第四節 廢氣排放子系統

婁底職院

2013年第五節廢氣排放控制子系統一排放控制系統簡介一、汽車的公害汽車的公害主要包括三個方面:(1)排氣對大氣的污染。在大氣污染中，汽車排放所造成的污染占有相當比重。據有關資料介紹，大氣中所含CO的75%、HC和NOx的50%來源汽車的排放。

(2)噪聲對環境污染。下一頁

(3)電氣設備對無線電廣播及電視的電波干擾，但只是局部問題由于排污的危害很大，而且排氣凈化問題已成為當前汽車工業發展中起決定性作用的因素之一，因此排放的控制在國外汽車越來越受重視。汽油是多種碳氫化合物的混合物。在發動機氣缸內，汽油和空氣混合并燃燒，大部分生成CO2和H2O，依據燃燒條件，也有一部分由于不完全燃燒而生成CO和HC化合物。此外，當燃燒溫度很高時，空氣中的氮與未燃的氧起反應，生成NOx其中CO、HC和NOx氣體對人類和環境都會造成很大危害。下一頁返回上一頁汽車排污的來源有三方面:(1)從排氣管排出的廢氣，主要成分是CO、HC和NOx，其他還有SO2

、鉛化合物和炭煙等;(2)曲軸箱竄氣，即從活塞與氣缸之間的間隙漏出的，再自曲軸箱經通氣管排出的燃燒氣體，其主要成分是HC;(3)從油箱蓋揮發、油泵接頭揮發、油泵與油箱的連接處揮發出的汽油蒸氣，成分是HC汽油車排放源的有害氣體相對排放量所示。下一頁返回上一頁（1）一氧化碳（CO）：碳氫燃料的不完全產物，人吸入后將降低血液吸收和運送氧氣的能力。（2）碳氫化合物（HC）：包括未燃和未完全燃燒的燃油和潤滑油蒸汽。（3）氮氧化合物（NOx）：燃燒室內高溫富氧環境中的產物。2．汽車排放控制的分類①機內凈化：從進氣系統入手，通過改善混合氣的質量，使燃燒產生的有害成分降低。這一類的排放控制裝置有：進氣溫度自動控制裝置、廢氣再循環控制裝置、混合比加濃式減速廢氣凈化裝置、進氣歧管真空度控制閥等。②機外凈化：對發動機排出的廢氣進行再凈化處理，將廢氣中所含的CO、HC和NOx等有害氣體轉化為無害的水(H2O)、二氧化碳(CO2)和氮(N2)等氣體。這一類的排放控制裝置有：熱反應器、氧化催化劑轉化器、三元催化轉化器、二次空氣供給裝置等。目前廣泛使用的發動機廢氣凈化裝置是三元催化轉化裝置。

收集汽油箱和浮子室內蒸氣的汽油蒸氣，并將汽油蒸氣導入氣缸參加燃燒，從而防止氣油蒸氣直接排出大氣而防止造成污染。同時，根據發動機工況，控制導入氣缸參加燃燒的汽油蒸氣量。

1.EVAP控制系統功能控制廢氣排放的幾種措施活性炭罐2.EVAP控制系統的組成與工作原理

如圖，油箱的燃油蒸氣通過單向閥進入活性碳罐上部，空氣從碳罐下部進入清洗活性碳，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閥，排放控制閥由內部的真空度由碳罐控制電磁閥控制，電磁閥受控制。1、油箱蓋2、油箱3、單向閥4、排氣管5、電磁閥6、節氣門7、進氣門8、真空閥9、真空控制閥10、定量排放孔11、活性碳罐下一頁發動機停機后，燃油蒸氣進入炭罐，被活性炭吸附。發動機起動后，進氣管真空度經真空軟管10傳送到限流閥8，膜片上移并將限流孔開啟，新鮮空氣自炭罐底部向上流過炭罐，與吸附在活性炭表面的汽油蒸氣，經限流孔和汽油蒸氣管9進入進氣歧管。炭罐頂部的限流閥8的作用是用來控制進入進氣歧管的汽油蒸氣和空氣數量。怠速時，傳送到膜片上方的真空度很小，致使孔徑較大的限流孔關閉，以免破壞怠速時混合氣的空燃比；大負荷或高轉速工況下，限流閥全開，大、小限流孔均開啟。工作原理發動機工作時，ECU根據發動機轉速、溫度、空氣流量等信號，控制碳罐電磁閥的開閉來控制排放控制閥上部的真空度，從而控制排放控制閥的開度。當排放控制閥打開時，燃油蒸氣通過排放控制閥被吸入進氣歧管。下一頁在部分電控EVAP控制系統中，活性碳罐上不設真空控制閥，而將受ECU控制的電磁閥直接裝在活性碳罐與進氣管之間的吸氣管中。

如圖韓國現代轎車裝用的電控EVAP控制系統。強制式曲軸箱通風裝置（PCV系統）

發動機工作時，有部分可燃混合氣和燃燒產物經活塞環由氣缸竄入曲軸箱內。當發動機在低溫下運行時，還可能有液態燃油漏入曲軸箱內。這將導致潤滑油變質，造成機件腐蝕或銹蝕，并且對大氣環境HC等氣體的污染。

強制式曲軸箱通風裝置就是防止曲軸箱內碳氫燃料蒸汽和燃燒產物排放到大氣中的凈化裝置。

強制式曲軸箱通風裝置最重要的控制元件是PCV閥，其功用是根據發動機工況的變化自動調節進入氣缸的曲軸箱內氣體的數量。因此，強制式曲軸箱通風裝置又稱為PCV系統控制元件PCV閥的作用：根據發動機工況的變化自動調節進入氣缸的曲軸箱氣體的數量。1、發動機不工作時2、怠速或減速時3、在正常行駛時4、在大負荷下工作時氣缸組I1發動機控制單元13油箱4活性炭罐5活性炭濾清器系統電磁閥1，氣缸組I7帶進氣溫度傳感器的空氣質量流量計19氧傳感器，氣缸組I11節氣門控制單元1，氣缸組I13溫度傳感器G6214發動機轉速傳感器發動機不工作時PCV閥的開度當發動機不工作時，PCV閥中的彈簧2將其中的錐形閥3壓在閥座4上，關閉了曲軸箱與進氣管的通路。發動機在怠速或減速時PCV閥的開度在怠速或減速時，進氣管真空度很大，克服彈簧力把錐形閥高高舉起，這時錐形閥3與PCV閥體1之間只有很小的縫隙。此時，竄入曲軸箱的氣體也很少。部分節氣門開度時PCV閥的開度進氣管真空度比怠速時小，在彈簧的作用下錐形閥3與PCV閥體1之間的縫隙增大。由于竄入曲軸箱的氣體較怠速時多，所以需要較大的PCV閥開度。發動機在大負荷工作時PCV閥的開度節氣門全開，進氣管真空度較小，彈簧將錐形閥3進一步下壓，使PCV閥的開度達到最大。此時，將產生更多的曲軸箱氣體，必須使PCV閥開度最大。進氣管回火時PCV閥的開度

如果進氣管發生回火，進氣管壓力增大，錐形閥落在閥座上，如同發動機不工作時一樣，以防止回火竄入曲軸箱引起爆炸。如果氣缸或活塞嚴重磨損，將會有更多氣體竄入曲軸箱，引起曲軸箱壓力異常升高，部分曲軸箱氣體從空氣濾清器處反噴。PCV閥堵塞，會造成曲軸箱通風不暢PCV軟管漏氣，會造成發動機怠速不穩若氣缸的密封性能良好，PCV系統應該使曲軸箱內的壓力略低于大氣壓力（才能形成強制通風的作用）1.EGR控制系統功能2.開環控制EGR系統3.閉環控制EGR系統二、廢氣在循環控制系統（EGR）EGR原理廢氣再循環量的控制方式增加廢氣再循環量，發動機的燃燒溫度可進一步降低，抑制NOx產生的作用就更有效。但廢氣再循環量過多，會導致混合氣的著火性變差，造成發動機的油耗上升，動力性下降，HC排放量上升。因此，必須控制廢氣引入量，而在發動機起動、怠速和低負荷等工況下，發動機的燃燒溫度較低，NOx不會超量，為確保發動機可靠運行，就不能在新鮮混合氣中摻入廢氣。

通常以廢氣再循環率來衡量廢氣的引入量，廢氣再循環率定義如下：

EGR率=EGR氣體量/（吸入的空氣量+EGR氣體量）100%

廢氣再循環控制裝置通過控制EGR率來保證發動機運轉性能良好的同時，達到最佳的NOx凈化效果。

EGR率與發動機動力性、經濟性和排放性能有關（如下圖）。

EGR率增加過大時，使燃燒速度太慢，燃燒變得不穩定，失火率增加，使HC也會增加；EGR率過小，NOx排放達不到法規要求，易產生爆震，發動機過熱等現象。因此EGR率必須根據發動機工況要求進行控制。

試驗結果說明：當EGR率小于10%時，燃油消耗量基本上不增加，當EGR率大于20%時，發動機燃燒不穩定，工作粗暴，HC排放物將增加10%。因此通常將EGR率控制在10%～20%范圍內較合適。隨著負荷增加EGR率允許值也增加（陰影部分）。

怠速和低負荷時，NOx排放濃度低，為了保證穩定燃燒，不進行EGR。

只有熱態下進行EGR。發動機溫度低時，NOx排放濃度也較低，為了保證正常燃燒，冷機時不進EGR。

大負荷、高速時，為了保證發動機有較好的動力性，此時混合氣較濃，NOx排放生成物較少，可不進行EGR或減少EGR率。

較早使用的機械式EGR控制裝置是利用進氣歧管的真空度及排氣壓力來控制EGR閥的開啟及開啟的程度，主要有三種控制方式，如圖所示。（3）廢氣再循環電子控制系統的控制原理電子控制廢氣再循環系統的組成如圖所示。

ECU根據各傳感器的信號判斷發動機的工況與狀態，以確定是否需要廢氣再循環或再循環流量的大小，并輸出占空比可變的控制脈沖，通過控制EGR電磁閥的占空比來調節EGR閥的開度，以實現最佳的EGR率控制。為實現非線性的最佳EGR再循環流量控制，在EGR電子控制系統的存儲器中儲存各工況下的最佳廢氣再循環流量值，通常以電磁閥占空比參數的方式儲存，ECU根據各傳感器信號，直接查找并計算得到最佳的EGR電磁閥占空比值，并輸出相應的占空比脈沖信號。有的EGR電子控制系統通過EGR閥開度傳感器反饋EGR閥開度信息，相應的在ECU的存儲器中儲存的是發動機各工況下的EGR閥開度參數。工作時，ECU根據各傳感器信號查找并計算得到最佳的EGR閥開度，并與當前EGR閥開度比較。如果不相等，ECU將調整占空比控制脈沖，將EGR閥的開度調整至最佳狀態。①EGR閥

EGR閥膜片的一邊(下部)通大氣，裝有彈簧的另一邊為真空室，其真空度由EGR電磁閥控制。增大真空室的真空度，使膜片克服彈簧力上拱，閥的開度就增大，廢氣再循環流量也就增加。當上部失去真空度時，膜片在彈簧力的作用下向下拱而使閥關閉，阻斷廢氣再循環。安裝有EGR閥開度傳感器的EGR閥如圖所示。②EGR電磁閥

EGR電磁閥有三個通氣口（如右圖），EGR電磁閥不通電時，彈簧將閥體向上壓緊，通大氣閥口被關閉。這時EGR電磁閥使進氣歧管與EGR閥真空室相通；當EGR電磁閥線圈通電時，產生的電磁力使閥體下移，閥體下端將通進氣歧管的真空通道關閉，而上端的通大氣閥口打開，于是就使EGR閥的真空室與大氣相通。③EGR控制系統工作過程

ECU根據各有關傳感器的信號確定的廢氣再循環流量后，通過輸出相應的占空比脈沖信號，控制EGR電磁閥在相應的占空比下工作，將EGR閥的真空室的壓力調制在相應的值，使EGR閥有相應的開度。當需要增大廢氣再循環流量時，ECU輸出的占空比減小，EGR電磁閥相對的通電時間減小，EGR閥真空室通進氣歧管的相對時間增大，其真空度增大而使閥開度增大，使廢氣再循環流量相應增加。當EUC輸出占空比為0的信號(持續低電平)時，EGR電磁閥斷電。這時，EGR閥真空室與進氣歧管持續相通，其真空度達到最大(直接取決于進氣歧管的真空度)，閥的開度最大，廢氣的再循環流量也達到最大。當不需要廢氣再循環時，ECU輸出占空比為100％的信號(持續高電平)，使EGR電磁閥常通電，EGR閥真空室與大氣常通，閥關閉，阻斷了廢氣再循環。

如右圖，主要由EGR閥和EGR電磁閥等組成原理：EGR閥安裝在廢氣再循環通道中，用以控制廢氣再循環量。EGR電磁閥按裝在通向EGR真空通道中，ECU根據發動機冷卻液溫度、節氣門開度、轉速和起動等信號來控制電磁閥的通電或斷電。ECU不給EGR電磁閥通電時，控制EGR閥的真空通道接通，EGR閥開啟，進行廢氣再循環；ECU給EGR電磁閥通電時，控制EGR閥的真空度通道被切斷，EGR閥關閉，停止廢氣在循環。2.開環控制EGR系統1、EGR電磁閥2、節氣門3、EGR閥4、水溫傳感器5、曲軸位置傳感器6、ECU7、起動信號用EGR閥開度反饋控制的EGR系統用EGR率反饋控制的EGR系統1.TWC功能2.TWC的構造3.影響TWC轉換效率的因素4.氧傳感器三、三元催化轉換器（TWC）與空燃比反饋控制系統

三元催化轉換器三元：CO、HC，NOX三元催化劑：鉑(或鈀)和銠三元催化轉換作用：

CO、HC、NOXH2O、CO2催化作用條件：理想混合氣（空燃比14.7：1）

三元催化轉換器解剖圖

利用轉換器中的三元催化劑，將發動機排出廢氣中的有害氣體轉變為無害氣體。1.TWC功能2.TWC的構造如上圖，三元催化劑一般為鉑（或鈀）與銠的混物。3.影響TWC轉換效率的因素影響最大的是混合氣的濃度和排氣溫度。如左圖只有在理論空燃比14.7附近，三元催化轉化器的轉化效率最佳，一般都裝有氧傳感器檢測廢氣中的氧的濃度，氧傳感器信號輸送給ECU，用來對空燃比進行反饋控制。此外，發動機的排氣溫度過高（815℃以上），TWC轉換效率將明顯下降。4.氧傳感器（1）氧化鋯氧傳感器（2）氧化鈦氧傳感器

（3）氧傳感器控制電路

（1）氧化鋯氧傳感器結構如右圖ａ，在400℃以上的高溫時，若氧化鋯內外表面處的氣體中的氧的濃度有很大差別，在鉑電極之間將會產生電壓。當混合氣稀時，排氣中氧的含量高，傳感器元件內外側氧的濃度差小，氧化鋯元件內外側兩極之間產生的電壓很低（接近0V），反之，如排氣中幾乎沒有氧，內外側的之間電壓高（約為1V）。在理論空燃比附近，氧傳感器輸出電壓信號值有一個突變。如右圖ｂ

氧化鋯氧傳感器及其輸出特性

a）結構b）輸出特性1—

法蘭2—鉑電極3—氧化鋯管4—鉑電極5—加熱器6—涂層7—廢氣8—套管9—大氣（2）氧化鈦氧傳感器結構如右圖，主要由二氧化鈦元件、導線、金屬外殼和接線端子等組成。當廢氣中的氧濃度高時，二氧化鈦的電阻值增大；反之，廢氣中氧濃度較低時二氧化鈦的電阻值減小，利用適當的電路對電阻變量進