淺談瓦克夏16V275GL+燃氣發動機NOX 傳感器的作用以及如何延長其使用壽命

李清亮 范俊欽 伍金行 林煥明 林少杰 廖志文 王聲明

摘要16V275GL+燃氣發動機標配NOX傳感器。NOX傳感器屬于消耗件，提高NOX傳感器的使用壽命，可降低發動機維護成本。本文介紹了NOX的工作原理和作用，以及如何提高NOX傳感器的使用壽命。

關鍵詞瓦克夏 ?16V275GL+ ?NOX傳感器 空燃比 氮氧化物 尾氣排放

1. 前言

某管網公司壓氣站配備4臺天然氣往復式壓縮機組。壓縮機組動力單元為瓦克夏16V275GL+天然氣發動機。壓縮機組投產前期經常發生NOX傳感器報警故障，導致發動機停機。經核實，NOX傳感器的正常使用壽命至少4000小時。但發動機運行200-300小時后就會出現NOX傳感器故障報警。經過故障排查，找到了NOX傳感器過早失效原因，并對此問題進行了整改。整改后NOX傳感器使用時間達到甚至超過了其要求的使用壽命。

2. NOx傳感器的結構組成

NOx傳感器由感應探頭、控制模塊、連接插頭和連接線纜組成。

3.NOx傳感器的作用

（1）控制尾氣中氮氧化物的排放

氮氧化物指的是只由氮、氧兩種元素組成的化合物，包括多種化合物，如一氧化二氮（N2O）、一氧化氮 （NO）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）和五氧化二氮（N2O5）等。除一氧化二氮及二氧化氮以外，其他氮氧化物均不穩定，遇光、濕或熱變成二氧化氮及一氧化氮，一氧化氮又變為二氧化氮。因此，職業環境中接觸的是幾種氣體混合物常稱為硝煙 （氣），主要為一氧化氮和二氧化氮，并以二氧化氮為主。氮氧化物都具有不同程度的毒性。

天然氣和空氣在發動機氣缸內燃燒后會生成一氧化氮 （NO）和二氧化氮（NO2），此類有害氣氣排出大氣后，會對大氣照成污染。在發動機工作中，控制氮氧化物的排放有嚴格的環保要求。

16V275GL+燃氣發動機屬于稀薄燃燒機型，稀薄燃燒的定義指燃燒時空氣的供應量遠遠高于實際需求量。16V275GL+空氣燃氣比為32：1. 在發動機燃燒過程中，氮氧化物的產生受兩個因素的影響。第一因素是燃燒溫度，燃燒溫度越高越容易產生氮氧化物。第二因素是燃燒氣體中的氧含量，氧含量越高越容易產生氮氧化物。在16V275GL+發動機應用中，NOX傳感器檢測尾氣中氮氧化物含量，通過此檢測數據，發動機ECU（發動機控制單元）調整空氣燃氣比值，將氮氧化物排放控制在最低值。

這張圖表顯示了氣缸中氧氣和溫度對NOx排放的影響。注意最大NOx 產量并不是在最高排氣溫度 （理論配比 AFR 16.09：1）。 ?當當量燃燒設置時， 16.09：1空燃比 （AFR），排氣達到最高溫度，但是排氣中的氧氣量很低。最大NOx 量沒有發生在最大氧氣的點 （在這張表中）， 隨著空燃比偏離理論廢氣溫度下降。低熱會導致低反應率，減少NOx 的產量。 最大NOx產出發生在介于 17.00 and 18.00 ： 1 空燃比之間的點。

這張圖表顯示了在理論燃燒排出污染物和稀薄燃燒的燃燒排出污染物比較。空/燃比調節的越稀薄，燃燒溫度越低。因此，即使氧氣多余，也沒有足夠的熱來產生較多的NOx。 這就是為什么在稀薄 AFRs 時NOx的產量較低。

另一個影響NOx 產量的變量是氣體聚集的時間。 如果氧氣和氮氣在一個熱環境下聚集的時間越長， NOx的產量會增加。這就是為什么發動機的速度會影響NOx 的產量。 發動機速度越高，氧氣和氮氣反應的時間越短。通常，速度越快， NOx 的產量越少。 如上表所示，點火時間也對NOx 的生成有影響。過早的點火時間導致反應時間較長 （氧氣和氮氣之間）和缸內較高的壓力/溫度峰值。過早點火時間導致NOx 量增加，延遲的點火時間會減少廢氣NOx排放。

（2）通過測量尾氣中氧含量來實現控制發動機燃燒空燃比

16V275GL+屬于稀薄燃燒燃氣發動機，它的燃燒空燃比是32：1.空燃比是發動機的一個重要運行參數。空燃比過濃會導致發動機排溫高、NOx排放超標、發動機轉速波動、爆震等問題。空燃比過于稀薄會導致發動機動力不足、發動機轉速波動等問題。如何精確的控制發動機空燃比。NOx傳感器起到了關鍵作用。

NOx傳感器安裝在發動機排氣管上，檢查尾氣中的氧含量。再將檢測結果通過電壓信號的形式傳輸到NCM（氮氧化物控制模塊）。NCM再通過接受來至ECU（發動機控制單元）的轉速、環境溫度、大氣壓力、進氣歧管壓力、進氣歧管溫度信號。綜合分析后控制步進電機來調整燃氣進氣壓力。當NOx傳感器檢測到尾氣中氧含量過高時，NCM通過增加燃氣進氣壓力。當NOx傳感器檢測到尾氣氧含量過低時，NCM則降低燃氣壓力。通過此閉環控制，精確調整發動機燃燒空燃比。

4.NOx傳感器工作原理

Nox傳感器分為兩個反應腔室，反應的傳感材料均是氧化鋯ZiO2。發動機尾氣進入第一個反應腔室，氧氣首先與氧化鋯ZiO2反應泵出，我們就得到了尾氣中的氧含量。剩下了NOx，因為第一個腔室有氧，所以NOx不能發生還原反應。NOx進入第二個腔室并發生還原反應生成氮氣和氧氣。還原反應出來的氧氣與氧化鋯ZiO2反應泵出，所以通過第二個腔室測得的氧含量就可推算出NOx的含量。

5.NOx傳感器的使用壽命

NOx傳感器的感應材料是氧化鋯ZiO2，氧化鋯基電解質的電性能會隨著使用時間的增加而降低。其中溫度和濕度等外界因素對NOx傳感器的使用壽命有影響。通過對瓦克夏16V275GL+的使用情況研究發現。當發動機在啟機預熱階段時，溫度較高的尾氣遇到溫度較低的NOx傳感器安裝區域形成冷凝液。NOx傳感器安裝殼體均有不同程度的向下傾斜。這導致冷凝液在此區域聚集。NOx傳感器受潮，使其使用壽命大大降低。

為避免發動機熱機使所產生的冷凝液與NOx傳感器接觸，增加NOx傳感器的使用壽命。可在NOx傳感器與NOx安裝殼體之間加裝一個彎頭連接管，讓NOx傳感器呈45度角向上傾斜安裝。通過此項整改，經過實際使用情況證實，NOx傳感器的使用壽命大大增加。

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