汽车尾气分析与发动机故障诊断的研究

摘要:汽车尾气分析与发动机工况有直接的关系,通过检测汽车尾气中不同成分气体的含量,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、机械故障等诸多方面,为诊断发动机各系统的故障提供依据。

关键词:汽车尾气分析故障诊断研究

汽车发动机是一个复杂系统,其故障约占汽车全部故障的40%以上,因此对汽车发动机故障诊断方法进行研究很有必要。尾气分析是检查汽车排放污染物治理效果的唯一途径,同时还可对发动机工作状况及性能进行诊断,通过检测汽车尾气排放中不同成分气体的含量,对发动机的燃烧状况进行综合评价,为诊断发动机各系统的故障提供依据[1]。

1. 汽车尾气排放影响因素的分析

汽车发动机各系统在实际工作中的状况对发动机的燃烧会产生不同的影响,因此会影响到汽车排放污染物的产生,这些影响通过各种运转参数表现,如燃油供给系统和进排气系统在汽车运行时表现的空燃比,点火系统表现的点火正时和点火能量等。对汽车排气产生影响的因素主要有两个方面,一是汽车发动机各系统工作状况的影响,二是运行工况(稳态、瞬态)、大气环境(温度、压力、湿度)和燃料的影响。

首先从发动机工作特点及层次性考虑,列出汽车与排气的整体关系图,如图1所示。分别从燃油系统、点火系统、机械部分及排气控制系统对汽车尾气排放的影响进行分析。

1.1 空燃比的影响。汽车尾气排放主要与发动机混合气形成、燃烧过程及燃烧结束后在排气过程中的化学反应有关。汽油发动机在怠速运转时,理想的空燃比为14.7:1,由于空气中的主要成分为氧(O2)和氮(N2),汽油中的主要成分为碳(C)和氢(H2),最理想的结果是发动机排放出二氧化碳(CO2)、水(H2O)及氮(N2),但发动机无法达到百分之百的燃烧效率,因此会产生一些不平衡燃烧气体,其中包括:一氧化碳(CO),碳氢化合物(HC),氮氧化物(NOX),二氧化碳(CO2)和氧(O2)[2]。

碳氢化合物(HC)有未参加燃烧的燃油碳氢化合物分子,有燃烧过程中高温分解和合成的中间产物和部分氧化物,如醛、烯及芳香烃等,有不完全燃烧产物以及润滑油的碳氢化合物等成分。CO主要来自空气不足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是困扰混合气燃烧的产物,它能够反映出燃烧的效率。

在发动机尾气中NOX主要是指NO,NO在大气中逐渐和氧或臭氧结合形成NO2。NO的产生主要取决于燃烧温度以及氧的浓度。当温度超过2000℃时,氧分子会分解成氧原子,它和氮分子化合生成NO。

如图2所示,随着空燃比的增加,CO的排放浓度逐渐下降,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。空燃比接近理论空燃比14.7:1,燃烧越完全, CO、HC降低,O2接近于零,而CO2值升高。当空燃比超过16.2:1时(混合气变稀),由于燃料成分减少,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。

1.2 点火正时的影响。点火提前角对CO的排放没有太大的影响,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。点火提前角与汽车尾气成分的关系,如图3所示。

1.3 点火能量的影响。火花塞电极间隙影响点火能量,HC的排放浓度常随着火花塞电极间隙的增加而减少,而CO的排放浓度则随着火花塞电极间隙的增大而增加;但当火花塞电极间隙继续增大时,CO的排放浓度则又随之降低。

1.4 气缸密封性的影响。进排气门、气缸衬垫的密封性,活塞、活塞环、缸套的磨损与密封性等,都会影响汽车尾气的排放。如气缸压力过低会使燃烧不良,不仅使燃油经济性下降,而且HC和CO的排放量增加。

1.5 有关装置工作状况的影响。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。

2. 汽车尾气分析诊断发动机故障的实验研究

根据上述分析,通过对汽车尾气成分的变化与发动机故障的对应关系进行实验研究,找出其变化规律,以期为发动机故障的诊断及排除提供指导。

2.1 实验仪器设备。实验仪器:四气汽车排气分析仪。

实验用车:汽车综合性能检测站的被检车辆和汽车维修厂的待修车辆。

2.2 实验方案。利用汽车综合性能检测站的被检车辆,根据汽车技术状况变化所产生的外部现象,先初步判断汽车技术状况发生变化的可能原因,然后对其重点检测尾气参数变化。利用汽车维修厂的待修车辆及部分试验车辆,模拟故障进行尾气检测分析。

2.3 故障设置及模拟。主要设置燃油供给系统、空气供给系统、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之间的关系。

主要模拟故障有:空气供给系统阻塞混合气过浓;断开某缸喷油器控制线路喷油器不喷油;阻塞某缸喷油器喷油不畅;使用电极间隙过大或过小火花塞或漏电高压线使点火系工作不良;使用已损坏失效的传感器、执行器使控制系统工作不良;拔去某缸高压线使该缸不工作等。

2.4 实验分析。通过尾气检测分析,可以诊断下列主要方面的故障: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,气缸盖衬垫损坏,EGR阀故障,排气系统泄漏,点火提前角过大等。

(1)可燃混合气浓度变化。选择20辆经初步诊断为混合气浓度故障的汽车进行实验分析。按照国家汽车尾气检测规范和标准进行试验,检测参数统计结果如下:

其中有9辆车的检测参数接近表1第Ⅰ组情况,有8辆车的检测参数接近表1第Ⅱ组情况,其余3辆车的检测参数符合标准。

从表1第Ⅰ组的检测结果分析,CO浓度大大高于标准值,可以判断是由于发动机不完全燃烧引起的。HC的数值也高于标准值,说明燃油没有充分燃烧。CO2可充分反映出发动机燃烧室内燃烧效率,如果混合气充分燃烧,CO2将达到峰值,因此,从这个参数偏低可断定燃烧不好。O2的含量直接反映可燃混合气的空燃比,从该指标偏低,可诊断为混合气过浓。综上可初步判断该组数据反映了汽车混合气过浓的故障现象。

从表1第Ⅱ组的检测结果分析,HC高,CO2低同样可判断为发动机燃烧不充分所致。由O2过高,CO过低可看出是由于可燃混合气空燃比失衡所造成。综上,可初步判断此组数据反映了汽车混合气过稀的故障现象。

(2)点火系技术状况。仍选20辆初步诊断为点火系故障的车辆进行实验分析,检测参数统计结果如下:

其中有6辆车的检测参数接近表2第Ⅰ组情况,有7辆车的检测参数接近表2第Ⅱ组情况,有5辆车的检测参数接近表2第Ⅲ组情况,有2辆车检测参数正常。

从表2第Ⅰ组、第Ⅱ组的实验数据分析,CO2和O2都正常,可断定车辆的空燃比正常,燃烧充分,排除燃油系统故障,另外还可表明,点火系的点火能量足够。初步诊断与点火正时有关。第Ⅰ组中,HC较低,可认为由于点火时间过迟造成。

表2中第Ⅲ组的实验数据,CO2低说明燃烧不好,HC很高且O2很高,可初步判断发动机有失火故障发生。

(3)机械故障。在汽车维修中心待修车辆中,将经气缸压力检测已确定气缸压力不足的车辆进行尾气检测。先后检测5辆车,检测数据接近表3所示情况。

从检测数据,明显反映燃烧不好,以尾气中的O2低于标准值,反映出气缸密封性不好,主要是进气时,由于漏气造成气缸内真空度下降,减少了排气量,但混合气浓度不低气缸温度和压力不足,这样造成燃烧不稳定,部分失火,HC排放很高,很大一部分不能氧化为CO,CO2偏低、O2不足,排出少。

2.5 实验结论

通过上述实验证明,分析汽车尾气的成分变化,可以诊断汽车故障。CO、HC、CO2、O2等浓度变化和故障现象具有一定的规律性。

(1)尾气中的CO是不完全燃烧引起的,如果混合气过浓会产生很高的CO。

(2)HC的数值高,主要说明燃油没有充分燃烧或失火。影响充分燃烧的因素较多,如气缸压力,点火正时,混合气浓度等,要结合其它排放物的数值综合分析。

(3)CO2可以直接反映燃烧效率,发动机燃烧越完全,CO2的数值就越高。

(4)O2是反映空燃比的最好指标,通过O2的数值可以判断是否处于正常燃烧,因此是一个非常重要的诊断数据。如果混合气浓,O2就低,混合气稀,O2就高,通过O2与其它参数配合,可诊断很多故障。

这四个排气参数每一个都反映一定的故障,但综合进行诊断,能确定具体故障,通过实验,得出汽车尾气测试值与系统故障对应规则表,如表4所示。

3. 尾气分析诊断发动机故障实例应用

3.1 发动机怠速不稳,经常熄火

(1)故障现象。一辆装备5S—FE发动机的丰田佳美轿车,发动机怠速不稳,经常熄火。

(2)故障检测。首先调取故障码,仪表板上的发动机故障指示灯显示为正常代码。用四气汽车尾气分析仪进行检测,检测结果:CO为0.43%,HC为250×10-6,CO2为14.6%, O2为2.54%。

(3)检测结果分析。由上述数据看出,HC和O2都很高,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值在最大值,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统和燃油供给系统着手检查。

对发动机进行检查,真空管无漏气、错插现象,PCV阀密封良好。起动发动机,将化油器清洗剂喷在进气管垫和EGR阀周围,发现随着转速上升,怠速逐渐稳定。取下EGR阀,发现针阀周围有少量积炭,EGR阀通道上有很多积炭,针阀不能落入阀座,致使进气岐管的混合气被废气稀释,从而怠速不稳,发动机容易熄火。

对EGR阀进行彻底清洗,并换上新垫,起动发动机,恢复正常。再次用尾气分析仪进行检测,检测结果:CO为0.23% ,HC为52×10-6,CO2为14.6%,O2为1.43 %。数据正常,故障排除。

3.2 发动机怠速时轻微抖动,加速迟缓

(1)故障现象。一辆丰田凌志ES300轿车,在怠速运转时有轻微抖动,并且加速迟缓。

(2)故障检测。检测发动机故障码,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。

用尾气分析仪进行检测,检测结果:CO为0.45%,HC为240×10-6～500×10-6,且在此范围内波动,CO2为13.8%,O2为2.15 %。

(3)检测结果分析。初步分析是间歇性失火所致。首先检查燃油供给系统,各部件工作正常,清洗喷油器后,观察各缸喷油器雾化情况和流量的均匀性,均达到正常。再次进行尾气检测,HC值虽然有所下降,但仍较高。检查空气供给系统,无漏气现象。进一步检查电子点火系统, 发现一个缸的高压线有轻微短路(漏电)现象,更换高压线。又因火花塞间隙偏大,也同时更换。再次检测,HC值下降不大,并仍有波动。

为进一步诊断故障,分别在左右两侧排气歧管氧传感器旁边的尾气检测口进行尾气检测,发现左侧气缸排出尾气中,CO值在0.5%左右,HC值在125×10-6左右,且波动极小。而右侧气缸排出尾气中,CO值也在0.5%左右,但HC值却在150×10-6～280×10-6之间波动,问题应在右侧气缸。为此检查右侧气缸高压线和火花塞,发现第2缸火花塞有一个间隙过小,经调整后重新安装,故障完全消失,尾气检测值也符合出厂标准。

3.3 发动机怠速不稳,抖动严重

(1)故障现象。一辆奥迪100型轿车,装有V6 2.6L电控发动机,怠速严重抖动,但加速正常。

(2)故障检测。调取该车故障码,显示为正常代码;用示波器测试点火波形,结果正常;对各缸气缸压力进行测试,均在规定范围之内;进气及真空系统不漏气;用尾气分析仪进行检测,发现怠速时数据很不稳定,第一组数据:CO为3.8%, HC为286×10-6,CO2为14.8%, O2为3.25%;第二组数据:CO为0.28%, HC为54×10-6 ,CO2为9.8%,O2为3.4%。

(3)检测结果分析。将述检测结果进行对比分析发现,HC和CO总是同时升高或降低,CO2时高时低,燃烧效率很的不稳定,O2不能充分参与反应,数值一直较高。从而可以判断为混合气的形成与燃烧环境较差。推测是喷油器堵塞,导致喷油器针阀与阀座配合不密封,各缸喷油器在因该喷油时不喷油或少喷油,而在不需要喷油时却连续喷油,因而造成供油不正常,致使四种气体的检测数据极不稳定。

作喷油脉宽试验,怠速时为3.4ms ,在正常范围内,拆下各缸喷油器检查,果然每个喷油器都有不同程度的堵塞,经过彻底清洗,装复试车,恢复正常。

4. 结束语

汽车尾气成分与发动机工况有直接的关系,在分析汽车尾气排放影响因素的基础上,通过实验手段,采集充分的数据,对汽车尾气成分的变化与发动机故障的对应关系进行研究,找出其变化规律,确立汽车尾气分析在发动机故障诊断中的应用。通过实际案例分析,说明运用尾气分析方法诊断发动机故障是准确和有效的,因此,加强尾气分析在汽车故障诊断中的实际应用研究很有必要。

参考文献:

[1]曹红兵.尾气分析在汽车发动机故障诊断中的应用[J].汽车维修与保养,2006(10):88-90.

[2]张珉豪.从汽车原理到建立修护理论的应用[J].汽车维修技师,2002(10):44-46.

作者简介:党宝英 (1959-),男,呼和浩特人,高级工程师,专业方向:汽车运用工程。