基于尾氣分析探究發(fā)動機故障

張洲

基于尾氣分析探究發(fā)動機故障

張洲

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

近年來，伴隨著發(fā)動機電控系統(tǒng)和配置越來越復(fù)雜，對維修專業(yè)專業(yè)程度的提出了更高的要求，為此急需探討發(fā)動機不解體的新檢測技術(shù)。而發(fā)動機尾氣成分直接反映了發(fā)動機燃燒情況，從而根據(jù)成分分析判斷發(fā)動機各系統(tǒng)的故障點。

發(fā)動機尾氣；尾氣分析；發(fā)動機故障

前言

近年來，伴隨著發(fā)動機電控系統(tǒng)和配置越來越復(fù)雜，對維修專業(yè)專業(yè)程度的提出了更高的要求，為此急需探討發(fā)動機不解體的新檢測技術(shù)，要求在盡量不拆解發(fā)動機及部件，而是預(yù)先判定引起故障的部位，如此便實現(xiàn)了維修工作由傳統(tǒng)的定向分析朝定量分析的成功轉(zhuǎn)變。而尾氣分析主要指的是根據(jù)尾氣成分的含量判定發(fā)動機的燃燒情況，以此判斷發(fā)動機系統(tǒng)是否存在故障的方法。

當(dāng)前尾氣分析主要指的是分析混合空氣的燃比、催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率等，而尾氣分析包含的參數(shù)有氧氣、二氧化碳、一氧化碳、碳氫化合物、空燃比或者相對空燃比等。NOx常常發(fā)生在高溫大負荷的情況下，需要配合底盤測功機進行測量分析。

1 發(fā)動機燃燒對尾氣的影響

1.1 空燃比對尾氣成分的影響

碳氫化合物作為可燃混合氣體、未燃燃料、少量氫化反應(yīng)形成的中間產(chǎn)物，當(dāng)空氣不足時，可燃混合氣體不完全燃燒便會形成一氧化碳，其是發(fā)動機為其中濃度最高并且有害的一類物質(zhì)，而二氧化碳則是可燃混合燃燒形成的產(chǎn)物，其含量能夠反映燃燒的效率，氧氣則是發(fā)動機吸入空氣中沒有燃燒的部分，氧氣含量可以反應(yīng)混合氣空燃比的重要指標(biāo)。

如果混合氣的濃度保持不變，當(dāng)其空燃比＜理論空燃比的14.7:1時，因為缺乏足量的空氣，導(dǎo)致燃燒不完全，從而排放的一氧化碳和碳氫化合物的量增加。讓混合氣體的空燃比接近14.7:1時，便能夠?qū)崿F(xiàn)完全燃燒，排放的一氧化碳和碳氫化合物的含量越低，即氧氣約接近0時，二氧化碳的含量越高。當(dāng)空燃比大于理論空燃比14.7:1時，混合氣變稀，由于燃油成分變少，這時可能不能正常燃燒，產(chǎn)生失火，使的大量未然的HC排除[1]。如圖1所示。

圖1 空燃比和過量空氣系數(shù)與尾氣成分的關(guān)系曲線

1.2 點火正時對尾氣成分的影響分析

點火提前角和尾氣成分的關(guān)系曲線如圖2所示。根據(jù)圖2可以看出：點火提前角對一氧化碳的排放影響不大。當(dāng)過多延遲點火時間后，一氧化碳由于無完全氧化的時間，導(dǎo)致其排放量增加。但是將點火時間適當(dāng)延遲，能夠降低一氧化碳的排放。當(dāng)推遲點火提前角時，碳氫化合物的含量下降，其主要原因是排氣溫度升高，促使碳氫化合物和一氧化碳被氧化。點火提起角度加大，由于燃燒時的速度、壓力以及溫度的影響，使的HC和NOX排放量急劇增大。所以，對點火正時進行調(diào)整非常重要，如果點火提前角過遲會降低發(fā)動機動力，增加油耗，影響工作穩(wěn)定性。

圖2 點火提前角和尾氣成分的關(guān)系曲線線

1.3 發(fā)動機負荷對尾氣成分的影響分析

可以使用和節(jié)氣門開度相關(guān)的進氣管壓力來表示發(fā)動機的負荷，進氣管的壓力和發(fā)動機負荷二者是正相關(guān)關(guān)系。對一氧化碳而言，當(dāng)空燃比保持不便時，輸入功率高低不會影響一氧化碳的排放，但是當(dāng)空氣的消耗量增加和輸出額的公路增加時一氧化碳的排放量也增加，當(dāng)發(fā)動機處于大負荷和小負荷兩種狀態(tài)時，二者排放的一氧化碳的量均比較高。

當(dāng)轉(zhuǎn)速和空燃比不變時，根據(jù)最大功率對點火提前角時調(diào)節(jié)時不會對碳氫化合物的排放量產(chǎn)生較大影響，這主要是因為有些因素會導(dǎo)致碳氫化合物排放量增加，有些則是導(dǎo)致排放量降低，彼此之間的作用相互抵消。當(dāng)進氣管的壓力范圍在30.5kpa~81.0kPa時，由于供給的混合氣體比較稀薄，因此碳氫化合物的排放量達到最低值，但是將進氣管的壓力＞81.0kpa時，導(dǎo)致混合氣體的濃度增加，從理論上將碳氫化合物的排放量應(yīng)該增加，但是因為全負荷情況下排氣的溫度也升高，如此排氣后反應(yīng)對碳氫化合物的消除作用相應(yīng)增強，從而阻礙了碳氫化合物的排放。當(dāng)進氣管的壓力較低時，因為缸壁激冷作用增強，導(dǎo)致混合其他的濃度增加，假設(shè)進氣管的壓力＜20kPa時，便可能導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ゲ煌耆鹛細浠衔锏呐欧帕吭黾覽2]。

當(dāng)發(fā)動機的負荷較小時，會導(dǎo)致排放的氮氧化物濃度降低。負荷降低會導(dǎo)致壓力減小，發(fā)動機的溫度較低，增加的殘余廢氣量，引起著火落后期變大以及火焰的傳播速度減緩，在兩個因素的共同作用下延長了燃燒時間，如果此時點火時間保持不變，那么燃燒過程便會把更多的膨脹行程延伸，從而降低了循環(huán)最高溫度，降低了排氣中氮氧化物的濃度。

2 發(fā)動機各總成與尾氣成分的關(guān)系

影響氣缸密封性的因素主要包含缸套的磨損和密封性，溫度、空氣流量、轉(zhuǎn)速傳感器信號、節(jié)氣門位置、控制單元ECU等均是影響噴油時間和噴油壓力的主要因素，而影響噴油霧化質(zhì)量的因素主要有進氣溫度、噴油器、進氣管內(nèi)壁情況等等，在這種因素的共同作用下將其尾氣中的一氧化碳和碳氫化合物造成影響。針對這種情形需要檢測進氣真空度、相關(guān)電路信號、氣缸壓力、轉(zhuǎn)速信號、氣缸漏氣率、轉(zhuǎn)速信號、氧傳感器信號、空燃比、相關(guān)電路信號等等。而點火能量的影響因素主要包含點火線圈初級繞組電流和點火初級電路電阻，而點火正時的影響因素包含點火相關(guān)的傳感器信號、點火模塊等等，失火率的主要影響因素為火花塞，相關(guān)的尾氣成分為碳氫化合物，因此需要檢測導(dǎo)通試驗、漏電試驗、點火波形等等。

碳氫化合物的生成量主要跟燃油箱蒸發(fā)控制裝置和曲軸箱強制通風(fēng)裝置的工作狀況有關(guān)，碳氫化合物和一氧化碳主要跟二次空氣噴射和進氣預(yù)熱工作狀況，而影響一氧化碳、一氧化氮、碳氫化合物生成的主要因素催化轉(zhuǎn)化器的效率、工作溫度以及壽命等等。

通過分析尾氣可以發(fā)現(xiàn)：可以檢測到二次空氣噴射系統(tǒng)失靈、ECR閥故障、進氣歧管真空泄露、噴油器故障、缸蓋襯墊損壞、點火系統(tǒng)提前角過大、排氣系統(tǒng)泄露、進氣歧管真空泄露等。

3 尾氣成分異常分析

CO是燃燒期間燃燒不完全的產(chǎn)物之一，若CO的讀數(shù)很低，接近于零，則說明混合氣充分燃燒；若CO的讀數(shù)很高，則混合氣過濃（燃油供給過多，空氣供給較少），發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障。其原因有可能是噴油壓力過高、噴入油量增加、空氣濾清器過臟、三元催化轉(zhuǎn)換器有故障、PCV閥堵塞、影響燃油噴射傳感器故障等。

CO2是完全燃燒的產(chǎn)物，其數(shù)值的大小反應(yīng)了燃燒效率。燃燒后CO2排放值應(yīng)該在13%—16%之間，當(dāng)發(fā)動機混合氣出現(xiàn)過濃或者過稀時，CO2含量都會降低。需要判定其原因，可能是點火時間不當(dāng)、廢氣泄露、燃油壓力過高等。

HC是燃油的主要成分，發(fā)動機正常工作時，HC的排放值一般低于250ppm。若HC排放值過大，則說明燃油沒有充分的混合燃燒，混合氣過稀或過濃、點火能量不足、配氣相位不正確、點火過早等問題。

NOX是可燃混合氣中的N2分子和O2分子在高溫下反應(yīng)的產(chǎn)物，正常情況下, NOX的排放值應(yīng)該低于500ppm。若其值較高，則可能是真空泄露、燃油系統(tǒng)過早、發(fā)動機過熱、燃燒室內(nèi)積碳等原因。

O2含量是反映混合氣空燃比的最佳指標(biāo)，綜合其他排放參數(shù)值可以診斷出故障點。發(fā)動機正常工作時，只有少量未燃燒的O2通過氣缸，尾氣中O2的含量應(yīng)為1%-2%。O2的讀數(shù)低于1%時說明混合氣過濃，O2的讀數(shù)高于2%時說明混合氣過稀。若O2讀數(shù)偏低、CO讀數(shù)偏高，則考慮噴油器、與燃油噴射系統(tǒng)有關(guān)傳感器、發(fā)動機控制模塊等有故障；多O2讀數(shù)偏高、CO讀數(shù)偏低，則考慮因真空泄露、燃油壓力低、噴油器堵塞等故障[3]。

在實際工作中我們應(yīng)利用功率平衡試驗及尾氣分析儀的讀數(shù)來判定汽車發(fā)動機工作情況。過尾氣分析儀，對HC、CO、CO2采用不分光紅外分析技術(shù)進行檢測，對NOX、O2采用電化學(xué)分析技術(shù)進行檢測。通過對尾氣成分的數(shù)值進行故障診斷。借助輔助診斷設(shè)備，能夠迅速地檢測出發(fā)動機尾氣，通過分析各種尾氣的成分變化情況，再結(jié)合發(fā)動機的燃燒和供給原理，迅速弄清發(fā)動機故障所在部位。近年來，伴隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，尾氣分析故障診斷已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在汽車維修中，發(fā)揮較大的價值。

[1] 曹紅兵,陳漢生.尾氣分析在汽車故障診斷中的實驗研究[J].實驗研究與探索,2007(26):33-36.

[2] 楊萌萌.從尾氣成分判斷電控發(fā)動機故障[J].汽車使用與維修. 2018(6):160-161.

[3] 徐建強.基于尾氣分析的發(fā)動機故障診斷技術(shù)的研究與實踐[J].2014(11):87-91.

Exploring engine failure based on exhaust gas analysis

Zhang Zhou

（Wuhan Polytechnic, Wuhan Hubei 430074）

In recent years, along with the increasingly complex engine electronic control system and configuration, higher requirements have been put forward for the professional degree of maintenance. Therefore, it is urgent to explore new detection technologies for engine non-disassembly. The exhaust component of the engine directly reflects the combustion of the engine, so that the fault points of the various systems of the engine are judged according to the composition analysis.

exhaust gas; emissions analysis; engine fault

U464

A

1671-7988(2019)13-231-03

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張洲（1985.10-），男，土家族，碩士研究生，武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院講師，主要研究方向汽車動力學(xué)，汽車檢測。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.078