论文部分内容阅读
【摘 要】随着环保要求的提高，国家对于汽车尾气排放的要求也越来越高。过量空气系数作为排放的一个重要指标，其不合格通常是由电喷系统的零件故障导致的。但是也有一种过量空气系数不合与电喷系统完全不相关，文章对生产过程中出现的过量空气系数不合的问题进行分析，阐述了排气系统漏气与过量空气系数不合的关系，分析了与排气系统漏气相关的零件及其控制方法，为此类问题的解决提供了思路和方向。
【关键词】过量空气系数；排气；泄漏
【中图分类号】TK431 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）09-0020-03
汽车排放污染物主要有碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、一氧化碳（CO）、二氧化硫、含铅化合物、苯并芘及固体颗粒物等组成，它们都是发动机在燃烧过程中产生的有害气体。这些有害气体产生的原因各异，CO是燃油氧化不完全的中间产物，当氧气不充足时会产生CO，混合气浓度大及混合气不均匀都会使排气中的CO增加。HC是燃料中未燃烧的物质，由于混合气不均匀、燃烧室壁冷等原因造成部分燃油未来得及燃烧就被排放出去。NOx是燃料（汽油）在燃烧过程中产生的一种物质。PM也是燃油燃烧时缺氧产生的一种物质，其中以柴油机最明显。这些化合物严重危害了人类的身体健康。
为了对汽车排放的污染物进行有效的监控，各个国家都制定了相应的检测标准，我国目前已经全面实施了“国五”排放标准，并且正在推进“国六”标准的实施。对于排放控制的指标中，过量空气系数是一个重要参数。
过量空气系数是指燃烧1 kg燃料的实际空气量与理论上所需的空气量之质量比。过量空气系数等于1时，燃烧是最充分的。而过量空气系数大于1时，为稀混合气。GB 18285—2005对于过量空气系数的要求，对于使用闭环控制电子燃油喷射系统和三元催化转化器技术的汽车进行过量空气系数的测定，发动机转速为高转速时，过量空气系数应该在1.00±0.03或者制造厂规定的范围内。通常我们用λ表示过量空气系数。
造成过量空气系数不合的原因有很多，通常是节气门、火花塞的积炭、催化器的失效、氧传感器的故障等与电喷系统相关的零部件的原因造成的。这些车子通常都经过一段时间的使用，但是某前置后驱车型，刚生产下线进行尾气检验时就出现过量空气系数不合的问题，与前文所述的电器元件损坏的原因不同。本文从该问题的解决过程入手，详细分析了造成过量空气系数不合的原因及解决办法，作为后续设计开发的经验教训及问题分析的参考。
1 问题发生的背景
某车型进行年度车型更改后，车辆在检测线尾气排放工位进行尾气检测时，检测设备提示过量空气系数不合格。过量空气系数值超出国标要求0.97～1.03的范围，而且故障车辆的过量空气系数值都是偏大的。对故障车的电喷系统进行了检查发现，电喷系统的运行全部正常。选一台故障车辆举升后，在查看底盘时发现，怠速时排气系统有漏气，轰油门时更加明显。用手在排气系统的连接处感受发现，前后消声器连接法兰位置漏气严重，轰油门时明显感觉到有气流窜出。而没有出现过量空气系数不合的车辆，则没有发现明显的漏气。观察故障车的法兰发现，法兰已经变形，拆开前后消声器发现，消声器连接位置的密封垫变形，密封垫在法兰部分位置没有留下压痕，说明密封垫没有完全起到密封作用（如图1所示）。顺着故障车和非故障车的差异点进行了进一步的调查。
2 排气系统漏气与过量空气系数不合的关系
我们用尾气分析仪来对汽车尾气中各种气体元素含量指标进行检测。汽车尾气分析仪的探头探入到汽车排气尾管中，对汽车排气中主要组分CO、HC、CO2、NOX和O2进行测量分析，通过公式计算，得出过量空气系数的值。如果排气系统中存在漏气，即排出的废气中混入了空气，会导致计算出的λ值增大，如果超出国标的范围，设备会报警，提示高怠速时过量空气系数不合。
为了验证这一理论，对一台尾气排放已经合格的车辆，将前后消声器连接的法兰螺栓松开，再次进行尾气检测，该车辆过量空气系数超过范围，显示过量空气系数不合格；重新将法兰螺栓拧紧，该车辆的过量空气系数又显示合格（如图2所示）。
实验可以证明，过量空气系数与排气系统的漏气密切相关，在其他参数都不变的情况下，仅改变排气系统的漏气量，可以得到截然不同的结果。漏气量达到一定值后，检测的过量空气系数就出现不合。因此，此次批量出现的过量空气系数不合的问题可以锁定原因为前后消声器法兰连接处漏气。
3 影响排气系统密封不严的原因分析
排气系统漏气可以分成3个部分，一个是排气系统各零件的漏气，因零件不可能做成绝对密封状态，所以这个漏气是无法避免，只能在技术范围内尽量缩小。二是排气系统各零件连接处的漏气。这里的漏气除了与排气系统的零件、配合尺寸有关外，还与车身等尺寸密切相关。
3.1 排气系统零件设计参数内的漏气量
一个前置后驱车辆的排气系统主要有三元催化器总成、前消声器总成、后消声器总成3个零件组成。这3个零件都是由法兰盘、管路、消音包（或者三元催化器）焊接而成，每2个零件中间靠法兰面和密封垫密封。单个零件和整个系统都不是绝对密封的。
零件开发时工程师会规定每个零件的泄漏值。要求在一定压力下，泄漏量不小于某个数值。这个泄漏值由零部件供应商进行100%检验和挑选。将零件放置于一个台架，堵住排气口，向进气口充气保压，由设备读取泄漏量，满足要求后即零件合格。泄漏量不满足要求时，要对零件进行检查返修。
一般情况下，零件泄漏量不合与焊缝质量差有關。通过检漏、补焊，零件重新进行泄漏测试往往可以使零件满足使用需求。
理论上，每一个零件都在设计的泄漏范围内是没有问题的，但是，不排除三个零件泄漏量都在极限值时，累积的泄漏量超标。因此，对于出现过量空气系数不合的车子，应首先拆下排气系统的零件进行泄漏测试，并记录测试值。实际零部件质量控制过程中，应该严格控制泄漏值在上限的零件的使用。 3.2 排气系统各零件关键尺寸
3.2.1 零件检具测量
对于排气系统零件质量的检查，首先是检具测量（如图3所示）。将零件放置在检具上，锁紧定位法兰，观察零件在检具中的状态，是否超出检具的要求。用卡板检查零件有无超出检具，用间隙尺检查定位面的间隙。重点检查的是前后法兰面与检具的间隙及吊钩是否在检具的槽内。
法兰面如果不贴合检具，实车装配后，零件的2个法兰型面会不贴合，会出现压不紧密封垫的情况，从而导致漏气量增加。
吊钩的位置控制的是零件在车上的形态，如果吊钩位置不对，排气系统相邻的2个零件会不在一个平面上，法兰会形成一个“A”形或者“V”形的间隙，这种情况下再打紧法兰的连接螺栓，会出现密封垫压偏的情况，从而导致漏气量增加。
在实际问题的处理时，由于零件经过装车，法兰已经变形，所以故障件进行检具测量的意义不大了。通常会从同批次中抽取未装车的零件进行检具测量，由于零件都是工装件，如果零件焊接出现了偏差，也会同样发现端倪。
3.2.2 排气系统子零件的关键尺寸
除了排气零件在整车的形态，子级零件也有一些关键的尺寸会影响密封。
本车型采用的是比较成熟的法兰加密封垫的连接方式，密封垫压在法兰的平面上。对于这种连接方式的排气系统，要先关注连接法兰用于压密封垫位置的尺寸。
本车型对于法兰圆角的要求为3 mm，但是实际零件的圆角已经做到了6.5 mm。数模上模拟分析当法兰内侧圆角为R3 mm时，密封垫与法兰的接触面宽度为5.6 mm。当圆角变为R6.5 mm时，接触面宽度变为2.5 mm。密封面减小了3.1 mm，再加上其他的装配尺寸公差，能用于密封的尺寸就更小了。密封面的宽度直接影响了密封的效果。因此，法兰的内圆角为关键尺寸。
测量法兰内圆角的方法，比较简易直接的方法是R规（如图4所示），但是测量结果不够精确，只能用于初步判断零件是否符合。如果需要精确的数据，可以抽取同一批次的法兰，采用三坐标的测量方式。圆角可以直接在故障车上进行测量，是比较关键且比较容易收集的数据。
法兰的变形问题也非常关键，在本次问题的研究中发现，多数法兰在打紧扭力后发生了变形，法兰变形后会挤偏密封垫，从而发生漏气。控制法兰变形的方法有3种，其中一种是选用强度更高的材料或者增加材料的厚度，当然这种变化带来的是成本的增加。此外，选用不同型号的螺母也会有不同的效果，这是因为不同的螺母的摩擦系数是不一样的。问题论证的过程中，我们验证了2种螺母的装配效果。一种螺母法兰面是光滑平面的，另一种螺母法兰面是花纹的。经实验验证，当以同样的扭力施加于零件上，产生的变形量是不同的。使用平面螺母装配的零件变形严重，拆开后发现密封垫已经压偏，这种情况下泄漏是在所难免的了。而使用花纹螺母装配的零件没有变形，拆开后密封垫均匀的压缩，密封效果很理想。
如果在装配过程中能够先预紧两侧螺栓，然后均匀地将两侧打紧，经过验证，也是能够避免漏气量增大的一种方法。这种方法可以避免一侧先打紧造车的偏压现象，但是由于这种方法是靠操作员工把握，对熟练度的要求很高，过程中也很难监控，因此只能是在问题发生的前期作为一种抑制措施，不能作为问题解决的长期措施来执行。
3.2.3 整车其他相关零件尺寸
排气系统是由一些吊钩固定在车身上的，除此之外，三元催化器与发动机的排气歧管相连接，发动机在整车上的位置也影响到了排气系统的位置。所以，除了对整个排气系统的零件进行研究分析外，整车零件的尺寸也需要关注。最主要的是车架或者横梁上的排气零件的吊点尺寸、发动机悬置车身固定点尺寸。车身的零件测量主要的监控手段是三坐标测量。量产车会按照抽检的计划每天对生产的白车身进行三坐标测量，发动机相关的车身安装点均可以参考三坐标数据。但是，由于对于排气系统吊钩的焊接精度要求并不高，吊钩的测量往往不在常规测点中，可以要求三坐标进行临时测量或者到供应商处对其零件的工装检具进行尺寸测量来监控吊钩的一致性。
除以上所述零件外，密封垫也会影响密封性能，但是对密封垫在厂内只能大致进行内外径、厚度等的尺寸测量，如需详细的数据，还是需要供应商或者第三方检测机构的测量结果，详细尺寸可以参考图纸中的技术要求。
4 总结及结论
由上文分析，新车出现过量空气系数不合的问题时，除了排查电喷相关的零件外，排气系统的漏气也是一个重要的原因。当然，本文分析的是一种排气系统常见的连接形式，平面法兰加密封垫的形式。这种连接形式对于整车的相关零部件精度要求较高，当车身或者排气系统零件本身出现了公差累积，可能会导致问题批量爆发而不易查找原因。
本文通过问题解决的过程，系统阐述了漏气的分析过程，罗列了相关零件及关键点。对于以后出现类似问题给出了分析的方向。
参 考 文 献
[1]蔡凤田.汽车排放污染物控制实用技术[M].北京：人民交通出版社，1999.
[2]張莉，吴凯.用尾气分析仪检测结果确定汽油机过量空气系数的方法[J].汽车维修，2008（12）：20-21.
[3]李茂月，徐雳，贾冬开.汽油机过量空气系数的参数特性试验研究[J].小型内燃机与车辆技术，2010，39（4）：10-13.
[责任编辑：钟声贤]
【关键词】过量空气系数；排气；泄漏
【中图分类号】TK431 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）09-0020-03
汽车排放污染物主要有碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、一氧化碳（CO）、二氧化硫、含铅化合物、苯并芘及固体颗粒物等组成，它们都是发动机在燃烧过程中产生的有害气体。这些有害气体产生的原因各异，CO是燃油氧化不完全的中间产物，当氧气不充足时会产生CO，混合气浓度大及混合气不均匀都会使排气中的CO增加。HC是燃料中未燃烧的物质，由于混合气不均匀、燃烧室壁冷等原因造成部分燃油未来得及燃烧就被排放出去。NOx是燃料（汽油）在燃烧过程中产生的一种物质。PM也是燃油燃烧时缺氧产生的一种物质，其中以柴油机最明显。这些化合物严重危害了人类的身体健康。
为了对汽车排放的污染物进行有效的监控，各个国家都制定了相应的检测标准，我国目前已经全面实施了“国五”排放标准，并且正在推进“国六”标准的实施。对于排放控制的指标中，过量空气系数是一个重要参数。
过量空气系数是指燃烧1 kg燃料的实际空气量与理论上所需的空气量之质量比。过量空气系数等于1时，燃烧是最充分的。而过量空气系数大于1时，为稀混合气。GB 18285—2005对于过量空气系数的要求，对于使用闭环控制电子燃油喷射系统和三元催化转化器技术的汽车进行过量空气系数的测定，发动机转速为高转速时，过量空气系数应该在1.00±0.03或者制造厂规定的范围内。通常我们用λ表示过量空气系数。
造成过量空气系数不合的原因有很多，通常是节气门、火花塞的积炭、催化器的失效、氧传感器的故障等与电喷系统相关的零部件的原因造成的。这些车子通常都经过一段时间的使用，但是某前置后驱车型，刚生产下线进行尾气检验时就出现过量空气系数不合的问题，与前文所述的电器元件损坏的原因不同。本文从该问题的解决过程入手，详细分析了造成过量空气系数不合的原因及解决办法，作为后续设计开发的经验教训及问题分析的参考。
1 问题发生的背景
某车型进行年度车型更改后，车辆在检测线尾气排放工位进行尾气检测时，检测设备提示过量空气系数不合格。过量空气系数值超出国标要求0.97～1.03的范围，而且故障车辆的过量空气系数值都是偏大的。对故障车的电喷系统进行了检查发现，电喷系统的运行全部正常。选一台故障车辆举升后，在查看底盘时发现，怠速时排气系统有漏气，轰油门时更加明显。用手在排气系统的连接处感受发现，前后消声器连接法兰位置漏气严重，轰油门时明显感觉到有气流窜出。而没有出现过量空气系数不合的车辆，则没有发现明显的漏气。观察故障车的法兰发现，法兰已经变形，拆开前后消声器发现，消声器连接位置的密封垫变形，密封垫在法兰部分位置没有留下压痕，说明密封垫没有完全起到密封作用（如图1所示）。顺着故障车和非故障车的差异点进行了进一步的调查。
2 排气系统漏气与过量空气系数不合的关系
我们用尾气分析仪来对汽车尾气中各种气体元素含量指标进行检测。汽车尾气分析仪的探头探入到汽车排气尾管中，对汽车排气中主要组分CO、HC、CO2、NOX和O2进行测量分析，通过公式计算，得出过量空气系数的值。如果排气系统中存在漏气，即排出的废气中混入了空气，会导致计算出的λ值增大，如果超出国标的范围，设备会报警，提示高怠速时过量空气系数不合。
为了验证这一理论，对一台尾气排放已经合格的车辆，将前后消声器连接的法兰螺栓松开，再次进行尾气检测，该车辆过量空气系数超过范围，显示过量空气系数不合格；重新将法兰螺栓拧紧，该车辆的过量空气系数又显示合格（如图2所示）。
实验可以证明，过量空气系数与排气系统的漏气密切相关，在其他参数都不变的情况下，仅改变排气系统的漏气量，可以得到截然不同的结果。漏气量达到一定值后，检测的过量空气系数就出现不合。因此，此次批量出现的过量空气系数不合的问题可以锁定原因为前后消声器法兰连接处漏气。
3 影响排气系统密封不严的原因分析
排气系统漏气可以分成3个部分，一个是排气系统各零件的漏气，因零件不可能做成绝对密封状态，所以这个漏气是无法避免，只能在技术范围内尽量缩小。二是排气系统各零件连接处的漏气。这里的漏气除了与排气系统的零件、配合尺寸有关外，还与车身等尺寸密切相关。
3.1 排气系统零件设计参数内的漏气量
一个前置后驱车辆的排气系统主要有三元催化器总成、前消声器总成、后消声器总成3个零件组成。这3个零件都是由法兰盘、管路、消音包（或者三元催化器）焊接而成，每2个零件中间靠法兰面和密封垫密封。单个零件和整个系统都不是绝对密封的。
零件开发时工程师会规定每个零件的泄漏值。要求在一定压力下，泄漏量不小于某个数值。这个泄漏值由零部件供应商进行100%检验和挑选。将零件放置于一个台架，堵住排气口，向进气口充气保压，由设备读取泄漏量，满足要求后即零件合格。泄漏量不满足要求时，要对零件进行检查返修。
一般情况下，零件泄漏量不合与焊缝质量差有關。通过检漏、补焊，零件重新进行泄漏测试往往可以使零件满足使用需求。
理论上，每一个零件都在设计的泄漏范围内是没有问题的，但是，不排除三个零件泄漏量都在极限值时，累积的泄漏量超标。因此，对于出现过量空气系数不合的车子，应首先拆下排气系统的零件进行泄漏测试，并记录测试值。实际零部件质量控制过程中，应该严格控制泄漏值在上限的零件的使用。 3.2 排气系统各零件关键尺寸
3.2.1 零件检具测量
对于排气系统零件质量的检查，首先是检具测量（如图3所示）。将零件放置在检具上，锁紧定位法兰，观察零件在检具中的状态，是否超出检具的要求。用卡板检查零件有无超出检具，用间隙尺检查定位面的间隙。重点检查的是前后法兰面与检具的间隙及吊钩是否在检具的槽内。
法兰面如果不贴合检具，实车装配后，零件的2个法兰型面会不贴合，会出现压不紧密封垫的情况，从而导致漏气量增加。
吊钩的位置控制的是零件在车上的形态，如果吊钩位置不对，排气系统相邻的2个零件会不在一个平面上，法兰会形成一个“A”形或者“V”形的间隙，这种情况下再打紧法兰的连接螺栓，会出现密封垫压偏的情况，从而导致漏气量增加。
在实际问题的处理时，由于零件经过装车，法兰已经变形，所以故障件进行检具测量的意义不大了。通常会从同批次中抽取未装车的零件进行检具测量，由于零件都是工装件，如果零件焊接出现了偏差，也会同样发现端倪。
3.2.2 排气系统子零件的关键尺寸
除了排气零件在整车的形态，子级零件也有一些关键的尺寸会影响密封。
本车型采用的是比较成熟的法兰加密封垫的连接方式，密封垫压在法兰的平面上。对于这种连接方式的排气系统，要先关注连接法兰用于压密封垫位置的尺寸。
本车型对于法兰圆角的要求为3 mm，但是实际零件的圆角已经做到了6.5 mm。数模上模拟分析当法兰内侧圆角为R3 mm时，密封垫与法兰的接触面宽度为5.6 mm。当圆角变为R6.5 mm时，接触面宽度变为2.5 mm。密封面减小了3.1 mm，再加上其他的装配尺寸公差，能用于密封的尺寸就更小了。密封面的宽度直接影响了密封的效果。因此，法兰的内圆角为关键尺寸。
测量法兰内圆角的方法，比较简易直接的方法是R规（如图4所示），但是测量结果不够精确，只能用于初步判断零件是否符合。如果需要精确的数据，可以抽取同一批次的法兰，采用三坐标的测量方式。圆角可以直接在故障车上进行测量，是比较关键且比较容易收集的数据。
法兰的变形问题也非常关键，在本次问题的研究中发现，多数法兰在打紧扭力后发生了变形，法兰变形后会挤偏密封垫，从而发生漏气。控制法兰变形的方法有3种，其中一种是选用强度更高的材料或者增加材料的厚度，当然这种变化带来的是成本的增加。此外，选用不同型号的螺母也会有不同的效果，这是因为不同的螺母的摩擦系数是不一样的。问题论证的过程中，我们验证了2种螺母的装配效果。一种螺母法兰面是光滑平面的，另一种螺母法兰面是花纹的。经实验验证，当以同样的扭力施加于零件上，产生的变形量是不同的。使用平面螺母装配的零件变形严重，拆开后发现密封垫已经压偏，这种情况下泄漏是在所难免的了。而使用花纹螺母装配的零件没有变形，拆开后密封垫均匀的压缩，密封效果很理想。
如果在装配过程中能够先预紧两侧螺栓，然后均匀地将两侧打紧，经过验证，也是能够避免漏气量增大的一种方法。这种方法可以避免一侧先打紧造车的偏压现象，但是由于这种方法是靠操作员工把握，对熟练度的要求很高，过程中也很难监控，因此只能是在问题发生的前期作为一种抑制措施，不能作为问题解决的长期措施来执行。
3.2.3 整车其他相关零件尺寸
排气系统是由一些吊钩固定在车身上的，除此之外，三元催化器与发动机的排气歧管相连接，发动机在整车上的位置也影响到了排气系统的位置。所以，除了对整个排气系统的零件进行研究分析外，整车零件的尺寸也需要关注。最主要的是车架或者横梁上的排气零件的吊点尺寸、发动机悬置车身固定点尺寸。车身的零件测量主要的监控手段是三坐标测量。量产车会按照抽检的计划每天对生产的白车身进行三坐标测量，发动机相关的车身安装点均可以参考三坐标数据。但是，由于对于排气系统吊钩的焊接精度要求并不高，吊钩的测量往往不在常规测点中，可以要求三坐标进行临时测量或者到供应商处对其零件的工装检具进行尺寸测量来监控吊钩的一致性。
除以上所述零件外，密封垫也会影响密封性能，但是对密封垫在厂内只能大致进行内外径、厚度等的尺寸测量，如需详细的数据，还是需要供应商或者第三方检测机构的测量结果，详细尺寸可以参考图纸中的技术要求。
4 总结及结论
由上文分析，新车出现过量空气系数不合的问题时，除了排查电喷相关的零件外，排气系统的漏气也是一个重要的原因。当然，本文分析的是一种排气系统常见的连接形式，平面法兰加密封垫的形式。这种连接形式对于整车的相关零部件精度要求较高，当车身或者排气系统零件本身出现了公差累积，可能会导致问题批量爆发而不易查找原因。
本文通过问题解决的过程，系统阐述了漏气的分析过程，罗列了相关零件及关键点。对于以后出现类似问题给出了分析的方向。
参 考 文 献
[1]蔡凤田.汽车排放污染物控制实用技术[M].北京：人民交通出版社，1999.
[2]張莉，吴凯.用尾气分析仪检测结果确定汽油机过量空气系数的方法[J].汽车维修，2008（12）：20-21.
[3]李茂月，徐雳，贾冬开.汽油机过量空气系数的参数特性试验研究[J].小型内燃机与车辆技术，2010，39（4）：10-13.
[责任编辑：钟声贤]