九、尾气分析仪诊断应用要领
在汽车尾气的多种成分中，HC是未燃燃料、可燃混合气不完全燃烧或裂解的产物，以及少量氧化反应的中间产物；CO是缺氧情况下可燃混合气不完全燃烧的产物，是发动机尾气有害成分浓度最大的物质；CO2是可燃混合气正常燃烧的产物，它能够反映燃烧的效率。尾气分析法就是将尾气中HC、CO、CO2和O2等的排放量作为主要分析对象，对发动机故障进行诊断的一种方法。
尾气分析仪不仅是检测汽车尾气排放是否达标的专用仪器，它还具有诊断发动机故障的功能。如果能够掌握尾气分析仪（图1⁃24）的结构原理和使用技巧，充分发挥其功能（例如数据存储和对比、过量空气系数测试、OBD车载自诊断），可以给汽车维修带来很大的便利。
1.红外线尾气分析仪的工作原理
红外线尾气分析仪是基于各种气体吸收红外线的比率不相同这一原理（图1⁃25）工作的。以BANTAM型汽车尾气分析仪为例，该分析仪采用固体红外光学平台，可以连续检测汽车尾气中多种气体成分的浓度，利用不分光红外吸收法测量HC、CO和CO2含量，利用电化学电池法测量O2、NOx含量。
当尾气分析仪内充满所要检测的气体时，单红外光波束经过斩波器的调整，通过一个含有所要分析气体样品的、预定长度的样品池，气体样品吸收它的部分能量。能量削减后的波束从样品池出来，被引入红外检测仪的前室，波束经历又一次能量被吸收过程。检测仪前室与后室的压力差在两室间产生细微的气体流。物质流传感器检测该气体流，并把它转化成AC信号，然后把AC信号扩大调整为DC电压信号，最后提供给输出端子和指示器，这个输出信号与样品气的浓度是成比例的。该仪器的测量范围为：气体分析的上限可达100%，下限为百万分（10-6）级的浓度。在采取一定措施后，还可以进行痕量（ppb级）分析。
图1-24 BANTAM型汽车尾气分析仪
1—采样进气口 2—二级滤清器 3—一级滤清器 4—尾气进气口 5—氧传感器插头 6—氧传感器 7—风扇 8—汽车电源插头 9—220V电源插头 10—熔丝 11—RS23C插头 12—氮传感器出气口 13—氮传感器 14—氧传感器出气口 15—进水口 16—排水口 17—转速传感器插头 18—油温传感器插头 19—零点进气口
图1-25 尾气分析仪原理示意图
马哈MET6.3型尾气检测仪采用无线连接，支持移动式操作，具有独特的水蒸气过滤功能。该设备可以检测汽油车尾气中的5种排放气体和柴油车尾气中的颗粒（包括PM2.5）的浓度。
2.汽车尾气排放的检测与分析
汽车的尾气成分与发动机的工况有着非常密切的关系，如果汽车发生与混合气浓度有关的故障，最适宜使用尾气分析仪检测发动机的尾气成分，初步判断发动机的工作状况、性能好坏。更为重要的是，当发动机各系统出现故障时，尾气中的某种成分必然偏离正常值，通过检测发动机不同工况下尾气成分的含量，能够判断发动机的燃油控制是否正常、燃烧是否完全、是否“缺缸”等，有利于判断故障所在的部位。
引起汽车尾气排放不合格的原因很多，包括点火系统失常、供油系统失常、真空泄漏、气门不密封、气缸盖有裂纹、活塞或活塞环磨损、三元催化转化器失效等。
在正常情况下，轿车的尾气成分及其含量如表1-5所示。
表1-5 奇瑞A5202.0L轿车的尾气成分
为了准确判断三元催化转化器的效能，必要时在排气管上打个洞，然后安装一只有内螺纹的空心铆钉（检测结束后，拧一个小螺钉封死该小孔），再将尾气分析仪的探头插入，通过测量三元催化转化器前、后的尾气各成分的含量，并进行分析对比，就可以定量地判断三元催化转化器的性能是否正常。
在正常情况下，尾气在通过三元催化转化器之前，其中的CO2体积分数为13.2%～14.2%，通过三元催化转化器之后，CO2的体积分数可能达到15%。怠速时，尾气中的CO的体积分数应当小于1%，HC的体积分数应当小于200×10-6，NOx的体积分数应当小于100×10-6。如果CO、HC和NOx的体积分数都很高，说明三元催化转化器已经失效。
如果1个气缸偶尔缺火，尾气中HC含量为（200～500）×10-6；如果1个气缸燃烧完全中断，HC的含量在（2000～3000）×10-6之间。
尾气排放状况与发动机故障之间的关系如表1-6所示。
表1-6 尾气排放状况及其故障原因分析
（续）
3.用于诊断发动机怠速抖动
发动机怠速抖动的原因，不外乎“缺缸”和机械不平衡两方面。可以在测量尾气的过程中逐缸断火，以判断哪一缸失常。由于切断了点火，喷入气缸的燃油无法燃烧，便排入尾气中，所以尾气中HC和O2的含量会上升，而CO和CO2的含量会下降。
①如果某气缸HC和O2的上升量、CO和CO2的下降量与其他气缸不一致，说明这个气缸存在点火或喷油不良的故障。
②如果各气缸HC和O2的上升量与CO和CO2的下降量是一致的，说明发动机工作基本正常。
注意：当ECU监测到气缸缺火后，有的发动机会自动中断相应气缸的喷油，此时就不能采用这种办法检测。
图1-26 尾气排放与空燃比的关系
4.用于诊断空燃比失常故障（见图1-26）
如果尾气成分仪显示发动机λ值长期处于大于1或小于1的状态，就要考虑氧传感器是否老化。这是因为ECU对氧传感器的故障采取逻辑判定法，当燃油修正超出限值，氧传感器仍然发出过浓或过稀的信号，ECU便判定氧传感器失常。 导致空燃比失常的原因，主要有以下几方面：
①点火系统失常。例如火花塞、高压线、分电器、点火线圈等损坏，造成无法点燃混合气，部分氧不经过“消化”就排出气缸外，导致排气中的氧浓度升高。
②气缸压缩力不足。例如气门烧蚀、活塞环断裂或磨损过度，使点火之前混合气的压缩温度及压力不够，造成缺缸。
③真空泄漏。例如进气管泄漏、真空软管破裂或脱落，造成混合气的空燃比达到17以上，发动机因混合气过稀而缺缸。
④喷油器故障。个别喷油器卡滞在开启位置，造成喷油量过多；个别喷油器堵塞，造成喷油量过少，使某气缸的混合气空燃比达到13以下或者17以上，从而引起缺缸，进而造成排气中的氧含量异常。
⑤燃烧之外的因素——排气歧管泄漏。由于空气漏入排气中，增加了废气中氧的含量，氧传感器会给出混合气偏稀的信号，ECU将通过加浓混合器进行修正，而事实上这是一个错误的指令。
另一方面，如果CO和HC双重超标，是ECU认为混合气太稀而不断对混合气加浓的后果，说明发动机长时间缺火，氧传感器持续输出低电压信号。
5.用于诊断发动机加速不良
造成发动机加速不良的故障大致有以下两方面原因：
（1）燃油供应不畅 主要是燃油泵的泵油压力不足，混合气过稀，或者喷油器堵塞。若燃油压力不足，在发动机提高转速后，转速会逐渐下降（与排气管堵塞的症状相似），此时从尾气分析仪可以看到HC和O2的数据增高。
（2）点火系统缺火 常见现象是加速时汽车连续窜动，火花塞电极发黑，排气管口存在黑色的炭粒，此时从尾气分析仪可以读到O2含量高于正常值和HC值较高的数据。
既然混合气过稀和点火系统缺火都可能引起HC和O2增高，如何判断属于哪一方面问题呢？可以清除ECU中长期燃油修正值的记忆（归零），然后运用诊断仪的元件主动测试功能，增加燃油喷射量（或者将化油器清洗剂喷入进气管道，或者拆下某个真空软管，使真空泄漏），再测量尾气成分，此时可能看到以下两种不同的结果：
①尾气中的HC和O2含量都降低。说明是混合气偏稀，引起加速不良，在喷入额外的燃料后，由于空燃比恢复到正常水平，所以尾气中的HC和O2含量都降低。
②O2部分降低，但是HC未降低到正常范围。说明属点火系统缺火引起的加速不良，虽然尾气中的HC和O2含量比较高，在喷入额外的燃料后，O2会部分降低，但是HC不会降低到正常范围。
6.用于调整发动机CO排放量
对于早期的电控汽车，例如红旗CA7220E轿车装配的CA488发动机（采用SIMOS4S3型电控多点燃油喷射系统），发动机的CO排放量是需要调整的，并且在左后排座椅的下方安装有一个CO调节定位器。该车CO含量的调整方法如下：让发动机怠速运转，用一个熔断器插入继电器盒内的诊断插头，发动机故障指示灯点亮，然后将尾气分析仪的取样管插入排气管30～40cm处，再调整CO定位计，使尾气分析仪CO的读数为1%～2%，最后拔出诊断插头上的熔断器，尾气CO含量调整完毕。
7.尾气分析仪运用经验
①在检测之前，必须排除漏气故障。这里包括两个方面工作：一是检查汽车的排气系统，不能有漏气处，因为它会直接影响尾气检测分析的准确性；二是对尾气分析仪做泄漏试验，检查气路部分有无漏气和吸附故障，其方法是拔掉气体滤芯或者取样探头进行试验。
②在发动机暖机之后，才能使用尾气分析仪检测，而且取样探头（图1-27）必须插入排气管30cm以上。如果插入的深度不够，检测结果不能反映尾气的真实情况。
③在变工况测试中，要让转速稳定以后再读取数据。在读取数据时，不要让怠速运转的时间过长。
④不要在下雨、下雪、冰冻以及通风不良的环境中使用尾气分析仪。
⑤有时尾气分析仪上次使用得好好的，这次却不能正常使用了，非要启用设备的强制清洗功能，进行一次或者多次清洗才行。其原因是上次使用结束后立刻关机了，尾气中的水分冷凝在设备内。因此，尾气分析仪检测完毕，不宜立刻关机，应让其处于起动待机状态，到下班时再关机。实践证明，取样探头插入排气管时，将弯曲的把手柄朝上放，可以避免大量水汽进入尾气分析仪内。
⑥如果怀疑发动机活塞环漏气，或者气缸垫损坏后水道与气道相通，可以将尾气分析仪的探头插入曲轴箱或者散热器口，再根据显示的HC数据，快速地做出判断，能省去拆装气缸盖、油底壳以及活塞连杆组的麻烦。
⑦柴油机排出的高浓度有害物质可能堵塞尾气取样系统，所以有的四气体分析仪不能用于检测柴油机。
⑧喷油器经过清洗之后，其喷油量会增大，如果此时测量尾气CO的含量可能不达标。
图1-27 尾气取样探头及软管