诊断羚羊轿车EGR阀故障引起氮氧化物排放超标

【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）。

        

                            图1  车辆外形   

        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。                                         

                

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。

      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。

 

       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。

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。

    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。

                                                            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》