李清亮 范俊欽 伍金行 林煥明 林少杰 廖志文 王聲明

摘要16V275GL+燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)配N(xiāo)OX傳感器。NOX傳感器屬于消耗件，提高NOX傳感器的使用壽命，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)成本。本文介紹了NOX的工作原理和作用，以及如何提高NOX傳感器的使用壽命。

關(guān)鍵詞瓦克夏 ?16V275GL+ ?NOX傳感器 空燃比 氮氧化物 尾氣排放

1. 前言

某管網(wǎng)公司壓氣站配備4臺(tái)天然氣往復(fù)式壓縮機(jī)組。壓縮機(jī)組動(dòng)力單元為瓦克夏16V275GL+天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。壓縮機(jī)組投產(chǎn)前期經(jīng)常發(fā)生NOX傳感器報(bào)警故障，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。經(jīng)核實(shí)，NOX傳感器的正常使用壽命至少4000小時(shí)。但發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行200-300小時(shí)后就會(huì)出現(xiàn)NOX傳感器故障報(bào)警。經(jīng)過(guò)故障排查，找到了NOX傳感器過(guò)早失效原因，并對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了整改。整改后NOX傳感器使用時(shí)間達(dá)到甚至超過(guò)了其要求的使用壽命。

2. NOx傳感器的結(jié)構(gòu)組成

NOx傳感器由感應(yīng)探頭、控制模塊、連接插頭和連接線纜組成。

3.NOx傳感器的作用

（1）控制尾氣中氮氧化物的排放

氮氧化物指的是只由氮、氧兩種元素組成的化合物，包括多種化合物，如一氧化二氮（N2O）、一氧化氮 （NO）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）和五氧化二氮（N2O5）等。除一氧化二氮及二氧化氮以外，其他氮氧化物均不穩(wěn)定，遇光、濕或熱變成二氧化氮及一氧化氮，一氧化氮又變?yōu)槎趸Ｒ虼?，職業(yè)環(huán)境中接觸的是幾種氣體混合物常稱(chēng)為硝煙 （氣），主要為一氧化氮和二氧化氮，并以二氧化氮為主。氮氧化物都具有不同程度的毒性。

天然氣和空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒后會(huì)生成一氧化氮 （NO）和二氧化氮（NO2），此類(lèi)有害氣氣排出大氣后，會(huì)對(duì)大氣照成污染。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，控制氮氧化物的排放有嚴(yán)格的環(huán)保要求。

16V275GL+燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)屬于稀薄燃燒機(jī)型，稀薄燃燒的定義指燃燒時(shí)空氣的供應(yīng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際需求量。16V275GL+空氣燃?xì)獗葹?2：1. 在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中，氮氧化物的產(chǎn)生受兩個(gè)因素的影響。第一因素是燃燒溫度，燃燒溫度越高越容易產(chǎn)生氮氧化物。第二因素是燃燒氣體中的氧含量，氧含量越高越容易產(chǎn)生氮氧化物。在16V275GL+發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中，NOX傳感器檢測(cè)尾氣中氮氧化物含量，通過(guò)此檢測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元）調(diào)整空氣燃?xì)獗戎?，將氮氧化物排放控制在最低值?/p>

這張圖表顯示了氣缸中氧氣和溫度對(duì)NOx排放的影響。注意最大NOx 產(chǎn)量并不是在最高排氣溫度 （理論配比 AFR 16.09：1）。 ?當(dāng)當(dāng)量燃燒設(shè)置時(shí)， 16.09：1空燃比 （AFR），排氣達(dá)到最高溫度，但是排氣中的氧氣量很低。最大NOx 量沒(méi)有發(fā)生在最大氧氣的點(diǎn) （在這張表中）， 隨著空燃比偏離理論廢氣溫度下降。低熱會(huì)導(dǎo)致低反應(yīng)率，減少NOx 的產(chǎn)量。 最大NOx產(chǎn)出發(fā)生在介于 17.00 and 18.00 ： 1 空燃比之間的點(diǎn)。

這張圖表顯示了在理論燃燒排出污染物和稀薄燃燒的燃燒排出污染物比較?？?燃比調(diào)節(jié)的越稀薄，燃燒溫度越低。因此，即使氧氣多余，也沒(méi)有足夠的熱來(lái)產(chǎn)生較多的NOx。 這就是為什么在稀薄 AFRs 時(shí)NOx的產(chǎn)量較低。

另一個(gè)影響NOx 產(chǎn)量的變量是氣體聚集的時(shí)間。 如果氧氣和氮?dú)庠谝粋€(gè)熱環(huán)境下聚集的時(shí)間越長(zhǎng)， NOx的產(chǎn)量會(huì)增加。這就是為什么發(fā)動(dòng)機(jī)的速度會(huì)影響NOx 的產(chǎn)量。 發(fā)動(dòng)機(jī)速度越高，氧氣和氮?dú)夥磻?yīng)的時(shí)間越短。通常，速度越快， NOx 的產(chǎn)量越少。 如上表所示，點(diǎn)火時(shí)間也對(duì)NOx 的生成有影響。過(guò)早的點(diǎn)火時(shí)間導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng) （氧氣和氮?dú)庵g）和缸內(nèi)較高的壓力/溫度峰值。過(guò)早點(diǎn)火時(shí)間導(dǎo)致NOx 量增加，延遲的點(diǎn)火時(shí)間會(huì)減少?gòu)U氣NOx排放。

（2）通過(guò)測(cè)量尾氣中氧含量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒空燃比

16V275GL+屬于稀薄燃燒燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，它的燃燒空燃比是32：1.空燃比是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要運(yùn)行參數(shù)。空燃比過(guò)濃會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排溫高、NOx排放超標(biāo)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)、爆震等問(wèn)題?？杖急冗^(guò)于稀薄會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)等問(wèn)題。如何精確的控制發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比。NOx傳感器起到了關(guān)鍵作用。

NOx傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上，檢查尾氣中的氧含量。再將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)電壓信號(hào)的形式傳輸?shù)絅CM（氮氧化物控制模塊）。NCM再通過(guò)接受來(lái)至ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元）的轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、大氣壓力、進(jìn)氣歧管壓力、進(jìn)氣歧管溫度信號(hào)。綜合分析后控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)調(diào)整燃?xì)膺M(jìn)氣壓力。當(dāng)NOx傳感器檢測(cè)到尾氣中氧含量過(guò)高時(shí)，NCM通過(guò)增加燃?xì)膺M(jìn)氣壓力。當(dāng)NOx傳感器檢測(cè)到尾氣氧含量過(guò)低時(shí)，NCM則降低燃?xì)鈮毫?。通過(guò)此閉環(huán)控制，精確調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒空燃比。

4.NOx傳感器工作原理

Nox傳感器分為兩個(gè)反應(yīng)腔室，反應(yīng)的傳感材料均是氧化鋯ZiO2。發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)腔室，氧氣首先與氧化鋯ZiO2反應(yīng)泵出，我們就得到了尾氣中的氧含量。剩下了NOx，因?yàn)榈谝粋€(gè)腔室有氧，所以NOx不能發(fā)生還原反應(yīng)。NOx進(jìn)入第二個(gè)腔室并發(fā)生還原反應(yīng)生成氮?dú)夂脱鯕狻＿€原反應(yīng)出來(lái)的氧氣與氧化鋯ZiO2反應(yīng)泵出，所以通過(guò)第二個(gè)腔室測(cè)得的氧含量就可推算出NOx的含量。

5.NOx傳感器的使用壽命

NOx傳感器的感應(yīng)材料是氧化鋯ZiO2，氧化鋯基電解質(zhì)的電性能會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而降低。其中溫度和濕度等外界因素對(duì)NOx傳感器的使用壽命有影響。通過(guò)對(duì)瓦克夏16V275GL+的使用情況研究發(fā)現(xiàn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在啟機(jī)預(yù)熱階段時(shí)，溫度較高的尾氣遇到溫度較低的NOx傳感器安裝區(qū)域形成冷凝液。NOx傳感器安裝殼體均有不同程度的向下傾斜。這導(dǎo)致冷凝液在此區(qū)域聚集。NOx傳感器受潮，使其使用壽命大大降低。

為避免發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)使所產(chǎn)生的冷凝液與NOx傳感器接觸，增加NOx傳感器的使用壽命?？稍贜Ox傳感器與NOx安裝殼體之間加裝一個(gè)彎頭連接管，讓NOx傳感器呈45度角向上傾斜安裝。通過(guò)此項(xiàng)整改，經(jīng)過(guò)實(shí)際使用情況證實(shí)，NOx傳感器的使用壽命大大增加。

參考文獻(xiàn)References

（1） Custom Engine ControlAir / Fuel ModuleFORM 6286-22nd edition;

（2） 275GL+ with ESM operation & maintenance FORM 6354-22nd edition;

（3） Principle of Zirconia-Based NOx Sensors Shun-an Luo Chongqing Instrument Materials Institute; Chongqing;

（4） KONDOH J， KAWASHIMA T， KIKUCHI S， et al. Effect of aging onyttria-stabilized zirconia， I a study of its electrochemical properties [J].J Electrochem Soc， 1998， 145（5）： 1 527–1 536;