发动机尾气排放分析

发动机尾气排放分析（一）尾气成份与空燃比的关系规律内容简介：汽车尾气中的有害气体成份为一氧化碳 CO、碳氢化合物 HC 和氮氧化合物 NOX，无害成份为二氧化碳 CO2 和水 H2O。这五种气体与发动机混合气的空燃比、点火正时、进气压力（负荷）、发动机转速等有直接的关系，了解它们之间的变化关系对尾气分析是非常重要的。一 空燃比对尾气的影响空燃比（A/F）即是混合气中空气与燃油的比例，标准的空燃比为 14.7：1，空燃比在说明混合气稀；相反空燃比小于 14.7 说明混合气浓。1 空燃比（A/F）与一氧化碳 CO 的关系：空燃比（A/F）与一氧化碳 CO 的关系图一氧化碳 CO 是在空气不足的情况下可燃混合气的不完全燃烧，是汽油机尾气中有害成分浓度最大的物质，所以当空燃比（A/F）小于 14.7 时（混合气变浓），由于空气量不足引起燃烧不完全，一氧化碳 CO 的排放量增大。2 空燃比（A/F）与碳氢化合物的关系：碳氢化合物与空燃比的直接关系较小。碳氢化合物生成的主要原因是：在燃烧室壁温度较低的冷却面附近，形成猝冷区，达不到燃烧温度，火焰消失；电火花微弱，根本未能点燃混合气导致所谓缺火现象；在进排气门重叠时漏气等。空燃比（A/F）与碳氢化合物的关系图因此，当空燃比在 16.2：1 以内时，混合气越浓，HC 的排放量就越多。而当混合气空燃比超过16.2：1，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，使未燃碳氢化合物HC 大量排出。3 空燃比(A/F)与氮氧化合物(NOx)氮氧化合物 NOx 是可燃混合气空气中的 N2 和 O2 在燃烧室内通过高温高压的火焰时化合而成的。因此在混合气空燃比为 15.5：1 附近燃烧效率最高时，NOx 生成量达到最大，混合气空燃比高于或低于此值，氮氧化合物 NOx 的生成量全减小。空燃比(A/F)与氮氧化合物(NOx)图发动机越接近完全燃烧，NOx 的生成量越多。相反，在发动机接近不完全燃烧， CO 生成量增多时，NOx 减少。4 空燃比(A/F)与二氧化碳(CO2)二氧化碳(CO2)是燃烧的必然产物， CO2 值的大小取决于影响燃烧效率的因素，这里当然包括空燃比的大小，空燃比越接近理论空燃比 14.7：1，燃烧越完全，CO2 的值也就越高，最大值在13.514.8%之间。空燃比(A/F)与二氧化碳(CO2)关系图5 空燃比(A/F)与氧（O2）空燃比与氧关系图氧 O2 是一个很好的空燃比指示物，如果混合气浓时， O2 的值就低，如果混合气稀时，氧 O2 的值就高。二 发动机点火时间对尾气排放的影响1 点火提前角与一氧化碳 CO点火提前角对 CO 排放影响图点火提前角对一氧化碳 CO 的排放没有太大的影响，如果过分推迟点火（减小点火提前角），会使 CO 没有时间氧化，而引起 CO 排放量增加，但是适度推迟点火提前角可以减小 CO 排放。实际上推迟点火时间，为了维持发动机输出功率不变，需要开大节气门，这时 CO 排放明显增加。2 点火提前角与 HC 排放点火提对角对碳氢化合物的影响图点火推迟时 HC 排放降低，主要原因是点火推迟后增高了排气温度，促进了 CO 和 HC 的氧化，也由于减小了燃烧室内的激冷面积使 HC 排放减少。但是采用推迟点火来降低 HC，是以牺牲燃油的经济性为代价的，所以得不偿失。3 点火提前角与 NOx在任何负荷和转速下，加大点火提前角，均使 NOx 排放增加。这是因为点火时间提前时，燃烧温度升高的缘故，因此从降低 NOx 排放的角度出发，可以采用减少点火提前角，降低循环最高温度，使用比理论空燃比更浓或更稀的混合气的办法。点火提前角对 NOX 排放的影响图1空燃比为 15.7：1；2空燃比为 11.6：1；3空燃比为 15.9：1；4空燃比为 12.0：1；然而，降低最高温度伴随着发动机热效率的下降。减小点火提前角和使用较浓或较稀的混合气，若选择调整不当，会严重降低发动机的动力性、经济性以及运转稳定性。发动机负荷可以用与节气门开度相关的进气管压力来表示，进气管压力越大（即进气管真空度越低），发动机负荷也就越大。1 发动机负荷对一氧化碳 CO 的影响对 CO 来说，空燃比不变，功率输出的大小对 CO 排放没有影响，CO 的排放量随功率的输出及空气的消耗量的增加而增大，发动机在小负荷及大负荷工作时，所供给的混合气均较浓，在两种情况下 CO 排放均比较高。例如，最大功率时，节气门全开，供给较浓的混合气，因此 CO 的排放较高。发动机负荷对 CO 的影响图（发动机转速 1500r/min）1排气量 5.76L；2排气量 4.78L；3排气量 2.36L；2 发动机负荷对碳氢化合物 HC 的影响当空燃比和转速保持不变，并按最大功率调节点火提前角时改变负荷对 HC 的排放影响不大。这是因为影响 HC 排放的因素有的使 HC 降低，有的使它增加，结果作用恰恰相互抵消。当进气管压力在 30.5kPa81.0kPa 范围内时，因供给的混合气较稀，所以 HC 排放降至很低，当进气管压力超过 81.0kPa 时，接近全负荷时混合气加浓。此时 HC 排放量理应上升，但由于全负荷时，排气温度相应增大，这时排气后反应对 HC 排放的消除作用加强了，从而限制了 HC 的排放。发动机负荷对碳氢化合物 HC 的影响图（发动机转速 1500r/min）1空燃比 16：1； 2空燃比 14：1； 3空燃比 12：1；小负荷时进气管压力低，由于缸壁激冷作用的增强，混合气又较浓，若进气管压力低于20KPA，时还可能发生火焰传播不完全，结果使 HC 排放明显升高。例如在汽车突然关闭节气门时，进气管内液体燃料的瞬时蒸发，造成高进气真空下的混合气的额外加浓，也会出现这种情况。3 发动机负荷对 NOX 的影响发动机负荷对 NOX 的影响图（发动机转速 2000r/min）发动机负荷小时（进气管压力低），可使 NOx 排放浓度下降。负荷减小进气压力降低，发动机温度低，残余废气增加，导致着火落后期变大及火焰传播速度减慢，这两个因素均使燃烧时间加长，若在此时点火时间不变，则燃烧过程将更多的膨胀行程延伸，这样就会使循环最高温度降低而使排气中的 NOx 浓度下降1 发动机转速对 CO 的影响发动机在怠速、减速和低速小负荷时混合气偏浓，发动机工作循环的气体压力与温度不高，混合气的燃烧速度减慢，引起不完全燃烧产生 CO。转速的变化对 CO 的排放没有多大的影响，这是由于在排气系统中 CO 的氧化，在正常的排气温度下，并不受混合气的限制，而是取决于化学反应速度。发动机转速对 CO 的影响图提高怠速转速，对降低怠速时的 CO 有好处，这是由于随着怠速转速的提高，进气节流将减小，进入的空气量将增加。于是残余气体的稀释程度有所减小，使燃烧改善。2 发动机转速对 HC 的影响发动机转速对 HC 的影响图发动机转速升高时，HC 的排放有明显的降低。原因时转速升高增加了汽缸中的扰流混合与涡流扩散，又增加了排气中扰流和混合，前者增加了气缸内的燃烧，增加了激冷层的后氧化反应。但是高速时为了克服较高的发动机阻力，需要加大排气容积流量，使排气系统停的时间有所缩短。因此 HC 排放量了降低将小于按浓度改变预计的结果。同时适当提高怠速转速，对降低 HC 成分有好处。3 发动机转速对 NOx 的影响对于不同混合比的混合气，转速对 NOX 生成速度有不同的影响。发动机转速对 NOx 的影响对于燃烧较慢的稀混合气，在转速提高时，由于 着火落后期不太受转速的影响，在点火时间不变的情况下，燃烧的大部分将在膨胀过程压力和温度不太高处进行，使 NOx 的生成速度减小。对于燃烧速度 慢的浓混合气提高转速时，由加强了气体在气缸中的扰动，加大了火焰传播速度，同时也减小了热损失，使得 NOX 的生成速度有所增大。发动机温度对尾气排放的影响：1 低温发动机冷态时，燃油雾化不良，再加上吸入的混合气和冷的进气管及其缸壁接触时，一部分汽油发生凝结，成为液态和粒状。正是由于考虑到这种情况，在发动机处于冷态时是浓混合气。但是导致的结果是空气量不足，使 CO 的排量增加。此时由于燃烧温度降低，NOx 减少而未燃 HC 增加。2 高温冷却液温度达到 8090 度时，燃料汽化良好，发动机在燃料经济性较好的状太下运转。但是，当发动机温度过高时由于引起过热、爆燃、早燃等故障，使燃烧温度异常地上升，NOx 的生成量增多。3 加速发动机加速运转时，输出较大的功率，将会产生大量的 NOx，而且由于在短时间内从化油器加速泵供应过量的燃料，引起不完全燃烧，导致 CO 和 HC 的排量的增加。4 减速减速运转时，对应于行驶中迅速松开油门踏板，特别是发动机原先高速运转时，一旦急速关闭节气门，在进气管产生瞬间的强真空，吸入过量的燃料。其结果是汽缸内压缩压力降低，因此燃烧温度降低。由于不完全燃烧，CO 的生成量增加，HC 的生成量增加。1 发动机不同工况下发动机尾气排放浓度值发动机不同工况下发动机尾气排放浓度值正常范围表2 发动机各部分技术状况与尾气成分间的关系进排气门、汽缸衬垫的密封性，活塞、活塞环、缸套的磨损与密封性等因素，与之有关的尾气成分有 HC、CO。相关的检测项目有汽缸压力、汽缸漏气率和进气真空度。空气流量、温度、节气门位置、转速传感器信号及 ECU 等影响喷油压力和喷油时间的因素，喷油器、进气温度、进气管内壁状况等影响喷油雾化质量的因素，与之有关的尾气成分有HC、CO。相关的检测项目有燃油压力、空燃比（A/F）、相关电路信号、空气流量计信号（L 型）、进气压力传感器信号（D 型）、转速信号、温度信号、负荷信号、氧传感器信号等。点火线圈初级绕组电流、点火初级电路电阻、电容器等影响点火能量的因素，断电器、离心及真空提前装置、点火模块、与点火有关的传感器信号等影响点火正时的因素，火花塞、高压线、分电器等影响失火率的因素，与之有关的尾气成分有 HC。相关的检测项目有点火波形、漏电试验、导通试验。曲轴箱强制通风装置、燃油箱蒸发控制装置的工作状况与 HC 的生成有关，二次空气喷射、进气预热的工作状况与 HC、CO 有关，催化转化器的工作温度、转化效率、使用寿命则影响HC、CO、NOX 的生成。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。3 尾气成分异常的原因分析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。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。其它问题，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。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 1316%。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。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。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 12%。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。另外，当四缸发动机中有一缸不工作时，其浓度将上升到 4.757.25%；若有两缸不工作，则会上升到 9.512.5% 。故障实例 1一辆丰田凌志 ES300，怠速时有轻微抖动，且加速迟缓，无故障码输出。进行数据流和点火波形检测，运行参数正常，点火波形也基本正常。用四气分析仪进行尾气检测，CO 为 0.4%、O2 为2.12%、CO2 为 14.1%、HC 在 26010-650010-6 间变化。初步分析是混合气过稀，导致失火。首先检修燃油供给部分，各部件工作正常。清洗喷油器后，HC 值虽然有所下降但仍较高。再检查空气供给系统，无漏气现象。至此，混合气过稀而导致失火的可能性被排除，可能是点火系统的故障。进一步检查电子点火系统，当检查到右侧汽缸的高压线和火花塞时，发现一个缸的高压线短路，火花塞电极间隙过小。更换高压线，调整火花塞电极间隙，启动发动机，故障消失，尾气检测值完全在标准范围之内。故障实例 2一辆北京现代索纳塔 2.O，冷机启动困难，随着温度的升高发动机出现抖动现象，行驶时加速无力。读取故障代码和数据流，一切正常。但用尾气分析仪检查，CO 为 0.23%，HC 高达 110010-6，CO2 为 13.2%、O2 为 2.35%。HC、O2 的数值偏高，一般是由点火不良或混合气过稀失火而引起的。对点火系统部件进行全面检查，未发现异常。于是，重点检查供油系。首先检测燃油压力，检测结果正常；逐缸进行断油试验，将 1、4 缸断油时，发动机转速无明显下降，推断 1、4 缸喷油器可能处于堵塞状态。换上两个新的喷油器，发动机工作恢复正常，冷机启动迅速、热机工作稳定、加速有力，尾气中 HC 下降至 15010-6。本例是由于喷油器堵塞，使实际喷入 1、4 缸的燃油量偏少，从而造成两缸混合气过稀而失火，致使发动机工作失常。故障实例 3一辆桑塔纳 2000GSi，发动机怠速不稳，经常熄火。调取故障代码，显示为 00525，表明氧传感器有故障。对氧传感器进行检测，信号电压在 00.3V 和 0.71