【摘 要】:本文讲述了汽车用汽油机减少污染物排放中的氮氧化物(NOx)可以用两类技术:机内净化技术、机外净化技术。并诊断了羚羊轿车的步进电机式EGR阀。
【关键词】: 氮氧化合物 步进电机式EGR阀 相线绕组线圈断路
【前 言】:我国“十二五”时期新增氮氧化物作为受控大气污染物,而机动车排放是氮氧化物的主要贡献者之一。汽油车的主要排气污染物是一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx),由于氮氧化物对光化学烟雾注1的生成具有重要作用,因此国家将氮氧化物削减作为“十二五”的约束性指标。如何减少机动车氮氧化物排放已成为各地关注的重点。
珠海市从今年5月1日起取消机动车排气简易工况法检测过渡期整改措施,届时排气检测不达标的机动车将不能通过年检。此外,根据有关法规规定,对连续三个检测周期排气检测不达标的机动车将实行强制报废。
下面谨以诊断并维修“长安铃木羚羊轿车年检时氮氧化物(NOx)排放超标”的故障案例,来说明三元催化器与废气再循环(EGR)系统是降低氮氧化物(NOx)排放的有效办法。
一、 故障现象 一辆长安铃木羚羊轿车,2002年出厂(LS5H2ABR92B06****),搭载JL474Q1发动机(原型号是G13B),其车辆外形(图1)。
驾驶员提出的故障现象是:今年1月份到期年审,进行汽车尾气检测时,结果车辆的CO和HC检测都处在正常值,但NOX值却超标(图2)注2,无法取得绿色环保标志。 仪表板上的发动机故障灯不亮,用检测仪注3进入其控制系统,没有发现有故障码记录注4。
图 2 初检 排气污染物检测报告单(截图)注2
二、故障分析与诊断 目前,控制汽车用汽油机污染物排放中的氮氧化物(NOx)超标排放技术可以分为两类:
①、降低污染物生成量的技术,又称为机内净化技术,主要采用的是废气再循环;
②、净化或处理发动机排出后污染物的技术,又称为机外净化技术,主要采用的是三元催化器。三元催化器能同时控制碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放。
1、利用测量排气温度对三元催化器进行诊断
启动发动机,将发动机转速维持在2500r/min左右,预热至正常工作温度,将车辆举升,用数字式温度计(我是使用非接触式红外线激光温度计)尽量靠近(50mm内)三元催化器的进口和出口,分别测量三元催化器进口和出口的温度。三元催化器在正常工作状态下“由于氧化反应会产生热量”因而其出口温度应高于入口温度,一般要高出20~25%以上注5。如果出口温度值低于以上的范围,甚至比入口还低些,则三元催化器工作不正常,原因有两种:一是已失效、二是有堵塞;如果三元催化器出口温度值超过以上范围,必定有大量异常的CO和HC参与反应,则说明点火系或燃油系出了问题,需对发动机本身做进一步的检查。 图3 催化器入口的温度 图4 催化器出口的温度
据上述原理,对此车氮氧化物(NOX)超标的故障进行诊断时,我使用了非接触式数字红外线激光温度计,测量了三元催化器入口的温度(图3),其表面温度为摄氏135.3度; 测量了三元催化器出口的温度(图4),其表面温度为摄氏173.3度。经过上述的测量排气温度的检测方法,说明此车的三元催化器处在正常的工作状态。
2、废气再循环的作用
氮氧化物(NOx)发生在高温大负荷的情况下。它的产生第一要有足够高的温度1600度以上(图5)、第二要有高压足够大的压力、第三要有多余的氧才能反应,这三个条件任何一个不满足都不会产生氮氧化物。这三个条件:1、高温; 2、高压; 3、混合气稀燃,处于富氧状态(主要说是前壹个,后面两个是在发动机设计过程中会尽量避免的)。为了破坏这三个条件,①、压力基本无法控制;②、发动机在设计过程中已精确控制喷油量,尽量避免稀燃。③、目前在用的发动机主要做的只有壹个:就是使用废气再循环(EGR)系统,目的是使缸内燃烧温度降低,减少氮氧化物(NOx)产生。 图5 燃烧温度与NOx排放量的关系
3、废气再循环在发动机工作过程
为了使燃烧温度降低,该系统是将一部分废气引到吸入的新鲜混合气,返回气缸内部进行再循环参与燃烧的方法,其作用是用来减少NOx的排放量。氮氧化物NOx其主要是在高温富氧的条件下生成的。在发动机工作过程种,如适时、适量地将部分废气再次引入气缸内,因废气中的主要成分CO2比热容比较大,所以废气可将燃烧产生的部分热量吸收并带出气缸,并对混合气有一定的稀释作用,因此降低了发动机燃烧的最高温度和氧含量,从而减少了NOx化合物的生成量。但是过度的废气再循环将会影响发动机的正常工作,特别是在怠速、低转速小负荷及发动机处于冷态运行时,以及在全负荷(节气门全开)要求发动机动力性时,再循环的废气将对发动机的性能产生严重的影响。因此,应根据发动机的实际工况及工作条件的变化,能够自动调整参与再循环的废气量。实践证明,根据发动机结构的不同,参与再循环的废气量一般在6%~13%之间变化为宜。为了使废气再循环量对发动机性能不产生过度影响,现代电控发动机对废气再循环也采用了闭环控制策略,对实际的废气再循环量进行闭环修正反馈控制。
4、步进电机式EGR阀工作原理
此款羚羊轿车是采用步进电机式废气再循环EGR阀,包括阀体、阀座、阀杆、驱动装置(图6所示),其特征在于驱动装置为旋转式步进电机。极向右方向移动,转子随之正转 反之,欲使步进电动机反转时,相线控制脉冲极向右方向移动,转子随之正转 反之,欲使步进电动机反转时,相线控制脉冲按4相、3相、2相、1相的相顺序依次超前90o相位角,定子上N极向左方向移动,转子随之反转。
图6 EGR阀 结构图 图7 相线绕组的控制电路
三、检查羚羊轿车的步进电机式EGR阀
首先使用诊断仪注3进入发动机系统,观察废气再循环EGR阀的数据流。 废气再循环EGR阀通常在下列条件下开启:1.发动机暖机运转。2.转速超过怠速。ECU根据发动机冷却水温传感器、节气门位置传感器和空气流量传感器来控制废气再循环EGR阀的开度. 在观察发动机的数据流过程中,无论节气门的开度增大还是减少,其废气再循环EGR阀的开度都是处在0%(图8)。
图8 发动机的数据流(截图)
在怠速状态下用诊断仪注3进入测试功能,打开废气再循环EGR阀。因为发动机在怠速、低速、小负荷 及冷机时,废气参与再循环,轻则发动机抖动厉害,重则发动机熄火。但是此车用诊断仪注3进入测试功能打开废气再循环EGR阀时,发动机都在正常的怠速状态无变化。说明废气再循环EGR阀并没有被打开参加工作(图9)。
图9 用诊断仪打开废气再循环EGR阀
步进电机式EGR阀的就车检查:
①、检查步进电机式EGR阀的电源电压:将点火开关置于“ON”位置,然后分别测量从ECU电源来的端子b、e 与搭铁之间的电压值(应为电池电源电压),如无电压,则步进电机式EGR阀的电源有故障。实测此车的电源电压为12.3V(图10)。结论:步进电机式EGR阀的供电电源线正常。
图10 实测此车的电源电压
②、检查A定子绕组的第3相线圈之间的电阻:断开蓄电池上的负极线;断开EGR阀插接件;检查EGR阀插头b与a之间的电阻,检阅维修手册得知:在20℃时上述插头之间的电阻应为22~26Ω。实测此车EGR阀插头b与a之间的电阻为24.4Ω(图11)。结论:步进电机式EGR阀的3相绕组线圈电阻正常。
图11 实测3相绕组线圈电阻
③、用上述方法,检查A定子绕组的第1相线圈之间的电阻;检查B定子绕组的第2相线圈之间的电阻。都与维修手册的数据相符,结论:步进电机式EGR阀的1相绕组线圈电阻与2相绕组线圈电阻都正常 ④、当检查到B定子绕组的第4相线圈之间的电阻时:实测此车EGR阀插头e与f之间的电阻为无穷大(图12)。结论:步进电机式EGR阀的4相绕组线圈电阻断路。
图12 实测4相绕组线圈电阻(电阻为无穷大)
四、故障排除
从上面的检测中可知,为步进电机式EGR阀的第4相绕组线圈断路,由于此车的步进电机式废气再循环EGR阀的阀体与驱动步进电机是不能分开出售,所以要一整体更换EGR阀总成(图13)。EGR阀总成后,再次读取数据流:起动发动机暖机,在发动机电动电动冷却风扇运转,并等待冷却风扇停转后,把发动机转速提高到2500转/每分钟时,其废气再循环EGR阀的开度为49%(图14)。可知,废气再循环EGR阀已参加工作。
图13 EGR阀 图14 换EGR阀后的数据流(截图)
再次到检测站进行汽车尾气检测时,结果车辆的CO、HC和NOX都处在正常值(图15)注2,取得绿色环保标志。
图15 复检排气污染物检测报告单(截图)注2
五、结束语
综上所述,通过对“长安铃木羚羊轿车年检时氮氧化物(NOx)排放超标”的故障排除 有如下体会:减少机动车染物的排放有两项技术:为机内净化技术,主要采用的是废气再循环;机外净化技术,主要采用的是三元催化器。
这次我把这些维修过程总结出来,供同行们参考,不当之处,请批评指正。
参考资料 [1]、 长安铃木羚羊轿车维修手册 电子网络版 [2]、 现代汽车维修 黄虎 夏令伟 主编 上海交通大学出版社
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注1: 光化学烟雾:氮氧化物(NOx)主要是指NO和NO2。NO和NO2都是对人体有害的气体。氮氧化物和碳氢化合物(HC)在大气环境中受强烈的太阳紫外线照射后产生一种新的二次污染物—-光化学烟雾,在这种复杂的光化学反应过程中,主要生成光化学氧化剂(主要是O3)及其他多种复杂的化合物,统称光化学烟雾。 注2:原自 新港机动车检验站 出具的《珠海市机动车排气污染物检测报告单》 注3 :【车王1号 全车系检测仪】 生产单位:北京5053汽车工作室
注4: 故障码的设码:设码条件是根据排放标准设计的,2002年出厂的长安铃木羚羊轿车为:国1排放标准。2002年出厂的羚羊轿车发动机电脑板(ECU)的型号采用的是日立电装D6,为8位数CPU,此发动机电脑(ECU)没有把执行器列入故障码的设码,(废气再循环EGR阀为执行器)。 注5: 三元催化器出入口温度差:车用三效催化转化器工作效率的温度监控模型及其试验验证(长安大学汽车学院)