现代汽车发动机排气控制系统新技术

汽油发动机排出的有害气体的主要成分是CO、HC、NO2等。汽车发动机排放的控制和净化工作，主要由燃油蒸发排放控制系统、废气再循环(EGR)控制系统、三元催化转换控制系统及二次空气喷射控制系统等来完成。

1.燃油蒸发排放控制系统

燃油蒸发排放控制系统，又称为汽油蒸气控制回收系统，其主要作用是，通过收集燃油箱内的燃油蒸气，并将其蒸气导入气缸参加燃烧，以防止燃油蒸气直接排入大气而造成污染。

利用真空进行控制的燃油蒸发排放控制系统的组成如图2－4所示。油箱盖上不设蒸气放出阀，只有空气阀。炭罐与油箱之间由排气管和单向阀连接，当油箱内的燃油蒸气超过一定压力时，燃油蒸气会顶开单向阀经排气管进入炭罐，通过罐内活性炭将燃油蒸气吸附在炭罐内。发动机工作时，通过定量排放孔、吸气管将炭罐内的燃油蒸气吸入进气管。炭罐上端设有一个膜片式真空控制阀，膜片上方为真空室，控制阀用来控制定量排放孔的开闭。真空控制阀与进气管之间的真空管路中设有用以调节真空室的真空度的电磁阀，该电磁阀受ECU控制，可改变真空控制阀的开度，从而控制吸入进气管的燃油蒸气量，以防止使进气管吸入炭罐内的燃油蒸气后混合气变浓。炭罐下方设有进气滤芯并与大气相通，使部分干净的空气与炭罐内的燃油蒸气一起被吸入进气管。

图2－4　燃油蒸发排放控制系统的组成

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—排放孔；11—活性炭罐。

2.废气再循环(EGR)控制系统

在高温、高压条件下，空气中的氮气与氧气易发生反应生成NOx。发动机排出的NOx的多少主要取决于气缸内的最高温度，气缸内最高温度越高，排出的NOx量就越多。

EGR控制系统的功能是将适量的废气重新进入气缸参加二次燃烧，这样能够降低气缸内的最高温度，以减少NOx的排放量。为了保证发动机工作性能不受到过多影响，根据发动机的工况，控制废气的再循环量。

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ECR系统两种。在开环控制EGR系统中，ECU根据各传感器监测确定发动机工况，并根据其内存的EGR率、负荷与转速的对应关系进行控制，但是对其控制的结果不能进行检测。而在闭环控制EGR系统中，能够检测出实际的EGR率或EGR阀开度作为反馈控制信号，ECU根据此反馈信号调整EGR阀的开度，使EGR率保持在最佳值。

3.三元催化转换控制系统

三元催化转化器安装在排气管中部消声器内，主要是在300～900℃的温度下，利用含有铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等贵重金属的催化作用将发动机排出的NOx、HC、CO等有害气体转换成无害气体，实现对废气的净化。其化学反应过程如图2－5所示。

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图2－5　三元催化转换器的化学反应过程

三元催化转换器能够将有害气体转化成无害气体，其效率受诸多因素的影响，其中影响最大的因素是混合气的浓度和排气温度。

三元催化转换器的转换效率与混合气浓度的关系曲线如图2－6所示。只有在理论空燃比14.7∶1附近很窄的范围内，能够达到对三种有害气体(CO、HC、NOx)比较高的转化效率。超出这个范围，就会出现CO和HC排放正常，但NOx排放量大幅上升；或者NOx排放正常，而CO和HC排放大幅上升的情况。为将实际空燃比精确控制在标准的理论空燃比附近，通常，装有三元催化转换器的汽车上还配备氧传感器，用来检测废气中氧含量，测得氧传感器信号输送给ECU用来对空燃比进行反馈控制。

利用排气本身的热量激发催化剂的表面活性作用，其使用温度范围以活化开始温度为下限，以过热引起催化转化器故障的极限温度为上限。一般需要达到250℃以上，排气中有害成分开始转化，而发动机起动预热5 min后，才能达到此下限温度。一旦活化开始，反应放热便能够使得催化床持续保持高温。保持催化转化器高净化率、高使用寿命的理想运行条件的使用温度为400～800℃，使用温度的上限为1 000℃。当发动机的排气温度超过815℃时，三元催化转换器的转化效率将显著降低。为此，有些发动机装有排气温度报警装置，当报警装置监测到发动机温度过高发出报警时，应停机熄火，进行故障排除，查明排气温度过高的原因。排气温度过高一般是由于发动机长时间在大负荷工作或发动机故障而导致燃油燃烧不完全所致。

4.二次空气喷射控制系统

在一定工况下，将新鲜空气输进排气管，使废气中一氧化碳和碳氢化合物进一步发生氧化反应，从而降低有害气体的排放量，同时加快三元催化剂的升温。

电控二次空气喷射控制系统如图2－7所示。二次空气控制阀由舌簧阀和膜片阀组成。来自空气滤清器的二次空气进入排气管的通道受膜片阀控制，进气歧管的真空度驱动膜片阀的开闭，其真空通道由ECU通过电磁阀控制。

接通点火开关后，蓄电池即向二次空气电磁阀供电，ECU控制电磁阀搭铁回路。当电磁阀不通电时，通向膜片阀真空室的真空通道关闭，膜片阀弹簧推动膜片下移，二次空气供给通道关闭，停止向排气管内提供二次空气。ECU给电磁阀通电时，膜片阀真空室的真空通道由电磁阀开启，膜片阀被吸起，排气管内的脉动真空即可吸开舌簧阀，使排气管内进入二次空气。有些发动机的二次空气喷射控制系统，利用空气泵将新鲜空气强制送入排气管。

当电控燃油喷射系统进入闭环控制、发动机转速和负荷超过规定值、冷却液温度超过规定范围、ECU发现有故障等情况下，ECU将停止向二次空气电磁阀通电。

图2－6　三元催化转换器的转换效率与混合气浓度的关系曲线

图2－7　电控二次空气喷射控制系统

1—催化转换器；2—氧传感器；3—二次空气控制阀；4—二次空气电磁控制阀；5—点火开关；6—发动机转速传感器；7—发动机冷却液温度传感器；8—节气门位置传感器。