汽车尾气分析

    汽车发动机可燃混合气在燃烧过程中会产生HC、CO、NOX等有害气体和CO2、H20、O2等无害气体。由于尾气成分与发动机的工况有最直接的联系，所以通过汽车尾气的检测可初步分析发动机的工作状况、性能好坏，可以检查包括燃烧情况、点火能量、进气效果、供油情况、机械情况等诸多方面。更为重要的是，当发动机各系统出现故障时，尾气中某种成分必然偏离正常值，通过检测发动机不同工况下尾气中不同气体成分的含量，可判断发动机故障所在的部位。尾气分析主要内容有混合气空燃比、点火正时及催化器转化效率等，主要分析的参数有CO、HC、CO2和氧（O2），还有空燃比（A/F）或相对空燃比（λ）。NOX常常发生在高温大负荷的情况下，在没有底盘测功机时只能靠路试去测量，在此不作分析。
    1. 空燃比和点火正时对尾气成分的影响
    HC是未燃燃料、可燃混合气不完全燃烧或裂解的碳氢化合物及少量的氧化反应的中间产物。CO主要来自在空气不足的情况下可燃混合气的不完全燃烧，是汽油机尾气中有害成分浓度最大的物质。CO2是可燃混合气燃烧的产物，它能够反映出燃烧的效率。
    如图1所示，随着空燃比的增加，CO的排放浓度逐渐下降，HC的排放浓度两头高、中间低，CO2的排放浓度中间高、两头低。当空燃比小于14.7:1时（混合气变浓），由于空气量不足引起不完全燃烧，CO、HC的排放量增大。空燃比越接近理论空燃比14.7:1，燃烧越完全，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%之间）。而当混合气空燃比超过16.2:1时（混合气变稀），由于燃料成分过少，用通常的燃烧方式已不能正常着火，产生失火，使未燃HC大量排出。混合气过浓将产生大量的CO、HC，混合气过稀将引起失火而生成过多的HC。
    如图2所示，点火提前角对CO的排放没有太大影响，过分推迟点火会使CO没有时间完全氧化而引起CO排放量增加，但适度推迟点火可减小CO排放。实际上当点火时间推迟时，为了维持输出功率不变需要开大节气门，这时CO排放明显增加。随着点火提前角的推迟，HC的含量降低，主要是因为增高了排气温度，促进了 CO和 HC的氧化，也由于减小了燃烧室内的激冷面积。
    发动机在不同工况下尾气排放浓度值正常范围见表1。
    2. 实验设备与实验方法
    实验设备：大众桑塔纳2000GSi AJR发动机故障实验台，美国SPX  OTC3995发动机综合分析仪，美国SPX  OTC3995-2五气体分析模块（与发动机综合分析仪配套）。AJR发动机是直列式4冲程4缸8气门电喷发动机，采用了德国博世（Bosch）公司先进的M3.8.2电子控制顺序多点燃油喷射系统。点火系统采用两个点火线圈，为双火花点火系统。OTC3995发动机分析仪功能强大，可对发动机电器系统、燃油系统、点火系统和机械部分进行全方位的诊断测试。发动机高速运转时，高精度示波器可随时获取错误信号，同时进行蓄电池电压与电流、初级和次级点火信号、一缸同步信号、正时信号和真空度的检测。
    实验方法：设置空气供给系统、燃油供给系统、电子点火系统和控制系统的模拟故障，检测不同系统、不同故障的尾气成分。根据尾气检测结果，分析研究发动机各部分故障与尾气成分变化间的关系。进行故障模拟的方法主要有以下几种：阻塞空气供给系统模拟混合气过浓的故障；断开某缸喷油器控制线路模拟喷油器不喷油的故障；阻塞某缸喷油器模拟喷油器喷油不畅的故障；使用间隙过大、过小的火花塞或漏电的高压线模拟点火系统故障；使用已损坏失效的传感器、执行器模拟控制系统的故障；拔去某缸火花塞模拟某缸不工作的故障等。
    实验时，为反映发动机排放的真实情况，将五气体分析仪的取样探头插入三元催化器前面排气管上的一个专用废气检测插头中，插入深度为400mm。为了防止气流滞后效应对测量结果的影响，在启动发动机10s后开始读数，读取30s内尾气排放的平均值。若将三元催化器前后的测量值进行比较，还可以判断三元催化器的转化效率是否正常。
    3. 尾气分析的基本结论
    （1） 发动机各部分技术状况与尾气成分间的关系
    进排气门、汽缸衬垫的密封性，活塞、活塞环、缸套的磨损与密封性等因素，与之有关的尾气成分有HC、CO。相关的检测项目有汽缸压力、汽缸漏气率和进气真空度。
    空气流量、温度、节气门位置、转速传感器信号及ECU等影响喷油压力和喷油时间的因素，喷油器、进气温度、进气管内壁状况等影响喷油雾化质量的因素，与之有关的尾气成分有HC、CO。相关的检测项目有燃油压力、空燃比（A/F）、相关电路信号、空气流量计信号（L型）、进气压力传感器信号（D型）、转速信号、温度信号、负荷信号、氧传感器信号等。
    点火线圈初级绕组电流、点火初级电路电阻、电容器等影响点火能量的因素，断电器、离心及真空提前装置、点火模块、与点火有关的传感器信号等影响点火正时的因素，火花塞、高压线、分电器等影响失火率的因素，与之有关的尾气成分有HC。相关的检测项目有点火波形、漏电试验、导通试验。
    曲轴箱强制通风装置、燃油箱蒸发控制装置的工作状况与HC的生成有关，二次空气喷射、进气预热的工作状况与HC、CO有关，催化转化器的工作温度、转化效率、使用寿命则影响HC、CO、NOX的生成。
    通过尾气分析，可以检测到以下几个主要方面的故障：混合气过浓或过稀、二次空气喷射系统失灵、喷油器故障、进气歧管真空泄漏、空气泵故障、汽缸盖衬垫损坏、EGR阀故障、排气系统泄漏、点火系统提前角过大等。
    （2） 尾气成分异常的原因分析
    HC的读数高，说明燃油没有充分燃烧。汽缸压力不足、发动机温度过低、油箱中油气蒸发、混合气由燃烧室向曲轴箱泄漏、混合气过浓或过稀、点火正时不准确、点火间歇性不跳火、温度传感器不良、喷油嘴漏油或堵塞、油压过高或过低等因素都将导致HC读数过高。
    CO的读数是零或接近零，则说明混合气充分燃烧。C0的含量过高，表明燃油供给过多、空气供给过少，燃油供给系统和空气供给系统有故障，如喷油嘴漏油、燃油压力过高、空气滤清器不洁净。其它问题，如活塞环胶结阻塞、曲轴箱强制通风系统受阻、点火提前角过大或水温传感器有故障等。C0的含量过低，则表明混合气过稀，故障原因有：燃油油压过低、喷油嘴堵塞、真空泄漏、EGR阀泄漏等。
    CO2是可燃混合气燃烧的产物，其高低反映出混合气燃烧的好坏，即燃烧效率。可燃混合气燃烧越完全，CO2的读数就越高，混合气充分燃烧时尾气中CO2的含量达到峰值13~16%。当发动机混合气出现过浓或过稀时，CO2的含量都将降低。当排气管尾部的CO2低于12%时，要根据其他排放物的浓度来确定发动机混合气的浓或稀。燃油滤芯太脏、燃油油压低、喷油嘴堵塞、真空泄漏、EGR阀泄漏等将造成混合气过稀。而空气滤清器阻塞、燃油压力过高，都可能导致混合气过浓。
    O2的含量是反映混合气空燃比的最好指标，是最有用的诊断数据之一。可燃混合气燃烧越完全，CO2的读数就越高；与此相反，燃烧正常时，只有少量未燃烧的O2通过汽缸，尾气中O2的含量应为1～2%。O2的读数小于1%，说明混合气过浓；O2的读数大于2%，表示混合气太稀。导致混合气过稀的原因有很多，如燃油滤芯太脏、燃油油压低、喷油嘴堵塞、真空泄漏、EGR阀泄漏等。而空气滤清器阻塞、燃油压力过高等都可能导致混合气过浓。
    当CO、HC浓度高，CO2、O2浓度低时，表明发动机混合气很浓。HC和O2的读数高，则表明点火系统工作不良、混合气过稀，而引起失火。
    利用功率平衡试验和尾气分析仪的读数，可以知道每个缸的工作状况。如果每个缸CO、CO2的读数都下降，HC、O2的读数都上升，且上升和下降的量都一样，表明各缸都工作正常。如果只有一个缸的变化很小，而其它缸都一样，则表明这个缸点火或燃烧不正常。另外，当四缸发动机中有一缸不工作时，其浓度将上升到4.75～7.25%；若有两缸不工作，则会上升到9.5～12.5%。
    4. 实例分析
    实例1
    一辆丰田凌志ES300，怠速时有轻微抖动，且加速迟缓，无故障码输出。进行数据流和点火波形检测，运行参数正常，点火波形也基本正常。用四气分析仪进行尾气检测，CO为0.4%、O2为2.12%、CO2为14.1%、HC在260×10-6～500×10-6间变化。初步分析是混合气过稀，导致失火。首先检修燃油供给部分，各部件工作正常。清洗喷油器后，HC值虽然有所下降但仍较高。再检查空气供给系统，无漏气现象。至此，混合气过稀而导致失火的可能性被排除，可能是点火系统的故障。进一步检查电子点火系统，当检查到右侧汽缸的高压线和火花塞时，发现一个缸的高压线短路，火花塞电极间隙过小。更换高压线，调整火花塞电极间隙，启动发动机，故障消失，尾气检测值完全在标准范围之内。
    实例2
    一辆北京现代索纳塔2.O，冷机启动困难，随着温度的升高发动机出现抖动现象，行驶时加速无力。读取故障代码和数据流，一切正常。但用尾气分析仪检查，CO为0.23%，HC高达1100×10-6，CO2为13.2%、O2为2.35%。HC、O2的数值偏高，一般是由点火不良或混合气过稀失火而引起的。对点火系统部件进行全面检查，未发现异常。于是，重点检查供油系。首先检测燃油压力，检测结果正常；逐缸进行断油试验，将1、4缸断油时，发动机转速无明显下降，推断1、4缸喷油器可能处于堵塞状态。换上两个新的喷油器，发动机工作恢复正常，冷机启动迅速、热机工作稳定、加速有力，尾气中HC下降至150×10-6。本例是由于喷油器堵塞，使实际喷入1、4缸的燃油量偏少，从而造成两缸混合气过稀而失火，致使发动机工作失常。
    实例3
    一辆桑塔纳2000GSi，发动机怠速不稳，经常熄火。调取故障代码，显示为00525，表明氧传感器有故障。对氧传感器进行检测，信号电压在0~0.3V和0.7~1.0V之间变化,且变化频率达到8Hz以上，这说明氧传感器正常。用四气尾气分析仪进行检测，HC、CO、CO2、O2分别为250×10-6、0.43%、14.6%、2.54%。由此看出HC和O2都较高，这是空燃比严重偏离正常值的一个重要特征。CO值较低而CO2在最大值，说明可燃混合气已充分燃烧，点火系统正常。综合分析表明，该车发动机工作时混合气偏稀，因此应从空气供给系和燃油供给系着手检修。
    检查燃油供给系统，一切正常。检查空气供给系统时，发现空气流量计后面的进气软管有破损、裂纹。更换进气软管，启动发动机，一切恢复正常。再次用尾气分析仪进行检测，结果HC为50×10-6、CO为0.23%、CO2为14.5%、O2为1.33%，数据正常，故障排除。本例是由于进气管漏气，使额外的空气进入汽缸，造成混合气过稀，发动机怠速不稳，经常熄火。这部分未经过ECU检测的空气经发动机燃烧后，造成排气中剩余大量氧气，氧传感器将此信号反馈给ECU，ECU根据这一信号进行相应地加浓。由于氧传感器一直输出要求加浓的信号，自诊断系统则认为氧传感器有故障，便输出相应的故障码。
    5. 尾气检测注意事项
    对于装有催化转化器的汽车，如果催化剂工作正常，会使CO和HC减少。因此，将取样探头插到催化转化器之前测量未经转换的排气或在EGR阀的排气口检测。必要时，使空气泵和二次空气喷射系统停止工作。读取测量数据前，不要让发动机怠速运转时间过长。在发动机暖机后，才能使用尾气分析仪进行尾气检测。在进行变工况测试中，要让加速踏板稳住后再读取测量数据。
    6. 结束语
    目前，在许多汽车维修企业，尾气分析仪只是作为车辆年检前调整尾气、测试简单参数的普通设备，没有发挥出它在汽车故障诊断中的作用，由此造成了资金的浪费和设备的闲置。因此，加强尾气分析在汽车故障诊断中的应用研究很有必要。