某前置后驅(qū)車型過量空氣系數(shù)不合問題研究

張心

【摘 要】隨著環(huán)保要求的提高，國家對于汽車尾氣排放的要求也越來越高。過量空氣系數(shù)作為排放的一個重要指標，其不合格通常是由電噴系統(tǒng)的零件故障導致的。但是也有一種過量空氣系數(shù)不合與電噴系統(tǒng)完全不相關(guān)，文章對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的過量空氣系數(shù)不合的問題進行分析，闡述了排氣系統(tǒng)漏氣與過量空氣系數(shù)不合的關(guān)系，分析了與排氣系統(tǒng)漏氣相關(guān)的零件及其控制方法，為此類問題的解決提供了思路和方向。

【關(guān)鍵詞】過量空氣系數(shù)；排氣；泄漏

【中圖分類號】TK431 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）09-0020-03

汽車排放污染物主要有碳氫化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、一氧化碳（CO）、二氧化硫、含鉛化合物、苯并芘及固體顆粒物等組成，它們都是發(fā)動機在燃燒過程中產(chǎn)生的有害氣體。這些有害氣體產(chǎn)生的原因各異，CO是燃油氧化不完全的中間產(chǎn)物，當氧氣不充足時會產(chǎn)生CO，混合氣濃度大及混合氣不均勻都會使排氣中的CO增加。HC是燃料中未燃燒的物質(zhì)，由于混合氣不均勻、燃燒室壁冷等原因造成部分燃油未來得及燃燒就被排放出去。NOx是燃料（汽油）在燃燒過程中產(chǎn)生的一種物質(zhì)。PM也是燃油燃燒時缺氧產(chǎn)生的一種物質(zhì)，其中以柴油機最明顯。這些化合物嚴重危害了人類的身體健康。

為了對汽車排放的污染物進行有效的監(jiān)控，各個國家都制定了相應的檢測標準，我國目前已經(jīng)全面實施了“國五”排放標準，并且正在推進“國六”標準的實施。對于排放控制的指標中，過量空氣系數(shù)是一個重要參數(shù)。

過量空氣系數(shù)是指燃燒1 kg燃料的實際空氣量與理論上所需的空氣量之質(zhì)量比。過量空氣系數(shù)等于1時，燃燒是最充分的。而過量空氣系數(shù)大于1時，為稀混合氣。GB 18285—2005對于過量空氣系數(shù)的要求，對于使用閉環(huán)控制電子燃油噴射系統(tǒng)和三元催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)的汽車進行過量空氣系數(shù)的測定，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為高轉(zhuǎn)速時，過量空氣系數(shù)應該在1.00±0.03或者制造廠規(guī)定的范圍內(nèi)。通常我們用λ表示過量空氣系數(shù)。

造成過量空氣系數(shù)不合的原因有很多，通常是節(jié)氣門、火花塞的積炭、催化器的失效、氧傳感器的故障等與電噴系統(tǒng)相關(guān)的零部件的原因造成的。這些車子通常都經(jīng)過一段時間的使用，但是某前置后驅(qū)車型，剛生產(chǎn)下線進行尾氣檢驗時就出現(xiàn)過量空氣系數(shù)不合的問題，與前文所述的電器元件損壞的原因不同。本文從該問題的解決過程入手，詳細分析了造成過量空氣系數(shù)不合的原因及解決辦法，作為后續(xù)設計開發(fā)的經(jīng)驗教訓及問題分析的參考。

1 問題發(fā)生的背景

某車型進行年度車型更改后，車輛在檢測線尾氣排放工位進行尾氣檢測時，檢測設備提示過量空氣系數(shù)不合格。過量空氣系數(shù)值超出國標要求0.97～1.03的范圍，而且故障車輛的過量空氣系數(shù)值都是偏大的。對故障車的電噴系統(tǒng)進行了檢查發(fā)現(xiàn)，電噴系統(tǒng)的運行全部正常。選一臺故障車輛舉升后，在查看底盤時發(fā)現(xiàn)，怠速時排氣系統(tǒng)有漏氣，轟油門時更加明顯。用手在排氣系統(tǒng)的連接處感受發(fā)現(xiàn)，前后消聲器連接法蘭位置漏氣嚴重，轟油門時明顯感覺到有氣流竄出。而沒有出現(xiàn)過量空氣系數(shù)不合的車輛，則沒有發(fā)現(xiàn)明顯的漏氣。觀察故障車的法蘭發(fā)現(xiàn)，法蘭已經(jīng)變形，拆開前后消聲器發(fā)現(xiàn)，消聲器連接位置的密封墊變形，密封墊在法蘭部分位置沒有留下壓痕，說明密封墊沒有完全起到密封作用（如圖1所示）。順著故障車和非故障車的差異點進行了進一步的調(diào)查。

2 排氣系統(tǒng)漏氣與過量空氣系數(shù)不合的關(guān)系

我們用尾氣分析儀來對汽車尾氣中各種氣體元素含量指標進行檢測。汽車尾氣分析儀的探頭探入到汽車排氣尾管中，對汽車排氣中主要組分CO、HC、CO2、NOX和O2進行測量分析，通過公式計算，得出過量空氣系數(shù)的值。如果排氣系統(tǒng)中存在漏氣，即排出的廢氣中混入了空氣，會導致計算出的λ值增大，如果超出國標的范圍，設備會報警，提示高怠速時過量空氣系數(shù)不合。

為了驗證這一理論，對一臺尾氣排放已經(jīng)合格的車輛，將前后消聲器連接的法蘭螺栓松開，再次進行尾氣檢測，該車輛過量空氣系數(shù)超過范圍，顯示過量空氣系數(shù)不合格；重新將法蘭螺栓擰緊，該車輛的過量空氣系數(shù)又顯示合格（如圖2所示）。

實驗可以證明，過量空氣系數(shù)與排氣系統(tǒng)的漏氣密切相關(guān)，在其他參數(shù)都不變的情況下，僅改變排氣系統(tǒng)的漏氣量，可以得到截然不同的結(jié)果。漏氣量達到一定值后，檢測的過量空氣系數(shù)就出現(xiàn)不合。因此，此次批量出現(xiàn)的過量空氣系數(shù)不合的問題可以鎖定原因為前后消聲器法蘭連接處漏氣。

3 影響排氣系統(tǒng)密封不嚴的原因分析

排氣系統(tǒng)漏氣可以分成3個部分，一個是排氣系統(tǒng)各零件的漏氣，因零件不可能做成絕對密封狀態(tài)，所以這個漏氣是無法避免，只能在技術(shù)范圍內(nèi)盡量縮小。二是排氣系統(tǒng)各零件連接處的漏氣。這里的漏氣除了與排氣系統(tǒng)的零件、配合尺寸有關(guān)外，還與車身等尺寸密切相關(guān)。

3.1 排氣系統(tǒng)零件設計參數(shù)內(nèi)的漏氣量

一個前置后驅(qū)車輛的排氣系統(tǒng)主要有三元催化器總成、前消聲器總成、后消聲器總成3個零件組成。這3個零件都是由法蘭盤、管路、消音包（或者三元催化器）焊接而成，每2個零件中間靠法蘭面和密封墊密封。單個零件和整個系統(tǒng)都不是絕對密封的。

零件開發(fā)時工程師會規(guī)定每個零件的泄漏值。要求在一定壓力下，泄漏量不小于某個數(shù)值。這個泄漏值由零部件供應商進行100%檢驗和挑選。將零件放置于一個臺架，堵住排氣口，向進氣口充氣保壓，由設備讀取泄漏量，滿足要求后即零件合格。泄漏量不滿足要求時，要對零件進行檢查返修。

一般情況下，零件泄漏量不合與焊縫質(zhì)量差有關(guān)。通過檢漏、補焊，零件重新進行泄漏測試往往可以使零件滿足使用需求。

理論上，每一個零件都在設計的泄漏范圍內(nèi)是沒有問題的，但是，不排除三個零件泄漏量都在極限值時，累積的泄漏量超標。因此，對于出現(xiàn)過量空氣系數(shù)不合的車子，應首先拆下排氣系統(tǒng)的零件進行泄漏測試，并記錄測試值。實際零部件質(zhì)量控制過程中，應該嚴格控制泄漏值在上限的零件的使用。

3.2 排氣系統(tǒng)各零件關(guān)鍵尺寸

3.2.1 零件檢具測量

對于排氣系統(tǒng)零件質(zhì)量的檢查，首先是檢具測量（如圖3所示）。將零件放置在檢具上，鎖緊定位法蘭，觀察零件在檢具中的狀態(tài)，是否超出檢具的要求。用卡板檢查零件有無超出檢具，用間隙尺檢查定位面的間隙。重點檢查的是前后法蘭面與檢具的間隙及吊鉤是否在檢具的槽內(nèi)。

法蘭面如果不貼合檢具，實車裝配后，零件的2個法蘭型面會不貼合，會出現(xiàn)壓不緊密封墊的情況，從而導致漏氣量增加。

吊鉤的位置控制的是零件在車上的形態(tài)，如果吊鉤位置不對，排氣系統(tǒng)相鄰的2個零件會不在一個平面上，法蘭會形成一個“A”形或者“V”形的間隙，這種情況下再打緊法蘭的連接螺栓，會出現(xiàn)密封墊壓偏的情況，從而導致漏氣量增加。

在實際問題的處理時，由于零件經(jīng)過裝車，法蘭已經(jīng)變形，所以故障件進行檢具測量的意義不大了。通常會從同批次中抽取未裝車的零件進行檢具測量，由于零件都是工裝件，如果零件焊接出現(xiàn)了偏差，也會同樣發(fā)現(xiàn)端倪。

3.2.2 排氣系統(tǒng)子零件的關(guān)鍵尺寸

除了排氣零件在整車的形態(tài)，子級零件也有一些關(guān)鍵的尺寸會影響密封。

本車型采用的是比較成熟的法蘭加密封墊的連接方式，密封墊壓在法蘭的平面上。對于這種連接方式的排氣系統(tǒng)，要先關(guān)注連接法蘭用于壓密封墊位置的尺寸。

本車型對于法蘭圓角的要求為3 mm，但是實際零件的圓角已經(jīng)做到了6.5 mm。數(shù)模上模擬分析當法蘭內(nèi)側(cè)圓角為R3 mm時，密封墊與法蘭的接觸面寬度為5.6 mm。當圓角變?yōu)镽6.5 mm時，接觸面寬度變?yōu)?.5 mm。密封面減小了3.1 mm，再加上其他的裝配尺寸公差，能用于密封的尺寸就更小了。密封面的寬度直接影響了密封的效果。因此，法蘭的內(nèi)圓角為關(guān)鍵尺寸。

測量法蘭內(nèi)圓角的方法，比較簡易直接的方法是R規(guī)（如圖4所示），但是測量結(jié)果不夠精確，只能用于初步判斷零件是否符合。如果需要精確的數(shù)據(jù)，可以抽取同一批次的法蘭，采用三坐標的測量方式。圓角可以直接在故障車上進行測量，是比較關(guān)鍵且比較容易收集的數(shù)據(jù)。

法蘭的變形問題也非常關(guān)鍵，在本次問題的研究中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)法蘭在打緊扭力后發(fā)生了變形，法蘭變形后會擠偏密封墊，從而發(fā)生漏氣。控制法蘭變形的方法有3種，其中一種是選用強度更高的材料或者增加材料的厚度，當然這種變化帶來的是成本的增加。此外，選用不同型號的螺母也會有不同的效果，這是因為不同的螺母的摩擦系數(shù)是不一樣的。問題論證的過程中，我們驗證了2種螺母的裝配效果。一種螺母法蘭面是光滑平面的，另一種螺母法蘭面是花紋的。經(jīng)實驗驗證，當以同樣的扭力施加于零件上，產(chǎn)生的變形量是不同的。使用平面螺母裝配的零件變形嚴重，拆開后發(fā)現(xiàn)密封墊已經(jīng)壓偏，這種情況下泄漏是在所難免的了。而使用花紋螺母裝配的零件沒有變形，拆開后密封墊均勻的壓縮，密封效果很理想。

如果在裝配過程中能夠先預緊兩側(cè)螺栓，然后均勻地將兩側(cè)打緊，經(jīng)過驗證，也是能夠避免漏氣量增大的一種方法。這種方法可以避免一側(cè)先打緊造車的偏壓現(xiàn)象，但是由于這種方法是靠操作員工把握，對熟練度的要求很高，過程中也很難監(jiān)控，因此只能是在問題發(fā)生的前期作為一種抑制措施，不能作為問題解決的長期措施來執(zhí)行。

3.2.3 整車其他相關(guān)零件尺寸

排氣系統(tǒng)是由一些吊鉤固定在車身上的，除此之外，三元催化器與發(fā)動機的排氣歧管相連接，發(fā)動機在整車上的位置也影響到了排氣系統(tǒng)的位置。所以，除了對整個排氣系統(tǒng)的零件進行研究分析外，整車零件的尺寸也需要關(guān)注。最主要的是車架或者橫梁上的排氣零件的吊點尺寸、發(fā)動機懸置車身固定點尺寸。車身的零件測量主要的監(jiān)控手段是三坐標測量。量產(chǎn)車會按照抽檢的計劃每天對生產(chǎn)的白車身進行三坐標測量，發(fā)動機相關(guān)的車身安裝點均可以參考三坐標數(shù)據(jù)。但是，由于對于排氣系統(tǒng)吊鉤的焊接精度要求并不高，吊鉤的測量往往不在常規(guī)測點中，可以要求三坐標進行臨時測量或者到供應商處對其零件的工裝檢具進行尺寸測量來監(jiān)控吊鉤的一致性。

除以上所述零件外，密封墊也會影響密封性能，但是對密封墊在廠內(nèi)只能大致進行內(nèi)外徑、厚度等的尺寸測量，如需詳細的數(shù)據(jù)，還是需要供應商或者第三方檢測機構(gòu)的測量結(jié)果，詳細尺寸可以參考圖紙中的技術(shù)要求。

4 總結(jié)及結(jié)論

由上文分析，新車出現(xiàn)過量空氣系數(shù)不合的問題時，除了排查電噴相關(guān)的零件外，排氣系統(tǒng)的漏氣也是一個重要的原因。當然，本文分析的是一種排氣系統(tǒng)常見的連接形式，平面法蘭加密封墊的形式。這種連接形式對于整車的相關(guān)零部件精度要求較高，當車身或者排氣系統(tǒng)零件本身出現(xiàn)了公差累積，可能會導致問題批量爆發(fā)而不易查找原因。

本文通過問題解決的過程，系統(tǒng)闡述了漏氣的分析過程，羅列了相關(guān)零件及關(guān)鍵點。對于以后出現(xiàn)類似問題給出了分析的方向。

參 考 文 獻

[1]蔡鳳田.汽車排放污染物控制實用技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2]張莉，吳凱.用尾氣分析儀檢測結(jié)果確定汽油機過量空氣系數(shù)的方法[J].汽車維修，2008（12）：20-21.

[3]李茂月，徐靂，賈冬開.汽油機過量空氣系數(shù)的參數(shù)特性試驗研究[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2010，39（4）：10-13.

[責任編輯：鐘聲賢]