汽车排放超标的原因分析与修复 (上)

2012-03-21广东

汽车维修与保养 2012年10期

关键词：节气门燃烧室废气

文/广东王囤

汽车排放超标的原因分析与修复 (上)

文/广东王囤

王囤

(本刊专家委员会委员)

副教授，高级企业培训师，西安公路交通大学汽车运用工程专业硕士，1963年生。广州市汽车摩托车维修行业协会副会长兼技术质量专委会主任；广州市交通技师学院高级培训指导师；广州市职业技能教学研究会机动车专委会副主任；广东省职业教育与培训协会专家委员会委员。

一、点燃式发动机类

点燃式发动机一般使用汽油、液化石油气(LPG)、压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)等不同类型的燃料，这些燃料的主要成分都是HC化合物，与空气混合并发生燃烧时，主要与空气中的O2进行化学反应，这种化学反应的条件与状态不同，所产生的废气成分就会有所不同，其中对环境产生危害的污染物主要是CO(一氧化碳，属于有毒气体)、HC和NOX。

(一)点燃式发动机排放污染物的产生机理

1．CO的生成机理

CO的生成主要与混合汽的浓度有关。当混合汽较稀时，O2比较充足，燃料中的C(碳)与O2可以进行充分反应，即进行完全燃烧，所产生的废气为CO2(二氧化碳，属于无毒气体)；当混合汽较浓时，O2不够充足，燃料中的C与O2的反应不够充分，即燃烧不完全，所产生的废气为CO。

可见，CO主要是由于缺氧而造成燃料不完全燃烧所产生的，因此，凡是引起燃料在缺氧条件下进行燃烧的因素都会造成CO排放的升高，例如：混合汽过浓、燃料与空气混合不均匀(局部混合汽过浓)等。

压缩压力对CO的形成也有一定的影响，压缩压力高时，C与O2可以“亲密接触”，有利于完全燃烧；反之，压缩压力不足，C与O2“远距离牵手”，不利于完全燃烧，CO排放会随之升高。

另外，残余废气对CO的形成也有一定的影响，残余废气过多，C与O2的“亲密接触”被干扰，不利于完全燃烧，CO排放会随之升高；反之，残余废气较少，C与O2“亲密接触”比较容易，利于完全燃烧，CO排放会随之降低。

因此，对于点燃式发动机而言，CO排放过高的原因包括：喷油量过大、喷油雾化不良、进气不畅、点火过迟(造成燃烧时间不足)、排气不畅(造成燃烧室内残余废气过多)、三元催化器失效(CO未被转化就排入大气)、压缩压力不足、残余废气过多、燃油蒸汽回收系统故障(燃油蒸汽量过大，造成混合汽过浓)等。

2．HC的生成机理

燃料没有参加燃烧，或没有充分参加燃烧就排入大气，就会造成HC排放增大。可见，HC排放与CO排放的机理有所不同。CO排放机理是燃料燃烧了，但燃烧进行得不彻底；HC排放机理则是燃料根本就没有燃烧，或一部分燃料燃烧了，而另有一部分却没有燃烧。由此可见，HC排放过高的原因要比CO的复杂，大致包括以下几个方面。

①火焰不稳定，在传播过程中发生了熄灭现象，原因包括：混合汽过浓或过稀、混合汽中残余废气过多、汽缸压力过低、淬灭效应等。

由于燃烧室表面温度远低于火焰温度，造成火焰无法到达燃烧室表面0.1 ～0.7mm范围内，在燃烧室表面形成薄薄的一层没有燃烧“气膜”，同时，火焰也无法到达活塞与汽缸之间的间隙之中，这些区域都称为淬灭区，其中包含大量没有燃烧的HC化合物，这就是淬火效应。如图1所示，这部分气体随废气排出，造成HC排放的升高。一般来讲，燃烧室温度越低(如发动机较冷)，淬灭区越大，HC排放也越高。

②点火失败，原因包括：没有点火火花、火花过弱(如点火系统漏电或其他故障、火花塞间隙不当或火花塞不良)、混合汽过浓或过稀、混合汽中残余废气过多、汽缸压力过低等。

③汽缸压力不足，压缩压力高时，燃料与O2可以“亲密接触”，有利于完全燃烧，HC排放较少；反之，压缩压力不足，燃料与O2“远距离牵手”，不利于完全燃烧，HC排放会随之升高。

④进排气门重叠区，新鲜混合汽泄漏到排气管中(如配气正时不当)。

⑤机油窜入燃烧室，未能参加燃烧而随废气排出(如曲轴箱通风系统阻塞，造成曲轴箱压力升高；活塞环装反或磨损，产生“泵油作用”等)。

⑥曲轴箱窜气直接排入大气(曲轴箱通风系统泄漏)。

⑦燃料蒸汽直接排入大气，或活性炭罐饱和(燃料蒸汽回收系统失效)。

3．NOx的生成及原因

NOX的生成与燃料没有直接关系，主要是空气在高温条件下，其中的N2(氮气)会与O2发生化学反应，生成NOX。温度越高，高温持续时间越长，生成的NOX越多。只不过发动机燃烧室内部具有这样的高温条件，从而造成了NOX排放的产生。

点燃式发动机的燃烧温度远高于压燃式发动机，因此，点燃式发动机的NOX排放远大于压燃式发动机。正因如此，排放法规中对NOX排放的限制也主要针对点燃式发动机，但随着排放法规的不断严格，在欧IV、欧V标准中，已经开始对压燃式发动机的NOX排放进行了限制。

点燃式发动机的燃烧为预混式(即燃料与空气预先混合后再开始燃烧)，其特点是蓝色火焰传播式，蓝色火焰温度较高，相当于煤气灶的火焰为蓝色时，温度较高，烧水很快；压燃式发动机的燃烧为扩散式(即燃料在向空气中扩散时，仅在与空气的交界、混合区域发生燃烧)，其特点为黄色火苗“喷射式”(即燃烧开始后，喷油器看起来像喷出一个或几个黄色火苗，这种火苗的温度较低，而且会产生炭烟，相当于煤气灶的火焰为黄色时，温度较低，烧水较慢，且很快在锅底形成炭黑)。

部分汽车发动机采用了EGR系统(废气再循环系统)，其目的就是通过降低燃烧温度的方法来降低NOX排放，即以牺牲动力性、经济性为代价，来换取NOX排放性能的改善。

废气再循环对NOX排放的影响如图2所示。可以看出，EGR量越大，NOX排放越少。在理论混合汽附近(燃空当量比或过量空气系数等于1附近)，10%的EGR，NOx排放可以减少30%；20%的EGR，NOX排放可以减少55%。

由以上分析可以看出，凡是引起燃烧室内温度过高的原因，都会造成NOX排放的增大。例如，发动机水温过高、因燃烧室积碳而造成压缩比过高、点火过早、燃油牌号选择不当(牌号过低会引起发动机爆震，导致燃烧室内温度升高)、混合汽浓度不当等。

(二)点燃式发动机排放污染物生成的影响因素

点燃式发动机排气中有害气体的产生与混合汽浓度、点火时刻、节气门开度、发动机负荷、发动机的结构等因素有关。在发动机结构既定的情况下，混合汽浓度和点火时刻的影响最大。

1．混合汽浓度的影响

CO的排放量基本上完全取决于混合汽浓度(见图3)，而其他因素的影响都是次要的。混合汽越稀，CO的排放量越小；反之，则CO的排放量越大。

HC与CO不同，在一定范围内，混合汽越稀，HC的排放量越少，但混合汽过稀时(空燃比A/F超过18时)，HC的排放量会大幅上升，因为此时火焰传播比较困难，甚至会发生断火现象。混合汽较浓时，HC排放也会升高，这是由于燃料的不充分燃烧导致的。

混合汽浓度对NOX的排放也会产生巨大影响，当混合汽浓度在理论值附近且稍微偏小一些时，虽然燃烧温度不是最高的，但氧气相对充足，利于NOX的形成，因而NOX排放也最高。混合汽浓度偏离该区域，由于燃烧温度下降，NOX排放也随之降低。

2．点火时间的影响

推迟点火时间，HC的排放量将减少，这是因为点火时间被推迟后，在燃烧室内的燃烧时间将缩短，未燃燃料进入排气管后继续燃烧，使排气温度上升，促进了HC在排气管中的后氧化。虽然推迟点火时间可以使HC的排放量有所下降，但这种下降会使发动机功率降低，燃油消耗量也随之增加。

一般情况下，点火时刻对CO排放影响不大，但是点火过迟，CO排放也会有所升高，这是由于燃料燃烧时间过短，氧化反应不够充分所致。点火时间提前，燃烧温度会上升，因此，加大点火提前角会使NOX的排放量增加。另一方面，发动机的结构因素(如压缩比、燃烧室形状等)由汽车制造厂在设计过程中考虑，我们暂时不予讨论。

3．节气门开度的影响

怠速时，节气门几乎完全关闭，进气量很小，燃烧室中残余废气所占的比例较大，为了维持发动机稳定运转，ECU系统所提供的新鲜混合汽浓度一般偏大，因此，CO排放量较高。同时，由于火焰的稳定性较差，HC排放浓度也较高；但由于怠速时的燃烧温度较低，因而NOX排放的浓度也较低。

节气门开度由怠速位置逐步增大时，燃烧室中残余废气所占的比例逐步变小，ECU系统所提供的混合汽逐步变稀，CO、HC排放的浓度随着燃烧情况的逐步改善而逐步下降，NOX排放的浓度则随燃烧温度的逐步上升而逐步增大，三种有害气体的排放总量则都随排气量的逐步增大而增多。

当节气门开度超过80%左右时，ECU系统所提供的混合汽浓度会增大，燃烧温度也会进一步升高，因此，CO、HC、NOX的排放浓度及总量都会进一步升高。

4．发动机负荷的影响

在相同转速下，发动机负载的大小不同，所对应的节气门开度、进气总量及混合汽的浓度都会有所不同。空载或轻载时，较小的节气门开度和进气总量就可以维持这样的转速，CO、HC、NOX排放的总量也就相对较小；重载或满载时，维持这样的转速则需要较大的节气门开度和进气总量，CO、HC、NOX排放的总量也就相对较大。

5．加减速的影响

急加速时，ECU系统所提供的混合汽浓度会短时增大，CO、HC、NOX排放的总量也会随之短时增多；急减速时，ECU系统一般会短时切断燃料供给，CO、HC、NOX排放会短时下降。缓慢加减速则不会产生上述效果，CO、HC、NOX排放的变化规律则符合“节气门开度的影响”和“发动机负荷的影响”。

6．水温的影响

水温的高低会对混合汽浓度产生直接的影响，因而会对CO、HC排放产生间接影响。水温过低时，ECU系统所提供的混合汽浓度增大，CO、HC排放都会增多；水温过高时，燃烧温度的上升则会导致NOX排放的升高；水温在正常范围以内时，CO、HC、NOX排放的变化规律则符合上述“混合汽浓度的影响”、“点火时间的影响”、“节气门开度的影响”、“加减速的影响”和“发动机负荷的影响”等。

7．残余废气的影响

残余废气过多，CO、HC排放都会增大，但NOX排放会相应减少；残余废气较少，CO、HC排放都会较少，但NOX排放会相应增大。

8．压缩压力的影响

压缩压力增大，CO、HC排放都会减少，但NOX排放会相应增大；压缩压力不足，CO、HC排放都会增大，但NOX排放会相应减少。

(三)检测方法对检测结果的影响

怠速法、双怠速法是在怠速及高怠速条件下检测CO、HC的排放浓度(此时的NOX排放较少，对其检测没有意义，因此不需要检测NOX排放的浓度)，而浓度值并不能代表其排放的总量，即使此时它们的排放浓度较大，但由于排气总量较小，加上汽车在运行状态下，怠速运转的时间未必很长，CO、HC排放的总量未必较大，所以，怠速法、双怠速法的检测结果并不能反映汽车在运行状态下真实的排放情况。

另外，怠速法、双怠速法是在发动机空载状态下进行检测的，而在汽车运行过程中，绝大多数情况下发动机都处于加载状态，因此，怠速法、双怠速法的检测结果与汽车真实的排放情况没有可比性或可比性较差。

简易工况法是在模拟汽车真实运行状态情况下进行的检测，其检测的过程囊括了几种加载载荷情况下的加速、稳定运转、减速等多种工况，而且检测的结果已经换算成排放的总量，检测的内容也纳入了NOX，因此，检测结果与汽车真实运行条件下的排放情况具有一定的可比性。

通过以上分析可以看出，用怠速法、双怠速法检测合格的车辆，用简易工况法检测，其结果未必合格；反之，用简易工况法检测合格的车辆，用怠速法、双怠速法检测，其结果也未必合格。因此，对于用简易工况法检测不合格的车辆进行修复后，不能通过怠速法、双怠速法检测来验证其修复的效果。

由于采用简易工况法进行检测所需的检测设备比较昂贵(需要底盘测功机、排气流量分析仪、配套计算机及相关软件等)，占用的场地面积也较大，一般的汽车修理厂不具备这样的条件，因此，以前采用怠速法、双怠速法进行检测，只是一种权宜之计，并不符合科学的汽车排放控制思想。随着国家排放法规的日益严格，简易工况法的采用也是大势所趋，而且符合世界发达国家的通用做法。

(四)点燃式发动机排放超标的原因及修复

1．CO的排放量过大

(1)CO排放量过大，主要应从混合汽过浓的角度进行考虑，同时兼顾压缩压力问题，其原因可能包括以下一个或几个方面。

①燃油压力过高(燃油压力调节器故障或真空管漏气)，检测方法：测试油压；

②喷油器及其控制电路故障，检测方法：检查喷油器电路，用喷油器清洗检测试验台清洗、检测喷油器(含喷油量、各缸均匀性、密封性等)；

③输入传感器有故障，检测方法：测试相关传感器数据；

④燃油蒸汽回收系统故障，检测方法：检查燃油蒸汽回收系统；

⑤进气系统漏气(对于采用进气压力传感器的D型电喷系统)，检测方法：检查进气系统漏气情况；

⑥空气滤清器脏污或涡轮增压器不良，检测方法：检查空气滤清器及涡轮增压器，必要时更换；

⑦排气系统阻塞(排气不畅引起燃烧室残余废气过多)，检测方法：检查、清洁排气系统；

⑧压缩压力不足，检测方法：检查缸压；

⑨催化转化器有故障：排气中的CO没有经过转化就直接排到大气。有些汽车的催化转化器下游装备了一个副氧传感器，用来监测催化转化器的性能，可以通过故障诊断仪观察副氧传感器的数据，如果副氧传感器的信号电压波动较大(即与主氧传感器的信号变化比较接近)，则说明催化转化器失效；