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尾气分析在汽车发动机故障诊断中的应用
毕业论文
论文题目：
尾气分析在汽车发动机故障诊断中的应用
所在院系：
汽车与机械工程系
专业班级：
汽车制造与装配技术
学生姓名：
贾士喜
学生学号：
200721546
指导教师：
徐小东
完成时间：
2010.6.23
尾气分析在汽车发动机故障诊断中的应用
目录
引言………………………………………………………3
一、发动机的有害排放物主要成分及其危害………3、4
二、汽车排气污染物的危害…………………………4、5
三、尾气分析的项目和基本规则……………………5、6
四、尾气分析仪在故障检测诊断中的应用…………6、7
五、尾气分析在汽车故障检测诊断中的应用实例…8、10
参考文献………………………………………………11
结束语…………………………………………………11、12
致谢语……………………………………………………12
摘要：
汽车故障诊断技术是指在整车不解体情况下，确定汽车的技术状况，查明故障原因和故障部位的汽车应用技术。
汽车是一个复杂的技术系统，是许多总成、机构和元件的有序构成。
在使用过程中，由于某一种或几种原因的影响，其技术状况将随行驶里程的增加而变化，其动力性、经济性、可靠性、安全性将逐渐或迅速地下降，排气污染和噪声加剧，故障率增加，这不仅对汽车的运行安全、运行消耗、运输效率、运输成本及环境造成极大的影响，甚至还直接影响到汽车的使用寿命，因而研究汽车故障的变化规律，定期检测汽车的使用性能，及时而准确地诊断出故障部位并排除故障，就成为汽车使用技术的一项重要内容。
汽车故障诊断技术是随着汽车的发展从无到有逐渐发展起来的一门技术。
国外的一些发达国家，早在20世纪40～50年代就发展成为以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术。
进入60年代后，演变成为既能进行维修诊断，又能进行安全环保检测的综合检测技术。
随着电子计算机的发展，70年代初出现了检测控制自动化、数据采集自动化、数据处理自动化、检测结果自动打印的现代综合故障检测技术，检测效率极高。
进入80年代后，一些先进国家的现代诊断检测技术已达到广泛应用的阶段，给交通安全、环境保护、节约能源、降低运输成本和提高运输力等方面带来了明显的社会效益和经济效益。
我国的汽车故障诊断与检测技术起步较晚，在20世纪30年代，汽车故障诊断完全依靠工人和技术人员掌握的知识和经验，凭感官来分析判断汽车故障之所在。
60～70年代开始引进和研制汽车故障诊断检测设备，进入80年代以后，随着国民经济的发展，特别是随着汽车制造业、公路交通运输业的发展和进口车辆的增多，我国的机动车保有量迅速增加，汽车故障诊断检测技术成为国家“六五”重点推广项目，并视其为推进汽车维修管理现代化的一项重要技术措施。
90年代初，除交通、公安两部门外，机械、石油、冶金、外贸等系统和部分大专院校，也建成了相当数量的汽车检测站。
到90年代末，我国汽车检测诊断技术已初具规模，基本形成了全国性的汽车检测网。
与此同时，我国交通部颁布了第13号部令《汽车运输业车辆技术管理规定》、28号部令《汽车维修质量管理办法》和29号部令《汽车运输业车辆综合性能检测站管理办法》，对汽车故障诊断检测技术、检测制度和综合性能检测站等均做出了明确规定，其组织管理也步入正轨。
随着公路交通运输企业、汽车制造企业和整个国民经济的发展，我国的汽车故障诊断检测技术在本世纪必将获得进一步发展。
关键词：
尾气分析故障诊断分析仪器实际应用
引言
随着汽车工业的发展和汽车保有量急剧增加，汽车尾气排放的污染物是一致公认的城市大气主要污染公害之一，已成为严重的社会问题。
因此，检测并控制汽车排气污染物的浓度，以及对尾气排放的分析，已成为汽车检测中重要的检测项目。
而且也成为发动机故障诊断的重要的依据。
汽车保有量的与日俱增，汽车排气对人类健康的危害及对环境的污染也日甚一日。
对此，世界各国都制定了相应的法规和标准，以期把汽车有害排放物控制在较低的水平。
为了满足排放标准，必须对发动机排气进行净化。
近几年来，汽车界开发和创制出许多净化排气的新技术和新装置。
汽车是一个复杂的技术系统，是许多总成、机构和元件的有序构成。
在使用过程中，由于某一种或几种原因的影响，其技术状况将随行驶里程的增加而变化，其动力性、经济性、可靠性、安全性将逐渐或迅速地下降，排气污染和噪声加剧，故障率增加，这不仅对汽车的运行安全、运行消耗、运输效率、运输成本及环境造成极大的影响，甚至还直接影响到汽车的使用寿命，因而研究汽车故障的变化规律，定期检测汽车的使用性能，及时而准确地诊断出故障部位并排除故障，就成为汽车使用技术的一项重要内容。
一、发动机的有害排放物主要成分及其危害
汽车排气的污染物，主要是一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、硫化物（主要是SO2）、碳烟及其他—些有害物质。
如果燃用含铅汽油，排气中的污染物还包含铅化合物。
汽车排气污染物中，CO、HC、NOx和碳烟主要来源于汽车尾气的排放，少部分来自曲轴箱窜气，其中，部分HC还来自于油箱和整个供油系的蒸发与滴漏。
以活塞式内燃机为动力的汽车是城市大气的主要污染源之一。
汽车排放的污染物主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOｘ）和微粒。
CO是燃油的不完全燃烧产物，是一种无色、无臭、无味的气体。
它与血液中血红素的亲和力是氧气的300倍，因此当人吸入CO后，血液吸收和运送氧的能力降低，导致头晕、头痛等中毒症状。
当吸入含容积浓度为0.3%的CO气体时，可致人于死亡。
NOｘ主要是指NO和NO２，产生于燃烧室内高温富氧的环境中。
空气中NOｘ浓度在10～20ppm时可刺激口腔及鼻粘膜、眼角膜等。
当NOｘ超过500ppm时，几分钟可使人出现肺气肿而死亡。
在相同工况下，汽油机排放的CO、HC和NOx排放量比柴油机大，因此，目前的排放法规对汽油机主要限制CO、HC和NOx的排放量。
柴油机对大气的污染较汽油机轻得多，主要是产生碳烟污染，因此排放法规主要限制柴油机排气的烟度。
二、汽车排气污染物的危害
汽车排出的各种物质中，对人类形成危害的有CO、HC、NOx、碳烟和硫化物等。
2.1、CO是燃料不完全燃烧的产物，是汽车尾气中浓度最大的有害成分，是一种无色无味的有毒气体，它进入人体后极易与血液中担负输运氧气的血红蛋白结合，妨碍血红蛋白的输氧能力，造成人体各部分缺氧，头晕、呕吐等中毒症状，严重时甚至死亡。
2.2、HC是发动机未燃尽的燃料分解出来的产物。
当HC浓度较高时，使人出现头晕、恶心等中毒症状。
而且，HC和NOx在强烈的太阳光作用下，能反应生成一种有害的光化学烟雾，这种光化学烟雾滞留在大气中，造成大气严重污染，对人的眼睛、呼吸道及皮肤均有强烈的刺激性。
2.3、NOx是汽油机和柴油机排放的主要污染物，是发动机大负荷工作时进气中的N2与O2在高温高压条件下反应而生成的。
NOx主要是NO和NO2。
NO与血液中血红蛋白的亲合力比CO还强，通过呼吸道及肺进入血液，使其失去输氧能力，产生与CO相似的中毒后果。
NO2侵入肺脏深处的肺毛细血管，引起肺水肿，同时还能刺激眼、鼻粘膜，麻痹嗅觉。
2.4、碳烟以柴油机排放量为最多，它是柴油机燃烧不完全的产物，其内含有大量的黑色碳颗粒。
碳烟能影响道路的能见度，并因含有少量的带有特殊臭味的乙醛，往往引起人们恶心和头晕。
2.5、硫化物主要为SO2，燃料中含有的硫与氧反应而生成。
SO2有强烈的气味，可刺激人的咽喉与眼睛，甚至会使人中毒。
若大气中含SO2过多，还会形成“酸雨”，损害生物，使土壤与水源酸化，影响自然界的生态平衡。
三、尾气分析的项目和基本规则
尾气分析不仅是检查排放污染物治理效果的唯一途径而且还是对发动机工作状况及性能判定的重要手段
尾气分析是在发动机不同工作状况下，通过检测废气中不同成分气体的含量来判断发动机各系统故障的方法其目的是对发动机的燃烧状况进行综合评价。
尾气分析主要分析内容主要有混合气空燃比点火正时及催化转化器转化效率等。
包括主要分析的参数一氧化碳（CO）碳氢化合物（HC）二氧化碳（CO2）氧（02）空燃比（A/F）或相对空燃比λ。
1、尾气分析项目
系统类型
有害气体
无害气体
其他参考值
无催化转化器
HC
CO
CO2
O2
A/F
有催化转化器
CO2
O2
A/F
2、废气分析的基本规则
碳氢化合物（HC）和氧（02）的读数高是由点火系统不良和过稀的混合气失火而引起，一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）高，二氧化碳（C02）、氧（02）低，表明发动机工作混合气很浓。
如果燃烧室中没有足够的空气（氧气）保证正常燃烧，通常情况下，C02的读数和CO、02的读数相反；燃烧越完全，C02的读数就越高，其最大值在13.5%~14.8%之间，此时CO的读数应该是或接近0%。
O2的读数是最有用的诊断数据之一，O2的读数和其他3个读数一起，能帮助找出诊断问题的难点。
通常，装有催化转换器的汽车的02的读数应该是1.0%~2.0%，说明发动机燃烧很好，只有少量末燃烧的O2通过气缸。
如果02的读数小于1.0%，则说明混合气太浓，不利于很好的燃烧；如果02的读数超过2%，则说明混合气太稀。
燃油滤清器堵塞、燃油压力低、喷油器阻塞、真空系统漏气、废气再循环（EGR）阀泄漏等都可能导致混合气过稀失火
利用功率平衡试验（根据制造厂的使用说明）和四气体排气分析仪的读数，可以指出每个缸的工作状况。
如果每个缸CO和CO2的读数都下降，HC和O2的读数都上升，且上升和下降的量一样，则证明每个缸都工作正常；如果只有一个缸的变化很小，而其他缸都样，
则表明这个缸点火或（和）燃烧不正常。
四、尾气分析仪在故障检测诊断中的应用
汽车尾气分析仪有两气、四气和五气等多种类型
1、两气尾气分析仪
两气尾气分析仪是用来测量汽车尾气排放中CO和HC的。
但是如果一辆车的排气管或尾气分析仪的测量管路有泄漏，那么所检测的就是被外部空气稀释的尾气，CO和HC的测量值将降低，自然就不能反映尾气的真实浓度。
目前国内所用的两气尾气分析仪绝大多数都不具有检查自身泄漏的功能，因此即使用两气尾气分析仪测得的车辆尾气排放结果达标，空气中的有害物质仍不一定能得到控制。
2、四气尾气分析仪
随着装有三效催化转化器和电子控制系统的汽车的增多，汽车的排放标准也更加严格，因此需要更精确地测量排气和诊断排放超标的原因。
四气尾气分析仪不仅具备两气尾气分析仪的所有功能，而且还能进行故障诊断和分析。
除了测量CO和HC外，还能测最CO2和02、发动机油温、转速以及计算过量空气系数λ和空燃比A/F等。
所以四气尾气分析仪不仅可作为环保检测仪器使用，还可以作为发动机故障检测的辅助诊断工具。
这无疑将大大地提高汽车故障检测诊断的准确性，简化维修工序，加快检修速度。
通过对汽车排气中的HC、CO、CO2和O2成因的深入了解，可以帮助人们熟练使用四气尾气分析仪。
上述四种气体的成因如下：
CO2：
当混合气充分燃烧时，CO2的浓度将达到峰值。
不管是否装有三效催化转化器，峰值均为13.8%~15%，在点火失灵或发动机故障被排除之后，通过C02的读数，便可以检测出混合气燃烧的好坏，当混合气变浓或变稀时，CO2值均会降低。
O2：
燃烧正常排气中应含有1%~2%的O2，O2的读数小于l%说明混合气太浓；O2的读数大于2%表示混合气太稀。
造成这种现象的原因很多，燃油滤芯太脏、燃油油压低、喷油器堵塞、真空泄漏、EGR阀泄漏等，都可能导致混合气过稀。
如果混合气浓，02的读数就低，CO的读数就高；反之混合气稀，02的读数就高，CO的读数就低。
若混合气偏向失火点，02的读数就会上升得很快，同时，CO值低，HC值高而且不稳定。
HC：
HC主要由燃烧室壁面的激冷而形成。
混合气过浓或过稀、点火不正时、点火间歇性不跳火、温度传感器不良、喷油器漏油或堵塞、油压过高或过低等
CO：
混合气过浓将产生大量的CO，混合气过稀引起失火将生成过多HC，高CO表示燃油系统有故障，如混合气不洁净、活塞环胶结阻塞、燃油供应太多、空气太少、点火太早等；如果电喷发动机的CO过高，很可能是喷油器漏油、油压过高或电控系统产生了故障。
λ：
λ为0.97~1.04，可以看成是理想的匹配。
大于该值，说明空燃比过大,混合气过稀；小于该值，则为空燃比过小，混合气过浓；理想的空燃比为14.7。
3、五气尾气分析仪
当CO和HC降低时，可能会引起尾气中氮氧化物（NOx）浓度的升高，为了监测Nox，就得有五分气尾气分析仪。
在四气尾气分析仪的基础上升级到五分气尾气分析仪比较容易，四气尾气分析仪中的02传感器和五气尾气分析仪中的NOx传感器都是单纯的电化学传感器，因此只要在四气尾气分析仪中加上一个NOx传感器就可以方便地将四气尾气分析仪升级为五分气尾气分析仪，而NOx常常发生在高温大负荷的情况下，在没有底盘测功机时只能靠路试去测量。
通过长期实践发现，尾气分析仪作为一种辅助诊断设备，确实是一种方便、快捷的检测工具，如果维修人员能够熟练地运用发动机原理，对混合气成因及燃烧过程进行深入分析，那么尾气分析仪一定会在汽车故障检测诊断中发挥很大的作用。
五、尾气分析在汽车故障检测诊断中的应用实例
故障现象：
丰田佳美5S-FE轿车怠速不稳
四气尾气分析仪检测结果：
HC
CO
CO2
O2
RPM
TEMP
λ
256
0.46
14.6
2.56
820
80
1.12
检测结果分析：
HC和02都较高，这是空燃比失衡的一个重要特征，CO值较低，而CO2在峰值，这说明可燃混合气已充分燃烧，点火系统应该不会有什么问题；λ较高，综合分析表明，该车发动机工作时的混合气偏稀，因此,应从进气系统和供油系统着手故障检查。
故障检修：
检测发现真空管无漏气、错插现象;PCV阀密封良好;机油尺插口良好
起动发动机，用化油器清洗剂在进气管垫和EGR阀周围喷洒，检查EGR阀时，发现随着转速上升，怠速逐渐均匀。
取下EGR阀，发现针阀周围有少量积炭、EGR阀通道上有很多积炭,使针阀不能落入阀座，致使进气歧管的混合气被废气稀释，从而怠速不稳，发动机容易熄火
经对EGR阀进行彻底清洗，并换上新垫，起动发动机，一切恢复正常，故障排除后的尾气检测结果
HC
CO
CO2
O2
RPM
TEMP
λ
50
0.23
14.8
1.43
880
83
1.01
故障现象：
奥迪A6轿车V62.8L电控发动机怠速时有轻微抖动，加速迟缓
尾气测量结果：
CO约0.3%~0.5%
HC为200×l0-6~500×10-6，且在此范围内波动。
故障检修：
经检查发现，有一个缸的高压线有轻微短路（漏电）现象，为此更换高压线。
因火花塞间隙偏大且已使用2万km，也同时更换，清洗喷油器，观察各缸喷油器的雾化状态和流量的均匀性。
复检发现，发动机抖动稍有改善，但末彻底消除；尾气检查HC值下降不大，并仍有波动。
分析认为，故障仍可能是失火原因所致。
为了进一步诊断故障，分别在左右两侧排气歧管氧传感器旁边的尾气检测口（该口通常是用一个螺栓密封的）进行尾气检测。
结果发现
左侧气缸排出尾气的CO值在0.5%左右，HC值在125×10-6左右（因在催化器前测量，其值会比在排气尾管测量值稍高），且波动极小
而右侧气缸排出尾气的CO值也在0.5%左右，但HC值却在125×10-6~250×10-6且时有波动。
因此问题应在右侧气缸中。
为此又检查了右侧气缸的高压线和火花塞，发现2缸的火花塞3个电极中有一个间隙过小。
经调整后，重新安装，故障完全消除，尾气检测值也符合出厂标准。
特别提醒今后随着排放法规的日益严格，安装催化转化器的车型会越来越多，故在进行尾气测量时，应尽可能在催化转化器前方测量，这样更可能真实反映发动机的排放情况,同时还应将催化转化器前和后的测量结果加以比较，以便判断催化转化器的转化效率是否正常。
对装有OBD-Ⅱ系统的车型，可从读取的故障代码和数据参数中分析其催化转化器的转化效率。
故障现象：
奔驰S320轿车发动机怠速不稳、抖动严重
用四气尾气分析仪检测尾气，经测试发现怠速时数据很不稳定，第一组数据如下
HC
CO
CO2
O2
RPM
TEMP
λ
268
3.6
14.8
3.4
883
83
0.42
四种气体的检测数值全都较高，再次测试一组数据如下：
HC
CO
CO2
O2
RPM
TEMP
λ
45
0.28
8.8
3.3
883
89
1.18
检测结果分析
将上述检测结果进行对比分析发现
HC和CO总是同时升高或降低，CO2时高时低，燃烧效率很不稳定，λ剧烈变化，O2不能充分参与反应，数值一直较高，从而可以判定为混合气的形成与燃烧环境十分恶劣，推测是喷油器堵塞、导致喷油器针阀与阀座配合不密，各缸喷油器在应该喷油时不喷油或少喷油，而在不需喷油时，却持续喷油，因而造成供油不正常，致使四气数据极不稳定
再用FLUKE-98做喷油脉冲宽度实验，怠速时为3.5ms，在正常范围内，拆下各缸喷油器检查发现，果然每个喷油器都有不同程度的堵塞，经过彻底清洗、装复试车，一切恢复正常。
从上该故障的检修过程可以看出，尾气分析仪在燃油系统的检查中，可以使人们省去了一些检修环节。
如油压的测试，汽油泵、油压调节器、燃油滤清装置的检测。
换个角度来考虑，假如在应急修理中，在末做相关检查之前，就用尾气分析仪进行检测，也许在诊断一开始就能找到故障点
故障现象：
奥迪100轿车V62.6L发动机严重抖动、加速无力、排气呛人
检测结果分析
根据前两项的检测结果，可认为右侧混合气过稀，控制电脑对右侧燃油系统进行连续加浓且已达到修正极限。
但为判断是否由于右侧气缸氧传感器的信号导致这种结果，先对左右两侧的氧传感器信号及其对空燃比变化的反应、控制电脑对氧传感器信号变化的响应能力进行测试。
为此认为地制造混合气过浓和过稀的状态，发现氧传感器和控制电脑的功能均正常。
因此认为故障应是控制系统以外的原因导致的。
但HC过高则表示失火，因此可认为这种失火很可能是由于混合气过稀，超出着火界限所致。
但从尾气中的CO值看，实际混合气并不过稀，因此判断故障很可能是进气系统漏气所致。
据后两项的检测结果，点火波形基本正常，可认为点火系统正常，进行实际气缸压力测量:
发现第3缸气缸压力比其他缸低约l00kPa。
故障检修
在拆解到进气歧管时发现进气歧管垫的实际压合面只有1mm左右（应至少有4mm~5mm），其原因是进气歧管的安装面为V形，在先安装密封垫后，当再安装进气歧管时，由于不小心，使该垫下滑，从而减小了密封带，导致严重漏气。
即使燃油修正已到极限但仍无法完全补偿。
第3缸气缸压力偏低是机械原因所致。
将上述故障点彻底排除后试车故障排除。
参考文献：
〔1〕曹红兵：
《尾气分析在汽车发动机诊断中的应用》，汽车维修和保养，2006年10月.
〔2〕唐青云、李金嗣：
《汽车尾气分析仪原理及发展现状》，汽车维修与保养，2002年08期.
〔3〕杨丰力，郑殿旺：
《汽车故障诊断设备在维修中的应用研究》，工业技术经济，1997年02期.
〔4〕董恩国、李双义、张蕾：
《基于尾气分析的发动机故障诊断专家系统》，天津，2005年8月
结束语
尾气分析在汽车发动机故障诊断技术性能已变得越来越好，结构也变得越来越复杂，同时，故障诊断的难度也有了相应的增加，人们迫切需要提高系统的可靠性、可维修性和安全性，因而有必要建立一个监控系统来监控整个系统的运行状态，不断检测系统的变化和故障信息，进而采取必要的措施，防止事故的发生。
因此，汽车故障诊断技术得到迅速发展，已成为科技研究的热点之一。
汽车故障诊断技术是一门综合性的技术，它涉及多门学科，如现代控制理论、信号处理、模式识别、计算机工程、人工智能、电子技术、应用数学、数理统计以及相关的应用学科。
近年来，一些新的科学分支的出现和发展及其在设备故障诊断中的成功应用，为汽车故障诊断技术的发展开拓了新的途径。
如尾气谐振波分析法；基于人工智能的神经网络法；分形几何在汽车故障诊断中的应用等。
随着计算机、电子、汽车等高新技术的发展，汽车故障诊断技术发展会非常迅速，将朝着网络化、多功能化、智能化和专家系统化发展的方向迈进，以微机及其网络为平台组织并综合集成各种专用分析仪器，资源共享。
对尾气分析在汽车故障诊断技术的研究和生产应用，今后必将得到更加深入和迅速的发展，在生产力发展中发挥更大作用。
致谢语
本文是在指导老师徐小东老师的悉心指导下完成的，在此，谨向辛勤的导师徐小东先生表示衷心的感谢。
在论文的撰写过程中，得到了实习单位的领导和师傅们的大力支持，得到了同班同学们的热情帮助，在此一并表示最诚挚的谢意。
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