电控汽油机排气污染控制系统结构原理：汽车发动机构造与维护

1.汽油车排放污染的来源、成分、成因及措施

（1）来源

1）发动机排出的废气（约占65%以上）。

2）曲轴箱窜气（约占20%）。

3）燃料供给系统中蒸发的燃油蒸气（约占10%～20%）。

（2）成分 汽油车排放的主要污染物成分是：一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氮氧化合物（NO_x）及蒸发的燃油蒸气。

（3）成因及措施

①CO气体产生的主要原因是输送至燃烧室的氧气不足（即混合气太浓），以致燃油不能充分燃烧造成的。解决的措施是采用EFI（电子燃油喷射）系统，通过氧传感器的闭环控制，精确控制空燃比（14.7/1）。

②HC气体产生的主要原因是点火提前角不准确，而导致没完全燃烧的汽油或未燃烧的汽油从燃烧室排入大气。解决的措施之一是：采用ESA（电子点火）系统，通过爆燃传感器的闭环控制，精确控制点火提前角。解决的措施之二是：采用PCV（曲轴箱强制通风）系统，再次回收没完全燃烧的汽油或未燃烧的汽油。

③NO_x气体产生的主要原因是在高温（1800℃以上）和富氧（高浓度氧气）条件下，氮气和氧气发生化学反应，生成了NO_x。

解决的措施之一是：采用EGR系统，利用部分废气的吸热作用，阻止燃烧室内温度达到1800℃以上；解决的措施之二是：采用EFI系统，通过氧传感器的闭环控制，降低氧的浓度，以精确控制空燃比（14.7/1）。

2.汽车排放污染的治理

随着国家节能减排政策法规的不断建立和完善，各汽车生产厂商也开始日益重视汽车的节能、环保问题。除了对汽油车必须采用电子燃油喷射系统（也称EFI）外，还增设了废气再循环（EGR）、三元催化转化器（TWC）与空燃比反馈控制、废气涡轮增压、曲轴箱强制通风（PCV）、汽油蒸气排放（EVAP）控制以及二次空气供给等诸多排放污染物控制系统，以达到治理汽车排放污染的目的。如图4-168所示为目前应用在汽车上的部分排放控制系统。

图4-168 应用在汽车上的部分排放控制系统

（1）废气再循环系统 如图4-169所示，废气再循环（EGR）系统的作用是将适量的废气（6%～15%）引入气缸内参加燃烧，从而降低气缸内的最高温度，以减少NO_x的排放量。

废气再循环（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。

1）开环控制式EGR系统。

图4-169 废气再循环（EGR）控制系统基本原理

①结构类型。开环控制式EGR系统可分为非ECU控制式EGR系统和ECU控制式EGR系统两种。其中非ECU控制式EGR系统已很少使用，这里不再赘述。

ECU控制式开环EGR系统如图4-170所示，其结构主要由EGR阀、EGR电磁阀、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、冷却液温度传感器、起动信号和ECU等组成。开环EGR系统的ECU根据预先设置好的程序控制EGR率的大小，不检测发动机在各工况下的EGR率（EGR率=EGR量/（吸入空气量+EGR量）×100%），即无反馈信号。

图4-170 ECU控制的开环控制EGR系统

②ECU控制式开环EGR系统的工作原理。EGR阀安装在废气再循环通道中，用以控制废气再循环量。EGR电磁阀安装在通向EGR的真空通道中，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，停止废气再循环。

2）闭环控制式EGR系统。

①结构特点。如图4-171所示为ECU（或动力模块PCM）闭环控制式EGR系统的结构及原理。与开环相比，闭环控制式EGR系统在EGR阀上增设一个EGR阀开度传感器。其特点是检测实际的EGR率或以EGR阀开度作为反馈控制信号，其控制精度更高。

图4-171 ECU闭环控制EGR系统

②ECU闭环控制式EGR系统的工作原理。EGR率传感器安装在进气总管中的稳压箱上，新鲜空气经节气门进入稳压箱，参与再循环的废气经EGR电磁阀进入稳压箱，传感器检测稳压箱内气体中的氧浓度，并转换成电信号送给ECU，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。

（2）三元催化转化器与空燃比反馈控制系统

1）三元催化转化器的作用及结构原理。

①功用。三元催化转化器（TWC）的功能是利用转化器中的三元催化剂，将发动机排出废气中的有害气体CO、HC和NO_x变成无害气体。

②结构原理。三元催化转化器的安装位置及结构如图4-172所示，由转换芯子和外壳等构成。转换芯子常用蜂窝状陶瓷作为承载催化剂的载体，在陶瓷载体上浸渍铂、钯、铑贵重金属的混合物作为催化剂。

图4-172 三元催化转化器的结构组成

2）影响三元催化转化器转换效率的因素

对TWC转化效率影响最大的因素是混合气的浓度和排气温度。加装TWC后如图4-173所示。(www.xing528.com)

只有在标准混合气附近，即理论空燃比14.7附近时，三元催化转化器对废气中的有害气体CO、HC和NOx的转化效率为最佳，如图4-174所示圈中部分为TWC的最佳工作区域。

图4-173 加装TWC

图4-174 空燃比与TWC转化效率关系

装用TWC后，发动机的排气温度须在300～815℃之间。低于300℃，氧传感器将不能产生正确信号，因此部分氧传感器内有加热线圈；高于815℃，TWC转化效率下降。为达此目的，一般都靠装在TWC前面的主（1号）氧传感器检测废气中氧的浓度，并把该浓度转换成电信号输送给ECU，用来对空燃比进行闭环控制（即空燃比信号反馈控制）。如图4-175所示。

图4-175 EFI系统的闭环控制过程

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。

（3）曲轴箱通风控制系统

1）作用。曲轴箱强制通风系统的作用是防止曲轴箱内气体（HC）排放到大气中，并减少活塞下行的阻力。

2）结构组成。曲轴箱强制通风控制系统的结构组成如图4-176所示，主要由曲轴箱强制通风阀（PCV阀），通风软管、出气管、机油滤清器和加热电阻等组成。图中箭头所示为曲轴箱强制通风系统中的气体流动方向。

3）工作原理。如图4-176所示，一般乘用车的曲轴箱强制通风阀位于气缸盖罩上，此系统通过空气滤清器把新鲜空气供给曲轴箱，在曲轴箱内，新鲜空气和窜入气缸的混合气先混合，混合后的气体通过气缸盖上的出气孔和PCV阀、通风软管进入进气歧管。发动机工作时，进气管处的吸力将曲轴箱内的混合气吸入进气管，与新鲜混合气一起进入气缸燃烧。

图4-176 曲轴箱强制通风系统的结构原理示意图

（4）燃油蒸气排放控制系统

1）功用。燃油蒸气排放控制系统（EVAP）的作用是收集燃油箱内蒸发的汽油蒸气，并将汽油蒸气导入气缸参加燃烧，从而防止汽油蒸气（多为HC化合物成分）直接排入大气而造成污染。同时，还必须根据发动机工况，控制导入气缸参加燃烧的汽油蒸气量。

2）结构类型。EVAP主要有机械控制式和电子控制式两种结构形式。现代汽车广泛采用电子控制式EVAP控制系统。如图4-177所示，它主要由真空控制阀、活性炭罐、电磁阀（也称净化电磁阀）及相关组件等构成。如图4-178所示为典型电子式EVAP系统在汽车上的布置图。

图4-177 电子控制式EVAP控制系统

图4-178 典型电子式EVAP系统的结构及布置

（5）二次空气供给系统

1）作用及结构组成。

①作用。二次空气供给系统的作用是在一定工况下，将新鲜空气送入排气管，促使废气中的CO和HC进一步氧化，从而降低CO和HC的排放量；同时增加TWC的升温。

②结构组成。二次空气供给系统的结构组成如图4-179所示，它主要由二次空气电磁控制阀、二次空气控制阀以及传感器和控制单元等组成。

图4-179 二次空气供给系统组成原理示意图

2）工作原理。ECU根据发动机转速、节气门开度、冷却液温度等传感器信号确定二次空气供给系统是否参与工作。

如图4-180所示，点火开关接通后，蓄电池向二次空气电磁阀供电，ECU控制电磁阀搭铁回路。电磁阀不通电时，关闭通向膜片阀真空室的真空通道，膜片阀弹簧推动膜片下移，关闭二次空气供给通道；ECU给电磁阀通电时，进气管真空度将膜片阀吸起，使二次空气进入排气管。其控制回路为：ECU→二次空气电磁控制阀VSV→真空→二次空气控制阀→新鲜空气→排气歧管。

注意：二次空气供给系统在以下状态下不工作。

①EFI进入闭环控制。

②冷却液温度超过规定。

③发动机转速和负荷超过规定。

④ECU有故障。

图4-180 二次空气供给系统控制回路