汽車發動機尾氣排放及在故障診斷中的應用

莫持標

（江門職業技術學院，廣東 江門 529090）

汽車發動機可燃混合氣在燃燒過程中會產生HC、CO、NOX等有害氣體和CO2、H20、O2等無害氣體。因尾氣成分與發動機的工況有最直接的聯系，故可通過汽車尾氣的檢測分析發動機的工作狀況、性能好壞，可以檢查發動機燃燒情況、點火能量、進氣效果、供油情況、機械運動等情況。當發動機各系統出現故障時，尾氣中某種成分必然偏離正常范圍，通過檢測發動機不同工況下尾氣中氣體成分的含量，可判斷發動機故障所在的部位。尾氣分析主要參數有CO、HC、CO2和O2（氧氣）。

1 汽車發動機排放尾氣的成分及形成機理

根據燃燒理論，進入汽車燃燒室的成分是空氣和燃油，汽車發動機可燃混合氣在燃燒過程產生的排放尾氣中含有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、二氧化硫、碳微粒、二氧化碳、氧氣等氣體和其他雜質粉塵等。汽車排放尾氣中一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物三種有害氣體的影響因素比較多。

CO主要由于發動機內部缺氧和低溫引起的不完全燃燒而產生的，是汽油機尾氣中有害成分濃度最大的物質。一般烴燃料的燃燒反應過程為：

燃氣中的氧氣足夠時有：

HC在汽油機和柴油機中形成的機理有一定區別。在汽油機中，它主要由于不完全燃燒和壁面效應而產生的；在柴油機中，由于燃料混合不均勻和燃燒不完全所致。

NOX是在發動機燃燒過程中產生的，其中NO成分占比例較大，而少量成分是NO2，它們是N2在燃燒高溫下的產物。

CO2是可燃混合氣燃燒的產物，它能夠反映出燃燒的效率。

2 影響汽車發動機尾氣排放物的主要因素

影響汽車有害排放物生產的因素很多也很復雜，但這些排放物畢竟是燃燒化學反應的產物，因而這些影響因素歸結起來，同影響化學反應的因素一樣，主要為可燃混合氣的空燃比，點火提前角、發動機的內部結構以及發動機的負荷和轉速等。

（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，理想的空燃比是14.7:1。

圖1 空燃比、過量空氣系數與尾氣成分的關系曲線

如圖1所示，隨著空燃比的增加，CO的排放濃度逐漸下降，HC的排放濃度兩頭高、中間低，CO2的排放濃度中間高、兩頭低。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。空燃比越接近理論空燃比14.7:1，燃燒越完全，HC、CO的值越低，O2越接近于零，而CO2的值越高。而當混合氣空燃比超過16.2:1時（混合氣變稀），由于燃料成分過少，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。

圖2 點火提前角與燃油消耗率、尾氣成分的關系曲線

（2）點火提前角的影響。如圖2所示，點火提前角對CO的排放沒有太大影響，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，適度提前點火可減小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，也由于減小了燃燒室內的激冷面積。

（3）點火能量的影響。火花塞電極間隙影響點火能量，碳氫化合物的排放濃度常隨著火花塞電極間隙的增加而減小，而CO的排放濃度常隨著火花塞電極間隙的增大加而增大，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。

（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。發動機在不同工況下尾氣排放濃度值正常范圍見表1。

表1 發動機在不同工況下尾氣排放濃度正常值范圍

3 尾氣成分異常與發動機故障的關系分析

通過尾氣分析，可以檢測到以下幾個主要方面的故障：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、汽缸蓋襯墊損壞、EGR閥故障、排氣系統泄漏、點火系統提前角過大等。

（1）HC與發動機故障的關系。HC的讀數高，說明燃油沒有充分燃燒。汽缸壓力不足、發動機溫度過低、油箱中油氣蒸發、混合氣由燃燒室向曲軸箱泄漏、混合氣過濃或過稀、點火正時不準確、點火間歇性不跳火、溫度傳感器不良、噴油嘴漏油或堵塞、油壓過高或過低等因素都將導致HC讀數過高。

（2）CO與發動機故障的關系。CO的讀數是零或接近零，則說明混合氣充分燃燒。C0的含量過高，表明燃油供給過多、空氣供給過少，燃油供給系統和空氣供給系統有故障，如噴油嘴漏油、燃油壓力過高、空氣濾清器不潔凈或其他問題，如活塞環膠結阻塞、曲軸箱強制通風系統受阻、點火提前角過大或水溫傳感器有故障等；C0的含量過低，則表明混合氣過稀，故障原因有：燃油油壓過低、噴油嘴堵塞、真空泄漏、EGR閥泄漏等。

（3）CO2與發動機故障的關系。CO2是可燃混合氣燃燒的產物，其高低反映出混合氣燃燒的好壞，即燃燒效率。可燃混合氣燃燒越完全，CO2的讀數就越高，混合氣充分燃燒時尾氣中CO2的含量達到峰值13%-16%。當發動機混合氣出現過濃或過稀時，CO2的含量都將降低。當排氣管尾部的CO2低于12%時，要根據其他排放物的濃度來確定發動機混合氣的濃或稀。故障原因有：燃油濾芯太臟、燃油油壓低、噴油嘴堵塞、真空泄漏、EGR閥泄漏等將造成混合氣過稀；而空氣濾清器阻塞、燃油壓力過高，都可能導致混合氣過濃。

（4）O2與發動機故障的關系。O2的含量是反映混合氣空燃比的最好指標，是最有用的診斷數據之一。可燃混合氣燃燒越完全，CO2的讀數就越高；與此相反，燃燒正常時，只有少量未燃燒的O2通過汽缸，尾氣中O2的含量應為1%～2%。O2的讀數小于1%，說明混合氣過濃；O2的讀數大于2%，表示混合氣太稀。導致混合氣過稀的原因有很多，如燃油濾芯太臟、燃油油壓低、噴油嘴堵塞、真空泄漏、EGR閥泄漏等。而空氣濾清器阻塞、燃油壓力過高等都可能導致混合氣過濃。

當CO、HC濃度高，CO2、O2濃度低時，表明發動機混合氣很濃。HC和O2的讀數高，則表明點火系統工作不良、混合氣過稀，而引起失火。 利用功率平衡試驗和尾氣分析儀的讀數，可以知道每個缸的工作狀況。如果每個缸CO、CO2的讀數都下降，HC、O2的讀數都上升，且上升和下降的量都一樣，表明各缸都工作正常。如果只有一個缸的變化很小，而其它缸都一樣，則表明這個缸點火或燃燒不正常。

4 應用實例

4.1 發動機怠速不穩,經常熄火

(1)故障現象：一輛桑塔納2000GSi，發動機怠速不穩，經常熄火。讀取故障代碼，顯示為00525，表明氧傳感器有故障。

（2）故障檢測。對氧傳感器進行檢測，信號電壓在0~0.3V和0.7~1.0V之間變化,且變化頻率達到8Hz以上，這說明氧傳感器正常。用四氣尾氣分析儀進行檢測，HC、CO、CO2、O2分別為 250×10-6、0.43%、14.6%、2.54%。

（3）檢測結果分析。由檢測結果可以看出HC和O2都較高，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和燃油供給系著手檢修。

（4）故障排除。檢查燃油供給系統，一切正常。檢查空氣供給系統時，發現空氣流量計后面的進氣軟管有破損、裂紋。更換進氣軟管，啟動發動機，一切恢復正常。再次用尾氣分析儀進行檢測，結果 HC為 50×10-6、CO為 0.23%、CO2為 14.5%、O2為1.33%，數據正常，故障排除。

本例是由于進氣管漏氣，使額外的空氣進入汽缸，造成混合氣過稀，發動機怠速不穩，經常熄火。這部分未經過ECU檢測的空氣經發動機燃燒后，造成排氣中剩余大量氧氣，氧傳感器將此信號反饋給ECU，ECU根據這一信號進行相應地加濃。由于氧傳感器一直輸出要求加濃的信號，自診斷系統則認為氧傳感器有故障，便輸出相應的故障碼。

4.2 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V62.6L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。

（4）故障排除。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,發動機恢復正常，尾氣排放也處在正常狀態。

5 結語

汽車尾氣成分與發動機工況有直接的關系。但目前在許多汽車維修企業，尾氣分析儀只是作為車輛年檢前調整尾氣、測試簡單參數的普通設備，沒有發揮出它在汽車故障診斷中的作用，造成了資金的浪費和設備的閑置。通過發動機燃燒理論和實際案例分析,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發動機故障診斷中的實際應用研究很有必要。

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[2]黨寶英.汽車尾氣分析與發動機故障診斷的研究[J].現代經濟信息,2010.

[3]龔金科.汽車排放及控制技術[M].北京:人民交通出版社,2007.