文/廣東 王囤
(接上期)
壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)一般使用柴油作為燃料,其主要成分為HC化合物。當(dāng)柴油燃料以霧狀噴入燃燒室后,一邊蒸發(fā),一邊與空氣混合,同時(shí)由于受壓縮高溫的作用,被裂解為C離子和H離子。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高并超過(guò)其自燃溫度后,開始點(diǎn)火燃燒,但燃燒開始后,噴油仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。因此,燃燒區(qū)域會(huì)很快集中到噴霧與空氣的交界處,噴油器噴出的油霧看起來(lái)就變成了“火苗”。在“火苗”區(qū)域,中心部分為燃料,一邊蒸發(fā),一邊向外部擴(kuò)散;外部區(qū)域?yàn)榭諝饧皬U氣,也向中心部分?jǐn)U散。兩種“擴(kuò)散”運(yùn)動(dòng)的交界區(qū)域就是發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域,即發(fā)生燃燒的區(qū)域。燃燒過(guò)程中,C離子與O2發(fā)生反應(yīng),生成CO2,H離子與O2發(fā)生反應(yīng),生成H2O。
隨著燃燒的進(jìn)行,廢氣越來(lái)越多,C離子與O2的接觸越來(lái)越困難,越來(lái)越多的C離子不能與O2發(fā)生反應(yīng),于是便以游離C的形式隨廢氣排放出來(lái),從而形成碳煙排放。雖然部分C離子與O2反應(yīng)不徹底,還會(huì)生成CO,但由于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中混合汽的總體濃度較稀,O2比較充足,生成的CO隨后會(huì)與O2進(jìn)行進(jìn)一步反應(yīng),從而轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。因此,壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)CO的排放量微乎其微。
由于H離子的活性比C離子大得多,因此與O2的反應(yīng)也比較徹底。所以,廢氣中不會(huì)存在游離H離子。
由于燃燒高溫的作用,空氣中的N2還會(huì)與O2發(fā)生反應(yīng),生成NOX。因此,壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放的污染物中還會(huì)存在部分NOX。
綜上所述,壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的主要成分為碳煙和NOX。
1.碳煙
壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放的污染物主要是碳煙,其產(chǎn)生的根源是燃料燃燒不完全或竄機(jī)油(機(jī)油的不完全燃燒產(chǎn)生碳煙)等。燃料或機(jī)油在高溫條件下裂解為C離子和H離子,其中C離子與O2不能接觸,或接觸時(shí)溫度不夠,C離子便以游離C的形式排出發(fā)動(dòng)機(jī),從而形成碳煙。
雖然壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中混合汽的總體濃度較稀,但由于其燃燒過(guò)程為“擴(kuò)散式”,燃料與空氣的接觸面積較小,加上已燃廢氣的影響,C離子與O2的接觸范圍也較小,碳煙的產(chǎn)生也就在所難免。
研究表明,燃燒初期,產(chǎn)生的碳煙較少,到了燃燒后期,碳煙的產(chǎn)生量會(huì)增多,這是由于越到燃燒后期,廢氣含量越多,C離子與O2的接觸越困難所導(dǎo)致的。
由此可見,噴油霧化情況越好、燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈、汽缸壓力越高(C離子與O2的距離越近)、燃燒室內(nèi)殘余廢氣越少、噴油量越少(混合汽越稀),C離子與O2的接觸就越容易,碳煙的產(chǎn)生量也就越少。除此之外,燃燒溫度越高,碳煙的產(chǎn)生量也會(huì)越少。
目前,部分電控共軌式發(fā)動(dòng)機(jī)采用多次噴射技術(shù),即將一個(gè)工作循環(huán)的噴油量分幾次噴入燃燒室,其目的也是為了增大C離子與O2的接觸機(jī)會(huì),從而大幅降低碳煙的排放。部分共軌式發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的高壓噴射技術(shù),是利用較高的噴射壓力來(lái)改善噴油的霧化情況,從而增大C離子與O2的接觸機(jī)會(huì),同樣也可以大幅降低碳煙的排放。不過(guò),這種高壓噴射技術(shù)對(duì)噴油器的要求很高,所謂的“壓電式噴油器”就是基于這種高要求而設(shè)計(jì)的。
一般情況下,噴油壓力越高,一個(gè)工作循環(huán)中噴油的次數(shù)越多,碳煙排放就越少,這是現(xiàn)代壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力越來(lái)越高、一個(gè)工作循環(huán)中噴油次數(shù)越來(lái)越多的根本原因。
2.CO和HC
由于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中混合汽的總體濃度較稀,即使在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生了部分CO和HC,它們也會(huì)在膨脹與排氣過(guò)程中與殘余的O2進(jìn)一步反應(yīng),變成無(wú)害的CO2和H2O。因此,壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的CO、HC排放要比點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)小得多。也正因如此,目前各種排放法規(guī)對(duì)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)CO、HC的排放還沒(méi)有作出嚴(yán)格的限制。
3.NOX
NOX的形成機(jī)理與點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的形成機(jī)理相同,即由于燃燒高溫的作用,空氣中的N2與O2發(fā)生反應(yīng),生成了NOX。但壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)NOX排放進(jìn)行控制的技術(shù)要比點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜得多,這是因?yàn)镹OX排放控制的要求與碳煙控制的要求及其功率、油耗等性能的改善要求是相互矛盾的。比如,凡是能夠降低燃燒溫度的措施(如EGR、可變配氣技術(shù)等)都可以降低NOX排放,但降低燃燒溫度必然會(huì)帶來(lái)碳煙排放的增多和功率、油耗等性能的惡化;反之,凡是能提高燃燒溫度的措施(如廢氣渦輪增壓技術(shù)、噴油霧化狀況的改善、噴油速率控制、壓縮比的提高等)都可以提高功率、降低油耗及碳煙排放,但提高燃燒溫度又必然帶來(lái)NOX排放的增多。因此,為了平衡各方面的要求,壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)變得復(fù)雜起來(lái)。排放標(biāo)準(zhǔn)越高的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī),其控制技術(shù)就越復(fù)雜。
1.壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制標(biāo)準(zhǔn)
歐洲、美國(guó)、日本世界三大汽車排放控制標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放的控制主要是針對(duì)碳煙和NOX。我國(guó)排放法規(guī)主要參照歐洲標(biāo)準(zhǔn),國(guó)I~國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)基本對(duì)應(yīng)歐I~歐V標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)與歐III標(biāo)準(zhǔn)的唯一區(qū)別是國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)要求加裝OBD系統(tǒng),而歐III標(biāo)準(zhǔn)卻沒(méi)有這一要求。
雖然歐I~歐V標(biāo)準(zhǔn)對(duì)N OX排放的限制越來(lái)越嚴(yán)格,但考慮到各個(gè)地方的實(shí)際情況,比如,廣州市目前參照實(shí)施的DB44/539-2009標(biāo)準(zhǔn)中,只是對(duì)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放作了相應(yīng)的限制,暫時(shí)還未限制NOX的排放。因此,距離相應(yīng)的國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)還有相當(dāng)?shù)木嚯x。以下僅對(duì)碳煙排放控制問(wèn)題進(jìn)行探討。
2.壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制的技術(shù)措施
傳統(tǒng)機(jī)械高壓油泵式發(fā)動(dòng)機(jī)只能滿足國(guó)I、國(guó)II標(biāo)準(zhǔn)的要求,國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)以上的發(fā)動(dòng)機(jī)則必須采用電控式。目前比較常見的普通電控共軌式發(fā)動(dòng)機(jī)、電控EGR式發(fā)動(dòng)機(jī)也只能滿足國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)的要求。要滿足國(guó)IV、國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)的要求,還需要采取更加特殊的技術(shù)措施,如添藍(lán)技術(shù)(簡(jiǎn)稱SCR,即向排氣管中噴射尿素)、顆粒捕捉技術(shù)(即在排氣管中收集與處理碳黑)、可變渦輪增壓技術(shù)、噴油速率控制技術(shù)等,其電子控制系統(tǒng)會(huì)更加復(fù)雜。
3.壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放檢測(cè)方法
2011年6月1日起,廣州市對(duì)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的排放采用“加載減速法”進(jìn)行檢測(cè),此檢測(cè)法與以前采用的“自由加速法”的最大區(qū)別是“加載減速法”是在有負(fù)載(100%、90%、80%三種負(fù)載)的情況下進(jìn)行檢測(cè),而“自由加速法”是在空載的情況下進(jìn)行檢測(cè)。顯然,“加載減速法”更加接近汽車的真實(shí)運(yùn)行工況,但檢測(cè)過(guò)程需要底盤測(cè)功機(jī)等昂貴的設(shè)備,一般的汽車修理廠不具備這樣的條件,只能將車輛送往專業(yè)檢測(cè)線進(jìn)行檢測(cè)。
兩種檢測(cè)結(jié)果雖然可比性不大,但還是有一定的規(guī)律,例如用“自由加速法”檢測(cè)合格的車輛,再用“加載減速法”進(jìn)行檢測(cè),其結(jié)果未必合格。但用“自由加速法”檢測(cè)不合格的車輛,再用“加載減速法”進(jìn)行檢測(cè),其結(jié)果一般也不會(huì)合格。因此,在車輛送檢之前,可以先在維修廠用“自由加速法”進(jìn)行初檢與維護(hù),這在一定程度上可以提高車輛送檢的合格率。
凡是造成燃燒室內(nèi)C離子與O2不能充分接觸、燃燒溫度降低以及混合汽過(guò)濃的因素都會(huì)引起碳煙排放的增多。這些因素包括:燃料霧化不良、噴油量過(guò)大、噴油正時(shí)不良、燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)不良、汽缸壓縮壓力不足、進(jìn)排氣不暢、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)低、竄機(jī)油、燃料品質(zhì)差或牌號(hào)不當(dāng)、冷卻系統(tǒng)向燃燒室漏水(會(huì)降低燃燒溫度)、EGR閥開度過(guò)大等。
1.燃料霧化不良
燃料的霧化情況直接決定燃料與空氣的混合情況,即C離子與O2的接觸情況?;旌喜涣嫉闹苯雍蠊褪翘紵熍欧旁龆?。造成柴油霧化不良的原因有噴油壓力不足、噴油器故障等。
(1)噴油壓力不足的原因可能是:①噴油器壓力調(diào)整不當(dāng)或噴油器濾芯阻塞(普通機(jī)械式柴油機(jī));②供油系統(tǒng)阻塞(包括高低壓油路、濾清器);③輸油泵或高壓油泵磨損或漏油(普通機(jī)械式柴油機(jī));④共軌壓力過(guò)低(共軌式柴油機(jī)),主要是因?yàn)楣┯拖到y(tǒng)阻塞(包括油路、濾清器、濾網(wǎng))、高低壓油泵磨損或其他故障、共軌壓力傳感器故障、流量控制閥及其控制電路故障、限壓閥故障(泄漏)、限流閥故障(犯卡或阻塞)、ECU故障等引起的。
(2)噴油器故障是由噴孔部分堵塞或滴漏,使噴出的燃油不能很好地霧化而引起的;型號(hào)不當(dāng)則可能造成噴油過(guò)量。
2.噴油量過(guò)大
噴油量過(guò)大引起混合汽過(guò)濃而造成碳煙排放增多,其原因包括:
(1)噴油器壓力調(diào)整過(guò)低或滴漏(普通機(jī)械式柴油機(jī))。
(2)高壓油泵調(diào)速器故障或油量調(diào)整螺釘調(diào)整不當(dāng)(普通機(jī)械式柴油機(jī))。
(3)共軌壓力過(guò)高(共軌式柴油機(jī)),主要是由共軌壓力傳感器故障、流量控制閥故障、流量控制閥電路故障、ECU故障等引起的。
(4)水溫、氣溫、空氣流量、油門踏板等傳感器信號(hào)漂移(共軌式柴油機(jī))。
(5)ECU故障(共軌式柴油機(jī))。
3.噴油正時(shí)不良
噴油過(guò)遲,燃燒時(shí)汽缸壓力已經(jīng)開始下降,造成燃燒溫度過(guò)低。
4.燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)不良
這由發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)因素決定的,這里不作討論。但進(jìn)排氣不暢會(huì)導(dǎo)致燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)減弱(對(duì)直噴式燃燒室而言),從而影響燃料與空氣的混合。
5.汽缸壓縮壓力不足
導(dǎo)致燃燒溫度過(guò)低而造成碳煙排放增大。其原因有汽缸及活塞過(guò)分磨損、氣門密封不嚴(yán)、汽缸墊漏氣等。
6.進(jìn)排氣不暢
引起混合汽過(guò)濃、殘余廢氣過(guò)多、燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)減弱等,綜合影響之下造成碳煙排放增大。其原因有進(jìn)氣濾清器阻塞、渦輪增壓器不良、中冷器阻塞、排氣系統(tǒng)阻塞等。特別注意的是排氣系統(tǒng)阻塞一般會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足、“喘氣”及過(guò)熱等現(xiàn)象。
7.發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)低
引起燃燒溫度過(guò)低而造成碳煙排放增多。其原因有節(jié)溫器故障、風(fēng)扇離合器故障、風(fēng)扇控制電路故障、小循環(huán)水路阻塞等。
8.竄機(jī)油
竄入的機(jī)油非常難以燃燒而形成碳煙排出汽缸(冒藍(lán)煙)。其原因有機(jī)油加注過(guò)量、機(jī)油過(guò)稀、汽缸及活塞過(guò)分磨損;活塞環(huán)選擇不當(dāng)或裝反、氣門及導(dǎo)管間隙過(guò)大;曲軸箱通風(fēng)不良(造成曲軸箱壓力過(guò)高)等。
9.燃料品質(zhì)差或牌號(hào)不當(dāng)
燃料品質(zhì)差既影響霧化,又影響燃燒;牌號(hào)不當(dāng)則對(duì)霧化性能影響較大。
10.冷卻系統(tǒng)向燃燒室漏水
水蒸氣吸收熱量,降低了燃燒溫度,造成碳煙排放增多(冒白煙)。
11.EGR閥開度過(guò)大
造成燃燒室內(nèi)殘余廢氣過(guò)多。其原因包括EGR閥犯卡、EGR閥控制管路及桿件故障、EGR閥控制電路故障等。
1.用故障診斷儀讀取故障碼,根據(jù)故障碼,進(jìn)行針對(duì)性維修(電控柴油機(jī))。
2.用故障診斷儀讀取數(shù)據(jù)流,判斷相關(guān)數(shù)據(jù)是否正常,不正常則進(jìn)行有針對(duì)性維修(電控柴油機(jī))。這些數(shù)據(jù)包括:油門踏板位置、空氣流量或進(jìn)氣壓力、水溫、氣溫、噴油脈寬、共軌壓力、流量控制閥開度、供油提前角等。
3.用故障診斷儀進(jìn)行執(zhí)行元件測(cè)試,根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性維修(電控柴油機(jī))。最主要的執(zhí)行元件為噴油器和流量控制閥。
對(duì)于共軌式柴油機(jī),各缸噴油器的工作情況可以通過(guò)拆下噴油器的回油管,觀察其回油情況來(lái)判斷(有回油,則說(shuō)明噴油器能夠工作)。當(dāng)所用的故障診斷儀沒(méi)有執(zhí)行元件測(cè)試功能時(shí),可以考慮用此方法。
4.檢查ECU插件是否存在銹蝕、接觸不良、松動(dòng)等現(xiàn)象(電控柴油機(jī))。
5.檢查機(jī)油加注是否過(guò)量,機(jī)油是否過(guò)稀(伴隨冒藍(lán)煙時(shí)要重點(diǎn)檢查)。
6.檢查EGR閥開度是否過(guò)大。
7.檢查噴油器的型號(hào)是否正確。
8.檢查供油提前角是否正確。
9.檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng),看是否存在發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)冷現(xiàn)象,并進(jìn)行有針對(duì)性維修(伴隨冒白煙時(shí),重點(diǎn)檢查冷卻系統(tǒng)是否有泄漏)。
10.檢查曲軸箱通風(fēng)(PCV)系統(tǒng)(伴隨冒藍(lán)煙時(shí)要重點(diǎn)檢查),進(jìn)行針對(duì)性維修。
11.檢查廢氣渦輪增壓系統(tǒng)工作情況,檢查中冷器犯卡、堵塞、臟污、真空管漏氣、膜片破損、拉桿活動(dòng)不良等情況,進(jìn)行有針對(duì)性維修。
12.清潔進(jìn)排氣系統(tǒng),并檢查是否有漏氣現(xiàn)象。
13.檢查燃油品質(zhì)是否太差、牌號(hào)是否不當(dāng)(選用柴油排號(hào)時(shí),建議夏季用0號(hào)或+10號(hào),冬季選用-10號(hào)或-20號(hào),嚴(yán)寒地區(qū)則選用-35號(hào))。
14.清潔燃油供給系統(tǒng),包括粗/細(xì)濾清器、濾網(wǎng)、油管、高低壓油泵、噴油器等。
15.測(cè)量缸壓(伴隨冒藍(lán)煙時(shí)要重點(diǎn)檢查),進(jìn)行有針對(duì)性維修。如汽缸活塞的磨損情況、氣門密封情況、氣門間隙的調(diào)整等。
16.檢查氣門及導(dǎo)管是否間隙過(guò)大(伴隨冒藍(lán)煙時(shí)要重點(diǎn)檢查)。
17.校油泵、噴油器,包括各缸供油的均勻性及密封情況(以上檢查與維修后排放仍然超標(biāo)時(shí)選作)。
18.更換ECU(電控柴油機(jī),以上檢查與維修后排放仍然超標(biāo)時(shí)選作)。
19.用故障診斷儀進(jìn)行基本調(diào)整、自適應(yīng)匹配等操作(電控柴油機(jī))。
1.檢修方案的制定
檢修之前,查閱車輛排放檢測(cè)報(bào)告,仔細(xì)對(duì)有關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,重點(diǎn)對(duì)照合格項(xiàng)、不合格項(xiàng)與標(biāo)準(zhǔn)值的差距,并橫向分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,從而初步判斷問(wèn)題的性質(zhì)(如混合汽過(guò)濃或過(guò)稀、霧化不良等)。再由問(wèn)題的性質(zhì)確定檢修的路線,這樣才可以提高檢修的針對(duì)性,避免走彎路,同時(shí)還可以提高復(fù)檢的通過(guò)率。
例如三項(xiàng)排放指標(biāo)都合格,而且數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值,而輪邊功率不足、對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高(即后兩項(xiàng)不合格),其分析如下。
(1)三項(xiàng)排放指標(biāo)都“遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值”,說(shuō)明燃燒狀況非常好,燃料霧化應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題,混合汽也只能是偏稀狀態(tài)。
(2)“輪邊功率不足、對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高”,說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)工作循環(huán)的做功量較少,只能靠較高的轉(zhuǎn)速來(lái)得到功率,導(dǎo)致輪邊功率仍然不足。而這種輪邊功率不足不是由車輛底盤損耗引起的,因?yàn)檫@種損耗會(huì)拖慢發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,同時(shí)還會(huì)造成底盤某個(gè)部位(如制動(dòng)器)溫度過(guò)高。
(3)“發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)工作循環(huán)的做功量較少”,可能是由噴油量不足、進(jìn)氣量不足或者汽缸壓力不足引起的。但如果是“進(jìn)氣量不足”,混合汽應(yīng)該偏濃,這與“混合汽偏稀”的判斷不符;如果是“汽缸壓力不足”,碳煙排放應(yīng)該增多,這與“三項(xiàng)排放指標(biāo)都遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值”的結(jié)果不符。因此,綜合分析只能判斷為“噴油量不足”。
表2 五十鈴排放檢測(cè)數(shù)據(jù)表
(4)“混合汽偏稀”與“每個(gè)工作循環(huán)的做功量較少”也是一致的,加上“燃料霧化沒(méi)有問(wèn)題”,說(shuō)明問(wèn)題的癥結(jié)在于噴油量過(guò)少。以上分析過(guò)程如圖9所示。
舉例時(shí),應(yīng)按照增大噴油量的思路進(jìn)行檢修作業(yè),如噴油泵是否磨損、噴油器調(diào)校是否不當(dāng)(噴油壓力調(diào)整過(guò)高)、共軌壓力是否過(guò)低、油路及濾清器是否阻塞、ECU是否故障等。
2.實(shí)際檢測(cè)與檢修案例(原始案例)
車型:五十鈴,油泵:機(jī)械式,進(jìn)氣方式:渦輪增壓,車輛登記時(shí)間:2000年10月,具體數(shù)據(jù)見表2。
數(shù)據(jù)分析:碳煙明顯低于標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明燃燒狀況非常好。最大輪邊功率過(guò)低,對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高,說(shuō)明噴油量明顯不足。
檢修:由于發(fā)動(dòng)機(jī)ECU存在故障,造成噴油量明顯不足。更換發(fā)動(dòng)機(jī)ECU,故障排除。(全文完)