此時它們的排放濃度較大，但由于排氣總量較小，加上汽車在運行狀態下，怠速運轉的時間未必很長，CO、HC排放的總量未必較大，所以，怠速法、雙怠速法的檢測結果并不能反映汽車在運行狀態下真實的排放情況。

另外，怠速法、雙怠速法是在發動機空載狀態下進行檢測的，而在汽車運行過程中，絕大多數情況下發動機都處于加載狀態，因此，怠速法、雙怠速法的檢測結果與汽車真實的排放情況沒有可比性或可比性較差。

簡易工況法是在模擬汽車真實運行狀態情況下進行的檢測，其檢測的過程囊括了幾種加載載荷情況下的加速、穩定運轉、減速等多種工況，而且檢測的結果已經換算成排放的總量，檢測的內容也納入了NOX，因此，檢測結果與汽車真實運行條件下的排放情況具有一定的可比性。

通過以上分析可以看出，用怠速法、雙怠速法檢測合格的車輛，用簡易工況法檢測，其結果未必合格；反之，用簡易工況法檢測合格的車輛，用怠速法、雙怠速法檢測，其結果也未必合格。因此，對于用簡易工況法檢測不合格的車輛進行修復后，不能通過怠速法、雙怠速法檢測來驗證其修復的效果。

由于采用簡易工況法進行檢測所需的檢測設備比較昂貴(需要底盤測功機、排氣流量分析儀、配套計算機及相關軟件等)，占用的場地面積也較大，一般的汽車修理廠不具備這樣的條件，因此，以前采用怠速法、雙怠速法進行檢測，只是一種權宜之計，并不符合科學的汽車排放控制思想。隨著國家排放法規的日益嚴格，簡易工況法的采用也是大勢所趨，而且符合世界發達國家的通用做法。

(四)點燃式發動機排放超標的原因及修復

1．CO的排放量過大

(1)CO排放量過大，主要應從混合汽過濃的角度進行考慮，同時兼顧壓縮壓力問題，其原因可能包括以下一個或幾個方面。

①燃油壓力過高(燃油壓力調節器故障或真空管漏氣)，檢測方法：測試油壓；

②噴油器及其控制電路故障，檢測方法：檢查噴油器電路，用噴油器清洗檢測試驗臺清洗、檢測噴油器(含噴油量、各缸均勻性、密封性等)；

③輸入傳感器有故障，檢測方法：測試相關傳感器數據；

④燃油蒸汽回收系統故障，檢測方法：檢查燃油蒸汽回收系統；

⑤進氣系統漏氣(對于采用進氣壓力傳感器的D型電噴系統)，檢測方法：檢查進氣系統漏氣情況；

⑥空氣濾清器臟污或渦輪增壓器不良，檢測方法：檢查空氣濾清器及渦輪增壓器，必要時更換；

⑦排氣系統阻塞(排氣不暢引起燃燒室殘余廢氣過多)，檢測方法：檢查、清潔排氣系統；

⑧壓縮壓力不足，檢測方法：檢查缸壓；

⑨催化轉化器有故障：排氣中的CO沒有經過轉化就直接排到大氣。有些汽車的催化轉化器下游裝備了一個副氧傳感器，用來監測催化轉化器的性能，可以通過故障診斷儀觀察副氧傳感器的數據，如果副氧傳感器的信號電壓波動較大(即與主氧傳感器的信號變化比較接近)，則說明催化轉化器失效；

⑩ECU故障：一般情況下ECU不容易損壞，但有時候也要結合其他故障現象對ECU做進一步診斷(例如油耗情況)。

(2)CO排放量過大的建議檢修程序：

①用故障診斷儀讀取故障代碼，根據故障代碼，進行有針對性維修；

②用故障診斷儀讀取數據流，相關數據包括：空氣流量或進氣壓力、水溫、氣溫、節氣門位置、主氧傳感器、副氧傳感器、噴油脈寬、點火正時、混合汽濃度等，進行有針對性維修；

③用故障診斷儀進行執行元件測試，包括：點火器、噴油器、怠速閥、蒸汽回收閥、油泵繼電器等，進行有針對性維修(某些項目可能多余，但不會花費太多時間，卻可以發現潛在故障)；

④檢查燃油蒸汽回收系統是否不能關閉，進行有針對性維修；

⑤測量油壓，進行有針對性維修(包括清洗燃油系統，如油路、濾清器、噴油器、調壓器及其真空管等)。用噴油器清洗檢測試驗臺清洗、檢測噴油器；

⑥檢查進氣系統是否漏氣(對于采用進氣壓力傳感器的D型電噴系統)；

⑦檢查進排氣系統及渦輪增壓器，看是否阻塞或工作不良，檢修催化轉化器；

⑧檢查壓縮壓力，進行有針對性維修；

⑨檢查ECU是否存在故障；

⑩用故障診斷儀進行基本調整、自適應匹配等操作。(未完待續)