第12章 汽车排放控制系统

第12章汽车排放控制系统本章主要内容汽车排放的形成和危害汽车排放控制的作用与分类汽车排放电子控制系统的结构与工作原理12.1概述1.汽车排放的形成和危害随着汽车保有量的增加，汽车排放对环境所造成的影响也随之增大。汽车排放对人类危害最大的是：一氧化碳(CO)碳氢化合物(HC)氮氧化物(NOx)12.1概述1．一氧化碳(CO)CO是烃类燃料在空气不足的情况下，由于不完全燃烧而产生的有害物。CO被人体吸收后，容易与血红蛋白结合，阻碍血红蛋白带氧，会造成人体内缺氧而使人感到头痛、恶心，严重时还导致人因窒息而死。2．碳氢化合物(HC)HC是石油产品的基本组成部分，其与氧的化合(燃烧)所释放的热量是发动机运转所需的能量。但排人大气中的HC则是一种污染。发动机排气中高含量的HC是燃料未经燃烧或燃烧不完全的产物。此外，燃油箱汽油蒸发、曲轴箱气体直接排放等，也是HC对大气造成污染的来源。HC气体在阳光下与氮氧化物NOx作用，进行光化学反应，形成含有臭氧(O3)、丙稀醛、甲醛、硝酸盐、酮及过氧化酰等物质的光化学烟雾。这种“烟雾”具有较强的氧化力和特殊的气味，对人眼、咽喉等有刺激作用，并容易使橡胶开裂和植物受损等。在诸多的碳氢化合物中，苯比芘还是一种致癌物。12.1概述3．氮氧化物(NOX)NOX是在温度很高的情况下氮与氧化合的产物，对大气造成污染的主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。氮氧化物是一种有毒并带有恶臭的气体，会引起人眼结膜、口腔、咽喉粘膜肿胀和充血，并可能导致支气管炎、肺炎等病。12.1概述2.汽车排放控制的作用与分类（1）汽车排放控制的作用汽车对大气的污染主要源自发动机排出的废气，三种有害排放物中，全部CO、NOx和约占60％的HC都是由发动机排气管排出的。此外，曲轴箱气体和燃油箱燃油蒸发的HC排放各约占汽车HC总排放的20％。对汽车排放的控制，就是通过改善燃烧、降低燃烧温度、阻断曲轴箱气体和燃油蒸发排放、净化排气管废气等手段，使汽车对大气的污染减小到最低的限度，以缓解汽车保有量增加对环境所带来的负面影响、满足人类对环境质量不断提高的要求。12.1概述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。③污染源封闭循环净化：对曲轴箱气体及燃油箱燃油蒸发等HC排放源实施封闭化处理，以阻断向空气排放HC。这类控制装置有：曲轴箱强制通风装置、活性炭罐等。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理1.废气再循环控制系统（1）废气再循环的作用在高温下(高于1370℃)，氮与氧气化合生成NOx。在其它条件相同的情况下，发动机的燃烧温度越高，燃烧后产生的NOx就越多。废气再循环(ExhaustGasRecirculation——EGR)就是将发动机排出的部分废气引入进气管（如下图），与新鲜混合气混合后进入气缸，利用废气中所含有大量的二氧化碳(CO2)不参与燃烧却能吸收热量的特点，降低燃烧温度，以减少NOx的排放。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理EGR原理12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理（2）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。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理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。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理试验结果说明：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。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理较早使用的机械式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12-1所示。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理（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12-2所示。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理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(图12-3)，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。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理废气再循环电子控制系统有关的传感器信号及其作用如下。①发动机转速传感器。提供发动机转速信号，是ECU计算EGR率的重要参数之一。此外，当发动机转速低于900r／min或高于3200r／min时(高低限值因车型而不同)，ECU输出持续高电平控制信号，使EGR电磁阀关闭，发动机进气管无废气再循环。②空气流量传感器或进气压力传感器。提供发动机负荷信息，是ECU确定EGR率的另一重要参数。③发动机冷却液温度传感器。提供发动机温度信号，在发动机温度低时，ECU输出控制信号，不进行废气再循环。④节气门位置传感器。提供发动机怠速信号，当发动机处于怠速工况时，ECU输出控制信号，不进行废气再循环。⑤点火开关。提供发动机起动信号，在起动发动机时，ECU输出控制信号，不进行废气再循环。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理（3）电子控制废气再循环的结构典型的电子控制EGR系统如图12-4所示。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理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12-5所示。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理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。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理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。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理2.燃油蒸发排放控制系统（1）活性炭罐的作用燃油箱中的汽油蒸发，汽油蒸气的压力达到设定值时，就会从油箱盖的排气阀排出，造成对大气的HC污染。燃油箱用通气管与活性炭罐连接，其作用就是将汽油箱中的汽油蒸气收集于罐中，并在发动机工作时，通过流经的空气将汽油蒸气送入进气管参与燃烧(图12-7)，以免汽油箱中的汽油蒸气直接排放到大气中而造成空气污染。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理活性炭罐12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理（2）活性炭罐通气量控制的作用要使活性炭罐能随时收集汽油箱中的汽油蒸气．必需及时将活性炭罐中的汽油蒸气“驱走”，同时，携带活性炭罐汽油蒸气的这部分气体进入进气管后，不应对发动机的正常工作造成负面影响。活性炭罐通气量控制就是在保证活性炭罐能正常起作用的同时，发动机能正常地工作。（3）活性炭罐通气控制原理较早的燃油蒸发排放控制系统利用节气门处的真空度直接控制膜片式通气阀来控制活性炭罐通气量(参见图12-7)。这种控制方式的控制精度较低，现已被电子通气量控制装置所取代，其控制系统的基本组成如图12-8所示。EUC根据有关传感器的信号判断发动机工况与状态，并输出相应的控制脉冲，通过控制活性炭罐通气电磁阀的开关占空比来调节活性炭罐通气阀的开度，使流经活性炭罐进入进气管的空气流量适应发动机工况、状态变化的需要。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理①活性炭罐。活性炭罐中装有活性炭，活性炭可吸附汽油箱中的汽油蒸气，但这种吸附力不强，当有空气流过时，蒸气分子又会脱离，随空气一起进入进气歧管。②活性炭罐通气阀。阀的上部为真空室，其真空度由活性炭罐通气电磁阀控制。当真空度增大时，阀膜片向上拱，主通气口通气量增加。③活性炭罐通气电磁阀。三通气口的活性炭罐通气电磁阀其结构与工作原理与EGR电磁阀相似，其作用是根据ECU输出的占空比控制脉冲工作，调整活性炭罐通气阀的开度。12.2汽车排放电子控制系统的结构与原理有二通气口的活性炭罐通气电磁阀，其结构与工作原理与开关电磁式怠速控制阀相似，使用这种活性炭罐通气电磁阀的系统一般无活性炭罐通气阀，直接通过活性炭罐通气电磁阀的开关占空比来控制通气量，其控制系统如图12-10所示。12.3汽车排放控制技术发展趋势•缸内直接喷射12.3汽车排放控制技术发展趋势采用电控缸内直接喷射方法，