汽车排放超标的原因分析与修复上

汽车排放超标的原因分析与修复(上)文/广东王囤一、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1CO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。2HC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。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。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。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。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)。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)。曲轴箱窜气直接排入大气(曲轴箱通风系统泄漏)。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。未燃烧图1 淬灭效应与淬灭区淬火层未完全 燃烧混 合汽混合汽汽缸壁 活塞间隙 淬火维修技巧Maintenance Skill栏目编辑：姜曼 jm 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)。3NOx的生成及原因NO X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N O X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N O X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，NO X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系统所提供图2 EGR对NOx排放的影响X10 50007X5图3 混合汽浓度对排放污染物的影响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、NO X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。2012/10汽车维修与保养45有害气体排出量NOX浓度，ppmCO NO% ppm浓稀9HC8 4000ppm6 3000CO3004 200020032 1000100110 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22NOHC40003000200010006004002001006040稀浓0.91.01.11.2 燃空当量比维修技巧Maintenance Skill栏目编辑：姜曼 jm 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NO X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 、H C 排放都会 增 大，但N O X 排放会 相应 减少；残余废气 较 少，CO、HC排放都会较少，但N O X排放会 相应增大。8压缩压力的影响压缩压力增大，CO 、H C 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 、H C 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1CO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。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；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)；输入传感器有故障，检测方法：测试 相关传感器数据；燃油蒸汽回收系统故障，检测方法： 检查燃油蒸汽回收系统；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；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；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；压缩压力不足，检测方法：检查缸压；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；ECU故障：一般情况下ECU不容易 损坏，但有时候也要结合其他故障现象对 ECU做进一步诊断(例如油耗情况)。(2)CO排放量过大的建议检修程序：用故障诊断仪读取故障代码，根据故 障代码，进行有针对性维修；用故障诊断仪读取数据流，相关数 据包括：空气流量或进气压力、水温、气温、 节气门位置、主氧传感器、副氧传感器、喷油 脉宽、点火正时、混合汽浓度等，进行有针 对性维修；用故障诊断仪进行执行元件测试，包 括：点火器、喷油器、怠速阀、蒸汽回收阀、 油泵继电器等，进行有针对性维修(某些项 目可能多余，但不会花费太多时间，却可以 发现潜在故障)；检查燃油蒸汽回收系统是否不能关 闭，进行有针对性维修；测量油压，进行有针对性维修(包括 清洗燃油系统，如油路、滤清器、喷油器、调 压器及其真空管等)。用喷油器清洗检测试 验台清洗、检测喷油器；检查进气系统是否漏气(对于采用进 气压力传感器的D型电喷系统)；检查进排气系统及涡轮增压器，看 是否阻塞或工作不良，检修催化转化器；检查压缩压力，进行有针对性维修；检查ECU是否存在故障；用故障诊断仪进行基本调整、自适应 匹配等操作。(未完待续)-CHINA46October