尾氣分析在汽車發(fā)動機故障診斷中的應用

1、第一章 緒 論 1.1 尾氣分析的基本概念尾氣分析是在發(fā)動機不同工作狀況下，通過檢測廢氣中不同成分氣體的含量來判斷發(fā)動機各系統(tǒng)故障的方法。其目的是對發(fā)動機的燃燒狀況進行綜合評價。1.2 尾氣分析在汽車發(fā)動機故障診斷中應用的背景在汽車發(fā)展的早期，人們主要是通過有經(jīng)驗的維修人員發(fā)現(xiàn)汽車的故障并作有針對性的修理。即過去人們常講的“望” 眼看)、“聞” (耳聽)、“切”(手摸)方式。隨著現(xiàn)代科學技術的進步，特別是隨著計算機技術的進步，汽車檢測技術也飛速發(fā)展?；谶@幾年對本地區(qū)汽車維修企業(yè)和維修人員的調(diào)查,目前人們已能依靠各種先進的儀器設備，如汽車故障診斷儀、示波器、紅外線測溫儀等設備對汽車進行不解體檢

2、測，而且安全、迅速、準確。但是將汽車尾氣分析應用于汽車發(fā)動機故障診斷中上還是很少，尾氣分析大都還是環(huán)保部門做檢查環(huán)保，對修理廠修車用的不是很多。然而這種方法的運用是對車的動力、經(jīng)濟和排放整體的一個綜合檢測，對它的檢測結果分析可知汽車總體性能和技術狀況。尾氣分析不僅是檢查排放污染物治理效果的唯一途徑，而且還是對發(fā)動機工作狀況及性能判定的重要手段。 第二章 尾氣分析概述2.1 尾氣的主要成分及尾氣分析參數(shù) 根據(jù)燃燒理論，進入汽車燃燒室的成分是空氣和燃油，汽車發(fā)動機可燃混合氣在燃燒過程中產(chǎn)生汽車排放尾氣中含有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物(NOx)、二氧化硫、鋁、碳微粒和其他雜質(zhì)粉塵等，這些物質(zhì)對

3、人類和整個生態(tài)環(huán)境危害極大，另外含有CO2、H20、O2等氣體。由于尾氣成分與發(fā)動機的工況有最直接的聯(lián)系，所以通過汽車尾氣的檢測可初步分析發(fā)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、機械情況等諸多方面。更為重要的是，當發(fā)動機各系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，尾氣中某種成分必然偏離正常值，通過檢測發(fā)動機不同工況下尾氣中不同氣體成分的含量，可判斷發(fā)動機故障所在的部位。尾氣分析主要內(nèi)容有混合氣空燃比、點火正時及催化器轉(zhuǎn)化效率等，主要分析的參數(shù)有CO、HC、CO2和氧（O2），還有空燃比（A/F）或相對空燃比（）。2.2 汽車尾氣排放物的影響因素 汽車尾氣中CO、HC和NOx三種有

4、害氣體的影響因素比較多，主要為可燃混合氣的空燃比，點火提前角、發(fā)動機的負荷和轉(zhuǎn)速以及發(fā)動機的內(nèi)部結構等。 2.2.1 空燃比對尾氣成分的影響 HC是未燃燃料、可燃混合氣不完全燃燒或裂解的碳氫化合物及少量的氧化反應的中間產(chǎn)物。CO主要來自在空氣不足的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(zhì)。CO2是可燃混合氣燃燒的產(chǎn)物，它能夠反映出燃燒的效率。 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?？杖急仍浇咏碚摽杖急?4.

5、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（最大值在13.5%14.8%之間）。而當混合氣空燃比超過16.2:1時（混合氣變?。?，由于燃料成分過少，用通常的燃燒方式已不能正常著火，產(chǎn)生失火，使未燃HC大量排出。在理論空燃比附近，CO曲線有一個拐點，當A/F減少時，可燃混合氣過濃，燃油無法充分燃燒，CO生成物便急劇增加；當A/F增大時，氧含量充足，燃油可以充分燃燒，使CO生成量減少，而且比較穩(wěn)定。 2.2.2 點火正時對尾氣成分的影響 點火提前角對CO的排放沒有太大影響，但對HC和NOx的影響較大，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

6、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(jié)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(nèi)的激冷面積。火提前角對CO的生成量影響不大，但對HC和NOx的影響較大。隨著點火提前角的增大，HC和NOx生成物都會急劇增加，其原因與燃燒時的速度、壓力、溫度等有關，當點火提前角增大到一定值后，由于燃燒時間過短，HC和NOx生成量便有所下降。當然，正確的調(diào)整點火正時是非常必要的，過遲的點火提前角會使發(fā)動機動力下降，油耗增大，工作不穩(wěn)。 2.2.3 發(fā)動機負荷對尾氣成分的影響 發(fā)動機負

7、荷可以用與節(jié)氣門開度相關的進氣管壓力來表示，進氣管壓力越大（即進氣管真空度越低），發(fā)動機負荷也就越大。 對CO來說，空燃比不變，功率輸出的大小對CO排放沒有影響，CO的排放量隨功率的輸出及空氣的消耗量的增加而增大，發(fā)動機在小負荷及大負荷工作時，所供給的混合氣均較濃，在兩種情況下CO排放均比較高。例如，最大功率時，節(jié)氣門全開，供給較濃的混合氣，因此CO的排放較高。 當空燃比和轉(zhuǎn)速保持不變，并按最大功率調(diào)節(jié)點火提前角時改變負荷對HC的排放影響不大。這是因為影響HC排放的因素有的使HC降低，有的使它增加，結果作用恰恰相互抵消。當進氣管壓力在30.5kPa81.0kPa范圍內(nèi)時，因供給的混合氣較稀，所

8、以HC排放降至很低，當進氣管壓力超過81.0kPa時，接近全負荷時混合氣加濃。此時HC排放量理應上升，但由于全負荷時，排氣溫度相應增大，這時排氣后反應對HC排放的消除作用加強了，從而限制了HC的排放。小負荷時進氣管壓力低，由于缸壁激冷作用的增強，混合氣又較濃，若進氣管壓力低于20KPA，時還可能發(fā)生火焰?zhèn)鞑ゲ煌耆?，結果使HC排放明顯升高。例如在汽車突然關閉節(jié)氣門時，進氣管內(nèi)液體燃料的瞬時蒸發(fā)，造成高進氣真空下的混合氣的額外加濃，也會出現(xiàn)這種情況。發(fā)動機負荷小時（進氣管壓力低），可使NOx排放濃度下降。負荷減小進氣壓力降低，發(fā)動機溫度低，殘余廢氣增加，導致著火落后期變大及火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，這兩個

9、因素均使燃燒時間加長，若在此時點火時間不變，則燃燒過程將更多的膨脹行程延伸，這樣就會使循環(huán)最高溫度降低而使排氣中的NOx濃度下降。* C8 B0 _: _5 B$ p5 w* R9 k* r& 9 o$ L1 T/ $ D! 0 " , 第三章 尾氣與發(fā)動機故障之間的關系3.1 發(fā)動機不同工況下發(fā)動機尾氣排放濃度值3.2 發(fā)動機各部分技術狀況與尾氣成分間的關系進排氣門、汽缸襯墊的密封性，活塞、活塞環(huán)、缸套的磨損與密封性等因素，與之有關的尾氣成分有HC、CO。相關的檢測項目有汽缸壓力、汽缸漏氣率和進氣真空度。 空氣流量、溫度、節(jié)氣門位置、轉(zhuǎn)速傳感器信號及ECU等影響噴油壓力和噴

10、油時間的因素，噴油器、進氣溫度、進氣管內(nèi)壁狀況等影響噴油霧化質(zhì)量的因素，與之有關的尾氣成分有HC、CO。相關的檢測項目有燃油壓力、空燃比（A/F）、相關電路信號、空氣流量計信號（L型）、進氣壓力傳感器信號（D型）、轉(zhuǎn)速信號、溫度信號、負荷信號、氧傳感器信號等。' K- " w$ # J(點火線圈初級繞組電流、點火初級電路電阻、電容器等影響點火能量的因素，斷電器、離心及真空提前裝置、點火模塊、與點火有關的傳感器信號等影響點火正時的因素，火花塞、高壓線、分電器等影響失火率的因素，與之有關的尾氣成分有HC。相關的檢測項目有點火波形、漏電試驗、導通試驗。曲軸箱強制通風裝置、燃油箱蒸發(fā)

11、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(zhuǎn)化器的工作溫度、轉(zhuǎn)化效率、使用壽命則影響HC、CO、NOX的生成。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(tǒng)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(tǒng)泄漏、點火系統(tǒng)提前角過大等。3.3 尾氣分析的基本結論 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(tǒng)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(tǒng)泄漏、點火系統(tǒng)提前角過大等。 HC的讀數(shù)高，說明燃

12、油沒有充分燃燒。偏高的原因是：混合氣過?。簹飧讐毫Σ蛔恪l(fā)動機溫度過低、混合氣由燃燒室向曲軸箱泄漏、燃油管泄漏、燃油壓力調(diào)節(jié)器損壞?；旌蠚膺^濃：箱中油氣蒸發(fā)、燃油回油管堵塞燃油壓力調(diào)節(jié)器損壞。點火時不準確、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(shù)過高。 CO的讀數(shù)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(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)有故障，如噴油嘴漏油、燃油壓力過高、空氣濾清器不潔凈。其它問題，如活塞環(huán)膠結阻塞、曲軸箱K制通風系統(tǒng)受阻、點火提前角過大或水溫傳感器和空氣流量計有故障等。C0的含量過低，則表明混

13、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。 CO2是可燃混合氣燃燒的產(chǎn)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(shù)就越高，混合氣充分燃燒時尾氣中CO2的含量達到峰值1316%。當發(fā)動機混合氣出現(xiàn)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(jù)其他排放物的濃度來確定發(fā)動機混合氣的濃或稀。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。 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(shù)據(jù)之一?？扇蓟旌蠚馊紵酵?/p>

14、全，CO2的讀數(shù)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12%。O2的讀數(shù)小于1%，說明混合氣過濃；O2的讀數(shù)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(fā)動機混合氣很濃。HC和O2的讀數(shù)高，則表明點火系統(tǒng)工作不良、混合氣過稀，而引起失火。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(tǒng)正常氮氧化物含量，在平常溫度下，在三四百度以下，它不燃燒，但是它的再高溫下，10

15、00度以上，它非?；钴S，它就想找氧反應形成氮氧化物。所以它的產(chǎn)生第一個要有足夠高的溫度，第二個要有高壓，足夠大的壓力，第三個多余的氧才能反應，這三個條件任何一個不滿足都不會產(chǎn)生氮氧化物。降低氮氧化物含量，如果氮氧化物超標，可能性最大的原因EGR閥，或者是氣缸里面有沒有熾熱點造成爆燃現(xiàn)象。 第四章 尾氣分析在發(fā)動機故障診斷中應用的實例分析 4.1 實例1一輛豐田凌志ES300，怠速時有輕微抖動，且加速遲緩，無故障碼輸出。進行數(shù)據(jù)流和點火波形檢測，運行參數(shù)正常，點火波形也基本正常。用四氣分析儀進行尾氣檢測，CO為0.4%、O2為2.12%、CO2為14.1%、HC在260×10-6500

16、×10-6間變化。初步分析是混合氣過稀，導致失火。首先檢修燃油供給部分，各部件工作正常。清洗噴油器后，HC值雖然有所下降但仍較高。再檢查空氣供給系統(tǒng)，無漏氣現(xiàn)象。至此，混合氣過稀而導致失火的可能性被排除，可能是點火系統(tǒng)的故障。進一步檢查電子點火系統(tǒng)，當檢查到右側汽缸的高壓線和火花塞時，發(fā)現(xiàn)一個缸的高壓線短路，火花塞電極間隙過小。更換高壓線，調(diào)整火花塞電極間隙，啟動發(fā)動機，故障消失，尾氣檢測值完全在標準范圍之內(nèi)。 4.2 實例2 一輛北京現(xiàn)代索納塔2.O，冷機啟動困難，隨著溫度的升高發(fā)動機出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，行駛時加速無力。讀取故障代碼和數(shù)據(jù)流，一切正常。但用尾氣分析儀檢查，CO為0.23%

17、，HC高達1100×10-6，CO2 為13.2%、O2為2.35%。HC、O2的數(shù)值偏高，一般是由點火不良或混合氣過稀失火而引起的。對點火系統(tǒng)部件進行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。于是，重點檢查供油系。首先檢測燃油壓力，檢測結果正常；逐缸進行斷油試驗，將1、4缸斷油時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速無明顯下降，推斷1、4缸噴油器可能處于堵塞狀態(tài)。換上兩個新的噴油器，發(fā)動機工作恢復正常，冷機啟動迅速、熱機工作穩(wěn)定、加速有力，尾氣中HC下降至150×10-6。本例是由于噴油器堵塞，使實際噴入1、 4缸的燃油量偏少，從而造成兩缸混合氣過稀而失火，致使發(fā)動機工作失常。4.3 實例3一輛桑塔納2000GSi，

18、發(fā)動機怠速不穩(wěn)，經(jīng)常熄火。調(diào)取故障代碼，顯示為00525，表明氧傳感器有故障。對氧傳感器進行檢測，信號電壓在00.3V和0.71.0V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%。由此看出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(tǒng)正常。綜合分析表明，該車發(fā)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。檢查燃油供給系統(tǒng)，一切正常。檢查空氣供給系統(tǒng)時，發(fā)現(xiàn)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(fā)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(shù)據(jù)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(fā)動機怠速不穩(wěn)，經(jīng)常熄火。這部分未經(jīng)過ECU檢測的空氣經(jīng)發(fā)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(jù)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(tǒng)則認為氧傳感器有故障，