第四节 废气排放子系统

娄底职院

2013年第五节废气排放控制子系统一排放控制系统简介一、汽车的公害汽车的公害主要包括三个方面:(1)排气对大气的污染。在大气污染中，汽车排放所造成的污染占有相当比重。据有关资料介绍，大气中所含CO的75%、HC和NOx的50%来源汽车的排放。

(2)噪声对环境污染。下一页

(3)电气设备对无线电广播及电视的电波干扰，但只是局部问题由于排污的危害很大，而且排气净化问题已成为当前汽车工业发展中起决定性作用的因素之一，因此排放的控制在国外汽车越来越受重视。汽油是多种碳氢化合物的混合物。在发动机气缸内，汽油和空气混合并燃烧，大部分生成CO2和H2O，依据燃烧条件，也有一部分由于不完全燃烧而生成CO和HC化合物。此外，当燃烧温度很高时，空气中的氮与未燃的氧起反应，生成NOx其中CO、HC和NOx气体对人类和环境都会造成很大危害。下一页返回上一页汽车排污的来源有三方面:(1)从排气管排出的废气，主要成分是CO、HC和NOx，其他还有SO2

、铅化合物和炭烟等;(2)曲轴箱窜气，即从活塞与气缸之间的间隙漏出的，再自曲轴箱经通气管排出的燃烧气体，其主要成分是HC;(3)从油箱盖挥发、油泵接头挥发、油泵与油箱的连接处挥发出的汽油蒸气，成分是HC汽油车排放源的有害气体相对排放量所示。下一页返回上一页（1）一氧化碳（CO）：碳氢燃料的不完全产物，人吸入后将降低血液吸收和运送氧气的能力。（2）碳氢化合物（HC）：包括未燃和未完全燃烧的燃油和润滑油蒸汽。（3）氮氧化合物（NOx）：燃烧室内高温富氧环境中的产物。2．汽车排放控制的分类①机内净化：从进气系统入手，通过改善混合气的质量，使燃烧产生的有害成分降低。这一类的排放控制装置有：进气温度自动控制装置、废气再循环控制装置、混合比加浓式减速废气净化装置、进气歧管真空度控制阀等。②机外净化：对发动机排出的废气进行再净化处理，将废气中所含的CO、HC和NOx等有害气体转化为无害的水(H2O)、二氧化碳(CO2)和氮(N2)等气体。这一类的排放控制装置有：热反应器、氧化催化剂转化器、三元催化转化器、二次空气供给装置等。目前广泛使用的发动机废气净化装置是三元催化转化装置。

收集汽油箱和浮子室内蒸气的汽油蒸气，并将汽油蒸气导入气缸参加燃烧，从而防止气油蒸气直接排出大气而防止造成污染。同时，根据发动机工况，控制导入气缸参加燃烧的汽油蒸气量。

1.EVAP控制系统功能控制废气排放的几种措施活性炭罐2.EVAP控制系统的组成与工作原理

如图，油箱的燃油蒸气通过单向阀进入活性碳罐上部，空气从碳罐下部进入清洗活性碳，在碳罐右上方有一定量排放小孔及受真空控制的排放控制阀，排放控制阀由内部的真空度由碳罐控制电磁阀控制，电磁阀受控制。1、油箱盖2、油箱3、单向阀4、排气管5、电磁阀6、节气门7、进气门8、真空阀9、真空控制阀10、定量排放孔11、活性碳罐下一页发动机停机后，燃油蒸气进入炭罐，被活性炭吸附。发动机起动后，进气管真空度经真空软管10传送到限流阀8，膜片上移并将限流孔开启，新鲜空气自炭罐底部向上流过炭罐，与吸附在活性炭表面的汽油蒸气，经限流孔和汽油蒸气管9进入进气歧管。炭罐顶部的限流阀8的作用是用来控制进入进气歧管的汽油蒸气和空气数量。怠速时，传送到膜片上方的真空度很小，致使孔径较大的限流孔关闭，以免破坏怠速时混合气的空燃比；大负荷或高转速工况下，限流阀全开，大、小限流孔均开启。工作原理发动机工作时，ECU根据发动机转速、温度、空气流量等信号，控制碳罐电磁阀的开闭来控制排放控制阀上部的真空度，从而控制排放控制阀的开度。当排放控制阀打开时，燃油蒸气通过排放控制阀被吸入进气歧管。下一页在部分电控EVAP控制系统中，活性碳罐上不设真空控制阀，而将受ECU控制的电磁阀直接装在活性碳罐与进气管之间的吸气管中。

如图韩国现代轿车装用的电控EVAP控制系统。强制式曲轴箱通风装置（PCV系统）

发动机工作时，有部分可燃混合气和燃烧产物经活塞环由气缸窜入曲轴箱内。当发动机在低温下运行时，还可能有液态燃油漏入曲轴箱内。这将导致润滑油变质，造成机件腐蚀或锈蚀，并且对大气环境HC等气体的污染。

强制式曲轴箱通风装置就是防止曲轴箱内碳氢燃料蒸汽和燃烧产物排放到大气中的净化装置。

强制式曲轴箱通风装置最重要的控制元件是PCV阀，其功用是根据发动机工况的变化自动调节进入气缸的曲轴箱内气体的数量。因此，强制式曲轴箱通风装置又称为PCV系统控制元件PCV阀的作用：根据发动机工况的变化自动调节进入气缸的曲轴箱气体的数量。1、发动机不工作时2、怠速或减速时3、在正常行驶时4、在大负荷下工作时气缸组I1发动机控制单元13油箱4活性炭罐5活性炭滤清器系统电磁阀1，气缸组I7带进气温度传感器的空气质量流量计19氧传感器，气缸组I11节气门控制单元1，气缸组I13温度传感器G6214发动机转速传感器发动机不工作时PCV阀的开度当发动机不工作时，PCV阀中的弹簧2将其中的锥形阀3压在阀座4上，关闭了曲轴箱与进气管的通路。发动机在怠速或减速时PCV阀的开度在怠速或减速时，进气管真空度很大，克服弹簧力把锥形阀高高举起，这时锥形阀3与PCV阀体1之间只有很小的缝隙。此时，窜入曲轴箱的气体也很少。部分节气门开度时PCV阀的开度进气管真空度比怠速时小，在弹簧的作用下锥形阀3与PCV阀体1之间的缝隙增大。由于窜入曲轴箱的气体较怠速时多，所以需要较大的PCV阀开度。发动机在大负荷工作时PCV阀的开度节气门全开，进气管真空度较小，弹簧将锥形阀3进一步下压，使PCV阀的开度达到最大。此时，将产生更多的曲轴箱气体，必须使PCV阀开度最大。进气管回火时PCV阀的开度

如果进气管发生回火，进气管压力增大，锥形阀落在阀座上，如同发动机不工作时一样，以防止回火窜入曲轴箱引起爆炸。如果气缸或活塞严重磨损，将会有更多气体窜入曲轴箱，引起曲轴箱压力异常升高，部分曲轴箱气体从空气滤清器处反喷。PCV阀堵塞，会造成曲轴箱通风不畅PCV软管漏气，会造成发动机怠速不稳若气缸的密封性能良好，PCV系统应该使曲轴箱内的压力略低于大气压力（才能形成强制通风的作用）1.EGR控制系统功能2.开环控制EGR系统3.闭环控制EGR系统二、废气在循环控制系统（EGR）EGR原理废气再循环量的控制方式增加废气再循环量，发动机的燃烧温度可进一步降低，抑制NOx产生的作用就更有效。但废气再循环量过多，会导致混合气的着火性变差，造成发动机的油耗上升，动力性下降，HC排放量上升。因此，必须控制废气引入量，而在发动机起动、怠速和低负荷等工况下，发动机的燃烧温度较低，NOx不会超量，为确保发动机可靠运行，就不能在新鲜混合气中掺入废气。

通常以废气再循环率来衡量废气的引入量，废气再循环率定义如下：

EGR率=EGR气体量/（吸入的空气量+EGR气体量）100%

废气再循环控制装置通过控制EGR率来保证发动机运转性能良好的同时，达到最佳的NOx净化效果。

EGR率与发动机动力性、经济性和排放性能有关（如下图）。

EGR率增加过大时，使燃烧速度太慢，燃烧变得不稳定，失火率增加，使HC也会增加；EGR率过小，NOx排放达不到法规要求，易产生爆震，发动机过热等现象。因此EGR率必须根据发动机工况要求进行控制。

试验结果说明：当EGR率小于10%时，燃油消耗量基本上不增加，当EGR率大于20%时，发动机燃烧不稳定，工作粗暴，HC排放物将增加10%。因此通常将EGR率控制在10%～20%范围内较合适。随着负荷增加EGR率允许值也增加（阴影部分）。

怠速和低负荷时，NOx排放浓度低，为了保证稳定燃烧，不进行EGR。

只有热态下进行EGR。发动机温度低时，NOx排放浓度也较低，为了保证正常燃烧，冷机时不进EGR。

大负荷、高速时，为了保证发动机有较好的动力性，此时混合气较浓，NOx排放生成物较少，可不进行EGR或减少EGR率。

较早使用的机械式EGR控制装置是利用进气歧管的真空度及排气压力来控制EGR阀的开启及开启的程度，主要有三种控制方式，如图所示。（3）废气再循环电子控制系统的控制原理电子控制废气再循环系统的组成如图所示。

ECU根据各传感器的信号判断发动机的工况与状态，以确定是否需要废气再循环或再循环流量的大小，并输出占空比可变的控制脉冲，通过控制EGR电磁阀的占空比来调节EGR阀的开度，以实现最佳的EGR率控制。为实现非线性的最佳EGR再循环流量控制，在EGR电子控制系统的存储器中储存各工况下的最佳废气再循环流量值，通常以电磁阀占空比参数的方式储存，ECU根据各传感器信号，直接查找并计算得到最佳的EGR电磁阀占空比值，并输出相应的占空比脉冲信号。有的EGR电子控制系统通过EGR阀开度传感器反馈EGR阀开度信息，相应的在ECU的存储器中储存的是发动机各工况下的EGR阀开度参数。工作时，ECU根据各传感器信号查找并计算得到最佳的EGR阀开度，并与当前EGR阀开度比较。如果不相等，ECU将调整占空比控制脉冲，将EGR阀的开度调整至最佳状态。①EGR阀

EGR阀膜片的一边(下部)通大气，装有弹簧的另一边为真空室，其真空度由EGR电磁阀控制。增大真空室的真空度，使膜片克服弹簧力上拱，阀的开度就增大，废气再循环流量也就增加。当上部失去真空度时，膜片在弹簧力的作用下向下拱而使阀关闭，阻断废气再循环。安装有EGR阀开度传感器的EGR阀如图所示。②EGR电磁阀

EGR电磁阀有三个通气口（如右图），EGR电磁阀不通电时，弹簧将阀体向上压紧，通大气阀口被关闭。这时EGR电磁阀使进气歧管与EGR阀真空室相通；当EGR电磁阀线圈通电时，产生的电磁力使阀体下移，阀体下端将通进气歧管的真空通道关闭，而上端的通大气阀口打开，于是就使EGR阀的真空室与大气相通。③EGR控制系统工作过程

ECU根据各有关传感器的信号确定的废气再循环流量后，通过输出相应的占空比脉冲信号，控制EGR电磁阀在相应的占空比下工作，将EGR阀的真空室的压力调制在相应的值，使EGR阀有相应的开度。当需要增大废气再循环流量时，ECU输出的占空比减小，EGR电磁阀相对的通电时间减小，EGR阀真空室通进气歧管的相对时间增大，其真空度增大而使阀开度增大，使废气再循环流量相应增加。当EUC输出占空比为0的信号(持续低电平)时，EGR电磁阀断电。这时，EGR阀真空室与进气歧管持续相通，其真空度达到最大(直接取决于进气歧管的真空度)，阀的开度最大，废气的再循环流量也达到最大。当不需要废气再循环时，ECU输出占空比为100％的信号(持续高电平)，使EGR电磁阀常通电，EGR阀真空室与大气常通，阀关闭，阻断了废气再循环。

如右图，主要由EGR阀和EGR电磁阀等组成原理：EGR阀安装在废气再循环通道中，用以控制废气再循环量。EGR电磁阀按装在通向EGR真空通道中，ECU根据发动机冷却液温度、节气门开度、转速和起动等信号来控制电磁阀的通电或断电。ECU不给EGR电磁阀通电时，控制EGR阀的真空通道接通，EGR阀开启，进行废气再循环；ECU给EGR电磁阀通电时，控制EGR阀的真空度通道被切断，EGR阀关闭，停止废气在循环。2.开环控制EGR系统1、EGR电磁阀2、节气门3、EGR阀4、水温传感器5、曲轴位置传感器6、ECU7、起动信号用EGR阀开度反馈控制的EGR系统用EGR率反馈控制的EGR系统1.TWC功能2.TWC的构造3.影响TWC转换效率的因素4.氧传感器三、三元催化转换器（TWC）与空燃比反馈控制系统

三元催化转换器三元：CO、HC，NOX三元催化剂：铂(或钯)和铑三元催化转换作用：

CO、HC、NOXH2O、CO2催化作用条件：理想混合气（空燃比14.7：1）

三元催化转换器解剖图

利用转换器中的三元催化剂，将发动机排出废气中的有害气体转变为无害气体。1.TWC功能2.TWC的构造如上图，三元催化剂一般为铂（或钯）与铑的混物。3.影响TWC转换效率的因素影响最大的是混合气的浓度和排气温度。如左图只有在理论空燃比14.7附近，三元催化转化器的转化效率最佳，一般都装有氧传感器检测废气中的氧的浓度，氧传感器信号输送给ECU，用来对空燃比进行反馈控制。此外，发动机的排气温度过高（815℃以上），TWC转换效率将明显下降。4.氧传感器（1）氧化锆氧传感器（2）氧化钛氧传感器

（3）氧传感器控制电路

（1）氧化锆氧传感器结构如右图ａ，在400℃以上的高温时，若氧化锆内外表面处的气体中的氧的浓度有很大差别，在铂电极之间将会产生电压。当混合气稀时，排气中氧的含量高，传感器元件内外侧氧的浓度差小，氧化锆元件内外侧两极之间产生的电压很低（接近0V），反之，如排气中几乎没有氧，内外侧的之间电压高（约为1V）。在理论空燃比附近，氧传感器输出电压信号值有一个突变。如右图ｂ

氧化锆氧传感器及其输出特性

a）结构b）输出特性1—

法兰2—铂电极3—氧化锆管4—铂电极5—加热器6—涂层7—废气8—套管9—大气（2）氧化钛氧传感器结构如右图，主要由二氧化钛元件、导线、金属外壳和接线端子等组成。当废气中的氧浓度高时，二氧化钛的电阻值增大；反之，废气中氧浓度较低时二氧化钛的电阻值减小，利用适当的电路对电阻变量进