排放控制系统结构及维修简要指南

随着汽车保有量的不断增加，汽车所造成的环境污染，已越来越引起人们的关注。汽车所产生的有害气体主要来自发动机燃烧后所排放的废气、曲轴箱的废气和汽油蒸发形成的废气。各国的废气排放标准越来越严格，各汽车制造厂为能顺利达到汽车废气检验标准，便研究开发出控制废气排放的各种方法。

要点

应用在汽车上的主要有三元催化转化（TWC）系统、废气再循环（EGR）系统、汽油蒸气排放（EVAP）控制系统、曲轴箱强制通风（PCV）系统、二次空气喷射系统等。

（一）燃油蒸气排放控制系统

1．燃油蒸气排放控制系统功能

为防止燃箱内的汽油蒸气排入大气造成污染，在发动机控制系统中采用了由发动机ECU控制的活性炭罐燃油蒸气（英文缩写为EVAP）排放控制系统，用来收集汽油箱内蒸发的汽油蒸气，并根据发动机工况，将适量的汽油蒸气导入气缸参加燃烧，从而防止汽油蒸气直接排入大气而造成污染。

2．燃油蒸气排入控制系统的组成与工作原理

在装有燃油蒸气排放控制系统的汽车上，油箱盖上只有空气阀，而不设蒸气放出阀。燃油蒸气控制系统的组成如图4-21所示，主要由单向阀、进气管、电磁阀、真空控制阀、定量排放孔、活性炭罐等组成。

图4-21 燃油蒸气控制系统的组成

1－节气门 2－进气管 3－活性炭罐 4－油箱 5－单向阀 6－真空控制阀 7－电磁阀 8－ECU 9－传感器信号

在活性炭罐与油箱之间设有排气管和单向阀，当汽油箱内的汽油蒸气超过一定压力时，顶开单向阀经排气管进入活性炭罐，活性炭罐内的活性炭将燃油蒸气吸附在炭罐内。发动机工作时，ECU根据发动机转速、温度、空气流量等信号，控制炭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。

要点：

活性炭罐下方设有进气滤芯并与大气相通，使部分清洁空气与活性炭罐内的燃油蒸气一起被吸入进气管，从而防止混合气变浓。

在部分电控EVAP控制系统中，活性炭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炭罐与进气管之间的吸气管中，如图4-22所示。电脑根据节气门位置传感器、水温传感器和进气温度传感器信号控制电磁阀通电或断电，电磁阀直接控制活性炭罐与进气管之间的吸气通道。当发动机怠速（进气量较少）或温度较低时，电脑使电磁阀断电，关闭吸气通道，活性炭罐内的燃油蒸气不能被吸入进气管。

图4-22 电磁阀直接控制的燃油蒸气排放控制系统

（二）废气再循环控制系统

1．废气再循环控制系统功能

NO_X是空气中的氮气与氧气在高温、高压条件下形成的。发动机排出的NO_X量主要与气缸内的最高温度有关，气缸内最高温度越高，排出的NO_X量越多。

要点

废气再循环（英文缩写为EGR）控制系统的功能是将适量的废气重新引入气缸参加燃烧，由于废气中含有大量的不能燃烧的惰性气体二氧化碳，能够吸收燃烧时的热量，从而可降低气缸内的最高温度，减少NO_X的排放量。

采用废气再循环会使混合气气着火性能及发动机输出功率下降，因此，应在发动机NO_X排放量多的运行工况范围进行适量的废气再循环。

过量的废气再循环会影响发动机的正常运行，特别是在怠速、低转速小负荷及发动机处于冷车运行时，再循环的废气将会使发动机的性能明显降低。EGR的控制量指标大多采用EGR率表示，其定义如下：

EGR率=EGR气体流量/（吸入空气量+EGR气体流量）×100%

为保证发动机正常工作和性能不受过多影响，必须根据发动机工况的变化，控制废气再循环量。进入进气歧管的废气量一般控制在6%~15%范围内。

目前采用ECU控制的EGR系统主要有开环控制EGR系统和闭环控制EGR系统两种类型。

2．废气再循环控制系统的组成及工作原理

（1）开环控制EGR系统的组成及工作原理 开环控制EGR系统主要由各种传感器、EGR阀、EGR电磁阀和ECU等组成，如图4-23所示。

图4-23 开环控制EGR系统

1－EGR电磁阀 2－节气门 3－EGR阀 4－冷却液温度传感器 5－排气管 6－起动信号 7－ECU

EGR阀安装在废气再循环通道中，用以控制废气再循环量。EGR电磁阀安装在通向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。

当发动机处于起动工况（起动开关信号）、怠速工况（节气门位置传感器怠速触点闭合信号）、暖机工况（冷却液温度信号）、转速过低或过高（一般低于900r/min或高于3200r/min）时，ECU给EGR电磁阀通电停止废气再循环。在除上述以外的其他工况，ECU均不给电磁阀通电，都进行废气再循环。废气再循环量取决于EGR阀的开度，而EGR阀的开度直接由真空度控制。由于真空管口设在靠近节气门全闭位置的上方。随发动机转速和负荷（节气门开度）的增大，真空管口处的真空度增加，EGR阀的开度增大；随发动机转速和负荷减小，EGR阀开度也减小。

要点

现在多数EGR控制系统的EGR电磁阀多采用占空比控制型电磁阀，ECU通过占空比控制电磁阀的开度，调节作用在EGR阀上的真空度，控制EGR阀的开度，以实现对废气再循环量的控制。

（2）闭环控制EGR系统的组成及工作原理 闭环控制EGR系统通过检测实际的EGR阀开度或废气压力作为反馈控制信号，其控制精度更高。

用EGR阀开度作为反馈信号的闭环控制EGR系统如图4-24所示。与采用占空比控制型电磁阀的开环控制EGR系统相比，只是在EGR阀上增设了一个EGR阀开度传感器。闭环控制EGR系统工作时，ECU可根据EGR阀开度传感器的反馈信号修正电磁阀的开度，使EGR率保持在最佳值。

图4-24 用EGR阀开度作为反馈信号的闭环控制EGR系统

1－EGR电磁阀 2－节气门 3－EGR阀开度传感器 4－EGR阀 5－排气管 6－起动信号 7－ECU

用废气压力作为反馈信号的闭环控制EGR系统如图4-25所示，ECU根据废气压力传感器信号对EGR电磁阀实行反馈控制。废气压力传感器安装在排气通道上，该传感器将废气的压力信号转变成电信号输送给ECU，使ECU知道EGR的废气流量，ECU根据此反馈信号修正EGR电磁阀的开度，使EGR率保持在最佳值。

图4-25 用废气压力作为反馈信号的闭环控制EGR系统

3．EGR阀结构

（1）背压式EGR阀 在背压式EGR阀的膜片的中央有一个常闭通风阀，如图4-26所示，通风阀在一个小弹簧的作用下，保持关闭状态，通风阀到锥形阀F端之间有一条通道。当发动机不工作时，EGR阀关闭；当发动机低速运转时，在排气背压作用下，通风阀打开，尽管有真空源作用于膜片上方，也会由通风口泄漏掉；当发动机高速运转时，排气背压减小，并将通风口关闭，若此时真空源作用于膜片上方，则EGR阀打开。

图4-26 背压式EGR阀结构

l－进气口 2－膜片 3－真空口 4、6－弹簧 5－空气分离口 7－锥形阀

背压式EGR阀可分为正背压式EGR阀和负背压式EGR阀。正、负背压式EGR阀可通过EGR阀顶部的字母标记“N”或“P”来识别，“N”表示负背压式EGR阀，“P”表示正背压式EGR阀，如图4-27所示。

（2）数字式EGR阀 在数字式EGR阀内可以安装1~3个由ECU直接控制的电磁线圈，如图4-28所示。每个电磁线圈围绕着一个活动衔铁，当电磁线圈通电时，产生的吸力吸起衔铁，这样废气便可以通过阀孔进入进气歧管。ECU可以控制电磁阀的工作，来控制发动机工作时所需要的再循环废气量。

图4-27 背压式EGR阀型号

图4-28 数字式EGR阀

1－盖 2－电磁阀总成 3－电枢总成 4－基座 5－阀孔

（3）线性式EGR阀 在线性式EGR阀的内部，装有一个受ECU控制的电磁阀。电磁阀由衔铁、电磁线圈、锥形阀和EGR阀位置传感器等组成。衔铁的一端固定一个锥形阀，当电磁线圈通电时，衔铁和锥形阀被吸起，废气可以进入进气歧管。EGR阀位置传感器为线性电位计式，可以将EGR阀关闭时的约1V到EGR阀全开时的4.5V EGR阀位置信号输送给ECU，ECU再向电磁线圈发送通断脉冲信号，以精确控制衔铁和废气再循环量。

（4）带排气温度传感器的EGR阀 在有些EGR阀上，装有排气温度传感器，排气温度传感器是一个电阻值随温度变化的热敏电阻，即当排气温度升高时，排气温度传感器的电阻值下降。用两条导线将排气温度传感器与ECU相连，通过排气温度对废气再循环量进行反馈修正控制。当排气温度较低时，传感器电阻较大，ECU则会检测到一个高电压信号；相反，排气温度较高时，传感器电阻较小，ECU则检测到一个低电压信号。

（三）三元催化转化器与空燃比反馈控制系统

1．三元催化转化器的功能

三元催化转化器安装在排气管中部，其功能是利用转化器中的三元催化剂的作用，将发动机排出废气中的有害气体如碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NO_X）转变为无害二氧化碳（CO₂）、水（H₂O）及氮气（N₂）。

2．三元催化转化器的结构与原理

三元催化转化器一般由壳体、减振层、载体和催化剂涂层部分组成，如图4-29所示。催化转化器壳体由不锈钢材料制成，以防氧化皮脱落造成载体堵塞。载体一般由氧化铝制成，是承载催化剂的一种支撑体。催化剂又称为触媒，常用贵重金属如铂、钯、铑制成，可以促进废气中CO、HC氧化反应及NO_X还原反应的速度，而其本身不被消耗和改变。减振层一般采用膨胀垫片或钢丝网垫，起密封、保温和固定载体的作用，防止催化转化器壳体受热变形等对载体造成损害。

图4-29 三元催化转化器的结构

1－波纹网眼环 2、5－密封层 3－氧传感器 4－载体 6－外壳 7－蜂窝状小孔

三元催化转化器一般为整体不可拆卸式。根据催化剂载体的结构特点，TWC可分为颗粒型和蜂巢型两种类型，前者将催化剂沉积在颗粒状氧化铝载体表面，后者将催化剂沉积在蜂巢状氧化铝载体表面，氧化铝表面有形状复杂的表层，可增大催化剂与废气的实际接触面积。

当发动机排出的废气经过三元催化转化器时，三元催化转化器中的铂催化剂就会促使HC与CO氧化生成水蒸气和二氧化碳，铑催化剂会促使NO_X还原为氮气和氧气，如图4-30所示。

图4-30 三元催化转化器工作原理

1－排气管 2－消音器 3－催化剂载体 4－消声器

3．影响三元催化转化器转化效率的因素

三元催化转化器的转化效率是指废气经过催化转化器后，催化剂使HC、CO和NO_X氧化还原成水蒸气、二氧化碳和氮气的程度。

三元催化转化器将有害气体转变成无害气体的效率受诸多因素的影响，其中影响最大的是混合气的浓度和排气温度。

三元催化转化器的转化效率与混合气浓度的关系如图4-31所示，可见在标准的理论空燃比14.7附近，对废气中三种有害气体（HC、CO、NO_X）的转化效率均比较高。混合气过浓或过稀时，都将使三元催化转化器的转化效率降低。在发动机工作中，为将实际空燃比精确控制在标准的理论空燃比附近，在装用三元催化转化装置的汽车上，一般在三元催化转化器与发动机之间的排气管或排气歧管上都装有氧传感器，用来检测废气中的氧浓度，氧传感器信号输送给ECU，ECU根据此信号对喷油器的喷油量进行修正，使实际的空燃比更接近理论空燃比，即电控燃油喷射系统的闭环控制，如图4-32所示。在有些发动机上，在三元催化转化器的后面还装有一个氧传感器，用来监测三元催化转化器的转换效率。

图4-31 三元催化转化器的转化效率与混合气浓度的关系(www.xing528.com)

在装有氧传感器的电控燃油喷射发动机上，电控燃油喷射（EFI）系统并不是在所有工况下都进行闭环控制，在发动机起动、怠速、暖机、加速、全负荷、减速断油等工况下，发动机不可能以理论空燃比工作，仍采用开环控制方式。此外，氧传感器温度在400℃以下、氧传感器或其电路发生故障时，也只能采用开环控制。电控燃油喷射系统进行开环控制还是进行闭环控制，由ECU根据相关输入信号确定。

图4-32 空燃比的闭环控制

此外，发动机的排气温度过高（815℃以上）时，TWC的转换效率将明显下降。有些三元催化转化装置中装有排气温度报警装置，当ECU收到排气温度传感器高温信号后，发出报警信号，当报警装置发出报警信号时，应停机熄火，查明排气温度过高的原因，进行排除。在使用中，排气温度过高一般是由于发动机长时间在大负荷下工作或因故障而燃烧不完全所致。

另外，铅和硫等元素对催化转化器会造成不利的影响，因为铅和硫等会与催化剂作用形成新的结晶体沉积在催化剂上面，从而破坏催化剂的表面活性，这就是所谓的催化剂中毒，是影响催化转化器寿命的最为严重的物理现象。因此，使用催化转化器的前提是汽油的无铅化。硫主要对稀土类催化器的寿命有较大影响。

4．氧传感器

氧传感器（O₂S）安装在排气管上，用来检测排气中氧含量，并将该信号转变为电信号输入ECU，ECU根据该信号，对喷油量进行修正，实现空燃比的反馈控制。

要点

氧传感器按其结构和工作原理可分为氧化锆（ZrO₂）式和氧化钛（TiO₂）式两种。

按照其检测信号的范围可分为普通型和宽频型两种。

（1）氧化锆（ZrO₂）氧传感器 氧化锆氧传感器的构造如图4-33所示，其基本元件是氧化锆管，氧化锆管固定在带有安装螺纹的固定套内，在氧化锆管的内、外表面均覆盖着一薄层铂作为电极，传感器内侧通大气，外侧直接与排气管中的废气接触。在氧化锆管外表面的铂层上，还覆盖着一层多孔的陶瓷涂层，并加有带槽口的防护套管，用来防止废气对铂电极产生腐蚀；在传感器的线束连接器端有金属护套，其上设有小孔，以便使氧化锆管内侧通大气。

图4-33 氧化锆式氧传感器结构

图4-34 氧化锆式氧传感器的工作原理

1－陶瓷体 2－铂电极 3、4－电极引线5－排气管 6－陶瓷防护层 7－废气 8－大气

氧化锆氧传感器实质是一个化学电池，又称氧浓度差电池。其工作原理如图4-34所示，在400℃以上的高温时，若氧化锆管内、外表面接处的气体中氧的浓度有很大差别，在氧化锆管内、外表面的两个铂电极之间将会产生电动势。发动机工作时，由于氧化锆管内表面接触的大气中氧浓度是固定的，而与外表面接触的废气中氧浓度是随空燃比变化的，所以将氧化锆管内、外表面两个电极间产生的电动势输送给ECU，即可作为判断实际空燃比的依据。当混合气过稀时，排出的废气中氧含量高，传感器内、外侧氧浓度差小，两电极间产生的电压很低（接近0V）；反之，混合气过浓时，排出的废气中氧含量低，传感器内、外侧氧浓度差大，两电极间产生的电压高（接近1V）。在理论空燃比附近，氧传感器输出的电压信号有一突变，其输出特性如图4-35所示。

要点

由于氧化锆只能在400℃以上的高温时才能正常工作，为保证发动机在进气量少、排气温度低时也能正常工作，有的氧传感器内装有加热器。

加热器也由发动机ECU控制，带加热器的氧传感器称为热型氧传感器。

（2）氧化钛氧传感器 氧化钛式传感器的结构如图4-36所示，主要由二氧化钛元件、导线、金属外壳和接线端子等组成。

图4-35 氧化锆式氧传感的输出特性

图4-36 氧化钛式传感器结构

1－二氧化钛元件 2－金属外壳 3－陶瓷绝缘体 4－接线端子 5－陶瓷元件 6－导线 7－金属保护套

这种氧传感器是利用化学反应强、对氧气敏感、易于还原的半导体材料氧化钛与氧气接触时发生氧化还原反应，使晶格结构发生变化，从而导致电阻值变化的原理工作的，它是一种电阻型气敏传感器，也称电阻值变化型氧传感器，信号源相当于一个可变电阻，其输出特性如图4-37所示。

要点

当废气中的氧含量高时，二氧化钛的电阻值增大；反之，废气中氧含量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行处理，即转换成电压信号输送给ECU，用来确定实际的空燃比。

（3）宽频氧传感器 上述普通型氧传感器只能对排气中的氧含量在比较狭窄的范围进行检测，对于过浓或过稀的尾气则无法进行测量，已无法满足对汽车尾气排放控制的要求，因此，在有些车上安装了一种新型的宽频氧传感器，能够在较宽的空燃比范围内对尾气中的含氧量进行测量。

宽频氧传感器的结构及工作原理如图4-38所示，它是在普通型氧传感器的基础上增加了一个单元泵和一个测量室。测量室上有一个扩散通孔，尾气通过扩散通孔进入测量室。单元泵受ECU控制，可将尾气中的氧泵入测量室，也可将测量室中的氧泵入排气管。ECU一直控制着单元泵的工作电流，通过改变测量室中氧的含量，使氧传感器的信号电压始终保持在450mV。

图4-37 氧化锆式氧传感器输出特性

图4-38 宽频氧传感器的结构及工作原理

1－空气 2－传感器电压 3－控制单元 4－测量片 5－尾气 6－单元泵 7－单元泵电流 8－测量室 9－扩散通道

当混合气过浓时，氧传感器电压值超过450mV，如图4-39a所示。单元泵若仍以原来转速工作，测试室的氧量少。此时，控制单元通过控制电路增大单元泵的工作电流，使单元泵旋转速度增加，增加泵氧速度。单元泵泵入测试室中的氧量增加，使氧传感器电压值恢复到450mV，如图4-39b所示。

当混合气过稀时，氧传感器电压值低于450mV，如图4-40a所示，单元泵若仍以原来的转速运转，会泵入较多的氧，测试室中氧的含量较多。为能使氧传感器电压值尽快恢复到450mV的电压值，控制单元通过控制电路减小单元泵的工作电流，使泵入测试室的氧量减少，如图4-40b所示。

图4-39 浓混合气时宽频氧传感器的工作过程

图4-40 稀混合气时宽频氧传感器的工作过程

将单元泵的变化的工作电流转变为电压信号传给控制单元，控制单元要根据此电压信号便能够精确判别出混合气的浓度。此型氧传感器的电压信号能在0~5V之间连续变化，能够检测到10~20之间的空燃比变化范围。

（四）曲轴箱强制通风装置

1．曲轴箱强制通风装置的功用

发动机工作时，不可避免地会有一定量的混合气与废气从燃烧室窜入曲轴箱。因此，曲轴箱内的润滑油，在高温废气中的热量、水分以及汽油等的影响下，将被稀释和发生变质。同时，曲轴箱窜气直接排入大气，将导致HC等排放放污染物的增加。要点

曲轴箱强制通风装置的功用就是将窜入曲轴箱内的气体导入发动机进气系统，使之重新回到燃烧室参加燃烧，从而降低汽油机的排放污染。

为保证发动机的工作性能，该系统利用PCV阀来控制吸入气缸的窜气量。

2．曲轴箱强制通风装置的组成及工作原理

曲轴箱强制通风装置的组成如图4-41所示，主要由PCV阀、PCV软管和平衡管组成，发动机工作时，利用进气歧管内的真空度将窜入曲轴箱的气体经PCV阀和PCV软管吸入进气歧管，随着新鲜空气一起进入气缸参加燃烧。采用PCV装置的发动机曲轴箱是密封的，为防止曲轴箱内产生负压或压力过高，设有平衡管。

图4-41 曲轴箱强制通风系统

1－空气滤清器 2－进气软管 3－节气门体 4－进气缓冲室 5－PCV阀 6－PCV软管 7－进气歧管 8－喷油器 9－平衡管

PCV阀是一个单向阀，其结构如图4-42所示。发动机工况不同，进气歧管真空度也不同，对单向阀产生的吸力与PCV阀弹簧的弹力平衡时，单向阀的位置不同，由于单向阀进气歧管侧为锥形，所以随单向阀位置的不同可改变PCV阀的开度，从而实现对吸入窜气量的自动调节。在怠速小负荷或减速时，进气歧管内的真空度较小，PCV阀开度减小；在大负荷或加速时，PCV阀开度则增大。

图4-42 PCV阀的结构

（五）二次空气喷射系统

1．二次空气供给系功能

在一定工况下，将新鲜空气送入排气管，促使废气中的一氧化碳和碳氢化合物进一步氧化，从而降低一氧化碳和HC的排放量，同时加快三元催化转换器的升温。

二次空气喷射系统根据控制原理不同，可分为空气喷射式和吸气式两种。

2．二次空气喷射系统的组成与工作原理

（1）空气喷射式二次空气喷射系统的组成及工作原理 空气喷射式二次空气喷射系统的组成如图4-43所示，它主要由二次空气电磁阀、空气泵、二次空气控制阀、单向阀、继电器和ECU等组成。二次空气电磁阀控制二次空气控制阀的工作；空气泵为电动式，提供一定压力的空气；ECU控制二次空气电磁阀电磁阀工作，当ECU给电磁阀通电时，接通二次空气控制阀的真空通路，二次空气控制阀打开，空气泵将新鲜空气通过单向阀强制泵入排气管。

图4-43 空气喷射式二次空气喷射系统的组成

1－进气管 2－二次空气电磁阀 3－ECU 4－继电器 5－空气泵 6－空气滤清器 7－二次空气控制阀 8－单向阀 9－排气管

（2）吸气式二次空气喷射系统的组成及工作原理 吸气式二次空气喷射系统的组成如图4-44所示，主要由二次空气电磁阀、二次空气控制阀、单向阀、舌簧阀和ECU等组成。ECU给二次空气电磁阀通电，电磁阀开启真空通道，进气管真空度将二次空气控制阀吸起，排气管内的脉动真空即可吸开舌簧阀，使二次空气进入排气管。

图4-44 吸气式二次空气喷射系统的组成

1－进气管 2－单向阀 3－二次空气电磁阀 4－ECU 5－二次空气控制阀 6－空气滤清器 7－舌簧阀 8－排气管

要点

舌簧阀是一个单向阀，主要用来防止排气管中的废气倒流。

在下列情况下，ECU不给二次空气电磁阀通电：

电控燃油喷射系统进入闭环控制。

冷却液温度超过规定范围。

发动机转速和负荷超过规定值。

ECU发现有故障。