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汽车尾气检测与故障诊断
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：
Exhaustgasanalysisandenginetroublediagnosis
Abstract：
Withthedevelopmentpfautoindustryandthefastincreaseofthepresentquantityofvehicles,thetownenvironmenthasbeenbadlypollutedbythebehicleemission.Vehicleemissoncontrolhasarousedthehighopinionoftheworldeverystatenation,andhomeandabroadcorrelationscienceandtechnogyworkeralsoexpendtheextremlygreatefforttothis,andhadbeenacquiredvalidfruitonnewvehiclecontrol.Atthemoment,bocomeasignificantjobintheinterestofbetterdominatingthetownautomobile.
Emissionisclosedrelatedtothetechnicalconditionofengine.ContentofVariousgasesintheexhaustgascanassistservicemeninjudgingengineTrouble.Thissumsupfactorsthathaveaninfluenceoverexhaustgascontent,andalsosumsupmethodsandtipsregardingdiagnosingtroublebyMeansofutilizingcontentofvariousgasesintheexhaustgas.
Keywords：
automobile;exhaustgasanalysis;engine;troublediagnosis
摘要……………………………………………………………………………………………I
绪论……………………………………………………………………………………………1
2汽车尾气的排放机理………………………………………………………………………5
3汽车尾气排放检测…………………………………………………………………………12
4利用尾气排放参数判断发动机的工作状况………………………………………………18
结论……………………………………………………………………………………………22
致谢……………………………………………………………………………………………23
参考文献………………………………………………………………………………………24
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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200~300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200~1000μg/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400~1600μg/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100μm以上的微粒会很快在大气中沉降；100μm以上的尘粒可以滞留在呼吸道中；5~10μm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5μm的微粒能深入肺部；0.01~0.1μm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[α]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α或过量空气系数φa。
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α或φa的关系。
在浓混合气中（Φa<1）时，因缺氧引起不完全燃烧，CO的排放量随Φa的减小而增加。
在稀混合气中（Φa>1）时，CO的排放量都很小。
只有在Φa=1.0～1.1时，CO的排放量才随Φa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Φa都在1.5～3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（Φa=1.2～1.3）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HC
3）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（φ=1）附近导致生成NO和使其消失的主要反应式为：
O2→2O
O+N2→NO+N
N+O2→NO+O
N+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<1以后，由于氧不足，随的减少而急剧下降。
因此可以得出一下结论：
在稀混合气区NO的生成主要是温度起作用；在浓混合气区主要是氧浓度起作用。
左图中的虚线表示对应绝热火焰温度下的NO平衡摩尔分数。
绝热温度指混合气燃烧后释放的全部热量减去音自身加热和组成变化所消耗的热量而达到的温度。
它是过程中可能达到的最高燃烧温度。
一般情况下，绝热火焰温度在稍浓混合气时达到最高值，但由于此时缺氧，故NO盘防止不是最高，所以最大值出现在稍稀的混合气中。
若混合气过稀，火焰温度大大下降。
使NO排放减低。
；
生成NO的过程中，达到NO的平衡摩尔分数需要较长时间。
图2-9表示在不同的温度下NO生成的总量化学反应式N2+O2→2NO的进展快慢，用NO摩尔分数的瞬时值XNO与其平衡值XNOE之比表示。
从图中可以看出，反应温度越低，则达到平衡摩尔分数所需时间越长，并且NO的生成反应比发动机中的燃烧反应慢，可见温度越高，氧浓度越高反应时间越长，NO的生成量越多，所以对NO的主要控制方法就是降低最高燃烧温度。
发动机在运转中因燃烧经历时间极短，温度的上升和下降都很迅速，故NO的生成不能达到平衡状态，且分解所需时间也不足，所以在膨胀过程初期反应就冻结，是NO以不平衡状态时的浓度被排出。
从燃烧过程看，最初燃烧部分生成的NO约占其最大浓度的50%；随后燃烧的部分所成的NO浓度很小且几乎不再分解，因此NO的排放不能按平衡浓度的方法计算，只能由局部的燃烧温度及其持续时间决定。
2、NO2的生成机理
汽油机排气中的NO2的浓度与NO浓度相比可忽略不计，但在柴油机中NO2可占到排气中总NOX的10%-30%。
反应机理如下NO+HO2→NO2+OH然后NO2又通过下述反应式转化为NO+NO2→NO+O2
只有在NO2生成后，火焰被冷的空气所激冷。
NO2才能保存下来，因此汽油机长期怠速会产生大量NO2。
柴油机在小负荷运转时，燃烧室中存在很多低温区域，可以抑止NO2向NO的再转化而使NO2的浓度增大。
NO2也会再去爱低速下在排气管中生成，因为此时排气在有氧条件下停留较长时间。
2.4微粒的生成机理
1、汽油机微粒的生成机理
汽油机中的排气微粒有三种来源：
含铅汽油中的铅、有机微粒。
来自汽油中的硫所产生的硫酸盐。
车用汽油机用含铅量0.15g/l的含铅汽油运转时，微粒排放量在100-150mg/km范围内，其主要成分为铅化合物，铅质量分数占25%-60%，微粒尺寸分布为80%的直径小于0.2。
这种微粒是由排气中的铅盐冷凝而成的。
硫酸盐排放主要涉及排气系统中有氧化催化剂的车用发动机。
汽油中的硫在燃烧中转化为SO2后，与水结合生成硫酸雾。
因此，汽油机硫酸盐的排放量直接取决于汽油中的硫含量。
此外当发动机技术不良时导致润滑油消耗很大时，会使排气冒蓝烟，这是未燃烧润滑油微粒构成的气溶胶。
此时发动机性能明显恶化，需立即检修。
2、柴油机微粒的生成机理
1）柴油机排气微粒由很多原生微球的聚集体而成，总体结构为团絮状或链状。
柴油机排气微粒的组成取决于柴油机的运转工况，尤其是排气唯独。
当排气温度超过500℃，排气微粒基本上是很多碳质微球的聚集体，称之碳烟：
当排气温度低于500℃时，烟粒会吸附和凝聚多钟有机物，称为有机可容成分。
这些有机物在一定温度下可以发挥，而且绝大部分能溶解于一定的有机溶剂中。
它在微粒中含量变化范围很广，可从10%-90%，其含量决定于燃油性质、发动机类型和工况。
柴油机微粒排放包括包括白烟、蓝烟、黑烟。
其中白烟、蓝烟中较高的H/C，其主要成分为未燃的燃料微粒，蓝烟中还有窜入燃烧室的润滑油成分。
白烟和黑烟没本质区别，只是由于微粒大小不同，使光照显色有异。
2）烟粒的生成机理
柴油机排放的烟粒主要由燃油中的碳生成，并受燃油种类、燃油分子中的碳原子数及氢原子比的影响。
柴油机烟粒的生成和长大过程一般可分为两个阶段：
（1）烟粒生成阶段：
这是一个诱导期，期间燃料分子经过其氧化中间产物或热解产物萌生凝聚相。
特别是乙炔及其较高阶的同系物CnH2n-2和PAH，这类分子已被认为是火焰中形成碳烟微粒子最可能的先兆物。
（2）烟粒长大阶段：
包括表面生长和聚集两种形式。
表面生长指烟粒表面粘住来自气相的物质使其质量增大，同时还发生脱氧反应，但不会改变烟粒数量。
在柴油机中，烟粒聚集过程常与烟粒在空气中的氧化过程同时发生，即在燃烧早期生成的碳烟微粒，在温度高于碳反应温度的富氧区和扰流火焰出现的地放，在燃烧后期可能和氧混合而完全燃烧。
烟粒排放量取决于烟粒生成反应和氧化反应之间的平衡情况。
对于烟粒的开始生成可燃混合气的碳氧原子比是重要的影响因素，其当量反应式为（c、h、o分别表示C、H、O的原子数）：
CcHh+0.5oO2→oC2+0.5hH2+（c-o）CS式中，当c>0，即c/0>1时碳烟CS>0,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1600～1700K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，φa<0.5的混合气燃烧后必定产生烟粒。
图2-15a的右上角是各种浓度的混合气在各种温度下燃烧0.5ms后NOX体积分数。
要使柴油机燃烧后烟粒和NOX都很少，φa应在0.6～0.9之间。
实际燃烧区内，当φa>0.9时，NOX生成量增加；当φa<0.6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700～800℃（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
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