基于尾气分析的发动机故障诊断技术的研究与实践

许建强，张佳裔，杜首寨，刘岩，李震，邓敏泰，商力峰

（1.北京劳动保障职业学院, 2.北京市实验技工学校, 3.北京祥龙博瑞汽车服务(集团)有限公司，中国 北京 100029）

能源与技术

基于尾气分析的发动机故障诊断技术的研究与实践

许建强1,2，张佳裔3，杜首寨3，刘岩3，李震3，邓敏泰1,2，商力峰1,2

（1.北京劳动保障职业学院, 2.北京市实验技工学校, 3.北京祥龙博瑞汽车服务(集团)有限公司，中国 北京 100029）

车辆自诊断技术是诊断发动机故障的重要手段，然而对于发动机的机械故障和无故障信息存储的电气故障的诊断，自诊断技术则无能为力。尾气检测与分析技术为发动机多种疑难故障的诊断提供了有效途径。本文主要阐述了基于尾气检测与分析技术的发动机故障诊断的技术要点，诊断规律的试验研究及应用，旨在提高发动机故障诊断的有效性。

尾气分析；发动机故障；诊断技术；应用研究

CLC NO.:U464Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-87-05

引言

车辆自诊断技术是诊断发动机故障的重要手段，然而对于发动机的机械故障和无故障信息存储的电气故障的诊断，自诊断技术则无能为力。近年来，随着发动机尾气检测技术的成熟，为诊断发动机的疑难故障提供了新的技术途径。如何应用尾气检测与分析技术方法来有效诊断发动机的故障，成为检修工作中的一项重要的研究课题。

当前，论文多报道的是一些应用尾气检测与分析方法来诊断发动机故障的技术案例，缺乏规律性的详实研究。为此笔者所在团队，结合汽车维修工作实际，通过试验详实地开展了基于尾气检测与分析的发动机故障诊断技术研究。

旨在把握基于尾气检测与分析的发动机故障诊断的技术关键，探索基于尾气检测与分析的发动机故障诊断技术规律，提高发动机故障诊断的效率。

1、研究方案

结合维修工作实际，通过设置故障，通过逆推类比试验，找出故障现象、尾气检测数据、故障原因间的对应关系，归纳出故障检测方法。具体研究步骤如下：

（1）分析影响燃烧的故障因素

（2）设置发动机的典型故障

将具体的故障原因分解为故障点，按照具体故障点来设置故障。

（3）尾气检测与数据记录

按照尾气检测规程，规范检测发动机在一定工况下的尾气成分，准确记录检测数据及数据的变化，是正确诊断发动机故障的基础。

（4）尾气数据分析

以发动机尾气排放标准为依据，运用尾气分析的故障诊断规律，科学分析尾气检测数据，是故障诊断的关键。

（5）研究归纳

通过对比同种机型不同种工况或不同机型同一故障类型的尾气检测数据的归纳研究，寻找各种结构类型及控制策略下的故障现象、故障数据、故障原因之间的内在联系，归纳出各种尾气数据下的基于尾气分析的故障诊断规律。

2、研究试验

2.1 研究试验

2.1.1 D型进气系统歧管漏气的故障

车型2008年，自动挡，1.6升新宝来轿车，属D型进气系统。

（1）故障现象

发动机怠速不稳，有漏气声。

（2）尾气检测数据

检测条件：水温80℃，实时测量法。整理后的检测数据如表1所示：

表1 新宝来轿车进气歧管漏气故障的尾气检测数据

（3）尾气数据分析

HC上升：由于进气过多，混合气稀，造成气缸内燃气火焰传播中断，部分燃油未能正常点燃而被排出。

NOX上升：虽然未超限，但比该发动机的正常工作状态的NOX数值（怠速下基本为0）上升很多，进入发动机内部空气过多，致使NOX上升。

CO为0：进入空气过多而不存在缺氧燃烧，所以CO不产生，且较多的空气对CO浓度有稀释作用。

CO2下降：部分燃油未被燃烧，且较多的空气对CO2浓度有稀释作用。

O2上升：进入空气过多，则氧含量多，部分氧气未参与燃烧就被排出。

λ为1.2大于标准值1，也说明混合气处于稀的状态。

结论：稀混合气会造成尾气中HC、NOX浓度上升，而CO2和CO的浓度会下降。D型进气系统对漏气不敏感。

2.1.2 L型进气系统歧管漏气的故障

车型2009年，自动挡，2.0升八代雅阁轿车，属L型进气系统。

（1）故障现象

发动机怠速不稳，有转速波动，有漏气声。

（2）尾气检测数据

检测条件：雅阁八代发动机，水温80℃，实时测量法。检测数据如表2所示：

表2 L型进气系统歧管漏气的故障的尾气检测数据

（3）尾气数据分析

HC上升：由于进气过多，混合气稀，造成气缸内燃气火焰传播中断，部分燃油未能正常点燃而被排出。

NOX上升：虽然未超限，但比该发动机的正常工作状态的NOX数值（怠速下基本为0）上升很多，进入发动机内部空气过多，致使NOX上升。

CO为0：进入空气过多而不存在缺氧燃烧，所以CO不产生，且较多的空气对CO浓度有稀释作用

CO2下降：部分燃油未被燃烧，且较多的空气对CO2浓度有稀释作用。

O2上升：进入空气过多，则氧含量多，部分氧气未参与燃烧就被排出。

λ为1.47远远大于标准值1，也说明混合气处于很稀的状态。

结论：相比D型进气系统，L型进气系统对漏气敏感，稀混合气会造成尾气中HC、NOX浓度很高， CO2和CO的浓度会下降很多。

2.1.3 喷油器断油故障

车型2008年，自动挡，1.6升新宝来轿车，属D型进气系统。

（1）故障现象

发动机抖动严重，怠速不稳，怠速值略有下降。

（2）尾气检测数据

检测条件：水温80℃，实时测量法。检测数据如表3所示：

表3 喷油器断油故障的尾气检测数据

（3）尾气数据分析

HC很低：断油缸没有燃烧，其余3缸正常工作，空气排放到高温的排烟管，有利于HC的氧化反应，因而尾气中的HC浓度数值很低。

NOX上升：断油的气缸的空气排放到高温的排烟管，氧气与氮气发生反应，生成NOX，致使NOX上升。

CO下降：其余正常工作的3个气缸，产生的CO浓度正常。断油气缸排除的空气，对尾气中CO浓度有稀释作用。

CO2下降：断油气缸排除的空气，对CO2浓度有稀释作用。

O2上升：断油的气缸的空气排放到排烟管，未参与燃烧就被排出。

λ为1.26远远大于标准值1，也说明混合气处于很稀的状态。

结论：某缸断油故障，会使尾气中HC很低，而CO2和CO的浓度会下降，只有NOX浓度明显上升。

2.1.4 燃油油压低的故障

车型2008年，自动挡，1.6升新宝来轿车，属D型进气系统。

（1）故障现象

发动机怠速不稳，怠速指略有上升。

（2）尾气检测数据

检测条件：水温80℃，断开氧传感器信号，开环测试，用阻尼卡调节油压，采用实时测量法。检测数据，如表4所示：

表4 燃油压力低故障的尾气检测

（3）尾气成分分析

HC上升：喷油少，混合气相对较稀，造成气缸内燃气火焰传播中断，部分燃油未能正常点燃而被排出。

NOX上升：虽然未超限，但比该发动机的正常工作状态的NOX数值（怠速下基本为0）上升很多。混合气相对较稀，高温富氧为生成NOX创造了条件。

CO为0：混合气相对较稀，不存在缺氧燃烧，所以CO不产生，且较多的空气对CO浓度有稀释作用CO2 下降：混合气相对较稀，部分燃油未被燃烧，且较多的空气对CO2浓度有稀释作用。

O2上升：混合气较稀，则氧含量相对较多，部分氧气未参与燃烧就被排出。

λ为1.12大于标准值1，也说明混合气处于稀的状态。

结论：稀混合气会造成尾气中HC、NOX浓度上升，而CO2和CO的浓度会下降。

2.1.5 混合气浓（增加喷油量）

车型2009年，自动挡，2.0升八代雅阁轿车，属L型进气系统。

（1）故障现象

发动机运转平稳，但转速上升。

（2）尾气检测数据

检测条件：水温80℃，中断氧传感器信号，开环测试，实时测量法。检测数据如表5所示：

表5 混合气较浓故障的尾气检测

（4）尾气分析结论

HC上升：水温低，喷油多，混合气相对较浓，造成气缸内燃烧高温缺氧，部分燃油未能燃烧而被排出。

NOX上升：虽然未超限，但比该发动机的正常工作状态的NOX数值（怠速下基本为0）上升很多。气缸内高温，为生成NOX创造了条件。

CO为0：混合气相对较浓，造成气缸内燃气在高温缺氧条件下燃烧，所以产生较大浓度的CO。

CO2下降：混合气相对较浓，造成气缸内燃气在高温缺氧条件下燃烧，产生较大浓度的CO，CO2产物减少。

O2上升：混合气相对较浓，则尾气中氧含量较低。

λ为0.92小于标准值1，也说明混合气处于较浓的状态。

结论：浓混合气会造成尾气中HC、CO和NOX的浓度上升，而O2、CO2浓度下降。

2.1.6 发动机点火不良

点火能量低、火花质量差均会导致发动机气缸内燃气燃烧不良。通常由火花塞间隙不符合规定值，火花塞绝缘体有裂纹，火花塞电极烧蚀，火花塞积碳过多，高压线电阻大，点火线圈匝间短路等故障引起。

车型2009年，自动挡，2.0升八代雅阁轿车，属L型进气系统。

（1）故障现象

发动机抖动严重，怠速不稳，怠速值略有下降。

（2）尾气检测数据

检测条件：雅阁八代发动机，水温80℃，中断氧传感器信号，开环测试，实时测量法。检测数据如表7所示：

表7 发动机点火不良故障的尾气检测数据

（3）尾气数据分析

HC上升：发动机点火不良，燃油不能得到充分燃烧，甚至一个或几个循环的燃油全部未能燃烧，导致尾气中的HC成分浓度加大。

NOX上升：发动机点火不良，燃油不能得到充分燃烧，氧气没有得到消耗，气缸内高温为生成NOX创造了高温富氧的条件。因此，NOX数值（怠速下基本为0）很高。

CO浓度较低：混合气浓度正常，不存在缺氧燃烧，所以CO不产生，且较多的空气对CO浓度有稀释作用。

CO2浓度较低：混合气浓度正常，部分燃油未被燃烧，产生的CO2的数量减少，且多于的空气对CO2浓度有稀释作用。

O2上升：部分燃油未被燃烧，部分氧气未参与燃烧被排出。

λ为1.1大于标准值1，也说明尾气中含有较多是氧气状态。

结论：稀混合气会造成尾气中HC、NOX浓度上升，O2浓度略有上升，而CO2和CO的浓度会下降。

2.1.7 气缸压缩终点压力低故障

实验对象为丰田5A-FE发动机，属D型进气系统。

（1）故障现象

发动机启动困难，怠速不稳，抖动严重。

（2）尾气检测数据

检测条件：水温80℃，中断氧传感器信号，开环测试，实时测量法。检测数据如表8所示：

表8 气缸压缩终点压力低故障的尾气检测数据

（3）尾气分析结论

HC上升：气缸压缩终点压力低，在低温低压条件下，燃气不能得到充分燃烧膨胀，燃油分子未能充分燃烧，导致尾气中的HC成分浓度加大。

NOX上升：气缸压缩终点压力低，在低温低压条件下，氧气不具备与氮气生成NOX的条件。因此，NOX数值很低。

CO浓度较低：混合气浓度正常，不存在缺氧燃烧，所以CO不会增多，且未消耗的空气对CO浓度有稀释作用。

CO2浓度较低：混合气浓度正常，部分燃油未被燃烧，产生的CO2的数量减少，且未消耗的空气对CO2浓度有稀释作用。

O2上升：部分燃油未被燃烧，部分氧气未参与燃烧被排出。

λ为1.08大于标准值1，也说明尾气中含有较多是氧气状态。

结论：稀混合气会造成尾气中HC浓度上升，O2浓度略有上升，而CO2和CO的浓度会下降，NOX为浓度0。

2.2 试验数据的综合分析

上述各项试验的数据分析表明，尾气成分的浓度变化有如下规律：

（1）CO是燃料在高温缺氧的条件下燃烧产物，如果混合气浓度较大或点火过晚，均导致CO浓度升高。

（2）HC是燃油没有燃烧或燃气在低温条件下不充分燃烧的产物。如果如气缸压力低、混合气稀、点火提前角大则会产生较多HC气体等。

（3）CO2是燃料充分燃烧的产物，如果CO2的数值高，说明燃气燃烧完善，燃烧效率高。但在稀混合气燃烧的条件下，CO2浓度不仅不升高，反而会降低，这主要是因为稀混合气，会导致部分燃料未能燃烧，生成的CO2质量减少，再加上多于空气的稀释，使得CO2浓度值降低。

（4）NOX是氧气与氮气在高温富氧条件下反映的产物。高温条件下，混合气越稀，产生的NOX的量就越大。燃气处在低温低压下条件下，燃烧所能产生的NOX数量就会很少。

（5）O2浓度是衡量尾气中含氧量的指标。在正常燃烧条件下，O2浓度值在1-2%之间。如果O2浓度超出正常范围，则说明发动机处于不正常的工作状态。如果混合气浓，O2浓度就低；如果混合气稀，O2浓度就高；如果发动机存在间歇性失火或低温燃烧现象，部分燃油未能燃烧，O2浓度也会增加。O2浓度值与其它数据的配合使用，是用来诊断区分不同类型故障的重要手段。

综合上述各项试验的结果，可得到CO、HC、CO2、NOX、O2及λ值变化与故障现象、故障原因的对应关系，对应关系如表9所示。

表9 尾气成分与故障现象及故障原因的对应关系

在实际的检修工作中，可按CO、HC、CO2、NOX、O2、

λ的各项数值变化及故障现象，按表9所描述的对应关系，迅速地找到发动机的故障原因，可有效地提高检修效率，特别适合无故障码的发动机的疑难故障和非典型故障的诊断。

3、故障诊断方法应用实例

3.1 故障实例1

3.1.1 故障现象

发动机启动困难，发动机严重抖动，怠速偏低，热车着火后排烟管依然滴水现象。

3.1.2 确认故障现象

（1）问诊：入冬后，就发现排气管滴水较多近期，滴水而且越来越严重，且伴随有打火困难的现象。

（2）试车：确认存在发动机启动困难的现象，打车两次发动机均未着火，第三次打着火后转速不上升，延续一会后转速才上升到1100转/分左右，但转速波动严重；观察到有从排气管中连续喷水的现象。

3.1.3 故障分析与初步判断

根据现象初步判断，该车辆可能因发动机气缸垫被烧穿，致使冷却水排到排气管中。

3.1.4 故障检测与诊断

检查水位正常，液面也没有漂浮的油迹。查看油底壳中机油品质，也未发现任何漏水迹象。查看发动机缸压，各缸的压缩终点压力数值均为13.5bar左右，压力数值符合要求且均匀，因此得出气缸密封状态良好，气缸垫未被烧损的结论。

查故障码，显示内容为1、4缸缺火。更换火花塞故障现象消失，至此故障还未彻底根除。据了解，在3个月前，更换过火花塞。为什么经常发生故障呢？

用尾气分析仪进行尾气检测，检测的尾气数据如表10所示。

表10 尾气成分检测数据

从尾气数据分析可以看出，HC和O2浓度明显偏高，而CO和CO2稍微偏低，氧气浓度有所上升。由表9总结的规律可以判断是由于间歇性点火（燃烧中断）引起的故障。为了进一步确认故障，检测燃油供油压力，值为3.8bar，显然偏高。

3.1.5 故障排除

更换燃油压力调节阀后，故障排除，再次检测尾气排放情况，符合排放要求。使用很久没有再出现，火花塞故障。

3.2 故障实例2

3.2.1 故障现象

2005年的PassatB5轿车，加速无力，有顿挫感，无故障码。

3.2.2 故障现象确认

问诊和试车后，用解码器显示气缸有失火信息。

3.2.3 故障分析判断

通常为火花塞点火不良引起的间歇性失火，而导致的发动机动力中断。

3.2.4 故障检测与诊断

按照常规方法查找故障，查点火，更换火花塞、点火线圈，故障状况没改变。清洗喷油器，检查喷油器的状态正常。查缸压及进气道真空度未发现异常。

查数据流显示喷油脉宽正常；查各传感器信号正常，更换传感器，故障状况依然没有改善。又查电路，查电脑，工作了三四天，没有查出故障。

3.2.5进行尾气检测，分析结果为混合气偏稀。早已检查过进气道，状态良好，不存在漏气现象，因此重点检查油路故障。

3.2.6故障排除。拆下油轨清洗及调压器进行清洗时，发现调压器生锈被卡滞，管内积累了大量的黑黄色锈斑状污物。清洗油轨，更换调压器，故障现象消失，再次检测尾气，排放符合要求。

4、结论

理论分析和试验验证表明，尾气检测与分析是诊断发动机故障的有效手段。其中，尾气检测是基础，数据分析才是关键。现就诊断技术要点总结如下：

（1）观察数据主要变化，确定故障方向。分析尾气数据，要先抓主要矛盾，即先观察数据变化较明显的尾气成分，推断出造成发动机故障的主要原因。

（2）综合分析数据特征，确定故障原因。故障方向虽然确定，但究竟是哪种原因造成的发动机故障，故障程度如何，还综合考虑其它参数及故障现象的特征进行综合分析。

需要说明的是，尽管尾气检测与分析总体规律是一致的，但发动机结构不同，控制策略不同，其尾气成分数据受故障的影响程度则不同，尾气成分与故障现象、故障原因的对应关系会有所差别。为提高检测效率，应多实践，多积累技术数据，在实践中去熟练把握规律。

[1] 党宝英.汽车尾气分析与发动机故障诊断的研究[J].现代经济信息,2009（23）.

[2] 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):88-90.

Practice and Research on Fault Diagnosis Technology Based on Engine Exhaust Gas Analysis

Xu Jianqiang1,2, Zhang Jiayi3, Du Shouzhai3, Liu Yan3, Li Zhen3, Deng Mintai1,2, Shang Lifeng1,2
（1. Beijing Vocational College of Labour and Social Security, 2.Beijing Experimental Technological School,
3. Beijing Xianglong Brilliant Automotive Services (Group) Co., Ltd., China Beijing 100029）

The vehicle self diagnosis technology is an important means of engine fault diagnosis, however for mechanical fault of engine and electrical failure no fault code in the diagnostic, self diagnosis technology is incapable of action. Provides an effective way for exhaust gas detection and analysis technology for the diagnosis of difficult faults of various engine. This paper mainly introduces the keys of fault diagnosis of engine based on the exhaust gas detection and analysis technology, test of diagnosis and study of diagnosis rules, application of diagnosis rules, aims to improve the effectiveness of the engine fault diagnosis.

exhaust gas analysis; engine fault; diagnosis Technology; Application Research

U464

A

1671-7988(2014)11-87-05

许建强，工学硕士，西安交通大学机械工程专业主要从事汽车维修技术研究及职业教育研究，现为北京市职业院校汽车检测与维修专业创新团队带头人。

课题来源：“十二五”时期北京市职业院校教师素质提高工程，北京市职业院校专业创新团队建设计划资助项目，项目名称：北京市职业院校汽车检测与维修专业创新团队建设（编号：JJH2013527）。主持人：许建强。