任务一 汽油机排放异常分析
教学目标
知识目标
1.能认知燃料供给系统组成和工作原理。
2.能认知空气供给系统组成和工作原理。
3.掌握过量空气系数、空燃比定义。
4.能认知三元催化转换器作用与工作原理。
技能目标
1.掌握汽油机排放污染检测步骤。
2.熟练掌握节气门清洗步骤。
3.熟练掌握喷油器的拆卸与安装方法。
知识链接
一、汽油机混合气的形成
1.燃料供给系统的作用和组成
燃料供给系统主要由汽油供给装置和进排气装置组成。其功用是将空气与雾化后的汽油充分混合，向发动机提供可燃混合气，并对可燃混合气的供给量及其浓度进行有效的控制，使发动机在各种工况下都能连续、稳定运转。同时将燃烧后的废气经净化处理后排入大气。
2.可燃混合气简介
可燃混合气的浓度常用空燃比（R）和过量空气系数（a）来表示。空燃比就是混合气中所含空气质量（kg）与燃料质量（kg）的比值。即
理论上1 kg汽油完全燃烧需要14.7 kg空气，即空燃比为14.7（称为理论混合气）。若混合气比值小于14.7就过浓，若大于14.7就过稀。不同的燃料，空燃比数值不同。过量空气系数是指实际供给的空气质量与理论上燃烧时所需的空气质量之比，也等于实际空燃比与理论空燃比数值之比，用字母a来表示：
① 当a =1时，即理论混合气（又称标准混合气）。
② 当a ＜1时，即为浓混合气。
③ 当a ＞1时，即为稀混合气。
3.发动机工况对可燃混合气浓度的要求
发动机工况对可燃混合气浓度的要求，见表6-1-1。
表6-1-1 发动机工况对可燃混合气浓度的要求
二、汽油机空气供给系统
1.空气供给系统的组成、作用及分类
（1）空气供给系统的组成及作用
空气供给系统为发动机提供清洁的空气，控制并测量进入发动机的空气量。如图6-1-1所示，空气供给系统主要由空气滤清器、空气流量计（L型）或绝对压力传感器（D型）、节气门体、（怠速）ISCV控制阀或空气阀、进气总管、进气歧管等组成。
（2）空气供给系统的分类
按照进气量计量方式的不同，空气供给系统可分为D型和L型。如图6-1-2所示，D型空气供给系统是利用绝对压力传感器检测出进气总管内的绝对压力，电子控制单元（ECU）再根据进气总管内的绝对压力和发动机转速推算出发动机的进气量，最后根据进气量和发动机转速确定基本喷油量。
如图6-1-2所示，L型空气供给系统是利用空气流量计直接测量发动机的进气量，电子控制单元（ECU）根据空气流量计信号与发动机转速信号，计算出基本喷油量，并参考进气温度和转速，最后确定基本喷油量。其测量的准确度高于D型，故对可燃混合气浓度的控制更精确。
图6-1-2 D型、L型空气供给系统
2.节气门体
如图6-1-3所示，节气门体是控制发动机吸气多少的一个阀门，是一个圆形的钢片，中间有一根轴，和油门拉线连接，并由油门拉线控制。节气门体是发动机进气系统上的一个装置。节气门体一般分三部分：执行器、节气门片和节气门位置传感器，它们一般被封装为一体。边上的水管是起废气回流 达到一定的排放标准。
三、汽油机燃油供给系统
1.燃油供给系统的作用及组成
燃油供给系统的作用是为发动机的各种工况提供需要的燃油，保证发动机的正常运转。燃油供给系统主要由油箱、油泵、燃油滤清器、油压调节器、燃油蒸气管、喷油器、活性炭罐、两通阀、回油管、供油管等组成，如图6-1-4所示。
2.燃油供给系统的工作原理
如图6-1-5所示，发动机工作时，电动汽油泵抽吸油箱内的燃油，按80～120 L/h的泵油量供油，经滤清器过滤后，通过压力调节器调节压力，使压力保持0.25 MPa，后经输油管配送给各个喷油器，喷油器根据电子控制单元（ECU）的指令，将适量的燃油喷入各进气歧管或进气总管。
图6-1-5 燃油供给系统的工作原理
1.压力调节器；2.燃油分配管；3.燃油滤清器；4.输油管；5.燃油泵控制器；6.燃油泵；7.喷油器；8.燃油箱；9.进气歧管；10.节气门；11.空气滤清器；12.喷油信号
四、汽油机排气净化装置
1.排气管与排气消音器
如图6-1-6所示，排气管包括排气歧管和排气总管。排气总管安装于发动机排气歧管和消音器之间，起到减振、降噪、方便安装和延长排气消声系统寿命的作用。排气歧管是收集从发动机各气缸中排出的废气并排向排气总管的部件。由于排气歧管直接安装在发动机上，而尾气温度高达900℃左右，故要求所用材料需具有优异的抗氧化性、耐高温性、热疲劳性能；此外，由于排气歧管的形状复杂，所用材料还需具有优良的成形性。
如图6-1-7所示，消音器是阻止声音传播而允许气流通过的一种器件，一般安装在排气总管后。消音器的作用是吸收和降低排出尾气时的噪音。消音器由共振室、膨胀室、一组多孔的管子及耐热的吸音材料等构成。其工作原理：废气经过多孔的管子流入膨胀室，在此过程中废气不断改变流动方向，逐渐降低和衰减其压力和压力脉动，消耗其能量，最终削减排气噪声。
2.三元催化转换器（TWC）作用与结构
三元催化转换器是安装于汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的一氧化碳、碳氢化合物和碳氮化合物等有害气体通过氧化和还原作用转变成无害的二氧化碳、水和氮气。这种催化器可同时将废气中的三种主要有害物质转化成无害物质。三元催化器安装在消声器前面，由转换芯子和外壳等构成。转换芯子常用蜂窝状陶瓷作为承载催化剂的载体，以在陶瓷载体上浸渍铂（或钯）与铑等贵重金属的混合物作为催化剂。净化剂实际上起催化作用，是上述贵金属和稀土材料按一定比例制成的催化剂。网状型三元催化转换器结构如图6-1-8所示。
图6-1-8 网状型三元催化转换器结构
1.涂覆催化剂涂层的陶瓷载体；2.绝热夹层；3.夹层外套；4.金属外壳；5.夹层内套；6.衬垫；7.负载催化剂的涂层；8.陶瓷载体
3.三元催化转换器（TWC）的工作原理
三元催化转换器（TWC）的工作原理如图6-1-9所示。
三元催化转换器内部装有催化床，催化床内附着铂（或钯）和铑的混合物。铂能促使一氧化碳、碳氢化合物和碳氮化合物氧化；而铑则能加速碳氮化合物的还原。当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强一氧化碳、碳氢化合物和碳氮化合物三种气体的活性，促使其进行一定的氧化还原反应。其中，一氧化碳在高温下氧化成无色、无毒的二氧化碳气体；碳氢化合物在高温下氧化成水和二氧化碳；碳氮化合物还原成氮气和氧气。这样三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。
三元催化转换器只能适用于无铅汽油作燃料的汽车，因为使用含铅汽油，废气中的铅就会覆盖催化剂，使净化器停止工作而不起任何作用，俗称“中毒”。因此，汽车使用三元催化器有两个前提条件：一是要用无铅汽油；二是发动机要使用电控燃油喷射装置。
4.影响三元催化转换器（TWC）转换效率的因素
三元催化转换器转换效率与空燃比有关系，其关系曲线如图6-1-10所示。从图6-1-10中可见，只有发动机在理论空燃比附近运行时，三元催化转换器的转换效率才为最佳。为此，必须精确控制发动机的空燃比，使之保持在理论空燃比附近范围内。
图6-1-10 三元催化转换器转换效率与空燃比关系图
1.NOx；2.CO；3.HC；4.三元催化剂最佳工作区
对三元催化转换器转换效率影响最大的是混合气的浓度和排气温度。在装有TWC的汽车上，一般用氧传感器检测废气中的氧浓度，并将此信号传送给ECU，ECU根据此信号对空燃比进行反馈闭环控制。装用TWC后，发动机的排气温度须在300～815℃。低于300℃，氧传感器将不能产生正确信号，因此部分氧传感器内有加热线圈；高于815℃，TWC转换效率将会下降。
技能实训一 汽油机排放污染检测
汽车废气中的有害成分的含量是通过专用的汽车尾气分析仪进行测定的，检测的方法有怠速法和工况法。怠速法分为单怠速法和双怠速法，工况法包括稳态工况法和瞬态工况法。
step 1 仪器准备
（1）准备马哈MGT 400（便携式尾气分析仪），仪器应放在平整稳定的桌面上。取样软管其中一端套探头手柄，另一端套在过滤器增压器进气嘴。
（2）直径16 cm乙烯管接在仪器排放口，把废气废水排到室外。
（3）清洁取样探头，做到无尘无水分。
（4）检查滤芯是否清洁，否则要更换新滤芯。检查打印纸是否充足。
（5）接通电源，打开仪器开关，仪器预热15 min。
（6）校准仪器。(https://www.daowen.com)
step 2 车辆或发动机准备
（1）进气系统应有空气滤清器，排气系统应装有排气消声器，并不得有泄漏。
（2）汽油应符合国家标准的规定。
（3）设备连接，设备连接如图6-1-11所示。
step 3 怠速测量尾气步骤
（1）在发动机上安装转速传感器、润滑油测温计等测试仪器。
（2）使汽车发动机预热至正常运转状态，水温80～90℃，机油温度70～90℃，调整好怠速。
（3）开动采样泵，因仪器具有自动调零功能，一般不需调整，如不复“0”位，则可使用“调零”或“校准”旋扭进行调整。
（4）将取样探头插入排气管中，插入深度400 mm，按“测量”键。发动机在怠速状态维持15 s后开始读数，读取30 s内的最高值和最低值，取其平均值作为检测结果。若为多排气管时，取各排气管检测结果的算术平均值。
（5）按“打印”键，可利用打印机将测量结果打印出来。
（6）测量结束后，把取样探头从排气管里抽出来，应让采样泵持续工作5 min，让它吸入新鲜空气，待仪器进入复“0”位后，再进行下一次的检测；如不再检测，则可关机（先关采样泵，后关电源开关）。
检测中的注意事项
①注意试验安全，启动发动机前确保手刹拉紧，挂空挡，安装车轮挡块。
②在实验车底盘下固定或卸下取样探头时，严禁起降、移动车辆。
③防止把水、汽油、灰尘等吸入仪器，否则会影响滤清器、泵、分析部位的正常工作，甚至损坏相关部件。
技能实训二 清洗节气门体
车辆行驶里程达到5 000～10 000 km时，节气门需要清洗一次，若在灰尘多的地方，则行驶300～500 km后就需清洗一次。
step 1 拆下节气门
（1）如图6-1-12（a）、（b）所示，用起子松开节气门卡箍，取下节气门和空气滤清器的喉管。
图6-1-12 清洗节气门
（2）如图6-1-12（c）所示，拧松节气门体的固定螺丝并取下节气门体。
step 2 节气门的清洗与检查
1.如图6-1-12（d）所示，用专用清洗剂清洗节气门，特别要注意清洗节气门内腔的积碳。
2.将清洗干净后的节气门晾干后装回到发动机上。
3.用专业电脑进行匹配。做匹配的时候，要在水温85℃以上打开钥匙门，在熄火状态下进行。匹配完成后，着车怠速一段时间，怠速趋于平缓稳定，此次清洗节气门的项目就完成了。
技能实训三 清洗喷油器
喷油器常见故障有喷油器黏滞、喷油器堵塞。如果燃油中杂质含量较高，或者喷油器喷嘴被长期形成的胶质物堵塞，就会影响喷油器的正常工作，导致发动机怠速不稳、启动困难、动力不足甚至熄火等多种故障。为保证发动机正常工作，应及时对喷油器进行维护。喷油器的清洗通常有随车清洗和超声波清洗两种方法，下面以超声波清洗为例介绍下详细步骤。
step 1 拆卸喷油器
（1）对燃油系统卸压。
（2）如图6-1-13所示，从蓄电池负极端断开电缆。
（3）如图6-1-14所示，拆卸气缸盖罩。
图6-1-13 断开电缆
图6-1-14 拆卸气缸盖罩
（4）拆卸发动机线束。
（5）如图6-1-15所示，拆卸燃油管卡箍。
（6）如图6-1-16所示，取出喷油器总成。
图6-1-15 拆卸燃油管卡箍
step 2 喷油器的清洗与测试
（1）超声波清洗
① 将喷油器放入汽油或清洗油中，仔细清除外部油污后用软布擦拭干净。检查喷油嘴上的橡胶圈是否损坏，如有损坏，应及时更换。
② 在超声波清洗槽倒入专用喷油器测试剂两瓶，约1 850 mL。
③ 如图6-1-17所示，在超声波清洗槽内放入清洗支架，在机架上放好喷油器，清洗剂要浸过支架表面。
④ 如图6-1-18所示，打开设备电源开关。按下超声波键设置清洗时间（设备默认10 min）。
图6-1-18 设置清洗时间
② 如图6-1-19所示，将驱动线插头依次插入喷油器插孔中，驱动线插头依次插入喷油器插孔中。
③ 如图6-1-20所示，调整油压为0.25～0.30 MPa。
⑥ 按选择键依次选择怠速测试、中速测试、高速测试，压力仍保持在0.25～0.30 MPa。当液面达到量筒的2/3时按下停止键或暂停键，观测在不同工况下各喷油器的流量均衡性。一辆汽车上的所有喷油器的喷油量偏差不应超过2%。丰田卡罗拉喷油量15 s（2次或3次）60～73 cm3，各喷油间的差别13 cm3或更少。观察喷油器喷入的油量。
⑦ 喷油器安装位置不动，按选择键选择检漏测试项，按下工作键，同时将压力调至0.3 MPa，观测各喷油器密封性。每分钟滴漏不超过两滴视为合格。丰田卡罗拉每12分钟1滴或更少。
step 3 安装喷油器
（1）安装喷油器总成。
（2）安装燃油管隔垫。
（3）如图6-1-21所示，安装燃油管总成，将燃油管接头并装上卡夹。装上燃油管固定螺栓，螺栓紧固至21 N·m。
（4）固定发动机线束支架。
（5）如图6-1-22所示，连接曲轴箱通风软管。
（6）将电缆连接到蓄电池负极端子。
（7）检查燃油是否泄漏启动发动机，检查燃油是否泄漏。
（8）安装气缸盖罩。
图6-1-21 安装燃油管总成
图6-1-22 连接曲轴箱通风软管
学后测试
1.试述空燃比、过量空气系数定义。
2.试述空气供给系统组成、分类。
3.试述燃油供给装置组成、作用。
4.解释三元催化转换器工作原理。
5.独立完成汽油机排放污染检测。
6.熟练操作节气门、喷油器的清洗。