汽车尾气检测与故障诊断.doc

摘要 摘要随着汽车工业的发展及城市汽车保有量的快速增长,汽车排放对城市大气的污染日益严重。汽车排放控制已引起世界各国的高度重视,国内外相关科技工作者也对此付出了极大的努力,在新车排放控制方面已经取得了有效的成果。为更好控制城市大气环境质量,目前,对在用车排放控制的研究已成为一项重要的工作。汽车排放与汽车发动机的技术状况有密切关系，根据汽车尾气中各种气体含量，可以帮助汽车维修人员判断汽车发动机故障。据此，结合实际工作经验，综合归纳了影响发动机尾气含量的各种因素及利用汽车尾气中各成分含量进行故障诊断的方法和注意事项。关键词汽车 尾气分析 发动机 故障诊断Title：Exhaust gas analysis and engine trouble diagnosisAbstract： With the development pf auto industry and the fast increase of the present quantity of vehicles,the town environment has been badly polluted by the behicle emission.Vehicle emisson control has aroused the high opinion of the world every state nation, and home and abroad correlation science and technogy worker also expend the extremly great effort to this,and had been acquired valid fruit on new vehicle control.At the moment,bocome a significant job in the interest of better dominating the town automobile .Emission is closed related to the technical condition of engine.Content of Various gases in the exhaust gas can assist servicemen in judging engine Trouble. This sums up factors that have an influence over exhaust gas content ,and also sums up methods and tips regarding diagnosing trouble by Means of utilizing content of various gases in the exhaust gas.Keywords ： automobile;exhaust gas analysis;engine;trouble diagnosis25- -目录 目录摘要I绪论11.1 引言11.2 汽车排放污染物及危害11.2.1 一氧化碳(CO)11.2.2 碳氢化合物(CH)21.2.3 氮氧化物(NOx)21.2.4 光化学烟雾31.2.5 微粒32 汽车尾气的排放机理52.1 一氧化碳的生成机理52.2 碳氢化合物的生成机理62.3 氮氧化物的生成机理72.4 微粒的生成机理93 汽车尾气排放检测123.1 汽车排放测试123.1.1 汽车排放污染物取样123.1.2 排气成分分析仪133.2 汽车发动机的排放特性133.2.1 发动机的稳态排放特性133.2.2 发动机的瞬态排放特性154 利用尾气排放参数判断发动机的工作状况184.1 尾气排放参数的分析184.1.1 空燃比对尾气成分的影响184.1.2 点火正时对尾气成分的影响194.2 尾气分析的基本结论194.2.1 发动机各部分技术状况与尾气成分间的关系194.2.2 尾气成分异常的原因分析204.3 实例分析214.3.1 北京现代索纳塔2.O214.3.2 桑塔纳2000Gsi22结论22致谢23参考文献24千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。English Catalog 千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。4 利用尾气排放参数判断发动机的工作状况1 绪论1.1 引言在现代文明的今天，汽车已经成为人类不可缺少的交通运输工具。自从1886年第一辆汽车诞生以来，它给人们的生活和工作带来了极大的便利，也已经发展成为近现代物质文明的支柱之一。但是，我们也应该看到，在汽车产业高速发展、汽车产量和保有量不断增加的同时，汽车也带来了大气污染，即汽车尾气污染。电控发动机在现代汽车上的使用已经普及，使用电控发动机的目的之一是为了对排放污染物进行控制，以满足越来越严格的汽车排放法规；之二是为了提高发动机的功率。发动机各系统正常工作时，其排放污染物会在一个规定的范围内波动，如果汽车发动机的排放超过标准，则表明发动机系统存在故障，通过检测发动机不同工况下尾气中不同气体成分的含量，可判断发动机故障所在的部分。因此，发动机正常的维修和保养应以尾气测试分析结果为基础，进而进行系统故障分析和传感器执行器之数据分析来判断故障所在。从而减少了尾气的排放，降低了尾气对环境的污染。1.2 汽车排放污染物及危害图1-1 汽车主要污染物1.2.1 一氧化碳(CO)一氧化碳无色无臭，是一种窒息性的有毒气体，由于其和血液中有输氧能力的血红素蛋白的亲和力比氧气的亲和力大200300倍，因而一氧化碳能很快和血红蛋白素结合形成CO-Hb，使血液的输氧能力大大降低。高浓度的CO能够引起人体生理和病理上的变化，使心脏、头脑等重要器官严重缺氧，引起头晕、恶心、头痛等症状，严重时会使心血管工作作困难，直至死亡；不同浓度CO对人体健康的影响，见下表。汽车尾气中CO是烃燃料燃烧的中间产物，主要是在局部缺氧或低温条件下，由于烃不能完全燃烧而产生的：当汽车载重量过大、慢速行驶或空档运转时，燃料不能充分燃烧，废气中一氧化碳含量会明显增加。表1-1 不同浓度CO对人体健康的影响1.2.2 碳氢化合物(CH)碳氢化合物HC(也称烃)包括末燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物。如苯、醛、酮、烯、多环芳香族碳氢化物等200多种复杂成分。饱和烃一般危害不入，甲烷气体无毒性，乙烯、丙烯和乙炔主要会对植物造成伤害。但是，不饱和烃却有很大的危害性。苯是无色类似汽油味的气体，可引起食欲不振、体重减轻、易倦、头晕、头痛、呕吐、失眠、粘膜出血等症状也可引起血液变化，红血球减少，出现贫血，还可导致白血病。而甲醛，丙烯醛等醛类气体也会对眼、呼吸道和皮肤有强刺激作用，超过一定浓度，会引起头晕、恶心、红血球减少、贫血和急性中毒。应当引起特别注意的是带更多环的多环芳香烃，如苯并a芘及硝基烯都是强致癌物。同时，烃类成分还是引起光化学烟雾的重要物质。1.2.3 氮氧化物(NOx)氮氧化物NOx是NO及NO2的总称。汽车尾气中氮氧化物的排放量取决于气缸内燃烧温度、燃烧时间和空燃比等因素。燃烧过程排放的氮氧化物中95%以上可能是一氧化氮NO,NO2只占少量。NO是无色无味气体，只有轻度刺激性，毒性不大，高浓度时会造成中枢神经的轻度障碍，NO可被氧化成NO2。NO与血液中的血红素的结合能力比CO还强。NO2是一种红棕色气体，对呼吸道有强烈的刺激作用，对人体影响甚大。NO2被吸入人体后和血液中血红素蛋白Hb结合，使血液输氧能力下降，会损害心脏、肝、肾等器官，其具体影响见下表。同时，二氧化氮还是产生酸雨和引起气候变化、产生烟雾的主要原因。另外，HC和NOx在大气环境中受强烈太阳光紫外线照射后，会生成新的污染物光化学烟雾。表1-2不同浓度NO2对人体健康的影响1.2.4 光化学烟雾光化学烟雾是排入大气的氮氧化物和碳氢化合物受太阳紫外线作用产生的一种具有刺激性的浅蓝色烟雾。它包含有臭氧(O3)、醛类、硝酸酯类(PAN)等多种复杂化合物。这些化合物都是光化学反应生成的二次污染物。当遇到低温或不利于扩散的气象条件时，烟雾会积聚不散，造成大气污染事件。这种污染事件最早出现在美国洛杉矶，所以又称洛杉矶光化学烟雾。近年来，光化学烟雾不仅在美国出现，而且在日本的东京、大阪、川崎市、澳大利亚的悉尼、意大利的热那亚和印度的孟买等许多汽车众多的城市先后出现过。在光化学反应中，O3约占85%以上。日光辐射强度是形成光化学烟雾的重要条件，因此每年夏季是光化学烟雾的高发季节；在一天中，下午2点钟前后是光化学烟雾达到峰值的时刻。在汽车排气污染严重的城市，大气中臭氧浓度的增高，可视为光化学烟雾形成的信号。光化学烟雾对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜，引起眼睛红肿和喉炎，这可能与产生的醛类等二次污染物的刺激有关。光化学烟雾对人体的另一些危害则与臭氧浓度有关。当大气中臭氧的浓度达到2001000g/m3时，会引起哮喘发作，导致上呼吸道疾病恶化，同时也刺激眼睛，使视觉敏感度和视力降低；浓度在4001600 g/m3时，只要接触2h就会出现气管刺激症状，引起胸骨下疼痛和肺通透性降低，使机体缺氧；浓度在高，就会出现头痛，并使肺部气道变窄，出现肺气肿。接触时间过长，还会损害中枢神经，导致思维紊乱或引起肺水肿等，如下表。臭氧还可引起潜在性的全身影响，如诱发淋巴细胞染色体畸变，损害酶的活性和溶血反应，影响甲状腺功能，使骨骼早期钙化等。所以，我们必须采取一系列综合性的措施来预防和减轻光化学烟雾给人类造成的损害。表1-3不同浓度O3对人体健康的影响1.2.5 微粒微粒物对人体健康的影响，取决于颗粒物的浓度和其在空气中暴露的时间。研究数据表明，因上呼吸道感染、心脏病、支气管炎、气喘、肺炎、肺气肿等疾病到医院就诊人数的增加与大气中颗粒物浓度的增加是相关的。颗粒的粒径大小是危害人体健康的另一重要因素，它主要表现在两个方面：(1)颗粒越小，越不易沉积，长期漂浮在大气中容易被吸入体内，而且容易深入肺部。一般粒径在100m以上的微粒会很快在大气中沉降；100m以上的尘粒可以滞留在呼吸道中；510m的尘粒大部分会在呼吸道沉积，被分泌的黏液吸附，可以随痰排除；小于5m的微粒能深入肺部；0.010.1m的尘粒，50%以上将沉积在肺腔中，引起各种尘肺病。(2)粒径越小，粉尘比表面积越大，物理、化学活性越高，加剧了生理效应的发生和发展。此外，尘粒的表面可以吸附空气中的各种有害气体及其他污染物，而成为它们的载体，如可以承载强致癌物质苯并芘及细菌等。2 汽车尾气的排放机理2.1 一氧化碳的生成机理汽车尾气中CO的产生是燃烧不充分所致，是氧气不足而生成的中间产物。一般烃燃料的燃烧反应有以下过程： 2CmHn+mO2 2mCO+nH2燃气中的氧足够时有： 2H2+O2 2H2O 2CO+O2 2CO2】同时CO还在与生成的水蒸气作用，生成氢和二氧化碳。可见，如果燃气中的氧气量充足时，理论上燃料燃烧后不会生成CO。但当氧气量不足时，就会有部分燃料不能完全燃烧而生成CO。在非分层燃烧的汽油机中，可燃混合气基本上是均匀的，其CO排放量几乎完全取决于可燃混合气的空燃比或过量空气系数a。下图所示为11种H/C比值不同的燃料在汽油机中燃烧后，排气中CO的摩尔分数Xco与或a的关系。在浓混合气中（a 1）时 ，CO的排放量都很小。只有在a =1.01.1时，CO的排放量才随a有较复杂的变化。 在膨胀和排气过程中，汽缸内压力和温度下降，CO氧化成CO2的过程不能用相应的平衡方程精确计算。受化学反应动力学影响，大约在1100时，CO浓度冻结。汽油机起动暖机和急加速、急减速时，CO排放比较严重。在柴油机的大部分运转工况下，其过量空气系数a 都在1.53之间，故其CO排放量要比汽油机低得多，只有在大负荷接近冒烟界限（a =1.21.3）时，CO的排放量才急剧增加。由于柴油机燃料与空气混合不均匀，其燃烧空间总有局部缺氧和低温的地方，以及反应物在燃烧区停留时间较短，不足以彻底完成燃烧过程而生成CO排放，这就可以解释下图在小负荷时尽管很大，CO排放量反而上升。类似的情况也发生在柴油机起动后的暖机阶段和怠速工况中。 2.2 碳氢化合物的生成机理车用柴油机的中未燃HC都是在缸内燃烧过程中产生的。汽油发动机中未燃HC的生成与排放主要有一下3种途径。（1）在汽缸内的燃烧过程中产生并随废气排出，此部分HC主要是燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料。（2）从燃烧室通过活塞组与汽缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃燃料，如果排入大气中也构成HC排放物。（3）从汽油机的燃油系统蒸发的燃油蒸气。1、车用汽油机未燃HC的生成机理车用发动机的碳氢排放物中有完全未燃烧的燃料，但更多的燃料的不完全燃烧产物，还有小部分是由于润滑油的不完全燃烧产生。发动机一个工作循环内，排气中HC的浓度出现两个峰值：一个出现在排气门刚打开时的先期排气阶段；另一个峰值出现在排气行程结束时。HC的生成主要是由火焰在壁面变冷、狭隙效应、润滑油膜的吸附和解吸、燃烧室内的沉积物的影响、体积淬熄及碳氢化合物的后期氧化所致。1）火焰在壁面淬冷在正常工况下，淬熄层中的未燃HC在火焰掠过后大部分会向燃烧室中心扩散并完全氧化反应，使得HC的浓度降低。但是在发动机冷起动、暖机和怠速的时候，淬熄层较厚，同时已燃气体温度较低及混合气较浓，使后期作用较弱，因此壁面火焰淬熄是此类工况下未燃HC的重要来源。2）狭隙效应 发动机燃烧室内有各种狭窄的间隙，当间隙小到一定程度的时候，火焰不能进入便会产生未燃HC3）润滑油膜对燃油蒸汽的吸附和解吸进气过程中，润滑油膜溶解和吸收了进入汽缸的碳氢化合物，这种溶解和吸收过程在压缩和燃烧过程中的较高压力下继续进行。在燃烧过程中，当燃烧室燃气中的HC浓度由于燃烧而下降至很低时，油膜中的HC开始已燃气解吸，此过程将持续到膨胀和排气过程。一部分解吸的燃油蒸气与高温燃烧产物混合并被氧化；其余部分与较低温度的燃气混合，因不能氧化而成为HC的排放源。4） 燃烧室内沉积物的影响发动机运转一段时间后，会在燃烧室壁面、活塞顶、进排气门上形成沉积物，从而使HC排放增加。对使用含铅汽油的发动机，HC排放可增加7%20%。当沉积物沉积于间隙中，由于间隙容积的减少，可能使由于狭隙效应而生成的HC排放量下降，但同时又由于间隙尺寸减小而可能使HC排放量增加。5） 体积淬熄发动机在某些工况下，火焰前锋面达到燃烧室壁面之前，由于燃烧室压力和温度下降太快，可能使火焰熄灭，称为体积淬熄。故汽车汽油机点火系的工作可靠性对HC排放是至关重要。6） 碳氢化合物的后期氧化为燃烧的碳氢化合物释放出来，重新被全部或部分氧化（1） 汽缸内未燃碳氢化合物的后期氧化（2） 排气管内未燃碳氢的氧化2、车用柴油机未燃HC的生成机理柴油机的碳氢排放物有其自身的特点：柴油机中的碳氢化合物比汽油中的碳氢化合物沸点高、分子量大，柴油机的燃烧方式使油束中燃油的热解作用难以避免，故柴油机排气中未燃或部分氧化的HC成分比汽油机的复杂。柴油机的燃料以高压喷入燃烧室后，直接在缸内形成可燃混合气并很快燃烧，燃料在汽缸内停留的时间较短，生成HC的相对时间也短，故其HC排放量比汽油机少。2.3 氮氧化物的生成机理车用发动机排气中的氮氧化物NOX包含NO 和NO2，其中大部分是NO，它们是N2在燃烧高温下的产物。1. NO的生成机理从大气中的N2生成NO的化学机理是扩展的泽尔多维奇机理。在化学计量混合比（=1）附近导致生成NO和使其消失的主要反应式为：O2 2OO + N2 NO + NN + O2 NO + ON + OH NO + H反应式主要发生在非常浓的混合气中，NO在火焰的前锋面和离开火焰的已燃气体中生成。汽油机的燃烧在高压下进行，并且燃烧过程进行的很快，反应层很薄且反应时间很短。早期燃烧产物受到压缩而温度上升，使得已然气体温度高于刚结束燃烧的火焰带的温度，因此除了混合气很稀的区域外，大部分NO在离开火焰带的已然气体中产生，只有很少部分NO产生在火焰带中。也就是说，燃烧和NO的产生是彼此分离的，应主要考虑已然气体中NO的生成。NO的生成主要与温度和过量空气系数有关。左图表示正辛烷与空气的均匀混合气在4mpa压力下等压燃烧时，计算得到的燃烧生成的NO平衡摩尔分数xnoe与温度t及过量空气系数 的关系。从途中可以看出：在 1的稀混合气区， 随温度的升高而迅速增大;在一定的温度下， 随混合气的加浓而减少。当 0，即c/01时碳烟CS0,此时开始生成烟粒。图2-14表示碳氢化合物在燃烧器条件下，预混合火焰中生成烟粒的温度和过量空气系数的关系，烟粒在极浓的混合气中生成，且在16001700K温度范围内，烟粒生成比例达到最大值。图2-15则表示柴油机在燃烧中，生成烟粒和NOX的温度与过量空气系数的关系，及柴油机压缩上止点附近各种浓度的混合气在燃烧前后的温度。由该如图可见，a0.9时，NOX生成量增加；当a0.6时，则烟粒生成量增加。如图2-15a中各箭头所示。在预混合燃烧中，由于燃油在空气分布不均匀，既生成烟粒，也生成NOx，柴油机扩散燃烧中混合气状态变化。喷油结束后，燃气与空气进一步混合。（3）烟粒的氧化在烟粒的整个过程中，不论是先兆物、晶核还是聚集物，都可能发生氧化。柴油机气缸内的烟粒峰值浓度远远大于排放浓度，说明燃烧过程所生成的烟粒大部分已在排气过程开始前被氧化掉。在火焰中出现多钟化学物质如O2、O、OH、CO、HO2等，可能参与烟粒的多相燃烧反应。在氧是重要氧化剂的浓混合气火焰中，OH基已很高的反应活性起作用，而不会使聚集物破碎。柴油机气缸内高压条件下，烟粒的氧化速度很高，从开始氧化的3ms内，就可以氧化掉已生成碳烟总质量的90%以上随后的氧化，则取决于碳烟与空气的混合，并随着膨胀过程逐渐缓慢下来。烟粒的多相氧化物主要是CO，而不是CO2。故排放的烟粒通常只占燃烧室中所出现的数量很小的比例。氧化作用需要一定的温度只要要700800（4）SOF的吸附与凝结柴油机排气微粒生成过程的最好阶段，是组成SOF的重质有机化合物向烟粒聚集物的凝结与吸附。吸附是未燃的碳氢化合物或未完全燃烧的有机物分子通过化学键力或物理力粘在碳烟粒子便面上，当排气的稀释比增大的时候、温度下降时，烟粒表面活性吸附点的增加起主要作用，使SOF在增加。当温度下降过多时，吸附质分压力减小SOF下降。凝结发生在烟粒周围的气体有机物的蒸汽压力超过其饱和蒸汽压时。增大稀释比会减小气体有机物的浓度，因而降低其蒸汽压。此外，降低温度也会使饱和气压降低。最容易凝结的是排气中的低发挥性的有机物，其来源为为燃烧燃油中的重馏份，已经热解但未燃烧的不完全燃烧有机物及窜入燃烧室的润滑油微粒。若柴油机排气中未解HC浓度高，则冷凝作用强烈。3 汽车尾气排放检测3.1 汽车排放测试汽车排放污染物的测试是废气净化研究的重要方面。正确测试汽车有害排放物的含量是研究汽车有害排放物的形成及其控制技术和装置的重要前提。随着各国汽车排放标准的日趋严格，其排放测试技术也在不断地完善。汽车排放污染物的浓度一般都低，在排气过程中的废气成分因互相影响而不稳定，采样测量时样气在进入测试仪器前的管路中，有凝聚和吸附现象等。因此，为得到正确的测量结果，就必须要有合理的采集排气样气的取样系统，以及具有良好的抗干扰性能和高灵敏度的测试仪器。3.1.1 汽车排放污染物取样取样是汽车排放测试的第一环节，在不同条件下，需要不同的取样技术。取样方法不同，取样系统也有所不同。取样系统的功能在于使样气经过预处理，以便按一定要求送入分析系统。取样的正确与否对测量结果的正确性关系极大。按取样方法分，目前常采用的取样系统有直接取样系统、稀释取样系统和定容取样系统。1、 直接取样系统直接取样法，是将取样探头插入发动机的排气管中，用取样泵连续抽取一定量气体不经稀释直接送入分析系统进行分析。由于直接取样法设备简单，操作方便，被广泛用于许多国家和地区的各种用途发动机的排放测量中。发动机在测功机台架上稳定运行，分析用样气直接从发动机的排气管抽取。因为未经稀释的排气污染物浓度越高，保证了较高的测量精度。取样探头一般为一端封闭、多孔、平直的不锈钢探头，垂直插入排气管内，插入长度不少于排气管内径的80%。探头处的排气温度不应低于343K，进行发动机测试时，取样探头应安装在距排气歧管或增压器法兰盘出口1.52.5m的位置。2、 稀释取样系统测量重型车用柴油机的微粒排放测试时，用稀释取样系统取样，既可用全流稀释取样系统，也可用分流稀释取样系统。3、 定容取样系统现在，世界各国的排放法规大多规定对汽车的排气先用干净空气进行稀释，然后用定容取样系统取样。除取样袋手机的气体外，大部分排气被排出取样器，由测量器测量排出气体的总流量。测量总流量的常用方法有：一是用容积泵；二是用临界流量文社里管3.1.2 排气成分分析仪1.尾气检测仪汽车尾气检测仪适应于执法机构对行驶中机动车污染排放进行实路检；本仪器可帮助汽车维修厂通过对机动车尾气的测量分析，将发动机调节最佳工作状态。带RS232通讯接口，允许数据在计算机上登陆处理；或与打印机相关打印数据。2.尾气检测注意事项对于装有催化转化器的汽车，如果催化剂工作正常，会使CO和HC减少。因此，将取样探头插到催化转化器之前测量未经转换的排气或在EGR阀的排气口检测。必要时，使空气泵和二次空气喷射系统停止工作。读取测量数据前，不要让发动机怠速运转时间过长。在发动机暖机后，才能使用尾气分析仪进行尾气检测。在进行变工况测试中，要让加速踏板稳住后再读取测量数据。3.2 汽车发动机的排放特性发动机排放污染物的浓度是随发动机的工况（负荷与转速）变化的，各种排气污染物（CO、HC等）的排放量随发动机运转工况参数如转速N、平均有效压力Pme等的变化规律，称为发动机的排放特性。在环保法规日益严格的今天，对发动机的排放要求越来越高，掌握了发动机的排放特性，对于我们按照低排放要求正确使用发动机有着重要的知道意义。根据发动机的排放特性，可以找出其运转时排放最严重的工况区，从而为低排放改造指出方向。3.2.1 发动机的稳态排放特性图3-1、图3-2和图3-3分别为一台比较有代表性的排量为2L的4气门现代车用进气道电子喷射汽油机的CO、HC和NOx稳态排放特性图。由图3-1可见，为了满足三效催化转化器高效率工作的要求，现代车用汽油机在常用的部分负荷区将过量空气系数a控制在1.0左右，所以CO的排放较低，而在负荷很小时，为了保证燃烧的稳定，混合气被适当加浓，从而导致了CO的排气略有上升。当工作负荷接近全负荷时，为了使发动机能发出较大的功率和转矩，混合气被显著加浓，从图中可以看到，CO的比排放量BSCO开始急剧升高，而绝对排放浓度和质量则上升更快。图 3-1 汽油机CO比排放特性图 图3-2表示了车用汽油机未燃HC排放量的变化趋势。从图中可见HC的变化趋势和CO比较相似，中等负荷时比排放量较小，大负荷和小负时想对增加。但有两个不同之处：一是HC在全负荷时其排放没有像CO那样显著增加，只是稍有增加，基本和中等负荷时保持同一水平；二是小负荷时HC比排放量BSHC随负荷的减小增加的程度更加明显。CO和HC生成机理不同可以解释造成这两种情况的原因。在大负荷时采用过浓的混合气以得到更大的功率和转矩，这时氧气相对较少，燃料不可能完全氧化，从而生成大量的CO，而HC的排放主要由于淬熄等多种因素所致，每循环绝对排放量的变化是不大的，当汽油机转速一定时，随着负荷增加，空燃比增大，混合气变稀，排气中HC比排放量下降。若进一步加大负荷，混合气变浓，特别是全负荷时排气中严重缺氧，未燃的HC无法完全氧化，其比排放量又会增加。在低速小负荷时，缸内温度低，对未燃HC的氧化不利，缸壁的激冷作用变强，因此HC比排放量同样会增加。图3-2 汽油机HC比排放特性汽油机NOx排放如图3-3所示，其排放规律与CO、HC的排放规律有很大区别。当转速一定时，NOx的比排放量BSNOx随负荷增大而不断减小，而实际上在中等负荷区，随着负荷的增大，由于燃烧温度提高了，NOx绝对排放量增加，但NOx 的增加与负荷是不成正比的，因而NOx 比排放量却是逐渐下降的。在大负荷时，由于混合气过浓，氧气不足，不利于NOx的生成，NOx绝对排放量下降，比排放量下降更快。从图中还可以看出，当负荷一定时，随着转速的增加，NOx的比排放量增加，其绝对排放量显著增加。图 3-3 汽油机NOx比排放特性3.2.2 发动机的瞬态排放特性1. 起动工况图3-5 汽油机常温起动时CO、HC和NOX随时间的变化图3-6 汽油机热起动时CO、HC和NOX随时间的变化图3-5和图3-6分别表示了某型汽油机常温起动和热起动时CO、HC、和NOx随时间的变化。在常温起动时汽油机的转速、进气系统和汽缸温度较低，空气流动速度也低，汽油很难完全蒸发，较多的汽油沉积在进气系统和汽缸壁面上，形成油膜，导致汽油雾化差，混合气质量欠佳，燃油壁流现象严重，各缸混合气分配不均匀。在低温下，汽油的饱和蒸气压力下降，难以形成在着火界限可燃的混合气。为了顺利起动，须向汽油机提供很浓的混合气，浓混合气、低的压缩温度和壁面温度等，都使得燃烧不完全，CO和HC的排放浓度增加。另一方面，起动时混合气过浓及气体温度低、氧气的缺乏使得NOx排放浓度低，但呈上升趋势，这可能是由于机体温度升高造成的。汽油机热起动时由于其较常温起动时进气量少，混合气浓，CO的峰值高，HC排放低，同时热起动发动机汽缸内混合气温度高于常温起动，NOx在热起动后大约29s内高于常温起动。2.加减速工况汽油机加速工况，一般指迅速开起节气门增加转矩到最大值，使转矩急剧提高。汽油喷射发动机由于不需特别加浓混合气，其排放与相应的各稳定工况相似。车用汽油机的减速工况指的是节气门迅速关闭，发动机由汽车倒托，在较高转速下空转。对于汽油喷射发动机，在减速时不再供油，进气系统中液态油膜少，因此排放的HC和CO很少。3.怠速工况汽油机怠速运转的特点是转速低，节气门开度小，供油量少，但混合气浓度较高，雾化不良。节气门开度小，使残余废气相对较多，有的汽油机残余废气系数可达0.350.8，而且各缸差别较大。这种情况造成燃烧缓慢，燃烧不完全，甚至因点不着火而出现间断着火现象。一般来说，在怠速时CO和HC排放浓度高而NOx排放浓度则较低。适当提高汽油机怠速转速，使进气节流度减少，新鲜充其量增加，残余废气量相对减少，对改善燃烧、降低CO及HC的排放有利。汽油机起动后，其构成燃烧室的主要零件以及润滑系、冷却系是不能立即达到正常工作温度的，需要一个暖机的过程，属于怠速运转。这时采用浓混合气来弥补汽油在进气道和汽缸壁面上的冷凝，保证燃烧的稳定。因此，CO和HC排放浓度高，但因燃烧温度不高，故NOx排放浓度不高。表3-1 发动机在不同工况下尾气排放浓度值正常范围4 利用尾气排放参数判断发动机的工作状况4.1 尾气排放参数的分析汽车发动机可燃混合气在燃烧过程中会产生HC、CO、NOX等有害气体和CO2、H20、O2等无害气体。由于尾气成分与发动机的工况有最直接的联系，所以通过汽车尾气的检测可初步分析发动机的工作状况、性能好坏，可以检查包括燃烧情况、点火能量、进气效果、供油情况、机械情况等诸多方面。更为重要的是，当发动机各系统出现故障时，尾气中某种成分必然偏离正常值，通过检测发动机不同工况下尾气中不同气体成分的含量，可判断发动机故障所在的部位。尾气分析主要内容有混合气空燃比、点火正时及催化器转化效率等，主要分析的参数有CO、HC、CO2和氧（O2），还有空燃比（A/F）或相对空燃比（）。4.1.1 空燃比对尾气成分的影响HC是未燃燃料、可燃混合气不完全燃烧或裂解的碳氢化合物及少量的氧化反应的中间产物。CO主要来自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。CO2是可燃混合气燃烧的产物，它能够反映出燃烧的效率。 图4-1 空燃比、过量空气系数与尾气成分的关系曲线如图4-1所示，随着空燃比的增加，CO的排放浓度逐渐下降，HC的排放浓度两头高、中间低，CO2的排放浓度中间高、两头低。当空燃比小于14.7:1时（混合气变浓），由于空气量不足引起不完全燃烧，CO、HC的排放量增大。空燃比越接近理论空燃比14.7:1，燃烧越完全，HC、CO的值越低，O2越接近于零，而CO2的值越高（最大值在13.5%14.8%之间）。而当混合气空燃比超过16.2:1时（混合气变稀），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HC大量排出。混合气过浓将产生大量的CO、HC，混合气过稀将引起失火而生成过多的HC。4.1.2 点火正时对尾气成分的影响图4-2 点火提前角与燃油消耗率、尾气成分的关系曲线如图4-2所示，点火提前角对CO的排放没有太大影响，过分推迟点火会使CO没有时间完全氧化而引起CO排放量增加，但适度推迟点火可减小CO排放。实际上当点火时间推迟时，为了维持输出功率不变需要开大节气门，这时CO排放明显增加。随着点火提前角的推迟，HC的含量降低，主要是因为增高了排气温度，促进了CO和HC的氧化，也由于减小了燃烧室内的激冷面积。4.2 尾气分析的基本结论4.2.1 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4.2.2 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。如果每个气缸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，则表明这个气缸点火或燃烧不正常。另外，当四缸发动机中有一个缸不工作时，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%。4.3 实例分析过去人们常讲的“望” (眼看)、“闻” (耳听)、“切”(手摸)方式。随着现代科学技术的进步，特别是随着计算机技术的进步，汽车检测技术也飞速发展。基于这几年对本地区汽车维修企业和维修人员的调查,目前人们已能依靠各种先进的仪器设备，如汽车故障诊断仪、示波器、红外线测温仪等设备对汽车进行不解体检测，而且安全、迅速、准确。但是将汽车尾气分析仪应用于汽车的维修上还是很少，尾气分析仪大都还是环保部门做检查环保，对修理厂修车用的不是很多。然而这种仪器的运用是对车的动力、经济和排放整体的一个综合检测，对它的检测结果分析可知汽车总体性能和技术状况。4.3.1 北京现代06款伊兰特故障现象：一辆2006年款伊兰特轿车，装备VVT发动机。用户反映发动机故障灯点亮，发动机怠速时抖动。 检查分析：使用北京现代智能检测仪检测，调取发动机故障码为P0304(检测到发动机第4缸缺火)，查看发动机缺火数据帧为：发动机转速724r/min，总点火次数391次，发动机4缸缺火次数4次。 对发动机进行基本检查，但是没有发现问题。替换了点火线圈、火花塞以及喷油器等部件，但是依然显示发动机缺火。怀疑发动机进排气系统有问题，测量气缸压力，测得1缸、2缸以及3缸的缸压接近1.4MPa，4缸的压力1.2MPa，虽然比其他3个缸的缸压小0.2MPa，但也在正常相差范围内。 维修人员决定用废气分析仪进一步检查发动机进排气系统。为了满足排放法规的严格要求，使HC、CO和NOx等有害气体零排放，现代发动机控制系统必须始终将实际空燃比控制在理论空燃比14.7：1(也就是过量空气系数始终为1)附近。实测该车发动机怠速工作时尾气成分为：CO2为9.94%，O2为8.09%，HC为59610-6，CO为0.784%，NOx为010-6，过量空气系数为1.5。 将发动机转速稳定在3000r/min时，过量空气系数接近1，这表明高速时发动机控制系统对实际空燃比的控制基本正常。维修人员怀疑发动机工作时有未经过空气流量计的空气进入气缸，造成怠速时混合气过稀，使过量空气系数大于1。拆掉气门室盖，检查气门正时正常。检查进排气门间隙，发现4缸2个排气门中，有一个没有间隙，始终顶在凸轮轴上，造成气门无法关闭，一直存在漏气。拆解发动机气缸盖，发现始终漏气的排气门的气门座下沉。 故障排除：对发动机4缸下沉的排气门座进行修复，并更换4缸的2进2排4个气门和气缸盖全部16个气门油封，装复后故障排除。4.3.2 北京现