汽車排放超標的原因分析與修復 (下)

文/廣東 王囤

(接上期)

二、壓燃式發(fā)動機類

壓燃式發(fā)動機一般使用柴油作為燃料，其主要成分為HC化合物。當柴油燃料以霧狀噴入燃燒室后，一邊蒸發(fā)，一邊與空氣混合，同時由于受壓縮高溫的作用，被裂解為C離子和H離子。當溫度進一步升高并超過其自燃溫度后，開始點火燃燒，但燃燒開始后，噴油仍會持續(xù)一段時間。因此，燃燒區(qū)域會很快集中到噴霧與空氣的交界處，噴油器噴出的油霧看起來就變成了“火苗”。在“火苗”區(qū)域，中心部分為燃料，一邊蒸發(fā)，一邊向外部擴散；外部區(qū)域為空氣及廢氣，也向中心部分擴散。兩種“擴散”運動的交界區(qū)域就是發(fā)生劇烈化學反應的區(qū)域，即發(fā)生燃燒的區(qū)域。燃燒過程中，C離子與O2發(fā)生反應，生成CO2，H離子與O2發(fā)生反應，生成H2O。

隨著燃燒的進行，廢氣越來越多，C離子與O2的接觸越來越困難，越來越多的C離子不能與O2發(fā)生反應，于是便以游離C的形式隨廢氣排放出來，從而形成碳煙排放。雖然部分C離子與O2反應不徹底，還會生成CO，但由于壓燃式發(fā)動機中混合汽的總體濃度較稀，O2比較充足，生成的CO隨后會與O2進行進一步反應，從而轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。因此，壓燃式發(fā)動機CO的排放量微乎其微。

由于H離子的活性比C離子大得多，因此與O2的反應也比較徹底。所以，廢氣中不會存在游離H離子。

由于燃燒高溫的作用，空氣中的N2還會與O2發(fā)生反應，生成NOX。因此，壓燃式發(fā)動機排放的污染物中還會存在部分NOX。

綜上所述，壓燃式發(fā)動機排放污染物的主要成分為碳煙和NOX。

(一)壓燃式發(fā)動機排放的污染物及其形成機理

1.碳煙

壓燃式發(fā)動機排放的污染物主要是碳煙，其產(chǎn)生的根源是燃料燃燒不完全或竄機油(機油的不完全燃燒產(chǎn)生碳煙)等。燃料或機油在高溫條件下裂解為C離子和H離子，其中C離子與O2不能接觸，或接觸時溫度不夠，C離子便以游離C的形式排出發(fā)動機，從而形成碳煙。

雖然壓燃式發(fā)動機中混合汽的總體濃度較稀，但由于其燃燒過程為“擴散式”，燃料與空氣的接觸面積較小，加上已燃廢氣的影響，C離子與O2的接觸范圍也較小，碳煙的產(chǎn)生也就在所難免。

研究表明，燃燒初期，產(chǎn)生的碳煙較少，到了燃燒后期，碳煙的產(chǎn)生量會增多，這是由于越到燃燒后期，廢氣含量越多，C離子與O2的接觸越困難所導致的。

由此可見，噴油霧化情況越好、燃燒室內(nèi)氣流運動越強烈、汽缸壓力越高(C離子與O2的距離越近)、燃燒室內(nèi)殘余廢氣越少、噴油量越少(混合汽越稀)，C離子與O2的接觸就越容易，碳煙的產(chǎn)生量也就越少。除此之外，燃燒溫度越高，碳煙的產(chǎn)生量也會越少。

目前，部分電控共軌式發(fā)動機采用多次噴射技術(shù)，即將一個工作循環(huán)的噴油量分幾次噴入燃燒室，其目的也是為了增大C離子與O2的接觸機會，從而大幅降低碳煙的排放。部分共軌式發(fā)動機所采用的高壓噴射技術(shù)，是利用較高的噴射壓力來改善噴油的霧化情況，從而增大C離子與O2的接觸機會，同樣也可以大幅降低碳煙的排放。不過，這種高壓噴射技術(shù)對噴油器的要求很高，所謂的“壓電式噴油器”就是基于這種高要求而設計的。

一般情況下，噴油壓力越高，一個工作循環(huán)中噴油的次數(shù)越多，碳煙排放就越少，這是現(xiàn)代壓燃式發(fā)動機噴油壓力越來越高、一個工作循環(huán)中噴油次數(shù)越來越多的根本原因。

2.CO和HC

由于壓燃式發(fā)動機中混合汽的總體濃度較稀，即使在燃燒過程中產(chǎn)生了部分CO和HC，它們也會在膨脹與排氣過程中與殘余的O2進一步反應，變成無害的CO2和H2O。因此，壓燃式發(fā)動機的CO、HC排放要比點燃式發(fā)動機小得多。也正因如此，目前各種排放法規(guī)對壓燃式發(fā)動機CO、HC的排放還沒有作出嚴格的限制。

3.NOX

NOX的形成機理與點燃式發(fā)動機的形成機理相同，即由于燃燒高溫的作用，空氣中的N2與O2發(fā)生反應，生成了NOX。但壓燃式發(fā)動機對NOX排放進行控制的技術(shù)要比點燃式發(fā)動機復雜得多，這是因為NOX排放控制的要求與碳煙控制的要求及其功率、油耗等性能的改善要求是相互矛盾的。比如，凡是能夠降低燃燒溫度的措施(如EGR、可變配氣技術(shù)等)都可以降低NOX排放，但降低燃燒溫度必然會帶來碳煙排放的增多和功率、油耗等性能的惡化；反之，凡是能提高燃燒溫度的措施(如廢氣渦輪增壓技術(shù)、噴油霧化狀況的改善、噴油速率控制、壓縮比的提高等)都可以提高功率、降低油耗及碳煙排放，但提高燃燒溫度又必然帶來NOX排放的增多。因此，為了平衡各方面的要求，壓燃式發(fā)動機的控制技術(shù)變得復雜起來。排放標準越高的壓燃式發(fā)動機，其控制技術(shù)就越復雜。

(二)壓燃式發(fā)動機排放控制標準、相關技術(shù)措施及檢測方法

1.壓燃式發(fā)動機排放控制標準

歐洲、美國、日本世界三大汽車排放控制標準中，對于壓燃式發(fā)動機排放的控制主要是針對碳煙和NOX。我國排放法規(guī)主要參照歐洲標準，國I～國V標準基本對應歐I～歐V標準。國III標準與歐III標準的唯一區(qū)別是國III標準發(fā)動機要求加裝OBD系統(tǒng)，而歐III標準卻沒有這一要求。

雖然歐I～歐V標準對N OX排放的限制越來越嚴格，但考慮到各個地方的實際情況，比如，廣州市目前參照實施的DB44/539-2009標準中，只是對壓燃式發(fā)動機的碳煙排放作了相應的限制，暫時還未限制NOX的排放。因此，距離相應的國III標準還有相當?shù)木嚯x。以下僅對碳煙排放控制問題進行探討。

2.壓燃式發(fā)動機排放控制的技術(shù)措施

傳統(tǒng)機械高壓油泵式發(fā)動機只能滿足國I、國II標準的要求，國III標準及國III標準以上的發(fā)動機則必須采用電控式。目前比較常見的普通電控共軌式發(fā)動機、電控EGR式發(fā)動機也只能滿足國III標準的要求。要滿足國IV、國V標準的要求，還需要采取更加特殊的技術(shù)措施，如添藍技術(shù)(簡稱SCR，即向排氣管中噴射尿素)、顆粒捕捉技術(shù)(即在排氣管中收集與處理碳黑)、可變渦輪增壓技術(shù)、噴油速率控制技術(shù)等，其電子控制系統(tǒng)會更加復雜。

3.壓燃式發(fā)動機排放檢測方法

2011年6月1日起，廣州市對壓燃式發(fā)動機車輛的排放采用“加載減速法”進行檢測，此檢測法與以前采用的“自由加速法”的最大區(qū)別是“加載減速法”是在有負載(100%、90%、80%三種負載)的情況下進行檢測，而“自由加速法”是在空載的情況下進行檢測。顯然，“加載減速法”更加接近汽車的真實運行工況，但檢測過程需要底盤測功機等昂貴的設備，一般的汽車修理廠不具備這樣的條件，只能將車輛送往專業(yè)檢測線進行檢測。

兩種檢測結(jié)果雖然可比性不大，但還是有一定的規(guī)律，例如用“自由加速法”檢測合格的車輛，再用“加載減速法”進行檢測，其結(jié)果未必合格。但用“自由加速法”檢測不合格的車輛，再用“加載減速法”進行檢測，其結(jié)果一般也不會合格。因此，在車輛送檢之前，可以先在維修廠用“自由加速法”進行初檢與維護，這在一定程度上可以提高車輛送檢的合格率。

(三)壓燃式發(fā)動機排放污染物生成的影響因素

凡是造成燃燒室內(nèi)C離子與O2不能充分接觸、燃燒溫度降低以及混合汽過濃的因素都會引起碳煙排放的增多。這些因素包括：燃料霧化不良、噴油量過大、噴油正時不良、燃燒室內(nèi)氣流運動不良、汽缸壓縮壓力不足、進排氣不暢、發(fā)動機溫度過低、竄機油、燃料品質(zhì)差或牌號不當、冷卻系統(tǒng)向燃燒室漏水(會降低燃燒溫度)、EGR閥開度過大等。

1.燃料霧化不良

燃料的霧化情況直接決定燃料與空氣的混合情況，即C離子與O2的接觸情況。混合不良的直接后果就是碳煙排放增多。造成柴油霧化不良的原因有噴油壓力不足、噴油器故障等。

(1)噴油壓力不足的原因可能是：①噴油器壓力調(diào)整不當或噴油器濾芯阻塞(普通機械式柴油機)；②供油系統(tǒng)阻塞(包括高低壓油路、濾清器)；③輸油泵或高壓油泵磨損或漏油(普通機械式柴油機)；④共軌壓力過低(共軌式柴油機)，主要是因為供油系統(tǒng)阻塞(包括油路、濾清器、濾網(wǎng))、高低壓油泵磨損或其他故障、共軌壓力傳感器故障、流量控制閥及其控制電路故障、限壓閥故障(泄漏)、限流閥故障(犯卡或阻塞)、ECU故障等引起的。

(2)噴油器故障是由噴孔部分堵塞或滴漏，使噴出的燃油不能很好地霧化而引起的；型號不當則可能造成噴油過量。

2.噴油量過大

噴油量過大引起混合汽過濃而造成碳煙排放增多，其原因包括：

(1)噴油器壓力調(diào)整過低或滴漏(普通機械式柴油機)。

(2)高壓油泵調(diào)速器故障或油量調(diào)整螺釘調(diào)整不當(普通機械式柴油機)。

(3)共軌壓力過高(共軌式柴油機)，主要是由共軌壓力傳感器故障、流量控制閥故障、流量控制閥電路故障、ECU故障等引起的。

(4)水溫、氣溫、空氣流量、油門踏板等傳感器信號漂移(共軌式柴油機)。

(5)ECU故障(共軌式柴油機)。

3.噴油正時不良

噴油過遲，燃燒時汽缸壓力已經(jīng)開始下降，造成燃燒溫度過低。

4.燃燒室內(nèi)氣流運動不良

這由發(fā)動機的設計因素決定的，這里不作討論。但進排氣不暢會導致燃燒室內(nèi)氣流運動減弱(對直噴式燃燒室而言)，從而影響燃料與空氣的混合。

5.汽缸壓縮壓力不足

導致燃燒溫度過低而造成碳煙排放增大。其原因有汽缸及活塞過分磨損、氣門密封不嚴、汽缸墊漏氣等。

6.進排氣不暢

引起混合汽過濃、殘余廢氣過多、燃燒室內(nèi)氣流運動減弱等，綜合影響之下造成碳煙排放增大。其原因有進氣濾清器阻塞、渦輪增壓器不良、中冷器阻塞、排氣系統(tǒng)阻塞等。特別注意的是排氣系統(tǒng)阻塞一般會出現(xiàn)發(fā)動機動力不足、“喘氣”及過熱等現(xiàn)象。

7.發(fā)動機溫度過低

引起燃燒溫度過低而造成碳煙排放增多。其原因有節(jié)溫器故障、風扇離合器故障、風扇控制電路故障、小循環(huán)水路阻塞等。

8.竄機油

竄入的機油非常難以燃燒而形成碳煙排出汽缸(冒藍煙)。其原因有機油加注過量、機油過稀、汽缸及活塞過分磨損；活塞環(huán)選擇不當或裝反、氣門及導管間隙過大；曲軸箱通風不良(造成曲軸箱壓力過高)等。

9.燃料品質(zhì)差或牌號不當

燃料品質(zhì)差既影響霧化，又影響燃燒；牌號不當則對霧化性能影響較大。

10.冷卻系統(tǒng)向燃燒室漏水

水蒸氣吸收熱量，降低了燃燒溫度，造成碳煙排放增多(冒白煙)。

11.EGR閥開度過大

造成燃燒室內(nèi)殘余廢氣過多。其原因包括EGR閥犯卡、EGR閥控制管路及桿件故障、EGR閥控制電路故障等。

(四)壓燃式發(fā)動機排放超標的檢修程序

1.用故障診斷儀讀取故障碼，根據(jù)故障碼，進行針對性維修(電控柴油機)。

2.用故障診斷儀讀取數(shù)據(jù)流，判斷相關數(shù)據(jù)是否正常，不正常則進行有針對性維修(電控柴油機)。這些數(shù)據(jù)包括：油門踏板位置、空氣流量或進氣壓力、水溫、氣溫、噴油脈寬、共軌壓力、流量控制閥開度、供油提前角等。

3.用故障診斷儀進行執(zhí)行元件測試，根據(jù)測試結(jié)果進行針對性維修(電控柴油機)。最主要的執(zhí)行元件為噴油器和流量控制閥。

對于共軌式柴油機，各缸噴油器的工作情況可以通過拆下噴油器的回油管，觀察其回油情況來判斷(有回油，則說明噴油器能夠工作)。當所用的故障診斷儀沒有執(zhí)行元件測試功能時，可以考慮用此方法。

4.檢查ECU插件是否存在銹蝕、接觸不良、松動等現(xiàn)象(電控柴油機)。

5.檢查機油加注是否過量，機油是否過稀(伴隨冒藍煙時要重點檢查)。

6.檢查EGR閥開度是否過大。

7.檢查噴油器的型號是否正確。

8.檢查供油提前角是否正確。

9.檢查發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)，看是否存在發(fā)動機過冷現(xiàn)象，并進行有針對性維修(伴隨冒白煙時，重點檢查冷卻系統(tǒng)是否有泄漏)。

10.檢查曲軸箱通風(PCV)系統(tǒng)(伴隨冒藍煙時要重點檢查)，進行針對性維修。

11.檢查廢氣渦輪增壓系統(tǒng)工作情況，檢查中冷器犯卡、堵塞、臟污、真空管漏氣、膜片破損、拉桿活動不良等情況，進行有針對性維修。

12.清潔進排氣系統(tǒng)，并檢查是否有漏氣現(xiàn)象。

13.檢查燃油品質(zhì)是否太差、牌號是否不當(選用柴油排號時，建議夏季用0號或+10號，冬季選用-10號或-20號，嚴寒地區(qū)則選用-35號)。

14.清潔燃油供給系統(tǒng)，包括粗/細濾清器、濾網(wǎng)、油管、高低壓油泵、噴油器等。

15.測量缸壓(伴隨冒藍煙時要重點檢查)，進行有針對性維修。如汽缸活塞的磨損情況、氣門密封情況、氣門間隙的調(diào)整等。

16.檢查氣門及導管是否間隙過大(伴隨冒藍煙時要重點檢查)。

17.校油泵、噴油器，包括各缸供油的均勻性及密封情況(以上檢查與維修后排放仍然超標時選作)。

18.更換ECU(電控柴油機，以上檢查與維修后排放仍然超標時選作)。

19.用故障診斷儀進行基本調(diào)整、自適應匹配等操作(電控柴油機)。

(五)排放超標檢修方案的制定與案例分析

1.檢修方案的制定

檢修之前，查閱車輛排放檢測報告，仔細對有關檢測數(shù)據(jù)進行分析，重點對照合格項、不合格項與標準值的差距，并橫向分析各項數(shù)據(jù)之間的關系，從而初步判斷問題的性質(zhì)(如混合汽過濃或過稀、霧化不良等)。再由問題的性質(zhì)確定檢修的路線，這樣才可以提高檢修的針對性，避免走彎路，同時還可以提高復檢的通過率。

例如三項排放指標都合格，而且數(shù)據(jù)遠低于標準值，而輪邊功率不足、對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速過高(即后兩項不合格)，其分析如下。

(1)三項排放指標都“遠低于標準值”，說明燃燒狀況非常好，燃料霧化應該沒有問題，混合汽也只能是偏稀狀態(tài)。

(2)“輪邊功率不足、對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速過高”，說明發(fā)動機每個工作循環(huán)的做功量較少，只能靠較高的轉(zhuǎn)速來得到功率，導致輪邊功率仍然不足。而這種輪邊功率不足不是由車輛底盤損耗引起的，因為這種損耗會拖慢發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，同時還會造成底盤某個部位(如制動器)溫度過高。

(3)“發(fā)動機每個工作循環(huán)的做功量較少”，可能是由噴油量不足、進氣量不足或者汽缸壓力不足引起的。但如果是“進氣量不足”，混合汽應該偏濃，這與“混合汽偏稀”的判斷不符；如果是“汽缸壓力不足”，碳煙排放應該增多，這與“三項排放指標都遠低于標準值”的結(jié)果不符。因此，綜合分析只能判斷為“噴油量不足”。

表2 五十鈴排放檢測數(shù)據(jù)表

(4)“混合汽偏稀”與“每個工作循環(huán)的做功量較少”也是一致的，加上“燃料霧化沒有問題”，說明問題的癥結(jié)在于噴油量過少。以上分析過程如圖9所示。

舉例時，應按照增大噴油量的思路進行檢修作業(yè)，如噴油泵是否磨損、噴油器調(diào)校是否不當(噴油壓力調(diào)整過高)、共軌壓力是否過低、油路及濾清器是否阻塞、ECU是否故障等。

2.實際檢測與檢修案例(原始案例)

車型：五十鈴，油泵：機械式，進氣方式：渦輪增壓，車輛登記時間：2000年10月，具體數(shù)據(jù)見表2。

數(shù)據(jù)分析：碳煙明顯低于標準，說明燃燒狀況非常好。最大輪邊功率過低，對應發(fā)動機轉(zhuǎn)速過高，說明噴油量明顯不足。

檢修：由于發(fā)動機ECU存在故障，造成噴油量明顯不足。更換發(fā)動機ECU，故障排除。(全文完)