尾氣分析在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中的應(yīng)用(圖)

    汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可燃混合氣在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生HC、CO、NOX等有害氣體和CO2、H20、O2等無(wú)害氣體。由于尾氣成分與發(fā)動(dòng)機(jī)的工況有最直接的聯(lián)系，所以通過(guò)汽車尾氣的檢測(cè)可初步分析發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況、性能好壞，可以檢查包括燃燒情況、點(diǎn)火能量、進(jìn)氣效果、供油情況、機(jī)械情況等諸多方面。更為重要的是，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，尾氣中某種成分必然偏離正常值，通過(guò)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下尾氣中不同氣體成分的含量，可判斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障所在的部位。尾氣分析主要內(nèi)容有混合氣空燃比、點(diǎn)火正時(shí)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(duì)空燃比（λ）。NOX常常發(fā)生在高溫大負(fù)荷的情況下，在沒(méi)有底盤測(cè)功機(jī)時(shí)只能靠路試去測(cè)量，在此不作分析。

1. 空燃比和點(diǎn)火正時(shí)對(duì)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?xì)浠�合物及少量的氧化反�?yīng)的中間產(chǎn)物。CO主要來(lái)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(jī)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。
 
    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(dāng)空燃比小于14.7:1時(shí)（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�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（最大值在13.5%~14.8%之間）。而當(dāng)混合氣空燃比超過(guò)16.2:1時(shí)（混合氣變�。�，由于燃料成分過(guò)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�；旌蠚膺^(guò)濃將產(chǎn)生大量的CO、HC，混合氣過(guò)稀將引起失火而生成過(guò)多的HC。

    如圖2所示，點(diǎn)火提前角對(duì)CO的排放沒(méi)有太大影響，過(guò)分推遲點(diǎn)火會(huì)使CO沒(méi)有時(shí)間完全氧化而引起CO排放量增加，但適度推遲點(diǎn)火可減小CO排放。實(shí)際上當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間推遲時(shí)，為了維持輸出功率不變需要開(kāi)大節(jié)氣門，這時(shí)CO排放明顯增加。隨著點(diǎn)火提前角的推遲，HC的含量降低，主要是因?yàn)樵龈吡?a href=http://photographerstories.com/huanye_htm/hyfenlei43.html target=_blank>排氣溫度，促進(jìn)了 CO和 HC的氧化，也由于減小了燃燒室內(nèi)的激冷面積。
 
    發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下尾氣排放濃度值正常范圍見(jiàn)表1。

2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方法
 
    實(shí)驗(yàn)設(shè)備：大眾桑塔納2000GSi AJR發(fā)動(dòng)機(jī)故障實(shí)驗(yàn)臺(tái)，美國(guó)SPX  OTC3995發(fā)動(dòng)機(jī)綜合分析儀，美國(guó)SPX  OTC3995-2五氣體分析模塊（與發(fā)動(dòng)機(jī)綜合分析儀配套）。AJR發(fā)動(dòng)機(jī)是直列式4沖程4缸8氣門電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了德國(guó)博世（Bosch）公司先進(jìn)的M3.8.2電子控制順序多點(diǎn)燃油噴射系統(tǒng)。點(diǎn)火系統(tǒng)采用兩個(gè)點(diǎn)火線圈，為雙火花點(diǎn)火系統(tǒng)。OTC3995發(fā)動(dòng)機(jī)分析儀功能強(qiáng)大，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電器系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和機(jī)械部分進(jìn)行全方位的診斷測(cè)試。發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，高精度示波器可隨時(shí)獲取錯(cuò)誤信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行蓄電池電壓與電流、初級(jí)和次級(jí)點(diǎn)火信號(hào)、一缸同步信號(hào)、正時(shí)信號(hào)和真空度的檢測(cè)。
 
    實(shí)驗(yàn)方法：設(shè)置空氣供給系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、電子點(diǎn)火系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的模擬故障，檢測(cè)不同系統(tǒng)、不同故障的尾氣成分。根據(jù)尾氣檢測(cè)結(jié)果，分析研究發(fā)動(dòng)機(jī)各部分故障與尾氣成分變化間的關(guān)系。進(jìn)行故障模擬的方法主要有以下幾種：阻塞空氣供給系統(tǒng)模擬混合氣過(guò)濃的故障；斷開(kāi)某缸噴油器控制線路模擬噴油器不噴油的故障；阻塞某缸噴油器模擬噴油器噴油不暢的故障；使用間隙過(guò)大、過(guò)小的火花塞或漏電的高壓線模擬點(diǎn)火系統(tǒng)故障；使用已損壞失效的傳感器、執(zhí)行器模擬控制系統(tǒng)的故障；拔去某缸火花塞模擬某缸不工作的故障等。
 
    實(shí)驗(yàn)時(shí)，為反映發(fā)動(dòng)機(jī)排放的真實(shí)情況，將五氣體分析儀的取樣探頭插入三元催化器前面排氣管上的一個(gè)專用廢氣檢測(cè)插頭中，插入深度為400mm。為了防止氣流滯后效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)10s后開(kāi)始讀數(shù)，讀取30s內(nèi)尾氣排放的平均值。若將三元催化器前后的測(cè)量值進(jìn)行比較，還可以判斷三元催化器的轉(zhuǎn)化效率是否正常。

3. 尾氣分析的基本結(jié)論

（1） 發(fā)動(dòng)機(jī)各部分技術(shù)狀況與尾氣成分間的關(guān)系
 
    進(jìn)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(guān)的尾氣成分有HC、CO。相關(guān)的檢測(cè)項(xiàng)目有汽缸壓力、汽缸漏氣率和進(jìn)氣真空度。
    空氣流量、溫度、節(jié)氣門位置、轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)及ECU等影響噴油壓力和噴油時(shí)間的因素，噴油器、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣管內(nèi)壁狀況等影響噴油霧化質(zhì)量的因素，與之有關(guān)的尾氣成分有HC、CO。相關(guān)的檢測(cè)項(xiàng)目有燃油壓力、空燃比（A/F）、相關(guān)電路信號(hào)、空氣流量計(jì)信號(hào)（L型）、進(jìn)氣壓力傳感器信號(hào)（D型）、轉(zhuǎn)速信號(hào)、溫度信號(hào)、負(fù)荷信號(hào)、氧傳感器信號(hào)等。
    點(diǎn)火線圈初級(jí)繞組電流、點(diǎn)火初級(jí)電路電阻、電容器等影響點(diǎn)火能量的因素，斷電器、離心及真空提前裝置、點(diǎn)火模塊、與點(diǎn)火有關(guān)的傳感器信號(hào)等影響點(diǎn)火正時(shí)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(guān)的尾氣成分有HC。相關(guān)的檢測(cè)項(xiàng)目有點(diǎn)火波形、漏電試驗(yàn)、導(dǎo)通試驗(yàn)。
    曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置、燃油箱蒸發(fā)控制裝置的工作狀況與HC的生成有關(guān)，二次空氣噴射、進(jìn)氣預(yù)熱的工作狀況與HC、CO有關(guān)，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(guò)尾氣分析，可以檢測(cè)到以下幾個(gè)主要方面的故障：混合氣過(guò)濃或過(guò)稀、二次空氣噴射系統(tǒng)失靈、噴油器故障、進(jìn)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(diǎn)火系統(tǒng)提前角過(guò)大等。

（2） 尾氣成分異常的原因分析
 
    HC的讀數(shù)高，說(shuō)明燃油沒(méi)有充分燃燒。汽缸壓力不足、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)低、油箱中油氣蒸發(fā)、混合氣由燃燒室向曲軸箱泄漏、混合氣過(guò)濃或過(guò)稀、點(diǎn)火正時(shí)不準(zhǔn)確、點(diǎn)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(guò)高或過(guò)低等因素都將導(dǎo)致HC讀數(shù)過(guò)高。
 
    CO的讀數(shù)是零或接近零，則說(shuō)明混合氣充分燃燒。C0的含量過(guò)高，表明燃油供給過(guò)多、空氣供給過(guò)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(guò)高、空氣濾清器不潔凈。其它問(wèn)題，如活塞環(huán)膠結(jié)阻塞、曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)受阻、點(diǎn)火提前角過(guò)大或水溫傳感器有故障等。C0的含量過(guò)低，則表明混合氣過(guò)稀，故障原因有：燃油油壓過(guò)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�？扇蓟旌蠚馊紵�越完全，CO2的讀數(shù)就越高，混合氣充分燃燒時(shí)尾氣中CO2的含量達(dá)到峰值13~16%。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣出現(xiàn)過(guò)濃或過(guò)稀時(shí)，CO2的含量都將降低。當(dāng)排氣管尾部的CO2低于12%時(shí)，要根據(jù)其他排放物的濃度來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)稀。而空氣濾清器阻塞、燃油壓力過(guò)高，都可能導(dǎo)致混合氣過(guò)濃。
 
    O2的含量是反映混合氣空燃比的最好指標(biāo)，是最有用的診斷數(shù)據(jù)之一�？扇蓟旌蠚馊紵�越完全，CO2的讀數(shù)就越高；與此相反，燃燒正常時(shí)，只有少量未燃燒的O2通過(guò)汽缸，尾氣中O2的含量應(yīng)為1～2%。O2的讀數(shù)小于1%，說(shuō)明混合氣過(guò)濃；O2的讀數(shù)大于2%，表示混合氣太稀。導(dǎo)致混合氣過(guò)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(guò)高等都可能導(dǎo)致混合氣過(guò)濃。
 
    當(dāng)CO、HC濃度高，CO2、O2濃度低時(shí)，表明發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣很濃。HC和O2的讀數(shù)高，則表明點(diǎn)火系統(tǒng)工作不良、混合氣過(guò)稀，而引起失火。
 
    利用功率平衡試驗(yàn)和尾氣分析儀的讀數(shù)，可以知道每個(gè)缸的工作狀況。如果每個(gè)缸CO、CO2的讀數(shù)都下降，HC、O2的讀數(shù)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(gè)缸的變化很小，而其它缸都一樣，則表明這個(gè)缸點(diǎn)火或燃燒不正常。另外，當(dāng)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)中有一缸不工作時(shí)，其濃度將上升到4.75～7.25%；若有兩缸不工作，則會(huì)上升到9.5～12.5%。

4. 實(shí)例分析

實(shí)例1
 
    一輛豐田凌志ES300，怠速時(shí)有輕微抖動(dòng)，且加速遲緩，無(wú)故障碼輸出。進(jìn)行數(shù)據(jù)流和點(diǎn)火波形檢測(cè)，運(yùn)行參數(shù)正常，點(diǎn)火波形也基本正常。用四氣分析儀進(jìn)行尾氣檢測(cè)，CO為0.4%、O2為2.12%、CO2為14.1%、HC在260×10-6～500×10-6間變化。初步分析是混合氣過(guò)稀，導(dǎo)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(wú)漏氣現(xiàn)象。至此，混合氣過(guò)稀而導(dǎo)致失火的可能性被排除，可能是點(diǎn)火系統(tǒng)的故障。進(jìn)一步檢查電子點(diǎn)火系統(tǒng)，當(dāng)檢查到右側(cè)汽缸的高壓線和火花塞時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)缸的高壓線短路，火花塞電極間隙過(guò)小。更換高壓線，調(diào)整火花塞電極間隙，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，故障消失，尾氣檢測(cè)值完全在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

實(shí)例2
 
    一輛北京現(xiàn)代索納塔2.O，冷機(jī)啟動(dòng)困難，隨著溫度的升高發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，行駛時(shí)加速無(wú)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%，HC高達(dá)1100×10-6，CO2為13.2%、O2為2.35%。HC、O2的數(shù)值偏高，一般是由點(diǎn)火不良或混合氣過(guò)稀失火而引起的。對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)部件進(jìn)行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。于是，重點(diǎn)檢查供油系。首先檢測(cè)燃油壓力，檢測(cè)結(jié)果正常；逐缸進(jìn)行斷油試驗(yàn)，將1、4缸斷油時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)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(gè)新的噴油器，發(fā)動(dòng)機(jī)工作恢復(fù)正常，冷機(jī)啟動(dòng)迅速、熱機(jī)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(shí)際噴入1、4缸的燃油量偏少，從而造成兩缸混合氣過(guò)稀而失火，致使發(fā)動(dòng)機(jī)工作失常。

實(shí)例3
 
    一輛桑塔納2000GSi，發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)氧傳感器進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)電壓在0~0.3V和0.7~1.0V之間變化,且變化頻率達(dá)到8Hz以上，這說(shuō)明氧傳感器正常。用四氣尾氣分析儀進(jìn)行檢測(cè)，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(yán)重偏離正常值的一個(gè)重要特征。CO值較低而CO2在最大值，說(shuō)明可燃混合氣已充分燃燒，點(diǎn)火系統(tǒng)正常。綜合分析表明，該車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)混合氣偏稀，因此應(yīng)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(shí)，發(fā)現(xiàn)空氣流量計(jì)后面的進(jìn)氣軟管有破損、裂紋。更換進(jìn)氣軟管，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，一切恢復(fù)正常。再次用尾氣分析儀進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)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(jìn)氣管漏氣，使額外的空氣進(jìn)入汽缸，造成混合氣過(guò)稀，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)，經(jīng)常熄火。這部分未經(jīng)過(guò)ECU檢測(cè)的空氣經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后，造成排氣中剩余大量氧氣，氧傳感器將此信號(hào)反饋給ECU，ECU根據(jù)這一信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)地加濃。由于氧傳感器一直輸出要求加濃的信號(hào)，自診斷系統(tǒng)則認(rèn)為氧傳感器有故障，便輸出相應(yīng)的故障碼。

5. 尾氣檢測(cè)注意事項(xiàng)
 
    對(duì)于裝有催化轉(zhuǎn)化器的汽車，如果催化劑工作正常，會(huì)使CO和HC減少。因此，將取樣探頭插到催化轉(zhuǎn)化器之前測(cè)量未經(jīng)轉(zhuǎn)換的排氣或在EGR閥的排氣口檢測(cè)。必要時(shí)，使空氣泵和二次空氣噴射系統(tǒng)停止工作。讀取測(cè)量數(shù)據(jù)前，不要讓發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)后，才能使用尾氣分析儀進(jìn)行尾氣檢測(cè)。在進(jìn)行變工況測(cè)試中，要讓加速踏板穩(wěn)住后再讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。

6. 結(jié)束語(yǔ)
 
    目前，在許多汽車維修企業(yè)，尾氣分析儀只是作為車輛年檢前調(diào)整尾氣、測(cè)試簡(jiǎn)單參數(shù)的普通設(shè)備，沒(méi)有發(fā)揮出它在汽車故障診斷中的作用，由此造成了資金的浪費(fèi)和設(shè)備的閑置。因此，加強(qiáng)尾氣分析在汽車故障診斷中的應(yīng)用研究很有必要。