汽車排放超標的原因分析與修復(fù) (上)

文/廣東 王 囤

汽車排放超標的原因分析與修復(fù) (上)

文/廣東 王 囤

王囤

(本刊專家委員會委員)

副教授，高級企業(yè)培訓師，西安公路交通大學汽車運用工程專業(yè)碩士，1963年生。廣州市汽車摩托車維修行業(yè)協(xié)會副會長兼技術(shù)質(zhì)量專委會主任；廣州市交通技師學院高級培訓指導(dǎo)師；廣州市職業(yè)技能教學研究會機動車專委會副主任；廣東省職業(yè)教育與培訓協(xié)會專家委員會委員。

一、點燃式發(fā)動機類

點燃式發(fā)動機一般使用汽油、液化石油氣(LPG)、壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)等不同類型的燃料，這些燃料的主要成分都是HC化合物，與空氣混合并發(fā)生燃燒時，主要與空氣中的O2進行化學反應(yīng)，這種化學反應(yīng)的條件與狀態(tài)不同，所產(chǎn)生的廢氣成分就會有所不同，其中對環(huán)境產(chǎn)生危害的污染物主要是CO(一氧化碳，屬于有毒氣體)、HC和NOX。

(一)點燃式發(fā)動機排放污染物的產(chǎn)生機理

1．CO的生成機理

CO的生成主要與混合汽的濃度有關(guān)。當混合汽較稀時，O2比較充足，燃料中的C(碳)與O2可以進行充分反應(yīng)，即進行完全燃燒，所產(chǎn)生的廢氣為CO2(二氧化碳，屬于無毒氣體)；當混合汽較濃時，O2不夠充足，燃料中的C與O2的反應(yīng)不夠充分，即燃燒不完全，所產(chǎn)生的廢氣為CO。

可見，CO主要是由于缺氧而造成燃料不完全燃燒所產(chǎn)生的，因此，凡是引起燃料在缺氧條件下進行燃燒的因素都會造成CO排放的升高，例如：混合汽過濃、燃料與空氣混合不均勻(局部混合汽過濃)等。

壓縮壓力對CO的形成也有一定的影響，壓縮壓力高時，C與O2可以“親密接觸”，有利于完全燃燒；反之，壓縮壓力不足，C與O2“遠距離牽手”，不利于完全燃燒，CO排放會隨之升高。

另外，殘余廢氣對CO的形成也有一定的影響，殘余廢氣過多，C與O2的“親密接觸”被干擾，不利于完全燃燒，CO排放會隨之升高；反之，殘余廢氣較少，C與O2“親密接觸”比較容易，利于完全燃燒，CO排放會隨之降低。

因此，對于點燃式發(fā)動機而言，CO排放過高的原因包括：噴油量過大、噴油霧化不良、進氣不暢、點火過遲(造成燃燒時間不足)、排氣不暢(造成燃燒室內(nèi)殘余廢氣過多)、三元催化器失效(CO未被轉(zhuǎn)化就排入大氣)、壓縮壓力不足、殘余廢氣過多、燃油蒸汽回收系統(tǒng)故障(燃油蒸汽量過大，造成混合汽過濃)等。

2．HC的生成機理

燃料沒有參加燃燒，或沒有充分參加燃燒就排入大氣，就會造成HC排放增大。可見，HC排放與CO排放的機理有所不同。CO排放機理是燃料燃燒了，但燃燒進行得不徹底；HC排放機理則是燃料根本就沒有燃燒，或一部分燃料燃燒了，而另有一部分卻沒有燃燒。由此可見，HC排放過高的原因要比CO的復(fù)雜，大致包括以下幾個方面。

①火焰不穩(wěn)定，在傳播過程中發(fā)生了熄滅現(xiàn)象，原因包括：混合汽過濃或過稀、混合汽中殘余廢氣過多、汽缸壓力過低、淬滅效應(yīng)等。

由于燃燒室表面溫度遠低于火焰溫度，造成火焰無法到達燃燒室表面0.1 ～0.7mm范圍內(nèi)，在燃燒室表面形成薄薄的一層沒有燃燒“氣膜”，同時，火焰也無法到達活塞與汽缸之間的間隙之中，這些區(qū)域都稱為淬滅區(qū)，其中包含大量沒有燃燒的HC化合物，這就是淬火效應(yīng)。如圖1所示，這部分氣體隨廢氣排出，造成HC排放的升高。一般來講，燃燒室溫度越低(如發(fā)動機較冷)，淬滅區(qū)越大，HC排放也越高。

②點火失敗，原因包括：沒有點火火花、火花過弱(如點火系統(tǒng)漏電或其他故障、火花塞間隙不當或火花塞不良)、混合汽過濃或過稀、混合汽中殘余廢氣過多、汽缸壓力過低等。

③汽缸壓力不足，壓縮壓力高時，燃料與O2可以“親密接觸”，有利于完全燃燒，HC排放較少；反之，壓縮壓力不足，燃料與O2“遠距離牽手”，不利于完全燃燒，HC排放會隨之升高。

④進排氣門重疊區(qū)，新鮮混合汽泄漏到排氣管中(如配氣正時不當)。

⑤機油竄入燃燒室，未能參加燃燒而隨廢氣排出(如曲軸箱通風系統(tǒng)阻塞，造成曲軸箱壓力升高；活塞環(huán)裝反或磨損，產(chǎn)生“泵油作用”等)。

⑥曲軸箱竄氣直接排入大氣(曲軸箱通風系統(tǒng)泄漏)。

⑦燃料蒸汽直接排入大氣，或活性炭罐飽和(燃料蒸汽回收系統(tǒng)失效)。

3．NOx的生成及原因

NOX的生成與燃料沒有直接關(guān)系，主要是空氣在高溫條件下，其中的N2(氮氣)會與O2發(fā)生化學反應(yīng)，生成NOX。溫度越高，高溫持續(xù)時間越長，生成的NOX越多。只不過發(fā)動機燃燒室內(nèi)部具有這樣的高溫條件，從而造成了NOX排放的產(chǎn)生。

點燃式發(fā)動機的燃燒溫度遠高于壓燃式發(fā)動機，因此，點燃式發(fā)動機的NOX排放遠大于壓燃式發(fā)動機。正因如此，排放法規(guī)中對NOX排放的限制也主要針對點燃式發(fā)動機，但隨著排放法規(guī)的不斷嚴格，在歐IV、歐V標準中，已經(jīng)開始對壓燃式發(fā)動機的NOX排放進行了限制。

點燃式發(fā)動機的燃燒為預(yù)混式(即燃料與空氣預(yù)先混合后再開始燃燒)，其特點是藍色火焰?zhèn)鞑ナ剑{色火焰溫度較高，相當于煤氣灶的火焰為藍色時，溫度較高，燒水很快；壓燃式發(fā)動機的燃燒為擴散式(即燃料在向空氣中擴散時，僅在與空氣的交界、混合區(qū)域發(fā)生燃燒)，其特點為黃色火苗“噴射式”(即燃燒開始后，噴油器看起來像噴出一個或幾個黃色火苗，這種火苗的溫度較低，而且會產(chǎn)生炭煙，相當于煤氣灶的火焰為黃色時，溫度較低，燒水較慢，且很快在鍋底形成炭黑)。

部分汽車發(fā)動機采用了EGR系統(tǒng)(廢氣再循環(huán)系統(tǒng))，其目的就是通過降低燃燒溫度的方法來降低NOX排放，即以犧牲動力性、經(jīng)濟性為代價，來換取NOX排放性能的改善。

廢氣再循環(huán)對NOX排放的影響如圖2所示。可以看出，EGR量越大，NOX排放越少。在理論混合汽附近(燃空當量比或過量空氣系數(shù)等于1附近)，10%的EGR，NOx排放可以減少30%；20%的EGR，NOX排放可以減少55%。

由以上分析可以看出，凡是引起燃燒室內(nèi)溫度過高的原因，都會造成NOX排放的增大。例如，發(fā)動機水溫過高、因燃燒室積碳而造成壓縮比過高、點火過早、燃油牌號選擇不當(牌號過低會引起發(fā)動機爆震，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)溫度升高)、混合汽濃度不當?shù)取?/p>

(二)點燃式發(fā)動機排放污染物生成的影響因素

點燃式發(fā)動機排氣中有害氣體的產(chǎn)生與混合汽濃度、點火時刻、節(jié)氣門開度、發(fā)動機負荷、發(fā)動機的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。在發(fā)動機結(jié)構(gòu)既定的情況下，混合汽濃度和點火時刻的影響最大。

1．混合汽濃度的影響

CO的排放量基本上完全取決于混合汽濃度(見圖3)，而其他因素的影響都是次要的。混合汽越稀，CO的排放量越小；反之，則CO的排放量越大。

HC與CO不同，在一定范圍內(nèi)，混合汽越稀，HC的排放量越少，但混合汽過稀時(空燃比A/F超過18時)，HC的排放量會大幅上升，因為此時火焰?zhèn)鞑ケ容^困難，甚至會發(fā)生斷火現(xiàn)象。混合汽較濃時，HC排放也會升高，這是由于燃料的不充分燃燒導(dǎo)致的。

混合汽濃度對NOX的排放也會產(chǎn)生巨大影響，當混合汽濃度在理論值附近且稍微偏小一些時，雖然燃燒溫度不是最高的，但氧氣相對充足，利于NOX的形成，因而NOX排放也最高。混合汽濃度偏離該區(qū)域，由于燃燒溫度下降，NOX排放也隨之降低。

2．點火時間的影響

推遲點火時間，HC的排放量將減少，這是因為點火時間被推遲后，在燃燒室內(nèi)的燃燒時間將縮短，未燃燃料進入排氣管后繼續(xù)燃燒，使排氣溫度上升，促進了HC在排氣管中的后氧化。雖然推遲點火時間可以使HC的排放量有所下降，但這種下降會使發(fā)動機功率降低，燃油消耗量也隨之增加。

一般情況下，點火時刻對CO排放影響不大，但是點火過遲，CO排放也會有所升高，這是由于燃料燃燒時間過短，氧化反應(yīng)不夠充分所致。點火時間提前，燃燒溫度會上升，因此，加大點火提前角會使NOX的排放量增加。另一方面，發(fā)動機的結(jié)構(gòu)因素(如壓縮比、燃燒室形狀等)由汽車制造廠在設(shè)計過程中考慮，我們暫時不予討論。

3．節(jié)氣門開度的影響

怠速時，節(jié)氣門幾乎完全關(guān)閉，進氣量很小，燃燒室中殘余廢氣所占的比例較大，為了維持發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，ECU系統(tǒng)所提供的新鮮混合汽濃度一般偏大， 因此，CO排放量較高。同時，由于火焰的穩(wěn)定性較差，HC排放濃度也較高；但由于怠速時的燃燒溫度較低，因而NOX排放的濃度也較低。

節(jié)氣門開度由怠速位置逐步增大時，燃燒室中殘余廢氣所占的比例逐步變小，ECU系統(tǒng)所提供的混合汽逐步變稀，CO、HC排放的濃度隨著燃燒情況的逐步改善而逐步下降，NOX排放的濃度則隨燃燒溫度的逐步上升而逐步增大，三種有害氣體的排放總量則都隨排氣量的逐步增大而增多。

當節(jié)氣門開度超過80%左右時，ECU系統(tǒng)所提供的混合汽濃度會增大，燃燒溫度也會進一步升高，因此，CO、HC、NOX的排放濃度及總量都會進一步升高。

4．發(fā)動機負荷的影響

在相同轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機負載的大小不同，所對應(yīng)的節(jié)氣門開度、進氣總量及混合汽的濃度都會有所不同。空載或輕載時，較小的節(jié)氣門開度和進氣總量就可以維持這樣的轉(zhuǎn)速，CO、HC、NOX排放的總量也就相對較小；重載或滿載時，維持這樣的轉(zhuǎn)速則需要較大的節(jié)氣門開度和進氣總量，CO、HC、NOX排放的總量也就相對較大。

5．加減速的影響

急加速時，ECU系統(tǒng)所提供的混合汽濃度會短時增大，CO、HC、NOX排放的總量也會隨之短時增多；急減速時，ECU系統(tǒng)一般會短時切斷燃料供給，CO、HC、NOX排放會短時下降。緩慢加減速則不會產(chǎn)生上述效果，CO、HC、NOX排放的變化規(guī)律則符合“節(jié)氣門開度的影響”和“發(fā)動機負荷的影響”。

6．水溫的影響

水溫的高低會對混合汽濃度產(chǎn)生直接的影響，因而會對CO、HC排放產(chǎn)生間接影響。水溫過低時，ECU系統(tǒng)所提供的混合汽濃度增大，CO、HC排放都會增多；水溫過高時，燃燒溫度的上升則會導(dǎo)致NOX排放的升高；水溫在正常范圍以內(nèi)時，CO、HC、NOX排放的變化規(guī)律則符合上述“混合汽濃度的影響”、“點火時間的影響”、“節(jié)氣門開度的影響”、“加減速的影響”和“發(fā)動機負荷的影響”等。

7．殘余廢氣的影響

殘余廢氣過多，CO、HC排放都會增大，但NOX排放會相應(yīng)減少；殘余廢氣較少，CO、HC排放都會較少，但NOX排放會相應(yīng)增大。

8．壓縮壓力的影響

壓縮壓力增大，CO、HC排放都會減少，但NOX排放會相應(yīng)增大；壓縮壓力不足，CO、HC排放都會增大，但NOX排放會相應(yīng)減少。

(三)檢測方法對檢測結(jié)果的影響

怠速法、雙怠速法是在怠速及高怠速條件下檢測CO、HC的排放濃度(此時的NOX排放較少，對其檢測沒有意義，因此不需要檢測NOX排放的濃度)，而濃度值并不能代表其排放的總量，即使此時它們的排放濃度較大，但由于排氣總量較小，加上汽車在運行狀態(tài)下，怠速運轉(zhuǎn)的時間未必很長，CO、HC排放的總量未必較大，所以，怠速法、雙怠速法的檢測結(jié)果并不能反映汽車在運行狀態(tài)下真實的排放情況。

另外，怠速法、雙怠速法是在發(fā)動機空載狀態(tài)下進行檢測的，而在汽車運行過程中，絕大多數(shù)情況下發(fā)動機都處于加載狀態(tài)，因此，怠速法、雙怠速法的檢測結(jié)果與汽車真實的排放情況沒有可比性或可比性較差。

簡易工況法是在模擬汽車真實運行狀態(tài)情況下進行的檢測，其檢測的過程囊括了幾種加載載荷情況下的加速、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)、減速等多種工況，而且檢測的結(jié)果已經(jīng)換算成排放的總量，檢測的內(nèi)容也納入了NOX，因此，檢測結(jié)果與汽車真實運行條件下的排放情況具有一定的可比性。

通過以上分析可以看出，用怠速法、雙怠速法檢測合格的車輛，用簡易工況法檢測，其結(jié)果未必合格；反之，用簡易工況法檢測合格的車輛，用怠速法、雙怠速法檢測，其結(jié)果也未必合格。因此，對于用簡易工況法檢測不合格的車輛進行修復(fù)后，不能通過怠速法、雙怠速法檢測來驗證其修復(fù)的效果。

由于采用簡易工況法進行檢測所需的檢測設(shè)備比較昂貴(需要底盤測功機、排氣流量分析儀、配套計算機及相關(guān)軟件等)，占用的場地面積也較大，一般的汽車修理廠不具備這樣的條件，因此，以前采用怠速法、雙怠速法進行檢測，只是一種權(quán)宜之計，并不符合科學的汽車排放控制思想。隨著國家排放法規(guī)的日益嚴格，簡易工況法的采用也是大勢所趨，而且符合世界發(fā)達國家的通用做法。

(四)點燃式發(fā)動機排放超標的原因及修復(fù)

1．CO的排放量過大

(1)CO排放量過大，主要應(yīng)從混合汽過濃的角度進行考慮，同時兼顧壓縮壓力問題，其原因可能包括以下一個或幾個方面。

①燃油壓力過高(燃油壓力調(diào)節(jié)器故障或真空管漏氣)，檢測方法：測試油壓；

②噴油器及其控制電路故障，檢測方法：檢查噴油器電路，用噴油器清洗檢測試驗臺清洗、檢測噴油器(含噴油量、各缸均勻性、密封性等)；

③輸入傳感器有故障，檢測方法：測試相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)；

④燃油蒸汽回收系統(tǒng)故障，檢測方法：檢查燃油蒸汽回收系統(tǒng)；

⑤進氣系統(tǒng)漏氣(對于采用進氣壓力傳感器的D型電噴系統(tǒng))，檢測方法：檢查進氣系統(tǒng)漏氣情況；

⑥空氣濾清器臟污或渦輪增壓器不良，檢測方法：檢查空氣濾清器及渦輪增壓器，必要時更換；

⑦排氣系統(tǒng)阻塞(排氣不暢引起燃燒室殘余廢氣過多)，檢測方法：檢查、清潔排氣系統(tǒng)；

⑧壓縮壓力不足，檢測方法：檢查缸壓；

⑨催化轉(zhuǎn)化器有故障：排氣中的CO沒有經(jīng)過轉(zhuǎn)化就直接排到大氣。有些汽車的催化轉(zhuǎn)化器下游裝備了一個副氧傳感器，用來監(jiān)測催化轉(zhuǎn)化器的性能，可以通過故障診斷儀觀察副氧傳感器的數(shù)據(jù)，如果副氧傳感器的信號電壓波動較大(即與主氧傳感器的信號變化比較接近)，則說明催化轉(zhuǎn)化器失效；

⑩ECU故障：一般情況下ECU不容易損壞，但有時候也要結(jié)合其他故障現(xiàn)象對ECU做進一步診斷(例如油耗情況)。

(2)CO排放量過大的建議檢修程序：

①用故障診斷儀讀取故障代碼，根據(jù)故障代碼，進行有針對性維修；

②用故障診斷儀讀取數(shù)據(jù)流，相關(guān)數(shù)據(jù)包括：空氣流量或進氣壓力、水溫、氣溫、節(jié)氣門位置、主氧傳感器、副氧傳感器、噴油脈寬、點火正時、混合汽濃度等，進行有針對性維修；

③用故障診斷儀進行執(zhí)行元件測試，包括：點火器、噴油器、怠速閥、蒸汽回收閥、油泵繼電器等，進行有針對性維修(某些項目可能多余，但不會花費太多時間，卻可以發(fā)現(xiàn)潛在故障)；

④檢查燃油蒸汽回收系統(tǒng)是否不能關(guān)閉，進行有針對性維修；

⑤測量油壓，進行有針對性維修(包括清洗燃油系統(tǒng)，如油路、濾清器、噴油器、調(diào)壓器及其真空管等)。用噴油器清洗檢測試驗臺清洗、檢測噴油器；

⑥檢查進氣系統(tǒng)是否漏氣(對于采用進氣壓力傳感器的D型電噴系統(tǒng))；

⑦檢查進排氣系統(tǒng)及渦輪增壓器，看是否阻塞或工作不良，檢修催化轉(zhuǎn)化器；

⑧檢查壓縮壓力，進行有針對性維修；

⑨檢查ECU是否存在故障；

⑩用故障診斷儀進行基本調(diào)整、自適應(yīng)匹配等操作。(未完待續(xù))