汽车发动机尾气排放及在故障诊断中的应用

莫持标

（江门职业技术学院，广东 江门 529090）

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。因尾气成分与发动机的工况有最直接的联系，故可通过汽车尾气的检测分析发动机的工作状况、性能好坏，可以检查发动机燃烧情况、点火能量、进气效果、供油情况、机械运动等情况。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范围，通过检测发动机不同工况下尾气中气体成分的含量，可判断发动机故障所在的部位。尾气分析主要参数有CO、HC、CO2和O2（氧气）。

1 汽车发动机排放尾气的成分及形成机理

根据燃烧理论，进入汽车燃烧室的成分是空气和燃油，汽车发动机可燃混合气在燃烧过程产生的排放尾气中含有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、碳微粒、二氧化碳、氧气等气体和其他杂质粉尘等。汽车排放尾气中一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物三种有害气体的影响因素比较多。

CO主要由于发动机内部缺氧和低温引起的不完全燃烧而产生的，是汽油机尾气中有害成分浓度最大的物质。一般烃燃料的燃烧反应过程为：

燃气中的氧气足够时有：

HC在汽油机和柴油机中形成的机理有一定区别。在汽油机中，它主要由于不完全燃烧和壁面效应而产生的；在柴油机中，由于燃料混合不均匀和燃烧不完全所致。

NOX是在发动机燃烧过程中产生的，其中NO成分占比例较大，而少量成分是NO2，它们是N2在燃烧高温下的产物。

CO2是可燃混合气燃烧的产物，它能够反映出燃烧的效率。

2 影响汽车发动机尾气排放物的主要因素

影响汽车有害排放物生产的因素很多也很复杂，但这些排放物毕竟是燃烧化学反应的产物，因而这些影响因素归结起来，同影响化学反应的因素一样，主要为可燃混合气的空燃比，点火提前角、发动机的内部结构以及发动机的负荷和转速等。

（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，理想的空燃比是14.7:1。

图1 空燃比、过量空气系数与尾气成分的关系曲线

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。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。

图2 点火提前角与燃油消耗率、尾气成分的关系曲线

（2）点火提前角的影响。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，适度提前点火可减小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。

（3）点火能量的影响。火花塞电极间隙影响点火能量，碳氢化合物的排放浓度常随着火花塞电极间隙的增加而减小，而CO的排放浓度常随着火花塞电极间隙的增大加而增大，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。

（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。发动机在不同工况下尾气排放浓度值正常范围见表1。

表1 发动机在不同工况下尾气排放浓度正常值范围

3 尾气成分异常与发动机故障的关系分析

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。

（1）HC与发动机故障的关系。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。

（2）CO与发动机故障的关系。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、空气滤清器不洁净或其他问题，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。

（3）CO2与发动机故障的关系。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。故障原因有：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。

（4）O2与发动机故障的关系。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。

4 应用实例

4.1 发动机怠速不稳,经常熄火

(1)故障现象：一辆桑塔纳2000GSi，发动机怠速不稳，经常熄火。读取故障代码，显示为00525，表明氧传感器有故障。

（2）故障检测。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%。

（3）检测结果分析。由检测结果可以看出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。

（4）故障排除。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。

4.2 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V62.6L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。

（4）故障排除。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,发动机恢复正常，尾气排放也处在正常状态。

5 结语

汽车尾气成分与发动机工况有直接的关系。但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，造成了资金的浪费和设备的闲置。通过发动机燃烧理论和实际案例分析,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发动机故障诊断中的实际应用研究很有必要。

[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).

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