診斷羚羊轎車EGR閥故障引起氮氧化物排放超標

【摘 要】：本文講述了汽車用汽油機減少污染物排放中的氮氧化物(NOx)可以用兩類技術：機內淨化技術、機外淨化技術。並診斷了羚羊轎車的步進電機式EGR閥。

【關鍵詞】: 氮氧化合物  步進電機式EGR閥  相線繞組線圈斷路

【前 言】：我國“十二五”時期新增氮氧化物作為受控大氣污染物，而機動車排放是氮氧化物的主要貢獻者之一。汽油車的主要排氣污染物是一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和氮氧化物(NOx)，由於氮氧化物對光化學煙霧注1的生成具有重要作用，因此國家將氮氧化物削減作為“十二五”的約束性指標。如何減少機動車氮氧化物排放已成為各地關注的重點。

珠海市從今年5月1日起取消機動車排氣簡易工況法檢測過渡期整改措施，屆時排氣檢測不達標的機動車將不能通過年檢。此外，根據有關法規規定，對連續三個檢測周期排氣檢測不達標的機動車將實行強制報廢。

下面謹以診斷並維修“長安鈴木羚羊轎車年檢時氮氧化物(NOx)排放超標”的故障案例，來說明三元催化器與廢氣再循環（EGR）系統是降低氮氧化物(NOx)排放的有效辦法。

一、 故障現象         一輛長安鈴木羚羊轎車，2002年出廠(LS5H2ABR92B06****)，搭載JL474Q1發動機（原型號是G13B），其車輛外形（圖1）。        

駕駛員提出的故障現象是：今年1月份到期年審，進行汽車尾氣檢測時，結果車輛的CO和HC檢測都處在正常值，但NOX值卻超標（圖2）注2，無法取得綠色環保標志。 儀表板上的發動機故障燈不亮，用檢測儀注3進入其控制系統，沒有發現有故障碼記錄注4。                                                

圖 2  初檢 排氣污染物檢測報告單（截圖）注2

二、故障分析與診斷    目前，控制汽車用汽油機污染物排放中的氮氧化物(NOx)超標排放技術可以分為兩類：

①、降低污染物生成量的技術，又稱為機內淨化技術，主要采用的是廢氣再循環；

②、淨化或處理發動機排出後污染物的技術，又稱為機外淨化技術，主要采用的是三元催化器。三元催化器能同時控制碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放。     

1、利用測量排氣溫度對三元催化器進行診斷

啟動發動機，將發動機轉速維持在2500r/min左右，預熱至正常工作溫度，將車輛舉升，用數字式溫度計（我是使用非接觸式紅外線激光溫度計）盡量靠近（50mm內）三元催化器的進口和出口，分別測量三元催化器進口和出口的溫度。三元催化器在正常工作狀態下“由於氧化反應會產生熱量”因而其出口溫度應高於入口溫度,一般要高出20～25％以上注5。如果出口溫度值低於以上的范圍，甚至比入口還低些，則三元催化器工作不正常，原因有兩種：一是已失效、二是有堵塞；如果三元催化器出口溫度值超過以上范圍，必定有大量異常的CO和HC參與反應，則說明點火系或燃油系出了問題，需對發動機本身做進一步的檢查。                                              圖3  催化器入口的溫度                 圖4  催化器出口的溫度

據上述原理，對此車氮氧化物(NOX)超標的故障進行診斷時，我使用了非接觸式數字紅外線激光溫度計，測量了三元催化器入口的溫度（圖3），其表面溫度為攝氏135.3度; 測量了三元催化器出口的溫度（圖4），其表面溫度為攝氏173.3度。經過上述的測量排氣溫度的檢測方法，說明此車的三元催化器處在正常的工作狀態。       

2、廢氣再循環的作用

氮氧化物(NOx)發生在高溫大負荷的情況下。它的產生第一要有足夠高的溫度1600度以上（圖5）、第二要有高壓足夠大的壓力、第三要有多余的氧才能反應，這三個條件任何一個不滿足都不會產生氮氧化物。這三個條件：1、高溫; 2、高壓; 3、混合氣稀燃，處於富氧狀態（主要說是前壹個，後面兩個是在發動機設計過程中會盡量避免的）。為了破壞這三個條件，①、壓力基本無法控制；②、發動機在設計過程中已精確控制噴油量，盡量避免稀燃。③、目前在用的發動機主要做的只有壹個：就是使用廢氣再循環（EGR）系統，目的是使缸內燃燒溫度降低，減少氮氧化物(NOx)產生。      圖5  燃燒溫度與NOx排放量的關系

3、廢氣再循環在發動機工作過程

為了使燃燒溫度降低，該系統是將一部分廢氣引到吸入的新鮮混合氣，返回氣缸內部進行再循環參與燃燒的方法，其作用是用來減少NOx的排放量。氮氧化物NOx其主要是在高溫富氧的條件下生成的。在發動機工作過程種，如適時、適量地將部分廢氣再次引入氣缸內，因廢氣中的主要成分CO2比熱容比較大，所以廢氣可將燃燒產生的部分熱量吸收並帶出氣缸，並對混合氣有一定的稀釋作用，因此降低了發動機燃燒的最高溫度和氧含量，從而減少了NOx化合物的生成量。但是過度的廢氣再循環將會影響發動機的正常工作，特別是在怠速、低轉速小負荷及發動機處於冷態運行時，以及在全負荷（節氣門全開）要求發動機動力性時，再循環的廢氣將對發動機的性能產生嚴重的影響。因此，應根據發動機的實際工況及工作條件的變化，能夠自動調整參與再循環的廢氣量。實踐證明，根據發動機結構的不同，參與再循環的廢氣量一般在6%~13%之間變化為宜。為了使廢氣再循環量對發動機性能不產生過度影響，現代電控發動機對廢氣再循環也采用了閉環控制策略，對實際的廢氣再循環量進行閉環修正反饋控制。

4、步進電機式EGR閥工作原理

此款羚羊轎車是采用步進電機式廢氣再循環EGR閥，包括閥體、閥座、閥桿、驅動裝置（圖6所示），其特征在於驅動裝置為旋轉式步進電機。極向右方向移動，轉子隨之正轉 反之，欲使步進電動機反轉時，相線控制脈沖極向右方向移動，轉子隨之正轉 反之，欲使步進電動機反轉時，相線控制脈沖按4相、3相、2相、1相的相順序依次超前90o相位角，定子上N極向左方向移動，轉子隨之反轉。

圖6   EGR閥 結構圖                 圖7  相線繞組的控制電路

三、檢查羚羊轎車的步進電機式EGR閥

首先使用診斷儀注3進入發動機系統，觀察廢氣再循環EGR閥的數據流。 廢氣再循環EGR閥通常在下列條件下開啟：1.發動機暖機運轉。2.轉速超過怠速。ECU根據發動機冷卻水溫傳感器、節氣門位置傳感器和空氣流量傳感器來控制廢氣再循環EGR閥的開度. 在觀察發動機的數據流過程中，無論節氣門的開度增大還是減少，其廢氣再循環EGR閥的開度都是處在0％（圖8）。     

圖8   發動機的數據流（截圖）

在怠速狀態下用診斷儀注3進入測試功能，打開廢氣再循環EGR閥。因為發動機在怠速、低速、小負荷 及冷機時，廢氣參與再循環，輕則發動機抖動厲害，重則發動機熄火。但是此車用診斷儀注3進入測試功能打開廢氣再循環EGR閥時，發動機都在正常的怠速狀態無變化。說明廢氣再循環EGR閥並沒有被打開參加工作（圖9）。        

 圖9   用診斷儀打開廢氣再循環EGR閥               

步進電機式EGR閥的就車檢查：

①、檢查步進電機式EGR閥的電源電壓：將點火開關置於“ON”位置，然後分別測量從ECU電源來的端子b、e 與搭鐵之間的電壓值（應為電池電源電壓），如無電壓，則步進電機式EGR閥的電源有故障。實測此車的電源電壓為12.3V(圖10）。結論：步進電機式EGR閥的供電電源線正常。

圖10   實測此車的電源電壓

②、檢查A定子繞組的第3相線圈之間的電阻：斷開蓄電池上的負極線；斷開EGR閥插接件；檢查EGR閥插頭b與a之間的電阻，檢閱維修手冊得知：在20℃時上述插頭之間的電阻應為22～26Ω。實測此車EGR閥插頭b與a之間的電阻為24.4Ω（圖11）。結論：步進電機式EGR閥的3相繞組線圈電阻正常。

圖11  實測3相繞組線圈電阻

 ③、用上述方法，檢查A定子繞組的第1相線圈之間的電阻；檢查B定子繞組的第2相線圈之間的電阻。都與維修手冊的數據相符，結論：步進電機式EGR閥的1相繞組線圈電阻與2相繞組線圈電阻都正常      ④、當檢查到B定子繞組的第4相線圈之間的電阻時：實測此車EGR閥插頭e與f之間的電阻為無窮大(圖12）。結論：步進電機式EGR閥的4相繞組線圈電阻斷路。

圖12    實測4相繞組線圈電阻（電阻為無窮大）

四、故障排除

從上面的檢測中可知，為步進電機式EGR閥的第4相繞組線圈斷路，由於此車的步進電機式廢氣再循環EGR閥的閥體與驅動步進電機是不能分開出售，所以要一整體更換EGR閥總成（圖13）。EGR閥總成後，再次讀取數據流：起動發動機暖機，在發動機電動電動冷卻風扇運轉，並等待冷卻風扇停轉後，把發動機轉速提高到2500轉/每分鐘時，其廢氣再循環EGR閥的開度為49％（圖14）。可知，廢氣再循環EGR閥已參加工作。

 圖13     EGR閥                    圖14  換EGR閥後的數據流（截圖）

再次到檢測站進行汽車尾氣檢測時，結果車輛的CO、HC和NOX都處在正常值（圖15）注2，取得綠色環保標志。

圖15   復檢排氣污染物檢測報告單（截圖）注2

 五、結束語

綜上所述，通過對“長安鈴木羚羊轎車年檢時氮氧化物(NOx)排放超標”的故障排除 有如下體會：減少機動車染物的排放有兩項技術：為機內淨化技術，主要采用的是廢氣再循環；機外淨化技術，主要采用的是三元催化器。

這次我把這些維修過程總結出來，供同行們參考，不當之處，請批評指正。

參考資料     [1]、 長安鈴木羚羊轎車維修手冊                  電子網絡版     [2]、 現代汽車維修   黃虎  夏令偉  主編       上海交通大學出版社

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注1: 光化學煙霧：氮氧化物(NOx)主要是指NO和NO2。NO和NO2都是對人體有害的氣體。氮氧化物和碳氫化合物(HC)在大氣環境中受強烈的太陽紫外線照射後產生一種新的二次污染物—-光化學煙霧,在這種復雜的光化學反應過程中,主要生成光化學氧化劑(主要是O3)及其他多種復雜的化合物,統稱光化學煙霧。 注2：原自 新港機動車檢驗站  出具的《珠海市機動車排氣污染物檢測報告單》 注3 :【車王1號 全車系檢測儀】     生產單位：北京5053汽車工作室

注4:   故障碼的設碼：設碼條件是根據排放標准設計的，2002年出廠的長安鈴木羚羊轎車為：國1排放標准。2002年出廠的羚羊轎車發動機電腦板（ECU）的型號采用的是日立電裝D6，為8位數CPU，此發動機電腦（ECU）沒有把執行器列入故障碼的設碼，（廢氣再循環EGR閥為執行器）。 注5:  三元催化器出入口溫度差：車用三效催化轉化器工作效率的溫度監控模型及其試驗驗證（長安大學汽車學院)