基于尾氣分析的發動機故障診斷技術的研究與實踐

許建強，張佳裔，杜首寨，劉巖，李震，鄧敏泰，商力峰

（1.北京勞動保障職業學院, 2.北京市實驗技工學校, 3.北京祥龍博瑞汽車服務(集團)有限公司，中國 北京 100029）

能源與技術

基于尾氣分析的發動機故障診斷技術的研究與實踐

許建強1,2，張佳裔3，杜首寨3，劉巖3，李震3，鄧敏泰1,2，商力峰1,2

（1.北京勞動保障職業學院, 2.北京市實驗技工學校, 3.北京祥龍博瑞汽車服務(集團)有限公司，中國 北京 100029）

車輛自診斷技術是診斷發動機故障的重要手段，然而對于發動機的機械故障和無故障信息存儲的電氣故障的診斷，自診斷技術則無能為力。尾氣檢測與分析技術為發動機多種疑難故障的診斷提供了有效途徑。本文主要闡述了基于尾氣檢測與分析技術的發動機故障診斷的技術要點，診斷規律的試驗研究及應用，旨在提高發動機故障診斷的有效性。

尾氣分析；發動機故障；診斷技術；應用研究

CLC NO.:U464Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-87-05

引言

車輛自診斷技術是診斷發動機故障的重要手段，然而對于發動機的機械故障和無故障信息存儲的電氣故障的診斷，自診斷技術則無能為力。近年來，隨著發動機尾氣檢測技術的成熟，為診斷發動機的疑難故障提供了新的技術途徑。如何應用尾氣檢測與分析技術方法來有效診斷發動機的故障，成為檢修工作中的一項重要的研究課題。

當前，論文多報道的是一些應用尾氣檢測與分析方法來診斷發動機故障的技術案例，缺乏規律性的詳實研究。為此筆者所在團隊，結合汽車維修工作實際，通過試驗詳實地開展了基于尾氣檢測與分析的發動機故障診斷技術研究。

旨在把握基于尾氣檢測與分析的發動機故障診斷的技術關鍵，探索基于尾氣檢測與分析的發動機故障診斷技術規律，提高發動機故障診斷的效率。

1、研究方案

結合維修工作實際，通過設置故障，通過逆推類比試驗，找出故障現象、尾氣檢測數據、故障原因間的對應關系，歸納出故障檢測方法。具體研究步驟如下：

（1）分析影響燃燒的故障因素

（2）設置發動機的典型故障

將具體的故障原因分解為故障點，按照具體故障點來設置故障。

（3）尾氣檢測與數據記錄

按照尾氣檢測規程，規范檢測發動機在一定工況下的尾氣成分，準確記錄檢測數據及數據的變化，是正確診斷發動機故障的基礎。

（4）尾氣數據分析

以發動機尾氣排放標準為依據，運用尾氣分析的故障診斷規律，科學分析尾氣檢測數據，是故障診斷的關鍵。

（5）研究歸納

通過對比同種機型不同種工況或不同機型同一故障類型的尾氣檢測數據的歸納研究，尋找各種結構類型及控制策略下的故障現象、故障數據、故障原因之間的內在聯系，歸納出各種尾氣數據下的基于尾氣分析的故障診斷規律。

2、研究試驗

2.1 研究試驗

2.1.1 D型進氣系統歧管漏氣的故障

車型2008年，自動擋，1.6升新寶來轎車，屬D型進氣系統。

（1）故障現象

發動機怠速不穩，有漏氣聲。

（2）尾氣檢測數據

檢測條件：水溫80℃，實時測量法。整理后的檢測數據如表1所示：

表1 新寶來轎車進氣歧管漏氣故障的尾氣檢測數據

（3）尾氣數據分析

HC上升：由于進氣過多，混合氣稀，造成氣缸內燃氣火焰傳播中斷，部分燃油未能正常點燃而被排出。

NOX上升：雖然未超限，但比該發動機的正常工作狀態的NOX數值（怠速下基本為0）上升很多，進入發動機內部空氣過多，致使NOX上升。

CO為0：進入空氣過多而不存在缺氧燃燒，所以CO不產生，且較多的空氣對CO濃度有稀釋作用。

CO2下降：部分燃油未被燃燒，且較多的空氣對CO2濃度有稀釋作用。

O2上升：進入空氣過多，則氧含量多，部分氧氣未參與燃燒就被排出。

λ為1.2大于標準值1，也說明混合氣處于稀的狀態。

結論：稀混合氣會造成尾氣中HC、NOX濃度上升，而CO2和CO的濃度會下降。D型進氣系統對漏氣不敏感。

2.1.2 L型進氣系統歧管漏氣的故障

車型2009年，自動擋，2.0升八代雅閣轎車，屬L型進氣系統。

（1）故障現象

發動機怠速不穩，有轉速波動，有漏氣聲。

（2）尾氣檢測數據

檢測條件：雅閣八代發動機，水溫80℃，實時測量法。檢測數據如表2所示：

表2 L型進氣系統歧管漏氣的故障的尾氣檢測數據

（3）尾氣數據分析

HC上升：由于進氣過多，混合氣稀，造成氣缸內燃氣火焰傳播中斷，部分燃油未能正常點燃而被排出。

NOX上升：雖然未超限，但比該發動機的正常工作狀態的NOX數值（怠速下基本為0）上升很多，進入發動機內部空氣過多，致使NOX上升。

CO為0：進入空氣過多而不存在缺氧燃燒，所以CO不產生，且較多的空氣對CO濃度有稀釋作用

CO2下降：部分燃油未被燃燒，且較多的空氣對CO2濃度有稀釋作用。

O2上升：進入空氣過多，則氧含量多，部分氧氣未參與燃燒就被排出。

λ為1.47遠遠大于標準值1，也說明混合氣處于很稀的狀態。

結論：相比D型進氣系統，L型進氣系統對漏氣敏感，稀混合氣會造成尾氣中HC、NOX濃度很高， CO2和CO的濃度會下降很多。

2.1.3 噴油器斷油故障

車型2008年，自動擋，1.6升新寶來轎車，屬D型進氣系統。

（1）故障現象

發動機抖動嚴重，怠速不穩，怠速值略有下降。

（2）尾氣檢測數據

檢測條件：水溫80℃，實時測量法。檢測數據如表3所示：

表3 噴油器斷油故障的尾氣檢測數據

（3）尾氣數據分析

HC很低：斷油缸沒有燃燒，其余3缸正常工作，空氣排放到高溫的排煙管，有利于HC的氧化反應，因而尾氣中的HC濃度數值很低。

NOX上升：斷油的氣缸的空氣排放到高溫的排煙管，氧氣與氮氣發生反應，生成NOX，致使NOX上升。

CO下降：其余正常工作的3個氣缸，產生的CO濃度正常。斷油氣缸排除的空氣，對尾氣中CO濃度有稀釋作用。

CO2下降：斷油氣缸排除的空氣，對CO2濃度有稀釋作用。

O2上升：斷油的氣缸的空氣排放到排煙管，未參與燃燒就被排出。

λ為1.26遠遠大于標準值1，也說明混合氣處于很稀的狀態。

結論：某缸斷油故障，會使尾氣中HC很低，而CO2和CO的濃度會下降，只有NOX濃度明顯上升。

2.1.4 燃油油壓低的故障

車型2008年，自動擋，1.6升新寶來轎車，屬D型進氣系統。

（1）故障現象

發動機怠速不穩，怠速指略有上升。

（2）尾氣檢測數據

檢測條件：水溫80℃，斷開氧傳感器信號，開環測試，用阻尼卡調節油壓，采用實時測量法。檢測數據，如表4所示：

表4 燃油壓力低故障的尾氣檢測

（3）尾氣成分分析

HC上升：噴油少，混合氣相對較稀，造成氣缸內燃氣火焰傳播中斷，部分燃油未能正常點燃而被排出。

NOX上升：雖然未超限，但比該發動機的正常工作狀態的NOX數值（怠速下基本為0）上升很多。混合氣相對較稀，高溫富氧為生成NOX創造了條件。

CO為0：混合氣相對較稀，不存在缺氧燃燒，所以CO不產生，且較多的空氣對CO濃度有稀釋作用CO2 下降：混合氣相對較稀，部分燃油未被燃燒，且較多的空氣對CO2濃度有稀釋作用。

O2上升：混合氣較稀，則氧含量相對較多，部分氧氣未參與燃燒就被排出。

λ為1.12大于標準值1，也說明混合氣處于稀的狀態。

結論：稀混合氣會造成尾氣中HC、NOX濃度上升，而CO2和CO的濃度會下降。

2.1.5 混合氣濃（增加噴油量）

車型2009年，自動擋，2.0升八代雅閣轎車，屬L型進氣系統。

（1）故障現象

發動機運轉平穩，但轉速上升。

（2）尾氣檢測數據

檢測條件：水溫80℃，中斷氧傳感器信號，開環測試，實時測量法。檢測數據如表5所示：

表5 混合氣較濃故障的尾氣檢測

（4）尾氣分析結論

HC上升：水溫低，噴油多，混合氣相對較濃，造成氣缸內燃燒高溫缺氧，部分燃油未能燃燒而被排出。

NOX上升：雖然未超限，但比該發動機的正常工作狀態的NOX數值（怠速下基本為0）上升很多。氣缸內高溫，為生成NOX創造了條件。

CO為0：混合氣相對較濃，造成氣缸內燃氣在高溫缺氧條件下燃燒，所以產生較大濃度的CO。

CO2下降：混合氣相對較濃，造成氣缸內燃氣在高溫缺氧條件下燃燒，產生較大濃度的CO，CO2產物減少。

O2上升：混合氣相對較濃，則尾氣中氧含量較低。

λ為0.92小于標準值1，也說明混合氣處于較濃的狀態。

結論：濃混合氣會造成尾氣中HC、CO和NOX的濃度上升，而O2、CO2濃度下降。

2.1.6 發動機點火不良

點火能量低、火花質量差均會導致發動機氣缸內燃氣燃燒不良。通常由火花塞間隙不符合規定值，火花塞絕緣體有裂紋，火花塞電極燒蝕，火花塞積碳過多，高壓線電阻大，點火線圈匝間短路等故障引起。

車型2009年，自動擋，2.0升八代雅閣轎車，屬L型進氣系統。

（1）故障現象

發動機抖動嚴重，怠速不穩，怠速值略有下降。

（2）尾氣檢測數據

檢測條件：雅閣八代發動機，水溫80℃，中斷氧傳感器信號，開環測試，實時測量法。檢測數據如表7所示：

表7 發動機點火不良故障的尾氣檢測數據

（3）尾氣數據分析

HC上升：發動機點火不良，燃油不能得到充分燃燒，甚至一個或幾個循環的燃油全部未能燃燒，導致尾氣中的HC成分濃度加大。

NOX上升：發動機點火不良，燃油不能得到充分燃燒，氧氣沒有得到消耗，氣缸內高溫為生成NOX創造了高溫富氧的條件。因此，NOX數值（怠速下基本為0）很高。

CO濃度較低：混合氣濃度正常，不存在缺氧燃燒，所以CO不產生，且較多的空氣對CO濃度有稀釋作用。

CO2濃度較低：混合氣濃度正常，部分燃油未被燃燒，產生的CO2的數量減少，且多于的空氣對CO2濃度有稀釋作用。

O2上升：部分燃油未被燃燒，部分氧氣未參與燃燒被排出。

λ為1.1大于標準值1，也說明尾氣中含有較多是氧氣狀態。

結論：稀混合氣會造成尾氣中HC、NOX濃度上升，O2濃度略有上升，而CO2和CO的濃度會下降。

2.1.7 氣缸壓縮終點壓力低故障

實驗對象為豐田5A-FE發動機，屬D型進氣系統。

（1）故障現象

發動機啟動困難，怠速不穩，抖動嚴重。

（2）尾氣檢測數據

檢測條件：水溫80℃，中斷氧傳感器信號，開環測試，實時測量法。檢測數據如表8所示：

表8 氣缸壓縮終點壓力低故障的尾氣檢測數據

（3）尾氣分析結論

HC上升：氣缸壓縮終點壓力低，在低溫低壓條件下，燃氣不能得到充分燃燒膨脹，燃油分子未能充分燃燒，導致尾氣中的HC成分濃度加大。

NOX上升：氣缸壓縮終點壓力低，在低溫低壓條件下，氧氣不具備與氮氣生成NOX的條件。因此，NOX數值很低。

CO濃度較低：混合氣濃度正常，不存在缺氧燃燒，所以CO不會增多，且未消耗的空氣對CO濃度有稀釋作用。

CO2濃度較低：混合氣濃度正常，部分燃油未被燃燒，產生的CO2的數量減少，且未消耗的空氣對CO2濃度有稀釋作用。

O2上升：部分燃油未被燃燒，部分氧氣未參與燃燒被排出。

λ為1.08大于標準值1，也說明尾氣中含有較多是氧氣狀態。

結論：稀混合氣會造成尾氣中HC濃度上升，O2濃度略有上升，而CO2和CO的濃度會下降，NOX為濃度0。

2.2 試驗數據的綜合分析

上述各項試驗的數據分析表明，尾氣成分的濃度變化有如下規律：

（1）CO是燃料在高溫缺氧的條件下燃燒產物，如果混合氣濃度較大或點火過晚，均導致CO濃度升高。

（2）HC是燃油沒有燃燒或燃氣在低溫條件下不充分燃燒的產物。如果如氣缸壓力低、混合氣稀、點火提前角大則會產生較多HC氣體等。

（3）CO2是燃料充分燃燒的產物，如果CO2的數值高，說明燃氣燃燒完善，燃燒效率高。但在稀混合氣燃燒的條件下，CO2濃度不僅不升高，反而會降低，這主要是因為稀混合氣，會導致部分燃料未能燃燒，生成的CO2質量減少，再加上多于空氣的稀釋，使得CO2濃度值降低。

（4）NOX是氧氣與氮氣在高溫富氧條件下反映的產物。高溫條件下，混合氣越稀，產生的NOX的量就越大。燃氣處在低溫低壓下條件下，燃燒所能產生的NOX數量就會很少。

（5）O2濃度是衡量尾氣中含氧量的指標。在正常燃燒條件下，O2濃度值在1-2%之間。如果O2濃度超出正常范圍，則說明發動機處于不正常的工作狀態。如果混合氣濃，O2濃度就低；如果混合氣稀，O2濃度就高；如果發動機存在間歇性失火或低溫燃燒現象，部分燃油未能燃燒，O2濃度也會增加。O2濃度值與其它數據的配合使用，是用來診斷區分不同類型故障的重要手段。

綜合上述各項試驗的結果，可得到CO、HC、CO2、NOX、O2及λ值變化與故障現象、故障原因的對應關系，對應關系如表9所示。

表9 尾氣成分與故障現象及故障原因的對應關系

在實際的檢修工作中，可按CO、HC、CO2、NOX、O2、

λ的各項數值變化及故障現象，按表9所描述的對應關系，迅速地找到發動機的故障原因，可有效地提高檢修效率，特別適合無故障碼的發動機的疑難故障和非典型故障的診斷。

3、故障診斷方法應用實例

3.1 故障實例1

3.1.1 故障現象

發動機啟動困難，發動機嚴重抖動，怠速偏低，熱車著火后排煙管依然滴水現象。

3.1.2 確認故障現象

（1）問診：入冬后，就發現排氣管滴水較多近期，滴水而且越來越嚴重，且伴隨有打火困難的現象。

（2）試車：確認存在發動機啟動困難的現象，打車兩次發動機均未著火，第三次打著火后轉速不上升，延續一會后轉速才上升到1100轉/分左右，但轉速波動嚴重；觀察到有從排氣管中連續噴水的現象。

3.1.3 故障分析與初步判斷

根據現象初步判斷，該車輛可能因發動機氣缸墊被燒穿，致使冷卻水排到排氣管中。

3.1.4 故障檢測與診斷

檢查水位正常，液面也沒有漂浮的油跡。查看油底殼中機油品質，也未發現任何漏水跡象。查看發動機缸壓，各缸的壓縮終點壓力數值均為13.5bar左右，壓力數值符合要求且均勻，因此得出氣缸密封狀態良好，氣缸墊未被燒損的結論。

查故障碼，顯示內容為1、4缸缺火。更換火花塞故障現象消失，至此故障還未徹底根除。據了解，在3個月前，更換過火花塞。為什么經常發生故障呢？

用尾氣分析儀進行尾氣檢測，檢測的尾氣數據如表10所示。

表10 尾氣成分檢測數據

從尾氣數據分析可以看出，HC和O2濃度明顯偏高，而CO和CO2稍微偏低，氧氣濃度有所上升。由表9總結的規律可以判斷是由于間歇性點火（燃燒中斷）引起的故障。為了進一步確認故障，檢測燃油供油壓力，值為3.8bar，顯然偏高。

3.1.5 故障排除

更換燃油壓力調節閥后，故障排除，再次檢測尾氣排放情況，符合排放要求。使用很久沒有再出現，火花塞故障。

3.2 故障實例2

3.2.1 故障現象

2005年的PassatB5轎車，加速無力，有頓挫感，無故障碼。

3.2.2 故障現象確認

問診和試車后，用解碼器顯示氣缸有失火信息。

3.2.3 故障分析判斷

通常為火花塞點火不良引起的間歇性失火，而導致的發動機動力中斷。

3.2.4 故障檢測與診斷

按照常規方法查找故障，查點火，更換火花塞、點火線圈，故障狀況沒改變。清洗噴油器，檢查噴油器的狀態正常。查缸壓及進氣道真空度未發現異常。

查數據流顯示噴油脈寬正常；查各傳感器信號正常，更換傳感器，故障狀況依然沒有改善。又查電路，查電腦，工作了三四天，沒有查出故障。

3.2.5進行尾氣檢測，分析結果為混合氣偏稀。早已檢查過進氣道，狀態良好，不存在漏氣現象，因此重點檢查油路故障。

3.2.6故障排除。拆下油軌清洗及調壓器進行清洗時，發現調壓器生銹被卡滯，管內積累了大量的黑黃色銹斑狀污物。清洗油軌，更換調壓器，故障現象消失，再次檢測尾氣，排放符合要求。

4、結論

理論分析和試驗驗證表明，尾氣檢測與分析是診斷發動機故障的有效手段。其中，尾氣檢測是基礎，數據分析才是關鍵。現就診斷技術要點總結如下：

（1）觀察數據主要變化，確定故障方向。分析尾氣數據，要先抓主要矛盾，即先觀察數據變化較明顯的尾氣成分，推斷出造成發動機故障的主要原因。

（2）綜合分析數據特征，確定故障原因。故障方向雖然確定，但究竟是哪種原因造成的發動機故障，故障程度如何，還綜合考慮其它參數及故障現象的特征進行綜合分析。

需要說明的是，盡管尾氣檢測與分析總體規律是一致的，但發動機結構不同，控制策略不同，其尾氣成分數據受故障的影響程度則不同，尾氣成分與故障現象、故障原因的對應關系會有所差別。為提高檢測效率，應多實踐，多積累技術數據，在實踐中去熟練把握規律。

[1] 黨寶英.汽車尾氣分析與發動機故障診斷的研究[J].現代經濟信息,2009（23）.

[2] 曹紅兵.尾氣分析在汽車發動機故障診斷中的應用[J].汽車維修與保養，2006(10):88-90.

Practice and Research on Fault Diagnosis Technology Based on Engine Exhaust Gas Analysis

Xu Jianqiang1,2, Zhang Jiayi3, Du Shouzhai3, Liu Yan3, Li Zhen3, Deng Mintai1,2, Shang Lifeng1,2
（1. Beijing Vocational College of Labour and Social Security, 2.Beijing Experimental Technological School,
3. Beijing Xianglong Brilliant Automotive Services (Group) Co., Ltd., China Beijing 100029）

The vehicle self diagnosis technology is an important means of engine fault diagnosis, however for mechanical fault of engine and electrical failure no fault code in the diagnostic, self diagnosis technology is incapable of action. Provides an effective way for exhaust gas detection and analysis technology for the diagnosis of difficult faults of various engine. This paper mainly introduces the keys of fault diagnosis of engine based on the exhaust gas detection and analysis technology, test of diagnosis and study of diagnosis rules, application of diagnosis rules, aims to improve the effectiveness of the engine fault diagnosis.

exhaust gas analysis; engine fault; diagnosis Technology; Application Research

U464

A

1671-7988(2014)11-87-05

許建強，工學碩士，西安交通大學機械工程專業主要從事汽車維修技術研究及職業教育研究，現為北京市職業院校汽車檢測與維修專業創新團隊帶頭人。

課題來源：“十二五”時期北京市職業院校教師素質提高工程，北京市職業院校專業創新團隊建設計劃資助項目，項目名稱：北京市職業院校汽車檢測與維修專業創新團隊建設（編號：JJH2013527）。主持人：許建強。