汽车尾气检测中过量空气系数测量偏差的分析

徐 盛

（上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司，山东青岛 266000）

0 引言

汽车尾气排放是目前大气污染的一个重要因素，汽车尾气中含有一氧化碳（CO）、氮氧化合物、碳氢化合物（HC）和其他一些对人体产生不良影响的固体颗粒，尤其是含铅汽油对人体的危害更大。在GB 18285—2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》和GB 3847—2005《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法》中，国家对尾气排放检测有严格的控制监管，基于上汽通用五菱汽车股份有限公司（以下简称“公司”）也将尾气排放检测列入BIQ（Built in Quilty，制造质量）审计A 类问题。本文研究的对象——过量空气系数，是尾气检测中的重要技术指标，它的测量精度直接决定了汽车尾气的测量精度，因此对其的研究意义重要。本文基于本公司检测线尾气分析仪的使用状况和维护经验，针对过氧空气偏高的现象及其设备检测过程进行分析并提出解决对策。

1 检测原理

过量空气系数（通常用λ 表示），是燃烧1 kg 燃料的实际空气量与理论上所需空气量之质量比。λ 是衡量燃料燃烧完全程度的主要标准，在国家标准中λ 范围标准被定为1±0.03，本公司的企业标准为0.975～1.026。其测量值可通过Brettschneider公式计算。

式中 []——浓度，%（V.）

K1——CH 转换因子（常数），可等效为6×10-4

Hcv——燃料中氢和碳的原子比，汽油燃料可选为1.727 1

Ocv——燃料中氧和碳的原子比，汽油燃料可选为0.017 6。

所以，λ 的大小与O2、CO、CO2和HC 的浓度有关。

下面解析一下各组份测量原理。

（1）设备采用电化学传感器对O2及NO 浓度（NO 此处不作分析）进行检测。在一定条件下，利用氧化皓内外两侧的氧浓度差，产生电压差（正常范围为8～10 mV）再经过放大、AD 转换后作为控制系统的可测信号。下面分别对影响O2浓度测量的因素作以分析。

（2）HC、CO 通过不分光红外线吸收原理（Non-Dispersive Infrared Absorption，NDIR）测试（图1）。非对称分子（含有不同原子）可以在特定波长吸收红外线能，这种特定的吸收定波长吸收红外线能，这种特定的吸收带对于某种分子是确定的、标准的，称带对于某种分子是确定的、标准的，称为“物质指纹”。气体对一定波长的红外辐射的吸收强度与气体浓度有确定的关系，即I=I0exp（-kcl）。其中，c 为气体浓度。

以CO 测量为例，两束相同红外光线分别进入测试室和比较室，前一束红外光线在经过测试室时，一部分光线被尾气中的CO 所吸收，其余部分进入检测室中的左腔；后一束红外光线则进入比较室，比较室中的N2不吸收红外光线，光线全部进入检测室中的右腔。检测室的左右腔充有等量的CO，它们吸收同时进入的两束红外光线，吸收的光能转变为热能。由于前一束光线已被吸收了一部分，这样就造成左右两个腔室温度差，进而导致压力差的存在，流量传感器可以感受到左右腔室间空气的流动。

图1 光谱吸收图

2 问题及分析

下面以本公司检测线的5 组分尾气分析仪的实测数据，分别对影响各各组分测量的因素加以分析。

2.1 管路中液态水的影响

汽油在燃烧过程中会产生水。由于尾气分析仪设备过滤器的滤水能力有限，尾气检测过程中总会有部分水珠残存于设备管路。在生产过程中发现，设备管路中的水对氧浓度的测量有影响，进而影响对λ 的测量。

通过以下实验验证水对过量空气系数的影响：用同一台设备（管路中水较多）对5 辆车进行检测，然后对该设备管路进行干燥处理，对之前的5 辆车再次检测（图2）。

由图2 可知，干燥过后λ值明显减小。因此，在汽车尾气检测过程中，设备管路中的水会导致λ 实测值偏大。

图2 干燥前后的λ 值对比

图3 平台清洗前后的λ 值对比

2.2 测量平台清洁度的影响

汽油燃烧产生的气态化合物冷却后会以油脂形式沉淀于红外测量平台的内壁，在尾气检测过程中会影响尾气的成分，进而导致λ 的测量误差。

通过以下实验验证水对λ 的影响：用同一台设备（已连续长时间使用，平台较脏）对5 辆车进行怠速检测，然后对将测量平台拆解，用Extreme Simple Green 溶液平台内壁及镜片进行清洗，用清水冲洗并干燥后将设备恢复，对之前的5 辆车再次检测（图3）。

由图3 可知，测量平台清洗过后λ 值变小。因此，当红外测量平台油污较多时，会导致λ 实测值偏大。

2.3 实际尾气含量的变化

在尾气检测过程中，尾气管路必然会发生泄漏，泄漏对λ实测值影响较大，当泄漏达到一定程度时，会直接导致λ 测量不合格。

通过以下实验验证泄漏对λ 的影响：将设备管路的一段进行程度不同的剪切破坏，分别对同一辆车进行怠速检测（图4）。

由图4 可知，λ 实测值随泄漏值非线性正比增大。当剪切度达到1/10 时，λ 实测值便已到达正常值的临界状态。在尾气检测过程中，设备管路的气密性非常重要，因而在设备中设有泄漏检查功能，可以通过内置压力传感器对密闭管路的气密性进行检测。

2.4 铅中毒导致氧传感器失效

汽油中的铅元素会导致氧传感器中毒。氧传感器中毒后，测量时电压波动缺乏规律，电信号反馈误差增大，氧浓度测量偏差增大，导致过量空气系数测量偏差增大。公司车辆产量大，设备使用频次高，且铅中毒为不可逆反应，此项作为导致氧传感器失效的常规因素，目前除更换氧传感器外无有效控制途径。

3 解决对策

3.1 设备改善

针对管路中液态水偏多的问题，设计直流反吹洗装置，通过压缩空气排除管路中的水：当设备进行检测时，管路两端分别接到设备检测口与汽车尾喉；检测结束后电磁阀A 切换，管路与压缩空气接通，电磁阀B 切换，设备端接大气，进行管路反吹洗过程。其中，电磁阀A 为先导式两位三通电磁阀，电磁阀B 为直动式电磁阀（图5）。

根据气路原理在电控箱内制作反吹洗装置并用于现场，使用效果良好，λ 值高故障率显著降低（图6）。

此改善在减少λ值测量故障的同时，还降低了氧传感器和塑封过滤器的消耗，根据公司节约换算标准计算共计节约金额118 802.4 元/年，在公司合理化建议评比中被评为优秀合理化建议。

3.2 GMS 管理改进

图4 不同泄漏量对λ 值的影响

图5 反吹装置气路原理

图6 反吹装置

根据设备使用频次，针对测量平台清洁度影响λ 实测值的问题，在设备PM（Productive Maintenance，生产维护）标准中制定测量平台定期清洗计划，周期为3 月/次。

针对尾气管路泄漏影响λ 实测值的问题，制定设备管路点检计划，包含设备压力传感器检测和人工管路检测。由于管路尾气泄漏导致的故障率较高，将管路点检列入维修工TPM（Total Productive Maintenance，全员生产维护），周期为每天1 次。

4 总结语

综上所述，在汽车尾气检测过程中，过量空气系数λ 的测量精度受到多种因素影响，采取针对性的措施提高其测量精度，能够有效保证汽车尾气检测结果的准确性，对整车质量控制及汽车能源控制具有重要意义.。