汽車尾氣檢測中過量空氣系數(shù)測量偏差的分析

徐 盛

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東青島 266000）

0 引言

汽車尾氣排放是目前大氣污染的一個重要因素，汽車尾氣中含有一氧化碳（CO）、氮氧化合物、碳氫化合物（HC）和其他一些對人體產(chǎn)生不良影響的固體顆粒，尤其是含鉛汽油對人體的危害更大。在GB 18285—2005《點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法》和GB 3847—2005《車用壓燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機汽車排氣煙度排放限值及測量方法》中，國家對尾氣排放檢測有嚴格的控制監(jiān)管，基于上汽通用五菱汽車股份有限公司（以下簡稱“公司”）也將尾氣排放檢測列入BIQ（Built in Quilty，制造質(zhì)量）審計A 類問題。本文研究的對象——過量空氣系數(shù)，是尾氣檢測中的重要技術(shù)指標，它的測量精度直接決定了汽車尾氣的測量精度，因此對其的研究意義重要。本文基于本公司檢測線尾氣分析儀的使用狀況和維護經(jīng)驗，針對過氧空氣偏高的現(xiàn)象及其設備檢測過程進行分析并提出解決對策。

1 檢測原理

過量空氣系數(shù)（通常用λ 表示），是燃燒1 kg 燃料的實際空氣量與理論上所需空氣量之質(zhì)量比。λ 是衡量燃料燃燒完全程度的主要標準，在國家標準中λ 范圍標準被定為1±0.03，本公司的企業(yè)標準為0.975～1.026。其測量值可通過Brettschneider公式計算。

式中 []——濃度，%（V.）

K1——CH 轉(zhuǎn)換因子（常數(shù)），可等效為6×10-4

Hcv——燃料中氫和碳的原子比，汽油燃料可選為1.727 1

Ocv——燃料中氧和碳的原子比，汽油燃料可選為0.017 6。

所以，λ 的大小與O2、CO、CO2和HC 的濃度有關(guān)。

下面解析一下各組份測量原理。

（1）設備采用電化學傳感器對O2及NO 濃度（NO 此處不作分析）進行檢測。在一定條件下，利用氧化皓內(nèi)外兩側(cè)的氧濃度差，產(chǎn)生電壓差（正常范圍為8～10 mV）再經(jīng)過放大、AD 轉(zhuǎn)換后作為控制系統(tǒng)的可測信號。下面分別對影響O2濃度測量的因素作以分析。

（2）HC、CO 通過不分光紅外線吸收原理（Non-Dispersive Infrared Absorption，NDIR）測試（圖1）。非對稱分子（含有不同原子）可以在特定波長吸收紅外線能，這種特定的吸收定波長吸收紅外線能，這種特定的吸收帶對于某種分子是確定的、標準的，稱帶對于某種分子是確定的、標準的，稱為“物質(zhì)指紋”。氣體對一定波長的紅外輻射的吸收強度與氣體濃度有確定的關(guān)系，即I=I0exp（-kcl）。其中，c 為氣體濃度。

以CO 測量為例，兩束相同紅外光線分別進入測試室和比較室，前一束紅外光線在經(jīng)過測試室時，一部分光線被尾氣中的CO 所吸收，其余部分進入檢測室中的左腔；后一束紅外光線則進入比較室，比較室中的N2不吸收紅外光線，光線全部進入檢測室中的右腔。檢測室的左右腔充有等量的CO，它們吸收同時進入的兩束紅外光線，吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。由于前一束光線已被吸收了一部分，這樣就造成左右兩個腔室溫度差，進而導致壓力差的存在，流量傳感器可以感受到左右腔室間空氣的流動。

圖1 光譜吸收圖

2 問題及分析

下面以本公司檢測線的5 組分尾氣分析儀的實測數(shù)據(jù)，分別對影響各各組分測量的因素加以分析。

2.1 管路中液態(tài)水的影響

汽油在燃燒過程中會產(chǎn)生水。由于尾氣分析儀設備過濾器的濾水能力有限，尾氣檢測過程中總會有部分水珠殘存于設備管路。在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，設備管路中的水對氧濃度的測量有影響，進而影響對λ 的測量。

通過以下實驗驗證水對過量空氣系數(shù)的影響：用同一臺設備（管路中水較多）對5 輛車進行檢測，然后對該設備管路進行干燥處理，對之前的5 輛車再次檢測（圖2）。

由圖2 可知，干燥過后λ值明顯減小。因此，在汽車尾氣檢測過程中，設備管路中的水會導致λ 實測值偏大。

圖2 干燥前后的λ 值對比

圖3 平臺清洗前后的λ 值對比

2.2 測量平臺清潔度的影響

汽油燃燒產(chǎn)生的氣態(tài)化合物冷卻后會以油脂形式沉淀于紅外測量平臺的內(nèi)壁，在尾氣檢測過程中會影響尾氣的成分，進而導致λ 的測量誤差。

通過以下實驗驗證水對λ 的影響：用同一臺設備（已連續(xù)長時間使用，平臺較臟）對5 輛車進行怠速檢測，然后對將測量平臺拆解，用Extreme Simple Green 溶液平臺內(nèi)壁及鏡片進行清洗，用清水沖洗并干燥后將設備恢復，對之前的5 輛車再次檢測（圖3）。

由圖3 可知，測量平臺清洗過后λ 值變小。因此，當紅外測量平臺油污較多時，會導致λ 實測值偏大。

2.3 實際尾氣含量的變化

在尾氣檢測過程中，尾氣管路必然會發(fā)生泄漏，泄漏對λ實測值影響較大，當泄漏達到一定程度時，會直接導致λ 測量不合格。

通過以下實驗驗證泄漏對λ 的影響：將設備管路的一段進行程度不同的剪切破壞，分別對同一輛車進行怠速檢測（圖4）。

由圖4 可知，λ 實測值隨泄漏值非線性正比增大。當剪切度達到1/10 時，λ 實測值便已到達正常值的臨界狀態(tài)。在尾氣檢測過程中，設備管路的氣密性非常重要，因而在設備中設有泄漏檢查功能，可以通過內(nèi)置壓力傳感器對密閉管路的氣密性進行檢測。

2.4 鉛中毒導致氧傳感器失效

汽油中的鉛元素會導致氧傳感器中毒。氧傳感器中毒后，測量時電壓波動缺乏規(guī)律，電信號反饋誤差增大，氧濃度測量偏差增大，導致過量空氣系數(shù)測量偏差增大。公司車輛產(chǎn)量大，設備使用頻次高，且鉛中毒為不可逆反應，此項作為導致氧傳感器失效的常規(guī)因素，目前除更換氧傳感器外無有效控制途徑。

3 解決對策

3.1 設備改善

針對管路中液態(tài)水偏多的問題，設計直流反吹洗裝置，通過壓縮空氣排除管路中的水：當設備進行檢測時，管路兩端分別接到設備檢測口與汽車尾喉；檢測結(jié)束后電磁閥A 切換，管路與壓縮空氣接通，電磁閥B 切換，設備端接大氣，進行管路反吹洗過程。其中，電磁閥A 為先導式兩位三通電磁閥，電磁閥B 為直動式電磁閥（圖5）。

根據(jù)氣路原理在電控箱內(nèi)制作反吹洗裝置并用于現(xiàn)場，使用效果良好，λ 值高故障率顯著降低（圖6）。

此改善在減少λ值測量故障的同時，還降低了氧傳感器和塑封過濾器的消耗，根據(jù)公司節(jié)約換算標準計算共計節(jié)約金額118 802.4 元/年，在公司合理化建議評比中被評為優(yōu)秀合理化建議。

3.2 GMS 管理改進

圖4 不同泄漏量對λ 值的影響

圖5 反吹裝置氣路原理

圖6 反吹裝置

根據(jù)設備使用頻次，針對測量平臺清潔度影響λ 實測值的問題，在設備PM（Productive Maintenance，生產(chǎn)維護）標準中制定測量平臺定期清洗計劃，周期為3 月/次。

針對尾氣管路泄漏影響λ 實測值的問題，制定設備管路點檢計劃，包含設備壓力傳感器檢測和人工管路檢測。由于管路尾氣泄漏導致的故障率較高，將管路點檢列入維修工TPM（Total Productive Maintenance，全員生產(chǎn)維護），周期為每天1 次。

4 總結(jié)語

綜上所述，在汽車尾氣檢測過程中，過量空氣系數(shù)λ 的測量精度受到多種因素影響，采取針對性的措施提高其測量精度，能夠有效保證汽車尾氣檢測結(jié)果的準確性，對整車質(zhì)量控制及汽車能源控制具有重要意義.。