汽車尾氣分析與發動機故障診斷的研究

摘要:汽車尾氣分析與發動機工況有直接的關系,通過檢測汽車尾氣中不同成分氣體的含量,分析發動機的工作狀況、性能好壞,可以檢查包括燃燒情況、點火能量、進氣效果、供油情況、機械故障等諸多方面,為診斷發動機各系統的故障提供依據。

關鍵詞:汽車尾氣分析故障診斷研究

汽車發動機是一個復雜系統,其故障約占汽車全部故障的40%以上,因此對汽車發動機故障診斷方法進行研究很有必要。尾氣分析是檢查汽車排放污染物治理效果的唯一途徑,同時還可對發動機工作狀況及性能進行診斷,通過檢測汽車尾氣排放中不同成分氣體的含量,對發動機的燃燒狀況進行綜合評價,為診斷發動機各系統的故障提供依據[1]。

1. 汽車尾氣排放影響因素的分析

汽車發動機各系統在實際工作中的狀況對發動機的燃燒會產生不同的影響,因此會影響到汽車排放污染物的產生,這些影響通過各種運轉參數表現,如燃油供給系統和進排氣系統在汽車運行時表現的空燃比,點火系統表現的點火正時和點火能量等。對汽車排氣產生影響的因素主要有兩個方面,一是汽車發動機各系統工作狀況的影響,二是運行工況(穩態、瞬態)、大氣環境(溫度、壓力、濕度)和燃料的影響。

首先從發動機工作特點及層次性考慮,列出汽車與排氣的整體關系圖,如圖1所示。分別從燃油系統、點火系統、機械部分及排氣控制系統對汽車尾氣排放的影響進行分析。

1.1 空燃比的影響。汽車尾氣排放主要與發動機混合氣形成、燃燒過程及燃燒結束后在排氣過程中的化學反應有關。汽油發動機在怠速運轉時,理想的空燃比為14.7:1,由于空氣中的主要成分為氧(O2)和氮(N2),汽油中的主要成分為碳(C)和氫(H2),最理想的結果是發動機排放出二氧化碳(CO2)、水(H2O)及氮(N2),但發動機無法達到百分之百的燃燒效率,因此會產生一些不平衡燃燒氣體,其中包括:一氧化碳(CO),碳氫化合物(HC),氮氧化物(NOX),二氧化碳(CO2)和氧(O2)[2]。

碳氫化合物(HC)有未參加燃燒的燃油碳氫化合物分子,有燃燒過程中高溫分解和合成的中間產物和部分氧化物,如醛、烯及芳香烴等,有不完全燃燒產物以及潤滑油的碳氫化合物等成分。CO主要來自空氣不足情況下可燃混合氣的不完全燃燒,是汽油機尾氣中有害成分濃度最大的物質。CO2是困擾混合氣燃燒的產物,它能夠反映出燃燒的效率。

在發動機尾氣中NOX主要是指NO,NO在大氣中逐漸和氧或臭氧結合形成NO2。NO的產生主要取決于燃燒溫度以及氧的濃度。當溫度超過2000℃時,氧分子會分解成氧原子,它和氮分子化合生成NO。

如圖2所示,隨著空燃比的增加,CO的排放濃度逐漸下降,當空燃比小于14.7:1時(混合氣變濃),由于空氣量不足引起不完全燃燒,CO、HC的排放量增大。空燃比接近理論空燃比14.7:1,燃燒越完全, CO、HC降低,O2接近于零,而CO2值升高。當空燃比超過16.2:1時(混合氣變稀),由于燃料成分減少,用通常的燃燒方式已不能正常著火,產生失火,使未燃HC大量排出。混合氣過濃將產生大量的CO、HC,混合氣過稀將引起失火而生成過多的HC。

1.2 點火正時的影響。點火提前角對CO的排放沒有太大的影響,過分推遲點火會使CO沒有時間完全氧化而引起CO排放量增加,但適度推遲點火可減小CO排放。實際上當點火時間推遲時,為了維持輸出功率不變需要開大節氣門,這時CO排放明顯增加。隨著點火提前角的推遲,HC的含量降低,主要是因為增高了排氣溫度,促進了CO和HC的氧化。點火提前角與汽車尾氣成分的關系,如圖3所示。

1.3 點火能量的影響。火花塞電極間隙影響點火能量,HC的排放濃度常隨著火花塞電極間隙的增加而減少,而CO的排放濃度則隨著火花塞電極間隙的增大而增加;但當火花塞電極間隙繼續增大時,CO的排放濃度則又隨之降低。

1.4 氣缸密封性的影響。進排氣門、氣缸襯墊的密封性,活塞、活塞環、缸套的磨損與密封性等,都會影響汽車尾氣的排放。如氣缸壓力過低會使燃燒不良,不僅使燃油經濟性下降,而且HC和CO的排放量增加。

1.5 有關裝置工作狀況的影響。曲軸箱強制通風裝置、燃油箱蒸發控制裝置的工作狀況與HC的生成有關,二次空氣噴射、進氣預熱的工作狀況與HC、CO有關,催化轉化器的工作溫度、轉化效率、使用壽命則影響HC、CO、NOX的生成。

2. 汽車尾氣分析診斷發動機故障的實驗研究

根據上述分析,通過對汽車尾氣成分的變化與發動機故障的對應關系進行實驗研究,找出其變化規律,以期為發動機故障的診斷及排除提供指導。

2.1 實驗儀器設備。實驗儀器:四氣汽車排氣分析儀。

實驗用車:汽車綜合性能檢測站的被檢車輛和汽車維修廠的待修車輛。

2.2 實驗方案。利用汽車綜合性能檢測站的被檢車輛,根據汽車技術狀況變化所產生的外部現象,先初步判斷汽車技術狀況發生變化的可能原因,然后對其重點檢測尾氣參數變化。利用汽車維修廠的待修車輛及部分試驗車輛,模擬故障進行尾氣檢測分析。

2.3 故障設置及模擬。主要設置燃油供給系統、空氣供給系統、點火系統和控制系統的模擬故障,檢測不同系統、不同故障的尾氣成分。根據尾氣檢測結果,分析研究發動機各部分故障與尾氣成分變化之間的關系。

主要模擬故障有:空氣供給系統阻塞混合氣過濃;斷開某缸噴油器控制線路噴油器不噴油;阻塞某缸噴油器噴油不暢;使用電極間隙過大或過小火花塞或漏電高壓線使點火系工作不良;使用已損壞失效的傳感器、執行器使控制系統工作不良;拔去某缸高壓線使該缸不工作等。

2.4 實驗分析。通過尾氣檢測分析,可以診斷下列主要方面的故障:混合氣過濃或過稀,二次空氣噴射系統失靈,噴油器故障、進氣歧管真空泄漏,空氣泵故障,氣缸蓋襯墊損壞,EGR閥故障,排氣系統泄漏,點火提前角過大等。

(1)可燃混合氣濃度變化。選擇20輛經初步診斷為混合氣濃度故障的汽車進行實驗分析。按照國家汽車尾氣檢測規范和標準進行試驗,檢測參數統計結果如下:

其中有9輛車的檢測參數接近表1第Ⅰ組情況,有8輛車的檢測參數接近表1第Ⅱ組情況,其余3輛車的檢測參數符合標準。

從表1第Ⅰ組的檢測結果分析,CO濃度大大高于標準值,可以判斷是由于發動機不完全燃燒引起的。HC的數值也高于標準值,說明燃油沒有充分燃燒。CO2可充分反映出發動機燃燒室內燃燒效率,如果混合氣充分燃燒,CO2將達到峰值,因此,從這個參數偏低可斷定燃燒不好。O2的含量直接反映可燃混合氣的空燃比,從該指標偏低,可診斷為混合氣過濃。綜上可初步判斷該組數據反映了汽車混合氣過濃的故障現象。

從表1第Ⅱ組的檢測結果分析,HC高,CO2低同樣可判斷為發動機燃燒不充分所致。由O2過高,CO過低可看出是由于可燃混合氣空燃比失衡所造成。綜上,可初步判斷此組數據反映了汽車混合氣過稀的故障現象。

(2)點火系技術狀況。仍選20輛初步診斷為點火系故障的車輛進行實驗分析,檢測參數統計結果如下:

其中有6輛車的檢測參數接近表2第Ⅰ組情況,有7輛車的檢測參數接近表2第Ⅱ組情況,有5輛車的檢測參數接近表2第Ⅲ組情況,有2輛車檢測參數正常。

從表2第Ⅰ組、第Ⅱ組的實驗數據分析,CO2和O2都正常,可斷定車輛的空燃比正常,燃燒充分,排除燃油系統故障,另外還可表明,點火系的點火能量足夠。初步診斷與點火正時有關。第Ⅰ組中,HC較低,可認為由于點火時間過遲造成。

表2中第Ⅲ組的實驗數據,CO2低說明燃燒不好,HC很高且O2很高,可初步判斷發動機有失火故障發生。

(3)機械故障。在汽車維修中心待修車輛中,將經氣缸壓力檢測已確定氣缸壓力不足的車輛進行尾氣檢測。先后檢測5輛車,檢測數據接近表3所示情況。

從檢測數據,明顯反映燃燒不好,以尾氣中的O2低于標準值,反映出氣缸密封性不好,主要是進氣時,由于漏氣造成氣缸內真空度下降,減少了排氣量,但混合氣濃度不低氣缸溫度和壓力不足,這樣造成燃燒不穩定,部分失火,HC排放很高,很大一部分不能氧化為CO,CO2偏低、O2不足,排出少。

2.5 實驗結論

通過上述實驗證明,分析汽車尾氣的成分變化,可以診斷汽車故障。CO、HC、CO2、O2等濃度變化和故障現象具有一定的規律性。

(1)尾氣中的CO是不完全燃燒引起的,如果混合氣過濃會產生很高的CO。

(2)HC的數值高,主要說明燃油沒有充分燃燒或失火。影響充分燃燒的因素較多,如氣缸壓力,點火正時,混合氣濃度等,要結合其它排放物的數值綜合分析。

(3)CO2可以直接反映燃燒效率,發動機燃燒越完全,CO2的數值就越高。

(4)O2是反映空燃比的最好指標,通過O2的數值可以判斷是否處于正常燃燒,因此是一個非常重要的診斷數據。如果混合氣濃,O2就低,混合氣稀,O2就高,通過O2與其它參數配合,可診斷很多故障。

這四個排氣參數每一個都反映一定的故障,但綜合進行診斷,能確定具體故障,通過實驗,得出汽車尾氣測試值與系統故障對應規則表,如表4所示。

3. 尾氣分析診斷發動機故障實例應用

3.1 發動機怠速不穩,經常熄火

(1)故障現象。一輛裝備5S—FE發動機的豐田佳美轎車,發動機怠速不穩,經常熄火。

(2)故障檢測。首先調取故障碼,儀表板上的發動機故障指示燈顯示為正常代碼。用四氣汽車尾氣分析儀進行檢測,檢測結果:CO為0.43%,HC為250×10-6,CO2為14.6%, O2為2.54%。

(3)檢測結果分析。由上述數據看出,HC和O2都很高,這是空燃比嚴重偏離正常值的一個重要特征。CO值較低而CO2值在最大值,說明可燃混合氣已充分燃燒,點火系統正常。綜合分析表明,該車發動機工作時混合氣偏稀,因此應從空氣供給系統和燃油供給系統著手檢查。

對發動機進行檢查,真空管無漏氣、錯插現象,PCV閥密封良好。起動發動機,將化油器清洗劑噴在進氣管墊和EGR閥周圍,發現隨著轉速上升,怠速逐漸穩定。取下EGR閥,發現針閥周圍有少量積炭,EGR閥通道上有很多積炭,針閥不能落入閥座,致使進氣岐管的混合氣被廢氣稀釋,從而怠速不穩,發動機容易熄火。

對EGR閥進行徹底清洗,并換上新墊,起動發動機,恢復正常。再次用尾氣分析儀進行檢測,檢測結果:CO為0.23% ,HC為52×10-6,CO2為14.6%,O2為1.43 %。數據正常,故障排除。

3.2 發動機怠速時輕微抖動,加速遲緩

(1)故障現象。一輛豐田凌志ES300轎車,在怠速運轉時有輕微抖動,并且加速遲緩。

(2)故障檢測。檢測發動機故障碼,無故障碼輸出。進行數據流和點火波形檢測,運行參數正常,點火波形也基本正常。

用尾氣分析儀進行檢測,檢測結果:CO為0.45%,HC為240×10-6～500×10-6,且在此范圍內波動,CO2為13.8%,O2為2.15 %。

(3)檢測結果分析。初步分析是間歇性失火所致。首先檢查燃油供給系統,各部件工作正常,清洗噴油器后,觀察各缸噴油器霧化情況和流量的均勻性,均達到正常。再次進行尾氣檢測,HC值雖然有所下降,但仍較高。檢查空氣供給系統,無漏氣現象。進一步檢查電子點火系統, 發現一個缸的高壓線有輕微短路(漏電)現象,更換高壓線。又因火花塞間隙偏大,也同時更換。再次檢測,HC值下降不大,并仍有波動。

為進一步診斷故障,分別在左右兩側排氣歧管氧傳感器旁邊的尾氣檢測口進行尾氣檢測,發現左側氣缸排出尾氣中,CO值在0.5%左右,HC值在125×10-6左右,且波動極小。而右側氣缸排出尾氣中,CO值也在0.5%左右,但HC值卻在150×10-6～280×10-6之間波動,問題應在右側氣缸。為此檢查右側氣缸高壓線和火花塞,發現第2缸火花塞有一個間隙過小,經調整后重新安裝,故障完全消失,尾氣檢測值也符合出廠標準。

3.3 發動機怠速不穩,抖動嚴重

(1)故障現象。一輛奧迪100型轎車,裝有V6 2.6L電控發動機,怠速嚴重抖動,但加速正常。

(2)故障檢測。調取該車故障碼,顯示為正常代碼;用示波器測試點火波形,結果正常;對各缸氣缸壓力進行測試,均在規定范圍之內;進氣及真空系統不漏氣;用尾氣分析儀進行檢測,發現怠速時數據很不穩定,第一組數據:CO為3.8%, HC為286×10-6,CO2為14.8%, O2為3.25%;第二組數據:CO為0.28%, HC為54×10-6 ,CO2為9.8%,O2為3.4%。

(3)檢測結果分析。將述檢測結果進行對比分析發現,HC和CO總是同時升高或降低,CO2時高時低,燃燒效率很的不穩定,O2不能充分參與反應,數值一直較高。從而可以判斷為混合氣的形成與燃燒環境較差。推測是噴油器堵塞,導致噴油器針閥與閥座配合不密封,各缸噴油器在因該噴油時不噴油或少噴油,而在不需要噴油時卻連續噴油,因而造成供油不正常,致使四種氣體的檢測數據極不穩定。

作噴油脈寬試驗,怠速時為3.4ms ,在正常范圍內,拆下各缸噴油器檢查,果然每個噴油器都有不同程度的堵塞,經過徹底清洗,裝復試車,恢復正常。

4. 結束語

汽車尾氣成分與發動機工況有直接的關系,在分析汽車尾氣排放影響因素的基礎上,通過實驗手段,采集充分的數據,對汽車尾氣成分的變化與發動機故障的對應關系進行研究,找出其變化規律,確立汽車尾氣分析在發動機故障診斷中的應用。通過實際案例分析,說明運用尾氣分析方法診斷發動機故障是準確和有效的,因此,加強尾氣分析在汽車故障診斷中的實際應用研究很有必要。

參考文獻:

[1]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.

[2]張珉豪.從汽車原理到建立修護理論的應用[J].汽車維修技師,2002(10):44-46.

作者簡介:黨寶英 (1959-),男,呼和浩特人,高級工程師,專業方向:汽車運用工程。