張洲

基于尾氣分析探究發(fā)動(dòng)機(jī)故障

張洲

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

近年來(lái)，伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)和配置越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)維修專(zhuān)業(yè)專(zhuān)業(yè)程度的提出了更高的要求，為此急需探討發(fā)動(dòng)機(jī)不解體的新檢測(cè)技術(shù)。而發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣成分直接反映了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況，從而根據(jù)成分分析判斷發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)的故障點(diǎn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣；尾氣分析；發(fā)動(dòng)機(jī)故障

前言

近年來(lái)，伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)和配置越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)維修專(zhuān)業(yè)專(zhuān)業(yè)程度的提出了更高的要求，為此急需探討發(fā)動(dòng)機(jī)不解體的新檢測(cè)技術(shù)，要求在盡量不拆解發(fā)動(dòng)機(jī)及部件，而是預(yù)先判定引起故障的部位，如此便實(shí)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(dòng)機(jī)的燃燒情況，以此判斷發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)浠衔铩⒖杖急然蛘呦鄬?duì)空燃比等。NOx常常發(fā)生在高溫大負(fù)荷的情況下，需要配合底盤(pán)測(cè)功機(jī)進(jìn)行測(cè)量分析。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒對(duì)尾氣的影響

1.1 空燃比對(duì)尾氣成分的影響

碳?xì)浠衔镒鳛榭扇蓟旌蠚怏w、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(shí)，可燃混合氣體不完全燃燒便會(huì)形成一氧化碳，其是發(fā)動(dòng)機(jī)為其中濃度最高并且有害的一類(lèi)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(dòng)機(jī)吸入空氣中沒(méi)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(shí)，因?yàn)槿狈ψ懔康目諝?，?dǎo)致燃燒不完全，從而排放的一氧化碳和碳?xì)浠衔锏牧吭黾?。讓混合氣體的空燃比接近14.7:1時(shí)，便能夠?qū)崿F(xiàn)完全燃燒，排放的一氧化碳和碳?xì)浠衔锏暮吭降停囱鯕饧s接近0時(shí)，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(shí)，混合氣變稀，由于燃油成分變少，這時(shí)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(guò)量空氣系數(shù)與尾氣成分的關(guān)系曲線(xiàn)

1.2 點(diǎn)火正時(shí)對(duì)尾氣成分的影響分析

點(diǎn)火提前角和尾氣成分的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。根據(jù)圖2可以看出：點(diǎn)火提前角對(duì)一氧化碳的排放影響不大。當(dāng)過(guò)多延遲點(diǎn)火時(shí)間后，一氧化碳由于無(wú)完全氧化的時(shí)間，導(dǎo)致其排放量增加。但是將點(diǎn)火時(shí)間適當(dāng)延遲，能夠降低一氧化碳的排放。當(dāng)推遲點(diǎn)火提前角時(shí)，碳?xì)浠衔锏暮肯陆担渲饕蚴桥艢鉁囟壬?，促使碳?xì)浠衔锖鸵谎趸急谎趸?。點(diǎn)火提起角度加大，由于燃燒時(shí)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(duì)點(diǎn)火正時(shí)進(jìn)行調(diào)整非常重要，如果點(diǎn)火提前角過(guò)遲會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，增加油耗，影響工作穩(wěn)定性。

圖2 點(diǎn)火提前角和尾氣成分的關(guān)系曲線(xiàn)線(xiàn)

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)尾氣成分的影響分析

可以使用和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度相關(guān)的進(jìn)氣管壓力來(lái)表示發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，進(jìn)氣管的壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷二者是正相關(guān)關(guān)系。對(duì)一氧化碳而言，當(dāng)空燃比保持不便時(shí)，輸入功率高低不會(huì)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(shí)一氧化碳的排放量也增加，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于大負(fù)荷和小負(fù)荷兩種狀態(tài)時(shí)，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(shí)，根據(jù)最大功率對(duì)點(diǎn)火提前角時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)不會(huì)對(duì)碳?xì)浠衔锏呐欧帕慨a(chǎn)生較大影響，這主要是因?yàn)橛行┮蛩貢?huì)導(dǎo)致碳?xì)浠衔锱欧帕吭黾?，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(jìn)氣管的壓力范圍在30.5kpa~81.0kPa時(shí)，由于供給的混合氣體比較稀薄，因此碳?xì)浠衔锏呐欧帕窟_(dá)到最低值，但是將進(jìn)氣管的壓力＞81.0kpa時(shí)，導(dǎo)致混合氣體的濃度增加，從理論上將碳?xì)浠衔锏呐欧帕繎?yīng)該增加，但是因?yàn)槿?fù)荷情況下排氣的溫度也升高，如此排氣后反應(yīng)對(duì)碳?xì)浠衔锏南饔孟鄳?yīng)增強(qiáng)，從而阻礙了碳?xì)浠衔锏呐欧?。?dāng)進(jìn)氣管的壓力較低時(shí)，因?yàn)楦妆诩だ渥饔迷鰪?qiáng)，導(dǎo)致混合其他的濃度增加，假設(shè)進(jìn)氣管的壓力＜20kPa時(shí)，便可能導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ゲ煌耆?，引起碳?xì)浠衔锏呐欧帕吭黾覽2]。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致排放的氮氧化物濃度降低。負(fù)荷降低會(huì)導(dǎo)致壓力減小，發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)因素的共同作用下延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間，如果此時(shí)點(diǎn)火時(shí)間保持不變，那么燃燒過(guò)程便會(huì)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(dòng)機(jī)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(hào)、節(jié)氣門(mén)位置、控制單元ECU等均是影響噴油時(shí)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(jìn)氣溫度、噴油器、進(jìn)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?xì)浠衔镌斐捎绊?。針?duì)這種情形需要檢測(cè)進(jìn)氣真空度、相關(guān)電路信號(hào)、氣缸壓力、轉(zhuǎn)速信號(hào)、氣缸漏氣率、轉(zhuǎn)速信號(hào)、氧傳感器信號(hào)、空燃比、相關(guān)電路信號(hào)等等。而點(diǎn)火能量的影響因素主要包含點(diǎn)火線(xiàn)圈初級(jí)繞組電流和點(diǎn)火初級(jí)電路電阻，而點(diǎn)火正時(shí)的影響因素包含點(diǎn)火相關(guān)的傳感器信號(hào)、點(diǎn)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?xì)浠衔?，因此需要檢測(cè)導(dǎo)通試驗(yàn)、漏電試驗(yàn)、點(diǎn)火波形等等。

碳?xì)浠衔锏纳闪恐饕加拖湔舭l(fā)控制裝置和曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置的工作狀況有關(guān)，碳?xì)浠衔锖鸵谎趸贾饕慰諝鈬娚浜瓦M(jìn)氣預(yù)熱工作狀況，而影響一氧化碳、一氧化氮、碳?xì)浠衔锷傻闹饕蛩卮呋D(zhuǎn)化器的效率、工作溫度以及壽命等等。

通過(guò)分析尾氣可以發(fā)現(xiàn)：可以檢測(cè)到二次空氣噴射系統(tǒng)失靈、ECR閥故障、進(jìn)氣歧管真空泄露、噴油器故障、缸蓋襯墊損壞、點(diǎn)火系統(tǒng)提前角過(guò)大、排氣系統(tǒng)泄露、進(jìn)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(shuō)明混合氣充分燃燒；若CO的讀數(shù)很高，則混合氣過(guò)濃（燃油供給過(guò)多，空氣供給較少），發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)高、噴入油量增加、空氣濾清器過(guò)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(dòng)機(jī)混合氣出現(xiàn)過(guò)濃或者過(guò)稀時(shí)，CO2含量都會(huì)降低。需要判定其原因，可能是點(diǎn)火時(shí)間不當(dāng)、廢氣泄露、燃油壓力過(guò)高等。

HC是燃油的主要成分，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，HC的排放值一般低于250ppm。若HC排放值過(guò)大，則說(shuō)明燃油沒(méi)有充分的混合燃燒，混合氣過(guò)稀或過(guò)濃、點(diǎn)火能量不足、配氣相位不正確、點(diǎn)火過(guò)早等問(wèn)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(guò)早、發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)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(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，只有少量未燃燒的O2通過(guò)氣缸，尾氣中O2的含量應(yīng)為1%-2%。O2的讀數(shù)低于1%時(shí)說(shuō)明混合氣過(guò)濃，O2的讀數(shù)高于2%時(shí)說(shuō)明混合氣過(guò)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(dòng)機(jī)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(shí)際工作中我們應(yīng)利用功率平衡試驗(yàn)及尾氣分析儀的讀數(shù)來(lái)判定汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況。過(guò)尾氣分析儀，對(duì)HC、CO、CO2采用不分光紅外分析技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)NOX、O2采用電化學(xué)分析技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)尾氣成分的數(shù)值進(jìn)行故障診斷。借助輔助診斷設(shè)備，能夠迅速地檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣，通過(guò)分析各種尾氣的成分變化情況，再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和供給原理，迅速弄清發(fā)動(dòng)機(jī)故障所在部位。近年來(lái)，伴隨著汽車(chē)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(chē)維修中，發(fā)揮較大的價(jià)值。

[1] 曹紅兵,陳漢生.尾氣分析在汽車(chē)故障診斷中的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)故障[J].汽車(chē)使用與維修. 2018(6):160-161.

[3] 徐建強(qiáng).基于尾氣分析的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)的研究與實(shí)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

U464

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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(jī)電工程學(xué)院講師，主要研究方向汽車(chē)動(dòng)力學(xué)，汽車(chē)檢測(cè)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.078