浅谈瓦克夏16V275GL+燃气发动机NOX 传感器的作用以及如何延长其使用寿命

李清亮 范俊钦 伍金行 林焕明 林少杰 廖志文 王声明

摘要16V275GL+燃气发动机标配NOX传感器。NOX传感器属于消耗件，提高NOX传感器的使用寿命，可降低发动机维护成本。本文介绍了NOX的工作原理和作用，以及如何提高NOX传感器的使用寿命。

关键词瓦克夏  16V275GL+  NOX传感器 空燃比 氮氧化物 尾气排放

1. 前言

某管网公司压气站配备4台天然气往复式压缩机组。压缩机组动力单元为瓦克夏16V275GL+天然气发动机。压缩机组投产前期经常发生NOX传感器报警故障，导致发动机停机。经核实，NOX传感器的正常使用寿命至少4000小时。但发动机运行200-300小时后就会出现NOX传感器故障报警。经过故障排查，找到了NOX传感器过早失效原因，并对此问题进行了整改。整改后NOX传感器使用时间达到甚至超过了其要求的使用寿命。

2. NOx传感器的结构组成

NOx传感器由感应探头、控制模块、连接插头和连接线纜组成。

3.NOx传感器的作用

（1）控制尾气中氮氧化物的排放

氮氧化物指的是只由氮、氧两种元素组成的化合物，包括多种化合物，如一氧化二氮（N2O）、一氧化氮 （NO）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）和五氧化二氮（N2O5）等。除一氧化二氮及二氧化氮以外，其他氮氧化物均不稳定，遇光、湿或热变成二氧化氮及一氧化氮，一氧化氮又变为二氧化氮。因此，职业环境中接触的是几种气体混合物常称为硝烟 （气），主要为一氧化氮和二氧化氮，并以二氧化氮为主。氮氧化物都具有不同程度的毒性。

天然气和空气在发动机气缸内燃烧后会生成一氧化氮 （NO）和二氧化氮（NO2），此类有害气气排出大气后，会对大气照成污染。在发动机工作中，控制氮氧化物的排放有严格的环保要求。

16V275GL+燃气发动机属于稀薄燃烧机型，稀薄燃烧的定义指燃烧时空气的供应量远远高于实际需求量。16V275GL+空气燃气比为32：1. 在发动机燃烧过程中，氮氧化物的产生受两个因素的影响。第一因素是燃烧温度，燃烧温度越高越容易产生氮氧化物。第二因素是燃烧气体中的氧含量，氧含量越高越容易产生氮氧化物。在16V275GL+发动机应用中，NOX传感器检测尾气中氮氧化物含量，通过此检测数据，发动机ECU（发动机控制单元）调整空气燃气比值，将氮氧化物排放控制在最低值。

这张图表显示了气缸中氧气和温度对NOx排放的影响。注意最大NOx 产量并不是在最高排气温度 （理论配比 AFR 16.09：1）。  当当量燃烧设置时， 16.09：1空燃比 （AFR），排气达到最高温度，但是排气中的氧气量很低。最大NOx 量没有发生在最大氧气的点 （在这张表中）， 随着空燃比偏离理论废气温度下降。低热会导致低反应率，减少NOx 的产量。 最大NOx产出发生在介于 17.00 and 18.00 ： 1 空燃比之间的点。

这张图表显示了在理论燃烧排出污染物和稀薄燃烧的燃烧排出污染物比较。空/燃比调节的越稀薄，燃烧温度越低。因此，即使氧气多余，也没有足够的热来产生较多的NOx。 这就是为什么在稀薄 AFRs 时NOx的产量较低。

另一个影响NOx 产量的变量是气体聚集的时间。 如果氧气和氮气在一个热环境下聚集的时间越长， NOx的产量会增加。这就是为什么发动机的速度会影响NOx 的产量。 发动机速度越高，氧气和氮气反应的时间越短。通常，速度越快， NOx 的产量越少。 如上表所示，点火时间也对NOx 的生成有影响。过早的点火时间导致反应时间较长 （氧气和氮气之间）和缸内较高的压力/温度峰值。过早点火时间导致NOx 量增加，延迟的点火时间会减少废气NOx排放。

（2）通过测量尾气中氧含量来实现控制发动机燃烧空燃比

16V275GL+属于稀薄燃烧燃气发动机，它的燃烧空燃比是32：1.空燃比是发动机的一个重要运行参数。空燃比过浓会导致发动机排温高、NOx排放超标、发动机转速波动、爆震等问题。空燃比过于稀薄会导致发动机动力不足、发动机转速波动等问题。如何精确的控制发动机空燃比。NOx传感器起到了关键作用。

NOx传感器安装在发动机排气管上，检查尾气中的氧含量。再将检测结果通过电压信号的形式传输到NCM（氮氧化物控制模块）。NCM再通过接受来至ECU（发动机控制单元）的转速、环境温度、大气压力、进气歧管压力、进气歧管温度信号。综合分析后控制步进电机来调整燃气进气压力。当NOx传感器检测到尾气中氧含量过高时，NCM通过增加燃气进气压力。当NOx传感器检测到尾气氧含量过低时，NCM则降低燃气压力。通过此闭环控制，精确调整发动机燃烧空燃比。

4.NOx传感器工作原理

Nox传感器分为两个反应腔室，反应的传感材料均是氧化锆ZiO2。发动机尾气进入第一个反应腔室，氧气首先与氧化锆ZiO2反应泵出，我们就得到了尾气中的氧含量。剩下了NOx，因为第一个腔室有氧，所以NOx不能发生还原反应。NOx进入第二个腔室并发生还原反应生成氮气和氧气。还原反应出来的氧气与氧化锆ZiO2反应泵出，所以通过第二个腔室测得的氧含量就可推算出NOx的含量。

5.NOx传感器的使用寿命

NOx传感器的感应材料是氧化锆ZiO2，氧化锆基电解质的电性能会随着使用时间的增加而降低。其中温度和湿度等外界因素对NOx传感器的使用寿命有影响。通过对瓦克夏16V275GL+的使用情况研究发现。当发动机在启机预热阶段时，温度较高的尾气遇到温度较低的NOx传感器安装区域形成冷凝液。NOx传感器安装壳体均有不同程度的向下倾斜。这导致冷凝液在此区域聚集。NOx传感器受潮，使其使用寿命大大降低。

为避免发动机热机使所产生的冷凝液与NOx传感器接触，增加NOx传感器的使用寿命。可在NOx传感器与NOx安装壳体之间加装一个弯头连接管，让NOx传感器呈45度角向上倾斜安装。通过此项整改，经过实际使用情况证实，NOx传感器的使用寿命大大增加。

参考文献References

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（2） 275GL+ with ESM operation & maintenance FORM 6354-22nd edition;

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