基于尾气分析探究发动机故障

张洲

基于尾气分析探究发动机故障

张洲

（武汉职业技术学院，湖北 武汉 430074）

近年来，伴随着发动机电控系统和配置越来越复杂，对维修专业专业程度的提出了更高的要求，为此急需探讨发动机不解体的新检测技术。而发动机尾气成分直接反映了发动机燃烧情况，从而根据成分分析判断发动机各系统的故障点。

发动机尾气；尾气分析；发动机故障

前言

近年来，伴随着发动机电控系统和配置越来越复杂，对维修专业专业程度的提出了更高的要求，为此急需探讨发动机不解体的新检测技术，要求在尽量不拆解发动机及部件，而是预先判定引起故障的部位，如此便实现了维修工作由传统的定向分析朝定量分析的成功转变。而尾气分析主要指的是根据尾气成分的含量判定发动机的燃烧情况，以此判断发动机系统是否存在故障的方法。

当前尾气分析主要指的是分析混合空气的燃比、催化转化器的转化效率等，而尾气分析包含的参数有氧气、二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合物、空燃比或者相对空燃比等。NOx常常发生在高温大负荷的情况下，需要配合底盘测功机进行测量分析。

1 发动机燃烧对尾气的影响

1.1 空燃比对尾气成分的影响

碳氢化合物作为可燃混合气体、未燃燃料、少量氢化反应形成的中间产物，当空气不足时，可燃混合气体不完全燃烧便会形成一氧化碳，其是发动机为其中浓度最高并且有害的一类物质，而二氧化碳则是可燃混合燃烧形成的产物，其含量能够反映燃烧的效率，氧气则是发动机吸入空气中没有燃烧的部分，氧气含量可以反应混合气空燃比的重要指标。

如果混合气的浓度保持不变，当其空燃比＜理论空燃比的14.7:1时，因为缺乏足量的空气，导致燃烧不完全，从而排放的一氧化碳和碳氢化合物的量增加。让混合气体的空燃比接近14.7:1时，便能够实现完全燃烧，排放的一氧化碳和碳氢化合物的含量越低，即氧气约接近0时，二氧化碳的含量越高。当空燃比大于理论空燃比14.7:1时，混合气变稀，由于燃油成分变少，这时可能不能正常燃烧，产生失火，使的大量未然的HC排除[1]。如图1所示。

图1 空燃比和过量空气系数与尾气成分的关系曲线

1.2 点火正时对尾气成分的影响分析

点火提前角和尾气成分的关系曲线如图2所示。根据图2可以看出：点火提前角对一氧化碳的排放影响不大。当过多延迟点火时间后，一氧化碳由于无完全氧化的时间，导致其排放量增加。但是将点火时间适当延迟，能够降低一氧化碳的排放。当推迟点火提前角时，碳氢化合物的含量下降，其主要原因是排气温度升高，促使碳氢化合物和一氧化碳被氧化。点火提起角度加大，由于燃烧时的速度、压力以及温度的影响，使的HC和NOX排放量急剧增大。所以，对点火正时进行调整非常重要，如果点火提前角过迟会降低发动机动力，增加油耗，影响工作稳定性。

图2 点火提前角和尾气成分的关系曲线线

1.3 发动机负荷对尾气成分的影响分析

可以使用和节气门开度相关的进气管压力来表示发动机的负荷，进气管的压力和发动机负荷二者是正相关关系。对一氧化碳而言，当空燃比保持不便时，输入功率高低不会影响一氧化碳的排放，但是当空气的消耗量增加和输出额的公路增加时一氧化碳的排放量也增加，当发动机处于大负荷和小负荷两种状态时，二者排放的一氧化碳的量均比较高。

当转速和空燃比不变时，根据最大功率对点火提前角时调节时不会对碳氢化合物的排放量产生较大影响，这主要是因为有些因素会导致碳氢化合物排放量增加，有些则是导致排放量降低，彼此之间的作用相互抵消。当进气管的压力范围在30.5kpa~81.0kPa时，由于供给的混合气体比较稀薄，因此碳氢化合物的排放量达到最低值，但是将进气管的压力＞81.0kpa时，导致混合气体的浓度增加，从理论上将碳氢化合物的排放量应该增加，但是因为全负荷情况下排气的温度也升高，如此排气后反应对碳氢化合物的消除作用相应增强，从而阻碍了碳氢化合物的排放。当进气管的压力较低时，因为缸壁激冷作用增强，导致混合其他的浓度增加，假设进气管的压力＜20kPa时，便可能导致火焰传播不完全，引起碳氢化合物的排放量增加[2]。

当发动机的负荷较小时，会导致排放的氮氧化物浓度降低。负荷降低会导致压力减小，发动机的温度较低，增加的残余废气量，引起着火落后期变大以及火焰的传播速度减缓，在两个因素的共同作用下延长了燃烧时间，如果此时点火时间保持不变，那么燃烧过程便会把更多的膨胀行程延伸，从而降低了循环最高温度，降低了排气中氮氧化物的浓度。

2 发动机各总成与尾气成分的关系

影响气缸密封性的因素主要包含缸套的磨损和密封性，温度、空气流量、转速传感器信号、节气门位置、控制单元ECU等均是影响喷油时间和喷油压力的主要因素，而影响喷油雾化质量的因素主要有进气温度、喷油器、进气管内壁情况等等，在这种因素的共同作用下将其尾气中的一氧化碳和碳氢化合物造成影响。针对这种情形需要检测进气真空度、相关电路信号、气缸压力、转速信号、气缸漏气率、转速信号、氧传感器信号、空燃比、相关电路信号等等。而点火能量的影响因素主要包含点火线圈初级绕组电流和点火初级电路电阻，而点火正时的影响因素包含点火相关的传感器信号、点火模块等等，失火率的主要影响因素为火花塞，相关的尾气成分为碳氢化合物，因此需要检测导通试验、漏电试验、点火波形等等。

碳氢化合物的生成量主要跟燃油箱蒸发控制装置和曲轴箱强制通风装置的工作状况有关，碳氢化合物和一氧化碳主要跟二次空气喷射和进气预热工作状况，而影响一氧化碳、一氧化氮、碳氢化合物生成的主要因素催化转化器的效率、工作温度以及寿命等等。

通过分析尾气可以发现：可以检测到二次空气喷射系统失灵、ECR阀故障、进气歧管真空泄露、喷油器故障、缸盖衬垫损坏、点火系统提前角过大、排气系统泄露、进气歧管真空泄露等。

3 尾气成分异常分析

CO是燃烧期间燃烧不完全的产物之一，若CO的读数很低，接近于零，则说明混合气充分燃烧；若CO的读数很高，则混合气过浓（燃油供给过多，空气供给较少），发动机燃油供给系统和空气供给系统可能出现故障。其原因有可能是喷油压力过高、喷入油量增加、空气滤清器过脏、三元催化转换器有故障、PCV阀堵塞、影响燃油喷射传感器故障等。

CO2是完全燃烧的产物，其数值的大小反应了燃烧效率。燃烧后CO2排放值应该在13%—16%之间，当发动机混合气出现过浓或者过稀时，CO2含量都会降低。需要判定其原因，可能是点火时间不当、废气泄露、燃油压力过高等。

HC是燃油的主要成分，发动机正常工作时，HC的排放值一般低于250ppm。若HC排放值过大，则说明燃油没有充分的混合燃烧，混合气过稀或过浓、点火能量不足、配气相位不正确、点火过早等问题。

NOX是可燃混合气中的N2分子和O2分子在高温下反应的产物，正常情况下, NOX的排放值应该低于500ppm。若其值较高，则可能是真空泄露、燃油系统过早、发动机过热、燃烧室内积碳等原因。

O2含量是反映混合气空燃比的最佳指标，综合其他排放参数值可以诊断出故障点。发动机正常工作时，只有少量未燃烧的O2通过气缸，尾气中O2的含量应为1%-2%。O2的读数低于1%时说明混合气过浓，O2的读数高于2%时说明混合气过稀。若O2读数偏低、CO读数偏高，则考虑喷油器、与燃油喷射系统有关传感器、发动机控制模块等有故障；多O2读数偏高、CO读数偏低，则考虑因真空泄露、燃油压力低、喷油器堵塞等故障[3]。

在实际工作中我们应利用功率平衡试验及尾气分析仪的读数来判定汽车发动机工作情况。过尾气分析仪，对HC、CO、CO2采用不分光红外分析技术进行检测，对NOX、O2采用电化学分析技术进行检测。通过对尾气成分的数值进行故障诊断。借助辅助诊断设备，能够迅速地检测出发动机尾气，通过分析各种尾气的成分变化情况，再结合发动机的燃烧和供给原理，迅速弄清发动机故障所在部位。近年来，伴随着汽车行业的飞速发展，尾气分析故障诊断已经被广泛应用在汽车维修中，发挥较大的价值。

[1] 曹红兵,陈汉生.尾气分析在汽车故障诊断中的实验研究[J].实验研究与探索,2007(26):33-36.

[2] 杨萌萌.从尾气成分判断电控发动机故障[J].汽车使用与维修. 2018(6):160-161.

[3] 徐建强.基于尾气分析的发动机故障诊断技术的研究与实践[J].2014(11):87-91.

Exploring engine failure based on exhaust gas analysis

Zhang Zhou

（Wuhan Polytechnic, Wuhan Hubei 430074）

In recent years, along with the increasingly complex engine electronic control system and configuration, higher requirements have been put forward for the professional degree of maintenance. Therefore, it is urgent to explore new detection technologies for engine non-disassembly. The exhaust component of the engine directly reflects the combustion of the engine, so that the fault points of the various systems of the engine are judged according to the composition analysis.

exhaust gas; emissions analysis; engine fault

U464

A

1671-7988(2019)13-231-03

U464

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1671-7988(2019)13-231-03

张洲（1985.10-），男，土家族，硕士研究生，武汉职业技术学院机电工程学院讲师，主要研究方向汽车动力学，汽车检测。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.078