汽車尾氣檢測中過量空氣系數測量偏差的分析

徐 盛

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東青島 266000）

0 引言

汽車尾氣排放是目前大氣污染的一個重要因素，汽車尾氣中含有一氧化碳（CO）、氮氧化合物、碳氫化合物（HC）和其他一些對人體產生不良影響的固體顆粒，尤其是含鉛汽油對人體的危害更大。在GB 18285—2005《點燃式發動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法》和GB 3847—2005《車用壓燃式發動機和壓燃式發動機汽車排氣煙度排放限值及測量方法》中，國家對尾氣排放檢測有嚴格的控制監管，基于上汽通用五菱汽車股份有限公司（以下簡稱“公司”）也將尾氣排放檢測列入BIQ（Built in Quilty，制造質量）審計A 類問題。本文研究的對象——過量空氣系數，是尾氣檢測中的重要技術指標，它的測量精度直接決定了汽車尾氣的測量精度，因此對其的研究意義重要。本文基于本公司檢測線尾氣分析儀的使用狀況和維護經驗，針對過氧空氣偏高的現象及其設備檢測過程進行分析并提出解決對策。

1 檢測原理

過量空氣系數（通常用λ 表示），是燃燒1 kg 燃料的實際空氣量與理論上所需空氣量之質量比。λ 是衡量燃料燃燒完全程度的主要標準，在國家標準中λ 范圍標準被定為1±0.03，本公司的企業標準為0.975～1.026。其測量值可通過Brettschneider公式計算。

式中 []——濃度，%（V.）

K1——CH 轉換因子（常數），可等效為6×10-4

Hcv——燃料中氫和碳的原子比，汽油燃料可選為1.727 1

Ocv——燃料中氧和碳的原子比，汽油燃料可選為0.017 6。

所以，λ 的大小與O2、CO、CO2和HC 的濃度有關。

下面解析一下各組份測量原理。

（1）設備采用電化學傳感器對O2及NO 濃度（NO 此處不作分析）進行檢測。在一定條件下，利用氧化皓內外兩側的氧濃度差，產生電壓差（正常范圍為8～10 mV）再經過放大、AD 轉換后作為控制系統的可測信號。下面分別對影響O2濃度測量的因素作以分析。

（2）HC、CO 通過不分光紅外線吸收原理（Non-Dispersive Infrared Absorption，NDIR）測試（圖1）。非對稱分子（含有不同原子）可以在特定波長吸收紅外線能，這種特定的吸收定波長吸收紅外線能，這種特定的吸收帶對于某種分子是確定的、標準的，稱帶對于某種分子是確定的、標準的，稱為“物質指紋”。氣體對一定波長的紅外輻射的吸收強度與氣體濃度有確定的關系，即I=I0exp（-kcl）。其中，c 為氣體濃度。

以CO 測量為例，兩束相同紅外光線分別進入測試室和比較室，前一束紅外光線在經過測試室時，一部分光線被尾氣中的CO 所吸收，其余部分進入檢測室中的左腔；后一束紅外光線則進入比較室，比較室中的N2不吸收紅外光線，光線全部進入檢測室中的右腔。檢測室的左右腔充有等量的CO，它們吸收同時進入的兩束紅外光線，吸收的光能轉變為熱能。由于前一束光線已被吸收了一部分，這樣就造成左右兩個腔室溫度差，進而導致壓力差的存在，流量傳感器可以感受到左右腔室間空氣的流動。

圖1 光譜吸收圖

2 問題及分析

下面以本公司檢測線的5 組分尾氣分析儀的實測數據，分別對影響各各組分測量的因素加以分析。

2.1 管路中液態水的影響

汽油在燃燒過程中會產生水。由于尾氣分析儀設備過濾器的濾水能力有限，尾氣檢測過程中總會有部分水珠殘存于設備管路。在生產過程中發現，設備管路中的水對氧濃度的測量有影響，進而影響對λ 的測量。

通過以下實驗驗證水對過量空氣系數的影響：用同一臺設備（管路中水較多）對5 輛車進行檢測，然后對該設備管路進行干燥處理，對之前的5 輛車再次檢測（圖2）。

由圖2 可知，干燥過后λ值明顯減小。因此，在汽車尾氣檢測過程中，設備管路中的水會導致λ 實測值偏大。

圖2 干燥前后的λ 值對比

圖3 平臺清洗前后的λ 值對比

2.2 測量平臺清潔度的影響

汽油燃燒產生的氣態化合物冷卻后會以油脂形式沉淀于紅外測量平臺的內壁，在尾氣檢測過程中會影響尾氣的成分，進而導致λ 的測量誤差。

通過以下實驗驗證水對λ 的影響：用同一臺設備（已連續長時間使用，平臺較臟）對5 輛車進行怠速檢測，然后對將測量平臺拆解，用Extreme Simple Green 溶液平臺內壁及鏡片進行清洗，用清水沖洗并干燥后將設備恢復，對之前的5 輛車再次檢測（圖3）。

由圖3 可知，測量平臺清洗過后λ 值變小。因此，當紅外測量平臺油污較多時，會導致λ 實測值偏大。

2.3 實際尾氣含量的變化

在尾氣檢測過程中，尾氣管路必然會發生泄漏，泄漏對λ實測值影響較大，當泄漏達到一定程度時，會直接導致λ 測量不合格。

通過以下實驗驗證泄漏對λ 的影響：將設備管路的一段進行程度不同的剪切破壞，分別對同一輛車進行怠速檢測（圖4）。

由圖4 可知，λ 實測值隨泄漏值非線性正比增大。當剪切度達到1/10 時，λ 實測值便已到達正常值的臨界狀態。在尾氣檢測過程中，設備管路的氣密性非常重要，因而在設備中設有泄漏檢查功能，可以通過內置壓力傳感器對密閉管路的氣密性進行檢測。

2.4 鉛中毒導致氧傳感器失效

汽油中的鉛元素會導致氧傳感器中毒。氧傳感器中毒后，測量時電壓波動缺乏規律，電信號反饋誤差增大，氧濃度測量偏差增大，導致過量空氣系數測量偏差增大。公司車輛產量大，設備使用頻次高，且鉛中毒為不可逆反應，此項作為導致氧傳感器失效的常規因素，目前除更換氧傳感器外無有效控制途徑。

3 解決對策

3.1 設備改善

針對管路中液態水偏多的問題，設計直流反吹洗裝置，通過壓縮空氣排除管路中的水：當設備進行檢測時，管路兩端分別接到設備檢測口與汽車尾喉；檢測結束后電磁閥A 切換，管路與壓縮空氣接通，電磁閥B 切換，設備端接大氣，進行管路反吹洗過程。其中，電磁閥A 為先導式兩位三通電磁閥，電磁閥B 為直動式電磁閥（圖5）。

根據氣路原理在電控箱內制作反吹洗裝置并用于現場，使用效果良好，λ 值高故障率顯著降低（圖6）。

此改善在減少λ值測量故障的同時，還降低了氧傳感器和塑封過濾器的消耗，根據公司節約換算標準計算共計節約金額118 802.4 元/年，在公司合理化建議評比中被評為優秀合理化建議。

3.2 GMS 管理改進

圖4 不同泄漏量對λ 值的影響

圖5 反吹裝置氣路原理

圖6 反吹裝置

根據設備使用頻次，針對測量平臺清潔度影響λ 實測值的問題，在設備PM（Productive Maintenance，生產維護）標準中制定測量平臺定期清洗計劃，周期為3 月/次。

針對尾氣管路泄漏影響λ 實測值的問題，制定設備管路點檢計劃，包含設備壓力傳感器檢測和人工管路檢測。由于管路尾氣泄漏導致的故障率較高，將管路點檢列入維修工TPM（Total Productive Maintenance，全員生產維護），周期為每天1 次。

4 總結語

綜上所述，在汽車尾氣檢測過程中，過量空氣系數λ 的測量精度受到多種因素影響，采取針對性的措施提高其測量精度，能夠有效保證汽車尾氣檢測結果的準確性，對整車質量控制及汽車能源控制具有重要意義.。