汽车检测与故障分析：课题十 汽油机尾气检测与分析

汽车检测与故障分析章节10课题十汽油机尾气检测与分析某汽车到年底要到检测站进行年检，但在尾气检测一栏不合格，需要到维修厂维修。到了维修厂，王师傅看了尾气的检测数据，发现尾气中碳氢化合物含量高，二氧化物偏低，然后师傅就解释给车主听。如果让你解释你会解释吗？看看下面就知道了。汽车排气中的CO、HC、NO和CO2等气体，对红外线分别具有吸收一定波长的性质，而且红外线被吸收的程度与废气浓度之间有一定的关系，如下图所示。——不分光红外线气体分析仪的认知不分光红外线分析法就是根据这一原理，即废气吸收一定波长红外线能量的变化，来检测废气中各种污染物的含量。在各种气体混在一起的情况下，这种检测方法的测量值不会受到影响。利用不分光红外线分析合理制成的分析仪，既可以制成单独检测CO或HC含量的单项分析仪，也可以制成能测量这两种气体含量的综合分析仪。排气中CO的浓度是直接测量的，而排气中HC的成分非常复杂，因此要把各种HC成分的浓度换算成正己烷（n-C6H14）的浓度后再作为HC浓度的测量值。不分光红外线气体分析仪，是一种能够从汽车排气管中采集气样，并对其中所含CO和HC的浓度进行连续测量的仪器。下图为分析仪的外形图。它由废气取样装置、废气分析装置、废气浓度指示装置和校准装置等组成。（1）废气取样装置废气取样装置由取样探头、滤清器、导管、水分离器和泵等组成。它通过取样探头、导管和泵从车辆排气管里采集废气，再用滤清器和水分离器把废气中的炭渣、灰尘和水分等除掉，只把废气送入分析装置。（2）废气分析装置按传感器形式不同，废气分析装置可分为电容微音器式和半导体式等不同形式。废气分析装置由红外线光源、气样室、旋转扇轮（截光器）、测量室和传感器等组成。该装置按照不分光红外线分析法，从来自取样装置的混有多种成分的废气中，测量出CO和HC的浓度，并以电信号形式输送给废气浓度指示装置。（3）浓度指示装置综合式气体分析仪的浓度指示装置，主要由CO指示装置和HC指示装置组成，有指针式仪表和数字式显示器两种类型。从废气分析装置送来的电信号，在CO指示仪表上CO的浓度以体积百分数（％）表示；在HC指示仪表上HC浓度以正己烷当量体积的百万分数（10-6）表示。指针式气体分析仪如上图所示，可利用零点调整旋钮、标准调整旋钮和读数档位转换开关等进行控制。此外，还可以通过气流通道一端设计的流量计，得知废气通道滤清器是否脏污等异常情况。（4）校准装置校准装置是一种为了保持分析仪的指示精度，使之能准确指示测量值的装置。在此装置中，往往既设有用加入标准气样进行校准的装置，也设有用机械方式简易校准的装置。标准气样校准装置是把分析仪生产厂附带来的供校准用的标准气样（CO和HC），从分析仪上专设的标准气样注入口直接送到废气分析装置，再通过比较标准气样浓度值和仪表指示值的方法来进行校准的一种装置。简易校准装置通常是用遮光板把废气分析装置中通过测量气样室的红外线遮挡住一部分，用减少一定红外线能量的方法进行简单校准的装置。——MEXA-584L型尾气分析仪认知2.前面板的操作按键3.MEXA-584L的主机（后视图）4.显示器显示选项5.取样探头6.其他配件一、气管系统连接——准备工作二、连接电源三、转速计及油温传感器的连接一、预过滤器的滤芯更换预过滤器的滤芯更换步骤（1）打开预过滤器容器盖，取出旧滤芯。（2）按照箭头方向放入一个不拆除过滤器封印的新滤芯到容器中。（3）扭紧容器盖。——过滤芯（纸）的更换二、更换灰尘过滤器滤纸（1）打开灰尘过滤器盖，取出旧滤纸；（2）把新滤纸和O型密封圈放在容器上，并使带有HORIBA商标的一面朝上；（3）把衬垫放在滤纸上，并使有波浪表面的朝上；（4）拧紧过滤器盖直到可以观察到整个O型密封圈接触到周围部分，颜色发生变化。三、更换过滤器滤芯（1）从过滤器单元中拔出容器，取出旧滤芯；（2）按照箭头方向插入一个新滤芯；——更换O2传感器和NO传感器——菜单界面1.进入泄漏检查界面（1）如果仪器不STANDBY模式，按压“STANDBY”键，等待清除完成（时间约10s）。（2）按压“MENU”键，出现MENU界面。（3）通过箭头（▲）键将指针移到“LEAKCHECK”处，按压“SELECT”（SELECT1）键，出现泄漏检查界面。——泄漏检查2.堵住探针入口3.泄漏检查界面（测试中）4.泄漏检查界面5.按压“EXIT”（SELECT2）键。仪器回到MENU界面。从探针中取掉泄漏检查盖1.进入气体校准模式——气体校准2.引入标气（1）通过箭头键设置调校气CO气体浓度。（2）在仪器的标气进口处连接一个包含CO,HC和CO2的标气瓶，使得气体进入。（3）确保读数在屏幕上稳定的显示，并按“CAL”（SELECT1）键。（4）确保CO，HC和CO2调校正确地完成，然后按“NEXT”（SELECT2）键。（5）把标气瓶从标气入口处拿下来，然后关上入口处的盖子。——尾气检测步骤正常的空气成分按体积分数计算是：氮（N2）约占78%，氧（O2）约占21%，二氧化碳（CO2）约占0.03%，其他气体（如臭氧（O3）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、水蒸气（H2O）等）和杂质约占0.03%。稀有气体（氦He、氖Ne、氩Ar、氪Kr、氙Xe、氡Rn）约占0.94%。汽车尾气的成分含量是：氮（N2）约占71%，二氧化碳（CO2）约占18%，水蒸气（H2O））约占9%，一氧化碳（CO）、碳化氢（HC）、氮氧化合物（NOx）等约占1%～2%。——正常空气成分和汽车尾气含量大气污染物是指燃油箱中的燃油蒸发，从气缸壁和活塞之间的漏气，及从排气管排出的废气。排放的气体对环境和人是有害的，因为它包括有害物质一氧化碳（CO）、碳化氢（HC）、氮氧化合物（NOx）、碳烟和硫化物等。装备柴油发动机的车辆不仅产生一氧化碳（CO）、碳化氢（HC）、氮氧化合物（NOx），而且还有炭烟，对环境和人体同样有影响。现代发动机减少尾气排放污染的措施：利用微机技术控制发动机的燃烧、提高充气系数、二次空气喷射、EGR阀的使用、活性炭罐和PCV阀的使用、三元催化的使用、IGF信号的控制、自诊断系统的保护。——大气污染物一氧化碳（CO）是燃料不完全燃烧的产物。当燃烧室中氧气不足时，就会产生一氧化碳（不完全燃烧）。2C（碳）+O2（氧）—→2CO（一氧化碳）CO是汽车尾气中浓度最大的有害成分，是一种无色无味的有毒气体，它进入人体后极易与血液中担负输运氧气的血红蛋白结合，妨碍血红蛋白的输氧能力，造成人体各部分缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等中毒症状，严重时甚至死亡。——各尾气的生成机理碳化氢（HC）是发动机未燃尽的燃料分解出来的产物。生成机理和一氧化碳同样，碳化氢（HC）也是不完全燃烧时会产生。同时，在下列情况也会产生碳化氢（HC）：（1）因“猝熄”使温度过低，未达到燃烧温度时。（2）气门叠开时。混合气越浓，碳化氢（HC）产生越多。混合气越稀，碳化氢（HC）产生越少。混合气太稀时，混合气如不能点燃，碳化氢（HC）会激增。当HC浓度较高时，使人出现头晕、恶心等中毒症状。而且，HC和NOx在强烈的太阳光作用下，能反应生成一种有害的光化学烟雾，这种光化学烟雾滞留在大气中，造成大气严重污染，对人的眼睛、呼吸道及皮肤均有强烈的刺激性，会致癌。氮氧化合物（NOx）是发动机大负荷工作时进气中的N2与O2在高温高压条件下反应而生成的。生成机理：N2（氮）+O2（氧）→2NO（NO，NO2或N2O，NOx）氮氧化合物（NOx）是由空气－燃油混合气中的氮气和氧气在燃烧室温度达到1800℃（3272°F）以上时产生的。燃烧室温度越高，其生成量越大。混合气越稀，其生成量越大，因为混合气中氧的比例太高。因此，氮氧化合物（NOx）的生成是由燃烧室温度和氧的浓度决定的。NOx是汽油机和柴油机排放的主要污染物，NOx主要是NO和NO2。NO与血液中血红蛋白的亲合力比CO还强，通过呼吸道及肺进入血液，使其失去输氧能力，产生与CO相似的中毒后果。NO2侵入肺脏深处的肺毛细血管，引起肺水肿，同时还能刺激眼、鼻黏膜，麻痹嗅觉。炭烟：HC中的碳经过高温裂解，大量脱氢的过程中形成的基本晶粒。以柴油机排放量为最多，它是柴油机燃烧不完全的产物，其内含有大量的黑色炭颗粒。炭烟能影响道路的能见度，并因含有少量的带有特殊臭味的乙醛，往往引起人们恶心和头晕。硫化物主要为SO2，燃料中含有的硫与氧反应而生成。SO2有强烈的气味，可刺激人的咽喉与眼睛，甚至会使人中毒。若大气中含SO2过多，还会形成“酸雨”，损害生物，使土壤与水源酸化，影响自然界的生态平衡。二氧化碳（CO2）是可燃混合气燃烧的产物，它能够反映出燃烧的效率。1.废气废气是指从排气管排出的气体。在理论上，汽油燃烧只会产生CO2（二氧化碳）和H2O（水蒸气）。但是，由于空燃比、大气中氮（N2）的含量、燃烧室温度、燃烧时间等因素，汽油不能按照化学理论产生反应。这就是有害物质如一氧化碳（CO）、碳化氢（HC）、氮氧化合物（NOx）产生的原因。2.燃油蒸发汽油箱、化油器等处的燃油蒸发形成燃油蒸气进入大气。它的主要成分是HC。3.窜缸混合气漏气是从活塞和气缸壁的间隙窜入曲轴箱的气体。它的主要成分是未燃混合气中的HC。——废气从哪里来理论空燃比理论空燃比是燃油与它充分燃烧所需的最少空气量（含氧）的比值。汽油是几种碳氢化合物的混合物，其主要成分是辛烷（C8H18）。2C8H18+25O2—→16CO2+18H2O1克辛烷完全燃烧成为水蒸气（H2O）和二氧化碳（CO2）需要15克的空气。实际燃油不是纯辛烷，而是和几种碳氢化合物的混合物。因此理论空燃比大约是14.7。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。CO/HC/NOx的形成曲线见右图。1.较浓CO/HC：增加NOx：减少2.较稀CO：减少HC：减少混合气太稀时，因缺火造成HC含量增加。NOx：在混合气比理论空燃比稍稀时，其产生量最大。混合气更稀时，因燃烧室温度降低，其产生量减少。除了右图所示因素以外，在下列情况下CO/HC/NOx的产生量也会增加。——空燃比和CO/HC/NOx形成的关系3.发动机冷态因所供混合气较浓，CO/HC的产生量增加。4.高负荷时废气排放量因燃油和空气的增加而增加。·因所供混合气较浓，CO/HC的产生量增加。·因燃烧室温度升高，NOx的产生量增加。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，产生缺火，使未燃HC大量排出。混合气过浓将产生大量的CO、HC，混合气过稀将引起缺火而生成过多HC。混合气浓时CO↗HC↗NOX↘混合气稀时CO↘HC↗NOX↘——空燃比、过量空气系数与尾气成分的影响点火提前角对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，也是因为减小了燃烧室内的激冷面积。随着点火提前角的增大，HC和NOx生成物都会急剧增加，其原因与燃烧时的速度、压力、温度等有关。当点火提前角增大到一定值后，由于燃烧时间短，HC和NOx生成物便有所下降。当某一缸线或火花塞点火不佳时，会造成尾气中HC↗CO↘O2↗CO2↘。与混合气偏稀的现象相似，但混合气偏稀的现象是飘移的。点火产生的是有节奏的规律性变化。——点火提前角与燃油消耗率、尾气成分的影响发动机负荷可以用与节气门开度相关的进气管压力表示，进气管压力越大（即真空度越低）发动机负荷就越大（1）对CO来说，空燃比不变，功率输出的大小对CO排放没有影响。发动机在小负荷和大负荷工作时，所供给的混合气较浓，在两种情况下CO排放均高。（2）当空燃比和转速保持不变，并按最大功率调节点火提前角改变负荷对HC排放影响不大。这是因为影响HC排放的因素，有的使它降低、有的使它增加，结果作用大致抵消。当进气管压力在30～81kPa范围内，因供给较稀混合气，所以HC排放降的很低。当进气管压力超过81kPa时，接近全负荷时混合气加浓，此时HC排放量理应上升，但由于全负荷，排气温度高，从而限制HC的排放。（3）小负荷时进气管压力低，由于缸壁激冷作用的增强，混合气又较浓，若进气管低于20kPa时，可能发生火焰传播不完全，结果使HC排放量明显升高。（4）发动机负荷小时（进气管压力低）可使NOx排放浓度下降。负荷减少进气压力降低，发动机温度低，残余废气增加，导致着火落后期变大及火焰传播速度减慢，这两个因素均使燃烧时间加长，若在此时点火时间不变，则燃烧过程将更多地延伸膨胀行程，这样会使循环最高温度降低，而排气中NOx下降。——发动机负荷对尾气成分的影响1.车速与发动机转速特性当负荷一定时发动机转速逐渐加快混合气形成好，燃烧时火焰传播快热损失小。气缸温度和压力都增大，燃烧完全。λ>1CO↘HC↘NOX↗2.水温机体温度低汽油挥发差，混合气形成差，大部分燃油在进气口和燃烧室壁面，只有10%的混合气进入气缸。混合气稀。CO↘HC↗NOX↘此时只有增加供油量才能迅速起动、暖机，达到平衡。3.进气温度（1）进气温度低，空气密度大，氧富有混合气易过稀，燃烧不完全。CO↘HC↗NOX↘此时可适当增加供油量来平衡。（2）进气温度高，空气密度小含氧量少，混合气易过浓。CO↗HC↗NOX↘此时可适当减少供油量来平衡。——其他对尾气的影响因素进排气门、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。——发动机各部分技术状况与尾气成分间的关系一、催化器种类·氧化型催化器：HC或CO氧化生成无污染的H2O或CO2。·还原型催化器：把氧从氮氧化合物中移走，使NOx成为无污染的N2。·氧化/还原型催化器：同时进行上述两种功能。这种催化器在汽车上称为三元催化转化器（TWC）。它将三种有害物质CO、HC和NOx同时转化成无害物质。在现今的汽车里，大多数汽车使用了三元催化转化器。——催化转化器二、催化器的工作温度催化器的净化率随温度而变化。如右图所示，催化器温度达到400℃以上时，净化率接近100%，废气将得到有效净化。注意：装备有催化转化器的车辆需要使用无铅汽油，因为如果使用含铅汽油，铅粘附于催化剂和氧传感器（O2传感器）的表面，不能获得应有的效果。三、三元催化转化器系统三元催化转化器系统对HC和CO进行氧化的同时，对NOx进行还原，将其净化为H2O、CO2和N2。如今，整体式三元催化转化器得到了应用。氧化铝或催化物涂在整体格栅式载体上，上面有许多孔。有害物质通过孔时被净化。有两种类型的载体：陶瓷型和金属型。格栅越薄，净化能力越强。1.必要性（1）确定发动机状态通过测量CO/HC，就可确定包括空燃比的有效性和排放控制系统的运行在内的发动机状态。当CO和HC均处于标准值范围内，且发动机运转平稳，则可确定发动机和排放控制系统均正常。当发动机不能平稳地运转，或HC水平较高时，则可能发生发动机缺火。发动机缺火的原因有空燃比不合适，压缩不足，点火系统故障或排放控制系统故障等。（2）为符合各项有关法规。——催化转化率2.装有三元催化转化器/氧气传感器（1）CO水平不需调整，因为发动机控制系统会根据氧气传感器信号，增加或减少喷油量，来调整空燃比，使其更精确地符合理论空燃比。（2）即使发生一些缺火，多数的CO和HC也会被三元催化转化器所净化掉。（3）当检测到不符合标准值的CO和HC时，可能有以下原因：三元催化转化器的升温不良或不足，空气－燃油混合气过多，高频率缺火。3.未装三元催化转化器/氧气传感器（1）为满足各项法规的要求和在良好状态下使用发动机，必须将CO水平调整至标准范围内。（2）当CO/HC浓度高，但发动机运转平稳，则空燃比过浓。当CO浓度高于标准值时，即使发动机运转更为平稳，也必须调整CO浓度，以保持排放气体清洁。（3）当CO浓度过低时，HC浓度会高和发动机不能平稳运转，并引起缺火现象发生。照GB18285—2000《在用汽车排气污染物限值及测试方法》——汽油机汽车尾气排放标准——在各条件下尾气分析——尾气分析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