基于尾气分析诊断发动机故障的原理剖析

摘要 发动机各系统是否正常工作直接影响着燃烧质量,而发动机尾气可反映混合气的燃烧质量。本文主要从影响尾气成分的主要因素的分析,尾气排放的测量,尾气成分异常原因分析3方面阐述基于尾气分析诊断发动机故障的原理剖析。

关键词 分析;诊断;故障;原理

中图分类号 U464文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2010)18-0019-02

发动机各系统在正常工作时,其排放的尾气会在一个规定的范围内波动。通过检测尾气中不同气体成分的含量,同时辅以其他系统检测进而进行故障分析,确定故障位置。

1 影响尾气成分含量主要因素的分析

空气主要是由78.1%的N2、20.9%的O2、以及CO2、CH4和稀有气体组成。假定在理想燃烧的情况下,燃料的完全燃烧可以实现,那么根据其燃烧的化学方程式2nCxHy+mO2=nyH2O+2nxCO2知道:其尾气含量只有CO2及H2O。但由于完全燃烧无法实现,同时燃料本身含有少量其他成分,因而燃烧在生成主要排放物H2O和CO2的基础上,还会产生废气如CO、HC、NOx(氮氧化物)等[3]。

以轿车CI发动机为例,其尾气构成成分如下图:

轿车CI发动机在λ=1时运行

影响尾气成分的原因多种多样,但在实际的检测和维修中,我们发现影响尾气成分主要因素有混合气的空燃比A/F,点火正时及催化转换效率3种。其尾气的主要成分有一氧化碳CO,二氧化碳CO2,碳氢化合物HC,氮氧化合物NOX和氧气O2[4]。

1.1 混合气空燃比

空燃比(A/F)与发动机的燃烧程度、尾气的排放成分有直接的关系。图1是汽油机空燃比与排放浓度变化的关系。

当A/F接近理论空燃比时,这时燃油在燃烧过程中基本完全燃烧,CO产生量很少,HC很低。偏浓、偏稀的混合气或点火问题,正时不准均会引起燃烧不良而增加HC。当A/F数值较小,混合气逐渐变浓,CO的排放浓度增加较快;而较稀的混合气对CO影响较小。

1.2 点火提前角

点火提前角与尾气排放的相对值关系如图2。

从图可知:点火提前角对CO影响不大,但对NOX和HC的影响较大。当点火提前时,混合气燃烧的不完全导致NOX和HC成分的增多;适当的点火推迟将大大降低 NOX和HC的排放。同时当点火时间推迟时,CO排放增加。

1.3催化转换效率

三元催化器被用在汽油机上以减少一氧化碳CO,碳氢化合物HC,氮氧化合物NOX的排放.然而在柴油机中以过量空气工作,三元催化转换器不能用来减少NOX,这是因为在稀薄的柴油机废气中,在三元催化转换器中的HC和CO更容易与排气氧化反应而不是与NOX反应。一般来说,三元催化转换效率在汽油机上对一氧化碳CO,碳氢化合物HC,氮氧化合物NOX排放影响较大;在柴油机上对一氧化碳CO,碳氢化合物HC排放影响较大,对氮氧化合物NOX排放影响较小。

2 发动机尾气排放测量

为了测量尾气和气体采样袋中的污染物浓度可采用如下测量设备进行测量。

2.1 不分光红外线分析仪(NDIR)

不分光红外线分析仪主要测量一氧化碳和二氧化碳的浓度。其工作原理如图3。

被测气体从进入试样室吸收特定红外波长后能量衰减,衰减的量取决于通过试样室的被测气体的浓度;而惰性气体(N2) 在比较室中不吸收该波长的红外线,到达检测器能量不衰减。因此到达检测器左右两室红外光能量不同,两室便产生了压力差,薄膜推向一边,薄膜和金属小球之间的电容量产生变化,而电容量的变化则对应被测气体的浓度。

2.2 化学发光测试器(CLD)

根据测量原理,化学发光测试器仅被用来确定一氧化氮的浓度。在测量一氧化氮和二氧化氮的总浓度之前,实验气体会被引入一个转换器,在转换器中,二氧化氮被转化成一氧化氮。其测量一氧化氮的原理见图4。

在一个反应室里,实验气体与臭氧被混合在一起,以确定一氧化氮的浓度。实验气体中含有的一氧化氮被臭氧所氧化,形成二氧化氮;部分生成的分子处在一种活跃的状态。当这些分子恢复到它们的基本状态时,它们的能量以光的形式被释放出来。光电探测器能测量释放出来的发光能量;在特定条件下,发光能量与实验气体中的氮氧化合物的浓度成正比[4]。

2.3 氢焰离子化分析仪(FID)

氢焰离子化分析仪主要是用来测量碳氢化合物的总浓度。实验气体中的碳化氢能在氢焰中燃烧(见图5),形成了碳基;其中有些碳基会暂时被离子化,从而能在集电电极中放电,对放电过程产生的电流进行测量,就能得到实验气体中碳原子的数目。

3 尾气成分异常的原因分析

3.1 碳氢化合物(HC)成份异常分析

碳氢化合物(HC)排放物的产生的主要原因是由于支持空燃混合物完全燃烧的氧气不足。其故障主要有:点火系统缺火或点火时间不准确,造成混合气燃烧不充分;气缸进气控制系统中空气过滤器堵塞、配气相位不正确,气缸密封性不良等原因造成混合气过浓;燃油蒸发控制系统不能正常工作,造成混合气过浓。

3.2 一氧化碳(CO)成分异常分析

CO的产生是由于不完全燃烧导致的,而不完全燃烧是由于空气不足造成混合气太浓导致的;所以凡是影响空燃比的因素,都影响CO生成。其故障主要有:燃油供给系统中燃油压力过高、喷油嘴漏油;空气供给系统中空气滤清器不洁净或点火提前角太大等原因。

3.3二氧化碳(CO2)成分异常分析

CO2是可燃混合气燃烧的正常产物,其值的高低直接对应着燃烧效率的好坏。当发动机混合气出现过浓或过稀时,CO2的含量都将降低。因此,要结合其他尾气值才能判断发动机的故障。

3.4 氮氧化合物(NOx)成分异常分析

NOx是由所有燃烧过程中发生的二次反应生成的,这种二次反应指的是空气中的氮气也发生了燃烧。其主要以一氧化氮和二氧化氮的形式出现,同时还有少量的一氧化二氮。影响NOx生成的因素有以下4点:1)温度;2)O2的浓度;3)滞留时间;4)空燃比[2]。

另外,我们必须知道,单纯的分析一种尾气的含量,是无法预测发动机故障部位的,必须根据所测尾气含量的综合分析同时结合各种辅助手段以及检修人员的经验才能有效的预测发动机故障部位的。下面一个实例为例:

一辆桑塔纳2000GSi,其故障现象是启动困难,发动机抖动,行驶时加速无力。

读取故障代码和数据流,一切正常。通过用尾气分析仪检查,发现 HC、O2的数值偏高,经过分析排除认为一般是由点火不良或混合气过稀失火而引起的。先对点火系统部件进行全面检查,如未发现异常。可能原因就是混合气过稀,造成混合气过稀的原因一方面是燃油太少,另一方面是空气太多;同时我们知道在发动机的进气控制系统中,如果燃油正常供油时,不会有空气过稀的情况发生。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2、4缸断油时,转速无明显下降,推测2、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[7]。

参考文献

[1]倪计民.汽车内燃机原理[M].上海:同济大学出版社,1997.

[2]何学良,李疏松.内燃机燃烧学[M].北京:机械工业出版社,1990.

[3]秦义新.汽车排气净化与噪声控制[M].北京:人民交通出版社,1999.

[4]张建俊.汽车诊断与检测技术[M].北京:人民交通出版社,2005.

[5]陆际清,刘峥.汽车发动机燃料供给与调节[M].北京:清华大学出版社,2002.

[6]张雨.汽油机瞬态排放分析[M].长沙:国防科技大学出版社,2005.

[7]蒲永峰.汽车诊断与维修[M].北京:机械工业出版社,1998.

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